JP4929606B2 - 密閉型蓄電装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
かかる蓄電装置の典型的な一形態として、所定の電極体ユニット及び電解質が金属製のケース(筐体)内部に密閉されたいわゆる密閉型蓄電装置がある。この種の蓄電装置は、所定の電極体ユニット(蓄電要素)をケースに収容した後に該ケースの開口部(即ち電極体ユニット等を収容するための収容口)に所定の封口部材(即ち当該ケース開口部を塞ぐ蓋に相当する部材をいう。以下同じ。)を配置し、次いで該開口部の周縁と封口部材とを溶接して該ケースを密閉することによって構築される。かかる構成上、ケースの高度な密閉性を確保するためには、封口部材とケース本体との溶接方法及び程度には充分に配慮する必要がある。
例えば特許文献1及び2には、密閉型蓄電装置(ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等)の角形ケースの矩形状開口部に所定の封口部材を嵌め込み装着し、その嵌め込まれた封口部材と矩形状開口部周囲の側壁との境界に対して封口部材の上方から該封口部材厚み方向(即ち封口部材の外側から内側への方向)にレーザ(パルスレーザ)を照射するとともに、該レーザ照射部位をその境界線に沿っていわば一筆書きで矩形状に移動させることによって封口部材とケース本体とをレーザ溶接する方法(ケース密閉方法)が記載されている。また、特許文献3には、角形ケース内の開口部近傍に金属製補強板をレーザ溶接し、次いで当該開口部に封口部材(蓋板)を嵌め込んでかしめる方法が記載されている。
かかる形態によって角形ケースを溶接・密閉する場合においても、高い応力が加わる部位(典型的には多角形状開口部周囲の長辺にあたる側壁のほぼ中央部分)の溶接を充分に、さらには効率よく行える方法が求められている。
この方法は、電極体ユニットが内部に収容された角形ケースであって前記開口部の周縁を構成する側壁の開口部断面の外面側が直線状である角形ケースを用意する工程、前記ケース開口部を封口する位置に該開口部を塞ぎ得る大きさの封口部材を配置する工程、および、前記封口部材と前記開口部周縁の側壁との境界部(即ち被溶接部)に前記ケースの側方から高密度エネルギーを照射することにより、該ケースに封口部材を溶接する工程を包含する。ここで、該溶接は少なくとも前記直線状外面の長さが最長である側壁と封口部材との境界部(被溶接部)においてその中央部分における側壁厚み方向への溶け込み深さが該境界部の両端付近における同方向への溶け込み深さよりも深くなるように行われることを特徴とする。
また、本明細書において「電極体ユニット」とは、少なくとも一つずつの正極及び負極を含み、電池又はキャパシタ(蓄電素子)の主体を成す構造体をいう。
また、本明細書において「角形ケース」とは、ここで開示される蓄電装置を構成する一部材であって一又は複数の電極体ユニットを収容し、該ユニットの収容口(本明細書にいう開口部)を適当な封口部材との溶接により密閉可能な筐体をいう。矩形又は方形状の開口部を備えた直方体形状又は立方体形状の金属製ケースはここでいう角形ケースの典型的な形状(外形)である。
従って、本製造方法によると、ケース内圧が上昇した際に応力が集中し得る部位の溶接強度を向上させ、耐圧性に優れる角形ケースを備えた密閉型蓄電装置を製造することができる。
(1)前記開口部の周縁を構成する側壁の開口部断面の外面側は直線状である;及び
(2)その開口部の周縁を構成する側壁のなかで少なくとも前記直線状外面の長さが最長である側壁(以下「長辺側壁」ともいう。)の開口部断面は、該断面の中央部分の厚みがその両端よりも厚い;
を備えた角形ケースを用意する工程と、前記開口部を封口する位置に該開口部を塞ぎ得る大きさの封口部材を配置する工程と、前記封口部材と前記開口部周縁の側壁との境界部に、前記ケースの側方から高密度エネルギーを照射し、該側壁の厚みが厚くなるのに応じて、前記高密度エネルギーの出力を大きくすることにより、該側壁厚み方向の溶け込み深さを深くさせつつ該ケースに封口部材を溶接する工程とを包含する。
また、そのような中央部肉厚型ケース(典型的には長辺側壁の開口部端面からみて中央部分がもっとも肉厚で、両端にいくほど厚みがなだらかに減少していくケース)を使用するとともに、本態様の方法では、開口部周縁の側壁の厚みに対応させて該側壁厚み方向の溶け込み深さを変化させつつ溶接が行われる。換言すれば、側壁の厚い部分(即ち中央部分)の溶け込み深さを深く、薄い部分(両端部分)の溶け込み深さを浅くする。これにより、本態様の方法では、内圧上昇時の応力集中に対応した耐圧性をケース溶接部位に付与し得るとともに、高密度エネルギー溶接時に被溶接材(ケース本体及び封口部材)に与える熱効率を側壁の厚みの変化に拘わらず溶接部位の全体に亘ってほぼ均等に保ち、局所的な溶接不良の発生(例えばブローホール、ピット、ポロシティ等の欠陥発生)を抑えることができる。
また、好ましくは、前記溶接工程において、前記開口部の周縁を構成する側壁のなかで少なくとも前記直線状外面の長さが最長である側壁と封口部材との境界部においては該側壁の厚みに対応させてエネルギー出力を変化させる溶接が行われる。
このように、高密度エネルギー照射位置の移動速度(即ち高密度エネルギー走査速度)を一定にすることによって、或いは、ケース側壁の厚みに対応したパワーコントロール(エネルギー変化)を行うことによって、ケース本体と封口部材との溶接を効率よく行うことができる。即ち、蓄電装置の製造効率を低下させることなくケース内圧上昇時に加わる応力の偏りに対応した耐圧性に優れる蓄電装置を製造することができる。
好ましくは、高密度エネルギー照射は、パルス波レーザと連続波レーザとを組み合わせたハイブリッドレーザを用いて行う。これにより、ケース本体と封口部材との溶接をさらに効率よく行うことができる。
即ち、ここで開示される蓄電装置は、電極体ユニットが内部に収容された角形ケースの開口部を封口部材で封口することにより密閉された密閉型蓄電装置であって、前記開口部の周縁を構成する側壁の開口部断面の外面側が直線状である角形ケースと、前記開口部を封口する位置に配置された封口部材と、前記封口部材と前記開口部周縁の側壁との境界部に形成された溶接部であって、前記ケースの側方から高密度エネルギーが照射されたときに形成された溶け込み領域を有する溶接部とを備える。ここで少なくとも長辺側壁と封口部材との境界部に相当する溶接部において、該溶接部の中央部分における溶け込み領域の側壁厚み方向への深さが該境界の両端付近における同方向への深さよりも深くなっていることを特徴とする。
かかる構成の二次電池その他の蓄電装置によると、ケース内圧が上昇した際の応力が集中し得る部位の溶接強度が保たれ、高い耐圧性を実現することができる。
(1)前記開口部の周縁を構成する側壁の開口部断面の外面側は直線状である;及び
(2)その開口部の周縁を構成する側壁のなかで少なくとも前記直線状外面の長さが最長である側壁の開口部断面は、該断面の中央部分の厚みがその両端よりも厚い;
を備えた角形ケースと、前記開口部を封口する位置に配置された封口部材と、前記封口部材と前記開口部周縁の側壁との境界部に形成された溶接部であって、前記ケースの側方から高密度エネルギーが照射されたときに形成された溶け込み領域を有する溶接部とを備えており、ここで前記溶け込み領域の前記側壁の厚みが厚くなるのに応じて、前記高密度エネルギーの出力を大きくすることにより、該側壁厚み方向の溶け込み深さが深くなっていることを特徴とする。
かかる構成の二次電池その他の蓄電装置では、ケース側方からの溶接でケースが密閉されているとともにケース内圧が上昇した際に特に高い耐圧性を実現することができる。
従って、本製造方法で製造される蓄電装置の種類、構成は、密閉タイプの溶接可能な角形ケースを備えたものであれば、特に制限はない。電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両やコンピュータ、通信機器等の電気製品の電源に利用される二次電池(ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等)或いは電気二重層キャパシタ等のキャパシタは本製造方法で製造し得る蓄電装置の典型例である。
また、ケース(本体)の開口部に封口部材を配置する形態は、ケース側方から側壁厚み方向に高密度エネルギー溶接を行えればよく、種々の形態があり得る。典型的には、図5に模式的に示すように、ケース側壁4の平面的な端面上にケース外径と同じ外径の蓋状の封口部材2を載置する。これにより、封口部材2とケース側壁4(即ち開口部周囲を構成する端面)との間にケース側方から容易に溶接可能な平面的な境界部6が形成される。なお、図中の符号1の矢印は該境界部6に照射する高密度エネルギー(レーザ等)を示しており、符号8の点線は該エネルギー照射によって境界部分6に形成される溶接ビード(溶け込み領域)を模式的に示している。
或いは、図6に模式的に示すように、封口部材3の下面外周部に段部3aを形成し、該段部3aにケース側壁4の端部を係合させつつ封口部材2をケース側壁4上に載置してもよい。この形態によっても、封口部材3とケース側壁4との間に平面的な境界部7が形成される。また、この形態では、段部3aの形成によって封口部材3を配置する際の位置決めが容易となる。
また、ケース側壁4の平面的な端面上に、溶接可能な程度にわずかにケース外形より大きな外径の蓋状の封口部材2を載置してもよい。
好ましくは、試料台又は集光器(レーザ射出端末)を直線的に動かして、ケース開口部周囲の側壁ごと(即ち角形ケースの一側面ごと)に一方の端部(角部)から他方の端部(角部)へとほぼ一定の速度で高密度エネルギー照射位置(例えばレーザ照射位置)を直線的に移動させながら溶接を行うと効率がよい。この場合、レーザ照射位置の移動距離(即ちレーザ集光器又は試料台(ステージ)の移動距離)に応じてレーザ出力をコントロールするとよい。これにより、効率よく、ケース全周に亘るケース本体と封口部材との溶接が行われるとともに、部位毎に溶け込み深さを異ならせることを容易に行うことができる。
図1は、本実施例に係る蓄電装置である密閉型ニッケル水素二次電池10の外観を模式的に示したものである。この電池10は、大まかにいって、電極体ユニット30を収容するための開口部26が形成された角形ケース20(Niメッキ鋼板)と、該ケース20に収容される電極体ユニット30と、該ケース24の開口部26上に載置される直方体蓋状の封口部材12(Niメッキ鋼板)とを備えている。電極体ユニット30は、一般的なニッケル水素電池と同様の蓄電要素であり、ニッケル水酸化物等から成る正極、水素吸蔵合金等から成る負極及びセパレータを備えている。また、典型的には、ケース20内には電極体ユニット30とともに適当な電解質(本実施例では水酸化カリウムを主体とするアルカリ水溶液)が注入される。
図1及び後述する図4に示すように、このケース20は上述した中央部肉厚型ケースである。即ち、長辺側壁24の開口部断面の厚みは一定ではなく、開口部26の上方からみて、中央部分が厚く両端にいくほど薄くなる丘陵状に肉厚が変化している。本実施例では、0.3〜0.4mmの範囲で肉厚が異なる。例えば、側壁24の開口部断面の中央部分が0.36〜0.37mmの肉厚であり、もっとも薄い角部(コーナー部)及びその近傍の肉厚が0.34〜0.35mmである。このような肉厚変化により、本実施例に係るケース20は、開口部26が密閉された後の内圧上昇時にも長辺側壁24の幅方向中央部分が変形し難い高耐圧性のケースである。なお、図1では、本ケース20が中央部肉厚型ケースであることを模式的に示すために側壁22,24の肉厚及びその変化を誇張して描いているが実際にはこのように肉眼で判別できるものではない。なお、短辺側壁22の厚みはほぼ一定(約0.35mm)である。
即ち、図2に示す溶接装置50は、熱源としてパルス発振式のYAGレーザ発振器及びCW半導体レーザ発振器を備えたいわゆるハイブリッドレーザを被溶接材料に照射する装置であり、大まかにいって、該レーザ発振器と適当な光路及び集光器を備えたレーザ発射装置52と、被溶接材料(ワーク)を固定する試料台であるXYZステージ54と、該レーザ発振器の出力及びXYZステージ54の移動を共に制御し得る制御部(マイコン部)51とを備えている。
具体的には、角形ケース20の開口部26上に封口部材12を配置した状態の被溶接材料をXYZステージ54上の図示しない固定冶具に固定し、該固定された状態のケース20の一側面(図2では一方の長辺側壁24)と封口部材12との境界部分にレーザ焦点が合うようにしてYAGパルスレーザとCWレーザとのハイブリッドレーザLを照射する。このとき、図2及び図3の1に示すように、制御部51からの駆動信号によってXYZステージ54を所定の一方向のみ(例えばX軸方向のみ)に直線的に等速で移動させ、当該長辺側面24と封口部材12との境界線に沿ってレーザ照射位置(即ち溶接部位)を一方の端部(角部)から他方の端部(角部)まで等速で移動させる。レーザ照射が一方の端部(角部)から他方の端部(角部)までその照射位置が等速で移動しながら行われる限り、かかるレーザ照射の開始点及び停止点をケース20から外れた場所に設定しておいてもよい。以上の操作により、当該長辺側面24と封口部材12との境界についての溶接が完了する。
以下、同様に、XYZステージ54上でケース20及び封口部材12の向きを90°変えることと、レーザ照射位置及びレーザ焦点を合わせるためにXYZステージ54を適宜移動させることとを行いながら、図3の3及び4に示すように、他の二つの側面(即ち残りの長辺側壁24及び短辺側壁22)についても封口部材12との境界線に沿ってレーザ照射位置(溶接部位)を一方の端部(角部)から他方の端部(角部)まで等速で移動させて溶接を行う。以上のようにして、直方体形状のケース20及び封口部材12の4つの側面全ての溶接即ちケース20全周に亘る溶接が完了する。
以上のように、本実施例では、XYZステージ54を一方向(X軸方向)に作動させてレーザ照射位置(溶接部位)を一方の端部(角部)から他方の端部(角部)まで移動させている。これにより、ケース側方からのレーザ照射に拘わらず、レーザ焦点の調節及びレーザ照射位置の移動を正確に且つ簡便に行うことができる。
なお、XYZステージ54の移動と共に或いは移動に代えて、レーザ発射装置をステージ54上で移動させてレーザ焦点の調節及びレーザ照射位置の移動を行ってもよい。
即ち、本レーザ溶接装置50における最大出力値をE(例えば440W)としたとき、レーザ照射位置が一方の端部D0から角部(コーナー部)を通過したあたりの点D1(例えば端部D0から距離5mmの地点)に至るまでは出力値を0.91×E(W)から0.94×E(W)まで連続的に増大させつつレーザ照射を行う。次いで、端部付近の点D1から肉厚にほとんど変化のない点D2(例えば端部D0から距離15mmの地点)までは出力値を0.94×E(W)に維持しつつレーザ照射を行う。次いで、点D2から徐々に肉厚が増していく点D3(例えば端部D0から距離30mmの地点)までは出力値を0.94×E(W)から0.99×E(W)まで連続的に増大させつつレーザ照射を行う。次いで、D3から肉厚にほとんど変化のない点D4(例えば端部D0から距離36mmの地点)までは出力値を0.99×E(W)に維持しつつレーザ照射を行う。次いで、点D4からさらに肉厚が増していく点D5(例えば端部D0から距離40mmの地点)までは出力値を0.99×E(W)から1.00×E(W)まで連続的に増大させつつレーザ照射を行う。次いで、被溶接線において肉厚がもっとも厚い中央部分である点D5から点D6(例えば端部D0から距離45mmの地点)に至るまでは出力値を1.00×E(W)に維持しつつレーザ照射を行う。次いで、点D6から徐々に肉厚が減っていく点D7(例えば端部D0から距離49mmの地点)までは出力値を1.00×E(W)から0.99×E(W)まで連続的に減少させつつレーザ照射を行う。次いで、点D7から肉厚にほとんど変化のない点D8(例えば端部D0から距離55mmの地点)までは出力値を0.99×E(W)に維持しつつレーザ照射を行う。次いで、点D8から徐々に肉厚が減っていく点D9(例えば端部D0から距離70mmの地点)までは出力値を0.99×E(W)から0.94×E(W)まで連続的に減少させつつレーザ照射を行う。次いで、点D9から端部付近の肉厚にほとんど変化のない点D10(例えば端部D0から距離80mmの地点)までは出力値を0.94×E(W)に維持しつつレーザ照射を行う。最後に、点D10から角部(コーナー部)を経て他方の端部D11に至るまでは出力値を0.94×E(W)から0.91×E(W)まで連続的に減少させつつレーザ照射を行う。
本実施例では、上述のとおり、レーザ出力値の調節によって溶け込み深さを異ならせており、YAGレーザのパルスの発射間隔は一定である。このため、図4に示すように、本実施例の方法によって製造される蓄電装置の密閉ケースは、その溶接部の断面からみてパルス間隔が一定であることを反映した波形の溶接ビード40,42,44,46が認められることを特徴とする。
また、長辺側壁24の厚みの増減に対応させてレーザ出力(エネルギー)値を増減させることによって、厚みの増減に拘わらず長辺側壁の全体に亘って熱効率を同等に保ち、溶接不良の発生を低減又は防止することができる。
なお、本実施例では、短辺側壁22の厚みは一定であるが、上記角部(コーナー部)における溶接不良の発生を低減又は防止するという観点から、短辺側壁22中央部分よりも角部におけるレーザ出力値を長辺側壁24の場合と同様に下げることが好ましい。例えば、上述の図4に示すD0からD1に至る出力コントロール、次いでD1(D9)からD2(D10)に至る出力コントロール、次いでD10からD11に至る出力コントロールを、短辺側壁22と封口部材12との境界の溶接プロセスについても適用するとよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
4,22,24 側壁
8,40,42,44,46 溶接ビード
10 蓄電装置(ニッケル水素二次電池)
20 角形ケース
26 開口部
30 電極体ユニット
50 レーザ溶接装置
51 制御部
52 レーザ発射装置
54 XYZステージ
Claims (4)
- 電極体ユニットが内部に収容された角形ケースの開口部を封口部材で封口することにより密閉する密閉型蓄電装置を製造する方法であって、
以下の特徴:
(1)前記開口部の周縁を構成する側壁の開口部断面の外面側は直線状である;及び
(2)その開口部の周縁を構成する側壁のなかで少なくとも前記直線状外面の長さが最長である側壁の開口部断面は、該断面の中央部分の厚みがその両端よりも厚い;
を備えた角形ケースを用意する工程と、
前記開口部を封口する位置に該開口部を塞ぎ得る大きさの封口部材を配置する工程と、
前記封口部材と前記開口部周縁の側壁との境界部に、前記ケースの側方から高密度エネルギーを照射し、該側壁の厚みが厚くなるのに応じて、前記高密度エネルギーの出力を大きくすることにより、該側壁厚み方向の溶け込み深さを深くさせつつ該ケースに封口部材を溶接する工程と、
を包含する密閉型蓄電装置製造方法。 - 前記溶接工程において、前記封口部材が前記封口位置に配置された状態の角形ケースを少なくとも水平方向に移動可能な試料台上に固定し、前記試料台を動かして前記境界部の一方の端部から他方の端部へ高密度エネルギー照射位置をほぼ一定の速度で直線的に移動させることを各側壁について繰り返す溶接が行われる、請求項1に記載の製造方法。
- 前記高密度エネルギー照射は、パルス波レーザと連続波レーザとを組み合わせたハイブリッドレーザを用いて行う、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 電極体ユニットが内部に収容された角形ケースの開口部を封口部材で封口することにより密閉された密閉型蓄電装置であって、
以下の特徴:
(1)前記開口部の周縁を構成する側壁の開口部断面の外面側は直線状である;及び
(2)その開口部の周縁を構成する側壁のなかで少なくとも前記直線状外面の長さが最長である側壁の開口部断面は、該断面の中央部分の厚みがその両端よりも厚い;
を備えた角形ケースと、
前記開口部を封口する位置に配置された封口部材と、
前記封口部材と前記開口部周縁の側壁との境界部に形成された溶接部であって、前記ケースの側方から高密度エネルギーが照射されたときに形成された溶け込み領域を有する溶接部と、
を備えており、
前記溶け込み領域の前記側壁の厚みが厚くなるのに応じて、前記高密度エネルギーの出力を大きくすることにより、該側壁厚み方向の溶け込み深さが深くなっていることを特徴とする、密閉型蓄電装置。
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