JP2016062740A - ラミネート型電池の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電要素の積層ばらつきの影響によって熱溶着による封止性能の低下や絶縁性能の信頼性低下を招くことがないラミネート型電池の製造装置を提供する。【解決手段】上下のラミネートシート３，４の間に発電要素２を挟み込んだ電池構造体１ａを、傾動変位可能な可動テーブル１１の上面１１ａを載置面として位置決め載置し、上下のラミネートシート３，４同士の重合部５を加熱型９の上下の加熱ブロック９ａ，９ｂで挟み込んで熱溶着を施す。発電要素２の積層ばらつきの影響で、重合部５を上下の加熱ブロック９ａ，９ｂで挟み込んだ際に上側のラミネートシート３に引っ張り力が作用した場合に、電池構造体１ａを可動テーブル１１ごと加熱型９に向かって前傾姿勢となるように傾動変位させる。【選択図】図５

Description

本発明は、ラミネート型電池の製造装置および製造方法に関し、特に正極板と負極板およびセパレータを積層してなる発電要素をラミネートシートで表裏両面側から挟むようにして包囲するとともに、上記ラミネートシートの周縁部同士の重合部に熱溶着を施して封止するようにしたラミネート型電池の製造装置および製造方法に関するものである。

正極板と負極板およびセパレータを積層してなる発電要素をラミネートシートで表裏両面側から挟むようにして包囲した上でその周縁部を熱溶着にて封止した薄型またはラミネート型のリチウムイオン二次電池が知られている。そして、この種のラミネート型電池の製造技術として特許文献１に記載されたものが提案されている。

この特許文献１に記載された技術では、その熱溶着に際して、ダイのうち基準面の一部に一段低い凹部を形成しておき、発電要素であるセルスタックを収容した上下二枚のラミネートシートのうちセルスタック相当部を上記凹部に収容して、その凹部の内底面を載置面として厚み方向（セルスタックの積層方向）での位置決めを行うようにしている。そして、ラミネートシート同士の周縁の重合部をダイの基準面に突設されたピンにて位置決めしつつその基準面上に載置する一方、ダイと対向配置されたシールバー（加熱ブロック）を下降させて、上記ダイの基準面とシールバーとの間にラミネートシート同士の重合部を挟み込むことでその重合部に熱溶着を施すようになっている。

特開２００６−１３４６０４号公報

しかしながら、特許文献１に代表されるような従来の技術では、セルスタックの個々の要素である正極板や負極板さらにはセパレータの積層ばらつきの影響を受けて、上下二枚のラミネートシートを含むセルスタックの総厚みは必ずしも一定したものとはならず、多かれ少なかれセルスタックの総厚みにばらつきが発生することになる。このことは、上記ダイの載置面からシールバーが接触するラミネートシートの最表面までの距離が一定したものとはならないことを意味していて、結果として上記シールバーが接触するラミネートシートの最表面の高さ位置がばらつくことになる。そのため、上下二枚のラミネートシートを含むセルスタックの総厚みが大きくなる方向にばらついた場合には、シールバーによる熱溶着時に特に上側のラミネートシートに大きな張力が作用し、ラミネートシートの表層の樹脂層が張力によって引き伸ばされる結果、樹脂層の厚みが減少して熱溶着による封止性能の低下や絶縁性能の信頼性低下を招くおそれがあった。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、発電要素の積層ばらつきの影響によって熱溶着による封止性能の低下や絶縁性能の信頼性低下を招くことがないようにしたラミネート型電池の製造装置および製造方法を提供するものである。

本発明は、正極板と負極板およびセパレータを積層してなる発電要素を金属層表面に樹脂層が形成されたラミネートシートで上記積層方向の表裏両面側から挟むようにして包囲するとともに、上記ラミネートシートの周縁部同士を重合させることで電池構造体とし、この電池構造体のうち上記ラミネートシートの周縁部同士の重合部に熱溶着を施して封止するようにしたラミネート型電池の製造装置である。

この製造装置は、上記表裏両面のラミネートシートのうちいずれか一方を着座面として電池構造体が位置決め載置される載置面を有する載置手段と、その載置面に位置決め載置される電池構造体のうち上記重合部を表裏両面側から挟み込むとともに加熱して当該重合部に熱溶着を施す加熱型と、を備えている。その上で、上記載置手段の載置面のうち少なくとも上記加熱型に近い部分では、当該載置面に位置決め載置される電池構造体とともに、上記重合部での重合方向で傾動変位可能に形成されているものである。

また、上記製造装置での機能を製造方法として捉えるならば、上記表裏両面のラミネートシートのうちいずれか一方を着座面として載置手段の載置面に電池構造体を位置決め載置する位置決め工程と、上記載置手段の載置面に位置決め載置される電池構造体のうち上記重合部を加熱型にて表裏両面側から挟み込むとともに加熱して当該重合部に熱溶着を施す熱溶着工程と、含んでいて、上記熱溶着工程では、上記載置手段の載置面のうち少なくとも上記加熱型に近い部分を、当該載置面に位置決め載置される電池構造体とともに、上記重合部での重合方向で傾動変位可能な状態として熱溶着を施すようにしたものである。

本発明によれば、電池構造体を支える載置手段の載置面がラミネートシート同士の重合方向で傾動変位可能ないわゆるフローティング構造となっているため、電池構造体の厚みが発電要素の積層方向でばらついたとしても、熱溶着に際して上記重合部を加熱型で挟み込んだ場合に、載置手段の載置面が当該載置面に位置決め載置される電池構造体とともに傾動変位することになるので、加熱型に引っ張られるかたちでラミネートシートに大きな張力が作用することもなければ、ラミネートシートの表層の樹脂層が張力によって引き伸ばされることもない。そのため、従来のようなラミネートシートの樹脂層の厚みの減少による封止性能の低下や絶縁性能の信頼性低下を招くことがなく、ラミネート型電池の品質および信頼性の向上が図れる。

ラミネート型リチウムイオン二次電池の概略構造を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図。 本発明に係る装置の第１の実施の形態を示す概略説明図。 図３の左側面図。 図３の要部の拡大断面説明図。 本発明に係る装置の第２の実施の形態を示す図で、図５と同等部位の断面説明図。 本発明に係る装置の第３の実施の形態を示す図で、図５と同等部位の断面説明図。 本発明に係る装置の第４の実施の形態を示す図で、図５と同等部位の断面説明図。 （Ａ）は図８におけるテーブル全体の平面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の正面説明図。

図１〜５は本発明に係る製造装置を実施するためのより具体的な第１の形態を示していて、特に図１はラミネート型電池の一例としてラミネート型リチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」と言う。）の概略構造を、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図を示している。また、図３は図１の電池となる電池構造体に熱溶着を施すための装置の主要部の概略説明図を、図４は図１の左側面図をそれぞれ示している。さらに、図５は図３の要部の拡大断面図を示している。

図１，２に示す電池１は、正極板と負極板およびセパレータを交互に複数組積層してなる発電要素２を、アルミニウム等の金属層３ａ，４ａの表裏両面に例えばポリエチレン系等の樹脂層３ｂ，４ｂが形成された上下二枚のラミネートシート３，４で上記積層方向の表裏両面側から挟むようにして包囲するとともに、外装体としての上記ラミネートシート３，４の周縁部同士を重合させることで電池構造体１ａとし、この電池構造体１ａのうち上記ラミネートシート３，４の周縁部同士の重合部５に熱溶着を施して封止したもので、図１に示すようにその重合部５からは正負の端子板６，７が外部に突出している。なお、上記ラミネートシート３，４による収容空間には発電要素２とともに電解液が封入される。

図３、４に示す製造装置では、図１の電池１となる電池構造体１ａを支えるテーブル装置８に近接して熱溶着のための加熱型９が配置されている。この加熱型９は、固定式の下型としての下側加熱ブロック９ａと、この下側加熱ブロック９ａに対して昇降可能な上型としての上側加熱ブロック９ｂと、から構成されている。これらの下側加熱ブロック９ａおよび上側加熱ブロック９ｂとしては、ここでは瞬間的に低電圧・高電流を流して発熱させるインパルス式のヒータ方式のものが採用されているが、他の形式、例えば伝熱ヒータが内蔵されているいわゆる熱板方式の加熱ブロックを用いても良い。

テーブル装置８は、方形状のベース板１０の上にこのベース板１０と同形状の載置手段としての板状の可動テーブル１１を所定の間隙を隔てて重ねて配置したものであり、ベース板１０の上面中央部および可動テーブル１１の下面中央部にはそれぞれに左右一対の軸受ブロック１２，１３を固定配置してある。そして、それらの各軸受ブロック１２，１３には当該各軸受ブロック１２，１３が共有する単一のシャフト１４を挿入支持させてある。これにより、可動テーブル１１はシャフト１４を回転中心としてシーソー式に揺動可能または傾動変位可能となっていて、図３に示すようにこの可動テーブル１１にはその上面１１ａを載置面として電池１の電池構造体１ａが水平状態にて位置決め載置されることになる。

上記ベース板１０および可動テーブル１１のうち加熱型９に近い前端部であって且つベース板１０の上面にはアジャスタ機能を有する倒れ側ストッパ１５が、可動テーブル１１の下面には倒れ側ストッパ１５との当接面となる着座ボルト１６がそれぞれに装着されている。他方、ベース板１０の上面のうち加熱型９から遠い後端部、すなわちシャフト１４をはさんで倒れ側ストッパ１５とは反対側の位置にはアジャスタ機能を有する戻り側ストッパ１７が装着されていて、この戻り側ストッパ１７は可動テーブル１１の下面に直接当接可能となっている。また、ベース板１０の後端部にはブラケット１８を介してアジャスタ機能を有するスプリングポスト１９が、可動テーブル１１の後端部にはブラケット２０がそれぞれ固定配置されており、それらのスプリングポスト１９とブラケット２０との間には弾性体として引っ張りコイルスプリングタイプのリターンスプリング２１を張設してある。

したがって、通常時においては、図３のシャフト１４を回転中心として可動テーブル１１がリターンスプリング２１により反時計回り方向に付勢されていて、且つその可動テーブル１１の下面が戻り側ストッパ１７に当接している。これにより、可動テーブル１１は図３，４のような水平状態を維持している。他方、後述するように可動テーブル１１のうち加熱型９に近い前端部にリターンスプリング２１のばね力に打ち勝つような外力が加わった場合には、着座ボルト１６が倒れ側ストッパ１５に当接するまで可動テーブル１１が加熱型９に向かって前傾姿勢となるようにシャフト１４を回転中心として傾動変位可能となっている。このように可動テーブル１１は倒れ側ストッパ１５と戻り側ストッパ１７とで規制された範囲内で揺動可能または傾動変位可能ないわゆるフローティング可能な構造となっている。

このように構成された製造装置では、図３の加熱型９における下側加熱ブロック９ａに対して上側加熱ブロック９ｂが上昇して離間している状態において、テーブル装置８における可動テーブル１１の上面１１ａを載置面とし且つ電池構造体１ａにおける下側のラミネートシート４を着座面として上記電池構造体１ａを可動テーブル１１上に水平に位置決め載置する。この場合において、テーブル装置８におけるベース板１０と加熱型９の下側加熱ブロック９ａは共に定位置固定式のものであることから、ラミネートシート３，４同士の重合部５が下側加熱ブロック９ａ上に乗り上げるように位置決めされるとともに、必要に応じて電池構造体１ａを可動テーブル１１側に例えば負圧吸引力にて吸引して吸着固定する。

可動テーブル１１上に電池構造体１ａが位置決め載置されたならば、図５に示すように、加熱型９の下側加熱ブロック９ａに対して上側加熱ブロック９ｂを所定位置まで下降させて、それらの下側加熱ブロック９ａと上側加熱ブロック９ｂとの間にラミネートシート３，４同士の重合部５を挟み込む。なお、図５での上下方向が発電要素２のそれぞれの構成要素の積層方向となる。

その状態で、下側加熱ブロック９ａおよび上側加熱ブロック９ｂにそれぞれインパルス通電して瞬時に発熱させることで、上記重合部５を加熱・溶融させことで当該部分に熱溶着を施す。つまり、図５に示すように、下側加熱ブロック９ａおよび上側加熱ブロック９ｂに直接接触することになる上下のラミネートシート３，４の外側の樹脂層３ｂ，４ｂが軟化・溶融するのと同時に、上側のラミネートシート３における内側の樹脂層３ｂと下側のラミネートシート４における内側の樹脂層４ｂとが直接接触しているので、それら双方のラミネートシート３，４の内側の樹脂層３ｂ，４ｂ同士が加熱により軟化・溶融することで熱溶着が施されて両者が一体化されることになる。

ここで、熱溶着を施す前の電池構造体１ａにおいては、発電要素２である正極板と負極板さらにはセパレータの個々の厚みのばらつきや波打ちの影響を受けて、それらの発電要素２に上下のラミネートシート３，４を加えた電池構造体１ａの総厚み寸法が一定のものとはならずに総厚み寸法が大きくなる方向にばらつくことがある。

このような場合において、電池構造体１ａの総厚み寸法のばらつきの有無にかかわらず、定位置固定式の下側加熱ブロック９ａに対して可動式の上側加熱ブロック９ｂは予め定められた規定位置まで下降して、双方のラミネートシート３，４同士の重合部５を挟み込むことになるので、電池構造体１ａの総厚み寸法が大きくなる方向にばらつきを有していると、上下のラミネートシート３，４同士の重合部５のうち上側のラミネートシート３に上側加熱ブロック９ｂが接触した瞬間に、当該上側のラミネートシート３が引っ張り力を受けることになる。そして、この引っ張り力が電池構造体１ａを加熱型９に対して前傾姿勢方向に傾ける力として作用することから、電池構造体１ａは可動テーブル１１ごと図５のように所定量だけ矢印ａ方向に傾動変位し、その状態のままで熱溶着が施されることになる。なお、図５では、わかり易くするために電池構造体１ａおよび可動テーブル１１の傾動変位量を誇張して描いてある。

そのため、上側のラミネートシート３が過剰なまでに引っ張られることもなければ、その上側のラミネートシート３の内側あるいは外側の樹脂層３ｂが引き伸ばされてしまうこともなく、従来のような上側のラミネートシート３の樹脂層３ｂの厚みの減少による封止性能の低下や絶縁性能の信頼性低下を招くことがない。

ここで、図５のような傾動変位可能なテーブル構造を採用していない従来の方法では、同図の傾動変位量に相当する分の引っ張り力を上側のラミネートシート３が負担しなければならないため、その上側のラミネートシート３の引っ張り力を受けて、特に図５のＱ部においてラミネートシート３の樹脂層３ｂが引き伸ばされて局部的な膜厚減少を招くことになる。

このように本実施の形態によれば、傾動変位可能な可動テーブル１１を有するテーブル装置８を採用していることで、従来のような上側のラミネートシート３の樹脂層３ｂの厚みの減少による封止性能の低下や絶縁性能の信頼性低下を招くことがなく、電池の品質向上と信頼性の向上に寄与することができる。

なお、上記実施の形態では、可動テーブル１１の傾動変位量を図３の倒れ側ストッパ１５と戻り側ストッパ１７とで規制して、加熱型９に向かって可動テーブル１１が前傾姿勢となる傾動変位のみを許容しているが、必要に応じて加熱型９に向かって可動テーブル１１が後傾姿勢となる傾動変位をも可能なテーブル装置を採用しても良い。

図６は本発明に係る製造装置の第２の実施の形態を示す図で、図５と同等部位の断面図を示しており、図５と共通する部分には同一符号を付してある。

この第２の実施の形態では、載置手段として図３，５の可動テーブル１１に代えて傾動変位しない固定式のテーブル２２を採用し、例えばアルミニウム等の金板製のテーブル本体２２ａの上に所定厚みのウレタンその他のクッション性に優れたゴム系または樹脂系の弾性体２２ｂを貼り合わせて複合構造としたものである。すなわち、この第２の実施の形態では、固定式のテーブル２２のうち電池構造体１ａを支えるための載置面となる上面２２ｃを含む上層部をクッション性に優れた弾性体２２ｂにて形成したものである。

この第２の実施の形態によれば、図５と同様に、電池構造体１ａにおける上側のラミネートシート３が上側加熱ブロック９ｂの接触によって引っ張り力を受けた場合に、それに応じてテーブル２２の弾性体２２ｂが沈み込むように弾性変形することで図５と同様に電池構造体１ａの傾動変位を許容することができる。

そのため、先の第１の実施の形態と同様の効果が得られるほか、電池構造体１ａの載置面そのものがクッション性に優れた弾性体２２ｂで形成されているため、その上に載置される電池構造体１ａのうち下側のラミネートシート４の波打ち等も吸収でき、テーブル２２に対する電池構造体１ａの密着性も良好なものとなる。

図７は本発明に係る製造装置の第３の実施の形態を示す図で、図６と同等部位の断面図を示しており、図６と共通する部分には同一符号を付してある。

この第３の実施の形態では、載置手段として図３，５の可動テーブル１１に代えて傾動変位しない固定式のテーブル２３を採用し、例えばアルミニウム等の金板製の下板２３ａと上板２３ｂとの間に中間層として所定厚みのウレタンその他のクッション性に優れたゴム系または樹脂系の弾性体２３ｃを介在させて複合構造としたものである。この場合には上板２３ｂの上面２３ｄが電池構造体１ａを支えるための載置面となる。この第３の実施の形態でも先の第２の実施の形態と同様の効果が得られることになる。

ここで、図６，７の示す第２，第３の実施の形態では載置手段として共に傾動変位しない固定式のテーブル２２または２３を採用しているが、これらのテーブル２２または２３をそのまま図３，５の傾動変位可能な可動テーブル１１として用いることもできる。この場合には、可動テーブル１１そのものの傾動変位と弾性体２２ｂまたは２３ｃのクッション性とを併用することになるので、電池構造体１ａの総厚みのばらつきに基づく二次的不具合を解消する上でより望ましいものとなる。

図８は本発明に係る製造装置の第４の実施の形態を示す図で、図５と同等部位の断面図を示しており、図５と共通する部分には同一符号を付してある。

この第４の実施の形態では、載置手段として図３，５の可動テーブル１１に代えて傾動変位しない固定式のテーブル２５を採用し、例えばアルミニウム等の金属製の基板２６の上面に受け駒として機能するゴム製の頭部２７ａを有する支持部材としての複数のクッションボルト２７を規則性をもって平面的に配置したものである。

より詳しくは、図８のほか図９に示すように、基板２６に形成した複数の挿通孔２６ａに、ゴム製の頭部２７ａと基板２６との間にワッシャ２８および弾性体である圧縮コイルスプリング２９を介装したクッションボルト２７のおねじ部２７ｂを上下動可能に挿通して、基板２６の下側からおねじ部２７ｂに対してストッパを兼ねたロックナット３０を螺合させたものである。これにより、それぞれのクッションボルト２７は基板２６に対して個々に上下動可能に弾性支持されているとともに、ロックナット３０の位置調整により圧縮コイルスプリング２９のばね力が調整可能となっている。そして、図９に示すように、それぞれのクッションボルト２７における頭部２７ａの上面の接平面Ｒが電池構造体１ａのための載置面となっている。

この第４の実施の形態によれば、先の第２，第３の実施の形態と同様の効果が期待できる。

１…リチウムイオン二次電池
１ａ…電池構造体
２…発電要素
３，４…ラミネートシート
３ａ，４ａ…金属層
３ｂ，４ｂ…樹脂層
５…重合部
９…加熱型
９ａ…下側加熱ブロック（下型）
９ｂ…上側加熱ブロック（上型）
１１…可動テーブル（載置手段）
１１ａ…上面（載置面）
２１…リターンスプリング（弾性体）
２２，２３，２５…テーブル（載置手段）
２２ｂ…弾性体
２２ｃ…上面（載置面）
２３ｃ…弾性体
２３ｄ…上面（載置面）
２７…クッションボルト（支持部材）
２７ａ…頭部（受け駒）
Ｒ…接平面（載置面）

Claims (8)

1. 正極板と負極板およびセパレータを積層してなる発電要素を金属層表面に樹脂層が形成されたラミネートシートで上記積層方向の表裏両面側から挟むようにして包囲するとともに、上記ラミネートシートの周縁部同士を重合させることで電池構造体とし、この電池構造体のうち上記ラミネートシートの周縁部同士の重合部に熱溶着を施して封止するようにしたラミネート型電池の製造装置であって、
   上記表裏両面のラミネートシートのうちいずれか一方を着座面として電池構造体が位置決め載置される載置面を有する載置手段と、
   上記載置手段の載置面に位置決め載置される電池構造体のうち上記重合部を表裏両面側から挟み込むとともに加熱して当該重合部に熱溶着を施す加熱型と、
   を備え、
   上記載置手段の載置面のうち少なくとも上記加熱型に近い部分では、当該載置面に位置決め載置される電池構造体とともに、上記重合部での重合方向で傾動変位可能に形成されていることを特徴とするラミネート型電池の製造装置。
2. 上記載置手段は平面状の載置面を備えた板状部材であって、この載置面を含む板状部材が上記重合部での重合方向で傾動変位可能なように弾性的に支持されていることを特徴とする請求項１に記載のラミネート型電池の製造装置。
3. 上記載置手段は平面状の載置面を備えた板状部材であって、この板状部材のうち載置面を含む少なくとも一部が弾性体にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のラミネート型電池の製造装置。
4. 上記載置手段は平面状の載置面を備えた板状部材であって、この板状部材のうち載置面を含まない下層部分がゴム系または樹脂系の弾性体にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のラミネート型電池の製造装置。
5. 上記載置手段は互いに独立した複数の支持部材を平面的に並べたものであって、それぞれの支持部材が共有する接平面が上記載置面となっているとともに、それぞれの支持部材が上記積層方向で変位可能に弾性的に支持されていることにより、上記載置面が上記重合部での重合方向で傾動変位可能に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のラミネート型電池の製造装置。
6. 上記支持部材は先端に受け駒を有するロッド状のものであることを特徴とする請求項５に記載のラミネート型電池の製造装置。
7. 上記加熱型は固定式の下型とこの下型に対して昇降可能な上型とから構成さ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ラミネート型電池の製造装置。
8. 正極板と負極板およびセパレータを積層してなる発電要素を金属層表面に樹脂層が形成されたラミネートシートで上記積層方向の表裏両面側から挟むようにして包囲するとともに、上記ラミネートシートの周縁部同士を重合させることで電池構造体とし、この電池構造体のうち上記ラミネートシートの周縁部同士の重合部に熱溶着を施して封止するようにしたラミネート型電池の製造方法であって、
   上記表裏両面のラミネートシートのうちいずれか一方を着座面として載置手段の載置面に電池構造体を位置決め載置する位置決め工程と、
   上記載置手段の載置面に位置決め載置される電池構造体のうち上記重合部を加熱型にて表裏両面側から挟み込むとともに加熱して当該重合部に熱溶着を施す熱溶着工程と、
   含んでいて、
   上記熱溶着工程では、上記載置手段の載置面のうち少なくとも上記加熱型に近い部分を、当該載置面に位置決め載置される電池構造体とともに、上記重合部での重合方向で傾動変位可能な状態として熱溶着を施すことを特徴とするラミネート型電池の製造方法。

Images