WO2024039186A1 - 초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템 - Google Patents

초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템 Download PDF

Info

Publication number
WO2024039186A1
WO2024039186A1 PCT/KR2023/012131 KR2023012131W WO2024039186A1 WO 2024039186 A1 WO2024039186 A1 WO 2024039186A1 KR 2023012131 W KR2023012131 W KR 2023012131W WO 2024039186 A1 WO2024039186 A1 WO 2024039186A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ultrasonic welding
protrusions
welding device
current collector
ultrasonic
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/012131
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
박진서
김무영
김광중
김준탁
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Publication of WO2024039186A1 publication Critical patent/WO2024039186A1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B23K20/106—Features related to sonotrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/536—Electrode connections inside a battery casing characterised by the method of fixing the leads to the electrodes, e.g. by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic welding device. More specifically, it relates to an ultrasonic welding device and an ultrasonic welding system configured to prevent softening of an unwanted portion of the surface of a welded object or prevent the welded object from bending.
  • lithium secondary batteries have little memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so they can be freely charged and discharged. It is receiving attention for its extremely low self-discharge rate and high energy density.
  • cylindrical, prismatic, and pouch-type batteries are known as types of secondary batteries.
  • an insulating separator is interposed between the anode and the cathode and wound to form a jelly roll-shaped electrode assembly, which is inserted into the housing together with the electrolyte to form a battery.
  • a strip-shaped electrode tab may be connected to the uncoated portion of each of the positive and negative electrodes, and the electrode tab is coupled to the terminal by welding to electrically connect the electrode assembly and the externally exposed electrode terminal.
  • laser welding is a method in which a laser beam is irradiated to a welded area, the welded area is melted by the energy of the laser beam, and then the melted part is solidified and joined.
  • ultrasonic welding is a method of joining by applying ultrasonic vibration while applying a load to the welded area to generate vibrational frictional heat. Its application range is wide, covering not only metals but also dissimilar materials including non-metals.
  • a horn and anvil are used.
  • the horn includes a knurled portion including a plurality of protrusions protruding toward the object to be welded to increase friction.
  • the present invention was created in consideration of the above-mentioned problems, and its purpose is to provide an ultrasonic welding device configured to solve the problem of softening of an unwanted part of the surface of the welded object or bending of the welded object.
  • An ultrasonic welding device includes a horn that pressurizes the first member and the second member to ultrasonic weld the first member and the second member,
  • the horn includes a knurling portion having a plurality of protrusions configured to protrude toward the first member to create a concavo-convex shape in the first member,
  • the length (m) of each of the plurality of protrusions protruding toward the first member may be greater than or equal to the thickness of the first member.
  • the plurality of protrusions may be provided regularly at regular intervals (n).
  • Each of the plurality of protrusions may be configured to have a narrower cross-sectional area toward the first member.
  • Each of the plurality of protrusions may be inclined to have a certain angle ( ⁇ ) with respect to the first member.
  • the length (m) of each of the plurality of protrusions protruding toward the first member may satisfy Equation 1 below.
  • Each of the plurality of protrusions may be configured such that an end protruding toward the first member is cut to a certain length (l) along a plane parallel to the first member to form a flat surface.
  • a value obtained by subtracting the predetermined length (l) from the protruding length (m) may be greater than or equal to the thickness of the first member.
  • An ultrasonic welding system includes an electrode assembly; A current collector coupled to one side of the electrode assembly; A terminal electrically coupled to the current collector; and an ultrasonic welding device for ultrasonic welding the current collector and the terminal,
  • the ultrasonic welding device includes a plurality of protrusions configured to protrude toward the current collector,
  • the length of each of the plurality of protrusions protruding toward the current collector may be greater than or equal to the thickness of the current collector.
  • the electrode assembly may include a central hole, and the current collector may include a second coupling portion coupled to the terminal at a position corresponding to the central hole.
  • the current collector may include a first coupling portion coupled to the electrode assembly and a second coupling portion at least partially formed to be thinner than the thickness of the first coupling portion.
  • the arrangement of the plurality of protrusions can be changed depending on the friction force required for ultrasonic welding.
  • the arrangement of a plurality of protrusions increases the density of the plurality of protrusions in the knurled area by increasing a certain angle and reducing a certain distance when a lot of friction is required.
  • the density of the plurality of protrusions on the knurled portion can be lowered by making the angle smaller and the distance larger.
  • the area where the plurality of protrusions contact the upper member can be adjusted by adjusting the certain length to be cut according to the friction force required for ultrasonic welding.
  • Figure 1 is a diagram showing an ultrasonic welding device and a welded object according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram showing an ultrasonic welding process of an ultrasonic welding device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram showing a horn included in an ultrasonic welding device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram showing an ultrasonic welding device and a first member according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a diagram showing a horn included in an ultrasonic welding device according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram showing an ultrasonic welding device and a first member according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a graph showing the tensile strength of the welded portion for each condition after ultrasonic welding under certain conditions.
  • FIG. 11 is a diagram showing an ultrasonic welding system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a diagram showing a first current collector included in an ultrasonic welding system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a cross-sectional view schematically showing a cross-section taken along line C-C' of Figure 12.
  • Figure 1 is a diagram showing an ultrasonic welding device 3 and objects to be welded (A, B) according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram showing the ultrasonic welding process of the ultrasonic welding device 3 according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic welding device 3 includes a horn 5.
  • the horn 5 can create a concavo-convex shape on the first member A.
  • the horn 5 can ultrasonic weld the first member A and the second member B by pressing it with a certain load while in contact with the first member A and simultaneously applying ultrasonic waves.
  • the horn 5 may include a knurling portion N having a plurality of protrusions T configured to protrude toward the first member A.
  • the plurality of protrusions (T) are pressed with a certain load while in contact with the first member (A), and ultrasonic waves are simultaneously applied to ultrasonic weld the first member (A) and the second member (B).
  • the present invention is not limited to ultrasonic welding only of the first member (A) and the second member (B). That is, the ultrasonic welding device 3 according to the present invention can ultrasonic weld two or more members.
  • the length (m) of each of the plurality of protrusions (T) protruding toward the first member (A) may be greater than or equal to the thickness (d) of the first member (A).
  • the protruding length (m) may be the vertical distance from one surface of the horn 5 to the protruding end along the negative direction of the Z-axis.
  • each of the plurality of protrusions (T) starts to be formed from one surface of the horn 5 in the Z-axis direction is the same, and the protruding length (m) in the negative Z-axis direction is formed differently, the plurality of protrusions (T) are formed at the same height.
  • the maximum value of the protruding length (m) of each protrusion (T) may be greater than or equal to the thickness (d) of the first member (A).
  • the plurality of protrusions (T) are larger than the thickness of the upper member (A) of the welded object. In cases like this, these problems can be prevented.
  • Figure 3 is a diagram showing the horn 5 included in the ultrasonic welding device 3 according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram showing an ultrasonic welding device 3 and a first member A according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of protrusions T may be provided regularly at regular intervals n.
  • a plurality of protrusions (T) may be provided regularly at regular intervals (n) along the X and Y axes with other adjacent protrusions (T).
  • the plurality of protrusions T may have a square shape.
  • the plurality of protrusions (T) may be provided to make point contact with adjacent protrusions (T) as shown in (a) of FIG. 3, or may be provided to make line contact with adjacent protrusions (T) as shown in (b) of FIG. 3.
  • the constant interval (n) may be the distance between the protruding end portions along the negative Z-axis direction of adjacent protrusions (T).
  • Each of the plurality of protrusions T may be configured to have a narrower cross-sectional area in the direction toward the first member A (negative Z-axis direction).
  • Each of the plurality of protrusions (T) may be a polygonal pyramid.
  • each of the plurality of protrusions T may be a square pyramid as shown in FIG. 3 .
  • Each of the plurality of protrusions (T) may be inclined to have a certain angle ( ⁇ ) with respect to the first member (A).
  • ⁇ angle
  • the angle that the corners of the rectangular pyramid have with respect to the XY plane may be a certain angle ⁇ .
  • each of the plurality of protrusions T may have a rectangular pyramid as shown in FIG. 4, and the angle of its corner with respect to the XY plane may be 45 degrees.
  • the length of each of the plurality of protrusions (T) protruding toward the first member (A) may satisfy Equation 1.
  • the arrangement of the plurality of protrusions T can be changed according to the friction force required for ultrasonic welding.
  • the arrangement of the plurality of protrusions (T) increases the angle ( ⁇ ) at a certain distance when a large amount of friction is required.
  • (n) is reduced to increase the density of the plurality of protrusions (T) on the knurled part (N).
  • a certain angle ( ⁇ ) is made small and a certain gap is increased to increase the density of the plurality of protrusions (T) on the knurled part (N).
  • the density of the plurality of protrusions (T) can be lowered.
  • Figure 5 is a diagram showing the horn 5 included in the ultrasonic welding device 3 according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram showing an ultrasonic welding device 3 and a first member A according to another embodiment of the present invention.
  • the ends of the plurality of protrusions (T) protruding toward the first member (A) are cut to a certain length (l) along a plane parallel to the first member (A) to form a flat surface. It can be configured to form.
  • the constant length l may be the vertical distance from the flat surface formed by cutting along the negative direction of the Z-axis to the protruding end before cutting.
  • Each of the plurality of protrusions T may be a polygonal pyramid formed by cutting the end of the polygonal pyramid to a certain length along a plane parallel to the XY plane.
  • each of the plurality of protrusions T may be a rectangular pyramid.
  • a certain length (m) of each of the plurality of protrusions (T) protruding toward the first member (A) is obtained by cutting the end protruding toward the first member (A) along a plane parallel to the first member (A).
  • the value minus the length (l) may be greater than or equal to the thickness of the first member (A). Even in this case, Equation 1 above can be satisfied.
  • the present invention when welding the thin upper member (A), it is possible to prevent the upper member (A) from being torn due to the plurality of sharp protrusions (T). Under the assumption that the value obtained by subtracting the certain length (l) from the protruding length (m) is greater than or equal to the thickness of the upper member (A) of the welded object, the certain length (l) to be cut is adjusted according to the friction force required for ultrasonic welding. The area where the plurality of protrusions (T) contact the upper member can be adjusted.
  • FIGS 7 to 9 are photographs of the upper member (A) of the welded objects welded by the ultrasonic welding device (3) according to the present invention.
  • Figure 7 is a photograph of the ultrasonic welded upper member (A) when the protruding length (m) is 0.4 mm, the constant length (l) is 0.07 mm, and the thickness of the upper member is 0.3 mm.
  • Figure 8 is a photograph of the ultrasonic welded upper member (A) when the protruding length (m) is 0.6 mm, the constant length (l) is 0.07 mm, and the thickness of the upper member is 0.3 mm.
  • Figure 9 is a photograph of the ultrasonic welded upper member (A) when the protruding length (m) is 0.6 mm, the constant length (l) is 0.07 mm, and the thickness of the upper member is 0.3 mm.
  • Figure 10 is a graph showing the tensile strength of the welded portion for each condition after ultrasonic welding under certain conditions.
  • the tensile strength of the welded portion was sufficiently secured under the condition that the protruding length (m) was set larger than the thickness of the upper member, but there were cases where this was not the case depending on the pressing force and pressing time.
  • the standard for ensuring sufficient tensile strength of the weld zone is approximately 0.5 compared to the tensile strength of the base material.
  • the graph in Figure 10 is based on 15.5Kgf, which is approximately 0.5 of 31Kgf, which is the tensile strength of the upper member.
  • the tensile strength of the weld zone is equal to the pressing force, except when the pressing force is 0.15 Mpa and the pressing time is 0.07 seconds or less. and was high without being affected by the pressurization time. In the case of other conditions, it was seen that the tensile strength of the weld zone was not sufficiently secured in a wide range of pressing force and pressing time.
  • a preferred embodiment of the ultrasonic welding device 3 according to the present invention may be a case where the protruding length (m) is approximately 1.33 times or more and approximately 2 times or less the thickness of the upper member (A).
  • a preferred embodiment of the ultrasonic welding device 3 according to the present invention may be a case where the protruding length (m) is approximately 1.5 times or more and approximately 1.8 times or less the thickness of the upper member (A).
  • a preferred embodiment of the ultrasonic welding device 3 according to the present invention may be a case where the certain length l is approximately 0.117 or more and approximately 0.175 or less of the protruding length m.
  • a preferred embodiment of the ultrasonic welding device 3 according to the present invention may be a case where the predetermined length l is approximately 0.13 or more and approximately 0.15 or less of the protruding length m.
  • Figure 11 is a diagram showing an ultrasonic welding system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a diagram showing a first current collector included in the ultrasonic welding system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a cross-sectional view schematically showing a cross-section taken along line C-C' of Figure 12.
  • the ultrasonic welding system 1 may include an electrode assembly 10, a current collector 30, a terminal 40, and an ultrasonic welding device 3.
  • the electrode assembly 10 may include a first electrode having a first polarity, a second electrode having a second polarity, and a separator interposed between the first electrode and the second electrode.
  • the first electrode may be a cathode or an anode
  • the second electrode may correspond to an electrode having a polarity opposite to that of the first electrode.
  • the electrode assembly 10 may be manufactured by winding a laminate formed by sequentially stacking a first electrode, a separator, a second electrode, and a separator at least once. That is, the electrode assembly 10 applied to the present invention may be a jelly-roll type electrode assembly 10.
  • This jelly-roll type electrode assembly 10 may be provided with a central hole C formed at approximately the center thereof and extending along the height direction (direction parallel to the Z axis).
  • the first electrode may include a first electrode plate and a first electrode active material layer formed by applying a first electrode active material on at least one surface of the first electrode plate.
  • the second electrode may include a second electrode plate and a second active material layer formed by applying a second electrode active material on at least one surface of the second electrode plate.
  • the first electrode may include a first uncoated region 11 in which no positive electrode active material or negative electrode active material is applied to the electrode plate.
  • the second electrode may include a second uncoated portion in which no positive electrode active material or negative electrode active material is applied to the electrode plate. At least a portion of the first uncoated portion 11 may function as a first electrode tab, and at least a portion of the second uncoated portion 11 may function as a second electrode tab.
  • the first uncoated portion 11 may include a plurality of segment pieces divided along the winding direction of the electrode assembly 10.
  • the plurality of segment pieces may be bent along the radial direction of the electrode assembly 10.
  • a plurality of banded segments may be overlapped in multiple layers.
  • the current collector 30, which will be described later, may be coupled to an area where a plurality of segment pieces overlap in multiple layers.
  • the current collector 30 may be coupled to one side of the electrode assembly 10.
  • the current collector 30 may include a first coupling portion 31 coupled to the electrode assembly 10 and a second coupling portion 32 coupled to a terminal 40 to be described later.
  • the first coupling portion 31 may be disposed on one side of the electrode assembly 10.
  • the first coupling portion 31 may be coupled to the first uncoated portion 11.
  • the first coupling portion 31 may be coupled to the first uncoated portion 11 by laser welding.
  • the first coupling portion 31 may include a laser welding portion L that is laser welded to the first uncoated portion 11.
  • a plurality of first coupling portions 31 may be provided.
  • the second coupling portion 32 may be coupled to the terminal 40.
  • the second coupling portion 32 may be coupled to the terminal 40 by ultrasonic welding.
  • the second coupling portion 32 may include an ultrasonic welding portion (U) coupled to the terminal 40.
  • the entire second coupling portion 32 may be an ultrasonic welding portion (U), and approximately the center portion of the second coupling portion 32 may be an ultrasonic welding portion (U).
  • At least a portion of the second coupling portion 32 may be formed to be thinner than the thickness of the first coupling portion 31 .
  • This thickness reduction area having a relatively thin thickness may include an ultrasonic welding portion (U).
  • the thickness of the thickness reduction area may be approximately 50% or more and less than 90% of the thickness of the first coupling portion 31.
  • the terminal 40 includes a terminal exposure portion 41 and a terminal insertion portion 42.
  • the terminal exposure portion 41 is exposed to the outside of the battery housing.
  • the terminal exposed portion 41 may be located approximately at the center of the closed portion of the housing 20.
  • the terminal insertion portion 42 may be coupled to the second coupling portion 32 of the current collector 30.
  • the terminal insertion portion 42 may be coupled to the current collector 30 by ultrasonic welding at a position corresponding to the center hole C of the electrode assembly 10.
  • the ultrasonic welding device 3 can ultrasonic weld the current collector 30 and the terminal 40.
  • the ultrasonic welding device 3 may include a horn 5 that pressurizes the current collector 30.
  • the ultrasonic welding device 3 may include an anvil 7 that supports the terminal 40.
  • the ultrasonic welding device 3 may be provided with a plurality of protrusions T protruding toward the current collector 30, each of which has a length equal to or greater than the thickness of the current collector 30.
  • the thickness of the current collector 30 may refer to the thickness of the portion of the current collector 30 where ultrasonic welding occurs. In other words, it may mean the thickness of the ultrasonic welding portion (U) of the second coupling portion 32 of the current collector 30.
  • the horn 5 of the ultrasonic welding device 3 can be inserted into the center hole C of the electrode assembly 10 to perform welding between the current collector 30 and the terminal 40.
  • Ultrasonic welding is welded by generating vibrational friction heat between the upper member and the lower member due to ultrasonic vibration generated by the ultrasonic welding device 3. Therefore, if the second coupling portion 32 is too thick, ultrasonic vibrations generated by the ultrasonic welding device 3 may not be transmitted well, so welding strength may not be secured. Therefore, in order to secure welding strength during ultrasonic welding, the second coupling portion 32 must have a predetermined thickness or less.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 것을 방지하도록 구성된 초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 초음파 용접 장치는 제1 부재와 제2 부재를 초음파 용접하기 위하여 상기 제1 부재를 가압하는 혼을 포함하고, 상기 혼은 상기 제1 부재에 요철 형상을 만들기 위하여 상기 제1 부재를 향해 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 구비하는 널링부를 포함하고, 상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같을 수 있다.

Description

초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템
본 발명은 초음파 용접 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 것을 방지하도록 구성된 초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 08월 16일에 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2022-0101926호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 로봇, 전기 자전거(E-bike), 전기 자동차(Electric Vehicle, EV) 등의 상용화가 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
한편, 이차 전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리가 알려져 있다. 원통형 배터리의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적 연결시키기 위해서 단자와 용접에 의하여 결합된다.
이와 같은 용접에는 레이저 용접 및 초음파 용접 등의 방법이 사용되고 있다.
그 중 레이저 용접은 용접부에 레이저 빔을 조사하면, 레이저 빔의 에너지에 의하여 용접부가 용융되고, 이후 용융된 부분이 응고되면서 접합되는 방법이다.
한편, 초음파 용접은 용접부에 하중을 가하면서 초음파 진동을 부가하여 진동 마찰열을 발생시켜 접합하는 방법으로, 금속만 아니라 비금속을 비롯한 이종재료에까지 그 적용범위가 넓다. 이러한 초음파 용접을 위해 혼과 엔빌이 사용된다. 혼은 마찰력을 높이기 위해 피용접물을 향해 돌출된 복수개의 돌기를 포함하는 널링부를 포함한다.
그러나, 종래에는 널링부의 형상에 따라 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 문제를 해결할 수 있도록 구성된 초음파 용접 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명에 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치는, 제1 부재와 제2 부재를 초음파 용접하기 위하여 상기 제1 부재를 가압하는 혼을 포함하고,
상기 혼은 상기 제1 부재에 요철 형상을 만들기 위하여 상기 제1 부재를 향해 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 구비하는 널링부를 포함하고,
상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같을 수 있다.
상기 복수개의 돌기는, 일정 간격(n)을 두고 규칙적으로 구비될 수 있다.
상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향하는 방향으로 갈수록 단면적이 좁아지도록 구성될 수 있다.
상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재에 대하여 일정 각도(θ)를 갖도록 경사질 수 있다.
상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 하기 수식 1을 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2023012131-appb-img-000001
상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향해 돌출된 단부가 상기 제1 부재와 평행한 면을 따라 일정 길이(l) 절단되어 평탄면을 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 돌출된 길이(m)에서 상기 일정 길이(l)를 뺀 값이 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같을 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 용접 시스템은, 전극 조립체; 전극 조립체의 일 측에 결합되는 집전체; 상기 집전체와 전기적으로 결합되는 단자; 및 상기 집전체와 상기 단자를 초음파 용접하는 초음파 용접 장치를 포함하고,
상기 초음파 용접 장치는, 상기 집전체를 향하여 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 포함하고,
상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 집전체를 향해 돌출된 길이가 상기 집전체의 두께보다 크거나 같을 수 있다.
상기 전극 조립체는 중심 홀을 구비하고, 상기 집전체는 상기 중심 홀에 대응되는 위치에서 단자와 결합하는 제2 결합부를 포함할 수 있다.
상기 집전체는, 상기 전극 조립체와 결합하는 제1 결합부 및 적어도 일부가 상기 제1 결합부의 두께보다 얇게 형성된 제2 결합부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 피용접물의 표면에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 것을 방지할 수 있다. 도 2를 다시 참조하여 보다 자세히 설명하도록 한다. 초음파 용접을 수행하기 위해서는 복수개의 돌기가 피용접물 중 상부 부재와 맞닿은 상태로 일정 하중으로 가압하고, 동시에 초음파를 인가시켜야 한다. 복수개의 돌기가 피용접물 중 상부 부재와 두께보다 작은 경우에는 일정 하중으로 가압하는 과정에서 복수개의 돌기 사이에서도 상부 부재가 맞닿게 된다. 따라서 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에도 연화가 발생하여 용접 강도에 영향을 미치게 되는 되지만, 본 발명처럼 복수개의 돌기가 피용접물 중 상부 부재의 두께보다 크거나 같은 경우는 이러한 문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 초음파 용접에 필요한 마찰력에 따라 복수개의 돌기의 배치를 변경할 수 있다. 돌출된 길이가 피용접물 중 상부 부재의 두께보다 크거나 같다는 가정 하에, 복수개의 돌기의 배치는 마찰력이 많이 필요한 경우에는 일정 각도를 크게 하고, 일정 간격을 작게 하여 널링부에 복수개의 돌기의 밀도를 높게하고, 마찰력이 적게 필요한 경우에는 일정 각도를 작게 하고, 일정 간격을 크게 하여 널링부에 복수개의 돌기의 밀도를 낮게할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 얇은 상부 부재를 용접하는 경우에 뾰족한 복수개의 돌기로 인하여 상부 부재가 찢어지는 것을 방지할 수 있다. 돌출된 길이에서 일정 길이를 뺀 값이 피용접물 중 상부 부재의 두께보다 크거나 같다는 가정 하에, 초음파 용접에 필요한 마찰력에 따라 절단하는 일정 길이를 조절하여 복수개의 돌기가 상부 부재와 닿는 면적을 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치 및 피용접물을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치의 초음파 용접 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치에 포함되는 혼을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치 및 제1 부재를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 용접 장치에 포함되는 혼을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 용접 장치 및 제1 부재를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 초음파 용접 장치에 의해 용접된 피용접물 중 상부 부재의 사진이다.
도 10은 일정 조건에서 초음파 용접한 후 각 조건별 용접부의 인장 강도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 시스템을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 시스템에 포함되는 제1 집전체를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12의 C-C' 선을 따라 자른 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다. 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께, 비율, 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 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.
본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3) 및 피용접물(A, B)을 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3) 의 초음파 용접 과정을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)는 혼(5)을 포함한다.
혼(5)은 제1 부재(A)에 요철 형상을 만들 수 있다. 혼(5)은 제1 부재(A)에 맞닿은 상태로 일정 하중으로 가압하고, 동시에 초음파를 인가시킴으로써 제1 부재(A)와 제2 부재(B)를 초음파 용접할 수 있다. 혼(5)은 제1 부재(A)를 향해 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기(T)를 구비하는 널링부(N)를 포함할 수 있다. 복수개의 돌기(T)는 제1 부재(A)에 맞닿은 상태로 일정 하중으로 가압하고, 동시에 초음파를 인가시킴으로써 제1 부재(A)와 제2 부재(B)를 초음파 용접할 수 있다. 다만, 본 발명에 제1 부재(A)와 제2 부재(B)만을 초음파 용접하는 것을 한정하는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)는 2개 이상의 부재를 초음파 용접할 수도 있다.
복수개의 돌기(T) 각각은 제1 부재(A)를 향해 돌출된 길이(m)가 제1 부재(A)의 두께(d)보다 크거나 같을 수 있다. 돌출된 길이(m)는 Z축의 음의 방향을 따라 혼(5)의 일면으로부터 돌출된 최단부까지의 수직 거리일 수 있다.
다만, 복수개의 돌기(T) 각각이 Z축 방향에 있어서 혼(5)의 일면으로부터 형성되기 시작하는 높이는 같고, Z축 음의 방향으로 돌출된 길이(m)가 각각 다르게 형성되는 경우에는 복수개의 돌기(T) 각각의 돌출된 길이(m)의 최대값이 제1 부재(A)의 두께(d)보다 크거나 같을 수 있다.
본 발명의 이러한 구조에 의하면, 피용접물 중 상부 부재(A)의 표면에 연화가 발생하거나 피용접물 중 상부 부재(A)가 휘는 것을 방지할 수 있다. 도 2를 다시 참조하여 보다 자세히 설명하도록 한다. 초음파 용접을 수행하기 위해서는 복수개의 돌기(T)가 피용접물 중 상부 부재(A)와 맞닿은 상태로 일정 하중으로 가압하고, 동시에 초음파를 인가시켜야 한다. 복수개의 돌기(T)가 피용접물 중 상부 부재(A)의 두께보다 작은 경우에는 일정 하중으로 가압하는 과정에서 복수개의 돌기(T) 사이에서도 상부 부재가 맞닿게 된다. 따라서 피용접물의 상부 부재(A) 표면의 원하지 않는 부분에도 연화가 발생하여 용접 강도에 영향을 미치게 되는 되지만, 본 발명처럼 복수개의 돌기(T)가 피용접물 중 상부 부재(A)의 두께보다 크거나 같은 경우는 이러한 문제를 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3)에 포함되는 혼(5)을 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3) 및 제1 부재(A)를 나타낸 도면이다
도 3 및 도 4를 참조하면, 복수개의 돌기(T)는 일정 간격(n)을 두고 규칙적으로 구비될 수 있다. 복수개의 돌기(T)는 인접하는 다른 돌기(T)와 X축 및 Y축을 따라 일정 간격(n)을 두고 규칙적으로 구비될 수 있다. 복수개의 돌기(T)는 정사각형 형상일 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T)는 도 3의 (a)처럼 인접하는 돌기(T)와 점 접촉하도록 구비되거나, 도 3의 (b)처럼 인접하는 돌기(T)와 선 접촉하도록 구비될 수 있다. 이 경우, 일정 간격(n)은 인접하는 돌기(T)의 Z축 음의 방향을 따라 돌출된 최단부 사이의 거리일 수 있다.
복수개의 돌기(T) 각각은 제1 부재(A)를 향하는 방향(Z축 음의 방향)으로 갈수록 단면적이 좁아지도록 구성될 수 있다. 복수개의 돌기(T) 각각은 다각뿔일 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T) 각각은 도 3에 도시된 바와 같이 정사각뿔일 수 있다.
복수개의 돌기(T) 각각은 제1 부재(A)에 대하여 일정 각도(θ)를 갖도록 경사질 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T) 각각이 직사각뿔을 갖는 경우, 직사각뿔의 모서리가 XY평면에 대하여 갖는 각도가 일정 각도(θ) 일 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T) 각각은 도 4에 도시된 바와 같이 직사각뿔을 갖고, 그 모서리가 XY 평면에 대하여 갖는 각도가 45도일 수 있다.
복수개의 돌기(T) 각각의 제1 부재(A)를 향해 돌출된 길이는 수식 1을 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2023012131-appb-img-000002
본 발명의 이러한 구조에 의하면, 초음파 용접에 필요한 마찰력에 따라 복수개의 돌기(T)의 배치를 변경할 수 있다. 돌출된 길이(m)가 피용접물 중 상부 부재(A)의 두께보다 크거나 같다는 가정 하에, 복수개의 돌기(T)의 배치는 마찰력이 많이 필요한 경우에는 일정 각도(θ)를 크게 하고, 일정 간격(n)을 작게 하여 널링부(N)에 복수개의 돌기(T)의 밀도를 높게 하고, 마찰력이 적게 필요한 경우에는 일정 각도(θ)를 작게 하고, 일정 간격을 크게 하여 널링부(N)에 복수개의 돌기(T)의 밀도를 낮게 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3)에 포함되는 혼(5)을 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3) 및 제1 부재(A)를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 복수개의 돌기(T)는 제1 부재(A)를 향해 돌출된 단부가 제1 부재(A)와 평행한 면을 따라 일정 길이(l) 절단되어 평탄면을 형성하도록 구성될 수 있다. 일정 길이(l)는 Z축의 음의 방향을 따라 절단되어 형성된 평탄면으로부터 절단되기 전의 돌출된 최단부까지의 수직 거리일 수 있다.
복수개의 돌기(T) 각각은 다각뿔의 단부를 XY 평면과 평행한 면을 따라 일정 길이 절단하여 형성된 다각뿔대일 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T) 각각은 직사각뿔대일 수 있다.
복수개의 돌기(T) 각각의 제1 부재(A)를 향해 돌출된 길이(m)에서 제1 부재(A)를 향해 돌출된 단부를 제1 부재(A)와 평행한 면을 따라 절단한 일정 길이(l)를 뺀 값은 제1 부재(A)의 두께보다 크거나 같을 수 있다. 이 경우에도 상기 수식 1을 만족할 수 있다.
본 발명의 이러한 구조에 의하면, 얇은 상부 부재(A)를 용접하는 경우에 뾰족한 복수개의 돌기(T)로 인하여 상부 부재(A)가 찢어지는 것을 방지할 수 있다. 돌출된 길이(m)에서 일정 길이(l)를 뺀 값이 피용접물 중 상부 부재(A)의 두께보다 크거나 같다는 가정 하에, 초음파 용접에 필요한 마찰력에 따라 절단하는 일정 길이(l)를 조절하여 복수개의 돌기(T)가 상부 부재와 닿는 면적을 조절할 수 있다.
위에서 상술한 본 발명의 효과는 도 7 내지 도 9에 나타난다. 도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)에 의해 용접된 피용접물 중 상부 부재(A)의 사진이다.
도 7은 돌출된 길이(m)가 0.4mm, 일정 길이(l)가 0.07mm, 상부 부재의 두께가 0.3mm인 경우에 초음파 용접이 된 상부 부재(A)의 사진이다. 도 8은 돌출된 길이(m)가 0.6mm, 일정 길이(l)가 0.07mm, 상부 부재의 두께가 0.3mm인 경우에 초음파 용접이 된 상부 부재(A)의 사진이다. 도 9는 돌출된 길이(m)가 0.6mm, 일정 길이(l)가 0.07mm, 상부 부재의 두께가 0.3mm인 경우에 초음파 용접이 된 상부 부재(A)의 사진이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 상부 부재가 복수개의 돌기(T)와 맞닿는 부분 이외에 다른 부분에 연화가 발생하거나 주변부가 휜 모습을 발견할 수 없다.
도 10은 일정 조건에서 초음파 용접한 후 각 조건별 용접부의 인장 강도를 나타낸 그래프이다.
도 10에 도시된 그래프는 X축이 가압 시간(단위:초)을 의미하며, Y축이 가압력(단위:Mpa)을 의미하며, 각 조건별로 초음파 용접 이후 용접부의 인장 강도에 따라 이를 등고선으로 나타낸 그래프이다.
도 10을 참고하면, 돌출된 길이(m)가 상부 부재의 두께보다 크게 설정된 조건에서 용접부의 인장 강도가 충분히 확보되었지만, 가압력 및 가압 시간에 따라 그렇지 않는 경우도 있었다. 용접부의 인장 강도가 충분히 확보됨에 대한 기준은 모재의 인장 강도 대비 대략 0.5 수준으로 한다. 도 10의 그래프에서는 상부 부재의 인장 강도인 31Kgf의 대략 0.5인 15.5Kgf를 그 기준으로 한다.
돌출된 길이(m)가 0.6mm, 일정 길이(l)가 0.07mm, 상부 부재의 두께가 0.3mm인 경우에 가압력이 0.15Mpa, 가압 시간이 0.07초 이하인 경우를 제외하고 용접부의 인장 강도가 가압력 및 가압 시간에 영향 받지 않고 높게 나왔다. 다른 조건의 경우 가압력 및 가압 시간의 광범위한 영역에서 용접부의 인장 강도가 충분히 확보되지 않는 것을 볼 수 있었다.
본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)에 있어서 바람직한 실시예는 돌출된 길이(m)가 상부 부재(A)의 두께의 대략 1.33배 이상, 대략 2배 이하인 경우일 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)에 있어서 바람직한 실시예는 돌출된 길이(m)가 상부 부재(A)의 두께의 대략 1.5배 이상, 대략 1.8배 이하인 경우일 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)에 있어서 바람직한 실시예는 일정 길이(l)가 돌출된 길이(m)의 대략 0.117 이상, 대략 0.175 이하인 경우일 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)에 있어서 바람직한 실시예는 일정 길이(l)가 돌출된 길이(m)의 대략 0.13 이상, 대략 0.15 이하인 경우일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 시스템(1)을 나타낸 도면이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 시스템(1)에 포함되는 제1 집전체를 나타내는 도면이다. 도 13은 도 12의 C-C' 선을 따라 자른 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 용접 시스템(1)은 전극 조립체(10), 집전체(30), 단자(40) 및 초음파 용접 장치(3)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(10)는 제1 극성을 갖는 제1 전극, 제2 극성을 갖는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함할 수 있다. 제1 전극은 음극 또는 양극이고, 제2 전극은 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당할 수 있다. 전극 조립체(10)는 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 즉, 본 발명에 적용되는 전극 조립체(10)는, 젤리-롤 타입의 전극 조립체(10)일 수 있다.
이러한 젤리-롤 타입의 전극 조립체(10)는, 대략 그 중심부에 형성되어 높이 방향(Z 축과 나란한 방향)을 따라 연장되는 중심 홀(C)을 구비할 수 있다.
제1 전극은 제1 전극판 및 제1 전극판의 적어도 일 면 상에 제1 전극 활물질이 도포되어 형성되는 제1 전극 활물질 층을 포함할 수 있다. 제2 전극은 제2 전극판 및 제2 전극판의 적어도 일 면 상에 제2 전극 활물질이 도포되어 형성되는 제2 활물질 층을 포함할 수 있다. 제1 전극은 전극판에 양극 활물질 또는 음극 활물질이 도포되지 않은 제1 무지부(11)를 포함할 수 있다. 제 2 전극은 전극판에 양극 활물질 또는 음극 활물질이 도포되지 않은 제2 무지부를 포함할 수 있다. 제1 무지부(11)의 적어도 일부는 제1 전극 탭으로서 기능할 수 있고, 제2 무지부의 적어도 일부는 제2 전극 탭으로서 기능할 수 있다.
한편, 제1 무지부(11)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 분절편은, 전극 조립체(10) 의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다. 밴딩된 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 후술할 집전체(30)는, 복수의 분절편이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다.
집전체(30)는 전극 조립체(10)의 일 측에서 결합될 수 있다. 집전체(30)는 전극 조립체(10)와 결합되는 제1 결합부(31)와 후술할 단자(40)와 결합되는 제2 결합부(32)를 구비할 수 있다.
제1 결합부(31)는 전극 조립체(10)의 일 면 상에 배치될 수 있다. 제1 결합부(31)는 제1 무지부(11)와 결합될 수 있다. 제1 결합부(31)는 제1 무지부(11)와 레이저 용접에 의하여 결합될 수 있다. 제1 결합부(31)는 제1 무지부(11)와 레이저 용접되는 레이저 용접부(L)를 구비할 수 있다. 제1 결합부(31)는 복수개 구비될 수 있다.
제2 결합부(32)는 단자(40)와 결합될 수 있다. 제2 결합부(32)는 단자(40)와 초음파 용접에 의하여 결합될 수 있다. 제2 결합부(32)는 단자(40)와 결합되는 초음파 용접부(U)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 제2 결합부(32)의 전체가 초음파 용접부(U)일 수 있으며, 제2 결합부(32)의 대략 중심 부분이 초음파 용접부(U)일 수도 있다.
제2 결합부(32)는 적어도 일부가 제1 결합부(31)의 두께보다 얇게 형성될 수 있다. 이처럼 상대적으로 얇은 두께를 갖는 두께 감소 영역은 초음파 용접부(U)를 포함할 수 있다. 상기 두께 감소 영역의 두께는 제1 결합부(31)의 두께의 대략 50%이상 90% 미만일 수 있다.
단자(40)는 단자 노출부(41) 및 단자 삽입부(42)를 포함한다. 단자 노출부(41)는 배터리 하우징의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(41)는, 하우징(20)의 폐쇄부의 대략 중심부에 위치할 수 있다.
단자 삽입부(42)는 집전체(30)의 제2 결합부(32)와 결합될 수 있다. 단자 삽입부(42)는 전극 조립체(10)의 중심 홀(C)에 대응되는 위치에서 집전체(30)와 초음파 용접되어 결합될 수 있다.
집전체(30)와 단자(40)는 레이저 용접에 비하여 설비가 저렴하고, 레이저 용접에 비하여 열변형이 적어 용접 후, 전기저항이 낮다는 장점을 가진 초음파 용접에 의하여 용접하는 것이 유리하다. 또한, 용접 공정에 있어서도 레이저 용접은 레이저 초점 확보를 위해서 중심 홀(C)의 사이즈를 일정 크기 이상 확보해야 하지만, 초음파 용접은 중심 홀(C)의 사이즈에 대응되는 혼(5)을 삽입하여 용접 공정을 수행할 수 있다.
초음파 용접 장치(3)는 집전체(30)와 단자(40)를 초음파 용접할 수 있다. 초음파 용접 장치(3)는 집전체(30)를 가압하는 혼(5)을 포함할 수 있다. 초음파 용접 장치(3)는 단자(40)를 지지하는 엔빌(7)을 포함할 수 있다. 초음파 용접 장치(3)는 집전체(30)를 향하여 돌출된 각각의 길이가 집전체(30)의 두께와 같거나 더 큰 복수개의 돌기(T)를 구비할 수 있다. 집전체(30)의 두께는 집전체(30)에서 초음파 용접이 일어나는 부분에서의 두께를 의미할 수 있다. 즉, 집전체(30)의 제2 결합부(32)의 초음파 용접부(U)의 두께를 의미할 수 있다. 초음파 용접 장치(3)의 혼(5)은 전극 조립체(10)의 중심 홀(C)에 삽입되어 집전체(30)와 단자(40) 사이의 용접을 수행할 수 있다.
초음파 용접은 초음파 용접 장치(3)가 발생시키는 초음파 진동에 의하여 상부 부재와 하부 부재 사이에 진동 마찰열이 발생하여 용접이 된다. 따라서 제2 결합부(32)가 지나치게 두꺼울 경우, 초음파 용접 장치(3)에 의한 초음파 진동이 잘 전달되지 않아 용접 강도가 확보되지 않을 수 있다. 따라서 초음파 용접시 용접 강도 확보를 위해서는 제2 결합부(32)는 소정의 두께 이하이어야 한다.
따라서 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 초음파 용접 효율을 위하여 얇게 구성해야 하는 제2 결합부(32)와 단자(40)를 초음파 용접을 하게되면 제2 결합부(32)의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 주변부가 들뜨거나 찢어지는 문제가 발생할 수 있다. 다만, 상술한 본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)에 의하면 이러한 문제를 방지할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
1 초음파 용접 시스템
3 초음파 용접 장치
5 혼
N 널링부
T 복수개의 돌기
7 엔빌
A 제1 부재
B 제2 부재
10 전극 조립체
11 제1 무지부
C 중심홀
30 집전체
31 제1 결합부
L 레이저 용접부
32 제2 결합부
U 초음파 용접부
40 단자
41 단자 노출부
42 단자 삽입부

Claims (10)

  1. 제1 부재와 제2 부재를 초음파 용접하기 위하여 상기 제1 부재를 가압하는 혼을 포함하는 초음파 장치에 있어서,
    상기 혼은 상기 제1 부재에 요철 형상을 만들기 위하여 상기 제1 부재를 향해 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 구비하는 널링부를 포함하고,
    상기 복수개의 돌기 각각은,
    상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수개의 돌기는,
    일정 간격(n)을 두고 규칙적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수개의 돌기 각각은,
    상기 제1 부재를 향하는 방향으로 갈수록 단면적이 좁아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수개의 돌기 각각은,
    상기 제1 부재에 대하여 일정 각도(θ)를 갖도록 경사지는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 복수개의 돌기 각각은,
    상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 하기 수식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
    Figure PCTKR2023012131-appb-img-000003
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 복수개의 돌기 각각은,
    상기 제1 부재를 향해 돌출된 단부가 상기 제1 부재와 평행한 면을 따라 일정 길이(l) 절단되어 평탄면을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 복수개의 돌기 각각은,
    상기 돌출된 길이(m)에서 상기 일정 길이(l)를 뺀 값이 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
  8. 전극 조립체;
    전극 조립체의 일 측에 결합되는 집전체;
    상기 집전체와 전기적으로 결합되는 단자; 및
    상기 집전체와 상기 단자를 초음파 용접하는 초음파 용접 장치를 포함하는 초음파 용접 시스템에 있어서,
    상기 초음파 용접 장치는,
    상기 집전체를 향하여 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 포함하고,
    상기 복수개의 돌기 각각은,
    상기 집전체를 향해 돌출된 길이가 상기 집전체의 두께보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 중심 홀을 구비하고,
    상기 집전체는 상기 중심 홀에 대응되는 위치에서 단자와 결합하는 제2 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 집전체는,
    상기 전극 조립체와 결합하는 제1 결합부 및 적어도 일부가 상기 제1 결합부의 두께보다 얇게 형성된 제2 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
PCT/KR2023/012131 2022-08-16 2023-08-16 초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템 WO2024039186A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20220101926 2022-08-16
KR10-2022-0101926 2022-08-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024039186A1 true WO2024039186A1 (ko) 2024-02-22

Family

ID=89941944

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/012131 WO2024039186A1 (ko) 2022-08-16 2023-08-16 초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20240024034A (ko)
WO (1) WO2024039186A1 (ko)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140110353A (ko) * 2013-03-07 2014-09-17 삼성에스디아이 주식회사 초음파 혼 및 이를 사용하여 제조된 이차 전지
KR20160010954A (ko) * 2014-07-21 2016-01-29 주식회사 엘지화학 전극 탭의 용접성을 향상시키기 위한 용접장치
JP2016052670A (ja) * 2014-09-03 2016-04-14 ニチコン株式会社 超音波溶接ホーン、電解コンデンサの製造方法および電解コンデンサ
JP2018157082A (ja) * 2017-03-17 2018-10-04 セイコーインスツル株式会社 電子デバイス及び電子デバイスの製造方法
CN113787251A (zh) * 2021-09-10 2021-12-14 惠州亿纬锂能股份有限公司 一种超声焊焊齿结构、超声焊焊头及超声焊接设备
KR20220107132A (ko) * 2021-01-19 2022-08-02 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 및 이에 적용되는 집전체, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140110353A (ko) * 2013-03-07 2014-09-17 삼성에스디아이 주식회사 초음파 혼 및 이를 사용하여 제조된 이차 전지
KR20160010954A (ko) * 2014-07-21 2016-01-29 주식회사 엘지화학 전극 탭의 용접성을 향상시키기 위한 용접장치
JP2016052670A (ja) * 2014-09-03 2016-04-14 ニチコン株式会社 超音波溶接ホーン、電解コンデンサの製造方法および電解コンデンサ
JP2018157082A (ja) * 2017-03-17 2018-10-04 セイコーインスツル株式会社 電子デバイス及び電子デバイスの製造方法
KR20220107132A (ko) * 2021-01-19 2022-08-02 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 및 이에 적용되는 집전체, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
CN113787251A (zh) * 2021-09-10 2021-12-14 惠州亿纬锂能股份有限公司 一种超声焊焊齿结构、超声焊焊头及超声焊接设备

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240024034A (ko) 2024-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019203426A1 (ko) 버스바를 구비한 배터리 모듈 및 배터리 팩
WO2019107735A1 (ko) 버스바 어셈블리를 구비한 배터리 모듈
WO2013180482A1 (ko) 전극탭 접합성이 우수한 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀, 디바이스 및 이의 제조방법
WO2011115464A2 (ko) 파우치형 케이스 및 이를 포함하는 전지팩
WO2012026705A2 (ko) 개선된 구조의 젤리-롤 및 이를 포함하는 이차전지
WO2015080466A1 (ko) 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩
WO2013180449A1 (ko) 전극 조립체, 전지셀, 전극 조립체의 제조방법 및 전지셀의 제조 방법
WO2018186659A1 (ko) 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2019245126A1 (ko) 버스바를 구비한 배터리 모듈 및 배터리 팩
WO2019245214A1 (ko) 이차 전지 및 버스바를 포함한 배터리 모듈
WO2021033943A1 (ko) 이차 전지
WO2011037346A2 (ko) 노치홈이 구비된 각형 이차전지
WO2018225920A1 (ko) 배터리 모듈
WO2021145624A1 (ko) 전극 탭 절곡 장치 및 방법
WO2018199439A1 (ko) 이차 전지
WO2020159116A1 (ko) 전극 탭 용접부의 압접부 크기가 상이한 전극조립체 및 이를 제조하는 초음파 용접 장치
WO2020067688A1 (ko) 이차 전지
WO2017188533A1 (ko) 멤브레인을 갖는 이차 전지
WO2020153570A1 (ko) 혼 및 용접 장치
WO2019050147A1 (ko) 전극탭의 용접 특성을 개선한 전극 및 이를 포함하는 이차전지
WO2021025374A1 (ko) 이동 가능한 버스바 조립체를 구비한 배터리 팩 및 이를 포함하는 이차전지
WO2018221836A1 (ko) 배터리 팩 및 이의 제조방법
WO2021071056A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
WO2024039186A1 (ko) 초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템
WO2023014071A1 (ko) 전극리드 일체형 전극조립체 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23855153

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1