JP5084136B2

JP5084136B2 - 密閉型電池の製造方法

Info

Publication number: JP5084136B2
Application number: JP2005346800A
Authority: JP
Inventors: 弘細川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: JP2007157350A

Description

本発明は、電池の電解液注入孔を高エネルギー線による溶接法を用いて封止する密閉型電池の製造方法に関し、特に電池に設けられた電解液注入孔を塞ぐための栓を金属板で覆い、金属板を短時間でレーザ光等の高エネルギー線によって溶接して封止するとともに判別のための照射痕をも形成することができる密閉型電池の製造方法に関する。

携帯型の電子機器の急速な普及に伴い、それに使用される電池への要求仕様は、年々厳しくなり、特に小型・薄型化、高容量でサイクル特性が優れ、性能の安定したものが要求されている。そして、二次電池分野では他の電池に比べて高エネルギー密度であるリチウム非水電解質二次電池が注目され、このリチウム非水電解質二次電池の占める割合は二次電池市場において大きな伸びを示している。

このリチウム非水電解質二次電池は、主としてリチウムイオンの吸蔵放出が可能な黒鉛等の炭素質物を負極活物質とし、リチウム含有コバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウム含有マンガン酸化物（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）等のリチウム含有遷移金属酸化物を正極活物質とするものが、小型軽量でかつ高容量な電池として広く使用されている。

ところで、この種の非水電解質二次電池が使用される機器においては、電池を収容するスペースが角形（偏平な箱形）であることが多いことから、発電要素を角形外装缶に収容し角形の非水電解質二次電池が使用されることが多い。このような角形の密閉型非水電解質二次電池の一例を図面を用いて説明する。

図４は、従来から作製されている角形の密閉型非水電解質二次電池を縦方向に切断して示す斜視図である。この非水電解質二次電池１０は、正極板１２と負極板１１とがセパレータ１３を介して巻回された偏平状の渦巻状電極体１４を、角形の電池外装缶１５の内部に収容し、封口蓋１６によって角形の電池外装缶１５を密閉したものである。

偏平状の渦巻状電極体１４は、正極板１２が最外周に位置して露出するように巻回されており、露出した最外周の正極板１２は、正極端子を兼ねる角形の電池外装缶１５の内面に直接接触し、電気的に接続されている。また、負極板１１は、封口蓋１６の中央に形成され、絶縁体１７を介して取り付けられた負極端子１８に対して集電体１９を介して電気的に接続されている。

そして、角形の電池外装缶１５は、正極板１２と電気的に接続されているので、負極板１１と角形の電池外装缶１５との短絡を防止するために、偏平状の渦巻状電極体１４の上端と封口蓋１６との間に絶縁スペーサ２０を挿入することにより、負極板１１と角形の電池外装缶１５とを電気的に絶縁状態にしている。

この角形の非水電解質二次電池は、偏平状の渦巻状電極体１４を角形の電池外装缶１５内に挿入した後、封口蓋１６を角形の電池外装缶１５の開口部にレーザ溶接し、その後電解液注入孔２１から非水電解液を注液してこの電解液注入孔２１を密閉することにより作製される。このような角形の密閉型非水電解質二次電池は、使用時のスペースの無駄が少なく、しかも電池性能や電池の信頼性が高いという優れた効果を奏するものである。

ここで下記特許文献１に開示されている密閉型非水電解質二次電池の封口蓋を角形の電池外装缶の開口部にレーザ溶接する工程を図５を用いて説明する。なお、図５においては図４に示した非水電解質二次電池と同一の構成部分には同一の参照符号を付与して説明することとする。下記特許文献１に開示されている密閉型非水電解質二次電池の封口蓋１６は略長方形状をしており、中央部に絶縁体１７を介して取り付けられた負極端子１８が設けられているとともに、周縁部に電解液注入孔２１を備えている。この封口蓋１６は外装缶１５の開口内縁に取り付けられた後、封口蓋１６と電池外装缶１５の接合部にパルス的に発振するレーザ光を周方向へ順序よく、断続的に送りながら断続的に照射することによって溶接ビード列２２を形成し、レーザ光照射開始側の溶接ビード列２３と照射終了側の溶接ビード列２４とを重ね合わせてラップ２５を形成することにより、これらのラップ２５を判別のための照射痕（マーキング）として利用できるようにしている。

一方、封口蓋１６に設けられた電解液注入孔２１は電解液注入後に封止する必要があるが、ここで下記特許文献２に開示されている密閉型非水電解液二次電池の電解液注入孔の封止方法について図６及び図７を用いて説明する。なお、図６は封口蓋の電解液注入孔と封止栓とをレーザ溶接する様子を示す縦断面図であり、図７は同じく平面図であり、図６及び図７においても図４及び図５に示した非水電解質二次電池と同一の構成部分には同一の参照符号を付与して説明することとする。

この下記特許文献２に開示されている電解液注入孔２１を封止するための封止栓２６は、封口蓋１６と同じ材料（例えばアルミニウム）から形成され、周辺に円錐面又は角錐面２７が設けられた実質的に平板状の形状を備えている。この封止栓２６は、電解液注入孔２１を塞ぐように封口蓋１６上に載置された後、封止栓２６の側面の円錐面又は角錐面２７の全体にわたり、パルス的に発振するレーザ光２８を周方向へ順序よく、断続的に送りながら断続的に照射して溶接ビード列２２を形成するようにして封口蓋１６に溶接されている。

特開２００３− ３１１８６号公報（特許請求の範囲、段落［００１３］〜［００１８］、図１〜図３）特開２０００− ９０８９１号公報（特許請求の範囲、段落［００１１］〜［００１３］、図１〜図３）

上記特許文献１に開示された密閉型非水電解質二次電池によれば、封口蓋を角形の電池外装缶の開口部にレーザ溶接する際に、レーザの照射開始側の溶接痕と照射終了側の溶接痕とを重ね合わせてラップを形成し、このラップを判別のための照射痕として利用できるようにしたため、製造されたそれぞれの電池ごとに製造履歴を判別するための照射痕の形成を製造工程中に行うことができ、別途判別するための照射痕を形成するための工数が増えることはなく、製造時間の短縮や製造コストの低減化を測ることができるという効果を奏するものであるが、封口蓋に設けられた電解液注入孔をどのように封止するかに関して示唆する記載はない。

一方、上記特許文献２には、非水電解質二次電池の封口蓋に設けられた電解液注入孔を封止するため、封止栓の側面の円錐面又は角錐面の全体にわたり、レーザ光を周方向へ順序よく、断続的に送りながら断続的に照射して溶接ビード列を形成するようにして封口蓋に溶接したものが示されているが、製造履歴を判別するための照射痕を形成することについて示唆する記載はない。

通常、密閉型非水電解質二次電池の製造工程においては、封口蓋を電池外装缶の開口部にレーザ溶接する工程と封口蓋に設けられた電解液注入孔を封止する工程とは別々に行われるため、それぞれの工程では別々のレーザ溶接用加工ヘッドが使用される。すなわち、密閉型非水電解質二次電池の封口蓋を電池外装缶の開口部にレーザ溶接する工程においても、封口蓋に設けられた電解液注入孔に封止栓をレーザ溶接する工程においても、レーザ溶接に必要な時間が長いため、レーザ溶接用の加工ヘッドが１個では十分な処理能力が得られないので、複数の加工ヘッドを持つレーザ溶接装置が用いられ、複数電池の溶接を同時並行で行うようにしている。しかしながら、それぞれの加工ヘッド内の光学部品の劣化，損傷等により特定の加工ヘッドで溶接された電池に不良品が多発することがある。

したがって、密閉型非水電解質二次電池の封口蓋を角形の電池外装缶の開口部にレーザ溶接する工程だけでなく、封口蓋に設けられた電解液注入孔に封止栓をレーザ溶接する工程においても、製造履歴を判別するための照射痕を形成することが必要とされている。この場合、上記特許文献１に開示されているように、封止栓の周囲にレーザの照射開始側のビード列と照射終了側のビード列とを重ね合わせてラップを形成し、このラップを判別用照射痕として利用するようにするか、或いは、別途封止栓のレーザ溶接箇所とは異なる位置にレーザ照射ヘッドを移動させてその位置に判別用照射痕を形成することが考えられるが、このような方法を採用すると判別用照射痕形成のためのレーザヘッドの移動及びレーザ光の照射に時間を要するため、製造時間が長くなるという問題点が生じる。この製造時間が長くなるという問題点は、個々の電池のレーザ溶接に必要とする時間は短くても、大量生産用途においては累積されると膨大な時間となるため、この問題点を解決することが求められている。

一方、非水電解質二次電池に設けられた電解液注入孔を封止する手段として例えば金属板の表面にゴム栓を固定し、ゴム栓で電解液注入孔を塞ぎ、金属板を封口蓋にレーザ溶接して封口蓋に設けられた電解液注入孔を封止する方法が提案されている。この場合においては、ゴム栓による電解液注入孔の密閉能力が存在するため、必ずしも金属板の周囲全体をレーザ溶接しなくても必要な封止度を確保することができ、レーザ溶接工程に必要とする時間を短縮することができる。この場合においても、製造履歴を判別のための照射痕を付与するために、上記特許文献１に開示されている方法のようにラップを形成するようにしたり、或いは、別途レーザ加工ヘッドの移動を伴うようではレーザ溶接に必要とする時間の大幅な短縮にはつながらない。

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、電池の外装缶や封口蓋に設けられた電解液注入孔を栓で塞ぐとともに、金属板で栓を覆い、短時間で金属板を封口蓋にレーザ光等の高エネルギー線によって溶接して封止するとともに判別のための照射痕をも形成することができる密閉型電池の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願の請求項１に係る密閉型電池の製造方法の発明は、
電池に設けられた電解液注入孔を栓で塞ぐとともに、金属板で栓を覆い、金属板の周縁の少なくとも２箇所を高エネルギー線により溶接して前記電解液注入孔を封止する密閉型電池の製造方法において、
前記高エネルギー線による第１の溶接ビード列の終了点から第２の溶接ビード列の開始点まで相対的に加工ヘッドを動かす間に前記高エネルギー線により判別のための照射痕を形成することを特徴とする。

なお、請求項１に係る発明においては、高エネルギー線による溶接の際に密閉型電池を固定して加工ヘッドを移動させても、或いは、加工ヘッドを固定して密閉型電池を例えばＸ−Ｙステージを使用することにより移動させてもよい。また、密閉型電池としては、非水電解質二次電池だけでなく、非水電解質一次電池や水性電解質を使用した二次電池及び一次電池であってもよい。また、電解液注入孔は外装缶に設けられていても、封口蓋に設けられていてもよい。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の密閉型電池の製造方法において、前記金属板は多角形状、楕円形状又は円形状であり、前記第１の溶接箇所及び第２の溶接箇所は互いに対向する周縁に設けられていることを特徴とする。

なお、請求項２に係る発明においては、前記金属板が多角形状である場合には方形状であることが好ましく、また、多角形の角の部分は落とされていてもよい。更に、前記第１及び第２の溶接箇所においては、それぞれ単発の溶接ビードを形成するように溶接しても、或いはそれぞれ複数の溶接ビードが重複するように溶接してもよい。

また、請求項３にかかる発明は、請求項１に記載の密閉型電池の製造方法において、前記照射痕は、前記金属板外に形成したことを特徴とする。
更に、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の密閉型電池の製造方法において、前記高エネルギー線はレーザ光又は電子ビームからなることを特徴とする。

本発明は上記のような製造方法を採用することにより以下に述べるような優れた効果を奏する。すなわち、請求項１に係る発明によれば、栓による電解液注入孔に対する封止能力を利用できるから、必ずしも栓を覆う金属板の周囲全体を高エネルギー線により溶接しなくても必要な封止度を確保することができる。したがって、請求項１に係る発明によれば、金属板の周縁の少なくとも２箇所を溶接すれば所定の封止強度を確保することができ、しかも少なくとも２箇所の溶接の際には、高エネルギー線による第１の溶接箇所の溶接終了点から第２の溶接箇所の溶接開始点まで相対的に加工ヘッドを移動させる必要が生じるが、この移動の間に判別のための照射痕を形成するようにしたので、別途判別のための照射痕形成のために加工ヘッドを相対的に移動させる必要がなくなり、高エネルギー線による金属板の溶接工程に必要とする時間を短縮することができるようになる。

また、請求項２に係る発明によれば、第１の溶接箇所及び第２の溶接箇所を互いに対向する周縁に設けたから、強固に栓や金属板を固定することができ、封止度が良好な密閉型電池を製造することができるようになる。

また、請求項３にかかる発明によれば、本発明においては照射痕は、金属板と封口板とを溶接する必要がないので、金属板外に照射することが可能となる。
更に、請求項４に係る発明によれば、レーザ光及び電子ビームともに溶接用高エネルギー線として慣用的に用いられており、溶接部の信頼性及び品質が良好な角形電池が得られる。

以下、本願発明を実施するための最良の形態を角形の密閉型電池及び高エネルギー線としてのレーザ光を使用した場合を例にとり、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。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一例を例示するものであって、本発明をこの実施例に特定することを意図するものではなく、本発明は例えば円形の密閉型電池や高エネルギー線として電子線を使用した場合等、特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。

なお、図１は実施例に係る密閉型電池の各製造工程を示す図であり、図１Ａは電解液注液後の封口蓋の状態、図１Ｂは電解液注液孔を金属板で塞いだ状態、及び、図１Ｃは金属板をレーザ溶接した状態のそれぞれ平面図である。また、図２Ａは図１Ｂの金属板部分とレーザ走査パターンを重ねて表した拡大平面図であり、図２Ｂは図１Ｃの金属板部分の拡大平面図である。更に、図３は図２ＢのIII−III線断面図である。

実施例に係る角形の密閉型電池の封口蓋１６は、図１Ａに示したように、略長方形状をしており、中央部に絶縁体１７を介して取り付けられた負極端子１８が設けられているとともに、周縁部に電解液注入孔２１を備えている。この封口蓋１６は予め外装缶１５の開口内縁に取り付けられ、その後に封口蓋１６と電池外装缶１５の接合部が周方向全体にわたりレーザ光によって溶接されている。この封口蓋１６の電解液注入孔２１から所定量の所定組成の電解液を注入した後、図１Ｂに示したように、金属板２９の表面に設けられたゴム栓３０（図３参照）を電解液注入孔２１内に差し込むことにより封口蓋１６の表面に載置、固定する。ここでは金属板２９の形状として角を落とした矩形状のものを用いた。

次いで、図示しないレーザヘッドを、図２Ａに示した軌跡３１に沿って、金属板２９の第１の短辺側３２に沿って図面上において上方へ向かって角部をわずかに通りすぎるまで相対的に移動させ、その後、同じく右方向に向かって長辺に平行に第２の短辺側３３に対応する位置まで移動させ、更に、同じく下方向に第２の短辺側３３に沿って移動させる。その際、断続的にレーザ照射することにより溶接ビード列が生じるようにしている。

このようにして金属板２９の第１の短辺側においては、図２Ｂに示したように、第１のビード列３４が形成され、また、長辺側に沿って判別のための照射痕３６が形成され、更に、第２の短辺側においては第２のビード列３５が形成される。そして、第１のビード列３４及び第２のビード列３５によって金属板２９は封口蓋１６に強固に溶接されるとともに、封口蓋１６に設けられた電解液注入孔２１の封止は金属板２９の表面に設けられたゴム栓３０によって確保される。加えて金属板２９の長辺側近傍には判別のための照射痕３６が形成されているため、この照射痕３６によって密閉型電池の製造履歴を判別することができるようになる。

この実施例における判別のための照射痕３６は、レーザヘッドが金属板２９の第１の短辺側３２で第１のビード列３４を形成した後に第２の短辺側３３にまで相対的に移動する途中で形成される。したがって、この実施例においては、特に照射痕３６を形成するために別の方向にレーザヘッドを動かす必要がないことと金属板２９の周縁の全体を溶接する必要がないこととが相まって、上述のような従来例に比すると大幅な溶接時間の短縮を達成することができる。

［実験例］
以下において、実施例の密閉型電池の製造方法を採用した場合の溶接時間の短縮効果を具体的データを用いて明らかにする。まず、電解液注入孔を２×４ｍｍの角を落とした矩形状の金属板の表面に設けられたゴム栓で塞ぎ、上記金属板の２ｍｍの短辺２箇所を封口蓋にレーザ溶接して封止栓を固定することによって電解液注入孔を封止する際、判別用の照射痕を形成しない例として、加工ヘッドを以下のように相対的に走査した。

加工ヘッドは固定し、電池をＸ−Ｙテーブル上に載置して、Ｘ−Ｙテーブルの速度を２０ｍｍ／秒（すなわち溶接速度＝２０ｍｍ／秒）、Ｘ−Ｙテーブルの加減速にかかる時間を０．１秒とすると、各区間での加工ヘッドの走査に要する時間は、下記表１に示したとおりとなり、合計約０．８秒程度になる。

ここで、従来例のように製造履歴判別用の照射痕を追加する場合は次のとおりの時間を更に要する。
（１）加工ヘッドの移動終了後、終了点から１ｍｍ程度離れたところに１点だけ製造履歴判別用のレーザ照射痕を形成するように移動させた場合、加速，減速に各０．１秒必要であり、また、加工ヘッドが止まってから実際にレーザが出るまでの通信等に要する時間が約０．０４秒必要となるため、合計０．２４秒更に必要となる。
（２）（１）の場合と同様にして２点以上判別用照射痕を付けようとすると、１点毎に更に約０．２４秒が必要となる。
（３）判別用照射痕をレーザ走査終了点と同時に形成しても判別は可能だが、レーザが出るまでの通信等に要する時間約０．０４秒が更に必要となる。この場合、照射痕は溶接部に近いので、溶接ビードと加工ヘッド判別のための照射痕かの区別がし難く、照射痕があるかどうかを確認し難い。
（４）上記（１）〜（３）はレーザ溶接後に判別用照射痕を形成する場合であるが、レーザ溶接前に判別用照射痕を形成するようにしても同様である。

しかしながら、上記実施例の場合、製造履歴判別用の照射痕は、加工ヘッドが４ｍｍの長辺と平行に相対的に移動中にレーザ照射させれば良いので、通信等に要する時間は０．０４秒程度であっても平行移動時に通信が行なわれるために実質的に加工時間が長くなることはない。

以上のように、本発明によれば、レーザ溶接のために加工ヘッドを相対的に移動させる時間を延ばす必要はなく、即ち、製造に必要とする時間を長くすることなしに製造履歴判別用のレーザ照射痕を形成することができるといった優れた効果を得ることができる。なお、上記実施例においては、溶接方法としてレーザ溶接法を採用したものを示したが、これに限らず周知の高エネルギー線、例えば電子ビーム溶接法も使用することができる。

実施例に係る密閉型電池の各製造工程を示す図であり、図１Ａは電解液注液後の封口蓋の状態、図１Ｂは電解液注液孔を金属板で塞いだ状態、及び、図１Ｃは封止栓の金属板をレーザ溶接した状態のそれぞれ平面図である。図２Ａは図１Ｂの金属板部分とレーザ走査パターンを重ねて表した拡大平面図であり、図２Ｂは図１Ｃの金属板部分の拡大平面図である。図２ＢのIII−III線断面図である。従来例の角形の非水電解質二次電池を縦方向に切断して示す斜視図である。従来例の非水電解質二次電池の封口蓋を角形の電池外装缶の開口部にレーザ溶接する工程を示す図である。従来の封口蓋の電解液注入孔と金属板とをレーザ溶接する様子を示す縦断面図である。従来の封口蓋の電解液注入孔と金属板とをレーザ溶接する様子を示す平面図である。

符号の説明

１０非水電解質二次電池
１１負極板
１２正極板
１３セパレータ
１４渦巻状電極体
１５外装缶
１６封口蓋
１７絶縁体
１８負極端子
２１電解液注入孔
２６封止栓
２９金属板
３０ゴム栓
３１レーザヘッドの軌跡
３２金属板の第１の短辺側
３３金属板の第２の短辺側
３４第１のビード列
３５第２のビード列
３６判別のための照射痕

Claims

電池に設けられた電解液注入孔を栓で塞ぐとともに、前記栓を覆うように配置した金属板の周縁の少なくとも２箇所を高エネルギー線により溶接して前記電解液注入孔を封止する密閉型電池の製造方法において、
前記高エネルギー線による第１の溶接箇所の溶接終了点から第２の溶接箇所の溶接開始点まで相対的に加工ヘッドを動かす間に前記高エネルギー線により判別のための照射痕を形成することを特徴とする密閉型電池の製造方法。
前記栓を覆う金属板は多角形状、楕円形状又は円形状であり、前記第１の溶接箇所及び第２の溶接箇所は互いに対向する周縁に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池の製造方法。
前記照射痕は、前記金属板外に形成したことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池の製造方法。
前記高エネルギー線はレーザ光又は電子ビームからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の密閉型電池の製造方法。