JP2013122831A - 電極群の製造装置および製造方法と電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく電極から水分を容易に除去でき、水分が除去された電極が再吸湿する可能性が小さい電極群の製造方法を提供する。
【解決手段】電極群の製造装置が、電極繰り出し部７Ａ，７Ｂとトリミング部１２ａ，１２Ｂと組立部１６とを有する。さらに、電極繰り出し部７Ａ，７Ｂとトリミング部１２Ａ，１２Ｂの間に、電極繰り出し部７Ａ，７Ｂから繰り出された電極１Ａ，１Ｂをトリミング部１２Ａ，１２Ｂに搬送しながら電極１Ａ，１Ｂを加熱する、ヒータ付き搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂを有し、トリミング部１２Ａ，１２Ｂと組立部１６の間に、トリミング部１２Ａ，１２Ｂにて所定の長さに切断された電極１Ａ，１Ｂを組立部１６に供給する前に一時的に保持しつつ加熱するヒータ付き台１４Ａ，１４Ｂを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電池に内蔵される電極群の製造装置および製造方法と電池の製造方法に関する。

従来、２種類の電極、すなわち正極と負極とがセパレータを介して重ね合わせられた電極群（以下、電極積層体）をラミネートフィルムからなる外装体に収容し、外装体内に電解液を注入してから、外装体を封止した構成の電池が存在する。このような電池における電極は、集電箔上に活物質が塗布されたものである。一般的には、長尺の正極集電箔の一面に正極活物質を塗布した上でロール状に巻回して正極ロール体を作製するとともに、長尺の負極集電箔の一面に負極活物質を塗布した上でロール状に巻回して負極ロール体を作製する。そして、正極ロール体から繰り出して所定の長さに切断した正極と、負極ロール体から繰り出して所定の長さに切断した負極とを、セパレータを介して重ね合わせて、電極積層体を形成する。

このような電極積層体において電極に水分が含まれていることは好ましくないため、電極に含まれている水分を除去するための乾燥が行われている。集電箔に活物質を塗布した上でロール状に巻回してロール体を形成した後に乾燥を行うと、巻回された電極の層が重なり合って密着した状態であるため、風通しが悪く各層の密着部分全体に十分な通風が行えないため、作業効率が悪く長い作業時間が必要である。

そこで、ロール体に対して乾燥を行う方法に代えて、特許文献１には、ロール体から繰り出した電極を切断することなく加熱ロールを通過させ、加熱によって水分が除去された後の電極を再び巻き直してロール体を再度形成する方法が開示されている。すなわち、特許文献１では、ロール体から電極を一旦繰り出してから再度巻き直す途中で、電極を加熱して乾燥させている。

また、特許文献２には、正極とセパレータと負極を積層した状態で乾燥を行う方法が開示されている。

特開２００５−２０９５１４号公報 特開２０００−１８８１１４号公報 特開２００２−１１０１４８号公報 特開２００１−９３５３３号公報

特許文献１に記載された方法では、ロール体に対して乾燥を行う場合に比べて、効率が良く作業時間を短くすることができる。しかし、ロール状に巻かれている長尺の電極を一旦繰り出してから、再度巻き直す作業が必要である。従って、電極を巻き直すための機構が必要であり、製造装置の複雑化および大型化することによる製造コストの上昇をもたらす。さらに、巻き直し作業中に乾燥のための時間が必要であるため、作業時間をさほど短縮することはできない。また、ロール体から電極を一旦繰り出して加熱した後に巻き直したロール体が、すぐに電池製造のために用いられるとは限らず、長時間未使用のまま保管される可能性がある。その場合、ロール状に巻き直された電極が再吸湿して、一旦乾燥工程を行ったにもかかわらず、電池製造時には再び水分を含んだ状態になってしまうおそれがある。

また、特許文献２に記載された方法では、積層状態の電極およびセパレータは互いに密着しているので、風通しが悪く各層の密着部分全体に十分な通風が行えず、作業効率が悪く長い作業時間が必要である。

そこで、本発明の目的は、効率よく電極からの水分の除去が可能であり、電極群の製造が容易で、しかも、一旦水分が除去された電極が、電池として組み立てられる迄に再吸湿する可能性が小さい、電極群の製造装置および製造方法と電池の製造方法を提供することにある。

本発明の、電極とセパレータとが重ね合わされた電極群の製造装置は、ロール体から電極を繰り出す電極繰り出し部と、ロール体から繰り出された電極を所定の長さに切断するトリミング部と、所定の長さに切断された電極をセパレータと重ね合わせる組立部とを有し、電極繰り出し部とトリミング部の間、および／または、トリミング部と組立部の間に、電極加熱乾燥部を有する。

電極加熱乾燥部は、電極繰り出し部から繰り出された電極をトリミング部に搬送しながら電極を加熱する加熱搬送ローラを含んでいてもよい。また、電極加熱乾燥部は、トリミング部にて所定の長さに切断された電極を組立部に供給する前に一時的に保持しつつ加熱する加熱保持スペースを含んでいてもよい。

本発明の、電極とセパレータとが重ね合わされた電極群の製造方法は、ロール体から電極を繰り出すステップと、繰り出された電極を所定の長さに切断するステップと、所定の長さに切断された電極をセパレータと重ね合わせるステップとを含み、電極を繰り出すステップと電極を切断するステップの間、および／または、電極を切断するステップと電極をセパレータと重ね合わせるステップの間に、電極を加熱する。具体的には、ロール体から繰り出された電極を、加熱搬送ローラによって加熱しながら搬送するステップ、および／または、所定の長さに切断された電極を、セパレータと重ね合わせる前に、一時的に保持しながら加熱するステップをさらに含む。

本発明の電池の製造方法は、前記した電極群の製造方法の各ステップと、電極をセパレータと重ね合わせてなる電極群を、一対の、または折り曲げられた一枚のラミネートフィルムからなる外装体の内部に収容するステップと、外装体の内部に電解液を注入するステップと、外装体を封止するステップと、を含む。

本発明によると、従来から存在する搬送ローラや台を利用して、作業の複雑化および長期化や製造コストの上昇を招くことなく、ごく簡単な構成で容易に電極の水分を除去して、高品質の電池を製造することができる。

（ａ）は本発明によって製造された電池を示す概略平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面図である。 本発明の電池の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の電極群の製造装置を概略的に示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

まず、本発明によって製造される電極群を含む電池の構造について説明する。ここではリチウムイオン電池の例で説明する。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。図１（ａ），１（ｂ）に示すように、本実施形態の電池Ａは、複数の電極１と複数のセパレータ２が交互に配置された多層構造の電極群（電極積層体３）が、互いに接合された１対のラミネートフィルム４からなるパッケージ（外装体）内に封入され、このパッケージ内に電解液６が注入された構成である。なお、本明細書中では、正極１Ａと負極１Ｂをまとめて電極１と総称することがある。

正極１Ａは、アルミニウム等からなる正極集電箔上に、リチウムマンガン酸化物やリチウムニッケル酸化物等の正極活物質が塗布されたものである。負極１Ｂは、銅等からなる負極集電箔上に、黒鉛や非晶質炭素などの炭素系の材料等の負極活物質が塗布されたものである。正極１Ａと負極１Ｂとが、ポリプロピレン等からなるセパレータ２を間に挟んで重なり合うように積み重ねられて、電極積層体３が構成されている。この電極積層体３が１対のラミネートフィルム４に包囲されている。ラミネートフィルム４は、金属層（例えばアルミニウム層）の両面が樹脂層で被覆された構成である。正極１Ａの正極集電箔には正極端子５Ａが電気的に接合され、負極１Ｂの負極集電箔には負極端子５Ｂが電気的に接合されている。そして、図１（ａ），１（ｂ）に示すように、正極端子５Ａと負極端子５Ｂのそれぞれの一部がラミネートフィルム４の外部に突出するようにしつつ、１対のラミネートフィルム４は、周縁部同士が重ね合わされ熱融着等によって互いに接合されている。このように周縁部同士が互いに接合された１対のラミネートフィルム４によって、電極積層体３を収容するパッケージが構成されている。パッケージ内には、ポリカーボーネート、エチレンカーボネート、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等からなる溶媒とＬｉＰＦ₆（六フッ化リン酸リチウム）等の電解質とを含む電解液６が注入されている。

次に、電池Ａの製造方法について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。この電池Ａのうちの電極積層体３の製造には、図３に概略的に示す製造装置が用いられる。なお、以下の説明の一部では、理解を容易にするために、実際には図３に示すように並行して行われることがある、正極１Ａに関する処理と、負極１Ｂに関する処理と、セパレータ２に関する処理とを、順番に記載して説明している。

まず、電極繰り出し部７Ａ，７Ｂに、長尺の正極集電箔上に正極活物質を塗布した上でロール状に巻回された正極ロール体８Ａと、長尺の負極集電箔上に負極活物質を塗布した上でロール状に巻回された負極ロール体８Ｂを用意する。またセパレータ繰り出し部９に、長尺の樹脂シートがロール状に巻回されたセパレータロール体１０を用意する（ステップＳ１）。

電極繰り出し部７Ａにおいて、図示しない繰り出し機構（例えば特許文献３に記載された機構と同様のもの）によって正極ロール体８Ａから正極１Ａを繰り出し（ステップＳ２）、繰り出された正極１Ａを、加熱搬送ローラであるヒータ付き搬送ローラ１１Ａを用いてトリミング部１２Ａに搬送する（ステップＳ３）。ヒータ付き搬送ローラ１１Ａが発熱しながら回転することによって、正極ロール体８Ａから繰り出された正極１Ａは加熱されながら進行する。そして、正極１Ａが、ヒータ付き台１４Ａと上下動する押さえ台１５Ａとによって固定された状態で、トリミング部１２Ａのカッター１３Ａによって所望の長さに切断されると（ステップＳ４）、切断後の正極１Ａは、加熱保持スペースであるヒータ付き台１４Ａ上に置かれた状態となる。ヒータ付き台１４Ａ上に保持されている間、正極１Ａは加熱され乾燥させられて水分が除去される（ステップＳ５）。その後、押さえ台１５Ａを上方に移動させて次のステップに備える。

同様に、電極繰り出し部７Ｂにおいて、図示しない繰り出し機構（例えば特許文献３に記載された機構と同様のもの）によって負極ロール体８Ｂから負極１Ｂを繰り出し（ステップＳ２）、繰り出された負極１Ｂを、加熱搬送ローラであるヒータ付き搬送ローラ１１Ｂを用いてトリミング部１２Ｂに搬送する（ステップＳ３）。ヒータ付き搬送ローラ１１Ｂによって負極１Ｂは加熱されながら進行する。そして、負極１Ｂは、ヒータ付き台１４Ｂと上下動する押さえ台１５Ｂとによって固定された状態で、トリミング部１２Ｂのカッター１３Ｂによって所望の長さに切断される（ステップＳ４）。切断後の負極１Ｂは、加熱保持スペースであるヒータ付き台１４Ｂ上に置かれて保持されている間、加熱され乾燥させられて水分が除去される（ステップＳ５）。その後、押さえ台１５Ｂを上方に移動させて次のステップに備える。

また、セパレータロール体１０からセパレータ２を繰り出し（ステップＳ２）、繰り出されたセパレータ２を、ヒータ無しの搬送ローラ１１Ｃによってトリミング部１２Ｃに搬送する（ステップＳ３）。セパレータ２は、ヒータ無し台１４Ｃと上下動する押さえ台１５Ｃとによって固定された状態で、カッター１３Ｃによって所望の長さに切断され（ステップＳ４）、ヒータ無し台１４Ｃ上に置かれた状態となる（ステップＳ５）。その後、押さえ台１５Ｃを上方に移動させて次のステップに備える。

そして、各台１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ上に置かれた所定の長さの負極１Ｂとセパレータ２と正極１Ａがそれぞれ、搬送手段（例えば可動の真空ポート）１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃに把持されて組立部１６に搬送される。具体的には、組立部１６に、負極１Ｂ、セパレータ２、正極１Ａの順に置かれて重ね合わせられる（ステップＳ６）。なお、真空ポート１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃおよび組立部１６は、従来から公知の様々な構成（例えば特許文献４に記載された構成）を採用することができるので、詳細な説明は省略する。

図１（ｂ）に示す例では、負極１Ｂ、セパレータ２、正極１Ａ、セパレータ２の順番に多数積層されている。従って、１つの電池Ａに収容される全層数（例えば負極１Ｂが３層、セパレータ２が４層、正極１Ａが２層）に到達するまで、負極１Ｂとセパレータ２と正極１Ａの各ロール体８Ａ，８Ｂ，１０からの繰り出しおよび切断と、台１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ上での待機（一時的な保持）と、真空ポート１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃによる組立部１６への搬送が繰り返し行われる。そして、最終的に、図１（ａ），１（ｂ）に示す電極積層体３が完成する。

電極積層体３が完成したら直ちに、この電極積層体３が、周縁部のうちの少なくとも１辺が未融着の１対のラミネートフィルム４からなるパッケージ内に挿入される（ステップＳ７）。そして、このパッケージ内に電解液６が注入される（ステップＳ８）。そして、ラミネートフィルム４の周縁部の未融着部分が融着されて、パッケージが、正極端子５Ａと負極端子５Ｂの挿通部分を除いて完全に封止され、電池Ａが完成する（ステップＳ９）。

本実施形態の搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂは、中空のローラの内部に加熱機構（ヒータ）を内蔵している。従って、ロール体８Ａ，８Ｂから繰り出された電極１（正極１Ａおよび負極１Ｂ）を搬送するという本来の機能に加えて、電極１を加熱して乾燥させるという機能を有している。特に、ロール体８Ａ，８Ｂからの電極１の繰り出しと、所定の長さにするための電極１の切断とのタイミングを、電極１の搬送速度に応じて調整するために、また、搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂの交換作業用のスペースを予め確保するために、電極繰り出し部７Ａ，７Ｂのロール体８Ａ，８Ｂからトリミング部１２Ａ，１２Ｂのカッター１３Ａ，１３Ｂまでの距離が比較的長く必要である。そのため、搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂはそれぞれ複数組設けられており、ヒータ付きの搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂによって電極１を加熱して乾燥させる時間が比較的長い。その結果、電極１からの水分の除去が十分に行える。

また、切断後の電極１をセパレータ２と重ね合わせて電極積層体３を組み立てる前に一時的に保持するための台１４Ａ，１４Ｂも加熱機構（ヒータ）を有しており、電極１は待機している間に加熱されて乾燥させられて水分が除去される。従来、電極１を切断した後にセパレータ２と重ね合わせるまでには多少の待機時間が生じるので、その待機時間を利用して電極１の乾燥を行うことにより、非常に効率よく、作業時間を長くすることなく、電極１からの水分の除去が行える。一例としては、乾燥に利用される待機時間は数秒程度であり、これは、カッター１３Ａ，１３Ｂによる切断の間隔と同じである。

また、ヒータ付き搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂとヒータ付き台１４Ａ，１４Ｂで電極１を加熱する温度は、集電箔や活物質に影響を与えない範囲に設定される。そして、この設定温度で水分を蒸発させ得る程度に、ヒータ付き搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂとヒータ付き台１４Ａ，１４Ｂで電極１を加熱する時間、具体的には、ヒータ付き搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂによる搬送速度と、ヒータ付き台１４Ａ，１４Ｂ上での待機時間が設定される。

本実施形態では、積層される前の電極１の乾燥を行うため、風通しが悪いことはなく、効率よく水分を除去することができる。そして、電極１の乾燥（水分の除去）を行った直後に電極積層体３として外装体内に格納し封止して電池を作製することで、電極１の再吸湿のおそれはほとんど無くなる。

しかも、この構成によると、従来から存在する搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂや一時保持用の台１４Ａ，１４Ｂにヒータを取り付けるだけで、他に部品の追加等は不要である。その結果、作業が複雑になったり、必要な作業時間が長くなったり、製造コストが高くなったりすることはない。従って、ごく簡単な構成で容易に電極１の水分を除去して、高品質の電池Ａを製造することができる。

なお、ヒータ付き搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂとヒータ付き台１４Ａ，１４Ｂとを用いて電極１からの水分の除去を行う構成に限らず、ヒータ付き搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂとヒータ付き台１４Ａ，１４Ｂのいずれか一方のみを設けて水分の除去を行うようにしてもよい。搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂおよび台１４Ａ，１４Ｂに備え付けられているヒータ（加熱機構）は、公知のいかなる構成のものであってもよい。

前記した実施形態では、電極群として、短い電極１およびセパレータ２を多数積層した構成の電極積層体３を製造する場合について説明したが、より長い電極１およびセパレータ２を重ね合わせた状態で折り曲げて多層構造とする、いわゆる巻回型の電極群においても、本発明は有効である。その場合にも、セパレータ２と重ね合わせる前の電極１をヒータ付き搬送ローラ１１Ａ，１１Ｂおよび／またはヒータ付き台１４Ａ，１４Ｂによって加熱することにより、前記した実施形態と同様な効果が得られる。

１ 電極
１Ａ 正極
１Ｂ 負極
２ セパレータ
３ 電極積層体（電極群）
４ ラミネートフィルム
５Ａ 正極端子
５Ｂ 負極端子
６ 電解液
７Ａ，７Ｂ 電極繰り出し部
８Ａ 正極ロール体
８Ｂ 負極ロール体
９ セパレータ繰り出し部
１０ セパレータロール体
１１Ａ，１１Ｂ ヒータ付き搬送ローラ（加熱搬送ローラ）
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ トリミング部
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ カッター
１４Ａ，１４Ｂ ヒータ付き台（加熱保持スペース）
１６ 組立部
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ 搬送手段（真空ポート）
Ａ 電池

Claims (7)

1. 電極とセパレータとが重ね合わされた電極群の製造装置であって、
   ロール体から電極を繰り出す電極繰り出し部と、前記ロール体から繰り出された前記電極を所定の長さに切断するトリミング部と、所定の長さに切断された前記電極をセパレータと重ね合わせる組立部とを有し、
   前記電極繰り出し部と前記トリミング部の間、および／または、前記トリミング部と前記組立部の間に、電極加熱乾燥部を有する、電極群の製造装置。
2. 前記電極加熱乾燥部は、前記電極繰り出し部から繰り出された前記電極を前記トリミング部に搬送しながら該電極を加熱する加熱搬送ローラを含む、請求項１に記載の電極群の製造装置。
3. 前記電極加熱乾燥部は、前記トリミング部にて所定の長さに切断された前記電極を前記組立部に供給する前に一時的に保持しつつ加熱する加熱保持スペースを含む、請求項１または２に記載の電極群の製造装置。
4. 電極とセパレータとが重ね合わされた電極群の製造方法であって、
   ロール体から電極を繰り出すステップと、繰り出された前記電極を所定の長さに切断するステップと、所定の長さに切断された前記電極をセパレータと重ね合わせるステップとを含み、
   前記電極を繰り出すステップと前記電極を切断するステップの間、および／または、前記電極を切断するステップと前記電極を前記セパレータと重ね合わせるステップの間に、前記電極を加熱する、電極群の製造方法。
5. 前記ロール体から繰り出された前記電極を、加熱搬送ローラによって加熱しながら搬送するステップ、および／または、所定の長さに切断された前記電極を、前記セパレータと重ね合わせる前に、一時的に保持しながら加熱するステップをさらに含む、請求項４に記載の電極群の製造方法。
6. 正極および負極を含む複数の前記電極と複数の前記セパレータとからなる電極群を製造する方法であって、
   前記正極と前記負極のそれぞれについて、各々のロール体から繰り出すステップと、所定の長さに切断するステップと、加熱しながら搬送するステップおよび／または加熱しながら一時的に保持するステップと、を行い、
   前記電極を前記セパレータと重ね合わせるステップでは、前記負極、前記セパレータ、前記正極、前記セパレータの順番に順次重ね合わせる、請求項５に記載の電極群の製造方法。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の電極群の製造方法の各ステップと、前記電極をセパレータと重ね合わせてなる前記電極群を、一対の、または折り曲げられた一枚のラミネートフィルムからなる外装体の内部に収容するステップと、前記外装体の内部に電解液を注入するステップと、前記外装体を封止するステップと、を含む電池の製造方法。

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