KR20210127009A - 전지 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체에 연결된 버스 바 프레임, 상기 전지 셀 적층체에 연결되고, 제1 금속을 포함하는 전극 리드들, 및 상기 전극 리드와 중첩하고, 제2 금속을 포함하는 버스 바를 포함하고, 상기 전극 리드와 상기 버스 바가 용접에 의해 용접부를 형성하고, 상기 용접부는, 상기 전극 리드와 상기 버스 바의 경계면을 기준으로 상기 전극 리드 내에 중심부가 위치하는 제1 영역 및 상기 버스 바 내에 중심부가 위치하는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 석출물(Precipitate)은 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 모두 분포한다.

Description

전지 모듈 및 그 제조 방법{BATTERY MODULE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 향상된 용접부 물성을 갖는 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지 셀로 이루어지는 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
전지 모듈 내부에서 전지셀이 전기적으로 연결되기 위해서는, 전극 리드가 상호 연결되고, 그러한 연결 상태를 유지하기 위해 연결 부분이 용접될 수 있다. 더욱이, 전지 모듈은 전지셀들 간의 병렬 및/또는 직렬의 전기적 연결을 가질 수 있는데, 이를 위해 전극 리드의 일단부는 각 전지셀들 간의 전기적 연결을 위한 버스바에 용접 등의 방식으로 고정될 수 있다.
그리고, 전지셀 사이의 전기적 연결은 전극 리드를 버스바에 접합시키는 방식으로 구성되는 경우가 많다. 이때, 전지셀을 병렬로 전기적으로 연결시키기 위해서는 동일 극성의 전극 리드를 서로 연결 접합시키고 직렬로 전기적으로 연결시키기 위해서는 다른 극성의 전극 리드를 서로 연결 접합시킨다.
이처럼, 버스바와 전극 리드를 용접할 때, 금속간 화합물(intermetallic compound) 석출로 인해 용접부의 물성이 악화되어 인장 강도, 피로수명, 전기 전도도가 떨어질 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 향상된 용접부 물성을 갖는 전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체에 연결된 버스 바 프레임, 상기 전지 셀 적층체에 연결되고, 제1 금속을 포함하는 전극 리드들, 및 상기 전극 리드와 중첩하고, 제2 금속을 포함하는 버스 바를 포함하고, 상기 전극 리드와 상기 버스 바가 용접에 의해 용접부를 형성하고, 상기 용접부는, 상기 전극 리드와 상기 버스 바의 경계면을 기준으로 상기 전극 리드 내에 중심부가 위치하는 제1 영역 및 상기 버스 바 내에 중심부가 위치하는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 석출물(Precipitate)은 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 모두 분포한다.
상기 전지 모듈은 상기 전지 셀 적층체에 포함된 전지 셀 중에서 서로 이웃하는 전지 셀들로부터 각각 돌출된 셀 테라스들을 더 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 셀 테라스들로부터 각각 돌출되고, 동일한 극성을 갖는 복수의 전극 리드들을 포함하며, 상기 전극 리드들은 하나의 버스 바와 중첩할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전극 리드와 상기 버스 바 사이에서, 상기 버스 바 상에 제3 금속으로 도금(plating)되어 있는 도금층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 금속은 알루미늄을 포함하고, 상기 제2 금속은 구리를 포함할 수있다.
상기 도금층은 니켈을 포함할 수 있다.
상기 석출물은 상기 용접부 내에서 분산될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은 복수의 전지 셀을 적층하여 전지 셀 적층체를 형성하는 단계, 상기 전지 셀들 중에서 서로 이웃하는 전지 셀들로부터 각각 돌출된 전극 리드들 중 적어도 하나를 동일한 버스 바에 중첩시키는 단계, 및 상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계를 포함하고, 상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계는, 제1 에너지를 갖는 레이저로 상기 전극 리드를 예열하는 단계, 및 제2 에너지를 갖는 레이저로 상기 예열된 전극 리드와 상기 버스 바를 용접하는 단계를 포함하며, 상기 제1 에너지는 상기 제2 에너지보다 낮다.
상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계는, 상기 전극 리드에 포함되는 제1 금속과 상기 버스 바에 포함되는 제2 금속의 공정 반응(Eutectic Reaction; 共晶反應)을 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계에서, 상기 제1 금속에 혼합되는 상기 제2 금속의 합금 농도는 22wt% 내지 52wt%일 수 있다.
상기 전극 리드들을 예열하는 단계의 용접 속도는, 예열된 상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접하는 속도보다 클 수 있다.
상기 전지 모듈 제조 방법은 상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계 이전에, 상기 버스 바 상에 제3 금속으로 도금(plating)되어 있는 도금층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저는 중심에서 외곽으로 레이저 빔이 조사되는 패턴을 가질 수 있다.
상기 레이저는 토네이도 용접 빔을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 용접 방법은 전극 리드와 버스 바를 용접하는 방법에 있어서, 제1 에너지를 갖는 레이저로 상기 전극 리드를 예열하는 단계, 및 제2 에너지를 갖는 레이저로 상기 예열된 전극 리드와 상기 버스 바를 용접하는 단계를 포함하며, 상기 제1 에너지는 상기 제2 에너지보다 낮고, 상기 전극 리드에 포함되는 제1 금속과 상기 버스 바에 포함되는 제2 금속의 공정 반응(Eutectic Reaction; 共晶反應)을 유도하는 단계를 포함한다.
실시예들에 따르면, 상대적으로 낮은 레이저 에너지 입력으로 전극 리드를 예열하는 단계와, 예열된 전극 리드와 버스바를 용접하는 단계를 수행함으로써, 버스바와 전극 리드 용접시, 이종 금속간의 합금 농도를 제어하여 공정 반응(Eutectic Reaction)을 유도할 수 있다.
따라서, 용융점을 낮출 수 있고, 금속간 화합물 석출이 억제되는 냉각 시간이 길어져서 금속간 화합물의 석출 제어가 매우 유리해진다.
또, 예열 공정에 의해 용접 이후 서냉 과정을 거치면서 충분한 용융 유동성으로 석출물이 용접부 내에서 분산됨으로써 인장 강도가 커질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 일부를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 리드와 버스 바의 용접 구조를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 4는 비교예에 따른 전극 리드와 버스 바의 용접 방법을 나타내는 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 방법을 개략적으로 나타내는 평면도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 방법에 의해 형성된 용접부를 나타내는 도면이다.
도 8은 알루미늄과 구리의 2원계 상태도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 비교예에 따른 레이저 용접 빔을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 레이저 용접 빔을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 일부를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 절단선 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임(300), 모듈 프레임(300) 내에 삽입되어 있는 전지셀 적층체(120) 및 모듈 프레임(300)의 개방된 일측에 위치하고, 전지셀 적층체(120)와 연결되는 버스 바 프레임(130)을 포함한다. 전지셀 적층체(120)는 복수의 전지 셀(110)이 일방향으로 적층되어 형성된다.
모듈 프레임(300)은 전지셀 적층체(120)의 전면과 후면을 제외하고 4개의 면을 덮고 있는 모노 프레임 형태일 수 있다. 모노 프레임 내부로 전지셀 적층체(120)를 삽입하기 위해서 수평 조립이 필요한 형태의 프레임을 의미한다. 다만, 모듈 프레임(300)은 모노 프레임에 제한되지 않고, 상부면, 전면 및 후면이 개방된 U자형 프레임과, 전지셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하는 형태일 수도 있다.
전지 셀(110)을 덮는 파우치로부터 연장된 셀 테라스(135)가 형성되고, 셀 테라스(135)로부터 돌출되는 전극 리드(160)들이 만나서 하나의 리드 슬롯(미도시)을 통과할 수 있다. 이웃하는 셀 테라스(135)들 사이의 간격이 전지 셀(110)로부터 멀어짐에 따라 점점 좁아질 수 있다. 이때, 셀 테라스(135)로부터 돌출되는 전극 리드(160)들은 서로 동일한 극성을 가질 수 있다. 서로 이웃하는 2개의 전극 리드(160)가 서로 다른 극성을 갖는 경우에는, 상기 2개의 전극 리드(160)가 각각 돌출되는 셀 테라스(135) 사이의 간격은 오히려 전지 셀(110)로부터 멀어짐에 따라 점점 넓어질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 최외각 전지 셀(110)과 모듈 프레임(300)의 측면부 사이에 압축 패드(200)가 형성되어 있다. 압축 패드(200)는 폴리 우레탄 계열의 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 압축 패드(200)는 전지 셀(110)의 스웰링에 의한 두께 변형 및 외부 충격에 의한 전지 셀(110)의 변화를 흡수할 수 있다. 압축 패드(200)는 최외각 전지 셀(110)과 모듈 프레임(300)의 측면부 사이뿐만 아니라 이웃하는 전지 셀(110) 사이에도 적어도 하나 형성될 수 있다.
버스 바 프레임(130)에는 패스 가이더(260)가 형성된다. 인접하는 세 개의 전지 셀들(110) 각각의 전극 리드들(160)이 연장되도록 하는 셀 테라스(135)를 형성하기 전에, 전극 리드들(160)이 리드 슬롯을 통과하도록 가이드 하기 위한 것으로서, 버스 바 프레임(130)의 일측에 형성될 수 있다. 구체적으로 버스 바 프레임(130)은, 전지 셀들(110)로부터 이격되어 위치하는 버스 바 프레임(130)의 후면 안쪽에 패스 가이더(260)를 구비할 수 있다.
이러한 패스 가이더(260)는, 리드 슬롯을 통과하기 전에 세 개의 전극 리드들(160) 및 셀 테라스들(135)이 서로 가까워질 수 있도록 버스 바 프레임(130)의 후면에서 소정의 가이드 공간을 형성할 수 있다. 패스 가이더(260)는 복수개로 마련될 수 있다. 여기서, 복수개의 패스 가이더(260)는 복수개의 리드 슬롯의 개수에 대응되게 구비될 수 있다. 이에 따라, 복수개의 전지 셀(110) 중 인접하는 전극 리드들(160)은, 세 개씩 짝을 이룬 후 각각의 패스 가이더(260)를 통해 전극 리드들(160)이 리드 슬롯을 통과하여 전극 리드(160) 군을 형성할 수 있다.
전극 리드(160) 군을 형성하는 전극 리드들(160)의 개수는 세 개에 한정되지 않고, 전지 셀(110)의 양극 및 음극의 전극 리드의 배치에 따라 변형될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 리드와 버스 바의 용접 구조를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3을 참고하면, 전지 셀(110)을 덮는 파우치에서 연장된 셀 테라스(135)로부터 복수의 전극 리드(160)가 돌출되어 있다. 셀 테라스(135)로부터 돌출된 전극 리드들(160)은 버스 바(280)가 위치하는 방향으로 벤딩될 수 있다. 벤딩된 전극 리드(160)들은 동일한 버스 바(280)에 중첩하고, 복수의 전극 리드(160)와 버스 바(280)가 동시에 용접되어 하나의 용접부(WP)를 형성할 수 있다.
전극 리드(160)와 버스 바(280)를 용접할 때, 금속간 화합물 석출로 인해 용접부의 물성이 악화되어 인장 강도, 피로수명, 전기 전도도가 떨어질 수 있다. 특히, 일례로 도시한 도 3과 같이, 여러 장의 전극 리드(160)를 동시에 용접하기 위해 다음과 같은 제약들이 발생한다. 첫째, 전극 리드(160)가 중첩됨으로써 두꺼워진 전극 리드(160)를 용접하기 위해 용접기의 사양이 높아져야 한다. 둘째, 서로 중첩하는 전극 리드(160) 개수가 많아질수록 용접기 사양이 높아져야 한다. 셋째, 서로 중첩되는 전극 리드(160)의 개수가 많아질수록 각 전극 리드(160) 층의 용접 편차가 커짐으로써 용접 품질이 떨어질 수 있다. 즉, 용접기에 가장 인접한 전극 리드(160) 층은 과용접되고, 용접기에서 가장 멀리 떨어져 위치하는 전극 리드(160) 층은 약용접될 수 있다. 결국은 무도금의 버스 바의 경우 용접부의 물성을 확보할 수 없고, 용접부의 용융 계면에서 금속간 화합물이 높은 농도로 석출되어 용접 강도가 매우 떨어질 수 있다.
금속간 화합물이 높은 농도로 석출되어 용접 강도가 떨어지는 문제에 대해서는 도 4의 비교예를 참고로 하여 설명하기로 한다.
도 4는 비교예에 따른 전극 리드와 버스 바의 용접 방법을 나타내는 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 4를 참고하면, 알루미늄을 포함하는 전극 리드(16)와 구리를 포함하는 버스 바(28)를 레이저 용접한다. 레이저 용접 과정에서 유동 방향(Flow direction)을 따라 물질들이 이동하다가 용접 계면(FI)에서 금속간 화합물로서 CuAl2 석출물(PM)이 높은 농도로 석출된다. 이러한 석출물(PM)은 용접 강도를 현저하게 떨어뜨려 작은 충격에도 전극 리드(16)와 버스 바(28)가 분리될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 방법을 개략적으로 나타내는 평면도들이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따르면 전극 리드들(160) 중 적어도 하나를 동일한 버스 바(280)에 중첩시킬 수 있다. 이후, 전극 리드(160)와 버스 바(280)를 용접시킬 수 있다.
전극 리드(160)와 버스 바(280)를 용접시키는 단계는, 제1 에너지를 갖는 레이저로 전극 리드(160)를 예열하는 단계를 포함한다. 제1 에너지는, 후술하는 용접 단계의 에너지보다 상대적으로 낮은 크기를 가진다. 이와 같은 예열 공정을 통해 후술하는 용접 단계에서 합금 농도를 제어함으로써, 용접되는 금속들의 용융 유동성을 높일 수 있다. 본 단계에서 형성되는 예열부(Preheating portion)는 전극 리드(160)에만 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 버스 바(280)에 예열을 위한 레이저 에너지가 전달되게 되면, 석출물이 생성되기 시작하기 때문이다.
레이저 용접을 하면 급속 냉각에 의해 석출물이 쉽게 생성되지만, 본 실시예에 따르면, 예열 공정에 의해 냉각 시간을 지연시켜 석출물의 생성 시간을 최대로 늘릴 수 있다. 또한, 전극 리드들(160)을 예열하는 단계를 통해 표면의 클리닝 및 레이저 빔의 흡수율이 높아질 수 있다.
도 6을 참고하면, 제2 에너지를 갖는 레이저로 예열된 전극 리드(160)와 버스 바(280)를 용접할 수 있다. 이때, 제2 에너지는 상기 제1 에너지보다 크다. 본 단계에서 전극 리드(160)에 포함되는 제1 금속과, 버스 바(280)에 포함되는 제2 금속의 공정 반응(Eutectic Reaction; 共晶反應)을 유도할 수 있다. 상기 제1 금속은 알루미늄을 포함하고, 상기 제2 금속은 구리를 포함한다.
상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 공정 반응이 유도되면, 기존의 용접 가능한 온도보다 더 낮은 온도에서 용접이 가능해 진다. 예를 들어, 알루미늄-구리의 공정 반응이 대략 섭씨 548도에서 일어나고, 공정 반응 온도에서 용접부(WP)의 점도가 가장 낮아져서 유동성이 매우 높아질 수 있다. 알루미늄-구리 공정 반응 농도에서는 용융 금속의 유동성이 높아져 용접 계면에서 금속간 화합물이 석출되는 분포를 낮출 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전극 리드들(160)을 예열하는 단계의 용접 속도는, 예열된 전극 리드(160)와 버스 바(280)를 용접하는 속도보다 클 수 있다.
이하에서는 도 7을 참고하여, 용접부에서 일어나는 석출물의 분산되는 과정을 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 방법에 의해 형성된 용접부를 나타내는 도면이다.
도 7을 참고하면, 전극 리드(160)과 버스 바(280)가 중첩되어 있고, 전극 리드(160)와 버스 바(280)가 용접에 의해 용접부(WP)를 형성한다. 용접부(WP)는, 전극 리드(160)와 버스 바(280)의 경계면(BS)을 기준으로 전극 리드(160)에 중심부가 위치하는 제1 영역(WP1) 및 버스 바(280) 내에 중심부가 위치하는 제2 영역(WP2)을 포함한다. 용접 과정 중에 전극 리드(160)를 형성하는 제1 금속과, 버스 바(280)를 형성하는 제2 금속이 반응하여 석출물(PM)을 생성할 수 있다. 본 실시예에 따른 석출물(PM)은, 제1 영역(WP1)과 제2 영역(WP2)에 모두 분포한다. 종래에는 용접부(WP) 내의 물질 유동성이 낮아 대부분의 석출물이 용접 계면(FI)에 높은 농도로 형성되었으나, 본 실시예에 따르면 용접부(WP) 내에서 유동 방향(Flow Direction)을 따라 제1 금속과 제2 금속의 합금이 크게 분산되어 석출물(PM)이 소량으로 형성되거나 거의 형성되지 않을 수 있다. 특히, 용접 계면(FI)에 형성된 석출물(PM) 농도가 매우 낮고, 석출물(PM)을 최소화하며, 석출물(PM)이 생성되더라도 용접부(WP) 전체에 분산시킴으로써 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
도 8은 알루미늄과 구리의 2원계 상태도를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 용접 과정에서, 제1 금속에 혼합되는 제2 금속의 합금 농도는 대략 22wt% 내지 52wt%일 수 있다. 바람직하게는 30 내지 40wt%일 수 있으며, 더 바람직하게는 32wt% 내지 35wt%일 수 있다. 상기 범위는 공정 반응이 일어나는 온도 범위이며, 온도 범위를 좁혀갈수록 공정 반응이 더 많이 일어나게 되어 용융 금속의 유동성이 높아져서 용접 계면에서 금속간 화합물이 석출되는 분포를 낮출 수 있다.
상기 합금 농도가 최소값 22wt% 미만인 경우에는 용접 시 용입 자체가 일어나기 어렵고, 최대값 52wt%를 넘으면 금속끼리 합금되지 못하고, 화합물로 결합이 된다. 최대값 52wt%를 넘는 대략 54wt%의 경우, 일반적인 서냉 응고 과정과 달리, 용접은 급냉 과정이므로 응고시 theta상이 형성될 우려가 있다.
앞에서 설명한 실시예에서, 전극 리드(160)에 포함되는 제1 금속과, 버스 바(280)에 포함되는 제2 금속은 접촉하고 있다. 이상과 같이 본 실시예에 따르면, 전극 리드(160)와 버스 바(280) 사이에 니켈과 같은 도금층을 형성하지 않더라도 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
변형 실시예로서, 전극 리드와 버스 바 사이에서, 버스 바 상에 도금층으로 제3 금속이 도금될 수 있다. 제3 금속은 니켈을 포함하며, 니켈은 버스 바를 형성하는 구리와 전율 고용체(complete solid solution)를 형성한다. 전율 고용체는 액상과 고상에서 다른 상이 나타나지 않고, 모든 조성 범위에서 완전 고용됨으로 금속간 화합물을 생성하지 않는다. 따라서, 용접부 계면에서 니켈이 구리를 전율 고용함으로써, 알루미늄-구리에 의한 금속간 화합물 석출 반응을 억제시킬 수 있다. 니켈 도금층이 반드시 필요한 것은 아니지만, 앞에서 설명한 용접 방법과 더불어 니켈 도금층이 추가된다면 더욱 우수한 용접 강도를 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 9는 비교예에 따른 레이저 용접 빔을 나타내는 도면이다. 도 10은 본 실시예에 따른 레이저 용접 빔을 나타내는 도면이다.
도 9를 참고하면, 외곽에서 중앙으로 레이저 빔이 집중되는 패턴이고, 이 경우 중심부로 에너지가 집중되어 중앙이 깊고 폭이 좁은 용입이 형성될 수 있다. 만약 이러한 레이저 용접 빔을 본 실시예에 적용한다면, 버스 바 중앙에 깊고 폭이 좁은 용용부가 형성되면, 키홀로 레이저 플라즈마가 방출되면서 전극 리드의 제2 금속과의 합금 반응을 방해하고, 용접부 하단에 버스 바의 제1 금속의 농도가 높아질 수 있다. 용접부 계면에서 제1 금속의 농도가 높아짐에 따라 제1 금속과 제2 금속의 금속간 화합물이 석출되어 용접 강도가 급격하게 떨어질 수 있다.
도 10을 참고하면, 본 실시예에 따른 레이저 용접 빔은 토네이도 중심부의 반경을 크게 하고 중심에서 외곽으로 레이저 빔이 조사되어 중심부의 에너지 밀도를 낮출 수 있다. 따라서, 레이저 용접부의 용입 깊이를 평탄하게 한다. 용접부에 고르게 에너지가 전달되면서 제1 금속과 제2 금속의 공정 반응이 유도되기 쉬워진다. 예열 공정 이후 앞에서 설명한 본 실시예에 따른 레이저 용접 빔을 사용한 용접 공정을 하고, 서냉 과정을 거치면서 충분한 용융 유동성으로 인해 제1 금속과 제2 금속이 잘 혼합될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
160: 전극 리드
280: 버스 바
FI: 용접 계면
WP: 용접부

Claims (15)

  1. 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체,
    상기 전지 셀 적층체에 연결된 버스 바 프레임,
    상기 전지 셀 적층체에 연결되고, 제1 금속을 포함하는 전극 리드들, 및
    상기 전극 리드와 중첩하고, 제2 금속을 포함하는 버스 바를 포함하고,
    상기 전극 리드와 상기 버스 바가 용접에 의해 용접부를 형성하고,
    상기 용접부는, 상기 전극 리드와 상기 버스 바의 경계면을 기준으로 상기 전극 리드 내에 중심부가 위치하는 제1 영역 및 상기 버스 바 내에 중심부가 위치하는 제2 영역을 포함하고,
    상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 석출물(Precipitate)은 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 모두 분포하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지 셀 적층체에 포함된 전지 셀 중에서 서로 이웃하는 전지 셀들로부터 각각 돌출된 셀 테라스들을 더 포함하고,
    상기 전극 리드는 상기 셀 테라스들로부터 각각 돌출되고, 동일한 극성을 갖는 복수의 전극 리드들을 포함하며,
    상기 전극 리드들은 하나의 버스 바와 중첩하고 있는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 전극 리드와 상기 버스 바 사이에서, 상기 버스 바 상에 제3 금속으로 도금(plating)되어 있는 도금층을 더 포함하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 금속은 알루미늄을 포함하고, 상기 제2 금속은 구리를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 도금층은 니켈을 포함하는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 석출물은 상기 용접부 내에서 분산되어 있는 전지 모듈.
  7. 복수의 전지 셀을 적층하여 전지 셀 적층체를 형성하는 단계,
    상기 전지 셀들 중에서 서로 이웃하는 전지 셀들로부터 각각 돌출된 전극 리드들 중 적어도 하나를 동일한 버스 바에 중첩시키는 단계, 및
    상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계를 포함하고,
    상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계는,
    제1 에너지를 갖는 레이저로 상기 전극 리드를 예열하는 단계, 및
    제2 에너지를 갖는 레이저로 상기 예열된 전극 리드와 상기 버스 바를 용접하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 에너지는 상기 제2 에너지보다 낮은 전지 모듈 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계는, 상기 전극 리드에 포함되는 제1 금속과 상기 버스 바에 포함되는 제2 금속의 공정 반응(Eutectic Reaction; 共晶反應)을 유도하는 단계를 포함하는 전지 모듈 제조 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계에서, 상기 제1 금속에 혼합되는 상기 제2 금속의 합금 농도는 22wt% 내지 52wt%인 전지 모듈 제조 방법.
  10. 제7항에서,
    상기 전극 리드들을 예열하는 단계의 용접 속도는, 예열된 상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접하는 속도보다 큰 전지 모듈 제조 방법.
  11. 제7항에서,
    상기 전극 리드와 상기 버스 바를 용접시키는 단계 이전에, 상기 버스 바 상에 제3 금속으로 도금(plating)되어 있는 도금층을 형성하는 단계를 더 포함하는 전지 모듈 제조 방법.
  12. 제7항에서,
    상기 레이저는 중심에서 외곽으로 레이저 빔이 조사되는 패턴을 갖는 전지 모듈 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 레이저는 토네이도 용접 빔을 갖는 전지 모듈 제조 방법.
  14. 전극 리드와 버스 바를 용접하는 방법에 있어서,
    제1 에너지를 갖는 레이저로 상기 전극 리드를 예열하는 단계, 및
    제2 에너지를 갖는 레이저로 상기 예열된 전극 리드와 상기 버스 바를 용접하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 에너지는 상기 제2 에너지보다 낮고, 상기 전극 리드에 포함되는 제1 금속과 상기 버스 바에 포함되는 제2 금속의 공정 반응(Eutectic Reaction; 共晶反應)을 유도하는 단계를 포함하는 용접 방법.
  15. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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