JP7434695B2 - ボタン型二次電池 - Google Patents
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［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２０年９月２５日に出願された韓国特許出願第１０－２０２０－０１２５１５４号及び２０２１年８月２７日に出願された韓国特許出願第１０－２０２１－０１１３８９５号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本出願は、２０２０年９月２５日に出願された韓国特許出願第１０－２０２０－０１２５１５４号及び２０２１年８月２７日に出願された韓国特許出願第１０－２０２１－０１１３８９５号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本発明は、ボタン型二次電池に関し、電極タブが缶ケースに溶接される溶接強度を顕著に向上させることができ、それによる高い水準の耐衝撃性を有し、機械的溶接強度試験（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ）に合格できる条件を有するボタン型二次電池に関する。
近年、化石燃料の枯渇によるエネルギー源価格の上昇、環境汚染への関心が増幅され、親環境代替エネルギー源に対する要求が将来の生活のための必要不可欠な要因となっている。そこで、太陽光、風力、潮力など、様々な電力生産技術に対する研究が続けられており、このように生産された電気エネルギーをより効率的に使用するための電池などの電力貯蔵装置も大きな関心が集まっている。
さらに、電池を使用する電子モバイル機器と電気自動車に対する技術開発と需要が増加するにつれて、エネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、それによる多様な要求に応える電池に対する多くの研究が行われている。
特に、材料の面においては、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの利点を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池に対する需要が高い。
二次電池は、電池ケースの形状に応じて、電極組立体が円筒形又は角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池及び角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースに内蔵されているパウチ型電池などとに分類され得る。そして、最近、ウェアラブル機器が徐々に小型化されている傾向に合わせて、ボタン型二次電池などの小型電池開発の重要性が浮上している。
従来のボタン型二次電池では、電極組立体から突出した電極タブを金属電池ケースに特別な形状なしに単純に溶接されて電気的に連結された。このような方式の溶接は、溶接強度が弱くて、電極タブが金属電池ケースから容易に外れるか電気抵抗が増加するなどの問題があった。すなわち、耐衝撃性が非常に弱かった。そのため、二次電池の優れた品質を担保するための機械的溶接強度試験（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ）に合格することも困難であった。そこで、需要者の要求を満たし、安定性と優れた品質の耐衝撃性とを有する溶接パターンの開発が必要であった。
本発明は、前記のような問題を解決するために案出されたものであって、本発明の課題は、電極タブが缶ケースに溶接される溶接強度を顕著に向上させることができ、それによる高い水準の耐衝撃性を有し、機械的溶接強度試験（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ）に合格できる条件を有するボタン型二次電池の提供を目的とする。
本発明に係るボタン型二次電池は、電極と分離膜が交互に積層されて形成される電極組立体；電極組立体が内部収容空間に収容されている缶ケース；及び一側は電極組立体の電極に連結され、他側は缶ケースに溶接を介して連結される電極タブを含み、電極タブが缶ケースに溶接される溶接部に示される溶接パターンは、円形形状と円形形状に加えられる追加形状を含む。
本発明に係るボタン型二次電池において、円形形状は、一側が開放された形状の円形形状であってよい。
溶接パターンの円形形状で開放された部分の開放角度は、３０度以上～１２０度未満であってよい。
追加形状は、線分形状であってよい。
追加形状は、円形形状の内側にあってよい。
円形形状は、一側が開放された形状の円形形状であり、追加形状は、線分形状で円形形状の内側に形成され、線分形状の一端が円形形状の開放された部分を向けるものであってよい。
円形形状の直径は、１．０ｍｍ～２．０ｍｍの間の値を有してよい。
円形形状のラインの厚さは、１００μｍ～１５０μｍの間の値を有してよい。
追加形状の端部は、円形形状の描く仮想円の範囲内にあってよい。
線分形状の追加形状に基づいて、溶接パターンは、対称形状であってよい。
線分形状の追加形状は、少なくとも２個が形成され、追加形状同士は、互いに並べていてよい。
本発明に係るボタン型二次電池において、缶ケースは、上部缶と下部缶を含み、電極組立体は、電極と分離膜が交互に積層されて巻き取られたゼリーロール型電極組立体であり、ゼリーロール型電極組立体の巻取中心には中心穴が形成され、溶接パターンは、中心穴のある位置に対応する位置に形成されるものであってよい。
溶接パターンは、下部缶の底部に形成されるものであってよい。
溶接部に形成される溶接ビード（ｂｅａｄｓ）は、缶ケースの外部から内部に形成されるものであってよい。
本発明に係るボタン型二次電池は、電極と分離膜が交互に積層されて形成される電極組立体；電極組立体が内部収容空間に収容されている缶ケース；及び一側は電極組立体の電極に連結され、他側は缶ケースに溶接を介して連結される電極タブを含み、電極タブが缶ケースに溶接される溶接部に示される溶接パターンは、円形形状と円形形状に加えられる追加形状を含み、それにより電極タブが缶ケースに溶接される溶接強度を顕著に向上させることができ、その結果、高い水準の耐衝撃性を有し、機械的溶接強度試験（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ）に合格できる条件を有するボタン型二次電池を具現することができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように、本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態に具現されてよく、以下の実施形態により制限されるか限定されるものではない。
本発明を明確に説明するために、説明と関係ない部分又は本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略し、本明細書において各図面の構成要素に参照番号を付加するに当たり、明細書全体を通じて同一又は類似の構成要素に対しては同一又は類似の参照符号を付ける。
また、本明細書及び特許請求の範囲に用いられる用語や単語は、通常的かつ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるとの原則に即し、本発明の技術的思想に適合する意味と概念に解釈されなければならない。
実施例１
図１は、本発明の実施例１によるボタン型二次電池の斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａによる断面図である。図３は、本発明の実施例１によるボタン型二次電池における溶接パターンを示す平面図である。
図１は、本発明の実施例１によるボタン型二次電池の斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａによる断面図である。図３は、本発明の実施例１によるボタン型二次電池における溶接パターンを示す平面図である。
図１～３を参照すれば、本発明の実施例１によるボタン型二次電池１００は、円筒型電池であってよく、円筒型電池の直径の長さが電池の高さより大きい形状であってよい。
本発明の実施例１によるボタン型二次電池１００は、電極組立体１３０、缶ケース１１０、及び電極タブ１５０を含んでよい。電極組立体１３０は、電極１３１と分離膜１３３が交互に積層されて形成されてよい。缶ケース１１０は、電極組立体１３０が内部収容空間に収容されている金属ケースであってよい。電極タブ１５０は、電極組立体１３０の電極１３１の電流を外部端子に連結するための部分であって、一側は電極組立体１３０の電極１３１に連結され、他側は缶ケース１１０に溶接を介して連結される形状を有してよい。
本発明の実施例１によるボタン型二次電池１００においては、特に、電極タブ１５０が缶ケース１１０に溶接され、電極タブ１５０が缶ケース１１０に溶接される部分である溶接部１１３に示される溶接パターン１９０は、円形形状１９１と円形形状１９１に加えられる追加形状１９３を含む。このような追加形状１９３は、電極タブ１５０の溶接強度を高くするために形成されるものであってよい。
図３は、図１の本発明の実施例１による二次電池を上から見下ろした平面図であって、溶接パターン１９０が具体的に見られるように示している。本発明の実施例１によるボタン型二次電池１００において、円形形状１９１は、一側が開放された形状の円形形状１９１であってよい。円形形状１９１を一側が開放されないように閉曲線からなる円形とする場合、溶接が二重に行われる領域が発生するようになるので、これを防止するために、円形形状１９１は、一側が開放された形状の円形形状であってよい。
そして、本発明の実施例１によるボタン型二次電池１００において、溶接パターン１９０の円形形状１９１で開放された部分の開放角度αは、１２０度未満であってよい。図３では、アルファ（α）が示されている。開放された部分の開放角度が１２０度未満であるという意味は、図３に示されるアルファ（α）が１２０度未満であることを意味してよい。角度アルファ（α）は、円の中心点から円形形状１９１の両端部まで直線を引くときにその二つの直線がなす角度であってよい。円形形状１９１で開放された部分の開放角度αが１２０度未満の場合、円形形状の溶接される長さがそれだけ長くなるということを意味するので、溶接強度がさらに向上する効果が得られる。また、溶接パターン１９０の円形形状１９１で開放された部分の開放角度αは、３０度以上であってよい。開放角度αが３０度以上の場合、円形形状１９１が缶ケース１１０に付いている力が弱くならないようにできる。すなわち、開放角度αが大きくなるほど、円形形状１９１と缶ケース１１０との連結部分が多くなるので、円形形状１９１が缶ケース１１０に付いている力が大きくなる可能性がある。一方、本発明の実施例１によるボタン型二次電池１００において、溶接パターン１９０は、追加形状１９３を含み、この追加形状１９３は、線分形状であってよい。また、この追加形状１９３は、前述した円形形状１９１の内側にあるものであってよい。このような追加形状１９３の形状が図３に詳しく示されている。
具体的には、本発明の実施例１によるボタン型二次電池１００において、円形形状１９１は、一側が開放された形状の円形形状１９１であり、追加形状１９３は、線分形状で円形形状１９１の内側に形成されてよい。そして、線分形状の追加形状１９３の一端が円形形状１９１の開放された部分を向けるものであってよい。そして、線分形状の追加形状１９３は、円形形状１９１の円の中心点を通る形状であってよい。ここで、円形形状の直径は、１．０ｍｍ～２．０ｍｍの間の値を有してよい。そして、円形形状のラインの厚さは、１００μｍ～１５０μｍの間の値を有してよい。そして、追加形状の端部は、円形形状の描く仮想円の範囲内にあってよい。これにより、電極タブが缶ケースに溶接される溶接強度を顕著に向上させることができる。
また、線分形状の追加形状１９３に基づいて、溶接パターン１９０は、対称形状になってよい。溶接パターン１９０が対称形状をなすと、より堅固で安定した溶接強度を具現することができる。
図２は、缶ケース１１０に溶接が行われて溶接パターン１９０が形成される状態で図１のＡ－Ａによる断面図である。すなわち、図２により溶接パターン１９０が形成される方式と形状をより具体的に把握することができる。
本発明の実施例１によるボタン型二次電池１００において、缶ケース１１０は、上部缶（未図示）と下部缶１１１を含んでよい。図２では、上部缶は示されておらず、下部缶１１１のみが示されている。下部缶１１１内には、電極組立体１３０が収容されている。電極組立体１３０は、電極１３１と分離膜１３３が交互に積層されて巻き取られたゼリーロール型電極組立体１３０であってよい。
電極組立体１３０は、巻取軸が下部缶１１１の底部１１４と垂直になる形状に配置されてよい。ゼリーロール型電極組立体１３０の巻取中心には、中心穴１３５が形成されてよい。図２に示されたように、電極組立体１３０が収容された下部缶１１１が逆さまに引っ繰り返してよい。そして、下から治具Ｊを用いて支持して溶接を行ってよい。
電極組立体１３０の中心穴１３５内に治具Ｊが挿入され、治具Ｊは、下部缶１１１の底部１１４の内面に接している電極タブ１５０を下から上に支持してよい。治具Ｊの支持により、電極タブ１５０は、下部缶１１１の内面に密着され得る。そして、下部缶１１１の外部から下部缶１１１の底部１１４にレーザーＬを照射して、電極タブ１５０と下部缶１１１の底部１１４の溶接を行ってよい。このように、溶接パターン１９０が形成される場合、溶接パターン１９０は、下部缶１１１の底部１１４に形成されてよく、また、溶接パターン１９０は、電極組立体１３０の中心穴１３５にある位置に対応する位置に形成されてよい。この際、下部缶１１１の底部１１４は負極端子を形成してよく、底部１１４に溶接される電極タブ１５０は負極タブであってよい。
そして、溶接部１１３に形成される溶接ビード（ｂｅａｄｓ）は、缶ケース１１０の外部から内部に形成されてよい。
具体的には、レーザーＬが下部缶１１１の外部に照射され、下部缶１１１と下部缶１１１の内部の電極タブ１５０を溶接させるものであるので、溶接ビード（ｂｅａｄｓ）は、下部缶１１１の底部１１４の外部から内部に形成されてよい。
前述したように、本発明の実施例１によるボタン型二次電池１００は、電極タブ１５０が缶ケース１１０に溶接される溶接強度を顕著に向上させることができる。それによる高い水準の耐衝撃性を有することになり、機械的溶接強度試験（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ）に合格できる条件を有するボタン型二次電池１００を具現することができる。
実施例２
図４は、本発明の実施例２によるボタン型二次電池における溶接パターンを示す平面図である。図４は、図３と同様の方式で示した実施例２の溶接パターンの平面図形状である。
図４は、本発明の実施例２によるボタン型二次電池における溶接パターンを示す平面図である。図４は、図３と同様の方式で示した実施例２の溶接パターンの平面図形状である。
本発明の実施例２では、溶接パターン２９０の追加形状２９３が異なって形成されるという点で実施例１と異なることがある。
実施例１と共通する内容は可能な限り省略し、相違点を中心に実施例２について説明する。すなわち、実施例２で説明していない内容が必要な場合、実施例１の内容とみなされることは自明である。
図４を参照すれば、本発明の実施例２によるボタン型二次電池においても、溶接パターン２９０は、円形形状２９１は一側が開放された形状の円形形状２９１であってよい。そして、本発明の実施例２によるボタン型二次電池においても、溶接パターン２９０の円形形状２９１で開放された部分の開放角度は、１２０度未満であってよい。円形形状２９１で開放された部分の開放角度が１２０度未満の場合、溶接される長さがそれだけ長くなるということを意味するので、溶接強度がより向上する効果が得られる。
本発明の実施例２にも、溶接パターン２９０は追加形状２９３を含み、この追加形状２９３は、線分形状であってよい。ただし、本発明の実施例２では、前記線分形状の追加形状２９３が２個形成されてよい。もちろん、線分形状の追加形状２９３は、２個超えの複数個が形成されてもよい。そして、この追加形状２９３同士は、互いに並べていてよい。
また、この追加形状２９３は、前述した円形形状２９１の内側にあるものであってよい。このような追加形状２９３の形状の一例が図４に詳しく示されている。
具体的には、本発明の実施例２によるボタン型二次電池において、円形形状２９１は、一側が開放された形状の円形形状２９１であり、追加形状２９３は、２個の線分形状で円形形状２９１の内側に形成されてよい。そして、線分形状の追加形状２９３は、それぞれの一端が円形形状２９１の開放された部分を向けるものであってよい。また、この２個の線分形状の追加形状２９３は、互いに長さが同様のものであってよい。
そして、円形形状２９１と２個の線分形状の追加形状２９３を含む本発明の実施例２の溶接パターン２９０は、左右対称の形状であってよい。すなわち、２個の追加形状２９３の間の仮想中心縦線に基づいて、左右側が対称形状であってよい。溶接パターン２９０が対称形状をなすと、より堅固で安定した溶接強度を具現することができる。
＜実験結果＞
図５は、溶接強度試験の結果を示す実験結果表である。機械的強度試験のために、タンブル試験（ｔｕｍｂｌｅ ｔｅｓｔ）を行った結果である。図５の表は、約１０個のサンプルに対してタンブル試験を行った後、不良溶接が発見されたサンプルの数字を示している。
図５は、溶接強度試験の結果を示す実験結果表である。機械的強度試験のために、タンブル試験（ｔｕｍｂｌｅ ｔｅｓｔ）を行った結果である。図５の表は、約１０個のサンプルに対してタンブル試験を行った後、不良溶接が発見されたサンプルの数字を示している。
図５を参照すれば、（１）、（２）、（５）は、比較例の溶接パターンであり、（３）、（４）は、実施例の溶接パターンである。（１）は、比較例１による溶接パターン、（２）は、比較例２による溶接パターン、（５）は、比較例３による溶接パターンを示す。（３）は、本発明の実施例１による溶接パターン、（４）は、本発明の実施例２による溶接パターンである。
比較例１の溶接パターンで溶接した場合、２回目の実験までは不良サンプルが示されなかったが、３回目の実験に１０個中２個、４回目の実験には９個中１個の不良サンプルが示された。
比較例２の溶接パターンで溶接した場合、１回目の実験までは不良サンプルが示されなかったが、２回目の実験に１０個中１個、３回目の実験には１０個中３個、４回目の実験には１０個中２個の不良サンプルが示された。
実施例１及び２では、４回目の実験まで行っても不良サンプルが示されなかった。すなわち、実施例１及び２では、溶接強度が顕著に向上することが分かる。
比較例３の場合、円形形状のない溶接パターンの場合であり、この場合は、１回目から４回目の実験まですべて不良サンプルが示されることが分かる。そして、３回目以上からは、１０個中１０個がすべて不良であることが分かる。
このため、円形形状のない溶接パターンは、実験対象のうち最も弱い溶接結合強度を有することが分かる。
以上、本発明は、たとえ限定された実施形態と図面によって説明されたが、本発明はこれにより限定されず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者により、本発明の技術思想と下記に記載する特許請求の範囲の均等範囲内で多様な実施が可能である。
１００ ボタン型二次電池
１１０ 缶ケース
１１１ 下部缶
１１３ 溶接部
１１４ 底部
１３０ 電極組立体
１３１ 電極
１３３ 分離膜
１３５ 中心穴
１５０ 電極タブ
１９０、２９０ 溶接パターン
１９１、２９１ 円形形状
１９３、２９３ 追加形状
Ｌ レーザー
Ｊ 治具
１１０ 缶ケース
１１１ 下部缶
１１３ 溶接部
１１４ 底部
１３０ 電極組立体
１３１ 電極
１３３ 分離膜
１３５ 中心穴
１５０ 電極タブ
１９０、２９０ 溶接パターン
１９１、２９１ 円形形状
１９３、２９３ 追加形状
Ｌ レーザー
Ｊ 治具
Claims (10)
- 電極と分離膜が交互に積層されて形成される電極組立体と、
前記電極組立体が内部収容空間に収容されている缶ケースと、
一側は前記電極組立体の電極に連結され、他側は前記缶ケースに溶接を介して連結される電極タブと、を含み、
前記電極タブが前記缶ケースに溶接される溶接部に示される溶接パターンは、円形形状と、前記円形形状に加えられる追加形状と、を含み、
前記円形形状は、一側が開放された形状の円形形状であり、
前記追加形状は、線分形状で前記円形形状の内側に形成され、
前記線分形状の一端が前記円形形状の開放された部分を向ける、ボタン型二次電池。 - 前記溶接パターンの前記円形形状で開放された部分の開放角度は、３０度以上～１２０度未満である、請求項１に記載のボタン型二次電池。
- 前記円形形状の直径は、１．０ｍｍ～２．０ｍｍの間の値を有する、請求項１または２に記載のボタン型二次電池。
- 前記円形形状のラインの厚さは、１００μｍ～１５０μｍの間の値を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のボタン型二次電池。
- 前記追加形状の端部は、前記円形形状の描く仮想円の範囲内にある、請求項１から４のいずれか一項に記載のボタン型二次電池。
- 前記線分形状の追加形状に基づいて、前記溶接パターンは、対称形状である、請求項１から５のいずれか一項に記載のボタン型二次電池。
- 前記線分形状の追加形状は、少なくとも２個が形成され、
前記追加形状同士は、互いに並べている、請求項１から６のいずれか一項に記載のボタン型二次電池。 - 前記缶ケースは、上部缶と下部缶を含み、
前記電極組立体は、前記電極と前記分離膜が交互に積層されて巻き取られたゼリーロール型電極組立体であり、
前記ゼリーロール型電極組立体の巻取中心には、中心穴が形成され、
前記溶接パターンは、前記中心穴のある位置に対応する位置に形成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のボタン型二次電池。 - 前記溶接パターンは、前記下部缶の底部に形成される、請求項８に記載のボタン型二次電池。
- 前記溶接部に形成される溶接ビード（ｂｅａｄｓ）は、前記缶ケースの外部から内部に形成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のボタン型二次電池。
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