JPH10180438A - 電池用アルミニウムケースの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】新たな接合方法を用いた電池用アルミニウムケ
ースの製造方法を提供する。 【解決手段】複数個のアルミニウム部材１、２を接合し
て電池ケースを製造するに際し、前記アルミニウム部材
１、２の接合界面に、該アルミニウム部材よりも融点の
低いろう材３を介在させたのち、前記接合界面を接合方
向に圧縮し塑性流動させることにより、アルミニウム部
材を固相拡散接合する。接合界面の永久圧縮歪みが６％
以上となるように圧縮するのが良いし、接合に際して、
接合界面をろう材の融点よりも低い温度に加熱するのが
良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、複数個のアルミ
ニウム部材を接合してＬｉイオン電池等のケースを製造
するための、電池用アルミニウムケースの製造方法に関
する。

【０００２】なお、この明細書において、アルミニウム
の語はアルミニウム合金を含む意味で用いる。また、ろ
う材の語ははんだ材を含む意味で用いる。

【０００３】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ノート
パソコン、携帯電話等の電子機器の小型電源から、自動
車用を中心とした大型電源に至るまで、Ｌｉイオン電池
等の二次電池が広く使用されている。

【０００４】このような二次電池は、電池ケース内に電
池作用を有する物質が収容されてなるが、電池ケースの
重量が重いと全体重量も大きくなることから、電池ケー
スは可及的軽量であることが望まれる。また、同一容積
で大きな電気出力を取り出すために、電池ケースは薄肉
であることが望ましい。このような軽量薄肉化の要請に
答えるため、最近では電池ケースとして薄肉のアルミニ
ウム材が用いられるようになってきている。

【０００５】一方、電池ケースは一般に、例えば本体と
蓋体のように２種以上の部材を接合することによって形
成されるが、接合が不十分であると液漏れや外部からの
水分等の侵入を生じる。特に、Ｌｉイオン電池の場合、
Ｌｉが強酸化性の金属であることから、液漏れは勿論の
こと外部から水分や酸素の侵入があっても、激しい反応
を生じて爆発の恐れがある。

【０００６】このため、漏れや外部水分等の侵入を防止
するため、電池ケースを構成する各アルミニウム部材を
強固に接合する必要がある。

【０００７】従来、このような電池ケースの強固な接合
を可能とする方法として、レーザ溶接法が採用されてい
た。このレーザ溶接法は、接合すべきアルミニウム部材
の接合部位にろう材を介在させるとともに、このろう材
にレーザを照射してろう材を溶融し、アルミニウム部材
をろう付する方法である。この方法によれば、レーザ光
を微細なスポットとして集光できるので、細部のろう付
が可能であるとともに、レーザ光の出力を電気的または
光学的に制御できるためろう付温度の管理制御も容易で
あるというような利点を有する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
レーザ溶接法では、ろう材によるレーザ光の反射率が高
く、従ってレーザ光の吸収率が低いため、十分なレーザ
光を吸収させるためには大出力にてレーザ光を出射させ
る必要があり、レーザ光発生電源設備等の大型化を招く
という欠点があった。

【０００９】また、アルミニウム部材の加熱は、主とし
てろう材からの熱伝導によって行われるため、その昇温
速度が遅く、ろう付速度の低下原因となるという欠点も
あった。

【００１０】しかも、レーザ光は、空気中に出射される
と急激にそのエネルギが低下し、照射点に至るまでの間
のエネルギ損失が大きいという欠点もあった。

【００１１】また、レーザ光は収束性が高いもののある
程度の拡散性があるため、加熱を避けたいアルミニウム
部材表面へも照射されてしまい、その部分の熱的損傷を
生じることがあるというような欠点もあった。

【００１２】しかもまた、溶接可能な材質に制限があ
り、例えば純アルミニウム部材や３００３、５０５２ア
ルミニウム部材では良好な結果をもたらすが、溶質濃度
が高くなると溶接が厄介となるものであった。また、溶
接施工上の問題もあり、接合部が曲線形状になるほど良
好な溶接が困難となるものであった。このため、Ｌｉイ
オン電池ケースに使用されるような角形のものや、ある
いは底浅で比較的大型の弁当箱形状のものでは溶け落ち
等の溶接欠陥が生じやすく、特にいずれの形状であって
もケースコーナー部の接合には問題があった。

【００１３】この発明は、このような技術的背景に鑑み
てなされたものであって、上述のような欠点を解消しう
る新たな接合方法を用いた電池用アルミニウムケースの
製造方法の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、複数個のアルミニウム部材を接合して
電池ケースを製造するに際し、前記アルミニウム部材の
接合界面に、該アルミニウム部材よりも融点の低いろう
材を介在させたのち、前記接合界面を接合方向に圧縮し
塑性流動させることにより、アルミニウム部材を固相拡
散接合することを特徴とするものである。

【００１５】アルミニウム部材の種類は、特に限定され
ることはなく、ケース形状に成形した各種の圧延材、押
出材、鍛造材、鋳物材等を適宜用いれば良い。レーザ溶
接の場合ような材質の制限はなく、いずれのアルミニウ
ム部材であっても良好な接合が可能である。また、複数
個のアルミニウム部材が材質の異なるものであっても良
い。また、電池ケースの形状も限定されることはない。
最も一般には、電池ケースは図１に示すように、有底筒
状のケース本体用アルミニウム部材（１）と、該本体の
開口部を閉塞する蓋用アルミニウム部材（２）の２個の
アルミニウム部材によって構成される場合が多いが、こ
れに限定されることはなく、３個以上のアルミニウム部
材の接合体からなるものであっても良い。

【００１６】図２のように、接合されるべきアルミニウ
ム部材（１）（２）の接合界面に、該アルミニウム部材
よりも融点の低いろう材（３）を介在させるのは、該ろ
う材（３）をアルミニウム部材へ拡散させることによっ
て、一般に実施されている個々の方法に比べ、少ない圧
縮力、低い接合温度にて強固な接合を得るためである。

【００１７】ろう材はアルミニウム部材の融点よりも低
く、かつ接合時の接合界面の温度よりも高い融点のもの
であれば、その組成は問わない。ろう材の具体例として
は、Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｓｎ−Ａｌ系合金、Ｚｎ−Ｓｎ
−Ａｌ系合金、あるいはこれら各合金にＣｕ、Ｍｇ、Ｓ
ｉ等のうちの１種または２種以上を添加したものを挙示
できる。

【００１８】ろう材は、ブレージングシートのような形
で接合界面に予め被覆しておいても良いし、粉末状ある
いは板状等のろう材を接合界面にサンドイッチ状に配置
しても良い。また、ろう材をアルミニウム部材の接合界
面に押し付けて塗っても良い。また、接着剤を用いて、
粉末状あるいは板状のろう材を接合界面に接着しておい
ても良く、ろう材の介在態様は任意に設定し得る。

【００１９】アルミニウム部材の接合界面を接合方向に
圧縮するのは、アルミニウム部材の接合界面に金属の原
子空孔を多量に発生させるためである。即ち、２個のア
ルミニウム部材が接合するとき拡散現象が生じるが、こ
の拡散現象の担い手として金属の点欠陥、原子空孔が大
きく関与している。このため、接合界面を接合方向に塑
性流動するに至るまで圧縮して永久歪みを生じさせるこ
とにより、金属の原子空孔を多量に発生させるものであ
る。そして、接合界面を塑性流動させることで、アルミ
ニウム原子の前記原子空孔への移動を容易に行わしめ、
接合界面を挟んでの原子の置き換えを促進する結果、短
時間で良好な接合状態が確実に得られるものである。

【００２０】ここに、アルミニウム部材の接合界面の圧
縮は、接合界面の永久圧縮歪みが６％以上となるように
行うのが好ましい。永久圧縮歪みを６％以上とすること
により、接合界面に原子空孔を多量に有効に発生させる
ことができる。ただし、永久圧縮歪みが大きすぎると、
アルミニウム部材が座屈してケース形状が変化してしま
い、所期する内容積を確保できない恐れがあることか
ら、永久圧縮歪みは３０％以下、好適には１０％以下に
設定するのが良い。

【００２１】アルミニウム部材の接合界面を圧縮して塑
性流動させる方法は任意である。例えば単純に圧縮して
も良いし、接合界面に溝を形成してこの溝に沿って塑性
変形するように圧縮しても良いし、鍛造、曲げ、引抜
き、圧延の各加工を実施しても良い。また、接合界面に
沿ってローラーを押し付けながら回転させても良い。こ
の場合、ローラーの周面形状は、凹凸のない平滑面でも
ねじ状等の凹凸があっても良い。また、接合界面を棒状
のものでこすったり滑らせたりしても良いし、鋭利先端
部を有する工具で接合界面をひっかいたりブラッシング
したりしても良いし、母材に振動を与えることによって
歪みを付与しても良い。要は、電池ケースを構成するア
ルミニウム部材の形状や突き合わせ態様に応じて、適宜
採択すれば良い。

【００２２】上記のような接合界面の塑性流動により、
ろう材が拡散しさらに両アルミニウム部材の拡散が促進
され、両アルミニウム部材は強固に固相拡散接合され
る。

【００２３】なお、接合に際してフラックスの使用の有
無は問わないが、接合後の接合界面の腐食を考慮する
と、使用しない方が望ましい。また、アルミニウム基合
金をろう接する場合には、表面の酸化膜に影響を受けろ
う材は濡れないが、本方法によればフラックスなしでも
良好な濡れ性及びその後の拡散性を示す。

【００２４】而して、接合作業に際しては、ろう材及び
アルミニウム部材の拡散を促進するため、接合界面を加
熱するのが良い。この発明によれば、通常のアルミニウ
ム部材のろう付温度よりも低い加熱温度でアルミニウム
部材を固相拡散接合できる。具体的な加熱温度は、ろう
材の融点よりも低くかつ使用するろう材に合わせ適宜選
択するが、一般的には、２００〜５００℃の範囲に設定
するのが良い。加熱温度が５００℃を超えると、ケース
内容物特にＬｉ等に悪影響を及ぼすおそれがあるととも
に、母材であるアルミニウム部材が軟化して強度低下を
派生し使用時に悪影響を及ぼすおそれがある。一方、２
００℃未満の温度では、拡散が促進されず、作業時間が
長くなる恐れがある。なお、接合界面に６％以上の永久
圧縮歪みを付与して接合を行う場合には、前述のとお
り、接合界面に多量の原子空孔が発生しているから、永
久圧縮歪みが６％未満の場合に比べて加熱温度を低くで
きる。

【００２５】接合界面の加熱方法は、特に限定されるこ
とはない。接合界面を直接加熱しても良いし、所定温度
に設定した雰囲気中で作業を行うことにより、接合界面
を加熱状態としても良い。最も好ましくは、接合界面の
圧縮加工と同時的に接合界面を加工発熱させるのが、効
率の面から推奨される。例えば、スピンドル工具をアル
ミニウム部材に接触させ相対回転させて発熱させるとと
もに、前記スピンドル工具を押し付けて接合界面を圧縮
する方法を挙げ得る。この場合、スピンドル工具とアル
ミニウム材との相対回転数や押付け力等の調整により発
熱温度や永久圧縮歪みを調整できる。

【００２６】また、アルミニウム部材を予め加熱してお
かなくても良いが、１００〜３００℃の範囲で予備加熱
しておき、この状態で接合に際してさらに接合界面を加
熱した場合には、接合界面における拡散現象がさらに促
進されて、加熱温度をさらに低下できる。しかし、１０
０℃未満の予備加熱では、接合に際しての加熱温度をさ
ほど低くできない。一方、３００℃を超える予備加熱を
施しても、その効果が飽和するため、エネルギの無駄と
なる。

【００２７】また、アルミニウム部材は製造上がりのま
まで用いても良いが、望ましくはＴ５またはＴ６熱処理
したものを用いるのが良い。Ｔ５、Ｔ６熱処理を施すこ
とによって、アルミニウム部材の時効・析出が進み、あ
たかも永久歪みを与えたのと同様の効果が得られる。こ
のため、接合界面の加熱温度をより低くでき、作業性が
良好になるとともに、接合強度が向上しかつそのばらつ
きも少なくなって信頼性が向上する。

【００２８】

【実施例】

（実施例１）電池用アルミニウムケース材の素材とし
て、Ａ３００３及び本発明の有効性を確認する目的でＡ
６０６１からなる長さ１００ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ
０．５ｍｍの板状アルミニウム部材を複数枚用意した。
一方、これらアルミニウム部材の接合界面にすべりを与
える装置として、マシニングセンターを用意した。そし
て、マシニングセンターの先端に特殊製造したスピンド
ル工具を取り付けた。一方、アルミニウム部材を約２８
０℃に、ろう材を約１４０℃にそれぞれ加熱し、摩擦力
を加えながらろう材を両アルミニウム部材の接合界面に
塗った。なお、ろう材は３５wt％Ｚｎ−１．５wt％Ｃｕ
−０．８wt％Ｍｇ−０．２wt％Ｔｉ−１．０wt％Ｓｎ−
Ａｌの組成のもの（融点約３５０℃）を用いた。

【００２９】そして、上記２枚の板状アルミニウム部材
を重ね合わせて所定位置にセットし、スピンドル工具を
一方のアルミニウム部材の表面に加圧状態に接触させ
た。

【００３０】この状態で雰囲気を１５０℃に設定するこ
とにより、両アルミニウム部材を予備加熱した。そし
て、スピンドル工具に対する試験片の送りと回転数を表
１及び表２のように各種に設定して、接合界面を加工発
熱させながら圧縮し塑性流動させることにより、両アル
ミニウム部材を固相拡散接合した。そのときのアルミニ
ウム部材の永久圧縮歪みは表１及び表２のとおりであっ
た。

【００３１】また、同一のアルミニウム部材及びろう材
を用いて、従来一般のろう付法およびレーザ溶接法によ
り、アルミニウム部材を接合した。

【００３２】こうして得られた各試料の引張強度を調べ
たところ、表１（Ａ３００３を用いたもの）及び表２
（Ａ６０６１を用いたもの）のとおりであった。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】上記表１、表２からわかるように、本発明
によれば、一般的なろう付やレーザ溶接に比べて極めて
良好な接合状態が得られることを確認し得た。

【００３６】また、接合時の接合界面の温度を測定する
ため熱電対を用い、直径０．１ｍｍのコンスタンタン線
が接合界面に位置するように一方のアルミニウム部材に
埋め込んだ。また、接合時におけるすべり変形抵抗を測
定するため、工具動力計を改造して用い、押し込み方向
分力Ｆｎとすべり方向分力Ｆｔを測定した。この実施例
で用いた変形方式では、変形の進行とともに接触面量が
増大し、接触面の温度も上昇する。接触面の摩擦状態を
評価する場合に用いる各分力の比Ｆｔ／Ｆｎは変形過程
を通じてほぼ一定値を示す。また接触面温度はＦｔの変
化に追従する。予備加熱温度１５０℃での接合時間と接
合界面温度との関係を図３に、押し込み方向分力Ｆｎ及
びすべり方向分力Ｆｔの経時変化を図４に示す。

【００３７】このすべり変形と温度上昇によって、アル
ミニウム部材双方の原子は互いに移動し結合に寄与す
る。そして、接合界面に拡散速度の大きなろう材が存在
することで、原子の移動は大きくなる。この時の結合力
は高強度の接合面を実現する。

【００３８】（実施例２）アルミニウム部材とスピンド
ル工具を常温雰囲気にセットした以外は上記実施例１と
同一方法で試験を行った。その結果は表３（Ａ３００３
を用いたもの）、表４（Ａ６０６１を用いたもの）のと
おりであった。

【００３９】

【表３】

【００４０】

【表４】

【００４１】表１、表２及び表３、表４の結果から、ア
ルミニウム部材を予め１００℃以上の温度で予備加熱し
ておくことにより、さらに良好な接合状態が得られるこ
とがわかる。

【００４２】（実施例３）アルミニウム部材として、Ａ
６０６１をＴ５又はＴ６処理したものを用いた以外は上
記実施例１と同一方法で試験を行った。その結果は表５
（Ｔ５の場合）及び表６（Ｔ６の場合）のとおりであっ
た。

【００４３】

【表５】

【００４４】

【表６】

【００４５】表２と表５、表６の結果比較から、アルミ
ニウム部材をＴ５又はＴ６処理しておくことにより、さ
らに良好な接合状態が得られることがわかる。

【００４６】（実施例４）リチウムイオン用電池ケース
の製造に当たり、Ａ３００３アルミニウムを用いて、図
１に示すような有底角形のケース本体用アルミニウム部
材（１）と蓋用アルミニウム部材（２）とを製作した。
ケース本体用アルミニウム部材（１）はインパクト成形
によって、蓋用アルミニウム部材（２）は板金加工によ
ってそれぞれ製作した。ケース本体用アルミニウム部材
（１）の大きさは、高さ４８ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ８
ｍｍで肉厚は０．６ｍｍとした。また、蓋用アルミニウ
ム部材（２）の大きさは、長さ４０ｍｍ×幅８ｍｍで肉
厚は０．５ｍｍとした。

【００４７】そして、前記ケース本体用アルミニウム部
材（１）の上端開口部に蓋用アルミニウム部材（２）を
被せて、蓋用アルミニウム部材（２）の周端部をケース
本体用アルミニウム部材（１）の開口部周縁に接合する
ことにより、電池ケースを製造した。両アルミニウム部
材（１）（２）の接合は、本発明に従い、次のような方
法で行った。

【００４８】即ち、蓋用アルミニウム部材（２）の４周
縁部全てに、Ｚｎ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｌ系からなるろう材
を加熱温度３５５℃で予めコーティングした。一方、ケ
ース本体用アルミニウム部材（１）の開口部全周縁に、
上記ろう材を粉末にしたものを水溶性ポリウレタン樹脂
と混合しコーティングした。この蓋用アルミニウム部材
（２）とケース本体用アルミニウム部材（１）をそれぞ
れろう材コーティング面が接するように重ね合わせた。

【００４９】このようにセットしたケース本体用アルミ
ニウム部材（１）と蓋用アルミニウム部材（２）を、特
別に製作した装置で永久圧縮歪みが６．５〜７．０％に
なるように、先端が平面のスピンドル工具（直径４ｍ
ｍ）にて押圧力を設定し、回転数と送り速度を変化して
接合を行った。このとき、スピンドル工具は１５０℃に
加熱されている。

【００５０】このような方法で実施することで、ケース
本体用アルミニウム部材（１）と蓋用アルミニウム部材
（２）は押圧力による圧縮永久歪と、スピンドル工具の
回転による加工発熱によって速やかに固相拡散し、強固
な接合を完了する。

【００５１】一方、同一のケース本体用アルミニウム部
材、蓋用アルミニウム部材及びろう材を用いて、従来一
般のろう付法およびレーザ溶接法により、両者を接合し
た。

【００５２】こうして得られた各電池ケースにつき、耐
圧強度を比較した。耐圧強度は各電池ケースの底部より
空気圧を加えて、ケースが破壊するときの破壊強度をも
って評価した。また、前記空気圧の付与をアルコール中
で実施し、発生する泡によって漏れが発生したことを判
定し、そのときの加圧力を調べた。それらの結果を表７
に示す。

【００５３】

【表７】

【００５４】上記表７の結果から、本発明によれば耐圧
強度と漏れ発生圧力が同じであり、従って電池ケースが
破壊されるまでは漏れがないのに対し、ろう付やレーザ
溶接の場合には、電池ケースが破壊される前に漏れが生
じることがわかる。従って、本発明によれば、漏れや破
壊を生じにくい電池用アルミニウムケースを製造できる
ことを確認し得た。

【００５５】

【発明の効果】この発明は、上述の次第で、複数個のア
ルミニウム部材を接合して電池ケースを製造するに際
し、前記アルミニウム部材の接合界面に、該アルミニウ
ム部材よりも融点の低いろう材を介在させたのち、前記
接合界面を接合方向に圧縮し塑性流動させることによ
り、アルミニウム部材を固相拡散接合することを特徴と
するものであるから、レーザ溶接法による場合のような
設備の大型化やエネルギ損失を生じることなく、簡単な
設備でアルミニウム部材の強固な接合が可能となる。

【００５６】しかも、従来のろう付のようにろう材を溶
融させる必要がなく、ろう材の融点以下の低温度で接合
を行うことができるから、アルミニウム部材の接合界面
や他の部位に熱的損傷を生じさせる危険が極めて少な
く、信頼性の高い電池ケースを製造できる。

【００５７】しかもまた、接合界面を接合方向に圧縮し
塑性流動させれば良いから、使用アルミニウム部材の種
類に制限がなく各種のアルミニウム部材を適用できると
共に、レーザ溶接の場合のような形状の制約もなく、接
合部が曲線形状であっても容易に作業を行うことがで
き、良好な接合状態を確保できる。

【００５８】また、接合界面の永久圧縮歪みが６％以上
となるように圧縮する場合には、さらに良好な接合状態
を実現できる。

【００５９】また、接合に際して、接合界面をろう材の
融点よりも低い温度に加熱する場合には、接合の進行が
促進されて、より作業性良く電池ケースを製造できる効
果がある。この場合、接合界面の加熱を接合界面の加工
発熱によって行うことによって、接合界面を圧縮加工と
同時的に加熱することができ、極めて効率よく接合作業
を遂行し得る。さらに、接合界面の加熱前に、アルミニ
ウム部材を予め１００℃以上の温度で予備加熱しておく
ことにより、接合の進行が益々促進されて一層短時間で
作業を行うことができる。

【００６０】また、アルミニウム部材として、Ｔ５また
はＴ６熱処理したものを用いる場合には、アルミニウム
部材の時効・析出が進み、あたかも永久歪みを与えたの
と同様の効果が得られる。その結果、接合界面の加熱温
度をより低くでき、作業性が良好になるとともに、接合
強度が向上しかつそのばらつきも少なくなって信頼性が
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】電池ケースの一例を、構成部材を分離した状態
で示す斜視図である。

【図２】アルミニウム部材の接合時の状態を示す拡大断
面図である。

【図３】実施例で行った接合時間と温度の関係を示すグ
ラフである。

【図４】実施例で行った押し込み方向分力Ｆｎ及びすべ
り方向分力Ｆｔの経時変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１…ケース本体用アルミニウム部材 ２…蓋用アルミニウム部材 ３…ろう材

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個のアルミニウム部材を接合して電
   池ケースを製造するに際し、 前記アルミニウム部材の接合界面に、該アルミニウム部
   材よりも融点の低いろう材を介在させたのち、前記接合
   界面を接合方向に圧縮し塑性流動させることにより、ア
   ルミニウム部材を固相拡散接合することを特徴とする電
   池用アルミニウムケースの製造方法。
2. 【請求項２】 接合界面の永久圧縮歪みが６％以上とな
   るように圧縮する請求項１に記載の電池用アルミニウム
   ケースの製造方法。
3. 【請求項３】 接合に際して、接合界面をろう材の融点
   よりも低い温度に加熱する請求項１または２に記載の電
   池用アルミニウムケースの製造方法。
4. 【請求項４】 接合界面の加熱を接合界面の加工発熱に
   よって行う請求項３に記載の電池用アルミニウムケース
   の製造方法。
5. 【請求項５】 接合界面の加熱前に、アルミニウム部材
   を予め１００℃以上の温度で予備加熱しておく請求項３
   または４に記載の電池用アルミニウムケースの製造方
   法。
6. 【請求項６】 アルミニウム部材として、Ｔ５またはＴ
   ６熱処理したものを用いる請求項１ないし４のいずれか
   に記載の電池用アルミニウムケースの製造方法。