JP6077413B2 - 電池用電極の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
好ましい装置の構成として、前記リードが溶接された前記基板を、前記溶接された2箇所の間で切断する切断部をさらに備える。
このような方法や装置の構成によれば、リードが接続された基板から電池に必要とされる大きさの電極を製造することができる。なお、各溶接の溶接強度が等しく維持されているため、リードの分割とともに同時に溶接した2箇所のうちの一方のみになったとしても、必要な溶接強度が維持される。つまり、各溶接に溶接不良が含まれるおそれが低い。
好ましい装置の構成として、前記押し付け部は、前記基板を湾曲させて前記リードの一部を該湾曲させた基板の外側表面に沿わせて配置するとともに、前記基板の外側表面に沿う手前のリードの部分にリードの長さ方向への張力を付与する。
このような方法によれば、溶接をレーザにて行うことから溶接時にリードに余計な拘束力が与えられないため、リードの溶接が好適に行われる。また、レーザ溶接はリードに機械的な接触、摩擦を生じないため、溶接装置に関する維持管理の手間を軽減させることもできる。
このような方法によれば、リードの幅方向への溶接幅に分布する熱量が平均化されるため、リードの溶接幅を均等に加熱・溶融させて基板へ溶接させることができるようになる。特に、基板が多孔体であるとするとリードからの熱拡散にむらが生じるが、溶接幅を均等に加熱することで、適切な溶融により溶接されるとともに、過熱による穴あきなどが防止されるようになる。
このような方法によれば、基板とリードの溶接強度の向上が図られる。また、先の2箇所の溶接でリードが基板に安定配置されているため、後の溶接は基板とリードの位置関係が安定した状態で行なわれるようになる。また、同時に溶接することで、一方の溶接が他方の溶接に与える影響を低減させることができる。
このような方法によれば、溶融されたリードによってリードが基板に溶接される。リードの密度が基板よりも高ければ、リード側を溶融させることで基板に多くの金属を溶接させることができ、溶接強度が高く維持されるようになる。また、リードと基板との間の電気的抵抗も低くすることができる。
このような方法によれば、リードを、正極板を構成する金属多孔体に好適に溶接することができる。
以下、本発明にかかる電池用電極の製造方法及び製造装置を具体化した第1の実施形態について、図1〜図8を参照して説明する。
図1に示すように、基板10は、複数の正極板を切り出すことのできる大きさを有する基材、いわゆる大板である。そして、大板である基板10は、後の工程で切断されて複数の正極板(10A,10B等(図4参照))に分割される。こうした大板は、進行方向D1の前後方向に多数の正極板を切り出すことのできる長さに延びる基板10に、同様に進行方向D1の前後方向に延びる帯状のリード15が溶接されることで構成されている。なお、進行方向D1は、電池用電極の製造に伴って基板10が移動される方向である。
図3の基板10は、分割することにより2枚の正極板を得ることのできる大きさの大板として図示されている。しかし、大板としては、例えば、8枚の正極板に分割することのできる基板が知られている。正極板8枚分の大板は、その大きさが、図3に示す基板10に比べ、縦横にそれぞれ2倍の長さを有する大きさであって、基板10が縦横に2つずつ並んだ構造となる。つまり、正極板8枚分の大板は、基板の長さ方向に2本のリード15が、基板の幅方向に離間して平行に溶接されている構造を有している。なお、本実施形態では、断りのない限り、説明の便宜上、正極板2枚分の大きさを有する基板10を大板として説明する。
製造装置には、矢印で示すように、図の左側から基板10が供給されるとともに、同様に矢印で示すように、図の左側から2本のリード15が供給される。基板10は駆動ロール30の回転に従って入側ロール31,32に案内されながら駆動ロール30の表面に到達する。一方、リード15は、駆動ロール30上の基板10の移動に追従して移動する。つまり、リード15は、送出ロール35により基板10の移動速度に応じて進行方向D1へ送り出され、張力ロール36により重力方向への力F2が印加される。この重力方向への力F2が駆動ロール30側から見るとリード15を上流方向に引っ張る張力Tとして作用する。リード15は、駆動ロール30に到達すると該駆動ロール30の表面で湾曲される基板10の外側表面に当接・配置される。このときリード15は、駆動ロール30のロール面に沿って湾曲するとともに、張力Tが駆動ロール30の中心方向への力に変換される。つまりリード15は、上流側に印加される張力Tに基づく押圧力F1によって基板10の表面へ押し付けられる。このように長さ方向への張力Tが印加されるため、リード15はゆがみや波打ち、ばたつきなどが抑えられるようになり、基板10の表面に好適に接触できるようになる。またリード15は、押圧力F1で基板10の外側表面、つまり溝11に押し付けられるため、溶接に適した状態で基板10に接触(密着)するようになる。
続いて、本実施形態における、レーザ光21a,21bのエネルギー強度の分布について、図7及び図8を参照して説明する。
(1)リード15は溶接時の熱で変形しやすいため、2箇所の溶接を別々のタイミングで行うと、先にされた一方の溶接によって、後にされる他方の溶接部分が浮き上がるなど、後に溶接される他方の溶接強度が低下するおそれがある。また、溶接の都度、リード15を基板10に押し付けようとしても熱により変形したリードを基板10に密着させることは困難である。そこで、本実施形態では、基板10にリード15が押し付けられているとき、そのリード15の2箇所の溶接部16,17を基板10に同時に溶接することで、一方の溶接による影響が他方の溶接に影響を与えるおそれが低下するようになる。つまり、リード15に2箇所の溶接部16,17に溶接が必要な場合、その2箇所を適切な溶接強度で溶接することができるようになる。また、リード15を基板10に密着させるように押し付けることも容易である。さらに、溶接箇所である各溶接部16,17に適切な溶接強度が維持されれば、リード15と基板10との間の電気的抵抗を低いレベルに維持することができる。
(第2の実施形態)
電池用電極の製造方法及び製造装置が具体化された第2の実施形態について、図9〜図28に従って説明する。本実施形態では、特に、レーザ溶接に用いるレーザのエネルギー強度の分布について説明する。なお、本実施形態の電池用電極の製造装置は、金属多孔体である発泡ニッケル基板からなる基板42に金属板であるリード45をレーザ溶接する構成を備えるが、この製造装置の構成は、第1の実施形態における基板10に金属板であるリード15をレーザ溶接する製造装置の構成と同等である。また、本実施形態の基板42及びリード45はそれぞれ第1の実施形態の基板10及びリード15と同様の材料から形成されている。
図11に示すように、ガウシアン型のレーザ光41は、それが照射される円形状の照射領域51におけるエネルギー強度の分布が、第1の強度分布50に示すガウシアン型のエネルギー強度分布となっている。つまり、第1の強度分布50は、照射領域51内のそれぞれの位置に、レーザ光41から与えられるエネルギーの強度(量)を示している。第1の強度分布50に示すように、ガウシアン型のレーザ光41は、照射領域51のうちレーザ光41の中心C50を含む頂部52に対応する位置には強い(多くの)エネルギーE52を付与し、中心C50から照射領域51の端部方向に離れることに応じて付与するエネルギー強度が低下する(エネルギー量が減少する)。
また、図15〜18を参照して、トップハット型のエネルギー強度分布を有するレーザ光41、いわゆるトップハット型のレーザ光41について説明する。
こうしたことから、トップハット型のエネルギー強度分布を有するレーザ光41は、ガウシアン型のレーザ強度分布を有するレーザ光に比して、リード45のレーザ溶接される溶接部46の均等な加熱・溶融に基づいてリード45を基板42へ溶接させるようになる。これにより、レーザ溶接されるリード45や基板42の一部のみが過度に加熱されたりすることによる穴あきや欠肉などが生じることが防止されるようになる。
図19に示すように、スクエアトップハット型のレーザ光41は、それが照射される四角形状の照射領域71におけるエネルギー強度の分布が、第3の強度分布70に示すスクエアトップハット型のエネルギー強度分布となっている。第3の強度分布70は、照射領域71内のそれぞれの位置に、レーザ光41から与えられるエネルギーの強度(量)を示している。第3の強度分布70に示すように、スクエアトップハット型のレーザ光41は、レーザ光41の中心C70を含む頂部72の形状及び広さが照射領域71と同様の広さを有していることから、エネルギー強度分布が四角柱状の分布となっており、照射領域71におけるどの位置にも略同一の強度のエネルギーE72が付与される。
但し、「第1端部の積分値」及び「第2端部の積分値」は、リード45の2つの80%位置のエネルギー積分値をそれぞれ示し、「中央の積分値」は、リード45の中央位置に付与されるエネルギー積分値を示している。
図23に示すように、基板42は、複数の正極板を切り出すことのできる大きさを有する基材、いわゆる大板である。大板である基板42は、進行方向D11から見ると、幅方向のうちの2箇所に押圧形成された第1及び第2の配置部43A,43Bを有し、これら2つの第1及び第2の配置部43A,43Bによって、通常の厚みを有する部分が第1〜第3の極板部42A,42B,42Cの3つに区分されている。なお、本実施形態では、第1及び第3の極板部42A,42Cは正極板1枚分の幅を有し、第2の極板部42Bは正極板2枚分の幅を有している。
図25〜図27には、リード45がレーザ溶接された基板42の溶接品質とハンドリング性との測定結果を示す。まず、測定条件について説明する。
また、基板42の第1及び第2の配置部43A,43Bはそれぞれ、気孔率が38%〜86%になるように圧延加工により圧縮された。例えば、各配置部の気孔率とそのときの厚み及び圧縮率は、気孔率38%のとき厚み60μm、圧縮率95.4%であり、気孔率40%のとき厚み62μm、圧縮率95.2%であり、気孔率42%のとき厚み64μm、圧縮率95.1%であり、気孔率44%のとき厚みは66μm、圧縮率94.9%である。また、気孔率48%のとき厚みは71μm、圧縮率94.5%であり、気孔率50%のとき厚み74μm、圧縮率94.3%であり、気孔率52%のとき厚み77μm、圧縮率94.1%であり、気孔率54%のとき厚みは81μm、圧縮率93.6%である。また、気孔率66%のとき厚みは109μm、圧縮率91.6%であり、気孔率68%のとき厚み116μm、圧縮率91.1%であり、気孔率70%のとき厚み124μm、圧縮率90.5%であり、気孔率72%のとき厚みは132μm、圧縮率89.8%である。また、気孔率78%のとき厚みは168μm、圧縮率87.0%であり、気孔率80%のとき厚み185μm、圧縮率85.7%であり、気孔率82%のとき厚み206μm、圧縮率84.2%であり、気孔率84%のとき厚みは232μm、圧縮率82.2%であり、気孔率88%のとき厚みは265μm、圧縮率79.6%である。
リード45の進行方向D11への移動速度、つまり溶接速度は15m/minとした。
プロファイル特性指標値が「0.17」のレーザ光41は、ガウシアン型のエネルギー強度分布を有し、レーザ出力を1.5kW、ファイバー径を100μm、コリメートレンズ焦点距離を50mm、フォーカスレンズ焦点距離を300mm、レーザスポット径(ビーム径)を600μm(円形)とした。つまり、レーザスポット径(ビーム径)は、照射領域51の半径rの2倍に対応する。
溶接品質は、溶接部46の全長に渡り、穴あき、アンダーフィル(欠肉)、未溶接といった溶接欠陥箇所が認められないなどの場合、発泡ニッケルとリードとが問題なく溶接されている、すなわち良好「○」であると判別される。逆に、1箇所でも溶接欠陥箇所が認められた場合、発泡ニッケルとリードとの溶接に問題がある、すなわち不良「×」であると判別される。
つまり、図25に示すように、プロファイル特性指標値が「0.17」のレーザ光41による溶接品質及びハンドリング性として測定結果T11〜T14が得られた。すなわち、溶接品質は、気孔率が38%及び40%(測定結果T11,T12)のとき、良好「○」であると判別され、気孔率が42%及び44%(測定結果T13,T14)のとき、不良「×」であると判別される。つまり、気孔率が高くなると溶接品質が低下した。また、ハンドリング性は、気孔率が38%、40%、42%及び44%(測定結果T11〜T14)のとき、つまり厚みが60〜66μmのとき、いずれも不良「×」であると判別される。
図28に示すグラフには、溶接品質が良好「○」と判別された測定結果が「○」で示され、溶接品質が不良「×」と判別された測定結果が「△」で示されている。つまり、グラフには、測定結果T11,T12,T21,T22,T23,T41,T42,T43,T61,T62,T63,T64,S61,S62,S63,S64が「○」で示され、測定結果T12,T14,T24,T25,T44,T45,T65,T66,S65,S66が「△」で示されている。このグラフに示すように、溶接品質の良好/不良は、区分線K1により区分される。すなわち、配置部の気孔率において、レーザ溶接するレーザ光41のプロファイル特性指標値が区分線K1以上(領域A21,A22)であれば、溶接品質は良好「○」となる。逆に、レーザ溶接するレーザ光41のプロファイル特性指標値が区分線K1未満(領域A11,A12,A13)であれば、溶接品質は不良「△」となる。なお、プロファイル特性指標値の値にかかわらず、気孔率が82%を超えると溶接品質は不良となる。つまり、レーザ溶接される配置部の気孔率は82%以下であることが好ましい。
これらのことから、溶接品質が良好である、かつ、ハンドリング性が良好な条件は、気孔率が50%以上、かつ、溶接する配置部の気孔率においてレーザ光41のプロファイル特性指標値が区分線K1により示される値以上であることとなる。特に、プロファイル特性指標値が0.6以上、かつ、1以下の場合、気孔率が50%以上、かつ、82%未満の範囲で、つまり区分線K2にて区画される領域A23内で、溶接品質、及び、ハンドリング性が良好に維持されてより好適な条件となる。
(10)レーザ光41のエネルギー強度の分布が、リード45の幅方向に均等化されるとともにリード45の長さ方向へも均等化される。よって、リード45はレーザ溶接される部分において幅方向への熱量の分布が平均化され、リード45のレーザ溶接される溶接部46の均等な加熱・溶融に基づいてリード45が基板42へ溶接されるようになる。特に、基板42が多孔体であるとするとリード45からの熱拡散にむらが生じるが、レーザ溶接される範囲を均等に加熱することで、適切な溶融によりリード45と基板42とが溶接されるとともに、過熱による穴あきや欠肉などが抑制されるようになる。このように、エネルギー強度の分布が均等化されるエネルギー強度の分布としてトップハット型や、スクエアハット型などが挙げられる。なお、金属の溶接に用いられることの多い、円錐形状のエネルギー強度分布を有するレーザ光、例えばガウシアン型は、エネルギー強度が、レーザの中心位置から離れると大幅に低下する傾向にあり、エネルギー強度の分布の均等化されている程度が低い。
なお上記各実施形態は、以下の態様で実施することもできる。
・上記各実施形態では、正極板を製造する場合について例示した。しかしこれに限らず、負極板を製造してもよい。つまり、パンチングメタルなどの金属支持体を基板として用い、基板にリードが溶接された後、当該基板に水素吸蔵合金を含む材料を塗布する工程を有するようにしてもよい。これにより、リードを、負極板を構成する電極支持体に好適に溶接することができるようになるため、このような電池用電極の製造方法の適用可能性の拡大が図られるようになる。
Claims (9)
- 電極用の基板にリードが溶接される電池用電極の製造方法であって、
前記基板の幅より狭い幅の帯状のリードを、該リードの長さ方向が該基板の幅方向に交差するように該基板の表面に配置して、該配置したリードを基板の表面に押し付ける工程と、
前記基板の表面に前記リードを配置し押し付けた状態で、前記リードの幅方向に離間する2箇所で同時に、該リードを前記基板に溶接する工程と、
前記溶接する工程に続いて、前記リードが溶接された前記基板を、前記溶接した2箇所の間で切断する工程と
を備えることを特徴とする電池用電極の製造方法。 - 電極用の基板にリードが溶接される電池用電極の製造方法であって、
前記基板の幅より狭い幅の帯状のリードを、該リードの長さ方向が該基板の幅方向に交差するように該基板の表面に配置して、該配置したリードを基板の表面に押し付ける工程と、
前記基板の表面に前記リードを配置し押し付けた状態で、前記リードの幅方向に離間する2箇所で同時に、該リードを前記基板に溶接する工程とを備え、
前記リードを基板の表面に押し付ける工程では、前記基板を湾曲させて前記リードの一部を該湾曲させた基板の外側表面に沿わせて配置するとともに、前記基板の外側表面に沿う手前のリードの部分にリードの長さ方向への張力を付与する
ことを特徴とする電池用電極の製造方法。 - 前記溶接する工程では、前記溶接をレーザ溶接により行う
請求項1又は2に記載の電池用電極の製造方法。 - 前記レーザ溶接に用いられるレーザは、前記リードの幅方向へのエネルギー強度分布が均等化される
請求項3に記載の電池用電極の製造方法。 - 前記溶接する工程では、前記2箇所を溶接した後、該溶接した2箇所の間にあって、前記リードの幅方向に離間する2箇所を更に同時に溶接する
請求項1〜4のいずれか一項に記載の電池用電極の製造方法。 - 前記溶接する工程では、前記溶接をリード側から行う
請求項1〜5のいずれか一項に記載の電池用電極の製造方法。 - 前記基板は金属多孔体であり、
前記溶接する工程の後に、前記金属多孔体に水酸化ニッケルを含む活物質を塗布する工程を含む
請求項1〜6のいずれか一項に記載の電池用電極の製造方法。 - 電極用の基板にリードを溶接する電池用電極の製造装置であって、
基板の幅よりも狭い幅の帯状のリードを、該リードの長さ方向が前記基板の幅方向に交差するように該基板の表面に沿って配置する配置部と、
前記基板の表面に配置されたリードを基板の表面に押し付ける押し付け部と、
前記基板の表面に押し付けているリードを、当該リードの幅方向に離間する2箇所で同時に基板に溶接する溶接部と、
前記リードが溶接された前記基板を、前記溶接された2箇所の間で切断する切断部と
を備えることを特徴とする電池用電極の製造装置。 - 電極用の基板にリードを溶接する電池用電極の製造装置であって、
基板の幅よりも狭い幅の帯状のリードを、該リードの長さ方向が前記基板の幅方向に交差するように該基板の表面に沿って配置する配置部と、
前記基板の表面に配置されたリードを基板の表面に押し付ける押し付け部と、
前記基板の表面に押し付けているリードを、当該リードの幅方向に離間する2箇所で同時に基板に溶接する溶接部とを備え、
前記押し付け部は、前記基板を湾曲させて前記リードの一部を該湾曲させた基板の外側表面に沿わせて配置するとともに、前記基板の外側表面に沿う手前のリードの部分にリードの長さ方向への張力を付与する
ことを特徴とする電池用電極の製造装置。
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