JP2006172879A - 蓄電デバイス及び蓄電デバイスの外装体の製造方法及び蓄電デバイスの外装体の成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄電デバイスに使用される外装体の製造時に発生する素材の延びを均一にすることである。
【解決手段】 蓄電デバイスの外装体をシート材２５の深絞りで成形するにあたり、成形装置２０の雄型２３と、バッグ２９との間にシート材２５を載置する。バッグ２９を高圧の空気で膨張させ、雄型２３の底部２３ａ中央から徐々にシート材２５を押し当てつつ雄型２３の形状に倣う収容部を形成する。この収容部に電池素子を収容した後に、電解質を注入し、密閉する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電気エネルギを蓄えることができる蓄電デバイス、及び外装体を製造する方法、蓄電デバイスの外装体の成形装置に関する。
に関する。

携帯電話などの携帯型の電子機器に使用される電気エネルギ源としては、非水二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電デバイスが開発されている。このような蓄電デバイスは、正極電極と、負極電極とでセパレータを挟み込んだ電池素子を外装体に挿入した後に、外装体内に高分子ゲル電解質を充填し密閉して製造されている。ここで、外装体は、アルミニウム箔のような軟質金属膜と、ナイロン等のプラスチックフィルムとの積層体からなるパッケージであり、積層体をダイスとポンチで深絞り加工した凹部を有している。この凹部のコーナー部には、立体的な曲率が設けられており、このような曲率を設けるために、ポンチには、電池素子の厚さの半分、つまり深絞り量の半分に相当する曲率が形成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１３３２１６号公報

しかしながら、従来の製造方法では、外装体を深絞り加工する際に、ポンチによって凹部のコーナー部に相当する部分のシート材が主に延ばされるので、深絞り後の外装体の中心部と、隅部との間の膜厚差が大きかった。特に、深絞り量が大きくなると、アルミニウム箔が薄くなり、その膜厚が、例えば、２０μｍを下回ると、ピンホールや、クラック、しわが発生し易くなる。このように、従来の製造方法では、母材の伸び率によって深絞り量や、成形の形状に制約を受けるという問題があった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外装体の製造時に発生する素材の延びを均一にすることである。また、このようにして製造された外装体や、外装体を含む蓄電デバイスを提供することである。

上記の課題を解決する本発明は、シート材に凹形状の収容部を成形して外装体を製造し、この外装体の前記収容部に電極を備える電池素子を収容させて蓄電デバイスを作製するにあたり、前記外装体を製造する蓄電デバイスの外装体の製造方法であって、前記収容部の形状に合わせて作製された剛体からなる型と、膨張可能な膨張体との間に前記シート材を載置し、流体を注入して前記膨張体を膨張させ、前記シート材を押圧し、前記膨張体を前記型の成形部の外形よりも大きく膨張させることで、前記シート材を前記型の形状に倣うように変形させることを特徴とする蓄電デバイスの外装体の製造方法とした。
この製造方法では、膨張体の膨張によってシート材が徐々に型に押し付けられるようにして成形が行われる。このため、シート材が略均等に延ばされ、従来のように隅部の近傍が集中的に延ばされる場合と異なり、隅部の厚さが際立って薄くなることはない。

この製造方法においては、前記シート材を前記型の形状に倣って変形させた後に、前記膨張体を収縮させてから、前記型の表面に開口する微細孔に流体を供給しても良い。また、前記膨張体を膨張させると共に、前記型の表面に開口する微細孔から、前記シート材を吸引しても良い。
加工後に微細孔に流体を供給すると、型に密着している成形後のシート材が加圧され、離型が促進される。また、加工時に微細孔からシート材を吸引すると、型の形状に合わせてシート材を変形させやすくなる。

そして、このような蓄電デバイスの外装体の製造方法によって製造された外装体内に、前記電池素子と、電解質とを封入すると蓄電デバイスとなる。

また、このような製造方法を実現するための成形装置としては、シート材に凹形状の収容部を成形して外装体を製造し、この外装体にこの収容部に電極を備える電池素子を収容させて蓄電デバイスを作製するにあたり、前記外装体を製造する蓄電デバイスの外装体の成形装置であって、前記収容部の形状に合わせて作製された剛体からなる型と、前記型の成形部の外形を覆うように膨張可能な膨張体と、前記型、及び前記膨張体の間に前記シート材を載置する載置部と、前記膨張体に流体を注入可能な供給手段と、を備えることを特徴とする蓄電デバイスの外装体の成形装置があげられる。

このような成形装置は、前記型の外面に開口する微細孔と、前記微細孔に流体を吐出可能な流体ポンプとを有する加圧機構を備えても良い。また、前記型が雌型である場合には、この雌型を貫通する微細孔と、前記微細孔内の流体を吸引可能な流体ポンプとを有する減圧機構を備えても良い。

そして、このようにして製造される蓄電デバイスは、シート材に凹形状の収容部を成形し、前記収容部に前記電池素子を収容した後に、前記シート材からなる蓋部で前記収容部を密閉した蓄電デバイスにおいて、前記蓋部の厚さに対する前記収容部の底部中央の厚さの比が、０．７から０．９の間にあり、前記蓋部の厚さに対する前記収容部の底部の周縁部の厚さの比が、０．７から０．９の間にあり、かつ前記収容部の底部中央の厚さと、前記収容部の底部の周縁部の厚さとが略等しいことを特徴とする。

本発明によれば、蓄電デバイスを構成する外装体の収容部の膜厚が略均一になるので、クラックや、しわ、ピンホールの発生を防止することができる。また、外装体の成形時にシート材を吸引することで、形状精度の向上、及び加工時間の短縮化が図れる。外装体の成形後に成形品に加圧すると、離型を速やかに行ことが可能になり、加工時間の短縮化が図れる。また、本発明に係る成形装置では、膨張体と剛体からなる型とで成形を行うように構成されているので、剛体からなる型が一つで済むので装置のコストを低減できる。また、膨張体は、型よりも小型、かつ軽量であるので、装置を小型化できる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１に示すように、蓄電デバイス１は、外装体２内に電池素子３と電解質とが密封されている。電池素子３は、正極と負極とでセパレータを挟み込んだ積層体であって、正極からは正極端子リード４が延出し、負極からは負極端子リート５が延出し、これら各端子リード４，５は、外装体２から外部に引き出されている。図２に展開図で示すように、外装体２は、中央部分に収容部１０が凹設された本体部１１を有し、収容部１０の縁はなだらかな曲面形状を有しつつ折り曲げられ、ここから本体部１１の長手方向に平行な一対の側縁部１２，１３と、これら側縁部１２，１３の一方の端部を結ぶように延在する一方の縁部１４とが形成されている。収容部１０の残りの縁と、各側縁部１２，１３の他方の端部からは、本体部１１に略等しい外形を有する蓋部１５が一体的に延設されている。

収容部１０は、各縁部１２，１３，１４に連なる壁部１６を有し、壁部１６には、底部１７が連なっている。壁部１６と底部１７との境界は、なだらかな曲面形状を有している。底部１７の大きさは、収容部１０の開口よりも小さく、収容部１０は断面視で略台形になっている。この底部１７の四隅は、３次元の曲面形状を有するコーナー部１８になっている。このような外装体２は、融着層と、金属層と、保護層とを積層したシート材から製造されている。このようなシート材としては、例えば、金属層がアルミニウム薄膜からなるアルミラミネートフィルムがあげられる。この場合に、融着層、及び保護層は、プラスチックなど、熱可塑性の樹脂から製造されており、その膜厚は、例えば、４０μｍである。金属層は、アルミニウムなどの軟質の、かつ延性を有する金属薄膜から製造されており、その膜厚は、例えば、４０μｍである。

図３に、外装体２の成形装置の概略図を示す。成形装置２０は、上部ベース２１と、下部ベース２２とを有している。上部ベース２１は、不図示の昇降機構によって上下方向に移動可能に支持されており、その下面には、収容部１０（図２参照）の内側形状と略同じ外側形状を有する金属製の雄型２３が固定されている。下部ベース２２は、その上面が載置部２４になっており、ここに外装体２の材料となるシート材２５を位置決めして固定する固定手段（不図示）が取り付けられている。さらに、下部ベース２２の中央、かつ雄型２３の下方にあたる位置には、凹部２６が雄型２３よりも大きく形成されている。この凹部２６の中央には、吸排気孔２７が形成されており、この吸排気孔２７には、流体ポンプ２８が接続されており、高圧の水や、気体などの流体を供給、及び吸引可能に構成されている。さらに、凹部２６には、吸排気孔２７を覆うように、袋状のバッグ２９が固定されている。バッグ２９は、例えば、シリコーン樹脂や、ウレタンゴムなどから製造され、内部に流体を供給すると略球形に伸縮自在な弾性体からなり、その際の最大径は、雄型２３よりも十分に大きい。なお、このバッグ２９は、その外表面が所定の摩擦係数を有するように表面処理されている。

次に、蓄電デバイス１の製造工程について、外装体２の成形工程を中心に説明する。
まず、図３に示す上部ベース２１を上昇させてから、シート材２５を下部ベース２２に凹部２６を覆うように載置部２４に載置させる。その後に、上部ベース２１を降下させて、雄型２３をシート材２５に近接させる。さらに、流体ポンプ２８から流体を吐出し、吸排気孔２７を通じてバッグ２９内に高圧の流体を供給する。これによって、バッグ２９が凹部２６を埋めるように膨張する。すると、図４に示すように、比較的に自由に膨張できるバッグ２９の上部中央がシート材２５の中央を押し上げ、シート材２５を雄型２３の底面２３ａの中央に押し当てる。さらに、バッグ２９の膨張に従ってシート材２５と雄型２３との接触面積が徐々に増大し、シート材２５が略均一に延ばされながら、雄型２３の形状に従って成形される。シート材２５が雄型２３に倣って所定量だけ成形させられたら、載置部２４の固定手段がシート材２５の周縁部の固定を解除し、シート材２５の周縁部が上部ベース部２１に向かって移動する。そして、図５に示すように、バッグ２９が雄型２３の外周を覆い、シート材２５が雄型２３の成形部の外形に倣うように収容部１０が成形されたら、バッグ２９を収縮させる。成形後のシート材２５が雄型２３側に残るので、これを雄型２３から取り除いて、トリミングを行うと、図６に示すような成形品３０となる。この成形品３０は、後に外装体２となる本体部１１、及び蓋部１５と、本体部１１の一方の側縁部１２から延設する延設部３１とからなる略長方形状になっている。

成形品３０を収容部１０の底部１７が下になるように載置し、別工程で製造した電池素子３を、各端子リード４，５が一方の縁部１４を越えて成形品３０の外に出るように収容する。次に、蓋部１５を折り返して、電池素子３の本体を覆うように、蓋部１５を本体部１１に重ね合わせ、他方の側縁部１３と蓋部１５、縁部１４と蓋部１５をそれぞれ融着する。一方の側縁部１２側は、開放されているので、ここから電解液を注入し、ガス抜きを行ってから、一方の側縁部１２と蓋部１５とを融着する。そして、延設部３１をトリミングした後、側縁部１２と蓋部１５との融着部、及び側縁部１３と蓋部１５との融着部分を収容部１０に沿うように折り曲げると、図１に示す蓄電デバイス１が完成する。

この実施の形態では、バッグ２９を膨張させることで雄型２３にシート材２５を押し付けることで深絞りを行うので、収容部１０の底部１７に相当する部分の中央付近から、略均等にシート材２５を延ばしながら成形できるので、底部１７の膜厚が場所によらず略一定になる。しかも、シート材２５が均等に延ばされるので、外装体２の最小膜厚（底部１７）と、最大膜厚（蓋部１５）との差が従来よりも小さくなる。例えば、シート材２５の金属層の初期膜厚が４０μｍの場合、成形後の底部１７の中央の膜厚、及び底部１７のコーナー部１８の膜厚は、共に３５μｍとなる。また、蓋部１５の膜厚は、成形されないので、４０μｍのままである。膜厚は、成形深さ等によっても異なるが、いずれの場合でも、成形後の底部１７の中央の膜厚と、底部１７のコーナー部１８の膜厚との膜厚は、略等しく。蓋部１５の膜厚を基準とすると、０．７から０．９までの間に収めることができる。

さらに、雄型２３の型抜き角度が５度で、コーナー部２３ｂの半径を１．５ｍｍとする場合に、成形深さを５ｍｍ程度にしても、ピンホール等が発生しない良品率を９０％程度にすることができる。したがって、高品質の外装体２を効率良く製造することが可能になる。なお、従来の製造方法では、このような成形深さを実現することができないか、或いは著しく良品率が下がってしまっていた。この実施の形態によれば、従来実現できなかった形状にシート材２５を成形することが可能になる。
また、このような成形装置２０では、バッグ２９の変形によってシート材２５を加工することが可能なので、収容部１０の大きさの変化や、シート材２５の厚さの変化に柔軟に対応することができる。また、従来の金型のように、雄型２３の形状を成形品の形状にすることが可能になるので、雄型２３の加工性が向上する。さらに、重量物である金型を所定の圧力で押し付ける加圧機構を設ける必要がないので、成形装置の構造を簡略化し、かつ小型化することができる。
そして、このような外装体２を用いて製造された蓄電デバイス１は、収容部１０を深くすることで電池素子３の容量を大きくすることができ、電池容量を大きくすることができる。また、外装体２中のピンホール等の発生率が大幅に低減されるので、品質が高くなる。

（第２の実施の形態）
図７に示すように、成形装置４０は、下型である剛体である金属製の雌型４１と、昇降自在な上部ベース４２とを備えている。雌型４１の上面は、シート材２５を載置する載置部４３になっている。さらに、雌型４１には、収容部１０（図２参照）の外側形状に合わせた内側形状を有する凹部４４が形成されており、上部ベース４２には、凹部４４の中央の上方にあたる位置に、吸排気孔４５が形成されている。この吸排気孔４５には流体ポンプ２８が接続されている。そして、上部ベース４２には、吸排気孔４５を覆うようにバッグ４６が固定されている。バッグ４６は、膨張時に凹部４４を埋めることができる膨張体である。なお、バッグ４６の材質等、その他の装置構成は、前記と同様である。

外装体２の製造にあたっては、雌型４１にシート材２５を載置してから上部ベース４２を降下させ、バッグ４６を高圧の流体で徐々に膨張させる。図８に示すように、バッグ４６は、シート材２５の中心付近から、徐々にシート材２５との接触面積を増大させつつ、シート材２５を凹部４４内に押し込む。そして、バッグ４６が凹部４４を埋めるように膨張すると、バッグ４６と凹部４４とに挟まれるようにして、収容部１０が成形される。このとき、凹部４４の隅部に形成されている曲面形状のコーナー部４４ａによって収容部１０のコーナー部１８が形成される。その後に、バッグ４６を縮小させ、シート材２５を雌型４１から取り外し、トリミングをすると、図６に示すような成形品３０が得られる。その他の工程は、前記と同様である。

この実施の形態によれば、成形装置４０は、金属製の雌型４１と、バッグ４６とでシート材２５を成形するので、金型の製造が容易になる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。なお、例えば、雌型４１の型抜き角度が５度で、コーナー部４１ａの半径を１．５ｍｍとする場合に、限界成形深さを６ｍｍ程度にすることができる。さらに、成形深さを５ｍｍにした場合には、ピンホール等が発生しない良品率が９０％以上になる。

（第３の実施の形態）
図９に示すように、この実施の形態に係る成形装置５０は、外装体２の収容部１０の内側形状に略等しい外側形状を有する雄型５１を有し、雄型５１には、複数の微細孔５２が下部ベース２２に向かって開口するように、所定の間隔、例えば、等間隔で形成されている。これら微細孔５２は、加圧型の流体ポンプ５３に接続されている。このような雄型５１は、例えば、ニッケル等の焼結金属から製造することができ、この場合の微細孔５２は、連続気泡によって形成される。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

外装体２の製造にあたっては、成形後にシート材２５が雄型５１側に残っている状態で、流体ポンプ５３から全ての微細孔５２に均等に空気を吐出する。微細孔５２は、雄型５１の底部の開口がシート材２５で覆われているので、微細孔５２の内圧が上昇する。この内圧は、収容部１０を雄型５１から離す方向に作用し、その結果として、シート材２５が離型する。その他の製造工程は、前記と同様である。この実施の形態によれば、雄型５１側に微細孔５２と、流体ポンプ５３からなる加圧機構を設けたので、成形後の離型が容易になり、生産性を向上することができる。また、ピンホール等が発生しない良品率が、第１の実施の形態より向上する。なお、微細孔５２の径は、成形時にシート材２５を破断させない程度の大きさで、例えば、数十μｍ程度であることが望ましい。

（第４の実施の形態）
図１０に示すように、この実施の形態で使用される成形装置６０は、下型である雌型６１が、第１の部分６２の上に、第２の部分６３を積層した２重構造を有している。そして、第２の部分６３を貫通して第１の部分６２の一部を凹ませるようにして凹部４４が形成されている。この凹部４４は、外装体２の収容部１０の外側形状に略等しい内側形状を有している。さらに、第１の部分６２には、複数の微細孔６４が、凹部４４の底部４４ｂに開口するように、略等間隔で配設されている。これら微細孔６４は、加圧型の流体ポンプ６５に接続されている。このような第１の部分６２は、例えば、ニッケル等の焼結金属から製造することができ、この場合の微細孔６４は、連続気泡によって形成される。また、第２の部分６３は、シート材２５の載置部となり、微細孔を有しない気密性を有する金属板から製造されている。なお、雌型６１は、第１の部分６２の外周部、下部も微細孔６４を残して気密性の部材（不図示）で覆われており、微細孔６４除いて気密が保たれるように構成されている。その他の構成は、第２の実施の形態と同様である。

外装体２の製造にあたっては、成形後にバッグ４６を縮小させた後に、流体ポンプ６５と、微細孔６４とからなる加圧機構を作動させる。具体的には、流体ポンプ６５から空気を微細孔６４に供給する。微細孔６４は、シート材２５によって開口が塞がれているので、空気はシート材２５を押し出すように作用し、これによって成形後のシート材２５が離型する。この実施の形態によれば、雌型６１側に加圧機構を設けたので、離型が容易になり、生産性を向上することができる。また、ピンホール等が発生しない良品率が、第２の実施の形態よりも向上した。なお、微細孔６４の径は、第３の実施の形態と同程度が望ましい。

また、この成形装置６０では、流体ポンプ６５を減圧型のポンプとすることで、微細孔６４と、流体ポンプ６５とで減圧機構を構成しても良い。この場合には、成形時に、流体ポンプ６５が微細孔６４を通して凹部４４を減圧する。その結果、シート材２５が吸引され、凹部４４の形状に倣って変形し易くなる。特に、凹部４４のコーナー部４４ａの形状に追従してシート材２５が変形し易くなるので、シート材２５がさらに均一に深絞りされ、膜厚の均一性、及び形状精度が向上する。このようにして外装体２を成形すると、ピンホール等が発生しない良品率が、第２の実施の形態よりも向上し、１００％に近くなる。なお、減圧機構の場合には、微細孔６４の他に、凹部４４の側壁に開口するように微細孔７０を設けても良い。最初に、底部４４ｂ側に設けられた微細孔６４から吸引を開始し、そこから徐々に底部４４の周縁部側に設けられた微細孔６４、コーナー部４４ａ側に設けられた微細孔６４、壁部に設けられた微細孔７０というように、吸引する範囲を徐々に拡大させても良い。また、コーナー部４４ａの近傍に設けられた微細孔６４，７０のみで吸引をしても良い。

また、この成形装置６０では、流体ポンプ６５を加圧、及び減圧が可能に構成することで、加圧機構と、減圧機構と兼ね備える構成にすることができる。この場合には、成形時には、減圧機構としてシート材２５の成形をアシストし、成形後の離型時には、加圧機構としてシート材２５の離型をアシストする。減圧機構によって膜厚の均一性、及び形状精度が向上し、加圧機構によって離型の迅速化が図れる。この場合には、ピンホール等が発生しない良品率が、１００％に近くなり、生産性が向上する。

なお、本発明は、前記の各実施の形態に限定されずに広く応用することが可能である。
例えば、微細孔５２を有する雄型５１、又は雌型６１の第１の部分６２は、多孔質な物質、例えば軽石から製造しても良い。また、バッグ２９，４６の形状は、吸排気孔２７，４５側を底部とする円錐形状や、四角錘形状、立方体形状とすることが可能である。
また、雄型２３，５１を備える成形装置２０，５０に減圧機構を設けても良い。この場合には、バッグ２９によって押圧されるシート材２５と、雄型２３，５１のコーナー部２３ｂに形成される隙間の空気を吸い込むことで、シート材２５をコーナー部２３ｂに吸引する。

本発明の実施の形態に係る蓄電デバイスの斜視図である。 外装体の展開形状を示す斜視図である。 成形装置の概略構成を示す断面図である。 成形工程を説明する図であって、シート材の一部が変形させられた状態を示す図である。 シート材が成形された状態を示す図である。 成形品の平面図である。 成形装置の概略構成を示す断面図である。 成形工程を説明する図であって、シート材の一部が変形させられた状態を示す図である。 雄型に微細孔を有する成形装置の概略構成を示す断面図である。 雌型に微細孔を有する成形装置の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 蓄電デバイス
２ 外装体
３ 電池素子
１０ 収容部
２３ 雄型（型）
２４，４３ 載置部
２５ シート材
２７，４５ 吸排気孔（孔、供給手段）
２８ 流体ポンプ
２９，４６ バッグ（膨張体）
４１ 雌型（型）
５２，６４ 微細孔

Claims (8)

1. シート材に凹形状の収容部を成形して外装体を製造し、この外装体の前記収容部に電極を備える電池素子を収容させて蓄電デバイスを作製するにあたり、前記外装体を製造する蓄電デバイスの外装体の製造方法であって、
   前記収容部の形状に合わせて作製された剛体からなる型と、膨張可能な膨張体との間に前記シート材を載置し、流体を注入して前記膨張体を膨張させ、前記シート材を押圧し、前記膨張体を前記型の成形部の外形よりも大きく膨張させることで、前記シート材を前記型の形状に倣うように変形させることを特徴とする蓄電デバイスの外装体の製造方法。
2. 前記シート材を前記型の形状に倣って変形させた後に、前記膨張体を収縮させてから、前記型の表面に開口する微細孔に流体を供給することを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの外装体の製造方法。
3. 前記膨張体を膨張させると共に、前記型の表面に開口する微細孔から、前記シート材を吸引することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蓄電デバイスの外装体の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の蓄電デバイスの外装体の製造方法によって製造された外装体内に、前記電池素子と、電解質とを封入してなる蓄電デバイス。
5. シート材に凹形状の収容部を成形して外装体を製造し、この外装体にこの収容部に電極を備える電池素子を収容させて蓄電デバイスを作製するにあたり、前記外装体を製造する蓄電デバイスの外装体の成形装置であって、
   前記収容部の形状に合わせて作製された剛体からなる型と、前記型の成形部の外形を覆うように膨張可能な膨張体と、前記型、及び前記膨張体の間に前記シート材を載置する載置部と、前記膨張体に流体を注入可能な供給手段と、を備えることを特徴とする蓄電デバイスの外装体の成形装置。
6. 前記型の表面に開口する微細孔と、前記微細孔に流体を吐出可能な流体ポンプとを有する加圧機構を備えることを特徴とする請求項５に記載の蓄電デバイスの外装体の成形装置。
7. 前記型は、雌型であり、この雌型を貫通する微細孔と、前記微細孔内の流体を吸引可能な流体ポンプとを有する減圧機構を備えることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の蓄電デバイスの外装体の成形装置。
8. シート材に凹形状の収容部を成形し、前記収容部に前記電池素子を収容した後に、前記シート材からなる蓋部で前記収容部を密閉した蓄電デバイスにおいて、
   前記蓋部の厚さに対する前記収容部の底部中央の厚さの比が、０．７から０．９の間にあり、前記蓋部の厚さに対する前記収容部の底部の周縁部の厚さの比が、０．７から０．９の間にあり、かつ前記収容部の底部中央の厚さと、前記収容部の底部の周縁部の厚さとが略等しいことを特徴とする蓄電デバイス。
   
   

Images