電気自動車用途における18650リチウムイオン電池タブのマイクロ抵抗スポット溶接の最適化
Aug 05, 2025電気自動車（EV）の普及に伴い、高効率で信頼性の高いバッテリーパックの需要はますます高まっています。バッテリーパック製造における重要な課題の一つは、ニッケルタブと円筒形18650リチウムイオンセル間の強固で耐久性のある接続を確保することです。こうした背景から、マイクロ抵抗スポット溶接（マイクロRSW）は、費用対効果が高く拡張性の高い接合技術として登場し、特に電動自転車やスクーターなどの少量から中量生産の用途に適しています。
- 投資とメンテナンスコストが低い
- 局所加熱により熱によるダメージを軽減
- 強力な機械的結合を提供
- 低い電気接触抵抗で効率的な電流伝導を実現
研究者らは、直列電極構成を用いて、厚さ0.2mmのニッケルタブを厚さ0.3mmおよび0.4mmのHilumin端子に溶接した。田口計画と完全実施要因実験を組み合わせ、溶接電流、溶接時間、電極加圧力などのパラメータの影響を体系的に分析した。
- 溶接電流と溶接時間は、接合部の強度に影響を与える最も重要なパラメータであることが判明しました。
- 最適なプロセスパラメータ:
- 0.3 mm Hilumin の場合: 1800 ～ 2000 A、8 ～ 12 ms
- 0.4 mm Hilumin の場合: 1900 ～ 2100 A、8 ～ 12 ms
- 4 ナゲット溶接により機械的および電気的性能が大幅に向上しました。
- エネルギー入力が大きいほど接合強度は向上しますが、飛散や材料の劣化を避けるために慎重に管理する必要があります。
溶接電流（A） | 溶接時間（ミリ秒） | 最大荷重（N） |
1400 | 4 | 389.7 |
1800 | 8 | 796.3 |
2000 | 12 | 1071.9 |
2400 | 14 | 1082.3 |
電流（A） | 抵抗（mΩ） | 温度上昇 (0.3 mm Hilumin、°C) | 温度上昇 (0.4 mm Hilumin、°C) |
10 | 0.84 | 26.1 | 24.0 |
20 | 0.89 | 37.4 | 30.2 |
30 | 1.02 | 63.6 | 54.2 |
マイクロ抵抗スポット溶接（マイクロRSW）パラメータの最適化は、単なる理論的な研究ではなく、バッテリーメーカーにとって実用的な意味を持ちます。大規模なEVバッテリー生産においては、溶接品質のわずかな改善でさえ、エネルギー効率、寿命、そして安全性の大幅な向上につながります。溶接電流と溶接時間を正確に調整することで、数千個のセル間で一貫した接合強度を確保し、内部抵抗の蓄積や熱ホットスポットの発生を回避できます。
セルタブの接続にはレーザー溶接や超音波溶接も用いられますが、マイクロRSWはシンプルさ、コスト効率、そして最小限の設備要件という点で際立っています。例えば、レーザー溶接は設備投資額が高く、熱の浸透が深くなる可能性があり、繊細なバッテリー部品に影響を及ぼす可能性があります。超音波溶接は、材料の厚さや機械的な治具の複雑さによって制限されます。一方、マイクロRSWは局所的な熱入力、迅速なサイクルタイム、そしてスケーラブルな実装が可能であり、電動スクーター、電動工具、軽量EVなどの用途に最適です。
効果的な溶接には、適切な材料の選択が不可欠です。ニッケルは、高い導電性、優れた耐食性、そしてヒルミンなどの鋼製端子との適合性から、好まれています。しかし、異種金属間の熱伝導率と融点の差は、ナゲット形成の不均一や亀裂の進展といった課題につながる可能性があります。本研究では、0.2mm厚のニッケルタブと0.3/0.4mm厚のヒルミン端子を使用することで、強度、導電性、製造性のバランスの取れた接合を実現しています。
EVバッテリー設計における重要な懸念事項の一つは、高電流動作時の発熱です。溶接品質が悪いと、タブと端子の接合部における電気抵抗が増加し、ジュール熱が発生する可能性があります。本研究で観察されたように、30Aの連続通電下では接合部温度が60℃以上上昇する可能性があり、これはほとんどのリチウムイオンバッテリーの安全動作限界（約45℃）を超えています。したがって、バッテリーモジュールにおける効果的な熱管理システムを設計するには、溶接部の熱挙動を理解することが不可欠です。
重ねせん断試験や90°剥離試験などの機械試験は、接合部の強度と破壊メカニズムに関する知見を提供します。界面破壊は、通常、溶接不足の接合部で発生しますが、良好な溶接部は引き抜き破壊を示す傾向があり、これはより強い冶金結合を示唆しています。断面顕微鏡検査では、ナゲット形成や端子板の変形も確認できます。この非破壊および破壊試験アプローチにより、堅牢で信頼性の高い溶接部のみが製造工程で使用されることが保証されます。
バッテリー技術は進化を続け、特に固体電池、タブレス設計、高電圧プラットフォームの登場に伴い、接合技術も変化していく必要があります。マイクロRSWは依然として有効な手法ですが、溶接パラメータを動的に調整するために、インテリジェント制御システム、リアルタイムモニタリング、さらには機械学習アルゴリズムとの統合が必要になる可能性があります。さらに、先進合金、複合タブ、代替コーティングの検討により、溶接の信頼性をさらに最適化することができます。
信頼性の高い溶接は、製品の性能を保証するだけでなく、長期的な持続可能性も支えます。一貫して強固な溶接部を持つバッテリーは、早期故障の可能性が低く、交換頻度と電子機器廃棄物の削減につながります。さらに、均一な溶接部を目標に自動分解システムをプログラムできるため、しっかりと接合されたバッテリーはリサイクルが容易です。このように、最適化されたマイクロRSWは、現代のエネルギーシステムにおける性能と環境の両方の目標に合致しています。
この拡張研究は、円筒形リチウムイオン電池用マイクロRSWにおけるパラメータ最適化の重要性を再確認するものです。プロセス設計、材料選定、機械的強度、そして熱挙動に重点を置くことで、メーカーは電気自動車用バッテリーパックの信頼性を大幅に向上させることができます。EV市場の拡大に伴い、マイクロRSWのような堅牢で拡張性の高い溶接ソリューションの導入は、大規模環境下でも品質を維持するために不可欠となるでしょう。
