KR20230122935A - 용접 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20230122935A
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백영석
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 용접 장치는 제1 용접면에 복수의 제1 돌기가 형성된 혼과; 이차 전지에 포함되는 복수의 전극 탭들을 사이에 두고 상기 혼과 마주보며, 제2 용접면에 복수의 제2 돌기가 형성된 엔빌을 포함하며, 상기 제1 돌기의 평단면은 상기 제2 돌기의 평단면과 다른 형상으로 형성되며, 상기 혼과 상기 엔빌 사이에 정렬되는 상기 전극 탭의 폭은 상기 혼의 폭보다 크게 형성될 수 있다.

Description

용접 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR WELDING}
본 발명은 용접 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접 불량 발생을 최소화할 수 있는 용접 장치 및 방법에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북 컴퓨터, 웨어러블 디바이스 등 전자기기 또는 전기자동차 등의 에너지원으로서 이차전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 이차전지는 전극의 종류에 따라 니켈-카드뮴 이차전지, 니켈-수소 이차전지, 리튬 이차 전지 등으로 분류되는데, 높은 작동 전압, 단위 중량당 고에너지 밀도를 갖는 장점을 갖는 리튬 이차전지에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, 이차전지는 전극 조립체와, 전극 조립체를 내부에 사용하는 케이스를 포함할 수 있다. 하나의 전극 조립체에는 복수의 전극들이 적층되며, 복수의 전극들로부터 생성되는 전기를 외부로 용이하게 공급하기 위해, 각각의 전극마다 전극 탭이 형성될 수 있다. 복수의 전극 탭들은 혼(horn)과 엔빌(anvil)을 포함하는 용접 장치를 이용한 용접 공정으로 서로 용접될 수 있다. 그러나, 용접 공정시 용접 강도를 제대로 확보되지 못하거나 제조 공정시 발생되는 편차 등에 의해 용접 불량이 발생될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 용접 불량 발생을 최소화할 수 있는 용접 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 용접 장치는 제1 용접면에 복수의 제1 돌기가 형성된 혼과; 이차 전지에 포함되는 복수의 전극 탭들을 사이에 두고 상기 혼과 마주보며, 제2 용접면에 복수의 제2 돌기가 형성된 엔빌을 포함하며, 상기 제1 돌기의 평단면은 상기 제2 돌기의 평단면과 다른 형상으로 형성되며, 상기 혼과 상기 엔빌 사이에 정렬되는 상기 전극 탭의 폭은 상기 혼의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전극 탭은 상기 이차 전극에 포함되는 전극 리드와 상대적으로 멀게 배치되는 시작점과, 상기 전극 리드와 인접하게 배치되는 끝점을 포함하며, 상기 제1 용접면은 상기 전극 탭의 시작점과 가까운 제1 영역과, 상기 전극 탭의 시작점과 먼 제2 영역을 포함하며, 상기 복수의 제1 돌기 각각은 상기 제1 영역에서 인접한 상기 제1 돌기와 이격되게 배치되며, 상기 제2 영역에서 인접한 상기 제1 돌기와 이격없이 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 영역에서, 상기 복수의 제1 돌기의 이격 거리는 상기 제1 돌기의 피치와 동일하게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 돌기 및 상기 제2 돌기 중 적어도 어느 하나의 피치는 1.2~1.5mm로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼의 폭은 상기 전극 탭의 폭 보다 2mm~2.5mm작게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 엔빌의 폭은 상기 혼의 폭과 같거나 크게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 돌기 및 상기 제2 돌기는 사각뿔대 형상으로 형성되며, 상기 제1 돌기는 상기 엔빌을 향하는 제1 외부면을 포함하며, 상기 제1 외부면은 제1 방향으로 신장되는 가로 길이와 제2 방향으로 신장되는 세로 길이를 가지는 정사각형 형상으로 형성되며, 상기 제2 돌기는 상기 혼을 향하는 제2 외부면을 포함하며, 상기 제2 외부면은 상기 제1 방향과 나란한 제1 대각선과, 상기 제2 방향과 나란한 제2 대각선이 서로 수직한 마름모 형상으로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼은 상기 제1 용접면과 맞닿아 모서리를 형성하는 제1 측면, 제2 측면, 제3 측면 및 제4 측면을 포함하며, 상기 제1 측면, 제2 측면, 제3 측면 및 제4 측면 중 어느 하나의 측면은 상기 제1 측면, 제2 측면, 제3 측면 및 제4 측면 중 나머지 측면보다 곡률 반경이 크게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 측면은 상기 전극탭의 시작점과 가깝게 배치되며, 상기 제1 측면은 상기 제2 측면, 상기 제3 측면 및 상기 제4 측면 중 적어도 어느 하나보다 곡률 반경이 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 용접 방법은 제1 용접면에 복수의 제1 돌기가 형성된 혼과, 제2 용접면에 복수의 제2 돌기가 형성된 엔빌을, 이차 전지에 포함되는 복수의 전극 탭들을 사이에 두고 서로 마주보도록 정렬하는 단계와; 상기 혼을 이용하여 상기 복수의 전극탭들을 가압하는 단계를 포함하며, 상기 제1 돌기의 평단면은 상기 제2 돌기의 평단면과 다른 형상으로 형성되며, 상기 혼과 상기 엔빌 사이에 정렬되는 상기 전극 탭의 폭은 상기 혼의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전극탭들의 초음파 용접시 용접 강도가 확보될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 혼의 직접 접촉에 따른 전극 탭들의 손상이 최소화되므로, 용접 불량(예: 단선) 발생이 방지되거나 최소화될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제조 공정 불량이 방지되거나 최소화되므로, 이차 전지의 성능 확보와 안전성이 향상될 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지를 나타내는 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 장치에 포함되는 혼을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3에서 선"A-A'"를 따라 절취한 혼을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 장치에 포함되는 혼의 제1 돌기들의 간격에 따른 인장 강도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 장치에 포함되는 엔빌을 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 6에서 선"B-B'"를 따라 절취한 엔빌을 나타내는 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 공정시 혼 및 엔빌의 폭 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 공정시 혼 및 전극탭의 배치 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 9b는 비교예에 따른 제조 공정 후의 전극 탭을 나타내는 도면이며, 도 9c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제조 공정 후의 전극 탭을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 전극 탭의 적층 수와 제1 용접면의 제1 폭의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 곡면 형태의 측면을 가지는 혼을 나타내는 평면도이다.
도 12는 도 11에서 선"C-C'"를 따라 절취한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 곡면 형태의 측면을 가지는 엔빌을 나타내는 평면도이다.
도 14는 도 13에서 선"D-D'"를 따라 절취한 단면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지를 나타내는 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지(1)는 전극조립체(10), 전극 조립체(10)를 감싸는 케이스(13)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(10)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있다. 전극 조립체(10)에 포함된 분리막은 양극 및 음극들을 상호 절연시킬 수 있다.
전극 조립체(10)는 전극조립체(10)로부터 연장되어 있는 다수의 전극 탭들(11)을 포함할 수 있다. 전극 조립체(10)는 양극탭(111) 및 음극탭(112)을 포함할 수 있다. 양극탭(111)은 전극 조립체(10)의 양극으로부터 연장되어 전극 조립체(10)의 외부로 돌출될 수 있다. 음극탭(112)은 전극 조립체(10)의 음극으로부터 연장되어 전극 조립체(10)의 외부로 돌출될 수 있다.
전극 탭(11)에는 전극 리드(Electrode Lead, 12)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 전극 리드(12)는 전극 탭(11)에 레이저 용접과 같은 용접 공정을 통해 연결될 수 있다. 전극 리드(12)는 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)를 포함할 수 있다. 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 예를 들어, 양극 리드(121)는 양극과 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 케이스(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.
전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위될 수 있다. 절연부(14)는 케이스(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열융착되는 실링부(134)에 위치하여, 전극 리드(12)를 케이스(13)에 접착시킬 수 있다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 케이스(13)로 흐르는 것을 방지하며, 케이스(13)의 실링을 유지할 수 있다. 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 재질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 절연부(14)로는 절연테이프로 형성될 수 있다. 절연부(14)의 재질은 절연 테이프에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
케이스(13)는 전극조립체(10)를 수용할 수 있는 수납공간을 제공하며 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링할 수 있다. 케이스(13)는 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 포함한다. 하부 파우치(132)에는 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(133)이 마련되고, 상부 파우치(131)는 상기 전극 조립체(10)가 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 수용 공간(133)을 상부에서 커버한다. 이 때, 상부 파우치(131)에도 수용 공간(133)이 형성되어, 전극 조립체(10)를 상부에서 수용할 수도 있다. 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)는 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
이와 같은 이차 전지에 포함되는 전극 탭들(11)은 저항 용접, 레이저 용접 및 초음파 용접 중 적어도 어느 하나의 용접 공정을 통해 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 장치를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 제조 장치는 전극 탭들(11)을 용접하는 초음파 용접 장치일 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 장치(200)는 혼(horn)(300) 및 엔빌(anvil)(400)을 포함할 수 있다. 혼(300)은 복수의 제1 돌기(320)를 포함하며, 엔빌(400)은 복수의 제2 돌기(420)를 포함할 수 있다.
엔빌(400) 상에는 용접 대상이 되는 복수의 전극 탭(11)들이 안착될 수 있다. 혼(300)과 엔빌(400)은 복수의 전극 탭(11)들을 사이에 두고 마주보도록 정렬될 수 있다. 혼(300)이 일정한 하중으로 복수의 전극 탭(11)들을 가압함과 동시에, 혼(300)으로 초음파를 인가함으로써 복수의 전극 탭(11)들을 용접할 수 있다.
혼(300)이 수직 방향(예: -Z방향)으로 압력을 가하는 동안, 수평 방향(예: X방향 및/또는 Y방향)으로 진동하여 전극 탭(11)들 간의 접촉면에서 마찰열이 발생할 수 있다. 발생된 마찰열로 인하여 전극 탭들(11)은 서로 용접될 수 있다. 일 예로, 혼(300)이 수직 방향으로 압력을 가하도록 상하 운동하는 것에 대해, 엔빌(400)은 고정되어 있을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 장치에 포함되는 혼을 나타내는 평면도이며, 도 4는 도 3에서 선"A-A'"를 따라 절취한 혼을 나타내는 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼(300)은 제1 용접면(310) 상에 형성되는 복수의 제1 돌기(320)를 포함할 수 있다.
제1 용접면(310)은 제1 영역(311)과 제2 영역(312)을 포함할 수 있다. 제1 영역은 제2 영역(312)보다 면적이 작을 수 있다. 제1 영역(311)은 용접 공정시 전극탭(예: 도 1의 전극탭(11))의 시작점과 인접한 외곽 영역일 수 있다. 전극탭의 시작점은 전극 리드(예: 도 1의 전극 리드(12))와 상대적으로 멀게 배치되는 영역이며, 전극탭의 끝점은 전극 리드와 인접하게 배치되는 영역일 수 있다.
제1 영역(311)의 일부 영역에는 복수의 제1 돌기(320)가 형성되고, 제1 영역(311)의 나머지 영역에는 복수의 제1 돌기(320)가 형성되지 않을 수 있다.
복수의 제1 돌기들(320)은 제1 영역(311)과 제2 영역(312)에서 서로 동일하거나 다른 크기로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(311)에 형성되는 제1 돌기(320)와 제2 영역(312)에 형성되는 제1 돌기(320) 각각의 피치(pitch)(P1)는 서로 동일할 수 있다.
복수의 제1 돌기(320)는 제1 영역(311)에서 제1 방향(예: X방향)을 따라서 일렬로 배치될 수 있다. 제1 영역(311)에서, 복수의 제1 돌기들(320)은 제1 방향으로 인접한 제1 돌기(320)와 기 설정된 제1 이격거리(d1)로 이격되게 배치될 수 있다. 제1 영역(311)에 배치되는 복수의 제1 돌기들(320)은 제2 방향(예: Y방향)으로 인접한 제1 돌기들(320)과 이격되지 않고 서로 접촉하도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 영역(311)에서, 복수의 제1 돌기(320)들은 제1 돌기(320)의 피치와 동일하거나 유사한 제1 이격 거리(d1)로 인접한 제1 돌기(320)와 이격될 수 있다. 복수의 제1 돌기들(320) 각각의 피치(P1)는 1.2mm~1.5mm일 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 돌기들(320) 각각의 피치(P1)가 1.2mm인 경우, 제1 용접면(310)의 제1 영역(311)에서, 복수의 제1 돌기들(320) 각각은 제1 방향으로 인접한 제1 돌기(320)와 1.2mm의 제1 이격 거리(d1)로 이격되게 배치될 수 있다.
복수의 제1 돌기(320)는 제1 용접면(310)의 제2 영역(312)에서 제1 방향 및 제2 방향을 따라서 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 제2 영역(312)에서, 복수의 제1 돌기들(320)은 제1 방향 및 제2 방향 각각으로 인접한 제1 돌기(320)와 이격없이 서로 접촉하도록 배치될 수 있다.
복수의 제1 돌기들(320) 각각은 서로 평행한 제1 내부면(321) 및 제1 외부면(322)을 포함할 수 있다. 제1 내부면(321)은 제1 용접면(301)과 접촉할 수 있다. 제1 외부면(322)은 제1 내부면(321)과 대향하며, 용접 공정시 엔빌(400)을 향하도록 형성될 수 있다. 복수의 제1 돌기들(320)은 제1 내부면(321)에서 제1 외부면(322)으로 갈수록 크기가 점진적으로 작아질 수 있다. 제1 외부면(322)의 면적은 제1 내부면(321)의 면적보다 작을 수 있다. 제1 외부면(322)의 면적은 전극탭에 박혀 최소한의 용접력을 확보하면서 전극 탭의 손상을 최소화할 수 있는 면적으로 형성될 수 있다.
복수의 제1 돌기(320)의 평단면은 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 외부면(322) 및 제1 내부면(321)은 제1 방향과 나란한 가로 길이와, 제2 방향(또는, 진동 방향)과 나란한 세로 길이를 가지는 사각형 형상으로 형성될 수 있다. 복수의 제1 돌기들(320) 각각은 사각뿔대 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 돌기들(320) 각각의 제1 외부면(322)은 두 개의 변이 진동 방향과 나란한 정사각형 형태로 형성될 수 있다. 정사각형태의 제1 외부면(322)을 가지는 복수의 제1 돌기(320)를 포함하는 실시 예는 마름모 형태의 제1 외부면을 가지는 제1 돌기를 포함하는 비교예보다 최대소성변형률이 적고, 전극탭에 대한 인장강도가 클 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 용접 공정 중 전극탭의 단선을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 장치에 포함되는 혼의 제1 돌기들의 간격에 따른 인장 강도를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 영역(예: 도 3 및 도 4의 제1 영역(311))에 배치되는 제1 돌기들(예: 도 3 및 도 4의 제1 돌기(320))들의 제1 이격 거리(d1)가 커질수록 인접 용접부간 응력 전파 거리(또는, 미용접 영역)가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파단 연신율이 증가하고 인장 강도가 증가될 수 있다. 최외곽에 위치하는 전극 탭들(예: 도 1의 전극 탭(11))의 인장강도가 증가됨으로써 전극탭들의 단선을 방지할 수 있다. 예를 들어, 제1 돌기들의 간격이 0mm일 때보다 1.0mm일 때 인장 강도가 15% 증가될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 장치에 포함되는 엔빌을 나타내는 평면도이며, 도 7은 도 6에서 선"B-B'"를 따라 절취한 엔빌을 나타내는 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔빌(400)은 제2 용접면(410) 상에 형성되는 복수의 제2 돌기(420)를 포함할 수 있다.
복수의 제2 돌기(420)는 제2 용접면(410) 상에서 제1 방향(예: X방향) 및 제2 방향(예: Y방향)을 따라서 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 복수의 제2 돌기들(420)은 서로 동일하거나 다른 크기로 형성될 수 있다. 복수의 제2 돌기들(420)은 1.2mm~1.5mm의 피치(P2)를 가지도록 형성될 수 있다.
복수의 제2 돌기들(420) 각각은 서로 평행한 제2 내부면(421) 및 제2 외부면(422을 포함할 수 있다. 제2 내부면(421)은 제2 용접면(410)과 접촉할 수 있다. 제2 외부면(422)은 제2 내부면(421)과 대향하며, 용접 공정시 혼(예: 도 2의 혼(300))을 향하도록 형성될 수 있다. 복수의 제2 돌기들(420)은 제2 내부면(421)에서 제2 외부면(421)으로 갈수록 크기가 점진적으로 작아질 수 있다. 제2 외부면(422)의 면적은 제2 내부면(421)의 면적보다 작을 수 있다. 제2 외부면(422)의 면적은 전극탭(예: 도 2의 전극 탭(11))에 박혀 최소한의 용접력을 확보하면서 전극탭의 손상을 최소화할 수 있는 면적으로 형성될 수 있다.
복수의 제2 돌기(420)의 평단면은 복수의 제 1 돌기(예: 도 3 및 도 4의 제1 돌기(320))의 평단면과 다른 형상으로 형성될 수 있다. 일 예로, 복수의 제2 돌기(420)의 평단면은 마름모 형상으로 형성될 수 있다. 제2 외부면(422) 및 제2 내부면(421) 중 적어도 어느 하나는 제1 방향과 나란한 제1 대각선과, 제2 방향과 나란한 제2 대각선이 서로 수직한 마름모 형상으로 형성될 수 있다. 복수의 제1 돌기들(320) 각각은 제2 외부면과 제2 내부면이 마름모 형상인 정사각뿔대 형상을 가질 수 있다. 제2 외부면(422) 및 제2 내부면(421) 각각에 포함되는 제2 대각선이 혼의 진동 방향과 나란할 수 있다.
복수의 제2 돌기들(420) 각각의 제2 내부면들(421)은 제1 방향 및 제2 방향 각각으로 인접한 제2 내부면(421)과 이격거리없이 접촉할 수 있다.
복수의 제2 돌기들(420) 각각의 제2 외부면들(422)은 서로 인접한 방향에 따라서 이격거리가 다를 수 있다. 복수의 제2 돌기들(420) 각각의 제2 외부면들(422)은 제1 방향으로 이격된 제2 외부면(422)과 제2 이격거리(d2)로 이격될 수 있다. 복수의 제2 돌기들(420) 각각의 제2 외부면들(422)은 제2 방향으로 이격된 제2 외부면(422)과 제2 이격거리(d2)로 이격될 수 있다. 복수의 제2 돌기들(420) 각각의 제2 외부면들(422)은 제2 외부면(422)의 일변과 나란한 방향으로 이격된 제2 외부면(422)과 제3 이격거리(d3)로 이격될 수 있다. 복수의 제2 돌기들(420) 각각의 제2 외부면들(422)은 제2 외부면(422)의 타변과 나란한 방향으로 이격된 제2 외부면(422)과 제3 이격거리(d3)로 이격될 수 있다. 복수의 제2 돌기들(420)의 제2 외부면들(422)은 서로 인접 방향에 따라서 이격거리의 차이가 있고, 제3 이격거리(d3)는 제2 이격거리(d2)보다 작으므로, 용접 편차가 적을 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 공정시 혼 및 엔빌의 폭 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 공정시, 혼(300)과 엔빌(400)은 서로 대향하도록 정렬될 수 있다. 혼(300)의 제1 용접면(310)과 엔빌(400)의 제2 용접면(410)은 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 제1 용접면(310) 상에는 제1 돌기들(예: 도 3 및 도 4의 제1 돌기(320))이 형성되며, 제2 용접면(410) 상에는 제2 돌기들(420)이 형성될 수 있다.
제2 용접면(410)의 크기는 제1 용접면(310)의 크기 이상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 용접면(410)의 제2 폭(W2)은 제1 용접면(310)의 제1 폭(W1)보다 크거나 같을 수 있다. 엔빌(400)의 제2 용접면(410)이 혼(300)의 제1 용접면(310)보다 크거나 같게 형성되므로, 전극 탭(예: 도 2의 전극 탭(11)) 중 혼(300)의 제1 용접면(310)과 접촉(또는, 가압)하는 영역은 용접 영역으로 형성될 수 있다. 전극 탭 중 혼(300)에 의해 가압되는 영역에 미용접 영역이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 공정시 혼 및 전극탭의 배치 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 9b는 비교예에 따른 제조 공정 후의 전극 탭을 나타내는 도면이며, 도 9c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제조 공정 후의 전극 탭을 나타내는 도면이다. 도 9a 내지 도 9c에 도시된 전극 탭(11)은 스택형 또는 스택/폴딩형의 전극 조립체로부터 연장되는 전극탭일 수 있다.
도 9a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 제조 공정시, 전극탭(11)은 혼(300)과 정렬될 수 있다. 제1 용접면(310)이 제1 폭(W1)을 가지는 혼(300)과 제3 폭(W3)을 가지는 전극 탭(11)은 용접 공정을 위해 정렬될 수 있다. 제1 폭(W1)은 제3 폭(W3)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 혼(300)의 제1 폭(W1)은 전극 탭(11)의 제3 폭(W3)보다 2mm~2.5mm 작게 형성될 수 있다.
혼(300)과 정렬된 전극탭(11)의 일부 영역은 혼(300)의 제1 돌기들(예: 도 4의 제1 돌기(320))과 비중첩되고, 전극탭(11)의 나머지 영역은 혼과 비중첩될 수 있다. 전극 탭(11)의 중심 영역(113)은 혼(300)의 제1 돌기들과 중첩되고, 전극 탭(11)의 외곽 영역(111,112)은 혼(300)의 제1 돌기들과 비중첩될 수 있다. 전극 탭(11)의 외곽 영역(111,112)은 전극 탭(11)의 중심 영역(113)의 일부에서 연장되어 서로 대면할 수 있다. 예를 들어, 전극 탭(11)의 외곽 영역은 제1 외곽 영역(111)과 제2 외곽 영역(112)을 포함할 수 있다. 제1 외곽 영역(111) 및 제2 외곽 영역(112)은 전극 탭(11)의 폭 방향으로 서로 이격되게 배치될 수 있다.
전극 탭(11)의 제1 외곽 영역(111)은 혼(300)의 일측으로부터 제1 연장폭(We1)만큼 돌출되게 정렬될 수 있다. 전극 탭(11)의 제2 외곽 영역(112)은 혼(300)의 타측으로부터 제2 연장폭(We2)만큼 돌출되게 정렬될 수 있다. 제1 연장폭(We1) 및 제2 연장폭(We2)은 크기가 서로 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 연장폭(We1) 및 제2 연장폭(We2)은 크기가 서로 동일하게 1mm~1.25mm로 형성될 수 있다.
전극 탭(11)과 정렬된 혼(300)을 이용한 용접 공정 후, 전극 탭(11)의 중심 영역(113)은 용접 영역으로 형성될 수 있으며, 전극 탭(11)의 제1 외곽 영역(111) 및 제2 외곽 영역(112)은 미용접 영역으로 형성될 수 있다. 전극 탭(11)을 이루는 박판(foil)에 사행이 있더라도, 혼(300)의 폭이 전극탭(11)의 폭보다 작으므로, 전극 탭(11)의 외곽 영역(111,112)은 미용접 영역으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 용접 공정시 전극 탭(11)의 외곽 영역(111,112)이 가압되는 것을 방지할 수 있으므로, 전극 탭(11)의 외곽 영역(111,112)의 인장 강도가 높아질 수 있다.
구체적으로, 전극 탭(11)보다 폭이 작은 혼(300)을 이용한 용접 공정 후, 실시 예의 전극 탭(11)은 도 9b에 도시된 바와 같이 제1 외곽 영역(111) 및 제2 외곽 영역(112)이 미용접 영역으로 형성되고, 중심 영역(113)이 용접 영역으로 형성될 수 있다. 용접 공정시 전극 탭(11)의 외곽 영역(111,112)은 혼(300)에 의해 가압되지 않으므로 외곽 영역(111,112)의 전극탭을 이루는 박판(foil)에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
반면에, 전극 탭(11)보다 폭이 큰 혼(300)을 이용한 용접 공정 후, 비교예의 전극 탭(11)은 도 9c에 도시된 바와 같이 제1 외곽 영역(111) 및 제2 외곽 영역(112)과 중심 영역(113)이 용접 영역으로 형성될 수 있다. 용접 공정시 전극 탭(11)의 외곽 영역(111,112)은 혼(300)에 의해 가압되므로 외곽 영역(111,112)을 이루는 박판(foil)에는 손상이 발생될 수 있다.
예를 들어, 혼(300)이 전극 탭(11)보다 2mm 작은 실시 예는 표 1과 같이, 혼의 폭이 전극 탭의 폭보다 3mm 큰 비교 예에 비해 인장 강도가 약 8% 높음을 알 수 있다.
실시 예 비교 예
인장강도(kgf) 9.02 8.38
이에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 전극 탭(11)의 외곽 영역(111,112)의 인장 강도가 상대적으로 높아지므로, 전극 탭(11)의 단선 위험성을 낮출 수 있다.도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지의 전극 탭의 적층 수와 제1 용접면의 제1 폭의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 혼(예: 도 3 및 도 4의 혼(300))의 제1 용접면(도 3 및 도 4의 제1 용접면(310))의 제1 폭(예: 도 9a의 제1 폭(W1))은 전극 탭(예: 도 9a의 전극탭(11))의 적층(stack) 수가 많아질수록 감소될 수 있다. 또한, 전극 탭의 두께가 두꺼워질수록, 혼의 제1 돌기 및 엔빌(예: 도 6 및 도 7의 엔빌(400))의 제2 돌기(예: 도 6 및 도 7의 제2 돌기(420)) 중 적어도 어느 하나의 피치는 커질 수 있다. 전극 탭의 두께는 전극 탭의 적층(stack) 수와 박판(foil) 1장의 두께의 곱으로 산출될 수 있다. 일정 두께를 가지는 전극 탭은 피치가 서로 다른 돌기를 포함하는 혼 및 엔빌을 이용한 용접 공정을 통해 용접될 수 있다. 예를 들어, 일정 두께를 가지는 전극 탭은 제1 피치(예: 도 3의 제1 피치(P1))를 가지는 제1 돌기를 포함하는 혼과, 제1 피치보다 작은 제2 피치(예: 도 6의 제2 피치(P2))를 가지는 제2 돌기를 포함하는 엔빌을 이용한 용접 공정을 통해 용접될 수 있다. 동일 두께를 가지는 음극 탭과 양극 탭은 피치가 서로 같거나 서로 다른 돌기를 포함하는 혼 및 엔빌을 이용한 용접 공정을 통해 용접될 수 있다. 예를 들어, 양극 탭과 음극 탭의 두께가 동일한 경우, 음극 탭에 적용된 혼 및 엔빌 각각은 양극 탭에 적용된 혼 및 엔빌보다 피치가 크거나 같을 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 곡면 형태의 측면을 가지는 혼을 나타내는 평면도이며, 도 12는 도 11에서 선"C-C'"를 따라 절취한 단면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 혼의 제1 용접면(310)은 제1 영역(311), 제2 영역(312) 및 제3 영역(313)을 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에서 설명된 제1 용접면(310)의 제1 영역(311) 및 제2 영역(312)에 대한 설명이, 도 11 및 도 12에 도시된 제1 용접면(310)의 제1 영역(311) 및 제2 영역(312)에 준용될 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
제1 용접면(310)의 제3 영역(313)은 제1 영역(311)의 일부 및 제2 영역(312)의 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 제1 용접면(310)의 제3 영역(313)은 혼(300)의 제1 측면(1111), 제2 측면(1112), 제3 측면(1113) 및 제4 측면(1114) 각각과 맞닿아 모서리를 형성할 수 있다. 제1 측면(1111)은 제1 방향(예: X방향)으로 연장되며, 용접 공정시 전극 탭(예: 도 2의 전극 탭(11))의 시작점과 가깝게 배치될 수 있다. 제2 측면(1112)은 제1 측면(1111)과 마주보도록 배치되며, 용접 공정시 전극 탭의 시작점과 멀게 배치될 수 있다. 제3 측면(1113)은 제2 방향으로 연장되며, 제1 측면(1111) 및 제2 측면(1112) 사이에 배치될 수 있다. 제4 측면(1114)은 제3 측면(1113)과 마주보도록 배치될 수 있다.
제1 측면(1111), 제2 측면(1112), 제3 측면(1113) 및 제4 측면(1114) 각각과 제3 영역(313)이 맞닿아 형성되는 모서리는 완만한 곡면으로 형성될 수 있다. 혼(300)에 형성된 곡면 형태의 모서리는 전극 탭에 가해지는 압력을 분산시킬 수 있으므로, 전극 탭의 손상이 방지될 수 있다.
혼의 모서리를 곡면 형태로 형성하기 위해, 제1 측면(1111), 제2 측면(1112), 제3 측면(1113) 및 제4 측면(1114) 중 적어도 어느 하나는 가공 공정(예: 모따기)을 통해 곡면 형태로 형성될 수 있다. 제2 측면(1112), 제3 측면(1113), 제1 측면(1111) 및 제4 측면(1114)의 순서로 가공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 측면(1111), 제2 측면(1112), 제3 측면(1113) 및 제4 측면(1114) 중 용접 공정시 전극 탭의 시작점과 가깝게 배치되는 측면은 나머지 측면보다 곡률 반경이 크게 형성할 수 있다. 제1 측면(1111)의 곡률 반경은 제2 측면(1112), 제3 측면(1113) 및 제4 측면(1114) 중 적어도 어느 하나의 곡률 반경보다 크게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 측면(1112), 제3 측면(1113) 및 제4 측면(1114)의 곡률 반경은 서로 동일하게 형성되고, 제1 측면(1111)의 곡률 반경은 제2 측면(1112), 제3 측면(1113) 및 제4 측면(1114)의 곡률 반경보다 크게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 가공 공정시, 제1 측면(1111), 제2 측면(1112), 제3 측면(1113) 및 제4 측면(1114) 각각과 인접한 최외곽의 제1 돌기들(320)의 측면도 라운드 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 측면(1111)과 인접한 최외곽의 제1 돌기들(320)의 곡률 반경은 제2 측면(1112), 제3 측면(1113) 및 제4 측면(1114) 각각과 인접한 최외곽의 제1 돌기들(320)의 곡률 반경보다 크게 형성될 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 곡면 형태의 측면을 가지는 엔빌을 나타내는 평면도이며, 도 14는 도 13에서 선"D-D'"를 따라 절취한 단면도이다. 도 6 및 도 7에서 설명된 엔빌에 대한 설명이, 도 13 및 도 14에 도시된 엔빌에 준용될 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔빌(400)은 서로 마주보는 일측면(1311) 및 타측면(1312)을 포함할 수 있다. 엔빌(400)의 일측면(1311) 및 타측면(1312) 각각은 제2 용접면(410)과 맞닿아 모서리를 형성할 수 있다. 일측면(1311) 및 타측면(1312) 각각과 제2 용접면(410)이 맞닿아 형성되는 모서리는 완만한 곡면으로 형성될 수 있다. 엔빌(400)에 형성된 곡면 형태의 모서리는 전극 탭(예: 도 1의 전극 탭(11))에 가해지는 압력을 분산시킬 수 있으므로, 전극탭의 손상이 방지될 수 있다.
엔빌(400)의 모서리를 곡면 형태로 형성하기 위해, 일측면(1311) 및 타측면(1312) 중 적어도 어느 하나는 가공 공정(예: 모따기)을 통해 곡면 형태로 형성될 수 있다. 일측면(1311) 및 타측면(1312) 각각의 곡률 반경은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 일측면(1311) 및 타측면(1312) 각각의 곡률 반경은 서로 동일할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 가공 공정시, 일측면(1311) 및 타측면(1312) 각각과 인접한 최외곽의 제2 돌기들(420)의 측면도 라운드 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 일측면(1311)과 인접한 최외곽의 제2 돌기들(420)의 곡률 반경은 타측면(1312)과 인접한 최외곽의 제2 돌기들(420)의 곡률 반경과 동일할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
1: 이차전지 10: 전극 조립체
11: 전극탭 200: 용접 장치
300: 혼 320, 420: 돌기
400: 엔빌

Claims (10)

  1. 제1 용접면에 복수의 제1 돌기가 형성된 혼과;
    이차 전지에 포함되는 복수의 전극 탭들을 사이에 두고 상기 혼과 마주보며, 제2 용접면에 복수의 제2 돌기가 형성된 엔빌을 포함하며,
    상기 제1 돌기의 평단면은 상기 제2 돌기의 평단면과 다른 형상으로 형성되며,
    상기 혼과 상기 엔빌 사이에 정렬되는 상기 전극 탭의 폭은 상기 혼의 폭보다 크게 형성되는 용접 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 탭은
    상기 이차 전극에 포함되는 전극 리드와 상대적으로 멀게 배치되는 시작점과,
    상기 전극 리드와 인접하게 배치되는 끝점을 포함하며,
    상기 제1 용접면은
    상기 전극 탭의 시작점과 가까운 제1 영역과,
    상기 전극 탭의 시작점과 먼 제2 영역을 포함하며,
    상기 복수의 제1 돌기 각각은
    상기 제1 영역에서 인접한 상기 제1 돌기와 이격되게 배치되며,
    상기 제2 영역에서 인접한 상기 제1 돌기와 이격없이 배치되는 용접 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 영역에서, 상기 복수의 제1 돌기의 이격 거리는 상기 제1 돌기의 피치와 동일하게 형성되는 용접 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 돌기 및 상기 제2 돌기 중 적어도 어느 하나의 피치는 1.2~1.5mm로 형성되는 용접 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼의 폭은 상기 전극 탭의 폭 보다 2mm~2.5mm작게 형성되는 용접 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔빌의 폭은 상기 혼의 폭과 같거나 크게 형성되는 용접 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 돌기 및 상기 제2 돌기는 사각뿔대 형상으로 형성되며,
    상기 제1 돌기는 상기 엔빌을 향하는 제1 외부면을 포함하며, 상기 제1 외부면은 제1 방향으로 신장되는 가로 길이와 제2 방향으로 신장되는 세로 길이를 가지는 정사각형 형상으로 형성되며,
    상기 제2 돌기는 상기 혼을 향하는 제2 외부면을 포함하며, 상기 제2 외부면은 상기 제1 방향과 나란한 제1 대각선과, 상기 제2 방향과 나란한 제2 대각선이 서로 수직한 마름모 형상으로 형성되는 용접 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 혼은
    상기 제1 용접면과 맞닿아 모서리를 형성하는 제1 측면, 제2 측면, 제3 측면 및 제4 측면을 포함하며,
    상기 제1 측면, 제2 측면, 제3 측면 및 제4 측면 중 어느 하나의 측면은 상기 제1 측면, 제2 측면, 제3 측면 및 제4 측면 중 나머지 측면보다 곡률 반경이 크게 형성되는 용접 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 측면은 상기 전극 탭의 시작점과 가깝게 배치되며,
    상기 제1 측면은 상기 제2 측면, 상기 제3 측면 및 상기 제4 측면 중 적어도 어느 하나보다 곡률 반경이 크게 형성되는 용접 장치.
  10. 제1 용접면에 복수의 제1 돌기가 형성된 혼과, 제2 용접면에 복수의 제2 돌기가 형성된 엔빌을, 이차 전지에 포함되는 복수의 전극 탭들을 사이에 두고 서로 마주보도록 정렬하는 단계와;
    상기 혼을 이용하여 상기 복수의 전극탭들을 가압하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 돌기의 평단면은 상기 제2 돌기의 평단면과 다른 형상으로 형성되며,
    상기 혼과 상기 엔빌 사이에 정렬되는 상기 전극 탭의 폭은 상기 혼의 폭보다 크게 형성되는 용접 방법.
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