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KR-20260061603-A - Method for making battery module including weld-bead

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Abstract

본 개시는 용접비드를 포함하는 배터리 모듈의 제작방법에 관한 것이다. 본 개시의 목적은 레이저 용접 시 레이저 조사방향의 경사짐에 의하여 용접부위 좌우불균형이 발생하는 문제를 해소하도록, 동일강도 레이저 조사 시 상대적으로 입열량이 적게 형성되는 쪽, 즉 레이저 초점이 맞지 않은 상태로 레이저 조사가 이루어지는 영역에서는 상대적으로 레이저 조사세기를 강하게 하거나 또는 레이저 조사경로 밀도가 더 높게 형성되게 함으로써, 궁극적으로는 레이저 조사 시 좌우입열량을 균등하게 형성시켜 주는, 용접비드를 포함하는 배터리 모듈의 제작방법을 제공함에 있다.

Inventors

  • 윤성철
  • 이경민
  • 김재훈
  • 김태현
  • 김지훈

Assignees

  • 에스케이온 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (14)

  1. 전극리드를 포함하며 서로 적층배치되는 복수 개의 배터리셀; 상기 배터리셀로부터 돌출된 상기 전극리드가 끼워지는 복수 개의 끼움부가 형성되는 형태의 버스바; 레이저 용접에 의해 형성되며 상기 전극리드 및 상기 버스바를 결합시키는 용접비드; 를 포함하는 배터리 모듈의 제작방법에 있어서, 상기 전극리드가 상기 배터리셀로부터 돌출연장되는 방향을 연장방향, 상기 배터리셀이 적층되는 방향을 적층방향, 연장방향 및 적층방향에 수직하며 용접이 진행되어가는 방향을 용접방향이라 할 때, 상기 전극리드가 상기 끼움부에 끼워져 임시결합되는 임시결합단계; 상기 전극리드 상에서 적층방향 중심위치를 기준으로 연장방향 및 적층방향에 대하여 경사진 방향으로 레이저가 조사되되, 레이저 조사경로가 상기 전극리드 상에서 적층방향 중심선을 중심으로 하며 기결정된 진폭 및 주기를 가지는 주기함수 패턴으로 형성되어, 상기 전극리드 및 상기 버스바의 결합부위가 용접결합되는 용접결합단계; 를 포함하되, 레이저 조사방향이 경사짐에 따라 상기 전극리드 상에서 적층방향 중심선 좌우 중 일측은 초점이내영역, 타측은 초점이탈영역이 될 때, 초점이내영역에서의 레이저 입열량 및 초점이탈영역에서의 레이저 입열량이 균등하도록 조절되는, 배터리 모듈의 제작방법.
  2. 제 1항에 있어서, 초점이내영역 및 초점이탈영역에서의 레이저 입열량을 균등하게 하기 위해, 레이저 조사세기가 변동되거나 또는 레이저 조사경로 밀도가 변동되는 레이저 조사경로 패턴이 형성되되, 레이저 조사세기가 변동되게 할 경우, 레이저 조사위치가 초점이탈영역에 있을 때의 레이저 조사세기가, 레이저 조사위치가 초점이내영역에 있을 때의 레이저 조사세기보다 크게 형성되도록 레이저 조사세기가 변동되며, 레이저 조사경로 밀도가 변동되게 할 경우, 레이저 조사위치가 초점이탈영역에 있을 때의 레이저 조사경로 밀도가, 레이저 조사위치가 초점이내영역에 있을 때의 레이저 조사경로 밀도보다 크게 형성되도록 레이저 조사경로 밀도가 변동되는 레이저 조사경로 패턴이 형성되는, 배터리 모듈의 제작방법.
  3. 제 2항에 있어서, 초점이내영역 및 초점이탈영역에서의 레이저 입열량을 균등하게 하기 위해 레이저 조사세기가 변동되게 하되, 레이저 조사세기가, 레이저 조사경로를 따른 레이저 조사위치의 변동에 상응하도록, 레이저 조사경로와 동일한 주기를 가지는 주기함수 패턴으로 형성되는, 배터리 모듈의 제작방법.
  4. 제 3항에 있어서, 레이저 조사경로는 지그재그 패턴으로 형성되고, 레이저 조사세기는, 레이저 조사위치가 초점이내영역에 있을 때 제1상수값으로 형성되고, 레이저 조사위치가 초점이탈영역에 있을 때 제2상수값으로 형성되되, 제1상수값이 제2상수값보다 작게 형성되는 펄스 패턴으로 형성되는, 배터리 모듈의 제작방법.
  5. 제 3항에 있어서, 레이저 조사경로는 파동함수 패턴으로 형성되고, 레이저 조사세기는, 레이저 조사위치가 초점이내영역에 있을 때의 최대값이 제1상수값으로 형성되고, 레이저 조사위치가 초점이탈영역에 있을 때의 최소값이 제2상수값으로 형성되되, 제1상수값이 제2상수값보다 작게 형성되는 파동함수 패턴으로 형성되는, 배터리 모듈의 제작방법.
  6. 제 2항에 있어서, 초점이내영역 및 초점이탈영역에서의 레이저 입열량을 균등하게 하기 위해 레이저 조사경로 밀도가 변동되게 하되, 레이저 조사경로는 지그재그 패턴으로 형성되되, 지그재그 패턴의 중심선이 초점이탈영역 쪽으로 편향되게 배치되는, 배터리 모듈의 제작방법.
  7. 제 2항에 있어서, 초점이내영역 및 초점이탈영역에서의 레이저 입열량을 균등하게 하기 위해 레이저 조사경로 밀도가 변동되게 하되, 서로 평행하게 연장되는 한 쌍의 패턴범위선 범위 내에 형성되는 패턴으로서, 상기 한 쌍의 패턴범위선의 중심위치에서 패턴중심선이 상기 한 쌍의 패턴범위선과 평행하게 연장될 때, 일측 패턴범위선 - 타측 패턴범위선 - 일측 패턴범위선 순으로 직선형태로 진행되는 M자_제1경로 및 일측 패턴범위선 - 패턴중심선 - 일측 패턴범위선 순으로 직선형태로 진행되는 M자_제2경로를 포함하며, 상기 M자_제1경로 및 상기 M자_제2경로가 교번 배치되는 형태로 형성되는 패턴을 M자 패턴이라 할 때, 레이저 조사경로는 상기 M자 패턴으로 형성되되, M자_제2경로가 초점이탈영역에 배치되고, 패턴중심선이 상기 전극리드 상에서 적층방향 중심선과 일치하게 배치되는, 배터리 모듈의 제작방법.
  8. 제 2항에 있어서, 초점이내영역 및 초점이탈영역에서의 레이저 입열량을 균등하게 하기 위해 레이저 조사경로 밀도가 변동되게 하되, 서로 평행하게 연장되는 한 쌍의 패턴범위선 범위 내에 형성되는 패턴으로서, 상기 한 쌍의 패턴범위선 범위 내의 임의위치에 패턴경계선이 상기 한 쌍의 패턴범위선과 평행하게 연장될 때, 패턴경계선 - 일측 패턴범위선 - 패턴경계선 순으로 타원형태로 진행되는 8자_제1경로 및 패턴경계선 - 타측 패턴범위선 - 패턴경계선 순으로 타원형태로 진행되는 8자_제2경로를 포함하며, 상기 8자_제1경로 및 상기 8자_제2경로가 교번 배치되는 형태로 형성되는 패턴을 8자 패턴이라 하며, 패턴경계선이 타측으로 편향배치되어 8자_제1경로가 형성하는 타원장축이 8자_제2경로가 형성하는 타원장축보다 크게 형성될 때, 레이저 조사경로는 상기 8자 패턴으로 형성되되, 8자_제1경로가 초점이탈영역에 배치되고, 패턴경계선이 상기 전극리드 상에서 적층방향 중심선과 일치하게 배치되는, 배터리 모듈의 제작방법.
  9. 제 1항에 있어서, 레이저 입열량 값이 30J/mm 2 내지 43J/mm 2 범위 내가 되게 형성되는, 배터리 모듈의 제작방법.
  10. 전극리드를 포함하며 서로 적층배치되는 복수 개의 배터리셀; 상기 배터리셀로부터 돌출된 상기 전극리드가 끼워지는 복수 개의 끼움부가 형성되는 형태의 버스바; 레이저 용접에 의해 형성되며 상기 전극리드 및 상기 버스바를 결합시키는 용접비드; 를 포함하며, 상기 배터리셀이 적층되는 방향을 적층방향이라 하고, 상기 전극리드 상에서 적층방향 중심선을 기준으로 좌우가 결정될 때, 상기 용접비드가 하기의 식을 만족하는 형태로 형성되는, 배터리 모듈. |w1 - w2| < 0.1mm (여기에서, w1 : 상기 전극리드의 좌측외면에서부터 상기 용접비드의 좌측끝단까지의 거리, w2 : 상기 전극리드의 우측외면에서부터 상기 용접비드의 우측끝단까지의 거리)
  11. 제 10항에 있어서, 상기 용접비드가 하기의 식을 만족하는 형태로 형성되는, 배터리 모듈. 0.5mm < w1 < 0.8mm & 0.5mm < w2 < 0.8mm
  12. 제 11항에 있어서, 상기 용접비드가 하기의 식을 만족하는 형태로 형성되는, 배터리 모듈. 120% < w1 / (w - w1 - w2) < 200% & 120% < w2 / (w - w1 - w2) < 200% (여기에서, w : 상기 용접비드의 좌측끝단에서부터 우측끝단까지의 거리)
  13. 제 10항에 있어서, 상기 전극리드는 알루미늄 재질을 포함하고, 상기 버스바는 구리 재질을 포함, 배터리 모듈.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 용접비드는 구리 중량비 값이 5% 내지 50% 범위 내로 형성되는, 배터리 모듈.

Description

용접비드를 포함하는 배터리 모듈의 제작방법 {Method for making battery module including weld-bead} 본 개시는 용접비드를 포함하는 배터리 모듈의 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 레이저 용접 시 레이저 조사방향의 경사짐(tilting)에 의하여 용접부위 좌우불균형이 발생하는 문제를 해소하도록 레이저 용접방식을 개선함으로써 향상된 기계적 물성을 갖도록 하는 배터리 모듈의 제작방법에 관한 것이다. 최근 고용량, 고출력 이차전지에 대한 요구 사양이 증가하고 있으며, 이러한 요구사양에 상응하는 고에너지밀도, 고성능 및 높은 수준의 신뢰성이 요구되는 이차전지 개발이 필요해지고 있다. 이차전지를 제작함에 있어 양/음극을 구성할 때에는, 배터리셀과 배터리셀을 전기적으로 연결시키도록 양/음극의 접합이 요구되며, 일반적으로 알루미늄 및 구리 부재 등을 이용한 이종 접합 방법이 널리 사용된다. 알루미늄 부재 및 구리 부재는 모두 전기 전도성 및 열 전도성이 우수하다는 점에서 전자 전기 부품이나 방열 부품 등에 폭넓게 사용되고 있으며 물론 이차전지의 부품으로도 활용된다. 이 때 제품의 소형화, 경량화 및 조립편의성 등을 고려하여 구리 부재와 알루미늄 부재를 접합시킨 접합체가 요구되는 등, 이차전지 제조 시에도 이종 접합이 필요한 경우가 많다. 특히 높은 수준의 신뢰성이 요구되는 배터리셀간 전기적 연결 방법에 있어서, 초음파 용접, 레이저 용접, 기계적 (볼트/너트) 결합 등 여러 가지 방식이 사용되고 있으며, 점차 높아지는 에너지밀도 요구사항에 대응하기 위해 현재로서는 레이저 용접이 가장 보편적인 접합 방식으로 사용되고 있다. 도 1은 용접비드를 갖는 이차전지 모듈의 한 실시예 및 용접부위의 단면을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 이차전지 모듈에서, 배터리셀(100)마다 구비된 전극리드(110) 및 상기 전극리드(110)들을 서로 연결하는 버스바(120)가 용접비드(150)에 의하여 접합되어 있는 형태가 도시된다. 용접비드(150)는 전극리드(110) 및 버스바(120)가 레이저 조사에 의해 용융되었다가 서로 혼합되면서 굳어서 형성된 것이다. 도 1 상측 사시도에 P-P'로 표시된 선에 따른 P-P' 단면도가 도 1 하측에 도시되어 있으며, 이로부터 용접비드(150)에 의해 전극리드(110) 및 버스바(120)가 어떻게 견고히 접합될 수 있는지를 직관적으로 알 수 있다. 레이저 용접 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다. 서로 접합하고자 하는 부재들을 근접배치한 상태로 레이저를 조사하여 높은 열에너지를 인가하면, 열에너지에 의해 근접배치된 부재들의 일부분이 용융되어 서로 혼합된다. 이 상태에서 해당 부위로의 레이저 조사가 중단되면, 용융된 부재들의 일부가 서로 섞이면서 합쳐진 상태에서 그 형태 그대로 굳음으로써, 견고한 접합이 이루어지게 된다. 조사된 레이저는 접합부위를 따라 일직선으로 진행되게 할 수도 있지만, 보다 견고한 접합을 위해서는 보다 넓은 면적에서 용융 및 혼합이 이루어지는 것이 좋다. 즉 접합부위를 중심으로 레이저 조사부위가 여러 번 겹칠 수 있도록 레이저 조사경로를 형성시켜 주는 것이 바람직하다. 한국특허등록 제1116638호("강판의 레이저 용접방법", 2012.02.08.)에는, 레이저 용접 시 레이저 조사경로를 지그재그 형태로 함으로써 용접품질 및 접합강도를 향상시키는 기술내용이 개시된다. 도 2는 레이저 용접 시 레이저 조사방향 및 조사경로를 측면 및 상면에서 본 것으로, 레이저 조사경로가 접합부위를 중심으로 하는 지그재그 형태로 형성되는 예시가 잘 나타나 있다. 그러나 이러한 레이저 용접의 경우에도 그 품질을 저하시키는 여러 요인들이 있는데, 이에 대하여 설명하자면 다음과 같다. 레이저가 접합부위에서 수직방향으로 조사된다고 전제한다면, 레이저 조사경로가 접합부위를 중심으로 하는 지그재그 형태로 형성되는 것이 최적일 것이 자명하다. 그러나 실제 제조환경에서는, 레이저 조사방향이 항상 접합부위에 수직하게 형성되지 못하는 경우가 많다. 즉 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이 레이저 조사방향이 접합부위에 경사지게 형성되는 것이다. 도 3은 레이저 조사방향에 따른 입열량 불균형을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 레이저 조사방향이 경사지게 형성되는 경우, 접합부위를 중심으로 할 때 좌우 중 어느 한쪽에 레이저 초점이 맞는다면(도 3에서 "Laser In-Focus" 쪽) 다른쪽은 반드시 초점이 맞지 않게 되며(도 3에서 "Laser Out-Focus" 쪽), 이에 따라 입열량에 차이가 발생한다. 즉 레이저 초점이 맞는 쪽은 설계한대로의 입열량이 충분히 들어가서 예상대로의 용융량이 발생하게 되지만, 레이저 초점이 맞지 않는 쪽은 입열량이 충분하지 못하며 이에 따라 예상보다 용융이 덜 일어나게 된다. 단순히 2개의 부재를 접합하는 경우라면 이처럼 좌우불균형이 발생하여도 크게 문제가 되지 않을 수 있지만, 도 1에 도시된 전극리드-버스바 연결과 같이 3개의 부재를 접합하는 경우 이러한 좌우불균형은 제품 내구성에 상당한 악영향을 줄 수 있다. 도 4는 이상적인 용접비드 및 실제 용접비드를 비교하여 도시한 것이다. 설계한 대로 이상적인 용접이 이루어졌다면 도 4의 상측도면에 도시된 바와 같이 용접비드가 대칭형상으로 만들어질 것이다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 입열량의 좌우불균형으로 인하여, 실제로는 도 4의 하측도면에 도시된 바와 같이 용접비드가 좌우가 불균형한 비대칭형상으로 만들어지게 된다. 이러한 좌우불균형은 단지 형상적으로만 발생하는 것이 아니라, 재질적으로도 발생한다. 이종재질의 레이저 용접 시에는 금속간화합물(IMC)이 생성되는데, 금속간화합물(IMC)은 전기 저항 및 경도(Hardness)가 높은 물성을 가지고 있어, 쉽게 부러지는(brittle) 등 용접부의 기계적 특성에 악영향을 미치고, 전지 배터리셀 간의 전기적 연결을 함에 있어서 저항의 증가로 인해 전지 특성에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 이 때 좌우간 입열량 차이에 따라 IMC가 어느 한쪽으로 치우쳐서 더 많이 생기는 재질적인 좌우불균형이 발생하며, 이는 좌우간의 강성차이를 야기하여 역시 제품 내구성이 악영향을 끼친다. 도 1은 용접비드를 갖는 이차전지 모듈의 한 실시예 및 용접부위의 단면. 도 2는 레이저 용접 시 레이저 조사방향 측면도 및 조사경로 상면도. 도 3은 레이저 조사방향에 따른 입열량 불균형. 도 4는 이상적인 용접비드 및 실제 용접비드 비교. 도 5는 제1실시예의 레이저 조사세기 변화양상 설명. 도 6은 종래 및 제1실시예의 레이저 조사세기 비교. 도 7은 제1실시예의 레이저 조사세기 변화에 의한 좌우불균형 해소원리 설명. 도 8은 제2실시예의 레이저 조사경로 패턴 제2-1실시예. 도 9는 제2실시예의 레이저 조사경로 패턴 제2-2실시예. 도 10은 제2실시예의 레이저 조사경로 패턴 제2-3실시예. 도 11은 종래 및 본 개시에 의한 용접비드 형상 비교. 이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 개시에 의한 용접비드를 포함하는 배터리 모듈의 제작방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. [1] 본 개시의 배터리 모듈의 제작방법의 개념 본 개시의 배터리 모듈의 제작방법은, 기본적으로 도 1에 도시된 바와 같은 배터리 모듈을 제작하기 위한 방법이다. 상기 배터리 모듈의 구성을 좀더 구체적으로 설명하자면, 상기 배터리 모듈은, 전극리드(110)를 포함하며 서로 적층배치되는 복수 개의 배터리셀(100); 상기 배터리셀(100)로부터 돌출된 상기 전극리드(110)가 끼워지는 복수 개의 끼움부가 형성되는 형태의 버스바(120); 레이저 용접에 의해 형성되며 상기 전극리드(110) 및 상기 버스바(120)를 결합시키는 용접비드(150); 를 포함할 수 있다. 여기에서, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전극리드(110)가 상기 배터리셀(100)로부터 돌출연장되는 방향을 연장방향, 상기 배터리셀(100)이 적층되는 방향을 적층방향, 연장방향 및 적층방향에 수직하며 용접이 진행되어가는 방향을 용접방향이라 한다. 본 개시에서는, 상기 전극리드(110) 및 상기 버스바(120)의 용접결합을 중점적으로 살핀다. 따라서 상기 전극리드(110) 및 상기 버스바(120) 결합공정 이외의 다른 공정은 일반적인 배터리 모듈의 제작방법을 따른다고 간주하면 되며, 여기에서는 설명을 생략한다. 상기 전극리드(110) 및 상기 버스바(120)의 용접결합은, 간략하게 보자면 임시결합단계 및 용접결합단계를 포함한다. 상기 임시결합단계는 말 그대로 상기 전극리드(110)가 상기 끼움부에 끼워져 임시결합되는 단계로서 본격적인 작업 전의 준비단계라 할 수 있다. 실질적인 용접결합은 상기 용접결합단계에서 이루어지며, 이에 대하여 구체적으로 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상기 용접결합단계에서 상기 전극리드(110) 및 상기 버스바(120)의 결합부위가 용접결합이 이루어지게 된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 일단 상기 임시결합단계에서 상기 버스바(120)의 상기 끼움부에 상기 전극리드(110)가 끼워진 상태에서, 임시결합된 부위에 레이저가 조사된다. 이 때 앞서 설명한 바와 같이, 이상적으로는 레이저가 상기 전극리드(110) 상에서 적층방향 중심위치에 수직하게, 즉 연장방향을 따라 조사되는 것이 가장 바람직하며, 이러한 경우 상기 전극리드(110)의 상단 중심에서부터 용융이 시작되어 상기 전극리드(110) 상에서 적층방향 중심선을 중심으로 좌우 양쪽으로 균등한 용융이 이루어지게 될 것이다. 그러나 실제 생산현장에서는 이처럼 레이저가 정확하게 수직하게 배치되지 못하는 경우가 많아, 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같이 레이저가 경사지게 조사된다고 전제하는 것이 실제적이다. 즉 상기 전극리드(110) 상에서 적층방향 중심위치를 기준으로 연장방향 및 적층방향에 대하여 경사진 방향으로 레이저가 조사되는 것이다. 이 때, 상기 전극리드(110)의 용접방향을 따라 일직선으로 레이저를 조사하면서 진행할 경우, 상기 전극리드(110)은 충분히 용융되더라도 상기 버스바(120)는 충분히 용융되지 못하여 용접부분의 강성이 떨어질 우려가 있다. 따라서 레이저 조사경로는, 역시