JP7333356B2 - 二次電池の製造方法及び端子部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、異なる材料を電気的に接続する箇所が溶接により接合される二次電池の製造方法及び端子部品の製造方法に関する。

二次電池の端子構造は、銅とアルミニウムの異材により構成される。そして、二次電池の端子構造では、異材で構成された部分を溶接により電気的に接合される。しかしながら、異材の溶接は、異種金属間化合物が生成されてしまい、必要な導電性と強度とを両立することが困難である問題がある。そこで、異種金属間化合物の生成を抑制する接合方法の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載の密閉型電池は、発電要素を内蔵せる電池ケースと該電池ケースの開口部を閉塞する封口蓋板とを具備し、該電池ケースまたは封口蓋板には注液孔が形設されており、該注液孔は封口栓が超音波溶接されることにより気密封止されていることを特徴とする。

特許第３６１４８９１号公報

しかしながら、超音波溶接では、接合形態は重ね合わせ接合に限られ、突合せ溶接ができず、設計・製造上に大きな制約があった。重ね合わせ接合では、重ね合わせ面全面を接合することは物理的に不可能で、隙間に水分が侵入すると電蝕が発生して、経年劣化により製品寿命を保証できない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、設計上の制約を緩和しながら、異種金属間化合物が超音波溶接と同等に生成されにくい異材接合を実現することを目的とするものである。

本発明の二次電池の製造方法の一態様は、電力を蓄積する電力体と、前記電力体が収納されるケースと、前記電力体が収納されたケースを密封する蓋と、前記蓋上に設けられる端子部品と、を有する二次電池の製造方法であって、第１の材料で形成され、前記端子部品となる主板を準備する準備工程と、複数の方向から溶接レーザーを一点の集光域に集光し、前記集光域を通過するように第２の材料の粉末を吹き付けて、前記集光域で溶融した前記粉末を前記主板に溶着させるレーザークラッド法によりクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、を有し、前記クラッド層は、前記主板と前記第２の材料で形成された他の部材とを溶接により接続する溶接部分に形成される。

本発明の端子部品の製造方法の一態様は、電力体が密閉されるケースの蓋に取り付けられる端子部品の製造方法であって、第１の材料で形成され、前記端子部品となる主板を準備する準備工程と、複数の方向から溶接レーザーを一点の集光域に集光し、前記集光域を通過するように第２の材料の粉末を吹き付けて、前記集光域で溶融した前記粉末を前記主板に溶着させるレーザークラッド法によりクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、を有し、前記クラッド層は、前記主板と前記第２の材料で形成された他の部材とを溶接により接続する溶接部分に形成される。

本発明の二次電池の製造方法及び端子部品の製造方法では、複数の方向から溶接レーザーを一点の集光域に集光し、集光域を通過するように第２の材料の粉末を吹き付けて、集光域で溶融した粉末を主板に溶着させるレーザークラッド法を用いる。

本発明の二次電池の製造方法及び端子部品の製造方法によれば、設計上の制約を緩和しながら、異種金属間化合物が生成されにくい異材接合を実現することができる。

実施の形態１にかかる二次電池の外観の概略図である。 実施の形態１にかかる二次電池をバスバーを介して直列した組電池の外観の概略図である。 実施の形態１にかかる二次電池の端子部品の製造工程を説明する図である。 実施の形態１にかかる二次電池の端子部品の組み付け工程を説明する図である。 実施の形態２にかかる二次電池の端子部品の構造を説明する図である。 実施の形態３にかかる二次電池の端子部品の製造工程を説明する図である。 実施の形態３にかかる二次電池の端子部品を用いたバスバーの組み付け工程を説明する図である。 第１の他の実施の形態にかかる二次電池の端子部品の概略図である。 第１の他の実施の形態にかかる二次電池の端子部品の組み付け工程を説明する図である。 第２の他の実施の形態にかかる二次電池の端子部品の概略図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、実施の形態１にかかる二次電池の製造方法及び端子部品の製造方法は、充放電ができない一次電池であっても、充放電が可能な二次電池であっても、使用可能であるが、以下の説明では、二次電池に採用される製造方法について説明する。図１に実施の形態１にかかる二次電池１の構造を説明する斜視図を示す。

図１に示すように、実施の形態１にかかる二次電池１は、ケース１０、蓋１１を有する。ケース１０には、電力体が収納される。蓋１１は、ケース１０に電力体が収納された状態でケース１０を密閉状態とする。そして、蓋１１には、負極端子１２、正極端子１３が設けられる。負極端子１２は、ケース１０内の電力体の負極から電力を取り出す電極であり、蓋１１を貫通して設けられる負極極柱と負極かしめ具１２ａにより接合される。負極極柱、負極かしめ具１２ａ、負極端子１２は、レーザー溶接により接合される。正極端子１３は、ケース１０内の電力体の正極から電力を取り出す電極であり、蓋１１を貫通して設けられる正極極柱と正極かしめ具１３ａにより接合される。正極極柱、正極かしめ具１３ａ、正極端子１３は、レーザー溶接により接合される。

また、蓋１１には、開放弁１４及び注液口キャップ１５が設けられる。開放弁１４及び注液口キャップ１５は、超音波接合により蓋１１に接合されるキャップである。なお、開放弁１４は、密閉されたケース１０内の内圧が一定以上となった時にケース１０の内圧を低減する弁である。注液口キャップ１５は、ケース１０に電解液を注液する注液口のキャップである。

また、実施の形態１にかかる二次電池は、複数の電池セルを組み合わせ組電池構成とすることができる。そこで、図２に実施の形態１にかかる二次電池をバスバーを介して直列した組電池の外観の概略図を示す。図２に示すように、複数の電池セルにより組電池を構成する場合、負極端子１２と正極端子１３とが交互に隣接して並ぶように電池セルを配置する。そして隣接する２つの端子をバスバー２１で電気的に接続する。ここで、バスバー２１は、溶接により負極端子１２及び正極端子１３と電気的に接続される。

以下の説明では、負極端子の構造を例に実施の形態１にかかる二次電池及び端子部品の製造方法について説明する。また、以下の説明では、端子部品として、平坦な面で構成されるＩ端子について説明する。しかし、端子部品には、屈曲部を有するＺ形状のＺ端子もある。以下で説明する製造方法は、このＺ端子として形成される端子部品を除外する物ではない。

図３に実施の形態１にかかる二次電池の端子部品の製造工程を説明する図を示す。図３に示すように端子部品の製造では、まず、負極端子１２となる主板を準備する（図３の上段の図）。この主板は、負極端子１２となる第１の材料（例えば、アルミニウム）で形成された平板である。そして、主板には、負極かしめ具１２ａが溶接されるクラッド層３１の形成箇所となる溶接部分形成孔３０が設けられる。

続いて、実施の形態１にかかる二次電池の端子部品の製造では、クラッド層３１を形成するクラッド層形成工程（図３の中段の図）を行う。このクラッド層形成工程では、複数の方向から溶接レーザーを一点の集光域に集光し、集光域を通過するように第２の材料（例えば、銅）の粉末を吹き付ける。そして、集光域では、集光域で銅粉末を溶融した状態とする。そして、集光域で溶融した銅粉末を主板に溶着させる。この方法は、レーザークラッド法（或いは、マルチビームレーザークラッド法）と呼ばれる溶接法である。つまり、実施の形態１にかかる端子部品の製造方法では、レーザークラッド法によりクラッド層３１を形成する。なお、クラッド層３１をレーザークラッド装置のヘッドを溶接部分形成孔３０の内周に沿って回転させるように移動させることで形成される。

レーザークラッド法は、母材となる主板を熔融させた熔融池を形成して、この熔融池内で母材金属の異材となる被溶接金属を溶融させる一般的なレーザー溶接方法とは異なる。一般的なレーザー溶接方法では、母材を熔融させた熔融池において被溶接金属も溶融するため異種金属間化合物が形成される問題が発生する。しかしながら、レーザークラッド法では、母材となる主板を熔融させずに、集光域において被溶接金属のみを熔融させ、熔融させた被溶接金属を未溶融の母材に付着させる。そのため、レーザークラッド法では、異種金属間化合物の生成を、超音波溶接と同等、かつ、一般的なレーザー溶接方法よりも抑制した状態で異材を互いに接合することができる。また、レーザークラッド法は、重ね合わせ接合ではないため、超音波溶接と異なり、異材を隙間なく接合できる。

続いて、図３の下段に端子部品の完成図を示す。図３の下段の図に示すように、負極端子１２は、主板と第２の材料（例えば、銅）で形成された他の部材（例えば負極柱）とを溶接により接続する溶接部分にクラッド層３１が形成される。また、別の観点では、負極端子１２は、主板と同一平面内に溶接部分となるクラッド層３１が形成される。このクラッド層３１は、主板に設けられた孔（例えば、溶接部分形成孔３０）の内周を埋めるように円環形状で形成される。そして、円環の中心付近に極柱を貫通させる極柱貫通孔３２となる。

続いて、図４に実施の形態１にかかる二次電池の端子部品の組み付け工程を説明する図を示す。図４に示すように、負極端子１２は、インシュレータ４１を介して蓋１１の上に設けられる。そして、ケース１０内から負極柱４２が、蓋１１、インシュレータ４１及び負極端子１２を貫通してケースの外に露出し、この露出した負極柱４２に負極かしめ具１２ａが被せられる。そして、加圧治具４３により負極かしめ具１２ａを塑性変形させ、負極端子１２とクラッド層３１とを密着させる。しかしながら、この状態では、低抵抗な電気的接続が確実に得られていない。そこで、負極かしめ具１２ａの外周に沿って溶接レーザー４４を照射して、負極かしめ具１２ａとクラッド層３１とを互いに熔融させる溶接する。このとき、負極柱４２、負極かしめ具１２ａ及びクラッド層３１は、同種金属となるため、異材に対する溶接のような難しさはない。

上記説明より、実施の形態１にかかる製造方法では、端子部品の主板と、主板とは異なる金属で形成される負極柱４２及び負極かしめ具１２ａとを溶接する溶接部分に、負極柱４２及び負極かしめ具１２ａと同材で形成されるクラッド層３１を形成する。そして、クラッド層３１をレーザークラッド法を用いた溶接により形成する。

レーザークラッド法を用いた溶接によりクラッド層３１を形成すると、クラッド層３１には超音波溶接をした際に生じる加工痕はできない。そのため、加工痕が生じることによるクラッド層３１の表面と負極かしめ具１２ａの接触面積が減少することはなく、電導性が悪化することはない。

これにより、実施の形態１にかかる製造方法を用いて形成された端子部品は、異種金属間化合物が形成されることが少なく異種金属で形成された主板とクラッド層３１とが接合される。つまり、実施の形態１にかかる製造方法を用いて形成された端子部品は、主板とクラッド層３１とが低抵抗な状態で電気的に接合される状態となる。

また、クラッド層３１は、接合対象の負極柱４２及び負極かしめ具１２ａと同材であるため、接合時の溶接レーザー４４の照射条件の設定が容易である。

実施の形態２
実施の形態２では、負極端子１２の主板の形状の別の形態について説明する。そこで、図５に実施の形態２にかかる二次電池の端子部品の構造を説明する図を示す。図５は、実施の形態２にかかる負極端子１２のクラッド層３１の形成領域付近の構造のみを示したものである。

図５に示すように、実施の形態２にかかる負極端子１２は、上面視においては実施の形態１にかかる負極端子１２と同じである。一方、クラッド層３１が形成される部分の断面図に示すように、実施の形態２にかかる負極端子１２は、主板と同材で形成されるサポート部３３がクラッド層３１の下面（例えば、蓋１１に面する側）に形成される。

このようにサポート部３３を設けることで、クラッド層３１を形成する際に、サポート部３３分のクラッド材の使用量を低減できる。また、実施の形態１と同様に、レーザークラッド法を用いた溶接によりクラッド層３１を形成すると、クラッド層３１には超音波溶接をした際に生じる加工痕はできない。そのため、加工痕が生じることによるクラッド層３１の表面と負極かしめ具の接触面積が減少することはなく、電導性が悪化することはない。

また、クラッド層３１には、組み付け状態において負極かしめ具１２ａが接触する。クラッド層３１のうち負極かしめ具１２ａが接触する接触面の平滑性の高さが重要である。このとき、サポート部３３を設けることで、実施の形態２ではクラッド層３１の平滑性を高め、クラッド層３１と負極かしめ具１２ａとの接触性を高めることができる。

実施の形態３
実施の形態３では、バスバーと接合される溶接部分にクラッド層が形成される端子部品１２について説明する。具体的には、実施の形態３にかかる端子部品は、銅で形成された主板の上に、アルミニウムを材料とするクラッド層を積層する。そこで、実施の形態３にかかる端子部品の製造工程を以下で詳細に説明する。

図６に実施の形態３にかかる二次電池の端子部品の製造工程を説明する図に示す。図６に示すように実施の形態３にかかる端子部品の製造では、まず、負極端子１２となる主板を準備する（図６の上段の図）。この主板は、負極端子１２となる第１の材料（例えば、銅）で形成された平板である。そして、主板には、負極柱４２が貫通する極柱貫通孔５０が設けられる。

続いて、実施の形態３にかかる二次電池の端子部品の製造では、クラッド層５１を形成するクラッド層形成工程（図６の中段の図）を行う。このクラッド層形成工程では、複数の方向から溶接レーザーを一点の集光域に集光し、集光域を通過するように第２の材料（例えば、アルミニウム）の粉末を吹き付ける。そして、集光域では、集光域でアルミニウム粉末を溶融した状態とする。そして、集光域で溶融したアルミニウム粉末を主板に溶着させる。この方法は、レーザークラッド法（或いは、マルチビームレーザークラッド法）と呼ばれる溶接法である。つまり、実施の形態３にかかる端子部品の製造方法においても、レーザークラッド法によりクラッド層５１を形成する。なお、クラッド層５１をレーザークラッド装置のヘッドを溶接部分となる円内を回転させるように移動させることで形成される。

続いて、図６の下段に端子部品の完成図を示す。図６の下段の図に示すように、負極端子１２は、主板と第２の材料（例えば、アルミニウム）で形成された他の部材（例えばバスバー）とを溶接により接続する溶接部分にクラッド層５１が形成される。また、別の観点では、負極端子１２は、主板に積層される溶接部分となるクラッド層５１が形成される。このクラッド層５１は、円形状で形成される。

レーザークラッド法を用いた溶接を用いてクラッド層５１を形成すると、クラッド層５１には超音波溶接をした際に生じる加工痕はできない。そのため、加工痕が生じることによるクラッド層５１表面と他の部材の接触面積が減少することはなく、電導性が悪化することはない。

続いて、図７に実施の形態３にかかる二次電池の端子部品を用いたバスバーの組み付け工程を説明する図を示す。図７に示すように、バスバーは、隣接する電池セルの正極端子１３と負極端子１２とを繋ぐように載置される。図７に示す例では、バスバー２１は、アルミニウムで形成される。そして、バスバー２１は、同材で形成される正極端子１３及び負極端子１２上に形成されるクラッド層５１と接する。そして、バスバー２１の上方から溶接レーザー５２を照射することでバスバー２１とクラッド層５１及びバスバー２１が溶接される。このとき、バスバー２１と、クラッド層５１及び正極端子１３は、同種金属となるため、異材に対する溶接のような難しさはない。

上記説明より、実施の形態３にかかる製造方法では、端子部品の主板と、主板とは異なる金属で形成されるバスバー２１とを溶接する溶接部分に、バスバー２１と同材で形成されるクラッド層５１を形成する。そして、クラッド層５１をレーザークラッド法を用いた溶接により形成する。

これにより、実施の形態３にかかる製造方法を用いて形成された端子部品は、異種金属間化合物が形成されることなく異種金属で形成された主板とクラッド層５１とが接合される。つまり、実施の形態３にかかる製造方法を用いて形成された端子部品は、主板とクラッド層５１とが低抵抗な状態で電気的に接合される状態となる。

また、クラッド層５１は、接合対象のバスバー２１と同材であるため、接合時の溶接レーザー４４の照射条件の設定が容易である。

その他の実施の形態
レーザークラッド法を用いた溶接では、微小な部位を形成することが可能である。そこで、その他の実施の形態では、クラッド層３１、或いは、クラッド層５１の一部に接合対象の他の部材との接合の容易性を向上させる凸部、或いは、他の部材と位置合わせを容易にする凸部を形成する。

そこで、図８に第１の他の実施の形態にかかる端子部品の概略図を示す。図８に示す第１の他の実施の形態にかかる端子部品は、実施の形態１にかかる端子部品のクラッド層３１の外周に沿って凸部６１を設けたものである。この凸部６１は、クラッド層３１の外周の少なくとも一部に形成されていてもよく、クラッド層３１の外周全体に形成されていてもよい。この凸部６１は、負極かしめ具１２ａの外周に沿う形状を有する。この凸部６１を設けることで、負極かしめ具１２ａとクラッド層３１との溶接が実施の形態１よりも容易になる。なお、凸部６１は、クラッド層３１と同一部材で形成される。

そこで、図９に第１の他の実施の形態にかかる二次電池の端子部品の組み付け工程を説明する図に示す。図９に示すように、凸部６１があることで、溶接対象である負極かしめ具１２ａの外周の位置がクラッド層３１の表面よりも近い距離に凸部６１の端部が位置することになる。これにより、第１の他の実施の形態では、クラッド層３１と負極かしめ具１２ａとの溶接性を高めることができる。また、凸部６１があることで負極かしめ具１２ａの位置決めがより容易になる。

続いて、図１０に第２の他の実施の形態にかかる二次電池の端子部品の概略図を示す。図１０に示すように第２の他の実施の形態にかかる端子部品は、クラッド層５１の表面から突出する凸部を有するクラッド層７１を有する。クラッド層７１の凸部は、バスバーに設けられる位置決め穴にはめ込まれる。レーザークラッド法を用いた溶接では、このような凸部を容易に形成することができる。また、クラッド層７１の凸部があることで、バスバーの位置決めの容易性を高めることができる。

超音波接合では、上面からツールが接触して加振するので、立体形状（位置決めピン部品や溶接性向上のための凸形状）部品を接合すると、形状の変形やツールの片当たりにより正常な接合ができない不具合が生ずる。そのため、超音波溶接では、平面部品を重ね接合する構造に限定されてしまう。しかしながら、レーザークラッド法を用いた溶接では、凸部を母材の歪みなく形成することができるため、他の実施の形態のような組み付け工程の容易性を向上できる凸部等の有する部品の形成を容易にすることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 二次電池
１０ ケース
１１ 蓋
１２ 負極端子
１２ａ 負極かしめ具
１３ 正極端子
１３ａ 正極かしめ具
１４ 開放弁
１５ 注液口キャップ
２１ バスバー
３０ 溶接部分形成孔
３１、５１、７１ クラッド層
３２ 極柱貫通孔
３３ サポート部
４１ インシュレータ
４２ 負極柱
４３ 加圧治具
４４、５２ 溶接レーザー
５０ 極柱貫通孔
６１ 凸部

Claims (9)

1. 電力を蓄積する電力体と、前記電力体が収納されるケースと、前記電力体が収納されたケースを密封する蓋と、前記蓋上に設けられる端子部品と、を有する二次電池の製造方法であって、
   第１の材料で形成され、前記端子部品となる主板を準備する準備工程と、
   複数の方向から溶接レーザーを一点の集光域に集光し、前記集光域を通過するように第２の材料の粉末を吹き付けて、前記集光域で溶融した前記粉末を前記主板に溶着させるレーザークラッド法によりクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、を有し、
   前記クラッド層は、前記主板と前記第２の材料で形成された他の部材とを溶接により接続する溶接部分に形成される二次電池の製造方法。
2. 前記クラッド層により形成される前記溶接部分は、前記主板に設けられた孔の内周を埋めるように円環形状で形成される請求項１に記載の二次電池の製造方法。
3. 前記溶接部分は、前記電力体の負極と電気的に接続される負極柱に設けられたかしめ具と溶接される請求項２に記載の二次電池の製造方法。
4. 前記第１の材料はアルミニウムであり、前記第２の材料は銅である請求項２又は３に記載の二次電池の製造方法。
5. 前記クラッド層により形成される前記溶接部分は、前記主板上に積層されるように形成される請求項１に記載の二次電池の製造方法。
6. 前記溶接部分は、隣接する電池の電極を接続するバスバーと溶接される請求項５に記載の二次電池の製造方法。
7. 前記第１の材料は銅であり、前記第２の材料はアルミニウムである請求項５又は６に記載の二次電池の製造方法。
8. 前記クラッド層は、他の部分よりも突出した凸部が形成される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
9. 電力体が密閉されるケースの蓋に取り付けられる端子部品の製造方法であって、
   第１の材料で形成され、前記端子部品となる主板を準備する準備工程と、
   複数の方向から溶接レーザーを一点の集光域に集光し、前記集光域を通過するように第２の材料の粉末を吹き付けて、前記集光域で溶融した前記粉末を前記主板に溶着させるレーザークラッド法によりクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、を有し、
   前記クラッド層は、前記主板と前記第２の材料で形成された他の部材とを溶接により接続する溶接部分に形成される端子部品の製造方法。

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