JP2012169255A - 二次電池及び二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ溶接によるマイクロクラックの欠陥発生を抑止し、二次電池の高品質及び高信頼性を実現する。
【解決手段】二次電池は、電解液を注液するための注液口を有し、その注液口から注液された電解液を電極体と共に収容する容器と、容器に固着され、注液口を塞ぐ封口蓋８とを備え、その封口蓋８は、封口蓋８及び容器の蓋体３ｂにわたる深さで環状に存在する溶接痕８ｅと、封口蓋８の厚さに相当する深さで封口蓋８における溶接痕８ｅの内周側でその溶接痕８ｅに重なって環状に存在する内周側溶融痕８ｆとを有している。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、二次電池及び二次電池の製造方法に関する。

近年、リチウムイオン電池に代表される二次電池では、車載用途を中心に各種用途が広がり、生産は拡大の一途をたどっている。二次電池を製造する際、金属ケース内に電池の構成部品を封入して製造する方法が採用される場合が多い。また、二次電池のスペース効率向上のため、従来の丸型ケースよりも、角型の電池ケースが採用されることが多くなってきている。丸型及び角型のどちらの電池ケースの場合においても、構造体を効率よく製造することができるレーザ溶接はリチウムイオン電池製造に多く用いられるようになってきている。

リチウムイオン電池の製造工程において、レーザ溶接がよく用いられる工程は以下の三工程である。
１．アルミ缶本体とキャップ体とを接続するキャップシーム溶接
２．電解液を注液する注液口を塞ぐための封止溶接
３．複数のセルを電気的に並列または直列に接続するための部品溶接

特許第３５８５２１３号公報

しかしながら、前述の工程のうち２の封止溶接工程は、接合対象物の表面から対向面までレーザ光を貫通させて対向物を溶融させることで一体化を行う工程となるため、凝固過程でマイクロクラックが発生してしまう。

本発明が解決しようとする課題は、レーザ溶接によるマイクロクラックの欠陥発生を抑止し、高品質及び高信頼性を実現することができる二次電池及び二次電池の製造方法を提供することである。

実施形態に係る二次電池は、電解液を注液するための注液口を有し、注液口から注液された電解液を電極体と共に収容する容器と、容器に固着され、注液口を塞ぐ封口蓋とを備え、封口蓋は、封口蓋及び容器にわたる深さで環状に存在する溶接痕と、封口蓋の厚さに相当する深さで封口蓋における溶接痕の内周側で溶接痕に重なって環状に存在する内周側溶融痕とを有している。

実施形態に係る二次電池の製造方法は、電解液が注液された容器の注液口を塞ぐように容器上に封口蓋を載置し、載置した封口蓋に対し、封口蓋及び容器にわたる深さで封口蓋に溶接痕を形成するようにレーザ光を環状に照射して容器に封口蓋を溶接し、溶接した封口蓋に対し、封口蓋の厚さに相当する深さで封口蓋における溶接痕の内周側に溶接痕に重ねて内周側溶融痕を形成するようにレーザ光を環状に照射する。

実施の一形態に係る二次電池の概略構成を示す外観斜視図である。 図１に示す二次電池が備える容器の封口蓋周辺を拡大して示す平面図である。 図２のＡ１−Ａ１線断面図である。 図１に示す二次電池を製造する製造工程の流れを示すフローチャートである。 図４に示す製造工程中のレーザ溶接を説明するための説明図である。 図４に示す製造工程中のレーザ溶接による溶接痕を説明するための断面図である。 図４に示す製造工程中のレーザ照射による内周側溶融痕を説明するための断面図である。 図４に示す製造工程中の二回目あるいは三回目のレーザ出力とマイクロクラックの発生数との関係を説明するための説明図である。 連続波レーザ光照射による溶接痕とパルスレーザ光照射による溶接痕とを説明するための説明図である。

実施の一形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る二次電池１は、電極体２と、その電極体２を電解液と共に収容する容器３と、一対の正極端子４及び負極端子５とを備えている。この二次電池１としては、例えば、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池が挙げられる。

電極体２は発電要素である正極シート及び負極シートがセパレータを介してスパイラス状に巻かれて形成されており、容器３内に電解液と共に収納されている。

容器３は扁平な直方体形状の外装容器であり、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属により形成されている。この容器３は、上端（図１中）が開口する一端開口の容器本体３ａと、その容器本体３ａの開口を塞ぐ矩形板状の蓋体３ｂとを有しており、その蓋体３ｂが容器本体３ａに溶接されて液密に形成されている。

正極端子４は蓋体３ｂの長手方向の一端部に設けられており、負極端子５がその他端部に設けられている。これらの正極端子４及び負極端子５は電極体２の正極及び負極にそれぞれ接続されており、蓋体３ｂの上面から突出している。また、どちらか一方の端子、例えば正極端子４は蓋体３ｂに電気的に接続されて容器３と同電位になっている。負極端子５は蓋体３ｂを貫通して延伸しており、その負極端子５と蓋体３ｂとの間には、合成樹脂やガラスなどの絶縁体からなるシール材、例えばガスケット（図示せず）が設けられている。このシール材は、負極端子５と容器３との間を気密にシールすると共に電気的に絶縁している。

蓋体３ｂの中央部には、例えば矩形状の安全弁６が設けられている。この安全弁６は蓋体３ｂの一部を約半分程度の厚さに薄くして形成されており、その薄い部分の上面中央部には刻印が形成されている。安全弁６は、二次電池１の異常などにより容器３内にガスが発生して容器３の内圧が所定値以上に上昇した場合、開状態となって容器３内のガスを放出し、容器３の内圧を下げて二次電池１の破裂などの不具合を防止する。

また、蓋体３ｂには、容器３内に電解液を注液するための注液口７が形成されている。この注液口７は貫通孔であり、例えば円形状に形成されている。電解液は注液口７から容器３内に注入される。

さらに、蓋体３ｂには、注液口７を塞ぐ封口蓋８が設けられている。この封口蓋８は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属により形成されており、注液口７を塞ぐように蓋体３ｂ上に固着されている。封口蓋８は例えば円形状に形成されており、その半径が注液口７の半径より大きくされ蓋体３ｂに溶接可能に形成されている。

ここで、封口蓋８は、その上面にレーザ光が円環状に照射されることで蓋体３ｂに溶接される。このとき、最初に、金属が溶ける出力のレーザ光が封口蓋８の外縁上の四箇所に照射され（仮溶接）、その後、封口蓋８の表面上に円環状に一回照射され（本溶接）、さらに、円環状に二回照射される。

このため、図２及び図３に示すように、封口蓋８は、仮溶接による四つの円形状の溶接痕８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと、本溶接による一つの円環状の溶接痕８ｅ（図３参照）と、その本溶接後のレーザ照射による円環状の第１の溶融痕８ｆ及び第２の溶融痕８ｇとを有している。

円形状の各溶接痕８ａ〜８ｄは、本溶接前のレーザ照射により封口蓋８が蓋体３ｂに仮溶接されることで生じる痕である。この仮溶接は、本溶接時に封口蓋８の表面上に円環状にレーザ光を照射することで封口蓋８が移動してしまうことを防止するため実行される。

溶接痕８ｅは、本溶接のレーザ照射により封口蓋８が蓋体３ｂに溶接されることによって生じる痕である。この本溶接は、封口蓋８の表面上に金属が溶ける出力のレーザ光を円環状に照射することにより実行される。これにより、溶接痕８ｅは、封口蓋８及び容器３にわたる深さで円環状に存在しており、蓋体３ｂに対する封口蓋８の固着に寄与している。

第１の溶融痕８ｆ及び第２の溶融痕８ｇは、本溶接後のレーザ照射により溶接痕８ｅの内周側及び外周側の両側にその溶接痕８ｅに重なって存在し、互いに近接している痕である。レーザ照射は、封口蓋８の表面上に円環状に金属が溶ける出力（ただし、前述の溶接時より低い出力であって溶融痕が封口蓋８の厚さと同じ深さになる出力）のレーザ光を照射することにより実行される。

これにより、第１の溶融痕８ｆは、封口蓋８の厚さと同じ深さで封口蓋８における溶接痕８ｅの内周側で溶接痕８ｅに重なって円環状に存在している。また、第２の溶融痕８ｇも、封口蓋８の厚さと同じ深さで封口蓋８における溶接痕８ｅの外周側で溶接痕８ｅに重なって円環状に存在している。なお、第１の溶融痕８ｆが内周側溶融痕として機能し、第２の溶融痕８ｇが外周側溶融痕として機能する。

次に、前述の二次電池１の製造工程（製造方法）について説明する。

図４に示すように、まず、電解液注入装置を用いて容器３内に注液口７から電解液を注入し（ステップＳ１）、その後、電解液が注液された容器３をレーザ照射装置に供給する（ステップＳ２）。

次いで、電解液が注液された容器３の周囲雰囲気を減圧状態にする（ステップＳ３）。容器３の全体あるいは封口蓋８が位置する上部のみが密閉空間、すなわちレーザ照射装置のチャンバ内に閉じ込められている。チャンバ内の密閉空間の雰囲気は、例えば、Ｎ_２雰囲気で２０ｋＰａに減圧される。

ステップＳ３の減圧後、ロボットなどの載置アームにより、容器３の蓋体３ｂ上に、注液口７を塞ぐように封口蓋８を載置し（ステップＳ４）、その載置状態で、レーザ照射装置を用いて封口蓋８の外縁上の二箇所（図２中の上下の二箇所）にレーザ光を照射し、蓋体３ｂに封口蓋８を仮溶接する（ステップＳ５）。これにより、二つの円形状の溶接痕８ａ、８ｂが封口蓋８の外縁上に形成される。

その後、載置アームを退避させ（ステップＳ６）、レーザ照射装置を用いて封口蓋８の外縁上の二箇所（図２中の左右の二箇所）にレーザ光を照射し、蓋体３ｂに封口蓋８を仮溶接する（ステップＳ７）。これにより、二つの円形状の溶接痕８ｃ、８ｄが封口蓋８の外縁上に形成される。

ここで、ステップＳ５において載置アームの退避前に二箇所の仮溶接を行っているが、その二箇所の仮溶接前に載置アームを退避させると、その載置アームの退避動作により蓋体３ｂ上の封口蓋８が移動して所定位置からずれてしまうことがある。これを防止するため、前述のように載置アームの退避前に二箇所の仮溶接が実行される。なお、ステップＳ５及びステップＳ７の仮溶接は、本溶接時のレーザ照射により封口蓋８が移動することを防止するために実行される。

ステップＳ７の仮溶接後、レーザ照射装置を用いて、蓋体３ｂに封口蓋８をレーザ溶接する本溶接を行い（ステップＳ８）、さらに、レーザ溶接部に生じるマイクロクラックを消滅させ（ステップＳ９）、最後に、出荷テストなどの所定の検査を行う（ステップＳ１０）。

ステップＳ８おいて、レーザ照射装置は、図５に示すように、レーザ照射部１１を用いて、封口蓋８の表面上に金属が溶ける出力のレーザ光を円環状に走査して照射する。これにより、レーザ光が注液口７の外縁に沿う円環状に照射され、封口蓋８は蓋体３ｂに溶接される。

ここで、レーザ光を走査する走査方式としては、ガルバノスキャナなどのスキャナを用いて走査する方法を用いることが高速にレーザ光を走査することができるため望ましい。ただし、走査速度によっては、容器３のワーク本体を回転させる方法や、光学系をロボットなどの移動機構を用いて移動させる方法を用いても良い。

前述のステップＳ８のレーザ溶接により、図６に示すように、封口蓋８には、溶接痕８ｅが封口蓋８及び容器３にわたる深さで円環状に形成される。このとき、金属製の封口蓋８の下面と蓋体３ｂの上面との境界からマイクロクラックＫ１、Ｋ２が発生することがある。レーザ照射条件の最適化や封口蓋８の材質、蓋体３ｂの材質の最適化などを行っても、マイクロクラックＫ１、Ｋ２を無くすことは非常に難しい。そこで、ここでは、ステップＳ９のレーザ照射によりマイクロクラックＫ１、Ｋ２を消滅させる。

ステップＳ９において、レーザ照射装置は、図５に示すように、レーザ照射部１１を用いて、溶接痕８ｅの内周側にその溶接痕８ｅに重なるように金属が溶ける出力のレーザ光を円環状に走査して照射し、その後、溶接痕８ｅの外周側にその溶接痕８ｅに重なるように金属が溶ける出力のレーザ光を円環状に走査して照射する。この工程でのレーザ光の出力は、前述のステップＳ８のレーザ溶接時より低く、封口蓋８の厚さと同じ溶け込み深さが得られる値に設定される。

前述の溶接痕８ｅの内周側へのレーザ照射により、図７に示すように、封口蓋８には、溶接痕８ｅの内周側に重なる第１の溶融痕８ｆが封口蓋８の厚さと同じ深さで円環状に形成される。この第１の溶融痕８ｆの形成過程、すなわちレーザ照射により封口蓋８の一部が溶融して凝固する過程で、マイクロクラックＫ１が消滅する。

さらに、前述の溶接痕８ｅの外周側へのレーザ照射により、図３に示すように、溶接痕８ｅの外周側に重なる第２の溶融痕８ｇが封口蓋８の厚さと同じ深さで円環状に形成される。この第２の溶融痕８ｇの形成過程、すなわちレーザ照射により封口蓋８の一部が溶融して凝固する過程で、マイクロクラックＫ２が消滅する。

なお、前述の溶接痕８ｅの内周側へのレーザ照射と前述の溶接痕８ｅの外周側へのレーザ照射との両方が行われているが、これに限るものではなく、少なくとも前述の溶接痕８ｅの内周側へのレーザ照射だけが行われれば良い。これは、車載品質の確保を考えた場合、注液口７側（内側）のマイクロクラックＫ１（図６参照）のみを消滅させれば寿命品質上、問題はないとされているためである。ただし、さらに高い品質が要求される特殊な用途の場合などには、両側のマイクロクラックＫ１、Ｋ２を消滅させることが必要になる。

このように二次電池１の製造工程では、注液口７上に置いた封口蓋８の表面上にレーザ光を集光して円環状に照射し、容器３の蓋体３ｂに封口蓋８を溶接した後、最初に照射したレーザ光の軌跡より内側あるいは外側にシフトした位置に、最初に照射したレーザ出力よりも低い出力で二回目あるいは三回目のレーザ光を円環状に照射する。

軌跡のシフト量は、例えば、最初のレーザ照射における溶接ビード幅の１％〜９９％になるように制御される。また、二回目あるいは三回目のレーザ出力は、溶融痕８ｆ、８ｇの溶け込み深さが封口蓋８の厚さと同じになる値に制御されるが、これに限るものではなく、封口蓋８の厚さに相当する深さ、例えば封口蓋８の厚さの±２０％以内（深さをｘとし、厚さをａとすると、０．８×ａ≦ｘ≦１．２×ａの関係式が成り立つ）の溶け込み深さが得られる値に制御されれば良い。

ここで、前述の製造工程により製造した二次電池１と、クラック消滅工程を省いた製造工程により製造した二次電池とを比較すると、クラック消滅工程を省いた製造工程により製造した二次電池では、ほぼ１００％の確率でマイクロクラックが発生していた。そのクラックの長さは０．０２ｍｍ〜０．１１ｍｍであった。これに対し、前述のクラック消滅工程を含む製造工程により製造した二次電池１では、マイクロクラックの発生は０（ゼロ）となった。

このような良好な製造条件を導出するためには、二回目あるいは三回目に照射するレーザ光の出力を調整することが重要である。例えば、レーザ出力をパラメータにした場合には、図８に示すように、二回目あるいは三回目に照射するレーザ出力はマイクロクラックの発生数に大きな影響を与える。すなわち、図８では、マイクロクラックの発生数はレーザ出力に応じて変化し、レーザ出力が１．５ｋＷであるとき０（ゼロ）になっている。したがって、二回目あるいは三回目に照射するレーザ出力を最適化することによって、マイクロクラックの発生数を０（ゼロ）にすることができる。

なお、前述の封口蓋９の溶接では、その封口蓋９を溶接する際に、容器３の全体又は封口蓋９が位置する上部のみを密閉空間に閉じ込め、その密閉空間内を減圧雰囲気にしているが、このとき、排気速度が高い場合や到達真空度が高い場合などには、注液口７から多量の電解液が漏洩するため、減圧雰囲気を１０ｋＰａから３０ｋＰａの範囲に制御することが重要であり、例えば２０ｋＰａの圧力を目標値として排気系を制御する。その後、前述のように、減圧雰囲気中で封口蓋９上にレーザ光を照射して溶接を行う。

ここで、前述のレーザ光として連続波レーザ（ＣＷ（Continuous Wave）レーザ）光を用いた場合とパルスレーザ光を用いた場合とを図９を参照して説明する。図９では、上側が連続波レーザ光照射による溶接痕９ａであり、下側がパルスレーザ光照射による溶接痕９ｂである。なお、連続波レーザ光は時間的に連続なレーザ光であり、前述のパルスレーザ光は時間的に非連続なレーザ光である。

図９に示すように、連続波レーザ光照射による溶接痕９ａは、連続する一本の直線になっているが、パルスレーザ光照射による溶接痕９ｂには、溶接欠陥Ｋ３が発生している。パルスレーザによる溶接では、パルスエネルギーが時間的に非連続のために溶融時間が短く、レーザエネルギーが弱いレーザパルスが一発でも照射されると、溶接痕（溶接ビード）９ｂはその影響を強く受けるため、溶接欠陥Ｋ３が発生しやすい。

これに対して、連続波レーザによる溶接では、金属の溶融時間が比較的長く、金属の溶融池が連続的に移動するため、多少のパワー変動があっても、加工痕である溶接痕９ａには、ほとんど影響が及ばない。また、溶接対象である金属の表面状態によってレーザ光の吸収率が変化した場合でも、上述と同じ理由で、溶接痕９ａへの影響は小さい。このため、外乱要因が生じても、連続波レーザによる溶接を用いた場合には、溶接痕９ａの乱れは小さく、極めて安定な溶接継ぎ手を得ることができる。

また、パルスレーザは比較的ピークパワーを高く取れるため、溶接加工に広く用いられているが、パルスレーザによる溶接では、加工対象である金属の溶融時間が短く、溶融痕が非連続状態（いわゆるツギハギ状態）になる。このため、スプラッシュやブローホールなどの溶接欠陥が生じやすく、継ぎ手としての信頼性が著しく低い。したがって、高い溶接品質が要求される車載用途には、パルスレーザによる溶接継ぎ手は使えないことが多い。

また、パルスレーザによるレーザ溶接のもう一つの問題点としては、生産性の低さがある。具体的には，溶接速度を最大でも数１０ｍｍ／ｓ程度にしか高められず、スループットが低く、生産性を向上させることが困難である。これに対して、ファイバレーザやディスクレーザなどの数ｋＷクラスの連続出力で発振可能な固体レーザを用いて溶接に連続波レーザ光を使用することによって、溶接の信頼性及び生産性の向上を実現することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、電解液が注液された容器３の注液口７を塞ぐように容器３上に封口蓋８を載置し、載置した封口蓋８に対し、封口蓋８及び容器３にわたる深さで封口蓋８に溶接痕８ｅを形成するようにレーザ光を環状に照射して容器３に封口蓋８を溶接し、溶接した封口蓋８に対し、封口蓋８の厚さに相当する深さで封口蓋８における溶接痕８ｅの内周側にその溶接痕８ｅに重ねて第１の溶融痕８ｆを形成するようにレーザ光を環状に照射する。これにより、環状の溶接痕８ｅの内周側、すなわち注液口７側のマイクロクラックＫ１（図６参照）を消滅させることが可能となる。したがって、レーザ溶接によるマイクロクラックＫ１の欠陥発生を抑止し、二次電池１の高品質及び高信頼性を実現することができる。また、高い歩留りで二次電池１を製造することが可能となる。

さらに、溶接した封口蓋８に対し、封口蓋８の厚さに相当する深さで封口蓋８における溶接痕８ｅの外周側にその溶接痕８ｅに重ねて第２の溶融痕８ｇを形成するようにレーザ光を環状に照射することによって、環状の溶接痕８ｅの外周側、すなわち注液口７側と反対側のマイクロクラックＫ２（図６参照）を消滅させることが可能となる。これにより、レーザ溶接によるマイクロクラックＫ２の欠陥発生を確実に抑止し、二次電池１の高品質及び高信頼性を実現することができる。

また、レーザ光を照射するとき、封口蓋８の厚さの±２０％以内の深さの第１の溶融痕８ｆあるいは第２の溶融痕８ｇを形成するようにレーザ光を照射することによって、封口蓋８と蓋体３ｂとの境界から生じるマイクロクラックＫ１、Ｋ２を確実に消滅させることが可能となる。その結果、レーザ溶接によるマイクロクラックＫ１、Ｋ２の欠陥発生をより確実に抑止することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…二次電池、２…電極体、３…容器、７…注液口、８…封口蓋、８ｅ…溶接痕、８ｆ…内周側溶融痕、８ｇ…外周側溶融痕

Claims (10)

1. 電解液を注液するための注液口を有し、前記注液口から注液された前記電解液を電極体と共に収容する容器と、
   前記容器に固着され、前記注液口を塞ぐ封口蓋と、
   を備え、
   前記封口蓋は、
   前記封口蓋及び前記容器にわたる深さで環状に存在する溶接痕と、
   前記封口蓋の厚さに相当する深さで前記封口蓋における前記溶接痕の内周側で前記溶接痕に重なって環状に存在する内周側溶融痕と、
   を有していることを特徴とする二次電池。
2. 前記封口蓋は、前記封口蓋の厚さに相当する深さで前記封口蓋における前記溶接痕の外周側で前記溶接痕に重なって環状に存在する外周側溶融痕を有していることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
3. 前記内周側溶融痕の深さは、前記封口蓋の厚さの±２０％以内の深さであることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
4. 前記外周側溶融痕の深さは、前記封口蓋の厚さの±２０％以内の深さであることを特徴とする請求項２記載の二次電池。
5. 前記溶接痕は、連続する一本の線状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
6. 電解液が注液された容器の注液口を塞ぐように前記容器上に封口蓋を載置し、
   載置した前記封口蓋に対し、前記封口蓋及び前記容器にわたる深さで前記封口蓋に溶接痕を形成するようにレーザ光を環状に照射して前記容器に前記封口蓋を溶接し、溶接した前記封口蓋に対し、前記封口蓋の厚さに相当する深さで前記封口蓋における前記溶接痕の内周側に前記溶接痕に重ねて内周側溶融痕を形成するようにレーザ光を環状に照射することを特徴とする二次電池の製造方法。
7. 溶接した前記封口蓋に対し、前記封口蓋の厚さに相当する深さで前記封口蓋における前記溶接痕の外周側に前記溶接痕に重ねて外周側溶融痕を形成するようにレーザ光を環状に照射することを特徴とする請求項６記載の二次電池の製造方法。
8. 前記レーザ光を照射するとき、前記封口蓋の厚さの±２０％以内の深さの前記内周側溶融痕を形成するようにレーザ光を照射することを特徴とする請求項６記載の二次電池の製造方法。
9. 前記レーザ光を照射するとき、前記封口蓋の厚さの±２０％以内の深さの前記外周側溶融痕を形成するようにレーザ光を照射することを特徴とする請求項７記載の二次電池の製造方法。
10. 前記レーザ光として連続波レーザ光を用いることを特徴とする請求項６記載の二次電池の製造方法。

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