WO2010016182A1 - 密閉型二次電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

　本発明は、正極板及び負極板がセパレータを介して積層または捲回されてなる電極群4 が電池ケース5 内に収容され、前記電池ケースの開口部が封口板10 で封口された密閉型二次電池であって、前記電極群のいずれか一方の極板から導出されたリード11 が、レーザ光によって、前記封口板にレーザ溶接15 されている、密閉型二次電池、および、その密閉型二次電池の製造方法に関する。 前記密閉型二次電池は、携帯機器等の駆動電源として広く使用されているが、本発明者等が強度を含めた信頼性の評価を行っていたところ、ある一定の割合で、短絡した電池が発生するという問題があることが分かった。そして、本発明者等は、その原因はレーザ溶接時にスパッタが飛散することにあると、考えた。 本発明は、前記密閉型二次電池において、前記レーザ光を、前記リード11の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光とすること等によって、上記問題の解決を図ったものである。

Description

密閉型二次電池及びその製造方法

　本発明は密閉型二次電池及びその製造方法に関し、特に、電極群から導出されたリードと封口板との接合構造に関する。

　携帯機器等の駆動用電源として、高容量のアルカリ蓄電池に代表される水系電解液二次電池や、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池などの密閉型二次電池が広く使用されている。

　これら密閉型二次電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して積層または捲回してなる電極群が電解液とともに電池ケースに収納され、電池ケースの開口部が、ガスケットを介して封口板で封口された密閉構造をなしている。そして、電極群の一方の極板（例えば、正極板）から導出されたリードは、一方の外部端子を兼ねた封口板に接合され、電極群の他方の極板（例えば、負極板）から導出されたリードは、他方の外部端子を兼ねた電池ケースに接合されている。なお、リードと封口板又は電池ケースとの接合は、抵抗溶接が広く用いられている。

　ところで、電池ケースの開口部を封口する工程は、電極群を電池ケースに収納した状態で、電極群から導出されたリードを封口板に抵抗溶接した後、リードを折り曲げて、電池ケースの開口部を封口板で封口することにより行われる。

　この場合、リードを封口板に抵抗溶接する際、スパッタ（主に、溶融リードから離脱した金属粒子）が周囲に飛散する場合があるが、この飛散したスパッタが電池ケース内の電極群に混入すると、セパレータを損傷させて内部短絡を引き起こすおそれがある。あるいは、飛散したスパッタが、封口板の周縁部に取り付けられたガスケットに付着すると、電池ケースの開口部をガスケットを介して封口板でかしめ封口した場合、ガスケットの狭圧部が付着物によって剪断されて、電池ケースと封口板とが付着物を介して接触して短絡するおそれがある。

　このようなスパッタの混入等による短絡の発生に対して、例えば、リードを封口板に抵抗溶接する際、飛散したスパッタが電池ケース内に混入しないよう、電池ケースの開口部を薄板等で覆っておく方法もあるが、完全に覆うことはできないため、スパッタの混入を防ぐには十分でない。

　これに対して、抵抗溶接の代わりに、超音波溶接を用いて接合を行えば、抵抗溶接のような溶融は起きないので、原理的にスパッタの混入をなくすことができる。しかしながら、超音波溶接による接合は、抵抗溶接に比べて接合強度が劣る上に、超音波振動により、封口板が防爆のための安全機構を有している場合はその機能に影響を及ぼすおそれがある。また、極板から活物質が剥離するおそれがあり、信頼性の面でも好ましくない。

　ところで、リチウム二次電池の正極板には、通常、アルミニウムが使用されるため、正極板から導出されるリードもアルミニウムが用いられている。また、電池の軽量化を図るために、電池ケース及び封口板もアルミニウムが使用され始めている。この場合、リードと封口板との溶接は、アルミニウム同士の溶接となるが、一般に、アルミニウム合金は鋼に比べて、導電率及び熱伝導率が高いため、抵抗溶接には大電流を短時間通電させる必要があり、その結果、鋼板の溶接に比べ溶接棒の損耗が激しく、長期間安定した接合を得るのが困難である。そこで、リードと封口板との溶接には、レーザ溶接が採用されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

　このレーザ溶接は、レーザ光を極めて小さく絞り込むことができるため、溶融面積を小さくすることができ、その分、飛散するスパッタの量も大幅に低減することができる。

特開２０００－２９９０９９号公報 特開２００７－２３４２７６号公報

　上記のように、リードと封口板との溶接は、その工程上、必然的にスパッタの影響を受けやすいが、レーザ溶接を用いた場合、その影響を大幅に低減することが期待される。

　しかしながら、本願発明者等が、リードと封口板との接合をレーザ溶接を用いて製造したリチウムイオン二次電池について、強度を含めた信頼性の評価を行っていたところ、ある一定の割合で、短絡した電池が発生するものがあった。

　この短絡した電池をさらに詳しく調べてみると、ガスケットが剪断したことによる電池ケースと封口板との短絡や、セパレータが損傷したことによる内部短絡が発生していることが確認された。そして、その短絡の原因となった異物を分析した結果、リード及び封口板の材料であるアルミニウムが含まれていることが分かった。

　このことから、リードと封口板との溶接工程において、何らかの製造工程上の外部要因の変動に起因して、レーザ溶接時にスパッタが飛散し、このスパッタが、ガスケットに付着、若しくは電池ケース内に混入したものと考えられる。

　本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、リードと封口板とのレーザ溶接時におけるスパッタの影響を低減することにより、安定した高い信頼性を有する密閉型二次電池を提供することにある。

　本発明に係わる密閉型二次電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して積層または捲回されてなる電極群が電池ケース内に収容され、該電池ケースの開口部が封口板で封口された密閉型二次電池であって、電極群のいずれか一方の極板から導出されたリードが、該リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光によって、封口板にレーザ溶接されていることを特徴とする。

　このような構成により、リードと封口板との溶接工程において、製造工程上の外部要因の変動が生じても、リードと封口板との接合強度を維持しつつ、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を低減し、これにより、安定した高い信頼性を有する密閉型二次電池を実現することができる。

　ここで、上記リードと封口板との溶接部における溶け込み深さは、溶接部におけるビード径よりも大きいことが好ましい。これにより、リードと封口板との溶接部における溶け込み深さが深くなることによって、接合強度がより高くなるとともに、溶接時のスパッタの発生をより低減することができる。

　また、上記リードと封口板との溶接部は、ライン状になっていることが好ましい。これにより、リードと封口板との溶接部に、あらゆる方向から衝撃が加わっても、安定した接合強度を維持することができる。

　本発明に係わる密閉型二次電池の製造方法は、上記の構成を有する密閉型二次電池の製造方法であって、正極板及び負極板がセパレータを介して積層または捲回されてなる電極群を用意する工程と、電極群のいずれか一方の極板に、リードの一端を接続する工程と、電極群を電池ケース内に収容する工程と、リードの他端を封口板に当接させて、リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光をリード側から照射することによって、リードの他端を封口板にレーザ溶接する工程と、封口板によって、電池ケースの開口部を封口する工程とを含むことを特徴する。

　このような方法により、リードと封口板との溶接工程において、製造工程上の外部要因の変動が生じても、リードと封口板との接合強度を維持しつつ、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を低減することができ、これにより、信頼性の高い密閉型二次電池を安定して製造することができる。

　ここで、上記レーザ光は、ファイバーレーザを用いて照射されることが好ましい。また、レーザ光は、ファイバーレーザを連続的に走査しながら照射されることが好ましい。これにより、制御性よく、信頼性の高い密閉型二次電池を安定して製造することができる。

　本発明によれば、リードと封口板との溶接工程において、製造工程上の外部要因の変動が生じても、リードと封口板との接合強度を維持しつつ、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を低減し、これにより、安定した高い信頼性を有する密閉型二次電池を実現することができる。

（ａ）～（ｄ）は、リードの表面に異物が付着した状態で、リードを封口板にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。 （ａ）～（ｄ）は、リードと封口板との界面に異物が付着した状態で、リードを封口板にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。 （ａ）～（ｄ）は、リードと封口板との間に隙間が生じている状態で、リードを封口板にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。 （ａ）～（ｄ）は、リードの端部にレーザ光が照射された状態で、リードを封口板にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。 キーホール溶接の原理を説明するための概念図である。 （ａ）～（ｄ）は、本発明の第１の実施形態におけるリードを封口板にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるリードと封口板とのレーザ溶接を、リチウムイオン電池に適用した例を示した図で、（ａ）は平面概念図、（ｂ）は溶接部の平面顕微鏡写真、（ｃ）は溶接部の断面顕微鏡写真である。 本発明の第１の実施形態におけるファイバーレーザの走査方法を示した図である。 本発明の第１の実施形態における溶接部の平面形状をリング状にした例を示した平面図である。 本発明の第１の実施形態における密閉型二次電池の構成を模式的に示した断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるリードを封口板にレーザ溶接する方法を示した平面図である。 （ａ）～（ｄ）は、本発明の第２の実施形態における溶接部の形状を示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における溶接部が閉直線の場合の溶接部の形状を示した平面図である。 （ａ）～（ｄ）は、本発明の第２の実施形態における電池ケースの開口部を封口板で封口する工程を示した図である。 キーホール接合による接合構造を説明した図で、（ａ）は、レーザ光のパワープロファイルを示した図、（ｂ）は溶接部の平面図、（ｃ）は溶接部の断面図、（ｄ）は溶接部の平面顕微鏡写真である。 本発明の第３の実施形態におけるリードを封口板にレーザ溶接する方法を示した図で、（ａ）は、レーザ光のパワープロファイルを示した図、（ｂ）は溶接部の平面図、（ｃ）は溶接部の断面図、（ｄ）は溶接部の平面顕微鏡写真である。

　本願発明者等は、レーザ溶接における溶融面積が非常に小さいため、リードと封口板との溶接時に飛散するスパッタの影響は非常に小さいと考えられていたにもかかわらず、飛散したスパッタの混入等に起因すると思われる短絡の発生原因が、製造工程上の何らかの外部要因の変動によるものであると考えた。

　すなわち、リードと封口板との溶接工程において、製造工程中に発生する異物が、リードの表面、あるいは封口板表面に付着する可能性がある。また、リードと封口板との溶接部位は、互いに当接した状態で溶接が行われるが、押圧が弱く隙間が空いた状態で溶接される可能性もある。さらに、リードと封口板との溶接部位に対してレーザ光の照射位置がずれる可能性もある。

　図１（ａ）～（ｄ）は、リード１１の表面に異物２０が付着した状態で、リード１１を封口板１０にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。

　図１（ａ）に示すように、リード１１を封口板１０に当接させた状態で、リード１１側からレーザ光１２を照射すると、リード１１のレーザ照射された領域１１ａが加熱される。図１（ｂ）は、加熱された領域１１ａの一部が溶融して溶融部１３が形成されるとともに、溶融部１３から蒸発したプラズマ１４が発生する。このとき、レーザ光１２の照射によって加熱された異物２０も蒸発し、この蒸発した気体が激しく体積膨張を起こす。その結果、図１（ｃ）に示すように、溶融部１３が拡大するとともに、蒸発した気体の体積膨張による押圧力によって、溶融金属の一部が飛散してスパッタを発生させる。その後、レーザ光１２の照射を止めると、図１（ｄ）に示すように、溶融部１３が冷えて固まることにより、リード１１と封口板１０との接合が完了する。スパッタが発生したことによって、リード１１の溶接部（溶融痕）１５には孔開きが発生する。

　このように、リード１１の表面に異物２０が付着していると、この異物２０の蒸発による急激な体積膨張が押圧力となって、スパッタの発生量を増加させることが分かる。

　図２（ａ）～（ｄ）は、リード１１と封口板１０との界面に異物２１が付着した状態で、リード１１を封口板１０にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。基本的に起きる現象は、リード１１の表面に異物２０が付着した場合と同じであるが、異物２１がリード１１と封口板１０との界面にあるため、異物２１から蒸発した気体の体積膨張による押圧力によって、溶融金属の一部が飛散してスパッタが発生する量はより多くなる。従って、図２（ｄ）に示すように、リード１１の溶接部には、より大きな孔開きが発生する。例えば、封口板１０を組み立てる設備の摺動部には、グリース等の潤滑剤が使用されているため、封口板１０を組み立てる際、封口板１０の表面にグリースが付着するおそれがある。

　図３（ａ）～（ｄ）は、リード１１と封口板１０との間に隙間が生じた状態で、リード１１を封口板１０にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。

　この場合、図３（ａ）に示すように、レーザ光１２をリード１１に照射すると、リード１１のレーザ照射された領域１１ａが加熱されるが、封口板１０への熱伝導がないため、領域１１ａの温度上昇が急激に進み、図３（ｂ）に示すように、領域１１ａの溶融部１３も急激に拡大する。その結果、図３（ｃ）に示すように、溶融金属の一部が飛散してスパッタが発生する。この場合、図３（ｄ）に示すように、リード１１の溶接部１５には大きな孔開きが発生する。

　図４（ａ）～（ｄ）は、レーザ光の照射位置がずれて、リード１１の端部にレーザ光１２が照射された状態で、リード１１を封口板１０にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。

　この場合、図４（ａ）に示すように、レーザ照射された領域１１ａが加熱されても、リード１１の端部への熱伝達がないため、領域１１ａの温度上昇が急激に進み、図４（ｂ）に示すように、領域１１ａの溶融部１３も急激に拡大する。その結果、図４（ｃ）に示すように、溶融金属の一部が飛散してスパッタが発生する。

　上記のような態様によるリード１１と封口板１０とのレーザ溶接は、製造工程上の外部要因のバラツキによって、不可避的に発生するものと考えられる。そのため、このような外部要因の変動があっても、スパッタの発生しないようなレーザ溶接が必要となる。

　ところで、リード１１の厚みは、封口板１０に比べて非常に薄い（典型的には、０．２ｍｍ程度）ため、従来のレーザ溶接においては、上記のようなリード１１の溶接部に孔開きが生じないよう、熱伝導型の溶接が行われていたが、溶融面積が大きくなるため、外部要因の変動に起因するスパッタの発生を抑制することは難しいと考えられる。

　そこで、本願発明者等は、熱伝導型の溶接でなく、深溶け込み型の溶接（キーホール溶接）ができれば、溶融面積が微小になるため、外部要因の変動が生じても、スパッタの発生を抑制したレーザ溶接が可能になると考えた。

　図５は、キーホール溶接の原理を説明するための概念図で、厚みｈの板状部材１００に、レーザ光１０１を照射することによって、直径Ｘのキーホール１０２が生成された状態を示したものである。キーホール１０２は、溶融した板状部材１００の金属蒸気の蒸発反発力Ｐａと、溶融した板状部材１００の表面張力Ｐｓとが均衡することによって維持される。

　このとき、キーホール１０２の表面エネルギーＥ（Ｘ）は、一般に、以下の式（１）で表される（例えば、宮本勇「シングルモードファイバーレーザによる金属フォイルの微細高速溶接」；第５８回レーザ加工学会論文集；２００３年３月を参照）。
Ｅ（Ｘ）＝πＧ［ｈＸ＋１／２（Ｄ^２－Ｘ^２）］・・・式（１）　
　ここで、Ｇは、板状部材１００の液体金属の表面エネルギーで、Ｄは溶融領域１０３の直径である。

　式（１）から、以下の式（２）が得られる。
ｄＥ／ｄＸ＝πＧ（ｈ－Ｘ）・・・式（２）
　式（２）から、Ｘ＞ｈの場合、ｄＥ／ｄＸ＜０となり、キーホール１０２の直径Ｘの増大（ｄＸ）により、表面エネルギーＥは減少（ｄＥ）するため、キーホール１０２は穴あきとなる。一方、Ｘ＜ｈの場合、ｄＥ／ｄＸ＞０となり、キーホール１０２の直径Ｘの増大（ｄＸ）により、表面エネルギーＥは増加（ｄＥ）するため、キーホール１０２の直径Ｘは収縮して、蒸発反発力Ｐａと均衡する。

　従って、板状部材１００の厚みｈよりも小さいスポット径を有するレーザ光１０１を用いれば、安定したキーホール溶接を行うことが可能となる。

　上述したように、リード１１の典型的な厚みは０．２ｍｍ程度あるため、従来のレーザ溶接で使用されていたＹＡＧレーザのスポット径は最小でも０．３ｍｍ程度であることから、ＹＡＧレーザを用いては、安定したキーホール溶接を行うことはできない。

　なお、リード１１の溶接部位だけ厚みを大きくすることによって、キーホール溶接を行うことは可能であるが、リード１１の厚みを大きくした分だけ、体積効率が低下するため、電池の高容量化を阻害することになり、実際には採用することは難しい。また、リード１１の厚みを大きくした分、レーザ光のパワーを増大させる必要があり、スパッタの発生を助長することにもなる。

　そこで、本発明者等は、ファイバーレーザに着目した。すなわち、ファイバーレーザのスポット径は、０．０２ｍｍ程度に非常に小さくすることができるため、リード１１の厚みに対して十分に小さいスポット径（典型的には、１／５～１／１０程度）を有し、安定したキーホール溶接が可能となる。これにより、深溶け込み型の溶接が実現できるため、リードと封口板との溶融面積を微小にすることができ、その結果、製造工程上の外部要因の変動が生じても、スパッタの発生を抑制したレーザ溶接が可能となる。

　なお、ファイバーレーザのスポット径は、ＹＡＧレーザのスポット径よりも１／１０程度小さいため、溶融面積の縮小に伴う接合強度の低下が懸念されるが、連続発振のファイバーレーザを連続的に走査して、ライン状の溶融部を形成することによって、ＹＡＧレーザを用いた場合と同程度、あるいはそれ以上の接合強度を維持することができる。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

　（第１の実施形態）
　図６（ａ）～（ｄ）は、本発明の第１の実施形態におけるリード１１を封口板１０にレーザ溶接する工程を模式的に示した断面図である。

　図６（ａ）に示すように、リード１１を封口板１０に当接させた状態で、リード１１側からファイバーレーザ光（以下、単に「レーザ光」という。）１２を照射し、レーザ照射したリード１１の領域１１ａを加熱する。ここで、レーザ光１２は、リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有する。

　加熱された領域１１ａの一部は、図６（ｂ）に示すように、溶融して溶融部１３を形成するとともに、溶融したリード１１の金属蒸気の蒸発反発力により、キーホールを形成する。さらに、図６（ｃ）に示すように、キーホールがさらに成長することによって、溶融部１３も封口板１０の表面下まで深く拡大していく。その後、レーザ光１２の照射を止めると、図６（ｄ）に示すように、溶融部１３がキーホールを埋めるように固まり、リード１１と封口板１０との接合が完了する。

　このとき、リード１１と封口板１０との溶接部１５は、深溶け込み型の溶接構造をなしている。なお、溶接部１５の形状には特に制限はないが、リード１１と封口板１０との溶接部１５の溶け込み深さは、溶接部１５におけるビード径よりも大きいことが好ましい。このような溶接部の形状は、レーザ光１２のスポット径の大きさや、照射するパワー密度、照射時間等によって制御される。また、レーザ光１２のスポット径は、リード１１の厚みよりも小さければ、キーホール溶接は可能であるが、好ましくは、リード１１の厚みの１／２以下、より好ましくは１／５以下にすれば、より安定したキーホール溶接をすることができる。

　図７（ａ）～（ｃ）は、本発明におけるリード１１と封口板１０とのレーザ溶接を、リチウムイオン電池に適用した例を示した図で、（ａ）は平面概念図、（ｂ）は、溶接部１５の平面顕微鏡写真、（ｃ）は、溶接部１５の断面顕微鏡写真である。

　ここで、リチウムイオン電池の電極群の正極から導出されたリード１１は、厚み０．１５ｍｍ、幅４ｍｍのアルミニウム箔からなり、封口板１０は、厚さ０．１ｍｍ（リード１１との溶接部の厚み）、直径１６．８ｍｍのアルミニウム板からなる。また、レーザ光は、スポット径０．０２ｍｍ、パワー密度７×１０^７Ｗ／ｃｍ^２のものを用い、走査速度５ｍ／分で連続照射を行った。

　リード１１と封口板１０との溶接部１５の形状は、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、溶融幅（ビード幅）が０．３ｍｍ、溶接長さが２．５ｍｍで、溶け込み深さが０．４ｍｍの深溶け込み溶接が実現されており、これにより、レーザ光のスポット径をリード１１の厚みよりも小さくすることによって、キーホール溶接が可能であることが分かる。

　なお、レーザ溶接時にスパッタの発生は観察されず、また、接合強度は約３０Ｎであった。これにより、製造工程上の外部要因の変動が生じても、スパッタの発生を抑制したレーザ溶接が可能となるとともに、レーザ光を連続的に走査して、ライン状の溶接部１５を形成することによって、ＹＡＧレーザを用いた場合と同程度、あるいはそれ以上の接合強度を維持することができる。また、リード１１と封口板１０との溶接部１５をライン状にすることによって、溶接部１５にあらゆる方向から衝撃が加わっても、安定した接合強度を維持することができる。

　なお、図７（ｃ）で示すように、リード１１と封口板１０との溶接部１５のビード径は、レーザ光のスポット径に対して１５倍程度広がっているが、このビード径の広がりは、リード１１の厚みや、溶接部１５の溶け込み深さ等によって変動する。

　図８は、ファイバーレーザの走査方法を示した図である。ファイバー３１の端面から照射されたレーザ光１２を、コリメートレンズ３２によってビーム径１２ｍｍのコリメート光にした後、ガルバノスキャナ３３とｆθレンズとによって、連続的に走査しながらリード１１の表面を照射する。このとき、リード１１に照射されるレーザ光１２のスポット径は、０．０１～０．１ｍｍに絞られる。また、ガルバノスキャナ３３によって、レーザ光１２の走査速度や走査方向が制御される。なお、溶接部の酸化などを防ぐために、ガス供給ノズル３５から、窒素等のシールドガスを溶接部へ吹き付けてもよい。

　図９は、ガルバノスキャナ３３でレーザ光１２を走査して、溶接部１５の平面形状をリング状にした例を示した平面図である。このように、ガルバノスキャナ３３を用いることにより、溶接部１５の形状を容易に設定することができるため、多品種の電池に対応して溶接部１５の形状を変更することが可能となる。

　図１０は、本実施形態における密閉型二次電池の構成を模式的に示した断面図である。図１０に示すように、正極板１及び負極板２がセパレータ３を介して捲回されてなる電極群４は、電池ケース５内に収容され、電池ケース５の開口部は、ガスケット６を介して封口板１０によりかしめ封口されている。そして、電極群４のいずれか一方の極板から導出されたリード１１が、リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光によって、封口板１０にレーザ溶接されている。

　このような構成により、リード１１と封口板１０との溶接工程において、製造工程上の外部要因の変動が生じても、リード１１と封口板１０との接合強度を維持しつつ、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を低減し、これにより、安定した高い信頼性を有する密閉型二次電池を実現することができる。

　また、本実施形態における密閉型二次電池は、以下のような方法により形成することができる。

　まず、正極板１及び負極板２がセパレータ３を介して積層されてなる電極群４を用意し、電極群４のいずれか一方の極板に、リード１１の一端を接続する。その後、電極群４を電池ケース５内に収容した後、リード１１の他端を封口板１０に当接させて、レーザ光をリード１１表面を連続的に走査しながら照射することによって、リード１１の他端を封口板１０にレーザ溶接する。然る後、ガスケット６を介して、封口板１０によって、電池ケース５の開口部をかしめ封口することによって、密閉型二次電池を完成する。

　（第２の実施形態）
　ファイバーレーザのスポット径は、ＹＡＧレーザのスポット径よりも１／１０程度小さいため、溶接面積の縮小に伴う接合強度の低下が懸念される。そこで、接合強度を確保するために、溶接箇所を増やす必要があるが、パルス発振のレーザ光を用いて複数箇所をレーザ溶接すると、加熱、溶融、凝固の状態変化を繰り返すことになるため、スパッタが発生しやすくなる。加えて、溶接状態も溶接箇所によって不均一になるため、安定した接合強度が得られないおそれがある。

　そこで、本実施形態においては、スパッタの発生のない、安定した接合構造を得るために、連続発振のファイバーレーザを連続的に走査して、ライン状の溶融部を形成する方法を提案する。これにより、ＹＡＧレーザを用いた場合と同程度、あるいはそれ以上の接合強度を有する接合構造を得ることができる。加えて、リードと封口板との溶接部をライン状にすることによって、溶接部にあらゆる方向から衝撃が加わっても、安定した接合強度を維持することができる。

　図１１は、本実施形態におけるリード１１を封口板１０にレーザ溶接する方法を示した平面図である。図７に示すように、電極群から導出されたリード１１の端部を、封口板１０に当接した状態で、リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を、リード１１の幅方向に沿って連続的に走査するによって、リード１１の端部を封口板１０にレーザ溶接する。このとき、リード１１と封口板１０との溶接部１５はライン状になっている。ここで、溶接部１５の溶接長さＬと溶接幅との比は４以上、より好ましくは８以上にすることが好ましい。また、溶接部の溶接長さは、リードの幅の１／３以上であることが好ましい。これにより、ＹＡＧレーザを用いた場合と同程度、あるいはそれ以上の接合強度を有する接合構造を得ることができる。

　例えば、厚み０．１５ｍｍ、幅４ｍｍのアルミニウム箔からなるリード１１を、厚さ０．１ｍｍ（リード１１との溶接部の厚み）、直径１６．８ｍｍのアルミニウム板からなる封口板１０に、スポット径０．０２ｍｍ、パワー密度７×１０^７Ｗ／ｃｍ^２のレーザ光を、走査速度１０ｍ／分で、１８ｍsec間照射を行ってレーザ溶接を行った場合、溶接部１５の溶接長さＬが約２ｍｍ、溶接幅Ｗが０．３ｍｍとなった。このときの接合強度は、約２８Ｎで、これは、ＹＡＧレーザを用いた場合と同程度、あるいはそれ以上の接合強度に相当する。なお、レーザ溶接時に、スパッタの発生は観察されなかった。

　また、本実施形態において、溶接部１５のライン形状には特に制限はないが、リード１１と封口板１０との接合強度を高めたり、あるいはリード１１と封口板１０との接触抵抗を下げるために、図１２ａ）～（ｄ）に示すようなライン形状の溶接部１５を形成することが好ましい。

　図１２（ａ）は、溶接部１５を、少なくとも２以上の互いに離間した直線状をなすように形成した例を示す。このように形成することによって、溶接部１５のトータル長が長くなるため、リード１１と封口板１０との接合強度を高めることができる。なお、図８（ａ）では、２本の互いに平行な直線状の溶接部１５を、リード１１の長手方向に対して垂直な方向に形成したが、リード１１の長手方向に対して平行な方向に形成してもよい。あるいは、２本の直線状の溶接部１５を、互いに垂直な方向に形成してもよい。また、直線状に形成する代わりに、曲線状に形成してもよい。

　図１２（ｂ）、（ｃ）は、溶接部１５を、連続する閉直線または閉曲線をなすように形成した例を示す。ここで、図１２（ａ）は矩形状に、図１２（ｂ）は円形状に形成した例を示す。このように形成すると、溶接部１５のトータル長が長くなるとともに、閉直線または閉曲線に囲まれた領域全面において、リード１１と封口板１０とを接触させることができるため、リード１１と封口板１０との接合強度を高めることに加え、リード１１と封口板１０との接触抵抗を下げることができる。なお、閉直線または閉曲線に囲まれた領域全面における接触が不十分であるときは、閉直線または閉曲線に囲まれた領域内に、さらに別の溶接部１５を形成してもよい。

　なお、本発明において言う「ライン状」は、例えば、図１２（ｄ）に示すように、ジグザグ状の形状等も含むものである。

　ところで、溶接部１５を、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すような閉直線または閉曲線をなすように形成する場合、閉直線または閉曲線の始点が終点と重なることによって、レーザ光１２が二度打ちされるため、重なった箇所で穴あきが生じるおそれがある。そこで、このような穴あきを回避するために、例えば、閉直線の場合、図１３（ａ）に示すように、閉直線の終点を、始点と重ならない位置で止めることが好ましい。なお、この場合も、溶接部１５は、実質的な閉直線をなしていると言えるため、上記効果は勿論得られる。あるいは、図１３（ｂ）に示すように、閉直線の終点を始点と重なる位置で止めずに、始点から少し離れた位置まで延ばして（図１３（ｂ）中の１５ａに相当する部分）止めるようにしてもよい。レーザ光１２のパワーは、連続走査しているときは一定であるが、レーザ光１２の走査を止めるときにレーザ光１２のパワーが増加するため、終点を始点と重ならない位置で止めれば、始点と重なって二度打ちされた部分があっても、穴あきを回避することができる。なお、溶接部１５が閉曲線の場合にも、閉直線の場合と同様の形態を採用し得る。

　図１４（ａ）～（ｄ）は、電極群４のいずれか一方の極板に接続されたリード１１を、封口板１０にレーザ光で溶接した後、当該封口板１０を電池ケース５の開口部に封口するまでの工程を示した図である。

　図１４（ａ）に示すように、封口板１０を、電池ケース５の開口部近傍に、開口部面に対して略垂直な方向に配置するとともに、電池ケース５の開口部上方に延出させたリード１１の端部を、封口板１０に当接させる。この状態で、レーザ光をリード１１側から照射することによって、リード１１の端部を封口板１０にレーザ溶接する。

　次に、図１４（ｂ）～（ｄ）に示すように、電池ケース５の開口部面に対して略垂直に配置した封口板１０を、電池ケース５の開口部面に対して平行になるように傾けながら開口部方向に下げて、電池ケース５の開口部を封口板１０で封口する。このとき、電池ケース５の開口部上方に延出したリード１１は、折り曲げられて電池ケース５内に収容されるが、リード１１は柔らかいため、折り曲がる位置が定まらず、折り曲がり位置によっては、リード１１の一部が電池ケース５に接触するおそれがある。

　そこで、図１４（ａ）に示すように、溶接部１５の一部を、少なくともリード１１の長手方向に対して垂直な方向に直線状をなす部位Ａに形成することによって、リード１１を折り曲げながら、電池ケース５の開口部を封口板１５で封口する際、図１４（ｂ）に示すように、リード１１の折り曲がり位置を溶接部１５の部位Ａによって規制することができる。これにより、リード１１が電池ケース５に接触するのを防止することができ、安定して電池ケース５内に収容させることができる。

　また、リード１１を折り曲げながら、電池ケース５の開口部を封口板１０で封口する際、リード１１の長手方向でリードめくれが生じるおそれがある。そこで、図１４（ａ）に示すように、リード１１の長手方向に対して平行な方向にも直線状の溶接部１５を形成することによって、リードめくれも併せ防止することができる。

　すなわち、リード１１を折り曲げながら、電池ケース５の開口部を封口板１０で封口する工程において、リード１１の一部が電池ケース５に接触する問題、及びリードめくれが生じる問題を回避するためには、図１４（ａ）に示すように、溶接部１５を矩形状に形成することが好ましい。

　（第３の実施形態）
　本願発明者等は、本発明の方法を用いてリード１１と封口板１０とのキーホール接合を行い、その接合構造について検討していたところ、以下のような現象を見出した。

　図７（ａ）に示したように、電極群から導出されたリード１１（厚み０．１５ｍｍ、幅４ｍｍのアルミニウム箔からなる）の端部を、封口板１０（リード１１との溶接部の厚み０．１ｍｍ、直径１６．８ｍｍのアルミニウム板からなる）に当接した状態で、スポット径０．０２ｍｍ、パワー密度７×１０^７Ｗ／ｃｍ^２のレーザ光を、リード１１の幅方向に、走査速度１０ｍ／分で走査しながら照射を行い、リード１１と封口板１０とのレーザ溶接を行い、形成された溶接部１５の接合構造を観察した。

　図１５（ａ）～（ｄ）は、その結果を示した図で、（ａ）は、レーザ光１２のパワープロファイルを示した図、（ｂ）は溶接部１５の平面図、（ｃ）は溶接部の断面図、（ｄ）は溶接部の平面顕微鏡写真である。

　図１５（ｂ）、（ｃ）に示すように、走査開始時における溶接部１５ａでは、溶け込み深さが深くなっており、走査停止時における溶接部１５ｂでは、溶接部の表面に穴あき１６が発生しているものがあることが分かった。

　これは、一定のパワーでレーザ光１２を照射した場合、走査開始時には、所定の走査速度に達するまでは単位面積あたりの入熱が大きく、さらにリード１１の照射部が急激に温度上昇したために、溶け込み深さが深くなり、また、走査停止時には、走査速度が下がるに従い単位あたりの入熱が大きくなるために、穴あき１６が発生したものと考えられる。

　このような接合構造が得られるレーザ溶接は、リード１１（及び封口板１０）の溶融状態が不安定であるため、溶融金属の一部が飛散してスパッタが発生するおそれがある。また、レーザ光１２の走査軌跡の位置合わせズレが生じて、走査開始点または走査停止点が、リード１１の存在しない領域に至った場合、レーザ光１２は、直接封口板１０の表面に照射されるため、封口板１０が貫通してしまうおそれもある。

　本実施形態では、このような不安定な接合構造の発生を抑制するために、リードと封口板とのレーザ溶接時におけるスパッタの影響を低減し、安定したスルーホール溶接を可能とする方法を提案する。

　図１６（ａ）～（ｄ）は、本実施形態におけるリード１１を封口板１０にレーザ溶接する工程を模式的に示した図で、（ａ）は、レーザ光１２のパワープロファイルを示した図、（ｂ）は溶接部１５の平面図、（ｃ）は溶接部の断面図、（ｄ）は溶接部の平面顕微鏡写真である。

　図７（ａ）に示した方法と同様の方法により、電極群から導出されたリード１１の端部を、封口板１０に当接した状態で、リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を、リード１１の幅方向に走査しながら照射を行い、リード１１の端部を封口板１０にレーザ溶接を行い、ライン状の溶接部１５を形成する。

　このとき、図１６（ａ）に示すように、レーザ光１２のパワーを、走査開始後の一定時間（時刻０～ｔ_１）、増加させながら、かつ、走査停止前の一定時間（時刻ｔ_２～ｔ_３）、減少させながらレーザ照射を行う。これにより、安定したスルーホール溶接を行うことができ、図１６（ｂ）、（ｃ）に示すように、穴あきが発生することなく、溶接部１５の溶け込み深さがほぼ一定の接合構造を実現することができる。

　図１６（ｄ）は、厚み０．１５ｍｍ、幅４ｍｍのアルミニウム箔からなるリード１１の端部を、厚み０．１ｍｍ（リード１１との溶接部の厚み）、直径１６．８ｍｍのアルミニウム板からなる封口板１０に当接した状態で、スポット径０．０２ｍｍ、パワー密度７×１０^７Ｗ／ｃｍ^２のレーザ光を、リード１１の幅方向に、走査速度１０ｍ／分で走査しながら照射を行い、リード１１と封口板１０とのレーザ溶接を行った時の溶接部１５の平面顕微鏡写真である。レーザ光１２のパワー密度は、走査開始後３ｍsecの間、増加させながら、また、走査停止前間３ｍsecの間、減少させながら、１８ｍsec間レーザ照射を行った。なお、この間、スパッタの発生は観察されなかった。

　ここで、走査開始後の一定時間の経過後、走査停止前の一定時間に至るまでの間（時刻ｔ_１～ｔ_２）、レーザ光１２のパワーを一定にしてレーザ照射を行うのが好ましいが、一定の接合強度が確保できれば、溶融状態を急激に変化させない範囲で変動させても構わない。

　本実施形態におけるレーザ照射は、図８に示したファイバーレーザ走査により行うことができる。レーザ光１２の走査速度や走査方向は、ガルバノスキャナ３３によって制御され、また、レーザ光１２のパワー密度は、レーザ光１２の走査に同期させて、図９（ａ）に示したようなパワープロファイルに制御される。なお、レーザ光１２のパワープロファイルは、レーザ光１２のフォーカス位置を、リード１１の表面に対して移動させながら行うことによって、実質的に制御するようにしてもよい。

　以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態において、リード１１と封口板１０とは同じアルミニウム材を例に説明したが、異種金属からなるリード１１及び封口板１０であっても勿論構わない。また、リード１１が溶接された封口板１０は、電池ケース５にかしめ封口される以外に、電池ケース５の開口部に溶接により封口されたものであってもよい。

　また、リード１１を封口板１０にレーザ溶接する工程を、リード１１が導出された電極群４を電池ケース５内に収納した後に行ったが、リード１１を封口板１０にレーザ溶接した後、リード１１が封口板１０に溶接された電極群４を電池ケース５内に収納し、その後、電池ケース５の開口部１０封口板１０で封口するようにしてもよい。

　なお、本発明が適用される密閉型二次電池は、その種類に特に制限はなく、リチウムイオン二次電池の他、ニッケル水素蓄電池等にも適用することができる。また、円筒形二次電池に限らず、角形二次電池にも適応し得る。さらに、電極群は、正極板及び負極板をセパレータを介して捲回されたものに限らず、積層されたものでもよい。

　本発明によれば、安定した高い信頼性を有する密閉型二次電池を実現することができ、携帯機器等の駆動用電源として有用である。

　１　　　　正極板
　２　　　　負極板
　３　　　　セパレータ
　４　　　　電極群
　５　　　　電池ケース
　６　　　　ガスケット
　１０　　　封口板
　１１　　　リード
　１１ａ　　領域
　１２　　　レーザ光
　１３　　　溶融部
　１４　　　プラズマ
　１５　　　溶接部
　２０、２１　　　異物
　３１　　　ファイバー
　３２　　　コリメートレンズ
　３３　　　ガルバノスキャナ
　３５　　　ガス供給ノズル
　１００　　板状部材
　１０１　　レーザ光
　１０２　　キーホール
　１０３　　溶融領域

Claims (21)

1. 　正極板及び負極板がセパレータを介して積層または捲回されてなる電極群が電池ケース内に収容され、該電池ケースの開口部が封口板で封口された密閉型二次電池であって、
   　前記電極群のいずれか一方の極板から導出されたリードが、該リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光によって、前記封口板にレーザ溶接されている、密閉型二次電池。
2. 　前記リードと前記封口板との溶接部における溶け込み深さは、前記溶接部におけるビード径よりも大きい、請求項１に記載の密閉型二次電池。
3. 　前記リードと前記封口板との溶接部は、ライン状になっている、請求項１に記載の密閉型二次電池。
4. 　前記リード及び前記封口板は、アルミニウムを主成分とする材料からなる、請求項１に記載の密閉型二次電池。
5. 　前記レーザ光のスポット径は、前記リードの厚みの１／２以下である、請求項１に記載の密閉型二次電池。
6. 　前記溶接部は、少なくとも２以上の互いに離間した直線状または曲線状をなしている、請求項３に記載の密閉型二次電池。
7. 　前記溶接部は、連続する閉直線または閉曲線をなしている、請求項３に記載の密閉型二次電池。
8. 　前記溶接部は、連続するジグザク状をなしている、請求項３に記載の密閉型二次電池。
9. 　前記溶接部は、少なくとも前記リードの長手方向に対して垂直な方向に直線状をなす部位を有している、請求項３に記載の密閉型二次電池。
10. 　前記溶接部の溶接長さと溶接幅との比が４以上である、請求項３に記載の密閉型二次電池。
11. 　前記溶接部は、前記リードの幅方向に形成されており、
    　前記溶接部の溶接長さは、前記リードの幅の１／３以上である、請求項３に記載の密閉型二次電池。
12. 　請求項１に記載の密閉型二次電池の製造方法であって、
    　（ａ）正極板及び負極板がセパレータを介して積層または捲回されてなる電極群を用意する工程と、
    　（ｂ）前記電極群のいずれか一方の極板に、リードの一端を接続する工程と、
    　（ｃ）前記電極群を電池ケース内に収容する工程と、
    　（ｄ）前記リードの他端を封口板に当接させて、前記リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を前記リード側から照射することによって、前記リードの他端を前記封口板にレーザ溶接する工程と、
    　（ｅ）前記封口板によって、前記電池ケースの開口部を封口する工程と
    を含む、密閉型二次電池の製造方法。
13. 　前記工程（ｄ）において、前記レーザ光は、ファイバーレーザを用いて照射される、請求項１２に記載の密閉型二次電池の製造方法。
14. 　前記工程（ｄ）において、前記レーザ光は、ファイバーレーザを連続的に走査しながら照射される、請求項１２に記載の密閉型二次電池の製造方法。
15. 　前記レーザ光のパワーを、前記走査開始後の一定時間、増加させながら、かつ、前記走査停止前の一定時間、減少させながらレーザ照射を行う、請求項１４に記載の密閉型二次電池の製造方法。
16. 　前記走査開始後の一定時間の経過後、前記走査停止前の一定時間に至るまでの間、前記レーザ光のパワーを一定にしてレーザ照射を行う、請求項１５に記載の密閉型二次電池の製造方法。
17. 　前記リードと前記封口板との溶接部における溶け込み深さは、前記レーザ光の走査方向において一定に形成される、請求項１５に記載の密閉型二次電池の製造方法。
18. 　前記リードと前記封口板との溶接部は、ライン状に形成される、請求項１５に記載の密閉型二次電池の製造方法。
19. 　前記レーザ光のパワーの増加及び減少を、前記レーザ光のフォーカス位置を、前記リードの表面に対して移動させながら行う、請求項１５に記載の密閉型二次電池の製造方法。
20. 　前記工程（ｄ）において、前記レーザ光のスポット径は、前記リードの厚みの１／２以下である、請求項１２に記載の密閉型二次電池の製造方法。
21. 　前記リード及び前記封口板は、アルミニウムを主成分とする材料からなる、請求項１２に記載の密閉型二次電池の製造方法。

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