JP2006147230A - 電池および電池製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ラミネートフィルムで外装された電池素子の周辺部をヒータブロックにて熱溶着する電池の製造方法において、トップ部とサイド部とを別工程で溶着することにより生じるシール不良を改善して電池品質を向上させるとともに、製造時間の短縮を図る。
【解決手段】 トップシール用のヒータヘッドとサイドシール用のヒータヘッドを上下それぞれ一体化し、３面同時に熱溶着できるようにする。トップシール部および両サイドシール部の３面で面あたりが出やすいように、ヒータヘッドの一部にシリコンゴムを採用し、上ヒータヘッド３１は自由に動いて下ヒータヘッド３２に密着するような方法で電池を製造する。
【選択図】 図６

Description

この発明は、ラミネートフィルムで外装して作製した電池および電池製造方法に関する。

近年、カメラ一体型ＶＴＲ（Videotape recorder：ビデオテープレコーダ）、携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、それらの小型化および軽量化が図られている。それに伴い、ポータブル電子機器の電源として用いられる電池の需要が急速に伸びており、機器の小型軽量化実現のために、電池設計も軽く、薄型であり、かつ機器内の収容スペースを効率的に使うことが求められている。このような要求を満たす電池として、エネルギー密度および出力密度の大きいリチウムイオン電池が最も好適である。

中でも、形状自由度の高い電池、あるいは薄型大面積のシート型電池、薄型小面積のカード型電池などが望まれているが、従来用いられている金属製の缶を外装として用いる手法では、薄型の電池を作製することが困難である。

このような問題を解決するために、電解液に接着作用を有する物質を添加したり、高分子を用いたゲル状電解質を用いる電池が検討されている。これらの電池は電極と電解質間が密着しており、接触状態を保持することが可能である。これにより、アルミラミネートフィルム等のフィルム状外装材を用いた薄型の電池を作製することが可能となる。

図１に、ラミネートフィルム１０の構成の一例を示す。ラミネートフィルム１０は、参照符号１で示される金属箔が、樹脂フィルム２および樹脂フィルム３に挟まれた、防湿性、絶縁性を有する多層フィルムである。外側の樹脂フィルム２には外観の美しさや強靱さ、柔軟性などからナイロン、またはポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと適宜称する）が用いられる。金属箔１は水分、酸素、光の進入を防ぎ内容物を守る最も重要な役割を担っており、軽さ、伸び性、価格、加工のしやすさからアルミニウム（以下、Ａｌと適宜称する）が最もよく使われる。内側の樹脂フィルム３は熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であるためポリオレフィンが適切であり、無延伸ポリプロピレン（以下、ＣＰＰと適宜称する）が多用される。金属箔１と樹脂フィルム２，３の間には必要であれば接着剤層４を設けてもよい。

このようなラミネートフィルムを２枚準備し、電池素子を挟んで上下に配置して周辺部を熱溶着などにより封止することで、内側のＣＰＰ層が溶けて接着され、ラミネートフィルムで外装された電池を得ることができる。なお、ラミネートフィルムの一方には電池素子を配置する凹部が深絞りすることにより設けられている。

図２および図３に、ラミネートフィルムで外装した電池素子の周囲を熱融着する様子を示す。まず、図２のように参照符号１１で示す電池素子を挟んで２枚のラミネートフィルム１０ａおよび１０ｂのＣＰＰ層が対向するようにして配置し、電極と電気的に接続されたリード１２をラミネートフィルム１０ａおよび１０ｂの間から導出する。リード１２にはラミネートフィルム内側のＣＰＰ層との接着性を向上させるため、樹脂（シーラント）１３が皮膜されている。

次いで、ヒータブロックを用いてラミネートフィルムを熱溶着する。まず、図３Ａに示すように、リードが導出されたトップ部分を上ヒータブロック１４および下ヒータブロック１５で挟み、熱溶着する。次いで、図３Ｂに示すように、電池素子のサイド部分を上ヒータブロック１６および下ブロック１７で挟み、左右同時または左右順番に熱溶着する。最後に、真空引きを行いながらボトム部分を熱溶着することにより、電池が形成される。なお、トップ部とサイド部の順序は特に限定されず、サイド部を先に行っても良い。

以下の特許文献１に、ラミネートフィルムで外装して作製した電池およびその製造方法が記載されている。特許文献１ではラミネートフィルムを折り返して用い、その間に電池素子を挟み、周囲を熱溶着して電池を形成している。特許文献１では、例えば最初に折り返し辺に隣接した一方の辺を溶着し、次いで折り返し辺に対向した辺を熱溶着した後、折り返し辺に隣接する他方の開放端部からリードが外側に導出されるように電池素子を挿入し、最後にリード取り出し辺を熱溶着して電池を形成している。
特開平２０００−２８５８７９号広報

上述のように、従来トップ部の熱溶着（以下、トップシールと適宜称する）とサイド部の熱溶着（以下、サイドシールと適宜称する）とは別工程とされていた。これは、トップ部からはリードが導出されていることを考慮し、トップ部とサイド部の熱溶着を別条件にて行っていたためである。

しかしながら、ラミネートフィルムの熱溶着を複数回に分けて行った場合、熱溶着用装置が複数台必要となり、作業時間も２倍以上かかっていた。

また、図４に示すように、参照符号２１で示されるサイドシール部と、参照符号２２で示されるトップシール部が重なるクロス部２３が形成され、このクロス部２３は二回熱を加えることになる。一度溶けた樹脂は溶けにくくなっているため、２回目のシール時にクロス部２３の樹脂が塊となり、シール不良が起こりやすくなるという問題も挙げられる。

したがって、この発明は上記問題点に鑑み、高品質かつ短時間で作製可能な電池および電池製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、金属層が第一および第二の樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装した電池素子の周辺部を熱溶着するヒータブロックにおいて、上ヒータブロックおよび下ヒータブロックからなり、上ヒータブロックおよび下ヒータブロックはそれぞれトップ用ブロック、左サイド用ブロックおよび右サイド用ブロックが、コ字状に一体化されていることを特徴とするヒータブロックである。

また、この発明の第２の態様は、金属層が第一および第二の樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装する電池製造方法において、正極、負極、電解質層および、正極および負極のそれぞれと電気的に接続された電極端子を有する電池素子を作製するステップと、電池素子を２枚のラミネートフィルムまたは折り返したラミネートフィルムの間に挟むステップと、トップ用ブロック、左サイド用ブロックおよび右サイド用ブロックがコ字状に一体化された上ヒータブロックおよび下ヒータブロックによってラミネートフィルムを熱溶着するステップとを有することを特徴とする電池製造方法である。

この発明によれば、従来別工程で行われていたサイドシールとトップシールを同時に行うことができるため、電池作製時間が短縮されて生産性が向上する。また、各工程で必要であった複数の設備を一つの設備に集約することができるため、設備費用を削減し、製造コストの低下を図ることができる。さらに、サイドシールとトップシールのクロス部がなくなるため、シール不良を防ぐことができ、品質の向上につながる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図５に、この発明を適用したヒータブロックを示す。このヒータブロック３０は図示しない熱溶着用装置内に配置されており、上ヒータブロック３１と、下ヒータブロック３２で構成されている。より詳細には、上ヒータブロック３１はトップ部をシールするためのブロック（以下、トップ用ブロックと適宜称する）３１ａおよび左右サイド部をシールするためのブロック（以下、サイド用ブロックと適宜称する）３１ｂからなり、下ヒータブロック３２も上ヒータブロック３１と同様にトップ用ブロック３２ａおよびサイド用ブロック３２ｂからなる。上ヒータブロック３１は、トップ用ブロック３１ａを銅等からなる金属とし、サイド用ブロック３２ｂをシリコンゴム等の１８０℃ないし２３０℃程度に耐えうる弾性体により作製する。また、下ヒータブロック３０ｂは全て銅等の金属により作製する。サイド用ブロック３２ｂをシリコン等で作製することにより、上下ヒータブロックの面あたりが出易くなる。

なお、上ヒータブロック３１の各ブロックおよび下ヒータブロック３２の各ブロックは互いに連結せず、図示しない四角板状のベース板に固定して用いる。ベース板はヒータブロックの上下に配置されており、装置上側に配置された上ベース板に上ヒータブロックを、装置下側に配置された下ベース板に下ヒータブロックを固定する。これにより、シール幅などの溶着条件が変わってもトップ用ブロックのみを交換すれば良く、無駄な部品を削ることができるため、コスト削減にもつながる。

また、図５に示すように、トップ用ブロック３１ａおよび３２ａは段差部を有している。この段差部を設けることにより、ラミネートフィルムから導出されたリードと金属からなるトップ用ブロック３１ａおよび／またはトップ用ブロック３２ａとの短絡を防止することができる。

図６および図７に、ラミネートフィルムを熱溶着する際の上ヒータブロック３１、下ヒータブロック３２およびラミネートフィルム１０ａおよび１０ｂに挟まれた電池素子の様子を示す。図６のようにラミネートフィルム１０ａ、１０ｂおよび電池素子を配置した後、図７のように上ヒータブロック３１を下降させ、トップシールおよびサイドシールを同時に行う。

このとき、下ヒータブロック３２は金属により作製され、すべての部分に熱源が内蔵されているため、３面が加熱されるようになっている。一方、上ヒータブロック３１は金属製のトップ用ブロック３１ａのみが熱源によって加熱され、シリコンゴム等で作製されたサイド用ブロック３１ｂは加熱されない。つまり、トップ部は上下から加熱されてシールされ、サイド部は下からのみ加熱されてシールされる。また、下ヒータブロックは動かず、上ヒータブロックの下降によりラミネートフィルムが上下ヒータブロックに挟まれるようになされている。

この発明を適用したラミネートフィルムの熱溶着工程および従来の熱溶着工程について以下に詳しく説明する。

図８は、この発明を適用したラミネートフィルムの熱溶着工程を示すフローチャートである。まず、ラミネートフィルムに上下を挟まれた状態の電池素子（以下、ワークと適宜称する）を、上ヒータブロック３１および下ヒータブロック３２が上下に配置された熱溶着装置の所定の位置にセットする（ステップＳ１）。

次いで、両手押しボタンをＯＮにする（ステップＳ２）ことにより、上ヒータブロック３１が下降し（ステップＳ３）、所定の位置まで下がると下降センサがＯＮとなる。上ヒータブロック３１および下ヒータブロック３２の金属部分は１８０℃ないし２３０℃程度にあらかじめ加熱されており、上ヒータブロック３１が下限まで下がることによりトップ部およびサイド部のラミネートフィルムが３秒間加熱され、熱溶着される（ステップＳ４）。なお、下降センサがＯＮとなった時にシール時間（３秒）のタイマーがＯＮとなり、タイマーＯＦＦ後に上ヒータブロックが離れ、ラミネートフィルムへの加熱が自動的に終了するようにあらかじめ設定されている。

トップ部およびサイド部が熱溶着され、タイマーがＯＦＦとなったところで上ヒータブロック３１が上昇する（ステップＳ５）。上ヒータブロック３１が所定の位置まで上昇し、上昇センサがＯＮとなると、上ヒータブロック３１が止まり、最後にワークを取り出して（ステップＳ６）トップおよびサイドシールが終了する。

一方、図９および図１０は、従来のようにトップシールおよびサイドシールを別工程で行った場合のラミネートフィルムの熱溶着工程を示すフローチャートである。まず、図９に示すトップシールの工程について説明する。まず、ラミネートフィルムに上下を挟まれた状態のワークを、上ヒータブロック１４および下ヒータブロック１５が上下に配置された熱溶着機の所定の位置にセットする（ステップＳ１１）。

次いで、両手押しボタンをＯＮにする（ステップＳ１２）ことにより、下ヒータブロック１５が上昇し（ステップＳ１３）、所定の位置まで上がったところで上昇センサがＯＮとなり、上昇が止まる。上ヒータブロック１４および下ヒータブロック１５はあらかじめ加熱されており、上ヒータブロック１４が下降し（ステップＳ１４）、所定の位置まで下がって下降センサがＯＮとなったところで３秒間熱溶着がなされる（ステップＳ１５）。熱溶着はタイマーにより自動的に加熱が終了するようあらかじめ設定されている。

トップ部が熱溶着され、タイマーがＯＦＦとなったところで上ヒータブロック１４が上昇する（ステップＳ１６）。上ヒータブロック１４が所定の位置まで上昇し、上昇センサがＯＮとなると、上ヒータブロック１４の上昇が止まり、次いで下ヒータブロック１５が下降する（ステップＳ１７）。下ヒータブロック１５が所定の位置まで戻った後、最後にワークを取り出して（ステップＳ１８）トップシールが終了する。

次いで、図１０に示す工程でサイドシールがなされる。サイドシールもこれまでと同様にラミネートフィルムに挟まれたワークを所定の位置にセットし（ステップＳ２１）、両手押しボタンをＯＮにする（ステップＳ２２）。上ヒータブロック１６はあらかじめ加熱されており、上ヒータブロック１６が下降して（ステップＳ２３）所定の位置まで下がり、下降センサがＯＮとなったところで３秒間サイドシールがなされる（ステップＳ２４）。

サイド部が熱溶着され、タイマーがＯＦＦとなったところで上ヒータブロック１６が上昇する（ステップＳ２５）。上ヒータブロック１６が所定の位置まで上昇して上昇センサがＯＮとなると、上昇が止まり、最後にワークを取り出して（ステップＳ２６）サイドシールが終了する。

トップシール・サイドシールを別工程で行う場合、電池１個あたりトップシールにおよそ８秒、サイドシールにおよそ６．５秒、合計１４．５秒かかっていたが、この発明によりトップ、サイドを同時にシールすることが可能となり、シール時間が６．５秒と半分以下の時間でラミネートフィルムの熱溶着を行うことが可能となった。また、ワークをトップシール用装置からサイドシール用装置に移し変える必要がなくなるため、シール時間の短縮と合わせて電池の作製時間が大幅に短縮され、生産性が向上する。

また、トップ部およびサイド部を同時にシールするため、二重に加熱して樹脂が塊となり、封止性が悪化することを防ぐことができる。

このようにしてトップ部・サイド部を熱溶着されたワークは減圧下でボトム部を熱溶着し、電池が完成する。

この発明では３面を同時にシールする構造としたために、従来と比較して３面それぞれの面あたりが出にくくなる。そこで、以下のような構成をとることにより面あたりを良好な状態に保つことができる。

今回用いた装置では、下ヒータブロックを固定し、上ヒータブロックのみを下降させて熱溶着を行っている。上ヒータブロックはフローティングジョイントを用いて熱溶着装置に取り付けられており、上ヒータブロックの加熱用面は自由に角度を変えて動くようになっている。

これにより、例えば下ヒータブロックが斜めになっていた場合でも上ヒータブロックがそれに合うよう動き、密着することができる。うまく密着した後はぶれを防ぐために上ヒータヘッドを固定し、面あたりを維持するような構成とした。なお、面あたりの調整はあらかじめ行っておけば良く、その都度調整する必要はない。

上述のような構成を用いるとともにヒータヘッドの一部をシリコンゴム等の弾性体としたことで、３面同時にシールする場合であっても面あたりが出やすくなり、封止性を良くすることができる。

なお、折り返したラミネートフィルムを外装に用いることも可能である。この場合、最後に行ったボトム部の熱溶着は必要なく、３面シールのみで電池が完成するため、最初から減圧下で熱溶着を行わなければならない。

［品質測定］
この発明を適用した方法により電池を作製し、品質の確認を行った。電池品質は短絡試験、開裂圧測定、レッドチェック、剥離試験の各試験を行うとともに、作製された電池の外観および界面チェックを行った。各試験の詳細は以下のとおりとする。

（１）短絡試験
作製された電池の負極端子と外装アルミラミネートフィルムにテスターを当てながら９０秒間トップシールを行い、９０秒の間に短絡するかを確認した。
（２）開裂圧測定
電池素子としてダミーの素子を用い、アルミラミネートフィルムで外装して３面シールする。次いで、ダミー素子からエアーを注入して電池を膨らませ、シール部分の破裂強度を確認した。
（３）レッドチェック
アルミラミネートフィルムを３面シールした後、リークを確認したい部分だけを切り取り、赤色の液に浸しながら真空引きする。乾燥後、液をふき取りシール面を剥がして赤色の液が浸透していないかを確認した。
（４）剥離試験
アルミラミネートフィルムを３面シールした後、正極リードおよび負極リードを規格の寸法になるようにカットし、正極、負極の各リードを引張り試験機にかけ、外装アルミラミネートフィルムからリードが剥がれる力を測定した。
（５）外観
アルミラミネートフィルムを３面シールした後、電池の外観に不良がないかを確認した。
（６）界面チェック
アルミラミネートフィルムを３面シールした後シール部分を剥がし、シール部分全面が規格のシール幅で白く溶けているかを確認した。

各試験の結果、この発明を適用して作製した電池は現行の電池と同等の品質であり、電池として問題なく使用できるものであることが分かった。また、現行の電池に見られるようなトップシールとサイドシールのクロス部の凹凸はなく、平坦にシールすることができる。このため、シール不良を防止し、品質の向上を図ることができる。

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、図１１に示すように、ヒータブロックのリード取り出し部に当たる部分に切り欠き部４１を設け、リードに負担がかからないようにして熱溶着を行う方法もある。規格が異なる電池はリード幅やリード取り付け位置などが変わる場合があり、切り欠き部の幅や位置もそれに合わせて変更する必要があるが、この発明の構成を用いることによりトップ用ブロックのみを変えればよく、多様な規格に対応することができる。

また、電池素子にラミネートフィルムを外装した構成であればどのような電池でも適用可能であり、一次電池、二次電池のどちらでも良い。巻回型電極、積層型電極など、種々の構成が使用可能であり、電解質もゲル状電解質、固体電解質等任意のものが使用可能である。

ラミネートフィルムの構成を示す断面図である。 電池素子を２枚のラミネートフィルムで挟む様子を示す模式図である。 トップ部およびサイド部を別工程で熱溶着する様子を示す模式図である。 トップ部およびサイド部を別工程で熱溶着した後のシール状態を説明する模式図である。 この発明を適用した熱溶着用ヒータブロックを示す模式図である。 この発明を適用したヒータブロックを用いてラミネートフィルムを熱溶着する様子を示す模式図である。 この発明を適用したヒータブロックを用いてラミネートフィルムを熱溶着する様子を示す模式図である。 この発明における熱溶着の工程を示すフローチャートである。 従来の熱溶着方法において、トップ部を熱溶着する工程を示すフローチャートである。 従来の熱溶着方法において、サイド部を熱溶着する工程を示すフローチャートである。 この発明を適用した他の実施形態を示す模式図である。

符号の説明

１・・・金属箔
２，３・・・樹脂フィルム
４・・・接着層
１０，１０ａ，１０ｂ・・・ラミネートフィルム
１１・・・電池素子
１２・・・リード
１３・・・シーラント
１４，１６・・・上ヒータブロック
１５・・・下ヒータブロック
１７・・・下ブロック
２１・・・サイドシール部
２２・・・トップシール部
２３・・・クロス部
３０・・・ヒータブロック
３１・・・上ヒータブロック
３２・・・下ヒータブロック
３１ａ，３２ａ・・・トップ用ブロック
３２ａ，３２ｂ・・・サイド用ブロック
４１・・・切り欠き部
４２・・・下ヒータブロック

Claims (5)

1. 金属層が第一および第二の樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装した電池素子の周辺部を熱溶着するヒータブロックにおいて、
   上ヒータブロックおよび下ヒータブロックからなり、
   上記上ヒータブロックおよび上記下ヒータブロックはそれぞれトップ用ブロック、左サイド用ブロックおよび右サイド用ブロックが、コ字状に一体化されていることを特徴とするヒータブロック。
2. 上記上ヒータブロックは、シリコンゴム製の左サイド用ブロックおよび右サイド用ブロック、および金属製のトップ用ブロックからなり、
   上記下ヒータブロックは、金属製の左サイド用ブロック、右サイド用ブロックおよびトップ用ブロックからなることを特徴とする請求項１に記載のヒータブロック。
3. 上記上ヒータブロックおよび上記下ヒータブロックのトップ用ブロック、左サイド用ブロックおよび右サイド用ブロックがそれぞれベース板に固定されることにより一体化されたことを特徴とするヒータブロック。
4. 金属層が第一および第二の樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装する電池製造方法において、
   正極、負極、電解質層および上記正極および上記負極のそれぞれと電気的に接続された電極端子を有する電池素子を作製するステップと、
   上記電池素子を２枚のラミネートフィルムまたは折り返したラミネートフィルムの間に挟むステップと、
   トップ用ブロック、左サイド用ブロックおよび右サイド用ブロックがコ字状に一体化された上記上ヒータブロックおよび上記下ヒータブロックによって上記ラミネートフィルムを熱溶着するステップとを有することを特徴とする電池製造方法。
5. 上ヒータブロックの加熱用面は自由に角度を変えて動くようになされていることを特徴とする請求項４に記載の電池製造方法。

Images