JP2003109576A - 電池の製造方法および電池製造用の接合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極体における極板の端面部と集電板との接
合において、接合強度を維持しながら、スパッタの発生
やセパレータの熱による変形および収縮を生じ難い電池
の製造方法および電池製造用の接合装置を提供する。 【解決手段】 集電板接合装置２００は、ＹＡＧレーザ
発振器２０１、ビームエキスパンダ２０４、ミラー２０
５、シリンドリカルレンズ２０６などを主な要素として
構成されている。ＹＡＧレーザ発振器２０１は、１００
Ｊ以上のエネルギのレーザビームをパルス発振する。シ
リンドリカルレンズ２０６は、渦巻き状電極体の径方向
にシリンドリカル面を有するように配置されている。こ
のような経路を経たレーザビームは、正極側集電板２の
表面における、極板およびセパレータの積層方向に細長
い矩形領域に照射される。この領域は、複数の接合個所
を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池の製造方法お
よび電池製造用の接合装置に関し、特に、極板とセパレ
ータとが積層されてなる電極体における極板の端面部
に、エネルギビームを熱源とするろう付けを行って、集
電板を接合する電池の製造方法および電池製造用の接合
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ポータブル機器の普及に伴って、
ニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル水素蓄電池など
の高エネルギ電池が用いられるようになってきている。
このような電池は、例えば、正極板と負極板とがセパレ
ータを介して巻回されてなる電極体が、外装缶に収納さ
れ、封口蓋によって封止された構造を有する。

【０００３】このような構造の電池において、電極体で
発電した電力の集電には、電極体の上下に露出された極
板の端面部に接合した平板状の集電板を用いる方法があ
る。この方式では、電極体から大きな電力を効率よく取
り出すことが出来る。電極体における極板の端面部への
集電板の接合には、抵抗溶接法などが用いられている。

【０００４】しかし、接合に抵抗溶接法を用いた場合に
は、溶接時に極板から飛散物（スパッタ）が発生し、極
板間あるいは極板と集電板との間でショートを生じるこ
とがある。このようなスパッタの発生を防止するため
に、極板の端面部と集電体との接合に電子ビームを用い
る方法が特開２００１−９３５０７号公報に開示されて
いる。

【０００５】この方法は、予め集電板における極板の端
面部を接合しようとする側の面にろう材を配しておき、
極板の端面部とろう材が接触するように集電板を押し当
てる。集電板と電極体における極板の端面部とは、集電
板における極板が接している面とは反対側の面から電子
ビームを照射して接合する。この方法では、接合の際の
スパッタの発生を防止することが出来る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法は、集電板の面上における接合しようとする領域に対
して電子ビームを順次走査していくので、走査する間に
集電板に熱が蓄積され、極板へ大量の熱が伝達されてし
まう。極板に伝達された熱は、隣り合うセパレータにも
伝達され、その温度がセパレータの溶融温度以上となっ
た場合、セパレータに熱による変形や収縮を生じてしま
う。

【０００７】本来、セパレータは、極板における活物質
が露出しないようにして、隣り合う極板どうしがショー
トしないように配置されているが、上記のように熱によ
る収縮や変形を生じると、その役割を果たさなくなって
しまう。さらに、公報に開示された電子ビームを用いる
接合方法は、接合に際して雰囲気を真空に保つ必要が生
じるために、装置が大掛かりなものとなり、製造コスト
が高くなる。

【０００８】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたものであって、電極体における極板の端面
部と集電板との接合において、接合強度を維持しなが
ら、スパッタの発生やセパレータの熱による変形および
収縮を生じ難い電池の製造方法および電池製造用の接合
装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、極板とセパレータとが積層されてなる電
極体における極板の端面部に、エネルギビームを熱源と
するろう付けを行って、集電板を接合する工程を備える
電池の製造方法において、接合の工程では、集電板の面
上における積層の方向に極板の端面部と対向する箇所を
複数含む領域に対して、時間的に重複するようにエネル
ギビームを照射することを特徴とする。

【００１０】この電池の製造方法では、集電板の面上に
おける積層の方向に極板の端面部と対向する箇所を複数
含む領域に対して、エネルギビームを時間的に重複する
ように照射して接合を行うので、このような領域に対し
て電子ビームを順次走査して接合を行う従来の方法のよ
うに時間をかけることなく接合することが出来る。つま
り、本発明の製造方法では、電極体と集電板との接合に
費やす以外のエネルギ、すなわちエネルギ損失を少なく
することにより、極板における熱の蓄積を少なくするこ
とが出来る。

【００１１】従って、この製造方法では、接合強度を確
保しながら、セパレータの熱による変形や収縮の発生を
抑制することが出来る。なお、ここで云うエネルギビー
ムを照射する領域とは、積層方向に集電板と極板の端面
部とが対向する箇所が少なくとも２以上含まれる領域で
あって、例えば、円筒形電池の製造にあっては、渦巻き
状電極体の径方向に細長い領域である。

【００１２】上記製造方法において、エネルギビームを
照射する領域の形状を、極板とセパレータとの積層方向
に細長い、矩形状または長円状または楕円状とした場合
には、少ない照射エネルギ量で複数の箇所を接合するこ
とができるので望ましい。具体的に、上記エネルギビー
ムは、パルス発振されるレーザビームであることが望ま
しい。

【００１３】このようにレーザビームを集電体に照射す
る場合には、電子ビームを照射する場合のように、接合
時における雰囲気を真空に保つ必要がなく、製造コスト
を低く抑えることが出来る。また、上記製造方法は、レ
ーザビームをパルス発振するので、連続波発振のレーザ
ビームを用いる場合に比べて、大きなパワーを短時間照
射することができる。よって、この方法では、エネルギ
損失をより少なくすることができる。

【００１４】また、本発明は、エネルギビームを熱源と
するろう付けを行って、集電板と電極体における極板の
端面部とを接合する電池製造用の接合装置において、エ
ネルギビームを出射する手段と、エネルギビームの断面
形状を極板とセパレータとの積層方向にパワーを有する
ように変形する手段と、変形されたエネルギビームを、
集電板の面上における積層の方向に極板の端面部と対向
する箇所を複数含む領域に対して、時間的に重複するよ
うに照射する手段とを備えることを特徴とする。

【００１５】この接合装置では、集電板の面上における
積層の方向に極板の端面部と対向する箇所を複数含む領
域に対して、出射されたエネルギビームを時間的に重複
するように照射するので、接合しようとする領域を、電
子ビームを順次走査しながら照射する従来の接合装置の
ように時間をかけることなく接合することが出来る。従
って、本発明の接合装置では、電極体と集電板との接合
以外に費やすエネルギ、すなわちエネルギ損失を少なく
することが出来る。

【００１６】つまり、この接合装置では、接合に費やす
エネルギを確保しながら、損失エネルギを少なくするこ
とができるので、電極体における極板の端面部と集電板
との接合強度を維持しながら、セパレータの熱による変
形や収縮の発生を抑制することができる。上記接合装置
において、エネルギビームは、パルス発振されるレーザ
ビームであることが望ましい。

【００１７】また、レーザビームの断面形状を変形する
手段は、具体的に、電極体における極板とセパレータと
の積層方向にシリンドリカル面を有するシリンドリカル
レンズを備えることが望ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】本実施の形態に係る電池の製造方
法の概要について、図１を用いて説明する。図１には、
一例としてＤ型（単一型）の円筒形電池の製造における
主要な工程を示す。図１に示すように、円筒形電池は、
（ａ）の巻回工程、（ｂ）の集電板接合工程、（ｃ）の
収納・封口工程を経て作製される。

【００１９】（ａ）に示す巻回工程では、正極板１１と
負極板１２とがセパレータ１３を介して配置され、円筒
状に巻回されて渦巻き状電極体１を作製する。渦巻き状
電極体１を作製する際に、正極板１１および負極板１２
は、それぞれの接合用端部１１１、１２１がセパレータ
１３の上下端から露出するように配置されている。 （ｂ）に示す集電板接合工程では、正極側接合用端部１
１１に薄板状の正極側集電板２、負極側接合用端部１２
１に同じく薄板状の負極側集電板３をそれぞれ接合す
る。

【００２０】集電板２、３は、半径が１５ｍｍ、板厚が
０．４ｍｍのニッケルからなる円形の薄板である。各接
合用端部１１１、１２１と集電板２、３とは、正極側集
電板２における凸部分２２および負極側集電板３におけ
る凸部分３２を各接合用端部１１１、１２１にレーザビ
ームを熱源としてろう付けすることにより接合される。
この接合方法の詳細については、後述する。

【００２１】（ｃ）に示す収納・封口工程では、集電板
２、３が接合された渦巻き状電極体１を外装缶５に収納
し、負極側集電板３と外装缶５の内面側表面とを接続す
る。この接続には、抵抗溶接法を用いる。正極側集電板
２には、外部端子と接続するためのリード４を接合す
る。この接合にも、抵抗溶接法を用いる。

【００２２】円筒形電池は、リード４と封口蓋６に設け
られた外部端子とを接続した後、封口蓋６で封口して作
製される。次に、上記製造工程の中で、（ｂ）に示す集
電板接合工程について、図２を用いて詳しく説明する。
ここでは、正極側集電板２と渦巻き状電極体１における
正極側接合用端部１１１との接合について説明する。図
２は、本実施の形態に係る集電板接合装置の構成を示す
概略図である。

【００２３】図２に示すように、集電板接合装置２００
は、ＹＡＧレーザ発振器（パルス励起）２０１、ビーム
エキスパンダ２０４、ミラー２０５、シリンドリカルレ
ンズ２０６などを主な要素として構成されている。ＹＡ
Ｇレーザ発振器２０１は、平均出力が１ｋＷであって、
ピークパワーが２０ｋＷ、６ｍｓｅｃで１００Ｊ以上の
エネルギのレーザビームをパルス発振する。

【００２４】ビームエキスパンダ２０４は、凹レンズ２
０２と凸レンズ２０３とから構成されており、ＹＡＧレ
ーザ発振器２０１から発振されたレーザビームの照射領
域を拡張する。ミラー２０５は、レーザビームの進行方
向を正極側集電板２の照射面の方に偏向する。

【００２５】シリンドリカルレンズ２０６は、入射され
たビームを一方向のみに収束するものである。以上のよ
うな構成の集電板接合装置２００は、ＹＡＧレーザ発振
器２０１からパルス発振されたレーザビームがビームエ
キスパンダ２０４で照射面積を拡大され、ミラー２０５
で偏向された後に、シリンドリカルレンズ２０６に入射
される。

【００２６】シリンドリカルレンズ２０６に入射された
レーザビームは、一方向のみに収束されて後、集電板２
に照射される。図中のＡ−Ａ部およびＢ−Ｂ部における
レーザビームが通過する各領域におけるビーム断面形状
を図３に示す。図３（ａ）に示すように、ＹＡＧレーザ
発振器２０１から出力された直後のビーム断面形状は、
１０ｍｍ×３０ｍｍの寸法の矩形状である。

【００２７】一方、正極側集電板２に照射される直前の
Ｂ−Ｂ部におけるビーム断面形状は、図３（ｂ）に示す
ように、１２ｍｍ×０．５ｍｍの細長い矩形状である。
この形状は、正極側集電板２の表面上における溶接領域
である溝部分２１（図４では、不図示）と略同一形状で
ある。なお、このビーム断面形状における長軸および短
軸の長さは、製造する電池毎に設定するものであるが、
短軸に対する長軸の比率は、４以上とすることが望まし
い。

【００２８】図３（ｂ）に示す細長い矩形のビーム断面
形状において、長辺方向は、渦巻き状電極体１の径方向
になり、短辺方向は、周方向となる。シリンドリカルレ
ンズ２０６および正極側集電板２の位置関係について、
図４を用いて説明する。図４に示すように、シリンドリ
カルレンズ２０６は、正極側集電板２に設けられた細長
い溝部分２１にレーザビームを収束できるように配置さ
れている。つまり、レーザビームは、図４におけるｙ方
向のみに収束されることになる。

【００２９】図４の拡大部分に示すように、円形平板状
のニッケル板からなる正極側集電板２において、溝部分
２１は、プレス加工により径方向に放射状に４本形成さ
れている。これによって、正極側集電板２と正極板１１
とは、正極側接続用端部１１１の全体にわたって接触点
が確保されている。シリンドリカルレンズ２０６は、収
束されたレーザビームが正極側集電板２の表面上でｙ方
向に集光するように、ｚ方向の位置が設定され、レーザ
ビームの照射領域が、上述のように１２ｍｍ×０．５ｍ
ｍの細長い矩形状であり、正極側集電板２における溝部
分２１の形状と合致するようにｘ方向およびｙ方向の位
置が設定されている。

【００３０】接合前の正極側集電板２を図５に示す。図
５における正極側集電板２は、渦巻き状電極体１との接
合面を図面上の手前に示している。図５に示すように、
正極側集電板２における溝部分２１の裏面側、つまり、
プレス加工により形成された凸部分２２には、ろう材
（例えば、ＮｉとＣｒの合金）２３が配されている。ろ
う材２３は、合金を凸部分２２に塗付した後、リフロー
することにより配される。このようなろう材２３は、集
電板２、３の材料であるニッケル板などより、遥かに低
い融点を有する。

【００３１】正極板１１と正極側集電板２との接合状態
および接合時における熱の伝達・伝導経路について、図
６を用いて説明する。図６は、上述の図４におけるＣ−
Ｃ断面図である。図６に示すように、正極板１１と正極
側集電板２とは、その間にろう材２３が介された状態で
接合されている。

【００３２】本実施の形態における正極板１１と正極側
集電板２との接合では、正極板１１に隣り合うセパレー
タ１３に熱による変形や収縮を生じることがない。つま
り、スポット照射したレーザビームを溝部分２１に沿っ
て順次走査していく接合方法では、レーザビームを走査
していく間に正極側集電板２から正極板１１に伝わった
熱が蓄積されるのに対して、本実施の形態に係る接合方
法では、パルス発振されたレーザビームを溝部分２１の
全体にわたって同時に照射するので、非常に短い時間に
凸部分２２の全体を加熱することができる。

【００３３】従って、正極側集電板２から正極板１１へ
の伝わる熱、つまり蓄積される熱量を減少させることが
できる。なお、正極側集電板２に面上におけるレーザビ
ームの照射領域の形状は、溝部分２１の形状と必ずしも
一致しなくてもよく、例えば、溝部分２１の長さの半分
ずつを２回にわたってずらして照射してもよい。この場
合にも、従来のように円形のスポットを順次走査する場
合に比べて、少ない照射時間で溝部分２１にレーザビー
ムを照射することができる。

【００３４】正極板１１と正極側集電板２との接合時に
おけるエネルギについて、図７を用いて説明する。図７
において、（ａ）は、スポット照射したレーザビームを
順次走査する接合方法におけるパワーと照射時間とを示
し、（ｂ）は、本実施の形態の接合方法におけるパワー
と照射時間とを示すものである。

【００３５】図７（ａ）、（ｂ）に示すＰ１およびＰ３
は、照射するレーザビームのパワーを示すものであり、
Ｐ２およびＰ４は、その中で接合に費やされるパワーを
示す。レーザビームの照射時間は、（ａ）がＴ１であ
り、（ｂ）がＴ２である。順次走査する接合方法では、
図中の（ａ）に示すように時間Ｔ１が長いので、実際の
接合にエネルギＥ２が費やされ、エネルギＥ１が接合に
関与することなく正極側集電板２に熱として蓄積され
る。つまり、エネルギＥ１は、損失エネルギである。

【００３６】これに対して、本実施の形態における接合
方法では、図中の（ｂ）に示すように時間Ｔ２が短いの
で、エネルギＥ３だけが正極側集電板２に熱として蓄積
される。この損失エネルギＥ３は、上記Ｅ１に比べて十
分に小さい値である。従って、図７（ｂ）に示す損失エ
ネルギＥ３は、図７（ａ）に示す損失エネルギＥ１より
も少ない。よって、図７（ｂ）に示す場合には、接合時
における正極板１１の熱の蓄積を少なくすることができ
るので、セパレータの熱による変形や収縮の発生を抑制
することが出来る。

【００３７】なお、このような熱の蓄積低減の効果は、
レーザビームの断面形状がｘ方向よりｙ方向の方が大き
ければ奏するが、上記のように短軸に対する長軸の比率
を４以上に設定することによって、十分に得られる。ま
た、この接合方法は、レーザビームを熱源とするろう付
けによるものであるので、抵抗溶接法を用いて接合した
ときのようなスパッタの発生もない。

【００３８】従って、本実施の形態における集電板接合
装置２００を用いた正極板１１と集電板２との接合にあ
っては、接合強度を維持しながら、スパッタの発生やセ
パレータの熱による変形や熱収縮を生じ難い。上記では
渦巻き状電極体１における正極板１１と正極側集電板２
との接合方法について説明したが、渦巻き状電極体１に
おける負極板１２と負極側集電板３との接合についても
同様に行うことができる。

【００３９】なお、上述の実施の形態では、円筒形電池
を対象に説明したが、電極体に集電板を接合する工程を
有する電池の製造であれば、これに限定されるものでは
ない。例えば、本発明は、角型電池などに対しても、複
数に極板に集電板を接合する際に、レーザビームの照射
領域の長軸が極板の積層方向に伸びるように照射すれば
同様の効果が得られる。

【００４０】また、上記集電板接合装置２００では、照
射するエネルギビームとしてパルス発振のレーザビーム
を用いたが、エネルギビームの種類についてもこれに限
定されるものではない。例えば、本発明は、エネルギビ
ームとしてプラズマアークあるいはプラズマジェットな
どを用いてもよい。ただし、レーザビームを用いる場合
には、シリンドリカルレンズにより容易に一方向に集光
することが出来る点で有利である。

【００４１】なお、電子ビームなどを用いる場合にあっ
ても、レーザビームを用いる場合と同様に、上述のよう
に、極板における熱の蓄積を少なくするために、パルス
発振できるものであることが望ましい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、極板と
セパレータとが積層されてなる電極体における極板の端
面部に、エネルギビームを熱源とするろう付けを行っ
て、集電板を接合する工程を備える電池の製造方法にお
いて、集電板を接合する工程では、集電板の面上におけ
る積層の方向に極板の端面部と対向する箇所を複数含む
領域に対して、時間的に重複するようにエネルギビーム
を照射することを特徴とする。

【００４３】この電池の製造方法では、集電板の面上に
おける積層の方向に極板の端面部と対向する箇所を複数
含む領域に対して、エネルギビームを時間的に重複する
ように照射して接合を行うので、このような領域に対し
て電子ビームを順次走査して接合を行う従来の方法のよ
うに時間をかけることなく接合することが出来る。つま
り、本発明の製造方法では、電極体と集電板との接合に
費やす以外のエネルギ、すなわちエネルギ損失を少なく
することにより、極板における熱の蓄積を少なくするこ
とが出来る。

【００４４】従って、この製造方法では、接合強度を確
保しながら、セパレータの熱による変形や収縮の発生を
抑制することが出来る。また、本発明は、エネルギビー
ムを熱源とするろう付けを行って、集電板と電極体にお
ける極板の端面部とを接合する電池製造用の接合装置に
おいて、エネルギビームを出射する手段と、エネルギビ
ームの断面形状を極板とセパレータとの積層方向にパワ
ーを有するように変形する手段と、変形されたエネルギ
ビームを、集電板の面上における積層の方向に極板の端
面部と対向する箇所を複数含む領域に対して、時間的に
重複するように照射する手段とを備えることを特徴とす
る。

【００４５】この接合装置では、集電板の面上における
積層の方向に極板の端面部と対向する箇所を複数含む領
域に対して、出射されたエネルギビームを時間的に重複
するように照射するので、このような領域を、電子ビー
ムを順次走査しながら照射する従来の接合装置のように
時間をかけることなく接合することが出来る。従って、
本発明の接合装置では、電極体と集電板との接合以外に
費やすエネルギ、すなわちエネルギ損失を少なくするこ
とが出来る。

【００４６】つまり、この接合装置では、接合に費やす
エネルギを確保しながら、損失エネルギを少なくするこ
とができるので、電極体における極板の端面部と集電板
との接合強度を維持しながら、セパレータの熱による変
形や収縮の発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施の形態における円筒形電池の製造方法
を示す概要図である。

【図２】 本実施の形態における集電体接合装置の構成
図である。

【図３】 レーザビームの通過領域のおけるビーム断面
形状を示す図である。

【図４】 シリンドリカルレンズと集電板との相対配置
図である。

【図５】 本実施の形態における正極側集電板の斜視図
である。

【図６】 図４におけるＣ−Ｃ断面図である。

【図７】 集電板の接合時におけるパワーと照射時間と
の関係図である。

【符号の説明】 １． 渦巻き状電極体 ２． 正極側集電板 ３． 負極側集電板 ５． 外装缶 ６． 封口蓋 １１． 正極板 １２． 負極板 １３． セパレータ ２２． ろう材 ２００． 集電板接合装置 ２０１． ＹＡＧレーザ発振器 ２０４． ビームエキスパンダ ２０６． シリンドリカルレンズ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 極板とセパレータとが積層されてなる電
   極体における前記極板の端面部に、エネルギビームを熱
   源とするろう付けを行って、集電板を接合する工程を備
   える電池の製造方法であって、 前記集電板を接合する工程では、 前記集電板の面上における前記積層の方向に前記極板の
   端面部と対向する箇所を複数含む領域に対して、時間的
   に重複するように前記エネルギビームを照射することを
   特徴とする電池の製造方法。
2. 【請求項２】 前記エネルギビームを照射する領域の形
   状は、前記極板とセパレータとの積層方向に細長い、矩
   形状または長円状または楕円状であることを特徴とする
   請求項１に記載の電池の製造方法。
3. 【請求項３】 前記エネルギビームは、パルス発振され
   るレーザビームであることを特徴とする請求項１または
   ２に記載の電池の製造方法。
4. 【請求項４】 極板とセパレータとが積層されてなる電
   極体における前記極板の端面部に、エネルギビームを熱
   源とするろう付けを行って、集電板を接合する電池製造
   用の接合装置であって、 エネルギビームを出射する手段と、 前記エネルギビームの断面形状を、前記極板とセパレー
   タとの積層方向にパワーを有するように変形する手段
   と、 前記変形されたエネルギビームを、前記集電板の面上に
   おける前記積層の方向に前記極板の端面部と対向する箇
   所を複数含む領域に対して、時間的に重複するように照
   射する手段とを備えることを特徴とする電池製造用の接
   合装置。
5. 【請求項５】 前記エネルギビームは、パルス発振され
   るレーザビームであることを特徴とする請求項４に記載
   の電池製造用の接合装置。
6. 【請求項６】 前記変形する手段は、前記積層方向にシ
   リンドリカル面を有するシリンドリカルレンズを備える
   ことを特徴とする請求項５に記載の電池製造用の接合装
   置。