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JP7606993B2 - 二次電池および二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description

本開示は、二次電池および二次電池の製造方法に関する。
二次電池は、例えば、電極タブを有する電極体と、該電極タブを介して電極体と電気的に接続された集電体と、を有している。電極タブと集電体とは、例えば、レーザ溶接によって接合されることがある。特開２０１９－６７５７０号公報、特開２０１９－６１９４９号公報、および特開２０１４－１３６２４２号公報では、かかるレーザ溶接において、貫通孔が設けられた溶接用治具を用いることが開示されている。これらの公報のレーザ溶接では、電極タブと集電体とを重ね合わせた後、集電体と重ね合わされた電極タブの上に溶接用治具を配置して電極タブを押圧する。そして、溶接用治具の貫通孔の内部にレーザを照射することによって、電極タブと集電体とを接合（溶接）している。
特開２０１９－６７５７０号公報 特開２０１９－６１９４９号公報 特開２０１４－１３６２４２号公報
ところで、本発明者らは、電極タブと集電体とが溶接された部位において、電極タブと集電体との間にボイド（溶接不良箇所）が発生するのを抑制したいと考えている。
ここで開示される二次電池の製造方法は、電極タブを有する電極体と、上記電極タブを介して上記電極体と電気的に接続された集電体と、を備える二次電池の製造方法である。この製造方法は、透明材料と上記集電体との間に上記電極タブを挟み込んだ後、該透明材料を貫通するようにレーザを照射して上記電極タブと上記集電体とを溶接すること、を含む。
かかる構成の製造方法では、透明材料と集電体とに電極タブが挟み込まれた後、透明材料を貫通するようにレーザが照射されて集電体と正極タブとが溶接される。透明材料と集電体とに電極タブが挟み込まれることで、集電体に重ねられた電極タブの上に透明材料が配置されて、集電体に電極タブが隙間なく重ねられる。そして、透明材料を貫通するようにレーザが照射されることによって、隙間なく重ねられた集電体に電極タブをレーザ溶接することができる。これにより電極タブと集電体との溶接部にボイドが発生するのを抑制することができる。
ここで開示される二次電池の製造方法の好ましい一態様では、上記電極体は、上記電極タブを複数備えている。この態様は、複数の上記電極タブを重ね合わせた状態で、上記集電体と上記透明材料との間に挟み込む。かかる構成によると、電極タブと集電体との溶接部におけるボイド発生抑制効果がよりよく実現されうる。
ここで開示される二次電池の製造方法の他の好ましい一態様では、上記溶接において、上記透明材料を用いて１００Ｎ以上の圧力で上記電極タブを押圧した状態でレーザを照射する。かかる構成によると、電極タブと集電体との溶接部におけるボイド発生抑制効果がよりよく実現されうる。
ここで開示される二次電池の製造方法の他の好ましい一態様では、上記透明材料の、上記電極タブとの接触面の径は、上記レーザの照射径よりも大きい。かかる構成によると、電極タブと集電体との溶接部におけるボイド発生抑制効果がよりよく実現されうる。
ここで開示される二次電池の製造方法の他の好ましい一態様は、上記溶接後、上記透明材料の上記電極タブとの接触面を洗浄することを含む。かかる構成によると、電極タブと集電体との溶接部におけるボイド発生抑制効果がよりよく実現されうる。
ここで開示される二次電池の製造方法の他の好ましい一態様では、上記透明材料として、８００℃以上の融点を有する透明材料が用いられる。かかる構成によると、電極タブと集電体とのより安定的なレーザ溶接が実現されうる。
ここで開示される二次電池の製造方法の他の好ましい一態様では、上記透明材料として、結晶化ガラス、石英ガラス、フッ化バリウムガラス、フッ化カルシウムガラス、およびサファイヤガラスからなる群から選ばれた少なくとも一種の透明材料が用いられる。かかる透明材料は、ここで開示される技術の効果を実現するために、好適である。
また、電極タブを有する電極体と、上記電極タブを介して上記電極体と電気的に接続された集電体と、を備える二次電池が開示される。この二次電池では、上記電極タブは、上記集電体にレーザ溶接されている。上記電極タブと上記集電体との溶接部では、上記電極タブと上記集電体とが、隙間なく重ねられた状態で溶接されている。かかる構成の二次電池では、電極タブと集電体との溶接部におけるボイドの発生が抑制されている。
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記電極体は、上記電極タブを複数備えている。複数の上記電極タブは、重ね合わされた状態で上記集電体に溶接されている。かかる構成の二次電池では、電極タブと集電体との溶接部におけるボイドの発生がよりよく抑制されている。
図１は、二次電池１００の分解斜視図である。 図２は、二次電池１００の部分断面図である。 図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。 図４は、電極タブと集電体との接合を説明する平面図である。 図５は、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接を説明する模式図である。 図６は、溶接部９１の近傍の断面図である。 図７は、実施例のＳＥＭ観察像である。 図８は、比較例のＳＥＭ観察像である。
以下、ここでの開示の一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら開示を限定することを意図したものではない。各図面は模式的に描かれており、必ずしも実物を反映していない。また、数値範囲を示す「Ａ～Ｂ」などの表記は、特に言及されない限りにおいて「Ａ以上Ｂ以下」を意味するとともに、「Ａを上回り、かつ、Ｂを下回る」の意味をも包含する。なお、以下に説明する図面において、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。
本明細書において「二次電池」とは、電解質を介して一対の電極（正極と負極）の間で電荷担体が移動することによって充放電反応が生じる蓄電デバイス一般をいう。かかる二次電池は、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池の他に、電気二重層キャパシタ等のキャパシタなども包含する。以下では、上述した二次電池のうち、リチウムイオン二次電池を例にして、ここで開示される二次電池および該二次電池の製造方法の実施形態を説明する。ここでの開示は、特に言及されない限りにおいて、リチウムイオン二次電池に限定されず、他の二次電池にも適用されうる。
図１は、二次電池１００の分解斜視図である。図２は、二次電池１００の部分断面図である。図２では、略直方体の電池ケース１０の片側の幅広面１２ｂに沿って内部を露出させた状態の部分断面図が模式的に描かれている。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。図３では、略直方体の電池ケース１０の片側の幅狭面１２ｃに沿って内部を露出させた状態の部分断面図が模式的に描かれている。図１に示された二次電池１００は、電極体２０が収容された電池ケース１０が密閉された、いわゆる密閉型電池である。図１に示されているように、二次電池１００は、電池ケース１０と、電極体２０とを有している。
電極体２０は、二次電池１００の発電要素である。図１～３に示されているように、電極体２０は、絶縁フィルム２９で覆われた状態で、電池ケース１０に収容されている。電極体２０は、図２に示されているように、正極要素としての正極シート２１と、負極要素としての負極シート２２と、シート状のセパレータ２３とを備えている。セパレータ２３は、正極シート２１と負極シート２２との間に配置されている。正極シート２１と、負極シート２２と、セパレータシート２３とは、それぞれ長尺の帯状の部材である。
正極シート２１は、例えば、長尺の帯状の正極集電箔２１ａ（例えば、アルミニウム箔）と、正極集電箔２１ａの両面に形成された正極活物質層２１ｂと、を有している。正極活物質層２１ｂは、この実施形態では、正極集電箔２１ａに一定の幅で形成されている。正極活物質層２１ｂは、例えば、正極活物質を含む。正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収しうる材料である。正極活物質は、一般的にリチウム遷移金属複合材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。正極シート２１は、図２に示されているように、正極タブ２１ｔを有している。正極タブ２１ｔは、例えば、正極集電箔２１ａの一部であり、表面に正極活物質層２１ｂが形成されない活物質層未形成部である。この実施形態では、正極タブ２１ｔは、シート短手方向の一の端部から突出した、矩形状の部位である。図２に示された実施形態では、シート長手方向において、複数の正極タブ２１ｔが間欠的に設けられている。
この実施形態では、正極活物質層２１ｂと正極タブ２１ｔとの境界に、正極保護層２１ｐが形成されている。正極保護層２１ｐは、ここでは、正極タブ２１ｔの突出方向における正極活物質層２１ｂの端部に形成されており、正極タブ２１ｔと隣接している。正極保護層２１ｐは、例えば、アルミナ等の無機フィラーを含む層である。なお、正極保護層２１ｐの形成は必須ではなく、他の実施形態において省略することができる。
負極シート２２は、例えば、長尺の帯状の負極集電箔２２ａ（例えば、銅箔）と、負極集電箔２２ａの両面に形成された負極活物質層２２ｂと、を有している。負極活物質層２２ｂは、この実施形態では、負極集電箔２２ａに一定の幅で形成されている。負極活物質層２２ｂは、例えば、負極活物質を含む。負極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出しうる材料である。負極活物質は、一般的に天然黒鉛以外にも種々提案されており、特に限定されない。負極シート２２は、図２に示されているように、負極タブ２２ｔを有している。負極タブ２２ｔは、例えば、負極集電箔２２ａの一部であり、表面に負極活物質層２２ｂが形成されない活物質層未形成部である。この実施形態では、負極タブ２２ｔは、シート短手方向の一の端部から突出した、矩形状の部位である。図２に示された実施形態では、シート長手方向において、複数の負極タブ２２ｔが間欠的に設けられている。
セパレータ２３は、例えば、所要の耐熱性を有する電解質が通過しうる多孔質の樹脂シートである。セパレータシート２３についても種々提案されており、特に限定されない。
例えば、シート短手方向（図２では幅狭面１２ｃに沿った方向）における負極活物質層２２ｂの幅は、同方向における正極活物質層２１ｂの幅よりも大きい。シート短手方向におけるセパレータ２３の幅は、負極活物質層２２ｂの幅よりも大きい。図２に示されているように、正極タブ２１ｔおよび負極タブ２２ｔは、セパレータ２３からはみ出すように、所要の長さを備えている。この実施形態では、正極タブ２１ｔおよび負極タブ２２ｔは、シート短手方向においていずれも同じ側に向けられている。正極シート２１と、負極シート２２と、セパレータ２３とは、それぞれ長さ方向に向きを揃えられ、順に重ねられて捲回されている。この実施形態では、電極体２０は、いわゆる捲回電極体である。負極活物質層２２ｂは、セパレータ２３を介在させた状態で正極活物質層２１ｂを覆っている。負極活物質層２２ｂは、セパレータ２３に覆われている。
上述した電極体２０は、図１に示されているように、電池ケース１０のケース本体１２に収容されうるように、捲回軸を含む一平面に沿った扁平な状態とされる。そして、電極体２０の捲回軸に沿って、片側（ここでは蓋１４側）に正極タブ２１ｔおよび負極タブ２２ｔが配置されている。複数の正極タブ２１ｔおよび複数の負極タブ２２ｔは、重ねられた状態で、同極の集電体３３，４３（後述）に接続される。
ケース本体１２は、図１～３に示されているように、電極体２０を収容しており、電極体２０を収容するための開口１２ｈを有している。ケース本体１２は、一側面が開口した略直方体の角形形状を有している。ケース本体１２は、図１～３に示されているように、略矩形の底面１２ａと、一対の幅広面１２ｂと、一対の幅狭面１２ｃとを有している。一対の幅広面１２ｂは、それぞれ底面１２ａのうち長辺から立ち上がっている。一対の幅狭面１２ｃは、それぞれ底面１２ａのうち短辺から立ち上がっている。開口１２ｈは、一対の幅広面１２ｂの長辺と一対の幅狭面１２ｃの短辺とで囲まれて形成されている。なお、この実施形態では、ケース本体１２および後述の蓋１４は、軽量化と所要の剛性を確保するとの観点で、それぞれアルミニウムまたはアルミニウムを主体とするアルミニウム合金で形成されている。
またケース本体１２は、電極体２０と一緒に、図示しない電解液を収容していてもよい。電解液としては、非水系溶媒に支持塩を溶解させた非水電解液を使用できる。非水系溶媒の一例として、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のカーボネート系溶媒が挙げられる。支持塩の一例として、ＬｉＰＦ６等のフッ素含有リチウム塩が挙げられる。
蓋１４は、ケース本体１２の開口１２ｈに取り付けられている。そして、蓋１４の周縁部が、ケース本体１２の開口１２ｈの縁に接合される。かかる接合は、例えば、隙間がない連続した溶接によるとよい。かかる溶接は、例えば、レーザ溶接によって実現されうる。ケース本体１２および蓋１４は、電極体の収容数（１つまたは複数。この実施形態では１つ）、サイズ等に応じた大きさを有している。蓋１４には、図示は省略しているが、例えば、注液孔とガス排出弁とが設けられている。注液孔は、ケース本体１２に蓋１４を接合した後に電解液を注液するためのものである。注液孔は、封止部材により封止される。ガス排出弁は、二次電池１００の内圧が所定値以上になったときに破断して、二次電池１００内のガスを外部に排出するように構成された薄肉部である。
この実施形態では、蓋１４には、正極端子３０と、負極端子４０とが取り付けられている。正極端子３０は、外部端子３１と、接続部材３２と、集電体３３と、を備えている。負極端子４０は、外部端子４１と、接続部材４２と、集電体４３と、を備えている。外部端子３１および外部端子４１は、それぞれ外部絶縁部材５０を介して蓋１４の外側に取り付けられている。接続部材３２および集電体３３と、接続部材４２および集電体４３とは、各極側に設けられた内部絶縁部材６０を介して蓋１４の内側に取り付けられている。接続部材３２および集電体３３と、接続部材４２および集電体４３とは、蓋１４の内表面に沿って配置されている。集電体３３は、正極タブ２１ｔを介して電極体２０の正極シート２１に接続されている。集電体４３は、負極タブ２２ｔを介して電極体２０の負極シート２２に接続されている。正極側の外部端子３１と、接続部材３２と、集電体３３と、は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金製である。負極側の外部端子４１と、接続部材４２と、集電体４３と、は、例えば、銅または銅合金製である。
正極タブ２１ｔと、負極タブ２２ｔとは、図２に示されているように、蓋１４の長辺方向の両側部にそれぞれ取り付けられた同極の集電体３３，４３にそれぞれ取り付けられている。電極体２０は、このように電極タブを介して蓋１４に取り付けられた状態で、ケース本体１２に収容されている。図１，２に示されるように、電極体２０は、幅広な矩形面２０ａがケース本体１２の幅広面１２ｂに対向するように、ケース本体１２に収容されている。なお、集電体と電極タブとの接続に関しては、後でさらに述べる。
以下、正極側を例に挙げて、二次電池１００における端子構造、および、電極体２０と蓋１４との接続を詳細に説明する。蓋１４は、図２に示されているように、外部端子３１を取り付けるための取付孔１８を有している。取付孔１８は、蓋１４の予め定められた位置において蓋１４を貫通している。蓋１４の取付孔１８には、外部絶縁部材５０を介在させて、外部端子３１が取り付けられている。
正極の外部端子３１は、頭部３１ａと、軸部３１ｂとを備えている。頭部３１ａは、蓋１４の外側に配置される部位である。頭部３１ａは、取付孔１８よりも大きな略平板状の部位である。軸部３１ｂは、外部絶縁部材５０を介して取付孔１８に装着される部位である。軸部３１ｂは、頭部３１ａの略中央部から下方（図２では、ケース本体１２の内方）に突出している。軸部３１ｂの先端は、図２に示されているように、蓋１４の内部において、接続部材３２にかしめられる部位である。軸部３１ｂの先端は、蓋１４の取付孔１８および接続部材３２の貫通孔３２ａに挿通された状態で折曲げられて、接続部材３２にかしめられている。
外部絶縁部材５０は、図２に示されているように、蓋１４の取付孔１８の内側面、および蓋１４の外側表面に取り付けられる部材である。外部絶縁部材５０は、蓋１４と外部端子３１との間に配置され、これらの絶縁を確保している。また、外部絶縁部材５０は、蓋１４の取付孔１８の気密性を確保している。かかる観点で、耐薬品性や耐候性に優れた材料が用いられるとよい。この実施形態では、外部絶縁部材５０には、ＰＦＡが用いられている。ＰＦＡは、四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体（Tetrafluoroethylene-Perfluoroalkylvinylether Copolymer）である。なお、外部絶縁部材５０に用いられる材料は、ＰＦＡに限定されない。
内部絶縁部材６０は、図２に示されているように、蓋１４の取付孔１８の周りにおいて、蓋１４の内側に装着される部材である。内部絶縁部材６０は、ケース本体１２の内部に配置されるため、所要の耐薬品性を備えているとよい。この実施形態では、内部絶縁部材６０には、ＰＰＳが用いられている。ＰＰＳは、ポリフェニレンサルファイド樹脂（Poly Phenylene Sulfide Resin）である。なお、内部絶縁部材６０に用いられる材料は、ＰＰＳに限定されない。
接続部材３２は、例えば、略平板状であり、貫通孔３２ａと、突起３２ｂとを備えている。接続部材３２は、内部絶縁部材６０に装着される部材であり、外部端子３１と集電体３３とを接続している。貫通孔３２ａには、外部端子３１の軸部３１ｂが挿通している。貫通孔３２ａの周囲には、軸部３１ｂがかしめられている。突起３２ｂは、集電体３３の第１プレート部３３ａに設けられた貫通孔３３ａ１に嵌合される部位である。突起３２ｂの形状は、貫通孔３３ａ１に嵌合できる形状である。この実施形態では、蓋１４の内表面側からみた突起３２ｂの平面形状は、楕円形である。
集電体３３は、図２，３に示されているように、内部絶縁部材６０を介して、蓋１４に取り付けられている。集電体３３は、第１プレート部３３ａと、第２プレート部３３ｂと、段差部３３ｃとを備えている。第１プレート部３３ａは、接続部材３２の表面に沿って配置される部位である。この実施形態では、第１プレート部３３ａは、略平板状の部位である。第１プレート部３３ａは、貫通孔３３ａ１を有している。貫通孔３３ａ１には、接続部材３２の突起３２ｂが嵌合される。貫通孔３３ａ１は、突起３２ｂが嵌合できる形状に形成されている。第２プレート部３３ｂは、内部絶縁部材６０に配置される部位である。この実施形態では、第２プレート部３３ｂは、略平板状の部位である。第２プレート部３３ｂには、正極タブ２１ｔが接合される。段差部３３ｃは、第１プレート部３３ａの一の端部から第２プレート部３３ｂの一の端部に向かって立ち上がり、両プレート部を連結する部位である。この実施形態では、段差部３３ｃは、接続部材３２の側壁に沿って配置されている。
図４は、電極タブと集電体との接合を説明する平面図である。図３，４に示されているように、電極体２０から延びた複数の正極タブ２１ｔが重ね合わされた状態で、第２プレート部３３ｂの接合面に配置されている。詳しくは後述するが、正極タブ２１ｔの突出先端側の少なくとも一部が、第２プレート部３３ｂに溶接されて、溶接部９１が形成されている。溶接部９１について、後でさらに述べる。
特に限定するものではないが、図２に示されているように、接続部材３２と集電体３３の第１プレート部３３ａとの間に、樹脂製のヒューズ部材７０を配置してもよい。この場合、集電体３３の第１プレート部３３ａに、ヒューズ部材７０に設けられた突起を装着する貫通孔３３ａ２を設けておくとよい（図４参照）。
上記のとおり、二次電池１００の端子近傍構造に関して、正極側を例に挙げて説明した。二次電池１００の端子近傍構造に関して、負極側も基本的に正極と同様であるため、説明を省略する。また、正極側と異なる構成であっても、ここで開示される技術を特徴づけるものでない場合、説明を省略している。なお、図２において、負極側の符号１９は「取付孔」である。また、図４において、符号「４３ａ」は第１プレート部であり、符号「４３ｂ」は第２プレート部であり、符号「４３ａ１」は貫通孔であり、符号「９２」は溶接部である。
ところで、電極タブと集電体とをレーザ溶接で接合する場合、例えば、電極タブと集電体とを重ね合わせた後、溶接予定部位に電極タブ側からレーザを照射して、電極タブと集電体とを溶接する。本発明者は、このようなレーザ溶接において、電極タブと集電体とが溶接された部位（溶接部）にボイド（溶接不良箇所）が生じることを見出した。かかるボイドは電池抵抗を上昇させる要因となりうる。
図５は、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接を説明する模式図である。ここで開示される二次電池１００の製造方法では、図５に示されているように、透明材料Ｇと集電体３３との間に、電極タブ２１ｔが挟み込まれた後、透明材料Ｇを貫通するようにレーザＬＡが照射されて電極タブ２１ｔと集電体３３とが溶接される。図５では、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接が示されているが、ここで開示された溶接方法は、負極タブ２２ｔと集電体４３との接合にも適用できる（図４参照）。かかる溶接方法によれば、図４に示されているように、電極タブ２１ｔ，２２ｔと集電体３３，４４とが溶接された溶接部９１，９２にボイドが生じにくくなる。
この実施形態では、例えば、二次電池１００の製造方法は、用意工程、配置工程、挟み込み工程、加圧工程、溶接工程、折曲工程、収容工程、および、封口工程を含む。
用意工程では、例えば、電極体２０を用意する。例えば、正極シート２１と、負極シート２２と、セパレータ２３とを用意し、従来公知の手順で電極体２０を作製する。このとき、正極シート２１に設けられた複数の正極タブ２１ｔを重ね合わせ、負極シート２２に設けられた複数の負極タブ２２ｔを重ね合わせる。
配置工程では、例えば、正極タブ２１ｔと集電体３３とを重ね合わせる。図５に示されているように、上記用意工程で重ね合わせた複数の正極タブ２１ｔを、集電体３３の第２プレート部３３ｂ上に配置する（図４参照）。
挟み込み工程では、例えば、透明材料Ｇと集電体３３との間に正極タブ２１ｔを挟み込む。図５に示されているように、配置工程後、第２プレート部３３ｂ上に配置された複数の正極タブ２１ｔの最上面に、透明材料Ｇを配置する。このとき、例えば、正極タブ２１ｔと第２プレート部３３ｂとの溶接予定部位を覆うように透明材料Ｇを配置する。例えば、正極タブ２１ｔにしわが発生している場合は、しわを十分に伸ばしてから透明材料Ｇを配置することが好ましい。
透明材料Ｇは、例えば、正極タブ２１ｔと集電体３３とのレーザ溶接で用いられる種類のレーザ光を透過できる材料によって構成されうる。透明材料Ｇにおける波長９００ｎｍ～１２００ｎｍ（例えば、１０７０ｎｍ）の光線透過率は、例えば７０％以上であり、好ましくは８０％以上であり、より好ましくは９０％以上であり、さらに好ましくは９５％以上であり、１００％に近いほどよい。透明材料Ｇの光線透過率は、例えば、市販の分光光度計を用いて測定することができる。
透明材料Ｇは、例えば、正極タブ２１ｔと集電体３３とのレーザ溶接の熱によって損傷されない材料によって構成されうる。透明材料Ｇとして、正極タブ２１ｔおよび集電体３３の材質に応じて適当なものが選択されうる。透明材料Ｇとして、例えば、８００℃以上の融点を有する透明材料が用いられる。例えば、正極タブ２１ｔと集電体３３とがアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる場合、８００℃以上の融点を有する透明材料が用いられることが好ましい。レーザ溶接の熱による損傷を抑制する観点から、透明材料Ｇの融点は、高いほどよい。
透明材料Ｇは、例えば、無機材料である。なかでも、透明材料Ｇとして、例えば、結晶化ガラス（約８００℃）、石英ガラス（約９００℃）、フッ化バリウムガラス（約１２００℃）、フッ化カルシウムガラス（約１４００℃）、およびサファイヤガラス（約２０００℃）が好適例として挙げられる。なお、各材料名に併記された括弧内の温度は、各材料の融点を示している。
図５に示されているように、透明材料Ｇの、正極タブ２１ｔとの接触面Ｇ１における径ＤＧは、レーザＬＡの照射径ＤＬよりも大きく設定されうる。上記径ＤＧは、例えば、透明材料Ｇの上記接触面における最小径である。レーザＬＡの照射径ＤＬは、例えば、レーザ溶接装置で設定された値である。透明材料Ｇの形状としては、例えば、円柱状や多角柱状が挙げられる。なお、透明材料Ｇの形状および寸法は、少なくとも溶接予定部位をカバーできるものであればよいため、上述のものに限定されない。
加圧工程では、例えば、集電体３３上に配置された正極タブ２１ｔを集電体３３に対して押圧する。例えば、透明材料Ｇに、図５中の矢印Ｐの向きに所定の圧力を付与することで、正極タブ２１ｔを第２プレート部３３ｂに対して押圧することができる。このように、透明材料Ｇを用いて正極タブ２１ｔを集電体３３に対して押圧する手段は、特に限定されない。かかる押圧手段として、例えば、バネ加圧の任意の治具等を使用するとよい。なお、加圧工程の実施は必須ではない。他の実施形態において、加圧工程を省略することもできる。
加圧工程で透明材料Ｇに付与される圧力の大きさは、特に限定するものではないが、例えば、１０Ｎ～２００Ｎに設定されうる。上記圧力は、例えば、１００Ｎ以上に設定されることが好ましい。
溶接工程では、例えば、レーザを照射して正極タブ２１ｔと集電体３３とを溶接する。図５に示されているように、矢印Ｐの方向に所定の圧力を透明材料Ｇに圧力を付与した状態で、透明材料Ｇを貫通するように、溶接予定部位に向かってレーザＬＡを照射して、正極タブ２１ｔおよび第２プレート部３３ｂを溶接する。なお、レーザＬＡの照射径、出力等の諸条件は、例えば、レーザ溶接に供する正極タブ２１ｔおよび集電体３３の材質、正極タブ２１ｔの積層数等によって適宜設定されうる。
溶接工程を実施することで、例えば、正極タブ２１ｔと第２プレート部３３ｂとの溶接部９１が形成される。溶接部９１は、例えば、正極タブ２１ｔと集電体３３とが溶融し凝固して相互に接合された部位である。図６は、溶接部９１の近傍の断面図である。図６に示されているように、溶接部９１では、正極タブ２１ｔが溶融し凝固した部分９１ａと集電体３３が溶融し凝固した部分９１ｂとがつながることで、正極タブ２１ｔと集電体３３との接合（溶接）が実現している。
レーザＬＡの種類は、特に限定されず、正極タブ２１ｔと集電体３３との構成材料に応じて適宜選択されうる。レーザＬＡの種類としては、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、半導体レーザ、ディスクレーザ、ファイバーレーザ等が挙げられる。レーザＬＡの照射径ＤＬは、例えば、０．５ｍｍ～１．０ｍｍに設定されうる。
この実施形態では、溶接工程において、負極側でも同様の溶接を行い、負極タブ２２ｔと集電体４３との溶接部９２を形成する。なお、例えば、負極タブ２２ｔと集電体４３とが銅または銅合金からなる場合、１２００℃以上の融点を有する透明材料が好ましく用いられうる。
特に限定するものではないが、溶接工程の後、例えば、透明材料Ｇを他の正極タブ２１ｔと他の集電体３３とのレーザ溶接時に用いることができる。このとき、例えば、リサイクルのために透明材料Ｇ（少なくとも正極タブ２１ｔが接触した面Ｇ１）を洗浄してもよい。
取付工程では、例えば、電極タブと同極の集電体３３，３４とを溶接した後、集電体３３，３４を蓋１４に取り付ける。例えば、予め集電体３３および集電体４３を除く部材を蓋１４に取り付けた合体物を用意しておき、かかる合体物の内部絶縁部材６０の所定部位に、正極タブ２１ｔが溶接された集電体３３と、負極タブ２２ｔが取り付けられた集電体４３と、を取り付ける。
折曲工程では、例えば、取付工程で蓋１４に集電体３３，３４を取り付けた後、正極タブ２１ｔと負極タブ２２ｔとを折り曲げる。図２，３に示されているように、正極タブ２１ｔと負極タブ２２ｔとを、電極体をケース本体１２に収容した後で幅広面１２ｂに沿った状態となるように、折り曲げる。上記折り曲げを行う前に、必要に応じて、複数の電極タブを束ねてもよい。
収容工程では、例えば、電極体２０をケース本体１２内に収容する。例えば、上記折曲工程後、電極体２０を予め袋状に成形した絶縁フィルム２９で包み込む。次いで、絶縁フィルム２９で包み込まれた状態の電極体２０を、ケース本体１２内に収容する。
封口工程では、例えば、電池ケース１０を封口する。例えば、電極体２０を収容した後、蓋１４をケース本体１２の開口１２ｈに重ね合わせて、蓋１４とケース本体１２とを溶接する。
封口工程後、例えば、電池ケース１０内に従来公知の方法にて電解液を注液し、注液孔を封止して、電池ケースを密閉する。その後、例えば、所定の条件の下、初期充電およびエージング処理を実施し、使用可能状態の二次電池１００を作製することができる。
このように、この実施形態では、透明材料Ｇと集電体３３とに正極タブ２１ｔが挟み込まれた後、透明材料Ｇを貫通するようにレーザＬＡが照射されて集電体３３と正極タブ２１ｔとが溶接されている。この実施形態では、透明材料Ｇと集電体３３とに正極タブ２１ｔが挟み込まれることで、集電体３３に重ねられた正極タブ２１ｔの上に透明材料Ｇが配置されて、集電体３３に正極タブ２１ｔが隙間なく重ねられる。そして、透明材料Ｇを貫通するようにレーザＬＡが照射されることによって、隙間なく重ねられた集電体３３に正極タブ２１ｔをレーザ溶接することができる。これにより正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１にボイドが発生するのを抑制することができ、延いては、二次電池１００の電池抵抗の上昇を抑制することができる。
電極体２０は、正極タブ２１ｔを複数備えている。この製造方法では、複数の正極タブ２１ｔを重ね合わせた状態で、集電体３３と透明材料Ｇとの間に挟み込む。ここでは、正極タブ２１ｔと集電体３３とを隙間なく重ねられるとともに、正極タブ２１ｔと正極タブ２１ｔとの間に隙間が生じるのを抑制することができる。そのため、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１にボイドが発生するのをよりよく抑制することができる。
この製造方法では、溶接工程において、透明材料Ｇを用いて１００Ｎ以上の圧力で正極タブ２１ｔを押圧した状態でレーザＬＡを照射する。正極タブ２１ｔを集電体３３に対して押圧するため、より効果的に、正極タブ２１ｔと集電体３３とを隙間なく重ねられる。そのため、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１にボイドが発生するのをよりよく抑制することができる。
この製造方法で用いられる透明材料Ｇの、正極タブ２１ｔとの接触面Ｇ１の径ＤＧは、レーザＬＡの照射径ＤＬよりも大きい。レーザＬＡを照射する部位（例えば溶接予定部位）を透明材料Ｇでカバーすることができるため、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１におけるボイド発生抑制効果をよりよく実現することができる。
この製造方法は、溶接後、透明材料Ｇの正極タブ２１ｔとの接触面（面Ｇ１）を洗浄することを含む。透明材料Ｇの面Ｇ１を洗浄することで、透明材料Ｇをリサイクルすることができる。また、洗浄によって溶接時の付着物を取り除くことで、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１におけるボイド発生抑制効果をよりよく実現することができる。
この製造方法では、透明材料Ｇとして、８００℃以上の融点を有する透明材料が用いられる。レーザ照射中における透明材料Ｇの破損を抑制し、より安定的なレーザ溶接を実現することができる。
この製造方法では、透明材料Ｇとして、結晶化ガラス、石英ガラス、フッ化バリウムガラス、フッ化カルシウムガラス、およびサファイヤガラスからなる群から選ばれた少なくとも一種の透明材料を用いる。かかる材質の透明材料Ｇは、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１におけるボイド発生抑制効果を実現するのに好適である。
この製造方法を実施すると、二次電池１００を製造することができる。二次電池１００では、正極タブ２１ｔは、集電体３３にレーザ溶接されている。図６に示されているように正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１では、正極タブ２１ｔと集電体３３とが、隙間なく重ねられた状態で溶接されている。溶接部９１において、正極タブ２１ｔと集電体３３とが隙間なく重ねられた状態で溶接されていることは、例えば、正極タブ２１ｔと集電体３３との重ね合わせ方向に沿った断面を走査電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）で観察することによって確認されうる。例えば、上記ＳＥＭ観察を行うと、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１にボイドが観察されない（詳しくは、後述の試験例参照）。正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１におけるボイドの発生が抑制されていることによって、二次電池１００の電池抵抗の上昇が抑制されうる。
また、二次電池１００では、電極体２０は、正極タブ２１ｔを複数備えている。複数の正極タブ２１ｔは、重ね合わされた状態で集電体３３に溶接されている。ここでは、正極タブ２１ｔと集電体３３との溶接部９１における、ボイドの発生がよりよく抑制されている。
二次電池１００は、各種用途に利用可能であるが、例えば、乗用車、トラック等の車両に搭載されるモータ用の動力源（駆動用電源）として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、例えば、プラグインハイブリッド自動車（Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ （ＰＨＥＶ））、ハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ （ＨＥＶ））、電気自動車（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ （ＢＥＶ））等が挙げられる。
以下、本発明者が行った、ここで開示される二次電池の製造方法における正極タブ２１ｔと集電体３３とのレーザ溶接の一試験例を説明する。
＜実施例＞
電極タブとしての６０枚のアルミニウム箔（Ａ１０５０、厚み：１５μｍ）と、集電体としてのアルミニウム板（Ａ１０５０、厚み：８００μｍ）と、透明材料としての円柱状（径：１０ｍｍ）のサファイヤガラスと、を用意した。アルミニウム箔を重ね合わせて、アルミニウム板上に配置した。次いで、重ね合わせられたアルミニウム箔の最上面に、サファイヤガラスを配置し、アルミニウム箔を、アルミニウム板とサファイヤガラスとの間に挟み込んだ。次いで、サファイヤガラスの上にバネ加圧の任意の治具を用いて、１００Ｎの圧力で、アルミニウム箔をアルミニウム板に対して押圧した。このように押圧した状態で、サファイヤガラスを貫通するようにファイバーレーザ（波長：１０７０ｎｍ、照射径：０．６ｍｍ）を照射して、アルミニウム箔とアルミニウム板とを溶接した。
＜比較例＞
サファイヤガラスを使用しなかった。そのため、サファイヤガラスとアルミニウム板との間にアルミニウム箔を挟み込まなかった。それ以外は、実施例と同様の材料および手順を用いてアルミニウム箔とアルミニウム板とを溶接した。
溶接後、実施例および比較例のアルミニウム箔とアルミニウム板との溶接部位の断面を、ＳＥＭにて観察した。観察倍率は、５０倍であった。図７は、実施例のＳＥＭ観察像である。図８は、比較例のＳＥＭ観察像である。図７，８に記載のスケールバーは、２００μｍを示している。図７，８に関して、図中の左上にある積層構造は積層されたアルミニウム箔である。当該積層構造の下側には、アルミニウム箔が示されている（図中の左下）。当該積層構造の右側には、アルミニウム箔とアルミニウム板との溶接部が示されている（図中の右上）。
図７に示されているように、サファイヤガラスとアルミニウム板との間にアルミニウム箔を挟み込んだ後、サファイヤガラスを貫通するようにレーザを照射してアルミニウム箔とアルミニウム板とを溶接した、実施例では、アルミニウム箔とアルミニウム板との溶接部において、アルミニウム箔とアルミニウム板との間でボイドの発生が抑制されていた。一方、図８に示されているように、サファイヤガラスを使用しなかった比較例では、アルミニウム箔とアルミニウム板との溶接部において、ボイドの発生が観察された。
以上、ここで開示される技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記実施形態では正極側および負極側のいずれでも、透明材料Ｇを用いた電極タブと集電体との溶接を行った。しかし、これに限定されず、正極側および負極側のいずれか少なくとも一方で、透明材料Ｇを用いた電極タブと集電体との溶接を行えばよい。
また、上記実施形態では、電池ケース１０に収容した電極体２０は、１つであった。しかし、これに限定されない。例えば、２つの電極体２０を収容してもよい。この場合、例えば、２つの電極体２０は、集電体３３および集電体４３に対して、正極タブ２１ｔと負極タブ２２ｔとを向けて対称に配置される（図４参照）。そして、正極タブ２１ｔと負極タブ２２ｔとは、集電体３３および集電体４３に重ねられて接合される。
また、上記実施形態では、電極体２０の電極シートの短手方向における同じ端部に正極タブ２１ｔおよび負極タブ２２ｔが設けられていた。しかし、これに限定されない。上記短手方向の一方の端部に正極タブ２１ｔが設けられ、他方の端部に負極タブ２２ｔが設けられてもよい。
また、電極体２０の形状は、上述の形状に限定されない。例えば、上記実施形態では、電極タブが、シート短手方向の一の端部から突出した矩形状の電極タブであった。しかし、電極タブは、例えば、シート短手方向の一の端部において、シート長手方向に沿って帯状に設けられた活物質層未形成部であってもよい。例えば、かかる活物質層未形成部を有する正極シートおよび負極シートを、セパレータを介在させつつ、シート短手方向の片側に正極活物質層未形成部が突出し、もう一方に負極活物質層未形成部が突出するように重ね合わせて捲回する。そして、正負極の活物質層未形成部を集箔して、それぞれ正負極集電体と溶接する。このような形状の捲回電極体を用いてもよい。また、上記実施形態では、電極体２０は、捲回電極体であった。しかし、これに限定されない。電極体２０は、矩形シート状の正極シートと矩形シート状の負極シートとが、矩形シート状のセパレータを介して積層された積層電極体であってもよい。
１０ 電池ケース
２０ 電極体
２１ 正極シート
２１ａ 正極集電箔
２１ｂ 正極活物質層
２１ｔ 正極タブ
２２ 負極シート
２２ａ 負極集電箔
２２ｂ 負極活物質層
２２ｔ 負極タブ
２３ セパレータ
２９ 絶縁フィルム
３０ 正極端子
３１ 外部端子
３２ 接続部材
３３ 集電体
４０ 負極端子
４１ 外部端子
４２ 接続部材
４３ 集電体
５０ 外部絶縁部材
６０ 内部絶縁部材
９１、９２ 溶接部
１００ 二次電池

Claims (6)

  1. 電極タブを有する電極体と、
    前記電極タブを介して前記電極体と電気的に接続された集電体と、
    を備える二次電池の製造方法であって、
    透明材料と前記集電体との間に前記電極タブを挟み込んだ後、該透明材料を貫通するようにレーザを照射して前記電極タブと前記集電体とを溶接すること、
    を含み、
    前記電極体は、前記電極タブを複数備えており、
    複数の前記電極タブを重ね合わせた状態で、前記集電体と前記透明材料との間に挟み込み、
    前記溶接において、前記透明材料を用いて１００Ｎ以上の圧力で前記電極タブを押圧した状態でレーザを照射する、製造方法。
  2. 前記透明材料の、前記電極タブとの接触面の径は、前記レーザの照射径よりも大きい、請求項１に記載された製造方法。
  3. 前記溶接後、前記透明材料の前記電極タブとの接触面を洗浄することを含む、請求項１または２に記載された製造方法。
  4. 前記透明材料として、８００℃以上の融点を有する透明材料が用いられる、請求項１～３のいずれか一項に記載された製造方法。
  5. 前記透明材料として、結晶化ガラス、石英ガラス、フッ化バリウムガラス、フッ化カルシウムガラス、およびサファイヤガラスからなる群から選ばれた少なくとも一種の透明材料が用いられる、請求項１～４のいずれか一項に記載された製造方法。
  6. 前記透明材料は、円柱状または多角柱状である、請求項１～５のいずれか一項に記載された製造方法。
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