JP2001351582A - 密閉形の角形電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 封口板と角形外装缶の溶接部分にできるピン
ホールやクラックの発生を防止する。 【構成】 密閉形の角形電池は、角形外装缶１の開口部
の内側に封口板２をセットしており、封口板２と角形外
装缶１の境界部分を熱エネルギーでもって溶融して溶接
している。角形外装缶１と前記封口板２は、アルミニウ
ム又はアルミニウム合金である。角形外装缶１のコーナ
部は直線部分より厚く、角形外装缶１のコーナ部の開口
端面には放熱除去部３を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角形外装缶の開口部に
封口板をレーザー溶接する密閉形の角形電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ポータブルのＯＡ機器、通信機器
の需要が高まるにつれ、その電源となるニッケルカドミ
ウム電池やリチウムイオン二次電池の中でも、特に実装
効率の高い角形電池の要求が高まっている。角形電池
は、角形外装缶の開口部を封口板で気密に閉塞して製造
される。封口板は、レーザー溶接して角形外装缶の開口
部に気密に溶接される。封口板をレーザー溶接して角形
外装缶に固定する方法は、容積効率を低下させることな
く、角形外装缶の開口部を閉塞できる。

【０００３】封口板を角形外装缶にレーザー溶接して角
形電池を製造する方法は、封口板と角形外装缶との境界
にできる、ピンホールやクラックが、製品の歩留を低下
させる。とくに、角形外装缶と封口板に、熱伝導の良い
アルミニウムを使用すると、封口板と角形外装缶の溶接
部分にできるクラックが、製品の歩留を著しく低下させ
る。

【０００４】封口板と角形外装缶の境界にできるピンホ
ールやクラックが、製品の歩留を低下するのを防止する
技術が、特開平３−１２２９６４号公報に記載される。
この公報に記載される製造方法は、角形外装缶と封口板
とに低炭素鋼板を使用することによって、レーザー溶接
するときに発生するピンホールやクラックを防止してい
る。さらに、特開平３−１３３０５２号公報にも、封口
板と角形外装缶の溶接部分にできるピンホールやクラッ
クを防止する技術が記載される。この公報に記載される
製造方法は、封口板と角形外装缶に、シリコンによって
脱酸素処理をした冷間圧延鋼板を使用している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】低炭素鋼板を使用する
方法は、カーボンに起因する熱膨張や融点の差を少なく
して、封口板と角形外装缶の溶接部分にできるピンホー
ルやクラックの発生を防止している。脱炭素処理した冷
間圧延鋼板を使用する方法は、レーザー溶接するとき
に、酸化鉄が共晶化するのを防止して、ピンホールやク
ラックの発生を防止している。

【０００６】これ等の公報に記載される製造方法は、ピ
ンホールやクラックに起因する製品歩留の低下を防止で
きるが、封口板と角形外装缶の材質が特定されてしまう
欠点がある。封口板と角形外装缶にアルミニウムやアル
ミニウム合金を使用して、クラックの発生を阻止するこ
とができない欠点がある。アルミニウムとその合金を使
用する封口板と角形外装缶は、角形電池を著しく軽量化
できる優れた特長があるが、封口板と角形外装缶に発生
するクラックを防止することはさらに難しくなる。

【０００７】たとえば、封口板と角形外装缶をアルミニ
ウム製とする角形電池をレーザー溶接して製造すると、
製品の歩留は約５５％と極めて低く、到底商品化するこ
とのできない値になってしまう。

【０００８】封口板と角形外装缶の溶接部分にできるク
ラックを防止するために、レーザーパルス波形を図１に
示すように変更する技術が開発されている。この方法
は、図に示すように、レーザーパルスをゆっくりと減衰
させて、レーザー照射を瞬時に停止せずに、次第に少な
くしてクラックの発生を少なくしようとするものであ
る。ただ、この方法では、有効にクラックの発生を阻止
するのが難しい。それは、レーザーを照射する１パルス
の時間が、数ミリ秒と極めて短いので、この間にレーザ
ーを次第に減衰させても、減衰させる時間は極めて短い
からである。

【０００９】角形外装缶の開口部に封口板をレーザー溶
接する工程は、角形電池を製造する最終工程に近い。こ
の工程における歩留の低下は、角形電池の製造コストを
著しく高騰させて、角形電池の実用化を著しく阻害す
る。

【００１０】本発明者は、種々の試行錯誤を繰り返した
結果、極めて簡単に、クラックの発生を極めて有効に阻
止することに成功した。本発明は、角形外装缶の放熱状
態を変更することにより、封口板と角形外装缶の溶接部
分にできるクラックを極限して、歩留を向上させること
を目的に開発されたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の密閉形の角形電
池は、前述の目的を達成するために下記のようにして製
造される。角形外装缶１の開口部の内側に封口板２をセ
ットし、封口板２と角形外装缶１の境界部分を熱エネル
ギーで溶融して溶接する。

【００１２】さらに、本発明の密閉形の角形電池は、角
形外装缶１と封口板２にアルミニウム又はアルミニウム
合金を使用することを特徴とする。

【００１３】さらに、角形外装缶１のコーナ部は直線部
分より厚く、冷却工程における熱伝導を制御するため
に、角形外装缶１の開口端面に放熱除去部３を設けてい
る。

【００１４】本発明の密閉形の角形電池は、封口板２と
角形外装缶１の境界に沿ってレーザーを照射して、レー
ザーの熱エネルギーでもって封口板２と角形外装缶１の
境界を溶融して溶接することができる。

【００１５】本発明の密閉形の角形電池は、角形外装缶
１の開口端面の幅が、直線部分の開口端面の幅と同じ又
はほぼ同じとなるように、コーナ部に放熱除去部３を設
けている。

【００１６】本発明の密閉形の角形電池は、角形外装缶
１のコーナ部の開口端面を面取りして、角形外装缶の開
口端面に放熱除去部３を設けることができる。

【００１７】本発明の密閉形の角形電池は、角形外装缶
１のコーナ部の開口端面に沿って、段差４を設けて、角
形外装缶の開口端面に放熱除去部３を設けることができ
る。

【００１８】密閉形の角形電池は、角形外装缶１に非真
円形状の渦巻電極体を収納している。さらに、密閉形の
角形電池は、外装缶の各コーナ部分の厚みを、外装缶の
直線部分の厚みより大きくしている。内部に非真円形渦
巻電極体を収納する角形外装缶１は、外装缶のコーナ部
分の内側部分に空隙ができる。電極体が渦巻状で、外装
缶が角形であるからである。本発明の密閉形の角形電池
は、この空隙を有効に利用して、角形外装缶１を補強す
る。

【００１９】

【作用】本発明は、従来では想像もできないほど極めて
高い歩留で角形電池を製造できる特徴がある。本発明が
優れた作用効果を有することを説明するために、最初
に、図２に基づいて、従来の方法でクラックの発生する
原理を説明する。

【００２０】図２に示すように、角形外装缶１の内側に
封口板２をセットして、その境界にレーザーを照射する
と、鎖線で示す領域でアルミニウム等の金属が約１００
０℃に加熱されて溶融して溶着される。鎖線で示す溶融
部分の深さは、角形外装缶１と封口板２とにアルミニウ
ムを使用すると、約０．２〜０．３ｍｍとなる。加熱溶
融された金属は、熱が矢印で示す方向に伝導して冷却し
て硬化される。矢印の方向に伝導される熱は、角形外装
缶１と封口板２の表面から放熱される。角形外装缶１の
コーナではより効率よく放熱されて温度が低くなる。熱
は温度の低い部分に効率よく伝導されるので、溶融部分
の熱は、矢印Ａで示す方向により効率よく伝達される。
このため、溶融部分は外側から冷却されて、ａ、ｂ、ｃ
領域の順番で硬化する。すなわち、溶融部分は矢印Ｂで
示すように、外側から内側に硬化領域が広がる。金属は
冷却して硬化すると体積が収縮する性質がある。溶融部
分の外側部分が硬化するときに体積が収縮するので、溶
融状態にある内側部分の金属が外側に移動する。その
後、溶融部分の内側は、硬化するときに体積が収縮し、
さらに、金属の一部が外側に移動しているので引っ張ら
れる内部応力が作用し、引張強度の弱い境界にクラック
が発生する。角形外装缶１と封口板２のクラックの発生
は、角形外装缶１のコーナ部分でとくに甚だしい。図３
に示すように、角形外装缶のコーナ部分は、角形外装缶
の表面からより効率よく放熱されるからである。

【００２１】本発明の密閉形の角形電池は、図４に示す
ように、角形外装缶１の開口端面に放熱除去部３を設け
ているので、溶融部分の熱は矢印Ｃで示すように、放熱
方向が下方に向けられる。角形外装缶１の熱伝導率が、
空気の熱伝導率よりも相当に大きいからである。矢印Ｃ
で示すように下方に伝導する熱は、矢印Ｄ、Ｅで示す方
向の熱伝導を減少させる。クロスハッチングで示す領域
Ｆ部分の温度が高くなるからである。したがって、図４
に示す角形外装缶１と封口板２とは、溶融部分の外周か
ら冷却硬化される割合が少なくなり、溶融部分がゆっく
りと冷却されて、角形外装缶１と封口板２の境界にでき
るクラックを極限する。

【００２２】本発明者が実際に行った実験では、本発明
の効果は、想像の範囲を卓越する極めて優れたものであ
る。とくに、角形外装缶と封口板とに、クラックの発生
しやすいアルミニウムを使用してその弊害を極限でき
る。従来の方法は、角形外装缶と封口板にアルミニウム
を使用して２２６個の角形電池を製造すると、１０１個
の角形電池のコーナ部分にクラックができ、２個の角形
電池の直線部分にクラックが発生した。これに対し、本
発明は、２５０個の角形電池を製造して、コーナ部分と
直線部分にできるクラックを極限できた。

【００２３】本発明が、熱伝導方法を、図２の矢印Ａで
示す方法から、図４の矢印Ｃで示す方法に変更すること
で、このように極めて優れた特長が実現されるのは、図
２に示すように放熱する方向が限界に近い状態でクラッ
クが発生していたからと推測される。

【００２４】さらに、図５は、レーザーの走査位置の中
心（一点鎖線で示す）を、封口板２と角形外装缶１の境
界から外側に偏在させている。この部分をレーザーで加
熱すると、鎖線で示すように、角形外装缶１と封口板２
の境界から角形外装缶側にずれた領域で金属が溶融され
る。この状態で溶融している金属は、周囲に放熱して周
囲から硬化するが、最後に硬化する部分が、角形外装缶
１と封口板２の境界とならない。最後に硬化する部分は
クロスハッチングで示す領域Ｇの部分である。この領域
が硬化するより前に、角形外装缶１と封口板２の境界が
硬化しているので、境界に発生するクラックを防止でき
る。もし境界が最後に硬化すると、硬化部分の強度が弱
く、しかも、この部分で金属収縮による引張力が発生し
てクラックが発生する。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想
を具体例を例示するものであって、本発明は下記のもの
に特定しない。

【００２６】さらに、この明細書は、特許請求の範囲を
理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番
号を、「特許請求の範囲の欄」、「作用の欄」、および
「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付
記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、
実施例の部材に特定するものでは決してない。

【００２７】図６は、本発明の角形電池の斜視図であ
る。この図の角形電池は、角形外装缶１の開口部を封口
板２で閉塞している。角形外装缶１はアルミニウム製で
ある。アルミニウム製の角形外装缶１は、アルミニウム
あるいはアルミニウム合金を成形して製作したものであ
る。アルミニウム製の角形外装缶１と封口板２とは、レ
ーザー溶接して溶着するときに最もクラックの発生しや
すい材質である。以下、レーザー溶接に起因するクラッ
クの発生を効果的に阻止できることを明かにするため
に、アルミニウム製の角形外装缶と封口板の具体例を述
べる。

【００２８】アルミニウム製の角形外装缶は、補強のた
めに、図７の平面図に示すように、コーナ部を所定の曲
率半径で湾曲させると共に、コーナ部を厚く成形してい
る。コーナ部を湾曲する角形外装缶は、例えば以下の寸
法に設計する。 角形外装缶を横に切断した断面の縦×横を２２ｍｍ
×７．６ｍｍ コーナ部を除く部分の肉厚を０．５ｍｍ コーナ部外側の曲率半径を１．７ｍｍ コーナ部の内側の曲率半径２．３〜３ｍｍ コーナ部の最大肉厚を０．９６〜１．２５ｍｍ

【００２９】コーナ部を所定の曲率半径で湾曲する角形
外装缶は、非真円形渦巻電極体を内蔵させる。非真円形
渦巻電極体は、正極板と負極板とをセパレータを介して
積層して非真円形の渦巻状に巻回したものである。非真
円形渦巻電極体は、角形外装缶に収納されて、最外周の
電極を角形外装缶の内面に電気的に接触させる。すなわ
ち、非真円形渦巻電極体を最外周接触構造として角形外
装缶に収納している。非真円形渦巻電極体の最外周は通
常は正極である。したがって、角形外装缶は正極とな
る。非真円形渦巻電極体の負極板は、電極リードを介し
て、外装缶に絶縁して固定された負極に接続される。負
極は封口板に固定される。封口板の負極には安全弁を設
けることもできる。

【００３０】角形外装缶１は、開口部の内側に封口板２
をセットし、封口板２と角形外装缶１との境界をレーザ
ー溶接して、開口部を封口板２で閉塞する。レーザー溶
接して、封口板２を角形外装缶１に溶着するとき、溶接
面に発生するクラックを防止するために、角形外装缶１
は、レーザー溶接前に、図７と図４に示すように、コー
ナ部の開口端面を面取りして、放熱除去部３を設けてい
る。放熱除去部３は、角形外装缶１の開口端面の外周コ
ーナ部の一部を除去した部分である。放熱除去部３の上
面が、封口板２の上面となす傾斜角αは４０度に設定し
た。傾斜角αを小さくすると、放熱除去部が小さくなっ
て、クラックを有効に阻止できなくなる。したがって、
傾斜角αは、好ましくは２０度以上、さらに好ましくは
３０度以上に設定される。図７に示す角形外装缶１は、
コーナ部の開口端面の幅を、他の部分とほぼ同じとする
ように、コーナ部の外周を面取りして放熱除去部３を設
けている。

【００３１】角形外装缶のコーナ部は、レーザー溶接す
るときに最もクラックが発生しやすい。図に示す角形電
池は、角形外装缶１のコーナ部に放熱除去部３を設け
て、クラックの発生を阻止する。角形外装缶１の直線部
分にもクラックの発生することがある。図示しないが、
角形外装缶の直線部分に放熱除去部を設けるなら、この
部分においても、クラックの発生を極限できる。

【００３２】図８と図９に示す角形外装缶１は、開口端
面のコーナ部の内側に沿って、封口板の外周をセットす
る段差４を設け、段差４でもって角形外装缶１の開口端
面に放熱除去部３を設けている。この図の角形外装缶１
も、コーナ部の内側に放熱除去部３を設けて、コーナ部
の開口端面の幅を他の部分と同じにしている。この構造
の角形外装缶１は、段差４である放熱除去部３によっ
て、封口板２を角形外装缶１の定位置に嵌着できる特長
もある。

【００３３】封口板２をセットした角形外装缶１は、図
４と図９に示すように、封口板２と角形外装缶１の境界
にレーザービームを照射する。レーザービームは、封口
板２と角形外装缶１の境界を溶融して溶着する。レーザ
ービームの出力は、封口板２と角形外装缶１の境界を、
約０．２ｍｍの深さに溶融できるように設定される。レ
ーザービームを封口板２の外周に沿って走査し、封口板
２の全周を角形外装缶１に気密に溶着する。レーザービ
ームの周囲には、不活性ガスとして窒素ガスを噴射し
て、アルミニウムの酸化を防止する。

【００３４】レーザー溶接の条件は下記のように設定す
る。 パルス幅………………………１〜４ｍｓ 電圧……………………………４００〜５００Ｖ 重なり（REP RATE）…………３２ＰＰＳ スピード………………………５〜１２ｍｍ／ｓ 不活性ガス（Ｎ_２）噴射圧……０．５ｋｇ／ｃｍ^２ レーザービーム集束径………０．５〜０．７ｍｍ

【００３５】

【表１】

【００３６】以上のようにして製造された角形電池は、
封口板と角形外装缶との間にできるクラックの発生率が
極限した。表１は本発明の角形電池と、従来の方法で製
造した角形電池のクラック発生率を示している。ただ
し、この表において、従来品は、図２の断面図に示すよ
うに、角形外装缶１の開口端面に放熱除去部３を設けな
い以外、同じようにして製作された角形電池である。

【００３７】この表に示すように、従来の方法で製造さ
れた角形電池は、２２６個製作して、１０１個、割合に
して４４．７％のものがコーナ部にクラックが発生し
た。ストレート部には２個の角形電池にクラックが発生
した。これに対し、図４に示すように、コーナ部を面取
りして放熱除去部を設けた本発明の角形電池は、２５０
個製作して、コーナ部のクラックは０となり、１個の角
形電池にストレート部にクラックが発生した。この構造
の角形電池は、極めてクラックの発生しやすいコーナ部
において、クラックの発生が極限された。さらに、図９
に示すように、角形外装缶のコーナ部内側に段差部を形
成して放熱除去部を設けた角形電池は、２５０個製作し
て、コーナ部にクラックのできたものが１個、ストレー
ト部にクラックの発生したものが２個となり、この構造
の角形電池も、コーナ部のクラックを極限できる。

【００３８】本発明の角形電池は、図５に示すように、
レーザービームの走査位置の中心を、封口板２と角形外
装缶１の境界から外側に偏在させて、封口板２を角形外
装缶１にレーザー溶接することもできる。レーザービー
ムの中心と封口板２と角形外装缶１の境界との変位
（ｄ）を、０．２ｍｍとし、角形外装缶１に、放熱除去
部のないものを使用する以外、前述と同じようにして、
角形電池を製作した。この方法で５００個の角形電池を
製作したところ、コーナ部にクラックの発生したものが
７個、ストレート部にクラックの発生したものが０個と
なった。以上の実施例は、レーザービーム中心の変位を
０．２ｍｍに設定している。レーザービームの走査位置
を、角形外装缶のより外側に変位させると、クラックの
発生をより効果的に阻止できる効果がある。しかしなが
ら、変位が大きくなると、レーザービームが金属を溶融
する位置が、封口板と角形外装缶の境界から外側にずれ
るので、封口板と角形外装缶の溶融深さが浅くなって、
連結強度が低下する。したがって、レーザービーム走査
位置の境界からの変位（ｄ）は、レーザービームの出力
と、集束するスポット径とを考慮して、封口板を角形外
装缶に十分な強度で連結でき、かつ、クラックの発生を
有効に阻止できるように、たとえば、０．１〜０．３ｍ
ｍに設定される。

【００３９】さらに、図４と図５とに示すように、放熱
除去部３のある角形外装缶１を使用し、レーザービーム
の走査位置の中心を、封口板２と角形外装缶１の境界か
ら０．２ｍｍ外側に設定して、２５０個の角形電池を製
作したところ、コーナ部にクラックのできたものは０
個、ストレート部にクラックのできたものも０個となっ
た。

【００４０】

【発明の効果】本発明は、封口板と角形外装缶との境界
にできるピンホールやクラックを有効に阻止できる特長
がある。それは、本発明が、角形外装缶の開口端面に放
熱除去部を設けることによって溶融金属が冷却して硬化
するときの放熱経路を調整するとにより、封口板と角形
外装缶の境界における冷却時の引張応力を小さくできる
からである。

【図面の簡単な説明】

【図１】封口板と角形外装缶の境界にできるクラックを
少なくするレーザーパルス波形を示すグラフ

【図２】封口板を角形外装缶にレーザー溶接する従来方
法を示す断面図

【図３】封口板と角形外装缶との境界にできるクラック
を示す平面図

【図４】本発明の角形電池に使用する角形外装缶の要部
拡大断面図

【図５】本発明の他の実施例で、封口板と角形外装缶と
をレーザー溶接する状態を示す断面図

【図６】本発明の角形電池の斜視図

【図７】本発明の角形電池のコーナ部を示す平面図

【図８】本発明の他の実施例にかかる角形電池のコーナ
部を示す平面図

【図９】図８に示す角形電池のコーナ部の断面図

【符号の説明】

１…角形外装缶 ２…封口板 ３…放熱除去部 ４…段差

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲垣 健次 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 雨堤 徹 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 山内 康弘 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H011 AA09 BB04 CC06 DD13

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 角形外装缶(1)の開口部の内側に封口板
   (2)をセットしており、封口板(2)と角形外装缶(1)の境
   界部分を熱エネルギーでもって溶融して溶接してなる密
   閉形の角形電池において、 前記角形外装缶(1)と前記封口板(2)は、アルミニウム又
   はアルミニウム合金からなり、かつ、角形外装缶(1)の
   コーナ部は直線部分より厚いと共に、角形外装缶(1)の
   コーナ部の開口端面に放熱除去部(3)を備えたこと特徴
   とする密閉形の角形電池。
2. 【請求項２】 角形外装缶(1)の開口部の内側に封口板
   (2)をセットしており、封口板(2)と角形外装缶(1)の境
   界に沿ってレーザーを照射して、レーザーの熱エネルギ
   ーでもって封口板(2)と角形外装缶(1)の境界を溶融して
   溶接してなる密閉形の角形電池において、 前記角形外装缶(1)と前記封口板(2)は、アルミニウム又
   はアルミニウム合金からなり、かつ、角形外装缶(1)の
   コーナ部は直線部分より厚いと共に、角形外装缶(1)の
   コーナ部の開口端面に放熱除去部(3)を備えたこと特徴
   とする密閉形の角形電池。
3. 【請求項３】 角形外装缶(1)のコーナ部の開口端面の
   幅が、直線部分の開口端面の幅と同じ又はほぼ同じとな
   るように、コーナ部に放熱除去部(3)を設ける請求項１
   又は２に記載される密閉形の角形電池。
4. 【請求項４】 角形外装缶(1)のコーナ部の開口端面の
   面取りによって、角形外装缶(1)の開口端面に放熱除去
   部(3)を構成する請求項１又は２に記載の密閉形の角形
   電池。
5. 【請求項５】 角形外装缶(1)のコーナ部の開口端面に
   沿った段差(4)によって角形外装缶(1)の開口端面に放熱
   除去部(3)を構成する請求項１又は２に記載の密閉形の
   角形電池。