JP6895181B2 - 積層金属箔の製造方法 - Google Patents

Description

関連出願

本願は、日本国で２０１６年９月５日に出願した特願２０１６−１７３０７９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

本発明は、積層した金属箔を抵抗溶接で接合する、積層金属箔の製造方法に関する。

従来から、金属の溶接材料に溶接電極をあてて、加圧しながら大電流を流し、金属の抵抗発熱を利用してナゲット（合金層）を作り溶融接合する抵抗溶接が知られている。この抵抗溶接を用いて、リチウムイオン電池のような電池の製造において、例えば正極活物質が塗工されたアルミニウム箔と負極活物質が塗工された銅箔の金属箔、およびセパレータを複数回巻回した積層金属箔の電極体が製造される。

この場合、アルミニウム表面には強固な絶縁性の酸化皮膜（酸化アルミニウム）が存在するため、正極箔を構成する積層したアルミニウム箔に穿孔針を用いて小孔を設けてから抵抗溶接を行うことが知られている（例えば、特許文献１）。小孔を設けることによりアルミニウム箔の酸化皮膜を除去して、電流の通り道を作り、抵抗溶接の通電性の向上を図る。

他方、負極箔を構成する積層した銅箔では、電解銅箔の表面は、銅箔に接続される他の導電体と銅箔との密着性を向上させるために、粗化処理（軽度のエッチング処理）が施されているが、粗化処理により銅箔表面に形成される微少凹部には絶縁体であるエッチング液が若干残存してしまう。表面にそのような絶縁体が残存する電解銅箔を積層した積層体では、その積層方向に沿って電流が通りにくくなって抵抗溶接がより困難であるので、この場合にも、前記小孔を設けることが通電性向上に有効となる。

特許文献１では、抵抗溶接の抵抗発熱により、積層アルミニウム箔の溶接部位に穿孔針による小孔を中心とした円形のナゲット（合金層）が形成されるが、電池容量を増やすように金属箔の積層枚数を増加させる場合に、抵抗溶接を確実に行うにはナゲット面積を十分に確保する必要がある。ナゲット面積を大きくするために、複数の穿孔針を用いて、小孔を複数形成して抵抗溶接することが想定されるが、積層した金属箔に複数の穿孔針を突き刺して貫通する小孔を形成した後、当該穿孔針を引き抜こうとしても、積み重なった各金属箔に小孔が形成されているため抜きにくくなり、抵抗溶接における生産速度向上に支障をきたす場合がある。

そこで、積層した金属箔の溶接部位に、縦断面形状が略Ｖ字状のカッターによって、積層方向に沿って貫通する平面視で線状の切り目を入れて、金属箔同士を線状の切り目端部で積層方向に密着させる第１の工程と、溶接部位に溶接電極を圧接させたうえで当該電極を介して溶接部位に通電して積層金属箔を抵抗溶接する第２の工程とを含む、積層金属箔の製造方法が知られている（例えば、特許文献２）。これにより、カッターが略Ｖ字状であるので、容易にカッターを切り目から抜き取ることができ、生産効率の向上を図ることができる。

特開２００６−３２６６２２号 国際公開２０１４／１１２１４１号

しかし、上記従来の製造方法では、積層した金属箔に前記切り目を入れると、切り目の外側周囲が環状に盛り上がる盛上がり部が形成され、そのまま抵抗溶接を行なうと、溶接電極と電極端子間の切り目に基づく隙間内部が熱せられ、切り目内壁の積層金属が溶け出して飛散し、溶接電極に付着する場合があった。そうすると、溶接電極の寿命が短くなる結果、溶接電極の交換の頻度が多くなり、かつその都度交換時間もかかるため、抵抗溶接における生産効率の向上が困難となるという問題があった。このため、容易に生産効率を向上できる積層金属箔の製造方法が要望されている。

本発明は、上記課題を解決して、抵抗溶接における溶融金属の飛散を抑制して、生産効率を向上できる積層金属箔の製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係る積層金属箔の製造方法は、積層した金属箔の溶接部位に、縦断面形状が略Ｖ字状のカッターによって、積層方向に沿って貫通する平面視で線状の切り目を入れて、前記金属箔同士を前記線状の切り目端部で積層方向に密着させる第１の工程と、前記溶接部位に溶接電極を圧接させたうえで当該溶接電極を介して前記溶接部位に通電して積層金属箔を抵抗溶接する第２の工程とを備えている。さらに、前記第１の工程と第２の工程の間に、前記第１の工程で形成された前記切り目および切り目周囲の盛上がり部を押し潰して凹部を形成し、前記切り目および盛上がり部を積層方向に圧縮させるフォーミング工程、を含む。

この構成によれば、フォーミング工程により、積層した金属箔の切り目および盛上がり部が積層方向に圧縮されるので、第２の工程で切り目内壁からの溶融金属のはね返りが切り目の圧縮により少なくなってその飛散が抑制されることにより、溶接電極への付着が減少されるから、その交換頻度を下げることで容易に生産効率を向上することができる。

好ましくは、前記第２の工程では、前記フォーミング工程で前記切り目が積層方向に圧縮された状態で、前記積層金属箔の溶接部位に電極端子をさらに積層した状態で前記電極端子に前記溶接電極を圧接させ、この状態で前記溶接電極を介して前記溶接部位と前記電極端子とに通電して、前記線状の切り目に沿って前記電極端子の長手方向に延びる楕円形状のナゲットが形成されるように、前記積層した金属箔と前記電極端子とを抵抗溶接する。この場合、溶接部位の幅方向の大きさが小さくても、線状の切り目に沿って電極端子の長手方向に延びる楕円形状のナゲット面積を確保できる。

また好ましくは、前記フォーミング工程において凹部を形成する加圧体の加圧面積は、第２の工程における前記溶接電極の先端面積よりも大きく設定されている。この場合、凹部が形成されて切り目が圧縮された状態で溶接電極を確実にあてることができるので、溶融金属の付着をより減少させることができる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品符号は同一部分を示す。
本発明の一実施形態にかかる積層金属箔の製造方法を示す断面正面図である。 カッターを示す斜視図である。 積層金属箔の製造方法を示す断面正面図である。 第１の工程を示す平面図である。 第２の工程を示す断面正面図である。 第２の工程を示す断面正面図である。 積層金属箔の製造方法を用いた電池の構成を示す斜視図である。 第２の工程を示す拡大図である。 積層金属箔と電極端子の接合部を示す拡大図である。 第１の工程で発生し得る状態を示す断面正面図である。 図９における積層金属箔と電極端子の接合部を示す拡大図である。 第２の工程で発生し得る状態を示す断面正面図である。 本発明にかかる積層金属箔の製造工程を示すフローチャートである。 フォーミング工程を示す断面正面図である。 図１３における積層金属箔と電極端子の接合部を示す拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。本発明の一実施形態に係る積層金属箔の製造方法は、金属箔を複数重ねた積層金属箔を抵抗溶接して製造するものである。図１Ａは複数の金属箔２の積層状態を示し、この積層金属箔１を抵抗溶接したものは、例えばリチウムイオン電池のような電池の電極体に使用される。金属箔２としては例えば正極箔にアルミニウム箔、負極箔に銅箔がそれぞれ用いられ、電極端子としては、例えば正極端子の材料にアルミニウム、負極端子の材料には銅がそれぞれ用いられる。本製造方法は、第１の工程および第２の工程のほかにフォーミング工程を含むものである。

第１の工程
まず、図１Ａに示すように、積層金属箔１の溶接部位Ａに、カッターＣを、積層方向Ｓに沿って貫通させる。図１Ｂは縦断面形状が略Ｖ字状のカッターＣを示す。刃先角度αが１０°以上であり、好ましくは、１５°以上である。刃長βは３ｍｍ以上であり、好ましくは５ｍｍ以上である。

つぎに、図２のように、カッターＣで積層した金属箔２にその積層方向Ｓに貫通させることにより、積層金属箔１の幅方向Ｗに直交する長手方向Ｌに延びる平面視で線状の切り目３（図３）を形成し、切り目端部３ａにおいて、上下に隣接する金属箔２同士を強固に密着させる。

図３のように、第１の工程では、線状の切り目３は、金属箔２の幅方向Ｗの両端部（図では左右）の位置で幅方向Ｗと直交する方向Ｌに延びるように形成される。これにより、溶接部位Ａを除いた金属箔の幅方向Ｗの中央部の幅方向寸法を減らすことなく、溶接部位Ａの主要部となる切り目３の面積を十分に確保することが可能になる。

第２の工程
第２の工程は、図４に示すように、抵抗溶接機（図示省略）の溶接電極Ｅ、Ｅにより、切り目３を中心とする溶接部位Ａにおいて、積層金属箔１をサンドイッチ状に押圧して圧接させたうえで、電極Ｅを介して溶接部位Ａに通電して、積層金属箔１の抵抗溶接を行なう。この抵抗溶接時に、例えば電極端子４を積層金属箔１に積層させながら通電して、積層金属箔１と電極端子４を溶接する。図５のように、この抵抗発熱により、切り目３にナゲット（合金層）５が形成され、積層金属箔１および電極端子４が溶融接合される。図４のように、電流は、積層方向Ｓ（Ｚ方向）に、上記導通部Ｒを流れる。

図６のように、例えばリチウムイオン電池７の製造において、外装１０に発電要素となる電極体２０を収容する。電極体２０と接続される電極端子である正極端子３１、負極端子３２が、幅方向Ｗの両端に、それぞれ外装１０の外方（図では上方向）Ｌに突出して設けられる。電極体２０は、正極箔２１および負極箔２２を、セバレータ２３を介して積層して巻回することにより得られる巻回体である。

正極箔２１の未塗工部（集電部）と正極端子３１は、抵抗溶接による抵抗発熱によって形成されるナゲット（合金層）５によって接合される。図７のように、ナゲット５は、正極箔２１における正極端子３１との溶接部位Ａ（ナゲット形成許容領域）の長手方向Ｌに延びる楕円形状に形成される。これにより、溶接部位Ａの幅方向Ｗの大きさが小さくても、線状の切り目３に沿って正極端子３１（電極端子）の長手方向Ｌに延びる楕円形状のナゲット面積を確保でき、この例ではリチウムイオン電池７を小型化できる。

この図では、アルミニウムの正極箔２１とアルミニウムの正極端子３１の接合を例示するが、銅の負極箔２２と銅の負極端子３２の接合についてもほぼ同様である。

図８のように、第１の工程では、正極箔２１と正極端子３１とを重ね、正極箔２１側の外側面に当て板５１を配置した上で、平面視で線状の切り目３を入れる縦断面形状が略Ｖ字状のカッターＣを押し当てることによって、当て板５１および正極箔２１に切り目３を設ける。切り目３は、未塗工部の幅方向Ｗの中央に直線的に配置される。切り目３を形成することによって、正極箔２１の表面に存在する酸化アルミニウムの表面皮膜を除去することができる。酸化皮膜が除去された部位は他の部位よりも抵抗が低くなるため、第２の工程の際に電流が通りやすい導通部Ｒ（図４）として利用することができる。銅の負極箔２２でも、同様に、導通部Ｒが形成される。

ここで、図２の第１の工程において、カッターＣにより、積層金属箔１を積層方向Ｓに沿って貫通する平面視で線状の切り目３を入れると、実際上、図９のように切り目３の外側周囲が環状に盛り上がる盛上がり部５２が形成される場合があった。図１０は、電池の正極箔２１に切れ目３を設けた場合における切り目３周辺の盛上がり部５２を示す。

この場合に、図１１のように、第２の工程において、そのまま溶接電極Ｅを当てて、抵抗溶接を行なうと、溶接電極Ｅの先端と電極端子４との間で形成された切り目３に基づく略三角形の隙間５３の内部が熱せられて、切り目３内壁に露出する積層金属箔の金属（例えばアルミニウム）が溶け出し、はね返って飛散し、溶接電極Ｅの先端周囲に付着する場合があった。そうすると、溶接電極Ｅが消耗して寿命が短くなる結果、溶接電極Ｅの交換の頻度が多くなり、かつその都度交換時間もかかるため、生産効率の向上が困難となる。

そこで、本発明では、図１２のように、第１工程（Ｓ１）と第２工程（Ｓ３）の間に、切り目３および切り目周囲の盛上がり部５２を押し潰して凹部５５を形成し、切り目３および盛上がり部５２を積層方向Ｓに圧縮させるフォーミング工程（Ｓ２）を設けている。図１３のように、第１工程（Ｓ１）における積層金属箔１を積層方向Ｓに沿って貫通する平面視で線状の切り目３を入れた後、第２工程（Ｓ３）の抵抗溶接で接合する前に、フォーミング工程（Ｓ２）により当該切り目３および切り目３周囲の盛上がり部５２を押し潰して凹部５５が形成されている。

図１３のように、溶融電極Ｅの先端面積よりも若干面積の大きい加圧面をもつ加圧体５４により、切り目３および切り目３周囲の盛上がり部５２が押し潰されて凹部５５が形成され、切り目３および盛上がり部５２が積層方向Ｓに圧縮される結果、切り目３に基づく隙間５３は隙間５６に圧縮される。

これにより、溶接電極Ｅと電極端子４間の距離が短くなり、圧縮された隙間５６の内壁からの溶融金属のはね返りが少なくなってその飛散が抑制されるので、溶接電極Ｅへの付着量が少なくなる。また、凹部５５が形成されて切り目３が圧縮された状態で溶接電極Ｅを確実にあてることができるので、溶融金属の付着をより減少させることができる。図１４は、正極端子（電極端子）と接合される正極箔２１に線状の切れ目３を設けた場合における切り目３および切り目周囲の盛上がり部が押し潰されて凹部５５、および積層方向Ｓに圧縮され、かつ線状の切り目３に沿って電極端子の長手方向Ｌに延びる隙間５６が形成された状態を示す。

この状態で溶接電極Ｅに通電されて、抵抗溶接による抵抗発熱により隙間５６にナゲット（合金層）５が形成される。これにより、積層金属箔の溶接部位Ａの幅方向Ｗの大きさが小さくても、切り目３に沿って電極端子の長手方向Ｌに延びる楕円形状にナゲット５が形成されるので、十分なナゲット面積を得ることができる。

こうして、本発明は、フォーミング工程により、積層した金属箔の溶接部位が積層方向に圧縮されるので、溶融金属の飛散が抑制されて溶接電極への付着が減少されるから、その交換頻度を下げることにより生産効率を向上することができる。これとともに、積層金属箔の溶接部位の幅方向の大きさが小さくても、線状の切り目に沿って電極端子の長手方向に延びる楕円形状のナゲット面積を確保できる。

以上のとおり図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の請求の範囲から定まる本発明の範囲内のものと解釈される。

１：積層金属箔
２：金属箔
３：切り目
３ａ：切り目端部
４：電極端子
５：ナゲット
２０：電極体
５２：盛上がり部
５３：隙間
５４：加圧体
５５：凹部
５６：隙間
ａ：溶接部位
Ｅ：溶接電極
Ｓ：金属箔の積層方向

Claims (3)

1. 積層した金属箔の溶接部位に、縦断面形状が略Ｖ字状のカッターによって、積層方向に沿って貫通する平面視で線状の切り目を入れて、前記金属箔同士を前記線状の切り目端部で積層方向に密着させる第１の工程と、
   前記溶接部位に溶接電極を圧接させたうえで当該溶接電極を介して前記溶接部位に通電して積層金属箔を抵抗溶接する第２の工程とを備え、さらに、
   前記第１の工程と第２の工程の間に、前記第１の工程で形成された前記切り目および切り目周囲の盛上がり部を押し潰して凹部を形成し、前記切り目および盛上がり部を積層方向に圧縮させるフォーミング工程、
   を含む、積層金属箔の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記第２の工程では、前記フォーミング工程で前記切り目が積層方向に圧縮された状態で、前記積層金属箔の溶接部位に電極端子をさらに積層した状態で前記電極端子に前記溶接電極を圧接させ、この状態で前記溶接電極を介して前記溶接部位と前記電極端子とに通電して、前記線状の切り目に沿って前記電極端子の長手方向に延びる楕円形状のナゲットが形成されるように、前記積層した金属箔と前記電極端子とを抵抗溶接する、積層金属箔の製造方法。
3. 請求項１または２において、
   前記フォーミング工程において凹部を形成する加圧体の加圧面積は、第２の工程における前記溶接電極の先端面積よりも大きく設定されている、積層金属箔の製造方法。

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