WO2014178238A1

WO2014178238A1 - ラミネート型二次電池の製造装置および製造方法

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Publication number: WO2014178238A1
Application number: PCT/JP2014/057220
Authority: WO
Inventors: 澤田　康宏; 泰元金
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2014-11-06

Abstract

　電極を含む電池要素をラミネートフィルム外装体（４）に収納し、リード端子（２），（３）を外装体（４）の外部に導出させた上で、ラミネートフィルム外装体（４）となるべき上下のラミネートフィルム（４ａ），（４ｂ）の周縁部を熱溶着により封止する装置である。ラミネートフィルム（４ａ），（４ｂ）との接触面側にインパルス式のヒータ（１１），（１２）を備えた熱溶着治具（９），（１０）によりラミネートフィルム（４ａ），（４ｂ）を加圧拘束して熱溶着を施すにあたり、ヒータ（１１），（１２）のうちリード端子（２），（３）に対応する部分の電気抵抗値を当該リード端子（２），（３）対応部分以外の部分の電気抵抗値よりも大きく設定してある。このように、リード端子（２），（３）に対応する部分での溶着温度を相対的に高くすることで当該部分での熱溶着不良の発生を抑制できる。

Description

ラミネート型二次電池の製造装置および製造方法

　本発明は、ラミネート型または薄型と称される二次電池の製造装置と製造方法に関する。

　リチウムイオン二次電池に代表されるようなラミネートパック型（薄型）の二次電池にあっては、電極である正極や負極および電解液を含む電池要素（発電要素）を外装体となるラミネートタイプの外装フィルムで包囲し、正極および負極の各集電体に電気的に接続されたリード端子を外装フィルムの外部に導出させた上で、外装フィルムの周縁部を熱溶着により例えば矩形袋状に封止または封口処理を施し、もって電池としての気密性を確保して、内部の電解液の漏れ出しを防ぐ構造となっている。なお、上記外装フィルムとしては、例えばアルミニウム箔の表裏両面を樹脂フィルムで被覆した構造のものが用いられる。

　そして、外装フィルムに熱溶着を施す具体的手段としては、例えば特許文献１に記載されているように、高周波方式または熱ブロック方式（熱板方式）と称されるものが広く採用されている。

　上記のような二次電池の外装フィルムの熱溶着に際して、電極のリード端子が導出している辺部に着目した場合、電極のリード端子が導出している部分では外装フィルムと金属製のリード端子とが熱溶着することになるのに対して、それ以外の部分では外装フィルム同士が熱溶着することになり、両者で熱移動の挙動が異なるため、単に加熱されている治具を押し付けただけではリード端子部分で溶着強度が低くなって熱溶着不良または封止不良が発生しやすい。これは、リード端子が導出している部分では、熱溶着のための熱がリード端子そのものに余分に移動してしまい、実際に溶着にあずかる部分の温度が低下してしまうことが原因と考えられる。

特開２００１－５２７４８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、とりわけ外装フィルムのうちリード端子が導出している辺部に熱溶着を施すに際して、リード端子に対応する部分での溶着温度を相対的に高くすることで当該リード端子対応部分での熱溶着不良の発生を抑制しようとするものである。

　本発明に係るラミネート型二次電池の製造装置および製造方法では、外装フィルムとの接触面側にジュール発熱によって加熱するヒータを備えた熱溶着治具により外装フィルムの周縁部を加圧拘束して熱溶着処理を施すようにあたって、上記ヒータのうち電極の端子部に対応する部分の電気抵抗値を当該端子部対応部分以外の部分の電気抵抗値よりも大きく設定しておくこととしたものである。

　本発明によれば、ジュール発熱によって加熱するヒータのうち電極の端子部に対応する部分の電気抵抗値を当該端子部対応部分以外の部分の電気抵抗値よりも大きく設定しておくことで、一定の電流が流れたときのジュール発熱が端子部対応部分の方が相対的に大きく、端子部対応部分での溶着部の温度を端子部対応部分以外の部分のそれよりも高くすることができる。そのため、端子部対応部分における溶着部での溶着強度不足等の溶着不良の発生を抑制することができる。

本発明の実施に適用されるラミネート型リチウムイオン二次電池の概略構造を示す斜視図。図１に示したラミネート型リチウムイオン二次電池の分解斜視図。本発明に係るラミネート型二次電池の製造装置の第１の実施の形態として熱溶着装置の要部を示す図で、図１のＡ－Ａ線に沿った拡大断面説明図。図３のＢ－Ｂ線に沿った拡大断面説明図。図３のＣ－Ｃ線に沿った拡大断面説明図。図３の構造を分解して模式化した概略説明図。図６の構造に対する比較例を示す概略説明図。本発明の第２の実施の形態として図６と同等部位の構造を示す概略説明図。

　図１～６は本発明に係るラミネート型二次電池の製造装置を実施するためのより具体的な第１の形態を示し、特に図１はラミネート型二次電池の一例としてリチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」という。）の概略構造を、図２はその分解斜視図をそれぞれ示している。この電池は、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または単電池として用いられる。

　図１，２に示すように、電池１は、正極側の電極端子としてのリード端子（正極端子部）２と負極側の電極端子としてのリード端子（負極端子部）３とが外部に導出された状態で外装フィルムとしての上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂからなる矩形状のラミネートフィルム外装体４にてパッキングされている。ラミネートフィルム外装体４の内部には、電池要素（発電要素）である電極としての正極と負極およびそれら両者の間に介在するセパレータとを複数組積層してなる積層体５が電解液とともに収容されていて、ラミネートフィルム外装体４の四周が熱溶着により気密に封止または封口処理が施されている。なお、四周の熱溶着部を符号６で示す。

　すなわち、図１，２に示した電池１にあっては、電極である正極や負極、セパレータおよび電解液を含む電池要素をラミネートフィルム外装体４で包囲し、正極および負極の各集電体に電気的に接続されたそれぞれのリード端子２，３をラミネートフィルム外装体４の外部に導出させた上で、ラミネートフィルム外装体４の周縁部を熱溶着により例えば矩形袋状に封止または封口処理を施すことで、電池１としての気密性を確保してある。なお、ラミネートフィルム外装体４を形成している上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂとしては、例えばアルミニウム箔の表裏両面を熱溶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。

　そして、矩形状のラミネートフィルム外装体４のうち共通の一辺部から正極側のリード端子２と負極側のリード端子３とが共に外部に導出されている。この場合において、双方のリード端子２，３は電極タブと称されることがあるほか、正極側のリード端子２としては例えばアルミニウム製のものが使用され、他方、負極側のリード端子３としてはアルミニウムまたは銅製のものが使用される。また、双方のリード端子２，３は予め所定の表面処理が施された上で、熱溶着性および絶縁性のある樹脂層７（図３参照）で被覆されている。

　矩形状のラミネートフィルム外装体４における四辺部の熱溶着は電池１の製造装置としての熱溶着装置により例えば数工程に分けて行われ、熱溶着時における図１のＡ－Ａ線に沿った拡大断面図を図３に示している。また、図３のＢ－Ｂ線およびＣ－Ｃ線に沿ったそれぞれの拡大断面図を図４，５に示している。

　図４，５から明らかなように、図２の積層体５の一部を形成している複数枚の正極８の延長部同士を重ね合わせた上で、当該重合部８ａを正極８側のリード端子２に溶接にて接続してある。なお、この構造は負極とその負極側のリード端子３との関係についても基本的に同様であり、これらの構造は図２では図示省略している。

　図３に示すように、熱溶着装置は、互いに接近離間可能に対向配置された下側の熱溶着治具９と上側の熱溶着治具１０とを主要素として構成されている。双方の熱溶着治具９，１０は例えばステンレス製のものであり、熱溶着を司る部分が平面視ではラミネートフィルム外装体４の熱溶着部６（図１参照）の長手方向に延び、且つ図４，５に示すように幅寸法がラミネートフィルム外装体４の熱溶着部６の幅寸法よりもわずかに大きい寸法に設定されている。

　そして、図２の積層体５を包囲するラミネートフィルム外装体４となるべき上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂを図示外の支持部材で支えた状態で、図３に示すように、下側の熱溶着治具９と上側の熱溶着治具１０とを接近動作させて、上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂを上下から加圧拘束することで該当部位に熱溶着を施し、もってラミネートフィルム外装体４として仕上げられることになる。

　下側および上側の熱溶着治具９，１０のうちラミネートフィルム外装体４となるべき上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂと接触して熱溶着を司る部分、すなわち下側の熱溶着治具９の上面および上側の熱溶着治具１０の下面には、それぞれにインパルス式で且つリボン状のヒータ１１，１２を長手方向に沿って貼り付けてある。より具体的には、図４，５に拡大して示すように、下側および上側の熱溶着治具９，１０に対して電気絶縁性および耐熱性のあるガラステープ１３を介してリボン状のヒータ１１，１２を貼り付け、さらにヒータ１１，１２の表面にはラミネートフィルム４ａ，４ｂの貼り付き防止のために耐熱性のあるフッ素樹脂製のテープ１４を貼り付けて被覆してある。

　そして、図３から明らかなように、ラミネートフィルム外装体４の熱溶着部６のうちリード端子２，３にそれぞれ対応する部分とそれ以外の部分、すなわちラミネートフィルム外装体４を構成することになる上下のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士の間にリード端子２，３が介在した状態で熱溶着される部分と、リード端子２，３が介在することなく上下のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士が直接熱溶着される部分とでは、その厚みが異なっている。

　この熱溶着部６の厚みの違いに対応するために、上下の熱溶着治具９，１０に貼り付けられたそれぞれのヒータ１１，１２について、上下のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士の間にリード端子２，３が介在した状態で熱溶着される部分ではヒータ１１，１２の厚み（図６のｔ１参照）が小さく、逆にリード端子２，３が介在することなく上下のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士が直接熱溶着される部分ではヒータ１１，１２の厚み（図６のｔ２参照）が大きくなるようにして、熱溶着部６の部位ごとにヒータ１１，１２の厚みを異ならせてある。

　なお、先に述べたインパルス式で且つリボン状のヒータ１１，１２は、瞬間的に低電圧・高電流を流して発熱させ、対象物であるラミネートフィルム４ａ，４ｂを加熱・溶融させることで溶着するものであり、通電完了後も所定時間だけ加圧状態のままとして冷却させることになる。

　したがって、このように構成された熱溶着装置では、上下の熱溶着治具９，１０が相互に離間している状態で、図２の積層体５を包囲するラミネートフィルム外装体４となるべき上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂを図示外の支持部材で支えて、これらのラミネートフィルム４ａ，４ｂのうち熱溶着対象部位を上下の熱溶着治具９，１０に対して位置決めする。

　ラミネートフィルム外装体４となるべき上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂと上下の熱溶着治具９，１０との相対位置決めがなされたならば、下側の熱溶着治具９と上側の熱溶着治具１０とを共に接近動作させて、図３のほか図４，５に示すように上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂを上下から加圧拘束する。そして、この加圧拘束状態のままでそれぞれのヒータ１１，１２にインパルス通電して熱溶着を施すことになる。

　ここで、図１，３の熱溶着部６とインパルス式で且つリボン状の上下のヒータ１１１，２との関係をわかりやすく模式化したものを図６に示す。図３～５のほか図６にも示すように、ヒータ１１，１２のうち熱溶着部６のリード端子２，３に対応する部分（以下、当該部位を「リード端子２，３対応部分」と称する。）ではその厚みｔ１が相対的に小さく、他方、ヒータ１１，１２のうち熱溶着部６のリード端子２，３対応部分以外の部分ではその厚みｔ２が相対的に大きくなっていることは先に述べた。そのため、ヒータ１１，１２に一定の電流を流した場合に、ヒータ１１，１２のうち厚みｔ１の部分では電気抵抗Ｒ_Hが大きく、逆にヒータ１１，１２のうち厚みｔ２の部分では電気抵抗Ｒ_Lが小さくなり、結果としてヒータ１１，１２のうち厚みｔ１の部分（電気抵抗Ｒ_Hの部分）の方が厚みｔ２の部分（電気抵抗Ｒ_Lの部分）よりもジュール発熱によるジュール熱が高いものとなる。

　このことは、熱溶着部６のうち上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士が直接熱溶着される部分に比べ、リード端子２，３対応部分、すなわち上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士の間にリード端子２，３が挾まれていてそれらのラミネートフィルム４ａ，４ｂとリード端子２，３とが熱溶着される部分での発熱量が大きいことを意味する。これにより、リード端子２，３対応部分以外の部分とは異なり、リード端子２，３対応部分ではラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士の間に樹脂層７（図３参照）が介在していて、しかも熱溶着時に一部の熱が熱容量の大きなリード端子２，３そのものに逃げたとしても、熱溶着部６のうちリード端子２，３対応部分での溶着温度を他の部位よりも相対的に高くすることができて、当該リード端子２，３対応部分における溶着部での溶着強度不足等の溶着不良の発生を抑制または未然に防止することができる。

　ここで、参考までに、インパルス式で且つリボン状のヒータ１１１，１１２のうちリード端子２，３対応部分であるかそれ以外の部分であるかにかかわらず、ヒータ１１１，１１２の厚みｔを一定にした場合の例を図７に示す。この場合には、同図から明らかなように、ヒータ１１１，１１２のうちリード端子２，３対応部分であるかそれ以外の部分であるかにかかわらず、共にヒータ１１１，１１２としての厚みｔが一定していて、しかも各部の電気抵抗Ｒ_Cも同じであるため、熱溶着部６のうちリード端子２，３対応部分ではそのリード端子２，３そのものの熱容量が大きいために、熱溶着部６のうちリード端子２，３対応部分での温度が相対的に低いものとなる。その結果、先の第１の実施の形態のような所期の目的を達成することはできなくなる。

　図８は本発明に係る製造装置の第２の実施の形態を示す図で、図６と同等部分の構造を示している。なお、図６と共通する部分には同一符号を付してある。

　この第２の実施の形態では、インパルス式で且つリボン状のヒータ２１，２２のうちリード端子２，３対応部分であるかそれ以外の部分であるかにかかわらず、ヒータ２１，２２の厚みｔが一定であることを前提に、リード端子２，３対応部分以外の部分、すなわちヒータ２１，２２のうち上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士が直接熱溶着される部分に対応する部分に、延長部たる屈曲部１５を形成したものである。

　図８に示すように、図３の上下の熱溶着治具９，１０に貼り付けられるインパルス式で且つリボン状のヒータ２１，２２のうちリード端子２，３対応部分以外の部分において、熱溶着時の障害とならないように、ヒータ２１，２２の幅寸法を局部的に広げるべく、ラミネートフィルム４ａ，４ｂとの接触面となる部位の端縁から直角に延長部としての屈曲部１５を折り曲げ形成してある。この屈曲部１５は該当部位でのヒータ２１，２２としての局部的な容積または断面積の増大化を意図したものであり、よって屈曲部１５はラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士の熱溶着には直接は関与しない。

　この第２の実施の形態では、先に説明した図６の第１の実施の形態と同様に、厚みｔが均一なヒータ２１，２２に一定の電流を流した場合に、ヒータ２１，２２のうち屈曲部１５が付帯していない部分、すなわちリード端子２，３対応部分では電気抵抗Ｒ_Hが大きく、逆にヒータ２１，２２のうち屈曲部１５が付帯している部分、すなわちリード端子２，３対応部分以外の部分では電気抵抗Ｒ_Lが小さくなり、結果としてヒータ２１，２２のうち屈曲部１５が付帯していない部分（電気抵抗Ｒ_Hの部分）の方が屈曲部１５が付帯している部分（電気抵抗Ｒ_Lの部分）よりもジュール発熱によるジュール熱が高いものとなる。

　このことは、先の第１の実施の形態と同様に、熱溶着部６のうち上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士が直接熱溶着される部分に比べ、リード端子２，３対応部分、すなわち上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士の間にリード端子２，３が挾まれていてそれらのラミネートフィルム４ａ，４ｂとリード端子２，３とが熱溶着される部分での発熱量が大きいことを意味する。これにより、熱溶着時に一部の熱が熱容量の大きなリード端子２，３そのものに逃げたとしても、熱溶着部６のうちリード端子２，３対応部分での溶着温度を他の部位よりも相対的に高くすることができて、当該リード端子２，３対応部分における溶着部での溶着強度不足等の溶着不良の発生を抑制または未然に防止することができる。

　また、ヒータ２１，２２のうちリード端子２，３対応部分以外の部分に付帯している屈曲部１５は、先に述べたようにラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士の熱溶着には直接は関与しないものの、ヒータ２１，２２の一部であることには変わりはないので、通電時には他の部位と同様に発熱することになる。その一方で、屈曲部１５は熱溶着対象であるラミネートフィルム４ａ，４ｂには接することなく外部に露出しているだけであるので、例えばヒータ２１，２２への通電を断った後の放熱性の向上には寄与することができる。

　ここで、図６，８に示した第１，第２の実施の形態から明らかなように、インパルス式で且つリボン状のヒータ１１，１２および２１，２２のうちリード端子２，３対応部分の電気抵抗（Ｒ_H）が大きく、リード端子２，３対応部分以外の電気抵抗（Ｒ_L）が小さいことは先に述べたとおりである。導体の電気抵抗Ｒ［Ω］は、電気抵抗率をρ、導体の長さをＬ［ｍ］、導体の断面積をＡ［ｍ²］とすると次の式（１）で表される。

　Ｒ＝ρ（Ｌ／Ａ）［Ω］‥‥（１）
　すなわち、電気抵抗率ρは次の式（２）で表される。

　ρ＝ＲＡ／Ｌ［Ω・ｍ］‥‥（２）
　そうすると、ヒータ１１，１２および２１，２２のうちリード端子２，３対応部分の電気抵抗（Ｒ_H）が大きく、リード端子２，３対応部分以外の電気抵抗（Ｒ_L）が小さいことは、ヒータ１１，１２および２１，２２のうちリード端子２，３対応部分の電気抵抗率ρがリード端子２，３対応部分以外の部分の電気抵抗率ρよりも小さいことにほかならない。

　そこで、インパルス式で且つリボン状のヒータについて、厚みｔが均一であることを前提に、部位毎に導体の材質を異ならせて複合構造とし、ヒータのうちリード端子２，３対応部分の電気抵抗率ρがリード端子２，３対応部分以外の部分の電気抵抗率ρよりも小さくなるような材質の組み合わせとすれば、先の第１，第２の実施の形態のものと同様の効果が期待できることになる。そして、この複合構造のヒータを採用した場合には、第１，第２の実施の形態のようにヒータの厚みを部位毎に異ならせる必要もなければ屈曲部１５（図８）を付帯させる必要もなく、ヒータの形状を単純化できるとともに、スペース効率的にも有利となる。

　なお、上記各実施の形態ではインパルス式のヒータを事例に説明したが、抵抗溶接機などジュール発熱によって加熱するヒータであれば、その限りではない。

Claims

　電極を含む電池要素を外装フィルムに収納し、電極の端子部を外装フィルムの外部に導出させた上で外装フィルムの周縁部を熱溶着により封止するようにしたラミネート型二次電池の製造装置において、
　上記外装フィルムとの接触面側にジュール発熱によって加熱するヒータを備えた熱溶着治具により外装フィルムの周縁部を加圧拘束して熱溶着処理を施すようになっていて、
　上記ヒータのうち電極の端子部に対応する部分の電気抵抗値を当該端子部対応部分以外の部分の電気抵抗値よりも大きく設定してあるラミネート型二次電池の製造装置。
　上記ヒータはリボン状のものであって、
　このリボン状のヒータは、電極の端子部に対応する部分であるか当該端子部対応部分以外の部分であるかにかかわらず均一厚みのものであり、
　上記ヒータのうち端子部対応部分以外の部分であって且つ外装フィルムとの接触面以外の部分に延長部を設けてある請求項１に記載のラミネート型二次電池の製造装置。
　上記延長部は外装フィルムとの接触面の端部から直角に折り曲げた屈曲部である請求項２に記載のラミネート型二次電池の製造装置。
　上記ヒータはリボン状のものであって、
　このリボン状のヒータは、電極の端子部に対応する部分の厚みよりも当該端子部対応部分以外の部分の厚みの方が大きくなるように設定してある請求項１に記載のラミネート型二次電池の製造装置。
　上記ヒータはリボン状のものであって、
　このリボン状のヒータは、電極の端子部に対応する部分の電気抵抗率の方が当該端子部対応部分以外の部分の電気抵抗率よりも低くなるように設定してある請求項１に記載のラミネート型二次電池の製造装置。
　電極を含む電池要素を外装フィルムに収納し、電極の端子部を外装フィルムの外部に導出させた上で外装フィルムの周縁部を熱溶着により封止するようにしたラミネート型二次電池の製造方法において、
　上記外装フィルムとの接触面側にジュール発熱によって加熱するヒータを備えた熱溶着治具により外装フィルムの周縁部を加圧拘束して熱溶着処理を施すにあたり、
　上記ヒータのうち電極の端子部に対応する部分の電気抵抗値を当該端子部対応部分以外の部分の電気抵抗値よりも大きくした状態で熱溶着処理を施すものであるラミネート型二次電池の製造方法。