JP5909504B2 - 電池における溶接構造、その形成方法、二次電池セルおよび二次電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池等に代表される二次電池セルおよび複数の二次電池セルにより構成される二次電池モジュール等において、電流経路を形成する導電性金属部材相互を溶接することにより構成される、電池における溶接構造、その形成方法、二次電池セルおよび二次電池モジュールに関する。

近年、電気自動車等の動力源として、エネルギー密度の高い二次電池モジュールの開発が進められている。特に車載用途等では様々な方向からの荷重が予想される上、大電流を流すことになるため、電流経路となる金属部材間の接合には強度と共に電気抵抗の低減が必要となる。
例えば、円筒形二次電池は、有底筒状の電池缶に発電要素を収容すると共に電解液を注入し、電池蓋により電池缶の開口を封止することで密閉構造に形成される。発電要素は正・負極の電極を有しており、例えば、正極電極が電池蓋に電気的に接続される。正極電極と電池蓋との間には、かしめ等により電池蓋に一体化された安全弁装置が設けられている。電池蓋と安全弁装置とは、ガスケットを介して電池缶の一端側に設けられた開口部の周縁部にかしめられる。

電池蓋は、例えばステンレスにより形成され、安全弁装置は、例えばアルミニウムにより形成されている。
電池蓋と安全弁装置の接合の強度を大きくすると共に電気抵抗を低減するため、安全弁装置の先端にレーザを照射して、安全弁装置を電池蓋に溶着する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この先行文献には、レーザ照射により安全弁装置が溶融し、流動したアルミニウム系金属と鉄系金属とが融合し、強硬に接合されることが記載されている。

日本国特許公開２００３−１８７７７３号公報

上記先行文献には、アルミニウム系金属と鉄系金属とが融合し、強硬に接合されることが記載されている。しかしながら、材質が異なる金属部材を溶接する場合、両部材の融点の違いから接合強度の確保と電気抵抗の低減は不十分である。また、溶接部において、割れを発生させる恐れもある。

本発明の第１の態様による電池における溶接構造は、第１の導電性金属部材と、第１の導電性金属部材の表面に形成されためっき層と、第１の導電性金属部材とは異なる材料により形成された第２の導電性金属部材と、を備え、第１の導電性金属部材と第２の導電性金属部材とがめっき層を介して接合され、充放電電流が流れる電池における溶接構造において、第２の導電性金属部材における先端の少なくとも一部には、先端が溶融した溶融部と、先端からめっき層上に流動した溶出部が形成され、溶融部と溶出部がめっき層の表面においてめっき層に溶着されており、溶融部および溶出部のめっき層に溶着している深さが、第１の導電性金属部材の表面に達していないものである。
本発明の第２の態様による電池における溶接構造は、めっき層は、第１の導電性金属部材に対する溶接による接合力が、第２の導電性金属部材よりも大きい材料により形成されていることが好ましい。
本発明の第３の態様による電池における溶接構造は、請求項１または２に記載の電池における溶接構造において、第１の導電性金属部材は鉄、銅、または鉄合金、銅合金のいずれかにより形成され、第２の導電性金属部材はアルミニウム、銅、錫、またはアルミニウム合金、銅合金、または錫合金のいずれかにより形成されていることが好ましい。
本発明の第４の態様による電池における溶接構造は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池における溶接構造において、電池は、正・負極の電極を有する発電ユニットと、一端側に開口が形成され、内部に発電ユニットおよび電解液が収容された電池缶と、発電ユニットの正・負極の電極の一方に接続された蓋ケースと、蓋ケースに一体化され、表面にめっき層が形成された電池蓋と、を備える二次電池セルであり、第１の導電性金属部材は電池蓋であり、第２の導電性金属部材は蓋ケースでとすることができる。
本発明の第５の態様による電池における溶接構造は、請求項４に記載の電池における溶接構造において、電池蓋および蓋ケースは、平面視で円形形状を有し、溶融部と溶出部は、蓋ケースの周囲に沿って断続して複数個所設けるようにすることができる。
本発明の第６の態様による電池における溶接構造は、請求項４または５に記載の電池における溶接構造において、蓋ケースに開裂弁が設けてもよい。
本発明の第７の態様による電池における溶接構造は、請求項５または６に記載の電池における溶接構造において、電池蓋は、周縁部と、周縁部から立ち上がる円筒部を有するハット型形状を有しており、蓋ケースは、電池蓋の周縁部の内面側に配置され、電池蓋の周縁部の内面側において、蓋ケースの先端をめっき層に溶着するようにしてもよい。
本発明の第８の態様による電池における溶接構造は、請求項５または６に記載の電池における溶接構造において、電池蓋は、周縁部と、周縁部から立ち上がる円筒部とを有するハット型形状を有しており、蓋ケースは、電池蓋の周縁部の内面側に配置され、蓋ケースの周縁部が電池蓋の周縁部の内面側から外面側に折り返してかしめられ、電池蓋の周縁部の外面側において、蓋ケースの先端をめっき層に溶着するようにしてもよい。
本発明の第９の態様による電池における溶接構造は、請求項７または８に記載の電池における溶接構造において、電池蓋は、円筒部の頭部に、円周方向に沿って設けられた複数の開口を有し、蓋ケースの溶融部および溶出部の円周方向における一端および他端は、開口に対応しない位置に設けられていることが好ましい。
本発明の第１０の態様による電池における溶接構造は、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の電池における溶接構造において、さらにガスケットを有し、電池蓋と蓋ケースは、ガスケットを介して電池缶の開口の周縁部にかしめるようにしてもよい。
本発明の第１１の態様による二次電池セルは、請求項４乃至１０のいずれか１項に記載の電池における溶接構造を備える。
本発明の第１２の態様による電池における溶接構造は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池における溶接構造において、電池は、一端側に開口を有し、電池ユニットおよび電解液が収容された電池缶、電池缶の開口の周縁部に取り付けられた電池蓋および少なくとも外面にめっき層が形成され絶縁部材を介して電池蓋に設けられた電極端子部材を有する複数の二次電池セルと、隣接する二次電池セルの電極端子部材同士を接続するバスバーと、を備える二次電池モジュールであり、第１の導電性金属部材は電極端子部材であり、第２の導電性金属部材はバスバーとすることができる。
本発明の第１３の態様による電池における溶接構造は、請求項１２に記載の電池における溶接構造において、バスバーは、前端面、後端面および一対の側面を有する矩形の板状に形成され、溶融部および溶出部は、バスバーの前端面、後端面および一対の側面に設けられていることが好ましい。
本発明の第１４の態様による電池における溶接構造は、請求項１２または１３に記載の電池における溶接構造において、バスバーは締結部材により電極端子部材と共に電池蓋に取り付けられていることが好ましい。
本発明の第１５の態様による電池モジュールは、請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の電池における溶接構造を備える。
本発明の第１６の態様による電池における溶接構造の形成方法は、第１の導電性金属部材の表面にめっきにより形成された金属層の一面上に、第１の導電性金属部材とは異なる材料により形成された第２の導電性金属部材の先端を配置する第１の工程と、第２の導電性金属部材の先端を溶融させ、溶融部および先端から金属層の一面上に流動する溶出部を形成し、溶融部と溶出部とを金属層の表面において金属層に溶着する第２の工程と、を備え、溶融部および溶出部の金属層に溶着している深さが、第１の導電性金属部材の表面に達しないように溶着する。
本発明の第１７の態様による電池における溶接構造の形成方法は、請求項１６に記載の電池における溶接構造の形成方法において、金属層は、第１の導電性金属部材に対する溶接による接合力が、第２の導電性金属部材よりも大きい材料により形成されていることが好ましい。
本発明の第１８の態様による電池における溶接構造の形成方法は、請求項１７に記載の電池における溶接構造の形成方法において、第２の工程は、第２の導電性金属部材の先端にレーザを照射して溶融部と溶出部を設けるレーザ照射工程を含み、レーザ照射工程においては、レーザのスポットの中心を第２の導電性金属部材の先端より内側の位置に照射するように行うことが好ましい。
本発明の第１９の態様による電池における溶接構造の形成方法は、請求項１８に記載の電池における溶接構造の形成方法において、レーザ照射工程は、レーザの照射により第２の導電性金属部材の先端に溶融部と溶出部を設けると共に金属層をアニールする工程であることが好ましい。
本発明の第２０の態様による電池における溶接構造の形成方法は、請求項１８または１９に記載の電池における溶接構造の形成方法において、第２の導電性金属部材に照射するレーザの照射角度は、第２の導電性金属部材の先端面と平行な面よりも先端面よりも外側方向に傾斜しており、先端面と平行な面から２０度以内であることが好ましい。

第２の導電性金属部材の先端側に、先端が溶融した溶融部と、先端から金属層上に流動した溶出部を形成し、溶融部と溶出部とが第１の導電性金属部材に設けた金属層の表面において金属層に溶着される。
このため、電気抵抗が小さく、接合力が大きい、信頼性の高い溶接構造を得ることができる。

本発明に係る電池における溶接構造の一実施の形態としての二次電池セルの外観斜視図。 図１に図示された二次電池セルの分解斜視図。 図２に図示された電池蓋ユニットの拡大断面図。 図３に図示された電池蓋ユニットの平面図。 （ａ）は、図３の領域Ｖの拡大図、（ｂ）は、（ａ）における溶着部を上面からみた図。 本発明に係る電池における溶接構造の実施形態２としての電池蓋ユニットの平面図。 本発明に係る電池における溶接構造の実施形態３としての電池蓋ユニットの断面図。 図７に図示された電池蓋ユニットを電池缶にかしめた状態の要部拡大断面図。 本発明に係る電池における溶接構造の実施形態４としての二次電池モジュールの外観斜視図。 図９に図示された二次電池モジュールのＸ−Ｘ線断面図。 図９に図示された二次電池モジュールのＸＩ−ＸＩ線拡大断面図。

-実施形態１-
以下、図１〜図５を参照して、本発明に係る電池における溶接構造の一実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る電池における溶接構造の一実施の形態としてのリチウムイオン二次電池セルの外観斜視図であり、図２は、図１に図示された二次電池セルの分解斜視図である。

＜全体構造＞
図１に示す二次電池セル（電池）１は、ハイブリッド電気自動車用として好適な構造・性能を有し、例えば、外形４０ｍｍφ、高さ９０ｍｍのサイズの円筒形状を有し、定格容量は５Ａｈである。
二次電池セル１は、図２に示す円柱状の発電ユニット２０が収容され、非水電解液（図示せず）が注入された電池缶２と電池蓋ユニット３０とにより構成される電池容器を備えている。電池缶２は、上部（一端）側に開口を有する有底無頭の円筒形状に形成され、内・外の表面にニッケルのめっき層が施された厚さ０．５ｍｍの炭素鋼で構成されている。電池蓋ユニット３０は、電池蓋３と蓋ケース３７とが一体化されて構成され、電池缶２の開口を塞いで、電池缶２にかしめられており、これにより外部から密封された電池容器が形成されている。

＜発電ユニット＞
捲回群１０は、例えば、ポリプロピレンにより成された中空円筒形状の軸芯１５の外周に、長尺の正極電極及び負極電極を、セパレータを介して捲回し手構成されている。捲回群１０の正極電極は、長手方向の一側縁沿って正極タブが等間隔に配列されたアルミニウム系金属箔の両面に正極合剤が塗工されて構成されている。負極電極は、長手方向の一側縁に沿って負極タブが等間隔に配列された銅系金属箔の両面に負極合剤が塗工されて構成されている。正極電極と負極電極とは、正極タブと負極タブとが、相対向する側に配置された状態で捲回される。

捲回群１０の上側には、正極電位を集電するための正極集電部材３１が配置されている。正極集電部材３１はアルミニウム系金属により形成されており、正極タブを介して正極電極に接続されている。正極タブの正極集電部材３１への接合は、例えば、超音波溶接による。正極集電部材３１の上面には、複数のアルミニウム系金属箔が積層されて構成されたフレキシブルな正極導電リード３３が設けられている。正極導電リード３３の一端部は抵抗溶接、超音波溶接などにより正極集電部材３１に接合されている。正極導電リード３３の他端部は、レーザ溶接などにより正極接続板３５に接合されている。
正極接続板３５は、アルミニウム系金属により形成され、その外周がポリプロピレン製の絶縁リング３８により保持されている。

捲回群１０の下方には、負極電位を集電するための負極集電部材２１が配置されている。負極集電部材２１は銅系金属により形成されており、負極タブを介して負極電極に接続されている。負極タブの負極集電部材２１への接合は、例えば、超音波溶接による。負極電極の下方には、ニッケルにより形成された負極導電リード２３が設けられている。負極導電リード２３は、中央部が屈曲されて、両端部から電池缶２の缶底側に突き出す形状を有しており、両端部が、例えば、超音波溶接やスポット溶接により負極集電部材２１の下面に接合されている。

発電ユニット２０は、捲回群１０、正極集電部材３１、正極導電リード３３、正極接続板３５、絶縁リング３８、負極集電部材２１および負極導電リード２３が一体的に結合されて構成されている。

発電ユニット２０は、電池缶２内に収容され、負極導電リード２３の中央部を電池缶２の缶底に押し付けた状態で抵抗溶接等により電池缶２に接合される。負極導電リード２３を電池缶２の缶底に抵抗溶接により接合するには、例えば、軸芯１５の中空部に電極棒を挿入し、電極棒の先端により、負極導電リード２３を電池缶２の缶底に圧接して行う。
負極導電リード２３、負極集電部材２１を介して捲回群１０の負極電極に接続されている電池缶２は負極の出力端として用いられる。
電池缶２内に発電ユニット２０が収容された後、電池缶２内に非水電解液が所定量注入される。

非水電解液の一例として、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液を用いることができる。リチウム塩の例として、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、等が挙げられる。また、カーボネート系溶媒の例として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、或いは上記溶媒の中から選ばれた溶媒を混合したもの、が挙げられる。本例では、非水電解液として、ＥＣ、ＤＭＣおよびＤＥＣの混合溶媒中に電解質として６フッ化リン酸リチウムを1モル／リットル溶解したものが用いられている。捲回群１０は、非水電解液に浸潤されている。

＜電池蓋ユニット＞
電池蓋ユニット３０は、電池缶２内に発電ユニット２０が収容され、非水電解液が所定量注入された状態で、ガスケット３９を介して電池缶２の上部側の開口部の周縁部にかしめにより固定される。ガスケット３９は、フッ素樹脂で形成されており、好ましい材料の例として、ＰＦＡ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン）を挙げることができる。
図３は、図２に図示された電池蓋ユニット３０の拡大断面図であり、図４は、図３に図示された電池蓋ユニット３０の上方からの平面図である。

電池蓋ユニット３０は、電池蓋（第１の導電性金属部材）３と、蓋ケース（第２の導電性金属部材）３７とがかしめにより一体化され、相互に導通するように構成されている。図示はしないが、蓋ケース３７には、その中心部において、例えば、抵抗溶接または摩擦拡散接合により正極接続板３５が接合されている。
蓋ケース３７に導通している電池蓋３は、正極接続板３５、正極導電リード３３、正極集電部材３１を介して捲回群１０の正極電極に接続されており、二次電池セル１の他方の出力端として用いられる。上述した電池缶２の底面の負極出力端子と電池３の上面の正極出力端子とにより、捲回群１０に蓄電された電力を取り出すことができる。

電池蓋３は、炭素鋼等の鉄系金属により形成されており、表面全体にニッケルのめっき層（金属層）４（図５参照）が設けられている。鉄系金属は、鉄および鉄合金を含む。めっき層４の厚さは、例えば、０．０１ｍｍ以下である。電池蓋３は、平面視で円形形状の周縁部３ａと、この周縁部３ａから立ち上がる立上部３ｂおよび立上部３ｂ上端に形成された頭部３ｃを有する円筒部とを有する形状に形成されている。円筒部の頭部３ｃの中心には排気口３ｄ1が形成されている。また、円筒部の周囲には、頭部３ｃの周縁部から立上部３ｂに跨る複数の排気口３ｄ2が形成されている。

蓋ケース３７は、アルミニウム系金属で形成されており、平面視で、円形形状とされている。アルミニウム系金属は、アルミニウムおよびアルミニウム合金を含む。蓋ケース３７は電池蓋３の内面側、換言すれば、電池缶２側に配置され、その周縁部３７ｂが、電池蓋３の周縁部３ａの内面側から外周側面３ａ1で屈曲されて外面側に折り返されて、電池蓋３にかしめられている。蓋ケース３７の中央領域３７ａは、周縁部３７ｂよりも電池缶２側に向けて湾曲されている。中央領域３７ａには、電池蓋３の円筒部側の表面に、断面がＶ字状の溝形状に形成された開裂弁３７ｃ（図２参照）が形成されている。開裂弁３７ｃは、過充電等により電解液が分解してガスが発生した場合に、電池内圧の上昇に対する安全性を確保するために、開裂してガスを放出する安全機構としての機能を有する。
電池蓋３に形成された排気口３ｄ1および３ｄ2は、開裂弁３７ｃが開裂した際に、二次電池セル１内部から放出されるミスト状のガスを排出するために形成されているものである。

（溶接構造）
図５（ａ）は、図３の領域Ｖの拡大図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）における溶着部４０を上面からみた図である。
電池蓋３にかしめられた蓋ケース３７は、電池蓋３の外面側に折り返された周縁部３７ｂの先端部における溶着部４０においてめっき層４に溶着されている。めっき層４は、鉄系金属に対する溶接による接合力が、アルミニウム系金属よりも大きいニッケルにより形成されている。
図５（ａ）において、点線は蓋ケース３７をめっき層４に溶着する前の蓋ケース３７の周縁部３７ｂ先端の形状である。溶着部４０は、溶着前の先端３７ｄの周縁部に形成された溶融部４１と、溶着前の先端３７ｄから外方に流動した溶出部４２とを含んでいる。溶融部４１、溶出部４２および溶着前の先端３７ｄは、図５（ｂ）に図示されるように円弧形状に形成されている。
溶融部４１は、全体が溶着前の蓋ケース３７の厚さよりも薄く、溶着前の先端３７ｄ側に向けて、漸次、薄くなるように傾斜する形状を有する。また、溶出部４２は、溶着前の先端３７ｄにおいて溶融部４１になだらかに連続して形成され、溶着後の先端部に向けて、やはり、漸次、薄くなるように傾斜する形状を有している。

溶融部４１および溶出部４２は、めっき層４に接触する下面において、蓋ケース３７の基材であるアルミニウム系金属がめっき層４の表面層に拡散し、金属接合している。溶融部４１および溶出部４２がめっき層４に接合している深さは、めっき層４の表面層のみであって、めっき層４全体に亘るものではなく、電池蓋３の表面に達していない。
めっき層４は、後述する如く、溶着部４０の周辺においてアニールされている。

溶融部４１および溶出部４２の全体が、電池蓋３に形成されためっき層４の表面おいてめっき層４に溶着されることにより、鉄系金属部材である電池蓋３と、アルミニウム系金属部材である蓋ケース３７とは、電気抵抗が小さく、接合力が大きい、信頼性の高い溶接構造により一体化されている。
溶融部４１および溶出部４２は、めっき層４の表面層において金属接合しているため、電池蓋３の耐食性等、めっき層４による電池蓋３の保護機能は維持される。また、溶出部４２は、めっき層４上を流動する距離が大きくなり、接合面積が増大するため、接合力をより増大することができる。さらに、めっき層４がアニールされることにより、電池蓋３とめっき層４の密着度が向上する。

溶着部４０は、図４に図示されるように、蓋ケース３７の周縁部に沿って、円弧状に２箇所形成されている。各溶着部４０は、一端が１つの排気口３ｄ2の位置に対応し、他端が隣接する排気口３ｄ2の位置に対応するように、一端から他端に亘って連続して形成されている。各溶着部４０は、隣接する一対の排気口３ｄ2の全体を、その領域内に含むような位置関係に形成されている。また、２箇所の溶着部４０は、蓋ケース３７の中心に対して線対称に一対として形成されている。

（溶接構造の形成方法）
上記溶接構造を形成する方法について説明する。
図５に、二点鎖線で示されるように、溶着前の蓋ケース３７の先端３７ｄの角部３７ｅ近傍にレーザを照射する。レーザの照射位置は、例えば、先端３７ｄよりも０．１ｍｍ程度内側とすることが望ましい。レーザの照射位置を、先端３７ｄから０．１ｍｍとし、先端３７ｄよりの距離の公差を±０．１ｍｍとすると、レーザスポットの中心が、蓋ケース３７の角部３７ｅの外側になることはない。

レーザの照射は、レーザを蓋ケース３７の先端部およびめっき層４に照射して、蓋ケース３７の溶着部４０とめっき層４とがめっき層４の表面において溶着する状態となる出力条件に設定する。レーザの出力が大きすぎるとめっき層４が層厚の全体に亘り溶融し、電池蓋３に対するめっき層４による耐食性等の保護機能が損なわれる。このような、過剰照射の場合、目視において、めっき層４が変色し、黒ずんで見える。
これに対し、めっき層４の表面層のみが溶融し、溶着部４０がめっき層４の表面においてめっき層４に溶着されている場合には、電池蓋３に対するめっき層４による耐食性等の保護機能が維持される。このように、溶着部４０がめっき層４の表面において溶着されている場合には、目視において、めっき層４における変色はほとんどみられない。
溶着状態を正確に評価するには、分析によることがより望ましいが、目視によるめっき層４の変色を観察することも評価の効率向上に有用である。

レーザを蓋ケース３７の先端部およびめっき層４に照射することにより、めっき層４は昇温し、結晶中の乱れや応力を減少するアニール処理が行われる。このため、電池蓋３とめっき層４の密着力が向上する。

溶着条件の一例を示すと、蓋ケース３７の周縁部３７ｂの厚さを０．４ｍｍとした場合、レーザのスポット径を０．７５ｍｍφとする。レーザの照射角度θは、蓋ケース３７の先端３７ｄの面と平行な面よりも、先端３７ｄの外側方向に傾斜しており、先端３７ｄの面から２０度以内とすることが望ましく、１０度程度とすることがより好ましい。
レーザ照射の傾斜角度θが、２０度よりも大きくなると、電池蓋３からの反射によるエネルギーの損失が大きくなり、溶融部４１を先端側に流動させ難くなる。レーザ照射の傾斜角度が０度からマイナスになると、レーザによりめっき層４に直接照射される領域と、周縁部３７ｂの影になり、めっき層４に照射されない領域とが形成され、照射されるエネルギー密度のばらつきが大きくなるため、接合力が小さくなる。
レーザの傾斜レーザ溶着部４０を、円弧状に連続して形成するには、電池蓋ユニット３０を回転させながらレーザをスキャンする方法が効率がよい。

−実施形態２-
図６は、本発明による電池における溶接構造の実施形態２としての電池蓋ユニットの平面図である。
実施形態２の電池蓋ユニット３０が、図４に図示された実施形態１と相違する点は、排気口３ｄ2と溶着部４０との位置関係である。
実施形態２における電池蓋ユニット３０においても、溶着部４０は、蓋ケース３７の周縁部に沿って、円弧状に２箇所、蓋ケース３７の中心に対して線対称に一対として形成されている。実施形態１においては、各溶着部４０は、一端が１つの排気口３ｄ2の位置に対応し、他端が隣接する排気口３ｄ2の位置に対応して、隣接する一対の排気口３ｄ2の全体を、その領域内に含むような位置関係に形成されている。

これに対して、実施形態２においては、各溶着部４０は、一端および他端の両端が、排気口３ｄ2の中間に対応する位置に位置付けられており、１つの排気口３ｄ2が各溶着部４０の中央部に対応して配置されている。このため、排気口３ｄ2に対応しない領域の溶着部４０の面積が大きくなり、全体としての電流経路が短くなり、電池蓋３と蓋ケース３７の電気抵抗をより小さくすることができる。

なお、実施形態１および２において、排気口３ｄ2は、９０度間隔で４個形成された構造として例示されているが、排気口３ｄ2の数や位置は、適宜、変更することができる。
また、実施形態１および２において、溶着部４０の長さおよび個数は、単なる一例であって、溶着部４０の長さおよび個数は、適宜、設定することが可能である。例えば、溶着部４０は、蓋ケース３７の周縁部３７ｂの全周縁に沿って設けてもよいし、あるいは、スポット状に複数個設けてもよい。

-実施形態３-
図７は、本発明による電池における溶接構造の実施形態３としての電池蓋ユニットの断面図であり、図８は、図７に図示された電池蓋ユニットを電池缶にかしめた状態の要部拡大断面図である。
実施形態５の電池蓋ユニット３０が、図３に図示された実施形態１と相違する点は、蓋ケース３７Ａと電池蓋３とが、かしめられていない点である。
蓋ケース３７Ａは、平面視において、電池蓋３の直径よりも小さい直径に形成されており、周縁部３７ｂの溶着部４０は、その先端部が、電池蓋３の周縁部３ａの電池缶２の内側に位置している。

つまり、図８に図示されるように、蓋ケース３７Ａは、電池蓋３の周縁部３ａの内面側において、溶着部４０が電池蓋３に形成されためっき層４に溶着されている。実施形態３においても、溶着部４０は、溶融部４１と溶出部４２とを有し、めっき層４と表面において溶着されている。
溶着部４０において一体化された電池蓋３と蓋ケース３７は、ガスケット３９を介在して電池缶２の上端部に設けられた開口部周縁にかしめられる。図８において、ガスケット３９は、蓋ケース３７の周縁部に設けられた溶着部４０、電池蓋３の周縁部３ａの内面、外周側面３ａ1、周縁部３ａの外面を覆って、電池蓋３と蓋ケース３７とにより圧縮されている。
他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する構成に同一の符号を付してその説明を省略する。

-実施形態４-
図９乃至図１１は、本発明に係る電池における溶接構造の実施形態４を示す。
図９は、二次電池モジュールの外観斜視図である。
二次電池モジュール（電池）１００は、複数個の角形の二次電池セル１１０を組み付けて形成されており、例えば、ハイブリッド自動車用として好適な構造を有する。各二次電池セル１１０は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、隣接する二次電池セル１１０に対して、外部正極端子６１と外部負極端子７１とが対向するように、交互に逆向きに配置されている。
なお、本明細書においては、電池は、二次電池セル１および二次電池モジュール１００を含む広義における用語として用いられている。

隣接する二次電池セル１１０の外部正極端子６１と外部負極端子７１とはバスバー１５０により電気的に接続され、二次電池セル１１０は全体が直列に接続されている。バスバー１５０は、外部正極端子６１および外部負極端子７１に挿通され、ナット５７により締結されて電池蓋（第１の導電性金属部材）１０３に取り付けられている。一端側に配置された二次電池セル１１０の外部正極端子６１および他端側に配置された二次電池セル１１０の外部負極端子７１は、図示しない接続部材により外部装置に接続されており、二次電池モジュール１００から外部装置に放電電流が供給される。各二次電池セル１１０の上部における外部正極端子６１と外部負極端子７１との間には、開裂弁１０３ａが形成されている。

図１０は、図９に図示された二次電池モジュールのＸ−Ｘ線断面図である。
二次電池セル１１０は、発電体である捲回群２１０と、捲回群２１０を収容する電池缶１０４と、電池缶１０４の開放端を封止する電池蓋１０３と、電池蓋１０３に設けられた正極端子構造と、正極端子構造と捲回群２１０の正極とを電気的に接続する正極集電板１２１とを備えている。また、二次電池セル１１０は、図１０には示されていない、電池蓋１０３に設けられた負極端子構造と、負極端子構造と捲回群２１０の負極とを電気的に接続する負極集電体をも有している。

二次電池セル１１０を製作するにあたり、電池蓋１０３に一体化されている正極端子構造の正極接続端子６２が正極集電体１２１にかしめ固定されて蓋組立体が製作され、蓋組立体が正極集電体１２１を介して捲回群２１０に溶接されて発電ユニット組立体が製作される。
電池缶１０４に発電ユニット組立体を収容し、電池缶１０４の開放端部に電池蓋１０３をレーザ溶接して電池缶内部を密閉し、電池蓋１０３の注液口から電池缶内部に非水電解液を充填し、注液口を蓋で封止することにより、二次電池セル１１０が製作される。

電池蓋１０３の周縁部１０３ｂは薄肉とされ、この周縁部１０３ｂは、電池缶１０４の上部開口部の周縁部に嵌合された状態で、例えば、レーザ溶接によって電池缶１０４に接合され、外部に対し密封構造の電池容器が形成されている。電池蓋１０３は、鉄系金属等により形成されている。
正極側においては、電池蓋１０３に、外部正極端子６１、正極接続端子６２、正極端子板（電極端子部材）６３、絶縁板６４、ガスケット６５および正極集電板１２１が取付けられた正極端子構造が構成されている。
外部正極端子６１、正極接続端子６２、正極端子板６３および正極集電板１２１は、アルミニウム系金属等の導電性金属部材により形成されている。
なお、図１０において、バスバー（第２の導電性金属部材）１５０およびナット５７は二点鎖線により図示されている。

正極端子板６３には、開口部６３ａと６３ｂが形成されている。外部正極端子６１は、端子部６１ａとベース部６１ｂを有するボルト構造を有しており、端子部６１ａの外周にはおねじが形成されている。外部正極端子６１の端子部６１ａは、絶縁板６４の開口部６４ａと正極端子板６３の開口部６３ａに挿通されている。外部正極端子６１のベース部６１ｂは、絶縁板６４の開口部６４ａに挿通され、正極端子板６３と電池蓋１０３の段部１０３ｄとの間に挟持されている。

ガスケット６５は開口部６５ａを有する段付きリング状に形成されている。ガスケット６５は電池蓋１０３の開口部１０３ｃに挿通されている。正極接続端子６２は、径大の下部筒部６２ａと径小の上部筒部６２ｂを有する段付円柱形状に形成されている。正極接続端子６２は、上部筒部６２ｂが、ガスケット６５の開口部６５ａおよび正極端子板６３の開口部６３ｂに挿通されている。正極端子板６３は、正極接続端子６２の上部筒部６２ｂによりかしめられ、正極端子板６３と共に電池蓋１０３に固定されている。

上述したように、電池蓋１０３に一体化されている正極端子構造の正極接続端子６２が正極集電体１２１にかしめ固定され、これにより蓋組立体が製作される。以下、正極端子構造について詳細に説明する。本明細書の正極端子構造は、蓋組立体から正極集電体１２１を除いた構造物であり、正極集電板１２１を正極外部端子６１に接続する。

このような正極端子構造は以下のようにして製作される。
正極集電板１２１の開口１２１ｃに正極接続端子６２の下端を挿入する。正極接続端子６２の下部筒部６２ａに開口部６５ａを介してガスケット６５を装着し、ガスケット６５に開口部１０３ｃを介して電池蓋１０３を装着し、電池蓋１０３に絶縁板６４を被せる。このとき、絶縁板６４は電池蓋１０３の段部１０３ｄの凹部に嵌め込まれるとともに、絶縁板６４の開口部６４ｂがガスケット６５に嵌め込まれる。

絶縁板６４の凹部に正極外部端子６１のベース部６１ｂをはめ込み、正極端子板６３をその開口部６３ａを介して正極外部端子６１に嵌め込む。このとき、正極端子板６３はその開口部６３ｂを介して正極接続端子６２の上部筒部６２ｂに装着される。正極接続端子６２を上下端面からかしめ変形することにより、下端では正極集電板１２１が下部筒部６２ａにかしめられ、上端では正極端子板６３が上部筒部６２ｂにかしめ固定され、これにより、正極端子構造物が製作される。

図示はしないが、負極側においては、電池蓋１０３に、負極端子構造が取り付けられている。
負極端子構造は、基本的には、正極端子構造と同一の構造を有する。但し、負極端子構造における外部負極端子、負極接続端子、負極端子板（電極端子部材）および負極集電板は、銅系金属により形成されている。上記において、外部負極端子、負極接続端子、負極端子板および負極集電板は、それぞれ、正極端子構造における外部正極端子６１、正極接続端子６２、正極端子板６３および正極集電板１２１に対応する部材である。
負極側の端子構造については、上記を除いては正極端子構造と同様であり、また、組付け方法も同様であるので、その説明は省略する。

各バスバー１５０は、アルミニウム系金属または銅系金属により矩形の平板形状に形成されている。各バスバー１０は、その長手方向に平行な一対の側面およびこの側面に垂直な一端面（前端面）および他端面（後端面）が、二次電池セル１１０の電池蓋１０３に設けられた正極端子板６３のめっき層（金属層）４に溶着されている。アルミニウム系金属は、アルミニウムおよびアルミニウム合金を含む。銅系金属は、銅および銅合金を含む。

図１１は、図９に図示された二次電池モジュールのＸＩ−ＸＩ線拡大断面図である。
正極端子板６３の上面には、ニッケルのめっき層４が形成されている。めっき層４上には、バスバー１５０が配置されている。上述した如く、バスバー１５０は、外部正極端子６１および外部負極端子７１に挿通され、ナット５７により締結されて、電池蓋１０３に固定されている。
なお、図１１における点線は、図５と同様、バスバー１５０をめっき層４に溶着する前のバスバー１５０の先端の形状であり、１５０ｄは、溶着前のバスバー１５０の先端、１５０ｅは、溶着前のバスバー１５０の先端角部である。

バスバー１５０の先端側には溶着部４０が形成され、溶着部４０はめっき層４に溶着されている。溶着部４０は、溶融部４１と溶出部４２とを有しており、めっき層４の表面においてめっき層４に金属接合している。すなわち、外部正極端子６１側では、溶融部４１および溶出部４２は、下面において、アルミニウム系金属がめっき層４の表面に拡散し、めっき層４の表面において金属接合している。また、外部負極端子７１側では、溶融部４１および溶出部４２は、下面において銅系金属がめっき層４の表面に拡散し、めっき層４の表面において金属接合している。金属接合の深さは、外部正極端子６１側および外部負極端子７１側のいずれにおいても、めっき層４の表面層のみであって、めっき層４全体に亘るものではなく、正極端子板６３の表面に達していない。また、めっき層４は、溶着部４０を形成する際のレーザの照射によりアニール処理されている。

負極側においては、図示はしないが、バスバー１５０の先端側に設けられた溶着部４０が、負極端子板の表面に形成されためっき層４に溶着されている。負極端子板の溶着部４０は、めっき層４の表面においてめっき層４に溶着されており、負極端子板が銅系金属により形成されている以外、正極端子板６３とめっき層４との溶着構造と同一である。

以上説明した通り、本発明の各実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）実施形態に例示された電池蓋３または正極端子板６３、負極端子板を構成する第１の導電性金属部材と、第１の導電性金属部材に設けられためっき層４により形成される金属層と、実施形態に例示された蓋ケース３７またはバスバー１５０を構成する第２の導電性金属部材と、を備え、第２の導電性金属部材の先端側に、先端が溶融した溶融部４１と、先端から金属層上に流動した溶出部４２を形成し、溶融部４１と溶出部４２が金属層の表面において金属層に溶着されるようにした。
このため、電気抵抗が小さく、接合力が大きい、信頼性の高い溶接構造を得ることができる。

（２）溶融部４１および溶出部４２は、めっき層４の表面層において金属接合しているため、溶着後において、電池蓋３の耐食性等、めっき層４による電池蓋３の保護機能を維持することができる。

（３）溶融部４１および溶出部４２は、めっき層４の表面層において金属接合しているため、溶出部４２がめっき層４上を流動する距離が大きくなり、接合面積が増大するため、接合力をより増大することができる。
（４）溶着と同時にめっき層４がアニールされることにより、電池蓋３とめっき層４の密着度が向上する。

なお、上記実施形態において、第１の導電性金属部材の材料として鉄系金属を例示した。
しかし、第１の導電性金属部材の材料として鉄系金属以外に、銅または銅合金等、他の金属を用いることができる。
第２の導電性金属部材の材料として、アルミニウム系金属または銅系金属を例示した。しかし、第１の導電性金属部材の材料は、これに限られるものではなく、例えば、錫または錫合金等他の材料を用いることができる。

上記各実施形態において、めっき層４を形成する金属層の材料としてニッケルを例示した。しかし、金属層の材料としてニッケル以外に、錫または錫合金等他の金属を用いることができる。

上記各実施形態において、金属層は、めっきにより形成するめっき層４として例示した。
しかし、金属層は、例えば、鉄系金属または銅系金属に、ニッケル、錫等の金属を拡散接合したクラッド材としてもよい。

上記実施形態においては、電池蓋３と蓋ケース３７との接合、あるいはバスバー１５０と正極端子板６３または負極端子板との接合として例示した。しかし、本発明は、他の導電性金属部材間の接合に対しても適用することができ、電池における電流経路を形成する導電性金属部材の溶接構造に幅広く適用することが可能である。

上記実施形態においては、二次電池モジュール正極側および負極側の端子構造は、外部正・負極端子、正・負極接続端子、正・負極端子板、正・負極集電板、絶縁板６４およびガスケット６５により構成される構造として例示した。しかし、正極側および負極側の端子構造はこの構造に限られるものではなく、電池蓋１０３に絶縁部材を介して正・負極の電極端子部材が取り付けられている構造であればよい。バスバー１５０は、ボルト構造により固定されている構造に限られるものではなく、嵌合や、アーク溶接等により正・負極の電極端子部材に固定される構造としてもよい。

本実施形態では、ハイブリッド電気自動車用の二次電池セルおよび二次電池モジュールとして例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、携帯用の小型民生用のリチウムイオン二次電池セルにも適用することができる。
また、リチウムイオン二次電池セルに限らず、ニッケル水素電池またはニッケル・カドミウム電池、鉛蓄電池のように水溶性電解液を用いる二次電池にも適用が可能である。

その他、本発明は、発明の趣旨の範囲において、種々、変形して適用することが可能であり、要は、異なる材料により形成された第１、第２の導電性金属部材のうち、第１の導電性金属部材に、めっき層を設け、第２の導電性金属部材における先端の少なくとも一部に形成した溶融部と溶出部を、めっき層の表面においてめっき層に溶着するようにしたものであり、溶融部および溶出部のめっき層に溶着している深さが、第１の導電性金属部材の表面に達していないものであればよい。

Claims (20)

1. 第１の導電性金属部材と、
   前記第１の導電性金属部材の表面に形成されためっき層と、
   前記第１の導電性金属部材とは異なる材料により形成された第２の導電性金属部材と、を備え、前記第１の導電性金属部材と第２の導電性金属部材とが前記めっき層を介して接合され、充放電電流が流れる電池における溶接構造において、
   前記第２の導電性金属部材における先端の少なくとも一部には、前記先端が溶融した溶融部と、前記先端から前記めっき層上に流動した溶出部が形成され、前記溶融部と前記溶出部が前記めっき層の表面において前記めっき層に溶着されており、
   前記溶融部および前記溶出部の前記めっき層に溶着している深さが、前記第１の導電性金属部材の前記表面に達していない、電池における溶接構造。
2. 請求項１に記載の電池における溶接構造において、前記めっき層は、前記第１の導電性金属部材に対する溶接による接合力が、前記第２の導電性金属部材よりも大きい材料により形成されている電池における溶接構造。
3. 請求項１または２に記載の電池における溶接構造において、前記第１の導電性金属部材は鉄、銅、または鉄合金、銅合金のいずれかにより形成され、前記第２の導電性金属部材はアルミニウム、銅、錫、またはアルミニウム合金、銅合金、または錫合金のいずれかにより形成されている電池における溶接構造。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池における溶接構造において、前記電池は、正・負極の電極を有する発電ユニットと、一端側に開口が形成され、内部に前記発電ユニットおよび電解液が収容された電池缶と、前記発電ユニットの前記正・負極の電極の一方に接続された蓋ケースと、前記蓋ケースに一体化され、表面に前記めっき層が形成された電池蓋と、を備える二次電池セルであり、前記第１の導電性金属部材は前記電池蓋であり、前記第２の導電性金属部材は前記蓋ケースである電池における溶接構造。
5. 請求項４に記載の電池における溶接構造において、前記電池蓋および前記蓋ケースは、平面視で円形形状を有し、前記溶融部と前記溶出部は、前記蓋ケースの周囲に沿って断続して複数個所設けられている電池における溶接構造。
6. 請求項４または５に記載の電池における溶接構造において、前記蓋ケースに開裂弁が設けられている電池における溶接構造。
7. 請求項５または６に記載の電池における溶接構造において、前記電池蓋は、周縁部と、前記周縁部から立ち上がる円筒部を有するハット型形状を有しており、前記蓋ケースは、前記電池蓋の周縁部の内面側に配置され、前記電池蓋の周縁部の内面側において、前記蓋ケースの先端が前記めっき層に溶着されている電池における溶接構造。
8. 請求項５または６に記載の電池における溶接構造において、前記電池蓋は、周縁部と、前記周縁部から立ち上がる円筒部とを有するハット型形状を有しており、前記蓋ケースは、前記電池蓋の周縁部の内面側に配置され、前記蓋ケースの周縁部が前記電池蓋の周縁部の内面側から外面側に折り返してかしめられ、前記電池蓋の周縁部の外面側において、前記蓋ケースの先端が前記めっき層に溶着されている電池における溶接構造。
9. 請求項７または８に記載の電池における溶接構造において、前記電池蓋は、前記円筒部の頭部に、円周方向に沿って設けられた複数の開口を有し、前記蓋ケースの溶融部および溶出部の円周方向における一端および他端は、前記開口に対応しない位置に設けられている電池における溶接構造。
10. 請求項６乃至９のいずれか１項に記載の電池における溶接構造において、さらにガスケットを有し、前記電池蓋と前記蓋ケースは、前記ガスケットを介して前記電池缶の前記開口の周縁部にかしめられている電池における溶接構造。
11. 請求項４乃至１０のいずれか１項に記載の電池における溶接構造を備える二次電池セル。
12. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池における溶接構造において、前記電池は、一端側に開口を有し、電池ユニットおよび電解液が収容された電池缶、前記電池缶の前記開口の周縁部に取り付けられた電池蓋および少なくとも外面に前記めっき層が形成され絶縁部材を介して前記電池蓋に設けられた電極端子部材を有する複数の二次電池セルと、隣接する前記二次電池セルの前記電極端子部材同士を接続するバスバーと、を備える二次電池モジュールであり、前記第１の導電性金属部材は前記電極端子部材であり、前記第２の導電性金属部材は前記バスバーである電池における溶接構造。
13. 請求項１２に記載の電池における溶接構造において、前記バスバーは、前端面、後端面および一対の側面を有する矩形の板状に形成され、前記溶融部および前記溶出部は、前記バスバーの前記前端面、前記後端面および前記一対の側面に設けられている電池における溶接構造。
14. 請求項１２または１３に記載の電池における溶接構造において、前記バスバーは締結部材により前記電極端子部材と共に前記電池蓋に取り付けられている電池における溶接構造。
15. 請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の電池における溶接構造を備える二次電池モジュール。
16. 第１の導電性金属部材の表面にめっきにより形成された金属層の一面上に、前記第１の導電性金属部材とは異なる材料により形成された第２の導電性金属部材の先端を配置する第１の工程と、
    前記第２の導電性金属部材の先端を溶融させ、溶融部および前記先端から前記金属層の前記一面上に流動する溶出部を形成し、前記溶融部と前記溶出部とを前記金属層の表面において前記金属層に溶着する第２の工程と、を備え、
    前記溶融部および前記溶出部の前記金属層に溶着している深さが、前記第１の導電性金属部材の前記表面に達しないように溶着する電池における溶接構造の形成方法。
17. 請求項１６に記載の電池における溶接構造の形成方法において、前記金属層は、前記第１の導電性金属部材に対する溶接による接合力が、前記第２の導電性金属部材よりも大きい材料により形成されている電池における溶接構造の形成方法。
18. 請求項１７に記載の電池における溶接構造の形成方法において、前記第２の工程は、前記第２の導電性金属部材の先端にレーザを照射して前記溶融部と前記溶出部を設けるレーザ照射工程を含み、前記レーザ照射工程においては、前記レーザのスポットの中心を前記第２の導電性金属部材の先端より内側の位置に照射する電池における溶接構造の形成方法。
19. 請求項１８に記載の電池における溶接構造の形成方法において、前記レーザ照射工程は、前記レーザの照射により前記第２の導電性金属部材の前記先端に前記溶融部と前記溶出部を設けると共に前記金属層をアニールする工程である電池における溶接構造の形成方法。
20. 請求項１８または１９に記載の電池における溶接構造の形成方法において、前記第２の導電性金属部材に照射するレーザの照射角度は、前記第２の導電性金属部材の先端面と平行な面よりも前記先端面よりも外側方向に傾斜しており、前記先端面と平行な面から２０度以内である電池における溶接構造の形成方法。
    

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