JPWO2015019749A1 - ラミネートフィルムの製造方法及び穿孔刃 - Google Patents
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Abstract
縁辺が封止ラインに沿って封止された２枚のラミネートフィルム（５）に対し、穿孔刃（２０）を主面直交方向（Ｙ１）に移動させて穿孔を形成し、次いで穿孔刃（２０）を進行方向（Ｙ２）に移動させて、封止ラインの内側に所定長さのガス抜き用の開口部を形成する。この穿孔刃（２０）は、三角形状をなす先端の両傾斜部（２２，２３）に刃が形成された両刃であり、かつ、ラミネートフィルムの表面に対する進行方向側の第１傾斜部（２２）の第１角度（θ１）が、進行方向と反対側の第２傾斜部（２３）の第２角度（θ２）よりも小さい。
Description
本発明は、ラミネートフィルムを外装体とした矩形偏平形状のフィルム外装電池の製造方法に関し、特に、ラミネートフィルムにガス抜き用の開口部を形成するための穿孔刃の改良に関する。
特許文献１や特許文献２に開示されているように、正極板と負極板とをセパレータを挟んで積層した発電要素を、金属層の表面に合成樹脂層をラミネートしたラミネートフィルムからなる外装体の内部に、電解液とともに密封した矩形偏平形状をなすフィルム外装電池が知られている。
このような薄型のフィルム外装電池の製造工程では、エージング工程や時間の経過によって外装体内部に電解液とともに密封された発電要素からガスが発生することがあるために、発生したガスを電池内部から排出・除去するガス抜きが行われる。
ガス抜きの一例として、例えば、外装体の縁辺の封止ラインよりも内側の切断線に沿って外装体を切断し、切断線よりも外側の外装体を切除して開口する方法が知られている。しかしながら、この場合、切断線の距離が長くなるために、切断に時間がかかる。
また、ガス抜きの他の例として、上記特許文献２では、三辺を封止した袋状の外装体の内部に発電要素を配置するととともに電解液を注入した後、開口した一辺を封止する際に、溶着せずに外装体を加圧・挟持することで開口部を仮に封止し、エイジング工程の後に加圧・挟持を開放してガス抜きを行っている。但し、この場合、外装体を長い時間加圧により封止し続ける必要があるとともに、開口部を確実に封止することが困難である。
本発明は、穿孔刃を用いて封止ラインよりも内側部分に所定長さのガス抜き用の開口部を形成するものである。この場合、上述したように切断線が過度に長くなることがなく、また、開口部を溶着等により確実に封止することができるものの、次のような問題がある。
穿孔刃で所定長さの開口部を形成するためには、先ず、電解液を密封した２枚のラミネートフィルムにわたって穿孔刃を貫通させて穿孔を形成し、続いて穿孔刃をラミネートフィルムの表面に沿って所定の進行方向に移動させる必要がある。ここで、穿孔刃をラミネートフィルムに貫通させて穿孔を形成する際に、この穿孔刃の進行方向と反対側・裏側の傾斜部分がラミネートフィルムの金属層によってダメージを受け易く、ひいては穿孔刃の寿命が短くなる、という問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、穿孔時に穿孔刃が受けるダメージを抑制して、穿孔刃の耐久性・信頼性（寿命）を向上しつつ、穿孔刃によりラミネートフィルムからなる外装体にガス抜き用の開口部を良好に形成することを目的としている。
本発明は、金属層の表面に合成樹脂層がラミネートされたラミネートフィルムからなる外装体の内部に発電要素が電解液とともに密封された矩形偏平形状をなすフィルム外装電池の製造方法に関する。また、縁辺が封止ラインに沿って封止された２枚のラミネートフィルムに対し、穿孔刃を上記ラミネートフィルムの主面直交方向に沿って移動させることによって、この穿孔刃を上記２枚のラミネートフィルムに貫通させて穿孔を形成した後、この穿孔刃を上記ラミネートフィルムの表面と平行な所定の進行方向に移動させることによって、上記２枚のラミネートフィルムの上記封止ラインよりも内側部分に所定長さのガス抜き用の開口部を形成する開口形成工程を有する。
上記穿孔刃は、その刃先側が直線状の第１傾斜部及び第２傾斜部により三角形状をなし、少なくとも進行方向側に位置する第１傾斜部に刃が形成されている。そして本発明では、上記第１傾斜部とラミネートフィルムの表面とのなす第１角度が、９０度より小さい鋭角であって、かつ、上記第２傾斜部とラミネートフィルムの表面とのなす第２角度よりも小さいものである。
穿孔刃の進行方向と反対側（裏面側）の第２傾斜部とラミネートフィルムの表面とのなす第２角度が相対的に大きく、典型的にはほぼ９０度に近い角度に設定されているために、穿孔刃で２枚のラミネートフィルムを貫通・穿孔する際に、穿孔刃の第２傾斜部とラミネートフィルム、特にその金属層との干渉が抑制されて、この金属層によって受けるダメージを抑制することができる。
一方、穿孔刃の進行方向側の第１傾斜部とラミネートフィルムの表面とのなす第１角度は相対的に小さく設定された鋭角であるために、この穿孔刃をラミネートフィルムに貫通させた状態で進行方向へ移動することによって、ラミネートフィルムを円滑に切り裂くことができる。
好ましくは、穿孔刃を第１傾斜部と第２傾斜部の双方に刃が形成された両刃とする。このように進行方向のカットには寄与しない進行方向と反対側の第２傾斜部にも刃を設けることで、穿孔時に第２傾斜部でもラミネートフィルムを切り裂くことができ、穿孔作業を更に円滑に行うことができるとともに、第２傾斜部が受けるダメージを更に確実に抑制することができる。
穿孔刃の刃先が尖っていると、この刃先部分が脆くかけ易いことから、好ましくは、穿孔刃の先端部分に、ラミネートフィルムの表面とほぼ平行な所定長さのランド部を形成する。このように先端にランド部を形成して先端の尖っている部分を無くすことで、穿孔刃の耐久性・信頼性を大幅に向上することができる。
本発明によれば、穿孔時に穿孔刃が受けるダメージを抑制して、穿孔刃の耐久性・信頼性（寿命）を向上しつつ、穿孔刃によってラミネートフィルムからなる外装体に所定長さの開口部を良好に形成することができる。
以下、図示実施例により本発明を説明する。
初めに図１および図２に基づいて、この発明による製造の対象となるフィルム外装電池１の一例を説明する。フィルム外装電池１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、図１に示すように、偏平な長方形の外観形状を有し、長手方向の一方の端縁に、導電性金属薄板からなる一対の端子２，３を備えている。
図２に示すように、フィルム外装電池１は、長方形をなす発電要素４を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体５の内部に収容したものである。上記発電要素４は、セパレータ４３を介して交互に積層された複数の正極板４１および負極板４２からなり、例えば、３枚の負極板４２と、２枚の正極板４１と、これらの間の４枚のセパレータ４３と、を含んでいる。つまり、この例では、発電要素４の両面に負極板４２が位置している。但し、発電要素４の最外層に正極板４１が位置する構成も可能である。なお、図２における各部の寸法は必ずしも正確なものではなく、説明のために誇張したものとなっている。
正極板４１は、長方形をなす正極集電体４１ａの両面に正極活物質層４１ｂ，４１ｃを形成したものである。正極集電体４１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。また、正極活物質層４１ｂ，４１ｃは、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ2）、または、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）等のリチウム複合酸化物からなる正極活物質と、カーボンブラック等の導電助剤と、バインダと、を混合したものを、正極集電体４１ａの主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。
負極板４２は、長方形をなす負極集電体４２ａの両面に負極活物質層４２ｂ，４２ｃを形成したものである。負極集電体４２ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。負極活物質層４２ｂ，４２ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、バインダを混合したものを、負極集電体４２ａの主面に塗布し、乾燥及び圧延させることにより形成されている。
上記負極集電体４２ａの長手方向の端縁の一部は、負極活物質層４２ｂ，４２ｃを具備しない延長部として延びており、その先端が負極端子３に接合されている。また図２には示されていないが、同様に、上記正極集電体４１ａの長手方向の端縁の一部が、正極活物質層４１ｂ，４１ｃを具備しない延長部として延びており、その先端が正極端子２に接合されている。
上記セパレータ４３は、正極板４１と負極板４２との間の短絡を防止すると同時に電解質を保持する機能を有するものであって、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜からなり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能を有している。なお、セパレータ４３としては、ポリオレフィン等の単層膜に限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造のものや、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。
また、電解液としては、特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池に一般的に使用される電解質として、例えば、有機溶媒にリチウム塩が溶解した非水電解液を用いることができる。
上記のような構成の発電要素４を電解液とともに収容する外装体５は、図２に一部を拡大して示すように、合成樹脂層としての熱融着層５１と金属層５２と合成樹脂層としての保護層５３との三層構造を有するラミネートフィルムからなる。中間の金属層５２は、例えばアルミニウム箔からなり、その内側面を覆う熱融着層５１は、熱融着が可能な合成樹脂例えばポリプロピレン（ＰＰ）からなり、金属層５２の外側面を覆う保護層５３は耐久性に優れた合成樹脂である例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる。なお、さらに多数の層を有するラミネートフィルムを用いることもできる。また、上記の例では金属層５２の両面に合成樹脂層をラミネートしているが、金属層５２の外側の合成樹脂層は必ずしも必須のものではなく、内側表面にのみ合成樹脂層を備えた構成であってもよい。
上記外装体５は、一つの例では、図２の発電要素４の下面側に配置される１枚のラミネートフィルムと上面側に配置される他の１枚のラミネートフィルムとの２枚構造をなし、これら２枚のラミネートフィルムの周囲の４辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着することにより、内部に発電要素４を収納可能な袋状の構成となっている。図示例は、このような２枚構造の外装体５を示している。また、他の一つの例では、外装体５は１枚の比較的大きなラミネートフィルムからなり、２つ折りとした状態で内側に発電要素４を配置した上で、周囲の３辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着した袋状の構成となっている。
長方形をなすフィルム外装電池１の短辺側に位置する一対の端子２，３は、ラミネートフィルムを熱融着する際に、ラミネートフィルムの接合面を通して外部へ引き出されている。なお、図示例では、同じ一方の端縁に一対の端子２，３が並んで配置されているが、一方の端縁に正極端子２を配置し、かつ他方の端縁に負極端子３を配置するようにすることも可能である。
なお、この種のフィルム外装電池１は、複数個を偏平な箱状のケーシング内に収容したバッテリモジュールとして使用される。この場合、バッテリモジュールのケーシング内で複数のフィルム外装電池１が積層された配置となり、例えば、ケーシングの一部またはケーシングとは別個の弾性部材によって、外装体５は、発電要素４の積層方向（発電要素４の主面と直交する方向）に多少押圧された状態となり得る。
次に、上記のフィルム外装電池１の製造手順について説明する。まず、正極板４１、負極板４２およびセパレータ４３を順次積層し、かつ端子２，３をスポット溶接等により取り付けて発電要素４を構成する。次に、この発電要素４を外装体５となるラミネートフィルムで覆い、図３に示すように、外装体５の周囲の縁辺のうち、充填口となる一辺の封止ライン１２を残して残りの３辺を封止ライン１３に沿って熱融着することで、一辺（封止ライン１２）が開口した袋状の外装体５を形成する。次に、一辺を通して外装体５の内部に電解液を充填し、その後、縁辺の残りの一辺を封止ライン１２に沿って一旦熱融着して外装体５を密閉状態とする。次に、適宜なレベルまで充電を行い、この状態で、一定時間、エージングを行う。このエージングの完了後、エージングにより発生したガス抜きを行う。
このガス抜き工程では、後述する穿孔刃２０を用いて、封止ライン１２（，１３）よりも内側に所定長さの切り込み形成された開口部１４を形成し（開口形成工程）、この開口部１４より電池内部で発生したガスを排出する。次いで、図４に示すように、この開口部１４よりも内側の再封止ライン１５で一辺を再度熱溶着して外装体５を再び密閉状態とすることで、フィルム外装電池１が完成する。
ここで、図３及び図４に示すように、最初の封止ライン１２には、部分的に上方へ凸状に張り出すように突出したガス溜まり部１２Ａが形成されており、このガス溜まり部１２Ａに開口部１４を形成している。上記のエージング工程では、上方へ張り出したガス溜まり部１２Ａにガスが集まるため、開口部１４をガス溜まり部１２Ａに形成することで、この開口部１４を封止ライン１２の一部の短い長さ（封止ライン１２全体の横幅の半分以下、１／３程度）としつつ、電池内部のガスを確実に排出することができる。なお、図４に示すように、再封止ライン１５はガス溜まり部１２Ａを除く最初の封止ライン１２とほぼ重なる位置に設定されている。
図５〜図９は、上記の穿孔刃２０を備えた穿孔装置による一連の開口部１５の形成工程（開口形成工程）を示している。図５にも示すように、この穿孔装置は、穿孔刃２０を支持する刃支持部３１と、外装体５を両側から把持する一対のクランプ３２，３３と、により大略構成される。刃支持部３１には、一本の固定ボルト３４及び３本の位置決めピン３５により穿孔刃２０が位置決めされた状態で固定されており、この刃支持部３１を介して穿孔刃２０がラミネートフィルムからなる外装体５の主面直交方向Ｙ１及びこの外装体５の表面に沿う所定の進行方向Ｙ２に駆動される。
クランプ３２，３３には、開口部１４に対応した位置に、外装体５との干渉を回避するスリット３６及び溝３７が形成されている。
図５に示す状態からフィルム外装電池１が引き上げられて、図６に示すように開口部１５となる部分を含む外装体５の縁辺部分の近傍がクランプ３２，３３により把持される。次いで、図７に示すように、穿孔刃２０が主面直交方向Ｙ１に沿って外装体５側へ駆動（移動）される。これによって、穿孔刃２０が外装体５の２枚のラミネートフィルムを貫通して、開口部１４の一端となる穿孔１４Ａが形成される。次いで、図８に示すように、穿孔刃２０をラミネートフィルムに貫通させた状態で、この穿孔刃２０を進行方向に駆動（移動）する。これによって、所定長さの開口部１４が切り込み形成される。次いで、図５に示すように、穿孔刃２０，クランプ３２，３３及び外装体５を元の位置（図５参照）に待避させて、このフィルム外装電池１に対する作業が終了する。そして、次のフィルム外装電池が図５に示す状態にセットされて、上記の作業が繰り返される。
図１０は、刃支持部３１における穿孔刃２０の支持構造を示す断面図である。同図に示すように、穿孔刃２０は、刃支持部３１の金属製のプレート状の取付基部３８と、同じく金属製の補助プレート３９と、の間に挟持された状態で、一本の上記固定ボルト３４によって共締め固定されている。特に、本実施例では、補助プレート３９が十分に大きく設定されており、穿孔刃２０の全長の半分以上を取付基部３８と補助プレート３９とにより挟持する形となっている。従って、固定ボルト３４による一点止めの簡素な固定構造であるにもかかわらず、穿孔刃２０の振動を抑制し、振動に起因する波状のチッピング等の発生を抑制することができる。
図１１及び図１２は、本実施例の要部をなす穿孔刃２０を示している。穿孔刃２０は、全体として平行四辺形の金属薄板形状をなし、刃先と反対側に上記の固定ボルト３４が貫通するボルト孔２１が貫通形成されている。この穿孔刃２０の刃先側は一対の傾斜部２２，２３により上面視（図１１の紙面垂直方向視）で三角形状をなし、進行方向Ｙ２側に位置する直線状の第１傾斜部２２と、進行方向Ｙ２とは反対側・裏面側に位置する直線状の第２傾斜部２３と、を有している。これら第１傾斜部２２と第２傾斜部２３とのなす角度は、この実施例では６０度に設定されている。
また穿孔刃２０は、第１傾斜部２２と第２傾斜部２３の双方にわたってそれぞれ刃２２Ａ，２３Ａが形成された両刃構造となっている。そして第１傾斜部２２とラミネートフィルム（５）の表面とのなす第１角度θ１が、９０度より小さく、かつ、第２傾斜部２３とラミネートフィルムの表面とのなす第２角度θ２よりも小さく設定されている（θ１＜θ２）。
但し、第１角度θ１は、あまり小さ過ぎると、１枚目と２枚目のラミネートフィルムをカットする位置のずれが大きくなり、２枚目のラミネートフィルムを切り裂く過程で振動が発生し易くなり、内部の電解液の液漏れを生じるおそれがあるので、好ましくは４０度以上に設定される。
また、第２角度θ２は、穿孔時にラミネートフィルムとの干渉を抑制するために、９０度に近い角度が望ましく、具体的には８０〜９０度程度の角度に設定される。また、第２角度θ２を９０よりも大きな角度（θ２＞９０°）としても良い。
更に、穿孔刃２０の刃先部分には、ラミネートフィルムの表面とほぼ平行な所定長さのランド部２４が形成されている。つまり、穿孔刃２０の尖った刃先部分を取り除くようにランド部２４が形成されている。このランド部２４には耐久性を考慮して刃が設けられていないが、このランド部２４のすぐ両側の第１，第２傾斜面部２２，２３には刃２２Ａ，２３Ａが設けられているために、平坦で刃のないランド部２４を設けた場合であっても、外装体５のラミネートフィルムの貫通・穿孔させることは十分に可能である。
以上のように本実施例では、穿孔刃２０の進行方向と反対側（裏面側）の第２傾斜部２３とラミネートフィルムの表面とのなす第２角度θ２を９０°に近い大きな角度に設定したために、穿孔刃２０で２枚のラミネートフィルムを貫通・穿孔する際に、第２傾斜部２３とラミネートフィルムの特に金属層５２との干渉を抑制して、第２傾斜部２３が金属層５２によって受けるダメージを抑制することができる。この結果、穿孔刃２０の耐久性・信頼性を向上し、寿命を延ばすことができる。
特に本実施例では、進行方向Ｙ２の裏側に位置する第２傾斜部２３にも刃２３Ａを形成した両刃としているために、穿孔時に第２傾斜部２３にラミネートフィルムが干渉しても、この第２傾斜部２３によってラミネートフィルムが切り裂かれることとなり、第２傾斜部２３が受けるダメージをより確実に抑制するとともに、穿孔作業をスムーズに行うことができる。
一方、穿孔刃２０の進行方向側の第１傾斜部２２とラミネートフィルムの表面とのなす第１角度θ１を相対的に小さくしたために、穿孔刃２０の進行方向Ｙ２への移動によるラミネートフィルムのカット作業を円滑に行うことができる。
更に、穿孔刃２０の刃先部分に、ラミネートフィルムの表面とほぼ平行な所定長さのランド部２４を形成しているために、穿孔刃２０の刃先に尖った脆い部分が無くなり、穿孔刃２０の刃先が欠けたりすることがなく、穿孔刃２０の耐久性・寿命を大幅に向上することができる。
Claims (5)
- 金属層の表面に合成樹脂層がラミネートされたラミネートフィルムからなる袋状の外装体の内部に発電要素が電解液とともに密封された矩形偏平形状をなすフィルム外装電池の製造方法であって、
縁辺が封止ラインに沿って封止された２枚のラミネートフィルムに対し、穿孔刃を上記ラミネートフィルムの主面直交方向に沿って移動させることによって、この穿孔刃を上記２枚のラミネートフィルムに貫通させて穿孔を形成した後、この穿孔刃を上記ラミネートフィルムの表面と平行な所定の進行方向に移動させることによって、上記２枚のラミネートフィルムの上記封止ラインよりも内側部分に所定長さのガス抜き用の開口部を形成する開口形成工程を有し、
上記穿孔刃は、その刃先側が直線状の第１傾斜部及び第２傾斜部により三角形状をなし、少なくとも上記進行方向側に位置する第１傾斜部に刃が形成され、
上記第１傾斜部とラミネートフィルムの表面とのなす第１角度が、９０度より小さく、かつ、上記進行方向と反対側に位置する第２傾斜部とラミネートフィルムの表面とのなす第２角度よりも小さいフィルム外装電池の製造方法。 - 上記穿孔刃は、上記第１傾斜部と第２傾斜部の双方に刃が形成された両刃である請求項１に記載のフィルム外装電池の製造方法。
- 上記第２角度がほぼ９０度である請求項１又は２に記載のフィルム外装電池の製造方法。
- 上記穿孔刃の刃先部分に、上記ラミネートフィルムの表面とほぼ平行な所定長さのランド部が形成されている請求項１〜３のいずれかに記載のフィルム外装電池の製造方法。
- 金属層の表面に合成樹脂層がラミネートされたラミネートフィルムからなる外装体の内部に発電要素が電解液とともに密封された矩形偏平形状をなす袋状のフィルム外装電池の製造に用いられる穿孔刃であって、
この穿孔刃は、縁辺が封止ラインに沿って封止された２枚のラミネートフィルムの上記封止ラインよりも内側部分に、ガス抜き用の所定長さの開口部を形成するものであって、上記ラミネートフィルムの主面直交方向に沿って移動されることで、上記２枚のラミネートフィルムを貫通して穿孔を形成可能であるとともに、上記ラミネートフィルムの主面と平行な所定の進行方向に移動させることによって、上記所定長さの開口部を形成可能であり、
かつ、上記穿孔刃は、その刃先側が直線状の第１傾斜部及び第２傾斜部により三角形状をなし、少なくとも上記進行方向側に位置する第１傾斜部に刃が形成され、
上記第１傾斜部とラミネートフィルムの表面とのなす第１角度が、９０度より小さく、かつ、上記進行方向と反対側に位置する第２傾斜部とラミネートフィルムの表面とのなす第２角度よりも小さい穿孔刃。
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