JP7301110B2 - 二次電池用レーザー溶接方法およびレーザー溶接装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は超薄膜溶接部位の溶接品質を向上させ得る二次電池用レーザー溶接方法およびレーザー溶接装置に関する。

二次電池は正極、負極および前記正極と負極の間に介在されたセパレータを具備した電極組立体および前記電極組立体に含浸されている電解液を具備したセルを含む。

一般的に二次電池の電極組立体は負極または正極活物質層が薄膜形態の基材に形成され、活物質層が形成されていない無地部上に負極または正極基材タブが形成される構造である。通常、基材タブに別途のマルチタブを接合するために超音波溶接が使われる。

しかし、超音波溶接の場合、外観検査で溶接の有無程度しか判断できず、弱溶接状態（溶接が正しくなされていないため溶接部位の接合強度が低い状態）などの溶接不良は判定できない問題がある。また、超音波溶接部位の検査は、外観検査以外には別途の全数品質検証方法がないため超音波溶接の信頼性を確保し難い問題がある。これを解決するためにレーザー溶接を適用する場合、溶融方式の溶接を超薄膜基材に適用することによる貫通リスクがあるためレーザー溶接を適用することも容易でない問題がある。

このような発明の背景となる技術に開示された前述した情報は本発明の背景に対する理解度を向上させるためのものに過ぎず、したがって従来技術を構成しない情報を含むこともある。

本発明の目的は、超薄膜溶接部位の溶接品質を向上させ得る二次電池用レーザー溶接方法およびレーザー溶接装置を提供することである。

本発明の実施形態に係る二次電池用レーザー溶接方法は、第１電極板の第１電極無地部上に第１電極基材タブを、第２電極板の第２電極無地部上に第２電極基材タブをそれぞれレーザー溶接するステップを含み、前記第１電極基材タブと前記第２電極基材タブが溶接される溶接部位に予め設定された溶接パターンを有するようにレーザービームで溶融接合することを特徴とする。

前記レーザービームが照射される前記溶接部位は前記第１電極基材タブおよび前記第２電極基材タブにあることを特徴とする。

前記レーザービームが照射される前記溶接部位は前記第１電極無地部および前記第２電極無地部にあることを特徴とする。

前記溶接部位はスポット溶接され、スポット溶接部位が重なって前記溶接パターンが形成されることを特徴とする。

また、本発明はレーザー溶接装置の本体の一側に設置されて入射する溶接部反射光を感知するセンサ；前記本体の内部に設置されて溶接部位から反射する溶接部反射光を前記センサに伝達する複数の反射部材；および前記センサと有線または無線で連結されて前記センサの出力値を予め設定された基準値と比較して前記溶接部位の不良の有無を判定する制御部を含む、二次電池用レーザー溶接装置を提供する。

前記溶接部位は二次電池の電極無地部に溶接される電極基材タブにあることを特徴とする。

前記溶接部位は二次電池の電極基材タブに溶接される電極無地部にあることを特徴とする。

前記溶接部位はスポット溶接され、スポット溶接部位が重なって予め設定された溶接パターンが形成されることを特徴とする。

前記センサはフォトダイオードセンサであることを特徴とする。

本発明の実施形態によると、貫通不良が発生しないように超薄膜に最適化されたレーザービームモードを使うため、貫通不良が最小化され、レーザー溶接の品質を向上させる効果がある。

また、本発明の実施形態によると、フォトダイオードセンサを活用してリアルタイムで溶接不良をモニタリングできるため、溶接不良を最小化する効果がある。

本発明の実施形態に係る二次電池を図示した斜視図である。 図１に係る二次電池の部分分解斜視図である。 図１に係る電極組立体の一部を図示した平面図である。 図３に係る電極組立体の溶接部分を拡大した平面図である。 図４ａに係る溶接部分の側面図である。 本発明の他の実施形態に係る電極組立体の溶接部分を拡大した平面図である。 図４ｃに係る溶接部分の側面図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池用レーザー溶接装置およびモニタリング装置の主な構成を図示した模式図である。 一般的なレーザー溶接時、溶接時間によるレーザーパワーを図示したグラフである。 本発明の一実施形態に係るレーザー溶接時、溶接時間によるレーザーパワーを図示したグラフである。 本発明の多様な実施形態に係る溶接部位の形態を図示した模式図である。 本発明の多様な実施形態に係る溶接部位の形態を図示した模式図である。 本発明の多様な実施形態に係る溶接部位の形態を図示した模式図である。 本発明の多様な実施形態に係る溶接部位の変形量を解析した図面である。 本発明の多様な実施形態に係る溶接部位の変形量を解析した図面である。 本発明の多様な実施形態に係る溶接部位の変形量を解析した図面である。

本発明の実施形態は当該技術分野で通常の知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものであり、下記の実施形態は多様な他の形態に変形され得、本発明の範囲は下記の実施形態に限定されるものではない。かえって、これら実施形態は本開示をさらに忠実かつ完全なものとし、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。

また、以下の図面で各層の厚さや大きさは説明の便宜および明確性のために誇張されたものであり、図面上で同一符号は同一の要素を指称する。本明細書で使われたように、用語「および／または」は該当列挙された項目のうちいずれか一つおよび一つ以上のすべての組み合わせを含む。また、本明細書で「連結される」という意味は、Ａ部材とＢ部材が直接連結される場合だけでなく、Ａ部材とＢ部材の間にＣ部材が介在されてＡ部材とＢ部材が間接連結される場合も意味する。

本明細書で使われた用語は特定の実施形態を説明するために使われ、本発明を制限するためのものではない。本明細書で使われたように、単数の形態は文脈上異なる場合を明確に指摘する場合でなければ、複数の形態を含むことができる。また、本明細書で使われる場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｉｎｃｌｕｄｅ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は言及した形状、数字、段階、動作、部材、要素および／またはこれらグループの存在を特定するものであり、一つ以上の他の形状、数字、動作、部材、要素および／またはグループの存在または付加を排除するものではない。

本明細書において、第１、第２等の用語が多様な部材、部品、領域、層および／または部分を説明するために使われるが、これらの部材、部品、領域、層および／または部分はこれらの用語によって限定されてはならないことは自明である。これらの用語は一つの部材、部品、領域、層または部分を他の部材、部品、領域、層または部分と区別するためにのみ使われる。したがって、以下で詳述する第１部材、部品、領域、層または部分は本発明の教示から逸脱することなく第２部材、部品、領域、層または部分を指称することができる。

「下部（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「低い（ｌｏｗｅｒ）」、「上部（ａｂｏｖｅ）」、「上（ｕｐｐｅｒ）」のような空間に関連した用語が、図面に図示された一要素または特徴と異なる要素または特徴の容易な理解のために利用され得る。このような空間に関連した用語は、本発明の多様な工程の状態または使用状態による本発明の容易な理解のためのものであり、本発明を限定するためのものではない。例えば、図面の要素または特徴がひっくり返されると、「下部」または「下」で説明された要素または特徴は「上部」または「上」となる。したがって、「下部」は「上部」または「下」を包括する概念である。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態に係る二次電池用レーザー溶接方法およびレーザー溶接装置について詳細に説明することにする。

まず、図面を参照して二次電池の構造について簡略に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る二次電池を図示した斜視図である。図２は、図１に係る二次電池の部分分解斜視図である。図３は、図１に係る電極組立体の一部を図示した平面図である。

図１および図２に図示された通り、本発明の一実施形態に係る二次電池１０は電極組立体１００と、電極組立体１００を収容するパウチ形態のケース３００を含むことができる。

電極組立体１００は薄型または膜型で形成された第１電極板１１０、セパレータ１２０および第２電極板１３０の積層体が巻き取られたり積層されて形成され得る。ここで、第１電極板１１０は負極であり得、第２電極板１３０は正極であり得るが、その反対であってもよい。電極組立体１００は通常ジェリーロール（Ｊｅｌｌｙ Ｒｏｌｌ）とも言う。本発明では電極組立体１００が巻き取られた形態のものを一例として説明する。

第１電極板１１０は、銅、銅合金、ニッケルまたはニッケル合金のような金属ホイルで形成された第１電極基材１１２に黒鉛または炭素などの第１電極活物質１１４が塗布されて形成され得る。第１電極基材１１２の一部の領域には第１電極活物質１１４が塗布されていない第１電極無地部１１６が形成され得る。第１電極無地部１１６上には第１電極基材１１２の幅方向に第１電極基材タブ１１８が備えられ得る。第１電極無地部１１６が第１電極基材１１２の長さ方向を基準として中央に形成される場合、第１電極基材タブ１１８はセンタータブとも言う。または第１電極無地部１１６が第１電極基材１１２の長さ方向を基準として一側に偏るように形成されてもよい。これは後述する第２電極基材タブ１３８にも同一に適用される。第１電極基材タブ１１８は第１電極基材１１２の外側に延びる（図２を基準として上側に延びる）。第１電極基材タブ１１８は第１電極板１１０と外部の端子間の電流の流れの通路となる。第１電極基材タブ１１８には絶縁部材１１９が付着されて第１電極基材タブ１１８がケース３００とショートすることを防止することができる。

第２電極板１３０はアルミニウムまたはアルミニウム合金のような金属ホイルで形成された第２電極基材１３２に遷移金属酸化物などの第２電極活物質１３４が塗布されて形成され得る。第２電極基材１３２の一部の領域には第２電極活物質１３４が塗布されていない第２電極無地部１３６が備えられ得る。第２電極無地部１３６上には第２電極基材１３２の幅方向に第２電極基材タブ１３８が形成され得る。第２電極基材タブ１３８は第２電極基材１３２の外側に延びる（図２を基準として上側に延びる）。ただし、第２電極基材タブ１３８は第１電極基材タブ１１８と重ならない領域に配置される。第２電極基材タブ１３８は第２電極板１３０と外部の端子間の電流の流れの通路となる。第２電極基材タブ１３８には絶縁部材１３９が付着されて第２電極基材タブ１３８がケース３００とショートすることを防止することができる。

前述した第１電極基材タブ１１８および第２電極基材タブ１３８は、図３に示すように、無地部に溶接で連結され得る。また、溶接部位Ａは図３に示すように、予め設定された形態の溶接パターンで示され得る。第１電極基材タブ１１８および第２電極基材タブ１３８の溶接装置および溶接方法については後述することにする。

セパレータ１２０は第１電極板１１０と第２電極板１３０の間に介在され、第１電極板１１０と第２電極板１３０のショートを防止する。このために、セパレータ１２０は第１電極板１１０と第２電極板１３０より大きく形成され得る。セパレータ１２０はポリエチレンや、ポリプロピレン、ポリエチレンとポリプロピレンの複合フィルムからなり得るが、これに限定されない。

このような構造の電極組立体１００は電解液と共に巻き取られて、図１に示すようにケース３００内に収容される。

図１に図示された通り、ケース３００はパウチまたはポケットタイプであり、ラミネート外装材、パウチ、パウチ外装材、パウチケースなどと指称され得る。ケース３００は板状の外装材を互いに向かい合うように折り曲げた後、プレス（ｐｒｅｓｓ）または絞り（ｄｒａｗｉｎｇ）加工等を通じて電極組立体１００が収容されるリセス３１０を形成することができる。リセス３１０の外周縁にはシーリング部３３０が形成され、リセス３１０に電極組立体１００が収容された状態でシーリング部３３０が熱融着等でシーリングされる。

前述した構造を有する二次電池において、薄膜である基材（電極板の無地部）と基材タブを溶接するレーザー溶接装置および溶接品質モニタリング方法について説明すると次の通りである。

図４ａは、図３に係る電極組立体の溶接部分を拡大した平面図である。図４ｂは、図４ａに係る溶接部分の側面図である。

第１電極基材タブ１１８を基準として説明すると、図４ａに図示された通り、第１電極基材タブ１１８は第１電極活物質１１４が塗布されていない基材部分である第１電極無地部１１６上に溶接され得る。この時、溶接方法はレーザー溶接であり、レーザービームが照射される溶接部位Ａは第１電極基材タブ１１８となり得る。第２電極基材タブ１３８も同一の溶接方法が適用され得る。

図４ｃは、本発明の他の実施形態に係る電極組立体の溶接部分を拡大した平面図である。図４ｄは、図４ｃに係る溶接部分の側面図である。

または図４ｃに図示された通り、第１電極基材タブ１１８は第１電極活物質１１４が塗布されていない基材部分である第１電極無地部１１６上に溶接されるものの、溶接部位Ａは第１電極基材タブ１１８上に形成されなくてもよい。すなわち、図４ｄに図示された通り、第１電極基材タブ１１８ではなく第１電極無地部１１６上にレーザービームが照射される溶接部位Ａが形成され得る。

図５は、本発明の一実施形態に係る二次電池用レーザー溶接装置およびモニタリング装置の主な構成を図示した模式図である。図６ａは、一般的なレーザー溶接時、溶接時間によるレーザーパワーを図示したグラフである。図６ｂは、本発明の一実施形態に係るレーザー溶接時、溶接時間によるレーザーパワーを図示したグラフである。

図５に図示された通り、レーザー溶接装置３０は複数のレンズを通過して溶接対象（第１電極無地部１１６または第１電極基材タブ１１８等）にレーザーを照射して溶接対象を溶接する。一般的なレーザー溶接装置３０の構成は公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。本発明のレーザー溶接装置３０は本体の内部に複数のレンズ、反射部材３２、３４が設置され、溶接部位Ａから反射する反射光を感知する溶接品質モニタリングのためのセンサ５０が本体の一側または外部に設置され得る。溶接品質を判断する制御部７０は本体内に備えられるか別途に備えられ得る（これについては後述することにする）。

一般的に基材タブと極板無地部の溶接は超音波溶接でなされている。しかし、超音波溶接は圧接界面接合方式であり、作業者の熟練度により熔接用ホーン（ｈｏｒｎ）とアンビル（ａｎｖｉｌ）のセッティング値が変わり得る。また、超音波溶接はホーンとアンビルが消耗品である短所、貫通不良は検査が可能であるものの、弱溶接やクラック不良は検査が不可能である短所、外観ビジョン検査で溶接の有無のみ検査できる短所など、多くの短所を有する。このような超音波溶接の代案として非接触溶融接合方式のレーザー溶接方式が使われている。

レーザー溶接装置の溶接モードはレーザービームの発振形態によって、連続発振、パルス発振、クイックスイッチパルス発振モードに区分され得る。図６ａに図示された通り、連続発振モード溶接時、溶接の進行方向に沿って溶接形態は一直線の形態となる。連続発振モードはレーザービームの出力が一定に維持されるモード（ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ ｗａｖｅ、ＣＷ）である。連続発振モードはある程度の厚さが保障された溶接対象物に適用時は問題がないが、薄膜の溶接時には貫通不良が発生し易い。

したがって、薄膜形態の溶接部位の接合時、熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）の形成を最小化するためにパルス発振モードまたはクイックスイッチパルス発振モードに設定して溶接部位をスポット溶接（ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ）しなければならない。しかし、スポット溶接時に溶接部位の溶融面積が過度に小さいと溶接強度が低下し得るため、溶接部位の適切な溶融面積を維持する必要がある。このために、図６ｂに図示された通り、レーザービームの出力をパルス形態で制御してスポット溶接部位を重ならせることによって溶接強度を適正水準以上に維持することができる。スポット溶接部位を重ならせるパルス発振モードをＣＷ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎまたはスポット重畳モードとも言う。

このように作られた溶接部位Ａの形態は、一定の距離以上間隔をおいて見るとスポットが重なった形態ではなく複数の形状に見え得る（以下、溶接部位の参照符号は便宜上図３の参照符号に従う）。

図７ａ～図７ｃは、本発明の多様な実施形態に係る溶接部位の形態を図示した模式図である。

図７ａに図示された通り、溶接部位Ａは複数の直線を複数の方向に配置した形態で具現され得る。直線を拡大して見るとスポットが重なった形態であるが、遠くから見ると一つの直線に見えるのである。直線形態の溶接部位Ａは少なくとも一つの直線～複数個の直線形態のうちいずれか一つで具現され得、角度も多様に具現され得る。図面には溶接部位Ａが３個の直線形状のものを例示的に図示したが、１個や２個、４個、あるいはそれ以上の直線を平行にまたは特定角度で配置するなど、多様に変形することができる。

または図７ｂに図示された通り、溶接部位Ａが特定の文字形態で具現されてもよい。図７ｂには英文アルファベット形態の溶接部位Ａを例示的に図示したが、ハングルの子音や母音の形態で具現されてもよい。

または図７ｃに図示された通り、溶接部位Ａは反復的なパターンの形態で形成されてもよい。溶接部位Ａはスパイラルの形態や、円形／四角形／三角形など、同一のパターンの大きさを異ならせて順次配置した形態で具現されてもよい。しかし、溶接部位Ａの形状は前述した説明に限定されない。

このような溶接部位Ａの形状は変形量解析を通じて適切な形態に変形され得る。

図８ａ～図８ｃは、本発明の多様な実施形態に係る溶接部位の変形量を解析した図面である。図８ａ～図８ｃは図４に図示された形態の溶接部位Ａに溶接装置用ジグを密着させる時の溶接部位の変形量を示した図面（変形量が少ないほど青色で表示される）である。

図８ａに図示された通り、溶接部位Ａを円形ではなく逆「Ｕ」字状に溶接する場合、溶接部位Ａを基準として上下左右のうち下側は固定されず、上、左右側のみ固定された形態となる（これを３面密着と定義する）。この時、溶接部位Ａは溶接のためのジグによって密着するため若干の変形が発生するが、溶接部位Ａを中心として薄膜基材（無地部）の変形量は殆どない水準を示す。また、図８ｂの場合にも、溶接部位Ａを「１１」字状に溶接する場合、上下方向は固定されず、左右側のみ固定された形態となる（これを２面密着と定義する）。この時、溶接部位Ａは溶接のためのジグによって密着するため若干の変形が発生するが、溶接部位Ａを中心として薄膜基材（無地部）の変形量は殆どない水準を示す。これに比べ、図８ｃのように溶接部位Ａを円形に溶接する場合、上下左右の４面がすべて密着するため、図８ａおよび図８ｂに比べて薄膜基材の変形量が多少増加する。このように、変形量解析を通じて溶接部位Ａの溶接パターンの形態別に薄膜基材（無地部）の変形量を最小化するパターンを導き出すことができる。

しかし、レーザー溶接を適用した本発明の溶接部位は圧接方式の超音波溶接に比べて溶接部位の変形量が顕著に少ないため、前述した変形量解析は本発明の実施形態のうち最適な溶接パターンを導き出すための方法と理解されるべきである。

一方、前述した溶接部位の場合、レーザービームの出力などの条件により貫通不良が発生する可能性がある。このような溶接不良を作業者が肉眼で確認せず自動で感知できる方法を提案する。

前述した図５でのように、本発明に係るレーザー溶接装置３０は溶接部放出光を反射する複数の反射部材３２、３４と、反射光を感知できるセンサ５０を含むことができる。

反射部材３２、３４は溶接装置溶接部位Ａにレーザービームを照射する時、溶接部位Ａの表面から反射する反射光をセンサ５０に伝達する。このために、反射部材３２、３４は鏡や予め定められた反射率以上の反射率を有する金属素材などで作られ得る。

センサ５０はレーザー溶接装置３０の一側に設置され得、反射部材３２、３４を通じて流入した反射光を感知する。センサ５０は例示的にフォトダイオードセンサ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ Ｓｅｎｓｏｒ）で備えられ得る。フォトダイオードセンサは光エネルギーを電気エネルギーに変換して光の強度を電圧値で出力するセンサである。したがって、出力される電圧値を通じて貫通不良を感知することができる。センサ５０により反射光が感知されれば貫通不良なく溶接がなされたのであり、反射光が感知されないか予め定められた設定値以下で感知されれば微細なクラックや貫通ホールが発生した貫通不良と判断することができる。

このような溶接部位Ａの不良判定はレーザー溶接装置３０の制御部または別途の制御部７０でなされ得る。制御部７０はセンサ５０から出力された電圧値を予め設定された基準値と比較して溶接部位Ａの良好／不良を判定することができる。例示的に、電圧値が０であれば貫通ホールが発生して反射光がないのであるから、制御部７０は溶接部位Ａに貫通不良が発生したと判断することができる。

センサ５０と制御部７０は有線または無線で連結されてリアルタイムで通信することによって溶接部位のリアルタイムモニタリングが可能である。

以上で説明したものは本発明を実施するための一つの実施形態に過ぎず、本発明は前記した実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲で請求するように、本発明の要旨を逸脱することなく当該発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば誰でも多様な変更実施が可能な範囲まで本発明の技術的精神があると言える。

１０：二次電池
１００：電極組立体
１１０：第１電極板
１１２：第１電極基材
１１４：第１電極活物質
１１６：第１電極無地部
１１８：第１電極基材タブ
１２０：セパレータ
１３０：第２電極板
１３２：第２電極基材
１３４：第２電極活物質
１３６：第２電極無地部
１３８：第２電極基材タブ
３００：シーリング部
３０：レーザー溶接装置
３２、３４：反射部材
５０：センサ
７０：制御部

Claims (5)

1. 第１電極板の第１電極無地部上に第１電極基材タブを、第２電極板の第２電極無地部上に第２電極基材タブをそれぞれレーザー溶接するステップと、
   セパレータを前記第１電極板と前記第２電極板との間に介在させて電極組立体を形成するステップと、
   前記電極組立体をケースに収容するステップとを含む、二次電池の製造方法であって、
   前記第１電極基材タブと前記第２電極基材タブが溶接される溶接部位に予め設定された溶接パターンを有するようにレーザービームで溶融接合し、
   前記溶接部位はスポット溶接され、スポット溶接部位が重なって前記溶接パターンが形成される、二次電池の製造方法。
2. 前記レーザービームが照射される前記溶接部位は、前記第１電極基材タブおよび前記第２電極基材タブにある、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記レーザービームが照射される前記溶接部位は、前記第１電極無地部および前記第２電極無地部にある、請求項１に記載の製造方法。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の製造方法で使用する二次電池用レーザー溶接装置であって、
   レーザー溶接装置の本体の一側に設置されて入射する溶接部反射光を感知するセンサ；
   前記本体の内部に設置されて溶接部位から反射する溶接部反射光を前記センサに伝達する複数の反射部材；および
   前記センサと有線または無線で連結されて前記センサの出力値を予め設定された基準値と比較して前記溶接部位の不良の有無を判定する制御部を含む、二次電池用レーザー溶接装置。
5. 前記センサはフォトダイオードセンサである、請求項４に記載の二次電池用レーザー溶接装置。

Images