JP2024154792A - 押し割り装置、積層型電極の製造方法、及び積層型電池の製造方法 - Google Patents

押し割り装置、積層型電極の製造方法、及び積層型電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】層間短絡及びクラックの発生を抑制して、積層型電極シートを所望の寸法に分離することができる押し割り装置を提供する。
【解決手段】本開示の押し割り装置は、積層型電極シートを載置する載置台と、積層型電極シートを押さえ付ける押付機構と、少なくとも1つの切れ刃工具と、を備える。本開示の押し割り装置は、第1方向に沿って載置台に対して移動する切れ刃工具で、第1方向に直交する第2方向において押付機構に押さえ付けられた積層型電極シートのうちの載置台及び押付機構からはみ出したはみ出し部位の一部を、押し曲げて割る。切れ刃工具の刃部の第2方向に対する角度は、15°~30°である。前記刃部の第1方向に対する角度は、鋭角である。前記刃部と載置台の切れ刃工具側の端との間のクリアランスの第2方向の長さは、積層型電極シートの第1方向の長さの10%~35%である。
【選択図】図5

Description

本開示は、押し割り装置、積層型電極の製造方法、及び積層型電池の製造方法に関する。
近年、電気自動車等の大型のエネルギー源として、高い出力を有するリチウム二次電池の需要が高まっている。一般に、リチウム二次電池の製造では、エネルギー密度を向上させる観点から、リチウム二次電池の発電要素として機能しない部位(例えば、塗り損ね部位、積層ズレの部位等)を切断することが行われている。
特許文献1は、電極の切断装置を開示している。特許文献1に開示の切断装置は、対向配置された直線刃型の下刃と上刃との接近離間動作により、両者の噛み合いに基づくせん断作用をもって、箔状の集電体上に活物質層を設けてあるシート状の電極を切断する。上記上刃は、当該上刃の刃側面とワーク接触面とのなす外隅部が切刃となっている。この切刃の刃先角は、90°に設定されている。上記上刃には、特定の逃げ面が形成されている。具体的に、下刃と上刃との間のクリアランスは、ない。
特許文献1に開示の切断装置の作動過程を図11A~図11Cに示す。図11A~図11C中、符号901は集電体、符号902は活物質層、符号903は活物質層を示す。
特許文献1では、上下方向に離間された上刃910と下刃920との間に電極母材900を配置し、上刃910を下降させることで、電極母材900を第1電極900Aと第2電極900Bとに分離する。詳しくは、上刃910を下降させると、図11Aに示すように、上刃910は、電極母材900と接触する。その後、図11Bに示すように、上刃910は、電極母材900を押し下げる。その後、図11Cに示すように、上刃910の切刃911が下刃920の切刃921と噛み合うようになる。この際、上刃910の切刃911と下刃920の切刃921との噛み合いに基づく剪断作用により、電極母材900から電極930は切断される。
特開2015-153538号公報
しかしながら、特許文献1に開示の切断装置を用いた電極母材900の切断では、図11B及び図11Cに示すように、第1電極900Aの剪断面S900Aと、上刃910の刃側面S910とが、擦れ合うおそれがある。更に、第1電極900Aの剪断面S900Aと、第2電極900Bの剪断面S900Bとが、擦れ合うおそれがある。これにより、第1電極900Aの剪断面S900Aの表面において、第1電極900Aの構成層同士が混ざり合って、第1電極900Aの構成層間の短絡(以下、「層間短絡」ともいう)が発生するおそれがある。
本開示は、上記事情に鑑みたものである。
本開示の一実施形態が解決しようとする課題は、層間短絡及びクラックの発生を抑制して、積層型電極シートを所望の寸法に分離することができる押し割り装置、積層型電極の製造方法、及び積層型電池の製造方法を提供することである。
上記課題を解決するための手段には、以下の実施態様が含まれる。
<1>本開示の第1態様の押し割り装置は、
積層型電極シートを載置する載置台と、
前記載置台に載置される前記積層型電極シートを押さえ付ける押付機構と、
少なくとも1つの切れ刃工具と、
を備え、
第1方向に沿って前記載置台に対して相対的に移動する前記少なくとも1つの切れ刃工具で、前記第1方向に直交する第2方向において前記押付機構に押さえ付けられた前記積層型電極シートのうちの前記載置台及び前記押付機構からはみ出したはみ出し部位の一部を、押し曲げて割る押し割り装置であって、
前記切れ刃工具の刃部の前記第2方向に対する角度が、15°~30°であり、
前記刃部の前記第1方向に対する角度が、鋭角であり、
前記刃部と前記載置台の切れ刃工具側の端との間のクリアランスの前記第2方向の長さが、前記積層型電極シートの前記第1方向の長さの10%~35%である、押し割り装置である。
「積層型電極シート」とは、第1活物質シートと、第2活物質シートと、第1活物質シート及び第2活物質シートを電気的に絶縁する絶縁性シートと、を少なくとも有する。絶縁性シートは、第1方向において、第1活物質シート及び第2活物質シートの間に介在する。
「刃部」とは、切れ刃工具のすくい面と、切れ刃工具の逃げ面とからなる。
第1態様では、積層型電極シートを少なくとも2つに分離する際、第1方向に沿って前記載置台に対して相対的に移動する切れ刃工具は、押付機構に押さえ付けられた積層型電極シートのはみ出し部位と接触して、はみ出し部位を押し曲げる。切れ刃工具の刃部は、はみ出し部位が押し曲げられた状態で、はみ出し部位の表面に食い込む。更に切れ刃工具が第1方向に沿って移動すると、はみ出し部位の切れ刃工具の刃部が食い込んだ部位(以下、「食い込みライン」ともいう)を起点とする割れが発生し、はみ出し部位の一部は分離される。これにより、積層型電極シートの切れ刃工具側の端部(以下、「破材」)が分離された積層型電極が得られる。
第1態様では、切れ刃工具の刃部の第2方向に対する角度(以下、「すくい角」ともいう)は、15°以下である。これにより、すくい角が15°未満である場合よりも、切れ刃工具の刃部は、はみ出し部位に食い込みやすい。そのため、食い込みラインを起点としたはみ出し部位の割れが発生しやすい。換言すると、得られる積層型電極の第1方向から見た切れ刃工具側の端の形状は、ノコギリ状になりにくい。その結果、第1態様の押し割り装置は、積層型電極シートを所望の寸法に分離することができる。
第1態様では、すくい角が30°以下である。これにより、すくい角が30°超である場合よりも、切れ刃工具の刃部は、はみ出し部位に食い込みにくい。そのため、鋭利な刃部自体による、はみ出し部位の押切り切断は行われにくい。つまり、はみ出し部位の一部が分離される際に、切れ刃工具の刃部と、はみ出し部位の分離された面とは、擦れ合いにくい。その結果、第1態様の押し割り装置は、層間短絡の発生を抑制することができる。
第1態様では、切れ刃工具の刃部の前記第1方向に対する角度(以下、「逃げ角」ともいう)は、鋭角である。これにより、逃げ角が鋭角ではない場合よりも、得られる積層型電極の分離面は、切れ刃工具と擦れ合いくい。その結果、第1態様の押し割り装置は、層間短絡の発生を抑制することができる。
第1態様では、刃部と載置台の切れ刃工具側の端との間のクリアランスの第2方向の長さ(以下、「クリアランスの長さ」ともいう)は、積層型電極シートの第1方向の長さの10%以上である。これにより、クリアランスの長さが積層型電極シートの第1方向の長さの10%未満である場合よりも、はみ出し部位は移動する切れ刃工具に押し曲げられやすい。そのため、積層型電極シートから破材を分離する過程で、積層型電極の分離面は、切れ刃工具及び破材の各々と擦れ合いにくい。その結果、第1態様の押し割り装置は、層間短絡の発生を抑制することができる。
第1態様では、クリアランスの長さは、積層型電極シートの第1方向の長さの35%以下である。これにより、クリアランスの長さが積層型電極シートの第1方向の長さの35%超である場合よりも、はみ出し部位の載置台の切れ刃工具側の端の近傍の部位を中心とした曲げモーメントは、小さくなる。つまり、移動する切れ刃工具がはみ出し部位を押し曲げている際に、積層型電極シートの押付機構の切れ刃工具側の端の近傍の部位に、応力が集中しにくい。そのため、積層型電極シートの押付機構の切れ刃工具側の端の近傍の部位の表面に、クラックが発生しにくい。積層型電極にクラックが発生すると、積層型電極の充放電時に積層型電極が割れるおそれがある。
以上により、第1態様の押し割り装置は、層間短絡及びクラックの発生を抑制して、積層型電極シートを所望の寸法に分離することができる。
<2>本開示の第2態様の押し割り装置は、
前記押付機構が、前記積層型電極シートを押さえ付けるときに前記積層型電極シートと接触する接触部材を有し、
前記第2方向において、前記接触部材の切れ刃工具側の端の位置が、前記載置台の切れ刃工具側の端の位置と同一の位置である、又は前記載置台の切れ刃工具側の端の位置よりも前記切れ刃工具側の位置である、前記<1>に記載の押し割り装置である。
第2態様では、第2方向において、接触部材の切れ刃工具側の端の位置が載置台の切れ刃工具側の端の位置よりも切れ刃工具側とは反対側の位置である場合よりも、移動する切れ刃工具がはみ出し部位を押し曲げた際に、積層型電極シートの押付機構の切れ刃工具側の端の近傍の部位に、応力がより集中しにくい。その結果、第2態様の押し割り装置は、クラックの発生をより抑制して、積層型電極シートを分離することができる。
<3>本開示の第3態様の押し割り装置は、
前記刃部の前記第1方向に対する角度が、5°~15°である、前記<1>又は<2>に記載の押し割り装置である。
第3態様では、逃げ角が5°~15°の範囲外である場合よりも、破材が分離されて得られる積層型電極は、切れ刃工具と擦れ合いにくい。その結果、第3態様の押し割り装置は、層間短絡の発生をより抑制して、積層型電極シートを分離することができる。
<4>本開示の第4態様の押し割り装置は、
前記クリアランスの前記第2方向の長さが、20μm~50μmである、前記<1>~<3>のいずれか1つに記載の押し割り装置である。
第4態様の押し割り装置は、クリアランスの長さが20μm~50μmの範囲外である場合よりも、層間短絡及びクラックの発生を抑制して、特定の積層型電極シートを所望の寸法に分離することができる。特定の積層型電極シートは、第1集電体の両面上に、第1活物質層、固体電解質層、及び第2活物質層が、この順に第1方向に沿って積層されてなる。特定の積層型電極シートの第1方向の長さ(厚み)は、例えば、0.2mmである。
<5>本開示の第5態様の押し割り装置は、
下型ホルダと、前記下型ホルダに対向して配置され、かつ前記下型ホルダに対して前記第1方向に沿って相対的に移動可能な上型ホルダと、を更に備え、
前記第1方向が、重力方向に平行であり、
前記切れ刃工具及び前記押付機構が、前記上型ホルダに取り付けられており、
前記載置台が、前記下型ホルダに取り付けられている、前記<1>~<4>のいずれか1つに記載の押し割り装置である。
第5態様では、第1方向に離間された切れ刃工具と載置台との間に積層型電極シートを配置し、上型ホルダを下降させることで、積層型電極シートを押付機構で押さえ付けて拘束し、積層型電極シートのはみだし部の一部は分離され得る。その結果、第5態様の押し割り装置は、簡単な構成で、積層型電極シートを効率良く分離することができる。
<6>本開示の第6態様の押し割り装置は、
前記切れ刃工具が、上刃であり、
前記載置台が、下刃である、前記<5>に記載の押し割り装置である。
第6態様の押し割り装置は、積層型電極シートを効率良く分離することができる。
<7>本開示の第7態様の積層型電極の製造方法は、
前記<1>~<6>のいずれか1つに記載の押し割り装置を用いて、積層型電極を製造する積層型電極の製造方法であって、
前記積層型電極シートを準備することと、
前記はみ出し部位が形成されるように前記積層型電極シートを前記載置台に載置することと、
前記少なくとも1つの切れ刃工具を前記第1方向に移動させて、前記はみ出し部位の一部を押し曲げて前記積層型電極シートを割ることと、を含む、積層型電極の製造方法である。
「積層型電極」とは、枚葉形状の第1集電体の両面上に、枚葉形状の第1活物質層、枚葉形状の絶縁層、枚葉形状の第2活物質層、及び第2集電体が、この順に前記第1方向に沿って積層されてなる電極を示す。積層型電極シートに含まれる第1集電体シート、第1活物質シート、絶縁シート、及び第2活物質シートは、割られて、積層型電極に含まれる第1集電体、第1活物質層、絶縁層、及び第2活物質層となる。「絶縁層」は、固体電解質を用いたリチウム二次電池の固体電解質層、及び非水電解質を用いたリチウム二次電池のセパレータを含む。
第7態様の電極の製造方法は、層間短絡及びクラックの発生をより抑制して、所望の寸法を有する積層型電極シートを製造することができる。
<8>本開示の第8態様に積層型電極の製造方法は、
前記積層型電極シートが、第1集電体シートの両面上に、第1活物質シート、固体電解質シート、及び第2活物質シートが、この順に前記第1方向に沿って積層されてなり、
前記押し割ることの実施によって前記第2活物質シートから得られる第2活物質層上に、第2集電体を積層することを更に含む、前記<7>に記載の電極の製造方法である。
第8態様の積層型電極の製造方法は、層間短絡及びクラックの発生を抑制して、所望の寸法を有する積層型電極を製造することができる。
<9>本開示の第9態様に積層型電池の製造方法は、
前記<7>又は<8>に記載の積層型電極の製造方法により積層型電極を製造することを含む、積層型電池の製造方法である。
「積層型電池」とは、少なくとも1つの積層型電極を含む電池を示す。
第9態様の積層型電池の製造方法は、層間短絡及びクラックの発生が抑制され、かつ所望の寸法を有する積層型電極を備える積層型電池を製造することができる。
本開示によれば、層間短絡及びクラックの発生を抑制して、積層型電極シートを所望の寸法に分離することができる押し割り装置、積層型電極の製造方法、及び積層型電池の製造方法が提供される。
図1は、本開示の実施形態に係る押し切り装置の断面図である。 図2は、本開示の実施形態における上刃及び下刃の断面図である。 図3は、本開示の実施形態に係る押し切り装置の断面図である。 図4は、本開示の実施形態における上刃及び下刃の断面図である。 図5は、本開示の実施形態における上刃及び下刃の断面図である。 図6は、本開示の実施形態に係る押し切り装置の断面図である。 図7は、本開示の実施形態における上刃及び下刃の断面図である。 図8は、本開示の実施形態における積層型電極シートの断面図である。 図9は、比較例の積層型電極の上面図である。 図10は、比較例の積層型電極の上面図である。 図11Aは、従来の切断装置の作動過程を説明するための図である。 図11Bは、従来の切断装置の作動過程を説明するための図である。 図11Cは、従来の切断装置の作動過程を説明するための図である。
本開示において、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を意味する。本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。本開示において、2以上の好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。本開示において、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても、その工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
以下、図面を参照して、本開示の押し割り装置、積層型電極の製造方法、及び積層型電池の製造方法の実施形態について説明する。図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
(1)押し割り装置
本開示の実施形態に係る押し割り装置1は、積層型電極シート4を押し曲げて、積層型電極シート4を割る。これにより、積層型電極前駆体40が得られる。積層型電極前駆体40は、積層型電極シート4から発電要素として機能しない部位41(以下、「破材41」ともいう)が除かれている。積層型電極シート4の詳細については、後述する。
押し割り装置1は、図1に示すように、上型2と、下型3と、を備える。上型2は、下型3に対向して配置されている。上型2は、下型3に対して重力方向に沿って相対的に移動可能である。上型2は、少なくとも1つの切れ刃工具の一例である2つの直線状の上刃21を有する。
本実施形態では、重力方向を下側とし、その反対側を上側と規定する。2つの上刃21の一方側を右側とし、その反対側を左側と規定する。上刃21の長手方向の一方側を前側とし、その反対側を後側と規定する。第1方向の一例である上下方向と、第2方向の一例である左右方向と、前後方向とは、互いに直交する。なお、これらの向きは、本開示の押し割り装置の使用時の向きを限定するものではない。
(1.1)上型
上型2は、2つの上刃21と、押付機構22と、複数のガイドピン23と、上型ホルダ24と、を有する。2つの上刃21、押付機構22及び複数のガイドピン23は、上型ホルダ24に取り付けられている。押付機構22は、左右方向において、上型ホルダ24の中央部に位置する。2つの上刃21は、左右方向において、押付機構22の両隣に位置する。複数のガイドピン23は、左右方向において、押付機構22の外側に位置する。
(1.1.1)上刃
上刃21は、図2に示すように、くさび状物である。上刃21は、前後方向の延びる刃部210を有する。上刃21には、すくい面S210Aと、逃げ面S210Bとが形成されている。刃部210は、すくい面S210Aと、逃げ面S210Bとからなる。
上刃21の刃部210の左右方向に対する角度θA(以下、「すくい角θA」ともいう)は、15°~30°である。
上刃21の刃部210の上下方向に対する角度θB(以下、「逃げ角θB」ともいう)は、鋭角である。押し割り装置1では、逃げ角θBは、5°~15°である。
上刃21の前後方向の長さは、積層型電極シート4のサイズ等に応じて適宜選択され、積層型電極シート4の前後方向の長さよりも長ければよい。上刃21の材質としては、特に限定されず、積層型電極シート4の種類等に応じて適宜選択され、例えば、鋼、及び超硬金属等が挙げられる。
(1.1.2)押付機構
押付機構22は、下型3に含まれる下刃31に載置される積層型電極シート4を押さえ付ける。押付機構22は、接触部材221と、弾性部材222と、を有する。弾性部材222の上側の端部には、上型ホルダ24に固定されている。弾性部材222の下側の端部には、接触部材221に固定されている。
接触部材221は、押付機構22が積層型電極シート4を押さえ付けるときに積層型電極シート4と接触する。接触部材221は、平板状物である。接触部材221の左右方向の長さL1(図1参照)は、積層型電極シート4の左右方向の長さL2(図1参照)よりも短く、積層型電極シート4の長さL2に応じて適宜選択される。接触部材221の材質は、特に限定されず、樹脂、及び金属等が挙げられる。
弾性部材222は、押付機構22が積層型電極シート4を押さえ付けるときに接触部材221に付勢力を付与する。弾性部材222の上下方向の長さは、接触部材221が積層型電極シート4に接触していない状態において、接触部材221の下部BS221の位置が上刃21の下部BS21の位置よりも下側に位置する長さであればよい。弾性部材222は、上下方向に伸縮可能な部材であればよく、例えば、コイルばね等が挙げられる。弾性部材222の材質は、特に限定されず、樹脂、及び金属等が挙げられる。
(1.1.3)ガイドピン
ガイドピン23は、上型2が下型3に対して相対的に移動する方向を上下方向に制御するために用いられる。複数のガイドピン23の各々は、上型ホルダ24の下面S24から下側に向けて延びている。ガイドピン23の数は、少なくとも2つあればよく、積層型電極シート4のサイズに応じて適宜選択される。ガイドピン23の材質は、特に限定されず、樹脂、及び金属等が挙げられる。
(1.1.4)上型ホルダ
上型ホルダ24は、2つの上刃21、押付機構22、及び複数のガイドピン23を保持する。上型ホルダ24は、板状物である。上型ホルダ24の材質は、積層型電極シート4のサイズ等に応じて適宜選択される。上型ホルダ24の材質は、特に限定されず、樹脂、及び金属等が挙げられる。
(1.2)下型
下型3は、載置台の一例である下刃31と、下型ホルダ32と、を有する。下刃31は、下型ホルダ32に取り付けられている。下刃31は、左右方向において、下型ホルダ32の中央部に位置する。
(1.2.1)下刃
下刃31は、積層型電極シート4を載置する。下刃31は、板状物である。下刃31は、前後方向の延びる直線状の刃部310を有する。下刃31には、端面S310Aと、積層型電極シート4と接触する接触面S310Bとが形成されている。刃部310は、端面S310Aと、接触面S310Bと、からなる。端面S310Aと接触面S310Bとがなす角度θCは、90°である。下刃31の前後方向の長さは、積層型電極シート4のサイズ等に応じて適宜選択され、積層型電極シート4の前後方向の長さよりも長ければよい。下刃31の材質としては、特に限定されず、積層型電極シート4の種類等に応じて適宜選択され、例えば、鋼、及び超硬金属等が挙げられる。
(1.2.2)下型ホルダ
下型ホルダ32は、下刃31を保持する。下型ホルダ32は、板状物である。下型ホルダ32には、複数のガイド孔H32が形成されている。ガイド孔H32には、上型2のガイドピン23が挿入される。ガイド孔H32は、上下方向に沿って形成されており、下型ホルダ32を貫通している。複数のガイド孔H32の各々の位置は、複数のガイドピン23の各々の位置に対応している。下型ホルダ32の材質は、特に限定されず、樹脂、及び金属等が挙げられる。
(1.3)配置関係
上刃21の刃部210と下刃31の上刃21側の端(すなわち、刃部310)との間のクリアランスの左右方向の長さL3(図2参照)は、積層型電極シート4の左右方向の長さL4(図2参照)の10%~35%である。換言すると、押し割り装置1では、クリアランスの長さL3は、20μm~50μmである。
左右方向において、接触部材221の上刃21側の端2210の位置は、下刃31の上刃21側の端(すなわち、刃部310)の位置と同一の位置である。
(1.4)駆動手段
押し割り装置1は、公知の駆動手段(例えば、油圧シリンダ及び駆動モーター等)を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。押し割り装置1が駆動手段を備える場合、上型2は、駆動手段によって、下型3に対して相対的に移動してもよい。押し割り装置1が駆動手段を備えない場合、上型2は、手動によって、下型3に対して相対的に移動してもよい。
(1.5)動作
押し割り装置1の動作について、図1~図7を参照して説明する。
まず、図1に示すように、上型2と下型3とを上下方向に離間させ、下型3の下刃31上に積層型電極シート4を載置する。
次いで、上型2を下側に移動させると、上型2の複数のガイドピン23の各々は、下型3の複数のガイド孔H32の各々に挿入される。
上型2を更に下側に移動させると、図2及び図3に示すように、押付機構22の接触部材221は、積層型電極シート4と接触する。これにより、押付機構22の接触部材221は、弾性部材222の付勢力によって、積層型電極シート4を押し付けて拘束する。この際、図2に示すように、積層型電極シート4のうちの左右方向の両端部R4(以下、「はみ出し部位R4」ともいう)は、押付機構22の接触部材221及び下刃31からはみ出している。この時点では、上刃21は、積層型電極シート4と接触していない。
次いで、上型2を更に下側に移動させると、上刃21の刃部210は、押付機構22によって拘束された積層型電極シート4のはみ出し部位R4と接触する。
次いで、上型2を更に下側に移動させると、図4に示すように、はみ出し部位R4は、上刃21による押圧によって、上刃21の移動に追従して、下側に押し曲げられる。この際、上刃21の刃部210は、はみ出し部位R4が押し曲げられた状態で、はみ出し部位R4の上面TS4に食い込む。これにより、はみ出し部位R4の上面TS4には、食い込みラインX1が形成される。食い込みラインX1は、はみ出し部位R4の前側の端から後側の端にかけて前後方向に沿って直線状に延びている。
次いで、上型2を更に下側に移動させると、図5に示すように、はみ出し部位R4の食い込みラインX1を起点した亀裂X2がはみ出し部位R4の下面BS4に到達する。つまり、食い込みラインX1を起点した積層型電極シート4の割れが発生する。
次いで、上型2を更に下側に移動させると、図6に示すように、積層型電極シート4から破材41が分離される。これにより、積層型電極前駆体40が得られる。積層型電極シート4から破材41が分離されると、図7に示すように、積層型電極前駆体40の接触部材221及び下刃31からはみ出した部位R40(以下、「はみ出し部位R40」ともいう)は、上刃21の押圧から開放されて、積層型電極シート4が上刃21で押圧される前の状態に戻るように変形する。
(1.6)積層型電極シート
積層型電極シート4は、図8に示すように、第1集電体シートの一例である負極集電体シート42の両面上に、第1活物質シートの一例である負極活物質シート43、固体電解質シート44、及び第2活物質シートの一例である正極活物質シート45が、この順に上下方向に沿って積層されてなる。積層型電極シート4は、正極活物質シート45上に負極集電体シートを備えていない。
積層型電極シート4は、左右方向の両端部に、発電要素として機能しない機能しない部位NR4(以下、「非発電部位NR4」ともいう)を有する。非発電部位NR4では、上下方向において、負極活物質シート43と正極活物質シート45とが固体電解質シート44を介して対向していない。
積層型電極シート4の上下方向の長さL4は、例えば、例えば、0.2mmである。積層型電極シート4の前後方向の長さは、例えば、例えば、70mmである。
(1.6.1)負極集電体シート
負極集電体シート42の材質は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、カーボン等が挙げられ、銅が好ましい。負極集電体シート42の形状は、例えば、箔状、メッシュ状である。負極集電体シート42は、表面に緩衝層、弾性層、又はPTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタ層が配置された構成であってもよい。
(1.6.2)負極活物質シート
負極活物質シート43は、負極活物質を含有する。負極活物質としては、金属リチウム等のLi系活物質、グラファイト等の炭素系活物質、チタン酸リチウム等の酸化物系活物質、Si単体等のSi系活物質が挙げられる。
負極活物質シート43は、必要に応じて、負極用固体電解質、導電助剤及びバインダーの少なくとも1つを含有してもよい。負極用固体電解質及びバインダーは、後述する固体電解質シート44に含まれる固体電解質層に含まれる固体電解質、及びバインダーとして例示するものと同様のものが挙げられる。
導電助剤としては、例えば炭素材料、金属材料、導電性高分子材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック等)、繊維状炭素(例えば、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等)、黒鉛、フッ化カーボン等が挙げられる。金属材料としては、例えば、金属粉(例えば、アルミニウム粉等)、導電性ウィスカー(例えば、酸化亜鉛、チタン酸カリウム等)、導電性金属酸化物(例えば、酸化チタン等)等が挙げられる。導電性高分子材料としては、ポリアニリン、ポリピロ―ル、ポリチオフェン等が挙げられる。導電助剤は1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
(1.6.3)固体電解質シート
固体電解質シート44は、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、及びハロゲン化物固体電解質からなる群より選ばれる1つを含むことが好ましい。
硫化物固体電解質としては、アニオン元素の主成分として硫黄(S)を含有することが好ましく、更には例えばLi元素、A元素を含有することが好ましい。A元素は、P、As、Sb、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、及びInよりなる群から選ばれる少なくとも一種である。硫化物固体電解質は、O及びハロゲン元素の少なくとも一方を更に含有してもよい。ハロゲン元素(X)としては、例えば、F、Cl、Br、I等が挙げられる。硫化物固体電解質の組成は、特に限定されず、例えば、xLiS・(100-x)P(70≦x≦80)、yLiI・zLiBr・(100-y-z)(xLiS・(1-x)P)(0.7≦x≦0.8、0≦y≦30、0≦z≦30)が挙げられる。硫化物固体電解質は、下記一般式(1)で表される組成を有してもよい。
式(1):Li4-xGe1-x (0<x<1)
式(1)において、Geの少なくとも一部は、Sb、Si、Sn、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V及びNbよりなる群から選ばれる少なくとも一つで置換されてもよい。また、Pの少なくとも一部は、Sb、Si、Sn、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V及びNbよりなる群から選ばれる少なくとも1つで置換されてもよい。Liの一部は、Na、K、Mg、Ca及びZnよりなる群から選ばれる少なくとも1つで置換されてもよい。Sの一部は、ハロゲンで置換されてもよい。ハロゲンとしては、F、Cl,Br及びIの少なくとも1つである。
酸化物固体電解質として、アニオン元素の主成分として、酸素(O)を含有することが好ましく、例えば、Li、Q元素(Qは、Nb、B、Al、Si、P、Ti、Zr、Mo,W及びSの少なくとも一種を表す。)、及びOを含有してもよい。酸化物固体電解質としては、ガーネット型固体電解質、ペロブスカイト型固体電解質、ナシコン型固体電解質、Li-P-O系固体電解質、Li-B-O系固体電解質等が挙げられる。ガーネット型固体電解質としては、例えば、LiLaZr12、Li7-xLa(Zr2-xNb)O12(0≦x≦2)、LiLaNb12等が挙げられる。ペロブスカイト型固体電解質としては、例えば、(Li、La)TiO、(Li、La)NbO、(Li、Sr)(Ta、Zr)O等が挙げられる。ナシコン型固体電解質としては、例えば、Li(Al、Ti)(PO、Li(Al、Ga)(PO等が挙げられる。Li-P-O系固体電解質としては、LiPO、LIPON(LiPOのOの一部をNに置換した化合物)、Li-B-O系固体電解質としては、LiBO、LiBOのOの一部をCで置換した化合物等が挙げられる。
ハロゲン化物固体電解質として、Li、M及びXを含む固体電解質(MはTi、Al及びYの少なくとも1つを表し、XはF,Cl又はBrを表す。)が好適である。具体的には、Li6-3z(XはCl又はBrを表し、zは0<z<2を満たす。)、Li6-(4-x)b(Ti1-xAl(0<x<1、0<b≦1.5)が好ましい。Li6-3zの中でも、リチウムイオン伝導度に優れる点で、LiYX(XはCl又はBr表す。)がより好ましく、更にはLiYClが好ましい。また、Li6-(4-x)b(Ti1-xAl(0<x<1、0<b≦1.5)は、例えば、硫化物固体電解質の酸化分解を抑える等の観点から、硫化物固体電解質等の固体電解質とともに含まれることが好ましい。
固体電解質シート44は、単層構造でもよいし、2層以上の多層構造でもよい。
固体電解質シート44は、バインダーを含んでもよいし、バインダーを含まなくてもよい。固体電解質シート44に含まれ得るバインダーとしては、例えば、ハロゲン化ビニル樹脂、ゴム類、ポリオレフィン樹脂等が挙げられる。ハロゲン化ビニル樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー(PVdF-HFP)等が挙げられる。ポリオレフィン樹脂としては、例えば、ブタジエンゴム(BR)、アクリレートブタジエンゴム(ABR)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリル-ブタジエンゴム(NBR)、ブチルゴム(イソブチレン-イソプレンゴム)等が挙げられる。ポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。バインダーは、主鎖に二重結合を含むジエン系ゴム、例えばブタジエンが全体の30モル%以上を占めるブタジエン系ゴムであってもよい。
(1.6.4)正極活物質シート
正極活物質シート45は、正極活物質を含有する。正極層は、必要に応じて、正極用固体電解質、導電助剤及びバインダーの少なくとも1つを含有してもよい。
正極活物質として、リチウム複合酸化物を含むことが好ましい。リチウム複合酸化物は、F,Cl,N,S,Br及びIよりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有してもよい。また、リチウム複合酸化物は、空間群R-3m、Immm、及びP63-mmc(P63mc、P6/mmcともいう。)より選ばれる少なくとも1つの空間群に属する結晶構造を有してもよい。また、リチウム複合酸化物は、遷移金属、酸素、及びリチウムの主たる配列がO2型構造であってもよい。
R-3mに属する結晶構造を有するリチウム複合酸化物としては、例えば、LiMeαβ(MeはMn、Co、Ni、Fe、Al、Cu、V、Nb、Mo、Ti、Cr、Zr、Zn、Na、K、Ca、Mg、Pt、Au、Ag、Ru、W、B、Si及びPからなる群より選択される少なくとも一種を表し、Xは、F、Cl、N、S、Br及びIからなる群より選択される少なくとも一種を表し、0.5≦x≦1.5、0.5≦y≦1.0、1≦α<2、0<β≦1を満たす。)で表される化合物が挙げられる。
Immmに属する結晶構造を有するリチウム複合酸化物としては、例えば、Lix1 (1.5≦x1≦2.3を満たし、MはNi,Co,Mn,Cu及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種を含み、Aは少なくとも酸素を含み、Aに占める酸素の比率は85原子%以上である。)で表される複合酸化物(具体的な例としてLiNiO)、Lix11A 1-x21B x22-y (0≦x2≦0.5、0≦y≦0.3であり、x2及びyの少なくとも一方は0でなく、M1AはNi,Co,Mn,Cu及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種を表し、M1BはAl,Mg,Sc,Ti,Cr,V,Zn,Ga,Zr,Mo,Nb,Ta及びWよりなる群から選択される少なくとも1種を表し、A2はF,Cl,Br,S及びPよりなる群から選択される少なくとも1種を表す。)で表される複合酸化物が挙げられる。
P63-mmcに属する結晶構造を有するリチウム複合酸化物としては、例えば、M1M2(M1はアルカリ金属(Na及びKの少なくとも一種が好ましい)を表し、M2は遷移金属(Mn,Ni,Co及びFeよりなる群から選ばれる少なくとも一種が好ましい)を表し、x+yは0<x+y≦2を満たす。)で表される複合酸化物が挙げられる。
O2型構造を有するリチウム複合酸化物としては、例えば、Li[Liα(MnCo1-α]O(0.5<x<1.1、0.1<α<0.33、0.17<a<0.93、0.03<b<0.50、0.04<c<0.33であり、MはNi、Mg、Ti、Fe、Sn、Zr、Nb、Mo、W及びBiよりなる群から選ばれる少なくとも一種を表す。)で表される複合酸化物が挙げられ、具体的な例としてLi0.744[Li0.145Mn0.625Co0.115Ni0.115]O等が挙げられる。
正極用固体電解質は、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、及びハロゲン化物固体電解質からなる群より選ばれる1つを含むことが好ましい。硫化物固体電解質としては、固体電解質に含まれる硫化物固体電解質として例示したものと同様のものが挙げられる。酸化物固体電解質としては、固体電解質に含まれる酸化物固体電解質として例示したものと同様のものが挙げられる。ハロゲン化物固体電解質としては、固体電解質に含まれるハロゲン化物固体電解質として例示したものと同様のものが挙げられる。
バインダーとしては、固体電解質層に含まれるバインダーとして例示したものと同様のものが挙げられる。
(1.7)作用効果
図1~図7を参照して説明したように、押し割り装置1は、下刃31と、押付機構22と、2つの上刃21と、を備える。押し割り装置1は、上下方向に沿って下刃31に対して相対的に移動する2つの上刃21で、押付機構22に押さえ付けられた積層型電極シート4のうちのはみ出し部位R4の一部を、押し曲げて割る。すくい角θAは、15°~30°である。逃げ角θBは、鋭角である。クリアランスの長さL3は、積層型電極シート4の長さL4の10%~35%である。
これにより、押し割り装置1は、層間短絡及びクラックの発生を抑制して、積層型電極シート4を所望の寸法に分離することができる。
本発明者らは、すくい角θAを15°未満(具体的には、0°、5°、10°)に変更したことの他は押し割り装置1と同様の装置を用いて、積層型電極シート4を切断した。切断された積層型電極シート4の切断部位の上面図を図9に示す。図9に示すように、積層型電極の切断部位の端の形状D1は、ノコギリ状であることがわかった。左右方向において、積層型電極の切断部位の端の形状D1の凸部の山頂と凹部の谷底との距離L5は100μm未満ではなかった。これは、以下の理由によると推測される。すなわち、すくい角θAが15°未満であると、上刃21の刃部210は、はみ出し部位R4に食い込みにくく、直線状の食い込みラインX1が安定して形成されにくい。これにより、食い込みラインX1を起点とする割れが発生しなかった。そのため、積層型電極の切断部位の端の形状D1は、ノコギリ状であったと推測される。その結果、すくい角θAが15°未満であると、積層型電極シート4は所望の寸法に分離されにくいことが実験的にわかった。
本発明者らは、すくい角θAを30°超(具体的には、45°、60°)に変更したことの他は押し割り装置1と同様の装置を用いて、積層型電極シート4を切断した。切断された積層型電極シート4の切断面を目視で観察したところ、積層型電極シート4を構成する各層の境界を明確に判別することができなかった。これは、以下の理由によると推測される。すなわち、上刃21の刃部210によって、はみ出し部位R4の押切り切断が行われ、その際に、上刃21の刃部210と積層型電極前駆体40の分離面S40とが擦り合ったためと推測される。その結果、すくい角θAが30°超であると、積層型電極シート4は層間短絡の発生を抑制して分離されにくいことが実験的にわかった。
本発明者らは、逃げ角を0°に変更したことの他は押し割り装置1と同様の装置を用いて、積層型電極シート4を切断した。切断された積層型電極シート4の切断面を目視で観察したところ、積層型電極シート4を構成する各層の境界を判別することができなかった。更に、装置近傍の床には、積層型電極シート4の材料に由来する粉が散乱していた。これは、積層型電極シート4から破材41が分離された後に、上刃21の刃部210と積層型電極前駆体40の分離面S40とが擦り合ったためと推測される。その結果、逃げ角が鋭角でない場合、積層型電極シート4は層間短絡の発生を抑制して分離されにくいことが実験的にわかった。
本発明者らは、クリアランスの長さL3を積層型電極シート4の長さL4の10%未満にしたことの他は押し割り装置1と同様の装置を用いて、積層型電極シート4を切断した。切断された積層型電極シート4の切断面を目視で観察したところ、積層型電極シート4を構成する各層の境界を明確に判別することができなかった。これは、はみ出し部位R4が上刃21に押し曲げられずに切断され、積層型電極前駆体40の分離面S40が上刃21及び破材41と擦り合ったためと推測される。その結果、クリアランスの長さL3を積層型電極シート4の長さL4の10%未満であると、積層型電極シート4は層間短絡の発生を抑制して分離されにくいことが実験的にわかった。
本発明者らは、クリアランスの長さL3を積層型電極シート4の長さL4の35%超にしたことの他は押し割り装置1と同様の装置を用いて、積層型電極シート4を切断した。切断された積層型電極シート4の切断部位の上面図を図10に示す。図10に示すように、左右方向において、積層型電極シート4の表面の切断部位の端から中央側に距離L6(約70μm)離れた位置に、クラックD2を確認した。クラックD2は、前後方向に沿って直線状に延びていた。これは、移動する上刃21がはみ出し部位R4を押し曲げている際に、積層型電極シート4の押付機構22の上刃21側の端2210の近傍の部位CR4に応力が集中したためと推測される。その結果、クリアランスの長さL3を積層型電極シート4の長さL4の35%超であると、積層型電極シート4はクラックの発生を抑制して分離されにくいことが実験的にわかった。
図1~図7を参照して説明したように、押し割り装置1では、押付機構22が接触部材221を有する。左右方向において、接触部材221の上刃21側の端2210の位置が、下刃31の上刃21側の端(すなわち、刃部310)の位置と同一の位置である。
これにより、移動する上刃21がはみ出し部位R4を押し曲げた際に、積層型電極シート4の押付機構22の上刃21側の端2210の近傍の部位CR4に、応力が集中しにくい。その結果、押し割り装置1は、クラックの発生をより抑制して、積層型電極シート4を分離することができる。
図1~図7を参照して説明したように、押し割り装置1では、逃げ角は、5°~15°である。
これにより、破材41が分離されて得られる積層型電極前駆体40は、上刃21と擦り合いにくい。その結果、押し割り装置1は、層間短絡の発生をより抑制して、積層型電極シート4を分離することができる。
図1~図7を参照して説明したように、押し割り装置1では、クリアランスの長さL3が、20μm~50μmである。
これにより、押し割り装置1は、層間短絡及びクラックの発生を抑制して、積層型電極シート4を所望の寸法に分離することができる。積層型電極シート4の上下方向の長さL4は、例えば、0.2mmである。
図1~図7を参照して説明したように、押し割り装置1は、下型ホルダ32と、上型ホルダ24と、を更に備える。上刃21及び押付機構22が、上型ホルダ24に取り付けられている。下刃31は、下型ホルダ32に取り付けられている。
これにより、押し割り装置1は、簡単な構成で、積層型電極シート4を効率良く分離することができる。
図1~図7を参照して説明したように、押し割り装置1は、上刃21及び下刃31を備える。
これにより、押し割り装置1は、積層型電極シート4を効率良く分離することができる。
(2)積層型電極の製造方法
本実施形態に係る積層型電極の製造方法は、押し割り装置1を用いて、積層型電池を製造する。本実施形態に係る積層型電極の製造方法は、準備工程と、載置工程と、押し割り工程と、積層工程と、を含む。準備工程、載置工程、押し割り工程及び積層工程は、この順に実施される。
(2.1)積層型電池
積層型電池は、負極集電体の両面上に、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層及び正極集電体が、この順に上下方向に沿って積層されてなる。換言すると、積層型電池は、積層型電極前駆体40と、積層型電極前駆体40の2つの正極活物質層上に積層された2つの正極集電体と、を備える。積層型電極シートに含まれる第1集電体シート、第1活物質シート、絶縁シート、及び第2活物質シートは、割られて、第1集電体、第1活物質層、絶縁層、及び第2活物質層として機能する。積層型電極シートに含まれる負極集電体シート42、負極活物質シート43、固体電解質シート44、及び正極活物質シート45は、割られて、積層型電極に含まれる負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層となる。
正極集電体は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、カーボン等が挙げられ、アルミニウム合金箔又はアルミニウム箔が好ましい。アルミニウム合金箔及びアルミニウム箔は、粉末を用いて製造されてもよい。正極集電体の形状は、例えば、箔状、メッシュ状である。
正極集電体は、正極集電タブを有してもよい。正極集電タブは、後述する積層型電極の正極端子と電気的に接続される。正極集電タブは、正極集電体の正極活物質層の左右方向の一方の端に対応する部位から、左右方向の一方に延びていてもよい。
正極集電体は、表面に緩衝層、弾性層、又はPTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタ層が配置された構成であってもよい。
(2.2)準備工程
準備工程では、積層型電極シート4を準備する。積層型電極シート4を準備する方法は、特に限定されず、公知の方法であればよい。
(2.3)載置工程
載置工程では、積層型電極シート4のはみ出し部位R4が形成されるように積層型電極シート4を下刃31に載置する。積層型電極シート4を下刃31に載置する方法は、特に限定されず、公知の方法であればよい。
(2.4)押し曲げ工程
押し曲げ工程では、2つの上刃21を含む上型2を下側に移動させて、積層型電極シート4のはみ出し部位R4の一部を押し曲げて割る。本実施形態では、上型2を下側に移動させるだけで、はみ出し部位R4の一部は押し曲げられて割れる。これにより、積層型電極シート4から破材41が分離された積層型電極前駆体40が得られる。上型2を移動させる方法は、特に限定されず、公知の方法であればよい。押し割り装置1が上述の駆動手段を備える場合、駆動手段によって上型2を移動させてもよい。押し割り装置1が上述の駆動手段を備えない場合、手動によって上型2を移動させてもよい。上型2の移動速度は、特に限定されず、例えば、30mm/秒である。
(2.5)積層工程
積層工程では、押し曲げ工程の実施によって正極活物質シート45から得られる正極活物質層(すなわち、積層型電極前駆体40の2つの正極活物質層)上に、正極集電体を積層する。これにより、積層型電池が得られる。正極活物質層上に正極集電体を積層する方法は、特に限定されず、公知の方法であればよい。
(2.6)作用効果
本実施形態に係る積層型電極の製造方法は、押し割り装置1を用いて、積層型電極を製造する。本実施形態に係る積層型電極の製造方法は、準備工程、載置工程及び押し曲げ工程を含む。
第7態様の電極の製造方法は、層間短絡及びクラックの発生を抑制して、所望の寸法を有する積層型電極シートを製造することができる。
本実施形態に係る積層型電極の製造方法では、積層型電極シート4は、負極集電体シート42の両面上に、負極活物質シート43、固体電解質シート44、及び正極活物質シート45が、この順に前記第1方向に沿って積層されてなる。本実施形態に係る積層型電極の製造方法は、積層工程を更に含む。
これにより、層間短絡及びクラックの発生をより抑制して、所望の寸法を有する積層型電極を製造することができる。
(3)積層型電池の製造方法
本実施形態に係る積層型電池の製造方法は、本実施形態に係る積層型電池の製造方法により積層型電極を製造すること(以下、「電極製造工程」ともいう)を含む。
(3.1)積層型電極
積層型電極は、少なくとも1つの積層型電極と、正極端子と、負極端子と、外装体とを備える。正極端子は、積層型電極に含まれる正極集電体と電気的に接続されている。負極端子は、積層型電極に含まれる負極集電体と電気的に接続されている。外装体は、正極端子及び負極端子が外部と電気的に接続されるように、少なくとも1つの積層型電極、正極端子及び負極端子を収容している。
積層型電極の数は、積層型電極の用途等に応じて適宜選択される。積層型電極の数が複数の場合、複数の積層型電極は、例えば、上下方向の沿って積層されていてもよい。
正極端子及び負極端子の形状及びサイズ等は、積層型電極の用途等に応じて適宜選択される。正極端子及び負極端子の材質としては、金属(例えば、ステンレス(SUS)等)等が挙げられる
外装体としては、特に限定されず、ラミネート外装体、金属缶(例えば、角型、円筒型等)等が挙げられる。外装体の形状及びサイズ等は、積層型電極の用途等に応じて適宜選択される。
(3.2)電極製造工程
本実施形態に係る積層型電池の製造方法は、電極製造工程を含む。
電極製造工程では、本実施形態に係る積層型電池の製造方法により、積層型電極を製造する。
(3.3)その他の工程
本実施形態に係る積層型電池の製造方法は、その他の工程を含んでもいてもよい。その他の工程は、電池を製造するための一般的な工程を含む。その他の工程としては、複数の積層型電極を積層して、電極積層体を作製する工程、電極積層体を外装体(例えば、ラミネートフィルム、缶等)に収容する工程、電極積層体に含まれる複数の負極集電体を少なくとも1つの負極端子に電気的に接続する工程、電極積層体に含まれる複数の正極集電体を少なくとも1つの正極端子に電気的に接続する工程等が挙げられる。
(3.4)作用効果
本実施形態に係る積層型電池の製造方法は、電極製造工程を含む。
これにより、本実施形態に係る積層型電池の製造方法は、層間短絡及びクラックの発生が抑制され、かつ所望の寸法を有する積層型電極を備える積層型電池を製造することができる。
(4)変形例
本実施形態では、左右方向において、接触部材221の上刃21側の端2210の位置は、下刃31の上刃21側の端(すなわち、刃部310)の位置と同一の位置であるが、下刃31の上刃21側の端(すなわち、刃部310)の位置よりも上刃21側の位置であってもよい。
本実施形態では、逃げ角θBは、5°~15°であるが、鋭角であれば、5°~15の範囲外であってもよい。
本実施形態では、クリアランスの長さL3は、20μm~50μmであるが、積層型電極シート4の左右方向の長さL4の10%~35%であれば、20μm~50μmmの範囲外であってもよい。
本実施形態では、押し割り装置1は、上型ホルダ24及び下型ホルダ32を備えるが、上型ホルダ24及び下型ホルダ32の少なくとも一方を備えていなくてもよい。
本実施形態では、押し割り装置1は、下刃31を備えるが、積層型電極シート4を載置する載置台を備えれば、下刃31を備えていなくてもよい。
本実施形態の積層型電極の製造方法は、積層工程を含むが、積層工程を含まなくてもよい。
本実施形態では、積層型電極シート4は、負極集電体シート42の両面上に、負極活物質シート43、固体電解質シート44、及び正極活物質シート45が、この順に上下方向に沿って積層されてなるが、本開示はこれに限定されない。積層型電極シートは、正極集電体シートの両面上に、正極活物質シート45、固体電解質シート44、及び負極活物質シート43が、この順に上下方向に沿って積層されてもよい。本開示では、固体電解質シート44の代わりに、非水電解質を用いたリチウム二次電池のセパレータが用いられてもよい。
本実施形態では、積層型電池シートは、固体電解質を用いたリチウム二次電池に用いられる電池シートであるが、二次電池(ニッケル水素電池等)に用いられる電池シートであってもよい。
本実施形態では、下刃31の端面S310Aと接触面S310Bとがなす角度θCは、90°であるが、90°未満であってもよい。
1:押し割り装置、2:上型、21:上刃、210:刃部、22:押付機構、23:ガイドピン、24:上型ホルダ、3:下型、31:下刃、32:下型ホルダ、4:積層型電極シート、40:積層型電極前駆体、41:破材、42:負極集電体シート、43:負極活物質シート、44:固体電解質シート、45:正極活物質シート

Claims (9)

  1. 積層型電極シートを載置する載置台と、
    前記載置台に載置される前記積層型電極シートを押さえ付ける押付機構と、
    少なくとも1つの切れ刃工具と、
    を備え、
    第1方向に沿って前記載置台に対して相対的に移動する前記少なくとも1つの切れ刃工具で、前記第1方向に直交する第2方向において前記押付機構に押さえ付けられた前記積層型電極シートのうちの前記載置台及び前記押付機構からはみ出したはみ出し部位の一部を、押し曲げて割る押し割り装置であって、
    前記切れ刃工具の刃部の前記第2方向に対する角度が、15°~30°であり、
    前記刃部の前記第1方向に対する角度が、鋭角であり、
    前記刃部と前記載置台の切れ刃工具側の端との間のクリアランスの前記第2方向の長さが、前記積層型電極シートの前記第1方向の長さの10%~35%である、押し割り装置。
  2. 前記押付機構が、前記積層型電極シートを押さえ付けるときに前記積層型電極シートと接触する接触部材を有し、
    前記第2方向において、前記接触部材の切れ刃工具側の端の位置が、前記載置台の切れ刃工具側の端の位置と同一の位置である、又は前記載置台の切れ刃工具側の端の位置よりも前記切れ刃工具側の位置である、請求項1に記載の押し割り装置。
  3. 前記刃部の前記第1方向に対する角度が、5°~15°である、請求項1に記載の押し割り装置。
  4. 前記クリアランスの前記第2方向の長さが、20μm~50μmである、請求項1に記載の押し割り装置。
  5. 下型ホルダと、前記下型ホルダに対向して配置され、かつ前記下型ホルダに対して前記第1方向に沿って相対的に移動可能な上型ホルダと、を更に備え、
    前記第1方向が、重力方向に平行であり、
    前記刃及び前記押付機構が、前記上型ホルダに取り付けられており、
    前記載置台が、前記下型ホルダに取り付けられている、請求項1に記載の押し割り装置。
  6. 前記切れ刃工具が、上刃であり、
    前記載置台が、下刃である、請求項5に記載の押し割り装置。
  7. 請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の押し割り装置を用いて、積層型電極を製造する積層型電極の製造方法であって、
    前記積層型電極シートを準備することと、
    前記はみ出し部位が形成されるように前記積層型電極シートを前記載置台に載置することと、
    前記少なくとも1つの切れ刃工具を前記第1方向に移動させて、前記はみ出し部位の一部を押し曲げて前記積層型電極シートを割ることと、を含む、積層型電極の製造方法。
  8. 前記積層型電極シートが、第1集電体シートの両面上に、第1活物質シート、固体電解質シート、及び第2活物質シートが、この順に前記第1方向に沿って積層されてなり、
    前記押し割ることの実施によって前記第2活物質シートから得られる第2活物質層上に、第2集電体を積層することを更に含む、請求項7に記載の積層型電極の製造方法。
  9. 請求項7に記載の積層型電極の製造方法により積層型電極を製造することを含む、積層型電池の製造方法。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010253615A (ja) * 2009-04-24 2010-11-11 Toyota Motor Corp 電極切断刃及びそれを用いた電極切断装置
JP2015153538A (ja) * 2014-02-13 2015-08-24 日産自動車株式会社 電極の切断装置
JP2022517975A (ja) * 2019-11-25 2022-03-11 エルジー エナジー ソリューション リミテッド スリッター
JP2023047936A (ja) * 2021-09-27 2023-04-06 日立造船株式会社 固体電池、固体電池の製造方法および固体電池の製造装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010253615A (ja) * 2009-04-24 2010-11-11 Toyota Motor Corp 電極切断刃及びそれを用いた電極切断装置
JP2015153538A (ja) * 2014-02-13 2015-08-24 日産自動車株式会社 電極の切断装置
JP2022517975A (ja) * 2019-11-25 2022-03-11 エルジー エナジー ソリューション リミテッド スリッター
JP2023047936A (ja) * 2021-09-27 2023-04-06 日立造船株式会社 固体電池、固体電池の製造方法および固体電池の製造装置

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