WO2024253386A1 - 전지 캔과 집전판과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀 - Google Patents

전지 캔과 집전판과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a battery, and more specifically, to a welding structure of a battery can, a current collector plate, and a cap, and a battery cell using the same.
  • the process for manufacturing a battery cell using a cylindrical can includes the steps of deep drawing a metal sheet to form a can having a circular bottom portion and a circular tubular side wall member connected thereto, accommodating an electrode assembly therein, and then closing the open end of the side wall member with a cap.
  • a current collector plate is provided that contacts and is electrically connected to at least one electrode tab of the electrode assembly.
  • the current collector plate is connected to the cap or the side wall member by welding or the like so as to contact and be electrically connected to the cap or the side wall member.
  • the collector plate In the process of welding the above-described collector plate to the cap or side wall member, the collector plate can be maintained in a state of close contact with the cap or side wall member.
  • a jig for close contact between the collector plate and the cap or the collector plate and the side wall member may be required, and in addition, a mask for exposing the welding area may be required.
  • a space for accommodating the mask or jig can be provided inside the can.
  • this space remains empty after the mask or jig is removed, resulting in a problem in that the internal volume of the can cannot be efficiently utilized. This hinders increasing the energy density per unit volume of the can.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a welding structure of a battery can, a collector plate, and a cap, which enables a design to increase the energy density per unit volume of the can without wasting the internal space of the can when welding a collector plate provided on the open end of the can to the can by omitting a separate welding mask or jig, and a battery cell using the same.
  • the present invention aims to improve the production efficiency of cylindrical battery cells and reduce the production cost by integrating the process of welding the current collector plate to the can and the process of welding the cap to the side wall member into a single welding process.
  • the present invention seeks to increase the stability of the process by imparting the functions of a mask and a jig to the can, the collector plate, and the cap.
  • the present invention seeks to provide a welding structure of a can, a collector plate, and a cap that minimizes generation of welding heat, thereby simplifying the assembly process of the collector plate and the cap while not adversely affecting the electrode assembly.
  • the above-described task can be solved by forming a first weld by welding the can, the collector plate and the cap together along a line capable of securing the required internal resistance during a temporary welding, preliminary welding or provisional welding process for fixing the position of the cap on the can prior to welding, and forming a second weld by seam-welding the can and the cap during the main welding process for sealing the can.
  • a battery cell may include a can, an electrode assembly, a collector plate, a cap, and the like.
  • the can may have a sidewall surrounding an interior volume and defining an opening in the interior volume at a first end of the can along a central longitudinal axis.
  • the electrode assembly may be accommodated within the interior volume of the can.
  • the cap may cover the opening of the can so as to surround the interior volume.
  • the collector plate may be electrically connected to an electrode of the electrode assembly.
  • the collector plate may include a peripheral portion contacting the sidewall so as to be electrically connected to the can.
  • a triple weld may be provided joining the sidewall along the opening, the edge of the cap, and the peripheral portion of the collector plate together.
  • the triple weld may be formed along each of a plurality of first welds.
  • the plurality of first welds may be spaced apart from each other along a peripheral direction about the central longitudinal axis.
  • the sidewall along the opening and the edge of the cap may both be welded together along a second weld. This second weld can extend substantially continuously along the circumferential direction about the central longitudinal axis.
  • At least a portion of the second weld portion may overlap with the plurality of first weld portions.
  • At least a portion of the second weld portion may overlap with the plurality of first weld portions.
  • the cross-sectional area of each of the plurality of first welds in each plane is larger than the cross-sectional area of the second weld in each plane.
  • These cross-sections extend perpendicularly to the circumference at the location of each weld portion.
  • the depth to which the plurality of first welds extend axially away from the first end of the can may be greater than the depth to which the second welds extend axially away from the first end of the can, which axial direction extends parallel to the central longitudinal axis.
  • the outer diameter of the periphery of the current collector plate may correspond to the outer diameter of the radial outer surface of the cap.
  • the edge of the cap may have a radially outer surface facing the radially inner surface of the side wall and contacting it.
  • the outer diameter of the periphery of the current collector plate may be larger than the outer diameter of the radial outer surface of the cap edge.
  • the edge of the cap may have a radially outer surface facing the radially inner surface of the side wall and a gap may be defined therebetween.
  • the welding region may extend within the gap between the radially outer surface of the edge of the cap and the radially inner surface of the side wall.
  • the edge of the cap can have a radially outer surface facing the radially inner surface of the side wall. Additionally, at least a first portion of the radially outer surface of the cap edge can have a first diameter corresponding to an outer diameter of the periphery of the current collector plate. Furthermore, at least a second portion of the radially outer surface of the cap edge can have a second diameter smaller than the outer diameter of the periphery of the current collector plate. According to some of these aspects, the radially outer surface of the cap edge can have two or more first portions and two or more second portions that alternate with each other about a central longitudinal axis in a circumferential direction.
  • the edge of the cap can have a radially outer surface facing the radially inner surface of the side wall. Additionally, the radially outer surface can have a plurality of large-diameter portions and a plurality of small-diameter portions that are alternately arranged around the central longitudinal axis in the circumferential direction. The plurality of small-diameter portions can have a diameter smaller than the plurality of large-diameter portions.
  • the large-diameter portion of the radially outer surface of the cap edge can contact the radially inner surface of the side wall, whereas the small-diameter portion of the radially outer surface of the cap edge is spaced apart from the radially inner surface of the side wall.
  • a method of manufacturing a battery cell may include the step of positioning a cap and a current collector plate in an assembled position, which are stacked on each other, within an opening of a can.
  • the current collector plate may be electrically connected to an electrode assembly contained within an interior volume of the can.
  • a perimeter of the current collector plate may contact a radially inner surface of a side wall of the can surrounding the opening.
  • the cap may be positioned over the current collector plate along a central longitudinal axis of the can such that the cap is further away from the electrode assembly than the current collector plate.
  • the method also includes the step of forming a plurality of first welds, wherein the three components are welded together to secure their positions relative to each other. That is, the side wall of the can along the opening, the edge of the can, and the perimeter of the current collector plate are all welded together to secure their positions relative to each other. Furthermore, the plurality of first welds may be spaced apart from each other along a circumferential direction relative to the central longitudinal axis.
  • the method preferably includes the step of forming a second weld, wherein the side wall of the can and the edge of the cap along the opening are welded together. This second weld can extend substantially continuously along the circumferential direction about the central longitudinal axis to seal the opening of the can.
  • the step of forming the plurality of first welds may include directing a laser to a region between a radially inner surface of the side wall and a radially outer surface of an edge of the cap.
  • the step of forming the second weld may include the step of using a laser to continuously irradiate an area along the radially inner surface of the side wall and the radially outer surface of the cap edge.
  • the power or energy density of the laser irradiated when forming the plurality of first welds may be higher than the power or energy density of the laser irradiated when forming the second welds, respectively.
  • the speed of the laser moving along the circumferential direction to form the plurality of first welds may be faster than the speed of the laser to form the second welds.
  • the step of forming the second weld joint may include resistance welding utilizing a roller electrode.
  • the step of forming a plurality of first welds and the step of forming a second weld may include the step of melting the material of the extension of the side wall protruding over the cap along an axial direction extending parallel to the central longitudinal axis.
  • the material of the extension preferably flows between the radially inner surface of the side wall and the radially outer surface of the cap edge.
  • the electrical connection of the collector plate and the sealing of the can can be ensured while suppressing the generation of welding heat.
  • weldability, stability, and durability can be secured while welding the side wall member, the cap, and the collector plate together.
  • the assembly work of a battery cell can be significantly reduced.
  • the volume of the electrode assembly accommodated inside the can can be secured to the maximum extent, thereby increasing the energy density of the battery cell.
  • FIG. 1 is a perspective view of a cylindrical battery cell according to one aspect of the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the electrode assembly accommodated inside the can of Figure 1 before winding.
  • Figure 3 is a perspective view of the electrode assembly of Figure 2 in a laminated state before winding.
  • Figure 4 is a perspective view of an assembled cylindrical jelly-roll-shaped electrode assembly by winding up the laminate of Figure 3.
  • Figure 5 is a perspective view showing a state in which a first collector plate is joined to an electrode tab of a first electrode of the electrode assembly of Figure 4.
  • Figure 6 is a perspective view showing a state in which a second collector plate is joined to an electrode tab of a second electrode of the electrode assembly of Figure 4.
  • Figure 7 is a side cross-sectional view showing the process of accommodating the electrode assembly with the first and second collector plates joined inside the can.
  • Figure 8 is a side cross-sectional view showing the bonding process of the first current collector plate and the first electrode terminal of the electrode assembly accommodated in the can.
  • Figure 9 is a side cross-sectional view showing the process of covering the open end of the can containing the electrode assembly with a cap.
  • Figure 10 is an enlarged cross-sectional view of the open end of a battery cell with the open end of the can covered with a cap, showing the laser welding process.
  • Figure 11 is an enlarged cross-sectional view of the open end of a battery cell with the open end of the can covered with a cap, showing the resistance welding process.
  • Figure 12 is a cross-sectional view showing the open end of a battery cell with the open end of the can covered with a cap having a liquid outlet.
  • Figure 13 is a cross-sectional view showing the state in which the injection port of the cap of Figure 12 is closed with a stopper.
  • Figure 14 is a perspective view of the can with the cap placed over the open end.
  • Figure 15 shows a cross-section .15.-.15. of Figure 14.
  • Fig. 16 is a plan view showing the state in which the first weld is formed on the can and cap of Fig. 14.
  • Figure 17 shows a cross-section .17.-.17. of Figure 16.
  • Fig. 18 is a plan view showing a state in which a second weld is formed on the can and cap of Fig. 16.
  • Figure 19 shows a cross-section .19.-.19. of Figure 18.
  • Figure 20 shows a cross-section .20.-.20. of Figure 18.
  • FIG. 21 is a perspective view showing a state in which a cap is placed on the open end of a can of a cylindrical battery cell according to the second aspect of the present invention.
  • Figure 22 shows a cross-section of Figure 21.
  • Fig. 23 is a perspective view showing a state in which a first weld is formed on the can and cap of Fig. 21.
  • Fig. 24 is a perspective view showing a state in which a second weld is formed on the can and cap of Fig. 23.
  • Fig. 25 is a photograph showing a cross-section of .25.-.25. of Fig. 24.
  • Fig. 26 is a photograph showing a cross-section of Fig. 24, line .26.-.26.
  • FIG. 27 is a plan view of a cap of a cylindrical battery cell of the third aspect of the present invention.
  • Fig. 28 is a plan view showing the open end of a can of a cylindrical battery cell with the cap of Fig. 27 covered.
  • Figure 29 is a flow chart of an example of a battery cell manufacturing process according to the present invention.
  • Figure 30 is a flow chart of another example of a battery cell manufacturing process according to the present invention.
  • Fig. 31 is a perspective view of a battery pack to which battery cells of the embodiment are applied.
  • Fig. 32 illustrates a vehicle equipped with the battery pack of Fig. 31.
  • first, second, etc. are used to describe various components, these components are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another, and unless otherwise specifically stated, a first component may also be a second component.
  • any configuration is disposed on (or below)” a component or “on (or below)” a component may mean not only that any configuration is disposed in contact with the upper surface (or lower surface) of said component, but also that another configuration may be interposed between said component and any configuration disposed on (or below) said component.
  • the axial direction refers to the direction in which the central longitudinal axis forming the winding center of the jelly-roll type electrode assembly extends, or the direction parallel to the central longitudinal axis
  • the radial direction refers to the direction approaching (centripetal) or moving away (centrifugal) from the axis
  • the circumferential direction refers to the direction surrounding the axis.
  • the battery cell of the embodiment may be, for example, a cylindrical battery cell having a form factor ratio (defined as the ratio of the diameter ( ⁇ ) to the height (H) of a cylindrical battery cell) of greater than about 0.4.
  • the form factor means a value indicating the diameter and height of a cylindrical battery cell.
  • the cylindrical battery cell may be, for example, a 46110 cell, a 48750 cell, a 48110 cell, a 48800 cell, or a 46800 cell.
  • the first two numbers indicate the diameter of the cell
  • the next two numbers indicate the height of the cell
  • the last number 0 indicates that the cross-section of the cell is circular.
  • the above battery cell may be a cylindrical battery cell having a roughly cylindrical shape, a diameter of approximately 46 mm, a height of approximately 110 mm, and a form factor ratio of 0.418.
  • a battery cell according to another embodiment may be a cylindrical battery cell having a generally cylindrical shape, a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 75 mm, and a form factor ratio of 0.640.
  • a battery cell may be a cylindrical battery cell having a generally cylindrical shape, a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 110 mm, and a form factor ratio of 0.418.
  • a battery cell may be a cylindrical battery cell having a generally cylindrical shape, a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 80 mm, and a form factor ratio of 0.600.
  • a battery cell may be a cylindrical battery cell having a generally cylindrical shape, a diameter of approximately 46 mm, a height of approximately 80 mm, and a form factor ratio of 0.575.
  • the present invention can also be applied to battery cells having a form factor ratio of about 0.4 or less, such as an 18650 cell, a 21700 cell, etc.
  • the 18650 cell the diameter is about 18 mm
  • the height is about 65 mm
  • the form factor ratio is 0.277.
  • the diameter is about 21 mm
  • the height is about 70 mm
  • the form factor ratio is 0.300.
  • the battery cell of the embodiment includes an electrode assembly (20), a current collector plate (31, 32) electrically connected to the electrode assembly (20), and a can (10) that accommodates the electrode assembly (20) and the current collector plate (31, 32).
  • the can (10) includes a bottom member (12), a side wall member (11) connected to the bottom member (12) and extending in the axial direction, and a cap (16) covering an axial end of the side wall member (11), i.e., an open end provided at the upper end (30) or the first end of the side wall member (11).
  • the above-mentioned bottom member (12) may have a disc shape with a hole formed in the center, and the above-mentioned side wall member (11) may have a circular tube shape surrounding the internal volume of the can (10).
  • the above-mentioned bottom member (12) and side wall member (11) can be manufactured by forming a metal sheet with nickel plated on the surface of steel using a deep drawing process, and trimming the front end of the side wall member (11) with a punch while holding it with a blank holder.
  • the material of the can (10) is not limited to this.
  • the first electrode terminal (13) can be fitted into the hole.
  • the first electrode terminal (13) can be fixed by riveting to the bottom member (12) with a gasket (14) interposed therebetween.
  • the gasket (14) is interposed between the first electrode terminal (13) and the bottom member (12), sealing the inside and outside of the can (10) to prevent leakage of the electrolyte, and electrically insulating the first electrode terminal (13) from the bottom member (12).
  • the method of connecting the first electrode terminal (13) and the bottom member (12) is not limited to this.
  • various other fixing methods such as a bolt-nut joint method, a glass seal method, or a chrome coating & PP-MAH thermal bonding method, can also be applied.
  • the above first electrode terminal (13) may have a first polarity
  • the can (10) may have a second polarity. That is, the bottom member (12) of the can (10), the side wall member (11) connected thereto, and the cap (16) connected to the side wall member (11), which will be described later, may all have a second polarity.
  • the battery cell may have both the first electrode terminal (13) and the second electrode terminal (15) positioned at the axial end, i.e., the closed end, of the can (10) provided with the bottom member (12). Then, the battery cell may have both the bus bar connected to the first electrode terminal (13) and the bus bar connected to the second electrode terminal (15) positioned at the upper portion of the battery cell.
  • the first electrode terminal (13) may be a positive terminal and the second electrode terminal (15) may be a negative terminal.
  • the opposite may also be true.
  • An electrode assembly (20) is accommodated within the internal volume of the can (10).
  • the electrode assembly (20) is prepared by preparing a first electrode (21), a second electrode (22), and a separator (28) having a predetermined width and extending in the longitudinal direction as illustrated in FIG. 2, and forming a laminated body by sequentially stacking the first electrode (21), the separator (28), the second electrode (22), and the separator (28) as illustrated in FIG. 3, and then winding this around a core shaft as illustrated in FIG. 4, in the form of a jelly-roll.
  • the above first electrode (21) may be an anode, and the above second electrode (22) may be a cathode. Of course, the opposite may also be the case.
  • the above first electrode (21) and second electrode (22) are manufactured in the form of sheets.
  • the above electrode sheets are manufactured in the form of an active material layer (24) being applied to the surface of a metal foil (23).
  • the above electrode sheets have a support portion (25) region where the active material layer (24) is applied, and a non-conductive portion (26) region where the active material layer (24) is not applied.
  • the positive electrode sheet has a non-conductive portion (26) region on one side in the width direction
  • the negative electrode sheet has a non-conductive portion (26) region on the other side in the width direction.
  • the first electrode (21) and the second electrode (22) are arranged so that their uncoated portions (26) are exposed or protruded in the width direction from the laminate.
  • the uncoated portion (26) of the first electrode (21) protrudes from one axial end of the jelly-roll, and the uncoated portion (26) of the second electrode (22) protrudes from the other axial end of the jelly-roll.
  • the uncoated portion (26) itself functions as at least one electrode tab (27).
  • Notches can be formed at predetermined intervals in the above-mentioned blank portion (26) to form notching tabs (27).
  • the notching tabs (27) may each be in the shape of a flag.
  • the notching tabs (27) are exemplified as being in the shape of an equilateral trapezoid.
  • their shapes may be various shapes such as a semicircle, a semi-ellipse, a triangle, a rectangle, a parallelogram, etc.
  • the width of the notching tabs may be gradually or stepwise widened from the core side to the outer periphery side.
  • the embodiment exemplifies a form in which the height of the notching tabs (27) gradually increases from the core side to the outer circumference side.
  • the height of these notching tabs may be implemented in a constant or gradually decreasing form.
  • a structure is exemplified in which the notching tab (27) is deleted in a predetermined section of the centrifugal end of the non-conductive portion (26) and a predetermined section of the centrifugal end.
  • the notching tab of the non-conductive portion may not be deleted in the centrifugal end of the electrode assembly (20) wound in a jelly-roll shape, the notching tab of the non-conductive portion may not be deleted, and the notching tab of the non-conductive portion may not be deleted in both the centrifugal end and the centrifugal end.
  • the notched tab (27) can be bent radially and flattened as shown in Fig. 4.
  • the notched tab (27) can be bent radially inward or outward.
  • a structure in which the notched tab (27) is bent radially inward is exemplified.
  • the above-mentioned notched tabs (27) can be folded one by one during the process of forming a jelly roll-shaped electrode assembly (20) by winding the laminate. Alternatively, the above-mentioned notched tabs (27) can be folded all at once after the jelly roll-shaped electrode assembly is formed by winding the laminate.
  • the notched tabs (27) of the first electrode (21) and the notched tabs (27) of the second electrode (22), which are folded and covered in the radial direction in this way, can provide a plane that is substantially perpendicular to the axial direction at each of the axial ends of the electrode assembly (20).
  • a first collector plate (31) and a second collector plate (32) can be joined to a substantially flat surface provided by bending the notched tabs (27) exposed at both axial ends of the electrode assembly (20).
  • the first collector plate (31) is a positive collector plate and the second collector plate (32) is a negative collector plate.
  • the first collector plate (31) may be made of aluminum and the second collector plate (32) may be made of copper.
  • the above-mentioned collector plate (31, 32) can be manufactured by punching, trimming, piercing, and/or bending a metal sheet.
  • the first collector plate (31) has a terminal connection portion (312) extending radially from the center, a ring portion (313) connecting the centrifugal edge of the terminal connection portion (312) in a circumferential direction, and an electrode connection portion (314) extending centripetally from the ring portion (313) but not connected to the terminal connection portion (312).
  • the center of the terminal connection portion (312) covers at least a portion of the core hollow portion along the central longitudinal axis of the electrode assembly (20).
  • the above electrode connection part (314) is joined to the notched tab (27) of the first electrode (21) of the electrode assembly (20) by laser welding or the like before the electrode assembly (20) is placed in the can (10).
  • the welding line of the laser may extend radially.
  • the second collector plate (32) includes an inner ring (321) that defines a hole (322) corresponding to a core hollow portion of an electrode assembly (20) and is provided in a form surrounding the core hollow portion, and an electrode tab connection portion (323) that extends radially from the inner ring (321).
  • the electrode tab connection portion (323) may be in the form of a plurality of spokes that extend radially outward from the inner ring portion.
  • at least one of the spokes may have a radially outer end that is connected to a periphery of the second collector plate (32), referred to as a can connection portion (324).
  • At least one of the spokes of the electrode tab connection portion (323) may have a radially outer end that does not reach the can connection portion (324).
  • the can connection part (324) has an outer ring shape surrounding the electrode tab connection part (323), and the can connection part (324) may include a step that extends away from the electrode assembly (20) in the axial direction. Accordingly, at least the outermost periphery of the can connection part (324) may be arranged to be spaced further away from the electrode assembly (20) than the electrode tab connection part (323), the inner ring part (321), and other parts of the can connection part (324).
  • the above electrode tab connection part (323) can be joined to the notched tab (27) of the second electrode (22) of the electrode assembly (20) by laser welding or the like before placing the electrode assembly (20) into the can (10).
  • the welding line of the laser can extend radially.
  • the electrode assembly (20) is accommodated in the can (10) in a state where the first collector plate (31) is aligned so as to face the bottom member (12) of the can (10).
  • an insulator (19) is interposed between the first collector plate (31) and the bottom member (12) of the can (10) so that the first collector plate (31) is electrically insulated from the bottom member (12).
  • the terminal connection part (312) of the first collector plate (31) is joined to the first electrode terminal (13) fixed to the can (10) by a method such as resistance welding, ultrasonic welding or laser welding.
  • a welding device for welding the first collector plate (31) and the first electrode terminal (13) can approach the back surface (surface facing the electrode assembly (20)) of the terminal connection part (312) of the first collector plate (31) through the core hollow portion of the electrode assembly (20) from the open end of the can (10) to perform welding.
  • the first collector plate (31) and the first electrode terminal (13) may also be joined by a method such as brazing or soldering. That is, various methods can be applied to the first collector plate (31) and the first electrode terminal (13) as long as they can be electrically connected and fixed to each other.
  • the electrode tab (27) of the second electrode (22) and the second current collector (32) are positioned to face the open end of the side wall member (11).
  • the open end of the side wall member (11) is covered and closed by a cap (16) as shown in Fig. 9.
  • the internal volume of the can (10) is closed by covering the open end of the cap (16).
  • the edge of the cap (16) is joined by laser welding to the edge of the side wall member (11) as shown in Fig. 10, and thus the can (10) can be sealed.
  • seam welding may be performed through a resistance welding method in the form of a roll electrode (R), as illustrated in FIG. 11.
  • the roll electrode (R) may have a tapered roll shape.
  • the roll electrode (R) also rotates in accordance with the rotation of the can (10), and while this rotation is performed, when a + voltage is applied to one of the two electrodes and a - voltage is applied to the other, current flows and resistance heat is generated at the contact portion of the side wall member (11) and the cap (16) adjacent to the electrode (R), so that welding can be performed at the contact portion thereof.
  • the welding structure of the present invention can also be applied to a method in which, as shown in FIG. 12, a cap (16) is first covered over the open end of the can (10), and then the cap (16) is welded (W) to the side wall member (11), and then an electrolyte is injected into the can (10) through the injection port (18) provided in the cap (16), and then the injection port (18) of the cap (16) is closed with a stopper (40) as shown in FIG. 13.
  • the injection port (18) may be a circular hole-shaped hole provided in the center of the cap (16), and the stopper (40) may be a circular plug having a surface portion having a larger diameter than the injection port (18) and an insert portion protruding therefrom and fitted into the injection port (18).
  • the outer perimeter of the stopper (40) is welded to the cap (16), and thus the injection port (18) can be sealed.
  • the method of joining the stopper (40) and the cap (16) is not limited to welding, and various methods of joining that enable sealing, such as soldering, O-ring pressing, and screw joining, can be applied.
  • an inner diameter expansion portion (113) may be provided on the open end side of the side wall member (11).
  • the inner diameter expansion portion (113) may be a lateral step shape that extends across the central longitudinal axis and is arranged along the radial inner surface of the side wall member (11).
  • the radial inner surface of the side wall member (11) may include a first inner surface (111) provided axially inwardly than the inner diameter expansion portion (113), that is, further from the opening of the open end of the side wall member (11), and a second inner surface (115) provided axially outwardly than the inner diameter expansion portion (113), that is, closer to the opening of the open end of the side wall member (11).
  • the second inner surface (115) may have an inner diameter larger than that of the first inner surface (111). Accordingly, the side wall member (11) may have a second thickness (t2) measured in the radial direction at a portion where the second inner surface (115) is provided that is smaller than the first thickness (t1) measured in the radial direction at a portion where the first inner surface (111) is provided.
  • the can connection portion (324) provided at the edge of the second collector plate (32) and electrically connected to the can (10) includes a first portion that contacts the second inner surface (115) of the side wall member (11).
  • the first portion is provided with an abutting outer surface (325) that faces and contacts the second inner surface (115) of the side wall member (11) in the radial direction.
  • the above can connection portion (324) includes a second portion that comes into contact with the cap (16).
  • the second portion is provided with a cap abutment surface (326) that faces and comes into contact with the inner surface of the cap (16) in the axial direction, that is, the bottom surface of the cap (16).
  • the outer diameter of the abutting outer surface (325) of the can connecting portion (324) is set to be larger than the inner diameter of the first inner surface (111). Accordingly, the can connecting portion (324) includes a third portion that comes into contact with the inner diameter expanding portion (113). The third portion is provided on the opposite side of the cap abutting surface (326) in the axial direction. The third portion comes into contact with the inner diameter expanding portion (113) and regulates the insertion depth of the second collector plate (32) with respect to the can (10).
  • the second collector plate (32) further includes a first bend portion (327) and a second bend portion (328), whereby the second collector plate (32) defines a step in the axial direction.
  • the first bend portion (327) provides a shape for bending the second collector plate (32) extending radially outwardly in the axial direction.
  • the second bend portion (328) provides a shape for bending the second collector plate (32) extending axially outwardly in the radial direction. Due to the axial step between the first bend portion (327) and the second bend portion (328), the periphery of the second collector plate (32) or the can connecting portion (324) is axially offset toward the open end of the can (10) with respect to the center of the second collector plate (32).
  • the above can connection part (324) is connected to the electrode tab connection part (323) through the first bend part (327) and the second bend part (328) and through the inner ring part (321) described above.
  • connection part (324) is connected to the radially outer side of the second bend part (328) and has a shape that extends radially from the second bend part (328). Accordingly, the area of the cap abutment surface (326) of the second collector plate (32) can be further secured.
  • the material of the second collector plate (32) may be softer than the material of the side wall member (11). Accordingly, in the process of inserting the second collector plate (32) into the open end of the side wall member (11), the first bend portion (327) and the second bend portion (328) are elastically deformed. Accordingly, when the outer diameter of the abutting outer surface (325) is set to be slightly larger than the inner diameter of the second inner surface (115), the abutting outer surface (325) is pressed into the second inner surface (115).
  • the cap (16) is provided with, in order from the radial center to the outside, a cap body (160), a thickness reduction portion (161) in which the thickness of the cap is changed, and a joint portion (17). That is, the cap body (160) is centered on the central region of the cap (16), and the thickness reduction portion (161) is provided on the radial outside of the cap body (160). The joint portion (17) is provided on the radial outside of the thickness reduction portion (161), thereby defining a cylindrical region of the cap (16) having a relatively reduced thickness with respect to the cap body (160).
  • the third thickness (t3) of the joint (17) measured in the axial direction is smaller than the fourth thickness (t4) of the cap body (160) measured in the axial direction.
  • a joint outer surface (171) is provided that radially faces the second inner surface (115) of the side wall member (11).
  • the joint outer surface (171) radially contacts the second inner surface (115) of the side wall member (11).
  • a collector plate abutment surface (173) is provided on the bottom surface of the joint portion (17) of the cap (16) that axially faces and abuts the cap abutment surface (326) of the can connection portion (324) of the second collector plate (32).
  • the thickness reduction portion (161) By appropriately selecting the position where the thickness reduction portion (161) is provided, at least a portion of the thickness reduction portion (161) can be brought into contact with the second collector plate (32). Then, in the process of inserting the cap (16) into the open end of the side wall member (11), the thickness reduction portion (161) of the cap (16) can be brought into contact with the second collector plate (32), and the center of the cap (16) can be aligned with the central longitudinal axis of the second collector plate (32).
  • the thickness reduction portion (161) was placed at a position corresponding to the position where the second bend portion (328) of the second collector plate (32) is formed in the radial direction, so as to enjoy this alignment effect.
  • the thickness reduction portion (161) is implemented in the form of an inclined surface that extends axially outward as it goes radially outward to enhance the alignment effect.
  • the first embodiment also provided an inclined surface shape to the second collector plate (32) through the surface shape of the second folded portion (328) of the second collector plate (32).
  • the joint outer surface (171) of the cap (16) and the mating outer surface (325) of the second collector plate (32) are each in contact with the second inner surface (115) of the side wall member (11).
  • the lower portion along the periphery of the second collector plate (32) in the axial direction is in contact with the inner diameter extension portion (113) of the side wall member (11).
  • the cap abutment surface (326) provided on the upper portion of the second collector plate (32) in the axial direction is in contact with the collector plate abutment surface (173) provided on the lower portion of the joint portion (17) of the cap (16).
  • the axial position of the upper portion of the side wall member (11) can correspond to the axial position of the upper surface of the cap (16).
  • the first height (h1) of the section provided axially outside the inner diameter expansion portion (113) of the side wall member (11) can correspond to the sum of the third thickness (t3) of the joint portion (17) of the cap (16) and the fifth thickness (t5) of the can connection portion (324) of the second collector plate (32).
  • the axial end of the inner surface of the side wall member (11) and the outer surface of the cap (16) that are radially opposed to each other are exposed to the outside of the battery cell.
  • the cap (16) can be welded to the can (10) by a laser irradiated from the axial outer side of the battery cell to the joint outer surface (171) of the cap (16) and the axial end of the second inner surface (115) of the side wall member (11).
  • the laser can be prevented from being irradiated into the inner space of the can through a gap that may exist between the side wall member (11) and the cap (16).
  • the inner diameter expansion portion (113) of the side wall member (11) also prevents internal penetration of laser that may enter through the gap between the side wall member (11) and the cap (16) or the side wall member (11) and the second collector plate (32).
  • the second collector plate (32) may be made of a material having a higher thermal conductivity than the side wall member (11). In addition, the second collector plate (32) is in contact with the side wall member (11). Therefore, when the welding heat generated in the side wall member (11) by the laser is conducted along the axial direction of the side wall member (11), the welding heat is distributed across the upper portion of the electrode assembly (20) through the second collector plate (32), thereby preventing the phenomenon in which the welding heat is transmitted to the separator portion of the electrode assembly (20) and damages the separator.
  • the second collector plate (32) is also in contact with the cap (16). Accordingly, heat generated in the cap (16) by the laser or resistance welding is distributed and transmitted through the second collector plate (32). Then, when the abutting portion of the cap (16) and the side wall member (11) is heated by the laser, the side wall member (11) may be heated first and melted.
  • the second thickness (t2) of the side wall member (11) may be 0.25 mm or more.
  • the second thickness (t2) may be 0.35 mm.
  • the cap (16) has the strength to support it. If the cap (16) is too thin, when the pressure inside the can (10) is high, excessive bulging occurs in which the cap (16) swells in the shape of a spherical surface profile, which deteriorates the durability of the battery cell. In order to resist such bulging deformation, it is important that the cap (16) secure a certain thickness.
  • the thickness of the cap (16) is excessively thick compared to the side wall member (11), only the side wall member (11) is melted first during laser welding, which significantly reduces the welding processability.
  • the axial length of the joint outer surface (171) of the cap (16) where welding is to be performed also increases.
  • the embodiment discloses a cap (16) having a structure in which the third thickness (t3) of the joint (17) to be welded with the side wall member (11) and the fourth thickness (t4) of the cap body (160) to be resistant to bulging are different.
  • the thicker the fourth thickness (t4) the higher the resistance to bulging, but the larger the space it occupies inside the can.
  • the fourth thickness (t4) be as small as possible within the required bulging resistance range.
  • the fourth thickness (t4) of the cap body (160) occupying most of the cap (16) is preferably larger than the third thickness (t3) in order to minimize deformation of the cap (16) due to the internal pressure of the can (10).
  • the thickness dimension of the weld along the axial direction is also minimized so that the weld (W) is reliably formed over the entire axial direction of the joint outer surface (171). Accordingly, the strength of the cap (16) itself is increased, and the bonding strength of the cap (16) to the side wall member (11) is also increased.
  • the ratio of the third thickness (t3) to the fourth thickness (t4) may be preferably 0.4 to 0.8, more preferably 0.5 to 0.75. If the ratio is less than the above range, there is a concern that the cap body (160) may become excessively thick without increasing the bulging resistance and/or the strength of the weld may become insufficient. If the ratio exceeds the above range, the bulging resistance of the cap body (160) may become insufficient and/or it may become difficult to weld the outer circumferential joint surface (171) of the cap (16) along the entire axial direction.
  • the radial position of the thickness reduction portion (161) is positioned as close to the welding area as possible, so that the area of the cap body (160) that resists bulging can be secured as much as possible.
  • a guide function that aligns the center of the cap (16) while making contact with the second collector plate (32) can also be provided.
  • the third thickness (t3) of the joint (17) of the cap (16) may be set to be greater than the second thickness (t2) of the side wall member (11).
  • the third thickness (t3) may be 1 to 2 times greater than the second thickness (t2).
  • the third thickness (t3) may be 0.5 mm or in a range of 0.5 to 0.7 mm.
  • the third thickness (t3) exceeds twice the second thickness (t2), there is a risk that the side wall member (11) may melt excessively before the cap (16) melts during the process of forming the weld.
  • the third thickness (t3) exceeds twice the second thickness (t2), there is a risk that the weld may not be formed over the entire axial direction of the joint outer surface (171) of the cap (16).
  • the third thickness (t3) is less than one time the second thickness (t2), that is, if the second thickness (t2) is greater than the third thickness (t3), it is difficult to secure strength at the edge portion of the cap (16), and also it is difficult to secure sufficient lateral step dimensions of the inner diameter expansion portion (113) of the side wall member (11) without increasing the overall thickness (t1) of the side wall member (11).
  • the battery cell of the first embodiment can have a first welding part (W1) and a second welding part (W2).
  • first welds (W1) may be formed at multiple locations spaced apart along the circumferential direction of the joint outer surface (171) of the cap (16) and the second inner surface (115) of the side wall member (11).
  • the above first welding portion (W1) may be a portion where the side wall member (11), the cap (16), and the second collector plate (32) are melted and joined together. That is, unlike a general provisional welding-main welding process, the provisional welding process of the first embodiment not only temporarily fixes the position of the cap (16) before the main welding, but also has the effect of omitting the process of separately welding the second collector plate (32) to the side wall member (11) before covering the open end of the side wall member (11) with the cap (16) by welding the cap (16), the side wall member (11), and the second collector plate (32) at the same time during the provisional welding process.
  • the above first welding portions (W1) can be arranged at equal intervals along the circumferential direction.
  • the first welding portion (W1) may be provided in three or more locations.
  • the first welding portion (W1) may be provided in four locations.
  • the above first welding part (W1) may be formed by spot welding, similar to conventional welding, by illuminating a point with a laser without scanning it.
  • the first weld part (W1) is formed by scanning welding in which a laser is scanned along the circumferential direction for a predetermined distance to perform welding.
  • the scan distance of the laser for forming the first welding part (W1) may be 0.5 mm or more and 5 mm or less. Preferably, the scan distance may be 4 mm. If the scan distance is 0.5 mm or less, it is difficult to ensure reliable melting of the second collector plate (32). On the other hand, if the scan distance is 5 mm or more, there is a concern that excessive welding heat may be generated, and the separator (28) of the electrode assembly (20) may be damaged by the heat.
  • the first welded portion (W1) of the first embodiment can be formed by performing scan welding with a higher laser output, unlike general welding using spot welding in the welding process.
  • the output of such lasers can be controlled by adjusting the size of the irradiated area by adjusting the focal length of the laser. For example, even if the output of the laser generator is the same, if the area of the irradiated area of the laser is narrow, the output per unit area can be higher, and the energy density can be higher. Conversely, if the area of the irradiated area of the laser is wide, the output per unit area can be lower, and the energy density can be lower.
  • the first weld can be formed by reducing the size of the irradiated area to have a high energy density (output per unit area).
  • the scan speed of the laser for forming the first welding portion (W1) is set relatively fast so that high heat is concentrated at a specific point and the separator, etc. are not damaged.
  • triple welding is performed by melting and attaching the entire second collector plate (32), while sufficiently lowering the internal resistance and minimizing heat generation due to triple welding, thereby preventing damage to the electrode assembly (20).
  • main welding may be performed to deep weld the second inner surface (115) of the side wall member (11) and the joint outer circumference (171) of the cap (16).
  • the main welding process may be a process of forming a second welded portion (W2) that seals the can (10) by reliably welding at least the second inner surface (115) of the side wall member (11) and the joint outer circumference (171) of the cap (16) in the entire circumferential direction.
  • the second weld (W2) can be formed by lowering the output of the laser compared to the laser that welds the first weld (W1).
  • the second weld can be formed by expanding the size of the irradiated area to have a relatively low energy density (output per unit area).
  • the scan speed of the laser for forming the second weld (W2) is set relatively slow so that the weld pool can be formed stably. Even if the scan speed is slow, the heat generated when forming the second weld (W2) is dispersed through the second collector plate (32) made of a material with high thermal conductivity, so there is less chance of problems such as damage to the separator occurring.
  • the output and scan speed of the laser can be determined to such an extent that at least the entire axial section of the joining outer circumferential surface (171) of the cap (16) can be joined to the second inner surface (115) of the side wall member (11). Then, even if a little more welding heat is generated, a part of the second collector plate (32) can also be melted and joined by the heat, so that the joining of the second collector plate (32) to the can (10) can be additionally performed. In addition, since the amount of welding heat generated is definitely less than when the first welding portion (W1) is formed, the phenomenon of the electrode assembly (20) being damaged can be definitely prevented.
  • the second welding portion (W2) may be formed continuously along the circumferential direction. Accordingly, in a section where the first welding portion (W1) is already formed, the second welding portion (W2) may be formed to overlap the first welding portion (W1), as illustrated in FIG. 20. Accordingly, the shape of the first welding portion (W1) may be combined with the second welding portion (W2), thereby providing an appearance as if the entire body has been welded once. As illustrated in FIG. 20, the depth (i.e., distance) by which the first welding portion (W1) extends along the axial direction away from the first end or top (30) of the can (10) may be greater than the depth/distance by which the second welding portion (W2) extends away from the first end or top (30) of the can (10).
  • the cross-sectional area of the first weld portion (W1) may be different from the cross-sectional area of the second weld portion (W2), particularly along a cross-section similar to Fig. 20.
  • a plane defining the cross-section extends perpendicularly to the circumferential direction at a position intersecting the corresponding weld portion (W1 or W2). This plane extends parallel to the central longitudinal axis.
  • the cap (16) of the second embodiment has a slightly smaller outer diameter of the joint outer surface (171) of the cap (16) than the cap (16) of the first embodiment. Accordingly, a slight gap (G) exists in the radial direction between the second inner surface (115) of the side wall member (11) and the joint outer surface (171) of the cap (16).
  • This gap (G) becomes a path through which the laser for welding can directly reach the second collector plate (32). Accordingly, even with a lower laser output than in the first embodiment, it is possible to form a first welding part (W1) in which triple welding is performed and a second welding part (W2) in which deep welding is performed.
  • the second folded portion (328) of the second collector plate (32) and the thickness reduction portion (161) of the cap (16) are in contact and the center alignment of the cap (16) is guided, so that the width of the gap (G) can be provided evenly in the entire circumferential direction.
  • the side wall member (11) of the second embodiment may be extended longer than the side wall member (11) of the first embodiment. Accordingly, as shown in FIGS. 21 and 22, when the second collector plate (32) and the cap (16) are inserted, an overhang portion (117) is provided at the open end of the side wall member (11) that protrudes further axially outward than the cap (16).
  • the overhang portion (117) may also be referred to as an extension portion of the side wall member (11).
  • the first height (h1) of the section provided axially outside the inner diameter expansion portion (113) of the side wall member (11) is greater than the sum of the third thickness (t3) of the joint portion (17) of the cap (16) and the fifth thickness (t5) of the can connection portion (324) of the second collector plate (32).
  • the second height (h2) of the overhang portion (117) or the extension portion of the side wall member may be the length obtained by subtracting the third thickness (t3) and the fifth thickness (t5) from the first height (h1).
  • the above overhang (117) can delay the melting point of the relatively thin side wall member (11) to reduce the difference in melting points between the side wall member (11) and the cap (16), and can be melted into the welding area of the second inner surface (115) of the side wall member (11) and the joint outer surface (171) of the cap (16) during the welding process.
  • the diameter of the joint outer circumference (171) of the cap (16) can be made slightly smaller than the diameter of the second inner surface (115) of the side wall member (11) adjacent to the joint outer circumference (171).
  • the concept that two objects are 'adjacent' means that the two objects are spaced closely together compared to their outer dimensions, and that there is no separate intervening object between the two objects within the relevant plane (i.e., the radial plane perpendicular to the central longitudinal axis). Since the diameter of the joint outer circumference (171) of the cap (16) is slightly smaller than the diameter of the second inner surface (115) of the side wall member (11), a small gap is defined between these two components.
  • This gap can serve as a passage through which the welding laser can be directly irradiated to the second collector plate (32).
  • such a gap can have an overall uniform radial width along the circumference of the cap (16) due to the center of the cap (16) being aligned by at least the interaction between the thickness-reduced portion (161) of the cap (16) and the second collector plate (32), as described above.
  • the material of the overhang (117) penetrates into the gap between the joint outer surface (171) of the cap (16) and the second inner surface (115) of the side wall member (11) to join the cap (16) and the side wall member (11).
  • the height (h2) of the overhang (117) is 0.2 mm, while the thickness (t3) of the joint (17) of the cap (16) is 0.5 mm.
  • the thickness (t2) of the overhang (117) is 0.35 mm, sufficient molten material is provided during the welding process, so that a strong joint can be formed between the cap (16) and the side wall member (11).
  • the ratio of the height (h2) of the overhang to the thickness (t3) of the joint (17) may preferably be in the range of 0.2 to 1.
  • the first welding portion (W1) is formed by intermittently welding together the second inner surface (115) portion of the side wall member (11), the joint outer surface (171) portion of the cap (16), and the can connection portion (324) portion of the second collector plate (32) along the circumferential direction.
  • the overhang portion (117) is completely melted and can be welded into the abutting portion of the second inner surface (115) of the side wall member (11), the joint outer surface (171) of the cap (16), and the can connection portion (324) of the second collector plate (32) to fill at least the gap (G) as shown in FIG. 25.
  • the second welding portion (W2) is formed by melting at least the second inner surface (115) of the side wall member (11) and the joint outer surface (171) of the cap (16) over the entire circumferential direction.
  • the overhang portion (117) is completely melted and can be melted into the gap (G) between the second inner surface (115) of the side wall member (11) and the joint outer surface (171) of the cap (16), as shown in FIG. 26. Accordingly, the height of the battery cell can be determined by the outer surface of the cap (16). That is, according to the second embodiment, since the overhang portion (117) and the welding portion do not regulate the height of the battery cell, the height dimension of the battery cell can be managed to be constant as a result.
  • the outer surface (171) of the joint of the cap (16) of the third embodiment may have large-diameter sections (171a) and small-diameter sections (171b) having a smaller diameter than the large-diameter sections (171a) alternately arranged in the circumferential direction.
  • the large-diameter section (171a) of the joint outer surface (171) can face and contact the second inner surface (115) of the side wall member (11) in the radial direction
  • the small-diameter section (171b) can face the second inner surface (115) of the side wall member (11) in the radial direction with a gap (G).
  • the outer diameter of the joint outer surface (171) of the cap (16) is alternately arranged in a section corresponding to the outer diameter of the mating outer surface (325) of the second collector plate (32) in the circumferential direction, and a section smaller than the outer diameter of the mating outer surface (325) of the second collector plate (32).
  • the large-diameter section (171a) aligns the center position of the cap (16) with respect to the side wall member (11) during the process of inserting the cap (16) and in the state of inserting the cap (16).
  • the small-diameter section (171b) has a gap (G) with respect to the side wall member (11). That is, when the cap (16) is manufactured as in the third embodiment, the center alignment of the cap (16) is easy, and welding is possible with a relatively low-power laser compared to the first embodiment.
  • first welding part (W1) when forming the first welding part (W1), if the first welding part (W1) is formed in the gap (G) area where the small diameter section (171b) is formed, triple welding is possible even with a lower output laser, so that the amount of heat generated by triple welding can be suppressed.
  • the generation of welding heat can be minimized while performing triple welding including the second collector plate, the number of man-hours does not increase due to triple welding in the preliminary welding process, the internal resistance can be sufficiently reduced, and the seam welding can be performed reliably by the main welding while the position of the cap is accurately fixed by the preliminary welding, so that the weldability can be improved by securing sealing force without perforation or leakage despite the wide range of the welding process, and the process stability can be improved by preventing thermal damage to the components of the cell or the separator due to the welding heat, and the dimensional stability or bulging resistance can be secured by suppressing dimensional deformation according to the internal pressure, thereby improving durability.
  • a can (10) with a first electrode terminal (13) fixed to a bottom member (12) is prepared, and an electrode assembly (20) with a first collector plate (31) and a second collector plate (32) joined to each of the axial ends is prepared.
  • the electrode assembly (20) is inserted and accommodated in the can (10) with the first collector plate (31) facing the bottom member (12). Then, the second collector plate (32) is positioned toward the open end of the can (10). In the process of accommodating the electrode assembly (20) in the can (10), the mating outer surface (325) of the can connection portion (324) provided at the radial outer edge of the second collector plate (32) is brought into contact with the second inner surface (115) of the side wall member (11).
  • the adhesion of the second collector plate (32) to the inner surface of the side wall member (11) can be secured, and the insertion depth of the second collector plate (32) can be regulated.
  • the electrolyte is injected into the can (10).
  • the open end of the side wall member (11) is covered with a cap (16), and the outer surface of the joint (171) and the plate mating surface (173) provided at the edge of the cap (16) are made to face or contact the second inner surface (115) of the side wall member (11) and the cap mating surface (326) of the second plate (32), respectively.
  • the thickness reduction portion (161) in the form of an inclined surface provided on the axial inner surface of the cap (16) can be brought into contact with the second collector plate (32) to align the center of the cap (16).
  • a laser is irradiated to the abutting portion of the second inner surface (115) of the side wall member (11) and the joint outer surface (171) of the cap (16) from the axial outer side of the battery cell in the axial direction to perform welding.
  • the overhang (117) of the side wall member (11) that protrudes further axially outward than the cap (16) can be welded into the welding area between the inner surface of the side wall member (11) and the joint outer surface (171) of the cap (16).
  • a laser is irradiated to the abutting portion of the inner surface of the side wall member (11) and the joint outer surface (171) of the cap (16) from the axial outer side in the axial direction at multiple locations spaced apart along the circumferential direction, thereby forming multiple first welding portions (W1) by welding together the inner surface of the side wall member (11), the joint outer surface (171) of the cap (16), and the can connection portion (324) of the current collector (32).
  • the laser of the above welding process has an energy density of the first output or the first density and scans a predetermined section at a first speed.
  • a laser is radially irradiated to the abutting portion of the inner surface of the side wall member (11) and the outer surface of the joint (171) of the cap (16) in the axial direction continuously along the circumferential direction, thereby forming a second welding portion (W2) in which at least the inner surface of the side wall member (11) and the outer surface of the joint (171) of the cap (16) are welded together.
  • the laser of the above welding process has an intensity of a second output lower than the first output, or an energy density of a second density lower than the first density.
  • the laser of the above welding process is scanned along the entire circumference at a second speed that is slower than the first speed.
  • the main welding process is important for sealing, and thus, stability can be secured by forming a uniform weld pool in the main welding process. Accordingly, the second speed of the laser in the main welding process relative to the second output may be slower than the first speed of the laser in the pre-welding process relative to the first output.
  • FIG. 30 another example of a method for manufacturing the battery cell described above will be described.
  • This is a method for manufacturing a battery cell using a cap equipped with a liquid injection port.
  • the order is different in that, before injecting electrolyte into the can, preliminary welding of the side wall member, the cap, and the second current collector plate and main welding of the side wall member and the cap are first performed, and then electrolyte is injected into the liquid injection port of the cap, and then the liquid injection port is sealed with a stopper.
  • the cap is welded to the can before pouring the electrolyte into the can, the welding heat does not affect the electrolyte.
  • the battery cell (72) manufactured through the welding structure and welding process described above can be accommodated in the housing (71) of the battery pack (70) as illustrated in Fig. 31.
  • the battery pack (70) may be configured using a battery module, which is an intermediate form of assembly, or the battery pack (70) may be configured directly without a battery module as illustrated.
  • the battery cell (72) described above has a large volume in itself, there is no particular difficulty in implementing the battery pack (70) even without using an intermediate structure called a battery module.
  • the battery cell (72) has a lower internal resistance and a higher energy density. Accordingly, the energy density of the battery pack (70) equipped with the battery cell (72) can be implemented even higher.
  • the battery pack (70) with the energy density increased in this way can store the same amount of energy while reducing its volume and load. Therefore, if the battery pack (70) to which the battery cell (72) is applied is mounted on a vehicle such as an automobile (80) that uses electricity as an energy source as shown in Fig. 32, the mileage of the vehicle can be further increased in proportion to the energy consumed.
  • the associated battery cells need not have a circular cross-sectional profile orthogonal to the central longitudinal axis, but may instead utilize other cross-sectional shapes, including oval, square, rectangular, part-circular, etc.
  • the central longitudinal axis need not be oriented orthogonal to the bottom member and/or cap at each opposing end.
  • the sidewall members of the can (together with the internal components of the can) may form a tube extending along an axis oriented obliquely relative to the plane defined by the bottom member and/or cap.
  • the welding techniques disclosed herein may also be utilized outside the scope of cylindrical battery cans, and may also be applied to batteries having, for example, prismatic and pouch-shaped form factors.

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Abstract

배터리 셀은, 캔과, 상기 캔의 내부에 수용된 전극조립체를 포함한다. 상기 캔은, 바닥부재, 상기 바닥부재에 연결되고 축방향으로 상향 연장되는 측벽부재, 및 상기 바닥부재와 대향하는 상기 측벽부재의 축방향 단부에 마련된 개방 단부를 덮는 캡을 포함한다. 상기 집전판은 개방 단부 부근에서 상기 전극조립체의 전극에 전기적으로 연결된다. 상기 캡의 가장자리는 상기 측벽부재의 개방 단부 측 가장 자리와 상기 캡의 가장자리와 상기 캔 연결부가 함께 용접되고 둘레 방향으로 이격 형성된 복수 개소의 제1용접부를 형성하며 용접된다. 제2용접부는, 상기 측벽부재와 상기 캡의 가장자리를 함께 용접하도록 둘레방향을 따라 연속적으로 형성된다.

Description

전지 캔과 집전판과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀
본 출원은 2023년 6월 9일자 대한민국 특허출원 제10-2023-0074474호, 2023년 10월 11일자 대한민국 특허출원 제10-2023-0135320호, 및 2024년 5월 29일자 대한민국 특허출원 제10-2024-0070118호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 특허출원의 문헌에 기재된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지 캔과 집전판과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀에 관한 것이다.
원통형 캔을 적용한 배터리 셀을 제작하는 과정은, 금속 시트를 딥 드로잉(deep drawing)하여 원형의 바닥부 및 이에 연결된 원형 관 형상의 측벽부재를 구비하는 캔을 성형하고, 그 내부에 전극조립체를 수용한 뒤, 상기 측벽부재의 개방 단부를 캡으로 덮어 마감하는 단계로 이루어진다.
한편, 상기 전극조립체의 축방향 양단부 중 상기 개방 단부를 바라보는 일측 단부에는, 전극조립체의 적어도 하나의 전극탭과 접촉하여 이와 전기적으로 연결되는 집전판이 마련된다. 상기 집전판은 상기 캡 또는 상기 측벽부재와 접촉하여 전기적으로 연결되도록 상기 캡 또는 상기 측벽부재와 용접 등의 방식으로 연결된다.
상기 집전판을 상기 캡이나 측벽부재에 용접하는 공정에서, 상기 집전판은 상기 캡이나 측벽부재에 밀착된 상태를 유지할 수 있는데, 이를 위해서는 상기 집전판과 상기 캡 또는 상기 집전판과 상기 측벽부재를 밀착하기 위한 지그가 필요할 수 있고, 이와 더불어 용접 부위를 노출시키기 위한 마스크가 필요할 수 있다.
상기 마스크나 지그를 통해 상기 집전판을 상기 캡이나 측벽부재에 밀착시키기 위해, 상기 캔의 내부에 상기 마스크나 지그를 수용하기 위한 공간을 마련할 수 있다. 그런데 이러한 공간은, 상기 마스크나 지그를 제거한 뒤 빈 공간으로 남게 되어, 결과적으로 캔의 내부 체적을 효율적으로 활용하지 못하는 문제점이 있었다. 이는 캔의 단위체적 당 에너지 밀도를 높이는 것을 저해한다.
캔, 집전판, 캡 사이의 영역 공차로 인해 용접용 레이저 빔이 캔에 직접 침투할 위험이 있다. 또한, 용접 시 많은 양의 열에너지가 발생될 수 있으며, 이는 캔을 통해 전극조립체의 분리막에 전달되어 분리막이 분해되거나 용융 또는 분리막 기공의 폐쇄 등의 열화를 초래할 수 있다.
또한, 원통형 캔의 조립을 완료함에 있어서는, 상기 집전판을 상기 캡 또는 상기 측벽부재와 전기적으로 연결하는 공정과, 상기 캡을 상기 측벽부재에 연결하는 공정이 각각 이루어졌다. 이러한 배터리 셀의 조립과 관련된 공수의 증가는, 원통형 배터리 셀의 생산 효율을 떨어뜨리고 생산 단가를 높이는 요인이 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 별도의 용접 마스크나 지그를 생략하여, 캔의 개방 단부 쪽에 마련된 집전판을 캔에 용접함에 있어서 캔의 내부 공간을 낭비하지 않고 캔의 단위체적 당 에너지 밀도를 높이는 설계가 가능한, 전지 캔과 집전판과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀을 제공하고자 한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 본 발명은, 상기 집전판을 캔에 용접하는 공정과 상기 캡을 상기 측벽부재에 용접하는 공정을 한 번의 용접 공정으로 통합하여 원통형 배터리 셀의 생산 효율을 높이고 생산 단가를 낮출 수 있도록 하고자 한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 본 발명은, 캔과 집전판과 캡에 마스크와 지그의 기능을 부여하여, 공정의 안정성을 높이고자 한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 본 발명은, 용접 열의 발생을 최대한 억제하여, 집전판과 캡의 조립 공정을 단순화하면서도 전극조립체에 악영향을 미치지 않는 캔과 집전판과 캡의 용접 구조를 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다.
상술한 과제는, 용접 전 캔에 대한 캡의 위치를 고정하기 위한 임시 용접, 예비 용접 또는 가 용접 과정에서, 필요한 내부 저항을 확보할 수 있는 선에서 캔과 집전판과 캡을 함께 용접하여 제1용접부를 형성하고, 캔의 밀봉을 위한 본 용접 과정에서 캔과 캡을 심(seam) 용접하는 제2용접부를 형성함으로써 해결할 수 있다.
이에 따라 과도한 용접 열이 발생하는 것을 억제하고, 용접 공정의 간결함을 유지하면서도, 내부 저항을 충족시키고 또한 캔을 확실히 밀봉할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 배터리 셀이 제공된다. 배터리 셀은 캔, 전극조립체, 집전판, 캡 등을 포함할 수 있다. 캔은 내부 용적을 둘러싸며 중심 길이방향 축을 따르는 캔의 제1 단부에서 내부 용적에 대한 개구를 정의하는 측벽을 가질 수 있다. 전극조립체는 캔의 내부 용적 내에 수용될 수 있다. 캡은 내부 용적을 둘러싸도록 캔의 개구를 덮을 수 있다. 집전판은 전극조립체의 전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 집전판은 캔과 전기적으로 연결되도록 측벽과 접촉되는 둘레부를 포함할 수 있다. 개구를 따르는 측벽, 캡의 가장자리 및 집전판의 둘레부를 함께 결합하는 삼중 용접이 제공될 수 있다. 이러한 삼중 용접은 복수의 제1 용접부 각각을 따라 형성될 수 있다. 이러한 복수의 제1 용접부는 중심 길이방향 축에 대한 둘레방향을 따라 서로 이격될 수 있다. 개구를 따르는 측벽과 캡의 가장자리는 모두 제2 용접부를 따라 함께 용접될 수 있다. 이러한 제2 용접부는 중심 길이방향 축에 대한 둘레방향을 따라 실질적으로 전체적으로 연속적으로 연장될 수 있다.
배터리 셀의 다양한 관점에 따르면, 상기 제2 용접부의 적어도 일부는 상기 복수의 제1 용접부와 중첩될 수 있다.
배터리 셀의 다른 관점에 따르면, 상기 제2 용접부의 적어도 일부는 상기 복수의 제1 용접부와 중첩될 수 있다.
배터리 셀의 또 다른 관점에 따르면, 각각의 평면에서의 복수의 제1 용접부 각각의 단면적은 각각의 평면에서의 제2 용접부의 단면적보다 크다. 이러한 단면은 각각의 용접 부분의 위치에서 원주 방향에 수직하게 연장된다.
상기 배터리 셀의 다른 관점에 따르면, 상기 복수의 제1 용접부가 캔의 제1 단부로부터 멀어지도록 축방향을 따라 연장되는 깊이는 상기 제2 용접부가 캔의 제1 단부로부터 축방향을 따라 멀어지도록 연장되는 깊이보다 클 수 있다. 이러한 축방향은 중심 길이방향 축과 평행하게 연장된다.
배터리 셀의 다른 관점에서, 집전판 둘레부의 외경은 캡의 반경방향 외측 표면의 외경과 대응될 수 있다.
배터리 셀의 일부 다른 관점에서, 캡의 가장자리는 측벽의 반경방향 내면을 향하고 이와 접촉하는 반경방향 외면을 가질 수 있다.
배터리 셀의 또 다른 관점에서, 집전판 둘레부의 외경은 캡 가장자리의 반경방향 외측 표면의 외경보다 클 수 있다.
배터리 셀의 상기 관점 중 일부에 따르면, 캡의 가장자리는 측벽의 반경방향 내면을 향하는 반경방향 외면을 가지며 그 사이에 갭이 규정될 수 있다. 이러한 관점 중 일부에 따르면, 용접 영역은 캡 가장자리의 반경방향 외면과 측벽의 반경방향 내면 사이의 갭 내에서 연장될 수 있다.
배터리 셀의 상기 관점 중 일부 다른 관점에 따르면, 캡의 가장자리는 측벽의 반경방향 내면을 향하는 반경방향 외면을 가질 수 있다. 추가적으로, 캡 가장자리의 반경방향 외측 표면 중 적어도 하나의 제1 부분은 집전판 둘레부의 외경에 대응하는 제1 직경을 가질 수 있다. 또한, 캡 모서리의 반경방향 외면 중 적어도 하나의 제2 부분은 집전판 둘레부의 외부 직경보다 작은 제2 직경을 가질 수 있다. 이러한 관점 중 일부에 따르면, 캡 가장자리의 반경방향 외면은 원주 방향으로 중심 길이방향 축을 중심으로 서로 교번하는 두 개 이상의 제1 부분과 두 개 이상의 제2 부분을 가질 수 있다.
배터리 셀의 상기 관점 중 또 다른 관점에 따르면, 캡의 가장자리는 측벽의 반경방향 내면을 향하는 반경방향 외면을 가질 수 있다. 추가적으로, 반경방향 외면은 원주 방향으로 중심 길이방향 축을 중심으로 서로 교대로 있는 복수의 대경부와 복수의 소경부를 가질 수 있다. 이러한 복수의 소경부는 복수의 대경부보다 작은 직경을 가질 수 있다. 이러한 관점 중 일부에 따르면, 캡 가장자리의 반경방향 외면의 대경부는 측벽의 반경방향 내면과 접촉할 수 있는 반면, 캡 가장자리의 반경방향 외면의 소경부는 측벽의 반경방향 내면으로부터 이격되어 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 배터리 셀의 제조방법이 제공된다. 이 방법은 캡과 집전판을 캔의 개구 내에서 서로 적층된 조립 위치에 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 조립 위치에서, 집전판은 캔의 내부 용적 내에 수용된 전극조립체에 전기적으로 연결될 수 있다. 더욱이, 이러한 조립 위치에서, 집전판의 둘레부는 개구를 둘러싸는 캔 측벽의 반경방향 내면과 접촉할 수 있다. 더욱이, 이러한 조립 위치에서, 캡이 집전판보다 전극조립체로부터 더 멀리 떨어져 있도록, 캡이 캔의 중심 길이방향 축을 따라 집전판 위에 위치될 수 있다. 바람직하게는, 이 방법은 다음 세 가지 구성요소가 서로 용접되어 서로에 대한 위치를 고정하는 복수의 제1 용접부를 형성하는 단계도 포함한다. 즉, 개구를 따르는 캔의 측벽, 캔의 가장자리, 및 집전판의 둘레부는 서로에 대한 위치를 고정하기 위해 모두 함께 용접된다. 또한, 복수의 제1 용접부는 중심 길이방향 축에 대한 둘레방향을 따라 서로 이격될 수 있다. 이 방법은 바람직하게는 개구를 따르는 캔의 측벽과 캡의 가장자리가 모두 함께 용접되는 제2 용접부를 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 제2 용접부는 캔의 개구를 밀봉하기 위해 중심 길이방향 축에 대한 둘레방향을 따라 실질적으로 전체적으로 연속적으로 연장될 수 있다.
상기 방법의 일부 관점에 따르면, 복수의 제1 용접부를 형성하는 단계는 측벽의 반경방향 내면과 캡의 가장자리의 반경방향 외면 사이의 영역에 레이저가 향하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 관점 중 일부 추가에 따르면, 제2 용접부를 형성하는 단계는 레이저를 사용하여 측벽의 반경방향 내면과 캡 가장자리의 반경방향 외면을 따른 영역을 연속적으로 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 관점 중 또 다른 관점에 따르면, 복수의 제1 용접부를 형성할 때 조사되는 레이저의 출력 또는 에너지 밀도는, 각각 제2 용접부를 형성할 때 조사되는 레이저의 출력 또는 에너지 밀도보다 더 높을 수 있다.
본 발명의 일부 추가 관점에 따르면, 복수의 제1 용접부를 형성하기 위해 원주 방향을 따라 이동하는 레이저의 속도는 제2 용접부를 형성하는 레이저의 속도보다 빠를 수 있다.
상기 방법의 일부 관점에 따르면, 제2 용접부를 형성하는 단계는 롤러 전극을 활용하는 저항 용접을 포함할 수 있다.
상기 방법의 일부 다른 관점에 따르면, 복수의 제1 용접부를 형성하는 단계 및 제2 용접부를 형성하는 단계는 중심 길이방향 축과 평행하게 연장되는 축방향을 따라 캡 위로 돌출하는 측벽의 연장부의 소재를 용융하는 단계를 포함할 수 있다. 결과적으로, 연장부의 소재는 바람직하게 측벽의 반경방향 내면과 캡 가장자리의 반경방향 외면 사이에서 유동한다.
본 발명에 따르면, 캔과 집전판과 캡의 둘레 방향 전체 구간을 함께 용접하는 것과 대비하여, 용접 열의 발생을 억제하면서도 집전판의 전기적 연결과 캔의 밀봉을 확실하게 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 용접 열의 발생을 억제하면서도 요구되는 내부 저항을 충분히 구현하고 캔을 확실히 밀봉할 수 있다.
본 발명에 따르면, 측벽부재와 캡과 집전판을 함께 용접하면서도, 용접성과 안정성, 그리고 내구성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀의 조립 공수를 크게 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면, 캔의 내부에 수용되는 전극조립체의 체적을 최대한 확보할 수 있어, 배터리 셀의 에너지 밀도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 관점에 따른 원통형 배터리 셀의 사시도이다.
도 2는 도 1의 캔 내부에 수용되는 전극조립체의 권취 전 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 전극조립체의 권취 전 적층 상태의 사시도이다.
도 4는 도 3의 적층체를 권취하여 원통형 젤리-롤 형태의 전극조립체를 조립한 상태의 사시도이다.
도 5는 도 4의 전극조립체의 제1전극의 전극탭에 제1집전판이 접합된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 4의 전극조립체의 제2전극의 전극탭에 제2집전판이 접합된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 7은 제1 및 제2 집전판이 접합된 전극조립체를 캔 내부에 수용하는 과정을 나타낸 측면 단면도이다.
도 8은 캔에 수용된 전극조립체의 제1집전판과 제1전극단자의 접합 과정을 나타낸 측면 단면도이다.
도 9는 전극조립체가 수용된 캔의 개방 단부를 캡으로 덮는 과정을 나타낸 측면 단면도이다.
도 10은 캔의 개방 단부를 캡으로 덮은 배터리 셀의 개방 단부 부분을 확대하여 나타낸 단면도로서, 레이저 용접 과정을 나타낸 도면이다.
도 11은 캔의 개방 단부를 캡으로 덮은 배터리 셀의 개방 단부 부분을 확대하여 나타낸 단면도로서, 저항 용접 과정을 나타낸 도면이다.
도 12는 캔의 개방 단부를 주액구가 마련된 캡으로 덮은 배터리 셀의 개방 단부 부분을 나타낸 단면도이다.
도 13은 도 12의 캡의 주액구를 스토퍼로 마감한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 14는 캔의 개방 단부에 캡을 덮은 상태의 사시도이다.
도 15는 도 14의 .15.-.15. 단면을 나타낸다.
도 16은 도 14의 캔과 캡에 제1용접부를 형성한 상태를 나타낸 평면도이다.
도 17은 도 16의 .17.-.17. 단면을 나타낸다.
도 18은 도 16의 캔과 캡에 제2용접부를 형성한 상태를 나타낸 평면도이다.
도 19는 도 18의 .19.-.19. 단면을 나타낸다.
도 20은 도 18의 .20.-.20. 단면을 나타낸다.
도 21은 본 발명의 제2 관점에 따른 원통형 배터리 셀의 캔의 개방 단부에 캡을 덮은 상태를 나타낸 사시도이다.
도 22는 도 21의 단면을 나타낸다.
도 23은 도 21의 캔과 캡에 제1용접부를 형성한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 24는 도 23의 캔과 캡에 제2용접부를 형성한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 25는 도 24의 .25.-.25. 단면을 나타낸 사진이다.
도 26은 도 24의 .26.-.26. 단면을 나타낸 사진이다.
도 27은 본 발명의 제3 관점의 원통형 배터리 셀의 캡의 평면도이다.
도 28은 원통형 배터리 셀의 캔의 개방 단부에 도 27의 캡을 덮은 상태를 나타낸 평면도이다.
도 29는 본 발명에 따른 배터리 셀 제조 공정의 일 예의 순서도이다.
도 30은 본 발명에 따른 배터리 셀 제조 공정의 다른 일 예의 순서도이다.
도 31은 실시예의 배터리 셀들이 적용된 배터리 팩의 사시도이다.
도 32는, 도 31의 배터리 팩을 탑재한 자동차를 도시한다.
[부호의 설명]
10: 캔 11: 측벽부재 111: 제1내주면 113: 내경확장부 115: 제2내주면 117: 오버행부 12: 바닥부재 13: 제1전극단자 14: 가스켓 15: 제2전극단자 16: 캡 160: 캡바디 161: 두께축소부 17: 접합부 171: 접합외주면 171a: 대경구간 171b: 소경구간 173: 집전판 맞댐면 18: 주액구 19: 인슐레이터 20: 전극조립체 21: 제1전극(양극) 22: 제2전극(음극) 23: 금속포일 24: 활물질층 25: 유지부 26: 무지부 27: 전극탭(노칭탭) 28: 분리막 31: 제1집전판(양극집전판) 312: 단자연결부 313: 링부 314: 전극연결부 32: 제2집전판(음극집전판) t5: 제5두께 321: 이너링부 322: 홀 323: 전극탭 연결부 324: 캔 연결부 325: 맞댐외주면 326: 캡 맞댐면 327: 제1절곡부 328: 제2절곡부 40: 스토퍼 G: 간극 R: 롤 전극 W1: 제1용접부 W2: 제1용접부 70: 배터리 팩 71: 하우징 72: 배터리 셀 80: 차량
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접촉"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접촉될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접촉"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
실시예를 설명함에 있어서 축방향이라 함은 젤리-롤 형태의 전극조립체의 권취 중심을 이루는 중심 길이방향 축이 연장되는 방향, 또는 상기 중심 길이방향 축과 평행한 방향을 지칭하고, 반경방향이라 함은 상기 축에서 가까워지거나(구심) 멀어지는(원심) 방향을 지칭하고, 둘레(원주)방향이라 함은 상기 축을 둘러싸는 방향을 지칭한다.
이하 도 1 내지 도 20을 참조하여 본 발명의 용접 구조가 적용된 배터리 셀의 제1실시예를 상세하게 설명한다.
실시예의 배터리 셀은, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리 셀일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 상기 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
상기 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리 셀 일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
본 발명은, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리 셀들, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등에 적용될 수도 있음은 물론이다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 21700 셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
실시예의 배터리 셀은, 전극조립체(20)와, 상기 전극조립체(20)에 전기적으로 연결된 집전판(31, 32)과, 상기 전극조립체(20)와 집전판(31, 32)을 수용하는 캔(10)을 포함한다.
상기 캔(10)은, 바닥부재(12), 상기 바닥부재(12)에 연결되고 축방향으로 연장되는 측벽부재(11), 및 상기 측벽부재(11)의 축방향 일측 단부, 즉 측벽부재(11)의 상단부(30) 또는 제1 단부에 마련된 개방 단부를 덮는 캡(16)을 포함한다.
상기 바닥부재(12)는 중앙부에 홀이 형성된 원반 형태를 이루고, 상기 측벽부재(11)는 캔(10)의 내부 용적을 둘러싸는 원형의 관 형상일 수 있다.
상기 바닥부재(12)와 측벽부재(11)는 스틸의 표면에 니켈이 도금된 금속 시트를 딥 드로잉 공정으로 성형 가공하고, 측벽부재(11)의 선단부를 블랭크 홀더로 파지한 상태에서 펀치로 트리밍 가공하여 제작될 수 있다. 물론 캔(10)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 홀에는 제1전극단자(13)가 끼움 결합될 수 있다. 상기 제1전극단자(13)는, 가스켓(14)을 개재한 상태에서 상기 바닥부재(12)에 리벳팅되어 고정될 수 있다. 상기 가스켓(14)은 상기 제1전극단자(13)와 상기 바닥부재(12) 사이에 개재되어, 캔(10)의 내부와 외부를 밀봉하여 전해액의 누액을 방지하고, 제1전극단자(13)를 바닥부재(12)로부터 전기적으로 절연할 수 있다.
다만, 상기 제1전극단자(13)와 바닥부재(12)의 연결 방식이 이에 한정되는 것은 아니다. 가령 제1전극단자(13)와 바닥부재(12) 사이를 밀봉하고, 제1전극단자(13)를 바닥부재(12)로부터 전기적으로 절연할 수 있는 구조라면, 이 외에도 다양한 고정 방법, 가령 볼트-너트 결합 방식, 글라스 씰(glass seal) 방식, 또는 크롬코팅 & PP-MAH 열접합 방식과 같은 다양한 다른 방식 역시 적용 가능하다.
상기 제1전극단자(13)는 제1극성을 띄고, 상기 캔(10)은 제2극성을 띌 수 있다. 즉, 상기 캔(10)의 바닥부재(12), 이와 연결되는 측벽부재(11), 및 상기 측벽부재(11)와 연결되는 후술할 캡(16)은 모두 제2극성을 띌 수 있다.
이에 따라, 상기 배터리 셀은, 바닥부재(12)가 구비된 캔(10)의 축방향 단부, 즉 폐쇄 단부에 제1전극단자(13)와 제2전극단자(15)가 모두 배치될 수 있다. 그러면, 상기 배터리 셀은 제1전극단자(13)에 연결되는 버스바와 제2전극단자(15)에 연결되는 버스바가 모두 배터리 셀의 상부에 위치할 수 있다.
일 예에서, 상기 제1전극단자(13)는 양극단자이고, 상기 제2전극단자(15)는 음극단자일 수 있다. 물론 그 반대일 수도 있다.
상기 캔(10)의 내부 용적 내에는 전극조립체(20)가 수용된다. 상기 전극조립체(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 폭을 가지고 길이방향으로 연장된 제1전극(21), 제2전극(22) 및 분리막(28)을 준비하고, 도 3에 도시된 바와 같이 제1전극(21), 분리막(28), 제2전극(22), 분리막(28)의 순으로 적층한 적층체를 형성한 뒤, 이를 도 4에 도시된 바와 같이 권심축 둘레로 권취한 젤리-롤 형태로 제작된다.
상기 제1전극(21)은 양극일 수 있고, 상기 제2전극(22)은 음극일 수 있다. 물론 그 반대일 수도 있다.
상기 제1전극(21)과 제2전극(22)은 시트 형태로 제작된다. 상기 전극시트는, 금속포일(23)의 표면에 활물질층(24)이 도포된 형태로 제작된다. 상기 전극시트는, 활물질층(24)이 도포된 유지부(25) 영역과, 활물질층(24)을 도포하지 않은 무지부(26) 영역을 구비한다. 양극시트는 폭방향 일측에 무지부(26) 영역이 구비되고, 음극시트는 폭방향 타측에 무지부(26) 영역이 구비된다.
제1전극(21)과 제2전극(22)은, 그들의 무지부(26) 영역이 적층체에서 폭방향으로 노출 또는 돌출되도록 배열된다. 제1전극(21)의 무지부(26)는 젤리-롤의 축방향 일측 단부에서 돌출되고, 제2전극(22)의 무지부(26)는 젤리-롤의 축방향 타측 단부에서 돌출된다. 상기 무지부(26)는 그 자체가 적어도 하나의 전극탭(27)으로서 기능한다.
상기 무지부(26)에는 소정의 간격을 두고 노치를 형성하여, 노칭탭(27)들을 형성할 수 있다.
노칭탭(27)은 각각 플래그(flag) 형태일 수 있다. 실시예에서는 상기 노칭탭(27)들이 등변 사다리꼴 형태임이 예시된다. 그러나 이들의 형태는 반원형, 반타원형, 삼각형, 직사각형, 평행사변형 등 다양한 형태일 수 있다.
또한 실시예에서는 길이방향을 따라 배열되는 상기 노칭탭(27)들이 동일한 너비를 가지는 형태가 예시된다. 그러나 노칭탭들의 너비는, 권심 측에서 외주 측으로 갈수록 점진적으로 또는 단계적으로 넓어지는 형태일 수도 있다.
또한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 실시예에서는 권심 측에서 외주 측으로 갈수록 상기 노칭탭(27)들의 높이가 단계적으로 높아지는 형태가 예시된다. 그러나 이러한 노칭탭들의 높이는 일정하거나 점차 낮아지는 형태로 구현될 수도 있다.
또한 실시예에서는 상기 무지부(26)의 구심측 단부의 소정 구간과 원심측 단부의 소정 구간에 노칭탭(27)이 삭제된 구조가 예시된다. 그러나 젤리-롤 형태로 권취된 전극조립체(20)의 구심측 단부에서 무지부의 노칭탭이 삭제되지 않을 수도 있고, 원심측 단부에서 무지부의 노칭탭이 삭제되지 않을 수도 있고, 구심측 단부와 원심측 단부 모두에서 무지부의 노칭탭이 삭제되지 않을 수도 있음은 물론이다.
젤리롤 형태의 전극조립체(20)에서, 상기 노칭탭(27)은 도 4에 도시된 바와 같이 반경방향으로 절곡되어 평탄화될 수 있다. 상기 노칭탭(27)은 반경방향 내측으로 절곡되거나 외측으로 절곡될 수 있다. 실시예에서는 노칭탭(27)이 반경방향 내측으로 절곡된 구조가 예시된다.
상기 노칭탭(27)은, 적층체를 권취하여 젤리롤 형태의 전극조립체(20)를 형성하는 과정에서 하나씩 절곡 가공될 수 있다. 이와 달리 상기 노칭탭(27)은, 적층체를 권취하여 젤리롤 형태의 전극조립체를 형성한 뒤, 한꺼번에 절곡 가공될 수도 있다.
이렇게 반경방향으로 절곡되며 포개어진 제1전극(21)의 노칭탭(27)들과 제2전극(22)의 노칭탭(27)들은, 각각 전극조립체(20)의 축방향 양측 단부에서 축방향에 대해 실직적으로 수직한 평면을 제공할 수 있다.
상기 전극조립체(20)의 축방향 양단부로 노출된 노칭탭(27)이 절곡되어 제공되는 실질적으로 평평한 표면에는 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 제1집전판(31)과 제2집전판(32)이 각각 접합될 수 있다.
실시예에서, 상기 제1집전판(31)은 양극 집전판이고, 상기 제2집전판(32)은 음극 집전판임이 예시된다. 상기 제1집전판(31)은 알루미늄 재질일 수 있고, 상기 제2집전판(32)은 구리 재질일 수 있다.
상기 집전판(31, 32)은, 금속 시트를 펀칭, 트리밍, 피어싱, 및/또는 벤딩하여 제작될 수 있다.
도 5를 참조하면 상기 제1집전판(31)은, 중심부로부터 방사상으로 연장되는 단자연결부(312)와, 상기 단자연결부(312)의 원심측 가장자리를 원주방향으로 연결하는 링부(313)와, 상기 링부(313)로부터 구심측으로 연장되되 상기 단자연결부(312)와는 연결되지 않는 전극연결부(314)를 구비한다. 상기 단자연결부(312)의 중심부는 전극조립체(20)의 중심 길이방향 축을 따르는 권심 중공부의 적어도 일부를 덮는다.
상기 전극연결부(314)는, 상기 전극조립체(20)를 캔(10)에 넣기 전에, 전극조립체(20)의 제1전극(21)의 노칭탭(27)에 레이저 용접 등의 방식으로 접합된다. 상기 레이저의 용접 라인은 방사상으로 연장될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제2집전판(32)은, 전극조립체(20)의 권심 중공부와 대응하는 홀(322)을 규정하고 상기 권심 중공부를 둘러싸는 형태로 제공되는 이너링부(321), 및 상기 이너링부(321)로부터 방사상으로 연장된 전극탭 연결부(323)를 포함한다. 전극탭 연결부(323)는 상기 이너링부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 복수 개의 스포크(spoke) 형태일 수 있다. 여기서 스포크 중 하나 이상은, 캔 연결부(324)로 지칭되는 제2집전판(32)의 둘레부와 연결되는 반경방향 외측 단부를 구비할 수 있다. 또한, 전극탭 연결부(323)의 스포크 중 하나 이상은 상기 캔 연결부(324)에 다다르지 않는 반경방향 외측 단부를 구비할 수 있다. 상기 캔 연결부(324)는 전극탭 연결부(323)를 둘러싸는 아우터 링 형상을 구비하고, 상기 캔 연결부(324)는 축방향으로 상기 전극조립체(20)로부터 멀어지는 단차를 포함할 수 있다. 이에 따라, 캔 연결부(324)의 적어도 최외각 둘레부는, 전극탭 연결부(323)와 이너링부(321), 그리고 상기 캔 연결부(324)의 다른 부위보다, 상기 전극조립체(20)로부터 더 멀리 이격 배치될 수 있다.
상기 전극탭 연결부(323)는, 상기 전극조립체(20)를 캔(10)에 넣기 전에, 전극조립체(20)의 제2전극(22)의 노칭탭(27)에 레이저 용접 등의 방식으로 접합될 수 있다. 상기 레이저의 용접 라인은 방사상으로 연장될 수 있다.
도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 전극조립체(20)는, 상기 제1집전판(31)이 캔(10)의 바닥부재(12)를 향하도록 정렬된 상태에서 상기 캔(10)에 수용된다. 이 때, 제1집전판(31)과 캔(10)의 바닥부재(12) 사이에 인슐레이터(19)를 개재하여 상기 제1집전판(31)을 상기 바닥부재(12)로부터 전기적으로 절연되도록 한다.
그리고, 상기 제1집전판(31)의 단자연결부(312)는 상기 캔(10)에 고정된 제1전극단자(13)와 저항 용접, 초음파 용접 또는 레이저 용접 등의 방식으로 접합된다. 상기 제1집전판(31)과 제1전극단자(13)의 용접을 위한 용접장치는 도 8에 도시된 바와 같이 캔(10)의 개방 단부로부터 상기 전극조립체(20)의 권심 중공부를 통해 상기 제1집전판(31)의 단자연결부(312) 중심의 이면{전극조립체(20)를 바라보는 면}에 접근하여 용접을 진행할 수 있다. 물론 이 외에도 브레이징이나 솔더링 방식 등에 의해 제1집전판(31)과 제1전극단자(13)가 접합될 수도 있음은 물론이다. 즉 상기 제1집전판(31)과 제1전극단자(13)는 이들을 전기적으로 연결하며 상호 고정할 수 있는 결합 방식이라면 다양한 방식이 적용 가능하다.
상기 전극조립체(20)가 상기 캔(10)의 내부에 수용된 상태에서, 상기 제2전극(22)의 전극탭(27)과 상기 제2집전판(32)은 상기 측벽부재(11)의 개방 단부를 바라보도록 배치된다.
상기 제1집전판(31)과 제1전극단자(13)의 접합이 이루어진 후, 상기 캔(10) 내부에 전해액을 주입할 수 있다. 전해액을 주입한 뒤, 상기 측벽부재(11)의 개방단부는, 도 9에 도시된 바와 같이 캡(16)에 의해 덮이며 마감된다. 캔(11)의 측벽부재(11)와 바닥부재(12) 사이의 연결에 의해, 캔(10)의 내부 용적은 캡(16)의 개방 단부를 덮음으로써 폐색된다.
상기 캡(16)의 가장자리는 도 10에 도시된 바와 같이 측벽부재(11)의 가장자리와 레이저로 심 용접되며 접합되고, 이에 따라 상기 캔(10)은 밀봉될 수 있다.
또한, 이러한 방식 외에도, 가령 도 11에 도시된 바와 같이, 롤 전극(R) 형태의 저항 용접 방식을 통해 심용접(seam welding)으로 접합할 수도 있음은 물론이다. 상기 롤 전극(R)은 테이퍼 롤 형상일 수 있다. 상기 롤 전극(R)의 둘레면이 측벽부재(11)의 선단부에 접촉하도록 한 상태에서 상기 캔(10)을 회전시키면, 캔(10)의 회전에 종동하여 상기 롤 전극(R) 역시 회전하며, 이렇게 회전하는 동안 두 전극 중 어느 한 쪽에 +전압, 다른 한 쪽에 - 전압을 인가하면, 전류가 흐르며 전극(R)과 인접한 측벽부재(11)와 캡(16)의 접촉 부위에서 저항 발열하여 이들의 접촉 부위에서 용접이 이루어질 수 있다.
물론 본 발명의 용접 구조는, 도 12에 도시된 바와 같이 캔(10)의 개방 단부에 캡(16)을 먼저 덮어 측벽부재(11)에 용접(W)한 뒤, 캡(16)에 마련된 주액구(18)를 통해 캔(10) 내부에 전해액을 주입하고, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 캡(16)의 주액구(18)를 스토퍼(40)로 마감하는 방식에도 적용 가능하다. 상기 주액구(18)는 캡(16)의 중앙에 마련된 원형의 홀 형상일 수 있고, 상기 스토퍼(40)는 상기 주액구(18)보다 큰 직경을 가지는 표면부와, 그로부터 돌출되어 상기 주액구(18)에 끼워지는 삽입부를 구비하는 원형의 마개일 수 있다. 상기 스토퍼(40)의 외측 둘레는 상기 캡(16)에 용접되고, 이에 따라 상기 주액구(18)는 밀봉 마감될 수 있다. 물론 스토퍼(40)와 캡(16)의 결합 방식이 용접에 한정되는 것은 아니며, 가령, 솔더링, O링 압착, 나사결합 등 밀봉이 가능한 다양한 결합 방식이 적용될 수 있다.
도 10과 도 14와 도 15를 참조하면, 상기 측벽부재(11)의 개방 단부 쪽에는 내경확장부(113)가 마련될 수 있다. 상기 내경확장부(113)는 중심 길이방향 축을 가로지르도록 연장되고 측벽부재(11)의 반경방향 내면을 따라 배치되는 측방 단차(lateral step) 형상일 수 있다.
이에 따라 상기 측벽부재(11)의 반경방향 내면은, 상기 내경확장부(113)보다 축방향 내측에, 즉 측벽부재(11)의 개방 단부의 개구로부터 더 멀리 마련된 제1내면(111)과, 상기 내경확장부(113)보다 축방향 외측에, 즉 측벽부재(11)의 개방 단부의 개구에 더 가깝게 마련된 제2내면(115)을 포함할 수 있다.
상기 제2내면(115)은 상기 제1내면(111)보다 큰 내경을 가질 수 있다. 이에 따라 상기 측벽부재(11)는, 상기 제1내면(111)이 마련된 부분에서 반경방향으로 측정되는 제1두께(t1)보다 상기 제2내면(115)이 마련된 부분에서 반경방향으로 측정되는 제2두께(t2)가 더 작을 수 있다.
상기 제2집전판(32)의 가장자리에 마련되고 상기 캔(10)에 접하여 전기적으로 연결되는 캔 연결부(324)는, 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 접하는 제1부위를 포함한다. 상기 제1부위에는, 반경방향으로 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 마주하며 접하는 맞댐외주면(325)이 마련된다.
상기 캔 연결부(324)는, 상기 캡(16)과 접하는 제2부위를 포함한다. 상기 제2부위에는, 축방향으로 상기 캡(16)의 내면, 즉 캡(16)의 저면과 마주하며 접하는 캡 맞댐면(326)이 마련된다.
상기 캔 연결부(324)의 맞댐외주면(325)의 외경은 상기 제1내면(111)의 내경보다 더 크게 설정된다. 이에 따라 상기 캔 연결부(324)는, 상기 내경확장부(113)에 접하는 제3부위를 포함한다. 상기 제3부위는, 축방향으로 상기 캡 맞댐면(326)의 반대편에 마련된다. 상기 제3부위는 상기 내경확장부(113)와 맞닿으며 상기 캔(10)에 대한 상기 제2집전판(32)의 삽입 깊이를 규제한다.
상기 제2집전판(32)은 제1절곡부(327)와 제2절곡부(328)를 더 포함하고, 이에 따라 제2집전판(32)은 축방향으로 단차를 규정한다. 상기 제1절곡부(327)는, 반경방향 외측으로 연장되는 제2집전판(32)을 축방향 외측으로 절곡하는 형상을 제공한다. 그리고 상기 제2절곡부(328)는, 축방향 외측으로 연장되는 제2집전판(32)을 반경방향 외측으로 절곡하는 형상을 제공한다. 제1절곡부(327)와 제2절곡부(328) 사이의 축방향 단차로 인해, 제2집전판(32)의 둘레부 내지 캔 연결부(324)는, 상기 제2집전판(32)의 중앙부와 대비하여 캔(10)의 개방 단부를 향해 축방향으로 오프셋 된다.
상기 캔 연결부(324)는 상기 제1절곡부(327)와 제2절곡부(328)를 통해, 그리고 앞서 설명한 이너링부(321)를 통해 상기 전극탭 연결부(323)에 연결된다.
상기 캔 연결부(324)는, 상기 제2절곡부(328)의 반경방향 외측에 연결되고 상기 제2절곡부(328)로부터 반경방향으로 연장되는 형태를 가진다. 이에 따르면, 제2집전판(32)의 캡 맞댐면(326)의 면적을 더욱 확보할 수 있다.
바람직하게 상기 제2집전판(32)의 재질은 상기 측벽부재(11)의 재질보다 무를 수 있다. 따라서, 상기 제2집전판(32)을 상기 측벽부재(11)의 개방 단부에 삽입하는 과정에서 상기 제1절곡부(327)와 제2절곡부(328)가 탄성 변형된다. 이에 따라, 상기 맞댐외주면(325)의 외경을 상기 제2내면(115)의 내경보다 아주 약간 크도록 설정하면, 상기 맞댐외주면(325)이 상기 제2내면(115)에 압입된다.
상기 캡(16)은, 반경방향 중심에서 외측으로, 캡바디(160), 캡의 두께가 변화되는 두께축소부(161), 및 접합부(17)를 순서대로 구비한다. 즉, 상기 캡바디(160)는 캡(16)의 중앙 영역에 중심 잡고 있고, 상기 두께축소부(161)는 상기 캡바디(160)의 반경방향 외측에 마련된다. 상기 접합부(17)는 상기 두께축소부(161)의 반경방향 외측에 마련되어, 캡바디(160)에 대해 상대적으로 감소된 두께를 구비하는 캡(16)의 횐형 영역이 규정된다.
즉 축방향으로 측정되는 상기 접합부(17)의 제3두께(t3)는, 축방향으로 측정되는 상기 캡바디(160)의 제4두께(t4)보다 작다.
상기 캡(16)의 반경방향 외면을 따라, 구체적으로 상기 접합부(17)의 반경방향 외면을 따라, 반경방향으로 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 마주하는 접합외주면(171)이 마련된다. 제1실시예에 따르면 상기 접합외주면(171)은 반경방향으로 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 접한다. 또한 상기 캡(16)의 접합부(17)의 저면에는, 상기 제2집전판(32)의 캔 연결부(324)의 캡 맞댐면(326)을 축방향으로 하향하도록 마주하며 접하는 집전판 맞댐면(173)이 마련된다.
상기 두께축소부(161)가 마련된 위치를 적절히 선정하여, 상기 두께축소부(161)의 적어도 일부가 상기 제2집전판(32)에 접촉하도록 할 수 있다. 그러면, 캡(16)을 측벽부재(11)의 개방 단부에 삽입하는 과정에서 캡(16)의 두께축소부(161)가 제2집전판(32)과 맞닿으며 상기 캡(16)의 중심이 제2집전판(32)과 중심 길이방향 축에 정렬되는 효과를 누릴 수 있다.
제1실시예에서는, 반경방향으로 상기 제2집전판(32)의 제2절곡부(328)가 형성된 위치와 대응하는 위치에 상기 두께축소부(161)를 배치하여, 이러한 정렬 효과를 누리도록 하였다.
바람직하게, 제1실시예는 상기 정렬 효과를 높이기 위해, 반경방향 외측으로 갈수록 축방향 외측으로 연장되는 경사면 형태로 상기 두께축소부(161)를 구현하였다.
또한 바람직하게, 제1실시예는 정렬 효과를 높이기 위해, 상기 제2집전판(32)의 제2절곡부(328)의 표면 형상을 통해, 상기 제2집전판(32)에도 경사면 형태를 부여하였다.
반경방향으로, 상기 캡(16)의 접합외주면(171)과 상기 제2집전판(32)의 맞댐외주면(325)은 각각 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)에 접한다.
추가적으로, 축방향으로, 상기 제2집전판(32)의 둘레부를 따라 그 하부의 적어도 일부는 상기 측벽부재(11)의 내경확장부(113)에 접한다. 축방향으로 상기 제2집전판(32)의 상부에 마련된 캡 맞댐면(326)은 상기 캡(16)의 접합부(17)의 하부에 마련된 집전판 맞댐면(173)과 접한다.
이렇게 제2집전판(32)과 캡(16)이 삽입된 상태에서, 상기 측벽부재(11)의 상단부의 축방향 위치는 상기 캡(16)의 상부 표면의 축방향 위치와 대응할 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 즉, 측벽부재(11)에서 내경확장부(113)보다 축방향 외측에 마련된 구간의 제1높이(h1)는 상기 캡(16)의 접합부(17)의 제3두께(t3) 및 상기 제2집전판(32)의 캔 연결부(324)의 제5두께(t5)의 합과 대응할 수 있다.
도시된 바와 같이, 반경방향으로 상호 맞대어져 있는 상기 캡(16)의 접합외주면(171)과 상기 측벽부재(11)의 내면의 축방향 단부는, 배터리 셀의 외측으로 노출된다.
배터리 셀의 축방향 외측에서 상기 캡(16)의 접합외주면(171)과 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)의 축방향 단부로 조사되는 레이저에 의해, 상기 캡(16)은 캔(10)에 용접될 수 있다.
이때, 상기 캡(16)보다 축방향 하부에 배치된 제2집전판(32)의 맞댐외주면(325)이 측벽부재(11)의 내면과 마주하며 접하므로, 측벽부재(11)와 캡(16) 사이에 존재할 수 있는 틈을 통해 상기 레이저가 캔 내부 공간으로 조사되어 들어가는 것을 방지할 수 있다.
또한 상기 측벽부재(11)의 상기 내경확장부(113) 역시, 측벽부재(11)와 캡(16) 또는 측벽부재(11)와 제2집전판(32)의 틈새로 조사되어 들어올 수 있는 레이저의 내부 침투를 저지한다.
상기 제2집전판(32)은 측벽부재(11)보다 열 전도율이 높은 재질일 수 있다. 그리고 상기 제2집전판(32)은 상기 측벽부재(11)와 접하고 있다. 따라서 레이저에 의해 측벽부재(11)에 발생하는 용접 열이 측벽부재(11)의 축방향을 따라 전도될 때, 용접 열이 제2집전판(32)을 통해 전극조립체(20)의 상단부를 가로지르며 분산되어, 용접 열이 전극조립체(20)의 분리막 부위까지 전달되어 분리막을 손상시키는 현상을 방지할 수 있다.
상기 제2집전판(32)은 상기 캡(16)과도 접하고 있다. 이에 따라 상기 레이저 또는 저항 용접에 의해 캡(16)에서 발생되는 열이, 상기 제2집전판(32)을 통해 분산 전달된다. 그러면, 레이저로 캡(16)과 측벽부재(11)의 맞댐 부위를 가열할 때 측벽부재(11)가 먼저 승온되어 용융되는 현상이 발생할 수 있다.
따라서 측벽부재(11)가 지나치게 얇으면, 측벽부재(11)가 캡(16)보다 먼저 용융되어버려, 용접이 원활하기 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 상기 측벽부재(11)의 제2두께(t2)는, 0.25mm 이상일 수 있다. 가령, 제2두께(t2)는 0.35mm일 수 있다.
또한, 캔(10) 내부 공간의 압력이 높아졌을 때, 캡(16)이 이를 지탱하기 위한 강도를 가지는 것도 중요하다. 캡(16)이 너무 얇으면, 캔(10)의 내부 압력이 높을 때 캡(16)이 구의 표면 프로파일 형태로 부풀어 오르는 벌징(bulging)이 지나치게 많이 일어나고 이는 배터리 셀의 내구성을 악화시킨다. 이러한 벌징 변형에 저항하기 위해, 상기 캡(16)은 어느 정도의 두께를 확보하는 것이 중요하다.
반면 캡(16)의 두께가 측벽부재(11)에 비해 지나치게 두꺼우면, 레이저 용접 시 측벽부재(11)만 먼저 용융되어 버려 용접 가공성이 크게 떨어진다. 또한 캡(16)의 두께가 두꺼워지는 만큼, 용접이 이루어질 캡(16)의 접합외주면(171)의 축방향 길이도 늘어나게 된다. 캔(10)의 내구성을 확보하기 위해서는, 캡(16)의 접합외주면(171)의 축방향 전체 구간이 용접되는 것이 바람직하다.
이에 실시예는, 측벽부재(11)와 용접이 이루어져야 하는 접합부(17)의 제3두께(t3)와, 벌징에 저항해야 하는 캡바디(160)의 제4두께(t4)를 달리 한 구조의 캡(16)을 개시한다. 제4두께(t4)가 두꺼울수록 벌징에 대한 저항력은 높아지지만, 그것이 캔 내부를 차지하는 공간도 커진다. 공간 점유 및 중량을 최소화하면서 벌징에 대한 저항성을 높이기 위해, 제4 두께(t4)는 요구되는 벌징 저항성 범위 내에서 가능한 작은 것이 바람직하다.
결국, 캡(16)의 대부분을 차지하는 캡바디(160)의 제4두께(t4)는 캔(10)의 내부 압력에 의한 캡(16)의 변형을 최소화하기 위해 제3두께(t3)보다 큰 것이 바람직하다. 반면, 또한 축방향을 따르는 용접부의 두께 치수를 최소화하여 용접부(W)가 접합외주면(171)의 축방향 전체에 걸쳐 확실히 형성되도록 한다. 이에 따라, 캡(16) 자체의 강도를 증가시키고 또한 측벽부재(11)에 대한 캡(16)의 접합 강도도 증가시킨다.
제3 두께(t3)와 제4 두께(t4)의 비율은 바람직하게는 0.4 내지 0.8, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 0.75일 수 있다. 상기 비율이 상기 범위 미만인 경우에는, 벌징 저항성의 증가 없이 캡바디(160)가 지나치게 두꺼워지고/지거나, 용접부의 강도가 부족해질 우려가 있다. 상기 비율이 상기 범위를 초과하면, 캡바디(160)의 벌징 저항성이 부족해지고/지거나, 캡(16)의 외주 접합면(171)이 축 방향 전체를 따라 용접되기 어려워진다.
실시예의 캡(16)에 따르면, 두께축소부(161)의 반경방향 위치를 최대한 용접 부위에 가깝게 배치하여, 벌징에 저항하는 캡바디(160) 부위의 면적을 최대한 확보할 수 있다. 또한 이러한 두께축소부(161)의 위치 선정에 의해, 제2집전판(32)과 접촉하며 캡(16)의 중심을 정렬하는 가이드 기능도 함께 제공될 수 있다.
상기 캡(16)의 접합부(17)의 제3두께(t3)는, 상기 측벽부재(11)의 제2두께(t2)보다 크게 설정될 수 있다. 상기 제3두께(t3)는 상기 제2두께(t2)의 1배 이상 2배 이하일 수 있다. 예를 들어, 제2두께(t2)가 0.35mm일 때, 제3두께(t3)는 0.5mm이거나 0.5 내지 0.7mm의 범위일 수 있다.
상기 제3두께(t3)가 상기 제2두께(t2)의 2배를 초과하면, 용접부를 형성하는 과정에서 상기 캡(16)이 용융되기 전에 측벽부재(11)가 지나치게 용융될 우려가 있다. 또한 상기 제3두께(t3)가 상기 제2두께(t2)의 2배를 초과하면, 용접부가 캡(16)의 접합외주면(171)의 축방향 전체에 걸쳐 형성되지 못할 우려가 있다.
상기 제3두께(t3)가 상기 제2두께(t2)의 1배 미만이면, 즉 상기 제2두께(t2)가 상기 제3두께(t3)보다 크면, 캡(16)의 가장자리 부위의 강도를 확보하기 어렵고, , 또한 측벽부재(11)의 전체 두께(t1)를 키우지 않으면서 측벽부재(11)의 내경확장부(113)의 충분한 측방 단차 치수를 확보하기 어렵다.
상기 캡(16)과 제2집전판(32)을 측벽부재(11)의 개방 단부에 용접하는 과정은, 2단계로 이루어질 수 있다. 이에 따라 제1실시예의 배터리 셀은 제1용접부(W1)와 제2용접부(W2)를 구비할 수 있다.
먼저, 도 15에 도시된 바와 같이 측벽부재(11)의 개방 단부에 캡(16)을 삽입한 상태에서, 도 16과 도 17에 도시된 바와 같이 측벽부재(11)에 대한 캔(10)의 위치를 고정하기 위한 가 용접이 이루어질 수 있다. 바람직하게, 상기 가 용접 공정에 의해, 캡(16)의 접합외주면(171)과 측벽부재(11)의 제2내면(115)의 둘레 방향을 따라 이격된 복수 개소의 위치에 제1용접부(W1)가 형성될 수 있다.
상기 제1용접부(W1)는, 측벽부재(11)와 캡(16)과 제2집전판(32)이 함께 용융 접합된 부위일 수 있다. 즉, 일반적인 가 용접-본 용접 공정과 달리, 제1실시예의 가 용접 공정은, 본 용접 전 캡(16)의 위치를 임시 고정할 수 있을 뿐만 아니라, 가 용접 과정에서 캡(16)과 측벽부재(11)와 제2집전판(32)을 한꺼번에 용접함으로써, 캡(16)으로 측벽부재(11)의 개방 단부를 덮기 전에 제2집전판(32)을 측벽부재(11)에 별도로 용접하던 공정을 생략할 수 있다는 효과를 가진다.
상기 제1용접부(W1)는 둘레방향을 따라 등 간격으로 배치될 수 있다.
본 용접 전, 측벽부재(11)에 대한 캡(16)의 위치를 확실히 고정하기 위해, 그리고 제2집전판(32)이 캔(10)에 접합되는 단면적을 확보하여 내부 저항을 낮추기 위해, 상기 제1용접부(W1)는 3개소 이상 마련될 수 있다. 바람직하게 상기 제1용접부(W1)는 4개소에 마련될 수 있다.
상기 제1용접부(W1)는, 통상적인 가 용접과 유사하게, 레이저를 스캔하지 않고 어느 일 지점에 비추는 스팟 용접 방식으로 이루어질 수도 있다.
그러나 제1실시예에서는, 단순히 측벽부재(11)와 캡(16)의 용융이 일어날 뿐만 아니라, 제2집전판(32)의 캔 연결부(324)의 용융과 접합까지 확실히 이루어지도록 하기 위해, 둘레방향을 따라 소정의 거리만큼 레이저를 스캔하여 용접하는 스캔 용접 방식으로 제1용접부(W1)를 형성함이 예시된다.
제1용접부(W1)를 형성하기 위한 레이저의 스캔 거리는 0.5mm 이상 5mm 이하일 수 있다. 바람직하게 상기 스캔 거리는 4mm일 수 있다. 스캔 거리가 0.5mm 이하이면, 제2집전판(32)의 확실한 용융을 담보하기 어렵다. 반면, 스캔 거리가 5mm 이상이면, 용접 열이 지나치게 발생하여 전극조립체(20)의 분리막(28) 등이 열에 의해 손상될 우려를 배제할 수 없다.
즉 제1실시예의 제1용접부(W1)는, 가 용접 공정에서, 스팟 용접을 하던 일반적인 가 용접과 달리, 레이저의 출력을 더 높게 하고 스캔 용접을 하여 형성될 수 있다.
이러한 레이저의 출력은, 레이저의 초점 거리를 조절하여 피조사영역의 크기를 조절함으로써 조절 가능할 수 있다. 가령 레이저 발진기의 출력이 같다 하더라도, 그 레이저의 피조사영역의 면적이 좁다면, 그만큼 단위면적당 출력이 높아 에너지밀도가 높아질 수 있다. 반대로, 그 레이저의 피조사영역의 면적이 넓다면, 그만큼 단위면적당 출력이 낮아 에너지밀도가 낮아질 수 있다.
가령 제1용접부는, 피조사영역의 크기를 줄여 높은 에너지 밀도(단위면적당 출력)를 가지도록 하여 형성될 수 있다.
상기 제1용접부(W1)를 형성하기 위한 레이저의 스캔 속도는 상대적으로 빠르게 설정되어, 특정 지점에 고열이 집중적으로 발생하여 분리막 등이 손상되지 않도록 할 수 있다.
이에 따라, 단순히 측벽부재(11)에 캡(16)을 가 접합하는 것이 아니라, 제2집전판(32)까지 모두 용융하여 접합하는 3중 용접을 하되, 내부 저항을 충분히 낮추고, 3중 용접에 의해 열이 발생하는 것을 최소화하여 전극조립체(20)의 손상을 방지할 수 있다.
다음으로, 도 18 내지 도 20에 도시된 바와 같이, 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 캡(16)의 접합외주면(171)을 심 용접하는 본 용접이 이루어질 수 있다. 상기 본 용접 공정은, 적어도 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 캡(16)의 접합외주면(171)을 둘레방향 전체에서 확실히 용접하여 캔(10)을 밀봉하는 제2용접부(W2)를 형성하는 공정일 수 있다.
상기 제2용접부(W2)는, 제1용접부(W1)를 용접하는 레이저에 비해, 레이저의 출력이 더 낮게 하여 형성될 수 있다. 가령 제2용접부는, 피조사영역의 크기를 넓혀 상대적으로 낮은 에너지 밀도(단위면적당 출력)를 가지도록 하여 형성될 수 있다.
상기 제2용접부(W2)를 형성하기 위한 레이저의 스캔 속도는 상대적으로 느리게 설정되어, 용접 풀(pool)이 안정적으로 형성되도록 할 수 있다. 스캔 속도가 느리더라도, 제2용접부(W2)를 형성할 때 발생하는 열은, 열전도성이 높은 재질의 제2집전판(32)을 통해 분산되므로, 분리막 손상 등의 문제가 발생할 여지가 적다.
상기 제2용접부(W2)를 형성하기 위해 레이저의 출력과 스캔 속도는, 적어도 측벽부재(11)의 제2내면(115)에 대해 캡(16)의 접합외주면(171)의 축방향 전체 구간이 접합될 수 있을 정도에서 결정될 수 있다. 그러면, 다소 용접 열이 더 발생하더라도, 이러한 열에 의해 제2집전판(32)의 일부도 함께 용융되어 접합될 수 있으므로, 캔(10)에 대한 제2집전판(32)의 접합이 추가적으로 이루어질 수 있다. 또한 제1용접부(W1)를 형성할 때와 대비하여, 용접 열의 발생양이 확실히 적기 때문에, 전극조립체(20)가 손상되는 현상을 확실히 방지할 수 있다.
상기 제2용접부(W2)는 둘레방향을 따라 연속적으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제1용접부(W1)가 이미 형성된 구간에서는, 도 20에 도시된 바와 같이 제2용접부(W2)가 제1용접부(W1)에 중첩되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1용접부(W1) 형상이 제2용접부(W2)와 합쳐져, 전체적으로 한번 용접한 것과 같은 외관을 제공할 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같이, 제1 용접부(W1)가 캔(10)의 제1 단부 또는 상단부(30)로부터 멀어지도록 축방향을 따라 연장되는 깊이(즉, 거리)는 제2 용접부(W2)가 캔(10)의 제1 단부 또는 상단부(30)로부터 멀어지도록 연장되는 깊이/거리보다 클 수 있다. 또한, 도 20에 도시된 바와 같이, 제1 용접 부분(W1)의 단면적은, 제2 용접 부분(W2)의 단면적과, 특히 도 20과 유사한 단면을 따라, 다를 수 있다. 도 20에 있어서, 단면을 규정하는 평면은 해당 용접부(W1 또는 W2)와 교차하는 위치에서 원주 방향에 수직하게 연장된다. 이러한 평면은 중심 길이방향 축에 평행하게 연장된다.
이하 도 21 내지 도 26을 참조하여, 배터리 셀의 용접 구조의 제2실시예를 설명한다. 제2실시예를 설명함에 있어서는, 중복 설명을 피하기 위해, 앞서 제1실시예와의 차이점을 위주로 설명한다. 따라서 제2실시예에서 설명하지 아니한 사항은 앞서 제1실시예의 기재 내용을 통해 충분히 이해할 수 있음이 자명하며, 앞서 제1실시예와 이하 제2실시예의 각 구성들은, 발명의 취지에 반하지 않는 한 치환이나 생략 역시 가능함이 자명하다.
도 21과 도 22를 참조하면, 제2실시예의 캡(16)은, 제1실시예의 캡(16)과 대비하여, 캡(16)의 접합외주면(171)의 외경이 아주 약간 작다. 이에 따라, 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 캡(16)의 접합외주면(171) 사이에는, 반경방향으로 약간의 간극(G)이 존재하게 된다.
이러한 간극(G)은, 용접을 위한 레이저가 제2집전판(32)에 직접적으로 도달할 수 있는 경로가 된다. 따라서, 앞서 제1실시예보다 낮은 레이저 출력으로도, 3중용접이 이루어지는 제1용접부(W1)와 심용접이 이루어지는 제2용접부(W2)를 형성할 수 있게 된다.
간극(G)이 둘레방향 전체에 존재하더라도, 상기 제2집전판(32)의 제2절곡부(328)와 상기 캡(16)의 두께축소부(161)가 접하며 캡(16)의 중심 정렬이 안내되므로, 간극(G)의 폭이 둘레방향 전체적으로 고르게 제공될 수 있다.
한편, 제2실시예의 측벽부재(11)는, 제1실시예의 측벽부재(11)보다 더 길게 연장될 수 있다. 이에 따라, 도 21과 도 22에 도시된 바와 같이제2집전판(32)과 캡(16)이 삽입된 상태에서, 상기 측벽부재(11)의 개방 단부에는 상기 캡(16)보다 축방향 외측으로 더 돌출된 오버행부(117)가 마련된다. 상기 오버행부(117)는 또한 측벽부재(11)의 연장부로 지칭할 수도 있다.
측벽부재(11)에서 내경확장부(113)보다 축방향 외측에 마련된 구간의 제1높이(h1)는 상기 캡(16)의 접합부(17)의 제3두께(t3) 및 상기 제2집전판(32)의 캔 연결부(324)의 제5두께(t5)의 합보다 더 크다. 상기 오버행부(117) 또는 측벽부재의 연장부의 제2높이(h2)는, 상기 제1높이(h1)에서 상기 제3두께(t3)와 제5두께(t5)를 뺀 길이일 수 있다.
상기 오버행부(117)는, 상대적으로 얇은 측벽부재(11)의 용융 시점을 지연시키어 측벽부재(11)와 캡(16)의 용융 시점의 차이를 줄일 수 있고, 상기 용접 과정에서 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 상기 캡(16)의 접합외주면(171)의 용접 부위에 용입될 수 있다.
따라서, 캡(16)의 접합외주면(171)의 직경을 상기 접합외주면(171)에 인접한 측벽부재(11)의 제2 내측면(115)의 직경보다 약간 작게 할 수 있다. 여기서 두 물체가 '인접한다'는 개념은, 두 물체가 그 외부 치수에 비해 서로 가깝게 간격을 두고 있을 때, 그리고 관련 평면(즉, 중심 길이방향 축에 수직한 반경방향 평면) 내에서 두 물체 사이에 별도의 개재 물체가 없음을 의미한다. 측벽부재(11)의 제2 내측면(115)의 직경에 비해 캡(16)의 접합외주면(171)의 직경이 약간 더 작기 때문에 이들 두 구성 요소 사이에는 작은 갭이 규정된다.
이러한 갭은 용접용 레이저가 제2 집전판(32)에 직접 조사될 수 있는 통로 역할을 할 수 있다.
바람직하게 이러한 갭은, 앞서 설명한 바와 같이, 적어도 캡(16)의 두께감소부(161)와 제2집전판(32) 사이의 상호작용에 의해 캡(16)의 중심이 정렬됨으로 인해, 캡(16)의 원주 방향을 따라 전체적으로 균일한 반경방향 폭을 가질 수 있다.
또한, 용접 과정에서, 오버행부(117)의 소재가 캡(16)의 접합외주면(171)과 측벽부재(11)의 제2 내측면(115) 사이의 틈으로 용입되어 캡(16)과 측벽부재(11)를 접합하는 것이 바람직하다.
일 예에서, 오버행부(117)의 높이(h2)는 0.2mm인 반면, 캡(16)의 접합부(17)의 두께(t3)는 0.5mm이다. 오버행부(117)의 두께(t2)가 0.35mm인 경우, 용접 과정에서 용융된 소재가 충분히 제공되어, 캡(16)과 측벽부재(11) 사이에 강한 접합이 이루어질 수 있다. 예를 들어 접합부(17)의 두께(t3)에 대한 오버행부의 높이(h2)의 비율은 바람직하게는 0.2 내지 1의 범위일 수 있다.
도 23을 참조하면, 제1용접부(W1)는, 둘레방향을 따라 간헐적으로, 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115) 부위와 상기 캡(16)의 접합외주면(171) 부위와 상기 제2집전판(32)의 캔 연결부(324) 부위가 함께 용접되어 형성된다.
제1용접부(W1)가 형성되는 구간에서, 오버행부(117)는 완전히 용융되어, 도 25에 도시된 바와 같이 적어도 간극(G)을 채우도록 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115) 부위와 상기 캡(16)의 접합외주면(171) 부위와 상기 제2집전판(32)의 캔 연결부(324) 부위의 맞댐 부위에 용입될 수 있다.
다음으로, 도 24를 참조하면, 제2용접부(W2)는, 둘레방향 전체에 대해, 적어도 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115) 부위와 상기 캡(16)의 접합외주면(171) 부위가 용융되어 형성된다.
제2용접부(W2)가 형성될 때, 오버행부(117)는 완전히 용융되어, 도 26에 도시된 바와 같이 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115) 부위와 상기 캡(16)의 접합외주면(171) 부위의 맞댐 부위와 간극(G)으로 용입될 수 있다. 이에 따라 상기 배터리 셀의 높이는 상기 캡(16)의 외부 표면에 의해 규정될 수 있다. 즉, 제2실시예에 따르면, 오버행부(117)와 용접부가 배터리 셀의 높이를 규제하지 아니하므로, 결과적으로 배터리 셀의 높이 치수를 일정하게 관리할 수 있다.
이하 도 27과 도 28을 참조하여, 배터리 셀의 용접 구조의 제3실시예를 설명한다. 제3실시예를 설명함에 있어서는, 중복 설명을 피하기 위해, 앞서 실시예들과의 차이점을 위주로 설명한다. 따라서 제3실시예에서 설명하지 아니한 사항은 앞서 다른 실시예들의 기재 내용을 통해 충분히 이해할 수 있음이 자명하며, 앞서 실시예들과 이하 제3실시예의 각 구성들은, 발명의 취지에 반하지 않는 한 치환이나 생략 역시 가능함이 자명하다.
도 27을 참조하면, 제3실시예의 캡(16)의 접합외주면(171)은, 둘레방향으로, 대경구간(171a) 및 상기 대경구간(171a)보다 직경이 작은 소경구간(171b)이 교호로 배치될 수 있다.
이에 따라, 도 28에 도시된 바와 같이 상기 접합외주면(171)의 대경구간(171a)은 반경방향으로 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 마주하며 접할 수 있고, 소경구간(171b)은 반경방향으로 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 간극(G)을 두고 마주할 수 있다.
즉 상기 캡(16)의 접합외주면(171)의 외경은, 둘레방향으로, 상기 제2집전판(32)의 맞댐외주면(325)의 외경과 대응하는 구간과, 상기 제2집전판(32)의 맞댐외주면(325)의 외경보다 작은 구간이 교호로 배치된다.
대경구간(171a)은, 캡(16)을 삽입하는 과정에서 그리고 캡(16) 삽입 상태에서, 측벽부재(11)에 대한 캡(16)의 중심 위치를 정렬해준다. 또한 소경구간(171b)은 측벽부재(11)에 대해 간극(G)을 가진다. 즉 제3실시예와 같이 캡(16)을 제작하면, 캡(16)의 중심 정렬이 용이하고, 제1실시예보다 상대적으로 저출력의 레이저로도 용접이 가능하다.
아울러 제1용접부(W1)를 형성할 때, 소경구간(171b)이 형성된 간극(G) 영역에 제1용접부(W1)를 형성하면, 보다 저출력의 레이저로도 3중용접이 가능하여, 3중용접에 따른 열 발생양을 억제할 수 있다.
앞서 설명한 실시예들에 따르면, 제2집전판을 포함한 3중용접을 하면서도 용접 열이 발생하는 것을 최소화할 수 있고, 가 용접 과정에서 3중용접을 하여 공수가 늘지 않으며, 내부 저항을 충분히 줄일 수 있고, 가 용접에 의해 캡의 위치가 정확히 고정된 상태에서 본 용접으로 심용접을 확실하게 할 수 있어, 용접 공정의 범위가 넓음에도 불구하고 천공이나 누액 없이 밀봉력을 확보하여 용접성을 높일 수 있고, 용접 열에 의해 셀의 구성요소나 분리막의 열 손상 등을 방지할 수 있어 공정 안정성을 높일 수 있으며, 내압에 따른 치수 변형을 억제하여 치수 안정성이나 벌징 저항성을 확보하여 내구성 역시 높일 수 있다.
이하 도 29를 참조하여, 상술한 배터리 셀의 제조 방법의 일 예를 설명한다.
상기 배터리 셀의 제조 방법에 따르면, 먼저 바닥부재(12)에 제1전극단자(13)를 고정한 캔(10)을 준비하고, 축방향 양단부에 각각 제1집전판(31)과 제2집전판(32)을 접합한 전극조립체(20)를 준비한다.
그리고, 제1집전판(31)이 바닥부재(12)를 향하도록 하며 상기 캔(10)에 전극조립체(20)를 삽입 수용한다. 그러면 상기 제2집전판(32)이 캔(10)의 개방 단부 쪽에 위치하게 된다. 이렇게 상기 전극조립체(20)를 캔(10)에 수용하는 과정에서, 상기 제2집전판(32)의 반경방향 외측 가장자리에 마련된 캔 연결부(324)의 맞댐외주면(325)을 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)에 접촉시킨다.
이때, 상기 제2집전판(32)의 캔 연결부(324)를 상기 측벽부재(11)의 내경확장부(113)에 접촉시키어, 측벽부재(11)의 내면에 대한 제2집전판(32)의 밀착력을 확보하고, 제2집전판(32)의 삽입 깊이를 규제할 수 있다.
다음으로, 상기 제1집전판(31)과 상기 제1전극단자(13)를 접합한다.
그리고, 상기 캔(10)에 전해액을 주입한다.
전해액 주입을 완료한 뒤, 상기 측벽부재(11)의 개방 단부를 캡(16)으로 덮으며 상기 캡(16)의 가장자리에 마련된 접합외주면(171)과 집전판 맞댐면(173)을 각각 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 상기 제2집전판(32)의 캡 맞댐면(326)에 마주하게 하거나 접촉시킨다.
이때, 상기 캡(16)의 축방향 내면에 마련된 경사면 형태의 두께축소부(161)를 상기 제2집전판(32)에 접촉시키어, 캡(16)의 중심을 정렬할 수 있다.
다음으로, 배터리 셀의 축방향 외측으로부터 축방향으로 상기 측벽부재(11)의 제2내면(115)과 상기 캡(16)의 접합외주면(171)의 맞댐 부위에 레이저를 조사하여, 용접을 한다.
용접 과정에서, 상기 캡(16)보다 축방향 외측으로 더 돌출된 상기 측벽부재(11)의 오버행부(117)를 상기 측벽부재(11)의 내면과 상기 캡(16)의 접합외주면(171) 간의 용접 부위에 용입시킬 수 있다.
상기 용접을 할 때에는, 먼저 가 용접 공정을 한 뒤 본 용접을 한다.
상기 가 용접 공정에서는, 둘레방향을 따라 이격된 복수 개소의 위치에서, 축방향 외측에서 축방향으로 상기 측벽부재(11)의 내면과 상기 캡(16)의 접합외주면(171)의 맞댐 부위에 레이저를 조사하여, 상기 측벽부재(11)의 내면과 상기 캡(16)의 접합외주면(171)과 상기 집전판(32)의 캔 연결부(324)를 함께 용접한 복수 개소의 제1용접부(W1)를 형성한다.
상기 가 용접 공정의 레이저는, 제1출력의 세기 또는 제1밀도의 에너지밀도를 가지며 제1속도로 소정 구간 스캔 조사된다.
다음으로 본 용접 공정에서는, 둘레방향을 따라 연속적으로, 축방향 외측에서 상기 측벽부재(11)의 내면과 상기 캡(16)의 접합외주면(171)의 맞댐 부위에 레이저를 축방향으로 조사하여, 적어도 상기 측벽부재(11)의 내면과 상기 캡(16)의 접합외주면(171)을 함께 용접한 제2용접부(W2)를 형성한다.
상기 본 용접 공정의 레이저는, 상기 제1출력보다 낮은 제2출력의 세기를 가지거나, 제1밀도보다 낮은 제2밀도의 에너지밀도를 가진다.
상기 본 용접 공정의 레이저는, 상기 제1속도보다 느린 제2속도로 둘레 전구간을 따라 스캔 조사된다.
가 용접은 전기적 연결을 위한 연결 부위를 형성하면 족한 반면, 본 용접은 밀봉이 이루어지는 것이 중요하다는 점에서, 본 용접에서는 균일한 용접 풀(pool)을 형성하여 안정성을 확보할 수 있다. 이에 따라 본 용접 공정의 레이저의 제2출력 대비 제2속도는, 가 용접 공정의 레이저의 제1출력 대비 제1속도보다 느릴 수 있다.
이하 도 30을 참조하여, 상술한 배터리 셀의 제조 방법의 다른 일 예를 설명한다. 이는, 주액구가 구비된 캡을 적용한 배터리 셀의 제조 방법으로, 앞서 도 29와 대비하여, 캔에 전해액을 주액하기 전에, 측벽부재와 캡과 제2집전판의 가 용접 및 측벽부재와 캡의 본 용접을 먼저 실시하고, 캡의 주액구로 전해액을 주액한 뒤, 주액구를 스토퍼로 밀봉하는 점에서 순서에 차이가 있다.
이에 따르면, 캔에 전해액을 주액하기 전에 캡을 캔에 용접하므로, 용접 열이 전해액에 영향을 미치지 아니한다.
앞서 설명한 용접 구조와 용접 공정을 통해 제작된 배터리 셀(72)은, 도 31에 도시된 바와 같이 배터리 팩(70)의 하우징(71)에 수용될 수 있다. 상기 배터리 팩(70)은 조립의 중간 형태인 배터리 모듈을 사용하여 구성될 수도 있고, 도시된 바와 같이 배터리 모듈 없이 직접 배터리 팩(70)을 구성할 수도 있다.
상술한 배터리 셀(72)은 그 자체적으로 체적이 크기 때문에, 배터리 모듈이라는 중간 구조물을 사용하지 않더라도 배터리 팩(70)을 구현함에 별다른 어려움이 없다. 그리고 상기 배터리 셀(72)은, 내부 저항도 적고 에너지 밀도도 더욱 높다. 이에 따라, 상기 배터리 셀(72)을 구비한 배터리 팩(70)의 에너지 밀도는 더욱 높게 구현될 수 있다.
이렇게 에너지 밀도를 높인 배터리 팩(70)은 동일한 에너지를 저장할 수 있으면서도, 그 체적과 하중을 줄일 수 있다. 따라서 이러한 배터리 셀(72)이 적용된 배터리 팩(70)을, 도 32에 도시된 바와 같이 전기를 에너지원으로 하는 자동차(80)와 같은 차량에 탑재하면, 에너지 대비 차량의 마일리지를 더욱 확대할 수 있다.
상기 심 용접 구조 및 방법은 원통형 배터리 캔의 맥락에서 개시되었지만, 본 개시의 범위 내에서, 이러한 기술은 다른 배터리 폼 팩터에도 유사하게 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 관련 배터리 셀은 중심 길이방향 축에 직교하는 원형 단면 프로파일을 가질 필요가 없으며, 오히려 타원형, 정사각형, 직사각형, 부분 원형 등을 포함한 다른 단면 형상을 사용할 수 있다. 더욱이, 중심 길이방향 축은 각각의 대향 단부에서 바닥부재 및/또는 캡에 직교로 배향될 필요가 없다. 예를 들어, 캔의 측벽부재는 (캔의 내부 구성요소와 함께), 바닥부재 및/또는 캡에 의해 한정되는 평면에 대해 비스듬히 배향된 축을 따라 연장되는 튜브를 형성할 수 있다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 용접 기술은 또한 원통형 배터리 캔의 범주 외에서 이용될 수 있고, 또한, 예를 들어, 각형 및 파우치형 폼 팩터를 갖는 배터리에 적용될 수 있다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (20)

  1. 내부 용적을 둘러싸고 중심 길이방향 축을 따른 제1 단부에서 내부 용적에 대한 개구를 규정하는 측벽을 구비하는 캔;
    상기 캔의 내부 용적에 수용된 전극조립체;
    상기 전극조립체의 전극에 전기적으로 연결된 집전판; 및
    상기 내부 용적을 막도록 상기 캔의 개구를 덮는 캡;을 포함하고,
    상기 집전판은, 상기 캔과 전기적으로 연결되도록, 상기 측벽과 접하는 둘레부를 구비하고,
    상기 개구를 따르는 측벽, 상기 캡의 가장자리, 및 상기 집전판의 둘레부가 복수의 제1 용접부 각각을 따라 모두 함께 용접되고, 상기 복수의 제1 용접부는 상기 중심 길이방향 축에 대한 둘레방향을 따라 상호 이격 배치되고, 상기 개구를 따르는 측벽과 캡의 가장자리는 상기 중심 길이방향 축에 대한 둘레 전체를 따라 실질적으로 연속적으로 연장된 제2 용접부를 따라 함께 용접된, 배터리 셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    적어도 제2 용접부의 일부가 복수의 제1 용접부와 중첩된, 배터리 셀.
  3. 청구항 1에 있어서,
    둘레방향에 수직하게 연장되는 각 평면에 의해 규정되는 각 제1 용접부의 단면은, 상기 각 평면에 의해 규정되는 제2 용접부의 단면보다 넓은, 배터리 셀.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 중심 길이방향 축에 평행하게 연장되는 축방향을 따라, 상기 캔의 상기 제1단부로부터 축방향으로 멀어지도록 연장되는 복수의 제1 용접부의 깊이는, 상기 캔의 상기 제1단부로부터 축방향으로 멀어지도록 연장되는 제2 용접부의 깊이보다 더 깊은, 배터리 셀.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전판의 둘레부의 외경은, 상기 캡의 반경방향 외면의 외경과 대응하는, 배터리 셀.
  6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡의 가장자리는 반경방향으로 상기 측벽의 반경방향 내면과 마주하며 접하는 접합외주면을 구비하는, 배터리 셀.
  7. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전판의 외경은 상기 캡의 가장자리의 반경방향 외면의 외경보다 큰, 배터리 셀.
  8. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡의 가장자리는, 상기 측벽의 내면과 간극을 사이에 두고 반경방향으로 마주하는 접합외주면을 구비하는, 배터리 셀.
  9. 청구항 8에 있어서,
    용접 영역은 상기 캡의 가장자리의 반경방향 외면 및 상기 측벽의 반경방향 내면 사이의 간극 내로 연장되는, 배터리 셀.
  10. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡의 가장자리는 상기 측벽의 반경방향 내면과 마주하는 반경방향 외면을 구비하고, 상기 캡의 가장자리의 반경방향 외면의 적어도 제1 부분은 상기 집전판의 둘레부의 외경에 대응하는 제1 직경을 가지고, 상기 캡의 가장자리의 반경방향 외면의 적어도 제2 부분은 상기 집전판의 둘레부의 외경보다 작은 제2 직경을 가지는, 배터리 셀.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 캡의 가장자리의 반경방향 외면은, 상기 중심 길이방향 축에 대한 둘레방향을 따라 교대로 배치된 2 이상의 상기 제1 부분과 2 이상의 상기 제2 부분을 구비하는, 배터리 셀.
  12. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡의 가장자리는 상기 측벽의 반경방향 내면과 마주하는 반경방향 외면을 구비하고, 상기 반경방향 외면은 중심 길이방향 축에 대한 둘레방향으로 서로 번갈아 배치되는 복수의 대경부 및 복수의 소경부를 구비하고, 상기 복수의 소경부는 상기 복수의 대경부보다 더 작은 직경을 가지는, 배터리 셀.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 캡의 가장자리의 반경방향 외면의 대경부는 상기 측벽의 반경방향 내면과 접하고, 상기 캡의 가장자리의 반경방향 외면의 소경부는 상기 측벽의 반경방향 내면으로부터 이격된, 배터리 셀.
  14. 캔의 개구 내에서 상호 적층되는 조립 위치에 캡과 집전판을 배치하되, 상기 조립 위치에서, 상기 집전판이 상기 캔의 내부 용적 내에 수용된 전극조립체에 전기적으로 연결되고 상기 집전판의 둘레부가 상기 개구를 둘러싸는 상기 캔의 측벽의 반경방향 내면과 접하며, 상기 캡이 상기 집전판보다 상기 전극조립체로부터 더 멀리 배치되도록 상기 캡이 상기 캔의 중심 길이방향 축을 따라 상기 집전판의 위에 배치되도록 하는 단계;
    상기 개구를 따르는 상기 캔의 측벽, 상기 캡의 가장자리, 및 상기 집전판의 둘레부가 모두 함께 용접되어 상호 간의 위치가 유지되도록 복수의 제1 용접부를 형성하되, 상기 제1 용접부가 상기 중심 길이방향 축에 대한 둘레방향을 따라 상호 이격되도록 형성하는 단계; 및
    상기 개구를 따르는 캔의 측벽 및 상기 캡의 가장자리가 함께 용접되도록 제2 용접부를 형성하되, 상기 캔의 상기 개구를 밀봉하도록 상기 중심 길이방향 축에 대한 둘레방향 전체를 따라 실질적으로 연속적으로 연장되는 제2 용접부를 형성하는 단계;를 포함하는, 배터리 셀의 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 용접부를 형성하는 단계는, 상기 측벽의 반경방향 내면과 상기 캡의 가장자리의 반경방향 외면 사이에 레이저가 향하도록 하는 것을 포함하는, 배터리 셀의 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 용접부를 형성하는 단계는, 상기 측벽의 반경방향 내면과 상기 캡의 가장자리의 반경방향 외면을 따라 연속적으로 레이저를 조사하는 것을 포함하는, 배터리 셀의 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    복수의 제1 용접부를 형성할 때 조사되는 레이저의 출력 또는 에너지 밀도는 각각, 상기 제2 용접부를 형성할 때 조사되는 레이저의 출력 또는 에너지 밀도보다 높은, 배터리 셀의 제조 방법.
  18. 청구항 16 또는 17에 있어서,
    복수의 제1 용접부를 형성할 때 둘레방향으로 상기 레이저가 움직이는 속도가, 상기 제2 용접부를 형성할 때 둘레방향으로 상기 레이저가 움직이는 속도보다 더 빠른, 배터리 셀의 제조 방법.
  19. 청구항 14 또는 15에 있어서,
    상기 제2 용접부를 형성하는 단계는, 롤러 전극을 이용한 저항 용접을 포함하는, 배터리 셀의 제조 방법.
  20. 청구항 14 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 제1 용접부를 형성하는 것과, 제2 용접부를 형성하는 것은, 중심 길이방향 축에 평행하게 연장되는 축방향을 따라 상기 캡보다 더 상향 돌출되는 측벽의 연장부의 소재를 용융하여, 상기 소재가 측벽의 반경방향 내면과 캡의 가장자리의 반경방향 외면 사이로 용입되도록 하는 것을 포함하는, 배터리 셀의 제조 방법.
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