JP5216154B1 - 捲回素子製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、電池又はコンデンサの製造効率を向上させて電池又はコンデンサの製造コストを低減し、さらには、製造する電池又はコンデンサの品質を向上させることができる捲回素子製造方法及び捲回素子製造装置を提供することである。
【解決手段】正電極１２と第一セパレーター２０との間に電解質シート１６を介入させて、正電極１２の一面に帯状の電解質シート１６を積層し、負電極２４と第二セパレーター３２との間に帯状の電解質シート２８を介入させて、負電極２４の一面に帯状の電解質シート２８を積層しながら捲回を行う捲回素子製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池又はコンデンサを形成するための捲回素子を製造する捲回素子製造方法に関する。

従来から、帯状の正電極、負電極及びセパレーターを巻軸に巻き取り、巻き取った捲回素子を電解液に浸漬し、セパレーターと正電極及び負電極との間に電解液を浸み込ませて正電極及び負電極に電解液を付着させることによって電池を製造することが行われている。図６は、正電極１００、セパレーター１０２、負電極１０４及びセパレーター１０６を巻軸１０８へ向かって送り、巻軸１０８を回転させて正電極１００等を捲回して捲回素子１０９を製造する捲回素子製造方法を示す。

このような捲回を行う捲回装置（捲回素子製造装置）の一例が、図７において符号１１０で示される。捲回装置１１０は、正電極１００の原反１１２、セパレーター１０２の原反１１４、負電極１０４の原反１１６、及びセパレーター１０６の原反１１８を正面パネル１２０に取り付けておき、原反１１２，１１４、１１６及び１１８から送られた正電極１００、セパレーター１０２、負電極１０４及びセパレーター１０６を巻軸１０８へ捲回していく装置である。また、捲回装置１１０は、巻軸１０８に所望の長さの正電極１００等が巻き取られる直前に、ターレット１２２を矢印αの向きに回動させ、巻軸１０８を図示のＩの位置に移動させる。続いて、巻軸１０８がＩの位置にある状態で、巻き取られた正電極１００等はカッターにより原反１１２等から切り離された後、粘着テープ１２６が貼り付けられて捲回素子１２４が形成され、捲回素子１２４は捲回装置１１０から搬出される。なお、捲回装置に関して、種々発明され、本願出願人によって出願されている（特許文献１〜７参照。）。

しかしながら上述の捲回素子製造方法によって製造された捲回素子は、正電極、負電極及びセパレーターにテンションを付与しながら捲回する必要があるため、セパレーターと正電極及び負電極との間に隙間を生じさせるのが困難であった。このため、捲回素子から電池を製造するためには、長時間に渡って電解液に浸漬する必要があった。また、セパレーターと正電極及び負電極との間に隙間がないことにより、応力集中等の場合に逃げ場がなく、素子変形が生じ、均一な充放電ができない場合があった。このため、品質の高い電池を製造することができない場合があった。

特開２００９−０４３５４０号公報 特開２００９−０９３９０１号公報 特開２００９−２５６０２２号公報 特開２００９−２７２２４５号公報 特開２０１１−１６１５５７号公報 特開２０１１−１８４１３２号公報 国際公開第２００９／０１９７８１号

本発明の目的は、電池又はコンデンサの製造効率を向上させて電池又はコンデンサの製造コストを低減し、さらには、製造する電池又はコンデンサ等の品質を向上させることができる捲回素子製造方法、捲回素子製造装置、及び捲回素子を提供することである。

また、本発明の捲回素子製造方法は、帯状の正電極、帯状の第一セパレーター、帯状の負電極、及び帯状の第二セパレーターの先端を巻軸に対して位置決めし、該巻軸を一定方向に回転させ、該正電極、該第一セパレーター、該負電極、及び該第二セパレーターの捲回を行うことにより、捲回素子を製造する捲回素子製造方法において、前記正電極の一面又は両面に帯状の電解質層形成シートを積層し、前記負電極の一面又は両面に帯状の電解質層形成シートを積層しながら前記捲回を行って前記捲回素子を形成し、前記電解質層形成シートを溶融又は溶解して前記捲回素子に隙間を生じさせ、前記捲回素子を電解液に浸漬し前記隙間に電解液を浸み込ませることを特徴とする。

電解質層形成シートとは、溶融若しくは溶解して正電極若しくは負電極の一面若しくは両面に隙間を生じさせる固体を言う。

また、本発明の捲回素子製造方法は、前記捲回素子製造方法において、一定の厚みを有する前記電解質層形成シートを溶融又は溶解して一定の厚さの隙間を生じさせることを特徴とする。

本発明に関連する捲回素子製造方法は、帯状の正電極、帯状の第一セパレーター、帯状の負電極、及び帯状の第二セパレーターの先端を巻軸に対して位置決めし、該巻軸を一定方向に回転させ、該正電極、該第一セパレーター、該負電極、及び該第二セパレーターの捲回を行うことにより、捲回素子を製造する捲回素子製造方法において、前記正電極の一面又は両面に帯状の電解質シートを積層し、前記負電極の一面又は両面に帯状の電解質シートを積層しながら前記捲回を行うことを特徴とする。

また、本発明に関連する捲回素子製造方法は、前記捲回素子製造方法において、前記正電極、前記電解質シート、前記第一セパレーター、前記負電極、前記電解質シート、及び前記第二セパレーターの順に積層しながら前記捲回を行うことを特徴とする。

また、本発明に関連する捲回素子製造方法は、前記捲回素子製造方法において、前記電解質シート、前記正電極、第二の前記電解質シート、前記第一セパレーター、前記電解質シート、前記負電極、前記電解質シート、及び前記第二セパレーターの順に積層しながら前記捲回を行うことを特徴とする。

また、本発明に関連する捲回素子は、前記捲回素子製造方法により製造した捲回素子であり、正電極の一面又は両面、及び、負電極の一面又は両面に電解質シートを有することを特徴とする。

また、本発明に関連する捲回素子製造装置は、帯状の正電極の原反を取り付ける正電極掛軸と、帯状の電解質シートの原反を取り付ける電解質シート取付部と、帯状の第一セパレーターの原反を取り付ける第一セパレーター掛軸と、帯状の負電極の原反を取り付ける負電極掛軸と、帯状の電解質シートの原反を取り付ける電解質シート取付部と、帯状の第二セパレーターの原反を取り付ける第二セパレーター掛軸と、前記正電極、前記電解質シート、前記第一セパレーター、前記負電極、前記電解質シート、及び前記第二セパレーターの先端を取り付けて一定方向に回転させることにより、該正電極、該電解質シート、該第一セパレーター、該負電極、該電解質シート、及び該第二セパレーターの捲回を行う巻軸と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に関連する捲回素子は、捲回素子製造方法により製造した捲回素子であり、正電極の一面又は両面、及び、負電極の一面又は両面に電解質層形成シートを有することを特徴とする。

本発明の捲回素子製造方法及び捲回素子製造装置によれば、電極の一面又は両面に、溶融又は溶解し得る帯状の電解質層形成シートを積層し、電解質層形成シートを溶融又は溶解して隙間を生じさせるため、応力集中の場合等に、応力の逃げ場があり、素子変形が生じることなく、電池の場合には均一な充放電ができ、コンデンサの場合には均一なエージングができる。このため、品質の高い電池又はコンデンサを製造することができる。

本発明に関連する捲回素子製造方法及び捲回素子製造装置によれば、正電極の一面又は両面に電解質シートを積層し、負電極の一面又は両面に電解質シートを積層しながら、正電極等を捲回して捲回素子を製造するため、製造した捲回素子は、電解液に浸漬しなくとも、電池又はコンデンサを製造することができる。このため、短時間で電池又はコンデンサを製造でき、電池又はコンデンサの製造効率を向上させて電池又はコンデンサの製造コストを低減できる。

また、本発明に関連する捲回素子製造方法及び捲回素子製造装置によれば、正電極の一面又は両面に電解質シートを積層し、負電極の一面又は両面に電解質シートを積層するため、テンションを付与しながら捲回するため、セパレーターと正電極及び負電極との間に隙間が生じ難く電池又はコンデンサを製造するために長時間に渡って電解液に浸漬する必要があるという問題点が生じない。

本発明に関連する捲回素子製造方法を説明するための概略図である。 本発明に関連する捲回素子製造装置を示す正面図である。 本発明に関連する捲回素子製造方法の他の実施形態を説明するための概略図である。 本発明の捲回素子製造方法の実施形態を説明するための断面図である。 本発明に関連する捲回素子製造方法の更に他の実施形態を説明するための概略図である。 従来の捲回素子製造方法を説明するための概略図である。 従来の捲回素子製造装置を示す正面図である。

本発明に係る捲回素子製造方法、捲回素子製造装置、及び捲回素子の実施形態について図面に基づいて説明する。

本発明に係る捲回素子製造方法は、図１に示すように、帯状の正電極１２、帯状の第一セパレーター２０、帯状の負電極２４、及び帯状の第二セパレーター３２の先端を巻軸３６に対して位置決めし、巻軸３６を一定方向に回転させ、正電極１２、第一セパレーター２０、負電極２４、及び第二セパレーター３２の捲回を行うことにより、捲回素子８０を製造する方法である。本発明に係る捲回素子製造方法は、正電極１２と第一セパレーター２０との間に電解質シート１６を介入させて、正電極１２の一面に帯状の電解質シート１６を積層し、負電極２４と第二セパレーター３２との間に帯状の電解質シート２８を介入させて、負電極２４の一面に帯状の電解質シート２８を積層しながら捲回を行う方法である。すなわち、この捲回素子製造方法は、正電極１２、電解質シート１６、第一セパレーター２０、負電極２４、電解質シート２８、及び第二セパレーター３２の順に積層しながら捲回を行う方法である。なお、以下の説明において、正電極１２、電解質シート１６、第一セパレーター２０、負電極２４、電解質シート２８、及び第二セパレーター３２を、正電極１２等という。

本発明に係る捲回素子製造装置１０は、図２に示すように、帯状の正電極１２の原反１４を取り付ける取付軸（正電極掛軸）Ａと、帯状の電解質シート１６の原反１８を取り付ける取付軸（電解質シート取付部）Ｂと、帯状の第一セパレーター２０の原反２２を取り付ける取付軸（第一セパレーター掛軸）Ｃと、帯状の負電極２４の原反２６を取り付ける取付軸（負電極掛軸）Ｄと、帯状の電解質シート２８の原反３０を取り付ける取付軸（電解質シート取付部）Ｅと、帯状の第二セパレーター３２の原反３４を取り付ける取付軸（第二セパレーター掛軸）Ｆと、正電極１２、電解質シート１６、第一セパレーター２０、負電極２４、電解質シート２８、及び第二セパレーター３２の先端を位置決めして一定方向に回転させることにより、正電極１２、電解質シート１６、第一セパレーター２０、負電極２４、電解質シート２８、及び第二セパレーター３２の捲回を行う巻軸３６と、を正面パネル１１に備えている。

正電極１２及び負電極２４の材質は、負電極２４のイオン化傾向が正電極１２のイオン化傾向よりも高ければ、特に限定されない。正電極１２及び負電極２４の材質は、例えば、リチウム、リチウム遷移金属酸化物、アルミニウム、ステンレス、炭素構造体、ポリマー樹脂、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、亜鉛、鉄、ニッケル、スズ、鉛、銅、銀、水銀、プラチナ、若しくは金等、又はこれらの化合物から選択される。

電解質シート１６及び電解質シート２８の材質は、電解質で固体であれば、特に限定されない。電解質シート１６及び電解質シート２８の厚さは市販のもので数十ミクロンであるが、一定であれば特に限定されない。電解質シート１６及び電解質シート２８の材質は、例えば、ポリエーテル共重合体及び電解質塩化合物からなる高分子固体電解質からなるシートである。電解質塩化合物は、例えば、陽イオン及び陰イオンからなる化合物である。

陽イオンは、例えば、金属陽イオン、アンモニウムイオン、アミニジウムイオン、及びグアニジウムイオンから選ばれる。金属陽イオンは、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、及びバリウム金属から選ばれた金属の陽イオンである。陰イオンは、例えば、塩素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、過塩素酸イオン、チオシアン酸イオン、テトラフルオロホウ素酸イオン、硝酸イオン、ＡｓＦ₆ ^- 、ＰＦ₆ ^- 、ステアリルスルホン酸イオン、オクチルスルホン酸イオン、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン、ナフタレンスルホン酸イオン、ドデシルナフタレンスルホン酸イオン、7,7,8,8-テトラシアノ-p- キノジメタンイオン、Ｒ₁ ＳＯ₃ ^- 、（Ｒ₁ ＳＯ₂ ）（Ｒ₂ＳＯ₂ ）Ｎ^- 、（Ｒ₁ ＳＯ₂ ）（Ｒ₂ ＳＯ₂ ）（Ｒ₃ ＳＯ₂ ）Ｃ^- 、及び（Ｒ₁ＳＯ₂ ）（Ｒ₂ ＳＯ₂ ）ＹＣ^- から選ばれる。

また、電解質シート１６及び電解質シート２８の材質は、例えば、ポリエーテル共重合体、架橋助剤、及び光重合開始剤からなる高分子固体電解質からなるシートである。架橋助剤は、例えば、マレイミド、Ｎ−フェニルマレイミド、Ｎ，Ｎ'−１，３−フェニレンジマレイミド、Ｎ，Ｎ'−１，４−フェニレンジマレイミド、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレートから選ばれる。

第一セパレーター２０及び第二セパレーター３２の材質は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート、不織布、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリイミド、又はアラミド樹脂から選ばれる。

また、本発明に係る捲回素子製造装置１０は、図６に示す従来の捲回装置１１０と同様に、巻軸３６を図１のＧの位置にαの角度で移動させるターレット４３が備えられている。ターレット４３は、巻き取られた正電極１２等をカッターにより原反１４等から切り離し、粘着テープ４０を貼り付けて捲回素子８０を製造するために、巻軸３６に所望の長さの正電極１２等が巻き取られる直前に、巻軸３６を図示のＧの位置に移動させるように構成されている。

このような捲回素子製造装置１０の作用及び効果を以下に説明する。

正電極１２の原反１４が取付軸Ａに対して位置決めされ、電解質シート１６の原反１８が取付軸Ｂに対して位置決めされ、第一セパレーター２０の原反２２が取付軸Ｃに対して位置決めされ、負電極２４の原反２６が取付軸Ｄに対して位置決めされ、電解質シート２８の原反３０が取付軸Ｅに対して位置決めされ、第二セパレーター３２の原反３４が取付軸Ｆに対して位置決めされ、粘着テープ４０の原反４２が取付軸Ｈに対して位置決めされた状態で、巻軸３６が回転させられることにより、正電極１２等が巻軸３６へ６層に巻き取られていく。正電極１２等は、所望の長さ巻き取られる直前に、ターレット４２の回転によってＧの位置まで移動する。Ｇの位置において、粘着テープ４０が貼り付けられることにより、円柱形状の捲回素子８０が製造される。

製造された捲回素子８０が、捲回素子製造装置１０から次の工程へ搬送され、そのままの円柱形状で、又は角柱等の所定の形状に加工させられた後に、金属ケース又はラミネートパックに入れられることによって、電池が製造される。製造された電池は、使用時には、正電極１２が、電解質シート２８と接触しているためイオン化して電子を出し、正電極１２が、電解質シート１６と接触しているため電子を受け取り、電流を発生し電池として機能する。このため、製造された捲回素子８０は、電解液に浸漬しなくとも、電池を製造することができる。なお、製造する電池は、引き出し電極を有するものであってもよい。

本発明に係る捲回素子製造装置１０及び捲回素子製造方法によれば、正電極１２の一面に電解質シート１６を積層し、負電極２４の一面に電解質シート２８を積層しながら、正電極１２等を捲回して捲回素子８０を製造するため、製造した捲回素子８０は、電解液に浸漬しなくとも、又は浸漬させても短時間で、電池を製造することができる。このため、短時間で電池を製造でき、電池の製造効率を向上させて電池の製造コストを低減できる。

また、従来は、正電極、負電極及びセパレーターにテンションを付与しながら捲回するため、セパレーターと正電極及び負電極との間に隙間を生じさせるのが困難であったため、捲回素子から電池を製造するためには、長時間に渡って電解液に浸漬する必要があるという問題点があった。しかし、本発明の捲回素子製造装置１０等は、正電極１２の一面に電解質シート１６を積層し、負電極２４の一面に電解質シート２８を積層するため、このような問題点が生じない。

また、本発明に係る捲回素子製造装置１０等は、製造した捲回素子８０において、正電極１２と第一セパレーター２０との間に挟まれた電解質シート１６、負電極２４と第二セパレーター３２との間に挟まれた電解質シート２８の厚みが一定であることによって、並びに、電解質シート１６及び電解質シート２８が補強部材の機能を果たすことによって、捲回素子８０の正電極１２等に歪みが生じることがない。

以上、本発明に係る捲回素子製造装置等の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されない。

例えば、本発明に係る捲回素子製造方法は、図３に示すように、正電極１２の両面に帯状の電解質シート１６を積層し、負電極２４の両面に帯状の電解質シート２８を積層しながら捲回を行う方法である。すなわち、この捲回素子製造方法は、電解質シート１６、正電極１２、電解質シート１６、第一セパレーター２０、電解質シート２８、負電極２４、電解質シート２８、及び第二セパレーター３２の順に積層しながら捲回を行う方法である。この場合、製造した捲回素子８０は、電解質シート１６が正電極１２の両面に接触し、電解質シート２８が負電極２４の両面に接触する。

また、本発明の捲回素子製造方法は、正電極の一面又は両面に帯状の電解質層形成シートを積層し、負電極の一面又は両面に帯状の電解質層形成シートを積層しながら捲回を行う方法である。電解質層形成シートは、溶融若しくは溶解して正電極若しくは負電極の一面若しくは両面に隙間を生じさせる固体である。電解質層形成シートは、例えば、加熱によって溶融する固体、又は溶剤によって溶解する固体である。加熱によって溶融する固体は、例えば、鉛やスズ等の熱による溶融性の高い金属又は熱可塑性樹脂である。溶剤によって溶解する固体は、例えば、水に溶解するオブラート、デンプンから形成されたシート、又は食品原材料から形成されたシートである。

図４は、正電極１２の一面に帯状の電解質層形成シートを積層し、負電極２４の一面に帯状の電解質層形成シートを積層しながら捲回を行った後、電解質層形成シートを溶融して隙間５０を生じさせ、電解質層形成シートを溶融又は溶解して隙間５２を生じさせた捲回素子８２を示す。この捲回素子８０は、電解液に浸漬し隙間５０及び５２に電解液を浸み込ませることによって電池を製造することができる。この捲回素子８２によれば、隙間５０及び５２が生じているため、電解液を容易かつ迅速に浸み込ませることができ、電池の製造効率を向上させることができる。また、一定の厚みを有する固体である電解質層形成シートを溶融又は溶解して隙間５０及び５２を生じさせるため、隙間５０及び５２の厚さが一定であり、隙間５０及び５２に電解液を万遍なく浸み込ませることができ、製造する電池の品質を向上させることができる。

さらに、この捲回素子８２によれば、隙間５０及び５２が生じているため、応力集中の場合等に、応力の逃げ場があり、素子変形が生じることなく、均一な充放電ができる。このため、品質の高い電池を製造することができる。

また、本発明の捲回素子製造方法は、正電極１２、電解質シート１６、第一セパレーター２０、負電極２４、電解質シート２８、及び第二セパレーター３２を円筒形状で捲回していくことに限定されず、図５に示すように、楕円形状断面を有する筒形状で捲回していってもよい。また、扁平形状、矩形形状、その他の多角形形状を有する筒形状で捲回していってもよい。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、本発明は図示したものには限定されない。例えば、本発明は、正電極１２等を６層又は８層に積層して捲回することに限定されない。また、本発明に係る捲回素子は、断面が円形状のものに限定されず、断面が楕円形状、扁平形状、矩形形状、その他の多角形形状のものであってもよい。

本発明は、電池又はコンデンサの製造効率を向上させて電池又はコンデンサの製造コストを低減し、さらには、製造する電池又はコンデンサの品質を向上させることができる。このため、電池又はコンデンサを製造するために広く利用できる。

１０：捲回素子製造装置
１１：正面パネル
１２：正電極
１４：正電極１２の原反
１６：電解質シート
１８：電解質シート１６の原反１８
２０：第一セパレーター
２２：第一セパレーター２０の原反
２４：負電極
２６：負電極２４の原反
２８：電解質シート
３０：電解質シート２８の原反
３２：第二セパレーター
３４：第二セパレーター３２の原反
３６：巻軸
４０：粘着テープ
４２：粘着テープ４０の原反
８０：捲回素子
Ａ：取付軸（正電極掛軸）
Ｂ：取付軸（電解質シート取付部）
Ｃ：取付軸（第一セパレーター掛軸）
Ｄ：取付軸（負電極掛軸）
Ｅ：取付軸（電解質シート取付部）
Ｆ：取付軸（第二セパレーター掛軸）

Claims (2)

1. 帯状の正電極、帯状の第一セパレーター、帯状の負電極、及び帯状の第二セパレーターの先端を巻軸に対して位置決めし、該巻軸を一定方向に回転させ、該正電極、該第一セパレーター、該負電極、及び該第二セパレーターの捲回を行うことにより、捲回素子を製造する捲回素子製造方法において、
   前記正電極の一面又は両面に帯状の電解質層形成シートを積層し、前記負電極の一面又は両面に帯状の電解質層形成シートを積層しながら前記捲回を行って前記捲回素子を形成し、
   前記電解質層形成シートを溶融又は溶解して前記捲回素子に隙間を生じさせ、
   前記捲回素子を電解液に浸漬し前記隙間に電解液を浸み込ませる捲回素子製造方法。
2. 一定の厚みを有する前記電解質層形成シートを溶融又は溶解して一定の厚さの隙間を生じさせる請求項１に記載する捲回素子製造方法。

Images