JP2015230825A

JP2015230825A - プレス装置

Info

Publication number: JP2015230825A
Application number: JP2014116496A
Authority: JP
Inventors: 雄一平川; Yuichi Hirakawa
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-12-21

Abstract

【課題】プレス後の塗工部の厚みのばらつきを抑えることができるプレス装置を提供すること。【解決手段】プレス装置４０は、電極材料１７を一定の隙間を空けて挟み、塗工部１８をプレスする第１のプレスロール４４ａ及び第２のプレスロール４４ｂと、一対のプレスロール４４ａ，４４ｂ間の隙間を維持するシム４７とを有する。また、プレス装置４０は、電極材料１７の搬送方向Ｘ２における一対のプレスロール４４ａ，４４ｂより上流側に配置された厚み検出部４８と、プレスロール４４ａ，４４ｂがプレスする塗工部１８に加わるプレス荷重を調節する油圧シリンダ５０と、厚み検出部４８の検出結果に基づいて、油圧シリンダ５０を制御する制御部６０とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、電極材料を、塗工部の面に交差する方向からプレスするプレス装置に関する。

蓄電装置の一種である二次電池としては、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池などが知られている。例えば、リチウムイオン二次電池は、ケースを備えるとともに、このケース内に、金属箔に活物質層を備える正極の電極及び負極の電極を積層、又は捲回した電極組立体を備える。各極の電極の製造は、まず、活物質、導電剤、溶媒及びバインダを混合した活物質合剤を、長尺状の金属箔（集電体）の表面に塗布して塗工部を形成するとともに、金属箔と、塗工部とを有する電極材料を形成する。

次に、活物質層の密度を高めるために、塗工部をプレスする（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の製造方法では、プレスロール間の隙間を一定として塗工部をプレスしている。その後、電極材料を電極の外形に沿う形状に切断すると、高密度化された塗工部から活物質層が形成されるとともに、金属箔からタブ等が形成されて電極が製造される。

特開平１１−２１３９８８号公報

ところで、特許文献１のように、一対のプレスロール間の隙間を一定に維持してプレスした場合、プレス前の塗工部において、相対的に厚みの厚い部位と薄い部位が併存していると、プレス後の塗工部であっても、相対的に厚みの厚い部位と薄い部位が併存し、塗工部の厚みがばらついてしまう。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、プレス後の塗工部の厚みのばらつきを抑えることができるプレス装置を提供することにある。

上記問題点を解決するためのプレス装置は、長尺状の集電体の少なくとも一面に活物質合剤の塗工部を有し、かつ長手方向に搬送される電極材料を、前記塗工部の面に交差する方向からプレスするプレス装置であって、前記電極材料を一定の隙間を空けて挟み、前記塗工部をプレスする一対のプレスロールと、一対のプレスロール間の隙間を維持する隙間維持部材と、前記電極材料の搬送方向における前記一対のプレスロールより上流側に配置された厚み検出部と、前記プレスロールがプレスする塗工部に加わるプレス荷重を調節する荷重調節部と、前記厚み検出部の検出結果に基づいて、前記荷重調節部を制御する制御部とを有することを要旨とする。

このプレス装置では、プレスする前の塗工部の厚みを厚み検出部で検出し、その厚みを制御部にフィードフォワードする。そして、隙間維持部材によってプレスロール間の隙間を一定に維持した状態で、制御部によって荷重調節部を制御し、プレスロールから塗工部に加えるプレス荷重を調節する。すなわち、プレス前の塗工部において、相対的に厚みの厚い部位に対しては、プレスロール間の隙間を隙間維持部材で一定に維持したままの状態で、加えるプレス荷重を増やし、相対的に厚みの薄い部分に対しては、プレスロール間の隙間を隙間維持部材で一定に維持したままの状態で、加えるプレス荷重を減らす。その結果、塗工部の厚みに応じたプレス荷重が塗工部に加わり、プレス後の塗工部の厚みのばらつきを抑えることができる。

このプレス装置は、プレスロール間の隙間を隙間維持部材で一定に維持したまま、荷重調節部によって塗工部に加えるプレス荷重を調節する。このため、プレスロール間の隙間調節ができないプレス装置であっても、プレスロール間を塗工部が通過する際に、厚みに応じてプレス荷重を調節することで、塗工部の厚みがばらつかないように塗工部をプレスすることができる。

また、プレス装置について、前記塗工部は、プレスロールによって基準範囲の厚みにプレスされ、プレス前の塗工部の厚みが基準範囲の上限に近付く程、塗工部に加わるプレス荷重が大きくなるように前記荷重調節部が制御され、プレス前の塗工部の厚みが基準範囲の下限に近付く程、塗工部に加わるプレス荷重が小さくなるように前記荷重調節部が制御される。

これによれば、塗工部の厚みが、基準範囲内でばらつくことを抑制することができる。
また、プレス装置について、前記荷重調節部は、油圧シリンダであるのが好ましい。
これによれば、油圧シリンダにより、プレス荷重を簡単に調節することができる。

本発明によれば、プレス後の塗工部の厚みのばらつきを抑えることができる。

実施形態の電極を示す斜視図。電極製造用の生産設備を示す模式図。プレス装置を模式的に示す側面図。プレス装置を示す模式図。油圧と塗工部の厚みとの関係を示すグラフ。

以下、プレス装置を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
蓄電装置としての二次電池は、図示しないが、外観が角型をなす角型電池であり、リチウムイオン電池である。二次電池は、ケース内に電極組立体を備える。電極組立体は、複数の正極の電極と、複数の負極の電極とが、両者の間を絶縁した状態で交互に積層された積層タイプである。

図１に示すように、二次電池用の電極１０は、矩形状の金属箔１１と、金属箔１１の両面に設けられた矩形状の活物質層１２とを備えている。電極１０は、その一辺に沿って、活物質層１２が設けられず、金属箔１１が露出した未塗工部１２ａを有する。そして、電極１０において、未塗工部１２ａの一部には、集電タブ１４が突出する状態に設けられている。

図２又は図３に示すように、上記構成の電極１０の製造方法は、長尺状の集電体としての長尺金属箔１６の片面に活物質合剤を塗布する塗工工程を有する。この塗工工程では、長尺金属箔１６の片面に活物質合剤の塗工部１８が形成され、長尺金属箔１６と塗工部１８とを有する電極材料１７が形成される。また、電極１０の製造方法は、電極材料１７の塗工部１８を乾燥する乾燥工程と、塗工部１８をプレスするプレス工程と、電極材料１７を電極１０の形状に切断する成形工程とを有する。

図２に示すように、電極１０を製造するための生産設備２０は、上述の塗工工程と、乾燥工程を行うための設備であり、活物質合剤を長尺金属箔１６に塗布して塗工工程を行う塗工装置２３と、塗工部１８を乾燥して乾燥工程を行う乾燥装置３０とを有する。なお、活物質合剤には、活物質、導電剤、バインダ、及び溶媒を混練したものが用いられる。

生産設備２０は、供給ロール２１を有し、この供給ロール２１には、長尺金属箔１６が巻装されている。供給ロール２１は、図示しない支持装置によって回転可能に支持されている。また、生産設備２０は、巻取ロール２２を有し、この巻取ロール２２は、図示しない支持装置によって回転可能に支持されるとともに、一定の回転速度で回転する。さらに、生産設備２０は、長尺金属箔１６を支持する複数の搬送ローラ２９を有する。そして、供給ロール２１から供給された長尺金属箔１６が、巻取ロール２２に巻き取られることにより、長尺金属箔１６は、搬送ローラ２９によって支持されながら搬送方向Ｘ１に沿って搬送される。

塗工装置２３はスリットダイ２３ａを備え、このスリットダイ２３ａの吐出口（図示せず）は、長尺金属箔１６の片面に対向配置されている。なお、塗工装置２３において、活物質合剤の塗工方式は、スリットダイ方式以外でもよい。そして、塗工工程では、スリットダイ２３ａの吐出口から長尺金属箔１６の片面に活物質合剤が連続的に塗布され、長尺金属箔１６の一面には、長尺金属箔１６の長手方向に延びる長尺状の塗工部１８が形成される。その結果、長尺金属箔１６と塗工部１８を有する電極材料１７が形成される。

乾燥装置３０は乾燥機３０ａを備え、乾燥機３０ａは熱源からの熱により空気を加熱し、熱風を供給する。そして、乾燥工程では、乾燥機３０ａの内部に供給された熱風により、乾燥機３０ａを通過する長尺金属箔１６上の塗工部１８の乾燥を行う。これにより、活物質合剤に含まれる溶媒が蒸発するとともに、熱によりバインダの硬化が始まり、活物質や導電助剤が相互に固定される。なお、図示しないが、この後、長尺金属箔１６の他面にも上記と同様の方法で塗工部１８を形成し、乾燥する。すると、長尺金属箔１６の両面に塗工部１８を有する電極材料１７が形成される。なお、両面に塗工部１８を有する電極材料１７は、電極供給リールに巻き取られる。

図３に示すように、プレス工程は、プレス装置４０によって行われ、電極材料１７の両面に形成された塗工部１８が所定の密度になるまで圧縮される。その後、電極材料１７は、成形工程によって、所定形状に切断され、塗工部１８から活物質層１２が形成されるとともに、塗工部１８以外の部分から未塗工部１２ａ及び集電タブ１４が形成され、電極１０が製造される。

次に、プレス装置４０について説明する。
図３に示すように、プレス装置４０は、電極供給リール４１を有し、この電極供給リール４１は、両面に塗工部１８の形成された電極材料１７を巻き取ったものである。また、プレス装置４０は、電極巻取リール４２を有し、この電極巻取リール４２は、電極供給リール４１から供給された電極材料１７を巻き取る。そして、電極巻取リール４２に電極材料１７が巻き取られることで、電極材料１７は搬送方向Ｘ２に搬送される。

また、プレス装置４０は、二つのテンションローラ４３を有する。二つのテンションローラ４３のうち、搬送方向Ｘ２上流側のテンションローラ４３によって、電極供給リール４１から供給された電極材料１７は、横方向に搬送されるように向きが変更される。さらに、電極材料１７は、搬送方向Ｘ２下流側のテンションローラ４３によって、下方に向かうように向きが変更され、電極巻取リール４２に巻き取られる。そして、２つのテンションローラ４３の間では、電極材料１７は長手方向が横方向に沿ってほぼ直線状に延び、かつテンションローラ４３によって張りが与えられた状態で搬送される。

図３又は図４に示すように、プレス装置４０は、電極材料１７を上下方向から挟む第１のプレスロール４４ａ及び第２のプレスロール４４ｂと、第１のプレスロール４４ａと第２のプレスロール４４ｂとの間の隙間を一定に維持するシム４７と、搬送方向Ｘ２におけるプレスロール４４ａ，４４ｂの上流側に配置された厚み検出部４８とを有する。また、プレス装置４０は、塗工部１８に加わる荷重を調節する荷重調節部としての油圧シリンダ５０と、油圧シリンダ５０を含めて作動油を制御する制御部６０と、を有する。なお、第１のプレスロール４４ａは、電極材料１７の上方に配置され、第２のプレスロール４４ｂは、電極材料１７の下方に配置されている。

一対のプレスロール４４ａ，４４ｂは、同一のロール径（直径）を有するとともに、同一の軸長を有し、同じものである。プレスロール４４ａ，４４ｂは、円筒状のロール部４５ａと、ロール部４５ａと一体回転する回転軸４５ｂと、を有する。各回転軸４５ｂの軸方向の両端部は、ベアリングボックス４６に回転可能に支持されている。そして、第１のプレスロール４４ａのベアリングボックス４６と、第２のプレスロール４４ｂのベアリングボックス４６との間にはシム４７が介装され、このシム４７によって両プレスロール４４ａ，４４ｂ間の隙間が一定に維持されている。よって、本実施形態では、シム４７が、第１のプレスロール４４ａと第２のプレスロール４４ｂとの隙間を一定に維持する隙間維持部材となる。

荷重調節部として油圧シリンダ５０は、シリンダチューブ５１に内蔵されたピストン５２と、ピストン５２に連結されたロッド５３とを有する。ロッド５３は、シリンダチューブ５１内でのピストン５２の移動に応じてシリンダチューブ５１から出没可能である。ロッド５３におけるシリンダチューブ５１からの突出端は、第２のプレスロール４４ｂのベアリングボックス４６に連結されている。

プレス装置４０は、作動油の給排を制御し、油圧シリンダ５０が加えるプレス荷重を調節する制御部６０を有する。制御部６０は、コントロール弁５７を有し、コントロール弁５７は、油圧シリンダ５０への作動油の給排量を制御する。制御部６０は、厚み検出部４８の検出した厚みに応じてコントロール弁５７の開度を調節する。

制御部６０には、コントロール弁５７の開度を調節するためのプログラムが予め記憶されている。このプログラムでは、厚み検出部４８が塗工部１８の厚みを検出すると、その厚みに基づき、塗工部１８に加えるプレス荷重を演算し、さらに、演算されたプレス荷重を塗工部１８に加えるためにコントロール弁５７の開度を演算する。なお、プレス荷重は、油圧シリンダ５０によって第２のプレスロール４４ｂを塗工部１８に向けて押圧することによって塗工部１８に加えられる。よって、塗工部１８に加わるプレス荷重は、油圧シリンダ５０に対する作動油の供給量、すなわち、油圧シリンダ５０の油圧によって決定され、コントロール弁５７の開度が大きいほど、プレス荷重が大きくなる。

制御部６０は、第１油路５８ａ及び第２油路５８ｂを介して油タンク５９と接続されている。また、第１油路５８ａには油圧ポンプ５８ｃが接続されている。なお、油圧ポンプ５８ｃは図示しない駆動源によって駆動される。また、制御部６０は、第３油路５８ｄを介して各油圧シリンダ５０と接続されている。そして、作動油は、油圧ポンプ５８ｃに接続されている第１油路５８ａを通ってコントロール弁５７に流れ、コントロール弁５７から第３油路５８ｄを介して油圧シリンダ５０の油室に供給される。なお、油圧シリンダ５０の油室から排出された作動油は、コントロール弁５７から第２油路５８ｂを介して油タンク５９に排出される。

そして、上記構成のプレス装置４０によって、塗工部１８には、その面に交差する方向（直交方向）からプレス荷重が加えられ、塗工部１８はプレスされる。プレス後の塗工部１８の厚みは、予め規定された厚みの基準範囲に収められるとともに、長手方向に沿ってほぼ一定の厚みである。なお、基準範囲の厚みとは、塗工部１８によって形成された活物質層１２が所定の密度にまで圧縮され、かつ所定の電池容量を確保できるために規定された厚みのことである。

塗工部１８の厚みは、活物質合剤が長尺金属箔１６に塗工された時の目付量によって決まってくる。なお、目付量とは、塗工部１８における単位面積当たりの重さのことである。塗工装置２３によって塗工された塗工部１８は、基準範囲の厚みとなるように塗工されるが、目付量が変動する。そして、目付量が多いほど、プレス前の塗工部１８の厚みは厚く、目付量が小さいほど、プレス前の塗工部１８の厚みは薄くなり、プレス前の塗工部１８には、相対的に厚みの厚い部分と薄い部分とが併存している。

そして、図５に示すように、プレス前の塗工部１８に対し、上述基準範囲の厚みを前提として予め設定されたプレス荷重が加えられてプレスされる。この基準範囲の中央値の厚みを前提として予め設定されたプレス荷重を基準プレス荷重とする。しかし、プレス前の塗工部１８は、目付量が変動し、厚みが、基準範囲内で変動する。このため、プレス装置４０によるプレス時には、プレス前の塗工部１８の厚みに応じて、塗工部１８に加えるプレス荷重が調節される。すなわち、プレス前の塗工部１８の厚みに応じて、加えるプレス荷重を基準プレス荷重から変動させる。そして、プレスされる前の塗工部１８の厚みが、基準範囲の上限での厚みに近付くほど、加えられるプレス荷重は基準プレス荷重より大きくなり、油圧シリンダ５０の油圧は大きくなる。一方、プレスされる前の塗工部１８の厚みが、基準範囲の下限での厚みに近付くほど、加えられるプレス荷重は基準プレス荷重より小さくなり、油圧シリンダ５０の油圧は小さくなる。

次に、プレス装置４０の作用をプレス工程とともに説明する。
図３に示すように、搬送方向Ｘ２に搬送される電極材料１７において、厚み検出部４８によって、プレス前の塗工部１８の厚みを検出する。厚み検出部４８が検出した厚みに関する信号は、制御部６０に出力される。厚みに関する信号を入力した制御部６０は、厚みに応じてコントロール弁５７の開度を演算する。そして、制御部６０は、演算した開度となるようにコントロール弁５７の開度を調節する。作動油は、油圧ポンプ５８ｃに接続されている第１油路５８ａを通ってコントロール弁５７に流れ、コントロール弁５７から第３油路５８ｄを介して油圧シリンダ５０の油室に供給される。なお、油圧シリンダ５０の油室から排出された作動油は、コントロール弁５７から第２油路５８ｂを介して油タンク５９に排出される。そして、油圧シリンダ５０の油室に供給された作動油の量、すなわち油圧に応じたプレス荷重が、塗工部１８に加わり、塗工部１８はプレスされる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）プレス装置４０では、厚み検出部４８によって、プレス前の塗工部１８の厚みを検出し、検出した厚みに応じて、油圧シリンダ５０によって塗工部１８に加えるプレス荷重を調節する。このプレス装置４０は、第１のプレスロール４４ａと第２のプレスロール４４ｂの隙間をシム４７で一定に維持した状態で、塗工部１８に加えるプレス荷重を調節して塗工部１８のプレスを行う。よって、塗工部１８の厚み毎にプレス荷重を調節して塗工部１８をプレスすることができ、塗工部１８の厚みのばらつきを抑えることができる。

（２）プレス装置４０は、プレスロール４４ａ，４４ｂ間の隙間をシム４７で一定に維持しており、隙間調節はできないが、プレス荷重の調節を行うことで塗工部１８の厚みのばらつきを抑制している。よって、隙間調節のできないプレス装置４０であっても塗工部１８の厚みに応じたプレスを行うことができ、使用できるプレス装置４０が限られない。

（３）例えば、プレス後の塗工部１８の厚みをフィードバックして、それ以降の塗工部１８の厚みを基準範囲に収めるようにした場合、塗工部１８において、プレス後から厚み測定までの部分の厚みにばらつきが生じる虞がある。しかし、プレスする前の塗工部１８の厚みに基づいてプレス荷重を調節し、塗工部１８の厚みを基準範囲に収めるようにする。このため、塗工部１８の全体に亘って、厚みのばらつきを抑えることができる。

（４）塗工部１８の厚みが基準範囲の上限での厚みに近付くほど、プレス荷重を基準プレス荷重より大きくし、基準範囲の下限での厚みに近付くほど、プレス荷重を基準プレス荷重より小さくする。よって、塗工部１８の厚みが基準範囲の厚みに収まるように塗工部１８に対して必ずプレス荷重が加えられ、塗工部１８を高密度化することができる。

（５）荷重調節部として油圧シリンダ５０を採用した。油圧シリンダ５０は、作動油の給排量の調節によって、プレス荷重を簡単に調節できる。よって、油圧シリンダ５０によって、塗工部１８の厚みに応じたプレスを簡単に行うことができる。

（６）塗工部１８は、長尺金属箔１６の長手方向に連続して形成されている。このため、塗工部１８は、長手方向に沿って目付量が変動しやすく、厚みが変動しやすい。このような塗工部１８において、厚み毎にプレス荷重を調節してプレスするため、塗工部１８の長手方向の全体に亘り、厚みのばらつきを抑えることができる。

（７）プレス装置４０を用いたプレス工程により、塗工部１８の厚みを基準範囲の厚みにすることができる。このため、電極材料１７から得られる電極１０において、活物質層１２を高密度化した基準範囲での厚みとすることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 荷重調節部として油圧シリンダ５０を採用したが、これに限らず、荷重調節部は適宜変更してもよい。また、油圧シリンダ５０の代わりに、空気圧シリンダを採用してもよい。

○ プレス装置４０として、プレスロール４４ａ，４４ｂ間の隙間を、隙間維持部材としてのシム４７を用いて一定の隙間に維持するようにしたが、プレスロール４４ａ，４４ｂ間の隙間を維持する隙間維持部材としては、クサビでもよいし、プレスロール４４ａ，４４ｂに設けられたねじ機構であってもよい。

○ 電極材料１７は片面だけに塗工部１８が設けられたものであってもよい。
○ 実施形態では、長尺金属箔１６の長手方向に連続して塗工部１８を設けたが、長尺金属箔１６の長手方向に間隔を空けて塗工部１８を形成してもよい。

○ 集電体は、塗工部１８が形成できるものであれば、長尺金属箔１６に限定されるものではない。例えば、織物状や網状のシートを用いてもよい。
○ ニッケル水素二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電装置に用いる電極の製造時にプレス装置４０を採用してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記電極材料は、蓄電装置としての二次電池の電極を製造するための材料である。

（ロ）前記塗工部は、前記集電体の長手方向に連続して形成される。

Ｘ２…搬送方向、１６…集電体としての長尺金属箔、１７…電極材料、１８…塗工部、４０…プレス装置、４４ａ，４４ｂ…プレスロール、４５…厚み検出部、４７…隙間維持部材としてのシム、５０…荷重調節部としての油圧シリンダ、６０…制御部。

Claims

長尺状の集電体の少なくとも一面に活物質合剤の塗工部を有し、かつ長手方向に搬送される電極材料を、前記塗工部の面に交差する方向からプレスするプレス装置であって、
前記電極材料を一定の隙間を空けて挟み、前記塗工部をプレスする一対のプレスロールと、
一対のプレスロール間の隙間を維持する隙間維持部材と、
前記電極材料の搬送方向における前記一対のプレスロールより上流側に配置された厚み検出部と、
前記プレスロールがプレスする塗工部に加わるプレス荷重を調節する荷重調節部と、
前記厚み検出部の検出結果に基づいて、前記荷重調節部を制御する制御部とを有するプレス装置。
前記塗工部は、プレスロールによって基準範囲の厚みにプレスされ、プレス前の塗工部の厚みが基準範囲の上限に近付く程、塗工部に加わるプレス荷重が大きくなるように前記荷重調節部が制御され、プレス前の塗工部の厚みが基準範囲の下限に近付く程、塗工部に加わるプレス荷重が小さくなるように前記荷重調節部が制御される請求項１に記載のプレス装置。
前記荷重調節部は、油圧シリンダである請求項１又は請求項２に記載のプレス装置。