JP2005116208A - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ケースと蓋のレーザー溶接の作業性が向上した二次電池、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 ケース１と蓋２における接合部付近に、梨地状の凹凸を施した部分４を形成する。これによって、レーザービームを照射した際の、表面における反射が抑制できるとともに、レーザービームのエネルギーを吸収する面積が増加するので、特にアルミニウムのように熱伝導率が高い金属を、ケースと蓋に用いた場合では、溶接に要する熱の拡散が起こる前に溶接が完了するので、溶接の作業性と信頼性が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アルミニウムからなるケースを、アルミニウムからなる蓋で封口した構造の二次電池、及びその製造方法に関わるものである。

携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータに代表される携帯用通信端末には、小型の電源としての二次電池が必須である。しかも、機器全体の小型化軽量化への要求は、ますます増加する傾向にあり、これに対応するために、二次電池も小型、高性能のものが開発、実用化されている。

リチウムイオン電池は、これまでの二次電池の中で、最も高電圧かつ高エネルギー密度が実現できることが期待されていて、現在においてもなお、特性改善や小型化に関する改良が盛んに進められている。

リチウムイオン二次電池は、その主要な構成要素として、導電体からなるシート状の集電体に、正極電極活物質、負極電極活物質の層を形成した、正極電極及び負極電極、正負の電極の間に介在するセパレータ、電解液を有する。現在実用に供されているリチウムイオン二次電池においては、正極には電極活物質として、リチウムコバルト酸化物を主成分とする粉末、負極には電極活物質として、炭素系材料の粉末が用いられている。また、セパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの高分子材料からなる多孔質フィルムが用いられている。

図２は、リチウムイオン二次電池における、正極電極及び負極電極を積層した構成の例を示す斜視図である。図２において、６ａは正極電極、６ｂは負極電極、７ａは正極電流取出タブ、７ｂは負極電流取出タブ、８は積層素子である。

正極電極６ａ及び負極電極６ｂは、導電体からなるシートの片面または両面に、それぞれ、正極または負極の電極活物質層（図示せず）が形成してあり、セパレータ（図示せず）を介して積層され、積層素子８を構成している。また、正極電流取出タブ７ａ及び負極電流取出タブ７ｂは、それぞれ密着接合され、端子（図示せず）に電気的に接続される。

また、図３は、リチウムイオン二次電池における、正極電極及び負極電極を重ねて巻き回した構成の例を示す斜視図である。図３において、９ａは正極電極、９ｂは負極電極、１０ａは正極電流取出タブ、１０ｂは負極電流取出タブ、１１はセパレータ、１２は巻回素子である。

この例は、集電体として帯状の導電体を用い、図２に示した積層素子と同様に、正負の電極活物質層（図示せず）を集電体表面に形成して正極電極９ａ及び負極電極９ｂを作製する。そして、正極電極９ａ及び負極電極９ｂの間にセパレータ１１を介在させ、巻き回した後に扁平化し、巻回素子１２とするものである。巻回素子においては、積層素子の場合と比較すると、電流取出しタブが正負各１枚なので、電流取出タブと端子の接続の工程が簡略化できるのが利点である。

これらの積層素子、巻回素子のいずれの場合も、金属製のケースに挿入し、電解液を注入した後にケースの開口部を塞ぐ工程が必要になる。図４は、図３に示した巻回素子１２を、金属製ケースに挿入する状態の例を示す斜視図である。図４において、１は金属製のケース、２は金属製の蓋、３は正極端子である。

この例においては、正極端子３は、蓋２との間に配置された絶縁体を有し、蓋２とは電気的に絶縁されている。正極電流取出タブ１０ａは、正極端子３に接続され、負極電流取出タブ１０ｂは、負極端子を兼ねるケース１に接続される。次いで、正極電流取出タブ１０ａ、負極電流取出タブ１０ｂをそれぞれ接続した後、電解液を注入し、蓋２を、ケース１の開口部に被せ、ロウ付け、溶接などの方法で接合される。

そして、溶接による接合の中でも、レーザー溶接は、レーザービームを極めて限られた部分に照射できることから、他の溶接方法に比較して、電解液や電気絶縁部分への影響が少なく、このような二次電池の製造工程で、多用されている。

しかしながら、この方法を、たとえばアルミニウムのような、熱伝導率が高い金属に用いた場合は、レーザービームの照射部分からの熱の拡散が速く、溶接の作業効率が低下したり、電解液などに影響を及ぼしたりすることがある。また、溶接を行う対象の表面が鏡面のように滑らかな場合、レーザービームの反射が不可避で、このことも作業効率低下を助長する要因になることがある。

電池のケースの溶接方法に関する技術が、特許文献１に開示されている。この技術は、レーザー溶接により、ケースと蓋を溶接する際に、ケースと蓋の接合部分全部を溶接するに先立ち、３箇所以上の仮止めを行うものである。この技術によれば、溶接不良を減少することが可能であるが、前記の問題に対する対策は何ら開示されていない。

また、特許文献２には、電池のケースの電解液注入口をレーザー溶接で封口する技術が開示されている。ここでは、レーザービームを照射する部分に、反射抑制面を形成することが開示されているが、封口する部分は、ピンホールに近い小さな貫通孔であり、また、封口に用いるのは、円錐台形の小さな部材であり、しかも封口に用いる部材全体をレーザービームで溶解する方法であることから、前記の問題点には十分に対応できない技術である。

特開平８−３１５７９０号公報 特開２０００−４８８０４号公報

従って、本発明の課題は、金属製、殊にアルミニウム製のケースと蓋を用いて、巻回素子または積層素子、電解液封入した二次電池において、ケースと蓋のレーザー溶接の作業性が向上した二次電池、及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、前記の問題を解決するために、レーザー溶接を行う部分に、予め表面処理を施すことを検討した結果、なされたものである。

即ち、本発明は、金属製のケースの開口部と金属製の蓋とのレーザー溶接により、前記ケースを封口してなる二次電池において、前記ケースの開口部と前記蓋における溶接部分の少なくともいずれかは、梨地状の凹凸を有することを特徴とする二次電池である。

また、本発明は、前記金属がアルミニウムまたはアルミニウム系合金であることを特徴とする、前記の二次電池である。

また、本発明は、金属製のケースの開口部に、金属製の蓋を嵌合し、レーザー溶接により、前記ケースを封口する二次電池の製造方法において、前記ケースの開口部と前記蓋の少なくともいずれかにおける、溶接を施す部分に、予め梨地状の凹凸を形成することを特徴とする二次電池の製造方法である。

また、本発明は、前記金属がアルミニウムまたはアルミニウム系合金であることを特徴とする、前記の二次電池の製造方法である。

本発明においては、レーザービームを照射する部分に、予め梨地状の凹凸を形成しておくので、レーザービームの反射が抑制され、溶接の効率を向上することができる。また、梨地状の凹凸は、その部分の表面積を増加することになるので、レーザービームのエネルギーを吸収する面積の増加に繋がり、これも溶接の効率向上の要因となる。

本発明は、前記のように、レーザービームの反射抑制と、表面積増加によるエネルギー吸収の効率向上を目的として、溶接を施す部分の表面に梨地状の凹凸を形成するので、ケースと蓋の機能を損傷しない範囲で、一定以上の表面粗さを付与する必要がある。望ましくは、概ね、算術平均粗さ（Ｒａ）の数値が、５０μｍ以上で、ケース及び蓋を構成する板の厚みの２０％以下である。そして、前記の梨地状の凹凸を付与する加工方法としては、エッチング、ブラスト加工などを用いることができる。

また、レーザー溶接には、通常発熱量が大きい連続溶接が用いられている。しかし、被溶接材がアルミニウムのように熱伝導率が高い材質で、かつ厚みが薄い板材の場合は、熱発生量が少なく、熱量の制御が容易であることから、パルスレーザー溶接が適しているので、この方法を用いることが望ましい。

次に、具体的な実施例を挙げ、本発明について、さらに詳しく説明する。

図１は、本発明の実施例に関わる、二次電池のケースと蓋の溶接工程の概略を示す斜視図である。図１において、３は正極端子、４のハッチングで示した部分は梨地状の凹凸を施した部分、５はパルスレーザー溶接を施した部分である。ここでは、ケース１内に図３に示した巻回素子１２を挿入した。

次に、巻回素子の製造工程を、図３を参照して説明する。まず、正極集電体として厚みが２０μｍのアルミニウム箔、負極集電体として厚みが２０μｍの銅箔を準備した。

まず、正極電極の製造方法について説明する。ここでは、炭酸リチウムと炭酸コバルトを、リチウムとコバルトのモル比が１：１になるように混合し、空気中で９００℃、５時間焼成した。この焼成体を、乳鉢を用いて粉砕し、平均粒径が１５μｍの焼成粉末とした。さらに得られた焼成粉末と炭酸リチウム粉末を、重量比で９５／５となるように混合した。

前記混合粉末と、導電材としてのグラファイトと、バインダとしてのポリフッ化ビニリデンを、重量比で９１／６／３となるように秤量混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散して正極電極活物質層形成用ペーストとした。アルミニウム箔の正極集電体の両面に、正極電流取出タブ１０ｂを取り付ける部分を残して、前記ペーストを塗布し、正極電極活物質層（図示せず）を形成して正極電極９ａを得た。なお、乾燥によりＮ−メチル−２−ピロリドンを除いた後の正極電極９ａの厚みが１５０μｍとなるように塗布量を制御した。

次に、負極電極の製造方法について説明する。ここでは、フェノール樹脂を不活性ガス気流中で焼成後、粉砕して得られた平均粒径２０μｍの炭素材料と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデンを、重量比で９０／１０となるように秤量混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散して負極電極活物質層形成用のペーストとした。銅箔の負極集電体に、負極電流取出タブ１０ｂを取り付ける部分を残して、前記ペーストを塗布し、負極電極活物質層（図示せず）を形成して負極電極９ｂを得た。なお、乾燥によりＮ−メチル−２−ピロリドンを除いた後の負極電極の厚みが１８０μｍとなるように塗布量を制御した。

このようにして得られたシート状の正極電極９ａと負極電極９ｂに、それぞれ電流取出タブを取り付けた後、厚みが２５μｍポリプロピレンからなるの多孔質フィルムを、セパレータ１１として介在させた状態で巻き回し、巻回素子１２を得た。

得られた巻回素子１２を、アルミニウム製のケース１に挿入し、電解液を注入した。ここでは、濃度が１モル／Ｌの、テトラエチルアンモニウム・テトラフロロボレートのプロピレンカーボネート溶液を電解液として用いた。次いで、正極電流取出タブ１０ａを正極端子３に接続し、負極電流取出タブ１０ｂをケース１に接続した。

前記ケース１の開口部の縁部には、予めエッチングにより梨地状の凹凸が形成してあり、蓋２のケース１と接合する縁部にも、同様に梨地状の凹凸が形成してある。そしてケース１と蓋２を接合した状態で、Ｘ−Ｙテーブルに載置して移動しながら、図１における矢印の方向にパルスレーザービームを照射して、溶接を行った。このようにして、パルスレーザー溶接による封口を、１００個行ったが、溶接不良は、まったく生じなかった。

ここでは、ケース１及び蓋２に、純アルミニウムを用いたが、アルミニウム系金属材として、純アルミニウムの他に、アルミニウムの機械的強度を向上するために、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、を添加したアルミニウム系合金を用いることもできる。さらに、他の元素を含む多元系合金であってよい。

また、ケース１及び蓋２を構成するアルミニウム系合金は、溶接の容易さ、並びに溶接部の機械的強度の長期安定性の観点から、互いに組成並びに融点が近いことが好ましく、特に互いの融点の差が１０℃以内、特に５℃以内であることが好ましい。

前記実施例には、ケース及び蓋にアルミニウムを用いた例を示したが、他の熱伝導率の高い金属を用いた場合にも適用可能である。

本発明の実施例に関わる、二次電池のケースと蓋の溶接工程の概略を示す斜視図。 リチウムイオン二次電池における、正極電極及び負極電極を積層した構成の例を示す斜視図。 リチウムイオン二次電池における、正極電極及び負極電極を重ねて巻き回した構成の例を示す斜視図。 巻回素子を金属製ケースに挿入する状態の例を示す斜視図。

１ ケース
２ 蓋
３ 正極端子
４ 梨地状の凹凸を施した部分
５ パルスレーザー溶接を施した部分
６ａ，９ａ 正極電極
６ｂ，９ｂ 負極電極
８ 積層素子
７ａ，１０ａ 正極電流取出タブ
７ｂ，１０ｂ 負極電流取出タブ
１１ セパレータ
１２ 巻回素子

Claims (4)

1. 金属製のケースの開口部と金属製の蓋とのレーザー溶接により、前記ケースを封口してなる二次電池において、前記ケースの開口部と前記蓋における溶接部分の少なくともいずれかは、梨地状の凹凸を有することを特徴とする二次電池。
2. 前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム系合金であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
3. 金属製のケースの開口部に、金属製の蓋を嵌合し、レーザー溶接により、前記ケースを封口する二次電池の製造方法において、前記ケースの開口部と前記蓋の少なくともいずれかにおける、溶接を施す部分に、予め梨地状の凹凸を形成することを特徴とする二次電池の製造方法。
4. 前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム系合金であることを特徴とする、請求項３に記載の二次電池の製造方法。

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