JP6246822B2

JP6246822B2 - 角形電池ケースの製造方法

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Publication number: JP6246822B2
Application number: JP2015539520A
Authority: JP
Inventors: ヒョンソクハン; サンボンナム; ヒャンモクイ; ウクヒジャン; サンソクジョン
Original assignee: エルジー・ケム・リミテッド
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: EP2874199A1; KR20150034946A; EP2874199A4; JP2015531986A; WO2015046696A1; TWI525875B; TW201530852A

Description

本発明は、角形電池ケースの製造方法に関し、より詳細には、角形電池ケースの本体を押出工程及び複数回の引抜工程によって製造することにより、本体の厚さを、要求する厚さに製造するとともに、本体にクラックなどが発生することを防止し、不良率を減少させる角形電池ケースの製造方法に関する。

モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、このような二次電池のうち高いエネルギー密度と放電電圧のリチウム二次電池に対して多くの研究が行われており、また、実用化されて広く用いられている。

二次電池は、電池ケースの形状に応じて、ゼリーロールが円筒形または角形の金属缶内に内蔵されている円筒形電池または角形電池と、ゼリーロールがアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池に分類される。

また、電池ケースに内蔵される電極組立体は、正極/分離膜/負極の積層構造からなる充放電が可能な発電素子であって、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在して巻取った折りたたみ型電極組立体(ゼリーロール)と、所定大きさの多数の正極と負極とを分離膜が介在された状態で順次積層したスタック型電極組立体とに分類される。そのうち、ゼリーロールは製造が容易で、重量当たりのエネルギー密度が高いメリットがある。

図1には、前記ゼリーロールを含んでいる角形電池の分解斜視図が示されており、図2には、図1の電池ケースの垂直断面図が示されている。

図1に示されたように、角形電池1は、ゼリーロール10が角形のケース20に内蔵されており、ケース20の開放上端に突出型電極端子が形成されているトップキャップ30が結合されている構造からなっている。

ゼリーロール10の負極は、負極タブ12を介してトップキャップ30上の負極端子32の下端に電気的に連結され、そのような負極端子32は、絶縁部材34によってトップキャップ30から絶縁されている。反面、ゼリーロール10の他の電極は、その正極タブ14がアルミニウム、ステンレス鋼などの導電性素材からなっているトップキャップ30に電気的に連結され、それ自体で正極端子を形成する。

また、電極タブ12、14を除いて、ゼリーロール10とトップキャップ30との電気的絶縁状態を保障するために、角形ケース20とゼリーロール10との間にシート状の絶縁部材40を挿入したあと、トップキャップ30を取り付けて、トップキャップ30とケース20の接触面に沿って溶接してこれらを結合させる。次に、電解液注入口43を介して電解液を注入した後、金属ボール(図示せず)を溶接して密封し、エポキシなどで溶接部位を塗布することにより電池が完成される。

一方、このような構造の二次電池のケースは、一般に多段階の深絞り加工法により作製され、図2のように、角形のケース20の側壁厚さがそれぞれの面で同じように成形(A= A')される。このような深絞り加工法は、板材から最終的な中空ケースまで一連の連続的な工程により製造することができるので、工程の効率が高いとのメリットを有する反面、次のようないくつかの問題点がある。先ず、深絞り加工法は、略10段階以上の複雑かつ精巧な工程を経るので、そのための装置の製作コストが非常に高く、第二に、深絞り加工が可能な素材の種類が非常に限定的であるため、望む物性の電池ケースを得難いなどの問題点がある。

したがって、従来は、このような深絞り加工法による角形電池ケースを製造する限界を補完するために、押出成形工程により角形中空本体を製造し、鍛造、ブランキングまたは切削工程などにより中空本体の下端に密着され得る密封部材を製造した後、これらを溶接させて下端が密封された角形中空電池ケースを製造した。

ところが、押出成形工程により角形中空本体を製造する場合には、少なくとも成形厚さが0.7〜0.8tであって、その厚さを最小化するには限界がある。一方、現在、電池ケースの要求厚さは略0.3〜0.5tであり、従来のような押出成形工程を介しては、これらの要求厚さを満たすことができないのが実情である。

前述した問題点を解決するための大韓民国登録特許公報第1182643号(先行文献)は、電池ケースを押出成形工程及び引抜成形工程により作製する技術に関するものであって、素材を押出成形工程により中空押出材で成形した後、前記中空押出材を引抜成形工程により成形して要求する厚さが充足された電池ケース本体を製造し、別に密封部材を製造し、これらの接合によって電池ケースを作製する。

前記した従来の電池ケースの製造方法は、押出された中空押出材を1度の引抜工程により要求される厚さに成形するため、中空押出材の変形の程度がひどく、電池ケース本体にクラックが発生するなど不良率が高いとの問題があった。

また、電池ケース本体と密封部材は、単に超音波ブレイジング溶接により接合されるので、溶接不良が発生したとき、不良領域に電解液が漏洩するとの問題点があった。

大韓民国登録特許公報第1182643号

本発明は、前記のような問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、角形電池ケースの本体を押出工程及び複数回の引抜工程によって製造することにより、本体の厚さを要求する厚さに製造するとともに、本体にクラックなどが発生することを防止し、不良率を減少させる角形電池ケースの製造方法を提供することにある。

前記目的は、本発明により、(a)素材を両端が開放された角形の中空材に押出する段階; (b)前記中空材の厚さが目的とする厚さに達するように前記中空材を複数回引抜く段階; (c)前記引抜きされた中空材を一定の長さに切断して本体を作製する段階; (d)前記本体の開放された一端に対応する形状に密閉カバーを加工する段階;及び(e)前記密閉カバーを前記本体の開放された一端に接合する段階;によって達成される。

ここで、前記段階(e)は、レーザー溶接によって行われ得る。

また、前記段階(b)は、前記中空材を引抜くたびに、前記中空材の厚さが15％から25％の範囲内で変化するように前記中空材を引抜くことができる。

さらに、前記段階(b)の各引抜段階が行われた後、(b')前記引抜きされた中空材を熱処理する段階をさらに含むことができる。

また、前記段階(b')は、最後の引抜段階後には行われなくてもよい。

また、前記段階(b')の引抜きされた中空材の熱処理は、アニーリング(annealing)によって行われ得る。

さらに、前記段階(c)の後、(c')前記本体の開放された一端内部に漏洩防止溝を加工する段階;及び前記段階(d)後、(d')前記密閉カバーが前記本体の開放された一端内部に引入れられるように形成された突出部、及び前記突出部の側面上に形成される漏洩防止突起を加工する段階をさらに含むことができる。

また、前記段階(e)前、(e')前記密閉カバーの突出部を前記本体の内部に引入れ、前記漏洩防止突起を前記漏洩防止溝に挿入する段階をさらに含むことができる。

また、前記段階(c)後、(c'')前記本体の開放された一端に接合溝を加工する段階;をさらに含み、前記段階(e)は、前記密閉カバーを前記本体の接合溝に挿入した後、接合させる段階であり得る。

一方、前記本体及び密閉カバーは、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、鉄(Fe)、ステンレス鋼(SUS)、セラミック、ポリマー及びそれらの等価物から選ばれた何れかで形成され得る。

前述した本発明のいくつかの段階によって角形電池ケースを製造することができる。

これにより、本発明は、次のような効果を有する。
第一、角形電池ケースの本体を押出工程及び複数回の引抜工程によって製造することにより、本体の厚さを要求する厚さに製造するとともに、本体にクラックなどが発生することを防止し、不良率を減少させるとの効果がある。

第二、各引抜工程が行われた後、引抜きされた中空材を熱処理することにより、中空材の硬度と強度を下げて成形性を向上させ、次の引抜工程時に不良が発生することを防止するとの効果がある。

第三、本体と密閉カバーに漏洩防止溝及び漏洩防止突起を形成することにより、電池ケース内部の電解液が外部に漏洩することを防止するとの効果がある。

ゼリーロールが含まれている角形電池の分解斜視図である。図1に示された角形電池の電池ケースの断面図である。本発明に係る角形電池ケースの製造方法を示すフローチャートである。本発明に係る角形電池ケースの製造方法により作製される本体及び密閉カバーの多様な形状及びこれらの接合状態を示す図である。本発明に係る角形電池ケースの製造方法により作製される本体及び密閉カバーの多様な形状及びこれらの接合状態を示す図である。本発明に係る角形電池ケースの製造方法により作製される本体及び密閉カバーの多様な形状及びこれらの接合状態を示す図である。本発明に係る角形電池ケースの製造方法により作製される本体及び密閉カバーの多様な形状及びこれらの接合状態を示す図である。

本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的且つ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は、自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるとの原則に立脚して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されるべきである。

したがって、本明細書に記載された実施例と図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想の全てを代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替することができる多様な均等物と変形例等があり得ることを理解しなければならない。また、本発明を説明するにあたり、関連の公知技術などが本発明の要旨を濁し得ると判断される場合には、それに関する詳細な説明は省略する。

以下、図を参照して、本発明の好適な実施例に係る角形電池ケースの製造方法に関して検討してみる。

本発明に係る角形電池ケースの製造方法は、両端が開放されている角形の中空本体と、前記本体の開放された一端に対応する形状の密閉カバーとをそれぞれ製造し、これらを結合させた後、接合する過程で構成されている。本発明で用いられる用語の角形は、ケースの断面形状が円形または楕円形などのような曲線ではない、直線部位を含んでいることを包括的に表現するように意図されており、例えば、三角形、四角形及び五角形などを例として挙げることができ、好ましくは一対の辺(長辺)が対応する他の一対の辺(短辺)より長い長方形であり得る。また、2つの直線部が出合う角部がラウンディングされている形状も含む概念である。

図3は、本発明に係る角形電池ケースの製造方法を示すフローチャートである。

図3に示す通り、示された角形電池ケースの製造方法は、素材50を両端が開放された角形の中空材60で押出する段階(a)と、中空材60の厚さが目的する厚さに達するように中空材60を複数回引抜く段階(b)と、引抜きされた中空材60を一定の長さに切断して本体100を作製する段階(c)と、本体100の開放された一端に対応する形状に密閉カバー200を加工する段階(d)と、密閉カバー200を本体100の開放された一端に接合する段階(e)とを含む。

先ず、段階(a)は、用意された素材50を押出工程によって中空材60に成形する段階である。

前記段階(a)は、中空材60の形状に対応されるキャビティが設けられた金型に素材50を加圧して押出させることで、素材50を中空材60に加工することとなる。ここで、素材50は、押出工程を行うことができるアルミニウム(Al)、銅(Cu)、鉄(Fe)、ステンレス鋼(SUS)、セラミック、ポリマー及びそれらの等価物から選ばれた何れかの材料からなり得るが、必ずしもこれに限定されるものではない。前記段階(a)を行う押出装置は、従来広く用いられている公知の装置であるので詳細な説明は省略する。

さらに、段階(b)は、押出成形された中空材60を複数回引抜きする段階である。

一般に、引抜工程は、素材をこれより断面積が小さい寸法のダイスに通過させて引抜き、ダイスの断面のような形状の製品を得る加工法をいう。

本発明の段階(b)もまたダイス70が設けられダイス70を中空材60が通過することにより、中空材60の厚さが薄くなることになる。本発明の段階(b)は、前記引抜工程を複数回進めることによって、中空材60の厚さを目的する厚さに達するようにする。引抜工程が複数回進められるほど中空材60の厚さが薄くならなければならないので、各引抜工程のダイス70、71、72の内部寸法は漸次小さくなるように形成されなければならない。

前記のように、本発明の段階(b)は、中空材60を複数回引抜して中空材60の厚さを目的する厚さに達するようにするので、1度の引抜工程における中空材60の厚さ変化が比較的大きくない。従来は、たった1度の引抜工程により中空材60の厚さを目的する厚さに達するようにしたため、中空材60の変形程度がひどく、中空材60にクラックが頻繁に発生するようになり、これにより不良率が高くなる問題があった。しかし、本発明の場合は、1度の引抜工程ではない、複数回の引抜工程を経て中空材60の厚さを目的する厚さに達するようにするので、1度の引抜工程時に中空材60の変形程度がひどくなく、中空材60にクラックが発生することを防止することとなる。

さらに、前記段階(b)の各引抜工程は、中空材60の厚さが15％から25％内でのみ変化するように中空材60を引抜くこととなる。1度の引抜工程時に、中空材60の厚さが25％を超えて変化することとなると、中空材60の厚さ変形によってクラックが発生する確率が高くなるため、中空材60の厚さは25％以内でだけ薄くなることが好ましい。また、中空材60の厚さを15％未満に変化させるときには、引抜きされた中空材60にクラックが発生されはしないが、各引抜工程を何度もさらに実施する必要があるので、このためのダイス作製コストが増加することになって製造コストが上昇することとなる。したがって、1度の引抜工程時の中空材60の厚さ変化は15％から25％が最も理想的である。

一方、本発明は、段階(b)の各引抜段階が行われた後、引抜きされた中空材60を熱処理する段階(b’)をさらに含む。

一般に、熱処理(heat treatment)は、加熱、冷却などの操作を適切な速度で行い、その材料の特性を改良するものであって、焼入れ(ケンチング、quenching)、焼戻し(テンパリング、tempering)、焼きなまし(アニーリング、annealing)などがある。

このうち、焼きなまし(アニーリング、annealing)は、金属材料を適当に加熱することにより、材料の内部構造の中に残っている熱履歴及び加工による影響を除去するものであって、金属などの内部の変形を正すために材料を一定温度まで加熱して徐々に冷やす熱処理方法である。前記焼きなまし(アニーリング、annealing)は、材料の硬度と強度を下げて成形性を向上させ、一定の組織を得るために実施するもので、本発明の段階(b’)の熱処理は、焼きなまし(アニーリング、annealing)が行われることが好ましい。

すなわち、本発明の段階(b’)は、それぞれの引抜段階が実行された後、引抜きされた中空材60を焼きなまし(アニーリング、annealing)により熱処理し、成形性を向上させることにより、次の引抜工程時に引抜成形が一層容易に行われ得るようにするものである。

さらに、前記本発明の段階(b’)の熱処理段階は、段階(b)の各引抜段階のうち最後の引抜段階後には行なわれないことが好ましい。これは、引抜工程により得ることができる中空材60の機械的特性をそのまま維持するためである。

一方、前記段階(c)は、複数回引抜きされた中空材60を切断する段階である。

前記段階(c)は、中空材60を別に設けられたカッティング装置(図示せず)によって一定の長さに切断する段階である。ここで、前記一定の長さは、要求される製品の長さに対応する長さであって、製品に応じて前記長さは可変され得る。すなわち、複数回引抜きされ、目的する厚さに達した中空材60は、前記カッティング装置によって一定の長さに切断され、本体100に作製されるものである。前述した中空材60を切断する切断装置は、従来広く用いられている公知の装置であるため詳細な説明は省略する。

一方、前記段階(d)は、密閉カバー200を加工する段階である。

密閉カバー200は、素材50をプレス加工などを介して本体100の開放された一端に対応する形状に加工される。前記した密閉カバー200は、プレス加工により作製可能であるが、必ずしもこれに限定されず、切削加工、鍛造加工など、幾つかの加工方法によって作製され得る。

前述したように作製された本体100及び密閉カバー200は、洗浄液などにより洗浄された後、密閉カバー200を本体100の開放された一端に接合する段階(e)が行われる。

前記段階(e)は、本体100の開放された一端に密閉カバー200を接触させた後、レーザー溶接機300によってレーザー310を照射し、本体100と密閉カバー200の接触面を互いに溶接させる段階である。このとき、本体100と密閉カバー200が互いに接合される接合面は、多様な形状に形成され得る。

以下では、本体100及び密閉カバー200が互いに接合される接合面の加工段階、及び加工により形成される接合面の多様な形状に対して、好ましい実施例を挙げて詳細に説明する。

＜接合面の第1実施例＞
前記段階(c)の後、図4aに示したように、本体100の漏洩防止溝110を加工する段階(c')をさらに含む。前記漏洩防止溝110は、本体100の開放された一端内部に加工される溝であって、切削加工などの方法により本体100の内部に加工される。

さらに、前記段階(d)の後、密閉カバー200に突出部210と漏洩防止突起220を加工する段階(d')をさらに含む。突出部210は本体100の内部中空に対応する形状に加工され、漏洩防止突起220は突出部210の側面方向に漏洩防止溝110に対応する形状を有するように突出加工される。前記突出部210及び漏洩防止突起220は、切削加工、鍛造加工などにより成形することができるが、必ずしもこれに限定されることはない。

前記のように、本体100に漏洩防止溝110が加工され、密閉カバー200に突出部210と漏洩防止突起220が加工されると、前記段階(e)の前、密閉カバー200の突出部210を本体100の中空部に引入れる段階(e') が行なわれる。前記のように突出部210が本体100の中空部に引入れられることにより、漏洩防止突起220が本体100の漏洩防止溝110に挿入されて結合される。(図4bを参照)

その後、図4bのように、レーザー溶接機300によって、レーザー310が本体100と密閉カバー200との間に照射され、本体100と密閉カバー200を互いに接合させる段階(e)が行われることとなる。

前述したように、本体100と密閉カバー200が接合されると、漏洩防止溝110及び漏洩防止突起220によって本体100と密閉カバー200の接合面が複数回折曲された形態となる。すなわち、溶接不良が発生しても、本体100と密閉カバー200の接合面が複数回折曲された形態に形成されるため、本体100内部の電解液が外部に漏洩されることが最大に防止される。

＜接合面の第2実施例＞
前記段階(c)の後、図5aに示したように、本体100'に接合溝110'を加工する段階(c'')をさらに含む。前記接合溝110'は、本体100'の開放された一端を外部から内部側に切削して加工するものであって、接合溝110'の一部が本体100'の外部に開口された形態に形成される。前記接合溝110'は、前述したように切削加工によって形成され得るが、必ずしもこれに限定されはしない。

前記のように、本体100'の開放された一端に接合溝110’が形成されると、本発明の段階(d)は、前記接合溝110'に対応される形状に密閉カバー200’を加工することとなる。

前記接合溝110’に対応される形状に加工される密閉カバー200’は、本体100'の接合溝110’に挿入され、その後、図5bのように、レーザー溶接機300’により、レーザー310'が本体100'と密閉カバー200’との間に照射され、本体100'と密閉カバー200’を互いに接合させる段階(e)が行われることとなる。

前述のような構成を有する本発明に係る角形電池ケースの製造方法は、角形電池ケースの本体100、100'を押出工程及び複数回の引抜工程により製造することにより、本体100、100'の厚さを要求する厚さに製造するとともに、本体100、100'にクラックなどが発生することを防止し、不良率を減少させるとの効果がある。

また、各引抜工程が行われた後、引抜きされた中空材60を熱処理することにより、中空材60の硬度と強度を下げて成形性を向上させ、次の引抜工程時に不良が発生することを防止するとの効果がある。

さらに、本体100と密閉カバー200に漏洩防止溝及び漏洩防止突起を形成することにより、電池ケース内部の電解液が外部に漏洩することを防止するとの効果がある。

以上、本発明に係る角形電池ケースの製造方法に対する好適な実施例に関して説明した。

前述した実施例は全ての面で例示的なものであり、限定的なものではないものとして理解されるべきであり、本発明の範囲は、前述の詳細な説明よりは後述される特許請求の範囲によって表されるはずである。さらに、本特許請求の範囲の意味及び範囲はもちろん、その等価概念から導出される全ての変更及び変形可能な形態が本発明の範疇に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims

(a)素材が、両端が開放された角形の中空材になるよう押出する段階;
(b)前記中空材の厚さが目的とする厚さに達するように前記中空材を独立的に複数回引抜き、独立的に1回引抜く度に前記中空材の厚さが１５%以内で変化するようにする段階;
(c)前記引抜きされた中空材を一定の長さに切断して電池ケースの本体を作製する段階;
(d)前記本体の開放された一端に対応する形状に密閉カバーを加工する段階;及び
(e)前記密閉カバーを前記本体の開放された一端に接合する段階;を含み、
前記(e)段階前に製作された本体及び密閉カバーを洗浄液により洗浄する段階をさらに含み、
前記本体及び密閉カバーは金属で形成される角形電池ケースの製造方法。
前記段階(e)は、
レーザー溶接によって行われることを特徴とする請求項 1 に記載の角形電池ケースの製造方法。
前記段階(b)の各引抜段階が行われた後、
(b')前記引抜きされた中空材を熱処理する段階をさらに含む請求項 1 に記載の角形電池ケースの製造方法。
前記段階(b)で最後に行われる引抜段階を除き、各引抜段階が行われた後に前記引抜きされた中空材を熱処理する段階をさらに含む請求項１に記載の角形電池ケースの製造方法。
前記段階(b')の引抜きされた中空材の熱処理は、一定の温度まで加熱して徐々に冷やす方式で行われることを特徴とする請求項３に記載の角形電池ケースの製造方法。
前記段階(c)の後、
(c')前記本体の開放された一端内部に、漏洩防止溝を加工する段階;及び前記段階(d)の後、
(d')前記密閉カバーが前記本体の開放された一端内部に引入れられるように前記密閉カバー上に形成された突出部、及び前記突出部の側面上に形成される漏洩防止突起を加工する段階をさらに含む請求項1に記載の角形電池ケースの製造方法。
前記洗浄する段階以後の段階(e)前に、
(e ')前記密閉カバーの突出部を前記本体の内部に引入れ、前記漏洩防止突起を前記漏洩防止溝に挿入する段階をさらに含む請求項６に記載の角形電池ケースの製造方法。
前記段階(c)の後、
(c'')前記本体の開放された一端に接合溝を加工する段階;をさらに含み、
前記段階(e)は、
前記密閉カバーを前記本体の接合溝に挿入した後、接合させる段階であることを特徴とする請求項1に記載の角形電池ケースの製造方法。
前記本体と密閉カバーは、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、鉄(Fe)及びステンレス鋼(SUS)から選ばれた何れかで形成されることを特徴とする請求項1に記載の角形電池ケースの製造方法。