JP2014000594A - 積層アルミニウム材の製造方法及びそれを含む密閉型電池の製造方法、並びに、密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ナゲット形成が許容されている領域の幅が狭い場合でも、十分なナゲット面積を確保できる技術を提供する。
【解決手段】本発明の第一態様は、積層されたアルミニウム箔とアルミニウム板とを抵抗溶接することにより得られる積層アルミニウム材を製造する方法であって、前記アルミニウム箔の積層方向に形成される小孔を、前記アルミニウム箔の溶接部の長手方向に沿って複数設け、前記アルミニウム箔とアルミニウム板との抵抗溶接を行い、前記複数の小孔の周囲を取り囲む楕円形状のナゲットを形成することによって、前記アルミニウム箔とアルミニウム板とを接合することを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、積層されたアルミニウム箔とアルミニウム板とを抵抗溶接により接合し、積層アルミニウム材を製造する技術に関する。

特許文献１には、積層したアルミニウム箔に小孔を設けてから抵抗溶接を行う技術が開示されている。この技術では、小孔を設けることによりアルミニウム箔の酸化被膜を除去して、電流の通り道を作り、抵抗溶接の際の通電性を向上する。

積層したアルミニウム箔の接合は、例えば、リチウムイオン二次電池の正極側で実施される。リチウムイオン二次電池の電極体は、正極活物質が塗工されたアルミニウム箔、負極活物質が塗工された銅箔、及び、セパレータを複数回巻回することによって形成される。このように積層されたアルミニウム箔において、正極活物質が塗工されていない部位（未塗工部）が正極端子との接合部となり、集電部として利用される。

特開２００６−３２６６２２号公報

リチウムイオン二次電池では、高容量化が進められる一方で、電池外装の大型化は避けられている。このような要請に応えるため、電池の大きさを変えずに容量効率を上げようとすると、活物質の未塗工部の幅を減少させて、活物質の塗工面積を増大させることが必要となる。
特許文献１に記載の技術を用いて、積層されたアルミニウム箔と正極端子とを接合する場合、積層アルミニウム箔に設けられる小孔を中心とした円形のナゲットが形成される。この場合のナゲット面積は、小孔を中心とした径に依存する。
言い換えれば、抵抗溶接に寄って得られるナゲット面積は、ナゲット形成許容領域の幅方向の大きさに依存する。従って、積層アルミニウム箔における活物質の未塗工幅を減少させると、ナゲット面積が小さくなってしまう。

本発明は、ナゲット形成が許容されている領域の幅が狭い場合でも、十分なナゲット面積を確保できる技術を提供する。

本発明の第一態様は、積層されたアルミニウム箔とアルミニウム板とを抵抗溶接することにより得られる積層アルミニウム材を製造する方法であって、前記アルミニウム箔の積層方向に形成される小孔を、前記アルミニウム箔の溶接部の長手方向に沿って複数設け、前記アルミニウム箔とアルミニウム板との抵抗溶接を行い、前記複数の小孔の周囲を取り囲む楕円形状のナゲットを形成することによって、前記アルミニウム箔とアルミニウム板とを接合することを特徴とする。

本発明の第一態様に係る積層アルミニウム材の製造方法の好ましい実施形態では、前記複数の小孔を設ける際に、電流を印加することにより、アルミニウム箔及びアルミニウム板に一時的な溶融凝固部を形成する。

本発明の第二態様は、本発明の第一態様に係る積層アルミニウム材の製造方法を含む密閉型電池の製造方法であって、前記積層されたアルミニウム箔は、前記密閉型電池に含まれる電極箔であり、前記アルミニウム板は、前記密閉型電池に含まれる電極端子である。

本発明の第三態様は、本発明の第二態様に係る製造方法によって得られる密閉型電池である。

本発明の密閉型電池の他の実施形態は、電極箔を積層した電極体と、前記電極体に固定される電極端子とを具備し、前記電極箔の集電部と、前記電極端子とは、抵抗溶接によって形成されるナゲットによって接合され、前記ナゲットは、前記電極箔の長手方向を長径とする楕円形状に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、ナゲット形成が許容されている領域の幅が狭い場合でも、十分なナゲット面積を確保できる。接合部の周囲への影響を考慮して、超音波溶接を用いることができない構成に対して、本発明を適用することが特に有効である。

密閉型電池の概略構成を示す斜視図である。 密閉型電池の分解図である。 正極箔と正極端子の接合部を示す拡大図である。 積層アルミニウム材の製造工程を示すフローチャートである。 小孔形成工程を示す図である。 小孔形成工程を示す平面図である。 抵抗溶接工程を示す図である。 抵抗溶接工程を示す平面図である。 小孔形成工程に用いる針の好ましい実施形態である。 密閉型電池の製造工程を示すフローチャートである。

図１及び図２に密閉型電池１の構成を示す。密閉型電池１は、例えばリチウムイオン二次電池である。
密閉型電池１は、外装１０に発電要素となる電極体２０を収容する。電極体２０と接続される正極端子３１、負極端子３２がそれぞれ外装１０の外方に突出して設けられる。

外装１０は、電極体２０を収容する容器１１と、正極端子３１及び負極端子３２が固定される蓋１２を含む。容器１１の一面が開口されており、蓋１２によってその開口面が塞がれる。容器１１の開口面と蓋１２の外周は溶接され、外装１０の内部が密閉される。
より詳細には、電極体２０が固定された正極端子３１及び負極端子３２を蓋１２に固定して、蓋集合体を構成した上で、電極体２０を容器１１内に収容する。次に、容器１１の開口面と蓋１２の外周を溶接して外装１０を密閉する。

電極体２０は、正極箔２１、及び負極箔２２を、セパレータ２３を介して積層して巻回することにより得られる巻回体である。正極箔２１及び負極箔２２は、電極箔であり、その一部には、発電要素となる電極活物質が塗工されている。
密閉された外装１０に電解液が注液され、電極体２０に電解液を含浸させる。電極体２０の電極活物質と電解液に含まれる電解質との間で化学反応が起こることによって、電極体２０への充電及び電極体２０からの放電が行われる。

電極体２０において、電極活物質が塗工されていない未塗工部が巻回面両側にそれぞれ突出するように巻回される。つまり、正極箔２１及び負極箔２２における未塗工部は、電極体２０の巻回軸方向両端に配置されるように巻回される。
なお、電極体２０は、正極箔２１、負極箔２２、セパレータ２３を積層した積層体としても良い。この場合、積層体の側面から正極箔２１及び負極箔２２の未塗工部が突出するように積層される。

正極端子３１及び負極端子３２は、密閉型電池１の電極端子である。正極端子３１及び負極端子３２は、外装１０内において、それぞれ正極箔２１及び負極箔２２の未塗工部と接合される。つまり、正極箔２１及び負極箔２２の未塗工部は、電極体２０の集電部として利用される。

密閉型電池１をリチウムイオン二次電池とした場合、正極箔２１にアルミニウム箔、負極箔２２に銅箔がそれぞれ用いられる。また、正極端子３１の材料としてアルミニウム、負極端子３２の材料として銅がそれぞれ用いられる。

図３に示すように、正極箔２１の未塗工部（集電部）と正極端子３１は、抵抗溶接によって形成されるナゲット４０によって接合される。ナゲット４０は、抵抗溶接によって生じる溶融凝固部であり、正極箔２１の集電部における長手方向を長径とする楕円形状に形成される。つまり、正極箔２１における正極端子３１との溶接部（ナゲット形成許容領域）の長手方向に延びる楕円形状のナゲット４０が形成される。

密閉型電池１の電池容量は、発電要素である電極体２０の電極活物質の量に依存する。つまり、密閉型電池１の高容量化を図る場合、正極箔２１及び負極箔２２の電極活物質の塗工幅を大きくし、未塗工部の幅を小さくすることが求められる。
本実施形態では、ナゲット４０を未塗工部の長手方向に沿った楕円形状に形成することによって、ナゲット形成許容領域を最大限に利用して、溶接可能領域の幅が小さい場合でも接合に必要なナゲット面積を確保することができる。従って、未塗工部の幅を最大限に小さくし、発電領域の面積を大きくしたリチウムイオン二次電池を得ることができ、電池容量効率を向上できる。
特に、正極側に圧力型ＣＩＤを設ける装置構成の密閉型電池の場合は、正極箔と正極端子との接合に超音波溶接を用いることが困難となるが、本実施形態のような抵抗溶接を用いた接合方法を採用することで係る課題を解決することができる。

以下では、図４から図８を参照して、ナゲット４０を形成する方法、つまり、積層されたアルミニウム箔である正極箔２１と、アルミニウム材料によって構成される板材である正極端子３１とを接合して積層アルミニウム材５０を製造する方法について説明する。
図４に示すように、積層アルミニウム材の製造工程は、小孔形成工程及び抵抗溶接工程を含む。

図５及び図６は、正極箔２１に複数（例えば三つ）の小孔６０を設ける工程を示す。
小孔形成工程では、正極箔２１と正極端子３１とを重ね、正極箔２１側の外側面に当て板６１を配置した上で、複数の針先を有する針６２を押し当てることによって、当て板６１及び正極箔２１に小孔６０を設ける。小孔６０は、正極箔２１の積層方向に形成される小径円形状の亀裂であって、複数の小孔６０が正極箔２１の未塗工部の長手方向に所定間隔を開けて連続して設けられ、未塗工部の幅方向中央に直線的に配置される。当て板６１は、正極箔２１と電極との直接の接触を避けるための保護部材である。
小孔６０を形成することによって、正極箔２１の表面に存在する酸化アルミニウムの表面被膜を除去することができる。酸化被膜が除去された部位は他の部位よりも抵抗が低くなるため、抵抗溶接工程の際に電流が通りやすい導通部として利用することができる。

小孔６０の深さは、正極箔２１を厚み方向に貫通して正極端子３１側に隆起する突起を形成する程度に設けられることが好ましい。係る場合、正極箔２１の厚み方向全域に導通部を形成できるため、抵抗溶接工程での正確な通電を確保することができる。
しかし、小孔６０の深さは、正極箔２１に他の部位よりも抵抗値の低い導通部を形成することができれば良く、例えば、正極箔２１の厚みの１／３から１／２程度としても抵抗溶接時の導通経路を作ることが可能である。

図７及び図８は、小孔６０が設けられた状態の正極箔２１と正極端子３１とを抵抗溶接により接合する工程を示す。
抵抗溶接工程では、電極対７０を用いて、当て板６１を介して正極箔２１及び正極端子３１を押圧しつつ、通電する。これにより、通電部位を加熱して溶融させ、その後凝固することによって、ナゲット４０を形成する。このようにして、正極箔２１と正極端子３１を溶接し、ナゲット４０により接合された積層アルミニウム材５０を製造する。
このとき、電極対７０からの電流は抵抗値の小さい小孔６０の周囲を優先的に通ることから、ナゲット４０は小孔６０の形成位置から放射状に広がるように形成される。上述のように小孔６０は正極箔２１の未塗工部の長手方向に沿って連続的に複数設けられているため、それぞれの小孔６０を中心とした円形状のナゲットが結合されて、長手方向を長径とする楕円形状のナゲット４０が形成される。

以上のように、小孔形成工程及び抵抗溶接工程を経て、積層アルミニウム材５０が形成される。
積層アルミニウム材５０においては、ナゲット形成許容領域が正極箔２１の未塗工部の幅方向に規制されている状態で、未塗工部の長手方向に沿って小孔６０を複数設けて抵抗溶接時の導通部を確保し、小孔６０の形成位置に応じた楕円形状のナゲット４０が形成される。これにより、ナゲット形成が許容されている領域の幅方向が小さい場合でも十分なナゲット面積を確保することができ、抵抗溶接による接合を実現している。

近距離に複数配置される針先を有する針６２用いて、小孔６０を穿設することにより、一つ一つの針先にかかる圧力を分散させることができ、針６２の耐久性を向上することができる。また、針６２に対する当て板６１、正極箔２１、及び正極端子３１の位置決め精度を向上できる。
また、針６２の各針先の先端径は、例えば１［ｍｍ］程度とすることが好ましい

図９に示すように、小孔形成工程において、針６２の裏側に電極６３を配置して、針６２を押し当てて小孔６０を設ける際に、針６２と電極６３間に微小な電流を印加して通電する構成としても良い。言い換えれば、小孔形成工程を一次溶接工程とし、抵抗溶接工程を二次溶接工程として、二段階の溶接工程としても良い。
この場合、針６２によって正極箔２１の表面に存在する酸化被膜を除去すると同時に、針６２及び電極６３間に電流が流れることにより、針６２の周囲が通電によるジュール熱で溶融されて、一時的に溶融凝固部６４が形成される。これにより、小孔６０が形成される部位周辺に、より電流が流れやすい導通部を作ることができる。

密閉型電池１におけるナゲット４０の面積は、例えば電極体２０を外装１０内に収容する際に、剥離が生じない接合強度を確保できる程度に設定されることが好ましい。
また、ナゲット４０の形状は、小孔６０の形成個数、形成箇所等によって変更可能であり、上記ナゲット面積を確保できるように適宜設定可能である。言い換えれば、適宜のナゲット面積を確保すべく、小孔６０の形成個数等を決定すれば良い。
また、針６２による加圧・穿設は、正極端子３１側から行った場合でも同様の効果を奏する。

以下、図１０を参照して、密閉型電池１の製造する工程について説明する。
密閉型電池の製造工程は、電極体製造工程、積層アルミニウム材製造工程、蓋集合体製造工程、外装溶接工程、電解液注液工程、初期充電工程、エージング工程等の後工程を経て、密閉型電池１が製品として製造される。ここにおける、積層アルミニウム材製造工程以外の各工程は、公知の技術を用いて実現されるものであり、詳細な説明は省略する。
上述のような密閉型電池の製造工程によって得られる密閉型電池１では、電極体２０における電極活物質の塗工幅を大きく取ることができ、電池の高容量化が可能である。特に、密閉型電池１の装置構成として、正極側に圧力型ＣＩＤを設ける構成を採用する場合は、正極箔と正極端子との接合に超音波溶接を用いることが困難となるが、本実施形態のような抵抗溶接を用いた接合方法を採用し、積層アルミニウム材を製造することで係る課題を解決することができる。

１：密閉型電池、１０：外装、１１：容器、１２：蓋、２０：電極体、２１：正極箔（アルミニウム箔）、２２：負極箔、３１：正極端子（アルミニウム板）、４０：ナゲット、５０：積層アルミニウム材

Claims (5)

1. 積層されたアルミニウム箔とアルミニウム板とを抵抗溶接することにより得られる積層アルミニウム材を製造する方法であって、
   前記アルミニウム箔の積層方向に形成される小孔を、前記アルミニウム箔の溶接部の長手方向に沿って複数設け、
   前記アルミニウム箔とアルミニウム板との抵抗溶接を行い、前記複数の小孔の周囲を取り囲む楕円形状のナゲットを形成することによって、前記アルミニウム箔とアルミニウム板とを接合することを特徴とする積層アルミニウム材の製造方法。
2. 前記複数の小孔を設ける際に、電流を印加することにより、アルミニウム箔及びアルミニウム板に一時的な溶融凝固部を形成する請求項１に記載の積層アルミニウム材の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の積層アルミニウム材の製造方法を含む密閉型電池の製造方法であって、
   前記積層されたアルミニウム箔は、前記密閉型電池に含まれる電極箔であり、前記アルミニウム板は、前記密閉型電池に含まれる電極端子である密閉型電池の製造方法。
4. 請求項３に記載の密閉型電池の製造方法によって得られる密閉型電池。
5. 電極箔を積層した電極体と、前記電極体に固定される電極端子とを具備する密閉型電池であって、
   前記電極箔の集電部と、前記電極端子とは、抵抗溶接によって形成されるナゲットによって接合され、前記ナゲットは、前記電極箔の長手方向を長径とする楕円形状に形成されることを特徴とする密閉型電池。

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