JP2006040747A - ラミネート電池の製造方法、ラミネート電池、およびヒートシーラ - Google Patents

Abstract

【課題】 ラミネート電池の内部の樹脂だまりを低減する。
【解決手段】 正電極１０１ａと負電極１０１ｂとをセパレータ１０１ｃを介して積層してなる内部電極対１０１を複数積層し、この各層の正電極１０１ａと負電極１０１ｂをそれぞれ正極端子１ｂと負極端子１ｃに接合する接合工程と、複数の内部電極対１０１を電解液１０２に浸漬させた状態で上下一対の外装材１００で包囲し、各外装材１００の縁部１０３ａを互いに熱溶着して密封することにより外装材１００の内部に密閉空間Ｓを形成するシール工程とを有し、シール工程において外装材１００の縁部１０３ａを熱溶着する際、その縁部１０３ａの密閉空間Ｓに近い側を熱溶着した後に、密閉空間Ｓから遠い側を熱溶着する。
【選択図】図７

Description

本発明は、シート状薄型電池であるラミネート電池の製造方法、ラミネート電池、およびヒートシーラに関する。

従来、正電極と負電極とをセパレータを介して積層してなる内部電極対を複数積層し、この複数の内部電極対を電解液に浸漬させた状態で上下一対の外装材により密封して成る平板状のラミネート電池が知られている（例えば特許文献１参照）。これによれば、ヒートシール性のフィルム材とアルミニウム箔等を積層して外装材を形成し、上下の外装材のフィルム材同士を互いに熱溶着して、電池内部をシールする。

特開２００２−４２８６５号公報

ところで、ラミネート電池を電気自動車やハイブリッド車両の二次電池として用いる場合、複数のラミネート電池を筐体内にコンパクトに収容するため、熱溶着された外装材の縁部が折り曲げられる。しかしながら、上記公報記載のものは、単にフィルム材同士を押圧および加熱して熱溶着するものであるため、フィルム材の溶融した樹脂が電池内側の密閉空間に押し出され、樹脂だまりができる。その結果、外装材の縁部を折り曲げた際に、樹脂だまりを起点としてクラックが発生し、電解液に浸漬された内部電極対の絶縁不良が発生するという問題がある。

本発明によるラミネート電池の製造方法は、正電極と負電極とをセパレータを介して積層してなる内部電極対を複数積層し、この各層の正電極と負電極をそれぞれ正極端子と負極端子に接合する接合工程と、複数の内部電極対を電解液に浸漬させた状態で上下一対の外装材で包囲し、各外装材の縁部を互いに熱溶着して密封することにより外装材の内部に密閉空間を形成するシール工程とを有し、シール工程において外装材の縁部を熱溶着する際、その縁部の密閉空間に近い側を熱溶着した後に、密閉空間から遠い側を熱溶着することを特徴とする。
本発明によるラミネート電池は、上記製造方法により製造される。
本発明によるヒートシーラは、上記シール工程に用いられる。

本発明によれば、内部電極対を包囲した外装材の縁部を熱溶着してラミネート電池を製造する際に、外装材の内部の密閉空間に近い側を熱溶着した後に、密閉空間から遠い側を熱溶着するようにした。これにより密閉空間側への樹脂の押し出しを抑えることができ、樹脂だまりの発生を抑制することができる。

−第１の実施の形態−
以下、図１〜図１０を参照して本発明によるラミネート電池の製造方法の第１の形態について説明する。
まず、図１〜図４によりラミネート電池の構成を説明する。図１は、ラミネート電池１の上面図、図２は側面図、図３（ａ）は図２の符号IIIで示す部分の拡大断面図、図３（ｂ）はさらにその部分拡大図、図４はラミネート電池の外装材を取り除いて内部を示す図である。

ラミネート電池１はシート状リチウムイオン二次電池である。平面視略矩形状の可撓性の袋状外装材１００は、上側外装材１００Ｕと下側外装材１００Ｌをその縁部１０３ａ〜１０３ｄで熱溶着して密閉容器とされ、外装材１００の縁部１０３ａ〜１０３ｄはフランジ形状とされている。袋状外装材１００の内部（密閉空間Ｓ）には、内部電極対１０１および電解液１０２が真空密封状態で収容されている。内部電極対１０１はシート状の正電極１０１ａおよび負電極１０１ｂを備えている。

正電極１０１ａは、図３（ｂ）に示すように、アルミ箔の正極集電体（正極箔）１０４の両面に正極活物質１０４ａを積層したものである。一方、負電極１０１ｂは銅箔の負極集電体（負極箔）１０５の両面に負極活物質１０５ａを積層したものである。正電極１０１ａと負電極１０１ｂとは、セパレータ１０１ｃを介して交互に積層されている。これら積層体が上述した内部電極対１０１を構成する。図４に示すように、内部電極対１０１は外装材１００の内部空間の幅寸法と略等しいＷ１に形成されている。

図３（ａ）に示すように、負電極１０１ｂの負極箔１０５はそれぞれ負極端子１ｃに連結されている。負極端子１ｃは、袋状外装材１００の縁部１０３ｄを気密に貫通するとともに、縁部１０３ｄに固着される。なお、図示していないが、正極端子１ｂも負極端子１ｃと同様となっており、正極端子１ｂには正電極１０１ａの正極箔１０４がそれぞれ連結されている。

なお、正極箔１０４はたとえばアルミニューム、正極活物質１０４ａはたとえば、リチウムマンガン酸、リチウムコバルト酸、リチウムニッケル酸である。負極箔１０５はたとえば銅、負極活物質１０５ａはたとえばカーボンである。絶縁材１０４ｂおよび１０５ｂはイオン透過性も電子伝導性もない物質が使用でき、たとえばアクリル系樹脂、ウレタン樹脂である。

袋状外装材１００は、内面層１００ａ、中間層１００ｂおよび外面層１００ｃの三層構造のラミネートフィルムで形成されている。内面層１００ａには、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドなどの耐電解液性およびヒートシール性に優れた熱可塑性樹脂が使用される。中間層１００ｂには、アルミ箔やステンレス箔等の可撓性および強度に優れた金属箔が使用される。外面層１００ｃには、ポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた絶縁樹脂が使用される。

ラミネート電池１を製造する場合、例えば図５に示すようなヒートシーラを用いて上側外装材１００Ｕおよび下側外装材１００Ｌの内面層１００ａ同士を溶着する。すなわちベーステーブル１０に対して上下動可能に昇降テーブル１１を設け、昇降テーブル１１に上部シールバー１２を取り付け、その下方のベーステーブル１０に下部シールバー１３を取り付ける。各シールバー１２，１３はそれぞれヒータを内蔵し、シールバー１２，１３を所定温度まで加熱した状態で、シールバー１２，１３により外装材１００の縁部１０３ａ〜１０３ｄ（図１）を挟み込んで押圧する。これにより上下の外装材１００Ｕ，１００Ｌ同士を熱融着する。

この際、例えば図６に示すように、シールバー１２，１３の幅ｗ１が縁部１０３ａの幅（密閉空間Ｓを含む断面での縁部１０３ａの長さ）ｗ２よりも大きく、縁部１０３ａを幅方向にわたって同時に加熱および押圧すると、外装材１００の内面層１００ａの溶融樹脂が密閉空間Ｓ側に押し出され、樹脂だまり１５ができる。この状態で図６の点線に示すように縁部１０３ａを折り曲げると、内面層１００ａの表面の曲げ応力が大きくなり、樹脂だまり１５を起点としてクラックが発生する。その結果、電解液１０２が外装材１００の中間層１００ｂに達し、内部電極対１０１の絶縁不良となる。これを防止するため、本実施の形態では以下のようにシールバー１２，１３を構成する。

図７は、第１の実施の形態に係るラミネート電池１の製造方法を示す図である。なお、図では縁部１０３ａの溶着方法を示しているが、他の縁部１０３ｂ〜１０３ｄの溶着も同様に行うため、図示を省略する。図７に示すように上部シールバー１２は幅方向に二分割され（分割バー１２Ａ，１２Ｂ）、これら分割バー１２Ａ，１２Ｂはそれぞれ独立して上下動可能となっている。密閉空間Ｓに近い側の分割バー１２Ａの幅ｗ３は縁部１０３ａの幅（図６のＷ２）よりも短く形成されている。なお、樹脂だまり１５を抑制する点からは分割バー１２Ａの幅をできるだけ短くした方がよいが、局所的な押圧力を防止する点を考慮すると分割バー１２Ａの幅は２mm程度とすることが好ましい。また、縁部１０３ａにおける十分なシール性を確保するためには、分割バー１２Ａの幅ｗ２は１cm程度とすることが好ましい。

図８は第１の実施の形態に係るヒートシーラのブロック図である。コントローラ２０には各種スイッチ等からなる入力装置２１が接続されている。コントローラ２０は入力装置２１からの信号に基づき、分割バー１２Ａ（昇降テーブル１１）を昇降するための昇降アクチュエータ２２，分割バー１２Ｂ（昇降テーブル１１）を昇降するための昇降アクチュエータ２３，分割バー１２Ａを加熱するためのヒータ２４，分割バー１２Ｂを加熱するためのヒータ２５，およびシールバー１３を加熱するためのヒータ２６にそれぞれ制御信号を出力する。

次に、第１の実施の形態に係るラミネート電池１の製造方法を具体的に説明する。まず、図３（ａ）に示すように正電極１０１ａと負電極１０１ｂとをセパレータ１０１ｃを介し複数積層して内部電極対１０１を形成し、内部電極対１０１の各層の正電極１０１ａと負電極１０１ｂをそれぞれ正極端子１ｂと負極端子１ｃに接合する（接合工程）。そして、この内部電極対１０１を電解液１０２に浸漬させた状態で上下一対の外装材１００Ｕ，１００Ｌにより包囲し、正極端子１ｂと負極端子１ｃを外装材の縁部１０３ｂ，１０３ｄから突出させた状態で、各外装材の縁部１０３ａ〜１０３ｄを互いに熱溶着して密封することにより上下一対の外装材１００Ｕ，１００Ｌの内側に密閉空間Ｓを形成する（シール工程）。

縁部１０３ａの溶着を例にして、上述したシール工程を詳細に説明する。始めに、図７に示すように分割バー１２Ａ，１２Ｂをそれぞれ上昇させた状態で下部シールバー１３の上面に縁部１０３ａを載置する。次いで、昇降アクチュエータ２２の駆動により密閉空間Ｓに近い側（幅方向内側）の分割バー１２Ａを下降し、分割バー１２Ａと下部シールバー１３により縁部１０３ａを押圧するとともに、ヒータ２４，２６を通電し、各バー１２Ａ，１３をそれぞれ所定温度まで加熱する（１）。これにより縁部１０３ａの幅方向内側が熱溶着される。この場合、分割バー１２Ａによる押圧面積は小さいため、内面層１００ａの溶融樹脂量は少なく、密閉空間Ｓへの樹脂の押し出し量を低減できる。

縁部１０３ａの内側の溶着が終了すると、昇降アクチュエータ２３の駆動により密閉空間Ｓから遠い側（幅方向外側）の分割バー１２Ｂを下降し、分割バー１２Ｂと下部シールバー１３で縁部１０３ａを押圧するとともに、ヒータ２５，２６を通電し、各バー１２Ｂ，１３をそれぞれ所定温度まで加熱する（２）。これにより縁部１０３ａの幅方向外側が熱溶着される。この場合、縁部１０３ａの幅方向内側は既に溶着されているため、内面層１００ａにおける溶融樹脂は全て電池１の外側に押し出され、密閉空間Ｓへの樹脂の押し出しを防止できる。

このように第１の実施の形態によれば、上部シールバー１２を幅方向に分割するとともにこれら分割バー１２Ａ，１２Ｂを互いに独立に上下動可能に構成し、分割バー１２Ａにより縁部１０３ａの幅方向内側を溶着した後、分割バ１２Ｂーにより縁部１０３ａの幅方向外側を溶着するようにした。これにより分割バー１２Ａによる溶着の際の溶融樹脂量は少ないため密閉空間Ｓへの樹脂の押し出し量を低減できるとともに、分割バー１２Ｂによる溶着の際には縁部１０３ａの内側が既に溶着されているため密閉空間Ｓへの樹脂の押し出しを防止できる。その結果、密閉空間Ｓにおける樹脂だまりの発生を抑えることができ、縁部１０３ａを折り曲げる際のクラックの発生を防止できる。したがって、複数のラミネート電池１を積層して電気自動車やハイブリッド車両の二次電池として使用する場合、縁部１０３の折り曲げによりラミネート電池１を車両に搭載した筐体内にコンパクトに収容することができる。

なお、分割バー１２Ａにより縁部１０３ａの幅方向内側を溶着した後、縁部１０３ａの位置を幅方向内側にずらし、分割バー１２Ａにより縁部１０３ａの幅方向外側を溶着するようにしてもよい。これにより図９に示すように分轄バー１２Ｂを省略することができ、構成が簡素化される。なお、図９ではヒートシーラのベーステーブル１０をシールバー１２，１３の幅方向にスライド可能としている。これにより縁部１０３の位置をずらすことができ、分割バー１２Ａとシールバー１３により縁部１０３の幅方向内側および外側を順次溶着することができる。

図９のヒートシーラのブロック図を図１０に示す。コントローラ２０は、シールバー１２（昇降テーブル１１）を昇降するための昇降アクチュエータ２２，シールバー１３（ベーステーブル１０）をスライドするためのスライドアクチュエータ２７，分割バー１２Ａを加熱するためのヒータ２４，およびシールバー１３を加熱するためのヒータ２６にそれぞれ制御信号を出力する。このヒートシーラを製造ラインに組み込み、コントーラ２０がアクチュエータ２２，２７およびヒータ２４，２６を自動制御し、オートメーション化により電池１を生産することもできる。

−第２の実施の形態−
図１１，１２を参照して本発明によるラミネート電池の製造方法の第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、シール工程における縁部１０３の溶着方法である。すなわち第１の実施の形態では分割バー１２Ａにより縁部１０３の幅方向内側を溶着した後、分割バー１２Ｂにより幅方向外側を溶着するようにしたが、第２の実施の形態では分割バー１２Ａ，１２Ｂの代わりに円筒バーを１４用いて縁部１０３を溶着する。

図１１は第２の実施の形態に係るヒートシーラの斜視図であり、図１２はこのヒートシーラを用いてのラミネート電池１の製造方法を示す縁部１０３ａの断面図である。なお、図５，７と同一の箇所には同一の符号を付し、以下ではその相違点を主に説明する。昇降テーブル１１には円筒形状の円筒バー１４が取り付けられている。ベーステーブル１０は幅方向にスライド可能であり、円筒バー１４は下部シールバー１３に対して上下方向および幅方向に相対移動可能となっている。

第２の実施の形態に係るヒートシーラのブロック図は図１０と同様である。すなわち、コントローラ２０は、円筒バー１４（昇降テーブル１１）を昇降するための昇降アクチュエータ２２，シールバー１３（ベーステーブル１０）をスライドするためのスライドアクチュエータ２７，円筒バー１４を加熱するためのヒータ２４，およびシールバー１３を加熱するためのヒータ２６にそれぞれ制御信号を出力する。

第２の実施の形態において、縁部１０３ａの溶着は次のように行う。まず、図１２に示すように円筒バー１４を上昇させた状態で下部シールバー１３の上面に縁部１０３ａを載置し、円筒バー１４が縁部１０３ａの密閉空間側上方に位置するようにテーブル１０の位置を調整する。次に、昇降アクチュエータ２２の駆動により円筒バー１４を下降し、円筒バー１４と下部シールバー１３により縁部１０３ａを押圧するとともに、ヒータ２４，２６を通電し、各バー１４，１３をそれぞれ所定温度まで加熱する（１）。これにより縁部１０３ａの幅方向内側が溶着される。この場合、円筒バー１４による押圧面積は小さいため、内面層１００ａの溶融樹脂量は少なく、密閉空間Ｓへの樹脂の押し出しを抑制できる。

縁部１０３ａの内側の溶着が終了すると、円筒バー１４を押圧および加熱したまま、スライドアクチュエータ２７の駆動によりベーステーブル１０を移動し、円筒バー１４を縁部１０３ａの幅方向外側にゆっくりとずらす（２）。これにより縁部１０３ａが幅方向内側から外側にかけて溶着される。この場合、縁部１０３ａの内側は既に溶着されているため、内面層１００ａにおける溶融樹脂は全て電池１の外側に押し出され、密閉空間Ｓへの樹脂の押し出しを防止できる。

このように第２の実施の形態によれば、昇降テーブル１１に円筒バー１４を取り付け、円筒バー１４により縁部１０３ａの幅方向内側を溶着した後、円筒バー１４を外側にずらして縁部１０３ａの幅方向外側を溶着するようにした。これにより縁部１０３ａが幅方向内側から外側にかけて溶着され、密閉空間Ｓへの樹脂の押し出しを抑えることができる。その結果、樹脂だまりの発生を抑制し、クラックの発生を防止できる。また、円筒バー１４を幅方向内側から外側へ移動するので、溶着面が幅方向に延ばされ、縁部１０３ａの厚さを均一化することができる。

なお、円筒バー１４を回転可能に設け、縁部１０３ａの上面を幅方向内側から外側にかけて円筒バー１４が転動するようにしてもよい。円筒形状以外のシールバーを昇降テーブル１１に取り付け、ベーステーブル１０の移動により縁部１０３ａの幅方向内側から外側にシールバーをずらしてもよい。ベーステーブル１０の代わりに円筒バー１４を幅方向にスライド可能としてもく、ベーステーブル１０と円筒バー１４の双方をスライド可能としてもよい。

−第３の実施の形態−
図１３，１４を参照して本発明によるラミネート電池の製造方法の第３の実施の形態について説明する。
第３の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、シール工程における縁部１０３の溶着方法である。すなわち、第１の実施の形態では縁部１０３の幅方向内側を押圧，加熱した後、幅方向外側を押圧，加熱するようにしたが、第３の実施の形態では縁部１０３を押圧した状態で幅方向内側を加熱した後、幅方向外側を加熱する。

図１３は第３の実施の形態に係るラミネート電池１の製造方法を示す縁部１０３ａの断面図である。なお、図７と同一の箇所には同一の符号を付し、以下ではその相違点を主に説明する。図１１に示すように上部シールバー１２は断熱材１６を介して二分割され（１２ａ，１２ｂ）、内部のヒータも二分割されている。内側のシールバー１２ａの幅は、第１の実施の形態と同様、２mm程度とすることが好ましい。なお、シールバー１２は熱的に分割されているだけであり、第１の実施の形態と異なり、シールバー１２ａ，１２ｂは一体である。

第３の実施の形態に係るヒートシーラのブロック図を図１４に示す。なお、図８と同一の箇所には同一の符号を付す。コントローラ２０は、シールバー１２（昇降テーブル１１）を昇降するための昇降アクチュエータ２２，シールバー１２ａを加熱するためのヒータ２４，シールバー２１ｂを加熱するためのヒータ２５，およびシールバー１３を加熱するためのヒータ２６にそれぞれ制御信号を出力する。

第３の実施の形態において、縁部１０３ａの溶着は次のように行う。まず、図１１に示すようにシールバー１２ａ，１２ｂを上昇させた状態で下部シールバー１３の上面に縁部１０３ａを載置する。次いで、アクチュエータ２２の駆動によりシールバー１２ａ，１２ｂを一体に下降し、シールバー１２ａ，１２ｂと下部シールバー１３により縁部１０３ａを押圧するとともに、ヒータ２４，２６に通電し、シールバー１２ａ，１３を所定温度まで加熱する（１）。これにより縁部１０３ａの幅方向内側が溶着される。この場合、シールバー１２ａによる押圧面積は小さいため、内面層１００ａの溶融樹脂量は少なく、密閉空間Ｓへの樹脂の押し出しを抑制できる。

内側の溶着が終了すると、ヒータ２５，２６に通電し、シールバー１２ｂ，１３を所定温度まで加熱する（２）。これにより縁部１０３ａの幅方向外側が溶着される。この場合、縁部１０３ａの幅方向内側は既に溶着されているため、密閉空間Ｓへの樹脂の押し出しを防止できる。

このように第３の実施の形態によれば、上部シールバー１２を断熱材１６を介して熱的に分割し、これらシールバー１２ａ，１２ｂにより縁部１０３ａを押圧した状態で内側のシールバー１２ａを加熱した後、外側のシールバー１２ｂを加熱するすようにした。これにより密閉空間Ｓへの樹脂の押し出しを抑えることができ、樹脂だまりの発生を抑制することができる。また、第１の実施の形態と異なり、シールバー１２ａ，１２ｂを一体に移動するので、構成を簡素化できる。

なお、ラミネート電池１を製造する際に、シール工程において外装材１００の縁部１０３の密閉空間Ｓに近い側を熱溶着した後に、密閉空間Ｓから遠い側を熱溶着するのであれば、他の製造工程はいかなるものでもよい。また、シール工程で用いられるヒートシーラも上述したものに限定されない。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態に限定されない。

本発明の実施の形態に係るラミネート電池の上面図。 図１の側面図。 （ａ）は図２の符号IIIで示す部分の拡大断面図、（ｂ）はさらにその部分拡大図。 ラミネート電池の外装材を取り除いて内部を示す上面図。 第１の実施の形態に係るヒートシーラの斜視図。 ラミネート電池の製造方法の問題点を示す図。 第１の実施の形態に係るラミネート電池の製造方法を示す図。 第１の実施の形態に係るヒートシーラのブロック図。 図５の変形例。 図９のヒートシーラのブロック図。 第２の実施の形態に係るヒートシーラの斜視図。 第２の実施の形態に係るラミネート電池の製造方法を示す図。 第３の実施の形態に係るラミネート電池の製造方法を示す図。 第３の実施の形態に係るヒートシーラのブロック図。

符号の説明

１ ラミネート電池
１ｂ 正極端子
１ｃ 負極端子
１２，１２ａ，１２ｂ 上部シールバー
１２Ａ，１２Ｂ 分割バー
１３ 下部シールバー
１４ 円筒バー
１６ 断熱材
１００Ｕ，１００Ｌ 外装材
１０１ 内部電極対
１０１ａ 正電極
１０１ｂ 負電極
１０１ｃ セパレータ
１０２ 電解液
１０３ａ〜１０３ｄ 縁部
Ｓ 密閉空間

Claims (6)

1. 正電極と負電極とをセパレータを介して積層してなる内部電極対を複数積層し、この各層の正電極と負電極をそれぞれ正極端子と負極端子に接合する接合工程と、
   前記複数の内部電極対を電解液に浸漬させた状態で上下一対の外装材で包囲し、各外装材の縁部を互いに熱溶着して密封することにより外装材の内部に密閉空間を形成するシール工程とを有し、
   前記シール工程において外装材の縁部を熱溶着する際、その縁部の前記密閉空間に近い側を熱溶着した後に、前記密閉空間から遠い側を熱溶着することを特徴とするラミネート電池の製造方法。
2. 請求項１に記載のラミネート電池の製造方法において、
   前記シール工程では、上下一対の押圧加熱部材により前記外装材の縁部の前記密閉空間に近い側を押圧および加熱して熱溶着した後、前記密閉空間に遠い側を押圧および加熱して熱溶着することを特徴とするラミネート電池の製造方法。
3. 請求項１に記載のラミネート電池の製造方法において、
   前記シール工程では、少なくとも一方が水平方向に移動可能な上下一対の押圧加熱部材により前記外装材の縁部の前記密閉空間に近い側を押圧および加熱して熱溶着した後、前記押圧加熱部材を水平方向に移動しつつ前記密閉空間に遠い側を押圧および加熱して熱溶着することを特徴とするラミネート電池の製造方法。
4. 請求項１に記載のラミネート電池の製造方法において、
   前記シール工程では、上下一対の押圧加熱部材により前記外装材の縁部を押圧し、この状態で前記押圧加熱部材により前記密閉空間に近い側を加熱して熱溶着した後、前記密閉空間に遠い側を加熱して熱溶着することを特徴とするラミネート電池の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の製造方法により製造されるラミネート電池。
6. 請求項２〜４のいずれか１項記載のシール工程に用いられるヒートシーラ。

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