JP2017004832A - 密閉型電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ここに開示される電池は、ケース本体32および封口板34のうちで、これらの境界面64に沿った方向が厚み方向に対応する部材を第一部材60、他方を第二部材62としたときに、溶接部分70は溶接底面72を有し、且つ、上記溶接部分70が上記第二部材62の外表面62cまでおよんでいる。そして、上記溶接部分70の溶接深さ方向の距離D、前記第一部材60と前記第二部材62との境界面64を含む平面における上記溶接部分70の外表面から上記第二部材62の外表面62cにおける上記溶接部分70と第二部材62の非溶接部分との境界までの溶接深さ方向の距離d、上記第二部材62の厚みW、上記溶接底面72の長さAは、d≦0.7×D、および、1≦W/A≦2を満たす。
【選択図】図4
Description
また、上記溶接部分の溶接深さを大きくしすぎると、溶融部が固化した後に気泡(空洞)が残留しやすくなる、即ち、所謂ボイド(ブローホールともいう。)が発生しやすくなる傾向があった。かかるボイド(空洞)は溶接箇所の強度(接合強度)を低下させ、溶接品質が低下する要因となるため好ましくない。
近年、電池容量の増大および電池の軽量化等の観点からケース本体および封止部材の薄肉化が進められている。このことからも、特許文献2に記載のように溶接部分の溶接深さを大きくすることのみでは、十分な接合強度を確保することが困難な場合があった。
特許文献1に記載の技術によると、ケース本体における上記溶接部分と非溶接部分との境界部分が、上記ケース本体の厚み方向に平行になっており、上記ケース本体における上記溶接部分と非溶接部分との境界部分の面積が小さい。一般的に、溶接部分と非溶接部分との境界部分における力学的強度は、溶接部分の力学的強度および被溶接部分の非溶接部分の力学的強度と比較して低下しがちである。このため、特許文献1に記載の技術によると、ケース本体と封止部材との境界(突合せ部分)の接合強度は増大し得るものの、上記ケース本体における上記溶接部分と非溶接部分との境界部分で破断が生じる場合があった。
ここで、
上記第一部材と上記第二部材との境界面を含む平面における、上記溶接部分の上記境界面に沿った溶接深さ方向の距離をD(mm)、
上記第一部材と上記第二部材との境界面を含む平面における上記溶接部分の外表面から、上記第二部材の外表面であって上記第一部材との境界面に対して厚さ方向に反対側の外表面における上記溶接部分と第二部材の非溶接部分との境界までの、上記境界面に沿った溶接深さ方向の距離をd(mm)、
上記第二部材の厚みをW(mm)、
上記第一部材と上記第二部材との境界面に直交する方向の上記溶接底面の長さをA(mm)、
としたときに、以下の関係:
d≦0.7×D、および
1≦W/A≦2;
を満たす。
また、上記溶接部分が、上記第二部材の外表面であって上記第一部材との境界面に対して厚さ方向に反対側の外表面にまでおよんでおり、且つ、上記d≦0.7×Dを満たすため、上記第二部材の非溶接部分と上記溶接部分との境界の面積が増大する。即ち、上記第二部材の非溶接部分と上記溶接部分との境界部分での破断を低減することができる。
本発明の密閉型電池によると、上記第二部材の非溶接部分と上記溶接部分との境界の面積を十分に確保し得る。したがって、厚みの薄い第二部材を用いた場合であっても、上記第二部材の非溶接部分と上記溶接部分との境界部分における破断を低減し得る。
本発明の密閉型電池によると、電池の製造工程上のバラつきが生じた場合であっても、上記第一部材と上記第二部材との境界面を含む平面における、上記溶接部分の上記境界面に沿った溶接深さ方向の距離(即ち、上記距離D)について所望の距離を確保することが出来る。このため、上記溶接部分の上記溶接深さ方向の距離について、上記電池の製造工程上のバラつきを考慮して所望の大きさ以上に設定する必要性が低くなる。
上述の構成によると、上記溶接部分の上記溶接深さ方向の距離が過大となることに起因して生じ得る、電池ケース内への異物(スパッタ)の侵入やボイド(ブローホール)の発生を低減することができる。
一般的に、封口板の厚みの方がケース本体の厚みよりも大きく設定される。このため、上記第一部材を封口板とすることで、ケース本体と封口板との境界面を含む平面における、上記溶接部分の当該境界面に沿った溶接深さ方向の距離(即ち、上記距離D)について、当該ケース本体と封口板との境界面を含む平面における上記溶接部分の強度(破壊強度)を確保するのに十分な距離を比較的容易に確保し得る。また、本発明の密閉型電池によると、第二部材であるケース本体の非溶接部分と上記溶接部分との境界部分における破断を低減し得る。即ち、本発明の密閉型電池によると、ケース本体と封口板とが溶接により接合された部分について、十分な破壊強度が確保された密閉型電池を提供することができる。
かかる密閉型電池の製造方法によると、3つ以上の相互に独立したレーザビームを適切に組み合わせて用い、被溶接部材であるケース本体および封口板に対して適切に照射することにより、該レーザビームにより溶融される部分(即ち、当該溶融部分が凝固した溶接部分)の形状を所望の形状に制御することができる。これにより、ケース本体と封口板との境界面を含む平面における上記溶接部分の強度が確保され、且つ、被溶接部材の非溶接部分と溶接部分との境界部分での破断が低減された密閉型電池を製造することができる。即ち、ケース本体と封口板とが溶接により接合された部分について、十分な破壊強度が確保された密閉型電池を提供することができる。
ケース本体32は、図1および図2に示すように、ケース本体の側面を構成する側壁36と、図示しない底部とを備える直方体形状の筐体である。かかるケース本体32は、一端(電池の通常の使用状態における上端部に相当する。)に電極体を収容するための矩形状の開口部50を有する。この開口部50の周縁を構成する側壁36において、該側壁36の上面には水平方向に広がる開口端面52が形成されている。
また、ケース本体32および封口板34の材質はそれぞれ同じ材質であってもよく、異なる材質であってもよい、同じ材質のケース本体32および封口板34は、熱伝導率や溶融温度等の諸物性が同じであるため、溶接の熱による金属の溶融に偏りが生じないため好ましい。本実施形態では、ケース本体32および封口板34は、いずれもアルミニウムで構成されている。
そして、上記ケース本体32と封口板34とは、当該ケース本体32と封口板34との境界面の一部を含む所定領域が当該境界面に沿った方向の溶接により接合されている。これにより、上記ケース本体32の開口部50が封口板34により隙間なく塞がれ、電池ケース30が密閉され得る。
上記第一部材60および第二部材62を溶接した溶接部分70は、図示するように、溶接の深さ方向の最深部である溶接底面72であって、該溶接の深さ方向に直交する仮想平面に対して略平行な溶接底面72を有する。
上記溶接部分70が上記溶接底面72を有することより、電池の製造工程上のバラつきが生じた場合であっても、上記第一部材60と上記第二部材62との境界面64を含む平面における、上記溶接部分70の溶接深さ方向の距離(図4で「D」として示す)を確保することができる。これにより、第一部材60と第二部材62との境界面64を含む平面における、上記溶接部分70の強度を安定して確保することができる。上記第一部材60と上記第二部材62との境界面64を含む平面における、上記溶接部分70の溶接深さ方向の距離を確保する観点からは、上記溶接底面72は、上記第一部材60および第二部材64との境界面64を含む平面と交わる(直交する)位置に配置されることが好ましい。例えば、上記第一部材60と第二部材62との境界面64を含む平面により上記溶接底面72を区分けした場合に、上記溶接底面72のうちの少なくとも10%(より好ましくは20%、さらに好ましくは40%特に好ましくは50%)が上記第一部材60側もしくは第二部材62側に位置するように上記溶接底面72が配置されることが好ましい。
また、上記距離dが上記距離Dに対して大きすぎると、上記溶接部分70のうちの上記溶接底面72よりも上記第二部材62の外側幅広表面62cに近い部分において、溶接深さ方向の距離を小さく(即ち溶接深さが浅く)することによる上記第二部材62の非溶接部分と上記溶接部分70との境界74の面積を増大する効果を十分に発揮できない。
そこで、1≦W/Aとし、且つd≦0.7×Dとすることで、上記第二部材62の非溶接部分と上記溶接部分70との境界74の面積として、上記第二部材62の非溶接部分と上記溶接部分70との境界部分での破断を抑制するのに十分な面積を確保することができる。
上記第一部材60の厚みは、例えば上記第二部材62の厚みの3倍〜4倍程度であり得る。具体的には、上記第一部材60の厚みは、0.9mm以上(例えば1.2mm以上)6mm以下(例えば4mm以下)の範囲とし得る。
これらの観点から、上記距離Dは、例えば0.3mm以上(好ましくは0.4mm以上)2mm以下(好ましくは1mm以下)の範囲で設定し得る。典型的には、上記距離Dは0.6mm程度とすればよい。
例えば、長尺状の正極と、長尺状の負極とを、2枚の長尺状のセパレータ(例えば多孔質なポリオレフィン系樹脂製シート)を介して重ね合わせて長尺方向に捲回し、該捲回体を捲回軸に直交する方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形された、扁平型の捲回電極体であり得る。上記正極は、例えば正極集電体(例えばアルミ箔)の片面または両面に正極活物質を含む正極活物質層が形成されたものであり得る。また、上記負極は、負極集電体(例えば銅箔)の片面または両面に負極活物質を含む負極活物質層が形成されたものであり得る。
また、上記溶接は、典型的には、上記ケース本体32と封口板34との境界面64に沿って周回して行う。以下、溶接の進行方向を「溶接方向」ということとする。
従って、各レーザビームの間隔およびレーザ強度等を調整することで、溶接の深さ方向(即ちレーザ照射方向)の最深部である溶接底面72であって、該溶接の深さ方向に直交する仮想平面に対して略平行な溶接底面72を有する溶接部分70を形成することができる。なお、上記レーザビームの間隔およびレーザ強度等は、被溶接部材であるケース本体32および封口板34の材質および厚さ、溶接の深さ等によって変化し得るため特に限定されず、上記溶接底面72を形成可能な範囲に調整すればよい。
上記溶接底面72を形成する観点からは、上記3つ以上のレーザビームは等間隔で配置することが好ましく、また、各レーザビームが同じレーザ強度となるように同時にレーザ照射することが好ましい。
例えば、レーザビームの個数を増やす、或いはレーザビームの間隔を広くする、レーザ照射径が比較的大きなレーザビームを用いる等により、上記溶接底面72の長さであって上記第一部材60と上記第二部材62との境界面64に直交する方向の長さ(即ち、上記溶接底面72の長さA)を大きくすることができる。
以下に説明する手順で、電池のケース本体を封口板で封口した。
まず、厚さが1.4mmであって、JISで規定される合金番号がA1050−Oのアルミニウム合金で構成される封口板を準備した。また、厚さが0.4mmであって、JISで規定される合金番号がA3003−Oのアルミニウム合金で構成されるケース本体を準備した。
そして、発電要素である電極体を上記封口板に所定の手順で取り付けた後、かかる電極体をケース本体に挿入するとともに、封口板をケース本体の開口部に嵌めて蓋をした。具体的には、上記ケース本体の側壁の内壁面に上記封口板の周縁側面が突き合わされ、封口板の外表面と上記電池ケースの開口端面とが面一となるように(即ち、互いに同一の面上にある状態で)、上記ケース本体と封口板とを配置した。即ち、ここでは上記封口板が第一部材であり、上記ケース本体が第二部材である。
次いで、以下の溶接方法1〜溶接方法4のいずれかにより、ケース本体および封口板の境界面の一部を含む所定領域を当該境界面に沿った方向に溶接して接合した。これにより、溶接部分の形状が異なる計22種類の電池(例1〜22)を作製した。
溶接方法1について、レーザ照射位置を図5に模式的に示す。
溶接には、ビームの直径(レーザ照射径)が0.04mmのファイバレーザを4つ準備し、該ファイバレーザを、各レーザビーム(図中の1〜4)がレーザ照射位置において溶接方向に直交する方向に一列に並ぶように配置して用いた。これらの各レーザビーム1〜4は、400mm/秒の速度(溶接速度)で並走させ、上記4つのレーザビーム1〜4が同じレーザ強度となるように同時にレーザ照射した。なお、当該溶接は各レーザビーム1〜4によりキーホール溶接を連続溶接して行った。また、上記溶接は、上記ケース本体32と封口板34との境界面64に沿って周回して行った。
ここで、レーザ強度およびレーザビームの間隔は、溶接部分が、上記溶接の深さ方向の最深部である溶接底面であって、該溶接の深さ方向に直交する仮想平面に対して略平行な溶接底面を有し、且つ、上記溶接部分が、上記ケース本体(第二部材)の外表面であって上記封口板(第一部材)との境界面に対して厚さ方向に反対側の表面にまでおよぶ形状となる範囲で設定した。レーザ照射位置は、上記4つのレーザビームの並列方向の中心が、上記ケース本体32と封口板34との境界面64と一致するように調整した。
そして、レーザ強度、およびレーザビームの間隔を適宜調整することで、溶接部分の形状が異なる計10種類の溶接条件で溶接を行った(例1〜例10)。
図6に示すように、レーザ照射位置をケース本体32側に0.1mm移動した以外は上記溶接方法1と同様の手順にて、溶接部分の形状が異なる計10種類の溶接条件で溶接を行った(例11〜例20)。具体的には、例1に係る電池を作製する際の溶接条件においてレーザ照射位置を移動して例11に係る電池を作製し、同様に例2、例3、・・・・例10に係る電池を作製する際の溶接条件においてレーザ照射位置を移動して例12、例13、・・・・・例20に係る電池を作製した。
図7に示すように、溶接にはビームの直径(レーザ照射径)が0.3mmのファイバレーザ(図中の5)を単独で用い、レーザビーム5の中心が上記ケース本体32と封口板34との境界面64と一致するようにレーザビームを照射した。そして、上記ケース本体32と封口板34との境界面64に沿って400mm/秒の速度(溶接速度)で周回して連続溶接することにより溶接を行った(例21)。
図8に示すように、レーザ照射位置を、ケース本体側に0.1mm移動した以外は上記溶接方法3と同様の手順にて、溶接を行った(例22)。
上記例1〜22に係る電池の溶接部分の形状について、ケース本体32と封口板34との境界面に直交する方向であって、上記溶接部分70の溶接深さ方向に沿う方向の断面図を表1〜3に示す。
また、ケース本体32と封口板34との境界面を含む平面における溶接部分70の溶接深さ方向の距離(D(mm))、ケース本体32と封口板34との境界面を含む平面における溶接部分70の外表面から、ケース本体32の外表面であって上記ケース本体32と上記封口板34との境界面に対して厚さ方向に反対側の外表面における溶接部分70とケース本体32の非溶接部分との境界までの、溶接深さ方向の距離(d(mm))、ケース本体32の厚み(W(mm))、ケース本体32と封口板34との境界面に直交する方向の上記溶接底面の長さ(A(mm))を測定した。各例に係る電池について、上記Dに対するdの大きさ、および上記Wに対するAの大きさを表1〜表3に示す。
次に、上記各例に係る電池の電池ケースについて、ケース本体32と封口板34との溶接部分70の強度を確認するために、以下の破壊試験を行った(図9参照)。
まず、各電池の電池ケースについて、溶接部分を含む一部分を、ケース本体32と封口板34との境界に直交する方向であって上記溶接部分70の溶接深さ方向に沿う方向に切断し、上記溶接部分を含む厚さ5mmの試験片を切り出した。次いで、各例に係る当該試験片について、封口板34を固定し、且つケース本体32を封口板34とケース本体32との境界面に沿う方向(溶接部分の溶接深さ方向に沿う方向)に引っ張り、上記溶接部分70が破壊に至ったときの引張強度(N)を測定した。また、上記引張により破壊された破断部分の長さ(mm)について、上記試験片を切断面から視たときの長さを測り、上記引張強度(N)を上記破断部分の長さ(mm)で除して破壊強度(N/mm)を求めた。各例に係る電池について、上記破壊試験を行い、上記溶接部分が破壊に至った後のケース本体32の破断部分の形状を、表1〜3の該当欄に示す。
各例に係る電池についてそれぞれ10個の電池を作製し、当該各電池について上記破壊試験を行った。そして、10個の電池で測定した破壊強度の平均が35N/mm以上のものを「〇」、35N/mmより小さいものを「×」と評価した。結果を表1〜3の該当欄に示す。
また、上記例1〜9および11〜14は、溶接部分の形状がd≦0.7×Dであった。このため、上記溶接部分とケース本体の非溶接部分との境界の面積を十分に確保することができ、当該溶接部分とケース本体の非溶接部分との境界部分での破断を抑制し得たと考える。
例15および例16は、ケース本体と封口板との境界面が上記溶接部分の溶接底面と交わらない、即ち、上記溶接部分の溶接深さ方向の最深部が上記ケース本体と封口板との境界面を含む平面上に位置しない。このため、ケース本体と封口板との境界面を含む平面における上記溶接部分の溶接深さが所望の深さ(ここでは0.6mm)よりも小さくなり、ケース本体と封口板との境界面で破断しやすかったと考える。例22も同様に、上記溶接部分の溶接深さ方向の最深部が上記ケース本体と封口板との境界面を含む平面からずれており、ケース本体と封口板との境界面で破断しやすかったと考える。
また、例10、例17〜例20は、溶接部分の形状がd>0.7×Dであるために、ケース本体の非溶接部分と溶接部分との境界の面積が小さくなり、ケース本体の非溶接部分と上記溶接部分との境界部分で破断しやすかったと考える。
また、W/A<1である例7は、レーザ照射位置をずらした(例17)ときに、距離dが小さくなりがちであった。
これらのことから、電池製造時のバラつき(例えば溶接位置のバラつき、部材サイズのバラつき)を考慮すると、1≦W/A≦2が好ましいことを確認した。
30 電池ケース
32 ケース本体
34 封口板
36 側壁
38 外表面
42 正極端子
44 負極端子
50 開口部
52 開口端面
60 第一部材
60a 幅広面
60b 側面
62 第二部材
62a 幅広面
62b 側面
62c 外側幅広表面
64 第一部材と第二部材との境界面
70 溶接部分
72 溶接底面
74 第二部材の非溶接部分と溶接部分との境界
100 電池
Claims (5)
- 電極体を収容するための開口部を有するケース本体と、当該ケース本体の開口部を塞ぐ封口板とを備える密閉型電池であって、
前記ケース本体と前記封口板とは、前記ケース本体と前記封口板との境界面の一部を含む所定領域が当該境界面に沿った方向の溶接によって接合されており、
被溶接部材である前記ケース本体および前記封口板のうちで、前記境界面に沿った方向が当該被溶接部材の厚み方向に対応する部材を第一部材とし、他方を第二部材としたときに、
前記溶接部分は、前記第一部材と前記第二部材との境界面に沿った溶接の深さ方向の最深部である溶接底面であって、該溶接の深さ方向に直交する仮想平面に対して略平行な溶接底面を有し、且つ、
前記溶接部分は、前記第二部材の外表面であって前記第一部材との境界面に対して厚さ方向に反対側の外表面にまでおよんでおり、
前記第一部材と前記第二部材との境界面は前記溶接底面と交わっており、
ここで、
前記第一部材と前記第二部材との境界面を含む平面における、前記溶接部分の前記境界面に沿った溶接深さ方向の距離をD(mm)、
前記第一部材と前記第二部材との境界面を含む平面における前記溶接部分の外表面から、前記第二部材の外表面であって前記第一部材との境界面に対して厚さ方向に反対側の外表面における前記溶接部分と第二部材の非溶接部分との境界までの、前記境界面に沿った溶接深さ方向の距離をd(mm)
前記第二部材の厚みをW(mm)、
前記第一部材と前記第二部材との境界面に直交する方向の前記溶接底面の長さをA(mm)、
としたときに、以下の関係:
d≦0.7×D、および
1≦W/A≦2;
を満たす、密閉型電池。 - 前記第二部材の厚みWが1mm以下である、請求項1に記載の密閉型電池。
- 前記距離Dが2mm以下である、請求項1または2に記載の密閉型電池。
- 前記第一部材が封口板であり、前記第二部材がケース本体である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の密閉型電池。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の密閉型電池を製造する方法であって、
前記ケース本体と封口板とをレーザ溶接にて接合し、
前記レーザ溶接は、3つ以上の相互に独立したレーザビームがレーザ照射部位において溶接方向に直交する方向に一列に並ぶようにし、且つ、当該3つ以上のレーザビームが同じレーザ強度となるように同時にレーザ照射されるように行う。
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