JP3197757B2

JP3197757B2 - 密閉形の角形電池の製造方法

Info

Publication number: JP3197757B2
Application number: JP20749294A
Authority: JP
Inventors: 吉彦端野; 和義太田; 健次稲垣; 徹雨堤; 康弘山内
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 2001-08-13
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: JPH0877983A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角形外装缶の開口部に
封口板をレーザー溶接する密閉形の角形電池の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ポータブルのＯＡ機器、通信機器
の需要が高まるにつれ、その電源となるニッケルカドミ
ウム電池やリチウムイオン二次電池の中でも、特に実装
効率の高い角形電池の要求が高まっている。角形電池
は、角形外装缶の開口部を封口板で気密に閉塞して製造
される。封口板は、レーザー溶接して角形外装缶の開口
部に気密に溶接される。封口板をレーザー溶接して角形
外装缶に固定する方法は、容積効率を低下させることな
く、角形外装缶の開口部を閉塞できる。

【０００３】封口板を角形外装缶にレーザー溶接して角
形電池を製造する方法は、封口板と角形外装缶との境界
にできる、ピンホールやクラックが、製品の歩留を低下
させる。とくに、角形外装缶と封口板に、熱伝導の良い
アルミニウムを使用すると、封口板と角形外装缶の溶接
部分にできるクラックが、製品の歩留を著しく低下させ
る。

【０００４】封口板と角形外装缶の境界にできるピンホ
ールやクラックが、製品の歩留を低下するのを防止する
技術が、特開平３−１２２９６４号公報に記載される。
この公報に記載される製造方法は、角形外装缶と封口板
とに低炭素鋼板を使用することによって、レーザー溶接
するときに発生するピンホールやクラックを防止してい
る。さらに、特開平３−１３３０５２号公報にも、封口
板と角形外装缶の溶接部分にできるピンホールやクラッ
クを防止する技術が記載される。この公報に記載される
製造方法は、封口板と角形外装缶に、シリコンによって
脱酸素処理をした冷間圧延鋼板を使用している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】低炭素鋼板を使用する
方法は、カーボンに起因する熱膨張や融点の差を少なく
して、封口板と角形外装缶の溶接部分にできるピンホー
ルやクラックの発生を防止している。脱炭素処理した冷
間圧延鋼板を使用する方法は、レーザー溶接するとき
に、酸化鉄が共晶化するのを防止して、ピンホールやク
ラックの発生を防止している。

【０００６】これ等の公報に記載される製造方法は、ピ
ンホールやクラックに起因する製品歩留の低下を防止で
きるが、封口板と角形外装缶の材質が特定されてしまう
欠点がある。封口板と角形外装缶にアルミニウムやアル
ミニウム合金を使用して、クラックの発生を阻止するこ
とができない欠点がある。アルミニウムとその合金を使
用する封口板と角形外装缶は、角形電池を著しく軽量化
できる優れた特長があるが、封口板と角形外装缶に発生
するクラックを防止することはさらに難しくなる。

【０００７】たとえば、封口板と角形外装缶をアルミニ
ウム製とする角形電池をレーザー溶接して製造すると、
製品の歩留は約５５％と極めて低く、到底商品化するこ
とのできない値になってしまう。

【０００８】封口板と角形外装缶の溶接部分にできるク
ラックを防止するために、レーザーパルス波形を図１に
示すように変更する技術が開発されている。この方法
は、図に示すように、レーザーパルスをゆっくりと減衰
させて、レーザー照射を瞬時に停止せずに、次第に少な
くしてクラックの発生を少なくしようとするものであ
る。ただ、この方法では、有効にクラックの発生を阻止
するのが難しい。それは、レーザーを照射する１パルス
の時間が、数ミリ秒と極めて短いので、この間にレーザ
ーを次第に減衰させても、減衰させる時間は極めて短い
からである。

【０００９】角形外装缶の開口部に封口板をレーザー溶
接する工程は、角形電池を製造する最終工程に近い。こ
の工程における歩留の低下は、角形電池の製造コストを
著しく高騰させて、角形電池の実用化を著しく阻害す
る。

【００１０】本発明者は、種々の試行錯誤を繰り返した
結果、極めて簡単な方法で、クラックの発生を極めて有
効に阻止することに成功した。本発明は、角形外装缶の
放熱状態を変更することにより、封口板と角形外装缶の
溶接部分にできるクラックを極限して、歩留を向上させ
ることを目的に開発されたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の密閉形の角形電
池の製造方法は、前述の目的を達成するために下記のよ
うにして角形電池を製造する。アルミニウム又はアルミ
ニウム合金からなり、かつコーナ部を直線部分より厚く
している角形外装缶１の開口部の内側にアルミニウム又
はアルミニウム合金からなる封口板２をセットし、封口
板２と角形外装缶１の境界に沿ってレーザーを照射し、
レーザーの熱エネルギーで封口板２と角形外装缶１の境
界を溶融して溶接する密閉形の角形電池を製造する。

【００１２】さらに、本発明の角形電池の製造方法は、
角形外装缶１のコーナ部の開口端面に放熱除去部３を設
け、放熱除去部３を設けた角形外装缶１と封口板２の境
界部分にレーザーを照射して溶接することを特徴とす
る。

【００１３】さらに、本発明の請求項２に記載の密閉形
の角形電池製造方法は、角形外装缶１のコーナ部の開口
端面を面取りして、放熱除去部３を設けることを特徴と
する。

【００１４】さらに、本発明の請求項３に記載の密閉形
の角形電池製造方法は、角形外装缶１のコーナ部の開口
端面に沿って、段差４を設けることにより、放熱除去部
３を設けている。

【００１５】さらにまた、本発明の請求項４に記載の密
閉形の角形電池の製造方法は、レーザーの走査位置の中
心を、封口板２と角形外装缶１の境界から外側に偏在さ
せる独特の方法で封口板２を角形外装缶１にレーザー溶
接することを特徴とする。

【００１６】密閉形の角形電池は、角形外装缶１に非真
円形状の渦巻電極体を収納している。さらに、密閉形の
角形電池は、外装缶の各コーナ部分の厚みを、外装缶の
直線部分の厚みより大きくしている。内部に非真円形渦
巻電極体を収納する角形外装缶１は、外装缶のコーナ部
分の内側部分に空隙ができる。電極体が渦巻状で、外装
缶が角形であるからである。本発明の密閉形の角形電池
は、この空隙を有効に利用して、角形外装缶１を補強す
る。

【００１７】

【作用】本発明の角形電池の製造方法は、従来方法では
想像もできないほど極めて高い歩留で、角形電池を製造
できる特徴がある。本発明の方法が優れた作用効果を有
することを説明するために、最初に、図２に基づいて、
従来の方法でクラックの発生する原理を説明する。

【００１８】図２に示すように、角形外装缶１の内側に
封口板２をセットして、その境界にレーザーを照射する
と、鎖線で示す領域でアルミニウム等の金属が約１００
０℃に加熱されて溶融して溶着される。鎖線で示す溶融
部分の深さは、角形外装缶１と封口板２とにアルミニウ
ムを使用すると、約０．２〜０．３ｍｍとなる。加熱溶
融された金属は、熱が矢印で示す方向に伝導して冷却し
て硬化される。矢印の方向に伝導される熱は、角形外装
缶１と封口板２の表面から放熱される。角形外装缶１の
コーナではより効率よく放熱されて温度が低くなる。熱
は温度の低い部分に効率よく伝導されるので、溶融部分
の熱は、矢印Ａで示す方向により効率よく伝達される。
このため、溶融部分は外側から冷却されて、ａ、ｂ、ｃ
領域の順番で硬化する。すなわち、溶融部分は矢印Ｂで
示すように、外側から内側に硬化領域が広がる。金属は
冷却して硬化すると体積が収縮する性質がある。溶融部
分の外側部分が硬化するときに体積が収縮するので、溶
融状態にある内側部分の金属が外側に移動する。その
後、溶融部分の内側は、硬化するときに体積が収縮し、
さらに、金属の一部が外側に移動しているので引っ張ら
れる内部応力が作用し、引張強度の弱い境界にクラック
が発生する。角形外装缶１と封口板２のクラックの発生
は、角形外装缶１のコーナ部分でとくに甚だしい。図３
に示すように、角形外装缶のコーナ部分は、角形外装缶
の表面からより効率よく放熱されるからである。

【００１９】本発明の密閉形の角形電池の製造方法は、
図４に示すように、角形外装缶１の開口端面に放熱除去
部３を設けているので、溶融部分の熱は矢印Ｃで示すよ
うに、放熱方向が下方に向けられる。角形外装缶１の熱
伝導率が、空気の熱伝導率よりも相当に大きいからであ
る。矢印Ｃで示すように下方に伝導する熱は、矢印Ｄ、
Ｅで示す方向の熱伝導を減少させる。クロスハッチング
で示す領域Ｆ部分の温度が高くなるからである。したが
って、図４に示す角形外装缶１と封口板２とは、溶融部
分の外周から冷却硬化される割合が少なくなり、溶融部
分がゆっくりと冷却されて、角形外装缶１と封口板２の
境界にできるクラックを極限する。

【００２０】本発明者が実際に行った実験では、本発明
の効果は、想像の範囲を卓越する極めて優れたものであ
る。とくに、角形外装缶と封口板とに、クラックの発生
しやすいアルミニウムを使用してその弊害を極限でき
る。従来の方法は、角形外装缶と封口板にアルミニウム
を使用して２２６個の角形電池を製造すると、１０１個
の角形電池のコーナ部分にクラックができ、２個の角形
電池の直線部分にクラックが発生した。これに対し、本
発明の方法は、２５０個の角形電池を製造して、コーナ
部分と直線部分にできるクラックを極限できた。

【００２１】本発明の製造方法が、熱伝導方法を、図２
の矢印Ａで示す方法から、図４の矢印Ｃで示す方法に変
更することで、このように極めて優れた特長が実現され
るのは、図２に示すように放熱する方向が限界に近い状
態でクラックが発生していたからと推測される。

【００２２】さらに、本発明の請求項５に記載する密閉
形の角形電池の製造方法は、図５に示すように、レーザ
ーの走査位置の中心（一点鎖線で示す）を、封口板２と
角形外装缶１の境界から外側に偏在させている。この部
分をレーザーで加熱すると、鎖線で示すように、角形外
装缶１と封口板２の境界から角形外装缶側にずれた領域
で金属が溶融される。この状態で溶融している金属は、
周囲に放熱して周囲から硬化するが、最後に硬化する部
分が、角形外装缶１と封口板２の境界とならない。最後
に硬化する部分はクロスハッチングで示す領域Ｇの部分
である。この領域が硬化するより前に、角形外装缶１と
封口板２の境界が硬化しているので、境界に発生するク
ラックを防止できる。もし境界が最後に硬化すると、硬
化部分の強度が弱く、しかも、この部分で金属収縮によ
る引張力が発生してクラックが発生する。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想
を具体化するための密閉形の角形電池製造方法を例示す
るものであって、本発明は密閉形の角形電池の製造方法
を下記のものに特定しない。

【００２４】さらに、この明細書は、特許請求の範囲を
理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番
号を、「特許請求の範囲の欄」、「作用の欄」、および
「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付
記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、
実施例の部材に特定するものでは決してない。

【００２５】図６は、本発明の方法で製造する角形電池
の斜視図である。この図の角形電池は、角形外装缶１の
開口部を封口板２で閉塞している。角形外装缶１はアル
ミニウム製である。アルミニウム製の角形外装缶１は、
アルミニウムあるいはアルミニウム合金を成形して製作
したものである。アルミニウム製の角形外装缶１と封口
板２とは、レーザー溶接して溶着するときに最もクラッ
クの発生しやすい材質である。以下、本発明の製造方法
が、レーザー溶接に起因するクラックの発生を効果的に
阻止できることを明かにするために、アルミニウム製の
角形外装缶と封口板の具体例を述べる。

【００２６】アルミニウム製の角形外装缶は、補強のた
めに、図７の平面図に示すように、コーナ部を所定の曲
率半径で湾曲させると共に、コーナ部を厚く成形してい
る。コーナ部を湾曲する角形外装缶は、例えば以下の寸
法に設計する。角形外装缶を横に切断した断面の縦×横を２２ｍｍ×７．６ｍｍコーナ部を除く部分の肉厚を０．５ｍｍコーナ部外側の曲率半径を１．７ｍｍコーナ部の内側の曲率半径２．３〜３ｍｍコーナ部の最大肉厚を０．９６〜１．２５ｍｍ

【００２７】コーナ部を所定の曲率半径で湾曲する角形
外装缶は、非真円形渦巻電極体を内蔵させる。非真円形
渦巻電極体は、正極板と負極板とをセパレータを介して
積層して非真円形の渦巻状に巻回したものである。非真
円形渦巻電極体は、角形外装缶に収納されて、最外周の
電極を角形外装缶の内面に電気的に接触させる。すなわ
ち、非真円形渦巻電極体を最外周接触構造として角形外
装缶に収納している。非真円形渦巻電極体の最外周は通
常は正極である。したがって、角形外装缶は正極とな
る。非真円形渦巻電極体の負極板は、電極リードを介し
て、外装缶に絶縁して固定された負極に接続される。負
極は封口板に固定される。封口板の負極には安全弁を設
けることもできる。

【００２８】角形外装缶１は、開口部の内側に封口板２
をセットし、封口板２と角形外装缶１との境界をレーザ
ー溶接して、開口部を封口板２で閉塞する。レーザー溶
接して、封口板２を角形外装缶１に溶着するとき、溶接
面に発生するクラックを防止するために、角形外装缶１
は、レーザー溶接前に、図７と図４に示すように、コー
ナ部の開口端面を面取りして、放熱除去部３を設けてい
る。放熱除去部３は、角形外装缶１の開口端面の外周コ
ーナ部の一部を除去した部分である。放熱除去部３の上
面が、封口板２の上面となす傾斜角αは４０度に設定し
た。傾斜角αを小さくすると、放熱除去部が小さくなっ
て、クラックを有効に阻止できなくなる。したがって、
傾斜角αは、好ましくは２０度以上、さらに好ましくは
３０度以上に設定される。図７に示す角形外装缶１は、
コーナ部の開口端面の幅を、他の部分とほぼ同じとする
ように、コーナ部の外周を面取りして放熱除去部３を設
けている。

【００２９】角形外装缶のコーナ部は、レーザー溶接す
るときに最もクラックが発生しやすい。図に示す角形電
池は、角形外装缶１のコーナ部に放熱除去部３を設け
て、クラックの発生を阻止する。角形外装缶１の直線部
分にもクラックの発生することがある。図示しないが、
角形外装缶の直線部分に放熱除去部を設けるなら、この
部分においても、クラックの発生を極限できる。

【００３０】図８と図９に示す角形外装缶１は、開口端
面のコーナ部の内側に沿って、封口板の外周をセットす
る段差４を設け、段差４でもって角形外装缶１の開口端
面に放熱除去部３を設けている。この図の角形外装缶１
も、コーナ部の内側に放熱除去部３を設けて、コーナ部
の開口端面の幅を他の部分と同じにしている。この構造
の角形外装缶１は、段差４である放熱除去部３によっ
て、封口板２を角形外装缶１の定位置に嵌着できる特長
もある。

【００３１】封口板２をセットした角形外装缶１は、図
４と図９に示すように、封口板２と角形外装缶１の境界
にレーザービームを照射する。レーザービームは、封口
板２と角形外装缶１の境界を溶融して溶着する。レーザ
ービームの出力は、封口板２と角形外装缶１の境界を、
約０．２ｍｍの深さに溶融できるように設定される。レ
ーザービームを封口板２の外周に沿って走査し、封口板
２の全周を角形外装缶１に気密に溶着する。レーザービ
ームの周囲には、不活性ガスとして窒素ガスを噴射し
て、アルミニウムの酸化を防止する。

【００３２】レーザー溶接の条件は下記のように設定す
る。パルス幅………………………１〜４ｍｓ電圧……………………………４００〜５００Ｖ重なり（REP RATE）…………３２ＰＰＳスピード………………………５〜１２ｍｍ／ｓ不活性ガス（Ｎ_２）噴射圧……０．５ｋｇ／ｃｍ^２レーザービーム集束径………０．５〜０．７ｍｍ

【００３３】

【表１】

【００３４】以上のようにして製造された角形電池は、
封口板と角形外装缶との間にできるクラックの発生率が
極限した。表１は本発明の方法で製造した角形電池と、
従来の方法で製造した角形電池のクラック発生率を示し
ている。ただし、この表において、従来品は、図２の断
面図に示すように、角形外装缶１の開口端面に放熱除去
部３を設けない以外、同じようにして製作された角形電
池である。

【００３５】この表に示すように、従来の方法で製造さ
れた角形電池は、２２６個製作して、１０１個、割合に
して４４．７％のものがコーナ部にクラックが発生し
た。ストレート部には２個の角形電池にクラックが発生
した。これに対し、図４に示すように、コーナ部を面取
りして放熱除去部を設けた本発明の角形電池は、２５０
個製作して、コーナ部のクラックは０となり、１個の角
形電池にストレート部にクラックが発生した。この構造
の角形電池は、極めてクラックの発生しやすいコーナ部
において、クラックの発生が極限された。さらに、図９
に示すように、角形外装缶のコーナ部内側に段差を形成
して放熱除去部を設けた角形電池は、２５０個製作し
て、コーナ部にクラックのできたものが１個、ストレー
ト部にクラックの発生したものが２個となり、この構造
の角形電池も、コーナ部のクラックを極限できる。

【００３６】本発明の角形電池の製造方法は、図５に示
すように、レーザービームの走査位置の中心を、封口板
２と角形外装缶１の境界から外側に偏在させて、封口板
２を角形外装缶１にレーザー溶接することもできる。レ
ーザービームの中心と封口板２と角形外装缶１の境界と
の変位（ｄ）を、０．２ｍｍとし、角形外装缶１に、放
熱除去部のないものを使用する以外、前述と同じように
して、角形電池を製作した。この方法で５００個の角形
電池を製作したところ、コーナ部にクラックの発生した
ものが７個、ストレート部にクラックの発生したものが
０個となった。以上の実施例は、レーザービーム中心の
変位を０．２ｍｍに設定している。レーザービームの走
査位置を、角形外装缶のより外側に変位させると、クラ
ックの発生をより効果的に阻止できる効果がある。しか
しながら、変位が大きくなると、レーザービームが金属
を溶融する位置が、封口板と角形外装缶の境界から外側
にずれるので、封口板と角形外装缶の溶融深さが浅くな
って、連結強度が低下する。したがって、レーザービー
ム走査位置の境界からの変位（ｄ）は、レーザービーム
の出力と、集束するスポット径とを考慮して、封口板を
角形外装缶に十分な強度で連結でき、かつ、クラックの
発生を有効に阻止できるように、たとえば、０．１〜
０．３ｍｍに設定される。

【００３７】さらに、図４と図５とに示すように、放熱
除去部３のある角形外装缶１を使用し、レーザービーム
の走査位置の中心を、封口板２と角形外装缶１の境界か
ら０．２ｍｍ外側に設定して、２５０個の角形電池を製
作したところ、コーナ部にクラックのできたものは０
個、ストレート部にクラックのできたものも０個となっ
た。

【００３８】

【発明の効果】本発明の密閉形の角形電池の製造方法
は、極めて簡単な方法で、封口板と角形外装缶との境界
にできるピンホールやクラックを有効に阻止できる特長
がある。それは、本発明の方法が、角形外装缶の開口端
面に放熱除去部を設けることによって溶融金属が冷却し
て硬化するときの放熱経路を調整し、あるいは、レーザ
ービームの走査位置の中心を外側にずらせることによ
り、封口板と角形外装缶の境界における冷却時の引張応
力を小さくできるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】封口板と角形外装缶の境界にできるクラックを
少なくするレーザーパルス波形を示すグラフ

【図２】封口板を角形外装缶にレーザー溶接する従来方
法を示す断面図

【図３】封口板と角形外装缶との境界にできるクラック
を示す平面図

【図４】本発明の角形電池の製造方法に使用する角形外
装缶の要部拡大断面図

【図５】本発明の他の実施例の方法で、封口板と角形外
装缶とをレーザー溶接する状態を示す断面図

【図６】本発明の方法で製造される角形電池の斜視図

【図７】本発明の角形電池の製造方法に使用する角形電
池のコーナ部を示す平面図

【図８】本発明の他の実施例にかかる角形電池の製造方
法に使用する角形電池のコーナ部を示す平面図

【図９】図８に示す角形電池のコーナ部の断面図

【符号の説明】

１…角形外装缶２…封口板３…放熱除去部４…段差

フロントページの続き (72)発明者雨堤徹大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者山内康弘大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (56)参考文献特開昭63−239763（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−126061（ＪＰ，Ａ) 特開平７−183011（ＪＰ，Ａ) 特開平７−183012（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 2/02 - 2/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】角形外装缶(1)の開口部の内側に封口板
(2)をセットし、封口板(2)と角形外装缶(1)の境界に沿
ってレーザーを照射し、レーザーの熱エネルギーでもっ
て封口板(2)と角形外装缶(1)の境界を溶融して溶接する
密閉形の角形電池の製造方法において、前記角形外装缶(1)と前記封口板(2)は、アルミニウム又
はアルミニウム合金からなり、かつ、角形外装缶(1)は
コーナ部を直線部分より厚く成形すると共に、角形外装
缶(1)のコーナ部の開口端面に放熱除去部(3)を設け、放
熱除去部(3)を設けた角形外装缶(1)と封口板(2)の境界
部分にレーザーを照射して溶接することを特徴とする密
閉形の角形電池の製造方法。
【請求項２】角形外装缶(1)のコーナ部の開口端面を
面取りして、放熱除去部(3)を設ける請求項１に記載さ
れる密閉形の角形電池の製造方法。
【請求項３】角形外装缶(1)のコーナ部の開口端面に
沿って、段差(4)を設けることにより、放熱除去部(3)を
設ける請求項１に記載される密閉形の角形電池の製造方
法。
【請求項４】レーザーの走査位置の中心を、封口板
(2)と角形外装缶(1)の境界から外側に偏在させてなるこ
とを特徴とする請求項１に記載される密閉形の角形電池
の製造方法。