KR102327940B1

KR102327940B1 - 적층 금속박의 제조 방법

Info

Publication number: KR102327940B1
Application number: KR1020197006609A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 아사다
Original assignee: 나그 시스템 가부시키가이샤
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2021-11-17
Also published as: EP3508299B1; US20190193186A1; WO2018043739A1; EP3508299A1; CN109689273B; EP3508299A4; KR20190045205A; JP6895181B2; JPWO2018043739A1; CN109689273A

Abstract

적층 금속박(1)의 용접 부위(A)에, 종단면 형상이 대략 V자형인 커터에 의해, 적층 방향 S를 따라 관통하는 평면에서 볼 때 선형의 노치(3)를 넣고, 금속박끼리를 선형의 노치 단부로 적층 방향 S에 밀착시키는 제1 단계(S1)과, 용접 부위에 용접 전극(E)을 압접시킨 후에 상기 용접 전극(E)을 통하여 용접 부위(A)에 통전하여 적층 금속박(1)을 저항 용접하는 제2 단계(S3)을 포함하고, 또한 제1 단계와 제2 단계 사이에, 제1 단계에서 형성된 노치(3) 및 노치 주위의 융기부(52)를 찌부러뜨려 오목부(55)를 형성하고, 노치(3) 및 융기부(52)를 적층 방향 S로 압축시키는 포밍 단계(S2)을 포함한다.

Description

적층 금속박의 제조 방법

본원은, 일본에서 2016년 9월 5일에 출원한 특허출원 제2016-173079호의 우선권을 주장하는 것이고, 그 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다.

본 발명은, 적층한 금속박을 저항 용접으로 접합하는, 적층 금속박의 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터, 금속의 용접 재료에 용접 전극을 대고, 가압하면서 대전류를 흐르게 하고, 금속의 저항 발열을 이용하여 너깃(nugget)(합금층)을 형성하여 용융 접합하는 저항 용접이 알려져 있다. 이 저항 용접을 이용하여, 리튬 이온 전지와 같은 전지의 제조에 있어서, 예를 들면 양극활물질이 도공(塗工)된 알루미늄박과 음극활물질이 도공된 동박의 금속박, 및 세퍼레이터를 복수 회 권회한 적층 금속박의 전극체가 제조된다.

이 경우, 알루미늄 표면에는 강고한 절연성의 산화 피막(산화알루미늄)이 존재하기 때문에, 양극박을 구성하는 적층한 알루미늄박에 천공 침을 이용하여 작은 구멍을 형성하고 나서 저항 용접을 행하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1). 작은 구멍을 형성하는 것에 의해 알루미늄박의 산화 피막을 제거하여, 전류의 통로를 만들고, 저항 용접의 통전성의 향상을 도모한다.

한편, 음극박을 구성하는 적층한 동박에서는, 전해 동박의 표면은, 동박에 접속되는 다른 도전체와 동박의 밀착성을 향상시키기 위하여, 조화(粗化) 처리(경도의 에칭 처리)가 실시되고 있지만, 조화 처리에 의해 동박 표면에 형성되는 미소 오목부에는 절연체인 에칭액이 약간 잔존해 버린다. 표면에 그와 같은 절연체가 잔존하는 전해 동박을 적층한 적층체에서는, 그 적층 방향을 따라 전류가 통하기 어려워져 저항 용접이 보다 곤란하므로, 이 경우에도, 상기 작은 구멍을 형성하는 것이 통전성 향상에 유효하게 된다.

특허문헌 1에서는, 저항 용접의 저항 발열에 의해, 적층 알루미늄박의 용접 부위에 천공 침에 의한 작은 구멍을 중심으로 한 원형의 너깃(합금층)이 형성되지만, 전지 용량을 증가시키도록 금속박의 적층 매수를 증가시키는 경우에, 저항 용접을 확실하게 행하기 위해서는 너깃 면적을 충분히 확보할 필요가 있다. 너깃 면적을 크게 하기 위하여, 복수의 천공 침을 이용하여, 작은 구멍을 복수 형성하여 저항 용접하는 것이 상정되지만, 적층한 금속박에 복수의 천공 침을 찔러서 관통하는 작은 구멍을 형성한 후, 상기 천공 침을 뽑아 내려고 해도, 겹쳐 쌓인 각 금속박에 작은 구멍이 형성되어 있으므로 뽑아 내기 어려워지고, 저항 용접에 있어서의 생산 속도 향상에 지장을 초래하는 경우가 있다.

그래서, 적층한 금속박의 용접 부위에, 종단면 형상이 대략 V자형인 커터에 의해, 적층 방향을 따라 관통하는 평면에서 볼 때 선형의 노치(notch)을 넣고, 금속박끼리를 선형의 노치 단부에서 적층 방향으로 밀착시키는 제1 단계와, 용접 부위에 용접 전극을 압접(壓接)시킨 후에 상기 전극을 통하여 용접 부위에 통전하여 적층 금속박을 저항 용접하는 제2 단계와를 포함하는, 적층 금속박의 제조 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2). 이에 의해, 커터가 대략 V자형이므로, 용이하게 커터를 노치로부터 빼낼 수 있고, 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다.

일본공개특허 제2006-326622호 국제공개 제2014/112141호

그러나, 상기 종래의 제조 방법에서는, 적층한 금속박에 상기 노치를 넣으면, 노치의 외측 주위가 환형으로 솟아오른 융기부(raised portion)가 형성되고, 그대로 저항 용접을 행하면, 용접 전극과 전극 단자간의 노치에 따른 간극 내부가 가열되어, 노치 내벽의 적층 금속이 용출되어 비산하고, 용접 전극에 부착되는 경우가 있었다. 그렇게 하면, 용접 전극의 수명이 짧아지는 결과, 용접 전극의 교환 빈도가 많아지고, 또한, 그 때마다 교환 시간도 걸리므로, 저항 용접에 있어서의 생산 효율의 향상이 곤란하게 된다는 문제가 있었다. 이 때문에, 용이하게 생산 효율을 향상시킬 수 있는 적층 금속박의 제조 방법이 요망되고 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하여, 저항 용접에 있어서의 용융 금속의 비산을 억제하여, 생산 효율을 향상시킬 수 있는 적층 금속박의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명에 관한 적층 금속박의 제조 방법은, 적층한 금속박의 용접 부위에, 종단면 형상이 대략 V자형인 커터에 의해, 적층 방향을 따라 관통하는 평면에서 볼 때 선형의 노치를 넣고, 상기 금속박끼리를 상기 선형의 노치 단부에서 적층 방향으로 밀착시키는 제1 단계와, 상기 용접 부위에 용접 전극을 압접시킨 후에 상기 용접 전극을 통하여 상기 용접 부위에 통전하여 적층 금속박을 저항 용접하는 제2 단계와를 포함하고 있다. 또한, 상기 제1 단계와 제2 단계와 사이에, 상기 제1 단계에서 형성된 상기 노치 및 노치 주위의 융기부를 찌부러뜨려 오목부를 형성하고, 상기 노치 및 융기부를 적층 방향으로 압축시키는 포밍 단계와(forming step)를 포함한다.

이 구성에 의하면, 포밍 단계에 의해, 적층한 금속박의 노치 및 융기부가 적층 방향으로 압축되므로, 제2 단계에서 노치 내벽으로부터의 용융 금속의 튀어오름이 노치의 압축에 의해 적어져 그 비산이 억제되는 것에 의해, 용접 전극으로의 부착이 감소되므로, 그 교환 빈도를 내림으로써 용이하게 생산 효율을 향상시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 단계에서는, 상기 포밍 단계에서 상기 노치가 적층 방향으로 압축된 상태에서, 상기 적층 금속박의 용접 부위에 전극 단자를 더 적층한 상태에서 상기 전극 단자에 상기 용접 전극을 압접시키고, 이 상태에서 상기 용접 전극을 통하여 상기 용접 부위와 상기 전극 단자에 통전하여, 상기 선형의 노치를 따라 상기 전극 단자의 길이 방향으로 연장되는 타원 형상의 너깃이 형성되도록, 상기 적층한 금속박과 상기 전극 단자를 저항 용접한다. 이 경우, 용접 부위의 폭 방향의 크기가 작아도, 선형의 노치를 따라 전극 단자의 길이 방향으로 연장되는 타원 형상의 너깃 면적을 확보할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 포밍 단계에 있어서 오목부를 형성하는 가압체의 가압 면적은, 제2 단계에 있어서의 상기 용접 전극의 선단 면적보다 크게 설정되어 있다. 이 경우, 오목부가 형성되어 노치가 압축된 상태에서 용접 전극을 확실하게 접촉시킬 수 있으므로, 용융 금속의 부착을 보다 감소시킬 수 있다.

청구의 범위 및/또는 명세서 및/또는 도면에 개시된 적어도 2개의 구성의 어떤 조합도 본 발명에 포함된다. 특히 청구의 범위의 각 청구항에 2개 이상의 어떤 조합도 본 발명에 포함된다.

본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 호적한 실시형태의 설명으로부터, 보다 명료하게 이해될 것이다. 그러나, 실시형태 및 도면은 단순한 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위해 이용되어야 하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에 있어서, 복수의 도면에 있어서의 동일한 도면부호는 동일 부분을 나타낸다.
[도 1a] 본 발명의 일 실시형태에 관한 적층 금속박의 제조 방법을 나타내는 단면 정면도이다.
[도 1b] 커터를 나타내는 사시도이다.
[도 2] 적층 금속박의 제조 방법을 나타내는 단면 정면도이다.
[도 3] 제1 단계를 나타내는 평면도이다.
[도 4] 제2 단계를 나타내는 단면 정면도이다.
[도 5] 제2 단계를 나타내는 단면 정면도이다.
[도 6] 적층 금속박의 제조 방법을 이용한 전지의 구성을 나타내는 사시도이다.
[도 7] 제2 단계를 나타내는 확대도이다.
[도 8] 적층 금속박과 전극 단자의 접합부를 나타내는 확대도이다.
[도 9] 제1 단계에서 발생할 수 있는 상태를 나타내는 단면 정면도이다.
[도 10] 도 9에 있어서의 적층 금속박과 전극 단자의 접합부를 나타내는 확대도이다.
[도 11] 제2 단계에서 발생할 수 있는 상태를 나타내는 단면 정면도이다.
[도 12] 본 발명에 관한 적층 금속박의 제조 공정을 나타내는 플로차트이다.
[도 13] 포밍 단계를 나타내는 단면 정면도이다.
[도 14] 도 13에 있어서의 적층 금속박과 전극 단자의 접합부를 나타내는 확대도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 일 실시형태에 관한 적층 금속박의 제조 방법은, 금속박을 복수 중첩한 적층 금속박을 저항 용접하여 제조하는 것이다. 도 1a는 복수의 금속박(2)의 적층 상태를 나타내고, 이 적층 금속박(1)을 저항 용접한 것은 예를 들면 리튬 이온 전지와 같은 전지의 전극체에 사용된다. 금속박(2)으로서는, 예를 들면 양극박에 알루미늄박, 음극박에 동박이 각각 사용되고, 전극 단자로서는, 예를 들면 양극 단자 재료에 알루미늄, 음극 단자의 재료에는 구리가 각각 사용된다. 본 제조 방법은 제1 단계 및 제2 단계 이외에 포밍 단계를 포함하는 것이다.

<제1 단계>

먼저, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 적층 금속박(1)의 용접 부위(A)에, 커터(C)를 적층 방향 S를 따라 관통시킨다. 도 1b는 종단면 형상이 대략 V자형인 커터(C)를 나타낸다. 날끝(blade tip) 각도 α가 10°이상이고, 바람직하게는, 15°이상이다. 날길이 β는 3㎜ 이상이고, 바람직하게는 5㎜ 이상이다.

다음에, 도 2와 같이, 커터(C)로 적층된 금속박(2)에 그 적층 방향 S로 관통시키는 것에 의해, 적층 금속박(1)의 폭 방향 W에 직교하는 길이 방향 L로 연장되는 평면에서 볼 때 선형의 노치(3)(도 3)를 형성하고, 노치 단부(3a)에 있어서, 상하로 인접하는 금속박(2)끼리를 강고하게 밀착시킨다.

도 3과 같이 제1 단계에서는, 선형의 노치(3)는, 금속박(2)의 폭 방향 W의 양 단부(도면에서는 좌우)의 위치에서 폭 방향 W와 직교하는 방향 L로 연장되도록 형성된다. 이에 의해, 용접 부위(A)를 제외한 금속박의 폭 방향 W의 중앙부의 폭 방향 치수를 줄이지 않고, 용접 부위(A)의 주요부로 되는 노치(3)의 면적을 충분히 확보하는 것이 가능해진다.

<제2 단계>

제2 단계는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 저항 용접기(도시하지 않음)의 용접 전극(E, E)에 의해, 노치(3)를 중심으로 하는 용접 부위(A)에 있어서, 적층 금속박(1)을 샌드위치형으로 압압하여 압접시킨 후에, 전극(E)을 통하여 용접 부위(A)에 통전하여, 적층 금속박(1)의 저항 용접을 행한다. 이 저항 용접 시에, 예를 들면 전극 단자(4)를 적층 금속박(1)에 적층시키면서 통전하여, 적층 금속박(1)과 전극 단자(4)를 용접한다. 도 5와 같이, 이 저항 발열에 의해, 노치(3)에 너깃(합금층)(5)이 형성되고, 적층 금속박(1) 및 전극 단자(4)가 용융 접합된다. 도 4와 같이, 전류는 적층 방향 S(Z 방향)로, 도통부(R)를 흐른다.

도 6과 같이, 예를 들면 리튬 이온 전지(7)의 제조에 있어서, 외장(10)에 발전 요소가 되는 전극체(20)를 수용한다. 전극체(20)와 접속되는 전극 단자인 양극 단자(31), 음극 단자(32)가 폭 방향 W의 양단에, 각각 외장(10)의 바깥쪽(도면에서는 상방향) L로 돌출하여 설치된다. 전극체(20)는 양극박(21) 및 음극박(22)을, 세퍼레이터(23)를 통하여 적층하여 권회하는 것에 의해 얻어지는 권회체다.

양극박(21)의 미도공부(집전부)와 양극 단자(31)는, 저항 용접에 의한 저항 발열에 의해 형성되는 너깃(합금층)(5)에 의해 접합된다. 도 7과 같이, 너깃(5)은, 양극박(21)에 있어서의 양극 단자(31)와의 용접 부위(A)(너깃 형성 허용 영역)의 길이 방향 L로 연장되는 타원 형상으로 형성된다. 이에 의해, 용접 부위(A)의 폭 방향 W의 크기가 작아도, 선형의 노치(3)를 따라 양극 단자(31)(전극 단자)의 길이 방향 L로 연장되는 타원 형상의 너깃 면적을 확보할 수 있고, 본 예에서는 리튬 이온 전지(7)를 소형화할 수 있다.

본 도면에서는, 알루미늄의 양극박(21)과 알루미늄의 양극 단자(31)의 접합을 예시하지만, 구리의 음극박(22)과 구리의 음극 단자(32)의 접합에 대해서도 대략 동일하다.

도 8과 같이, 제1 단계에서는, 양극박(21)과 양극 단자(31)를 중첩하고, 양극박(21) 측의 외측 면에 패드판(51)을 배치하고 나서, 평면에서 볼 때 선형의 노치(3)를 넣는 종단면 형상이 대략 V자형인 커터(C)를 누르는 것에 의해, 패드판(51) 및 양극박(21)에 노치(3)를 형성한다. 노치(3)는 미도공부의 폭 방향 W의 중앙에 직선적으로 배치된다. 노치(3)를 형성함으로써, 양극박(21)의 표면에 존재하는 산화알루미늄의 표면 피막을 제거할 수 있다. 산화 피막이 제거된 부위는 다른 부위보다 저항이 낮아지므로, 제2 단계 시에 전류가 통하기 용이한 도통부(R)(도 4)로서 이용할 수 있다. 구리의 음극박(22)에서도 마찬가지로, 도통부(R)가 형성된다.

여기에서, 도 2의 제1 단계에 있어서, 커터(C)에 의해, 적층 금속박(1)을 적층 방향 S를 따라 관통하는 평면에서 볼 때 선형의 노치(3)를 넣으면, 실제로, 도 9과 같이 노치(3)의 외측 주위가 환형으로 솟아오른 융기부(52)가 형성되는 경우가 있었다. 도 10은, 전지의 양극박(21)에 절취선(3)을 형성한 경우에 있어서의 노치(3) 주변의 융기부(52)를 나타낸다.

이 경우에, 도 11과 같이 제2 단계에 있어서, 그대로 용접 전극(E)을 대고, 저항 용접을 행하면, 용접 전극(E)의 선단과 전극 단자(4) 사이에서 형성된 노치(3)에 따른 대략 삼각형의 간극(53)의 내부가 가열되어, 노치(3) 내벽에 노출되는 적층 금속박의 금속(예를 들면, 알루미늄)이 용출되고, 튀어올라 비산하여, 용접 전극(E)의 선단 주위에 부착되는 경우가 있었다. 그렇게 하면, 용접 전극(E)이 소모되어 수명이 짧아지는 결과, 용접 전극(E)의 교환의 빈도가 많아지고, 또한 그 때마다 교환 시간도 걸리므로, 생산 효율의 향상이 곤란하게 된다.

그래서, 본 발명에서는 도 12과 같이, 제1 단계(S1)와 제2 단계(S3) 사이에, 노치(3) 및 노치 주위의 융기부(52)를 찌부러뜨려 오목부(55)를 형성하고, 노치(3) 및 융기부(52)를 적층 방향 S로 압축시키는 포밍 단계(S2)를 마련하고 있다. 도 13과 같이, 제1 단계(S1)에 있어서의 적층 금속박(1)을 적층 방향 S를 따라 관통하는 평면에서 볼 때 선형의 노치(3)를 넣은 후, 제2 단계(S3)의 저항 용접으로 접합하기 전에, 포밍 단계(S2)에 의해 상기 노치(3) 및 노치(3) 주위의 융기부(52)를 찌부러뜨려 오목부(55)가 형성되어 있다.

도 13과 같이, 용융 전극(E)의 선단 면적보다 약간 면적이 큰 가압면을 가지는 가압체(54)에 의해, 노치(3) 및 노치(3) 주위의 융기부(52)가 찌부러뜨려져 오목부(55)가 형성되고, 노치(3) 및 융기부(52)가 적층 방향 S로 압축되는 결과, 노치(3)에 기초하는 간극(53)은 간극(56)에 압축된다.

이에 의해, 용접 전극(E)과 전극 단자(4) 사이의 거리가 짧아지고, 압축된 간극(56)의 내벽으로부터의 용융 금속의 튀어오름이 적어져서 그 비산이 억제되므로, 용접 전극(E)으로의 부착량이 적어진다. 또한, 오목부(55)가 형성되어 노치(3)가 압축된 상태에서 용접 전극(E)을 확실하게 댈 수 있으므로, 용융 금속의 부착을 보다 감소시킬 수 있다. 도 14는, 양극 단자(전극 단자)와 접합되는 양극박(21)에 선형의 노치(3)를 형성한 경우에 있어서의 노치(3) 및 노치 주위의 융기부가 찌부러뜨려져 오목부(55), 및 적층 방향 S로 압축되고, 또한 선형의 노치(3)에 따라 전극 단자의 길이 방향 L에 길어지는 간극(56)이 형성된 상태를 나타낸다.

이 상태에서 용접 전극(E)에 통전되어, 저항 용접에 의한 저항 발열에 의해 간극(56)에 너깃(합금층)(5)이 형성된다. 이에 의해, 적층 금속박의 용접 부위(A)의 폭 방향 W의 크기가 작아도, 노치(3)를 따라 전극 단자의 길이 방향 L로 연장되는 타원 형상으로 너깃(5)이 형성되므로, 충분한 너깃 면적을 얻을 수 있다.

이렇게 하여, 본 발명은 포밍 단계에 의해, 적층한 금속박의 용접 부위가 적층 방향으로 압축되므로, 용융 금속의 비산이 억제되어 용접 전극으로의 부착이 감소되므로, 그 교환 빈도를 내리는 것에 의해 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 이와 함께, 적층 금속박의 용접 부위의 폭 방향의 크기가 작아도, 선형의 노치를 따라 전극 단자의 길이 방향으로 연장되는 타원 형상의 너깃 면적을 확보할 수 있다.

이상과 같이 도면을 참조하면서 호적한 실시형태를 설명하였으나, 당업자라면 본건 명세서를 보고, 자명한 범위 내에서 각종 변경 및 수정을 용이하게 상정할 것이다. 따라서, 그러한 변경 및 수정은, 첨부한 청구의 범위로부터 정해지는 본 발명의 범위 내의 것으로 해석된다.

1 : 적층 금속박
2 : 금속박
3 : 노치
3a : 노치 단부
4 : 전극 단자
5 : 너깃
20 : 전극체
52 : 융기부
53 : 간극
54 : 가압체
55 : 오목부
56 : 간극
a : 용접 부위
E : 용접 전극
S : 금속박의 적층 방향

Claims

적층한 금속박의 용접 부위에, 종단면 형상이 V자형인 커터에 의해, 적층 방향을 따라 관통하는 평면에서 볼 때 선형의 노치(notch)를 넣고, 상기 금속박끼리를 상기 선형의 노치 단부에서 적층 방향으로 밀착시키는 제1 단계; 및
상기 용접 부위에 용접 전극을 압접(壓接)시킨 후에 상기 용접 전극을 통하여 상기 용접 부위에 통전하여 적층 금속박을 저항 용접하는 제2 단계
를 포함하고,
상기 제1 단계와 제2 단계 사이에, 상기 제1 단계에서 형성된 상기 노치 및 노치 주위의 융기부(raised portion)를 찌부러뜨려 오목부를 형성하고, 상기 노치 및 융기부를 적층 방향으로 압축시키는 포밍 단계(forming step)
를 더 포함하고,
상기 포밍 단계에 있어서 오목부를 형성하는 가압체의 가압 면적은, 제2 단계에 있어서의 상기 용접 전극의 선단 면적보다 크게 설정되어 있는, 적층 금속박의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 단계에서는, 상기 포밍 단계에서 상기 노치가 적층 방향으로 압축된 상태에서, 상기 적층 금속박의 용접 부위에 전극 단자를 더 적층한 상태로 상기 전극 단자에 상기 용접 전극을 압접시키고, 이 상태에서 상기 용접 전극을 통하여 상기 용접 부위와 상기 전극 단자에 통전하여, 상기 선형의 노치를 따라 상기 전극 단자의 길이 방향으로 연장되는 타원 형상의 너깃(nugget)이 형성되도록, 상기 적층한 금속박과 상기 전극 단자를 저항 용접하는, 적층 금속박의 제조 방법.
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