JP2013536979A

JP2013536979A - 抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー

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Publication number: JP2013536979A
Application number: JP2013527017A
Authority: JP
Inventors: テユンパク; ジョンケウンオ; ヒョサンリ; ジソクリ
Original assignee: SK Innovation Co Ltd
Current assignee: SK Innovation Co Ltd
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-09-26
Also published as: CN103125034A; WO2012030179A2; KR20120023263A; WO2012030179A3; EP2612388A2; EP2612388A4; US20130196211A1

Abstract

バッテリーのセルタブ連結構造における接触安定性を向上させるとともに、より簡単な構造を有することにより工程数および部品数を低減することができる、抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリーを提供する。陰極タブ１１１ａおよび陽極タブ１１１ｂからなる一対のタブ１１１を有する複数個のセル１１０が配列されてなるバッテリー１００であって、タブ１１１は、板形状に形成され、セル１１０の上側に陰極タブ１１１ａの板面と陽極タブ１１１ｂの板面が互いに平行に対向するように突出して形成され、セル１１０は、一つのセル１１０の陰極タブ１１１ａの板面と一つのセル１１０から最も近い位置のセル１１０の陽極タブ１１１ｂの板面が互いに平行に対向するように少なくとも一つ以上の列をなして配置され、セル１１０の間には電気絶縁材質からなり、セル１１０の位置を固定支持する支持部材１２０が介在し、支持部材１２０の上面には電気伝導体からなる板形状のターミナル１３０が配置され、セル１１０の一対のタブ１１１がそれぞれ外側に折り曲げられてセル１１０の間に介在した支持部材１２０の上面に配置されたターミナル１３０に密着した状態で、抵抗溶接Ｓによって結合される。
【選択図】図６

Description

本発明は、抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリーに関する。

電池は、一次電池と二次電池とに大別することができる。一次電池は、不可逆的な反応を利用して電気を生成するため、一度使用した後には再使用が不可能な電池であり、通常多く用いられる乾電池、水銀電池、ボルタ電池などがこれに属し、二次電池は、これとは異なり可逆的な反応を利用するため、使用後に充電して再使用が可能な電池であり、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッカド（Ｎｉ−Ｃｄ）電池などがこれに属する。図１は、二次電池の一つである通常のリチウムイオン電池の構造を概念的に図示したものである。リチウムイオン電池とリチウムイオンポリマー電池は、電解質の相（液体／固体）が異なるだけであってその構造は同一である。また、電池によって電解質や電極の材質が図１に示された材質とは多少異なり得る。図１に図示されたように、リチウムイオン電池は、通常炭素からなる陰極１と、通常リチウム化合物からなる陽極２と、二つの電極１、２間に位置する電解質３と、陰極１および陽極２を連結する電線４と、を含んでなる。電解質３内のリチウムイオンは充電（charge）時には陰極１側に移動し、放電（discharge）時には陽極２側に移動し、各電極から残りの電子を放出するか吸収して化学反応を起こす。このような過程において前記電線４に電子が流れることにより電気エネルギーが発生する。ここで、リチウムイオン電池を例に挙げて説明したが、他の二次電池においても電極または電解質として用いられる物質が異なるだけであって基本原理および構造は同様である。すなわち、通常二次電池は、上述したように、陰極１と、陽極２と、電解質３と、電線４と、を含んでなる。

この際、二次電池は、それぞれ単一個の陰極１、陽極２、電解質３および電線４が設けられて形成されてもよいが、単一個の陰極１、陽極２、電解質３および電線４からなる単位セル１０が複数連結されてなることがより一般的である。すなわち、二次電池パックの内部には上述したような単位セル１０が複数内蔵されており、各単位セル１０は互いに電気的に連結される。

通常、二次電池は、その内部に複数個の単位セルを含んでおり、各セルの電極と連結された一対の外部端子タブ（すなわち、各単位セルの陰極が連結された一つの陰極、各セルの陽極が連結された一つの陽極として、一つの電池当たり一対が設けられて電極として機能するタブ）が外部に露出している形態で構成される。このような二次電池は通常単一個を使用するよりは、複数個が連結されて一つのバッテリーパックを形成する。このようなパック形態のバッテリーにおけるそれぞれの電池（電池を構成する単位セルと区別して）をセルと称し、各セルのタブが電気的に連結されることは言うまでもない。

上述したように、複数個のセルが連結されて一つのシステムとなるバッテリーを構成する。この際、複数個のセルを互いに連結するために金属のような導体からなるコネクタが組み立てられて用いられる。従来、このようなコネクタを組み立てるために、レーザ溶接を利用した連結方式またはボルト締結による連結方式などが代表的に用いられた。しかし、レーザ溶接を利用した連結方式は、タブの接触性を確保してから溶接を行う必要があるが、そうでない場合が多くて不良発生率が高いという問題点があり、ボルト締結による連結方式は、コネクタ組み立てによる工程難易度上昇および部品数増加などの問題点があった。従来、このような問題点を解決するために多くの研究がなされたが、上述した問題点を完全に解消することは難しかった。

日本公開特許第２００４−３２７３１０号（以下、先行技術１）は、図２に図示されているように、隣接するセル間の端子を容易にかつ確実に接続させる二次電池の接続構造および接続方法に関するものであり、端子と端子接続用部材によって接続するにあたり、端子および端子接続用部材をはんだめっきすることで結合する技術を開示している。また、韓国公開特許第２００９−００９５９４９号（以下先行技術２）は、図３に図示されているように、電池モジュールを構成する板形状の二次電池セル（「電池セル」）を電気的に連結するための導電性の電極端子接続部材に関するものであり、左側／右側の電池セルの電極端子が挿入接続されるようにスリットが形成された左翼接続部／右翼接続部を含んでなり、電極端子がスリットに挿入された後には曲げおよび溶接によって電極端子と接続部材を連結する技術を開示している。しかし、前記先行技術１および先行技術２は、レーザ溶接による連結よりは接触安定性が向上し、ボルト締結よりはコネクタが減少するという利点はあるが、図２および図３にそれぞれ図示されているように連結部材の形状が複雑に形成されるため、連結部材の製作難易度が高いだけでなく、これによって組み立て難易度もまた高くなるという問題点があった。

日本公開特許第２００８−５３５１５８号（以下、先行技術３）は、図４に図示されているように、ユニットセルを単に積層することで直列連結を可能にするバッテリーシステムに関するものであり、ユニットセルに形成される電極タブが上方または下方に９０°折り曲げられるようにして積層時にタブどうしが自然に接触して電気的に接続されるようにする技術を開示している。前記先行技術３の構造は、タブの形状や接触方式が簡単であるという利点はあるが、前記構造は、ユニットセル、すなわち一つの電池内に積層して設けられるユニットセル間の接触のための構造であるという限界がある。すなわち、前記先行技術３に開示した構造を電池間の接触に適用する際に接触安定性が大きく低下するという問題点があり、先行技術３の構造をパック構造のバッテリーにおける各セルタブ間の連結に適用することはできない。

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、バッテリーのセルタブ連結構造における接触安定性を向上させるとともに、より簡単な構造を有することにより工程数および部品数を低減することができる、抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリーを提供することにある。

前記のような目的を果たすための本発明の抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリーは、それぞれ陰極タブ１１１ａおよび陽極タブ１１１ｂからなる一対のタブ１１１を有する複数個のセル１１０が配列されてなるバッテリー１００であって、前記タブ１１１は、板形状に形成され、前記セル１１０の一側に前記陰極タブ１１１ａの板面と前記陽極タブ１１１ｂの板面が互いに平行に対向するように突出して形成され、前記セル１１０は、一つのセル１１０の陰極タブ１１１ａの板面と前記一つのセル１１０から最も近い位置のセル１１０の陽極タブ１１１ｂの板面が互いに平行に対向するように少なくとも一つ以上の列をなして配置され、前記セル１１０の間には前記セル１１０の位置を固定支持する支持部材１２０が介在し、前記支持部材１２０の上面には電気伝導体からなるターミナル１３０が配置され、前記セル１１０の一対の前記タブ１１１または前記ターミナル１３０の両側端部１３１が折り曲げられて、前記ターミナル１３０が対応するタブ１１１と抵抗溶接Ｓによって結合されることを特徴とする。

この際、前記バッテリー１００は、前記タブ１１１が突出した側をタブ側とすると、前記セル１１０の一対の前記タブ１１１がそれぞれ外側に折り曲げられて前記セル１１０の間に介在した支持部材１２０のタブ側面に配置された前記ターミナル１３０に密着した状態で、抵抗溶接Ｓによって結合されることを特徴とする。

または、前記バッテリー１００は、前記タブ１１１が突出した側をタブ側とすると、前記セル１１０の間に介在した支持部材１２０のタブ側面に配置された前記ターミナル１３０の両側端部１３１がタブ側方向に折り曲げられて前記タブ１１１に密着した状態で、抵抗溶接Ｓによって前記タブ１１１に結合されることを特徴とする。

また、前記ターミナル１３０は、溶融点が６００℃以上の金属からなることを特徴とする。

また、前記ターミナル１３０は、溶融点が６００℃以下の金属でメッキされることを特徴とする。

また、前記ターミナル１３０は前記セル１１０の電圧センシングに用いられることを特徴とする。

また、前記ターミナル１３０は板形状からなることを特徴とする。

また、前記支持部材１２０は電気絶縁材質からなることを特徴とする。

また、前記タブ１１１または前記ターミナル１３０の折り曲げ角度は９０゜であることが好ましい。

本発明によると、バッテリーのセルタブ連結構造において、従来のレーザ溶接などの方式より接触安定性を著しく向上させる効果がある。また、抵抗溶接を用いる点および構造自体の形態的特性において、バッテリー自体の構造的耐久性もまた従来より著しく向上させる効果がある。

また、従来のボルト締結方式や従来の連結部材使用方式などより連結部材自体の形状がはるかに簡単であるため、工程数および部品数を低減する効果だけでなく、工程の難易度もまた著しく低減する効果がある。無論、これによって製作コスト低減および生産性向上の効果も得られる。特に、本発明によると、複数個の電池（セル）の配置が完了してモジュール化した状態でセルタブ間を連結するための抵抗溶接工程を行うことにより、溶接工程時にモジュール構造の安定性を向上させることができ、これによって生産性をより向上させることができる。

通常のリチウムイオン電池の構造図である。従来のセルタブ連結構造を示す図面である。従来のセルタブ連結構造を示す図面である。従来のセルタブ連結構造を示す図面である。バッテリー基本構造の斜視図である。本発明のセルタブ連結構造の第１実施例を示す図面である。本発明のセルタブ連結構造の第１実施例を示す図面である。本発明のセルタブ連結構造の第１実施例を示す図面である。本発明のセルタブ連結構造の第２実施例を示す図面である。本発明のセルタブ連結構造の第２実施例を示す図面である。

以下、前記のような構成を有する本発明による抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリーについて添付の図面を参照して詳細に説明する。

図５はバッテリー基本構造の斜視図である。図示されているように、バッテリー１００は、一対のタブ１１１を有する複数個のセル１１０が配列されてなり、前記タブ１１１は、一つのセル１１０当たり一つの陰極タブ１１１ａおよび一つの陽極タブ１１１ｂが設けられる。すなわち、一つのセル１１０当たり一対の前記タブ１１１が設けられる。この際、前記タブ１１１は板形状に形成され、前記セル１１０の一側に前記陰極タブ１１１ａの板面と前記陽極タブ１１１ｂの板面が互いに平行に対向するように突出して形成される（本明細書の図面では一つの実施例として前記タブ１１１が上側に突出した場合を図示しているが、前記タブ１１１は前記バッテリー１００に対して両側面に位置していてもよく、その位置が上側に限定されない。）。また、前記セル１１０は、一つのセル１１０の陰極タブ１１１ａの板面と前記一つのセル１１０から最も近い位置のセル１１０の陽極タブ１１１ｂの板面が互いに平行に対向するように少なくとも一つ以上の列をなして配置される。詳細に説明すると、通常、前記セル１１０は、図示されているように、フラットな直方体の形状を有するが、一対の前記タブ１１１は、前記セル１１０の狭い面の一つに対して垂直に、広い面と平行に並んで延長する形状を有する。また、前記セル１１０は広い面どうしが互いに重なるように配列され、これにより前記セル１１０の広い面と平行に形成される前記タブ１１１は、前記セル１１０が配列されることに伴い全部自然に互いに並んで配列される形態をなす。

このように形成されるバッテリーの基本構造において、本発明では、前記セル１１０の前記タブ１１１間を連結するために次のような構造を提示する。図６は本発明のセルタブ連結構造を有するバッテリーの断面図を図示しており、図７および図８は斜視図および上面図を図示しており、図６から図８を参照して本発明のバッテリーにおけるセルタブ連結構造の第１実施例について説明する。

図６から図８に図示されているように、前記セル１１０の間には前記セル１１０の位置を固定支持する支持部材１２０が介在する。このような支持部材１２０は無論従来の一般的なバッテリーにも適用される構造であるが、本発明においては前記支持部材１２０の幅を充分に広く形成する。前記支持部材１２０はアルミニウムのような金属材からなっていてもよく、または電気絶縁材質からなっていてもよい。

この際、本発明では、前記タブ１１１が突出した側をタブ側とすると、前記支持部材１２０のタブ側面に電気伝導体からなるターミナル１３０を配置した後、図６の断面図に詳細に図示されているように、前記セル１１０の一対の前記タブ１１１がそれぞれ外側に折り曲げられて前記セル１１０の間に介在した支持部材１２０のタブ側面に配置された前記ターミナル１３０に密着するようにする。この際、前記タブ１１１の折り曲げ角度は９０゜であることが好ましい。次に、図８に図示されているように、前記タブ１１１を抵抗溶接Ｓによって前記ターミナル１３０に結合させることで、セルタブ間の連結を完了する。このような連結構造の結合をより容易にするのために、前記ターミナル１３０が板形状からなることが好ましい。

より詳細に説明すると、下記のとおりである。上述したように本発明では前記セル１１０に形成された一対の前記タブ１１１をそれぞれ外側に向かって折り曲げる。この際、前記セル１１０は広い面どうしが互いに重なるように配置されるため、何れか一つのセル１１０の陰極タブ１１１ａの先端部はすぐ隣のセル１１０の陽極タブ１１１ｂの先端部と互いに近接するように配置される。この際、前記一つのセル１１０と前記すぐ隣のセル１１０との間には前記支持部材１２０が介在し、その上部には前記ターミナル１３０が位置する。すなわち、前記ターミナル１３０には、前記一つのセル１１０の前記陰極タブ１１１ａと前記すぐ隣のセル１１０の前記陽極タブ１１１ｂが同時に密着し、これにより前記一つのセル１１０の前記陰極タブ１１１ａと前記すぐ隣のセル１１０の前記陽極タブ１１１ｂは前記ターミナル１３０によって電気的に連結される。

このように前記タブ１１１を折り曲げて前記ターミナル１３０に接触させた後、接触安定性を高めるために、前記タブ１１１と前記ターミナル１３０を図８に図示されているように抵抗溶接Ｓによって溶接させる。抵抗溶接とは、圧力を加えた状態で大きい電流を流して金属どうしの接触面で生じる接触抵抗と金属の固有抵抗によって熱を取得し、これによって金属が加熱および溶融されると加えられた圧力によって接合させる工法であり、溶接電流の通電を精密に制御することで優れた溶接品質が得られ、様々な分野において多く用いられている。通常、抵抗溶接は図８に図示された例示のように主に点溶接形態で用いられる。

図９および図１０を参照して本発明のバッテリーにおけるセルタブ連結構造の第２実施例について説明する。

図６から図８の第１実施例と同様に、第２実施例でも前記セル１１０の間には前記支持部材１２０が配置され、前記タブ１１１が突出した側をタブ側とすると、前記セル１１０の間に介在した支持部材１２０のタブ側面に前記ターミナル１３０が配置される。この際、第１実施例では前記タブ１１１が折り曲げられているが、第２実施例では前記ターミナル１３０の両側端部１３１がタブ側方向に折り曲げられる。この際、前記ターミナル１３０の折り曲げ角度は９０゜であることが好ましい。このように折り曲げられた前記側端部１３１が前記タブ１１１に密着した状態で、抵抗溶接Ｓによって結合されることで、第２実施例での結合構造が完成する。

上述したように、第一に、前記タブ１１１が外側に折り曲げられて前記ターミナル１３０に接着するか前記ターミナル１３０の両側端部１３１がタブ側方向に折り曲げられて前記タブ１１１に接触し、第二に、前記タブ１１１と前記ターミナル１３０を抵抗溶接によって結合することにより、本発明でのセルタブ間の連結構造が完成する。上述したように、前記ターミナル１３０は平板のような形態の非常に単純な形状を有しており、図２や図３に図示されているような先行技術の連結部材と比較すると、製作が極めて容易であり、生産コストもまた極めて低い。すなわち、本発明の連結構造を適用する場合、従来より、連結部材として用いられる部品自体の形状が簡単であり、生産コストを低減し、生産性を高めることができる。

それだけでなく、本発明では、前記タブ１１１および前記ターミナル１３０の接触のために前記タブ１１１または前記ターミナル１３０の両側端部１３１が単に折り曲げられていればよい。従来、ボルト締結などを行う際にタブにボルト通過のための通孔を形成する加工が必要であるなど、部品数および工程数が増加することが多かったが、本発明によると、前記タブ１１１または前記ターミナル１３０を単に折り曲げればよく、工程が非常に簡単であり、前記タブ１１１と前記ターミナル１３０との結合が抵抗溶接Ｓによって完了するため、結合のための別途部材は全く要らず、部品数および工程数の増加をできるだけ抑制することができる。

また、このように連結工程が非常に簡単であるため、前記セル１００をモジュール化した後（すなわち、前記セル１００を所望の形態で配置完了した後）に折り曲げおよび溶接作業を行うことができる。すなわち、モジュールが組み立てられている状態で溶接を行うことができ、より安定的な条件で溶接が行われる。従来、レーザ溶接によるセルタブ間の連結工程においてタブ間の接触性が確保されていない状態で溶接が行われて不良発生確率が高かったこととは異なり、本発明によると、上述した安定的な条件で溶接が行われるため、溶接過程で接触不良による溶接不良発生確率を大幅に低減することができ、これによって生産性がより向上することができる。

それだけでなく、本発明によると、前記タブ１１１と前記ターミナル１３０が抵抗溶接Ｓによって結合されると、抵抗溶接Ｓ自体が有する結合力が大きくなるだけでなく、その構造の形状自体が外部衝撃などに対して非常に安定的に形成されるため、完成したバッテリー１００の構造的安定性もまた従来より著しく増大することができるという利点がある。

図５から図１０では、セルタブ間の連結構造を強調するために前記バッテリー１００の他の構造を詳細に図示していないが、前記バッテリー１００の各セル１１０タブ１１１は前記ターミナル１３０によって互いに連結されるだけでなく、前記バッテリー１００の外部端子やバッテリー管理システム（ＢＭＳ）基板などとも電気的に連結される構造を有することは言うまでもない。この際、前記ターミナル１３０は、前記タブ１１１を連結する役割だけでなく、（前記ターミナル１３０の両端に隣接する二つのセル１１０のタブ１１１がそれぞれ電気的に連結されるため）前記ターミナル１３０が外部装置と連結されることでセル１１０間の電圧をセンシングする役割も行うことができる。

このようにセル間の電圧センシングの役割も行う場合、前記ターミナル１３０は、高電圧によって生じる熱によって損傷を受けないように、溶融点が６００℃以上の金属からなることが好ましい。このような特性を有するとともにターミナルとして使用するに適した代表的な金属としてリン青銅が挙げられる。リン青銅は高い電気伝導度を有するとともに耐磨耗性および耐腐食性が高い特性を有しており、前記ターミナル１３０として使用するに非常に好適である。

また、前記ターミナル１３０は抵抗溶接Ｓによって前記タブ１１１に結合するが、リン青銅のような金属の場合、溶融点が９７０℃程度と非常に高いため溶接電流消耗が大きくなり得る。このような点を補完するために、前記ターミナル１３０はスズを含む溶融点が６００℃以下の金属でメッキされることが好ましい。スズは溶融点が２３０℃程度と低いため溶接が非常に容易であり、リン青銅はメッキ性に優れるため、前記ターミナル１３０をリン青銅ベースでスズメッキ形態に製作することで電気伝導度、耐磨耗性、および耐腐食性が高いとともに溶接が容易なターミナルの製作が可能になる。

本発明は、前記実施例に限定されず、適用範囲が多様であることは言うまでもなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から外れることなく本発明が属する分野において通常の知識を有する者であれば誰でも様々な変形実施が可能であることは言うまでもない。

１００（本発明の）バッテリー
１１０セル
１１１タブ
１１１ａ陰極タブ
１１１ｂ陽極タブ
１２０支持部材
１３０ターミナル
１３１側端部

Claims

それぞれ陰極タブ１１１ａおよび陽極タブ１１１ｂからなる一対のタブ１１１を有する複数個のセル１１０が配列されてなるバッテリー１００であって、
前記タブ１１１は、板形状に形成され、前記セル１１０の一側に前記陰極タブ１１１ａの板面と前記陽極タブ１１１ｂの板面が互いに平行に対向するように突出して形成され、
前記セル１１０は、一つのセル１１０の陰極タブ１１１ａの板面と前記一つのセル１１０から最も近い位置のセル１１０の陽極タブ１１１ｂの板面が互いに平行に対向するように少なくとも一つ以上の列をなして配置され、
前記セル１１０の間には前記セル１１０の位置を固定支持する支持部材１２０が介在し、
前記支持部材１２０の上面には電気伝導体からなるターミナル１３０が配置され、前記セル１１０の一対の前記タブ１１１または前記ターミナル１３０の両側端部１３１が折り曲げられて、前記ターミナル１３０が対応するタブ１１１と抵抗溶接Ｓによって結合されることを特徴とする、抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー。
前記タブ１１１が突出した側をタブ側とすると、
前記セル１１０の一対の前記タブ１１１が、それぞれ外側に折り曲げられて前記セル１１０の間に介在した支持部材１２０のタブ側の面に配置された前記ターミナル１３０に密着した状態で、抵抗溶接Ｓによって結合されることを特徴とする、請求項１に記載の抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー。
前記タブ１１１が突出した側をタブ側とすると、
前記セル１１０の間に介在した支持部材１２０のタブ側の面に配置された前記ターミナル１３０の両側端部１３１が、タブ側方向に折り曲げられて前記タブ１１１に密着した状態で、抵抗溶接Ｓによって前記タブ１１１に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー。
前記ターミナル１３０は、溶融点が６００℃以上の金属からなることを特徴とする、請求項１に記載の抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー。
前記ターミナル１３０は、溶融点が６００℃以下の金属でメッキされていることを特徴とする、請求項１に記載の抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー。
前記ターミナル１３０は、前記セル１１０の電圧センシングに用いられることを特徴とする、請求項１に記載の抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー。
前記ターミナル１３０は、板形状からなることを特徴とする、請求項１に記載の抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー。
前記支持部材１２０は、電気絶縁材質からなることを特徴とする、請求項１に記載の抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー。
前記タブ１１１または前記ターミナル１３０の側端部の折り曲げ角度は９０゜であることを特徴とする、請求項１に記載の抵抗溶接によるセルタブ連結構造を有するバッテリー。