JP6917736B2

JP6917736B2 - セパレータの超音波溶着方法

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Publication number: JP6917736B2
Application number: JP2017044883A
Authority: JP
Inventors: 祐輔沖; 保明山村; 岡部　一弥; 一弥岡部
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2037-03-09
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Description

本発明は、セパレータの超音波溶着方法に関する。

携帯電話、電気自動車等の様々な機器に充放電可能な二次電池が使用されている。近年、これらの機器の高出力化や高性能化に伴い、より小型で電気容量の大きな二次電池が求められている。

一般に二次電池は、表面に正極活物質層が形成された正極板と表面に負極活物質層が形成された負極板とを電気絶縁性を有するセパレータを介して交互に積層して形成される。このような二次電池で単位体積当たりの電気容量を大きくするには、セパレータを薄くすることが有効である。このため、セパレータを樹脂フィルムによって形成した二次電池が実用化されている。

二次電池では、負極において電析によって生成される金属析出物（例えばリチウムデンドライト）がセパレータを貫通して正極板と負極板とを微小短絡させるおそれがある。このため、正極板又は負極板を挟み込む一対のセパレータの外縁を溶着して袋状にすることで、正極板近傍の電解質に析出物を生成し得る金属イオンを生じる金属種が混入することを抑制したり、金属イオンが負極に接触して電析することを抑制したりする構成が採用される場合がある。

樹脂フィルムから形成されるセパレータは、比較的熱に弱いため、二次電池の電気容量を大きくすると、セパレータが熱により損傷し、電析によって生成される析出物がセパレータを貫通して正極板と負極板とを微小短絡させるおそれがある。このため、セパレータの電極板に当接する面に耐熱層（無機層）を形成し、セパレータの耐熱性を向上した二次電池が提案されている。

特開２０１５−１８８９０５号公報には、袋詰電極板をセパレータの切断及び接合により製造することが提案されている。

特開２０１５−１８５３７２号公報には、電気デバイス（袋詰電極板）のセパレータ接合方法として、溶融材（ポリプロピレン層）と耐熱材（セラミックス層）を含むセパレータ（セラミックセパレータ）を用い、電極（正極または負極）を挟持しセラミックス層同士を対面させたセラミックセパレータを切断しつつ接合する方法が提案されている。この方法では、電極を介して対面するセラミックセパレータの接合領域を切断しつつ、一の接合領域のポリプロピレン層を他の接合領域のポリプロピレン層に向けて移動させ、接合領域のポリプロピレン層同士を溶融して接合する。

特開２０１５−１８８９０５号公報特開２０１５−１８５３７２号公報

特開２０１５−１８８９０５号公報に記載の方法では、切断と接合という２つの独立した工程を必要とし、製造効率が低下するため、製造コストを十分に低減することができない。

特開２０１５−１８５３７２号公報に記載の方法では、連続してポリプロピレン層同士を溶着することができるが、比較的鋭利な切断刃を用いるのでポリプロピレンの溶着幅を大きくすることが困難である。この方法では全体として溶着面積を大きくすることが難しいため、十分な接合強度を得ることが容易ではない。

かかる状況に鑑みて、本発明は、製造効率が高く、かつ接合強度が大きいセパレータの超音波溶着方法を提供することを課題とする。

本発明の一態様に係るセパレータの超音波溶着方法は、樹脂層と前記樹脂層上に形成された耐熱層とを有する少なくとも２枚のセパレータの前記耐熱層同士を対向させること、超音波振動する振動部材と、前記セパレータを支持する支持部材との間に前記少なくとも２枚のセパレータを挟むこと、及び前記振動部材と前記少なくとも２枚のセパレータとを相対移動することを備え、前記振動部材及び前記支持部材の一方の前記セパレータへの当接面が、前記相対移動方向に垂直な側面視において、凸状の曲線を構成すると共に、前記振動部材又は前記支持部材が前記セパレータと点状に接触し、前記相対移動により前記少なくとも２枚のセパレータを切断しつつ溶着する。

なお、「点状に接触する」とは、微小な長さの接触（例えば２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の線状の接触）や、微小な面状の接触（例えば面積、４ｍｍ^２以下、好ましくは１ｍｍ^２以下の接触）を含む概念である。

以上のセパレータの超音波溶着方法によれば、耐熱層を有する２枚のセパレータを耐熱層同士を対向させて切断しつつ溶着することができるので、製造効率が高い。また、本発明のセパレータの超音波溶着方法によれば、溶着したセパレータの接合強度が大きい。

超音波溶着装置を示す模式的断面図である。図１の超音波溶着装置のＩ−Ｉ線での模式的部分断面図である。セパレータの超音波溶着方法を示す模式的平面図である。実施例Ｎｏ．１の顕微鏡写真である。実施例Ｎｏ．３の顕微鏡写真である。

本発明者らは、超音波振動する振動部材、及び支持部材の形状を適切に選択し、振動部材及び支持部材の一方の当接面を２枚以上のセパレータと点状に接触させることで、セパレータを切断しながら高い接合強度で溶着できることを見出し、本発明を完成させた。従来、まずセパレータ同士の溶着を確保し、その後にセパレータを切断する、という発想に基づいて、製造プロセスが設計されていた。本発明者らは、発想を転換し、適切に形状を選択した振動部材と支持部材との間に２枚以上のセパレータを点状に挟んで、セパレータを切断する試みを行った。驚くべきことに、この方法により、切断箇所において、積層されたセパレータ同士が十分な接合強度で溶着されていた。

本発明の一態様は、樹脂層と前記樹脂層上に形成された耐熱層とを有する少なくとも２枚のセパレータの前記耐熱層同士を対向させること、超音波振動する振動部材と、前記セパレータを支持する支持部材との間に前記少なくとも２枚のセパレータを挟むこと、及び前記振動部材と前記少なくとも２枚のセパレータとを相対移動することを備え、前記振動部材及び前記支持部材の一方の前記セパレータへの当接面が、前記相対移動方向に垂直な側面視において、凸状の曲線を構成すると共に、前記振動部材又は前記支持部材が前記セパレータと点状に接触し、前記相対移動により前記少なくとも２枚のセパレータを切断しつつ溶着するセパレータの超音波溶着方法である。

溶着のメカニズムは明らかではないが、超音波振動する振動部材及び支持部材の一方の当接面をセパレータと点状に接触させ、超音波加熱するため、エネルギーが一カ所に集中することでセパレータを切断しつつ、樹脂層同士を溶着するのに十分なエネルギーが得られると考えられる。振動部材及び支持部材を、セパレータと、点状ではなく、線状又は面状に接触させる場合、エネルギーが分散する。振動部材及び支持部材をセパレータと線状又は面状に接触させて、点状に接触させるときと同等のエネルギーをセパレータに与えるには、超音波振動の振幅を大きくしたり、超音波振動の周波数を低くしたりする必要がある。結果的に、点状に接触させるときと比べて、製造効率が低くなる。

また、振動部材及び支持部材の一方のセパレータへの当接面が、相対移動方向に垂直な側面視において凸状の曲線を構成するので、曲線に沿ってセパレータが徐々に押し込まれ、比較的長い時間セパレータにエネルギーが供給されると考えられる。当該セパレータの超音波溶着方法では、点状の接触領域の耐熱層の破壊により耐熱層の砕片が平面方向外側に押し出されると同時に、樹脂層中の樹脂がセパレータ切断面に移動してセパレータ同士が溶着されると考えられる。

前記振動部材又は前記支持部材を前記セパレータに押し当てる押圧力により前記少なくとも２枚のセパレータを切断するとよい。このように押圧力により前記少なくとも２枚のセパレータを切断することで、耐熱層の砕片が平面方向外側に押し出されると同時に、樹脂層中の樹脂をセパレータ切断面に移動させることができるので、セパレータ同士の接合強度を高められる。振動部材及び支持部材の一方の当接面をセパレータと点状に接触さるので、押圧力を一カ所に集中できる。そのため、設備の大型化を避けることができる。

前記振動部材及び前記支持部材の他方の当接面が、平面状であるとよい。このように前記振動部材及び前記支持部材の他方の当接面を平面状とすることで、セパレータが平面状に支持される。このため、前記振動部材及び前記支持部材の一方の当接面との正確な位置合わせを要することなく、前記当接面をセパレータに点状に接触させ易い。

前記相対移動により形成されるセパレータ溶着部の一部を非切断とするとよい。当該セパレータの超音波溶着方法により、セパレータを切断しつつ樹脂層同士を溶着する一方、セパレータの一部を非切断としつつ樹脂層同士を溶着することができる。このため、袋詰電極板を効率良く製造できる。

前記振動部材の振動強度を強め、前記振動部材又は前記支持部材を前記セパレータに押し当てる押圧力を弱めることで前記非切断部分を形成するとよい。このように前記振動部材の振動強度を強め、押圧力を弱めて前記非切断部分を形成することで、容易かつ確実に切断及び非切断を制御することができる。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るセパレータの超音波溶着方法について詳説する。

本発明の一実施形態に係るセパレータの超音波溶着方法は、図１及び図２に示すように、樹脂層１と樹脂層１上に形成された耐熱層２とを有する少なくとも２枚のセパレータＳの耐熱層２同士を対向させることと、超音波振動する振動部材（ホーン）Ｈ及びセパレータＳを支持する支持部材（アンビル）Ａとの間に少なくとも２枚のセパレータＳを挟むことと、振動部材Ｈと少なくとも２枚のセパレータＳとを相対移動することとを備える。なお、図２は、図１におけるＩ−Ｉ断面図である。

当該セパレータの超音波溶着方法は、典型的には、蓄電素子用の電極板Ｐを２枚のセパレータＳによって挟み込み、電極板（正極板又は負極板）Ｐの外側で２枚のセパレータＳを溶着して封筒状に接合した袋詰電極板を製造するための一工程として採用できる。このような袋詰電極板を用いることにより、蓄電素子の正極板において異物等の混入によって生成される金属イオンが負極に移動して電析することを抑制することができ、電析による微小短絡を防止することができる。

２枚のセパレータＳは、長尺のシートを巻き取ったリールからそれぞれ供給され、当該セパレータの超音波溶着方法によって切断されつつ、溶着される。代替的に、１枚の大判のシートを２つ折りにすることで、２枚のセパレータＳを構成してもよい。

２枚のセパレータＳをリールから連続供給することで、多数の袋詰電極板を連続して効率よく製造することができる。袋詰電極板は、当該セパレータの超音波溶着方法により溶着部を形成しつつ、溶着部の中央で切断してセパレータＳを切り離すことで得られる。

樹脂層１は、多孔質樹脂フィルムから形成される。

この樹脂層１の主成分としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−メチルアクリレート共重合体、エチレン−エチルアクリレート共重合体、塩素化ポリエチレン等のポリオレフィン誘導体、エチレン−プロピレン共重合体等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレートや共重合ポリエステル等のポリエステルなどを採用することができる。中でも、樹脂層１の主成分としては、耐電解液性、耐久性及び溶着性に優れるポリエチレン及びポリプロピレンが好適に用いられる。なお、「主成分」とは、最も質量含有率が大きい成分を意味する。

樹脂層１の平均厚さの下限としては、５μｍが好ましく、１０μｍがより好ましい。一方、樹脂層１の平均厚さの上限としては、５０μｍが好ましく、３０μｍがより好ましい。樹脂層１の平均厚さを前記下限以上とすることで、セパレータ切断面に移動する樹脂の量を確保し易くなるので、溶着強度を高められる。樹脂層１の平均厚さを前記上限以下とすることで、セパレータＳの厚さを抑制し、蓄電素子の体積当たりの容量を増加できる。

耐熱層２は、多数の無機粒子と、この無機粒子間を接続するバインダとを含む構成とされる。

無機粒子の主成分としては、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄等の酸化物、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物、シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリンクレイ、カオリナイト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウムなどが挙げられる。中でも、耐熱層２の無機粒子の主成分としては、アルミナ、シリカ及びチタニアが特に好ましい。

耐熱層２の無機粒子の平均粒子径の下限としては、１ｎｍが好ましく、７ｎｍがより好ましい。一方、無機粒子の平均粒子径の上限としては、５μｍが好ましく、１μｍがより好ましい。無機粒子の平均粒子径を前記下限以上とすることで、耐熱層２中のバインダの比率が低減され、耐熱層２の耐熱性を高められる。無機粒子の平均粒子径を前記上限以下とすることで、耐熱層２を均質化し易い。なお、「平均粒子径」とは、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）又は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてＪＩＳ−Ｒ１６７０に準じて測定される値である。

耐熱層２のバインダの主成分としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体等のフッ素ゴム、スチレン−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体及びその水素化物、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体等の合成ゴム、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、カルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩等のセルロース誘導体、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド及びその前駆体（ポリアミック酸等）等のポリイミド樹脂、エチレン−エチルアクリレート共重合体等のエチレン−アクリル酸共重合体、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステルなどが挙げられる。

耐熱層２の平均厚さの下限としては、０．５μｍが好ましく、１μｍがより好ましい。一方、耐熱層２の平均厚さの上限としては、１０μｍが好ましく、６μｍがより好ましい。耐熱層２の平均厚さを前記下限以上とすることで、セパレータＳの耐熱性を向上できる。耐熱層２の平均厚さを前記上限以下とすることで、セパレータＳの厚さを抑制し、蓄電素子の体積当たりの容量を増加できる。

電極板Ｐとしては、金属箔の表面に活物質層を積層したものが使用される。

電極板Ｐの金属箔の材質としては、正極の場合には例えばアルミニウムを用いることができ、負極の場合には例えば銅、鉄、ステンレス等を用いることができる。

電極板Ｐの活物質としては、正極の場合には例えばＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等の酸化物材料を主成分とする材料を用いることができ、負極の場合には例えば黒鉛等を主成分とする材料を用いることができる。

支持部材Ａは、図１及び図２に示すように、セパレータＳに向かって膨出する凸状に形成され、強度を担保する基部Ｂと、この基部ＢからさらにセパレータＳの相対移動方向（図１の紙面に垂直な方向、図２の左右方向）に延在する線状に突出し、セパレータＳへの当接面を形成する凸部Ｅとを有する。つまり、支持部材ＡのセパレータＳへの当接面は、相対移動方向に垂直な側面視において、凸状の曲線を構成する。この凸状の曲線により凸部Ｅが楔状にセパレータＳの樹脂層１及び耐熱層２を徐々に押し潰しつつ、超音波加熱によるエネルギーがセパレータＳに与えられる。これにより樹脂層１が溶かされ、また耐熱層２が切断される。切断刃等により瞬時に切断する場合と異なり、当該セパレータの超音波溶着方法では、段階的に溶着及び切断が進行していくので、その間、超音波加熱によって供給されるエネルギーを十分に利用でき、溶着強度を高められる。

凸部Ｅの平均幅（セパレータＳに対する実質的な当接幅）の下限としては、０．１ｍｍが好ましく、０．２ｍｍがより好ましい。一方、凸部Ｅの平均幅の上限としては、１ｍｍが好ましく、０．８ｍｍがより好ましい。凸部Ｅの平均幅を前記下限以上とすることで、形成される溶着部の幅が確保され溶着強度を高められる。凸部Ｅの平均幅を前記上限以下とすることで、振動エネルギーや押圧力の分散を抑止し、確実にセパレータＳの溶着及び切断ができる。

凸部Ｅは、図１に示す断面視（相対移動方向に垂直な面で切断した断面図）において、両端が面取りされているとよい。このように凸部Ｅの両端を面取りすることで、セパレータＳに対する接触面積を小さくすることができ、溶着強度を高められる。凸部Ｅの面取り部の平均幅としては特に限定されないが、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下とできる。

セパレータＳの相対移動方向に垂直な方向視における凸部Ｅの外形形状としては、円弧状又は楕円弧状とするとよい。セパレータＳの相対移動方向に垂直な方向視における凸部ＥのセパレータＳに対する接触位置での曲率半径の下限としては、１ｃｍが好ましく、２ｃｍがより好ましい、一方、前記凸部Ｅの接触位置での曲率半径の上限としては、１０ｃｍが好ましく、８ｃｍがより好ましい。前記凸部Ｅの接触位置での曲率半径を前記下限以上とすることで、セパレータＳの相対移動がさらに容易に行える。前記凸部Ｅの接触位置での曲率半径を前記上限以下とすることで、支持部材ＡのセパレータＳに対する押圧力が分散し難く、セパレータＳの溶着及び切断をより確実に行える。

支持部材Ａは、セパレータＳの相対移動方向に垂直な側面視において円弧状に延び、セパレータＳの相対移動方向に垂直な方向の幅が十分に小さいことにより、セパレータＳに対して点状に当接する。

超音波振動する振動部材Ｈは、セパレータＳへの当接面が平面状である。このように振動部材ＨのセパレータＳへの当接面を平面状とすることで、セパレータＳが平面状に支持される。このため、支持部材Ａの当接面との正確な位置合わせを要することなく支持部材Ａの当接面をセパレータＳに点状に接触させ易い。また、振動部材Ｈと支持部材Ａとを共に点状に接触させる場合に比べ、耐摩耗性が向上する。

振動部材Ｈの振動方向は、セパレータＳの移動方向（面方向）に垂直な方向であることが好ましい。これにより、装置構成が比較的簡単となると共に、セパレータＳの相対移動が容易となる。また、振動部材Ｈの振動方向がセパレータＳの面方向に垂直であることによって、形成される溶着部の中央でセパレータＳを切断することができる。

振動部材Ｈの振幅の下限としては、８μｍが好ましく、１５μｍがより好ましい。一方、振動部材Ｈの振幅の上限としては、５０μｍが好ましく、４０μｍがより好ましい。振動部材Ｈの振幅を前記下限以上とすることで、耐熱層２をより確実に破壊できる。振動部材Ｈの振幅を前記上限以下とすることで、エネルギー効率が不必要に低下することを抑止できる。なお、「振動部材の振幅」とは、超音波振動による振動部材の先端の移動幅の１／２倍の値を意味する。

振動部材Ｈの超音波振動の周波数としては、１０ｋＨｚが好ましく、２０ｋＨｚがより好ましい。一方、振動部材Ｈの超音波振動の周波数の上限としては、８０ｋＨｚが好ましく、４０ｋＨｚがより好ましい。振動部材Ｈの超音波振動の周波数を前記下限以上とすることで、樹脂層１へのダメージを抑止し、セパレータＳの接合強度を向上できる。振動部材Ｈの超音波振動の周波数を前記上限以下とすることで、装置が不必要に高価となることを抑止できる。

セパレータＳの切断は、振動部材ＨをセパレータＳに押し当てる押圧力（振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重）により行うとよい。このように押圧力によりセパレータＳを切断することで、耐熱層２の砕片が平面方向外側に押し出されると同時に、樹脂層１中の樹脂をセパレータ切断面に移動させることができるので、セパレータＳ同士の接合強度を高められる。

振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重（超音波振動により作用する力を除く）の下限としては、７０Ｎが好ましく、９０Ｎがより好ましい。一方、振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重の上限としては、５００Ｎが好ましく、４００Ｎがより好ましい。振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重を前記下限以上とすることで、セパレータＳをより確実に切断できる。振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重を前記上限以下とすることで、装置が不必要に高価となることを抑止できる。

当該セパレータの超音波溶着方法では、振動部材Ｈの当接面と支持部材Ａの支持面との間に少なくとも２枚のセパレータＳを挟み込み、振動部材Ｈ及び支持部材Ａに対してセパレータＳを相対移動することにより、相対移動の方向に沿って２枚のセパレータＳを切断しつつ、溶着できる。当該セパレータの超音波溶着方法では、点状の接触領域の耐熱層２の破壊により耐熱層２の砕片が平面方向外側に押し出されると同時に、樹脂層１中の樹脂をセパレータ切断面に移動してセパレータ同士が溶着することで、十分な溶着強度が得られると考えられる。

相対移動により形成されるセパレータＳの溶着部の一部は、非切断とできる。図３に示すように、長尺のシートを巻き取ったリールから供給されるセパレータＳを、長尺シートの幅方向に延びる溶着部Ｃ１では切断しつつ溶着を行い、この溶着部Ｃ１に続き、長尺シートの長手方向に延びる溶着部Ｃ２では溶着のみを行い非切断とし、さらにこの溶着部Ｃ２に続き、長尺シートの幅方向に延びる溶着部Ｃ３では切断しつつ溶着を行うことができる。当該セパレータの超音波溶着方法により、セパレータを切断しつつ樹脂層同士を溶着する一方、セパレータの一部を非切断としつつ樹脂層同士を溶着することもできる。このため、袋詰電極板を効率良く製造できる。なお、図３は、図１に示す超音波溶着装置でセパレータを溶着及び切断した後の状態を、図１のＩＩ矢印方向からセパレータ全体について俯瞰した図である。

代替的に、溶着部Ｃ１及びＣ３の切断と溶着を行う設備と、溶着部Ｃ２の溶着を行う
設備とが、異なっていてもよい。

非切断部分の形成は、切断時と比べて振動部材Ｈの振動強度（振動部材Ｈの振幅）を強め、振動部材ＨをセパレータＳに押し当てる押圧力（振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重）を弱めることで行うとよい。このように非切断部分を形成することで、容易かつ確実に切断及び非切断を連続して制御することができる。

非切断部分を形成する際の振動部材Ｈの振幅の下限としては、１０μｍが好ましく、２７μｍがより好ましい。一方、振動部材Ｈの振幅の上限としては、８０μｍが好ましく、６８μｍがより好ましい。振動部材Ｈの振幅を前記下限以上とすることで、より確実に耐熱層２を破壊できる。振動部材Ｈの振幅を前記上限以下とすることで、エネルギーが不必要に増大することを抑止できる。

振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重（超音波振動により作用する力を除く）の下限としては、５Ｎが好ましく、１０Ｎがより好ましい。一方、振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重の上限としては、５０Ｎが好ましく、３０Ｎがより好ましい。振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重を前記下限以上とすることで、耐熱層２を効率よく破壊できる。振動部材ＨのセパレータＳに対する圧接荷重を前記上限以下とすることで、溶着部の厚さを確保し圧着強度を高められる。また、溶着時にセパレータＳが破断することを抑止できる。

前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

当該セパレータの超音波溶着方法では、３枚以上のセパレータを溶着してもよい。例えば、複数の正極板及び複数の負極板をセパレータを介して交互に積層し、正極板及び負極板の外側で全てのセパレータを一括して溶着することによって電極積層体を形成してもよい。

振動部材Ｈと支持部材Ａとの位置関係は、任意に変更でき、例えば振動部材ＨがセパレータＳの下面に当接し、支持部材ＡがセパレータＳの上面に当接してもよい。

当該セパレータの超音波溶着方法において、相対移動は前記実施形態に限定されず、例えば振動部材をセパレータに圧接した状態で固定し、セパレータを積載した支持部材を移動することで、振動部材をセパレータに対して相対移動してもよい。

前記実施形態では、支持部材がセパレータと点状に接触し、振動部材のセパレータへの当接面が平面状である場合を説明したが、振動部材がセパレータと点状に接触し、支持部材のセパレータへの当接面が平面状であってもよく、支持部材及び振動部材の双方がセパレータと点状に接触する構成であってもよい。また、支持部材及び振動部材の双方の当接面を、相対移動方向に垂直な側面視において凸状の曲線で構成してもよい。

以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。

超音波溶着するセパレータとして、ポリプロピレンを主成分として形成される平均厚さ１６μｍの多孔質フィルムを樹脂層とし、この樹脂層の表面にアルミナ粉末をポリフッ化ビニリデンをバインダとして塗工して形成した平均厚さ５μｍの耐熱層を有するセパレータを用意した。２枚のセパレータを、以下に説明する要領で、耐熱層同士を対向させて超音波溶着する試験を行った。

（試験Ｎｏ．１）
試験Ｎｏ．１として、図１及び図２に示すようなセパレータへの当接面を形成する凸部を有する支持部材と、セパレータへの当接面が平面状である振動部材（周波数３９．５ｋＨｚ）とを用いて、２枚のセパレータを切断しつつ溶着した。なお、凸部の幅（セパレータへの当接幅）は、０．６ｍｍであり、振動部材はセパレータに直角に当接させた。溶着及び切断は、振動部材と支持部材との間に２枚のセパレータを挟み、セパレータを振動部材に対して相対移動させて行った。

この試験Ｎｏ．１では、セパレータに対する圧接荷重を３００Ｎ（線圧５００Ｎ／ｍｍ）、振動部材の振幅を最大振幅（６７．７μｍ）の４１％に設定し、セパレータの移動速度を５００ｍｍ／ｓｅｃとした。

こうして溶着及び切断された２枚のセパレータをマイクロスコープで観察して溶着部の平均厚さを測定したところ、１０．２μｍであった。さらに、２枚のセパレータの接合強度の指標として、溶着された２枚のセパレータを幅３ｃｍに切断した試験片を用い、ＪＩＳ−Ｋ６８５４−３（１９９９）に準拠したＴ型剥離試験を行った。この結果試験Ｎｏ．１における剥離強度は、１３Ｎであった。

（試験Ｎｏ．２）
試験Ｎｏ．２として、セパレータに対する圧接荷重を１００Ｎ（線圧１６７Ｎ／ｍｍ）とした以外は、試験Ｎｏ．１と同様の試験をした。この試験Ｎｏ．２では、溶着された２枚のセパレータの溶着部の平均厚さは１０．２μｍ、剥離強度は１２Ｎであった。

（試験Ｎｏ．３）
試験Ｎｏ．３として、セパレータに対する圧接荷重を５０Ｎ（線圧３３Ｎ／ｍｍ）とした以外は、試験Ｎｏ．１と同様の試験をした。この試験Ｎｏ．３では、溶着された２枚のセパレータの溶着部の平均厚さは１５μｍ、剥離強度は０．４Ｎであった。

以上の結果をまとめて表１に示す。

以上のように、耐熱層を有するセパレータの耐熱層同士を対向させて振動部材及び支持部材で挟み込み、支持部材をセパレータに点状に当接させつつセパレータを相対移動させることで、セパレータの溶着と切断とを同時に行えることが確認された。また、振動部材の荷重を調節することにより、溶着の接合強度を高められることが確認できた。

振動部材の荷重の調整により接合強度が変化する理由を確認すべく、試験Ｎｏ．１及び試験Ｎｏ．３の溶着及び切断後の状態を顕微鏡で観察した。それぞれの顕微鏡写真を図４及び図５に示す。

試験Ｎｏ．１では、セパレータに点状に押された痕跡が残っていない。支持部材の凸部の曲線に沿ってセパレータが徐々に押し込まれる間にセパレータに十分なエネルギーが供給されたため、セパレータが切断された際、耐熱層の砕片が平面方向外側に押し出されると同時に、樹脂層中の樹脂がセパレータ切断面に移動し、セパレータの溶着部分の樹脂量が増すことで溶着強度が高められたたと考えられる。これに対し、振動部材の荷重が低い試験Ｎｏ．３では、セパレータに点状に押された痕跡が残っている。このことから、振動部材の荷重が低い場合は、耐熱層の破片が平面方向外側に十分に押し出されず、樹脂がセパレータ切断面へ十分に供給されないため、試験Ｎｏ．１に比べて相対的に接着強度が低くなったと考えられる。

本発明に係るセパレータの超音波溶着方法は、袋詰電極板を製造するために好適に利用することができる。

１樹脂層
２耐熱層
Ａ支持部材
Ｂ基部
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３溶着部
Ｅ凸部
Ｈ振動部材
Ｐ電極板
Ｓセパレータ

Claims

樹脂層と前記樹脂層上に形成された耐熱層とを有する少なくとも２枚のセパレータの前記耐熱層同士を対向させること、
超音波振動する振動部材と、前記セパレータを支持する支持部材との間に前記少なくとも２枚のセパレータを挟むこと、及び
前記振動部材と前記少なくとも２枚のセパレータとを相対移動すること
を備え、
前記振動部材及び前記支持部材の一方の前記セパレータへの当接面が、前記相対移動方向に垂直な側面視において、凸状の曲線を構成すると共に、前記振動部材又は前記支持部材が前記セパレータと点状に接触し、
前記相対移動により前記少なくとも２枚のセパレータを切断しつつ溶着し、
前記相対移動により形成されるセパレータ溶着部の一部を非切断とし、
前記振動部材の振動強度を強め、前記振動部材又は前記支持部材を前記セパレータに押し当てる押圧力を弱めることで前記非切断部分を形成するセパレータの超音波溶着方法。
前記振動部材又は前記支持部材を前記セパレータに押し当てる押圧力により前記少なくとも２枚のセパレータを切断する請求項１に記載のセパレータの超音波溶着方法。
前記振動部材及び前記支持部材の他方の当接面が、平面状である請求項１又は請求項２に記載のセパレータの超音波溶着方法。