JP2003025095A - 加圧成形方法およびその装置、ならびにリチウムイオン二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間で確実にコイル体を所定形状に加工
し、かつ、加工した形状に固定することができる加圧成
形方法およびその装置、ならびにリチウムイオン二次電
池の製造方法を提供すること。 【解決手段】 被加工体２への下型５と上型９による所
定時間の間の一定の加圧力の印加を、ばね１７の変位に
よって行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被加工体を所定の
形状に成形し、かつ、その形状に固定するする加圧成形方
法およびその装置と、その加圧成形方法を用いたリチウ
ムイオン二次電池の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コイル状に捲回された被加工体を加圧し
て所定の形状に圧縮して塑性変形させる加圧成形は、プ
レス機械等を用いることにより広く行われている。被加
工体としては様々なものが対象になるが、例えば、薄型の
リチウムイオン二次電池の電極体もその一つである。

【０００３】図４に外観図を示すように、薄型のリチウ
ムイオン二次電池の電極体５１は、何れも薄いシート状
に形成された負極板と正極板の間にセパレータを介在さ
せて捲回し、それを加圧成形して形成した三層構造のコ
イル体で、各電極板からは電極リードとして正極リード
５２ａと負極リード５２ｂが延出している。

【０００４】このコイル体である電極体５１の加圧成形
は、リチウムイオン二次電池の製造工程で、断面が丸
（円）、楕円または、菱形等に捲回したコイル体（電極
体）を成形により押し潰し、所定の厚さへ制御する工程
で行なわれている。ただし、この工程では一旦は所定形
状に成形されたコイル体が、コイル体を構成している材
料のスプリングバックによって元の形状に戻ろうとす
る。そのため、元の形状に戻ろうとする力を減衰させる
ために、一定以上の加圧力を一定時間以上の間コイル体
へ作用させる必要がある。また、生産品種によって、成
形されたコイル体の厚さが異なるためコイル体を成形す
る治具間の隙間調整が必要となる。

【０００５】通常、コイル体への加圧力は、金型等をエ
アシリンダによって作動させて印加する。それによりコ
イル体を所定厚さに制御している。それらの場合、大き
な加圧力を必要とする超薄形のコイル体には、エアシリ
ンダを大径化し、出力を大きくできるような大型装置を
用いている。

【０００６】また、エアシリンダを使用しコイル体を成
形するには、かなりの時間を必要とするため、数個のコ
イル体をバッチ処理により成形して、タクトを短縮して
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のよ
うにコイル体への加圧力の印加を、金型等をエアシリン
ダによって作動させる方法では、大きな加圧力を必要と
する場合には装置が大型化することが避けられない。

【０００８】また、タクトの高速化を必要とする場合、
成形するコイル体の数を増加させて成形装置のスぺース
を拡大しなければならないと共に、タクトの高速化によ
り成形装置のスぺースへ、移載するための排出するツー
リング部分の高速化が必要になり、より構造が複雑化す
る。

【０００９】また、エアシリンダを使用する技術では、
常用空気圧力の変動によるコイル体への押付力（加圧
力）の変化によって、所定（目標）の厚さへコイル体を
薄板化できない場合が発生する。また、仮に所定の厚さ
に薄板化されたとしても総合的な押付力が弱い場合、一
時的な薄板化であり、時間の経過と共にコイル体の構成
材料自身が持つ反発力によりスプリングバック現象を起
こし、元の形状に膨らみ戻ってしまうことが多々発生し
ている。その場合は、リチウムイオン二次電池を製造す
る為の電極体としての仕様を満たすことは出来ない。

【００１０】また、所定の均等な押付力（加圧力）を一
定時間の間加える必要が絶対条件である場合、個々のコ
イル体を薄板化処理していると、多大な時間を費やして
しまい、他の工程との関係から自動化製造装置としての
ラインバランスを維持することが困難である。

【００１１】また、数個の捲回コイル体を一度に薄板化
させて、見掛上はコイル体一個分の処理時間を短縮させ
る場合は、数個の捲回コイル体へ各々均等に押付力を加
える必要がある。そのため、各々の捲回コイル体へ個別
に押付力発生装置を設けることが必要不可欠となる。そ
れにより、装置の大型化（装置占有スぺースの拡大）を
招き、かつ、数個を同時に移載（投入と払出）するツー
リングシステムが必ず必要となり、設備価格の上昇が避
けられない。それと共に、各々のツーリング機構の動作
時間によるタクト規制や、成形されたコイル体の均一化
を図るためには、必ず多くの作業者の手が必要となり管
理の強化が必要になる。

【００１２】本発明は、これらの事情に基づいてなされ
たもので、短時間で確実にコイル体を所定形状に加工
し、かつ、加工した形状に固定することができる加圧成
形方法およびその装置、ならびにリチウムイオン二次電
池の製造方法を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、下型に
載置されている被加工体に対し、可動型である上型を降
下させて所定時間の間一定の加圧力を印加して成形する
加圧成形方法において、前記上型による所定時間の間の
一定の加圧力の印加は、ばねの変位によって行っている
ことを特徴とする加圧成形方法である。

【００１４】また本発明によれば、前記上型の降下する
ストロークおよび前記上型による一定の加圧力の印加の
際の所定時間は、カムの変位により制御されていること
を特徴とする加圧成形方法である。

【００１５】また本発明によれば、前記被加工体を、予め
コイル状に捲回された状態から加圧により所定の厚さに
成形することを特徴とする加圧成形方法である。

【００１６】また本発明によれば、前記被加工体は、リチ
ウムイオン二次電池の電極体であることを特徴とする加
圧成形方法である。

【００１７】また本発明によれば、被加工体を載置する
下型と、この下型に対向した上型を保持している成形可
動部を備えた加圧成形装置において、前記加圧可動部は、
カムの変位により昇降量が規定され、かつ、被加工体に
対して下型により加圧する際はその加圧力がばねの変位
により設定されていることを特徴とする加圧成形装置で
ある。

【００１８】また本発明によれば、電極体を上記のいず
れかの加圧成形方法により製造したことを特徴とするリ
チウムイオン二次電池の製造方法である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００２０】図１は本発明の加圧成形装置の要部と供給
・排出装置の構成を示す斜視図である。

【００２１】加圧成形装置１は、被加工体であるコイル
体２等を所定の形状に加圧成形し、かつ、その加圧成形
により形成してコイル体２の形状を固定化する装置であ
る。また、この装置にはコイル体２を供給および排出す
る供給・排出装置３が隣接して設けられている。

【００２２】コイル体２は、例えば、図２（ａ）〜（ｂ）
に外観斜視図を示したリチウムイオン二次電池の電極体
である。コイル体２は、図２（ａ）に示したように、断
面形状が円（円筒）、楕円、または、図２（ｂ）に示し
たように、断面形状が菱型をした中空に帯状の極薄い材
料を数枚（種類）捲回した形状で、一方の端部から電極
リードである正極リード４ａと負極リード４ｂがそれぞ
れ延出している。

【００２３】一般に、リチウムイオン二次電池の電極体
は、負極材料をその支持体である負極集電体（不図示）
に保持してなる負極板、正極活物質をその支持体である
正極集電体（不図示）に保持してなる正極板、負極板と
正極板の間に介在して、注入された電解液を保持しつつ
両極の短絡を防止するセパレータ（不図示）を、それぞ
れを重ね合わせて捲回して形成した三層構造で、負極
板、正極板およびセパレータは薄いシート状もしくは箔
状に形成され、捲回軸（不図示）に対して図３に示すよ
うに長円筒状に捲回されたコイル体２を形成している。

【００２４】なお、セパレータは電解液の保持や安全対
策等のために、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン及
びポリエチレンの三層構造や、ポリオレフィン微多孔膜
に有機不織布等の積層構造によるものを用いている。

【００２５】また、電解液を液体のまま外装材である密
閉容器に注入せずに、電極体の正極板と負極板との間に
電解液を含浸させた固体電解質（不図示）、またはゲル
状電解質（不図示）を配設して形成した電極体を採用す
ることもある。

【００２６】図１に示すように、加圧成形装置１は、上面
に２個の下型５を並べて配置して固定し、外周部を軸受
６により軸支され案内された回転ベース板７が、供給・
排出装置３に隣接して設けられている。回転ベース板７
の上方には、この回転ベース板７と対向して上段回転板
８が設けられている。この上段回転板８には下型５と対
向した位置に上型９を保持し、かつ、上型９を昇降自在
に動作させる昇降ガイド部１１とそれに保持された成形
加圧部１２とが吊下げられて固定されている。なお、昇
降ガイド部１１の上段回転板８より上方は、上型９を変
位させるカム体１３と係合した上型位置決め部１４を形
成している。

【００２７】成形加圧部１２は、上型９を固定したガイ
ドピン１５が保持板１６に摺動自在に保持されている。
また、ガイドピン１５の周りに成形用コイルばね１７が
変位自在に捲回されている。また、保持板１６は昇降ガ
イド部１１のスプライン軸１８により昇降自在に保持さ
れており、このスプライン軸１８の上段回転板８の上部
は、押付けばね１９が変位自在に捲回され頂部に形成さ
れているカムフォロア２１を上方に付勢している。な
お、上段回転板８とカム体１３とは何れも軸支されてい
る支柱軸（不図示）を中心に回転する。

【００２８】なお、上型９と下型５のいずれにも内部に
カートリッジヒータ２２が内蔵されている。

【００２９】また、上述の場合、下型５が１台に対して
上型９を２台で構成しているが、その個数の比率はそれ
に限らず、任意に選択することができる。

【００３０】供給・排出装置３は、コイル体２を搬送す
る搬送コンベア２６と、コイル体２を搬送コンベア２６
と回転ベース板７上の下型５との間で受渡しを行う移載
機２７とで構成されている。搬送コンベア２６は、コイ
ル体２を載置して搬送する搬送台２８が無限軌道状に設
けられたベルトコンベアである。移載機２７は、搬送コ
ンベア２６と回転ベース板７との間に設置され、回転軸
を中心に一対のアーム２９ａ、２９ｂを備えたピッアッ
プアンドプレス機構である。なおアーム２９ａ、２９ｂ
の先端にはそれぞれコイル体２を吸着する吸着ハンド３
１が設けられている。なお、搬送コンベア２６の搬送台
２８は、コイル体２を載置した状態で、コイル体２が所
定位置からずれないように滑り止の処置が施されてい
る。

【００３１】なお、供給装置の搬送コンベア２６と移載
機２７、および加圧成形装置１の駆動は、図示しない電
動機からの動力が歯車伝動機構等によって伝達されるよ
うに構成され、各々のユニット間で位相ズレを防止する
ようにドライブ系が構築されている。

【００３２】次に、これらの装置による動作について説
明する。

【００３３】まず、前工程から搬送コンベア２６に載置
されて搬送された成形前コイル体２ａは、搬送コンベア
２６によって搬送台２８のピッチに合せた一定ピッチ送
りを繰り返し、移載機２７のハンドリング位置まで搬送
される。そのハンドリング位置において、移載機２７の
吸着ハンド３１により成型前コイル体２ａを吸着し、移
載機２７の昇降及び旋回により成型前コイル体２ａを下
型５へ移載する。

【００３４】その際、移載前後で成型前コイル体２ａの
位相にずれを防止するために、板カム等の機構を旋回部
分に配置して位相合わせを行うようにしてもよい。本実
施の形態では、図示しない内接するカム機構を用いるこ
とにより、移載前後の両位置での位相合わせ（調整）を
行っている。

【００３５】次に、加圧成型装置１は、コイル体２の厚
さを目標値に成型できるように、予め、厚さ調整用のカ
ム体１３を図示しない昇降ジャッキシステムと、同駆動
モータにより位置決めしておく。厚さ調整用のカム体１
３は、加圧成型装置１の円周上の全てに配設されてお
り、それにより上型９の昇降を制御している。

【００３６】下型５に移載されたコイル体２は、下型５
と上型９のそれぞれに内蔵するカートリッジヒータ２２
により、成型性や寸法安定性を高める為に所定の温度ま
で昇温される。

【００３７】回転ベース板７が下型５と共に、また、上
型９を保持した昇降ガイド部１１、成型加圧部１２、上
型位置決め部１４及び上段回転板８とが同時に一つの駆
動部により周回すると、厚さ調整用のカム体１３のカム
曲線に沿ってカムフォロア２１が変位する。それにより
スプライン軸１８が昇降して成型加圧部１２をＺ軸方向
へ駆動する。カムフォロア２１は、常に厚さ調整用のカ
ム体１３に接するように押付ばね１９によって上方向へ
押し上げられている。

【００３８】なお、厚さ調整用のカム体１３のカム曲線
に従い、上型９が最下部へ位置したとき、所定の厚さへ
成型されるコイル体２の厚さと成型用コイルばね１７の
撓みが合致した寸法となるように設定されている（先述
した、昇降ジャッキシステムと同駆動モータによる）。

【００３９】例えば、コイル体２に９８０Ｎの外力を加
えたい時、成型用コイルばね１７として、ばね定数が２
４５Ｎ／ｍｍのばねを使用すれば、撓みを４ｍｍとする
ことにより９８０Ｎの力を得ることができ、対外的に
は、９８０Ｎの力を発揮できる。この撓み４ｍｍと、目
標とする所定の厚さへの成型を目指すコイル体２の厚さ
の和分を、上型９の最下部の位置にして、下型５との間
隔を制御する。

【００４０】続いて、成型されたコイル体２の反力（ス
ブリングバック）を防止する為に、所定の時間の間、上
型９を最下部に保持した状態のまま、回転ベース板７が
回転し、それにより安定した寸法の薄板化成型のコイル
体２を得ることが出来る。

【００４１】次に、所定時間の経過後に、カム体１３の
回転によるカム曲線に対応して上型９が最下部へ移動し
た逆動作により、上型９は、最上部へ移動し、図示しな
い移載機２７（図１に示した移載機２７の逆動作を行
う）により後工程に搬出される。

【００４２】なお、上述の実施の形態では、加圧用の成
型用コイルばね１７を、図１で示したように４個設けた
が、特に数量に制限はない。また、厚さ調整用のカム体
１３の形状は、円筒カムでも板カムでも溝カムでも任意
に用いることができる。また、上型９と下型５に内蔵さ
れているカートリッジヒータ２２は双方のどちらか片側
にも設けるか、あるいは、いずれにも設けない場合もあ
る。また、上述の装置は、連続運転であっても、間欠運
転であってもそれぞれ適用することができる。

【００４３】上述の加圧成形方法により製造されたコイ
ル体２である電極体を用いてリチウムイオン電池を製造
する場合は、基本的には、電池容器となる外装材（不図
示）に対して所定位置で、図３に示した正極リード４ａ
と負極リード４ｂの接続されたコイル体２を位置決め
し、電解質を収納した後に外装材の表面側からヒータ金
具で、外装材の封止個所である周辺部をそれぞれ加熱お
よび加圧して封止して密閉構造を形成している。

【００４４】上述のように本実施の形態では、成型用コ
イルばねを用いて加圧してコイル体の薄板化を行ってい
るために、コイル体に加える加圧力は、所定値に安定して
外乱の影響を受けること無く印加し続けることが可能と
なる。それによって、成型されたコイル体は、個々に寸
法的な狂いが生じることが少なく、正確に薄板状に成型
することができる。

【００４５】また、圧縮空気を使用せずに成型用コイル
ばねを用いているために、大きな加圧力が得られ、か
つ、装置全体の小型化が図れ、消費する圧縮空気が皆無
であるため、エネルギ的にも有利となる。

【００４６】また、上述の構成、機構等を用いることに
より、製造タクトに合わせた所望の装置を構築できる。
たとえば、製造タクトを速くしたい場合には、コイル体
の反力防止を抑える時間を確保するため、上型の最下部
保持状態を長く確保した形態で回転ベース板のピッチサ
ークルを大径化させることで実現できる。また、反対に
遅い製造タクトでよい場合は、回転ベース板のピッチサ
ークルを小径化すること等で対応することができる。

【００４７】また、上型と下型とを連続的に配置し、か
つ、コイル体の搬送を同時に行うことにより、加圧時間
をコイル体の搬送と共に実施できるため、処理タクトの
さらなる短縮が可能となる また、コイル体を押し漬す押付ピースとなる上型と、基
準で、かつコイル体の保持・固定を行う下型とで、コイ
ル体の各々を所定の隙間に挟み込み加圧用の圧縮ばねの
反発力（反発力は、ばねのたわみ量によって制御可能）
により、規定される押付力をコイル体へ作用させ、所定
隙間と等しい厚さの板状化したコイル体を成型している
ので、所定の隙間を任意に調整することにより、無段階
に所望の厚さである板状化したコイル体２を得る事が出
来るそれらを用いたリチウムイオン二次電池は、小型で
高性能なものを形成することが可能になる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、常に、所望の任意の厚
さの成型体を安定して迅速に得ることができる。

【００４９】また、成形精度のよいリチウムイオン二次
電池の電極体が得られ、それにより、良好なリチウムイ
オン二次電池を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加圧成形装置の要部と供給・排出装置
の構成を示す斜視図。

【図２】（ａ）および（ｂ）は、コイル体の外観図。

【図３】加圧成形されたコイル体の外観図。

【図４】電極体の外観図。

【符号の説明】

１…加圧成形装置、２…コイル体、３…供給・排出装
置、５…下型、７…回転ベース板、８…上段回転板、９
…上型、１１…昇降ガイド、１２…成形加圧部、１３…
カム体、１４…上型位置決め部、１７…成形用コイルば
ね

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4E090 AA01 AB01 BA10 CC03 HA01 5H028 BB04 BB07 BB15 BB17 HH09 5H029 AJ14 BJ14 CJ03 CJ07 CJ28 CJ30 HJ12 5H050 AA19 BA17 FA05 GA03 GA09 GA27 GA29 HA12

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下型に載置されている被加工体に対し、
   可動型である上型を降下させて所定時間の間一定の加圧
   力を印加して成形する加圧成形方法において、前記上型
   による所定時間の間の一定の加圧力の印加は、ばねの変
   位によって行っていることを特徴とする加圧成形方法。
2. 【請求項２】 前記上型の降下するストロークおよび前
   記上型による一定の加圧力の印加の際の所定時間は、カ
   ムの変位により制御されていることを特徴とする請求項
   １記載の加圧成形方法。
3. 【請求項３】 前記被加工体を、予めコイル状に捲回さ
   れた状態から加圧により所定の厚さに成形することを特
   徴とする請求項１または請求項２記載の加圧成形方法。
4. 【請求項４】 前記被加工体は、リチウムイオン二次電
   池の電極体であることを特徴とする請求項１乃至請求項
   ３のいずれかに記載の加圧成形方法。
5. 【請求項５】 被加工体を載置する下型と、この下型に
   対向した上型を保持している成形可動部を備えた加圧成
   形装置において、前記加圧可動部は、カムの変位により昇
   降量が規定され、かつ、被加工体に対して下型により加
   圧する際はその加圧力がばねの変位により設定されてい
   ることを特徴とする加圧成形装置。
6. 【請求項６】 電極体を請求項１乃至請求項４のいずれ
   かの加圧成形方法により製造したことを特徴とするリチ
   ウムイオン二次電池の製造方法。