JP7680321B2

JP7680321B2 - 外装体及びその製造方法

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Publication number: JP7680321B2
Application number: JP2021159055A
Authority: JP
Inventors: 加奈恵大崎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2025-05-20
Anticipated expiration: 2041-09-29
Also published as: US20230099240A1; CN115882128A; JP2023049361A; US12531295B2

Description

本発明は、固体電池等を内容物として収容する外装体に関する。

近年は、環境上の悪影響を軽減する等の観点から、ＥＶやＨＥＶ等の普及が進んでいる。それらに使用される電池としては、例えば、直方体状の発電要素（セル）をラミネートフィルム等の外装体で包み込んで板形状に密閉したラミネートセルタイプのもの（例えば特許文献１）が知られている。具体的には、ＥＶやＨＥＶ等では、このようなラミネートセルタイプの電池を複数個並べてケース内に収納した組電池が使用されている。

特開２０１２－１６９２０４公報

ラミネートフィルムの縁部どうしを溶着する際には、溶着強度の観点から、断面視において、溶着部の内容物（発電要素）側の端部を、鋭角状に凹む形状ではなく、鈍角状に凹む形状に形成することが好ましい。しかしながら、ある程度の長さと幅があるラミネートフィルムどうしを溶着する場合は、溶着を行うヒートシールバーの熱膨張、ヒートシールバーの歪み、ラミネートフィルムの厚み誤差などの影響から、溶着部の内容物側の端部をはじめから狙い通り一様に鈍角状に形成することは困難である。そのため、溶着部の内容物側の端部に、鋭角状に凹む部分が形成され得る。

この場合、当該鋭角状に凹む部分を起点として溶着強度（Ｔ字剥離強度）が低下して、溶着部に亀裂が生じることが考えられる。そうすると封止性が低下して、ガス等が外装体の内側に侵入することにつながる。

具体的には、溶着部の内容物側の端部に鋭角状に凹む部分が形成される場合としては、例えば以下の２つの場合が考えられる。１つ目の場合としては、溶着部の内容物側の端部に、単に１つ、内容物側の反対側に鋭角状に凹む部分が形成される場合である。２つ目の場合としては、溶解した樹脂のはみ出しにより、溶着部の内容物側の端部に、内容物側に突出する樹脂塊（樹脂溜まり）が形成され、その樹脂塊の両側方にそれぞれ、内容物側の反対側に鋭角状に凹む部分が形成される場合である。

以上のようにして鋭角状に凹む部分が形成された場合、例えば樹脂が硬くなる低温時等に、当該鋭角状に凹む部分を起点に、破断まで至らなくともクラック等が生じ、その後の常温～高温（ガラス転移点超過）時においても溶着強度が低下するといった事態になり得る。なぜなら、一度低温環境下でクラック等が生じると、その後において常温～高温になった時にも、当該クラック等により溶着強度は低下するからである。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、溶着部の溶着強度（Ｔ字剥離強度）を確保することを目的とする。

本発明者らは、外装体の溶着部が、断面視において、内容物側の端部に、内容物側の反対側に曲線状に凹む曲部を有していれば、鋭角状に凹む鋭角部を有している場合に比べて、亀裂やクラックが発生し難くなることに着目して、本発明に至った。本発明は、以下の（１）～（８）の外装体、および（９）～（１２）の外装体の製造方法である。

（１）内容物を収容する外装体であって、
前記外装体の材料である面状体どうしが、第１方向に直交する第２方向に重なった状態で溶着しており、前記第１方向に延在している溶着部を有しており、
前記溶着部は、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向に見た断面視において、前記内容物側の端部に、前記内容物側の反対側に曲線状に凹む曲部を有している、外装体。

前記（１）の発明によれば、溶着部が、内容物側の端部に曲部を有しているため、鋭角部を有している場合に比べて、亀裂やクラックが発生し難い。そのため、溶着部の溶着強度を確保できる。

（２）前記溶着部の前記第２方向の端は、前記第１方向に延在しており、前記曲部は、前記断面視において、当該端の延長線上に存在している、前記（１）に記載の外装体。

前記（２）の発明によれば、当該延長線上に鋭角部が存在している場合に比べて、溶着部の溶着強度を確保できる。

（３）前記溶着部の前記第２方向の端は、前記第１方向に延在しており、前記曲部は、前記断面視において、当該端の延長線よりも前記溶着部から前記第２方向に遠ざかる方向側に存在している、前記（１）又は（２）に記載の外装体。

前記（３）の発明によれば、当該延長線よりも溶着部から第２方向に遠ざかる方向側に鋭角部が存在している場合に比べて、溶着部の溶着強度を確保できる。

（４）前記溶着部の前記第２方向の両端は、それぞれ前記第１方向に延在しており、前記曲部は、前記断面視において、前記両端の延長線を前記第２方向に跨ぐ曲線状である、前記（１）～（３）のいずれか１つに記載の外装体。

前記（４）の発明によれば、当該両端の延長線を第２方向に跨ぐ鋭角部が存在している場合に比べて、溶着部の溶着強度を確保できる。

（５）前記溶着部は、前記第３方向に見た断面視において、前記内容物側の端部に、前記内容物側に突出する樹脂塊を有しており、前記曲部は、前記樹脂塊を前記第２方向に挟む両側にそれぞれに存在している、前記（１）～（３）のいずれか１つに記載の外装体。

前記（５）の発明によれば、樹脂塊を第２方向に挟む両側にそれぞれ鋭角部が存在している場合に比べて、溶着部の溶着強度を確保できる。

（６）前記面状体は、外側樹脂層と金属層と内側樹脂層とを有するラミネートフィルムであって、前記溶着部では、前記内側樹脂層どうしが溶着している、前記（１）～（５）のいずれか１つに記載の外装体。

前記（６）の発明によれば、ラミネートフィルムの内側樹脂層どうしの溶着部の溶着強度を確保できる。

（７）前記内容物は、発電要素である前記（１）～（６）のいずれか１つに記載の外装体。
（８）前記発電要素は、固体電解質を備える固体電池を有する前記（７）に記載の外装体。

発電要素（特に固体電池）の中には、例えば充電時には膨張し、放電時には収縮するものがある。そのため、溶着部がダメージを受け易い。その点、前記（７）（８）の発明によれば、溶着強度を確保できる前記（１）の発明を、より有効に活用できる。

（９）内容物を収容する外装体の製造方法であって、
前記外装体の材料である面状体どうしを、第１方向に直交する第２方向に重ねた状態で溶着させることにより、前記第１方向に延在する溶着部を形成する溶着工程と、
前記溶着部の前記内容物側の端部が、前記外装体の完成状態よりも強く前記第２方向の両側に引張されるように、前記面状体に外力を加える引張工程と、
を含む、外装体の製造方法。

前記（９）の発明によれば、溶着工程によって溶着部の内容物側の端部に、内容物側の反対方向に鋭角状に凹む鋭角部が形成された場合にも、引張工程によって鋭角部を丸めて、曲線状に凹む曲部を形成することができる。それにより、鋭角部が形成されているままの状態に比べて、亀裂やクラックを発生し難くして、溶着部の溶着強度を確保できる。

（１０）前記引張工程では、前記溶着部の前記内容物側の端部が、前記溶着部を構成する樹脂のガラス転移点を超過する温度である状況下で、前記外力を加える、前記（９）に記載の外装体の製造方法。

前記（１０）の発明によれば、溶着部の内容物側の端部において樹脂が柔らかくなることにより、鋭角部を丸め易くなる。

（１１）前記引張工程では、前記内容物を加熱して膨張させることにより、前記外力を加える、前記（９）又は（１０）に記載の外装体の製造方法。

前記（１１）の発明によれば、内容物を加熱して膨張させることにより、溶着部の内容物側の端部を第２方向の両側に引張できる。

（１２）前記引張工程では、溶着された前記面状体の内側に気体を充填することにより、気圧により前記外力を加える、前記（９）又は（１０）に記載の外装体の製造方法。

前記（１２）の発明によれば、内側からの気圧により、溶着部の内容物側の端部を第２方向の両側に引張できる。

以上、本発明によれば、溶着部の内容物側の端部の曲部により、亀裂やクラックを発生し難くして、溶着部の溶着強度（Ｔ字剥離強度）を確保できる。

第１実施形態の外装体を示す断面図である。図１の外装体の溶着部及びその周辺を拡大した図である。溶着工程後における外装体を示す断面図である。引張工程時における外装体を示す断面図である。第２実施形態の外装体の溶着部及びその周辺を示す断面部である。溶着工程後における外装体を示す断面図である。引張工程時における外装体を示す断面図である。比較例の外装体を常温で引張した場合における、引張力（荷重）と延び（ストローク）との関係を示すグラフである。比較例の外装体を低温で引張してから常温で引張した場合における、引張力（荷重）と延び（ストローク）との関係を示すグラフである。本実施形態の外装体を低温で引用してから常温で引張した場合における、引張力（荷重）と延び（ストローク）との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱ない範囲内で適宜変更して実施できる。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の外装体３を示す断面図である。外装体３は、発電要素２を内容物として収容している。発電要素２は、固体電解質を備える電池である固体電池を複数有している。外装体３は、例えば１枚のラミネートフィルム３ｆが折られると共に縁部どうしが溶着されることにより形成されていてもよいし、２枚のラミネートフィルム３ｆの縁部どうしが溶着されることにより形成されていてもよい。発電要素２及び外装体３は、ラミネートセルタイプの電池１００を構成している。

以下、当該ラミネートセルタイプの電池１００の厚さ方向を「第２方向Ｙ」といい、第２方向Ｙに直交する所定の方向を「第１方向Ｘ」といい、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙに直交する方向を「第３方向Ｚ」という。

ラミネートフィルム３ｆは、耐熱性の外側樹脂層３０と、金属層４０と、熱可塑性の内側樹脂層５０とを有している。よって、内側樹脂層５０を構成する樹脂の融点は、外側樹脂層３０を構成する樹脂の融点よりも低い。外装体３は、縁部に第１方向Ｘ及び第３方向Ｚに延在する溶着部５５を有している。溶着部５５では、ラミネートフィルム３ｆどうしが、内側樹脂層５０どうしを向かい合わせにして第２方向Ｙに重なった状態で溶着している。

図２は、図１の外装体３の溶着部５５及びその周辺を拡大した図である。溶着部５５は、第３方向Ｚに見た断面視において、発電要素２側の端部に、発電要素２側に突出する樹脂塊５６を有すると共に、樹脂塊５６を第２方向Ｙに挟む両側に、発電要素２側の反対側に曲線状に凹む曲部５８を有している。

次に、曲部５８の第２方向Ｙの具体的な位置について説明する。第３方向Ｚに見た断面視において、溶着部５５の第２方向Ｙの各端は、内側樹脂層５０と金属層４０との境界線Ｂ１，Ｂ２であり、第１方向Ｘに延在している。具体的には、２つの境界線Ｂ１，Ｂ２は、溶着部５５における発電要素２側とは反対側の端部から発電要素２側の端部の直前まで、間隔を略一定にして略平行に延びている。当該境界線Ｂ１，Ｂ２の延長線ｂ１，ｂ２上に、又は当該延長線ｂ１，ｂ２よりも溶着部５５から第２方向Ｙに遠ざかる方向側に、曲部５８がそれぞれ存在している。

次に、図３，図４を参照しつつ、以上に示した外装体３の製造方法について説明する。当該製造方法は、溶着工程と、その後の引張工程とを含む。

図３は、溶着工程後において溶着部５５を第３方向Ｚに見た断面図である。溶着工程では、ラミネートフィルム３ｆの内側に発電要素２を収容した状態において、当該ラミネートフィルム３ｆの縁部どうしを、内側樹脂層５０どうしを向かい合わせにして第２方向Ｙに重ねる。その重ね合わせた部分を、第２方向Ｙの両側から、例えば加熱治具（ヒートシールバー）を用いて加熱及び加圧する。それにより、内側樹脂層５０どうしが溶着して溶着部５５が形成される。このとき、溶融した樹脂のはみ出しにより、第３方向Ｚに見た断面視において、溶着部５５の発電要素２側の端部に、発電要素２側に突出する樹脂塊５６が形成される。その樹脂塊５６を第２方向Ｙに挟む両側に、発電要素２側の反対側に鋭角状に凹む鋭角部５７が形成される。

図４は、引張工程時の溶着部５５を第３方向Ｚに見た断面図である。引張工程では、まず、ヒータ等により、少なくとも溶着部５５の発電要素２側の端部を、当該溶着部５５を構成する樹脂（つまり内側樹脂層５０を構成する樹脂）のガラス転移点（例えば０℃）を超過する温度になるまで加熱する。

次に、その状況下で、ラミネートフィルム３ｆに対して外力を加える。その外力により、溶着部５５の発電要素２側の端部を、外装体３の完成状態よりも強く第２方向Ｙの両側に引張する。つまり、外装体３の内側に発電要素２を収容していることにより溶着部５５の当該端部が第２方向Ｙの両側に引張される力よりも強い力で、当該端部を第２方向Ｙの両側に引張する。当該引張する外力は、例えば、ラミネートフィルム３ｆにおける溶着部５５よりも第２方向Ｙの両側に位置する部分を保持すると共に、保持した部分を第２方向Ｙの両側に引っ張ることにより加えることができる。また例えば、内容物（発電要素２）をあえて加熱により高温にして膨張させることにより、当該外力を加えることができる。また例えば、縁部どうしが溶着されたラミネートフィルム３ｆの内側に気体を充填することにより、気圧により当該外力を加えることができる。当該外力（引張）により、図３に示す鋭角部５７が丸められて、図４に示す曲部５８が形成される。

なお、この引張工程において、当該端部がガラス転移点を超過する温度である状況下で外力を加えるのは、それにより当該端部の樹脂が柔らかくなるからである。それにより、クラック（白化）等を発生させることなく鋭角部５７を丸めて、曲部５８を形成することができる。具体的には、当該温度は、当該端部の樹脂が充分に柔らかくなるよう、常温以上であることがより好ましく、６０℃以上であることがさらに好ましい。ただし、当該温度は、高過ぎても内側樹脂層５０が柔らかくなり過ぎるといった問題があるため、内側樹脂層５０を構成する樹脂の融点（例えば１４０℃）以下であることが好ましく、９０℃以下であることがより好ましく、６０℃以下であることがさらに好ましい。

また、引張工程において、当該端部を第２方向Ｙの両側に引張する力は、鋭角部５７を充分に丸められるよう、２０Ｎ以上であることが好ましく、４０Ｎ以上であることがより好ましく、６０Ｎ以上であることがさらに好ましい。ただし、当該引張する力は、強過ぎても、溶着部５５を損傷する等のおそれがあるため、ラミネートフィルム３ｆの降伏点以下であることが好ましく、具体的には、金属層４０の０．２％耐力以下であることが好ましい。引張工程後においては、当該引張する力を取り除くことにより、図２に示す状態となる。

本実施形態では、外装体３の内側に収容される発電要素２（固体電池）が、充電時には膨張し、放電時には収縮する。そのため、溶着部５５が亀裂やクラック等のダメージを受け易い。また、外装体３と発電要素２との間の空間にガスが溜まった場合にも、そのガスの気圧により、溶着部５５が亀裂やクラック等のダメージを受け易くなる。そして、当該亀裂やクラック等のダメージは、樹脂が硬くなる低温（特にガラス転移点以下）で発生しやすい。その点、本実施形態の引張工程では、溶着部５５の発電要素２側の端部を、ガラス転移点を超過する温度の状況下で、第２方向Ｙの両側に引張する。それにより、当該端部に形成されている鋭角部５７を丸めて曲部５８を形成する。それにより、当該鋭角部５７が形成されているままの状態に比べて、溶着部５５に亀裂やクラックを発生し難くして、溶着部５５の溶着強度を向上させることができる。そのため、耐久性の高いラミネートセルタイプの電池１００を提供できる。

［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。本実施形態については、第１実施形態をベースにこれと異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同一又は類似の部分については、適宜説明を省略する。

図５は、本実施形態の外装体３の溶着部５５を第３方向Ｚに見た断面図である。本実施形態では、溶着部５５が、発電要素２側の端部に樹脂塊５６を有していない。

なお、図５では、溶着部５５の発電要素２側の端部における２つの曲部５８どうしの間に位置する部分は、第２方向Ｙに直線状に延びているが、例えば破線Ｄで示すように、曲線状に凹んでいてもよい。つまり、曲部５８は、第３方向Ｚに見た断面視において、一続きで２つの延長線ｂ１，ｂ２を第２方向Ｙに跨ぐ曲線状であってもよい。

図６は、溶着工程後の溶着部５５を第３方向Ｚに見た断面図である。本実施形態の溶着工程では、溶融した樹脂が発電要素２側にはみ出さない。そのため、溶着部５５の発電要素２側の端部には、樹脂塊５６は形成されない。そのことから、第３方向Ｚに見た断面視において、当該端部における第２方向Ｙの中央部には、発電要素２側の反対側に鋭角状に凹む鋭角部５７が形成される。

図７は、引張工程時の溶着部５５を第３方向Ｚに見た断面図である。当該引張工程での外力により、図６に示す鋭角部５７が丸められて、曲部５８が形成される。引張工程後においては、当該外力を取り除くことにより、図５に示す状態となる。

本実施形態によれば、溶着部５５に樹脂塊５６が形成されない場合においても、第１実施形態と同様の効果（溶着強度の向上）を得ることができる。以下、本実施形態の効果について、具体的に説明する。以下では、上記の引張工程を行わずに製造した外装体３、すなわち、図６に示す鋭角部５７が形成されている状態の外装体３を「比較例の外装体３」という。

図８は、比較例の外装体３において、溶着部５５を常温（２３℃）の状況下で第２方向Ｙの両側に引張した場合を示している。縦軸は、第２方向Ｙの両側に引張した力（荷重）を示し、横軸は、外装体３の第２方向Ｙへの延び（ストローク）を示している。この図８からは、溶着部５５は、常温（２３℃）の状況下では、第２方向Ｙの両側に１５０Ｎ弱の力で引張されると、破壊されて（降伏して）しまうことが分かる。

図９は、比較例の外装体３において、溶着部５５を、一旦低温（－３０℃）の状況下で第２方向Ｙの両側に４０Ｎで引張してから、図８の場合と同様に、常温（２３℃）の状況下で第２方向Ｙの両側に引張した場合を示している。この図９からは、溶着部５５は、先の低温（－３０℃、４０Ｎ）での引張により損傷することから、続く常温（２３℃）の状況下では、図８の場合（１５０Ｎ弱）よりも弱い力（１００Ｎ弱）で、破壊されてしまうことが分かる。

図１０は、本実施形態の外装体３において、図９の場合と同様に、溶着部５５を、一旦低温（－３０℃）の状況下で第２方向Ｙの両側に４０Ｎで引張してから、常温（２３℃）の状況下で第２方向Ｙ両側に引張した場合を示している。この図１０からは、溶着部５５は、先の低温（－３０℃、４０Ｎ）での引張によっても殆ど損傷しないことから、続く常温（２３℃）の状況下では、図８の場合（１５０Ｎ弱）と略同等の力（１５０Ｎ弱）が加わるまで、破壊されないことが分かる。

以上より、比較例の溶着部５５よりも本実施形態の溶着部５５の方が破壊され難いこと、すなわち、鋭角部５７を丸めて曲部５８を形成すると溶着強度が向上すること、を確認した。

２発電要素（内容物）
３外装体
３ｆラミネートフィルム（外装体の材料である面状体）
３０ラミネートフィルムの外側樹脂層
４０ラミネートフィルムの金属層
５０ラミネートフィルムの内側樹脂層
５５溶着部
５６樹脂塊
５７鋭角部
５８曲部
１００ラミネートセルタイプの電池
Ｂ１内側樹脂層と金属層との境界線（溶着部の第２方向の端）
Ｂ２内側樹脂層と金属層との境界線（溶着部の第２方向の端）
ｂ１境界線の延長線
ｂ２境界線の延長線
Ｘ第１方向
Ｙ第２方向
Ｚ第３方向

Claims

内容物を収容する外装体の製造方法であって、
前記外装体の材料である面状体どうしを、第１方向に直交する第２方向に重ねた状態で溶着させることにより、前記第１方向に延在する溶着部を形成する溶着工程と、
前記溶着部の前記内容物側の端部が、前記外装体の完成状態よりも強く前記第２方向の両側に引張されるように、前記面状体に外力を加える引張工程と、を含み、
前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向に見た断面視において、前記溶着部における前記内容物側の端部に、前記内容物側の反対側に曲線状に凹む曲部が形成される、
外装体の製造方法。
前記引張工程では、前記溶着部の前記内容物側の端部が、前記溶着部を構成する樹脂のガラス転移点を超過する温度である状況下で、前記外力を加える、請求項１に記載の外装体の製造方法。
内容物を収容する外装体の製造方法であって、
前記外装体の材料である面状体どうしを、第１方向に直交する第２方向に重ねた状態で溶着させることにより、前記第１方向に延在する溶着部を形成する溶着工程と、
前記溶着部の前記内容物側の端部が、前記外装体の完成状態よりも強く前記第２方向の両側に引張されるように、前記面状体に外力を加える引張工程と、を含み、
前記引張工程では、前記溶着部の前記内容物側の端部が、前記溶着部を構成する樹脂のガラス転移点を超過する温度である状況下で、前記外力を加える、
外装体の製造方法。
前記引張工程では、前記内容物を加熱して膨張させることにより、前記外力を加える、請求項１～３のいずれか１つに記載の外装体の製造方法。
前記引張工程では、溶着された前記面状体の内側に気体を充填することにより、気圧により前記外力を加える、請求項１～３のいずれか１つに記載の外装体の製造方法。
前記溶着部の前記第２方向の端は、前記第１方向に延在し、前記曲部は、前記断面視において、当該端の延長線上に形成される、請求項１又は２に記載の外装体の製造方法。
前記溶着部の前記第２方向の端は、前記第１方向に延在し、前記曲部は、前記断面視において、当該端の延長線よりも前記溶着部から前記第２方向に遠ざかる方向側に形成される、請求項１、２又は６に記載の外装体の製造方法。
前記溶着部の前記第２方向の両端は、それぞれ前記第１方向に延在し、前記曲部は、前記断面視において、前記両端の延長線を前記第２方向に跨ぐ曲線状に形成される、請求項１、２、６又は７に記載の外装体の製造方法。
前記断面視において、前記溶着部における前記内容物側の端部には、前記内容物側に突出する樹脂塊が形成され、前記曲部は、前記樹脂塊を前記第２方向に挟む両端にそれぞれに形成される、請求項１、２、６又は７に記載の外装体の製造方法。
前記面状体は、外側樹脂層と金属層と内側樹脂層とを有するラミネートフィルムであって、前記溶着部では、前記内側樹脂層どうしが溶着される、請求項１～９のいずれか１項に記載の外装体の製造方法。
前記内容物は、発電要素である請求項１～１０のいずれか１項に記載の外装体の製造方法。
前記発電要素は、固体電解質を備える固体電池を有する請求項１１に記載の外装体の製造方法。