密封型蓄電裝置及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及其中將外部罐與密封板焊接的密封型蓄電裝置和制造密封型蓄電裝 置的方法。更具體地，本發(fā)明涉及其中焊接部具有高接合強度的密封型蓄電裝置和制造密 封型蓄電裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，環(huán)境問題已經(jīng)受到了很多關(guān)注并且促進了用于將清潔能源諸如太陽光和 風(fēng)力轉(zhuǎn)換為電力并將電力儲存為電能的系統(tǒng)的發(fā)展。非水電解質(zhì)二次電池和電容器是已知 的這種蓄電裝置。特別地，由于更高的蓄電容量和更小的尺寸，密封型蓄電裝置在需求方面 的增長大于開放型的。例如通過如下獲得密封型蓄電裝置:堆疊正極、負(fù)極和隔膜，將得到 的電極組和非水電解質(zhì)放入外部罐中，最后將密封板焊接至外部罐的開口。
[0003] 焊接外部罐和密封板的方法之一為如在圖7a的橫截面圖中示出的方法(所謂的垂 直焊法），其中使密封板13嵌合到外部罐12的開口中，并且通過由基本上垂直于密封板13的 平面方向的方向的激光照射焊接密封板13和外部罐12。根據(jù)本方法，可以容易地增加加工 速度并且可以實現(xiàn)有效的焊接。
[0004] 照射的激光束L被金屬材料的表面吸收，在所述表面處光能被轉(zhuǎn)換為熱能。該熱能 通過金屬材料進行傳導(dǎo)，結(jié)果金屬材料熔化且然后固化，由此將外部罐和密封板焊接。也就 是說，通過熱輸入-熔化-固化-冷卻的過程進行焊接。
[0005] 在這種情況下的激光焊接為小孔型激光焊接(keyhole-mode laserwelding)。在 被激光束L照射的金屬材料的表面上發(fā)生強烈的金屬蒸發(fā)。在通過由金屬蒸汽生成的排斥 力和熱能形成叫做小孔的深孔的同時進行焊接。由于小孔的深度和輸入至金屬材料的熱量 成正比，所以激光輸出越大導(dǎo)致小孔深度越大。另外，認(rèn)為小孔的深度基本上對應(yīng)于焊縫熔 深。
[0006] 對于垂直焊，需要基本上至少與密封板的厚度一樣大的焊縫熔深（we Id penetration depth)以減少裂縫的生成。為此，有必要增加激光輸出并且增加輸入的熱量。 越大的激光輸出自然導(dǎo)致生成越大的熱能。過度的激光照射可能會導(dǎo)致熔化的金屬穿透照 射表面，這被稱作燒穿。結(jié)果，在焊接部中形成孔并且氣密性降低。
[0007] 在從固化到冷卻的過程中，由于與收縮有關(guān)的應(yīng)力（收縮應(yīng)力)而可能會發(fā)生被照 射部分的形變諸如膨脹。由于其中要配置蓄電裝置的設(shè)備的內(nèi)部空間是預(yù)定的，所以例如 通過預(yù)先考慮這種形變來設(shè)計蓄電裝置的外部尺寸。因此，還有一個問題是難以增加蓄電 裝置的容量。
[0008] 其它焊接方法中的一種為如在圖7b的橫截面圖中示出的所謂的水平焊法，其中使 密封板13嵌合到外部罐12的開口的邊緣部，并且通過利用在基本上與密封板13的平面方向 水平的方向的激光束L的照射焊接至外部罐12。水平焊接主要用于大的蓄電裝置，因為水平 焊接使大的激光輸出成為可能。然而，水平焊接也具有諸如在垂直焊中一樣的低氣密性的 問題。此外，生產(chǎn)效率低，因為在激光照射期間必須顯著地移動激光照射設(shè)備和/或焊接工 件。
[0009]為了解決與垂直焊和水平焊接相關(guān)的問題，例如已經(jīng)提出了如在圖8的橫截面圖 中所示的垂直焊法，其中使密封板13嵌合到外部罐12的開口的邊緣部，并且通過利用在基 本上與密封板13的平面方向垂直的方向的激光束L的照射焊接至外部罐12(專利文獻1)。該 方法涉及用激光束L的垂直照射且因此提高了生產(chǎn)效率。
[0010]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0011] 專利文獻
[0012] 專利文獻1:日本專利特開2011-171078號公報
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013] 技術(shù)問題
[0014] 在專利文獻1中公開的方法中，通過在與密封板13的平面方向垂直的方向的激光 照射而不是通過利用在與密封板13的平面方向水平的方向的激光束L的照射進行焊接將外 部罐和密封板焊接。因此，密封板的嵌合部(專利文獻1中的法蘭7)為例如薄至0.5mm以下。 當(dāng)嵌合部具有這種小的厚度時，有助于焊接的金屬的量太少而不能提供足夠的接合強度。
[0015] 本發(fā)明的一方面涉及一種制造密封型蓄電裝置的方法，所述方法包括以下步驟： 制備容納電極組的有底的外部罐;制備具有與外部罐的開口相對應(yīng)的周邊的密封板，所述 密封板在所述周邊的一個表面中具有第一凹部并且在所述周邊的另一個表面中具有錐形 的第二凹部，將所述第一凹部構(gòu)造為嵌合進外部罐的開口邊緣部;通過將第一凹部嵌合進 外部罐的開口邊緣部而利用密封板封閉外部罐的開口；通過用激光束以相對于密封板的厚 度方向成15°至75°的角度照射外部罐的開口邊緣部與密封板的周邊之間的邊界而焊接外 部罐的開口邊緣部和密封板的周邊。
[0016] 本發(fā)明的另一方面涉及一種密封型蓄電裝置，所述密封型蓄電裝置包括:電極組、 容納電極組的有底的外部罐和具有與外部罐的開口相對應(yīng)的周邊的密封板。將所述外部罐 的邊緣部和所述周邊焊接以形成熔融部。在平行于外部罐的側(cè)壁的厚度方向并且平行于密 封板的厚度方向的熔融部的橫截面中，在外部罐的開口邊緣部的起始位置處的熔融部的寬 度^和從起始位置到熔融部與非熔融部之間的界面的最大距離d滿足3.5 ^WVcL
[0017]有益效果
[0018] 根據(jù)以上說明，可以在低的激光輸出下焊接外部罐的開口邊緣部和密封板的周 邊，并且可以獲得在外部罐與密封板之間具有足夠接合強度的密封型蓄電裝置。
【附圖說明】
[0019] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封型蓄電裝置的透視圖，其中將焊接前的外部罐 和密封板(它們的組合在下文中可以被稱為殼)部分切除。
[0020] 圖2為沿圖1中的線II-II取的縱截面示意圖。
[0021] 圖3a為外部罐的側(cè)壁的上邊緣部和周邊區(qū)域的放大的橫截面圖。
[0022] 圖3b為密封板的周邊和周邊區(qū)域的放大的橫截面圖。
[0023] 圖4為在密封板和外部罐之間的嵌合部的放大的橫截面圖。
[0024] 圖5為示意性示出熱如何在圖4中擴散的橫截面圖。
[0025] 圖6為示意性示出在圖4中的焊接之后的形狀的橫截面圖。
[0026] 圖7a為示意性示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光焊接方法的橫截面圖。
[0027] 圖7b為示意性示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光焊接方法的橫截面圖。
[0028] 圖8為示意性示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的另一種激光焊接方法的橫截面圖。
[0029] 圖9為示意性示出根據(jù)參考實施例的激光焊接方法的橫截面圖。
[0030] 圖10為示意性示出熱如何在圖9中擴散的橫截面圖。
[0031] 圖11為示意性示出在圖9中的焊接之后的形狀的橫截面圖。
[0032] 圖12a為根據(jù)實例1的放大照片(在18倍的放大倍率下）。
[0033] 圖12b為圖12a的底圖。
[0034] 圖13a為根據(jù)實例2的放大照片(在18倍的放大倍率下）。
[0035] 圖13b為圖13a的底圖。
[0036] 圖14a為根據(jù)比較例1的放大照片(在18倍的放大倍率下）。
[0037] 圖14b為圖14a的底圖。
[0038] 圖15a為根據(jù)比較例2的放大照片(在18倍的放大倍率下）。
[0039] 圖15b為圖15a的底圖。
[0040] 圖16a為根據(jù)參考例1的放大照片(在18倍的放大倍率下）。
[0041 ] 圖16b為圖16a的底圖。
【具體實施方式】
[0042] 如在圖9的橫截面圖中所示，除以上方法之外的激光焊接方法可以包括將密封板 13嵌合到外部罐12的開口邊緣部上使得邊緣部露出，通過用激光束L以傾斜方向照射將外 部罐12和密封板13焊接。由于在這種情況下用激光束L照射在外部罐12的邊緣部和密封板 13之間的邊界，所以被照射的部分的突出不顯著地影響外部尺寸，這是該方法的優(yōu)點。然 而，該方法在低激光輸出下難以提供足夠的焊縫熔深。原因可能為如下。
[0043] 輻射的光能被表面吸收并且轉(zhuǎn)換為熱能。熱通過構(gòu)成外部罐12和密封板13的金屬 傳導(dǎo)和擴散。當(dāng)外部罐12和密封板13由相同的材料制成時，熱快速且均勻地擴散。由于金屬 比空氣具有更高的熱傳導(dǎo)性，所以熱被傳導(dǎo)到金屬部分而不是被輻射到外部罐12和密封板 13的外部。因此，如在圖10中所示，熱傾向于在外部罐12的側(cè)壁的內(nèi)部方向和密封板13的上 表面方向擴散。
[0044] 當(dāng)熱在外部罐12的側(cè)壁的內(nèi)部方向和密封板13的上表面方向擴散時，在這些部分 中的金屬熔化。然而，這些熔化的部分對接合強度沒有多大的貢獻，因為這些熔化的部分遠(yuǎn) 離嵌合部。接合強度主要受在接合表面上的熔化的金屬面積的影響。為了通過向嵌合部導(dǎo) 熱來增加在嵌合部熔化的金屬的量和增加在接合表面上的熔化面積，需要在高輸出下的激 光照射。高的激光輸出產(chǎn)生諸如在現(xiàn)有技術(shù)中的低氣密性的問題。因此，期望在低激光輸出 下獲得足夠的接合強度。
[0045] 實施例的具體說明
[0046] 首先，將列出并描述本發(fā)明的實施例的特征。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的一方面的制造密封型電池的方法為（1)制造密封型蓄電裝置的方 法，包括:制備容納電極組的有底的外部罐的步驟;制備具有與外部罐的開口相對應(yīng)的周邊 的密封板的步驟，所述密封板在所述周邊的一個表面中具有第一凹部并且在所述周邊的另 一個表面中具有錐形的第二凹部，所述第一凹部被構(gòu)造為嵌合進與開口相對應(yīng)的外部罐的 邊緣部(開口邊緣部）；通過將第一凹部嵌合進外部罐的邊緣部而用密封板封閉外部罐的所 述開口的步驟;和通過用激光束以相對于密封板的厚度方向成15°至75°的角度照射外部罐 的邊緣部與所述周邊之間的邊界而焊接外部罐的邊緣部和密封板的周邊的步驟。由于在密 封板的周邊的一個表面中形成錐形的第二凹部，所以更有效地使來自激光照射的熱能傳導(dǎo) 到對接合強度有貢獻的接合表面而不是傳導(dǎo)到對接合強度沒有貢獻的密封板的上部，因此 提高接合強度。
[0048] (2)優(yōu)選以相對于密封板的厚度方向成15°至75°的角度形成第二凹部。這是因為 這樣的第二凹部可以降低熱能的擴散并且允許密封板具有足夠的厚度。
[0049] (3)密封板的厚度(Tt)優(yōu)選大于在密封板的厚度方向上的第一凹部的長度(Ta)和 在密封板的厚度方向上的第二凹部的長度(Tb)之和。這是因為在密封板與外部罐的開口的 邊緣部之間的邊界處形成密封板的豎立部分，使得容易將激光束指向指定的照射位置。此 外，在邊界處和邊界附近可以確保有大量能夠熔化的金屬，并且因此提高接合強度。
[0050] 近來已經(jīng)將密封型蓄電裝置用于在車輛或在太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電中的電力存 儲，因此需要大型蓄電裝置。在這種情況下，有必要增加在外部罐與密封板之間的接合強度 和通過增加外部罐的側(cè)壁及密封板的厚度來增加外部罐和密封板的強度。
[0051] (4)密封板的厚度(Tt)優(yōu)選為0.5至3mm并且外部罐的側(cè)壁的厚度(W t)優(yōu)選為0.5至 3mm。這是因為可以維持高的密封型電池的整體強度并且可以減少密封型電池的重量。 [0052] (5)從邊界到外部罐的開口邊緣部中的側(cè)壁的外表面的距離(Wd)優(yōu)選大于激光束 的光束半徑。這是因為抑制了因焊接導(dǎo)致的外部罐的外部形狀的改變。
[0053] (6)在照射中使用的激光束優(yōu)選具有0.1至0.5mm的光束半徑。這是因為這種照射 對蓄電裝置的性能具有小的影響并且利用這種照射抑制了外部罐的外部形狀的改變。 [0054]根據(jù)本發(fā)明的一方面的密封型電池為(7)密封型蓄電裝置，包括：電極組、容納電 極組的有底的外部罐和具有與外部罐的開口相對應(yīng)的周邊的密封板。所述外部罐的邊緣部 和所述周邊被焊接以形成熔融部。在平行于外部罐的側(cè)壁的厚度方向并且平行于密封板的 厚度方向的熔融部的橫截面中，在外部罐的開口邊緣部的起始位置處的熔融部的寬度W j和 從起始位置到熔融部與非熔融部之間的界面的最大距離d滿足3.5 < WVcL由于熔融部具有 大的寬度，所以接合強度高。
[0055][本發(fā)明的實施