KR100435038B1 - 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법 - Google Patents

Abstract

리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법은: 활물질 코팅부와 돌출된 탭이 있는 음극판과 양극판을 교대, 적층시킨 전극체와, 전극체가 삽입되는 공간과 음극탭이 안착되는 음극탭 안착부가 있고 음극탭의 녹는점보다 높은 녹는점을 가지는 금속캔과, 음극탭의 녹는점보다 높은 녹는점을 가지는 금속 용접보조판을 마련하는 단계와; 음극탭 안착부 상면에 음극탭이 안착되도록 캔에 전극체를 삽입하는 단계와; 음극탭 상면에 용접보조판을 위치시키는 단계와; 음극탭 안착부의 하면 및 용접보조판의 상면에 저항 점용접기의 전극을 각각 위치시키고 통전시켜 음극탭을 캔에 저항 점용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 음극탭과 캔이 큰 접착 강도로 용접되어 전지의 내부 저항이 감소되며, 저항 점용접 한가지만이 실시되고 전극에 용융된 구리가 달라붙는 현상이 방지되므로 생산속도가 향상되고, 불량요인이 감소하며, 좋은 용접형상을 얻을 수 있다.

Description

리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법{Method for forming cathode terminal of Lithium ion secondary battery}

본 발명은 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법에 관한 것으로, 특히 저항 점용접을 이용한 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법에 관한 것이다.

휴대전화 및 노트북 컴퓨터와 같이 휴대용 전자기기 시장이 확대되고 다양화됨에 따라 재충전이 가능한 전원 공급용 이차전지에 대한 수요도 확대되고 있다. 휴대용 전자기기의 소형화, 경량화, 고성능화 및 다기능화는 전력원으로 사용되는 이차전지에 대한 에너지 저장 밀도의 계속적인 향상을 요구하고 있다.

따라서, 이를 충족하기 위한 다년간의 연구결과, 리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 탄소 음극과 리튬의 가역적인 삽입 및 방출이 가능한 양극물질을 채용한 리튬이온 이차전지가 등장하였다. 이러한 리튬이온 이차전지는 기존의 니켈-카드뮴 및 니켈-수소와 같은 수용액계 이차전지보다 단위 무게, 부피당 에너지 밀도 및 충, 방전 수명이 상대적으로 크기 때문에 휴대용 전자기기의 새로운 에너지원으로써 급속히 기존 전지를 대치하고 있다.

리튬이온 이차전지의 외형은 크게 전해액 등이 삽입되는 캔과, 캔과 더불어 밀봉된 용기를 형성하는 캡으로 이루어지고, 캔과 캡에 의하여 형성되는 내부의 공간에는 양극판과 음극판을 적층한 적층체가 삽입되게 된다.

일반적으로, 양극은 리튬 코발트 산화 금속의 활물질을 리튬 공급원으로 사용하며, 전류 집전체인 알루미늄 박판으로 구성된다. 그리고, 음극은 활물질로서 흑연화 탄소와 전류 집전체인 구리 박판으로 구성되며, 구리 박판의 소정영역은 활물질이 코팅되지 않은 탭(Tab) 형상으로 이루어져 있다. 그 음극탭을 상술한 캔 또는 캡에 용접함으로써 캔 또는 캡이 음극단자 역활을 하게 된다.

도 1은 종래의 음극단자 형성방법을 설명하기 위한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 리튬이온 각형 전지에서의 음극단자 형성방법은,

먼저, 구리탭(31)이 상향되도록 음극판(30)을 캔(10) 내부에 위치시킨다. 그리고, 구리탭(31) 상에 니켈탭(40)을 위치시키고 구리탭(31)과 니켈탭(40)을 초음파용접(Ultra Sonic Welding)한 다음, 니켈탭(40)을 캡(20)에 점용접(Spot Welding)이나 레이저용접(Laser Welding)을 함으로써 캡(20)을 음극단자로 형성한다. 즉, 캡을 음극단자로 형성하기 위하여 초음파용접과 점용접 또는 레이저용접을 실시해야 한다. 이와 같이 음극단자를 형성하기 위하여 두 가지 용접법을 실시해야 하므로 생산속도의 하락과 많은 불량요인이 발생하고 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 아래와 같은 용접 방법들이 시도되고 있다.

첫째, 초음파용접을 실시하여 캔에 구리탭을 직접 용접하는 방법이다. 이 경우에는 용접하고자 하는 캔의 두께가 너무 두껍고, 구리탭이 용접되지 않은 상태에서는 캔과 구리탭을 수만 헤르쯔(Hz)로 진동시키기가 어려워 적절한 마찰 저항을 얻을 수 없으므로 효과적인 용접을 할 수 없다. 즉, 초음파용접 조건을 저항열에 의해 구리탭이 녹는 조건으로 설정하면 구리 탭은 녹일 수 있지만, 캔은 그 두께가 두껍기 때문에 구리탭이 캔에 붙지 않는 현상이 발생한다. 그리고, 캔이 녹는 조건으로 용접하면 구리탭은 거의 녹아서 원래의 형상이 없어지는 현상이 발생한다.

둘째, 레이저용접을 실시하여 캔에 구리탭을 직접 용접하는 방법이다. 이 경우에는 레이저의 특성상 고가이며, 빔의 초점이 맞지 않으면 용접이 전혀 안되기때문에 용접 조건을 맞추기가 어렵게 된다. 그리고, 캔에 구리탭을 녹여서 붙이기 위해서는 높은 열이 한 점에 집중되도록 레이저를 출사해야 하는데 이렇게 되면 레이저 빔이 구리탭에 처음 닫는 에너지와 캔에 닫는 에너지가 서로 다르기 때문에 모재가 녹는 부분과 그렇지 않은 부분의 용접 특성이 다르기 때문에 효과적인 용접을 할 수 없게 된다.

이러한 문제점을 해결할 수 있는 적절한 용접방법이 저항용접이다. 저항 용접에는 여러 가지가 있는데 그 중에서도 점용접이 가장 많이 사용되고 있다. 그런데, 이 경우에도 구리탭에 전극이 직접 접촉됨으로써 점용접기의 전극에 용융된 구리가 달라붙는 현상이 발생하고 있다. 이렇게 되면 전극에 달라붙은 구리의 영향으로 전극과 모재 사이에서 스파크(Spark)가 발생하기 쉬우며, 용접성이 떨어지게 된다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 용이하게 음극탭과 캔을 용접함으로써 생산성을 향상시키고, 두 가지의 용접에 의하여 발생되는 불량요인을 제거할 수 있으며, 종래 저항 용접의 문제점을 해결할 수 있는 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 음극단자 형성방법을 설명하기 위한 개략도;

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 개략도들이다.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 전극체 110 : 음극판

111 : 음극 활물질 코팅부 112 : 음극탭

120 : 양극판 200 : 캔

210 : 캔 내부 공간 220 : 음극탭 안착부

300 : 용접보조판 410, 420 : 전극

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법은: (a)활물질 코팅부와 상기 활물질이 코팅되지 않으며 돌출된 탭을 각각 가지는 음극판과 양극판을 다수 회 교대, 적층시킨 전극체와, (b)자신의 내부에는 상기 전극체가 삽입되는 공간과 상기 음극탭이 안착되는 음극탭 안착부가 있으며, 상기 음극탭의 녹는점보다 100∼300℃ 높은 녹는점을 가지는 금속으로 이루어진 캔과, (c)상기 음극탭의 녹는점보다 100∼300℃ 높은 녹는점을 가지는 금속으로 이루어진 용접보조판을 마련하는 단계와; 상기 음극탭 안착부 상면에 상기 음극탭이 안착되도록 상기 캔에 상기 전극체를 삽입하는 단계와; 상기 음극탭 상면에 상기 용접보조판을 위치시키는 단계와; 상기 음극탭 안착부의 하면 및 상기 용접보조판의 상면에 저항 점용접기의 전극을 각각 위치시키고 통전시켜 상기 음극탭을 상기 캔에 저항 점용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 음극탭은 구리로 이루어지고, 상기 캔 또는 상기 용접보조판은 스테인레스 스틸판으로 이루어지며, 상기 전극은 구리 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 전극은 CuCr인 것을 특징으로 하여도 좋다.

나아가, 상기 용접보조판은, 상기 용접보조판의 폭 및 길이가 자신의 상면에 위치되는 상기 전극의 하면의 폭 및 길이보다 크도록 마련하는 것을 특징으로 하며, 상기 용접보조판은, 상기 용접보조판의 폭 및 길이가 상기 음극탭의 폭 및 길이보다 작지 않도록 마련하는 것이 바람직하다.

더 나아가, 상기 용접보조판은, 상기 용접보조판의 두께가 상기 캔보다 두껍지 않도록 마련하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도 2a는 전극체, 캔, 및 용접보조판을 설명하기 위한 개략도이고, 도 2b는 도 2a에 따른 전극체가 캔에 삽입된 형상을 나타내는 개략도이며, 도 2c는 도 2b에 따른 전극체의 음극탭 상면에 용접보조판이 위치된 형상을 나타내는 개략도이고, 도 2d는 도 2c에 따른 결과물에 점용접기의 전극이 위치된 형상을 나타내는 개략도이다. 본 실시예 및 도 2a에 음극판, 음극탭, 양극판, 전극체, 캔, 또는 용접보조판의 형상은 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

도 2a의 (1)을 참조하면, 음극판(110)과 양극판(120)이 교대로 적층되어 전극체(100)를 형성하고 있다. 음극판(110)은 음극 활물질이 코팅된 활물질 코팅부(111)와, 음극 활물질이 코팅되지 않으며 돌출되어 캔(200)이 음극단자로 형성되도록 후술하는 공정에 의하여 캔(200)과 용접되게 되는 음극탭(112)으로 나누어지고, 음극판(110) 및 음극탭(112)은 구리 박판으로 형성된다. 양극판(120)은 양극 활물질이 코팅된 활물질 코팅부와, 양극 활물질이 코팅되지 않으며 양극단자와 전기적으로 연결되는 양극탭으로 나누어지고, 양극판(120) 및 양극탭은 알루미늄 박판으로 형성된다. 이 때, 음극탭(112)은 후술하는 캔(200)의 음극탭 안착부(220)에 알맞도록 포밍되어 있고, 양극판에 마련된 양극탭은 본 발명의 음극단자 형성방법과는 무관하므로 미도시 되었다.

도 2a의 (2)를 참조하면, 캔(200)은 도 2a에 따른 전극체(100)가 삽입되도록 내부에 공간(210)이 마련되고, 전극체(100)가 캔(200)에 삽입됨으로써 음극탭(112)이 안착되도록 음극탭 안착부(220)가 마련되어 있다. 이 때, 캔(200)은음극탭(112)의 녹는점보다 100∼300℃ 높은 녹는점을 가지는 금속으로 이루어지며, 본 실시예에서는 스테인레스 스틸판을 사용하였다.

도 2a의 (3)을 참조하면, 음극탭(112)의 녹는점보다 100∼300℃ 높은 녹는점을 가지며 캔(200)의 재질과 같은 스테인레스 스틸판으로 된 용접보조판(300)이 마련되어 있다. 이 때, 용접보조판(300)의 폭 및 길이는 후술하는 도 2d와 같이 자신의 상면에 저항 용접기의 전극이 위치되었을 때, 용접보조판의 상면과 접촉되는, 전극 하면의 폭 및 길이보다 크게 하는 것이 좋다. 이것은 저항 용접이 진행됨에 따라 용융된 음극탭이 전극에 달라붙는 현상을 방지하게 된다. 그리고, 용접보조판(300)의 폭 및 길이는 음극탭(112)의 길이 및 폭보다 작지 않도록 한다. 한편, 용접보조판(300)의 두께는 캔(200)의 두께보다 두껍지 않은 것이 바람직하다. 이것은 용접보조판의 두께가 캔의 두께보다 두꺼운 경우에는 음극탭으로의 열전도가 저하되어 음극탭의 용융속도가 저하될 뿐 아니라 용접보조판보다 캔이 먼저 용융되게 되기 때문이다.

도 2b를 참조하면, 도 2a의 (1)에 따른 전극체(100)가 도 2a의 (2)에 따른 캔(200)에 삽입되고 음극탭은 음극탭 안착부에 안착되어 있다.

도 2c를 참조하면, 도 2b와 같이 캔(200)에 전극체(100)가 삽입된 상태에서 음극탭 상면에 도 2a의 (3)에 따른 용접보조판(300)이 위치되어 있다.

도 2d를 참조하면, 도 2c에 따른 결과물에 있어서 캔(200)의 음극탭 안착부의 하면에는 저항 점용접기의 F-Type 전극(410)이 접촉되어 있고, 용접보조판(300)의 상면에는 저항 점용접기의 P-Type(420) 전극이 접촉되어 있다. 이 때,전극(410, 420)으로는 85∼95%의 구리와 5∼15%의 이종 금속으로 이루어진 구리 합금, 예컨대 CuCr을 사용한다. 전극으로 순동(純銅)을 사용하는 경우에는 전극이 무르기 때문에 전극의 교체 또는 재가공의 주기가 짧고, 전극의 변형으로 용접성이 저하되기 때문이다.

도 2d와 같이 전극(410, 420)을 각각 위치시킨 다음, 전극(410, 420)으로 캔(200)과 용접보조판(300)을 가압하면서 통전(通電)시키면 캔(200)과 용접보조판(300)에 흐르는 전류에 의해 저항이 발생하고, 그 저항열에 의해 캔(200), 용접보조판(300) 및 전극체(100)의 음극탭의 소정영역이 용융되면서 음극탭은 강하게 점용접된다. 이 때, 캔과 용접보조판의 재질이 같은 경우에는 더욱 우수한 용접성을 나타낸다. 그리고, 저항 용접이 진행되는 동안 전극은 구리탭보다 녹는점이 높은 캔과 용접보조판과 접촉되어 있으므로 용접한 후에도 깨끗하게 유지되게 된다.

한편, 가해지는 전류의 세기는 캔 및 용접보조판이 용융될 정도이면 족하다. 전류가 너무 높으면 높은 열에 의해서 캔에 구멍이 생길 수 있고, 과전류에 의하여 캔과 용접보조판의 외형이 변형될 수 있으며, 용접하고자 하는 모재에서 불꽃이 많이 발생하게 된다. 뿐 만 아니라, 과전류가 흐르면 음극탭이 너무 많이 녹아서 음극판의 형상이 변형될 수 있고, 전극도 변형될 수 있다.

[비교예 1]

[본 발명에 의한 경우]

두께가 0.2mm인 스테인레스 스틸판을 사용하여 높이 4.2mm, 단변 34mm, 장변 50mm인 각형 캔과 장변 5mm, 단변 4mm의 용접보조판을 마련하고, 5mm 폭의 구리탭이 있는 전극체를 마련하여, 도 2b, 도 2c, 및 도 2d와 같이 실시한 다음 저항 점용접기를 이용하여 용접하였다. 이 때, 용접보조판 상면에 위치된 전극으로는 용접보조판 중앙 부분에서 1.5mm의 간격으로 좌우에 한 포인트(Point)씩 용접을 하였다.

이와 같이 용접된 부분의 접착 강도는 6g/cm²이상이었다.

[도 1에 따른 리튬이온 이차전지의 경우]

두께가 0.2mm인 스테인레스 스틸판을 사용하여 높이 4.2mm, 단변 34mm, 장변 50mm인 각형 캔과 5mm 폭의 구리탭이 있는 전극체를 마련하고, 구리탭 상면에 두께 0.2mm, 폭 5mm의 니켈탭 일단을 위치시킨 후 초음파 용접을 한 다음, 니켈탭의 타단을 캡의 안쪽에 점용접하였다.

이와 같은 경우에, 구리탭과 니켈탭의 접착 강도는 0.5kg/cm²이었고 니켈탭과 캡의 접착 강도는 0.5kg/cm²이었다.

따라서, 본 발명에 따른 음극단자 형성방법에 의하는 경우 음극단자로 사용되는 캡 또는 캔과 음극탭의 접착 강도가 종래보다 크다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법에의하면, 음극탭과 캔이 큰 접착 강도로 용접됨으로써 전지의 내부 저항이 감소되고, 리튬이온 이차전지의 조립 후에도 내충격성이 향상되게 된다.

나아가, 저항 점용접 한가지의 실시만으로 캔이 음극단자로 형성되므로 생산속도가 향상되고, 불량요인이 감소하게 된다.

더 나아가, 전극에 용융된 구리가 달라붙는 현상이 방지되어 생산성이 향상되고 좋은 용접형상을 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (6)

1. (a)활물질 코팅부와 상기 활물질이 코팅되지 않으며 돌출된 탭을 각각 가지는 음극판과 양극판을 다수 회 교대, 적층시킨 전극체와, (b)자신의 내부에는 상기 전극체가 삽입되는 공간과 상기 음극탭이 안착되는 음극탭 안착부가 있으며, 상기 음극탭의 녹는점보다 100∼300℃ 높은 녹는점을 가지는 금속으로 이루어진 캔과, (c)상기 음극탭의 녹는점보다 100∼300℃ 높은 녹는점을 가지는 금속으로 이루어진 용접보조판을 마련하는 단계와;

   상기 음극탭 안착부 상면에 상기 음극탭이 안착되도록 상기 캔에 상기 전극체를 삽입하는 단계와;

   상기 음극탭 상면에 상기 용접보조판을 위치시키는 단계와;

   상기 음극탭 안착부의 하면 및 상기 용접보조판의 상면에 저항 점용접기의 전극을 각각 위치시키고 통전시켜 상기 음극탭을 상기 캔에 저항 점용접하는 단계를 포함하는 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 음극탭은 구리로 이루어지고, 상기 캔 또는 상기 용접보조판은 스테인레스 스틸판으로 이루어지며, 상기 전극은 구리 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 용접보조판은, 상기 용접보조판의 폭 및 길이가 자신의 상면에 위치되는 상기 전극의 하면의 폭 및 길이보다 크도록 마련하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 용접보조판은, 상기 용접보조판의 폭 및 길이가 상기 음극탭의 폭 및 길이보다 작지 않도록 마련하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 용접보조판은, 상기 용접보조판의 두께가 상기 캔보다 두껍지 않도록 마련하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법.
6. 제 2항에 있어서, 상기 전극은 CuCr인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지의 음극단자 형성방법.