JP5560252B2

JP5560252B2 - 捲回素子のプレス装置

Info

Publication number: JP5560252B2
Application number: JP2011215936A
Authority: JP
Inventors: 寛哉青木; 和弘浅井
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP2013077414A

Description

本発明は、リチウムイオン電池や電解コンデンサ等を構成する捲回素子を扁平状にプレスするための装置に関するものである。

一般にリチウムイオン電池等の二次電池として用いられる電池素子は、正極活物質が塗布された正極シートと、負極活物質が塗布された負極シートとが、絶縁材からなるセパレータシートを介して重ね合わされた状態で捲回されて製造される。

近年では、コンパクト化の要請等に対応すべく、例えば円筒状に捲回された電池素子を扁平状にプレスした上で扁平な電池容器に封入する等している。

電池素子をプレスする際には、電極シートに溶接されたタブ（電極リード）の位置がプレス後に適正位置にくるよう、電池素子を適正に位置決めした上でプレスを行う必要がある。

これに鑑み、従来では、例えば捲回後の電池素子を巻芯から取外した後に当該電池素子の位置決めを行う技術（例えば、特許文献１参照）や、捲回直後の電池素子内に一対の取出し棒を挿入し、当該取出し棒により電池素子を位置決め保持しつつ巻芯から取外し、その状態のままプレスを行う技術（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。

特開平１０−５０３２３号公報特開２０００−１７３６４６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来技術では、電池素子の捲回後に位置決め工程が必要となると共に、別途、位置決め機構を備える必要があるため、装置の高速化を阻む阻害要因となると共に、装置の複雑化を招くおそれがある。

一方、上記特許文献２に記載された従来技術では、巻芯から電池素子を取外す段階で一対の取出し棒により位置決めされているものの、一対の取出し棒が電池素子の内側を保持するため、電極シートに塗布された活物質が剥離するなど、製品品質の低下が懸念される。また、電池素子内に挿入する取出し棒は、強度上、細くするのに限界があり、近年小型化が進む電池素子等に適用することが困難となりつつある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、生産効率の低下や装置の複雑化、製品品質の低下等の不具合を招くことなく、捲回素子を適正に扁平化することのできる捲回素子のプレス装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。

手段１．シート体が捲回されてなる捲回素子をプレスして扁平化する捲回素子のプレス装置であって、
所定の巻芯に捲回された前記捲回素子の周方向所定部位の外周形状に対応した形状を有する溝部を具備し、当該捲回素子を支持する一対の支持部材と、
前記捲回素子をプレスするための平坦状のプレス面を有すると共に、当該プレス面にて前記捲回素子を吸着保持可能な吸着手段を有した第１プレス部材と、
少なくとも前記捲回素子をプレスするための平坦状のプレス面を有する第２プレス部材とを備え、
前記巻芯に捲回された前記捲回素子の周方向所定部位を前記一対の支持部材の溝部に嵌め込み支持しつつ、前記第１プレス部材により前記捲回素子を吸着保持した上で、前記捲回素子から前記巻芯を抜き取った後、前記第１プレス部材及び第２プレス部材により前記捲回素子を押圧し支持しつつ前記一対の支持部材を退避させ、前記捲回素子を扁平化（プレス）するものであって、
前記周方向所定部位は、前記扁平化される捲回素子の折り目となる部位であることを特徴とする捲回素子のプレス装置。

上記手段１によれば、捲回後の捲回素子を巻芯から取外す段階で支持部材及び第１プレス部材により支持すると共に、この状態を維持しつつプレスを開始するため、捲回素子を巻芯から取外した後、あらためてタブ等の位置が適正位置にくるよう、捲回素子周方向の位置決め作業を行う必要がなく、そのための位置決め機構を備える必要もない。同時に、巻芯からの捲回素子の取外しからプレスまでの一連の作業を比較的短い工程で行うことができる。結果として、プレス時における捲回素子周方向の位置ずれの発生を低減すると共に、装置の高速化や生産効率の向上を図ることができる。

また、捲回素子の外周面にて位置決め保持するため、捲回素子の内側の活物質が剥離するなどして、捲回素子の内側に傷が付いてしまうといった事態を防止できる。また、本手段では、捲回素子の周方向所定部位を支持部材の溝部に嵌め込み、位置決め支持する構成となっているため、チャック等の挟持手段により捲回素子の周方向所定部位を挟持（押圧）して支持する場合に比べ、捲回素子の外側にも傷が付きにくい。結果として、製品品質の低下抑制を図ることができる。さらに、捲回素子の外側から支持するため、より小型の捲回素子にも適用することが可能となる。

加えて、本手段のプレス装置を用いることにより、予め扁平状の巻芯を用いて捲回素子を製造する場合に比べ、捲回装置の巻芯の回転半径をより小さくすることができるため、捲回中のシート体のバタツキを抑制すると共に、製造装置全体のコンパクト化を図ることができる。

手段２．前記捲回素子は、断面非円形状に捲回されたものであることを特徴とする手段１に記載の捲回素子のプレス装置。

上記手段２によれば、上記手段１の構成により、捲回素子をより確実に位置決め支持することができ、上記手段１の作用効果がより確実に奏されることとなる。

手段３．前記第２プレス部材は、前記プレス面にて前記捲回素子を吸着保持可能な吸着手段を有していることを特徴とする手段１又は２に記載の捲回素子のプレス装置。

上記手段３によれば、第２プレス部材が吸着手段を備えることにより、捲回素子のプレスを行う際に当該捲回素子を吸着保持することができ、捲回素子のプレスをより精度良く行うことが可能となる。また、第２プレス部材を、プレス後の捲回素子を次工程へ搬送するための搬送手段として兼用することができ、装置の簡素化や利便性の向上等を図ることができる。

手段４．前記捲回素子は、活物質が塗布された帯状の電極シートを、絶縁素材からなる帯状のセパレータシートを介して重ね合わせた状態で捲回した電池素子であることを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の捲回素子のプレス装置。

上記手段４によれば、電池素子の製造過程において上記作用効果が奏される。

電池素子の構成等を示す断面模式図である。プレス装置の構成を示す模式図である。巻芯に捲回された電池素子を支持した状態を示す模式図である。ガイド部材が退避し、電池素子を上下２点で支持した状態を示す模式図である。プレス板により電池素子を扁平状に押し潰していく過程を示す模式図である。電池素子のプレスが完了した状態を示す模式図である。プレス後の電池素子が搬送される状態を示す模式図である。

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず、本実施形態の捲回素子のプレス装置によってプレスされる捲回素子としてのリチウムイオン電池素子の構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態におけるリチウムイオン電池素子（以下、単に「電池素子」という）１は、２枚のセパレータ３と、正極シート４及び負極シート５の２枚の電極シートによって構成される帯状体が、所定の捲回装置にて断面略菱形状（断面非円形状）の巻芯９に対し捲回されて製造される。各セパレータ３及び各電極シート４，５がシート体に相当する。

セパレータ３は、極性の異なる電極シート４，５同士が互いに接触して短絡を起こしてしまうのを防止すべく、ポリプロピレン（ＰＰ）等の絶縁体により構成されている。

電極シート４，５は、薄板状の金属シートよりなり、その表裏両面には活物質が塗布されている。正極シート４には例えばアルミニウム箔シートが用いられ、その表裏両面に正極活物質が塗布されている。負極シート５には例えば銅箔シートが用いられ、その表裏両面に負極活物質が塗布されている。そして、当該活物質を介して、正極シート４及び負極シート５間におけるイオン交換ができるようになっている。より詳しくは、充電時には、正極シート４側から負極シート５側へとイオンが移動し、放電時には、負極シート５側から正極シート４側へとイオンが移動する。

また、電極シート４，５の幅方向（電池素子１の捲回軸線方向）の端部からは正負両電極タブ（リード）６が延出している。

リチウムイオン電池を得るに際しては、上記捲回装置により捲回された電池素子１が、後述するプレス装置１０によって扁平化された後、金属製で筒状をなす扁平状の電池容器内に配設される。そして、正負両電極タブ６をそれぞれ対応する電極端子部品に接続すると共に、当該両端子部品を前記電池容器の開口部に配設することで、リチウムイオン電池を得ることができる。

次に、電池素子１を扁平化するためのプレス装置１０の構成について詳細に説明する。図２に示すように、プレス装置１０は、支持ユニット１１と、搬送ユニット１２とを備えている。

支持ユニット１１は、捲回後の電池素子１を左右両側から支持する左右一対のガイド部材１４と、電池素子１を下側から支持するガイド板１５と、電池素子１を吸着保持する吸着機構１６とを備えている。ガイド部材１４が本実施形態における支持部材を構成し、ガイド板１５が第１プレス部材を構成し、吸着機構１６が吸着手段を構成する。

支持ユニット１１は、その全体が図示しない駆動機構により巻芯９の軸線方向（前後方向）に沿って、巻芯９に近接する接近位置と、巻芯９から離間する退避位置とに移動可能に構成されている。

一対のガイド部材１４は、支持ユニット１１内において、図示しない駆動機構により左右方向に沿って、互いに所定間隔をあけて近接した接近位置と、互いに相当距離離間した退避位置とに移動可能に構成されている。

各ガイド部材１４の相対向する面には、それぞれ捲回後の電池素子１の左右両角部１ａの外周形状に対応して断面略Ｖ字状に形成された溝部１４ａが設けられている。左右両角部１ａは、扁平化される電池素子１の折り目となる部位であって、本実施形態における電池素子１の周方向所定部位に相当する。

ガイド板１５は、プレス時の台座となるものであって、その上面には平坦状のプレス面１５ａを有する。

ガイド板１５のプレス面１５ａには、吸着機構１６の吸引口となる吸着パッド１６ａが露出した状態で埋設されている。

吸着機構１６では、バキュームホース等を介して吸着パッド１６ａとバキュームポンプ（図示略）とが接続されており、当該バキュームポンプがオン状態となることで、吸着パッド１６ａにより電池素子１が吸着される。

ガイド板１５及び吸着機構１６は、支持ユニット１１内において、図示しない駆動機構により上下方向に移動可能に構成されている。

搬送ユニット１２は、電池素子１を上側から押圧するプレス板１７と、電池素子１を吸着保持する吸着機構１８とを備えている。プレス板１７が第２プレス部材を構成し、吸着機構１８が吸着手段を構成する。

搬送ユニット１２は、図示しない駆動機構により上下方向及び水平方向に沿って移動可能に構成されている。

プレス板１７の下面には、平坦状のプレス面１７ａが設けられると共に、吸着機構１８の吸引口となる吸着パッド１８ａが露出した状態で埋設されている。

吸着機構１８では、バキュームホース等を介して吸着パッド１８ａとバキュームポンプ（図示略）とが接続されており、当該バキュームポンプがオン状態となることで、吸着パッド１８ａにより電池素子１が吸着される。

次に上記プレス装置１０を用いて、捲回後の電池素子１を扁平状にプレスする手順について説明する。

捲回装置による電池素子１の捲回が終了すると、まず支持ユニット１１が巻芯９に近接する接近位置に移動した後、電池素子１の支持動作を開始する。より詳しくは、巻芯９に捲回された状態の電池素子１に向け、ガイド部材１４及びガイド板１５が移動する。そして、ガイド部材１４の溝部１４ａにより電池素子１の左右両角部１ａを支持すると共に、ガイド板１５により電池素子１の下側を支持しつつ吸着機構１６により電池素子１を吸着保持する（図３参照）。続いて、この状態を維持しつつ、支持ユニット１１が巻芯９から離間する退避位置に移動する。これにより、電池素子１が巻芯９からが取外される。

次に搬送ユニット１２が支持ユニット１１の上方位置に移動した後、電池素子１のプレス動作を開始する。より詳しくは、まずプレス板１７が電池素子１の上部をやや押し潰す位置まで降下する。これにより、電池素子１は、左右及び下部の３点に加え、上部でも支持された状態となる。続いて、ガイド部材１４が電池素子１から離間し、退避位置へと移動する（図４参照）。ガイド部材１４が退避すると、プレス板１７がさらに降下し、電池素子１を扁平状となるまで押し潰していく（図５参照）。

電池素子１のプレス工程が完了すると（図６参照）、搬送ユニット１２の吸着機構１８により電池素子１を吸着保持すると共に、支持ユニット１１の吸着機構１６による電池素子１の吸着保持を解除する。

そして、搬送ユニット１２は、電池素子１を吸着保持した状態で上昇し（図７参照）、電池素子１を次工程へ受け渡す。

以上詳述したように、本実施形態では、捲回後の電池素子１を巻芯９から取外す段階でガイド部材１４及びガイド板１５により支持すると共に、この状態を維持しつつプレスを開始するため、電池素子１を巻芯９から取外した後、あらためて電極タブ６等の位置が適正位置にくるよう、電池素子１周方向の位置決め作業を行う必要がなく、そのための位置決め機構を備える必要もない。同時に、巻芯９からの電池素子１の取外しからプレスまでの一連の作業を比較的短い工程で行うことができる。結果として、プレス時における電池素子１周方向の位置ずれの発生を低減すると共に、装置の高速化や生産効率の向上を図ることができる。

また、電池素子１の外周面にて位置決め保持するため、電池素子１の内側の活物質が剥離するなどして、電池素子１の内側に傷が付いてしまうといった事態を防止できる。また、本実施形態では、扁平化される電池素子１の折り目となる左右両角部１ａをガイド部材１４の溝部１４ａに嵌め込み、位置決め支持する構成となっているため、チャック等の挟持手段により電池素子１の左右両角部１ａを挟持（押圧）して支持する場合等に比べ、電池素子１の外側にも傷が付きにくい。結果として、製品品質の低下抑制を図ることができる。さらに、電池素子１の外側から支持するため、より小型の電池素子１にも適用することが可能となる。

加えて、本実施形態のプレス装置１０を用いることにより、予め扁平状の巻芯を用いて電池素子１を製造する場合に比べ、捲回装置の巻芯９の回転半径をより小さくすることができるため、捲回中の電極シート４，５等のバタツキを抑制すると共に、製造装置全体のコンパクト化を図ることができる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記実施形態では、プレス装置１０によりリチウムイオン電池の電池素子１がプレスされる構成となっているが、これに限らず、例えばコンデンサ素子など、他の捲回素子をプレスする構成としてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、断面略菱形状の巻芯９により捲回された電池素子１をプレスする構成となっているが、巻芯の形状（電池素子１の捲回形状）はこれに限定されるものではなく、例えば楕円形状などの断面非円形状は勿論のこと、円形状に捲回された電池素子１をプレスする構成としてもよい。また、電極タブ６の位置等の構成に関しても上記実施形態に限定されるものではなく、異なる構成としてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、電池素子１を保持した支持ユニット１１が巻芯９から離間することで、電池素子１が巻芯９からが取外される構成となっているが、これに限らず、例えば巻芯９がその軸線方向に沿って進退可能に構成され、支持ユニット１１の位置が不動となった構成としてもよい。

（ｄ）上記実施形態では、支持ユニット１１が電池素子１の下側に配置され、搬送ユニット１２が上側に配置された構成となっているが、両者の位置が上下逆転した構成としてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、電池素子１のプレス工程が完了した段階で、搬送ユニット１２の吸着機構１８により電池素子１を吸着保持する構成となっているが、これに限らず、プレス開始前にプレス板１７が電池素子１の上部をやや押し潰す位置まで降下した段階で、搬送ユニット１２の吸着機構１８により電池素子１を吸着保持する構成としてもよい。また、搬送ユニット１２から吸着機構１８を省略し、別途、搬送手段を備えた構成としてもよい。

１……電池素子、
３…セパレータ、４…正極シート、５…負極シート、６…電極タブ、９…巻芯、１０…プレス装置、１１…支持ユニット、１２…搬送ユニット、１４…ガイド部材、１４ａ…溝部、１５…ガイド板、１５ａ…プレス面、１６…吸着機構、１６ａ…吸着パッド、１７…プレス板、１８…吸着機構、１７ａ…プレス面、１８ａ…吸着パッド。

Claims

シート体が捲回されてなる捲回素子をプレスして扁平化する捲回素子のプレス装置であって、
所定の巻芯に捲回された前記捲回素子の周方向所定部位の外周形状に対応した形状を有する溝部を具備し、当該捲回素子を支持する一対の支持部材と、
前記捲回素子をプレスするための平坦状のプレス面を有すると共に、当該プレス面にて前記捲回素子を吸着保持可能な吸着手段を有した第１プレス部材と、
少なくとも前記捲回素子をプレスするための平坦状のプレス面を有する第２プレス部材とを備え、
前記巻芯に捲回された前記捲回素子の周方向所定部位を前記一対の支持部材の溝部に嵌め込み支持しつつ、前記第１プレス部材により前記捲回素子を吸着保持した上で、前記捲回素子から前記巻芯を抜き取った後、前記第１プレス部材及び第２プレス部材により前記捲回素子を押圧し支持しつつ前記一対の支持部材を退避させ、前記捲回素子を扁平化するものであって、
前記周方向所定部位は、前記扁平化される捲回素子の折り目となる部位であることを特徴とする捲回素子のプレス装置。
前記捲回素子は、断面非円形状に捲回されたものであることを特徴とする請求項１に記載の捲回素子のプレス装置。
前記第２プレス部材は、前記プレス面にて前記捲回素子を吸着保持可能な吸着手段を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の捲回素子のプレス装置。
前記捲回素子は、活物質が塗布された帯状の電極シートを、絶縁素材からなる帯状のセパレータシートを介して重ね合わせた状態で捲回した電池素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の捲回素子のプレス装置。