KR101182643B1 - 각형 전지 케이스의 제조방법 - Google Patents

Abstract

이 발명의 각형 전지 케이스의 제조방법은 상단과 하단이 개방되어 있는 각형의 중공 본체(100)와 중공 본체의 하단에 대응하는 형상의 밀봉부재(200)를 각각 제조한 후, 중공 본체와 밀봉부재를 서로 간에 접합하여 제조하는 것으로서, 중공 본체는 압출 성형된 중공 압출재를 일정 길이로 절단하는 단계와, 절단한 중공 압출재의 입구의 내측에 가이드를 삽입 장착하여 중공 압출재의 내측의 치수 및 형상변화가 없도록 고정한 상태에서 외측의 인발 다이스를 통하여 중공 압출재를 인발 성형하는 단계, 및 인발 성형된 제품을 전지 케이스의 길이에 해당하는 길이로 절단하는 단계를 포함하여 제조되고, 중공 본체와 밀봉부재는 서로 간에 브레이징 접합된다. 이 발명은 압출 성형한 중공 압출재를 일정 길이로 절단한 후 인발 성형하여 그 두께를 최소화하고, 중공 본체와 밀봉부재를 브레이징 접합함에 따라 다양한 소재에 적용이 가능할 뿐만 아니라 작업성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

각형 전지 케이스의 제조방법{Method for Production of Prismatic Battery Case}

이 발명은 각형 전지 케이스의 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 상단과 하단이 각각 개방되어 있는 중공형의 각형 본체와 본체의 하단에 밀착될 수 있는 밀봉부재를 각각 제조한 후 이를 상호 결합되도록 접합하여 하단이 밀봉된 각형 전지 케이스를 제조하는 방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 젤리-롤이 원통형 또는 각형의 금속 캔 내에 내장되어 있는 원통형 전지 또는 각형 전지와, 젤리-롤이 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지 케이스에 내장되는 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 폴딩형 전극 조립체(젤리-롤)와, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체로 분류된다. 그 중, 젤리-롤은 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

젤리-롤은 주로 원통형 전지와 각형 전지에 사용되는 바, 도 1에는 젤리-롤을 포함하고 있는 각형 전지의 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지 케이스의 수직 단면도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각형 전지(50)는 젤리-롤(10)이 각형의 케이스(20)에 내장되어 있고 케이스(20)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.

젤리-롤(10)의 음극은 음극 탭(12)을 통해 탑 캡(30) 상의 음극단자(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(32)는 절연부재(34)에 의해 탑 캡(30)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 젤리-롤(10)의 또다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(14)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.

또한, 전극 탭(12, 14)들을 제외하고 젤리-롤(10)과 탑 캡(30)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(20)와 젤리-롤(10) 사이에 시트형 절연부재(40)를 삽입한 뒤, 탑 캡(30)을 장착하고, 탑 캡(30)과 케이스(20)의 접촉면을 따라 용접하여 이들을 결합시킨다. 그런 다음, 전해액 주입구(43)를 통해 전해액을 주입한 후 금속 볼(도시하지 않음)을 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 전지가 완성된다.

한편, 이러한 구조의 이차전지의 케이스는 일반적으로 다단계 딥 드로잉 가공법에 의해 제작되며, 도 2와 같이 각형의 케이스(20)의 측벽 두께가 각각의 면에서 동일하게 성형(A=A')된다. 이러한 딥 드로잉 가공법은 판재로부터 최종적인 중공 케이스까지 일련의 연속적인 공정에 의해 제조할 수 있으므로 공정의 효율성이 높다는 장점을 갖는 반면에, 다음과 같은 몇가지 문제점을 가지고 있다. 첫째, 딥 드로잉 가공법은 대략 10 단계 이상의 복잡하고 정교한 공정을 거치므로 이를 위한 장치의 제작비용이 매우 높고, 둘째, 딥 드로잉 가공이 가능한 소재의 종류가 매우 한정적이므로 원하는 물성의 전지 케이스를 얻기 어려운 등등의 문제점을 가지고 있다.

따라서, 종래에는 이러한 딥 드로잉 가공법에 의한 각형 전지 케이스를 제조하는 한계를 보완하기 위해, 압출 성형공정에 의해 각형 중공 본체를 제조하고, 단조, 블랭킹 또는 절삭 공정 등에 의해 중공 본체의 하단에 밀착될 수 있는 밀봉부재를 제조한 후, 이들을 용접시켜 하단이 밀봉된 각형 중공 전지 케이스를 제조하였다. 그런데, 압출 성형공정에 의해 각형 중공 본체를 제조할 경우에는 최소 성형 두께가 0.7~0.8t로 그 두께를 최소화하는데 한계가 있다. 한편, 현재 전지 케이스의 요구 두께는 대략 0.3~0.5t로 종래와 같은 압출 성형공정을 통해서는 이러한 요구 두께를 만족시킬 수 없는 실정이다.

그리고, 중공 본체와 밀봉부재를 서로 간에 접합에 있어서, 레이저 등의 용접방식을 채택함에 따라 용접에 적합하지 않은 소재로는 중공 본체와 밀봉부재를 제조할 수 없으므로 그 소재가 한정되는 단점이 있다. 또한, 중공 본체와 밀봉부재 간의 좁은 결합부위를 용접해야 하므로, 정교한 작업이 요구됨에 따라 작업시간이 많이 소요되는 단점이 있다.

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 압출 성형한 중공 압출재를 인발 성형하여 그 두께를 최소화하고, 중공 본체와 밀봉부재를 브레이징 접합함에 따라 작업성을 향상시키는 각형 전지 케이스의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이 발명의 각형 전지 케이스의 제조방법은 상단과 하단이 개방되어 있는 각형의 중공 본체와 중공 본체의 하단에 대응하는 형상의 밀봉부재를 각각 제조한 후, 중공 본체와 밀봉부재를 서로 간에 접합하여 제조하는 것으로서, 중공 본체는 압출 성형된 중공 압출재를 일정 길이로 절단하는 단계와, 절단한 중공 압출재의 입구의 내측에 가이드를 삽입 장착하여 중공 압출재의 내측의 치수 및 형상변화가 없도록 고정한 상태에서 외측의 인발 다이스를 통하여 중공 압출재를 인발 성형하는 단계, 및 인발 성형된 제품을 전지 케이스의 길이에 해당하는 길이로 절단하는 단계를 포함하여 제조되고, 중공 본체와 밀봉부재는 서로 간에 브레이징 접합되는 것을 특징으로 한다.

한편, 이 발명은 절단한 중공 압출재의 입구부위를 프레스로 압착하여 인발작업이 용이하도록 할 수 있다.

이 발명의 브레이징 접합은 중공 본체와 밀봉부재 간의 접합면에 브레이징 재료를 도포한 후, 브레이징 로에서 행하되, 450~520℃ 불활성 가스 분위기의 연속로에서 행하는 것이 바람직하다.

또한, 이 발명의 브레이징 접합은 초음파 혼을 이용하여 솔더링 무연납재가 중공 본체와 밀봉부재 간의 미세공간으로 스며들어 접합되도록 할 수도 있다.

이 발명은 압출 성형한 중공 압출재를 일정 길이로 절단한 후 인발 성형하여 그 두께를 최소화하고, 중공 본체와 밀봉부재를 브레이징 접합함에 따라 다양한 소재에 적용이 가능할 뿐만 아니라 작업성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 젤리-롤을 포함하고 있는 각형 전지의 분해 사시도이고,
도 2는 도 1에 도시된 전지 케이스의 수직 단면도이고,
도 3은 이 발명의 한 실시예에 따른 각형 전지 케이스의 제조방법을 나타낸 흐름도이고,
도 4 및 도 5는 이 발명에 적용되는 초음파 브레이징 접합원리를 설명하기 위한 개념도이고,
도 6 내지 도 8은 이 발명의 중공 본체와 밀봉부재에 형성된 접합부의 다양한 형상과 이들의 접합 상태를 보여주는 개략도들이다.

아래에서, 이 발명에 따른 각형 전지 케이스의 제조방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이 발명에 따른 각형 전지 케이스의 제조방법은 상단과 하단이 개방되어 있는 각형의 중공 본체와, 중공 본체의 하단에 대응하는 형상의 밀봉부재를 각각 제조하고, 이들을 결합시킨 후 접합하는 과정으로 구성되어 있다. 이 발명에 사용된 용어 각형은 케이스의 수평 단면 형상이 원형 또는 타원형 등과 같이 곡선이 아닌 직선 부위를 포함하고 있는 것을 포괄적으로 표현하도록 의도되었으며, 예를 들어, 사각형, 삼각형, 오각형 등을 예로 들 수 있고, 바람직하게는 한 쌍의 변(장변)이 대응하는 다른 한 쌍의 변(단변)보다 긴 직사각형일 수 있다. 또한, 두 개의 직선부가 만나는 모서리부가 라운딩되어 있는 형상도 포함하는 개념이다.

도 3은 이 발명의 한 실시예에 따른 각형 전지 케이스의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 각형 전지 케이스는 상단과 하단이 개방되어 있는 각형의 중공 본체(100)와, 중공 본체(100)의 하단에 대응하는 형상의 밀봉부재(200)를 각각 제조하고, 이들을 결합시킨 후 접합함으로써 제조된다.

먼저, 각형의 중공 본체(100)를 제조하는 과정에 대해 설명한다.

중공 압출성형시에 성형제품의 최소 치수는 0.7~0.8t 정도이다. 따라서, 이 실시예에서는 먼저 전지 케이스에서 요구하는 0.3~0.5t로 제작하기 위해 중공 압출재(대략 6m)를 1.5m 길이로 절단한다. 일반적인 인발은 최대 6m 길이의 소재를 인발기에 장착하여 원하는 치수로 작게 인발할 수 있으나, 중공 압출재는 형상이 불균형하여 일정하게 인발할 수가 없다. 따라서, 이 실시예에서는 대략 6m 길이의 중공 압출재를 1.5m 길이로 절단한다.

그런 다음, 절단한 중공 압출재의 입구부위를 프레스로 압착하여 인발작업이 용이하도록 함과 더불어 압착된 입구의 내측에 가이드를 삽입 장착하여 중공 압출재의 내측의 치수 및 형상변화가 없도록 고정한 후, 외측의 인발 다이스를 통하여 중공 압출재를 잡아 당겨 인발작업을 행한다. 이러한 인발 성형공정을 통해 두께가 대략 0.7~0.8t 정도이던 중공 압출재가 대략 0.3~0.5t 정도로 인발 성형된다. 그러면, 인발 성형된 제품을 전지 케이스의 길이에 해당하는 길이로 절단하여 전지 케이스용 중공 본체(100)를 제조한 후, 중공 본체(100)의 상면 및 하면을 기계적인 방법으로 후가공하거나 필요한 턱 등을 제작한다.

한편, 밀봉부재(200)는 프레스 작업을 통해 성형한다. 상기와 같이 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)의 제작이 완료되면, 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)를 세척한 후, 이들을 서로 간에 결합하기 위해 접합면에 브레이징 재료를 도포한 다음, 브레이징 로에서의 접합공정(브레이징 접합공정)을 통해 밀봉부재(200)를 중공 본체(100)에 접합한다.

여기서, 브레이징 접합공정은 알루미늄을 주성분으로 하는 알루미늄 브레이징 재료를 중공 본체(100)와 밀봉부재(200) 간의 접합면에 도포한 다음, 브레이징 로에 넣고 접합하는 것이다. 이때, 브레이징 작업은 일반적인 연속로의 경우에는 450~520℃ 온도이면서 질소(N₂) 또는 아르곤(Ar) 가스와 같은 불활성 가스 분위기에서 지그(JIG)작업을 통해 연속적인 작업이 가능하다. 한편, 이 실시예의 브레이징 작업은 450~500℃의 진공로에서도 작업이 가능하다.

그리고, 이 실시예의 접합공정은 도 4 및 도 5에 도시된 초음파 브레이징 접합공정을 통해서도 가능하다. 도 4 및 도 5는 이 발명에 적용되는 초음파 브레이징 접합원리를 설명하기 위한 개념도이다. 초음파 솔더링은 초음파 혼을 이용하여 알루미늄의 산화피막 부분을 기계적으로 파괴하여 초음파가 작용하는 부분에 솔더링 무연납재가 미세공간으로 스며들어 접합되는 방식으로서, 초음파가 발진하는 초음파 혼과 접촉하는 재료의 2mm 구간에만 브레이징 접합이 가능하다. 이러한 초음파 솔더링은 종래의 플럭스를 도포하여 가스가열 접합하는 방식과는 완전히 구분된다. 즉, 종래에는 알루미늄을 접합함에 있어서 플럭스를 도포하여 인두나 고주파 가열을 통하여 접합하였으나, 이 방법은 과도한 과열과 플럭스에 의한 알루미늄 부식, 접합후 세척 문제, 제품의 변형 문제 및 낮은 접합 강도로 인한 전단, 취성 등의 문제점이 있다. 따라서, 이 방법은 전지 케이스의 제조방법에 적용하지 않고 있다.

그런데, 이 실시예의 초음파 브레이징 접합공정은 플럭스를 이용하는 접합방식에서 발생하는 상기와 같은 문제가 전혀 없다. 한편, 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)를 레이저 용접하여 접함에 있어서는 알루미늄의 재질에 따른 용접에 어려움이 있으나, 이 실시예의 접합공정(브레이징 접합공정 또는 초음파 브레이징 접합공정)은 알루미늄의 재질에 관계가 없이 브레이징이 가능하다.

한편, 초음파 브레이징 접합공정은 250~320℃, 최대 420℃의 비교적 낮은 온도에서도 작업이 가능하고, 로 분위기가 아닌 대기 중에서 작업이 가능하여 질소 또는 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 사용하지 않아도 되며, 플럭스가 필요 없고, 작업 후 세정이 필요하지 않다. 그리고, 브레이징 재료로는 납을 함유하고 있지 않고, 주석을 주재료로 하여 은 3~5%, 구리 0.5%, 기타 재료 및 별도의 아연 3% 정도를 함유한 재료를 사용한다.

상기와 같은 초음파 브레이징 접합공정을 통해 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)를 접합함에 있어서는, 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)를 서로 간에 밀착시켜 결합한 상태에서 초음파 브레이징 장비에 삽입한다. 이때, 초음파 혼의 형상은 중공 본체(100)의 형상과 동일하게 가공되어야 하며, 후술할 도 6과 같은 접합부의 형상을 가질 경우, 밀봉부재(200)의 접합부가 초음파 혼에 삽입될 수 있는 중간부위까지 삽입하여 위치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 초음파 혼에 삽입될 수 있는 삽입깊이가 3mm일 경우 접합부는 1.5mm 정도 삽입되는 것이 바람직하다.

한편, 중공 본체(100) 등이 삽입되는 초음파 혼의 상부를 형성함에 있어서는 도 5에서와 같이 일정 각도를 주어 접합재(브레이징 무연납재)가 중공 본체(100)와 밀봉부재(200) 간의 접합부에 흘러 들어갈 수 있도록 하여야 한다. 용융 용기는 접합재인 브레이징 무연납재를 수용하는 용기로서, 접합재의 온도가 일정하게 유지되도록 온도를 조절하여야 하며 초음파 혼의 상부까지 접합재가 채워져야 한다.

상기와 같은 위치관계를 갖도록 밀봉부재(200)가 결합된 중공 본체(100)를 초음파 혼의 상부 부위에 삽입한 후, 초음파 발진부의 스위치를 조작하여 초음파를 발진시킴으로써, 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)를 접합시킬 수 있다. 이때, 초음파 용량은 20KHz, 2000W를 사용하며, 제품의 형상에 따라 용량이 더 커질 수도 있으며, 접합시간은 약 6~10초 사이에 이루어지는 것이 바람직하다. 만약, 접합시간이 길어지면 접합재가 내부로 침투하여 내부에 용융물이 채워질 수도 있다.

상기와 같은 접합공정에 의해 중공 본체(100)와 밀봉부재(200) 간의 접합이 완료되면, 접합된 제품의 기밀 검사(공기압 누설검사)를 실시하여 제품의 불량 여부를 판정함으로써, 이 실시예에 따른 각형 전지 케이스가 완성된다.

한편, 이 실시예의 전지 케이스를 구성하는 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)는 그 소재가 동일하거나 다를 수 있으며 다양한 소재들이 사용될 수 있다. 이러한 소재는 전지의 케이스에 적합한 물성을 가지며, 판재의 형태로 제조될 수 있고, 중공 본체(100)를 제조하기 위한 공정에 사용될 수 있는 소재라면, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 1000계열 순알루미늄(예를 들면, A1050, A1100), 3000계열 Al-Mn계 합금(예를 들면, A3003, A3004), 5000계열 Al-Mg계 합금(예를 들면, A5005, A5052, A5083, A5086, A5154), 6000계열 Al-Mg-Si계 합금(예를 들면, A6061, A6063, A6N01(Si가 함유되어 레이저 용접이 어려움)), 7000계열 Al-Zn-Mg계 합금(예를 들면, A7003, A7N01) 등을 들 수 있다.

그리고, 중공 본체(100)와 밀봉부재(200) 간의 접합부를 형성함에 있어서는, 도 6과 같이 중공 본체(100)의 하단은 단순히 개방된 구조를 가지고 있고, 밀봉부재(200)의 상단에는 중공 본체(100)의 내면에 체결될 수 있는 형상의 돌출부(210)가 형성될 수 있다. 따라서, 밀봉부재(200)의 상단 돌출부(210)를 중공 본체(100)의 하단 내면에 삽입하여 결합시킨 후, 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)의 접촉부위를 브레이징 접합하게 된다.

도 7은 접합부가 중공 본체(100)의 하단에만 형성되어 있는 경우로서, 중공 본체(100)의 하단에는 밀봉부재(200)가 삽입되어 체결될 수 있는 오목부(110)가 형성될 수 있다. 따라서, 밀봉부재(200)는 중공 본체(100)의 오목부(110)에 삽입되어 브레이징 접합된다.

도 8은 접합부가 중공 본체(100)의 하단과 밀봉부재(200)에 각각 형성되어 있는 경우로서, 도 6과 도 7의 병합 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 중공 본체(100)의 하단에는 오목부(110)가 형성되어 있고, 밀봉부재(200)의 상단에는 그에 대응하는 돌출부(210)가 형성되어 있어서, 오목부(110)와 돌출부(210)가 맞물리면서 체결되고 그 체결부위가 브레이징 접합된다.

도 7과 도 8의 구조에서 중공 본체(100)의 오목부(110)는, 예를 들어, 인발가공으로 얻어진 중공 본체(100)의 하단을 절삭하여 형성될 수 있고, 밀봉부재(200)의 돌출부(210)는, 예를 들어, 단조 가공에 의해 형성될 수 있다. 다른 예로서, 밀봉부재의 외면이 상부쪽으로 돌출되어 접합부를 형성하고, 중공 본체의 하단이 그러한 밀봉부재에 삽입되어 체결되는 구조도 가능할 수 있다.

이상에서 이 발명의 각형 전지 케이스의 제조방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100 : 중공 본체 200 : 밀봉부재

Claims (5)

1. 상단과 하단이 개방되어 있는 각형의 중공 본체와 상기 중공 본체의 하단에 대응하는 형상의 밀봉부재를 각각 제조한 후, 상기 중공 본체와 상기 밀봉부재를 서로 간에 접합하여 각형 전지 케이스를 제조하는 각형 전지 케이스의 제조방법에 있어서,
   상기 중공 본체는 압출 성형된 중공 압출재를 일정 길이로 절단하는 단계와, 절단한 중공 압출재의 입구의 내측에 가이드를 삽입 장착하여 중공 압출재의 내측의 치수 및 형상변화가 없도록 고정한 상태에서 외측의 인발 다이스를 통하여 중공 압출재를 인발 성형하는 단계, 및 상기 인발 성형된 제품을 전지 케이스의 길이에 해당하는 길이로 절단하는 단계를 포함하여 제조되고,
   상기 중공 본체와 상기 밀봉부재는 서로 간에 브레이징 접합되는 것을 특징으로 하는 각형 전지 케이스의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 절단한 중공 압출재의 입구부위를 프레스로 압착하여 인발작업이 용이하도록 하는 것을 특징으로 하는 각형 전지 케이스의 제조방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 브레이징 접합은 상기 중공 본체와 상기 밀봉부재 간의 접합면에 브레이징 재료를 도포한 후, 브레이징 로에서 행하는 것을 특징으로 하는 각형 전지 케이스의 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 브레이징 접합은 450~520℃ 불활성 가스 분위기의 연속로에서 행하는 것을 특징으로 각형 전지 케이스의 제조방법.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 브레이징 접합은 초음파 혼을 이용하여 솔더링 무연납재가 상기 중공 본체와 상기 밀봉부재 간의 미세공간으로 스며들어 접합되도록 하는 것을 특징으로 하는 각형 전지 케이스의 제조방법.

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