JP7151942B1 - 全固体電池の製造に用いられる工程フィルム、及び全固体電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
全固体電池の製造において、全固体電池素子を加圧する工程に用いられる工程フィルムであって、
前記工程フィルムは、前記工程フィルムで前記全固体電池素子を被覆した状態で前記全固体電池素子を加圧し、その後に前記全固体電池素子から剥離される用途に用いられ、
前記工程フィルムは、少なくとも、外側から、基材層及び熱融着性樹脂層を備える積層体から構成されている、工程フィルム。
本開示の工程フィルム10は、例えば図4から図8に示すように、少なくとも、外側から、基材層1と熱融着性樹脂層4をこの順に備える積層体から構成されている。工程フィルム10において、基材層1が外層側になり、熱融着性樹脂層4が内層側になる。工程フィルム10と電池素子を用いて全固体電池を組み立てる際に、工程フィルム10の熱融着性樹脂層4同士を対向させた状態で、周縁部を熱融着させることによって形成された空間に、全固体電池素子が収容される。
JIS K7129:2008の規定(附属書B)に準拠(試験サンプルのサイズ、測定時間などの測定条件は当該規定と共通)し、市販の測定装置(例えばモコン社のMOCON PERMATRAN-W 3/33)を用い、40℃100%RHの条件で水蒸気透過量(cc/m2/day)を測定する。
本開示の工程フィルム10は、少なくとも、外側から、基材層1及び熱融着性樹脂層4をこの順に備える積層体から構成されている。以下、本開示の工程フィルム10を構成する各層について、詳述する。
本開示において、基材層1は、工程フィルム10の保護部材や基材としての機能を発揮させることなどを目的として設けられる層である。基材層1は、工程フィルム10の外層側に位置する。
工程フィルム10において、接着剤層2は、基材層1と水蒸気バリア層3との接着性(水蒸気バリア層保護膜3bを有する場合には、基材層1と水蒸気バリア層保護膜3bとの接着性)を高めることを目的として、必要に応じて、これらの間に設けられる層である。
着色層は、基材層1と水蒸気バリア層3(又は水蒸気バリア層保護膜3b)との間又は基材層1の外側に、必要に応じて設けられる層である(図示を省略する)。接着剤層2を有する場合には、基材層1と接着剤層2との間、接着剤層2と水蒸気バリア層3(又は水蒸気バリア層保護膜3b)との間に着色層を設けてもよい。また、基材層1の外側に着色層を設けてもよい。着色層を設けることにより、工程フィルム10を着色することができる。工程フィルム10が着色されることにより、全固体電池素子の加圧が均一に行われていることを目視などで確認しやすくなるという利点がある。
工程フィルム10において、水蒸気バリア層3は、少なくとも水分の浸入を抑止する層であり、必要に応じて設けられる。
工程フィルム10においては、水蒸気バリア層3の熱融着性樹脂層4側の表面に、必要に応じて水蒸気バリア層保護膜3aを備えている。工程フィルム10においては、水蒸気バリア層3の熱融着性樹脂層4側の表面のみに、水蒸気バリア層保護膜3aを備えていてもよいし、水蒸気バリア層3の両面に、それぞれ、水蒸気バリア層保護膜3a,3bを備えていてもよい。本開示の全固体電池70において、熱融着性樹脂層側の表面に水蒸気バリア層保護膜3aを備えることが好ましい。また、水蒸気バリア層3の密着性を向上する観点から、水蒸気バリア層の両面に水蒸気バリア層保護膜3a,3bを備えることが好ましい。
本開示の工程フィルム10において、熱融着性樹脂層4は、最内層に該当し、熱融着性樹脂層4同士が熱融着して全固体電池素子を被覆する機能を発揮する層(シーラント層)である。熱融着性樹脂層4同士を熱融着させるヒートシールの方法としては、例えば、バーシール、熱板シール、回転ロールシール、ベルトシール、インパルスシール、高周波シール、超音波シール等が挙げられる。
工程フィルム10において、接着層5は、水蒸気バリア層3(水蒸気バリア層保護膜3aを有する場合には水蒸気バリア層保護膜3a)と熱融着性樹脂層4を強固に接着させるために、これらの間に設けられる層である。
ネート(IPDI)など、これらをポリマー化やヌレート化したもの、これらの混合物や他ポリマーとの共重合物などが挙げられる。また、アダクト体、ビュレット体、イソシアヌレート体などが挙げられる。接着層5を形成する樹脂組成物に含まれる脂環式イソシアネート化合物は、1種類であってもよいし、2種類以上であってもよい。
工程フィルム10は、全固体電池素子の加圧による圧力を均一に分散する緩衝機能を備えさせるために、緩衝層6を含んでいてもよい。緩衝層6は、工程フィルム10の熱融着性樹脂層4よりも外側に位置すればよく、好ましくは基材層1の外側に位置する。なお、基材層1が緩衝層6を構成するようにしてもよい。基材層1が緩衝層6を構成するためには、緩衝層6を構成する後述の材料を基材層1の材料として用いる。このようにすれば、基材層1とは別に緩衝層6を設けることなく、工程フィルム10に緩衝機能を備えさせることができる。
本開示の工程フィルム10(以下、「工程フィルム10」と表記することがある)が適用される全固体電池素子については、特に制限されない。すなわち、全固体電池の電池素子であれば特に制限されず、公知の全固体電池に使用されているものであってもよい。
正極活物質層31は、少なくとも正極活物質を含有する層である。正極活物質層31は、正極活物質に加えて、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材、結着材などをさらに含んでいてもよい。
正極集電体32を構成する材料としては、例えばステンレス鋼(SUS)、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、カーボンなどが挙げられる。
負極活物質層21は、少なくとも負極活物質を含有する層である。負極活物質層21は、負極活物質に加えて、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材、結着材などを含んでいてもよい。
負極集電体22を構成する材料としては、例えばステンレス鋼(SUS)、銅、ニッケル、カーボン等が挙げられる。
固体電解質層40は、固体電解質材料を含有する層である。固体電解質材料としては、例えば、硫化物固体電解質材料および酸化物固体電解質材料が挙げられる。
本開示の全固体電池の製造方法は、前述した本開示の工程フィルム10を利用することを特徴としており、具体的には、以下の工程を備えている。
全固体電池素子を工程フィルムで被覆した状態で、前記全固体電池素子を加圧する工程
前記工程フィルムを前記全固体電池素子から剥離する工程
前記全固体電池素子を包装材料で封止する工程
[実施例1]
基材層としてポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(厚さ12μm、融点260℃)、熱融着性樹脂層として水分吸着材料を含む未延伸ポリプロピレン(CPP、融点160℃)フィルム(厚さ60μm)を用意した。未延伸ポリプロピレン(CPP)フィルムには、水分吸着材料として酸化カルシウムが30質量%配合されている。次に、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムと未延伸ポリプロピレン(水分吸着材料を含むCPP)フィルムとを2液硬化型ウレタン接着剤を用い、ドライラミネート法により接着し、次に、得られた積層体をエージングし、加熱することにより、基材層(PET)/接着層(DL)/熱融着性樹脂層(水分吸着材料を含むCPP)が順に積層された工程フィルムを得た。
基材層としてポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(厚さ12μm、融点260℃)、熱融着性樹脂層として未延伸ポリプロピレンフィルム(厚さ60μm、融点160℃)を用意した。水蒸気バリア層としてアルミニウム合金箔(JIS H4160:1994 A8021H-O、厚さ7μmのALM)を用意した。2液硬化型ウレタン接着剤を用い、ドライラミネート法により、基材層と水蒸気バリア層とを接着し、基材層/接着剤層/水蒸気バリア層の積層体を作製した。次に、2液硬化型ウレタン接着剤を用い、ドライラミネート法により、得られた積層体の水蒸気バリア層側と、熱融着性樹脂層とを接着し、水蒸気バリア層の上に接着層/熱融着性樹脂層を積層させた。次に、得られた積層体をエージングし、加熱することにより、基材層(PET)/接着剤層(DL)/水蒸気バリア層(ALM)/接着層(DL)/熱融着性樹脂層(CPP)がこの順に積層された積層体からなる工程フィルムを得た。
基材層としてバリア性を持たせるために表面に透明なガスバリア層(SiOx薄膜 厚み20nm)を形成したポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(厚さ12μm、融点160℃)と延伸ナイロン(ONy)フィルム(厚さ15μm、融点255℃)とをシリカ薄膜が延伸ナイロン側と対向するように設置し、2液硬化型ウレタン接着剤(硬化後の厚み3μm)で接着された積層フィルムを用意した。また、熱融着性樹脂層として未延伸ポリプロピレンフィルム(厚さ40μm)を用意した。次に、基材層の延伸ナイロンフィルム側と未延伸ポリプロピレンフィルムとを2液硬化型ウレタン接着剤(硬化後の厚み3μm)で接着して、基材層(PET/透明バリア(シリカ薄膜)/ONy)/接着層(DL)/熱融着性樹脂層(CPP)が順に積層された工程フィルムを得た。
基材層としてポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(厚さ12μm、融点260℃)、熱融着性樹脂層として未延伸ポリプロピレン(CPP)フィルム(厚さ60μm、融点160℃)を用意した。次に、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムと未延伸ポリプロピレン(CPP)フィルムとを2液硬化型ウレタン接着剤(硬化後の厚み3μm)で接着して、基材層(PET)/接着層(DL)/熱融着性樹脂層(CPP)が順に積層された工程フィルムを得た。
基材層としてポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(厚さ12μm、融点260℃)、熱融着性樹脂層として水分吸着材料を含む未延伸ポリプロピレンフィルム(厚さ60μm、融点160℃、水分吸着材料(酸化カルシウム)を30質量%含むCPP)を用意した。水蒸気バリア層としてアルミニウム合金箔(JIS H4160:1994 A8021H-O、厚さ7μmのALM)を用意した。2液硬化型ウレタン接着剤を用い、ドライラミネート法により、基材層と水蒸気バリア層とを接着し、基材層/接着剤層/水蒸気バリア層の積層体を作製した。次に、2液硬化型ウレタン接着剤を用い、ドライラミネート法により、得られた積層体の水蒸気バリア層側と、熱融着性樹脂層とを接着し、水蒸気バリア層の上に接着層/熱融着性樹脂層を積層させた。次に、得られた積層体をエージングし、加熱することにより、基材層(PET)/接着剤層(DL)/水蒸気バリア層(ALM)/接着層(DL)/熱融着性樹脂層(水分吸着材料を含むCPP)がこの順に積層された積層体からなる工程フィルムを得た。
基材層としてポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(厚さ12μm、融点260℃)、熱融着性樹脂層として未延伸ポリプロピレンフィルム(厚さ40μm、融点160℃)を用意した。水蒸気バリア層としてアルミニウム合金箔(JIS H4160:1994 A8021H-O、厚さ40μmのALM)を用意した。2液硬化型ウレタン接着剤を用い、ドライラミネート法により、基材層と水蒸気バリア層とを接着し、基材層/接着剤層/水蒸気バリア層の積層体を作製した。次に、2液硬化型ウレタン接着剤を用い、ドライラミネート法により、得られた積層体の水蒸気バリア層側と、熱融着性樹脂層とを接着し、水蒸気バリア層の上に接着層/熱融着性樹脂層を積層させた。次に、得られた積層体をエージングし、加熱することにより、基材層(PET)/接着剤層(DL)/水蒸気バリア層(ALM)/接着層(DL)/熱融着性樹脂層(CPP)がこの順に積層された積層体からなる工程フィルムを得た。
ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(厚さ12μm、融点260℃)を工程フィルムとした。
図12の模式図に示すように、2枚のステンレス鋼板70(それぞれ、長さ50mm×幅70mm×厚さ10mmの矩形状)の間に、実施例及び比較例で用意した各工程フィルム10(長さ30mm×幅30mmの矩形状)1枚と、不織布71(長さ30mm×幅30mm×厚み2mmの矩形状)1枚と、全固体電池素子に見立てたステンレス鋼板72(長さ25mm×幅25mm×厚さ5mmの矩形状)1枚を挟み、25℃環境において、100MPaの圧力で300分間加圧し、圧力が保持される様にボルトで固定した。この時、2枚のステンレス鋼板70,全固体電池素子に見立てたステンレス鋼板72、不織布71、及び工程フィルム10の中心、長さ方向、幅方向が一致するようにした。また、不織布71は、工程フィルム10の基材層側に配置した。また、実施例の工程フィルムについては、熱融着性樹脂層が厚さ5mmのステンレス鋼板72側になるようにした。加圧後の工程フィルムの中心の位置で厚み方向に裁断し、得られた断面をレーザー顕微鏡VK-9500(KEYENCE製)で観察して、以下の基準で耐圧性を評価した。結果を表1に示す。
A:工程フィルムのどの層にも破れなどの破損が観察されない
C:工程フィルムのいずれかの層に破れなどの破損が観察される
前記の耐圧試験を150℃環境で行ったこと以外は、前記の耐圧試験と同様にして耐熱圧試験を行った。評価基準は以下の通りである。結果を表1に示す。
A:工程フィルムのどの層にも破れなどの破損が観察されない
C:工程フィルムのいずれかの層に破れなどの破損が観察される
実施例及び比較例で用意した各工程フィルムについて、それぞれ、JIS K7129:2008の規定(附属書B)に準拠(試験サンプルのサイズ、測定時間などの測定条件は当該規定と共通)し、モコン社のMOCON PERMATRAN-W 3/33を用い、40℃100%RHの条件で水蒸気透過量(cc/m2/day)を測定した。吸収材料を含有した工程部材は、含有していない同材料・同厚みの材料にて設定した時間と同時間での測定を実施した。結果を表1に示す。
実施例及び比較例で用意した各工程フィルム(長さ120mm×幅120mmの矩形状)2枚の間に、PETフィルム(長さ80mm×幅80mm×厚み0.15mmの矩形状)を配置した。このとき、実施例の工程フィルムについては、熱融着性樹脂層同士が対向するようにした。また、工程フィルムとPETフィルムは予め露点マイナス30度のドライルーム内に48時間放置して乾燥させた。次に、工程フィルムの周縁を10mm幅でヒートシールし、ヒートシールされていない部分の面積(平面視)が10000mm2となるようにしてPETフィルムを封止して試験サンプルとした。なお、比較例1の工程フィルムについては、PETフィルムをヒートシールできないため、2枚の工程フィルムでPETフィルムを挟んだ状態で試験サンプルとした。次に、各試験サンプルを25℃、55%RHの環境に48時間静置した。試験サンプル内のPETフィルムを取り出し、試験後におけるPETフィルム中の水分量をCA-200 (卓上型 電量法水分計)及びVA-236S (自動水分気化装置)、メーカー:三菱アナリテック)で確認し、試験前のPETフィルムの水分量と比較して吸水性を評価した。評価基準は以下の通りである。なお、評価前のPETフィルムの水分量は150ppm程度であった。結果を表1に示す。
A:試験後にPETフィルム中の水分量が20ppm以上減少している
B:試験後にPETフィルム中の水分量の増減の範囲が20ppm未満である
C:試験後にPETフィルム中の水分量が20ppm以上100ppm以下の範囲で増加している
D:試験後にPETフィルム中の水分量が100ppm超増加している
全固体電池の固体電解質層を構成する固体電解質ペレット(組成はLi2S:P2S5=75:25(質量比)、長さ20mm×幅20mm×厚み1mmの矩形)を1枚用意した。図13の模式図に示すように、固体電解質ペレットには、模擬電極として、上下に長さ35mm×幅21mm×厚み0.02mmのSUS箔を取り付けた。また、実施例及び比較例で用意した各工程フィルム(長さ45mm×幅45mm)を2枚ずつ用意した。2枚の工程フィルムの熱融着性樹脂層同士が対向するようにして、SUS箔/固体電解質ペレット/SUS箔を上下から挟み込み、工程フィルムの周縁部を熱融着させることにより、真空環境において、固体電解質ペレットを封止した。このとき、固体電解質ペレットに取り付けられた電極が、工程フィルムの周縁部から外側に突出するようにした。次に、25℃環境において、ロールプレスを行う加圧装置(SA-602小型卓上ロールプレス)を用いて、工程フィルムで封止した固体電解質ペレットを10t/cm2の圧力で速度1m/minの速度で2度加圧した。圧力を解除し、固体電解質ペレットの脱落物が、電極表面に付着または付着物により凹みが発生しているか否かを確認した。評価基準は以下の通りである。結果を表1に示す。なお、比較例1の工程フィルムは、PETフィルムであるため、熱融着することができない。このため、2枚の工程フィルムで固体電解質ペレットを挟み込んだ状態で、加圧を行った。また、参考のため、工程フィルムを用いずに全固体電池素子の加圧を行ったが、電極に固体電解質の脱落物が付着していたとともに、電極表面の付着物が再加圧時に電極に押しし付けられたことにより生じた凹みも見られた。
A:電極表面に付着または付着物により凹みが発生していない
C:電極表面に付着または付着物により凹みが発生している
全固体電池の固体電解質層を構成する固体電解質ペレット(組成はLi2S:P2S5=75:25(質量比)、長さ20mm×幅20mm×厚み1mmの矩形)を1枚用意した。図13の模式図に示すように、固体電解質ペレット81には、模擬電極として、上下に長さ35mm×幅21mm×厚み0.02mmのSUS箔80を取り付けた。また、実施例及び比較例で用意した各工程フィルム10(長さ45mm×幅45mm)を2枚ずつ用意した。2枚の工程フィルム10の熱融着性樹脂層同士が対向するようにして、SUS箔/固体電解質ペレット/SUS箔を上下から挟み込み、工程フィルムの周縁部を熱融着させることにより、真空環境において、固体電解質ペレットを封止した。このとき、固体電解質ペレットに取り付けられた電極が工程フィルムの周縁部から外側に突出するようにした。次に、25℃環境において、ロールプレスを行う加圧装置(SA-602小型卓上ロールプレス)を用いて、工程フィルムで封止した固体電解質ペレットを10t/cm2の圧力で速度1m/minの速度で2度加圧した。圧力を解除し、固体電解質ペレットの脱落物が、加圧装置に付着しているか否かを確認した。評価基準は以下の通りである。結果を表1に示す。なお、比較例1の工程フィルムは、PETフィルムであるため、熱融着することができない。このため、2枚の工程フィルムで固体電解質ペレットを挟み込んだ状態で、加圧を行った。また、参考のため、工程フィルムを用いずに全固体電池素子の加圧を行ったが、加圧装置に固体電解質の脱落物が付着していた。
A:加圧装置に固体電解質の脱落物が付着していない
C:加圧装置に固体電解質の脱落物が付着している
2枚のステンレス鋼板(それぞれ、長さ50mm×幅70mm×厚さ10mmの矩形状)の間に、不織布(長さ30mm×幅30mm×厚み2mmの矩形状)1枚と,実施例及び比較例で用意した各工程フィルム(長さ30mm×幅30mmの矩形状)1枚と、全固体電池素子に見立てた1枚のステンレス鋼板(長さ20mm×幅20mm×厚さ5mmの矩形状)を挟み、100MPaの圧力で300分間加圧した。この時、ステンレス鋼板と工程フィルムの中心、長さ方向、幅方向が一致するようにした。また、不織布は、工程フィルム10の基材層側に配置した。また、実施例の工程フィルムについては、熱融着性樹脂層が厚さ5mmのステンレス鋼板側になるようにした。次に、工程フィルムを厚さ5mmのステンレス鋼板から剥離し、剥離容易性を以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
A:ステンレス鋼板の角部に工程フィルムが大きく食い込むことなく、容易に剥離できる
C:ステンレス鋼板の角部に工程フィルムが大きく食い込み、容易に剥離できない
項1. 全固体電池の製造において、全固体電池素子を加圧する工程に用いられる工程フィルムであって、
前記工程フィルムは、前記工程フィルムで前記全固体電池素子を被覆した状態で前記全固体電池素子を加圧し、その後に前記全固体電池素子から剥離される用途に用いられ、
前記工程フィルムは、少なくとも、外側から、基材層及び熱融着性樹脂層を備える積層体から構成されている、工程フィルム。
項2. 前記熱融着性樹脂層の融点が、140℃以上240℃以下である、項1に記載の工程フィルム。
項3. 前記熱融着性樹脂層が、ポリオレフィン骨格を有する、項1又は2に記載の工程フィルム。
項4. 前記基材層の融点が、200℃以上である、項1~3のいずれか1項に記載の工程フィルム。
項5. 緩衝層を含む、項1~4のいずれか1項に記載の工程フィルム。
項6. 水蒸気バリア層を含む、項1~5のいずれか1項に記載の工程フィルム。
項7. 40℃、100%RHの環境に48時間静置した場合の水蒸気透過量が、10cc/m2/day以下である、項1~6のいずれか1項に記載の工程フィルム。
項8. 前記熱融着性樹脂層が、水分吸着材料を含む、項1~7のいずれか1項に記載の工程フィルム。
項9. 前記熱融着性樹脂層が、硫化水素吸収材料を含む、項1~8のいずれか1項に記載の工程フィルム。
項10. 全固体電池の製造方法であって、
全固体電池素子を工程フィルムで被覆した状態で、前記全固体電池素子を加圧する工程と、
前記工程フィルムを前記全固体電池素子から剥離する工程と、
前記全固体電池素子を包装材料で封止する工程と、
を備え、
前記工程フィルムは、少なくとも、外側から、基材層及び熱融着性樹脂層を備える積層体から構成されている、全固体電池の製造方法。
2 接着剤層
3 水蒸気バリア層
4 熱融着性樹脂層
5 接着層
6 緩衝層
10 工程フィルム
20 負極層
21 負極活物質層
22 負極集電体
30 正極層
31 正極活物質層
32 正極集電体
40 固体電解質層
50 単電池
60 端子
61 接着性フィルム
Claims (10)
- 全固体電池の製造において、全固体電池素子を加圧する工程に用いられる工程フィルム(但し、発電要素と、前記発電要素の集電を行う正極集電体および負極集電体とを有する電池素子を封止するための全固体電池の外装体を除く。)であって、
前記工程フィルムは、前記工程フィルムで前記全固体電池素子を被覆した状態で前記全固体電池素子を加圧し、その後に前記全固体電池素子から剥離される用途に用いられ、
前記工程フィルムは、少なくとも、外側から、基材層及び熱融着性樹脂層を備える積層体から構成されている、工程フィルム。 - 前記熱融着性樹脂層の融点が、140℃以上240℃以下である、請求項1に記載の工程フィルム。
- 前記熱融着性樹脂層が、ポリオレフィン骨格を有する、請求項1又は2に記載の工程フィルム。
- 前記基材層の融点が、200℃以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載の工程フィルム。
- 緩衝層を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の工程フィルム。
- 水蒸気バリア層を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の工程フィルム。
- 40℃、100%RHの環境に48時間静置した場合の水蒸気透過量が、10cc/m2/day以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載の工程フィルム。
- 前記熱融着性樹脂層が、水分吸着材料を含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の工程フィルム。
- 前記熱融着性樹脂層が、硫化水素吸収材料を含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の工程フィルム。
- 全固体電池の製造方法であって、
全固体電池素子を工程フィルム(但し、発電要素と、前記発電要素の集電を行う正極集電体および負極集電体とを有する電池素子を封止するための全固体電池の外装体を除く。)で被覆した状態で、前記全固体電池素子を加圧する工程と、
前記工程フィルムを前記全固体電池素子から剥離する工程と、
前記全固体電池素子を包装材料で封止する工程と、
を備え、
前記工程フィルムは、少なくとも、外側から、基材層及び熱融着性樹脂層を備える積層体から構成されている、全固体電池の製造方法。
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