KR101804614B1 - 음극에 리드를 용접하는 방법, 이에 의해 제조된 배터리용 음극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음극에 리드를 용접하는 방법, 이에 의해 제조된 배터리용 음극에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드가 레이저 용접되어 상기 리드 용접을 위한 추가 영역을 갖지 않는 것을 특징으로 하는, 각형 또는 원통형 이차 전지용 리드 음극에 관한 것이다.

Description

음극에 리드를 용접하는 방법, 이에 의해 제조된 배터리용 음극 및 이를 포함하는 이차전지{A WELDING METHOD FOR LEAD TO ANODE, BATTERY ANODE MANUFACTURED BY THE SAME AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}

본 발명은 음극에 리드를 용접하는 방법, 이에 의해 제조된 배터리용 음극에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드가 레이저 용접되어 상기 리드 용접을 위한 추가 영역을 갖지 않는 것을 특징으로 하는, 각형 또는 원통형 이차 전지용 리드 음극에 관한 것이다.

충방전이 가능한 이차전지는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목 받고 있다. 또한, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치 등에 널리 이용되고 있으며, 특히 무선통신 기술의 발전은 휴대용 장치의 등의 동력원으로서도 주목 받고 있다.

배터리 리드는 배터리 내부에 충전된 전하가 외부로 이동하는 통로가 되는 부분으로 전극의 음극과 양극에 각각 달려 있다. 현재 배터리 음극 및 양극에 리드를 결합하는 방식은 초음파 용접을 주로 사용하고 있으며 용접 후 구조는 도 1과 같다. 초음파 용접은 용접 시 사용하는 용접부(Horn)와 받침대(Anvil) 사이에 용접할 모재를 넣은 후 진동을 가하면 모재의 마찰열에 의해 결합하는 방식으로, 현재 배터리 전극과 리드를 결합할 때 주로 사용하는 방식이다. 특히, 활물질이 코팅된 적층 구조에 용접을 해야만 하는 전지에 해당하는 예를 들어 각형 또는 원통형 배터리의 초음파 용접 시, 순간적으로 강한 진동이 형성되어, 이로 인하여 활물질 코팅부가 탈리되는 문제가 있으며, 구리 Foil과 리드 간 마찰열이 코팅부에 의해 악영향을 받아 용접이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있을 수 있다. 따라서, 용접을 원활하게 하고 용접 부위를 확보하기 위하여 배터리 전극 부분에 초음파 용접을 위한 추가적으로 활물질이 코팅되지 않은 구리Foil 영역이 필요하다. 그러나, 도 1과 같은 구조를 사용하게 될 경우 배터리의 기본적 기능과는 상관이 없는 배터리 전극과 리드를 용접해야 하는 부분이 추가로 필요하게 되며 용접을 위한 Foil층과 양극과 음극의 Short를 방지하기 위한 분리막을 추가로 사용해야 하며 이로 인해 추가적으로 분리막과 Cu foil의 길이가 증가하게 되어 추가적인 비용이 발생하게 되는 문제점이 있는 바, 초음파 용접 방법에 대한 개선이 필요한 실정이다.

한국 등록특허 10-1152515호

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드가 레이저 용접되어 상기 리드 용접을 위한 추가 영역을 갖지 않는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극을 제공함으로써 기존의 초음파 용접 공정에서 분리막 층 및 Foil층을 추가로 사용해야 하는 문제점을 해결할 수 있어 원가 절감 및 전극 생산성 향상을 도모함으로써 경제적으로 우수할 뿐만 아니라, 초음파 용접 공정을 대체할 수 있는 Micro 레이저 용접으로 용접 방법의 편의성을 높이는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하는 음극에 리드를 용접하는 방법으로,

a) 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층 중 일부를 펄스 레이저를 조사하여 제거하는 단계; 및

b) 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드를 부착시키고, 상기 리드의 표면에 펄스 레이저를 조사하여 리드를 용접하는 단계;를 포함하는 음극에 리드를 용접하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드가 레이저 용접되어 상기 리드 용접을 위한 추가 영역을 갖지 않는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 음극에 리드를 용접하는 방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 배터리용 음극을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 배터리용 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 배터리용 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지를 제공한다.

본 발명에 따른 음극에 리드를 용접하는 방법에 의하면, 기존의 초음파 용접 공정에서 분리막 및 Foil층을 추가로 사용해야 하는 문제점을 해결할 수 있어 배터리 제조 비용 절감 및 용량의 증가를 실현할 수 있어 경제적으로 우수할 뿐만 아니라, Micro 레이저 용접으로 용접 방법의 편의성을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 리드 부착 부분인 음극 활물질층의 일부를 레이저로 제거하는 공정을 포함함으로써, 음극 전극에 리드를 부착시키기 위해 음극 활물질이 코팅되지 않은 미도포 영역을 형성하기 위해 추가의 설비 및 공정이 포함되는 방법에 비해 연속적인 음극 활물질층의 일부를 레이저로 제거하는 비교적 간단한 공정을 거친다. 따라서, 본 발명에 의하면 각형 또는 원통형 이차 전지의 전극 활물질 코팅을 연속 코팅으로 대체할 수 있는 장점을 갖는다.

도 1은 종래의 초음파 리드 용접 방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 펄스 레이저로 활물질층 제거 후 레이저 리드 용접 방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 용접 방법의 음극 활물질층 제거 단계를 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명의 용접 방법의 리드 용접 단계를 나타낸 그림이다.
도5는 본 발명에 따른 적층 구조를 적용하여 초음파 용접을 수행하였을 때 결과를 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 적층 구조를 적용하여 레이저 용접을 수행하였을 때 결과를 나타내는 사진이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 음극에 리드를 용접하는 방법은 Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하는 음극에 리드를 용접하는 방법으로,

a) 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층 중 일부를 펄스 레이저를 조사하여 제거하는 단계; 및

b) 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드를 부착시키고, 상기 리드의 표면에 펄스 레이저를 조사하여 리드를 용접하는 단계;를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 음극에 리드를 용접하는 방법은 리드와 Foil층을 중첩하여 용접하는 경우에 적용될 수 있다.

본 발명의 배터리용 음극은, 도2 에서와 같이, Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하는 음극으로 이루어진다. 또한, 상기 음극의 상면에 분리막을 추가로 형성할 수 있다. 상기 분리막을 사용하는 경우, 분리막으로는 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 분리막에 특수 세라믹 코팅을 더해 안정성을 크게 강화한 안전성 강화 분리막(SRS™·Safety Reinforced Seperator)을 사용할 수 있다.

상기 음극 활물질층으로는 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0 <x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; 및 Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 Foil층으로는 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 구리를 사용할 수 있다.

또한, 상기 리드로는 특별한 제한은 없으나, 가격 및 전지의 작동 범위에서 집전체 금속의 전기 화학적 안정성을 동시에 고려할 때, 바람직하게는 니켈(Ni)을 사용할 수 있다.

상기 음극의 적층 구조는 도 5에서 나타난 결과와 같이, 종래에 사용하는 초음파 용접 방법으로 음극과 리드를 용접하는 것이 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, a) 단계에서 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층 중 일부를 펄스 레이저를 조사하여 제거한다. 본 발명에 있어서, 상기 펄스 레이저는 세기를 조절할 수 있고, 음극 활물질층과 Foil층에 흡수 가능한 파장을 조사할 수 있으며, 동시에 음극 활물질층 제거 및 Ni과 Cu 용접에 용이한 출력이 가능한 레이저라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 a) 단계를 구체적으로 살펴보면, 음극 활물질층으로 둘러싸인 Foil층에 대하여, 도 3과 같이 펄스 레이저를 이용하여, 상기 음극 상의 음극 활물질층에 조사를 하여, 리드를 용접하려는 Foil층의 부분의 표면에 위치하는 음극 활물질층을 제거한다. 이를 통하여 음극 활물질층의 일부가 제거된 상태로 만들 수 있다.

상기 a) 단계에서 사용되는 펄스 레이저의 세기는 사용자의 필요에 따라 적정 범위로 조절될 수 있으며, 바람직하게는 IR 파장의 50W pulse laser 이용 시 평균 출력 30~50W, 반복 출력 수 100~500kHz, 펄스 폭 5~30ns, 스캔 스피드 1000~3000mm/s의 범위 하에서 조사할 수 있으며, 보다 바람직하게는 IR 파장의 50W pulse laser 이용 시 평균 출력 40~50W, 반복 출력 수 250~350kHz, 펄스 폭 10~20ns, 스캔 스피드 1500~2500mm/s의 범위 하에서 조사할 수 있다.

상기 a)단계에서 리드 부착 부분인 음극 활물질층의 일부를 레이저로 제거하는 공정을 포함함으로써, 음극 전극에 리드를 부착시키기 위해 음극 활물질이 코팅되지 않은 미도포 영역을 형성하기 위해 추가 설비 및 공정이 포함되는 방법에 비해 연속적인 음극 활물질층의 일부를 레이저로 제거하는 비교적 간단한 공정을 거칠 수 있다.

또한, Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분의 폭은 리드의 용접 면적 이상인 것이 바람직하다. 제거 영역이 용접 면적보다 작으면 레이저에 의해 활물질이 탈리될 가능성이 있으며, 용접 면적보다 지나치게 넓으면 그만큼 활물질 코팅층이 줄어 배터리 용량이 저하되는 문제점이 있다.

상기와 같이 리드를 용접하려는 음극 활물질층 중 일부를 제거한 후, 본 발명은 b) 단계에서 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드를 부착시켜 상기 리드와 Foil층이 중첩되어 위치하도록 한다. 본 발명과 같이 상기 리드와 Foil층이 중첩되어 위치하도록 함으로써, 상기 리드 용접을 위한 추가 영역을 갖지 않으므로, 분리막 및 Foil층을 추가로 사용해야 하는 문제점을 해결할 수 있어 배터리 제조 비용 절감 및 용량의 증가를 실현할 수 있어 경제적으로 우수한 장점을 갖는다.

구체적으로, 상기 b) 단계에서 상기 리드의 표면에 펄스 레이저를 조사하여 리드를 용접한다. 본 발명의 도 5은 본 발명에 따른 적층 구조를 적용하여 초음파 용접을 수행하였을 때 결과를 나타내는 사진으로, 용접부(Horn)와 받침대(Anvil) 사이의 음극 활물질이 초음파 용접을 방해하여 리드 용접이 불가 하였다. 따라서 초음파 용접을 통해서는 본 발명에서 구현하고자 하는 용접 구조를 제작 할 수 없었다. 도 6은 본 발명에 따른 적층 구조를 적용하여 하기 레이저 용접을 수행하였을 때 결과를 나타내는 사진으로, 상기 b) 단계를 통하여 음극 전극층과 리드가 용접된 구조를 완성함을 나타내었는데, 이로써 용접이 원활하게 이루어짐을 확인하였다.

음극 활물질층의 일부가 제거된 음극에 대하여, 도 4와 같이 펄스 레이저를 이용하여, 음극 활물질층이 제거된 부분의 하부에 노출되는 Foil층의 표면에 리드를 위치 시킨 후, 리드 상에 펄스 레이저를 조사하여, 음극과 리드를 용접한다. 이를 통하여 음극과 리드가 용접된 리드 탭 구조의 용접을 완성할 수 있다.

상기 b) 단계에서 사용되는 펄스 레이저의 그 세기는 사용자의 필요에 따라 적정 범위로 조절될 수 있으며, 바람직하게는 IR 파장의 500W pulse laser 이용 시 평균출력 100~300W, 펄스 폭 500~1500us, 조사 포인트 수 3~10 포인트의 범위 하에서 조사할 수 있고, 보다 바람직하게는 IR 파장의 500W pulse laser 이용 시 평균출력 150~250W, 펄스 폭 500~1500us, 조사 포인트 수 5~7 포인트의 범위 하에서 조사할 수 있다.

또한, 본 발명은 Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드가 레이저 용접되어 상기 리드 용접을 위한 추가 영역을 갖지 않는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 음극의 상면에 분리막이 추가로 형성될 수 있고, 상기 분리막을 사용하는 경우, 분리막으로는 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 분리막에 특수 세라믹 코팅을 더해 안정성을 크게 강화한 안전성 강화 분리막(SRS™·Safety Reinforced Seperator) 등을 사용할 수 있다.

상기 배터리 리드 음극에 포함되는 음극 활물질층은 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0 <x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; 및 Li-Co-Ni 계 재료인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 Foil층으로는 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 구리 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 리드로는 특별한 제한은 없으나, 가격 및 전지의 작동 범위에서 집전체 금속의 전기 화학적 안정성을 동시에 고려할 때, 바람직하게는 니켈(Ni)을 사용할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분의 폭은 리드의 용접 면적 이상인 것이 바람직하다. 제거 영역이 용접 면적보다 작으면 레이저에 의해 활물질이 탈리될 가능성이 있으며, 용접 면적보다 지나치게 넓으면 그만큼 활물질 코팅층이 줄어 배터리 용량이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 상기 음극 활물질이 제거된 부분은 레이저에 의해 제거된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 배터리용 음극은 상기 방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 배터리용 음극을 포함하는 각형 리튬 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 각형 리튬 이차전지는 상기와 같이 Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드가 레이저 용접된 배터리용 음극을 포함하며, 그 포함 형태는 특별한 제한은 없다.

또한, 본 발명은 상기 배터리용 음극을 포함하는 원통형 리튬 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 원통형 리튬 이차전지는 상기와 같이 Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드가 레이저 용접된 배터리용 음극을 포함하며, 그 포함 형태는 특별한 제한은 없다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

1. Foil층, 상기 Foil층 상면에 코팅된 음극 활물질층 및 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하는 음극에 리드를 용접하는 방법으로,
   a) 상기 Foil층 하면에 코팅된 음극 활물질층 중 일부를 펄스 레이저를 조사하여 제거하는 단계; 및
   b) 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분에 리드를 부착시키고, 상기 리드의 표면에 펄스 레이저를 조사하여 리드를 용접하는 단계;를 포함하고,
   상기 a) 단계에서 펄스 레이저를 IR 파장의 50W pulse laser 기준으로 평균 출력 30~50W, 반복 출력 수 100~500kHz, 펄스 폭 5~30ns, 스캔 스피드 1000~3000 mm/s로 조사하는 것을 특징으로 하는, 음극에 리드를 용접하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 음극의 상면에 분리막을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는, 음극에 리드를 용접하는 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 Foil층은 구리인 것을 특징으로 하는, 음극에 리드를 용접하는 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 리드는 니켈(Ni)을 사용하는 것을 특징으로 하는, 음극에 리드를 용접하는 방법.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서, 상기 a) 단계에서 펄스 레이저를 IR 파장의 50W pulse laser 기준으로 평균 출력 40~50W, 반복 출력 수 250~350kHz, 펄스 폭 10~20ns, 스캔 스피드 1500~2500mm/s로 조사하는 것을 특징으로 하는, 음극에 리드를 용접하는 방법.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 Foil층의 하면 중 음극 활물질이 제거된 부분의 폭은 리드의 용접 면적 이상인 것을 특징으로 하는, 음극에 리드를 용접하는 방법.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 b) 단계에서 펄스 레이저를 IR 파장의 500W pulse laser 기준으로, 평균 출력 100~300W, 펄스 폭 500~1500us, 조사 포인트 수 3~10 포인트로 조사하는 것을 특징으로 하는, 음극에 리드를 용접하는 방법.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 b) 단계에서 펄스 레이저를 IR 파장의 500W pulse laser 기준으로, 평균 출력 150~250W, 펄스 폭 500~1500us, 조사 포인트 수 5~7 포인트로 조사하는 것을 특징으로 하는, 음극에 리드를 용접하는 방법.
10. 삭제
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