JP4894668B2

JP4894668B2 - 電池の製造方法

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Publication number: JP4894668B2
Application number: JP2007196908A
Authority: JP
Inventors: 毅関口; 正隆奥下
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: JP2007311362A

Description

本発明の電池の製造方法は、電池の新しい構造、特に、外装体から金属端子を突出させる必要のない電池の製造方法に関する。

本発明における電池とは、リチウムイオンが電極間を移動するリチウムイオン２次電池、リチウムポリマー２次電池、または、液体、固体セラミック、有機物等の誘電体を含む液体コンデンサ、固体コンデンサ、二重層コンデンサ等の電解型コンデンサを示す。電池の用途としては、パソコン、携帯端末装置（携帯電話、ＰＤＡ等）、ビデオカメラ、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星等に用いられる。前記電池の外装体としては、金属をプレス加工して円筒状または直方体状に容器化した金属製缶、あるいは、プラスチックフィルム、金属箔等のラミネートにより得られる複合フィルムからなる積層体を袋状にしたもの（以下、外装体）が用いられていた。電池の外装体として、次のような問題があった。金属製缶においては、容器外壁がリジッドであるため、電池自体の形状が決められてしまう。そのため、ハード側を電池にあわせる設計をするため、該電池を用いるハードの寸法が電池により決定されてしまい形状の自由度が少なくなる。そのため、ラミネート材からなる外装体を用いる傾向にある。ラミネート材を外装体として用いた電池（以下、包装電池）は、外装体の材質構成は、電池としての必要な物性、加工性、経済性等から、少なくとも基材層、バリア層、シーラント層と前記各層を接着する接着層からなり、必要に応じて中間層を設けることがある。電池の前記構成の積層体からパウチを形成し、または、少なくとも片面をプレス成形して電池の収納部を形成して電池本体を収納し、パウチタイプまたは、エンボスタイプ（蓋体を被覆して）において、それぞれの周縁の必要部分をヒートシールにより密封することによって電池とする。

従来からのラミネート材を外装体として用いた電池は、図９（ａ）に示すように、外装体の端部から金属端子７３を突出させている。該金属端子は、図９（ｂ）に示すように、電池本体７１の発電要素に正極、負極としてそれぞれ取り付けられており外装体の周縁シールの際には、外装体のシール部に金属端子を挟持してシールすることになり、電池が大型化して、金属端子の厚みが増すと、金属端子の両端部に段差が大きくなり、ヒートシールにおいて、完全に密封できないことがあり、例えば、その対策として、金属端子７３に予め端子接着性フィルム７６をヒートシールしておく方法において、金属端子７３をヒーター８１により加熱した状態にして、端子接着性フィルム７６を、圧着ヘッドの加圧により熱接着する溶着装置８０（図１０）が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
このように、金属端子７３は、その取付けの加工も複雑であり、また、外装体の密封シー
ルにおいても作業が煩雑となる。また、電池を複数個連結して使用する場合、包装電池では、個々の電池の金属端子７３を接続する必要があり、例えば、図１１に示すように、個々の電池の金属端子７３を連結する場合には、接続部材７４により接続する必要があった。
特願２００１−２８４２７３

本発明の目的は、外装体から金属端子を突出させることなく、生産効率の良い電池の製造方法を提供するものである。

上記の課題は、以下の本発明により解決することができる。すなわち、請求項１に記載の発明は、金属からなる２枚の外装体の一方に焼鈍処理されたアルミニウム箔により凹部を形成して、該凹部に発電要素を充填し、電解液または電解物質を充填し、前記凹部に位置する部位に開口部を形成した、耐熱樹脂層とその両面の表層に金属接着樹脂層を積層した積層体からなる金属接着用フィルムを挟み他方の外装体で蓋をし、脱気、全周仮シール後、外装体の外周部を切断し、次に本シールすることを特徴とする電池の製造方法からなる。

本発明の電池は、異種の金属箔の間に金属接着性を有するフィルムを挟んで、加熱加圧本シールを行うが、この時外装体外縁溶着部より外にシール金具がはみ出していて加熱加圧圧着によりはみ出した樹脂フィルムが金属箔切断端面近傍に溜まるようにし、金属箔同士の接近による短絡を防ぐようにした。外装の金属箔は内部に封入された発電要素に接触しており、外装体より直接電流を取り出すことができるので電流取り出しのための金属端子を外装体から突出させる必要がない。電流取り出しの金属端子がなく金属端子を外装体から突出させる必要がないので電池外郭構造が単純化できる。電流取り出しの金属端子を外装体から突出させる場合金属端子周辺の密封性に配慮が必要であるが、本形態では突出しないので密封シールが容易となる。本発明では、電流取り出しの金属端子がないので金属端子を発電要素に取付ける工程が省略でき、連続して多列で製造作業を行うことが出来て生産効率が良い。複数の電池を組み合せる場合、従来の構造ではそれぞれの金属端子を何らかの手段で接合する必要があるが、本形態では、単に重ねるだけで個々の電池同士の接合が得られ構造が簡略化できる。

本発明は、金属からなる２枚の外装体の少なくとも片方は周縁にフランジ部を有する凹部が形成され、前記凹部に発電要素が収納され、他方の金属板でフランジ部および発電要素を収納した凹部が被覆され、２枚の金属の間がフランジ部に介在させた金属接着用フィルムにより接着され密封された、電流取り出しのために、外装体から金属端子を突出させる必要のない電池である。以下、図面等を利用してさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の電池の実施例を説明する図で、（ａ）は、電池の斜視図、（ｂ）は、Ｘ１−Ｘ１部の断面図、（ｃ）金属箔外周周辺部を後退させた状態を示す断面図、（ｄ）は、発電要素を除いた外装体の断面図である。図２は、本発明の電池の製造方法の仮シール打ち抜きまでの実施例を示す製造ラインの概念図である。図３は、本シール部の概念図である。図４は、接着性フィルムの実施例を説明する層構成の断面図である。図５は、本シールされる端部Ｙ１の拡大断面図で、（ａ）加圧前、（ｂ）シール金具による加圧加熱開始、（ｃ）は、加圧加熱状態、（ｄ）は、シール終了状態を示す。図６は、本発明の電池の製造工程において、成形金属箔を多面付けで成形した状態を示す斜視図である。図７は、本発明の電池の製造工程において、金属接着用フィルムを多面付けで抜き加工した状態を示す正面図である。図８は、本発明の電池を直列に連結した状態を示す斜視図である。

本発明の電池は、２枚の金属板の少なくとも片方（以下、成形金属箔Ｍ１）を周縁にフランジ部４を有する凹部５を形成し、前記凹部に発電要素２を収納し、他方の金属板（以下、蓋金属箔Ｍ２）でフランジ部４および発電要素２を収納した凹部５を被覆し、２枚の金属箔の間であってフランジ部４に介在させた金属接着用フィルム１０を熱接着して密封したことを特徴とするものである。なお、本発明における金属板とは、板状、シート状、箔状等を示す。また、電池の種類により２枚の金属板は材質が異なっても、同じであっても良く、リチウムイオン２次電池の場合は材質の異なる金属板を用い、正極、負極として用いる。そして、本発明の電池は、２枚の金属箔を電池の外装体とすることによって、従来のフィルム外装体による電池において取付けられていた外装体の外側に突出した出力端子のない形状とすることができる。さらに、一方の金属板を凹部とすることにより、この凹部へ発電要素を収納することができ、これを他方の金属板で被覆する形態としているため、両金属板における電極面の平面性が得易い。前記凹部５を形成する成形金属箔Ｍ１としては、成形性に優れていること、コストが他の金属に比べて安価であること等の理由から、アルミニウム箔とすることが好ましい。

また、冷間圧延で製造されるアルミニウムは焼きなまし（いわゆる焼鈍処理）条件でその柔軟性・腰の強さ・硬さが変化するが、本発明において用いるアルミニウムは焼きなましをしていない硬質処理品より、多少または完全に焼きなまし処理をした軟質傾向にあるアルミニウムがよい。前記アルミニウムの柔軟性・腰の強さ・硬さの度合い、すなわち焼きなましの条件は、成形する凹部の形状と成形加工適性に合わせ適宜選定すればよい。例えば、凹部成形時のしわやピンホールを防止するためには、成形の程度に応じた焼きなましされた軟質アルミニウムを用いることが望ましい。

特にリチウムイオン２次電池においては、アルミニウムは電池の正極として機能し、負極となる金属、すなわち、本発明における蓋金属Ｍ２としては、銅、ニッケル、銅にニッケルメッキしたもの、鉄、ステンレス鋼等を用いることができる。成形金属箔Ｍ１の厚みとしては、３０ないし３００μｍ、また、蓋金属箔Ｍ２の厚みとしては、２０ないし１００μｍが適当である。

本発明の電池においては、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２とをその間であって所定の場所に、金属接着用フィルムを介在させて接着するが、接着方法は、ヒートシール、超音波、高周波等の方法を用いて接着することができるが、中でもヒートシールによる溶着方法が好ましく、金属接着用フィルムとしては溶着フィルムが好ましい。本発明においては、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２を接着した状態で、前記金属接着用フィルムが、接着された内縁から、凹部の中心側に少なくとも２ｍｍ以上延長された延長部７を設ける。延長部７を存在させることによって、電池内において、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２とが接触してショートすることが避けられる。

また、電池シール部の外端部には、図１（ｂ）に示すように、金属接着用フィルムの樹脂溜り８を形成することが望ましい。樹脂溜り８の形成は、後述するヒートシール工程において、シール金具６１の形状と加圧加熱条件の設定によって可能であるが、該樹脂溜り８の存在によって、電池外端部で、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２とが接触してショートすることが避けられる。また、金属箔外周周辺部９を化学的に腐食後退させ金属接着用フィルムを残す事によっても同様の効果が得られる。図１（ｃ）にその様子を示した。

本発明の電池において、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２とを金属接着用フィルムを介在させて接着する際に、例えば金属接着用フィルムが金属接着樹脂層のみであると、シール金具による加圧加熱により溶融して、シール部の両端に押出され、条件によっては、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２との間に金属接着用フィルムのない部分が形成され、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２とが接触してしまうことがある。本発明者は、このようなヒートシールの加圧加熱によっても、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２との間に金属接着用フィルムが絶縁層として残存する金属接着用フィルムについて検討した結果、金属接着用フィルムが少なくとも耐熱樹脂層、金属接着樹脂層を含む多層構成とすることによって前記課題を解決し得ることを見出した。例えば、図４（ａ）に示すように、金属接着樹脂層１２、耐熱樹脂層１１、金属接着樹脂層１２の３層構成、あるいは、図４（ｂ）に示すように、金属接着樹脂層１２、中間接着樹脂層１３、耐熱樹脂層１１、中間接着樹脂層１３、金属接着樹脂層１２の５層構成とする。金属接着用フィルム１０を介在させて、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２とを溶着する方法としては、ヒートシール方法、超音波シール方法、高周波シール方法等いずれの方法でもよいが、中でもヒートシール方法を用いることが好ましい。

金属接着用フィルム１０における耐熱樹脂層１１を形成する樹脂は、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２とを溶着する際のシール金具による加圧加熱によって、金属接着用フィルム１０の金属接着樹脂層１２が溶融しても、絶縁膜として膜形状を維持できる耐熱性を有するフィルムまたは樹脂であって、例えば、２軸延伸ポリエステルフィルム、２軸延伸ポリアミドフィルム、２軸延伸ポリプロピレンフィルム等のフィルム、あるいは、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、架橋されたポリオレフィン樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、４−メチル−１−ペンテン重合体等の単体または、これらの樹脂あるいは他の樹脂の２以上のブレンド樹脂としてもよい。

また、金属接着用フィルム１０における金属接着樹脂層１２は、成形金属箔Ｍ１および／または蓋金属箔Ｍ２に溶着可能な樹脂からなる層であって、
（１）不飽和カルボン酸グラフト変性されたα・オレフィン重合体およびα・オレフィン
共重合体
（２）エチレンとアクリル酸またはアクリル酸誘導体との共重合体、
（３）エチレンとメタクリル酸またはメタクリル酸誘導体との共重合体、
（４）金属イオン架橋されたα・オレフィン重合体またはエチレンとα・オレフィンとの
共重合体の中から選択される。

次に、本発明の電池１の製造法について説明する。本発明の電池は、例えば、図２および図３に示すような装置を用いて製造することができる。まず、図２に示すように、成形金属箔Ｍ１を繰り出し、金属成形部２０において、成形パンチ２１と成形ダイ２２によりプレス成形されて、凹部５が形成される。次に前記凹部５に発電要素２を充填する。広巾の巻取から繰り出された金属接着用フィルム１０は、フィルム抜き部３０において、抜きパンチ３１および抜きダイ３２により、図７に示すように、抜き部１０Ｗが打ち抜き除かれ、発電要素２が充填された成形金属箔Ｍ１のウェブの上に、前記抜き部１０Ｗが成形された凹部５に同期する状態に重合する。続いて、開口部より電解液または電解物質を充填し、巻取から繰り出された蓋金属箔Ｍ２により全体を被覆した後、脱気仮シール部４０において、脱気後シール金具４１によって全周仮シールする。発電要素にあらかじめ電解物質を塗布しておいてもよく、この場合電解物質の充填は省略できる。次に、所定の寸法に打ち抜くことによって仮シールされた電池１Ｎが得られる。

次に、仮シールされた電池１Ｎを、図３に示すような本シール部６０に供給し、シール金具６１によって本シールする。

本シールにおけるシール部Ｙ１の部分拡大図を図５（ａ）〜（ｄ）に示す。本シール部のシール金具６１には、仮シールされた電池１Ｎの外縁端よりも、長くしたシール金具延長部６２を設ける。このシール金具延長部６２を設けることにより、ヒートシールした時に、金属接着用フィルムは加圧加熱されて、その構成のなかの金属接着樹脂層が端部から、シール金具延長部６２の面に沿って外方に押出され樹脂溜り８が形成されるが、この樹脂溜り８は、冷却固化するとその先端は、端面と略平行状態となる。

なお、端部から押出された樹脂がシール金具６１に付着せぬ様、シール金具６１の表面には易剥離処理をするか易剥離テープを貼ることが望ましい。

形成された樹脂溜り８の存在によって、電池１の端部において、成形金属箔Ｍ１と蓋金属箔Ｍ２との接近によるショートを避けることができる。

以上に説明したように、本発明の電池およびその製造方法によれば、外装の金属箔は内部に封入された発電要素に接触しており、外装体より直接電流を取り出すことができるので電流取り出しのための金属端子を外装体から突出させる必要がない。電流取り出しの金属端子がないので金属端子を発電要素に取付ける工程が省略できる。

電流取り出しの金属端子を外装体から突出させる包装電池では、金属端子周辺の密封性に配慮が必要であるが、本形態では金属端子が突出しないので、電池外郭構造が単純化でき、その製造も容易となる。

複数の電池を組み合せる場合、従来の構造ではそれぞれの金属端子を何らかの手段で接合する必要があるが、本発明の電池構造では、図８に示すように、単に電池１を重ねるだけで個々の電池同士の接合が得られ直列接続構造が簡略化できる。また、このような接続構造とする場合、本発明の電池の形態であると広い面積で平面が得られるため好適である。本形態では、連続して製造作業を行うことが出来、かつ、図６に例示すように、成形金属箔Ｍ１の成形、図７に示すように金属接着用フィルム１０の打ち抜きなど多列加工ができ、かつ、金属端子の取付け工程等を必要としないために、製造ラインとして合理化され生産効率が良い。

本発明の電池について、実施例によりさらに具体的に説明する。

成形金属箔としてアルミニウム箔（厚さ、１００μｍ）を用い、蓋金属として銅箔（厚み、３０μｍ）とした。金属接着用フィルムとして、次層構成として、層厚さを１００μｍとした。
酸変性ポリプロピレン（ＰＰａ、厚さ２５μｍ）／ＴＰＸブレンド樹脂（厚さ、１５μｍ）／ＴＰＸ樹脂（厚さ、２０μｍ）／ＴＰＸブレンド樹脂（厚さ、１５μｍ）／酸変性ポリプロピレン（ＰＰａ、厚さ２５μｍ）
｛ＴＰＸ：４−メチル−ペンテン重合体、ＴＰＸブレンド：４−メチル−ペンテンとブテ
ンとの共重合体樹脂と、エチレン−プロピレン共重合体樹脂とを等量ブレンドしたもの｝
ヒートシールは、金属箔１／金属接着用フィルム／金属箔２の様に重ね合わせ（合計総厚
２３０μｍ）とし、表面にフッ素樹脂コーティングを施したシール金具巾７ｍｍ、シール
部長さ１５０ｍｍ、シール金具温度１９０℃で上下両面加熱、シール時間３秒、シール圧
力０．３６ＭＰａで３辺を仮シールした。仮シール後のシール部総厚２２５μｍとなる。
次に、シール縁に沿って外周部をカットし、これの開放一辺よりシール漏れチェック浸透
液を入れ２時間後シール部を剥離しシール部への浸透がないかを確認した。
前記と同じシール金具でシール巾を５ｍｍとし（シール金具が材料外縁より２ｍｍはみ出
る）シール部長さ１５０ｍｍ、シール金具温度１９０℃、上下加熱、シール時間３秒、シ
ール圧力０．７２ＭＰａで本シールを行った。シール部のシール部総厚２０２〜２０６μ
ｍとなる。
＜結果＞
シール部の外縁端部に長さが０．７ｍｍの樹脂溜りが形成され、この時点で成形金属箔と蓋金属箔とは短絡していなかった。
なお、シール部の剥離強度として１５ｍｍ巾当たり１９〜２５Ｎ（平均２３Ｎ）が得られ
た。

金属端子がある場合とない場合の透湿度差を、包装電池により確認した。
材料Ｎｙ２５μｍ／アルミ４０μｍ／ＥＬ１５μｍ／ＰＰ３０μｍ
金属端子として、アルミ板（厚さ、０．５ｍｍ、巾、２０ｍｍ）とした。
シール巾５ｍｍで内寸を１００×１００ｍｍとしたパウチとし、シール辺の一辺に金属端
子を、前記金属接着用フィルムと同じフィルムを介在させて挟持させ、実施例１と同じシ
ール条件で３方をヒートシールした後、開放辺から電解液を５ｇ充填して開放辺をヒート
シールして密封した。
比較として、金属端子を挟持させないで、電解液５ｇを充填して密封したパウチを作成し
た。
｛電解液：１ＭＬｉＰＦ６となるようにしたエチレンカーボネート、ジエチルカーボネ
ート、ジメチルカーボネート（１：１：１）の混合液｝
得られた、金属端子を挟んでシールしたパウチと、金属端子を挟まないでシールした密封
パウチを、６０℃９０％ＲＨの環境に５０日置いた後、水分透過量を測定した。
その結果は次の通りであった。
水分透過量は金属端子がある場合：４００ＰＰＭに対し
金属端子がない場合：３４５ＰＰＭであった。

本発明の電池の実施例を説明する図で、（ａ）は、電池の斜視図、（ｂ）は、Ｘ１−Ｘ１部の断面図、（ｃ）金属箔外周周辺部を後退させた状態を示す断面図、（ｄ）は、発電要素を除いた外装体の断面図である。本発明の電池の製造方法の仮シール打ち抜きまでの実施例を示す製造ラインの概念図である。本シール部の概念図である。接着性フィルムの実施例を説明する層構成の断面図である。本シールされる端部Ｙ１の拡大断面図で、（ａ）加圧前、（ｂ）シール金具による加圧加熱開始、（ｃ）は、加圧加熱状態、（ｄ）は、シール終了状態を示す。本発明の電池の製造工程において、成形金属箔を多面付けで成形した状態を示す斜視図である。本発明の電池の製造工程において、金属接着用フィルムを多面付けで抜き加工した状態を示す正面図である。本発明の電池を直列に連結した状態を示す斜視図である。従来技術によるラミネート材の外装体からなる電池の実施例を説明する図で、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、電池本体である。従来技術による接着性フィルムの金属端子への溶着を説明する図であり、（ａ）は溶着装置、（ｂ）は、接着性フィルムを溶着した金属端子の平面図、（ｃ）は、Ｘ２−Ｘ２部の断面図である。従来の電池を直列に連結した状態を示す斜視図である。

符号の説明

Ｍ１成形金属箔
Ｍ２蓋金属箔
１電池
１Ｎ仮シールされた電池
２発電要素
３電解液または電解物質
４フランジ部
５凹部
６シール部
７延長部
８樹脂溜り
９外周周辺部
１０金属接着用フィルム
１０Ｗ抜き部
１１耐熱樹脂層
１２金属接着樹脂層
１３中間層
２０金属成形部
２１成形パンチ
２２成形ダイ
３０フィルム抜き部
３１抜きパンチ
３２抜きダイ
４０仮シール部
４１シール金具
５０電池周縁抜き部
５１抜きパンチ
５２抜きダイ
５０Ｗ抜き残り部
６０本シール部
６１シール金具
６２シール金具延長部
７０ラミネート材からなる外装体を用いた電池
７１電池本体
７２発電要素
７３金属端子
７３ｍ端子接着性フィルムが接着された金属端子
７３ａ正極金属端子
７３ｂ負極金属端子
７４連結部材
７６端子接着性フィルム
７７シール部
８０接着性フィルムの溶着装置
８１ヒーター
８２加熱ブロック
８３圧着ヘッド
８３ｇ耐熱ゴム
８４ヒートシールバー

Claims

金属からなる２枚の外装体の一方に焼鈍処理されたアルミニウム箔により凹部を形成して、該凹部に発電要素を充填し、電解液または電解物質を充填し、前記凹部に位置する部位に開口部を形成した、耐熱樹脂層とその両面の表層に金属接着樹脂層を積層した積層体からなる金属接着用フィルムを挟み他方の外装体で蓋をし、脱気、全周仮シール後、外装体の外周部を切断し、次に本シールすることを特徴とする電池の製造方法。