JP6643646B2 - 密閉型電池及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、密閉型電池及びその製造方法に関し、より詳細には、密閉型電池の電池外装缶と集電タブとの接合部構造及び密閉型電池の製造方法のうちの電池外装缶と集電タブとの接合方法に関する。
従来の密閉型電池及びその製造方法は、電池外装缶とその内部にある集電タブとを接触させ、電池外装缶と集電タブとの間を抵抗溶接で接合している。しかし、抵抗溶接時に発生するスパッタが電池外装缶内部に入り込み、電池の信頼性が悪化するという課題があった。そのため、最近では、電池外装缶の外側からレーザビームを照射して、電池外装缶と集電タブとを接合させて、スパッタ発生を防止している(例えば、特許文献1〜3参照。)。例えば、図22は、特許文献3に記載された従来の密閉型電池及びその製造方法を示す図である。
図22において、電池外装缶101の内面底部に集電タブ102が密接されている。電池外装缶101の外側底面からレーザビーム103を照射して、電池外装缶101と集電タブ102とを溶融させて溶融部104を形成し、電池外装缶101と集電タブ2とを接合している。更に、その溶融部104は、集電タブ102を貫通せず、電池外装缶101と集電タブ102とが未貫通接合されているため、電池外装缶101の内部にスパッタは混入しない。図23には、更に、溶融部104を拡大した詳細図を示す。但し、理解しやすいように上下を反転させて、レーザビーム103が図面上方から照射している図に変更している。
特許第4175975号公報(図2) 特許第4547855号公報(図1) 特許第5306905号公報(図1D)
近年、密閉型電池の用途が、車載電池等の大出力及び大電流が求められる用途に急激に拡大してきており、複数個の密閉型電池を接続した組電池が用いられている。例えば、図24に示す組電池の例として、3個の密閉型電池が並列に接続されている。この図24に示すように、その組電池は、連結部材(バスバー)106、107を介して、それぞれ、電池外装缶101の外側底面中央部101b及びもう1方の電極端子105の外側上面中央部と、ワイヤーボンディング108でそれぞれ接続されている。
しかしながら、前記従来のレーザ溶接による密閉型電池構成では、図23に示すように、電池外装缶101の外側底面に大きな溶融部104が形成されている。そのため、電池外装缶101の外側底面に相対的に大きな表面積を有する溶融部104が存在すると、ワイヤーボンディング108の接合信頼性が低下する。一方、その接合信頼性が低下しないように、溶融部104の表面溶融面積を小さくすると、電池外装缶101と集電タブ102との接合面積も減少して接合強度が低下するという課題を有している。一方、従来の抵抗溶接による密閉型電池構成では、電池外装缶101の外側底面に溶融部104がないため、前記課題は発生しない。しかし、上述した様に、抵抗溶接時に発生するスパッタが電池外装缶内部に入り込み、電池の信頼性が悪化するという課題があった。
本発明は、前記従来のレーザ溶接時における課題を解決するものであって、組電池での接続信頼性を確保することができるように電池外装缶の外側底面の溶融部の表面溶融面積を小さくさせながら、且つ、電池外装缶と集電タブとの接合面積を拡大して接合強度を確保できる密閉型電池及び密閉型電池の製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明の1つの態様にかかる密閉型電池の製造方法は、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回されてなる巻取体を形成する工程と、
前記巻取体のそれぞれの極板に、それぞれの集電タブの一端を接続する工程と、
前記巻取体を電池外装缶内に収容する工程と、
前記それぞれの集電タブのうちの片方の他端を前記電池外装缶の内面底面部に当接させるように配置する工程と、
前記電池外装缶の板厚より小さいスポット径を有するレーザビームを前記電池外装缶の外側底面の照射位置に、前記外側底面と直交する方向に対して照射角度を付けて照射し、かつ、前記照射位置での照射点を中心に前記電池外装缶に対して前記照射角度を保ったまま相対的に回転照射させて、前記電池外装缶と前記電池外装缶の前記内面底面部に当接された前記集電タブとを円環形状にレーザ接合する円環形成工程と、
を有する。
前記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかる密閉型電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回されてなる巻取体を電池外装缶内に収容し、この電池外装缶の開口部を封口板で封口した密閉型電池であって、
前記巻取体のいずれか一方の極板から導出された集電タブ前記電池外装缶の外側底面とが溶接された溶融部を有し
前記電池外装缶の前記外側底面における前記溶融部の占める面積が、前記電池外装缶と前記集電タブとの接合面における前記溶融部の占める面積より小さく、
前記電池外装缶の前記外側底面における前記溶融部の形状がポイント状であり、かつ、前記電池外装缶と前記集電タブとの前記接合面における前記溶融部の形状が円環形状又は円板形状である。
以上のように、本発明の前記態様にかかる密閉型電池及びその製造方法によれば、電池外装缶の外側底面のレーザ溶融部の表面溶融面積を小さくさせて組電池での接続信頼性を確保できるようになり、且つ、電池外装缶と集電タブとの実接合面積を拡大させることで、電池外装缶と集電タブとの接合強度を確保することができる。
本発明の実施形態における密閉型電池の構成を模式的に示す断面図 本発明の第1実施形態における溶融部の拡大断面図 本発明の第1実施形態における表面溶融部と界面接合部とを含む円形領域を示す図 本発明の第1実施形態における密閉型電池の製造方法を示す図 従来のパルスYAGレーザによる接合方法を示す図 本発明の第1実施形態におけるファイバーレーザによる接合方法を示す図 キーホール溶接の原理を説明するための概念図 本発明の第1実施形態における密閉型電池の製造方法の詳細図 本発明の第1実施形態における密閉型電池の製造方法の詳細図 本発明の第1実施形態における密閉型電池の製造方法の詳細図 本発明の第1実施形態における密閉型電池の製造方法の詳細図 本発明の第1実施形態における密閉型電池の製造方法の詳細図 スパッタ、ブローホール、陥没を示す図 スパッタ発生を防止する製造方法の説明図 スパッタ発生を防止する製造方法の説明図 スパッタ発生を防止する製造方法の説明図 ブローホールを防止する製造方法の説明図 ブローホールを防止する製造方法の説明図 ブローホールを防止する製造方法の説明図 本発明の第2実施形態における溶融部の拡大図 本発明の第2実施形態における表面溶融部と界面接合部を示す図 本発明の第2実施形態における密閉型電池の製造方法を示す図 本発明の第2実施形態における密閉型電池の製造方法の詳細図 溶融深さが均一である溶融部の拡大図 接合面積を拡げた溶融部の拡大図 接合面積を拡げた溶融部の製造方法を示す図 本発明の第3実施形態における溶融部の拡大図 本発明の第3実施形態における表面溶融部の例を示す図 本発明の第3実施形態における界面接合部の例を示す図 特許文献3に記載された従来の密閉型電池及びその製造方法を示す図 従来の密閉型電池の溶融部の拡大図 密閉型電池を連結した組電池を示す図
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。更に、他の実施形態との組合せも可能である。
(密閉型電池の実施形態共通の構成)
図1は、本発明の実施形態における密閉型電池の構成を模式的に示した断面図である。図1に示すように、正極板1と負極板2とがセパレータ3を介して巻き取られた巻取体4が、複数個、電池外装缶5内に絶縁板7,8で挟み込まれた状態で電解液とともに収容されている。電池外装缶5の開口部は、ガスケット6を介して封口板10で封口されている。巻取体4のいずれか一方の極板(例えば、正極板1)から導出された正極集電タブ11は、封口板10に溶融部9を介してレーザ溶接されている。また、他方の極板(例えば、負極板2)から導出された負極集電タブ12は、電池外装缶5の底部で溶融部(レーザ溶融部)13を介してレーザ接合されている。
このような密閉型電池は、以下のような製造方法により製造される。
まず、正極板1及び負極板2がセパレータ3を介して捲回又は積層されてなる巻取体4を形成する。
次いで、巻取体4のそれぞれの極板1,2に、それぞれの集電タブ11,12の一端を接続する。
次いで、巻取体4を電池外装缶5内に収容する。
次いで、集電タブ12の他端を電池外装缶5の内面底面部に当接させるように配置する。
次いで、電池外装缶5の板厚15より小さいスポット径を有するレーザビーム25を電池外装缶5の外側底面の照射位置、例えば、概略中央に、外側底面と直交する方向(中心軸)26に対して一定の照射角度θを付けて照射し、かつ、その照射点27を中心に電池外装缶5に対して照射角度θを保ったまま相対的に回転照射させて、電池外装缶5とその内部にある集電タブ12とを円環形状又は円板形状にレーザ接合する(図2参照)。
この結果、電池外装缶5の外側表面の表面溶融部17の面積が、電池外装缶5と集電タブ12との界面接合部18の面積より小さく、電池外装缶5と集電タブ12との溶融部13の、電池外装缶5の外側底面と直交する方向における溶融深さTが、電池外装缶5の底厚15と集電タブ12の板厚15tとの加算和未満となっている。
以下、この最後のレーザ接合工程及び表面溶融部17及び溶融部13の溶融深さT等について、詳細に説明する。
(第1実施形態)
(密閉型電池の構成)
図2は、本発明の第1実施形態における、電池外装缶5と負極集電タブ12との溶融部13の拡大図である。図2に示すように、電池外装缶5と負極集電タブ12との溶融部13において、溶融部13の表面溶融幅14は、電池外装缶5の板厚15より小さくなっている。一方、電池外装缶5と負極集電タブ12との接合幅16は、表面溶融幅14、及び、電池外装缶5の板厚15より大きくなっている。また、溶融部13は、負極集電タブ12を貫通しておらず、負極集電タブ12の内部で左右斜め下方向に断面逆V字形状に溶融している。すなわち、電池外装缶5の外側底面と直交する方向における、電池外装缶5と集電タブ12との溶融部13の溶融深さTが、電池外装缶5の底厚(板厚)15と集電タブ12の板厚15tとの加算和未満となっている。なお、溶融部13の表面溶融幅14は、レーザビーム25のスポット径よりも少し大きくなっている。レーザビーム25のスポット径は、電池外装缶5の板厚より小さくなっている。
図3の(a)は、図2のa−a矢視図であり、電池外装缶5の表面溶融部17を含む円形領域を示しており、図3の電池外装缶5の下部で電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合されている。また、図3の(b)は、図2のb−b矢視図であり、電池外装缶5と負極集電タブ12との界面接合部18を示している。すなわち、表面溶融部17より面積が大きな円環形状の界面接合部18で、電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合されている。
(接合装置)
次に、図2で示した溶融部13を形成して、電池外装缶5と負極集電タブ12とを接合する接合装置を図4に示す。図4の接合装置は、レーザ発振器19と、レーザ発振器制御部20と、レーザ加工ヘッド21と、レーザ加工ヘッド21を回転運動させる回転機構部22と、回転制御部23と、及び、全体制御部24とを備えて構成される接合装置である。
この接合装置において、回転機構部22は、電池外装缶5の底面の中央中心軸線C1上に設置され、電池外装缶5の中心軸26を中心として回転できるようになっている。その回転機構部22には、レーザ加工ヘッド21がある一定の照射角度θになるように取付けられている。ここで、照射角度θは、電池外装缶5の外側底面の概略中央の中央中心軸線(中心軸)26とレーザビーム25の軸方向(光軸)とのなす角度を示している。レーザ加工ヘッド21から出射されるレーザビーム25は、電池外装缶5の板厚15より小さいスポット径を有する。レーザ加工ヘッド21から出たレーザビーム25は、その一定の照射角度θで電池外装缶5の外側底面の概略中央のほぼ中心位置にジャストフォーカス(焦点)で照射される。その照射される位置が照射点であり、電池外装缶5の中心軸26、すなわち、回転機構部22の回転軸26が通過する点である。また、回転機構部22の回転軸26と、レーザビーム25の照射位置(照射点)27が一致するように、レーザ加工ヘッド21が回転機構部22に取付けられている。一方、電池外装缶5と負極集電タブ12とは、位置決め加圧治具(図示せず)により、各々が位置決めされ隙間が開かないように密着されている。
この状態で回転制御部23により回転機構部22が回転軸26回りに1回転すると、レーザ加工ヘッド21は同じ照射位置27を保ったままで、回転軸26に対して一定の角度θで1回転して、電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合される。
まず始めに、一例として、この接合装置で使用しているレーザ発振器19、及び、レーザ加工ヘッド21から出たレーザビーム25のビーム品質(集光スポット径)について言及する。
電池外装缶5の板厚は通常0.2〜0.5mmであり、負極集電タブ12の板厚は通常0.1〜0.2mm程度である。このような薄板の重ね合わせレーザ接合に対して、特許文献1〜3では、パルスYAGレーザなどを用いてパルス的にポイント的にレーザ溶接されている。パルスYAGレーザのスポット径はφ0.6mm程度であり、電池外装缶5の板厚より大きく、熱伝導型のレーザ溶接になっている。
(従来のパルスYAGレーザによる接合方法の課題)
図5は、電池外装缶5に対して従来のパルスYAGレーザを使用する場合における接合方法を示す図である。
レーザビーム25は、電池外装缶5の上表面に照射され、まず、電池外装缶5の上表面が溶融して、溶融部13が形成される(図5(a)参照)。
次に、レーザビーム25が照射され続けると、溶融部13が熱伝導的に拡がっていくが、電池外装缶5と負極集電タブ12との間には空気層があり、熱伝導的に分断されている。このため、一時的に、溶融部13は、電池外装缶5のみに留まり、負極集電タブ12が溶融していない状態が発生する(図5(b)参照)。
更に、レーザビーム25が照射され続け、電池外装缶5と負極集電タブ12とが密着されていると、溶融部13の熱エネルギが負極集電タブ12に伝わり、負極集電タブ12が溶融して負極集電タブ12と電池外装缶5とが接合される(図5(c)参照)。このときの溶融部13の電池外装缶5上の表面溶融サイズは、熱伝導で拡がっているため、レーザビーム25のスポット径φ0.6mmより大きく、一例として、φ1mm程度となる。
一方、一例として、各々の密閉型電池の各電極を連結するためのワイヤボンドの材質はアルミニウム材料であり、その線径はφ0.2mmである。そのアルミニウムのワイヤボンドを超音波振動させて加圧接合させるため、その先端接合部は、線径φ0.2mmの約2倍である0.4mmに広がる。一般に、電池外装缶5の材質は、鉄に数μmのニッケルメッキが施されており、そのニッケルメッキとアルミニウムのワイヤボンドとが合金化されて接合される。一方、アルミニウムと鉄とは合金化しないため、電池外装缶5にニッケルメッキがないと、アルミニウムのワイヤボンドは電池外装缶5に接合されない。本例における電池外装缶5の溶融部13の表面溶融部は、ニッケルメッキが溶融して、鉄とニッケルの合金化状態となっている。そのため、その表面溶融部に対してはアルミニウムのワイヤボンドの接合性は低下する。つまり、このアルミニウムのワイヤボンドの先端接合サイズより、溶融部13の表面溶融サイズが大きいため、その溶融部13でのアルミワイヤボンドの接合信頼性が低下する。逆に、その表面溶融サイズがアルミニウムのワイヤボンドの先端接合サイズより小さいと、その影響が減少するため、接合強度が確保される。
また、電池外装缶5より負極集電タブ12の方が、板厚が薄く熱容量が小さいため、負極集電タブ12に熱エネルギが伝わりやすく、負極集電タブ12を直ぐに貫通溶融してしまう場合もある(図5(d)参照)。溶融部13が負極集電タブ12を貫通溶融すると、電池内部にスパッタが混入して短絡又は発火不良につながり、不良となる。
一方、図5(b)において、投入レーザパワーが強すぎると、レーザビーム25のスポット径が大きく、電池外装缶5の板厚が薄いため、電池外装缶5の溶融部13に穴あき28が発生し(図5(b’)参照)、更には、負極集電タブ12にも穴あき28が発生し(図5(d’)参照)、電池の漏液不良となる
そのため、熱伝導型のレーザ溶接ではなく、深溶け込み型のレーザ溶接(キーホール溶接)ができれば、表面溶融面積が微小になるため、ワイヤボンドの接合信頼性が確保でき、また、貫通溶接及び穴あき28の防止が可能になる。例えば、ファイバーレーザは従来のパルスYAGレーザよりはるかにレーザビーム品質に優れているため、スポット径を例えばφ0.02mm程度に非常に小さくすることができる。そのため、集光点のパワー密度を非常に強くすることができる。
(第1実施形態におけるファイバーレーザによる接合方法)
図6は、本発明の第1実施形態におけるファイバーレーザによる接合方法を示す図である。
まず、ファイバーレーザから出たレーザビーム25Dは、電池外装缶5の上表面に局所的に照射されて、電池外装缶5に溶融部13Bが形成されると共に、レーザ照射部のパワー密度が高いために溶融部13Bの中央部で気化し、その金属蒸気の蒸発反発力によりキーホール29が形成される(図6(a)参照)。
次に、そのキーホール29の内部にレーザビーム25Dが入射していくと、キーホール29の内面でレーザビーム25Dが反射して、キーホール29が深く成長していく(図6(b)参照)。
更に、レーザビーム25Dを照射し続けると、キーホール29が深く成長し、溶融部13Bも負極集電タブ12まで達する(図6(c)参照)。
次いで、レーザ照射が停止すると(図6(d)参照)、キーホール29が消滅して溶融部13Bが凝固し、電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合される。一例として、ファイバーレーザのスポット径はφ0.02〜0.05mmと小さく、溶融部13Bの表面溶融サイズも約0.1mmと小さくなる。この表面溶融サイズは、ワイヤボンドの先端接合サイズよりかなり小さいため、その溶融部13でのワイヤボンドの接合信頼性は確保できる。
(キーホール溶接の原理)
図7は、キーホール溶接の原理を説明するための概念図である。図7は、厚みhの板状部材201に、レーザビーム202を照射することによって、直径Xのキーホール203が生成された状態を示している。キーホール203は、溶融した板状部材201の金属蒸気の蒸発反発力Paと、溶融した板状部材201の表面張力Psとが均衡することによって維持される。
このとき、キーホール203の表面エネルギE(X)は、一般に、以下の式(1)で表される(例えば、宮本勇「シングルモードファイバーレーザによる金属フォイルの微細高速溶接」;第58回レーザ加工学会論文集;2003年3月を参照)。
E(X)=πG[hX+1/2(D−X)]・・・式(1)
ここで、Gは、板状部材201の液体金属の表面エネルギで、Dは溶融領域204の直径である。
式(1)から、以下の式(2)が得られる。
dE/dX=πG(h−X)・・・式(2)
式(2)から、X>hの場合、dE/dX<0となり、キーホール203の直径Xの増大(dX)により、表面エネルギEは減少(dE)するため、キーホール203は穴あきとなる。一方、X<hの場合、dE/dX>0となり、キーホール203の直径Xの増大(dX)により、表面エネルギEは増大(dE)するため、キーホール203の直径Xは収縮して、蒸発反発力Paと均衡する。
従って、板状部材201の厚みhより小さいスポット径を有するレーザビーム202を用いれば、安定したキーホール溶接を行うことができる。更には、板状部材201の厚みhより、キーホール溶接により形成された溶融領域204の直径Dを小さくすることで、より安定したキーホール溶接を行うことができる。
一方、図6で示したようなキーホール溶接では表面溶融サイズが小さい分、実際の接合界面での接合サイズも小さくなり、所定の接合強度が確保できなくなる。そのため、図2、図3に示すように、表面溶融サイズを小さくしたままで、実際の接合界面での接合サイズが大きくできる接合方法が必要となってくる。
(表面溶融サイズが小さくても接合サイズを大きくする接合方法)
次に、表面溶融サイズが小さいけれども接合サイズを大きくすることができるように、図4で示された接合装置で、レーザ発振器19としてファイバーレーザを用いて、電池外装缶5と負極集電タブ12とを接合する方法について図8A〜図8Eを用いて詳細に説明する。
図8Aには、左上の図(a)としてレーザ照射側(電池外装缶5の底面側)から見た円形領域の上面図と、左下の図(b)としてそのA−A’断面図、右上の図(c)としてそのB’−B断面図とをそれぞれ示している。他の図8B〜図8Eも、レーザ接合工程の状態が異なるだけで、同様な図をそれぞれ示している。
まず、図8Aにおいて、始めに、レーザビーム25は、上面図(a)から見て右側(A’)から中心軸に向けて、そして、A−A’断面図(b)では上方から左下方向に照射角度θで電池外装缶5に照射され、照射角度θと同じ方向に溶融部13及びキーホール29が電池外装缶5と負極集電タブ12とに形成される。更に、レーザビーム25は、電池外装缶5の鉛直方向に対して常に一定の角度θで、上面図(a)において時計周りに回転していく。
次いで、図8Bは、図8Aから90度回転後の状態で、レーザビーム25は、上面図(a)から見て下側(B’)から中心軸に向けて、そして、B’−B断面図(c)では左下側から照射角度θで電池外装缶5に照射され、照射角度θと同じ方向に溶融部13及びキーホール29が電池外装缶5と負極集電タブ12とに形成されている。レーザビーム25が照射されて通り過ぎ去った位置(A−A’断面図(b)参照)では、溶融部13の内部ではキーホール29が消滅して、溶融部13が凝固し、電池外装缶5と負極集電タブ12とが左下方向沿いの部分で接合されている。
次いで、図8Cは、図8Bから更に90度回転後の状態で、レーザビーム25は、上面図(a)から見て左側(A)から中心軸に向けて、そして、A−A’断面図(b)では左上側から照射角度θで電池外装缶5に照射され、照射角度θと同じ方向に溶融部13及びキーホール29が電池外装缶5と負極集電タブ12とに形成されている。一方、一度、レーザビーム25は、A−A’断面図(b)において右上側から照射されているため、電池外装缶5と負極集電タブ12とが左下方向沿いの部分で接合されている。また、レーザビーム25が照射され通り過ぎ去った位置(B’−B断面図(c)参照)では、溶融部13の内部ではキーホール29が消滅して、溶融部13が凝固し、電池外装缶5と負極集電タブ12とが左上方向沿いの部分で接合されている。
次いで、図8Dは、図8Cから更に90度回転後の状態で、レーザビーム25は、上面図(a)から見て上側(B)から中心軸に向けて、そして、B’−B断面図(c)では左上側から照射角度θで電池外装缶5に照射され、照射角度θと同じ方向に溶融部13及びキーホール29が電池外装缶5と負極集電タブ12とに形成されている。一方、一度、レーザビーム25は、B’−B断面図(c)において左下側から照射されているため、電池外装缶5と負極集電タブ12とが左上方向沿いの部分で接合されている。また、レーザビーム25が照射され通り過ぎ去った位置(A−A’断面図(b)参照)では、溶融部13の内部ではキーホール29が消滅して、溶融部13が凝固し、電池外装缶5と負極集電タブ12とが左下及び右下方向沿いの部分で接合されている。
そして、図8Eは、図8Dから更に90度回転して、結局、図8Aから360度1周回転後のレーザ照射完了後の上面図(a)と断面図(b)及び(c)である。キーホール29は既に消滅して溶融部13で電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合されており、前述の図2で示されたような断面形状を形成させることができる。また、電池外装缶5の上表面ではポイント状となっており、一方、電池外装缶5と負極集電タブ12との接合面は円環形状となり、前述の図3で示された溶融状態を実現することができる。
以上述べたように、電池外装缶5の板厚より小さいスポット径を有するレーザビーム25を電池外装缶5の底面の概略中央に一定の角度θを付けて照射し、且つ、その照射点27を中心に電池外装缶5に対してその角度θを保ったまま相対的に回転させることにより、電池外装缶5とその内部にある負極集電タブ12とを接合する。本構成によって、電池外装缶5の外側底面のレーザ溶融部13の表面溶融面積を小さくし、且つ、電池外装缶5と負極集電タブ12との接合面積を拡大することができる。
(スパッタ飛散による課題)
一方、前記した第1実施形態による製造方法だけでは、図9の(a)にA’−A断面図として示すように、溶接開始時に電池外装缶5にレーザビーム25が急激に照射されることがあるため、キーホール29が形成されると同時に、スパッタ30と呼ばれる金属溶融物が飛び出す場合が考えられる。もしスパッタ30が発生すると、発生したスパッタ30が電池に付着したり、周囲の接合装置に付着したりする。また、溶融部13がスパッタ30として飛散するため、図9の(b)にA’−A断面図として示すように電池外装缶5の溶融部13に陥没部31が生じて製品不良となる。また、逆に、もし溶接終了時にレーザビーム25が急激に停止すると、溶融終了直前に存在していたキーホール29が、電池外装缶5の溶融部13の内部にブローホール32として残存する場合がある(図9(c)のA’−A断面図参照)。また、そのキーホール29が溶融部13で埋まらず、電池外装缶5の溶融部13の表面に陥没部31が発生して製品不良となる場合がある(図9(d)のA’−A断面図参照)。
(レーザ照射開始準備工程)
次に、これらの製品不良を防止するための製造方法について説明する。
まず、図10A〜図10Cは、スパッタ30の発生を防止する方法を説明するための図である。
本製造法は、以前、図8A〜図8Eにて説明した製造方法において、図8Aでの溶接開始前に、事前にレーザ出力を徐々に上げながら、徐々に接合していく方法である。言わば、レーザ接合工程の開始前(溶接開始前)の一定時間において、レーザ照射開始準備工程を備えるものである。例えば、レーザ照射開始準備工程として、実際に接合開始される接合位置(図8A=図10C参照)よりも90度回転手前でレーザビーム25によるレーザ照射を開始し、レーザ出力を0(W)から所定の接合用出力まで上げていく。その直後の状態を図10Aに示している。図10Aの左側の図としてレーザ照射側(電池外装缶5の底面側)から見た円形領域の上面図(a)と、右側の図として上面図(a)のB’−B断面図(b)とをそれぞれ示している。図10Bの左側の図としてレーザ照射側(電池外装缶5の底面側)から見た円形領域の上面図(a)と、右側の図として上面図(a)のC’−C断面図(b)とをそれぞれ示している。図10Cの左側の図としてレーザ照射側(電池外装缶5の底面側)から見た円形領域の上面図(a)と、右側の図として上面図(a)のA’−A断面図(b)とをそれぞれ示している。図10Aにおいて、右側のB’−B断面図(b)で電池外装缶5には、ほんの少ししか溶融部13が見られず、かつ、まだキーホール29は形成されていない。そのため、溶融部13の表面部において、スパッタ30は発生しない。なお、図10CのA’−A断面図(b)は、図10Aなどと比較しやすくするため、図10Cの(a)のA’−A断面図を90度反時計方向に回転した状態で図示している。
更に、図10Aから45度回転が進んだ状態が、図10Bであり、その溶融部13が図10Aよりも更に深くなり、キーホール29も形成されている。
そして、更に、図10Bから45度回転が進んだ状態が、図10Cであり、溶融部13が負極集電タブ12に到達して電池外装缶5と負極集電タブ12との接合が開始される。このように、レーザ接合工程での溶接開始前にレーザ照射開始準備工程として、事前にレーザ出力を所定の接合用出力まで徐々に上げながら溶融部13を徐々に深く形成して接合していくことにより、スパッタ30の発生を防止することができる。
(レーザ照射終了準備工程)
一方、図11A〜図11Cは、キーホール29の起因のブローホール32を防止する方法を説明するための図である。言わば、レーザ接合工程の終了後(溶接終了後)の一定時間において、レーザ照射終了準備工程を備えるものである。本製造法は、以前、図8A〜図8Eにて説明した製造方法において、レーザ照射終了準備工程として、図8Eでの溶接終了後にもレーザ出力を所定の接合用出力から徐々に下げながら接合していく方法である。なお、図11Aの左側の図としてレーザ照射側(電池外装缶5の底面側)から見た円形領域の上面図(a)と、右側の図として上面図(a)のA’−A断面図(b)とをそれぞれ示している。なお、図11AのA’−A断面図(b)は、図10Aなどと比較しやすくするため、図11Aの(a)のA’−A断面図を90度反時計方向に回転した状態で図示している。図11Bの左側の図としてレーザ照射側(電池外装缶5の底面側)から見た円形領域の上面図(a)と、右側の図として上面図(a)のC’−C断面図(b)とをそれぞれ示している。図11Cの左側の図としてレーザ照射側(電池外装缶5の底面側)から見た円形領域の上面図(a)と、右側の図として上面図(a)のB’−B断面図(b)とをそれぞれ示している。
例えば、1周回転後の接合位置(図8E=図11A参照)から、レーザ出力を接合用出力から徐々に下げて、45度回転が進んだ状態が図11Bであり、図11Aよりもキーホール29の深さは浅くなっている。
更に、図11Bから45度回転が進んでレーザビーム25のレーザ出力が停止した状態が図11Cであり、キーホール29は消滅している。そのため、キーホール29に起因したブローホール32は、発生しない。
(変形例)
これまでの第1実施形態の説明において、本溶接時の1回転中のレーザ出力は同じ接合用出力としているが、1回転中でレーザ溶接が進んでいくと、電池外装缶5と負極集電タブ12との全体温度が徐々に上昇し、同じレーザ出力でも溶融深さが深くなってくる場合があり、負極集電タブ12を貫通してしまう可能性がでてくる。その場合には、1回転中のレーザ溶接時のレーザ出力を接合用出力から徐々に下げて、溶融深さが均一に且つ貫通しないように制御するのが望ましい。
(効果)
以上のように、本発明の第1実施形態にかかる密閉型電池及びその製造方法によれば、電池外装缶5の板厚15より小さいスポット径を有するレーザビーム25を電池外装缶5の外側底面の照射位置(例えば概略中央)に、外側底面と直交する方向に対して一定の照射角度θを付けて照射し、かつ、その照射点を中心に電池外装缶5に対して照射角度θを保ったまま相対的に回転照射させて、電池外装缶5とその内部にある集電タブ12とを円形、例えば円環形状にレーザ接合するようにしている。この結果、電池外装缶5の外側底面のレーザ溶融部13の表面溶融面積を小さくさせることで、組電池での接続信頼性を確保することができるようになり、且つ、電池外装缶5と集電タブ12との実接合面積を拡大させることで、電池外装缶5と集電タブ11,12との接合強度を確保することができる。
(第2実施形態)
(密閉型電池の構成)
図12は、本発明の第2実施形態における、電池外装缶5と負極集電タブ12との溶融部13の拡大図である。図12に示すように、電池外装缶5と負極集電タブ12との溶融部13において、溶融部13の表面溶融幅14は、電池外装缶5の板厚15より小さくなっている。一方、電池外装缶5と負極集電タブ12との接合幅16は、表面溶融幅14、及び、電池外装缶5の板厚15より大きくなっている。また、溶融部13は、負極集電タブ12を貫通しておらず、負極集電タブ12の内部で断面扇形状に溶融している。
図13の(a)は図12の溶融部13の拡大図で、電池外装缶5の外側(図面上方)から見た表面溶融部17を含む円形領域を示しており、その電池外装缶5の下部で電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合されている。図13の(b)は電池外装缶5と負極集電タブ12との界面接合部18を示している。すなわち、表面溶融部17より面積が大きな円板形状の界面接合部18で、電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合されている。よって、図13の(b)で示したように、第1実施形態における円環形状の接合面積が表面溶融部17の面積より大きいため、接合強度を上げることができる。
(接合装置)
次に、図12で示した溶融部13を形成して、電池外装缶5と負極集電タブ12とを接合する接合装置を図14に示す。図14の接合装置構成は、第1実施形態で示した図4の接合装置とほぼ同じ構成であり、異なっている所は、回転機構部22の代わりに備えられた、レーザ加工ヘッド21を動かす機構部33の機能である。この機構部33には、機構部制御部23Bの制御の下に、電池外装缶5のほぼ中心軸を中心としてレーザ加工ヘッド21を矢印A方向に正逆回転運動させる回転運動機構33Aと、電池外装缶5のほぼ中心軸に対してレーザ加工ヘッド21の照射角度θを矢印B方向に変える照射角度調整機構33Bを有している。
この接合装置において、レーザ加工ヘッド21から出たレーザビーム25は、電池外装缶5のほぼ中心位置にジャストフォーカスで照射される。更に、その照射位置27を変えずに、照射角度θのみを変化させながら、その照射位置27を中心に回転させてレーザ照射させる。その結果、図12に示した断面扇形状の溶融部13が形成され、電池外装缶5と負極集電タブ12とを接合することができる。
(接合方法)
次に、この図14で示した接合装置を用いて、電池外装缶5と負極集電タブ12とを接合する方法について、図15で詳細に説明する。なお、基本的な接合方法は、第1実施形態で示した図4とほぼ同じであり、その同じ部分は省略し、異なる部分のみ説明する。図15の(a)〜(d)は、1回転レーザ照射毎の電池外装缶5と負極集電タブ12との断面図における溶融部13を示している。
まず始めに、レーザビーム25は、電池外装缶5に対して中心軸方向沿いに垂直に近い照射角度θ=θ0で1回転照射され、負極集電タブ12とポイント的に接合される(図15の(a)参照)。更に、照射位置27を変えずに照射角度θを徐々に変化(θ=θ1〜θ3)させながら回転させることで、電池外装缶5の上表面の溶融部面積を増加させることなく、電池外装缶5と負極集電タブ12との接合面積を広げていくことができる(図15の(b)〜(d)参照)。なお、本方法では、レーザ溶接の接合部が中央から外側に広がる方向であるが、逆に、レーザ溶接の接合部が外側から中央部に狭まる方向でも良い。
(変形例)
一方、本第2実施形態による製造方法では、図12に示すように負極集電タブ12への溶融部13の断面形状は、下端縁が下向き凸の円弧形状を有する下向きの扇形状であり、溶融部13の溶融深さは中央部で深く周辺部で浅くなっている。負極集電タブ12の板厚が厚いときには問題がないが、板厚が薄くなると、負極集電タブ12の中央部で溶融部13が貫通してしまい、製品不良となる場合がある。そこで、図16で示すように、溶融部13の断面形状が下向きの扇形状ではなく、負極集電タブ12に対して、溶融部13の断面形状の下端が均一な溶融深さにして、貫通しないように改善する必要がある。そのためには、図14において、溶接開始時のレーザビーム25の照射角度θが小さいときにレーザ出力を接合用出力から下げ、その後、レーザ照射角度θが大きくなるにつれて(θ=θ1→θ3)、レーザ出力を接合用出力に向けて増加させるように、全体制御部24でレーザ発振器制御部20と機構部制御部23Bとを介してレーザ発振器19と機構部33とを制御する。このように構成すれば、溶融部13が、負極集電タブ12に対して均一な溶融深さとなり、且つ、負極集電タブ12の貫通を防止することができる。
(変形例)
また、更に、電池外装缶5と負極集電タブ12との接合強度を上げる為には、電池外装缶5と負極集電タブ12との接合面積を増加させる必要がある。レーザ照射角度θを更に大きくして接合面積を広げる方策があるが、レーザ照射角度θが大きくなるとレーザビーム25の電池外装缶5に対する反射率が上がり(逆に、吸収率は低下する)、更に、斜めに深く溶接しなければいけないので、レーザの投入パワーも増大させる必要がある。このため、一般的には得策ではない。
そのため、図17の(a)、(b)で示すように電池外装缶5の表面上の溶融部13を少し広げて、電池外装缶5と負極集電タブ12との接合幅16を広げて接合強度を向上させる製造方法を、図18を用いて説明する。従来と異なる所は、レーザ照射位置27がレーザ加工ヘッド21の回転軸26上になく、レーザビーム25の光軸(軸方向)と前記回転軸26との交点34を中心として、レーザ加工ヘッド21が動く所である。レーザ加工ヘッド21を、前記回転軸26を中心に回転させ、且つ、前記交点34を中心にレーザ照射角度θを変化させながら、レーザビーム25を電池外装缶5に照射することで、図17の(a)、(b)で示したような溶融部13を形成させることができる。なお、図17の(b)に示すように、表面溶融部17は円環形状となっている。
(第3実施形態)
(密閉型電池の構成)
先の第1及び第2実施形態では、溶融部13及び界面接合部18が回転対称であったが、本発明での溶融部13及び界面接合部18は、回転対称に限られるものではない。回転対称ではない例について、以下に説明する。
図19は、本発明の第3実施形態における、電池外装缶5と負極集電タブ12との溶融部13の拡大図である。図19の(a)のA−A’断面図では、電池外装缶5と負極集電タブ12との溶融部13は、負極集電タブ12を貫通しておらず、電池外装缶5の上表面から負極集電タブ12に向かって3方向に溶融している。図19の(b)は、電池外装缶5の外側(図19の(a)の上方)から見た表面溶融部17を含む円形領域を示しており、その電池外装缶5の下部で電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合されている。図19の(c)は、電池外装缶5と負極集電タブ12との界面接合部18を示しており、図19の(a)で示した3方向に溶融している溶融部13に沿って、少なくとも1本、一例としては、3本の直線形状の界面接合部18で接合されている。一方、図19の(d)は、図19の(b)のB’−B断面図であり、溶融部13は、図19(c)と異なり、断面が下向きの扇形状又は台形となって、電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合されている。なお、図16の説明と同様に、溶接開始時のレーザビーム25の照射角度θが小さいときにレーザ出力を接合用出力から下げ、その後、レーザ照射角度θが大きくなるにつれて(θ=θ1→θ3)、レーザ出力を接合用出力に向けて増加させるようにすれば、図19の(d)のように台形とすることができる。
このように、表面溶融部17の面積に比べて、3本の直線形状の界面接合部18の合計面積が大きくなり、そのような大きな面積の界面接合部18で電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合されているため、接合強度を向上させることができる。
(接合方法)
次に、図19で示した溶融部13と、表面溶融部17と、界面接合部18とを形成し、電池外装缶5と負極集電タブ12とを、例えば図14の接合装置で接合する接合する方法について説明する。
まず始めに、図19の(a)に示すように、レーザ加工ヘッド21から射出されるレーザビーム25Aは、電池外装缶5のほぼ中心位置である照射位置27に中心軸方向沿いに垂直方向にジャストフォーカスで照射させる。
更に、図19の(d)に示すように、その照射位置27を中心に、例えばB’−B断面の平面と平行な平面内でかつ照射角度θを所定範囲(例えば±30度程度)内で変化させつつレーザビーム25Aを連続的にレーザ照射させることで、図19の(c)に示す真ん中の直線形状の界面接合部18で、かつ、図19の(d)に示す扇形又は台形の溶融部13が形成される。
次に、図19の(a)に示すように、レーザビーム25Aの光軸に対して右側に傾斜してレーザ照射角度を向かって右方向から、レーザビーム25Bを先ほどと同じ位置に照射し、更に、図19の(d)に示すように、その照射位置27を中心に、例えばB’−B断面の平面と平行な平面内でかつ照射角度θを所定範囲(例えば±30度程度)内で変化させて連続的にレーザ照射させる。この結果、図19の(c)に示す右端の直線形状の界面接合部18で、かつ、図19の(d)に示す扇形又は台形の溶融部13が形成される。
その後、図19の(a)に示すように、レーザビーム25Aの光軸に対して左側に傾斜してレーザ照射角度を向かって左方向からレーザビーム25Cを先ほどと同じ位置に照射し、更に、図19の(d)に示すように、その照射位置27を中心に、例えばB’−B断面の平面と平行な平面内でかつ照射角度θを所定範囲(例えば±30度程度)内で変化させて連続的にレーザ照射させる。この結果、図19の(c)に示す左端の直線形状の界面接合部18で、かつ、図19の(d)に示す扇形又は台形の溶融部13が形成される。
このようにすれば、表面溶融部17の面積に比べて、3本の直線形状の界面接合部18の合計面積が大きくなり、そのような大きな面積の界面接合部18で電池外装缶5と負極集電タブ12とが接合することができるため、接合強度を向上させることができる。
(変形例)
なお、本第3実施形態では、表面溶融部17の形状は、小さな円形のポイント状であるが、図20(a)〜(d)で示すように、1本線形状、2本線形状、四角枠形状、四角形状などでも良い。これは、レーザビーム25の照射角度を順次変えて接合していくことで実現することができる。また、本第3実施形態では、界面接合部18の形状は、3本線形状であるが、図21(a)〜(d)で示すように、1本線形状、2本線形状、四角枠形状、四角形状などでも良い。これも、レーザビーム25の照射角度を順次変えて接合していくことで実現することができる。
(第1〜第3実施形態の効果)
以上説明してきたように、前記第1〜第3実施形態にかかる前記製造方法によれば、電池外装缶5の板厚15より小さいスポット径を有するレーザビーム25を電池外装缶5の外側底面の照射位置(例えば概略中央)に、外側底面と直交する方向に対して一定の照射角度θを付けて照射し、かつ、その照射点を中心に電池外装缶5に対して照射角度θを保ったまま相対的に回転照射させて電池外装缶5とその内部にある集電タブ12とを円形(円環形状又は円板形状)にレーザ接合するか、又は、電池外装缶5に対して照射角度θを変化させながら直線移動させて、電池外装缶5とその内部に配置された集電タブ12とを少なくとも1本の直線形状にレーザ接合するようにしている。この結果、電池外装缶5の底面の表面溶融部17の溶融面積を小さくし、且つ、電池外装缶5と負極集電タブ12との界面接合部18の接合面積を拡大して、接合強度を確保することができる。
(変形例)
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記実施形態では、電池外装缶5及び負極集電タブ12に対してレーザビーム25を回転させるように構成しているが、これに限られるものではなく、レーザビーム25に対して電池外装缶5及び負極集電タブ12を回転させるようにしてもよい。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士又は変形例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例又は変形例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例又は変形例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
本発明の密閉型電池及びその製造方法は、電池外装缶底面の溶融面積を小さくし、且つ、電池外装缶と集電タブの接合面積を拡大し接合強度を確保することができるため、複数個の密閉型電池を接続した組電池に適用することができる。なお、本発明が適用される密閉型電池は、その種類に特に制限はなく、リチウムイオン二次電池の他、ニッケル水素電池、又は、ニッカド電池などにも適用することができる。また、円筒型二次電池に限らず、角形二次電池、又は、一次電池にも適用し得る。更に、電極群は、正極板及び負極板はセパレータを介して捲回されたものに限らず、積層されたものでも良い。
1 正極板
2 負極板
3 セパレータ
4 巻取体
5 電池外装缶
6 ガスケット
7 上部絶縁板
8 下部絶縁板
9 溶融部
10 封口板
11 正極集電タブ
12 負極集電タブ
13,13B 溶融部
14 表面溶融幅
15 板厚
16 接合幅
17 表面溶融部
18 界面接合部
19 レーザ発振器
20 レーザ発振器制御部
21 レーザ加工ヘッド
22 回転機構部
23 回転制御部
23B 機構部制御部
24 全体制御部
25,25A,25B,25C,25D レーザビーム
26 回転機構部の回転軸(電池外装缶の底面の中心軸)
27 レーザビームの照射位置
28 穴あき
29 キーホール
30 スパッタ
31 陥没部
32 ブローホール
33 機構部
33A 回転運動機構
33B 照射角度調整機構
θ 照射角度

Claims (7)

  1. 正極板及び負極板がセパレータを介して捲回されてなる巻取体を形成する工程と、
    前記巻取体のそれぞれの極板に、それぞれの集電タブの一端を接続する工程と、
    前記巻取体を電池外装缶内に収容する工程と、
    前記それぞれの集電タブのうち片方の他端を前記電池外装缶の内面底面部に当接させるように配置する工程と、
    前記電池外装缶の板厚より小さいスポット径を有するレーザビームを前記電池外装缶の外側底面の照射位置に、前記外側底面と直交する方向に対して照射角度を付けて照射し、かつ、前記照射位置での照射点を中心に前記電池外装缶に対して前記照射角度を保ったまま相対的に一回転照射させて、前記電池外装缶と前記電池外装缶の前記内面底面部に当接された前記集電タブとを円環形状にレーザ接合する円環形成工程と、
    を有する密閉型電池の製造方法。
  2. 前記円環形成工程の開始前に、前記レーザビームを、前記照射位置での照射点を中心に前記電池外装缶に対して前記照射角度を保ったまま相対的に回転照射させ、かつ前記レーザビームのレーザ出力を前記円環形成工程における出力まで増加させながら、レーザ照射を行うレーザ照射開始準備工程をさらに備える、請求項1に記載の密閉型電池の製造方法。
  3. 前記円環形成工程の終了後に、前記電池外装缶の前記外側底面に前記レーザビームを、前記照射角度を変化させながら、かつ前記照射位置を通るように相対的に回転照射させて、前記電池外装缶と前記電池外装缶の前記内面底面部に当接された前記集電タブとを円板形状にレーザ接合する円板形成工程をさらに備える、請求項1に記載の密閉型電池の製造方法。
  4. 前記円板形成工程における前記照射角度は、前記円環形成工程における前記照射角度より小さく
    前記円板形成工程において、前記照射角度が小さくなるほど、前記レーザビームのレーザ出力を前記円環形成工程における出力からげる、請求項3に記載の密閉型電池の製造方法。
  5. 前記円板形成工程の終了後に、前記レーザビームを、前記照射位置での照射点を中心に前記電池外装缶に対して前記照射角度を保ったまま相対的に回転照射させ、かつ前記レーザビームのレーザ出力をさらに減少させながら、レーザ照射を行うレーザ照射終了準備工程をさらに備える、請求項3に記載の密閉型電池の製造方法。
  6. 正極板及び負極板がセパレータを介して捲回されてなる巻取体を電池外装缶内に収容し、この電池外装缶の開口部を封口板で封口した密閉型電池であって、
    前記巻取体のいずれか一方の極板から導出された集電タブと前記電池外装缶の外側底面とが溶接された溶融部を有し、
    前記電池外装缶の前記外側底面における前記溶融部の占める面積が、前記電池外装缶と前記集電タブとの接合面における前記溶融部の占める面積より小さく、
    前記電池外装缶の前記外側底面における前記溶融部の形状がポイント状であり、かつ、前記電池外装缶と前記集電タブとの前記接合面における前記溶融部の形状が円環形状又は円板形状である密閉型電池。
  7. 前記溶融部の、前記電池外装缶の前記外側底面と直交する方向における溶融深さが、前記電池外装缶の底厚と前記集電タブの板厚との加算和未満である請求項6に記載の密閉型電池。
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