JP2013143336A - 袋詰電極の製造方法、袋詰電極、二次電池、熱溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱層付きのセパレータを接合することのできる袋詰電極の製造方法を提供する。
【解決手段】耐熱層４９を介して樹脂材料からなるセパレーター層４８が重ね合わされている部分を一対の溶着チップ１２０により挟んで加圧および加熱する。このとき溶着チップ１２０によって耐熱層４８が破壊されて、これを加熱すると破壊部分２００からセパレーター層４８の樹脂が溶けて接合する。
【選択図】図８

Description

本発明は、袋詰電極の製造方法、袋詰電極、二次電池、熱溶着装置に関し、詳しくはセパレーターを袋状にしてその中に電極を入れた袋詰電極の製造方法、この製造方法により製造された袋詰電極、この袋詰電極を用いた二次電池、この袋詰電極の製造に用いる熱溶着装置に関する。

従来から二次電池の中には、二次電池内部の耐熱性を向上させるために、袋状セパレーターに収納された正極と袋状セパレーターに収納された負極の間に耐熱層を設けて、袋状セパレーターに収納された正極、耐熱層、袋状セパレーターに収納された負極の順に積層した二次電池がある（特許文献１）。

特許３５８４５８３号公報

特許文献１のような耐熱層を用いると、積層の際、セパレーターの積層工数削減を狙って、正極を２枚のセパレーターに挟んで袋詰、負極を２枚のセパレーターに挟んで袋詰にした状態で順番に積層しようと思っても、耐熱層を更に別に積層しなければならないので、その分積層工数が余計に増えてしまうという問題がある。

そこで本発明の目的は、耐熱層を袋詰電極と一体化することにあり、耐熱層が袋詰電極を構成する電極と２枚のセパレーターのそれぞれとの間に介在していても、セパレーター同士を確実に接合することのできる袋詰電極の製造方法と、それにより製造された袋詰電極、この袋詰電極を有する二次電池を提供することである。さらに本発明の他の目的は、耐熱層が介在しているセパレーター同士を確実に熱溶着することのできる熱溶着装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の袋詰電極の製造方法は、樹脂材料からなる２枚のセパレーター層の間に電極を配置すると共に、この２枚のセパレーター層のうち少なくとも一方のセパレーター層と電極との間に耐熱層を配置して積層する。そして電極より外側で耐熱層を介してセパレーター層同士が重ね合わされている部分を一対の溶着チップにより挟んで加圧および加熱して、この重ね合わされている部分の耐熱層を破壊させて接合する。

また、本発明の袋詰電極は、上記袋詰電極の製造方法により製造された袋詰電極であって、樹脂材料からなる２枚セパレーター層の間に配置されている電極と、前記２枚のセパレーター層のそれぞれと前記電極との間に配置されている耐熱層と、前記電極より外側で前記耐熱層を介して前記２枚のセパレーター層同士が重ね合わされている部分の耐熱層が破壊されていてセパレーター層の樹脂成分が固着している接合部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の二次電池は、上記袋詰電極と、前記袋詰電極の極性の異なる極性の電極と、を積層した発電要素を有することを特徴とする。

本発明によれば、樹脂材料からなるセパレーター層同士が間に耐熱層を介して重ね合わされている部分を一対の溶着チップにより挟んで加圧および加熱する。このとき溶着チップが耐熱層を押して破壊する。そして加熱により溶けた樹脂は破壊部分から混ざり合って固着するようになり、確実にセパレーター同士を接合することができる。よって、袋詰電極と耐熱層が一体化され、耐熱層を別に積層する必要がなくなり、電極の積層工数が削減される。

本実施形態における二次電池の外観を表した斜視図である。 本実施形態における二次電池の分解斜視図である。 本実施形態における二次電池に採用されている袋詰正極（袋詰電極）の説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 本実施形態における二次電池に採用されている負極の平面図である。 本実施形態における二次電池の内部構成を説明するための要部断面図である。 熱溶着装置を説明するための概略図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 溶着チップを説明するための図であり、（Ａ）は溶着チップの表面を示す平面図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は側面図である。 熱溶着装置の溶着治具に２枚の耐熱層付セパレーターを挟み込んだ状態を示す拡大断面図であり、（Ａ）は加圧前の状態を示す要部拡大断面図、（Ｂ）は加圧後の状態を示す要部拡大断面図である。 袋詰正極の接合部を示す図面代用写真である。 剥離試験の方法を説明するための概略図である。 溶着した部分の表面を示す図面代用写真である。 金属網を貼り付けた溶着チップ表面を示す図面代用写真である。 剥離試験の結果を示すグラフである。 ＰＴＦＥフィルム粘着テープを貼り付けた溶着チップの構成を示す要部断面図である。 くぼみを設けた溶着チップ面を示す平面図である。 接合部表面に付いた圧痕を示す図面代用写真である。 比較例による溶着動作後の接合部表面を示す図面代用写真である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面における各部材の大きさや比率は説明の都合上誇張されており、実際の大きさや比率とは異なることがある。

以下では、まず、本実施形態による二次電池について説明し、次にこの二次電池に用いられる袋詰電極を製造するための熱溶着装置とこの装置を用いた袋詰電極の製造方法について説明する。

（二次電池）
図１は本実施形態における二次電池の外観を表した斜視図ある。図２は本実施形態における二次電池の分解斜視図である。図３は本実施形態における二次電池に採用されている袋詰正極（袋詰電極）の説明図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図４は本実施形態における二次電池に採用されている負極の平面図である。図５は本実施形態における二次電池の内部構成を説明するための要部断面図である。

二次電池１０は、図１に示すとおり、扁平な矩形形状を有しており、正極リード１１および負極リード１２が外装材１３の同一端部から導出されている。外装材１３の内部には、充放電反応が進行する発電要素１５が収容されている。

発電要素１５は、図２に示すとおり、袋詰正極２０と負極３０とが交互に積層されて形成される。

袋詰正極２０は、図３に示すように、２枚の耐熱層付セパレーター４０の端部を接合して袋状にし、その中に正極２２を収納した構造となっている。すなわち樹脂材料からなるセパレーター層４８と正極２２の間に耐熱層４９がある。セパレーター層４８および耐熱層４９はあらかじめ樹脂材料からなるセパレーター材の両面に耐熱層４９となるセラミック（耐熱材）をコーティングした３層構造である。ここではこのセパレーター層の両面に耐熱層をコーティングしたものを耐熱層付セパレーター４０という。

セパレーター層４８は、たとえば、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどのポリオレフィン系微多孔質樹脂によって形成されている。

正極２２は、ごく薄いシート状の正極集電体２１（集電箔）の両面に正極活物質層２４が形成されてなる矩形形状である。正極２２は、正極タブ２３以外の部分に正極活物質層２４が形成されている。

２枚の耐熱層付セパレーター４０は端部において接合部４２により相互に接合されて袋状に形成されている。したがって２枚の耐熱層付セパレーター４０は共に、正極２２よりも大きくできている（正極タブ２３部分を除く）。この袋詰正極２０の製造方法については後述する。

また、袋状の耐熱層付セパレーター４０の直線的に形成される辺４４Ａから正極タブ２３が引き出され、辺４４Ａの反対の辺４４Ｂに、部分的に突出する係合部４３が形成されている。係合部４３は、外装材１３内で外装材１３に係合することで、電池要素を外装材１３に対して固定する役割を果たす。

負極３０は、図４に示すように、矩形形状で形成され、ごく薄いシート状の負極集電体３１（集電箔）の両面に負極活物質層３４が形成されてなる。負極３０は、負極タブ３３以外の部分に負極活物質層３４が形成されている。

発電要素１５は、負極３０、袋詰正極２０が交互に積層されている。これにより、図５に示すように、負極３０と正極２２の間に耐熱層付セパレーター４０が介在して積層された構造となる。図５に示した端部では、外装材１３を封止する際に、外装材１３の間に耐熱層付セパレーター４０の係合部４３を挟んで接合し、封止している。積層された状態の正極タブ２３および負極タブ３３は、それぞれが正極リード１１および負極リード１２と共に接合している（図２参照）。なお、図５においては耐熱層付セパレーター４０のセパレーター層４８および耐熱層４９の構造は図示省略している。

袋詰正極２０に、負極３０を重ねると、負極活物質層３４は、正極２２の正極活物質層２４よりも平面視で一回り大きく形成されている。

このような袋詰正極２０と負極３０とを交互に積層してリチウムイオン二次電池を製造する方法自体は、一般的なリチウムイオン二次電池の製造方法であるため、詳細な説明は省略する。また、リチウムイオン二次電池に使用される、正極活物質、負極活物質、集電箔などの部材も一般的なリチウムイオン二次電池に使用されている材料が用いられるため、これらの詳細な説明も省略する。

（熱溶着装置）
次に熱溶着装置について説明する。

図６は、熱溶着装置を説明するための概略図であり、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は側面図である。

この熱溶着装置１００は、ワークを載置するステージ１０１と、ステージ１０１の外周の３辺に設けられた溶着治具１１０とを有する。ここでワークは、耐熱層付セパレーター４０、正極２２、および耐熱層付セパレーター４０が重ねられたものである。溶着治具１１０は、このワークの正極２２より外側でかつ耐熱層付セパレーター４０の端よりは内側に位置する。そして溶着治具１１０は２枚の耐熱層付セパレーター４０を上下から挟んで加圧、加熱して熱溶着するために、上溶着治具１１１と下溶着治具１１２からなる。少なくとも上溶着治具１１１は上下自在に構成されていて、ワークの搬入、搬出時は上方向に位置して、ワークの搬送の妨げにならないようになっている。そして溶着時にこの上溶着治具１１１が下溶着治具１１２方向に降りることで、接合部４２における２枚の耐熱層付セパレーター４０を上下から挟むように圧力を加える。なお、図示しないがワークを押さえる押さえ部材を有する。押さえ部材はワークの端部を溶着する際の邪魔にならない位置であればどこに設置されていてもよい。

上溶着治具１１１および下溶着治具１１２には、溶着する位置に対応させて溶着チップ１２０が設けられている。溶着チップ１２０の配置位置は、図３（Ａ）に示した接合部４２に対応する位置となる。上溶着治具１１１は溶着チップ１２０ごと上下する。一方、下溶着治具１１２における溶着チップ１２０は上下する必要はない、このため下溶着治具１１２についてはステージ１０１の周辺であって下溶着治具１１２に相当する位置に直接溶着チップ１２０を配置してもよい。

溶着チップ１２０は、全体が金属でできており、その内部に発熱体（電熱器）が設けれれていて、溶着チップ１２０全体が発熱する。溶着チップ１２０の金属は、たとえば、銅、ステンレス、鉄などである。そして上下にある溶着チップ１２０のうち、少なくとも一方の溶着チップ表面には凹凸面125が設けられている。

図７は、溶着チップ１２０を説明するための図で、（Ａ）は溶着チップ１２０の表面を示す平面図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は側面図である。

溶着チップ１２０の表面、すなわち、耐熱層付セパレーター４０の表面に当接する面は、図７に示すように、凹凸面１２５が形成されていて、複数の微小な凸部１２１が存在する。凸部１２１の大きさ、凸部１２１間の大きさ、および凸部１２１の高さは、溶着するセパレーター層の厚さと、それにコーティングされている耐熱層の厚さによって異なる。凸部１２１の高さは少なくとも耐熱層の厚さ以上、好ましくは耐熱層付セパレーター４０全体の厚さ以上である。後述するように、凸部１２１の役割は圧力を加えることでこの凸部１２１により耐熱層を部分的かつ微小領域において破壊するものである。このため凸部１２１の高さを少なくとも耐熱層４９の厚さ以上とすることで、セパレーター層４８の柔軟性（弾性）により耐熱層４９に凸部１２１がめり込むようになり破壊できるようになる。また、耐熱層付セパレーター４０全体の厚さ（セパレーター層４８と両面の耐熱層４９を合わせえた厚さ）以上とすることで、凸部１２１の食い込み量が大きくなって確実に耐熱層を部分的に破壊できるようになり好ましい。なお、凸部１２１の高さの上限は、上下一方の溶着チップ１２０にのみ凸部１２１を設けた場合には特に制限はなく、装置として構成しやすい大きさとすればよい。おおむね耐熱層付セパレーター４０全体の厚さの２倍程度もあれば十分である。これは上下で溶着チップ１２０を対向させてワークである２枚の耐熱層付セパレーター４０を挟むため、一方の面で支えられている以上に凸部１２１が食い込むことがないからである。なお、上下両方の溶着チップ１２０ともに凸部１２１を設けた場合は凸部同士が同じ位置にくる場合は同様にどのような高さでも差し支えない。ただし、上下両方の溶着チップ１２０の凸部１２１が互い違いに交差する場合は、凸部１２１が食い込み過ぎて耐熱層付セパレーター４０が破断しないような高さに制限する必要がある。この場合、上下共に耐熱層付セパレーター４０全体の厚さ程度（たとえば耐熱層付セパレーター４０全体の厚さの２倍程度）としておけば、耐熱層付セパレーター４０に破れが生じなくて好ましい。

また、各凸部１２１の先端は、鋭い角部や鋭角な形状とならないように、円弧形状または面取り加工されている。溶着チップ１２０の先端は耐熱層付セパレーター４０を変形させる役割があるが、刃物のように尖っていては耐熱層付セパレーター４０が切断されてしまう。このため凸部１２１と接触する部分が破れないように面取り加工しているのである。

凸部１２１の平面視の形状については、図では長円形（平面視で角が丸みを帯びた四角形）の場合を示したが、平面視で円形、楕円形などであってもよい。中でも、図示するように、平面視で長円形の凸部１２１が縦横に互い違いに配置されている構成が好ましい。このような構成とすることで、後に詳細に説明するが、耐熱層を破壊しつつセパレーター層４８同士の熱溶着を効率的に行うことができるようになる。

また、凸部１２１ではなく、たとえば微小な円形のくぼみ（いわゆるディンプル形状）を設けルコトで、凹凸面１２５を形成してもよい。さらに、馬蹄形の凸部形状、わらじ状の細かい凹凸、さらにストライプ状の長い凸形状などであってもよい。

（袋詰電極の製造方法）
上記の熱溶着装置１００を用いたに袋詰電極の製造方法について説明する。

図８は、熱溶着装置１００の溶着治具１１０に２枚の耐熱層付セパレーター４０を挟み込んだ状態を示す拡大断面図であり、図８（Ａ）は加圧前の状態を示す一つの凸部１２１を示した要部拡大断面図、図８（Ｂ）は加圧後の状態を示す要部拡大断面図である。

本実施形態では、図８に示すように、下溶着治具１１２側の溶着チップ１２０にのみ微小な凸部１２１を設けている。

ここで、今一度耐熱層付セパレーターの構造とその接合部４２について説明する。耐熱層付セパレーター４０の構造は、図３に示したように、１枚がセパレーター層４８とその両面の全面にコーティングされた耐熱層４９からなる。セパレーター層４８はたとえばポリオレフィン系樹脂材料からなり、周知のようにイオンを透過し、電気は通さない。このようなセパレーター層は１３０〜１８０℃程度で溶ける。一方、耐熱層４９はたとえば、多孔質セラミックでできており、電解液は透過するもののそのままではセパレーター層同士が接触しないようになっている。耐熱層は絶縁体である。このため、耐熱層は１８０℃程度のセパレーター層４８が溶ける温度では、溶けたり変形したりすることはない。このような耐熱層の耐熱温度はたとえば８００℃以上である。

この耐熱層４９は、二次電池１０に内部短絡が発生した場合に、内部短絡で発生した熱により樹脂材料よりなるセパレーター層が溶融しても、その部分で隣り合う正極２２と負極３０が直接接触してしまうのを防止している。

このような耐熱層付セパレーター４０の場合、袋詰めのために２枚の耐熱層付セパレーター４０の端部を単純に熱溶着しようとすると、熱を加えることで樹脂製のセパレーター層が溶けても、間に耐熱層があるため溶着しない。また熱を加えすぎた場合（高熱または長時間の加熱）セパレーター層部分が熱溶解してしまうだけで、これらが互いに接合することはない。

そこで、本実施形態では、上述した熱溶着装置１００を用いることで、凹凸面を有する溶着チプで接合部４２を加圧することにより、耐熱層を微小領域において破壊し、そのうえで熱を加えて溶着することとした。以下この方法について詳しく説明する。

まず、図８（Ａ）に示すよう、耐熱層付セパレーター４０、正極２２、および耐熱層付セパレーター４０の３層を配置したワークをステージ１０１上に置く。そして正極２２より外側で耐熱層付セパレーター同士が合わさっている周辺端部（すなわち耐熱層４９を介して樹脂材料からなる２枚のセパレーター層４８を重ね合わせた部分）を上溶着治具１１１および下溶着治具１１２によって挟み込む。その状態から上溶着治具１１１をさらに下に下げて加圧する。この加圧（図８（Ｂ）中の白抜き矢印Ｐ）により、図８（Ｂ）に示すように、耐熱層の溶着チップ１２０で加圧されている部分において微小な破壊（破断）が起こる。そして、耐熱層の破壊部分２００では、セパレーター層４８同士が接触するようになる。

加圧後、溶着チップ１２０を加熱する。この加熱により溶着チップ部分のセパレーター層４８が溶けて、破壊部分２００でセパレーター層４８同士が溶着する。この時の加熱温度は、セパレーター層４８の材質によっても異なるが、ポリオレフィン系樹脂の場合１３０〜１８０℃である。

その後は、加圧および加熱部分のセパレーター層４８の樹脂が溶解して消失してしまう前に加熱を止める（溶着チップ１２０を離す）。これにより接合が完了し、耐熱層付セパレータ同士を、その周辺端部で確実に接合することができるする。

加圧と加熱のタイミングは特に限定はなく、同時か、わずかに加圧が先でその後加熱することが好ましい。これにより、加圧によって耐熱層が破壊されると度しまたは破壊された後に樹脂が溶けて溶着する。なお、加熱が先に行われてその後加圧とした場合でも、加熱により樹脂部分がよ介してなくなる前に加圧し、その後、樹脂が溶解する前に加熱を止める（溶着チップ１２０を離す）ようにすれば、接合可能である。

［実施例］
実際に、ポリオレフィン系樹脂からなるセパレーター層４８の両面に耐熱層としてセラミックをコーティングしたセパレーター同士を、微小凸部を有する溶着チップ１２０を用いて溶着した（これを実施例という）。また比較のために、微小凸部をもたない平坦な面の溶着チップ１２０を用いて同じ耐熱層付セパレーター同士の溶着も行った（比較例という）。

実施例１は、下溶着治具１１２の溶着チップ１２０に複数の凸部１２１を有する表面をもつ溶着チップ１２０を用いて、下記の手順により溶着した。

ワークは、ポリオレフィン系樹脂からなるセパレーター層４８の両面に耐熱層４９としてセラミックをコーティングした耐熱層付セパレーター４０を用いた。厚さは、セパレーター層４８とその両面の耐熱層４９を合わせて約２５μｍ（各層均等な厚さ）。溶着チップ１２０は、全体の大きさが４×２ｍｍ、凸部形状は長さ０．２５ｍｍ、幅０．１２５ｍｍの長円形で、長円形の中心間間隔（図７中のｓ）が０．４ｍｍとなるように、図７のように配置した。

溶着手順は、下記のとおりである。

（１）耐熱層付セパレーター４０で正極２２を挟んだワークを所定位置に配置した。

（２）接合部４２（溶着する部分）の邪魔にならない位置でワークを押さえた。

（３）ワークの正極２２より外側かつ耐熱層付セパレーター４０の外周より内側（すなわちセパレーター層同士が接する位置）を溶着チップ１２０により挟み込んで加圧した。加圧力は耐熱層が破壊できる程度とした。

（４）上下両側の溶着チップ１２０を加熱した。加熱温度は１８０℃とした。

（５）接合部４２に穴があいたり溶融してしまう前に溶着チップ１２０を離した（穴あきや溶融が起こる前とは経験的にこれらが発生しない時間により制御した）。

（６）押さえを離した。

このようにして作成した袋詰正極の接合部４２（溶着した部分）を光学顕微鏡および電子顕微鏡により観察した。結果を図９に示す。図９（Ａ）は接合部４２（溶着した部分）の光学顕微鏡写真であり、図９（Ｂ）は（Ａ）中のＡで示している矢印部分の電子顕微鏡であり、図９（Ｃ）は（Ｂ）中のＢで示している矢印部分のさらに拡大した電子顕微鏡であり、図９（Ｄ）は（Ｂ）中のＣで示している矢印部分のさらに拡大した電子顕微鏡である。

図９に示すように、微小な凸部１２１によって耐熱層４９が部分的に破壊されて、その破壊部分２００で樹脂であるセパレーター層同士が接合していることがわかる（特に図９（Ｄ）参照）。

また、図９（Ｃ）および図９（Ｄ）に示したように、全体としては耐熱層４９が破壊されている部分と破壊されていない部分が存在していることがわかる。このため、接合部４２（溶着した部分）においては破壊された耐熱層の破片が断片的に残っている。そこで、図９（Ｃ）に示した耐熱層４９が破壊されていない部分だけを切りだして、２枚の耐熱層付セパレーター４０を両方から引引っ張る剥離強度試験（後述）を行った。

図１０は剥離試験の方法を説明するための概略図である。剥離強度試験は、図１０に示すように、溶着した耐熱層付セパレーター４０の非接合部をチャック保持して、接合部４２を引き離すことにより行った。

剥離試験の結果、耐熱層が破壊されていない部分（図９（Ｃ）参照）を切り出したサンプルでは、０．０２Ｎで２枚の耐熱層付セパレーター４０は引き離すことができた。一方、接合部４２全体としては、２枚の耐熱層付セパレーター４０を引き離すためには、０．２〜０．４Ｎの力が必要であった。したがって、部分的に耐熱層を破壊して、セパレーター層の樹脂同士が固く溶着した部分があれば全体として十分な接合強度を有することがわかった。

このようにセパレーター層にコートされた耐熱層に外力を加えて変形させながら熱をかけることで、２枚の耐熱層付セパレーター４０の樹脂層に接触部分が生じて溶着点を形成できることがわかる。

図１１は実施例１により溶着した部分の表面（下溶着治具１１２側の面）の写真であり、図１１（Ａ）は電子顕微鏡写真、図１１（Ｂ）はレーザ顕微鏡写真である。図示するように、本実施例１の溶着チップ１２０で加圧熱溶着された部分の表面は縦、横の棒状の押し痕がみられる。

このような押し痕の配置は、均一に隙間が保たれて押し付けられていることが特徴となっていて、耐熱層が破壊されて、その部分の破片は周囲に逃げて接合しているものとなっている。

さらに、上記実施例１同様の効果を有する他の実施例について説明する。

実施例２として、平坦な溶着チップ１２０の面に金属網１３０を貼り付けた。図１２は金属網を貼り付けた溶着チップ表面のレーザ顕微鏡写真である。

下溶着治具１１２に設けた溶着チップ１２０に金属網１３０を貼り付け、実施例１同様に溶着を行い、全体の剥離強度試験を行った。剥離強度試験の方法は、図１０を用いて説明したとおりである。図１３はこの剥離試験の結果を示すグラフである。このグラフにおいて、ａは加圧後の加熱時間２秒、ｂは７秒である。いずれもワークの構成およびその他の条件は実施例１と同じである。また比較のために、耐熱層無しの２枚のセパレータ（セパレーター層４８のみ）のワークを用いて、溶着チップ１２０に凸部１２１なし（平坦）により溶着を行った。

図１３に示すように、金属網１３０を使った場合、加熱時間２秒では０．３〜０．６Ｎ、加熱時間７秒では０．２〜１．０Ｎと十分な剥離強度が得られた。

さらに、網目の大きさを変えたところ、強い剥離強度の接合部４２を形成するには４０メッシュ／インチが好ましいことがわかった。また、剥離強度は、わずかに弱くなるものの穴のあきにくい接合部４２を形成するには６０メッシュ／インチが好ましいことがわかった。金属網１３０の貼り付けは、はんだ付けや溶接により行うことができる。

実施例３として、溶着チップ１２０の材質を変えて実施例１と同じように溶着した。溶着チップ１２０の材質が銅の場合、強度は出やすいがチップ間距離もしくは圧によるバラツキが大きく、穴があきやすいことがわかった。また、熱伝導率の低いステンレス（ＳＵＳ）を使うと穴があきにくいことがわかった。このことから、溶着チップ１２０の凸部１２１の大きさ、溶着時の溶着温度、溶着時間などの諸条件は溶着チップ１２０の材質と共に適宜設定することが好ましい。

さらに実施例４として、実施例２の金属網１３０を貼り付けた溶着チップ１２０の表面に４ふっ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）フィルム粘着テープ（耐熱フィルム）を貼り付けた。なお、平坦な上側の溶着チップ１２０にもＰＴＦＥフィルム粘着テープを貼り付けた。図１４はＰＴＦＥフィルム粘着テープを貼り付けた溶着チップ１２０の構成を示す要部断面図であり、金属網１３０の交差部分を示している。図示するように、ＰＴＦＥフィルム粘着テープ１３５は上下の溶着チップ１２０の両方に張り付けた。ＰＴＦＥフィルム粘着テープ１３５の厚さは０．０８〜０．２３ｍｍである。

ＰＴＦＥフィルム粘着テープ１３５は熱伝導率が金属より低い。このため、溶着時間を延ばしても穴あきが発ししなかった。これは、ＰＴＦＥフィルム粘着テープ１３５を貼ることで、溶融したセパレーター層４８の樹脂が溶着チップ１２０に貼り付いてしまうのを防止できたものである。このため、ＰＴＦＥフィルム粘着テープ１３５を貼ることで、実施例２の場合よりもと長い時間加熱して、溶着強度を強くすることができた。またＰＴＦＥフィルム粘着テープ１３５を貼ると衝撃を吸収する効果もあり、全体の加圧を強くすることができた。

さらに実施例５として、下溶着治具１１２の溶着チップ面にくぼみ（ディンプル）を設けることで凹凸形状を形成した溶着チップ１２０を用いて実施例１同様に溶着した。図１５はくぼみを設けた溶着チップ面を示す平面図である。図示するように、溶着チップ１２０の表面（耐熱層付セパレーター４０との当接面）にほぼ均等にくぼみ１４０を設けた。このようにくぼみを設けた溶着チップ１２０を用いた場合も、実施例１と同程度の剥離強度が得られた。

さらに凸部１２１の形状が馬蹄形状、わらじ状など、凸部１２１の先が連続的な平面を有して耐熱層付セパレーター４０を局所的に押圧する接触面が多くても十分な剥離強度を有する溶着点を形成することができた。

これら各実施例の凸部形状の場合の接合部表面に付いた圧痕を図１６に示す。図１６（Ａ）は金属網１３０を貼り付けた場合の圧痕を示す光学顕微鏡写真であり、図１６（Ｂ）はくぼみ形状の場合の圧痕を示す光学顕微鏡写真であり、図１６（Ｃ）は馬蹄形状の場合の圧痕を示す光学顕微鏡写真であり、図１６（Ｄ）はわらじ状の場合の圧痕を示す光学顕微鏡写真である。このように、いずれの凸部形状であっても接合部表面には圧痕がついて確実に接合された状態となる。

（比較例１）
実施例と同じ構成のワークを使い、溶着チップ１２０として上下共に表面が平坦なものを用いた。

図１７は比較例による溶着動作後の接合部表面の光学顕微鏡写真である。図１７（Ａ）に示すように、部分的に耐熱層付セパレーター４０の表面（耐熱層）に亀裂があるものの、その下の樹脂層が溶けるだけで接合することができなかった。

さらに溶着時間を延ばすと、図１７（Ｂ）に示すように、溶融とも破れともとれる穴があいていた。これは、溶着チップ１２０を離した時にチップ面に耐熱層付セパレーター４０の一部が貼りついて破れが発生したものであった（溶着チップ面に溶融した耐熱層付セパレーター４０の樹脂が張り付いていた）。

さらに温度を上げて（２００℃をわずかに超える程度）加熱したところ、溶融して穴があくが溶着はしなかった。また、圧力を上げると破れて穴があいてしまった。これらは、穴あき形状が異なるものの、図１７（Ｂ）と同様であるので図示省略した。このような穴あきは、溶着チップ圧の偏りによって、溶着チップ１２０の周辺部に顕著に見られた。

このような穴があいた接合部４２を持つ耐熱層付セパレーター４０の引っ張り試験を行おうとしたところ。穴あきによって引っかかる部分が形成され、１枚の耐熱層付セパレーター４０が接合しているようにもっ見えたが、耐熱層付セパレーター４０の片側を持ち上げて、剥離強度試験機にセットする前に簡単にもう一方が落下してしまい、剥離強度を測定することもできなかった。

（比較例２）
溶着チップ１２０に凸部１２１を設けた場合でも、加熱温度や加熱時間が不適当な場合は、良好な溶着結果とならなかった。

溶着温度が２００℃を超えるとセパレーター層４８の溶解が進み、接合部４２を形成できないだけでなく、セパレーター層４８がメルトダウンして縮むことによる溶着ひずみとしわが散見された。

溶着時間が長いと接合部４２の強度は強くなるが、溶着チップへの貼り付きや穴あきとしわが増大することがわかった。厚み２５μｍの耐熱層付セパレーター４０ではチップが０．３秒以上接触して加熱した場合に穴あきが発生することになった。

この比較例２の結果から、セパレーター層４８の材質および厚さ、さらに溶着チップ１２０の材質、凸部１２１の大きさなどに応じて、最適な溶着を得ることのできる条件を適宜設定することが好ましい。

以上説明した実施形態および実施例によれば下記の効果を奏する。

（１）袋詰電極の製造方法においては、２枚の耐熱層付セパレータを用意して、その間に電極を配置し、セパレーター層同士の間に耐熱層を介して合わさっている部分を、凹凸面を有した溶着チップ１２０により加圧および加熱した。これにより、凹凸面より加圧された耐熱層付セパレーター４０の合わせ部分が凸部１２１によって押されて、セパレーター層同士の間に位置している耐熱層が破壊される。そしてこの耐熱層が破壊された部分に熱が加えられることでセパレーター層の樹脂が熱により溶融して、樹脂と耐熱層の破片とが混在して固着する。このため袋状とする耐熱層付セパレーター４０の端部を確実に接合することができる。

（２）また、袋詰電極の製造方法においては、溶着チップ１２０に設けた凹凸面の凸部１２１先端を、円弧形状または面取り加工した溶着チップ１２０を用いている。このため耐熱層付セパレーター４０を挟んで加圧した際に、耐熱層付セパレーター４０を破いてしまうことがない。

（３）また、袋詰電極の製造方法においては、金属網１３０を貼付けることで凹凸面を形成した溶着チップ１２０を用いている。このため耐熱層付セパレーター４０にかかる圧を分散して切断を防ぎながら変形させることができる。

（４）また、袋詰電極の製造方法においては、熱伝導率が低い樹脂フィルムを溶着チップ１２０に設けた。これにより耐熱層付セパレーター４０、特に樹脂であるセパレーター層４８に対する急激な熱の伝達を抑制することができる。したがって溶着時間を長くしても溶解穴があかなくなる。また、樹脂フィルムの弾性力により、加圧時の衝撃を和らげて、加圧力を大きくしても、耐熱層に大きな亀裂が発生するのを防止することができる。

（５）また、袋詰電極の製造方法においては、加熱の温度を２００℃未満とした。このため低いエネルギーにより溶着するので、樹脂であるセパレーター層の炭化や蒸発を防ぐことができる。

（６）また、袋詰電極の製造方法においては、耐熱層付セパレーターとしてあらかじめセパレータ材に耐熱材をコーティングしたものを用いている。これによりセパレーター層４８と耐熱層とが別々の場合よりも、ワークとして耐熱層付セパレーター４０、正極２２、耐熱層付セパレーター４０を積層する際に、搬送やハンドリングがし易い。

（７）また、袋詰電極の製造方法においては、耐熱層付セパレータとしてセパレーター層４８の両面に耐熱層を設けた。これにより万が一内部短絡が発生した場合に、熱によってセパレーター層４８が溶解するのを防止または抑制する効果が高くなる。

（８）袋詰電極は、凹凸面を有する溶着チップ１２０により挟んで耐熱層４９が介在している２枚のセパレーター層４８同士の重ね合わせ部分を加圧加熱して接合したものである。このためセパレーター層４８同士の重ね合わせ部分では、その間にある耐熱層４９が破壊されていて、破壊部分２００でセパレーター層４８の樹脂が溶融して固着しているため確実に接合されている。したがって、この袋詰電極を用いて二次電池を製造する際のハンドリング、また、二次電池自体の移動の際に、袋詰電極中の電極が動いたり、飛び出したりすることがない。

（９）また、袋詰電極は、圧痕が付く程度に加圧、加熱されているので、確実に接合されていることがわかる。

（１０）上記（８）または（９）の袋詰電極を用いて二次電池１０の発電要素１５を形成したので、振動が加わった際に袋詰電極中の電極が動いたり、飛び出したりすることがない。このためこの二次電池は、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用電源と好適なものとなる。これら自動車に搭載した二次電池は、自動車の走行により二次電池にも振動が加わることになるが、そのような振動に対して強い二次電池を提供することができる。

（１１）溶着装置は、耐熱層を介して樹脂材料からなる２枚のセパレーター層を重ね合わせた部分を挟んで加圧および加熱する一対の溶着チップのうち、少なくとも一方の溶着チップ表面に凹凸面を設けた。これにより、耐熱層付セパレーター４０同旨が重ねあわされている部分を溶着チップ１２０により加圧する際に、凹凸面の凸部１２１によって耐熱層を破壊し、破壊された部分に熱が加えられることでセパレーター層４８の樹脂が熱により溶融して、樹脂と耐熱層４９の破片とを混在した強固な接合部４２を形成することができる。

（１２）また、溶着装置１００は、溶着チップ１２０に設けた凹凸面の凸部１２１先端を、円弧形状または面取り加工したので、耐熱層付セパレーター４０を挟んで加圧した際に、耐熱層付セパレーター４０を破いてしまうことがない。

（１３）また、溶着装置１００は、金属網１３０を貼付けることで凹凸面を形成した。このため耐熱層付セパレーター４０にかかる圧を分散して切断を防ぎながら変形させることができる。

（１４）また、溶着装置１００は、熱伝導率が低い樹脂フィルム１３５を溶着チップ１２０に設けた。これにより耐熱層付セパレーター４０、特に樹脂であるセパレーター層４８に対する急激な熱の伝達を抑制することができる。したがって溶着時間を長くしても溶解穴があかなくなる。また、樹脂フィルムの弾性力により、加圧時の衝撃を和らげて、加圧力を大きくしても、耐熱層に大きな亀裂が発生するのを防止することができる。

（１５）また、溶着装置１００は、加熱温度を２００℃未満とした。このため低いエネルギーにより溶着するので、樹脂であるセパレーター層の炭化や蒸発を防ぐことができる。

以上本発明を適用した実施形態および実施例を説明したが、本発明は、このような実施形態、実施例に限定されるものではない。

たとえば、袋詰電極として、袋のなかに正極２２を入れた袋詰正極２０を例に説明したが、袋詰電極の内部にある電極としては負極３０であってもよい。

また、耐熱層付セパレーター４０は、耐熱層４９、セパレーター層４８、耐熱層４９の３層構造ではなく、セパレーター層４８の片面にのみ耐熱層４９を有する２層構造でもよい。耐熱層４９の役割は、既に説明したように、内部短絡が発生した場合に、それによる熱でセパレーター層４８が溶けても、その部分で正極２２と負極３０が直接接触するのを防止するものである。このためセパレーター層の片面にのみ耐熱層を有する２層構造の耐熱層付セパレーター４０で正極２２（または負極３０）を袋詰めして負極３０（または正極２２）と積層すれば正極２２と負極３０の間には必ず耐熱層が存在することになる。したがって２層構造の耐熱層付セパレーター４０を用いても耐熱層の役割を果たさせることがでいる。

２層構造の耐熱層付セパレーター４０を用いた場合、たとえば接合部４２において２枚のセパレーター層の間に耐熱層がくるように向き合わせて接合（溶着）する。たとえば、２層構造の耐熱層付セパレーター４０の両方の耐熱層が電極と接するように配置するか、または２層構造の耐熱層付セパレーター４０の片方の耐熱層のみが電極と接するように配置するのである。つまり、２枚ある２層構造の耐熱層付セパレーター４０のうち、少なくとも一方の耐熱層が電極側を向くように配置することになる。

このような耐熱層付セパレータとしては発熱によるセパレーター層４８の溶解を防止する観点から、上述した実施形態のように、樹脂であるセパレーター層４８の両面に耐熱層を設けた３層構造とすることがもっとも好ましい。

また、上述した実施形態では、接合部４２は複数点在させることにしている。このため溶着チップ１２０は、この接合部４２の位置および大きさに合わせて設けている。しかし、接合部４２の配置やその大きさは、このような点在させるもの以外に、耐熱層付きセパレータの周囲に沿って長く設けるようにしてもよい。その場合、溶着チップ１２０の形状も耐熱層付きセパレータの周囲に沿って長い形状とする。

また、セパレーター層と電極の間に配置した耐熱層は、あらかじめセパレーター材に耐熱材をコーティングしたものではなく、セパレーター層と耐熱層が別部材となっているものを用いてもよい。この場合、袋詰電極を製造するには、少なくともセパレーター層、耐熱層、電極、耐熱層、セパレーター層を重ね合わせてから、周囲を接合（熱溶着）することになる。このため従来のセパレーター層をそのまま用いて、耐熱層付きの袋詰電極を製造することができる。

また、実施例４として、金属網１３０の上に樹脂フィルムを設けた実施例を説明したが、この実施例４から、金属網１３０以外の凹凸面に対しても熱伝導率の低い樹脂フィルムを設けることで、同様の効果が期待できる。

そのほか、本発明は特許請求の範囲に記載された構成に基づきさまざまな改変が可能であり、それらについても本発明の範疇であることは言うまでもない。

１０ 二次電池、
１１ 正極リード、
１２ 負極リード、
１３ 外装材、
１５ 発電要素、
２０ 袋詰正極、
２１ 正極集電体、
２２ 正極、
２３ 正極タブ、
２４ 正極活物質層、
３０ 負極、
３１ 負極集電体、
３３ 負極タブ、
３４ 負極活物質層、
４０ 耐熱層付セパレーター、
４２ 接合部、
４３ 係合部、
４８ セパレーター層、
４９ 耐熱層、
１００ 熱溶着装置、
１０１ ステージ、
１１０ 溶着治具、
１１１ 上溶着治具、
１１２ 下溶着治具、
１２０ 溶着チップ、
１２１ 凸部、
１２５ 凹凸面、
１３０ 金属網、
１３５ ＰＴＦＥフィルム粘着テープ（樹脂フィルム）、
２００ 破壊部分。

Claims (15)

1. 樹脂材料からなる２枚のセパレーター層の間に電極を配置すると共に、前記２枚のセパレーター層のうち少なくとも一方のセパレーター層と前記電極との間に耐熱層を配置して積層し、
   前記電極より外側で前記耐熱層を介してセパレーター層同士が重ね合わされている部分を、一対の溶着チップにより挟んで加圧および加熱して、当該重ね合わされている部分の前記耐熱層を破壊させて接合することを特徴とする袋詰電極の製造方法。
2. 前記一対の溶着チップは、少なくとも一方が凹凸面を有し、前記凹凸面の凸部先端は円弧形状または面取り加工されていることを特徴とする請求項１記載の袋詰電極の製造方法。
3. 前記凹凸面は、金属網により形成されていることを特徴とする請求項２記載の袋詰電極の製造方法。
4. 前記凹凸面上に、さらに金属より熱伝導率が低い樹脂フィルムを設けていることを特徴とする請求項２または３に記載の袋詰電極の製造方法。
5. 前記加熱の温度は、２００℃未満であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の袋詰電極の製造方法。
6. 前記セパレーター層と前記耐熱層は、あらかじめ樹脂材料からなるセパレータ材に耐熱材がコーティングされたものを使用することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の袋詰電極の製造方法。
7. 前記耐熱層は、前記セパレーター層の両面に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の袋詰電極の製造方法。
8. 樹脂材料からなる２枚セパレーター層の間に配置されている電極と、
   前記２枚のセパレーター層のそれぞれと前記電極との間に配置されている耐熱層と、
   前記電極より外側で前記耐熱層を介して前記２枚のセパレーター層同士が重ね合わされている部分の前記耐熱層が破壊されていて前記セパレーター層の樹脂成分が固着している接合部と、
   を有することを特徴とする袋詰電極。
9. 前記接合部の表面に、凹凸の圧痕が付いていることを特徴とする請求項８記載の袋詰電極。
10. 請求項８または９記載の袋詰電極と、
    前記袋詰電極の極性の異なる極性の電極と、を積層した発電要素を有することを特徴とする二次電池。
11. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の袋詰電極の製造方法で利用する一対の溶着チップを有し、
    前記一対の溶着チップのうち少なくとも一方の溶着チップ表面が凹凸面であることを特徴とする熱溶着装置。
12. 前記凹凸面の凸部先端は円弧形状または面取り加工されていることを特徴とする請求項１１記載の熱溶着装置。
13. 前記凹凸面は、金属網により形成されていることを特徴とする請求項１１記載の熱溶着装置。
14. 前記凹凸面上に、さらに耐熱樹脂フィルムを設けていることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一つに記載の熱溶着装置。
15. 前記加熱の温度は、２００℃未満であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一つに記載の熱溶着装置。