JP7054454B2 - 二次電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の製造方法に関する。

近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。

一般的な二次電池は、電極体と、非水電解質とが電池ケースに収容されている構成を有する。このような構成の典型例では、電池ケースは、開口部を有するケース本体と、当該開口部を塞ぐ封口蓋とから構成される。電極体には集電端子が取り付けられ、当該集電端子は、電池ケースの外側において外部端子と電気的に接続されている。
この二次電池の集電端子部分の構造について具体的には、電池ケースの封口蓋は、貫通孔を有しており、集電端子の上端がこの貫通孔を通って電池ケース外部へと突出している。そして、封口蓋との間に外部端子およびインシュレータを介在させつつ集電端子の上端部がかしめられて、端子類と封口蓋とが固定された構造を有する。

二次電池を製造する際には、集電端子の上端部がかしめられることにより形成されたかしめ部と、外部端子とがレーザ溶接により接合される（例えば、特許文献１参照）。このレーザ溶接は、集電端子のかしめ部および外部端子の上方からレーザ照射されることにより、行なわれる。従来技術においては、集電端子および外部端子の素材には、同種の素材が選択されている。

国際公開第２０１５／０２５３８８号

二次電池はその普及に伴い、さらなる低コスト化が求められている。低コスト化の実現の方法の一つとして、低コスト部品の使用が挙げられる。しかしながら、従来の部品を低コストの部品に置き換えることにより様々な問題が生じ得る。
一般に、正極側の集電端子および外部端子の素材には、アルミニウムが用いられ、負極側の集電端子と外部端子の素材には、銅が用いられている。本発明者らの検討では、負極側の銅製の外部端子をアルミニウム製の外部端子で置き換えた場合には、銅製の外部端子とアルミニウム製の外部端子をレーザ溶接する際に、溶接部の耐久性が低下するという問題、および溶接部の抵抗が増加するという問題が生じることを見出した。

そこで本発明の目的は、銅製の集電端子のかしめ部とアルミニウム製の外部端子とをレーザ溶接することを含む二次電池の製造方法において、溶接部の耐久性の低下および抵抗の増加を抑制することができる、二次電池の製造方法を提供する。

銅製の集電端子のかしめ部とアルミニウム製の外部端子とをレーザ溶接した際に耐久性の低下および抵抗の増加が起こった溶接部の分析を本発明者らが行ったところ、溶接部において、金属間化合物が生成していることを見出した。すなわち、金属間化合物の生成が、耐久性の低下と抵抗の増加の原因になっていることを見出した。
さらに、レーザ溶融した銅とレーザ溶融したアルミニウムとが混ざり合うと、金属間化合物が生成しやすく、よってレーザ溶融する銅の量を低減させることにより、金属間化合物の生成を抑制できることを見出した。
そして、本発明者らは、銅製の集電端子のかしめ部とアルミニウム製の外部端子とをレーザ溶接する際に、レーザ溶融する銅の量を低減可能な方法に想到し、本発明の完成に至った。

すなわち、ここに開示される二次電池の製造方法は、封口蓋の貫通孔および外部端子の貫通孔に集電端子を挿入して、前記集電端子の先端部を前記外部端子から挿入方向に突出させる工程と、前記突出した集電端子の先端部をかしめて、かしめ部を形成する工程と、前記外部端子と、前記集電端子に形成されたかしめ部とをレーザ溶接する工程と、を包含する。前記集電端子は銅製であり、かつ前記外部端子はアルミニウム製である。前記レーザ溶接を行なう領域において、前記外部端子の外表面の位置が、前記かしめ部の外表面の位置よりも高くなっている。前記レーザ溶接において、最初に前記外部端子の外表面にレーザが照射される。

このような構成によれば、レーザ溶接を行なう部分においては、レーザを最初にアルミニウム製の外部端子に照射しやすくなっており、さらにレーザを最初にアルミニウム製の外部端子に照射することにより、レーザ溶融する銅の量を低減することができる。そのため、溶接部の耐久性の低下と抵抗の増加の原因となる金属間化合物の生成を抑制することができる。
すなわち、このような構成によれば、銅製の集電端子のかしめ部とアルミニウム製の外部端子とをレーザ溶接することを含む二次電池の製造方法において、溶接部の耐久性の低下および抵抗の増加を抑制することができる、二次電池の製造方法が提供される。

本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造されるリチウムイオン二次電池の概略斜視図である。 図１の二次電池の負極側の端子固定構造を示す模式断面図である。 従来技術の負極側の端子固定構造を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態に係る製造方法の変形例の負極側の端子固定構造を示す模式断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない二次電池の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

なお、本明細書において「二次電池」とは、リチウムイオン二次電池、金属リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（いわゆる化学電池）のほか、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（いわゆる物理電池）をも包含する概念である。

以下、ここで開示される二次電池の製造方法の実施形態として、リチウムイオン二次電池の製造方法を例にして説明するが、本発明の適用対象をかかる二次電池に用いられるものに限定することを意図したものではない。
まず、本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造されるリチウムイオン二次電池の構造について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造されるリチウムイオン二次電池の概略斜視図である。図２は、図１の二次電池の負極側の端子固定構造を示す模式断面図である。

図１に示すように、リチウムイオン二次電池２００は、電池ケース１１０に、電極体１２０と非水電解液（図示せず）とが収容された構成を有する。電池ケース１１０は、開口部を有するケース本体１１２と、当該開口部を塞ぐ封口蓋１０とから構成されている。電池ケース１１０は、金属製であっても樹脂製であってもよく、ここでは、アルミニウム製である。封口蓋１０には、電池ケース１１０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁１３０が設けられている。また、封口蓋１０には、非水電解液を注入するための注液口１４０が設けられている。

電極体１２０は、図示しないが、正極と、負極とが、これらの間にセパレータが介在しながら積層された構造を有する。電極体１２０は、捲回型電極体および積層型電極体のいずれであってもよく、公知の捲回型電極体の構成または公知の積層型電極体の構成を有していてよい。

次に、負極側の端子固定構造について説明する。図１に示すように、電極体１２０の負極は、負極集電端子２０および負極外部端子４０を介して、負極端子１６０と電気的に接続されている。負極集電端子２０は、銅製である。負極外部端子４０は、アルミニウム製である。
封口蓋１０は、ここでは長辺を有する方形平板状である。
図１および図２に示すように、封口蓋１０の上には、インシュレータ３０が配置されている。インシュレータ３０の上部に負極外部端子４０が配置されている。インシュレータ３０は、典型的には、絶縁性の樹脂材料から構成される。インシュレータ３０により、封口蓋１０と負極外部端子４０とが絶縁されている。負極外部端子４０は、電池ケース１１０の外側において使用される端子であり、負極Ｚ端子とも呼ばれることがある。
図２に示すように、封口蓋１０の電池ケース１１０の内側部分には、ガスケット５０が配置されている。ガスケット５０は、典型的には、絶縁性の樹脂材料から構成される。ガスケット５０により、封口蓋１０と負極集電端子２０とが絶縁されている。

封口蓋１０、インシュレータ３０、負極外部端子４０、およびガスケット５０は、貫通孔を有し、負極集電端子２０が当該貫通孔に挿入されている。負極集電端子２０の先端（すなわち、上端）はかしめられて、かしめ部２２が形成されている。

かしめ部２２の周縁部において、かしめ部２２と負極外部端子４０は、レーザ溶接により接合されている。なお、図面では接合部（すなわち、溶接痕）の図示は省略してある。図２に示すように、リチウムイオン二次電池２００の通常の使用状態（すなわち、正極端子１５０および負極端子１６０が上側に配置される状態）において、負極外部端子４０の外表面４０ａの位置が、かしめ部２２の外表面２２ａの位置よりも高くなっている。なお、本明細書において、「外表面」とは、電池ケース１１０の外側方向に露出している表面のことを指す。

電極体１２０の正極は、正極集電端子および正極外部端子を介して、正極端子１５０と電気的に接続されている。正極側の端子固定構造は、上記の負極側の端子固定構造と同様であるが、正極外部端子の外表面の位置と正極集電端子のかしめ部の外表面の位置との関係については特に制限はない。従来技術と同様に、正極外部端子の外表面の位置は、正極集電端子のかしめ部の外表面の位置よりも低くてもよい。

次に、本実施形態に係る製造方法について詳細に説明する。本実施形態に係る製造方法は、封口蓋の貫通孔および外部端子の貫通孔に集電端子を挿入して、当該集電端子の先端部を当該外部端子から挿入方向に突出させる工程（以下、「挿入工程」ともいう）と、当該突出した集電端子の先端部をかしめて、かしめ部を形成する工程（以下、「かしめ工程」ともいう）と、当該外部端子と、当該集電端子に形成されたかしめ部とをレーザ溶接する工程（以下、「レーザ溶接工程」ともいう）と、を包含する。当該集電端子は銅製であり、かつ当該外部端子はアルミニウム製である。当該レーザ溶接を行なう領域において、当該外部端子の外表面の位置が、当該かしめ部の外表面の位置よりも高くなっている。当該レーザ溶接において、最初に外部端子の外表面にレーザが照射される。

以下、図面を参照しながら各工程について具体的に説明する。
挿入工程においてはまず、銅製の負極集電端子２０、貫通孔を有するガスケット５０、貫通孔を有する封口蓋１０、貫通孔を有するインシュレータ３０、および貫通孔を有し、アルミニウム製の負極外部端子４０を準備する。
負極集電端子２０は、リベット状であり、これらの貫通孔に挿入可能な円柱部を有する。
負極外部端子４０は、次のかしめ工程において負極集電端子２０の先端にかしめ部２２が形成された際に、負極外部端子４０の外表面４０ａの位置が、かしめ部２２の外表面２２ａの位置よりも高くなるように、所定の厚さを有し、かつかしめ部２２を収容可能な凹部を有する。この凹部の径は、かしめ部２２の周縁部と負極外部端子４０とが溶接可能なように、かしめ部２２の径よりもわずかに大きくなっている。

次に、負極集電端子２０の円柱部を、ガスケット５０の貫通孔、封口蓋１０の貫通孔、インシュレータ３０の貫通孔、および負極外部端子４０の貫通孔に、順番に挿入する。このとき、ガスケット５０により、封口蓋１０と負極集電端子２０とが絶縁され、かつインシュレータ３０により、封口蓋１０と負極外部端子４０とが絶縁されるような配置とする。

次に、かしめ工程を行う。かしめ操作は公知方法に従い、リベット状の負極集電端子２０の円柱部の先端をかしめることにより行うことができる。
かしめ工程の実施により、負極集電端子２０の先端にかしめ部２２が形成される。本実施形態においては、図２に示すように、負極外部端子４０の外表面４０ａの位置は、かしめ部２２の外表面２２ａの位置よりも高い状態となっている。そのため、次のレーザ溶接工程において、負極外部端子４０の外表面４０ａの位置は、かしめ部２２の外表面２２ａの位置よりもレーザ溶接装置に近い位置にある。

次に、レーザ溶接工程について説明する。
レーザ溶接には、アルミニウムと銅とを溶接可能な公知のレーザ溶接装置を用いることができる。
レーザ溶接装置により、接合すべきかしめ部２２の周縁部および負極外部端子４０の上方より、レーザを照射する。このとき、最初に負極外部端子４０の外表面４０ａにレーザが照射される。本実施形態によれば、負極外部端子４０の外表面４０ａの位置が、かしめ部２２の外表面２２ａの位置よりも高いために、最初に負極外部端子４０の外表面４０ａにレーザを照射することが容易である。これにより、まず負極外部端子４０の素材であるアルミニウムを溶融させ、次いで負極集電端子２０の素材である銅を溶融させて溶着を行う。
これにより、負極集電端子２０と負極外部端子４０との接合がなされる。このような方法により接合することにより、溶接部の耐久性の低下および抵抗の増加を抑制することができる。その理由は以下の通りである。

図３は、従来技術の負極側の端子固定構造を示す模式断面図である。なお、図３において、本実施形態と同じ構成の部材については同じ符号を付してある。
従来技術においては、図３に示すように、負極外部端子には、貫通孔のある部分を除いて厚さが一定の負極外部端子３４０が用いられている。このため、かしめ部２２の外表面２２ａの位置が、負極外部端子３４０の外表面３４０ａの位置よりも高い。
レーザ溶接は、かしめ部２２の周縁部および負極外部端子３４０の上方より（特に斜め上方より）レーザを照射することにより行なわれる。そのため、照射されたレーザは位置の高いかしめ部２２に当たり易い。よって、通常は、レーザは最初に、かしめ部２２のみか、またはかしめ部と負極外部端子３４０の両方に照射される。
従来技術においては、負極集電端子２０および負極外部端子３４０は、共に銅製である。同種の材料の溶接であるために、レーザがかしめ部２２と負極外部端子３４０のいずれかに偏って照射されても問題は起こりにくい。
しかしながら、負極外部端子３４０の素材を銅からアルミニウムに変更した場合には、レーザ溶接する際には、レーザは最初に、かしめ部２２のみか、またはかしめ部と負極外部端子３４０の両方に照射されるために、銅製の負極集電端子２０のかしめ部から銅が溶融する。引き続きレーザ照射を続けていくと、溶融した銅と溶融したアルミニウムとが混ざり合って金属間化合物が形成する。この金属間化合物は、上述のように、溶接部の耐久性の低下と抵抗の増加を招く。

しかしながら、本実施形態では、図２に示すように、最初に負極外部端子４０の外表面４０ａにレーザを照射することが容易となるように、負極外部端子４０の外表面４０ａの位置が、かしめ部２２の外表面２２ａの位置よりも高くなっている。そして、本実施形態では、最初に負極外部端子４０の外表面４０ａにレーザを照射する。アルミニウムは、銅よりも融点が低く（銅の融点：１０８５℃、アルミニウムの融点：６６０．３℃）溶融し易いため、これにより、負極外部端子４０の素材であるアルミニウムを優先的に溶融させることができる。そして、レーザ溶接を行なう際に溶融する銅の量を低減することができ、これにより溶接部の耐久性の低下と抵抗の増加の原因となる金属間化合物の生成を抑制することができる。

なお、負極外部端子４０の外表面４０ａの位置は、レーザ溶接を行なう領域において、かしめ部２２の外表面２２ａの位置よりも高くなっていればよい。
そこで、図４に、変形例の負極側の端子固定構造を示す模式断面図を示す。なお、図４において、上述の本実施形態と同じ構成の部材については同じ符号を付してある。

図４に示すように、当該変形例では、負極外部端子には、かしめ部２２を囲う部分のみ厚さが大きくなるようにして形成されたアルミニウム集積部４４２を有する負極外部端子４４０が用いられている。アルミニウム集積部４４２と負極集電端子２２とのレーザ溶接が行なわれる。よって、この変形例においても、レーザ溶接を行なう領域において、負極外部端子４４０の外表面４４０ａの位置が、かしめ部２２の外表面２２ａの位置よりも高くなっており、レーザ溶接工程において最初に負極外部端子４４０の外表面４４０ａにレーザを照射することが容易である。

上述したレーザ溶接工程を行なうことにより、封口蓋１０に、負極集電端子２０および負極外部端子４０が固定された部材を得ることができる。
この部材を用いてリチウムイオン二次電池を組み立てる工程を行うことにより、リチウムイオン二次電池を製造することができる。リチウムイオン二次電池を組み立てる工程は、公知方法に従い行うことができる。負極集電端子２０は、上記のレーザ溶接工程を行なう前に、電極体１２０の負極と接合されていてもよい。
本実施形態に係る二次電池の製造方法によれば、負極集電端子２０の素材を、銅からアルミニウムに変更したことにより、低コスト化を図ることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０ 封口蓋
２０ 負極集電端子
２２ かしめ部
２２ａ かしめ部外表面
３０ インシュレータ
４０ 負極外部端子
４０ａ 外表面
５０ ガスケット
１１０ 電池ケース
１１２ ケース本体
１２０ 電極体
１３０ 安全弁
１４０ 注液口
１５０ 正極端子
１６０ 負極端子
２００ リチウムイオン二次電池

Claims (1)

1. 封口蓋の貫通孔および外部端子の貫通孔に集電端子を挿入して、前記集電端子の先端部を前記外部端子から挿入方向に突出させる工程と、
   前記突出した集電端子の先端部をかしめて、かしめ部を形成する工程と、
   前記外部端子と、前記集電端子に形成されたかしめ部とをレーザ溶接する工程と、
   を包含する二次電池の製造方法であって、
   前記集電端子は銅製であり、かつ前記外部端子はアルミニウム製であり、
   前記レーザ溶接を行なう領域において、前記外部端子の外表面の位置が、前記かしめ部の外表面の位置よりも高くなっており、
   前記レーザ溶接において、最初に前記外部端子の外表面にレーザが照射される、
   二次電池の製造方法。

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