JP3643694B2 - 密閉型電池の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に発電要素が収納された有底筒状の外装缶と、この外装缶の開口部を封口すると共に外部電極としての役割を有する封口体とを有し、この封口体と、上記発電要素の一方の電極と上記封口体とを電気的に接続する集電タブとが共にアルミニウム材料から成り、且つ上記封口体と集電タブとが抵抗溶接法にて溶接される密閉型電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話等の電子機器には非水電解質電池が用いられるようになってきたが、この場合、電池の重量エネルギー密度の向上等を図るべく、比重の小さなアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウム材料と総称する）が電池材料として用いられるようになってきた。
このため、外装缶の開口部を封口すると共に外部電極としての役割を有する封口体、及び発電要素の一方の電極と上記封口体とを電気的に接続する集電タブ等についてもアルミニウム材料から構成されるようになってきた。
【０００３】
ところで、上記封口体と上記集電タブとは直接的に溶接されるのであるが、この際、超音波溶接法又はレーザー溶接法を用いると電池の製造コストが高くなり、しかも超音波溶接法を用いた場合には、溶接可能な範囲が狭くて溶接条件の設定が困難であり、しかも過剰に加圧されたり過剰な振動エネルギーを加えられたりすることにより被溶接材料にクラックが発生する等の課題を有していた。
【０００４】
そこで、上記のような問題を生じない抵抗溶接法により、上記封口体と上記集電タブとを溶接するようなことも考えられる。しかしながら、アルミニウム材料は抵抗が小さいため、低電流では溶接することができない一方、高電流で溶接すると爆火、ピンホールの発生又は電極棒へのアルミニウム材料の付着或いは磨耗等の課題が生じるため、アルミニウム材料同士を抵抗溶接法にて溶接するのは困難であるという課題を有していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、封口体と集電タブとを抵抗溶接法にて確実に溶接できることにより、製造コストの低減と電池の信頼性の向上とを図ることができる密閉型電池の製造方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、内部に発電要素が収納された有底筒状の外装缶と、この外装缶の開口部を封口すると共に外部電極としての役割を有する封口体とを有し、この封口体と、上記発電要素の一方の電極と上記封口体とを電気的に接続する集電タブとが共にアルミニウム材料から成り、且つ上記封口体と集電タブとが抵抗溶接法にて溶接される密閉型電池の製造方法であって、上記抵抗溶接法に用いられる電極棒と上記集電タブとの間に、アルミニウム材料よりも固有抵抗が高くて導電性を有する金属片が介在された状態で抵抗溶接されることを特徴とする。
【０００７】
上記構成の如く、電極棒と集電タブとの間に溶接用部材が介在された状態で抵抗溶接すれば、溶接用部材はアルミニウム材料よりも固有抵抗が高いことに起因して、低電流でエネルギーが発生することになる。そして、このエネルギーは集電タブを介して集電タブと封口体との界面に伝播され、これにより両者が溶接されることになる。このように、電極棒とアルミニウム材料から成る集電タブとが直接接触しない状態で、しかも低電流で両者を溶接することができるので、爆火、ピンホールの発生又は電極棒へのアルミニウム材料の付着或いは磨耗等の問題を生じることなく溶接することができる。
【０００８】
また、本発明の第２の態様は、前記第１の態様にかかる発明において、上記金属片は、上記電極棒とは同一材質でないことを特徴とする。このような構成であれば、金属片と電極棒とが溶着することがないので、一層円滑に溶接を行うことができる。
【０００９】
また、本発明の第３の態様は、前記第１又は第２の態様にかかる発明において、上記金属片はアルミニウム材料より融点が高いものから成ることを特徴とする。このように、金属片がアルミニウム材料より融点が高ければ、金属片が集電タブに溶接されるのを抑制することができる。したがって、電池重量の増大を招くことが無いので、電池の重量エネルギー密度の低下を防止できる。
また、本発明の第４の態様は、前記第３の態様にかかる発明において、上記金属片はニッケル又は鉄から成ることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１〜図３に基づいて、以下に説明する。
図１は本発明に係るリチウムイオン電池の分解斜視図、図２は溶接時の状態を示す平面図、図３は溶接時の状態を示す側面図である。
【００１１】
図１に示すように、本発明のリチウムイオン電池は、有底円筒状の外装缶５を有しており、この外装缶５内には、アルミニウムから成る芯体にＬｉＣｏＯ₂ を主体とする活物質層が形成された正極１と、銅から成る芯体に黒鉛を主体とする活物質層が形成された負極２と、これら両電極１・２を離間するセパレータ３とから成る渦巻き状の発電要素４が収納されている。また、上記外装缶５内には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とが体積比で４：６の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆ が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解された電解液が注入されている。更に、上記外装缶５の開口部には封口体６がかしめ固定されており、これによって電池が封口される。
【００１２】
上記封口体６は、アルミニウム合金から成る弁キャップ９、過充電時等の異常時に電池内部の圧力が所定値（１０〜２０ｋｇｆ／ｃｍ² ）以上になった場合に充電を中止する防爆弁８、ＰＴＣ素子１２、正極端子７等から成る。そして、上記弁キャップ９には、前記正極１と電気的に接続された正極集電タブ１０が溶接されている。
【００１３】
更に、前記外装缶５には、負極２と電気的に接続された負極集電タブ１３が接続され、且つ前記発電要素４の上下両端部近傍には、絶縁板１６・１７が配置されている。
【００１４】
ここで、上記構造の非水電解質電池を、以下のようにして作製した。
先ず、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ₂ を９０重量％と、導電剤としてのカーボンブラックを５重量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５重量％と、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを混合してスラリーを調製した後、正極集電タブ１０の溶接部位を除き、上記スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔（厚み：２０μｍ）の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にアルミニウム合金製の正極集電タブ１０（幅：３ｍｍ）を溶接した。
【００１５】
これと並行して、負極活物質としての黒鉛粉末を９５重量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５重量％と、溶剤としてのＮＭＰ溶液とを混合してスラリーを調製した後、負極集電タブ１３の溶接部位を除き、上記スラリーを負極集電体としての銅箔（厚み：１６μｍ）の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にニッケル製の負極集電タブ１３（幅：３ｍｍ）を溶接した。
【００１６】
次に、上記正極１と負極２とをポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータ３（厚み：２５μｍ）を介して巻回して発電要素４を作製した後、この発電要素４を絶縁板１６と共に外装缶５内に挿入し、更に負極集電タブ１３を外装缶５の缶底に溶接した。
その後、図２及び図３に示すように、先ず、封口体６（弁キャップ９）上に、正極集電タブ１０と金属片１１（厚み：０．１ｍｍ）とを順に載置した後、電極棒１４の先端部を上記金属片１１に当接し、更に電流を流すことにより、封口体６と正極集電タブ１０とを抵抗溶接した後、電極棒１４と金属片１１とを外した。
尚、上記抵抗溶接における溶接条件は、圧力１〜５ｋｇ、電流値０．５〜２ｋＡの範囲で行うのが望ましい。なぜなら、余り低い圧力及び電流値で抵抗溶接を行うと十分な溶接強度が得られない一方、余り高い圧力及び電流値で抵抗溶接を行うと爆火等の問題が生じるからである。
【００１７】
しかる後、ＥＣとＤＭＣとが体積比で４：６の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆ が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解された電解液を外装缶５内に注入した後、封口板６を外装缶５の開口端部にかしめ固定することにより、円筒形の電池を作製した。
【００１８】
尚、上記実施の形態では、封口体６と正極集電タブ１０とのみが溶接され、正極集電タブ１０と金属片１１とは溶接されていないが、封口体６と正極集電タブ１０とを溶接すると共に正極集電タブ１０と金属片１１とを溶接するようにしても良い。但し、正極集電タブ１０と金属片１１とを溶接すれば、金属片１１の重量分だけ電池重量も増大する。したがって、電池の重量エネルギー密度という観点からは金属片１１と正極集電タブ１０とを溶接しないのが望ましい。
更に、金属片１１の厚みは０．１ｍｍに限定するものではなく、０．０５〜０．５ｍｍであれば良く、特に、溶接部にエネルギーを円滑に伝達するためには０．０５〜０．１５ｍｍの範囲であるのが望ましい。
【００１９】
加えて、封口体６及び正極集電タブ１０はアルミニウム合金に限定するものではなく金属アルミニウムを用いても良く、また本発明は上記リチウムイオン電池に限定するものではなく、封口体６及び正極集電タブ１０にアルミニウム材料を用いた電池であれば適用しうることは勿論である。
但し、本発明を上記リチウムイオン電池に適用する場合には、正極材料としては上記ＬｉＣｏＯ₂ の他、例えば、ＬｉＮｉＯ₂ 、ＬｉＭｎ₂ Ｏ₄ 或いはこれらの複合体等が好適に用いられ、また負極材料としては上記炭素材料の他、リチウム金属、リチウム合金、或いは金属酸化物（スズ酸化物等）等が好適に用いられる。更に、電解液の溶媒としては上記のものに限らず、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの比較的比誘電率が高い溶液と、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフラン、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジオキソラン、２−メトキシテトラヒドロフラン、ジエチルエーテル等の低粘度低沸点溶媒とを適度な比率で混合した溶媒を用いることができる。また、電解液の電解質としては、上記ＬｉＰＦ₆ の他、ＬｉＡｓＦ₆ 、ＬｉＣｌＯ₄ 、ＬｉＢＦ₄ 、ＬｉＣＦ₃ ＳＯ₃ 等を用いることができる。
【００２０】
【実施例】
〔実施例１〕
実施例１としては、上記発明の実施の形態に示す方法と同様の方法にて作製した電池を用いた。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａ１と称する。
〔実施例２〕
金属片１１がニッケルではなく鉄から成るものを用いて電池を作製する他は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａ２と称する。
【００２１】
〔比較例１〕
金属片１１を正極集電タブ１０上に載置することなく電池を作製する他は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘ１と称する。
〔比較例２〕
金属片１１を正極集電タブ１０上に載置することなく、且つ封口体６と正極集電タブ１０とをレーザー溶接法にて溶接する他は上記実施例１と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘ２と称する。
【００２２】
〔実験〕
上記本発明電池Ａ１、Ａ２及び比較電池Ｘ１、Ｘ２について、溶接不良数と内部抵抗不良数とについて調べたので、その結果を下記表１に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
上記表１から明らかなように、比較電池Ｘ１、Ｘ２では溶接不良と内部抵抗不良が生じているのに対して、本発明電池Ａ１、Ａ２では溶接不良と内部抵抗不良とが全く生じていないことが認められる。
したがって、アルミニウム材料同士を溶接する際に、アルミニウム材料よりも固有抵抗の高い金属片１１を介することなく両者を抵抗溶接法にて溶接したり、またレーザー溶接法にて両者を溶接するのは好ましくなく、金属片１１を介して両者を抵抗溶接法にて溶接するのが好ましことがわかる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、封口体と集電タブとを抵抗溶接法にて確実に溶接できることにより、製造コストの低減と電池の信頼性の向上とを図ることができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係るリチウムイオン電池の分解斜視図である。
【図２】図２は溶接時の状態を示す平面図である。
【図３】図３は溶接時の状態を示す側面図である。
【符号の説明】
１：正極
４：発電要素
５：外装缶
６：封口体
１０：正極集電タブ
１１：金属片
１４：電極棒

Claims (3)

1. 内部に発電要素が収納された有底筒状の外装缶と、この外装缶の開口部を封口すると共に外部電極としての役割を有する封口体とを有し、この封口体と、上記発電要素の一方の電極と上記封口体とを電気的に接続する集電タブとが共にアルミニウム材料から成り、且つ上記封口体と集電タブとが抵抗溶接法にて溶接される密閉型電池の製造方法であって、
   上記抵抗溶接法に用いられる電極棒と上記集電タブとの間に、導電性を有し、アルミニウム材料よりも融点および固有抵抗の高い金属片を介在させた状態で上記集電タブと封口体とを抵抗溶接するステップと、
   前記抵抗溶接するステップの後、溶接部位から前記電極棒と金属片とを取り除くステップと、
   を備える密閉型電池の製造方法。
2. 上記金属片は、上記電極棒とは同一材質でない、請求項１記載の密閉型電池の製造方法。
3. 上記金属片はニッケル又は鉄から成る、請求項１又は２記載の密閉型電池の製造方法。

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