JP5568872B2 - 電池用樹脂シートの加工装置および加工方法 - Google Patents

電池用樹脂シートの加工装置および加工方法 Download PDF

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Description

本発明は電池用樹脂シートの加工装置および加工方法に関する。
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。
モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギを有することが求められている。したがって、全ての電池の中で最も高い理論エネルギを有するリチウムイオン二次電池(一つの二次電池を単電池と称する)を直列に積層した双極型二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。
電池用セパレータを切断する技術としては、帯状セパレータの巻き出し機構から巻き出されるセパレータを所定寸法に切断し間欠的に送り出す送り出し機構が開示されている(特許文献1)。
特開2000−323116号公報
しかし、電池用セパレータは金属と比較して導電性が低い材料からなるため、巻き出し機構から送り出す工程を含む切断装置では、セパレータは静電気を帯びる。また、電池用セパレータは薄く、しわが発生しやすい。そのため、セパレータを切断するときに、セパレータにしわが発生し、電池を組んだとき電気抵抗が増加するおそれがある。
上記課題を解決するために、本発明に係る電池用樹脂シートの加工装置は、吸着手段と、切断手段と、可動吸着手段と、送り出し手段とを有する。吸着手段は、隣接する第一吸着部および第二吸着部で、送り出された樹脂シートを吸着し、樹脂シートのしわの発生を抑制する。切断手段は、吸着手段に第一吸着部および第二吸着部で吸着された状態で樹脂シートを第一吸着部と第二吸着部との間で切断する。可動吸着手段は、第一吸着部上の切断された樹脂シートを吸着面で吸着し、第二吸着部上へ搬送する。送り出し手段は、樹脂シートを支持しながら上下に可動可能な支持部を有し、支持部を通して樹脂シートを第一吸着部上へ送り出す。さらに、支持部は、可動吸着手段が第一吸着部上の切断された樹脂シートを吸着面で吸着し、樹脂シートを第二吸着部上へ搬送する前に、可動吸着手段が樹脂シートを第二吸着部上へ搬送する際の吸着面の高さと同じ高さの最上点まで移動する。そして、支持部は、可動吸着手段が第一吸着部上の切断された樹脂シートを第二吸着部上へ搬送した後、吸着手段が樹脂シートを第二吸着部で吸着させ、第一吸着部で樹脂シートを吸着させる前に、樹脂シートを支持しつつ第一吸着部および第二吸着部の吸着する面と同じ高さ以下の最下点まで移動する。
本発明に係る電池用樹脂シートの加工装置によれば、比較的導電性が低いセパレータや樹脂集電体といった樹脂シートをしわの発生を抑えながら切断できるため、電池に組んだときの電気抵抗の増加を抑制することができる。
本発明の実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置および加工方法によって加工された樹脂シートが用いられる積層型電池の外観図である。 図1に示す積層型電池の断面図である。 本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置の構造を示す説明図である。 本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工方法のフローチャートを示す図である。 本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工方法を実施する際の樹脂シートの加工装置の動作を示す説明図である。
以下に、本発明に係る電池用樹脂シートの加工装置および加工方法について実施形態により詳細に説明する。樹脂シートとしては、導電性がより低い絶縁体からなるセパレータが最適である。そこで、以下、樹脂シートの例として双極型のリチウムイオン二次電池(以下、「積層型電池」と称する)に用いられるセパレータに関して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、樹脂シートは、他の電池に用いられるセパレータや、電池に用いられる樹脂集電体であってもよい。なお、以下参照する図面では、積層型電池の構成要素の形状、厚さ等を誇張しているが、これは発明の理解を容易にするためである。
図1は、本発明の実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置および加工方法によって加工された樹脂シートが用いられる積層型電池の外観図である。図2は、図1に示す積層型電池の断面図である。
図1に示すように、積層型電池10は、たとえば、長方形状の扁平な形状を有し、その両側部からそれぞれ電力を取り出すための正極タブ110Aおよび負極タブ110Bが引き出される。発電要素120は、積層型二次電池10の外装材(たとえば、ラミネートフィルム)130によって包まれ、その周囲は熱融着されており、正極タブ110Aおよび負極タブ110Bを引き出した状態で密封される。
図2に示すように、積層型電池10の発電要素120は、正極活物質層210と、負極活物質層220とが集電体230のそれぞれの面に形成された積層型電池用電極260を複数有する。各積層型電池用電極260は、電解質層240を介して積層されて発電要素120を形成する。
電解質層240は、セパレータに液体電解質またはゲル電解質を保持させてなる。セパレータは、正極活物質層210と負極活物質層220の間に介在して両活物質層の接触に伴う短絡を防止する機能と、電解質を保持して導電性を確保する機能と、を有する。セパレータとしては、例えば、上記電解質を吸収保持する樹脂からなる多孔性シートや樹脂フィルム、および不織布を挙げることができる。
集電体230は、導電性を有する薄膜であり、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材からなってもよいがこれらに限定されない。例えば、集電体230は、樹脂集電体であってもよい。
樹脂集電体は、金属の集電体と比較して導電性が低いため、比較的静電気を帯びやすく、しわが発生しやすい。このため、セパレータと同じように、樹脂集電体の加工に本実施形態を適用することもできる。
隣接する正極活物質層210、電解質層240および負極活物質層220は、一つの単電池200を構成する。したがって、積層型電池10は、単電池200が積層されてなる構成を有する。また、各集電体230のそれぞれ対向する面の外周には、隣接する集電体230間を絶縁するためのシール部材250を設ける。
次に、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置について説明する。
図3は、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置の構造を示す説明図である。本実施形態が適用される電池用樹脂シートにはセパレータおよび樹脂集電体を含む。
図3に示すように、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置は、第一吸着部300、第二吸着部310、カッター320、可動吸着部330、テンションローラ340、セパレータ巻き出し機構370、ガイドローラ380、制御部360、からなりうる。
第一吸着部300は、面状であり、セパレータ巻き出し機構370から支持部340を通じて送り出されたセパレータ350を吸着する機能を有する。吸着は、例えば、真空吸引によって行うことができる。すなわち、第一吸着部300上に送り出されたセパレータ350と第一吸着部との間の外気を第一吸着部300全面で継続的に吸引することで第一吸着部300とセパレータ350との間を真空に近づける。これにより、第一吸着部300がセパレータ350を吸着してもよい。第一吸着部300は水平に設置することが望ましい。
第二吸着部310は、第一吸着部300と同様に面状で、セパレータ350を全面で吸着する機能を有する。第一吸着部300と第二吸着部310とは互いに隣接させて配置する。すなわち、面状を有する第一吸着部300および第二吸着部310を水平かつ同じ高さに設置する。これにより、セパレータ350が第一吸着部300と第二吸着部310にまたがった状態になったときでもセパレータ350の形状を段差のない面状とすることができる。
カッター320は、セパレータ350を切断する機能を有する。カッター320は、第一吸着部300および第二吸着部310に対し垂直、かつ、第一吸着部300と第二吸着部310との間、に配置する。そして、カッター320は、垂直下方に移動することでセパレータ350を第一吸着部300と第二吸着部310との間で切断することができる。第一吸着部300と第二吸着部310との間には、カッターの磨耗を防止するためのカッター受け321を設けてもよい。
可動吸着部330は、吸着面331、支持体333、支持棒332とからなりうる。可動吸着部330は、吸着面331を第一吸着部300または第二吸着部310と対面させながら吸着面331を垂直方向に移動させることができる。
これにより、吸着面331を下降させ、第一吸着部300と共にセパレータ350を挟み込んだ状態とする。この状態で吸着面331を真空引きすることで、接着面331はセパレータ350を吸着することができる。
また、吸着面331でセパレータ350を吸着させたまま吸着面331を上昇させることでセパレータ350を上方へ移動させることができる。
ここで、可動吸着部330の吸着面331の上昇速度を下降速度より遅くすることが望ましい。これにより、セパレータの応力集中を緩和し、破損を抑制することができる。
このような吸着面331の移動は、吸着面331を支持する支持体333と、支持体333を支持する支持棒332と、のいずれか一方に駆動源を、他方に従動体を設けることで実現できる。
さらに、可動吸着部330は、吸着面331を水平方向へ移動させることができる。これにより、セパレータ350を吸着させたまま、吸着面331を第一吸着部331上方から第二吸着部310上方まで移動させることができる。このような吸着面331の移動は、吸着面331を支持する支持体333と、支持体333を支持する支持棒332と、のいずれか一方に駆動源を、他方に従動体を設けることで実現できる。可動吸着部330で、吸着させながらセパレータを移動させることで、移動時においてもしわを発生しにくくすることができる。
テンションローラ340は、セパレータ350を支持しながら垂直方向に上下に移動することができる。セパレータ350を支持しながら垂直方向に上下に移動させることで、第一吸着部331上の、もしくは、第一吸着部331上から第二吸着部310上にまたがったセパレータ350に生じさせる張力を調整することができる。テンションローラ340は、可動吸着部330の吸着面331と同じ高さを最上点とし、第一吸着部および第二吸着部と同じ高さ以下を最下点として可動可能とする。
テンションローラ340を最上点に位置させることにより、可動吸着部330がセパレータ350を吸着させて上方へ移動させた状態でも、セパレータ350を水平に保つことができる。これにより、セパレータ350の張力を一定とすることができるため、しわの発生を抑制しつつセパレータ350を搬送することができる。また、全てのセパレータ350のしわの発生を抑制し、一定品質を保つことができる。例えば、支持部の上昇速度は5mm/sとすることができる。
また、セパレータ350を第二吸着部310上まで搬送した後、セパレータ350を第二吸着部310では吸着し、第一吸着部300では吸着しない状態で、テンションローラ340を最下点に位置させることができる。これにより、セパレータ350の張力を一定にさせた状態で第一吸着部300および第二吸着部310にセパレータ350を吸着させることができる。したがって、しわの発生を抑制しつつ第一吸着部300および第二吸着部310にセパレータ350を吸着させることができる。また、全てのセパレータ350のしわの発生を抑制し、一定品質を保つことができる。
セパレータ巻き出し機構370は、セパレータ350を連続的に送り出す機能を有する。セパレータ巻き出し機構370は、例えば、セパレータ350を捲装したフープとフープを回転駆動するモータからなりうる。
ガイドローラ380は、セパレータ巻き出し機構370から送り出されたセパレータ350の走行を滑らかにするために設ける。
制御部360は、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置の構成要素である、第一吸着部300、第二吸着部310、カッター320、可動吸着部330、テンションローラ340、セパレータ巻き出し機構370、ガイドローラ380を制御する。制御部360は、記憶装置を有し、記憶装置に記憶させたプログラムにより該構成要素を制御してもよい。制御部360が制御する各構成要素と制御部360との間に設ける信号線は、図面の簡略化のため省略した。
次に、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工方法について加工装置の動作とともに説明する。
図4は、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工方法のフローチャートを示す図である。図5は、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工方法を実施する際の電池用樹脂シートの加工装置の動作を示す説明図である。なお、図5においては、本実施形態の理解を容易にするため、樹脂シートの加工装置の各構成要素の寸法を一部誇張している。また、図5においては図の複雑化を回避するため符号の表示を省略した。
以下、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工方法について、図4のフローチャートのステップ番号を明示してステップ番号ごとに説明する。
[S500]
第一吸着部にセパレータを吸着させる。
セパレータ巻き出し機構370から送り出されるセパレータ350を、ガイドローラ380、テンションローラ340を介して第一吸着部300上に設置し、第一吸着部300を真空吸引させることで第一吸着部300にセパレータ350を吸着させる。図5のAに、本ステップを実施したときのセパレータの加工装置の状態を示す。
なお、本ステップは、本実施形態を実施した結果として生じる状態である。すなわち、本実施形態は、第一吸着部300および第二吸着部310でセパレータ350を吸着させた状態で、第一吸着部300と第二吸着部310との間でセパレータ350を切断する(後述するステップS507参照)。そして、第二吸着部上310にある切断されたセパレータ350を回収することで、本ステップの状態となる。
本ステップにおいては、第一吸着部300と可動吸着部330の吸着面331との距離は狭くする方が望ましい。こうすることで、次ステップにおける可動吸着部の移動距離を短縮できるため、工程時間を短縮し、生産性を向上することができる。例えば、第一吸着部300と可動吸着部330の吸着面331との距離は、10mmとすることができる。
[S501]
可動吸着部にセパレータを吸着させる。
可動吸着部330を第一吸着部上300に下降させ、可動吸着部330と第一吸着部300とでセパレータ350を挟み込む状態にする。この状態で、可動吸着部330に真空吸引を開始させるとともに第一吸着部300に真空吸引を解除させる。これにより、可動吸着部330にセパレータ350を吸着させることができる。
図5のBに、本ステップを実施したときの電池用樹脂シートの加工装置の状態を示す。
[S502]
テンションローラを上昇させる。
テンションローラ340を最上点まで上昇させる。テンションローラ340の最上点は、次ステップS503で可動吸着部330を上昇させたときの吸着面331と同じ高さとする。
次ステップSで503で可動吸着部を上昇させる前に、テンションローラ340を最上点に位置させることにより、その後、可動吸着部330がセパレータ350を吸着させて上方へ移動させた状態でも、セパレータ350を水平に保つことができる。これにより、セパレータ350の張力を一定とすることができるため、しわの発生を抑制しつつセパレータ350を搬送することができる。また、全てのセパレータ350のしわの発生を抑制し、一定品質を保つことができる。
図5のCに、本ステップを実施したときの電池用樹脂シートの加工装置の状態を示す。
[S503]
可動吸着部でセパレータを搬送する。
まず、可動吸着部330を、セパレータ350を全面で吸着したまま第一吸着部300の上方へ上昇させる。次に、可動吸着部330をセパレータ350を全面で吸着したまま第二吸着部310の上方へ水平移動させる。その後、可動吸着部330がセパレータ350を吸着したまま、可動吸着部330を第二吸着部上へ下降する。これにより、可動吸着部はセパレータを第一吸着部300上から第二吸着部310上へ搬送する。
このように、吸着させながらセパレータ350を移動させるので、移動時においてもしわを発生しにくい。
図5のDに、本ステップを実施しているときの電池用樹脂シートの加工装置の状態を示す。
[S304]
第二吸着部にセパレータを吸着させる。
前ステップで第二吸着部310上に搬送されたセパレータ350を、第二吸着部310に真空吸引させることで第二吸着部310全面にセパレータ350を吸着させる。なお、本ステップでは、第一吸着部300にはセパレータ350を吸着させない。
図5のEに、本ステップを実施したときの電池用樹脂シートの加工装置の状態を示す。
[S305]
テンションローラを下降させる。
テンションローラ340を最下点まで下降させる。テンションローラ340の最下点は、第一吸着部300および第二吸着部310と同じ高さ以下の点とする。
本ステップでは、セパレータ350を第二吸着部310で吸着させ、第一吸着部300では吸着させない状態で、テンションローラ340を最下点に位置させる。これにより、セパレータ350の張力を一定にさせた状態とすることができるため、次ステップS306において、しわの発生を抑制しつつ第一吸着部300および第二吸着部310にセパレータ350を吸着させることができる。また、全てのセパレータ350のしわの発生を抑制し、一定品質を保つことができる。
図5のFに、本ステップを実施したときの電池用樹脂シートの加工装置の状態を示す。
[S306]
第一吸着部にセパレータを吸着させる。
前ステップでテンションローラ340を下降させてセパレータ350の張力を一定にした状態のまま、第一吸着部300全面にセパレータを吸着させる。これにより、しわの発生を抑制しつつ第一吸着部300および第二吸着部310にセパレータ350を吸着させることができる。
図5のGに、本ステップを実施したときの電池用樹脂シートの加工装置の状態を示す。
[S307]
セパレータを切断する。
前ステップでしわの発生を抑制しつつ第一吸着部300および第二吸着部310にセパレータ350を吸着させた状態で、第一吸着部300と第二吸着部310との間にカッター320を下降させることでセパレータを切断する。これにより、セパレータ350にしわが発生しないようにセパレータ350を切断できる。そのため、セパレータ350に生じたしわに起因する電池の電気抵抗の増加を抑制することができる。また、セパレータ350に破損やピンホールを発生させずにセパレータ350の加工をすることができる。また、装置によりしわの発生を抑制するため、不純物の混入を防止することができる。
以上、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置および加工方法について説明したが、本実施形態の第一吸着部は、本発明の第一吸着部および吸着手段に相当し、第二吸着部は、第二吸着部および吸着手段に相当する。カッターは切断手段に、可動吸着部は可動吸着手段に、吸着面は吸着面および可動吸着手段に、相当する。支持棒および支持体は可動吸着手段に相当する。テンションローラは支持部に、セパレータは樹脂シートに、セパレータ巻き出し機構は送り出し手段に、相当する。
<実験結果>
本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置で加工したセパレータを使用した双極型二次電池と、従来の双極型二次電池とにつき、微小短絡試験の比較実験を行った。
本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置で加工したセパレータを用いて双極型二次電池を100個作製し、環境温度を20℃として、作製した電池を充放電した。
従来の電池用樹脂シートの加工装置で加工したセパレータを用いて双極型二次電池を100個作製し、環境温度を20℃として、作製した電池を充放電した。
充放電を行った電池の容量値を計測し、設計値に対し±3%の範囲外の容量値となった電池を不良とし、歩留を求めた。
その結果、従来の双極型二次電池の歩留は81%であったのに対し、本実施形態に係る加工装置によるセパレータを使用した電池の歩留は98%であった。
本実験により、本実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置で加工したセパレータを使用した双極型二次電池の微小短絡試験における歩留向上効果が実証された。
以下に、本発明の実施形態に係る電池用樹脂シートの加工装置および加工方法の効果を示す。
・電池用樹脂シート(セパレータ、樹脂集電体)をしわが発生しないように切断できるため、電池に組んだときの電気抵抗の増加を抑制することができる。
・電池積層工程に組み込むことで、電池の一定品質を保ち、歩留、生産性を向上させることができる。
10 積層型電池、
110A 正極タブ、
110B 負極タブ、
120 発電要素、
130 外装材、
200 単電池、
210 正極活物質層、
220 負極活物質層、
230 集電体、
240 電解質層、
250 シール部材、
260 電極、
300 第一吸着部(第一吸着部、吸着手段)、
310 第二吸着部(第二吸着部、吸着手段)、
320 カッター(切断手段)、
330 可動吸着部(可動吸着手段)、
331 吸着面(吸着面、可動吸着手段)、
332 支持棒(可動吸着手段)、
333 支持体(可動吸着手段)、
340 テンションローラ(支持部)、
350 セパレータ(樹脂シート)、
360 制御部、
370 セパレータ巻き出し機構(送り出し手段)、
380 ガイドローラ。

Claims (4)

  1. 隣接する第一吸着部および第二吸着部で、送り出された樹脂シートを吸着して、前記樹脂シートのしわの発生を抑制する吸着手段と、
    前記吸着手段により、前記樹脂シートが前記第一吸着部および前記第二吸着部で吸着された状態で前記樹脂シートを前記第一吸着部と前記第二吸着部との間で切断する切断手段と、
    前記第一吸着部上の切断された前記樹脂シートを吸着面で吸着し、前記第二吸着部上へ搬送する可動吸着手段と、
    前記樹脂シートを支持しながら上下に可動可能な支持部を有し、前記支持部を通して前記樹脂シートを前記第一吸着部上へ送り出す送り出し手段と、を有し、
    前記支持部は、
    前記可動吸着手段が前記第一吸着部上の切断された前記樹脂シートを前記吸着面で吸着し、前記樹脂シートを前記第二吸着部上へ搬送する前に、前記可動吸着手段が前記樹脂シートを前記第二吸着部上へ搬送する際の前記吸着面の高さと同じ高さの最上点まで移動し、かつ、
    前記可動吸着手段が前記第一吸着部上の切断された前記樹脂シートを前記吸着面で吸着し、前記樹脂シートを前記第二吸着部上へ搬送した後、前記吸着手段が前記樹脂シートを前記第二吸着部で吸着させ、前記第一吸着部で前記樹脂シートを吸着させる前に、前記樹脂シートを支持しつつ前記第一吸着部上へ送り出した支持部を前記第一吸着部および前記第二吸着部の前記吸着する面と同じ高さ以下の最下点まで移動する
    ことを特徴とする電池用樹脂シートの加工装置。
  2. 前記樹脂シートは、セパレータであることを特徴とする請求項1に記載の電池用樹脂シートの加工装置。
  3. 隣接する第一吸着部および第二吸着部で、送り出された樹脂シートを吸着して、樹脂シートのしわの発生を抑制する吸着段階と、
    前記吸着段階において、前記樹脂シートが前記第一吸着部および前記第二吸着部で吸着された状態で前記樹脂シートを前記第一吸着部と前記第二吸着部との間で切断する切断段階と、
    前記第一吸着部上の前記切断された前記樹脂シートを吸着面で吸着し、前記第二吸着部上へ搬送する吸着搬送段階と、を有し、
    前記吸着搬送段階は、前記第一吸着部上の切断された前記樹脂シートを前記吸着面で吸着し、前記樹脂シートを前記第二吸着部上へ搬送する前に、前記樹脂シートを支持しながら前記第一吸着部上へ送り出支持部を、前記樹脂シートを前記第二吸着部上へ搬送する際の前記吸着面の高さと同じ高さの最上点まで移動させ、
    前記吸着段階は、前記吸着搬送段階において、前記第一吸着部上の切断された前記樹脂シートが前記吸着面で吸着され、前記樹脂シートが前記第二吸着部上へ搬送された後、前記樹脂シートを前記第二吸着部で吸着させ、前記第一吸着部で前記樹脂シートを吸着させる前に、前記樹脂シートを支持しつつ前記第一吸着部上へ送り出した支持部を前記一吸着部および前記第二吸着部の前記吸着する面と同じ高さ以下の最下点まで移動させることを特徴とする電池用樹脂シートの加工方法。
  4. 前記樹脂シートは、セパレータであることを特徴とする請求項3に記載の電池用樹脂シートの加工方法。
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