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JP2018032594A - 電極溶接装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】スパッタの発生を抑制することができる電極溶接装置を提供する。【解決手段】電極溶接装置30は、複数の正極8のタブ14bが積層されたタブ積層体21にレーザ溶接用のレーザLを照射すると共に、複数の負極9のタブ16bが積層されたタブ積層体22にレーザ溶接用のレーザLを照射するレーザ照射器31と、レーザ照射器31によるレーザLの照射終端位置に向けて冷却ガスGcを噴射する冷却ガス噴射ノズル33とを備える。【選択図】図4

Description

本発明は、電極溶接装置に関する。
従来の電極溶接装置としては、例えば特許文献1に記載されている技術が知られている。特許文献1に記載の電極溶接装置は、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回されてなる電極群のいずれか一方の極板から導出されたリードを、電極群を収容する電池ケースの開口部をかしめ封口する封口板に当接させた状態で、リード側からレーザを照射することにより、リードを封口板にレーザ溶接する。
特再公表2010−16182号
ところで、レーザの照射により溶接を行う場合、ワーク(加工対象)の温度分布としては、レーザの照射箇所が最も高温となり、照射箇所から離れるほど温度は下がる。一方で、レーザを走査しながら連続して照射する際、特にワークが小さい場合または溶接箇所が熱が逃げ難い形状を呈している場合等、温度が上昇しやすい条件下では、レーザの照射に伴って、ワーク全体または溶接ラインに沿った溶接箇所全体の温度も次第に上昇する。すなわち、溶接の開始位置である始端から溶接の終了位置である終端までレーザを走査した場合、エネルギービームの照射位置に隣接する箇所のみならず、照射位置から離れた箇所の温度も次第に上昇する。このため、レーザの出力を一定としていても、溶接後半、特に溶接の終端付近では、溶接の始端と比較して温度が上昇し、スパッタが発生しやすくなる。
本発明の目的は、スパッタの発生を抑制することができる電極溶接装置を提供することである。
本発明の一態様は、積層状態の複数の電極のタブ同士を溶接する電極溶接装置において、複数の電極のタブが積層されたタブ積層体にレーザ溶接用のレーザを照射するレーザ照射部と、レーザ照射部によるレーザの照射終端位置に向けて冷却ガスを噴射する冷却ガス噴射部とを備えることを特徴とする。
このような電極溶接装置においては、複数の電極のタブが積層されたタブ積層体にレーザ溶接用のレーザを照射することにより、タブ積層体に溶接部が形成される。このとき、タブ積層体におけるレーザの照射終端付近では、レーザが照射終端に至るまでにタブ積層体の温度が上昇しているため、レーザの照射により必要以上に温度が上昇しやすく、スパッタが発生しやすくなる。そこで、レーザが照射終端位置に至る前より、照射終端位置に向けて冷却ガスを噴射することにより、タブ積層体におけるレーザの照射終端付近が温度上昇することを抑える。これにより、スパッタの発生を抑制することができる。
冷却ガス噴射部は、レーザ照射部によるレーザの照射始端位置を避けるように照射終端位置に向けて冷却ガスを噴射してもよい。タブ積層体におけるレーザの照射始端付近では、温度が上昇しにくいため、レーザの溶け込み量が少ない。そこで、レーザの照射始端位置を避けるようにレーザの照射終端位置に向けて冷却ガスを噴射することにより、レーザの照射始端位置に冷却ガスが与えられることはない。従って、タブ積層体におけるレーザの照射始端付近の温度低下が抑えられるため、タブ積層体におけるレーザの照射始端付近に対するレーザの溶け込み量が必要以上に減少することが防止される。
電極溶接装置は、レーザ照射部によるレーザの照射箇所にアシストガスを噴射するアシストガス噴射部を更に備えてもよい。この場合には、アシストガスによってタブ積層体におけるレーザの照射箇所の酸化が防止されるため、各電極のタブ同士の溶接強度の低下を防ぐことができる。
冷却ガス及びアシストガスは、同じガスであってもよい。この場合には、複数種類のガスを用意しなくて済むため、コスト的に有利である。
電極溶接装置は、冷却ガス噴射部による冷却ガスの噴射量がアシストガス噴射部によるアシストガスの噴射量よりも多くなるように、冷却ガス噴射部及びアシストガス噴射部を制御する制御部を更に備えてもよい。この場合には、タブ積層体におけるレーザの照射終端付近の温度上昇が十分に抑えられるため、スパッタの発生を一層抑制することができる。
本発明によれば、スパッタの発生を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る電極溶接装置を使用して製造される蓄電装置の内部構成を示す断面図である。 図1のII−II線断面図である。 図1に示された電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電極溶接装置を示す概略平面図である。 レーザ照射器によりタブ積層体にレーザを照射する様子を示す正面図である。 アシストガス噴射ノズルによりレーザの照射箇所にアシストガスを噴射すると共に、冷却ガス噴射ノズルによりレーザの照射終端位置に向けて冷却ガスを噴射する様子を示す側面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る電極溶接装置を使用して製造される蓄電装置の内部構成を示す断面図である。図2は、図1のII−II線断面図である。図1及び図2において、蓄電装置1は、積層型の電極組立体を有するリチウムイオン二次電池である。
蓄電装置1は、例えば略直方体形状をなすケース2と、このケース2内に収容された電極組立体3とを備えている。ケース2は、例えばアルミニウム等の金属により形成されている。ケース2の内部には、図示はしないが、例えば非水系(有機溶媒系)の電解液が注液されている。ケース2上には、正極端子4及び負極端子5が互いに離間して配置されている。正極端子4は、絶縁リング6を介してケース2に固定され、負極端子5は、絶縁リング7を介してケース2に固定されている。また、図示はしないが、電極組立体3の側面及び底面は絶縁フィルムにより覆われており、絶縁フィルムによってケース2と電極組立体3との間が絶縁されている。図1では便宜上、電極組立体3の底面とケース2の内側底面との間には僅かな隙間が設けられているが、実際には電極組立体3の底面が絶縁フィルムを介してケース2の内側底面に接触している。なお、電極組立体3とケース2との間にスペーサを配置することで、電極組立体3とケース2との間に隙間を形成してもよい。
電極組立体3は、複数の正極8と複数の負極9とが袋状のセパレータ10を介して交互に積層された構造を有している。正極8及び負極9は、電極である。正極8は、袋状のセパレータ10に包まれている。袋状のセパレータ10に包まれた状態の正極8は、セパレータ付き正極11として構成されている。従って、電極組立体3は、複数のセパレータ付き正極11と複数の負極9とが交互に積層された構造を有している。なお、電極組立体3の両端に位置する電極は、負極9である。
正極8は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔14と、この金属箔14の両面に形成された正極活物質層15とを有している。金属箔14は、平面視矩形状の箔本体部14aと、この箔本体部14aと一体化されたタブ14bとを有している。タブ14bは、箔本体部14aの長手方向の一端部近傍の縁から突出している。そして、タブ14bは、セパレータ10を突き抜けている。タブ14bは、導電部材12を介して正極端子4に接続されている。なお、図2では、便宜上タブ14bを省略している。
正極活物質層15は、箔本体部14aに形成されている。正極活物質層15は、正極活物質とバインダとを含んで形成された多孔質の層である。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウムまたは硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも1つとリチウムとが含まれる。
負極9は、例えば銅箔からなる金属箔16と、この金属箔16の両面に形成された負極活物質層17とを有している。金属箔16は、平面視矩形状の箔本体部16aと、この箔本体部16aと一体化されたタブ16bとを有している。タブ16bは、箔本体部16aの長手方向の一端部近傍の縁から突出している。タブ16bは、導電部材13を介して負極端子5に接続されている。なお、図2では、便宜上タブ16bを省略している。
負極活物質層17は、箔本体部16aに形成されている。負極活物質層17は、負極活物質とバインダとを含んで形成された多孔質の層である。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、SiOx(0.5≦x≦1.5)等の金属酸化物またはホウ素添加炭素等が挙げられる。
セパレータ10は、平面視矩形状を呈している。セパレータ10の形成材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、或いはポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、メチルセルロース等からなる織布または不織布等が例示される。
図3は、電極組立体3の斜視図である。図3において、電極組立体3は、複数の正極8と複数の負極9とがセパレータ10を介して交互に積層された組立体本体20と、複数の正極8のタブ14bが積層されたタブ積層体21と、複数の負極9のタブ16bが積層されたタブ積層体22とを有している。
タブ積層体21,22は、組立体本体20の一側面からX軸方向に突出している。X軸方向は、組立体本体20の長手方向(Y軸方向)及び正極8及び負極9の積層方向(Z軸方向)に垂直な方向である。タブ積層体21,22は、Y軸方向に離間して配置されている。タブ積層体21,22は、図示しない加圧ユニットにより加圧されている。これにより、タブ積層体21の各タブ14b同士が接触し、タブ積層体22の各タブ16b同士が接触している。
タブ積層体21は、2つの側面21a、先端面21b及び上面21cを有している。先端面21b及び上面21cは、各側面21aを繋いでいる。タブ14bには、正極活物質層15が設けられていない。また、タブ積層体21を構成するタブ14bの枚数は、電極組立体3を構成する電極の枚数の約半分である。従って、組立体本体20の一側面の高さに合わせてタブ14bを積層してなるタブ積層体21の先端面21bは、タブ積層体21の先端に向かうに従ってタブ積層体21の厚みが小さくなるような傾斜面となっている。タブ積層体21は、導電部材12上に載置されている。タブ積層体21の上面21cには、保護板23が載置されている。従って、タブ積層体21は、導電部材12及び保護板23によってZ軸方向に挟まれている。
導電部材12の厚みは、タブ14bの厚みよりも大きい。保護板23の厚みは、タブ14bの厚みよりも大きいが、導電部材12の厚みよりも小さい。導電部材12のY軸方向の長さは、タブ積層体21のY軸方向の長さよりも大きい。タブ積層体21の先端位置は、導電部材12の縁部に一致している。保護板23のY軸方向の長さは、タブ積層体21のY軸方向の長さと等しい。導電部材12及び保護板23の材料は、金属箔14の材料と同じである。
タブ積層体21の両側面21aには、タブ積層体21の各タブ14b同士を溶接した溶接部24が設けられている。溶接部24は、保護板23から導電部材12まで延びている。溶接部24は、レーザ溶接により形成されている。
タブ積層体22は、2つの側面22a、先端面22b及び上面22cを有している。先端面22b及び上面22cは、各側面22aを繋いでいる。タブ16bには、負極活物質層17が設けられていない。また、タブ積層体22を構成するタブ16bの枚数は、電極組立体3を構成する電極の枚数の約半分である。従って、組立体本体20の一側面の高さに合わせてタブ16bを積層してなるタブ積層体22の先端面22bは、タブ積層体22の先端に向かうに従ってタブ積層体22の厚みが小さくなるような傾斜面となっている。タブ積層体22は、導電部材13上に載置されている。タブ積層体22の上面22cには、保護板25が載置されている。従って、タブ積層体22は、導電部材13及び保護板25によってZ軸方向に挟まれている。
導電部材13の厚みは、タブ16bの厚みよりも大きい。保護板25の厚みは、タブ16bの厚みよりも大きいが、導電部材13の厚みよりも小さい。導電部材13のY軸方向の長さは、タブ積層体22のY軸方向の長さよりも大きい。タブ積層体22の先端位置は、導電部材13の縁部に一致している。保護板25のY軸方向の長さは、タブ積層体22のY軸方向の長さと等しい。導電部材13及び保護板25の材料は、金属箔16の材料と同じである。
タブ積層体22の両側面22aには、タブ積層体22の各タブ16b同士を溶接した溶接部26が設けられている。溶接部26は、保護板25から導電部材13まで延びている。溶接部26は、レーザ溶接により形成されている。
図4は、本発明の一実施形態に係る電極溶接装置を示す概略平面図である。図4において、本実施形態の電極溶接装置30は、積層状態の複数の正極8のタブ14b同士を溶接すると共に、積層状態の複数の負極9のタブ16b同士を溶接する。なお、図4〜図6では、複数の正極8のタブ14b同士を溶接する構成のみを示しているが、複数の負極9のタブ17b同士を溶接する構成についても同様である。
電極溶接装置30は、4つのレーザ照射器31(レーザ照射部)と、4つのアシストガス噴射ノズル32(アシストガス噴射部)と、4つの冷却ガス噴射ノズル33(冷却ガス噴射部)と、コントローラ34(制御部)とを備えている。なお、図4では、レーザ照射器31、アシストガス噴射ノズル32及び冷却ガス噴射ノズル33は、2つずつ示されている。レーザ照射器31、アシストガス噴射ノズル32及び冷却ガス噴射ノズル33は、例えば3軸方向(XYZ軸方向)に移動可能な可動式であってもよいし、何らかの部品に取り付けられた固定式であってもよい。
レーザ照射器31は、タブ積層体21,22の側面21a,22aにレーザ溶接用のレーザLをそれぞれ照射する。これにより、タブ積層体21,22の側面21a,22aに溶接部24,26がそれぞれ形成される。レーザ照射器31は、図5に示されるように、タブ積層体21,22の上方からレーザLをタブ積層体21,22の側面21a,22aに向けてそれぞれ照射する。レーザ照射器31からのレーザLの照射方向は、タブ積層体21,22の側面21a,22aに対して所定の角度で傾斜している。
レーザ照射器31は、図6に示されるように、タブ積層体21,22の側面21a,22aに対してレーザLをそれぞれX軸方向に沿って照射始端位置P1から照射終端位置P2まで走査させて照射する。具体的には、レーザ照射器31は、タブ積層体21,22の側面21a,22aに対してレーザLをそれぞれZ軸方向に往復変位させながらX軸方向に沿って走査させる。このとき、レーザLのZ軸方向の変位量は、タブ積層体21,22の厚みよりも大きい。
照射始端位置P1は、レーザ照射器31によるレーザLの照射を開始する位置である。照射始端位置P1は、保護板23,25のX軸方向の一端に対応した位置である。照射終端位置P2は、レーザ照射器31によるレーザLの照射を終了する位置である。照射終端位置P2は、保護板23,25のX軸方向の他端に対応した位置である。照射始端位置P1及び照射終端位置P2は、タブ積層体21,22の側面21a,22aにおけるZ軸方向の中心に位置している。照射始端位置P1及び照射終端位置P2を通る線Hは、X軸方向に延びている。
アシストガス噴射ノズル32は、レーザ照射器31によるレーザLの照射箇所にアシストガスGaを噴射する。アシストガス噴射ノズル32は、図6に示されるように、タブ積層体21,22に対応する高さ位置に配置されている。アシストガス噴射ノズル32は、X軸方向に沿って照射始端位置P1側から照射終端位置P2側に向けてアシストガスGaを噴射する。このとき、アシストガス噴射ノズル32は、アシストガスGaをタブ積層体21,22の側面21a,22aの中心位置を通るように噴射する。アシストガスGaとしては、Nガスが使用される。なお、アシストガスGaを噴射する理由は、レーザLの熱により溶融した箇所の酸化を防止するためである。
冷却ガス噴射ノズル33は、レーザ照射器31によるレーザLの照射終端位置P2に向けて冷却ガスGcを噴射する。冷却ガス噴射ノズル33は、図6に示されるように、タブ積層体21,22の上方に配置されている。従って、冷却ガス噴射ノズル33は、アシストガス噴射ノズル32よりも高い位置に配置されている。
具体的には、冷却ガス噴射ノズル33は、レーザ照射器31によるレーザLの照射始端位置P1を避けるようにレーザLの照射終端位置P2に向けて冷却ガスGcを噴射する。冷却ガス噴射ノズル33からの冷却ガスGcの噴射方向は、照射始端位置P1及び照射終端位置P2を通る線Hに対して傾斜している。つまり、冷却ガス噴射ノズル33からの冷却ガスGcの噴射方向は、アシストガス噴射ノズル32からのアシストガスGaの噴射方向に対して傾斜している。なお、本実施形態においては、冷却ガスGcとして、アシストガスGaと供給源を同じとするNガスが使用される。
コントローラ34は、CPU、RAM、ROM及び入出力インターフェース等により構成されている。コントローラ34は、レーザ照射器31を作動させるときに、アシストガス噴射ノズル32及び冷却ガス噴射ノズル33を同時に作動させるように、レーザ照射器31、アシストガス噴射ノズル32及び冷却ガス噴射ノズル33を制御する。このとき、コントローラ34は、冷却ガス噴射ノズル33による冷却ガスGcの噴射量がアシストガス噴射ノズル32によるアシストガスGaの噴射量よりも多くなるように、アシストガス噴射ノズル32及び冷却ガス噴射ノズル33を制御する。
以上のように本実施形態にあっては、複数の正極8のタブ14bが積層されたタブ積層体21にレーザ溶接用のレーザLを照射することにより、タブ積層体21に溶接部24が形成されると共に、複数の負極9のタブ16bが積層されたタブ積層体22にレーザ溶接用のレーザLを照射することにより、タブ積層体22に溶接部26が形成される。このとき、タブ積層体21,22におけるレーザLの照射終端付近では、レーザLが照射終端に至るまでにタブ積層体21,22の温度が上昇しているため、レーザLの照射により必要以上に温度が上昇しやすく、スパッタが発生しやすくなる。そこで、レーザLが照射終端位置P2に至る前より、照射終端位置P2に向けて冷却ガスGcを噴射することにより、レーザLが照射終端位置P2に至るまでに、タブ積層体21,22におけるレーザLの照射終端付近が温度上昇することを抑える。これにより、スパッタの発生を抑制することができる。その結果、レーザLによる溶接品質を向上させることが可能となる。
一方で、タブ積層体21,22におけるレーザLの照射始端付近では、温度が上昇しにくいため、レーザLの溶け込み量が少ない。そこで、レーザLの照射始端位置P1を避けるようにレーザLの照射終端位置P2に向けて冷却ガスGcを噴射することにより、レーザLの照射始端位置P1に冷却ガスGcが与えられることはない。従って、タブ積層体21,22におけるレーザLの照射始端付近の温度低下が抑えられるため、タブ積層体21,22におけるレーザLの照射始端付近に対するレーザLの溶け込み量が必要以上に減少することが防止される。これにより、レーザLによる溶接品質を更に向上させることが可能となる。
また、本実施形態では、レーザ照射器31によるレーザLの照射箇所にアシストガスGaを噴射するので、アシストガスGaによってタブ積層体21,22におけるレーザLの照射箇所の酸化が防止される。従って、各正極8のタブ14b同士及び各負極9のタブ16b同士の溶接強度の低下を防ぐことができる。これにより、レーザLによる溶接品質を一層向上させることが可能となる。
また、本実施形態では、冷却ガスGc及びアシストガスGaとして同じガスを使用するので、複数種類のガスを用意しなくて済む。従って、コスト的に有利である。
また、本実施形態では、冷却ガス噴射ノズル33による冷却ガスGcの噴射量をアシストガス噴射ノズル32によるアシストガスGaの噴射量よりも多くするので、タブ積層体21,22におけるレーザLの照射終端付近の温度上昇が十分に抑えられる。従って、スパッタの発生を一層抑制することができる。
なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、アシストガス噴射ノズル32は、X軸方向に沿って照射始端位置P1側から照射終端位置P2側に向けてアシストガスGaを噴射しているが、特にその形態には限られず、例えばタブ積層体21,22に対するレーザLの照射箇所に合わせて、アシストガス噴射ノズル32によるアシストガスGaの噴射位置をずらしていく様にしてもよい。
また、上記実施形態では、アシストガスGa及び冷却ガスGcとして、同じNガスを使用しているが、特にその形態には限られず、アシストガスGaと冷却ガスGcとで異なるガスを使用してもよい。例えば、アシストガスGa及び冷却ガスGcの一方をNガスとし、アシストガスGa及び冷却ガスGcの他方をArガスとしてもよい。
さらに、上記実施形態では、冷却ガス噴射ノズル33による冷却ガスGcの噴射量がアシストガス噴射ノズル32によるアシストガスGaの噴射量よりも多くなっているが、冷却ガスGcによってレーザLの照射終端付近の温度上昇が抑えられるのであれば、冷却ガスGcの噴射量がアシストガスGaの噴射量と同じでもよいし、或いは冷却ガスGcの噴射量がアシストガスGaの噴射量よりも少なくてもよい。
また、上記実施形態では、アシストガス噴射ノズル32によってレーザLの照射箇所にアシストガスGaを噴射しているが、特にその形態には限られず、タブ積層体21,22におけるレーザLの照射箇所の酸化の影響が少ないような場合には、アシストガス噴射ノズル32は特に無くてもよい。
さらに、上記実施形態では、蓄電装置1がリチウムイオン二次電池であるが、本発明は、特にリチウムイオン二次電池には限られず、例えばニッケル水素電池等の他の二次電池、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ等の蓄電装置における電極の溶接にも適用可能である。
8…正極(電極)、9…負極(電極)、14b…タブ、16b…タブ、21…タブ積層体、22…タブ積層体、30…電極溶接装置、31…レーザ照射器(レーザ照射部)、32…アシストガス噴射ノズル(アシストガス噴射部)、33…冷却ガス噴射ノズル(冷却ガス噴射部)、34…コントローラ(制御部)、P1…照射始端位置、P2…照射終端位置、L…レーザ、Ga…アシストガス、Gc…冷却ガス。

Claims (5)

  1. 積層状態の複数の電極のタブ同士を溶接する電極溶接装置において、
    前記複数の電極の前記タブが積層されたタブ積層体にレーザ溶接用のレーザを照射するレーザ照射部と、
    前記レーザ照射部による前記レーザの照射終端位置に向けて冷却ガスを噴射する冷却ガス噴射部とを備えることを特徴とする電極溶接装置。
  2. 前記冷却ガス噴射部は、前記レーザ照射部による前記レーザの照射始端位置を避けるように前記照射終端位置に向けて前記冷却ガスを噴射することを特徴とする請求項1記載の電極溶接装置。
  3. 前記レーザ照射部による前記レーザの照射箇所にアシストガスを噴射するアシストガス噴射部を更に備えることを特徴とする請求項1または2記載の電極溶接装置。
  4. 前記冷却ガス及び前記アシストガスは、同じガスであることを特徴とする請求項3記載の電極溶接装置。
  5. 前記冷却ガス噴射部による前記冷却ガスの噴射量が前記アシストガス噴射部による前記アシストガスの噴射量よりも多くなるように、前記冷却ガス噴射部及び前記アシストガス噴射部を制御する制御部を更に備えることを特徴とする請求項3または4記載の電極溶接装置。
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