JP2010283114A - エネルギーデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーデバイスにおいて、電極と集電板の接合に信頼性を高めることができる接合方法を提供する。
【解決手段】第一の集電体２１の端面上に第一の集電板５を、第二の集電体３１の端面上に第二の集電板６を、少なくともどちらか一方を配置する工程と、
前記第一の集電板５または／および前記第二の集電板６に対し、少なくとも前記第一の集電板５と前記第一の集電体２１が、レーザー波長７９０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下の半導体レーザーを、配光または／かつ集光し、前記第一の集電板５に対し相対移動させながら、レーザー光が前記第一の集電板５を貫通することなく、照射始点の照射量より照射終点の照射量が小さくなるように直接照射され、前記第一の集電板５から前記第一の集電体２１への熱伝導によって前記第一の集電板５と前記第一の集電体２１とを接続する工程と、を含むエネルギーデバイスの製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、アルミ電解コンデンサ、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池などのエネルギーデバイス製造方法に関する。

近年、携帯機器等の電子機器に対する高機能化、および小型化のニーズが高まっている。電子機器の高機能化および小型化に対応するため、電源に用いられるアルミ電解コンデンサ、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池なども、更なる高容量化、高信頼化、および高出力化が求められている。

高出力を得るための技術の一つとして、集電抵抗の低減化が考えられる。集電抵抗を低減させるために、リチウムイオン二次電池の正極側および負極側の集電板の中央にあいている穴部を除いて、縦横十文字にレーザー照射を行い、集電板を正極および負極の集電体に接合することで、集電抵抗を大幅に減少させ、高出力化を図ることが開示されている（特許文献１）。

また、電気二重層キャパシタやアルミ電解コンデンサについても端子接続スペースの低減や集電抵抗の低減をするために、レーザー接合法を用いた集電構造について提案がされている（特許文献２、特許文献３）。

これらエネルギーデバイスの集電体として、アルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられている。特にアルミニウムの溶接法としては、ＹＡＧレーザーをパルス状に照射し、出力波形のピーク値を順次低くする溶接方法が提案されている（特許文献４）。

しかしながら、アルミニウムまたはアルミニウム合金のレーザー接合において、ＹＡＧレーザー（波長１．０６μｍ）を用いた場合、単位面積当たりのレーザー出力密度が大きいため、プラズマが発生し、それと共に金属蒸気が激しく飛び出す、いわゆるスパッタとよばれる溶融アルミニウムの飛散、アルミニウム集電板の貫通穴、クラックが生じてしまうことがあった。スパッタは、アルミニウム微粒子が電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタ内に混入すると、電気特性上、短絡やサイクル特性の劣化を引き起こす原因となる。また、アルミニウム集電板の貫通穴やクラックは、アルミニウム集電板の強度劣化や集電抵抗の増加につながる。そのため、アルミニウム集電板の厚みを増加させる等の補強が必要となり、電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタのサイズの増大にもつながることになる。

そこで、レーザーの照射位置をワークに対して相対移動（スキャン）させながら半導体レーザーを照射する、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶接方法が提案されている（特許文献５）。

半導体レーザーは、ＹＡＧレーザーに比べて短波長であり、アルミニウムの吸収率が高く、溶融面積も広く、かつ溶け込みの深さを制御することができる。そのため、キーホール型の溶接で生じるスパッタ、アルミニウム集電板の貫通穴、クラックを発生させることなく、アルミニウム集電板とアルミニウム集電体を広い面積で接合させることが可能である。

特開２００８−２１６４４号公報 特開２００５−２９４３４４号公報 特開２００５−７９２７２号公報 特開平６−２１０４７２号公報 特開２００５−２４６４５４号公報

しかしながら、発明者らが鋭意検討した結果、半導体レーザーは熱伝導型の溶接であるため、ＹＡＧレーザーに比べてレーザー照射部周辺への熱伝導が非常に大きい。そのため、例えば円板状の集電板の内周から外周に向けて相対移動（スキャン）させながら、連続または間欠で照射させる場合、内周（この場合は照射始点）において発生した熱が周辺に広がり集電板の温度が高くなる。そのため、引き続いて外周（この場合照射終点）に向けて相対移動しながらレーザー照射を行うと、集電板が溶融しやすくなっているためにアルミニウム溶融が、大きくなってしまう。特に外周においては相対移動方向に熱伝導される、周辺のアルミニウムがなくなるために熱が集中しやすく、温度が上昇する。さらに相対移動方向に対して垂直な方向に熱伝導するために、アルミニウム溶融が、過剰に大きくなってしまい、集電体との接合部も過剰に大きくなってしまう。それにより、集電体への熱伝導量が大きくなり、セパレータの溶融や電極に含まれるバインダーの劣化など、セパレータを介して正極および負極が巻回または積層した電極群内部の熱ダメージを引き起こすという問題が発生する。

そこで、本発明はこのような課題を解決し、半導体レーザー接合時に発生する集電板から電極群への過剰な熱伝導による熱ダメージを抑制し、接合面積がほぼ一定に確保できる、アルミニウム集電板とアルミニウム集電体を接合させた電池、コンデンサなどのエネルギーデバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、第一の集電体上に第一の蓄電層が形成された第一の電極と、第二の集電体上に第二の蓄電層が形成された第二の電極とが、セパレータまたは／かつ電解質を介して狭持された電極群を作製する工程と、前記第一の集電体の端面上に第一の集電板を、前記第二の集電体の端面上に第二の集電板を、少なくともどちらか一方を配置する工程と、前記第一の集電板または／および前記第二の集電板に対し、少なくとも前記第一の集電板と前記第一の集電体が、レーザー波長７９０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下の半導体レーザーを、配光または／かつ集光し、前記第一の集電板に対し相対移動させながら、レーザー光が前記第一の集電板を貫通することなく、照射始点の照射量より照射終点の照射量が小さくなるように直接照射され、前記第一の集電板から前記第一の集電体への熱伝導によって前記第一の集電板と前記第一の集電体とを接続する工程と、を含むエネルギーデバイスの製造方法に関する。

また、本発明は、前記レーザー光が前記第一または／かつ第二の集電板の内周より外周に向けて相対移動させる製造方法に関する。

また、本発明は、前記第一または／かつ第二の集電板が穴付きの円板であり、前記電極群が円筒状の巻回体であるエネルギーデバイスの製造方法に関する。

また、本発明は、前記第一の集電板または／かつ前記第二の集電板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金であるエネルギーデバイスの製造方法に関する。

本発明によると、セパレータを介して正極および負極が巻回された電極群内部への熱ダメージを抑制し、アルミニウム集電板とアルミニウム集電体の接合面積がほぼ一定に制御することが可能な電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタなどエネルギーデバイスの製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１における電極群の斜視図 本発明の実施の形態１におけるエネルギーデバイスの図１の縦断面Ａにおける断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における第一の集電板と第一の電極との接合部の断面図、（ｂ）第一の露出部を形成しない場合の第一の集電板と第一の電極との接合部の断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における第二の集電板と第二の電極との接合部の断面図、（ｂ）第二の露出部を形成しない場合の第二の集電板と第二の電極との接合部の断面図 本発明の実施の形態１におけるレーザー照射部を表す円板集電板の表面図 参考例１におけるサンプルの断面の金属組織写真 比較例1におけるサンプルの断面の金属組織写真

（実施の形態１）
本実施の形態にかかるエネルギーデバイスを、電気二重層キャパシタを一例として説明する。

図１に示すように、本発明のエネルギーデバイスの電極群１は、セパレータ４を介して第一の電極２（正極）および第二の電極３（負極）を巻回している。図１の電極群１を縦断面Ａで切り取った断面図を図２に示す。第一の集電体２１と活性炭を含む第一の蓄電層２２からなる第一の電極２は、セパレータ４を介して、第一の集電板５の幅方向の一端に第一の露出部２３が形成されている。第二の露出部３３も同様に、第二の集電体３１と活性炭を含む第二の蓄電層３２からなる第二の電極３は、セパレータ４を介して、第二の集電板６の幅方向の一端に第二の露出部３３を形成している。

なお、本発明における蓄電層は、エネルギーデバイスの実質的に蓄電に寄与する層であり、例えばエネルギーデバイスが電気二重層キャパシタの場合は、少なくとも分極性材料である活性炭を含む層を、リチウム二次電池の場合は、少なくともリチウムイオンを挿入脱離可能な活物質を含む層を、アルミ電解コンデンサの場合は、エッチングにより拡面化され、電解酸化により酸化アルミが形成された層をいう。

第一の電極２の第一の露出部２３および第二の電極３の第二の露出部３３が、互いに反対方向に突出するように第二の電極２および第二の電極３は、タブレス状に配置されている。

なお、本発明において、第一かつ第二の集電板と第一かつ第二の集電体とを、それぞれタブレス状に配置したが、どちらか一方がタブリードを接続したものやケースに直接接続したものでも良い。

セパレータ４には、ポリプロピレンやクラフト紙などを主成分とした不織布や、ポリオレフィンを主成分としたシートなどの多孔質膜を用いる。

図２の第一の集電板５と第一の集電体２１との接合箇所７、第二の集電板６と第二の集電体３１との接合箇所８をそれぞれ拡大したものを図３および図４に示す。

図３（ａ）に示すように、第一の集電体２１には、第一の集電板５の幅方向の一端に第一の露出部２３が形成されており、第一の集電体２１のうち第一の露出部２３以外の部分には、活性炭を含む第一の蓄電層２２が形成されている。第一の集電体２１の第一の露出部２３の端と、第一の集電板５は接合箇所７で接合している。リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電層が耐熱性の低いバインダーなどを含んでいる場合は、第一の露出部２３を設けて接合するのがよい。

なお、アルミ電解コンデンサのような電気化学エッチングによって拡面化され電解酸化によって第一の蓄電層２２が設けられている場合は、比較的耐熱性が高いので、第一の集電体２１上に第一の露出部２３を形成していなくてもよく、第一の蓄電層２２および第一の集電体２１が第一の集電板５と接合していてもよい（図３（ｂ））。

図４（ａ）も同様に、第二の集電体３１には、第二の集電板６の幅方向の一端に第二の露出部３３が形成されており、第二の集電体３１のうち第二の露出部３３以外の部分には、活性炭を含む第二の蓄電層３２が形成されている。第二の集電体３１の第二の露出部３３の端と、第二の集電板６は接合箇所８で接合している。リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電層が耐熱性の低いバインダーなどを含んでいる場合は、第二の露出部３３を設けて接合するのがよい。

なお、アルミ電解コンデンサのような電気化学エッチングによって拡面化され電解酸化によって第二の蓄電層３２が設けられている場合は、比較的耐熱性が高いので、第二の集電体３１上に第二の露出部３３を形成していなくてもよく、第二の蓄電層３２および第二の集電体３１が第二の集電板５と接合していてもよい（図４（ｂ））。

第一の集電体２１および第二の集電体３１には、アルミニウムやアルミニウム合金の箔状のものを用いるのが好ましい。

図５に示すように、第一の集電板５および第二の集電板６には、アルミニウムまたはアルミニウム合金の板を用いるのが好ましく、巻回体が円筒状の場合は、電解液の注液速度を高めるために、中央に穴部９を有する円板を用いるのが好ましい。第一の集電板５および第二の集電板６と、第一の露出部２３および第二の露出部３３を接合するには、穴部９を中心にして形成した縦横十文字１５上にレーザー照射を行う。このとき、照射を開始する時に照射した照射始点の照射量と、照射を終了する時の照射終点の照射量とでは、後者の照射量は前者の照射量より低減する。穴部９にはレーザー照射をしない。レーザーは、半導体レーザーを使用し、第一の集電板５および第二の集電板６と、集電体の第一の露出部２３および第二の露出部３３の端面が接合される。使用するレーザーは、波長が７９０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下の半導体レーザーを用いるのが好ましい。波長が７９０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下で照射すると、アルミニウムの吸収率が高く、溶融面積も広く、かつ溶け込みの深さを制御することができるため、集電板に付与される過剰な熱を低減させることができる。

電極群１が、円筒状の巻回体の場合、内周より外周のほうが蓄電層の面積が大きく、蓄電量が大きいため、接合部に流れる電流量は内周より外周のほうが大きくなる。そのため、接合部に流れる電流密度を一定にするという観点からは、内周より外周の接合部が大きく、溶融部の幅は大きいほうが良い。しかしながら、電極群１への熱ダメージを抑制するという観点からは、過剰な集電板の溶融は避けなければならず、レーザー照射量を必要最小限に止めるようアルミニウム集電板の溶融量を制御することが重要である。

以下に、集電板に半導体レーザーを照射する事例で、集電板における熱伝導について説明する。

（参考例１）
直径８ｍｍの穴を有する直径２８ｍｍ、厚み０．８ｍｍの合金番号１０５０のアルミニウム円板４０をブラスト処理により算術平均表面粗さＲａを１．４μｍにした。

上記アルミニウム円板４０に、アルゴン雰囲気下、波長９４０ｎｍ、一定出力０．６ｋＷ、焦点サイズ０．８ｍｍ×３．２ｍｍの半導体レーザー光を、内周（Ｄ）に０．４秒間照射し、その２秒後に外周（Ｅ）に０．３秒間と、間欠的に照射したサンプルを参考例１とした。照射後の状態を図６に示す。

（比較例１）
参考例１の照射時間を、内周（Ｄ）に０．４秒間照射し、その２秒後に外周（Ｅ）に０．４秒間照射したサンプルを比較例２とした。照射後の状態を図７に示す。

なお、本参考例１、比較例１の内周（Ｄ）は照射始点を、外周（Ｅ）は照射終点を意味する。

〈溶接性評価〉
参考例１のレーザーにより溶融したアルミニウム箇所をレーザー溶融部１１５と、熱伝導により溶融したアルミニウムの箇所を熱伝導溶融部１１６とした。

比較例１のレーザーにより溶融したアルミニウム箇所をレーザー溶融部１１７と、熱伝導により溶融したアルミニウムの箇所を熱伝導溶融部１１８とした。

外周（Ｅ）の参考例１の熱伝導溶融部１１６、比較例１の熱伝導溶融部１１８の幅は、ともに内周（Ｄ）の熱伝導溶融部の幅よりも大きくなっていることがわかる。これは、内周（この場合は照射始点）において発生した熱が周辺に広がり集電板の温度が高くなり、引き続いて外周（この場合照射終点）に向けて相対移動させレーザー照射を行ったため、集電板が溶融しやすくなっており、アルミニウム溶融が、大きくなったことが原因と考えられる。

外周（Ｅ）における参考例１の熱伝導溶融部１１６の幅と、比較例１の熱伝導溶融部１１８の幅を比較すると、比較例１のほうが大きく広がっていることがわかる。これは、外周（Ｅ）における照射時間が、参考例１より比較例１のほうが長かったため、照射量が参考例１より多くなり、熱伝導が広がったことが原因と考えられる。

このことから、アルミニウム板とアルミニウム箔とを、半導体レーザーを用いて接合するには、照射時間を検討し、照射量を制御することによって、半導体レーザーの熱伝導による電極群への熱ダメージを抑制し、接合面積がほぼ一定に確保できることがわかる。照射量を制御するためには、アルミニウム集電板の内周より外周のレーザー照射時間を短くすることが好ましい。

なお、照射量は、レーザー出力を小さくすることで制御しても良い。

なお、レーザー光を外周から内周方向に向かって相対移動させる巻回形エネルギーデバイスの場合は、外周より内周の照射量が少ないことが好ましい。

なお、本願の参考例１では、半導体レーザーを間欠的に照射したが、連続的に照射してもよい。内周から外周に向けて連続的に照射する場合は、照射時間を制御するために走査速度を変化させる必要がある。また、内周の照射エネルギー密度より外周の照射エネルギー密度を小さくすることでアルミニウム溶融面積を制御するのが好ましい。

本発明は、セパレータの溶融や電極に含まれるバインダーの劣化など、電極群内部の熱ダメージを低減し、集電板と集電体の接合の信頼性を高くすることができるため、特にアルミニウムを主成分とする材料の接合の高信頼性が要求される、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、アルミ電解コンデンサなどのデバイスに適用することができる。

１ 電極群
２ 第一の電極
３ 第二の電極
４ セパレータ
５ 第一の集電板
６ 第二の集電板
７，８ 接合箇所
９ 穴部
１５ 縦横十文字
２１ 第一の集電体
３１ 第二の集電体
２２ 第一の蓄電層
３２ 第二の蓄電層
２３ 第一の露出部
３３ 第二の露出部
４０ アルミニウム円板
１１５，１１７ レーザー溶融部
１１６，１１８ 熱伝導溶融部

Claims (4)

1. 第一の集電体上に第一の蓄電層が形成された第一の電極と、第二の集電体上に第二の蓄電層が形成された第二の電極とが、セパレータまたは／かつ電解質を介して狭持された電極群を作製する工程と、
   前記第一の集電体の端面上に第一の集電板を、前記第二の集電体の端面上に第二の集電板を、少なくともどちらか一方を配置する工程と、
   前記第一の集電板または／および前記第二の集電板に対し、少なくとも前記第一の集電板と前記第一の集電体が、レーザー波長７９０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下の半導体レーザーを、配光または／かつ集光し、前記第一の集電板に対し相対移動させながら、レーザー光が前記第一の集電板を貫通することなく、照射始点の照射量より照射終点の照射量が小さくなるように直接照射され、前記第一の集電板から前記第一の集電体への熱伝導によって前記第一の集電板と前記第一の集電体とを接続する工程と、
   を含むエネルギーデバイスの製造方法。
2. 前記レーザー光が前記第一の集電板または／かつ前記第二の集電板の内周より外周に向けて相対移動させることを特徴とする請求項１に記載のエネルギーデバイスの製造方法。
3. 前記第一の集電板または／かつ前記第二の集電板が穴付きの円板であり、前記電極群が円筒状の巻回体である請求項１または２に記載のエネルギーデバイスの製造方法。
4. 前記第一の集電板および前記第二の集電板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項１から３に記載のエネルギーデバイスの製造方法。