TW201826593A - 電池之製造方法及電池之製造裝置 - Google Patents
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Abstract
提供一種可減低不良發生之電池之製造方法及電池之製造裝置，其特徵為包括：第1工序，其係將露出於電極的端部且彼此相疊合的複數集電箔的預定區域加壓，形成縮小鄰接集電箔之間的間隔的壓縮區域；及第2工序，其係將前述複數集電箔的前述壓縮區域的內側的區域藉由超音波熔接進行接合，而形成前述複數集電箔被一體化的接合區域。
Description
本發明係關於電池之製造方法及電池之製造裝置。
鋰離子電池(LIB：Lithium-ion Battery)或鎳氫電池(nickel metal hydride battery)等二次電池係作為車載用電源或定置用蓄電池用途而發展大容量化。二次電池係包括：彼此相疊合的複數集電箔露出於端部的電極、及被接合在複數集電箔的引線。通常在正極係在鋁製的集電箔接合鋁製的引線，在負極係在銅製的集電箔連接有鎳或銅製的引線。
二次電池由於瞬間流通大電流，因此一般複數集電箔與引線係使用超音波，藉由總括熔接而相接合(例如專利文獻1)。二次電池係疊合的集電箔個數愈多，電池容量愈大。但是，若集電箔的個數增加，難以藉由超音波熔接，將集電箔與引線安定地接合。
【專利文獻1】日本特開2009-87611號公報
為了藉由超音波熔接，將複數集電箔與引線安定地接合，複數集電箔必須良好地一體化。圖求盡量避免集電箔變形或破損。
因此，本發明之目的在提供可減低不良發生之電池之製造方法及電池之製造裝置。
本發明之電池之製造方法之特徵為包括：第1工序，其係將露出於電極的端部且彼此相疊合的複數集電箔的預定區域加壓，形成縮小鄰接集電箔之間的間隔的壓縮區域；及第2工序，其係將前述複數集電箔的前述壓縮區域的內側的區域藉由超音波熔接進行接合，而形成前述複數集電箔被一體化的接合區域。
本發明之電池之製造裝置之特徵為包括：加壓部，其係將露出於電極的端部且彼此相疊合的複數集電箔的預定區域加壓，形成縮小鄰接集電箔之間的間隔的壓縮區域；接合部，其係將前述複數集電箔的前述壓縮區域的內側的區域，藉由使焊頭(horn)及焊座(anvil)的超音波熔接進行接合，形成前述複數集電箔被一體化的接合區域；及判定部，其係根據表示前述焊頭的輸出值的時間變化的輸出波形，判定前述接合區域的良否。
藉由本發明，在藉由超音波熔接將複數集電箔進行接合之前，將比所被接合的區域為更寬的區域的複數集電箔加壓。藉由加壓，壓縮複數集電箔，藉此原介在於鄰接集電箔 之間的空氣之層(空氣積存)實質上消滅，鄰接集電箔係可以面彼此相接觸。
複數集電箔係在密接的狀態下藉由超音波熔接相接合，因此避免因空氣積存而起的問題。藉此，可製造可減低不良發生之電池。
本發明之電池之製造裝置係除了形成加壓區域的加壓部、及形成接合區域的接合部之外，包括判定接合區域的良否的判定部。由於根據形成接合區域的焊頭的輸出波形來判定接合區域的良否，因此本發明之電池之製造裝置係可一邊形成複數集電箔被一體化的接合區域，一邊判定接合區域的良否。
而且，藉由使用本發明之製造裝置，可回避因介在於鄰接集電箔之間的空氣積存而起的問題，因此可將複數集電箔安定地進行超音波熔接而一體化。進行超音波熔接時的焊頭的輸出波形呈安定，因此可根據該輸出波形，輕易判定接合狀態的良否。
10‧‧‧電池
12‧‧‧電極
14‧‧‧集電箔
15‧‧‧非壓縮區域
16‧‧‧壓縮區域
18‧‧‧接合區域
20‧‧‧引線
20a‧‧‧接合面
22‧‧‧連接端子
30‧‧‧按壓治具
32‧‧‧加壓模具
34‧‧‧加壓衝頭
40‧‧‧焊座
40a‧‧‧支持面
42‧‧‧焊頭
42a‧‧‧按壓面
60‧‧‧試樣
62‧‧‧基材
64‧‧‧集電箔
66a‧‧‧區域
66b‧‧‧區域
68‧‧‧區域
第1圖係顯示藉由實施形態之方法所製造之電池的一部分的分解立體圖。
第2圖係顯示實施形態之製造方法的模式圖，第2A圖係顯示第1工序，第2B圖係顯示第2工序的模式圖。
第3圖係適用實施形態之方法所製作的試樣的剖面照片。
第4圖係適用習知的方法所製作的試樣的剖面的模式圖。
第5圖係顯示超音波熔接時的焊頭的輸出波形的圖表。
第6圖係說明接合狀態的良否判定的演算法的圖。
第7圖係顯示變形例之製造方法的模式圖，第7A圖係顯示第1工序，第7B圖係顯示第2工序的模式圖。
以下參照圖示，詳加說明本發明之實施形態。
1.全體構成
本發明之電池之製造裝置係包括：加壓部、接合部、及判定部。加壓部係將露出於電極的端部且彼此相疊合的複數集電箔的預定區域加壓，而形成縮小鄰接集電箔之間的間隔的壓縮區域。接合部係將複數集電箔的壓縮區域的內側的區域，藉由使用焊頭及焊座的超音波熔接進行接合，形成複數集電箔被一體化的接合區域。判定部係根據表示焊頭的輸出值的時間變化的輸出波形，判定接合區域的良否。使用本發明之電池之製造裝置，可製造第1圖所示之電池10。
第1圖所示之電池10係包括接合引線20的電極12。在引線20係連接有連接端子22。在電極12的端部，所捲繞的集電箔14疊合複數而露出。相疊合的複數集電箔14係包含：非壓縮區域15、及壓縮區域16。在非壓縮區域15中，集電箔14係透過空氣之層而相鄰接，因此集電箔14並不一定以面相接觸。
在壓縮區域16中，鄰接的集電箔14彼此以面彼此相接觸。因此，壓縮區域16的厚度係與所包含的集電箔14的厚度的合計為相同程度。複數集電箔14彼此係以壓縮區域 16的內側的接合區域18，藉由超音波熔接進行接合而一體化。
引線20係以接合面20a，藉由超音波熔接被接合在複數集電箔14的接合區域18。
2.製造方法
本實施形態之製造方法係包含：在相疊合的複數集電箔14形成壓縮區域16的第1工序；及將複數集電箔14被一體化的接合區域18形成在壓縮區域16的內側的第2工序。以下說明第1工序及第2工序。
(第1工序)
第1工序係在製造裝置的加壓部進行。在第1工序中，如第2A圖所示，將露出於電極12的端部之彼此相疊合的複數集電箔14，以加壓機專用機加壓。具體而言，將複數集電箔14配置在加壓模具32上，且將複數集電箔14的預定區域以加壓衝頭34加壓。如此之加壓係使用陰模與陽模施加撞擊力而將對象進行衝壓加工之所謂衝擊式加壓機。
加壓模具32及加壓衝頭34係可按照複數集電箔14的材質或個數、加壓的預定區域的面積來作適當選擇。加壓衝頭34亦可為朝向前端尖端稍微變細的形狀。
加壓時，較佳為以按壓治具30壓住複數集電箔14的非壓縮區域15近傍，以厚度方向固定複數集電箔14。該狀態係維持至第2工序結束為止。以按壓治具30而言，可使用可以厚度方向固定複數集電箔14的任意治具。以可使用的按壓治具30而言，列舉例如樹脂製零件。
在第1工序中，較佳為以第2工序的2倍以上的 壓力進行加壓。例如，若在第2工序中施加60kgf/cm2~300kgf/cm2左右的壓力，第1工序的壓力(第1壓力)係可形成為120kgf/cm2~600kgf/cm2左右。第1壓力係可以鄰接的集電箔以面彼此相接觸的方式，按照集電箔的材質、厚度、個數等作適當設定。例如若包含60個銅製的集電箔，第1壓力係可形成為500~1,000kgf/cm2左右。第1壓力係以亦考慮到所被加壓的複數集電箔的預定區域的面積來設定大小為宜。
藉由加壓，鄰接集電箔14之間的空氣之層(空氣積存)實質消滅，集電箔14之間的間隔即被縮小。在複數集電箔14中，鄰接集電箔14以面彼此相接觸，而形成壓縮區域16。
(第2工序)
第2工序係在製造裝置的接合部進行。在第2工序中，將經由第1工序的複數集電箔14如第2B圖所示配置在焊座40上，使用焊頭42，將接合區域18藉由超音波熔接進行接合。接合區域18係在第1工序中形成在複數集電箔14的壓縮區域16(第2A圖)的內側的區域。具體而言，內側的區域係指在與複數集電箔14的積層方向呈垂直的面之平面視下的內側的區域。
焊頭42係具有形成有複數凸部且按壓複數集電箔14的接合區域18的按壓面42a。焊座40係具有形成有複數凸部(未圖示)且將複數集電箔14夾入在與焊頭42的按壓面42a之間而進行支持的支持面40a。
在第2工序中被施加的壓力(第2壓力)係可形 成為與前述第1壓力為同等、或更小的壓力，但是以第1壓力的1/2以下為佳。第2壓力一般為數10~數100Kgf/cm2左右。超音波的條件係可形成為頻率20~40KHz、輸出400~4000W、熔接時間0.2~2秒左右。
焊頭42係一邊流通預定電流而將複數集電箔14以y軸方向推擠，一邊以X軸方向以10~60μm左右的振幅振動。藉此，複數集電箔14藉由超音波熔接而相接合，形成經一體化的接合區域18。
3.作用及效果
在本實施形態之電池之製造方法中，在將複數集電箔14進行超音波熔接之前，將複數集電箔14加壓，而縮小鄰接集電箔14之間的間隔(第1工序)。在鄰接集電箔14之間實質上不存在空氣之層(空氣積存)，因此集電箔14彼此的密接性提升。
複數集電箔14係在密接的狀態下藉由超音波熔接進行接合而一體化(第2工序)。因在鄰接集電箔14之間不存在空氣積存，即使進行超音波熔接，發生集電箔變形或皺摺、破損(破斷)之虞會被減低。複數集電箔14係在接合區域18被良好地一體化，可避免因接合不良而起之強度降低。
在第3圖中顯示適用上述之第1工序與第2工序而得之試樣50的剖面照片。試樣50係包含有被接合在基材52上的複數(60個)集電箔54。製作試樣50時，將複數集電箔54加壓，將鄰接集電箔之間的間隔縮小後，進行超音波熔接，將複數集電箔54連同基材52一起接合。
試樣50中的集電箔54係面彼此相接觸而對齊積層且一體化。在集電箔54並未被確認出變形、皺摺、折曲等不良情形。由於複數集電箔54被良好地一體化，因此與基材52的接合中的不良或強度不足的問題係被回避。
第4圖係無第1工序而僅以第2工序而得之試樣60的剖面的模式圖。僅進行第2工序之超音波熔接的方法係相當於習知之製造方法。試樣60係包含有被接合在基材62上的複數集電箔64。表面及表面近傍的集電箔64係被切斷如區域66a所示，內部的區域68的複數集電箔64係確認出呈變形。集電箔64的切斷亦在內部變形較大的區域66b發生。
若未進行第1工序，複數集電箔64係在伴隨空氣積存的狀態下被供作超音波熔接。集電箔之間的空氣積存係成為在超音波熔接中引起各種不良情形的原因。
因空氣積存妨礙由焊頭傳播超音波，因此未安定進行熔接。必須提高超音波的輸出，俾使超音波可充分傳播至遠離焊頭之焊座側的集電箔。因被施加輸出高的超音波，焊頭側的集電箔受到損傷，而如第4圖所示被切斷(區域66a)。因空氣積存存在於鄰接集電箔之間，因焊頭橫向振動，集電箔偏移，而發生破斷或皺摺(區域66b、68)。
進行超音波熔接時，對複數集電箔強力推碰焊頭，藉此可使介在於鄰接集電箔之間的空氣積存消失。但是，若強力推碰焊頭，複數集電箔與焊頭的接觸阻力增加，焊頭橫向振動受到阻礙。
在本實施形態之製造方法中，由於在第1工序中 減低集電箔14之間的空氣積存，因此可避免因超音波熔接時的空氣積存而起的問題。由於超音波良好傳播，因此可以更小的超音波輸出進行熔接。超音波熔接時所施加的衝壓壓力亦成為最小限度，因此亦可得焊頭及焊座的壽命延長的效果。
如上所述，在本實施形態之製造方法中，在提高複數集電箔14的密接性的狀態下進行超音波熔接。進行超音波熔接時，由於在鄰接集電箔14之間不存在空氣積存，因此超音波係由焊頭42側至焊座40側的集電箔為止效率佳且均一地傳播。因此，焊頭的輸出值(輸出電力值)在預定值呈安定。具體而言，理想的焊頭的輸出值係如第5圖的曲線a所示，由熔接開始(t0)增加，在時間t1達至安定輸出值ps，至熔接結束(te)為止，維持安定輸出值ps。將該曲線a設為良品波形。
在本實施形態之製造方法中，第2工序之超音波熔接時的焊頭的輸出值的變動小，在輸出波形的一部分確認平坦部分。可使用該輸出波形，一邊進行超音波熔接一邊判定接合狀態的良否。接合狀態的良否的判定係在製造裝置的判定部進行。
其中，若為習知之製造方法，焊頭的輸出值並不安定(第5圖、曲線b1、b2)。將曲線b1、b2設為不良品波形。在曲線b1中，時間t2之後，輸出值急遽增加。此係基於鄰接集電箔之間的空氣積存成為阻力，而必須要有更大的輸出之故。在曲線b2中，輸出值係在更小的範圍內不安定地變動。
在習知之製造方法中，焊頭的輸出值係在較大的 範圍或較小的範圍內變動。因此，在接合狀態的良否判定，係僅使用焊頭的輸出值的最大值，為良否判定的可靠性低者。
在本發明之製造方法中，使用良品波形(曲線a)及不良品波形b1、b2，如以下所示設定各種基準值，與基準值相比較，可判定接合狀態的良否。
如第5圖所示，將(安定輸出值ps±30%)的輸出值範圍設為安定區域Rs。如第5圖所示，安定區域Rs的下限及上限係分別設為警告下限輸出值w1及警告上限輸出值w2。此外，將相當於小於(安定輸出值ps-30%)、至(安定輸出值ps-50%)為止之間的輸出值設為良品下限輸出值g1，將相當於(安定輸出值ps+50%)的輸出值設為良品上限輸出值g2。
在第5圖所示之例中，良品下限輸出值g1係與時間t1中的不良品波形b2的輸出值相一致，良品上限輸出值g2係與時間t1中的不良品波形b1的輸出值相一致。在第5圖中雖未顯示，將良品下限輸出值g1與良品上限輸出值g2之間的區域設為良品區域Rg。比良品下限輸出值g1為更下方的區域、及比良品上限輸出值g2為更上方的區域為不良品區域。
將良品下限輸出值g1與警告下限輸出值w1之間的區域、及良品上限輸出值g2與警告上限輸出值w2之間的區域設為第1及第2警告區域Rw1、Rw2。將由第1警告區域Rw1通過安定區域Rs而達至第2警告區域Rw2的波形c設為警告波形。
參照第6圖，說明接合狀態的良否判定的演算法。
預先藉由如上所述之方法，在使複數集電箔密接 後進行超音波熔接，來製作試樣，取得良品波形。在試樣的檢測波形中，在由熔接開始至時間T1為止之間，係根據良品波形設定基準輸出值P1，設定對在T1的基準輸出值P1的警告上下限(WARNING)及異常上下限(ALARM)。在此，將(P1+WARNING)設為警告上限，將(P1-WARNING)設為警告下限。此外，將(P1+ALARM)設為異常上限，將(P1-ALARM)設為異常下限。警告上下限(WARNING)係相當於第5圖中的警告上限輸出值w2及警告下限輸出值w1。異常上下限(ALARM)係相當於第5圖中的良品上限輸出值g2及良品下限輸出值g1。
根據以下，判定測定對象的檢測波形在T1的檢測值。若檢測波形的檢測值滿足下述條件(1)，接合狀態係判定為良好。若檢測值滿足下述條件(4)或(5)，接合狀態係判定為不良。若檢測值滿足下述條件(2)或(3)，接合狀態雖然並非完全不良，但是判定為可靠性低而進行警告。
P1+WARNING>檢測值>P1-WARNING 條件(1)
P1+WARNING<檢測值<P1+ALARM 條件(2)
P1-WARNING>檢測值>P1-ALARM 條件(3)
P1+ALARM<檢測值 條件(4)
P1-ALARM>檢測值 條件(5)
在由時間T1至時間T2之間(AREA1)亦同樣地，根據試樣的良品波形，設定基準值，設定T2到達時對基準值的警告上下限(WARNING)及異常上下限(ALARM)。在此，將(A1+WARNING)設為警告上限，將(A1-WARNING)設為 警告下限。此外，將(A1+ALARM)設為異常上限，將(A1-ALARM)設為異常下限。
若測定對象的檢測波形的T1-T2間的檢測值常時滿足下述條件(6)時，接合狀態係判定為良好。若T1-T2間的檢測值即使一度滿足下述條件(9)或(10)，接合狀態係判定為不良。若T1-T2間的檢測值即使一度滿足下述條件(7)或(8)，接合狀態雖然並非完全不良，但是判定為可靠性低而進行警告。
A1+WARNING>檢測值>A1-WARNING 條件(6)
A1+WARNING<檢測值<A1+ALARM 條件(7)
A1-WARNING>檢測值>A1-ALARM 條件(8)
A1+ALARM<檢測值 條件(9)
A1-ALARM>檢測值 條件(10)
關於由時間T2至時間T3之間(AREA2)、由時間T3至時間T4之間(AREA3)、由時間T4至時間T5之間(AREA4)，與(AREA1)的情形同樣地進行判定。
由熔接開始至時間T1之間、及(AREA1)~(AREA4)之任何判定亦非為不良時，試樣為良品。
如上所示，將良品波形與檢測波形作比較，可判定接合狀態的良否，亦可進行充分的品質管理。此外，亦可得利用良品波形來進行焊頭或焊座的壽命管理的效果。
4.變形例
本發明並非限定於上述實施形態，可在本發明之主旨範圍內作適當變更。
在上述實施形態中，係說明捲繞有複數集電箔14的電池，但是複數集電箔14亦可作積層。
在第1工序中，藉由使用加壓模具32與加壓衝頭34的衝擊式加壓機，將複數集電箔14的預定區域加壓，但是亦可藉由使用滾筒按壓複數集電箔14的預定區域來進行加壓。擠出介在於鄰接集電箔之間的空氣之層，可縮小集電箔之間的間隔。
如第7A圖所示，亦可在第1工序中，在複數集電箔14與加壓模具32之間配置引線20，將複數集電箔14的預定區域加壓。接著，如第7B圖所示，藉由使用焊頭42與焊座40進行超音波熔接，可將複數集電箔14與引線20在接合區域18一體化。
Claims (11)
- 一種電池之製造方法，其特徵為包括：第1工序，其係將露出於電極的端部且彼此相疊合的複數集電箔的預定區域加壓，形成縮小鄰接集電箔之間的間隔的壓縮區域；及第2工序，其係將前述複數集電箔的前述壓縮區域的內側的區域藉由超音波熔接進行接合，而形成前述複數集電箔被一體化的接合區域。
- 如申請專利範圍第1項之電池之製造方法，其中，在前述第1工序中，以第1壓力將前述複數集電箔的前述預定區域加壓，在前述第2工序中，以小於前述第1壓力的第2壓力加壓而形成前述接合區域。
- 如申請專利範圍第2項之電池之製造方法，其中，前述第1壓力係前述第2壓力的2倍以上。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之電池之製造方法，其中，前述第1工序係包含在前述複數集電箔的前述預定區域施加撞擊力。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之電池之製造方法，其中，在前述第1工序之前，藉由按壓治具，以厚度方向固定前述複數集電箔，在前述第2工序之後，將前述按壓治具卸下。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之電池之製造方法，其中，在前述第1工序之前，使引線接觸前述複數集電箔的前述預定區域來進行配置，藉由前述超音波熔接，將前 述複數集電箔與前述引線一體化。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之電池之製造方法，其中，前述超音波熔接係使用：形成複數凸部且具有按壓前述複數集電箔的前述接合區域的按壓面的焊頭；及形成複數凸部且具有將前述複數集電箔夾入在與前述按壓面之間來進行支持的支持面的焊座來進行，前述第2工序係包含根據表示前述焊頭的輸出值的時間變化的輸出波形，判定前述接合區域的良否。
- 如申請專利範圍第7項之電池之製造方法，其中，在前述焊頭的前述輸出值設定良品上限輸出值與良品下限輸出值，將前述良品上限輸出值與前述良品下限輸出值之間設為良品區域，在由前述超音波熔接開始至結束之間測定複數點而取得複數測定輸出值，若前述複數測定輸出值全部在前述良品區域內，判定為良品。
- 如申請專利範圍第8項之電池之製造方法，其中，在小於前述良品上限輸出值的警告上限輸出值、與大於前述良品下限輸出值的警告下限輸出值之間設定安定區域，若前述複數測定輸出值之中的1個超過前述安定區域而且位於前述良品區域內時即進行警告。
- 如申請專利範圍第9項之電池之製造方法，其中，將前述輸出波形分割成按時間的複數區間，針對前述複數區間的各個，設定前述良品上限輸出值、前述良品下限輸出值、及前述安定區域。
- 一種電池之製造裝置，其特徵為包括：加壓部，其係將露出於電極的端部且彼此相疊合的複數集電箔的預定區域加壓，形成縮小鄰接集電箔之間的間隔的壓縮區域；接合部，其係將前述複數集電箔的前述壓縮區域的內側的區域，藉由使焊頭及焊座的超音波熔接進行接合，形成前述複數集電箔被一體化的接合區域；及判定部，其係根據表示前述焊頭的輸出值的時間變化的輸出波形，判定前述接合區域的良否。
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