KR20050015922A - 개선된 전극탭 병렬결합구조를 갖는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 병렬 연결되는 이차전지의 전극탭을 연결하는 결합구조에 관한 것으로, 제1전지에서 인출되는 제1전극탭; 제2전지에서 인출되며, 제1전극탭보다 상부로 더 돌출되는 돌출면과 제1전극탭과 밀착결합되는 하부면을 갖는 제2전극탭; 및 외부회로에서 연장되며, 제2전극탭의 돌출면의 양측면과 밀착결합되는 연결탭을 포함하여 구성된다.

Description

개선된 전극탭 병렬결합구조를 갖는 이차전지{Advanced Parallel-Tap Combining Structure in Secondary Battery}

본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 파우치형 이차전지용량을 증가시키기 위하여 2개 이상의 파우치형 이차전지를 병렬로 연결하여 외부 회로에 결합시키는 탭의 결합구조 및 그 결합방법에 관한 것이다.

통상적으로 전지는 원통형, 각형, 파우치 형태의 케이스 내에 전극립체 및 전해질을 수용하여 제작된다. 전극조립체는 음극판, 양극판 및 세퍼레이터로 이루어지는데, 이들은 젤리롤(jelly roll)로 말려지거나 소정의 크기로 절단되어 적층된다. 보통 젤리롤 형태의 전극조립체는 원통형이나 각형의 케이스에 적용되고, 적층된 전극조립체는 파우치 형태의 케이스에 적용되지만, 젤리롤 형태의 전극조립체를 납작한 형태로 변형하여 파우치 형태의 케이스에 적용할 수도 있다.

일반적으로 파우치형 이차전지는 알루미늄 재료를 이용하여 직육면체인 파우치를 형성하고, 파우치에 구비된 전극조립체의 수용공간 내에 전극조립체를 수용하여 덮개로 밀폐시켜 구성된다.

도 1a는 종래의 파우치 전지의 병렬연결구조를 보여주는 사시도이다. 제1 및 제2파우치 전지의 구조는 동일하므로, 제1파우치 전지를 중심으로 설명한다. 제1파우치전지(11)는 원통형상의 것이 중심방향으로 압력이 가해져 납작한 형상으로 변형되어 있다. 세퍼레이터에서 제1파우치전지(11)의 상하 또는 상부에만 연장되는 확장부는 서로 접합되어 접합부(12)를 형성한다. 세퍼레이터의 확장부 접합은 열압착이나 접착제를 이용한다.

제1파우치전지(11)의 상부에는 내부의 양극판 및 음극판과 연결되는 전극탭(13,13')이 인출되어 있고, 전극탭(13, 13')은 바로 외부회로에 연결되거나 리드에 의하여 연장되어 외부회로에 연결된다. 도1a에는 극판에서 연장되는 전극탭(13, 13')과 외부회로인 보호회로(PCM)(15)의 연결은 보호회로(15)에서 연장되는 연결탭(14,14')에 의하여 결합된다. 연결탭(14,14')은 보호회로(15)에서 연장되어 절곡되는 절곡부가 형성되어 있으면, 절곡부는 평면상으로 벌어진 이중판 구조를 하고 있습니다. 전극탭(13,13')은 연결탭(14,14')의 이중판 사이에 삽입되어 용접된다.

제2파우치전지(21)도 동일한 구조로서, 접합부(22), 전극탭(23,23') 등이 형성되어 있다.

제1 및 제2파우치 전지가 병렬 연결될 때에는, 제1파우치전지의 양극전극탭(13)과 제2파우치전지의 양극전극탭(23)이 결합되고, 제1파우치전지의 음극전극탭(13')과 제2파우치전지의 음극전극탭(23')이 결합되어, 각각 양극 연결탭(14) 및 음극 연결탭(14')에 용접된다.

도1b는 병렬연결된 파우치 전지의 양극 전극탭과 보호회로의 양극 연결탭의 결합구조를 보여주는 단면도이다. 도1b에 도시된 바와같이, 2개의 파우치 전지가 병렬로 결합된 구조의 결합파우치전지는 각각 상부로 돌출된 제1파우치전지의 전극탭(13)과 제2파우치전지의 양극전극탭(23)이 서로 결합되고, 결합된 양극전극탭은 양극 연결탭(14)의 벌어진 홈에 삽입되어 결합된다. 보통, 양극 전극탭(13, 23)는 알루미늄이고, 양극 연결탭(14)은 니켈이다. 알루미늄을 용접에 의하여 서로 결합시킬 때, 저항용접에 약한 성질을 가지고 있어서, 알루미늄의 용접에는 보통 초음파 용접이 사용된다. 니켈 재질의 연결탭(14)과 알루미늄 재질의 전극탭(13 또는 23)의 결합은 작업이 용이성 및 원가절감 등의 이유로 저항용접이 사용된다.

한편, 도1b에서 알 수 있듯이, 양극의 전극탭(13,23)과 연결탭(14)의 결합구조를 보면, 먼저 병렬결합되는 파우치전지의 알루미늄 전극탭(13,23)을 동일한 높이로 초음파용접하여 결합하고, 다음에 제1파우치전지의 알루미늄 전극탭(13)와 제2파우치전지의 알루미늄 전극탭(23)의 측면에서 각각 저항용접으로 연결탭(14)과 결합된다.

그런데, 이러한 전극탭(13,23)과 연결탭(14)의 4층결합구조는 미용접 불량의 발생빈도가 높아서 용접강도에 문제가 발생하고 있다.

본 발명을 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 전극탭과 연결탭의 결합강도를 강화하고, 초음파 또는 저항 용접에서 발생하는 용접불량의 감소시키는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하나의 알루미늄 전극탭이 상부로 돌출되도록 전극탭을 초음파용접하고, 결합된 전극탭의 돌출된 하나의 전극탭을 대상으로 연결탭을 저항용접한 결합구조 및 결합방법을 제공한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도2a는 본 발명에 따른 파우치 전지의 병렬연결구조를 보여주는 사시도이다. 도2a에 도시된 바와같이, 제1 및 제2파우치 전지가 병렬 연결될 때 제1파우치전지의 양극전극탭(13)(이하, 제1양극탭)과 제2파우치전지의 양극전극탭(23)(이하, 제2양극탭)이 결합되고, 제1 파우치전지의 음극전극탭(13')과 제2파우치전지의 음극전극탭(23')이 결합되어, 각각 양극 연결탭(14) 및 음극 연결탭(14')에 용접된다. 이때, 제1 양극탭(13)은 돌출되고, 제2 양극탭(23)은 제1 양극탭(13)의 일측면 하부에 결합된다. 그리고, 제1 양극탭(13)의 상부는 연결탭(14)가 양측면에 결합된다. 이하, 도2b를 참조하여 양극탭의 결합구조를 상세히 설명한다.

도2b는 본 발명에 따른 병렬 파우치전지의 양극 전극탭과 연결탭의 결합구조의 단면도이다.

먼저, 제1 양극전극탭(13)과 제2 양극전극탭(23)의 연결구조 및 방법을 보면 다음과 같다. 제1 양극탭(13)와 제2 양극탭(23)은 모두 알루미늄으로 구성되고, 양 전극탭(13,23) 중 하나는 상부로 돌출되도록 결합된다. 도2b에서는 제1 양극탭(13)의 하부의 일측면에 제2 양극탭(23)이 결합되어 있다. 제1 양극탭(13)과 제2 양극탭(23)이 결합되는 부위는 초음파 용접에 의하여 용착된다.

초음파용접은 20KHz 정도의 초음파에 의해 발생된 고주파 진동에너지에 의하여 가압된 피용접물 사이에 존재하는 이물질(오염물, 산화물)등이 제거되고 피용접물 사이 틈새가 원자간 거리로 좁혀지면서 용접이 이루어진다. 열이 가해지지 않는다고 해서 냉간 용접으로 분류되며, 이러한 특징은 접합에 따른 열손상이 방지된다. 따라서, 비용이나 공정에 있어서 불리한 점이 있으나, 저항용접에 약한 특성을 갖는 알루미늄에 있어서는 적절한 용접방법이다. 초음파용접에서 주요 변수는 초음파에너지, 용접시간, 가압력 등이며, 이들 변수를 적절히 조절하여 양 전극탭(13,23)를 용접한다.

제1 양극탭(13) 중에서 제2 양극탭(23)과 결합하지 않은 면은 나중에 외부회로의 연결탭(14)과 결합된다. 제1 양극탭(13)의 돌출면의 재질은 알루미늄이고, 외부회로에 연결되는 연결탭(14)의 재질은 니켈이다. 돌출된 제1 양극탭(13)의 양측면에 평행하게 연결탭(14)이 결합되며, 이때 결합방법은 저항용접이다.

저항용접은 용접모재에 큰 전류를 흘려서 접합부의 접촉저항에 의한 발열로 용접모재를 가열하여 용융상태로 만들고 기계적 압력을 가해서 용접하는 방법으로서, 그 종류는 맞대기 용접, 점용접, 심용접 등이 있다. 맞대기 용접은 금속봉, 관 등을 맞대어 용접할 때 사용하며, 끝면을 맞대고 전류를 보내면 접합부가 빨갛게 가열되는 데, 이때 압력을 가해서 접합한다. 점용접은 용접모재를 겹쳐놓고, 이것을 위아래에서 구리합금으로 되어 있는 봉 모양의 전극으로 집어 압력을 가하면서 강한 전류를 통하게 한다. 전극과 용접모재와의 접촉부가 가열되어 온도가 올라갔을 때, 다시 압력을 가해 점 모양으로 용접한다. 심용접은 용접모재를 겹쳐놓고, 이것을 구리합금의 롤러 모양으로 된 전극으로 접고 압력을 가하면서 전극을 돌리고, 접합부를 이동하면서 용접한다. 본 발명의 돌출된 제1 양극탭(13)과 연결탭(14)의 결합은 점용접식 저항용접을 사용하는 것이 바람직하다.

그러나, 저항용접을 사용하는 것은 비용 및 공정의 용이성을 위한 것이며, 초음파 용접을 사용하여도 무방하다.

도2b에는 돌출되는 제1 양극탭(13)의 양측면에 결합되는 연결탭(14)이 평행하게 도시되어 있으나, 결합의 용이나 결합강도 등을 고려하여 접합면을 다르게 할 수 있다.

또한, 전극탭(13,23) 사이의 결합면 넓이와 전극탭(13)과 연결탭(14) 사이의 결합면 넓이는 이종 또는 동종 금속간의 결합강도나 각 결합면의 필요한 결합강도 등을 고려하여 적절히 선택한다.

도3은 전극탭과 연결탭의 결합방법을 도시하는 플로우챠트이다.

먼저, 병렬로 연결하고자 하는 파우치 전지를 양극 전극탭과 음극 전극탭이 나란히 정렬되도록 한다(S31). 알루미늄으로 되어 있는 정렬된 양극 전극탭은 하나의 양극 전극탭이 상부로 돌출되도록 밀착시킨다(S32). 이때, 돌출부는 나중에 연결탭이 결합될 수 있는 정도의 충분한 면이 되도록 한다. 정렬 밀착된 양극 전극탭은 초음파 용접에 의하여 결합면이 용착된다(S33). 알루미늄 재질의 돌출된 전극탭과 니켈 재질의 연결탭은 결합을 위하여 정렬되며, 밀착된다(S34). 여기서, 전극탭과 연결탭은 평행하게 정렬밀착되지만, 결합용이성 또는 결합강도 등을 고려하여 전극탭의 양측면에 밀착되는 연결탭의 위치를 달리할 수 있다. 밀착된 알루미늄 전극탭과 니켈 연결탭은 저항용접에 의하여 용착되어 결합된다(S35).

이상의 결합구조 및 방법에 의하여 양극 전극탭 및 연결탭을 결합하면, 전극탭과 연결탭의 결합강도가 강화되고, 용접공정에서 발생하는 용접불량을 크게 감소시킬 수 있으며, 공정을 용이하게 하여 생산성을 증대시킬 수 있다.

도1a는 종래의 파우치 전지의 병렬연결구조를 보여주는 사시도,

도1b는 병렬연결된 파우치 전지의 양극 전극탭과 보호회로의 양극 연결탭의 결합구조를 보여주는 단면도,

도2a는 본 발명에 따른 파우치 전지의 병렬연결구조를 보여주는 사시도,

도2b는 본 발명에 따른 병렬 파우치전지의 양극전극탭과 양극연결탭의 결합구조의 단면도, 그리고

도3은 전극탭과 연결탭의 결합방법을 도시하는 플로우챠트이다.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

11, 21: 제1 및 제2 파우치전지 12, 22: 접합부

13, 23: 제1 및 제2 양극전극탭 13', 23': 제1 및 제2 음극전극탭

14: 양극연결탭 14': 음극연결탭

15: 외부회로(보호회로)

Claims (8)

1. 병렬 연결되는 다수의 이차전지에 있어서,

   제1전지에서 인출되는 제1전극탭;

   제2전지에서 인출되며, 상기 제1전극탭보다 상부로 더 돌출되는 돌출면과 상기 제1전극탭과 밀착결합되는 하부면을 갖는 제2전극탭; 및

   외부회로에서 연장되며, 상기 제2전극탭의 돌출면의 양측면과 밀착결합되는 연결탭을 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 전극탭 병렬결합구조를 갖는 이차전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1전극탭 및 제2전극탭은 알루미늄이고, 상기 제1전극탭 및 제2전극탭은 초음파 용접에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 개선된 전극탭 병렬결합구조를 갖는 이차전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 연결탭은 니켈이고, 상기 제2전극탭의 돌출면과 상기 연결탭은 저항용접에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 개선된 전극탭 병렬결합구조를 갖는 이차전지.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전극탭은 양극을 이루는 것을 특징으로 하는 개선된 전극탭 병렬결합구조를 갖는 이차전지.
5. 제4항에 있어서, 상기 전극탭 병렬결합구조는

   파우치 전지에 이용되는 것을 특징으로 하는 개선된 전극탭 병렬결합구조를 갖는 이차전지.
6. 병렬연결하고자 하는 이차전지의 양극전극탭과 음극전극탭을 정렬하는 단계;

   일측 이차전지의 제1전극탭을 타측 이차전지의 제2전극탭의 상부로 돌출되는 상부돌출면이 형성되도록 상기 제1 및 제2 전극탭을 밀착시키는 단계;

   상기 제1 및 제2 전극탭의 밀착면을 결합시키는 단계;

   상기 제1전극탭의 상부돌출면과 외부회로에서 연장되는 연결탭을 정렬밀착시키는 단계; 및

   상기 제1전극탭의 상부돌출면과 상기 연결탭을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극탭 결합방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전극탭은 알루미늄이고, 상기 제1 및 제2 전극탭의 결합은 초음파 용접에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극탭 결합방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 연결탭은 니켈이고, 상기 제1전극탭의 상부돌출면과 상기 연결탭은 저항용접에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극탭 결합방법.