JP6205057B2 - 二次電池の電極タップ溶接方法及びこれを用いて製造された電極組立体 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を構成する電極タップとリード部との間の溶接時に発生する絶縁不良を改善できる二次電池の電極タップ溶接方法及びこれを用いて製造された電極組立体に関する。

最近、モバイル機器に対する需要が急激に増加すると共に、モバイル機器に適用される二次電池の需要も増加しており、これによって、二次電池に対する技術的研究も活発に行われている。

一般に、二次電池は、再充電が可能で、小型化及び大容量化が可能な電池であって、代表的にはリチウム（Ｌｉ）二次電池が使用されている。

しかし、上述したように、二次電池は、再充電が可能で、環境にやさしいエネルギー源であるにもかかわらず、二次電池の安定性と関連しては継続して問題が提起されている。

すなわち、一般に、二次電池内では電池内の非正常的なエネルギー変換による温度上昇によって各種化学反応が誘発され、その結果、発火及び爆発などのように二次電池の安定性が低下するという問題が発生する。

具体的に、二次電池は、高温への露出または外部短絡などによって短い時間内に大きな電流が流れる場合、ＩＲ発熱によって電池が加熱されながら発熱、発火、爆発などの危険な状態がもたらされ得るので、二次電池の耐久性を向上させる必要がある。

従来の二次電池においては、図１に示したように、電池ケース１の内部に正極板／分離膜／負極板が交互に積層された電極組立体２が内蔵される。そのうち、正極板はアルミニウムまたはアルミニウム合金を基材として製作され、負極板は銅などを基材として製作される。

そして、このような二次電池は、それぞれの極板にリード部４と連結されるための電極タップ３が電極組立体２の一側に突出している。リード部４は、それぞれの極板を外部端子と連結させる機能を有するものであって、リード部４と電極タップ３は主に溶接を通じて連結され、溶接作業時に溶接部Ｗが形成される。

しかし、抵抗溶接過程において、溶接時、電極タップ３とリード部４との間には溶接棒によって溶接部が融着しながら多数のナゲットが発生する。そして、このような過程で微細な金属粒子などの異物が飛散しながらリード部４側に移動し、後続工程である電池ケース１のシーリング時にリードフィルム４'を破壊し、絶縁不良を誘発するという問題があった。

本発明は、電極タップとリード部とを溶接を通じて連結するとき、溶接によって誘発される金属粒子の飛散を予防し、絶縁不良率を著しく減少できる溶接方法及びこれを用いて製造された電極組立体を提供することを目的とする。

本発明の一具現例に係る電極タップ溶接方法は、電池に備えられた電極板から突出形成された電極タップと、前記電極タップを外部端子と電気的に連結し、表面にリードフィルムを備えたリード部とを連結するメイン溶接段階を含み、前記メイン溶接段階は、前記電極タップと前記リード部とが重畳する一部の区間に溶接部を形成させ、前記溶接部と前記リードフィルムとの間に未溶接区間を形成させることを特徴とする。

本発明の他の具現例に係る電極タップ溶接方法は、前記メイン溶接段階前に多数が積層されている前記電極タップ間の連結のために溶接を行う仮溶接段階をさらに含むことができる。

本発明のまた他の具現例に係る電極タップ溶接方法は、前記仮溶接段階以後に前記電極タップの仮溶接されていない端部を切断するタップカッティング段階をさらに含むことができる。

本発明のまた他の具現例に係る電極タップ溶接方法において、前記メイン溶接段階は、未溶接区間の位置を指定できる溶接ガイド部材を用いて行うことができる。

本発明のまた他の具現例に係る電極タップ溶接方法において、前記電極板は負極板であり得る。

本発明のまた他の具現例に係る電極タップ溶接方法において、前記電極板は正極板であり得る。

本発明の一具現例に係る電極組立体は、電池に備えられた電極板から突出形成された電極タップと、前記電極タップを外部端子と電気的に連結し、表面にリードフィルムを備えており、前記電極タップと一部の区間で重畳したリード部と、前記電極タップと前記リード部とが重畳した一部の区間に形成された溶接部と、前記溶接部と前記リードフィルムとの間に形成された未溶接区間とを含むことができる。

本発明の他の具現例に係る電極組立体において、前記電極板は負極板であり得る。

本発明のまた他の具現例に係る電極組立体において、前記電極板は正極板であり得る。

本発明の一具現例に係る二次電池の電極タップ溶接方法は、電極タップとリード部とを電気的に連結する溶接部とリードフィルムとの間の距離を一定に維持できるように未溶接区間を形成することによって、溶接過程で発生する金属粒子がリードフィルム側に飛散して移動することを防止し、絶縁不良現象を著しく減少できるという長所を有する。

また、本発明の一具現例に係る二次電池の電極タップ溶接方法は、溶接ガイド部材を用いてメイン溶接段階を行うことによって、一定の絶縁効果を有する二次電池を生産できるという長所も有する。

一般的な二次電池における電極タップ３とリード部４との連結構造を示した図である。 本発明の一具現例によって二次電池の絶縁不良率を減少できる電極タップ溶接方法の作業順序図である。 溶接作業を行う前の電極タップ及び電池セルの概略的な構造を示した図である。 図３に示した電極タップに仮溶接を行った状態を示した図である。 図４に示した仮溶接部分の端部をカッティングする状態を示した図である。 図５に示したカッティングされた電極タップとリード部との連結状態を示した図である。 図６に示した電極タップとリード部との連結構造を示した図である。 本発明の一具現例に係るメイン溶接段階を行う状態を概略的に示した図である。 電極タップとリード部との間に未溶接区間が形成されていない溶接結果物を示す写真である。 本発明の一具現例によって電極タップとリード部との間に未溶接区間が形成された溶接結果物を示す写真である。 未溶接区間の形成有無による絶縁不良率を示したグラフである。 本発明のメイン溶接段階の遂行時に溶接ガイド部材を使用して溶接を行う状態を概略的に示す図である。

以下では、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるようにするために、本発明の好ましい各実施例に関して添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一具現例に係る二次電池の絶縁不良率を減少できる電極タップ溶接方法は、図２に示したように、仮溶接段階（Ｓ１００）、タップカッティング段階（Ｓ２００）、及びメイン溶接段階（Ｓ３００）を含む。

図３〜図７は、本発明に係る溶接方法の遂行によって変化する電池セル１０及び電極タップ１００の構造を概略的に示したものであって、概念的な説明のために一つの電極タップ１００のみを示した。

まず、溶接前の電極タップ１００は、図３に示すように、多数の極板が積層された状態で電池セル１０上に上側に突出するように連結されている。このような状態で仮溶接段階（Ｓ１００）を行う場合、図４に示したように、電極タップ１００上に仮溶接部１０１が形成される。

具体的に、仮溶接段階（Ｓ１００）は、積層された多数の電極タップ１００間の連結を行うためのものであって、抵抗溶接を通じて行われる。抵抗溶接は、導体に流れる電流に対する内部の電気抵抗によって熱が発生し、電極タップ１００に溶接棒４００を通じて圧力を加えた状態で大きな電流を流し、金属または異種金属間の接触面で発生する接触抵抗と金属の固有抵抗によって熱を獲得し、これによって金属が加熱または溶融されながら、加えられた圧力によって接合が行われる工法である。

すなわち、積層された電極タップ１００の上面と下面に溶接棒４００を通じて圧力を加えた状態で電流を流すと、電極タップ１００が溶融されながら加圧によって互いに結合され、このような過程で仮溶接部１０１上には内側に陥没するナゲットＮが形成される。

このような仮溶接段階（Ｓ１００）は、後続工程であるタップカッティング段階（Ｓ２００）が容易に行われるように多数の電極タップ１００を一束に集めた後で行うことができ、このような仮溶接段階（Ｓ１００）を通じてメイン溶接段階（Ｓ３００）での溶接打数を減少させるという効果がある。

一方、仮溶接段階（Ｓ１００）後にタップカッティング段階（Ｓ２００）が行われる。

タップカッティング段階（Ｓ２００）は、仮溶接段階（Ｓ１００）で溶接されていない端部を切断して除去する段階であって、仮溶接部１０１の両側境界末端間をカッティングし、仮溶接部１０１のカッティングされた末端に仮溶接されていない部分が残ることを防止することによって、仮溶接されていない部分を確実に分離して除去できるように行う（図５参照）。これによって、タップカッティング段階（Ｓ２００）が行われた仮溶接部１０１の末端は、溶接された末端を形成するようになる。

一方、前記仮溶接段階（Ｓ１００）後にはメイン溶接段階（Ｓ３００）が行われる。

メイン溶接段階（Ｓ３００）は、電極タップ１００とリード部２００とを電気的に連結する段階である。

リード部２００は、電極タップ１００と外部端子とを電気的に連結させる機能を有するものであって、前記リード部２００にはリードフィルム２０１が付着している。

リードフィルム２０１は、リード部２００のシーリング時、電池ケース（図示せず）とリード部２００との間の接着部材としての役割をし、リード部２００によって電池ケースが損傷することを防止する機能を有する。

このような構造を有するリード部２００は、図５及び図９に示すように、電極タップ１００とリード部２００の各端部が互いに接触できるように積層させた後、一対の溶接棒４００を電極タップ１００の上面とリード部２００の下面に接触させた後で加圧する。

その後、溶接棒４００に電流を印加すると、電極タップ１００とリード部２００とが溶接によって連結されながら、電極タップ１００の上面には溶接棒４００の高温及び高圧によってナゲットＮが形成される。

このような過程でナゲットＮから銅などの電極タップ１００の基材として使用される金属粒子が飛散するようになり、このように飛散した粒子は、溶接部Ｗから離脱してリードフィルム２０１に移動するようになる。

また、タップカッティング段階（Ｓ２００）で電極タップ１００の端部に残存する各金属粒子もメイン溶接段階（Ｓ３００）で活発に浮遊するようになる。

したがって、本発明である二次電池の絶縁不良率を減少できる電極タップ溶接方法は、メイン溶接段階（Ｓ３００）で電極タップ１００とリード部２００とが連結される部分に未溶接区間Ａを形成し、飛散した金属粒子がリードフィルム２０１に移動することを防止することができる。

一方、実験を通じて、本発明に係る未溶接区間Ａを形成させる溶接方法が絶縁不良率を著しく減少させる結果を確認した。

すなわち、図９は、メイン溶接段階（Ｓ３００）で電極タップ１００を端部まで溶接する場合（すなわち、未溶接区間を形成していない場合）を示した図で、図１０は、電極タップ１００の端部に未溶接区間Ａを形成しながらメイン溶接を行う場合を示した図である。

図１１は、メイン溶接段階（Ｓ３００）の遂行時、未溶接区間Ａの形成有無による絶縁不良率を示したグラフである。図１１において、横軸は絶縁不良実験対象（サンプル）を意味し、縦軸は絶縁不良率を意味する。横軸に示したＤ０６〜Ｄ２０サンプルは未溶接区間Ａを形成していない場合であって、その絶縁不良率が０．１５〜０．８（％）として比較的広い範囲で流動する一方、未溶接区間Ａを形成したＥ０７〜Ｅ１４サンプルは、絶縁不良率が著しく減少しただけでなく、絶縁不良率の偏差も大きくないことを確認することができる。

これは、未溶接区間Ａを形成した場合、作業者の熟練度及び環境などとは関係なく絶縁不良率が一定に減少したことを裏付ける結果であると解釈される。

また、このような未溶接区間Ａの正確な位置を指定するために、図１２に示したように、未溶接区間Ａの長さを測定できる溶接ガイド部材３００を使用してメイン溶接段階（Ｓ３００）を行うことができる。

溶接ガイド部材３００は、ガイド板３１０、ガイドレールバー３２０、及び連結部材３３０を含むことができる。

ガイド板３１０は、一定長さを有する棒状であり、電極タップ１００上で未溶接区間Ａの位置を案内する機能を有し、スリット溝が形成されたガイドレールバー３２０上で上下に動くことができる。そして、ガイドレールバー３２０は、電池セル１０に連結部材３３０を介して連結することができる。

したがって、作業者は、メイン溶接段階（Ｓ３００）の遂行時、電極タップ１００から一定距離になる地点にガイド板３１０を位置させた後、その地点までのみ溶接を行い、未溶接区間Ａを一定に確保することによって金属粒子の飛散を効率的に防止できるようになる。すなわち、未溶接区間Ａを形成することによって、金属などの異物がリードフィルム２０１に飛散して移動することを防止できる一方、このような未溶接区間Ａが過度に広く形成される場合は、むしろ電極タップ１００とリード部２００との間の電気的連結性が低下し得るので、前記溶接ガイド部材３００を用いて異物の飛散防止及び電極タップ１００とリード部２００との間の電気的連結性を均衡的に達成できるようになる。

以上では、本発明を具体的な構成要素などの特定事項と限定された実施例及び図面によって説明したが、これは、本発明のより全般的な理解を促進するために提供されたものに過ぎなく、本発明が前記各実施例に限定されることはなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、このような記載から多様な修正及び変形を図ることが可能であろう。

１ 電池ケース
２ 電極組立体
１０ 電池セル
３、１００ 電極タップ
１０１ 仮溶接部
４、２００ リード部
４'、２０１ リードフィルム
３００ 溶接ガイド部材
４００ 溶接棒
Ａ 未溶接区間
Ｎ ナゲット
Ｗ 溶接部

Claims (7)

1. 溶接過程において発生した異物がリードフィルムに飛散するのを防止した、電極タップ溶接方法であって、
   仮溶接段階と、タップカッティング段階と、メイン溶接段階とを含んでなるものであり、
   前記仮溶接段階は、積層された複数の前記電極タップ間の連結を行うものであり、
   前記タップカッティング段階は、前記仮溶接段階後に、前記電極タップに仮溶接されていない端部を切断するものであり、
   前記メイン溶接段階は、電池に備えられた電極板から突出形成された前記電極タップと、前記電極タップを外部端子と電気的に連結し、表面にリードフィルムを備えたリード部と、を連結するものであり、
   溶接ガイド部材を用いて未溶接区間の位置を指定し、
   前記電極タップと前記リード部とが重畳する一部の区間に溶接部を形成させ、前記溶接部と前記リードフィルムとの間に未溶接区間が形成されるように実行するものである、電極タップ溶接方法。
2. 前記仮溶接段階が、前記電極タップの上面と下面とを加圧し、電流を印加して行われるものである、請求項１に記載の電極タップ溶接方法。
3. 前記メイン溶接段階が、前記電極タップの上面と前記リード部の下面とを加圧し、電流を印加して行われるものである、請求項１又は２に記載の電極タップ溶接方法。
4. 前記溶接ガイド部材が、ガイド板と、ガイドレールバーと、連結部材とを備えてなるものである、請求項１〜３の何れか一項に記載の電極タップ溶接方法。
5. 前記溶接ガイド部材における前記ガイド板を、前記電極タップから測定した地点に位置させ、前記地点まで溶接し、指定した位置に前記未溶接区間を形成してなる、請求項４に記載の電極タップ溶接方法。
6. 前記電極板が負極板である、請求項１〜５の何れか一項に記載の電極タップ溶接方法。
7. 前記電極板が正極板である、請求項１〜５の何れか一項に記載の電極タップ溶接方法。