(57)【要約】【課題】複数の集電箔がセパレータから露出した露出部と集電体とをレーザ溶接する二次電池の製造方法において、二次電池の信頼性を向上させる。【解決手段】二次電池１の製造方法は、第１のパワー密度Ｑ１、かつ第１の走査速度Ｖ１で、複数の正極集電箔２１がセパレータ２３から露出した正極露出部２１０と集電体８０とを接合するためのレーザ溶接を行なう１次加工（Ｓ２１）と、第２のパワー密度Ｑ２、第２の走査速度Ｖ２で、第１のレーザ溶接工程（Ｓ２１）による正極露出部２１０と集電体８０との接合部２３１にさらにレーザ溶接を行なう２次加工（Ｓ２２）とを含む。第１のパワー密度Ｑ１は、第２のパワー密度Ｑ２よりも低く、第１の走査速度Ｖ１は、第２の走査速度Ｖ２よりも遅い。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の製造方法であって、
前記二次電池は、
複数の集電箔がセパレータを介して積層され、前記複数の集電箔が前記セパレータから露出した露出部を有する電極体と、
前記露出部と外部端子とを電気的に接続するための集電体とを含み、
前記製造方法は、
第１のパワー密度、かつ第１の走査速度で、前記露出部と前記集電体とを接合するためのレーザ溶接を行なう第１の工程と、
第２のパワー密度、かつ第２の走査速度で、前記第１の工程による前記露出部と前記集電体との接合部にさらにレーザ溶接を行なう第２の工程とを含み、
前記第１のパワー密度は、前記第２のパワー密度よりも低く、
前記第１の走査速度は、前記第２の走査速度よりも遅い、二次電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は二次電池の製造方法に関し、より特定的には、複数の集電箔がセパレータから露出した露出部と集電体とを接合するためのレーザ溶接の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池等の二次電池の製造工程においては、複数の集電箔がセパレータから露出した露出部と集電体とを接合するためのレーザ溶接が行なわれる。このレーザ溶接に関し、各種技術が提案されている（たとえば特開２０００−１３３２４１号公報（特許文献１））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１３３２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ溶接により露出部を集電体に接合するには大きな熱量（熱の総量）を要する。この熱量を接合部に与えるための手法としては、たとえばパワー密度が相対的に高いレーザ光を照射することが考えられる。しかし、この場合、レーザ照射によって溶融した集電箔の破片（スパッタ）が飛散し、二次電池の内部に混入する可能性がある。
【０００５】
逆に、パワー密度が相対的に低いレーザ光を照射しつつも走査速度を低く設定することにより、大熱量を実現することも考えられる。しかし、この場合、スパッタの発生は抑制できるものの、接合部の内部に空隙が生じ得る。この空隙は導通不良の原因になり得る。
【０００６】
本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の集電箔がセパレータから露出した露出部と集電体とをレーザ溶接する二次電池の製造方法において、二次電池の信頼性を向上可能な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示のある局面に従う二次電池の製造方法において、二次電池は、電極体と、集電体とを含む。電極体は、複数の集電箔がセパレータを介して積層され、複数の集電箔がセパレータから露出した露出部を有する。集電体は、露出部と外部端子とを電気的に接続する。製造方法は、第１および第２の工程を含む。第１の工程は、第１のパワー密度、かつ第１の走査速度で、露出部と集電体とを接合するためのレーザ溶接を行なう工程である。第２の工程は、第２のパワー密度、かつ第２の走査速度で、第１の工程による露出部と集電体との接合部にさらにレーザ溶接を行なう工程である。第１のパワー密度は、第２のパワー密度よりも低く、第１の走査速度は、第２の走査速度よりも遅い。
【０００８】
上記製造方法によれば、パワー密度が低く、かつ走査速度が遅い第１の工程を実行することで、露出部と集電体とを接合する際のスパッタの発生を抑制することができる。ただし、第１の工程では、パワー密度が低いものの走査速度が遅いので、接合部に与えられる熱量（熱の総量）が大きく、接合部に空隙が発生しやすい。一方、第２の工程においては、第１の工程により露出部がすでに短くなっており、新たなスパッタは発生しにくいので、パワー密度が高められるとともに走査速度が早められる。これにより、パワー密度が高い分、接合部の深くまで溶融して第１の工程で発生した空隙を消失させることができる。また、パワー密度が高いものの走査速度も速いので、接合部に与えられる熱量が小さく、新たな空隙の発生が抑制される。このようにレーザ溶接を２段階に分けて行なうことによって、二次電池の信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、複数の集電箔がセパレータから露出した露出部と集電体とをレーザ溶接する二次電池の製造方法において、二次電池の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態に係る製造方法を用いて製造される二次電池を示す斜視図である。
【図２】図１に示した電極体の構成をより詳細に示す図である。
【図３】電極体の正極側端面の構成を説明するための電極体の平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ’線に沿う電極体の断面図である。
【図５】パワー密度が低く、かつ走査速度が遅い従来のレーザ溶接結果を説明するための図である。
【図６】本実施の形態におけるレーザ溶接条件を説明するための図である。
【図７】本実施の形態におけるレーザ溶接結果を説明するための図である。
【図８】本実施の形態に係る二次電池の製造方法を示すフローチャートである。
【図９】評価試験の結果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１２】
＜二次電池の構成＞
図１は、本実施の形態に係る二次電池の製造方法を用いて製造される二次電池１を示す斜視図である。二次電池１は、たとえばリチウムイオン二次電池である。
【００１３】
二次電池１は、筐体１０と、筐体１０内に収容される電極体２０および電解液３０とを備える。筐体１０は、ケース本体１１と、ケース本体１１に溶接された蓋体１２とを含む。蓋体１２には、防爆弁４０と、注液栓５０と、正極外部端子６０と、負極外部端子７０とが設けられている。なお、図１では筐体１０の内部が透視して示されている。
【００１４】
防爆弁４０は、筐体１０の内部圧力が上昇し所定圧力に達した場合に作動することで筐体１０の破裂を防止する。注液栓５０は、筐体１０の内部に電解液３０を注入するために用いられる。
【００１５】
図２は、図１に示した電極体２０の構成をより詳細に示す図である。電極体２０は、正極集電箔（あるいは正極板）２１と、負極集電箔（あるいは負極板）２２と、セパレータ２３とを含む。正極集電箔２１は、たとえば厚さ１５μｍのアルミニウム合金箔である。負極集電箔２２は、たとえば厚さ１０μｍの銅箔である。セパレータ２３は、多孔質絶縁層である。
【００１６】
電極体２０は、正極集電箔２１と負極集電箔２２とがセパレータ２３を介して捲回されることにより偏平形状に形成されている。より詳細には、電極体２０は、セパレータ２３の一方端から正極集電箔２１の一部（正極集電箔露出部）２１０が露出するとともに、セパレータ２３の他方端から負極集電箔２２の一部（負極集電箔露出部）２２０が露出するように捲回されている。
【００１７】
電極体２０の正極側端面には、集電端子８１と中間部材８２とが設けられている。以下では、集電端子８１と中間部材８２とを包括的に集電体８０とも称する。正極集電箔露出部２１０は、集電体８０を介して正極外部端子６０に電気的に接続されている。電極体２０の負極側端面についても同様に、集電体９０（集電端子および中間部材）が設けられている。負極集電箔露出部２２０は、集電体９０を介して負極外部端子７０に電気的に接続されている。集電体８０，９０は、銅、ニッケルまたはアルミニウム等の導電性材料を用いて形成されていている。電極体２０の負極側端面の構成は、正極側端面の構成と基本的に同等であるため、以下では電極体２０の正極側端面の構成について代表的に説明する。
【００１８】
図３は、電極体２０の正極側端面の構成を説明するための電極体２０の平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ’線に沿う電極体２０の断面図である。
【００１９】
図３および図４を参照して、正極集電箔露出部２１０を集電端子８１と中間部材８２との間に挟み込むことによって、正極集電箔露出部２１０が集箔される。この集箔された正極集電箔露出部２１０のうち集電体８０（集電端子８１および中間部材８２）から突出している部分を突出芯材部２１１と称する。突出芯材部２１１にレーザ光を照射することにより、正極集電箔露出部２１０と集電体８０とが接合（レーザ溶接）される。
【００２０】
突出芯材部２１１では、正極集電箔２１の積層方向（図中ｘ方向）の中央に位置する箔が最も高く、外側に位置する箔ほど低くなる。正極集電箔２１の寸法公差、および、正極集電箔露出部２１０を集電体８０に挟み込む際の組立公差を考慮すると、突出芯材部２１１の中心部の高さＨは、ある程度高い必要があり、たとえば約４ｍｍとすることができる。突出芯材部２１１の幅Ｄは、たとえば約０．４ｍｍである。
【００２１】
このように構成された突出芯材部２１１と集電体８０とを溶接するためには大きな熱量を要する。この熱量を接合部（レーザ照射箇所）に与えるための手法としては、たとえばパワー密度が高いレーザ光を照射することが考えられる。しかしながら、この場合、レーザ照射によって溶融した正極集電箔２１の破片（スパッタ）が飛散し、二次電池１の内部に混入してしまう可能性がある。
【００２２】
逆に、パワー密度が低いレーザ光を使用しつつ、走査速度を遅く設定することにより、大熱量を実現することも考えられる。
【００２３】
図５は、パワー密度が低く、かつ走査速度が遅い従来のレーザ溶接結果を説明するための図である。パワー密度が低く、かつ走査速度が遅い条件を採用することにより、スパッタの発生を抑制することができる。
【００２４】
その一方で、接合部２３８の内部に空隙２３９が生じ得る。空隙２３９は、溶融部分（突出芯材部２１１と集電体８０とが溶融した部分）と突出芯材部２１１の未溶融部分との間において特に生じやすい。空隙２３９が生じた場合、導通不良の原因となり得る。
【００２５】
また、接合部２３８は、中央（突出芯材部２１１に近い部分）で深い形状になり、突出芯材部２１１に伝導される熱量が大きくなる。この熱の影響によってセパレータ２３が溶け、不良を引き起こす可能性もある。
【００２６】
そこで、本実施の形態においては、突出芯材部２１１と集電体８０とのレーザ溶接が１次加工および２次加工の２段階に分けて実行される。これにより、以下に詳細に説明するように、スパッタの発生を抑制しつつ、空隙２３９を低減し十分な接合強度を持ったレーザ溶接を実現することが可能になる。
【００２７】
＜本実施の形態におけるレーザ溶接＞
図６は、本実施の形態におけるレーザ溶接条件を説明するための図である。図７は、本実施の形態におけるレーザ溶接結果（２次加工後の結果）を説明するための図である。
【００２８】
図６および図７を参照して、１次加工（本開示に係る「第１の工程」に相当）は、パワー密度が低く、かつ走査速度が遅い条件において、主に突出芯材部２１１を溶融するために行なわれる。
【００２９】
一例として、レーザ光の出力（レーザ出力）が１,２００Ｗに設定され、レーザ光のスポット径（直径）が０．７２ｍｍに設定される。これから、レーザ光のパワー密度Ｑ１は３，０００Ｗ／ｍｍ２と算出される。なお、パワー密度は、レーザ出力をレーザビームのスポット面積で除算したものであり、レーザ出力（単位：Ｗ）/(π×レーザビームのスポットの半径２)(単位：ｍｍ２)により求めることができる。また、レーザ光の走査速度Ｖ１は、３００ｍｍ／ｓに設定される。
【００３０】
本実施の形態では、１次加工おいてもウィービングが行なわれる。ウィービング波形は、図６に示すように、たとえばジグザグ状である。ウィービングの波長Ｔは、たとえば０．０５ｍｍであり、振幅Ａは、たとえば０．５ｍｍである。なお、ウィービング波形の形状は特に限定されるものではなく、たとえば螺旋状であってもよい。また、１次加工では、スポット径（０．７２ｍｍ）の方が突出芯材部２１１の幅Ｄ（０．４ｍｍ）よりも大きいので、ウィービングを行なわなくてもよい。
【００３１】
１次加工によれば、低いパワー密度Ｑ１かつ遅い走査速度Ｖ１で突出芯材部２１１が溶融されるため、突出芯材部２１１と集電体８０とを接合して接合部２３１が形成される際のスパッタの発生を抑制することができる。実際に１次加工中の様子を目視で確認したところ、スパッタの飛散は確認されなかった。また、１次加工後に接合部２３１の周囲（距離１００ｍｍの範囲内）を確認したところ、直径５０μｍ以上のスパッタが飛散していないことが確認された。
【００３２】
さらに、１次加工によれば、パワー密度Ｑ１が低くても走査速度Ｖ１が遅いため、熱量（熱の総量）としては十分に大きくなり、突出芯材部２１１の大部分を溶融して高さＨを低くする（たとえば１ｍｍ以下にする）ことができる。
【００３３】
その一方で、熱量が大きいため、１次加工後には図５にて説明したのと同様に接合部２３１に空隙（図示せず）が発生し得る。１次加工後の接合部２３１の断面を確認したところ、空隙の割合が７０％であることが確認された。
【００３４】
そのため、本実施の形態では、１次加工に続いて２次加工が行なわれる。２次加工（本開示に係る「第２の工程」に相当）は、１次加工で発生した空隙を消失させることを主な目的に、パワー密度Ｑ１よりも高いパワー密度Ｑ２、かつ走査速度Ｖ１よりも速い走査速度Ｖ２において行なわれる。２次加工におけるパワー密度Ｑ２は、キーホール型溶接が起こる程度のパワー密度に設定することが好ましい。
【００３５】
本実施の形態では、レーザ出力が５００Ｗに設定され、レーザ光のスポット径が０．０４０ｍｍに設定される。これから、レーザ光のパワー密度Ｑ２は、４００，０００Ｗ／ｍｍ２と算出される。また、レーザ光の走査速度Ｖ１は、１，８００ｍｍ／ｓに設定される。なお、これらの具体的な数値は例示に過ぎないことに留意すべきである。
【００３６】
また、２次加工においてもウィービングが行なわれる。ウィービング波形は１次加工時と同等である。ウィービング加工を行なうことにより、レーザ光のスポット径が小さい場合であっても、接合部２３１，２３２に十分な幅を確保することができる。
【００３７】
２次加工においては、パワー密度Ｑ２が高いものの、１次加工により突出芯材部２１１の大部分がすでに溶融しているため、スパッタの飛散はほとんど生じない。実際に、２次加工中のスパッタの飛散は目視では確認されなかった。また、２次加工後に接合部２３２の周囲に直径５０μｍ以上のスパッタが飛散していないことが確認された。
【００３８】
２次加工によれば、レーザ照射による熱が接合部２３２の内部により深く入り込むことで、１次加工で発生した空隙のほとんどを浮上させ消失させることができる。また、２次加工は、パワー密度Ｑ２が高いものの走査速度Ｖ２も速いので、１次加工と比べて、接合部２３２に与えられる熱量は小さい。さらに、キーホール先端よりも下方へと熱伝導される熱量が小さい。したがって、２次加工による新たな空隙の発生を抑制することができる。２次加工後の接合部２３１，２３２の断面を確認したところ、空隙が完全に消失した（すなわち空隙の割合が０％である）ことが確認された。したがって、本実施の形態によれば、導通不良の発生を防止することができる。
【００３９】
接合部２３２は、両端が深く溶融された形状となるので、突出芯材部２１１と集電体８０との接合面積が大きくなる。したがって、高い接合強度を実現することができる。また、接合部２３２の両端が深く溶融されるということは、図５に示した溶接結果と比べて、集電体８０が溶融した割合が相対的に高く、突出芯材部２１１が溶融した割合が相対的に低いことを示している。よって、突出芯材部２１１を介してセパレータ２３等の構成要素に熱が伝導される影響が小さくなり、不良の発生を抑制することができる。
【００４０】
＜二次電池の製造フロー＞
図８は、本実施の形態に係る二次電池１の製造方法を説明するためのフローチャートである。ステップ（以下「Ｓ」と略す）１において、電極体２０の正極集電箔露出部２１０を集電端子８１および中間部材８２（集電体８０）により挟み込むことによって、突出芯材部２１１が形成される。
【００４１】
Ｓ２１において、突出芯材部２１１と集電体８０とを接合するためのレーザ溶接を行なう１次加工が実行される。さらに、Ｓ２２において、１次加工による突出芯材部２１１と集電体８０との接合部２３１にさらにレーザ溶接を行なう２次加工が実行される。これらの工程については図６および図７にて詳細に説明したため、説明は繰り返さない。
【００４２】
Ｓ３０において、電極体２０が筐体１０の内部に配置される。より詳細には、蓋体１２に設けられた正極外部端子６０および負極外部端子７０と電極体２０とが電気的に接続された状態で、電極体２０が筐体１０の内部に収容される。Ｓ４０において、ケース本体１１の開口縁部と、蓋体１２の外周縁部とにレーザ光が照射され、ケース本体１１と蓋体１２が溶接される。
【００４３】
Ｓ５０において、注液栓５０にノズル（図示せず）が挿入され、筐体１０の内部に電解液３０が注入される。Ｓ６０において、防爆弁４０が蓋体１２に形成される。
【００４４】
Ｓ７０において、二次電池１が充電（初期充電）される。そして、Ｓ８０において、二次電池１を所定期間放置する、いわゆるエージングが実行される。なお、二次電池１の製造方法はこれに限定されるものではなく、他のステップが含まれていてもよい。
【００４５】
＜評価試験結果＞
本発明者らは、本実施の形態に係る二次電池１の製造方法の効果を確認するため、比較例に係る二次電池の製造方法とともに評価試験を実施した。
【００４６】
図９は、評価試験の結果を説明するための図である。図９では、図６にて説明したのと同様のレーザ溶接条件にて１次加工を実行し、その後に実行される２次加工のレーザ溶接条件が示されている。なお、２次加工においてもウィービング（波長Ｔ＝０．０５ｍｍ、振幅Ａ＝０．５ｍｍ）が行なわれる。
【００４７】
比較例１〜３では、パワー密度が低く、走査速度も遅い。比較例１，２の溶接部の断面を確認したところ、１次加工後と比べて空隙量が増加していた。比較例３の溶接部の断面では、１次加工後と比べて空隙量は減少しているものの完全には消失しておらず、一部に残っていることが確認された。
【００４８】
比較例４では、パワー密度が過度に高く、走査速度も速い。このような場合には、スポッタの飛散が多く確認された。
【００４９】
これに対し、実施例１〜３では、パワー密度が適度に高く、走査速度も適度に高い。このような場合には、スパッタの飛散も生じず、かつ、空隙が発生しないことが確認された。
【００５０】
以上のように、本実施の形態によれば、パワー密度Ｑ１が低く、かつ走査速度Ｖ１が遅い１次加工により、スパッタの発生を抑制しながら突出芯材部２１１を溶融することができる。１次加工後には空隙が発生し得るものの、パワー密度Ｑ２が高く、かつ走査速度Ｖ２が速い２次加工により、新たな空隙の発生は抑制しつつ、１次加工で発生した空隙を消失させることができる。その結果、接合強度を一層向上させることができる。さらに、ウィービング加工を行なうことで、十分な接合幅を確保することも可能になる。したがって、二次電池１の信頼性を向上させることができる。
【００５１】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５２】
１  二次電池、１０  筐体、１１  ケース本体、１２  蓋体、２０  電極体、２１  正極集電箔、２２  負極集電箔、２３  セパレータ、３０  電解液、４０  防爆弁、５０  注液栓、６０  正極外部端子、７０  負極外部端子、８０，９０  集電体、８１  集電端子、８２  中間部材、２１０  正極集電箔露出部、２１１  突出芯材部、２２０  負極集電箔露出部、２３１，２３２，２３８  接合部、２３９  空隙。
【図１】
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【図２】
2018041542.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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