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
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Abstract
【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。
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。
「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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
式(1):Li4-xGe1-xPxS4 (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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (9)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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