KR101610680B1 - 이차전지의 전극탭 용접방법 및 이를 이용하여 제조된 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지를 구성하는 전극탭 및 리드부 간의 용접시 발생되는 절연불량 현상을 개선할 수 있는 용접방법 및 이를 이용하여 제조된 전극조립체에 관한 것이며, 본 발명의 이차전지의 전극탭 용접방법은 전지에 구비된 전극판으로부터 돌출 형성된 전극탭과 상기 전극탭을 외부단자와 전기적으로 연결하며 표면에 리드필름을 구비한 리드부를 연결하는 메인용접단계를 포함하며, 상기 메인용접단계는 상기 전극탭과 상기 리드부가 중첩되는 일부구간에 용접부를 형성시키되, 상기 용접부와 상기 리드필름 사이에 미용접구간이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 이처전지의 전극탭 용접방법은 미용접구간을 형성하여 용접과정에서 발생되는 금속 입자가 리드부 측으로 비산하여 이동하는 것을 방지함으로써 절연불량을 현저히 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

이차전지의 전극탭 용접방법 및 이를 이용하여 제조된 전극조립체{WELDING METHOD FOR ELECTRODE TAP OF SECONDARY BATTERY AND THE ELECTRODE ASSEMBLY MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은 이차전지를 구성하는 전극탭 및 리드부 간의 용접시 발생되는 절연불량을 개선할 수 있는 이차전지의 전극탭 용접방법 및 이를 이용하여 제조된 전극조립체에 관한 것이다.
최근 모바일 기기에 대한 수요가 급격하게 증가함에 따라 모바일 기기에 적용되는 이차전지의 수요도 증가하고 있으며, 이에 따라 이차전지에 대한 기술적 연구도 활발하게 이루어지고 있다.
일반적으로 이차전지는 재충전이 가능하고 소형화 및 대용량화가 가능한 전지로서, 대표적으로는 리튬(Li) 이차전지가 사용되고 있다.
그러나, 전술된 바와 같이 이차전지는 재충전이 가능하고 친환경적인 에너지원임에도 불구하고, 이차전지의 안정성과 관련해서는 끊임없이 문제가 제기되고 있다.
즉, 일반적으로 이차전지 내에서는 전지 내의 비정상적인 에너지 변환에 따른 온도상승에 의해 각종 화학반응이 유발되며, 이로 인해 발화 및 폭발 등과 같이 이차전지의 안정성이 저하되는 문제가 발생한다.
구체적으로, 이차전지는 고온에 노출되거나 외부단락 등에 의해 짧은 시간 내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR발열에 의해 전지가 가열되면서 발열, 발화, 폭발 등의 위험한 상태가 초래될 수 있으므로 이차전지의 내구성을 향상시킬 필요가 있다.
종래의 이차전지는 도 1에 도시된 것과 같이 전지케이스(1) 내부에 양극판/분리막/음극판이 교번되게 적층된 전극조립체(2)가 내장된다. 그 중 양극판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 기재로, 음극판은 구리 등을 기재로 하여 제작된다.
그리고 이러한 이차전지는 각각의 극판에 리드부(4)와 연결되기 위한 전극탭(3)이 전극조립체(2)의 일측으로 돌출되어 있다. 리드부(4)는 각각의 극판을 외부단자와 연결시키는 기능을 갖는 것으로, 리드부(4)와 전극탭(3)은 주로 용접을 통해 연결되며, 용접 작업 시 용접부(W)가 형성된다.
그러나 저항용접과정에서 용접시 전극탭(3)과 리드부(4) 간에는 용접봉에 의해 용접부가 융착되면서 다수개의 너겟이 발생된다. 그리고 이러한 과정에서 미세한 금속 입자와 같은 이물질이 비산하면서 리드부(4) 측으로 이동하여 후속 공정인 전지케이스(1)의 실링 시 리드필름(4')을 파괴하여 절연불량을 유발하는 문제점이 있었다.
공개특허공보 20-2010-0131786 (공개일자: 2010년 12월 16일)
본 발명은 전극탭과 리드부를 용접을 통해 연결할 때, 용접으로 인해 유발되는 금속 입자의 비산을 예방하여 절연불량률을 현저히 감소시킬 수 있는 용접방법 및 이를 이용하여 제조된 전극조립체를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 전극탭 용접방법은 전지에 구비된 전극판으로부터 돌출 형성된 전극탭과 상기 전극탭을 외부단자와 전기적으로 연결하며 표면에 리드필름을 구비한 리드부를 연결하는 메인용접단계를 포함하며, 상기 메인용접단계는 상기 전극탭과 상기 리드부가 중첩되는 일부 구간에 용접부를 형성시키되, 상기 용접부와 상기 리드필름 사이에 미용접구간이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현 예에 따른 전극탭 용접방법은 상기 메인용접단계 전에 다수 개가 적층되어 있는 상기 전극탭 간의 연결을 위해 용접을 수행하는 가용접단계를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따른 전극탭 용접방법은 상기 가용접단계 이후에 상기 전극탭의 가용접되지 않은 단부를 절단하는 탭커팅단계를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따른 전극탭 용접방법에서, 상기 메인용접단계는 미용접구간의 위치를 지정할 수 있는 용접가이드부재를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따른 전극탭 용접방법에서, 상기 전극판은 음극판일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따른 전극탭 용접방법에서, 상기 전극판은 양극판일 수 있다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 전극조립체는 전지에 구비된 전극판으로부터 돌출 형성된 전극탭, 상기 전극탭을 외부단자와 전기적으로 연결하고 표면에 리드필름을 구비하며 상기 전극탭과 일부 구간에서 중첩된 리드부, 상기 전극탭과 상기 리드부가 중첩된 일부 구간에 형성된 용접부, 및 상기 용접부와 상기 리드필름 사이에 형성된 미용접구간을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따른 전극조립체에서, 상기 전극판은 음극판일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따른 전극조립체에서, 상기 전극판은 양극판일 수 있다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 이차전지의 전극탭 용접방법은 전극탭과 리드부를 전기적으로 연결하는 용접부와 리드필름 간의 거리를 일정하게 유지할 수 있도록 미용접구간을 형성함으로써 용접과정에서 발생 되는 금속 입자가 리드필름 측으로 비산되어 이동하는 것을 방지하여 절연불량 현상을 현저하게 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 구현 예에 따른 이차전지의 전극탭 용접방법은 용접가이드부재를 이용하여 메인용접단계를 수행함으로써, 일정한 절연효과를 갖는 이차전지를 생산할 수 있는 장점 또한 갖는다.
도 1은 일반적인 이차전지에서 전극탭(3)과 리드부(4)의 연결구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현 예에 따라 이차전지의 절연불량률을 감소시킬 수 있는 전극탭 용접방법의 작업순서도이다.
도 3은 용접작업을 수행하기 전의 전극탭 및 전지셀의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시한 전극탭에 가용접을 수행한 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시한 가용접된 부분의 단부를 커팅하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시한 커팅된 전극탭과 리드부가 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 전극탭과 리드부가 연결된 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 구현 예에 따른 메인용접단계를 수행하는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 전극탭 및 리드부 간에 미용접구간이 형성되지 않은 용접 결과물을 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 구현 예에 따라 전극탭 및 리드부 간에 미용접구간이 형성된 용접 결과물을 나타내는 사진이다.
도 11은 미용접구간 형성 여부에 따른 절연불량률을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 메인용접단계 수행시 용접가이드부재를 사용하여 용접을수행하는 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 이차전지의 절연불량률을 감소시킬 수 있는 전극탭 용접방법은 도 2에 도시된 것과 같이, 가용접단계(S100), 탭커팅단계(S200), 및 메인용접단계(S300)를 포함한다.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 용접방법 수행에 의해 변화되는 전지셀(10) 및 전극탭(100)의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 개념적인 설명을 위해서 하나의 전극탭(100)만을 도시하였다.
먼저 용접 전의 전극탭(100)은 도 3에서와 같이 다수의 극판이 적층된 상태에서 전지셀(10) 상에 상측으로 돌출되게 연결되어 있다. 이러한 상태에서 가용접단계(S100)를 수행할 경우, 도 4에 도시된 것과 같이 전극탭(100) 상에 가용접부(101)가 형성된다.
구체적으로, 가용접단계(S100)는 적층된 다수의 전극탭(100) 간의 연결을 수행하기 위한 것으로, 저항용접을 통해 이루어진다. 저항용접은 도체에 흐르는 전류에 대한 내부의 전기 저항에 의하여 열이 발생하게 되고, 이를 용접봉(400)을 통해 압력을 가한 상태에서 큰 전류를 흘려주어 금속 또는 이종 금속 간의 접촉 면에서 발생되는 접촉저항과 금속의 고유저항에 의해 열을 얻고 이로 인해 금속이 가열 또는 용융되면서 가해진 압력에 의해 접합이 이루어지는 공법이다.
즉, 적층된 전극탭(100)의 상면과 하면에 용접봉(400)을 통해 압력을 가한 상태에서 전류를 흘려주면, 전극탭(100)이 용융되면서 가압에 의해 서로 결합되며, 이러한 과정에서 가용접부(101) 상에는 내측으로 함몰되는 너겟(N)이 형성된다.
이러한 가용접단계(S100)는 후속 공정인 탭커팅단계(S200)가 용이하게 이루어질 수 있도록 다수개의 전극탭(100)을 한 다발로 모은 후에 수행할 수 있으며, 이러한 가용접단계(S100)를 통하여 메인용접단계(S300)에서의 용접 타수를 감소시켜 주는 효과가 있다.
한편, 가용접단계(S100) 후에 탭커팅단계(S200)가 수행된다.
탭커팅단계(S200)는 가용접단계(S100)에서 용접되지 않은 단부를 절단하여 제거하는 단계로서, 가용접부(101)의 양측 경계 말단 사이를 커팅하여 가용접부(101)의 커팅된 말단에 가용접되지 않은 부분이 남지 않도록 함으로써, 가용접되지 않은 부분을 확실하게 분리하여 제거할 수 있도록 수행한다(도 5 참조). 이에 따라 탭커팅단계(S200)가 수행된 가용접부(101)의 말단은 용접된 말단을 형성하게 된다.
한편, 상기 가용접단계(S100) 후에는 메인용접단계(S300)가 수행된다.
메인용접단계(S300)는 전극탭(100)과 리드부(200)를 전기적으로 연결하는 단계이다.
리드부(200)는 전극탭(100)과 외부단자가 전기적으로 연결되도록 하는 기능을 갖는 것으로서, 상기 리드부(200)에는 리드필름(201)이 부착되어 있다.
리드필름(201)은 리드부(100)의 실링 시 전지케이스(미도시)와 리드부(200) 사이의 접착부재 역할 및 리드부(100)에 의해 전지케이스가 손상되는 것을 방지하는 기능을 갖는다.
이러한 구조를 갖는 리드부(200)는 도 5 및 도 9에서와 같이 전극탭(100)과 리드부(200)의 각 단부가 서로 접촉할 수 있도록 적층 시킨 후에 한 쌍의 용접봉(400)을 전극탭(100) 상면과 리드부(200) 하면에 접촉시킨 후 가압한다.
그 후, 용접봉(400)에 전류를 인가하면 전극탭(100)과 리드부(200)가 용접에 의해 연결되면서, 전극탭(100)의 상면에는 용접봉(400)의 고온 및 고압으로 인해서 너겟(N)이 형성된다.
이러한 과정에서 너겟(N)으로부터 구리와 같이 전극탭(100)의 기재로 사용되는 금속 입자가 비산하게 되며, 이렇게 비산된 입자는 용접부(W)를 이탈하여 리드필름(201)으로 이동하게 된다.
또한 탭커팅단계(S200)에서 전극탭(100)의 단부에 잔존하는 금속 입자들도 메인용접단계(S300)에서 활발하게 부유하게 된다.
따라서 본 발명인 이차전지의 절연불량률을 감소시킬 수 있는 전극탭 용접방법은 메인용접단계(S300)에서 전극탭(100) 및 리드부(200)가 연결되는 부분에 미용접구간(A)을 형성하여 비산된 금속 입자가 리드필름(201)으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 실험을 통하여 본 발명에 따른 미용접구간(A)을 형성시키는 용접방법이 절연불량률을 현저하게 감소시키는 결과를 확인하였다.
즉, 도 9는 메인용접단계(S300)에서 전극탭(100)을 단부까지 용접을 하게 될 경우(즉, 미용접구간을 형성하지 않은 경우)를 나타낸 것이고, 도 10은 전극탭(100)의 단부에 미용접구간(A)을 형성하면서 메인용접을 수행할 경우를 나타낸 것이다.
도 11은 메인용접단계(S300) 수행 시 미용접구간(A) 형성 여부에 따른 절연불량률을 도시한 그래프이다. 도 11에서 가로축은 절연불량실험대상(샘플)을 의미하고, 세로축은 절연불량률을 의미한다. 가로축의 도시된 D06 내지 D20 샘플은 미용접구간(A)를 형성하지 않은 경우로서, 그 절연불량률이 0.15 내지 0.8(%)로 비교적 넓은 범위에서 유동하는 반면, 미용접구간(A)을 형성한 E07 내지 E14 샘플은 절연불량률이 현저하게 감소했을 뿐만 아니라 절연불량률의 편차도 크지 않은 것을 확인할 수 있다.
이는 미용접구간(A)을 형성한 경우에 작업자의 숙련도 및 환경 등에 무관하게 절연불량률이 일정하게 감소했음을 뒷받침하는 결과로 해석된다.
또한, 이러한 미용접구간(A)의 정확한 위치를 지정하기 위하여 도 12에 도시된 바와 같이 미용접구간(A)의 길이를 측정할 수 있는 용접가이드부재(300)를 사용하여 메인용접단계(S300)를 수행할 수 있다.
용접가이드부재(300)는 가이드판(310), 가이드레일바(320), 연결부재(330)를 포함할 수 있다.
가이드판(310)은 일정길이를 갖는 막대 형상이며 전극탭(100) 상에서 미용접구간(A)의 위치를 안내하는 기능을 가지며 슬릿홈이 형성된 가이드레일바(320) 상에서 상하로 움직일 수 있다. 그리고 가이드레일바(320)는 전지셀(10)에 연결부재(330)를 통해 연결될 수 있다.
따라서 작업자는 메인용접단계(S300) 수행시 전극탭(100)으로부터 일정거리가 되는 지점에 가이드판(310)이 위치하도록 한 후, 그 지점까지만 용접을 수행하여 미용접구간(A)을 일정하게 확보함으로써 금속 입자의 비산을 효율적으로 방지할 수 있게 된다. 즉, 미용접구간(A)을 형성함으로써 금속 등의 이물질이 리드필름(201)으로 비산하여 이동하는 것을 방지할 수 있는 반면, 이와 같은 미용접구간(A)이 지나치게 넓게 형성되는 경우는 오히려 전극탭(100)과 리드부(200) 간의 전기적 연결성이 저하될 수 있는바, 상기 용접가이드부재(300)를 이용하여 이물질의 비산방지 및 전극탭(100)과 리드부(200) 간의 전기적 연결성을 균형적으로 달성할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있을 것이다.
1: 전지케이스 2: 전극조립체
10: 전지셀 3, 100: 전극탭
101: 가용접부 4, 200: 리드부
4', 201: 리드필름 300: 용접가이드부재
400: 용접봉 A: 미용접구간
N: 너겟 W: 용접부

Claims (9)

  1. 전지에 구비된 전극판으로부터 돌출 형성된 전극탭과 상기 전극탭을 외부단자와 전기적으로 연결하며 표면에 리드필름을 구비한 리드부를 연결하는 메인용접 단계를 포함하고,
    상기 메인용접단계에서,
    상기 전극탭과 상기 리드부가 중첩되는 일부구간에 용접부를 형성시키되, 상기 용접부와 상기 리드필름 사이에 미용접구간이 형성되도록 하며,
    상기 메인용접단계는,
    상기 미용접구간의 위치를 측정할 수 있는 용접가이드부재를 이용하여 수행하고,
    상기 용접가이드부재는,
    슬릿홈이 형성된 가이드레일바,
    일정길이를 갖도록 형성되며, 상기 슬릿홈에 움직이면서 상기 전극탭 상에 상기 미용접구간의 위치를 안내하는 가이드판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극탭 용접방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인용접단계 전에는
    다수 개가 적층되어 있는 상기 전극탭 간의 연결을 위해 용접을 수행하는 가용접단계를 더 포함하는 전극탭 용접방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가용접단계 이후에는 상기 전극탭에 가용접되지 않은 단부를 절단하는 탭커팅단계를 더 포함하는 전극탭 용접방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극판은 음극판인 전극탭 용접방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극판은 양극판인 전극탭 용접방법.
  7. 전지에 구비된 전극판으로부터 돌출 형성된 전극탭,
    상기 전극탭을 외부단자와 전기적으로 연결하고 표면에 리드필름을 구비하며 상기 전극탭과 일부 구간에서 중첩된 리드부,
    상기 전극탭과 상기 리드부가 중첩된 일부 구간에 형성된 용접부, 및
    상기 용접부와 상기 리드필름 사이에 형성된 미용접구간을 포함하며,
    상기 미용접구간에는,
    상기 미용접구간의 위치를 측정할 수 있는 용접가이드부재를 이용하고,
    상기 용접가이드부재는,
    슬릿홈이 형성된 가이드레일바;
    일정길이를 갖도로 형성되며, 상기 슬릿홈에 상하로 움직이면서 상기 전극탭 상에 상기 미용접구간의 위치를 안내하는 가이드판을 포함하는 전극조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극판은 음극판인 전극조립체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전극판은 양극판인 전극조립체.
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