JP7479465B2

JP7479465B2 - 溶接不良の検査方法

Info

Publication number: JP7479465B2
Application number: JP2022524016A
Authority: JP
Inventors: ジュン・フン・イ; ス・テク・ジュン; ソク・ジン・キム; ジ・フン・イ; サン・ヒョン・ク
Original assignee: LG Energy Solution Ltd
Current assignee: LG Energy Solution Ltd
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN114616462A; US20220412911A1; JP2023500225A; EP4032655A4; KR20210108716A; EP4032655A1; WO2021172728A1

Description

本出願は、２０２０年２月２６日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００２３６５７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、溶接不良を検査する方法に関するものであって、より詳細には、リチウム二次電池において、電極タブと電極タブの溶接部または電極タブと電極リードの溶接部の弱溶接の可否を検査する方法に関するものである。

一般的に、二次電池は、充電が不可能な一次電池とは異なって、充放電が可能な電池を意味しており、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダなどの電子機器または電気自動車などに広く使用されている。特に、リチウム二次電池は、ニッケル－カドミウム電池またはニッケル－水素電池よりも大きな容量を有し、単位重量当たりのエネルギー密度が高いため、その活用の程度が急速に増加される傾向にある。

一方、リチウム二次電池は、正極／分離膜／負極構造の電極組立体がどのような構造からなっているかによって分類されることもあり、代表的に、長いシート状の正極と負極を分離膜が介在された状態で巻取した構造のゼリーロール電極組立体、所定のサイズの単位で切取りした多数の正極と負極を分離膜を介在した状態で順次に積層したスタック型電極組立体、所定の単位の正極と負極を分離膜を介在した状態で積層したバイセル又はフルセルを巻取した構造のスタック／折り畳み型電極組立体などが挙げられる。

最近には、スタック型またはスタック／折り畳み型の電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低い製造費、小さな重量、容易な形態の変形などを理由に多くの関心を集めており、また、それの使用量が徐々に増加している。

このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として用いる。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを間に置いて配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収容する外装材とを備える。

このとき、電極組立体には、複数個の正極板から延長されている複数個の正極タブと、複数個の負極板から延長されている複数個の負極タブとが形成されており、このような複数個の正極タブ及び複数個の負極タブはそれぞれ、正極リード及び負極リードと溶接結合される。ここで、複数個の正極タブと複数個の負極タブが電極タブを構成し、正極リードと負極リードが電極リードを構成することになる。

このように電極タブ及び電極リードを溶接するとき、電極タブと電極タブとの間、電極タブと電極リードとの間の溶接を弱く行う場合には、溶接不良が発生するので、このような弱溶接による溶接不良の可否を検査するプロセスが必要である。

溶接部の弱溶接不良を検査するための方法として、従来には被溶接物に対して溶接部を中心に反対方向に引っ張って引張強度を測定する方式を用いた。しかしながら、このような方式は引張強度を測定する過程で電極タブや電極リードが損傷されるので、全数調査が不可能であるという限界があった。

韓国公開特許第２０１７－０１２５７０７号は、電極ホイル要素及び端子を接合する溶接部を複数の区域に分割し、上記それぞれの区域に対して電流を印加して抵抗を測定した後、測定された抵抗が臨界抵抗よりも大きい場合、溶接不良として検出する技術を開示している。しかしながら、上記文献は、臨界抵抗を導出することにおいて、溶接部で引張強度と抵抗の相関関係を用いるので、臨界抵抗を導出するためには溶接部の引張強度を測定するプロセスが必ず必要である。

ところで、広く使用される溶接部の引張強度測定方式は、上述したように、被溶接物に対して溶接部を中心に反対方向に引っ張る方式によるが、これは誤差発生の可能性が大きいため、引張強度と抵抗の相関関係から導出された臨界抵抗値は信頼度が落ちるという問題がある。

したがって、溶接部の弱溶接の可否を検査するにおいて、全数調査が可能でありながら検出力に優れた検査方法に対する技術開発が必要であるのが実情である。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解決するために案出されたものであって、溶接部の弱溶接不良を検出することにおいて、全数調査が可能でありながらも不良検出力に優れた検査方法を提供するものである。

上記のような目的を達成するための本発明の溶接不良検査方法は、標本集団の溶接部の抵抗を測定し、弱溶接の判断基準となる臨界抵抗値を導出する臨界抵抗設定ステップ（Ｓ１００）と、検査対象の溶接部の抵抗値を測定する抵抗測定ステップ（Ｓ２００）と、上記抵抗測定ステップで測定された抵抗値が上記臨界抵抗値を超える場合、弱溶接として判断するステップ（Ｓ３００）とを含み、上記臨界抵抗設定ステップ（Ｓ１００）および上記抵抗測定ステップ（Ｓ２００）は、分解能がナノオーム乃至マイクロオーム単位である微細抵抗測定器を用いて抵抗を測定することを特徴とする。

一具体例において、上記微細抵抗測定器は、２つの抵抗測定プローブを含み、溶接部に２つの抵抗測定プローブを接触させて抵抗を測定するものである。

一具体例において、溶接部の一端に一つの抵抗測定プローブを、他端に他の一つの抵抗測定プローブを接触させて、溶接部全体の抵抗を測定することができる。

一具体例において、上記抵抗測定プローブは電圧プローブおよび電流プローブを含む。

一具体例において、上記抵抗測定ステップＳ２００は、４線式測定方式で溶接部の抵抗を測定するものである。

一具体例において、上記抵抗測定ステップＳ２００は、直流方式で溶接部の抵抗を測定するものである。

一具体例において、上記臨界抵抗設定ステップＳ１００は、標本集団に対してナノオーム乃至マイクロオーム単位の微細抵抗を測定し、それを貯蔵するデータ構築ステップＳ１１０と、上記データ構築ステップＳ１１０によって蓄積されたデータを統計的方式で処理して臨界値を導出する臨界抵抗値の導出ステップＳ１２０とを含む。

一具体例において、上記標本集団の個体数は、少なくとも１００,０００以上である。

一具体例において、上記標本集団の抵抗値は、正規分布曲線をなす。

一具体例において、上記臨界抵抗値は、平均値＋６δである。

一具体例において、上記溶接部は、超音波溶接により形成されたものである。このとき、溶接部の境界面に上記抵抗測定プローブを接触させて抵抗を測定することが好ましい。

一具体例において、上記溶接部は、レーザ溶接により形成されたものである。このとき、溶接部の外周面に上記抵抗測定プローブを接触させて抵抗を測定することが好ましい。

本発明の溶接不良検査方法は、パウチ型二次電池の電極タブと電極リードとの間の溶接部または電極タブと電極タブとの間の溶接部に適用することが好ましい。

本発明の溶接不良検査方法は、臨界抵抗設定ステップで標本集団に対して抵抗を測定し、測定された抵抗値の正規分布曲線から臨界抵抗値を設定し、標本集団及び検査対象溶接部に対する抵抗測定時に、分解能がナノオーム乃至マイクロオームレベルの微細抵抗測定器を用いて、精密に抵抗を測定するため、弱溶接不良の検出力が非常に優れた効果がある。

本発明の溶接不良検査方法のフローチャートである。溶接強度と抵抗の相関関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る標本集団の抵抗値の正規分布曲線の概形である。本発明の一実施形態に係る抵抗測定方法を示した模式図である。本発明の他の実施形態に係る抵抗測定方法を示した模式図である。本発明の抵抗測定プローブの模式図である。本発明の実施形態に従って超音波溶接による溶接部の抵抗を測定する方法を示した模式図である。本発明の実施形態に従ってレーザ溶接による溶接部の抵抗を測定する方法を示した模式図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。その前に、本明細書および特許請求の範囲で使用された用語や単語は、通常的または辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は彼自身の発明を最良の方法で説明するために、用語の概念を好適に定義し得るという原則に基づいて、本発明の技術的思想に合致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形態および図面に図示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて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し得る多様な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。

明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という場合、それは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

図１は、本発明に係る溶接不良検査方法のフローチャートである。図１を参照すると、本発明の溶接不良検査方法は、標本集団の溶接部の抵抗を測定して弱溶接の判断基準となる臨界抵抗値を導出する臨界抵抗設定ステップ（Ｓ１００）と、検査対象の溶接部の抵抗値を測定する抵抗測定ステップ（Ｓ２００）と、上記抵抗測定ステップで測定された抵抗値が上記臨界抵抗値を超える場合、弱溶接として判断するステップ（Ｓ３００）とを含み、上記臨界抵抗設定ステップ（Ｓ１００）および上記抵抗測定ステップ（Ｓ２００）は、分解能がナノオーム乃至マイクロオーム単位である微細抵抗測定器を用いて抵抗を測定することを特徴とする。

本発明の発明者らは、溶接強度が弱い溶接部の電気抵抗を測定したとき、正常な溶接強度を有する溶接部の電気抵抗値よりも大きいことを見出し、本発明に至ることになった。図２を参照すると、溶接強度が２２ｋｇｆ以上で正常な溶接部の抵抗値は、溶接強度が２２ｋｇｆ未満で弱溶接である溶接部の抵抗値よりも小さいことが分かる。従来にも、溶接部の抵抗を測定し、測定された抵抗値と臨界抵抗値を比較して、溶接不良を判断する技術は存在していた。しかしながら、上記従来技術では、臨界抵抗値を導出する方法が具体的ではないか、臨界抵抗値を導出するにおいて溶接部の引張強度と抵抗の相関関係を利用するので、溶接部の引張強度を測定する過程が必要であった。

しかし、本発明は、臨界抵抗値を導出するにおいて、溶接部の引張強度と抵抗の相関関係に依存するものではなく、統計的方式を導入し、抵抗を測定するにおいて、分解能を高めてナノオーム乃至マイクロオーム単位までに微細抵抗を測定して、精密に抵抗を測定したことに特徴がある。

すなわち、大量の標本集団をなす個体に対して抵抗を測定すると、測定された抵抗値は正規分布曲線を成すことになるが、上記正規分布曲線で偏差が大きい個体は、統計的確率上の不良として推定しても構わないので、所定の偏差を臨界抵抗値として定めることであり、このような方式は標本集団に対する資料に信頼性があることを前提とするものであるため、臨界値を設定する過程で標本集団に対してナノオーム乃至マイクロオーム単位までに精密に抵抗を測定し得る微細抵抗測定器を用い、検査対象に対して抵抗を測定するときにも、ナノオーム乃至マイクロオーム単位で精密に抵抗を測定し得る微細抵抗測定器を用いるものである。このように本発明は、臨界抵抗値を導出することにおいて、大量の標本集団から統計的に臨界抵抗値を導出するため、従来の技術とは異なって、臨界抵抗値設定のために、溶接部の引張強度を別途に測定する必要がない。

まず、上記臨界抵抗設定ステップＳ１００について説明する。

本発明の一実施形態に係る臨界抵抗設定ステップＳ１００は、標本集団に対してナノオーム乃至マイクロオーム単位の微細抵抗を測定し、それを貯蔵するデータ構築ステップＳ１１０と、上記データ構築ステップＳ１１０によって蓄積されたデータを統計的方式で処理して臨界値を導出する臨界抵抗値導出ステップＳ１２０とを含む。

上記データ構築ステップＳ１１０は、標本集団をなす個体に対して溶接部の抵抗を測定する過程を含む。このとき、上記標本集団の個体数は少なくとも１００，０００以上であり、好ましくは２００，０００であり、できれば標本集団の個体数が多いことが信頼性の側面において好ましい。

上記データ構築ステップＳ１１０における抵抗測定は、分解能がナノオーム（ｎΩ）乃至マイクロオーム（ｕΩ）単位である微細抵抗測定器を用いて、標本集団個体に対して抵抗測定を行う。これは、より信頼性のあるデータを蓄積するためである。なお、上記微細抵抗測定方法は、後述するように上記抵抗測定ステップＳ２００で溶接部の抵抗を測定する方法と同一の方法で行う。

上記臨界抵抗値導出ステップＳ１２０は、上記データ構築ステップＳ１１０によって蓄積されたデータを統計的方式で処理して臨界抵抗値を導出するものである。本発明の一実施形態に係る統計的処理方式は、標本集団の個体が有する抵抗値の正規分布曲線を得、上記正規分布曲線において＋６δ値を臨界抵抗値として設定するものである。

図３は、本発明の一実施形態に係る標本集団の抵抗の分布曲線の一例である。図３を参照すると、標本集団が図３のように正規分布曲線を示す場合、大多数の個体は平均値（ｕ）と近接する値を有することになり、平均値（ｕ）と偏差の大きい個体は少ない。したがって、確率的に見たとき、平均値と偏差の大きい個体は不良として推定できるのである。具体的に、１δ（標準偏差）の偏差を有する個体が現れる確率は約３２％、２δの偏差を有する個体が現れる確率は約５％、３δの偏差を有する個体が現れる確率は約０．３％、４δの偏差を有する個体が現れる確率は約０．０１％、５δの偏差を有する個体が現れる確率は約０．００１％、６δの偏差を有する個体が現れる確率は約０．００００００１％と見ることができる。

そこで、本発明の一実施形態において、上記臨界抵抗値は、平均値に６δの値を足した値に設定した。

以下、上記抵抗測定ステップＳ２００に対して詳細に説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係る抵抗測定方法の模式図である。図４を参照すると、本発明の抵抗測定ステップＳ２００で抵抗測定のために使用される微細抵抗測定器は、２つの抵抗測定プローブ１００を含み、上記２つの抵抗測定プローブを溶接部３０に接触させて抵抗を測定する。

このとき、溶接部の一端３１に、一つの抵抗測定プローブを接触し、溶接部の他端３２に残りの一つの抵抗測定プローブを接触させて、溶接部３０全体の抵抗を測定し得る。

また、図４（ｂ）に図示したように、溶接部３０は、電極タブ２０部の溶接部３３と電極リード１０部の溶接部３４とに区分され得る。そして、図4のように、２つの抵抗測定プローブをいずれも電極タブ２０部の溶接部３３上に接触させることができる。それと異なって、２つの抵抗測定プローブを何れも電極リード１０部の溶接部３４上に接触させることもできる。そして、図５のように、１つの抵抗測定プローブは電極タブ２０部の溶接部３３上に、残りの１つの抵抗測定プローブは電極リード１０部の溶接部３４上に接触させて抵抗測定を行うことができる。上記多様な実施形態のうち、２つの抵抗測定プローブを何れも電極タブ２０部の溶接部３３上に接触する形態で、抵抗を測定することが弱溶接を検出する検出力の面において最も好ましい。

図６は、本発明の抵抗測定プローブの模式図であって、図６を参照すると、本発明の抵抗測定プローブ１００は電流プローブ１１０及び電圧プローブ１２０を含んでいる。上記電流プローブは測定対象である溶接部に電流を印加し、上記電圧プローブは電圧を測定する。これにより、溶接部の抵抗を測定することができる。

本発明は、２つの抵抗測定プローブを溶接部に接触させて抵抗を測定する。これにより、４線式測定方式で溶接部の抵抗測定が可能である。４線式抵抗測定方式は、２線式抵抗測定方式に比べて接触抵抗の影響を受けないので、より精密に微細抵抗を測定し得る。また、ナノオーム単位でも抵抗を測定し得るので、好ましい。

一具体例において、上記抵抗測定ステップＳ２００は、直流方式で溶接部の抵抗を測定し得る。直流方式は交流方式と比較して高精密度の抵抗測定が可能という利点がある。

本発明の溶接不良検査方法は、二次電池の溶接部に広範囲に適用され得る。そして、多様な溶接方法に係る溶接部に適用され得る。すなわち、電極タブと電極タブとの間の溶接部、電極タブと電極リードとの間の溶接部、電池パックにおいて電極リードとバスバーとの溶接部などに、本発明の溶接不良検査方法が適用され得る。また、超音波溶接による溶接部、レーザ溶接による溶接部などのいずれにも適用され得る。

図７は、超音波溶接方式による溶接部に対する抵抗測定方法を示した模式図であって、図７を参照すると、超音波溶接方式によって形成された溶接部３０は線または面の形態を有する。これにより、抵抗測定のための抵抗測定プローブの接触位置４０は、溶接部の境界線上に位置する。溶接部の境界線上に抵抗測定プローブを接触させることによって、溶接部全体の抵抗を測定し得る。抵抗測定プローブの接触位置４０は合計４個であって、そのうちの２個は電流プローブが、残りの２個は電圧プローブが接触される。

図８は、レーザ溶接方式による溶接部に対する抵抗測定方法を示した模式図である。図８を参照すると、レーザ溶接方式によって形成された溶接部３０は点の形態を有する。溶接部全体の抵抗を測定するためには、これらの点の最外郭にある点を連結した仮性の線を境界にして、その外周面に抵抗測定プローブの接触位置４０を定めることが好ましい。抵抗測定プローブの接触位置４０は合計４つであって、そのうちの２つは電流プローブが、残りの２つは電圧プローブが接触される。

本発明に係る溶接検査方法は、臨界抵抗設定ステップにおいて標本集団に対して抵抗を測定し、測定された抵抗値の正規分布曲線から臨界抵抗値を設定し、標本集団及び検査対象溶接部に対する抵抗測定時、分解能がナノオーム乃至マイクロオームのレベルの微細抵抗測定器を用いて、精密に抵抗を測定するので、弱溶接不良の検出力が非常に優れた効果がある。

１０電極リード
２０電極タブ
３０溶接部
３１一端
３２他端
３３溶接部
３４溶接部
４０接触位置
１００抵抗測定プローブ
１１０電流プローブ
１２０電圧プローブ

Claims

標本集団の溶接部の抵抗を測定して弱溶接の判断基準となる臨界抵抗値を導出する臨界抵抗設定ステップＳ１００と、
検査対象の溶接部の抵抗値を測定する抵抗測定ステップＳ２００と、
前記抵抗測定ステップで測定された抵抗値が前記臨界抵抗値を超える場合、弱溶接として判断するステップＳ３００とを含み、
前記臨界抵抗設定ステップＳ１００及び前記抵抗測定ステップＳ２００は、
分解能がナノオーム乃至マイクロオーム単位である微細抵抗測定器を用いて抵抗を測定し、
前記抵抗測定ステップＳ２００は、前記溶接部に２つの抵抗測定プローブを接触させて抵抗を測定し、
前記溶接部の一端に一つの抵抗測定プローブを、他端に他の一つの抵抗測定プローブを接触させて、前記溶接部全体の抵抗を測定し、
前記溶接部は、超音波溶接によって形成され、
前記溶接部の境界面に前記抵抗測定プローブを接触させて抵抗を測定し、
前記臨界抵抗設定ステップＳ１００は、
前記標本集団に対してナノオーム乃至マイクロオーム単位の微細抵抗を測定し、それを貯蔵するデータ構築ステップＳ１１０と、
前記データ構築ステップＳ１１０によって蓄積されたデータを統計的方式で処理して臨界値を導出する臨界抵抗値導出ステップＳ１２０とを含む、溶接不良検査方法。
前記抵抗測定プローブは電圧プローブ及び電流プローブを含む、請求項１に記載の溶接不良検査方法。
前記抵抗測定ステップＳ２００は、４線式測定方式で前記溶接部の抵抗を測定する、請求項１または２に記載の溶接不良検査方法。
前記抵抗測定ステップＳ２００は、直流方式で前記溶接部の抵抗を測定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の溶接不良検査方法。
前記標本集団の個体数が少なくとも１００，０００以上である、請求項１から４のいずれか一項に記載の溶接不良検査方法。
前記標本集団の抵抗値は正規分布曲線をなす、請求項１から５のいずれか一項に記載の溶接不良検査方法。
前記臨界抵抗値は、平均値＋６δである、請求項６に記載の溶接不良検査方法。
前記溶接部は、パウチ型二次電池の電極タブと電極リードとの間の溶接部および電極タブと電極タブとの間の溶接部の中で選択された一つである、請求項１から７のいずれか一項に記載の溶接不良検査方法。