KR20230107186A - 배터리 모듈 - Google Patents

배터리 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR20230107186A
KR20230107186A KR1020230086701A KR20230086701A KR20230107186A KR 20230107186 A KR20230107186 A KR 20230107186A KR 1020230086701 A KR1020230086701 A KR 1020230086701A KR 20230086701 A KR20230086701 A KR 20230086701A KR 20230107186 A KR20230107186 A KR 20230107186A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plate
weld bead
electrode tab
battery module
welding
Prior art date
Application number
KR1020230086701A
Other languages
English (en)
Inventor
정규진
가라체 마지드 아바시
노윤조
주승훈
Original Assignee
에스케이온 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020200155110A external-priority patent/KR20210061945A/ko
Application filed by 에스케이온 주식회사 filed Critical 에스케이온 주식회사
Publication of KR20230107186A publication Critical patent/KR20230107186A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/242—Fillet welding, i.e. involving a weld of substantially triangular cross section joining two parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/26—Seam welding of rectilinear seams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/323—Bonding taking account of the properties of the material involved involving parts made of dissimilar metallic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/105—Pouches or flexible bags
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/211—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for pouch cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/505—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing comprising a single busbar
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/514—Methods for interconnecting adjacent batteries or cells
    • H01M50/516—Methods for interconnecting adjacent batteries or cells by welding, soldering or brazing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/521—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/533—Electrode connections inside a battery casing characterised by the shape of the leads or tabs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/534—Electrode connections inside a battery casing characterised by the material of the leads or tabs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/536—Electrode connections inside a battery casing characterised by the method of fixing the leads to the electrodes, e.g. by welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/54—Connection of several leads or tabs of plate-like electrode stacks, e.g. electrode pole straps or bridges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/38—Conductors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Abstract

본 개시는, 각각이 전극 탭을 포함하는 복수개의 전지 셀, 상기 복수개의 전지 셀을 서로 전기적으로 연결하도록 상기 전극 탭에 연결되는 버스바를 포함하며, 상기 버스바는 복수개의 홀이 형성되는 플레이트를 포함하고, 각각의 상기 전지 셀의 전극 탭은 상기 플레이트의 복수개의 홀 중 적어도 일부에 삽입되고, 상기 홀에 삽입된 전극 탭과 플레이트는 용접 비드에 의해 서로 결합되며, 용접 비드가 식 1 및 식 2에 의해 각각 정의되는 폭과 높이를 가지는 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 상세하게, 향상된 기계적 물성과 전기적 특성을 갖는 배터리 모듈에 관한 것이다.
최근 고용량, 고출력 이차전지에 대한 요구 사양이 증가하고 있으며, 이러한 요구사양에 상응하는 고에너지밀도, 고성능 및 높은 수준의 신뢰성이 요구되는 이차전지 개발이 필요해지고 있다.
특히, 높은 수준의 신뢰성이 요구되는 셀간 전기적 연결 방법에 있어서, 초음파 용접, 레이저 용접, 기계적 (볼트/ 너트) 결합 등 여러 가지 방식이 사용되고 있으나 점차 높아지는 에너지밀도 요구사항에 대응하기 위해 레이저 용접이 가장 보편적인 접합 방식으로 사용되고 있다.
이러한 레이저 용접 방식으로는 보편적으로 단수 또는 복수의 전극 탭과 버스바를 겹치기 용접하는 방식이 사용되고 있다. 그러나 이러한 방법은 용접 후 인장강도 편차가 크고, 가압조건에 따라 약용접 등 용접 불량 가능성이 높은 한계가 있을 뿐만 아니라, 도 1과 같이, 용접을 위해 단위 모듈 내 다수사양의 전극탭의 절곡 및 절단이 필요하여 공정 증가 및 관리비용 상승을 초래하고 있다.
또한 모듈 내 셀 사양 별 전극탭 길이 차이로 인한 셀 별 저항이 불균일 하며 장기적으로 내구수명에 좋지 않은 영향을 줄 가능성이 높으며, 특히, Al 전극 탭과 버스바의 이종재질 용접에 있어서 안정적인 용접 품질(인장강도, 전기저항 등) 확보에 어려움이 있었다.
대한민국 공개특허 제2019-0126654호
본 개시의 일측면은 전극 탭과 버스바 간의 이종재질 용접을 적정하게 제어함으로써 우수한 인장 강도와 접촉 저항을 갖는 용접부를 가질 수 있는 배터리 모듈을 제공함을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리 모듈은 각각이 전극 탭을 포함하는 복수개의 전지 셀, 상기 복수개의 전지 셀을 서로 전기적으로 연결하도록 상기 전극 탭에 연결되는 버스바를 포함하며, 상기 버스바는 복수개의 홀이 형성되는 플레이트를 포함하고, 각각의 상기 전지 셀의 전극 탭은 상기 플레이트의 복수개의 홀 중 적어도 일부에 삽입되고, 상기 홀에 삽입된 전극 탭과 플레이트는 용접 비드에 의해 서로 결합되며, 상기 전극 탭을 용접의 제1모재로 하고 상기 플레이트를 용접의 제2모재로 하여, 상기 용접 비드는 제2모재의 희석률이 1 내지 11%이다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 제2모재의 희석률은 1 내지 5%일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 전극 탭은 알루미늄 재질이며, 상기 플레이트는 구리 재질일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 전극 탭은 표면 도금층을 포함할 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 용접 비드는 하기 식 1 및 식 2를 만족할 수 있다.
(식 1)
0 < W < 7T
(식 1에서, W는 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 폭이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다)
(식 2)
0 < H < 3T
(식 2에서, H는 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 높이이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다)
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 W는 2T 내지 6T이며, H는 0.5T 내지 2T일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 단면적 A는 T2 내지 12T2 일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 용접 비드는 식 4를 더 만족할 수 있다.
(식 4)
0.4T ≤ D ≤ 2T
(식 4에서, D는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준하여, 상기 용접 비드의 상기 관통 홀 내부로의 용입 깊이이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다)
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 표면 도금층은 Ni, Sn, Si, Mg, Fe, Mn, Zn, Cr, Li, Ca 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 전극 탭의 두께는 0.2mm 이상일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 전극 탭의 두께는 0.2mm 내지 1.0mm일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 플레이트의 두께는 0.5mm 이상일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 용접 비드는, 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면 기준, 상기 플레이트의 두께 방향으로의 두 대향면 중 일 면에서 상기 홀을 덮는 볼록한(convex) 형상을 갖는 덮개부; 및 상기 홀 내부로 장입된 기둥부;를 포함할 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 홀의 중심선 기준으로 용접 비드는 좌우 비대칭일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 상기 용접 비드와 상기 플레이트의 두께 방향으로의 두 대향면 중 일 면과의 계면과 상기 일 면의 표면이 만나는 점을 경계점으로 하여, 좌 우의 두 경계점과 홀의 중심선간의 최단 거리인 L1 : L2의 비가 1 : 1.2 내지 3인 좌우 비대칭을 가질 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 전지 셀은 파우치형 전지 셀일 수 있다.
상술한 바와 같은 구성의 본 개시는 안정적인 용접 품질 확보 가능하며, 특히, 전극 탭과 버스바 간 이종재질인 경우, 종래 방식 대비 인장강도가 2 배 이상 우수하며 동등 수준의 접촉저항을 가진 고품질의 용접부를 제공할 수 있다.
또한 전극 탭의 길이를 최소화함으로써 모듈 내 저항감소 효과가 있으며, 용접 후 형성되는 용접 비드의 높이, 넓이 또는 면적을 일정한 범위로 관리함으로써 안정적인 용접 품질 확보 및 관리가 가능하다는 장점이 있다.
아울러, 용접 후 형성되는 용접부의 원소 조성을 관리함으로써 안정적인 용접 품질 확보 및 관리가 가능하다는 이점도 있다.
도 1은 종래의 배터리 모듈을 나타내는 사진으로서, 버스바가 "ㄷ" 자형으로 형성된 것을 보여주는 그림이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 그림이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 이루는 버스바를 보이는 그림이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 용접비드를 갖는 배터리 모듈을 나타내는 그림이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스바를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 버스바를 나타내는 도면이다
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 전극 탭의 길이 방향(d1)에 대해 레이저(L)가 조사되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라, 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 만드는 가상의 면을 도시한 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 플레이트의 홀을 관통한 전극탭 단부를 레이저로 가열 용융시킴으로써 플레이트와 함께 용접비드를 형성하는 것을 보여주는 단면 개략도이다.
도 10은 도 7의 방법으로 Cu 버스바에 Al 전극탭을 이종 재질 용접한 경우의 용접비드 형상을 보이는 사진이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 배터리 모듈을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
종래의 겹치기 용접, 특히 이종재질 Cu-Al로 구성되는 Cu 버스바와 Al 전극 탭의 용접에 있어서 용접강도(인장강도)는 3.5kgf/mm2 이상으로 관리하는 것이 일반적이었다. 이는 순수 Al의 인장강도인 5.5kgf/mm2의 약 70% 이상으로 일반적으로 제품에 요구되는 용접강도를 만족하는 수준이며, 또한 제품의 내진동, 내충격 등 기계적 강도 요구사항을 만족하는 수준이라 할 수 있었다.
그런데 근래에 자동차용 리튬이차전지에 요구되는 기계적 강도의 수준이 대폭 향상되어 기존의 용접강도로는 진동, 충격 시험 요구사항에 상응하는 제품의 안전율 및 신뢰성의 확보가 어렵기 때문에 종래 기술과 차별되는 용접강도의 향상 및 신뢰성 확보가 시급하다. 아울러, 종래기술은 용접 후 인장강도 편차가 크고, 가압조건에 따라 약용접 등 용접 불량 가능성이 높은 한계가 있을 뿐만 아니라, 도 1과 같이, 용접을 위해 단위 모듈 내 다수 사양의 전극탭의 절곡 및 절단이 필요하여 공정 증가와 관리비용 상승을 초래하였다.
본 발명은 종래 기술과 달리 전극 탭의 전기적 연결을 위한 용접을 위하여 인접한 복수개의 셀(전지 셀)의 전극 탭을 1 가지 형상 이상으로 절곡 내지 절단하지 않으며, 모듈을 구성하는 모든 단위 셀의 전극 탭 가공 형상을 동일하게 할 수 있다. 이렇게 가공된 단위 셀을 적층하여 일정 수의 셀들을 포함하는 적층체를 구성하며, 이후, 전기적 연결을 위하여 플레이트를 전극 탭이 끼워지는 방향으로 조립할 수 있다. 이 때 플레이트는 기 가공된 전극 탭이 관통하여 나올 수 있는 소정의 간격을 가지며, 각각의 전극 탭에 대응되는 홀(슬롯(slot))을 구비하며 홀 외주를 따라 전극 탭의 통과 방향으로 소정 돌출되는 면을 구비할 수 있다.
이렇게 조립된 후 전극 탭은 플레이트를 관통하여 돌출되며, 이후 돌출된 용접부에 레이저 빔을 조사하여 용접을 실시한다. 이 때 전극 탭의 두께, 재질, 돌출량, 플레이트의 재질, 도금 재질 및 두께, 용접 길이, 용접속도, 레이저 파워, 레이저 조사 패턴에 따라 다양한 형상 및 품질의 용접비드를 형성할 수 있으므로, 본 발명자들은 실험계획법을 통해 다양한 인자들의 영향도를 파악함으로써 최적의 품질관리 기준을 설정할 수 있었다. 본 발명자들은 전극 탭의 재질과 플레이트의 재질이 서로 상이한 이종 재질 용접, 특히 Cu-Al 이종재질 용접에 있어 반복적인 연구와 분석을 통하여 용접 비드 단면의 형상에 따른 기계적/ 전기적 특성과의 상관 관계를 연구하여, 후술하는 용접 비드의 형상을 도출하였다. 이종재질 용접, 특히 Cu-Al 이종재질 용접시, 용접 비드가 후술하는 형상을 만족하는 경우, 용접부위의 전기적 특성 저하 없이 용접강도가 2배 이상 향상될 수 있으며, 모듈의 전기저항을 감소시킬 수 있다. 반드시 이러한 해석에 한정되는 것은 아니나, 이종재질 용접시 용접 비드의 외적 형상과 용접 비드의 형상에 따라 달라지게 되는 용접 비드의 조성, 일 예로, Cu-Al 이종재질의 경우 Cu-Al 희석률(dilution)에 의해 실질적인 전기적 특성의 열화 없이 기계적 특성이 향상될 수 있다.
일반적으로 희석율이란 필러의 첨가 내지 필러의 첨가 없이 전체 용접에 기여하는 각 용접 모재(본 발명의 경우, 플레이트와 전극 탭)의 기여 정도를 나타내며, 용접금속 단면 이미지에서, 각 성분들이 용융되고 혼합된 면적으로 측정될 수 있다. 이러한 희석율은 용접입열량, 열특성, 초기 이음부 형상 및 치수에 의해 변하는 것으로 알려져 있다.
본 발명에서는 전극 탭을 용접의 제1모재로, 플레이트를 용접의 제2모재로 하여, 용접 비드가 70 내지 99중량%의 제1모재 및 잔부(1 내지 30중량%)의 제2모재로부터 유래할 수 있으며, 유리하게, 75 내지 99중량%의 제1모재 및 잔부(1 내지 25중량%)의 제2모재로부터 유래할 수 있다. 즉, 제1모재의 희석율이 85 내지 99% 및 제2모재의 희석률이 1 내지 15%일 수 있으며, 유리하게, 제1모재의 희석율이 89 내지 99% 및 제2모재의 희석률이 1 내지 11%일 수 있다. 이때, 제1모재(용접 모재)인 전극 탭 및/또는 제2모재인 플레이트에 표면 도금층이 형성될 수 있다. 즉, 전극 탭 및/또는 플레이트는 표면 도금층을 포함할 수 있으며, 특히 전해액에 대한 전기/화학적 안정성이 담보되어야 하는 전극 탭은 표면 도금층을 포함할 수 있다. 알려진 바와 같이, 전해액에 대한 전기/화학적 안정성을 담보하기 위한 표면 도금층은 Ni, Sn, Si, Mg, Fe, Mn, Zn, Cr, Li, Ca 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 전극 탭 및/또는 플레이트에 표면 도금층이 존재하는 경우, 상술한 제1모재, 제2모재 및 도금성분이 포함된 용접비드의 중량%(wt%) 분석을 통해 표면 도금층 자체의 희석율 또한 산출될 수 있음은 물론이다.
용접전체에 걸친 용접금속(용접비드)의 조성성분은 제반 공정 인자들에 대하여 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)에 의해 정량화될 수 있다. 예비실험을 통한 다양한 용접 조건하에서의 용접금속의 조성함량(중량%) 및 Cu 플레이트-Al 전극탭의 이종재질 용접시 계산된 희석율을 하기 표 1에 정리 도시하였다. 여기에서, 희석율을 계산하는 방법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있으므로 별도로 제시하지 않는다.
(표 1)
Figure pat00001
표 1과 같은 다양한 희석율에서 용접부위의 기계적 물성을 테스트한 결과, Cu , 즉 플레이트의 희석율이 11% 보다 큰 조성을 갖는 용접금속은 현저한 금속간화합물(IMC) 형성 및 균열 발생을 나타냄을 확인하였으며, 또한 알루미늄 전극 탭의 두께를 통해 용접금속의 조성 및 희석율이 제어될 수 있음을 확인하였다.
한편 용접 비드 크기는 전체 조성과 희석율을 판단할 수 있는 매우 중요한 지표임을 발견하였다. 구체적으로, 용접비드 크기는 용접금속의 내 하중능력(load-bearing capacity)에 직접적으로 관계되어 있다. 구체적으로 Cu 플레이트-Al 전극탭의 이종재질 용접시, 대체로 용접비드 크기가 커질수록 보다 많은 Al을 함유함을 의미하며, Cu 희석율 및 IMC 형성이 작아져 크랙 발생이 감소하고 이로 인해 보다 강한 용접부를 형성할 수 있음을 발견하였다. 본 발명은 이러한 선행실험을 포함한 연구결과를 바탕으로, 용접강도가 7.0kgf/mm2 이상으로 기존 겹치기 용접 강도 3.5kgf/mm2 의 2배 이상이며, AlxCux 또는 CuxAlx등과 같은 금속간 화합물(IMC) 발생이 최소화되어 안정적인 용접 품질이 구현되는 용접 비드의 구체 조건을 확정하여 본 발명을 제시하는 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 개시의 일실시예에 따라 전지 셀(110)이 적층된 적층체에서 각 전지 셀(110)의 전지 탭(120)이 버스바(150)에 의해 전기적으로 연결된 구조를 나타내는 그림이며, 그리고 도 3은 본 개시의 일실시예에 따라, 배터리 모듈에 구비되는 버스바를 보이는 그림이다.
도 2-3에 나타난 바와 같이, 본 개시의 일실시예 따른 배터리 모듈(100)은 다수개의 전지 셀(110) 및 전지 셀(110)로부터 인출된 전극 탭(120)을 포함하여 구성된다.
도 3(a)에 도시한 일 예와 같이, 본 발명의 배터리 모듈(100)은 버스바(150)를 포함하며, 버스바(150)는 플레이트(150a)와 그 플레이트에 형성된 홀(150c)을 포함하여 구성된다. 이때, 플레이트는 복수 개의 전극 탭(120) 각각을 수용 가능한 복수 개의 홀(150c)을 포함할 수 있으며, 각 홀(150c)은 전극 탭(120)의 단부가 홀(150c)에 삽입될 수 있도록, 전극 탭(120)의 단면에 대응하는 형상과 크기를 가질 수 있다.
도 3(b)에 도시한 일 예와 같이, 각 홀(150c)은 전극탭(120)이 슬라이드 삽입될 수 있도록 일 측이 개방된 삽입부(151)를 포함할 수 있다. 상세하게, 삽입부는 전극탭(120)이 홀(150c) 내부로 용이하게 슬라이드 삽입될 수 있도록 개방되는 측으로 넓어지는 테이퍼진 형태를 가질 수 있으나, 삽입부(151)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3(a)와 같이 홀(150c)의 양 단부가 막혀 있는 경우, 전극탭(120)의 돌출 방향으로 플레이트(150a)의 홀(150c)에 전극탭(120)이 삽입될 수 있으며, 도 3(b)와 같이 홀(150c)의 일 단부가 개방되어 있는 경우, 삽입부(151)를 통해 전극탭의 기립 방향(폭 방향)으로 플레이트(150a)의 홀(150c)에 전극탭(120)이 삽입될 수 있다.
본 개시에서 플레이트(150a)에는 하나 이상의 홀(150c)이 형성되어 있으며, 각 홀(150c)에 삽입된 전극 탭(120)을 용접하여, 용접된 복수개의 전지 셀(110)을 전기적으로 연결할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일시예에 따른 용접비드를 갖는 배터리 모듈을 나타내는 그림이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 본 개시에 따른 배터리 모듈에서 플레이트(150a)에 형성된 홀(150c)에 전극 탭(120)을 삽입한 후, 용접함으로써 전지 셀(110)을 연결하는 구조로, 종래기술과 같이 별도로 전극 탭(120)의 형상을 변형하지 않아도 된다.
본 개시에서는 연결하고자 하는 전지 셀(110)의 개수에 대응하도록 플레이트(150a)에 하나 이상의 홀(150c)을 형성할 수 있다. 따라서, 전지 셀(110)을 전기적으로 연결하기 위해, 연결하고자 하는 전지 셀(110)의 개수에 관계 없이, 전극 탭(120)의 형상을 변경하지 않고 전지 셀(110)을 전기적으로 연결할 수 있다.
즉, 본 개시에서 상기 버스바(150)를 이루는 플레이트(150a)에는 기 설정된 간격을 갖는 하나 이상의 홀(150c)을 포함하고 있으며, 상기 홀(150c)을 삽입 관통하는 전극탭(120)을 용접함으로서 복수개의 전지 셀(110)을 전기적으로 연결할 수 있다. 이때, 홀(150c) 마다 전극탭(120을 삽입하고 용접할 수 있으므로, 버스바(150)를 통하여 용접된 복수개의 전지 셀(110)이 전기적으로 연결될 수 있다. 본 개시에서 상기 홀(150c)은 슬릿(slit) 형상으로 형성될 수 있다.
한편 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스바(150)를 나타내는 도면이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 플레이트(150a)는 홀(150c)이 형성되는 위치의 주변에 형성된 돌출부(150b)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바(150)에는 돌출부(150b)가 형성될 수 있다. 이러한 돌출부(150b)는 홀(150c)이 형성되는 위치에 형성되어, 홀(150c)에 전극 탭(120)이 삽입되도록 유도하는 역할을 수행할 수 있다. 따라서 플레이트(150c)에는 기 결정된 간격을 가지고 형성되는 복수개의 홀(150c)을 포함하고, 홀(150c)이 형성되는 위치의 주변에 형성된 돌출부(150b)를 포함하며, 홀(150c)에 삽입되는 전극 탭(미도시)을 용접하여, 복수개의 전지 셀을 전기적으로 연결할 수 있다.
그리고 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 버스바(150)를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플레이트(150a)는 탭 연결부(151a)를 포함할 수도 있다. 탭 연결부(151a)는 각각의 홀(150c) 외주연에서 전극탭(120)이 돌출되는 방향으로 돌출되어 형성되며, 이 후 레이저 용접에 의한 전지 셀(110)간의 전기적 연결 시 레이저(L)에 의해 용융된 전극 탭(120)이 탭 연결부(151a)에 닿아 버스바와 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 탭 연결부(151a)의 대향면에는 홀(150c)을 중심으로 음각의 홈(151b)이 형성되어 홀(150c)에 전극 탭(120)이 삽입되도록 유도할 수 있다.
또한 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 전극 탭(120)의 길이 방향(도 7의 d, 돌출 방향과 동일)에 대해 레이저(L)가 조사되는 모습을 나타내는 도면이다. 도 7에 나타난 바와 같이, 레이저(L)는 홀(150c)에 삽입되어 돌출된 전극 탭(120)의 길이 방향(d1) 중심축에 대하여 경사지게 조사될 수 있다. 이에 따라, 만약 전극 탭(120)의 말단면에 수직하게 조사될 경우, 용접 시 오차로 인해 전지 셀(110)에 직접 레이저(L)가 조사되고 사고로 이어질 수 있는 가능성을 최소화 할 수 있고, 또한, 레이저(L)가 경사지게 조사됨에 따라, 전극 탭(120) 말단면의 용접과정을 육안으로 확인할 수 있어 배터리 모듈의 품질 및 생산 속도 향상을 가능케 한다.
한편 본 개시의 배터리 모듈에서 전극 탭(120)을 플레이트의 홀(150c)에 관통시킨 후, 레이저 용접하면 다양한 형상의 용접비드를 얻을 수 있다. 앞서 상술한 바와 같이, 본 발명자들은 용접 비드의 형상과 크기가 모재의 희석율에 기반한 용접 금속의 조성과 밀접하게 연관됨을 발견하였고, 용접 비드가 후술하는 구체 형상과 크기를 갖는 경우 전기적 특성의 열화 없이 용접 부위의 인장 강도를 포함한 기계적 물성이 크게 향상될 수 있으며, 모듈의 저항이 감소됨을 확인하였다.
이러한 발견에 기반한, 본 발명의 일 양태에서, 홀에 삽입된 전극 탭과 플레이트는 용접 비드에 의해 서로 결합되되, 용접 비드는 하기 식 1 및 식 2를 만족하는 폭(W)과 높이(H)를 갖는다.
(식 1)
0 < W < 7T
식 1에서, W는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 폭이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다.
(식 2)
0 < H < 3T
식 2에서, H는 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 높이이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다. 이때, T의 단위는 mm일 수 있다.
구체적으로, 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면은 플레이트 두께 방향과 평행한 가상의 면(두께 방향을 in-plane으로 갖는 가상의 면)에 의해 잘린 단면을 의미하되, 용접 비드의 면적이 최소가 되도록 잘린 용접 단면을 의미할 수 있다. 실질적인 일 예로, 도 8에 도시한 일 예와 같이, 용접 비드의 잘린 단면을 만드는 가상의 면(p)은 플레이트의 두께 방향(t1)과 평행함과 동시에 전극 탭의 두께 방향(t2)과 평행한 가상의 면을 의미할 수 있으며, 용접 비드의 단면은 상술한 가상의 면(p)에 의해 잘린 단면을 의미할 수 있다.
상술한 식 1 및 식 2는 전극 탭과 플레이트가 서로 상이한 재질(금속 재질)일 때 특히 중요하다. 즉, 이종 재질 용접에서 용접비드의 폭(W)이 7T 이상이 되면 이종 재질간의 금속간 화합물의 형성이 유발될 수 있다. 보다 실질적인 일 예로, 전극 탭은 알루미늄 재질이며, 플레이트(버스바)가 구리 재질인 경우, 용접비드의 폭이 7T 이상인 경우, Cu 플레이트(버스바)의 용융량이 증가하여 Cu-Al의 계면 상 금속간 화합물 형성을 유발하여 용접부 내 미소크랙, 저항증가 등의 용접부 품질 저하를 유발할 수 있다. 또한 용접비드의 높이(H)가 3T 이상이 되면 용입 깊이가 낮아지게 되어, 이종 재질간 계면 접합 강도가 약해지는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 식 1은 용접 비드에서 용접 모재간의 희석율에 크게 영향을 미치는 형상학적 파라메터이며, 식 2는 용접 비드 자체의 형상에 크게 영향을 미치는 형상학적 파라메터이다.
상세하게, 용접 비드는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면 기준, 플레이트의 두께 방향으로의 두 대향면 중 일 면에서 홀을 덮는 볼록한(convex) 형상을 갖는 덮개부; 및 홀 내부로 장입된 기둥부;를 포함할 수 있다. 용접시 용접 모재들에서 유래하는 용융 금속이 냉각되어 용접 비드를 형성할 때, 용접 비드의 조성 뿐만 아니라 덮개부와 기둥부를 포함하는 용접 비드 자체적인 형상 또한 용접부의 기계적 물성에 영향을 미친다. 식 2는 이러한 용접 비드 자체 형상에 영향을 미치는 형상학적 파라메터로, 용접비드의 높이(H)가 3T 이상이 되면 용접 비드의 기둥부 길이가 짧아져 계면 접합 강도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
유리하게, 안정적인 용접품질을 확보를 위해 용접 비드폭(W)은 2T 내지 6T, 보다 유리하게는 3T 내지 6T일 수 있으며, 높이(H)는 0.5T 내지 2T, 보다 유리하게는 1 내지 2T 일 수 있다. 이러한 용접 비드 폭과 높이를 만족하는 경우, 향상된 인장 강도와 낮은 접촉 저항을 가져 우수한 용접 특성을 나타낼 수 있다. 나아가, 용접 비드가 이러한 폭과 높이를 만족하는 경우, 구체 용접 조건, 일 예로, 용접시의 야기되는 열 구배(heat gradient) 상태나 용접시 레이저 조사 방법등과 같은 구체 용접 조건이 변화되어도, 안정적이고 재현성 있게 일정한 용접 품질(향상된 용접 강도, 우수한 용접 부위의 전기적 특성등)을 확보할 수 있다.
상술한 용접 비드의 폭과 높이는 직접적으로 용접 비드의 단면적에 영향을 미친다. 이에, 다른 일 양태에서, 홀에 삽입된 전극 탭과 플레이트는 용접 비드에 의해 서로 결합되되, 용접 비드는 하기 식 3을 만족할 수 있다.
(식 3)
0 < A <21T2
식 3에서 A는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 단면적이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다. 이때, 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면은 앞서 식 1 및 2를 기반으로 상술한 바와 동일하다.
용접비드(170)는 그 단면적(A)이 21T2 미만일 수 있다. 만일 그 단면적이 21 × T2(mm2) 이상이면 금속간화합물(IMC) 발생 증가, 용접강도 저하, 용접부 크랙발생 등 다양한 유형의 문제가 있을 수 있다. 보다 바람직하게는, 용접 비드 단면 기준, 용접 비드의 단면적은 T2 내지 12T2, 더욱 유리하게는 32 내지 12T2를 만족할 수 있다. 이러한 용접 비드 단면적을 만족하는 경우 향상된 인장 강도와 낮은 접촉 저항을 가져 우수한 용접 특성을 나타낼 수 있으며, 구체 용접 조건에 실질적으로 영향을 받지 않고 일정한 용접 특성을 나타낼 수 있다.
용접 비드는 상술한 식 1 및 식 2을 만족함과 동시에 식 3을 더 만족할 수 있으며, 이와 독립적으로, 식 3을 만족함과 동시에, 식 1, 식 2 또는 식 1과 식2를 더 만족할 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 버스바의 플레이트(150a)의 홀(150c)을 관통한 전극탭(120) 단부를 레이저로 가열 용융시킴으로써 용접비드(170)를 형성하는 것을 보여주는 단면 개략도이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 비드의 폭(W)은 용접 비드의 단면 기준, 덮개부의 폭일 수 있다. 구체적으로, 비드의 폭(W)은 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 용접 비드(170)와 플레이트(150a)의 두께 방향으로의 두 대향면 중 일 면과의 계면과 상기 일 면의 표면(surface)이 만나는 점을 경계점(p1, p2)으로 하여, 좌 우의 두 경계점(p1, p2)간의 거리를 의미할 수 있다. 이때, 도 9에 도시된 예는 좌 우 두 경계점(p1, p2)이 동일한 높이에 위치하는 경우임에 따라, 비드의 폭을 도 9와 같이 도시한 것이며, 좌 우 두 경계점(p1, p2)이 동일한 높이에 위치하지 않는 경우 비드의 폭은 두 경계점간 최단 거리로 규정될 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 비드의 높이(H)는 용접 비드의 단면 기준, 덮개부의 최대 높이일 수 있다. 구체적으로, 비드의 높이(H)는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 용접 비드(170)와 플레이트(150a)의 두께 방향으로의 두 대향면 중 일 면과의 계면과 상기 일 면의 표면(surface)이 만나는 점을 경계점(p1, p2)으로 하여, 좌 우의 두 경계점(p1, p2)을 이은 가상의 선과 덮개부의 최고점간의 거리(최단거리)일 수 있다. 이때, 도 9에서 도시된 예는 좌 우 두 경계점(p1, p2)이 동일한 높이에 위치하는 경우임에 따라, 비드의 폭을 도 9와 같이 도시한 것일 뿐, 비드의 높이는 두 경계점을 이은 가상의 선과 덮개부 최고점간의 최단 거리로 규정될 수 있다.
일 구체예에서, 용접 비드는 식 4를 더 만족할 수 있다.
(식 4)
0.4T ≤ D ≤ 2T
식 4에서, D는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준하여, 용접 비드의 홀 내부로의 용입 깊이이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다. 상세하게, 용입 깊이는 좌 우의 두 경계점(p1, p2)을 이은 가상의 선과 홀 내부에 위치하는 용접비드의 최저점간의 거리(최단거리)일 수 있다. 용입 깊이는 기둥부의 길이에 상응할 수 있다. 용입 깊이는 용접비드 형상 자체에 의한 기계적 물성과 플레이트의 희석율에 관련된 인자일 수 있다. 용입 깊이가 0.4T 내지 2T의 용입 깊이, 좋게는 0.5T 내지 1.5T, 보다 좋게는 0.5T 내지 1.0T를 만족하는 경우, 플레이트의 희석율이 5%이하로 제어되면서 용접비드의 형상에 의해 기계적 물성이 향상될 수 있다.
일 구체예에서, 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 홀의 중심선(CL) 기준으로 용접 비드(170)는 좌우 대칭 또는 좌우 비대칭일 수 있다. 이때, 홀에 전지 탭이 삽입됨에 따라, 홀의 중심선은 홀에 삽입된 전지 탭의 중심선과 동일할 수 있다. 도 9를 참고하여, 좌우 대칭은 좌 우의 두 경계점(p1, p2)과 홀의 중심선간의 최단 거리를 L1과 L2로 하고, L1과 L2가 서로 다를 때 보다 긴 길이를 L2로 하여, L1 : L2의 비가 1 : 1 내지 1.2임을 의미할 수 있다. 도 9를 참고하여, 좌우 비대칭은 L1 : L2의 비가 1 : 1.2를 넘어선 수준, 구체적으로 L1 : L2의 비가 1 : 1.2 내지 3, 구체적으로 1 : 1.2 내지 2.5임을 의미할 수 있다. 좌 우 비대칭 구조는 레이저의 조사 방향에 주로 영향을 받을 수 있으며, 도 7을 기반으로 상술한 바와 같이, 레이저가 비스듬이 조사될 때 이러한 비대칭 구조가 나타날 수 있다. 용접 비드의 좌우 비대칭 구조는 용접 부위의 기계적 물성에 유리하지 않은 것으로 알려져 있다. 그러나, 본 발명의 일 구체예에 따라, 비드 폭과 비드 너비, 또는 비드의 단면적의 파라메터를 만족하는 경우, 용접 부위의 기계적 물성(용접 강도)이 용접 비드의 비대칭 구조에 의해 유의미하게 영향을 받지 않는다. 즉, 좌우 대칭 구조를 가져도, 좌우 비대칭 구조를 가져도 실질적으로 일정하고 균일하며 향상된 기계적 물성을 갖는 용접 특성을 나타낼 수 있다.
유리한 일 예에서, 전극탭 재질- 플레이트 재질은 Al 재질 - Cu 재질 또는 Cu 재질 - Al 재질일 수 있다. 이때, Al 재질은 순도 90% 이상의 알루미늄일 수 있으며, 구체적으로 순도 95% 이상, 99% 이상 또는 99.5% 이상의 알루미늄일 수 있다. 일 예로, Al 재질은 공업용순알루미늄일 수 있으며, 상용품으로 Al1050, Al1100, 또는 Al1200등과 같은 Al1000계열(UNS #)등을 들 수 있다. Cu 재질은 순도 98% 이상, 99% 이상, 또는 99.3% 이상의 구리일 수 있다. 일 예로, Cu 재질은 공업용순구리일 수 있으며, 상용품으로 C11000, C10100, C10200, C12500등과 같은 C10100~C13000 계열(UNS #)등을 들 수 있다.
본 개시에서 전극탭(120)은 플레이트(150a)의 면에 대하여 수직한 방향으로 홀(150b)을 관통하도록 구성되고, 그 두께가 0.2mm 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 전극탭의 두께는 0.2 내지 1.0mm일 수 있다. 전극탭이 0.2mm 이상의 두께를 가질 때, 레이저 용접에 의해 상술한 구체 형상을 갖는 용접비드가 제조될 수 있으면서 플레이트의 희석율이 11% 이하인 용접비드가 제조될 수 있어 유리하다.
또한 본 개시에서 플레이트(150a)는 0.5mm 이상의 두께를 가진 것이 바람직하며, 일 예로, 0.5mm 내지 10mm, 1mm 내지 8mm 또는 1mm 내지 6mm의 두께를 가질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구체예에서, 전지 셀은 파우지형 전지 셀일 수 있다. 파우치형 전지 셀은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해질(전해액)에 함침된 상태로 파우치에 밀봉된 전지 셀일 수 있다. 파우치는 외층 필름과 내층 필름 사이에 알루미늄 막등과 같은 금속막이 개재된 다층 필름 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 구체예에 따른 배터리 모듈에서, 일 방향으로 다수개 적층된 파우치형 전지 셀 각각의 전극 탭이 플레이트의 홀 각각에 삽입 및 용접되어, 다수개의 파우치형 전지 셀이 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 10은 도 8의 방법으로 Cu 플레이트에 Al 전극탭을 이종 재질 용접하여 형성된 본 발명의 일 구체예에 따른 용접비드 형상을 보이는 일예의 사진이다. 도 10에 나타난 바와 같이, 용접비드에 접하는 플레이트 면은 용접비드의 외주부를 향하여 길이방향으로 하방 경사지게 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 형성된 용접비드에 접합된 플레이트 면은 홀을 중심으로부터 용접비드의 외주부를 향하여 하향 경사지게 구성함으로써, 용접비드의 형상이 부드럽게 형성되게 할 수 있으며 이를 통해 노치(notch) 등 거친 형상에 의한 용접강도 저하를 예방할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. 각각이 전극 탭을 포함하는 복수개의 전지 셀,
    상기 복수개의 전지 셀을 서로 전기적으로 연결하도록 상기 전극 탭에 연결되는 버스바를 포함하며,
    상기 버스바는 복수개의 홀이 형성되는 플레이트를 포함하고,
    각각의 상기 전지 셀의 전극 탭은 상기 플레이트의 복수개의 홀 중 적어도 일부에 삽입되고,
    상기 홀에 삽입된 전극 탭과 플레이트는 용접 비드에 의해 서로 결합되며,
    상기 전극 탭을 용접의 제1모재로 하고 상기 플레이트를 용접의 제2모재로 하여,
    상기 용접 비드는 제2모재의 희석률이 1 내지 11%인 배터리 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2모재의 희석률은 1 내지 5%인 배터리 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 탭은 알루미늄 재질이며, 상기 플레이트는 구리 재질인 배터리 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 탭은 표면 도금층을 포함하는 배터리 모듈.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 비드는 하기 식 1 및 식 2를 만족하는 배터리 모듈.
    (식 1)
    0 < W < 7T
    (식 1에서, W는 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 폭이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다)
    (식 2)
    0 < H < 3T
    (식 2에서, H는 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 높이이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다)
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 W는 2T 내지 6T이며, H는 0.5T 내지 2T인 배터리 모듈.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 단면적 A는 T2 내지 12T2 인 배터리 모듈.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 용접 비드는 식 4를 더 만족하는 배터리 모듈.
    (식 4)
    0.4T ≤ D ≤ 2T
    (식 4에서, D는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준하여, 상기 용접 비드의 상기 관통 홀 내부로의 용입 깊이이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다)
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 표면 도금층은 Ni, Sn, Si, Mg, Fe, Mn, Zn, Cr, Li, Ca 또는 이들의 합금을 포함하는 배터리 모듈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 탭의 두께는 0.2mm 이상인 배터리 모듈.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 탭의 두께는 0.2mm 내지 1.0mm인 배터리 모듈.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 플레이트의 두께는 0.5mm 이상인 배터리 모듈.
  13. 제 5항에 있어서,
    상기 용접 비드는, 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면 기준, 상기 플레이트의 두께 방향으로의 두 대향면 중 일 면에서 상기 홀을 덮는 볼록한(convex) 형상을 갖는 덮개부; 및 상기 홀 내부로 장입된 기둥부;를 포함하는 배터리 모듈.
  14. 제 5항에 있어서,
    상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 홀의 중심선 기준으로 용접 비드는 좌우 비대칭인 배터리 모듈.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 상기 용접 비드와 상기 플레이트의 두께 방향으로의 두 대향면 중 일 면과의 계면과 상기 일 면의 표면이 만나는 점을 경계점으로 하여, 좌 우의 두 경계점과 홀의 중심선간의 최단 거리인 L1 : L2의 비가 1 : 1.2 내지 3인 좌우 비대칭을 갖는 배터리 모듈.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 전지 셀은 파우치형 전지 셀인 배터리 모듈.
KR1020230086701A 2019-11-20 2023-07-04 배터리 모듈 KR20230107186A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190149643 2019-11-20
KR20190149643 2019-11-20
KR1020200155110A KR20210061945A (ko) 2019-11-20 2020-11-19 배터리 모듈

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200155110A Division KR20210061945A (ko) 2019-11-20 2020-11-19 배터리 모듈

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230107186A true KR20230107186A (ko) 2023-07-14

Family

ID=75981345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230086701A KR20230107186A (ko) 2019-11-20 2023-07-04 배터리 모듈

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20220407187A1 (ko)
EP (1) EP4064448A4 (ko)
KR (1) KR20230107186A (ko)
CN (2) CN118073782A (ko)
WO (1) WO2021101300A1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190126654A (ko) 2018-05-02 2019-11-12 에스케이이노베이션 주식회사 배터리 모듈

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100284034B1 (ko) * 1998-09-09 2001-11-02 장용균 리튬이온 전지의 밀봉구조
US9028986B2 (en) * 2009-01-07 2015-05-12 A123 Systems Llc Fuse for battery cells
KR102117859B1 (ko) * 2016-12-23 2020-06-02 에스케이이노베이션 주식회사 배터리 모듈
KR102244120B1 (ko) * 2017-04-18 2021-04-22 주식회사 엘지화학 전극 리드와 버스바의 결합 구조가 개선된 배터리 모듈
KR102082498B1 (ko) * 2017-04-26 2020-02-27 주식회사 엘지화학 전극 리드와 버스바의 결합 구조가 개선된 배터리 모듈 및 그 제조 방법
KR102209769B1 (ko) * 2017-06-07 2021-01-28 주식회사 엘지화학 배터리 모듈
WO2019013591A1 (ko) * 2017-07-14 2019-01-17 주식회사 엘지화학 배터리 모듈
KR102598811B1 (ko) * 2018-03-06 2023-11-03 에스케이온 주식회사 배터리 모듈 및 이의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190126654A (ko) 2018-05-02 2019-11-12 에스케이이노베이션 주식회사 배터리 모듈

Also Published As

Publication number Publication date
EP4064448A4 (en) 2024-01-17
WO2021101300A1 (ko) 2021-05-27
CN114868303B (zh) 2024-04-05
EP4064448A1 (en) 2022-09-28
CN118073782A (zh) 2024-05-24
US20220407187A1 (en) 2022-12-22
CN114868303A (zh) 2022-08-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3351339A1 (en) Welded structure of metal member and welding method
US9017871B2 (en) Negative-electrode terminal for cell
US7867644B2 (en) Secondary battery and secondary battery manufacturing method
US9559347B2 (en) Negative electrode terminal for battery and method for producing negative electrode terminal for battery
EP3278919B1 (en) Welded metal component and battery including the same
JP5677130B2 (ja) リチウムイオン二次電池用外装缶
US10249857B2 (en) Battery bus bar design and laser welding
KR101697410B1 (ko) 이차 전지용 알루미늄 캔체 및 그의 제조 방법
JP2007194035A (ja) 組電池の接続板
JP2011129266A (ja) 角形密閉電池の製造方法
KR20210061945A (ko) 배터리 모듈
KR20230107186A (ko) 배터리 모듈
JP5546997B2 (ja) 溶接方法および電池の製造方法および電池
JP6052162B2 (ja) 非水電解質二次電池およびその製造方法
EP4033592A1 (en) Battery module
JP6108545B2 (ja) 角形二次電池および組電池
KR20170016394A (ko) 저 니켈의, 다중 층 적층 복합체
CN118017159A (zh) 二次电池模块
CN113488745A (zh) 软包锂离子动力电池正极极耳激光焊接工艺
KR20240068216A (ko) 대칭 형상의 이종 금속 용접비드 및 이를 포함하는 2차 전지 모듈
EP4184677A1 (en) Battery module
EP4180168A1 (en) Method of manufacturing battery module
KR20240011015A (ko) 필러메탈을 이용한 배터리모듈 보수방법
KR20230089805A (ko) 배터리 모듈 제조방법 및 필러와이어를 이용한 레이저 용접 방법
JP2023142497A (ja) 導電接続部品および導電接続構造

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal