KR101528003B1 - 전극 탭 상호 접속부재 및 이를 이용한 전기화학소자 - Google Patents

전극 탭 상호 접속부재 및 이를 이용한 전기화학소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 버스바와 셀의 리드를 다중 접합하기 위한 상호 접속부재의 구조에 관한 것으로, 특히 이차전지 전극탭을 상호 연결하는 전극탭 상호 접속부재에 있어서, 이차전지의 전극탭에 밀착하여 용접되는 버스바몸체와 상기 버스바몸체의 일단에 돌출되는 구조로 형성되어 전압생성용 퓨즈에 연결되는 버스바범프를 포함하되, 상기 버스바몸체와 버스바범프의 연결영역에 형성되는 진동분산패턴이 마련되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리의 버스바와 셀의 리드를 다중 접합하기 위한 초음파 용접시, 버스바의 범프의 상부에 진동분산 홈을 형성하여 초음파 진동으로 인해 배터리의 버스바의 단부가 탈루되는 문제를 해소할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

전극 탭 상호 접속부재 및 이를 이용한 전기화학소자{INTERCONNECT FOR ELECTRODE-TABELECTROCHEMICAL CELL USING THE SAME}
본 발명은 배터리의 버스바와 셀의 리드를 다중 접합하기 위한 상호 접속부재의 구조에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용된다. 그리고 전지 셀을 수십 개 연결한 대용량 전지는 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있다. 상기 이차 전지의 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 등을 들 수 있다. 상기 이차 전지는 복수 개를 직렬로 연결시켜 대용량의 이차 전지 모듈을 구성하게 된다.
이와 같이 이차 전지 모듈은 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지인 단위 전지로 이루어진다. 상기 각 단위전지는 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양, 음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양, 음극 단자를 포함한다.
그리고 각각의 단위전지는 인접한 단위전지의 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 통해서 연결하여 대용량의 전지 모듈을 구성하게 된다.
즉, 각 단자(음극단자와 양극단자)는 수나사 형태로 이루어져 있어서 일측 단위전지의 양극단자와 인접한 단위전지의 음극단자에 도전체인 버스바를 끼우고 상기 단자에 체결을 위한 체결 너트를 체결하여 버스바를 고정함으로서 각 단위 전지를 직렬로 연결하게 된다. 그러나 상기한 종래의 이차 전지 모듈은 실질적으로 단자와 버스바 사이의 접촉 면적이 작아 접촉저항이 커지고 이에 따라 집전 효율이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제를 개선하기 위해 제안된 구조는 도 1에서 제안한 구조의 상호 접속부재이다. 도 1은 다수의 이차전지셀(110)의 전극리드(120, 130)의 사이를 연결하기 위한 상호 접속부재(200)의 구조를 도시한 것이다.
상호 이격되는 전극리드의 상호 접속을 위한 부재는 도시된 것과 같이 절곡된 형상의 구조물을 상호 마주하는 전극리드 사이에 삽입하여 상호접속부재(200)의 일면과 전극리드의 일면을 초음파 용접기의 엔빌과 용접혼을 통해 용접하게 된다.
이 경우, 이용되는 초음파 용접기는 도 2에 도시된 것과 같이, 초음파 혼(20), 앤빌(22), 브라켓(24), 지지 브라켓(26), 초음파엑츄에이터(28) 및 컴퓨터(30)을 포함한다. 상기 초음파 용접 어셈블리(10)는 상기 초음파 혼(20) 및 앤빌(22) 사이에 위치하는 도 1에서의 전극리드와 상호접속부재를 초음파 용접할 수 있도록 구성되어 있다.
그러나, 초음파 용접기에서 인가되는 초음파 진동은 도시된 구조의 상호접속부재(200)에 그대로 전달되게 되며, 상호접속부재(200)의 말단에 돌출되는 구조로 형성되어 전압생성용 퓨즈에 연결되는 범프(bump;210) 등의 돌출 구조물에 크랙이 발생하게 되거나 파손되게 되어, 외부 단자와의 연결이 불가능해 지는 문제가 발생하게 된다.
한국공개특허공보 제10-2010-0097402호
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 배터리의 버스바와 셀의 리드를 다중 접합하기 위한 초음파 용접시, 버스바의 범프의 상부에 진동분산 홈을 형성하여 초음파 진동으로 인해 배터리의 버스바의 단부가 탈루되는 문제를 해소할 수 있는 상호 접속부재를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 이차전지 전극탭을 상호 연결하는 전극탭 상호 접속부재에 있어서, 상기 상호접속부재는, 상기 이차전지의 전극탭에 밀착하여 용접되는 버스바몸체; 상기 몸체의 일단에 돌출되는 구조로 형성되어 전합생성용 퓨즈에 연결되는 버스바범프;를 포함하되, 상기 버스바몸체와 버스바범프의 연결영역에 형성되는 진동분산패턴이 마련되는 것을 특징으로 하는 전극탭 상호 접속부재를 제공할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 배터리의 버스바와 셀의 리드를 다중 접합하기 위한 초음파 용접시, 버스바의 범프의 상부에 진동분산 홈을 형성하여 초음파 진동으로 인해 배터리의 버스바의 단부가 탈루되는 문제를 해소할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 이차전지의 다중접합을 위한 상호접속부재와 이차전지의 결합 공정시 문제를 설명하기 위한 공정도이다.
도 2는 도 1의 상호접속부재의 초음파 용접을 수행하는 용접기의 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 상호 접속부재의 구조를 도시한 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 상호 접속부재의 다른 실시예를 도시한 개념도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 3은 본 발명에 따른 상호 접속부재의 구조를 도시한 사시도이다.
도시된 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 전극탭 상호 접속부재는 도 1에서 도시한 이차전지 셀의 다중 접합을 위해 이차전지 전극탭을 상호 연결하는 전극탭 상호 접속부재로서, 상기 이차전지의 전극탭에 밀착하여 용접되는 버스바 몸체(110), 상기 버스바 몸체(110)의 일단에 돌출되는 구조로 형성되어 전압생성용 퓨즈에 연결되는 버스바범프(120)를 포함하되, 상기 버스바몸체(110)와 버스바범프(120)의 연결영역에 형성되는 진동분산패턴(130)이 마련되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 버스바몸체(110)은 다양한 형상을 구비할 수 있으나, 도 3에서 도시된 구조와 같이 절곡된 구조의 제1면(111), 제2면(112), 제3면(113)을 구비한 "ㄷ" 자형 구조물을 일예로 들어 설명하기로 한다. 물론, 본 발명의 요지가 적용되는 버스바는 이러한 절곡구조물에 한정되지 않으며, 일자형 구조의 몸체를 가지는 형상이나 L자형 구조물 등 다양한 몸체의 형상에 돌출되는 버스바 범프와 같은 구조물을 구비한 형상이면 본 발명의 요지에 포함되는 것이라 할 것이다.
특히, 본 발명에 따른 상기 진동분산패턴(130)은, 상기 버스바 몸체(110) 영역에 형성되며, 특히 상기 버스바 몸체 영역을 관통하는 구조로 적어도 1 이상의 홀패턴으로 구성될 수 있다. 도 3에서 도시되듯이, 적어도 1 이상의 관통 구조를 가지는 진동분산패턴(130)은 버스바몸체(110) 상에서 버스바범프(120)에 인접한 부위에 형성될 수 있다.
상기 홀 패턴의 존재는 도 2에서 상술한 초음파 혼에서 인가되는 초음파 진동을 분산시켜 돌출구조인 버스바범프(120)와 상기 버스바몸체(110)의 연결부위에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 상술한 본 발명에 따른 진동분산패턴(130)의 다양한 변형 실시예를 도시한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 상기 진동분산패턴(130)은 도 4의 (a)에 도시된 것과 같이, 상기 버스바 몸체(110) 영역에 형성되며, 특히 상기 버스바 몸체 영역을 관통하는 구조로 적어도 1 이상의 홀패턴(130)으로 구성될 수 있음은 물론이며, 나아가 도 4의 (b)에 도시된 것과 같이, 상기 버스바 몸체 영역을 관통하는 구조로 적어도 1 이상의 슬릿패턴(140)으로 구현할 수도 있다.
나아가, 도 4의 (c)에 도시된 것과 같이, 상기 진동분산패턴(130)은 상기 버스바 몸체((110) 영역을 관통하는 구조로 적어도 1 이상의 홀패턴(130) 및 슬릿패턴(140)이 조합되는 구조로 마련될 수도 있다.
도 5는 상술한 본 발명에 따른 진동분산패턴(130)의 다양한 변형 실시예 중 하나를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 진동분산패턴(130)은 진동분산효과를 효율적으로 구현하기 위해, 도 5에 도시된 것과 같이, 상기 버스바범프(120)의 중심부를 지나는 가상의 수직축(X)를 중심으로, 상기 버스바 몸체(110) 영역을 관통하는 구조로 적어도 1 이상의 홀패턴(160) 또는 슬릿패턴(150)이 방사형으로 배치되는 구조로 구현하는 것도 가능하다.
특히, 상기 진동분산패턴(130)은 도 5 및 도 6의 도시된 것과 같이, 상기 버스바범프(120)의 중심부를 지나는 가상의 수직축(X)를 중심으로, 상기 버스바범프의 폭(d)의 1~3배되는 반원영역에 배치될 수 있다. 즉 버스파범프의 폭(d)과 반원의 지름(r)이 동일한 영역이나 최대 3배(3r)의 영역 내에 진동분산패턴(130)이 구현됨이 바람직하다. 이 범위를 벗어나는 경우에는 진동 분산의 효과가 현저하게 떨어지게 된다.
이하에서는 상술한 본 발명에 따른 전극탭 상호 접속부재를 이용하여 이차전지에 적용하여 초음파 용접시 버스바범프의 탈락 및 크랙의 발생 유무를 테스트한 결과를 설명하기로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 상호 접속부재가를 적용하는 이차전지는, 권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조 중 어느 하나로 이루어지는 구조로 이차전지를 구성할 수 있다. 이하, 본 발명을 실시예를 들어 더 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 한다.
{실시예}
전지 케이스의 수납부에 전극조립체를 내장하고, 전극조립체의 집전체로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들과 리드부를 용접하여 V-포밍부를 형성한 후, 전해액을 주입하고, 전지 케이스의 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트가 접하는 외주 면을 열융착시켜 전지 케이스에 실링부를 형성하였다. 이후, 다수의 전지케이스를 본 발명에 따른 진동분산패턴이 형성된 상호 접속부재를 매개로 초음파 용접을 통해 연결하는 실험을 실시하였다.
{비교예}
상기 실시예와 동일한 조건에서 상호접속부재를 동일하게 제작하여 적용하되, 진동분산패턴을 형성하지 않는 구조를 적용하여 초음파 용접을 통해 연결하는 실험을 실시하였다.
{실험예}
상술한 실시예와 비교예에서 상호 접속부재와 초음파 용접을 수행하는 전극리드는 0.4T Al 재질의 리드 2장, 0.2T Cu 리드 2장에 대하여 실시예와 비교예에서 제작한 상호접속부재를 적용하여 초음파 용접을 수행하였으며, 상호 접속부재(버스바)의 두께는 0.8T로 형성하였다.
용접조건은 음극에 대해서는 에너지 1200J, TP는 21Psi, WP는 21Psi, 진폭은 41㎛, 양극에 대해서는 에너지 950J, TP는 21Psi, WP는 21Psi, 진폭은 40㎛를 인가하였다.
본 실험에서는 각각 100 개의 상호접속부재들에 대해 반복적으로 수행하였고, 초음파 용접을 수행한 후, 버스바범프 부분의 탈락 및 크랙발생 수는 다음과 같다.
버스바범프 부분의 탈락 및 크랙발생 수
실시예 0
비교예 29
상기 실험에서 본 실시예에 따른 100개 상호접속부재 모두에서 단락이 유발되지 않았다. 반면, 비교예에서는 약 30%의 버스바몸체와 버스바범프의 연결부위에서크랙 및 탈락현상이 발견되었다.
이에 비추어 보면 본 발명에 따른 상호 접속부재의 진동분산패턴을 구비하는 상호 접속부재의 신뢰성이 매우 향상되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 상호접속부재는 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기에 적용될 수 있다.
상기 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.
다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.
중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 버스바몸체
120: 버스바범프
130: 진동분산패턴(홀패턴)
140: 진동분산패턴(슬릿패턴)

Claims (10)

  1. 이차전지 전극탭을 상호 연결하는 전극탭 상호 접속부재에 있어서,
    상기 상호 접속부재는,
    상기 이차전지의 전극탭에 밀착하여 용접되는 버스바몸체; 및
    상기 버스바몸체의 일단에 돌출되는 구조로 형성되어 전압생성용 퓨즈에 연결되는 버스바범프;를 포함하며,
    상기 버스바몸체 상에는 상기 버스바범프에 인접한 부위에 적어도 1 이상의 관통 구조를 가지는 진동분산패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극탭 상호 접속부재.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동분산패턴은,
    상기 버스바 몸체 영역을 관통하는 구조로 적어도 1 이상의 홀패턴이 마련되는 구조의 전극탭 상호 접속부재.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동분산패턴은,
    상기 버스바 몸체 영역을 관통하는 구조로 적어도 1 이상의 슬릿패턴이 마련되는 구조의 전극탭 상호 접속부재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동분산패턴은,
    상기 버스바 몸체 영역을 관통하는 구조로 적어도 1 이상의 홀패턴 및 슬릿패턴이 조합되는 구조로 마련되는 전극탭 상호 접속부재.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 진동분산패턴은,
    상기 버스바범프의 중심부를 지나는 가상의 수직축(X)를 중심으로,
    상기 버스바 몸체 영역을 관통하는 구조로 적어도 1 이상의 홀패턴 또는 슬릿패턴이 방사형으로 배치되는 구조의 전극탭 상호 접속부재.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 진동분산패턴은,
    상기 버스바범프의 중심부를 지나는 가상의 수직축(X)를 중심으로,
    상기 버스바범프의 폭(d)의 1~3배되는 반원영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극탭 상호 접속부재.
  8. 청구항 1 및 3 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극탭 상호 접속부재는,
    제1면 내지 제3면을 갖는 'ㄷ" 자형 버스바 몸체를 구비하는 전극탭 상호 접속부재.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 버스바몸체는,
    상기 제1면 및 제3면에 각각 형성되는 버스바범프를 구비하는 전극탭 상호 접속부재.
  10. 청구항 1 및 3 내지 7 중 어느 한 항의 전극탭 상호 접속부재를 구비하여, 다수의 이차전지 전극탭을 상호 연결하는 구조의 전기화학소자.
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