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JP-2026514590-A - 電池缶と集電板とキャップとの溶接構造、及び該溶接構造を適用したバッテリーセル

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Abstract

本発明の実施形態によるバッテリーセルは、缶、及び前記缶の内部に収容された電極組立体を含む。前記缶は、底部材、前記底部材に連結されて軸方向で上側に延在する側壁部材、及び前記底部材と対向する前記側壁部材の軸方向の端部に設けられた開放端部を覆うキャップを含む。前記集電板は開放端部の付近で前記電極組立体の電極に電気的に接続される。前記キャップの周縁は、前記側壁部材の開放端部側の周縁と前記キャップの周縁と前記缶連結部とが一緒に溶接されて、外周方向で離隔した複数の個所の第１溶接部を形成する。第２溶接部は、前記側壁部材と前記キャップの周縁とを一緒に溶接して外周方向に沿って連続的に形成される。

Inventors

  • ジョンホ・パク
  • ドンスン・ファン
  • ソンミン・チョ
  • テリム・ホン

Assignees

  • エルジー エナジー ソリューション リミテッド

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20240530
Priority Date
20230609

Claims (20)

  1. 内部空間を取り囲み、且つ、中央の長手方向の軸に沿った第１端部で内部空間に対する開口を規定する側壁を備える缶と、 前記缶の内部空間に収容される電極組立体と、 前記電極組立体の電極に電気的に接続される集電板と、 前記内部空間を取り囲むように前記缶の開口を覆うキャップと、を含み、 前記集電板は、前記缶と電気的に接続されるように、前記側壁と接触する周縁部を備え、 前記開口に沿った前記側壁と前記キャップの周縁と前記集電板の周縁部とが複数の第１溶接部のそれぞれに沿って一緒に溶接され、前記複数の第１溶接部は前記中央の長手方向の軸に対する外周方向に沿って相互に離隔して配置され、前記開口に沿った前記側壁と前記キャップの周縁とが前記中央の長手方向の軸に対する外周の全体に沿って実質的に連続的に延在した第２溶接部に沿って一緒に溶接されている、バッテリーセル。
  2. 少なくとも前記第２溶接部の一部が前記複数の第１溶接部と重なっている、請求項１に記載のバッテリーセル。
  3. 前記外周方向と直交して延在する各平面によって規定される前記複数の第１溶接部のそれぞれの断面は、前記各平面によって規定される前記第２溶接部の断面よりも広い、請求項１に記載のバッテリーセル。
  4. 前記中央の長手方向の軸と平行に延在する軸方向において、前記缶の前記第１端部から前記軸方向で遠くなるように延在する前記複数の第１溶接部の深さは、前記缶の前記第１端部から前記軸方向で遠くなるように延在する前記第２溶接部の深さよりも深い、請求項１に記載のバッテリーセル。
  5. 前記集電板の周縁部の外径は、前記キャップの半径方向の外面の外径と対応している、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーセル。
  6. 前記キャップの周縁は、半径方向において前記側壁の半径方向の内面と対面して接触する接合外周面を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーセル。
  7. 前記集電板の周縁部の外径は、前記キャップの周縁の半径方向の外面の外径よりも大きい、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーセル。
  8. 前記キャップの周縁は、前記側壁の内面とギャップを置いて半径方向で対面する接合外周面を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーセル。
  9. 溶接領域は、前記キャップの周縁の半径方向の外面と前記側壁の半径方向の内面との間のギャップ内に延在している、請求項８に記載のバッテリーセル。
  10. 前記キャップの周縁は前記側壁の半径方向の内面と対面する半径方向の外面を備え、前記キャップの周縁の半径方向の外面の少なくとも第１部分は前記集電板の周縁部の外径に対応する第１直径を有し、前記キャップの周縁の半径方向の外面の少なくとも第２部分は前記集電板の周縁部の外径よりも小さい第２直径を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーセル。
  11. 前記キャップの周縁の半径方向の外面は、前記中央の長手方向の軸に対する外周方向に沿って交互に配置された、２つ以上の前記第１部分と２つ以上の前記第２部分とを備える、請求項１０に記載のバッテリーセル。
  12. 前記キャップの周縁は前記側壁の半径方向の内面と対面する半径方向の外面を備え、前記半径方向の外面は前記中央の長手方向の軸に対する外周方向で交互に配置される複数の大径部と複数の小径部とを備え、前記複数の小径部は前記複数の大径部よりも小さい直径を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーセル。
  13. 前記キャップの周縁の半径方向の外面の前記大径部は前記側壁の半径方向の内面と接触し、前記キャップの周縁の半径方向の外面の前記小径部は前記側壁の半径方向の内面から離隔している、請求項１２に記載のバッテリーセル。
  14. 缶の開口内で相互に積層される組み立て位置にキャップと集電板とを配置する段階であって、前記組み立て位置において、前記集電板が前記缶の内部空間内に収容された電極組立体に電気的に接続され、前記集電板の周縁部が前記開口を取り囲む前記缶の側壁の半径方向の内面に接触し、前記キャップが、前記集電板よりも前記電極組立体から遠く配置されるように、前記缶の中央の長手方向の軸に沿って前記集電板上に配置する段階と、 前記開口に沿った前記缶の側壁と前記キャップの周縁と前記集電板の周縁部とが一緒に溶接されて相互間の位置が維持されるように複数の第１溶接部を形成する段階であって、前記複数の第１溶接部が前記中央の長手方向の軸に対する外周方向に沿って相互に離隔するように形成する段階と、 前記開口に沿った前記缶の側壁と前記キャップの周縁とが一緒に溶接されるように第２溶接部を形成する段階であって、前記缶の前記開口を密封するように前記中央の長手方向の軸に対する外周方向の全体に沿って実質的に連続して延在する第２溶接部を形成する段階と、を含む、バッテリーセルの製造方法。
  15. 前記複数の第１溶接部を形成する段階は、前記側壁の半径方向の内面と前記キャップの周縁の半径方向の外面との間にレーザーを照射することを含む、請求項１４に記載のバッテリーセルの製造方法。
  16. 前記第２溶接部を形成する段階は、前記側壁の半径方向の内面と前記キャップの周縁の半径方向の外面とに沿って連続的にレーザーを照射することを含む、請求項１５に記載のバッテリーセルの製造方法。
  17. 前記複数の第１溶接部を形成するときに照射されるレーザーの出力又はエネルギー密度はそれぞれ、前記第２溶接部を形成するときに照射されるレーザーの出力又はエネルギー密度よりも高い、請求項１６に記載のバッテリーセルの製造方法。
  18. 前記複数の第１溶接部を形成するときの前記外周方向に沿った前記レーザーの移動速度が、前記第２溶接部を形成するときの前記外周方向に沿った前記レーザーの移動速度よりも速い、請求項１６又は１７に記載のバッテリーセルの製造方法。
  19. 前記第２溶接部を形成する段階は、ローラー電極を用いた抵抗溶接を含む、請求項１４又は１５に記載のバッテリーセルの製造方法。
  20. 前記複数の第１溶接部の形成及び前記第２溶接部の形成は、前記中央の長手方向の軸と平行に延在する軸方向に沿って前記キャップよりも上側に突出する前記側壁の延在部の材料を溶融して、前記材料が前記側壁の半径方向の内面と前記キャップの周縁の半径方向の外面との間に溶け込ませることを含む、請求項１４から１７のいずれか一項に記載のバッテリーセルの製造方法。

Description

本出願は、２０２３年６月９日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２３－００７４４７４号、２０２３年１０月１１日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２３－０１３５３２０号、及び２０２４年５月２９日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２４－００７０１１８号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。 本発明は、バッテリーに関し、より詳細には、電池缶と集電板とキャップとの溶接構造、及び該溶接構造を適用したバッテリーセルに関する。 円筒形缶を適用したバッテリーセルを製作する過程は、金属シートを深絞り（ｄｅｅｐ ｄｒａｗｉｎｇ）して円形の底部材及び底部材に連結された円形管状の側壁部材を備える缶を成形し、その内部に電極組立体を収容した後、側壁部材の開放端部をキャップで覆って封止する段階を含む。 一方、電極組立体の軸方向の両端部のうち開放端部に対向する一側端部には、電極組立体の少なくとも一つの電極タブと接触して電気的に接続される集電板が設けられる。集電板は、キャップ又は側壁部材と接触して電気的に接続されるように、キャップ又は側壁部材と溶接などの方式で連結される。 集電板をキャップや側壁部材に溶接する工程で、集電板はキャップや側壁部材に密着した状態を維持する。そのため、集電板とキャップ、又は集電板と側壁部材を密着させるための治具が必要であり、それとともに溶接部位を露出させるためのマスクも必要であり得る。 マスクや治具を用いて集電板をキャップや側壁部材に密着させるため、缶の内部にはマスクや治具を収容するための空間が設けられる。しかしながら、このような空間は、マスクや治具を除去した後は空いた空間として残ってしまい、結果的には缶の内部体積を効率的に活用することができなくなる。これは缶の単位体積当たりのエネルギー密度を高めることを阻害する要因になる。 また、缶と集電板とキャップとの間の隙間から溶接用レーザー光が缶に直接浸透する危険性がある。さらに、溶接時には多量の熱エネルギーが発生し得るが、これは缶を通じて電極組立体の分離膜に伝達されて、分離膜の分解又は溶融、分離膜の気孔の閉鎖などの劣化をもたらすおそれがある。 また、円筒形缶を組み立てる際には、集電板をキャップ又は側壁部材と電気的に接続する工程と、キャップを側壁部材に連結する工程とが別々に行われる。このようなバッテリーセルの組立工数の増加は、円筒形バッテリーセルの生産効率を低下させ、生産コストを上昇させる要因になる。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルの斜視図である。図１の缶の内部に収容される電極組立体の巻取前の分解斜視図である。図２の電極組立体の巻取前の積層状態の斜視図である。図３の積層体を巻き取って円筒状のゼリーロール（ｊｅｌｌｙ－ｒｏｌｌ）型の電極組立体を組み立てた状態の斜視図である。図４の電極組立体の第１電極の電極タブに第１集電板が接合された状態を示した斜視図である。図４の電極組立体の第２電極の電極タブに第２集電板が接合された状態を示した斜視図である。第１集電板及び第２集電板が接合された電極組立体を缶の内部に収容する過程を示した横断面図である。缶に収容された電極組立体の第１集電板と第１電極端子との接合過程を示した横断面図である。電極組立体が収容された缶の開放端部をキャップで覆う過程を示した横断面図である。缶の開放端部をキャップで覆ったバッテリーセルの開放端部部分を拡大して示した断面図であって、レーザー溶接の過程を示した図である。缶の開放端部をキャップで覆ったバッテリーセルの開放端部部分を拡大して示した断面図であって、抵抗溶接の過程を示した図である。缶の開放端部を注液口が設けられたキャップで覆ったバッテリーセルの開放端部部分を示した断面図である。図１２のキャップの注液口をストッパで封止した状態を示した断面図である。缶の開放端部にキャップを覆った状態の斜視図である。図１４の．１５．－．１５．に沿った断面を示した図である。図１４の缶及びキャップに第１溶接部を形成した状態を示した平面図である。図１６の．１７．－．１７．に沿った断面を示した図である。図１６の缶及びキャップに第２溶接部を形成した状態を示した平面図である。図１８の．１９．－．１９．に沿った断面を示した図である。図１８の．２０．－．２０．に沿った断面を示した図である。本発明の他の実施形態による円筒形バッテリーセルの缶の開放端部にキャップを覆った状態を示した斜視図である。図２１の断面図である。図２１の缶及びキャップに第１溶接部を形成した状態を示した斜視図である。図２３の缶及びキャップに第２溶接部を形成した状態を示した斜視図である。図２４の．２５．－．２５．に沿った断面の写真である。図２４の．２６．－．２６．に沿った断面の写真である。本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリーセルのキャップの平面図である。円筒形バッテリーセルの缶の開放端部に図２７のキャップを覆った状態を示した平面図である。本発明によるバッテリーセルの製造方法の一例のフロー図である。本発明によるバッテリーセルの製造方法の他の一例のフロー図である。本発明の一実施形態によるバッテリーセルが適用されたバッテリーパックの斜視図である。図３１のバッテリーパックを搭載した自動車を示した図である。 上述の課題、特徴及び長所を添付された図面を参照して詳しく後述する。これにより、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。本発明の説明において、関連する公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合、その詳しい説明を省略する。以下、添付された図面を参照して本発明による好ましい実施形態を詳しく説明する。図面において、同じ参照符号は同一又は類似の構成要素を示すものとして使用される。 また、第１、第２などが多様な構成要素を示すために使用されているが、これら構成要素はこれらの用語によって制限されるものではない。これらの用語は、一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用され、特に言及しない限り、第１構成要素は第２構成要素であり得る。 明細書の全体において、特に言及しない限り、各構成要素は単数又は複数であり得る。 また、構成要素の「上部（又は下部）」又は構成要素の「上（又は下）」に任意の構成が配置されるとは、任意の構成が該構成要素の上面（又は下面）に接して配置されることだけでなく、構成要素と該構成要素の上に（又は下に）配置された任意の構成との間に他の構成が介在され得ることを意味する。 また、ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」又は「接続」されるとするとき、構成要素が相互に直接的に連結されるか又は接続される場合だけでなく、各構成要素の間に他の構成要素が「介在」されるか、若しくは、各構成要素が他の構成要素を通じて「連結」、「結合」又は「接続」される場合も含まれる。 本明細書で使用される単数の表現は、文脈上明らかに他の意味ではない限り、複数の表現を含む。 明細書の全体において、「Ａ及び／又はＢ」とは、特に言及しない限り、Ａ、Ｂ、又はＡ及びＢを意味し、「Ｃ～Ｄ」とは、特に言及しない限り、Ｃ以上Ｄ以下を意味する。 実施形態の説明において、軸方向とは、ゼリーロール型の電極組立体の巻取中心を成す中央の長手方向の軸が延在する方向又は中央の長手方向の軸と平行な方向を称し、半径方向とは、軸に近くなるか（求心）又は遠くなる（遠心）方向を称し、外周（円周）方向とは、軸を取り囲む方向を称する。 以下、図１～図２０を参照して本発明の溶接構造が適用されたバッテリーセルの一実施形態を詳しく説明する。 一実施形態のバッテリーセルは、例えばフォームファクタ（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）の比（円筒形バッテリーセルの直径を高さで除した値、すなわち高さ（Ｈ）対比直径（Φ）の比で定義される）が約０．４よりも大きい円筒形バッテリーセルであり得る。 ここで、フォームファクタとは、円筒形バッテリーセルの直径及び高さを示す値を意味する。円筒形バッテリーセルは、例えば４６１１０セル、４８７５０セル、４８１１０セル、４８８００セル、４６８００セルであり得る。フォームファクタを示す数値において、前方の二桁はセルの直径を示し、その後の二桁はセルの高さを示し、最後の数字０はセルの断面が円形であることを示す。 バッテリーセルは、略円柱状のセルであって、直径が約４６ｍｍであり、高さが約１１０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．４１８である円筒形バッテリーセルであり得る。 他の実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、直径が約４８ｍｍであり、高さが約７５ｍｍであり、フォームファクタの比が０．６４０である円筒形バッテリーセルであり得る。 さらに他の実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、直径が約４８ｍｍであり、高さが約１１０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．４１８である円筒形バッテリーセルであり得る。 さらに他の実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、直径が約４８ｍｍであり、高さが約８０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．６００である円筒形バッテリーセルであり得る。 さらに他の実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、直径が約４６ｍｍであり、高さが約８０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．５７５である円筒形バッテリーセルであり得る。 本発明は、フォームファクタの比が約０．４以下であるバッテリーセル、例えば１８６５０セル、２１７００セルなどにも適用され得ることは勿論である。１８６５０セルの場合、直径が約１８ｍｍであり、高さが約６５ｍｍであり、フォームファクタの比が０．２７７である。２１７００セルの場合、直径が約２１ｍｍであり、高さが約７０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．３００である。 実施形態のバッテリーセルは、電極組立体２０と、電極組立体２０に電気的に接続された集電板３１、３２と、電極組立体２０及び集電板３１、３２を収容する缶１０と、を含む。 缶１０は、底部材１２と、底部材１２に連結されて軸方向に延在する側壁部材１１と、側壁部材１１の軸方向の一側端部、すなわち側壁部材１１の上端部３０又は第１端部に設けられた開放端部を覆うキャップ１６と、を含む。 底部材１２は中央部に孔が形成された円盤形態であり、側壁部材１１は缶１０の内部空間を取り囲む円形管状であり得る。 底部材１２及び側壁部材１１は、鋼（ｓｔｅｅｌ）の表面にニッケルがメッキされた金属シートを深絞り工程で成形加工し、側壁部材１１の先端部をブランクホルダで把持した状態でパンチでトリミング加工して製作され得る。勿論、缶１０の材料はこれに限定されるものではない。 孔には第１電極端子１３が嵌合され得る。第１電極端子１３は、ガスケット１４を介在した状態で底部材１２にリベットされて固定され得る。ガスケット１４は、第１電極端子１３と底部材１２との間に介在されて、缶１０の内部と外部とを密封して電解液の漏液を防止し、第１電極端子１３と底部材１２とを電気的に絶縁させることができる。 但し、第１電極端子１３と底部材１２との連結方式はこれに限定されるものではない。例えば、第１電極端子１３と底部材１２との間を密封し、第１電極端子１３と底部材１２とを電気的に絶縁可能な構造であれば、この他にも多様な固定方法、例えばボルト－ナット結合方式、ガラスシール（ｇｌａｓｓ ｓｅａｌ）方式、又はクロムコーティング＆ＰＰ－ＭＡＨ熱接合方式のような多様な他の方式も適用可能である。 第１電極端子１３は第１極性を持ち、缶１０は第２極性を持ち得る。すなわち、缶１０の底部材１２、底部材１２と連結される側壁部材１１、及び側壁部材１１と連結される後述するキャップ１６はすべて第２極性を持ち得る。 これにより、バッテリーセルは、底部材１２が設け