JPWO2015068548A1 - フィルム外装電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

フィルム外装電池は、発電要素（４）を電解液とともに外装体（５）の内部に収容した偏平な矩形状をなし、その一辺（１１Ａ）より端子（２，３）を導出した状態で、外装体の四方の縁部に沿って密封される。電解液注入工程では、端子が側方に突出する姿勢で外装体の上辺を除く三辺（１１Ａ〜１１Ｃ）を封止した袋状体（１３）に対し、その開口する上辺（１１Ｄ）側より電解液を注入する。この電解液注入工程よりも前の部分封止工程において、袋状体の開口する上辺（１１Ｄ）のうち、端子２，３が導出された一辺（１１Ａ）の近傍の一部分（２１）のみを部分的に封止することで、電解液の注入時に電解液が漏れ出ることを防止する。

Description

この発明は、ラミネートフィルム等を外装体とした偏平なフィルム外装電池に関し、特に、電解液を外装体の内部に注入する製造方法に関する。
特許文献１に記載されているように、正極板および負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素が、偏平な矩形状をなす外装体の内部に電解液とともに収容され、その一辺より端子を導出した状態で、上記外装体の四方の縁部に沿って密封されたフィルム外装電池が知られている。この種のフィルム外装電池の製造工程においては、通常、上記端子が側方に突出する姿勢で外装体の上辺を除く三辺を封止した袋状体に対し、その開口する上辺側より電解液を注入し、注入後に残りの一辺を封止して、フィルム外装電池を製造する。
特開２００１−１０２０９０号公報
袋状体の開口する上辺側より注入された電解液は、内部の発電要素との隙間を浸透して下方へ流れ込んでいくが、端子が導出される一方の側辺の近傍は、端子と正極板，負極板とを接続する延長部等が存在しているために、端子が導出されていない他方の側辺の近傍に比して、隙間が小さく、その流路断面積が小さいことから、電解液が下方へ流れ込み難い。このために、電解液の注入時に、端子が導出される一方の側辺の近傍から電解液が上辺側より外部へ漏れ出すおそれがある。
このように電解液が漏れ出ると、電解液の注入が不十分となるおそれがあるとともに、端子や外装体に電解液が付着すると、組電池にする際に溶接不良を生じるなど、品質の低下を招くおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電解液の注入時における漏洩を抑制することができる新規なフィルム外装電池の製造方法を提供することを目的とする。
本発明による製造の対象となるフィルム外装電池は、正極板および負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素が、偏平な矩形状をなす外装体の内部に電解液とともに収容され、その一辺より端子を導出した状態で、上記外装体の四方の縁部に沿って密封されている。
そして本発明に係るフィルム外装電池の製造方法は、上記端子が側方に突出する姿勢で上記外装体の上辺を除く三辺を封止した袋状体に対し、その開口する上辺側より電解液を注入する電解液注入工程を有し、かつ、この電解液注入工程よりも前に、上記袋状体の開口する上辺のうち、上記端子が導出された一辺の近傍の一部分のみを部分的に封止する部分封止工程を有するものである。
本発明によれば、電解液が注入される袋状体の開口する上辺のうち、電解液が漏れ出し易い端子寄りの一部分のみを部分的に封止しているために、電解液の注入を阻害することなく、電解液の漏洩を有効に抑制することができる。
本発明に係る製造の対象となるフィルム外装電池の一例を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ線に沿うフィルム外装電池の断面図。 フィルム外装電池の製造工程の一部を簡略的に示す説明図。 本発明の第１実施例に係る袋状体を示す平面図。 電解液注入工程に用いられる装置を簡略的に示す説明図。 電解液注入工程における袋状体を示す平面図。 電解液の漏れ出しの不具合を説明するための説明図。 同じく電解液の漏れ出しの不具合を説明するための図７のロケート孔近傍の断面図。 部分封止工程で用いられる装置を示す側面図。 部分封止工程で用いられる装置のヒーターブロックを示す一部破断斜視図。 本発明の第２実施例に係る電解液注入工程における袋状体を示す平面図。
以下、この発明の好ましい実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。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、導電性金属箔からなる一対の正負極の端子２，３を備えている。
図２は図１のＡ−Ａ線で示す断面線に沿ったフィルム外装電池１の断面を表している。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、熱融着層５１と金属層５２と保護層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、かつ互いに熱融着した構成となっている。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導出されている。
次に、上記のフィルム外装電池１の製造手順について簡単に説明する。図３は製造工程の一部を簡略的に示すものである。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、かつ正極集電体４１ａ及び負極集電体４２ａを正負極の端子２，３にスポット溶接や超音波溶接等により取り付けて発電要素４を構成する。次に、三辺封止工程Ｓ１１において、図４に示すように、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、周縁の四辺１１Ａ〜１１Ｄ、詳しくは、端子２，３が設けられた一辺１１Ａを含む一対の短辺１１Ａ，１１Ｂと、端子２，３が設けられていない一対の長辺１１Ｃ，１１Ｄのうち、長辺の一辺１１Ｄを残して、周囲の三辺１１Ａ〜１１Ｃを、この三辺１１Ａ〜１１Ｃに沿う直線状の封止ライン１２Ａ〜１２Ｃの位置で熱融着する。これによって、外装体５の一辺１１Ｄが開口する袋状体１３が形成される。
その後、後述する部分封止工程Ｓ１２を経て電解液注入工程Ｓ１３へと進む。この電解液注入工程Ｓ１３では、図５及び図６に示すように、真空状態にあるケーシング１４内で、開口する一辺１１Ｄ（上辺）側より電解液が注入される。具体的には、複数の袋状体１３が、その端子２，３が側方に突出し、開口する一辺１１Ｄが上側、つまり上辺１１Ｄとなる姿勢で保持されており、その開口する上辺１１Ｄ側より注入ノズル１５を用いて電解液が注入される。
電解液の注入後、開口する上辺１１Ｄ側を封止ライン１２Ｄ（図４参照）に沿って熱融着することで、外装体５を密閉状態とする。これによりフィルム外装電池１が完成するので、次に、適宜なレベルまで充電を行い、この状態で、一定時間、エージング等が行われる。
図４に示すように、上記の製造工程における袋状体１３の四隅には、熱融着時に２枚のラミネートフィルムを所定位置に保持するために、パレット２８（図９参照）に固定された４本のロケートピン（図示省略）に挿入される合計４つのロケート孔１６が貫通形成されている。但し、袋状体１３における長辺１１Ｃ，１１Ｄの縁部は、ロケート孔１６よりも内側かつ封止ライン１２Ｃ，１２Ｄよりも外側の切断ライン１７で切断されて、ロケート孔１６を含むスクラップ部分１８が切除されるために、ロケート孔１６は最終的なフィルム外装電池１には残されない。
なお、この種のフィルム外装電池１は、複数個を互いに電気的に接続した組電池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。
次に、図７を参照して、電解液注入工程Ｓ１３で電解液が漏れ出る不具合について説明する。開口する上辺１１Ｄ側より袋状体１３の内部に電解液を注入する際、注入ノズル１５より注入される電解液は発電要素４等との隙間を浸透しつつ下方へ流れ込んでいくが、図２にも示すように、端子２，３が設けられた一辺１１Ａ側（図２の左側）では、端子２，３及びこれに接続する正極板４１や負極板４２の延長部等が存在しているために、端子２，３が設けられていない他辺側（図２の右側）に比して、隙間が狭く、流路断面積が小さいものとなっている。このため、図７に示すように、電解液の注入時に、端子２，３が設けられた一辺１１Ａ側の近傍では、電解液の浸透が遅れ、つまり電解液が速やかに下方へ流れ込まず、上辺１１Ｄ側より電解液が漏れ出るおそれがある。
特に、上述したように袋状体１３の四隅に位置決め用のロケート孔１６が貫通形成されている場合には、図７及び図８に示すように、真空雰囲気下で沸騰した泡状の電解液１９が、端子２，３寄りかつ上側のロケート孔１６Ａより漏れ出し易い。このように電解液が漏れ出すと、電解液の注入が不十分となったり、端子２，３や外装体５に電解液が付着して、複数のフィルム外装電池１の端子２，３同士を溶接して、組電池にする際に溶接不良を生じるなど、品質の低下を招くおそれがある。
そこで本実施例では、図３に示すように、三辺封止工程Ｓ１１の後であって、かつ、電解液注入工程Ｓ１３よりも前に、開口する上辺１１Ｄのうち、端子２，３が導出された一辺１１Ａの近傍（電解液の注入位置よりも一辺１１Ａ寄りの位置）の一部分である封止部２１のみを部分的に封止する部分封止工程Ｓ１２を設けている。
この部分封止工程Ｓ１２では、図４及び図６に示すように、端子２，３が導出された側辺１１Ａの上側のロケート孔１６Ａの周囲を封止するように、少なくともロケート孔１６Ａの下側部分２１Ａを含む形で封止部２１が形成されている。
特に、この第１実施例では、封止部２１が、ロケート孔１６Ａの下側部分２１Ａと両側部分２１Ｂ，２１Ｃの三方を囲うチャンネル状・Ｕ字状をなしている。また、このロケート孔１６Ａは端子２，３寄りの側辺１１Ａに沿う封止ライン１２Ａよりも内側に配置されているために、封止部２１もまた封止ライン１２Ａよりも内側に形成されている。なお、熱融着により生じるバリ等がロケート孔１６Ａを塞ぐことのないように、封止部２１とロケート孔１６Ａとの間には所定の間隔２２が確保されている。
このように封止部２１を端子２，３近傍の上側のロケート孔１６Ａの周囲に設けることで、このロケート孔１６Ａを通した電解液の漏洩を確実に防止することができる。しかも、封止部２１は開口する上辺１１Ｄのうちで、端子２，３寄りの一部分にのみ部分的に設けられているために、その他の上辺１１Ｄは大きく開口する形となり、電解液の注入を阻害することもない。
特にこの第１実施例においては、封止部２１をロケート孔１６Ａの下側部分２１Ａ及び両側部分２１Ｂ，２１Ｃの三方を囲う形状としたので、電解液が下方及び側方からロケート孔１６Ａへ侵入することを確実に防止することができる。
図９及び図１０は、上記の部分封止工程Ｓ１２で用いられる装置の一例を示している。この装置は、先端部２４が封止部２１の形状に応じたチャンネル状・Ｕ字状をなすヒーターブロック２３と、このヒーターブロック２３を所定方向（図９の上下方向）に駆動するシリンダ２５と、を有している。ヒーターブロック２３には、図１０に示すように、熱源としてのカードリッチヒーター２６が内臓されている。そして、パレット２８上に載置された袋状体１３（外装体５）に対し、シリンダ２５によりヒーターブロック２３を駆動して先端部２４を外装体５の適宜位置（つまり端子２，３近傍のロケート孔１６Ａの周囲）に押し付けつつ加熱ることによって、上記の封止部２１が熱融着される。
図１１は、本発明の第２実施例を示している。この第２実施例では、封止部３１の形状が第１実施例と異なっている。つまり、この第２実施例では、部分封止工程Ｓ１２により封止される封止部３１が、ロケート孔１６Ａの下側部分３１Ａと、端子２，３が導出される側辺１１Ａより遠い側の部分３１Ｂと、を有するＬ字状をなしている。そして、封止部３１の下側部分３１Ａを、端子２，３が導出される側辺１１Ａに沿う封止ライン１２Ａと交差させている。従って、Ｌ字状をなす封止部２１と、封止ライン１２Ａの一部と、によって、ロケート孔１６Ａの下側と両側の三方が囲われる形となり、上記の第１実施例と同様、電解液の下方及び側方からのロケート孔１６Ａへの侵入を確実に防止することができる。
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、封止部の形状は上記第１，第２実施例のものに限らず、例えばロケート孔を囲う円形状もしくは半円形状としても良く、あるいは、ロケート孔の下側部分のみを封止するものであっても良い。
また、上記実施例では部分封止工程Ｓ１２を三辺封止工程Ｓ１１と電解液注入工程Ｓ１３との間に行っているが、部分封止工程を電解液注入工程の前に行うものであれば良く、例えば部分封止工程を三辺封止工程と同時もしくはその前に行うようにしても良い。
また、上記実施例においては、いずれも端子２，３が設けられた一辺１１Ａ側の近傍のロケート孔１６Ａからの電解液の漏洩を防止するものとしたが、この限りではない。例えば、ロケート孔１６Ａが設けられていない場合であっても、電解液を注入する工程における外装体５の短辺１１Ａ，１１Ｂが短く、外装体５の開口縁から内部の発電要素４までの距離が十分に確保できない場合には、外装体５の開口縁の端子２，３が設けられた一辺１１Ａの近傍から電解液が漏洩する可能性がある。このような場合であっても、上記実施例に記載のように、袋状の外装体５の開口縁の端子２，３が設けられた一辺１１Ａの近傍を封止することによって、開口縁からの電解液の漏洩を防止することができる。

Claims (5)

  1. 正極板および負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素が、偏平な矩形状をなす外装体の内部に電解液とともに収容され、その一辺より端子を導出した状態で、上記外装体の四方の縁部に沿って密封されてなるフィルム外装電池の電解液注入方法であって、
    上記端子が側方に突出する姿勢で上記外装体の上辺を除く三辺を封止した袋状体に対し、その開口する上辺側より電解液を注入する電解液注入工程を有し、
    かつ、この電解液注入工程よりも前に、上記袋状体の開口する上辺のうち、上記端子が導出された一辺の近傍の一部分のみを部分的に封止する部分封止工程を有するフィルム外装電池の製造方法。
  2. 上記袋状体の四隅には、位置決め用のロケート孔が貫通形成されており、
    上記部分封止工程では、少なくとも上記ロケート孔の下側部分を含むロケート孔の周囲を部分的に封止する請求項１に記載のフィルム外装電池の製造方法。
  3. 上記部分封止工程により封止される封止部が、上記ロケート孔の下側部分と両側部分の三方を囲っている請求項２に記載のフィルム外装電池の製造方法。
  4. 上記部分封止工程により封止される封止部が、上記ロケート孔の下側部分と、端子が導出される一辺より遠い側の部分と、を有するＬ字状をなし、
    上記封止部のロケート孔の下側部分が、上記端子が導出される一辺に沿う封止ラインと交差している請求項２に記載のフィルム外装電池の製造方法。
  5. 上記電解液注入工程では、真空雰囲気下で電解液が注入される請求項１〜４のいずれかに記載のフィルム外装電池の製造方法。
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