JP5048404B2

JP5048404B2 - ２次電池の製造方法および製造装置

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Publication number: JP5048404B2
Application number: JP2007172759A
Authority: JP
Inventors: 徹福永
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: JP2009009919A

Description

本発明は、枚葉状の正極板と負極板との間にシート状のセパレータを介在させて積層を形成するリチウム２次電池の製造方法と製造装置に関するものである。

正極板と負極板の間にセパレータを介在させて２次電池を製造する製造装置として、特許文献１のような製造装置が知られている。

特許文献１の製造装置は、図４に示すように、セパレータを供給するセパレータ供給部１と、セパレータを引き出すグリップチャック１１と、正極板と負極板を供給する正極板供給機構３０と負極板供給機構３１と、回転チャック機構４５とを備えている。

まず、グリップチャック１１がセパレータをセパレータ供給部１から所定量引き出す。次に、セパレータを挟んで対向位置に配置されている正極板供給機構３０と負極板供給機構３１が、引き出されたセパレータに、正極板と負極板を供給配置する。次に、回転チャック機構４５が正極板と負極板をクランプし、クランプした状態で半回転する。次に、回転チャック機構の半回転にあわせて、グリップチャック１１がセパレータ供給部側に戻る。次に、正極板供給機構３０と負極板供給機構３１が、セパレータで挟まれた正極板と負極板の外側に、さらに正極板と負極板を供給配置する。次に、回転チャック機構４５が、積層された正極板と負極板をクランプした状態で半回転する。回転チャック機構４５が、半回転することで２層目を形成する。次に、回転チャック機構４５の半回転にあわせて、グリップチャック１１がセパレータ供給側に戻る。以後、グリップチャック１１が所定の高さ（正極板供給機構および負極板供給機構の高さ）に戻るまで同様の動作を繰り返す。グリップチャック１１が所定の高さに戻ると、カッタがセパレータ供給部側のセパレータを切断し、グリップチャック１１がセパレータを開放する。次に、回転チャック機構が積層された正極板と負極板を次の工程に搬送する。このように、特許文献１の製造装置は、セパレータに正極板と負極板を供給配置し、クランプさせた正極板と負極板を回転チャック機構４５で半回転しながらリチウム２次電池を製造している。

特開２００５−１９０７７７号公報

特許文献１の装置では、セパレータの引き出された長さ分だけ正極板と負極板が折り重ねられる構成となっている。大容量のリチウム２次電池のように、セパレータに折り重ねられる正極板と負極板の枚数が増えると、このような装置では対応できなくなっている。

また、正極板と負極板はセパレータに対して固定されていないので搬送時等に積層した位置からずれてしまう問題もある。電極の位置ズレは、短絡事故により短時間に大電流が電極間に流れ爆発、発火事故などが発生する危険性がある。

本発明は、大容量のリチウム２次電池の製造に対応でき、従来の製造装置よりも生産性が向上したリチウム２次電池の製造方法と製造装置を提供することを目的としている。

上記の課題を達成するために、請求項１に記載の２次電池製造方法は、
電極板の仕切りに用いられる連続セパレータに、複数の正極板と負極板から構成される電極板を電極板毎に所定の間隔を保持し、前記連続セパレータに正極板と負極板を所定の間隔で交互に配置し、前記電極板に設けられたタブが前記連続セパレータの外側になるように配置し、
他方の電極板の仕切りに用いられる連続セパレータを、前記電極板が配置された連続セパレータに重ね合わせて、
前記電極板の周囲の連続セパレータ同士を
加熱溶融により貼り合わせて接着し、
正極板と負極板が連続セパレータを介して交互に重なり合うように積層状に収納することを特徴とする２次電池製造方法である。

請求項２に記載の２次電池製造装置は、
電極板を挟み込む電極板の下側の連続セパレータと、電極板の上側に位置する他方の連続セパレータと、
前記電極板が正極板と負極板であり、前記連続セパレータに正極板と負極板を所定の間隔で交互に配置し、電極板に設けられたタブを連続セパレータの外側になるように配置する移載ハンドと、
連続セパレータと電極板と他方の連続セパレータとを重ね合わせるニップロールと、
ニップロールから送り出された連続セパレータの端部と電極板毎の間隙を加熱溶融させるヒータと、
連続セパレータのヒータによる加熱溶融と、連続セパレータへの電極板の配置とを連動させて連続セパレータを間欠移動させる搬送コンベアと、
電極板毎に周囲が張り合わされた連続セパレータを正極板と負極板が前記連続セパレータを介して交互に重なり合うように折り込むスイング機構と、
折り込まれた連続セパレータを積層状に収納する収納箱とからなる２次電池製造装置である。

請求項１に記載の発明によれば、電極板の周囲を連続セパレータの接着により取り囲んでいるので、電極板の位置ズレを防止することができる。そのため、電極板の位置ズレによる短絡事故や爆発・発火事故などを回避することができる。さらに、セパレータが連続セパレータで構成されており、電極板毎に連続セパレータを折り込んで積層タイプの２次電池を構成することができるので、電極板の枚数に制限なく大容量の２次電池の製造に対応することができる。

さらに、連続セパレータに正極板と負極板を所定の間隔で交互に配置し周囲を連続セパレータの接着により取り囲み積層状に収納しているので、正極板と負極板の接触がない２次電池を製造することができる。

請求項２に記載の発明によれば、連続セパレータの電極板の周囲の接着と、連続セパレータへの電極板の配置を連動して搬送コンベアを間欠運転するので、大容量の２次電池を効率よく製造することができる。また、電極板の周囲の連続セパレータが接着さるので電極板同士の接触を防止することができる。

さらに、移載ハンドで正極板と負極板を移載するので連続セパレータに精度よく配置し連続性の高い生産に効率よく対応できる。

＜実施の形態１＞
次に本発明のリチウム２次電池製造装置（以後、２次電池製造装置と称する）の実施の形態１を図面を参照して説明する。図１は２次電池製造装置の各要部の配置を示す概略斜視図である。まず、図１に基づいて本発明の２次電池製造装置の概略構成を説明する。なお、２次電池製造装置で用いる正極板および負極板の連続セパレータＳを図面の説明上、上セパレータ１００と下セパレータ１０１に区別して記載する。また、電極板ＰＮを正極板１０８と負極板１０９に区別して記載する。上セパレータ１００は、正極板１０８および負極板１０９に対して上側に配置される連続セパレータＳを示し、下セパレータ１０１は、下側に配置される連続セパレータＳを示す。連続セパレータＳの表面には、接着剤が塗布されており、加熱により接着剤が溶融し連続セパレータＳ同士が接着されるようになっている。

２次電池製造装置は、上セパレータ１００が送り出される上セパレータ巻出部１０２と、下セパレータ１０１が送り出される下セパレータ巻出部１０３と、送り出された上セパレータ１００および下セパレータ１０１を把持して所定の長さを引き出すニップロール１０４と、２次電池の積層部１０５と、ロール状の正極材１０６および負極材１０７と、枚葉状の正極板１０８および負極板１０９と、正極板１０８および負極板１０９を搬送コンベア１１０上の下セパレータ１０１に載置する移載ハンド１１２と、載置された正極板１０８と負極板１０９を搬送する搬送コンベア１１０とを備えている。

正極板１０８と負極板１０９は、ロール状の正極材１０６および負極材１０７から引き出された電極板を、図示していない打ち抜き装置により所定の大きさに切断して形成される。なお、正極板１０８および負極板１０９にはタブ１１１が形成されるように所定の大きさに切断される。切断された正極板１０８および負極板１０９は移載ハンド１１２の近傍に供給される。

移載ハンド１１２はＺ軸回りに回転させる支持部１１３と、この支持部１１３に支持されたアーム１１４と、アーム１１４の先端側に取り付けられた正極板１０８および負極板１０９を吸着する吸着部１１５とを備えている。正極板１０８用、負極板１０９用各々専用に設置された移載ハンド１１２は、吸着部１１５で正極板１０８と負極板１０９を同時に吸着して下セパレータ１０１に正極板１０８と負極板１０９が隣り合うように配置する。配置の際、下セパレータ１０１の進行方向に対して所定間隔を保つように、かつ下セパレータ１０１の端部から所定間隔を保つように配置する。さらに、正極板１０８と負極板１０９に設けられたタブ１１１は、下セパレータ１０１の外側になるように配置する。

下セパレータ１０１は、ロール状の下セパレータ巻出部１０３より送り出され搬送コンベア１１０上を通り、ニップロール１０４を経由してセパレータ同士の貼り合わせが行われた後、積層部１０５に積層される。搬送コンベア１１０上において、正極板１０８および負極板１０９が所定位置に配置されると、搬送コンベア１１０の端部に備えられているサポート部材１１６が待機位置から９０度旋回し、正極板１０８および負極板１０９を押さえ、搬送中の位置ズレの防止を行うようになっている。なお、サポート部材１１６の待機位置側は、搬送コンベア１１０の進行方向と平行で正極板１０８と負極板１０９の配置される位置に干渉しない位置とする。また、サポート部材１１６は、個々の正極板１０８および負極板１０９を搬送コンベア１１０の進行方向に対して左右に少なくとも２カ所で支えることができるように、搬送コンベア１１０の端部に複数個が備えられている。搬送コンベア１１０は、正極板１０８および負極板１０９の移載時は停止し、サポート部材１１６が動作するとニップロール１０４方向に所定の長さ移動し、間欠運転を行うようになっている。

なお、サポート部材１１６を備える変わりに、移載された正極板１０８と負極板１０９を搬送コンベア１１０上に固定的に保持することができるマグネットコンベア型の搬送コンベア１１０を用いても良い。

正極板１０８または負極板１０９が搬送コンベア１１０により搬送され、ニップロール１０４に近づくと、サポート部材１１６が９０度旋回し待機位置側に戻る。そして、正極板１０８または負極板１０９が、上セパレータ巻出部１０２から送り出された上セパレータ１００と、下セパレータ１０１に挟み込まれた状態でニップロール１０４に挟み込まれて重ねられるようになっている。以後、ニップロール１０４から送り出された上セパレータ１００および下セパレータ１０１を連続セパレータＳと呼び、正極板１０８および負極板１０９について電極板ＰＮの記載も用いる。

ニップロール１０４から送り出された連続セパレータＳは、ロールヒータ１１７および２本の棒ヒータ１１８によって表面が加熱され接着剤が溶融し連続セパレータＳ同士が接着される。図２に連続セパレータＳと電極板ＰＮ（正極板１０８および負極板１０９）と接着領域を示す。電極板ＰＮは、連続セパレータＳのほぼ中央に配置されている。ロールヒータ１１７は、円筒状のヒータで円筒の外周面が、電極板ＰＮの進行方向で図２の接着領域Ａを走行するようになっている。接着領域Ａは、電極板ＰＮの周囲で連続セパレータＳの端との間の領域となっている。なお、図２において、袋状領域Ｃの中に収納された電極板ＰＮを点線で示した。

次に、接着領域Ａが接着されると、２本の棒ヒータ１１８が下降し図２の接着領域Ｂを接着する。接着領域Ｂは連続セパレータＳの電極板ＰＮ毎の間隔の領域となっている。そして、２本の棒ヒータ１１８は、電極板ＰＮの間隔と同じ間隔で配置されている。これにより、連続セパレータＳの袋状領域Ｃが形成され、袋状領域Ｃの中に一枚づつ電極板ＰＮが収納されるようになる。また、タブ１１１は、袋状領域Ｃから外部に露出するように形成される。従って、電極板ＰＮの周囲が接着され電極板ＰＮの位置ズレや正極板１０８と負極板１０９のショートを防止できるようになる。

周囲が接着された電極板ＰＮは送りロール１１９に送られ、その後、スイング機構１２０のより積層部１０５に正極板１０８と負極板１０９が連続セパレータＳを介してジグザグ状に積み重ねられる。所定の厚さに積み重ねられると、スイング機構１２０の出口部に備えられているカッタによって連続セパレータＳが切断され、積層体である２次電池の製造が完了する。次に、積層部１０５に形成された２次電池が次工程に搬送される。なお、図２において積層部１０５内の積層状態を示すため、積層部１０５は１点鎖線にて示した。

このように、実施の形態１の２次電池製造装置は、正極板１０８と負極板１０９は袋状領域Ｃに収納されているので搬送時等に積層した位置からずれることがない。そのため、電極板ＰＮの位置ズレ、短絡事故による爆発、発火事故などを回避することができる。さらに、電極板の仕切りに用いられるセパレータが連続セパレータＳで構成されており、電極板ＰＮ毎に連続セパレータＳを折り込んで積層タイプの２次電池を構成することができるので、電極板の枚数に制限なく大容量の２次電池の製造に対応することができる。また、移載ハンド１１２で正極板１０８と負極板１０９を移載するので連続セパレータＳに精度よく配置し連続性の高い生産に効率よく対応できる。

上記実施の形態１では、ロールヒータ１１７および２本の棒ヒータ１１８を用いて連続セパレータＳを加熱溶融して接着していたが、加熱溶融に限らず超音波溶接を用いることもできる。

＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２について、図３を用いて説明する。図３の符号において実施の形態１と同じ構成部品については同じ符号を用いる。

図３に示す２次電池製造装置は、上セパレータ１００が送り出される上セパレータ巻出部１０２と、下セパレータ１０１が送り出される下セパレータ巻出部１０３と、送り出された上セパレータ１００および下セパレータ１０１を把持して所定の長さを引き出すニップロール１０４と、２次電池の積層部１０５と、ロール状の正極材１０６および負極材１０７と、枚葉状の正極板１０８および負極板１０９と、正極板１０８を搬送コンベア１１０上の下セパレータ１０１に載置する移載ハンド１１２と、載置された正極板１０８を搬送する搬送コンベア１１０と、負極板１０９の裏面に接着剤１２１を塗布する接着剤塗布ノズル１２２と、負極板１０９を接着剤１２１の塗布位置と接着剤１２１の塗布された負極板１０９を移載する移載ハンド１２３とを備えている。

正極板１０８と負極板１０９は、ロール状の正極材１０６および負極材１０７から引き出された電極板を、図示していない打ち抜き装置により所定の大きさに切断して形成される。なお、正極板１０８および負極板１０９にはタブ１１１が形成されるように所定の大きさに切断される。切断された正極板１０８は搬送コンベア１１０の横に設置された移載ハンド１１２の近傍に供給される。負極板１０９は、送りロール１１９の下方に設置された移載ハンド１２３の近傍に供給される。

移載ハンド１１２はＺ軸回りに回転させる支持部１１３と、この支持部１１３に支持されたアーム１１４と、アームの先端側に取り付けられた正極板１０８を吸着する吸着部１１５とを備えている。移載ハンド１１２は、吸着部１１５を用いて正極板１０８を吸着し、正極板１０８を移載コンベア１１０上の下セパレータ１０１に所定の間隔で移載する様になっている。

下セパレータ１０１は、ロール状の下セパレータ巻出部１０３より送り出され搬送コンベア１１０上を通り水平方向に移動した後、ニップロール１０４を経由して下降方向に移動し、積層部１０５に積層される。搬送コンベア１１０上において、正極板１０８が所定位置に配置されると、搬送コンベア１１０の端部に備えられているサポート部材１１６が待機位置から９０度旋回し、正極板１０８を押さえ、搬送中の位置ズレの防止を行うようになっている。なお、サポート部材１１６の待機位置側は、搬送コンベア１１０の進行方向と平行で正極板１０８の配置される位置に干渉しない位置とする。また、サポート部材１１６は、個々の正極板１０８を搬送コンベア１１０の進行方向に対して左右に少なくとも２カ所で支えることができるように、搬送コンベア１１０の端部に複数個が備えられている。搬送コンベア１１０は、正極板１０８の移載時は停止し、サポート部材１１６が動作するとニップロール１０４方向に所定の長さ移動し、間欠運転を行うようになっている。

正極板１０８が搬送コンベア１１０により搬送され、ニップロール１０４に近づくと、サポート部材１１６が９０度旋回し待機位置側に戻る。そして、正極板１０８が、上セパレータ巻出部１０２から送り出された上セパレータ１００と、下セパレータ１０１に挟み込まれた状態でニップロール１０４に挟み込まれて重ねられるようになっている。以後、ニップロール１０４から送り出された上セパレータ１００および下セパレータ１０１を連続セパレータＳと呼ぶ。

ニップロール１０４から送り出された連続セパレータＳは、ロールヒータ１１７および２本の棒ヒータ１１８によって表面が加熱され接着剤が溶融し連続セパレータＳ同士が接着される。実施の形態１と同様に、ロールヒータ１１７が接着領域Ａを加熱し溶着し、２本の棒ヒータ１１８が連続セパレータＳの接着領域Ｂを加熱し溶着する。これにより、連続セパレータＳに袋状領域Ｃが形成され、袋状領域Ｃの中に一枚づつ正極板１０８が収納されるようになる。また、タブ１１１は、袋状領域Ｃから外部に露出するように形成される。なお、図３において、袋状領域Ｃの中に収納された正極板１０８を点線で示した。

周囲が接着された連続セパレータＳは送りロール１１９に送られ、積層部１０５側に下降する。次に、送りロール１１９の下方に供給された負極板１０９が、移載ハンド１２３により、連続セパレータＳの左右に配置される。次に、負極板１０９の下面に、接着剤塗布ノズル１２２より接着剤１２１が塗布される。接着剤塗布ノズル１２２は負極板１０９の下方に備えられており、負極板１０９が連続セパレータＳの左右に配置される毎に上昇し接着剤１２１の塗布を行った後、下降し次の負極板１０９の配置を待機するようになっている。接着剤塗布ノズル１２２は、下降している連続セパレータＳの両側に備えられている。次に、移載ハンド１２３が、連続セパレータＳの外周面で正極板１０８の表面および裏面に連続セパレータＳを介して負極板１０９を貼り付ける。これにより、負極板１０９、連続セパレータＳ、正極板１０８、連続セパレータＳ、負極板１０９の順に重ねられることになる。負極板１０９の貼付は、正極板１０８の一つ飛び毎に行われる。（正極板１０８に対して両側に負極板１０９を貼り付けた後、次に送られた正極板１０８の両側には負極板１０９を貼り付けずに、その次の正極板１０８の両側に負極板１０９を貼り付ける。）なお、図３において、接着剤１２１の負極板１０９の裏面への塗布状態を点線にて示した。

次に、重ねられた正極板１０８および負極板１０９が、スイング機構１２０のより積層部１０５に連続セパレータＳを介してジグザグ状に積み重ねられる。所定の厚さに積み重ねられると、スイング機構１２０の出口部に備えられているカッタによって上セパレータ１００および下セパレータ１０１が切断され、積層体である２次電池の製造が完了する。次に、積層部１０５に形成された２次電池が次工程に搬送される。なお、図３において積層部１０５内の積層状態を示すため、積層部１０５は１点鎖線にて示した。

このように、実施の形態２の２次電池製造装置は、正極板１０８が袋状領域Ｃに収納されているので搬送時等に積層した位置からずれることがない。また、正極板１０８と負極板１０９が一枚の連続セパレータＳで仕切られているので、コンパクトに２次電池を形成することができる。また、シート状の連続セパレータＳで連続的に積層することが出来るので大容量の２次電池の製造に対応することが出来る。さらに、接着剤１２１を用いて負極板１０９を連続セパレータＳに貼り付けているので、正極板１０８と負極板１０９の両方の周囲を連続セパレータＳで接着しなくても正極板１０８のみの周囲の連続セパレータＳを接着するだけで効率よく２次電池を製造することができる。なお、実施の形態２において、正極板１０８と負極板１０９の配置を逆にしても同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る２次電池製造装置の各要部の配置を示す概略斜視図である。連続セパレータの接着領域と電極板の位置を示す平面図である。本発明の第２の実施の形態に係る２次電池製造装置の各要部の配置を示す概略斜視図である。従来の２次電池製造装置の各要部の配置を示す概略斜視図である。

符号の説明

１セパレータ供給部
１１グリップチャック
３０正極板供給機構
３１負極板供給機構
４５回転チャック機構
１００上セパレータ
１０１下セパレータ
１０２上セパレータ巻出部
１０３下セパレータ巻出部
１０４ニップロール
１０６正極材
１０７負極材
１０８正極板
１０９負極板
１１０搬送コンベア
１１２移載ハンド
１１４アーム
１１６サポート部材
１１７ロールヒータ
１１８棒ヒータ
１１９送りロール
１２０スイング機構
１２１接着剤
１２２塗布ノズル
１２３移載ハンド
Ｓ連続セパレータ
ＰＮ電極板

Claims

電極板の仕切りに用いられる連続セパレータに、複数の正極板と負極板から構成される電極板を電極板毎に所定の間隔を保持し、前記連続セパレータに正極板と負極板を所定の間隔で交互に配置し、前記電極板に設けられたタブが前記連続セパレータの外側になるように配置し、
他方の電極板の仕切りに用いられる連続セパレータを、前記電極板が配置された連続セパレータに重ね合わせて、
前記電極板の周囲の連続セパレータ同士を
加熱溶融により貼り合わせて接着し、
正極板と負極板が連続セパレータを介して交互に重なり合うように積層状に収納することを特徴とする２次電池製造方法。
電極板を挟み込む電極板の下側の連続セパレータと、電極板の上側に位置する他方の連続セパレータと、
前記電極板が正極板と負極板であり、前記連続セパレータに正極板と負極板を所定の間隔で交互に配置し、電極板に設けられたタブを連続セパレータの外側になるように配置する移載ハンドと、
連続セパレータと電極板と他方の連続セパレータとを重ね合わせるニップロールと、
ニップロールから送り出された連続セパレータの端部と電極板毎の間隙を加熱溶融させるヒータと、
連続セパレータのヒータによる加熱溶融と、連続セパレータへの電極板の配置とを連動させて連続セパレータを間欠移動させる搬送コンベアと、
電極板毎に周囲が張り合わされた連続セパレータを正極板と負極板が前記連続セパレータを介して交互に重なり合うように折り込むスイング機構と、
折り込まれた連続セパレータを積層状に収納する収納箱とからなる２次電池製造装置。