特集
電池×レーザー応用─ Li 電池・全固体 Li 電池を中心にリチウムイオン電池製造
プロセスにおけるレーザー加工技術
古河電気工業㈱松永啓伍，松本暢康

本稿では古河電工のファイバーレーザーの特徴と，それ1 はじめにらを用いた加工アプリケーション事例について報告する。

持続可能な開発目標（SDGs）の達成に向け，CO2 排出量の少ない電動車（xEV）の導入が世界中で進んでいる。
さらに，アフターコロナの世界において，人による感染を抑えることができる自動運転車の要望が強まり，自動2 古河電工のレーザー技術
2.1

古河電工製ファイバーレーザーの特徴

運転と親和性の高い xEV の普及はより加速すると考えら

古河電工では励起用半導体レーザーや特殊ファイバーれる。その中で xEV の主要な構成要素であるリチウムイ等の開技術を基盤として，ファイバーレーザーの高出力オン電池の需要も増加しており，高い生産性と高性能化化や高ビーム品質化を実現してきた。現在においては，が求められている。図 1 に角型リチウムイオン電池の製

近赤外の波長（1070 nm）で発振するシングルモードレ

造工程の例を示す。当社ではこの製造工程のうち，①電ーザーで 1.5 kW，マルチモードレーザーで 12 kW までを極切断②電極の積層溶接③集電部の接合溶接④パッケー製品化している。図2 に 1.5 kW シングルモードレーザー，ジの封止溶接⑤モジュール化・バスバーの溶接に着目し，

図 3 に 12 kW マルチモードレーザーの外観写真を示す。

様々なファイバーレーザーと革新的な独自技術を組み合

当社は，通信分野で培われた高い部品品質と独自のコわることでソリューション提案を行っている。

レーザー適用箇所
切断溶接

混錬塗工

①電極切断
スリッター，プレスの段替不要

スリット，タブ，切断
溶接
溶接⑤モジュール化
ボルト締結，各種溶接の信頼性，生産性アップ

図1④封止，封栓シーム溶接，パルスレーザの溶接欠陥を解消，生産性アップ

組立

角型リチウムイオン電池製造工程の例

OPTRONICS（2020）No.11②積層③集電溶接
超音波溶接以上の超多層化を実現

図2

近赤外 1.5 kW シングルモードレーザー

139特集 電池×レーザー応用─ Li 電池・全固体 Li 電池を中心に2.2ビームモード制御技術

ファイバーレーザーは，その高いビーム品質や高出力といった特徴から，局所的かつ深い溶け込み深さを得ることができる。しかし，高いパワー密度によって形成されるキーホールは，溶融池内部に急激な温度変化と激しい対流を引き起こすことが知られている。このような不安定な溶融池はブローホールやスパッタなどの溶接欠陥の原因となり，接合強度の低下や検査工程などの後工程の増加を引き起こす 1）。ファイバーレーザーを用いたより高効率・高品質な溶接を実現するためには，この課題を解決する必要があった。
そこで我々は溶接欠陥等の課題解決のため，ビームモ
図3ード制御技術の開発を行っている。当社のビームモード

近赤外 12 kW マルチモードレーザー

制御技術は，加工光学系中にビームモード制御素子を挿ンバイナ構造により，各出力において従来のファイバー入することで任意の光強度分布に制御することが可能でレーザーよりも小さい伝送ファイバーコア径を実現し，あり，従来のビームモード制御素子では実現できなかっより安定且つ高ビーム品質を有するファイバーレーザー

た高いレーザーパワー耐性とビーム変換効率を備えていを提供している。シングルモードレーザーでは伝送ファる。これまでにも，当社の 1.5 kW シングルモードレーザ

イバーコア径 φ 14 µ m，光出力端における典型的なビーーから 12 kW マルチモードレーザーまで，広い出力範囲

ム品質は BPP で 0.36 mm・mrad（M = 1.06）と M が 1 にのレーザーを用いた加工に適用されており，自動車用亜近く良好な集光特性を有している。また，マルチモード鉛めっき鋼板溶接時の溶接品質改善や，純銅溶接時のスレーザーの伝送ファイバーコア径はレーザー出力毎にラパッタ抑制に効果があることが確かめられている 2）。

22インナップを取り揃えており，ファイバーコア径 φ 50 µ m
で出力〜 4 kW，φ 80 µ m で出力〜 9 kW および φ 100 µ m で出力〜 12 kW まで対応している。ファイバーコア径 φ 503 電極箔の切断µ m，φ 80 µ m および φ 100 µ m のマルチモードレーザーのリチウムイオン電池の電極集電体は銅箔（負極）とア

典型的なビーム品質は，BPP で 1.7 mm・mrad（M = 5.0），ルミ箔（正極）であり，その箔の両面または片面にリチ3.0 mm・mrad（M = 8.8）および 3.5 mm・mrad（M = 10.3）

ウムイオンを放出・吸収するための活物質が塗布されてである。

いる。製造工程においてはこの電極箔をロール to ロール

222

これらの近赤外レーザーに加えて，2020 年 6 月に日亜でタブ形状に切断する必要がある。レーザーを用いた切化学工業㈱と高出力青色レーザーダイオードモジュール

断加工では，従来のスリッターやプレスによる機械加工を共同開発し，高出力青色レーザー発振器（波長 465と比較して，刃物や金型などの消耗品の交換などのメンnm）と近赤外シングルモードレーザー（波長 1070 nm）テナンスが不要であり切断軌跡を容易に変更可能なことを組み合わせた Blue-IR ハイブリッドレーザーを 2021 年から，生産性の向上及び仕様変更のコスト削減が可能で1 月に製品化する予定である。本レーザーの特徴についある。一方で，レーザーを用いた切断では切断品質の確ては後述する。

保が課題となっていた。
図 4（a）に，21 µ m に集光したシングルモードレーザ
ーを用いて速度 2 m/sec，出力 1500 W の条件で厚さ 10140OPTRONICS（2020）No.11（a）連続発振レーザー
レーザ照射経路

熱影響部

溶融金属（ドロス）（a）連続発振レーザー
レーザ照射方向レーザ照射方向200 μm

溶融金属（ドロス）

200 μm（b）高速パルス変調レーザー
活物質層

200 μm

レーザ照射方向アルミ層

200 μm（b）高速パルス変調レーザー
レーザ照射方向200 μm

図4200 μm

レーザー切断した銅箔の表面画像と切断断面画像

図5

レーザー切断した活物質塗布アルミ箔の断面画像

4 パッケージの封止溶接
角型のリチウムイオン電池の製造工程では，集電部が一体化したバッテリーセルをアルミニウム合金のパッケµ m の銅箔をレーザー切断した際のレーザー照射表面画ージに挿入し，電解液を注入して封止する。バッテリー像と切断断面画像をそれぞれ示す。図 4（a）から，中央セルの気密が取れていない場合，電解液の漏えいや湿度部に溶融した銅箔が固まったドロスになり，ドロスを中の侵入による性能低下につながるため，封止工程での気心に熱変色していることがわかる。このように，連続発密性はリチウムイオン電池の品質に大きな影響を与え振のレーザーを用いた切断加工では切断時の投入熱量がる。しかし，アルミニウム合金溶接全般として，表面酸過剰になり，切断品質が低下することがある。そこで我々化膜層の存在や高い熱伝導率，線膨張係数により溶接がは，連続発振シングルモードレーザーを 200 kHz 以上で難しく，変形や割れ，ブローホール等の溶接欠陥が発生超高速パルス変調させて切断する手法を開発した。本手しやすいという課題があった。また，鉄鋼材料と比較し法を用いることで，数十 µ m の微小なビーム径と数 kWてファイバーレーザー波長の反射率が高く高パワー密度のピーク出力を保ったまま最適な投入熱量に制御するこが必要なこと，溶融したアルミニウム合金の粘性が低いと が で き， 最 小 限 の 熱 影 響 で の 切 断 が 可 能 と な る。

ことから安定な溶接が難しいとされていた。

図 4（b）に，超高速パルス変調を用いて切断した際の銅我々は当社独自のビームモード制御技術を 10 kW マル

箔の観察画像を示す。図 4 の（a）と（b）を比較すると，チモードレーザーに適用し，溶接条件を最適化することドロスの発生がなくなり，熱影響を抑えることができてでブローホールなどの溶接欠陥を大幅に抑制することにいることがわかる。

成功した。図 6 にアルミニウム合金（A6061）の板厚 2本手法は，活物質が塗布された金属箔にも有効である。

mm 同士の非貫通重ね溶接のビード外観と断面観察結果

図 5 に，厚さ 20 µ m のアルミ箔の両面に活物質を塗布しを示す。図 6（a）はレーザー出力 5 kW，溶接速度 3 m/た総厚み 100 µ m のサンプルに対して，連続発振レーザmin，図 6（b）はレーザー出力 10 kW，溶接速度 8 m/min

ー，超高速パルス変調レーザーで切断した加工断面画像の場合の結果である。いずれの条件もビームモード制御をそれぞれ示す。図 5（a）の結果から，入熱が過剰になを用いているが，ビームモードやその他条件が不適切でることで発生した溶融金属が付着し，活物質層−アルミある場合はブローホールが発生しやすい。材質，板厚に層−活物質層の境界が不明瞭となった。一方で，図 5（b）

応じて，レーザー出力，溶接速度および最適なビームモの断面図ではそれらの境界をはっきりと確認することがードを選択することで良好な接合状態を得ることが可能でき，熱による影響を低減できていることがわかる。となった。

OPTRONICS（2020）No.11141

特集 電池×レーザー応用─ Li 電池・全固体 Li 電池を中心にタやブローホール等の溶接欠陥が多く発生するという課題がある。これらの溶接欠陥を抑制した銅加工に有効と（a）溶接欠陥が発生した断面
ブローホールされ，開発が進められているのが銅への吸収率の高い青や緑などの短波長レーザーを用いた加工技術である。しかし，これらのレーザーによって得られる溶融は「熱伝2.0 mm

2.0 mm導型」といわれるモードであり，近赤外ファイバーレーザーによる加工で得られる「キーホール型」溶融モード（b）良好な溶接断面と比較して高品質加工が得られる一方，溶け込み深さには課題が残る。特に熱伝導率の高い銅などの金属材料では，吸収した熱エネルギーがワーク全体へ広がりやすく，2.0 mm

2.0 mm

溶け込み深さへの課題は顕著である。そのため，溶接可能な加工対象の厚さも他の金属に比べ限定的である。ま図6

た，より深い溶け込みを得るには加工速度が極端に遅く2 mm 厚の 6000 系アルミニウム合金の重ね溶接断面なってしまう可能性がある。

5 Blue-IR ハイブリッドレーザーを用いた加工
5.1

当社では，加工品質および溶け込み深さ（または加工速度）を両立する技術として，近赤外シングルモードレーザーと青色レーザーの Blue-IR ハイブリッドレーザー技術を開発した。本技術は 1070 nm 波長のファイバーレ

Blue-IR ハイブリッドレーザーの特徴

ーザーと 450 nm 波長の青色半導体レーザー，およびこ

これまで見てきたように，近赤外ファイバーレーザー

れらを合波する加工光学ヘッドを組み合わせることで実を用いて様々なアプリケーションが可能である。一方で，現した。加工光学ヘッドを通してレーザー光を純銅表面

赤外領域では図 7 に示すように銅に対しての吸収率が低に照射すると，吸収率の高い青色レーザーによって安定いため ，銅を加工する際に溶融池が安定せず，スパッ溶融を起こすとともに，高ビーム品質であるファイバー3）

レーザー由来の深溶け込みを達成することができた。

5.2

10090

光吸収率（％）

80青レーザ

図 8 に純銅に対する近赤外シングルモードレーザーの近赤外レーザ

緑レーザ

み，および Blue-IR ハイブリッドレーザーによるビード70

オン加工結果をそれぞれ示す。加工条件は青色レーザー

銅に対する光吸収率60

加工事例の有無以外はすべて同条件である。ビード表面写真から50明らかなように，Blue-IR ハイブリッドレーザーを用い40ることで，近赤外ファイバーレーザーのみでの加工にお30ける課題であったビードの乱れやスパッタの発生を抑制20し，高品質加工が得られることがわかる。さらに加工部

10の断面写真より，近赤外ファイバーレーザー単体では得0300

500700波長（nm）9001100られないようなアスペクト比の高い深溶け込みを実現している。
このように，Blue-IR ハイブリッドレーザーは純銅の図7波長に対する各種金属の光吸収率変化

142

加工に対する最適なソリューションの提供が可能であOPTRONICS（2020）No.11

図 9 に，電池集電体の溶接を模擬して銅箔 50 枚を 2 枚の銅板で挟み込んだ構造を溶接した結果を示す。Blue-IR（a）近赤外ファイバーレーザーのみ

ハイブリッドレーザーの特徴である高品質加工と深溶け込みの両立によって，スパッタやブローホールといった欠陥のない良好な溶接を達成している。

300 μm500 μm（b）Blue-IR ハイブリッドレーザー

6 まとめ
近年，xEV 向けの用途を中心にリチウムイオン電池の需要が増大する中，レーザーを用いた生産性の向上に大きな期待が寄せられている。古河電工では，様々なレー300 μm

500 μmザーと独自技術を用いたリチウムイオン電池の製造工程に適用可能なレーザー加工ソリューションを保有しており，その中から顧客の個々の課題に合わせた提案が可能

図8である。

純銅のビードオン加工結果

参考文献
1）片山聖二 , 1-4 レーザ溶接 . 溶接学会誌 78.2 (2009): 124-138.
2）茅原崇 , et al. レーザ加工学会誌 = Journal of Japan Laser Processing
Society 27.2 (2020): 89-94.
3）Spisz, Ernie W. National Aeronautics and Space Administration,(1969).
500 μm

図9500 μm

銅箔 50 枚と銅板 2 枚の重ね溶接結果■ Laser processing in the lithium-ion battery manufacturing
processる。さらに Blue-IR ハイブリッドレーザーでは各レーザ■① Keigo Matsunaga

ーの加工条件を個別に設定することで，様々な加工対象■ Furukawa Electric Co., Ltd.に応じた加工ソリューションの提供が可能であるという①マツナガ

利点を持つ。

所属：古河電気工業㈱OPTRONICS（2020）No.11

ケイゴ② Nobuyasu Matsumoto②マツモトノブヤス143