JP2004039284A - 角形電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接品質の安定化をはかり、安全で信頼性の高い角形電池を提供する。
【解決の手段】外装缶と封口板との当接領域を、エネルギービームを用いてほぼ方形のパターンを描画するエネルギー照射工程により接合する方法であって、前記エネルギー照射工程は、描画開始点が、前記方形の短辺または長辺上の１点にあり、前記当接領域に沿って１周したのち、少なくとも１つのコーナー部を経て、描画終了点が長辺または短辺上の１点に位置するように実行されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角形電池の製造方法にかかり、特に、角形電池の外装容器と封口体との溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ニッケル−水素化物蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池は、正極および負極の間にセパレータを介在させ、これらを渦巻状に巻回もしくは積層した後、正極あるいは負極の端部に集電体を接続して電極体を形成し、この電極体を外装容器としての金属製電池ケースに収納して集電体から伸長する集電リードを封口体に溶接した後、封口体を電池ケースの開口部に装着することにより密閉される。
【０００３】
一般に、ニッケルーカドミウム蓄電池、ニッケルー水素蓄電池などのアルカリ蓄電池は、集電体から導出した集電リードと封口体とを溶接接続し、封口体を外装容器（電池ケース）の開口部に配置し、溶接により封口するかあるいは、外装容器をかしめ封口することによって封口処理がなされるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特に、このようなアルカリ蓄電池のうち、金属からなる角形ケースの一端に形成された開口部に金属板からなる封口体を嵌入し、当接部にレーザ溶接して密閉容器を形成した角形電池は、円筒型電池に比べてスペース使用効率が優れており、また、レーザ溶接は他の溶接方式に比較して電解液や電気絶縁部分などに対する熱的影響が少なく作業効率に優れているという利点を有している。
【０００５】
通常、上述のような角形ケースは金属平板の成型によって形成されるため、角部はある曲率半径をもち、それに応じて封口体の角部もそれに応じた曲率半径を持つ。
【０００６】
このような角形電池の封口体をレーザ溶接するに際し、レーザ溶接開始、終了位置をコーナー部とした場合、コーナー部の形状が不安定であることからずれが発生し易い。また、内外比により内側にレーザ深度が深く品質が不安定である。
【０００７】
そこで図６に示すように、レーザ照射の始点Ｓ・終点Ｅを一直線上にすることで溶接品質の安定化をはかるようにしている（特許第３０９９６７０号公報）。図６は、角形電池を上面からみた模式図であり、矢印は、外装容器１０の上面に封口体３０を溶接するレーザの照射プロファイルを示す図である。１６は封口体３０から突出する端子部である。
【０００８】
ここで、レーザ照射の始点Ｓおよび終点Ｅが同じ位置である場合は、４辺の溶接強度が同等になるように溶接されている。そのため、図７に示すように、内部圧力の異常上昇時には、上方への応力Ｆが大きくなり、４辺同時に亀裂が入り、蓄積ガスｇとともに、内容物の噴出を引き起こしてしまう可能性がある。
また、始点Ｓおよび終点Ｅが同じ位置でない場合でも、図８に示すように２回走行部が１辺のみであれば、図９に示すように、１回走行部の３辺が先に亀裂が入ることで蓄積ガスｇを排出できるものの、万が一、内容物の噴出が起こりそうな場合、電極体などの内容物が電池外に出やすいという問題がある。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、更に溶接品質の安定化をはかり、更にまた安全で信頼性の高い角形電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、外装缶と封口板との当接領域を、エネルギービームを用いてほぼ方形のパターンを描画するエネルギー照射工程により接合する方法であって、前記エネルギー照射工程は、描画開始点が、前記方形の短辺または長辺上の１点にあり、前記当接領域に沿って１周したのち、少なくとも１つのコーナー部を経て、描画終了点が長辺または短辺上の１点に位置するように実行されることを特徴とする。
【００１０】
かかる構成によれば、描画開始点と、少なくとも１つのコーナー部を挟んだ位置にある描画終了点とを含む領域が２回描画領域となっており、他は１回描画領域であるため、この描画開始点と描画終了点とを含む２回描画領域で溶接強度が高くなっている。従って、内部圧力上昇時には、溶接強度が他部よりも弱く、先に亀裂が入る１回描画領域の２辺から蓄積ガスを排出することができる上、万が一内容物の噴出が起こりそうな場合でも、溶接強度が高い２回描画領域においては、封口板を外装缶に強固に固定でき、封口板が外装缶内の内容物を押さえ、電池系外に出さないような構造となり、安全性をさらに向上させることが可能となる。
【００１１】
望ましくは、前記エネルギー照射工程は、描画開始点が、前記方形の短辺上の１点にあり、前記当接領域に沿って１周したのち、少なくとも１つのコーナー部を経て、描画終了点が長辺上の１点に位置するように実行されることを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、描画開始点が、樹脂部品からもっとも遠い領域すなわち、長方形パターンからなる外装缶と封口板との当接領域の短辺上とし、樹脂部品への熱的影響がもっとも少ない領域となるようにすることにより、描画開始時に認められるレーザスポット強度のばらつきが、強度が強くなる方向にずれたとしても、樹脂部品への熱影響は最小限に抑制される。
【００１３】
また、レーザ照射が当接領域上で終了する場合、照射強度のばらつきにより、クラックやピンホールが発生することがあるため、所定のレーザ強度を保持したままで照射領域上からレーザ走査を内方にずらす、すなわち、封口板上で照射を終了することでクラック、ピンホールの発生をより確実に抑制することが可能となる。
【００１４】
また、照射終了点を接合領域の外側にずらすようにしても良い。
【００１５】
一方、描画開始点が、前記方形の長辺上の１点にあり、前記当接領域に沿って１周したのち、少なくとも１つのコーナー部を経て、描画終了点が短辺上の１点に位置するように実行してもよい。
【００１６】
これにより、レーザ強度のばらつきが大きい描画終了点が、樹脂部品からもっとも遠い領域すなわち、長方形パターンからなる外装缶と封口板との当接領域の短辺上とし、樹脂部品への熱的影響がもっとも少ない領域となるようにすることにより、描画終了時に認められるレーザスポット強度のばらつきが、強度が強くなる方向にずれたとしても樹脂部品への熱影響は最小限に抑制される。
【００１７】
また、レーザ照射の描画開始点が当接領域上にある場合、照射強度のばらつきにより、クラックやピンホールが発生することがあるが、当接領域上からレーザ走査を内方にずらす、すなわち、封口板上で照射を開始することでクラック、ピンホールの発生をより確実に抑制することが可能となる。
【００１８】
また、照射開始点を接合領域の外側にずらすようにしても良い。
【００１９】
前記エネルギー照射工程は、２回の描画パターンが重なった２回描画領域の溶接深度が、１回の描画パターンからなる１回描画領域の溶接深度よりも深くなるように溶接エネルギーを調整したことを特徴とする。
【００２０】
また望ましくは、前記エネルギー照射工程は、１回の描画パターンからなる１回描画領域の溶接深度が、使用する封口板肉厚の０．２５〜０．４５倍程度とする。封口板肉厚の０．２５倍未満にした場合、溶接強度が著しく低下することがある。一方、０．４５倍を越えると溶接強度が強すぎるためである。
【００２１】
このようにして、確実な溶接が可能となり、更に信頼性の高い蓄電池を提供する事が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をニッケル−水素蓄電池に適用した場合について図面を参照しつつ詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
なお、図１は本発明の第１の実施の形態のビーム溶接方法を示す説明図、図２は本発明の方法で形成したニッケル−水素蓄電池の要部を示す斜視図、図３（ａ）および（ｂ）はその平面図および断面図である。本発明の方法は、外装容器１０の開口部に、ニッケルめっきのなされた鉄板からなり、長方形の封口板３０を、外装容器１０の上面にレーザ溶接するもので、レーザビーム描画を短辺上の１点を描画開始点Ｓとし、図１に矢印で示すように封口板３０と外装容器１０の開口部との当接領域に沿ってレーザ溶接を行い、描画終了点Ｅは描画開始点Ｓを越えて、さらにコーナー部を通過し隣接する長辺上の点となるようにしたことを特徴とするものである。１６は封口板に突出して装着される端子部である。
【００２３】
図２は、このニッケル−水素蓄電池の斜視図、図３は、電極体２０を外装容器１０に挿入して前記導電タブ１１ａを介して封口体３０と溶接した状態を示す一部破断図である。
【００２４】
かかる方法によれば、描画開始点Ｓと、１つのコーナー部を挟んだ位置にある描画終了点Ｅとを含む領域が２回描画領域となっており、他は１回描画領域であるため、この描画開始点Ｓと描画終了点Ｅとを含む２回描画領域で溶接強度が高くなっている。
【００２５】
従って、図４に示すように、内部圧力上昇時に、応力Ｆがかかった場合、溶接強度が他部よりも弱く、先に亀裂が入る１回描画領域の２辺から蓄積ガスｇを排出することができる。従って、万が一内容物の噴出が起こりそうな場合でも、溶接強度が高い２回描画領域においては、封口板を外装缶に強固に固定でき、封口板が外装缶内の内容物を押さえ、電池系外に出さないような構造となっており、安全性をさらに向上させることが可能となる。
【００２６】
このように、２回照射領域を、コーナー部を挟んで２辺にわたるように形成することにより、１回照射領域に対して溶接強度を高くしておくことにより、内部圧力が高くなった場合に、１回照射領域から亀裂が入ることにより、ガスｇが良好に排出される。一方、コーナー部を挟んだ２回照射領域は、確実に溶接された状態で維持されるため、電極体などの内容物が飛び出したりすることもなく、安全性の高い封止状態を形成することが可能となる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
前記第１の実施の形態では、描画開始点Ｓを短辺上、描画終了点Ｅを長辺上となるようにしたが、本発明の第２の実施の形態では、同様にして形成した外装容器、電極体および封口体を用いて、図５に示すような描画プロファイルでレーザビーム照射を行うことを特徴とするものである。本実施の形態では、図５に矢印で示すように、封口板３０と外装容器１０の開口部との当接領域に沿ってレーザ溶接を行い、描画終了点Ｅは描画開始点Ｓを越えて、さらにコーナー部を通過し隣接する短辺上の点となるようにしたことを特徴とするものである。
【００２８】
かかる方法によれば、描画開始点Ｓと、１つのコーナー部を挟んだ位置にある描画終了点Ｅとを含む領域が２回描画領域となっており、他は１回描画領域であるため、この描画開始点Ｓと描画終了点Ｅとを含む２回描画領域で溶接強度が高くなっている。
【００２９】
従って、前記第１の実施の形態で説明したのと同様に、内部圧力上昇時に、応力がかかった場合、溶接強度が２回描画領域よりも弱く、先に亀裂が入る１回描画領域の２辺から蓄積ガスを排出することができる。万が一内容物の噴出が起こりそうな場合でも、溶接強度が高い２回描画領域において、封口板を外装缶に強固に固定でき、封口板が外装缶内の内容物を押さえ、電池系外に出さないような構造となっており、安全性をさらに向上させることが可能となる。
【００３０】
なお前記第１および第２の実施の形態では、レーザ照射の描画開始点Ｓも描画終了点Ｅも当接領域上となるようにしたが、いずれかを当接領域の外側あるいは内側に位置するようにし、レーザビームが不安定となる部分は溶接領域にならないようにするようにし、当接領域すなわちレーザ溶接すべき領域に確実にレーザ照射を行うようにしてもよい。これにより、レーザ深度の不安定部を当接領域から回避することができ、容易に確実な溶接面を形成することができ、確実で信頼性の高い封止接続が可能となる。
【００３１】
＜実施例＞
次にこの溶接方法を用いて形成されるニッケル−水素蓄電池について説明する。
【００３２】
１．封口体の作製
本実施形態のニッケル−水素蓄電池の封口体３０は、図２および３に示すように、底面に円形状の下方突出部を形成してなる蓋体１６ａと、正極キャップ１６ｅと、これら蓋体１６ａおよび正極キャップ１６ｅ間に介在されるＥＰＤＭ（エチレンプロプレンジエンゴム：弾性体）からなる弁体１６ｆを備えており、蓋体１６ａの中央にはガス抜き孔が形成されている。１６ｂ、ｃは集電リード、１６ｄはガスケットである。１６ｆは弁体、１６ｇは排気孔である。そして正極キャップ１６ｅ周辺部が突出して正極端子として、正極外部端子部（端子部）１６を構成している。１５はスペーサである。
【００３３】
２．電極体の作製
本実施形態のニッケル−水素蓄電池１００は、図２および３に示すように、ニッケル正極板１１と水素吸蔵合金負極板１２とを備えている。ニッケル正極板１１は、パンチングメタルからなる極板芯体の表面にニッケル焼結多孔体を形成した後、化学含浸法により水酸化ニッケルを主体とする活物質をニッケル焼結多孔体内に充填して作製されている。一方、水素吸蔵合金負極板１２は、パンチングメタルからなる極板芯体の表面に水素吸蔵合金からなるペースト状負極活物質を充填し、乾燥させた後、所定の厚みになるまで圧延して作製されている。
【００３４】
これらのニッケル正極板１１と水素吸蔵合金負極板１２との間にセパレータ１３を介在させて積層し、電極群を作製した。この電極群の上端面には、ニッケル正極板１１の端部から延出する導電タブ１１ａが露出し、封口体に形成された正極端子接続部１４に溶接する。また、下端面には水素吸蔵合金負極板１２の極板芯体であるパンチングメタルの端部１２ａが露出し、外装容器の内底面に接触せしめられている。
【００３５】
３．ニッケル−水素蓄電池の作製
そして、この封口体３０を用いてニッケル−水素蓄電池を組み立てるに際しては、まず、上述の電極体２０を、板厚０．４ｍｍの鉄にニッケルメッキを施した有底筒状の外装容器（底面の外面は負極外部端子となる）１０内に収納する。
ついで、外装容器１０内に３０質量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液からなる電解液を注入した後、この外装容器１０の開口部の上部に、封口体３０を配置した。
【００３６】
４．封口（レーザ照射）
（実施例１）
上述のように封口体を配置した後、図１に示したような描画軌跡を描くように、レーザ照射を行う。すなわち、図１に示すように、短辺上の１点を描画開始点Ｓとして描画を開始し、外装容器１０の内壁と封口体１０の外周との当接領域を、電力５００Ｗのレーザビームを速度１５００ｍｍ／ｍｉｎで照射し、描画開始点Ｓ通過後、描画開始点に隣接するコーナー部を挟んで長辺上の点を描画終了点Ｅとして描画を終了する。
【００３７】
その結果内部欠陥のない溶接強度に優れた溶接部を形成することができ、良好で確実な封止を行うことができた。
【００３８】
これにより、公称容量６５０ｍＡｈの角形ニッケル−水素蓄電池を作製した。このようにして作製された実施例１のニッケル−水素蓄電池を電池Ａとした。
【００３９】
（実施例２）
また同様にして形成した外装容器、電極体および封口体を用いて、第２の実施の形態で説明したように、図５に示す描画プロファイルでレーザビーム照射を行った。ここでは、描画開始点Ｓは長辺上の点とし、電力を５００Ｗで描画し、描画開始点Ｓ通過後、描画開始点に隣接するコーナー部を挟んで短辺上の点を描画終了点Ｅとして描画を終了する。
このようにして作製された実施例２のニッケル−水素蓄電池を電池Ｂとした。
【００４０】
（比較例１）
また同様にして形成した外装容器、電極体および封口体を用いて、図６に示したような描画プロファイルでレーザビーム照射を行った。ここでは、描画開始点Ｓは長辺上とし、描画終了点Ｅが描画開始点Ｓと一致するようにした。このようにして作製されたニッケル−水素蓄電池を電池Ｃとした。
【００４１】
（比較例２）
また同様にして形成した外装容器、電極体および封口体を用いて、図８に示したような描画プロファイルでレーザビーム照射を行った。ここでは、描画開始点Ｓは長辺上とし、描画終了点Ｅが描画開始点Ｓを越えて、同じ長辺上に位置するようにした。このようにして作製されたニッケル−水素蓄電池を電池Ｄとした。
【００４２】
５．実験
上述のように作製した各電池Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤをそれぞれ１５０個用い、缶底部分に直径数十μｍの孔をあけ、ヘリウムＨｅガスを注入し続けた後の電池の外観状況を確認し、外観状況別にレーザ溶接外れ、内容物の噴出の発生率を確認した。
なお、レーザ溶接の外れについては、レーザ照射領域における割れ目の有無を目視によって確認した。
また、内容物の噴出については、封口板の一部が外れて外装缶内の電池内容物が噴出しているものを目視により確認した。
【００４３】
その結果を表１に示す。
【表１】

【００４４】
表１の結果から、レーザの描画開始点と終了点とがコーナー部を挟んで隣接し、２辺の溶接深度がより深く形成された電池Ａ及びＢは、電池Ｃ及びＤに比べてレーザ溶接外れの発生率は高いものの、その後に生じるこのレーザ溶接外れよりも安全上問題視されている内容物の噴出の発生率が、電池Ｃ及びＤよりも大幅に低減されていることがわかる。から、レーザー溶接外れのみで電池の異常状況を回避できていると考えられる。
以上のことから、電池Ａ及びＢの方が、電池Ｃ及びＤよりも、レーザー溶接外れのみで電池の異常状況を回避できており、安全性が更に向上していることがわかる。
【００４５】
これは、レーザ照射が２回走行する部分をコーナーを含む２辺に設けることにより、内部圧力上昇時に、先に亀裂が入る１回照射領域の２辺から蓄積ガスを排出し得るためである。また内容物の噴出が起こりそうな場合にも、コーナー部を含む２辺の溶接強度が強く、しっかりと封口板を抑えているため、内容物が電池系が出るようなことはない。この結果内部圧力による内容物の噴出を起こす可能性はさらに低減され、安全性の向上をはかることが可能となったためである。
【００４６】
また、溶接深度（対封口板肉厚）を変化させてその後溶接深度とリーク発生率との関係を測定した。ここではまず溶接深度を変化させてレーザ溶接を行った外装缶を高さ方向の約１／２程度の部分で切断する。そして押し込み試験装置を用いて、断面積が数十ｍｍ^２の金属板を数ｍｍ／ｓの速度で、電池の内側より封口板に対して水平方向に押し込んでいった場合に、レーザ溶接部に亀裂が入る時の力（Ｎ／ｍｍ^２）を測定した。溶接深度０．９のときの溶接強度を１００とする。この結果を図１０に示す。ここで横軸は溶接深度、縦軸は溶接強度である。
【００４７】
図１０から、溶接深度が、使用する封口板肉圧の０．２５倍未満であると、充分な溶接強度が得られない。また、溶接深度が０．４５倍を越えると溶接深度が変化しても溶接強度はほとんど変化しなくなる。即ち、１回描画領域の溶接深度が０．４５倍を越えていると、１回描画領域の溶接強度と、２回描画領域の溶接強度との差がほとんどなくなり、２回描画領域を強固に溶接するという本発明の効果が得られない。
したがって、１回描画領域の溶接深度は、使用する封口板肉厚の０．２５〜０．４５倍程度とすることが好ましい。
【００４８】
このように、溶接深度を調整することにより、確実な溶接が可能となり、信頼性の高い蓄電池を提供する事が可能となる。
【００４９】
なお、前記各実施の形態ではレーザビームを用いたが、本発明の方法は、レーザビームに限定されることなく、電子ビームなど種々のエネルギービームを用いた溶接工程にも適用可能である。
【００５０】
さらにまた、上述した実施の形態および変形例においては、本発明をニッケル−水素蓄電池に適用する例について説明したが、本発明はニッケル−水素蓄電池に限らず、ニッケル−カドミウム蓄電池、リチウムイオン電池など等の他の角形電池にも適用可能であることは明らかである。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、レーザ溶接の開始点を短辺の途中または長辺の途中からとし、終点を長辺若しくは短辺までとすることで、２回照射領域をコーナ部を含む２辺に設けることにより、内圧上昇時に先に亀裂が入る２辺から蓄積ガスを排出することができる。そして残る２辺では溶接強度が確実となっており、内容物の噴出を防止し、安全性を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のレーザ溶接方法を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態のニッケルー水素蓄電池の斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態のニッケルー水素蓄電池の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態のレーザ溶接方法による溶接後の状態を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態のレーザ溶接方法を示す図である。
【図６】従来例のレーザ溶接方法を示す図である。
【図７】従来例のレーザ溶接方法による溶接後の状態を示す図である。
【図８】従来例のレーザ溶接方法を示す図である。
【図９】従来例のレーザ溶接方法による溶接後の状態を示す図である。
【図１０】溶接深度とリーク発生率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０　外装容器　１６　端子部、２０　電極体、１１　正極板、１２　負極板、１３　セパレータ、３０　封口体

Claims (3)

1. 外装缶と封口板との当接領域を、エネルギービームを用いてほぼ方形のパターンを描画するエネルギー照射工程により接合する方法であって、
   前記エネルギー照射工程は、描画開始点が、前記方形の短辺または長辺上の１点にあり、前記当接領域に沿って１周したのち、少なくとも１つのコーナー部を経て、描画終了点が長辺または短辺上の１点に位置するように実行されることを特徴とする角形電池の製造方法。
2. 前記エネルギー照射工程は、描画開始点が、前記方形の短辺上の１点にあり、前記当接領域に沿って１周したのち、少なくとも１つのコーナー部を経て、描画終了点が長辺上の１点に位置するように実行されることを特徴とする請求項１に記載の角形電池の製造方法。
3. 前記エネルギー照射工程は、２回の描画パターンが重なった２回描画領域の溶接深度が、１回の描画パターンからなる１回描画領域の溶接深度よりも深いことを特徴とする請求項１または２に記載の角形電池の製造方法。

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