JP2015207457A - 電極積層装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極積層体の上面が湾曲状となっている場合でも、電極への打痕及び電極の位置ズレを発生させること無く、電極積層体に電極を積み重ねることができる電極積層装置を提供する。【解決手段】電極２を積層状態で収容する電極収容部３と、電極２を保持する電極保持ユニット９と、電極収容部３に収容された電極積層体６に向けて光を照射する投光器１４と、投光器１４から照射された光を受光する受光器１５と、電極収容部３を昇降させる昇降駆動部１６と、電極収容部３を昇降方向に平行な軸回りに回転させる回転駆動部１７と、電極収容部３を下降させるように昇降駆動部１６を制御し、電極収容部３を回転させるように回転駆動部１７を制御すると共に、受光器１５の受光信号に基づいて電極積層体６の上端位置を検出する積層体上端検出部１９とを備えている電極積層装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、電極を積層する電極積層装置に関するものである。

リチウムイオン二次電池等の二次電池を製造する場合、帯状の金属箔に活物質スラリーを塗工して活物質層を形成し、その活物質層をプレスした後、活物質層が形成された金属箔を所定の形状に打ち抜くことで、電極を形成する。そして、正極電極及び負極電極がセパレータを介して交互に積層されてなる電極組立体を形成する。電極組立体を形成するときは、例えば特許文献１に記載されているように、各載置部に載置された正極電極、負極電極及びセパレータを搬送装置により保持した状態で積層部まで搬送し、積層部において正極電極、負極電極及びセパレータを順次積層する。載置部には、打ち抜き工程で形成された同極の電極が積層状態で載置されている。

特開２０１２−５６６４８号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、搬送装置の吸着部により電極を吸着保持した状態で、載置部に載置された電極積層体に電極を積み重ねる際に、電極積層体に電極が完全に接した状態で電極を吸着部より離すと、吸着部の押し込みにより電極に打痕（傷）が生じることがある。一方、電極が電極積層体より上方に離れた位置にある状態で電極を吸着部より離すと、電極積層体に対する電極の位置ズレが生じることがある。従って、電極積層体の上端位置を検出し、電極が電極積層体の上端に接する直前で電極を離すようにすることが望ましい。しかし、活物質層を形成する工程は、金属箔をロール状に巻いた状態で実施される。このため、打ち抜き工程で得られる電極は、カール状（湾曲状）となる。電極がカール状になっていると、電極積層体の上面が湾曲状となるため、電極積層体の向き及び形状によっては電極積層体の上端位置を検出することが困難になることがある。この場合には、電極積層体に新たな電極を積み重ねる際に、電極に打痕が生じたり、電極積層体に対する電極の位置ズレが生じてしまう。

本発明の目的は、電極積層体の上面が湾曲状となっている場合でも、電極への打痕及び電極の位置ズレを発生させること無く、電極積層体に電極を積み重ねることができる電極積層装置を提供することである。

本発明は、電極を積層台に順次積層して電極積層体を形成する電極積層装置において、積層台に載置された電極積層体に積み重ねられる電極を保持する電極保持手段と、電極積層体に向けて光を照射する投光部と、積層台を挟んで投光部と対向するように配置され、投光部から照射された光を受光する受光部と、積層台を昇降させる昇降駆動手段と、積層台を積層台の昇降方向に平行な軸回りに回転させる回転駆動手段と、投光部から照射された光を受光部で受光したかどうかを判断することで、電極積層体の上端位置を検出する上端検出手段と、上端検出手段により電極積層体の上端位置が検出されると、電極積層体に電極を積み重ねるように電極保持手段を制御する積層制御手段とを備えることを特徴とするものである。

このような本発明の電極積層装置において、積層台に載置された電極積層体に新たな電極を積み重ねる際、まず電極積層体の上端位置を検出する。具体的には、投光部より電極積層体に向けて光を照射すると共に、電極積層体が載置された積層台を下降させる。このとき、投光部からの光が電極積層体に当たると、投光部からの光が受光部で受光されることは無いため、電極積層体の上端位置ではないと判断される。一方、投光部からの光が電極積層体に当たらずに受光部で受光されるようになると、電極積層体の上端位置であると判断される。ただし、電極積層体の上面が凹状に湾曲している場合には、電極積層体の角度（向き）によっては投光部からの光が電極積層体の上端部（エッジ部）を通過しないことがある。また、電極積層体の上面が凸状に湾曲している場合には、電極積層体の角度及び形状によっては投光部からの光が電極積層体の上端部（頂部）を通過しないことがある。

そこで、電極積層体が載置された積層台を下降させると共に９０度以上回転させることにより、電極積層体の上面が凹状に湾曲していても、投光部からの光が電極積層体の上端部（エッジ部）を必ず通過するようになる。また、電極積層体が載置された積層台を下降させると共に９０度以上回転させることにより、電極積層体の上面が凸状に湾曲していても、投光部からの光が電極積層体の上端部（頂部）を必ず通過するようになる。従って、電極積層体の上面が湾曲状になっている場合でも、電極積層体の上端位置を確実に検出することができる。これにより、電極積層体に電極を積み重ねる際に、電極保持手段により保持された電極を電極積層体の上端に接する直前で離すようにすることで、電極に打痕（傷）が生じることを防止できると共に、電極積層体に対する電極の位置ズレが生じることを防止できる。

本発明によれば、電極積層体の上面が湾曲状となっている場合でも、電極への打痕及び電極の位置ズレを発生させること無く、電極積層体に電極を積み重ねることができる。このように電極への打痕の発生が防止されるため、電極の品質が高くなる。また、電極積層体に対する電極の位置ズレの発生が防止されるため、後工程において電極積層体から電極を取り出しやすくなる。

本発明に係る電極積層装置の一実施形態を示す構成図である。 二次電池の製造工程を示すフローチャートである。 図１に示した積層体上端検出部による検出処理手順の詳細を示すフローチャートである。 電極積層体の上面が凹状に湾曲している場合に、電極積層体の上端位置を検出する様子を示す概念図である。 電極積層体が上面が凸状に湾曲している場合に、電極積層体の上端位置を検出する様子を示す概念図である。

以下、本発明に係る電極積層装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る電極積層装置の一実施形態を示す構成図である。本実施形態の電極積層装置１は、二次電池を製造するときの一工程である積層工程（後述）において使用される。なお、二次電池は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。二次電池は、表面に活物質層が形成された正極電極及び負極電極がセパレータを介して交互に積層されてなる電極組立体を有している。正極電極及び負極電極には、活物質層が形成されていないタブも設けられている。

図２は、二次電池の製造工程を示すフローチャートである。同図において、まず塗工工程が実施される（工程Ｓ１０１）。塗工工程では、ロール状に巻かれた帯状の金属箔を繰り出し、その金属箔の表面に活物質スラリーを間欠的または連続的に塗工して活物質層を形成する。

正極の金属箔は、例えばアルミニウム箔であり、負極の金属箔は、例えば銅箔である。活物質スラリーは、活物質、バインダ、溶剤等を含んでいる。正極の活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄が用いられる。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。負極の活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素が用いられる。溶剤としては、例えばＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）、メタノール、メチルイソブチルケトン等の有機溶剤、水が用いられる。

次いで、乾燥工程が実施される（工程Ｓ１０２）。乾燥工程では、金属箔の表面に形成された活物質層を加熱して乾燥させる。これにより、活物質スラリー中に含まれる溶剤が除去される。

次いで、プレス工程が実施される（工程Ｓ１０３）。プレス工程では、帯状の金属箔の表面に形成された活物質層をロールにより所定の圧力でプレスする。これにより、活物質層の密度が高くなる。

次いで、外観検査工程が実施される（工程Ｓ１０４）。外観検査工程では、活物質層の表面状態をカメラ等で確認し、良品及び不良品の判定を行う。

次いで、打ち抜き工程が実施される（工程Ｓ１０５）。打ち抜き工程では、打ち抜き機を用いて、活物質層が形成された金属箔を所定の形状に打ち抜くことで、正極電極及び負極電極を形成する。

次いで、積層工程が実施される（工程Ｓ１０６）。積層工程では、打ち抜き工程で得られた正極電極及び負極電極をそれぞれ異なる電極収容部に順次積層する。なお、積層工程については、後で詳述する。

次いで、組み立て工程が実施される（工程Ｓ１０７）。組み立て工程では、正極電極及び負極電極を各電極収容部から取り出し、正極電極、負極電極及びセパレータを積層して電極組立体を作製する。そして、正極電極及び負極電極のタブに導電部材をそれぞれ溶接する。

図１に戻り、本実施形態の電極積層装置１は、上記の積層工程において使用される。電極積層装置１は、打ち抜き工程で得られた電極２を積層状態で収容する電極収容部３と、ガイドレール４に沿って移動可能であり、電極２を搬送する搬送機５とを備えている。電極収容部３は、積層状態の電極２（電極積層体６という）が載置される積層台７と、この積層台７に立設され、電極積層体６を位置決めするための複数の支柱８とを有している。

搬送機５は、電極２を保持する電極保持ユニット（電極保持手段）９と、この電極保持ユニット９を昇降させる昇降シリンダ１０と有している。電極保持ユニット９は、ユニット本体１１と、このユニット本体１１の下面に取り付けられた複数（例えば４つ）の吸着パッド１２と、各吸着パッド１２に吸引力を発生させる減圧ポンプ１３とを有している。減圧ポンプ１３を作動させると、各吸着パッド１２により電極２が吸着保持され、減圧ポンプ１３の作動を停止させると、各吸着パッド１２による電極２の吸着保持が解除される。

また、電極積層装置１は、投光器（投光部）１４と、電極収容部３を挟んで投光器１４と対向するように配置された受光器（受光部）１５とを備えている。投光器１４は、電極収容部３に収容された電極積層体６に向けて光を照射する。受光器１５は、投光器１４から照射された光を受光する。投光器１４及び受光器１５は、電極収容部３に収容された電極積層体６の上端位置を検出するために使用される。

さらに、電極積層装置１は、電極収容部３を昇降させる昇降駆動部（昇降駆動手段）１６と、電極収容部３を当該電極収容部３の昇降方向に平行な軸回りに回転させる回転駆動部（回転駆動手段）１７と、投光器１４、受光器１５、昇降駆動部１６及び回転駆動部１７と接続されたコントローラ１８とを備えている。

コントローラ１８は、積層体上端検出部（上端検出手段）１９と、電極積層制御部（積層制御手段）２０とを有している。

積層体上端検出部１９は、投光器１４から光を照射させた状態で、電極収容部３を下降させるように昇降駆動部１６を制御し、電極収容部３を回転させるように回転駆動部１７を制御すると共に、受光器１５の受光信号に基づいて電極積層体６の上端位置を検出する。

図３は、積層体上端検出部１９による検出処理手順の詳細を示すフローチャートである。なお、電極収容部３は、予め電極２を電極積層体６に積層する高さ位置（積層高さ位置）にあるものとする。積層高さ位置は、電極保持ユニット９により保持された電極２が電極積層体６に対して相対的に下降したときに、電極２が電極積層体６の上端に当たる直前の高さ位置である。電極２が電極積層体６に積層されると、投光器１４から照射された光が当該電極２に当たるため、最新の電極積層体６の上端位置を検出するためには、電極積層体６を下降させる必要がある。

図３において、まず電極積層体６が収容された電極収容部３を所定量（例えば数ｍｍ程度）だけ下降させるように昇降駆動部１６を制御する（手順Ｓ２０１）。続いて、電極積層体６が収容された電極収容部３を昇降方向に平行な軸回りに９０度スキャン回転させるように回転駆動部１７を制御する（手順Ｓ２０２）。

そして、受光器１５の受光信号に基づいて、投光器１４から照射された光が受光器１５で受光されたかどうかを判定する（手順Ｓ２０３）。投光器１４から照射された光が受光器１５で受光されないときは、投光器１４から照射された光が電極積層体６の側面に当たって反射されたということである。この場合には、電極積層体６の上端位置が検出されていないという事で、手順Ｓ２０１，Ｓ２０２を再度実行する。

投光器１４から照射された光が受光器１５で受光されたときは、投光器１４から照射された光が電極積層体６の上端の僅か上を通過したということである。この場合には、電極積層体６の上端位置が検出されたものと判断される（手順Ｓ２０４）。そして、電極積層体６の上端位置が検出された旨の信号を電極積層制御部２０に送出する。なお、本処理手順の終了後には、次の電極２の積層に備えて、電極積層体６は最初の角度（向き）に戻される。

電極積層制御部２０は、積層体上端検出部１９により電極積層体６の上端位置が検出されると、電極保持ユニット９により保持された電極２が上記の積層高さ位置まで下降するように昇降シリンダ１０を制御した後、減圧ポンプ１３の作動を停止させるように制御する。これにより、各吸着パッド１２による電極２の吸着が解除されるため、電極２が各吸着パッド１２からリリースされ、電極２が電極積層体６に積み重ねられることになる。

ところで、上記の塗工工程〜プレス工程は、帯状の金属箔をロール状に巻いた状態で実施されるため、打ち抜き工程によって得られる電極２は、カール状（湾曲状）となってしまう。つまり、図４に示すように、電極２が上方に凹状に湾曲した状態で積層されたり、図５に示すように、電極２が上方に凸状に湾曲した状態で積層されてしまう。

このとき、図４（ａ）に示すように、電極積層体６の上面が投光器１４及び受光器１５の対向方向に沿って凹状に湾曲している場合には、電極積層体６を昇降させると、投光器１４から照射された光が電極積層体６の上端部（エッジ部）６ａを通過する。しかし、図４（ｂ）に示すように、電極積層体６の上面が投光器１４及び受光器１５の対向方向に対して垂直な方向に沿って凹状に湾曲している場合には、電極積層体６を昇降させても、投光器１４から照射された光が電極積層体６の上端部（エッジ部）６ａを通過することが無い。このため、電極積層体６の上端位置を検出することができない。

また、図５（ａ）に示すように、電極積層体６の上面が投光器１４及び受光器１５の対向方向に沿って凸状に湾曲している場合には、電極積層体６を昇降させると、投光器１４から照射された光が電極積層体６の上端部（頂部）６ｂを通過する。また、図５（ｂ）に示すように、電極積層体６の上面が投光器１４及び受光器１５の対向方向に対して垂直な方向に沿って凸状に湾曲している場合でも、電極積層体６の頂部６ｂが光の通過ラインに対応する部分に設けられていれば、電極積層体６を昇降させると、投光器１４から照射された光が電極積層体６の上端部（頂部）６ｂを通過する。しかし、電極積層体６の頂部６ｂが光の通過ラインに対応する部分からずれて設けられていると、電極積層体６を昇降させても、投光器１４から照射された光が電極積層体６の上端部（頂部）６ｂを通過することが無い。このため、電極積層体６の上端位置を検出することができない。

このように電極積層体６の上端位置を検出することができないと、以下の不具合が発生する。即ち、各吸着パッド１２に吸着された電極２が電極積層体６に完全に接した状態で、各吸着パッド１２から電極２をリリースしたり、或いは各吸着パッド１２に吸着された電極２が電極積層体６より上方に離れた状態で、各吸着パッド１２から電極２をリリースすることがある。電極２が電極積層体６に接した状態で電極２を各吸着パッド１２からリリースすると、吸着パッド１２の押し込みにより電極２に打痕（傷）が生じることがある。また、電極２が電極積層体６より上方に離れた状態で電極２を各吸着パッド１２からリリースすると、電極２の落下中に電極積層体６に対する電極２の位置ズレが生じることがある。

これに対し本実施形態では、電極収容部３を昇降方向に平行な軸回りに回転させる回転駆動部１７を設け、電極積層体６を９０度スキャン回転させるようにしたので、電極積層体６の向き（角度）及び形状にかかわらず、電極積層体６の上端位置を検出することができる。

具体的には、図４（ｂ）に示すように、電極積層体６の上面が投光器１４及び受光器１５の対向方向に対して垂直な方向に沿って凹状に湾曲している場合でも、電極積層体６を９０度回転させる（図４（ａ）参照）ことで、投光器１４から照射された光が電極積層体６の上端部（エッジ部）６ａを通過可能となる。これにより、電極積層体６の上端位置を検出することができる。また、図５（ｂ）に示すように、電極積層体６の上面が投光器１４及び受光器１５の対向方向に対して垂直な方向に沿って凸状に湾曲している場合でも、電極積層体６を９０度回転させる（図５（ａ）参照）ことで、投光器１４から照射された光が電極積層体６の上端部（頂部）６ｂを通過可能となる。これにより、電極積層体６の上端位置を検出することができる。

このように電極積層体６の上面が湾曲状となっていても、電極積層体６の上端位置を確実に検出できるので、次の電極２を電極積層体６に積み重ねる際に、電極２が電極積層体６に干渉する手前の高さ位置で各吸着パッド１２から電極２を離すことができる。これにより、吸着パッド１２の押し込みにより電極２に打痕（傷）が生じることが防止されるため、電極２の品質を向上させることができる。また、電極積層体６に対する電極２の位置ズレが生じることが防止されるため、その後の組み立て工程において電極保持ユニット９により電極２を電極積層体６から取りやすくなる。さらに、電極２の位置ズレが防止されるため、電極２が電極収容部３の支柱８に当たって損傷することが無く、この点でも電極２の品質を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、電極積層体６の上端位置を検出する際に、電極積層体６が載置された積層台７を上下方向に平行な軸回りに９０度スキャン回転させるようにしたが、積層台７をスキャン回転させる角度としては、特に９０度には限られず、例えば１８０度や３６０度でも良い。

また、上記実施形態では、電極積層体６に電極２を積み重ねる際に、電極保持ユニット９により保持された電極２を積層高さ位置まで下降させるようにしたが、特にその形態には限られず、電極積層体６が収容された電極収容部３を積層高さ位置まで上昇させても良いし、或いは投光器１４及び受光器１５を積層高さ位置に対応する位置に設置することで、電極２及び電極積層体６の何れも昇降させないようにしても良い。

さらに、上記実施形態は、打ち抜き工程で得られた電極２を電極収容部３の積層台７に順次積層する積層工程において使用される装置であるが、本発明は、正極電極、負極電極及びセパレータを積層して電極組立体を作製する組み立て工程において使用される装置にも適用可能である。

また、上記実施形態は、リチウムイオン二次電池等の二次電池を製造する工程において使用される装置であるが、本発明は、特に二次電池には限られず、例えば電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等の蓄電装置を製造する工程において使用される装置にも適用可能である。

１…電極積層装置、２…電極、６…電極積層体、７…積層台、９…電極保持ユニット（電極保持手段）、１４…投光器（投光部）、１５…受光器（受光部）、１６…昇降駆動部（昇降駆動手段）、１７…回転駆動部（回転駆動手段）、１８…コントローラ、１９…積層体上端検出部（上端検出手段）、２０…電極積層制御部（積層制御手段）。

Claims (1)

1. 電極を積層台に順次積層して電極積層体を形成する電極積層装置において、
   前記積層台に載置された前記電極積層体に積み重ねられる電極を保持する電極保持手段と、
   前記電極積層体に向けて光を照射する投光部と、
   前記積層台を挟んで前記投光部と対向するように配置され、前記投光部から照射された光を受光する受光部と、
   前記積層台を昇降させる昇降駆動手段と、
   前記積層台を前記積層台の昇降方向に平行な軸回りに回転させる回転駆動手段と、
   前記投光部から照射された光を前記受光部で受光したかどうかを判断することで、前記電極積層体の上端位置を検出する上端検出手段と、
   前記上端検出手段により前記電極積層体の上端位置が検出されると、前記電極積層体に前記電極を積み重ねるように前記電極保持手段を制御する積層制御手段とを備えることを特徴とする電極積層装置。
   

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