KR20120030935A - 전지 및 전지의 초음파 접합 방법 - Google Patents

전지 및 전지의 초음파 접합 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 용기와, 정극 및 부극을 포함하는 전극군과, 전극군의 정극 및 부극 중의 어느 하나로부터 연장되어 서로 포개진 다수의 집전 탭과, 집전 탭들 중 적어도 하나의 집전 탭에 초음파 접합에 의해 접합되는 리드와, 용기의 개구부를 막도록 구성된 뚜껑과, 뚜껑에 제공되며 리드를 통하여 적어도 하나의 집전 탭에 접속되는 외부 단자를 포함하고, 상기 리드는 적어도 하나의 집전 탭과의 초음파 접합부로부터 외부 단자로의 연장의 도중에 증가된 단면적을 가지는 전지를 제공한다.

Description

전지 및 전지의 초음파 접합 방법{BATTERY AND ULTRASONIC BONDING METHOD FOR BATTERY}
본 발명은, 이차 전지 등의 전지 및 전지의 초음파 접합 방법에 관한 것이고, 특히, 비수 전해질 이차 전지의 기술에 관한 것이다.
최근, 급속 충전 및 고출력 방전이 가능할 뿐만 아니라 사이클 성능이 우수한 비수 전해질 이차 전지가 개발되어 왔다. 그래서, 이러한 비수 전해질 이차 전지는 하이브리드 차량이나 전기 차량에 탑재되는 차량용 이차 전지 및 전력 평준화에 사용되는 전력 저장용 이차 전지로서 적합하다.
상술된 바와 같은 이차 전지는, 일본 특허 출원 공보 제2009-26490호에 설명된 바와 같이, 전극군과, 이러한 전극군에 스며든 전해액이 전지 용기에 수용된 구조를 가진다. 이러한 구조에서는, 띠형상의 정극과 부극을, 세퍼레이터를 개재하여 권회하여 편평한 형상으로 전극군을 형성한다.
또한, 이 전극군의 전후의 양단부에는, 정극의 집전체가 되는 금속박과 부극의 집전체가 되는 금속박이 권회에 의해 서로 포개져 돌출됨으로써, 도 1에 나타낸 바와 같이 집전 탭(2a, 2b)을 형성하고 있다. 집전 탭(2a, 2b)에는, 전류를 취출하는 외부 단자에 전기적으로 연통하는 리드(5)가 접속된다.
리드(5)는, 발전 소자의 전후의 단부의 각각에 돌출하는 집전 탭(2a, 2b)의 금속박과 리드(5)가 포개진 상태에서 초음파 접합에 의해 집전 탭(2a, 2b)에 접속된다. 그러나, 리드(5)와 집전 탭(2a, 2b)의 금속박을 직접 서로 초음파 접합하더라도, 얇은 금속 박이 붕괴되고, 리드(5)의 위치가 벗어나서 접속될 우려가 있다.
이를 위하여, 집전 탭(2a, 2b)의 금속박을 클립(clip) 형상의 판(4a, 4b)으로 끼워서, 클립 형상의 판(4a, 4b)과 리드(5)를 포개고, 그 상하로부터 초음파 접합을 수행하였다. 이 경우, 리드(5)로서는, 집전 탭(2a, 2b)과의 접속부로부터 외부 단자 혹은 외부 단자에 연통하는 부품까지의 면적에 걸쳐 균일한 단면적을 가지는 판 부재가 이용되어 왔다.
또한 리드(5)로서는, 초음파 접합을 쉽게 하기 위해서, 구형 단면의 판 부재가 이용된다. 전지의 급속 충전 성능 및 고출력 방전 성능을 향상시키기 위해서는, 전극군과 외부 단자의 사이 부분의 전기 저항을 감소시킬 필요가 있다. 전기 저항을 감소시키기 위해서는 리드(5)의 단면적을 증가시킬 필요가 있다.
제품의 제약 상, 리드(5)의 단면적을 전극군의 권회 축 방향, 즉, 폭 방향으로 확대하는 것이 곤란할 경우, 전극군의 권회 축 방향과 직교하는 방향, 즉, 두께 방향으로 단면적이 확대된다.
그렇지만, 리드(5)의 두께가 증가되면, 집전 탭(2a, 2b)과 리드(5)의 접속시에 인가되는 초음파 진동에 대한 강성이 증가된다. 따라서, 접합에 필요한 초음파 진동이 전달하기 어려워진다. 그 결과, 집전 탭(2a, 2b)의 금속박과 리드(5)가 충분히 접합되지 않아, 필요한 접합 강도의 확보가 곤란해진다.
대안으로서, 집전 탭(2a, 2b)의 금속박과 리드(5)를 접합하는 방법으로서, 전술한 초음파 접합 이외에, 레이저 용접이 알려져 있다. 레이저 용접은 레이저를 이용하여 집전 탭(2a, 2b)의 금속박과 리드(5)를 접합한다. 그러나, 레이저 접합부에서는, 레이저의 열에 의해 세퍼레이터가 손상될 우려가 있다. 이러한 이유로 레이저의 출력을 크게 할 수 없고, 따라서, 요구된 접합 강도를 확보할 수 없게 될 수 있다.
본 발명의 목적은, 초음파 접합을 채용하여, 리드의 전기 저항을 감소시키고 우수한 접합 강도를 확보할 수 있는 전지 및 전지의 초음파 접합 방법을 제공하는 것이다.
본 실시형태에 따른 전지는, 용기와, 용기 내에 수납되며 정극 및 부극을 포함하는 전극군과, 전극군의 정극 및 부극 중 어느 하나로부터 연장되어 서로 포개진 복수의 집전 탭(current collecting tab)과, 집전 탭들 중 적어도 하나의 집전 탭에 초음파 접합에 의해 접합되는 리드와, 용기의 개구부를 막도록 구성된 뚜껑과, 뚜껑에 제공되며 리드를 통하여 적어도 하나의 집전 탭에 접속되는 외부 단자를 포함한다. 또한, 상기 리드는 적어도 하나의 집전 탭과의 초음파 접합부로부터 외부 단자로의 리드의 연장의 도중에 증가되는 단면적을 가진다.
또한, 본 실시형태에 따른 전지의 초음파 접합 방법은, 정극과 부극을 포함하는 전극군의 정극 및 부극 중 어느 하나로부터 연장된 복수의 금속박을 포갬으로써 집전 탭을 형성하는 단계와, 집전 탭의 한쪽 면 측에 집전 탭과 외부 단자를 접속하도록 구성된 리드를 배치하는 단계 - 상기 리드는 집전 탭의 금속박과의 초음파 접합부로부터 외부 단자로의 리드의 연장의 도중에 증가되는 단면적을 가짐 - 와, 집전 탭의 다른 쪽 면측에 스테이지(stage)를 배치하는 단계와, 초음파 진동부를 이용하여, 리드, 집전 탭의 금속박, 및 스테이지에 하중을 가하여 초음파 진동시킴으로써 리드와 집전 탭의 금속박을 초음파 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의해, 초음파 접합을 이용하여, 리드의 저전기 저항화와 초음파 접합 강도의 확보를 양립할 수 있는 전지 및 전지의 초음파 접합 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 전지의 구성을 도시하는, 정극 집전 탭 부근의 사시도.
도 2는 제1 실시예에 따른 전지의 구성을 도시하는 사시도.
도 3은 제1 실시예에 따른 전지의 정극 리드와 정극 집전 탭과의 접속부 부근의 사시도.
도 4는 제1 실시예에 따른 전지의 리드 첨단부, 뚜껑 및 외부 단자 주변 부분의 단면도.
도 5는 리드와 집전 탭과의 초음파 접합을 어떻게 행하는지를 도시하는 단면도.
도 6은 제2 실시예에 따른 전지의 단면적을 점증시킨 정극 리드와 정극 집전 탭과의 접속부 부근의 사시도.
도 7은 제3 실시예에 따른 전지의 단면적의 변화부에 곡면을 가지는 정극 리드와 정극 집전 탭과의 접속부 부근의 사시도.
이하, 본 발명의 실시형태들의 전지 및 전지의 초음파 접합 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
(제1 실시예)
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지의 구성을 도시하는 사시도이다. 도 3은 제1 실시예에 따른 전지 정극 리드와 정극 집전 탭과의 접속부 부근의 사시도이다. 도 2에 도시된 전지는, 비수 전해질을 이용하는 전지이며, 용기(12), 다수의 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b)), 리드(5a 내지 5c(6a 내지 6c)), 덮개(11) 및 외부 단자(9(10))를 포함한다. 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b))은 정극 및 부극을 포함하는 전극군(1)의 정극 또는 부극으로부터 각각 연장되어 서로 포개진다. 리드(5a 내지 5c(6a 내지 6c))는 초음파접합에 의해 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b))의 적어도 한쪽에 각각 접합된다. 뚜껑(11)은 용기(12)의 개구부를 막도록 구성된다. 외부 단자(9(10))는 뚜껑(11)에 제공되어, 대응 리드(5a 내지 5c(6a 내지 6c))를 통하여 대응 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b))에 접속된다.
각각의 리드(5a 내지 5c(6a 내지 6c))는, 대응 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b))과의 초음파 접합부로부터 대응 외부 단자(9 (10))로의 연장의 도중에 단면적이 증가한다.
용기(12)는 알루미늄 혹은 알루미늄 합금과 같은 금속판을 몰딩함으로써 형성된다. 전극군(1)은, 예를 들면 시트 형상의 정극과, 시트 형상의 부극을, 도시되지 않은 세퍼레이터를 사이에 개재하여 나선형으로 권회한 뒤, 용기(12)에 수납할 수 있는 편평한 형상으로 형성함으로써 제작된다.
정극은 정극 활물질을 알루미늄박 혹은 알루미늄 합금박으로 이루어진 집전체에 도포함으로써 제작된다. 도시되지 않은 비수 전해액은 용기(12) 내에 수용되어, 전극에 함침된다. 정극 집전 탭(2a, 2b)은 정극의 집전체를 부분적으로 연장시킴으로써 형성된다.
한편, 부극 집전 탭(3a, 3b)은 부극의 집전체를 부분적으로 연장시킴으로써 형성된다. 정극 리드(5a 내지 5c) 및 부극 리드(6a 내지 6c)는 각각의 전극의 집전 탭의 금속박에 포개져, 정극 접속부(7) 및 부극 접속부(8)에 초음파 접합에 의해 각각 접속된다.
접속시에 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b))의 얇은 금속박이 붕괴되거나, 포개진 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b))의 위치가 벗어나는 것을 방지하기 위해서, 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b))의 금속박을 클립 형상의 판(4a, 4b)으로 끼워서 대응 리드(5a 내지 5c(6a 내지 6c)와 포갠 후에, 그 상하에서 초음파 용접을 행한다.
도 4는 제1 실시예에 따른 전지의 리드 첨단부(50), 뚜껑(11) 및 외부 단자(9) 주위의 부분 단면도이다. 리드(5a)의 리드 첨단부(50)는 외부 단자(9)에 전기적으로 접속되어 있다. 리드 첨단부(50)와 뚜껑(11)과의 사이에는 플라스틱(13)이 배치되며, 외부 단자(9)와 뚜껑(11)과의 사이에는 플라스틱(14)이 배치되어, 외부 단자(9)와 뚜껑(11)이 서로 전기적으로 절연되어 있다. 또한, 리드 첨단부(50)와 뚜껑(11)과 외부단자(10) 주위의 부분도 동일한 방식으로 형성되어 있다는 것에 주목해야 한다.
리드(5a 내지 5c)는 정극 집전 탭(2a, 2b)과 정극 외부 단자(9)를 전기적으로 접속한다. 리드(6a 내지 6c)는 부극 집전 탭(3a, 3b)과 부극 외부 단자(10)를 전기적으로 접속한다. 각각의 리드는 두꺼운 리드(5a (6a))와, 리드의 단면적이 계단 모양으로 변화되는 계단부(5b (6b))와, 얇은 리드(5c (6c))를 포함한다. 얇은 리드(5c (6c))에는, 집전 탭(2a, 2b)과의 초음파 접합부(정극 접속부(7) 및 부극 접속부(8))가 형성되어 있다.
따라서, 초음파 접합부가 형성된 리드(5c (6c))의 두께를 얇게 함으로써 리드(5c (6c))와 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b))과의 접합에 필요한 초음파 진동을 전달하기 쉬워진다.
또한, 초음파 접합부의 부근의 리드(5c (6c))의 두께를 얇게 하고, 초음파 접합부로부터 외부 단자(9(10))로의 연장의 도중에 두께를 증대시킨 리드(5a (6a))로 변형(transitioned)시킨다. 이러한 구성으로써 집전 탭(2a, 2b(3a, 3b))으로부터 외부 단자(9(10))로 전류를 전달하도록 구성된 경로의 단면적의 감소에 의한 전기 저항의 상승을 최소한으로 할 수 있다. 이에 관하여, 단면적이 증가하는 부분이 초음파 접합부에 가까울수록, 전기 저항의 상승을 억제할 수 있다.
도 5는 리드(5)와 집전 탭(2a, 2b)과의 초음파 접합을 어떻게 실행하는지를 도시하는 단면도이다. 도 5를 이용하여 전지의 초음파 접합 방법을 설명한다. 여기에서는, 집전 탭(2a)과 리드(5c)와의 초음파 접합에 관하여 설명한다.
집전 탭(2b)과 리드(5c)와의 초음파 접합은 초음파 진동부(15)를 집전 탭(2b) 측에 이동시켜 배치하고, 집전 탭(2a)과 리드(5c)와의 초음파 접합과 동일한 방식으로 수행된다는 것에 주목해야 한다.
우선, 정극과 부극을 포함하는 전극군의 정극 또는 부극으로부터 복수의 금속박이 연장되어 서로 포개진 집전 탭(2a)을 형성한다. 그리고, 집전 탭(2a)의 금속박에 클립 형상의 판(4a)을 끼운다.
다음으로, 집전 탭(2a)의 한쪽 면 측에, 집전 탭(2a)과 외부 단자(9)를 접속하도록 구성된 얇은 리드(5c)를 배치한다. 또한, 집전 탭(2a)의 다른 쪽 면측에 스테이지(16)를 배치한다. 이어서, 초음파 진동부(15)에 의해 리드(5c)와, 집전 탭(2a)의 금속박과, 클립 형상의 판(4a)과, 스테이지(16)에 하중을 가하여 초음파 진동시킨다. 그 결과, 리드(5c)와, 클립 형상의 판(4)과, 집전 탭(2a)의 금속박이 초음파 접합된다.
상술된 바와 같은 초음파 용접을 채용하면, 집전 탭(2a)의 얇은 금속박을 적층하여 일괄하여 용접할 수 있다. 또한, 큰 하중을 가할 필요가 있지만, 큰 하중은 스테이지(16)에 의해 수용될 수 있다. 또한, 초음파 용접을 이용하므로, 레이저 용접과 같은 열에 의한 손상이 없어진다.
(제2 실시예)
도 6은 제2 실시예에 따른 전지의 단면적을 점증시킨 정극 리드(5a, 5c, 5d)와, 정극 집전 탭(2a, 2b)과의 접속부 부근의 사시도이다. 도 6에 도시된 제2 실시예에서, 리드는 두꺼운 리드(5a)와, 얇은 리드(5c)와, 리드(5c)로부터 리드(5a)로 단면적이 서서히 증가하는 데이퍼부(tapered portion; 5d)를 포함한다.
상술된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 전지에서도, 테이퍼부(5d)에 의해 리드(5c)로부터 리드(5a)로 단면적이 서서히 증가하므로, 제1 실시예에 따른 전지의 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
(제3 실시예)
도 7은 제3 실시예에 따른 전지의 단면적의 변화부에 곡면을 가지는 정극 리드와 정극 집전 탭과의 접속부 부근의 사시도이다. 도 7에 도시된 제3 실시예에서 리드는 두꺼운 리드(5a)와, 얇은 리드(5c)와, 리드(5c)로부터 리드(5a)로 단면적이 증가하는 곡면부(5e)를 포함한다.
상술된 바와 같은 제3 실시예에 따른 전지에서도, 곡면부(5e)에 의해 리드(5c)로부터 리드(5a)로 단면적이 증가하므로, 제1 실시예에 따른 전지의 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상술된 바와 같이, 제1 내지 제3 실시예에 따른 전지에 의하면, 집전 탭과 리드와의 초음파 접합을 단면적이 작은 부분에서 행할 수 있어, 초음파 접합부에 필요한 초음파 진동을 전달하기 쉬워진다. 또한, 초음파 접합부로부터 외부 단자로의 영역에 리드의 단면적을 증대시킬 수 있기 때문에, 전기 저항의 증가를 억제할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일부 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는 예로서 제시된 것일 뿐, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하지 않는다. 이들 신규한 실시형태는 다른 여러 형태로 구현될 수 있으며, 발명의 요지를 벗어남 없이 다양한 생략, 대체, 변경이 행하여질 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위 및 요지에 포함되며, 또한, 청구 범위 및 이의 등가물에 기재된 발명의 범위에 포함된다.

Claims (5)

  1. 전지로서,
    용기와,
    상기 용기 내에 수납되며, 정극 및 부극을 포함하는 전극군과,
    상기 전극군의 상기 정극 및 상기 부극 중 어느 하나로부터 연장되어, 서로 포개진 복수의 집전 탭(current collecting tab)과,
    상기 집전 탭들 중 적어도 하나의 집전 탭에 초음파 접합에 의해 접합되는 리드와,
    상기 용기의 개구부를 막도록 구성된 뚜껑과,
    상기 뚜껑에 제공되며, 상기 리드를 통하여 상기 적어도 하나의 집전 탭에 접속되는 외부 단자를 포함하고,
    상기 리드는 상기 적어도 하나의 집전 탭과의 초음파 접합부로부터 상기 외부 단자로의 리드의 연장의 도중에 증가되는 단면적을 가지는, 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리드는 상기 초음파 접합부로부터 상기 외부 단자로의 연장의 도중에 단면적이 계단 모양으로 증가하는 계단부를 갖는, 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리드는 상기 초음파 접합부로부터 상기 외부 단자로의 연장의 도중에 단면적이 서서히 증가하는 테이퍼부(tapered portion)를 갖는, 전지.
  4. 전지의 초음파 접합 방법으로서,
    정극과 부극을 포함하는 전극군의 상기 정극 및 상기 부극 중 어느 하나로부터 연장된 복수의 금속박을 포갬으로써 집전 탭을 형성하는 단계와,
    상기 집전 탭의 한쪽 면 측에, 상기 집전 탭과 외부 단자를 접속하도록 구성된 리드를 배치하는 단계 - 상기 리드는 상기 집전 탭의 금속박과의 초음파 접합부로부터 외부 단자로의 상기 리드의 연장의 도중에 증가되는 단면적을 가짐 - 와,
    상기 집전 탭의 다른 쪽 면측에 스테이지(stage)를 배치하는 단계와,
    초음파 진동부를 이용하여, 상기 리드, 상기 집전 탭의 금속박, 및 상기 스테이지에 하중을 가하여 초음파 진동시킴으로써 상기 리드와 상기 집전 탭의 금속박을 초음파 접합하는 단계를 포함하는, 전지의 초음파 접합 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 집전 탭의 금속박을 클립 형상의 판을 이용하여 끼우는 단계를 더 포함하며,
    상기 초음파 접합 단계에서는, 초음파 진동부를 이용하여 상기 리드, 상기 집전 탭의 금속박, 상기 스테이지, 및 상기 클립 형상의 판에 하중을 가하여 초음파 진동시킴으로써 상기 리드와, 상기 클립 형상의 판과, 상기 집전 탭의 금속박을 초음파 접합하는, 전지의 초음파 접합 방법.


















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