KR102510839B1 - 배터리 셀 접합용 앤빌 제조방법 및 그 방법에 의해 얻어진 앤빌 - Google Patents

배터리 셀 접합용 앤빌 제조방법 및 그 방법에 의해 얻어진 앤빌 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차 전지인 배터리 셀의 전극을 구성하는 세퍼레이터(seperator)를 접합할 때 사용하는 앤빌(anvil) 제조방법 및 그 방법에 의해 얻어진 앤빌에 관한 것으로, 앤빌의 제조공정을 획기적으로 개선하여 전극의 불량발생을 줄일 수 있도록 한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 공구강인 소재를 가열로에서 550 ∼ 560℃의 조건으로 4시간동안 3회에 걸쳐 풀림처리를 실시하여 잔류응력을 제거하는 단계(S100)와, 상기 소재에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S200)와, 표면에 정사각뿔(20)의 각도(α)가 90°이며, 깊이(d)가 0.35 ∼ 0.4mm되게 정사각뿔(20)을 반복적으로 형성 가공한 다음 상면을 0.1mm 절삭하여 평탄한 정상면(30)이 형성되도록 가공하는 단계(S300)와, 상기 소재에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S400)와, 상기 가공된 소재를 열처리로에서 850 ∼ 1150℃의 조건에서 열처리 강도가 HRC59 ∼ HRC63이 되게 진공 열처리를 10 ∼ 20분 동안 실시하여 반제품을 얻는 단계(S500)와, 상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S600)와, 상기 반제품을 브라스팅하여 가공면 및 측면에서 버어를 제거하는 단계(S700)와, 상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S800)와, 상기 반제품을 300 ∼ 400℃의 조건에서 두께가 0.002 ∼ 0.008mm가 되게 8시간동안 코팅을 실시하는 단계(S900)와, 상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S1000)와, 초음파세척을 실시한 다음 건조한 후 마킹을 실시하여 완제품을 얻는 단계(S1100)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 셀 접합용 앤빌 제조방법 및 그 방법에 의해 얻어진 앤빌{The anvil manufacturing method for the battery cell junction and the anvil getting with the method thereof}
본 발명은 2차 전지인 배터리 셀의 전극을 구성하는 세퍼레이터(seperator)를 접합할 때 사용하는 앤빌(anvil) 제조방법 및 그 방법에 의해 얻어진 앤빌에 관한 것으로써, 좀 더 구체적으로는 앤빌의 제조공정을 획기적으로 개선하여 전극의 불량발생을 줄일 수 있도록 하는 배터리 셀 접합용 앤빌 제조방법 및 그 방법에 의해 얻어진 앤빌에 관한 것이다.
일반적으로, 2차 전지는 재충전 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적인 종류로는 니켈카드뮴, 니켈수소 및 리튬이온전지 등이 있다.
상기 리튬이온전지는 수명이 길고, 고용량 등 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로 주목받고 있는 것으로, 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 전기 자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 또는 플러그인 하이브리드 자동차(plug-in hybrid vehicle, PHEV)에 사용되고 있다.
이러한 리튬이온전지는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈수소 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용이 증가되고 있는 추세이다.
상기 리튬 2차 전지는 다양한 형태로 제조가능한 데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있다.
최근 들어, 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)으로 제조되어, 그 형상이 비교적 자유롭다.
또한 리튬 폴리머 전지는 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다.
상기 2차 전지 배터리 셀은 전지부와, 상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 케이스를 포함하고 있는 데, 상기 배터리 셀은 다수 개가 병렬 또는 직렬로 연결되어 배터리 팩을 구성하고 있다.
상기 전지부는 애노드(manode)라는 음극 및 캐소드(cathode)라는 양극을 가지는 데, 애노드 및 캐소드는 세퍼레이터(separator)에 의해 서로 분리된다.
상기 배터리 셀의 전극이 테이프처럼 형성될 수 있고 세퍼레이터의 삽입으로 감겨 전극 롤을 형성할 수 있는 데, 이를 또한 젤리-롤(jelly-roll)이라고도 한다.
대안으로, 전극은 시트들로 형성되고 전극 적층을 형성하기 위해 세퍼레이터의 시트들의 삽입으로 층을 이루게 된다.
도 1은 일반적인 자루 포장전극의 자루형 세퍼레이터를 나타낸 평면도로써, 2매의 시트형 세퍼레이터(1)가 테두리에서 서로 접합되어 자루 형상으로 형성되어 있어, 그 내부에 정극(2)을 끼워 넣은 것인 데, 부극(도시는 생략함)과 교대로 적층함으로써, 전극 적층체를 구성하도록 되어 있다.
이러한 시트형 세퍼레이터(1)는, 각각 정극(2)보다도 약간 크게 형성되어 테두리를 따라 복수 개의 접합부(3)가 형성되게 초음파 접합을 실시하여 서로 접합하게 된다.
상기 정극(2)의 일측에 전극 탭(도시는 생략함)과 접속되는 탭(2a)이 세퍼레이터(1)의 외부로 노출되게 연장되어 있다.
도 2는 종래의 초음파 용접장치를 나타낸 개략도로써, 초음파 용접 장치(10)는 초음파 발진기(11), 초음파 진동자(12), 부스터(booster)(13) 및 혼(horn)(14a)(14b)을 포함하여 구성되어 있다.
상기 초음파 발진기(11)는 60Hz의 AC 전류를 20kHz 이상의 고주파 전류로 변환시켜 초음파 진동자(12)에게 공급하는 기능을 수행하게 된다.
상기 초음파 진동자(12)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 역할을 하며, 초음파 압전자라고 불리기도 하는 데, 초음파 발진기(11)에서 생성된 고주파 전류는 초음파 진동자(12)에 의해 초음파로 변환되고, 이렇게 변환된 초음파는 부스터(13)로 이동하게 된다.
상기 부스터(13)는 전달받은 초음파를 증폭시켜 혼(14a)(14b)으로 전달하고 상기 혼(14a)(14b)은 앤빌(anvil)(15) 상에 놓인 복수의 전극 탭(도시는 생략함)들의 표면을 일정 하중으로 가압하고, 동시에 부스터(13)로부터 전달받은 증폭된 초음파를 전극 탭들로 인가시킴으로써, 양극 탭들과 음극 탭들을 각각 1차 용접하게 된다.
또한, 혼(14a)(14b)은 1차 용접 완료된 전극 탭과 전극 리드가 서로 접촉된 상태에서, 전극 리드의 표면을 일정 하중으로 가압하고 부스터(13)로부터 전달받은 증폭된 초음파를 전극 리드)로 인가시킴으로써, 상기 전극 리드와 전극 탭을 각각 용접시키게 된다.
즉, 혼(14a)(14b)은 전극 탭과 접촉된 전극 리드를 일정 압력으로 누르고 부스터(13)로부터 전달받은 증폭된 초음파를 전극용 리드에 인가시키게 되므로 전극 탭과 전극 리드의 접촉 면에서 마찰열이 발생되고, 이에 따라 발생된 마찰열을 통해 전극 탭과 전극 리드가 서로 용접된다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 0001) 대한민국 특허등록번호 10-1981255호(2019.05.22.공고)
(특허문헌 0002) 대한민국 특허공개번호 10-2019-0062466호(2019.06.05.공개)
(특허문헌 0003) 대한민국 특허등록번호 10-2275545호(2021.07.12.공고)
(특허문헌 0004) 대한민국 특허등록번호 10-1367752호(2014.02.26.공고)
그러나 이러한 종래의 초음파 용접장치에서 앤빌의 상면이 산형상의 돌기가 뾰쪽하게 형성되어 있어 점 접합이 이루어지게 되므로 세퍼레이터의 접합력이 떨어질 뿐만 아니라 혼(horn)에 의해 가해지는 압력이 클 경우에 뾰족한 산형상의 돌기에 의해 세퍼레이터가 찢어지는 치명적인 결함이 있었다.
또한, 앤빌의 가공시 발생된 버어(burr)가 반복해서 접합작업을 실시함에 따라 발생된 자력에 의해 떨어져 앤빌에 달라붙게 되므로 세퍼레이터의 접합불량이 발생되었다.
본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로써, 앤빌의 제조방법을 개선하여 세퍼레이터의 접합력을 향상시킴은 물론이고 혼에 과도한 압력이 가해지더라도 세퍼레이터가 찢어지는 현상을 근본적으로 해소할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 앤빌로부터 파티클(paticle)은 물론이고 버어가 발생되지 않도록 각 공정을 거칠 때마다 자력제거공정을 거치고, 표면을 브라스팅처리함은 물론이고 코팅처리 및 세척하여 파티클 및 버어에 의한 세퍼레이터의 접합불량을 해소할 수 있도록 하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 공구강인 소재를 가열로에서 550 ∼ 560℃의 조건으로 4시간동안 3회에 걸쳐 풀림처리를 실시하여 잔류응력을 제거하는 단계와, 상기 소재에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계와, 표면에 정사각뿔의 각도가 90°이며, 깊이가 0.35 ∼ 0.4mm되게 정사각뿔을 반복적으로 형성 가공한 다음 상면을 0.1mm 절삭하여 평탄한 정상면이 형성되도록 가공하는 단계와, 상기 소재에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계와, 상기 가공된 소재를 열처리로에서 850 ∼ 1150℃의 조건에서 열처리 강도가 HRC59 ∼ HRC63이 되게 진공 열처리를 10 ∼ 20분 동안 실시하여 반제품을 얻는 단계와, 상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계와, 상기 반제품을 브라스팅하여 가공면 및 측면에서 버어를 제거하는 단계와, 상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계와, 상기 반제품을 300 ∼ 400℃의 조건에서 두께가 0.002 ∼ 0.008mm가 되게 8시간동안 코팅을 실시하는 단계와, 상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계와, 초음파세척을 실시한 다음 건조한 후 마킹을 실시하여 완제품을 얻는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 접합용 앤빌 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 청구항 1의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 접합용 앤빌이 제공된다.
본 발명은 종래에 비하여 다음과 같은 여러 가지 장점을 갖는다.
첫째, 표면에 정사각뿔의 깊이가 0.35 ∼ 0.4mm되게 정사각뿔을 반복적으로 형성 가공한 다음 상면을 0.1mm 절삭하여 평탄한 정상면이 형성되도록 가공되어 있어 세퍼레이터의 접합력을 향상시킴은 물론이고 혼에 과도한 압력이 가해지더라도 세퍼레이터가 찢어지는 현상을 근본적으로 해소할 수 있게 된다.
둘째, 각 공정을 거칠 때마다 자력제거공정을 거치고, 표면을 브라스팅처리함은 물론이고 코팅처리 및 세척하여 앤빌로부터 파티클은 물론이고 버어가 발생되지 않으므로 파티클 및 버어에 의한 세퍼레이터의 접합불량을 해소할 수 있게 된다.
셋째, 앤빌의 내구성이 향상됨에 따라 종래의 앤빌에 비하여 수명을 6000 ∼ 7500 타수로 연장시킬 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 자루 포장전극의 자루형 세퍼레이터를 나타낸 평면도
도 2는 종래의 초음파 용접장치를 나타낸 개략도
도 3은 본 발명의 제조방법을 설명하기 위한 플로우 챠트
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 의해 제조된 앤빌의 평면도 및 측면도
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 의해 제조된 또 다른 앤빌의 평면도 및 측면도
도 6은 본 발명에 의해 제조된 앤빌을 표면을 확대하여 나타낸 사진
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
도 3은 본 발명의 제조방법을 설명하기 위한 플로우 챠트이고 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 의해 제조된 앤빌의 평면도 및 측면도로써, 본 발명은 고속도 공구강인 SKH51, SKH55 또는 냉각합금 공구강인 SKD11 중 어느 하나의 소재를 선택하여 가열로에서 550 ∼ 560℃의 조건으로 4시간동안 3회에 걸쳐 풀림처리를 실시하여 잔류응력을 제거하는 단계를 거친다(S100).
상기 소재에 응력을 제거하는 단계에서 가열온도가 550℃보다 낮으면 응력제거효율이 떨어지고, 560℃보다 높으면 재질의 특성이 변하므로 550 ∼ 560℃로 가열하는 것이 바람직하다.
상기 공정은 4시간동안 3회에 걸쳐 실시하는 데, 4시간 보다 짧으면 응력제거효과가 떨어지고, 4시간이상이면 응력제거에 따른 시간만 지연될 뿐 그 이상의 효과를 기대할 수 없으며, 응력제거효율이 1회 실시할 때 50%, 2회 실시할 때 30%, 3회 실시할 때 20%가 순차적으로 향상되므로 그 이상 응력제거공정을 실시할 필요가 없다.
상기 소재로부터 잔류응력을 제거하고 나면 소재에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계를 거친다(S200).
상기 소재에 교류전류를 인가하여 N극과 S극의 극성을 1초에 60번씩 변화하는 공정을 20초 동안 반복하여 실시한다.
그 후, 표면에 정사각뿔(20)의 각도(α)가 90°이며, 깊이(d)가 0.35 ∼ 0.4mm되게 정사각뿔(20)을 반복적으로 형성 가공한 다음 상면을 0.1mm 절삭하여 평탄한 정상면(30)이 형성되도록 가공하는 단계를 실시한다(S300).
상기 정사각뿔(20)의 각도가 90°보다 작으면 세퍼레이터가 앤빌의 가공면에 달라붙고, 90°보다 크면 세퍼레이터의 접착이 불안정한 문제점이 발생된다.
또한, 깊이(d)가 0.35 ∼ 0.4mm보다 작거나, 상면을 0.1mm 보다 낮게 절삭하여 평탄한 정상면(30)을 형성하면 세퍼레이터가 앤빌의 가공면에 달라붙고, 그 보다 크게 형성하면 세퍼레이터의 접착이 불안정한 문제점이 발생된다.
이때, 상기 소재를 가공할 때, 도 4a 및 도 4b와 같이 중간 지점에 혼(도시는 생략함)이 얼라인되는 얼라인홈(40)을 형성하거나, 다른 실시 예로 나타낸 도 5a 및 도 5b와 같이 정사각뿔(20)을 전체적으로 형성할 수도 있음은 이해 가능한 것이다.
상기 소재의 가공을 완료하고 나면 소재에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계를 거친다(S400).
이때에도 마찬가지로 상기 소재에 교류전류를 인가하여 N극과 S극의 극성을 1초에 60번씩 변화하는 공정을 20초 동안 반복적으로 실시한다.
상기 소재의 가공이 완료되고 나면 가공된 소재를 열처리로에서 850 ∼ 1150℃의 조건에서 열처리 강도가 HRC59 ∼ HRC63이 되게 진공 열처리를 10 ∼ 20분 동안 실시하여 반제품을 얻는다(S500).
상기 공정에서 열처리온도가 850℃보다 낮으면 열처리 효율이 떨어지고, 1150℃보다 높으면 과열에 의해 소재가 용융되는 치명적인 문제점이 발생된다.
상기한 열처리 공정에 따라 소재의 열처리강도가 HRC59 보다 낮으면 강도가 떨어져 쉽게 마모되므로 앤빌의 수명이 짧아지고, HRC63 보다 높으면 강도가 너무 높아 취성에 약해 충격에 의해 앤빌이 쉽게 깨지는 문제점이 발생된다.
이때, 열처리 시간이 10분 보다 낮으면 열처리 강도가 떨어지고, 20분 보다 길면 반제품이 변형되는 문제점이 발생된다.
상기 반제품의 열처리를 완료하고 나면 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계를 거친다(S600).
상기 반제품을 브라스팅(blasting)하여 가공면 및 측면에서 버어를 제거한다(S700).
상기 브라스팅공정을 마치고 나면 상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계를 거친다(S800).
상기 반제품을 300 ∼ 400℃의 조건에서 두께가 0.002 ∼ 0.008mm가 되게 8시간동안 코팅을 실시한다(S900).
상기 공정에서 코팅온도가 300℃보다 낮으면 코팅 흡착불량이 발생되고, 400℃ 보다 높으면 열변형이 발생되어 강도가 떨어지게 된다.
또한, 코팅 두께가 0.002mm 보다 얇으면 앤빌의 수명이 짧아지고, 0.008mm 보다 두꺼우면 코팅 자체가 깨진다.
상기 코팅공정이 완료되고 나면 전술한 바와 같이 상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 공정을 거친다.(S1000).
전술한 바와 같이 코팅공정을 마치고 나면 수계타입의 무독성 세정제인 DA707(기성제품임)에서 30℃의 온도로 30분동안 실시한 다음 300℃의 열풍으로 건조한 후 마킹을 실시하여 완제품을 얻는다(S1100).
이렇게 생산된 완제품은 철저한 검수를 통해 포장되어 출하하게 되는 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 상기 상세한 설명에서 기술된 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
20 : 정사각뿔 30 : 정상면
40 : 얼라인홈

Claims (3)

  1. 공구강인 소재를 가열로에서 550 ∼ 560℃의 조건으로 4시간동안 3회에 걸쳐 풀림처리를 실시하여 잔류응력을 제거하는 단계(S100)와,
    상기 소재에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S200)와,
    표면에 정사각뿔(20)의 각도(α)가 90°이며, 깊이(d)가 0.35 ∼ 0.4mm되게 정사각뿔(20)을 반복적으로 형성 가공한 다음 상면을 0.1mm 절삭하여 평탄한 정상면(30)이 형성되도록 가공하는 단계(S300)와,
    상기 소재에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S400)와,
    상기 가공된 소재를 열처리로에서 850 ∼ 1150℃의 조건에서 열처리 강도가 HRC59 ∼ HRC63이 되게 진공 열처리를 10 ∼ 20분 동안 실시하여 반제품을 얻는 단계(S500)와,
    상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S600)와,
    상기 반제품을 브라스팅하여 가공면 및 측면에서 버어를 제거하는 단계(S700)와,
    상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S800)와,
    상기 반제품을 300 ∼ 400℃의 조건에서 두께가 0.002 ∼ 0.008mm가 되게 8시간동안 코팅을 실시하는 단계(S900)와,
    상기 반제품에 교류전류를 인가하면서 N극과 S극의 극성을 교호로 변환하여 자력을 제거하는 단계(S1000)와,
    초음파세척을 실시한 다음 건조한 후 마킹을 실시하여 완제품을 얻는 단계(S1100)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 접합용 앤빌 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자력을 제거하는 단계는,
    상기 소재 또는 반제품에 교류전류를 인가하여 N극과 S극의 극성을 1초에 60번씩 변환하는 공정을 20초 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 접합용 앤빌 제조방법.
  3. 청구항 1의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 접합용 앤빌.
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