JP2019139961A - 積層電極体の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺状のセパレータ材の上に電極を載置する際に、セパレータ材のしわの上に電極が載置されることを抑制し、セパレータ材と電極との間の相対的な位置の精度を向上させる。【解決手段】セパレータ４３と電極４１とを積層した単位電極体４４が複数積層された構造を有する積層電極体の製造装置１００は、長尺状のセパレータ材４０を一方向に送るセパレータ材送り部２３と、セパレータ材４０の電極載置予定位置に気体を吹き付ける気体吹き付け部２４と、気体が吹き付けられたセパレータ材４０の幅方向の位置を認識する認識部として機能する第２の撮像部２５と、第２の撮像部２５によって認識されたセパレータ材４０の幅方向の位置に基づいて、セパレータ材４０の上に電極を載置する電極載置部２６と、セパレータ材４０と電極４１とを接着する接着部２９と、セパレータ材４０を電極４１の周囲で切断して、単位電極体４４を作製する切断部３０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、セパレータと電極とを積層した単位電極体が複数積層された構造を有する積層電極体の製造装置に関する。

電池の電極体として、正極と負極がセパレータを介して交互に複数積層された構造を有する積層電極体が知られている。

そのような積層電極体の製造方法として、特許文献１には、長尺状のセパレータ材、正極、長尺状のセパレータ材および負極を順に積層してから所定の形状となるように切断して単位構造体を作製し、作製した単位構造体を複数積層することによって、積層電極体を製造する方法が記載されている。

特表２０１５−５２８６２９号公報

ここで、特許文献１の積層電極体の製造方法において、長尺状のセパレータ材にしわが生じる場合がある。しわは、特に、厚みが薄いセパレータ材を用いると生じやすくなる。

しわのあるセパレータ材の上に電極が載置されて、その後の工程で電極とセパレータ材が接着されると、セパレータにしわが残る状態となり、品質不良の要因となる。また、電極を載置したときにしわが伸びても、しわがセパレータ材の幅方向に伸びると、セパレータ材の幅方向の端部に対する電極の相対的な位置が変化してしまい、単位構造体を積層したときに、積層ずれが生じるという問題が発生する。

本発明は、上記課題を解決するものであり、長尺状のセパレータ材の上に電極を載置する際に、セパレータ材のしわの上に電極が載置されることを抑制し、セパレータ材と電極との間の相対的な位置の精度を向上させることができる積層電極体の製造装置を提供することを目的とする。

本発明の積層電極体の製造装置は、
セパレータと電極とを積層した単位電極体が複数積層された構造を有する積層電極体の製造装置において、
長尺状のセパレータ材を一方向に送るセパレータ材送り部と、
前記セパレータ材の電極載置予定位置に気体を吹き付ける気体吹き付け部と、
気体が吹き付けられた前記セパレータ材の幅方向の位置を認識する認識部と、
前記認識部によって認識された前記セパレータ材の幅方向の位置に基づいて、前記セパレータ材の上に前記電極を載置する電極載置部と、
前記セパレータ材と、その上に載置された前記電極とを接着する接着部と、
前記セパレータ材を前記電極の周囲で切断して、前記単位電極体を作製する切断部と、
を備えることを特徴とする。

前記認識部は、前記セパレータ材の幅方向における端部の位置を認識できるように、少なくとも前記セパレータ材の前記端部を撮像する撮像装置であってもよい。

上述した積層電極体の製造装置は、
前記電極が載置されるときに、前記セパレータ材および前記電極を下から支持する支持ステージと、
前記セパレータ材の鉛直方向の位置が前記支持ステージの上面よりも高い位置となるように、前記セパレータ材の鉛直方向の位置を調整する位置調整部と、
をさらに備えていてもよい。

前記支持ステージは、気体が吹き付けられた前記セパレータ材を吸着する吸着機構を有していてもよい。

本発明の積層電極体の製造装置によれば、長尺状のセパレータ材に気体を吹き付けてしわを伸ばしてから、セパレータ材の幅方向の位置を認識し、認識されたセパレータ材の幅方向の位置に基づいて、セパレータ材の上に電極を載置するので、セパレータ材のしわの上に電極が載置されることを抑制し、かつ、セパレータ材と電極との間の相対的な位置の精度を向上させることができる。その結果、複数の単位電極体が位置ずれなく積層された積層電極体を製造することが可能になる。

積層電極体の構造を示す断面図である。 一実施形態における積層電極体の製造装置の構成を示す側面図である。 補助ローラおよび支持ステージが設けられている位置の拡大図である。 電極を載置する位置を説明するための平面図である。 一実施形態における積層電極体の製造装置の要部の動作を説明するための図である。

以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところを具体的に説明する。

まず初めに、積層電極体の製造装置によって製造される積層電極体の構造について説明する。積層電極体は、例えば、リチウムイオン電池などの電池に用いられる。

図１は、積層電極体１０の構造を示す断面図である。積層電極体１０は、正極１１と負極１２がセパレータ１３を介して交互に複数積層された構造を有する。

正極１１は、アルミニウムなどの金属箔からなる正極集電体と、正極集電体の両面に形成された正極活物質層とを備える。正極活物質層には、正極活物質として例えばコバルト酸リチウムを含有することができる。積層電極体１０の積層方向における最も外側に正極が存在する場合、最も外側に位置する正極は、正極集電体の片面にのみ正極活物質層が形成されている構成であってもよい。

負極１２は、銅などの金属箔からなる負極集電体と、負極集電体の両面に形成された負極活物質層とを備える。負極活物質層には、負極活物質として例えば黒鉛を含有することができる。積層電極体１０の積層方向における最も外側に負極が存在する場合、最も外側に位置する負極は、負極集電体の片面にのみ負極活物質層が形成されている構成であってもよい。負極１２の形状および大きさは、正極１１の形状および大きさと同じであってもよいし、異なっていてもよい。

セパレータ１３は、例えば、絶縁性に優れたポリプロピレン製の微多孔性薄膜によって構成することができる。

上述したような構造を有する積層電極体１０は、例えば、セパレータ１３に正極１１が接着した単位電極体と、セパレータ１３に負極１２が接着した単位電極体とを交互に複数積層することにより作製することができる。

図２は、一実施形態における積層電極体の製造装置１００の構成を示す側面図である。一実施形態における積層電極体の製造装置１００は、搬送部２１と、第１の撮像部２２と、セパレータ材送り部２３と、気体吹き付け部２４と、第２の撮像部２５と、電極載置部２６と、補助ローラ２７と、支持ステージ２８と、接着部２９と、切断部３０とを備える。

搬送部２１は吸着部２１ａを有し、ベルトコンベア３１で運ばれてくる電極４１を、吸着部２１ａで吸着し、位置補正ステージ３２上に搬送する。電極４１は、正極１１または負極１２である。

吸着部２１ａは、後述する第１の撮像部２２によって、位置補正ステージ３２と搬送部２１によって挟まれた状態の電極４１を、搬送部２１の上方から撮像できるように、少なくとも一部が透明な部位を有する。吸着部２１ａは、全てが透明であってもよい。

第１の撮像部２２は、搬送部２１によって位置補正ステージ３２上に載置され、位置補正ステージ３２と搬送部２１の吸着部２１ａとで挟まれた状態の電極４１を、吸着部２１ａの透明な部位を介して上方から撮像する。このとき、撮像画像中の電極４１の位置および傾きが把握できるのであれば、電極４１の全てを撮像する必要はなく、その一部、例えば端部が撮像できればよい。

位置補正ステージ３２は、図２の紙面と直交する方向であるＹ軸方向、および、位置補正ステージ３２の中心軸Ｃ１周りの回転方向であるθ方向に移動可能なように構成されている。位置補正ステージ３２は、第１の撮像部２２によって撮像された電極４１の画像に基づいて、Ｙ軸方向およびθ方向のうちの少なくとも一方向に移動することによって、位置補正ステージ３２上の電極４１の位置および傾きを補正できるように構成されている。

なお、位置補正ステージ３２の移動は、図示しないアクチュエータによって行われる。

セパレータ材送り部２３は、ロール状に巻かれている長尺状のセパレータ材４０を巻き出して、一方向に送る。ただし、セパレータ材送り部２３は、セパレータ材４０の送り動作と停止動作を繰り返すように構成されている。より具体的には、セパレータ材送り部２３は、セパレータ材４０を所定の距離だけ送ると一旦停止させ、その後再び所定の距離だけ送るような態様で、間欠的にセパレータ材４０を一方向に送るように構成されている。

ここでは、セパレータ材４０を間欠的に所定の距離ずつ送る距離を１ピッチと呼ぶ。すなわち、セパレータ材送り部２３は、セパレータ材４０を１ピッチ送ると一旦停止させ、その後再び１ピッチ送るように構成されている。

補助ローラ２７は、セパレータ材４０の鉛直方向の位置が後述する支持ステージ２８の上面よりも高い位置となるように、セパレータ材４０の鉛直方向の位置を調整する位置調整部として機能する。

図３は、補助ローラ２７および支持ステージ２８が設けられている位置の拡大図である。補助ローラ２７は、支持ステージ２８よりも、セパレータ材４０の送り方向手前に設けられている。

図３に示すように、補助ローラ２７の上端２７Ｃは、支持ステージ２８の上面２８Ｃよりも高い位置に位置する。これにより、補助ローラ２７の上端２７Ｃに当接して一方向に送り出されるセパレータ材４０と、支持ステージ２８の上面２８Ｃとの間には、隙間が生じる。

位置補正ステージ３２上で位置および傾きが補正された電極４１は、後述する電極載置部２６によって、セパレータ材４０の上、より詳しくは、セパレータ材４０のうち、支持ステージ２８の上方に位置する部分の上に載置される。

気体吹き付け部２４は、セパレータ材４０の電極載置予定位置に気体を吹き付ける。気体は、例えば圧縮空気である。気体の吹き付け前にセパレータ材４０にしわが生じていたとしても、気体を吹き付けることにより、しわを伸ばすことができる。これにより、セパレータ材４０のしわの上に電極４１が載置されることを抑制することができる。

支持ステージ２８は、セパレータ材４０の下方に位置し、電極４１が載置されるときに、セパレータ材４０および電極４１を下から支持する。

また、支持ステージ２８は、気体吹き付け部２４によって気体が吹き付けられたセパレータ材４０を吸着する吸着機構を有する。支持ステージ２８によって吸着されることにより、気体が吹き付けられたセパレータ材４０は、しわが伸びた状態で位置固定される。ここでは、セパレータ材４０を吸引することによって吸着する。

支持ステージ２８によるセパレータ材４０の吸着は、セパレータ材送り部２３によるセパレータ材４０の送り動作が停止しているときに行われる。支持ステージ２８によってセパレータ材４０が吸着されているときに、後述する電極載置部２６によって電極４１の載置が行われる。

支持ステージ２８および補助ローラ２７は、後述する接着部２９と一体的に移動可能に構成されている。

第２の撮像部（撮像装置）２５は、気体が吹き付けられたセパレータ材４０の幅方向の位置を認識する認識部として機能する。すなわち、第２の撮像部２５は、セパレータ材４０の幅方向の位置を認識するために、気体が吹き付けられ、支持ステージ２８によって吸着されたセパレータ材４０の幅方向の端部を少なくとも撮像する。このセパレータ材４０の幅方向端部は、電極４１の載置位置の幅方向端部である。

電極載置部２６は、位置補正ステージ３２上で位置および傾きが補正された電極４１を吸着し、第１の撮像部２２によって撮像された電極４１の画像、および、第２の撮像部２５によって撮像されたセパレータ材４０の端部の画像に基づいて、セパレータ材４０の上に電極４１を載置する。

図４は、電極４１を載置する位置を説明するための平面図である。ただし、図４では、電極４１のタブを省略している。

電極載置部２６は、第２の撮像部２５によって認識されたセパレータ材４０の幅方向（Ｙ軸方向）の位置に基づいて、セパレータ材４０の幅方向端部４０Ｔから所定の距離Ｓ１の位置に、電極４１の端部４１Ｔが位置するように、電極４１を載置する。

上述したように、電極４１が載置される前に、セパレータ材４０は、気体吹き付け部２４によって気体が吹き付けられているので、しわが伸びた状態となっている。これにより、セパレータ材４０のしわの上に電極４１が載置されることを抑制することができる。

また、セパレータ材４０は、気体吹き付け部２４によって気体が吹き付けられた後、支持ステージ２８によって吸着されている。これにより、しわが伸びた状態のセパレータ材４０の位置が固定されるので、セパレータ材４０のしわの上に電極４１が載置されることをより効果的に抑制することができ、かつ、セパレータ材４０の幅方向端部４０Ｔに対する電極４１の相対的な位置を精度よく調整した状態で、電極４１を載置することができる。

また、電極載置部２６は、第１の撮像部２２によって撮像された電極４１の画像に基づいて、位置補正ステージ３２上の電極４１のＸ軸方向の位置ずれを認識し、認識した位置ずれを補正するように、セパレータ材４０の上に電極４１を載置する。これにより、Ｘ軸方向における電極４１の位置ずれが補正されるので、セパレータ材４０の上に置かれる複数の電極４１間の距離を一定に保つことができる。

上述したように、補助ローラ２７によって、支持ステージ２８の上面２８Ｃとセパレータ材４０との間には、隙間が生じるように構成されている。また、補助ローラ２７は、その上端２７Ｃにおいてセパレータ材４０と線接触している。したがって、電極載置部２６がセパレータ材４０の上に電極４１を載置する際、セパレータ材４０は、電極４１の下面に倣って動きやすい状態となっている。

これにより、仮にセパレータ材４０にしわが生じていたとしても、電極４１がセパレータ材４０を介して支持ステージ２８の上に載置されるときにしわが伸びるので、セパレータ材４０のしわの上に電極４１が載置されることをさらに抑制することができる。

接着部２９は、ヒーターを内蔵しており、セパレータ材４０上に載置された電極４１を、その上側および下側から挟み込むことにより、加熱しながら加圧する熱圧着の方法で、電極４１をセパレータ材４０に接着する。

なお、電極４１をセパレータ材４０に接着する方法が熱圧着に限定されることはなく、熱圧着以外の方法により接着してもよい。

本実施形態では、セパレータ材４０上に載置された電極４１が接着部２９によって挟み込まれた状態で、セパレータ材４０が１ピッチ移動し、セパレータ材４０とともに接着部２９も１ピッチ移動するように構成されている。支持ステージ２８および補助ローラ２７は、接着部２９と一体的に移動可能に構成されているため、接着部２９が１ピッチ移動するときに、支持ステージ２８および補助ローラ２７も１ピッチ移動する。

すなわち、接着部２９は、セパレータ材４０と電極４１とを挟み込んだ状態で１ピッチ移動する間に、セパレータ材４０と電極４１との接着を行う。セパレータ材４０が１ピッチ移動し、接着が完了すると、接着部２９は、次の電極４１の接着を行うために、元の位置へと戻る。

切断部３０は、切断刃３０ａを有しており、切断刃３０ａによって、セパレータ材４０を電極４１の周囲で切断する。これにより、セパレータ４３に電極４１が接着された単位電極体４４が作製される。

なお、切断部３０によってセパレータ材４０を切断する位置よりもセパレータ材４０の送り方向手前の位置において、セパレータ材４０の下に、長尺状のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを供給するようにしてもよい。その場合、ＰＥＴフィルムは、セパレータ４３に電極４１が接着された単位電極体４４を搬送するためのキャリアフィルムとして機能するとともに、セパレータ材４０の切断時に下敷きとして機能する。

この後、単位電極体４４は、図示しない搬送装置によって、図示しない単位電極体用ステージへと搬送されて位置補正が行われる。位置補正後の単位電極体４４は、図示しない積層ステージへと搬送される。

なお、単位電極体用ステージが位置補正機能を有しておらず、単位電極体の位置の認識だけを行い、積層ステージに搬送して積層する際に、単位電極体の位置補正を行うようにしてもよい。

上述した動作が繰り返し行われることにより、積層ステージ上に複数の単位電極体４４が積層される。そして、積層された複数の単位電極体４４が圧着されて、積層電極体が作製される。

図５は、本実施形態における積層電極体の製造装置１００の要部の動作を説明するための図である。

搬送部２１は、ベルトコンベア３１上の電極４１を吸着部２１ａで吸着し、位置補正ステージ３２上に搬送する。第１の撮像部２２は、搬送部２１によって位置補正ステージ３２上に載置され、位置補正ステージ３２と搬送部２１の吸着部２１ａとで挟まれた状態の電極４１を、吸着部２１ａの透明な部位を介して上方から撮像する（図５（ａ）参照）。

気体吹き付け部２４は、セパレータ材４０の電極載置予定位置に気体を吹き付ける。電極載置部２６は、電極４１をピックアップするために、位置補正ステージ３２へと移動する。また、１ピッチ移動しながら電極４１の接着を行った接着部２９は、次の電極４１の接着を行うために、元の位置へと戻る（図５（ａ）参照）。

位置補正ステージ３２は、第１の撮像部２２によって撮像された電極４１の画像に基づいて、Ｙ軸方向およびθ方向のうちの少なくとも一方向に移動して、位置補正ステージ３２上の電極４１の位置および傾きを補正する。また、搬送部２１は、次の電極４１をピックアップするために、ベルトコンベア３１へと移動する（図５（ｂ）参照）。

支持ステージ２８は、気体が吹き付けられたセパレータ材４０を吸着する。第２の撮像部２５は、気体が吹き付けられ、支持ステージ２８によって吸着されたセパレータ材４０の幅方向の端部を少なくとも撮像する。接着部２９は、電極４１とセパレータ材４０の接着を開始する（図５（ｂ）参照）。

電極載置部２６は、位置補正ステージ３２上で位置および傾きが補正された電極４１を吸着し、セパレータ材４０の上に載置するために移動を開始する。搬送部２１は、ベルトコンベア３１上の電極４１を吸着部２１ａで吸着する（図５（ｃ）参照）。

セパレータ材送り部２３は、セパレータ材４０を１ピッチ送る。接着部２９、支持ステージ２８および補助ローラ２７は、セパレータ材４０とともに、１ピッチ移動する（図５（ｃ）参照）。セパレータ材送り部２３は、セパレータ材４０を１ピッチ送ると、セパレータ材４０の送り動作を停止する。

搬送部２１は、吸着部２１ａで吸着した電極４１を位置補正ステージ３２へと搬送する（図５（ｄ）参照）。

電極載置部２６は、第１の撮像部２２で撮像された電極４１の画像、および、第２の撮像部２５で撮像されたセパレータ材４０の端部の画像に基づいて、停止しているセパレータ材４０の上に電極４１を載置する（図５（ｄ）参照）。

上述したように、電極載置部２６は、第１の撮像部２２で撮像された電極４１の画像に基づいて、電極４１のＸ軸方向の位置ずれを補正するとともに、第２の撮像部２５で撮像されたセパレータ材４０の端部の画像に基づいて、セパレータ材４０の端部に対する電極４１のＹ軸方向の位置ずれを補正して、セパレータ材４０の上に電極４１を載置する。

接着部２９は、電極４１とセパレータ材４０との接着を完了する。電極４１とセパレータ材４０との接着完了後に、接着部２９とセパレータ材４０とを剥離するために、例えば、セパレータ材４０の下方から空気を吹き付けるようにしてもよい。

以後、上述した動作、すなわち、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す動作が繰り返し行われる。

上述のように、本実施形態における積層電極体の製造装置によれば、セパレータ材のしわの上に電極が載置されることを抑制して、単位電極体におけるセパレータ材と電極との相対的な位置精度を向上させることが可能になる。これにより、複数の単位電極体が精度よく積層された積層電極体を製造することが可能になる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

例えば、気体が吹き付けられたセパレータ材４０の幅方向の位置は、第２の撮像部２５がセパレータ材４０の幅方向の端部を撮像することによって認識するものとして説明したが、別の方法により認識するようにしてもよい。

支持ステージ２８は、気体吹き付け部２４によって気体が吹き付けられたセパレータ材４０を吸着する吸着機構を有していなくてもよい。ただし、気体が吹き付けられたセパレータ材４０を吸着することにより、セパレータ材４０のしわが伸びた状態で、その位置が固定され、セパレータ材４０と、その上に載置される電極４１との相対的な位置関係を精度よく決定することが可能になるので、支持ステージ２８は、吸着機構を有していることが好ましい。

１０ 積層電極体
１１ 正極
１２ 負極
１３ セパレータ
２１ 搬送部
２２ 第１の撮像部２２
２３ セパレータ材送り部
２４ 気体吹き付け部
２５ 第２の撮像部
２６ 電極載置部
２７ 補助ローラ
２８ 支持ステージ
２９ 接着部
３０ 切断部
３１ ベルトコンベア
３２ 位置補正ステージ
４０ セパレータ材
４１ 電極
４３ セパレータ
４４ 単位電極体
１００ 積層電極体の製造装置

Claims (4)

1. セパレータと電極とを積層した単位電極体が複数積層された構造を有する積層電極体の製造装置において、
   長尺状のセパレータ材を一方向に送るセパレータ材送り部と、
   前記セパレータ材の電極載置予定位置に気体を吹き付ける気体吹き付け部と、
   気体が吹き付けられた前記セパレータ材の幅方向の位置を認識する認識部と、
   前記認識部によって認識された前記セパレータ材の幅方向の位置に基づいて、前記セパレータ材の上に前記電極を載置する電極載置部と、
   前記セパレータ材と、その上に載置された前記電極とを接着する接着部と、
   前記セパレータ材を前記電極の周囲で切断して、前記単位電極体を作製する切断部と、
   を備えることを特徴とする積層電極体の製造装置。
2. 前記認識部は、前記セパレータ材の幅方向における端部の位置を認識できるように、少なくとも前記セパレータ材の前記端部を撮像する撮像装置であることを特徴とする請求項１に記載の積層電極体の製造装置。
3. 前記電極が載置されるときに、前記セパレータ材および前記電極を下から支持する支持ステージと、
   前記セパレータ材の鉛直方向の位置が前記支持ステージの上面よりも高い位置となるように、前記セパレータ材の鉛直方向の位置を調整する位置調整部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の積層電極体の製造装置。
4. 前記支持ステージは、気体が吹き付けられた前記セパレータ材を吸着する吸着機構を有することを特徴とする請求項３に記載の積層電極体の製造装置。

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