KR102186301B1

KR102186301B1 - 초음파 접합용 공구 및 초음파 접합 방법

Info

Publication number: KR102186301B1
Application number: KR1020197018855A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 나카노
Original assignee: 가부시키가이샤 인비젼 에이이에스씨 재팬
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2020-12-03
Also published as: EP3563963B1; EP3563963A4; EP3563963A1; CN110177644A; JP6625243B2; JPWO2018122964A1; US10625475B2; US20200070431A1; WO2018122964A1; KR20190085139A; CN110177644B

Abstract

초음파 접합 장치(21)의 혼(23)측에, 복수 개의 볼록부(31)를 규칙적으로 형성한 칩(24)이 마련되어 있다. 각각의 볼록부(31)는, 4개의 측면(31a, 31b, 31c, 31d)과, 평탄한 정상면(31e)을 갖는 정사각뿔 형상을 이룬다. 서로 대향하는 2개의 측면이 이루는 꼭지각(α)은, 90°보다도 크고, 예를 들어 120°이다. 배터리 셀의 2매의 세퍼레이터(1)를 접합했을 때, 세퍼레이터(1)가 볼록부(31)에 첩부하는 힘이 약해져, 혼(23)에 부착되는 경우가 없다.

Description

초음파 접합용 공구 및 초음파 접합 방법

본 발명은 합성 수지제 시트를 겹쳐서 접합하는 초음파 접합 장치의 혼측 또는 앤빌측에 사용되는 볼록부를 구비한 초음파 접합용 공구의 개량에 관한 것이다.

특허문헌 1에는, 리튬 이온 이차 전지와 같은 적층형 전지에 있어서의 정극·부극간의 세퍼레이터로서, 폴리프로필렌 등의 합성 수지층의 한쪽 면에 세라믹스 입자를 포함하는 내열층을 마련한 시트형 세퍼레이터를 사용하고, 또한 2매의 세퍼레이터 사이에 한쪽 전극 예를 들어 정극을 끼운 상태로 하여, 세퍼레이터의 주연을 접합함으로써, 소위 자루 포장 전극을 구성하는 것이 개시되어 있다.

정극을 끼우는 2매의 세퍼레이터는, 각각의 내열층이 서로 대면하도록 배치되어, 주연의 복수 개소에서 가열 접합되어 자루형 세퍼레이터가 된다. 여기서, 세라믹스 입자를 포함하는 내열층이 개재되면, 합성 수지층의 열 융착이 곤란해지므로, 특허문헌 1에서는, 세퍼레이터의 주연에, 세라믹스 등의 내열 재료를 제로 또는 적게 한 내열층 없는 부분을 마련하고, 이 내열층 레스부끼리를 가열 접합하도록 하고 있다.

이와 같이, 내열층을 갖는 세퍼레이터끼리를 가열 접합하는 방법에서는, 내열층 레스부의 형성이 필요하다.

한편, 적층형 전지의 제조에 있어서 전극 탭과 정극·부극의 집전체의 접합에 일반적으로 사용되고 있는 초음파 접합을 상기와 같은 시트형 세퍼레이터의 접합에 적용했다고 하면, 혼 또는 앤빌 중 적어도 한쪽에 마련되는 룰렛형의 볼록부에, 용융된 수지 재료가 첩부되어 버린다는 문제가 있다.

국제 공개 제2014/058001호 공보 일본 특허 공개 제2009-78452호 공보

본 발명에 관한 초음파 접합용 공구는, 평탄한 정상면을 갖는 사각뿔 형상을 이루는 볼록부가 복수 배열되어 있고, 각각의 볼록부는, 네 측면 중 서로 대향하는 두 측면이 이루는 꼭지각이, 90°보다도 큰 각도를 갖고 있다.

이와 같이 꼭지각이 90°보다도 큰 사각뿔 형상으로 함으로써, 워크가 되는 합성 수지제 시트에 파고 들어간 볼록부의 측면과 합성 수지제 시트의 첩부가 억제된다. 따라서, 초음파 접합 후에 워크가 공구에 부착되어 버리는 현상을 억제할 수 있다.

도 1은 워크의 일례로서 자루 포장 전극의 자루형 세퍼레이터를 나타내는 평면도.
도 2는 초음파 접합 장치의 개략의 구성을 나타내는 설명도.
도 3은 세퍼레이터의 층구조를 나타내는 단면도.
도 4는 일 실시예의 초음파 접합용 공구인 칩을 나타내는 사시도.
도 5는 도 4의 A-A 선을 따른 단면도.
도 6은 볼록부의 하나를 나타내는 사시도.
도 7은 볼록부가 세퍼레이터를 접합하고 있는 상태를 모식적으로 도시한 단면도.
도 8은 실시예의 칩 및 비교예의 칩의 첩부력의 특성을 나타낸 특성도.

이하, 본 발명의 일 실시예로서, 적층형 배터리 셀의 자루형 세퍼레이터의 접합에 사용하는 초음파 접합용 공구에 적용한 실시예를 설명한다.

도 1은, 워크가 되는 자루 포장 전극을 나타내고 있다. 자루 포장 전극은, 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 2매의 시트형 세퍼레이터(1)를 주연에서 서로 접합하여 자루 형상으로 하고, 그 안에 정극(2)을 끼워 넣은 것이며, 도시되지 않은 부극과 교대로 적층함으로써, 소위 전극 적층체가 구성된다.

시트형 세퍼레이터(1)는, 각각 정극(2)보다도 약간 큰 직사각형으로 재단되어, 주연의 복수 개소, 예를 들어 도시된 바와 같은 계 8개소의 접합부(3)에 있어서 초음파 접합에 의해 서로 접합된다. 또한, 정극(2)의 집전체의 일부가, 도시되지 않은 전극 탭과 접속되는 탭(2a)으로서 세퍼레이터(1)의 1변으로부터 연장되어 있다.

세퍼레이터(1)는, 도 3에 단면 구조를 나타낸 바와 같이, 자루형으로 했을 때 외측이 되는 면으로부터 순서대로, 폴리프로필렌층(11), 폴리에틸렌층(12), 폴리프로필렌층(13), 내열층(14)을 구비한 4층 구조를 갖고 있다. 즉, 열 가소성 합성 수지층으로서 다공성의 3개의 층(11, 12, 13)을 가지며, 또한 한쪽 표면에, 내열층(14)을 구비하고 있다. 내열층(14)은, 예를 들어 세라믹스 입자를 바인더와 함께 합성 수지층 위에 분사하여 다공성의 세라믹스층으로 한 것이다. 폴리프로필렌층(11, 13)은, 예를 들어 170℃ 정도의 융점을 갖고, 이보다도 상대적으로 융점이 낮은 폴리에틸렌층(12)(예를 들어 140℃ 정도의 융점을 가짐)이, 2개의 폴리프로필렌층(11, 13) 사이에 적층된 구조로 되어 있다.

이와 같은 4층 구조를 갖는 세퍼레이터(1)는, 자루형 세퍼레이터로 할 때에는, 각각의 내열층(14)이 서로 대면하는 형태로 2매의 시트형 세퍼레이터(1)를 중첩하고, 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 접합 장치(21)를 사용하여, 주연의 접합부(3)를 각각 접합한다.

초음파 접합 장치(21)는, 워크(2매의 세퍼레이터(1))를 하방으로부터 지지하는 앤빌(22)과, 도시되지 않은 가진 장치에 연결된 혼(23)을 구비하고, 혼(23)의 선단에는, 초음파 접합용 공구, 즉, 칩(24)이 마련되어 있다. 혼(23)은, 대략 수평 방향으로 연장된 둥근 막대형을 이루고, 그 긴 변 방향(도면의 좌우 방향)을 따라 도시되지 않은 가진 장치에 의해 가진된다. 그리고, 혼(23)의 진동의 배가 되는 위치에, 세퍼레이터(1)와 접촉하는 실질적인 가공부가 되는 칩(24)이 배치되어 있다. 혼(23)은, 도시되지 않은 가압 기구에 의해 앤빌(22)을 향하여 소정의 하중을 갖고 가압된다. 이와 같이, 초음파 접합 장치(21)는, 2매의 세퍼레이터(1)를 혼(23)과 앤빌(22) 사이에서 가압하면서 초음파 진동을 부여함으로써, 2매의 세퍼레이터(1)의 열 가소성 합성 수지층을 서로 융착시킨다.

칩(24)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 접합부(3)의 크기에 대응한 직사각형의 판형을 이루고 있다. 칩(24)은, 예를 들어 공구강 등을 사용하여 혼(23)과는 별도의 부품으로서 형성하여, 혼(23)에 장착하여 사용할 수 있다. 또는 혼(23)의 일부로서, 혼(23)에 직접 형성하도록 해도 된다. 도 4의 예에서는, 혼(23)의 진동 방향은, 칩(24)의 폭 방향(칩(24)의 긴 변 방향과 직교하는 방향)을 따른 것이 된다.

칩(24)은, 규칙적으로 배열된 복수의 볼록부(31)를 구비하고 있다. 각각의 볼록부(31)는, 도 6에도 나타낸 바와 같이, 4개의 경사진 측면(31a, 31b, 31c, 31d)과, 평탄한 정상면(31e)을 갖는 사각뿔 형상을 이루고 있다. 특히, 일 실시예에 있어서는, 4개의 저변(32a, 32b, 32c, 32d)(도 6 참조)이 정사각형을 이루는 정사각뿔 형상(엄밀하게는 정상부가 정상면(31e)에 의해 잘라 내어진 정사각뿔 형상)을 이루고 있다.

또한, 복수 개의 볼록부(31)는, 각각의 저변이, 직선형으로 정렬되도록 일정 간격으로 규칙적으로 배열되어 있다. 바꾸어 말하면, 인접하는 2개의 볼록부(31)사이에 생기는 V자형 홈(33)이 직선형으로 연속되도록, 복수 개의 볼록부(31)가 배열되어 있다. 또한, V자형 홈(33)의 저면(33a)(즉 2개의 볼록부(31)의 저변 사이에 존재하는 면)은, 전체적으로 하나의 평면을 따르고 있다.

또한, 도시된 예에서는, 각 볼록부(31)의 저변(32a, 32b, 32c, 32d)이, 칩(24)의 긴 변 방향에 대해 45°의 각도로 경사져 있다. 따라서, 4개의 저변(32a, 32b, 32c, 32d)에 의해 형성되는 사각형(도시된 예에서는 정사각형)의 하나의 대각 방향이, 혼(23)의 진동 방향을 따른다.

도 5는, 도 4의 A-A 선을 따른 단면을 나타내고 있다. 바꾸어 말하면, 칩(24)의 긴 변 방향에 대해 45°의 각도를 이루고 또한 볼록부(31)의 정상면(31e)을 통하는 평면을 따라, 칩(24)을 절단한 단면을 나타내고 있다. 이 도 5에 도시된 바와 같이, 4개의 측면(31a, 31b, 31c, 31d) 중 서로 대향하는 2개의 측면(도 5에서는, 측면(31a)과 측면(31c))이 이루는 꼭지각 α는, 90°보다도 큰 각도를 이루고 있다. 바람직하게는, 상기 꼭지각 α는, 110° 내지 130°의 범위 내에 있다. 도시된 예에서는, 꼭지각 α는, 120°이다.

도시된 예의 볼록부(31)는, 4개의 측면(31a, 31b, 31c, 31d)이 동등한 형상을 이루는 정사각뿔이기 때문에, 나머지 2개의 측면(31b, 31d)이 이루는 꼭지각도, 도 5에 나타내는 꼭지각 α와 동등한 것이 된다.

또한, 바람직한 일 실시예에 있어서는, 정상면(31e)의 하나의 변의 길이는, 0.2㎜이다. 즉, 실시예의 볼록부(31)는, 정상면(31e)이 0.2㎜×0.2㎜인 크기를 가지며, 또한 서로 대향하는 2개의 측면이 이루는 꼭지각 α가 120°인 각도를 갖고 있다.

상기와 같은 구성의 볼록부(31)는, 예를 들어 공구강 등을 포함하는 판형의 모재의 표면에, 상술한 V자형 홈(33)을 연삭 가공 내지 절삭 가공함으로써 구성된다.

도 7은, 상기와 같은 볼록부(31)를 구비한 칩(24)과 앤빌(22) 사이에서 워크가 되는 2매의 시트형 세퍼레이터(1)를 초음파 접합하고 있을 때의 상태를 모식적으로 도시하고 있다. 도시된 예에서는, 앤빌(22)은 평탄면을 이루고 있다. 전술한 바와 같이 소정의 하중으로 가압하면서 초음파 진동을 부여함으로써, 칩(24)의 볼록부(31)는, 2매의 세퍼레이터(1) 중으로 파고 들어간다. 이로 인해, 세라믹스 입자를 포함하는 내열층(14)이 파괴되어, 각각의 세퍼레이터(1)의 열 가소성 합성 수지층(폴리프로필렌층(11), 폴리에틸렌층(12), 폴리프로필렌층(13))끼리가 확실하게 융착된다.

한편, 볼록부(31)가 열 가소성 합성 수지층에 파고 들어간 결과, 용융된 열 가소성 합성 수지(폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌)가 볼록부(31)의 측면(31a, 31b, 31c, 31d)에 첩부하여, 초음파 접합의 완료 후에 초음파 접합 장치(21)의 혼(23)이 상승했을 때 혼(23)에 부착한 채로 워크가 들어 올려질 우려가 있다. 특히, 최외층의 폴리프로필렌층(11)와 비교하여 융점이 낮은 폴리에틸렌층(12)의 용융 수지가 폴리프로필렌층(11)의 표면으로 나와, 측면(31a, 31b, 31c, 31d)에 부착되기 쉽다. 게다가, 초음파 접합 시에는, 일반적으로, 워크인 시트형 세퍼레이터(1)에 장력이 부여되어 있으므로, 초음파 접합의 종료에 따라 장력이 해방되면, 장력에 의해 연장되어 있던 세퍼레이터(1)가 수축되려고 하여, 볼록부(31)의 측면(31a, 31b, 31c, 31d)에 의해 부착되기 쉬워진다.

이와 같은 워크의 첩부 문제에 대해, 상기 실시예의 칩(24)에 있어서는, 볼록부(31)의 꼭지각 α가 90°보다도 큰 각도(즉 둔각)를 이루기 때문에, 초음파 접합 후의 볼록부(31)에 대한 워크의 첩부가 억제된다. 그 이유의 하나로는, 꼭지각 α가 크다는 점에서, 열 가소성 합성 수지층에 대한 국부적인 파고 들어감이 억제되어, 융점이 낮은 폴리에틸렌층(12)의 용융 수지가 폴리프로필렌층(11)의 표면에 압출되는 현상이 억제되기 때문이다. 나아가, 초음파 접합의 종료에 따라 시트형 세퍼레이터(1)의 장력이 해방되었을 때, 세퍼레이터(1)가 수축하려고 하는 방향에 대해, 볼록부(31)의 측면(31a, 31b, 31c, 31d)이 45°보다도 작은 각도로 경사져 있기 때문에, 측면(31a, 31b, 31c, 31d)에 수직인 방향으로 작용하는 분력이 작아져, 시트형 세퍼레이터(1)의 수축에 수반하는 측면(31a, 31b, 31c, 31d)에 대한 부착이 생기기 어려워진다.

따라서, 초음파 접합 장치(21)에 의해 접합부(3)의 초음파 접합을 순차 행할 때에, 워크가 혼(23)에 부착되는 현상이 억제되어, 작업 효율이 향상된다.

꼭지각 α로서는, 상술한 바와 같이, 110° 내지 130°의 범위 내인 것이 바람직하다. 110°보다도 작으면, 첩부를 억제하는 작용이 약해진다. 130°보다도 크면, 세퍼레이터(1)에 대한 볼록부(31)의 파고 들어감이 약해져, 세라믹스 입자를 포함하는 내열층을 파괴하는 작용이 불충분해지기 쉽다.

칩(24)의 더욱 바람직한 제2 실시예로서는, 상술한 형상의 볼록부(31)의 표면에, 비점착성 코팅을 실시하도록 해도 된다. 예를 들어, 연삭 내지 절삭 등의 기계 가공에 의해 형성된 볼록부(31)의 표면에, 쇼트 블라스트를 실시하여, 각 면(31a 내지 31e)의 경계가 되는 에지를 둥글게 함과 함께 각 면(31a 내지 31e)을 연마하고 나서, 비점착성 코팅을 실시한다. 비점착성 코팅으로서는, 예를 들어 텅스텐 카바이드계의 코팅이나, 질화크롬계의 코팅이 적합하다. 일 실시예에서는, 「BALINIT CROMA PLUS(등록 상표)」라는 명칭으로 상업적으로 제공되고 있는 물리 증착법에 의한 질화크롬계의 코팅을, 4 내지 10㎛의 막 두께로 실시했다.

이와 같이 쇼트 블라스트 및 비점착성 코팅을 실시함으로써, 볼록부(31)에 대한 워크의 부착이 더 저감된다.

도 8은, 꼭지각 α가 90°인 비교예(표면 처리없음)와, 꼭지각 α가 120°인 실시예(표면 처리없음)와, 꼭지각 α가 120°이며 또한 표면에 쇼트 블라스트와 질화크롬계의 코팅을 실시한 제2 실시예에 대해, 초음파 접합에 수반하는 칩(24)에 대한 워크의 부착 특성을 통합한 그래프이다. 횡축은, 초음파 접합 장치(21)에 의한 접합 가공 시의 진폭이며, 일반적으로는, 50 내지 70% 정도의 설정으로 초음파 접합이 행하여진다. 종축은, 초음파 접합에 의해 칩(24)에 첩부된 워크(세퍼레이터(1))를 칩(24)으로부터 박리하는 데 필요한 힘을 측정하고, 이것을 「첩부력」으로서 평가한 것이다. 또한, 비교예의 볼록부는, 정상면의 크기를 실시예의 정상면(31e)과 동등하게 하고, 꼭지각 α를 90°로 한 정사각뿔 형상의 것이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 꼭지각 α가 90°인 비교예와 비교하여 꼭지각 α가 120°인 실시예에서는, 첩부력이 저감되고, 표면 처리를 실시한 제2 실시예에서는, 더욱 첩부력이 저감되었다.

이상, 본 발명의 일 실시예를 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 다양한 변경이 가능하다. 예를 들어, 세퍼레이터(1)로서 상기와 같은 4층 구조인 것에 한정되지 않고, 단층 또는 복수 층의 열 가소성 합성 수지층의 한쪽 표면에 내열층을 구비한 세퍼레이터(1)의 접합에 본 발명은 적합하며, 자루 포장 전극의 형성 이외에도 세퍼레이터(1)끼리의 접합에 적합하다. 또한, 본 발명은 내열층을 구비하지 않는 일반적인 합성 수지제 시트의 접합에 있어서도, 널리 적용되는 것이 가능하다.

또한, 상기 실시예에서는, 초음파 접합 장치(21)의 혼(23)측에 마련되는 공구 즉 칩(24)에 본 발명을 적용한 예를 설명했지만, 앤빌(22)측에, 동일 볼록부(31)를 갖는 초음파 접합용 공구를 마련하는 것도 가능하다. 또한, 혼(23)측과 앤빌(22)측의 양쪽에 볼록부(31)를 마련하는 것도 가능하다.

초음파 접합 장치(21)의 진동 방향이, 직사각형을 이루는 칩(24)의 긴 변 방향을 따른 것이어도 된다.

또한, 상기 실시예에서는, 볼록부(31)가 정사각뿔 형상을 이루고 있지만, 4개의 저변이 구성하는 사각형이 직사각형 또는 마름모형이 되는 사각뿔 형상으로 하는 것도 가능하다. 이 경우, 4개의 측면 중 서로 대향하는 2개의 측면이 이루는2개의 꼭지각이, 모두 90°보다도 큰 각도인 것이 필요하다.

Claims

폴리에틸렌층과 폴리프로필렌층과 세라믹스 내열층을 포함하고, 상기 폴리에틸렌층은 상기 폴리프로필렌층과 세라믹스 내열층 사이에 배열되는 2매의 합성 수지제 시트를, 상기 세라믹스 내열층끼리가 대면하도록 겹쳐서 접합하는 초음파 접합 장치의 혼측 또는 앤빌측에 사용되고, 상기 시트와 접촉하는 초음파 접합용 공구에 있어서,
이 초음파 접합용 공구는, 평탄한 정상면을 갖는 사각뿔 형상을 이루는 볼록부가 복수 배열되어 있고,
상기 볼록부는 일정 간격으로 규칙적으로 배열되어 격자형으로 배열되고, 인접하는 2개의 볼록부 사이에 직선형으로 연속되는 홈이 형성되고,
각각의 볼록부는, 4개의 측면 중 서로 대향하는 2개의 측면이 이루는 꼭지각이, 110° 내지 130°의 범위 내에 있는, 초음파 접합용 공구.
삭제
제1항에 있어서,
상기 꼭지각이 120°인, 초음파 접합용 공구.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 볼록부는, 평탄한 정상면을 갖는 정사각뿔 형상을 이루는, 초음파 접합용 공구.
제1항에 있어서,
상기 초음파 접합용 공구는 상기 혼측과 앤빌측 중 하나에 사용되고, 상기 혼측과 앤빌측 중 나머지 하나는 상기 시트와 접촉하는 면이 평탄면을 형성하는, 초음파 접합용 공구.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 혼측에 사용되고,
상기 볼록부의 저변에 의해 형성되는 사각형의 하나의 대각 방향이, 해당 혼의 진동 방향을 따르는, 초음파 접합용 공구.
제1항 또는 제3항에 있어서,
적어도 상기 볼록부의 표면에, 비점착성 코팅을 실시하는, 초음파 접합용 공구.
제1항 또는 제3항에 있어서,
워크가 되는 상기 합성 수지제 시트의 상기 폴리프로필렌층이, 접합 상태에 있어서 상기 폴리에틸렌층보다도 외측에 위치하는, 초음파 접합용 공구.
제8항에 있어서,
상기 워크가, 배터리 셀의 자루형 세퍼레이터인, 초음파 접합용 공구.
제1항에 기재된 초음파 접합용 공구를 혼측 또는 앤빌측에 사용하여,
상기 폴리에틸렌층 및 상기 폴리프로필렌층을 갖는 열 가소성 합성 수지층과 상기 세라믹스 내열층을 포함하는 2매의 합성 수지제 시트를, 상기 세라믹스 내열층끼리가 대면하도록 겹쳐, 가압하면서 초음파 진동을 부여하고,
상기 세라믹스 내열층을 파괴하여 상기 열 가소성 합성 수지층끼리를 융착시키는, 초음파 접합 방법.