JP4363677B2 - 電池用電極体の製造方法並びに製造装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、セパレーターと電極とを捲芯を用いて捲回してなる電池用電極体の製造方法と装置に関し、更に詳しくは、捲芯を除去してできる電池用電極体のセンター穴にセパレーター等の被捲回物が実質上残らない電池用電極体の製造方法と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ビデオ機器やオーディオ機器、更には通信機器やコンピューターなどの携帯化に伴い、高性能の電池に対する需要は益々高まりつつあるが、中でも、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れ、自己放電も少ないので注目を浴び、種々の大きさ及び形態のリチウムイオン二次電池が既に実用化されている。
【0003】
リチウムイオン二次電池の電極体は、通常、図10に示すように、2枚のセパレーター3、3と正極4及び負極5とを積層したものを、捲芯1の空隙部2に挟み込み、捲芯1を回転させることによって捲回し、次いで、捲芯1を抜き取ることによって製造するが、被捲回物であるセパレーター3、3の先端部を捲芯1の空隙部2に挟み込んで捲回するために、図11に示すように、捲芯1が抜き取られた電極体6のセンター穴7内には、センター穴7を横切って、平仮名の“の”の字状にセパレーター3が残ってしまうという欠点があった。このセンター穴7は、図12に示すように、電極体6を負極缶8に挿入した後に、負極リード9と負極缶8とを溶接する溶接棒10の挿入穴として利用されるものであり、そのセンター穴7にセパレーター3が“の”の字状に存在することは、溶接棒10の挿入を妨げ、溶接不良の原因ともなって、好ましいものではない。
【0004】
この不都合をなくすため、従来は、溶接棒10の挿入に先立って、やや高温に熱したリフォーミングピンをセンター穴7内に挿入して、センター穴7の中央に存在するセパレーター3を、センター穴内壁に押しつけて、センター穴7をリフォーミングすることが行われていた。しかしながら、このような方法では、リフォーミングの為の工程が増えるばかりでなく、高温を使用する為に電極体に思わぬ損傷を与えたり、リフォーミングされたはずのセンター穴が溶接棒挿入時には再び元の形状に戻っていたりして、製品歩留まりを悪くするという問題点があった。
【0005】
更には、特開平8−315830号公報に見られるように、捲芯端部の断面形状をセンター穴と同じ形状にし、この捲芯を抜き取る際に、捲芯端部によってセンター穴を成形することによって、センター穴内に“の”の字状に残るセパレータの問題を解決しようとする提案も為されてはいるが、この方法によっても、所詮は、センター穴内に残ってしまったセパレーターを事後的に処理するものであり、問題を根本的に解決するものではない。
【0006】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は、これら従来技術の欠点を解決するために為されたもので、センター穴内に残ってしまったセパレーターを事後的に処理するという従来の考え方を根本的に転換し、そもそも、センター穴内にセパレーター等の被捲回物が実質的に残らないような電池用電極体の製造方法と製造装置を提供することを課題とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、電池用電極体の製造方法並びに製造装置について研究を重ねた結果、従来のように、被捲回物であるセパレーター等の先端部を、捲芯の空隙部を貫通させて捲芯に挟み込むのではなく、被捲回物の一部を捲芯の空隙部を貫通させない程度に捲芯に挟み込み、捲芯を回転させることによって、捲回後、何らの成形を施すことなく、センター穴内に実質上、セパレーター等の被捲回物が残らない電極体が得られることを見出して、本発明を完成した。
【0008】
すなわち、本発明は、被捲回物の一部を、捲芯がその回転軸方向に沿って有する空隙部内に、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に位置させて、捲芯を回転させることにより、被捲回物を捲芯上に巻き取って電極体を製造する電池用電極体の製造方法によって、また、回転軸方向に沿った空隙部を有する捲芯と、その空隙部内に、捲芯回転軸方向と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に被捲回物を位置させる手段と、捲芯の回転手段とを備えている電池用電極体の製造装置によって、上記課題を解決するものである。
【0009】
本発明にあっては、被捲回物が、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に空隙部内に位置せしめられることが重要である。ここで、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しない程度とは、捲芯の回転軸に沿って存在する空隙部内に位置する被捲回物の先端が、捲芯の反対側に出ることがないことを言い、被捲回物の先端が捲芯の反対側に出ない限り、空隙内における被捲回物の先端位置は特に問うものではない。しかしながら、通常、捲回を確実にし、かつ、センター穴内に実質上、被捲回物を残さないという観点からは、捲芯軸径の1/4ないし3/4程度、被捲回物が捲芯空隙部内に位置することが望ましく、更には、捲芯軸径の1/3ないし2/3程度、被捲回物が空隙部内に位置することが好ましい。
【0010】
また、被捲回物が空隙部内に位置するとは、被捲回物が空隙部内に存在することを言い、例えば、被捲回物を捲芯空隙部の手前に置いて、捲芯と反対側から捲芯に向かって相対的に挿入部材を移動させ、その挿入部材を捲芯空隙部内に挿入することによって、被捲回物を空隙部内に位置させる。
【0011】
挿入部材の形状としては、捲芯空隙部内に進入可能で、被捲回物の一部を空隙部内に挿入することができるものであれば良く、全体が空隙部内に挿入可能な程度に薄い板状ものや、空隙部内に挿入される部分だけが薄いもの、空隙部内に挿入される部分だけで構成される長尺状のもの、先端を特に薄くした刃状のも、糸状のものなど種々の形態が可能である。挿入部材は、捲芯回転軸と平行に配置され、捲芯回転軸と平行に空隙部内に挿入されるのが好ましい。
【0012】
挿入部材の空隙部内への挿入深さは、挿入部材によって捲芯空隙部内に位置せしめられる被捲回物の挿入先端が捲芯を貫通しない程度であれば特に制限はないが、空隙部内に位置させる被捲回物の挿入先端と同程度、すなわち、捲芯軸径の1/4ないし3/4程度、挿入部材を捲芯空隙部内に挿入するのが好ましく、更には、捲芯軸径の1/3ないし2/3程度挿入するのが更に好ましい。
【0013】
このように、本発明にあっては、捲芯空隙部内に位置する被捲回物の先端が捲芯を貫通して捲芯反対側に突き出る必要がないので、捲芯空隙部は、有底のものであっても、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しているものであっても良い。
【0014】
被捲回物の一部が捲芯空隙部内に位置する状態で、捲芯が回転すると、空隙部は内部に被捲回物の一部を位置させたまま回転し、空隙部の内壁エッジと被捲回物との接点を起点にして被捲回物は捲芯上に捲き取られる。捲芯の回転に伴い、空隙部内に位置する被捲回物の一部が期せずして抜け出てしまうのを防ぐ為に、被捲回物が捲芯上を少なくとも1捲きするまでの間、被捲回物が空隙部から抜け出るのを防止する手段を講じるのが好ましい。被捲回物が捲芯上を少なくとも1捲きするまでの間とは、捲き取られる被捲回物が、捲芯を1捲きして、捲取の起点となった被捲回物上を覆うまでの間を言い、そのような状態になれば、被捲回物は自身にかかる張力によって捲き締まり、最早被捲回物が空隙部から抜け出ることはない。なお、被捲回物が空隙部から抜け出るのを防止する手段を講じる時期は、捲芯が回転を開始するまでであればいつでも良く、空隙部に被捲回物が位置する前であっても後であっても良い。また、被捲回物が空隙部から抜け出るのを防止する手段を解除する時期は、被捲回物が最早、捲芯空隙部から抜け出ることがなくなった後であればいつでも良く、安全率や、被捲回物や捲芯の性状、捲取速度などに応じて、適宜設定できることは言うまでもない。
【0015】
被捲回物が空隙部から抜け出るのを防止する手段としては、捲芯構成部材で被捲回物を挟み込むことによって、被捲回物が捲芯空隙部から抜け出るのを防止することが可能である。
【0016】
捲芯は、捲回終了後に抜き取られる。抜き取りは、捲芯全体を一方向に引き抜くことによって行っても良く、捲芯が2以上の部材から構成されている場合には、一方向、或いは、対向する2方向に引き抜くようにしても良い。
【0017】
また、本発明において、被捲回物とは、電池用電極体を構成するに際して、捲回される材料を言い、リチウムイオン二次電池や、ニッケル/カドミウム二次電池の場合には、セパレーター、正極、負極などである。これらは通常、薄い帯状物であって、積層された状態で捲回位置に供給される。捲回される正極及び負極の長さは、通常、セパレーターよりも短いので、捲回位置に供給されてくる被捲回物の先頭部はセパレーターのみからなる。従って、捲芯の空隙部内に位置する被捲回物の一部は、大抵の場合、セパレーターであるが、捲芯の空隙部内に位置する被捲回物の一部は、何もセパレーターに限られるものではなく、被捲回物の先頭部を構成するものであれば、何であっても良い。なお、以下の説明は、主として、リチウムイオン二次電池もしくはニッケル/カドミウム二次電池を念頭において行うが、本発明が、これら特定の電池に限られるものではなく、また、以下に説明する特定の実施の態様に限定されるものでもないことは勿論である。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の電池用電極体製造装置の全体構成を示す。図1において、1は捲芯であり、3はセパレーター、4は正極、5は負極である。11、12は、それぞれ、第1クランプローラー及び第2クランプローラーであって、双方向矢印で示される方向に移動可能であり、供給されてきたセパレーター3、ないしは、セパレーター3と正極4及び負極5を、上下から挟んでクランプできるようになっている。この第1、第2のクランプローラー11及び12は、一方向にのみ回転するモノウエイローラーで構成するのが望ましい。13は挿入板、14はモノウエイローラーからなる抜け止めローラー、15は弛み付与ローラーで、矢印方向に移動して、セパレーター3に所定量の弛み付与するものである。16はフィードローラー、17はカッター、18、19は、それぞれ、正極リード溶接機構及び負極リード溶接機構、20はアウターテープ、21はアウターテープ貼付機構である。この図の例では、捲芯1は、断面が半円形の2つの部材1a及び1bから構成されており、3本用意されて、互いに120度離れたA、B、C、3つの位置を順次回転移動できるようになっている。A位置では、捲芯1による、セパレーター3、3、正極4、及び負極5の捲取が行われ、B位置では、捲取終わった電極体6へのアウターテープの貼付が行われ、C位置では、捲芯1の抜き取り作業が行われる。捲芯1のA位置からB位置への回転移動は、次の捲取作業のために、セパレーター3、3を捲取準備位置に持ち来す役目もかねるものである。このように、捲芯1を3本用意し、各々の位置で、異なる作業を行うようにすることによって、作業効率を向上させることができる。捲芯1の数は、何も3本に限るものではなく、1本でも、2本でも、更には4本以上であっても良いことは勿論である。
【0019】
次に、図面を用いて、この装置の動作を説明する。まず、図2に示すように第1のクランプローラー11、11が上下からセパレーター3、3を挟み込み、クランプする。同時に、この第1のクランプローラー11よりも下流側では、カッター17が上昇して、B位置にある捲取終わった電極体6からセパレーター3を切り離し、電極体6にアウターテープを貼付ける作業が行われる。
【0020】
続いて、図3に示すように、抜け止めローラー14が前進して、捲芯1との間でセパレーター3、3を挟み込み、捲芯1に当接する。抜け止めローラー14は、矢印で示す方向にのみ回転するモノウエイローラーであるので、捲芯1の回転に伴って、セパレーター3、3を順次下流側に送り出す方向には回転するが、逆方向には回転せず、セパレーター3、3が捲芯1の回転に伴って空隙部内から抜け出るのを防止する機能を備えている。抜け止めローラー14がセパレーター3、3を挟み込んで捲芯1に当接した後、第2のクランプローラー12が上下からセパレーター3、3、及び正極4並びに負極5を挟み込み、クランプする。
【0021】
次に、図4に示すように、第1のクランプローラー11、11によるクランプが解除され、挿入部材13が上昇して、被捲回物であるセパレーター3、3を、捲芯1の空隙部2内に挿入する。続いて、挿入部材13が下降し、捲芯1が回転を開始して、捲取が始まる。抜け止めローラー14は、セパレーター3、3が捲芯1に少なくとも1捲き、好ましくは、1〜2捲き程度巻き付いた段階で、後退して、抜け止め機能を解除する。
【0022】
図1に戻って、正極4及び負極5は、それぞれ、フィードローラー16、16によって、所定の時期に供給を開始され、セパレーター3、3と共に、第2のクランプローラー12、12によってクランプされ、捲回位置へと移動する。フィードローラー16、16は、正極4及び負極5が第2のクランプローラー12、12によってクランプされた段階で、正極4及び負極5との当接を解除する。正極4及び負極5は、セパレーター3、3と共に、順次捲回位置へと送り出され、正極4及び負極5の捲芯1への捲回が開始した段階で、第2のクランプローラー12、12のクランプは解除される。
【0023】
捲回の終了時には、フィードローラー16、16が、正極4及び負極5を、それぞれクランプすると共に、フィードローラー16、16近傍のカッター17、17が機能して、正極4及び負極5を切断する。次いで、捲芯1は、回転を停止して、位置Bまで回動し、図1の状態に戻る。
【0024】
なお、以上の説明では、抜け止め防止手段として、抜け止めローラーを用いる例を示したが、抜け止めローラーではなく、弛み付与ローラー15を用いる場合には、図5に示すように、弛み付与ローラー15が前進して、セパレーター3、3を押し上げ、その走行路長を伸ばして、セパレーター3、3に、捲芯1を少なくとも1捲きするに必要な弛みを付与する。次いで、第2のクランプローラー12が上下からセパレーター3、3、及び正極4並びに負極5を挟み込み、クランプする。この場合の第2のクランプローラー12としては、セパレーター3、3を下流方向にのみ送り出すように回転するモノウエイローラーを用いるのが好ましい。続いて、図6に示すように、第1のクランプローラー11、11よるクランプが解除され、挿入部材13が上昇して、セパレーター3、3の一部を空隙部2内に位置させ、挿入部材13が下降すると共に、弛み付与ローラー15も下降して、捲芯1と第2のクランプローラー12、12との間には、捲芯1の少なくとも1捲き分に相当する弛みが残される。この状態で捲芯1は回転し、捲取が開始される。後の動作は、抜け止めローラー14を用いる場合と同じである。
【0025】
図7は、抜け止め防止手段の他の例を示し、捲芯1の空隙部2内に被捲回物であるセパレーター3、3等を位置させた後、捲芯1を構成する捲芯構成部材1aを回転方向に回転させて、捲芯構成部材1aのエッジと捲芯構成部材1bのエッジとの間で、セパレーター3、3を挟み込むものである。このようにしてセパレーター3、3を挟み込んだまま捲芯1は回転し、被捲回物が捲芯1上に捲回される。また、捲芯構成部材1aを捲芯構成部材1bに対して相対的に移動させ、捲芯構成部材1aと捲芯構成部材1bの対向する面間でセパレーター3、3を挟み込むようにしても良い。この図7に示したような抜け止め防止手や、上述した抜け止めローラーや弛み付与ローラーを用いる抜け止め防止手段、更には、その他の抜け止め防止手段は、その複数を併用しても良いことは勿論である。
【0026】
このようにして捲き取られた電極体6は、図8に示すように、センター穴7に、平仮名の“の”の字状に残るセパレーター等の被捲回物がなく、捲回工程の後に、センター穴のリフォーミングをする必要がない。なお、本発明の製造方法ないしは製造装置は、セパレーター等の被捲回物の一部を捲芯を貫通させない程度に捲芯空隙内に位置させて、捲芯を回転させ捲回するものであるので、電極体6の中心部側にある被捲回物の先端部近傍には、通常、22で示すように、空隙部2の内壁エッジが当接した折り目が1箇所だけ残る。図9に示すように、この折り目22と被捲回物の先端23との間の距離Xは、捲芯軸径より、換言すれば、センター穴7の直径よりも短い。これに対して、従来のように、被捲回物を捲芯を貫通させた状態で回転させて捲回するものにあっては、電極体6の中心部側にある被捲回物の先端部近傍には、例えば、図11に見られるように、捲芯の軸径とほぼ同じ距離を隔てて、2箇所の折り目22、22が残るのが普通である。したがって、捲回された電極体の中心部側にある被捲回物の先端部近傍1箇所に折り目があるかどうかで、本発明にかかる電極体と従来技術による電極体とは明瞭に区別されるものである。なお、このような折り目が1箇所でないからといって、必ずしも、本発明の製造方法ないしは製造装置によって製造されたものではないということを意味するものではない。
【0027】
以下、参考例を用いて、本発明を更に詳細に説明するが、本発明が以下の参考例に限られるものでないことは言うまでもない。
【0028】
【参考例】
図1に示す装置を用いて、リチウムイオン二次電池用の電極体を製造した。断面半円形の超硬合金でできた捲芯構成部材2本を、0.45mmの間隔を開けて対向させ、直径4mmの捲芯とし、それに、ポリプロピレンとポリエチレンとを積層した厚さ約30μmのセパレーター、厚さ約200μm程度の正極及び負極を捲き付け、直径18mmの円筒形電池用電極体とした。挿入部材としては、厚さ0.2mmのステンレス板を使用し、捲芯空隙部内に約2mm挿入した。抜け止め防止手段としては、図5〜図6に示す、弛み付与ローラーを用い、約20mmの弛みを持たせた。電極体は、合計で120個製造し、そのセンター穴形状を調べた。その結果、製造された120個の電極体のセンター穴は、捲芯を抜き取った状態で、全てきれいな円形をしており、センター穴に実質上、何らのセパレーターも存在しなかった。次いで、通常の製造装置を用いて負極リードと負極缶との溶接を行い、電池として組み立てたが、全て良好な電池特性を示し、不良品の発生は見られなかった。
【0029】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電池用電極体の製造方法並びに製造装置によれば、センター穴内に、被捲回物が“の”の字状に残ることのない電極体が、容易に、かつ、確実に得られるものである。本発明によれば、電極体の捲回後にセンター穴をリフォームしたり、成形したりする必要がなく、製造工程が簡略化できるのみならず、生産効率を高め、しかも、熱や溶剤や接着剤等を使用しないので、電池性能や環境に与える影響を顧慮する必要がない。従って、そのような電池用電極体は、電極体として優れていると共に、そのような電極体を組み込んだ電池そのものも、極めて性能の良い、優れた電池が得られるものである。
【0030】
【図面の簡単な説明】
【図1】 電極体製造装置の全体図を示す図である。
【図2】 電極体製造装置の動作を示す図である。
【図3】 電極体製造装置の動作を示す図である。
【図4】 電極体製造装置の動作を示す図である。
【図5】 電極体製造装置の動作を示す図である。
【図6】 電極体製造装置の動作を示す図である。
【図7】 電極体製造装置の他の例を示す図である。
【図8】 本発明の電極体の一例を示す側面図である。
【図9】 本発明の電極体の一部を拡大した図である。
【図10】 従来の電極体の製造方法を示す図である。
【図11】 従来の電極体の側面図である。
【図12】 従来の電池の製造方法を示す断面図である。
【0031】
【符号の説明】
1 捲芯
2 空隙部
3 セパレーター
4 正極
5 負極
6 電極体
7 センター穴
8 負極缶
9 負極リード
10 溶接棒
11 第1のクランプローラー
12 第2のクランプローラー
13 挿入部材
14 抜け止めローラー
15 弛み付与ローラー
16 フィードローラー
17 カッター
18 正極リード溶接機構
19 負極リード溶接機構
20 アウターテープ
21 アウターテープ貼付機構
22 折り目
X 被捲回物先端部からの距離
Claims (3)
- 被捲回物の一部を、捲芯が、捲芯を構成する断面が半円形の2つの部材の間に形成される間隙としてその回転軸方向に沿って有する空隙部内に、当該空隙部内に進入可能な挿入部材を当該捲芯空隙部に対して移動させることによって、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に位置させた後、捲芯を構成する断面が半円形の2つの部材を相対的に移動させてこれら2つの部材の間に被捲回物を挟み込み、捲芯を回転させることにより、被捲回物を捲芯上に巻き取って電極体を製造する電池用電極体の製造方法。
- 被捲回物が、セパレーターと正極及び/又は負極の積層体である請求項1記載の電池用電極体の製造方法。
- 回転軸方向に沿った空隙部を有する捲芯と、その空隙部内に、捲芯回転軸方向と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に被捲回物を位置させる手段と、捲芯の回転手段とを備えている電池用電極体の製造装置であって、前記捲芯は、断面が半円形の2つの部材から構成され、それら断面が半円形の2つの部材は、それらの間に上記空隙部が形成されるように間隙をあけて対向する位置と、それらの間に被捲回物を挟み込む位置との間で、相対的に移動可能であり、捲芯の空隙部内に捲芯回転軸方向と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に被捲回物を位置させる手段は、捲芯の空隙部内に進入可能な挿入部材と、その挿入部材を、捲芯回転軸方向と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に空隙部内に挿入する手段とから構成されている電池用電極体の製造装置。
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1998
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