JP6690268B2 - 蓄電デバイス用外装材、及び蓄電デバイス用外装材の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の蓄電デバイス用外装材の一実施形態を模式的に表す断面図である。図1に示すように、本実施形態の外装材(蓄電デバイス用外装材)10は、基材層11と、該基材層11の一方の面側に設けられた基材保護層12と、該基材層11の基材保護層12とは反対側に設けられた接着層13と、該接着層13の基材層11とは反対側に設けられた、両面に腐食防止処理層15a,15bを有する金属箔層14と、該金属箔層14の接着層13とは反対側に設けられたシーラント接着層16と、該シーラント接着層16の金属箔層14とは反対側に設けられたシーラント層17と、が積層された積層体である。ここで、腐食防止処理層15aは金属箔層14の接着層13側の面に、腐食防止処理層15bは金属箔層14のシーラント接着層16側の面に、それぞれ設けられている。外装材10は、基材保護層12が最外層、シーラント層17が最内層である。すなわち、外装材10は、基材保護層12を蓄電デバイスの外部側、シーラント層17を蓄電デバイスの内部側に向けて使用される。以下、各層について説明する。
基材層11は、蓄電デバイス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。特に大型用途の蓄電デバイスの外装材の場合等は、耐擦傷性、耐薬品性、絶縁性等も付与できる。
基材保護層12は、基材層11の一方の面側に設けられる層であって、ポリエステル樹脂(ポリイソシアネートのイソシアネート基と反応する水酸基を側鎖に有する)及びポリイソシアネートを用いて形成される層である。すなわち、基材保護層12は、ポリエステル樹脂及びポリイソシアネート含む原料の硬化物である。
接着層13は、基材層11と金属箔層14とを接着する層である。接着層13は、基材層11と金属箔層14とを強固に接着するために必要な密着力を有すると共に、冷間成型する際において、基材層11によって金属箔層14が破断されることを抑制するための追随性(部材が変形・伸縮したとしても、剥離することなく部材上に接着層13を確実に形成するための性能)も有する。
黄色:イソインドリノン、イソインドリン、キノフタロン、アントラキノン(フラバトロン)、アゾメチン、キサンテン等。
橙色:ジケトピロロピロール、ペリレン、アントラキノン、ペリノン、キナクリドン等。
赤色:アントラキノン、キナクリドン、ジケトピロロピロール、ペリレン、インジゴイド等。
紫色:オキサジン(ジオキサジン)、キナクリドン、ペリレン、インジゴイド、アントラキノン、キサンテン、ベンツイミダゾロン、ビオランスロン等。
青色:フタロシアニン、アントラキノン、インジゴイド等。
緑色:フタロシアニン、ペリレン、アゾメチン等。
白色:亜鉛華、鉛白、リトポン、二酸化チタン、沈降性硫酸バリウム、バライト粉等。
赤色:鉛丹、酸化鉄赤等。
黄色:黄鉛、亜鉛黄(亜鉛黄1種、亜鉛黄2種)等。
青色:ウルトラマリン青、プロシア青(フェロシアン化鉄カリウム)等。
黒色:カーボンブラック等。
金属箔層14としては、アルミニウム及びステンレス鋼等の各種金属箔が挙げられ、防湿性及び延展性等の加工性、並びにコストの面から、金属箔層14はアルミニウム箔であることが好ましい。アルミニウム箔は一般の軟質アルミニウム箔であってもよいが、耐ピンホール性及び成形時の延展性に優れる点から、鉄を含むアルミニウム箔であることが好ましい。
腐食防止処理層15a,15bは、電解液、又は、電解液と水分の反応により発生するフッ酸による金属箔層14の腐食を抑制する役割を果たす。また、腐食防止処理層15aは、金属箔層14と接着層13との密着力を高める役割を果たす。また、腐食防止処理層15bは、金属箔層14とシーラント接着層16との密着力を高める役割を果たす。腐食防止処理層15a及び腐食防止処理層15bは、同一の構成の層であってもよく、異なる構成の層であってもよい。
シーラント接着層16は、腐食防止処理層15bが形成された金属箔層14とシーラント層17を接着する層である。外装材10は、シーラント接着層16を形成する接着成分によって、熱ラミネート構成とドライラミネート構成に大きく分けられる。
シーラント層17は、外装材10に対し、ヒートシールによる封止性を付与する層であり、蓄電デバイスの組み立て時に内側に配置されて熱融着される層である。シーラント層17としては、ポリオレフィン系樹脂、又はポリオレフィン系樹脂に無水マレイン酸等の酸をグラフト変性させた酸変性ポリオレフィン系樹脂からなる樹脂フィルムが挙げられる。中でも、水蒸気のバリア性を向上させ、ヒートシールによって過度に潰れることなく蓄電デバイスの形態を構成可能なポリオレフィン系樹脂が好ましく、ポリプロピレンが特に好ましい。
次に、外装材10の製造方法について説明する。なお、外装材10の製造方法は以下の方法に限定されない。
工程S11:金属箔層14の一方の面上に腐食防止処理層15aを形成し、金属箔層14の他方の面上に腐食防止処理層15bを形成する工程。
工程S12:腐食防止処理層15aの金属箔層14とは反対側の面と、基材層11とを、接着層13を介して貼り合わせる工程。
工程S13:基材層11の接着層13とは反対側の面に基材保護層12を形成する工程。
工程S14:腐食防止処理層15bの金属箔層14とは反対側の面上に、シーラント接着層16を介してシーラント層17を形成する工程。
工程S11では、金属箔層14の一方の面上に腐食防止処理層15aを形成し、金属箔層14の他方の面上に腐食防止処理層15bを形成する。腐食防止処理層15a及び15bは、それぞれ別々に形成されてもよく、両方が一度に形成されてもよい。具体的には、例えば、金属箔層14の両方の面に腐食防止処理剤(腐食防止処理層の母材)を塗布し、その後、乾燥、硬化、焼付けを順次行うことで、腐食防止処理層15a及び15bを一度に形成する。また、金属箔層14の一方の面に腐食防止処理剤を塗布し、乾燥、硬化、焼き付けを順次行って腐食防止処理層15aを形成した後、金属箔層14の他方の面に同様にして腐食防止処理層15bを形成してもよい。腐食防止処理層15a及び15bの形成順序は特に制限されない。また、腐食防止処理剤は、腐食防止処理層15aと腐食防止処理層15bとで異なるものを用いてもよく、同じのものを用いてもよい。上記腐食防止処理剤としては、例えば、塗布型クロメート処理用の腐食防止処理剤等を用いることができる。腐食防止処理剤の塗布方法は、特に限定されないが、例えば、グラビアコート法、グラビアリバースコート法、ロールコート法、リバースロールコート法、ダイコート法、バーコート法、キスコート法、コンマコート法等の方法を用いることができる。なお、金属箔層14として、未処理の金属箔層を用いてもよいし、ウェットタイプの脱脂処理又はドライタイプの脱脂処理により、脱脂処理を施した金属箔層を用いてもよい。
工程S12では、腐食防止処理層15aの金属箔層14とは反対側の面と、基材層11とが、接着層13を形成する接着剤を用いてドライラミネーション等の手法で貼り合わせられる。工程S13では、接着性の促進のため、室温〜100℃の範囲でエージング(養生)処理を行ってもよい。エージング時間は、例えば、1〜10日である。
工程S13では、基材層11の接着層13とは反対側の面に基材保護層12を形成する。まず、基材保護層12を形成するための原料(塗液)を準備する。次いでこの塗液を、公知の手法を用いて基材層11上に塗工し、加熱乾燥する。このような塗工手法としては、グラビアダイレクト、グラビアリバース(ダイレクト、キス)、バーコーター等が挙げられる。なお、上記記載のフィラーを配合する場合は、予めフィラーが溶媒中に分散したスラリーをワニス化した樹脂に混ぜてもよく、あるいはすでにワニス化された樹脂塗液中にフィラーを直接分散させてもよい。これらのフィラー配合液に、硬化剤等のその他の添加剤を配合させることも可能である。なお、基材保護層12を形成するタイミングは、本実施の形態に限定されない。
工程S13後、基材保護層12、基材層11、接着層13、腐食防止処理層15a、金属箔層14及び腐食防止処理層15bがこの順に積層された積層体の腐食防止処理層15bの金属箔層14とは反対側の面上に、シーラント接着層16を介してシーラント層17が形成される。シーラント層17は、ドライラミネーション及びサンドイッチラミネーション等によって積層されてもよく、シーラント接着層16とともに共押出し法によって積層されてもよい。シーラント層17は、接着性向上の点から、例えばサンドイッチラミネーションによって積層される、又は、シーラント接着層16とともに共押出し法によって積層されることが好ましく、サンドイッチラミネーションによって積層されることがより好ましい。
次に、外装材10を容器として備える蓄電デバイスについて説明する。蓄電デバイスは、電極を含む電池要素1と、上記電極から延在するリード2と、電池要素1を収容する容器とを備え、上記容器は蓄電デバイス用外装材10から、シーラント層17が内側となるように形成される。上記容器は、2つの外装材をシーラント層17同士を対向させて重ね合わせ、重ねられた外装材10の周縁部を熱融着して得られてもよく、また、1つの外装材を折り返して重ね合わせ、同様に外装材10の周縁部を熱融着して得られてもよい。また、蓄電デバイスは、外装材20を容器として備えていてもよい。本実施形態の外装材は、様々な蓄電デバイスにおいて使用可能である。そのような蓄電デバイスとしては、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、及び鉛蓄電池等の二次電池、並びに電気二重層キャパシタ等の電気化学キャパシタが挙げられる。
次に、上述した外装材10を用いて蓄電デバイスを製造する方法について説明する。なお、ここでは、エンボスタイプ外装材30を用いて二次電池40を製造する場合を例に挙げて説明する。図2は上記エンボスタイプ外装材30を示す図である。図3の(a)〜(d)は、外装材10を用いた片側成型加工電池の製造工程を示す斜視図である。二次電池40としては、エンボスタイプ外装材30のような外装材を2つ設け、このような外装材同士を、アライメントを調整しつつ、貼り合わせて製造される、両側成型加工電池であってもよい。また、エンボスタイプ外装材30は、外装材20を用いて形成されてもよい。
工程S21:外装材10、電極を含む電池要素1、並びに上記電極から延在するリード2を準備する工程。
工程S22:外装材10の片面に電池要素1を配置するための凹部32を形成する工程(図3(a)及び図3(b)参照)。
工程S23:エンボスタイプ外装材30の成型加工エリア(凹部32)に電池要素1を配置し、凹部32を蓋部34が覆うようにエンボスタイプ外装材30を折り返し重ねて、電池要素1から延在するリード2を挟持するようにエンボスタイプ外装材30の一辺を加圧熱融着する工程(図3(b)及び図3(c)参照)。
工程S24:リード2を挟持する辺以外の一辺を残し、他の辺を加圧熱融着し、その後、残った一辺から電解液を注入し、真空状態で残った一辺を加圧熱融着する工程(図3(c)参照)。
工程S25:リード2を挟持する辺以外の加圧熱融着辺端部をカットし、成型加工エリア(凹部32)側に折り曲げる工程(図3(d)参照)。
工程S21では、外装材10、電極を含む電池要素1、並びに上記電極から延在するリード2を準備する。外装材10は、上述した実施形態に基づき準備する。電池要素1及びリード2としては特に制限はなく、公知の電池要素1及びリード2を用いることができる。
工程S22では、外装材10のシーラント層17側に電池要素1を配置するための凹部32が形成される。凹部32の平面形状は、電池要素1の形状に合致する形状、例えば平面視矩形状とされる。凹部32は、例えば矩形状の圧力面を有する押圧部材を、外装材10の一部に対してその厚み方向に押圧することで形成される。また、押圧する位置、すなわち凹部32は、長方形に切り出した外装材10の中央より、外装材10の長手方向の一方の端部に偏った位置に形成する。これにより、成型加工後に凹部32を形成していないもう片方の端部側を折り返し、蓋(蓋部34)とすることができる。
工程S23では、エンボスタイプ外装材30の成型加工エリア(凹部32)内に、正極、セパレータ及び負極等から構成される電池要素1が配置され。また、電池要素1から延在し、正極と負極にそれぞれ接合されたリード2が成型加工エリア(凹部32)から外に引き出される。その後、エンボスタイプ外装材30は、長手方向の略中央で折り返され、シーラント層17同士が内側となるように重ねられ、エンボスタイプ外装材30のリード2を挟持する一辺が加圧熱融着される。加圧熱融着は、温度、圧力及び時間の3条件で制御され、適宜設定される。加圧熱融着の温度は、シーラント層17を融解する温度以上であることが好ましい。
工程S24では、リード2を挟持する辺以外の一辺を残し、他の辺の加圧熱融着が行われる。その後、残った一辺から電解液を注入し、残った一辺が真空状態で加圧熱融着される。加圧熱融着の条件は工程S23と同様である。
リード2を挟持する辺以外の周縁加圧熱融着辺端部がカットされ、端部からははみだしたシーラント層17が除去される。その後、周縁加圧熱融着部を成型加工エリア32側に折り返し、折り返し部42を形成することで、二次電池40が得られる。
実施例1では、以下の手法により、蓄電デバイス用外装材10を作製した。はじめに、金属箔層14として、厚さ35μmの軟質アルミニウム箔8079材(東洋アルミニウム株式会社製)を準備した。次いで、金属箔層14の両面に、グラビアコートにより、溶媒として蒸留水を使用し、かつ固形分濃度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(腐食防止処理剤)を塗布した。このとき、酸化セリウム100質量部に対して、リン酸は10質量部とした。
表1に示す基材保護層組成及び構成パターンを採用したこと以外は、実施例1と同様にして蓄電デバイス用外装材10を作製した。表1中、硬化剤タイプにおける末尾−Aはアダクト体であることを示し、末尾−Nはヌレート体であることを示す。なお、一部の実施例については、以下のとおり手順を変更して外装材を作製した。
(実施例11〜14)
ポリリン酸ナトリウム安定化酸化セリウムゾルを用いて腐食防止処理層15a及び15bを形成する代わりに、金属箔層14の両面にフェノール樹脂、フッ化クロム化合物、及びリン酸からなる処理液を塗布して被膜を形成し、焼付けすることによりクロメート処理を行って腐食防止処理層15a及び15bを形成した。このこと以外は実施例1と同様にして、蓄電デバイス用外装材10を作製した。
(実施例13〜14)
腐食防止処理層15bの金属箔層14とは反対側の面に、トルエン及びメチルシクロヘキサンの混合溶媒に溶解させた酸変性ポリオレフィンにポリイソシアネートを配合したポリウレタン系接着剤(厚さ5μm)を塗布した。次いで、ドライラミネート法により、シーラント接着層16を介して、シーラント層17となる厚さ30μmのポリオレフィンフィルム(無延伸ポリプロピレンフィルムのシーラント接着層16側の面をコロナ処理したフィルム)と金属箔層14とを接着させた。その後、基材層11、接着層13、腐食防止処理層15a、金属箔層14、腐食防止処理層15b、シーラント接着層16、及びシーラント層17からなる構造体を、温度が40℃の雰囲気中で6日間放置することで、エージング処理した。このこと以外は、実施例1と同様にして、蓄電デバイス用外装材10を作製した。
各例で得られた外装材の被覆層に、微量の水(1500ppm)を添加した電解液(エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート/ジエチルカーボネート=1:1:1wt%、LiPF6、1M)を滴下し、規定時間経過後にイソプロピルアルコールで拭き取った。その後、滴下箇所の外観を以下の基準に従って評価した。結果を表2に示す。
◎:15分経過後に電解液を滴下した箇所が認識できなかった。
○:10分経過後に電解液を滴下した箇所が認識できなかったが、15分経過後には輪郭が発生した。
△:5分経過後に電解液を滴下した箇所が認識できなかったが、10分経過後には輪郭が発生した。
▲:3分経過後に電解液を滴下した箇所が認識できなかったが、5分経過後には輪郭が発生した。
×:1分経過後に電解液を滴下した箇所が認識できなかったが、3分経過後には輪郭が発生した。
各例で得られた外装材の被覆層に、エタノールを染み込ませた1cm四方のコットンを当て、その上から500gの加重をかけ一定速度でラビングした(アルコールラビング法)。そして、規定回数ラビングを繰り返した後、塗膜に剥がれがないかを以下の基準に従って評価した。結果を表2に示す。
◎:20回以上繰り返しても剥がれが発生しなかった。
○:15回繰り返し後には剥がれが発生しなかったが、20回繰り返し後には剥がれが発生した。
△:10回繰り返し後には剥がれが発生しなかったが、15回繰り返し後には剥がれが発生した。
▲:5回繰り返し後には剥がれが発生しなかったが、10回繰り返し後には剥がれが発生した。
×:1回目には剥がれが発生しなかったが、5回繰り返し後には剥がれが発生した。
各例で得られた外装材について、基材層11と基材保護層12との間の密着性を以下の方法で評価した。
まず、試験面にカッターナイフを用いて、素地に達する切り傷の間隔が1mmになるように11本の切り傷をつけ100個の碁盤目を作った。そして、碁盤目部分にセロハンテープを強く圧着させ、テープの端を90°の角度で一気に引き剥がし、100個の碁盤目から目視にて塗膜が剥離していない個数をカウントし、以下の基準に従って評価した。結果を表2に示す。
◎:100個
○:90〜99個
△:80〜89個
▲:70〜79個
×:70個未満
各例で得られた外装材について、深絞り成型が可能な成型深度を以下の方法で評価した。まず、蓄電デバイス用外装材10を、シーラント層17が上方を向くように成型装置内に配置した。成型装置の成型深さを0.5mmごとに5.0〜7.5mmに設定し、室温23℃、露点温度−35℃の環境下で冷間成型した。なお、パンチ金型には、70mm×80mmの長方形の横断面を有し、底面に1.00mmのパンチラジアス(RP)を有し、側面に1.00mmのパンチコーナーラジアス(RCP)を有するものを使用した。また、ダイ金型には、開口部上面に1.00mmのダイラジアス(RD)を有するものを使用した。冷間成型を行った部分の破断及びピンホールの有無を、外装材にライトを照射しながら目視にて確認し、破断及びピンホールのいずれも生じることなく深絞り成型できた成型深度の最大値を求めた。また、成型深度について以下の基準に従って評価した。結果を表2に示す。
◎:基材保護層がない場合(比較例1)と比較して0.25mm以下の差。
〇:基材保護層がない場合と比較して0.25mm超0.50mm以下の差。
△:基材保護層がない場合と比較して0.50mm超1.0mm以下の差。
▲:基材保護層がない場合と比較して1.0mm超1.5mm以下の差。
×:基材保護層がない場合と比較して1.5超の差。
Claims (6)
- 少なくとも基材保護層、基材層、接着層、金属箔層、シーラント接着層、及びシーラント層がこの順で積層された構造を有し、
前記基材保護層が、ポリエステル樹脂及びポリイソシアネートを含む原料の硬化物であり、
前記ポリエステル樹脂の水酸基のモル数[A]と前記ポリイソシアネートのイソシアネート基のモル数[B]との比率[B]/[A]が5〜60であり、
前記ポリエステル樹脂の水酸基価が10〜70KOHmg/gである、
蓄電デバイス用外装材。 - 前記ポリイソシアネートが脂環式構造を有しないポリイソシアネートを50質量%以上含む、請求項1に記載の蓄電デバイス用外装材。
- 前記脂環式構造を有しないポリイソシアネートが脂肪族ポリイソシアネートである、請求項2に記載の蓄電デバイス用外装材。
- 前記脂環式構造を有しないポリイソシアネートが脂肪族ポリイソシアネートのアダクト体又はビューレット体である、請求項2又は3に記載の蓄電デバイス用外装材。
- 前記原料がさらにフィラー含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用外装材。
- 金属箔層の一方の面に、接着層を介して基材層を貼り合わせる工程、
前記基材層の前記接着層とは反対側の面に基材保護層を形成する工程、及び
前記金属箔層の前記接着層とは反対側の面に、シーラント接着層を介してシーラント層を形成する工程、を備え、
前記基材保護層が、ポリエステル樹脂及びポリイソシアネートを含む原料の硬化物であり、
前記ポリエステル樹脂の水酸基のモル数[A]と前記ポリイソシアネートのイソシアネート基のモル数[B]との比率[B]/[A]が5〜60であり、
前記ポリエステル樹脂の水酸基価が10〜70KOHmg/gである、
蓄電デバイス用外装材の製造方法。
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