JP2010153163A - 電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池ケースに形成された開口を塞ぐ封口部材の溶接品質および信頼性の向上
【解決手段】電池の製造方法は、電池ケース１０に形成された開口４０に封口部材６０を被せ、封口部材６０の周縁部６２を溶接して開口４０を封口する封口工程を含んでいる。ここで、電池ケース１０は、開口４０の周囲に封口部材６０を着座させる着座部４２と、着座部４２に着座させた封口部材６０の外周縁６４に沿って立ち上がった段差部４４とを備えている。また、封口部材６０の周縁部６２は外側に向かうにつれて下方に傾斜した傾斜面６６を備えており、封口工程において、封口部材６０を着座部４２に着座させた状態で、傾斜面６６を含む封口部材６０の周縁部６２と段差部４４とをレーザー溶接する。
【選択図】図７

Description

本発明は電池の製造方法に関し、特に、電池ケースに形成された開口に封口部材を被せ、封口部材の周縁部を溶接して開口を封口する封口工程を含む電池の製造方法に関する。

近年、車両搭載用電源、或いはパソコン及び携帯端末の電源として、リチウムイオン二次電池などの二次電池が用いられている。これらの二次電池には、電池ケースに電極体および電解液が収容された構造を有する電池がある。この場合、二次電池の電池ケースには、電解液の注液口として、あるいは、内部で発生したガスのガス抜き孔としての開口が設けられる場合がある。これらの開口は種々の方法で封口される。
かかる開口を封口する方法として、例えば、特開２０００−１４９９０２号公報（特許文献１）に記載された方法は、開口にガス排出弁を嵌め、当該ガス排出弁の外周部を全周にわたってレーザー溶接して当該開口を封口することが開示されている。また、同様の方法は、特開平１１−８６８２０号公報（特許文献２）にも開示されている。
特開２０００−１４９９０２号公報 特開平１１−８６８２０号公報

本発明者は、かかる開口の封口について、開口に封口部材を被せ、封口部材の周縁部をレーザー溶接することを考えている。このとき、溶接部には、安定して適切な溶接を行いたい。本発明者は、封口部材の周縁部を嵌め合わせた部分において、開口が形成された部材と、封口部材との溶融深さに注目した。このとき、開口が形成された部材と、封口部材との溶融深さに差が生じる事例を見つけた。開口が形成された部材と封口部材との溶融深さは、可能な限り差が無いようにし、所要の接合強度を確保したい。また、金属表面にレーザー光を当ててレーザー溶接を行う場合、レーザー光の一部が反射する。このため、エネルギ効率は低下する。そこで、本発明は、封口部材の周縁部を溶接して開口を封口する封口工程について、所要の接合強度を確保することが容易に行える、新規な電池の製造方法を提案する。

本発明に係る電池の製造方法は、電池ケースに形成された開口に封口部材を被せ、前記封口部材の周縁部を溶接して前記開口を封口する封口工程を含んでいる。この電池の製造方法では、電池ケースは、開口の周囲に封口部材を着座させる着座部と、着座部に着座させた封口部材の外周縁に沿って立ち上がった段差部とを備えている。また、封口部材の周縁部は外側に向かうにつれて下方に傾斜した傾斜面を備えている。そして、封口工程において、封口部材を着座部に着座させた状態で、傾斜面を含む封口部材の周縁部と段差部とをレーザー溶接する。

この電池の製造方法によれば、封口工程において、封口部材の周縁部に反射したレーザー光が、封口部材の外周縁に沿って立ち上がった電池ケースの段差部に当たる。このため、レーザー光によって電池ケースの段差部に付与される熱量が高くなり易く、封口部材と電池ケースの溶融深さが同じ程度になり易い。これにより、封口部材と電池ケースとで所要の接合強度を確保し易くなる。また、レーザー光のエネルギが、より効率よく利用される。

この場合、封口部材の傾斜面は、段差部の内側面に対して１０°以上４５°以下の角度で傾斜していてもよい。この場合、封口工程において、封口部材の傾斜面にレーザー光が当たり易く、かつ、反射したレーザー光が段差部の内側面に当たり易い。また、封口部材の傾斜面は周方向に連続して設けられていてもよい。この場合、より確実に、封口部材の全周にわたって所要の溶接強度を確保できる。

また、段差部は、封口部材を着座部に着座させた状態において、封口部材の周縁部よりも高くなるように形成されていてもよい。この場合、封口工程において、段差部が溶融することによって、封口部材の傾斜面と段差部の内側面との間の空隙が埋められる。
また、段差部は、上端周縁部に内側に向かうにつれて下方に傾斜した傾斜面が形成されていてもよい。この場合、封口工程において、段差部の傾斜面を含むように封口部材の周縁部と段差部とをレーザー溶接するとよい。

以下、本発明の一実施形態にかかる電池の製造方法を説明する。なお、以下の説明および図面において、同一の作用を奏する部材・部位については同じ符号を付して説明する。

本発明者は、図１（ａ）、（ｂ）および図２に示すように、電池ケース１０（図示例では、蓋体３０）に形成された開口４０の封口について、開口４０に封口部材６０を被せ、封口部材６０の周縁部６２をレーザー溶接することを考えている。ここでは、開口４０の周囲には、封口部材６０を着座させる着座部４２が設けられている。さらに、蓋体３０には、着座部４２に着座させた封口部材６０の外周縁６４に沿って立ち上がった段差部４４が設けられている。そして、図２に示すように、封口部材６０を着座部４２に着座させた状態で封口部材６０の周縁部６２と段差部４４とを上方からレーザー光Ｌを当てて溶接することを考えている。このとき、封口部材６０の周縁部６２において、蓋体３０と封口部材６０の溶融深さがどのようになるかについては良く知られていない。

そこで、本発明者は、かかる蓋体３０と封口部材６０との溶接部分について、いくつかのサンプルを作成し、蓋体３０と封口部材６０との溶融深さがどのようになるかを調べた。この際、蓋体３０と封口部材６０の材料は同じ材料を用いた。また、着座部４２に着座させた封口部材６０の周縁部６２の上面と、蓋体３０の段差部４４の上面の高さが合うように構成し、周縁部６２と段差部４４とを上方からレーザー光を当てて溶接した。

その結果、いくつかのサンプルにおいて、図３に示すように、蓋体３０の溶融深さｔ１と、封口部材６０の溶融深さｔ２に差が生じる事象が見られた。蓋体３０と封口部材６０の溶接部分７０の強度は、両部材３０、６０の合わせ部Ｗｏにおいて溶融深さが深ければ深いほど強度が高くなる。しかし、両部材３０、６０の溶融深さｔ１、ｔ２に差が生じる場合には、その分、両部材３０、６０の合わせ部Ｗｏにおいて溶融深さが浅くなる。このため、蓋体３０の段差部４４と封口部材６０の周縁部６２とで、レーザー溶接時の溶融深さｔ１、ｔ２に差が生じるのは望ましくない。

かかる事象について、さらに検討を重ねたところ、本発明者は、図３に示すように、段差部４４の溶融深さｔ１が封口部材６０の周縁部６２の溶融深さｔ２よりも浅くなる傾向が高いとの知見を得た。この原因については、電池ケース１０の蓋体３０は封口部材６０に比べて著しく大きく熱容量が高いことが要因に考えられる。すなわち、蓋体３０は封口部材６０よりも著しく体積が大きい。かかる蓋体３０では、段差部４４に当てられたレーザー光Ｌ（図２参照）から受ける熱が、蓋体３０の他の部位に逃げ易く段差部４４に熱が留まり難い。これに対して、封口部材６０の周縁部６２は、段差部４４に比べてレーザー光Ｌから受ける熱によって熱くなり易い。このため、段差部４４に比べて周縁部６２の溶融が深く進み、段差部４４の溶融深さｔ１が周縁部６２の溶融深さｔ２よりも浅くなると考えられる。このような事象に対して、図３に示すように、蓋体３０の溶接部分７０の周囲に溝４４ｂを形成するなどして、段差部４４から蓋体３０の他の部位に熱が逃げ難くすることもできる。しかしながら、それでも段差部４４の溶融深さｔ１と周縁部６２の溶融深さｔ２に差が生じる事象が見られる場合があった。

本発明者は上記のような推考を基に本発明を想起した。以下、本発明に係る電池の製造方法を説明する。

この電池ケース１０は、図１（ｂ）に示すように、扁平な角型容器の電池ケースであり、図示は省略するが電池ケース１０には電極体および電解液が収容される。この実施形態では、電池ケース１０は、容器本体２０と蓋体３０から構成されている。容器本体２０は、上面が開口した扁平な角型容器である。蓋体３０は、容器本体２０に電極体を収納した後に、容器本体２０の上部の開口に嵌められて接合されている。この実施形態では蓋体３０に開口４０が形成されている。かかる開口４０は、例えば、ガス抜き用の孔として形成されており、封口部材６０によって封口されている。なお、この実施形態では、蓋体３０と封口部材６０は、ともに同じアルミニウム材料で構成されている。蓋体３０と封口部材６０の材料は、これに限定されない。

蓋体３０は、図４に示すように、開口４０の周囲に着座部４２と段差部４４とを備えている。着座部４２は、封口部材６０を着座させる部位であり、段差部４４は、着座部４２に着座させた封口部材６０の外周縁６４に沿って立ち上がった部位である（図６参照）。詳しくは、この実施形態では、蓋体３０は、開口４０が形成された部位４０ａが周囲より盛り上がっている。着座部４２は、開口４０が形成された部位４０ａの周囲において、段差を設けて当該部位４０ａよりも少し低い位置に設けられている。また、着座部４２は一様に平坦な面で構成されている。この実施形態では、図５に示すように、段差部４４は、着座部４２から概ね直角に立ち上がった内側面４４ａを備えている。かかる段差部４４は所要の高さｄｔおよび所要の幅ｄｗで形成されている。段差部４４の高さｄｔおよび幅ｄｗについては後で言及する。なお、この実施形態では、封口部材６０を着座部４２に着座させた状態において、段差部４４は封口部材６０の周縁部６２よりも高くなるように形成されている。また、この実施形態では、段差部４４の周りに溝４４ｂが形成されている。

また、封口部材６０は、図示は省略するが、着座部４２に着座させたときに、開口４０を覆い得る所要の大きさを備えた円板状の部材である。また、封口部材６０の中央部６０ａはその周辺部６０ｂに比べて盛り上がっている。この封口部材６０は、周辺部６０ｂを蓋体３０の着座部４２に着座させたときに、中央部６０ａが開口４０に被さる。この際、蓋体３０の開口４０が形成された部位４０ａは周囲より盛り上がっている。これに対して、封口部材６０の中央部６０ａも周辺部６０ｂに比べて盛り上がっている。このため、封口部材６０を蓋体１４の着座部４２に着座させたときに、封口部材６０の中央部６０ａが、蓋体１４の開口４０が形成された部位４０ａに当たらない。また、封口部材６０を着座部４２に着座させたとき、封口部材６０の外周縁６４は、蓋体３０の段差部４４の内側面４４ａに沿って嵌る。この実施形態では、かかる封口部材６０の周縁部６２は外側に向かうにつれて下方に傾斜した傾斜面６６を備えている。

この実施形態では、封口工程において、封口部材６０を蓋体３０の着座部４２に着座させた状態で、封口部材６０の周縁部６２と蓋体３０の段差部４４とにレーザー光Ｌを当てて、レーザー溶接をする。周縁部６２と段差部４４に周方向に連続してレーザー光Ｌを照射する。この実施形態では、レーザー光Ｌは、ＹＡＧレーザー（ＹＡＧ：イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Yttrium Aluminum Garnet））レーザーが用いられている。当該ＹＡＧレーザーの波長はアルミニウムなど金属表面に対しては反射率が９０％〜９５％程度と高い。

この実施形態では、上述したように封口部材６０の周縁部６２に外側に向かうにつれて下方に傾斜した傾斜面６６が形成されている。また、傾斜面６６の外側には段差部４４の内側面４４ａが立ち上がっている。このため、図７に示すように、傾斜面６６に当たったレーザー光Ｌの一部は、段差部４４の内側面４４ａに向けて反射する。これにより、段差部４４には上方から当たるレーザー光Ｌと傾斜面６６で反射したレーザー光Ｌとが当たる。これにより、レーザー光Ｌのエネルギが効率よく利用され、蓋体３０の段差部４４にはより多くの熱量が付与される。この場合、傾斜面６６の傾斜角を適切に調整することによって、図８に示すように、封口部材６０と蓋体３０との溶融深さが同じ程度になり、封口部材６０と蓋体３０に所要の接合強度を確保することができる。これにより、電池ケース１０に形成された開口４０を塞ぐ封口部材６０の溶接品質および信頼性を向上させることができる。

この場合、封口部材６０の傾斜面６６は、段差部４４の内側面４４ａに対してなす角度θ１が、１０°以上４５°以下の角度、より好ましくは、２０°以上４０°以下の角度になるように傾斜しているとよい。この実施形態では、段差部４４の内側面４４ａが着座部４２に対して直角に立ち上がっており、封口部材６０の傾斜面６６は、かかる内側面４４ａに対して概ね４０°で傾斜している。この場合、封口工程において、封口部材６０の傾斜面６６に上方から照射されたレーザー光Ｌが当たり易い。また、当該傾斜面６６で反射したレーザー光Ｌが段差部４４の内側面４４ａに効率よく当たる。なお、傾斜面６６の角度は、封口部材６０と蓋体３０の具体的な構成に応じて適切に調整するとよい。

また、この実施形態では、当該傾斜面６６は、封口部材６０の周縁部６２に周方向に連続して設けられており、封口工程においてレーザー溶接は封口部材６０の周縁部６２に沿って周方向に連続して行われる。この実施形態では、封口部材６０の傾斜面６６が周方向に連続しているので、封口部材６０の周縁部６２を全周にわたって封口するとともに、封口部材６０と蓋体３０とを所要の強度で接合できる。なお、この実施形態では、封口部材６０の傾斜面６６が周方向に連続しているが、封口部材６０の傾斜面６６を周方向に部分的に設けてもよい。この場合、封口部材６０と蓋体３０の接合強度を周方向において部分的に向上させることもでき、スポット的に接合強度が強い部位を形成することができる。

また、この実施形態では、封口部材６０に傾斜面６６が形成されているので、封口部材６０の傾斜面６６と、段差部４４の内側面４４ａとの間に空隙Ｓが形成されている。この実施形態では、封口部材６０を着座部４２に着座させた状態において、段差部４４は封口部材６０の周縁部６２よりも高くなるように形成されている。このため蓋体３０は溶融する部分の肉量が増えている。このように、蓋体３０側で溶融する肉量が増えているので、封口工程で封口部材６０の周縁部６２と蓋体３０の段差部４４とが溶融したときに、封口部材６０の傾斜面６６と段差部４４の内側面４４ａとの間の空隙Ｓが埋められる。これにより、溶接部分は略平坦になる。

蓋体３０の段差部４４は、封口工程で溶融したときに、封口部材６０の傾斜面６６と段差部４４の内側面４４ａとの間の空隙Ｓ（図７参照）に相当する肉量が得られるように、段差部４４の形状（例えば、高さｄｔおよび幅ｄｗ（図５参照））を調整するとよい。この実施形態では、段差部４４の溶融が促進され、適切に段差部４４を溶融させることができるので、段差部４４の形状を調整することにより、封口部材６０の傾斜面６６と段差部４４の内側面４４ａとの間の空隙Ｓを適切に埋めることができ、溶接部分７０に著しい窪みが生じるのを防止できる。例えば、この実施形態では、図５に示すように、封口部材６０の周縁部６２の厚さｔは０．４ｍｍ、また傾斜面６６は幅ｃｗが０．２ｍｍ、高さｃｔが０．３ｍｍとしている。これに対して、蓋体３０の段差部４４は、高さｄｔが０．５ｍｍ、幅ｄｗが０．４ｍｍとしている。なお、封口部材６０の厚さ、封口部材６０に設ける傾斜面６６、蓋体３０に設ける段差部４４の形状などは、かかる実施形態に限定されない。

以上、本発明の一実施形態に係る電池の製造方法を説明したが、本発明に係る電池の製造方法は上記の実施形態に限定されない。

例えば、上述した実施形態では、蓋体３０の段差部４４の内側面４４ａは、着座部４２に対して直角に立ち上がっている。これに対して、図９に示すように、段差部４４の上端周縁部に内側に向かうにつれて下方に傾斜した傾斜面４８を形成してもよい。この場合、封口工程において、当該段差部４４の傾斜面４８に反射したレーザー光Ｌが封口部材６０の周縁部６２に当たるように構成するとよい。これにより、それぞれの傾斜面６６、４８で反射したレーザーが、他方の傾斜面６６、４８に当たり、封口部材６０と蓋体３０の溶融が促進される。このように反射するレーザー光Ｌのエネルギを利用でき、効率よくレーザー溶接が行える。この場合、封口部材６０の傾斜面６６が、段差部４４に形成された傾斜面４８に対してなす角度θ２は、例えば１０°以上４５°以下の角度、より好ましくは、２０°以上４０°以下の角度であるとよい。

また、レーザー溶接に用いるレーザーはＹＡＧレーザーを例示したが、所要の出力が得られるものであれば良く、ＹＡＧレーザー以外のレーザー（例えば、ＣＯ_２レーザー）も用いることができる。また、本発明は電池の製造方法、特に、電池ケースに形成された開口に封口部材を被せ、封口部材の周縁部を溶接して開口を封口する封口工程に関する。したがって、かかる工程を有する種々の電池の製造方法に適用できる。また、本発明は、電池容器に形成した開口に、封口部材を溶接する構造として広く適用でき、電池を構成する正極および負極（電極体ユニット）或いは電解質の種類や形状に限定はない。このため、リチウム二次電池以外の電池へも広く適用し得る。電池ケースに形成された開口としては、封口部材としての安全弁が取り付けられるガス抜き用の孔や、電解液の注液口などがある。また、上述した実施形態では、かかる開口は電池ケースの蓋体に設けられているが、開口は電池ケースの容器本体２０に形成されていてもよい。

また、本発明は封口部材を安定して溶接する構造として優れている。かかる特性により、本発明に係る電池は、例えば、図１０に模式的に示すように、自動車等の車両１０００に搭載されるモーター（電動機）用の電池１００として好適に使用でき、具体的に一例を挙げれば、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車の電源（二次電池）として適用できる。

（ａ）は蓋体に設けられた開口部分を拡大した断面図であり、（ｂ）は電池ケースの構造を示す図である。 開口の封口工程を示す図。 蓋体と封口部材とに形成される溶接部分を示す断面図。 本発明の一実施形態に係る電池の製造方法において、電池ケースの蓋体と封口部材の構造を示す図。 本発明の一実施形態に係る電池の製造方法において、電池ケースの蓋体と封口部材の合わせ部分を拡大した図。 本発明の一実施形態に係る電池の製造方法において、電池ケースの蓋体と封口部材との封口工程を示す図。 図６に示す封口工程について、電池ケースの蓋体と封口部材の合わせ部分を拡大した図。 本発明の一実施形態に係る電池の製造方法において、蓋体と封口部材とに形成される溶接部分を示す断面図。 本発明の他の実施形態において、電池ケースの蓋体と封口部材の合わせ部分を拡大した図。 電池を備えた車両（自動車）を模式的に示す図。

符号の説明

１０ 電池ケース
２０ 容器本体
３０ 蓋体
４０ 開口
４０ａ 開口が形成された部位
４２ 着座部
４４ 段差部
４４ａ 段差部の内側面
４４ｂ 溝
４８ 段差部に形成された傾斜面
６０ 封口部材
６０ａ 封口部材の中央部
６０ｂ 封口部材の周辺部
６２ 封口部材の周縁部
６４ 封口部材の外周縁
６６ 周縁部に形成された傾斜面
７０ 溶接部分
１００ 電池
１０００ 車両
Ｌ レーザー光
Ｓ 空隙
Ｗｏ 合わせ部

Claims (5)

1. 電池ケースに形成された開口に封口部材を被せ、前記封口部材の周縁部を溶接して前記開口を封口する封口工程を含む、電池の製造方法であって、
   前記電池ケースは、
   前記開口の周囲に前記封口部材を着座させる着座部と、
   前記着座部に着座させた前記封口部材の外周縁に沿って立ち上がった段差部と、
   を備えており、
   前記封口部材の周縁部は外側に向かうにつれて下方に傾斜した傾斜面を備えており、
   前記封口工程において、前記封口部材を前記着座部に着座させた状態で、前記傾斜面を含む前記封口部材の周縁部と前記段差部とをレーザー溶接する、電池の製造方法。
2. 前記封口部材の傾斜面は、前記段差部の内側面に対して１０°以上４５°以下の角度で傾斜しており、前記封口工程において、前記封口部材の傾斜面に反射したレーザー光が前記段差部の内側面に当たる、請求項１に記載の電池の製造方法。
3. 前記封口部材の傾斜面は周方向に連続して設けられており、前記封口工程において周方向に連続してレーザー溶接が行われる、請求項１又は２に記載の電池の製造方法。
4. 前記封口部材を前記着座部に着座させた状態において、前記段差部は前記封口部材の周縁部よりも高くなるように形成されており、前記封口工程において、前記段差部が溶融することによって前記封口部材の傾斜面と前記段差部の内側面との間の空隙が埋められる、請求項１から３までの何れか一項に記載の電池の製造方法。
5. 前記段差部は、上端周縁部に内側に向かうにつれて下方に傾斜した傾斜面が形成されており、前記封口工程において、前記段差部の傾斜面を含むように前記封口部材の周縁部と前記段差部とをレーザー溶接した、請求項１から４までの何れか一項に記載の電池の製造方法。
   
   

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