[논문]리튬이온전지의 밀봉용접을 위한 펄스 Nd:YAG레이저 용접조건의 최적화

김종도; 유승조; 김장수

리튬이온전지의 밀봉용접을 위한 펄스 Nd:YAG레이저 용접조건의 최적화
Optimization of Pulsed Nd:YAG Laser Welding Conditions for Sealing of Lithium-ion Battery 원문보기

Laser material processing is a very fast advancing technology for various industrial applications. because of many advantages. Its major advantage of less and controlled heat input has been exploited successfully for the very critical application of aluminium alloy welding. This study suggested the occurrence source of weld-defects and its solution methods in a welding of lithium ion battery by pulsed Nd:YAG laser. In experiment. battery case has changed over joint geometry from welding of side position to flat one. In the case of a electrolyte injection hole in order to seal it. welding is carried out after pressing Al ball. At this time. an eccentric degree. contact length and gap are worked as a major parameters. As improving the method of Al ball pressing. it was able to reduce an eccentricity. increase the contact length and decrease gap. As a results of a experiment. a sound weld bead shape and crack-free weld bead can be obtained.

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문제 정의

본 연구에서는 현재 알루미늄 합금을 사용하여 만들어지고 있는 리튬이온전지의 케이스(캔-캡) 및 전해액 주입구(볼-캡)를 밀봉하는 용접에 있어서 펄스 Nd:YAG 레이저를 이용한 용접 시 발생하는 각종 용접 결함의 억제 및 방지를 위해서 그 발생 메카니즘을 규명하고 실무적인 방지대책을 제시함으로써, 리튬이온전지의 레이저 용접 품질 향상을 위한 기술개발을 목적으로 하였다.

제안 방법

연질 A1050 볼의 경우 경도가 현저하게 낮아서 가공성은 좋으나 그 외관과 단면형상에서 확인할 수 있듯이, 형상이 균일하지 못하고 일그러져 있으며 내부에 기공이 존재하는 등의 많은 결함을 가지고 있다. 따라서 연질 A1090 볼로 대체하여 실험을 행하였다.
리튬이온전지의 케이스 및 전해액 주입구의 밀봉을 위한 펄스Nd:YAG레이저 용접 시 이 음형상에 따른 용접성을 평가하고, 기존의 문제점과 공정개 선 및 용접 결함의 방지대책에 대하여 검토한 결과를 다음에 정리한다.
본 연구에서 사용된 용접장치는 펄스 Nd:YAG 레이저 용접기이며, A1 합금의 경우 용접시의 스패터 비산 및 재료의 급속응고에 의한 균열 등의 결함을 억제하기 위하여 펄스의 후반부에 출력을 낮춘 테일링 파형 (tailing-wave shape)을 적용하였다.
전해액 주입구의 용접시에 도 전지 케이스의 용접 시와 동일하게 테일링 파형을 적용함으로써 미연에 용접 결함을 방지하고자 하였다.
5는 수중 압력 누설시험을 하고 있는 모습을 나타내고 있다. 진행 과정은 먼저 드릴을 이용하여 전지의 측면에 압축공기를 주입할 수 있는 구멍을 뚫은 후(a)와 같이 압축기(compressor)와 연결된 압력시험용 지그에 전지를 고정시키고, (b~c)와 같이 수조에 넣은 후 밸브를 열어 압축공기를 전지에 주입시킨 다음 압축공기가 충분히 전달되도록 15kgf/cm2의 압력으로 15초간 주입하면서 누설 여부 및 위치를 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 재료는 리튬이온전지의 케이스(캔과 캡)에 알루미늄 합금인 A3003(H14)을 사용하였으며, 전해액 주입구의 밀봉용 볼 재료로써 1000 계열의 순알루미늄을 사용하였다. 리튬이온전지에 사용된 캔, 캡 및 볼의 재료에 대한 화학적 조성을 Table 1에 나타내고, Fig.

성능/효과

이러한 전지 케이스의 용접에 있어서 먼저 측면용 접의 경우에 Fig. 7(a)의 A와 B의 두면을 비교하여 보면 지그의 정도(精度) 부족으로 인한 비드의 단면형상에 차이가 나고 있으며, 캔과 캡간의 간극에도 많은 차이가 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한 c의 모서리부에서 내부의 접합면까지는 용입이 되지 않은 용입 불량 현상이 나타나고 있다.
비드형상이 미려할 뿐만 아니라 Fig. 7(b)의 a와 b에서 볼 수 있듯 이 용접궤적의 정도 또한 양호하며, c의 모서리부에서는 에너지가 집중됨으로써 용입 깊이가 오히려 더 깊게 나타나 매우 양호한 용접 결과를 얻을 수 있었다.
1) 리튬이온전지의 케이스용접의 경우, 측면 용 접 공정에서 하향 용접 공정으로 개선함으로써 용접 헤드를 줄이고 원패스용접이 가능하게 되었으며 또한 비드의 단면 관찰 결과 용접궤적의 정도가 매우 양호해졌으며 용입 불량 등의 결함이 줄어들었다.
2) 기존의 압입헤드는 강한 압입력으로 인하여 편심, 캡의 함몰 등이 일어나 캡과 볼 간의 간극이 발생하였으나 개선된 압입 헤드는 캠을 채용하여 소하 중 다압입 방식으로 압입함으로써 캡의 함몰을 방지하고, 편심도를 감소시켜 캡과 볼 간의 간극을 감소시킬 수 있었으며, 그 결과 용접성이 크게 향상 되었다.
이러한 간극은 용접시 볼의 이탈을 초래하고, 전지 내부의 전해액이 침투하여 용접성과 누설시험 결과에도 큰 영향을 주었다. 따라서 볼의 재질 및 압입 헤드의 개선함으로써 캡과 볼 간의 간극을 줄이는 것이 용접성 향상에 크게 기여한다는 것을 알 수 있다.
따라서 하향 용접으로 그 이음형상과 용접 방법을 변경함으로써 용접시간을 감소시킴과 동시에 용접궤적의 정도 및 용접성을 향상시킬 수 있었으며, 수중압력 누설시험에 있어서도 누설이 없는 매우 양호한 용접 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 하향용접 에서도 용접궤적 의 정도 및 캔과 캡의 가공 정도가 용접 품질에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 전지를 보다 고용량의 박판으로 만들 경우 중요한 변수로 작용할 수 있을 것으로 판단된다.

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