JP6859993B2 - 電池外装材、電池、およびそれらの製造方法 - Google Patents
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1t≦W≦10t・・・(2)
ここで、tは前記第1のステンレス箔の厚さである。
1t≦W≦10t・・・(2)
ここで、tは前記第1のステンレス箔の厚さである。
図1は、本実施形態における電池外装材1または該電池外装材1を有する電池100の構成を概略的に示す斜視図である。
上記のようなステンレス箔1a・1b(ステンレス鋼の極薄厚の薄板)は、アルミニウムよりも強度や剛性が高いため、電池外装材の素材として好適に用いることができる。その一方で、ステンレス鋼はアルミニウムよりも比重が大きい。よって、上記ステンレス箔1a・1bの厚さは、軽量化、省スペース化、およびコスト低減等の理由により、電池外装材1として十分な物性(例えば、強度など)を有する範囲においてなるべく薄くすることが求められる。例えば、ステンレス箔1a・1bは、実用上、100μm程度以下の板厚であり得る。
上記の着想に基づいて本発明者らが実施した検証試験について、図2および図3を参照して以下に説明する。図2は、2枚のステンレス箔を板押え治具にて固定するとともに板間隙間を調節可能とした状態にて行ったレーザ溶接試験について説明するための図である。検証試験は、結果の解釈を容易にするために薄厚のステンレス平板(凸部を形成する加工を行っていないステンレス箔)を用いて行った。
板厚が40μmのステンレス箔10aおよびステンレス箔10bを用いて、シム板13の厚さ(すなわち、板間隙間G1)を10μm〜80μmに変化させた条件にて、溝14aを介してステンレス箔10aにレーザビームLB1を照射してレーザ溶接を行った。レーザ溶接機としてファイバーレーザ溶接機を用い、Arガスを20L/minで流すことによりシールドガスとした。レーザビームLB1は、焦点位置をステンレス箔10aの表面とし、レーザスポット径をφ(直径)100μm、レーザ出力を150Wとした。また、溶接速度(レーザの掃射速度)を12.5m/minとした。
G1≦1t・・・(3)
ここで、ステンレス箔10aおよびステンレス箔10bの厚さが互いに異なる場合、上記板厚tはステンレス箔10aの厚さである。これは、レーザの照射を受ける側のステンレス箔の厚さが重要となるためである。
ここで、上述したように、電池外装材1を製造する際には、フランジに存在するシワによって板間隙間が変動し得る。そのような場合であっても、レーザ溶接部を安定して形成することが求められる。そこで、本発明者らは、上記式(3)の関係を踏まえて、板間隙間G1を最も厳しい条件である1tに固定して、上記板厚tを20μm〜100μmと変化させるとともに、溶接幅W1を変化させて試験を行った。
1t≦W1≦10t・・・(4)。
以上のような知見に基づいて本発明者らが想到した本実施形態の電池外装材1について、図4および図5を用いて以下に詳細に説明する。本実施形態の電池外装材1は、上記知見に基づく方法(詳しくは電池外装材の製造方法として後述する)にてレーザ溶接を行うことによって製造されるものである。
ステンレス箔1a・1bは、フェライト系ステンレス鋼であってもよく、その他のステンレス鋼種であってもよい。ステンレス箔1a・1bは、強度および成形加工性の観点から、SUS304等のオーステナイト系ステンレス鋼が好ましい。
電極部4は、電池要素の一部であってもよいし、電池外装材1の構成に含まれていてもよい。電極部4の位置および数は、特に限定されない。電極部4は、電池の電極に使用可能な部材から適宜に選ぶことが可能である。たとえば、電極部4の形状の例には、板状、円柱状、線状が含まれる。電極部4の材料の例には、アルミニウム、銅および炭素が含まれる。
図4の(b)は、図4の(a)に示す状態の次工程にて熱融着シートをセットした状態側面図である。図4の(b)に示すように、電池要素20は、電池室2に収容される。電池要素20は、電池を構成する公知の部材の組み合わせによって構成され、フィルム等によって絶縁を施されて電池室2に収容される。電池要素20の構成要素の例には、正極、負極、セパレータおよび電解質が含まれ、当該電解質の例には、電解液、固体電解質およびゲル状電解質が含まれる。これらは、電池要素20の種類に応じて適宜に組み合わされて電池要素20を構成する。電池要素20を含むことにより構成される電池100の種類は、一次電池であってもよいし二次電池であってもよい。当該二次電池の例には、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケル水素電池およびニッケルカドミウム電池が含まれる。
図4の(a)および(b)に示すように、熱融着シート7は折り曲げ部を有しているとともに折り曲げ部の折線に沿って開口するスリット部を含んでおり、該スリット部に電極部4が挿通された状態にて熱融着シート7を熱融着することにより、ヒートシール部6(図1参照)を形成することができる。
レーザ溶接部5は、ステンレス箔(第1のステンレス箔)1aにレーザが照射され、ステンレス箔1aおよびステンレス箔(第2のステンレス箔)1bがレーザ溶接されることにより形成された部分である。本実施形態では、レーザ溶接部5は、ステンレス箔1a・1bの二本の長辺および一方の短辺に沿って形成されている。レーザ溶接部5は、上記長辺において、ステンレス箔1aの一方の短辺から溶接されていない他方の短辺に向けて、当該他方の短辺から適当な間隔を有する位置まで形成されている。この他方の短辺側における上記間隔は、ヒートシール部6のシール長さと実質的に同じである。
本実施形態の電池外装材1は、上記断面において、下記式(1)および式(2)の条件を満たすレーザ溶接部5を有している;
G≦1t・・・(1)
1t≦W≦10t・・・(2)
上記式において、
G:上記板間隙間G11・G12に基づく値であって、間接的に特定されたレーザ溶接前の板間隙間
t:ステンレス箔1aの厚さ
W:上記溶接幅
である。
また、レーザ溶接部5は、ステンレス箔1aにおける電池室2を形成する凸部の側壁を側壁部21とすると、側壁部21からの位置関係として以下の条件をさらに満たしていることが好ましい。このことについて、図5を参照して以下に説明する。
また、本実施形態の電池外装材1が有するレーザ溶接部5は、一側面では、以下のような特徴を有している。
電池外装材1は、本実施の形態における効果が得られる範囲において、前述した構成以外の他の構成を有していてもよい。当該他の構成の例には、前述した電極部4のほかに、安全弁が含まれる。
本実施形態における電池外装材1の製造方法について、図6を用いて以下に説明する。図6は、本実施形態における電池外装材1の製造方法に用いられるレーザ溶接装置の一例を示す図である。
G≦1t・・・(1)
1t≦W≦10t・・・(2)
ここで、tはステンレス箔1aの厚さである。
本発明の一実施の形態に係る電池100は、電池外装材1と、電池室2に収容されている電池要素20とを有する(図1、図4、図6参照)。電池100は、前述の電池外装材1の製造方法において、ステンレス箔1a・1bの凸部により形成される内部空間(電池室2)に電池要素20を収容する工程をさらに含む方法によって製造することが可能である。
なお、ステンレス箔1a・1bの平面視したときの形状は、矩形でなくてもよい。また、上記凸部の平面視したときの形状も、矩形でなくてもよい。これらの平面視したときの形状は、円形であってもよいし、三角形および六角形などの矩形以外の多角形であってもよいし、楕円形などの非円形であってもよいし、その他の形状であってもよい。また、上記凸部の断面形状も、矩形でなくてもよく、U字またはV字状の形状などのであって他の形状を含んでいてもよい。
フランジにおけるレーザ溶接する位置を、側壁部のR止まり点から1mmの位置とし、そこから順次遠ざけて6mmの位置まで変化させて、各種の位置条件にてそれぞれレーザ溶接を行った。成形部の長手方向に沿って溶接する場合、電極端子が取り付けられる辺の端から13mmまでは未溶接のままとした。そして、成形部の長手方向に沿って溶接した溶接線と、成形部の短手方向に沿って溶接した溶接線とが交差するようにして、上記ステンレス箔外包材のフランジの3辺をレーザ溶接した。このようにして、電極部が配置されない部分にレーザ溶接部を形成した。
次いで、フランジにおけるレーザ溶接位置を、側壁部のR止まり点から1mm以上5mm以内の範囲内とするとともに、溶接幅Wが10tとなるようにレーザ溶接条件を調整してレーザ溶接を行った。レーザ溶接後の板間隙間の測定には、非接触光学式厚み計(ユニオン光学製THS-10)を用いた。不具合のないレーザ溶接部については、レーザ溶接部が延びる方向に直交する方向において、レーザ溶接部の端から40〜80μm離れた位置にて厚みを測定し、得られた測定値から2枚のステンレス箔の厚みを減じることにより板間隙間を求めた。一方で、溶け落ちで穴が開いた部分については、当該部分の近傍の位置(40〜80μm離れた位置)にて厚みを測定し、得られた測定値から2枚のステンレス箔の厚みを減じることにより板間隙間を求めた。
また、本発明例との比較のために、板厚tが400μmの参考例について、板間隙間Gが0.8tよりもさらに小さい場合におけるレーザ溶接部の穴あきの有無を調査する試験を行った。具体的には、溶接幅Wが3.5tの条件にて板間隙間Gを110μm〜200μm、すなわち板厚比0.28t〜0.5tとした場合について試験した。結果を表4に示す。
上述の試験において、外観検査にて問題の無かった(穴あきが生じなかった)試料を供試材とした。165mm×26mm×0.1mmのポリオレフィン系熱融着フィルム(大日本印刷株式会社製)に、スリット部を形成し、スリット部を含む中心線で折り曲げた。そして、得られた熱融着シートを、供試材の未溶接の部分から2本のレーザ溶接部の端に突き当たるまで挿入した。熱融着シートのスリット部に電池室から延出する電極部を挿通し、熱融着シートで電極部を挟んだ。そして、電極部および熱融着シートをステンレス箔外包材の未溶接部のフランジで挟み、当該部分をヒートシーラーで190℃、10秒間加圧してヒートシールにより接合した。そして、レーザ溶接部の不要な部分を切断して除去した。これにより、電池を作製した(図4の(c)参照)。
1a・1b ステンレス箔
2 電池室
3 フランジ部(接合部)
5 レーザ溶接部(溶接部)
20 電池要素
100 電池
Claims (8)
- 接合されたステンレス箔により形成されている、電池要素を収容する電池室と、
前記電池室の周囲の少なくとも一部に配置された接合部と、を有し、
前記接合部は、前記ステンレス箔同士がレーザ溶接されて形成された溶接部を少なくとも一部に含み、
レーザを照射された側の前記ステンレス箔を第1のステンレス箔とし、反対側の前記ステンレス箔を第2のステンレス箔とすると、
前記第1のステンレス箔および前記第2のステンレス箔は、板厚が20μm以上100μm以下であり、
前記溶接部は、該溶接部の延伸方向に垂直な面で切ったときの断面において、
該溶接部の近傍における前記第1のステンレス箔と前記第2のステンレス箔との板間隙間Gが下記式(1)を満足するとともに、
前記第1のステンレス箔の表面における前記溶接部の前記延伸方向に対して垂直な方向の溶接幅Wが下記式(2)を満足するように形成されている電池外装材であって、
G≦1t・・・(1)
1t≦W≦10t・・・(2)
(ここで、
t:前記第1のステンレス箔の厚さ)
前記電池室の一部は、前記第1のステンレス箔によって形成されており、
前記第1のステンレス箔における前記電池室を形成する凸部の周囲の部分を周辺部とし、
前記電池外装材の前記断面において、前記周辺部から前記凸部の側壁部に向かって前記第1のステンレス箔が曲線を描いて立ち上がる部分を立ち上がり部とし、前記第1のステンレス箔の表面における該立ち上がり部の始端をR止まり点とすると、
前記溶接部の少なくとも一部は、前記溶接幅Wの中心位置と前記R止まり点との距離が1mm以上5mm以下の範囲内となるように形成されていることを特徴とする、電池外装材。 - 前記溶接部は、長さ100mm以上にわたって連続して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電池外装材。
- 前記第1のステンレス箔におけるレーザを照射された側の面を第1の面とし、前記第2のステンレス箔における前記第1の面から遠い側の面を第2の面とすると、
前記溶接部は、前記断面において、前記第1の面および前記第2の面のいずれにおいても、該溶接部の外縁から該溶接部の中心に向かって凹むように形成された薄厚部を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の電池外装材。 - 前記第1および第2のステンレス箔は、溶接部が形成された部分における互いに対向する面に樹脂層を有していないことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電池外装材。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の電池外装材と、前記電池室に収容されている前記電池要素と、を有する電池。
- 第1のステンレス箔および第2のステンレス箔を互いに重ね合わせて、電池要素を収容する電池室となる内部空間を形成する空間形成工程と、
前記電池室の周囲の少なくとも一部にて、前記第1のステンレス箔にレーザを照射することにより前記第1および第2のステンレス箔をレーザ溶接して溶接部を形成するレーザ溶接工程と、を含み、
前記第1のステンレス箔および前記第2のステンレス箔は、板厚が20μm以上100μm以下であり、
前記レーザ溶接工程では、前記溶接部の延伸方向に垂直な面で切ったときの断面において、
前記レーザを照射する箇所における前記第1のステンレス箔と前記第2のステンレス箔との板間隙間Gが下記式(1)を満足するとともに、
前記第1のステンレス箔の表面における前記溶接部の前記延伸方向に対して垂直な方向の溶接幅Wが下記式(2)を満足するように前記溶接部を形成する電池外装材の製造方法であって、
G≦1t・・・(1)
1t≦W≦10t・・・(2)
(ここで、
t:前記第1のステンレス箔の厚さ)
前記電池室の一部は、前記第1のステンレス箔によって形成され、
前記第1のステンレス箔における前記電池室を形成する凸部の周囲の部分を周辺部とし、
前記電池外装材の前記断面において、前記周辺部から前記凸部の側壁部に向かって前記第1のステンレス箔が曲線を描いて立ち上がる部分を立ち上がり部とし、前記第1のステンレス箔の表面における該立ち上がり部の始端をR止まり点とすると、
前記レーザ溶接工程では、前記溶接部の少なくとも一部を、前記溶接幅Wの中心位置と前記R止まり点との距離が1mm以上5mm以下の範囲内となるように形成することを特徴とする、電池外装材の製造方法。 - 前記レーザ溶接工程では、前記溶接部を長さ100mm以上にわたって連続して形成することを特徴とする請求項6に記載の電池外装材の製造方法。
- 請求項6または7に記載の電池外装材の製造方法において、前記電池室に前記電池要素を収容する工程をさらに含む、電池の製造方法。
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