KR20200062896A - 전기 저항 용접 장치 및 이를 이용한 전지 제조 방법 - Google Patents

전기 저항 용접 장치 및 이를 이용한 전지 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압축기, 용접 홀더, 및 용접 봉을 포함하고, 상기 압축기에서 압축된 공기는 상기 용접 홀더를 통해서 상기 용접 봉으로 유입되어 상기 용접 봉에 형성된 공기 배출구들을 통해서 배출되는 전기 저항 용접 장치에 관한 것이다.

Description

전기 저항 용접 장치 및 이를 이용한 전지 제조 방법{ELECTRIC RESISTANCE WELDER AND METHOD MANUFACTURING BATTERY USING THE SAME}
본 발명은 전기 저항 용접 장치 및 이를 이용한 전지 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래 생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산 기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장 장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
더욱이, 모바일 기기와 전지 자동차에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 특히, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.
이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류된다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극 조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
이러한 전극 조립체들을 사용 목적에 따라, 파우치 케이스, 원통형 캔, 및 각형 케이스 등에 수납하여 전지를 제조한다.
이 중에서, 원통형 전지는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어, 휴대용 컴퓨터에서 전지 자동차에 이르기까지 다양한 기기들의 에너지원으로 사용되고 있다.
도 1은 종래의 전기 저항 용접 장치를 이용하여 원통형 전지의 음극 탭을 금속 캔에 용접하는 것을 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 원통형 전지(20)는 젤리-롤형 전극 조립체(24)가 금속 캔(22)에 수납되어 있는 구조이다. 설명의 편의를 전극 조립체(24)와 금속 캔(22)의 일부만을 도시하였다. 전지 저항 용접 장치(10)는 용접 봉(12)이 용접 홀더(11)에 연결되어 있고, 용접 홀더(11)를 통해서 용접 봉(12)에 전류가 인가되는 구조이다.
전극 조립체(24)의 음극 탭(21)을 금속 캔(22)에 용접하기 위해, 전기 저항 용접 장치(10)의 용접 봉(12)은 분리막(23) 사이를 지나 용접 봉(12)의 일측 단부가 음극 탭(21)에 접촉할 수 있다. 이러한 상태에서 용접 봉에 전류를 인가하여 음극 탭(21)을 금속 캔(22)에 용접한다. 이때, 전류가 흐르는 용접 봉(12)에 많은 열 에너지가 발생하고 이는 음극 탭(21)과 금속 캔(22) 사이에 용접 강도를 저하시키는 문제점이 있다.
또한, 분리막(23) 사이의 협소한 공간에 용접 봉(12)이 위치하고 있기 때문에 용접 시 분리막(23)이 용접 봉(12)에 붙어 용융되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 용접 봉에 공기 배출구를 형성하여 압축 공기를 배출함으로써, 용접 봉에서 발생한 열 에너지를 냉각하고 분리막을 용접 봉으로부터 이격시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 저항 용접 장치는 압축기, 용접 홀더, 및 용접 봉을 포함하고, 상기 압축기에서 압축된 공기는 상기 용접 홀더를 통해서 상기 용접 봉으로 유입되어 상기 용접 봉에 형성된 공기 배출구들을 통해서 배출될 수 있다.
상기 용접 봉은 중심부에 공기 유로를 포함할 수 있다.
상기 공기 유로는 상기 공기 배출구들과 유체적으로 연통될 수 있다.
상기 용접 홀더는 공기 유입부와 공기 배출부를 포함할 수 있다.
상기 공기 유입부을 통해서 유입된 공기의 일부는 상기 공기 유로로 유입될 수 있다.
상기 공기 유로로 유입되지 않은 나머지 공기는 상기 공기 배출부를 통해서 배출될 수 있다.
상기 공기 배출구들은 상기 용접 봉의 길이에 따라 다른 빈도로 형성될 수 있다.
상기 공기 배출구들은 슬릿 형상으로 형성될 수 있다.
상기 용접 홀더는 상기 용접 봉의 상기 공기 유로로 유입되는 공기의 양을 조절하는 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기 저항 용접 장치를 이용하여 전지를 제조하는 방법은 금속 캔에 젤리-롤형 전극 조립체를 수납하는 단계; 상기 전극 조립체의 중심부에 상기 용접 봉을 주입하는 단계; 상기 공기 배출구로 압축된 공기를 배출하여 분리막을 밀어내는 단계; 및 상기 용접 봉에 전류를 인가하여 상기 전극 조립체의 음극 탭을 상기 금속캔에 용접하는 단계;를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전지 저항 용접 장치는 용접 봉에 공기 배출구를 형성하여 용접 시 용접 봉에서 발생한 열 에너지를 냉각하고 분리막이 용접 봉에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 전기 저항 용접 장치를 이용하여 원통형 전지의 음극 탭을 금속 캔에 용접하는 것을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 저항 용접 장치의 모식도이다.
도 3은 도 2의 점선 A에 따른 단면도이다.
도 4 내지 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 저항 용접 장치들을 나타내는 모식도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기 저항 용접 장치를 이용하여 원통형 전지를 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "단면도"라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 저항 용접 장치의 모식도이다. 도 3은 도 2의 점선 A에 따른 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전지 저항 용접 장치(100)는 압축기(101), 용접 홀더(102), 및 용접 봉(103)을 포함할 수 있다. 압축기(101)에서 압축된 공기는 용접 홀더(102)를 통해서 용접 봉(103)으로 유입되어 공기 배출구(104)들을 통해서 배출되는 구조로 형성될 수 있다.
용접 봉(103)의 형상은 특별히 한정되지 않으나, 젤리-롤형 전극 조립체의 중심부가 원형에 가까운 형상이므로, 직경에 대비하여 길이가 긴 원통형으로 형성될 수 있다. 용접 봉(103)의 일측은 용접 홀더(102)에 연결될 수 있다. 용접 봉(103)의 중심부(C)에는 공기 유로(105)가 형성될 수 있고, 공기 유로(105)는 용접 홀더(102)와 유체적으로 연통될 수 있다.
용접 봉(103)의 옆면(109)에는 다수의 공기 배출구(104)들이 형성될 수 있고, 공기 배출구(104)들은 공기 유로(105)와 연통될 수 있다. 다수의 공기 배출구(104)들은 옆면(109)을 따라 형성되어 용접 봉(103)의 중심부(C)에서 방사 방향으로 형성될 수 있다.
용접 홀더(102)는 공기 유입부(106)와 공기 배출부(107)를 포함할 수 있다. 압축기(101)에서 압축된 공기는 공기 유입부(106)을 통해서 용접 홀더(102)로 유입되고, 유입된 공기의 일부는 용접 봉(103)의 공기 유로(105)로 유입된다. 용접 봉(103)의 공기 유로(105)로 유입되지 않은 나머지 공기는 공기 배출부(107)을 통해서 배출될 수 있다.
이러한 구조를 통해서, 용접 시 공기 배출구(104)들에서 배출되는 압축 공기는 소정의 압력을 가질 수 있기 때문에 분리막(도시하지 않음)이 용접 봉(103)에 붙지 않도록 분리막(도시하지 않음)을 용접 봉(103)에서 이격시킬 수 있다.
또한, 용접 봉(103)의 공기 유로(105)로 유입된 공기는 공기 배출구(104)들에서 배출되면서 용접 시 용접 봉(103)에서 발생하는 열 에너지를 냉각할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기 저항 용접 장치를 나타내는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 전기 저항 용접 장치(200)의 용접 봉(103)에는 공기 배출구(104)들이 용접 홀더(102)에서부터 거리에 따라 다른 빈도로 형성될 수 있다. 공기 배출구(104)들이 다른 빈도로 형성된 것을 제외하면 도 4의 전지 저항 용접 장치(200)는 도 2의 전지 저항 용접 장치(100)와 동일한 구성들을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 것처럼, 용접 봉(103)은 직경에 대비하여 길이가 긴 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 공기 배출구(104)들이 용접 봉(103)의 길이에 따라 동일한 빈도로 형성할 경우, 용접 홀더(102)에서 가까운 곳에 형성된 공기 배출구(104)들에서 배출되는 공기와 용접 홀더(102)에서 먼 곳에 형성된 공기 배출구(104)들에서 배출되는 공기의 양이 다를 수 있다. 그러므로, 용접 봉(103)이 전극 탭(도시하지 않음)과 접촉하는 B 부분에서는 배출되는 공기의 양이 감소하여 분리막(도시하지 않음)을 용접 봉(103)에서 이격시키는 것과 용접 봉(103)의 냉각이 어려울 수 있다. 이에, 전기 저항 용접 장치(200)의 용접 봉(103)에는 공기 배출구(104)들이 용접 홀더(102)에서부터 거리에 따라 다른 빈도로 형성하여 B 부분에서도 충분한 양의 공기가 배출될 수 있게 하여 상기 문제점을 해결할 수 있다. 도 4의 용접 봉(103)에는 용접 홀더(102)에서 가까운 부위에 형성된 공기 배출구(104)들 보다 더 많은 공기 배출구(104)들이 B 부분에 형성되어 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기 저항 용접 장치를 나타내는 모식도이다.
도 5를 참조하면, 전기 저항 용접 장치(300)의 용접 봉(103)에 형성된 공기 배출구(104)는 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 공기 배출구(104)가 슬릿 형상으로 형성될 수 있다. 슬릿 형상의 공기 배출구(104)는 용접 봉(103)의 길이 방향으로 형성될 수 있다. 이러한 구조를 통해서, 용접 봉(103)의 길이에 따른 각 위치에서 공기 배출구(104)를 통해서 배출되는 공기의 양을 일정하게 유지할 수 있다. 공기 배출구(104)가 슬릿 형상으로 형성된 것을 제외하면 도 5의 전지 저항 용접 장치(300)는 도 2의 전지 저항 용접 장치(100)와 동일한 구성들을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 저항 용접 장치를 나타내는 모식도이다.
도 6을 참조하면, 전기 저항 용접 장치(400)는 용접 홀더(102)에 밸브(108)를 포함하여 용접 봉(103)의 공기 유로(105)로 유입되는 공기의 양을 조절할 수 있다. 용접 홀더(102)에 밸브(108)가 형성된 것을 제외하면 도 6의 전지 저항 용접 장치(400)는 도 2의 전지 저항 용접 장치(100)와 동일한 구성들을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예로서, 도 6의 밸브(108)는 도 2, 도 4, 및 도 5 실시예에도 적용될 수 있다.
도 7 및 도 8는 본 발명에 따른 전기 저항 용접 장치를 이용하여 원통형 전지를 제조하는 방법(이하 "제조 방법"이라 칭함)을 나타낸 모식도이다.
도 2, 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 제조 방법은 전기 저항 용접 장치(100)의 용접 봉(103)을 젤리-롤형 전극 조립체(24)의 중심부에 위치시키고, 용접 봉(103)의 단부를 음극 탭(21)에 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 압축기(101)를 작동하여 압축된 공기가 용접 홀더(102)을 통해서 용접 봉(103)의 공기 유로(105)로 유입되고, 유입된 공기는 공기 배출구(104)들을 통해서 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 도 8에서 공기 배출구(104)들을 통해서 배출되는 공기는 화살표로 표시하였다. 공기 배출구(104)들을 통해서 배출되는 공기는 분리막(23)을 용접 봉(103)에서 이격시킬 수 있다.
본 실시예에서, 용접 봉(103)에 전류를 인가하여 음극 탭(21)과 금속 캔(22)을 용접하는 단계를 포함할 수 있다. 용접 시 공기 배출구(104)들을 통해서 배출되는 공기는 분리막(23)이 용접 봉(103)에서 이격된 상태를 계속 유지하도록 할 수 있다. 또한, 용접 시 공기 배출구(104)들을 통해서 배출되는 공기는 용접 봉(103)을 냉각시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (10)

  1. 압축기, 용접 홀더, 및 용접 봉을 포함하고, 상기 압축기에서 압축된 공기는 상기 용접 홀더를 통해서 상기 용접 봉으로 유입되어 상기 용접 봉에 형성된 공기 배출구들을 통해서 배출되는 전기 저항 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용접 봉은 중심부에 공기 유로를 포함하는 전기 저항 용접 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기 유로는 상기 공기 배출구들과 유체적으로 연통되어 있는 전기 저항 용접 장치.
  4. 제2항에 있어서
    상기 용접 홀더는 공기 유입부와 공기 배출부를 포함하는 전지 저항 용접 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공기 유입부을 통해서 유입된 공기의 일부는 상기 공기 유로로 유입되는 전기 저항 용접 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공기 유로로 유입되지 않은 나머지 공기는 상기 공기 배출부를 통해서 배출되는 전기 저항 용접 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공기 배출구들은 상기 용접 봉의 길이에 따라 다른 빈도로 형성된 전기 저항 용접 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기 배출구들은 슬릿 형상으로 형성된 전기 저항 용접 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용접 홀더는 상기 용접 봉의 상기 공기 유로로 유입되는 공기의 양을 조절하는 밸브를 포함하는 전기 저항 용접 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나에 따른 전기 저항 용접 장치를 이용하여 전지를 제조하는 방법으로서,
    금속 캔에 젤리-롤형 전극 조립체를 수납하는 단계;
    상기 전극 조립체의 중심부에 상기 용접 봉을 주입하는 단계;
    상기 공기 배출구로 압축된 공기를 배출하여 분리막을 밀어내는 단계; 및
    상기 용접 봉에 전류를 인가하여 상기 전극 조립체의 음극 탭을 상기 금속캔에 용접하는 단계;
    를 포함하는 전지 제조 방법.
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