KR20230159181A - 원통형 이차전지의 용접부 검사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 검사 방법은, (S1) 전극 조립체를 준비하는 단계; (S2) 집전판을 준비하는 단계; (S3) 상기 전극 조립체의 적어도 일 측에 상기 집전판을 용접하여 결합시키는 단계; 및 (S4) 상기 전극 조립체와 상기 집전판 사이에 형성되는 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 변화 양상을 분석하는 열화상 검사 방법, 상기 용접부를 가압하고 그에 따른 상기 용접부의 변위를 측정하는 프레스 검사 방법, 및 상기 집전판 상의 소정의 기준 영역 대비 상기 용접부의 Z축 방향으로의 상대적 위치를 측정하는 Z축 변위 측정 검사 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 용접부의 용접 강도를 평가하는 단계; 를 포함한다.

Description

원통형 이차전지의 용접부 검사 방법{Inspection method for welding part of cylindrical secondary battery}

본 발명은, 원통형 이차전지의 용접부 검사 방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 용접부의 파손 없이 용접부의 용접이 적절하게 이루어졌는지를 검사할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

원통형 배터리 셀에 있어서 양극 단자로서 기능하는 부품 및/또는 음극 단자로서 기능하는 부품과 전극 조립체를 전기적으로 연결하기 위해 용접 공정이 수행될 수 있다.

이처럼 용접 공정이 적절하게 이루어졌는지, 즉 용접 강도가 충분한지 또는 과한지를 판단하기 위한 방법으로는 예를 들어 용접된 부품들에 인장력을 가하여 파단이 일어나는 시점에 가해진 인장력을 측정하는 방법이 이용될 수 있다. 이와 같이 측정된 인장 강도가 예를 들어 1kgf 이하인 경우에는 약용접, 2~4kgf인 경우에는 정상 용접, 5kgf 이상인 경우에는 과용접으로 평가할 수 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 용접부를 반드시 파손시켜야만 용접 강도 측정이 가능하다는 단점이 있다.

한편, X-ray CT 평가 방법이 이용될 수도 있다. 이에 따르면, 용접부의 단면을 확인하여 예를 들어 집전판과 결합된 무지부(포일 탭)의 레이어 수가 5장 이하인 경우에는 약용접, 6~20장인 경우에는 정상 용접, 21장 이상인 경우에는 과용접으로 평가할 수 있다. 이러한 X-ray CT 평가 방법은, 비파괴적인 방식이기는 하지만 용접 강도를 판단하기 위한 분석에 매우 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다.

그 밖에도, 용접부의 파손 없이 용접부의 용접 상태를 확인할 수 있는 방법으로는, 용접부에서 측정되는 저항 값을 통해 용접 상태를 판단하는 방법을 들 수 있다. 그러나, 예를 들어 전극 조립체와 다른 부품 간의 용접 부위에서의 용접 강도를 이러한 방식을 통해 측정하고자 하는 경우라면, 전극 조립체를 전지 캔 내에 수용시킨 후 전해액을 주입해야만 측정이 가능하다는 단점이 있다.

따라서, 용접부의 파손 없이 비교적 빠른 시간 내에 손쉽게 부품과 부품 간의 용접부위의 용접 강도를 측정할 수 있는 방법에 대한 개발이 요구된다.

본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 용접부의 파손 없이 비교적 빠른 시간 내에 손쉽게 부품과 부품 간의 용접이 적절하게 이루어졌는지 여부를 평가할 수 있는 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 검사 방법은, (S1) 전극 조립체를 준비하는 단계; (S2) 집전판을 준비하는 단계; (S3) 상기 전극 조립체의 적어도 일 측에 상기 집전판을 용접하여 결합시키는 단계; 및 (S4) 상기 전극 조립체와 상기 집전판 사이에 형성되는 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 변화 양상을 분석하는 열화상 검사 방법, 상기 용접부를 가압하고 그에 따른 상기 용접부의 변위를 측정하는 프레스 검사 방법, 및 소정의 레퍼런스 지점 대비 상기 용접부의 Z축 방향으로의 상대적 위치를 측정하는 Z축 변위 측정 검사 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 용접부의 용접 강도를 평가하는 단계; 를 포함한다.

상기 (S1) 단계는, 높이 방향 일 측 및 타 측에 각각 전극 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 구비하는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 준비하는 단계일 수 있다.

상기 (S1) 단계는, 상기 무지부가 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 분할되어 형성되는 복수의 분절편을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (S1) 단계는, 상기 복수의 분절편이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되어 복수의 레이어로 중첩되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (S2) 단계는, 상기 무지부와 결합되는 탭 결합부를 구비하는 집전판을 준비하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (S3) 단계는, 상기 복수의 분절편이 복수의 레이어로 중첩된 영역 내에서 상기 용접부를 형성시키는 단계일 수 있다.

상기 열화상 검사 방법은, (A1) 상기 집전판 상에 열원을 배치하는 단계; 및 (A2) 상기 열원으로부터의 열 전도로 인한 상기 용접부에서의 온도 변화 양상을 분석하는 단계; 를 포함할 수 있다.

상기 열화상 검사 방법은, (A3) 상기 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 상승률을 소정의 기준 값과 비교하여 더 작게 나타나는 경우에 용접 강도가 높은 것으로 평가하고, 더 크게 나타나는 경우에 용접 강도가 낮은 것으로 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (A3) 단계는, 상기 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 상승률이 소정의 기준 범위 내에 있는 경우 용접의 강도가 적절한 것으로 평가하고, 온도 상승률이 소정이 기준 범위를 벗어나는 경우 과용접 또는 약용접으로 평가하는 단계일 수 있다.

상기 프레스 검사 방법은, (B1) 프레싱 툴을 이용하여 상기 집전판을 가압하는 단계; 및 (B2) 가압에 의한 상기 집전판의 변위 및 상기 집전판에 가해지는 가압력을 측정하는 단계; 를 포함할 수 있다.

상기 프레스 검사 방법은, (B3) 기 설정된 기준 가압력으로 상기 집전판을 가압했을 때 측정되는 상기 집전판의 변위가 작을수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하거나, 또는 상기 집전판의 변위가 기 설정된 기준 변위에 이르렀을 때 측정되는 가압력이 클수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (B3) 단계는, 기 설정된 기준 가압력으로 상기 집전판을 가압했을 때 측정되는 상기 집전판의 변위 또는 상기 집전판의 변위가 기 설정된 기준 변위에 이르렀을 때 측정되는 가압력이 소정의 기준 범위 내에 있는 경우 용접의 강도가 적절한 것으로 평가하고, 상기 소정의 기준 범위를 벗어나는 경우 과용접 또는 약용접으로 평가하는 단계일 수 있다.

상기 Z축 변위 측정 검사 방법은, (C1) 상기 집전판의 표면 형상을 3D로 측정하는 단계; 및 (C2) 측정된 결과를 분석하여 소정의 레퍼런스 지점을 기준점으로 하여 상기 용접부의 Z축 방향 변위를 측정하는 단계; 를 포함할 수 있다.

상기 Z축 변위 측정 검사 방법은, (C3) 상기 용접부의 Z축 방향 변위가 작게 측정될수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하고, 크게 측정될수록 용접 강도가 약한 것으로 평가하는 단계; 를 포함할 수 있다.

상기 (C3) 단계는, 상기 용접부의 Z축 방향 변위가 소정의 기준 범위 내에 있는 경우 용접의 강도가 적절한 것으로 평가하고, 상기 용접부의 Z축 방향 변위가 상기 소정의 기준 범위를 벗어나는 경우 과용접 또는 약용접으로 평가하는 단계일 수 있다.

상기 (S4) 단계는,

상기 집전판과 결합되는 상기 분절편의 중첩 레이어 수에 따라 달라지는 물성을 이용하여 상기 용접부의 용접 강도를 평가하는 단계인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.

상기 열화상 검사 방법은, 상기 용접부와 결합되는 상기 분절편의 중첩 레이어 수가 증가할수록 상기 집전판으로부터 상기 전극 조립체쪽으로의 열전달 속도가 빨라진다는 점을 이용하여 용접 강도를 평가하는 방법일 수 있다.

상기 프레스 검사 방법은, 상기 용접부와 결합되는 상기 분절편의 중첩 레이어 수가 증가할수록 상기 무지부는 절곡에 의한 변형량이 더 많은 상태로 상기 집전판에 결합되고 이에 따라 상기 무지부에 상기 전극 조립체를 향하는 방향으로 힘이 가해지는 경우에 발생되는 상기 무지부의 반발력이 증가한다는 점을 이용하여 용접 강도를 평가하는 방법일 수 있다.

상기 Z축 변위 측정 검사 방법은, 상기 용접부와 결합되는 상기 분절편의 중첩 레이어 수가 증가할수록 상기 용접부가 형성된 영역에서의 상기 집전판의 위치가 상기 전극 조립체쪽으로 더 많이 이동한다는 점을 이용하여 용접 강도를 평가하는 방법일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 용접부의 파손 없이 비교적 빠른 시간 내에 손쉽게 부품과 부품 간의 용접이 적절하게 이루어졌는지 여부를 평가할 수 있게 된다.

다만, 본 발명을 통해 도출되는 유리한 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 유리한 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 용접부 검사 방법에 의한 검사의 대상이 되는 원통형 이차전지에 적용되는 전극 및 이를 포함하는 전극 적층체를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 전극체를 권취하여 형성된 전극 조립체, 그리고 전극 조립체의 상부와 하부에 각각 결합되는 제1 집전판 및 제2 집전판을 포함하는 서브 셀을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 젤리롤 타입의 전극 조립체의 일 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 서브셀을 포함하는 원통형 이차전지의 일 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 제1 집전판의 일 실시형태를 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 제2 집전판의 일 실시형태를 나타내는 평면도이다.
도 8은 집전판과 포일탭 간의 용접 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 집전판과 포일탭 간의 용접 상태를 나타내는 단층 촬영도이다.
도 10은 본 발명에 따른 용접부 검사 방법 중 열화상 검사 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10에 나타난 열원에 의해 제1 집전판 및 제2 집전판 각각에서 열이 전달되는 방향을 나타내는 도면이다.
도 12는 제1 집전판 상의 용접부에서 측정된 온도 변화를 나타내는 그래프로서, 용접부의 용접 강도에 따라 다르게 나타나는 용접부의 온도 변화 양상을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 제2 집전판 상의 용접부에서 측정된 온도 변화를 나타내는 그래프로서, 용접부의 용접 강도에 따라 다르게 나타나는 용접부의 온도 변화 양상을 설명하기 위한 그래프이다.
도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 용접부 검사 방법 중 프레스 검사 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 각각 제1 집전판 상의 용접부 검사 방법 및 제2 집전판 상의 용접부 검사 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 용접에 의해 접합된 포일탭(무지부)의 레이어 수에 따른 팩킹 밀도(packing density) 및 스프링 백(spring back) 현상을 설명하기 위한 단층 촬영도이다.
도 16a는 포일탭을 절곡하였을 때 나타나는 자연스러운 스프링 백 현상에 따른 포일탭의 형태를 나타내는 개념도이다.
도 16b 및 도 16c는 각각 약용접 상태에서의 포일탭의 형태 및 과용접 상태에서의 포일탭의 형태를 나타내는 개념도이다.
도 17 및 도 18은 제1 집전판 및 제2 집전판 각각에 형성된 용접부에 있어서, 가압력에 따른 변위의 변화 양상이 용접 품질에 따라 다르게 나타남을 보여주는 그래프이다.
도 19 및 도 20은 본 발명에 따른 용접부 검사 방법 중 Z축 변위 측정 검사 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 21 및 도 22는 제1 집전판 및 제2 집전판 각각에 있어서, Z축 변위 측정 검사 방법을 통해 도출된 용접부의 변위 편차를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 용접부 검사 방법은, (S1) 전극 조립체를 준비하는 단계, (S2) 집전판을 준비하는 단계, (S3) 상기 전극 조립체의 적어도 일 측에 집전판을 용접하여 결합시키는 단계, 및 (S4) 열화상 검사 방법 또는 프레스 검사 방법 또는 Z축 변위 측정 검사 방법 또는 이들 중 2이상의 조합에 의한 검사 방법을 통해 상기 용접부의 용접 강도를 평가하는 단계를 포함한다.

상기 (S4) 단계에서 적용되는 상기 열화상 검사 방법은, 전극 조립체와 집전판 사이에 형성되는 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 변화 양상을 분석하는 검사 방법이다. 또한, 상기 프레스 검사 방법은, 용접부를 가압하고 그에 따른 용접부의 변위를 측정하는 검사 방법이다. 또한, 상기 Z축 변위 측정 검사 방법은, 상기 집전판 상의 소정의 기준 영역 대비 용접부의 Z축 방향으로의 상대적 위치를 측정하는 검사 방법이다. 본 발명에 있어서, 용접 강도 평가 단계는, 이러한 3가지 검사 방법 중 적어도 하나를 이용하여 용접부의 용접 강도가 정상 범주인지, 아니면 기준 범위를 벗어나 약용접 상태이거나 과용접 상태인지를 평가하는 단계이다. 상기 (S4) 단계에서 적용될 수 있는 상기 3가지 검사 방법들은 모두, 집전판과 결합되는 무지부의 분절편의 중첩 레이어 수에 따라 달라지는 물성을 이용하여 용접부의 용접 강도를 평가하는 방법이다(무지부의 분절편 구조 및 분절편의 중첩 레이어 수와 관련해서는 상세히 후술하기로 한다).

본 발명에 있어서 용접부의 용접 강도는, 집전판과 결합되는 무지부의 분절편의 적층 레이어 수가 더 많을수록 커진다. 상기 열화상 검사 방법은, 용접부와 결합되는 무지부의 분절편의 중첩 레이어 수가 증가할수록 집전판으로부터 전극 조립체쪽으로의 열전달 속도가 빨라진다는 점을 이용하여 용접 강도를 평가하는 방법이다. 상기 프레스 검사 방법은, 용접부와 결합되는 무지부의 분절편의 중첩 레이어 수가 증가할수록, 무지부는 절곡에 의한 변형량이 더 많은 상태로 집전판에 결합되고 이에 따라 무지부에 전극 조립체를 향하는 방향으로 힘이 가해지는 경우에 발생되는 무지부의 반발력이 증가한다는 점을 이용하여 용접 강도를 평가하는 방법이다. 상기 Z축 변위 측정 검사 방법은, 용접부와 결합되는 무지부의 분절편의 중첩 레이어 수가 증가함에 따라 상기 용접부가 형성된 영역에서의 집전판의 위치가 전극 조립체쪽으로 더 많이 이동한다는 점을 이용하여 용접 강도를 평가하는 방법이다.

상기 (S1) 단계는, 높이 방향(도 3의 Z축 방향과 나란한 방향) 일 측 및 타 측에 각각 전극 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 구비하는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 준비하는 단계일 수 있다. 상기 (S1) 단계는, 무지부가 전극 조립체의 원주 방향을 따라 분할되어 형성되는 복수의 분절편을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 (S1) 단계는, 복수의 분절편이 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되어 복수의 레이어로 중첩되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (S2) 단계는, 무지부와 결합되는 탭 결합부를 구비하는 집전판을 준비하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (S3) 단계는, 복수의 분절편이 복수의 레이어로 중첩된 영역 내에서 용접부를 형성시키는 단계일 수 있다.

한편, 상기 (S4) 단계에서 적용될 수 있는 열화상 검사 방법은, (A1) 상기 집전판 상에 열원을 배치하는 단계, 및 (A2) 상기 열원으로부터 열 전도로 인한 용접부에서의 온도 변화 양상을 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열화상 검사 방법은, 상술한 (A1) 및 (A2) 단계 이 외에도, (A3) 상기 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 상승률을 소정의 기준 값과 비교하여 더 작게 나타나는 경우에 용접 강도가 높은 것으로 평가하고, 더 크게 나타나는 경우에 용접 강도가 낮은 것으로 평가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 (A3) 단계는, 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 상승률이 소정의 기준 범위 내에 있는 경우 용접의 강도가 적절한 것으로 평가하고, 온도 상승률이 상기 소정의 기준 범위를 벗어나는 경우 과용접 또는 약용접으로 평가하는 단계일 수 있다.

상기 (S4) 단계에서 적용될 수 있는 프레스 검사 방법은, (B1) 프레싱 툴(pressing tool)을 이용하여 상기 집전판을 가압하는 단계 및 (B2) 가압에 의한 상기 집전판의 변위 및 상기 집전판에 가해지는 가압력을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 프레스 검사 방법은, 상술한 (B1) 및 (B2) 단계 이 외에도, (B3) 기 설정된 기준 가압력으로 상기 집전판을 가압했을 때 측정되는 집전판의 변위가 작을수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하거나, 또는 상기 집전판의 변위가 기 설정된 기준 변위에 이르렀을 때 측정되는 가압력이 클수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 (B3) 단계는, 기 설정된 기준 가압력으로 집전판을 가압했을 때 측정되는 집전판의 변위 또는 집전판의 변위가 기 설정된 기준 변위에 이르렀을 때 측정되는 가압력이 소정의 기준 범위 내에 있는 경우 용접의 강도가 적절한 것으로 평가하고, 반대로 상기 소정의 기준 범위를 벗어나는 경우 과용접 또는 약용접으로 평가하는 단계일 수 있다. 상기 프레스 검사 방법에 있어서, 집전판의 변위는 Z축 방향, 즉 전극 조립체의 높이 방향에 따른 변위를 의미한다.

상기 (S4) 단계에서 적용될 수 있는 Z축 변위 측정 검사 방법은, (C1) 상기 집전판의 표면 형상을 3D로 측정하는 단계 및 (C2) 측정된 결과를 분석하여 소정의 레퍼런스 지점을 기준점으로 하여 용접부의 Z축 방향 변위를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 Z축 변위 측정 검사 방법은, 상술한 (C1) 및 (C2) 단계 이 외에도, (C3) 상기 용접부의 Z축 방향 변위가 작게 측정될수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하고, 크게 측정될수록 용접 강도가 약한 것으로 평가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 용접 이 후에 상기 용접부가 전극 조립체를 향하는 방향(Z축의 음의 방향)으로 많이 이동할수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하고, 반대로 용접부가 전극 조립체를 향하는 방향으로 적게 이동할수록 용접 강도가 약한 것으로 평가할 수 있다. 한편, 상기 (C3) 단계는, 상기 용접부의 Z축 방향 변위가 소정의 기준 범위 내에 있는 경우 용접의 강도가 적절한 것으로 평가하고, 상기 용접부의 Z축 방향 변위가 상기 소정의 기준 범위를 벗어나는 경우 과용접 또는 약용접으로 평가하는 단계일 수 있다.

한편, 각각의 검사 방식에 따라 용접 상태를 평가함에 있어서, 정상 용접 상태로 평가할 수 있는 구조적 또는 물성적 범위는 측정의 대상이 되는 원통형 이차전지의 스펙, 용접되는 부품의 재질 등에 따라서 달라질 수 있다.

본 발명에 있어서, 강도 평가의 대상은, 원통형 이차전지에 적용되는 전극 조립체와 집전판의 결합을 위한 용접 과정에서 형성되는 용접부이다. 다층으로 구성된 포일 탭 레이어와 집전판의 용접 결과로부터, 집전판과 결합된 포일 탭 레이어의 수량에 따라 용접 강도가 결정된다. 상기 용접부에 결합된 포일 탭 수량이 적어 용접부의 용접 강도가 적정 범위에 못미치는 경우, 용접부가 충격이나 진동 등에 의해 쉽게 파손될 수 있다. 한편, 상기 용접부의 용접 강도가 적정 범위를 넘어서는 현상은, 용접 시 정상 범위 이상의 에너지가 전달되어 일정 수량 이상의 포일 탭 레이어가 용접부에 결합되는 경우에 나타나게 된다. 따라서, 용접 강도가 적정 범위를 넘어서는 경우, 과도한 에너지가 전극 조립체의 포일 탭을 통해 전극 조립체를 구성하는 각각의 구성요소들에 전달되어 이 구성요소들의 손상을 유발할 수 있다. 예를 들어, 용접을 위해 인가된 레이저 광이 포일 탭 레이어를 관통하여 전극 조립체의 분리막을 변형 및/또는 손상시킴으로써 내부 단락의 원인을 제공할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 검사/평가의 대상이 되는 원통형 이차전지의 구조 및 이러한 구조를 갖는 원통형 이차전지의 전극 조립체와 집전판 사이를 결합시키기 위한 용접부에 대한 검사 방법을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 검사의 대상이 되는 원통형 이차전지에 적용되는 부품들의 예시적 형태가 나타나 있다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 원통형 이차전지는, 전극 조립체(10), 제1 집전판(20), 제2 집전판(30) 및 전지 캔(40)을 포함한다. 상기 원통형 이차전지는, 셀 단자(50) 및/또는 절연 가스켓(60)을 더 포함할 수도 있다. 본 발병의 용접부 검사 방법은, 전극 조립체(10)와 제1 집전판(20) 사이의 결합을 위한 용접부 및/또는 전극 조립체(10)와 제2 집전판(30) 사이의 결합을 위한 용접부의 용접 강도를 측정/평가하는 방법에 관한 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 전극 조립체(10)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극(100A) 및 제2 극성을 갖는 제2 전극(100B)을 그 사이에 분리막(200)을 개재시킨 상태로 일 방향으로 권취시킨 형태를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체일 수 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 전극(100)은 대략 직사각 형상을 갖는 전극 집전체(101) 및 집전체(101) 상에 코팅되는 활물질 층(102)을 포함한다. 상기 전극(100)은, 전극 집전체(101)의 한 쌍의 장변측 중 어느 한 곳에 형성되는 무지부(103)를 구비한다. 상기 무지부(103)는, 집전체(101) 상에서 전극 활물질 층(102)이 형성되지 않은 영역을 의미한다. 상기 활물질 층(102) 및 전극 집전체(101)의 종류에 따라 상기 전극(100)은 제1 전극(100A) 또는 제2 전극(100B)으로서 기능할 수 있으며, 마찬가지로 상기 무지부(103)는 제1 무지부(11) 또는 제2 무지부(12)로서 기능할 수 있다.

상기 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)는 전극 집전체(101)의 일부로서 얇은 금속 포일(foil) 형태를 가지며 또한 이러한 무지부(11, 12)는 전극 조립체(10)와 다른 부품 간의 전기적 연결을 위한 접속 탭으로서 기능할 수 있다. 즉, 상기 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)는 포일 탭에 해당한다.

상기 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)는 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있으며, 분리막의 외측으로 노출될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 이처럼 전극 조립체(10)의 일 측 및 타 측으로 각각 연장된 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)는 전극 조립체(10)의 원주 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 본 발명의 도면에서는 제1 무지부(11)의 분절편(11a)만이 도시되어 있으나, 반대편의 제2 무지부(12) 역시 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 또한, 상기 분절편들은 전극 조립체(10)의 대략 반경 방향을 따라 절곡되어 복수의 레이어로 중첩될 수 있다. 이처럼 분절편들이 복수의 레이어로 중첩된 구간을 중첩 구간이라 칭하기로 한다. 한편, 상기 중첩 구간에 있어서, 분절편들의 중첩 레이어 수가 전극 조립체의 반경 방향을 따라 최대치로 대략 일정하게 유지되는 구간이 존재하는데, 이러한 구간을 적층수 균일 구간이라 칭하기로 한다.

도 3 및 도 6을 참조하면, 상기 제1 집전판(20)은 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측에 용접에 의해 결합된다. 상기 제1 집전판(20)과 전극 조립체(10) 간의 결합에 의해 형성되는 용접부는, 상기 중첩 구간 내에 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 용접부는, 상기 적층수 균일 구간 내에 형성될 수 있다.

상기 제1 집전판(20)은, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 테두리부(21), 제1 탭 결합부(22), 단자 결합부(23) 및 연결부(24)를 포함할 수 있다. 상기 테두리부(21)는 내부에 빈 공간(S)을 갖는 예를 들어 대략 원형의 림 형태를 가질 수 있다. 상기 제1 탭 결합부(22)는, 테두리부(21)로부터 내측으로 연장될 수 있다. 상기 제1 탭 결합부(22)는 복수 개가 구비될 수 있고, 이 경우 복수의 제1 탭 결합부(22)는 원주 방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 단자 결합부(23)는 테두리부(21)의 내측에 위치할 수 있다. 상기 단자 결합부(23)는 예를 들어 제1 집전판(20)의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 단자 결합부(23)는 제1 탭 결합부(22)와 직접 연결되지 않도록 이격되어 배치될 수 있다. 상기 연결부(24)는 단자 결합부(23)와 테두리부(21)를 연결할 수 있다. 상기 제1 집전판(20)이 이러한 형태를 갖는 경우, 용접부는 제1 탭 결합부(22)와 제1 무지부(11)의 결합 부위에 형성될 수 있다.

도 3 및 도 7을 참조하면, 상기 제2 집전판(30)은 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측에 용접에 의해 결합된다. 상기 제2 집전판(30)과 전극 조립체(10) 간의 결합에 의해 형성되는 용접부는, 상기 중첩 구간 내에 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 용접부는, 상기 적층수 균일 구간 내에 형성될 수 있다.

상기 제2 집전판(30)은, 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 지지부(31), 제2 탭 결합부(32) 및 캔 결합부(33)를 포함할 수 있다. 상기 지지부(31)는 대략 중심부에 형성되는 집전판 홀(H)을 구비할 수 있다. 상기 집전판 홀(H)은 전해액의 주입을 위한 통로로서 기능할 수 있다. 상기 제2 탭 결합부(32)는 지지부(31)로부터 전극 조립체(10)의 대략 반경 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 제2 탭 결합부(32)는 복수 개가 구비될 수 있고, 이 경우 복수의 제3 탭 결합부(32)는 원주 방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 캔 결합부(33)는 지지부(31)로부터 전극 조립체(10)의 대략 반경 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 캔 결합부(33)는 복수 개가 구비될 수 있고, 이 경우 복수의 캔 결합부(33)는 원주 방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있고, 이웃하는 제2 탭 결합부(22)와도 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 집전판(30)이 이러한 형태를 갖는 경우, 용접부는 제2 탭 결합부(32)와 제2 무지부(12)의 결합 부위에 형성될 수 있다. 한편, 본 발명에 있어서, 전극 조립체(10)와 집전판(20, 30) 간의 결합 부위에 형성되는 용접부는 예를 들어 레이저 용접에 의해 형성될 수 있다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 전지 캔(40)은 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측에 구비되는 개방부를 통해 전극 조립체(10)와 집전판(20, 30)의 결합체(서브 셀)를 수용할 수 있다. 상기 전지 캔(40)은, 제2 집전판(30)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 집전판(30)이 도 7에 도시된 바와 같은 형태를 갖는 경우, 전지 캔(40)의 내주면 상에 제2 집전판(30)의 캔 결합부(33)가 결합될 수 있다.

한편, 상기 셀 단자(50)는 제1 집전판(20)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 집전판(30)이 도 6에 도시된 바와 같은 형태를 갖는 경우, 셀 단자(50)는 단자 결합부(23)에 결합될 수 있다. 상기 셀 단자(50)는, 예를 들어 전지 캔(40)의 개방부와 반대 편에 위치하는 폐쇄부를 통해 전지 캔(40)의 외측으로 노출될 수 있다. 이 경우, 상기 셀 단자(50)는 원통형 이차전지의 제1 전극 단자로서 기능할 수 있고, 전지 캔(40)은 제2 전극 단자로서 기능할 수 있으며, 이들 사이의 전기적 절연을 위해 절연 가스켓(60)이 적용될 수 있다.

이하, 상술한 바와 같은 원통형 이차전지에 있어서 전극 조립체(10)와 제1 집전판(20) 사이의 결합을 위한 용접부 및/또는 전극 조립체(10)와 제2 집전판(30) 사이의 결합을 위한 용접부의 용접 강도를 측정/평가하는 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 3, 도 7, 도 7과 함께 도 8을 참조하면, 용접부(W)의 용접 강도는 집전판의 탭 결합부(22, 32)을 관통하여 형성된 용접부(W)가 무지부(포일 탭)(11, 12)를 관통한 깊이에 따라 평가될 수 있다. 예를 들어, 포일 탭(11, 12)의 분절편들의 적층 레이어 수가 10장인 경우에 있어서, 도 8(a)에 도시된 바와 같이 용접된 적층 레이어 수가 4장인 경우는 용접의 강도가 약용접으로 평가하고, 도 8(b)에 도시된 바와 같이 용접된 적층 레이어 수가 6장인 경우는 정상 용접으로 평가하며, 도 8(c)에 도시된 바와 같이 용접된 적층 레이어 수가 10장 모두인 경우에는 과용접으로 평가할 수 있다. 다만, 이처럼 직접 용접부(W)의 단면을 촬영하고 직접 용접된 레이어 수를 세어 봄으로써 용접 강도를 확인하는 것은 많은 시간이 걸릴 수 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 용접부 검사 방법의 대상이 되는 용접부(W)의 상세 구조가 나타나 있다. 상기 용접부(W)에 의해 결합되는 무지부(11, 12)의 적층 레이어 수는 도 9(b)의 경우가 도 9(a)의 경우와 비교하여 더 많다. 이처럼 용접부(W)에 의해 결합되는 무지부(11, 12)의 적층 레이어 수가 많을수록, 즉 용접부(W)의 용접 강도가 커질수록 무지부(11, 12)를 통한 열전달 속도가 빨라지게 되고, 금속 포일로 이루어진 무지부(11, 12)가 갖는 텐션이 커질 수 있다. 본 발명에 따른 용접부 검사 방법에 따르면, 이처럼 금속 포일의 적층 레이어 수 차이에 따른 물성의 차이를 이용한 검사 방법을 적용함으로써 직접 용접부(W)의 단면 형상을 세부적으로 관찰하거나 또는 파괴적인 방법을 이용하지 않더라도 용접부(W)의 용접 강도를 평가할 수 있다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 용접부 검사 방법에 적용될 수 있는 열화상 검사 방법은, 열원(heat source)을 집전판(20, 30)의 대략 중심부 또는 가장자리에 배치하고, 열 전도에 의한 탭 결합부(22, 32)에 있어서 용접부가 형성된 영역(들)의 온도 변화 양상을 분석하여 용접 강도를 평가하는 방법이다. 예를 들어, 제1 집전판(20)에 있어서는 제1 집전판(20)의 대략 중심부에 열원을 배치하고 용접부의 온도 변화 양상을 분석할 수 있고, 제2 집전판(30)에 있어서는 제2 집전판(30)의 탭 결합부(32)의 대략 단부에 열원을 배치하여 용접부의 온도 변화 양상을 분석할 수 있다. 본 발명에서는 도 11a에 도시된 제2 집전판(30)이 음극 집전판으로서 이용되었고, 도 11b에 도시된 제1 집전판(20)이 양극 집전판으로서 이용되었다.

이러한 열화상 검사 방법에서는, 용접부에서의 온도 변화 양상을 분석하여 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 상승률을 소정의 기준 값과 비교하여 더 작게 나타나는 경우에는 용접 강도가 높은 것으로 평가를 하고, 더 크게 나타나는 경우에는 용접 강도가 낮은 것으로 평가할 수 있다. 이는, 앞서 도 9를 참조하여 설명했던 바와 같이, 용접 강도가 상대적으로 높을수록 용접부에 의해 결합되는 무지부의 적층 레이어 수가 많고, 집전판(20, 30)과 용접된 무지부의 적층 레이어 수가 많을수록 열원으로부터 도 11의 화살표 방향을 따라 용접부로 전달된 열이 전극 조립체쪽으로 빠져나가는 속도가 더 빠르기 때문이다. 용접된 무지부의 적층 레이어 수가 상대적으로 적은 경우에는 용접된 무지부와 용접되지 않은 무지부 사이에 공기 층이 형성될 수 있고, 이로 인해 열전달율이 감소하게 된다. 즉, 용접된 포일 탭의 레이어 수가 증가할수록 열저항이 감소하여 포일 탭쪽으로 열전달이 더 빠르게 이루어질 수 있는 것이다. 분석을 위한 온도 측정은, 예를 들어 열화상 카메라에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 실험예에서는, 열원을 대략 110℃로 가열 후 집전판(20, 30) 상에 배치시킨 시점에 용접부의 온도를 측정하고, 이로부터 소정의 시간이 경과한 시점에 용접부에서 측정되는 온도를 측정하여 시간에 따른 온도 변화 양상을 관찰하였다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 제1 집전판(20)의 경우 열원의 배치 이 후 대략 18초가 경과할 때까지의 용접부에서의 온도 변화를 측정하였고, 제2 집전판(30)의 경우 열원의 배치 이 후 대략 23초가 경과할 때까지의 용접부에서의 온도 변화를 측정하였다. 용접부에서의 시간당 온도 상승율은, 용접 상태가 약용접인 경우에 가장 크고, 과용접인 경우가 가장 낮은 것을 알 수 있다. 도 12는 제1 집전판에서의 온도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 13은 제2 집전판에서의 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 실험예에서는 제1 집전판은 양극 집전판이었고, 제2 집전판은 음극 집전판이었다. 양극 집전판의 경우, 그 재질이 예를 들어 알루미늄(Al)일 수 있다. 이와 같은 양극 집전판에 형성된 용접부의 용접 강도를 측정하기 위해서, 한편, 음극 집전판의 경우 그 재질이 예를 들어 구리(Cu)일 수 있다. 구리 재질의 음극 집전판의 경우, 열전달이 매우 빠르기 때문에 용접 품질에 따른 열저항의 차이가 양극 재질의 양극 집전판과 비교하여 상대적으로 작게 나타날 수 있다. 또한, 구리 재질의 음극 집전판의 경우, 수평 방향의 열 흐름에 비해 수직 방향으로의 열 흐름이 더 빨라 알루미늄 재질의 양극 집전판가 비교하여 상대적으로 수평 방향의 온도 구배가 작게 나타날 수 있다. 이에따라, 도 13에 나타난 바와 같이 정상용접, 과용접, 약용접 각각의 경우에 있어서의 수평 방향 온도 구배가 비교적 작게 나타날 수 있으나, 이 경우에도 정상용접 시와 비교하였을 때, 과용접 시에 용접부에서 측정되는 시간의 흐름에 따른 온도 변화율은 전체적으로 더 크고, 약용접 시에 용접부에서 측정되는 시간의 흐름에 따른 온도 변화율은 전체적으로 더 작음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 원통형 이차전지에 적용되는 상기 제1 집전판(20)의 경우, 본 발명의 열화상 검사 방법에 의해 용접부의 용접 강도를 평가하였을 때, 용접부에서의 분당 온도 변화율이 대략 -0.03℃/min 내지 0.5℃/min 범위로 나타났다. 이러한 온도 변화율 범위이 상한 값보다 더 큰 변화율이 측정되는 경우, 용접 품질은 약용접으로 평가될 수 있고, 하한 값보다 더 작은 변화율이 측정되는 경우 용접 품질은 과용접으로 평가될 수 있다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 용접부 검사 방법에 적용될 수 있는 프레스 검사 방법은, 집전판(20, 30)의 탭 결합부(22, 32) 상에 형성된 용접부와 대응되는 위치에서 프레싱 툴을 이용하여 집전판(20, 30)을 가압하고 가압력과 집전판(20, 30)의 변위를 측정하는 방식으로 이루어진다. 구체적으로, 상기 프레스 검사 방법은, 집전판(20, 30)에 대한 가압력이 기 설정된 기준 가압력에 이르렀을 때 가압에 의해 발생된 집전판(20, 30)의 변위(displacement)를 측정하는 방식으로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 프레스 검사 방법은, 집전판(20, 30)의 변위가 기 설정된 기준 변위에 이르렀을 때의 가압력을 측정하는 방식으로 이루어질 수 있다.

이러한 프레스 검사 방법에서는, 기 설정된 기준 가압력으로 집전판을 가압했을 때에 측정되는 집전판의 변위가 클수록 용접 강도가 약한 것으로 평가하고, 반대로 변위가 작을수록 용접 강도가 강한 것으로 평가할 수 있다. 또는, 본 발명의 프레스 검사 방법은, 집전판(20, 30)의 변위가 기 설정된 기준 변위에 이르렀을 때 측정되는 가압력의 크기가 클수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하고, 반대로 측정되는 가압력의 크기가 작을수록 용접 강도가 약한 것으로 평가할 수 있다. 즉, 본 발명의 프레스 검사 방법은, 집전판(20, 30)을 전극 조립체(10)를 향하는 방향으로 가압하고, 이 과정에서 측정되는 가압력 및 변위의 관계를 통해 용접의 강도를 평가할 수 있다.

도 16을 참조하면, 정상 용접이 이루어진 경우와 비교하여 용접이 약하게 이루어진 경우에는 용접된 포일 탭의 레이어 수가 부족하고 포일 탭의 적층 밀도가 상대적으로 떨어지며, 이로 인해 금속 포일로 이루어진 포일 탭의 텐션이 상대적으로 약해 스프링 백(spring back) 현상이 두드러지게 나타나게 된다.

도 16a를 참조하면, 포일탭(무지부)이 절곡됨에 따른 소성변형 후에도 포일탭은 소재의 특성으로 인한 스프링 백 현상을 나타낼 수 있으며, 이러한 스프링 백 현상으로 인해 포일탭의 절곡 지점과 포일탭의 단부 사이에는 소정의 높이 차(D)가 발생될 수 있다. 한편, 도 16b 및 도 16c를 참조하면, 집전판(20, 30)과 포일탭 간의 용접 강도가 상대적으로 약한 경우에 용접에 의해 집전판(20, 30)이 전극 조립체쪽으로 이동한 거리(d1)와 비교하여, 용접 강도가 상대적으로 강한 경우에 용접에 의해 집전판(20, 30)이 전극 조립체쪽으로 이동한 거리(d2)가 더 큼을 알 수 있다. 상기 포일탭은 스프링 백 현상에 의해 절곡 지점과 단부 사이에 높이 차(D)가 존재하는데, 용접의 강도에 따라 포일탭이 소정의 깊이(d1, d2)만큼 하방으로 눌린 상태를 유지하게 된다. 이처럼 포일탭이 하방으로 눌려져 압축된 거리가 클수록 포일탭이 갖는 텐션이 커지게 된다. 이처럼 포일탭이 갖는 텐션이 커질수록, 상기 집전판(20, 30)을 가압하여 소정의 변위를 발생시키기 위해 요구되는 가압력은 더 커지게 되고, 마찬가지로 집전판(20, 30)을 소정의 가압력으로 눌렀을 때 발생되는 변위는 더 작아지게 된다. 따라서, 도 16b의 경우와 도 16c의 경우를 비교해 보면, 동일한 가압력을 인가했을 때 집전판(20, 30)에 발생되는 변위는 도 16b의 경우가 더 크게 나타나고, 동일한 변위를 발생시키기 위해서 필요한 가압력은 도 16a가 더 크게 나타난다. 본 발명에 있어서, 가압 및 가압의 해제에 의한 변위의 측정은, 예를 들어 TA(Texture analyzer)를 이용하여 수행될 수 있다.

도 17은 제1 집전판(양극 집전판)의 변위를 나타내는 그래프이고, 도 18은 제2 집전판(음극 집전판)의 변위를 나타내는 그래프이다. 도 17 및 도 18을 참조하면, 동일한 힘(대략 200gf)으로 서로 다른 용접 상태를 가진 복수의 용접부를 가압하였을 때, 용접 강도가 약할수록 변위가 큼을 알 수 있다. 또한, 용접 강도가 큰 경우에, 집전판에 동일한 변위를 발생시키기 위해서 필요한 가압력이 더 크다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 원통형 이차전지에 적용되는 집전판(20, 30)의 경우, 상술한 바와 같은 본 발명의 프레스 검사 방법을 적용하여 용접부의 용접 강도를 평가하였을 때, 즉 용접부에 프레싱 툴을 이용하여 대략 200gf의 힘을 가한 후 가압된 부위의 변위를 측정하였을 때, 가압된 용접부의 변위가 대략 0.20mm 내지 0.40mm 범위로 측정되었다. 이러한 범위의 상한 값을 넘어서는 변위가 발생되는 경우 용접 품질은 약용접으로 평가될 수 있고, 이러한 범위의 하한 값에 미치지 못하는 변위가 발생되는 경우 용접 품질은 과용접으로 평가될 수 있다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 용접이 적절하게 이루어진 본 발명에 따른 원통형 이차전지에 적용되는 제1 집전판(20)의 경우, 상술한 바와 같은 본 발명의 프레스 검사 방법을 이용하여 용접부의 용접 강도를 평가하였을 때, 가압된 용접부의 변위가 대략 0.2mm 내지 0.325mm 범위로 측정되었다. 한편, 용접이 적절하게 이루어진 본 발명에 따른 원통형 이차전지에 적용되는 제2 집전판(30)의 경우, 상술한 바와 같은 본발명의 프레스 검사 방법을 이용하여 용접부의 용접 강도를 평가하였을 때, 가압된 용접부의 변위가 대략 0.24mm 내지 0.40mm 범위로 측정되었다.

도 19 및 도 20을 참조하면, 본 발명의 용접부 검사 방법에 적용될 수 있는 Z축 변위 측정 검사 방법은, 집전판의 표면 형상을 3D로 측정하고, 측정된 결과를 분석하여 레퍼런스가 되는 지점의 높이를 기준점으로 하여 용접부의 Z축 방향 변위를 측정함으로써 용접 강도를 평가하는 방법이다. 즉, 본 발명의 Z축 변위 측정 검사 방법은, 소정의 레퍼런스 지점 대비 용접부의 Z축 방향으로의 상대적 위치를 측정함으로써 용접 강도를 평가하는 방법이다.

본 발명에서 Z축 방향 변위란, 레퍼런스 지점을 기준으로 하여 측정되는 용접부의 Z축 방향을 따른 상대적인 위치를 의미하는 것이다. 따라서, 용접부가 전극 조립체로부터 Z축의 (+) 방향을 따라 일정 거리 떨어져 위치하는 경우에는 변위 값이 (+) 값으로 표기되고, 반대로 용접부가 전극 조립체로부터 Z축의 (-) 방향을 따라 일정 거리 떨어져 위치하는 경우에는 변위 값이 (-) 값으로 표기되는 것이다. 여기서, 3D 형상 측정기로는 예를 들어 Keyence VR5200과 같은 장치가 이용될 수 있다. 한편, 집전판에 있어서 레퍼런스 지점은, 포일 탭(무지부)과 용접된 영역 이 외의 영역에서 선택된다. 본 발명의 실험예에서는, 제1 집전판 및 제2 집전판 모두 대략 그 중심 영역을 레퍼런스 지점으로 선택하였다.

이러한 Z축 변위 측정 검사 방법은, 레퍼런스 지점 대비 용접부의 Z축 방향의 변위 값이 작게 측정될수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하고, 변위 값이 크게 측정될수록 용접 강도가 약한 것으로 평가할 수 있다. 여기서, 측정된 변위 값들의 대소 판단은 방향을 고려하여 이루어진다. 예를 들어, 용접부의 Z축 방향 변위가 레퍼런스 지점 기준으로 +0.1mm로 측정된 경우보다 -0.3mm로 측정된 경우가 더 용접 강도가 강한 것으로 평가할 수 있다. 다른 예로, 용접부의 Z축 방향 변위가 레퍼런스 지점 기준으로 +0.3mm로 측정된 경우보다 +0.1mm로 측정된 경우가 더 용접 강도가 강한 것으로 평가할 수 있다. 또 다른 예로, 용접부의 Z축 방향 변위가 레퍼런스 지점 기준으로 -0.1mm로 측정된 경우보다 -0.3mm로 측정된 경우가 더 용접 강도가 강한 것으로 평가할 수 있다.

본 발명의 Z축 변위 측정 검사 방법은, 집전판과 포일 탭의 용접 시에 지그로 집전판을 눌러 집전판과 포일 탭 상호간을 밀착시킨 상태로 용접을 수행하게 되는데, 용접된 포일 탭의 레이어 수가 증가하는 경우 집전판이 전극 조립체쪽으로 더 많이 이동한 상태로 견고하게 용접이 되므로 집전판의 레퍼런스 지점 대비 용접부의 Z축 방향의 변위 값은 더 작게 측정된다. 본 발명의 Z축 변위 측정 검사 방법에 있어서, 레퍼런스 지점은 집전판에 있어서 용접부를 제외한 다른 영역 중 자유롭게 선택 가능하며, 반드시 집전판 내에서 선택될 필요도 없다. 예를 들어, 전극 조립체(10)와 집전판(20, 30)의 결합체가 지면 또는 실험을 위한 트레이 상에 놓여져 있는 경우에 있어서, 지면 또는 트레이의 표면이 레퍼런스 지점이 될 수도 있는 것이다. 결과적으로, 본 발명의 Z축 변위 측정 검사 방법에 따르면, 용접부가 전극 조립체쪽으로 얼마나 근접하여 위치하는지에 따라 용접 상태가 평가되는 것이다.

도 21 및 도 22를 참조하면, 제1 집전판 및 제2 집전판에 있어서, 정상 용접 대비 약용접의 경우 상대적으로 큰 변위 값을 가지며 과용접의 경우 상대적으로 작은 변위 값을 가짐을 알 수 있다. 한편, 본 발명의 실험예에 있어서, 도 21에 나타난 바와 같이 상기 제1 집전판의 경우에는 레퍼런스 지점을 기준으로 하여 측정된 용접부의 변위 값이 대체로 음의 값을 갖는 것으로 나타나 있는 반면, 제2 집전판의 경우에는 레퍼런스 지점을 기준으로 하여 측정된 용접부의 변위 값이 대체로 양의 값을 갖는 것으로 나타나 있다. 이는, 본 실험예에서 제1 집전판으로서 이용된 양극 집전판과 제2 집전판으로서 이용된 음극 집전판의 구조적 차이로 인한 것이다. 다만, 집전판의 구조와는 무관하게, 포일 탭과 용접이 이루어지지 않은 영역을 레퍼런스 지점으로 하여 측정된 용접부의 Z축의 변위 값은 용접 강도가 커짐에 따라 작아지는 경향을 보이고, 반대로 용접 강도가 작아짐에 따라 커지는 경향을 보인다. 즉, 원통형 이차전지의 높이 방향에 따른 용접부의 위치는, 용접 강도가 커짐에 따라 낮게 위치하고 용접 강도가 약해짐에 따라 높게 위치하는 경향을 보인다.

본 발명에 따른 원통형 이차전지에 적용되는 제1 집전판(20)의 경우, 상술한 바와 같은 본 발명의 Z축 변위 측정 검사 방법을 적용하여 용접부의 용접 강도를 평가하였을 때, 용접부의 Z축 변위 값은 대략 -0.32mm 내지 -0.02mm 범위로 측정되었다. 한편, 본 발명에 따른 원통형 이차전지에 적용되는 제2 집전판(30)의 경우, 상술한 바와 같은 본 발명의 Z축 변위 측정 검사 방법을 적용하여 용접부의 용접 강도를 평가하였을 때, 용접부의 Z축 변위 값이 대략 0mm 내지 0.18mm 범위로 측정되었다. 측정된 변위 값이 상술한 범위의 상한 값보다 더 크게 측정되는 경우 용접 품질은 약용접으로 평가될 수 있고, 하한 값보다 더 작게 측정되는 경우 용접 품질은 과용접으로 평가될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 용접부 검사 방법은, 용접부의 파손 없이 비교적 빠른 시간 내에 손쉽게 전극 조립체의 포일 탭(무지부)과 집전판 간의 용접이 적절하게 이루어졌는지 여부를 평가할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 전극 조립체
C: 권취 홀
11: 제1 포일 탭(제1 무지부)
11a: 분절편
12: 제2 포일 탭(제2 무지부)
100: 전극
101: 전극 집전체
102: 활물질 층
103: 무지부
100A: 제1 전극
100B: 제2 전극
200: 분리막
W: 용접부
20: 제1 집전판
21: 테두리부
22: 제1 탭 결합부
23: 단자 결합부
24: 연결부
30: 제2 집전판
H: 집전판 홀
31: 지지부
32: 제2 탭 결합부
33: 캔 결합부
40: 전지 캔
50: 셀 단자
60: 절연 가스켓

Claims (19)

1. (S1) 전극 조립체를 준비하는 단계;
   (S2) 집전판을 준비하는 단계;
   (S3) 상기 전극 조립체의 적어도 일 측에 상기 집전판을 용접하여 결합시키는 단계; 및
   (S4) 상기 전극 조립체와 상기 집전판 사이에 형성되는 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 변화 양상을 분석하는 열화상 검사 방법, 상기 용접부를 가압하고 그에 따른 상기 용접부의 변위를 측정하는 프레스 검사 방법, 및 소정의 레퍼런스 지점 대비 상기 용접부의 Z축 방향으로의 상대적 위치를 측정하는 Z축 변위 측정 검사 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 용접부의 용접 강도를 평가하는 단계;
   를 포함하는 용접부 검사 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 (S1) 단계는,
   높이 방향 일 측 및 타 측에 각각 전극 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 구비하는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 (S1) 단계는,
   상기 무지부가 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 분할되어 형성되는 복수의 분절편을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 (S1) 단계는,
   상기 복수의 분절편이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되어 복수의 레이어로 중첩되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
5. 제2항에 있어서,
   상기 (S2) 단계는,
   상기 무지부와 결합되는 탭 결합부를 구비하는 집전판을 준비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 (S3) 단계는,
   상기 복수의 분절편이 복수의 레이어로 중첩된 영역 내에서 상기 용접부를 형성시키는 단계인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 열화상 검사 방법은,
   (A1) 상기 집전판 상에 열원을 배치하는 단계; 및
   (A2) 상기 열원으로부터의 열 전도로 인한 상기 용접부에서의 온도 변화 양상을 분석하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 열화상 검사 방법은,
   (A3) 상기 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 상승률을 소정의 기준 값과 비교하여 더 작게 나타나는 경우에 용접 강도가 높은 것으로 평가하고, 더 크게 나타나는 경우에 용접 강도가 낮은 것으로 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 (A3) 단계는,
   상기 용접부에서의 시간의 흐름에 따른 온도 상승률이 소정의 기준 범위 내에 있는 경우 용접의 강도가 적절한 것으로 평가하고, 온도 상승률이 소정이 기준 범위를 벗어나는 경우 과용접 또는 약용접으로 평가하는 단계인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 프레스 검사 방법은,
    (B1) 프레싱 툴을 이용하여 상기 집전판을 가압하는 단계; 및
    (B2) 가압에 의한 상기 집전판의 변위 및 상기 집전판에 가해지는 가압력을 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 프레스 검사 방법은,
    (B3) 기 설정된 기준 가압력으로 상기 집전판을 가압했을 때 측정되는 상기 집전판의 변위가 작을수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하거나, 또는 상기 집전판의 변위가 기 설정된 기준 변위에 이르렀을 때 측정되는 가압력이 클수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 (B3) 단계는,
    기 설정된 기준 가압력으로 상기 집전판을 가압했을 때 측정되는 상기 집전판의 변위 또는 상기 집전판의 변위가 기 설정된 기준 변위에 이르렀을 때 측정되는 가압력이 소정의 기준 범위 내에 있는 경우 용접의 강도가 적절한 것으로 평가하고, 반대로 상기 소정의 기준 범위를 벗어나는 경우 과용접 또는 약용접으로 평가하는 단계인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
13. 제1항에 있어서,
    상기 Z축 변위 측정 검사 방법은,
    (C1) 상기 집전판의 표면 형상을 3D로 측정하는 단계; 및
    (C2) 측정된 결과를 분석하여 소정의 레퍼런스 지점을 기준점으로 하여 상기 용접부의 Z축 방향 변위를 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 Z축 변위 측정 검사 방법은,
    (C3) 상기 용접부의 Z축 방향 변위가 작게 측정될수록 용접 강도가 강한 것으로 평가하고, 크게 측정될수록 용접 강도가 약한 것으로 평가하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 (C3) 단계는,
    상기 용접부의 Z축 방향 변위가 소정의 기준 범위 내에 있는 경우 용접의 강도가 적절한 것으로 평가하고, 상기 용접부의 Z축 방향 변위가 상기 소정의 기준 범위를 벗어나는 경우 과용접 또는 약용접으로 평가하는 단계인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
16. 제6항에 있어서,
    상기 (S4) 단계는,
    상기 집전판과 결합되는 상기 분절편의 중첩 레이어 수에 따라 달라지는 물성을 이용하여 상기 용접부의 용접 강도를 평가하는 단계인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 열화상 검사 방법은,
    상기 용접부와 결합되는 상기 분절편의 중첩 레이어 수가 증가할수록 상기 집전판으로부터 상기 전극 조립체쪽으로의 열전달 속도가 빨라진다는 점을 이용하여 용접 강도를 평가하는 방법인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
18. 제16항에 있어서,
    상기 프레스 검사 방법은,
    상기 용접부와 결합되는 상기 분절편의 중첩 레이어 수가 증가할수록, 상기 무지부는 절곡에 의한 변형량이 더 많은 상태로 상기 집전판에 결합되고 이에 따라 상기 무지부에 상기 전극 조립체를 향하는 방향으로 힘이 가해지는 경우에 발생되는 상기 무지부의 반발력이 증가한다는 점을 이용하여 용접 강도를 평가하는 방법인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.
19. 제16항에 있어서,
    상기 Z축 변위 측정 검사 방법은,
    상기 용접부와 결합되는 상기 분절편의 중첩 레이어 수가 증가할수록 상기 용접부가 형성된 영역에서의 상기 집전판의 위치가 상기 전극 조립체쪽으로 더 많이 이동한다는 점을 이용하여 용접 강도를 평가하는 방법인 것을 특징으로 하는 용접부 검사 방법.

Images