KR20220037051A - 리드-탭 용접부의 용접 비드 높이를 개선한 파우치형 이차전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 리드와 전극 탭의 용접부에 형성된 용접 비드에 의한 불량을 감소시키기 위하여 전극조립체, 전극 탭, 전극 리드, 전극 탭과 전극 리드가 용접에 의하여 접합되는 용접부 및 전극조립체가 수납되는 파우치 케이스를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서, 용접부는 전극 리드의 상부로 일부가 돌출된 용접 비드를 포함하고, 용접 비드는 가열/가압 프레스 또는 레이저 어블레이션에 의하여 돌출된 부분의 높이를 감소시킨 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.

Description

리드-탭 용접부의 용접 비드 높이를 개선한 파우치형 이차전지 및 이의 제조 방법{Pouch-type secondary battery with improved weld bead height in lead-tab welding and its manufacturing method}
본 발명은 전극 리드와 전극 탭의 용접부에 형성된 용접 비드에 의한 불량을 감소시키기 위하여 돌출된 용접 비드의 높이를 감소시킨 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이차전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있는데, 특히 높은 작동 전압, 단위 중량당 고에너지 밀도를 갖는 장점을 갖는 리튬 이차전지에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
상기 리튬 이차전지는 전지케이스에 전극조립체가 수납된 형태이고, 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 금속 캔에 내장되는 각형 이차전지와 원통형 이차전지 및 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 케이스에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류된다.
이러한 파우치형 이차전지의 전극조립체는 전극 탭이 일측 또는 양측 방향으로 돌출된 형태이며, 상기 전극 탭에 전극 리드가 결합되어 단자를 형성한다.
도 1은 종래 기술의 전극조립체의 단면 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
종래의 전극조립체(10)는 전극 탭(2)과 전극 리드(3)가 용접부(4)에서 레이저 용접에 의하여 접합되어, 전기적으로 연결된다.
상기 레이저 용접에 대하여 도 2를 참조하여 살펴보면, 전극 탭(2)과 전극 리드(3)의 용접부에 레이저 빔을 조사하면, 레이저 빔의 에너지에 의하여 용접부의 전극 리드(3) 및 전극 탭(2)이 용융되고, 이후 용융된 부분이 응고되면서 전극 탭(2)과 전극 리드(3)가 접합된다.
이러한 응고의 과정에서 용융된 부분에는 기존 전극 리드(3)의 상면보다 일부가 돌출된 용접 비드(5) 및 용접 비드(5)와 전극 탭/전극 리드의 경계면에 용융부(6)가 형성되게 된다.
위와 같이 돌출된 용접 비드가 형성되면 전극조립체를 파우치 케이스에 수납 후 돌출된 부분에 의하여 파우치 시트에 손상이 가해질 수 있고, 손상이 심한 경우에는 파우치 내부의 알루미늄 층이 노출되어 절연 불량이 발생하거나 알루미늄과 전해액이 반응하여 파우치의 부식이 발생하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 불량을 방지하기 위하여 용접 비드가 돌출된 부분에 CPP (casted polypropylene) 테이프 등의 절연 테이프를 부착하기도 하나, 이 경우에는 절연 테이프의 사용에 따른 비용의 증가 및 절연 테이프와 파우치 실링부와의 간섭으로 인한 불량이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전극 리드와 전극 탭의 용접부에 형성된 용접 비드 돌출부의 높이를 감소시킨 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 복수의 양극 및 복수의 음극이 교대로 적층된 구조의 전극조립체, 상기 양극 및 음극으로부터 각각 돌출 연장된 양극 탭 및 음극 탭을 포함하는 전극 탭, 상기 양극 탭 및 음극 탭과 각각 연결되는 양극 리드 및 음극 리드를 포함하는 전극 리드, 상기 전극 탭과 전극 리드가 용접에 의하여 접합되는 용접부 및 상기 전극조립체가 수납되는 파우치 케이스를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 용접부는 전극 리드의 상부로 일부가 돌출된 용접 비드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 용접이 레이저 용접인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 용접 비드가 상기 전극 리드의 상부로 돌출된 부분을 가열 및 가압 프레스로 압착하여 높이를 감소시킨 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 용접 비드가 상기 전극 리드의 상부로 돌출된 부분 중 일부를 레이저 어블레이션(Laser Ablation)으로 절삭하여 높이를 감소시킨 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극 리드와 전극 탭의 용접부에 형성된 용접 비드의 높이를 개선한 파우치형 이차전지를 제조하는 방법은 전극 탭이 돌출 연장된 전극조립체를 형성하는 단계, 상기 전극 탭과 전극 리드를 용접하는 단계, 상기 전극 탭과 전극 리드의 용접부에 형성된 용접 비드에서 전극 리드의 상부로 돌출된 부분의 높이를 감소시키는 단계, 상기 돌출된 부분의 높이를 감소시킨 전극조립체를 파우치 케이스에 수납하는 단계 및 파우치 케이스에 전해액을 주입한 후 실링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 제조하는 방법은 용접하는 단계가 레이저 용접으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 제조하는 방법은 돌출된 부분의 높이를 감소시키는 단계가 가열 및 가압 프레스로 압착하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 제조하는 방법은 돌출된 부분의 높이를 감소시키는 단계가 레이저 어블레이션(Laser Ablation)을 사용하여 용접 비드에서 돌출된 부분의 일부를 절삭하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 제조하는 방법은 돌출된 부분의 높이를 감소시키는 단계가 절삭으로 생성된 잉여부를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 본 발명의 파우치형 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 디바이스는 본 발명의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 파우치형 이차전지는 전극 탭과 전극 리드의 용접부에 형성된 용접 비드의 돌출부 높이를 감소시킴으로써, 용접 비드에 의한 파우치 케이스의 불량을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 파우치형 이차전지는 돌출된 용접 비드의 높이를 감소시킴으로써, 용접 비드의 돌출된 부분에 부착하는 절연 테이프를 생략할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술의 전극조립체의 단면 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 종래 기술의 전극조립체에서 전극 탭과 전극 리드의 용접부를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 단면 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 탭과 전극 리드의 용접부에서 돌출된 용접 비드의 높이를 감소시키는 방법을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 탭과 전극 리드의 용접부에서 돌출된 용접 비드의 높이를 감소시키는 방법을 도시한 개략도이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 단면 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 파우치형 이차전지(100)에 대하여 상세하게 살펴보면, 파우치형 이차전지(100)는 전극조립체(110), 전극 탭(120), 전극 리드(130) 및 파우치 케이스(140)를 포함한다.
여기서, 전극조립체(110)는 복수의 양극과 복수의 음극 및 전극 사이에 위치하는 분리막이 교대로 적층된 구조로 형성된다.
구체적으로, 전극조립체(110)는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 스택형 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 조립체, 또는 전지 셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
또한, 전해질은 일반적으로 통용되는 액체전해질 외에도, 고체전해질이나, 고체전해질에 첨가제를 부가하여 액체와 고체 중간형태를 띄는 겔 형태의 준고체 전해질로 치환되어도 문제가 없음은 당연하다.
다음으로 전극 탭(120)은 복수의 양극과 복수의 음극으로부터 각각 돌출 연장된 복수의 양극 탭과 복수의 음극 탭을 포함하고, 복수의 양극 탭과 복수의 음극 탭은 각각 적층되어 용접 등의 방법으로 결합된다.
이러한 전극 탭(120)은 양극 탭과 음극 탭 모두 전극조립체(110)의 동일한 방향으로 돌출될 수도 있고, 양극 탭과 음극 탭이 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
한편, 전극 리드(130)는 위와 같이 형성된 전극 탭(120)에 용접 등의 방법으로 접합되어 파우치 케이스 외부로 연장되어 전극 단자가 된다.
도 3에서는 전극 탭(120)의 상부에 전극 리드(130)가 위치한 상태에서 접합된 예를 도시하고 있으나, 전극 탭(120)의 하부에 전극 리드(130)가 위치하는 경우도 물론 가능하다.
이와 같이 전극 탭(120)과 전극 리드(130)를 용접한 전극조립체(110)는 파우치 케이스(140)에 수납되며, 파우치 케이스(140)는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 전극조립체(110)와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다.
이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌이 가장 바람직하다.
내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 박막을 사용할 수 있다.
그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극조립체(110)를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기 투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일 예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
한편, 전극 리드(130)와 전극 탭(120)을 용접하는 방법으로는 초음파 용접, 레이저 용접 등 공지의 다양한 방법이 가능하나, 초음파 용접에 비하여 고온으로 열융착시킴으로써 더 높은 인장 강도를 가질 수 있는 레이저 용접이 바람직하다.
그러나, 이러한 레이저 용접으로 전극 탭(120)과 전극 리드(130)를 용접하는 경우 용접부에 조사되는 레이저 빔의 에너지에 의하여 전극 탭(120)과 전극 리드(130)가 용융 및 기화 등의 반응이 일어나고, 이후 응고되는 과정에서 전극 리드(130)의 상부로 일부가 돌출된 부분을 포함하는 용접 비드가 형성된다.
이러한 용접 비드는 돌출된 부분이 일정 높이 이상이 되면 파우치 케이스(140)에 수납된 후 파우치 케이스(140) 내부층과 접촉하여 손상을 입힐 수 있다.
따라서, 이러한 용접 비드의 돌출된 부분의 높이를 감소시키는 공정이 필요하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 탭과 전극 리드의 용접부에서 돌출된 용접 비드의 높이를 감소시키는 방법을 도시한 개략도이다.
도 4를 참조하여 먼저 전극 탭(120)과 전극 리드(130)의 용접부(150)를 살펴보면, 용접부(150)는 레이저 용접에 의하여 일부가 전극 리드(130)의 상부로 돌출된 용접 비드(151)와 전극 탭(120) 및 전극 리드(130)와 용접 비드(151)의 경계부에 위치하는 용융부(152)를 포함한다.
상기 용접 비드(151)의 돌출된 부분의 높이를 감소시키기 위한 하나의 방법은 도 4에서와 같이 프레스(200)를 사용하여 용접 비드(151)의 돌출된 부분을 가열/가압하는 것이다.
위와 같은 방법으로 프레스(200)로 용접 비드(151)를 가열/가압하면 도 4의 오른쪽 도면과 같이 소성 변형에 의하여 용접 비드(151)의 돌출된 부분의 높이가 감소하게 되고 그 결과, 용접 비드(151)에 의한 파우치 케이스(140)의 손상 위험을 감소시킬 수 있게 된다.
상기 프레스(200)로는 특별히 한정되지 않고 공지의 다양한 가열 및 가압이 가능한 프레스 중에서 적절히 선택하여 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 탭과 전극 리드의 용접부에서 돌출된 용접 비드의 높이를 감소시키는 방법을 도시한 개략도이다.
도 5를 참조하여 돌출된 용접 비드(151)의 높이를 감소시키는 다른 예에 대하여 살펴보면, 용접 비드(151)의 돌출된 부분의 일부를 절삭하여 높이를 감소시키는 것도 가능하다.
절삭하는 방법으로는 레이저 어블레이션(Laser Ablation)에 의한 절삭이 바람직하다.
레이저 어블레이션(Laser Ablation)이란, 고에너지의 레이저 빔을 조사하여 조사한 부분의 물질에 물리적, 화학적 변화를 일으켜서 용접, 천공, 절단 등의 가공을 실행할 수 있는 방법이다.
이러한 레이저 어블레이션을 이용하여 도 5에 도시된 바와 같이 용접 비드(151)의 돌출된 부분의 일부를 절삭하고, 절삭된 잉여부(153)는 전공 흡입 등의 방법으로 제거하는 과정을 통하여 용접 비드(151)의 돌출된 부분의 높이를 감소시키게 된다.
위와 같이 레이저 어블레이션을 사용하여 용접 비드(151)의 돌출된 부분의 높이를 감소시킴으로써, 용접 비드(151)에 의한 파우치 케이스(140)의 손상 위험을 감소시킬 수 있게 된다.
한편, 이러한 용접 비드(151)의 돌출된 부분의 높이를 감소시킨 파우치형 이차전지(100)를 제조하는 방법은 먼저, 전극 탭(120)이 돌출 연장되어 형성된 전극조립체(110)를 형성하고, 전극 탭(120)에 전극 리드(130)를 레이저 용접하여 접합한다.
다음으로, 전극 탭(120)과 전극 리드(130)의 용접부(150)에 형성된 용접 비드(151)의 돌출된 부분의 높이를 위에서 살펴본 가열/가압 프레스 또는 레이저 어블레이션을 사용하여 감소시킨다.
용접 비드(151)의 돌출된 부분의 높이를 감소시킨 전극조립체(110)를 파우치 케이스(140)에 수납하고, 전해액을 주입한 후 파우치 케이스(140)를 밀봉하여 파우치형 이차전지(100)를 제조하게 된다.
위와 같은 방법으로 제조된 파우치형 이차전지(100)는 단독 또는 복수로 연결하여 배터리 모듈을 형성할 수도 있고, 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 형성하는 것도 가능하다.
또한, 상기의 배터리 팩을 각종 디바이스의 전원 공급원으로서 적용할 수도 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100 : 파우치형 이차전지
110 : 전극조립체
120 : 전극 탭
130 : 전극 리드
140 : 파우치 케이스
150 : 용접부
151 : 용접 비드
152 : 용융부
153 : 잉여부
200 : 프레스
300 : 레이저 어블레이션

Claims (11)

  1. 복수의 양극 및 복수의 음극이 교대로 적층된 구조의 전극조립체;
    상기 양극 및 상기 음극으로부터 각각 돌출 연장된 양극 탭 및 음극 탭을 포함하는 전극 탭;
    상기 양극 탭 및 상기 음극 탭과 각각 연결되는 양극 리드 및 음극 리드를 포함하는 전극 리드;
    상기 전극 탭과 상기 전극 리드가 용접에 의하여 접합되는 용접부; 및
    상기 전극조립체가 수납되는 파우치 케이스;를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서,
    상기 용접부는 상기 전극 리드의 상부로 일부가 돌출된 용접 비드를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용접은 레이저 용접인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 용접 비드는 상기 전극 리드의 상부로 돌출된 부분을 가열 및 가압 프레스로 압착하여 높이를 감소시킨 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  4. 제2항에 있어서, 상기 용접 비드는 상기 전극 리드의 상부로 돌출된 부분 중 일부를 레이저 어블레이션(Laser Ablation)으로 절삭하여 높이를 감소시킨 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  5. 전극 리드와 전극 탭의 용접부에 형성된 용접 비드의 높이를 개선한 파우치형 이차전지를 제조하는 방법으로서,
    전극 탭이 돌출 연장된 전극조립체를 형성하는 단계;
    상기 전극 탭과 전극 리드를 용접하는 단계;
    상기 전극 탭과 상기 전극 리드의 용접부에 형성된 용접 비드에서 상기전극 리드의 상부로 돌출된 부분의 높이를 감소시키는 단계;
    상기 돌출된 부분의 높이를 감소시킨 전극조립체를 파우치 케이스에 수납하는 단계; 및
    상기 파우치 케이스에 전해액을 주입한 후 실링하는 단계;를 포함하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 용접하는 단계는 레이저 용접으로 수행되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 돌출된 부분의 높이를 감소시키는 단계는 가열 및 가압 프레스로 압착하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 돌출된 부분의 높이를 감소시키는 단계는 레이저 어블레이션(Laser Ablation)을 사용하여 상기 용접 비드에서 돌출된 부분의 일부를 절삭하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 돌출된 부분의 높이를 감소시키는 단계는 상기 절삭으로 생성된 잉여부를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리 팩.
  11. 제10항의 배터리 팩을 포함하는 디바이스.
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