JP2008146942A - 薄型電池、薄型電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

薄型電池、薄型電池の製造方法および製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】溶着部の厚さが厚くならず、また封止幅の外側に余裕寸法を設けなくてよいために電池を小さくすることが可能な薄型電池の製造方法、薄型電池および薄型電池の製造装置を提供する。
【解決手段】金属箔10に樹脂層8,9を積層したラミネートフィルムを所定寸法に裁断してなる電池外装材3A,3Bで発電要素4を覆い、当該電池外装材3A,3Bの外周を溶着することによって電池ケースを形成し、当該電池ケースの内部に発電要素4を内封して形成される薄型電池の製造方法であって、前記電池外装材3A,3Bの外周における端部から所定長さよりも内側を加圧および加熱して溶着しつつ、前記電池外装材3A,3Bの外周における加熱する部位の外側を加圧および冷却する。
【選択図】図8

Description

本発明は、ラミネートフィルムにより外装された薄型電池、薄型電池の製造方法および製造装置に関する。
正極および負極の電極板を積層して構成された発電要素を、金属箔の表裏面に樹脂層を形成したシート状ラミネートフィルムからなる電池外装材で挟みつつ電池外装材の外周を溶着して電池ケース内に封止し、電極板に接続された板状の電極端子を電池ケースから外部に導出してなる扁平な薄型の二次電池(以下、薄型電池と称する)が使用されている。
このような薄型電池においては、ラミネートフィルムを溶着する際の加熱および加圧により、電池外装材の溶融した樹脂が溶け出し、外装材の端部から樹脂が食み出してヒータに付着する可能性がある。そこで、外装材の溶着部の外周端部を未溶着部として残すことにより、ヒータに樹脂が付着することを防止する方法が行われている(例えば、特許文献1参照)。
しかし、この方法では、端部方向へ押し出された溶融樹脂により未溶着部が盛り上がり、封止部の厚さが厚くなってしまう。また、未溶着部を設けるために余裕寸法が必要となり、電池が大きくなってしまう。
特開2000−353498号公報
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、封止部の厚さが厚くならず、また封止幅の外側に余裕寸法を設けなくてよいために電池を小さくすることが可能な薄型電池の製造方法、薄型電池および薄型電池の製造装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明に係る薄型電池の製造方法は、金属箔に樹脂層を積層したラミネートフィルムを所定寸法に裁断してなる電池外装材で発電要素を覆い、当該電池外装材の外周を溶着することによって電池ケースを形成し、当該電池ケースの内部に発電要素を内封して形成される薄型電池の製造方法であって、前記電池外装材の外周における端部から所定長さよりも内側を加圧および加熱して溶着しつつ、前記電池外装材の外周における加熱する部位の外側を加圧および冷却することを特徴とする。
上記のように構成した本発明に係る薄型電池は、金属箔に樹脂層を積層したラミネートフィルムを所定寸法に裁断してなる電池外装材で発電要素を覆い、当該電池外装材の外周を溶着することによって電池ケースを形成し、当該電池ケースの内部に発電要素を内封して形成される薄型電池であって、前記電池外装材の外周における端部から所定長さよりも内側を加圧および加熱して溶着しつつ、前記電池外装材の外周における加熱する部位の外側を加圧および冷却し、当該電池外装材の端部から軟化して食み出す樹脂が成形されたことを特徴とする。
上記のように構成した本発明に係る薄型電池の製造装置は、金属箔に樹脂層を積層したラミネートフィルムを所定寸法に裁断してなる電池外装材で発電要素を覆い、当該電池外装材の外周を溶着することによって電池ケースを形成し、当該電池ケースの内部に発電要素を内封して形成される薄型電池の製造装置であって、前記電池外装材の外周における端部から所定長さよりも内側を加圧および加熱して溶着する封止用ヒータと、前記電池外装材の外周における加熱する部位の外側を加圧および冷却する冷却プレートと、を有することを特徴とする。
上記のように構成した本発明に係る薄型電池の製造方法は、電池外装材を溶着する際に、電池外装材の外周における端部を冷却することにより溶融樹脂の端部からの溶け出しを抑制できるため、溶着部の厚さが厚くならず、また封止幅の外側に余裕寸法を設けなくてよいために電池を小さくすることができる。
上記のように構成した本発明に係る薄型電池は、電池外装材を溶着する際に、電池外装材の外周における端部が冷却されて、電池外装材の端部から軟化して食み出す樹脂が成形さているため、溶着部の厚さが厚くならず、また封止幅の外側に余裕寸法を設けなくてよいために電池を小さくすることができる。
上記のように構成した本発明に係る薄型電池の製造装置は、電池外装材の外周における端部を冷却する冷却プレートが設けられるため、電池外装材を溶着する際に溶融樹脂の端部からの溶け出しを抑制でき、溶着部の厚さが厚くならず、また封止幅の外側に余裕寸法を設けなくてよいために電池を小さくすることができる。
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
<第1実施形態>
図1は第1実施形態に係る薄型電池を示す斜視図、図2は第1実施形態に係る薄型電池の分解斜視図、図3は電気外装材が重ねられた際を示す部分断面図、図4はラミネートフィルムの成形方法を示す側面図である。
第1実施形態に係る薄型電池1は、図1,2に示すように、例えば扁平な長方形形状であり、電極端子である正極タブ2Aと負極タブ2Bが対向する側から導出されている。薄型電池1は、ラミネートフィルムを所定寸法に裁断してなる二枚の電池外装材3A,3Bを重ね合わせ、重ね合わせた二枚の電池外装材3A,3Bの外周部を溶着して電池ケースを形成し、当該電池ケースの内部に、電解液と共に発電要素4が収納されている。なお、電池外装材を一枚とし、これを2つ折りにして重ね合わせ、外周部を溶着することによって電池ケースを形成しても良い。発電要素4は、複数の正極板5および負極板6をセパレータを介在しつつ交互に積層して形成され、正極板5は正極タブ2Aに電気的に接続されており、負極板6は負極タブ2Bに電気的に接続されている。
この電池外装材3A,3Bは、図3に示すように、金属箔層8A,8Bの両面に、表面樹脂層9A,9Bおよび溶着樹脂層10A,10Bが設けられる。金属箔層8A,8Bは、例えばアルミニウムからなり、表面樹脂層9A,9Bは、例えばナイロンからなり、溶着樹脂層10A,10Bは、例えばポリプロピレンからなるが、他の材質でもよい。
電池外装材3A,3Bは、ラミネートフィルムを裁断して形成されるが、ラミネートフィルムは、図4に示すように、金属箔11、溶着樹脂シート12および表面樹脂シート13を各々のドラムから引き出して重ねられ、ローラヒータ14によって溶着されて層構造に形成される。なお、樹脂層9,10と金属箔層8の間に接着剤が塗布されても良い。
2枚の電池外装材3A,3Bは、図3に示すように、それぞれの溶着樹脂層10A,10Bが接するように外周部が重ねられて、後述する封止用ヒータにより加圧および加熱することにより、溶着樹脂層10A,10B同士が溶着される。
次に、薄型電池1の製造装置について説明する。
図5は本実施形態に係る薄型電池の製造装置の部分斜視図、図6は同製造装置の部分断面図である。
本実施形態に係る薄型電池1の製造装置20は、図5,6に示すように、上型21と下型22を有し、上型21と下型22のそれぞれに、溶着樹脂層10A,10Bを溶融させるための封止用ヒータ23A,23Bと、溶着樹脂層10A,10Bを冷却するための冷却プレート24A,24Bと、封止用ヒータ23A,23Bと冷却プレート24A,24Bの間に設けられる断熱材25A,25Bとが備えられる。断熱材25A,25Bは、封止用ヒータ23A,23Bによる加熱と冷却プレート24A,24Bによる冷却を、効率よく行うために有効である。なお、断熱材25A,25Bの代わりに空隙を設けることもでき、また、断熱材25A,25Bを設けずに封止用ヒータ23A,23Bと冷却プレート24A,24Bを直接隣接させることもできる。
上型21および下型22は、電池外装材3A,3Bの外周の全周にわたって形成されても良く、また部分的に形成されても良い。
封止用ヒータ23A,23Bは、互いに近接離隔することができ、電池外装材3A,3Bの外周における端部から所定長さよりも内側を挟持することにより、電池外装材3A,3Bを加熱するとともに加圧できる。
冷却プレート24A,24Bは、断熱材25A,25Bを介して封止用ヒータ23A,23Bの外側(電池外装材3A,3Bの外周方向側)に配置され、封止用ヒータ23A,23Bとともに近接離隔することができ、電池外装材3A,3Bの外周における端部を冷却するとともに加圧できる。冷却プレート24A,24Bには、図外の冷媒供給源から供給される冷媒を循環させるためのパイプ26が連結されており、冷却プレート24A,24B内を、例えば水、アルコール、有機液またはその他の冷却液からなる冷媒が循環できる構造を備えている。
また、一方の冷却プレート24A(または24B)の端部には、他方の冷却プレート24B(または24A)へ向って突出する側壁部27が設けられている。なお、側壁部27は、両方の冷却プレート24A,24Bに設けられてもよく、また、別部材として設けられてもよい。
次に、薄型電池1の製造方法について説明する。
図7は薄型電池の製造装置により電池外装材を溶着する途中過程を示す部分断面図、図8は同製造装置により電池外装材が溶着された際を示す部分断面図である。
初めに、発電要素4および電解液を二枚の電池外装材3A,3Bで覆う。この際に、電池外装材3A,3Bのそれぞれの溶着樹脂層10A,10Bが接するように外周部が重ねられる。この状態で、図6に示すように、電池外装材3A,3Bを製造装置20に設置する。このとき、電池外装材3A,3Bの外周における端部から所定長さよりも内側が、封止用ヒータ23A,23Bに対応するとともに、電池外装材3A,3Bの外周における端部は、冷却プレート24A,24Bに対応して設置される。
製造装置20の封止用ヒータ23は、溶着の前に加熱されるが、封止用ヒータ23の温度Th[℃]は、下式のように溶着樹脂層10の溶融温度Tm[℃]を超えるように設定される。
Figure 2008146942
冷却プレート24は、溶着の前に冷却され、封止用ヒータ23の加熱と同時、またはその前後のいずれに開始してもよいが、加熱の前に冷却することが好ましい。加熱の前に冷却することにより、より効率的に冷却することができる。
冷却プレート24の冷却の際には、冷却プレート24は、接する電池外装材3の溶着樹脂層10の温度を、溶着樹脂層10の溶融温度Tm[℃]と熱変形温度Ts[℃]の間に冷却することが可能な冷却プレート温度Tc[℃]に設定される。
ここで、溶着樹脂層10A,10Bの厚さをd[m]、冷却プレート24A,24Bと電池外装材3A,3Bの接触部における封止用ヒータ23から冷却プレート24へ向う方向に沿う長さをL[m]、溶着樹脂層10A,10Bの比熱をC[J/(m・K)]、表面樹脂層9A,9Bの表面と冷却プレート24A,24Bの間の熱伝達率をh[W/(m・K)]、冷却時間をt[sec]、シール長さ(溶着長さ)W[m]とすると、冷却プレート24A,24Bの温度Tc[℃]は、以下の式で設定される。
Figure 2008146942
例えば、溶融温度Tmが100[℃]、熱変形温度Tsが80[℃]、厚さdが0.8[mm]、比熱Cが1.5[J/(cm・K)]、接触長さLが2.0[mm]、熱伝達率hが0.6[W/(m・K)]、シール長さWが100[mm]、冷却時間tが1[sec]の場合、例えばヒータ温度Thを110[℃]とし、冷却プレート温度Tcを、上式から35[℃]未満と設定できる。
この後、図7に示すように、上型21と下型22を近接させて電池外装材3A,3Bを加圧するともとに、封止用ヒータ23A,23Bにより加熱しつつ冷却プレート24A,24Bによって冷却する。この封止用ヒータ23A,23Bによる加圧および加熱より、互いに接する2つの溶着樹脂層10A,10Bが溶融し、薄く変形して外周の端部方向へ移動する。同時に、冷却プレート24A,24Bによって溶着樹脂層10A,10Bは端部側で温度が下がり、溶融温度Tmよりは低く熱変形温度Tsよりは高い熱変形が可能な温度まで下がっている。更に加圧、加熱および冷却を継続すると、図8に示すように、電池外装材3A,3Bから食み出した溶着樹脂層10A,10Bが、冷却プレート24A,24Bおよび、軟化して食み出す樹脂の食み出し方向に設けられる側壁部27によって形成される成形空間28において成形される。溶着樹脂層10が端部から食み出す際には、冷却プレート24A,24Bによって溶着樹脂層10の温度が溶融温度Tmよりも低くなるため、過度な食み出しが抑制され、また、溶着樹脂層10A,10Bの温度が熱変形が可能な温度であるため、成形空間28内で電池外装材3A,3Bの端部を覆うように熱変形して成形される。またこの過程によって、2つの溶着樹脂層10A,10Bが溶着して一体化され、発電要素4および電解液が電池ケース内に封止される。
従来では、図15(A)に示すように、溶融した溶着樹脂層52が端部から食み出してヒータ53に付着しないよう、電池外装材51の外周部にヒータ53と接しない未溶着部54を設けて溶着する方法が行われているが、この方法では、図15(B)に示すように、溶融した溶着樹脂層52が端部方向へ押し出されて端部が盛り上がり、未溶着部54の厚さが厚くなってしまう。また、未溶着部54を設けるために、溶着される封止幅の他に余裕寸法が必要となり、電池が大きくなってしまう。
しかし、本実施形態によれば、封止部の端部が冷却プレート24A,24Bにより加圧されるため、端部の厚さが厚くならない。また、食み出す溶着樹脂は、冷却プレート24A,24Bに接する際に溶融温度よりも低くなっており、更に接した後に冷却されて固まるため、溶着樹脂が冷却プレート24A,24Bに付着しない。
<第2実施形態>
図9は第2実施形態に係る薄型電池の製造装置の部分斜視図、図10は同製造装置の内部構造を示す概念図である。なお、第1の実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
第2実施形態では、製造装置30の冷却構造のみが第1実施形態と異なる。
上型21および下型22の冷却プレート24A,24Bには、熱電素子(ペルチェ素子)31が内蔵されており、電流を流すことによって、ペルチェ効果により冷却プレート24A,24Bを冷却できる。
<第3実施形態>
図11は第3実施形態に係る薄型電池の製造装置の部分断面図、図12は同製造装置により電池外装材を溶着する途中過程を示す部分断面図、図13は同製造装置により電池外装材が溶着された際を示す部分断面図、図14は同製造装置の封止用ヒータおよび冷却プレートに流れる電流の時間との関係を示すグラフである。なお、第1の実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
第3実施形態では、図11に示すように、製造装置40の冷却構造が第2実施形態と同様の熱電素子31によるものであり、さらに、冷却プレート41A,41Bが封止用ヒータ42A,42Bと独立して形成される。したがって、冷却プレート41A,41Bは、単独で電池外装材3A,3Bを加圧して冷却することができる。断熱材43A,43Bは、本実施形態では冷却プレート41A,41Bに連結されているが、封止用ヒータ42A,42B側に連結して設けてもよい。
第3実施形態に係る製造装置40により溶着を行う際には、図14に示すようにまず冷却プレート41A,41Bの熱電素子31に電流を流すことにより冷却プレート41A,41Bを冷却し、図12に示すように冷却プレート41A,41Bを近接させて電池外装材3A,3Bを加圧するとともに冷却する。
この後、図14のように封止用ヒータ42A,42Bに電流を流して封止用ヒータ42A,42Bを加熱し、図13に示すように封止用ヒータ42A,42Bを近接させて電池外装材3A,3Bを加圧するとともに加熱する。これにより、封止用ヒータ42A,42Bに対応する部位の溶着樹脂層10A,10Bが溶融温度Tmを超え、冷却プレート41A,41Bに対応する部位の溶着樹脂層10A,10Bでは、溶着樹脂層10A,10Bの溶融温度Tmと熱変形温度Tsの間に冷却される。これにより、第1実施形態と同様に、溶着樹脂層10が成形空間28内で電池外装材3A,3Bの端部を覆うように熱変形して成形されるとともに、2つの溶着樹脂層10A,10Bが溶着して一体化され、発電要素4等の収容物が電池ケース内に封止される。
第3実施形態によれば、冷却プレート41と封止用ヒータ42が別個に設けられるため、それぞれの部材による電池外装材3の加圧を、最適な加圧力で実施することができる。
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、第3実施形態における冷却構造を、第1実施形態と同様に冷媒によるものとすることもできる。また、薄型電池1は、必ずしも矩形でなくてもよい。
第1実施形態に係る薄型電池を示す斜視図である。 第1実施形態に係る薄型電池の分解斜視図である。 電気外装材が重ねられた際を示す部分断面図である。 ラミネートフィルムの成形方法を示す側面図である。 本実施形態に係る薄型電池の製造装置の部分斜視図である。 同製造装置の部分断面図である。 薄型電池の製造装置により電池外装材を溶着する途中過程を示す部分断面図である。 同製造装置により電池外装材が溶着された際を示す部分断面図である。 第2実施形態に係る薄型電池の製造装置の部分斜視図である。 同製造装置の内部構造を示す概念図である。 第3実施形態に係る薄型電池の製造装置の部分断面図である。 同製造装置により電池外装材を溶着する途中過程を示す部分断面図である。 同製造装置により電池外装材が溶着された際を示す部分断面図である。 同製造装置の封止用ヒータおよび冷却プレートに流れる電流の時間との関係を示すグラフである。 従来の薄型電池の製造装置を示す部分断面図であり、(A)は溶着前、(B)は溶着後を示す。
符号の説明
1 薄型電池、
3A,3B 電池外装材、
4 発電要素、
8A,8B 金属箔層
9A,9B 表面樹脂層、
10A,10B 溶着樹脂層、
20,30,40 薄型電池の製造装置、
23A,23B,42A,42B 封止用ヒータ、
24A,24B,41A,41B 冷却プレート、
25A,25B,43A,43B 断熱材、
27 側壁部、
28 成形空間、
C 比熱、
d 溶着樹脂層厚さ、
h 熱伝達率、
L 接触長さ、
t 冷却時間、
Tc 冷却プレート温度、
Tm 溶融温度、
Ts 熱変形温度、
W シール長さ。

Claims (15)

  1. 金属箔に樹脂層を積層したラミネートフィルムを所定寸法に裁断してなる電池外装材で発電要素を覆い、当該電池外装材の外周を溶着することによって電池ケースを形成し、当該電池ケースの内部に発電要素を内封して形成される薄型電池の製造方法であって、
    前記電池外装材の外周における端部から所定長さよりも内側を加圧および加熱して溶着しつつ、前記電池外装材の外周における加熱する部位の外側を加圧および冷却することを特徴とする薄型電池。
  2. 前記電池外装材の外周を溶着するための封止用ヒータと近接する冷却プレートにより、当該電池外装材を冷却するとともに加圧し、溶着の際に電池外装材の端部から軟化して食み出す溶着樹脂を、冷却プレートにより成形することを特徴とする請求項1に記載の薄型電池の製造方法。
  3. 前記冷却プレートは、前記封止用ヒータと独立して前記電池外装材を任意の加圧力で加圧できることを特徴とする請求項2に記載の薄型電池の製造方法。
  4. 前記電池外装材における前記冷却プレートが接する部位に対応する樹脂層が、溶融温度と熱変形温度の間の温度となるように、前記冷却プレートの温度を制御することを特徴とする請求項2〜3のいずれか1項に記載の薄型電池の製造方法。
  5. 前記冷却プレートと封止用ヒータの間に、断熱材を配置させることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の薄型電池の製造方法。
  6. 前記冷却プレートは、冷媒により冷却されることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の薄型電池の製造方法。
  7. 前記冷却プレートは、ぺルチェ素子により冷却されることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の薄型電池の製造方法。
  8. 前記冷却プレートは、封止用ヒータの加熱開始より前に冷却開始されることを特徴とする請求項2〜7のいずれか1項に記載の薄型電池の製造方法。
  9. 金属箔に樹脂層を積層したラミネートフィルムを所定寸法に裁断してなる電池外装材で発電要素を覆い、当該電池外装材の外周を溶着することによって電池ケースを形成し、当該電池ケースの内部に発電要素を内封して形成される薄型電池であって、
    前記電池外装材の外周における端部から所定長さよりも内側を加圧および加熱して溶着しつつ、前記電池外装材の外周における加熱する部位の外側を加圧および冷却し、当該電池外装材の端部から軟化して食み出す樹脂が成形されたことを特徴とする薄型電池。
  10. 前記電池外装材の端部から食み出す樹脂が、電池外装材の外周における端部において、電池外装材の厚さ方向の全面を覆って成形されてなることを特徴とする請求項9に記載の薄型電池。
  11. 金属箔に樹脂層を積層したラミネートフィルムを所定寸法に裁断してなる電池外装材で発電要素を覆い、当該電池外装材の外周を溶着することによって電池ケースを形成し、当該電池ケースの内部に発電要素を内封して形成される薄型電池の製造装置であって、
    前記電池外装材の外周における端部から所定長さよりも内側を加圧および加熱して溶着する封止用ヒータと、
    前記電池外装材の外周における加熱する部位の外側を加圧および冷却する冷却プレートと、を有することを特徴とする薄型電池の製造装置。
  12. 前記冷却プレートには、軟化して食み出す樹脂の食み出し方向に設けられ、食み出した樹脂を成形する側壁部が設けられることを特徴とする請求項11に記載の薄型電池の製造装置。
  13. 前記冷却プレートと封止用ヒータの間に、断熱材が配置されることを特徴とする請求項11または12に記載の薄型電池の製造装置。
  14. 前記冷却プレートは、冷媒により冷却されることを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の薄型電池の製造装置。
  15. 前記冷却プレートは、ぺルチェ素子により冷却されることを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の薄型電池の製造装置。
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