KR101306410B1

KR101306410B1 - 밀폐형 전지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101306410B1
Application number: KR1020117031355A
Authority: KR
Inventors: 유키오 하리마; 고지 후나미; 세이지 구마자와; 교스케 미야타; 다카히로 후쿠오카; 세이이치 가토
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2013-09-09
Also published as: CN102473889B; KR20120027416A; US20120121954A1; JP4923313B2; JPWO2011016194A1; CN102473889A; US9634298B2; WO2011016194A1

Abstract

양극판(1) 및 음극판(2)을 세퍼레이터(3)를 개재하여 권회(捲回) 또는 적층하여 이루어지는 전극군(4)을 전지케이스(5) 내에 수용하고, 이 전지케이스(5)의 개구부를 밀봉판으로 밀봉한 밀폐형 전지에 있어서, 전극군(4) 중 어느 한쪽의 극판으로부터 도출된 리드(11)가 밀봉판(10)에 레이저 용접되며, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접부(9)에서, 용접부(9) 단부(13)의 용융 폭이, 용접부(9) 중앙부의 용융 폭보다 작다.

Description

밀폐형 전지 및 그 제조방법{HERMETICALLY SEALED BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 밀폐형 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 전극군으로부터 도출된 리드와 밀봉판과의 접속구조에 관한 것이다.

최근, 휴대용 전자기기 등의 구동용 전원으로서 이용이 확대되고 있는 고용량 알칼리 축전지로 대표되는 수계 전해액 전지나, 리튬이온 전지로 대표되는 비수계 전해액 전지 등의 밀폐형 전지가 널리 사용되고 있다. 또한, 최근의 전자기기 및 통신기기의 다기능화에 따라, 더욱 더 밀폐형 전지의 고용량화가 기대되고 있다. 이들 밀폐형 전지의 고용량화가 진행되는 한편 중시 해야할 것은 안전대책이며, 특히 밀폐형 전지 내의 내부단락 등에 의해 급격한 온도상승이 일어나 열 폭주에 이를 우려도 있으므로, 안전성 향상이 절실히 요구되고 있다. 특히, 대형·고출력인 밀폐형 전지에서는, 열 폭주를 억제하는 등 안전성을 향상시키는 개량이 필요하다.

이들 밀폐형 전지는, 양극판과 음극판을 세퍼레이터를 개재하여 권회(捲回) 또는 적층하여 이루어지는 전극군이 전해액과 함께 전지케이스 내에 수납되며, 전지케이스의 개구부가 가스켓을 개재하고 밀봉판으로 밀봉된 밀폐구조를 이루고 있다. 그리고, 전극군의 한쪽 극판(예를 들어, 양극판)으로부터 도출된 리드는, 한쪽의 외부단자를 겸한 밀봉판에 접속되며, 전극군의 다른 쪽 극판(예를 들어, 음극판)으로부터 도출된 리드는, 다른 쪽의 외부단자를 겸한 전지케이스 내면에 접속되어 있다. 그리고, 리드와 밀봉판 또는 전지케이스 내면과의 접속은 저항 용접이 널리 이용되고 있다.

그런데, 전지케이스의 개구부를 밀봉하는 공정은, 전극군을 전지케이스 내에 수납한 상태로, 전극군으로부터 도출된 리드를 밀봉판에 저항 용접한 후, 리드를 절곡하여 전지케이스 내에 수납하고, 전지케이스의 개구부를 밀봉판으로 밀폐함으로써 이루어진다. 이 경우, 전극군으로부터 도출된 리드를 밀봉판에 저항 용접할 시, 스패터(주로, 리드의 용접부로부터 이탈된 금속입자)가 주위로 비산되며, 이 비산된 스패터가 전지케이스 내의 전극군에 혼입되면, 세퍼레이터를 손상시켜 내부단락을 일으킬 우려가 있다. 또는, 비산된 스패터가 밀봉판 주연부(周緣部)에 설치된 가스켓에 부착되면, 전지케이스의 개구부에 가스켓을 개재하여 밀봉판을 크림핑(crimping) 밀봉했을 시, 가스켓의 크림핑 밀봉으로 인해 압착부가 스패터에 의해 전단(剪斷)되며, 전지케이스와 밀봉판이 스패터를 개재하고 접촉하여 단락될 우려가 있다.

이와 같은 스패터 혼입 등에 의한 단락 발생에 대해, 예를 들어, 전극군으로부터 도출된 리드를 밀봉판에 저항 용접할 시, 비산된 스패터가 전지케이스 내에 혼입되지 않도록 전지케이스의 개구부를 제작 시에 얇은 판 등으로 덮어두는 방법도 있으나, 완전히 덮을 수는 없기 때문에 스패터의 혼입을 방지하는 데는 충분하지 않다.

이에 반해, 저항 용접 대신에 초음파 용접을 이용하여 접합을 실시하면, 저항 용접과 같은 용융은 일어나지 않으므로 원리적으로 스패터의 혼입을 저지할 수 있다. 그러나, 초음파 용접에 의한 접합은 저항 용접에 비해 접합강도가 떨어질 뿐 아니라, 초음파 진동에 의해 밀봉판이 방폭(防爆)을 위한 안전기구를 갖는 경우는, 그 기능에 영향을 미칠 우려나 전극판으로부터 활물질이 박리될 우려가 있으므로 신뢰성 면에서 바람직하지 않다.

리튬이온 이차전지의 양극판 집전체의 재질로서 통상 알루미늄이 사용되므로, 양극판으로부터 도출되는 리드도 알루미늄이 이용된다. 또한, 경량화를 도모하기 위해, 전지케이스 및 밀봉판도 알루미늄이 사용되기 시작했다. 이 경우, 리드와 밀봉판과의 용접은 알루미늄끼리의 접속이 되나, 일반적으로 알루미늄은 스틸에 비해 도전률과 열전도율이 높고, 저항 용접에는 큰 전류를 단시간 통전시킬 필요가 있으며, 스틸의 용접에 비해 저항 용접할 시에 사용하는 용접봉의 손모(損耗)가 심해, 장기간 안정된 용접이 어렵다.

그래서, 리드와 밀봉판과의 용접에는, 국소적으로 에너지를 집중시킬 수 있는 펄스 발진 YAG 레이저를 이용한 레이저 용접이 채용되고 있다. 이 레이저 용접은 레이저광을 작게 할 수 있으므로, 저항 용접에 비해 용융면적을 작게 할 수 있으며, 그만큼 비산되는 스패터의 양도 저감시킬 수 있다.

예를 들어, 특허문헌 1, 2에는, 도 7, 8에 나타내듯이, 전극군(41)으로부터 도출된 리드(42)를, 펄스 발진 YAG 레이저를 이용하여, 밀봉판(40)에 레이저 용접하고, 2부분 이상의 용접부(43)에서 리드(42)와 밀봉판을 접합하는 방법이 기재되어 있다.

일본 특허공개 2000-299099호 공보 일본 특허공개 2007-234276호 공보

전술과 같이, 리드와 밀봉판과의 용접은, 그 공정상, 필연적으로 스패터의 영향을 받으나, 레이저 용접을 이용한 경우, 그 영향을 대폭적으로 저감시키는 것을 기대할 수 있다.

그러나, 본원 발명자들이, 리드와 밀봉판과의 접합에 펄스 YAG 발진 레이저 용접을 이용하여 제조하거나 리튬이온 이차전지의 신뢰성 평가를 실시한 바, 일정 비율로 단락에 기인한다고 생각되는 발열을 일으킨 리튬이온 이차전지가 발생했다.

이 발열을 일으킨 리튬이온 이차전지를 더욱 상세하게 조사해 보면, 가스켓이 전단됨으로 인한 전지케이스의 개구부와 밀봉판과의 단락이나 세퍼레이터가 손상됨으로 인한 내부단락이 발생하고 있는 것이 확인되었다. 그리고, 그 단락의 원인이 된 이물질을 분석한 결과, 리드 및 밀봉판과의 재료인 알루미늄이 포함되어 있는 것을 알았다.

이로써, 리드와 밀봉판과의 용접공정에서, 어떤 제조공정상의 외부요인의 변동에 기인하여 레이저 용접 시에 스패터가 비산되고, 이 스패터가 가스켓에 부착, 또는 전지케이스 내에 혼입된 것이라 생각할 수 있다.

이 스패터는, 특히, 리드에 구멍 뚫림이 발생한 경우에 많이 발생하고 있었다. 이 구멍 뚫림은, 리드와 밀봉판과의 사이에 틈새가 존재한 것이나, 리드와 밀봉판과의 사이에 유지(油脂) 등의 불순물이 끼여 있던 것이 원인으로 발생한다고 생각된다. 이와 같은 원인에 의한 스패터를 회피하기 위해서는, 리드와 밀봉판과의 틈새를 완전히 없애거나, 리드나 밀봉판 표면의 유지성분을 완전히 제거하지 않으면 안되어, 실제 양산공정에서는 어려운 작업이 된다.

본원 발명자들은, 내부단락의 발생 억제를 목적으로, 전극군으로부터 도출된 리드와 밀봉판과의 용접을 여러 가지로 예의 검토하고 있던 바, 이하와 같은 과제가 있는 것을 발견했다.

전극군으로부터 도출된 리드와 밀봉판과의 레이저 용접 공정에 대해 상세하게 설명한다. 리튬이온 이차전지에서, 리드의 두께는, 0.1㎜∼0.2㎜ 정도, 밀봉판의 리드와 접합하는 부분의 두께는 0.3㎜∼0.5㎜ 정도, YAG 레이저광의 스폿 지름은 0.6㎜∼0.8㎜ 정도이다. 여기서, 레이저광의 스폿 지름에 비해 리드의 두께가 얇으므로, YAG 레이저 용접에서는, 리드에 구멍 뚫림이 발생하지 않도록 열전도형 용접이 실시되고 있었다. 때문에, 레이저 용접 시의 용융면적이 커지고, 리드와 밀봉판과의 사이의 틈새나 오일 부착 등의 외부요인에 기인하는 스패터가 발생하는 것을 발견했다.

도 9(a)∼(d)는, 리드(42)와 밀봉판(40)과의 사이에 틈새(50)가 생긴 상태에서 리드(42)를 밀봉판(40)에 YAG 레이저 용접하는 공정을 모식적으로 나타낸 단면도이다.

도 9(a)에 나타내듯이, 레이저광(44)을 리드(42)에 조사(照射)하면, 리드(42)의 레이저광(44)이 조사된 부분에 가열영역(42a)이 생긴다. 리드(42)와 밀봉판(40)은 틈새(50)가 있으므로, 밀봉판(40)으로의 직접적인 열전도가 없으므로, 가열영역(42a)의 온도상승이 급격하게 진행되고, 도 9(b)에 나타내듯이, 가열영역(42a)의 용접부(45)가 확대함과 동시에, 용접부(45)로부터의 용융 금속 증기로 이루어지는 고압 플라즈마(46)가 발생한다.

이로써, 도 9(c)에 나타내듯이, 고압 플라즈마(46)의 압력에 의해 용융 금속의 일부가 비산하여 스패터(47)가 발생한다. 이 경우, 도 9(d)에 나타내듯이, 리드(42)의 용접부(43)에는 큰 구멍 뚫림(51)이 발생한다. 비산한 스패터(47)는, 밀봉판(40) 주연부에 장착된 가스켓에 부착되거나, 밀폐형 전지의 전지케이스 내부로 들어가고, 이에 따라, 전지케이스와 밀봉판(40)과의 단락이나, 세퍼레이터가 손상됨으로 인한 내부단락이 발생할 우려가 있다. 또, 용접부(43)에 구멍 뚫림(51)이 생기면, 접속강도도 저하된다.

다음에, 도 10(a)∼(d)은, 리드(42)와 밀봉판(40)과의 계면에 이물질(49)이 부착된 상태에서 리드(42)를 밀봉판(40)에 레이저 용접하는 공정을 모식적으로 나타낸 단면도이다. 이물질(49)의 예로는, 예를 들어, 밀봉판(40)을 조립하는 설비의 습동부에는 그리스(grease) 등의 윤활제를 사용하므로, 밀봉판(40)을 조립할 시의 밀봉판(40) 표면에 그리스가 부착되는 경우가 상정된다.

도 10(a)에 나타내듯이, 리드(42)를 밀봉판(40)에 접촉시킨 상태에서, 리드(42)측으로부터 레이저광(44)을 조사하면, 리드(42)의 레이저광(44)이 조사된 부분에 가열영역(42a)이 생긴다. 그리고, 도 10(b)에 나타내듯이, 가열영역(42a)의 일부가 용융되어 용접부(45)가 형성됨과 동시에, 용접부(45)로부터 용융 금속 증기로 이루어지는 고압 플라즈마(46)가 발생한다. 이 때, 레이저광(44)의 조사에 의해, 가열되어 용융된 이물질(49a)도 기화되어 간다. 그 결과, 도 10(c)에 나타내듯이, 용접부(45)가 확대됨과 동시에, 기화된 이물질의 체적 팽창에 의한 누름압력에 의해, 용융 금속의 일부가 비산하여 스패터(47)가 발생한다. 그 후, 레이저광(44)의 조사를 멈추면, 도 10(d)에 나타내듯이, 용접부(45)가 식어 굳어짐으로써, 리드(42)와 밀봉판(40)과의 접합이 완료된다. 스패터(47)가 발생함으로써, 리드(42)의 용접부(43)에는 구멍 뚫림(51)이 발생한다.

이와 같이, 리드(42)와 밀봉판(40)과의 계면에 이물질(49)이 부착되면, 이물질(49)의 기화로 인한 급격한 체적 팽창이 누름압력이 되어, 스패터(47)의 발생량을 증가시킨다. 이 비산된 스패터(47)가, 밀봉판(40)의 주연부에 장착한 가스켓에 부착되거나, 밀폐형 전지의 전지케이스 내부에 들어가서, 전지케이스와 밀봉판(40)의 단락이나 세퍼레이터가 손상됨으로써 내부단락의 원인이 된다. 또, 용접부(43)에 구멍 뚫림(51)이 생기면, 접속강도도 저하된다.

본 발명은, 이러한 점에 감안하여 이루어진 것이며, 그 주된 목적은, 리드와 밀봉판과의 용접공정에서 제조공정상의 외부요인(리드와 밀봉판과의 사이에 틈새 발생이나, 리드와 밀봉판과의 사이에 이물질 삽입)의 변동이 생겨도, 리드의 구멍 뚫림을 억제함과 동시에, 레이저광으로 용접할 시의 스패터 발생을 대폭적으로 저감시켜, 리드와 밀봉판과의 접합강도가 높고, 또, 내부단락에 의한 이상발열이 생기지 않는, 높은 신뢰성을 갖는 밀폐형 전지를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 밀폐형 전지는, 양극판 및 음극판을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층되어 이루어지는 전극군을 전지케이스 내에 수용하고, 이 전지케이스의 개구부를 밀봉판으로 밀봉한 밀폐형 전지에 있어서, 전극군 중 어느 한쪽의 극판으로부터 도출된 리드가 밀봉판에 레이저 용접되며, 리드와 밀봉판의 용접부에서, 이 용접부 단부의 용융 폭이, 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작은 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관한 밀폐형 전지의 제조방법은, 양극판 및 음극판을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 전극군을 형성하는 공정과, 전극군 중 어느 한쪽 극판에 리드의 일단을 접속하는 공정과, 전극군을 전지케이스 내에 수용하는 공정과, 리드의 타단을 밀봉판에 접촉시켜, 리드의 두께보다 작은 스폿 지름을 갖는 레이저광을 연속적으로 주사(走査)하면서 리드에 조사함으로써, 리드의 타단을 밀봉판에 레이저 용접하는 공정과, 전지케이스의 개구부를 밀봉판으로 밀봉하는 공정을 포함하고, 레이저 용접에 의해 용접된 리드와 밀봉판의 용접부는, 이 용접부 단부의 용융 폭이, 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 리드와 밀봉판과의 용접 시 제조공정상의 외부요인의 변동이 생겨도, 리드와 밀봉판과의 접합강도를 유지하면서, 리드의 구멍 뚫림을 억제하며, 또, 레이저광으로 용접할 시의 스패터 발생을 대폭적으로 저감시킬 수 있다. 이에 따라, 접합강도가 높고, 또, 내부단락에 의한 이상발열이 일어나지 않는, 높은 신뢰성을 갖는 밀폐형 전지를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태의 밀폐형 전지의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태의 리드와 밀봉판의 용접부 근방의 확대도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태의 리드와 밀봉판과의 레이저 용접에 있어서 레이저광의 조사상태를 나타낸 모식도이다.
도 4(a), (b)는, 본 발명의 다른 실시형태에서의 리드와 밀봉판의 용접부 근방의 확대도이다.
도 5(a)∼(e)는, 본 발명의 일 실시형태에서의 리드를 밀봉판에 레이저 용접하는 공정을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 6(a)∼(d)은, 본 발명의 일 실시형태에서의 리드를 밀봉판에 레이저 용접하는 공정을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 7은 종래의 리드를 밀봉판에 레이저 용접한 전지의 부분 모식도이다.
도 8은 종래의 리드와 밀봉판의 용접부 근방의 확대도이다.
도 9(a)∼(d)는, 리드와 밀봉판 사이에 틈새가 생긴 상태에서, 리드를 밀봉판에 레이저 용접하는 공정을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 10(a)∼(d)은, 리드와 밀봉판과의 계면에 이물질이 부착된 상태에서, 리드를 밀봉판에 레이저 용접하는 공정을 모식적으로 나타낸 단면도이다.

본 발명의 밀폐형 전지는, 양극판 및 음극판을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전극군이 전지케이스 내에 수용되며, 이 전지케이스의 개구부가 밀봉판으로 밀봉된 구성을 이루고, 전극군 중 어느 한쪽 극판으로부터 도출된 리드가 밀봉판에 레이저 용접되며, 리드와 밀봉판의 용접부에서, 이 용접부 단부의 용융 폭이, 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작은 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 리드와 밀봉판과의 용접 시 제조공정상의 외부요인의 변동이 생겨도, 리드와 밀봉판과의 접합강도를 유지하면서, 리드의 구멍 뚫림을 억제하고, 또, 레이저광으로 용접할 시 스패터의 발생을 대폭적으로 저감시킬 수 있다. 그 결과, 접합강도가 높고, 또, 내부단락에 의한 이상발열이 생기지 않는, 높은 신뢰성을 갖는 밀폐형 전지를 실현할 수 있다.

여기서, 리드와 밀봉판의 용접부에서, 용접부의 용융 종료측 단부의 용융 폭이, 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작은 것이 바람직하다. 이에 따라, 용융 종료측의 용접부 단부에서, 용융단면이 오목형상이 되는 것을 억제할 수 있다.

또, 리드는, 리드의 두께보다 작은 스폿 지름을 갖는 레이저광을 연속적으로 주사함으로써, 밀봉판에 레이저 용접되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 리드와 밀봉판의 용접부가 심용입(deep penetration)형 용접이 되며, 용접면적이 작아지므로, 리드와 밀봉판과의 용접 시 제조공정상의 외부요인의 변동이 생겨도, 스패터의 발생을 대폭적으로 저감시킬 수 있다.

또한, 리드와 밀봉판의 용접부 단부의 용융 폭은, 용접부 중앙부 용융 폭의 1/5 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 용융 종료측 또는 용융개시측의 용접부 단부에서, 용융단면이 오목형상이 되거나 구멍 뚫림이 되는 것을 억제할 수 있다.

본 발명에서 밀폐형 전지의 제조방법은, 양극판 및 음극판을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 전극군을 형성하는 공정과, 전극군 중 어느 한쪽 극판에 리드의 일단을 접속하는 공정과, 전극군을 전지케이스 내에 수용하는 공정과, 리드의 타단을 밀봉판에 접촉시켜, 리드의 두께보다 작은 스폿 지름을 갖는 레이저광을 연속적으로 주사하면서 리드에 조사함으로써, 리드의 타단을 밀봉판에 레이저 용접하는 공정과, 전지케이스의 개구부를 밀봉판으로 밀봉하는 공정을 포함하며, 레이저 용접에 의해 용접된 리드와 밀봉판의 용접부는, 이 용접부 단부의 용융 폭이, 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 리드와 밀봉판과의 용접 시 제조공정상의 외부요인의 변동이 일어나도, 리드와 밀봉판과의 접합강도를 유지하면서, 리드의 구멍 뚫림을 억제하고, 또, 레이저광으로 용접할 시의 스패터 발생을 대폭적으로 저감시킬 수 있다. 그 결과, 접합강도가 높고, 또, 내부단락에 의한 이상발열이 생기지 않는, 높은 신뢰성을 갖는 밀폐형 전지를 실현할 수 있다.

여기서, 레이저 용접에 의해 용접된 리드와 밀봉판의 용접부는, 용접부의 용융 종료측 단부의 용융 폭이, 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 용융 종료측의 용접부 단부에서, 용융단면이 오목형상이 되는 것을 억제할 수 있다.

또, 레이저광의 스폿 지름은, 리드 두께의 1/10∼1/2인 것이 바람직하다. 이에 따라, 리드와 밀봉판의 용접부가 심용입형 키 홀 용접이 되며, 용융면적이 작아지므로, 리드와 밀봉판과의 용접 시 제조공정상의 외부요인의 변동이 일어나도, 스패터 발생을 대폭적으로 저감시킬 수 있다.

또한, 레이저광을 조사할 때에, 리드와 밀봉판의 용접부 주변을 부압(負壓)으로 하거나, 또는 리드와 밀봉판의 용접부 주변을 흡인(예를 들어, 레이저 용접부 주변에 자력을 발생시키면서 흡인함)해도 된다. 이에 따라, 리드가 용융된 때의 금속 증기 내에 부유(浮遊)하는 스패터를 강제적으로 제거할 수 있고, 스패터에 의한 내부단락의 발생을 대폭적으로 억제할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명은, 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 또, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위를 일탈하지 않는 범위에서, 적당한 변경이 가능하다. 또한, 다른 실시형태와의 조합도 가능하다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에서의 밀폐형 전지의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 1에 나타내듯이, 양극판(1)과 음극판(2)이 세퍼레이터(3)를 개재하여 권회된 전극군(4)이, 전지케이스(5) 내에 절연판(7, 8) 사이에 끼워진 상태로 전해액과 함께 수용된다. 전지케이스(5)의 개구부는, 가스켓(6)을 개재하고 밀봉판(10)으로 밀봉된다. 전극군(4) 중 어느 한쪽의 극판(예를 들어, 양극판(1))으로부터 도출된 리드(11)는, 밀봉판(10)에 레이저 용접되고, 다른 쪽 극판(예를 들어, 음극판(2))은 전지케이스(5)의 바닥부에 용접된다.

도 2는, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 레이저 용접부 근방의 확대도이다. 도 2에 나타내듯이, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접부(9)에, 용접부(9) 단부의 용융 폭이, 용접부(9) 중앙부의 용융 폭보다 작게 형성된다.

본 발명의 일 실시형태에서 밀폐형 전지는, 다음과 같이 제조된다. 먼저, 양극판(1) 및 음극판(2)을 세퍼레이터(3)를 개재하여 권회하여 전극군(4)을 형성한다. 그 후, 전극군(4) 중 어느 한쪽의 극판(예를 들어, 양극판(1))에 리드(11)의 일단을 접속한 후, 전극군(4)을 절연판(7, 8) 사이에 끼운 상태로 전지케이스(5) 내에 수용한다. 그 후, 전극군(4)의 한쪽의 극판(예를 들어, 음극판(2))의 단부로부터 도출된 리드(18)를 전지케이스(5) 바닥부에 용접한 후, 전극군(4)의 다른 쪽 극판(예를 들어 양극판(1)) 단부로부터 도출된 리드(11)의 타단을 밀봉판(10)에 접촉시켜, 리드(11)의 두께보다 작은 스폿 지름을 갖는 레이저광을 연속적으로 주사하면서 리드(11)측에서부터 조사함으로써, 리드(11)의 타단을 밀봉판(10)에 레이저 용접한다. 그 후, 전지케이스(5)의 개구부를 밀봉판(10)으로 밀봉하여 밀폐형 전지를 완성한다.

여기서, 레이저광을 조사하거나 리드(11)를 밀봉판(10)에 레이저 용접할 시에, 용접부(9) 주변을 부압으로 함으로써, 또는, 용접부 주변을 흡인함으로써, 용융된 리드(11)의 금속 증기 중에 부유하는 스패터를 강제적으로 제거하도록 해도 된다. 후자의 경우, 예를 들어 스패터가 자성체인 경우에는, 용접부(9) 주변의 자력을 발생시키면서 흡인함으로써, 금속 증기 중에 부유하는 스패터를 강제적으로 제거할 수 있다. 이에 따라, 스패터에 의한 내부단락의 발생을 대폭적으로 억제할 수 있다.

도 3은, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 레이저 용접에 있어서 레이저광의 조사상태를 나타낸 모식도이다. 도 3에 나타내듯이, 레이저 가공 헤드(12a)로부터 출사된 레이저광(12)을, 리드(11)의 폭방향을 따라 주사시킴으로써, 리드(11)와 밀봉판(10)을 레이저 용접한다. 이 경우, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접부(9)에서, 용접부(9)의 용융개시측 단부의 용융 폭이, 용접부(9) 중앙부의 용융 폭보다 작게 형성된다.

도 4(a), (b)는, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접부의 다른 형태를 나타낸 확대도이다. 도 4(a)는, 용접부(9)의 양 단부의 용융 폭이, 용접부(9) 중앙부의 용융 폭보다 작게 형성된다. 또, 도 4(b)는, 용접부(9)의 용융 종료측 용융 폭이, 용접부(9) 중앙부의 용융 폭보다 작개 형성된다.

도 5(a)∼(e)는, 리드(11)를 밀봉판(10)에 레이저 용접하는 공정을 모식적으로 나타낸 단면도이다.

도 5(a)에 나타내듯이, 리드(11)를 밀봉판(10)에 접촉시킨 상태에서 리드(11)측으로부터 레이저광(12)을 조사하면, 리드(11)의 레이저광(12)을 조사한 부분에 가열영역(11a)이 생긴다. 여기서, 이 때의 레이저광(12)의 스폿 지름은, 리드(11)의 두께보다 작으며, 바람직하게는, 레이저광(12)의 스폿 지름은 리드(11) 두께의 1/10∼1/2이며, 보다 안정된 키 홀 용접을 하기 위해서는, 레이저광(12)의 스폿 지름은 리드(11) 두께의 1/10∼1/5가 바람직하다. 레이저광(12)의 스폿 지름이 리드 두께(11)의 1/2보다 커지면, 용융면적이 크게 되어 가열영역(11a)의 온도상승이 급격하게 진행되고, 용융 금속이 비산하여 스패터 발생의 억제가 어려워진다. 또, 레이저광(12)의 스폿 지름을 리드(11) 두께의 1/10 미만으로 하면, 밀봉판(10)과 리드(11)와의 용접강도가 손상되어, 전지케이스(5)의 개구부를 밀봉하기 위해 리드(11)를 절곡하여 밀봉판(10)을 개구부에 탑재할 시, 리드(11)가 밀봉판(10)으로부터 빠질 우려가 있다.

레이저광(12)의 스폿 지름을 작게 하면, 가열영역(11a)의 레이저 파워 밀도는 스폿 지름의 2승에 반비례하여 증가되어 간다. 예를 들어, 광 파이버 자신이 레이저 발진기가 되는 파이버 레이저를 이용하면, 파이버 레이저로부터의 레이저광은 품질이 매우 우수하므로, 스폿 지름을 충분히 작게 할 수 있다. 본 발명자들의 실험에서는, 스폿 지름을 0.1㎜로 할 수 있고, 또한, 파이버 레이저의 사용조건을 갖춤으로써, 스폿 지름을 0.01㎜까지 작 게 할 수 있다.

이와 같이 스폿 지름을 작게 함으로써, 가열영역(11a)의 일부는, 도 5(b)에 나타내듯이, 급격하게 용융되어 용접부(9)를 형성함과 동시에, 용융된 리드(11)의 금속 증기인 고압 플라즈마(14)가 증발할 시의 반발력에 의해 키 홀(17)이 형성된다.

또한, 도 5(c)에 나타내듯이, 키 홀(17) 내부에 레이저광(12)이 들어가, 키 홀(17) 내에서 다중반사를 반복함으로써 키 홀(17)이 더욱 성장하여, 용접부(9)도 밀봉판(10)의 깊숙이까지 진행되어 간다.

레이저광(12)의 조사를 멈춘 순간에는, 도 5(d)에 나타내듯이, 용접부(9)에는 키 홀(17)이 존재한다. 그 후, 도 5(e)에 나타내듯이, 용접부(9)가 응고되어 갈 때, 키 홀(17)은, 용융되는 금속의 표면장력에 의해 메워지고, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접이 완료된다.

이와 같이, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접부(9)는, 심용입형 키 홀 용접이 되며, 레이저 용접에 필요한 용융 폭이나 체적은 대폭적으로 작게 형성된다. 또한, 키 홀 용접에서는, 키 홀(17) 내에서 레이저광(12)이 다중반사를 반복해 가므로, 레이저광의 에너지가 효율 좋게 리드(11)와 밀봉판(10)에 흡수된다. 이로써, 키 홀 용접은, 열전도형 용접(리드(11) 표면에서 흡수된 레이저광의 에너지가 열로 변환되며, 밀봉판(10)까지 열전도되어 용접된다)에 비해, 레이저광의 에너지를 저감시킬 수 있고, 발생하는 스패터의 양을 삭감시킬 수 있다.

또, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접공정에서, 제조공정상의 외부요인의 변동이 생겨도, 레이저 용접 시에 형성되는 키 홀(17)의 크기는, 리드(11)의 두께에 비해 작으므로, 용융 면적이 작고, 가열영역(11a)의 온도상승이 완화되어, 리드(11)에 구멍 뚫림이 발생하기 어려워진다. 그 결과, 스패터의 양이 저감되고, 또, 키 홀(17)의 크기도 작아진다.

또, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접부(9)가 안정된 접속강도를 얻기 위해서는, 용접부(9) 단부(용융개시측 또는 용융 종료측)의 용융 폭은, 용접부(9) 중앙부 용융 폭의 1/5 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 용융개시 시 또는 용융 종료 시의 리드(11)의 구멍 뚫림을 억제할 수 있고, 용접부(9)의 접속강도를 확보할 수 있다.

도 6(a)∼(d)은, 리드(11)를 밀봉판(10)에 레이저 용접하는 공정을 모식적으로 나타낸 사시도이다.

먼저, 도 6(a)에 나타내듯이, 전극군(4)으로부터 도출된 리드(11)의 단부를 밀봉판(10)에 접촉시킨다. 그 상태에서, 도 6(b)에 나타내듯이, 리드(11)의 두께보다 작은 스폿 지름을 갖는 레이저광(12)을 리드(11)의 폭방향을 따라 연속적으로 주사시킨다. 이 때, 레이저광(12)의 조사개시 시에는, 용접부의 용융개시측 단부(13)에서는, 레이저광(12)이 집광되는 초점 근방 부근의 리드(11)만 용융되고, 거의가 반사되어 버린다. 따라서, 용접부의 용융개시측 단부(13)에서는, 도 5(b)에서 나타낸 키 홀(17)은형성되지 않는다.

그러나, 레이저광(12)의 조사를 계속해 가면, 레이저광(12)의 에너지에 의해 리드(11) 자신의 온도가 서서히 상승되고, 키 홀(17)이 약간 형성된다. 한번 키 홀(17)이 형성되면, 레이저광(12)이 그 키 홀(17) 내에서 다중반사를 반복하므로, 레이저광(12)의 에너지는 리드(11)에 효율 좋게 흡수되도록 되며, 도 6(c)에 나타내듯이, 용융 폭이 넓어지고, 또, 용입 깊이가 깊어져 간다.

또한, 키 홀(17)이 밀봉판(10)에 도달하면, 리드(11)와 밀봉판(10)이 용융되어 접합된다. 그 후, 레이저광(12)의 조사가 정지되고 레이저 용접이 종료하면, 도 6(d)에 나타내듯이, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접부(9)에, 용접부(9)의 용융개시측 단부(13)의 용융 폭이, 용접부(9) 중앙부의 용융 폭보다 작게 형성된다. 즉, 레이저광(12)의 조사개시 시(용융개시측)에는, 과다한 레이저 에너지가 리드(11)에 흡수되지 않으므로, 리드(11)가 갑자기 용융·승화되지 않고, 스패터 발생이 억제된다. 그리고, 본 발명에서, 레이저광은 일정한 파워로 연속 조사해도 되고, 또는 용접개시측에서 파워를 낮추어 도중에서부터 파워를 높이도록 제어하여 조사해도 된다.

또한, 용융 종료측에서도, 레이저광의 파워를 낮춤으로써, 용접부(9)의 용융 종료측 단부의 용융 폭을, 용접부(9)가 중앙부의 용접 폭보다 작게 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 용접부(9)가 키 홀(17)을 충분히 메우지 못하고 잔존하여 용융단면이 오목형상이 되는 것을 억제할 수 있다. 그리고, 레이저광의 파워를 낮추는 대신에, 일정의 파워로 조사하는 레이저광의 주사속도를 빠르게 해도 된다. 또, 용접부(9)의 용융 종료측 단부의 용융 폭만을, 용접부(9)의 용접 폭보다 작게 해도 된다.

이하, 본 발명의 밀폐형 전지로서, 리튬이온 이차전지에 적용한 예를 설명한다.

양극판(1)은, 다음과 같이 하여 제작한다. 먼저, 활물질로서 코발트산 리튬을 100중량부, 도전재로서 아세틸렌 블랙을 2중량부, 결착재로서 폴리불화 비닐리덴(PVdF)을 2중량부를, 적량의 N-메틸-2-피롤리돈과 함께 혼합기에서 교반하여, 양극합제 도료를 제작한다. 이어서, 이 양극합제 도료를, 두께 15㎛의 알루미늄박으로 이루어지는 양극집전체의 양면에 도포·건조시키고, 총 두께가 165㎛가 되도록 프레스한 후, 슬릿 가공하여 양극판(1)을 제작한다.

또, 음극판(2)은, 다음과 같이 제작한다. 먼저, 활물질로서 인조흑연을 100중량부, 결착재로서 스티렌 부타디엔 공중합체 고무입자 분산체(고형분 40중량％)를 2.5중량부(결착재의 고형분 환산으로 1중량부), 증점제로서 칼복시 메틸셀룰로스를 1중량부, 및 적량의 물과 함께 혼합기에서 교반하여, 음극합제 도료를 제작한다. 이어서, 이 음극합제 도료를, 두께 10㎛의 구리박으로 이루어지는 음극집전체 양면에 도포·건조 후, 총 두께가 180㎛가 되도록 프레스한 후, 슬릿 가공하여 음극판(2)을 제작한다.

이와 같이 제작한 양극판(1)과 음극판(2)을, 두께 20㎛의 폴리에틸렌 미세 다공필름의 세퍼레이터(3)을 개재하여 권회하여 전극군(4)을 형성하고, 이 전극군(4)을 절연판(7, 8) 사이에 끼운 상태로 전지케이스(5) 내에 수용한다. 이어서, 전극군(4)의 음극판(2) 단부로부터 도출된 리드(18)의 일단을 전지케이스(5) 내 바닥부에 저항 용접을 실시한다. 또한, 전극군(4)의 양극판(1)으로부터 도출된 알루미늄박으로 이루어지는 리드(11)를 알루미늄판으로 이루어지는 밀봉판(10)에 접촉시킨 상태에서, 레이저광(12)을 연속 조사하여, 리드(11)를 밀봉판(10)에 용접한다. 여기서, 리드(11)의 두께는 0.15㎜, 폭은 4㎜이며, 밀봉판(10)의 직경은 16.8㎜, 리드(11)를 접합하는 부분의 두께는 0.4㎜이고, 레이저광의 스폿 지름은, 0.02㎜이다. 또, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접부(9)는, 용융개시측 단부의 용융 폭이 0.04㎜, 중앙부의 용융 폭이 0.25㎜, 길이가 2.2㎜이다.

다음에, 전지케이스(5) 내에 비수전해액을 주입한 후, 리드(11)를 절곡하여, 밀봉판(10)을 전지케이스(5) 개구부에 배치하고, 전지케이스(5)의 개구부를 가스켓(6)을 개재하고 밀봉판(10)으로 크림핑 밀봉하여, 리튬이온 이차전지를 제작한다.

여기서, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 용접부(9)를 관찰해 보면, 스패터 발생은 전혀 관찰되지 않고, 리드(11)나 밀봉판(10)에도 스패터의 부착은 확인되지 않았다. 또, 리드(11)와 밀봉판(10)과의 접속강도는 약 24N이며, 종래 기술의 YAG 레이저에 의한 용접의 접합강도(15N∼25N)와 동일 정도, 또는 그 이상의 강도가 얻어진다. 또, 용접부 단부에서도, 패임이나 구멍 뚫림은 확인되지 않았다.

또, 리드(11)와 밀봉판(10) 사이에 50㎛의 틈새를 형성하고, 또한 리드(11)와 밀봉판(10) 사이에 그리스를 부착한 상태에서, 리드(11)를 밀봉판(10)에 레이저 용접을 실시하고, 용접부의 상태를 관찰한다. 그 결과, 스패터의 발생은 전혀 관찰되지 않고, 리드(11)나 밀봉판(10)에도 스패터의 부착은 관찰되지 않았다. 또, 리드(11)와 밀봉판(10) 접속강도는 약 24N이며, 용접부 단부에서도 패임이나 구멍 뚫림은 확인되지 않았다. 이에 따라, 제조공정상의 외부요인의 변동이 발생하여도, 스패터 발생을 억제한 레이저 용접이 가능하게 됨과 동시에, YAG 레이저를 이용한 경우와 동일 정도 또는 그 이상의 접속강도를 유지할 수 있었다.

이상, 본 발명을 적합한 실시형태에 의해 설명해 왔으나, 이러한 서술은 한정사항이 아니며, 물론, 여러 가지로 개변이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시형태에서, 리드(11)와 밀봉판(10)은 동일 알루미늄재를 예로 설명했으나, 이종금속으로 이루어지는 리드(11) 및 밀봉판(10)이라도 물론 상관없다. 또, 연속적인 용접부의 형상은 특별히 제한은 없고, 직선 이외에, 물결형상, 링형으로 해도 된다. 또한, 리드(11)가 용접된 밀봉판(10)은 전지케이스(5)에 크림핑 밀봉되는 이외에, 전지케이스(5) 개구부에 용접에 의해 밀봉된 것이라도 된다.

그리고, 본 발명이 적용되는 밀폐형 전지는, 그 종류에 특별히 제한은 없으며, 리튬이온 이차전지 외에, 니켈수소 축전지 등에도 적용할 수 있다. 또, 원통형 이차전지에 한정되지 않으며, 각형 이차전지, 일차전지에도 적용할 수 있다. 또한, 전극군은, 양극판 및 음극판은 세퍼레이터를 개재하여 권회된 것에 한정되지 않으며, 적층된 것이라도 된다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명에 의하면, 안정된 높은 신뢰성을 갖는 밀폐형 전지를 실현할 수 있고, 휴대기기 등의 구동용 전원으로서 유용하다.

1 : 양극판 2 : 음극판
3 : 세퍼레이터 4, 41 : 전극군
5 : 전지케이스 6 : 가스켓
7, 8 : 절연판 9, 43, 45 : 용접부
10, 40 : 밀봉판 11, 18, 42 : 리드
11a, 42a : 가열영역 12, 44 : 레이저광
12a : 레이저가공 헤드 13 : 용융개시측 단부
14, 46 : 고압 플라즈마 17 : 키 홀
47 : 스패터 49 : 이물질
50 : 틈새 51 : 구멍 뚫림

Claims

양극판 및 음극판을 세퍼레이터를 개재하여 권회(捲回) 또는 적층하여 이루어지는 전극군을 전지케이스 내에 수용하고, 이 전지케이스의 개구부를 밀봉판으로 밀봉한 밀폐형 전지에 있어서,
상기 전극군 중 어느 한쪽의 극판으로부터 도출된 리드가 상기 밀봉판에 레이저 용접되며,
상기 리드와 상기 밀봉판의 용접부에서, 상기 용접부 단부의 용융 폭이 상기 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작은
밀폐형 전지.
제 1 항에 있어서,
상기 리드와 상기 밀봉판의 용접부에서, 상기 용접부의 용융 종료측 단부의 용융 폭이 상기 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작은
밀폐형 전지.
제 1 항에 있어서,
상기 리드는, 상기 리드의 두께보다 작은 스폿 지름을 갖는 레이저광을 연속적으로 주사함으로써, 상기 밀봉판에 레이저 용접되는
밀폐형 전지.
제 1 항에 있어서,
상기 용접부 단부의 용융 폭이 상기 용접부 중앙부의 용융 폭의 1/5 이하인
밀폐형 전지.
양극판 및 음극판을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 전극군을 형성하는 공정과,
상기 전극군 중 어느 한쪽의 극판에, 리드의 일단을 접속하는 공정과,
상기 전극군을 전지케이스 내에 수용하는 공정과,
상기 리드의 타단을 밀봉판에 접촉시키고, 상기 리드의 두께보다 작은 스폿 지름을 갖는 레이저광을 연속적으로 주사하면서 상기 리드에 조사함으로써, 상기 리드의 타단을 상기 밀봉판에 레이저 용접하는 공정과,
전지케이스의 개구부를 상기 밀봉판으로 밀봉하는 공정을 포함하며,
상기 레이저 용접에 의해 용접된 상기 리드와 상기 밀봉판의 용접부는, 상기 용접부 단부의 용융 폭이 상기 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작게 형성되는
밀폐형 전지의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 레이저 용접에 의해 용접된 상기 리드와 상기 밀봉판의 용접부는, 상기 용접부의 용융 종료측 단부의 용융 폭이 상기 용접부 중앙부의 용융 폭보다 작게 형성되는
밀폐형 전지의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 레이저광의 스폿 지름이 상기 리드 두께의 1/10∼1/2인
밀폐형 전지의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 레이저광을 조사할 때에, 상기 리드와 상기 밀봉판의 용접부 주변을 부압으로 하는
밀폐형 전지의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 레이저광을 조사할 때에, 상기 리드와 상기 밀봉판의 용접부 주변을 흡인하는
밀폐형 전지의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 레이저광을 조사할 때에, 상기 리드와 상기 밀봉판의 용접부 주변에 자력(磁力)을 발생시키면서 흡인하는
밀폐형 전지의 제조방법.