JP3568378B2 - 密閉式電池の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属性の電池外装缶と封口板とをレーザ溶接によって封止する工程を有する密閉式電池の製法に関し、特に、角形密閉式電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話，ＡＶ機器，コンピュータなどの携帯機器の需要が高まるに伴い、電池に対する高性能化への要求が急速に高まっており、中でも、ニッケルカドミウム電池，ニッケル水素電池，リチウムイオン二次電池といった二次電池に対して大きな要望がある。
【０００３】
このような電池は一般的に密閉タイプであって、電池の形状としては、円筒形や角形といったものが知られているが、その中で角形密閉式電池は、携帯機器に搭載するに際してスペース効率が優れている点で注目されており、その高性能化や高信頼性に対する要望は大きい。
この角形密閉式電池は、一般的に、金属性の板体を深絞り加工することによって、有底角筒状に成形して外装缶を作製し、その外装缶に正極・負極からなる発電要素を収納し、外装缶の開口部に封口板を装着して封口することによって作製される。この封口プロセスでは、外装缶と封口板とを、圧着あるいは溶接によって封止する。
【０００４】
この封止で、外装缶の中が高圧となったときに電解液やガスが漏出するのが防止されるが、封止の出来によって電池の信頼性や寿命は大きく左右される。
一般的に、電池の封口プロセスでは、機械式かしめ法が広く用いられているが、角形密閉式電池においては、かしめ法による封口が困難なことも多く、レーザ溶接による封口も多く用いられている。
【０００５】
レーザ溶接時には、封口板の外周部と外装缶の開口縁部との境界線に沿って、レーザ光を間欠的に照射しながら一定の速度で走査することによって溶接を行う。そして、このようなレーザ溶接を用いた封口技術によって、角形電池の完全密封を実現でき、電池の高信頼性・長寿命化も実現可能となっているため、レーザ封口は、角形密閉式電池の高品質を実現する中核技術の一つとして位置付けられている。
【０００６】
ところで、外装缶及び封口板としては、従来から、ニッケルメッキ鋼板やステンレス鋼板などが多く用いられてきたが、電池を軽量化するために、現在では、アルミニウムにマンガンなどを添加したアルミニウム合金の板も多く用いられるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム合金の板を外装缶及び封口板に用いた場合、上記のようにレーザ溶接で封口を行うと、溶接部分にクラックが発生しやすいという問題がある。
このクラックは、通常、レーザ光のスポットが走査される溶接ラインに沿って発生するが、クラック発生のメカニズムとしては、レーザ光を照射して溶融した部分（溶融池）が、冷却時にその近傍で発生する熱応力によって引っ張られてクラックが発生するものと考えられる。
【０００８】
また、アルミニウム合金の板を用いた場合にクラックが発生しやすい原因としては、アルミニウム合金は、鉄やステンレスと比べて引っ張り強度が低いことや、熱伝導率が大きいため溶接部分が急速に冷却されることなどが挙げられる。
このような問題に対して、レーザ光の走査速度を小さく設定すればクラックの発生率が低下するため、現状では、クラックの発生率をできるだけ低く抑えるために、レーザ光の走査速度を小さく設定してレーザ溶接を行っているが、レーザ光の走査速度を小さくすると封口に要する時間が長くかかるので、生産効率の面で望ましくない。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであって、角形密閉式電池をはじめとする密閉式電池において、外装缶や封口板にアルミ合金のような材質を用いた場合にも、レーザ溶接に伴うクラックの発生を極力抑えつつ、レーザ溶接時の生産性をできるだけ高く保つことの可能な製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、金属性の板体を、開口部が非真円形状の有底筒形状（角形電池の場合は有底角筒状）に成形することによって、外装缶を作製し、その外装缶に発電要素を収納し、外装缶の開口部に封口板を装着し、封口板の外周部と外装缶の開口縁部とを、両者の境界線に沿ってレーザ光を間欠的に照射しながら走査することによって溶接し、密封する方法において、密封時に、外装缶の開口縁部での曲折度の大きい区間（角形電池の場合は角部）では、曲折度の小さい区間（角形電池の場合は直線部）よりも、レーザ光の照射密度を高く設定した。
【００１１】
ここで、「金属性の板体」は、鉄などの金属あるいはアルミニウム合金のような合金からなる板体を指す。
本発明者等は、レーザ溶接時におけるクラックは、外装缶の開口縁部での曲折度の大きい区間（角部）で発生しやすいことと、レーザ光の照射密度を高くすればクラックの発生を防止できることに着目することによって、上記の製造方法によれば、レーザ溶接に伴うクラックの発生を抑えつつ、従来よりレーザ光の走査速度を高くすることができることを見出した。
【００１２】
即ち、上記の製造方法によれば、曲折度の大きい区間（角部）では、比較的クラックが発生しやすいので、レーザ光の照射密度を高くすることによってクラックの発生を防止できる。ただし、この区間では、レーザ光の照射密度を高く設定する分、走査速度は遅くなる。
一方、曲折度の小さい区間（直線部）では、クラックが発生しにくいので、レーザ光の照射密度を低くしても、クラックの発生は防止できる。そして、この区間では、レーザ光の照射密度を低く設定する分、走査速度を速くできる。
【００１３】
従って、上記の製造方法によれば、従来のように一定の走査速度、即ち一定の照射密度でレーザ光の照射を行う場合と比べて、レーザ光の平均の走査速度を高くすることができることになる。
レーザ溶接時には、通常、上記の境界線に沿って、レーザ光の照射によるスポットをオーバーラップさせつつ走査するので、曲折度の大きい区間において曲折度の小さい区間よりもレーザ光の照射密度を高くするためには、曲折度の大きい区間におけるスポットのオーバーラップ率を、曲折度の小さい区間におけるスポットのオーバーラップ率よりも高くすればよい。
【００１４】
そして、このようにスポットのオーバーラップ率を調整するためには、曲折度の大きい区間における走査速度を、曲折度の小さい区間における走査速度よりも小さくすればよい。
角形密閉式電池の場合は、角部におけるスポットのオーバーラップ率を、直線部におけるオーバーラップ率の１．５倍以上とすることが望ましい。
【００１５】
ここでいうスポットの「オーバーラップ率」とは、スポット径をＲとし、直前に照射したスポットとの中心間の距離（即ちスポットのピッチ）をＬとすると、下記数１で表される値である。
【００１６】
【数１】
【００１７】
外装缶及び封口板がアルミニウム合金からなる密閉式電池の場合には、特に溶接時にクラックが発生しやすいので、本発明の製造方法を適用することにより、大きな効果を奏する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〔電池の構成〕
図１は、本発明の一実施形態に係る角形密閉式電池の斜視図であり、図２は、この角形密閉式電池の上面図である。
この角形密閉式電池は、リチウムイオン二次電池であって、有底角筒形の外装缶１０の内部に、負極板２１と正極板２２とがセパレータ２３を介して積層されてなる電極群２０並びに非水電解液が収納され、外装缶１０の開口部を封口体３０で封口した構造である。
【００１９】
外装缶１０は、Ａｌ−Ｍｎ系合金の板が有底角筒形に成形されたものである。このＡｌ−Ｍｎ系合金は、アルミニウムを主成分としているため軽量であり、またマンガンが添加されていることにより、アルミニウム単体と比べて引っ張り強度が大きい。なお、マンガンの含有量は１．０〜１．５ｗｔ％程度が適当であって、マンガンの含有量が多すぎると外装缶成形時の加工性や溶接性が低下する。
【００２０】
図１に示すように、封口体３０は、外装缶１０の開口部に填まり込むよう成形された封口板３１の中央部に、釘状の負極端子３２が、絶縁パッキン３３を介して貫通して取り付けられた構成である。
封口板３１は、外装缶１０と同じＡｌ−Ｍｎ系合金の板が、外装缶１０の開口部と同じ長方形状に打ち抜かれたものである。
【００２１】
外装缶１０や封口板３１の厚さは、必要な強度を維持できる範囲内で、できるだけ薄く設定し、通常は５００μｍ程度に設定する。
負極端子３２の下部（電池の内側）には、集電板３４が装着され、また、負端子３２の上部（電池の外側）には、ワッシャ３５が装着されている。そして、これらの負極端子３２，集電板３４及びワッシャ３５は、絶縁パッキン３３によって封口板３１と絶縁された状態で、カシメ圧着されて封口板３１に固定されている。
【００２２】
電極群２０の負極板２１は、カーボン層状化合物（グラファイト粉末）が板状の芯体に塗着されたものであって、セパレータ２３によって包みこまれている。
そして、この負極板２１の芯体と集電板３４とは、リード板２５で接続されている。
一方、電極群２０の正極板２２は、正極活物質としてのリチウム含有酸化物（例えばコバルト酸リチウム）と導電剤（例えばアセチレンブラック）とからなる正極合剤が、板状の芯体に塗着されたものであって、正極兼用の外装缶１０と直接接触して電気的に接続されている。
【００２３】
非水電解液は、例えば、エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートからなる混合溶媒に、溶質としてのＬｉＰＦ６を溶解したものである。
封口板３１の外周部と外装缶１０の開口端部とは、レーザー溶接によって封止されている。
なお、図１では省略しているが、電極群２０と封口板３１との間には、絶縁性樹脂からなる絶縁スリーブ２６が介挿され（図３参照）、これによって電極群２０は、外装缶１０内の定位置に固定されると共に、封口体３０との接触が防止されるようになっている。
【００２４】
〔電池の製造方法〕
次に、この角形密閉式電池の製造方法について説明する。
先ず、Ａｌ−Ｍｎ系合金の板を、深絞り加工を施すことによって、有底角筒形に成型し、外装缶１０を作製する。
一方、Ａｌ−Ｍｎ系合金の板を打ち抜いて封口板３１を作製し、これに、絶縁パッキン３３、負極端子３２及び集電板３４を組み合わせて填めこみ、負極端子３２の上部にワッシャ３５をはめてカシメ圧着することにより、封口体３０を作製する。
【００２５】
また、リード板２５付きの負極板２１をセパレータ２３で覆い、これと正極板２２とを交互に積層させることによって電極群２０を作製する。
このように作製した電極群２０を、外装缶１０の中に挿入すると共に、リード板２５を絶縁スリーブ２６に通し、集電板３４と電気的に接続する。
そして、外装缶１０の中に非水電解液を注入して電極群２０に含浸させる。
【００２６】
次に、絶縁スリーブ２６を外装缶１０の上部に装着すると共に、封口体３０を外装缶１０の開口部に填め込んで装着し、以下に説明するように、封口体３０の外周部と外装缶１０の開口縁部１１とを、両者の境界線４０に沿ってレーザ光を照射しながら走査することによって溶接を行う。
〔レーザ溶接による封口〕
図３は、レーザ溶接によって外装缶を封口する様子を示す図である。
【００２７】
図３に示す装置において、集光レンズ５１は、その光軸を、封口板３１と平行な面内で、任意の方向に駆動できるようになっている。そして、この集光レンズ５１にレーザ光発振装置（不図示）から光ファイバを経由してレーザ光５０が導かれる。
レーザ光発振装置は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）を用いて発光させるものであって、レーザ光５０はパルス状に出力される（例えば、レーザパルス繰返数：５０ｐｐｓ）。そして、このレーザ光５０は、集光レンズ５１を通過することにより、封口板３１と開口縁部１１との境界線４０上に集光して、小さな円形状のスポット５２（スポット径：数百μｍ）を形成する。
【００２８】
このようなレーザ光の照射方式により、溶接する部分の周囲にある部材（絶縁スリーブ２６など）に熱的損傷を与えることなしに、スポット５２の部分を局所的に溶融させることができる。
レーザ光５０が照射されたスポット５２の部分では、封口板３１と外装缶１０の開口縁部１１とが溶融して溶融池が生じるが、その溶融池は短時間で凝固する。図３において、６０は、この溶融池が凝固した溶接部分である。
【００２９】
なお、レーザ光５０のスポット５２の周囲には、不活性ガス（窒素ガス）が噴射されるようになっており、これによって溶接部分の酸化は防止される。
レーザ光発振装置におけるレーザ光の繰返数並びに集光レンズ５１の走査の速度は、レーザ光５０のスポット５２が、直前に照射したスポット５２ａと適度にオーバーラップするよう調整する。このオーバーラップ率の調整は、集光レンズ５１の走査速度を調整することによって行う。
【００３０】
このように、間欠的に発光するレーザ光５０を、集光レンズ５１で境界線４０上に集光して照射しながら、境界線４０に沿う方向（図３の矢印Ａの方向）に集光レンズ５１を走査することによって、境界線４０に沿って連続的に溶接部分６０を形成する。
このようにして、境界線４０の全周にわたって溶接を行うことにより、封止を完了する。
【００３１】
ここで、溶接時における走査速度の制御、即ちスポットのオーバーラップ率の制御について考察する。
一般的に、開口縁部の曲折度が一様でない外装缶をレーザ溶接で封口する場合、次の▲１▼及び▲２▼のような関係が成り立つ。
▲１▼ 曲折度の大きい角部１１ａでは、曲折度の小さい直線部１１ｂよりもクラックが発生しやすい。
【００３２】
この理由は、次のように考えられる。
上記のように、金属性の板体を有底角筒状に成形して外装缶１０を作製すると、作製された外装缶１０において、曲折度の大きい角部１１ａでは、曲折度の小さい直線部１１ｂよりも残留応力が大きい。
レーザ溶接時において、溶融池に対して加わる力としては、レーザ光照射に伴う熱応力だけではなく、この残留応力も存在するため、残留応力の大きい角部１１ａでは、クラックが発生しやすい。
【００３３】
▲２▼ 上記数１で表されるスポット５２のオーバーラップ率を大きく設定するほど、クラックは発生しにくい。
この理由は、オーバーラップ率が大きいほど、直前の照射で形成された溶融池から多くの熱が供給されるので、溶融池の冷却速度が遅くなるためと考えられる。
【００３４】
ただし、レーザ光発振装置の繰返数は一定であるため、オーバーラップ率を大きくすると、走査速度は遅くなる。
従って、本実施の形態では、上記▲１▼，▲２▼の関係を考慮しながら、クラックの発生を抑えつつ境界線４０の全周を走査する時間をできるだけ短縮するように、角部１１ａ及び直線部１１ｂの各々において、オーバーラップ率を、クラックの発生を抑えることができる範囲内で、できるだけ小さい値に設定する。
【００３５】
即ち、直線部１１ｂにおいては、オーバーラップ率が小さく（例えば４０％）なるように、集光レンズ５１の走査速度を大きく設定し、角部１１ａにおいては、オーバーラップ率が大きく（例えば６０％）なるように集光レンズ５１の走査速度を小さく設定する。
〔レーザ光の走査速度と熱応力との関係についての解析〕
図４は、本実施の形態の電池について、レーザ光の走査速度とスポットの中央部に生じる熱応力との関係を解析した結果を表わす特性図である。
【００３６】
このように、スポットの中央部に生じる熱応力を解析するのは、レーザ溶接に伴って発生する熱応力は、スポットの中央部で一番大きく、このスポット中央部の熱応力が、クラック発生の要因と考えられるからである。
図５は、外装缶及び封口板の溶接部分の近傍をメッシュ状に分割した解析モデルである。
【００３７】
図４に示すレーザ光の走査速度と熱応力との関係は、図５に示す解析モデルに対して、有限要素法を適用し、下記数２式及び数３式を解析的に解く熱応力解析シミュレーションを用いることによって導き出したものである。
有限要素法を用いるため、図７に示すように、温度勾配が大きいと考えられるレーザ光のスポット近傍では、特に細かくメッシュ分割を行った。
【００３８】
【数２】
【００３９】
【数３】
【００４０】
この解析は、以下の条件に基づく。
レーザ光の波長：１．０６μｍ
レーザ光のパワー：９．３×１０２Ｗ
レーザ光のスポット径：４５０μｍ
パルス幅：１２．０ｍｓ
レーザ光照射からの解析時間：１５．０ｍｓ
封口板の融点：１８００Ｋ
絶縁スリーブ２６の樹脂融点：６００Ｋ
なお、有限要素法については、日本機械学会編の「熱と流れのコンピュータアナリシス」，コロナ社（１９８６年）を参考文献として挙げることができる。
【００４１】
図４の解析結果から、レーザ光の走査速度の増加に伴って、熱応力も増加することがわかる。
また、図４の特性図によれば、走査速度が１５ｍｍ／ｓ程度で、熱応力は、Ａｌ−Ｍｎ系合金の引張限界である４０００Ｎ／ｃｍ２に達している。従って、この解析条件の下では、直線部においても、走査速度を１５ｍｍ／ｓ程度より大きくすると、クラックの発生率がかなり大きくなることが予測される。
【００４２】
【実施例】
（実施例）
上記実施の形態に基づいて、携帯電話用の薄形の角形密閉式電池を作製した。
外装缶１０及び封口板３１の板厚は５００μｍとした。
溶接時において、照射したレーザ光は、波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザ光であって、パルス繰返数は５０ｐｐｓ、スポット径は約５００μｍとした。
【００４３】
走査速度は、直線部１１ｂでは１２．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率５２％）並びに１５．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率４０％）に設定し、角部１１ａでは、１０．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率６０％）並びに５．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率８０％）という組み合わせで実施した。
いずれの走査速度の組み合わせでも、作製した電池におけるクラックの発生率は１％未満であった。
（実験）
【００４４】
【表１】
【００４５】
実施例と同様にして、封口前の電池を作製し、表１に示す走査速度で、実施例と同様の照射条件で、直線部及び角部に対してレーザ溶接を行い、各部ごとにおけるクラックの発生率を調べた。
実験結果は表１に示す通りである。
表１からわかるように、直線部では、走査速度１５．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率４０％）以下でクラック発生率が小さく、走査速度２０．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率２０％）ではクラック発生率が大きい。
【００４６】
また、角部では、走査速度１０．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率６０％）以下でクラック発生率が小さく、走査速度１２．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率５２％）以上ではクラック発生率が大きい。
これより、実施例の電池では、クラック発生率を小さく抑えるために、直線部における走査速度は１５．０ｍｍ／ｓ以下に、また角部における走査速度は１０．０ｍｍ／ｓ以下に設定すべきであって、溶接の生産性も考慮すれば、直線部における走査速度を１５．０ｍｍ／ｓ、角部における走査速度を１０．０ｍｍ／ｓに設定するのが望ましいことがわかる。
【００４７】
直線部における走査速度が１５．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率４０％）の場合について見ると、角部における走査速度を１０．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率６０％）以下にするためには、角部のオーバーラップ率を直線部のオーバーラップ率の１．５倍以上としなければならないことがわかる。
（その他の事項）
なお、上記実施の形態では、リチウムイオン二次電池の場合を例にとって説明したが、本発明は、ニッケル−水素電池などの二次電池、あるいは一次電池においても適用可能である。
【００４８】
また、上記実施の形態では、外装缶や封口板の材質として、アルミニウム合金を用いる場合について説明したが、これは、アルミニウム合金の場合、クラック発生の問題が生じやすいため本発明による効果が大きいからであって、本発明は、ステンレス等を用いる場合にも適用可能である。
また、上記実施の形態では、実用性の高い角形密閉式電池について説明を行なったが、本発明の製造方法は、角形密閉式電池に限らず、開口縁部が非真円形状の有底筒形状の外装缶を有する電池に対して広く適用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、金属性の板体を、開口部が非真円形状の有底筒形状（角形電池の場合は有底角筒状）に成形することによって、外装缶を作製し、その外装缶に発電要素を収納し、外装缶の開口部に封口板を装着し、封口板の外周部と外装缶の開口縁部とを、両者の境界線に沿ってレーザ光を間欠的に照射しながら走査することによって溶接し、密封することによって、密閉式電池を製造する方法において、密封時に、外装缶の開口縁部での曲折度の大きい区間（角形電池の場合は角部）では、曲折度の小さい区間（角形電池の場合は直線部）よりも、レーザ光の照射密度を高く設定し、これによって、レーザ溶接に伴うクラックの発生を極力抑えつつ、レーザ溶接時の生産性を高く保つことができる。
【００５０】
外装缶及び封口板がアルミニウム合金からなる密閉式電池の場合には、特に溶接時にクラックが発生しやすいので、本発明の製造方法を適用することにより、大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る角形密閉式電池の斜視図である。
【図２】図１の角形密閉式電池の上面図である。
【図３】レーザ溶接によって外装缶を封口する様子を示す図である。
【図４】上記電池について、レーザ光の走査速度と熱応力との関係を解析した結果を表わす特性図である。
【図５】外装缶及び封口板の溶接部分の近傍をメッシュ状に分割した解析モデルである。
【符号の説明】
１０ 外装缶
１１ 開口縁部
１１ａ 角部
１１ｂ 直線部
２０ 電極群
２６ 絶縁スリーブ
３０ 封口体
３１ 封口板
３４ 集電板
４０ 境界線
５０ レーザ光
５１ 集光レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属性の電池外装缶と封口板とをレーザ溶接によって封止する工程を有する密閉式電池の製法に関し、特に、角形密閉式電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話，ＡＶ機器，コンピュータなどの携帯機器の需要が高まるに伴い、電池に対する高性能化への要求が急速に高まっており、中でも、ニッケルカドミウム電池，ニッケル水素電池，リチウムイオン二次電池といった二次電池に対して大きな要望がある。
【０００３】
このような電池は一般的に密閉タイプであって、電池の形状としては、円筒形や角形といったものが知られているが、その中で角形密閉式電池は、携帯機器に搭載するに際してスペース効率が優れている点で注目されており、その高性能化や高信頼性に対する要望は大きい。
この角形密閉式電池は、一般的に、金属性の板体を深絞り加工することによって、有底角筒状に成形して外装缶を作製し、その外装缶に正極・負極からなる発電要素を収納し、外装缶の開口部に封口板を装着して封口することによって作製される。この封口プロセスでは、外装缶と封口板とを、圧着あるいは溶接によって封止する。
【０００４】
この封止で、外装缶の中が高圧となったときに電解液やガスが漏出するのが防止されるが、封止の出来によって電池の信頼性や寿命は大きく左右される。
一般的に、電池の封口プロセスでは、機械式かしめ法が広く用いられているが、角形密閉式電池においては、かしめ法による封口が困難なことも多く、レーザ溶接による封口も多く用いられている。
【０００５】
レーザ溶接時には、封口板の外周部と外装缶の開口縁部との境界線に沿って、レーザ光を間欠的に照射しながら一定の速度で走査することによって溶接を行う。そして、このようなレーザ溶接を用いた封口技術によって、角形電池の完全密封を実現でき、電池の高信頼性・長寿命化も実現可能となっているため、レーザ封口は、角形密閉式電池の高品質を実現する中核技術の一つとして位置付けられている。
【０００６】
ところで、外装缶及び封口板としては、従来から、ニッケルメッキ鋼板やステンレス鋼板などが多く用いられてきたが、電池を軽量化するために、現在では、アルミニウムにマンガンなどを添加したアルミニウム合金の板も多く用いられるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム合金の板を外装缶及び封口板に用いた場合、上記のようにレーザ溶接で封口を行うと、溶接部分にクラックが発生しやすいという問題がある。
このクラックは、通常、レーザ光のスポットが走査される溶接ラインに沿って発生するが、クラック発生のメカニズムとしては、レーザ光を照射して溶融した部分（溶融池）が、冷却時にその近傍で発生する熱応力によって引っ張られてクラックが発生するものと考えられる。
【０００８】
また、アルミニウム合金の板を用いた場合にクラックが発生しやすい原因としては、アルミニウム合金は、鉄やステンレスと比べて引っ張り強度が低いことや、熱伝導率が大きいため溶接部分が急速に冷却されることなどが挙げられる。
このような問題に対して、レーザ光の走査速度を小さく設定すればクラックの発生率が低下するため、現状では、クラックの発生率をできるだけ低く抑えるために、レーザ光の走査速度を小さく設定してレーザ溶接を行っているが、レーザ光の走査速度を小さくすると封口に要する時間が長くかかるので、生産効率の面で望ましくない。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであって、角形密閉式電池をはじめとする密閉式電池において、外装缶や封口板にアルミ合金のような材質を用いた場合にも、レーザ溶接に伴うクラックの発生を極力抑えつつ、レーザ溶接時の生産性をできるだけ高く保つことの可能な製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、金属性の板体を、開口部が非真円形状の有底筒形状（角形電池の場合は有底角筒状）に成形することによって、外装缶を作製し、その外装缶に発電要素を収納し、外装缶の開口部に封口板を装着し、封口板の外周部と外装缶の開口縁部とを、両者の境界線に沿ってレーザ光を間欠的に照射しながら走査することによって溶接し、密封する方法において、密封時に、外装缶の開口縁部での曲折度の大きい区間（角形電池の場合は角部）では、曲折度の小さい区間（角形電池の場合は直線部）よりも、レーザ光の照射密度を高く設定した。
【００１１】
ここで、「金属性の板体」は、鉄などの金属あるいはアルミニウム合金のような合金からなる板体を指す。
本発明者等は、レーザ溶接時におけるクラックは、外装缶の開口縁部での曲折度の大きい区間（角部）で発生しやすいことと、レーザ光の照射密度を高くすればクラックの発生を防止できることに着目することによって、上記の製造方法によれば、レーザ溶接に伴うクラックの発生を抑えつつ、従来よりレーザ光の走査速度を高くすることができることを見出した。
【００１２】
即ち、上記の製造方法によれば、曲折度の大きい区間（角部）では、比較的クラックが発生しやすいので、レーザ光の照射密度を高くすることによってクラックの発生を防止できる。ただし、この区間では、レーザ光の照射密度を高く設定する分、走査速度は遅くなる。
一方、曲折度の小さい区間（直線部）では、クラックが発生しにくいので、レーザ光の照射密度を低くしても、クラックの発生は防止できる。そして、この区間では、レーザ光の照射密度を低く設定する分、走査速度を速くできる。
【００１３】
従って、上記の製造方法によれば、従来のように一定の走査速度、即ち一定の照射密度でレーザ光の照射を行う場合と比べて、レーザ光の平均の走査速度を高くすることができることになる。
レーザ溶接時には、通常、上記の境界線に沿って、レーザ光の照射によるスポットをオーバーラップさせつつ走査するので、曲折度の大きい区間において曲折度の小さい区間よりもレーザ光の照射密度を高くするためには、曲折度の大きい区間におけるスポットのオーバーラップ率を、曲折度の小さい区間におけるスポットのオーバーラップ率よりも高くすればよい。
【００１４】
そして、このようにスポットのオーバーラップ率を調整するためには、曲折度の大きい区間における走査速度を、曲折度の小さい区間における走査速度よりも小さくすればよい。
角形密閉式電池の場合は、角部におけるスポットのオーバーラップ率を、直線部におけるオーバーラップ率の１．５倍以上とすることが望ましい。
【００１５】
ここでいうスポットの「オーバーラップ率」とは、スポット径をＲとし、直前に照射したスポットとの中心間の距離（即ちスポットのピッチ）をＬとすると、下記数１で表される値である。
【００１６】
【数１】
外装缶及び封口板がアルミニウム合金からなる密閉式電池の場合には、特に溶接時にクラックが発生しやすいので、本発明の製造方法を適用することにより、大きな効果を奏する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〔電池の構成〕
図１は、本発明の一実施形態に係る角形密閉式電池の斜視図であり、図２は、この角形密閉式電池の上面図である。
この角形密閉式電池は、リチウムイオン二次電池であって、有底角筒形の外装缶１０の内部に、負極板２１と正極板２２とがセパレータ２３を介して積層されてなる電極群２０並びに非水電解液が収納され、外装缶１０の開口部を封口体３０で封口した構造である。
【００１９】
外装缶１０は、Ａｌ−Ｍｎ系合金の板が有底角筒形に成形されたものである。このＡｌ−Ｍｎ系合金は、アルミニウムを主成分としているため軽量であり、またマンガンが添加されていることにより、アルミニウム単体と比べて引っ張り強度が大きい。なお、マンガンの含有量は１．０〜１．５ｗｔ％程度が適当であって、マンガンの含有量が多すぎると外装缶成形時の加工性や溶接性が低下する。
【００２０】
図１に示すように、封口体３０は、外装缶１０の開口部に填まり込むよう成形された封口板３１の中央部に、釘状の負極端子３２が、絶縁パッキン３３を介して貫通して取り付けられた構成である。
封口板３１は、外装缶１０と同じＡｌ−Ｍｎ系合金の板が、外装缶１０の開口部と同じ長方形状に打ち抜かれたものである。
【００２１】
外装缶１０や封口板３１の厚さは、必要な強度を維持できる範囲内で、できるだけ薄く設定し、通常は５００μｍ程度に設定する。
負極端子３２の下部（電池の内側）には、集電板３４が装着され、また、負端子３２の上部（電池の外側）には、ワッシャ３５が装着されている。そして、これらの負極端子３２，集電板３４及びワッシャ３５は、絶縁パッキン３３によって封口板３１と絶縁された状態で、カシメ圧着されて封口板３１に固定されている。
【００２２】
電極群２０の負極板２１は、カーボン層状化合物（グラファイト粉末）が板状の芯体に塗着されたものであって、セパレータ２３によって包みこまれている。
そして、この負極板２１の芯体と集電板３４とは、リード板２５で接続されている。
一方、電極群２０の正極板２２は、正極活物質としてのリチウム含有酸化物（例えばコバルト酸リチウム）と導電剤（例えばアセチレンブラック）とからなる正極合剤が、板状の芯体に塗着されたものであって、正極兼用の外装缶１０と直接接触して電気的に接続されている。
【００２３】
非水電解液は、例えば、エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートからなる混合溶媒に、溶質としてのＬｉＰＦ６を溶解したものである。
封口板３１の外周部と外装缶１０の開口端部とは、レーザー溶接によって封止されている。
なお、図１では省略しているが、電極群２０と封口板３１との間には、絶縁性樹脂からなる絶縁スリーブ２６が介挿され（図３参照）、これによって電極群２０は、外装缶１０内の定位置に固定されると共に、封口体３０との接触が防止されるようになっている。
【００２４】
〔電池の製造方法〕
次に、この角形密閉式電池の製造方法について説明する。
先ず、Ａｌ−Ｍｎ系合金の板を、深絞り加工を施すことによって、有底角筒形に成型し、外装缶１０を作製する。
一方、Ａｌ−Ｍｎ系合金の板を打ち抜いて封口板３１を作製し、これに、絶縁パッキン３３、負極端子３２及び集電板３４を組み合わせて填めこみ、負極端子３２の上部にワッシャ３５をはめてカシメ圧着することにより、封口体３０を作製する。
【００２５】
また、リード板２５付きの負極板２１をセパレータ２３で覆い、これと正極板２２とを交互に積層させることによって電極群２０を作製する。
このように作製した電極群２０を、外装缶１０の中に挿入すると共に、リード板２５を絶縁スリーブ２６に通し、集電板３４と電気的に接続する。
そして、外装缶１０の中に非水電解液を注入して電極群２０に含浸させる。
【００２６】
次に、絶縁スリーブ２６を外装缶１０の上部に装着すると共に、封口体３０を外装缶１０の開口部に填め込んで装着し、以下に説明するように、封口体３０の外周部と外装缶１０の開口縁部１１とを、両者の境界線４０に沿ってレーザ光を照射しながら走査することによって溶接を行う。
〔レーザ溶接による封口〕
図３は、レーザ溶接によって外装缶を封口する様子を示す図である。
【００２７】
図３に示す装置において、集光レンズ５１は、その光軸を、封口板３１と平行な面内で、任意の方向に駆動できるようになっている。そして、この集光レンズ５１にレーザ光発振装置（不図示）から光ファイバを経由してレーザ光５０が導かれる。
レーザ光発振装置は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）を用いて発光させるものであって、レーザ光５０はパルス状に出力される（例えば、レーザパルス繰返数：５０ｐｐｓ）。そして、このレーザ光５０は、集光レンズ５１を通過することにより、封口板３１と開口縁部１１との境界線４０上に集光して、小さな円形状のスポット５２（スポット径：数百μｍ）を形成する。
【００２８】
このようなレーザ光の照射方式により、溶接する部分の周囲にある部材（絶縁スリーブ２６など）に熱的損傷を与えることなしに、スポット５２の部分を局所的に溶融させることができる。
レーザ光５０が照射されたスポット５２の部分では、封口板３１と外装缶１０の開口縁部１１とが溶融して溶融池が生じるが、その溶融池は短時間で凝固する。図３において、６０は、この溶融池が凝固した溶接部分である。
【００２９】
なお、レーザ光５０のスポット５２の周囲には、不活性ガス（窒素ガス）が噴射されるようになっており、これによって溶接部分の酸化は防止される。
レーザ光発振装置におけるレーザ光の繰返数並びに集光レンズ５１の走査の速度は、レーザ光５０のスポット５２が、直前に照射したスポット５２ａと適度にオーバーラップするよう調整する。このオーバーラップ率の調整は、集光レンズ５１の走査速度を調整することによって行う。
【００３０】
このように、間欠的に発光するレーザ光５０を、集光レンズ５１で境界線４０上に集光して照射しながら、境界線４０に沿う方向（図３の矢印Ａの方向）に集光レンズ５１を走査することによって、境界線４０に沿って連続的に溶接部分６０を形成する。
このようにして、境界線４０の全周にわたって溶接を行うことにより、封止を完了する。
【００３１】
ここで、溶接時における走査速度の制御、即ちスポットのオーバーラップ率の制御について考察する。
一般的に、開口縁部の曲折度が一様でない外装缶をレーザ溶接で封口する場合、次の▲１▼及び▲２▼のような関係が成り立つ。
▲１▼ 曲折度の大きい角部１１ａでは、曲折度の小さい直線部１１ｂよりもクラックが発生しやすい。
【００３２】
この理由は、次のように考えられる。
上記のように、金属性の板体を有底角筒状に成形して外装缶１０を作製すると、作製された外装缶１０において、曲折度の大きい角部１１ａでは、曲折度の小さい直線部１１ｂよりも残留応力が大きい。
レーザ溶接時において、溶融池に対して加わる力としては、レーザ光照射に伴う熱応力だけではなく、この残留応力も存在するため、残留応力の大きい角部１１ａでは、クラックが発生しやすい。
【００３３】
▲２▼ 上記数１で表されるスポット５２のオーバーラップ率を大きく設定するほど、クラックは発生しにくい。
この理由は、オーバーラップ率が大きいほど、直前の照射で形成された溶融池から多くの熱が供給されるので、溶融池の冷却速度が遅くなるためと考えられる。
【００３４】
ただし、レーザ光発振装置の繰返数は一定であるため、オーバーラップ率を大きくすると、走査速度は遅くなる。
従って、本実施の形態では、上記▲１▼，▲２▼の関係を考慮しながら、クラックの発生を抑えつつ境界線４０の全周を走査する時間をできるだけ短縮するように、角部１１ａ及び直線部１１ｂの各々において、オーバーラップ率を、クラックの発生を抑えることができる範囲内で、できるだけ小さい値に設定する。
【００３５】
即ち、直線部１１ｂにおいては、オーバーラップ率が小さく（例えば４０％）なるように、集光レンズ５１の走査速度を大きく設定し、角部１１ａにおいては、オーバーラップ率が大きく（例えば６０％）なるように集光レンズ５１の走査速度を小さく設定する。
〔レーザ光の走査速度と熱応力との関係についての解析〕
図４は、本実施の形態の電池について、レーザ光の走査速度とスポットの中央部に生じる熱応力との関係を解析した結果を表わす特性図である。
【００３６】
このように、スポットの中央部に生じる熱応力を解析するのは、レーザ溶接に伴って発生する熱応力は、スポットの中央部で一番大きく、このスポット中央部の熱応力が、クラック発生の要因と考えられるからである。
図５は、外装缶及び封口板の溶接部分の近傍をメッシュ状に分割した解析モデルである。
【００３７】
図４に示すレーザ光の走査速度と熱応力との関係は、図５に示す解析モデルに対して、有限要素法を適用し、下記数２式及び数３式を解析的に解く熱応力解析シミュレーションを用いることによって導き出したものである。
有限要素法を用いるため、図７に示すように、温度勾配が大きいと考えられるレーザ光のスポット近傍では、特に細かくメッシュ分割を行った。
【００３８】
【数２】
【数３】
この解析は、以下の条件に基づく。
レーザ光の波長：１．０６μｍ
レーザ光のパワー：９．３×１０２Ｗ
レーザ光のスポット径：４５０μｍ
パルス幅：１２．０ｍｓ
レーザ光照射からの解析時間：１５．０ｍｓ
封口板の融点：１８００Ｋ
絶縁スリーブ２６の樹脂融点：６００Ｋ
なお、有限要素法については、日本機械学会編の「熱と流れのコンピュータアナリシス」，コロナ社（１９８６年）を参考文献として挙げることができる。
【００４１】
図４の解析結果から、レーザ光の走査速度の増加に伴って、熱応力も増加することがわかる。
また、図４の特性図によれば、走査速度が１５ｍｍ／ｓ程度で、熱応力は、Ａｌ−Ｍｎ系合金の引張限界である４０００Ｎ／ｃｍ２に達している。従って、この解析条件の下では、直線部においても、走査速度を１５ｍｍ／ｓ程度より大きくすると、クラックの発生率がかなり大きくなることが予測される。
【００４２】
【実施例】
（実施例）
上記実施の形態に基づいて、携帯電話用の薄形の角形密閉式電池を作製した。
外装缶１０及び封口板３１の板厚は５００μｍとした。
溶接時において、照射したレーザ光は、波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザ光であって、パルス繰返数は５０ｐｐｓ、スポット径は約５００μｍとした。
【００４３】
走査速度は、直線部１１ｂでは１２．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率５２％）並びに１５．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率４０％）に設定し、角部１１ａでは、１０．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率６０％）並びに５．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率８０％）という組み合わせで実施した。
いずれの走査速度の組み合わせでも、作製した電池におけるクラックの発生率は１％未満であった。
（実験）
【００４４】
【表１】
実施例と同様にして、封口前の電池を作製し、表１に示す走査速度で、実施例と同様の照射条件で、直線部及び角部に対してレーザ溶接を行い、各部ごとにおけるクラックの発生率を調べた。
実験結果は表１に示す通りである。
表１からわかるように、直線部では、走査速度１５．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率４０％）以下でクラック発生率が小さく、走査速度２０．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率２０％）ではクラック発生率が大きい。
【００４６】
また、角部では、走査速度１０．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率６０％）以下でクラック発生率が小さく、走査速度１２．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率５２％）以上ではクラック発生率が大きい。
これより、実施例の電池では、クラック発生率を小さく抑えるために、直線部における走査速度は１５．０ｍｍ／ｓ以下に、また角部における走査速度は１０．０ｍｍ／ｓ以下に設定すべきであって、溶接の生産性も考慮すれば、直線部における走査速度を１５．０ｍｍ／ｓ、角部における走査速度を１０．０ｍｍ／ｓに設定するのが望ましいことがわかる。
【００４７】
直線部における走査速度が１５．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率４０％）の場合について見ると、角部における走査速度を１０．０ｍｍ／ｓ（オーバーラップ率６０％）以下にするためには、角部のオーバーラップ率を直線部のオーバーラップ率の１．５倍以上としなければならないことがわかる。
（その他の事項）
なお、上記実施の形態では、リチウムイオン二次電池の場合を例にとって説明したが、本発明は、ニッケル−水素電池などの二次電池、あるいは一次電池においても適用可能である。
【００４８】
また、上記実施の形態では、外装缶や封口板の材質として、アルミニウム合金を用いる場合について説明したが、これは、アルミニウム合金の場合、クラック発生の問題が生じやすいため本発明による効果が大きいからであって、本発明は、ステンレス等を用いる場合にも適用可能である。
また、上記実施の形態では、実用性の高い角形密閉式電池について説明を行なったが、本発明の製造方法は、角形密閉式電池に限らず、開口縁部が非真円形状の有底筒形状の外装缶を有する電池に対して広く適用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、金属性の板体を、開口部が非真円形状の有底筒形状（角形電池の場合は有底角筒状）に成形することによって、外装缶を作製し、その外装缶に発電要素を収納し、外装缶の開口部に封口板を装着し、封口板の外周部と外装缶の開口縁部とを、両者の境界線に沿ってレーザ光を間欠的に照射しながら走査することによって溶接し、密封することによって、密閉式電池を製造する方法において、密封時に、外装缶の開口縁部での曲折度の大きい区間（角形電池の場合は角部）では、曲折度の小さい区間（角形電池の場合は直線部）よりも、レーザ光の照射密度を高く設定し、これによって、レーザ溶接に伴うクラックの発生を極力抑えつつ、レーザ溶接時の生産性を高く保つことができる。
【００５０】
外装缶及び封口板がアルミニウム合金からなる密閉式電池の場合には、特に溶接時にクラックが発生しやすいので、本発明の製造方法を適用することにより、大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る角形密閉式電池の斜視図である。
【図２】図１の角形密閉式電池の上面図である。
【図３】レーザ溶接によって外装缶を封口する様子を示す図である。
【図４】上記電池について、レーザ光の走査速度と熱応力との関係を解析した結果を表わす特性図である。
【図５】外装缶及び封口板の溶接部分の近傍をメッシュ状に分割した解析モデルである。
【符号の説明】
１０ 外装缶
１１ 開口縁部
１１ａ 角部
１１ｂ 直線部
２０ 電極群
２６ 絶縁スリーブ
３０ 封口体
３１ 封口板
３４ 集電板
４０ 境界線
５０ レーザ光
５１ 集光レンズ
Claims (6)
- 金属性の板体を、開口縁部に第１の区間と当該第１の区間より曲折度が大きい第２の区間とを有する有底筒形状に成形することによって、外装缶を作製する外装缶作製ステップと、
前記外装缶に、発電要素を収納する収納ステップと、
前記外装缶の開口部に封口板を装着し、封口板の外周部と外装缶の開口縁部とを、両者の境界線に沿ってレーザ光を間欠的に照射しながら走査することによって溶接し、密封する密封ステップとからなる密閉式電池の製造方法であって、
前記密封ステップにおいて、
前記第２の区間では、前記第１の区間よりも、レーザ光の照射密度を高くすることを特徴とする密閉式電池の製造方法。 - 前記密封ステップでは、
前記境界線に沿って、レーザ光の照射によるスポットをオーバーラップさせつつ走査しながら溶接し、且つ、前記第２の区間におけるスポットのオーバーラップ率を、前記第１の区間におけるスポットのオーバーラップ率よりも高くすることを特徴とする請求項１記載の密閉式電池の製造方法。 - 前記密封ステップにおいて、
前記第２の区間では、前記第１の区間よりも、レーザ光の走査速度を小さくすることを特徴とする請求項２記載の密閉式電池の製造方法。 - 金属性の板体を有底角筒形状に成形することによって外装缶を作製する外装缶作製ステップと、
前記外装缶に、発電要素を収納する収納ステップと、
前記外装缶の開口部に封口板を装着し、封口板の外周部と外装缶の開口縁端部とを、両者の境界線に沿ってレーザ光を間欠的に照射しながら走査することによって溶接し、密封する密封ステップとからなる密閉式電池の製造方法であって、
前記密封ステップにおいて、
開口縁部の角部では、開口縁部の直線部よりも、レーザ光の照射密度を高くすることを特徴とする密閉式電池の製造方法。 - 前記密封ステップにおいて、
前記角部におけるスポットのオーバーラップ率が、前記直線部におけるオーバーラップ率の１．５倍以上であることを特徴とする請求項４記載の密閉式電池の製造方法。 - 前記外装缶及び封口板は、
アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の密閉式電池の製造方法。
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-
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