JP2010055962A - 捲回電極体の製造方法およびその装置、および、電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この捲回電極体の製造方法は、帯状電極11、13と帯状セパレータ12、14を重ねて捲回し、捲回電極体を製造する方法であり、押付部材30を押し付けながら帯状電極11、13と帯状セパレータ12、14を巻取軸20に巻き取る工程を有している。そして、当該工程において、帯状電極11、13と帯状セパレータ12、14のうち少なくとも1つに作用する張力Tが減少するのに応じて、当該押付部材30の押付力を大きくする。
【選択図】図5
Description
かかる事象を鑑み、本発明者は、巻取速度に急激な加減速が生じる状況下において、捲回電極体を適切な硬さにしたいと考え、本発明を創案した。
帯状電極と帯状セパレータに作用する張力が減少すると、帯状電極と帯状セパレータが巻取軸に巻き取られるときに巻き付く力が減少する。本発明によれば、この減少分を押付部材の押付力で補うことができるので、捲回電極体を適切な硬さにすることができる。
このため、張力を、巻取軸に巻き取られた捲回電極体の外径で割った値が小さくなるのに応じて、押付部材の押付力を大きくしてもよい。これによって、巻取軸に巻き取られた捲回電極体の外径の変化を考慮して適切に押付部材の押付力を大きくすることができる。
また、押付部材は、帯状電極と帯状セパレータに作用する張力が減少するときに、巻取軸に巻き取られる帯状電極と帯状セパレータに押し付けてもよい。
この捲回電極体の製造方法は、帯状電極と帯状セパレータが重ねられて捲回された捲回電極体を有する電池の製造方法において、捲回電極体の製造方法に用いることができる。
また、巻取軸に巻き取られた捲回電極体の外径を検出する外径検出部を有している場合、かかる外径を考慮して押付部材の押付力を制御することができる。
この場合、制御部は、例えば、張力検出部で検出された張力を前記外径検出部で検出された外径で割った第1除算値を求め、当該第1除算値と予め設定された第2基準値との差が大きくなるのに応じて、押付部材の押付力を大きくするとよい。
本発明者は、その原因の一つとして巻取速度の急激な加減速があると考えている。すなわち、捲回時間を短縮するには、図1に示すように、巻き始め(A1)から急激に巻取速度を加速し(A2)、高速で巻き取る時間(A3)を出来る限り確保する。そして、その後、急激に巻取速度を減速させて巻き終える(A4)。この場合、加速工程(A2)、減速工程(A4)において急激な加減速が生じる。かかる急激な加減速が生じると、帯状電極や帯状セパレータに作用する張力Tは、例えば、図2のように急激に大きく変動する。
図2のように張力Tが急激に大きく変動すると、帯状材11〜14が巻取軸20に巻き付く力Taのうち、張力Tによって生じる力が大きく変動する。このため、図3および図4に示すように、押付部材30を押し付けつつ帯状材11〜14を巻き取った場合でも、帯状材11〜14が巻取軸20に巻き付く力Taに緩みが生じる。帯状材11〜14が巻取軸20に巻き付く力Taに緩みが生じると、空気が巻き込まれる場合があり、空気が巻き込まれると捲回電極体は柔らかくなる。これに対して、空気が巻き込まれるのを防止すべく押付部材30を押し付ける力Pを大きくすると、帯状材11〜14が巻取軸20に巻き付く力が大き過ぎて、捲回電極体が硬くなりすぎる。
このように押付部材30を押し付けつつ帯状電極と帯状セパレータを巻き取った場合でも、捲回電極体を適切な硬さにすることは難しい。本発明は、かかる知見を基に創案された。
巻取速度に急激な加減速が生じると、図3に示すように、帯状電極11、13と帯状セパレータ12、14に作用する張力Tが減少する。張力Tが減少すると、帯状電極11、13と帯状セパレータ12、14が巻取軸20に巻き取られるときに巻き付く力Taが減少する。この製造方法は、張力Tが減少するのに応じて、押付部材30の押付力Pを大きくする。このため、張力Tが減少することによって、上述した力Taが減少する分を押付部材30の押付力Pで補うことができる。これによって、捲回電極体10を適切な硬さにすることができる。
制御部60は、CPUなどからなる演算部と、不揮発性メモリーなどからなる記憶部とを備えており、予め設定されたプログラムに沿って、種々の電子的な演算処理や各部位の制御を行う装置である。この実施形態では、制御部60は、アクチュエータ22の制御情報から巻取軸20の回転速度、回転数、および、巻取速度や巻取量を検出できる。
この実施形態では、ダンサローラ48は、揺動軸48aと、付勢手段48bを備えている。揺動軸48aは、一端を揺動支点48cとして揺動可能に配設されている。揺動軸48aの揺動端部と中間位置には、それぞれローラ48d、48eが取り付けられている。付勢手段48bは、揺動軸48aを所定の揺動方向に付勢する。この実施形態では、付勢手段48bの付勢力は制御部60によって制御されている。当該付勢力を調整することによって帯状材11〜14に作用する張力が調整される。
この実施形態では、制御部60は、エッジ検出部52の検出信号に基づいて補正機構54を制御している。帯状材11〜14は、当該補正機構54によって幅方向の位置を補正されつつ巻取軸20に巻き取られている。
以上、帯状材11〜14の張力Tを調整する機構としてのダンサローラ48、帯状材11〜14の幅方向の位置を補正する機構としてエッジ検出部52や、補正機構54を説明した。本発明において、帯状材の張力を調整する機構や、帯状材の幅方向の位置を補正する機構、および、その具体的な制御方法などは、上述した実施形態のものに限定されず、適宜種々の構成を採用することができる。
このように、帯状材11〜14に作用する張力Tが減少するのに応じて当該押付部材30の押付力Pを大きくすることによって、巻取速度に急激な加減速が生じ、張力Tに緩みが生じた場合でも、押付力Pが大きくなるので、帯状材11〜14が捲回電極体10aに巻きつく力Ta(図3および図4参照)が小さくなるのを防止できる。これによって、捲回電極体を適切な硬さにすることができる。
例えば、図5に示すように、制御部60は、帯状材11〜14が巻き取られる際に帯状材11〜14に作用する張力Tを検出する。そして、当該張力Tが減少するのを検出したときに、押付部材30の押付力を大きくするとよい。
例えば、図2に示すように、帯状材11〜14に作用する張力Tは、巻き始め(A1)から大きく変動する。この実施形態では、図8に示すように、張力Tに対して適当な基準値V1を設定しておく。制御部60は、基準値V1と張力Tとの差(V1−T)が大きくなるのに応じて、押付部材30の押付力Pを大きくする。図8に示す例では、張力Tが基準値V1よりも小さくなると、それに応じて押付力Pが大きくなる。これにより、張力Tが減少する分を、押付部材30の押付力Pで補うことができるから、帯状材11〜14を概ね一定の力で巻き付けることができ、捲回電極体の硬さをより均一にすることができる。
この場合、巻取速度の加速度を検出して、その情報から張力Tの変動を算出し、適切な押付部材30の押付力Pを求めてもよい。
また、押付部材30の押付力Pは、予め定めたプログラムに沿って制御してもよい。すなわち、巻取速度を制御するプログラムにタイミングを合わせて押付部材30を制御するようにしてもよい。この場合、巻取速度と、帯状電極11、13と帯状セパレータ12、14の張力Tが減少するタイミング、および、張力Tの減少量を、複数回データを取るなどして、巻取速度の制御にタイミングを合わせて、押付部材30の押付力Pを制御するとよい。
帯状材11〜14は、図3および図4に示すように、巻取軸20に巻かれた捲回電極体10aの最外周に巻き付いていく。この際、捲回電極体10aの硬さは、図3に示すように、帯状材11〜14が捲回電極体10aに巻き付く力Taによって概ね決まる。
この場合、力Taは、帯状材11〜14に作用する張力Tと、押付部材30の押付力Pとで概ね決まる。力Taのうち張力Tによって作用する力は、帯状材11〜14に作用する張力Tに概ね比例する。
さらに、当該張力Tによって作用する力は、図4に示すように、巻取軸20周りの所定の角度θの円弧Lに作用する。円弧Lの長さは、捲回電極体10aの半径をRとすると、L≒R・sinθであるから捲回電極体10aの外径(半径R)に比例する。従って、張力Tが一定でも、帯状材11〜14が巻き取られ捲回電極体10aの外径Rの変化が、力Taに影響する。なお、この実施形態では、捲回電極体10aの外径は、図4に示すように、捲回電極体10aの半径Rを測定しており、当該半径Rにて処理している。ここで、「捲回電極体10aの外径」について、捲回電極体10aの半径Rであるか、直径であるかは、本質的な問題ではない。
この実施形態では、制御部60は、図5に示すように、張力Tを捲回電極体10aの外径Rで割った値(T/R)に対して基準値V2を設定する第2設定部82を有している。この制御部60は、張力検出部66で検出された張力Tを、外径検出部62で検出された捲回電極体10aの外径Rで割った第1除算値(T/R)を求める。そして、当該第1除算値(T/R)と第2設定部82に設定された基準値V2との差(V2−T/R)を求める。そして、制御部60は、当該(V2−T/R)が大きくなるのに応じて、押付部材30の押付力Pを大きくする。これにより巻取軸20に巻き取られた捲回電極体10aの外径Rの変化を考慮して、押付部材30の押付力Pをより適切に制御でき、捲回電極体10を適切な硬さにすることができる。
このような場合は、上述した力Ta(図3、図4参照)は、最も幅の狭い部分に作用すると考えられるので、帯状電極11、13について電極材料11d、13dが塗工された幅a、b(電極幅)を考慮することが望ましい。図9および図10に示す例では、帯状電極11の電極幅aの方が、僅かながら帯状電極13の電極幅bよりも狭い。この場合、より狭い帯状電極11の電極幅aを考慮して、押付部材30の押付力を制御するとよい。
また、帯状電極11の電極幅aを考慮する場合には、張力Tとして当該帯状電極11の張力を考慮するとよい。
この実施形態では、制御部60は、図5に示すように、張力Tを捲回電極体10aの外径Rおよび電極幅aで割った値(T/R/a)に対して基準値V3を設定する第3設定部83を有している。この制御部60は、張力Tを捲回電極体10aの外径Rおよび電極幅aで割った第2除算値(T/R/a)を求める。そして、当該第2除算値(T/R/a)と、第3設定部83に設定された基準値V3との差(V3−T/R/a)を求める。そして、制御部60は、当該(V3−T/R/a)が大きくなるのに応じて、押付部材30の押付力Pを大きくする。これにより、電極幅aを考慮して、押付部材30の押付力Pをより適切に制御でき、捲回電極体10を適切な硬さにすることができる。
この場合、制御部60は、張力検出部66によって検出される張力Tが予め設定された基準値よりも小さくなったときに、押付部材30を押し付けるように構成してもよい。また、例えば、制御部60は巻取軸20を制御しており、巻取軸20の制御プログラムから、帯状電極11、13と帯状セパレータ12、14に作用する張力Tが減少するタイミングを予め見出しておくとよい。この場合、当該タイミングで、巻取軸20に巻き取られる捲回電極体10aに押付部材30を押し付けるとよい。このように、張力Tが減少するときに、巻取軸20に巻き取られる帯状電極11、13と帯状セパレータ12、14に押付部材30を押し付ける制御は種々の制御手法を用いることができる。
この実施形態では、捲回電極体10は、図9および図10に示すように、帯状電極として、正極シート11と、負極シート13を備えている。また、帯状セパレータ12、14として、第1セパレータ12と、第2セパレータ14を備えている。そして、正極シート11と、第1セパレータ12と、負極シート13と、第2セパレータ14の順で重ねられて巻き取られている。なお、正極シート11は正の電極シートであり、負極シート13は負の電極シートである。
負極シート13は、この実施形態では、銅箔からなる集電体シート41(負極集電体)の両面に負極活物質を含む電極材料13dが塗工されている。当該電極材料13dに含まれる負極活物質としては、例えば、グラファイト(Graphite)やアモルファスカーボン(Amorphous Carbon)などの炭素系材料、リチウム含有遷移金属酸化物や遷移金属窒化物等などが挙げられる。
セパレータ12、14は、イオン性物質が透過可能な膜であり、この実施形態では、ポリプロピレン製の微多孔膜が用いられている。
この実施形態では、図9および図10に示すように、正極シート11の塗工部11aの幅(電極幅a)を、負極シート13の塗工部13aの幅(電極幅b)よりも狭くし、正極シート11の塗工部11aが、負極シート13の塗工部13aからはみ出ないようにしている。また、正極シート11の塗工部11aと負極シート13の塗工部13aが、それぞれセパレータ12、14からはみ出ないようにして内部短絡を防止している。
また、かかる捲回電極体10は、図11に示すように、電池ケース300に収容される。捲回電極体10が電池ケース300に収容されるときには、扁平な形状に折り曲げられる。この実施形態では、上述したように捲回電極体10を適切な硬さにできるので、図11に示すように、折り曲げ易く、かつ、当該折り曲げ時の形状も安定するように、捲回電極体10の硬さを調整することができる。
本発明によれば、上述したように捲回電極体10を適切な硬さにできるので、捲回電極体10内に電解液が適度に浸み込む。また、捲回電極体10の硬さのばらつきがあると、捲回電極体10が部分的に劣化し易いなど、蓄電池の寿命が短くなる原因になる。本発明によれば、捲回電極体10の硬さのばらつきも小さく抑えることができるので、蓄電池の長寿命化を図ることができる。
このように本発明にかかる捲回電極体の製造方法は、帯状電極と帯状セパレータが重ねられて捲回された捲回電極体の製造方法として有益である。したがって、捲回電極体を有する種々の電池について、捲回電極体の製造方法として好適な方法である。
例えば、捲回電極体は、上述したリチウムイオン二次電池を構成するものに限定されず、種々の捲回電極体に適用できる。また、捲回電極体の製造装置については、巻取軸、押付部材、ダンサローラ、エッジ検知部、補正機構などは、特に、上述した実施形態に限定されない。
また、例えば、巻取軸に巻き取られた捲回電極体の外径は、押付部材の進退量から検出することを例示したが、これに限定されない。例えば、巻取軸の回転数と帯状材11〜14の厚さから算出してもよい。
また、例えば、帯状材11〜14に作用する張力は、ダンサローラを通じて検出することを例示したが、これに限定されない。例えば、帯状材11〜14の軌道に、張力を検出することができる張力検出ローラを配設し、当該ローラで張力を検出してもよい。
また、張力は、帯状電極と帯状セパレータのうち帯状電極に作用する張力に基づいて、押付部材の押付力を制御する手法を例示した。当該張力は、必ずしも帯状電極に作用する張力でなくてもよく、帯状電極と帯状セパレータのうち帯状セパレータに作用する張力に基づいて、押付部材の押付力を制御してもよい。しかし、例えば、帯状電極に作用する張力が、帯状セパレータに作用する張力に比べて高い張力で巻き取られることも多く、このような場合には、帯状電極に作用する張力の影響が大きいので、帯状電極に作用する張力に基づいて押付部材の押付力を制御するとよい。
10、10a 捲回電極体
11 帯状電極(帯状材、正極シート)
11a 塗工部
11b 未塗工部
11b1 正極集電体
11c 集電体シート
11d 電極材料
12、14 帯状セパレータ(帯状材)
13 帯状電極(帯状材、負極シート)
13a 塗工部
13b 未塗工部
13b1 負極集電体
13c 集電体シート
13d 電極材料
20 巻取軸
22 アクチュエータ
30 押付部材
31 集電体シート
32 ローラ
34 アクチュエータ
41〜44 供給リール
46 ガイドローラ
47 テンションローラ
48 ダンサローラ
48a 揺動軸
48b 付勢手段
48c 揺動支点
48d、48e ローラ
52 エッジ検出部
54 補正機構
60 制御部
62 外径検出部
64 第1検出部
66 張力検出部
81 第1設定部
82 第2設定部
83 第3設定部
100 捲回電極体の製造装置
300 電池ケース
301 正極端子
303 負極端子
1000 組電池
L Taが作用する円弧
P 押付力
R 巻取軸に巻き取られた捲回電極体の外径
T 張力
Ta 帯状材が巻取軸(捲回電極体)に巻き付く力
Claims (13)
- 帯状電極と帯状セパレータを重ねて捲回し、捲回電極体を製造する方法であって、
押付部材を押し付けながら前記帯状電極と帯状セパレータを巻取軸に巻き取る工程を有し、
当該工程において、前記帯状電極と帯状セパレータのうち少なくとも1つに作用する張力が減少するのに応じて、当該押付部材の押付力を大きくする、捲回電極体の製造方法。 - 前記張力を、前記巻取軸に巻き取られた捲回電極体の外径で割った値が小さくなるのに応じて、前記押付部材の押付力を大きくする、請求項1に記載の捲回電極体の製造方法。
- 前記張力は、前記帯状電極と帯状セパレータのうち前記帯状電極に作用する張力である、請求項1又は2に記載の捲回電極体の製造方法。
- 前記帯状電極は帯状シートに電極材料が所定の電極幅で塗工されており、
前記帯状電極に作用する張力を、前記巻取軸に巻き取られた捲回電極体の外径および前記電極幅で割った値が小さくなるのに応じて、前記押付部材の押付力を大きくする、請求項1に記載の捲回電極体の製造方法。 - 前記帯状電極と帯状セパレータに作用する張力が減少するときに、前記巻取軸に巻き取られる前記帯状電極と帯状セパレータに前記押付部材を押し付ける、請求項1から4の何れかに記載の捲回電極体の製造方法。
- 帯状電極と帯状セパレータが重ねられて捲回された捲回電極体を有する電池の製造方法であって、捲回電極体の製造方法として請求項1から5の何れかの捲回電極体の製造方法が用いられた、電池の製造方法。
- 帯状電極と帯状セパレータを重ねて捲回し、捲回電極体を製造する製造装置であって、
前記帯状電極と帯状セパレータを巻き取る巻取軸と、
前記巻取軸に巻き取られる帯状電極と帯状セパレータに押し付けられる押付部材と、
前記巻取軸に巻き取られる前記帯状電極又は帯状セパレータの張力を検出する張力検出部と、
前記押付部材を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記張力検出部によって検出された張力が減少するのに応じて、押付部材の押付力を大きくする、捲回電極体の製造装置。 - 請求項7に記載の捲回電極体の製造装置であって、
前記制御部は、張力に対して予め第1基準値が設定されており、当該第1基準値と、前記張力検出部で検出された張力との差が大きくなるのに応じて、押付部材の押付力を大きくする、捲回電極体の製造装置。 - 請求項7に記載の捲回電極体の製造装置であって、
前記巻取軸に巻き取られた捲回電極体の外径を検出する外径検出部を有し、
前記制御部は、
前記張力検出部で検出された張力を前記外径検出部で検出された外径で割った第1除算値を求め、当該第1除算値と予め設定された第2基準値との差が大きくなるのに応じて、押付部材の押付力を大きくする、捲回電極体の製造装置。 - 前記張力は、前記帯状電極と帯状セパレータのうち前記帯状電極に作用する張力である、請求項7から9の何れかに記載の捲回電極体の製造装置。
- 請求項7の捲回電極体の製造装置であって、
前記巻取軸に巻き取られた捲回電極体の外径を検出する外径検出部を有し、
前記帯状電極は、帯状シートに電極材料が所定の電極幅で塗工されており、
前記張力検出部は、前記帯状電極に作用する張力を検出し、
前記制御部は、
前記張力検出部で検出された張力を、前記外径検出部で検出された外径および前記電極幅で割った第2除算値を求め、当該第2除算値と予め設定された第3基準値との差が大きくなるのに応じて、押付部材の押付力を大きくする、捲回電極体の製造装置。 - 帯状電極と帯状セパレータを重ねて捲回し、捲回電極体を製造する製造装置であって、
前記帯状電極と帯状セパレータを巻き取る巻取軸と、
前記巻取軸に巻き取られる帯状電極と帯状セパレータに押し付けられる押付部材と、
前記巻取軸と前記押付部材を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、当該巻取軸が帯状電極と帯状セパレータを巻き取る巻取速度の加速度に応じて、前記押付部材の押付力を補正する、捲回電極体の製造装置。 - 請求項7から12の何れかに記載の捲回電極体の製造装置であって、
前記制御部は、前記帯状電極と帯状セパレータに作用する張力が減少するときに、前記巻取軸に巻き取られる前記帯状電極と帯状セパレータに前記押付部材を押し付ける、捲回電極体の製造装置。
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