JP4581167B2 - ポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法およびヒートシール装置 - Google Patents

ポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法およびヒートシール装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマーバッテリーの製造工程にて用いられ、そのポリマーバッテリー電極部をヒートシールするためのヒートシール方法およびヒートシール装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、リチウム電池に代表されるポリマーバッテリーは、その製造工程において、その電極部近傍がヒートシールされるようになっている。詳しくは、図6(a)に示すように、ポリマーバッテリー素子1がアルミシート等のシート部材2で覆われた後、図6(b)に示すように、そのシート部材2内にセットされたポリマーバッテリー素子1の電極3がシート部材2の一端縁から突出した状態で、そのシート部材2の一端縁近傍領域4が熱溶着により封止されるようになっている。
【0003】
このようなポリマーバッテリー電極部のヒートシールは、従来、図7に示すようなヒートシール機を用いて行われている。このヒートシール機では、上下方向(図中C方向)に移動可能な金属部材等による上側可動ヒータブロック51と、これに対向するように配置された同じく金属部材等による下側固定ヒータブロック52とを有しており、これらの間に被ヒートシール部分であるポリマーバッテリーの電極部近傍を挟持して加圧する。そして、電極部近傍への加圧を行うと、上側可動ヒータブロック51および下側固定ヒータブロック52に内蔵されたニクロム線に電流を印加して加熱する。これにより、加圧されている電極部近傍、すなわちシート部材2の一端縁近傍領域4に熱が伝わって、その一端縁近傍領域4が熱溶着されて封止されることになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ポリマーバッテリーの電極部近傍に対するヒートシールは、上述したようにポリマーバッテリー素子1の電極3がシート部材2の一端縁から突出した状態で行う必要がある。そのため、被ヒートシール部分である一端縁近傍領域4には、電極3の形状に沿って凹凸が生じてしまうことになる。
【0005】
しかしながら、従来のヒートシールでは、被ヒートシール部分に上述したような凹凸が生じていると、その被ヒートシール部分の全域に均一な荷重を与えることが困難となってしまう。また、電極3の近傍は50kgf/cm2程度の荷重を与えても破れることはないが、従来のヒートシール機によるシール荷重が小さいため(従来のヒートシール機では5kgf/cm2程度が最大)、加圧時には大荷重を与えることができない。これらのことから、被ヒートシール部分に凹凸が生じていると、その被ヒートシール部分を確実に封止することができず、結果として良好なシール性が得られないおそれがある。
【0006】
そこで、本発明は、ポリマーバッテリーの電極部であっても、その電極部に対するヒートシールを安定したシール性によって確実に行うことのできる、ポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法およびヒートシール装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために案出されたポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法で、ポリマーバッテリーの素子を覆うシート部材の一端縁から前記ポリマーバッテリーの電極が突出した状態で当該シート部材の一端縁近傍領域を熱溶着して封止するポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法であって、互いに対向して配置され所定温度に加熱される一対のヒータブロックの一方にのみ耐熱ゴムを焼き付けておき、前記ポリマーバッテリーの電極によって凹凸が生じている前記シート部材の一端縁近傍領域を前記一対のヒータブロックにより前記耐熱ゴムを介して挟持および加圧し、当該挟持および加圧によって前記シート部材の一端縁近傍領域を熱溶着することを特徴とする。
【0008】
また、本発明は上記目的を達成するために案出されたポリマーバッテリー電極部のヒートシール装置で、ポリマーバッテリーの素子を覆うシート部材の一端縁から前記ポリマーバッテリーの電極が突出した状態で当該シート部材の一端縁近傍領域を熱溶着して封止するためのポリマーバッテリー電極部のヒートシール装置であって、前記シート部材の一端縁近傍領域に対する加圧および加熱を行うために互いに対向して配置された一対のヒータブロックと、前記ヒータブロックの一方にのみ焼き付けられた耐熱ゴムとを備えることを特徴とするものである。
【0009】
上記手順のヒートシール方法および上記構成のヒートシール装置によれば、一方のヒータブロックには耐熱性を有した弾性部材を焼き付けているので、ポリマーバッテリーの電極によって被ヒートシール部分であるシート部材の一端縁近傍領域に凹凸が生じていても、弾性部材が弾性変形してその凹凸に追従することになる。したがって、シート部材の一端縁近傍領域を一対のヒータブロックによって挟持した際には、その弾性部材が弾性変形によって、当該一端縁近傍領域への押圧力の均一化が図れることになる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係るポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法およびヒートシール装置について説明する。図1は本発明に係るヒートシール方法の一例の概要を示す説明図、図2はヒートシールの対象物であるポリマーバッテリーの一例の要部を示す断面図、図3は本発明に係るヒートシール装置の一例を示す概略構成図、図4および図5はそのヒートシール装置の要部を示す説明図である。
【0011】
本実施形態で説明するヒートシールは、図2に示すように、所定形状に成形されたシート部材2内にポリマーバッテリー素子1を挿入して内包させた後、そのポリマーバッテリーの電極3がある一端縁近傍領域4をリーク(未溶着)が生じないように熱溶着して封止するためのものである。このうち、シート部材2はアルミシートに樹脂シートがラミネートされたラミネート品を使用し、またヒートシールされる箇所の電極3の周囲にはラミネートされる樹脂シートと同様の樹脂部材5が接着されているものとする。なお、樹脂シートおよび樹脂部材としては、ヒートシールの条件出しの容易さやヒートシール後の状態の奇麗さ等を考慮して、例えばキャステッド(未延伸)ポリプロピレン(Casted PP;以下、CPPと略す)樹脂を用いることが考えられる。
【0012】
このようなポリマーバッテリー電極部のヒートシールは、図3に示すようなヒートシール装置を用いて行われている。このヒートシール装置は、大別すると、ワークセット治具10と、ヒータブロック部20と、後述するヒータ保護シートを巻き取るためのヒータ保護シート巻取りユニット30と、から構成されている。
【0013】
ワークセット治具10は、ポリマーバッテリー素子1とこれを内包するシート部材2とからなるポリマーバッテリー(以下、ヒートシールの対象物となるポリマーバッテリーを「ワーク」と称す)をセットするためのものである。そのために、ワークセット治具10は、ワークが載置され得る形状に形成されたワーク受け台11と、そのワーク受け台11上に載置されたワークを固定するためのワーク抑え板12と、から構成されている。
【0014】
これらワーク受け台11およびワーク抑え板12は、ワークセット治具10上に複数(例えば二つ)設けられており、さらにその下方に設けられた治具旋回用ロータリアクチュエータ13によって旋回移動し得ることが好ましい。これは、ワーク受け台11およびワーク抑え板12が複数設けられていれば、ワークセット治具10上へのワークのセットと、セット済みのワークに対するヒートシールとを、それぞれ並行して行うことができ、これによりヒートシールの処理能力が大幅に向上するからである。
【0015】
一方、ヒータブロック部20は、ワークセット治具10上にセットされたワークに対してヒートシールを行って、そのワークの被ヒートシール部分を熱溶着により固着するものである。そのために、ヒータブロック部20は、加圧用エアシリンダ21と、これに連結している上ヒータブロック22と、下ヒータ昇降用エアシリンダ23と、これに連結している下ヒータブロック24と、から構成されている。
【0016】
これらのうち、加圧用エアシリンダ21および下ヒータ昇降用エアシリンダ23は、上ヒータブロック22または下ヒータブロック24をそれぞれ上下動させるもので、その上下動によってワークセット治具10上のワークに荷重を与えたり、上ヒータブロック22または下ヒータブロック24をワークセット治具10の移動から退避させるものである。
【0017】
ここで、これら加圧用エアシリンダ21および下ヒータ昇降用エアシリンダ23によって上下動される上ヒータブロック22および下ヒータブロック24について詳しく説明する。
【0018】
上ヒータブロック22および下ヒータブロック24は、図4に示すように、それぞれが対向するように配されており、互いに対向する面同士でポリマーバッテリー素子1を覆うシート部材2の一端縁近傍領域4、すなわちワーク6の被ヒートシール部分を挟持し得るようになっている。また、これら上ヒータブロック22および下ヒータブロック24は、いずれも熱伝導性に優れた金属部材等に形成されており、さらには詳細を後述するコンスタントヒート方式によって加熱されるようになっている。
【0019】
ただし、下ヒータブロック24の上面には、耐熱性および弾性を有した部材である耐熱ゴム25が焼き付けられている。耐熱ゴム25としては、例えばバイトンゴム(耐熱温度260℃)や耐熱シリコンゴム(耐熱温度200℃)を用いることが考えられる。これは、ワーク6のCPP樹脂を熱溶着するためには溶着界面の温度を160℃以上にする必要が有るが、これを達成するには下ヒータブロック24を190〜200℃程度にまで加熱する必要が有るからである。なお、バイトンゴムと耐熱シリコンゴムとでは、バイトンゴムの方が機械的強度が高いため大きい荷重をかけて熱溶着できる点で優れている一方、耐熱シリコンゴムの方が反発弾性が高いため隙間なく均一に荷重を加えられる点で優れている。
【0020】
また、耐熱ゴム25は、その平面形状(図中におけるA寸法)が、下ヒータブロック24の上面の平面形状(図中におけるB寸法)に対して、若干小さくなるような寸法差を付けられている。すなわち、ワーク6の被ヒートシール部分を挟持して加圧する際に、耐熱ゴム25が弾性変形しても、その耐熱ゴム25が下ヒータブロック24のエッジ部分に接触することのない大きさに形成されている。
なお、具体的な寸法差は、耐熱ゴム25の硬度や加圧する際の押圧力等に応じて適宜決定するようにすれば良い。
【0021】
ところで、耐熱ゴム25を下ヒータブロック24の上面にのみ焼き付け、上ヒータブロック22側には設けなかったのは、以下に述べる理由による。例えば、上下の両側に耐熱ゴムを付した場合には、ワーク6の被ヒートシール部分を挟持した際に、いずれの側も弾性変形が生じてしまい、そのワーク6の上下方向位置を正しく規制できなくなるおそれがある。また、耐熱性を有した耐熱ゴムであっても、常に200℃程度の高温で、しかも大荷重が加わるといった過酷な条件下では、上下の両側に耐熱ゴムを付すと耐久性の点で問題が生じる。さらに、耐熱ゴムは金属と熱伝達効率が違う(悪い)ため、上下の両側に耐熱ゴムを付したのでは、ワーク6に伝わる熱の温度調節を正確に行うことができなくなってしまう。これらのことから、本実施形態では、下ヒータブロック24の上面にのみ耐熱ゴム25を焼き付けることとした。ただし、上ヒータブロック22と下ヒータブロック24とのいずれか一方に耐熱ゴム25を付すのであれば、例えば上ヒータブロック22の下面にのみ耐熱ゴム25を付してもよいことは勿論である。
【0022】
続いて、これら上ヒータブロック22および下ヒータブロック24に対する加熱について説明する。本実施形態では、上ヒータブロック22および下ヒータブロック24に対する加熱を、コンスタントヒート方式により行っている。
【0023】
コンスタントヒート方式とは、従来のパルスヒート方式によるヒートシール機のように被ヒートシール部分への加圧時にのみ加熱をするのではなく、上ヒータブロック22および下ヒータブロック24を常に一定温度に保つように温度調節する加熱方式をいう。すなわち、例えば上ヒータブロック22および下ヒータブロック24に設けられた温度センサ等(ただし不図示)を用いてこれらの温度管理を行うことにより、ヒートシールにより低下した温度を所定の設定温度に戻す調節(ヒータは常時同じ温度)を行うようになっている。このような温度調節を行うことにより、パルスヒート方式による場合のように余熱等の影響により加熱温度がばらついたり、加熱後の温度再現性が悪化してしまうのを防げるようになる。
【0024】
具体的には、上ヒータブロック22および下ヒータブロック24は、それぞれ、常に190〜200℃程度となるように加熱される。このとき、下ヒータブロック24には耐熱ゴム25が焼き付けられているため、その耐熱ゴム25によって温度の伝達損失が生じるが、その伝達損失は0〜20℃程度であることが実験結果等から分かっている。したがって、耐熱ゴム25の表面において20℃(0〜−20℃)程度の温度ばらつきが生じても、下ヒータブロック24を190〜200℃程度に加熱しておけば、ヒートシール時におけるワーク6への伝達温度を160℃以上に維持し得るようになる。
【0025】
なお、上ヒータブロック22および下ヒータブロック24に対する加熱自体は、例えば、それぞれに埋め込まれたカートリッジヒータ等に電流を印加する、といった周知の方法を用いればよい。
【0026】
また、これら上ヒータブロック22と、下ヒータブロック24および耐熱ゴム25とは、いずれもヒータ保護シート26によって覆われるようになっている。
ヒータ保護シート26は、例えば表面が網目状に形成されたガラスクロステープ(ガラス繊維をフッ化樹脂に含浸させたもの)からなるもので、ヒータ保護シート巻取りユニット30によって順次巻き取られるものである。このようなヒータ保護シート26で覆うことにより、ヒートシール時に被ヒートシール部分からCPP樹脂が滲み出ても、そのCPP樹脂が上ヒータブロック22、下ヒータブロック24または耐熱ゴム25に付着するのを防止できるようになる。さらには、被ヒートシール部分に網目状模様が転写されるので、当該部分の表面積が増大してシート部材2の封止が確実になるとともに、ポリマーバッテリー素子1までの経路が長くなり湿気等が入り込み難くなる。
【0027】
次に、以上のように構成されたヒートシール装置にて実施するヒートシール方法、すなわち本実施形態におけるヒートシール方法について、図1および図5を参照しながら説明する。
【0028】
本実施形態のヒートシール装置では、図1(a)に示すようなワーク6に対してヒートシールを行う。すなわち、ワーク6の被ヒートシール部分では、ポリマーバッテリー素子1の上下を覆うシート部材2a,2bの間にそのポリマーバッテリー素子1の電極3が位置しており、ヒートシール前にあっては上下のシート部材2a,2b同士の間が開放状態にある。なお、上下のシート部材2a,2bは、ラミネートされる樹脂シートが互いに対向するように配されており、また電極3には既に説明したように樹脂部材5が接着されている。
【0029】
このような構成のワーク6がワークセット治具10のワーク受け台11上にセットされると、ヒートシール装置は、先ず、治具旋回用ロータリアクチュエータ13を駆動してそのワーク6を所定のヒートシール位置に移動させた後、加圧用エアシリンダ21および下ヒータ昇降用エアシリンダ23を駆動してそのワーク6の被シートシール部分を上ヒータブロック22と下ヒータブロック24とで挟持して加圧する。
【0030】
このとき、ワーク6の被シートシール部分は、上下のシート部材2a,2b同士の間に電極3が位置していることから、その電極3の形状に沿って凹凸が生じてしまうことになる。ところが、その被シートシール部分を挟持する一方の部材である下ヒータブロック24の上面には、耐熱ゴム25が焼き付けられている。
したがって、ワーク6の被シートシール部分では、そこに凹凸が生じていても、図1(b)に示すように、耐熱ゴム25がその凹凸に追従するように弾性変形して押圧力の均一化を図るので、確実に封止されることになる。つまり、上下のシート部材2a,2b同士の間は、耐熱ゴム25が電極3による凹凸を吸収することによって、均一な荷重を与えられて確実に封止される。
【0031】
しかも、このとき、耐熱ゴム25は、図5(a)に示すように、下ヒータブロック24よりも若干小さくなるような寸法差(図中のA寸法とB寸法)を付けられているので、ワーク6の被シートシール部分に対する加圧によって弾性変形しても、図5(b)に示すように、その耐熱ゴム25が下ヒータブロック24のエッジ部分に接触することがない。つまり、耐熱ゴム25は、弾性変形しても、下ヒータブロック24のエッジ部分との接触によって裂けや切れ等の劣化が生じてしまうことがない。
【0032】
そのため、ワーク6の被シートシール部分を挟持して加圧する際には、ワーク6の被シートシール部分に対して、従来よりも大きな荷重を与えることが可能になる。これは、大きな荷重を与えても耐熱ゴム25の弾性変形によって電極3の破損等を防止し得るためであり、またその耐熱ゴム25に劣化が生じることのない形状に形成したからである。具体的には、下ヒータブロック24の上面にこれよりも若干小さい形状の耐熱ゴム25を焼き付けることによって、Max300kgf(75kgf/cm2)程度の荷重を与えることができるようになった。
【0033】
また、このときに、上ヒータブロック22および下ヒータブロック24は、それぞれコンスタントヒート方式により加熱されている。すなわち、従来のパルスヒート方式のようにヒートシール時のみ加熱されるのではなく、常に一定温度に保つように温度調節されている。したがって、ワーク6の被ヒートシール部分を挟持して加圧する際には、余熱等の影響で加熱温度がばらついたり、加熱後の温度を安定させるのが困難になってしまうことがない。具体的には、上ヒータブロック22および下ヒータブロック24がそれぞれ常に190〜200℃程度となるように温度調節されるので、下ヒータブロック24の上面に耐熱ゴム25が焼き付けられていても、ヒートシール時におけるワーク6への伝達温度を160℃以上に維持し得るようになる。
【0034】
このように、上ヒータブロック22および下ヒータブロック24が温度調節されている状態で、その上ヒータブロック22と下ヒータブロック24に焼き付けられた耐熱ゴム25とは、押圧力の均一化を図りつつ、ワーク6の被ヒートシール部分を挟持して加圧する。したがって、ワーク6の被ヒートシール部分では、図1(c)に示すように、シート部材2a,2b同士の間の開放部分が完全に封止された状態で、上ヒータブロック22および下ヒータブロック24からの熱が伝わり、各シート部材2a,2bにラミネートされたCPP樹脂および電極3に巻かれたCPP樹脂が熱容着されることになる。
【0035】
以上のように、本実施形態のヒートシール方法およびそのヒートシール方法を実施するヒートシール装置によれば、下ヒータブロック24には耐熱ゴム25を焼き付けているので、ワーク6の被ヒートシール部分に凹凸が生じていても、その耐熱ゴム25の弾性変形を利用して被ヒートシール部分への押圧力の均一化が図れ、その被ヒートシール部分を確実に封止することができるようになる。したがって、本実施形態のヒートシール方法およびヒートシール装置を用いれば、ポリマーバッテリーの電極部であっても、その電極部に対するヒートシールを安定したシール性によって確実に行うことができる。
【0036】
また、本実施形態のヒートシール方法およびヒートシール装置によれば、被ヒートシール部分への加圧の際に耐熱ゴム25が弾性変形しても、その耐熱ゴム25が下ヒータブロック24のエッジに接触しないよう耐熱ゴム25と下ヒータブロック24とに寸法差を付けている。そのため、被ヒートシール部分への押圧力の均一化が図るべく下ヒータブロック24の上面に耐熱ゴム25を焼き付けた場合であっても、その耐熱ゴム25の劣化を防止して、その耐久性を向上させることができる。
【0037】
さらには、耐熱ゴム25と下ヒータブロック24とに寸法差を付けることにより、被ヒートシール部分への加圧の際に大荷重をかけることが可能になるので、その被ヒートシール部分に対するシール性をより一層向上させることができる。
【0038】
また、本実施形態のヒートシール方法およびヒートシール装置によれば、上ヒータブロック22および下ヒータブロック24の温度調節をコンスタントヒート方式によって行うことにより、パルスヒート方式の場合に比べて安定した加熱温度を得ることができ、しかも加熱後においても一定温度での保持が可能となる。
つまり、均一で安定したシール温度が得られるため、結果としてポリマーバッテリーの品質が安定することになる。
【0039】
なお、本実施形態では、ポリマーバッテリー電極部、すなわち凹凸が生じている被ヒートシール部分に対してヒートシールを行う場合を例に挙げて説明したが、凹凸が生じていない被ヒートシール部分についても同様にしてヒートシールを行うことができるのはいうまでもない。
【0040】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係るポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法およびヒートシール装置によれば、一対のヒータブロックの一方に耐熱を有した弾性部材を焼き付けているので、ポリマーバッテリーの電極によってシート部材の一端縁近傍領域に凹凸が生じていても、その弾性部材の弾性変形を利用して当該一端縁近傍領域への押圧力の均一化が図れ、しかも従来よりも大荷重を与え得るようになる。したがって、その一端縁近傍領域被を確実に封止することができ、ポリマーバッテリーの電極部に対するヒートシールを安定したシール性によって確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法の一例の概要を示す説明図であり、(a)はヒートシール前の状態を示す図、(b)はヒートシール中の状態を示す図、(c)はヒートシール後の状態を示す図である。
【図2】ヒートシールの対象物であるポリマーバッテリーの一例の要部を示す断面図である。
【図3】本発明に係るポリマーバッテリー電極部のヒートシール装置の一例を示す概略構成図である。
【図4】図3のヒートシール装置の要部を示す説明図(その1)である。
【図5】図3のヒートシール装置の要部を示す説明図(その2)であり、(a)は加圧前の状態を示す図、(b)は加圧中の状態を示す図である。
【図6】ヒートシールの対象物であるポリマーバッテリーの一例の概要を示す斜視図であり、(a)はヒートシール前の状態を示す図、(b)はヒートシール後の状態を示す図である。
【図7】従来のヒートシール機の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
1…ポリマーバッテリー素子、2,2a,2b…シート部材、3…電極、4…一端縁近傍領域、6…ワーク、20…ヒータブロック部、22…上ヒータブロック、24…下ヒータブロック、25…耐熱ゴム

Claims (6)

  1. ポリマーバッテリーの素子を覆うシート部材の一端縁から前記ポリマーバッテリーの電極が突出した状態で当該シート部材の一端縁近傍領域を熱溶着して封止するポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法であって、
    互いに対向して配置され所定温度に加熱される一対のヒータブロックの一方にのみ耐熱ゴムを焼き付けておき、
    前記ポリマーバッテリーの電極によって凹凸が生じている前記シート部材の一端縁近傍領域を前記一対のヒータブロックにより前記耐熱ゴムを介して挟持および加圧し、
    当該挟持および加圧によって前記シート部材の一端縁近傍領域を熱溶着することを特徴とするポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法。
  2. 前記シート部材の一端縁近傍領域を挟持および加圧した際に前記耐熱ゴムが弾性変形しても該耐熱ゴムが前記ヒータブロックのエッジに接触しないよう前記耐熱ゴムと前記ヒータブロックとに寸法差を付けたことを特徴とする請求項1記載のポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法。
  3. 前記ヒータブロックの加熱後、当該ヒータブロックの温度を一定温度に保つように温度調節することを特徴とする請求項1または2記載のポリマーバッテリー電極部のヒートシール方法。
  4. ポリマーバッテリーの素子を覆うシート部材の一端縁から前記ポリマーバッテリーの電極が突出した状態で当該シート部材の一端縁近傍領域を熱溶着して封止するためのポリマーバッテリー電極部のヒートシール装置であって、
    前記シート部材の一端縁近傍領域に対する加圧および加熱を行うために互いに対向して配置された一対のヒータブロックと、
    前記ヒータブロックの一方にのみ焼き付けられた耐熱ゴムとを備えることを特徴とするポリマーバッテリー電極部のヒートシール装置。
  5. 前記シート部材の一端縁近傍領域への加圧時に前記耐熱ゴムが弾性変形しても該耐熱ゴムが前記ヒータブロックのエッジに接触しないよう前記耐熱ゴムと前記ヒータブロックとに寸法差を付けたことを特徴とする請求項4記載のポリマーバッテリー電極部のヒートシール装置。
  6. 前記ヒータブロックの温度を一定温度に保つように温度調節する加熱手段を備えることを特徴とする請求項4または5記載のポリマーバッテリー電極部のヒートシール装置。
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