KR100619622B1 - 각형 전지 케이스의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상단과 하단이 개방되어 있는 각형의 중공 본체와 상기 본체의 하단에 대응하는 형상의 밀봉부재를 각각 제조하고, 이들을 결합시킨 후 용접하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있는 각형 전지 케이스의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 각형 전지 케이스의 제조방법에 따르면, 딥 드로잉 가공법에 기초한 제조방법과 비교하여, 장치의 제조비용이 저렴하여 최종적으로 전지의 제조비용을 낮출 수 있고, 방법을 실시를 위한 장치의 설계 및 제작 시간이 매우 짧으므로 새로운 유형의 전지의 디자인에서 생산까지의 소요 기간을 대폭 단축할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 다양한 소재의 사용이 가능하고, 장변과 단변의 두께에 대한 제약이 없는 다양한 디자인으로 설계할 수 있으며, 제품의 불량률이 낮다는 장점도 가진다.

Description

각형 전지 케이스의 제조방법 {Method for Production of Prismatic Battery Case}

도 1은 딥 드로잉 공정을 사용하여 각형 전지 케이스를 제조하는 일부 공정의 모식도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지 케이스의 제조를 위한 각형 중공 본체와 밀봉부재의 모식도이다;

도 3 내지 5는 본 발명의 실시예들에 따른 각형 중공 본체와 밀봉부재에 형성된 결합부의 다양한 형상과의 이들의 결합 상태를 보여주는 모식도들이다.

본 발명은 각형 전지 케이스의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상단과 하단이 각각 개방되어 있는 중공형의 각형 본체와 상기 본체의 하단에 밀착될 수 있는 밀봉부재를 각각 제조한 후 이를 상호 결합되도록 용접하여 하단이 밀봉된 각형 전지 케이스를 제조하는 방법에 관한 것이다.

휴대폰, 노트북 등 모바일 전자기기의 사용이 늘어남에 따라 반복적인 충방 전이 가능한 이차전지에 대한 수요 또한 급속이 증가하고 있다. 특히, 이러한 모바일 전자기기들의 소형 경량화 추세에 따라 상대적으로 폭이 좁은 각형 전지가 개발되었고, 이러한 각형 전지는 종래의 원통형 전지와는 또다른 적용 분야를 창출하고 있다.

일반적으로 각형 전지는 하단이 밀봉되어 있는 각형 중공 케이스에 일부 전지요소를 삽입한 후 상단 캡 어셈블리를 용접하고 전해질을 주입한 뒤 주입구를 밀봉하여 제조되고 있다. 여기서, 하단이 밀봉된 각형 중공 케이스는 통상적으로 알루미늄 합금의 판재를, 도 1에 예시되어 있는 바와 같이, 딥 드로잉(deep drawing) 가공법에 의해 제조한다. 딥 드로잉 가공법은 평판에서 이음부 없이 중공 용기를 만드는 대표적인 성형법으로, 다이(30) 표면상의 소재판(10)을 원주방향으로 압축하면서 펀치(20)와 다이(30) 사이에 이동시켜 측벽을 만드는 가공법을 말한다.

딥 드로잉 가공법은 판재로부터 최종 중공 케이스를 일련의 연속적인 공정에 의해 제조할 수 있으므로 공정의 효율성이 높다는 장점을 가짐에 반하여, 다음과 같은 몇가지 문제점을 가지고 있다.

첫째, 딥 드로잉 가공법은 대략 10 단계 이상의 복잡하고 정교한 공정을 거치므로 이를 위한 장치의 제작 비용이 매우 높고, 특히 금형 등의 제조에 일반적으로 2~3 개월의 긴 기간이 소요된다. 이는 변화하는 소비자들의 취향에 부합하는 전지의 개발에 소요되는 기간을 크게 늘리는 요소로 작용한다.

둘째, 딥 드로잉 가공이 가능한 소재의 종류가 매우 한정적이다. 딥 드로잉 가공 자체가 소재의 연신을 수반하므로, 연신이 가능한 소재만이 딥 드로잉 가공을 행할 수 있다. 그러나, 높은 강도를 가진 소재는 일반적으로 연신하기 어려운 경우가 많으므로, 소망하는 물성의 전지 케이스를 얻기 어려울 수 있다.

셋째, 각형 전지 케이스를 딥 드로잉 가공할 때에는, 하단의 장변과 단변의 두께비가 일정한 범위를 넘어서는 경우 귀터짐 현상이 발생할 수 있으므로, 제품의 불량률이 높고 케이스의 디멘션에 한계를 가진다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발명자들은, 상기 설명한 딥 드로잉 가공법에 의한 각형 전지 케이스 제조의 한계를 인식하고 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 압출 등에 의해 각형 중공 본체를 제조하고, 단조, 블랭킹, 절삭 등에 의해 상기 본체의 하단에 밀착될 수 있는 밀봉부재를 제조한 후, 이들을 결합, 용접시켜 하단이 밀봉된 각형 중공 전지 케이스를 제조할 수 있으며, 이러한 제조 방법은 비용이 저렴하고, 새로운 전지 모델의 제안에서 제품 생산까지의 기간을 혁신적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 소재의 사용을 가능하게 하며 전지의 디멘션도 다양화할 수 있다는 점을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 각형 전지 케이스의 제조방법은, 상단과 하단이 개 방되어 있는 각형의 중공 본체와 상기 본체의 하단에 대응하는 형상의 밀봉부재를 각각 제조하고, 이들을 결합시킨 후 용접하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

본 발명의 제조방법은 종래에 사용되는 딥 드로잉 가공법을 채용하지 않고도 하단이 밀봉된 각형 전지 케이스를 제조할 수 있다는 점에 특징이 있다. 즉, 도 2에서와 보는 바와 같이, 각형의 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)를 별도로 제작하고 이들을 결합시켜 용접하는 과정을 거치게 된다. 이와 같은 제조방법은 이후 자세히 설명하는 바와 같이 예기치 못한 효과를 발휘한다.

본 발명에 사용된 용어 각형 은 케이스의 수평 단면 형상이 원형 또는 타원형 등과 같이 곡선이 아닌 직선 부위를 포함하고 있는 것을 포괄적으로 표현하도록 의도되었으며, 예를 들어, 사각형, 삼각형, 오각형 등을 예로 들 수 있고, 바람직하게는 1 쌍의 변(장변)이 대응하는 다른 1 쌍의 변(단변)보다 긴 직사각형일 수 있다. 또한, 두 개의 직선부가 만나는 모서리부가 라운딩되어 있는 형상도 포함하는 개념이다.

도 2에서와 같이 직사각형 전지 케이스의 경우, 본 발명에 따른 각형 전지 케이스의 장단변 두께비(장변 두께(t₁)/단변 두께(t₂))는 바람직하게는 0.2 내지 5의 값을 가진다. 본 발명에 따른 각형 전지 케이스가 이러한 넓은 디멘션 범위에서 다양한 형상으로 제조될 수 있음에 반하여, 종래의 딥 드로잉 가공법에서는 장단변 두께비(t₁/t₂)가 0.5 이하일 때에 귀터짐 현상이 일어나는 문제점을 가지고 있 었다. 더욱이, 상기 귀터짐 현상은 제품의 불량률을 높이는 원인이기도 한다. 일반적으로 도 2에서와 같은 각형 전지에서는 전지의 내압 발생시 장(L)변의 두께(t₁)가 단변(ℓ)의 두께(t₂)보다 작은 것(예를 들어, t₁/t₂ = 0.35/0.5, 0.35/0.8)이 전지의 구조적 강도 측면에서 안정화를 위한 두께 팽창에 유리하다. 그러나, 종래의 딥 드로잉 공정에서는 포와송 비에 의해 길이의 증가와 더불어 두께의 감소가 유발되므로, 긴 길이의 장변(L)이 큰 변형을 겪음에 비하여 단변(ℓ)의 변형량은 매우 적게 되다. 이러한 큰 변형량으로 인해 장변(L)에는 많은 인장이 가해지게 되며, 그로 인해 귀터짐이 발생할 가능성이 높아진다.

각형 전지 케이스를 구성하는 상기 중공 본체와 밀봉부재의 소재는 동일하거나 다를 수 있으며 다양한 소재들이 사용될 수 있다. 이러한 소재는, 전지의 케이스에 적합한 물성을 가지며, 판재의 형태로 제조될 수 있고, 중공 본체를 제조하기 위한 공정에 사용될 수 있는 소재라면, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 1000계열 알루미늄(순도 99.0%이상), 2000계열 Al - Cu계 합금, 3000계열 Al - Mn계 합금, 4000계열 Al - Si계 합금, 5000계열 Al - Mg계 합금, 6000계열 Al - Mg - Si계 합금, 7000계열 Al - Zn계 합금 등과 같은 다양한 종류의 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸을 포함한 다양한 종류의 스틸, 기타 금속 또는 합금 등을 들 수 있다. 바람직하게는, 상기에서 언급한 바와 같은 다양한 종류의 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 이와 비교하여, 종래의 딥 드로잉 공정에서는 상기 소재 중에서 3000계열 Al-Mn계 합금, 5000계열 Al - Mg계 합금 등 한정된 금속 내지 합금만이 사용 가능하였다.

상기 각형 중공 본체의 제조는, 예를 들어, 중공 형태로의 압출 가공,또는 판재 형태로의 압출 가공 후 중공 형태로의 후속 가공 등에 의해 제조될 수 있다. 그 중에서도 전자의 방법이 더욱 바람직한데, 후자의 방법은 2 단계의 공정을 거친다는 문제점과 밀봉의 효율이 떨어진다는 단점을 가지고 있기 때문이다. 압출 가공은 원료를 용융 상태로 만든 후 특정 형상의 노즐을 통해 뽑아내면서 고화시키므로, 일반적으로 용융이 가능한 소재라면 어느 것이라도 사용될 수 있다. 따라서, 고상 소재의 연신을 거치는 딥 드로잉에 의해 소재의 적용 폭이 매우 넓다는 장점을 가진다. 또한, 딥 드로잉 장치에 비해 매우 간단하고 저렴하므로 제품의 제조 단가가 역시 저렴하고, 전지 제품 개발의 기간을 줄일 수 있는 장점도 가진다.

상기 밀봉부재는 압출 가공에 의해 생산된 판재를 각형 중공 본체의 하단 형상에 일치하도록 펀칭하여 손쉽게 제조할 수 있다.

하나의 바람직한 예로서, 용접 전단계로서 밀봉부재를 중공 본체의 하단에 결합시킬 때 이러한 결합을 용이하게 하기 위하여, 중공 본체의 하단 및/또는 밀봉부재에 결합부를 포함할 수 있다. 상기 결합부는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 그 예를 도 3 ~ 5를 참조하여 설명하지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다.

도 3은 결합부가 밀봉부재에만 형성되어 있는 경우로서, 중공 본체(100)의 하단은 단순히 개방된 구조를 가지고 있고, 밀봉부재(200)의 상단에는 중공 본체(100)의 내면에 체결될 수 있는 형상의 돌출부(210)가 형성되어 있다. 따라서, 밀봉부재(200)의 상단 돌출부(210)를 중공 본체(100)의 하단 내면에 삽입하여 결합시 킨 후, 중공 본체(100)와 밀봉부재(200)의 접촉부위인 측면을 용접(W)하게 된다.

도 4는 결합부가 중공 본체(100)의 하단에만 형성되어 있는 경우로서, 중공 본체(100)의 하단에는 밀봉부재(200)가 삽입되어 체결될 수 있는 오목부(110)가 형성되어 있다. 따라서, 밀봉부재(200)는 중공 본체(100)의 오목부(110)에 삽입되어 결합되고, 이때 용접 부위(W)는 케이스의 하단에 위치하게 된다.

도 5는 결합부가 중공 본체(100)의 하단과 밀봉부재(200)에 각각 형성되어 있는 경우로서, 도 2와 3의 병합 구조로 이루어져 있다. 즉, 중공 본체(100)의 하단에는 오목부(110)가 형성되어 있고, 밀봉부재(200)의 상단에는 그에 대응하는 돌출부(210)가 형성되어 있어서, 이들(110, 210)이 맞물리면서 체결이 이루어진다. 이러한 구조에서의 용접 부위(W)는 케이스의 측면에 위치하게 된다.

도 4과 도 5의 구조에서 중공 본체(100)의 결합부(110)는, 예를 들어, 압출 가공으로 얻어진 중공 본체(100)의 하단을 절삭하여 형성될 수 있고, 밀봉부재(200)의 결합부(210)는, 예를 들어, 단조 가공에 의해 형성될 수 있다.

또다른 예로서, 밀봉부재의 외면이 상부쪽으로 돌출되어 결합부를 형성하고, 중공 본체의 하단이 그러한 밀봉부재에 삽입되어 체결되는 구조도 가능할 수 있다.

경우에 따라서는, 별도의 결합부를 형성하지 않고 밀봉부재의 상단면의 적어도 일부에 접착제를 도포하여 중공 본체의 하단에 부착되게 할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 범주내에서 중공 본체의 하단과 밀봉부재의 결합을 용이하게 하기 위한 다양한 구성이 가능할 수 있다.

중공 본체와 밀봉부재의 용접 방식은, 이들 두 부재들을 높은 강도로 결합시 켜 밀봉을 이룰 수 있는 것이라면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 레이저 용접, 아크 용접, 전기저항 용접, 가스 용접, 초음파 용접 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 레이저 용접이 특히 바람직하다.

이렇게 제조된 각형 전지 케이스는 상단이 개방된 구조를 가지므로, 개방된 상단을 통해 전지요소들을 삽입하여 최종 전지를 제조하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 각형 전지 케이스의 제조방법에 따르면, 딥 드로잉 가공법에 기초한 제조방법과 비교하여, 장치의 제조비용이 저렴하여 최종적으로 전지의 제조비용을 낮출 수 있고, 방법을 실시를 위한 장치의 설계 및 제작 시간이 매우 짧으므로 새로운 유형의 전지의 디자인에서 생산까지의 소요 기간을 대폭 단축할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 다양한 소재의 사용이 가능하고, 장변과 단변의 두께에 제약이 없는 다양한 디멘션으로 설계할 수 있으며, 제품의 불량률이 낮다는 장점도 가진다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 상단과 하단이 개방되어 있는 각형의 중공 본체와 상기 본체의 하단에 대응하는 형상의 밀봉부재를 각각 제조하고 이들을 결합시킨 후 용접하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있으며, 상기 각형 중공 본체는 압출 가공에 의해 제조되고, 상기 밀봉부재는 단조, 블랭킹 또는 절삭 가공에 의해 제조되며, 이들이 결합되는 부위에는 상호간의 결합을 용이하게 하기 위한 결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지 케이스의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각형 중공 본체는 수평 단면상에서의 장단변 두께비(장변 두께/단변 두께)가 0.2 내지 5인 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 각형 중공 본체와 밀봉 부재의 소재는 서로 같거나 다르며, 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재의 상단에는 중공 본체의 내면에 체결될 수 있는 형상의 돌출부(결합부)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 각형 중공 본체의 하단에는 밀봉부재가 삽입되어 체결될 수 있는 오목부(결합부)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서, 중공 본체의 하단에는 오목부(제 1 결합부)가 형성되어 있고, 밀봉부재에는 그에 대응하는 돌출부(제 2 결합부)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 용접은 레이저 용접에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.

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