JPWO2013054816A1 - ラミネート型二次電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

金型（７）の成形品形状空間（１２）に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入を開始した後であって且つ軟化点以下となる前に、その成形品形状空間（１２）を隔離形成している型面とホットメルト樹脂層の表面との間にエアエジェクタポート（１４）から圧縮空気を噴射する。その圧縮空気の噴射をもってエッジプロテクタ（６）の表面に「ひけ」を積極的に発生させることで凹部（Ｑ）とし、同時に型面との間に隙間（Ｇ）を形成する。これにより、ラミネートフィルム外装ケース（５）の長辺熱融着部（５ｃ）に熱可塑性のホットメルト樹脂材料にてビード状のエッジプロテクタ（６）を一体に成形するにあたって、金型からの離型性が良好になる。

Description

本発明は、ラミネート型二次電池（電池パックまたはパック電池）の製造方法に関し、より詳しくは、電池要素を収容してなるラミネートフィルム外装体の周縁部にホットメルト接着剤をもってビード状のエッジプロテクタを一体に成形する方法に関する。
この種のラミネート型二次電池パックの構造として、例えば特許文献１に記載されているように、正極、負極およびセパレータからなる電池要素を電解液とともにラミネートフィルム外装体に収容して封止し、ラミネートフィルム外装体の周囲をホットメルト樹脂、好ましくはアイオノマー樹脂にて気密に被覆して、補強のための枠体を形成したものが知られている。
特許文献１に記載されたようなラミネート型二次電池を製造するにあたって、枠体の材料となるホットメルト樹脂には接着性を具備させる必要があることから、使用するホットメルト樹脂の種類によっては成形部が金型に貼りつき、金型からの離型性が極端に悪くなる傾向にある。そのため、電池要素を収容しているラミネートフィルム外装体そのものの剛性が高くないこととも相俟って、型開きに続く離型および製品取り出しを慎重に行う必要がある。その結果、ラミネート型二次電池の量産化に際して、１ショットごとの成形サイクルタイムの短縮化を図るにも限界がある。
また、離型剤を使用することで金型からの離型性はある程度改善されるものの、離型剤の塗布作業が増えることでサイクルタイムの短縮化にも限界があるともに、コストアップが余儀なくされることとなって好ましくない。
特開２００７−１２８７９２号公報
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、ラミネートフィルム外装体の周縁部に熱可塑性のホットメルト接着剤にてビード状のエッジプロテクタを一体に成形するにあたって、金型からの離型性を大幅に改善したラミネート型二次電池の製造方法を提供するものである。
本発明は、電池要素を収容してなるラミネートフィルム外装体の端縁とその近傍の表裏両面を包囲するようにホットメルト樹脂材料にてモールドして、ラミネートフィルム外装体の周縁部にビード状のエッジプロテクタを一体に成形するにあたり、金型の成形品形状空間に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入を開始した後であって且つ軟化点以下となる前に、その成形品形状空間を隔離形成している型面とホットメルト樹脂層の表面との間に圧縮空気を導入するようにしたものである。
本発明によれば、成形品形状空間に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入を開始した後であって且つ軟化点以下となる前に、その成形品形状空間を隔離形成している型面とホットメルト樹脂層の表面との間に圧縮空気を導入することで、エッジプロテクタのうち中心部以外の型面に近い部分では、あたかも「ひけ」の発生が促進され、同時に型面に近い部分での冷却が促進される。そのため、成形後のエッジプロテクタの表面と型面との接触面積とともに離型抵抗が減少して離型性が良好なものとなり、ラミネート型二次電池の量産に際してそのサイクルタイムの短縮化が図れる。また、離型剤の使用を廃止できる。
本発明が適用されるラミネート型リチウムイオン二次電池の外観形状を示す説明図。 図１のａ−ａ線に沿う拡大断面説明図。 図２に示したエッジプロテクタの成形を司る金型の要部断面説明図。 同じく図２に示したエッジプロテクタの成形を司る金型の要部断面説明図。 図３，４における下型のみの要部斜視図。 図３，４に示した金型構造によるエッジプロテクタの成形時のタイムチャート。 図３，４に示した金型構造でのエア噴射による機能説明図。
図１以下の図面は本発明を実施するためのより具体的な形態を示し、特に図１は製造対象となるラミネート型二次電池の一例として薄型のラミネート型リチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」と言う。）の外観形状を、図２は図１のａ−ａ線に沿う拡大断面図をそれぞれ示している。なお、上記電池は例えば電気自動車用のリチウムイオンバッテリの単位セルとして用いられる。
電池１は、図１，２に示すように、正極端子２ａおよび負極端子３ａが外部に突出するように上下二枚のラミネートフィルム５ａ，５ｂからなるラミネートフィルム外装体としての矩形状のラミネートフィルム外装ケース５にてパッキングされていて、内部には電池要素としての正極２、負極３およびセパレータ４が電解液とともに封入されて、ラミネートフィルム外装ケース５の四周が熱融着にて気密に封止されている。
なお、図２では簡略化のために正極２、負極３およびセパレータ４からなる一組の積層体群のみを図示しているが、実際には複数組の積層体群が重ね合わされて収容されている。また、ラミネートフィルム外装ケース５を形成している上下のラミネートフィルム５ａ，５ｂとしては、例えばアルミニウム箔を熱融着性樹脂フィルムで被覆した複合構造のものが使用される。
ラミネートフィルム外装ケース５の四周は先に述べたように熱融着にて封止されていることで十分な気密性が確保されているが、例えばラミネートフィルム外装ケース５の周縁、特に長辺熱融着部５ｃについて、一層の気密性と封止力および剛性の向上を図るべく、当該長辺熱融着部５ｃの補強と保護のために熱可塑性ホットメルト樹脂材料からなるエッジプロテクタ６が長手方向に沿ってモールドされて一体に形成されている。より具体的には、ラミネートフィルム外装体５における長辺熱融着部５ｃの端縁とその近傍の表裏両面を包囲するように、ホットメルト樹脂材料からなる断面四角形のビード状のエッジプロテクタ６がモールドされて一体に形成されている。
このエッジプロテクタ６の成形は、先に述べた電池要素がラミネートフィルム外装ケース５でパッキングされ電池１として組み立てられた後に、その電池１をラミネートフィルム外装ケース５ごとインサートとして金型に投入した状態で成形される。
ここで、上記エッジプロテクタ６の材質である熱可塑性ホットメルト樹脂材料としては、ラミネートフィルム外装ケース５を形成しているラミネートフィルム５ａ，５ｂに対して十分な接着性を有していることが要求され、同時に防水性、防湿性、防塵性、絶縁性のほか耐薬品性等を有していることが望ましい。そこで、本実施の形態ではポリアミド系あるいはポリオレフィン系の熱可塑性ホットメルト樹脂材料を用いるものとし、より具体的には、無溶剤一液型の熱可塑性ホットメルト接着剤として「マクロメルト（Ｍａｃｒｏｍｅｌｔ）」（ヘンケル社の登録商標）を用いている。
図３，４はエッジプロテクタ６を成形するための金型構造の要部の構造を示していて、金型７は二つの金型要素としての上型８と下型９とから構成される半割り構造のものとなっているとともに、ここでは下型９が固定型として、上型８が可動型としてそれぞれ機能することになる。上型８と下型９とはその型合わせ面１０をもって突き合わされて型締め（型閉め）されることになるために、上型８および下型９の型合わせ面１０には、両者が型締めされることで外装ケース収容部１１となる収容凹部１１ａ，１１ｂのほか、同じく上型８と下型９とが型締めされることでエッジプロテクタ６のための成形品形状空間（キャビティ）１２となる成形凹部１２ａ，１２ｂがそれぞれに形成されている。
そして、図５にも示すように、下型９側の成形凹部１２ｂの内底面には長手方向に沿って所定のピッチで配置された多数のエジェクタピン１３の先端を臨ませてあるとともに、それらのエジェクタピン１３，１３同士の配列ピッチの間には圧縮空気吹き出し穴としてエアエジェクタポート１４を開口形成してある。つまり、下型９側の成形凹部１２ｂの内底面には、その長手方向に沿ってエジェクタピン１３とエアエジェクタポート１４とを交互に配置してある。
なお、図５に示した金型構造は上型８側についても同様であって、図３は図５のｂ−ｂ線に沿う断面に対応していて、同様に図４は図５のｃ−ｃ線に沿う断面に対応していることになる。
また、図３に示すように、上下型８，９の型締め状態をもって形成される成形品形状空間１２にはゲート部１５を介してスプルー部１７付きのランナ部１６が接続されていて、スプルー部１７に突き合わされる充填ノズル１８から溶融した熱可塑性ホットメルト樹脂材料が充填または注入されて、先に述べたエッジプロテクタ６が一体成形されることになる。
図６は図３，４に示した金型構造のもとでのエッジプロテクタ６の成形時のタイムチャートを示している。同図に示すように、金型７が開いている状態で下型９にワークを投入、すなわちインサートとしてラミネートフィルム外装ケース５で包まれた電池１を下型９に投入して位置決めした上で型締め（型閉め）する。この型締めをもって、図３，４に示すように、電池１のうちラミネートフィルム外装ケース５の長辺熱融着部５ｃの根元部側が上下型８，９の型合わせ面１０をもって加圧拘束されることになるとともに、上下型８，９の成形凹部１２ａ，１２ｂ同士をもって成形品形状空間１２が隔離形成されることになる。
続いて、充填ノズル１８をスプルー部１７に当接させた上で、その充填ノズル１８から成形品形状空間１２に向けて溶融したホットメルト樹脂材料を射出（充填または注入）する。所定量のホットメルト樹脂材料を射出したならば直ちに保圧工程に移行するとともに、ホットメルト樹脂材料が型内で固化または硬化する前に、言い換えるならばホットメルト樹脂材料が軟化点以下となる前に、保圧工程とオーバーラップするかたちで、上下型８，９のそれぞれのエアエジェクタポート１４から一斉に圧縮エアを吹き出して噴射する。そして、充填されたホットメルト樹脂材料の冷却・固化（硬化）を待つことで、図２に示すように、ラミネートフィルム外装ケース５の長辺熱融着部５ｃにエッジプロテクタ６が一体成形されることになる。
なお、先に述べた特定の熱可塑性ホットメルト接着剤を用いた成形法は低圧射出成形法の一つとしてホットメルトモールディングとも称され、既存の射出成形法に比べて射出圧力が極端に低い点が利点の一つとされている。
この圧縮エアの噴射は、図６に示すように上下型８，９を型開きするタイミングまで継続され、エア噴射工程と並行して、保圧工程の終了と同時に冷却工程に移行し、上記エア噴射は冷却工程での冷却促進にも寄与することになる。
この後、各エアエジェクタポート１４からのエア噴射を止める前に型開きして、エッジプロテクタ６が一体成形された電池１を金型７から取り出す。その際に、上型８の上昇動作に伴ってその上型８側のエジェクタピン１３が突き出されて、この上型８側のエジェクタピン１３の突き出し動作と上型８側のエアエジェクタポート１４からの圧縮エアに吹き出しによって、ラミネートフィルム外装ケース５に成形後のエッジプロテクタ６が付帯している電池１が上型８から突き出されることになる。
さらに、上型８のエジェクタピン１３の突き出し動作と同時またはわずかに遅れて下型９側のエジェクタピン１３が突き出されて、この下型９側のエジェクタピン１３の突き出し動作と下型９側のエアエジェクタポート１４からの圧縮エアに吹き出しによって、ラミネートフィルム外装ケース５に成形後のエッジプロテクタ６が付帯している電池１が下型９から突き出されて、そのまま下型９上に残されることになる。
ここで、成形品形状空間１２に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入後であって且つその充填または注入したホットメルト樹脂材料が型内で固化または硬化する前に、言い換えるならばホットメルト樹脂材料が型内で軟化点以下となる前に行う圧縮エアの噴射による機能をもう少し詳しく検討してみる。
図７は成形品形状空間１２に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入後のそのホットメルト樹脂材料（エッジプロテクタ６）の断面形状の変化を拡大して示している。ただし、同図では下型９側のみ図示していて、上型８側については図示省略しているが、上型８側についても下型９側と上下対称の関係にあることは図３，４から明らかである。
図７の（Ａ）に示すように、成形品形状空間１２に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入後であって且つその充填または注入したホットメルト樹脂材料が型内で固化または硬化する前に、すなわちホットメルト樹脂材料が軟化点以下となる前に、エアエジェクタポート１４から圧縮エアを成形品形状空間１２に噴射すると、型面に接する部分から先に固化または硬化が進行するものの、ホットメルト樹脂材料の中心部ではなおも未固化または未硬化の半溶融状態にあるため、ホットメルト樹脂材料全体がラミネートフィルム外装ケース５の長辺熱融着部５ｃに押し付けられるように圧縮される。同時に、圧縮エアの噴射によって冷却効果が促進され、同図（Ｂ）に示すように、冷却固化または冷却硬化の進行とともに固化または硬化に伴う収縮のために「ひけ」が発生することになる。特にエアエジェクタポート１４からの圧縮エアの噴射を面直角方向に受ける部分では凹部Ｑが成形されることになる。
すなわち、成形品形状空間１２に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入後であって且つその充填または注入したホットメルト樹脂材料が型内で固化または硬化する前に行う圧縮エアの噴射は、図７の（Ｂ）に示すように、エッジプロテクタ６となるべきホットメルト樹脂材料層に「ひけ」を積極的に発生させることになり、結果として成形品形状空間１２を形成している型面とエッジプロテクタ６となるべきホットメルト樹脂材料層との間に所定の隙間Ｇを発生させることになる。そのため、同図（ｃ）に示すように、成形品形状空間１２のホットメルト樹脂材料層が固化または硬化してエッジプロテクタ６と化した時には、そのエッジプロテクタ６の表面と成形品形状空間１２を形成している型面との間に隙間Ｇが残されたままとなる。これは、型開きする前から成形品形状空間１２に対するエッジプロテクタ６の接触面積ひいては密着力が大幅に減少していることを意味している。
したがって、先に述べたように、上下型８，９を型開きした上で双方のエジェクタピン１３の突き出し動作にて成形後のエッジプロテクタ６を突き出す際には、双方の型の成形凹部１２ａ，１２ｂからの離型抵抗が極端に小さいものとなって、成形後のエッジプロテクタ６が成形凹部１２ａ，１２ｂ側に貼り付くことなく、上下型８，９からきわめてスムーズに離型させて取り出すことが可能となる。その結果として、離型剤を使用することなしに離型性および成形性ともに良好なものとなり、電池１を量産する際の１ショットごとの成形サイクルタイムを短縮することが可能となる。
また、圧縮エアの噴射はエジェクタピン１３による突き出し方向と同方向に向けて噴射するようにしているので、圧縮空気の噴射力はエジェクタピン１３による突き出し力とともに成形後のエッジプロテクタ６を下型９から突き出しつつ積極的に離型させるはたらきをすることになり、これによってもまた離型性が良好なものとなる。
さらに、上記圧縮エアの噴射方向は、ホットメルト樹脂材料をもって形成されるエッジプロテクタ６をラミネートフィルム外装体５における長辺熱融着部５ｃの表面または裏面に対して押し付ける方向と一致しているので、ラミネートフィルム外装体５に対するエッジプロテクタ６の接着性もきわめて良好なものとなる。
ここで、上記の実施の形態のように、成形品の一部に「ひけ」を積極的に発生させることは本来の成形品の形状精度の低下を意味し、特に成形品の意匠面での「ひけ」の発生は多くの場合に許容されないことになるが、上記エッジプロテクタ６はその機能よりして意匠性が要求されることがないので何ら問題とならない。より具体的には、図１に示したような単電池１を一つのセルとするならば、複数枚のセルを一つにまとめた上で金属製のハードケースに収めて電池モジュールとすることになるので、上記エッジプロテクタ６が例えば金属製のハードケースに対する電池１のメタルタッチを回避する機能さえ発揮できれば、エッジプロテクタ６そのものの形状精度は特に問題となることはない。
本発明は、電池要素を収容してなるラミネートフィルム外装体の端縁とその近傍の表裏両面を包囲するようにホットメルト樹脂材料にてモールドして、ラミネートフィルム外装体の周縁部にビード状のエッジプロテクタを一体に成形するにあたり、金型の成形品形状空間に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入を開始した後であって且つ軟化点以下となる前に、その成形品形状空間を隔離形成している型面とホットメルト樹脂層の表面との間に圧縮空気の導入をもって隙間を形成するようにしたものである。
本発明によれば、成形品形状空間に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入を開始した後であって且つ軟化点以下となる前に、その成形品形状空間を隔離形成している型面とホットメルト樹脂層の表面との間に圧縮空気の導入をもって隙間を形成することで、エッジプロテクタのうち中心部以外の型面に近い部分では、あたかも「ひけ」の発生が促進され、同時に型面に近い部分での冷却が促進される。そのため、成形後のエッジプロテクタの表面と型面との接触面積とともに離型抵抗が減少して離型性が良好なものとなり、ラミネート型二次電池の量産に際してそのサイクルタイムの短縮化が図れる。また、離型剤の使用を廃止できる。

Claims (6)

  1. 電池要素を収容してなるラミネートフィルム外装体をインサートとして金型にセットし、ラミネートフィルム外装体の端縁とその近傍の表裏両面を包囲するようにホットメルト樹脂材料にてモールドすることにより、ラミネートフィルム外装体の周縁部にビード状のエッジプロテクタを一体に成形する方法であって、
    金型の成形品形状空間に対するホットメルト樹脂材料の充填または注入を開始した後であって且つ軟化点以下となる前に、その成形品形状空間を隔離形成している型面とホットメルト樹脂層の表面との間に圧縮空気を導入するようにしたラミネート型二次電池の製造方法。
  2. 上記ホットメルト樹脂層の表面は圧縮空気の導入に直接あずかる部分であって、その部分と上記成形品形状空間を隔離形成している型面との間に、圧縮空気の導入をもって隙間を形成するようにした請求項１に記載のラミネート型二次電池の製造方法。
  3. 上記圧縮空気の導入は、成形品形状空間を隔離形成している型面の一部からエジェクタピンによる突き出し方向と同方向に圧縮空気を吹き出すようにした請求項１または２に記載のラミネート型二次電池の製造方法。
  4. 上記圧縮空気の吹き出し方向は、ホットメルト樹脂材料をもって形成されるエッジプロテクタをラミネートフィルム外装体の表面または裏面に対して押し付ける方向とする請求項３に記載のラミネート型二次電池の製造方法。
  5. 上記成形品形状空間を隔離形成している型面には成形すべきエッジプロテクタの長手方向に沿って所定のピッチで多数のエジェクタピンを臨ませてあるとともに、それらのエジェクタピン同士の間に圧縮空気吹き出し穴を開口形成してあり、
    それぞれの圧縮空気吹き出し穴から一斉に圧縮空気を吹き出すようにした請求項４に記載のラミネート型二次電池の製造方法。
  6. 上記金型は二つの金型要素による半割り構造のものとして形成してあるとともに、双方の金型要素の型合わせ面にまたがるかたちで成形品形状空間を形成してあり、
    上記金型要素ごとの成形品形状空間を隔離形成している型面には成形すべきエッジプロテクタの長手方向に沿って所定のピッチで多数のエジェクタピンを臨ませてあるとともに、それらのエジェクタピン同士の間に圧縮空気吹き出し穴を開口形成してあり、
    それぞれの圧縮空気吹き出し穴から一斉に圧縮空気を吹き出すようにした請求項５に記載のラミネート型二次電池の製造方法。
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