(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンビルのワーク支持面上を、張力を適度に加えられたポリプロピレンテープ、またはテフロンテ−プで覆い、超音波接合を所定の回数繰り返す毎に、テープ送り駆動装置を作動させて、前記テープを微小距離だけ移動させることにより、常時損傷の少ないポリプロピレンテープ、またはテフロンテ−プにより覆われたアンビルの表面で、金属リチウム極板を支えることを特徴とするリチウム電池のリード線接続装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負極板に金属リチウム箔を用いるリチウム一次電池の、負極板にリード線を接続する工法及び装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
円筒形リチウム一次電池の負極板としては、一般的にリチウム金属箔、またはリチウム合金を用い、リード線としては、ニッケルメッキを施した軟鋼製テープ、またはニッケル−軟鋼−ニッケルの３層からなるクラッド材などが用いられ、極板とリード線との接続部は異種金属の組合せになっている。そのため、電気的なスポット溶接による接続方法の採用は困難であり、リード線の表面にエンボス加工、ブラスチング加工などを施して、表面に凹凸を設けた状態で、負極板となるリチウム金属箔と重ね合わせて加圧する、冷間圧接工法による接続法が採用されるのが最も一般的であった。
【０００３】
参考までに一例を示すと、図７に示すように、リード線１の金属リチウム極板２との接続部となる部分の表面に、集中的にプレス加工で突起部の高さが０．１６ｍｍの多数の突起（おろしがね状）５を事前に設け、この部分を負極板となる金属リチウム極板２と重ね合わせて、５ｍｍ×１８ｍｍの接合面積に対して１００Ｎの力を加える冷間圧接工法で両者を接合していた。（図６参照）その際、金属リチウム極板を、冷間圧接の荷重受け部に金属を用いて直接支えると、荷重受け部の金属表面に、金属リチウムは付着し易いので、ジュラコン（商品名）、またはポリウレタンゴム等を介して支えるようにする方法が一般的である。
【０００４】
また、特開平６−１５５０５１号公報には、リチウム二次電池のリード線接続方法として、極板の集電体としての金属箔には、厚さ５μｍ〜３０μｍの銅箔またはアルミ箔を、リード線としてはニッケル板またはアルミ板を用いる場合の接合方法であるが、アンビルのワーク支持面をサンドブラスト処理した表面とし、超音波ホーンの加工面は一定のピッチでピラミッド形に加工された凹凸面として、リード線と金属箔を重ね合わせて超音波接合を行う方法が開示されている。超音波接合により２つの金属部品を接合する場合には、必ずしも同一種類の金属同士に制限されることはなく、また接続部表面の酸化被膜に影響されることも少なく、リード線接続工法としては、広く一般的に用いられている方法のうちの一つである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
金属リチウムから成る極板とリード線の接続に先立って、リード線の接合部となる表面にエンボス加工やグリッドブラスチング加工を施して、故意に凹凸を設けてから冷間圧接を行うと、接合強度は強くなり接合部における接触抵抗を低く安定させることは可能となるが、事前に予備加工が必要となり、生産に要するリードタイムは長く、製造コストがかさむことになる。さらに、接合強度や接触抵抗を一層安定化させるためには、エンボス加工の突起の形状、突起の高さ等の安定化が重要な課題となっていた。
【０００６】
しかし、製造コスト削減のために、リード線に対する事前の予備加工を省略して、リチウム金属箔とニッケルメッキを施した軟鋼製の短冊状に加工されたリード線を重ね合わせて、冷間圧接するのみでは接合強度が不足気味であり、接触抵抗も不安定で、電池特性についてもバラツキが増大する傾向にある。また、冷間圧接加工の加圧力を強くし、接合強度を強くしようとすると、金属リチウム極板の接合部となる部分が変形したり破損する場合があるので、単純な冷間圧接工法を、大量生産のための、リード線接続工法として採用することは出来ない。
【０００７】
また、前記の特開平６−１５５０５１号公報にも開示されている超音波接合工法を利用して、金属リチウム箔から成る負極板に対して、ニッケル製またはニッケルメッキを施したリード線を接合しようとするときには、金属リチウムは各種の金属と非常に溶着し易いために、リード線に予備加工を施すことなく、リード線とリチウム極板を容易に接続出来ると予想される。
【０００８】
しかし、接合実験を行ってみると、金属リチウム極板とリード線は、強固に安定した接合状態を示すことは判ったが、それと同時に、金属リチウム極板と接して超音波接合の荷重を支える金属製のアンビル表面に、金属リチウム極板も接合された状態となり、金属リチウム極板を良品の状態で、容易にはアンビルから取り外すことが出来ない状態となった。従って、アンビルのワーク支持面に、金属リチウムとの接合を防止する対策としての表面処理、または金属リチウムと付着しにくい材料でアンビルの表面を覆う必要がある。
【０００９】
一般的に金属表面は、金属リチウムとの接合力が強いが、超音波接合用アンビルの荷重支持面には、加工が容易で、しかも安価な金属材料を用い、且つ金属リチウム極板を支えて、超音波接合用のアンビルの表面に金属リチウムが接合しないように出来ることが望ましい。
【００１０】
簡単なテストをしてみると、アンビルの表面をラッピング加工、バニッシング加工などにより非常に滑らかに仕上げる場合には、アンビルの表面に対する金属リチウム極板の接合力を幾分弱めることは可能であり、数回程度の超音波接合を行うことは出来るが、超音波接合加工を繰り返すうちに、急激にワ−クとアンビルとの接合力が強くなり、ワークの取はずしが困難となるので、何度も繰り返し使用をすることは不可能であることが判った。
【００１１】
本発明は上記のような問題点を解決する為のものであり、リード線の表面に事前に予備加工を施す事なく、圧延加工されたままの表面で、極板となるリチウム金属箔に、安価で、しかも強固に安定したリード線を接合することの可能な加工法及び装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するために、超音波接合法を利用して金属リチウム極板にリード線を接続するものであり、アンビルの荷重支持面をポリプロピレン（以下ＰＰと記述する）フィルム、テフロンフィルムなどで覆い、金属リチウム箔を支えることにより、金属リチウムのアンビルに対する付着力を効果的に低下させる。
【００１３】
また、ゴム系粘着剤つきＰＰテープまたはテフロンテープ（フィルム層の厚さ２０μｍ、粘着剤層の厚さ２０μｍ）をアンビルのワーク支持面に張り付けることにより、超音波接合でリ−ド線の接合強度を確保する。しかも、金属リチウム極板がアンビルにして、アンビルから外せなくなるということも防止する。薄いＰＰテープまたはテフロンテープの場合には、アンビルに１枚のみ張り付けて使用するよりも、２〜３枚重ね合わせて使用する方が、前記テープを新しいものに交換を要するまでの間隔が長くなる傾向にあり、２０００〜３０００回の超音波接合の使用に耐える。但し、前記テープ枚数を増加させる（フィルム厚さが増す）に従って、接合強度は低下の傾向にある。
【００１４】
しかし、アンビルの金属リチウム箔と接触する部分に張りつけたＰＰフィルムの寿命は短く、超音波接合を２０００〜３０００回程度繰り返すと、損傷を受け寿命が尽きるため、ＰＰフィルムを新しいものと容易に交換可能な構造の一例としては、テープの片側表面に粘着剤を塗着したＰＰテープを用い、断面形状が多角形をしたアンビルのワーク支持面のそれぞれの面に、テープ幅と一致する浅い溝を加工し、前記の溝を位置決め用として用いることにより、ＰＰテープをアンビルの表面に張りつける際の位置決めを容易化すると共に、超音波接合回数をカウントするカウンターの信号により、所定回数接合する毎に、前記の多角形のアンビルを所定の角度だけ回転させることにより、新しいＰＰテープ面に交換して、金属リチウム極板を支持する構造とする。
【００１５】
また、粘着剤の塗着されていないＰＰテープを、あるいは粘着剤付ＰＰテープを張り付けたアンビルごと、超音波接合を繰り返す度に、少しずつ位置をずらせて、ほとんど損傷のないＰＰテープの面で常時ワークを支持する構造とすることも可能である。その一例としては、粘着剤の塗着されていないＰＰテープを用い、超音波接合を繰り返す毎に、その回数をカウンターで数え、所定の接合回数に達すると、ＰＰテープ送りローラーをパルスモーターを用いて、所定の角度だけ回転させて、僅かずつテープを移動させ、常時損傷のほとんどないＰＰテープで、アンビルのワーク支持面を覆うようにすることも可能である。
【００１６】
なお、一般的に市販されているＰＰテープ、またはテフロンテープなどで、片側表面に粘着剤が塗着されているものでは、粘着剤の塗着されていない側の面には１μｍ程度以下の極く薄い離型剤層を有するのが一般的であるが、このように薄い場合には、離型剤層の有無にはほとんど関係なく、本発明の超音波接合に有効に利用することが可能である。また、ＰＰテープの表面に、ゴム系粘着剤の下塗剤を極薄く塗着した後に、ゴム系粘着剤などを塗着したものも利用することが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の超音波接合方法を実施するための装置の主要部について概略を示す図である。負極となる金属リチウム極板２とリード線１を、相互に位置合わせした状態で、アンビル７のワーク支持面上に重ね合わせ、アンビル７のワーク支持面と平行な方向に微小振動する超音波ホーン９をエアーシリンダー１０によりアンビル７に向けて下降させ、アンビル７と超音波ホーン９により両被接合物の表面を加圧することにより密着状態として、被接合物に超音波振動のエネルギーを加えて、リード線１を金属リチウム極板２に接合させる。
【００１８】
その際、アンビル７のワーク支持面が金属から出来ている場合には、金属リチウム極板２がアンビルに付着し易く、リード線１が金属リチウム極板と接合されるのみならず、金属リチウム極板２がアンビル７の表面にも付着し、容易にはアンビルから取り外せなくなるので、その防止策として、アンビル７のワーク支持面をＰＰテープ８で覆い、超音波接合を繰り返し行う。
【００１９】
ＰＰテープ８の寿命は比較的長いものの、超音波接合を繰り返すと、次第に磨耗や損傷を受けるので、常時損傷のないＰＰテープをアンビルのワーク支持面に供給し続けるために、カウンター（図示せず）に超音波接合の繰り返し回数をカウントさせ、超音波接合の繰り返し回数が設定値に達する度に、テープ送りローラー１９をテープ送りローラー駆動用パルスモーター２０により、所定の設定角度だけ回転させて、ＰＰテープを所定の長さだけ送る。
【００２０】
このようにすることにより、アンビルのワーク支持面を、常時損傷のないＰＰテープ８で覆うことが可能となり、金属リチウム極板２がアンビルに付着し、アンビルから取り外せなくなることを無くする。
【００２１】
尚、図１ではＰＰテープを１本のみ使用している場合を示しているが、１本に限定されるものではなく２〜３本用いてＰＰテープを２〜３重にアンビル表面を覆うことも可能である。
【００２２】
図２は本発明の超音波接合方法を実施するための、別の装置の主要部を示す斜視図である。回転円盤の円筒面１４に等間隔に、しかも交換容易に複数個のアンビル７が配設され、アンビル７のワーク支持面には、片側表面に粘着剤を塗着されたＰＰテープ８が１〜３枚程度重ねて張り付けられている。アンビル７の個数としては、使用中のものとは別に、予備としてＰＰテープを張り付けた状態で数個が準備され、ＰＰテープ８が損傷を受けるとその都度、新しいＰＰテープを張り付けたアンビルと交換して使用する。
【００２３】
なお、この装置においては、事前にリード線１は絶縁性の粘着テープ６により、金属リチウム極板２の所定の位置に仮固定され（図３参照）、金属リチウム極板と共に、円筒面１４に設けられた真空吸着孔１６により吸着されて、円筒面に巻きつけるように保持され、かつ、リード線の接合部は、アンビル７のワーク支持面に一致する様に保持される。回転円盤２５は矢印方向に間欠回転し、アンビル７が超音波ホーン９と対向する位置で停止し、超音波ホーン９がエアーシリンダー１０により、アンビル７に向かって前進し、アンビル７と超音波ホーン９で、金属リチウム極板とリード線の接合部をはさみ加圧力を加えつつ、超音波振動エネルギーを与えて接合する。
【００２４】
図３は本発明の方法により超音波接合された、リチウム１次電池用の金属リチウム負極板の平面図を示す。この場合には、超音波接合による接合部の面積は２ｍｍ×１０ｍｍと、従来よりもやや小さくしているが、従来のエンボス加工と冷間圧接による接合方法よりも、接合部の機械的強度は強く、接合部の電気抵抗値も低いために、この程度で十分である。
【００２５】
図４は、本発明で使用する粘着剤付きのＰＰテープ８の一例について、その構成を斜視図で示すものである。図５は、リード線１を本発明の超音波接合法により、金属リチウム極板２に接合し、その機械的な接合強度をチェックする際に、どのような方向の力を加えてチェックしたかを示す。
【００２６】
本発明のリード線接続法による、超音波接合の条件として、接合面積を１０ｍｍ×２ｍｍの長方形とし、出力３００Ｗ、振動数４０ｋＨｚ、振幅２０μｍで、アンビルのワーク支持面に対して略並行な方向に振動する超音波ホーンを、加圧力２００Ｎのエアーシリンダーで、構造用鋼（Ｓ４５Ｃ）製アンビルのワーク支持面上に位置決めして重ね合わせた被接合材のリード線側から押しつけ、加工時間は２００ｍｓｅｃとして、接合した５００個の結合部に対して、図５に示すようにリード線１を極板２に対して直角方向に引っ張る方法で破壊テストを実施した結果、引張強度も従来品と比較して大きく、全ての金属リチウム極板側が、リード線により引きちぎられる状態で破損し、接合状態は良好であるとの結果を得た。
【００２７】
また、アンビルのワーク支持面を覆う非金属層の材質、厚さなどの選択は非常に大切であり、金属リチウムと非常に滑りが良く馴染みの少ない材料で、アンビルのワーク支持面をカバーすると、両被接合物がアンビル上で一体的に運動し、被接合物同士の接触面での摩擦熱の発生が減少するため、アンビルとの付着は防止出来ても、超音波接合も十分には出来ない場合がある。また、アンビルのワーク支持面を覆う、樹脂やゴムなどの非金属層を厚くする場合にも、やはり、非金属層が主として振動し、両被接合物がアンビル上で一体的に運動し、被接合物の接触面での摩擦熱の発生が妨げられるために良好な接合ができなくなる場合がある。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、負極板となる金属リチウム箔に対して、ニッケルメッキされた、またはニッケルクラッド材などで製作されたリード線を接合する工法として、超音波接合を採用することにより、従来よりも強固に両者を接続出来、しかも接合部に於ける接触抵抗を小さく安定させることが可能となり、電池の品質を向上させ、安定させることが出来るようになった。さらに、従来一般的にリード線の表面に、接合強度を安定化させるために施していた、ブラスチング加工やエンボス加工などの予備加工を省略することができ、コストダウンの効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のリード線接続方法により、負極となるリチウム金属箔にリード線を接続するための装置の主要部を示す図
【図２】  本発明の金属リチウム極板にリード線を接続するための、他の装置の主要部を示す斜視図
【図３】  金属リチウム極板に本発明を用いてリード線を接続した状態を示す平面図
【図４】  本発明のリード線接続工法で用いられるＰＰテープの一例について、その構成を示す斜視図
【図５】  リード線の接合強度を確かめるための、破壊試験方法を示す図
【図６】  従来のリチウム極板を示す平面図
【図７】  従来のリード線接続法により、リチウム極板にリード線を接合するため、リード線の表面に予備加工していたエンボスの様子を示す図
【符号の説明】
１    リード線
２    金属リチウム極板
３    超音波接合部
４    冷間圧接部
５    エンボス加工
６    粘着剤付き絶縁フィルム
７    超音波接合用アンビル
８    ＰＰテープ
９    超音波接合ホーン
１０  加圧用エアーシリンダー
１１  超音波接合ホーンホルダー
１２  アンビル固定用部品
１３  超音波振動発生源
１４  回転円盤の円筒面
１５  回転円盤軸
１６  真空吸着孔
１７  ＰＰテープ供給部
１８  ＰＰテープ巻き取り部
１９  ＰＰテープ送りローラー
２０  テープ送りローラー駆動パルスモーター
２１  超音波接合装置フレーム
２２  テンションローラー
２３  金属リチウム極板支持板
２４  極板位置決め部材
２５  回転円盤
【図１】
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【図２】
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【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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