專利名稱：電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用能量束制造的電池及其制造方法。
背景技術(shù)：
在利用金屬包裝盒的電池的制造方法中，廣泛地應(yīng)用能量束的焊接方法。
例如，在圓筒形堿性蓄電池的制造方法中，首先通過隔板卷繞正極板和負(fù)極板形成電極體。把該電極體收容于金屬制包裝盒，同時(shí)分別將正極板連接于正極集電體，負(fù)極板連接于負(fù)極集電體。而且，把正極集電體連接于封口體側(cè)，將負(fù)極集電體與包裝盒底部焊接。負(fù)極集電體和包裝盒底部的具體的焊接工序是從外部向包裝盒底部照射能量束，來焊接包裝盒底部中央附近和所述負(fù)極集電體。能量束可以使用激光。
通過按照這樣的工序使用能量束的焊接方法，能夠可靠地固定連接負(fù)極集電體和包裝盒一側(cè)。另外，因?yàn)閺陌b盒的外部焊接，不需要在收容于包裝盒內(nèi)部的電極體中插入焊接棒。而且，不需要另設(shè)插入焊接棒的空間，所以具有可以提高電池能量密度的優(yōu)點(diǎn)。
專利文獻(xiàn)1特開2000-77040號(hào)公報(bào)；專利文獻(xiàn)2特公平2-15985號(hào)公報(bào)；專利文獻(xiàn)3特開平4-162351號(hào)公報(bào)。
專利文獻(xiàn)4特開平8-293299號(hào)公報(bào)。
但是，一般地在使用能量束從外部焊接包裝盒底部和負(fù)極集電體時(shí)，照射能量束后暫時(shí)被熔融，之后在幾m秒內(nèi)進(jìn)行幾千℃的超急冷，在焊接部中形成具有粗大的結(jié)晶粒的脆性的組織結(jié)構(gòu)的脆性層。因此，在把用所述方法制造的電池利用于電動(dòng)工具用電源等上以大電流反復(fù)進(jìn)行充放電時(shí)，有時(shí)在所述脆性層中隨著電池內(nèi)部的壓力或溫度變化產(chǎn)生·增長(zhǎng)裂縫，最終產(chǎn)生電解液從該焊接部泄漏的問題。
作為改善這種因超急冷而產(chǎn)生的脆性層的問題的對(duì)策，可以聯(lián)想到把焊接部用幾百℃的高溫?cái)?shù)小時(shí)放置實(shí)施退火處理的方法。但是，電池因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)或性能上不能在幾百℃的高溫中長(zhǎng)時(shí)間保持，所以實(shí)施這樣的退火處理實(shí)際上是不可能的。
目前，在利用能量束的電池的制造方法中，存在如上所述的需要解決的問題。而且，認(rèn)為在包裝盒底部上焊接集電體為正極時(shí)也會(huì)有產(chǎn)生同樣的問題的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述的問題而做出的，其目的在于提供一種可以控制包裝盒和集電體的焊接部的裂縫的增長(zhǎng)而防止電解液的泄漏，而且具有良好的電池性能的電池及其制造方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是將卷繞電極板構(gòu)成的電極體連接于集電體上、并焊接該集電體和包裝盒而形成的電池，其在集電體和包裝盒的焊接部沿著包裝盒的厚度方向疊層有第一層、和由比該第一層細(xì)微的結(jié)晶粒形成的第二層。而且，所謂“沿著包裝盒厚度方向”是指第一層和第二層的疊層方向沿包裝盒的厚度方向，不是指第一層和第二層的疊層界面沿著其厚度方向。
其中，所述包裝盒是有底圓筒形狀，與所述電極體一起被收容在該包裝盒中的集電體通過從外部向包裝盒底部照射的能量束而與包裝盒相焊接。
另外，本發(fā)明是一種經(jīng)過有將連接在卷繞電極板構(gòu)成的電極體上的集電體與包裝盒相焊接的焊接步驟的電池的制造方法，其所述焊接步驟包括從與集電體接觸的包裝盒的外部區(qū)域照射具有第一能量的能量束，焊接包裝盒和集電體，在該焊接部的厚度方向上形成第一層的第一能量束照射步驟；在第一能量束照射步驟之后，向所述外部區(qū)域照射具有與所述第一能量不同的第二能量的能量束，在包裝盒和集電體的焊接部形成由比第一層細(xì)微的結(jié)晶粒構(gòu)成的第二層的第二能量束照射步驟。
這里，所述焊接步驟中，具有卷繞正極板、隔板、及負(fù)極板來構(gòu)成的電極體、并將在如此構(gòu)成的電極體上連接的負(fù)極集電體焊接在圓筒形包裝盒的底部的工序，所述第一層及所述第二層也可以形成在所述焊接部的負(fù)極集電體及包裝盒底部。
而且，作為所述能量束可以使用激光光束。
在以往的發(fā)明中，在通過能量束的外部照射對(duì)集電體和包裝盒進(jìn)行焊接的步驟中，在焊接部形成機(jī)械強(qiáng)度不充分的第一層(脆性層)，因此在該焊接部中產(chǎn)生裂縫，該裂縫增長(zhǎng)構(gòu)成電解液泄漏的問題，但是，在本發(fā)明中，焊接部具有與第一層疊層地由細(xì)微的結(jié)晶粒形成的第二層(強(qiáng)化層)的構(gòu)成，所以即使在脆性層中產(chǎn)生裂縫，可以在強(qiáng)化層阻止所述裂縫的增長(zhǎng)，從而達(dá)到防止電解液泄漏的效果。因此，即使在所述惡劣的條件下使電池充放電，也可以發(fā)揮良好的電池性能。
而且，所述強(qiáng)化層的存在，可以用例如電子顯微鏡等實(shí)際進(jìn)行確認(rèn)。這時(shí)，可以確認(rèn)出強(qiáng)化層中填充有比脆性層致密的細(xì)微的結(jié)晶粒。


圖1表示本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)1中的圓筒形堿性蓄電池的剖面斜視圖。
圖2表示激光照射時(shí)的情況的部分剖面圖。
圖3表示裂縫發(fā)生時(shí)的包裝盒底部的情況的圖。
圖4表示以往的裂縫發(fā)生時(shí)的包裝盒底部的情況的圖。
圖中1-正極板，2-負(fù)極板，3-隔板，4-電極體(圖未示)，5-負(fù)極集電體，6-包裝盒，7-正極集電體，12-封口體，61-包裝盒側(cè)部，62-包裝盒底部，600、600A、600B-脆性層(焊接部)，621-凹部，700-強(qiáng)化層。
具體實(shí)施例方式
(實(shí)施形態(tài)1)1-1.堿性蓄電池的構(gòu)成圖1表示本發(fā)明的一個(gè)適用例的圓筒形鎳鎘蓄電池(Ni-Cd蓄電池)的剖面斜視圖。
該蓄電池具有SC尺寸的圓筒形包裝盒6，并具有在該包裝盒6中收容電極體4和電解液等的構(gòu)成。額定容量其一例可設(shè)為2.4Ah。電解液中使用堿性溶液，該例中使用把氫氧化鉀作為主體的水溶液。
圓筒形包裝盒6是把由鍍Ni的Fe構(gòu)成的材料加工成有底筒狀而形成的，此外考慮電池的種類及特性，可以使用不銹鋼，鋁等適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行選擇的金屬材料。包裝盒6的圓筒側(cè)面61被外部絕緣的涂裝或樹脂膜覆蓋。另外，包裝盒6的底部62的中央部設(shè)置向內(nèi)部方向凹進(jìn)去的凹部621，該凹部621與負(fù)極集電體5連接。該凹部621不是必須設(shè)置的，但為了容易進(jìn)行所述的連接最好還是設(shè)置。而且，包裝盒6上方的開口部60在嵌入絕緣·封閉用墊圈11及封口體12后通過鉚接加工無間隙地進(jìn)行封口。
電極體4是通過隔板3把正極板1和負(fù)極板2按螺旋狀卷繞所形成的。
正極板1是在沖孔金屬板的表面上形成鎳燒結(jié)多孔體后，根據(jù)化學(xué)浸漬方法把氫氧化鎳作為主體的活性物質(zhì)填充到所述燒結(jié)多孔體內(nèi)而制造的燒結(jié)式鎳正極板，通過具有多孔性圓盤部的正極集電體7及所述封口體12連接在正極端子13上。
負(fù)極板2也是同樣用化學(xué)浸漬方法把氫氧化鎘作為主體的活性物質(zhì)填充到所述燒結(jié)多孔體內(nèi)而制造的繞結(jié)式鎘負(fù)極板，通過由鍍Ni的Fe構(gòu)成的多孔性圓盤狀的負(fù)極集電體5，連接在具有負(fù)極端子的圓筒形包裝盒6的底部62的凹部621上。
隔板3是例如加工尼龍或聚丙烯制的絕緣性良好的微孔膜而形成的，用于良好地浸漬電解液并且電絕緣正極板1及負(fù)極板2。
配置在包裝盒6上端的開口部的封口體12的周圍被絕緣墊圈11包圍。封口體12的中央設(shè)有開口部(排氣孔)14，安裝有覆蓋該開口部的碟狀的正極端子13。
封口體12和正極端子13的內(nèi)部空間上從下往上依次設(shè)置閥片8、壓板9、及螺旋彈簧10。這時(shí)，閥片8和壓板9通過螺旋彈簧9的彈力被擠壓到所述中央開口部14的周圍，起到安全閥的作用。而且，代替閥片8、壓板9、及螺旋彈簧10可以使用橡膠等的彈性體。
這里的本實(shí)施形態(tài)1的電池的構(gòu)成與以往的不同之處在于在負(fù)極集電體5和包裝盒6的焊接部上大致沿著包裝盒6的底面地形成強(qiáng)化層700。以下，對(duì)該強(qiáng)化層700和其形成過程的細(xì)節(jié)，根據(jù)實(shí)施例電池的制造方法進(jìn)行說明。
1-2.實(shí)施例電池的制造方法實(shí)施例電池的制造方法的整個(gè)流程與以往的一樣。
首先，介由隔板3把正極板1和負(fù)極板2相互地卷繞，得到相對(duì)于包裝盒適當(dāng)尺寸的電極體4。
其次，在電極體4的上下例如用點(diǎn)焊分別連接多孔性正極集電體7及負(fù)極集電體5。
接著，照射強(qiáng)度不同的能量束，使負(fù)極集電體5相對(duì)于包裝盒6的底部62中央的凹部621依次進(jìn)行焊接及退火處理。在本發(fā)明中，通過該能量照射，大致沿著包裝盒6的底面地在焊接部的脆性層600A、600B中形成強(qiáng)化層700并把該強(qiáng)化層進(jìn)行疊層，避免裂縫增長(zhǎng)所產(chǎn)生的電解液的泄漏等的問題，可以得到良好的電池性能。該能量束的照射是具體的按以下工序進(jìn)行的。
《關(guān)于負(fù)極集電體和包裝盒的焊接》準(zhǔn)備有底筒狀的圓筒形包裝盒6，在包裝盒6內(nèi)部與負(fù)極集電體5相向收容該電極體4。其次，分成能量束強(qiáng)度不同的兩個(gè)階段的步驟從包裝盒底部62照射能量束。在第一階段的照射中進(jìn)行焊接工序時(shí)，在焊接處包裝盒6和負(fù)極集電體5熔融，其后通過固化形成焊接部(實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于脆性層)。而且，在第二階段中照射比第一階段弱的激光進(jìn)行退火處理。用該退火處理在所述焊接部的內(nèi)部挾入脆性層間地形成強(qiáng)化層。
而且，在該步驟中，作為使用能量束的焊接的一個(gè)例子利用激光光束。
作為第一階段的激光照射條件的一個(gè)例如以下所述。而且，該階段的數(shù)值設(shè)定與以往的激光焊接時(shí)的設(shè)定大致一樣，都是根據(jù)至少調(diào)節(jié)脈沖照射間隔、能量密度、激光照射面積、及總能量中的任一個(gè)來進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)定。
脈沖照射間隔8ms/pulse每單位面積的能量密度12.7J/mm2激光照射面積、形狀直徑1.0mm的圓點(diǎn)總能量10J在這樣的條件下，通過向包裝盒底部62的凹部621照射高能量密度的脈沖激光，來激光焊接包裝盒6和負(fù)極集電體5。
這樣，如圖2(a)所示，在負(fù)極集電體5和凹部621的接觸部分上形成焊接部。另外，該階段與以往的一樣，該焊接部的組織結(jié)構(gòu)通過激光焊接后的超急冷效果形成材料組織中的結(jié)晶粒比較粗的、機(jī)械強(qiáng)度弱的脆性層600。
接著，根據(jù)別的條件進(jìn)行第二階段的激光照射。第二階段的激光照射條件設(shè)定為比所述第一階段的激光照射條件緩和，使熔融深度變淺。其緩和設(shè)定的大體標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過一次的脈沖激光照射不能焊接的程度。而且，第二階段的激光照射中，為了覆蓋第一階段中形成的脆性層600的表面，最好是用比較寬的激光點(diǎn)照射。作為其設(shè)定的一個(gè)例如以下所述。
脈沖照射間隔20ms/pulse每單位面積的能量密度6.8J/mm2激光照射面積、形狀直徑1.5mm的圓點(diǎn)總能量12J該第二階段的激光照射如圖2(b)所示，重新被施加到焊接部的表面的激光能量對(duì)與凹部621相距一定深度的組成產(chǎn)生熱影響，達(dá)到退火處理。這樣所述形成的脆性層600的厚度方向(即，包裝盒6的厚度方向)的中央部分的組成起變化，在該脆性層的上方的600A和下方的600B之間疊層結(jié)晶粒比較細(xì)的機(jī)械強(qiáng)度良好的強(qiáng)化層700。根據(jù)所述的設(shè)定項(xiàng)目調(diào)節(jié)激光輸出，就可以調(diào)整其能量集中的位置，這樣可以調(diào)節(jié)強(qiáng)化層700的形成位置。激光的能量從被照射的包裝盒底部62的位置向厚度方向積存以放射狀延伸，形成如圖2(b)所示的拋物線狀剖面的強(qiáng)化層700。
這樣經(jīng)過兩階段的步驟進(jìn)行激光照射，本發(fā)明可以得到如下的效果。
即，以往的能量束，例如，在通過使用激光焊接的外部照射來焊接負(fù)極集電體和包裝盒時(shí)，如圖2(a)所示，在焊接部整體中形成具有結(jié)晶粒比較粗的組成的脆性層600。該脆性層600是被強(qiáng)的能量束短時(shí)間照射后，在幾m秒內(nèi)以幾千℃的比例被超急冷而產(chǎn)生的，所以其電池性能不能確保充分的機(jī)械強(qiáng)度。因此，以往通常是把制造后的電池利用于電動(dòng)工具等中、在短時(shí)間內(nèi)以大電流放電的惡劣的使用條件下反復(fù)充放電時(shí)，隨著電池內(nèi)部的內(nèi)壓、溫度急劇的變化使電池產(chǎn)生熱膨脹收縮，如圖4所示在由于沿著焊接部(脆性層)的粒間的應(yīng)力腐蝕裂痕等處產(chǎn)生·增長(zhǎng)裂縫，最終產(chǎn)生電解液從包裝盒中泄漏的問題，但本實(shí)施例中是如圖3所示，沿著包裝盒底部62及負(fù)極集電體5的厚度方向，在脆性層600A，600B之間形成強(qiáng)化層700，所以即使例如在脆性層600A、600B中產(chǎn)生裂縫，厚度方向的該裂縫的傳遞可靠地被強(qiáng)化層700阻止。因此，即使電池在所述惡劣的條件下充放電，也可以良好地防止電解液向外部泄漏的問題。
另外，通過這樣的兩個(gè)階段的步驟的激光照射，主要是在焊接部上聚焦進(jìn)行激光照射的技術(shù)，所以完全不需要加熱整個(gè)電池的必要。由此，幾乎不會(huì)給電池內(nèi)部帶來熱損壞。
另外，所述強(qiáng)化層700的存在及構(gòu)成，通過切斷焊接部例如利用電子顯微鏡等觀察其剖面可以實(shí)際地確認(rèn)。這時(shí)，可以確認(rèn)出強(qiáng)化層700填充有比脆性層600A，600B致密且細(xì)微的結(jié)晶粒。
這里，通過一次或者多次反復(fù)進(jìn)行第二階段的激光照射，可以以任意的厚度和大小形成具有細(xì)微的結(jié)晶粒的強(qiáng)化層。
這樣進(jìn)行經(jīng)過兩個(gè)階段的步驟的激光照射，對(duì)包裝盒底部62的凹部621和負(fù)極集電體5進(jìn)行焊接及退火處理以后，通過點(diǎn)焊接等方法連接正極集電體7和封口體12的正極端子1。而且，往包裝盒6內(nèi)注入電解液，介由墊圈11將封口體12嵌合到包裝部6的開口部60的同時(shí)，通過鉚接加工將封口體12與包裝盒6固定，因此完成內(nèi)部密封的實(shí)施例電池的制作。
1-3.性能比較實(shí)驗(yàn)其次，對(duì)如上所述得到的實(shí)施例電池和以往的電池進(jìn)行性能比較實(shí)驗(yàn)。為了這次性能比較實(shí)驗(yàn)，制造與具有與以往一樣的構(gòu)成的比較例電池。該比較例電池按如下方法制造。
《比較例電池的制造》整體的制造方法與實(shí)施例電池一樣。即，介由隔板卷繞鎳正極板和鎘負(fù)極板得到電極體。在該電極體的上下連接正極集電體和負(fù)極集電體。而且，將負(fù)極集電體置于下方并且將電極體收容在圓筒形包裝盒中。
其次，從包裝盒底部進(jìn)行激光照射，而對(duì)包裝盒底部和負(fù)極集電體進(jìn)行激光焊接。這時(shí)的條件如下所述。
脈沖照射間隔8ms/pulse每單位面積的能量密度12.7J/mm2激光照射面積、形狀直徑1.0mm的圓形點(diǎn)總能量10J這樣進(jìn)行激光焊接后，連接正極集電體和封口體的正極端子。而且注入電解液，介由墊圈使封口體嵌合到包裝盒開口部，通過鉚接加工密封包裝盒。
用該方法完成額定容量為2.4Ah、SC尺寸的鎳鎘電池(比較例電池)的制造。
根據(jù)這樣的各種制造方法，分別制造20個(gè)實(shí)施例電池及比較例電池。
對(duì)于這些電池，反復(fù)進(jìn)行1000次的6.5A-ΔV充電→不間斷充電→20A放電到0.8V→放電停止1h的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，調(diào)查實(shí)驗(yàn)后的焊接部的電解液泄漏數(shù)及循環(huán)后電池容量的變化。
其結(jié)果如下所述。
《實(shí)驗(yàn)結(jié)果》*比較例電池泄漏數(shù)20個(gè)中有3個(gè)循環(huán)后平均電池容量946mAh(測(cè)定值范圍911mAh～982mAh)*實(shí)施例電池泄漏數(shù)20個(gè)中有0個(gè)循環(huán)后平均電池容量1004mAh(測(cè)定值范圍934mAh～1074mAh)從該性能比較實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中可以明確本發(fā)明的實(shí)施例電池中即使在包裝盒底部的焊接部中發(fā)生裂縫，強(qiáng)化層可以阻止裂縫的傳遞，從而防止電解液的泄漏，可以制造出性能良好的電池。這樣的實(shí)施例電池即使例如在通過大電流進(jìn)行充放電的使用條件下也可以確保穩(wěn)定的電池容量，從而可以發(fā)揮良好的電池性能。
2.其他的事項(xiàng)所述的實(shí)施形態(tài)中，主要是說明圓筒形堿性蓄電池及其制造方法，但本發(fā)明也可以利用于這個(gè)以外的例如具有金屬制的方形包裝盒的電池等中。而且，除了鎳鎘蓄電池以外，也可以適用于鎳氫、鋰離子等其他種類的堿性蓄電池或一次電池中。
而且，上述實(shí)施形態(tài)中公開了作為能量束使用激光光束的例子，但本發(fā)明不限定于此，也可以利用EB(電子射線)等其他的能量束。
而且，在本發(fā)明的電池中，設(shè)置在焊接部的強(qiáng)化層最好為了確實(shí)地回避電解液的泄漏，在第一階段中被能量束照射的區(qū)域的幾乎是整個(gè)區(qū)域(即，至少是包裝盒底部中向外部露出的脆性層區(qū)域以上的面積)照射光束形成。但是，即使在焊接部局部形成，也可以仍然達(dá)到防止泄漏的效果。
而且，上述實(shí)施形態(tài)中，具有脆性層600A，600B之間設(shè)置強(qiáng)化層700的構(gòu)成，但是為了達(dá)到本發(fā)明的效果，強(qiáng)化層700只要形成在可以防止由焊接部產(chǎn)生的裂縫而產(chǎn)生電解液的泄漏的位置上即可。因此，例如調(diào)整激光輸出，也可以形成強(qiáng)化層700露出于包裝盒底部的凹部621表面的方式。
本發(fā)明可以用于例如在具有金屬包裝盒的電池的包裝盒的內(nèi)部將連接在電極體上的電極集電體焊接于包裝盒的底部的工序上。
權(quán)利要求
1.一種電池，將卷繞電極板構(gòu)成的電極體連接于集電體上，并焊接該集電體和包裝盒而形成，其特征在于在集電體和包裝盒的焊接部沿著包裝盒的厚度方向疊層有第一層、和由比該第一層細(xì)微的結(jié)晶粒形成的第二層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于所述焊接部是在所述第二層的厚度方向的上下方疊層所述第一層的構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電池，其特征在于所述包裝盒是有底圓筒形狀，與所述電極體一起被收容在該包裝盒中的集電體通過從外部向包裝盒底部照射的能量束而與包裝盒相焊接。
4.一種電池的制造方法，經(jīng)過有將連接在卷繞電極板構(gòu)成的電極體上的集電體與包裝盒相焊接的焊接步驟，其特征在于，所述焊接步驟包括從與集電體接觸的包裝盒的外部區(qū)域照射具有第一能量的能量束，焊接包裝盒和集電體，在該焊接部的厚度方向上形成第一層的第一能量束照射步驟；在第一能量束照射步驟之后，向所述外部區(qū)域照射具有與所述第一能量不同的第二能量的能量束，在包裝盒和集電體的焊接部形成由比第一層細(xì)微的結(jié)晶粒構(gòu)成的第二層的第二能量束照射步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電池的制造方法，其特征在于所述焊接步驟經(jīng)過有將連接在電極體上的集電體焊接于圓筒形包裝盒的底部的工序，所述第一層及所述第二層形成在所述焊接部的集電體及包裝盒底部。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電池的制造方法，其特征在于所述焊接步驟中作為所述能量束利用激光光束。
全文摘要
一種電池及其制造方法，該電池，將負(fù)極集電體(5)相對(duì)于包裝盒(6)的底部(62)中央的凹部(621)分兩個(gè)階段照射能量束(激光)，依次進(jìn)行焊接和退火處理。通過該能量照射，在焊接處的脆性層(600A、600B)中形成強(qiáng)化層(700)，防止隨裂縫增長(zhǎng)產(chǎn)生電解液的泄漏等的問題。因此，可提供一種抑制包裝盒和集電體的焊接部的裂縫的增長(zhǎng)而防止電解液泄漏的具有良好的電池性能的電池及其制造方法。
文檔編號(hào)H01M2/02GK1577918SQ20041007125
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月24日
發(fā)明者富本和生, 下園和樹, 藤阪悅也, 中野大, 細(xì)川弘 申請(qǐng)人:三洋電機(jī)株式會(huì)社