KR20120140093A - 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 둘 이상의 배터리 셀과, 각각의 상기 배터리 셀로부터 연장되어 각각의 상기 배터리 셀들이 전기적으로 연결되도록 서로 접합되는 전극 탭을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 전극 탭은 상기 배터리 셀에 평행한 방향으로 형성되고, 상부에 접합되는 부분을 포함하는 접합부 및 상기 접합부와 배터리 셀을 연결하도록 연장되는 연장부를 포함하여 이루어지며, 상기 접합부는 마찰교반접합에 의하여 접합되는 것을 특징으로 한다.

Description

마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리모듈{Battery having Tab and Sensing Connecter Structure by Friction Stir Welding}

본 발명은 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 전극 탭 또는 전극 탭과 전압센싱커넥터가 접합되는 접합부를 마찰교반접합으로 접합하여 접합부의 변형이 일어나지 않는 배터리 모듈에 관한 것이다.

전지는 크게 1차 전지와 2차 전지로 구분될 수 있는데, 1차 전지란 비가역적인 반응을 이용하여 전기를 생산하므로 한 번 사용된 후에는 재사용이 불가능한 전지로서 일반적으로 많이 사용하는 건전지, 수은 전지, 볼타 전지 등이 이에 속하며, 2차 전지는 이와는 달리 가역적인 반응을 이용하므로 사용 후 충전하여 재사용이 가능한 전지로서 납 축전지, 리튬 이온 전지, 니카드(Ni-Cd) 전지 등이 이에 속한다.

도 1은 2차 전지 중 하나인 일반적인 리튬 이온 전지의 구조를 개념적으로 도시한 것이다. 리튬 이온 전지와 리튬 이온 폴리머 전지는 전해질의 성상(액체/고체)만 다를 뿐 그 구조는 동일하다.

또한, 전지에 따라 전해질이나 극의 재질이 도 1에 기재된 재질과는 조금씩 다를 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 리튬 이온 전지는 일반적으로 탄소로 이루어지는 음극(1) 및 일반적으로 리튬 화합물로 이루어지는 양극(2), 두 극(1, 2) 사이에 위치하는 전해질(3), 그리고 음극(1) 및 양극(2)을 연결하는 전선(4)을 포함하여 구성된다. 전해질(3) 내의 리튬 이온은 충전(charge) 시에는 음극(1) 쪽으로, 방전(discharge) 시에는 양극(2) 쪽으로 이동하며, 각 극에서 잉여의 전자를 방출하거나 또는 흡수하면서 화학 반응을 일으키게 된다. 이러한 과정에서 상기 전선(4)에 전자가 흐르게 되며, 이에 따라 전기 에너지가 발생하게 된다. 여기에서 리튬 이온 전지를 사용하여 설명하였으나, 다른 2차 전지의 경우도 전극 또는 전해질로 사용되는 물질이 달라질 뿐 기본 원리 및 구조는 이와 동일하다. 즉, 일반적으로 2차 전지는 상술한 바와 같이 음극(1), 양극(2), 전해질(3) 및 전선(4)을 포함하여 이루어지는 것이다.

이 때, 2차 전지는 음극(1), 양극(2), 전해질(3) 및 전선(4)이 각각 단일 개 구비되어 형성될 수도 있지만, 보다 일반적으로는 단일 개의 음극(1), 양극(2), 전해질(3) 및 전선(4)으로 이루어지는 단위 셀(10)이 다수 개 연결되어 이루어진다. 즉, 2차 전지 팩의 내부에는 상기 설명한 바와 같은 단위 셀(10)이 다수 개 들어 있게 된다. 물론 각 단위 셀(10)은 전기적으로 서로 연결된다.

일반적으로 2차 전지는 그 내부에 다수 개의 단위 셀을 포함하고 있으며, 또한 일반적으로 각 셀의 전극들과 연결된 한 쌍의 외부 단자 탭(즉 각 단위 셀의 음극들이 연결된 하나의 음극, 각 셀의 양극들이 연결된 하나의 양극으로서, 전지 하나당 한 쌍이 구비되어 전극으로서 기능하는 탭)이 외부로 노출되어 있는 형태로 구성된다. 이와 같은 2차 전지들은 일반적으로 단일 개 사용되기보다는 다수 개가 연결되어 하나의 팩으로서의 배터리를 형성하게 된다. 이러한 팩 형태의 배터리에서 각각의 전지들을 (전지를 구성하는 단위 셀과 구별하여) 셀이라 칭하며, 물론 각 셀의 탭들은 전기적으로 연결되게 된다.

상술한 바와 같이, 다수 개의 셀들이 연결되어 하나의 시스템으로서 이루어지는 배터리를 구성하게 된다. 이 때, 다수 개의 셀들의 전극 탭을 연결하기 위해서 레이저 용접 또는 SPOT 저항 용접을 이용하여 연결하였다.

그런데, 레이저 용접과 SPOT 저항 용접을 이용한 연결 방식의 경우 고전류를 이용하여 단시간에 용접이 필요하게 되어 설비 단가가 상승하게 되고, 산화피막과 전극과의 반응에 의한 잦은 드레싱으로 전극수명이 저하되며, 응용과정에서 기공이 발생하고, 과도하나 수축력에 의한 응고 결함이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배터리의 전극 탭 또는 전극 탭과 전압센싱 커넥터 접합부에 온도 상승으로 인해 발생되는 강도 저하, 크랙, 및 잔류응력으로 인한 접합부의 기계적 특성을 저항시키는 것을 방지하고, 전극의 수명이 저하되는 것을 방지하며, 접합부의 변형을 방지할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 둘 이상의 배터리 셀(110)과, 각각의 상기 배터리 셀(110)로부터 연장되어 각각의 상기 배터리 셀(110)들이 전기적으로 연결되도록 서로 접합되는 전극 탭(120)을 포함하는 배터리 모듈(100)에 있어서, 상기 전극 탭(120)은 상기 배터리 셀(110)에 평행한 방향으로 형성되고, 상부에 접합되는 부분을 포함하는 접합부(122) 및 상기 접합부(122)와 배터리 셀(110)을 연결하도록 연장되는 연장부(121)를 포함하여 이루어지며, 상기 접합부(122)는 마찰교반접합에 의하여 접합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극 탭(120)은 서로 접합되는 상기 접합부(122)에 동일한 방향으로 절곡되는 "ㄱ"자 형태의 절곡부(123)가 형성되고, 상기 절곡부(123)가 마찰교반접합에 의하여 접합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 접합부(122)의 마찰교반접합에 사용되는 접합용 회전 툴(130)은 상기 접합부(122)에 접촉하여 회전하는 숄더부(131)가 돌출부가 없는 하부가 편평한 형상을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 접합용 회전 툴(130)은 700~1200rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 접합용 회전 툴(130)은 0.4mm이하로 깊이로 삽입되어 접합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리 모듈(100)은 전압센싱 모듈을 더 포함하되, 상기 전압센싱 모듈의 전압센싱 커넥터(141)가 상기 전극 탭(120)에 밀착되어 상기 전극 탭(120)과 상기 접압센싱 커넥터(141)가 마찰교반접합으로 접합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전압센싱 커넥터(141)의 상부가 절곡되어 상기 접합부(122)에 밀착되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리 모듈은 마찰교반접합으로 베터리의 전극 탭과 전압센싱 커넥터 결합부를 결합함으로서, 배터리의 전극 탭 또는 전극 탭과 전압센싱커넥터 접합부에 온도 상승으로 인해 발생되는 강도 저하, 크랙, 및 잔류응력으로 인한 접합부의 기계적 특성을 저하시키는 것을 방지하고, 전극의 수명이 저하되는 것을 방지하며, 접합부의 변형을 방지할 수 있다.

도 1은 일반적인 리튬 이온 전지의 구조도.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 배터리 모듈 사시도, 배터리 사시도, 및 단면도.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 전극 탭을 마찰교반접합하는 도면.
도 9 내지 도 12은 본 발명의 전극 탭과 전압센싱 커넥터를 마찰교반접합하는 도면.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 2 내지 도 도 4를 이용하여 본 발명의 베터리 모듈의 형태와 구조에 대해서 상세히 설명한다.

본 발명의 배터리 모듈(100)은 복수개의 배터리가 연결된 것을 의미하는 것으로서, 상기 배터리 모듈(100)은 둘 이상의 배터리 셀(110)과, 각각의 배터리 셀(110)로부터 연장되어 각각의 상기 배터리 셀(110)들이 전기적으로 연결되도록 서로 접합되는 복수개의 전극 탭(120)을 포함한다.

이 때, 상기 배터리 모듈(100)은 상기 전극 탭(120)이 상기 배터리 셀(110)에 평행한 방향으로 형성되고, 상기 전극 탭(120)은 상부에 접합되는 부분을 포함하는 접합부(122)가 형성되며, 상기 접합부(122)와 상기 베터리 셀(110)을 연결하도록 연장되는 연장부(121)를 포함한다.

상기 연장부(121)는 상기 접합부(122)와 상기 배터리 셀(110)을 연결하는 부분으로서, 상기 연장부(121)는 베터리 셀(110)에 평행하게 연장되어 있으며, 이웃하는 배터리 셀(110) 방향으로 절곡되어 있다.

즉, 상기 접합부(122)가 이웃하게 위치되는 접합부(122)와 서로 맞닿도록 상기 연장부(121)가 절곡되어 있다.

또한, 상기 전극 탭(120)은 서로 접합되는 상기 접합부(122)의 상부가 동일한 방향으로 절곡되는 "ㄱ"자 형태로 절곡되어 절곡부(123)가 형성된다.

이때, 상기 절곡부(123)의 상부면에 접합용 회전툴(130)의 숄더부(131)가 접촉되어 상기 전극 탭(120)을 마찰교반접합한다.

본 발명은 상기 전극 탭(120)을 마찰교반접합으로 접합함으로서, 상기 전극탭(120)의 용융점 이하에서 접합이 이루어지기 때문에 온도 상승에 의한 결정립 조대화를 막을 수 있으며, 상기 접합부(122) 변형이 거의 발생하지 않아 상기 전극 탭(120)의 기계적 특성을 향상시키며, 보호가스가 필요 없어 생산단가도 줄일 수 있다.

도 5 내지 도 8을 이용하여 본 발명의 마찰교반접합에 대해서 상세히 설명한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 상기 전급 탭(120)을 마찰교반접합으로 접합하는 것을 특징으로 한다.

상기 접합용 회전툴(130)은 일반적으로 하부면에 돌출부가 형성되어 있어, 돌출부가 형성되어 있는 접합용 회전툴을 사용하여 마찰교반접합을 실시하나 상기 전극 탭(120)은 0.3mm 정도의 박막으로 제작되기 때문에 손상이 될 수 있다.

따라서, 본 발명의 상기 접합용 회전툴(130)은 돌출부가 형성되지 않고, 하부가 평평한 형상을 가지는 상기 숄더부(131)를 상기 전극 탭(120)에 접촉하여 접합을 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 접합용 회전 툴(130)은 700~1200rpm의 속도로 회전하는 것이 바람직하다.

상기 접합용 회전 툴(130)이 1200rpm보다 더 빠른 속도로 회전 할 경우 상기 전극 탭(120)이 변형되어 전극 수명이 저하되고, 결함이 발생하고, 상기 접합용 회전 툴(130)이 700rpm보다 느리게 회전할 경우에는 접합력이 떨어져 비효율적이다.

또한, 상기 접합용 회전 툴(130)은 0.4mm이하로 삽입되어 접합하는 것이 바람직하다.

상기 전극 탭(120)은 0.3mm정도의 박막이기 때문에 0.4mm 이상으로 삽입될 경우 상기 전극 탭(120)이 파손되는 문제점이 있다.

즉, 상기 접합용 회전 툴(130)을 이용하여 상기 전극 탭(120)을 접합할 경우 700~1200rpm의 속도로 회전하면서, 상기 전극 탭(120)을 하부방향으로 일정압력을 가할 경우 마찰에 의해 상기 전극 탭(120) 간에 접합이 된다.

상기 배터리 모듈(100)은 배터리 내부에 설치되어 전압을 측정할 수 있는 전압센싱 모듈(미도시)을 더 포함할 수 있다.

상기 전압센싱 모듈(미도시)이 상기 배터리 모듈(100)에 설치될 경우 상기 전극 탭(120)에 상기 전압센싱 모듈(미도시)의 전압센싱 커넥터(141)이 접촉된다.

이때, 상기 접압센싱 커넥터(141)는 상기 전극 탭(120)에 밀착되어 접합되어야 하기 때문에, 상부가 상기 전극 탭(120)과 같이 "ㄱ"자 형태로 절곡되어 상기 전극 탭(120)에 밀착되는 것이 바람직하다.

도 9 내지 도 12를 이용하여 상기 전극 탭(120)과 상기 전압센싱 커넥터(141)의 마찰교반접합에 대해서 상세히 설명한다.

상기 전압센싱 커넥터(141)는 상기 전극 탭(120)에 밀착되어, 전압을 측정하게 된다.

이때, 상기 전압센싱 커넥터(141)와 상기 전극 탭(120)을 접합하여 고정하게 되며, 상기 전압센싱 커넥터(141)와 상기 전극 탭의 상부면을 마찰교반접합으로 접합할 수 있다.

도면에서는 상기 전압센싱 커넥터(141)가 상기 전극 탭(121)의 하부에 밀착되어 있지만, 상기 전압센싱 커넥터(141)가 상기 전극 탭(121)의 상부에 위치할 수 도 있다.

따라서, 본 발명의 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리 모듈은 마찰교반접합으로 상기 베터리 모듈(100)의 상기 전극 탭(120)과 전압센싱 커넥터(141)를 접합함으로서, 배터리 모듈(100)의 전극 탭(120) 또는 전극 탭(120)과 전압센싱 커넥터(141)에 온도 상승으로 인해 발생되는 강도 저하, 크랙, 및 잔류응력으로 인한 상기 접합부(122)의 기계적 특성을 저하시키는 것을 방지하고, 전극의 수명이 저하되는 것을 방지하며, 변형을 방지할 수 있다.

100 : 배터리 모듈
110 : 배터리 셀 120 : 전극 탭
121 : 연장부 122 : 접합부
123 : 절곡부
130 : 접합용 회전 툴
131 : 숄더부
141 : 전압센싱 커넥터

Claims (7)

1. 둘 이상의 배터리 셀과, 각각의 상기 배터리 셀로부터 연장되어 각각의 상기 배터리 셀들이 전기적으로 연결되도록 서로 접합되는 전극 탭을 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
   상기 전극 탭은 상기 배터리 셀에 평행한 방향으로 형성되고, 상부에 접합되는 부분을 포함하는 접합부 및 상기 접합부와 배터리 셀을 연결하도록 연장되는 연장부를 포함하여 이루어지며,
   상기 접합부는 마찰교반접합에 의하여 접합되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합에 의한 전극탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리모듈.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전극 탭은 서로 접합되는 상기 접합부에 동일한 방향으로 절곡되는 "ㄱ"자 형태의 절곡부가 형성되고, 상기 절곡부가 마찰교반접합에 의하여 접합되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리모듈.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 접합부의 마찰교반접합에 사용되는 접합용 회전 툴은 상기 접합부에 접촉하여 회전하는 숄더부가 돌출부가 없는 하부가 편평한 형상을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리모듈.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 접합용 회전 툴은 700~1200rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리모듈.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 접합용 회전 툴은 0.4mm이하로 깊이로 삽입되어 접합하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리모듈.
   
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 배터리 모듈은 전압센싱 모듈을 더 포함하되,
   상기 전압센싱 모듈의 전압센싱 커넥터가 상기 전극 탭에 밀착되어 상기 전극 탭과 상기 접압센싱 커넥터가 마찰교반접합으로 접합되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리모듈.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 전압센싱 커넥터의 상부가 절곡되어 상기 접합부에 밀착되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합에 의한 전극 탭과 전압센싱 커넥터 연결 구조를 가지는 배터리모듈.

Images