JP2012216511A - ラミネート式電池の外装材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のラミネート式電池の外装材の製造方法では、潤滑油を供給しながら絞り加工を行うので、当該絞り加工により製造した外装材を用いてラミネート式電池を構成した場合に、電池内部に潤滑油が混入する可能性がある。
【解決手段】本発明によるラミネート式電池の外装材の製造方法は、表裏一方の面に熱可塑性樹脂層３０が設けられるとともに表裏他方の面に潤滑皮膜３１が設けられたオーステナイト系のステンレス鋼箔３２を素材とし、熱可塑性樹脂層３０が設けられた面がパンチ４２に対向するようにステンレス鋼箔３２を配置し、パンチ４２の肩部４２ｃが接触するステンレス鋼箔３２の環状領域３２ａを２０℃以下とするとともに、環状領域３２ａの外部領域３２ｂを４０℃以上かつ１００℃以下の温度とした状態で、潤滑油を使用せずにステンレス鋼箔３２に対して絞り加工を施す。
【選択図】図４

Description

本発明は、ラミネート式電池の外装材の製造方法に関し、特に、表裏一方の面に熱可塑性樹脂層が設けられるとともに表裏他方の面に潤滑皮膜が設けられたオーステナイト系のステンレス鋼箔を素材とし、この素材に適した温度条件にて潤滑油を使用せずに絞り加工を行うようにすることで、電池の大容量化に対応できるとともに、ラミネート式電池の内部に不純物が混入する可能性を低減できるようにするための新規な改良に関するものである。

近年、例えばリチウム電池等の二次電池の形態の１つとして、外装材（ラミネートシート）により電池要素を封止するラミネート式電池が注目されている。下記の特許文献１には、オーステナイト系のステンレス鋼箔を素材とし、常温のステンレス鋼箔に対して絞り加工を施すことで、電池要素を収容するための張出部が形成された外装材を製造することが開示されている。このように、ステンレス鋼箔を素材とする外装材を用いることで、軽量かつ高強度のラミネート式電池を構成できる。

このようなラミネート式電池は、電気自動車等に適用されるものであり、電気自動車の航続距離を長くする等の目的のために大容量であることが望まれる。ラミネート式電池の容量を大きくするためには、より大きな電池要素を収容できる空間を確保する必要があるが、上記のような構成では、常温のステンレス鋼箔に対して絞り加工を施すようにしているので、深い張出部を形成しようとすると、割れ等の成形不良が発生してしまう。

下記の特許文献２には、オーステナイト系のステンレス鋼板に絞り加工を施す際に、パンチに接触するステンレス鋼箔の領域を冷却するとともに、その外部領域を加熱し、潤滑油を供給しながらパンチをステンレス鋼箔に押し込む温間加工を行うことで、深絞りを実現する構成が開示されている。

特開２００４−５２１００号公報 特開２００９−１１３０５８号公報

本出願人は、特許文献１に記載されたようなラミネート式電池の外装材を製造するに当り、特許文献２に記載されたような絞り加工を適用することを検討したが、以下の課題が生じることが判明した。すなわち、上記の特許文献２に記載された方法では、潤滑油を供給しながら絞り加工を行うので、絞り加工後に脱脂洗浄を行う必要があるが、当該絞り加工により製造した外装材を用いてラミネート式電池を構成した場合に、電池内部に潤滑油や潤滑油に付着した埃等が混入する可能性があり、不具合の原因になってしまう。一方で、単純に潤滑油を使用しないようにしても、材料をスムーズに移動させることができなくなり、深絞りが実現できない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電池の大容量化に対応できるとともに、ラミネート式電池の内部に不純物が混入する可能性を低減できるラミネート式電池の外装材の製造方法を提供することである。

本発明に係るラミネート式電池の外装材の製造方法は、表裏一方の面に熱可塑性樹脂層が設けられるとともに表裏他方の面に潤滑皮膜が設けられたオーステナイト系のステンレス鋼箔を素材とし、熱可塑性樹脂層が設けられた面がパンチに対向するようにステンレス鋼箔を配置し、パンチの肩部が接触するステンレス鋼箔の環状領域を２０℃以下とするとともに、環状領域の外部領域を４０℃以上かつ１００℃以下の温度とした状態で、潤滑油を使用せずにステンレス鋼箔に対して絞り加工を施すことで、電池要素を収容するための張出部が形成されたラミネート式電池の外装材を製造するものである。

本発明のラミネート式電池の外装材の製造方法によれば、表裏一方の面に熱可塑性樹脂層が設けられるとともに表裏他方の面に潤滑皮膜が設けられたオーステナイト系のステンレス鋼箔を素材とし、この素材に適した温度条件にて潤滑油を使用せずに絞り加工を行うので、加熱により軟化された熱可塑性樹脂層及び潤滑皮膜が従来の潤滑油の機能を果たすことにより、潤滑油を使用せずに深絞りを実現できる。これにより、電池の大容量化に対応できるとともに、ラミネート式電池の内部に不純物が混入する可能性を低減できる。

本発明の実施の形態１によるラミネート式電池を示す斜視図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 図２の第１及び第２外装材の断面図である。 図２の第２外装材を製造するためのラミネート式電池の外装材の製造方法の実施に用いられる金型を示す構成図である。 本実施の形態のラミネート式電池の外装材の製造方法を適用した場合の絞り加工性を示す説明図である。 潤滑油を用いた場合の絞り加工性を示す説明図である。 本実施の形態のラミネート式電池の外装材の製造方法を省Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼箔に適用した場合の絞り加工性を示す説明図である。 省Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼箔に対して潤滑油を用いた場合の絞り加工性を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるラミネート式電池を示す斜視図である。図において、電池ケース２の内部には電池要素１が格納されている。周知のように、電池要素１は、正電極、負電極、及びセパレータの積層体であり、電解液に浸されているものである。電池要素１には、一対のタブ３（正電極及び負電極の引出端子）が接続されている。タブ３は、電池ケース２の外部へと引き出されており、図示しない外部電源又は外部負荷に接続される。電池ケース２には、複数の取付孔２ａが設けられている。取付孔２ａは、例えば電気自動車等の取付対象にラミネート式電池を取付けるためのものである。

次に、図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。図に示すように、電池ケース２は、平板状の第１外装材２０と、張出部２１ａが設けられた第２外装材２１とが含まれている。電池要素１は、第２外装材２１の張出部２１ａと第１外装材２０とによって形成された収容空間２２に収容されている。すなわち、張出部２１ａは、電池要素１を収容するためのものである。なお、後に図を用いて詳しく説明するが、張出部２１ａは絞り加工により形成されるものである。

次に、図３は、図２の第１及び第２外装材２０，２１の断面図である。図に示すように、第１及び第２外装材２０，２１は、表裏一方の面に熱可塑性樹脂層３０（ラミネート層）が設けられるとともに表裏他方の面に潤滑皮膜３１が設けられたステンレス鋼箔３２を素材としている。

熱可塑性樹脂層３０は、１２０〜２００℃程度まで熱せられると溶融する樹脂により構成された６０μｍ程度の樹脂層である。第１及び第２外装材２０，２１の熱可塑性樹脂層３０が互いに重ね合わされた状態で、第１及び第２外装材２０，２１を押さえつつ第１及び第２外装材２０，２１に熱が加えられて、第１及び第２外装材２０，２１の熱可塑性樹脂層３０が互いに熱融着される（ヒートシールされる）ことで、図１に示す電池ケース２が形成される。この熱可塑性樹脂層３０としては、例えば、熱融着絶縁性フィルムであるポリエチレンフィルム若しくはポリプロピレンフィルムなどを単独で用いてもよいし、又はステンレス鋼箔３２の接合部分にポリエチレンテレフタレートフィルムを接合し、このフィルム上にポリエチレンフィルム若しくはポリプロピレンフィルム等の熱融着絶縁性フィルムを積層して形成してもよい。

潤滑皮膜３１は、優れた成形性や耐薬品性を外装材２０，２１に付与するために設けられた２μｍ程度の層である。この潤滑皮膜３１としては、例えば本出願人が特開２００８−３０７０９２号公報にて開示する樹脂皮膜、すなわち、ポリビニルアルコール樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂から選ばれた一種又は二種以上から成膜された樹脂皮膜あって、当該樹脂の総分子量に占めるＯＨ基の分子量の割合が０．２以上であるもの等を用いることができる。

ステンレス鋼箔３２としては、１０〜４００μｍ程度のオーステナイト系のステンレス鋼板が用いられる。オーステナイト系ステンレス鋼は、常温でひずみが加わるとオーステナイトが不安定な鋼種ほどオーステナイトがマルテンサイト変態しやすいため、加工硬化と合わせて変態硬化により著しく硬質化する性質を有している。このため、後述のパンチ４２（図４参照）の肩部４２ｄが接触するステンレス鋼箔３２の環状領域を冷却して高強度を維持しつつ、その外部領域を加熱してマルテンサイト変態による硬質化を抑止するようにすることで、絞り加工性を大幅に向上できる。

次に、図４は、図２の第２外装材２１を製造するためのラミネート式電池の外装材の製造方法の実施に用いられる金型４を示す構成図である。図に示すように、金型４には、ステンレス鋼箔３２を挟むように配置された下型４０及び上型４５が設けられている。下型４０には、ベッド４１と、ベッド４１に固定されたパンチ４２と、パンチ４２の外周位置に配置されるとともにクッションピン４３を介してベッド４１に連結されたブランクホルダ４４とが設けられている。上型４５には、スライド４６と、ブランクホルダ４４の上方に配置されるとともに、スペーサ４７を介してスライド４６に固定されたダイ４８とが設けられている。

スライド４６には、図示しないサーボモータが接続されている。スライド４６、スペーサ４７、及びダイ４８、すなわち上型４５は、サーボモータからの駆動力により、下型４０に対して近づく方向及び離れる方向に一体に駆動される。上型４５が下型４０に対して近づく方向に変位されることで、パンチ４２がステンレス鋼箔３２とともにダイ４８の内側に押し込まれ、絞り加工が実施される。

パンチ４２には、図示しない外部冷媒系に接続された導入路４２ａと、導入路４２ａを通して冷媒が導入される冷却室４２ｂと、冷却室４２ｂからの冷媒を排出する排出路４２ｃとが設けられている。すなわち、パンチ４２は、冷却室４２ｂへの冷媒の導入により冷却可能とされている。この冷却されたパンチ４２がステンレス鋼箔３２に接触されることにより、パンチ４２の肩部４２ｄが接触するステンレス鋼箔３２の環状領域３２ａが冷却される。なお、ステンレス鋼箔３２の冷却範囲は、少なくとも環状領域３２ａが冷却されればよく、環状領域３２ａだけでなく環状領域３２ａの内側領域を含めて冷却してもよい。本実施の形態では、パンチ４２によりステンレス鋼箔３２を冷却するように構成しているため、環状領域３２ａだけではなく、環状領域３２ａの内部領域まで冷却される。

なお、図示していないが、スプリング等を介してスライドに連結されたカウンターパンチをパンチに対向する位置に配置するとともに、冷媒が導入される冷却室をカウンターパンチに設けることで、ステンレス鋼板３２の冷却効果をより高めることができる。

ブランクホルダ４４及びダイ４８には、これらブランクホルダ４４及びダイ４８を加熱するためのヒータ４４ａ，４８ａが内蔵されている。これらの加熱されたブランクホルダ４４及びダイ４８によってステンレス鋼箔３２が挟持されることにより、環状領域３２ａの外部領域３２ｂが加熱される。

次に、図４の金型４を用いてのラミネート式電池の外装材の製造方法について説明する。図２に示す張出部２１ａを有する第２外装材２１を製造する場合、上型４５が下型４０から離間されている状態のときに、熱可塑性樹脂相３０が設けられた面がパンチ４２に対向するようにステンレス鋼箔３２をパンチ４２及びブランクホルダ４４の上に載置して、その後にブランクホルダ４４及びダイ４８によりステンレス鋼箔３２が挟持される位置まで上型４５を降下させる。ステンレス鋼箔３２の載置方向を、熱可塑性樹脂相３０が設けられた面がパンチ４２に対向する方向とするのは、図２に示すように、第１外装材２０と第２外装材２１とを熱可塑性樹脂相３０により熱融着するためである。なお、パンチ４２を上方に配置するとともに、ダイ４８を下方に配置している場合には、ステンレス鋼箔３２はダイ４８上に載置される。

このとき、パンチ４２を冷却するとともにブランクホルダ４４及びダイ４８を加熱することで、ステンレス鋼箔３２の環状領域３２ａを２０℃以下かつ０℃以上にするとともに、ステンレス鋼箔３２の外部領域３２ｂを４０℃以上かつ１００℃以下、好ましくは６０℃以上かつ１００℃以下、より好ましくは６０℃以上かつ８０℃以下とする。

環状領域３２ａを２０℃以下としているのは、２０℃よりも高くすると、マルテンサイト変態によるパンチ部の破断強度の上昇が十分に得られなくなるためである。また、環状領域３２ａを０℃以上としているのは、環状領域を０℃未満にすると、パンチ４２や環状領域に霜が付着して成型品の形状性を損なうためであるとともに、離型時に温度収縮により成型品が潰れるおそれがあるである。

外部領域３２ｂを４０℃以上としているのは、外部領域３２ｂの温度を４０℃未満にすると、マルテンサイト変態による硬質化を抑止する効果が十分に得られないためである。また、外部領域３２ｂを１００℃以下としているのは、外部領域の温度を１００℃よりも高くすると、熱可塑性樹脂層３０が溶融してしまうおそれがあるためである。熱可塑性樹脂層３０の溶融を回避することで、第１外装材２０と第２外装材２１とのヒートシール性能を維持できる。さらに、外部領域の温度を４０℃以上かつ１００℃以下とすることで、熱可塑性樹脂層３０を溶融させることなく軟化させた状態とすることができるためである。このように熱可塑性樹脂層３０を軟化させることで、熱可塑性樹脂層３０の潤滑性を引き出している。

環状領域３２ａ及び外部領域３２ｂの温度を上述のような温度とした後に、上型４５をさらに降下させる。これにより、パンチ４２がステンレス鋼箔３２とともにダイ４８の内側に押し込まれ、絞り加工が実施されて、張出部２１ａを有する第２外装材２１が製造される。このような絞り加工の全体を通して、潤滑油は使用しない。

次に、図５は、本実施の形態のラミネート式電池の外装材の製造方法を適用した場合の絞り加工性を示す説明図である。本出願人は、図４に示す構成で円形状の金型４を用いてφ４０の張出部２１ａを有する外装材２１の製造を種々の絞り比（素材の直径／加工品の直径）の条件で試みた。なお、熱可塑性樹脂層３０としては、６０μｍのポリプロピレンフィルム（酸変性ポリプロピレン（厚み３０μｍ、融点１２０℃）＋単独重合ポリプロピレン（厚み３０μｍ、融点１６０℃））を用い、潤滑皮膜３１としては、ワックスを１０％添加した２μｍの水系ウレタン樹脂膜を用い、ステンレス鋼箔３２としては、板厚１００μｍのオーステナイト系のステンレス鋼箔（ＳＵＳ３０４）を用いた。また、パンチ４２の直径を４０．０ｍｍとし、パンチ肩部Ｒを２．５ｍｍとし、ダイ４８の穴径を４０．４ｍｍとし、ダイ肩Ｒを２．０ｍｍとした。

このような条件の下、環状領域３２ａ（パンチ４２）の温度を１０℃とし、外部領域３２ｂ（ブランクホルダ４４及びダイ４８）の温度を常温（２５℃）から１００℃まで変化させて絞り加工を行った。図５に示すように、常温では絞り比２．１の加工を行った場合でも成形不良が生じた。しかしながら、外部領域３２ｂの温度を４０℃以上かつ１００℃以下の範囲とした場合には、より大きな絞り比の加工を行った場合でも、成形できた。この結果から、本実施の形態の温度条件を適用することにより、潤滑油を使用せずに深絞りを実現できることが分った。

次に、図６は、潤滑油を用いた場合の絞り加工性を示す説明図である。本出願人は、比較例として、熱可塑性樹脂層３０及び潤滑皮膜３１が設けられていない板厚１００μｍのオーステナイト系のステンレス鋼箔（ＳＵＳ３０４）に対して、従来技術のように潤滑油を供給しながら絞り加工を施した。図６に示すように、潤滑油を用いた場合には、本実施の形態の方法を適用した場合に比べて、成形できる絞り比の上限が低かった。これは、本実施の形態の温度範囲においては、加熱により軟化された熱可塑性樹脂層３０及び潤滑皮膜３１の方が、潤滑油よりも優れた潤滑性を有しているためと考えられる。この結果から、熱可塑性樹脂層３０及び潤滑皮膜３１が設けられたオーステナイト系のステンレス鋼箔３２を素材とし、この素材に対して温間加工を施すことの優位性が分った。

次に、図７は、本実施の形態のラミネート式電池の外装材の製造方法を省Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼箔に適用した場合の絞り加工性を示す説明図である。本出願人は、ステンレス鋼箔３２として、板厚１００μｍの省Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼箔（１６Ｃｒ−２．５Ｎｉ−３Ｍｎ−３Ｃｕ）を用いた場合についても加工性を調査した。図７に示すように、常温では絞り比２．１の加工を行った場合でも成形不良が生じたが、外部領域３２ｂの温度を４０℃以上かつ１００℃以下の範囲とした場合には、より大きな絞り比の加工を行った場合でも成形できた。この結果から、本実施の形態の温度条件を適用することにより、省Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼箔であっても潤滑油を使用せずに深絞りを実現できることが分った。なお、図７で示す実施例の加工条件は、ステンレス鋼箔３２の素材を除いて図５で示す実施例の加工条件と同じである。

次に、図８は、省Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼箔に対して潤滑油を用いた場合の絞り加工性を示す説明図である。図６の比較例と同様に、熱可塑性樹脂層３０及び潤滑皮膜３１が設けられていない板厚１００μｍの省Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼箔に対して、従来技術のように潤滑油を供給しながら絞り加工を施した。図８に示すように、潤滑油を用いた場合には、本実施の形態の方法を適用した場合に比べて、成形できる絞り比の上限が低かった。これは、本実施の形態の温度範囲においては、加熱により軟化された熱可塑性樹脂層３０及び潤滑皮膜３１の方が、潤滑油よりも優れた潤滑性を有しているためと考えられる。この結果から、省Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼箔を素材とした場合でも、温間加工を施すことが優位であることが分った。

このようなラミネート式電池の外装材の製造方法では、表裏一方の面に熱可塑性樹脂層３０が設けられるとともに表裏他方の面に潤滑皮膜３１が設けられたオーステナイト系のステンレス鋼箔３２を素材とし、この素材に適した温度条件にて潤滑油を使用せずに絞り加工を行うようにすることで、電池の大容量化に対応できるとともに、ラミネート式電池の内部に不純物が混入する可能性を低減できる。また、十分な深さの張出部２１ａが設けられた外装材２１を製造できるため、平板状の第１外装材２０と貼り合わせても十分な収容空間２２を確保できる。絞り加工を施すことにより外装材に歪みが生じるため、張出部を有する外装材同士を貼り合わせようとすると歪みにより貼合わせ不良が発生する場合もあるが、本実施の形態のように一方の外装材２０を平板状とすることで、貼合わせ不良が発生する可能性を低減できる。

なお、実施の形態では、パンチ４２を冷却するとともにブランクホルダ４４及びダイ４８を加熱することで、ステンレス鋼箔３２の環状領域３２ａを２０℃以下かつ０℃以上にするとともに、ステンレス鋼箔３２の外部領域３２ｂを４０℃以上かつ１００℃以下とするように説明しているが、環状領域及び外部領域の温度を所定温度にする方法はこれに限定されず、例えば素材となるステンレス鋼箔全体を加熱した後に、パンチとは別の冷却体を環状領域に押し当てる等の方法も採りうる。

１ 電池要素
２０，２１ 第１及び第２外装材
２１ａ 張出部
３０ 熱可塑性樹脂層
３１ 潤滑皮膜
３２ ステンレス鋼箔
３２ａ 環状領域
３２ｂ 外部領域
４２ パンチ
４２ｄ 肩部

Claims (1)

1. 表裏一方の面に熱可塑性樹脂層（３０）が設けられるとともに表裏他方の面に潤滑皮膜（３１）が設けられたオーステナイト系のステンレス鋼箔（３２）を素材とし、前記熱可塑性樹脂層（３０）が設けられた面がパンチ（４２）に対向するように前記ステンレス鋼箔（３２）を配置し、前記パンチ（４２）の肩部（４２ｄ）が接触する前記ステンレス鋼箔（３２）の環状領域（３２ａ）を２０℃以下とするとともに、前記環状領域（３２ａ）の外部領域（３２ｂ）を４０℃以上かつ１００℃以下の温度とした状態で、潤滑油を使用せずに前記ステンレス鋼箔（３２）に対して絞り加工を施すことで、電池要素（１）を収容するための張出部（２１ａ）が形成されたラミネート式電池の外装材（２１）を製造することを特徴とするラミネート式電池の外装材の製造方法。

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