JP5025136B2

JP5025136B2 - 角形密閉電池の製造方法

Info

Publication number: JP5025136B2
Application number: JP2006021795A
Authority: JP
Inventors: 友和山中; 聡司吉田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-01-31
Also published as: JP2007207453A

Description

本発明は、角形外装缶を用いた電池のレーザ溶接方法に関する。

近年、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の高機能化・小型化および軽量化が急速に進展しており、その駆動電源として、高いエネルギー密度を有し、高容量である非水電解質二次電池が広く利用されている。特に、正負極板をセパレータを介して渦巻状に巻き取り、扁平状にプレスしてなる扁平渦巻状電極体を角形の外装缶を用いた非水電解質二次電池は、大電流を取り出せるとともに、移動情報端末に実装しやすいことから、上記用途に広く用いられている。

このような角形密閉電池は、有底角形の外装缶の開口部と、封口板とを嵌め合わせ、該嵌合部をレーザ溶接することによって、密閉されている。通常、封口板には貫通孔が設けられ、この貫通孔に樹脂製のガスケットを介して電流取出端子が保持されているが、レーザ熱がこもることによって電流取出端子を保持するガスケットが熱ダメージを受けて劣化し、ガスケット部分から電解液が漏液するという問題があった。

この問題を解決するために、図４に示すように、電流取出端子３近傍を封止する時に、レーザの走査スピードを落としたり、レーザの出力を下げたり、または電流取出端子３近傍の溶接時に、レーザスポット位置を封口板と外装缶との嵌合部分の中心から外側にずらしたりする試みがなされている（図４のＡ部分参照）。しかし、走査スピードを落としすぎると生産性が低下するという問題が生じ、レーザの出力を下げるとその部分の溶接強度が低下し、スポット位置を外側にずらすと、レーザスポット痕２１が電池外側にずれるので、電流取出端子近傍における外装缶と封口板との嵌合部で十分な溶接強度が得られなくなる。このため、後者の場合には、電池落下時や電流取出端子３に荷重が加わったとき等にクラックが生じて、電解液の液漏れが生じるという問題がある。

このような状況にあって、角形外装缶のレーザ溶接に関する技術として、例えば特許文献１〜３が提案されている。

特開2000-268781号公報特開2004-235082号公報特開平8-315790号公報

特許文献１にかかる技術は、封口板の外表面側に、外周側よりも中央側の方が厚み方向に窪んだ段差部を外周に沿って形成することにより、溶接箇所から封口板中央部への直線的な伝熱経路がなくして、溶接箇所からの放熱を低減する技術である。この技術によると、レーザ照射のエネルギーを低くしても、溶接箇所におけるクラックの発生を抑制できるとされる。

特許文献２にかかる技術は、外装缶開口部に嵌着されている封口板の露出面と外装缶との境界部において、第１の溶接により第１のナゲット（溶接痕）を連続的に形成し、さらに第２の溶接により、前記第１のナゲットよりも開口部から遠ざかる位置であって、外装缶の側面に、第２の溶接により第２のナゲットを形成する技術である。この技術によると、外装缶の変形の支点を第１のナゲット及び第２のナゲットとすることができ、外装缶の変形を抑制できるとされる。

特許文献３にかかる技術は、金属からなる角形ケースの一端に形成された開口に金属板からなる蓋板を嵌入し、該嵌合部の互いに離れた３箇所以上の仮止め箇所を仮止めした後、前記嵌合部の全周をレーザ溶接するとともに、仮止め箇所の少なくとも一つを他の仮止め箇所と異なる辺部に設定する技術である。この技術によると、蓋板の傾きによる溶接不良を抑制できるとされる。

しかしながら、上記各技術は、ガスケットへの熱ダメージについてなんら考慮されておらず、この点において更なる改良の余地がある。

本発明は、上記に鑑みなされたものであって、十分な溶接強度を有し、且つガスケットへの熱ダメージを回避し得た角形密閉電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、開口を有する角形外装缶と、前記開口に嵌合される封口板と、前記封口板に設けられた貫通孔に樹脂製ガスケットを介して保持された電流取出端子と、を有し、前記外装缶と前記封口板との嵌合部がレーザ溶接されてなる角形密閉電池の製造方法において、前記レーザ溶接が、前記電流取出端子を中間にして前記封口板の２つの長辺が前記電流取出端子と直接対向する長辺対向部の各々に、予めレーザをスポット照射することにより、前記嵌合部を予備溶接する予備溶接工程と、前記予備溶接の後、前記嵌合部全体をレーザ溶接する本溶接工程と、を備え、前記本溶接工程は、前記予備溶接を行っていない領域では、前記嵌合部を溶接し、且つ、前記予備溶接を行った領域では、前記予備溶接よりも外側にレーザをずらせて溶接し又は前記予備溶接を行っていない領域よりもレーザ出力を下げて前記嵌合部を溶接する工程であることを特徴とする。

この構成によると、嵌合部全体をレーザ溶接する本溶接工程の前に、長辺対向部（図３のＬ１で示される領域）をレーザのスポット照射行うことにより、長辺対向部の溶接深度が大きくなり、この結果、長辺対向部の溶接強度が高まる。また、レーザのスポット照射であるため、レーザ熱がこもりにくく、ガスケットへの熱影響が小さい。

上記構成において、前記予備溶接工程が、前記各々の長辺対向部の両脇に前記電流取出端子幅と同等以下の長さを加えた拡大長辺対向部に対して、予めレーザをスポット照射し前記嵌合部を予備溶接する構成とすることができる。

図３に示すように、長辺対向部（図３のＬ１で示される領域）だけではなく、その両脇であって前記電流取出端子幅と同等以下の長さの領域（図３のＬ２で示される領域）においても、レーザ熱がガスケットに熱ダメージを与えやすく、外側にずらした溶接が行われるため、この領域の溶接強度も不十分となる。よって、この領域にもスポットレーザ溶接を行うことにより、より溶接強度を高めることができる。この場合、拡大長辺対向部の長さは、長辺対向部より大きく、長辺対向部の３倍を越えない長さとする。長辺対向部の３倍を超える長さにおいて、ガスケットに与える熱ダメージの低減効果が頭うちになり、作業効率が低下するようになるからである。

上記構成において、前記レーザスポット数が各長辺に対して２以上であり、それぞれのレーザスポット同士が重複部を有しない構成とすることができる。

この構成によると、重ならないスポット数の増加により、予備溶接の効果を効率よく高めることができる。

上記構成において、前記レーザスポット数が各長辺に対して３以上であり、隣り合うレーザスポット同士の間隔が等しい構成とすることができる。

この構成によると、長辺対向部又は拡大長辺対向部の溶接強度のムラがなくなり、さらに一層予備溶接の効果が高まる。

上記構成において、前記レーザスポット同士が重複部を有さず、かつそれぞれのレーザスポットの間が連続溶接されている構成とすることができる。

この構成によると、さらに一層予備溶接の効果が高まる。

上記構成において、前記レーザスポットの隣り合うもの同士は重複部を有し、かつ重複部の大きさがレーザスポット径の１／３以下である構成とすることができる。

レーザスポットが重なっていると、前のレーザスポット痕でレーザが反射して、溶け込み深さが浅くなり、強度を向上させる効果を十分に得られないが、レーザスポットの重なりが１／３以下であると、この問題がほとんど生じないので、溶接強度を高めることができる。

上記本発明によると、十分な溶接強度を有し、ガスケットへの熱ダメージを低減し得た角形密閉電池を提供することができる。

（実施の形態）
以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いながら説明する。
図１に示すように、本発明に係る角形密閉電池は、有底角形の外装缶１と、負極端子３を備える封口板２と、が嵌め合わされ、該嵌合部がレーザ溶接されている。

図２に、角形密閉電池の部分断面図を示す。封口板２は、貫通孔を有しており、この貫通孔に負極端子（電流取出端子）３を備えている。該負極端子３はガスケット４により保持され、ガスケット４は挟持部材５により挟持されている。また、負極端子３は、負極タブ６と導電板７とを介して、外装缶１内に収納された電極体１０の負極と接続されている。また、封口板２と電極体（正極と負極とセパレータとを巻回したもの）１０との間には、両者の電気的導通を防止するための絶縁部材８が配置されている。

図３に、角形密閉電池の封口板平面図を示す。この封口板は、電流取出端子３を中間にして封口板１の２つの長辺が直接対向する長辺対向部（Ｌ１部分）を更に左右に拡張し最大３倍の長さとした拡大長辺対向部（Ｌ２＋Ｌ１＋Ｌ２）に、予めレーザをスポット照射して嵌合部所定部分を予備溶接する予備溶接工程と、この後に、嵌合部全体をレーザ溶接する本溶接工程の２つの工程を行うことにより封口されている。

ここで、上記本溶接工程におけるレーザ溶接に際しては、ガスケットや絶縁部材への熱ダメージを小さくするために、拡大長辺対向部（Ｌ２＋Ｌ１＋Ｌ２、Ｌ１＝Ｌ２）の領域におけるレーザスポット位置を、その他の領域よりも外側にずらして溶接を行っている。よって、拡大長辺対向部（Ｌ２＋Ｌ１＋Ｌ２、Ｌ１＝Ｌ２）のレーザスポット痕は、その他の領域よりも外側にずれて形成されている。

他方、上記予備溶接工程におけるレーザ溶接に際しては、概ね嵌合部の中心に沿ってレーザスポットする。よって、予備溶接におけるレーザスポット痕１２は、本溶接工程のレーザスポット痕１１より内側に形成されている。
電池の大きさは、厚み５．５ｍｍ、幅３４ｍｍ、高さ５０ｍｍであり、電流取出端子の幅Ｌ１は５．６ｍｍである。

（実験）
レーザ溶接条件と溶接強度との関係を調べるために、試験用セル１〜２６（電解液を有しないもの）を作製し、後述する試験を行った。なお、電解液を有しない試験用セルを用いたのは、押し込み強度試験において電解液の影響が出ないようにするためである。

（試験用セル１〜３）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３中央部に１点スポット照射を行い、該溶接スポットから１．０ｍｍ間隔で両サイドに４点、６点又は８点スポット照射を行い（合計５点、７点、９点）（予備溶接工程）、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）（本溶接工程）、試験用セル１〜３を完成させた。レーザ出力１００％で２７０Ｗで照射し、レーザスポット径は０．８ｍｍとした。また、予備溶接時のレーザ出力スピードは、１８パルス／秒とし、嵌合部全体への溶接（本溶接）時のレーザ出力スピードは、拡大長辺対向部では６ｍｍ／秒とし、その他の領域では１８ｍｍ／秒とした。

（試験用セル４〜６）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部を中心として１．０ｍｍ間隔で２点スポット照射を行い、該溶接スポットから１．０ｍｍ間隔で両サイドに４点、６点又は８点（合計６点、８点、１０点）スポット照射を行い、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル４〜６を完成させた。

（試験用セル７〜９）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部に１点スポット照射を行い、該溶接スポットから１．５ｍｍ間隔で両サイドに２点、４点又は６点スポット照射を行い（合計３点、５点、７点）、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル７〜９を完成させた。

（試験用セル１０〜１２）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部を中心として１．５ｍｍ間隔で２点スポット照射を行い、該溶接スポットから１．５ｍｍ間隔で両サイドに２点、４点又は６点スポット照射を行い（合計４点、６点、８点）、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル１０〜１２を完成させた。

（試験用セル１３、１４）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部に１点スポット照射を行い、該溶接スポットから２．０ｍｍ間隔で両サイドに２点又は４点スポット照射を行い（合計３点、５点）、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル１３、１４を完成させた。

（試験用セル１５）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部を中心として２．０ｍｍ間隔で２点スポット照射を行い、該溶接スポットから２．０ｍｍ間隔で両サイドに２点スポット照射を行い（合計４点）、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル１５を完成させた。

（試験用セル１６）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部を中心として２．０ｍｍ間隔で２点スポット照射を行い、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル１５を完成させた。

（試験用セル１７）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部に１点スポット照射を行い、該溶接スポットから２．５ｍｍ間隔で両サイドに２点スポット照射を行い（合計３点）、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル１７を完成させた。

（試験用セル１９）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部を中心として２．５ｍｍ間隔で２点スポット照射を行い、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル１９を完成させた。

（試験用セル２０）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部を中心として２．５ｍｍ間隔で２点スポット照射を行い、該溶接スポットから２．５ｍｍ間隔で両サイドに２点スポット照射を行い（合計４点）、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル２０を完成させた。

（試験用セル２０）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部に１点スポット照射を行い、該溶接スポットから３．０ｍｍ間隔で両サイドに２点スポット照射を行い、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル２０を完成させた。

（試験用セル２１）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部を中心として３．０ｍｍ間隔で２点スポット照射を行い、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル２１を完成させた。

（試験用セル２２）
封口板と外装缶との嵌合部であって、電流取出端子３の中央部に１点スポット照射を行い、その後封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル２２を完成させた。

（試験用セル２３）
予備溶接工程を行わずに、封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル２３を完成させた。

〔押し込み強度試験〕
上記で作製した各試験用セルに、直径３．０ｍｍの冶具を電流取出端子３にあてがって押し込み、レーザ溶接部に割れが生じたときの圧力を測定した。この結果を下記表１に示す。

上記表１より、嵌合部全体をレーザ溶接する前に、長辺対向部をスポット照射した試験用セル１〜２２の押し込み強度は３４２〜３９９Ｎと、スポット照射を行っていない試験用セル２３の３１６Ｎよりも優れていることがわかる。

このことは、嵌合部全体をレーザ溶接する前に、長辺対向部をスポット照射することにより、長辺対向部の溶け込み深度が大きくなるため、溶接の強度が強くなるためと考えられる。

セル１にかかるレーザ溶接状態を外装缶側から見た拡大図を図５、セル２３にかかるレーザ溶接状態を外装缶側から見た拡大図を図６に示す。図から明らかなように、セル１では、スポット照射により平均溶け込み深さが０．３１０ｍｍと、セル２３の０．２３０ｍｍよりも大きくなっており、これが溶接強度の増大に寄与したと考えられる。

（試験用セル２４）
拡大長辺対向部全体に、レーザスポットを重ね合わせずに連続して（隙間なく）スポット照射した（予備溶接工程）後に、封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）（本溶接工程）、試験用セル２４を完成させた。レーザ出力１００％で２７０Ｗで照射し、レーザスポット径は０．８ｍｍとした。また、予備溶接時のレーザ出力スピードは、１８パルス／秒とし、嵌合部全体への溶接（本溶接）時のレーザ出力スピードは、拡大長辺対向部では６ｍｍ／秒とし、その他の領域では１８ｍｍ／秒とした。

（試験用セル２５）
長辺対向部（図３のＬ１部分のみ）に、レーザスポットを重ね合わせずに連続して（隙間なく）スポット照射した後に、封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル２５を完成させた。

（試験用セル２６）
長辺対向部（図３のＬ１部分のみ）に、レーザスポットを各々１／３重ねてスポット照射した後に、封口板と外装缶との嵌合部全体をレーザ溶接して（電解液は入れないで）、試験用セル２６を完成させた。

〔押し込み強度試験〕
上記で作製した各試験用セルに、直径３．０ｍｍの冶具を電流取出端子３にあてがって押し込み、レーザ溶接部に割れが生じたときの圧力を測定した。この結果を下記表２に示す。

上記表２より、長辺対向部のみにスポット照射を行ったセル２５，２６は、押し込み強度が３８７Ｎ、４０６Ｎと、拡大長辺対向部全体にスポット照射を行ったセル２４の５０５Ｎよりも劣っていることがわかる。

このことは、長辺対向部のみならず、その両サイドを含む拡大長辺対向部に外側にずらしたレーザ溶接を行っているため、両サイド部分にも予備溶接を行うことにより、この両サイド部分の溶接強度が増加したためと考えられる。

また、予備溶接によるレーザスポットをまったく重ねていないセル２５と、レーザスポットを１／３重ねたセル２６とでは、溶接強度に大きな差がないことがわかる。これは、スポットを重ねると、前のスポット照射によるスポット痕でレーザが反射するため、レーザのエネルギーの一部が逃げてしまい、溶接強度の上昇に寄与しなくなるためと考えられる。

(追加事項)
本発明は、角形密閉電池であればすべての種類の電池に適用できる。

以上説明したように、本発明によると、電流取出端子近傍の溶接強度に優れた角形密閉電池を提供できる。よって、産業上の意義は大きい。

図１は、本発明の角形密閉電池の斜視図である。図２は、図１に示す電池の断面図である。図３は、本発明電池の封口板平面図である。図４は、従来の電池の封口板平面図である。図5は、本発明電池の溶接部分を外装缶側から見た拡大図である。図４は、従来の電池の溶接部分を外装缶側から見た拡大図である。

符号の説明

１外装缶
２封口板
３負極端子
４ガスケット
５挟持部材
６負極タブ
７導電板
８絶縁部材
１０電極体
１１スポット痕（本溶接工程）
１２スポット痕（予備溶接工程）

Claims

開口を有する角形外装缶と、前記開口に嵌合される封口板と、前記封口板に設けられた貫通孔に樹脂製ガスケットを介して保持された電流取出端子と、を有し、前記外装缶と前記封口板との嵌合部がレーザ溶接されてなる角形密閉電池の製造方法において、
前記レーザ溶接が、
前記電流取出端子を中間にして前記封口板の２つの長辺が前記電流取出端子と直接対向する長辺対向部の各々に、予めレーザをスポット照射することにより、前記嵌合部を予備溶接する予備溶接工程と、
前記予備溶接の後、前記嵌合部全体をレーザ溶接する本溶接工程と、
を備え、
前記本溶接工程は、前記予備溶接を行っていない領域では、前記嵌合部を溶接し、且つ、前記予備溶接を行った領域では、前記予備溶接よりも外側にレーザをずらせて溶接し又は前記予備溶接を行っていない領域よりもレーザ出力を下げて前記嵌合部を溶接する工程である、
ことを特徴とする角形密閉電池の製造方法。
請求項１に記載の角形密閉電池の製造方法において、
前記予備溶接工程が、前記各々の長辺対向部の両脇に前記電流取出端子幅と同等以下の長さを加えた拡大長辺対向部に対して、予めレーザをスポット照射し前記嵌合部を予備溶接するものである、
ことを特徴とする角形密閉電池の製造方法。
請求項１又は２に記載の角形密閉電池の製造方法において、
前記レーザスポット数が各長辺に対して２以上であり、それぞれのレーザスポット同士が重複部を有しない、
ことを特徴とする角形密閉電池の製造方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の角形密閉電池の製造方法において、
前記レーザスポット数が各長辺に対して３以上であり、隣り合うレーザスポット同士の間隔が等しい、
ことを特徴とする角形密閉電池の製造方法。
請求項１又は２に記載の角形密閉電池の製造方法において、
前記レーザスポット同士が重複部を有さず、かつそれぞれのレーザスポットの間が連続溶接されている、
ことを特徴とする角形密閉電池の製造方法。
請求項１又は２に記載の角形密閉電池の製造方法において、
前記レーザスポットの隣り合うもの同士は重複部を有し、かつ重複部の大きさがレーザスポット径の１／３以下である、
ことを特徴とする角形密閉電池の製造方法。