JP2013222588A - 二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集電板と負極端子とをレーザー溶接にて接合する際に、溶接部分に十分なエネルギーを与えることにより溶接を完全な状態とし、集電端子と集電体との接合強度を確保して電池の信頼性を向上させることが、低コストで可能となる、二次電池の製造方法を提供する。
【解決手段】二次電池の製造方法は、銅又は銅合金からなる負極端子４０と、銅又は銅合金からなる集電板４５と、をレーザー溶接により接合する接合工程を備え、接合工程は、第一工程と、該第一工程の後に行われる第二工程と、を備え、第一工程は、レーザー光Ｒにおけるパルス波形の初期出力値が２ｋＷ以上であって、平均エネルギー密度が７５００Ｊ／ｍｍ²以上かつ１５０００Ｊ／ｍｍ²以下となるように設定され、第二工程は、レーザー光Ｒにおけるパルス波形の出力値が、初期出力値の１／３から１／２である一定値となるように設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の製造方法に関し、特に、二次電池の製造にあたりコストを低減させる技術に関する。

従来、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等の二次電池においては、それぞれ帯状に形成された正極と負極とが、セパレータを介して互いに重ねられる。そして、これらを巻き取って電極体が構成され、この電極体が密閉容器内に収容される。電極体が生じさせる電力を外部へ取り出す構成としては、電極体を構成する正極及び負極にそれぞれ集電板を接続する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

前記の如く負極に接続した集電板と負極端子とを接合する際には、一般的にレーザー溶接が用いられる。負極集電板の材質として用いられる銅は、レーザービームに対する反射率が高いため、溶接部分に十分なエネルギーを与えることができず、溶接が不完全な状態となる。このような場合、集電端子と集電体との接合強度が確保されず、電池の信頼性を低下させる要因となる。

前記特許文献に係る従来技術の構成によれば、銅若しくは銅を主体とする合金からなる銅層部と、銅よりもレーザー光反射率が低い金属若しくは該金属を主体とする合金からなる金属層部と、を有する複数層部により、銅層部及び金属層部が両側の表面層を形成して負極集電板を構成している。これにより、負極集電板におけるレーザービームに対する反射率を抑制し、負極端子との溶接性を向上させているのである。

特開２００１−１１８５６３号公報

しかし、前記特許文献に係る従来技術は、前記の如く銅層部と金属層部とを有する複数層部により負極集電板を構成しているため、溶融部の抵抗が大きくなり、大電流を必要とする高出力用の電池には不適であった。また、複数層部により負極集電板を構成した場合、材料コストが肥大化する可能性があった。

一方、負極集電板におけるレーザービームに対する反射率を抑制するために、負極集電板において最初にレーザービームが照射される部分に、予めグリーンレーザーを照射しておき、負極集電板の表面を荒らした後にレーザー溶接を行う技術も知られている。
しかし、このようにレーザーの照射を２工程とすると、工数の増加に繋がるとともに、設備費が肥大化する場合があった。

本発明は、上記の状況を鑑み、集電板と負極端子とをレーザー溶接にて接合する際に、溶接部分に十分なエネルギーを与えることにより溶接を完全な状態とし、集電端子と集電体との接合強度を確保して電池の信頼性を向上させることが、低コストで可能となる、二次電池の製造方法を提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、銅又は銅合金からなる外部端子と、銅又は銅合金からなる集電板と、をレーザー溶接により接合する接合工程を備える、二次電池の製造方法であって、前記接合工程は、第一工程と、該第一工程の後に行われる第二工程と、を備え、前記第一工程は、レーザー光におけるパルス波形の初期出力値が２ｋＷ以上であって、平均エネルギー密度が７５００Ｊ／ｍｍ²以上かつ１５０００Ｊ／ｍｍ²以下となるように設定され、前記第二工程は、レーザー光におけるパルス波形の出力値が、前記初期出力値の１／３から１／２である一定値となるように設定されるものである。

本発明によれば、二次電池の製造に際して、集電板と負極端子とをレーザー溶接にて接合する際に、溶接部分に十分なエネルギーを与えることにより溶接を完全な状態とし、集電端子と集電体との接合強度を確保して電池の信頼性を向上させることが低コストで可能となる。

二次電池において集電板と負極端子とを接合する状態を示した図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ第一実施例、第二実施例に係る二次電池の製造方法におけるレーザー光のパルス波形を示した図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ第一比較例、第二比較例に係る二次電池の製造方法におけるレーザー光のパルス波形を示した図。 （ａ）は第一実施例、第二実施例、第一比較例、第二比較例における評価結果を示した図、（ｂ）はレーザー光のエネルギー密度と溶け込みの関係を示した図、（ｃ）はレーザー光の照射時間と溶け込みの関係を示した図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。

図１を参照して、本発明に係る二次電池の製造方法における集電板と負極端子との接合状態について説明する。
二次電池は、発電要素と、発電要素を内部に収納する電池容器である外装と、外装から外方に向けて突出する外部端子を具備する。図１においては、外装の一部である蓋部３２において、外部端子の一つである負極端子４０が配置されている部分を図示している。なお、発電要素や正極端子等、他の二次電池の構成要素については図示を省略する。

負極端子４０は、突出部４１と、ケース４２と、接続部４３と、で構成されており、本明細書では、突出部４１、ケース４２、接続部４３を総称して負極端子４０と記載する。突出部４１はその一部（図１における上部）が蓋部３２から二次電池の外方に突出した状態で、ケース４２を介して蓋部３２に固定される。突出部４１は後述するように、接続部４３を介して集電板４５と電気的に接続されている。本実施形態において、接続部４３の材料としては材質Ｃ１１００、厚さ１．０ｍｍの銅板が採用されている。負極端子４０は、絶縁部材５２によって蓋部３２と電気的に絶縁されている。なお、負極端子４０を銅合金で形成することも可能である。負極端子４０及び集電板４５は、発電要素に蓄えられる電力を外部に取り出す、若しくは、外部からの電力を発電要素に取り入れる通電経路として機能する。

発電要素は、正極、負極及びセパレータを積層又は巻回してなる電極体に電解液を含浸させたものである。二次電池の充放電時に発電要素内で化学反応が起こる（厳密には、正極と負極との間で電解液を介したイオンの移動が起こる）ことによって電流の流れが発生する。

負極端子４０は、集電板４５を介して負極側の発電要素と電気的に接続される。具体的には、集電板４５はその本体部分が外装に収容され、当該本体部分は外装の内部で発電要素の負極板と接続されている。そして、集電板４５の一部である接合板４５ａが、蓋部３２に形成された孔３２ａから突出して配設されている。さらに、接合板４５ａと負極端子４０の接続部４３とが図１に示す如くレーザー溶接されることにより、負極端子４０と発電要素とが電気的に接続されるのである。本実施形態において、負極側の集電板４５の材料としては材質Ｃ１１００、厚さ０．５ｍｍの銅板が採用されている。なお、集電板４５を銅合金で形成することも可能である。また、集電板４５は、絶縁部材５１によって蓋部３２と電気的に絶縁されている。

本実施形態において、接合板４５ａと接続部４３とは図１に示す如くレーザー溶接装置によってレーザー溶接される。レーザー溶接装置は、制御部７１と照射部７２とがケーブル７３で接続されて構成される。そして、レーザー溶接装置は接合工程において、図１に示す如く照射部７２からレーザー光Ｒを接合板４５ａに照射する。そして、接合板４５ａと接続部４３とを溶解させた端子接合部Ｗを形成することにより、接合板４５ａと接続部４３とを溶接するのである。本実施形態における照射部７２は、レーザー光源としてファイバーレーザーを備えている。制御部７１は、後述するように照射部７２から照射するレーザー光Ｒにおけるパルス波形の出力値（ｋＷ）及び照射時間（ｍＳ）を調節することができる（図２及び図３を参照）。

次に、図２（ａ）を参照して、本実施形態に係る二次電池の製造方法におけるレーザー光Ｒのパルス波形のうち、第一実施例について説明する。
本実施形態に係る二次電池の製造方法で前記の如く行われる接合工程は、図２（ａ）に示す如く第一工程と、第一工程の後に行われる第二工程と、を備える。本実施例においては、第一工程は初期の１０ｍｓの時間、第二工程は第一工程後の５０ｍｓの時間で行われる。

第一工程では、レーザー光Ｒにおけるパルス波形の初期出力値が２ｋＷ以上となるように設定される。具体的には、レーザー溶接装置の制御部７１により、照射部７２から照射するレーザー光Ｒにおけるパルス波形の初期出力値を２ｋＷとなるように設定するのである。

また、第一工程においては、平均エネルギー密度が７５００Ｊ／ｍｍ²以上かつ１５０００Ｊ／ｍｍ²以下となるように設定される。具体的には、出力値と時間との積（パルス波形の積分値）により熱量（Ｊ）を算出し、この熱量を照射面積（ｍｍ²）で除することにより、平均エネルギー密度（Ｊ／ｍｍ²）を算出するのである。本実施例においては、ファイバーレーザーのファイバー径をφ４０μｍに設定し、レーザー光Ｒの照射面積を決定している。第一工程では、照射時間を１０ｍｓ、出力値を２ｋＷで一定に設定することにより、第一工程における平均エネルギー密度が約１５０００Ｊ／ｍｍ²となるように構成されている。

さらに、第二工程は、レーザー光Ｒにおけるパルス波形の出力値が、初期出力値の１／３から１／２である一定値となるように設定される。本実施例においては、第二工程の出力値が初期出力値２ｋＷの１／２である１ｋＷで一定となるように設定するのである。

次に、図２（ｂ）を参照して、本実施形態に係る二次電池の製造方法におけるレーザー光Ｒのパルス波形のうち、第二実施例について説明する。
本実施形態に係る二次電池の製造方法で前記の如く行われる接合工程は前記第一実施例と同様に、図２（ｂ）に示す如く第一工程と、第一工程の後に行われる第二工程と、を備える。本実施例においては、第一工程は初期の２０ｍｓの時間、第二工程は第一工程後の５０ｍｓの時間で行われる。

本実施例では、図２（ａ）に示した第一実施例と同様に、ファイバーレーザーのファイバー径をφ４０μｍに設定し、レーザー光Ｒの照射面積を決定している。第一工程では、パルス波形の初期出力値を２ｋＷ、照射時間を２０ｍｓに設定し、さらに照射時間の２０ｍｓの間に出力値を２ｋＷから一定の割合で減少させて、照射開始から２０ｍｓ経過後に０ｋＷとなるように設定している。これにより、第一工程における平均エネルギー密度が約１５０００Ｊ／ｍｍ²となるように構成されている。

さらに、第二工程は、レーザー光Ｒにおけるパルス波形の出力値が、初期出力値の１／３から１／２である一定値となるように設定される。本実施例においては、第二工程の出力値が初期出力値２ｋＷの１／２である１ｋＷで一定となるように設定するのである。

本願出願人は、第一実施例及び第二実施例の比較対象として、第一比較例及び第二比較例として接合工程を行った。図３（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ第一比較例、第二比較例におけるレーザー光のパルス波形である。
第一比較例は図３（ａ）に示す如く、出力値を２ｋＷで一定とし、照射時間を３５ｍｓとするように設定している。
第二比較例は図３（ｂ）に示す如く、出力値を１ｋＷで一定とし、照射時間を７０ｍｓとするように設定している。

第一比較例及び第二比較例については、第一実施例及び第二実施例と同様にファイバーレーザーのファイバー径をφ４０μｍとしているため、パルス波形の積分値である平均エネルギー密度は約１５０００Ｊ／ｍｍ²となる。即ち、第一実施例、第二実施例、及び、第一比較例、第二比較例は、何れも平均エネルギー密度は約１５０００Ｊ／ｍｍ²で等しくなるように設定している。

本願出願人が第一実施例、第二実施例、及び、第一比較例、第二比較例について行ったレーザー溶接実験の評価結果を図４（ａ）に示す。
各例における不接合率は図４（ａ）に示す如く、それぞれサンプル数１００個のうち、第一実施例及び第二実施例においては０個、第一比較例においては８０個、第二比較例においては１００個となった。つまり、第一実施例及び第二実施例では不接合となったサンプルはなかったのに対して、第一比較例ではスパッタの発生によってその８割で不接合が発生し、第二比較例では接合板４５ａにおけるレーザー光Ｒの反射や未溶融の発生によってその全てで不接合が発生したのである。

このように、第一実施例及び第二実施例として行った、本実施形態に係る二次電池の製造方法によれば、スパッタや反射・未溶融が発生することなく、良好な接合品質を確保することができたのである。

第一比較例でスパッタによる不接合が発生した理由は、レーザー光Ｒにおけるパルス波形の出力値が２ｋＷのまま一定であったことから、接合板４５ａの溶融が開始した後も過大なエネルギーが与えられ、これによりスパッタが発生したものと考えられる。
一方、第二比較例でレーザー光Ｒの反射や未溶融による不接合が発生した理由は、レーザー光Ｒにおけるパルス波形の出力値が１ｋＷであったことから、接合板４５ａ及び接続部４３を溶融状態とするために必要なエネルギーが与えられず、溶け込み不足が生じたものと考えられる。

前記の如く、本実施形態に係る二次電池の製造方法によれば、負極集電板を複数層部で構成していないため、溶融部の抵抗が大きくなることがなく、大電流を必要とする高出力用の電池に適用することが可能となる。また、負極集電板の材料コストを抑制することもできる。さらに、レーザー溶接を行う前工程として予めグリーンレーザーを照射する必要もなく、１工程としているため、工数を増加させずに、設備費を抑制することもできる。

即ち、本実施形態に係る二次電池の製造方法によれば、集電板４５と負極端子４０とをレーザー溶接にて接合する際に、溶接部分に十分なエネルギーを与えることにより溶接を完全な状態とし、集電板４５と負極端子４０との接合強度を確保して電池の信頼性を向上させることが、低コストで可能となるのである。

次に、本願出願人が第一実施例と同じ条件で、第一工程の平均エネルギー密度（Ｊ／ｍｍ²）を変更して行ったレーザー溶接実験の評価結果を図４（ｂ）に示す。
それぞれの平均エネルギー密度における評価結果は図４（ｂ）に示す如く、５０００Ｊ／ｍｍ²では接合板４５ａにおけるレーザー光Ｒの反射による不接合が発生し、７５００Ｊ／ｍｍ²から１５０００Ｊ／ｍｍ²ではスパッタや反射・未溶融が発生することなく、良好な接合品質を確保することができた。このように、平均エネルギー密度が７５００Ｊ／ｍｍ²以上かつ１５０００Ｊ／ｍｍ²以下の場合に、接合板４５ａ及び接続部４３に対して、良好な接合品質を確保するために充分なエネルギーを与えることができたのである。

次に、本願出願人が第一実施例と同じ条件で、第一工程の照射時間（ｍＳ）を変更して行ったレーザー溶接実験の評価結果を図４（ｃ）に示す。この実験は第一実施例と同じ条件で行ったため、例えば照射時間が１０ｍｓであれば平均エネルギー密度は約１５０００Ｊ／ｍｍ²となり、照射時間が５ｍｓであれば平均エネルギー密度は約７５００Ｊ／ｍｍ²となる。

それぞれの照射時間における評価結果は図４（ｃ）に示す如く、照射時間が３ｍｓから４ｍｓの場合は接合板４５ａにおけるレーザー光Ｒの反射による不接合が発生し、５ｍｓから１０ｍｓの場合はスパッタや反射・未溶融が発生することなく、良好な接合品質を確保することができ、１１ｍｓの場合はスパッタによる不接合が発生した。

上記の如く、第一実施例と同じ条件で照射時間を５ｍｓから１０ｍｓとした場合に、接合板４５ａ及び接続部４３に対して、良好な接合品質を確保するために充分なエネルギーを与えることができた。換言すれば、平均エネルギー密度が７５００Ｊ／ｍｍ²以上かつ１５０００Ｊ／ｍｍ²以下となるように設定した場合に、接合板４５ａ及び接続部４３に対して、良好な接合品質を確保するために充分なエネルギーを与えることができることが確認できたのである。

４０ 負極端子
４５ 集電板
Ｒ レーザー光

Claims (1)

1. 銅又は銅合金からなる外部端子と、銅又は銅合金からなる集電板と、をレーザー溶接により接合する接合工程を備える、二次電池の製造方法であって、
   前記接合工程は、第一工程と、該第一工程の後に行われる第二工程と、を備え、
   前記第一工程は、レーザー光におけるパルス波形の初期出力値が２ｋＷ以上であって、平均エネルギー密度が７５００Ｊ／ｍｍ²以上かつ１５０００Ｊ／ｍｍ²以下となるように設定され、
   前記第二工程は、レーザー光におけるパルス波形の出力値が、前記初期出力値の１／３から１／２である一定値となるように設定される、
   ことを特徴とする、二次電池の製造方法。

Images