JP2014102997A - ケース及びケースの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ケース本体と蓋とを溶接する溶接部の強度を向上させることができるケース及びケースの製造方法を提供する。
【解決手段】二次電池１００Ａの電極組立体２０を収容するためのケース１０の製造方法では、まず、ケース本体１２の開口部１８を閉鎖する蓋１４を、ケース本体１２に溶接する。次に、ケース本体１２と蓋１４とを溶接することによって形成される溶接部１６Ａを圧縮する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ケース及びケースの製造方法に関する。

外装缶と蓋体とをレーザ溶接することにより、リチウムイオン二次電池のケースを製造する方法が知られている（特許文献１参照）。

圧延ローラを用いて、複数の帯状金属板間の溶接部を圧延する方法が知られている（特許文献２参照）。

ショットブラストにより表面を改質する方法が知られている（特許文献３参照）。

特開２０００−１０６１５３号公報 特開昭６４−２７７７６号公報 特許第４７３６９２０号公報

特許文献１のように外装缶と蓋体とをレーザ溶接するだけでは、外装缶と蓋体とを溶接する溶接部の強度を向上させることはできない。

特許文献２では、帯状金属板を蓄電装置のケースとして用いることは想定されていない。さらに、特許文献２に記載された方法では、溶接部を圧延しているだけであり、圧縮してはいない。圧延では、溶接部が押し潰されて横に延びるだけであり、溶接部の変形を抑制しながら溶接部の強度を向上させることはできない。

特許文献３に記載されたショットブラストを用いて、外装缶と蓋体とを溶接する溶接部の表面を改質しようとすると、ショットブラストにより発生する金属粉末が飛散してケースに付着するおそれがある。よって、蓄電装置のケースにおいて、ショットブラストにより溶接部の表面を改質することは難しい。

本発明は、ケース本体と蓋とを溶接する溶接部の強度を向上させることができるケース及びケースの製造方法を提供する。

本発明の一側面に係るケースの製造方法は、蓄電装置の電極組立体を収容するためのケースの製造方法であって、開口部を有するケース本体の前記開口部を閉鎖する蓋を、前記ケース本体に溶接する工程と、前記ケース本体と前記蓋とを溶接することによって形成される溶接部を圧縮する工程と、を含む。

この製造方法では、溶接部を圧縮することによって、溶接部の強度を向上させることができる。溶接部の硬さを向上させることができる。溶接部に圧縮残留応力を付与することができる。溶接部の表面粗さを低下させて、凹凸への応力集中を抑制することができる。

ロールを用いて前記溶接部を圧縮してもよい。

本発明の別の一側面に係るケースは、蓄電装置の電極組立体を収容するためのケースであって、開口部を有するケース本体と、前記開口部を閉鎖する蓋と、前記ケース本体と前記蓋とを溶接することによって形成される溶接部を圧縮することによって形成される圧縮溶接部と、を備える。

このケースでは、溶接部を圧縮することによって、強度が向上された圧縮溶接部が得られる。圧縮溶接部は溶接部に比べて硬い。圧縮溶接部は、溶接部に比べて大きな圧縮残留応力を有している。圧縮溶接部の表面粗さは溶接部に比べて小さいので、凹凸への応力集中を抑制することができる。

前記ケース本体及び前記蓋の一方の内面には段差部が形成されており、前記ケース本体及び前記蓋の他方の端部が、前記段差部に嵌め合わされるように配置されており、前記圧縮溶接部が前記段差部に位置していてもよい。

この場合、溶接部が圧縮される際に、ケース本体及び蓋の他方の端部と溶接部とが段差部によって支持される。そのため、ケース及びケース内の電極組立体が変形し難い。

本発明によれば、ケース本体と蓋とを溶接する溶接部の強度を向上させることができるケース及びケースの製造方法が提供され得る。

第１実施形態に係るケースを備える蓄電装置を模式的に示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 第１実施形態に係るケースの製造方法の各工程を模式的に示す図である。 第１実施形態に係るケースの製造方法の各工程を模式的に示す図である。 溶接部及び圧縮溶接部の表面の一例を模式的に示す図である。 第２実施形態に係るケースを備える蓄電装置を模式的に示す断面図である。 ロール加工荷重と表面硬さとの関係を示すグラフである。 ロール加工荷重と残留応力との関係を示すグラフである。 ロール加工荷重と表面粗さＲａとの関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るケースを備える蓄電装置を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１〜図３に示される蓄電装置としての二次電池１００Ａは、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。

二次電池１００Ａは、ケース１０と、ケース１０内に収容された電極組立体２０とを備える。ケース１０は、金属ケースであってもよい。ケース１０は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金又はステンレス鋼等からなる。アルミニウム合金としては、例えばアルミニウムＡ１０５０が挙げられる。ケース１０は、開口部１８を有するケース本体（外装缶又は電槽缶ともいう）１２と、開口部１８を閉鎖する蓋（電槽蓋ともいう）１４とを備える。開口部１８はケース本体１２の端部１２Ａに形成され得る。ケース１０は、ケース本体１２と蓋１４とを溶接することによって形成される溶接部１６Ａ（図４参照）を圧縮することによって形成される圧縮溶接部１６を備える。

蓋１４の内面１４Ｎには段差部１４Ｓが形成されてもよい。段差部１４Ｓは、蓋１４の本体部１４Ｂと、本体部１４Ｂよりも薄い端部１４Ａとによって形成され得る。ケース本体１２の端部１２Ａは、段差部１４Ｓに嵌め合わされるように配置され得る。圧縮溶接部１６は段差部１４Ｓに位置し得る。内面１４Ｎは、段差部１４Ｓが形成されていない平面であってもよい。

蓋１４には、切り欠き部が形成されてもよい。切り欠き部には安全弁が設けられ得る。

圧縮溶接部１６は、蓋１４の端部１４Ａにおける端面とケース本体１２の端部１２Ａにおける内面１４Ｎとの間に形成され得る。圧縮溶接部１６の表面は、凹状の曲面であってもよいし、平面であってもよい。圧縮溶接部１６の表面には、圧縮時に形成された傷８２（図６（Ｂ）参照）が残存していてもよい。

圧縮溶接部１６の表面硬さ（ビッカース硬さ：ＨＶ）は、１００〜１２０であってもよい。

圧縮溶接部１６の残留応力は、１４０〜２００ＭＰａであってもよい。圧縮前の溶接部１６Ａには、溶接時の凝固収縮応力により引張応力が残存している。一方、圧縮溶接部１６は圧縮応力を有している。

圧縮溶接部１６の表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａは、５〜１０μｍであってもよい。

電極組立体２０は、正極３０と、負極４０と、正極３０と負極４０との間に配置されたセパレータ５０とを備える。正極３０、負極４０及びセパレータ５０は、例えばシート状である。複数の正極３０及び複数の負極４０が、セパレータ５０を介して交互に積層されてもよい。ケース１０内には電解液６０が収容され得る。

正極３０は、金属箔と金属箔の両面に設けられた正極活物質層とを備え得る。金属箔は例えばアルミニウム箔である。正極活物質層は、正極活物質とバインダとを含んでもよい。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。

正極３０は、縁に形成されたタブ３０Ａを有してもよい。タブ３０Ａには、正極活物質が保持されていない。正極３０は、タブ３０Ａを介して導電部材３２に接続され得る。導電部材３２は、正極端子３４に接続され得る。正極端子３４は、絶縁リング３６を介してケース１０に取り付けられてもよい。

負極４０は、金属箔と金属箔の両面に設けられた負極活物質層とを備え得る。金属箔は例えば銅箔である。負極活物質層は、負極活物質とバインダとを含んでもよい。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯ_ｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。

負極４０は、縁に形成されたタブ４０Ａを有してもよい。タブ４０Ａには、負極活物質が保持されていない。負極４０は、タブ４０Ａを介して導電部材４２に接続され得る。導電部材４２は、負極端子４４に接続され得る。負極端子４４は、絶縁リング４６を介してケース１０に取り付けられてもよい。

セパレータ５０としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。

電解液６０としては、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液等が挙げられる。

ケース１０では、溶接部１６Ａ（図４参照）を圧縮することによって、強度が向上された圧縮溶接部１６が得られる。圧縮溶接部１６は溶接部１６Ａに比べて硬い。圧縮溶接部１６は、溶接部１６Ａに比べて大きな圧縮残留応力を有している。圧縮溶接部１６の表面粗さは溶接部１６Ａに比べて小さいので、凹凸への応力集中を抑制することができる。圧縮により溶接部１６Ａ内のブローホール欠陥が潰れるので、圧縮溶接部１６では欠陥が少ない。

蓋１４の内面１４Ｎに段差部１４Ｓが形成され、ケース本体１２の端部１２Ａが段差部１４Ｓに嵌め合わされるように配置され、圧縮溶接部１６が段差部１４Ｓに位置している場合、溶接部１６Ａが圧縮される際に、段差部１４Ｓによってケース本体１２の端部１２Ａ及び溶接部１６Ａが支持される。そのため、ケース１０及びケース１０内の電極組立体２０が変形し難い。

図４及び図５は、第１実施形態に係るケースの製造方法の各工程を模式的に示す図である。図１〜図３に示されるケース１０は例えば以下のようにして製造される。

（閉鎖工程）
まず、図４（Ａ）に示されるように、ケース本体１２の開口部１８を蓋１４により閉鎖する。例えば、ケース本体１２の端部１２Ａを蓋１４の段差部１４Ｓに嵌め合わせることによって、開口部１８を閉鎖する。

（溶接工程）
次に、図４（Ｂ）に示されるように、蓋１４をケース本体１２に溶接する。これにより、溶接部１６Ａが形成される。溶接部１６Ａは、ケース本体１２と蓋１４との接合面にレーザ光Ｌを照射することによって形成され得る。レーザ光Ｌはレーザ光源２００から出射され得る。

（圧縮工程）
次に、図５に示されるように、例えばロール７０等の円盤状の圧縮部材を用いて溶接部１６Ａを圧縮する。これにより、圧縮溶接部１６が形成される。ロール７０をロール７０の周方向に沿って見た周面は丸くてもよいし、平坦でもよい。ロール７０の周面が丸いと、圧縮溶接部１６の表面が凹状の曲面になる。ロール７０は金属製ロールであってもよい。ロール７０は例えばＳＵＳ４００Ｃ（焼き入れ及びサブゼロ処理済み）からなる。ロール７０の周面の幅は例えば１０ｍｍである。ロール７０の周面が丸い場合、ロール７０の周面の曲率半径は例えば０．５ｍｍである。ロール７０の直径は例えば５０ｍｍである。

ロール７０は、中央に開口部７０Ａを有する環状部材であってもよい。開口部７０Ａ内には、ローラベアリング７２Ａを介してシャフト７２が挿入され得る。シャフト７２の両端には治具７４が接続され得る。治具７４に接続された荷重付加装置７６は、圧縮方向Ｐ（例えば鉛直方向）に沿ってシャフト７２に荷重を付加する。その結果、ロール７０により溶接部１６Ａが圧縮される。荷重は、０．１〜１ｋＮであってもよく、例えば０．５ｋＮである。荷重付加装置７６としては、例えば島津製作所製オートグラフＡＧ−５０００Ａが挙げられる。

治具７４は、溶接部１６Ａに対して相対的に進行方向Ｍ（例えば水平方向）に移動可能であってもよい。治具７４を溶接部１６Ａに対して移動させてもよいし、溶接部１６Ａを治具７４に対して移動させてもよい。治具７４が進行方向Ｍに相対的に移動することによって、ロール７０も進行方向Ｍに相対的に移動することができる。治具７４の相対的な移動速度は、５〜４０ｍｍ／ｍｉｎであってもよく、例えば２０ｍｍ／ｍｉｎである。

ロール７０は、シャフト７２を回転軸として回転可能であってもよい。ロール７０の回転は治具７４の移動と同期されてもよい。例えば、ロール７０の周速度は、進行方向Ｍにおける治具７４の移動速度と同じである。ロール７０の周速度を進行方向Ｍにおける治具７４の移動速度と異ならせることによって、ロール７０を溶接部１６Ａの表面においてスリップさせてもよい。ロール７０は、治具７４に固定されてもよい。

ロール７０に代えて、ニードル状、球状の圧縮部材を用いてもよい。ニードル状の圧縮部材の先端は丸くてもよい。圧縮部材は溶接部１６Ａと点接触し得る。

圧縮工程を行う前は、図６（Ａ）に示されるように、溶接部１６Ａの表面に溶接ビード８０が形成されている。圧縮工程を行った後は、図６（Ｂ）に示されるように、圧縮溶接部１６の表面において溶接ビード８０が消滅し、例えばロール７０等により形成された傷８２が残存し得る。

上記工程を経ることによってケース１０が製造される。その後、ケース１０内に電解液６０を注入することによって、二次電池１００Ａが製造される。

上述したケース１０の製造方法では、溶接部１６Ａを圧縮することによって、溶接部１６Ａの強度を向上させることができる。溶接部１６Ａの硬さを向上させることができる。溶接部１６Ａに圧縮残留応力を付与することができる。溶接部１６Ａの表面粗さを低下させて、凹凸への応力集中を抑制することができる。常温で溶接部１６Ａの強度を向上させることができる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係るケースを備える蓄電装置を模式的に示す断面図である。図７に示される二次電池１００Ｂは、ケース１０に代えてケース１１０を備えること以外は二次電池１００Ａと同一の構成を備える。ケース１１０は、金属ケースであってもよい。ケース１１０は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金又はステンレス鋼等からなる。アルミニウム合金としては、例えばアルミニウムＡ１０５０が挙げられる。ケース１１０は、開口部１１８を有するケース本体１１２と、開口部１１８を閉鎖する蓋１１４とを備える。開口部１１８はケース本体１１２の端部１１２Ａに形成され得る。ケース１１０は、ケース本体１１２と蓋１１４とを溶接することによって形成される溶接部１６Ａを圧縮することによって形成される圧縮溶接部１６を備える。

ケース本体１１２の内面１１２Ｎには段差部１１２Ｓが形成されてもよい。段差部１１２Ｓは、ケース本体１１２の本体部１１２Ｂと、本体部１１２Ｂよりも薄い端部１１２Ａとによって形成され得る。蓋１１４の端部１１４Ａは、段差部１１２Ｓに嵌め合わされるように配置され得る。圧縮溶接部１６は段差部１１２Ｓに位置し得る。内面１１２Ｎは、段差部１１２Ｓが形成されていない平面であってもよい。圧縮溶接部１６は、蓋１１４の端部１１４Ａにおける端面とケース本体１１２の端部１１２Ａにおける内面１１２Ｎとの間に形成され得る。

蓋１１４には、切り欠き部が形成されてもよい。切り欠き部には安全弁が設けられ得る。

（実施例）
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明がより具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例に限定されない。

（実施例１〜６）
図５のロール７０の加工荷重を０．１ｋＮとして、実施例１の二次電池を作製した。ロール７０の加工荷重を０．２ｋＮとして、実施例２の二次電池を作製した。ロール７０の加工荷重を０．３ｋＮとして、実施例３の二次電池を作製した。ロール７０の加工荷重を０．５ｋＮとして、実施例４の二次電池を作製した。ロール７０の加工荷重を０．７ｋＮとして、実施例５の二次電池を作製した。ロール７０の加工荷重を１．０ｋＮとして、実施例６の二次電池を作製した。実施例１〜６の二次電池は圧縮溶接部を有する。

（比較例１）
ロール７０を用いずに、比較例１の二次電池を作製した。加工荷重は０ｋＮである。この二次電池は、圧縮溶接部に代えて溶接部を有する。

（評価結果）
実施例１〜６の二次電池の圧縮溶接部及び比較例１の二次電池の溶接部について、表面硬さ（ビッカース硬さ：ＨＶ）を測定した。試験機（ミツトヨ ＨＭ−２００）として、ＪＩＳＢ７７２５により規定されているマイクロビッカース試験機およびくぼみ測定装置を用いて測定を行なった。ビッカース硬さ値はＪＩＳＺ２２４４附属書Ｄのビッカース硬さ算出表から読み取った。ｎ＝５回測定し、最大値と最小値を除外したｎ＝３の平均値を表面硬さとした。

結果を図８に示す。図８から分かるように、圧縮溶接部の表面硬さは、溶接部の表面硬さよりも大きい。

実施例１〜６の二次電池の圧縮溶接部及び比較例１の二次電池の溶接部について、残留応力（ＭＰａ）を測定した。残留応力は、Ｘ線応力測定装置を用いて測定された。平行ビーム光学系及び並傾法を用いた。特性Ｘ線としてＣｒＫα線を用いた。Ｘ線管電圧を３５ｋＶ、管電流を２０ｍＡ、Ｘ線照射領域を幅２ｍｍ、高さ４ｍｍの領域にそれぞれ設定した。ｓｉｎ２Ψ法を用いて、２θ＝１３９．３°に出現するアルミニウム３１１回折線を用いた。ｓｉｎ２Ψの設定範囲を０から０．６まで０．１５間隔とした。

結果を図９に示す。図９から分かるように、圧縮溶接部は、溶接部よりも大きな圧縮残留応力を有している。

実施例１〜５の二次電池の圧縮溶接部及び比較例１の二次電池の溶接部について、表面粗さＲａ（μｍ）を測定した。表面粗さＲａは、表面粗さ計（ミツトヨ ＳＪ４００）を用いて測定された。圧縮溶接部又は溶接部の表面において、ロール７０の進行方向Ｍに沿った中央線上の長さ１５ｍｍの部分について３回測定を行い、平均測定値を表面粗さＲａとした。

結果を図１０に示す。図１０から分かるように、圧縮溶接部は、溶接部よりも小さな表面粗さＲａを有している。よって、圧縮溶接部では、溶接部に比べて、凹凸への応力集中を抑制することができる。

（比較例２）
比較例１の二次電池の溶接部の表面にショットピーニングを行って比較例２の二次電池を作製した。

（評価結果）
比較例２の二次電池のサンプルを１２個作製した。１２個のサンプルをマイクロスコープにより目視観察したところ、４個のサンプルにおいて、正極端子及び負極端子のねじ部に投射材（ショット玉）が残存していた。２個のサンプルにおいて、安全弁が設けられた切り欠き部に投射材が残存していた。

一方、実施例４の二次電池のサンプルを５０個作製した。これらのサンプルでは、正極端子及び負極端子のねじ部、安全弁が設けられた切り欠き部のいずれにも投射材は残存していない。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、蓄電装置として、二次電池１００Ａの他に、例えば電気二重層キャパシタ等が挙げられる。

蓄電装置は、車両に搭載されてもよい。車両としては、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動二輪車等が挙げられる。

１０…ケース、１２，１１２…ケース本体、１２Ａ…ケース本体の端部、１４，１１４…蓋、１４Ａ…蓋の端部、１４Ｎ…蓋の内面、１４Ｓ，１１２Ｓ…段差部、１６…圧縮溶接部、１６Ａ…溶接部、１８，１１８…開口部、２０…電極組立体、７０…ロール、１００Ａ，１００Ｂ…二次電池（蓄電装置）、１１２Ｎ…ケース本体の内面。

Claims (4)

1. 蓄電装置の電極組立体を収容するためのケースの製造方法であって、
   開口部を有するケース本体の前記開口部を閉鎖する蓋を、前記ケース本体に溶接する工程と、
   前記ケース本体と前記蓋とを溶接することによって形成される溶接部を圧縮する工程と、
   を含む、ケースの製造方法。
2. ロールを用いて前記溶接部を圧縮する、請求項１に記載のケースの製造方法。
3. 蓄電装置の電極組立体を収容するためのケースであって、
   開口部を有するケース本体と、
   前記開口部を閉鎖する蓋と、
   前記ケース本体と前記蓋とを溶接することによって形成される溶接部を圧縮することによって形成される圧縮溶接部と、
   を備える、ケース。
4. 前記ケース本体及び前記蓋の一方の内面には段差部が形成されており、
   前記ケース本体及び前記蓋の他方の端部が、前記段差部に嵌め合わされるように配置されており、
   前記圧縮溶接部が前記段差部に位置している、請求項３に記載のケース。

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