KR20170009297A - 이차전지의 제조방법 - Google Patents

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KR20170009297A
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임영창
김혜원
이제완
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Abstract

본 발명에서는 이차전지의 제조방법이 개시된다. 상기 이차전지의 제조방법은, 제1, 제2 전극판 및 상기 제1, 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 준비하는 단계와, 제1 전극판과 제1 전극 탭를 초음파 용접하되, 제1 돌출 팁을 포함하는 제1 혼을 이용하는 제1 초음파 용접 단계와, 제2 전극판과 제2 전극 탭을 초음파 용접하되, 제1 돌출 팁과 다른 배치 방향을 갖는 제2 돌출 팁을 포함하는 제2 혼을 이용하는 제2 초음파 용접 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 서로 다른 소재 특성을 갖는 제1, 제2 전극 탭의 초음파 용접에서 공정 조건을 서로 상이하게 적용함으로써 전극 탭의 손상을 방지하면서도 전극 탭의 결합 강도를 향상시킬 수 있는 이차전지의 제조방법이 제공된다.

Description

이차전지의 제조방법{Manufacturing method for secondary battery}
본 발명은 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
이차전지는 그 장점으로 인해 산업 전반에 걸친 다양한 기술분야에 적용되고 있으며, 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터와 같은 모바일 전자기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린 및 디젤 내연기관의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 하이브리드 전기 자동차 등의 에너지원으로도 주목받고 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 서로 다른 소재 특성을 갖는 제1, 제2 전극 탭의 초음파 용접에서 공정 조건을 서로 상이하게 적용함으로써 전극 탭의 손상을 방지하면서도 전극 탭의 결합 강도를 향상시킬 수 있는 이차전지의 제조방법을 포함한다.
상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 이차전지의 제조방법은,
제1, 제2 전극판 및 상기 제1, 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 준비하는 단계;
상기 제1 전극판과 제1 전극 탭를 초음파 용접하되, 제1 돌출 팁을 포함하는 제1 혼을 이용하는 제1 초음파 용접 단계; 및
상기 제2 전극판과 제2 전극 탭을 초음파 용접하되, 제1 돌출 팁과 다른 배치 방향을 갖는 제2 돌출 팁을 포함하는 제2 혼을 이용하는 제2 초음파 용접 단계;를 포함한다.
예를 들어, 상기 제1 전극 탭과 제2 전극 탭은 서로 다른 소재로 형성된다.
예를 들어, 상기 제1 전극 탭은 알루미늄을 포함하고, 상기 제2 전극 탭은 구리 또는 니켈을 포함한다.
예를 들어, 상기 제1 돌출 팁의 배치 방향은 초음파 용접의 진동 방향과 실질적으로 나란하고,
상기 제2 돌출 팁의 배치 방향은 초음파 용접의 진동 방향과 어긋나 있다.
예를 들어, 상기 진동 방향을 기준으로,
상기 제1 돌출 팁의 배치 방향은 -5도 ~ +5도 사이에서 설정되고,
상기 제2 돌출 팁의 배치 방향은 40도 ~ 50도 사이에서 설정된다.
예를 들어, 상기 진동 방향을 기준으로,
상기 제1 돌출 팁의 배치 방향은 실질적으로 0도로 설정되고,
상기 제2 돌출 팁의 배치 방향은 실질적으로 45도로 설정된다.
예를 들어, 상기 제1 돌출 팁의 배치 방향은 제1 돌출 팁의 다각형 단면의 면 방향들 중에서 상기 진동 방향과 최소의 각도를 이루는 방향을 의미하고,
상기 제2 돌출 팁의 배치 방향은 제2 돌출 팁의 다각형 단면의 면 방향들 중에서 상기 진동 방향과 최소의 각도를 이루는 방향을 의미한다.
예를 들어, 상기 제1 돌출 팁의 다각형 단면 중에서 주된 가진 접촉면의 개수(N)와, 제2 돌출 팁의 다각형 단면 중에서 주된 가진 접촉면의 개수(M)는, N < M 관계를 만족한다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 돌출 팁의 단면은 4면을 갖는 사각형이고,
상기 제1 돌출 팁의 주된 가진 접촉면은 2개이고,
상기 제2 돌출 팁의 주된 가진 접촉면은 4개이다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 돌출 팁은 사각형 밑면을 갖는 사각 뿔 형태로 형성된다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 혼은, 각각 제1, 제2 돌출 팁을 다수 포함하는 요철 면을 갖는다.
예를 들어, 상기 제1 돌출 팁의 배치 밀도와 제2 돌출 팁의 배치 밀도는 서로 상이하게 설계된다.
예를 들어, 상기 제1 돌출 팁은 상대적으로 촘촘한 피치로 배치되고,
상기 제2 돌출 팁은 상대적으로 성긴 피치로 배치된다.
예를 들어, 상기 제1 돌출 팁의 크기와 제2 돌출 팁의 크기는 서로 상이하게 설계된다.
예를 들어, 상기 제1 돌출 팁은, 제2 돌출 팁보다 작은 크기로 형성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 이차전지의 제조방법에서는, 서로 다른 소재 특성을 갖는 제1, 제2 전극 탭의 초음파 용접에서 공정 조건을 서로 상이하게 적용함으로써 전극 탭의 손상을 방지하면서도 전극 탭의 결합 강도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 이차전지의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전극 조립체를 전개하여 도시한 사시도이다.
도 3은 제1 전극판과 제1 전극 탭 간의 제1 초음파 용접 공정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 제1 혼의 제1 돌출 팁을 도시한 사시도이다.
도 5 및 도 6은 초음파 용접의 진동 방향과 제1 돌출 팁의 배치 방향 사이의 관계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 제2 전극판과 제2 전극 탭 간의 제2 초음파 용접 공정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 제2 혼의 제2 돌출 팁을 도시한 사시도이다.
도 9 및 도 10은 초음파 진동의 진동 방향과 제2 돌출 팁의 배치 방향 사이의 관계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시형태에서 적용 가능한 제1, 제2 혼의 돌출 팁 배열을 보여주는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 관한 이차전지의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 이차전지의 분해 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 전극 조립체를 전개하여 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 이차전지는 전극 조립체(100), 전극 조립체(100)와 전기적으로 연결되고 전극 조립체로부터 연장되는 전극 탭(170) 및 상기 전극 조립체(100)를 수용하는 케이스(110)를 포함한다. 상기 케이스(110)는 상기 전극 조립체(100)를 사이에 개재하고 서로 마주하는 방향으로 결합되는 제1, 제2 케이스(111,112)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1, 제2 케이스(111,112)는 실링부(111a,112a)를 포함할 수 있고, 전극 조립체(100)로부터 인출되는 전극 탭(170)에는 실링부(111a,112a)와의 절연을 위한 절연 테이프(190)가 부착될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 전극 조립체(100)는 세퍼레이터(50)가 개재된 상태에서, 제1 전극판(10)과 제2 전극판(20)을 롤 형태로 권취시킨 젤리 롤 타입으로 마련될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 전극 조립체(100)는 세퍼레이터(50)가 개재된 상태에서, 제1 전극판(10)과 제2 전극판(20)이 순차적으로 적층되어 있는 스택 타입으로 마련될 수도 있다. 이러한 스택 타입 전극 조립체에서는 제1 전극판(10), 제2 전극판(20) 등의 전극판(10,20)의 적층 수를 늘리는 것에 의해 용이하게 전지 용량을 증가시킬 수 있다. 본 명세서에서는 제1, 제2 전극판(10,20)을 전극판(10,20)으로 총괄하여 호칭하기로 한다.
상기 전극판(10,20)은 전극 집전체(11,21)의 표면에 활물질을 도포하여 형성될 수 있으며, 전극 집전체(11,21)와, 상기 전극 집전체(11,21)의 적어도 일면에 형성된 활물질층(15,25)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극판(10)은 양극 집전체(11)와, 양극 집전체(11)의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층(15)을 포함하는 양극판으로 형성될 수 있다. 유사하게, 상기 제2 전극판(20)은 음극 집전체(21)와, 음극 집전체(21)의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층(25)을 포함하는 음극판으로 형성될 수 있다.
상기 전극판(10,20)의 가장자리에는 활물질층이 형성되지 않은 무지부가 형성될 수 있다. 상기 무지부에는 전극 탭(170)이 전기적으로 연결될 수 있으며, 무지부를 통하여 제1 전극판(10) 및 제2 전극판(20)에는 각각 제1 전극 탭(171) 및 제2 전극 탭(172)이 전기적으로 연결될 수 있다. 본 명세서를 통하여, 제1 전극 탭(171) 및 제2 전극 탭(172)을 포괄하여 전극 탭(170)으로 총칭하기로 한다. 후술하는 바와 같이, 무지부에 대한 전극 탭(170)의 결합은, 초음파 용접에 의해 이루어질 수 있다.
상기 전극 탭(170)은 전도성이 우수한 금속소재로 형성될 수 있고, 예를 들어, 제1 전극 탭(171)은 알루미늄 소재로 형성되며, 제2 전극 탭(172)은 구리나 니켈 소재로 형성될 수 있다.
상기 전극판(10,20)과 전극 탭(170) 간의 전기적인 연결은 용접부(W1,W2)를 통하여 이루어질 수 있다. 상기 용접부(W1,W2)는 초음파 용접으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 용접에서는, 용접 모재로서 전극판(10,20)과 전극 탭(170)이 서로 겹쳐지게 배치되고, 용접기의 혼(미도시)과 엔빌(미도시) 사이에서 전극판(10,20)과 전극 탭(170)이 가압된 상태로, 고 주파수의 초음파 진동에 따라 마찰 열 등의 진동 에너지가 전달됨으로써 접합이 이루어질 수 있다.
도 3은 제1 전극판(10)과 제1 전극 탭(171) 간의 제1 초음파 용접 공정을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 4는 도 3에 도시된 제1 혼(h1)의 제1 돌출 팁(t1)을 도시한 사시도이다. 도 5 및 도 6은 진동 방향(V)과 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(V) 사이의 관계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 제2 전극판(20)과 제2 전극 탭(172) 간의 제2 초음파 용접 공정을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 8은 도 7에 도시된 제2 혼(h2)의 제2 돌출 팁(t2)을 도시한 사시도이다. 도 9 및 도 10은 진동 방향(V)과 제2 돌출 팁(t1)의 배치 방향 사이의 관계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 초음파 용접에서는 요철 면(S)이 형성된 제1 혼(h1)과, 상기 제1 혼(h1)과 대면하여 지지면이 형성된 엔빌(e)의 사이에 용접 모재로서의 제1 전극판(10)과 제1 전극 탭(171)을 개재하고 이들 용접 모재(10,171)를 제1 혼(h1)과 엔빌(e) 사이에서 가압한 상태로 초음파 진동을 가하게 된다. 도면에서 볼 수 있듯이, 상기 제1 혼(h1)에는 엔빌(e)을 향하여 돌출된 다수의 제1 돌출 팁(t1)이 형성될 수 있다. 상기 제1 돌출 팁(t1)은 규칙적인 배열을 이루며 제1 혼(h1)의 요철 면(S)을 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 돌출 팁(t1)의 각 형상에 대해, 상기 제1 돌출 팁(t1)은 다각 뿔 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 돌출 팁(t1)은 단면이 사각형인 사각 뿔 형태로 형성될 수 있다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않고 예를 들어, 단면이 삼각형인 삼각 뿔이나, 단면이 오각형인 오각 뿔 형태를 가질 수 있는 등, 다양한 형태의 다각 뿔 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 돌출 팁(t1)의 단면은, 제1 돌출 팁(t1)의 밑면, 그러니까, 엔빌(e)을 향하는 뿔과 반대 방향의 밑면과 같은 형상을 가질 수 있고, 제1 돌출 팁(t1)의 단면은 제1 전극 탭(171)에 대한 가진 접촉면을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 돌출 팁(t1)의 뿔은 소정의 압력으로 제1 전극 탭(171) 내에 박힌 상태에서 제1 돌출 팁(t1)의 단면을 통하여 제1 전극 탭(171)을 가진할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 제1 돌출 팁(t1)의 단면이 모두 가진 접촉면(f)이 되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 돌출 팁(t1)의 사각형 단면 중에서 4면이 모두 가진 접촉면(f)이 될 수도 있으나, 일부 면만이 가진 접촉면(f)이 될 수도 있다. 이는 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(Z)과 초음파 용접의 진동 방향(V) 간의 상대적인 각도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 돌출 팁(t1)의 사각형 단면 중에서 4면이 모두 가진 접촉면(f)이 되거나 또는 2면만이 가진 접촉면(f)이 될 수도 있다.
제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(Z)과 진동 방향(V) 간의 각도에 따라 달라지는 가진 접촉면(f)은, 여유 공차를 감안하여 주된 가진 접촉면(f)으로 이해될 수 있다. 즉, 설정 각도와 실제 적용된 각도 간에는 어느 정도의 공차가 생길 수 있다는 점에서, 주된 가진 접촉면(f)이라는 개념을 이용하여 설명하도록 한다. 예를 들어, 제1 돌출 팁(t1)의 사각형 단면 중에서 접촉 압력이 상대적으로 높은 2면이 주된 가진 접촉면(f)이 될 수 있다.
상기 제1 돌출 팁(t1)은 제1 전극 탭(171)을 향하여 소정의 압력으로 가압된 형태로 초음파 진동을 가하게 된다. 이때, 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(Z) 및 진동 방향(V)에 따라, 제1 돌출 팁(t1)의 주된 가진 접촉면(f)이 서로 달라지게 된다. 예를 들어, 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(Z)과 진동 방향(V) 간에 이루는 각도에 따라 제1 돌출 팁(t1)의 주된 가진 접촉면(f)이 달라지고,이에 따라 초음파 용접의 특성이 서로 상이하게 달라지게 된다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 초음파 용접에서는 요철 면(S)이 형성된 제2 혼(h2)과, 상기 제2 혼(h2)과 대면하여 지지면이 형성된 엔빌(e)의 사이에 용접 모재로서의 제2 전극판(20)과 제2 전극 탭(172)을 개재하고 이들 용접 모재(20,172)를 제2 혼(h2)과 엔빌(e) 사이에서 가압한 상태로 초음파 진동을 가하게 된다. 도면에서 볼 수 있듯이, 상기 제2 혼(h1)에는 엔빌(e)을 향하여 돌출된 다수의 제2 돌출 팁(t2)이 형성될 수 있다. 상기 제2 돌출 팁(t2)은 규칙적인 배열을 이루며 제2 혼(h2)의 요철 면(S)을 형성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제2 돌출 팁(t2)의 각 형상에 대해, 상기 제2 돌출 팁(t2)은 다각 뿔 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 돌출 팁(t2)은 단면이 사각형인 사각 뿔 형태로 형성될 수 있다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않고 예를 들어, 단면이 삼각형인 삼각 뿔이나, 단면이 오각형인 오각 뿔 형태를 가질 수 있는 등, 다양한 형태의 다각 뿔 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제2 돌출 팁(t2)의 단면은, 제2 돌출 팁(t2)의 밑면, 그러니까, 엔빌(e)을 향하는 뿔과 반대 방향의 밑면과 같은 형상을 가질 수 있고, 제2 돌출 팁(t2)의 단면은 제2 전극 탭(172)에 대한 가진 접촉면을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 돌출 팁(t2)의 뿔은 소정의 압력으로 제2 전극 탭(172) 내에 박힌 상태에서 제2 돌출 팁(t2)의 단면을 통하여 제2 전극 탭(172)을 가진할 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 제2 돌출 팁(t2)의 단면이 모두 가진 접촉면(f)이 될 수 있다. 이는 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향(Z)과 초음파 용접의 진동 방향(V) 간의 상대적인 각도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제2 돌출 팁(t2)의 사각형 단면 중에서 4면이 모두 가진 접촉면(f)이 되거나 또는 2면만이 가진 접촉면(f)이 될 수도 있다. 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향(Z)과 진동 방향(V) 간의 각도에 따라 달라지는 가진 접촉면(f)은, 여유 공차를 감안하여 주된 가진 접촉면(f)으로 이해될 수 있다. 즉, 설정 각도와 실제 적용된 각도 간에는 어느 정도의 공차가 생길 수 있다는 점에서, 주된 가진 접촉면(f)이라는 개념을 이용하여 설명하도록 한다. 예를 들어, 제2 돌출 팁(t2)의 사각형 단면 중에서 4면이 모두 가진 접촉면(f)이 될 수 있다.
상기 제2 돌출 팁(t2)은 제2 전극 탭(172)을 향하여 소정의 압력으로 가압된 형태로 초음파 진동을 가하게 된다. 이때, 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향(Z) 및 진동 방향(V)에 따라, 제2 돌출 팁(t2)의 주된 가진 접촉면(f)이 서로 달라지게 된다. 예를 들어, 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향(Z)과 진동 방향(V) 간에 이루는 각도에 따라 제2 돌출 팁(t2)의 주된 가진 접촉면(f)이 달라지고, 이에 따라 초음파 용접의 특성이 서로 상이하게 달라지게 된다. 본 명세서에서 제1, 제2 돌출 팁(t1,t2)을 돌출 팁(t1,t2)으로 총괄하여 호칭하기로 한다.
도 6 및 도 10을 함께 참조하면, 상기 주된 가진 접촉면(f)은, 쌍을 이루는 제1, 제2 전극 탭(171,172)의 초음파 용접에서 서로 다르게 적용된다. 즉, 제1 전극 탭(171)과 제2 전극 탭(172)의 초음파 용접에서, 돌출 팁(t1,t2)의 배치 방향(Z)과 진동 방향(V)은 서로 다른 각도로 배치된다.
이하에서는 제1, 제2 전극 탭(171,172)에서 진동 방향(V)이 동일하게 설정되고, 상기 진동 방향(V)을 기준으로 돌출 팁(t1,t2)의 배치 방향(Z)에 대해 설명하기로 한다. 본 발명에서는 상기 진동 방향(V)을 기준으로, 제1, 제2 전극 탭(171,172)의 초음파 용접에서 돌출 팁(t1,t2)의 배치 방향(Z), 그러니까, 돌출 팁(t1,t2) 단면의 배치 방향(Z)이 서로 상이하게 설정된다.
예를 들어, 돌출 팁(t1,t2) 단면이 사각형 형태로 형성될 때, 돌출 팁(t1,t2)의 배치 방향(Z)은 돌출 팁(t1,t2) 단면 중 어느 일면이 바라보는 면 방향으로 정의될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 돌출 팁(t1,t2)의 배치 방향(Z)은 진동 방향(V)을 기준으로, 돌출 팁(t1,t2) 단면의 면 방향들 중에서 진동 방향(V)과 가장 근접한, 그러니까 최소 각도를 이루는 면 방향으로 정의될 수 있다.
도 6에서 볼 수 있듯이, 제1 전극 탭(171)의 초음파 용접에서, 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(Z)은 0도로 설정될 수 있다. 즉, 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(Z)은 진동 방향(V)과 나란한 방향으로 설정될 수 있다. 이때, 소정의 공차를 감안하면, -5도 ~ +5도 사이의 각도로 설정될 수 있다.
도 10에서 볼 수 있듯이, 제2 전극 탭(172)의 초음파 용접에서, 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향(Z)은 45도로 설정될 수 있다. 즉, 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향(Z)은 진동 방향(V)과 어긋난 방향으로 설정될 수 있다. 이때, 소정의 공차를 감안하면, 40도 ~ 50도 사이의 각도(θ)로 설정될 수 있다. 상기 제1, 제2 전극 탭(171,172)의 초음파 용접에서, 돌출 팁(t1,t2)의 배치 빙향(Z)은 모두 초음파 용접의 진동 방향(V)을 기준으로 설정한 것으로, 진동 방향(V)은 0도 축에 해당된다.
제1 전극 탭(171)과 제2 전극 탭(172)은 서로 다른 소재로 형성된다. 각각의 제1, 제2 전극 탭(171,172)은, 제1, 제2 전극판(10,20)으로부터 인출되며, 제1, 제2 전극판(10,20)과의 결합 강도를 고려하여 각각의 제1, 제2 전극판(10,20) 소재와 같거나 또는 유사한 소재로 제1, 제2 전극 탭(171,172)을 형성하기 때문이다.
제1, 제2 전극 탭(171,172)의 소재 특성에 따라, 각각의 제1, 제2 전극 탭(171,172)의 초음파 용접에서 중시되는 공정 특성이 상이하게 된다. 예를 들어, 제1 전극 탭(171)은 알루미늄 소재로 형성될 수 있고, 알루미늄 소재의 제1 전극 탭(171)은 기계적인 강도가 상대적으로 낮기 때문에 초음파 용접 중에서 찢어지는 손상이 일어나기 쉽다. 즉, 상대적으로 취약한 소재의 제1 전극 탭(171)은, 제1 전극판(10)과의 결합 강도가 떨어지는 문제보다는 제1 전극 탭(171) 자체의 손상에 초점을 맞추어 초음파 용접이 수행되는 것이 바람직하다.
상기의 고려로부터 제1 전극 탭(171)의 용접시에 제1 돌출 팁(t1)은 진동 방향(V)과 나란한 방향으로 설정될 수 있다(도 6 참조). 이때 제1 돌출 팁(t1)의 주된 가진 접촉면(f)은, 진동 방향(V)과 나란한 면 방향을 갖는 두 개의 면, 즉, 제1, 제2 가진 접촉면(f)을 포함할 수 있다. 그리고 진동 방향(V)과 수직한 면 방향을 갖는 나머지 두 개의 면은 실질적으로 가진 접촉면(f)에 해당되지 않는다.
상기 제1, 제2 가진 접촉면(f)은 진동 방향(V)을 따라 제1 전극 탭(171)을 가압하게 된다. 이때, 상기 제1, 제2 가진 접촉면(f)은 뾰족한 에지를 갖지 않기 때문에, 제1 전극 탭(171)을 손상시킬 우려가 적다. 제1 돌출 팁(t1)의 4면 중에서 2면만이 주된 가진 접촉면(f)으로 작용하게 되므로 용접 강도가 다소 낮아질 수 있으나, 제1 전극 탭(171)의 손상을 줄일 수 있고, 특히 주된 가진 접촉면(f)이 뾰족한 에지를 갖지 않기 때문에, 제1 전극 탭(171)이 찢어지는 불량을 방지할 수 있다.
제1 전극 탭(171)과 달리, 제2 전극 탭(172)은 구리 또는 니켈 소재로 형성될 수 있고, 이러한 제2 전극 탭(172)은 기계적인 강도는 충분하지만, 제2 전극판(20)과의 충분한 결합 강도를 확보하기 어려울 수 있다. 즉, 상대적으로 강한 소재의 제2 전극 탭(172)은 제2 전극판(20)과의 결합 강도를 높이는 방향으로 초점을 맞추어 초음파 용접이 수행되는 것이 바람직하다.
상기의 고려로부터 제2 전극 탭(172)의 용접시에 제2 돌출 팁(t2)은 진동 방향(V)과 어긋난 방향으로 설정될 수 있다. 이때 제2 돌출 팁(t2)의 주된 가진 접촉면(f)은, 제2 돌출 팁(t2) 단면의 모든 4면을 포함할 수 있다.
상기 4개의 주된 가진 접촉면(f)은 진동 방향(V)을 따라 제2 전극 탭(172)을 가압하게 된다. 이렇게 제2 돌출 팁(t2) 단면의 모든 4개의 면을 주된 가진 접촉면(f)으로 갖기 때문에, 용접 강도가 그만큼 높아지고, 그에 따라, 결합 강도가 향상될 수 있다. 제2 전극 탭(172)은 기계적인 강도 높은 소재로 형성되므로, 4개의 주된 가진 접촉면(f)을 이용하여 결합 강도를 높이더라도 손상될 우려가 적다.
상기 4개의 주된 가진 접촉면(f)은 뾰족한 에지(p)를 포함한다. 이렇게 뾰족한 에지(p)는 진동 방향(V)을 따라 제2 전극 탭(172)을 가압하게 되므로, 제2 전극 탭(172)에는 상당한 수준의 접촉 압력이 작용하게 된다. 즉, 뾰족한 에지(p)를 통하여 매우 협소한 면적으로 높은 접촉 압력이 가해지게 된다는 것이다. 제2 전극 탭(172)은 기계적인 강도가 높은 소재로 형성되므로, 이러한 접촉 압력에도 불구하고 손상될 우려가 적고, 오히려 제2 전극 탭(172)의 결합 강도를 높이는데 유리하게 된다.
제2 전극 탭(172)의 용접시에 제2 돌출 팁(t2)은 진동 방향(V)과 어긋난 방향으로 설정될 수 있다. 이때 제2 돌출 팁(t2)의 주된 가진 접촉면(f)은, 제2 돌출 팁(t2) 단면의 모든 4면을 포함할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시형태에서 적용 가능한 제1, 제2 혼의 돌출 팁 배열을 보여주는 도면들이다.
도 11 및 도 12를 함께 참조하면, 각각 제1, 제2 전극 탭(171,172)의 초음파 용접에 적용되는 제1, 제2 혼(h10,h20)은 다수의 제1, 제2 돌출 팁(t10,t20)이 배열된 요철 면(S)을 포함한다. 이때 제1, 제2 혼(h10,h20)의 요철 면(S)을 형성하는 제1, 제2 돌출 팁(t10,t20)은 서로 다른 크기 및/또는 피치로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 돌출 팁(t10)은 상대적으로 촘촘한 간격으로 조밀하게 배열될 수 있고, 제2 돌출 팁(t20)은 상대적으로 넓은 간격으로 성기게 배열될 수 있다. 또한, 제1 돌출 팁(t10) 각각의 크기는, 제2 돌출 팁(t20)보다는 작게 형성될 수 있다. 즉, 제1 돌출 팁(t10)은 각각 작은 크기로 조밀하게 배열될 수 있고, 이에 반하여, 제2 돌출 팁(t20)은 각각 큰 크기로 성기게 배열될 수 있다.
상기 제1, 제2 전극 탭(171,172)은 서로 다른 소재로 형성될 수 있다. 상대적으로 기계적인 강도가 부족한 알루미늄 소재의 제1 전극 탭(171)의 경우에는, 초음파 용접시 제1 전극 탭(t10) 자체의 손상에 초점을 맞추는 것이 바람직하고, 이에, 제1 돌출 팁(t10)은 상대적으로 작은 크기로 조밀하게 배열되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 개개의 제1 돌출 팁(t10)의 크기를 작게 제한함으로써, 제1 돌출 팁(t10)의 진동에 따른 제1 전극 탭(171)의 손상을 방지하되 조밀하게 배열된 다수의 제1 돌출 팁(t10)을 통하여 적정의 결합 강도를 확보할 수 있다는 것이다.
한편, 상대적으로 기계적인 강도가 충분한 구리 또는 니켈 소재의 제2 전극 탭(172)의 경우에는, 초음파 용접시 제2 전극 탭(172) 자체의 손상보다는 결합 강도에 초점을 맞추는 것이 바람직하고, 이에, 제2 돌출 팁(t20)은 상대적으로 큰 크기로 성기게 배열되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 개개의 제2 돌출 팁(t20)의 크기를 확대함으로써 충분한 결합 강도를 확보할 수 있고, 이에 따라 제2 돌출 팁(t20)의 배열을 굳이 조밀하게 할 필요는 없고, 제조 비용을 감안하여 제2 돌출 팁(t20)의 배열을 상대적으로 성기게 설계할 수 있을 것이다. 예를 들어, 제2 돌출 팁(t20)이 상대적으로 크게 형성된다는 것은, 제2 돌출 팁(t20)이 제2 전극 탭(172)에 대해 보다 깊숙하게 인입된 상태에서, 보다 넓은 면적으로 가진한다는 것을 의미하므로, 그만큼 제2 전극 탭(172)에 대한 압력은 증가하고 결합 강도는 상승하게 된다.
도 11 및 도 12에서, 제1, 제2 돌출 팁(t10,t20)의 배열 방향은, 초음파 진동 방향(V)에 대해 서로 상이하게 설계되어 있으며, 이에 대해 구체적인 설명은 앞서 설명된 바와 실질적으로 동일하며 여기서 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
도 11 및 도 12에서는, 제1, 제2 돌출 팁(t10,t20)의 크기 및 피치가 동시에 상이하게 설계되어 있으나, 본 발명의 다른 실시형태에서, 제1, 제2 돌출 팁(t10,t20)의 크기만을 서로 상이하게 설계하거나 또는 제1, 제2 돌출 팁(t10,t20)의 피치만을 서로 상이하게 설계하는 것도 가능함은 물론이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 이차전지의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 이차전지의 제조방법은, 제1, 제2 전극판(10,20) 및 상기 제1, 제2 전극판(10,20) 사이에 개재된 세퍼레이터(50)를 포함하는 전극 조립체(100)를 준비하는 단계와, 상기 제1 전극판(10)과 제1 전극 탭(171)를 초음파 용접하는 제1 초음파 용접 단계와, 상기 제2 전극판(20)과 제2 전극 탭(172)를 초음파 용접하는 제2 초음파 용접 단계를 포함한다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 상기 제1 초음파 용접에서는 제1 돌출 팁(t1)을 포함하는 제1 혼(h1)을 이용하여 제1 전극 탭(171)을 용접하고, 상기 제2 초음파 용접에서는 제2 돌출 팁(t2)을 포함하는 제2 혼(h2)을 이용하여 제2 전극 탭을 용접한다. 상기 제1, 제2 혼(h1,h2)은, 각각 제1, 제2 돌출 팁(t1,t2)을 다수 포함하는 요철 면(S)을 가질 수 있다. 그리고, 도 4 및 도 8을 참조하면, 상기 제1, 제2 돌출 팁(t1,t2)은 사각형 밑면을 갖는 사각 뿔 형태로 형성될 수 있다.
도 6 및 도 10을 참조하면, 상기 제1, 제2 초음파 용접에서는 진동 방향(V)을 기준으로, 제1, 제2 돌출 팁(t1,t2)의 배치 방향(Z)이 서로 상이하게 설정된다. 보다 구체적으로, 상기 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(Z)은 초음파 용접의 진동 방향(V)과 실질적으로 나란하고, 상기 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향(Z)은 초음파 용접의 진동 방향(V)과 어긋나도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 전극 탭(171)과 제2 전극 탭(172)은 서로 다른 소재로 형성될 수 있는데, 상기 제1 전극 탭(171)은 알루미늄을 포함하고, 상기 제2 전극 탭(172)은 구리 또는 니켈을 포함할 수 있다.
제1, 제2 전극 탭(171,172)의 소재 특성에 따라, 각각의 제1, 제2 전극 탭(171,172)의 초음파 용접에서 중시되는 공정 특성이 상이하게 된다. 예를 들어, 제1 전극 탭(171)은 알루미늄 소재로 형성될 수 있고, 알루미늄 소재의 제1 전극 탭(171)은 기계적인 강도가 상대적으로 낮기 때문에 초음파 용접 중에서 찢어지는 손상이 일어나기 쉽다. 즉, 상대적으로 취약한 소재의 제1 전극 탭(171)은, 제1 전극판(10)과의 결합 강도가 떨어지는 문제보다는 제1 전극 탭(171) 자체의 손상에 초점을 맞추어 초음파 용접이 수행되는 것이 바람직하다.
제1 전극 탭(171)과 달리, 제2 전극 탭(172)은 구리 또는 니켈 소재로 형성될 수 있고, 이러한 제2 전극 탭(172)은 기계적인 강도는 충분하지만, 제2 전극판(20)과의 충분한 결합 강도를 확보하기 어려울 수 있다. 즉, 상대적으로 강한 소재의 제2 전극 탭(172)은 제2 전극판(20)과의 결합 강도를 높이는 방향으로 초점을 맞추어 초음파 용접이 수행되는 것이 바람직하다.
상기의 고려로부터, 상기 진동 방향(V)을 기준으로, 상기 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향은 -5도 ~ +5도 사이에서 설정되고, 상기 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향은 40도 ~ 50도 사이에서 설정될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 진동 방향(V)을 기준으로, 상기 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(V)은 실질적으로 0도로 설정되고, 상기 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향(V)은 실질적으로 45도로 설정될 수 있다.
상기 제1 돌출 팁(t1)의 배치 방향(V)은 제1 돌출 팁(t1)의 다각형 단면의 면 방향들 중에서 상기 진동 방향(V)과 최소의 각도를 이루는 방향을 의미하고, 상기 제2 돌출 팁(t2)의 배치 방향(V)은 제2 돌출 팁(t2)의 다각형 단면의 면 방향들 중에서 상기 진동 방향(V)과 최소의 각도를 이루는 방향을 의미할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 돌출 팁(t1)의 다각형 단면 중에서 주된 가진 접촉면(f)의 개수(N)와, 제2 돌출 팁(t2)의 다각형 단면 중에서 주된 가진 접촉면(f)의 개수(M)는, N < M의 관계를 만족할 수 있다. 예를 들어, 돌출 팁(t1,t2)의 배치 방향(Z)과 초음파 용접의 진동 방향(V) 간의 상대적인 각도에 따라 돌출 팁(t1,t2)의 사각형 단면 중에서 4면이 모두 주된 가진 접촉면(f)이 되거나 또는 2면만이 주된 가진 접촉면(f)이 될 수 있다. 이때, 기계적인 손상에 초점을 맞춘 제1 전극 탭(171)의 초음파 용접에서, 제1 돌출 팁(t1)은 2개(N = 2)의 주된 가진 접촉면(f)을 가질 수 있다(도 6 참조). 반면에, 용접 강도에 초점을 맞춘 제2 전극 탭(172)의 초음파 용접에서, 제2 돌출 팁(t2)은 4개(M = 4)의 주된 가진 접촉면(f)을 가질 수 있다(도 10 참조).
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 이차전지의 제조방법에서는, 제1, 제2 전극 탭(171,172)의 초음파 용접에서, 제1 돌출 팁(t10)의 배치 밀도와 제2 돌출 팁(t20)의 배치 밀도가 서로 상이하게 설계된 제1, 제2 혼(h10,h20)이 적용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 돌출 팁(t10)은 상대적으로 촘촘한 피치로 배치되고, 상기 제2 돌출 팁(t20)은 상대적으로 성긴 피치로 배치될 수 있다.
또한, 제1, 제2 전극 탭(171,172)의 초음파 용접에서, 제1 돌출 팁(t10)의 크기와 제2 돌출 팁(t20)의 크기가 서로 상이하게 설계된 제1, 제2 혼(h10,h20)이 적용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 돌출 팁(t10)은, 제2 돌출 팁(t20)보다 작은 크기로 형성될 수 있다.
상기 제1, 제2 전극 탭(171,172)은 서로 다른 소재로 형성될 수 있다. 상대적으로 기계적인 강도가 부족한 알루미늄 소재의 제1 전극 탭(171)의 경우에는, 초음파 용접시 제1 전극 탭(t10) 자체의 손상에 초점을 맞추는 것이 바람직하고, 이에, 제1 돌출 팁(t10)은 상대적으로 작은 크기로 조밀하게 배열되는 것이 바람직할 수 있다.
상대적으로 기계적인 강도가 충분한 구리 또는 니켈 소재의 제2 전극 탭(172)의 경우에는, 초음파 용접시 제2 전극 탭(172) 자체의 손상보다는 결합 강도에 초점을 맞추는 것이 바람직하고, 이에, 제2 돌출 팁(t20)은 상대적으로 큰 크기로 성기게 배열되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 개개의 제2 돌출 팁(t20)의 크기를 확대함으로써 충분한 결합 강도를 확보할 수 있고, 이에 따라 제2 돌출 팁(t20)의 배열을 굳이 조밀하게 할 필요는 없고, 제조 비용을 감안하여 제2 돌출 팁(t20)의 배열을 상대적으로 성기게 설계할 수 있을 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 제1 전극판 20 : 제2 전극판
50: 세퍼레이터 100 : 전극 조립체
110: 전지 케이스 111: 제1 케이스
112: 제2 케이스 170: 전극탭
171: 제1 전극 탭 172: 제2 전극 탭
h1,h2,h10,h20 : 초음파 용접기의 혼
t1,t2,t10,t20 : 혼의 돌출 팁
e : 초음파 용접기의 엔빌
Z : 돌출 팁의 배치 방향
V : 초음파 용접의 진동 방향

Claims (15)

  1. 제1, 제2 전극판 및 상기 제1, 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 준비하는 단계;
    상기 제1 전극판과 제1 전극 탭를 초음파 용접하되, 제1 돌출 팁을 포함하는 제1 혼을 이용하는 제1 초음파 용접 단계; 및
    상기 제2 전극판과 제2 전극 탭을 초음파 용접하되, 제1 돌출 팁과 다른 배치 방향을 갖는 제2 돌출 팁을 포함하는 제2 혼을 이용하는 제2 초음파 용접 단계;를 포함하는 이차전지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 돌출 팁의 배치 방향은 초음파 용접의 진동 방향과 실질적으로 나란하고,
    상기 제2 돌출 팁의 배치 방향은 초음파 용접의 진동 방향과 어긋나 있는 것을 특징으로 이차전지의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 진동 방향을 기준으로,
    상기 제1 돌출 팁의 배치 방향은 -5도 ~ +5도 사이에서 설정되고,
    상기 제2 돌출 팁의 배치 방향은 40도 ~ 50도 사이에서 설정되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 진동 방향을 기준으로,
    상기 제1 돌출 팁의 배치 방향은 실질적으로 0도로 설정되고,
    상기 제2 돌출 팁의 배치 방향은 실질적으로 45도로 설정되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 돌출 팁의 배치 방향은 제1 돌출 팁의 다각형 단면의 면 방향들 중에서 상기 진동 방향과 최소의 각도를 이루는 방향을 의미하고,
    상기 제2 돌출 팁의 배치 방향은 제2 돌출 팁의 다각형 단면의 면 방향들 중에서 상기 진동 방향과 최소의 각도를 이루는 방향을 의미하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 탭과 제2 전극 탭은 서로 다른 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 전극 탭은 알루미늄을 포함하고,
    상기 제2 전극 탭은 구리 또는 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 돌출 팁의 다각형 단면 중에서 주된 가진 접촉면의 개수(N)와, 제2 돌출 팁의 다각형 단면 중에서 주된 가진 접촉면의 개수(M)는, N < M 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1, 제2 돌출 팁의 단면은 4면을 갖는 사각형이고,
    상기 제1 돌출 팁의 주된 가진 접촉면은 2개이고,
    상기 제2 돌출 팁의 주된 가진 접촉면은 4개인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 돌출 팁은 사각형 밑면을 갖는 사각 뿔 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 혼은, 각각 제1, 제2 돌출 팁을 다수 포함하는 요철 면을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 돌출 팁의 배치 밀도와 제2 돌출 팁의 배치 밀도는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 돌출 팁은 상대적으로 촘촘한 피치로 배치되고,
    상기 제2 돌출 팁은 상대적으로 성긴 피치로 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 돌출 팁의 크기와 제2 돌출 팁의 크기는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 돌출 팁은, 제2 돌출 팁보다 작은 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
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