JP2015205419A - ヒートシーラー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シールヘッドとヒーターとの絶縁性を確保しつつ、ヒーターの熱膨張による摩耗を抑制するヒートシーラーを提供する。【解決手段】シールヘッド１１と、このシールヘッド１１上に支持され、電流の通電により発熱する薄板状のヒーター１３と、を備える。発熱したヒーター１３によるプレスにより、フィルム外装電池の外装体の周縁部を溶融することで溶着を行う。シールヘッド１１が金属製であり、ヒーター１３の周囲に、外装体の周縁部に接する表面１７と、シールヘッド１１と接する裏面１８と、を含めて、フッ素樹脂によりコーティングされたコーティング層１６を全面にわたって形成する。【選択図】図５

Description

本発明は、フィルム外装電池の外装体の周縁部の熱溶着に用いられるヒートシーラーの改良に関する。

熱可塑性樹脂を用いた対象物を熱溶着する装置として、薄板帯状のリボン式のヒーターを用い、短時間に大電流を流してヒーターを瞬間的に加熱して対象物を溶融し、断電して冷却して固める、いわゆるインパルス式のヒートシーラーが知られている。

特許文献１には、ヒーターの表面にテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂を溶射して表面加工することにより、テフロンテープを介在させた熱溶着を不要とし、かつ、ヒーターの両側面を折り曲げ加工することによって、加熱時の反りを防止する技術が開示されている。

特開２００７−２９０２９０号公報

このようなヒートシーラーによって、ラミネートフィルム等の熱可塑性樹脂を外装体とするフィルム外装電池における外装体の周縁部を熱溶着する場合に、以下のような問題がある。フィルム外装電池は、外装体の周縁部から電極端子を導出させた構造となっているために、この電極端子が導出された辺部を熱溶着により封止する場合、端子のある部分と無い部分とで数μｍ程度の段差が生じるために、ヒートシーラー側にも同様の段差を設ける必要がある。このために、ヒーターを支持するシールヘッドには高い精度が要求され、強度・剛性に優れた金属製とすることが望ましい。

しかしながら、このように金属製のシールヘッドを用いた場合、このシールヘッドと接するヒーターの裏面との間で絶縁性を確保する必要がある。上記の特許文献１では、離型性を向上するために、対象物と接するヒーターの表面側にはフッ素樹脂による表面加工を施しているものの、シールヘッド（ホルダ）と接する裏面側には表面加工が施されておらず、金属製のシールヘッドを用いた場合にはヒーターとの間で絶縁性を確保できない、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、金属製のシールヘッドとヒーターとの間の絶縁性を確保しつつ、ヒーターの熱膨張によるシールヘッドとの摩耗をも抑制し得る新規なヒートシーラー及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係るヒートシーラーは、ラミネートフィルム等の外装体の内部に発電要素が電解液とともに封入され、この外装体の周縁部より端子が導出されるフィルム外装電池の外装体の周縁部を溶着するものである。このヒートシーラーは、シールヘッドと、このシールヘッド上に支持され、電流の通電により発熱する薄板状のヒーターと、を備え、発熱した上記ヒーターによるプレスにより上記外装体の周縁部を溶融することで溶着を行う。

そして、上記シールヘッドが金属製であり、上記ヒーターの周囲には、上記外装体の周縁部に接する表面と、上記シールヘッドと接する裏面と、を含めて、フッ素樹脂によりコーティングされたコーティング層が形成されている。

本発明によれば、ヒーターの周囲のうち、外装体の周縁部に接する表面側だけでなく、シールヘッドと接する裏面側にもフッ素樹脂のコーティングによるコーティング層を設けたので、ヒーターの裏面側のコーティング層によって、シールヘッドとの間の絶縁性を確保しつつ、ヒーターの熱膨張に起因するシールヘッドとの摩耗をも抑制し、ヒーターの耐久性及び寿命を向上することができる。しかも、このヒーターの裏面側のコーティング層は表層側と同様のコーティング処理により形成することができ、作業工数を抑制し、生産効率を向上することができる。

本発明の一実施例に係るヒートシーラーによる製造の対象となるフィルム外装電池の概略構造を示す斜視図。 上記フィルム外装電池の分解斜視図。 本実施例のヒートシーラーを示す図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。 上記ヒートシーラーを示す図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 上記ヒートシーラーを示す断面図。 上記ヒートシーラーの製造工程を示す説明図。

以下、図示実施例により本発明を説明する。先ず、図１及び図２を参照して、本実施例に係るヒートシーラー１０（１０Ａ）による製造の対象となる対象物として、ラミネート型リチウムイオン二次電池であるフィルム外装電池１（以下、単に「電池」という。）の概略構造を示している。この電池１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及び図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、熱可塑性を有する上下二枚のラミネートフィルム４ａ，４ｂからなる矩形状の外装体４によって収納・密閉されている。外装体４の内部には、発電要素である電極としての正極及び負極と、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、外装体４の周縁部である４辺の熱溶着部６により気密に封止または封口処理が施されている。

すなわち、図１，図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を外装体４の外部に導出させた上で、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、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。双方のリード端子２，３は電極タブと称されることもある。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、負極側のリード端子３としては、例えば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（図示省略）で被覆されている。なお、リード端子２，３の導出形態としてはこれに限らず、例えば対向する一対の辺部のそれぞれからリード端子２とリード端子３をそれぞれ導出する構成としても良い。

矩形状の外装体４における四辺の熱溶着は、本実施例に係るヒートシーラー１０，１０Ａにより例えば数工程に分けて行われる。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、Ｂ−Ｂ線に沿う拡大断面図を図４に示している。

図３，図４に示すように、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３では図示省略している。

図４に示すように、ヒートシーラー１０，１０Ａは、互いに接近離間可能に対向配置された下側のヒートシーラー１０と上側のヒートシーラー１０Ａと、を有している。双方のヒートシーラー１０，１０Ａは、熱溶着を司る部分が平面視では外装体４の熱溶着部６（図１参照）の長手方向に延び、かつ、幅寸法が外装体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、上下のヒートシーラー１０，１０Ａ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熱溶着部６を熱溶着し、外装体４として仕上げられることになる。

なお、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、図示していないが、ラミネートフィルム４ａ，４ｂとの接触面となるプレス面も所定の段差を有したものとなっている。

熱溶着の際には、上下のヒートシーラー１０，１０Ａ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の熱溶着部６を上下のヒートシーラー１０，１０Ａの間に配置・位置決めし、両者を接近動作させて、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。そして、この加圧拘束状態のままでそれぞれのヒーター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ー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ー１３では４秒程度で熱溶着が完了する。なお、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。

次に、ヒートシーラーの具体的な構造について、図３〜図６に示す下側のヒートシーラー１０を用いて詳細に説明する。なお、上側のヒートシーラー１０Ａは下側のヒートシーラー１０と上下を反転させただけで同じ構造のものであり、ここでは説明を省略する。

ここで本明細書では、シールヘッドやヒーターの相対的な位置関係を説明するために、便宜上、シールヘッドを下、ヒーターを上に配置したものとして説明しているが、実際の使用形態におけるシールヘッドやヒーターの鉛直方向の位置を意味するものではない。例えば上側のヒートシーラー１０Ａの場合、使用形態ではシールヘッド１１が鉛直上側、ヒーター１３が鉛直下側に配置されることとなる。

各ヒートシーラー１０は、シールヘッド１１と、このシールヘッド１１上に固定支持され、上面に対象物としての外装体４の熱溶着部６と接触・押圧し、電流の通電により発熱して熱溶着部６を加温する薄板状のヒーター１３と、を備えている。

ヒーター１３は、インバー材のような熱膨張率が例えば１．２×１０^−６程度の極めて低い材質を使用しており、内部に鉄クロム等のヒーター線を均一に組み込んだリボン状の薄板帯状をなすインパルス式のヒーターである。なお、図３〜図５では、分かり易くするために、ヒーター１３をある程度厚さのあるものとして描いているが、実際には厚さが１ｍｍ以下の極めて薄いものである。

このシールヘッド１１は金属材料により形成されており、その材質には、銅，アルミ合金，ステンレス等を用いることができるが、好ましくは熱伝導率が低く、言い換えると蓄熱性が高く、かつ熱膨張率が低い炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）やステンレス鋼（ＳＵＳ）、より好ましくは剛性に優れたステンレス鋼が用いられる。

シールヘッド１１は、金属材料により形成されており、その材質には、銅，アルミ合金，ステンレス等の金属材料を用いることができ、好ましくは熱伝導率が低く、言い換えると蓄熱性が高く、かつ熱膨張率が低い炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）やステンレス鋼（ＳＵＳ）が用いられる。

図５に示すように、シールヘッド１１の上面の両縁部には、対象物としての外装体４の表面を傷つけることのないように、所定の曲率半径を有する面取り部１４が形成されている。

そして、ヒーター１３の表面には、その全面にわたって、コーティング層１６がコーティング処理により形成されている。つまり、ヒーター１３の熱溶着側の表面１７（上面）と、シールヘッド１１側の裏面１８（下面）と、これら表面１７と裏面１８とを繋ぐ四方の側面１９と、を含めた全面の周囲をコーティング層１６により完全に覆う形となっている。

これらのコーティング層１６の材質は、摩擦係数が低いものが好ましく、典型的には、テフロン（登録商標）とも呼ばれるＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル重合体）に代表されるフッ素樹脂のように、摩擦係数が０．０５〜０．１５の絶縁性の合成樹脂材料が用いられる。

また、シールヘッド１１に比して熱溶着部６の側に効率良く熱が伝わるように、図５にも示すように、コーティング層１６の表面１７と裏面１８のうち、裏面１８の厚さＤ２が表面１７の厚さＤ１よりも厚く設定されている（Ｄ２＞Ｄ１）。一例として、裏面１８の厚さが表面１７の厚さの２倍以上に設定されている。

以上のように本実施例では、ヒーター１３の裏面１８側にもフッ素樹脂等のコーティング層１６を設けたために、金属製のシールヘッド１１とヒーター１３の間を確実に絶縁して、シールヘッド１１側に誤って通電することを防ぎ、確実にヒーター１３を昇温させることができる。

ここで、コーティング層１６は、摩擦係数が０．０５〜０．１５と低い材質のものが用いられている。このために、通電の切換にともなうヒーター１３の膨張・収縮の際に、シールヘッド１１との摺動による擦れを抑制することができる。これにより、ヒーター１３の耐久性・信頼性及び寿命を向上することができる。

また、ヒーター１３の表面１７の側にもコーティング層１６が設けられているために、溶着時の熱溶着部６の貼り付きを防止することができる。

更に、ヒーター１３の側面１９にもコーティング層１６が設けられているために、側面１９が部分的に高温となることを防ぎ、温度をワークに均一に伝えることにより、安定した品質の溶着を行うことが可能となる。また、コーティングの際にマスキング処理が不要となるために、作業効率にも優れている。

加えて、コーティング層１６のフッ素樹脂系材料のコーティングでは、裏面１８の厚さＤ２を表面１７の厚さＤ１よりも厚くすることによって、裏面１８側の熱伝導率を低く設定してある。これによって、被溶着物であるラミネートフィルム４ａ，４ｂに速やかに熱を伝導させることができ、またシールヘッド１１への熱伝導を抑制して、エネルギー効率を向上することができる。

但し、熱伝導率を異ならせる手法としては、上記実施例のようにコーティング層１６の膜厚を変える手法に限らず、例えばコーティング層１６の表面１７と裏面１８とで熱伝導率の異なる材質を用い、つまり表面１７よりも裏面１８に熱伝導率の高い材質を用いるものであっても良く、更に、両者を組み合わせて用いるようにしても良い。

ヒーター１３には、インバー材のような熱膨張率が１．２×１０^−６程度と低い材質を使用している。これによって、熱膨張を抑制し、擦れによる摩耗をより確実に抑制することができる。また、熱膨張が少ないことから、ヒーター１３自身の反りや変形を抑制することができる。

このようにヒーター１３自身の変形を抑制できることから、図５に示すように、ヒーター１３は、幅方向の断面形状が直線状の平坦部２０のみにより構成され、つまり折れ曲げ部分のないシンプルな薄板形状をなしている。これによって、ヒーター１３の部分的な温度変化を抑制して、熱をワークに均一に伝えることができ、安定した品質の溶着が可能となる。

図６は、ヒーター１３に対するコーティング層１６のコーティング工程の一例を示している。まず脱脂工程（Ａ）では、コーティング層１６が設けられていないヒーターであるヒーター基材２２をケース２１内に載置し、このヒーター基材２２に付着している油脂などを、洗浄剤を使用、あるいは空焼き行うことによって取り除く。

次に、下地処理工程（Ｂ）では、ヒーター基材２２との密着性を高めるために、サンドペーパー２３を用いてヒーター基材２２の表面を研磨して、このヒーター基材２２の表面を意図的に粗くする。

次にコーティング工程（Ｃ）では、スプレー２４を用いたエアスプレー方式あるいは静電粉体スプレー方式等によって、ヒーター基材２２の表面にフッ素樹脂のコーティング材を吹き付けて、コーティング層１６（図５等参照）を形成する。また、必要に応じて、プライマー及びトップコートをそれぞれコーティングする。

続く乾燥・焼成工程（Ｄ）では、焼成炉２５内にコーティング層１６が形成されたヒーター１３を配置し、この焼成炉２５内で乾燥・焼成を行う。

このように、サンドペーパー２３でヒーター１３の表面処理をした後にフッ素樹脂等のコーティング層１６を形成する手法を採用しているため、溶射による下地処理が不要となり、コーティング層１６の膜厚を十分に薄くすることができる。また、ワークとしての熱溶着部６への入力が少ないことから、例えば０．２ｍｍ以下の極めて薄いヒーター１３にもコーティング層１６を良好に形成することが可能となる。

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、上記実施例では、同じ構造の上下一対のヒートシーラーに本発明を適用しているが、上下のヒートシーラーを異なる構造のものとし、一方のヒートシーラーにのみ本発明を適用することもできる。

１…フィルム外装電池（対象物）
４…外装体
６…熱溶着部
１０…ヒートシーラー
１１…シールヘッド
１３…ヒーター
１６…コーティング層
１７…表面
１８…裏面

Claims (5)

1. 外装体の内部に発電要素が電解液とともに封入され、この外装体の周縁部より端子が導出されるフィルム外装電池の外装体の周縁部を溶着するヒートシーラーであって、
   シールヘッドと、
   このシールヘッド上に支持され、電流の通電により発熱する薄板状のヒーターと、を備え、
   発熱した上記ヒーターによるプレスにより上記外装体の周縁部を溶融することで溶着を行うヒートシーラーにおいて、
   上記シールヘッドが金属製であり、
   かつ、上記ヒーターの周囲には、上記外装体の周縁部に接する表面と、上記シールヘッドと接する裏面と、を含めて、フッ素樹脂によりコーティングされたコーティング層が形成されていることを特徴とするヒートシーラー。
2. 上記コーティング層は、上記裏面側が上記表面側よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のヒートシーラー。
3. 上記ヒーターにインバー材を用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシーラー。
4. 上記ヒーターは、断面形状が直線状の平坦部のみにより構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートシーラー。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のヒートシーラーの製造方法であって、
   上記ヒーターは、サンドペーパーで表面処理をした後に、フッ素樹脂をコーティングすることを特徴とするヒートシーラーの製造方法。

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