JP2009181832A - 非水系二次電池用電極群の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非水系二次電池用電極群の製造装置は正極板および負極板が巻芯に巻き付くまで搬送経路中での張力で抜けないように保持するニップローラ部にて可動ニップローラと固定ニップローラ構成し、強く加圧することですべりを無くすようにするがこの時、電極板の電極合剤層は駆動ローラの弾性体の形状に沿い、加圧ローラの形状に変形するため電極板の電極合剤層は集電体から剥がされる方向に力が働き、電極合剤層の剥がれ、欠けが発生する。
【解決手段】非水系二次電池用電極群の製造装置において、ニップローラ部５を具備し、正極板８および負極板９がニップローラ部５で変形を起こさない状態で線接触する構成にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に正極板および負極板の電極合剤層の剥がれ、欠けを防止して脱落させること無く電極板の搬送経路の張力や巻回速度を自由に設定し、生産効率を高めることが可能な非水系二次電池用電極群の製造装置に関するものである。

近年、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯型通信機器などの電子機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されており、これらの電子機器やその他の動力用の駆動用電源として、高エネルギー密度で負荷特性の優れた電池が要望されている。特に、エネルギー密度および電圧が高く、貯蔵寿命が長いなどの多くの特長を有するリチウムイオン二次電池が脚光を浴びているが、同時にリチウムイオン二次電池には高い安全性が要求されている。

例えば、円筒形のリチウムイオン二次電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回して電極群を形成した後、この電極群を有底円筒状の電池容器内に収容し、電池容器の開口部の外周に環状に溝入れ加工を行い、電池容器内に所定量の電解液を注液し、次いで電池容器の開口部にガスケットを介して封口板を挿入し、内側に突出した溝部上で封口板を支持した状態で電池容器の開口部を内側にかしめ加工して封口している。

これらのリチウムイオン二次電池においては、高容量化を図るためには電池容器内に可能な限り多くの正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回した電極群を入れる必要があるが、これら非水系二次電池用電極群の製造工程において巻回開始時、正極板および負極板が巻芯へ巻き付くまでの間、搬送経路の張力で正極板および負極板が抜けないように一定方向のみ回転する機能を有するニップローラ部にて正極板および負極板およびセパレータを保持する際にニップローラ部のゴム弾性体に生じる微小な弾性変形により正極板および負極板の電極合剤層の剥がれ、欠けが発生し脱落した電極合剤層が正極板、負極板およびセパレータとともに巻回されるとセパレータが損傷し正極板と負極板が直接接触してしまい熱暴走の要因となる。

詳細を図３（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）において正極板８はアルミニウムやアルミニウム合金製箔の正極集電体に正極活物質を含む合剤塗料を単位長さに間欠的に塗布したもので、負極板９は圧延銅箔や電解銅箔の負極集電体に負極活物質を含む合剤塗料を単位長さに間欠的に塗布したもので、セパレータ７は微多孔フィルムおよびこれを重ね合わせた多層フィルムである。

これらを、巻芯６を回転させ渦巻状に巻回する際、正極板８および負極板９が巻芯６へ巻き付くまでの間、搬送経路の張力で正極板８および負極板９が抜けないように一定方向のみ回転する機能を有するニップローラ部５で保持する。一般的にニップローラ部５は保持する力を強くするため可動ニップローラ１４は金属ローラで、固定ニップローラ１５は金属ローラの外周をゴム弾性体１６で覆い保持力を強くする。

しかし、強く保持しようとすると図３（ｂ）に示すようにニップローラ部５が正極板８、負極板９およびセパレータ７を挟んで接する部分では固定ニップローラ１５のゴム弾性体１６は可動ニップローラ１４の形状に弾性変形する。特に負極板９がニップローラ部５に対し角度を持って接する場合に負極板９は固定ニップローラ１５のゴム弾性体１６に沿った形状から可動ニップローラ１４の形状に微小ではあるが急激な逆方向への曲がりが発生し、この影響を強く受けることで負極板９の外周部の電極合剤層は負極板９の集電体か
ら剥がされる方向に力が働き、この剥がされる方向の力はバインダー材の結着力より強くなり電極合剤層の剥がれや欠け１８が発生しこれらが正極板８、負極板９およびセパレータ７とともに巻回されるとセパレータ７が損傷し正極板８と負極板９が直接接触するからである。

一般的に、この電極板は紛体として得られた電極活物質と活物質同士を結着させるバインダーと共に混錬した後に金属箔やパンチングメタル等の集電体に塗着、乾燥する方法が採られており、集電体と電極活物質の結着力はバインダー材の結着力に依存している。結着力を得るためのバインダー材は正極板のバインダー材としてはフッ素系バインダー材のポリテトラフルオロエチレンやポリビニフルオライドが使用されており、さらに柔軟性を持たせ剥がれ、欠けを防止する方法としてバインダー材のポリテトラフルオロエチレンにポリビニルアルコールを加えさらにポリエチレングリコールまたはポリエチレンオキサイドを添加する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、負極板のバインダー材としてはポリオレフィン系バインダー材のポリエチレンやポリプロピレンが使用されており、さらに負極合剤層の脱落、欠けを防ぐ方法として負極板に混錬されているポリオレフィン系バインダー材と同じバインダー材を負極板上に塗布後セパレータを載置し、その後ポリオレフィン系バインダー材を乾燥、加熱し負極板とセパレータを結着させる製造法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平０９−３０６５０３号公報 特開平０５−１８２６５７号公報

しかしながら、上述した特許文献の従来技術では高い結着力を得るためには多くのバインダー材が必要となるが、多くのバインダー材を使用すると活物質の添加量が少なくなって電池容量の低下につながる。また、電極板製造の乾燥状態により結着力がばらつくこともあり、非水系二次電池用電極群の製造装置において電極合剤層の剥がれ、欠けの防止は非常に重要な問題となっている。特に非水系二次電池用電極群の製造装置においては、リチウムイオン二次電池の高容量化を図るために巻回後の電極群を真円に近づけ正極板および負極板の電極板長さを極力長くしたいが、正極板および負極板のリード位置、リード厚み、巻回後のリード形状の影響を受けて巻回後の電極群の形状は変形する。

そのため電池設計を行う際には、これら正極板および負極板のリード位置、リード厚み、巻回後のリード形状を考慮し電極群が真円に近づくように設計する。通常リード厚みは材料として管理し、巻回後のリード形状は巻回時の張力を制御することで形状を保つが、リード位置は正極板と負極板が巻芯へ巻き付く位置がずれることで大きく変化し電極群の形状に影響を与える。これは非水系二次電池用電極群の製造装置の構成上、一方の電極板はセパレータに挟まれ巻芯に導かれるが他方の電極板はセパレータに挟まれないために巻き芯に巻き付くタイミングがずれるためである。

このため非水系二次電池用電極群の製造装置においては、巻芯の前にニップローラ部を配置し、正極板および負極板が巻芯に巻き付くまでニップローラ部を閉じセパレータに正極板および負極板を押し付け正極板と負極板の位置を保持する。このニップローラ部には巻回方向のみに回転する機能が付加されているので正極板および負極板は巻芯へ巻き付くまでの間、搬送経路中での張力で正極板と負極板の位置がずれずに巻回することでリード位置のずれを防止している。

一般的に、ニップローラ部は可動ニップローラと固定ニップローラの一対のローラで構成され片方のローラの外周をゴム弾性体で覆い対する他方のローラの外周は金属で構成し
、強く加圧することで正極板および負極板とセパレータのすべりが無くなるように密着させる。この時、巻芯を回転させ巻回を開始するとセパレータが巻芯に巻き付くことにより引っ張られるが正極板および負極板は搬送経路中での張力で巻芯から抜けるのでニップローラ部に巻回方向のみに回転する機能を付加し可動ニップローラと固定ニップローラを強く加圧することでセパレータに密着させ、セパレータに合わせて巻芯に引っ張られるようにする。

しかし、ニップローラ部が正極板、負極板およびセパレータを挟んで接する部分では片方のローラのゴム弾性体は他方の金属ローラの形状に弾性変形する。特に、正極板および負極板がニップローラ部に対し角度を持って接する場合に正極板および負極板はニップローラ部のゴム弾性体に沿った形状から他方の金属ローラの形状に微小ではあるが急激な逆方向への曲がりが発生し、この影響を強く受けることで正極板および負極板の外周部の電極合剤層は正極板および負極板の集電体から剥がされる方向に力が働き、この剥がされる方向の力はバインダー材の結着力より強くなり電極合剤層の剥がれ、欠けが発生する場合がある。

本発明は上記従来の課題を鑑みてなされたもので、非水系二次電池用電極群の製造装置において正極板および負極板を巻芯に巻き付くまでの間に正極板、負極板およびセパレータの搬送経路中での張力を遮断するニップローラ部で変形を起こさない状態で線接触させることで正極板および負極板に微小の急激な逆方向への曲がりを防止し電極合剤層に集電体から剥がす方向の力が弱くなるようにすることで電極合剤層の剥がれ、欠けを無くすことを目的とする。

上記のような目的を達成するために本発明における非水系二次電池用電極群の製造装置は、正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤層を形成した帯状の正極板および負極集電体に少なくともリチウムを保持しうる負極活物質を含む負極合剤層を形成した帯状の負極板との間に帯状のセパレータを介在させて渦巻状に巻芯へ巻回する非水系二次電池用電極群の製造装置であって、巻芯の前にニップローラ部を具備し、正極板および負極板がニップローラ部で変形を起こさない状態で線接触させることを特徴とするものである。

本発明の非水系二次電池用電極群の製造装置によると、巻回開始時、正極板および負極板が巻芯へ巻き付くまでの間、ニップローラ部にて正極板および負極板およびセパレータを保持する際に変形を起こさない状態で正極板および負極板に線接触することでニップローラ間に生じる正極板および負極板の変形を無くし電極合剤層の剥がれ、欠けを防止することでセパレータの損傷のない信頼性の高い非水系二次電池を得ることができる。

本発明の第１の発明では、正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤層を形成した帯状の正極板および負極集電体に少なくともリチウムを保持しうる負極活物質を含む負極合剤層を形成した帯状の負極板との間に帯状のセパレータを介在させて渦巻状に巻芯へ巻回する非水系二次電池用電極群の製造装置であって、巻芯の前にニップローラ部を具備し、正極板および負極板がニップローラ部で変形を起こさない状態で線接触させることにより正極板および負極板の変形を防ぎ電極合剤層の剥がれ、欠けを防止して脱落させること無く巻回することによりセパレータの損傷を防止し非水系二次電池が熱暴走するのを抑止することが可能となる。

本発明の第２の発明ではニップローラ部を可動ニップローラと固定ニップローラで構成
し、且つ、可動ニップローラと固定ニップローラをゴム弾性ローラで構成したことにより可動ニップローラのゴム弾性体と固定ニップローラのゴム弾性体がともに均等に変形し正極板および負極板が可動ニップローラと固定ニップローラに挟まれて接する部分では直線的に線接触で通過することが可能となる。

本発明の第３の発明ではゴム弾性ローラをショア硬度Ｈｓ９０°で構成したことでセパレータに正極板および負極板を強く押し付けることが可能となり正極板および負極板の位置を保持しリード位置のずれを防止した真円に近い電極群を巻回することが可能となる。

本発明の第４の発明ではゴム弾性ローラをウレタンゴム、フッ素ゴム、シリコンゴムの中から選ばれる少なくとも一種類以上の材料で構成したことによりゴム弾性ローラの表面摩擦抵抗を上げ正極板および負極板およびセパレータを保持する力を強くすることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図１を参照しながら詳細に説明する。例えば、図１に示されるような本発明の非水系二次電池の製造装置において、正極板フープ１はアルミニウムやアルミニウム合金製箔の正極集電体に正極活物質を含む合剤塗料を単位長さに間欠的に塗布した長尺帯状の正極板８をリールに巻き付けたもので、負極板フープ２は圧延銅箔や電解銅箔の負極集電体に負極活物質を含む合剤塗料を単位長さに間欠的に塗布した長尺帯状の負極板９をリールに巻き付けたもので第１セパレータフープ３、第２セパレータフープ４は微多孔フィルムおよびこれを重ね合わせた多層フィルムで構成される長尺帯状のセパレータ７をリールに巻き付けしたものを使用する。

このセパレータ７は第１セパレータフープ３と第２セパレータフープ４から巻き出され搬送経路を通り二つ割りされた巻芯６の間を通り巻芯６の後ろのセパレータストッパ（図示せず）に保持される。正極板８は正極板フープ１から巻き出され搬送経路を通り正極板供給チャック１０に保持され待機状態になり、負極板９は負極板フープ２から巻き出され搬送経路を通り負極板供給チャック１２に保持され待機状態となる。この状態で巻芯６が回転を始めてセパレータ７が巻芯６に巻き付く。その後正極板供給チャック１０が正極板８を保持した状態で前進する。正極板８は第１セパレータフープ３と第２セパレータフープ４から巻き出されたセパレータ７に挟まれて保持され、その後正極板供給チャック１０が開き正極板８は巻芯６へと導かれる。この状態で負極板供給チャック１２が負極板９を保持した状態で前進する。

ここで、正極板８はセパレータ７に挟まれ保持されるが負極板９の先端は保持するものが無いので巻芯６に巻き付くまでに先端が垂れ下がり折れ曲がりが発生する可能性がある。負極板９が折れ曲がるとセパレータ７に損傷が入り正極板８と負極板９が短絡し熱暴走の要因となる。そのため負極板９を供給すると同時に負極板押さえ１７が前進後下降し巻芯６に巻き付く際の負極板９の先端を保持し折れ曲がりを防止する。

次いで、負極板９が供給されるとニップローラ部５が閉じ正極板８および負極板９およびセパレータ７がニップローラ部５に保持され負極板供給チャック１２が開き正極板８および負極板９ともにセパレータ７に導かれるが、ここで一旦巻芯６の回転を止める。負極板９は正極板８より巻芯６に対し内周のため同じ速度で巻芯６へと巻き付くと内周と外周の周速の差でたるみがでるためである。この状態で正極板供給チャック１０と負極板供給チャック１２を閉じ正極板８と負極板９を保持して搬送経路の張力で正極板８と負極板９が抜けない状態にしてニップローラ部５を開き搬送経路の張力で負極板９のたるみを取り除き再びニップローラ部５を閉じニップローラ部５で正極板８と負極板９を保持し正極板供給チャック１０と負極板供給チャック１２を開く。

その後再び巻芯６を回転させセパレータ７とともに正極板８と負極板９の全てが巻芯６に巻き付くとニップローラ部５を開く。これらフープ材料は一定方向に駆動され回転する巻芯６にて正極板８および負極板９をこれらの間にセパレータ７を介在させて渦巻状に巻回し、正極板８および負極板９を所定の寸法巻回後、巻芯６を一旦停止させ正極板カッタ１１と負極板カッタ１３がそれぞれ正極板８および負極板９を切断する。切断後再度巻芯６を回転させ巻き残りの正極板８および負極板９を巻き込み電極群を形成する。

さらに、ニップローラ部５について図２（ａ）および（ｂ）を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は本発明を実施するための最良の形態におけるニップローラ部５の可動ニップローラ１４が閉じ正極板８と負極板９とセパレータ７を保持した図である。図２（ａ）において一定方向のみに回転する機能を有する可動ニップローラ１４と自在回転機能を持つ固定ニップローラ１５は正極板８と負極板９とセパレータ７を保持した際にすべりを無くすように外周面に摩擦力を高く得られるようにゴム弾性体１６で覆われている。可動ニップローラ１４はシリンダーまたはカム駆動といった加圧機構で固定ニップローラ１５に押圧力を加える。この時、可動ニップローラ１４と固定ニップローラ１５の外周のゴム弾性体１６は図２（ｂ）のように両方が均一に変形する。これにより正極板８と負極板９とセパレータ７は可動ニップローラ１４と固定ニップローラ１５の間をゴム弾性体１６の弾性変形が起きない状態で、線接触で直線的に通過し、正極板８と負極板９の外周の電極合剤層は集電体から剥がされる方向の力は弱くなり、電極合剤層の剥がれ、欠けの発生を防ぐ効果を有する。

本発明においてニップローラ部５の外周のゴム弾性体１６には表面摩擦抵抗が高い物が用いられるが、特にシリコンゴムが好ましい。また、硬度は柔らか過ぎると保持力は高いが変形が大きく母材の金属とゴム弾性体１６の間に隙間が生じゴム弾性体１６が剥がれてしまうのでショア硬度Ｈｓ９０°以上が好ましい。

本発明の実施例１における非水系二次電池用電極群の製造装置について図２（ａ）を参照しながら説明する。図２（ａ）において正極板８はコバルト酸リチウム等のリチウム含有複合酸化物である正極活物質とアセチレンブラック等を用いた導電材とポリフッ化ビニリデン等を用いた結着剤とを分散媒に混練分散させた正極合剤塗料を正極集電体であるアルミニウム箔に塗着し乾燥した後に圧延することで帯状に形成した。

負極板９の場合は天然黒鉛等を用いた負極活物質とポリフッ化ビニリデン等を用いた結着剤とポリエチレンオキシド等を用いた増粘剤とを分散媒に混練分散させた負極合剤塗料を負極集電体である銅箔に塗着し乾燥した後に圧延することで帯状に形成した。

セパレータ７は２０μｍ厚のポリエチレン微多孔フィルムを用いた。可動ニップローラ１４と固定ニップローラ１５は外径１２ｍｍで外周をショア硬度Ｈｓ９０°のゴム弾性体１６が厚み２ｍｍで覆い、可動ニップローラ１４の加圧機構は高く安定した加圧が得られるよう内径２０ｍｍのシリンダー式を使用した。また可動ニップローラ１４には巻回方向のみに回転する機能を付加しニップローラ部５がセパレータ７、正極板８、負極板９を保持したときに搬送経路の張力で抜けないようにした。巻芯６は外径４ｍｍを二つ割りしたものを使用し可動ニップローラ１４側からセパレータ７、正極板８、セパレータ７、負極板９の順に配置し二つ割りの巻芯６の中央を通すように設置した。

この時、可動ニップローラ１４を閉じ、セパレータ７、正極板８、負極板９を保持した状態で巻芯６を回転させ巻回すると図２（ｂ）のように可動ニップローラ１４と固定ニップローラ１５の外周のゴム弾性体１６は両方が均等に変形しセパレータ７、正極板８、負極板９はほぼ直線的にゴム弾性体１６に線接触で通過し巻芯６に巻回される。この際、正
極板８と負極板９の外周の電極合剤層は集電体から剥がされる方向の力は弱くなり、電極合剤層の剥がれ、欠けの発生を防止した巻回が可能となり、セパレータ７が損傷して正極板８と負極板９が直接接触して発生する熱暴走を防止することができ、このニップローラ部５を具備した非水系二次電池用電極群の製造装置を実施例１とした。

（比較例１）
ニップローラ部５として図３（ａ）に示す従来の構成の非水系二次電池用電極群の製造装置を比較例１とした。実施例１と同様にして正極板８および負極板９およびセパレータ７を製作し、可動ニップローラ１４は外径１２ｍｍで金属からなりアルミニウムを使用した。

固定ニップローラ１５は実施例１と同様に外径１２ｍｍで外周をショア硬度Ｈｓ９０°のゴム弾性体１６が厚み２ｍｍで覆った。巻回の試験として正極板８、負極板９の搬送経路の張力を０．１５ＭＰａに設定し可動ニップローラ１４のエアー圧を０．２ＭＰａから０．４ＭＰａに可変し、保持力６２Ｎから１２５Ｎになるようにし、正極板８と負極板９を可動ニップローラ１４と固定ニップローラ１５の接線上から左右対称になるように角度をつけ１０°から５０°まで可変し巻回するようにし電極合剤層の剥がれや欠け発生率を評価した。

非水系二次電池用電極群の製造装置は正極板８および負極板９のどちらか一方でも電極合剤層の剥がれ、欠けが発生するとセパレータ７が損傷し正極板８と負極板９が直接接触してしまい熱暴走の可能性がある。そのため正極板８および負極板９ともに電極合剤層の剥がれ、欠けが発生しないことが重要である。（表１）に示されるように本発明の非水系二次電池用電極群の製造装置におけるニップローラ部５は正極板８および負極板９の両方の電極合剤層の剥がれ、欠けを発生させず脱落を防止することに可能になる。

これは可動ニップローラ１４と固定ニップローラ１５の外周をともにゴム弾性体１６としたため可動ニップローラ１４を閉じ正極板８および負極板９およびセパレータ７を保持する際可動ニップローラ１４と固定ニップローラ１５のゴム弾性体１６がともに均一に変形することで正極板８および負極板９およびセパレータ７の曲がりを防止し直線的に線接
触で通過することが可能となるためである。

本発明の非水系二次電池用電極群の製造装置は、ニップローラ部にて正極板および負極板およびセパレータを保持する際に変形を起こさない状態で正極板および負極板に線接触することでローラ間に生じる正極板および負極板の変形を無くし電極合剤層の剥がれ、欠けを防止することでセパレータの損傷のない信頼性の高い非水系二次電池を得ることができる。

本発明の実施の形態１における電極群の製造装置を示す概略構成図 （ａ）本発明の実施の形態１におけるニップローラ部の詳細を示す構成図、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるニップローラ部の拡大構成図 （ａ）従来例のニップローラ部の詳細を示す構成図、（ｂ）従来例のゴム弾性体の拡大構成図

符号の説明

１ 正極板フープ
２ 負極板フープ
３ 第１セパフープ
４ 第２セパフープ
５ ニップローラ部
６ 巻芯
７ セパレータ
８ 正極板
９ 負極板
１０ 正極板供給チャック
１１ 正極板カッタ
１２ 負極板供給チャック
１３ 負極板カッタ
１４ 可動ニップローラ
１５ 固定ニップローラ
１６ ゴム弾性体
１７ 負極板押さえ
１８ 電極合剤層の剥がれや欠け

Claims (4)

1. 正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤層を形成した帯状の正極板および負極集電体に少なくともリチウムを保持しうる負極活物質を含む負極合剤層を形成した帯状の負極板との間に帯状のセパレータを介在させて渦巻状に巻芯へ巻回する非水系二次電池用電極群の製造装置であって、前記巻芯の前にニップローラ部を具備し、前記正極板および負極板が前記ニップローラ部で変形を起こさない状態で線接触させるように構成したことを特徴とする非水系二次電池用電極群の製造装置。
2. 前記ニップローラ部を可動ニップローラと固定ニップローラで構成し、且つ、前記可動ニップローラと固定ニップローラをゴム弾性ローラで構成したことを特徴とする請求項１に記載の非水系二次電池用電極群の製造装置。
3. 前記ゴム弾性ローラをショア硬度Ｈｓ９０°以上で構成したことを特徴とする請求項２に記載の非水系二次電池用電極群の製造装置。
4. 前記ゴム弾性ローラをウレタンゴム、フッ素ゴム、シリコンゴムの中から選ばれる少なくとも一種類以上の材料で構成したことを特徴とする請求項２に記載の非水系二次電池用電極群の製造装置。

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