KR20000069172A - 각형 전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
각형 전지의 제조방법에 있어서, 발전요소를 수용한 각형 케이스(1)의 상부 개구단에 봉입판(2)을 올려 놓고, 접합선(4)의 각 모서리부(e)를 포함하는 각 변(a∼d)에 대하여 수평방향으로부터 상향으로 경사시킨 각도로 레이저 빔(3a∼3d)을 입사시키고, 접합선(4)을 각 레이저 빔(3a∼3d)으로 주사·용접합으로써 각형 케이스(1)를 밀폐 봉입한다.
Description
예를 들면 휴대용 전자기기의 전원으로서 이용되는 2차전지는 고에너지 밀도인 것이 요구되는 동시에, 경량화나 소형화를 위해 공간을 효율적으로 사용할 수 있는 형상이 요구되고 있다. 이들 요구를 만족시키는 전지로서 각형의 알루미늄 케이스를 이용한 리튬이온 2차전지가 각광받고 있다.
이 리튬이온 2차전지는 그 구조상으로도 장기에 걸쳐서 안정된 밀폐성이 요구되기 때문에, 밑면이 있는 각형 케이스의 개구단에 전극부를 형성하는 봉입판을 레이저 용접으로 접합하여 개구단을 봉입한다. 이 레이저 용접은 다른 용접 방법에 비하여 케이스 내부에 수용된 전해액이나 전기절연부분에 대한 열적 영향이 적고, 작업 효율이 우수한 특징을 갖고 있다.
이 각형 케이스와 봉입판 사이를 레이저 용접하여 각형 전지를 제조하는 종래 방법은 일본국 특허공개 평 8-315788호, 일본국 특허공개 평 8-315789호, 일본국 특허공개 평 8-315790호의 각 공보에 개시된 것이 알려져 있다. 여기에 개시된 제조방법에서는 개구단을 상향으로 하여 배치한 각형 케이스의 개구단에 봉입판을 끼워 넣고, 각형 케이스와 봉입판이 맞닿는 부위에 연직 방향으로부터 레이저 빔을 조사하여 레이저 빔으로 맞닿는 부위를 주사하여 용접함으로써 각형 케이스의 개구단이 봉입판에 의해 밀폐 봉입된다.
그러나 경량화, 박형화를 위해 박판 재료로 형성된 각형 케이스 및 봉입판에 대하여, 각형 케이스의 상단 개구측으로부터 봉입판과 각형 케이스가 맞닿는 부위를 레이저 빔으로 용접하면, 용입량이 크게 되었을 때 전지 내부에 금속 용융물이 침입할 위험성이 있다. 각형 케이스 및 봉입판으로서 가공되는 판재의 가공 정밀도에는 한도가 있고, 용접시의 용입량을 전지 내부에 도달하지 않는 최적량으로 설정하고 있다고 해도, 박판 재료이기 때문에 가공 정밀도의 편차에 의해 전지 내부에까지 도달하는 용입이 생긴 경우에 전지 내부에 금속 용융물이 비산하면 내부 단락의 원인이 된다. 또 레이저 용접은 전해액이나 전기적 절연물 등에 대한 열적 영향을 주기 어려운 용접방법이지만, 가열방향이 전지 내부로 향하고 있기 때문에 각형 케이스나 봉입판의 가공 정밀도 혹은 용접 정밀도의 한계때문에 열적 영향을 배제하는 것은 곤란하다.
본 발명은 상기 종래 기술의 과제를 감안하여 창안된 것으로, 그 목적으로 하는 바는 전지 내부에 열적 영향을 주는 일 없이 균일한 용접으로 각형 케이스와 봉입판 사이의 용접 접합을 행할 수 있도록 한 각형 전지의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명은 각형 전지의 제조방법에 관한 것으로, 특히 발전(發電)요소를 수용한 각형 케이스의 개구단에 봉입판을 용접하여 밀폐 봉입하는 용접방법을 개량한 각형 전지의 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 각형 전지의 사시도
도 2는 각형 케이스의 개구단의 평면도
도 3의 (a)는 접합선에 대한 각각의 변마다의 레이저 빔의 주사방향을 도시한 평면도
도 3의 (b)는 접합선에 대한 레이저 빔의 입사방향을 도시한 측면도
도 4는 레이저 빔의 입사방향을 경사시킨 작용 효과를 설명하는 설명도
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 각형 전지의 외관 형상을 도시한 사시도
도 6은 끼워넣음부를 형성한 봉입판의 구조를 도시한 일부 단면도
도 7은 모서리부에 대한 레이저 빔의 초점 거리차의 발생을 설명하는 설명도
도 8은 레이저 빔의 반사에 의한 폐해를 방지하는 빔 방향의 변화를 도시한 평면도
상기 목적을 달성하기 위한 본 출원의 제 1 발명에 관한 제조방법은 사각형의 4변이 직선이고 각 모서리부가 소정 반경의 곡선이 되는 상단 개구형상으로 형성된 밑면이 있는 각이 진 통형상의 각형 케이스 내에 발전요소를 수용하고, 이 각형 케이스의 상단 개구에 봉입판을 맞닿게 하고, 맞닿는 부위를 레이저 용접함으로써 봉입판에 의해 각형 케이스의 상단 개구를 봉입하는 각형 전지의 제조방법에 있어서, 상기 각형 케이스의 상단 개구에 봉입판을 맞닿게 하고, 각형 케이스와 봉입판이 맞닿는 접합선에 대하여 각형 케이스의 측방으로부터 비스듬히 상면 방향으로 조사되는 레이저 빔을 입사시키고, 이 레이저 빔에 의해 접합선을 주사함으로써 각형 케이스와 봉입판 사이를 용접하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조방법에 의하면 각형 케이스의 상단 개구와 봉입판이 맞닿는 접합선에 대한 레이저 빔의 조사방향을 비스듬히 상면을 향한 각도 방향으로 함으로써, 레이저 용접의 용입 방향이 봉입판 방향으로 향하게 되기 때문에, 용입이 각형 케이스의 재료 두께를 넘는 경우에도 용입이 전지 내부에 도달하는 것이 방지된다. 레이저 용접에 의한 용입량은 일정하게 제어되지만 박판 재료에 대한 용입량을 일정하게 유지하는 것은 곤란하며, 각형 케이스의 재료 두께의 편차에 의해 용입이 재료 두께를 넘는 일이 있어도 이 레이저 빔 방향의 설정에 의해 각형 케이스의 재료 두께를 넘는 용입은 봉입판에 이르고, 용융된 스퍼터가 전지 내부에 비산하여 내부 단락에 따른 불량의 발생이 방지된다.
또 본 출원의 제 2 발명에 관한 제조방법은 사각형의 4변이 직선이고, 각 모서리부가 소정 반경의 곡선이 되는 단면 형상으로 형성된 밑면이 있는 각이 진 통형상의 각형 케이스 내에 발전요소를 수용하고, 이 각형 케이스의 상단 개구에 봉입판을 맞닿게 하고, 접합 부위를 레이저 용접함으로써 봉입판에 의해 각형 케이스의 상단 개구를 봉입하는 각형 전지의 제조방법에 있어서, 상기 개구판을 상기 각형 케이스의 상단 개구 내에 끼워 넣는 오목부를 설치하여 형성하고, 각형 케이스의 상단 개구에 상기 오목부를 끼워넣은 상태로 각형 케이스와 봉입판을 맞닿게 하고, 각형 케이스와 봉입판의 둘레가장자리부가 맞닿는 접합선에 대하여 각형 케이스의 측방방향으로부터 레이저 빔을 입사시키고, 이 레이저 빔으로 접합선을 주사함으로써 각형 케이스와 봉입판 사이를 용접하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조방법에 의하면 봉입판에 형성된 오목부를 각형 케이스의 상단 개구 내에 끼워넣어 봉입판을 각형 케이스의 상단 개구에 맞닿게 함으로써, 바깥둘레부에서 각형 케이스와 봉입판이 맞닿는 접합선의 내측은 상기 오목부로 막히게 되어 접합선을 각형 케이스의 측방 방향으로부터 레이저 빔으로 주사하여 용접할 때의 스퍼터가 전지 내부에 침입하는 것이 방지된다. 또 레이저 용접에 의한 용입이 각형 케이스의 재료 두께를 넘는 경우에도 재료 두께를 넘는 용입은 오목부에 도달하므로 용입에 의한 금속 용융물이 전지 내부에 침입하는 것이 방지된다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명하여 본 발명의 이해를 돕기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 각형 전지의 외관 형상을 도시하고 있고, 발전요소를 수용한 각형 케이스(1)의 개구단에 봉입판(2)을 용접 접합함으로써 각형 케이스(1) 내를 밀폐 봉입하여 각형 전지가 제조된다. 상기 각형 케이스(1)는 사각형상의 밑면이 있는 통형상으로 형성되고, 그 개구단의 평면형상은 도 2에 도시된 바와 같이 긴 변(a, b) 및 짧은 변(c, d)이 직선이고, 각 모서리부(e)가 소정 반경의 곡선으로 형성되어 있다.
봉입판(2)은 이 각형 케이스의 개구단의 외형치수와 동일치수의 외형형상으로 형성되어 있다. 이 각형 케이스(1)의 개구단 상에 봉입판(2)을 올려 두고, 각 변(a∼d)의 직선 사이를 모서리부(e)의 곡선으로 연결한 접합선을 레이저 용접함으로써 각형 케이스(1)의 개구단은 봉입판(2)에 의해 밀폐 봉입된다. 이 각형 케이스(1)의 개구단과 봉입판(2) 사이의 용접 방법에 대하여 이하에 설명하기로 한다.
도 3의 (a)는 각형 케이스(1)를 그 개구단이 상향이 되는 연직 방향으로 하여 소정 위치에 배치하고, 개구단을 덮어 봉입판(2)을 실어 둔 상태를 윗쪽에서 본 상태를 도시하고 있고, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 각형 케이스(1)와 봉입판(2)의 접합선(4)에 레이저 빔(3a∼3d)을 조사하고, 각 레이저 빔(3a∼ 3d)를 긴 변(a, b), 짧은 변(c, d)에 평행하게 주사하여 접합선(4)을 레이저 용접하고, 각형 케이스(1)의 개구단을 봉입판(2)으로 밀폐 봉입한다. 이와 같이 각 레이저 빔(3a∼3d)에 의한 주사방향은 각 변(a∼d)에 따른 일직선이므로 그 이동 제어가 용이하며, 정밀한 용접동작을 실행시킬 수 있다. 또 상기 접합선(4)에 대한 레이저 빔(3)의 조사 방향은 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 수평면에 대하여 각도 α의 상향 방향으로 하여 접합선(4)을 주사하도록 설정되어 있다. 또 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 평면에서 보았을 때 레이저 빔(3)의 조사방향은 상기 접합선(4)에 대하여 직각으로 들어가도록 설정되어 있다. 그러나 도 8을 이용하여 후술하고 있는 바와 같이 레이저 빔(3a∼3d) 각각을 평면에서 보았을 때의 조사 각도를 각 변(a, b, c, d)에 직교하는 방향으로부터 각도 θ로 경사하도록 설정할 수도 있다.
이와 같이 접합선(4)에 대한 레이저 빔(3a∼3d) 각각의 수평방향으로부터의 조사 각도를 각도 α로 상향으로 입사시킴으로써 레이저 용접에 의한 열적 영향이 전지 내부에 미치지 않도록 할 수 있다. 본 실시예에 의한 레이저 용접의 방향은 발전 요소를 수용한 각형 케이스(1)의 상단에 대하여 측방으로부터 용접하므로 레이저 용접에 의한 열적 영향이 전지 내부에 미치는 일은 적지만, 이 조사 각도의 경사에 의해 각형 케이스(1)의 재료두께 오차에 의해 용입이 전지 내부에 미친 경우에 유효하게 된다.
각형 케이스(1) 및 봉입판(2)은 경량화나 슬림화를 위해 얇은 알루미늄판을 가공하여 형성되어 있기 때문에 그들 사이의 용접에 있어서도 정밀도가 요구된다. 그러나 그들의 가공 정밀도에는 한계가 있고, 특히 각형 케이스(1)는 인발가공하여 밑면이 있는 통형상으로 형성되기 때문에 그 재료두께에 편차가 생기기 쉽게 된다. 이로 인하여 레이저 빔(3a∼3d) 각각의 조사에 의한 접합선(4)의 용입량을 일정하게 설정해 두어도 재료 두께의 편차에 의해 용입이 전지 내부에까지 도달하는 일이 있다. 도 4는 접합선(4)에 대한 레이저 용접의 상태를 단면 상태에서 설명하는 것으로, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 접합선(4)에 대하여 수평방향으로부터 레이저 빔(3)을 입사시킨 경우, 상기와 같이 재료 두께의 편차에 의해 용입이 도면에서 점선으로 나타낸 바와 같이 전지 내부에까지 도달하는 경우가 생긴다. 전지 내부에는 발전 요소가 수용되어 있으므로 용입이 전지 내부에까지 도달하면 각형 케이스(1) 및 봉입판(2)이 용융된 스퍼터가 전지 내부에 비산하게 되어 내부 단락에 의한 전지 불량을 발생시키는 원인이 된다. 따라서 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 레이저 빔(3)의 조사 방향을 비스듬히 상면 방향으로 하여 접합선(4)에 입사시키도록 하면 용입의 진행방향은 봉입판(2)측으로 향하고 있으므로, 용입이 깊어졌을 때에도 점선으로 나타낸 바와 같이 전지 내부에 이르지 않고 재료 두께의 편차에 의해 스퍼터가 전지 내부로 비산되는 것은 방지된다.
레이저 용접의 순서는 긴 변(a, b), 짧은 변(c, d)에 평행한 직선으로 4개의 레이저 빔(3a, 3b, 3c, 3d)으로 주사하면, 각 모서리부(e)를 포함하는 각 변(a, b, c, d)에 대한 용접 동작이 동시에 진행되므로 올려 놓은 봉입판(2)을 각형 케이스 (1) 상에 임시로 고정시키지 않은 상태에서도 봉입판(2)의 위치어긋남은 생기지 않고 효율적으로 용접 가공을 실행할 수 있다. 또 대향하는 2변, 예를 들면 각 모서리부(e)를 포함하는 짧은 변(c, d)을 동시에 용접하고, 다음에 남겨진 각 모서리부 (e)를 포함하는 2변을 동시에 또는 차례로 용접할 수도 있다. 또 각형 케이스(1)에 봉입판(2)을 실어 둔 상태가 위치 어긋나지 않도록 임시 정지해 두면 임의의 모서리부(e)를 포함하는 한변으로부터 차례로 용접해가도록 할 수도 있다.
다음으로 본 발명의 제 2 실시예에 관한 각형 전지의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 제 2 실시예에 관한 각형 전지는 각형 케이스(1)의 개구단에 끼워맞추는 끼워넣음부가 형성된 봉입판(5)을 개구단에 레이저 용접하여 각형 케이스 (1)를 밀폐 봉입하도록 구성되어 있다.
상기 봉입판(5)에는 도 5에 도시된 바와 같이 주변부를 제외한 부분을 오목하게 형성하여 각형 케이스(1)의 개구단에 끼워맞추는 끼워넣음부(오목부)(5a)가 형성되어 있다. 상기 봉입판(5)의 끼워넣음부(5a)는 도 6에 일부 단면으로서 나타낸 바와 같이 각형 케이스(1)의 개구단 내에 끼워맞추어져 있다. 그리고 도시된 바와 같이 각형 케이스(1)와 봉입판(5)이 맞닿는 접합선(4)에 대하여 각형 케이스(1)의 측방으로부터 레이저 빔(3)을 조사하여 용접할 때, 가공 오차에 의해 접합선(4)에 틈이 생긴 경우나 용입량이 각형 케이스(1)의 판두께를 넘은 경우에도 접합선 (4)의 전지 내부측이 끼워넣음부(5a)에 의해 막혀 있으므로 용융된 스퍼터가 전지 내부에 비산하는 일이 없다.
레이저 용접은 제 1 실시예와 마찬가지로 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 각 변(a, b, c, d)의 직선과 평행하게 레이저 빔(3a∼3d)으로 접합선(4)을 주사하여 용접한다. 본 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이 접합선(4)의 전지 내부측은 끼워넣음부(5a)로 막혀 있으므로, 제 1 실시예와 마찬가지로 레이저 빔(3)의 조사 방향을 상향으로 경사시키지 않아도 각형 케이스(1)의 측방으로부터 접합선(4)에 직행하는 방향으로부터 입사시킬 수 있다. 이 봉입판(5)의 구성에서도 비스듬히 상면 방향으로 레이저 빔(3a∼3d)을 입사시키면 더욱 효과적인 것은 물론이다.
이상 설명한 제 1 및 제 2 실시예에서 각 변(a, b, c, d)에 대하여 평행하게 레이저 빔(3)으로 주사할 때 곡선으로 형성된 각 모서리부(e)에서는 레이저 빔(3)의 초점위치가 멀어지고, 모서리부(e)에서의 레이저 용접 능력이 저하하게 된다. 즉 도 7에 도시된 바와 같이 레이저 빔(3a)에 대하여 보면 주사 개시위치는 모서리부(e)의 곡선 상에 있고, 긴 변(a)을 주사하는 위치와는 레이저 빔(3a)의 초점 위치에 최대로 거리차 β가 생긴다. 이 상태는 주사 종료위치에서도 마찬가지이며, 도 7에 도시된 레이저 빔(3c)에서 보면 짧은 변(c)을 주사하는 위치와는 레이저 빔(3c)의 초점 위치에 최대로 거리차 β가 생긴다. 이 거리차 β에 의한 모서리부(e)의 용접 강도의 저하는 다음에 나타내는 용접 방법에 의해 해소될 수 있다.
제 1의 방법은 레이저 빔(3a∼3d)이 모서리부(e)를 주사하는 위치에 있어서, 각 변(a∼d)과의 거리차에 대응시켜 레이저 출력을 변화시키는 것이다. 즉 초점위치가 멀어지는 모서리부(e)에서의 용접 능력의 저하를 레이저 출력의 증가로 보충할 수 있으므로 접합선(4)의 전체 둘레에 걸쳐서 균일한 용접이 이루어지게 된다.
제 2의 방법은 레이저 빔(3a∼3d)이 모서리부(e)를 주사하는 위치에 있어서, 레이저 펄스의 발사시간 간격을 각 변(a∼d)과의 거리차에 대응시켜 변화시키는 것이다. 즉 거리차가 커짐에 따라 레이저 펄스의 발사시간 간격을 짧게 하고, 거리차가 커지는 방향에서는 레이저 펄스의 발사시간 간격이 짧아지도록 제어한다. 이러한 레이저 펄스의 발사시간 간격의 변화에 의해 거리차는 레이저 빔(3)의 단위시간당 조사량으로 보충되므로 접합선(4)의 전체 둘레에 걸쳐서 균일한 용접이 이루어지게 된다.
또 제 2 실시예에서 도 8에 도시된 바와 같이 레이저 빔(3a∼3d) 각각의 수평방향의 조사각도를 각 변(a, b, c, d)에 직교하는 방향으로부터 각도 θ로 경사시킴으로써 접합선(4)에 조사된 레이저 빔(3)이 반사되었을 때의 반사광이 레이저 빔 발사구로 되돌아오는 일이 없어지게 되어, 반사광에 의한 레이저 빔 발사구의 손상이 방지된다. 또 이 조사 각도의 주사 라인 방향으로의 경사에 의해 모서리부 (e)에 대한 레이저 빔(3)의 입사 각도를 깊게 할 수 있으므로 레이저 빔(3)의 반사가 적고, 레이저 용접의 효율을 높일 수 있다.
이상의 설명과 같이 본 발명의 용접 방법에 의하면, 용접에 의한 용입은 전지의 측방으로부터 봉입판측으로 향하는 방향이 되므로 박판 재료이기 때문에 용입이 각형 케이스의 판두께를 넘은 경우에도 용접에 의한 스퍼터가 전지 내부에 미치는 일 없이 스퍼터가 원인이 되는 내부 단락의 발생을 해소할 수 있다.
또 각형 케이스의 상단 개구 내에 끼워넣음부를 끼워넣은 상태에서 봉입판을 각형 케이스의 상단 개구에 맞닿게 하고, 각형 케이스의 측방으로부터 조사되는 레이저 빔으로 접합선을 주사하는 용접방법에서는, 접합선의 전지 내부측이 봉입판의 끼워넣음부에 의해 막혀 있으므로 가공 오차에 의해 접합선에 틈이 생긴 경우나 용입량이 각형 케이스의 판두께를 넘는 경우에도, 용융된 스퍼터가 전지 내부에 비산하는 것이 방지되어 스퍼터가 전지 내부로 침입하는 것에 의한 내부 단락을 발생시키는 일은 없다. 따라서 본 발명은 내부 단락에 의한 전지 불량을 발생시키지 않고 또 장기에 걸쳐 안정된 밀폐성을 갖는다는 필요성에 대한 기술적인 대응으로서 유용하다.
Claims (2)
- 사각형의 4변(a, b, c, d)이 직선이고, 각 모서리부(e)가 소정 반경의 곡선이 되는 상단 개구형상으로 형성된 밑면이 있는 각이 진 통형상의 각형 케이스(1) 내에 발전요소를 수용하고, 이 각형 케이스(1)의 상단 개구에 봉입판(2)을 레이저 용접함으로써 봉입판(2)에 의해 각형 케이스(1)의 상단 개구를 봉입하는 각형 전지의 제조방법에 있어서,상기 각형 케이스(1)의 상단 개구에 봉입판(2)을 맞닿게 하고, 각형 케이스 (1)와 봉입판(2)이 맞닿는 접합선(4)에 대하여, 각형 케이스(1)의 측방으로부터 비스듬히 상면 방향으로 조사되는 레이저 빔(3a∼3d)을 입사시키고, 이 레이저 빔(3a∼3d)으로 접합선(4)을 주사함으로써 각형 케이스(1)와 봉입판(2) 사이를 용접하는 것을 특징으로 하는 각형 전지의 제조방법.
- 사각형의 4변(a, b, c, d)이 직선이고, 각 모서리부(e)가 소정 반경의 곡선이 되는 개구단 형상으로 형성된 밑면이 있는 각이 진 통형상의 각형 케이스(1) 내에 발전요소를 수용하고, 이 각형 케이스(1)의 상단 개구에 봉입판(5)을 레이저 용접함으로써 봉입판(5)에 의해 각형 케이스(1)의 상단 개구를 봉입하는 각형 전지의 제조방법에 있어서,상기 봉입판(5)을 상기 각형 케이스(1)의 상단 개구 내에 끼워 넣는 오목부 (5a)를 설치하여 형성하고, 각형 케이스(1)의 상단 개구에 상기 오목부(5a)를 끼워넣은 상태로 각형 케이스(1)와 봉입판(5)을 맞닿게 하고, 각형 케이스(1)와 봉입판 (5)의 둘레가장자리부가 맞닿는 접합선(4)에 대하여 각형 케이스(1)의 측방방향으로부터 레이저 빔(3)을 입사시키고, 이 레이저 빔(3)에 의해 접합선(4)을 주사함으로써 각형 케이스(1)와 봉입판(5) 사이를 용접하는 것을 특징으로 하는 각형 전지의 제조방법.
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