WO2021101300A1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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WO2021101300A1
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electrode tab
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bead
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아바시마지드
노윤조
주승훈
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에스케이이노베이션 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, and more particularly, to a battery module having improved mechanical properties and electrical properties.
  • a method of overlapping welding of a single or a plurality of electrode tabs and a bus bar is generally used.
  • this method has a large variation in tensile strength after welding, and has a high possibility of welding defects such as weak welding depending on the pressing conditions, as well as bending and cutting of electrode tabs of multiple specifications in a unit module for welding, as shown in FIG. This is necessary, leading to an increase in process and management cost.
  • the resistance of each cell is uneven due to the difference in electrode tab length for each cell specification in the module, and there is a high possibility of adversely affecting the durability life in the long term.In particular, stable welding quality ( There was a difficulty in securing tensile strength, electrical resistance, etc.).
  • An aspect of the present disclosure is to provide a battery module capable of having a welding portion having excellent tensile strength and contact resistance by appropriately controlling the welding of dissimilar materials between an electrode tab and a bus bar.
  • a battery module includes a plurality of battery cells each including an electrode tab, a bus bar connected to the electrode tabs to electrically connect the plurality of battery cells to each other, and the bus bar has a plurality of holes.
  • the electrode tab of each battery cell is inserted into at least a portion of the plurality of holes of the plate, and the electrode tab and the plate inserted into the hole are coupled to each other by a welding bead, and the welding bead is Equation 1 and Equation 2 is satisfied.
  • Equation 1 W is the width of the weld bead based on the cross section of the weld bead in the thickness direction of the plate, and T is the thickness of the electrode tab.
  • Equation 2 H is the height of the weld bead based on the cross section of the weld bead in the thickness direction of the plate, and T is the thickness of the electrode tab.
  • W may be 2T to 6T
  • H may be 0.5T to 2T.
  • a battery module includes a plurality of battery cells each including an electrode tab, a bus bar connected to the electrode tabs to electrically connect the plurality of battery cells to each other, and the bus bar has a plurality of holes.
  • the electrode tab of each battery cell is inserted into at least a portion of the plurality of holes of the plate, the electrode tab and the plate inserted into the hole are coupled to each other by a welding bead, the welding bead is Equation 3 Can be satisfied.
  • Equation 3 A is the cross-sectional area of the weld bead based on the cross-section of the weld bead in the thickness direction of the plate, and T is the thickness of the electrode tab.
  • A may be T 2 to 12T 2 .
  • the welding bead may further satisfy Equation 4.
  • Equation 4 D is the penetration depth into the through hole of the weld bead based on the weld bead cross section in the thickness direction of the plate, and T is the thickness of the electrode tab.
  • the electrode tab and the plate may be made of different materials.
  • the welding bead is derived from 70 to 99% by weight of the first base material and the remainder of the second base material by using the electrode tab as the first base material for welding and the plate as the second base material for welding. can do.
  • the electrode tab may be made of aluminum, and the plate may be made of copper.
  • the plate or electrode tab may include a surface plating layer.
  • the surface plating layer may include Ni, Sn, Si, Mg, Fe, Mn, Zn, Cr, Li, Ca, or an alloy thereof.
  • the thickness of the electrode tab may be 0.2 mm or more.
  • the thickness of the electrode tab may be 0.2mm to 1.0mm.
  • the thickness of the plate may be 0.5mm or more.
  • the welding bead is a cover part having a convex shape covering the hole at one of two opposite surfaces in the thickness direction of the plate, based on the cross section of the welding bead in the thickness direction of the plate. ; And a pillar portion charged into the hole.
  • the welding bead in the cross section of the welding bead in the thickness direction of the plate, the welding bead may be asymmetrical to the left and right based on the center line of the hole.
  • the ratio of L1:L2 which is the shortest distance between the two boundary points on the left and right and the center line of the hole, may be a left-right asymmetric structure in which a ratio of 1:1.2 to 3.
  • the plate may include a protrusion formed around a position where a hole is formed.
  • the plate may include a tab connection protruding from the outer periphery of the hole to the outside of the plate.
  • the hole may include an insertion portion whose one side is open so that the electrode tab can be inserted into the slide.
  • the battery cell may be a pouch-type battery cell.
  • the present disclosure of the configuration as described above can secure stable welding quality, and in particular, in the case of a heterogeneous material between the electrode tab and the bus bar, the tensile strength is more than twice as excellent as that of the conventional method, and a high-quality welding part having the same level of contact resistance. Can provide.
  • FIG. 1 is a picture showing a conventional battery module, showing that a bus bar is formed in a "c" shape.
  • FIG. 2 is a diagram showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a bus bar constituting a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a battery module having a welding bead according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a bus bar according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a bus bar according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a state in which a laser L is irradiated in the longitudinal direction d1 of an electrode tab according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing a virtual surface for making a cross section of a weld bead in the thickness direction of a plate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating forming a welding bead together with a plate by heating and melting an end of an electrode tab penetrating through a hole of a plate according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a photograph showing a shape of a welding bead when an Al electrode tab is welded to a Cu bus bar by using the method of FIG. 7.
  • a part such as a film (layer), a region, a component, etc. is said to be on or on another part, not only the case directly above in contact with the other part, but also the other film ( Layer), other areas, and other components are also included.
  • the welding strength (tensile strength) of a Cu busbar composed of a different material Cu-Al and an Al electrode tab was generally managed to be 3.5kgf/mm 2 or more. This is more than about 70% of the tensile strength of pure Al, 5.5kgf/mm 2 , which satisfies the welding strength generally required for products, and also satisfies the mechanical strength requirements such as vibration resistance and impact resistance of the product.
  • the welding strength tensile strength
  • the present invention does not bend or cut the electrode tabs of a plurality of adjacent cells (battery cells) in more than one shape for welding for electrical connection of the electrode tabs, and electrode tabs of all unit cells constituting the module
  • the processing shape can be made the same.
  • the processed unit cells are stacked to form a stacked body including a certain number of cells, and then, the plate may be assembled in a direction in which the electrode tabs are inserted for electrical connection.
  • the plate has a predetermined gap through which the previously processed electrode tabs can come out, and has a hole (slot) corresponding to each electrode tab, and a predetermined protrusion along the periphery of the hole in the passing direction of the electrode tabs. It can be provided with a surface that becomes.
  • the electrode tabs protrude through the plate, and then the protruding welds are irradiated with a laser beam to perform welding.
  • the inventors of the present invention They were able to establish optimal quality control standards by grasping the influence of various factors through the experimental design method.
  • the present inventors investigated the correlation between the mechanical/electrical properties according to the shape of the weld bead cross-section through repetitive research and analysis in the welding of different materials in which the material of the electrode tab and the material of the plate are different from each other, especially Cu-Al dissimilar material welding.
  • the shape of the welding bead to be described later was derived.
  • composition of the weld bead that varies depending on the external shape of the weld bead and the shape of the weld bead when welding dissimilar materials, for example, Cu-Al dilution rate in the case of Cu-Al dissimilar materials. ), mechanical properties can be improved without deterioration of substantial electrical properties.
  • the dilution rate indicates the degree of contribution of each welding base material (plate and electrode tab in the case of the present invention) that contributes to the entire welding without the addition of filler or filler.In the weld metal cross-sectional image, each component is melted and mixed. It can be measured by area. This dilution rate is known to vary depending on the amount of heat input to the welding, thermal characteristics, and the shape and dimensions of the initial joint.
  • the electrode tab is used as the first base material for welding and the plate is used as the second base material for welding, and the welding bead is derived from 70 to 99% by weight of the first base material and the balance (1 to 30% by weight) of the second base material. And, advantageously, from 75 to 99% by weight of the first base material and the balance (1 to 25% by weight) of the second base material. That is, the dilution rate of the first base material may be 85 to 99% and the dilution rate of the second base material may be 1 to 15%, and advantageously, the dilution rate of the first base material is 89 to 99% and the dilution rate of the second base material is 1 To 11%.
  • a surface plating layer may be formed on an electrode tab that is a first base material (welded base material) and/or a plate that is a second base material. That is, the electrode tab and/or the plate may include a surface plating layer, and in particular, the electrode tab for which electro/chemical stability to an electrolyte must be secured may include a surface plating layer.
  • the surface plating layer for ensuring the electrical/chemical stability of the electrolyte may include Ni, Sn, Si, Mg, Fe, Mn, Zn, Cr, Li, Ca, or an alloy thereof.
  • the dilution rate of the surface plating layer itself can also be calculated through the weight% (wt%) analysis of the above-described first base material, the second base material, and the welding bead containing the plating component. Of course there is.
  • composition component of the weld metal (welding bead) over the entire welding can be quantified by EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) for all process factors.
  • EDS Electronic Dispersive Spectroscopy
  • Table 1 The composition content (% by weight) of the weld metal under various welding conditions through the preliminary experiment and the calculated dilution rate when welding dissimilar materials of the Cu plate-Al electrode tab are summarized in Table 1 below.
  • Table 1 the method of calculating the dilution rate is well known in the art and is not separately presented.
  • the weld bead size was found to be a very important index to determine the overall composition and dilution rate. Specifically, the size of the weld bead is directly related to the load-bearing capacity of the weld metal. Specifically, when welding dissimilar materials of the Cu plate-Al electrode tab, it generally means that the larger the weld bead size, the more Al it contains. Found to be able to form.
  • the present invention is based on the research results including these preceding experiments, the welding strength is 7.0kgf / mm 2 As mentioned above, it is more than twice the strength of the existing overlapping welding 3.5kgf/mm 2 , and the generation of intermetallic compounds (IMC) such as Al x Cu x or Cu x Al x is minimized, so that the specific conditions of the welding bead are realized. It is determined to present the present invention.
  • IMC intermetallic compounds
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a structure in which the battery tabs 120 of each battery cell 110 are electrically connected by a bus bar 150 in a stack in which the battery cells 110 are stacked according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 3 is a diagram showing a bus bar provided in the battery module according to an embodiment of the present disclosure.
  • the battery module 100 includes a plurality of battery cells 110 and electrode tabs 120 drawn out from the battery cells 110.
  • the battery module 100 of the present invention includes a bus bar 150, and the bus bar 150 includes a plate 150a and a hole 150c formed in the plate. It consists of including.
  • the plate may include a plurality of holes 150c for accommodating each of the plurality of electrode tabs 120, and each hole 150c is such that an end of the electrode tab 120 can be inserted into the hole 150c. , It may have a shape and size corresponding to the cross-section of the electrode tab 120.
  • each hole 150c may include an insertion portion 151 whose one side is open so that the electrode tab 120 can be inserted into the slide.
  • the insertion portion may have a tapered shape that widens toward an open side so that the electrode tab 120 can be easily slide inserted into the hole 150c, but the shape of the insertion portion 151 is not limited thereto. .
  • the electrode tab 120 may be inserted into the hole 150c of the plate 150a in the protruding direction of the electrode tab 120, and FIG.
  • the electrode tab 120 is inserted into the hole 150c of the plate 150a in the standing direction (width direction) of the electrode tab through the insertion part 151. ) Can be inserted.
  • one or more holes 150c are formed in the plate 150a, and by welding the electrode tabs 120 inserted into each hole 150c, the plurality of welded battery cells 110 can be electrically connected. have.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a battery module having a welding bead according to an example of the present disclosure. 4, in the battery module according to the present disclosure, the electrode tab 120 is inserted into the hole 150c formed in the plate 150a, and then the battery cell 110 is connected by welding. It is not necessary to separately change the shape of the electrode tab 120 as described above.
  • one or more holes 150c may be formed in the plate 150a to correspond to the number of battery cells 110 to be connected. Therefore, in order to electrically connect the battery cells 110, the battery cells 110 can be electrically connected without changing the shape of the electrode tab 120, regardless of the number of battery cells 110 to be connected. .
  • the plate 150a constituting the bus bar 150 includes at least one hole 150c having a predetermined spacing, and the electrode tab 120 through which the hole 150c is inserted is welded.
  • the plurality of battery cells 110 may be electrically connected.
  • Silver may be formed in a slit shape.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a bus bar 150 according to another embodiment of the present invention.
  • the plate 150a may include a protrusion 150b formed around a position where the hole 150c is formed. That is, the protrusion 150b may be formed on the bus bar 150 according to an embodiment of the present invention.
  • the protrusion 150b may be formed at a position where the hole 150c is formed, and may serve to induce the electrode tab 120 to be inserted into the hole 150c. Therefore, the plate 150c includes a plurality of holes 150c formed with predetermined intervals, and includes a protrusion 150b formed around a position where the hole 150c is formed, and is inserted into the hole 150c.
  • electrode tabs not shown
  • a plurality of battery cells may be electrically connected.
  • FIG. 6 is a view showing a bus bar 150 according to another embodiment of the present invention.
  • the plate 150a according to another embodiment of the present invention may include a tab connection part 151a.
  • the tab connection part 151a is formed to protrude from the outer periphery of each hole 150c in the direction in which the electrode tab 120 protrudes, and after that, when the battery cells 110 are electrically connected by laser welding, it is applied to the laser L.
  • the molten electrode tab 120 may contact the tab connection portion 151a to be electrically connected to the bus bar.
  • an intaglio groove 151b is formed around the hole 150c on the opposite surface of the tab connection part 151a to induce the electrode tab 120 to be inserted into the hole 150c.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a state in which the laser L is irradiated in the longitudinal direction of the electrode tab 120 (same as d in FIG. 7, the protruding direction) according to another embodiment of the present invention.
  • the laser L may be inserted into the hole 150c and irradiated obliquely with respect to the central axis in the longitudinal direction d1 of the protruding electrode tab 120.
  • the laser (L) is directly irradiated to the battery cell 110 due to an error during welding, it is possible to minimize the possibility that may lead to an accident,
  • the laser (L) is irradiated obliquely, the welding process of the end surface of the electrode tab 120 can be visually confirmed, thereby enabling the improvement of the quality and production speed of the battery module.
  • welding beads having various shapes may be obtained by laser welding after passing the electrode tab 120 through the hole 150c of the plate.
  • the present inventors have found that the shape and size of the weld bead are closely related to the composition of the weld metal based on the dilution rate of the base material. It was confirmed that the mechanical properties including the tensile strength of the welding area can be greatly improved, and the resistance of the module is reduced.
  • the electrode tab and the plate inserted into the hole are joined to each other by a welding bead, but the welding bead is a width (W) and a height (H) satisfying the following equations 1 and 2 Has.
  • Equation 1 W is the width of the weld bead based on the cross section of the weld bead in the thickness direction of the plate, and T is the thickness of the electrode tab.
  • Equation 2 H is the height of the weld bead based on the cross section of the weld bead in the thickness direction of the plate, and T is the thickness of the electrode tab. At this time, the unit of T may be mm.
  • the cross section of the weld bead in the thickness direction of the plate means a cross section cut by a virtual surface parallel to the thickness direction of the plate (a virtual surface having the thickness direction as an in-plane), but the area of the weld bead is minimal. It may mean a weld cross section cut as much as possible.
  • the virtual surface p making the cut section of the weld bead is parallel to the thickness direction t1 of the plate and parallel to the thickness direction t2 of the electrode tab. It may mean one virtual surface, and the cross section of the welding bead may mean a cross section cut by the above-described virtual surface (p).
  • Equations 1 and 2 described above are particularly important when the electrode tab and the plate are made of different materials (metal materials). That is, when the width (W) of the welding bead is 7T or more in welding of different materials, formation of an intermetallic compound between different materials may be induced. As a more practical example, when the electrode tab is made of aluminum, and the plate (busbar) is made of copper, and the width of the welding bead is 7T or more, the amount of melting of the Cu plate (busbar) increases and the metal on the interface of Cu-Al is increased. By inducing the formation of liver compounds, it may cause a decrease in the quality of the weld, such as microcracks in the weld and an increase in resistance.
  • Equation 1 is a geometric parameter that greatly affects the dilution rate between the weld base metal in the weld bead
  • Equation 2 is a geometric parameter that greatly affects the shape of the weld bead itself.
  • the welding bead includes: a cover portion having a convex shape covering the hole on one of the two opposite surfaces in the thickness direction of the plate, based on the cross section of the welding bead in the thickness direction of the plate; And a pillar portion charged into the hole.
  • Equation 2 is a morphological parameter that affects the shape of the weld bead itself.
  • the welding bead width (W) may be 2T to 6T, more advantageously 3T to 6T, and the height (H) may be 0.5T to 2T, more advantageously 1 to 2T days. I can.
  • the width and height of the weld bead are satisfied, excellent welding properties may be exhibited due to improved tensile strength and low contact resistance.
  • the welding bead satisfies these widths and heights, it is stable even if the specific welding conditions such as the specific welding conditions, for example, the heat gradient caused during welding or the laser irradiation method during welding, are changed. And, it is possible to secure consistent welding quality (improved welding strength, excellent electrical characteristics of welding parts, etc.) with reproducibility.
  • the electrode tab and the plate inserted into the hole are coupled to each other by a welding bead, but the welding bead may satisfy Equation 3 below.
  • Equation 3 A is the cross-sectional area of the weld bead based on the cross section of the weld bead in the thickness direction of the plate, and T is the thickness of the electrode tab. At this time, the cross section of the weld bead in the thickness direction of the plate is the same as described above based on Equations 1 and 2.
  • the welding bead 170 may have a cross-sectional area (A) of less than 21T 2. If the cross-sectional area is 21 ⁇ T 2 (mm 2 ) or more, there may be various types of problems such as an increase in the occurrence of intermetallic compounds (IMC), a decrease in welding strength, and a crack in the weld. More preferably, based on the welding bead cross-section, the cross-sectional area of the welding bead may satisfy T 2 to 12T 2 , more advantageously 3 2 to 12T 2. When the welding bead cross-sectional area is satisfied, excellent welding characteristics may be exhibited due to improved tensile strength and low contact resistance, and constant welding characteristics may be exhibited without being substantially affected by specific welding conditions.
  • IMC intermetallic compounds
  • the welding bead may satisfy Equation 1 and Equation 2 and further satisfy Equation 3, and independently, may satisfy Equation 3 and further satisfy Equation 1, Equation 2, or Equations 1 and 2.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing forming a welding bead 170 by heating and melting an end of the electrode tab 120 passing through the hole 150c of the plate 150a of the bus bar according to an embodiment of the present disclosure. to be.
  • the width W of the bead may be the width of the cover part based on the cross-section of the welding bead.
  • the width (W) of the bead is, in the cross section of the weld bead in the thickness direction of the plate, the interface between the weld bead 170 and one of the two opposing faces in the thickness direction of the plate 150a and the one side.
  • the point where the surface meets is the boundary points p1 and p2, and it may mean the distance between the two boundary points p1 and p2 on the left and right. In this case, the example shown in FIG.
  • the width of the bead is shown as shown in FIG. 9, and the left and right boundary points p1 and p2 If not located at the same height, the width of the bead can be defined as the shortest distance between the two boundary points.
  • the height H of the bead may be the maximum height of the cover part based on the cross-section of the welding bead.
  • the height (H) of the bead is, in the cross section of the weld bead in the thickness direction of the plate, the interface between the weld bead 170 and one of the two opposing faces in the thickness direction of the plate 150a and the one side. It may be a distance (shortest distance) between an imaginary line connecting the two boundary points p1 and p2 on the left and right and the highest point of the cover by using the point where the surface meets as the boundary points p1 and p2. In this case, since the example shown in FIG.
  • the width of the bead is only shown as shown in FIG. 9, and the height of the bead is a virtual It can be defined as the shortest distance between the line of and the highest point of the cover.
  • the welding bead may further satisfy Equation 4.
  • D is the penetration depth into the hole of the weld bead based on the weld bead cross section in the thickness direction of the plate
  • T is the thickness of the electrode tab.
  • the penetration depth may be a distance (shortest distance) between an imaginary line connecting the two boundary points p1 and p2 on the left and right and the lowest point of the welding bead located inside the hole.
  • the penetration depth may correspond to the length of the column.
  • the penetration depth may be a factor related to the mechanical properties of the weld bead shape itself and the dilution rate of the plate.
  • the dilution rate of the plate is controlled to be 5% or less while the mechanical properties are controlled by the shape of the welding bead. This can be improved.
  • the weld bead 170 may be symmetrical or asymmetrical to the left and right based on the center line CL of the hole.
  • the center line of the hole may be the same as the center line of the battery tab inserted into the hole.
  • L1 and L2 are the shortest distances between the two boundary points (p1, p2) on the left and the right and the center line of the hole, and L2 is a longer length than when L1 and L2 are different from each other. It may mean that the ratio is 1:1 to 1.2.
  • the left and right asymmetry may mean that the ratio of L1:L2 exceeds 1:1.2, specifically, the ratio of L1:L2 is 1:1.2 to 3, specifically 1:1.2 to 2.5.
  • the left and right asymmetric structure may be mainly affected by the irradiation direction of the laser, and as described above based on FIG. 7, such an asymmetric structure may appear when the laser is irradiated at an angle. It is known that the asymmetric structure of the weld bead is not advantageous to the mechanical properties of the welded area.
  • the mechanical properties (welding strength) of the welding site are not significantly affected by the asymmetric structure of the welding bead. Does not. That is, even if it has a left-right symmetric structure or a left-right asymmetric structure, it is possible to exhibit a welding characteristic that is substantially constant and uniform, and has improved mechanical properties.
  • the electrode tab material-plate material may be an Al material-Cu material or a Cu material-Al material.
  • the Al material may be aluminum with a purity of 90% or more, and specifically, aluminum with a purity of 95% or more, 99% or more, or 99.5% or more.
  • the Al material may be pure aluminum for industrial use, and commercial products include Al1000 series (UNS#) such as Al1050, Al1100, or Al1200.
  • the Cu material may be copper having a purity of 98% or more, 99% or more, or 99.3% or more.
  • the Cu material may be industrial pure copper, and commercial products include C10100 to C13000 series (UNS #) such as C11000, C10100, C10200, C12500, and the like.
  • the electrode tab 120 is configured to pass through the hole 150b in a direction perpendicular to the surface of the plate 150a, and the thickness is preferably 0.2mm or more. More preferably, the thickness of the electrode tab may be 0.2 to 1.0mm.
  • the electrode tab has a thickness of 0.2 mm or more, it is advantageous because a welding bead having the above-described spherical shape can be produced by laser welding, and a welding bead having a dilution rate of 11% or less of the plate can be produced.
  • the plate 150a has a thickness of 0.5mm or more, and for example, may have a thickness of 0.5mm to 10mm, 1mm to 8mm, or 1mm to 6mm, but is not limited thereto.
  • the battery cell may be a phage type battery cell.
  • the pouch-type battery cell may be a battery cell sealed in a pouch in a state in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is impregnated with an electrolyte (electrolyte).
  • the pouch may have a multilayer film structure in which a metal film such as an aluminum film is interposed between the outer film and the inner film, but is not limited thereto.
  • electrode tabs of each of the pouch-type battery cells stacked in one direction are inserted and welded to each of the holes of the plate, so that the plurality of pouch-type battery cells may be electrically connected to each other.
  • FIG. 10 is a photograph of an example showing a shape of a welding bead according to an embodiment of the present invention formed by welding an Al electrode tab to a Cu plate with different materials according to the method of FIG. 8.
  • the plate surface in contact with the welding bead is formed to be inclined downward in the longitudinal direction toward the outer circumference of the welding bead.
  • the plate surface bonded to the formed welding bead is configured so that the hole is inclined downward from the center toward the outer periphery of the welding bead, so that the shape of the welding bead can be smoothly formed, and through this, welding by a rough shape such as a notch. It can prevent strength loss.

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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
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.
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, 복수개의 전지 셀을 서로 전기적으로 연결하도록 전극 탭에 연결되는 버스바를 포함하며, 버스바는 복수개의 홀이 형성되는 플레이트를 포함하고, 각각의 전지 셀의 전극 탭은 플레이트의 복수개의 홀 중 적어도 일부에 삽입되고, 홀에 삽입된 전극 탭과 플레이트는 용접 비드에 의해 서로 결합되며, 용접 비드는 하기 식 1 및 식 2를 만족한다.
(식 1)
0 < W < 7T
식 1에서, W는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 폭이며, T는 전극 탭의 두께이다.
(식 2)
0 < H < 3T
식 2에서, H는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 높이이며, T는 전극 탭의 두께이다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, W는 2T 내지 6T일 수 있으며, H는 0.5T 내지 2T일 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에 따른 배터리 모듈은 각각이 전극 탭을 포함하는 복수개의 전지 셀, 복수개의 전지 셀을 서로 전기적으로 연결하도록 전극 탭에 연결되는 버스바를 포함하며, 버스바는 복수개의 홀이 형성되는 플레이트를 포함하고, 각각의 전지 셀의 전극 탭은 플레이트의 복수개의 홀 중 적어도 일부에 삽입되고, 홀에 삽입된 전극 탭과 플레이트는 용접 비드에 의해 서로 결합되며, 용접 비드는 하기 식 3을 만족할 수 있다.
(식 3)
0 < A < 21T 2
식 3에서 A는 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 단면적이며, T는 전극 탭의 두께이다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, A는 T 2 내지 12T 2일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 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 관통 홀 내부로의 용입 깊이이며, T는 전극 탭의 두께이다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 전극 탭과 플레이트는 서로 상이한 재질일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접 비드는 전극 탭을 용접의 제1모재로, 플레이트를 용접의 제2모재로 하여, 70 내지 99 중량%의 제1모재 및 잔부의 제2모재로부터 유래할 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 전극 탭은 알루미늄 재질이며, 플레이트는 구리 재질일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 플레이트 또는 전극 탭은 표면 도금층을 포함할 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 표면 도금층은 Ni, Sn, Si, Mg, Fe, Mn, Zn, Cr, Li, Ca 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 전극 탭의 두께는 0.2mm 이상일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 전극 탭의 두께는 0.2mm 내지 1.0mm일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 플레이트의 두께는 0.5mm 이상일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 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.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 홀의 중심선 기준으로 용접 비드는 좌우 비대칭일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 용접 비드와 플레이트의 두께 방향으로의 두 대향면 중 일 면과의 계면과 일 면의 표면이 만나는 점을 경계점으로 하여, 좌 우의 두 경계점과 홀의 중심선간의 최단 거리인 L1 : L2의 비가 1 : 1.2 내지 3인 좌우 비대칭 구조일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 플레이트는 홀이 형성되는 위치의 주변에 형성된 돌출부를 포함할 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 플레이트는 홀의 외주연에서 플레이트의 외측으로 돌출된 탭 연결부를 포함할 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 홀은 전극 탭이 슬라이드 삽입될 수 있도록 일 측이 개방된 삽입부를 포함할 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 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 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 이루는 버스바를 보이는 그림이다.
도 4는 본 발명의 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 발명의 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/mm 2 이상으로 관리하는 것이 일반적이었다. 이는 순수 Al 의 인장강도인 5.5kgf/mm 2의 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 PCTKR2020016432-appb-img-000001
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/mm 2 이상으로 기존 겹치기 용접 강도 3.5kgf/mm 2 의 2배 이상이며, Al xCu x 또는 Cu xAl x등과 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 < 21T 2
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 21T 2 미만일 수 있다. 만일 그 단면적이 21 ㅧ T 2(mm 2) 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 T 2 내지 12T 2, 더욱 유리하게는 3 2 내지 12T 2를 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 (20)

  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 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)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 W는 2T 내지 6T이며, H는 0.5T 내지 2T인 배터리 모듈.
  3. 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 용접 비드는 식 3을 만족하는 배터리 모듈.
    (식 3)
    0 < A < 21T 2
    (식 3에서 A는 상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면을 기준한 용접 비드의 단면적이며, T는 상기 전극 탭의 두께이다)
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 A는 T 2 내지 12T 2인 배터리 모듈.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 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)
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 탭과 상기 플레이트는 서로 상이한 재질인 배터리 모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 용접 비드는 상기 전극 탭을 용접의 제1모재로, 상기 플레이트를 용접의 제2모재로 하여, 70 내지 99중량%의 제1모재 및 잔부의 제2모재로부터 유래한 배터리 모듈.
  8. 재 6항에 있어서,
    상기 전극 탭은 알루미늄 재질이며, 상기 플레이트는 구리 재질인 배터리 모듈.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 플레이트 또는 상기 전극 탭은 표면 도금층을 포함하는 배터리 모듈.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 표면 도금층은 Ni, Sn, Si, Mg, Fe, Mn, Zn, Cr, Li, Ca 또는 이들의 합금을 포함하는 배터리 모듈.
  11. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 탭의 두께는 0.2mm 이상인 배터리 모듈.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 전극 탭의 두께는 0.2mm 내지 1.0mm인 배터리 모듈.
  13. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레이트의 두께는 0.5mm 이상인 배터리 모듈.
  14. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 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.
  15. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레이트의 두께 방향으로의 용접 비드 단면에서, 홀의 중심선 기준으로 용접 비드는 좌우 비대칭인 배터리 모듈.
  16. 제 15항에 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.
  17. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 홀이 형성되는 위치의 주변에 형성된 돌출부를 포함하는 배터리 모듈.
  18. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 홀의 외주연에서 상기 플레이트의 외측으로 돌출된 탭 연결부를 포함하는 배터리 모듈.
  19. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홀은 상기 전극탭이 슬라이드 삽입될 수 있도록 일 측이 개방된 삽입부를 포함하는 배터리 모듈.
  20. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지 셀은 파우치형 전지 셀인 배터리 모듈.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100255351A1 (en) * 2009-01-07 2010-10-07 A123 Systems, Inc. Fuse for battery cells
KR20180116958A (ko) * 2017-04-18 2018-10-26 주식회사 엘지화학 전극 리드와 버스바의 결합 구조가 개선된 배터리 모듈
KR20180133698A (ko) * 2017-06-07 2018-12-17 주식회사 엘지화학 배터리 모듈

Family Cites Families (6)

* 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
KR102117859B1 (ko) * 2016-12-23 2020-06-02 에스케이이노베이션 주식회사 배터리 모듈
KR102082498B1 (ko) * 2017-04-26 2020-02-27 주식회사 엘지화학 전극 리드와 버스바의 결합 구조가 개선된 배터리 모듈 및 그 제조 방법
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
KR102637834B1 (ko) 2018-05-02 2024-02-19 에스케이온 주식회사 배터리 모듈

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100255351A1 (en) * 2009-01-07 2010-10-07 A123 Systems, Inc. Fuse for battery cells
KR20180116958A (ko) * 2017-04-18 2018-10-26 주식회사 엘지화학 전극 리드와 버스바의 결합 구조가 개선된 배터리 모듈
KR20180133698A (ko) * 2017-06-07 2018-12-17 주식회사 엘지화학 배터리 모듈

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KANG MINJUNG, PARK TAESOON, KIM CHEOLHEE, KIM JEONGHAN: "Laser Welding Characteristics of Aluminum and Copper Sheets for Lithium-ion Batteries", JOURNAL OF THE KOREAN WELDING AND JOINING SOCIETY, vol. 31, no. 6, 31 December 2013 (2013-12-31), pages 58 - 64, XP055813881, ISSN: 1225-6153, DOI: 10.5781/KWJS.2013.31.6.58 *
See also references of EP4064448A4 *
SOLCHENBACH TOBIAS, PLAPPER PETER, CAI WAYNE: "Electrical performance of laser braze-welded aluminum–copper interconnects", JOURNAL OF MANUFACTURING PROCESSES, SOCIETY OF MANUFACTURING ENGINEERS, DEARBORN, MI, US, vol. 16, no. 2, 1 April 2014 (2014-04-01), US, pages 183 - 189, XP055813878, ISSN: 1526-6125, DOI: 10.1016/j.jmapro.2013.12.002 *

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