JP2017139239A - 金属接合体及び金属接合体の製造方法 - Google Patents

金属接合体及び金属接合体の製造方法 Download PDF

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孝之 土屋
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Abstract

【課題】蓄電セルとバスバーの接触抵抗が小さく、かつ接続強度に優れる金属接合体及び金属接合体の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る金属接合体は、第１の部材と、第２の部材とを具備する。第１の部材は、第１の金属材料からなり第１の主面を有する。第２の部材は、第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなり第１の主面と対向する第２の主面を有する。第１の主面の少なくとも一部と第２の主面の少なくとも一部が、第１の金属材料と第２の金属材料とが混合した材料混合部を介して接合されている。
【選択図】図１９

Description

本発明は、蓄電セルを内蔵する蓄電モジュール、金属接合体及び金属接合体の製造方法に関する。
電池やキャパシタ等の蓄電セルを制御回路と共に筐体に収容し、一体化した蓄電モジュールは広く普及している。蓄電セルの正極と負極は、筐体内に設けられたバスバーにネジによる締結より接合され、バスバーを介して蓄電モジュールの端子に電気的に接続された構成が一般的である（例えば特許文献１）。
一方で、蓄電モジュールは高容量化が求められており、蓄電セルとバスバーの電気的接続は大電流への対応が求められている。当該電気的接続の接触抵抗が大きければ発熱が問題となる。このため、蓄電セルの正極と負極をバスバーに溶接し、接触抵抗の低減及び接続強度の向上を図った蓄電モジュールも実現されている。
特開２０１４−２２９５６４号公報
しかしながら、蓄電セルには、近年に開発されたリチウムイオンキャパシタ等のように正極と負極の材質が異なるものが存在する。このため、正極と負極の少なくとも一方は、バスバーと材質が異なる。異種金属を溶接すると金属間化合物が界面に形成されるため、溶接は困難である。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、蓄電セルとバスバーの接触抵抗が小さく、かつ接続強度に優れる蓄電モジュール、金属接合体及び金属接合体の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る蓄電モジュールは、蓄電セルと、フレームとを具備する。
上記蓄電セルは、正極及び負極を有する蓄電素子と、電解質と共に上記蓄電素子を封止する外装フィルムと、第１の金属材料からなり、上記正極に電気的に接続された正極タブと、第２の金属材料からなり、上記負極に電気的に接続された負極タブを備える。
上記フレームは、上記蓄電セルを収容する収容空間を形成し、上記第２の金属材料からなるバスバーを備える。
上記正極タブと上記バスバーは溶接によって互いに接合され、上記正極タブと上記バスバーの界面に、上記第１の金属材料と上記第２の金属材料が混合した材料混合部が形成されている。
この構成によれば、異なる金属材料からなる正極タブとバスバーの界面に材料混合部によるアンカー効果が発生し、正極タブとバスバーの界面に強固な結合が形成される。一般に異なる金属材料を溶接すると、異なる金属材料が化合した金属化合物が形成され、接合強度が不足するが、上記構成によれば材料混合部によって正極タブとバスバーの接合強度が確保されている。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る蓄電モジュールは、蓄電セルと、フレームとを具備する。
上記蓄電セルは、正極及び負極を有する蓄電素子と、電解質と共に上記蓄電素子を封止する外装フィルムと、第１の金属材料からなり、上記正極に電気的に接続された正極タブと、第２の金属材料からなり、上記負極に電気的に接続された負極タブを備える。
上記フレームは、上記蓄電セルを収容する収容空間を形成し、上記第１の金属材料からなるバスバーを備える。
上記負極タブと上記バスバーは溶接によって互いに接合され、上記負極タブと上記バスバーの界面に、上記第１の金属材料と上記第２の金属材料が混合した材料混合部が形成されている。
この構成によれば、異なる金属材料からなる負極タブとバスバーの界面に材料混合部によるアンカー効果が発生し、負極タブとバスバーの界面に強固な結合が形成される。
上記第１の金属材料はアルミニウムであり、上記第２の金属材料は銅であってもよい。
リチウムイオンキャパシタやリチウムイオン二次電池は、正極タブと負極タブを同じ金属材料とすると、電気化学的作用により一方が溶解するため、正極タブと負極タブは異なる金属材料からなる。具体的には正極タブはアルミニウムを利用することができ、負極タブは銅を利用することができる。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る蓄電モジュールの製造方法は、
正極及び負極を有する蓄電素子と、電解質と共に上記蓄電素子を封止する外装フィルムと、第１の金属材料からなり、上記正極に電気的に接続された正極タブと、第２の金属材料からなり、上記負極に電気的に接続された負極タブとを備える蓄電セルを、上記第２の金属材料からなるバスバーを備えるフレームに収容して上記正極タブを上記バスバーに当接させ、
上記正極タブに、中心を一方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路で高エネルギー線を照射し、上記正極タブを上記バスバーに溶接する。
この製造方法によれば、正極タブとバスバーが、同一又は近接する領域において短時間で複数回溶接されるため、正極タブとバスバーの界面に、第１の金属材料と第２の金属材料が混合した材料混合部を形成することが可能となる。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る蓄電モジュールの製造方法は、
正極及び負極を有する蓄電素子と、電解質と共に上記蓄電素子を封止する外装フィルムと、第１の金属材料からなり、上記正極に電気的に接続された正極タブと、第２の金属材料からなり、上記負極に電気的に接続された負極タブとを備える蓄電セルを、上記第２の金属材料からなるバスバーを備えるフレームに収容して上記正極タブを上記バスバーに当接させ、
上記正極タブに、弧を描きながら弧の中心を一方向に移動させる走査経路で高エネルギー線を照射し、上記正極タブを上記バスバーに溶接する。
この製造方法によれば、正極タブとバスバーの溶接面積が増加すると共に同一又は近接する領域が短時間で複数回溶接されるため、正極タブとバスバーの界面に、第１の金属材料と第２の金属材料が混合した材料混合部を形成することが可能となる。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る蓄電モジュールの製造方法は、
正極及び負極を有する蓄電素子と、電解質と共に上記蓄電素子を封止する外装フィルムと、第１の金属材料からなり、上記正極に電気的に接続された正極タブと、第２の金属材料からなり、上記負極に電気的に接続された負極タブとを備える蓄電セルを、上記第１の金属材料からなるバスバーを備えるフレームに収容して上記負極タブを上記バスバーに当接させ、
上記負極タブに、中心を一方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路で高エネルギー線を照射し、上記負極タブを上記バスバーに溶接する。
この製造方法によれば、負極タブとバスバーが、同一又は近接する領域において短時間で複数回溶接されるため、負極タブとバスバーの界面に、第１の金属材料と第２の金属材料が混合した材料混合部を形成することが可能となる。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る蓄電モジュールの製造方法は、
正極及び負極を有する蓄電素子と、電解質と共に上記蓄電素子を封止する外装フィルムと、第１の金属材料からなり、上記正極に電気的に接続された正極タブと、第２の金属材料からなり、上記負極に電気的に接続された負極タブとを備える蓄電セルを、上記第１の金属材料からなるバスバーを備えるフレームに収容して上記負極タブを上記バスバーに当接させ、
上記負極タブに、弧を描きながら弧の中心を一方向に移動させる走査経路で高エネルギー線を照射し、上記負極タブを上記バスバーに溶接する。
この製造方法によれば、負極タブとバスバーの溶接面積が増加すると共に同一又は近接する領域が短時間で複数回溶接されるため、負極タブとバスバーの界面に、第１の金属材料と第２の金属材料が混合した材料混合部を形成することが可能となる。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る金属接合体は、第１の部材と第２の部材を具備する。
上記第１の部材は、第１の金属材料からなる。
上記第２の部材は、上記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなる。
上記第１の部材と上記第２の部材は溶接によって互いに接合され、上記第１の部材と上記第２の部材の界面において、上記第２の金属材料が上記第１の金属材料中に不規則に入り込んでいる。
この構成によれば、異なる金属材料からなる第１の部材と第２の部材の間で、第２の金属材料が第１の金属材料中に不規則に入り込んでいるため、アンカー効果が発生し、第１の部材と第２の部材の界面に強固な結合が形成され、第１の部材と第２の部材の接合強度が確保されている。
上記第１の金属材料は上記第２の金属材料より融点が低い金属材料であってもよい。
高エネルギー線による溶接によって上記構造を形成することが可能であるが、第１の金属材料の融点が第２の金属材料の融点より低いと、第１の部材に形成される融解池に第２の金属材料が入り込みやすく、上記構造を形成しやすいため好適である。
上記第１の金属材料はアルミニウムであり、上記第２の金属材料は銅であってもよい。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る金属接合体の製造方法は、
第１の金属材料からなる第１の部材を上記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料に当接させ、
上記第１の部材に、中心を一方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路で高エネルギー線を照射し、上記第１の部材を上記第２の部材に溶接する。
第１の部材に、中心を一方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路で高エネルギー線を照射することにより、第１の部材と第２の部材が、同一又は近接する領域において短時間で複数回溶接されるため、第１の金属材料の融解池が撹拌され、軟化又は融解した第２の金属材料の表層部が上記第１の金属材料中に不規則に入り込んだ構造が形成される。
上記第１の部材を上記第２の部材に溶接する工程は、上記第１の部材に、弧を描きながら弧の中心を一方向に移動させる走査経路で高エネルギー線を照射してもよい。
この製造方法によれば、第１の部材と第２の部材の溶接面積が増加すると共に同一又は近接する領域が短時間で複数回溶接されるため、第１の金属材料の融解池が撹拌され、軟化又は融解した第２の金属材料の表層部が上記第１の金属材料中に不規則に入り込んだ構造が形成される。
上記第１の金属材料は上記第２の金属材料より融点が低い金属材料であってもよい。
第１の金属材料の融点が第２の金属材料の融点より低いと、第１の部材に高エネルギー線を照射した際に第１の部材に形成される融解池に第２の金属材料が入り込みやすく、上記構造を形成しやすいため好適である。
上記高エネルギー線はファイバーレーザーの照射光であってもよい。
ファイバーレーザーは連的な軌跡を描くことが可能であり、中心を一方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路でレーザーを走査することが可能である。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る蓄電モジュールの製造方法は、正極及び負極を有する蓄電素子と、電解質と共に前記蓄電素子を封止する外装フィルムと、第１の金属材料からなり、前記正極に電気的に接続された正極タブと、第２の金属材料からなり、前記負極に電気的に接続された負極タブとを備える蓄電セルを、前記第２の金属材料からなるバスバーを備えるフレームに収容して前記正極タブを前記バスバーに当接させる。
前記正極タブに高エネルギー線を照射して前記正極タブに前記第１の金属材料が融解した融解池を形成し、かつ前記バスバーの前記融解池に当接する箇所において前記第２の金属材料を軟化させる。
前記正極タブに高エネルギー線を照射して前記融解池を撹拌し、軟化した前記第２の金属材料を前記融解池に混合させる。
この製造方法によれば、バスバーを構成する第２の金属材料が正極タブを構成する第１の金属材料中に不規則に入り込み、アンカー効果によって正極タブとバスバーとの間に強固な結合が形成されるため、正極タブとバスバーの接合強度を確保することができる。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る金属接合体の製造方法は、第１の金属材料からなる第１の部材を前記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料に当接させる。
前記第１の部材に高エネルギー線を照射して前記第１の部材に前記第１の金属材料が融解した融解池を形成し、かつ前記第２の部材の前記融解池に当接する箇所において前記第２の金属材料を軟化させる。
前記第１の部材に高エネルギー線を照射して前記融解池を撹拌し、軟化した前記第２の金属材料を前記融解池に混合させる。
この製造方法によれば、第２の部材を構成する第２の金属材料が第１の部材を構成する第１の金属材料中に不規則に入り込み、アンカー効果によって第１の部材と第２の部材との間に強固な結合が形成されるため、第１の部材と第２の部材の接合強度を確保することができる。
以上のように本発明によれば、蓄電セルとバスバーの接触抵抗が小さく、かつ接続強度に優れる蓄電モジュール、金属接合体及び金属接合体の製造方法を提供することが可能となる。
本発明の実施形態に係る蓄電モジュールの斜視図である。 同蓄電モジュールの分解斜視図である。 同蓄電モジュールが備えるフレームの構成を示す模式図である。 同蓄電モジュールが備えるフレームの平面図である。 同蓄電モジュールが備えるフレームの平面図である。 同蓄電モジュールが備えるフレームの平面図である。 同蓄電モジュールが備える蓄電セルの斜視図である。 同蓄電モジュールが備える蓄電セルの断面図である。 同蓄電モジュールが備えるフレーム及び蓄電セルの平面図である。 同蓄電モジュールが備えるフレーム及び蓄電セルの断面図である。 同蓄電モジュールにおける蓄電セルとバスバーの接続関係を示す模式図である。 同蓄電モジュールにおける蓄電セルとバスバーの溶接箇所の平面図である。 同蓄電モジュールにおける蓄電セルとバスバーの溶接箇所の拡大図である。 同蓄電モジュールにおける蓄電セルとバスバーの溶接の際のレーザーの走査経路を示す模式図である。 同蓄電モジュールにおける蓄電セルとバスバーの溶接の際のレーザーの走査経路を示す模式図である。 同蓄電モジュールにおける蓄電セルとバスバーの溶接箇所の断面図である。 異種金属材料の溶接によって生じる金属間化合物を示す模式図である。 同蓄電モジュールにおける蓄電セルとバスバーの溶接の際のレーザーの走査経路を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る金属接合体の断面図である。 同金属接合体の溶接プロセスを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る金属接合体の断面図である。 同金属接合体の溶接プロセスを示す模式図である。
本発明の実施形態に係る蓄電モジュールについて説明する。
［蓄電モジュールの構成］
図１は、本実施形態に係る蓄電モジュール１０の斜視図であり、図２は蓄電モジュール１０の分解斜視図である。なお、以下の図面において、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は互いに直交する三方向である。
図１及び図２に示すように、蓄電モジュール１０は、フレーム１１、蓄電セル１２（１２Ａ〜１２Ｄ）、第１電圧検出基板１３、第２電圧検出基板１４、コネクタ基板１５、第１プレート１６、第２プレート１７、第１伝熱絶縁シート１８及び第２伝熱絶縁シート１９を備える。蓄電モジュール１０は４つの蓄電セル１２を備えており、各蓄電セル１２を蓄電セル１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ及び１２Ｄとする。
フレーム１１は、中空の枠状部材であり、蓄電セル１２の収容空間を形成する。図１及び図２に示すように、フレーム１１の一面には、コネクタ孔１１ａ、ネジ孔１１ｂ、正極端子１１ｃ、負極端子１１ｄ及び極性表示１１ｅが設けられている。コネクタ孔１１ａは、フレーム１１に二つが設けられているが、一つ又は三つ以上が設けられてもよい。
ネジ孔１１ｂは、フレーム１１に二つが設けられており、正極端子１１ｃ及び負極端子１１ｄはネジ孔１１ｂの周囲にそれぞれ設けられている。極性表示１１ｅは正極端子１１ｃ及び負極端子１１ｄの近傍に一つずつが設けられており、正極端子１１ｃ及び負極端子１１ｄの極性（＋又は−）を表す表示である。
フレーム１１は、インサート成型により形成され、合成樹脂からなる樹脂部材の内部にバスバー１１０が埋設された構成を有する。図３は、フレーム１１及びバスバー１１０の模式図であり、図４乃至図６は、フレーム１１を各方向からみた平面図である。
これらの図に示すように、バスバー１１０は、第１バスバー１１１、第２バスバー１１２、第３バスバー１１３、第４バスバー１１４及び第５バスバー１１５の五つのバスバーを含む。それぞれのバスバーは、離間した状態でフレーム１１に埋設され、一部はフレーム１１から露出している。
第１バスバー１１１は、図４に示すように、フレーム１１の上面側（第１プレート１６側）において露出すると共に、図６に示すように一方のネジ孔１１ｂの周囲において露出し、正極端子１１ｃを形成する。第２バスバー１１２は、図５に示すように、フレーム１１の下面側（第２プレート１７側）において露出すると共に、図６に示すように他方のネジ孔１１ｂの周囲において露出し、負極端子１１ｄを形成する。
第３バスバー１１３は、図４に示すようにフレーム１１の上面側の２箇所において露出し、第４バスバー１１４は、図５に示すようにフレーム１１の下面側の２箇所において露出する。第５バスバー１１５は、図４及び図５に示すように、フレーム１１の上面側及び下面側に露出する。
バスバー１１０は、銅からなるものとすることができる。またこの他にもバスバー１１０は、導電性の高い金属材料からなるものとすることができる。
蓄電セル１２（１２Ａ〜１２Ｄ）は、蓄電及び放電が可能なセルであり、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池等である。図７は蓄電セル１２の斜視図であり、図８は蓄電セル１２の断面図である。
これらの図に示すように、蓄電セル１２は、蓄電素子１２１、外装フィルム１２２、正極タブ１２３、負極タブ１２４、正極導体１２５及び負極導体１２６を備える。
蓄電素子１２１は、正極１２７、負極１２８及びセパレータ１２９から構成され、正極１２７及び負極１２８はセパレータ１２９を介して交互に積層されている。
正極１２７は、正極活物質を含み、金属からなる正極集電体の表裏両面に、正極活物質が積層されて構成されたものとすることができる。正極活物質は例えば活性炭であり、蓄電セル１２の種類に応じて適宜変更することができる。
負極１２８は、負極活物質を含み金属からなる負極集電体の表裏両面に、負極活物質が積層されて構成されたものとすることができる。負極活物質は例えば炭素系材料であり、蓄電セル１２の種類に応じて適宜変更することができる。
セパレータ１２９は、正極１２７と負極１２８の間に配置され、電解質を通過させると共に正極１２７と負極１２８の接触を防止（絶縁）する。セパレータ１２９は、織布、不織布又は合成樹脂微多孔膜等であるものとすることができ、セルロース系やポリオレフィン系の材料を使用できる。
蓄電素子１２１を構成する正極１２７及び負極１２８の数は特に限定されず、正極１２７と負極１２８がセパレータ１２９を介して交互に積層された構成であればよい
蓄電素子１２１は、電解質と共に外装フィルム１２２によって封止されている。電解質は特に限定されず、蓄電セル１２の種類に応じて適宜変更することができる。外装フィルム１２２は、金属箔の表裏に合成樹脂を積層したラミネートフィルムとすることができ、二枚の外装フィルム１２２が蓄電素子１２１の周縁において融着され、内部を封止する。
外装フィルム１２２には、正極タブ１２３および負極タブ１２４が互いに離間して挟みこまれている。正極タブ１２３は、配線又は箔である正極導体１２５によって正極１２７に電気的に接続し、負極タブ１２４は、配線又は箔である負極導体１２６によって負極１２８に電気的に接続する。
正極タブ１２３と負極タブ１２４は、互いに異なる金属材料からなる。具体的には正極タブ１２３はアルミニウムからなり、負極タブ１２４は銅からなるものとすることができる。これは、蓄電セル１２がリチウムイオンキャパシタやリチウムイオン二次電池である場合、正極タブ１２３と負極タブ１２４を同じ金属材料とすると、電気化学的作用により一方が溶解するためである。
図２に示すように、第１プレート１６側の蓄電セル１２（１２Ａ及び１２Ｂ）と第２プレート１７側の蓄電セル１２（１２Ｃ及び１２Ｄ）がそれぞれＺ方向に積層され、蓄電モジュール１０に収容されている。蓄電モジュール１０は４つの蓄電セル１２を備えるものとすることができるが、これに限定されず、二つの蓄電モジュール１０がＺ方向に積層された組を一つ又は複数備えるものとすることができる。即ち蓄電モジュール１０は、偶数個の蓄電モジュール１０を備えるものとすることができる。
各蓄電セル１２の正極タブ１２３及び負極タブ１２４は、バスバー１１０を介して、正極端子１１ｃ及び負極端子１１ｄに接続されている。図９は、フレーム１１に収容された蓄電セル１２を示す平面図である。図１０は、フレーム１１に収容された蓄電セル１２を示す断面図であり、図９のＡ−Ａ線での断面図である。図１１は、各蓄電セル１２の正極タブ１２３及び負極タブ１２４とバスバー１１０の接続関係を示す模式図である。
図１１に示すように、蓄電セル１２Ａの正極タブ１２３Ａは第１バスバー１１１に、蓄電セル１２Ａの負極タブ１２４Ａは第３バスバー１１３にそれぞれ接続される。蓄電セル１２Ｂの正極タブ１２３Ｂは、第３バスバー１１３に、蓄電セル１２Ｂの負極タブ１２４Ｂは、第５バスバー１１５にそれぞれ接続される。
また、蓄電セル１２Ｃの正極タブ１２３Ｃは第４バスバー１１４に、蓄電セル１２Ｃの負極タブ１２４Ｃは第２バスバー１１２にそれぞれ接続される。蓄電セル１２Ｄの正極タブ１２３Ｄは、第５バスバー１１５に、蓄電セル１２Ｄの負極タブ１２４Ｄは第４バスバー１１４にそれぞれ接続される。各蓄電セル１２の正極タブ１２３及び負極タブ１２４と各バスバーの接続の詳細については後述する。
第１電圧検出基板１３は、第１プレート１６側の蓄電セル１２（１２Ａ及び１２Ｂ）の電圧を監視する。第１電圧検出基板１３はフレーム１１に固定され、蓄電セル１２Ａ及び１２Ｂの正極タブ１２３及び負極タブ１２４に電気的に接続されている。
第２電圧検出基板１４は、第２プレート１７側の蓄電セル１２（１２Ｃ及び１２Ｄ）の電圧を監視する。第２電圧検出基板１４は、フレーム１１に固定され、蓄電セル１２Ｃ及び１２Ｄの正極タブ１２３及び負極タブ１２４に電気的に接続されている。
コネクタ基板１５は、コネクタ１５１及びコネクタ１５２及び信号処理回路等を備える。コネクタ１５１は、配線を介して第１電圧検出基板１３及び第２電圧検出基板１４に接続され、各蓄電セル１２において検出された電圧が入力される。コネクタ１５２は、コネクタ孔１１ａに挿通され、検査用の外部機器が接続される。
第１プレート１６は、アルミニウム等の金属材料からなる平板状の部材であり、フレーム１１に接合される。第１プレート１６は、ネジによってフレーム１１にネジ止めされるものとすることができるが、他の固定方法によってフレーム１１に接合されてもよい。
第２プレート１７は、アルミニウム等の金属材料からなる平板状の部材であり、フレーム１１に接合される。第２プレート１７は、ネジによってフレーム１１にネジ止めされるものとすることができるが、他の固定方法によってフレーム１１に接合されてもよい。
第１伝熱絶縁シート１８は、第１プレート１６に貼付されているシート状の部材であり、熱伝導性及び絶縁性が高い材料からなる。第１伝熱絶縁シート１８は、第１プレート１６がフレーム１１に固定されると第１プレート１６側の蓄電セル１２（１２Ａ及び１２Ｂ）と第１プレート１６によって挟持され、これらの蓄電セル１２の熱を第１プレート１６に伝達する。
第２伝熱絶縁シート１９は、第２プレート１７に貼付されているシート状の部材であり、熱伝導性及び絶縁性が高い材料からなる。第２伝熱絶縁シート１９は、第２プレート１７がフレーム１１に固定されると第２プレート１７側の蓄電セル１２（１２Ｃ及び１２Ｄ）と第２プレート１７によって挟持され、これらの蓄電セル１２の熱を第２プレート１７に伝達する
［蓄電セルとバスバーの接続について］
上記のように、各蓄電セル１２の正極タブ１２３と負極タブ１２４は、バスバー１１０に接続されている。正極タブ１２３と負極タブ１２４は、互いに異なる金属材料からなるため、少なくともいずれか一方は、バスバー１１０とは異なる金属材料からなる。具体的には、バスバー１１０は銅からなるが、正極タブ１２３はアルミニウムからなるものとすることができる。
ここで、蓄電モジュール１０では、正極タブ１２３及び負極タブ１２４は、レーザー溶接によってバスバー１１０（第１バスバー１１１〜第５バスバー１１５のいずれか）に溶接されている。図１２は、正極タブ１２３及びバスバー１１０の溶接箇所を示す模式図であり、図１３は同溶接箇所の拡大図である。
図１２に示すように、正極タブ１２３には、複数本の溶接痕Ｌが形成されており、図１３に示すように各溶接痕Ｌは、一方向に沿って連続的に配列する円弧状に形成されている。なお、溶接痕Ｌの本数は特に限定されず、溶接面積に応じて適宜選択される。
図１４及び図１５は、レーザーの走査経路を示す模式図である。これらの図に示すように、レーザーは、正極タブ１２３表面に照射され、走査される。ここでレーザーは、中心が進む方向と逆向きに進む軌跡を描くような走査経路で走査される。
図１４において、レーザーの走査経路Ｓと、レーザーの中心が進む経路Ｆを示す。また、レーザーの走査経路Ｓ上において、経路Ｆと同じ向きを向きＰ１とし、経路Ｆと逆向きを向きＰ２として示す。同図に示すように、レーザーは、弧を描きながら弧の中心を一方向（経路Ｆ）に移動させる走査経路で走査され、走査経路Ｓの一部は向きＰ２に沿って進行する。
これにより、正極タブ１２３上の同一箇所に複数回レーザーが照射され、図１５に示すように、一方向（経路Ｆ）に沿って連続的に配列する円弧状の溶接痕Ｌが形成される。
図１６は、正極タブ１２３とバスバー１１０の溶接箇所の模式的な断面図である。同図に示すように、正極タブ１２３とバスバー１１０の界面には、レーザー溶接によって生成した材料混合部Ｍが形成されている。材料混合部Ｍは、正極タブ１２３とバスバー１１０の構成材料が混合した部分である。
一方、図１７は、銅からなる部材Ａと、アルミニウムからなる部材Ｂを一般的なレーザー溶接（点溶接又は線溶接）によって溶接した場合の溶接痕を示す断面図である。同図に示すように、溶接箇所には、部材Ａの組織が溶接熱によって変化した組織変化部Ｃと部材Ｂの組織が溶接熱によって変化した組織変化部Ｄが形成され、組織変化部Ｃと組織変化部Ｄの界面にはこれらの化合物である金属間化合物Ｅが形成されている。この金属間化合物Ｅによって部材Ａと部材Ｂの接合強度が不足する。
これに対し、上記のように連続的に弧を描きなが弧の中心を一方向に移動させる走査経路でレーザー溶接をすることで溶接面積が増加するほか、異種金属同士が混ざり合い複雑に結合される。これにより金属間化合物が界面に発生せず、アンカー効果が発生する。従って、合金化にならないまでも強固な結合が可能となる。なお、レーザーの走査経路は上記ような走査経路に限られず、中心が進む方向と逆向きに進む軌跡を描くような走査経路を設けることにより材料混合部が形成されればよい。
図１８は、レーザーの走査経路の他の例である。同図に示すように、レーザーの走査経路Ｓは、直線状であり、レーザーの中心が進む方向と逆向き及びレーザーの中心が進む方向に対して垂直方向に進む軌跡を描くような走査経路であってもよい。走査経路Ｓがレーザーの中心が進む方向と垂直な方向へ進行することにより、溶接面積が増加するという効果が得られる。この他にも、レーザーの走査経路は、同じ直線状を一方向とその逆方向に進行することを交互に繰り返すものであってもよい。
上記のレーザー溶接に用いられるレーザーの種類は特に限定されない。しかしながら、連続的な軌跡を描くことが可能なファイバーレーザーが好適である。
また、強度確認においてアルミニウムからなる正極タブ１２３と銅からなるバスバー１１０の引き剥がしを行ったところ、正極タブ１２３自体が破壊され、溶接部はバスバー１１０に接続された状態となり、溶接部が母材強度を上回ることが確認されている。
また、ここでは正極タブ１２３とバスバー１１０の溶接について説明したが、負極タブ１２４とバスバー１１０についても、正極タブ１２３と同様にレーザー溶接することが可能である。一方で、負極タブ１２４とバスバー１１０が同種の金属材料からなる場合には、金属間化合物が形成されないため、一般的な溶接方法によって溶接してもよい。
また、上記説明では、正極タブ１２３とバスバー１１０の構成材料が異なる場合について説明したが、負極タブ１２４とバスバー１１０の構成材料が異なる場合についても上記のような方法でレーザー溶接を行うことができる。
具体的には、正極タブ１２３とバスバー１１０がアルミニウムからなり、負極タブ１２４が銅からなる場合である。この場合にも負極タブ１２４に上記のような走査経路でレーザーを照射することにより、負極タブ１２４とバスバー１１０の間に材料混合部が形成され、両者が十分な接合強度で溶接される。この他にも本発明は、正極タブ１２３と負極タブ１２４のうち少なくともいずれか一方の構成材料がバスバー１１０の構成材料と異なっている場合に適用することが可能である。
［金属接合体について］
上記説明においては、蓄電モジュールの正極タブ又は負極タブとバスバーのレーザー溶接について説明したが、本実施形態は他の金属部材の接合に利用することも可能である。
図１９は、本実施形態に係る金属接合体２００の断面図である。同図に示すように、金属接合体２００は、第１部材２１０及び第２部材２２０が接合されて構成されている。
第１部材２１０は第１の金属材料からなり、第２部材２２０は第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなる。第１の金属材料は第２の金属材料より融点の低い材料からなり、第１の金属材料はアルミニウム（融点：約６５０℃）、第２の金属材料は銅（融点：約１０５０℃）であるものとすることができる。
第１部材２１０と第２部材２２０は、レーザー溶接によって接合されており、図１９に示すように、第１部材２１０と第２部材２２０の界面において、第２の金属材料が第１の金属材料中に不規則に入り込んでいる。
第１部材２１０と第２部材２２０は、第１部材２１０と第２部材２２０を当接させ、第１部材２１０に、中心を一方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路（図１４参照）でレーザーを照射することで溶接される。
具体的には、レーザーの走査経路は、中心が進む方向と逆向きに進む軌跡を描くような走査経路（図１５参照）や直線状であり、レーザーの中心が進む方向と逆向き及びレーザーの中心が進む方向に対して垂直方向に進む軌跡を描くような走査経路（図１８参照）とすることができる。
図２０は、レーザー溶接のプロセスを示す模式図である。同図に示すように、第１部材２１０にレーザーＧを照射すると、第１の金属材料が融解し、融解池２１０ａが形成される。同時に、レーザー照射のエネルギーによって、軟化又は融解した第２の金属材料の表層部が融解池２１０ａに向けて不規則に立ち上がり（図中、矢印２２０ａ）、融解池２１０ａに流れ込む。
レーザーＧの照射が終了すると、第１の金属材料と第２の金属材料は凝固し、図１９に示すような第２の金属材料が第１の金属材料中に不規則に入り込んだ構造が形成される。この構造により、第１部材２１０と第２部材２２０の間でアンカー効果が発生し、両部材が強固に接合される。
レーザーＧの走査経路は、上記のように中心を一方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路であり、このような走査経路によって融解池２１０ａが撹拌され、軟化又は融解した第２の金属材料表層の立ち上がりが発生する。これに対し、一般的なレーザー溶接（点溶接又は線溶接）では融解池２１０ａが撹拌されず、第２の金属材料の立ち上がりは発生しない。
また、上記説明では、１本のレーザーによって二つの金属部材を接合するものとしたが、複数本のレーザー走査によって二つの金属部材を接合してもよい。具体的には、第１部材２１０にレーザーを照射して第１の金属材料を融解させ、図１８に示すように、融解池２１０ａを形成する。この際、第２部材２２０の融解池２１０ａに当接する箇所では第２の金属材料が軟化する。
続いて、融解池２１０ａに２本目のレーザーを照射し、融解池２１０ａを撹拌する。これにより、軟化した第２の金属材料が融解池２１０ａに混合される。レーザーの照射が終了すると、第１の金属材料と第２の金属材料は凝固し、図１９に示すような第２の金属材料が第１の金属材料中に不規則に入り込んだ構造が形成される。この構造により、第１部材２１０と第２部材２２０の間でアンカー効果が発生し、両部材が強固に接合される。
上述の蓄電モジュール１００の構成において、バスバー１１０が第２部材２２０であり、正極タブ１２３と負極タブ１２４のうちバスバー１１０と材料が異なる方が第１部材２１０であるものとすると、通常のレーザー溶接に比べて正極タブ１２３又は負極タブ１２４とバスバー１１０の接触抵抗が小さくなり、接合強度も向上させることができる。
また、上記説明では融点が低い第１の金属材料にレーザーを照射したが、融点が高い第２の金属材料にレーザーを照射してもよい。図２１は、本実施形態に係る金属接合体３００の断面図である。同図に示すように、金属接合体３００は、第１部材３１０及び第２部材３２０が接合されて構成されている。
第１部材３１０を構成する第１の金属材料は、第２部材３２０を構成する第２の金属材料より融点が小さい材料からなり、第１の金属材料はアルミニウム（融点：約６５０℃）、第２の金属材料は銅（融点１０５０℃）であるものとすることができる。
第１部材３１０と第２部材３２０は、レーザー溶接によって接合されており、図２１に示すように、第１部材３１０と第２部材３２０の界面において、第２の金属材料が第１の金属材料中に不規則に入り込んでいる。
第１部材３１０と第２部材３２０は、第１部材３１０と第２部材３２０を当接させ、第２部材３２０に、中心を一方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路（図１４参照）でレーザーを照射することで溶接される。
具体的には、レーザーの走査経路は、中心が進む方向と逆向きに進む軌跡を描くような走査経路（図１５参照）や直線状であり、レーザーの中心が進む方向と逆向き及びレーザーの中心が進む方向に対して垂直方向に進む軌跡を描くような走査経路（図１８参照）とすることができる。
図２２は、レーザー溶接のプロセスを示す模式図である。同図に示すように、第２部材３２０にレーザーＧを照射すると、第２部材３２０を構成する第２の金属材料が融解し、融解池３２０ａが形成される。また、第１部材３１０を構成する第１の金属材料も融解し、融解池３１０ａが形成される。ここで、第１の金属材料は第２の金属材料より融点が小さいため、融解池３１０ａの粘度は融解池３２０ａの粘度より低くなる。
第２の金属材料はレーザーによって粘度が低い融解池３１０ａに押し込まれ、融解池３２０ａ中に不規則に流れ込む。レーザーＧの照射が終了すると、第１の金属材料と第２の金属材料は凝固し、図２１に示すような第２の金属材料が第１の金属材料中に不規則に入り込んだ構造が形成される。この構造により、第１部材３１０と第２部材３２０の間でアンカー効果が発生し、両部材が強固に接合される。
レーザーＧの走査経路は、上記のように中心を一方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路である。上述の蓄電モジュール１００の構成において、バスバー１１０が第１部材３１０であり、正極タブ１２３と負極タブ１２４のうちバスバー１１０と材料が異なる方が第２部材３２０であるものとすると、通常のレーザー溶接に比べて正極タブ１２３又は負極タブ１２４とバスバー１１０の接触抵抗が小さくなり、接合強度も向上させることができる。
レーザー溶接に用いられるレーザーの種類は特に限定されない。しかしながら、連続的な軌跡を描くことが可能なファイバーレーザーが好適である。
また、上記説明では、レーザー照射によって溶接を行うものとしたが、必ずしもレーザー照射でなくてもよく、高エネルギー線照射であればよい。例えば、レーザー照射の代わりに電子ビーム照射を行っても同様の効果が得られる。
１０…蓄電モジュール
１１…フレーム
１２…蓄電セル
１１０…バスバー
１２１…蓄電素子
１２２…外装フィルム
１２３…正極タブ
１２４…負極タブ
１２７…正極
１２８…負極
１２９…セパレータ
２００…金属接合体
２１０…第１部材
２２０…第２部材
３００…金属接合体
３１０…第１部材
３２０…第２部材

Claims (8)

  1. 第１の金属材料からなり第１の主面を有する第１の部材と、
    前記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなり前記第１の主面と対向する第２の主面を有する第２の部材とが積層され、
    前記第１の主面の少なくとも一部と前記第２の主面の少なくとも一部が、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料とが混合した材料混合部を介して接合されている
    金属接合体。
  2. 請求項１に記載の金属接合体であって、
    前記材料混合部が、第１の部材と第２の部材の積層方向に平面視した際に、中心がずれながら連続する弧を描くように形成されている
    金属接合体。
  3. 請求項２に記載の金属接合体であって、
    前記第１の金属材料は前記第２の金属材料より融点が低い金属材料である
    金属接合体。
  4. 請求項３に記載の金属接合体であって、
    前記第１の金属材料はアルミニウムであり、前記第２の金属材料は銅である
    金属接合体。
  5. 第１の金属材料からなり第１の主面を有する第１の部材の前記第１の主面と、前記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなり第２の主面を有する第２の部材の前記第２の主面とを当接させる工程と、
    前記第１または第２の部材に、中心を前記第１の主面方向に移動させながら中心とは逆向きに移動する経路を含む走査経路でレーザーを照射することにより、前記第１の部材を前記第２の部材に溶接する工程と
    を含む金属接合体の製造方法。
  6. 請求項５に記載の金属接合体の製造方法であって、
    前記第１の部材を前記第２の部材に溶接する工程は、前記第１または第２の部材に、弧を描きながら弧の中心を一方向に移動させる走査経路でレーザーを照射する
    金属接合体の製造方法。
  7. 請求項５又は６に記載の金属接合体の製造方法であって、
    前記第１の金属材料は前記第２の金属材料より融点が低い金属材料である
    金属接合体の製造方法。
  8. 請求項５から７のうちいずれか一つに記載の金属接合体の製造方法であって、
    前記レーザーはファイバーレーザーである
    金属接合体の製造方法。
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