KR101590672B1

KR101590672B1 - 초음파 용접장치 및 초음파 용접장치를 이용하여 이차전지를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR101590672B1
Application number: KR1020120114772A
Authority: KR
Inventors: 팽기훈; 김문성; 오환준; 이수민; 김명섭; 한우리
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2016-02-01
Also published as: KR20140048611A

Abstract

본 발명은 이차전지의 집전체 포일과 전극탭의 초음파 용접을 수행하는 장치에 관한 것으로, 특히 앤빌(anvil)에 의해 지지되는 용접대상물에 초음파 진동을 가하는 초음파 용접 혼(sonotrode horn)을 포함하는 초음파용접유닛; 상기 엔빌과 혼 사이로 용접대상물을 이송하는 이송롤러유닛; 및 상기 이송롤러유닛과 초음파용접유닛사이에 배치되며, 상기 용접대상물을 용접 후 상기 앤빌로 부터 분리시키는 스트리퍼;를 포함하되, 상기 이송롤러유닛은, 상기 앤빌을 사이에 두고 배치되는 서로 다른 외경을 가지는 수평롤러를 포함하여 구성된다.

Description

초음파 용접장치 및 초음파 용접장치를 이용하여 이차전지를 제조하는 방법{Ultrasonic welding assembly and Fabricating method of secondary battery using the same}

본 발명은 이차전지의 집전체 포일과 전극탭의 초음파 용접을 수행하는 장치에 관한 것이다.

최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화 된 전기/전자 장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자 장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.

전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.

특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V~4.3V의 범위에서 통상 구현되며, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

통상적으로, 이차 전지는 전극 조립체(젤리롤(jelly roll) 또는 권취품)와, 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차전지용 케이스와, 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 및 케이스를 마감하는 캡 조립체를 포함한다.

도 1은 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 원통형 이차전지의 전극조립체를 도시한 개념도이다.

도시된 것과 같이, 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 원통형 이차전지의 전극조립체는 양극집전체의 소정영역에 양극활물질층이 형성된 양극전극판(1), 음극집전체의 소정영역에 음극활물질층이 형성된 음극전극판(3), 상기 양극전극판(1) 및 음극전극판(3)상에 도포되어 상기 양극전극판(1)과 음극전극판(30)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세라믹 세퍼레이터 기능막(2,이하 분리막라 한다)이 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 그리고 전극조립체 상부로는 각 전극의 전극탭(4, 5)이 돌출되게 된다. 특히 이 경우 원통형 기둥 모양의 권심부재(R)를 중심으로 상기 음극, 양극, 분리막의 구성요소가 권취되는 공정을 수행하게 된다.

이러한 종래의 원통형 이차전지를 형성하는 원통형 기둥 모양의 권심부재(R)를 중심으로 권취를 하는 경우, 일정한 권취과정 중간에 상술한 전극리드로서 양극탭을 형성하고 권취를 다시 수행하고, 권취공정의 마지막에 음극탭을 형성하고 권취를 마무리하게 된다.

도 2는 이러한 원통형 이차전지에서 권취를 위해 전극에 전극탭을 초음파 용접하는 시스템을 도시한 것이다.

도시된 것과 같이, 전극집전체(33)의 표면에 활물질(31, 32)가 코팅된 음극(음극을 일례로 설명하기로 한다.)(30) 재를 이송롤러(50, 51)을 통해 이송이 이루어지며, 특히 전극집전체(33)의 표면에 전극탭(34)를 초음파 용접을 수행하는 초음파 용접장치가 구비된다.

초음파 용접장치는 용접재(전극탭;34)를 지지하는 앤빌(20)과 초음파 진동을 인가하는 혼(10)이 배치되어 초음파 용접이 수행된 후, 바타입(bar type)의 스트리퍼가 상승하며 용접이 이루어진 후의 전극집전체(33)를 앤빌(22)로부터 분리하는 기능을 수행하게 된다.

그러나 이러한 구조에서 상술한 한쌍의 이송롤러(50, 51)은 초음파 용접 혼(10)이 인가하는 진동을 효율적으로 흡수하는데에는 한계가 발생하게 되며, 전극재를 지지하는 데 지지력에 한계가 발생하게 된다.

등록특허 제10-0646535호 한국공개특허공보 제10-2010-0099652호

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전극부재의 수평롤러의 구조를 개선하여 초음파 융착시 전극에 대한 좌우 지지력을 높이고, 초음파 융착시 발생하는 진동을 흡수하여 전극떨림을 방지할 수 있는 초음파 용접장치를 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 앤빌(anvil)에 의해 지지되는 용접대상물에 초음파 진동을 가하는 초음파 용접 혼(sonotrode horn)을 포함하는 초음파용접유닛; 상기 엔빌과 혼 사이로 용접대상물을 이송하는 이송롤러유닛; 및 상기 이송롤러유닛과 초음파용접유닛사이에 배치되며, 상기 용접대상물을 용접 후 상기 앤빌로 부터 분리시키는 스트리퍼;를 포함하되, 상기 이송롤러유닛은, 상기 앤빌을 사이에 두고 배치되는 서로 다른 외경을 가지는 수평롤러를 포함하여 구성되는 초음파용접장치를 제공할 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 전극부재의 수평롤러의 구조를 개선하여 초음파 융착시 전극에 대한 좌우 지지력을 높이고, 초음파 융착시 발생하는 진동을 흡수하여 전극떨림을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 원통형 이차전지의 전극조립체를 도시한 개념도이다.
도 2는 원통형 이차전지에서 권취를 위해 전극에 전극탭을 초음파 용접하는 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 용접 시스템에서의 초음파 용접혼 및 앤빌, 이송롤러의 배치구도를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 초음파 용접혼 및 앤빌, 이송롤러의 배치구도를 도시한 개념도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 3은 도 2의 용접 시스템에서의 초음파 용접혼 및 앤빌, 이송롤러의 배치구도를 도시한 개념도이며, 도 4는 본 발명에 따른 초음파 용접혼 및 앤빌, 이송롤러의 배치구도를 도시한 개념도이다.

도 3 및 도 4의 도면을 비교 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.

도 3을 참조하면, 도 3은 개념적으로 도시한 도 2의 도면에서, 실제 초음파 혼과 수평롤러의 배치 관계를 도시한 것이다. 도 3에서의 초음파 용접장치는 앤빌(anvil; 20)에 의해 지지되는 용접대상물(34)에 초음파 진동을 가하는 초음파 용접 혼(sonotrode horn; 10)을 포함하는 초음파용접유닛과, 상기 엔빌(20)과 초음파 용접 혼(10) 사이로 용접대상물을 이송하는 이송롤러유닛(50, 60) 및 상기 이송롤러유닛과 초음파용접유닛사이에 배치되며, 상기 용접대상물을 용접 후 상기 앤빌로부터 분리시키는 스트리퍼(40)를 포함하여 구성된다.

이 경우, 도 3의 구조에서의 이송롤러유닛(50, 60)을 구성하는 수평롤러(50, 60)는 기본적으로 초음파 혼(10)의 하부에 배치되며, 사이즈는 동일한 직경을 가지는 한 쌍의 롤러로 배치되게 된다. 통상 각각의 롤러의 중심 간 사이의 거리는 45mm로 형성되며, 이 경우 각 롤러(50, 60)의 직경은 16mm로 형성할 수 있다.

도 2에서 상술한 용접대상물 중 전극재가 초음파 혼(10)과 수평롤러(50) 사이의 공간으로 이송되어 앤빌 상의 전극탭(34)와 어라인 되게 되면, 초음파 혼(10)이 앤빌(20)에 의해 지지되며 용접대상물이 초음파 용접이 이루어지게 된다. 이 경우 45mm로 설정되는 한쌍의 롤러 상의 간격은 초음파 용접시 발생하는 초음파 진동이 전달되는 구간으로 작용하여 전극에 지속적인 떨림을 가하게 되 용접 신뢰성을 떨어뜨리게 된다.

이에, 본 발명은 도 4에 도시된 것과 같은 새로운 이송 롤러의 배치구조를 통해 이러한 문제를 해소할 수 있도록 한다.(본 발명에 따른 실시예에서의 용접대상물은 도 2에서 상술한 금속제 포일로 구성되는 전극집전체(33)과 상기 전극집전체의 일면 또는 양면에 코팅되는 슬러리층(31, 32)가 형성되는 전극재를 한 쌍의 수평롤러(50, 51)를 통해 이송받아 집전체(33)과 전극탭(34)를 초음파 용접하게 된다.)

즉, 본 발명에 따른 초음파 용접장치는 도 3의 기본 구조에서 수평 롤러의 배치 구조를 달리하여, 상기 이송롤러유닛은, 상기 앤빌(20)을 사이에 두고 배치되는 서로 다른 외경을 가지는 수평롤러(110, 120)를 포함하여 구성되도록 형성할 수 있다.

이 경우, 본 발명에 따른 상기 수평롤러(110, 120)는, 상기 앤빌(20)을 사이에 두고 배치되되, 상기 용접대상물(34)이 인입되는 쪽의 제1롤러(110)의 직경이 용접후 배출되는 제2롤러(120)의 직경보다 크게 형성되도록 배치할 수 있으며, 특히 상기 제1롤러의 직경: 상기 제2롤러의 직경은 4:3의 비율을 만족하도록 구현할 수 있다. 이를테면, 상기 제1롤러(110)의 직경은 16mm, 상기 제2롤러(120)의 직경은 12mm로 형성할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 수평 롤러의 배치는 한 쌍의 롤러 간 거리를 줄일 수 있게 되어 초음파 융착시 발생하는 진동전달구간을 감소할 수 있게 된다. 즉, 도 3의 구조에서 45mm의 구간을 상기 제1롤러(110)의 직경은 16mm, 상기 제2롤러(120)의 직경은 12mm로 형성하는 경우 39mm로 줄일 수 있게 된다.

또한, 상기 제1롤러(110)와 상기 앤빌(20) 사이, 상기 제2롤러(120)와 상기 앤빌(20) 사이에 배치되는 한 쌍의 보조롤러(130, 140)를 더 포함하는 구조로 형성할 수 있다. 이와 같은 보조롤러(130, 140)는 상기 제2롤러의 직경보다 작은 직경을 구비할 수 있으며, 이를 통해 전극집전체에 대한 지지력을 증가시키며 더 많은 초음파 진동을 흡수할 수 있게 하는 효과가 있다.

특히, 상기 보조롤러(130, 140)와 상기 제2롤러(120)의 직경의 비율은 4:3의 비율을 충족하도록 함이 바람직하며, 이를테면 상기 제2롤러(120)의 직경은 12mm로 형성하는 경우, 상기 보조롤러의 직경은 9mm로 구현할 수 있다.

또한, 상기 제1롤러(110)의 상부면과 상기 보조롤러(130, 140)의 상부면은 동일 평면상에 배치될 수 있도록 함이 바람직하며, 이를 통해 용접대상물일 전극집전체의 이송을 효율적으로 구현하며, 초음파 용접 혼(10)의 이송 간섭을 방지하기 위해 제2롤러(120)은 제1롤러(110)의 상부면 보다 약간 아래의 위치에 배치시킴이 바람직하다.

상술한 초음파 용접 장치에 적용되는 용접대상물은 양극 집전체와 양극 탭, 음극집전체와 음극탭이 적용될 수 있음은 물론이다.

이 경우 양극집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 상술한 본 발명에 따른 실시예에서 전극탭의 경우, 상기 양극집전체의 재질과 동일한 재질을 가지도록 형성될 수 있다.

용접대상물이 음극집전체와 음극탭인 경우, 음극집전체로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 상술한 본 발명에 따른 실시예에서 전극탭의 경우, 상기 음극집전체의 재질과 동일한 재질을 가지도록 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 초음파 용접장치는 상술한 것과 같이, 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등에 적용될 수 있다.

특히, 이러한 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.

최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.

다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.

중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 초음파 용접 혼
20: 앤빌
30: 전극재
31: 활물질
32: 활물질
33: 집전체
34: 전극탭
40: 스트리퍼
50, 56: 이송롤러(수평롤러)
110: 제1롤러
120: 제2롤러
130: 보조롤러
140: 보조롤러

Claims

앤빌(anvil)에 의해 지지되는 용접대상물에 초음파 진동을 가하는 초음파 용접 혼(sonotrode horn)을 포함하는 초음파용접유닛;
상기 앤빌과 혼 사이로 용접대상물을 이송하는 이송롤러유닛; 및
상기 이송롤러유닛과 초음파용접유닛사이에 배치되며, 상기 용접대상물을 용접 후 상기 앤빌로 부터 분리시키는 스트리퍼;를 포함하되,
상기 이송롤러유닛은,
상기 앤빌을 사이에 두고 배치되는 서로 다른 외경을 가지는 수평롤러를 포함하여 구성되는 초음파용접장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수평롤러는,
상기 앤빌을 사이에 두고 배치되되,
상기 용접대상물이 인입되는 쪽의 제1롤러의 직경이 용접 후 배출되는 제2롤러의 직경보다 크게 형성되는 초음파 용접장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1롤러의 직경: 상기 제2롤러의 직경은 4:3의 비율을 만족하는 초음파 용접장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1롤러의 직경은 16mm, 상기 제2롤러의 직경은 12mm인 초음파 용접장치.
청구항 2 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1롤러와 상기 앤빌사이,
상기 제2롤러와 상기 앤빌사이에 배치되는 한쌍의 보조롤러를 더 포함하는 초음파 용접장치.
청구항 5에 있어서,
상기 보조롤러는,
상기 제2롤러의 직경보다 작은 직경을 구비하는 초음파 용접장치.
청구항 6에 있어서,
상기 보조롤러와 상기 제2롤러의 직경의 비율은 4:3을 만족하는 초음파 용접장치.
청구항 7에 있어서,
상기 보조롤러의 직경은 9mm인 초음파 용접장치.
청구항 7에 있어서,
상기 한 쌍의 보조롤러의 중심간 거리는 39mm인 초음파 용접장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제1롤러의 상부면과 상기 보조롤러의 상부면은 동일 평면상에 배치되는 초음파 용접장치.
청구항 10에 있어서,
상기 용접대상물은 이차전지 전극집전체와 용접되는 전극탭인 초음파 용접장치.
전극활물질이 코팅된 이차전지의 전극집전체를 앤빌과 용접혼 사이에 배치하는 단계;
상기 전극집전체의 말단에 전극탭을 배치하고, 초음파 용접을 수행하는 단계;를 포함하는
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항의 초음파 용접장치를 이용하는 이차전지의 제조방법.