特許 6019224 ラミネート型二次電池の製造方法および製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019224

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】ラミネート型二次電池の製造方法および製造装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 2/02 20060101AFI20161020BHJP

   H01M 2/06 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   H01M2/02 K

   H01M2/06 K

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-518132(P2015-518132)

(86)(22)【出願日】2014年3月25日

(86)【国際出願番号】JP2014058176

(87)【国際公開番号】WO2014188774

(87)【国際公開日】20141127

【審査請求日】2015年6月30日

(31)【優先権主張番号】特願2013-108479(P2013-108479)

(32)【優先日】2013年5月23日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000236964

【氏名又は名称】富士インパルス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】藤原 大樹

(72)【発明者】

【氏名】金 泰元

(72)【発明者】

【氏名】松岡 孝

(72)【発明者】

【氏名】橋本 靜生

【審査官】 赤樫 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１４７２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１６８４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２１６６２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ２／０２− ２／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
上記電極の端子部に対応する部分では、熱溶着治具の治具本体とヒータとの間に断熱材を介装した状態で熱溶着処理を施し、上記電極の端子部に対応する部分以外の部分では、熱溶着治具の治具本体とヒータとの間に断熱材を介装しない状態で熱溶着処理を施すようにしたラミネート型二次電池の製造方法。

【請求項2】

上記断熱材が弾性部材である請求項１に記載のラミネート型二次電池の製造方法。

【請求項3】

上記電極として正極と負極を有していて、正極の端子部に対応する部分の断熱材よりも負極の端子部に対応する部分の断熱材の方が熱伝導率が低いものとなっている請求項２に記載のラミネート型二次電池の製造方法。

【請求項4】

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、
上記電極の端子部に対応する部分では、熱溶着治具の治具本体とヒータとの間に断熱材を介装してあり、上記電極の端子部に対応する部分以外の部分では、熱溶着治具の治具本体とヒータとの間に断熱材を介装していないラミネート型二次電池の製造装置。

【請求項5】

上記断熱材が弾性部材である請求項４に記載のラミネート型二次電池の製造装置。

【請求項6】

上記電極として正極と負極を有していて、正極の端子部に対応する部分の断熱材よりも負極の端子部に対応する部分の断熱材の方が熱伝導率が低いものである請求項５に記載のラミネート型二次電池の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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方法と製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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、伝熱ヒータが内蔵されていることで常時加熱されているいわゆる熱板方式の加圧治具を用い、外装フィルムの周縁部を上記加圧治具で表裏両面から挟み込んで熱溶着を施すようにしている。

【0004】

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、常に加熱されている加圧治具を押し付けただけではリード端子部分で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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−７６６９０号公報

【発明の概要】

【0006】

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、溶着温度を均一化することで熱溶着不良の発生を抑制しようとするものである。

【0007】

そこで、本発明では、外装フィルムとの接触面側にの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を施すにあたり、電極の端子部に対応する部分では、熱溶着治具の治具本体とヒータとの間に断熱材を介装した状態で熱溶着を施し、電極の端子部に対応する部分以外の部分では、熱溶着治具の治具本体とヒータとの間に断熱材を介装しない状態で熱溶着を施すようにしたものである。

【0008】

本発明によれば、断熱材による断熱効果によって、電極の端子部が導出している部分とそうでない部分とで溶着温度を均一化することができ、熱溶着不良の発生を抑制して、二次電池の外装フィルムについて信頼性の高い封止または封口処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】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2】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。

【図3】本発明に係るラミネート型二次電池の製造装置の実施の形態として熱溶着装置を示す図で、図１のＡ−Ａ線に沿った拡大断面説明図。

【図4】図３の左半部を拡大した図で、（Ａ）は上下の熱溶着治具が離間している状態を示す断面図、（Ｂ）は上下の熱溶着治具が接近してラミネートフィルムを加圧拘束した状態を示す断面図。

【図5】図４の（Ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った拡大断面図。

【図6】図４の（Ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った拡大断面図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１〜６は本発明に係るラミネート型二次電池の製造方法を実施するためのより具体的な形態を示し、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。

【0011】

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にて収納密閉されている。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。

【0012】

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。

【0013】

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４参照）で被覆されている。

【0014】

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線に沿う拡大断面図を図３に示していて、図３における左半部の正極側のリード端子２相当部を拡大したものを図４に示している。また、図４のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線に沿ったそれぞれの拡大断面図を図５，６に示している。

【0015】

図５，６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７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。

【0016】

図４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５，６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。

【0017】

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４の（Ｂ）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。

【0018】

ここで、図４から明らかなように、ラミネートフィルム外装体４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と、上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂ同士の間に正極側のリード端子２が介在していてそれらのラミネートフィルム４ａ，４ｂと正極側のリード端子２とが熱溶着される部分とでは、必然的に厚みが異なるため、両者の境界部分では段差の発生が不可避となる。この段差に対応するために、上下双方の熱溶着治具９，１０のうちラミネートフィルム４ａ，４ｂとの接触面となる加圧拘束面９ａ，１０ａも所定の段差を有したものとなっている。

【0019】

下側の熱溶着治具９は、ステンレス製の治具本体１１の上面に電気絶縁性および耐熱性のあるガラステープ１２を介してインパルス式のヒータとしてリボン状のヒータ１３を長手方向に沿って貼り付けたものである。さらに、ヒータ１３の表面にはラミネートフィルム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を貼り付けてある。そして、熱溶着時にラミネートフィルム４ｂとの接触面となる下側の熱溶着治具９の加圧拘束面９ａのうち正極側のリード端子２に対応する部分では、先に述べた段差に対応するために凹状部９ｂを形成してある。

【0020】

より詳しくは、下側の熱溶着治具９の治具本体１１のうちヒータ１３の背面側であって且つ正極側のリード端子２に対応する部分には、凹状に切除した如き形状の切欠部９ｃを形成してあり、この切欠部９ｃに断熱材１５を嵌合させてある。そして、この断熱材１５の上面に下側の熱溶着治具９の加圧拘束面９ａの一部となる凹状部９ｂを形成してある。断熱材１５の材質としては耐熱性のある樹脂またはゴム材料とする。樹脂として、全芳香ポリエステル、芳香族ポリアミド、ポイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテル・エーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いるものとする。特にラミネートフィルム４ａ，４ｂに挟まれたリード端子２に対する形状追従性の面では、断熱材１５が同時に適度な弾性を有した弾性部材であることが望ましく、この場合には断熱材１５としてシリコーンゴムあるいはフッ素ゴム製のものを用いるものとする。

【0021】

ここで、上側の熱溶着治具１０は下側の熱溶着治具９の上下を反転させたものと理解することができるから、上側の熱溶着治具１０について下側の熱溶着治具９と共通する部分には同一符号を付して、その詳細な説明は省略するものとする。

【0022】

また、先に述べたインパルス式のヒータとしてのリボン状のヒータ１３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。

【0023】

したがって、このように構成された熱溶着装置では、図４の（Ａ）に示すように、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。

【0024】

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４の（Ｂ）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１３にインパルス通電して熱溶着を施す。なお、従来のいわゆる熱板方式のヒータでは溶着完了までに１３秒程度を要するのに対して、上記のようなインパルス方式のヒータ１３では４秒程度で熱溶着が完了する。

【0025】

この場合において、図４の（Ｂ）のリード端子２に対応する部分では、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とは異なり、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が挾まれていて、リード端子２自体の熱容量が相対的に大きいことから、熱溶着のために投与された熱の一部がリード端子２側に逃げてしまい、当該部位での溶着のための温度が相対的に低くなってしまうことになる。その一方で、上記のようなリード端子２の熱容量が大きいという特殊性を除き、当該部位での熱の保有性能に着目すれば、上下の熱溶着治具９，１０のうちそれぞれのヒータ１３の背面側であって且つリード端子２に相当する部分に断熱材１５を介在させてあることで、その断熱材１５の断熱効果のために、リード端子２に相当する部分での熱溶着部位では、各ヒータ１３から上下の熱溶着治具９，１０の治具本体１１側への熱の移動を抑制して、相対的に溶着温度を高く維持することができる。

【0026】

そして、図４の（Ｂ）のリード端子２に対応する部分以外の部分、すなわ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では、ヒータ１３の背面側に断熱材１５が存在しないため、ヒータ１３から上下の熱溶着治具９，１０の治具本体１１側へ熱の一部が逃げてしまい、当該部位での溶着のための温度が相対的に低くなってしまうことになる。

【0027】

このことは、図４の（Ｂ）において、リード端子２に対応する部分において当該リード端子２側に逃げてしまう熱量と、リード端子２が介在することなく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から上下の熱溶着治具９，１０の治具本体１１側へ逃げてしまう熱量とがほぼ相殺されてしまうか、あるいはリード端子２に対応する部分において当該リード端子２側に逃げてしまう熱量の方が小さいことを意味する。

【0028】

そのため、リード端子２に対応する部分において当該リード端子２側に逃げてしまう熱量があっても、断熱材１５があることによって、当該部位での熱量を高く維持することができ、結果としてリード端子２に対応する部分とそうでない部分とで溶着温度をほぼ均一化することができる。これにより、リード端子２に対応する部分での熱溶着不良の発生を抑制して、ラミネートフィルム外装体４の封止または封口処理の信頼性が向上することになる。

【0029】

加えて、断熱材１５が適度な弾性を有したシリコーンゴムあるいはフッ素ゴム等の弾性部材であるため、上下の熱溶着治具９，１０の加圧拘束面９ａ，１０ａのうち断熱材１５に相当する部分はリード端子２が挟まれたラミネートフィルム４ａ，４ｂへの追従性が良く、リード端子２とラミネートフィルム４ａ，４ｂとの間、あるいはラミネートフィルム４ａ，４ｂと上下の熱溶着治具９，１０の加圧拘束面９ａ，１０ａの間での隙間の発生を抑制して、より均一な熱溶着を施すことができる。そのため、これによってもまた、ラミネートフィルム外装体４の封止または封口処理の信頼性が向上することになる。

【0030】

なお、ここまでは、図３の正極側のリード端子２相当部を拡大した図４に基づいて説明したが、正極側のリード端子２に近接している図３の負極側のリード端子３相当部においても、その構造および挙動は図４のものと基本的に同様である。

【0031】

その一方、図３の正極側のリード端子２がアルミニウム製のものであるのに対して、負極側のリード端子３は銅製のものである。そして、正極側のリード端子２に使われているアルミニウム（熱伝導率：２３７Ｗ・ｍ^-1Ｋ^-1）よりも負極側のリード端子３に使われている銅（熱伝導率：３８６Ｗ・ｍ^-1Ｋ^-1）の方が熱伝導率が高いという特性がある。

【0032】

そこで、双方のリード端子２，３同士の材質の違いを考慮し、正極側のアルミニウム製のリード端子２に相当する部分の断熱材１５の熱伝導率よりも、負極側の銅製のリード端子３に相当する部分の断熱材１５の熱伝導率を予め低く設定しておくものとする。具体的には、負極側のリード端子３に相当する部分の断熱材１５の上下方向での厚み寸法Ｈを、正極側のリード端子２に相当する部分の断熱材１５のそれよりも大きくするか、あるいは負極側のリード端子３に相当する部分の断熱材１５の材質を、正極側のリード端子２に相当する部分の断熱材１５のそれよりも熱伝導率の低いものとしておく。

【0033】

したがって、正極側のリード端子２に相当する部分と負極側のリード端子３に相当する部分とに対して、共通の上下の熱溶着治具９，１０にて同時に熱溶着を施した場合に、負極側のリード端子３に使われている銅の方が熱伝導率が高いので、負極側のリード端子３に相当する部分の方が溶着温度が低くなる傾向にある。その一方で、上記のように負極側のリード端子３に相当する部分の断熱材１５の厚み寸法を予め大きくしたり、あるいはその断熱材１５の熱伝導率を予め低いものとしておくことにより、負極側のリード端子３に相当する部分から上下の熱溶着治具９，１０の本体部１１側への熱の移動を緩慢なものとすることができて、結果として負極側のリード端子３に相当する部分での溶着温度を高くすることができる。

【0034】

なお、ここでは、インパルス式のヒータ１３を実施の形態として使用しているが、ラミネートフィルム外装体における四辺部を加熱により熱溶着する装置であれば、その限りではない。また、断熱材１５はステンレス製の治具本体よりも熱伝導率が低いものであればよい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】