JP6115400B2 - 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置に係り、詳しくは隣り合うケース部品がビーム溶接による接合部を介して密閉構造に構成されているケースに電極組立体を収容した蓄電装置及び蓄電装置の製造方法に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。一般に、容量の大きな蓄電装置は電極組立体を収容するケースを備え、そのケース内に電極組立体が収容されている。従来、二次電池のケースは、ケース本体と蓋体とは別物品として構成され、ケース本体内に電極組立体を収容した後、ケース本体の開口部を覆うように蓋体がレーザ溶接により固着される。二次電池の軽量化のため、アルミニウム製又はアルミニウム合金製のケースが使用されている。

従来、レーザ溶接におけるレーザ吸収率を高めてレーザ溶接性を向上させたアルミニウム又はアルミニウム合金部材が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、図８に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金の母材５１の溶接面５２に、アルミニウムよりレーザ吸収率が高く、アルミニウムより蒸気圧が低く、アルミニウムより沸点が高く、かつその膜厚が０．１μｍ以上のレーザ吸収被膜５３が形成されている。そのため、母材５１同士を溶接する場合、図８に示すように、両母材５１の境界、即ち溶接面にレーザビームを照射すると、レーザ吸収被膜５３が母材５１の沸点以上の高温となって、母材５１へ十分な熱伝導を行う。その結果、図９に示すように、溶接面５２は確実に溶融して、高強度の接合部５４を形成することができる。

特開２００８−２７４３３３号公報

特許文献１の場合、母材５１の表面全体にレーザ吸収被膜５３を形成する必要があり手間が掛かる。また、ケースを構成するケース本体と蓋体とをレーザ溶接で溶接する場合、ケース本体と蓋体との境界に発生するピンホールやクラックが製品の歩留まりを低下させる。レーザ溶接によるケース本体と蓋体との溶接の際、溶接すべき箇所に隙間が存在する状態でレーザビーム照射を行うと、ピンホールやクラックが発生する。しかし、特許文献１は、溶接すべき箇所に隙間が存在しない状態で、レーザビーム照射を行うことに関してはなんら記載はない。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶接すべき隣り合うケース部品の表面状態や組立精度に影響なく溶接不良を抑制防止した状態でビーム溶接を行うことができる蓄電装置及び蓄電装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置は、隣り合うケース部品がビーム溶接による接合部を介して密閉構造に構成されているケースに電極組立体を収容した蓄電装置であって、隣り合う前記ケース部品の間には、前記ビーム溶接に使用される照射ビームの吸収率が、前記ケース部品の前記照射ビームの吸収率より高い金属部材が配置されており、前記金属部材は、隣り合う前記ケース部品が対向する面の間にその外周面が挟持される突条部と、前記突条部に連続し、かつ隣り合う前記ケース部品それぞれの外周面に沿う方向に突出する突出部とを有し、前記接合部は、前記突条部の周囲において隣り合う前記ケース部品それぞれが溶融したものである。この構成によれば、隣り合うケース部品はケース部品同士の当接面に対してビームが照射されることにより溶接すべき箇所が溶融して溶接されるのではなく、金属部材にビームが照射されて金属部材を介してケース部品が加熱されて溶接される。そして、金属部材及びケース部品の両者が溶融して固溶体を形成して溶接される場合と、金属部材は溶融せずに隣り合うケース部品の溶接部のみが溶融して溶接される場合とがある。いずれの場合も、隣り合うケース部品の当接面にビームを照射して溶接を行う場合に比べて、ピンホールやクラックの発生が抑制され、溶接すべき隣り合うケース部品の表面状態や組立精度に影響なく溶接不良を抑制防止した状態でビーム溶接を行うことができる。

前記金属部材は、前記ビーム溶接に使用される照射ビームの吸収率が、前記ケース部品の前記照射ビームの吸収率より高い。この構成によれば、金属部材に照射されたビームエネルギーが効率良く熱になって、溶接に必要なエネルギー消費量を低減できる。

隣り合う前記ケース部品は、前記金属部材を跨いだ状態で連続していることが好ましい。この構成によれば、隣り合うケース部品はそれぞれ金属部材と固溶体を構成せずに、ケース部品同士の溶融部で接合され、金属部材は照射されたビームのエネルギーをケース部品の溶接部に伝達すればよい。一方、隣り合うケース部品がそれぞれ金属部材と固溶体を構成した状態で接続されるためには、ケース部品と金属部材との組み合わせに限定があり、ケース部品及び金属部材を構成する金属の選択の自由度が低くなる。

前記ケース部品は、ケース本体及び蓋体であることが好ましい。ケースを複数のケース部品で構成する場合、有底筒状のケース本体と、その開口部を覆う蓋体との２部品、あるいは筒状のケース本体とその両端の開口部を覆う２個の蓋体とで構成することが、ケース部品の製造を効率良く行うのによい。

前記ケース部品はアルミニウム系金属製であることが好ましい。ここで、「アルミニウム系金属」とは、工業用純アルミニウム（例えば、Ａ１０００系アルミニウム）やアルミニウム合金（例えば、Ａ３０００系アルミニウム合金）等のようにアルミニウムを主成分とする金属を意味する。蓄電装置の軽量化のためにはケースを軽金属の中でも生産量が多く安価なアルミニウム系金属製とするのが好ましいが、アルミニウム系金属はビーム溶接に使用されるビームの吸収率が低い。しかし、ビームの吸収率がアルミニウム系金属より高い金属部材を使用することにより、アルミニウム系金属製のケースのビーム溶接をエネルギー効率良く行うことができる。
上記課題を解決する蓄電装置の製造方法は、隣り合うケース部品がビーム溶接による接合部を介して密閉構造に構成されているケースに電極組立体を収容した蓄電装置の製造方法であって、隣り合う前記ケース部品が対向する面の間にその外周面が挟持される突条部と、前記突条部に連続し、かつ隣り合う前記ケース部品それぞれの外周面に沿う方向に突出する突出部とを有した、前記ビーム溶接に使用される照射ビームの吸収率が、前記ケース部品の前記照射ビームの吸収率より高い金属部材を配置し、前記突出部に向けて前記照射ビームを照射して前記ビーム溶接を行う。この構成によれば、隣り合うケース部品はケース部品同士の当接面に対してビームが照射されることにより溶接すべき箇所が溶融して溶接されるのではなく、金属部材にビームが照射されて金属部材を介してケース部品が加熱されて溶接される。そして、金属部材及びケース部品の両者が溶融して固溶体を形成して溶接される場合と、金属部材は溶融せずに隣り合うケース部品の溶接部のみが溶融して溶接される場合とがある。いずれの場合も、隣り合うケース部品の当接面にビームを照射して溶接を行う場合に比べて、ピンホールやクラックの発生が抑制され、溶接すべき隣り合うケース部品の表面状態や組立精度に影響なく溶接不良を抑制防止した状態でビーム溶接を行うことができる。

本発明によれば、ケースが複数のケース部品を溶接して密閉構造に構成されている蓄電装置において、隣り合うケース部品の表面状態や組立精度に影響なくビーム溶接を行うことができる。

一実施形態の二次電池の概略分解斜視図。 二次電池を正極端子の中心軸を含む面で切断した概略部分断面図。 （ａ），（ｂ）は蓋体とケース本体とを溶接する手順を示す概略部分断面図。 別の実施形態の図３（ｂ）に対応する断面図。 別の実施形態の図３（ｂ）に対応する断面図。 別の実施形態の図３（ｂ）に対応する断面図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ別の実施形態の金属部材とケース本体及び蓋体との関係を示す部分断面図。 従来技術のアルミニウム合金部材同士を溶接する際の模式断面図。 同じく溶接後の模式断面図。

以下、積層型の電極組立体を備えた二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１及び図２に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、四角箱状のケース１１内に積層型の電極組立体１２及び電解液（図示せず）が収容されている。ケース１１は、ケース本体１３と、その開口部１３ａを覆う蓋体１４とが間に金属部材１５が存在する状態で溶接されて密閉構造に構成されている。ケース本体１３及び蓋体１４はそれぞれケース部品を構成する。即ち、ケース１１は、複数のケース部品を間に金属部材１５が存在する状態で溶接して密閉構造に構成されている。

この実施形態では、ケース本体１３及び蓋体１４は、アルミニウム系金属製である。アルミニウム系金属とは、アルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。アルミニウム合金とは、例えば、アルミニウムを主成分とし、銅、マンガン、亜鉛、シリコン、マグネシウムなどが添加されたものを含み、熱処理型合金も含む。

図１及び図２に示すように、電極組立体１２は、金属箔１６の両面に活物質層１７ａを有する複数の正極１７と、金属箔１６の両面に活物質層１８ａを有する複数の負極１８とが、両者の間にセパレータ１９が介在する状態で積層されている。正極１７及び負極１８は、活物質層１７ａ，１８ａが形成された部分が矩形状に形成されている。各正極１７には、電極組立体１２の一端面（図１において上端面）の左側寄りに正極タブ１７ｂが突設されている。正極タブ１７ｂは金属箔１６の一部が活物質層１７ａの一端から突出するようにして形成されている。各負極１８には、電極組立体１２の一端面（図１において上端面）の右側寄りに負極タブ１８ｂが突設されている。負極タブ１８ｂは金属箔１６の一部が活物質層１８ａの一端から突出するようにして形成されている。

セパレータ１９は、正極１７と負極１８との間の電気的絶縁性を確保するため、例えば、正極タブ１７ｂ及び負極タブ１８ｂを除いた正極１７及び負極１８の矩形部より大きな矩形状に形成されている。二次電池１０がリチウムイオン二次電池の場合、正極１７用の金属箔１６はアルミニウム箔が好ましく、負極１８用の金属箔１６は銅箔が好ましい。

図１及び図２に示すように、電極端子としての正極端子２０は、板状の接続部２０ａを介して正極タブ１７ｂに溶接され、正極タブ１７ｂは先端側が電極組立体１２の上端面に沿って延びるように折り曲げられた状態で接続部２０ａに溶接されている。そして、図２に示すように、正極端子２０が蓋体１４に形成された孔１４ａから突出する状態で、蓋体１４がケース本体１３に接合されている。同様に、電極端子としての負極端子２１は、板状の接続部２１ａを介して負極タブ１８ｂに溶接され、負極タブ１８ｂは先端側が電極組立体１２の上端面に沿って延びるように折り曲げられた状態で接続部２１ａに溶接されている。図示しないが、負極端子２１も蓋体１４に形成された孔１４ａから突出する状態で、蓋体１４がケース本体１３に接合されている。なお、正極端子２０及び負極端子２１には、ケース１１から絶縁するための絶縁リング２２がそれぞれ取り付けられている。

図１及び図２に示すように、蓋体１４は平面視の外形がケース本体１３の平面視の外形と同じに形成されている。図２に示すように、蓋体１４のケース本体１３と対向する面の周縁に沿って矩形環状の突条１４ｂが形成され、突条１４ｂの外周には段差部１４ｃが形成されている。

金属部材１５は矩形環状に形成され、その内面に蓋体１４の段差部１４ｃに嵌合可能な
突条１５ａが矩形環状に形成されている。そして、金属部材１５の突条１５ａが蓋体１４の段差部１４ｃ及びケース本体１３の開口側端面と当接し、かつ突条１５ａを挟んだ内面がケース本体１３及び蓋体１４の外周面に当接した状態で、ケース本体１３と蓋体１４とが金属部材１５を介してレーザ溶接（ビーム溶接）されて接合部２３が突条１５ａの周面に沿って形成されている。金属部材１５は、レーザ溶接に使用される照射ビームの吸収率が、ケース部品の照射ビームの吸収率より高い材質であるニッケルで形成されている。ニッケルはＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）の吸収率がアルミニウムの３倍程度ある。

次に前記のように構成された二次電池１０の組立方法を説明する。
二次電池１０を組み立てる場合、図３（ａ）に示すように、ケース本体１３内に電極組立体１２を収容した後、ケース本体１３の上端部に金属部材１５を載置嵌合する。次に図３（ｂ）に示すように、正極端子２０が蓋体１４の孔１４ａを貫通する状態で、蓋体１４の段差部１４ｃが金属部材１５の突条１５ａと嵌合し、かつ下端がケース本体１３の上端に当接した状態で、蓋体１４をケース本体１３にレーザ溶接で溶接する。図示しないが、負極端子２１も蓋体１４の孔１４ａを貫通する状態となっている。

レーザ溶接は、レーザビームを金属部材１５に照射することにより行われる。即ち、従来のレーザ溶接方法と異なり、レーザビームは溶接すべき隣り合う部材としてのケース本体１３及び蓋体１４の当接する対向面（境界）に向けて照射するのではなく、金属部材１５の平面部に照射される。従来のレーザ溶接方法では、当接すべき対向面間に隙間が有ったり、レーザビームの照射方向に対して段差（ずれ）が有ったりすると、レーザビームが隙間で乱反射したり、段差で反射したりして目的の箇所が効率良く加熱されず、ブローホールや穴あきあるいはクラックなどの溶接欠陥が発生する。しかし、レーザビームは金属部材１５に向けて照射されるため、レーザビームが隙間で乱反射したり、段差で反射したりして目的の箇所が効率良く加熱されないということが回避される。

ケース本体１３の上端と蓋体１４の下端とが当接して配置された状態でレーザ溶接が行われるため、ケース本体１３と蓋体１４とは、少なくともその部分において溶接される。レーザビームのエネルギーを高くして、金属部材１５の一部も溶融して金属部材１５とケース本体１３及び蓋体１４とが固溶体を形成して溶接されるようにしてもよい。しかし、金属部材１５とケース本体１３及び蓋体１４とは必ずしも溶接されなくてもよい。なお、図２では、金属部材１５は溶融せずにケース本体１３及び蓋体１４が溶融して接合部２３が形成された状態を図示している。

金属部材１５は、ビーム溶接に使用される照射ビームの吸収率が、ケース本体１３及び蓋体１４の照射ビームの吸収率より高く、金属部材１５に照射されたビームのエネルギーが効率良く熱になって、溶接に必要なエネルギー消費量を低減できる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）蓄電装置（二次電池１０）は、電極組立体１２を収容するケース１１が複数のケース部品（ケース本体１３及び蓋体１４）をビーム溶接（レーザ溶接）して密閉構造に構成された蓄電装置である。そして、隣り合うケース部品（ケース本体１３及び蓋体１４）は、間に金属部材１５が存在する状態で溶接されている。したがって、隣り合うケース本体１３と蓋体１４の当接面にビームを照射して溶接を行う場合に比べて、ピンホールやクラックの発生が抑制され、溶接すべき隣り合うケース部品の表面状態や組立精度に影響なく溶接不良を抑制防止した状態でビーム溶接を行うことができる。

（２）金属部材１５は、ビーム溶接に使用される照射ビームの吸収率が、ケース部品（ケース本体１３及び蓋体１４）の照射ビームの吸収率より高い。したがって、金属部材１５に照射されたビームエネルギーが効率良く熱になって、溶接に必要なエネルギー消費量を低減できる。

（３）隣り合うケース部品（ケース本体１３及び蓋体１４）は、金属部材１５を跨いだ状態で連続している。そのため、隣り合うケース部品はそれぞれ金属部材１５と固溶体を構成せずに、ケース部品同士の溶融部で接合された構成とすれば、金属部材１５は溶融せずに照射されたビームのエネルギーをケース部品の溶接部に伝達すればよい。したがって、隣り合うケース部品がそれぞれ金属部材１５と固溶体を構成した状態で接続される場合に比べて、ケース部品及び金属部材１５を構成する金属の選択の自由度が高くなる。

（４）ケース部品は、箱状のケース本体１３と、その開口部１３ａを覆う蓋体１４とで構成されている。蓄電装置のケースを複数のケース部品で構成する場合、この実施形態のように箱状（有底筒状）のケース本体１３と、その開口部１３ａを覆う蓋体１４との２部品とすれば、ケース部品の製造を効率良く行うことができる。

（５）ケース部品はアルミニウム系金属製である。蓄電装置（二次電池１０）の軽量化のためにはケース１１を軽金属の中でも生産量が多く安価なアルミニウム系金属製とするのが好ましいが、アルミニウム系金属はビーム溶接に使用されるビームの吸収率が低い。しかし、この実施形態では金属部材１５はニッケルで形成されている。ニッケルはＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）の吸収率がアルミニウムの３倍程度あるため、アルミニウム系金属製のケース１１のビーム溶接をエネルギー効率良く行うことができる。

（６）金属部材１５は、矩形環状に形成され、ケース本体１３と蓋体１４とを位置決めした状態で両者の間に配置することが可能に形成されている。したがって、ケース本体１３と蓋体１４とを溶接する際に、適正な位置に容易に配置することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 金属部材１５は、ケース１１から突出する部分の断面形状が矩形状に限らず、例えば、図４に示すように、鎌状であってもよい。

○ 隣り合うケース部品（ケース本体１３及び蓋体１４）は、金属部材１５を跨いだ状態で連続している構成に限らない。即ち、ケース本体１３及び蓋体１４は、両者が直接溶接された箇所はなく、金属部材１５を挟んだ状態で溶接された構成であってもよい。例えば、図５に示すように、金属部材１５の突条１５ａを挟んだ状態でケース本体１３の上端面全体及び蓋体１４の下端面全体がそれぞれ突条１５ａに当接する状態に配置された状態で、ビーム溶接されてもよい。この場合、金属部材１５はレーザビーム溶接によりケース本体１３及び蓋体１４とそれぞれ固溶体を構成する材料を使用する必要がある。例えば、ケース本体１３及び蓋体１４がアルミニウム系金属製の場合は、金属部材１５の材料として鉄や鉄系金属はアルミニウム系金属と固溶体を構成し難いため好ましくなく、例えば、銅や銅系金属が好ましい。

○ 金属部材１５は、ケース本体１３及び蓋体１４の側面外周に沿って配置された状態に限らない。例えば、図６に示すように、ケース本体１３の上端部内周に段差部１３ｂが形成され、蓋体１４は厚さが段差部１３ｂの高さと同じに形成されるとともに、上面側の周縁に沿って段差部１４ｄが形成され、金属部材１５は、突条１５ａがケース本体１３の段差部１３ｂと蓋体１４の段差部１４ｄとで形成される溝に嵌合する状態で配置されても良い。即ち、金属部材１５は、ケース本体１３の上端面と蓋体１４の上端面に当接する状態でケース１１上に配置された状態であってもよい。この場合、溶接時に、ビームがケース１１の上方から金属部材１５に向かって照射される。

○ ケース本体１３及び蓋体１４が金属部材１５と当接する部分の形状は、金属部材１５の突条１５ａの一面に各当接部が当接する形状に限らない。例えば、図７（ａ）に示すように、金属部材１５がケース１１の側面外周に配置される構成において、突条１５ａの先端面にはケース本体１３の段差部１３ｂと蓋体１４の段差部１４ｃとが半分ずつ当接する構成としてもよい。また、図７（ｂ）に示すように、金属部材１５がケース１１の上面の周縁部に配置される構成において、突条１５ａの先端面にはケース本体１３の段差部１３ｂと蓋体１４の段差部１４ｄとが半分ずつ当接する構成としてもよい。これらの場合、金属部材１５の突条１５ａと対向するケース本体１３と蓋体１４との当接面の端は、突条１５ａの先端中央と対向するため、レーザビームを金属部材１５の端面のケース本体１３と蓋体１４との当接面と対応する位置に照射することにより、効率良くケース本体１３と蓋体１４との当接面を加熱することができる。

○ ケース１１は、複数のケース部品をビーム溶接して密閉構造に構成されていればよく、複数のケース部品は、有底筒状のケース本体１３とその開口部１３ａを覆う蓋体１４との組み合わせに限らない。例えば、ケース１１は、両端が開放されたケース本体１３と、その両側の開口部をそれぞれ蓋体１４で封止される構成であってもよい。この場合は、ケース部品は３個となる。また、ケース１１は、ケース１１を筒状部で二分割された構成、即ち２個の有底筒状体が接合された構成や、複数に分割された筒状部と、溶接後の筒状部の開口部を覆う蓋体とで構成されていてもよい。

○ 金属部材１５は、環状に限らず複数個の部品に分割され、全部の部品を合わせて隣り合うケース部品の間に環状となるように配置される構成であってもよい。
○ 金属部材１５は、必ずしも環状となる状態に配置されなくてもよい。例えば、ケース本体１３が有底角筒状の場合、金属部材１５をケース本体１３の開口部１３ａ及び蓋体１４の各角部と対応する箇所にのみ配置したり、あるいは角部を除いた各辺と対応する箇所にのみ配置したりしてもよい。また、角部と辺の部分の両方に間隔を空けて複数の金属部材１５を配置してもよい。

○ ケース本体１３及び蓋体１４をアルミニウム系金属製とした場合、金属部材１５もアルミニウム系金属製とし、かつ金属部材１５のアルミニウム系金属をケース本体１３及び蓋体１４のアルミニウム系金属に比べてレーザの吸収率の高いものを使用してもよい。

○ ケース本体１３及び蓋体１４は、アルミニウム系金属製に限らず、例えば、ステンレス鋼製であってもよい。
○ ビーム溶接は、レーザ溶接に限らず、電子ビーム溶接であってもよい。

○ 電極組立体１２は積層型に限らず、巻回型であってもよい。
○ 二次電池１０は電解液が必須ではなく、電解質として電解液を使用する構成であっても、電解液を使用せずに固体電解質や高分子電解質を使用する構成であってもよい。

○ 蓄電装置は、二次電池１０に限らず、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のようなキャパシタであってもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

（１）電極組立体を収容するケースが複数のケース部品をビーム溶接して密閉構造に構成された蓄電装置のケース部品の溶接方法であって、隣り合う前記ケース部品の間に、前記ビーム溶接に使用される照射ビームの吸収率が、前記ケース部品の前記照射ビームの吸収率より高い金属部材を配置した状態で、前記金属部材に対して前記ビーム溶接に使用されるビームを照射して前記隣り合うケース部品を溶接することを特徴とする蓄電装置のケース部品の溶接方法。

１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、１３…ケース部品としてのケース本体、１４…ケース部品としての蓋体、１５…金属部材。

Claims (5)

1. 隣り合うケース部品がビーム溶接による接合部を介して密閉構造に構成されているケースに電極組立体を収容した蓄電装置であって、
   隣り合う前記ケース部品の間には、前記ビーム溶接に使用される照射ビームの吸収率が、前記ケース部品の前記照射ビームの吸収率より高い金属部材が配置されており、
   前記金属部材は、隣り合う前記ケース部品が対向する面の間にその外周面が挟持される突条部と、前記突条部に連続し、かつ隣り合う前記ケース部品それぞれの外周面に沿う方向に突出する突出部とを有し、
   前記接合部は、前記突条部の周囲において隣り合う前記ケース部品それぞれが溶融したものであることを特徴とする蓄電装置。
2. 隣り合う前記ケース部品は、前記金属部材を跨いだ状態で連続している請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記ケース部品は、ケース本体及び蓋体である請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記ケース部品はアルミニウム系金属製である請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
5. 隣り合うケース部品がビーム溶接による接合部を介して密閉構造に構成されているケースに電極組立体を収容した蓄電装置の製造方法であって、
   隣り合う前記ケース部品が対向する面の間にその外周面が挟持される突条部と、前記突条部に連続し、かつ隣り合う前記ケース部品それぞれの外周面に沿う方向に突出する突出部とを有した、前記ビーム溶接に使用される照射ビームの吸収率が、前記ケース部品の前記照射ビームの吸収率より高い金属部材を配置し、
   前記突出部に向けて前記照射ビームを照射して前記ビーム溶接を行うことを特徴とする蓄電装置の製造方法。