JP2005026040A

JP2005026040A - 角形電池とその製造方法

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Publication number: JP2005026040A
Application number: JP2003189367A
Authority: JP
Inventors: Fusako Kumagai; 芙佐子熊谷; Toshiharu Kitagawa; 俊治北川; Shinsuke Fukuda; 真介福田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】金属板を成形した角形半殻体の本体ケースの凹部内に極板群を収容し、その開口部に蓋体を配して封口する角形電池において、半殻体ケースと前記蓋体の溶接の信頼性を向上し、さらに極板群、特にセパレータへの熱影響を回避することにより、安全性を向上させた角形電池を提供する。
【解決手段】被溶接部であるケース開口端面あるいは蓋体の周縁部の少なくとも一方を部分的に厚肉とする。または、溶接の際、本体ケースの開口部を開口部に垂直な４平面の外側から金属製のケース固定治具で挟み、さらに蓋体を、押さえ治具により、本体ケースと反対側から押さえて固定させる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角形リチウムイオン二次電池等の角形電池の製造方法に関し、特にそのケースが角形半殻体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池は、携帯電話機やＰＤＡなどの携帯用電子機器に多く用いられ、小型化、薄型化、高エネルギー化が強く要求されており、その体積効率の良さから金属製の角形形状が多く採用されている。角形電池は、直方体形状の最小面積側面を開口部として深絞り加工で作製された角筒有底形のケースに極板群を収容し、その開口部に端子等を配した蓋体を挿入してその嵌合部を溶接し、密閉させた形状が現在主流となっている。
【０００３】
しかしながら、深絞り加工の角筒有底形本体ケースの場合、外形厚さが５ｍｍ以下の電池本体ケースを作製するのは非常に困難であった。そのため、最大面積を有する側面を開口部として絞り加工して作製された角形半殻体ケースに、蓋体を載置して封口する構造が提案されている。
【０００４】
その例としては、図６のように、本体ケース１ａが最大面積を有する側面を開口部とした枡形であり、その凹部に極板群を収容し、開口部に蓋体２ａを載置させ、その突き合わせ部をレーザー光で接合する構成のものが挙げられる。（例えば特許文献１参照）
また、図７のように、本体ケース１ｂは上記開口部にフランジを有する灰皿形であり、その凹部に極板群９を収容し、開口部に蓋体２ａを載置させ、フランジ部と蓋体縁部とを接合代としてレーザー光で接合する構成も提案されている。（例えば特許文献２参照）
ここで、本体ケースと蓋体との溶接の際、上記説明したいずれの形状においても、その付き合わせ部が密着し、かつ固定されていることが重要となる。
【０００５】
例えば、従来の角筒有底形の本体ケースと蓋体の溶接の場合、図８に示すように、本体ケース１ｅと蓋体２ａの嵌合部は、固定部４ｂと離反可能部５ｂからなるケース固定治具３ｂで強固に押圧される構造が採られている。
これにより、本体ケースと蓋体の嵌合部は密に接触して固定され、良好な溶接を行うことができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０９−２１３２８６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５０５１７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本体ケースと蓋体を薄肉化した場合、嵌合部の接触面積は小さいため、溶融して溶接に寄与する金属の量は従来に比べ非常に少ない。そのため、接触不良で溶接部に穴明きが生じたり、溶融代が小さく過剰な熱に対してスパッタが発生するなどし、安定した溶接が難しい。
【０００８】
また、本体ケースは、絞り加工成形の際の残留応力から、開口部が膨れた形状に変形する。そのため、蓋体を載置した際、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、蓋体２ａと枡形本体ケース１ａまたは灰皿形本体ケース１ｂの開口部との外形のズレσが発生する。
【０００９】
また、蓋体は薄板化と共に反りが発生しやすくなり、本体ケース開口部に載置した際、浮きが生じてしまう。加えて、溶接時には溶融部が凝固する際に歪むため、浮きや歪みが生じる。こうした接触部の浮きや歪みは、穴明きなどの溶接不良を招き、また仕上がり形状のバラツキにつながる。
【００１０】
上記のように、角形半殻体の本体ケースと蓋体との溶接には、本体ケースと蓋体との十分な接触を確保して、蓋体とを密着、固定させることが重要であり、安定した溶接を行うことのできる機構と溶接装置の考案が必要となる。
【００１１】
また、極板群のセパレータは１５０℃程度で融点に達するため、レーザー照射時には極板群への熱影響の回避が必要となる。従来例では、レーザー照射位置を極板群から十分に離す方法、あるいは金属製の遮熱板を挿入する方法が採られている。しかし、極板群と溶接部に距離を確保、あるいは遮蔽物を設置する方法は、本体ケースに角形半殻体を用いた場合、特に電池の内部体積、あるいは電池内部の残空間を低減させることになるため、高容量化を図る上では難点となる。
【００１２】
本発明の製造方法が目的とするところは、上記課題を解決して本体ケースと蓋体との溶接の信頼性を向上し、さらに極板群、特にセパレータへの熱影響を回避することにより、安全性を向上させた角形電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る角形半殻体電池の構造は、被溶接部であるケース開口端面あるいは蓋体の周縁部の少なくとも一方を厚肉にすることを特徴とするものである。
【００１４】
前記構造によれば、被溶接部であるケース開口端面あるいは蓋体の周縁部の少なくとも一方は厚肉になるため、溶接時に安定した溶融代を作り、不良の少ない溶接を行うことができる。
【００１５】
さらに、本発明では、蓋体の被溶接部を除く中央部に波状の刻印を施した。
【００１６】
前記構造によれば、蓋体の被溶接部を除く中央部には波状の刻印が施されるため、蓋体単体での反りが生じにくい。また溶接時の熱によっても歪みにくくなるため、隙間のない嵌合を保つことができ、不良の少ない溶接を行うことができる。蓋体の反りは、長辺溶接時にもっとも発生しやすいことから、長辺に対して平行に波状の刻印を施すのがもっとも好ましいと考えられる。
【００１７】
また、本発明に関わる角形電池の製造方法は、金属板を成形した角形半殻体の本体ケースの凹部内に極板群を収容し、その開口部に蓋体を配して封口する際、本体ケースの開口部を開口部に垂直な４平面の外側からケース固定治具で挟み、さらに蓋体を、押さえ治具により、本体ケースと反対側から押さえて固定させたことを特徴とするものである。
【００１８】
上記製造方法によれば、ケースは開口部を開口部に垂直な４平面の外側からケース固定治具で挟まれる。従って、ケースが成形された際の残留応力による開口部の膨れは抑制され、ケースの膨れによる蓋体との外形のズレがなくなる。
【００１９】
また、ケース開口部に蓋体を配した後、蓋体を押さえ治具により本体ケースの反対方向から押さえられる。従って、本体ケースと蓋体の接触部の浮きはなくなり、またシーム溶接時に生じるひずみによる浮きや位置ズレを抑制し、良好な溶接を行うことができる。
【００２０】
また、上記治具の材料として金属を採用することにより、溶接部の熱を拡散させ、極板群への熱影響を低減させることができる。こうした治具の吸熱効果の面から、この金属材料としては、熱伝導率が高いものが好ましく、さらに好ましくは０℃〜１００℃における熱伝導率が２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上であるものが好ましい。また、レーザー干渉による治具の劣化の面から、この金属材はレーザーに対する反射率が高いものが好ましく、さらに好ましくはＹＡＧレーザーに対する反射率が９０％以上であるものが好ましい。
【００２１】
【発明実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。
【００２２】
図１は、被溶接部であるケース端面あるいは蓋体の周縁部を厚肉にした形状を示すものであって、（ａ）は周縁部を厚肉にした枡形の本体ケース１ｃに蓋体２ａを載置した状態を示す断面図、（ｂ）は周縁部を厚肉にした灰皿形の本体ケース１ｄに蓋体２ａを載置した状態を示す断面図、（ｃ）は枡形の本体ケース１ａに周縁部を厚肉にした蓋体２ｂを載置した状態を示す断面図、（ｄ）は灰皿形の本体ケース１ｂに周縁部を厚肉にした蓋体２ｂを載置した状態を示す断面図である。いずれの場合においても、肉盛り部の厚みは打ち抜きの容易性や電池の内容積を勘案して、本来のケース厚みの１．５〜３倍程度が好ましい。
【００２３】
図２は蓋体に波状の刻印を施した例を示すものであって、（ａ）は波状の刻印を有した蓋体を、枡型の本体ケースに載置した状態を示す断面図、（ｂ）は波状の刻印を有した蓋体を、灰皿形の本体ケースに載置した状態を示す断面図、（ｃ）はケースの長辺方向に波状の刻印を有したことを示す蓋体の平面図である。図２に示したように、蓋体の長辺に対して平行方向に波状の刻印を有すことにより蓋体の変形を抑制し、浮きの生じやすい長辺溶接時にも均一な接触を保ち、安定した溶接をすることができた。
【００２４】
図３は、本発明の一実施例であるレーザー溶接治具を示した断面図であって、枡形の本体ケース１ａは銅製のケース固定治具３ａに挿入、固定され、本体ケース１ａの開口部に蓋体２ａを載置した上で、さらに押さえ治具６によって蓋体を押さえたものである。前記方法によって本体ケースと蓋体とを密着、固定した上で、ケース開口部垂直な方向からレーザービーム７を照射して本体ケース１ａと蓋体２ａとを溶接する。
【００２５】
このケース固定治具３ａは、本体ケース１ａの底面および側面を支える固定部４ａと、離反可能で側面を支える離反部５ａからなる。これらによって本体ケース１ａは開口部側面を４方向から挟まれるため、本体ケース成形加工時に発生した開口部の膨れ変形は抑制され、載置した蓋体と同一の外寸に補正される。
【００２６】
なお、当実施例では上述のように固定部４ａと離反部５ａの複数部品構成を採ったが、これらが一体となった構造でも、十分に上述の機能を有することができると考えられる。
【００２７】
また、押さえ治具６は、蓋体２ａを本体ケース反対側から押さえることにより、本体ケースと蓋体とを密着、固定させる。この際、押さえ治具６はレーザー照射位置８から１ｍｍ以下の近傍部を押さえることが好ましい。これにより、蓋体は反りによる浮きが抑制されて、ケース開口部と隙間なく密着され、さらに溶接時のひずみの影響を受けて浮きや位置ズレを生じることなく、精度良く溶接することができる。
【００２８】
また、レーザー照射位置８の近傍部に金属製の治具を接触させることにより、熱引き効果が得られ、溶接時に発生する熱による電池内部へ熱影響を低減させることができる。金属の中でも特に銅は、０℃〜１００℃における熱伝導率が３５０Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上、またＹＡＧレーザーの反射率が９５％以上と高く、また比較的安価であるため、最も好ましい。
【００２９】
加えて、押さえ治具６には、レーザー光７との干渉を避けるために、端面に３０°〜６０°程度の傾斜をつけることが好ましい。これにより、治具はレーザーに干渉することなく、繰り返し使用しても治具に劣化が少なく、繰り返し使用することができる。
【００３０】
図４は、上記の他の実施の形態を示すものであって、レーザー照射方向および本体ケース形状が異なる場合の一例を示したものである。（ａ）は、枡形の本体ケース１ａと蓋体２ａとを、開口部と平行な方向からレーザー照射する際のレーザー溶接治具の部分断面図、（ｂ）は開口部にフランジを有する灰皿形の本体ケース１ｂと蓋体２ａとを、開口部に垂直な方向からレーザー照射する際のレーザー溶接治具の部分断面図、（ｃ）は開口部と平行な方向から照射する際のレーザー溶接治具の部分断面図を示したものである。
【００３１】
図４の（ｂ）、（ｃ）のように、開口部にフランジを有する灰皿形の本体ケース１ｂの場合、ケース固定治具３とは底面の代わりにフランジ部によって支持されることが望ましい。これにより、フランジ部は本体ケース１ｂと押さえ治具６とで挟まれた状態になり、隙間なく密着、固定され、良好な溶接が行える。
【００３２】
また、（ａ）、（ｃ）のように、ケース開口部と平行な方向からレーザーを照射する際、ケース固定治具３ａはレーザー光７と干渉しないよう３０°〜６０°の傾斜を施されることが好ましい。また、開口部の膨れ変形を抑制する効果を損なわないよう、レーザー照射位置８の近傍１ｍｍ以下を押さえることが望ましい。
【００３３】
【本発明の効果】
以上説明したように、本発明の製造方法によれば、蓋体の反りを防止し本体ケースと隙間や位置ズレなく密着、固定され、信頼性の高い溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）周縁部を厚肉にした枡形の本体ケース１ｃに蓋体２ａを載置した状態を示す断面図
（ｂ）周縁部を厚肉にした灰皿形の本体ケース１ｄに蓋体２ａを載置した状態を示す断面図
（ｃ）枡形の本体ケース１ａに周縁部を厚肉にした蓋体２ｂを載置した状態を示す断面図
（ｄ）灰皿形の本体ケース１ｂに周縁部を厚肉にした蓋体２ｂを載置した状態を示す断面図
【図２】（ａ）波状の刻印を有した蓋体を、枡形の本体ケースに載置した状態を示す断面図
（ｂ）は波状の刻印を有した蓋体を、灰皿形の本体ケースに載置した状態を示す断面図
（ｃ）はケースの長辺方向と平行に波状の刻印を有したことを示す蓋体の平面図
【図３】本発明の一実施の形態のレーザー溶接治具を示す断面図
【図４】（ａ）本発明の他の第１の実施の形態における開口部と平行な方向からレーザー照射する際のレーザー溶接治具の部分断面図
（ｂ）本発明の他の第２の実施の形態における開口部と垂直な方向からレーザー照射する際のレーザー溶接治具の部分断面図
（ｃ）本発明の他の第３の実施の形態における開口部と平行な方向からレーザー照射する際のレーザー溶接治具の部分断面図
【図５】（ａ）枡形の角形半殻体ケースの開口部の膨れ変形を示す平面図
（ｂ）図５（ａ）の断面図
（ｃ）灰皿形の角形半殻体ケースの開口部の膨れ変形を示す平面図
（ｄ）図５（ｃ）の断面図
【図６】従来の一電池の機構を示した部分断面図
【図７】従来のその他の電池の機構を示した分解斜視図
【図８】従来の一レーザー溶接装置を示した断面図
【符号の説明】
１ａ枡形本体ケース
１ｂ灰皿形本体ケース
１ｃ周縁部が厚肉である枡形本体ケース
１ｄ周縁部が厚肉である灰皿形本体ケース
１ｅ角筒有底形本体ケース
２ａ蓋体
２ｂ周縁部が厚肉である蓋体
３ａ角形半殻体の本体ケース固定治具
３ｂ角筒有底形の本体ケース固定治具
４ａ角形半殻体の本体ケース固定治具固定部
４ｂ角筒有底形の本体ケース固定治具固定部
５ａ角形半殻体の本体ケース固定治具離反部
５ｂ角筒有底形の本体ケース固定治具離反部
６押さえ治具
７レーザー光
８レーザー照射位置
９極板群

Claims

金属板を成形した角形半殻体の本体ケースの凹部内に極板群を収容し、前記本体ケースの開口部に蓋体を配して封口する構成の角形電池において、被溶接部である本体ケース開口端面あるいは蓋体の周縁部の少なくとも一方を、部分的に厚肉とすることを特徴とする角形電池。
金属板を成形した角形半殻体の本体ケースの凹部内に極板群を収容し、前記本体ケースの開口部に蓋体を配して封口する構成の角形電池において、前記蓋体に波状の刻印を有することを特徴とする角形電池。
金属板を成形した角形半殻体の本体ケースの凹部内に極板群を収容し、本体ケースの開口部に蓋体を配し、封口する工程を有する角形電池の製造方法において、前記封口工程で本体ケースの開口部を開口部に垂直な４平面の外側からケース固定治具で挟み、さらに前記蓋体を押さえ治具により前記本体ケースと反対側から押さえて固定させたことを特徴とする角形電池の製造方法。
ケース固定治具または押さえ治具が金属製である請求項３に記載の角形電池の製造方法。