JP2011255420A - 接合装置および接合方法ならびに電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ光の導波路となる中空ツール2に、先端ほど径が細くなる環状ノズル3を設け、狭く深い部分を溶接する際に、環状ノズル3を溶接部分に挿入し、中空ツール2を通って環状ノズル3から溶接部分にレーザ光1を照射することにより、レーザ光1が直接照射される溶接部分が溶融接合すると共に、環状ノズル3がレーザ光1の照射を受けて加熱されることにより環状ノズル3と接触する溶接部分が熱拡散接合することにより、治具等の設置が困難な場所を溶接する場合であっても、容易な方法でスパッタの発生を抑制すると共に、接合面積を確保することができる。
【選択図】図1
Description
図7は電池の構造を示す図であり、図7(a)は縦断面図、図7(b)は底面図である。図10は従来の接合方法を説明する図である。
この原理は、ニッケルないし、ニッケルメッキされた銅クラッド材を、ニッケルメッキされた深絞り円筒形状の鉄缶(以下円筒缶76と略す)の内面底で、長い棒状のタングステン電極で挟み込み、大電流を流して接触部の接触抵抗による発熱で接合界面の金属を溶解して溶接するものである。しかし、接触部を大電流でショートさせるのでスパッタを皆無にするのは困難である。そのため、タングステン電極には積層構造の薄膜電極が接合されるが、スパッタ混入により正極板と負極板とが内部短絡して急激な温度上昇が発生する恐れがあり、信頼性の確保が困難であった。
この方法は、図10に示すように、金属片91aと93を筒状治具で押えて、レーザ光Aを照射することにより接合界面を溶解し、金属片91aと93とを接合する方法である。しかしこの方法では、樹脂や低融点金属であれば接合ができるが、ニッケル等融点が1000℃を超える金属を接合する場合は、熱が筒状治具に多く奪われ、融点を超えることは困難であり、高融点材料の接合には不向きである。万一接合できたとしても温度勾配により中心部のみで接合し、接合した面積が小さいので接合部の電気抵抗が高く、大電流を流す必要のあるEVやHEVでは発熱で本来のリチウム電池の高密度・大電流の能力を十分活かすことができなかった。しかも、スパッタが発生した場合、治具上方に空間が空いている為、スパッタが外へ飛び出して品質の低化を招くという問題点も残る。
また、前記環状ノズルの前記接合対象と接触する面に凹凸を有することが好ましい。
また、前記凹凸を前記環状ノズルの内壁から外壁にわたって溝が形成されるように形成することが好ましい。
また、前記中空ツールと前記光ファイバの間に隙間を設けることが好ましい。
さらに、本発明の接合方法は、レーザ光の導波路を備える中空ツールと、前記中空ツールの先端に設けられて内壁が内向きのテーパ形状である中空の環状ノズルとからなる接合装置を用いて接合対象を接合する接合方法であって、前記環状ノズルの先端を前記接合対象に圧接させる圧接工程と、前記中空ツールを介して前記環状ノズルから前記接合対象に前記レーザ光を照射する照射工程とを有し、前記レーザ光が直接照射される箇所を熱伝導型溶接し、前記環状ノズルの内壁に前記レーザ光が照射されて前記環状ノズルが加熱されることにより、前記接合対象の前記環状ノズルが接する部分を熱拡散接合することを特徴とする。
また、前記照射工程中に、前記接合対象の前記環状ノズルが圧接される面の裏面を加熱することが好ましい。
本発明の基本的な原理は、熱に弱い積層電極の中央部の僅かな空間をカテーテルのようにくぐり、円筒缶電池の様に底の深いテール部にノズル先端を当て、光ファイバ等を介し出射されたレーザ光を封じ込めて熱伝導型溶接ないし熱拡散接合することによりスパッタの発生を完全に封じ込める方式である。
本発明に係わる他の接合方法としては、中空ツールで電極を加圧した状態で、第1部材である電極のレーザ照射面と、中空ツールの先端部のレーザ光部分吸収部を、低輝度でロングパルスである第1のレーザ光で電極が溶融直前の温度まで加熱しておき、1m秒から100m秒程度の高輝度で短パルスのレーザパワーに切り替えることにより、電極と円筒缶との接触面の融点を瞬時で超えて熱伝導型のレーザ溶接をさせることも可能である。また、中空ツール先端の加圧環状面の電極の反対面の接合界面では、融点に達していなくても加圧力により熱拡散接合ができる。
また、中空ツールの先端加圧部に菊座の様な複数の凹凸部を設けることにより、本接合方式で接合された電極は回転モーメントに対して強い接合が実現できるので振動等に強い信頼性の高い電池を提供することができる。
なお、レーザで裏面をアシスト加熱する場合は照射面で対象な2つの空間からでてくる不活性ガスが衝突する構造にしておくと、より不活性ガス純度の高い状態となるので円筒缶の表面はニッケルメッキダメージを無くせるので、外的腐食に強い信頼性の高い電池を提供できる。
図1は本発明の接合方法の工程を説明する断面図、図2は本発明の中空ツールの構成例を示す図、図3は本発明の環状ノズルの構成例を示す図、図4は本発明のレーザパルスを制御する接合方法を説明する図、図5は本発明のレーザパルスを制御する接合方法を説明するレーザパワー遷移図、図6は本発明の環状ノズルの先端に凹凸を形成する場合の構成例を示す図、図8は本発明の接合形状を説明する概略底面図、図9は本発明の接合形状例を示す概略底面図である。
以下の説明においては、円筒缶電池の内部底面である円筒缶テール部6に電極7を溶接する際に、円筒缶電池の積層電極の隙間から中空ツール2を挿入し、環状ノズル3を円筒缶テール部6上に載置した電極7に接触させ、中空ツール2を介してレーザ光1を電極7に照射することによって、円筒缶テール部6に電極7を接合する方法を例に説明する。
図1(c)は加圧状態でレーザ光1を照射し続けて、電極7から円筒缶テール部6にわたり溶融部14が形成された状態を示す。この時中空ツール2の先端の環状ノズル3で加圧された電極7の環状面15の反対面は中空ツール2の環状ノズル3がレーザ光4により加熱されるため、環状ノズル3による加圧と加熱により接合されて熱拡散接合部16が形成される。
中空ツール2の先端にレーザ光の吸収率の高いSiC等の耐熱セラミックス製のノズル20を高温用接着材18で接着していて、中空ツール2の内部には高温耐熱の光ファイバ21がテーパ部22まで挿入されている。この光ファイバ21のコア23から出射されるレーザ光の内、直接電極7を加熱する直接加熱ビーム24とノズル20の筒の内壁を加熱し、伝熱で電極7を間接的に加熱するビーム25で電極7が加熱されている。
図4はレーザパワーP(W)の波形制御により、より効果的に接合できる過程を示す。
図4はノズル20で電極7を加圧した状態を示し、図5はノズル20を介して照射するレーザ光1のレーザパワーの時間遷移を示す。
図6は第1の実施例の接合方法において、加圧部を凸凹にして回転モーメントに対して強い接合を実現した例を示す。
図7に本発明の接合方法で接合された接合体の1実施例として電池の構造を示す。
上記においては、円筒缶電池のテール接合をカテーテルの様なレーザ導波管を差し込んで加圧して接合する実施例で説明したが、同様なテール接合する形状であれば、電池に限らず金属や非金属がガラスや樹脂等材料を選ばずに加圧接合や熱接合できることは自明である。
また円筒缶に限らず、深絞りケースの内面テール部に電極や他の部品を加圧と加熱して接合することもできる。
ここで、上記に例示した各実施例は互いに組み合わせて用いることも可能である。
2・・・中空ツール
3・・・環状ノズル
4・・・一部のレーザ光
5・・・接触部
6・・・円筒缶テール部
7・・・電極
8・・・不活性ガス
9・・・電極表面
10・・・支持台
12・・・加圧部の反対の面
13・・・アシストレーザ光
14・・・溶融部
15・・・環状面
16・・・熱拡散接合部
17・・・溶融固化部
18・・・高温接着剤
19・・・くぼみ変形部
20・・・ノズル
21・・・光ファイバ
22・・・テーパ部
23・・・コア
24・・・直接加熱ビーム
25・・・間接加熱ビーム
26・・・N2ガス
27・・・電圧
30・・・凸レンズ
31・・・ノズル
32・・・レーザ光
33・・・集光ビーム
40・・・レーザ照射面
41・・・レーザ光部分吸収部
42・・・加熱部
43・・・伝熱部
44・・・加圧電極部
45・・・接合界面
46・・・第1のレーザ光
47・・・第2のレーザ光
60・・・先端加圧部
61・・・くぼみ部
62・・・平面部
63・・・接合界面
64・・・金属蒸気
65・・・出口
66・・・隙間
67・・・高圧・低流量の不活性ガス
70・・・積層電極
71・・・中心軸
72・・・円筒缶の底部
73・・・ドーナッツ型熱拡散接合部
74・・・凹型熱拡散接合部
75・・・溶融部
76・・・円筒缶
80・・・積層箔電極
81・・・大電流電源
82・・・部分溶融部
91a・・・金属片
93・・・金属片
Claims (13)
- レーザ光の導波路を備える中空ツールと、
前記中空ツールの先端に設けられて内壁が内向きのテーパ形状である中空の環状ノズルと
を有し、前記環状ノズルを接合対象に接触させた状態で中空ツールを介して前記接合対象に前記レーザ光を照射することにより、前記レーザ光が直接照射される箇所を熱伝導型溶接し、前記環状ノズルの内壁に前記レーザ光が照射されて前記環状ノズルが加熱されることにより、前記接合対象の前記環状ノズルが接する部分を熱拡散接合することを特徴とする接合装置。 - 前記レーザ光の照射により、前記接合対象の前記レーザ光が直接照射される箇所が前記接合対象の融点以上沸点以下の温度で液状化し、前記接合対象の前記環状ノズルが接する部分が前記接合対象の融点以下の温度で軟化することを特徴とする請求項1記載の接合装置。
- 前記環状ノズルがセラミックス製であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の接合装置。
- 前記環状ノズルの前記接合対象と接触する面に凹凸を有することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の接合装置。
- 前記凹凸を前記環状ノズルの内壁から外壁にわたって溝が形成されるように形成することを特徴とする請求項4記載の接合装置。
- 前記導波路が光ファイバであることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の接合装置。
- 前記中空ツールと前記光ファイバの間に隙間を設けることを特徴とする請求項6記載の接合装置。
- レーザ光の導波路を備える中空ツールと、前記中空ツールの先端に設けられて内壁が内向きのテーパ形状である中空の環状ノズルとからなる接合装置を用いて接合対象を接合する接合方法であって、
前記環状ノズルの先端を前記接合対象に圧接させる圧接工程と、
前記中空ツールを介して前記環状ノズルから前記接合対象に前記レーザ光を照射する照射工程と
を有し、前記レーザ光が直接照射される箇所を熱伝導型溶接し、前記環状ノズルの内壁に前記レーザ光が照射されて前記環状ノズルが加熱されることにより、前記接合対象の前記環状ノズルが接する部分を熱拡散接合することを特徴とする接合方法。 - 前記照射工程が、
第1のレーザパワーの第1のレーザ光を照射することにより前記接合対象を加熱する第1の照射工程と、
前記第1のパワーよりパワーが大きく、前記第1のレーザ光より波長の短い第2のレーザ光で前記接合対象を接合する第2の照射工程と
からなることを特徴とする請求項8記載の接合方法。 - 前記第2のレーザ光の照射により、前記接合対象の前記第2のレーザ光が直接照射される箇所が前記接合対象の融点以上沸点以下の温度で液状化され、前記接合対象の前記環状ノズルが接する部分が前記接合対象の融点以下の温度で軟化されることを特徴とする請求項9記載の接合方法。
- 前記照射工程中に、前記接合対象に不活性ガスを流すことを特徴とする請求項8〜請求項10のいずれかに記載の接合方法。
- 前記照射工程中に、前記接合対象の前記環状ノズルが圧接される面の裏面を加熱することを特徴とする請求項8〜請求項11のいずれかに記載の接合方法。
- 円筒缶と、
前記円筒缶内に内蔵される積層電極と、
前記円筒缶内に前記円筒缶低部を露出して形成される中空部と、
前記円筒缶低部に請求項8〜請求項12の接合方法で接合される電極と
を有することを特徴とする電池。
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