KR20000076885A

KR20000076885A - 슬림형의 각형상 제조에 적합한 밀폐식 배터리

Info

Publication number: KR20000076885A
Application number: KR1020000013504A
Authority: KR
Inventors: 미야자키노리유키; 야마우치야스히로
Original assignee: 다카노 야스아키; 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2000-12-26
Also published as: EP1039564A1; KR100571229B1; DE60003862D1; JP4278222B2; HK1031475A1; CN1267920A; JP2000268781A; CN1183611C; EP1039564B1; DE60003862T2; TW463403B; US6573000B1

Abstract

본 발명의 밀폐식 배터리는 외장 케이스에 개구부를 구비하며, 이 개구부는 외장 케이스에 레이저 용접되는 밀봉판을 이용하여 밀봉된다. 밀봉판은 밀봉판의 표면이 중앙부에서 보다 밀봉판의 둘레부에서 더 높도록 밀봉판의 외면의 둘레부 부근에 형성되는 단차부를 구비한다. 밀봉판이 외장 케이스의 테두리에 레이저 용접되면 단차부에 의해 용접부로부터 밀봉판의 중앙으로 직접 열전도로가 형성되지 않아 용접부로부터 방열을 감축시킬 수 있게 된다. 결국 저에너지의 레이저 빔이 사용되더라도 용접부에서 발생하는 열응력이 감축되어 용접된 결합부에 크랙이 형성되는 것을 억제할 수 있게 된다.

Description

슬림형의 각형상 제조에 적합한 밀폐식 배터리{SEALED BATTERY SUITED TO PRODUCTION IN A SLIM RECTANGULAR FORM}

본 발명은 배터리 외장케이스에 밀봉뚜껑을 레이저 용접함으로써 밀봉되는 밀폐식 배터리에 관한 것으로, 특히 각형 밀폐식 배터리에 관한 것이다.

최근 휴대전화, AV기기, 컴퓨터 등의 휴대형 전자기기의 전원으로서 밀폐식 배터리가 널리 사용되고 있다. 이러한 대표적인 밀폐식 배터리로서 니켈 수소 배터리 및 니켈 카드뮴 배터리와 같은 알칼리 배터리와 리튬이온 배터리가 있다.

원통형과 각형 배터리는 둘다 널리 사용되고, 그 중 각형 배터리는 휴대형 기기에 사용시 탁월한 공간절약의 이점 때문에 특히 주목을 받고 있다.

밀폐식 배터리는 다음과 같이 구성된다. 우선 밀폐된 바닥을 갖는 통형 외장 케이스를 딥드로우(deep-draw) 공정을 이용하여 금속판으로 형성한다. 양극판 및 음극판을 형성하는 발전소체를 외장 케이스의 내측에 위치시키고 밀봉뚜껑을 케이스의 개구부에 부착시킨다. 밀봉뚜껑의 가장자리와 케이스를 밀봉하여 전해액이나 가스가 누설되지 못하도록 한다.

비록 현재의 경향이 배터리의 중량을 줄이기 위해 알루미늄에 망간을 첨가하여 만든 합금과 같은 알루미늄 합금을 사용하는 방향으로 나아가고 있지만 외장 케이스를 만들기 위해 니켈 도금 강판이나 스테인레스 강판이 흔히 사용된다.

밀봉부를 형성하기 위해 기계적인 코킹이 흔히 사용된다. 이 기술은 각형 밀폐식 배터리에서는 적용하기 매우 어렵기 때문에 이러한 배터리에는 레이저 용접을 사용하여 밀봉한다. 레이저 용접은 밀봉뚜껑의 가장자리와 외장 케이스의 개구부 가장자리의 둘레를 레이저 빔으로 조사함으로써 실행된다. 배터리의 신뢰성과 수명은 이러한 용접되는 밀봉부가 어떻게 만들어지느냐에 따라 상당히 영향을 받는다.

레이저를 이용하여 배터리를 밀봉할 때 용접부에 가해지는 레이저 빔의 세기를 억제하는 것이 바람직하다. 그 이유는 밀봉뚜껑이 정상적으로는 개스킷을 통해 전극단자의 하나에 접속되기 때문이다. 이 개스킷은 만약 레이저 빔의 세기가 제한되면 레이저 용접공정 중에는 거의 손상되지 않을 것이다. 저에너지의 레이저는 또한 제조공정을 더욱 에너지 효율적으로 만든다.

동일한 정격 에너지를 갖는 레이저원이 사용되면, 용접부에서 레이저에 대한 보다 낮은 에너지 설정에 의해 조사속도가 향상된다. 또한 배터리에 용접 밀봉부를 형성하기 위해 사용되는 용접장치는 보통 광섬유를 사용하여 수개의 빔으로 분할되는 하나의 레이저원만을 포함하므로 복수의 배터리가 동시에 용접되는 것이 허용된다. 레이저에 대한 에너지설정이 낮아지면, 레이저원의 출력을 변경시키지 않고도 많은 수의 배터리를 동시에 용접할 수 있게 되어 제조공정의 효율이 높아지게 된다.

그러나 배터리를 밀봉하기 위해 사용되는 레이저의 에너지 설정이 낮아지면 레이저에 의해 용접되는 라인을 따라 크랙이 나타나는 경향이 있다. 레이저가 가해지면 배터리의 부분은 용융되어 금속 용융풀(molten pool)을 형성한다. 이러한 용융풀이 식음에 따라 주위 금속에서 발생하는 열응력에 의해 이들이 인장된다. 레이저 빔의 에너지가 낮으면 용융풀의 온도가 급격하게 강하되고 이것은 큰 열응력을 일으킨다.

크랙은 외장 케이스와 밀봉뚜껑이 알루미늄 합금의 시트로부터 형성될 때 용접부에서 특히 흔하게 발생된다. 그 이유는 알루미늄 합금이 철이나 스테인레스 강철보다 낮은 인장강도를 갖고, 알루미늄의 열전도성이 높기 때문이며, 이것은 용융부가 급속하게 식는다는 것을 의미한다.

일례로서 일본국 특허공개공보 소61-3664호는 외장 케이스(10)(도 8 참조)의 개구부의 가장자리에 레이저 용접된 구부린 외주연(外周緣)(132)을 구비하는 밀봉뚜껑(131)을 제조하는 기술에 대해 설명하고 있다. 이 기술에서는 용융풀로부터 밀봉뚜껑의 중앙부로 흐르는 선형 열경로가 없으며, 밀봉뚜껑은 용융풀로부터 방열을 감축시키고 용접부에서 발생하는 열응력을 감축시킨다.

그러나 밀봉뚜껑의 외주연이 구부려지면 배터리 상면의 폭(도 8의 수평면의 길이와 등가)은 구부린 외주연의 2배만큼 증가하며, 도 8의 W2로 주어진 밀봉뚜껑(131)의 두께의 2배가 된다. 그러나 전체 배터리의 폭이 수밀리미터의 크기로 되면 슬림형의 각형 밀폐식 배터리에서처럼 이 기술은 사용하기 매우 어려워진다.

본 발명의 목적은 용접된 밀봉부를 형성하기 위해 사용되는 레이저빔의 입사 에너지를 억제함으로써 크랙이 형성되는 것을 방지하면서 슬림형 밀폐식 배터리의 제조를 용이하게 하는 기술을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 각형 밀폐식 배터리의 사시도

도 2의 (A) 및 (B)는 도 1의 A-A'선 및 B-B'선을 따라 취한 단면도

도 3의 (A)~(D)는 본 발명의 제 1 실시예에 사용된 밀봉판을 제조하기 위해 사용되는 공정을 나타낸 도면

도 4의 (A)는 단차부가 형성된 밀봉판을 이용하여 밀봉된 외장 케이스를 나타낸 도면이고, (B)는 단차부가 없는 밀봉판을 이용하여 밀봉된 외장 케이스를 나타낸 도면

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 각형 밀폐식 배터리를 도시한 사시도

도 6의 (A) 및 (B)는 도 5의 A-A', B-B'선을 따라 취한 배터리의 단면도

도 7의 (A)~(C)는 본 발명의 제 2 실시예에 사용되는 밀봉부를 제조하기 위해 사용되는 절차를 나타내는 도면

도 8은 배터리를 가로질러 취한 비교예의 각형 밀폐식 배터리의 단면도

본 발명은 밀폐식 배터리의 외장 케이스의 개구부에 레이저 용접되는 밀봉판의 외면에 단차부를 형성함으로써 상술한 목적을 달성하고 있다. 단차부의 존재는 외면이 중앙 위치에서 보다 밀봉판의 둘레에서 더 높다는 것을 의미한다.

밀봉판의 둘레부가 개구부의 테두리에 레이저 용접되면 밀봉판의 단차부는 용접부로부터 밀봉판의 중앙부로 선형 열전도로를 잘라내어 용접부로부터 방열을 억제하게 된다. 이것은 레이저 빔의 세기가 감축되는 경우에도 용접부에서 발생하는 열응력을 감축시키고, 크랙을 거의 발생시키지 않는다는 것을 의미한다.

밀봉판의 외면에 단차부를 형성하는 방법으로 밀봉판을 형성하기 위해 사용되는 재료의 표면에 채널을 형성하는 것이 있다. 다른 방법으로는 밀봉판을 형성하는 재료의 외주부를 제외한 모든 부분에 압력을 가하는 것이 있다. 밀봉판은 예를들어 이러한 방식으로 힘을 가함으로써 용이하게 형성될 수 있다. 단차부는 외주연에 매우 근접하여 밀봉판에 형성될 수 있다. 이것은 밀봉판의 외주연이 도 8에 도시된 바와 같이 구부린 경우보다도 더 좁게 만들어 질 수 있다는 것을 의미한다. 결국 본 발명은 종래의 배터리보다 좁으나 용접된 밀봉부에 크랙을 형성시키지 않는 슬림형의 각형 밀폐식 배터리를 제공한다.

외장 케이스와 밀봉판이 알루미늄 합금으로부터 형성될 때에는 크랙이 특히 문제로 된다. 이것은 본 발명에 의한 크랙의 억제가 이 재료에서 형성되는 배터리에서 특히 현저하다는 것을 의미한다.

이들 목적과 기타의 목적 및 본 발명의 이점과 다른 특징은 본 발명의 특정 실시예를 나타낸 첨부도면을 참조로 한 다음의 상세한 설명으로부터 분명해 질 것이다.

(제 1 실시예)

(배터리의 구성)

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 각형 밀폐식 배터리의 사시도이다. 도 2의 (A) 및 (B)는 도 1의 A-A'선 및 B-B'선을 따라 취한 단면도이다. 본 실시예의 각형 밀폐식 배터리는 리튬이온 배터리이며, 외장 케이스(10)의 개구부를 밀봉구조물(30)로 밀봉하기 전에 밀폐된 바닥을 가진 각형 외장 케이스(10)에 전해액으로 침지된 나선형으로 감긴 전극(이하 전극 구조물(20)이라 함)을 포함하는 발전소체를 삽입함으로써 구성된다.

외장 케이스(10)는 밀폐된 바닥을 가진 각형의 알루미늄-망간형의 합금판으로부터 형성된다. 알루미늄-망간형 합금의 주된 금속은 배터리를 가볍게 만들기 위한 알루미늄이며, 첨가되는 망간은 알루미늄이 단독으로 사용되는 경우보다 케이스에 큰 인장강도를 부여한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 밀봉구조물(30)은 외장 케이스(10)의 개구부에 맞도록 형성된 밀봉판(31)을 통과하는 음극단자(32)와, 밀봉판(31)과 음극단자(32)를 분리시키는 개스킷(33)을 구비한다.

밀봉판(31)은 외장 케이스(10)와 동일한 알루미늄-망간 합금판으로 만들어지면, 외장 케이스(10)의 개구부와 동일한 각형으로 만들어진다. 밀봉판(31)의 외면 가장자리 둘레에는 채널(311)이 형성된다. 규정된 폭을 갖는 외주연(이하 "플랫폼"이라 함)(310)은 이 채널(311)의 외측에 남아 있으며, 이것에 의해 외장 케이스(10)의 개구부의 가장자리(11)에 레이저 용접된 이 플랫폼(310)은 배터리를 밀폐시킨다.

이 채널(311) 내측의 측면 중 배터리의 외측에 보다 가까운 면은 이하 단차부(312)라 명명한다.

배터리의 내부 체적을 최대화하기 위해 외장 케이스(10)와 밀봉판(31)은 적당한 강도가 유지될 수 있는 범위 내로 가능한한 얇게 만들어져야만 한다. 외장 케이스(10)의 두께는 통상 약 0.5mm로 설정되나, 밀봉판(31)의 두께는 보통 약 0.8mm로 설정된다. 밀봉판(31)은 음극단자(32)가 밀봉판(31)에 부착될 때 밀봉판(31)이 잘못 형성되는 것을 방지하기 위해 외장 케이스(10)보다 약간 두껍게 만들어진다.

음극단자(32)는 평판의 외형을 갖는 선단(320)과 통형 슬리브(31)로 구성된다. 선단(320)은 속이 비어 있으며, 고무부재(322)가 선단(320)의 속이 빈 공간에 채워져 안전 밸브를 형성한다.

음극단자(32)의 슬리브(321)가 삽입되는 관통공(313)은 밀봉판(31)의 중앙에 구비된다. 음극단자(32)의 선단(320)을 수용하도록 밀봉판(31)의 외면의 이 관통공(313) 둘레에는 요홈(314)이 형성된다.

상술한 배터리가 좁으면 음극단자(32)의 선단(320)은 밀봉판(31)과 거의 동일한 폭을 갖는다. 이것은 요홈(314)이 관통공(313)의 양면에 있는 채널(311)에 매우 근접해 있거나 또는 도 2의 (A)에 도시된 바와 같이 요홈(314)과 채널(311)이 하나의 함몰부로 결합된다.

배터리의 내측을 향해 돌출하는 돌출부(34a)와 베이스(34b)로 구성되는 집전판(34)은 음극단자(32)의 슬리브(321)에 접속된다. 이 음극단자(32)와 집전판(34)은 개스킷(33)에 의해 밀봉판(31)과 절연되고, 슬리브(321)의 단부를 코킹함으로써 밀봉판(31)에 고정된다.

전극 구조물(20)은 음극판 및 양극판과 그 사이에 적층된 분리기를 나선형으로 감아서 형성한다. 최종 원통을 그 측면에 위치시키고 계란형의 단면을 갖는 통체로 평탄화시킨다.

음극판은 층화된 탄소(분말 흑연)를 판형 코어에 도포하여 제조하고, 리드판을 경유하여 집전판(34)의 돌출부(34a)에 전기적으로 접속된다. 반면 양극판은 양극용의 활성물질로서 리튬(예를들면, 코발트 산화물)을 함유하는 복합 산화물과 도전제(예를들면, 아세틸렌 블랙)로 구성되는 양전극 혼합물을 판형 코어에 도포하여 형성한다. 양극판은 양극단자로서 기능하는 외장 케이스(10)에 직접 접속된다.

일례로서 전극 구조물을 함침하기 위해 사용되는 전해액은 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트로 구성되는 혼합 용매의 LIPF₆용질을 용해함으로써 제조될 수 있다.

도 2의 (A)와 (B)에 도시되어 있지는 않으나, 전극 구조물(20)과 밀봉판(31) 사이에는 이들이 접촉하지 않고 외장 케이스(10)의 특정 위치에 전극 구조물(20)이 고정되도록 절연수지로 된 절연 슬리브가 구비된다.

(배터리의 제조방법)

이하 상술한 각형 밀폐식 배터리의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.

알루미늄-망간 합금의 평판에 딥드로잉 공정을 가하여 밀폐된 바닥을 갖는 각형 통의 외장 케이스(10)를 제조할 수 있다.

밀봉판(31)은 다음의 방법으로 제조할 수 있다. 알루미늄-망간 합금의 평판을 그 평면에 대하여 수직인 압력을 가하여 채널(311)과 요홈(314)에 대응하는 함몰부를 생성시킨다. 관통공(313)과 최종 밀봉판(31)의 외주연이 별개의 밀봉판(31)을 생성하도록 찍어낸다.

다음은 밀봉판(31)을 생성하기 위해 사용될 수 있는 단조공정에 대해 설명하기로 한다. 이 기술은 또한 주화를 만들기 위해 사용되기 때문에 주조라고 불리기도 한다.

도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 합금판(밀봉판(31))을 만들기 위해 사용됨)을 채널(311)과 요홈(314)에 대응하는 돌출부(71) 형상을 갖는 펀치의 압력하에 위치시켜 채널(311)과 요홈(314)에 대응하는 함몰부를 형성한다(도 3의 (B) 참조). 그 다음에 펀치(81)를 사용하여 도 3의 (C)에 도시된 바와 같이 합금판을 잘라내 관통공(313)을 형성한다. 마지막으로, 펀치(90)와 다이(91)를 사용하여 밀봉판(31)의 외주연을 잘라냄으로써 그 형상을 완성한다.

도 3의 (A)~(D)는 밀봉판(31)의 외주연이 합금판으로부터 찍혀 나오기 전에 도 3의 (A)에서 채널이 형성되는 경우를 나타낸 것으로, 채널(311)은 밀봉판(311)이 찍혀 나온 후에 형성될 수 있다.

상술한 공정은 밀봉판(31)의 외주연로부터 채널(311) 까지의 거리 T가 매우 작은 경우, 밀봉판(31)을 비교적 쉽게 생성할 수 있게 해준다. 이 거리 T는 도 2의 A에 도시된 바와 같이 플랫폼(310)에 대응한다.

밀봉구조물(30)은 개스킷(33)과 음극단자(32)를 밀봉판(31)의 관통공(313)에 끼워맞추고, 집전판(34)의 베이스(34b)를 음극단자(32)(선단(320)의 뚜껑과 고무부재(322)는 이 단계에서 음극단자(32)로부터 떨어져 남는 것에 주의)에 끼워맞추며, 슬리브(321)의 단부를 코킹함으로써 형성된다.

전극 구조물(20)은 적층된 전극을 원통형으로 감기 전에 부착 리드판(21)을 갖는 벨트형 음극판과, 벨트형 분리기와, 벨트형 양극판을 적층하여 제조한다. 이렇게 하여 만들어진 원통을 평탄화하여 계란형의 단면을 갖도록 만든다.

전극구조물(20)을 외장 케이스(10)에 삽입하고, 리드판(21)을 절연 슬리브에 관통시키고 집전판(34)에 전기적으로 접속시킨다.

다음으로, 절연 슬리브와 밀봉 구조물을 외장 케이스(10)의 개구부 속으로 밀어 넣고, 밀봉 구조물의 플랫폼(310)과 외장 케이스(10)의 개구부의 가장자리(11)를 그들 테두리 부근에 레이저 빔을 조사함으로써 용접시킨다. 레이저원으로서 이트륨-알루미늄-가닛(YAG; yttrium-aluminum-garnet) 펄스 레이저(이것은 예를들면 50pps에서 발광함)가 사용될 수 있다. 도 2의 (B)에 도시된 바와 같이 레이저광(50)은 밀봉판(31)의 플랫폼(310)과 개구부의 가장자리(11)에 집중되므로 작은 원형 스폿(수백 마이크로미터 영역의 직경을 가짐)이 형성된다.

이러한 방식으로 레이저광을 비춤으로써 용접부 부근의 다른 물질(예를들어 개스킷 또는 절연 슬리브)에 거의 열손상을 입히지 않으면서 레이저광에 노출된 배터리의 부분을 선택적으로 용융시킬 수 있다.

레이저에 노출된 배터리의 부분, 즉 밀봉판(31)의 플랫폼(10)과 외장 케이스(10)의 개구부의 가장자리(11)는 용융되어 용융풀(60)을 형성하고, 이것은 신속하게 경화된다.

레이저원이 레이저광을 방출하면, 레이저 펄스속도와 주사속도는 레이저 펄스에 의해 형성된 스폿이 선행펄스를 적절하게 중첩시키도록 조정된다. 보통 40~60% 범위의 중첩이 사용된다. 레이저 광(50)을 비추는 동안 보조가스가 레이저광(50)에 의해 형성되는 스폿에 분사된다. 이러한 방식으로 보조가스 하에서 용융된 금속은 용융된 부분의 산화를 막는데 도움을 준다. 보조가스로서 질소가스가 주로 사용되지만 수소, 산소 또는 아르곤과 같은 비활성가스가 사용될 수도 있다.

이러한 방식으로 레이저광(50)을 주사함으로써 밀봉판(31)의 플랫폼(310)과 외장 케이스(10)의 개구부의 가장자리(11) 경계면의 전체 길이 부근이 함께 용접될 수 있어 배터리를 밀봉하게 된다.

그 다음에 음극단자(32)의 슬리브(321)에 전해액을 주입하고 마지막으로 고무부재(322)와 선단(320)의 뚜껑을 부착한다.

(채널(311)의 효과)

밀봉판(31)의 외주연 둘레에 채널(311)을 형성함으로써 단차부(312)를 형성시킨다. 이 단차부(312)는 가장자리에서 보다 밀봉판(31)의 중앙 쪽이 낮게 되도록 밀봉판(31)의 높이가 감소하는 밀봉판(31) 상면의 영역이다.

용접중에 단차부(312)는 용융풀(60)로부터 밀봉판(31)의 중앙을 향하여 열이 방산하는 것을 억제한다. 본 발명자들은 이것이 다음의 이유에 기인하는 것으로 믿는다.

도 4의 (A)는 단차부(312)가 형성된 밀봉판(31)을 이용하여 밀봉된 외장 케이스(10)를 나타낸 도면이고, (B)는 단차부(채널)가 형성되지 않은 밀봉판(231)을 이용하여 밀봉된 외장 케이스(10)를 나타낸 도면이다.

다른 경우에, 레이저광(50)이 비추어질 때 용융풀(60)로부터 방산된 열은 화살표 C1 및 C2로 나타낸 바와 같이 주로 밀봉판(31 또는 231)으로 진행하거나, 또는 화살표 D로 나타낸 바와 같이 외장 케이스(10)로 진행한다. 화살표 C1과 C2로 나타낸 방향으로 밀봉판(31 또는 231)의 중앙을 향하여 보다 많은 양의 열이 방산된다.

도 4의 (B)에 도시된 바와 같이 밀봉판(231)에 단차부(312)가 형성되어 있지 않으면 화살표 C2로 나타낸 바와 같이 용융풀(60)로부터 밀봉판(231)의 중앙으로 밀봉판(231)을 따라 선형 열전도로가 존재한다. 반대로 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이 밀봉판(31)에 단차부(312)가 형성되어 있으면 표면을 따라 선형 열전도로가 형성되지 않으므로 도 4의 (A)의 화살표 C2가 없게 된다.

단차부(채널)가 형성되지 않은 경우에 비하면 밀봉판(31)에서의 단차부(312)의 형성은 레이저 용접 중에 용융풀(60)로부터 밀봉판(31)의 중앙으로의 방열이 억제된다. 이것은 용융풀(60)의 냉각을 늦추어 용융풀(60)에서 발생하는 열응력을 감소시킨다. 이것은 레이저광의 에너지가 낮은 경우에도 용접밀봉부에 크랙이 발생되지 않는다는 것을 의미한다. 각 배터리를 밀봉하기 위해 사용되는 레이저의 세기를 감소시킴으로써 다른 재료, 예컨대 용접부 부근에 위치되는 개스킷에 가해지는 열적 손상을 줄일 수 있다.

상술한 효과를 충분히 달성하기 위해 플랫폼(310)과 채널(311)은 다음과 같이 형성되어야만 한다.

밀봉판(31)의 외주연과 채널(311) 사이의 거리 T(플랫폼(310)의 폭 T)는 레이저 용접 중에 발생하는 방열을 억제할 수 있도록 가능한한 작게 설정되어야만 한다. 그러나 만약 거리 T가 너무 좁으면 용융풀(60)이 적절하게 형성되지 않아 충분한 강도를 갖는 용접부를 얻기 어려워진다. 따라서 거리 T는 이들 필요성을 모두 고려하여 설정하여야 한다.

채널(311)의 폭과 깊이는 레이저 용접중에 발생하는 방열을 억제하도록 커야만 한다. 그러나 낮은 값에서 채널(311)의 깊이를 설정하는 것은 밀봉판(31)이 필요한 강도를 유지하게 해준다. 그러므로 이 값은 이들을 모두 고려한 범위 내에서 설정되어야 한다.

알루미늄 외장 케이스를 구비하는 슬림형의 각형 리튬-이온배터리의 경우에는 밀봉판의 두께를 약 0.8mm, 용접을 이용한 레이저빔의 스폿직경을 약 0.8mm로 설정하는 것이 적당하다. 이 경우에 용융풀(60)은 약 0.15~0.2mm의 깊이로 형성된다.

상술한 설정에 따라 거리 T는 약 0.4~0.45mm인 것이 바람직하며, 채널(311)의 깊이는 적어도 0.2mm(즉 약 0.3mm), 외장 케이스의 개구부의 깊이는 약 0.4mm인 것이 바람직하다.

후술하는 바와 같이 밀봉판(31)의 외주연와 채널(311) 사이의 거리 T는 본 실시예에서 밀봉판(31)의 두께(가공전) 보다 상당히 작게 설정될 수 있다. 이로 인해 밀봉판(31)의 폭이 감축되어 6mm이하의 폭을 갖는 슬림형 각형 밀폐식 배터리를 용이하게 제조할 수 있다.

(제 2 실시예)

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 각형 밀폐식 배터리를 도시한 사시도이고, 도 6의 (A) 및 (B)는 도 5의 A-A', B-B'선을 따라 취한 배터리의 단면도이다.

제 1 실시예에서 언급된 구성요소와 동일한 참조번호를 갖는 도 5 및 도 6의 (A) 및 (B)의 구성요소는 이들 구성요소와 동일하다.

제 2 실시예에 설명된 배터리는 밀봉판(31)의 형태에서만 차이가 있는 점을 제외하고는 제 1 실시예에서 설명된 배터리와 동일한 구성을 갖는다. 종전과 같이 제 2 실시예의 밀봉판(31)은 밀봉판(31)의 외면에 단차부(312)를 가지며, 이 단차부(312)는 밀봉판(31)의 외면의 높이가 외주연에서 보다 밀봉판(31)의 내측을 향하여 더 낮아지는 곳의 경사면이다. 제 1 실시예에서 채널(311)은 밀봉판(31)의 가장자리 둘레에 형성되어 단차부(312)를 생성한다. 그러나 제 2 실시예에서 밀봉판(31)의 전체 중앙부(315)는 함몰되어 이 함몰된 중앙부(315)와 밀봉판(31) 가장자리 부근의 플랫폼(310) 사이의 경계를 단차부(312)가 표시한다.

밀봉판(31)을 제외하고, 제 2 실시예의 배터리는 제 1 실시예의 배터리와 동일한 제조방법에 따라 제조된다. 본 실시예의 밀봉판(31)은 평평한 알루미늄-망간 합금판으로 만들어진다. 중앙부(315)에 대응하는 거의 전체 판을 가로질러 함몰부가 생성되도록 이 판의 평면에 압력을 가한다. 밀봉판(31)의 외주연와 관통공(313)을 찍어내 개개의 밀봉판(31)을 생성한다.

보다 상세하게는 요홈(314)에 대응하는 함몰부를 만들기 위해서는 단조공정(주조)이 사용된다.

다음으로, 도 7의 (A)에 도시된 바와 같이 그 크기가 중앙부(315)에 대응하는 펀치(100)와 다이(101)를 중앙부(315)에 대응하는 위치에서 밀봉판(31)의 평면에 수직으로 이동시켜 중앙부(315)에 함몰부를 형성한다.

그 다음에 도 3의 (C)와 (D)에 설명된 바와 동일한 방식으로 밀봉판(31)을 가공한다. 그 후 펀치(80)와 다이(81)를 사용하여 도 7의 (B)에 도시된 바와 같이 합금판을 잘라내어 관통공(313)을 형성한다. 마지막으로 도 7의 (C)에 도시된 바와 같이 펀치(90)와 다이(91)를 사용하여 밀봉판(231)을 잘라내어 그 형상을 완성한다.

예시된 실시예에서는 도 7의 (A)에서 중앙부(315)를 형성한 후 도 7의 (C)에서 밀봉판(231)의 외주연을 찍어냈으나, 이들 공정을 역순으로 실행하여 밀봉판(231)을 제조할 수도 있다.

상술한 절차에 의하면 플랫폼(310)의 폭 T가 매우 작은 밀봉판(31)을 비교적 용이하게 제조할 수 있게 된다.

제 1 실시예에서 설명된 밀봉판(31)에 대하여 밀봉판(231)은 그 외주연에 형성된 단차부(312)를 구비한다. 이것은 레이저 용접중에 용융풀(60)로부터 밀봉판(31)의 중앙으로 열이 덜 방산된다는 것을 의미하고 저에너지의 레이저 빔이 사용되더라도 크랙이 억제될 수 있게 된다.

상술한 효과를 충분히 달성하기 위해 플랫폼(310)과 단차부(312)를 후술하는 바와 같이 형성되어야 한다. 제 1 실시예에서 처럼 밀봉판(231)의 외주연와 단차부(312) 사이의 거리 T는 레이저 용접 중에 발생하는 방열을 억제할 수 있도록 가능한한 작게 설정되어야만 한다. 동일한 이유로 단차부(312) 때문에 밀봉판(231)의 높이는 가능한한 높게 설정되어야 한다. 종전처럼 밀봉판의 두께를 약 0.8mm, 용접을 위해 사용하는 레이저빔의 스폿직경을 약 0.8mm로 설정하면, 거리 T는 약 0.4~0.45mm, 단차부(312)의 높이는 적어도 0.2mm(즉, 약 0.3mm)인 것이 적당하다.

제 1 실시예에서처럼 밀봉판(31)의 외주 가장자리로부터 단차부(312) 까지의 거리 T를 밀봉판(231)의 두께보다 작게함으로써 밀봉판(231)을 더 협소하게 만들어 그 폭이 6mm 이하인 슬림형의 각형 밀폐식 배터리를 용이하게 제조할 수 있게 된다.

(비교예 1)

도 8은 제 1 실시예로서 사용된 각형 밀폐식 배터리의 단면도를 나타낸다. 도 8에서, 도 1 및 도 2에 도시된 배터리의 구성요소와 동일한 구성요소에는 종전과 동일한 참조번호를 부여하였다.

이 비교예 1의 배터리는 구부린 외주연(132)을 갖는 밀폐식 밀봉판(131)을 사용한다. 이 구부린 외주연(132)은 외장 케이스(10)의 개구부의 가장자리(11)에 레이저 용접된다. 그러나 이 점은 별 문제로 하고 본 비교예 1의 배터리는 본 발명의 실시예로서 설명된 배터리와 동일하다.

밀봉판(131)의 비교예 외주연(132)은 드로잉 공정으로 형성할 수 있다.

(배터리의 폭에 대하여)

다음은 제 1 실시예, 제 2 실시예 및 비교예의 배터리의 폭을 비교한 것이다.

도 2의 (B), 도 6의 (B) 및 도 8에서 거리 L1은 음극단자(32)의 선단(320)의 가장자리부터 밀봉판의 가장자리까지 측정한 것이다.

비교예 1에서, 폭이 밀봉판(131)의 판 두께 W2와 같은 구부린 외주연(132)은 선단(320)의 측면에 존재한다. 이것은 거리 L1이 판두께 W2 보다 크게, 즉 부등식 L1＞W2로 설정될 필요가 있다는 것을 의미한다.

한편, 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 배터리는 거리 L1이 거리 T보다 크게 설정될 필요가 있으나, 거리 L1이 판두께 W2보다 크게 설정될 필요는 없다. 거리 T는 밀봉판(131)의 판두께 W2보다 상당히 작게 설정될 수 있기 때문에 비교예 1의 배터리에 비해 제 1 및 제 2 실시예의 배터리에서 거리 L1을 훨씬 작게 만들 수 있다.

예를들어, 밀봉판의 판두께 W2가 0.8mm이고, 거리 L1이 비교예의 배터리에서 보다 제 1 및 제 2 실시예의 배터리에서 0.4mm작게 만들어 질 수 있다.

이것은 제 1 및 제 2 실시예가 비교예 1의 배터리 보다 0.8mm 좁은 배터리용으로 사용될 수 있다는 것을 의미한다.

이러한 공정은 그 폭을 줄이기 위해 비교예 1의 구부린 외주연(132)을 찍어낼 수 있는 반면 제조공정이 복잡해진다고 믿어진다. 그러므로 제 1 및 제 2 실시예의 제조방법은 유익하다.

이러한 관점에 기초하여 비교예와 제 1 및 제 2 실시예에 대한 최소 배터리폭이 다음과 같이 추정된다.

상술한 모든 배터리의 실제 제조에는 폭 W3이 적어도 3.7mm 정도, 개구부의 가장자리에서 외장 케이스의 두께 W1이 적어도 0.4mm 정도, 밀봉판의 판두께가 적어도 0.8mm정도일 것이 요구된다.

비교예에서, 배터리의 최소 두께 L은 (3.7+0.4*2+0.8*2)=6.1mm 정도로 산정될 수 있다.

제 1 및 제 2 실시예에서, 거리 T는 0.4mm로 설정될 수 있으며, 이 경우에 배터리의 폭에 대한 최소값 L은 (3.7+0.4*2+0.4*2)=5.3mm 정도로 산정될 수 있다.

개구부의 가장자리에서 외장 케이스의 두께 W1과, 폭 W3 및 거리 T는 모두 약간 감축될 수 있으며, 이것은 배터리의 폭을 4.9mm 정도로 감축시킨다.

(실시예 1)

제 1 실시예에 기초하여 밀봉판으로서 0.8mm의 알루미늄 합금판을 이용하여 각형 밀폐식 배터리를 제조한다. 배터리의 크기는 높이 30mm, 길이 30mm, 폭 8mm로 설정된다. 밀봉판 외주연과 채널 사이의 거리 T는 0.4mm로 설정되며, 채널의 깊이는 0.3mm, 채널의 상단에서 채널의 폭은 0.4mm로 설정된다.

(비교예 2)

밀봉판을 포함하는 각형 밀폐식 배터리는 채널이 밀봉판에 형성되지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 제조된다.

실험으로부터 실시예 1은 비교예 1에 사용되는 레이저 에너지의 75%로 레이저 용접될 수 있다.

(실험 1 : 공기누설에 대한 시험)

실시예 1과 비교예 2에 대한 다수의 밀봉판을 준비한다. 이들 밀봉판을 속이 빈 외장 케이스에 부착시키고 레이저 용접을 이용하여 밀봉한다.

그 다음에, 내부압력을 4kg/cm²로 상승시키기 위해 밀봉판(31)의 관통공을 통해 공기를 주입한다. 그러면 용접부에서의 누설의 발생이 검사된다.

이 실험의 결과를 표 1에 나타냈다.

	실시예 1	비교예 1
누설되는 배터리의 비율	0.5~0.8%	3.5~4.8%

표 1로부터 실시예 1에서 비교예 2보다 누설이 훨씬 적게 일어나는 것을 알 수 있었다. 이것은 저에너지의 레이저 빔이 레이저 용접에 사용되는 경우에도 용접된 밀봉부의 크랙이 억제된다는 것을 보여준다. 이 효과는 제 1 실시예에서 설명한 바와 같이 밀봉판의 외면의 외주연 둘레의 형성에 기인한다.

(실험 2 : 충전특성의 조사)

실시예 1과 비교예 2의 배터리는 온도 70℃, 습도 90%에서 충전하였다. 10일이 지난 후와 20일이 지난 후의 질량변화를 측정하였다. 이 실험의 결과를 표2에 나타냈다.

		실시예 1	비교예 2
질량감소	10일 후	3~12mg	10~18mg
질량감소	20일 후	15~28mg	35~65mg

표 2로부터 실시예 1에서 비교예 2보다 질량감소가 적게 일어나는 것을 알 수 있다. 이것은 레이저 용접 중에 비교예 2에서는 많은 양의 열이 방산되어 음극단자의 개스킷이 탄성을 잃게되어 기밀성이 약화되었기 때문인 것으로 생각된다.

(기타 사항)

상술한 바와 같이, 본 발명은 밀폐식 배터리의 외장 케이스의 개구부에 레이저 용접된 밀봉판의 외면에 채널형 함몰부를 제공하기 위한 방법을 설명하고 있다. 이 함몰부는 밀봉판에 수직의 압력을 인가하고 압력이 인가되는 위치를 변경시킴으로써 형성된다. 이러한 방식으로 밀봉판의 외주연 둘레에 단차부를 형성시킴으로써 배터리를 밀봉하기 위해 저에너지의 레이저가 사용되더라도 용접된 밀봉부에 크랙이 형성되는 것을 억제할 수 있다. 따라서 밀폐식 배터리를 제조할 때 수율을 향상시킬 수 있을 뿐아니라 제조공정을 용이하게 할 수 있다.

밀봉판과 알루미늄으로 만든 외장 케이스로부터 배터리를 만들 때 쉽게 크랙이 발생하기 때문에 본 발명의 효과는 특히 중요하다. 이 실시예는 외장 케이스와 밀봉판이 알루미늄 합금으로부터 형성되는 경우를 설명하고 있으나 본 발명은 스테인레스 강판과 같은 다른 재료로 만들어진 배터리에도 적용할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에서 설명된 배터리와 같은 슬림형의 각형 밀폐식 배터리에서 특히 효과적이다. 그러나 본 발명은 원통형 밀폐식 배터리에도 적용할 수 있음은 명확하다.

마지막으로, 상술한 실시예는 본 발명이 리튬 2차배터리에 특히 효과적이기 때문에 리튬 2차배터리에 사용되는 경우를 설명하였다. 그러나 본 발명은 니켈수소배터리와 같은 다른 2차배터리 또는 1차 배터리에도 또한 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 구성에 의하면 배터리를 밀봉하기 위해 저에너지의 레이저가 사용되더라도 용접된 밀봉부에 크랙이 형성되는 것을 억제할 수 있게 되어 밀폐식 배터리를 제조할 때 수율을 향상시킬 수 있을 뿐아니라 제조공정이 용이해지는 효과를 얻을 수 있다.

비록 첨부도면을 참조한 실시예를 들어 본 발명을 충분히 설명하였으나 당업자라면 다양한 변경과 수정을 가할 수 있음이 명백하다. 따라서 이러한 변경과 수정이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 것이라면 이들은 본 발명에 포함되는 것으로 간주되어야 한다.

Claims

배터리를 밀봉하기 위해 배터리의 외장케이스의 개구부에 레이저 용접되는 밀봉판에 있어서,

상기 밀봉판은 밀봉판이 상기 외장 케이스에 용접될 때 외면이 되는 표면에 형성되는 단차부를 구비하고,

상기 단차부는 상기 외면의 둘레부 부근에 위치되며, 상기 외면을 상기 밀봉판의 중앙에 가까운 위치에서 보다 상기 둘레부에서 높게 만드는 것을 특징으로 하는 밀봉판.
제 1 항에 있어서,

상기 외면에는 채널이 형성되고 상기 단차부는 상기 채널의 측면에 있는 것을 특징으로 하는 밀봉판.
제 1 항에 있어서,

상기 외면은 상기 단차부의 내측에 위치된 중앙부가 상기 둘레부보다 낮은 것을 특징으로 하는 밀봉판.
제 1 항에 있어서,

상기 둘레부에서 상기 단차부까지의 거리는 상기 밀봉판을 형성하기 위해 사용되는 재료의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 밀봉판.
제 1 항에 있어서,

상기 단차부에 의해 발생되는 상기 외면의 높이의 차는 적어도 0.2mm이나 상기 밀봉판을 형성하기 위해 사용되는 재료의 두께보다는 작은 것을 특징으로 하는 밀봉판.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 밀봉판은 주성분이 알루미늄인 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 밀봉판.
밀폐식 배터리에 있어서,

개구부를 갖는 바닥이 밀폐된 통형상의 외장 케이스와,

상기 외장 케이스 내에 수용되는 전극의 세트와,

레이저 용접에 의해 상기 개구부에 부착되어 상기 밀폐식 배터리를 밀봉하는 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항 기재의 밀봉판을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 배터리.
제 7 항에 있어서,

상기 밀봉판의 중앙부에 구비되는 구멍을 통과하는 음극단자와,

상기 음극단자와 상기 밀봉판 사이에 구비되는 절연체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 배터리.
제 7 항에 있어서,

상기 밀폐식 배터리는 각형인 것을 특징으로 하는 밀폐식 배터리.
제 9 항에 있어서,

상기 밀폐식 배터리는 6mm의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 밀폐식 배터리.
개구부를 구비하며 주성분이 알루미늄인 합금으로 만든 바닥이 밀폐된 통형상의 외장 케이스와,

상기 외장 케이스 내에 수용되는 전극의 세트와,

레이저 용접에 의해 상기 개구부에 부착되어 상기 밀폐식 배터리를 밀봉하는 제 6 항 기재의 밀봉판을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 배터리.
배터리를 밀봉하기 위해 배터리의 외장 케이스의 개구부에 레이저 용접되는 밀봉판 제조방법에 있어서,

상기 밀봉판을 형성하기 위해 사용되는 판재료로부터 상기 밀봉판을 분리하는 분리단계와,

상기 밀봉판이 상기 배터리에 용접될 때 외면이 되는 표면에 밀봉판의 둘레부 부근에 단차부를 형성하는 단차부 형성단계를 포함하며, 상기 단차부는 외면을 상기 밀봉판의 중앙에 가까운 위치에서 보다 상기 둘레부에서 높게 만드는 것을 특징으로 하는 밀봉판 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 단차부 형성단계는 상기 분리단계 전후에 실행되는 것을 특징으로 하는 밀봉판 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 단차부 형성단계는 상기 판재료의 평면에 수직인 판재료를 압착하여 채널을 형성하며, 상기 단차부는 상기 채널의 일부인 특징으로 하는 밀봉판 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 단차부 형성단계는 상기 밀봉판의 중앙부에 대응하는 위치에서 상기 판재료의 평면에 수직이나 상기 밀봉판 외면의 외주연에는 수직이 아닌 판재료를 압착함으로써 상기 단차부를 형성하는 것을 특징으로 하는 밀봉판 제조방법.
제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단차부 형성단계는 단조공정을 이용하여 상기 단차부를 형성하는 것을 특징으로 하는 밀봉판 제조방법.
제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 판재료는 주성분이 알루미늄인 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 밀봉판 제조방법.
밀폐된 바닥과 개구부를 가지는 통형의 외장 케이스를 제조하는 외장 케이스 제조단계와,

상기 개구부를 밀봉하기 위해 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 따라 밀봉판을 제조하는 밀봉판 제조단계와,

상기 개구부를 통해 상기 외장 케이스에 발전소체를 삽입하는 삽입단계와,

상기 밀봉판을 상기 외장 케이스의 개구부의 테두리에 부착하는 부착단계와

상기 밀봉판과 상기 테두리를 레이저를 이용하여 용접하는 용접단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 배터리의 제조방법.
제 18 항에 있어서,

상기 밀봉판 제조단계에서 제조된 밀봉판의 중앙부에 구비된 구멍을 통해 전극단자를 통과시키고, 상기 전극단자와 상기 밀봉판 사이에 절연체를 삽입하여 전극단자를 부착하는 전극단자 부착단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 배터리의 제조방법.
밀폐된 바닥을 갖는 통형으로서 개구부를 구비하며 주성분이 알루미늄인 합금으로 된 외장 케이스를 제조하는 외장 케이스 제조단계와,

상기 개구부를 밀봉하기 위해 제 17 항에 기재된 제조방법에 따라 밀봉판을 제조하는 밀봉판 제조단계와,

상기 개구부를 통해 상기 외장 케이스에 발전소체를 삽입하는 삽입단계와,

상기 밀봉판을 상기 외장 케이스의 개구부의 테두리에 부착하는 부착단계와

상기 밀봉판과 상기 테두리를 레이저를 이용하여 용접하는 용접단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 배터리의 제조방법.