JP5966550B2 - リチウムイオン電池用外装材の製造方法 - Google Patents
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Description
(i)外装材を用いてパウチ状の容器体を形成し、電池用内容物を収納して封止するパウチタイプ。
(ii)外装材を冷間成型して凹部を形成し、該凹部に電池用内容物を収納して封止するエンボスタイプ。
エンボスタイプでは、電池用内容物をより効率的に内包するために、貼り合わせる外装材の両側に凹部を形成し、収納体積を増加させて電池容量を増加させる形態も採用されている。例えば、冷間成型により形成した凹部を有する2枚の外装材を向かい合わせ、それらの凹部内に電池用内容物を収納し、縁部分をヒートシールして封止したリチウムイオン電池が挙げられる。
具体的には、金属缶はレーザー溶接で封止されるので、外部から電池内部への水分の浸入が充分に抑制される。一方、ラミネート型の外装材は、シーラント層同士を向かい合わせた状態で、シーラント層の融解温度以上の温度で加熱圧着するヒートシールによって封止する。第2接着層及びシーラント層は水分が透過するため、ヒートシールした縁部分において、その側端面から金属箔層間の第2接着層とシーラント層を徐々に透過して水分が電池内部に浸入する。水分が電池内に浸入すると、LiPF6等のフッ素系の電解質と反応し、フッ化水素が発生する。この酸であるフッ化水素は、金属箔層の表面を腐食させるため、第2接着層と金属箔層間の密着性を低下させる。また、ドライラミネート構成の外装材では、第2接着層を形成する接着剤を加水分解させるため、第2接着層内での凝集破壊が起こりやすくなる。このように、フッ酸の発生は第2接着層近傍でのデラミネーションの要因となる。
[1]基材層の一方の面側に、少なくとも接着剤層、金属箔層、腐食防止処理層、接着樹脂層及びシーラント層が順次積層されたリチウムイオン電池用外装材の製造方法であって、
前記金属箔層上に前記腐食防止処理層を形成する工程(X1)と、前記金属箔層の前記腐食防止処理層と反対側に、前記接着剤層を介して前記基材層を積層する工程(X2)と、前記腐食防止処理層上に、前記接着樹脂層を介して前記シーラント層を積層する工程(X3)と、を有し、
前記工程(X3)が、
前記腐食防止処理層上に押出ラミネートにより前記接着樹脂層を形成する第1押出ラミネート工程と、
前記第1押出ラミネート工程後に、前記接着樹脂層上に押出ラミネートにより前記シーラント層を形成する第2押出ラミネート工程と、
前記第2押出ラミネート工程後に、前記接着樹脂層及び前記シーラント層を、前記接着樹脂層の融解温度以上かつ前記シーラント層の融解温度以上の温度で加熱した後、前記接着樹脂層の結晶化温度以下かつ前記シーラント層の結晶化温度以下の温度で冷却する後熱処理工程と、を有することを特徴とするリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
[2]前記第1押出ラミネート工程と前記第2押出ラミネート工程の間に、前記接着樹脂層に表面処理を施す、又は前記接着樹脂層上に中間コーティング層を形成する中間処理工程を有する、[1]に記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
[3]前記表面処理が、コロナ処理、オゾン処理、フレーム処理、紫外線照射処理、エキシマー処理及びプラズマ処理からなる群から選ばれる少なくとも1種である、[2]に記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
[4]無機酸化物、カップリング剤、ポリオレフィン、イソシアネート系化合物及びポリエチレンイミンからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む塗液を前記接着樹脂層上に塗工して前記中間コーティング層を形成する、[2]に記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
[5]前記後加熱処理工程の加熱温度が140〜220℃、冷却温度が10〜100℃である、[1]〜[4]のいずれかに記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
[6]前記腐食防止処理層を非クロム系処理で形成する、[1]〜[5]のいずれかに記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
[7]前記第1押出ラミネート工程と前記第2押出ラミネート工程の間に、前記接着樹脂層を、前記接着樹脂層の融解温度以上の温度で加熱し、前記接着樹脂層の結晶化温度以下の温度で冷却する中間熱処理工程を有する、[1]〜[6]のいずれかに記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
本発明のリチウムイオン電池用外装材の製造方法によれば、優れた耐薬品性、封止性及び成型性を兼ね備え、かつ接着樹脂層とシーラント層の厚さが均一で特性が安定したリチウムイオン電池用外装材が得られる。
以下、本発明のリチウムイオン電池用外装材の一例を図1に基づいて説明する。
本実施形態のリチウムイオン電池用外装材1(以下、「外装材1」という。)は、図1に示すように、基材層11の一方の面側に、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14、接着樹脂層15及びシーラント層16が順次積層された積層体である。外装材1は、基材層11が最外層、シーラント層16が最内層となるように使用される。
基材層11は、金属箔層13上に接着剤層12を介して形成される。基材層11は、電池を製造する際のシール工程における耐熱性を付与し、成型加工や流通の際に起こりうるピンホールの発生を抑制する役割を果たす。また、冷間成型時の金属箔層13の破断を抑制したり、金属箔層13と他の金属部材との絶縁性を高めたりする役割を果たす。
基材層11としては、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂等の延伸又は無延伸フィルム等が挙げられる。なかでも、成型性、耐熱性、耐突き刺し性、絶縁性に優れる点から、二軸延伸ポリアミドフィルム、二軸延伸ポリエステルフィルムが好ましい。
前記単層フィルムとしては、二軸延伸ポリアミドフィルム又は二軸延伸ポリエステルフィルムが好ましい。前記多層フィルムとしては、ポリアミド樹脂/ポリエステル系熱可塑性エラストマー/ポリエステル樹脂の多層構成を有する二軸延伸共押出フィルムが好ましい。前記複合フィルムとしては、二軸延伸ポリアミドフィルムと二軸延伸ポリエステルフィルムをポリウレタン系接着剤で貼り合わせた複合フィルムが好ましい。
ポリエステル系熱可塑性エラストマーとしては、例えば、三菱化学社製のプリマロイ等が挙げられる。
滑剤としては、例えば、脂肪酸アミド(例えば、オレイン酸アミド、エルカ酸アミド、ステアリン酸アミド、ベヘニン酸アミド、エチレンビスオレイン酸アミド、エチレンビスエルカ酸アミド等。)等が挙げられる。
アンチブロッキング剤としては、例えば、シリカ等の各種フィラー系のアンチブロッキング剤が挙げられる。添加剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
基材層11の表面には、耐擦傷性、滑り性を改善する等のために、凹凸形状を形成してもよい。
接着剤層12は、基材層11と金属箔層13間に形成される。接着剤層12は、基材層11と金属箔層13を強固に接着するのに必要な密着力を有するだけでなく、冷間成型時の金属箔層13の破断を保護するために追随性が求められる。
接着剤層12の材料としては、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、アクリルポリオール、ポリオレフィンポリオール等の主剤に、硬化剤として芳香族系又は脂肪族系のイソシアネートを作用させる2液硬化型のポリウレタン系接着剤が好ましい。前記ポリウレタン系接着剤の主剤の水酸基に対する硬化剤のイソシアネート基のモル比(NCO/OH)は、1〜10が好ましく、2〜5がより好ましい。
接着剤層12の厚さは、接着強度や、追随性、加工性の点から、1〜10μmが好ましく、2〜6μmがより好ましい。
金属箔層13は、リチウムイオン電池内に水分が浸入することを防止するために設けられる。また、金属箔層13には、冷間成型のために延展性に優れ、深絞りが可能なことが求められる。
金属箔層13としては、アルミニウム、ステンレス綱等の各種金属箔を使用することができ、質量(比重)、防湿性、延展性等の加工性、コストの面から、アルミニウム箔が好ましい。
金属箔層13の厚さは、バリア性、耐ピンホール性、加工性の点から、10〜100μmが好ましく、15〜80μmがより好ましい。
ウェットタイプの脱脂処理としては、例えば、酸脱脂やアルカリ脱脂等が挙げられる。酸脱脂に使用する酸としては、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、フッ酸等の無機酸が挙げられる。これらの酸は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。また、アルミニウム箔のエッチング効果が向上する点から、必要に応じて鉄(III)イオンやセリウム(III)イオン等の供給源となる各種金属塩を配合してもよい。アルカリ脱脂に使用するアルカリとしては、例えば、エッチング効果が高いものとして水酸化ナトリウム等が挙げられる。また、弱アルカリ系や界面活性剤を配合したものが挙げられる。ウェットタイプの脱脂処理は、浸漬法やスプレー法で行われる。
ドライタイプの脱脂処理としては、例えば、アルミニウム箔を焼鈍処理する工程において、その処理時間を長くすることで脱脂処理を行う方法が挙げられる。また、該脱脂処理の他にも、フレーム処理、コロナ処理等が挙げられる。さらに、特定波長の紫外線を照射して発生する活性酸素により、汚染物質を酸化分解及び除去する脱脂処理を採用してもよい。
腐食防止処理層14は、金属箔層13のシーラント層16側に形成される。腐食防止処理層14は、電解質と水分の反応により発生するフッ化水素による金属箔層13表面の腐食を防止する役割を果たす。また、アンカーとしての機能で金属箔層13と接着樹脂層15を強固に密着させる役割も果たす。
腐食防止処理層14としては、例えば、クロム酸塩、リン酸塩、フッ化物と、各種熱硬化性樹脂からなる腐食防止処理剤によるクロメート処理、希土類元素である酸化物(例えば酸化セリウム、酸化ジルコン等。)とリン酸塩と各種熱硬化性樹脂からなる腐食防止処理剤によるセリアゾル処理等により形成された層が挙げられる。また、腐食防止処理層14は、金属箔層13の耐食性が充分に得られる層であればよく、例えば、リン酸塩処理、ベーマイト処理等により形成された層であってもよい。
腐食防止処理層14としては、6価クロムの使用が環境破壊に繋がることから、クロムを使用しない非クロム系処理によって形成された層であることが好ましい。
腐食防止処理層14の厚さは、腐食防止機能とアンカーとしての機能の点から、5nm〜1μmが好ましく、10nm〜200nmがより好ましい。
接着樹脂層15は、シーラント層16と腐食防止処理層14の間に形成される。接着樹脂層15は、酸変性ポリオレフィン樹脂等の熱可塑性接着剤で形成される層が挙げられる。酸変性ポリオレフィン樹脂は、シーラント層16と腐食防止処理層14の両方に強固に密着することができる。また、耐薬品性に優れるので、電解液と水分との反応によって発生したフッ化水素や電解液が存在しても、接着樹脂層15が分解劣化して密着性が低下することを抑制できる。
ポリオレフィン樹脂としては、低密度、中密度、高密度のポリエチレン;ホモ、ブロック又はランダムポリプロピレン等が挙げられる。また、前記のものにアクリル酸、メタクリル酸等の極性分子を共重合した共重合体、架橋ポリオレフィン等のポリマー等が挙げられ、分散、共重合等を実施した樹脂を採用できる。これらポリオレフィン樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
酸変性ポリオレフィン樹脂としては、耐熱性の点から、無水マレイン酸変性ポリエチレンよりも無水マレイン酸変性ポリプロピレンがより好ましい。
接着樹脂層15は、1種の酸変性ポリオレフィン樹脂を単独で使用してもよく、2種以上の酸変性ポリオレフィン樹脂を併用してもよい。
熱可塑性接着剤の市販品としては、例えば、三井化学社製のアドマー、三菱化学社製のモディック等が挙げられる。
オレフィン系エラストマーとしては、例えば、エチレン・プロピレン共重合体、エチレン・1−ブテン共重合体、エチレン・α−オレフィン共重合体、プロピレン・1−ブテン共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体、1−ブテン・α−オレフィン共重合体、プロピレン・1−ブテン・エチレン共重合体、プロピレン・α−オレフィン・エチレン共重合体、プロピレン・α−オレフィン・1−ブテン共重合体、1−ブテン・α−オレフィン・エチレン共重合体等が挙げられる。
スチレン系エラストマーとしては、例えば、スチレン・エチレン・ブチレン・スチレン共重合体、スチレン・エチレン・プロピレン・スチレン共重合体等が挙げられる。
これらオレフィン系エラストマーやオレフィン系エラストマーは、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
また、接着樹脂層15中の軟質樹脂の分散径は、1nm〜20μmが好ましく、10nm〜10μmがより好ましい。なお、本発明において、分散径とは、分散相を形成している楕円体の最長軸を意味する。
接着樹脂層15の厚さは、2〜50μmが好ましい。
シーラント層16は、腐食防止処理層14上に接着樹脂層15を介して形成される。接着樹脂層15上にシーラント層16が積層されることで、2枚の外装材のシーラント層16同士を向かい合わせにし、シーラント層16の融解温度以上でヒートシールすることにより、リチウムイオン電池を封止できる。また、シーラント層16の結晶性を制御することで、ヒートシールした縁部分の側端面から電池内部に浸入してくる水分量を低減することができる。また、溶融粘度を調節することで、ヒートシール時に縁部分から押し出された樹脂の流動性を調節することができる。
ポリオレフィン樹脂としては、耐熱性の点から、ポリエチレンよりもポリプロピレンの方が好ましい。
ポリオレフィン樹脂の市販品としては、例えば、日本ポリプロピレン社製のノバテックFL02A、プライムポリマー社製のプライムポリプロF329RA、サンアロマー社製のサンアロマーPH943B等がある。なかでも、成型性に優れ、冷間成型時にシーラント層16にクラックが生じ難い点から、プライムポリプロF329RAが好ましい。
シーラント層16を形成する材料のMFRは、温度230℃、荷重2.16kgfの条件において、3〜30g/10分が好ましい。
シーラント層16の厚さは、10〜80μmが好ましい。
シーラント層16に配合する軟質樹脂としては、例えば、接着樹脂層15で挙げたものと同じものが挙げられ、好ましい態様も同じである。
また、シーラント層16中の軟質樹脂の分散径は、1nm〜20μmが好ましく、10nm〜10μmがより好ましい。
接着樹脂層15及びシーラント層16が前記のように形成された層であることで、優れた耐薬品性、封止性及び成型性を兼ね備え、かつ接着樹脂層15とシーラント層16の厚さが均一で安定した特性を有する外装材1が得られる。該効果が得られる要因としては、以下のように考えられる。
また、軟化点以上の温度で加熱したときに、接着樹脂層及びシーラント層内の結晶が部分的に溶解し、結晶の溶融部と非溶融部が混在した状態となっている。そのため、冷却時に、溶融部で均一に結晶が成長する一方、非溶融部では残存していた結晶核を中心に結晶が成長し、接着樹脂層及びシーラント層において結晶状態が不均一になり、クラックが生じやすくなる。接着樹脂層及びシーラント層にクラックが生じると、特に冷間成型時に延伸された部分で白化しやすく、またクラックがリチウムイオンの移動路となって電池特性の低下を招く。
また、共押出ラミネートでは、接着樹脂層とシーラント層の厚さが不均一になりやすく、外装材の特性が充分に安定しないことがある。
また、接着樹脂層15とシーラント層16が、接着樹脂層15及びシーラント層16の融解温度以上の温度で加熱されるので、接着樹脂層15及びシーラント層16内の結晶が充分に溶解され、均一な結晶構造が得られる。また、加熱後に、接着樹脂層15及びシーラント層16の結晶化温度以下の温度で冷却されるので、結晶化が進行しすぎて脆化することが抑制される。そのため、接着樹脂層及びシーラント層にクラックが生じ難く、冷間成型時の白化や電池特性の低下が抑制される。
また、図2に例示したリチウムイオン電池用外装材2(以下、「外装材2」という。)であってもよい。外装材2における外装材1と同じ部分は同じ符号を付して説明を省略する。
外装材2は、図2に示すように、基材層11の一方の面側に、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14、接着樹脂層15及びシーラント層16が順次積層され、基材層11の他方の面側に外側コーティング層17が積層された積層体である。すなわち、外装材2は、基材層11の外側に外側コーティング層17が形成されている以外は外装材1と同じである。
外側コーティング層17は、基材層11における金属箔層13の反対側の表面に、所望の特性に応じて形成される。外側コーティング層17を形成することで、基材層11に傷等が生じることを抑制する耐擦傷性や、電解液等によって基材層11が溶解することを抑制する耐薬品性を付与することができる。また、最外面の滑り性を高めたり、表面を賦形したりすることによって成型性を高めることもできる。
また、外側コーティング層17には、フィラー、顔料、染料、難燃剤、滑剤、アンチブロッキング剤、酸化防止剤、光安定剤、粘着付与剤、帯電防止剤等の添加剤を分散させるか、又は表面に塗布してもよい。
外側コーティング層17の厚さは、追随性、加工性等の点から、0.01〜50μmが好ましく、0.1〜30μmがより好ましい。
外装材3は、図3に示すように、基材層11の一方の面側に、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14、接着樹脂層15、中間コーティング層18及びシーラント層16が順次積層された積層体である。すなわち、外装材3は、接着樹脂層15とシーラント層16の間に中間コーティング層18が形成されている以外は外装材1と同じである。
中間コーティング層18を形成することで、例えば、水蒸気バリア性、電気絶縁性等を向上させることができる。
具体的には、例えば、バリア性の高い無機化合物や、結晶性の高い熱可塑性樹脂を使用して中間コーティング層18を形成し、中間コーティング層18を形成した分だけ接着樹脂層15を薄くする。これにより、中間コーティング層18において水分の浸入が抑制されるので、中間コーティング層18を形成した分だけ、ヒートシールした縁部分の側端面から電池内部に浸入する水分量を低減できる。
また、熱硬化性樹脂を使用して中間コーティング層18を形成すれば、タブリードとタブシーラントからなるタブを縁部分に挟み込んでヒートシールした際に、中間コーティング層18の厚みが変化し難いことで縁部分の厚みが保持されやすくなる。これにより、タブリードと金属箔層13とが接触して短絡することを抑制でき、絶縁性を高めることができる。
無機酸化物としては、例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム等が挙げられる。カップリング剤としては、例えば、シランカップリング剤、チタンカップリング剤等が挙げられる。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、酸変性ポリプロピレン、塩素化ポリプロピレン、アクリル変性ポリプロピレン、ポリプロピレン系エラストマー等が挙げられる。これらの材料は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
中間コーティング層18の厚さは、追随性、加工性等の点から、0.01〜10μmが好ましく、0.1〜5μmがより好ましい。
外装材のシーラント層同士がヒートシールされた部分が剥離されるときの強度であるヒートシール強度は、初期剥離におけるバースト強度と、初期剥離後に剥離強度が安定する領域のシール強度とからなる。具体的には、接着樹脂層15とシーラント層16の層間に沿って剥離が進行する際のシール強度が、接着樹脂層15内を剥離が進行する際のシール強度よりも小さく、かつ腐食防止処理層14と接着樹脂層15の層間を剥離が進行する際のシール強度よりも大きくなるように、接着樹脂層15とシーラント層16のラミネート強度を調節する。
前記のようなラミネート強度の調節を実施していない場合、シーラント層間で剥離が生じた後、生じた亀裂が腐食防止処理層と接着樹脂層の間まで進み、それらの層間に沿って剥離が進行しやすい。これは、接着樹脂層内又はシーラント層内や、接着樹脂層とシーラント層の層間に比べて、腐食防止処理層と接着樹脂層の層間におけるシール強度が小さいためである。しかし、前記のようなラミネート強度の調節を実施すれば、接着樹脂層15内を亀裂が進行して腐食防止処理層14と接着樹脂層15の層間へと達した後に、腐食防止処理層14と接着樹脂層15の層間に沿って剥離が進行するよりも、接着樹脂層15とシーラント層16の層間に沿って剥離が進みやすくなる。腐食防止処理層14と接着樹脂層15の層間、又は接着樹脂層15とシーラント層16の層間を亀裂が進む距離は、接着樹脂層15内を亀裂が進む距離に比べて長い。そのため、腐食防止処理層14と接着樹脂層15の層間におけるシール強度よりも高いシール強度の腐食防止処理層14と接着樹脂層15の層間で剥離が進行するように誘導する方が、全体としてヒートシール強度が高くなる。
以下、リチウムイオン電池用外装材の製造方法の一例として、前記した外装材1の製造方法について基づいて説明する。
外装材1の製造方法は、下記工程(X1)〜(X3)を有する。
(X1)金属箔層13上に腐食防止処理層14を形成する工程。
(X2)金属箔層13の腐食防止処理層14と反対側に、接着剤層12を介して基材層11を積層する工程。
(X3)腐食防止処理層14上に、接着樹脂層15を介してシーラント層16を積層する工程。
例えば、金属箔層13の一方の面に、腐食防止処理剤を塗工し、焼付けを行って腐食防止処理層14を形成する。
腐食防止処理剤の塗工方法は特に限定されず、例えば、グラビアコート、グラビアリバースコート、ロールコート、リバースロールコート、ダイコート、バーコート、キスコート、コンマコート等が挙げられる。
金属箔層13における腐食防止処理層14を形成した側と反対側に、接着剤層12を形成する接着剤を用いて基材層11を貼り合わせる。接着剤の塗工方法は、例えば、前記工程(X1)で挙げた方法と同じ方法が挙げられる。
基材層11を貼り合わせる方法としては、ドライラミネーション、ノンソルベントラミネーション、ウェットラミネーション等が挙げられる。
工程(X2)では、接着性の促進のため、室温〜100℃の範囲でエージング処理を行ってもよい。
腐食防止処理層14上に接着樹脂層15を介してシーラント層16を貼り合わせる。本実施形態では、工程(X3)が、下記の第1押出ラミネート工程、第2押出ラミネート工程及び後熱処理工程を有することを特徴とする。
第1押出ラミネート工程:腐食防止処理層14上に押出ラミネートにより接着樹脂層15を形成する工程。
第2押出ラミネート工程:接着樹脂層15上に押出ラミネートによりシーラント層16を形成する工程。
後熱処理工程:前記第2押出ラミネート工程後に、接着樹脂層15及びシーラント層16を、接着樹脂層15の融解温度以上かつシーラント層16の融解温度以上の温度で加熱した後、接着樹脂層15の結晶化温度以下かつシーラント層16の結晶化温度以下の温度で冷却する工程。
図4に示すように、基材層11、接着剤層12、金属箔層13及び腐食防止処理層14からなる積層体20を、送り出しロール41から送り出し、その積層体20の腐食防止処理層14上に、押出機42から接着樹脂層15を形成する材料を押し出し、ニップロール43と冷却ロール44によって加圧しつつ冷却して、基材層11、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14及び接着樹脂層15からなる積層体21を得る。
さらに、積層体21を搬送ロール45にて搬送しつつ、押出機46からシーラント層16を形成する材料を押し出し、ニップロール47と冷却ロール48によって加圧しつつ冷却して、基材層11、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14、接着樹脂層15及びシーラント層16からなる積層体22を巻取りロール49に巻き取る。
第1押出ラミネート工程及び第2押出ラミネート工程では、押出機42と押出機46から押し出す樹脂材料の表面をオゾン処理してもよい。これにより、腐食防止処理層14と接着樹脂層15、及び接着樹脂層15とシーラント層16のラミネート強度が高まる。
図5に示すように、巻取りロール49から積層体22を送り出し、加熱手段50によって、接着樹脂層15及びシーラント層16を、接着樹脂層15の融解温度以上かつシーラント層16の融解温度以上の温度で加熱した後、ニップロール51と冷却ロール52によって、接着樹脂層15及びシーラント層16を、接着樹脂層15の結晶化温度以下かつシーラント層16の結晶化温度以下の温度で加圧しながら冷却して外装材1を形成し、巻取りロール53に巻き取る。
加熱手段50による加熱方法としては、例えば、熱オーブン、熱ロール等を使用する方法が挙げられる。
前記加熱温度が前記下限値以上であれば、接着樹脂層15が充分に溶解し、金属箔層13の腐食防止処理層14側に対して接着樹脂層15が充分に濡れた状態となり、腐食防止処理層14と接着樹脂層15が充分に密着し、ラミネート強度が高くなり、ヒートシールした際のヒートシール強度も高くなる。また、接着樹脂層15及びシーラント層16内の結晶が充分に溶解し、溶融部と非溶融部に分かれることが抑制されるので、冷却時に結晶が均一に成長して、冷間成型時にクラックが生じ難くなる。そのため、接着樹脂層15及びシーラント層16に白化が生じたり、クラックが電解質の移動路となって電池特性が低下したりすることが抑制される。前記加熱温度が前記上限値以下であれば、基材層11が溶解することを抑制しやすく、基材層11の機械特性を保持しやすい。
前記冷却温度が前記下限値以上であれば、冷却ロール52が結露し難く、結露した水滴がシーラント層16表面に付着して外観が低下することを抑制しやすい。前記冷却温度が前記上限値以下であれば、接着樹脂層15とシーラント層16内で結晶化の進行を抑制できるので、接着樹脂層15とシーラント層16が脆化してクラックが生じやすくなることを抑制しやすい。
なお、「接着樹脂層15とシーラント層16の結晶化前」とは、示差走査熱量測定(DSC)において、接着樹脂層15とシーラント層16をそれらの融解温度以上で融解させた後、25℃で徐冷させたときに、結晶化に伴う発熱ピークが得られるよりも前を意味する。
なお、外装材1の製造方法は、前記した方法には限定されない。例えば、工程(X3)を行った後に工程(X2)を行ってもよい。また、図6に示すように、積層体22を巻取りロール49に巻き取らずに、そのまま連続的に加熱手段50で加熱して、冷却ロール52で冷却するようにしてもよい。図6における図4及び図5と同じ部分は同符号を付して説明を省略する。
塗工方法としては、例えば、工程(X1)で挙げた方法と同じ方法が挙げられる。
具体的には、例えば、図7に示すように、積層体20の腐食防止処理層14側に、押出機42から接着樹脂層15を形成する材料を押し出し、ニップロール43と冷却ロール44によって加圧しつつ冷却して、基材層11、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14及び接着樹脂層15からなる積層体21を得る。その後、グラビアロール54とニップロール55によって、中間コーティング層18を形成する材料を積層体21の接着樹脂層15上に塗工し、加熱手段56によって加熱して焼き付け、基材層11、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14、接着樹脂層15及び中間コーティング層18からなる積層体23を得る。さらに、積層体23の中間コーティング層18上に、押出機46からシーラント層16を形成する材料を押し出し、ニップロール47と冷却ロール48によって加圧しつつ冷却して、基材層11、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14、接着樹脂層15、中間コーティング層18及びシーラント層16からなる積層体24を巻取りロール49に巻き取る。
積層体24に対して前記した後熱処理工程を実施することにより、外装材3が得られる。
なお、図7における図4及び図5と同じ部分は、同符号を付して説明を省略する。加熱手段56としては、例えば、加熱手段50で挙げたものが挙げられる。
具体的には、例えば、図8に示すように、積層体20の腐食防止処理層14側に、押出機42から接着樹脂層15を形成する材料を押し出し、ニップロール43と冷却ロール44によって加圧しつつ冷却して、基材層11、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14及び接着樹脂層15からなる積層体21を得る。その後、表面処理手段57によって接着樹脂層15表面に表面処理を施し、さらに積層体21を搬送ロール45にて搬送しつつ、押出機46からシーラント層16を形成する材料を押し出し、ニップロール47と冷却ロール48によって加圧しつつ冷却して、基材層11、接着剤層12、金属箔層13、腐食防止処理層14、接着樹脂層15及びシーラント層16からなる積層体22を巻取りロール49に巻き取る。
得られた積層体22に対して前記した後熱処理工程を実施することにより、接着樹脂層15のシーラント層16側に表面処理を施した外装材が得られる。この例の表面処理手段57は、電極58と誘電体ロール59とを備えたコロナ処理を施す装置である。
なお、図8における図4及び図5と同じ部分は、同符号を付して説明を省略する。
具体的には、例えば、加熱手段50、ニップロール51及び冷却ロール52と同様の加熱手段及び冷却手段を、図4における冷却ロール44による冷却と、押出機46による押し出しの間に設けて、第1押出ラミネート工程と第2押出ラミネート工程の間に加熱処理を行う態様が挙げられる。
容器体110は、矩形状の外装材1がシーラント層16を内側にして二つ折りにされた第1容器部110aと第2容器部110bとを有しており、第1容器部110aに、冷間成型によって、シーラント層16側から基材層11側に突き出すような凹状の電池部材収容部116が設けられることで容器形状となっている。第1容器部110aと第2容器部110bにおける折り返し部110cの反対側に位置するシーラント層16同士が接触している先端縁部分118は、タブ114の一部を挟み込んだ状態でヒートシールされている。また、電池部材収容部116の両側の各々の側縁部分120,122もヒートシールされている。容器体110は、このように先端縁部分118と両方の側縁部分120,122がヒートシールされていることで封止されている。また、容器体110は、電池部材収容部116内に電池部材112と共に電解液が収容された状態で封止される。
両方の側縁部分120,122は、図10に示すように、電池部材収容部116側に折り返される。
(Y1)図11に示すように、矩形状の外装材1における第1容器部110aとなる部分に電池部材収容部116を形成する工程。
(Y2)第1容器部110aの電池部材収容部116内に電池部材112を配置し、外装材1の第2容器部110bとなる部分を折り返し、折り返し部110cと反対側の先端縁部分118をタブ114の一部が外部に出るようにしてヒートシールする工程。
(Y3)電池部材収容部116の一方の側の側縁部分120をヒートシールし、残る側縁部分122側の開口から電池部材収容部116内に電解液を注入した後、真空状態で残る側縁部分122をヒートシールして封止する工程。
(Y4)側縁部分120,122の側端側の一部を切除して折り返す工程。
外装材1のシーラント層16側から基材層11側に、リバウンド量を考慮して所望の成型深さになるように金型で冷間成型し、第1容器部110aとなる部分に電池部材収容部116を形成する。
冷間成型時には、例えば滑剤等を利用して外装材1の表面の摩擦係数を低くしておくことで、金型と外装材1間の摩擦が低下し、金型のフィルム押さえから成型部分に外装材1が流れ込みやすくなる。これにより、クラックやピンホールを生じさせずに、より深い電池部材収容部116を形成することができる。
工程(Y1)で形成した電池部材収容部116内に電池部材112を収容し、外装材1の第2容器部110bとなる部分を折り返し、折り返し部110cの反対側の先端縁部分118を、タブ114を挟んでその一部が外部に出るようにしてヒートシールする。このとき、タブ114のタブシーラント128は、外装材1における第1容器部110a側のシーラント層16と第2容器部110b側のシーラント層16の両方に溶着させる。
ヒートシールは、ヒートシールバーの温度、シール時の面圧、シール時間の3条件を調節することで制御でき、接着樹脂層15とシーラント層16の融解温度以上の温度、かつ適度な圧力で、ポリ球と呼ばれる溶融樹脂溜り部が縁部分の側端面に形成されないように行う。
電池部材収容部116の一方の側の側縁部分120をヒートシールし、残る側縁部分122側の開口から、電解質を溶解させた電解液を電池部材収容部116内に注入する。その後、エージングでのデガス工程を経た後、空気が電池内部に入らないように、真空状態で残る側縁部分122をヒートシールして封止することで、リチウムイオン電池100を得る。
多くの場合、側縁部分120,122の側端面には、ヒートシール時に溶融したシーラント層16を形成する樹脂がはみ出しているので、側縁部分120,122の側端面側の一部を所定の幅を残して切除する。その後、側縁部分120,122を電池部材収容部116側に折り返す。
[使用材料]
本実施例で使用した材料を以下に示す。
(基材層11)
フィルムA−1:ポリアミド樹脂(ナイロン6)/ポリエステル系熱可塑性エラストマー(商品名「プリマロイAP」、三菱化学社製)/ポリエステル樹脂(ポリエチレンテレフタレート)からなる二軸延伸共押出フィルム(厚さ25μm)。
(接着剤層12)
接着剤B−1:2液硬化型ポリウレタン系接着剤(厚さ4μm)。
(金属箔層13)
金属箔C−1:軟質アルミニウム箔(O8079材、厚さ40μm)。
(腐食防止処理層14)
処理剤D−1:溶媒として蒸留水を使用し、固形分濃度10質量%に調整した「ポリリン酸ナトリウム安定化酸化セリウムゾル」。酸化セリウム100質量部に対して、リン酸塩は10質量部とした。
処理剤D−2:溶媒として蒸留水を使用し、固形分濃度5質量%に調整した、「ポリアクリル酸アンモニウム塩(東亞合成製)」90質量%と、「アクリル−イソプロペニルオキサゾリン共重合体(日本触媒製)」10質量%からなる組成物。
(接着樹脂層15)
接着樹脂E−1:無水マレイン酸変性ポリプロピレン(融解温度140℃、ビガット軟化点123℃、結晶化温度109℃、メルトフローレート(230℃、2.16kgf)5g/10分)。
(シーラント層16)
シーラント樹脂F−1:ポリプロピレン(融解温度137℃、ビガット軟化点125℃、結晶化温度102℃、メルトフローレート(230℃、2.16kgf)20g/10分)。
(中間コーティング層18)
塗液G−1:結晶化度57の無水マレイン酸変性ポリプロピレンを、固形分濃度18質量%となるようにトルエン/メチルエチルケトン(1:1)の混合溶液に溶解した塗液。なお、結晶化度は、X線回折法で規定した値である。
(工程(X1)及び工程(X2))
金属箔C−1上に、処理剤D−1をバーコーターにより塗工し、乾燥ユニットにおいて200℃で焼付け処理を施し、乾燥厚さ50μmの酸化セリウム層を形成した。さらに、該酸化セリウム層上に処理剤D−2をバーコーターにより塗工し、乾燥ユニットにおいて150℃で焼付け処理を施し、乾燥厚さ50nmのアクリル樹脂層を形成し、酸化セリウム層とアクリル樹脂層が積層された腐食防止処理層14を得た。次いで、金属箔層13における腐食防止処理層14と反対側に、接着剤B−1を用いたドライラミネート法によりフィルムA−1を貼り合わせた後、40℃7日間のエージング処理を行って熱架橋させ、接着剤層12(乾燥厚さ4μm)を介して基材層11を積層した。フィルムA−1は、ポリアミド樹脂側が金属箔層13側に向くように貼り合わせて積層体20を得た。
第1押出ラミネート工程及び第2押出ラミネート工程:
次に、図4に示すように、積層体20の腐食防止処理層14側に、押出機42から250℃で接着樹脂E−1を押し出し、20℃の冷却ロール44で冷却して厚さ40μmの接着樹脂層15を形成し、積層体21を得た。さらに、押出機46から230℃でシーラント樹脂F−1を押し出し、20℃の冷却ロール48で冷却して厚さ40μmのシーラント層16を形成し、積層体22を得た。
後熱処理工程:
次に、図5に示すように、加熱手段50(熱オーブン)によって、接着樹脂層15及びシーラント層16の融解温度以上である190℃で加熱し、接着樹脂層15及びシーラント層16の結晶化温度以下である20℃の冷却ロール52によって、結晶化前に加圧しながら冷却して外装材1を得た。
工程(X3)において、図8に示すように、第1押出ラミネート工程と第2押出ラミネート工程の間でコロナ処理(50W・min/m2)を行った以外は、実施例1と同様にして外装材を得た。
実施例1の工程(X1)、工程(X2)と同様にして、積層体20を得た。次に、図7に示すように、押出機42から250℃で接着樹脂E−1を押し出し、20℃の冷却ロール44で冷却して厚さ36μmの接着樹脂層15を形成し、積層体21を得た。次に、積層体21の接着樹脂層15上に、グラビアロール54によって塗液G−1を塗工し、加熱手段56(熱オーブン)において180℃で焼付け、乾燥厚さ4μmの中間コーティング層18を形成して積層体23を得た。次に、積層体23の中間コーティング層18上に、押出機46から230℃でシーラント樹脂F−1を押し出し、20℃の冷却ロール48で冷却して厚さ40μmのシーラント層16を形成し、積層体24を得た。積層体24に対して、実施例1と同様にして後熱処理工程を実施し、外装材3を得た。
第1押出ラミネート工程と第2押出ラミネート工程の間に、接着樹脂層15の融解温度以上である190℃で接着樹脂層15を加熱し、接着樹脂層15の結晶化温度以下である20℃で接着樹脂層15を冷却する中間熱処理工程を実施した以外は、実施例1と同様にして外装材を得た。
後熱処理工程において、接着樹脂層15及びシーラント層16を、それらのビガット軟化点以上かつ融解温度未満の130℃で加熱し、それらの結晶化温度以下の20℃の冷却ロールで冷却した以外は、実施例1と同様にして外装材を得た。
後熱処理工程において、接着樹脂層15及びシーラント層16を、それらの融解温度以上の190℃で加熱し、それらの結晶化温度を超える120℃の冷却ロールで冷却した以外は、実施例1と同様にして外装材を得た。
実施例1と同様にして工程(X1)及び工程(X2)を行い、積層体20を得た。次に、積層体20の腐食防止処理層14側に、共押出し用の押出機によって、接着樹脂E−1とシーラント樹脂F−1を共押出ラミネートにより230℃で押し出して積層し、20℃の冷却ロールにより冷却して、基材層/接着剤層/金属箔層/腐食防止処理層/接着樹脂層/シーラント層の積層体を得た。得られた積層体に対して、実施例1と同様にして後熱処理工程を実施し、外装材を得た。
(耐薬品性の評価)
エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びジエチルカーボネートを質量比1:1:1で混合し、LiPF6を1mol/Lとなるように溶解し、LiPF6に対して1000質量ppmの水を添加した電解液(85℃)中に、各例で得た外装材から100mm×150mmのサイズで切り出したサンプルを浸漬して4週間保管した。その後、25℃において、サンプルの金属箔層と接着樹脂層の間のラミネート強度を、引張速度100mm/分、T型剥離で測定した。また、電解液に浸漬する前の初期のラミネート強度も同様にして測定した。耐薬品性の評価は以下の基準で行った。
「○(良好)」:浸漬後のラミネート強度が10N/15mm以上である。
「×(不良)」:浸漬後のラミネート強度が10N/15mm未満である。
各例で得た外装材を60mm×100mmのサイズに切り出し、そのサンプルを長辺の中間で折り返して60mm×50mmとし、60mm辺の縁部分を幅10mmでヒートシール(温度190℃、面圧0.5MPa、シール時間3秒)した。その後、50mm辺の縁部分の一方を前記と同条件で幅5mmでヒートシールし、前記耐薬品性の評価で用いた電解液と同じ電解液を残った1辺から注入し、さらに残りの1辺の縁部分を前記と同様にヒートシールにより封止してパウチサンプルを得た。該パウチサンプルを60℃で4週間保管した後、25℃において、ヒートシールされた60mm辺側から幅15mm×長さ50mmのサンプル片を切り出し、引張速度100mm/分、T型剥離でヒートシール強度を測定した。また、内部に電解液を注入していないパウチサンプルから切り出したサンプル片についても、同様にしてヒートシール強度を測定した。封止性の評価は以下の基準で行った。
「○(良好)」:電解液を注入して保管した後のヒートシール強度が100N/15mm以上である。
「×(不良)」:電解液を注入して保管した後のヒートシール強度が100N/15mm未満である。
各例で得られた外装材を200mm×100mmのサイズに切り出し、そのサンプルの中央に、冷間成型用装置によって、ヘッドスピード10mm/秒の条件で、縦100mm×横50mmの矩形状で深さ5mmの冷間成型を行い、白化の有無を評価した。成型性の評価は以下の基準で行った。
「○(良好)」:成型で延伸された部分に白化が見られない。
「×(不良)」:成型で延伸された部分に白化が見られる。
実施例1及び3で得られた外装材から、240mm×70mmのサイズでサンプル片を切り出し、長辺の中央で折り返して120mm×70mmとし、120mm辺の両方を幅3mmでヒートシール(温度190℃、面圧0.5MPa、シール時間3秒)した。エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びジエチルカーボネートを質量比1:1:1で混合し、水分含有量を20質量ppmとした電解液3mgを残りの1辺から注入し、残りの1辺を前記と同様に幅3mmでヒートシールして封止した。得られたサンプルを、温度60℃、湿度90%の環境下で4週間保管した後、サンプル中の電解液に含まれる水分量をカールフィッシャー試験機で測定した。測定値から初期値(20質量ppm)を差し引いた値を、ヒートシールした縁部分の側端面から浸入した水分量とし、実施例1の外装材を用いた場合を100としたときの、実施例3の外装材を用いた場合の水分量を求めた。
各例で得られた外装材について、ミクロトームを用いてTD方向の中央部と端部の断面出し(MD方向に対して垂直に切断)を行い、光学顕微鏡で接着樹脂層及びシーラント層の厚みを測定した。接着樹脂層及びシーラント層の厚み評価は、以下の基準に従って行った。
「○(良好)」:中央部と端部で接着樹脂層とシーラント層の膜厚差が10%以内である。
「×(不良)」:中央部と端部で接着樹脂層とシーラント層の膜厚差が10%を超える。
各例の外装材におけるTD方向の中央部と端部から、それぞれ100mm×150mmのサイズで切り出したサンプル片に対し、金属箔層と接着樹脂層の間のラミネート強度を引張速度100mm/分、T型剥離で測定した。また、各例の外装材におけるTD方向の中央部同士又は端部同士を幅10mmでヒートシール(温度190℃、面圧0.5MPa、シール時間3秒)したサンプルを作成し、それぞれのサンプルから幅15mm×長さ50mmのサンプル片を切り出し、引張速度100mm/分、T型剥離でヒートシール強度を測定した。特性安定性の評価は、以下の基準に従って行った。
「○(良好)」:中央部と端部におけるラミネート強度の差およびヒートシール強度の差がともに5%未満である。
「×(不良)」:中央部と端部におけるラミネート強度の差とヒートシール強度の差のいずれかが5%以上である。
総合評価は、耐薬品性、封止性、成型性、厚み評価及び特性安定性の評価全てにおいて「○」であったものを「○(良好)」、耐薬品性、封止性、成型性、厚み評価又は特性安定性のいずれか1つでも評価が「×」であったものを「×(不良)」とした。
実施例1〜4及び比較例1〜3における耐薬品性、封止性、成型性、水蒸気バリア性、厚み評価及び特性安定性の評価結果を表1に示す。
一方、後熱処理工程において、接着樹脂層及びシーラント層をそれらのビガット軟化点以上かつ融解温度未満の130℃で加熱した比較例1の外装材は、電解液に浸漬後のラミネート強度が4N/15mmと低下し、充分な耐薬品性が得られなかった。これは、後熱処理工程において接着樹脂層が充分に溶解せず、接着樹脂層が表層の一部のみでしか腐食防止処理層に密着していないためであると考えられる。また、ヒートシール強度も同様に80N/15mmと低下しており、充分な封止性が得られなかった。また、剥離界面を確認したところ、実施例1〜4の外装材における剥離がシーラント層内での凝集破壊になっていたのに対し、比較例1では腐食防止処理層と接着樹脂層の界面剥離となっており、ラミネート強度の低下がヒートシール強度の低下に影響したと考えられる。また、比較例1の外装材では、接着樹脂層及びシーラント層内におけるクラックによる白化が確認され、充分な成型性が得られなかった。これは、後熱処理工程において、接着樹脂層及びシーラント層を形成する樹脂が充分に溶解せず、不均一な結晶構造が形成されて密度差が生じたためであると考えられる。
比較例2の外装材は、接着樹脂層及びシーラント層内におけるクラックによる白化が確認され、充分な成型性が得られなかった。これは、後熱処理工程の冷却温度が接着樹脂層及びシーラント層の結晶化温度よりも高かったため、接着樹脂層及びシーラント層が急冷されず、結晶化が進行しすぎたためであると考えられる。
比較例3の外装材は、接着樹脂層及びシーラント層を共押出しによって形成しているため、接着樹脂層及びシーラント層の厚さが不均一になっており、特性が不安定になっていた。このように接着樹脂層及びシーラント層の厚さが不均一になると、外装材の特性が安定し難い。
Claims (7)
- 基材層の一方の面側に、少なくとも接着剤層、金属箔層、腐食防止処理層、接着樹脂層及びシーラント層が順次積層されたリチウムイオン電池用外装材の製造方法であって、
前記金属箔層上に前記腐食防止処理層を形成する工程(X1)と、前記金属箔層の前記腐食防止処理層と反対側に、前記接着剤層を介して前記基材層を積層する工程(X2)と、前記腐食防止処理層上に、前記接着樹脂層を介して前記シーラント層を積層する工程(X3)と、を有し、
前記工程(X3)が、
前記腐食防止処理層上に押出ラミネートにより前記接着樹脂層を形成する第1押出ラミネート工程と、
前記第1押出ラミネート工程後に、前記接着樹脂層上に押出ラミネートにより前記シーラント層を形成する第2押出ラミネート工程と、
前記第2押出ラミネート工程後に、前記接着樹脂層及び前記シーラント層を、前記接着樹脂層の融解温度以上かつ前記シーラント層の融解温度以上の温度で加熱した後、前記接着樹脂層の結晶化温度以下かつ前記シーラント層の結晶化温度以下の温度で冷却する後熱処理工程と、を有することを特徴とするリチウムイオン電池用外装材の製造方法。 - 前記第1押出ラミネート工程と前記第2押出ラミネート工程の間に、前記接着樹脂層に表面処理を施す、又は前記接着樹脂層上に中間コーティング層を形成する中間処理工程を有する、請求項1に記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
- 前記表面処理が、コロナ処理、オゾン処理、フレーム処理、紫外線照射処理、エキシマー処理及びプラズマ処理からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項2に記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
- 無機酸化物、カップリング剤、ポリオレフィン、イソシアネート系化合物及びポリエチレンイミンからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む塗液を前記接着樹脂層上に塗工して前記中間コーティング層を形成する、請求項2に記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
- 前記後加熱処理工程の加熱温度が140〜220℃、冷却温度が10〜100℃である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
- 前記腐食防止処理層を非クロム系処理で形成する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
- 前記第1押出ラミネート工程と前記第2押出ラミネート工程の間に、前記接着樹脂層を、前記接着樹脂層の融解温度以上の温度で加熱し、前記接着樹脂層の結晶化温度以下の温度で冷却する中間熱処理工程を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池用外装材の製造方法。
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