KR101296944B1 - 이차 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

이차 전지가 제공된다. 상기 이차 전지는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 케이스의 내측에 수용되며 전극 조립체와 케이스를 전기적으로 연결시키는 적어도 하나의 리드 탭 및 케이스와 리드 탭을 결합시키는 용접부를 포함한다. 상기 이차 전지에서, 상기 케이스는 케이스 내부에 스패터를 발생시키지 않고 리드 탭에 전기적으로 연결된다. 상기 용접부는 상기 케이스의 외부 바닥 표면으로부터 상기 리드 탭으로 연장된다. 더욱이, 상기 이차 전지를 제조하는 제조 방법이 제공된다.
스패터, 레이저 용접, 리드 탭, 케이스

Description

이차 전지 및 그 제조 방법{RECHARGEABLE BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 이차 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이스와 리드 탭을 연결하는 과정에서 케이스의 내부에 스패터가 발생되지 않도록 하는 이차 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전형적인 리튬 이온 이차 전지에서, 전극 조립체와 전해질은 케이스에 수용되어 밀봉된다. 이러한 리튬 이온 이차 전지는 케이스의 재질에 따라 캔형 리튬 이온 이차 전지와 파우치형 리튬 이온 이차 전지로 나누어진다.
예를 들면, 캔형 리튬 이온 이차 전지는 전극 조립체와, 전극 조립체의 양극과 음극에 전기적으로 연결되는 금속 재질의 케이스를 포함하여 형성된다. 상기 전극 조립체는 리드 탭에 의해 케이스와 전기적으로 연결된다. 케이스와 리드 탭의 연결은 어떤 적정한 방법에 의하여 이루어지며, 주로 저항 용접에 의해 이루어진다.
그런데, 상기 저항 용접은 용접과정에서 전극 조립체와 케이스의 쇼트를 유발시키는 용접 스패터(spatter)가 발생되기 때문에 문제가 있다.
상기 전극 조립체와 케이스 사이의 전기 전도성을 증가시키고자 하는 경우에, 종종 두 개 이상의 부분적으로 겹쳐지는 리드 탭이 사용된다. 이러한 경우에, 저항 용접이 각각의 리드 탭을 케이스에 연결시키기 위하여 종종 수행되는데, 이는 제조 공정 시간을 증가시키고 제조 공정을 복잡하게 만든다.
더욱이, 상기 케이스와 리드 탭 사이의 저항 용접은 저항 용접 과정에서 결함이 있는 용접 결합을 유발하게 된다. 종종, 상기 리드를 형성하는 재료는 낮은 저항을 가지게 되며, 이는 발생되는 열을 감소시켜 불충분한 용접을 유발하게 된다.
본 발명은 케이스와 적어도 한나의 리드 탭이 연결되는 과정에서 케이스의 내부에 잔존물 또는 스패터가 발생되지 않도록 하는 이차 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 케이스와 복수 개의 리드 탭을 연결하는 과정에서 공정 단계의 수가 증가되지 않도록 하는 이차 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 케이스와 적어도 하나의 리드 탭 사이의 접촉 저항을 고려하지 않아도 좋은 용접성을 갖는 용접부가 형성될 수 있는 이차 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 이차 전지는 도전성 재료로 형성되고, 외부 면을 구비하여 내부 공간을 한정하며 제 1 표면을 구비하는 캔을 포함하는 케이스를 포함한다. 또한, 상기 이차 전지는 제 1 전극판과 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 배치되는 세퍼레이터를 구비하며, 상기 케이스의 내부 공간에 위치하는 전극 조립체를 포함한다. 또한, 상기 이차 전지는 제 2 전극판에 결합되는 적어도 하나의 도전 부재를 포함하며, 상기 적어도 하나의 도전 부재는 제 1 위치에서 상기 제 1 표면에 용접되며, 용접부는 상기 케이스의 외부로부터 형성되며, 될 수 있다. 또한, 상기 용접부는 단면적이 상기 적어도 하나의 도전 부재에서 보다 상기 케이스의 외부 표면에서 더 크며, 케이스의 내부로 연장되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체를 제공하는 단계와 적어도 하나의 도전 부재를 상기 전극 조립체에 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 이차 전지의 제조 방법은 상기 양극판과 음극판 및 세퍼레이터를 구비하는 상기 전극 조립체를 케이스의 내부에 위치시키는 단계와 상기 적어도 하나의 도전 부재를 상기 케이스의 제 1 표면에 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 이차 전지의 제조 방법은 상기 케이스를 상기 적어도 하나의 도전 부재의 제 1 단에 용접하는 단계를 포함하며, 상기 용접부는 상기 케이스의 외부 면으로부터 형성되어 상기 전극 조립체로 스패터가 유입되는 것을 방지하도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 이차 전지 및 그 제조 방법은 케이스와 리드 탭을 연결하는 과정에서 케이스의 내부에 스패터가 발생되지 않으므로 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 이차 전지 및 그 제조 방법은 케이스와 복수 개의 리드 탭을 연결하는 과정에서 공정 단계의 수가 증가되지 않아 제조 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 이차 전지 및 그 제조 방법은 케이스와 리드 탭 사이의 접촉 저항을 고려하지 않아도 좋은 용접성을 가지는 용접부를 형성하여 용접 불량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 설명하기로 한다. 이하의 실시예들에서는 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 사용하기로 하며, 동일한 구성요소의 중복되는 설명은 하지 않기로 한다. 또한, 각각의 실시예들에서는 동일하거나 유사한 효과 및 작용에 대해 중복해서 설명하지 않기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다. 도 1b는 도 1a에 도시된 이차 전지가 결합된 상태의 사시도이다. 도 1c는 도 1b에 도시된 이차 전지의 I-I선에 따른 단면도이다. 도 1d는 도 1c에 도시된 1d 영역에 대한 부분 확대 단면도이다. 도 1e는 도 1d에 대응되는 비교예에 따른 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 케이스(120), 리드 탭(130) 및 용접부(140)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 이차 전지(100)는 절연 부재(isolation member)로서 상부 절연판(150)과 하부 절연판(160)을 더 포함하여 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체(110)는 양극판(111)과 음극판(112) 및 세퍼레이터(113)를 포함하여 형성된다. 상기 세퍼레이터(113)은 양극판(111)과 음극판(112)의 사이에 양극판(111)과 음극판(112)을 분리하기 위하여 배치된다. 또한, 상기 양극판(111), 세퍼레이터(113) 및 음극판(112)은 젤리-롤 형태로 권취되어 전극 조립체(110)를 형성한다. 상기 전극 조립체(110)의 권취 중심부에는 통로(110a)가 형성된다. 이하에서 상기 양극판(111)은 제 1 전극판으로, 상기 음극판(112)는 제 2 전극판으로 형성될 수 있다.
상기 양극판(111)은 양극 집전체와 양극 활물질층으로 이루어져 있다. 상기 양극 활물질층은 리튬을 포함하는 층상화합물과, 양극 활물질 입자들 사이의 결합력을 향상시키는 바인더, 양극 활물질층의 전도성을 향상시키는 도전재를 포함할 수 있다. 상기 양극 집전체는 일반적으로 알루미늄이 사용되며 양극 활물질층을 지지하는 역할을 하게 된다.
상기 음극판(112)은 음극 집전체와 음극 활물질층으로 이루어져 있다. 상기 음극 활물질층은 하드 카본 또는 흑연과 같은 카본과, 음극 활물질 입자 사이의 결합력을 향상시키는 바인더를 포함할 수 있다. 상기 음극 집전체는 일반적으로 구리가 사용되며, 음극 활물질층을 지지하는 역할을 하게 된다.
상기 세퍼레이터(113)는 양극판(111)과 음극판(112)의 사이에 개재되어 양극판(111)과 음극판(112)을 절연시키고, 이온들을 통과시킨다. 상기 세퍼레이터(113)는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)로 형성되며, 다만, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 전극 조립체(110)는 양극판(111)에 부착된 양극탭(114)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 양극탭(114)은 서브 조립체(122e)와 전기적으로 연결된다. 상기 양극탭(114)은 니켈 또는 니켈을 포함하는 합금과 같은 전기 전도성 금속으로 형성될 수 있다.
상기 케이스(120)는 캔(121)과, 캡 조립체(122)를 포함하여 형성된다. 본 실시예에서, 상기 케이스(120)는 전극 조립체(110)를 수용하여 밀폐시키는 역할을 한다. 또한, 상기 케이스(120)는 전해액(도면에 도시하지 않음)을 수용할 수 있다. 한편, 상기 케이스(120)는 도면상에서 원통형으로 도시되었으나, 상기 케이스(120)는 본 발명의 기술적 사상에서 벗어남이 없이 단면이 다각형상 또는 다수의 다른 형상으로 형성도리 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.
상기 캔(121)은 외부 면을 구비하여 내부 공간을 한정하며, 바닥 표면을 구비하게 된다. 또한, 상기 캔(121)은 적어도 하나의 측벽과 적어도 하나의 수직 표면을 구비할 수 있으며, 적어도 하나의 수직 표면은 적어도 하나의 측벽과 수직 방향으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 캔(121)의 적어도 하나의 수직 표면은 캔의 바닥 표면으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 캔(121)은 일 단부에 개구부(121a)가 형성되어, 개구부(121a)를 통하여 내부 공간에 전극 조립체(110)를 수용한다.
상기 캔(121)은 캔(121)의 외주부를 따라 비딩부(121b)가 형성된다. 상기 비딩부(121b)는 절연 가스킷(122d)의 하단과 전극 조립체(110)의 상면 사이에서 오목한 구조를 가지도록 내부 방향으로 오목하게 들어가도록 형성된다. 또한, 상기 개구부(121a)는 절곡부(121c)가 형성되도록 절곡된다. 상기 절곡부(121c)는 절연 가스킷(122d)의 상부 주위 표면과 밀착된다.
상기 캔(121)은 알루미늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 전도성 금속 재질로 형성되며, 리드 탭(130)과 같은 도전 부재(130)와 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 하부 절연판(160)은 캔(121)의 내부 바닥 표면에 설치되며, 전극 조립체(110)의 하부 표면과 캔(121)의 내부 바닥 표면을 전기적으로 절연시키게 된다.
상기 캡 조립체(122)는 캡업(122a), 안전 소자(122b), 안전 벤트(122c), 절연 가스킷(122d)를 포함한다. 또한, 상기 캡 조립체(122)는 서브 조립체(122e)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 캡 조립체(122)는 절연 가스킷(122d)에 의하여 캔(121)로부터 전기적으로 절연된다.
상기 캡업(122a)은 캡업(122a)의 중앙에서 돌출되는 원형 돌출부(122a1)를 포함한다. 또한, 상기 캡업(122a)은 원형 돌출부(122a1)의 원형 테두리 부에 가스를 배출하기 위하여 형성되는 다수의 가스 배출홀(122a2)을 포함한다. 상기 캡업(122a)은 스테인리스 스틸과 같은 금속 재질로 형성되며, 안전 소자(122b)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 안전 소자(122b)는 캡업(122a)과 안전 벤트(122c) 사이에 배치된다. 상기 안전 소자(122b)는 원형의 링 형상으로 형성되어 캡업(122a)과 안전 벤트(122c) 를 전기적으로 연결시킨다. 본 실시예의 경우, 상기 안전 소자(122b)는 PTC 소자로 형성될 수 있다. 상기 안전 소자(122b)는 이차 전지(100)의 온도가 임계 값 이상으로 상승되는 경우에 캡업(122a)과 안전 벤트(122c) 사이의 전류를 차단하여 이차 전지(100)의 과열 및 폭발을 방지한다.
상기 안전 벤트(122c)는 안전 소자(122b)의 하부에 배치된다. 또한, 상기 안전벤트(122c)는 파단홈(122c1)이 형성된다. 상기 파단홈(122c1)은 이차 전지(100)의 내부 압력이 특정 임계 값으로 상승하는 경우에 파단된다. 이러한 파단으로 이차 전지의 내부 가스는 가스 배출홀(122a2)을 통해 배출되고, 이차 전지(100)의 내부 압력의 과도한 증가로 인한 손상 또는 폭발로부터 이차 전지(100)을 보호하게 된다.
상기 절연 가스킷(122d)은 외곽 원주부의 일부가 절곡되어 캡업(122a)과 안전 소자(122b) 및 안전 벤트(122c)의 외곽 원주부를 감싼다. 여기서, 상기 절연 가스킷(122d)은 캔(121)에 형성되는 비딩부(121b)와 절곡부(121c)에 의해 캔(121)과 일체형으로 결합한다. 본 실시예의 경우, 상기 절연 가스킷(122d)은 PET(Polyethylene Terephthalate)나 PE(Polyethylene)와 같은 수지재질로 형성되어 캔(121)과 캡 조립체(122)의 구성요소를 절연시키게 된다.
상기 서브 조립체(122e)는 안전 벤트(122c)의 하부 면에 배치된다.
본 실시예의 경우, 상기 서브 조립체(122e)는 절연 플레이트(121e1)와 절연 플레이트(121e1)에 밀착된 메인 플레이트(121e2) 및 메인 플레이트(121e2)에 접속된 서브 플레이트(121e3)를 포함할 수 있다.
상기 절연 플레이트(121e1)는 안전 벤트(122c)와 메인 플레이트(121e2) 사이에 배치되어 안전 벤트(122c)와 메인 플레이트(121e2)를 절연시킨다. 상기 안전 벤트(122c)는 어떠한 장애 없이 서브 플레이트(121e3)와 전기적으로 연결되는 것이 필요하다. 이를 위하여, 상기 절연 플레이트(122e1)는 안전 벤트(122c)와 메인 플레이트(121e2)를 절연시키기 위하여 메인 플레이트(121e2)의 상면 일부에 형성된다.
상기 메인 플레이트(121e2)는 하부 면에 메인 플레이트(121e2)의 지름보다 작은 지름을 갖는 돌출부가 형성된다. 또한, 중앙 홀(122e4)가 돌출부 사이에 형성된다. 상기 메인 플레이트(121e2)에 형성된 중앙 홀(122e4)의 주변에는 캔(121)의 내부가스 배출을 원활하게 하기 위한 가스 통과 홀(122e5)들이 형성된다.
상기 서브 플레이트(121e3)는 메인 플레이트(121e2)의 중앙 홀(122e4)을 덮도록 메인 플레이트(121e2)의 하부에 결합되며, 메인 플레이트(121e2)와 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 서브 플레이트(121e3)는 안전벤트(122c)와 전기적으로 연결되고, 양극탭(114)과 전기적으로 연결된다.
상기 리드 탭(130)은 도전 부재로서 케이스(120)에 수용되며, 전극 조립체(110)의 음극판(112)를 케이스(120)에 전기적으로 연결시킨다. 또한, 상기 리드 탭(130)은 전극 조립체(110)의 하부 표면과 캔(121)의 내부 바닥 표면 사이에 삽입되도록 절곡된다. 따라서, 상기 리드 탭(130)은 전극 조립체(110)로부터 캔(121)의 측벽에 평행하게 연장되는 제 1 부와, 제 1 부로부터 캔(121)의 바닥 표면에 평행하게 연장되는 제 2 부를 구비할 수 있다. 따라서, 상기 리드 탭(130)의 제 1 부는 절연 부재와 측벽 사이에 위치하게 되며, 제 2 부는 절연 부재와 캔(121)의 바닥 표면 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 상기 절연 부재는 이하에서 설명하는 하부 절연판일 수 있다.
상기 리드 탭(130)은 전도성 금속 재질로 형성된다. 특히, 상기 리드 탭(130)은 니켈, 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸 및 이들의 합금 가운데 선택되는 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
상기 캔(121)은 용접부(140)에 의하여 리드 탭(130)에 연결된다. 상기 용접부(140)는 캔(121)의 제 1 표면으로부터 캔(121)과 리드 탭(130)의 제 1 위치까지 형성된다. 여기서, 상기 제 1 표면은 외부 바닥 표면일 수 있으며, 상기 제 1 위치는 캔(121)과 리드 탭(130)의 접촉 위치일 수 있다. 따라서 상기 용접부(140)는 캔(121)의 제 1 표면인 외부 바닥 표면에서 레이저 용접에 의하여 형성된다. 도시된 바와 같이, 상기 용접부(140)는 리드 탭(130)이 위치하는 캔(120)의 외부 표면 단면적이 내부 표면의 단면적보다 크게 되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 상기 용접부(140)가 캔(121)의 제 1 표면인 바닥 표면에 형성되었으나, 상기 용접부(140)는 캡 조립체(122)의 캡업(122a)의 같은 외부 표면에도 형성될 수 있다. 즉, 상기 용접부(140)는 리드 탭(130)의 결합 위치에 따라 케이스(120)의 그 어느 곳에 형성되어도 무방하다.
상기 용접부(140)는 캔(121)의 개구부(121a)와 대향하는 면인 바닥 표면에 형성된다. 상기 캔(121)은 리드 탭(130)에 의해 음극판(112)과 전기적으로 연결된다. 이러한 경우에, 상기 이차 전지는 다른 이차 전지와 직렬로 연결되어 고전압의 배터리 팩을 형성하게 된다. 예를 들면, 상기 캔(121)의 바닥 표면은 다른 이차 전지들의 양극과 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 용접부(140)가 바닥 표면에 형성된 이차 전지는 다른 이차 전지와 직렬로 연결될 때, 이차 전지들간의 전기적인 연결경로가 최소화된다. 그 결과, 상기 이차 전지들의 내부 저항이 감소되어, 이차 전지의 발열을 방지하게 된다.
상기 상부 절연판(150)은 전극 조립체(110)의 상부 표면에 위치한다. 상기 상부 절연판(150)은 전극 조립체(110)의 상부 표면에 위치하여 서브 조립체(122e)와 전극 조립체(110)를 절연시키는 역할을 한다. 또한, 상기 상부 절연판(150)에는 중앙에 양극탭 통과홀(151)이 형성되어 양극탭(114)을 통과시킨다.
상기 하부 절연판(160)은 전극 조립체(110)의 하부 표면에 배치된다. 상기 하부 절연판(160)은 원형의 판 형상으로 형성되어 전극 조립체(110)의 바닥 표면과 리드 탭(130) 사이를 절연시키는 역할을 한다.
상기한 바와 같은 이차 전지는 캔(121)의 외부 바닥 표면에서 레이저 용접이 시행되어, 리드 탭(130)이 캔(121)에 연결되므로 안전성이 향상된다. 도 1e를 참조하면, 도 1d의 비교예에 따른 종래 이차 전지의 부분 단면도가 도시되어 있다. 도 1e을 참조하면, 종래의 이차 전지에서, 저항 용접부(140f)는 캔(121)과 리드 탭(130e)이 접촉되는 영역에 형성된다. 상기 저항 용접부(140f)는 다음과 같은 과정에 의하여 형성된다. 먼저, 상기 리드 탭(130e)와 캔(121)을 양극봉(11a)과 음극봉(11b)으로 이용하여 접촉시킨다. 상기 양극봉(11a)과 음극봉(11b)을 통하여 전류가 흐를 때, 리드 탭(130e)와 캔(121)의 접촉 영역 가운데 접촉 저항이 가장 높은 접촉 영역에서 열이 발생되며, 접촉 영역을 용융시키게 된다. 그 결과, 상기 리드 탭(130e)는 캔(121)의 바닥 면과 결합하게 된다. 리드 탭(130e)는 캔(121)과의 사이에서 접촉 저항을 높이기 위해 복수 개의 돌기(130e1)가 형성된다. 상기 돌기(130e1)들은 저항 용접에서 종종 필요한 추가적인 스팟 용접 포함하며, 제조 비용을 증가시킬 수 있다.
상기 저항 용접은 용접 방식의 특성상 저항 용접부(140f)에서 스패터(spatter)의 발생을 수반하게 된다. 상기 스패터는 리드 탭(130e)과 캔(121)의 접촉 영역(또는 제 1 위치)이 용융될 때 발생하는 뜨거운 알갱이들로 이루어진 불꽃이다. 상기 스패터는 전극 조립체(110)의 통로(110a)나 전극 조립체(110)의 하부 면으로 유입된다. 특히, 상기 스패터가 전극 조립체(110)의 통로(110a)로 비산되어 유입되는 경우, 전극 조립체(110)의 쇼트를 유발시켜 전극 조립체(110)의 안전성을 저하시키게 된다. 또한, 상기 스패터 입자들은 파티클(particle) 형태로 단단하게 굳어져 캔(121)의 내부에 잔존하게 되므로 전극 조립체(110)의 안전성에 나쁜 영향을 주게 된다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 레이저 용접 방식을 시행하게 되므로, 저항 용접부의 용접 방식과는 달리 스패터의 발생이 없어져 안전성이 향상된다. 더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서는 상기 용접이 캔(121)의 외부 바닥 표면에서 시행되므로, 용접 불량을 보다 용이하게 육안으로 식별할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체(110), 케이스(121, 일부 도시), 제 1 리드 탭(231)과 제 2 리드 탭(232) 및, 용접부(240)를 포함하여 형성된다. 상기 전극 조립체(110) 및 케이스(121, 일부 도시)는 이전의 실시예에서 설명한 바와 동일하므로, 여기서 반복되는 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 리드 탭들(231, 232)과 용접부(240)에 대하여 이하에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 제 1 리드 탭(231) 및 제 2 리드 탭(232)은 전극 조립체(110)의 음극판과 전기적으로 연결된다. 이때, 상기 제 1 리드 탭(231)과 제 2 리드 탭(232)은 전극 조립체(110)의 양 측에 위치하는 제 1 면과 제 2 면에 각각 결합될 수 있다. 여기서, 상기 제 1 면과 제 2 면은 전극 조립체(110)의 외측에서 서로 대향하는 임의의 두 면을 의미할 수 있다. 한편, 상기 제 1 리드 탭(231)과 제 2 리드 탭(232)은 용접부가 형성되는 위치에서 부분적으로 서로 겹치게 형성된다. 이 경우, 용접부(240)는 캔(121)의 외부 바닥 표면(또는 제 1 표면)에서 복수 개의 리드 탭(231, 232)이 서로 겹쳐진 위치(또는 제 1 위치)까지 연장된다. 상기 용접부(240)는 레이저 용접에 의해 형성된다. 따라서, 레이저의 에너지와 조사 시간을 조절하면, 캔(121)의 외부 바닥 표면부터 복수 개의 리드 탭이 겹쳐진 부위까지 용접 깊이를 제어할 수 있다.
레이저 용접의 결과에 따라, 상기 제 1리드 탭(231)과 제 2 리드 탭(232)이 전극 조립체(110)의 음극판과 전기적으로 연결되므로, 전극 조립체(110)와 캔(121) 이 전기적으로 연결된다.
상기 제 1 리드 탭(231)는 니켈, 구리, 알루미늄 및 스테인레스 스틸 중에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어지거나, 이들의 합금으로 이루어진다. 또한, 상기 제 2 리드 탭(232)은 니켈, 구리, 알루미늄 및, 스테인레스 스틸 중에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어지거나, 이들의 합금으로 이루어진다. 상기 용접부(240)는 제 1 리드 탭(231)과 제 2 리드 탭(232)의 재질에 관계없이 레이저 용접에 의하여 형성될 수 있다.
상기 리드 탭(231, 232)은 재질에 관계없이 용접 전에 서로 부분적으로 겹쳐질 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 리드 탭(231)과 제 2 리드 탭(232)이 각각 니켈과 구리로 형성될 때, 이들은 어떠한 결함이 없이 레이저 용접에 의하여 용접될 수 있다. 결론으로, 상기 용접부(240)는 리드 탭(231, 232)의 재질에 관계없이 형성될 수 있다.
한편, 도 1e를 참조하면, 상기 저항 용접부(140f)는 공정의 특정상, 한 개의 리드 탭(130e)과 캔(121)의 내측 면을 비교적 간단한 방법에 의하여 형성될 수 있다. 저항 용접에 의하여 겹쳐진 리드 탭(231, 232)을 용접하고자 하는 경우에는 그 공정이 매우 복잡해 진다. 하지만, 본 실시예에서 상기 용접부(240)는 리드 탭(231, 232)과 캔(121)을 서로 접촉시킨 후, 레이저 용접에 의하여 리드 탭(231, 232)들과 캔(121)을 매우 간단한 방법으로 결합시켜 형성될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 부분 단면도이다. 도 3b는 도 3a에 도시된 이차 전지의 저면도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는 전극조립체(110), 케이스(121, 일부 도시), 제 1 리드 탭(331), 제 2 리드 탭(332), 제 3 리드 탭(333), 제 4 리드 탭(334) 및, 용접부(340)를 포함하여 형성된다. 상기 전극 조립체(110) 및 케이스(121, 일부 도시)는 앞의 실시예에서 설명한 바 와 동일하므로, 반복적인 설명은 생략하기로 한다. 본 실시예에서는 리드 탭들(331, 332, 333, 334)과 용접부(340)에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 리드 탭(331, 332, 333, 334)들은 캔(121)의 중앙에서 서로 부분적으로 겹쳐져서 십자 형상으로 형성된다. 상기 리드 탭(331, 332, 333, 334)들은 전극 조립체(110)의 음극판(112)에 일정한 간격으로 부착된다. 이때, 상기 전극 조립체(110)는 리드 탭이 각각 부착되는 부분인 제 1 측, 제 2 측, 제 3 측 및 제 4 측을 구비할 수 있다. 상기 제 1 측, 제 2 측, 제 3 측 및 제 4 측은 전극 조립체(110)의 외측에서 일정 각도로 서로 이격되는 영역으로 한정될 수 있다.
상기 용접부(340)는 캔(121)의 외부 바닥 표면에 레이저가 조사되어 형성된다. 그 결과, 상기 리드 탭((331, 332, 333, 334)은 캔(121)의 외부 바닥 표면부터 제 1 리드 탭(331)까지 용융되어 캔(121)에 고착된다.
상기 이차 전지에서, 상기 캔(121)은 리드 탭(331, 332, 333, 334)들에 의하여 전극 조립체(110)와 전기적으로 된다. 이러한 구조에 의하여, 상기 전극 조립 체(110)는 캔(121)의 하부 면까지 고출력의 에너지를 순간적으로 또는 거의 순간적으로 방출할 수 있다. 순간적인 에너지 방출이 가능한 것은 캔(121)의 외부 면에서 레이저 용접에 의해 복수 개의 리드 탭(331, 332, 333, 334)들이 캔(121)과 전기적으로 연결되기 때문이다.
본 실시예에서, 상기 레이저 용접은 복수 개의 리드 탭(331, 332, 333, 334)을 캔(121)과 연결시키기 위하여, 캔(121)의 외부 면에서 실시된다. 따라서, 상기 레이저 용접은 저항 용접에 비하여 매우 간단한 방법으로 용접부를 형성하기 위하여 사용될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 제조 방법의 순서도이다. 도 4b 내지 도 4d는 도 4a의 이차 전지 제조 방법의 순서도에 따른 공정도이다. 본 실시예에서는 앞서 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명한 이차 전지를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 이차 전지의 제조 방법은 리드 탭 접촉 단계(S10) 및 레이저 조사 단계(S20)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 이차 전지의 제조 방법은 양극판(111)과 음극판(112) 및 상기 양극판(111)과 음극판(112) 사이에 위치하는 세퍼레이터(113)를 구비하는 전극 조립체(110)를 제공하는 단계와 적어도 하나의 도전 부재인 리드 탭(130)을 전극 조립체(110)에 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다만, 상기 두 단계는 이차 전지의 제조에 있어서 일반적인 과정이므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 리드 탭 접촉 단계(S10)에서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 리드 탭(130)은 일 단부에 개구부가 형성된 캔(121)의 내부 바닥 표면에 밀착시킨다. 이때, 상기 리드 탭 접촉 단계(S10) 전에 상기 전극 조립체(110)을 캔(121)의 내부에 위치시키는 단계가 미리 수행될 수 있다. 또한, 이러한 경우에 케이스 내부에서 전극 조립체(1100의 하부에 절연 부재인 하부 절연판(160)을 미리 위치시켜 전극 조립체(110)와 리드 탭(130) 사이를 절연시키게 된다.
상기 리드 탭(130)은 캔(121)에 수용된 전극 조립체(110)에 연결된다. 도 2 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 캔(121)의 내부 바닥 표면에 겹쳐진 복수 개의 리드 탭(130)이 하나의 리드 탭(130)을 대신하여 사용될 수 있다. 이러한 경우에는 상기 복수 개의 리드 탭(130)이 각각 전극 조립체(110)에 연결된다. 또한, 상기 복수 개의 리드 탭은 캔의 내부 바닥 표면의 용접부가 형성되는 위치에서 서로 겹쳐지도록 접촉된다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 리드 탭 밀착 단계(S10)에서는 푸셔(13)가 캔(121)의 내부로 삽입되며, 상기 리드 탭(130)을 캔(121)의 내부 바닥 표면에 밀착시키게 된다. 또한, 상기 리드 탭 밀착 단계(S10)에서는 푸셔(130)을 사용하여 리드 탭(130)이 캔(121)의 내부 바닥 표면에 보다 강하게 밀착되도록 한다. 즉, 상기 리드 탭 밀착 단계(S10)는 리드 탭(130)에 힘을 가하는 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 리드 탭(130)에 힘을 가하는 과정은 리드 탭(130)의 용접 과정에서 리드 탭(130)에 힘을 가하여 리드 탭(130)이 캔(121)에 보다 강하게 밀착되도록 한다. 상기 푸셔(13)는 전극 조립체(110)의 통로(110a)를 통하여 유입되며 리드 탭(130) 와 밀착된다.
상기 레이저 조사단계(S20)는, 도 4d에 도시된 바와 같이 리드 탭(130)이 밀착된 캔(121)의 내부 바닥 표면의 반대 면인 캔(121)의 외부 바닥 표면에 레이저를 조사한다.
또한, 상기 레이저 조사단계(S20)에서, 상기 용접은 펄스 레이저 용접에 의하여 수행될 수 있다. 상기 펄스 레이저 용접은 심(seam) 레이저 용접 또는 롱 펄스(long pulse) 레이저 용접일 수 있다.
상기 심(seam) 레이저 용접의 한 주기에서, 온(on)되는 시간이 0.1msec 내지 10msec일 수 있다. 특히, 상기 온(on)되는 시간은 적어도 0.1msec로 조정하여 캔(121)과 리드 탭이 충분히 용융되도록 하고, 10msec 이하로 조정하여 캔(121)이 과도하게 용융되어 구멍이 형성되지 않도록 한다. 상기 심 레이저 용접은 좋은 성형성을 가지는 레이저 용접부를 형성하기 위해서 여러 차례 시행될 수 있다.
또한, 상기 롱 펄스 레이저 용접의 한 주기에서, 온(on)되는 시간이 10msec 내지 50msec일 수 있다. 특히, 상기 온(on)되는 시간은 적어도 10msec로 조정하여 캔(121)과 리드 탭(130)이 충분히 용융되도록 하고, 50msec 이하로 조정하여 캔(121)이 과도하게 용융되어 구멍이 형성되는 것을 방지하게 된다. 상기 롱 펄스 레이저 용접은 레이저 조사 시간을 심 레이저 용접에서와 달리 길게하여 한번의 레이저 조사만으로 용접부를 형성할 수 있다.
상기 레이저 에너지는 1Joule 내지 100Joule의 범위 내일 수 있다. 즉, 상기 레이저 에너지는 적어도 1Joule로 조정하여 리드 탭(130)까지 용접부가 형성될 수 있도록 하고, 100Joule 이하로 조정하여 캔(121)이 과도하게 용융되어 구멍이 형성되는 것을 방지하게 된다.
이때, 상기 레이저 에너지의 순간 최대 출력(peak output)은 1kw 내지 10kw의 범위 내에서 형성될 수 있다. 즉, 상기 레이저 에너지의 순간 최고 출력은 적어도 1kw로 조정하여 리드 탭(130)까지 용접부가 형성될 수 있도록 하고, 10kw 이하로 조정하여 캔(121)이 과도하게 용융되어 구멍이 형성되는 것을 방지하게 된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도를 나타낸다.
도 1b는 도 1a에 도시된 이차 전지가 결합된 상태의 사시도를 나타낸다.
도 1c는 도 1b에 도시된 이차 전지의 I-I선을 절개하여 단면도를 나타낸다.
도 1d는 도 1c에 도시된 1d 영역을 확대하여 본 부분 단면도를 나타낸다.
도 1e는 도 1d와 비교예에 따른 이차 전지의 부분 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 부분 단면도를 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 부분 단면도를 나타낸다.
도 3b는 도 3a에 도시된 이차 전지의 저면도를 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 제조 방법의 순서도를 나타낸다.
도 4b 내지 도 4d는 도 4a의 이차 전지 제조 방법의 순서도에 따른 공정도를 나타낸다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 전극조립체 120 : 케이스
130, 231, 232, 331, 332, 333, 342 : 리드 탭
140, 240, 340 : 용접부

Claims (20)

  1. 도전성 재료로 형성되고, 외부 면을 구비하여 내부 공간을 한정하며 제 1 표면을 구비하는 캔을 포함하는 원통형의 케이스;
    제 1 전극판과 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 배치되는 세퍼레이터를 구비하며, 상기 케이스의 내부 공간에 위치하는 원통형의 전극 조립체;
    상기 제 2 전극판과 결합되고 상기 케이스의 측벽과 평행하게 연장되는 제 1 부, 및 상기 제 1 부와 연결되고 상기 케이스의 제 1 표면과 평행하게 연장되는 제 2 부를 구비하는 복수의 도전 부재를 포함하며,
    상기 제 2 부는 상기 제 1 표면의 제 1 위치에서 서로 겹쳐져서 상기 케이스에 용접되어 용접부가 형성되고,
    상기 용접부는 상기 케이스의 외부로부터 형성되며
    상기 복수의 도전 부재 중 적어도 제 1 쌍과 제 2 쌍은 각각 상기 용접부를 중심으로 서로 대칭적으로 배치되며, 상기 제 1 쌍과 상기 제 2 쌍은 십자 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캔의 상부에 위치하며, 상기 제 1 전극판에 결합되는 캡 조립체를 더 포함하며, 상기 캡 조립체는 상기 캔으로부터 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 용접부의 단면적은 상기 도전 부재에서 보다 상기 케이스의 외부 표면에서 더 크며, 상기 전극 조립체로 스패터가 유입되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 표면의 제 1 위치를 커버하는 절연 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스와 상기 도전 부재 사이에 형성되는 상기 용접부는 레이저 용접에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 표면은 바닥 표면인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극판은 양극판이며, 상기 제 2 전극판은 음극판인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는 수직 표면을 한정하며,
    상기 수직 표면은 상기 측벽과 수직이며,
    상기 제 1 표면은 상기 수직 표면인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 부와 상기 제 2 부를 구비하는 리드 탭을 포함하며,
    상기 리드 탭의 상기 제 1 부는 상기 절연 부재와 상기 측벽의 사이에 위치하며, 상기 제 2 부는 상기 절연 부재와 상기 제 1 표면의 사이에 위치하며,
    상기 제 1 표면은 상기 측벽과 수직인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 리드 탭은 니켈, 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸 및 이들의 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 제 1 면과 제 2 면을 구비하며,
    상기 도전 부재는 두 개의 리드 탭을 포함하며,
    상기 두 개의 리드 탭은 상기 전극 조립체의 상기 제 1 면과 제 2 면에 결합되며,
    상기 두 개의 리드 탭은 상기 제 1 표면의 제 1 위치에서 서로 겹쳐져서 상기 제 1 위치에서 상기 케이스와 함께 용접되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 제 1 측과 제 2 측과 제 3 측 및 제 4 측을 포함하며,
    상기 도전 부재는 상기 제 1 측과 제 2 측과 제 3 측 및 제 4 측에 결합되는 4 개의 리드 탭을 포함하고, 상기 제 1 표면의 제 1 위치에서 서로 겹쳐져서 상기 케이스와 함께 상기 제 1 위치에서 용접되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  13. 삭제
  14. 양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 원통형의 전극 조립체를 제공하는 단계;
    복수의 도전 부재의 제 1 부를 상기 전극 조립체에 연결하는 단계;
    상기 양극판과 음극판 및 세퍼레이터를 구비하는 상기 전극 조립체를 원통형의 케이스의 내부에 위치시키는 단계;
    상기 복수의 도전 부재의 각 제 2 부의 제 1 단을 상기 케이스의 제 1 표면의 제 1 위치에서 서로 겹쳐지도록 접촉시키는 단계; 및
    상기 제 2 부의 각 제 1 단을 상기 케이스에 용접하여 용접부를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제 1 부는 상기 케이스의 측벽과 평행하게 연장되는 부분이고, 상기 제 2 부는 상기 제 1 부와 연결되고 상기 케이스의 제 1 표면과 평행하게 연장되는 부분이고,
    상기 용접부는 상기 케이스의 외부 면으로부터 형성되며,
    상기 복수의 도전 부재 중 적어도 제 1 쌍과 제 2 쌍은 각각 상기 용접부를 중심으로 서로 대칭적으로 배치하며, 상기 제 1 쌍과 상기 제 2 쌍은 십자 형상으로 배치하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 도전 부재를 상기 전극 조립체에 연결하는 단계는 복수 개의 리드 탭을 상기 전극 조립체에 연결하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 케이스 내부에 절연 부재를 위치시켜 상기 전극 조립체를 절연시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 절연 부재는 상기 도전 부재가 상기 케이스에 용접되는 위치에서 상기 도전 부재와 전극 조립체 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 케이스를 상기 도전 부재에 용접하는 단계는 상기 케이스를 상기 도전 부재에 레이저 용접하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 케이스를 상기 도전 부재에 레이저 용접하는 과정은 상기 케이스의 외부에서 레이저 에너지를 조사하는 과정을 포함하며,
    상기 레이저 에너지는 1 내지 100Joule 사이의 에너지를 가지며, 순간 최대 출력 에너지가 1 내지 10kw인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  19. 제 14항에 있어서,
    상기 도전 부재에 힘을 가하는 단계를 더 포함하며, 상기 도전 부재에 힘을 가하는 단계는 상기 케이스의 용접 과정에서 상기 도전 부재가 상기 케이스에 밀착되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 도전 부재에 힘을 가하는 단계는 푸셔를 사용하여 상기 도전 부재를 상기 케이스에 강하게 접촉되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
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