JP2014513384A - ジェリーロールタイプの電極組立体を製造するためのマンドレル - Google Patents

Abstract

カソード／セパレータ／アノード構造の長いシートタイプの積層体を用いたジェリーロールタイプの電極組立体を製造する際の巻き取り工程に使用されるマンドレルである。マンドレルは、マンドレルの回転中心軸に垂直な断面が楕円形であり、マンドレルの短軸に対する長軸長さの割合は、１．５以上である。マンドレルの外側面の傾斜は、マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、マンドレルの短軸の端からマンドレルの長軸の端まで、連続的に変化しており、これにより、マンドレルは、シートタイプの積層体の端部をマンドレルの中央領域にはめ込んだ状態で、マンドレルの一定な速度回転でマンドレルに巻き取る際に、マンドレルの長軸の端からシートタイプの積層体に作用する巻き取り応力を低減させる楕円構造を有する。

Description

本発明は、ジェリーロールタイプの電極組立体を製造するために使用するマンドレルに関し、より詳細には、カソード／セパレータ／アノード構造の長いシートタイプの積層体を用いたジェリーロールタイプの電極組立体を製造するための巻き取り工程に使用するマンドレルである。マンドレルは、該マンドレルの回転中心軸に垂直な断面が楕円形であり、該マンドレルの短軸に対する長軸の長さの割合は、１．５以上である。マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、マンドレルの短軸の端から該マンドレルの長軸の端まで、該マンドレルの外側面の傾斜は連続的に変化しており、該マンドレルは楕円構造を有する。

移動体装置がますます開発されるにつれて、そうした移動体装置に対する要求が増大してきている。二次電池に対する要求もこうした移動体装置に対するエネルギー源として急激に増加している。こうした二次電池の中で、高エネルギー密度と高い放電電圧を持つリチウム二次電池があり、多くの研究がなされ、現在商用として広く使用されている。

バッテリーケースの形状によって、二次電池は、円筒形の金属容器に電極組立体が装着された円筒電池、角柱状の金属容器に電極組立体が装着された角柱状電池、又は、アルミニウムの積層シートから形成されたパウチ形のケースに電極組立体が装着されたパウチ形電池に分類される。

また、バッテリーケースに装着される電極組立体はカソード／セパレータ／アノードからなる電力生成素子であり、充放電が可能である。電極組立体は、活性物質が塗布された長いシートタイプのカソードと長いシートタイプのアノードが、セパレータが該カソードとアノードの間に配置される形で巻かれた構造を有するジェリーロールタイプの電極組立体と、所定の大きさを持った複数のカソードと所定の大きさを持った複数のアノードが、該カソードとアノードの間にそれぞれセパレータを配置する形で順次に積層された構造を有する積層形電極組立体と、積層形のユニットセルを長いセパレーションフィルムを用いて巻いた積層／折り曲げ形の電極組立体に分類されるジェリーロールタイプの電極組立体は、ジェリーロールタイプの電極組立体が製造が容易であることと、重量当たりの高いエネルギー密度を持つ点で、利点を持っている。

一方、電極組立体を製造するために使用される従来のマンドレルは、図１に示すように、垂直断面が六角形９２又は角度を持った楕円形状であった。また、従来のマンドレルは全体が単一金属で作られていた。従来のマンドレルは以下のような問題を有する。

第１に、Ｙ軸速度変化がＸ軸速度変化より大きい、即ち、電極のようなシートタイプの積層体をマンドレル９０の回転中にマンドレル９０上に巻き取る時の線速度の変化である。

また、マンドレル９０の回転中に最大回転半径を持つこととなるマンドレル９０の長軸の端９６と接触する、シートタイプの積層体の折れ曲がり部分に力が集中し、シートタイプの積層体がマンドレルと接触しようとする際に、シートタイプの積層体の折り曲げ部分で加速度が増大して、シートタイプの積層体の折れ曲がり部分に作用する衝撃力が増大する。

更に、シートタイプの積層体の折れ曲がり部分での線速度の変化とシートタイプの積層体の折れ曲がり部分に作用する衝撃力が、シートタイプの積層体の残留応力を増加させる。引き続く処理、即ちジェリーロール電極組立体の圧縮工程で生成される応力が、シートタイプの積層体の折れ曲がり部分に更に作用すると、シートタイプの積層体の折れ曲がり部分は破損してしまい、電池の安全性が低下する。

従って、上記した問題を基本的に解決する技術が非常に必要となる。
[開示]
[技術的な課題]

従って、本発明は、上記した問題及び他の解決すべき技術的な問題を解決すべく為されたものである。

上記した問題を解決するための広範囲で徹底的な多様な研究と実験の結果、本発明の発明者は、マンドレルの回転中心軸に垂直な断面が楕円のマンドレルであって、該マンドレルの短軸に対する長軸の長さの割合は所定の値以上であり、該マンドレルは、マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、マンドレルの外側面の傾斜がマンドレルの短軸の端からマンドレルの長軸の端まで連続的に変化する滑らかな楕円構造体に形成されているマンドレルを開発した。加えて、本発明により、マンドレルが一定速度で回転している間にマンドレルの長軸の端からシートタイプの積層体に作用する巻き取り応力は、シートタイプの積層体を、シートタイプの積層体の端部をマンドレルの中央領域にはめ込んだ状態でマンドレル上に該シートタイプの積層体を巻き取ることで、大いに低減されることが、判明した。本発明は、これらの研究成果に基づいて完成された。
[技術的な解決]

本発明の一つの観点に基づいて、上記した及び他の目的が、カソード／セパレータ／アノード構造の長いシートタイプの積層体を用いたジェリーロールタイプの電極組立体を製造するための、巻き取り工程で使用されるために作られたマンドレルの供給により達成される。該マンドレルは、該マンドレルの回転中心軸に垂直な断面が楕円であり、マンドレルの短軸に対する長軸の長さの割合が１．５以上で有り、マンドレルの外側面の傾斜は、該マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、該マンドレルの短軸の端から該マンドレルの長軸の端まで連続的に変化している楕円構造となっている。そのため、シートタイプの積層体が該マンドレルの中央領域にはめ込まれ、巻き取られる際、該マンドレルが一定速度で回転している間に、マンドレルの長軸の端からシートタイプの積層体に作用する巻き取り応力を低減させる

本発明によるマンドレルは、マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、緩やかな曲線を持った楕円形状に形成されている。従って、マンドレルの断面は、該マンドレルの回転中心を中心とした楕円の方程式によって描かれる曲線により決定され、従って、シートタイプの積層体がマンドレルに巻き取られる際に、線速度変化は最小となり、シートタイプの積層体の応力の発生を減らすことが出来る。

具体的な例として、従来のマンドレル９０は、図１に示すように、マンドレル９０の回転中心軸９４に垂直な断面が、六角形９２に形成されていた。このため、マンドレルにシートタイプの積層体を巻き取る際に生じる、直線的な動きは、一定の半径が設定されていないマンドレルの回転運動により制御され、シートタイプの積層体の応力は、そのときに生じる加速度の減少による力の変化により、不均一なものとなる。

例えば、シートタイプの積層体のＸ軸速度Ｖｘの変化を補正する大きさに対して理論的に計算される補正値は、１８０度のサイクルを持った関数として表される。しかしながら、実際、１８０度の地点に、微分が出来ない、異なる傾き角を持った点が存在する。変位が微分され、速度が得られ、それにより速度が即座に変わる場所が生まれる。このことは、加速度が急激に変わることを意味し、これにより衝撃の大きさが増大する。

このことは、マンドレルが楕円断面でなく六角形の断面で回転することによる生じる現象と考えることが出来る。即ち、シートタイプの積層体がマンドレルに巻き取られる際に生じるシートタイプの積層体のＸ軸速度Ｖｘは、理論的には、sinθに比例するようである。しかしながら、実際には、最大値は、θ＝９０度の時に生じることは無く、９０度未満で発生する。例えば、約８０度の角度において生じる。これは、最大値が回転運動の円に対して接する位置に存在するからと考えられる。

一方、本発明よるマンドレルは、該マンドレルの回転中心軸に垂直な断面が滑らかな楕円形状に形成されている。従って、変化が急激なマンドレルの長軸の端であっても力の変化は、従来のマンドレルのそれよりも遙かに小さい。その結果、シートタイプの積層体の折り曲げ部分に作用する応力を低減して、同時に該シートタイプの積層体に作用する全体の巻き取り応力を均一化することが出来る。

上記したように、マンドレルの回転中心軸を基準にした該マンドレルの短軸に対する長軸の長さ割合は１．５又はそれ以上である。もし、該マンドレルの短軸に対する長軸の長さ割合が１．５未満の場合、上述の現象は小さなものとなる。従って、本発明は、長軸と短軸の相対的な長さの幅が上記した条件を満たすマンドレルに適用される。好ましくは、マンドレルの短軸に対する長軸の長さの割合は、１．５から４である。

好ましい実施例では、マンドレルは、シートタイプの積層体の端部がはめ込まれた該マンドレルの中央領域の一方の側に位置する第１マンドレル部と、該マンドレルの中央領域の他方の側に位置する第２マンドレル部に分かれる。従って、第１マンドレル部と第２マンドレル部の間の距離を調整することができ、これによりジェリーロールタイプの電極組立体の大きさを簡単に調整することが出来る。

上記した構造では、第１マンドレル部と第２マンドレル部はそれぞれ、シートタイプの積層体が係合状態ではめ込まれる領域を持った本体部と、マンドレルの長軸の端を有するエッジ部を有している。

上記した構造の例では、エッジ部は本体部の弾性係数より低い弾性係数を有する材料から形成されている。従って、シートタイプの積層体がマンドレルに巻かれる際にエッジ部とシートタイプの積層体の間の接触によって生じる衝撃量を低減することが出来、これによりシートタイプの積層体へのダメージ及びシートタイプの積層体の残留応力を低減することが出来る。好ましくは、エッジ部は本体部の弾性係数の０．００１から０．５倍の弾性係数を有する。

即ち、エッジ部では、弾性係数が低いので、高い弾性係数を有する本体部よりも小さな強度で高い伸縮性を発揮する。

例えば、本体部の弾性係数は、好ましくは１９０から２１０Ｇｐａであり、エッジ部の弾性係数は、好ましくは０．４から３Ｇｐａである。より好ましくは、エッジ部の弾性係数は１から３Ｇｐａである。

好適な実施例では、本体部は金属材料で形成され、エッジ部はプラスチックで形成されている。

金属材料は、代表的にはステンレス（ＳＵＳ）及び合金工具鋼（ＳＫＤ）を使用した鋼を含むが、金属材料はこれに限られない。

多様なプラスチック材料を使用することが出来る。例えば、優れた耐摩耗性及び自己潤滑による高い耐久性を持ったエンジニアリングプラスチック材を使用することが出来る。エンジニアリングプラスチック材は、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンオキサイド（ＭＰＰＯ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのグループから選択されるが、エンジニアリングプラスチック材はこれに限られない。

本体部とエッジ部を一体にした場合には、マンドレルの製造工程数を低減することが出来る。

前にも述べたように、マンドレルは、該マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、該マンドレルの短軸の端から該マンドレルの長軸の端まで、マンドレルの外側面の傾斜が連続的に変化する滑らかな楕円構造を持っている。これは、マンドレルの短軸の端とマンドレルの長軸の端の間で、傾斜変化の無い領域は無い構造を意味している。その結果、マンドレルは、マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、長軸及び短軸を含んだやや長い形状で形成されている。そしてマンドレルは、その外側面において、傾斜が連続的かつ穏やかに変化する構造を有している。

実施例では、マンドレルの長軸の端の曲率半径は、マンドレルの短軸の長さの１／３より小さくなることはなく、マンドレルの短軸の端の曲率半径は、マンドレルの長軸の長さの１．５倍より小さくなることはない。好ましくは、マンドレルの長軸の端の曲率半径は、マンドレルの短軸の長さの１／３から１倍であり、マンドレルの短軸の端の曲率半径は、マンドレルの長軸の長さの１．５から３倍である。

状況に応じて、マンドレルの回転中心軸を基準に互いに対向する第１マンドレル部の側と第２マンドレル部の対応する側は、マンドレルにシートタイプの積層体をはめ込んだ状態でマンドレルが回転した際に、シートタイプの積層体に接触するマンドレルの側が破壊されないテーパ構造とすることができる。テーパ構造の角度は、特に規定しないが、例えば、約１０から６０度である。

本発明の別の観点によると、上記した構造を持ったマンドレルを使用して製造されたジェリーロールタイプの電極組立体を有する、角柱状リチウム二次電池を提供することができる。

カソード／セパレータ／アノード構造のシートタイプの積層体がマンドレルに巻かれた後、マンドレルが除去される。製造されたジェリーロールタイプの電極組立体は圧縮され、角柱状の金属容器に装着される。リチウム電解液は、電極組立体内に注入され、電極組立体はシールされ、角柱状リチウム二次電池が製造される。

本発明による角柱状リチウム二次電池では、ジェリーロールタイプの電極組立体を製造する巻き取り工程で、マンドレルの長軸の端からシートタイプの積層体に作用する巻き取り応力を低減することが出来る。従って、ジェリーロールタイプの電極組立体を圧縮して角柱状の金属容器内に組み込む場合、電極組立体の部分が破損する問題を解決することが出来、同時に、角柱状リチウム二次電池の高い性能を維持し、該バッテリーの使用中におけるバッテリーの安全性を確保することが出来る。

また、垂直断面が楕円構造を持ったマンドレルを用いてシートタイプの積層体を上述したように巻き取ることで、垂直な断面が円形構造を有する従来形のマンドレルを用いて、シートタイプの積層体を巻き取って得られる電極組立体と比較して、垂直な断面において適切な角柱形状を維持することの出来る電極組立体を得ることが出来る。従って、本発明は、角柱状二次電池の製造に特に適している。

本発明に関連するジェリーロールタイプの電極組立体を用いたバッテリーの他の要素及びそれを製造する方法は、当業者には良く知られているので、詳細なその説明は省略する。
[有用な効果]

上記した説明からも明らかなように、本発明によるマンドレルは、該マンドレルの回転中心軸に垂直な断面で楕円形であり、マンドレルの短軸に対する長軸の長さの割合は所定の値以上である。また、マンドレルは、該マンドレルの外側面の傾斜が、マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、マンドレルの短軸の端からマンドレルの長軸の端まで連続的に変化する穏やかな楕円構造を有している。従って、該マンドレルの中央領域にシートタイプの積層体の端部をはめ込んだ状態で巻き取る際、マンドレルを均一な回転速度で回転させる間に、、マンドレルの長軸の端からシートタイプの積層体に作用する巻き取り応力を大幅に低減することが出来、バッテリーの安全性を確保することが出来る。
[図面の説明]

本発明の上記した目的及び他の目的、特徴及び他の利点などは、以下に添付した図面に関連して為される詳細な記述により、より明確に理解されることとなる。

図１は、従来のマンドレルを示す断面図。

図２は、本発明の実施例によるマンドレルを示す断面図。
図３は、本発明の実施例によるマンドレルを示す断面図。

図４は、図２に示したマンドレルの右側面図。
[発明の詳細な説明]

以下、添付した図面を参照して本発明の例示的な実施例を詳細に述べる。しかし、本発明の範囲は図示された実施例に限定されるものでは無い。

図２及び図３は、本発明の実施例によるマンドレルを模式的に示す断面図であり、図４は、図２のマンドレルの右側面を模式的に示す図である。

図によれば、マンドレル１００は、マンドレル１００の回転中心軸３０に垂直な断面が楕円形であり、マンドレル１００の長軸の長さＨは、マンドレル１００の短軸の長さＤの約二倍である。

また、マンドレル１００は、マンドレル１００の回転中心軸３０に垂直な断面において、マンドレル１００の外側面の傾斜がマンドレル１００の短軸の端５２からマンドレル１００の長軸の端５４まで連続的に変化しているなだらかな楕円構造を有する。従って、シートタイプの積層体（図示せず）の端部がマンドレル１００の中心領域に位置する凹んだ部分４０にはめ込まれる形で、巻かれる際、マンドレル１００の長軸の端５４からシートタイプの積層体に伝わる巻き付け応力は、マンドレル１００の一定速度回転中、減少される。

凹んだ部分４０は、シートタイプの積層体の端部を保持し、また、開放することのできる構造を有する。

マンドレル１００は、シートタイプの積層体の端部がはめ込まれるマンドレル１００の中央領域の右側に位置する第１マンドレル部１０と、該マンドレル１００の中央領域の左側に位置する第２マンドレル部２０とに分かれている。

第１マンドレル部１０と第２マンドレル部２０は、シートタイプの積層体が係合状態ではめ込まれる領域を含む本体部１４及び、マンドレル１００の長軸の端５４を含むエッジ部１２を、それぞれ有している。場合によって、エッジ部１２は、所定の厚さの塗布層で、本体部１４の一部を被覆しても良い。

本体部１４は、金属材料で形成されており、エッジ部１２は、本体部１４よりも弾性係数の低いプラスチック材料から形成されている。

また、本体部１４とエッジ部１２は全体的に一体化されている。マンドレル１００の回転中心軸３０に垂直な断面では、マンドレル１００の短軸の端５２とマンドレル１００の長軸の端５４の間では、傾斜変化の無い領域は存在しない。即ち、曲線が、マンドレル１００の短軸の端５２からマンドレル１００の長軸の端５４まで、連続的に形成されている。

マンドレル１００の長軸の端５４の曲率半径ｒは、マンドレル１００の短軸の長さＤの約半分であり、マンドレル１００の短軸の端５２の曲率半径Ｒは、マンドレル１００の長軸の長さＨの約１．５倍である。

また、第１マンドレル部１０と第２マンドレル部２０の対応面は、マンドレル１００の回転中心軸３０を中心にして互いに向き合っており、テーパ構造１６を有している。これにより、シートタイプの積層体がマンドレル１００にはめ込まれた状態で、マンドレル１００が回転しても、シートタイプの積層体と接触する面は壊れない。

一方、本体部１４とエッジ部１２は、はめ込み締結構造を形成している。

本発明の好適な実施例が説明的な目的で開示されたが、添付したクレームに述べられた発明の精神と範囲から逸脱しない範囲で、当業者ならば多様な変更、追加、置き換えが可能である。

Claims (13)

1. カソード／セパレータ／アノード構造の長いシートタイプの積層体を用いた、ジェリーロール型電極組立体を製造するための巻き取り工程で使用されるマンドレルであって、該マンドレルは、
   該マンドレルの回転中心軸に垂直な断面が楕円形であり、該マンドレルの長軸の短軸に対する長さの割合が、１．５以上であり、
   前記シートタイプの積層体の端部を該マンドレルの中央領域にはめ込んだ状態で巻き取る際に、該マンドレルを一定速度で回転させている間、マンドレルの長軸の端からシートタイプの積層体に作用する巻き取り応力を低減させるように、前記マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、該マンドレルの外側面の傾斜は、マンドレルの短軸の端からマンドレルの長軸の端まで連続的に変化しており、楕円構造を持つように構成したことを特徴とするマンドレル。
2. 前記マンドレルの短軸に対する長軸の長さの割合は、１．５から４である、請求項１のマンドレル。
3. 前記マンドレルは、シートタイプの積層体の端部がはめ込まれる前記マンドレルの中央領域の、一方の側に配置される第１マンドレル部と、他方に配置される第２マンドレル部に分割されている、
   請求項１のマンドレル。
4. 前記第１マンドレル部と前記第２マンドレル部は、それぞれ前記シートタイプの積層体が係合状態ではめ込まれる領域を有する本体部と、該マンドレルの長軸の端を有するエッジ部からなる、請求項３のマンドレル。
5. 前記エッジ部は、前記本体部の弾性係数よりも小さな弾性係数の材料から形成されている、請求項４のマンドレル。
6. 前記本体部は、金属材料で形成されており、前記エッジ部はプラスチック材料で形成されている、請求項４のマンドレル。
7. 前記エッジ部は、エンジニアリングプラスチック材で形成されている、請求項６のマンドレル。
8. 前記エンジニアリングプラスチック材は、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンオキサイド（ＭＰＰＯ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなるグループから選択された材料である、請求項７のマンドレル。
9. 前記本体部と前記エッジ部は、一体的に形成されている、請求項４のマンドレル。
10. 前記マンドレルの回転中心軸に垂直な断面において、該マンドレルの短軸の前記端と該マンドレルの長軸の前記端の間で、傾斜変化の無い部分は無い、請求項１のマンドレル。
11. 前記マンドレルの長軸の前記端の曲率半径は、該マンドレルの短軸の長さの１／３より小さくはなく、該マンドレルの短軸の前記端の曲率半径は、前記マンドレルの長軸の長さの１．５倍より小さくはない、請求項１のマンドレル。
12. 前記マンドレルの回転中心軸を基準にして互いに向き合った、前記第１マンドレル部の側と前記第２マンドレル部の対応する側は、シートタイプの積層体と接触する該マンドレルの側が、前記シートタイプの積層体を該マンドレル内にはめ込んだ状態で回転した際に壊れないように、テーパ構造を有している、請求項３のマンドレル。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載のマンドレルを用いて製造されたジェリーロールタイプの電極組立体を有する、角柱状リチウム二次電池。

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