JP6090923B2

JP6090923B2 - リチウムイオン二次電池用ケースの製造方法

Info

Publication number: JP6090923B2
Application number: JP2013102663A
Authority: JP
Inventors: 克哉乘田; 教昌三浦; 黒部　淳; 淳黒部
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: JP2014225332A

Description

本発明は、ステンレス鋼箔をケースの素材としたリチウムイオン二次電池用ケースの製造方法に関する。

リチウムイオン二次電池は、高エネルギーを有するため、移動体通信機器用電源や携帯用情報端末用電源などに利用されているが、近年は地球温暖化対策として普及が広がっているハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用電源などにも利用され始めている。

従来、このようなリチウムイオン二次電池のケースには、アルミニウム薄板やステンレス薄鋼板を素材として、円筒状や角筒状に深絞り加工したものが用いられてきた。一般的に、この場合の素材板厚は０．５〜０．８ｍｍである。ところが、軽量化を図るため、板厚が０．１ｍｍ以下のアルミニウム箔を基材とし、その基材の表面にピリプロピレンなどの樹脂フィルムを積層したアルミラミネート材をケース素材として用いたポリマー型電池が利用されるようになってきた。
ポリマー型電池は、まず、アルミラミネート材を絞り加工してフランジ付きカップ品に成形し、そのカップ内にセパレータを挟んだ正負極の電極を収納するとともに、正極と負極の電極端子は、カップ品のフランジ部から導出しておく。一方、カップ品と同じ素材を用いて、カップ状または平板状の蓋部品を用意し、カップ品と蓋部品を重ね合わせた後、フランジ部においてアルミラミネートの樹脂フィルムを加圧加熱して溶融させるヒートシールによって接合している。その接合が完了した後に、ケース内に電解液を注入してポリマー型電池を完成させている。
このようなアルミラミネート材を用いた電池ケースは、軽量化を図れるものの、基材がアルミニウムであるために外力に対する強度が低いため、その電池ケースを保護する補強板を別に設ける必要があるという課題がある。
また、ヒートシールにより得られた接合部から電解液が漏れ、電池性能が低下するという課題も有している。

現状のポリマー型電池用ケースの外力に対する強度不足を排除するために、特許文献１には、オーステナイト系ステンレス箔を素材とし、カップ品と蓋部品との接合にシーム溶接を用いる方法が提案されている。この方法では、素材をアルミラミネート材よりも強度が強いオーステナイト系ステンレス箔とし、接合にシーム溶接を用いているので、アルミラミネート材を素材として用いた電池用ケースのような外力に対する強度不足およびヒートシール部からの電解液漏れは解消されるものの、シーム溶接時には溶接スパッタがカップの内外に発生するため、電池の内部短絡が生じる可能性がある。

特開２００４−５２１００号公報

このように、従来から提案されているポリマー型電池用ケースは、オーステナイト系ステンレス箔を素材としシーム溶接を用いて接合することにより、軽量化と外力に対する強度、さらに電解液漏れの問題は解消するものの、シーム溶接時に溶接スパッタなしで接合を完了させることができないという課題がある。

そのため、本発明では、溶接スパッタなしでの接合ができ、外力に対する強度を有することができるリチウムイオン二次電池用ケースを提供することを目的とする。

本発明のリチウムイオン二次電池用ケースは、その目的を達成するため、カップ品と蓋部品の素材としてステンレス鋼箔を用い、その接合部を拡散接合により接合することによって溶接スパッタなしの接合を実現するものである。
具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼箔をカップ状に絞り加工してなり、開口部の周縁にフランジ８が形成され、且つ縦壁部７に電極端子導出用の空孔６が設けられたカップ部品２と、昇温過程でのオーステナイト変態開始温度Ａｃ１点を６５０〜９５０℃に持ち、オーステナイト＋フェライト２相温度域を８８０℃以上の範囲に持つ２相系ステンレス鋼箔からなり、前記カップ部品２の開口部を覆う蓋部品３とを直接接触させ、拡散接合により一体化するリチウムイオン二次電池用ケースの製造方法であって、前記拡散接合の際には、シーム溶接機を用い、前記カップ部品２側に断面四角形状の棒状の電極１１を配置し、前記蓋部品３側に円盤状の電極輪１２を配置して、加熱温度８８０〜１０８０℃の温度範囲で、前記２相系ステンレス鋼箔のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながら拡散接合を進行させる、ことを特徴とする。

すなわち本発明では、ステンレス鋼箔同士を直接接触させて拡散接合により一体化させるに際し、接触させるステンレス鋼箔のカップ品の素材には、絞り加工が伴うため、オーステナイト系ステンレス箔を用い、また、蓋部品の素材には昇温過程でのオーステナイト変態開始温度Ａｃ_１点を６５０〜９５０℃に持ち、オーステナイト＋フェライト２相温度域を８８０℃以上の範囲に持つ２相系鋼を適用することと、加熱温度８８０〜１０８０℃の条件範囲で２相系鋼のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながら拡散接合を進行させることで、溶接スパッタなしの接合が可能となる。

特に、蓋部品に用いる２相系鋼は、下記の化学組成を有し、かつ、オーステナイト＋フェライト２相温度域を８８０℃以上の範囲に持つ２相系鋼を適用することができる。
質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．１５％、Ｓｉ：０．００１〜１．０％、Ｍｎ：０．００１〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜２．５％、Ｃｒ：１３．０〜１８．５％、Ｃｕ：０〜０．２％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ａｌ：０〜０．０５％、Ｔｉ：０〜０．２％、Ｎｂ：０〜０．２％、Ｖ：０〜０．２％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｎ：０．００５〜０．１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で示されるＸ値が６５０〜９５０である。
Ｘ値＝３５（Ｃｒ＋１．７２Ｍｏ＋２．０９Ｓｉ＋４．８６Ｎｂ＋８．２９Ｖ＋１．７７Ｔｉ＋２１．４Ａｌ＋４０．０Ｂ−７．１４Ｃ−８．０Ｎ−３．２８Ｎｉ−１．８９Ｍｎ−０．５１Ｃｕ）＋３１０・・・（１）
ここで、上記Ｘ値は、オーステナイト＋フェライト２相温度域を８８０℃以上の範囲に持つ２相系鋼において、昇温過程でのオーステナイト変態開始温度Ａｃ_１点を精度よく推定することができる指標である。

一般にステンレス鋼は常温での金属組織に基づいてオーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などに分類されるが、本明細書でいう「２相系鋼」はＡｃ_１点以上の温度域でオーステナイト＋フェライト２相組織となる鋼である。このような２相系鋼の中にはフェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼が含まれる。

本発明のリチウムイオン二次電池用ケースにおいては、素材にステンレス鋼箔を用いているため、従来のアルミニウムを基材としたアルミラミネート材を用いたケースより素材自体の強度が上がるため、ケースにおける外力に対する強度も上がり、これによって電池自体も変形しにくくなる。

電極およびセパレータを収納するカップ部品と蓋部品との接合は、電極端子をカップ部品の縦壁部から導出するため、カップ部品と蓋部品との接合領域にヒートシールや絶縁機能を付与するための樹脂フィルムを積層することが不要となり、拡散接合で実施することが出来る。また、カップ部品を成形した際に、アルミニウムなどより強度の高いステンレス鋼箔を素材とするためフランジ部に小さなうねりが生じる可能性があるが、フランジ部に小さなうねりが生じたとしても、拡散接合時に上下電極により加圧しながら接合するため、信頼性の高い接合を行うことが出来る。

本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用ケースの模式図本発明の実施形態に係るケース部品の模式図本発明の実施形態に係る装置の模式図スパッタ飛散状況を調査したケース部品の模式図スパッタ飛散状況の調査方法模式図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用ケース１の模式図であり、図２は前記リチウムイオン二次電池のカップ部品２である。カップ部品２は、オーステナイト系ステンレス鋼箔を素材として絞り加工してカップ状の部品とし、更に電極端子４、５を導出するための空孔６を付与したものである。これと、蓋部品３とを拡散接合することにより、リチウムイオン二次電池用ケース１となる。空孔６はカップ部品２の縦壁部に設けている。

カップ部品２と蓋部品３は、ステンレス鋼箔を素材として用いている。カップ部品２に用いるステンレス鋼箔は、絞り加工が伴うため、オーステナイト系ステンレス箔を用いる。また、蓋部品３に用いるステンレス鋼箔は、溶接スパッタなしの拡散接合を行うために２相系ステンレス鋼を用いる。ステンレス鋼箔の板厚は特に限定されないが、通常０．１ｍｍ以下である。

カップ部品２は、ステンレス鋼箔をフランジ８付きのカップ状に絞り加工したものであり、その縦壁部７には正極の電極端子４と負極の電極端子５を導出する空孔６が形成されている。空孔の形成方法は、例えば打抜き加工により行うことができる。空孔の形状は、円形に限定されなり。このカップ部品２内に、図示していないが、セパレータを挟んだ正負極の電極を収納し、空孔６から各々の電極端子４と５を導出する。空孔６の大きさは電極端子４および５よりも多少大きい寸法にしており、電極端子４および５と空孔６との間の隙間には、ケース部品２と電極との絶縁を図るために絶縁部品９が装着されている。絶縁部品９の材質は、特に規定されないが、ポリプロピレンなどの樹脂製品を用い、必要に応じて絶縁部品９を溶着・固着して密閉度を向上させても良い。

電極端子４と５を空孔６から導出させた後に、蓋部品３をカップ部品２に重ね合わせ、フランジ８を拡散接合して接合する。この場合の拡散接合は、例えば図３に示すように、シーム溶接機を用いることができる。シーム溶接機の電極が電極端子４、５と衝突することを避けるため、カップ部品２側の電極は断面形状が四角形などの棒状の電極１１を用い、蓋部品３側の電極は円盤状の電極輪１２とする。そして、カップ部品側の電極１１は固定とし、他方の蓋部品３側の電極輪１２を回転させて接合する。その後は、導出した電極端子４および５と空孔６との隙間を埋めるように絶縁部品９を溶融・固着させ、注入口から電解液を注入したあと、注入口を封止してリチウムイオン二次電池１が完成となる。

実施形態に関する実施例を以下に説明する。
カップ部品２の素材として、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４の箔（板厚０．１ｍｍ）を用いた。また、蓋部品３の素材としては、板厚０．１ｍｍの２相系ステンレス鋼の箔を用いた。それぞれの合金成分を表１に示す。「−」は分析値なしの意味である。

カップ部品２の寸法は、カップ部の幅１５０ｍｍ、奥行き１００ｍｍ、高さ２０ｍｍ、そしてフランジ８の幅１０ｍｍとした。カップ部品２の製造は、ブランク打抜き加工、絞り加工、打抜き加工、フランジトリミング加工の４工程とした。
このような工程で製造したカップ部品２の中に、セパレータを挟んだ電極を収納し、空孔６から電極端子４，５を導出した。その後、カップ部品２と蓋部品３を重ね合わせてシーム溶接機を用いた拡散接合を行い、拡散接合部１０を形成した。
拡散接合のための電極として、カップ部品２側の電極は、断面形状が正四角形で、１辺の長さが８ｍｍの棒状とし、蓋部品３側の電極は直径１００ｍｍ、幅５ｍｍの円盤状とした。そして、拡散接合条件は、加圧力を１５０Ｎ、溶接速度を１．０ｍ／ｍｉｎとし、溶接電流を（Ａ）０．５ｋＡ、（Ｂ）１．０ｋＡ、（Ｃ）２．０ｋＡの連続通電とした。この条件では、接合部の温度は、（Ａ）８５０℃、（Ｂ）１０５０℃、（Ｃ）１２５０℃と推定される。
その後、電極端子４、５と空孔６との隙間には、絶縁部品９としてポリプロピレン製のフィルムを充填し、そのフィルムを１２０℃で加熱して電極端子４、５をカップ部品２と絶縁した状態で固着することにより、ケース部品を製造した。最後に、ケース部品の内部に、図示しない注入孔から六フッ化燐酸リチウムをベースとした電解液を注入してリチウムイオン二次電池１の製造を完了した。製造したリチウムイオン二次電池１を一定期間、充放電を繰返して電池の状態を評価した。評価した結果、拡散接合部１０からの液漏れや溶接スパッタを起因とする短絡は発生しなかった。
前記の３種類の接合条件においてフランジ８の一辺のみを接合したケース部品を多数製造し、その中から各１０個を抜き取り、スパッタの飛散状況を調査した。スパッタの飛散状況の調査方法は、洗浄した容器１３に超純水１４（０．２μｍ以上の粒径を持つパーティクルが１個/ｍＬ以下）を１０００ｍＬ入れ、拡散接合部を超純水中に浸漬させて超音波を５分間印加した。超音波の印加は超音波洗浄器（本多電子製Ｗ−１１８、周波数４５ｋＨｚ、出力６００Ｗ）を用いた。その後、得られた抽出液中のパーティクルを、孔径０．１μｍのフィルターで捕集し、ＳＥＭ−ＥＤＸ測定においてスパッタ飛散状況の観察を行った。その結果、接合条件（Ａ）、（Ｂ）は金属元素が確認されず、接合条件（Ｃ）は金属元素が確認された。また、拡散接合部の断面を顕微鏡観察し、蓋部品側の金属組織を調査した。その結果、接合条件（Ａ）、（Ｂ）は接合部の界面が溶接ナゲットなしの拡散接合となっており、（Ｃ）は接合部界面が溶融し溶接ナゲットが形成されていた。

本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、ポリマー型リチウムイオン二次電池として使用するのに好適である。

１リチウムイオン二次電池
２カップ部品
３蓋部品
４正極の電極端子
５負極の電極端子
６空孔
７縦壁部
８フランジ
９絶縁部品
１０拡散接合部
１１電極
１２電極輪
１３容器
１４超純水

Claims

オーステナイト系ステンレス鋼箔をカップ状に絞り加工してなり、開口部の周縁にフランジ(８)が形成され、且つ縦壁部(７)に電極端子導出用の空孔(６)が設けられたカップ部品(２)と、昇温過程でのオーステナイト変態開始温度Ａｃ１点を６５０〜９５０℃に持ち、オーステナイト＋フェライト２相温度域を８８０℃以上の範囲に持つ２相系ステンレス鋼箔からなり、前記カップ部品(２)の開口部を覆う蓋部品(３)とを直接接触させ、拡散接合により一体化するリチウムイオン二次電池用ケースの製造方法であって、
前記拡散接合の際には、シーム溶接機を用い、前記カップ部品（２）側に断面四角形状の棒状の電極（１１）を配置し、前記蓋部品（３）側に円盤状の電極輪（１２）を配置して、加熱温度８８０〜１０８０℃の温度範囲で、前記２相系ステンレス鋼箔のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながら拡散接合を進行させる、
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用ケースの製造方法。