JP2010283115A - エネルギーデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーデバイスにおいて、電極と集電板の接合に信頼性を高めることができる接合方法を提供する。
【解決手段】第一の集電体２１上に第一の蓄電層２２が形成された第一の電極２と、第二の集電体３１上に第二の蓄電層３２が形成された第二の電極３とが、セパレータ４を介して狭持された電極群を作製する工程と、前記第一の集電体２１の端面上に第一の集電板５を、前記第二の集電体３１の端面上に第二の集電板６を配置する工程と、前記集電板に対し、前記集電体が、半導体レーザーを、横一列に３点以上配光し、前記集電板に対し、レーザー光が前記集電板を貫通することなく、両端の照射点に挟まれた照射点の照射密度が前記両端の照射点の照射密度よりも小さくなるように他の照射点と同時に直接照射され、前記集電板から前記集電体への熱伝導によって前記集電板と前記集電体とを接続する工程と、を含むエネルギーデバイスの製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、アルミ電解コンデンサ、電気二重層キャパシタ、リチウム二次電池などのエネルギーデバイス製造方法に関するものである。

近年、携帯機器等の電子機器に対する高機能化、および小型化のニーズが高まっている。電子機器の高機能化および小型化に対応するため、電源に用いられるアルミ電解コンデンサ、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池なども、更なる高容量化、高信頼化、および高出力化が求められている。

高出力を得るための技術の一つとして、集電抵抗の低減化が考えられる。集電抵抗を低減させるために、リチウムイオン二次電池の正極側および負極側の集電板の中央にあいている穴部を除いて、縦横十文字にレーザー照射を行い、集電板を正極および負極の集電体に接合することで、集電抵抗を大幅に減少させ、高出力化を図ることが開示されている（特許文献１）。

また、電気二重層キャパシタやアルミ電解コンデンサについても端子接続スペースの低減や集電抵抗の低減をするために、レーザー接合法を用いた集電構造について提案がされている（特許文献２、特許文献３）。

これらエネルギーデバイスの集電体として、アルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられている。特にアルミニウムの溶接法としては、ＹＡＧレーザーをパルス状に照射し、出力波形のピーク値を順次低くする溶接方法が提案されている（特許文献４）。

しかしながら、アルミニウムまたはアルミニウム合金のレーザー接合において、ＹＡＧレーザー（波長１．０６μｍ）を用いた場合、単位面積当たりのレーザー出力密度が大きいため、プラズマが発生し、それと共に金属蒸気が激しく飛び出す、いわゆるスパッタとよばれる溶融アルミニウムの飛散、アルミニウム集電板の貫通穴、クラックが生じてしまうことがあった。スパッタは、アルミニウム微粒子が電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタ内に混入すると、電気特性上、短絡やサイクル特性の劣化を引き起こす原因となる。また、アルミニウム集電板の貫通穴やクラックは、アルミニウム集電板の強度劣化や集電抵抗の増加につながる。そのため、アルミニウム集電板の厚みを増加させる等の補強が必要となり、電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタのサイズの増大にもつながることになる。

半導体レーザーは、ＹＡＧレーザーに比べて短波長であり、アルミニウムの吸収率が高く、溶融面積も広く、かつ溶け込みの深さを制御することができる。そのため、キーホール型の溶接で生じるスパッタ、アルミニウム集電板の貫通穴、クラックを発生させることなく、アルミニウム集電板とアルミニウム集電体を広い面積で接合させることが可能である。

特開２００８−２１６４４号公報 特開２００５−２９４３４４号公報 特開２００５−７９２７２号公報 特開平６−２１０４７２号公報

しかしながら、発明者らが鋭意検討した結果、半導体レーザーは熱伝導型の溶接であるため、ＹＡＧレーザーに比べてレーザー照射部周辺への熱伝導が非常に大きい。そのため、ビームスポットの形状が略直方体状や線状であっても、熱が放射状に広がるので、アルミニウム溶融部が楕円状になる。そのため、接合部は、略ライン状ではなく、楕円状に接続されてしまう。エネルギーデバイスが巻回体の場合、巻回体内部に最も蓄熱されやすい巻回中間近傍（巻き始めと巻き終わりの中間付近）では、蓄熱された過剰な熱により、セパレータの溶融や電極に含まれるバインダーの劣化など、セパレータを介して正極および負極が巻回または積層した電極群内部の熱ダメージを引き起こすという問題が発生する。

そこで、本発明はこのような課題を解決し、半導体レーザー接合時に発生する集電板から電極群への過剰な熱伝導による熱ダメージを抑制し、接合面積がほぼ一定に確保できる、アルミニウム集電板とアルミニウム集電体を接合させた電池、コンデンサなどのエネルギーデバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、第一の集電体上に第一の蓄電層が形成された第一の電極と、第二の集電体上に第二の蓄電層が形成された第二の電極とが、セパレータまたは／かつ電解質を介して狭持された電極群を作製する工程と、前記第一の集電体の端面上に第一の集電板を、前記第二の集電体の端面上に第二の集電板を、少なくともどちらか一方を配置する工程と、前記第一の集電板または／および前記第二の集電板に対し、少なくとも前記第一の集電板と前記第一の集電体が、レーザー波長７９０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下の半導体レーザーを、横一列に３点以上配光または／かつ集光し、前記第一の集電板に対し、レーザー光が前記第一の集電板を貫通することなく、両端の照射点に挟まれた照射点の照射密度が前記両端の照射点の照射密度よりも小さくなるように他の照射点と同時に直接照射され、前記第一の集電板から前記第一の集電体への熱伝導によって前記第一の集電板と前記第一の集電体とを接続する工程と、を含むエネルギーデバイスの製造方法に関する。

また、本発明は、前記第一の集電板または／かつ前記第二の集電板が穴付きの円板であり、前記電極群が円筒状の巻回体であるエネルギーデバイスの製造方法に関する。

また、本発明は、前記第一の集電板および前記第二の集電板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金であるエネルギーデバイスの製造方法に関する。

本発明によると、セパレータを介して正極および負極が巻回された電極群内部への熱ダメージを抑制し、アルミニウム集電板とアルミニウム集電体の接合面積がほぼ一定に制御することが可能な電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタなどエネルギーデバイスの製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１における電極群の斜視図 本発明の実施の形態１におけるエネルギーデバイスの図１の縦断面Ａにおける断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における第一の集電板と第一の電極との接合部の断面図、（ｂ）第一の露出部を形成しない場合の第一の集電板と第一の電極との接合部の断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における第二の集電板と第二の電極との接合部の断面図、（ｂ）第二の露出部を形成しない場合の第二の集電板と第二の電極との接合部の断面図 本発明の実施の形態１におけるレーザー照射部を表す円板集電板の表面図 本発明の実施の形態１における半導体レーザー照射箇所の斜視図 参考例1におけるサンプルの断面の金属組織写真

（実施の形態１）
本実施の形態にかかるエネルギーデバイスを、電気二重層キャパシタを一例として説明する。

図１に示すように、本発明のエネルギーデバイスの電極群１は、セパレータ４を介して第一の電極２（正極）および第二の電極３（負極）を巻回している。図１の電極群１を縦断面Ａで切り取った断面図を図２に示す。第一の集電体２１と活性炭を含む第一の蓄電層２２からなる第一の電極２は、セパレータ４を介して、第一の集電板５の幅方向の一端に第一の露出部２３が形成されている。第二の露出部３３も同様に、第二の集電体３１と活性炭を含む第二の蓄電層３２からなる第二の電極３は、セパレータ４を介して、第二の集電板６の幅方向の一端に第二の露出部３３を形成している。

なお、本発明における蓄電層は、エネルギーデバイスの実質的に蓄電に寄与する層であり、例えばエネルギーデバイスが電気二重層キャパシタの場合は、少なくとも分極性材料である活性炭を含む層を、リチウム二次電池の場合は、少なくともリチウムイオンを挿入脱離可能な活物質を含む層を、アルミ電解コンデンサの場合は、エッチングにより拡面化され、電解酸化により酸化アルミが形成された層をいう。

第一の電極２の第一の露出部２３および第二の電極３の第二の露出部３３が、互いに反対方向に突出するように第一の電極２および第二の電極３は、タブレス状に配置されている。

なお、本発明において、第一かつ第二の集電板と第一かつ第二の集電体とを、それぞれタブレス状に配置したが、どちらか一方がタブリードを接続したものやケースに直接接続したものでも良い。

セパレータ４には、ポリプロピレンやクラフト紙などを主成分とした不織布や、ポリオレフィンを主成分としたシートなどの多孔質膜を用いる。

図２の第一の集電板５と第一の集電体２１との接合箇所７、第二の集電板６と第二の集電体３１との接合箇所８をそれぞれ拡大したものを図３および図４に示す。

図３（ａ）に示すように、第一の集電体２１には、第一の集電板５の幅方向の一端に第一の露出部２３が形成されており、第一の集電体２１のうち第一の露出部２３以外の部分には、活性炭を含む第一の蓄電層２２が形成されている。第一の集電体２１の第一の露出部２３の端と、第一の集電板５は接合箇所７で接合している。リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電層が耐熱性の低いバインダーなどを含んでいる場合は、第一の露出部２３を設けて接合するのがよい。

なお、アルミ電解コンデンサのような電気化学エッチングによって拡面化され電解酸化によって第一の蓄電層２２が設けられている場合は、比較的耐熱性が高いので、第一の集電体２１上に第一の露出部２３を形成していなくてもよく、第一の蓄電層２２および第一の集電体２１が第一の集電板５と接合していてもよい（図３（ｂ））。

図４（ａ）も同様に、第二の集電体３１には、第二の集電板６の幅方向の一端に第二の露出部３３が形成されており、第二の集電体３１のうち第二の露出部３３以外の部分には、活性炭を含む第二の蓄電層３２が形成されている。第二の集電体３１の第二の露出部３３の端と、第二の集電板６は接合箇所８で接合している。リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電層が耐熱性の低いバインダーなどを含んでいる場合は、第二の露出部３３を設けて接合するのがよい。

なお、アルミ電解コンデンサのような電気化学エッチングによって拡面化され電解酸化によって第二の蓄電層３２が設けられている場合は、比較的耐熱性が高いので、第二の集電体３１上に第二の露出部３３を形成していなくてもよく、第二の蓄電層３２および第二の集電体３１が第二の集電板５と接合していてもよい（図４（ｂ））。

第一の集電体２１および第二の集電体３１には、アルミニウムやアルミニウム合金の箔状のものを用いるのが好ましい。また、本発明は、レーザー光が第一の集電板５を貫通せず、熱伝導によって第一の集電板５と第一の集電体２１を接続することが可能なので、第一の集電体２１および第二の集電体３１として、ラスなど多孔質状のものを用いることもできる。

第一の集電板５および第二の集電板６には、アルミニウムまたはアルミニウム合金の板を用いるのが好ましい。巻回体が円筒状の場合は、電解液の注液速度を高めるために、中央に穴部９を有する円板を用いるのが好ましい。第一の集電板５および第二の集電板６と、第一の露出部２３および第二の露出部３３を接合するには、穴部９を中心にして形成した縦横十文字１５上（図５）の１つの長丸内にレーザー照射を同時に３点以上行う。このとき、縦横十文字１５の端にあたる照射箇所の照射密度と、それら両端の間に位置する照射箇所の照射密度は、後者の照射密度を前者の照射密度より小さくする。穴部９にはレーザー照射をしない。レーザーは、半導体レーザーを使用し、第一の集電板５および第二の集電板６と、集電体の第一の露出部２３および第二の露出部３３の端面が接合される。使用するレーザーは、波長が７９０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下の半導体レーザーを用いるのが好ましい。波長が７９０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下で照射すると、アルミニウムの吸収率が高く、溶融面積も広く、かつ溶け込みの深さを制御することができるため、集電板に付与される過剰な熱を低減させることができる。

電極群１が、円筒状の巻回体の場合内周より外周のほうが蓄電層の面積が大きく、蓄電量が大きいため、接合部に流れる電流量は内周より外周のほうが大きくなる。そのため、接合部に流れる電流密度を一定にするという観点からは、内周より外周の接合部が大きく、溶融部の幅は大きいほうが良い。しかしながら、電極群１への熱ダメージを抑制するという観点からは、過剰な集電板の溶融は避けなければならず、レーザー照射量を必要最小限に止めるようアルミニウム集電板の溶融量を制御することが重要である。

以下に、集電板に半導体レーザーを照射する事例で、集電板における熱伝導について説明する。

（参考例１）
直径８ｍｍの穴を有する直径２８ｍｍ、厚み０．８ｍｍの合金番号１０５０のアルミニウム円板４０をブラスト処理により算術平均表面粗さＲａを１．４μｍにした。

アルゴン雰囲気下、アルミニウム円板４０表面に対し７０°のレーザー入射角度、波長９４０ｎｍの半導体レーザーを、アルミニウム円板４０の内周（B）には一定出力０．６ｋＷのレーザー光１０１を、中間周（C）は一定出力０．５５ｋＷのレーザー光１０２を、外周（D）は一定出力０．８ｋＷのレーザー光１０３をそれぞれ焦点サイズ０．８ｍｍ×３．２ｍｍで０．４秒間を同時に照射し、サンプルを参考例１とした。照射後の状態を図７に示す。

なお、本参考例において、内周（B）、外周（D）は照射箇所の両端に位置する照射点を、中間周（C）は両端の照射点に挟まれた照射点を意味する。

〈溶接性評価〉
参考例１のレーザーにより溶融したアルミニウム箇所をレーザー溶融部１１５と、熱伝導により溶融したアルミニウムの箇所を熱伝導溶融部１１６とした。

図７からレーザー光が直接照射され、溶融したアルミニウム円板４０のレーザー溶融部１１５は、内周（B）、中間周（C）、外周（D）共に重なり合っていなかった。一方、熱伝導溶融部１１６は、数珠状に連続していることが確認された。熱伝導溶融部１１６が連続していることにより、アルミニウム円板４０と集電体の未接続部の発生を抑制でき、接続の信頼性を高めることができた。

また、中間周（C）の出力を、内周（B）の出力よりも小さい値で照射したにもかかわらず、中間周（C）の熱伝導溶融部１１６は、内周（B）の熱伝導溶融部１１６より大きくなっていることがわかる。これは、内周（B）と外周（D）から中間周（C）に熱が伝導したためと考えられる。このことから、アルミニウム板とアルミニウム箔とを、半導体レーザーを用いて接合するには、中間周（C）のレーザー光１０２の照射密度を内周（B）、外周（D）より小さくすることによって、半導体レーザーの熱伝導による電極群への熱ダメージを抑制し、接合面積がほぼ一定に確保できることがわかる。なお、本実施例では照射密度で制御したが、照射面積や照射時間でも制御可能である。

なお、本願の参考例１では、内周（B）の照射密度より外周（D）の照射密度が大きかったが、外周（D）の照射密度が内周（B）の照射密度より小さくてもよい。また、内周（B）、外周（D）の照射密度が同じでもよい。

本発明は、セパレータの溶融や電極に含まれるバインダーの劣化など、電極群内部の熱ダメージを低減し、集電板と集電体の接合の信頼性を高くすることができるため、特にアルミニウムを主成分とする材料の接合の高信頼性が要求される、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、アルミ電解コンデンサなどのデバイスに適用することができる。

１ 電極群
２ 第一の電極
３ 第二の電極
４ セパレータ
５ 第一の集電板
６ 第二の集電板
７，８ 接合箇所
９ 穴部
１５ 縦横十文字
２１ 第一の集電体
３１ 第二の集電体
２２ 第一の蓄電層
３２ 第二の蓄電層
２３ 第一の露出部
３３ 第二の露出部
４０ アルミニウム円板
１０１，１０２，１０３ 半導体レーザー光
１１５ レーザー溶融部
１１６ 熱伝導溶融部

Claims (3)

1. 第一の集電体上に第一の蓄電層が形成された第一の電極と、第二の集電体上に第二の蓄電層が形成された第二の電極とが、セパレータまたは／かつ電解質を介して狭持された電極群を作製する工程と、
   前記第一の集電体の端面上に第一の集電板を、前記第二の集電体の端面上に第二の集電板を、少なくともどちらか一方を配置する工程と、
   前記第一の集電板または／および前記第二の集電板に対し、少なくとも前記第一の集電板と前記第一の集電体が、レーザー波長７９０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下の半導体レーザーを、横一列に３点以上配光または／かつ集光し、前記第一の集電板に対し、レーザー光が前記第一の集電板を貫通することなく、両端の照射点に挟まれた照射点の照射密度が前記両端の照射点の照射密度よりも小さくなるように他の照射点と同時に直接照射され、前記第一の集電板から前記第一の集電体への熱伝導によって前記第一の集電板と前記第一の集電体とを接続する工程と、
   を含むエネルギーデバイスの製造方法。
2. 前記第一の集電板または／かつ前記第二の集電板が穴付きの円板であり、前記電極群が円筒状の巻回体である請求項１に記載のエネルギーデバイスの製造方法。
3. 前記第一の集電板および前記第二の集電板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項１または２に記載のエネルギーデバイスの製造方法。