KR20140110353A - 초음파 혼 및 이를 사용하여 제조된 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

초음파 혼 및 이를 사용하여 제조된 이차 전지가 개시된다. 초음파 혼은 일단에 가압면이 구비된 초음파 혼에 있어서, 상기 가압면에는 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부는, 제1방향을 따라 다수의 돌기들이 연속적으로 배치된 제1돌기열; 상기 제1돌기열로부터 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 소정 간격으로 이격 배치된 것으로, 상기 제1방향을 따라 다수의 돌기들이 연속적으로 배치된 제2돌기열;을 포함한다.

Description

초음파 혼 및 이를 사용하여 제조된 이차 전지{Ultrasound horn and secondary battery manufactured using the same}
본 발명은 초음파 혼 및 이를 사용하여 제조된 이차 전지에 대한 것이다.
통상적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차 전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 무정전 전원공급장치(uninterruptible power supply) 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지들을 버스 바(bus bar)를 이용하여 전기적으로 연결하여 하나의 단위로 묶은 이차 전지의 형태로 사용되기도 한다.
이러한 이차 전지는 양극판, 세퍼레이터, 음극판을 구비하는 전극 조립체와 이를 수용하는 케이스, 케이스를 덮는 캡 플레이트 및 전극 조립체를 전기적으로 케이스 외부로 노출하는 단자부를 포함하여 이루어지며, 단자부와 전극 조립체는 통상 초음파 용접을 사용하여 접합된다.
초음파 용접은 용접 에너지가 작고 용접 시간이 짧으며, 또한, 이종 재질간의 용접이 가능하다는 이점이 있다.
본 개시는 초음파 혼 및 이를 사용하여 제조된 이차 전지에 대한 것이다.
일 유형에 따르는 초음파 혼은 일단에 가압면이 구비된 초음파 혼에 있어서, 상기 가압면에는 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부는, 제1방향을 따라 다수의 돌기들이 연속적으로 배치된 제1돌기열; 상기 제1돌기열로부터 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 소정 간격으로 이격 배치된 것으로, 상기 제1방향을 따라 다수의 돌기들이 연속적으로 배치된 제2돌기열;을 포함한다.
상기 제1돌기열, 제2돌기열에 포함된 다수의 돌기들은 원뿔 형상으로 이루어질 수 있고, 또는 다각뿔 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 제1돌기열에 포함된 다수의 돌기들과 상기 제2돌기열에 포함된 다수의 돌기들은 꼭지각의 크기가 서로 다를 수 있고, 높이가 서로 같을 수 있다.
상기 소정 간격은 0.8mm 이상 1.5mm 이하일 수 있고, 또는, 상기 다수의 돌기들의 높이를 h라고 할 때 0.8h~1.5h 의 범위일 수 있다.
상기 제1돌기열과 제2돌기열은 상기 제2방향을 따라 반복적으로 배치될 수 있다.
또한, 일 유형에 따른 이차전지는 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 초음파 용접된 것으로, 일면에 인입 패턴부가 형성된 전극 탭; 상기 전극 조립체와 상기 전극탭이 수용되는 케이스;를 포함하며, 상기 상기 인입 패턴부는 제1방향을 따라 배치된 다수의 그루브로 이루어진 제1인입부와, 상기 제1인입부와 상기 제1방향과 다른 제2방향으로 소정 간격으로 이격되고 상기 제1방향을 따라 배치된 다수의 그루브로 이루어진 제2인입부를 포함하며, 상기 제1인입부, 제2인입부 내에서의 그루브 간의 간격은 상기 소정 간격보다 작을 수 있다.
상기 제1인입부, 제2인입부에 포함된 다수의 그루브들은 꼭지점이 아래쪽을 향하는 원뿔 또는 다각뿔 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 제1인입부에 포함된 다수의 그루브들과 상기 제2인입부에 포함된 다수의 그루브들은 꼭지각의 크기가 서로 다를 수 있고, 또한, 깊이가 서로 같을 수 있다.
상기 소정 간격은 0.8mm 이상 1.5mm 이하일 수 있고, 상기 소정 간격은 상기 다수의 그루브들의 깊이를 d라고 할 때 0.8d~1.5d 의 범위일 수 있다.
상기 제1인입부와 제2인입부는 상기 제2방향을 따라 반복적으로 배치될 수 있다.
상기 이차 전지는 상기 케이스를 덮는 것으로 상하 방향으로 관통된 단자 삽입부가 형성된 캡 플레이트; 상기 케이스 외부로 노출된 단자 플레이트와, 상기 단자 삽입부를 관통하여 상기 전극탭과 상기 단자 플레이트를 연결하는 연결부를 구비하는 단자부; 상기 단자부를 상기 캡 플레이트에 고정하는 고정부재;를 더 포함할 수 있다.
상기 고정부재는 상기 연결부가 상기 단자 삽입부에 삽입된 상태에서 플라스틱 수지를 상기 단자 삽입부에 사출하여 형성한 플라스틱 몰드 구조로 이루어질 수 있다.
상기 고정 부재는 상기 단자 삽입부를 채우는 제1고정부와, 상기 단자 플레이트와 상기 캡 플레이트의 상면 사이를 채우는 제2고정부를 포함할 수 있다.
상기 고정부재는 상기 연결부와 상기 캡 플레이트 사이에서 상기 연결부와 상기 단자 삽입부 사이의 공간을 채우는 절연성 개스킷을 포함할 수 있다.
상기 절연성 개스킷은, 상기 캡 플레이트의 상부로부터 상기 단자 삽입부에 끼워지도록 설치된 상부 개스킷과, 상기 캡 플레이트의 하부로부터 상기 단자 삽입부에 끼워지도록 설치된 하부 개스킷을 포함할 수 있다.
상술한 초음파 혼은 가압면에 형성된 다수의 돌기들을 일방향으로는 연속적으로, 다른 일방향으로는 간격을 두어 배치함으로써 인장 강도의 효율적인 분산을 도모하고 있다.
상술한 초음파 혼은 이차 전지의 조립 공정에 사용되어 우수한 용접성을 나타낼 수 있으며, 이에 따라 전극 탭과 전극 조립체 간의 접합성이 좋고 전기 저항이 작은 이차 전지가 제조된다.
도 1은 실시예에 따른 초음파 혼의 개략적인 구조를 보인다.
도 2는 다른 실시예에 따른 초음파 혼의 개략적인 구조를 보인다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 초음파 혼의 개략적인 구조를 보인다.
도 4는 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 X-X' 단면도이다.
도 6은 도 4의 이차 전지에 채용되는 전극 조립체의 일 예를 보인 사시도이다.
도 7a는 전극 조립체에 전극 탭이 접합되는 공정을 보인 사시도이다.
도 7b는 도 7a에서 초음파 혼을 사용한 공정을 보인 부분 확대도이다.
도 8a 내지 도 8c는 각각 초음파 용접 공정에 따라 전극 탭에 형성되는 인입 패턴부의 형상을 보인 평면도, 이의 B-B'단면도 및 C-C'단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에서 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 초음파 혼(500)의 개략적인 구조를 보인다.
초음파 용접은 용접 대상물에 초음파에 의한 진동 에너지를 전달하고 진동 에너지에 의해 발생하는 열을 이용하여 용접 대상물 간의 접합을 형성하는 것이다.
이를 위하여, 초음파 혼(500)은 용접 대상물을 가압하는 가압면(500a)을 구비하며, 이 가압면(500a)에는 진동 에너지를 효율적으로 전달하기 위한 돌기부(520)가 형성되어 있다.
돌기부(520)는 제1방향을 따라 다수의 돌기(P)들이 연속적으로 배치된 제1돌기열(521)과, 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 소정 간격(s)으로 이격 배치된 것으로, 상기 제1방향을 따라 다수의 돌기(P)들이 연속적으로 배치된 제2돌기열(522)을 포함한다.
즉, 제1돌기열(521), 제2돌기열(522)에 포함된 돌기(P)들은 간격이 없이 연속적으로 배치되어 있고, 제1돌기열(521)과 제2돌기열(522)은 소정 간격(s)으로 이격되어 있다. 돌기부(520)의 이러한 배치는 연속된 돌기(P)들로 이루어진 제1돌기열(521), 제2돌기열(522)을 이격 배치하고 이 간격을 적절히 정함으로써 용접 대상물에 인장 강도를 효율적으로 분산시키기 위한 것이다. 이 간격(s)은 0.8mm이상, 1.5mm 이하의 범위일 수 있고, 예를 들어, 돌기(P)의 높이를 h라고 할 때 0.8h~1.5h 범위가 될 수 있다.
제1돌기열(521), 제2돌기열(522)에 포함된 다수의 돌기(P)들은 도시된 바와 같이, 원뿔 형상으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1돌기열(521)과 제2돌기열(522)은 도시된 바와 같이 반복적으로 배치될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 초음파 혼(600)의 개략적인 구조를 보인다.
본 실시예의 초음파 혼(600)은 돌기부(620)를 이루는 다수의 돌기(P)들의 형상에서 도 1의 초음파 혼(500)과 차이가 있다. 즉, 초음파 혼(600)은 가압면(600a) 상에 서로 이격 배치된 제1돌기열(621), 제2돌기열(622)을 포함하며, 제1돌기열(621), 제2돌기열(622)에 포함된 다수의 돌기(P)들은 다수의 돌기(P)들은 다각뿔 형상으로 이루어질 수 있다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 초음파 혼(700)의 개략적인 구조를 보인다.
본 실시예의 초음파 혼(700)은 제1돌기열(721)를 이루는 돌기(P)들과 제2돌기열(722)을 이루는 돌기(P)들의 꼭지각 크기가 다른 점에 도 1의 초음파 혼(500)과 차이가 있다. 즉, 초음파 혼(700)은 가압면(700a) 상에 서로 이격 배치된 제1돌기열(721), 제2돌기열(722)을 포함하며, 제1돌기열(721)에 포함된 돌기(P)들은 꼭지각이 θ1, 제2돌기열(721)에 포함된 돌기(P)들은 꼭지각이 θ2로 서로 다르다. 돌기(P)은 도시된 바와 같이, 높이는 같고 꼭지각의 크기가 다르게 형성될 수 있다. 또한, 다수의 돌기(P)들은 원뿔 형상으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다각뿔 형상을 가질 수도 있다. 제1돌기열(721)과 제2돌기열(722)을 반복적으로 배치될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 이차 전지(1)의 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 X-X' 단면도이며, 도 6은 도 4의 이차 전지(1)에 채용되는 전극 조립체(10)의 일 예를 보인 사시도이다.
이차 전지(1)는 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)에 초음파 용접된 것으로, 일면에 인입 패턴부(GP)가 형성된 전극 탭(327)(337), 전극 조립체(10)와 전극 탭(327)(33&0이 수용되는 케이스(20)를 포함한다. 전극 탭(327)(337)은 양극 탭(327), 음극 탭(337)을 의미한다.
인입 패턴부(GP)는 전극 조립체(10)와 전극 탭(327)(337)이 실시예들에 따른 초음파 혼(500)(600)(700)을 이용하여 초음파 용접될 때, 돌기부(520)(620)(720)의 형상에 따라 인입된 패턴으로, 이의 자세한 형상에 대해서는 후술할 것이다.
이차 전지(1)는 또한, 케이스(20)를 덮는 것으로 상하 방향으로 관통된 단자 삽입부(35)(36)가 형성된 캡 플레이트(310), 케이스(20) 외부로 노출된 단자 플레이트(321)(331)와, 단자 삽입부(35)(36)를 관통하여 전극 탭(327)(337)과 단자 플레이트(321)(331)를 연결하는 연결부(325)(335)를 구비하는 단자부(320)(330), 단자부(320)(330)를 캡 플레이트(310)에 고정하는 고정부재(340)(350)를 더 포함할 수 있다. 캡 플레이트(310), 단자부(320)(330), 전극 탭(327)(337), 고정부재(340)(350)는 전극 조립체(10)와 접합되며 케이스(20) 상단을 폐쇄하는 캡 조립체(30)를 구성한다.
케이스(20)에는 전극 조립체(10)가 삽입될 수 있도록 개구(21)가 마련되며, 캡 플레이트(310)는 케이스(20)에 결합됨으로써 개구(21)를 막는다. 이를 위하여, 캡 플레이트(310)의 가장자리(311)는 개구(21)를 형성하는 케이스(20)의 상측 가장자리(22)와 형합된다. 이 상태에서 예를 들어 레이저 용접 등에 의하여 캡 플레이트(310)를 케이스(20)에 결합함으로써, 전극 조립체(10)가 수용되는 하우징이 형성된다.
캡 플레이트(30)에는 케이스(20) 내부의 압력이 설정 포인트를 초과하면 가스의 배출 경로를 제공하도록 파단 가능하게 설계된 안전 벤트(32)가 마련된다. 또한, 캡 플레이트(30)에는 케이스(20) 내로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(33)가 마련된다. 전해액 주입이 완료된 이후에 실링(sealing) 마개(34)에 의해 전해액 주입구(33)가 폐쇄된다.
도 6을 참조하면, 전극 조립체(10)는 양극판(11)과, 음극판(12)과, 양극판(11) 및 음극판(12) 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양극판(11), 음극판(12), 및 세퍼레이터(13)의 적층체는 젤리 롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다.
양극판(11)은 양극 집전체(11a)와, 양극 집전체(11a)의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층(11b)을 포함한다. 양극 집전체(11a)의 폭 방향을 따라 일 가장자리에는 양극 활물질층(11b)이 형성되지 않은 양극 무지부(11c)가 마련된다. 음극판(12)은 음극 집전체(12a)와, 음극 집전체(12a)의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층(12b)을 포함한다. 음극 집전체(12a)의 폭 방향을 따라 일 가장자리에는 음극 활물질층(12b)이 형성되지 않은 음극 무지부(12c)가 마련된다. 양극 무지부(11c) 및 음극 무지부(12c)는 전극 조립체(10)의 폭 방향으로 서로 이격되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 양극 무지부(11c) 및 음극 무지부(12c)는 전극 조립체(10)의 폭 방향의 양측 가장자리에 각각 배치될 수 있다.
단자부(320)(330)는 각각 양극 단자부와 음극 단자부이다. 양극 단자부(320)와 음극 단자부(330)는 각각 전극 조립체(10)의 양극 무지층(11c) 및 음극 무지층(12c)과 전기적으로 연결된다. 양극 단자부(320)와 음극 단자부(330)에 의하여 전극 조립체(10)의 양극 무지층(11c) 및 음극 무지층(12c)은 전기적으로 케이스(20) 외부로 노출된다. 단자 삽입부(35)(36)는 각각 양극 단자 삽입부와 음극 단자 삽입부이다. 단자 삽입부(35)(36)는 캡 플레이트(310)를 상하 방향으로 관통하여 형성된다. 양극 단자부(320)와 음극 단자부(330)는 단자 삽입부(35)(36)에 각각 삽입되며, 양극 고정 부재(340)와 음극 고정 부재(350)에 의하여 캡 플레이트(310)에 고정된다.
양극 단자부(320)는 양극 단자 플레이트(321), 및 양극 단자 플레이트(321)와 양극 탭(327)을 연결하는 양극 연결부(325)를 포함할 수 있다. 음극 단자부(330)는 음극 단자 플레이트(331), 음극 탭(337), 및 음극 단자 플레이트(331)와 음극 탭(337)을 연결하는 음극 연결부(335)를 포함할 수 있다. 음극 단자 플레이트(331)와 양극 단자 플레이트(321)는 캡 플레이트(310)의 상면(312)과 나란하게 연장된다. 양극 단자부(320)와 음극 단자부(330)는 전기 전도성을 갖는 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양극 단자부(320)와 음극 단자부(330)는 금속 판재를 프레스(press) 가공방식에 의하여 소망하는 형상으로 절단, 절곡함으로써 형성될 수 있다.
양극 단자부(320), 음극 단자부(330)는 동일한 형상으로 대칭되는 배치를 가지고 있으므로, 양극 단자부(320)의 구조만을 예시하여 설명하기로 한다.
양극 단자부(320)는 케이스(20) 외부로 노출된 양극 단자 플레이트(321)와 단자 삽입부(35)를 관통하여 양극 탭(327)과 양극 단자 플레이트(321)를 연결하는 연결부(325)를 구비한다. 양극 단자 플레이트(321)는 캡 플레이트(310)의 상면으로부터 이격되어 있고, 캡 플레이트(310)의 길이 방향으로 연장된다. 양극 탭(327)은 하방, 즉 캡 플레이트(310)의 두께 방향으로 연장된다. 양극 연결부(325)는 양극 단자 플레이트(321)로부터 절곡되어 양극 단자 플레이트(321)와 양극 탭(327)을 연결한다. 양극 연결부(325)는 양극 단자 플레이트(331)의 일단에서 하방으로 절곡되어 연장된 제1 양극 절곡부(322)와, 제1 양극 절곡부(322)의 일단에서 양극 단자 플레이트(321)가 연장된 방향과 반대 방향으로 절곡되어 연장된 제2 음극 절곡부(333)를 포함할 수 있다. 양극 탭(327)은 제2 양극 절곡부(323)와 전기적으로 연결되게 접합되어 있다.
단자부(320)(330)의 형상은 예시적인 것이며, 케이스 외부로 노출된 단자 플레이트(321)(331)와, 전극 탭(327)(337)과 단자 플레이트(321)(331)를 연결하는 연결부(325)(335)를 구비하는 형태를 가지는 다양한 형상으로 변경될 수 있다.
양극 단자부(320)와 음극 단자부(330)는 양극 단자 삽입부(35) 및 음극 단자 삽입부(36)에 각각 삽입된다. 양극 단자 플레이트(321)와 음극 단자 플레이트(331)는 캡 플레이트(310)의 상방에, 양극 탭(327)과 음극 탭(337)은 캡 플레이트(310)의 하방에 위치된다. 이 상태에서 양극 단자부(320)와 음극 단자부(330)는 단자 삽입부(35)(36)에 각각 삽입되는 양극 고정 부재(340)와 음극 고정 부재(350)에 의하여 캡 플레이트(310)에 고정된다. 고정 부재(340)(350)는 예를 들어 전기 절연성 플라스틱으로 형성될 수 있다. 양극 단자 플레이트(321)와 음극 단자 플레이트(331)는 캡 플레이트(310)의 상방으로 돌출되어, 양극 단자 플레이트(321) 및 음극 단자 플레이트(331)와 캡 플레이트(310)의 상면(312) 사이에는 간격(G1)(G2)이 형성된다. 간격(G1)(G2)과 전기 절연성 고정 부재(340)(350)에 의하여 양극 단자부(320) 및 음극 단자부(330)는 캡 플레이트(310)와 전기적으로 절연된다.
전기 절연성 플라스틱은 예를 들어 폴리염화비닐(PVC: polyvinyl chloride), 폴리스틸렌(polystyrene), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene), ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 등의 범용 플라스틱, 폴리아세탈(polyacetal), PPO(polyphenylene oxide), PPE(polyphenyleneether), Pam(polyamide), PC(polycarbonate), PBT(Polybutylene Terephthalate) 등의 범용 엔지니어링 플라스틱, U폴리머, PSF(polysulfone),PPS(polyphenylenesulfide), PEI(polyetherimide), PES(polyethersulfone), PAR(polyarylate), PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 고성능 엔지니어링 플라스틱, PAI(polyamideimide), PI(polyimide) 등의 초내열성 엔지니어링 플라스틱 등일 수 있다. 일 예로서, 고정 부재(340)(350)는 PPS에 유리 섬유(glass fiber)를 40% 첨가한 수지로 형성될 수 있다.
고정 부재(340)(350)는 플라스틱 몰드 구조로 이루어질 수 있으며, 즉, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)가 단자 삽입부(35)(36)에 각각 삽입된 상태에서 상술한 플라스틱 수지를 단자 삽입부(35)(36)에 사출하여 성형하는 인써트 사출 성형 방식에 의하여 형성될 수 있다.
전극 탭(327)(337)과 단자부(320)(330)가 전기적으로 연결되게 접합되고, 단자부(320)(330)가 고정부재(340)(350)에 의해 캡 플레이트(310)에 고정되는 형태로, 캡 조립체(30)의 형성이 완료된 후에 전극 조립체(10)와 양극 탭(327) 및 음극 탬(330)을 전기적으로 연결한다. 양극 무지부(11c)에는 양극 탭(327)이 전기적으로 연결되고, 음극 무지부(12c)에는 음극 탭(334)이 전기적으로 연결된다. 양극 무지부(11c)에 대한 양극 탭(327)의 결합과, 음극 무지부(12c)에 대한 음극 탭(337)의 결합은 예를 들어, 초음파 용접에 의해 수행될 수 있다.
캡 조립체(30)와 전극 조립체(10)가 결합된 상태에서, 전극 조립체(10)가 개구(22)를 통하여 케이스(20)에 삽입되며, 캡 플레이트(310)가 케이스(20)에 예를 들어 레이저 용접 방식에 의하여 결합됨으로써 개구(22)가 폐쇄되고, 전극 조립체(10)가 양극 단자부(320)와 음극 단자부(330)에 의하여 전기적으로 케이스(20)의 외부로 노출된다. 전해액 주입구(33)를 통하여 전해액을 주입한 후에 실링 마개(34)를 이용하여 전해액 주입구(33)를 막음으로써 이차 전지(1)의 제조가 완료될 수 있다.
상술한 이차 전지(1)에서 양극 탭(327) 및 음극 탭(337)은 전기화학적 특성이 서로 다른 구리(Cu)와 알루미늄(Al) 소재로 각각 형성되되, 양극 단자부(320) 및 음극 단자부(330)는 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나의 동종소재로 형성됨으로써 양극 탭(327) 및 음극 탭(337) 중 어느 하나와 양극 단자부(320) 및 음극 단자부(330) 중 어느 하나 간에는 이종금속 간의 결합이 형성될 수 있다.
예를 들어, 이종금속 간에는 레이저 용접을 대체하여 마찰교반용접(FSW, Friction Stir Welding)이 수행될 수 있으며, 마찰교반용접을 통하여 용접성이 떨어지는 이종금속 간에도 충분한 용접강도를 얻을 수 있다.
또는, 상술한 이차 전지(1)에서, 전극 탭(327)(337)과 단자부(320)(330)는 단일의 금속 판재에 의하여 일체형으로 형성될 수 있다. 즉, 양극 탭(327)과 양극 연결부(325), 양극 단자 플레이트(321)가 동일한 금속으로 형성되고, 음극 탭(337)과 음극 연결부(335), 음극 단자 플레이트(331)가 동일한 금속으로 형성될 수 있다. 이 경우, 용접 등에 의한 결합 과정이 필요없어 제조비용이 절감되고 또한 전극탭(327)(337)에서 단자 플레이트(321)(331)까지의 전류 경로의 전기적 특성을 균일하게 유지할 수 있다.
또한, 상술한 이차 전지(1)는 플라스틱 수지를 이용한 인써트 사출 성형 방식에 의하여 단자부(320)(330)를 캡 플레이트(310)에 결합함으로써, 캡 플레이트(310)와 단자부(320)(330) 사이의 결합과 또한, 이들 사이의 전기적 절연을 동시에 형성할 수 있다.
도 7a는 전극 조립체(10)에 전극 탭(327)(337)이 접합되는 공정을 보인 사시도이고, 도 7b는 도 7a에서 초음파 혼을 사용한 공정을 보인 부분 확대도이다. 또한, 도 8a 내지 도 8c는 각각 초음파 용접 공정에 따라 전극 탭(327)(337)에 형성되는 인입 패턴부(GP)의 형상을 보인 평면도, 이의 B-B' 단면도 및 C-C' 단면도이다.
전극 조립체(10)에 전극 탭(327)(337)의 접합, 즉, 양극 무지부(11c)에 대한 양극 탭(327)의 결합과, 음극 무지부(12c)에 대한 음극 탭(337)의 결합은 초음파 용접에 의해 수행될 수 있다.
초음파에 의한 금속 부품의 용접은 금속 용접 방법 중 생산성이 높고 용접 품질이 우수한 최신 용접 방식으로, 용접 에너지가 작고 용접 시간이 짧으며, 용접을 위해 소모성 부품, 예를 들어, 납, 플럭스 등이 필요하지 않으며 환경 오염이 없다. 또한, 이종 재질간의 용접이 가능하다는 이점이 있으며, 용접 부위에 열을 발생 시키지 않기 때문에 용접의 재질이 녹아 일어나는 부러짐 현상(Brittle)이 없고, 용접 부위가 납땜이나 저항용접 보다 강하며 전기 전도도가 우수하다
초음파 용접은 도 7b에 도시된 바와 같이, 용접 대상물인 전극탭(327)(337)과 전극 조립체(10)를 앤빌(anvil)(AN) 사이에 끼워 넣고, 초음파 혼(500)을 통하여, 초음파 주파수로 진동을 주며 가압하는 과정으로 진행된다. 이에 따라, 전극탭(327)(337)과 전극 조립체(10) 사이에 마찰열이 발생하여 그 계면이 용융되었다가 응고됨으로써 전극탭(327)(337)과 전극 조립체(10)가 결합된다.
초음파 혼(500)은 도 1에서 예시한 형상 외에, 도 2, 또는 도 3 또는 이들을 조합, 변형한 다양한 형상을 채용할 수 있다.
초음파 용접 후, 초음파 혼(500)에 접한 면에는 초음파 혼(500)에 형성된 돌기부(520)에 대응하는 형상으로 인입된 인입 패턴부(GP)가 형성된다. 또한, 인입 패턴부(GP)가 형성된 면의 이면, 즉, 전극 조립체(10)와의 계면을 이루는 면에는 인입 패턴부(GP)에 대응하는 형상으로 돌출된 패턴이 형성되며, 전극 조립체(10)와 결합을 이루게 된다.
인입 패턴부(GP)의 인입 형상은 돌기부(520)의 돌출 형상과 완전히 동일하지는 않을 수 있다. 도시된 바와 같이, 인입 패턴부(GP)는 제1방향을 따라 배치된 다수의 그루브로 이루어진 제1인입부(GP1)와, 제1인입부(GP1)와 상기 제1방향과 다른 제2방향으로 소정 간격(S2)으로 이격되고 상기 제1방향을 따라 배치된 다수의 그루브로 이루어진 제2인입부(GP2)를 포함하며, 제1인입부(GP1), 제2인입부(GP2) 내에서의 그루브 간의 간격(S1)은 상기 소정 간격(S2)보다 작게 형성될 수 있다. 초음파 혼(500)에 형성된 돌기부(520)의 패턴과 달리, 상기 간격 S1은 0보다 큰 값을 가질 수 있고, 또한, 돌기부(520)의 돌기 배치와 동일하게 0이 될 수도 있다. 상기 소정 간격(S2)는 0.8mm이상, 1.5mm 이하의 범위일 수 있다. 예를 들어, 그루브들의 깊이를 d라고 할 때 0.8d~1.5d의 범위일 수 있다. 제1인입부(GP1)와 제2인입부(GP2)는 상기 제2방향을 따라 반복적으로 배치될 수 있다.
제1인입부(GP1), 제2인입부(GP2)에 포함된 다수의 그루브들의 형상은 도 1 내지 도 3에서 예시한 돌기(P)의 형상에 대응할 수 있으며, 예를 들어, 꼭지점이 아래쪽을 향하는 원뿔 또는 다각뿔 형상을 가질 수 있다. 또한, 제1인입부(GP1)에 포함된 다수의 그루브들과 제2인입부(GP2)에 포함된 다수의 그루브들은 꼭지각의 크기가 서로 다를 수 있고, 그 깊이는 서로 같을 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이차 전지(2)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
본 실시예에서, 고정 부재(340)(350)는 단자 삽입부(35)(36) 내측 및 단자 플레이트(321)(331)와 캡 플레이트(310)의 상면(312) 사이의 간격(G1)(G2)에까지 형성된다. 즉, 고정 부재(340)(350)는 단자 삽입부(35)(36)를 채우는 제1고정부(341)(351)와 단자 플레이트(321)(331)와 캡 플레이트(310)의 상면(312) 사이의 간격(G1)(G2)을 채우는 제2고정부(342)(352)를 구비한다.
이와 같은 고정 부재(340)(350)도 전술한 실시예와 마찬가지로, 인써트 사출 성형 방식에 의하여 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 단자부(320)(330)와 캡 플레이트(310)와의 결합 강도를 향상시킬 수 있다. 즉, 제2고정부(342)(352)는 단자부(320)(330) 및 캡 플레이트(310)와 고정 부재(340)(350)와의 접촉 면적을 증가시킴으로써, 단자부(320)(330)와 캡 플레이트(310)와의 결합 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 양극 단자 플레이트(321) 및 음극 단자 플레이트(331)가 제2고정부(342)(352)에 의하여 캡 플레이트(310)에 지지되므로, 결합 과정에서 고정 부재(340)(350)가 단자 삽입부(35)(36)로부터 이탈될 가능성을 줄일 수 있다.
상술한 이차 전지(1)(2)는 캡 플레이트(310)와 단자부(320)(330)가 플라스틱 몰드로 형성된 고정부재(340)(350)에 의해 고정되는 구조를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이차 전지(3)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
본 실시예에서 단자부(420)(430)와 캡 플레이트(310)가 개스킷으로 고정되어 있다는 점에서 전술한 실시예와 차이가 있다.
양극 탭(327)은 양극 단자부(420)와 전기적으로 연결되어 있다. 양극 단자부(420)는 양극 단자 플레이트(421)와, 양극 탭(327) 및 양극 단자 플레이트(421)를 연결하는 양극 연결부(425)를 포함한다. 양극 연결부(425)는 단자 삽입부(35)를 관통하여 외부로 인출되며, 캡 플레이트(310) 상으로부터 소정 길이로 돌출될 수 있다.
음극 탭(337)은 음극 단자부(430)와 전기적으로 연결되어 있다. 음극 단자부(430)는 음극 단자 플레이트(431)와, 음극 탭(337)와 음극 단자 플레이트(431)를 연결하는 음극 연결부(435)를 포함한다. 음극 연결부(435)는 단자 삽입부(36)를 관통하여 외부로 인출되며, 캡 플레이트(310) 상으로부터 소정 길이로 돌출될 수 있다.
단자부(420)(430)들은 캡 플레이트(310)와 절연된 상태로 결합을 이루며, 단자부(420)(430)와 캡 플레이트(310) 사이에는 절연성 개스킷(25,27)이 개재되어 단자부(420)(430)와 캡 플레이트(310)를 상호 절연시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 절연성 개스킷은 상부 개스킷(25)과 하부 개스킷(27)을 포함하고, 상기 상부 개스킷(25)은 캡 플레이트(310)의 상부로부터 단자 삽입부(35)(36)로 끼워지도록 설치되며, 하부 개스킷(27)은 캡 플레이트(310)의 하부로부터 단자 삽입부(35)(36)로 끼워지도록 설치된다. 한편, 상부 개스킷(25) 및 하부 개스킷(27) 이외에, 절연성 실재(26)가 추가로 마련되어 연결부(425)(435)와 캡 플레이트(310) 또는 케이스(20) 간을 절연시킬 수 있다.
단자 플레이트(421)(431)와 연결부(425)(435)는 리벳 결합을 이룬다. 예를 들어, 상기 단자 플레이트(421)(431)에 끼워진 연결부(425)(435)의 선단(425a)(435a)을 리벳 가공함으로써 연결부(425)(435)의 선단(425a)(435a)이 넓게 퍼지며 단자 플레이트(421)(431)에 대해 압접되게 한다. 단자 플레이트(421)(431)는 리벳 가공된 연결부(425)(435)의 선단(425a)(435a)과 압접을 이루며, 단자 플레이트(421)(431)와 연결부(425,435)는 서로에 대해 견고히 결합된다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다른 실시형태에서 단자 플레이트(421)(431)와 연결부(425)(435)는 기타의 적정의 수단이나 방법에 의해 서로에 대해 결합될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1, 2, 3...이차 전지 10...전극 조립체
11, 12...양극, 음극판 11a, 12a...양극, 음극 집전체
11b, 12b...양극, 음극 활물질층 11c, 12c...양극, 음극 무지부
13 : 세퍼레이터 30... 캡 조립체
32...안전 벤트 33...전해액 주입구
34...실링 마개 35, 36...양극, 음극 단자 삽입부
310...캡 플레이트 320, 420...양극 단자부
330, 430...음극 단자부 321, 421...양극 단자 플레이트
331, 431... 음극 단자 플레이트 322, 332..제1 양극, 음극 절곡부
323, 333..제2 양극, 음극절곡부 327, 337...양극, 음극 탭
325, 425...양극 연결부 335,435...음극 연결부
340, 350...양극, 음극 고정 부재 341, 351...제1고정부
342, 352...제2고정부

Claims (20)

  1. 일단에 가압면이 구비된 초음파 혼에 있어서,
    상기 가압면에는 돌기부가 형성되고,
    상기 돌기부는,
    제1방향을 따라 다수의 돌기들이 연속적으로 배치된 제1돌기열;
    상기 제1돌기열로부터 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 소정 간격으로 이격 배치된 것으로, 상기 제1방향을 따라 다수의 돌기들이 연속적으로 배치된 제2돌기열;을 포함하는 초음파 혼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1돌기열, 제2돌기열에 포함된 다수의 돌기들은 원뿔 또는 다각뿔 형상으로 이루어진 초음파 혼.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1돌기열에 포함된 다수의 돌기들과 상기 제2돌기열에 포함된 다수의 돌기들은 꼭지각의 크기가 서로 다른 초음파 혼.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1돌기열에 포함된 다수의 돌기들과 상기 제2돌기열에 포함된 다수의 돌기들은 높이가 서로 같은 초음파 혼.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소정 간격은 0.8mm 이상 1.5mm 이하인 초음파 혼.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소정 간격은 상기 다수의 돌기들의 높이를 h라고 할 때 0.8h~1.5h 의 범위인 초음파 혼.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1돌기열과 제2돌기열은 상기 제2방향을 따라 반복적으로 배치되는 초음파 혼.
  8. 제1항의 초음파 혼을 사용하여 초음파 용접된 전극탭과 전극조립체를 포함하는 이차 전지.
  9. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체에 초음파 용접된 것으로, 일면에 인입 패턴부가 형성된 전극탭;
    상기 전극 조립체와 상기 전극탭이 수용되는 케이스;를 포함하며,
    상기 상기 인입 패턴부는 제1방향을 따라 배치된 다수의 그루브로 이루어진 제1인입부와, 상기 제1인입부와 상기 제1방향과 다른 제2방향으로 소정 간격으로 이격되고 상기 제1방향을 따라 배치된 다수의 그루브로 이루어진 제2인입부를 포함하며, 상기 제1인입부, 제2인입부 내에서의 그루브 간의 간격은 상기 소정 간격보다 작은 이차 전지.
  10. 제10항에 있어서,
    상기 제1인입부, 제2인입부에 포함된 다수의 그루브들은 꼭지점이 아래쪽을 향하는 원뿔 또는 다각뿔 형상으로 이루어진 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1인입부에 포함된 다수의 그루브들과 상기 제2인입부에 포함된 다수의 그루브들은 꼭지각의 크기가 서로 다른 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1인입부에 포함된 다수의 그루브들과 상기 제2인입부에 포함된 다수의 그루브들은 깊이가 서로 같은 이차 전지.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 소정 간격은 0.8mm 이상 1.5mm 이하인 이차 전지.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 소정 간격은 상기 다수의 그루브들의 깊이를 d라고 할 때 0.8d~1.5d 의 범위인 이차 전지.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1인입부와 제2인입부는 상기 제2방향을 따라 반복적으로 배치되는 이차 전지.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스를 덮는 것으로 상하 방향으로 관통된 단자 삽입부가 형성된 캡 플레이트;
    상기 케이스 외부로 노출된 단자 플레이트와, 상기 단자 삽입부를 관통하여 상기 전극탭과 상기 단자 플레이트를 연결하는 연결부를 구비하는 단자부;
    상기 단자부를 상기 캡 플레이트에 고정하는 고정부재;를 더 포함하는 이차 전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 연결부가 상기 단자 삽입부에 삽입된 상태에서 플라스틱 수지를 상기 단자 삽입부에 사출하여 형성한 플라스틱 몰드 구조로 이루어진 이차 전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 고정 부재는 상기 단자 삽입부를 채우는 제1고정부와, 상기 단자 플레이트와 상기 캡 플레이트의 상면 사이를 채우는 제2고정부를 포함하는 이차 전지.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 연결부와 상기 캡 플레이트 사이에서 상기 연결부와 상기 단자 삽입부 사이의 공간을 채우는 절연성 개스킷을 포함하는 이차 전지.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 절연성 개스킷은,
    상기 캡 플레이트의 상부로부터 상기 단자 삽입부에 끼워지도록 설치된 상부 개스킷과,
    상기 캡 플레이트의 하부로부터 상기 단자 삽입부에 끼워지도록 설치된 하부 개스킷을 포함하는 이차 전지.
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