JPH05314957A - 電池の封口方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度による悪影響を防止する。封口コストを
低減する。時間当りの処理能力を高くしてタクトタイム
を短縮する。外装缶の形状によらずピンホ−ルの発生を
極減して、小径、異方形の外装缶に安定して封口する。 【構成】 超音波振動によって、封口板２を外装缶１の
開口端に溶接する。 【効果】 超音波振動は、封口板と外装缶との境界にあ
る酸化膜や電解液等の異物を除去し、金属原子振動を増
加させて、固相溶接する。この状態で溶接すると、溶接
面をほとんど溶融することなく溶接でき、温度による悪
影響を防止できる。レーザーよりも安価な超音波振動装
置を使用して、能率よく、しかも、ピンホ−ルの発生を
極減して、封口板を外装缶に確実に溶接できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外装缶の開口部に封口
板を溶着する方法に関し、特に、高い信頼性が要求され
る電池、実装効率の高さを必要とするポ−タブル機器の
分野に使用される高付加価値の電池を封口する方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在最も一般的な電池の封口方法は、金
属外装缶の開口縁をかしめて封口板の周縁を挟着する方
法である。この方法は、乾電池、ボタン電池等の民生用
電池の大半の封口に採用されている。一方、長寿命、高
信頼性を要求される分野では封口精度を上げるため、ハ
−メチックシ−ルやレ−ザ溶接が多く用いられている
（特開昭５７−１４５２６５号公報）。また、最近、実
装効率が高いということで注目されている角形電池は、
かしめによる封口は難しく、レ−ザで封口板を外装缶の
開口端縁に溶着する方法が採用される。角形電池をかし
める方法で封口できないのは、隅角を十分に密閉できな
いからである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】レ−ザを使用する方法
は、円筒、角柱いずれの形状に外装缶も封口でき、しか
も、高い信頼性で封口して付加価値の高い電池を製造す
ることができる。しかしながら、この方法は、開口縁に
沿ってレーザーを走査して、封口板を外装缶に溶着する
ので、封口タクトが上がらない欠点がある。また、イニ
シャルコストが高くなって、生産コストが高くなる欠点
もある。

【０００４】さらにこの方法は、封口板と外装缶とを完
全に気密に密着することが難しい。このことは、製品の
歩留を著しく低下させる。レーザー法において、封口板
を外装缶に密着できないのは、レーザーを照射するとき
に外装缶に充填した電解液が飛散して、封口板と外装缶
との間にピンホールができるからである。電解液を充填
しない外装缶は、ピンホールができない状態で封口板を
溶着できる。このため、電解液を注入する穴を残してレ
−ザで封口し、封口後穴から電解液を注入してその穴を
封止するという複雑な方法も開発されている（特開昭６
２−１５４５６０号公報）。この方法は、製品の歩留を
高くできるが、製造工程が複雑になって、さらに製造コ
ストが高くなる欠点がある。

【０００５】さらにまた、レーザーで封口板を溶着する
方法は、熱による弊害も発生する。それは、レーザー
が、外装缶と封口板との境界を金属の溶融温度まで加熱
して溶着するからである。溶接部が高温に加熱される
と、熱の影響でハ−メチック部にクラックが入ったり、
あるいは、端子の絶縁部材に用いた樹脂が劣化する等の
欠点がある。金属製の封口板には、絶縁部材を介して端
子が固定される。細い外装缶の電池は、端子の外周が封
口板の外周に接近する。このため、絶縁材の外周も封口
板の外周に接近し、封口板を外装缶に溶着するレーザー
の熱の影響で絶縁部材が劣化する。

【０００６】この欠点は、近年特に使用量が増加してい
る角形の薄形電池ではとくに顕著になる。それは、薄い
電池は、端子の外周が封口板の周縁に接近するからであ
る。熱による影響は無視できず、角形の薄い電池は、端
子と封口板の外周とが接近する部分で、レーザーの走査
起動を封口板の外周側にわずかにずらせて、絶縁材から
遠ざける等の極めて高度な例も採用されている。しかし
ながら、このように極めて高精度な制御で封口板を外装
缶にレーザー溶着していも、ピンホールの発生を極減し
て、気密に外装缶に溶接するのが難しい欠点がある。

【０００７】本発明は、さらにこの欠点を解決すること
を目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、温
度による悪影響を防止して、封口コストを低減し、時間
当りの処理能力を高くしてタクトタイムを短縮し、さら
に、外装缶の形状によらずピンホ−ルの発生を極減し、
小径、異方形の外装缶に安定して封口板を密閉できる電
池の封口方法を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の装置は、前述の
目的を達成するために、金属製の外装缶内に、正極と、
負極と、電解液とを収納し、外装缶の開口部に、金属製
の封口板を溶接して封口する電池の封口方法を改良した
もので、封口板を、外装缶との接触面で超音波振動させ
て外装缶に溶着することを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】外装缶と封口板とを接触部分で相対的に超音波
振動させると、接触部分で金属表面の酸化膜が除去さ
れ、さらに、超音波振動によって金属原子のエネルギー
が高められて相互拡散が起こり、外装缶と封口板とが溶
着される。この状態で溶接される外装缶と封口板とは、
極めて限られた部分のみが局部的に加熱されて冷間溶接
に近い状態で、単時間に、しかも周囲の温度を上げるこ
となく、接触部分で完全に溶着をされる。レーザーを照
射して外装缶と封口板とを溶接する方法は、接続部分を
外部から加熱して溶接するので、接合部分のみを直接に
加熱することはできず、間接的に接合部分が加熱され
る。このため、溶接するために加熱する領域が広くな
り、外装缶と封口板の接触部分のみを局部加熱できな
い。これに対して、本発明の方法は、外装缶と封口板と
の接続部分を互いに超音波振動させることによって金属
原子を相互拡散して溶接するので、低温で確実に溶接で
きる。このため、本発明の電池の封口方法は、加熱温度
を低くして、短時間に封口板を外装缶に溶着できる。さ
らに、外装缶と封口板とを超音波振動で溶接するので、
封口板の形状を問わず、極めて高い精度で外装缶に溶着
できる特長がある。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想
を具体化するための方法を例示するものであって、本発
明の方法は、電池の形状、材質、形式、製造装置の構
造、加工条件等を下記のものに特定するものでない。本
発明の方法は、特許請求の範囲において、種々の変更を
加えることができる。

【００１１】更に、この明細書は、特許請求の範囲を理
解し易いように、実施例に示される部材に対応する番号
を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決する
ための手段の欄」に示される部材に付記している。た
だ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に
特定するものでは決してない。

【００１２】本発明法の一実施例として、円筒形リチウ
ム電池を封口する方法を詳述する。下記の工程で電池を
製造する。 正極として二酸化マンガン、負極として金属リチウ
ム、セパレ−タとしてポリプロピレン微多孔性膜を用
い、スパイラル状の電極巻取品を作製する。 電極巻取品を、アルミニウム製の円筒外装缶内に収
納し、電解液として、有機系電解液を所定量注入する。 その後、超音波溶接してアルミニウム製の封口体を
外装缶に溶接する。封口板を外装缶に溶接する状態を図
１と図２とに示している。

【００１３】図１に示す電池は、正極端子を兼ねる外装
缶１に、正負極板とセパレ−タよりなる電極群３を挿入
し、外装缶１の開口端を封口板２で閉塞している。封口
板２は、中心に絶縁スペーサー６を介して負極端子７を
固定している。図１は、封口板２の外形を、外装缶１の
外形に等しくし、封口板２の外周下面を外装缶１の上端
面に溶着する状態を示している。この図において、封口
板２の外周は、超音波溶接機のホ−ン４に押圧されてい
る。外装缶１は、振動しないようにアンビル５に固定さ
れている。

【００１４】図１に示す電池は、次のようにして、封口
板２を外装缶１に溶接する。まず、電極群３と電解液と
を入れた外装缶１をアンビル５にて固定する。封口板２
を、外装缶１の開口部に設置する。このとき、封口板２
の外周縁を外装缶１の外周面に合わせる。外装缶１と封
口板２との接触部に圧力を加えるため、図２に示すよう
に、超音波溶接機のホ−ン４の先端上面を押圧し、ホー
ン先端の下面を封口板２に押圧する。ホーン４は垂直方
向に封口板２を加圧し、封口板２を水平方向に超音波振
動させ、超音波の横振動エネルギで封口板２を外装缶１
に溶接する。このようにして製造した電池は、ピンホ−
ルによる不良品の発生が少なく、また、絶縁スペーサー
の劣化を皆無にできる。このようにして製造した電池
と、従来のレーザー法による電池のピンホ−ルの発生状
況と、絶縁スペーサーの劣化とを比較した。その結果を
表１に示している。試作電池の数は、それぞれ５００個
とした。

【００１５】

【表１】

【００１６】この表において、ピンホ−ル検査は、２０
倍顕微鏡による目視検査、絶縁体劣化検査は、７０℃の
恒温槽に２ヶ月保存した後の電解液リ−ク検査をして測
定した。この表に示すように、ピンホ−ル、絶縁体劣化
とも従来法に対して本発明法による封口不良率は極めて
少なかった。以下にその原因を記述する。

【００１７】従来のレ−ザ溶接による封口方法は、図３
に示すように、封口板２を外装缶１に嵌合し、封口板２
と外装缶１との上端面にレ−ザ光を照射して溶接する
が、レーザー光は直進性が非常に良いため、嵌合状態が
悪く、あるいは、外装缶１と封口板２の寸法精度が悪い
と封口不良が発生する。また、封口部の表面状態によ
り、レ−ザ光の吸収率が変化するため、封口部表面の酸
化の程度、電解液付着の有無等が封口状態に悪い影響を
及ぼす。このように、外装缶１の内側に封口板２の外周
縁を嵌入して、両者を隙間なく直線状に密着させるに
は、外装缶１の開口縁と封口板２の外周縁の両方を極め
て高い精度で加工することが要求される。一方、本発明
の封口法は、外装缶と封口板との溶接部分を、図４に示
すように、外装缶１の上端の封口板２を載せて封口する
構造とすることができる。この図に示す構造は、外装缶
１の上面を平面状に裁断し、これに平面状の封口板２を
載せて両者をピンホ−ルなく溶着できる。このため、封
口板の加工工数が少なく、比較的容易に封口板を高い寸
法精度で外装缶に密着できる。また、本発明の方法は、
超音波の横振動により、封口部表面にできる金属の酸化
膜を除去し、さらに、付着する電解液等の付着物を取り
除くため、封口部の表面状態が封口に対しそれほど悪い
影響を及ぼし難く、封口板を気密に外装缶１に密着でき
る。さらに、本発明の電池の封口方法は、溶接部分の温
度上昇を低くできる特長がある。従来のレーザーによる
方法と、本発明の方法とで溶接部分の温度が異なる状態
を表２に示している。

【００１８】

【表２】

【００１９】この表に示すように、本発明の方法は、封
口時に、外装缶と封口板との接触部の金属表面温度を著
しく低くできる特長がある。従来のレ−ザ溶接による封
口方法は、外装缶と封口板の封口部を、金属の融点以上
に加熱する必要がある。そのため、熱影響部分の範囲が
大きくなり、絶縁スペーサー（ポリプロピレン融点１８
９℃）を軟化、熱変形して劣化させる。本発明の方法
は、封口部を高温加熱することなく封口を行ない、加熱
領域もレ−ザ溶接のそれと比べて小さいので、熱影響部
の範囲は著しく狭い領域となる。

【００２０】図５は、本発明の方法と、従来のレーザー
法とにおける封口部分の温度分布を示している。本発明
の方法は、実線で示すように、封口板２と外装缶との溶
接部分の極めて限られた領域が約１５０℃に加熱される
に過ぎない。溶接部分から１ｍｍも離れると、１００℃
以下に低下する。これに対して、レーザーを使用する方
法は、溶接部分の温度が約８００℃にも上昇し、５ｍｍ
離れた部分の温度が約２００℃にもなる。ちなみに、絶
縁スペーサーに使用するポリプロピレンの融点Ｔｍは、
図に示すように、２００℃以下である。したがって、レ
ーザー法は、溶接点の近くに絶縁スペーサーがあると、
溶接時の熱で溶融して劣化する。

【００２１】さらに、超音波振動で封口板を溶接する本
発明の方法は、極めて短時間に溶接できる特長がある。
溶接時間の比較例を表３に示している。

【００２２】

【表３】

【００２３】この表に示すように、本発明の封口方法
は、従来のレ−ザ溶接による方法に比較して、封口処理
時間を５分の１以下に短縮して、時間当りの生産量を飛
躍的に増大できる。

【００２４】以上の実施例は、封口する電池に、円筒形
リチウム電池を使用したが、本発明の封口方法は、封口
する電池の形式と形状とを限定しない。たとえば、薄い
角形のニッケルカドミウム電池等の封口にも利用でき
る。とくに、薄い角形の電池は、超音波の振動方法を横
方法とすることによって、封口板の全体を均一に振動で
きる特長がある。図２に示すように、封口板を水平方法
に振動させる超音波振動ホーンは、ホーンを伸縮させて
封口板を振動させる。したがって、超音波振動の振幅
は、ホーンの先端に近付くに従って大きくなる。ホーン
の先端を幅の広い封口板に押圧すると、ホーンの先端で
押圧される部分は振幅が大きく、先端かに離れるにした
がって振幅が小さくなる。しかしながら、幅の狭い電池
は、横に振動させることによって、ほとんどホーンの先
端で振動できるので、全体を均一に振動できる特長があ
る。

【００２５】さらに、図２に示す方法は、封口板２を水
平方向、すなわち、外装缶１の開口端面と平行な方向に
振動させて、封口板２を外装缶１に溶接している。この
方法は、封口板を効率よく外装缶に溶接できる特長があ
る。ただ、本発明は、封口板の振動方向をこの方向に特
定するものではない。封口板を外装缶の開口端面に衝突
させる方向、図１において上下方向に振動させることも
可能である。ただ、封口板を縦に振動させる方法は、超
音波ホーンの出力を大きくする必要がある。

【００２６】さらにまた、図２に示す方法は、封口板２
を超音波振動させて外装缶１に溶接しているが、封口板
を固定し、外装缶を超音波振動させて封口板を外装缶に
溶接することもできる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の電池の封口方法は、超音波振動
によって、封口板を外装缶に溶接する。超音波振動は、
封口板と外装缶との接触面に介在する酸化膜や異物を除
去し、金属原子振動を増加して固相溶接する。この状態
で封口板を外装缶に溶接する方法は、溶接面をほとんど
溶融することなく確実に溶接できる。このため、封口部
分の温度上昇に起因する悪影響、例えば、絶縁セパレー
タの劣化等を防止して、封口板を外装缶に溶接できる特
長がある。

【００２８】さらに、本発明の封口方法は、溶接すると
きに、封口板と外装缶との間に介在する酸化膜や電解液
等の異物を除去して、封口板を外装缶に溶接することが
できる。このため、電解液等が原因で、封口板と外装缶
との溶接部分にピンホ−ルができるのを効果的に防止
し、封口板を確実に外装缶に密着して歩留を高くして、
能率よく生産できる特長がある。

【００２９】さらにまた、本発明の封口方法は、円筒、
角筒等の形状に関係なく、封口板を外装缶に密着できる
特長もある。それは、従来のかしめ方法のように、外装
缶を加工することなく、封口板の外周縁を外装缶の開口
端に押圧し、封口板を超音波振動させ、あるいは、外装
缶を超音波振動させることによって、封口板と外装缶と
の接触部分を溶接できるからである。

【００３０】また、本発明の方法は、レーザー法のよう
に点状に溶接して走査することなく、封口板を外装缶に
溶接できるので、封口時間を著しく短縮して能率よく生
産できる特長もある。

【００３１】さらに、超音波振動装置は、レーザー発生
装置よりも安く製造できる。とくに、高出力になると、
レーザー発生装置は著しく高価になるが、超音波振動装
置は、周波数が低いので安価に製造できる。したがっ
て、本発明の方法は、製造装置も安価にできる特長があ
る。このように、本発明の方法は、安価な装置を使用し
て、短時間に能率よく、しかも高品質の電池を多量生産
できる理想的な特長を実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法によって電池を封口する状態を示
す断面図

【図２】本発明の方法によって電池を封口する状態を示
す断面図

【図３】レーザー法で溶接される封口板と外装缶とを示
す断面図

【図４】超音波振動で溶接される封口板と外装缶とを示
す断面図

【図５】本発明の方法と、従来のレーザー法で溶接する
ときの温度分布を示すグラフ

【符号の説明】

１…外装缶 ２…封口板 ３…電極群 ４…ホーン ５…アンビル ６…絶縁スペーサー ７…負極端子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製の外装缶(1)内に、正極と、負極
   と、電解液とを収納し、外装缶(1)の開口部に、金属製
   の封口板(2)を溶接して封口する電池の封口方法におい
   て、封口板(2)を、外装缶(1)との接触面で超音波振動さ
   せて外装缶に溶着することを特徴とする電池の封口方
   法。