KR101397833B1

KR101397833B1 - 이종 접합 방식의 배터리의 전극 탭 융착 장치

Info

Publication number: KR101397833B1
Application number: KR1020140006893A
Authority: KR
Inventors: 김신효; 조대권; 이희준; 김은민
Original assignee: 선박안전기술공단
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2014-05-20

Abstract

본 발명은 배터리의 전극 탭을 융착하는 장치에 대한 것으로서, 특히 다수 개 적층된 포일의 무지부를 포일보다 융점이 낮은 이종 재료로 표면 처리 한 후 상기 무지부를 융착함에 의해 상기 전극 탭을 보다 안정적이고 효율적으로 융착할 수 있는 한편 전극 활성 물질의 산화도 방지할 수 있는 것이다.

Description

이종 접합 방식의 배터리의 전극 탭 융착 장치{APPARATUS FOR BATTERY TAB OF HETEROJUNCTION TYPE}

최근 PDA, 휴대폰, 캠코더 등의 휴대용 전자기기들은 에너지 밀도가 높으며, 재충전이 가능한 이차 전지를 주 전원을 사용한다.

이러한, 이차 전지는 전원 공급 시간, 사이즈, 무게 등의 요인으로 인하여 휴대용 전자기기의 휴대성과 이동성을 결정하는데 매우 중요한 요소로서 인식되고 있으며, 상기 이차 전지로는 니켈-아연 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 도 1에 도시된 바와 같이 다수 개의 포일이 적층된 전극 탭(1)을 포함하고 있는데, 상기 전극 탭(1)은 양극 또는 음극 활성 물질이 도포되는 전극부(A)와, 상기 전극부(A) 일 측에 형성되는 것으로서 상호 융착되되 상기 활성물질이 도포되지 않는 무지부(B)를 포함한다.

이때, 상기 무지부(B)는 두께가 얇은 금속 박판 즉 포일 형태로서 이를 접합하기 위해서 용접을 하는 기술이 사용되었다.

그러나, 이러한 용접 기술을 사용하는 경우 상술한 바와 같이 두께가 얇은 포일을 용접하는 관계로 모재의 심각한 손상을 유발하며, 아울러 용접이 이루어진다 하여도 접합부의 산화 및 이격부위의 표면산화로 인하여 접착 후 전극과 탭간의 접촉저항의 증가 등의 이차적 문제를 해결하기 어려운 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 초음파 융착을 이용하는 기술이 제안되고 있다. 그러나 이러한 종래 기술의 경우도 음파 융착의 특성상 실시적으로 무한정 구리박막(동포일)을 융착시킬 수 없는 문제가 있으며 그 수량도 현재 0.01mm 동 포일을 50장 내외로 융착이 가능하나 접촉면의 완벽한 융착이 이루어지지 않는 경우가 많아 접촉저항의 증가로 인한 도전률 저하로 배터리의 발열 및 효율저하의 원인이 된다.

또한, 테이프를 이용하여 접착하는 방법이 제안되고 있으나 보다 많은 포일을 접착하기 어렵고 공정 또한 용이하지 않은 문제점이 있다.

또한, 상기 동 포일을 유도 가열 방법으로 단독 용접을 하는 경우 고온 가열이 불가피하여 동 포일에 도핑되는 전극 활성화 물질의 산화를 막을 수 없는 문제점이 있다.

이상 설명한 바와 같은 이차 전지의 전극 탭 및 이에 대한 기술은 널리 알려진 것으로서 특히 아래의 선행특허 문헌에 자세히 기재되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

일본 공개 특허 제2005-056815호 일본 공개 특허 제2006-172807호 한국 등록 특허 제0228581호 한국 등록 특허 제0462780호 한국 등록 특허 제0819183호 한국 등록 특허 제0337707호 한국 등록 특허 제0608103호 한국 등록 특허 제0929032호 한국 공개 특허 제2012-0076020호

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 종래의 접착방식과는 달리 포일의 무지부를 상기 포일보다 낮은 융점을 가지는 이종 재료로 표면처리한 후 상기 무지부가 상호 밀착되도록 고온 가압하여 상기 무지부가 융착되도록 함에 의해, 종래보다 간단한 공정에 의해서도 효과적이고도 안정적으로 융착할 수 있고 전극 활성 물질의 산화를 막을 수 있는 장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수 개 적층된 포일(100) 각각의 무지부(B)가 상기 포일(100)보다 낮은 융점을 가지는 이종 재료(EM)로 표면처리된 상태에서 상기 무지부(B)를 융착하기 위한 장치로서, 상기 장치(10)는 상기 무지부(B)를 고온 압착하는 2차 압착구(200)와, 상기 무지부(B)에서 전극부(A) 방향으로 일정 간격 이격된 부분을 압착하는 1차 압착구(400)와, 상기 무지부(B) 압착시 과열이 발생하지 않도록 하는 케이스(300)를 포함하되, 상기 케이스(300)는 상기 포일(100)을 내부에 수용하는 중공의 케이스 본체(310)와, 상기 케이스 본체(310)의 일 측면 일부가 개방된 제1개방부(311)와, 상기 케이스 본체(310)의 타 측면 일부가 개방되어 상기 포일(100)에서 전극부(A) 방향으로 일정 간격 이격되어 압착되는 부분이 노출되도록 하는 제2개방부(312)와, 상기 케이스 본체(310)의 측면 일 부분이 개방되어 상기 케이스 본체(310) 내부의 열이 발산되도록 하는 발산구(313)와, 상기 케이스 본체(310)의 제1개방부(311) 측에 배치되어 상기 케이스 본체(310) 내부에 냉각을 위한 공기를 주입하는 팬(320)을 포함하는 이종 접합 방식의 배터리의 전극 탭 융착 장치에 일 특징이 있다.

이때, 상기 1차 압착구(400)는 상기 포일(100)상의 수평방향으로 배치되는 수평부(410)와 상기 수평부(410)에서 수직 방향으로 형성되되 상호 이격되어 있는 형상인 포크부(420)를 포함하는 것도 가능하다.
또한, 상기 이종 재료(EM)는 상기 포일(100)보다 융점이 낮은 금속 또는 비 금속을 사용하는 것도 가능하다.

삭제

또한, 상기 이종 재료(EM)는 주석 또는 은 또는 납 중 적어도 하나이상을 사용하는 것도 가능하다.

또한, 상기 표면 처리는 상기 이종 재료(EM)를 무지부(B)에 도금 또는 스퍼터링하거나, 상기 이종 재료(EM)를 페이스트화하여 상기 무지부(B)에 도포하는 것도 가능하다.

삭제

또한, 상기 무지부(B)를 융착한 후 전극부(A)에 활성물질을 도포하는 것도 가능하다.

삭제

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다라는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의해, 종래보다 간단한 공정에 의해서도 효과적이고도 안정적으로 융착할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 전극 탭을 설명하기 위한 개념도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1단계를 설명하는 개념도,
도 2c 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2단계 및 제3단계를 설명하는 개념도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3단계를 설명하는 개념도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제4단계를 설명하는 개념도,
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 융창 장치의 단면도 및 사시도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, "제1", "제2", "일 측면", "타 측면"등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 상세히 설명하기로 한다.

첨부된 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1단계를 설명하는 개념도, 도 2c 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2단계 및 제3단계를 설명하는 개념도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3단계를 설명하는 개념도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제4단계를 설명하는 개념도, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 융창 장치의 단면도 및 사시도이다.

본 발명은 상술한 바와 같이 다수 개 적층된 포일(100) 각각의 무지부(B)를 상기 포일(100)보다 낮은 융점을 가지는 이종 재료(EM)로 표면처리한 후, 상기 무지부(B)가 상호 밀착되도록 고온 가압하여 상기 무지부(B)를 융착하는 배터리의 전극 탭 융착 장치이다.

이때, 상기 무지부(B)는 상술된 바와 같이 양극 또는 음극 활성 물질이 도포되지 않는 부분으로서 추후 상호 융착되는 부분이며, 전극부(A)는 상기 활성 물질이 도포되는 부분이다.

종래에는 상술한 바와 같이 상기 무지부를 용접하거나 혹은 초음파를 이용하여 접합하는 등의 기술이 사용되어 왔다.

그러나, 상기 종래 기술의 경우 접합시 모재의 손상이 발생하거나 보다 많은 포일을 접착하기 어렵고 공정 또한 용이하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결한 것으로서 상기 무지부(B)를 상기 포일(100)보다 낮은 융점을 가지는 금속 또는 비 금속의 이종 재료(EM)로 표면처리하여 종래보다 낮은 온도에서 접합이 이루어질 수 있다.

이에 의해 전극활성물질의 산화를 방지할 수 있고, 보다 간단한 공정에 의해서도 효과적이고도 안정적으로 융착할 수 있다.

한편, 상기 이종 재료(EM)는 포일(100)보다 융점이 낮은 재질이면 사용가능하며 특히 주석 또는 은 또는 납 중 적어도 하나 이상을 사용하는 것도 가능하다.

또한, 상기 무지부(B)를 상기 이종 재료(EM)로 표면처리하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있으나, 도금이나 스퍼터링 등의 방법에 의해 표면처리하는 것도 가능하다. 물론 상기 이종 재료(EM)를 페이스트(paste)화한 후 상기 무지부(B)에 도포하는 것도 가능하다.

다만, 본 발명은 상기 이종 재료(EM)에 의해 보다 낮은 융점에서도 융착할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하는 바, 이러한 목적을 달성하는 한 상기 이종 재료(EM)가 다른 방법으로 부착되어도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.

이하 본 발명의 방법(S100)에 대해 보다 상세히 설명한다.

우선, 도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같이 전극 탭의 재료가 되는 포일(100) 중 무지부(B)측에 상기 포일(100)보다 낮은 융점을 가지는 이종 재료(EM)를 표면처리하는 단계(S110, 이하 제1단계라 함)를 수행한다.

이때, 상기 제1단계(S110)에서 상기 이종 재료(EM)를 표면처리하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 상술한 바와 같이 도금이나 스퍼터링 그리고 페이스트로 만들어서 도포하는 방법 등을 사용할 수 있다.

한편, 상기 이종 재료(EM)는 포일(100)보다 융점이 낮은 재질로서 금속 또는 비금속 재료 모두 사용가능하며 주석 또는 은 또는 납 중 적어도 하나 이상을 사용하는 것도 가능함은 이미 설명한 바와 같다.

상기 제1단계(S110) 수행 후, 도 2c 및 도 3에 나타난 바와 같이 상기 포일(100) 다수 개를 높이 방향으로 적층하는 단계(S120, 이하 제2단계라 함)를 수행한다.

상기 제2단계(S120) 수행 후, 상기 무지부(B)에서 전극부(A) 방향으로 일정 간격 이격된 부분을 압착하는 단계(S130, 이하 제3단계라 함)를 수행한다.(도 4참조)

상기 제3단계(S130)에 의해 1차적으로 압착하게 되는데, 이는 상기 포일(100)이 견고하게 지지되도록 하는 한편, 상기 압착된 부위에 의해 후술하는 고온 융착단계에서 발생하는 열이 전극부(A)측으로 확산되는 것을 방지하기 위함이다.

또한, 상기 제3단계(S130)에 의해 1차적으로 압착함에 의해 활성 물질이 도포되는 비 융착부인 전극부(A)가 상호 벌어지게 된다.

다시 말해서 포일과 같은 박막형 물질은 아무리 적층을 잘 해놓아도 적층된 사이에 공기층이 형성되는데, 이때 상기 제3단계(S130)와 같이 특정 부분을 압착하면 상술된 바와 같이 나머지 부분이 상호 벌어지게 된다.

상기 제3단계(S130) 수행 후, 상기 무지부(B)를 고온 압축하여 융착하는 단계(S140, 이하 제4단계라 함)를 수행한다.(도 5참조)

상기 제4단계(S140)에서 상기 각 포일(100)사이의 무지부(B)상에 표면처리된 이종 재료(EM)에 의해 상기 무지부(B)가 상호 융착된다

이때, 상술한 바와 같이 제4단계(S140)에 의해 1차 압착된 부분에 의해 상기 제4단계(S140)에서 발생하는 열이 전극부(A)측으로 전달되는 것을 방지하여 전극부(A)를 보호하게 된다.

상기 제4단계(S140)에 의해 상기 무지부(B)를 융착한 후 전극부(A)에 활성물질을 도포하는 단계(S150, 이하 제5단계라 함)를 수행할 수 있다.

물론 상기 제5단계(S150) 전에 전극부(A)에 활성물질을 도포하는 것도 가능하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 포일(100)의 무지부(B)에 융점이 낮은 이종 재료(EM)를 표면 처리한 후 융착하는 것으로서, 이하 도 6 내지 도 8을 참조하여 상기 무지부(B)를 융착하는 장치(10)에 대해 설명한다.

도시된 바와 같이, 상기 장치(10)는 무지부(B)를 고온 압착하는 2차 압착구(200)와, 상기 무지부(B)에서 전극부(A) 방향으로 일정 간격 이격된 부분을 압착하는 1차 압착구(400)를 포함한다.

즉, 상기 1차 압착구(400)는 상기 무지부(B)에서 일정 간격 이격된 부분을 압착하여 상기 2차 압착구(200)에 의해 고온 압착될 때, 전극부(A)측으로의 열 확산을 방지하게 된다.

이를 위한 상기 1차 압착구(400)는 알루미늄 합금과 같은 강도가 높고 열전도가 높은 금속을 사용할 수 있다.

한편, 상기 1차 압착구(400)는 도시된 바와 같이 상기 포일(100)상의 수평방향으로 배치되는 수평부(410)와 상기 수평부(410)에서 수직 방향으로 형성되어 상기 포일(100)의 무지부(B)와 접촉하되 상호 이격되어 있는 형상인 포크부(420)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 2차 압착구(200)는 상술된 바와 같이 상기 무지부(B) 고온 압착하기 위한 것으로서 이는 널리 알려진 구성을 사용할 수 있으며 이에 대한 자세한 도시와 설명은 생략한다.

한편, 상기 무지부(A) 압착시 과열되지 않도록 하는 케이스(300)를 포함하는 것도 가능하다.

이때, 상기 케이스(300)는 상기 포일(100)을 내부에 수용하는 중공의 케이스 본체(310)와, 상기 케이스 본체(310)의 일 측면 일부가 개방된 제1개방부(311)와, 상기 케이스 본체(310)의 타 측면 일부가 개방되어 상기 포일(100)의 무지부(B) 및 상기 무지부(B)에서 전극부(A) 방향으로 일정 간격 이격되어 압착되는 부분이 노출되도록 하는 제2개방부(312)를 포함할 수 있다.

즉, 도시된 바와 같이 상기 중공의 케이스 본체(310)의 도면상 좌측면에 상기 제1개방부(311)를 형성하고 도면상 우측면에 제2개방부(312)를 형성하는 것이다.

이때, 상기 제2개방부(312)를 통해서 포일(100) 일 부분이 노출되며, 특히 상술한 바와 같이 상기 포일(100)의 무지부(B)에서 전극부(A) 방향으로 일정 간격 이격되어 압착되는 부분이 노출되도록 하여 상기 제1압착구(400)에 의해 압착하는 한편 제2압착구(200)에 의해 무지부(B)가 융착되도록 할 수 있다.

한편, 상술한 압착 또는 융착에 의해 고온의 열이 발생하므로 이를 배출하기 위해 상기 케이스 본체(310)의 측면 일 부분이 개방되어 상기 케이스 본체(310) 내부의 열이 발산되도록 하는 발산구(313)와, 상기 케이스 본체(310)의 제1개방부(311) 측에 배치되어 상기 케이스 본체(310) 내부에 냉각을 위한 공기를 주입하는 팬(320)을 포함하는 것도 가능하다.

즉, 도시된 바와 같이 상기 케이스 본체(310)의 좌우측면 일 부분을 개방한 발산구(313)에 의해 상기 케이스 본체(310) 내부의 열이 외부로 발산되도록 할 수 있다.

또한, 상기 케이스 본체(310) 내부를 냉각하기 위해 상기 케이스 본체(310)의 제1개방부(311) 측에 팬(320)을 설치하는 것도 가능하다.

한편 상기 케이스 본체(310)는 도시된 바와 같이 박스 형상을 가질 수 있고 상기 각 개방부(311,312)는 사각형 단면 형상을 가질 수 있으며, 상기 발산구(313)는 원형 형상을 가질 수 있다.

그러나, 상기 개방부(311,312)는 열의 발산 또는 포일(100)의 노출을 목적으로 하는 것으로서, 이러한 목적을 달성하는 한 상기 개방부(311,312)가 다른 형상을 가지는 경우라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.

또한, 상기 발산부(313)의 경우 열의 발산을 목적으로 하는 바, 이러한 목적을 달성하는 한 상기 발산부(313)의 형상이 다른 경우라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.

또한, 상기 케이스 본체(310)의 경우 포일(100)을 수용하는 것을 목적으로 하는 바, 이러한 목적을 달성하는 한 상기 케이스 본체(310)가 다른 형상을 가지는 경우라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상을 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.

100 : 포일 B : 무지부
200 : 제2압착구 300 : 케이스
310 : 케이스 본체 311 : 제1개방부
312 : 제2개방부 313 : 발산구
320 : 팬 400 : 제1압착구

Claims

다수 개 적층된 포일(100) 각각의 무지부(B)가 상기 포일(100)보다 낮은 융점을 가지는 이종 재료(EM)로 표면처리된 상태에서 상기 무지부(B)를 융착하기 위한 장치로서,
상기 장치(10)는 상기 무지부(B)를 고온 압착하는 2차 압착구(200)와,
상기 무지부(B)에서 전극부(A) 방향으로 일정 간격 이격된 부분을 압착하는 1차 압착구(400)와,
상기 무지부(B) 압착시 과열이 발생하지 않도록 하는 케이스(300)를 포함하되,
상기 케이스(300)는 상기 포일(100)을 내부에 수용하는 중공의 케이스 본체(310)와,
상기 케이스 본체(310)의 일 측면 일부가 개방된 제1개방부(311)와,
상기 케이스 본체(310)의 타 측면 일부가 개방되어 상기 포일(100)에서 전극부(A) 방향으로 일정 간격 이격되어 압착되는 부분이 노출되도록 하는 제2개방부(312)와,
상기 케이스 본체(310)의 측면 일 부분이 개방되어 상기 케이스 본체(310) 내부의 열이 발산되도록 하는 발산구(313)와,
상기 케이스 본체(310)의 제1개방부(311) 측에 배치되어 상기 케이스 본체(310) 내부에 냉각을 위한 공기를 주입하는 팬(320)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 접합 방식의 배터리의 전극 탭 융착 장치.
제1항에 있어서,
상기 1차 압착구(400)는 상기 포일(100)상의 수평방향으로 배치되는 수평부(410)와 상기 수평부(410)에서 수직 방향으로 형성되되 상호 이격되어 있는 형상인 포크부(420)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 접합 방식의 배터리의 전극 탭 융착 장치.
제1항에 있어서,
상기 이종 재료(EM)는 상기 포일(100)보다 융점이 낮은 금속 또는 비 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 이종 접합 방식의 배터리의 전극 탭 융착 장치.
제1항에 있어서,
상기 이종 재료(EM)는 주석 또는 은 또는 납 중 적어도 하나이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 이종 접합 방식의 배터리의 전극 탭 융착 장치.
제1항에 있어서,
상기 표면 처리는 상기 이종 재료(EM)를 무지부(B)에 도금 또는 스퍼터링하거나
상기 이종 재료(EM)를 페이스트화하여 상기 무지부(B)에 도포하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 이종 접합 방식의 배터리의 전극 탭 융착 장치.
제1항에 있어서,
상기 무지부(B)를 융착한 후 전극부(A)에 활성물질을 도포하는 것을 특징으로 하는 이종 접합 방식의 배터리의 전극 탭 융착 장치.
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