JP4547855B2

JP4547855B2 - 円筒形電池の製造方法

Info

Publication number: JP4547855B2
Application number: JP2002323451A
Authority: JP
Inventors: 誠二熊澤; 浩司船見
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: JP2004158318A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒形電池およびその製造方法に関する。より具体的には、円筒形電池の電池ケースとリードの溶接部構造及び電池ケースとリードをレーザを照射して溶接する円筒形電池のリード溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に電池は、大きく分けて乾電池やリチウム電池などの一次電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの充電可能な二次電池に大分できる。また、形状で分類すると、円筒型、角型、コイン型などがあり、その組み合わせにより多くの種類が存在する。これらの主な電池の構成は、鉄やアルミニウムなどの金属からなる電池ケースに、電極体と呼ばれる正極、セパレータ及び負極から構成される発電部分を挿入して、正極及び負極に溶接されたニッケルやアルミニウムからなるリードをケースや蓋に溶接したものとなっている。
【０００３】
また、パソコン用を中心とした円筒形電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回してなる電極体を円筒形ケースに挿入し、負極板に溶接された負極リードがケース底部に溶接されている構造が一般的となっている。電池ケースやリードは、電池容量の増大を目的として電極体の容積を拡大するため、薄くなる傾向にある。これに伴い、電池ケースとリードを安定して溶接する技術が必要となっている。
【０００４】
以下、従来の電池ケースとリードとの溶接方法を、図７を参照しながら詳述する。
【０００５】
まず、電極体４の中心に銅やカーボンなどの導電性の電極棒１４を差し込んでリード２と円筒形ケース５の底部を接触させ、電極棒１４と円筒形ケース５の底部外側に配置した電極１５間に電流を流す抵抗溶接で行われている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、装置が安価であり、またケースとリードの接触部を中心として溶融部を形成するため、ケース表面（電池外部）及びリード表面（電池内部）に溶融部が無く、外観が良好である。また、リチウムイオン電池のケースがニッケルめっきされた鉄の場合、リード表面に溶融部が露出していると、電解液と鉄とが反応してケースに穴が開く原因となることがあるが、抵抗溶接ではこの問題も生じ難かった。
【０００６】
しかし、近年電池ケース及びリードの薄型化が進んでくると、溶融部のリード表面露出を防止し且つ所望の接合強度を得るための電流の制御範囲が狭くなる。これは、ケースやリードの厚さや電極棒の形状変化、ケースとリードとの接触面積などによるばらつきの影響が大きくなり、リード内部の溶融部位置が不安定となり、穴開きが発生する原因となっていた。また、ケースとリードとの溶接部周辺に、ケース材料の飛散りも確認され、これもケース穴開きの原因となっていた。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−５８０２４号公報（第６頁、第９図など）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のことから、電池ケースとリードとの溶接についての課題は、接合強度を得たうえで品質不良である穴開きの原因となる溶融部のリード表面への露出とケースとリード間の飛散りを無くす構造及びその製造方法を確立することにある。また、ケース及びリードの薄型化に対応するため、制御範囲の広い安定した溶接手法を確立することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の発明に係る円筒形電池の製造方法は、底部を有する円筒型ケースにリードを挿入し熱伝導率が５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の棒状の治具を前記リード表面に押し当てることにより前記リードを前記ケースの底部に接触させ、前記ケースの底部の前記リードと接触している面と反対側の面にレーザを照射して前記ケースの底部と前記リードを溶接することを特徴とする。
【００１８】
以上の円筒形電池のリード溶接法により、溶融部のリード表面露出と飛散りが無く、高い溶接強度を有する広範囲な出力の制御範囲が得られ、電池ケースとリードとの高歩留まり溶接が可能となるため、接合品質の高い円筒形電池を低コストで供給することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる円筒形電池の、ケース底部とリードの接合部の構造を模式的に示す断面図である。ケース底部１の外側（図１の下側）からレーザを照射することによりケース底部１の表面を溶融する。照射時間の経過と共に、溶融部３はリード２との接合面に達し、更にリード内部へと進んだところでレーザ照射を停止して、溶融部３がケース底部１の表面からリード２の内部に位置する溶接部構造となる。このようにケース底部１の表面から溶融が進む場合は、接合部においてもケース底部１からリード２へと溶融が進み、ケース底部とリード間に飛散りは発生しない。
【００２１】
溶融部３の先端は、基本的にはリード内であれば問題無いが、例えばリード２の垂直方向の引張り強度を９．８Ｎ以上確保しようとした場合、５μｍ以上は必要となる。また、リード２の表面においては僅かなクラックや溶融部の露出が穴開きの原因となるため、溶融部３の先端とリード２の表面との距離は、実質５μ
ｍ以上は必要となる。従って、厚さ１００μｍのリードを用いた場合、溶融部３の先端の位置はリードの厚さの５から９５％の範囲が好ましい。
【００２２】
従来例として、抵抗溶接を用いたケース底部とリードとの接合部の構造を図６に示す。抵抗溶接においては、ケース底部１とリード２のそれぞれ表面に配置された電極間に電流を流すことにより、最も抵抗の高い接合部を中心に溶融が起こり、溶融部３がケース底部１とリード２の表面へ拡がっていく。
【００２３】
リード２側の電極は、巻回した電極体をケースに挿入後にその中央部に挿入するため、細長い棒状の電極となっているが、溶接回数を重ねるごとに電極先端の形状が変形していくため、電極間の抵抗が変化し溶融部３の大きさや形を一定にすることが困難である。また、ケース底部１とリード２の電流が流れる範囲内の接触が一様でないため、接合部全体に一様な電流密度で電流が流れず、周辺部分の電流密度が高くなった場合、ケース底部１とリード２の間に飛散り１３が発生することもある。
【００２４】
ケース底部１は鉄、アルミニウム或いは、それらを主成分とした合金からなる。これらの金属にニッケルをめっきする場合もある。また、リード２はニッケル、銅或いは、それらを主成分とした合金からなる。円筒形電池としては、ケース底部１はニッケルめっきされた鉄、リード２はニッケルが一般的である。
【００２５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の実施形態にかかる円筒形電池において、ケース底部とリードの接合方法を模式的に示す断面図である。正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回してなる電極体４を円筒形ケース５に挿入する。負極板に溶接されているリード２をケースの中央部にて円筒形ケース５の底部に重ねる。電極体４の中央部の開口部より熱伝導率が５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高い材料からなる棒状の治具（以下「接触棒」と称す）６を挿入し、円筒形ケース５の底部にリード２を接触させる。円筒形ケース５の表面よりレーザ７を照射することにより、円筒形ケース底部とリード２の一部を溶融して溶接する。
【００２６】
接触棒６は、銅、鉄、タングステン、アルミニウム、金、ニッケルに代表される金属などの熱伝導率が５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高い材料であり、棒状の形状をしたものである。形状に特に制限は無いが、電極体４の僅かな開口部に挿入しリード２と接触するため、円柱状で先端部はテーパ状に形成された形状が、電極体４やリード２を傷つけずに挿入し易く好ましい。レーザ７を照射して円筒形ケース５の底部表面を溶融し、その後溶融部はリード２内部へと進んでいく。このとき、熱の流れは円筒形ケース５の底部表面からリード２を通って接触棒６へ伝達するものと、円筒形ケース５の底部及びリード２の内部を横方向に伝達するものとがあるが、レーザ７の照射部分の中心部とその近傍付近の熱は、接触棒６の縦方向に伝達する。このとき、接触棒６の熱伝導率が円筒形ケース５やリード２の金属と同様な５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高い材料を用いることにより、接触棒６へ熱が迅速に伝達されるためリード２の内部の円筒形ケース５との接合部から接触棒６との接合部に急峻な熱勾配が発生し、溶融部３の先端の位置の制御が可能となる。
【００２７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図３は、本発明の実施形態にかかる円筒形電池において、ケース底部とリードの接合時におけるリード表面の温度を計測し、温度信号をレーザの出力制御に用いる方法を示す図である。図３において、リード２の表面に熱電対８を接触させ、第二の実施の形態と同様に円筒形ケース５の底部表面よりレーザ７を照射してリード２を円筒形ケース５の底部へ溶接する。このときの熱電対８より温度を表す規格化した電流信号をパソコン９に取り込む。パソコン９で事前に設定した閾値に電流信号の値が到達したときに、レーザ７の出力を停止する信号をレーザ発振器１０へ送る。レーザ発振器１０で発振したレーザは、ファイバ１１を通って鏡筒１２へ導入されレーザ７となって円筒形ケース５の底部へ照射される。リード２の表面温度が閾値に到達したときにレーザ７の照射を停止することにより、ケース底部やリード２の厚さや材質、密着性のばらつきなどに依存せずリード２の内部における溶融部３の先端の位置を安定化し、所望の接合強度を得て且つ溶融部のリード２の表面への露出を抑える接合の高品質化が可能となる。
【００２８】
本実施の形態２及び３において、接触棒６は熱を接触棒へ伝達する機能を満たす熱伝導率が５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高い材料であれば問題無いが、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上のタングステン、銅、金、アルミニウムが好ましい。融点が高く熱変形し難いタングステンが最も好ましい。
【００２９】
本実施形態２及び３において、ケース底部１は鉄、アルミニウム或いは、それらを主成分とした合金からなる。これらの金属にニッケルをめっきする場合もある。また、リード２はニッケル、銅或いは、それらを主成分とした合金からなる。円筒形電池としては、ケース底部１はニッケルめっきされた鉄、リード２はニッケルが一般的である。
【００３０】
本実施形態２及び３において、金属を溶融するレーザとしては炭酸ガスレーザ、ＹＡＧ基本波レーザ、ＹＡＧ第二高調波レーザ、ＬＤレーザなどが用いられるが、高出力が得られ出力制御が容易であり且つ１から２０ｍｓのパルス幅の発振が可能なことより、ＹＡＧの基本波レーザが好ましい。
【００３１】
本実施の形態２及び３において、接触棒６をリード２に押し当てる力が０．９８Ｎ以上であれば、接触棒６の表面の全域においてリード２と円筒形ケース５の底部を接触させることが可能である。
【００３２】
次に、前述する本実施形態における具体例を詳述する。
【００３３】
図３における円筒形ケース５の底部とリード２のレーザ溶接において、円筒形ケース５にニッケルめっきを施した鉄、リード２にニッケルを用い、レーザ発振器１０に波長１０６４ｎｍのパルスＹＡＧレーザを用いた。接触棒６はタングステンの円柱状の形状で、先端はテーパ加工を施し、９．８Ｎでリード２に押し当てるよう設定した。熱電対８より取り出した規格化した電流信号と接合部からの溶融部３の先端の位置を図４に示す。ケース底部とリードの溶接におけるレーザの出力時間はケース底部やリードの厚さにより１から２０ｍｓの範囲になるが、本実施形態においては、ケース厚を３００μｍ、リード厚を１００μｍとし、レーザ照射時間を１０ｍｓとした。図４から明らかなように、信号強度が上昇するに従い溶融部先端の位置が接合部からリード表面へと移動し、信号強度と溶融部先端の位置とは相関があることを見出した。この関係を用いてリード２の中心である５０μｍの位置に溶融部３の先端が到達したところで、レーザ７の照射を停止する制御信号を発生するように設定し、ケース底部とリードの溶接を３０回行った。このときの溶融部先端の位置を図５（ａ）、比較例としてレーザ７の照射を停止する信号を発生しないときを図５（ｂ）、従来の抵抗溶接において電極間電流を２０００Ａ一定で溶接したときを図５（ｃ）にそれぞれ示す。
【００３４】
まず、図５（ｂ）と（ｃ）との比較により、レーザを照射して円筒形ケース５の底部とリード２を溶接したときに、従来の抵抗溶接よりも溶融部先端の位置が５０μｍに集中していることが分かる。抵抗溶接では、表面から溶融部先端まで１０μｍ以下のものがあり、量産において溶融部の表面露出の危険性が高い。一方、レーザで溶接した場合は、最もリード２の表面に近いものでも、表面から溶融部先端まで２０μｍ以上あり、溶融部のリード表面露出は起きない。また、抵抗溶接では飛散りがいくつか見られたが、レーザ溶接では見られず接合品質の向上が確認された。
【００３５】
次に、図５（ａ）と（ｂ）との比較により、リード２の表面温度を測定してレーザ出力を制御すると、溶融部先端の位置が更に一定となる。これは、ケースとリードとの接触ばらつきやレーザの出力ばらつきなどの影響を低減によるものであり、このことは、ケース及びリード厚さや所望の接合強度に応じて、溶融部先端の位置を任意に制御可能であることを意味する。
【００３６】
本実施例では、熱電対によりリード２の表面温度を測定したが、非接触系の温度計を用いても同様の効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
ケース底部側からレーザを照射して接触棒を熱伝導率が５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上にすることにより、溶融部先端の位置がリード内部に位置する構造となり、所望の接合強度を要しリード表面に溶融部先端が露出せず且つ飛散りを防止するため、接合の高品質化が可能となる。また、リード表面温度をレーザ出力制御に用いることにより、溶融部先端の位置の安定化が図れ、材料や寸法に応じた接合品質が得られる。以上のことより、歩留まり向上による低コスト化と小型で高容量の円筒形電池の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の円筒形電池のケース底部とリードの接合部の構成の断面図
【図２】本発明の円筒形電池のケース底部とリードの接合方法を模式的に示す断面図
【図３】本発明の円筒形電池のケース底部とリードの接合方法を模式的に示す図
【図４】リード表面温度の信号強度と溶融部の先端位置との関係を示す図
【図５】溶融部先端の位置を示す図
【図６】従来の円筒形電池のケース底部とリードの接合部の構成の断面図
【図７】従来の円筒形電池のケース底部とリードの抵抗溶接を模式的に示す断面図
【符号の説明】
１ケース底部
２リード
３溶融部
４電極体
５円筒形ケース
６接触棒
７レーザ
８熱電対
９パソコン
１０レーザ発振器
１１ファイバ
１２鏡筒
１３飛散り部
１４抵抗溶接用電極棒
１５抵抗溶接用電極

Claims

金属よりなるケースに金属よりなるリードを溶接する円筒形電池の製造方法であって、底部を有する円筒型ケースにリードを挿入し熱伝導率が５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の棒状の治具を前記リード表面に押し当てることにより前記リードを前記ケースの底部に接触させ、前記ケースの底部の前記リードと接触している面と反対側の面にレーザを照射して前記ケースの底部と前記リードを溶接することを特徴とする円筒形電池の製造方法。
前記リードの溶接中に、前記リード表面の温度の測定を行いその信号が閾値まで上昇したときに前記レーザの出力を停止することを特徴とする請求項１に記載の円筒形電池の製造方法。
前記リード表面の温度の測定は、熱電対により測定することを特徴とする請求項２に記載の円筒形電池の製造方法。
前記円筒型ケースの材質がニッケルめっきされた鉄で且つ前記リードの材質がニッケルであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の円筒形電池の製造方法。
照射する前記レーザがＹＡＧの基本波であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の円筒形電池の製造方法。
前記棒状の治具の材質がタングステンであることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の円筒形電池の製造方法。