JP6051743B2 - 電池ユニット及び積層型電池の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、電極とセパレータを備え、融着されたセパレータ同士の間に電極が設けられている電池ユニット及び積層型電池の製造装置に関する。

携帯用電子機器の普及に伴い、小型、軽量で薄く、かつ長時間の連続稼働が可能な二次電池等が求められている。二次電池を構成する方法の一つに、多数枚の正極と負極（電極）とがセパレータを介して積層される方法がある。この方法で製造された積層型二次電池は、電池の形状を比較的自由に形成することができ、密度の高い電極が使用できるため高いエネルギー密度を有することができる。

積層型電池において、電極とセパレータとの位置が固定されないことで電極の位置ずれや短絡が発生してしまうおそれがあり、位置が固定されないことは電池の特性劣化や故障の原因となってしまう。この対策として、正極及び負極の電極が交互に積層され、正極と負極との間に絶縁性を有するセパレータを備えた構造である積層型二次電池に用いられる、電極を覆う袋状のセパレータが特許文献１に開示されている。これによると、電極を挟むセパレータ同士の端面を融着して袋状にし、その中に一方の電極を収容することで電極とセパレータとの位置が固定されるため、積層される正極と負極との位置ずれが抑制される。この電極が収容されたセパレータと他方の電極とを積層していくことで、短絡の発生が抑えられた積層型二次電池が製造される。

一方で、袋状のセパレータにシワが発生すると、電極を収容した袋状のセパレータを積層していったときにシワがつぶれることによってスペースができてしまうため、電極と袋状のセパレータとが密着して積層されない。その結果として、積層型二次電池の厚さが厚くなってしまったり、かつ正極と負極との間隔が広がることで電池の特性劣化が発生してしまう。このため、セパレータ同士の端面を融着して袋状にする際に、セパレータにシワが発生しないようにセパレータ同士の端面に融着部と融着されていない非融着部とを設けた袋状のセパレータが特許文献２に開示されている。これによると、セパレータ同士の端面の一部に非融着部を設けることで、セパレータ同士が正確に対面していない状態で融着されてもシワを逃がすことができるためシワの発生が抑制される。

特許第３３８０９３５号公報 特開平９−２１３３７７号公報

しかしながら、特許文献１と特許文献２に開示された構造を有する積層型二次電池を製造する際には、袋状のセパレータを形成するためのセパレータの融着位置への移動とセパレータ同士の融着とが連続して行えない。セパレータの融着位置への移動と融着を連続して行えないのは、セパレータを移動させる装置とセパレータ同士を融着させる装置とが別々に構成されているからである。このため、袋状のセパレータを製造する装置のコストが増えることで製造コストが増大してしまうという課題がある。

また、セパレータの移動と融着とが別々の装置で行われると、装置の移動によって発生する微小な風圧によって非常に軽いセパレータが影響を受けて位置がずれてしまうおそれがある。融着するセパレータの位置がずれた状態で融着されてしまうと、袋状のセパレータにシワが発生し、電極と袋状のセパレータとが密着して積層されず、かつ正極と負極との間隔が広がることで、積層型二次電池が厚くなると同時に特性劣化してしまうおそれがある。

そこで本発明の目的は、前記した問題を解決して、袋状のセパレータを製造する際にセパレータの移動と融着を同じ装置で連続して行うことで、製造コストを削減することにある。加えて、セパレータを正確な位置に移動して保持したまま融着させることでセパレータのずれを抑制し、その結果として袋状のセパレータにシワが発生することを抑えることを目的とする。

前記した目的を達成するために、本発明は、一枚の電極が、融着された二枚のセパレータによって挟まれている電池ユニットの製造装置であって、電極の上に積層するためにセパレータを吸引して保持して移動する吸着部と、吸着部の周囲に配置され、吸着部によって保持されたセパレータに接触して加熱し、セパレータを、電極を介してその下方に位置する他のセパレータに融着するための熱エネルギー発生部と、を有し、吸着部の外周の縁部には複数の切り欠きが形成されており、吸着部の縁部に対向する熱エネルギー発生部の縁部には複数の凸部が形成されており、複数の凸部が、複数の切り欠き内にそれぞれ収まるように構成されており、吸着部と熱エネルギー発生部とは、吸着部がセパレータを吸引して保持した状態で一体的に移動することができることを特徴とする。

本発明によれば、電池ユニットの製造装置が、セパレータを吸着して保持し移動するための吸着部と、セパレータを融着するための熱エネルギー発生部とを備えていることで、セパレータを融着位置まで移動させて保持したまま連続して融着することができる。製造装置内における単一の機構でセパレータの移動と融着とが行えることで必要な装置の数が削減でき、製造コストを抑えることができる。

また、製造装置が、セパレータを移動して保持したまま融着することができるため、融着されるセパレータの位置ずれが抑制できる。また、吸着部が、吸着部の外周の切り欠きを除いた部分でセパレータ全体を保持しているため、セパレータと吸着部との間に空気が入り込みにくくなり、セパレータの搬送中にセパレータが吸着部から剥がれにくく落下しにくくなる。これに加えて、吸着部の外周の切り欠き部に熱エネルギー発生部の凸部が入り込むことで、セパレータの上面に空気が入り込みにくくなり、さらにセパレータが吸着部から剥がれにくく落下しにくくなる。従って、セパレータを正確に融着位置に移動することができ、セパレータが融着されるときにシワの発生が抑えられる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の融着ヘッドを示す平面図、（ｂ）は図１（ａ）に示す融着ヘッドのＡ−Ａ’断面図である。 第１の実施形態の融着ヘッドが電極を挟んでセパレータを融着している状態を示す断面図である。 （ａ）は電極の周囲の三辺が融着されたセパレータを示す平面図、（ｂ）は電極の周囲の四辺が融着されたセパレータを示す平面図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態の融着ヘッドを示す断面図、（ｂ）は図４（ａ）に示す融着ヘッドのＢ−Ｂ’断面図である。 （ａ）は本発明の第３の実施形態の融着ヘッドを示す断面図、（ｂ）は図５（ａ）に示す融着ヘッドのＣ−Ｃ’断面図である。 第３の実施形態の融着ヘッドにて電極の周囲の三辺が融着されたセパレータを示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の製造装置によって製造される積層型電池は、短冊状の複数の電極同士（正極と負極）がセパレータを介して積層された状態で電池ケースに収められて構成されている。また、一枚の正極または負極を挟むように配置された二枚のセパレータ同士は端部が融着されて袋のような形状になっており、電池ユニットを構成している。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態であるセパレータを移動し融着する融着ヘッドの平面図であり、図１（ｂ）はその断面図である。

融着ヘッド１０は、吸着部２と、ヒータユニット３と、融着ヘッド駆動部４と、バネ５とを有している。吸着部２は、不図示のセパレータステージに配置されたセパレータ１に吸引をかけて一枚ずつ保持することができる保持部で、セパレータの大きさと同等の大きさであり、外周の縁部が櫛歯状になるように複数の切り欠きを有している。ヒータユニット３は、セパレータ１を融着する熱エネルギー発生部で、吸着部２の周囲の長辺側に隣接している長辺側ヒータユニット３ａと短辺側に隣接している短辺側ヒータユニット３ｂとから構成されている。長辺側ヒータユニット３ａと短辺側ヒータユニット３ｂとは、吸着部２に対向している縁部に複数の凸部をそれぞれ有し、櫛歯状に形成されている。それぞれの縁部の複数の凸部は、吸着部２の縁部の切り欠き内に収まる形状に形成されている。融着ヘッド駆動部４は、吸着部２やヒータユニット３に昇降駆動を与える駆動力発生部であり、融着ヘッド１０の側面からみて吸着部２とヒータユニット３との上部に配置されている。融着ヘッド駆動部４が発生させる駆動力は、吸着部２やヒータユニット３に接続しているバネ５を介して吸着部２とヒータユニット３とに伝達される。また、融着ヘッド駆動部４は、吸着部２とヒータユニット３とを一体的に不図示のセパレータステージから積層ステージ８へと水平移動させることができる。尚、本実施形態では融着ヘッド駆動部４から吸着部２とヒータユニット３とに駆動力が伝達されているが、吸着部２とヒータユニット３とにそれぞれに駆動力を伝達させる駆動部が設けられていてもよい。

吸着部２とヒータユニット３とは、融着ヘッド駆動部４から伝達される駆動力によって昇降することができるが、互いに干渉することなく自在に昇降することができる構造になっている。通常状態では、吸着部２のセパレータ１と向き合う吸着面がヒータユニット３のセパレータ１と向き合う融着面より突出した状態になっている。このため、吸着部２にてセパレータ１を保持している状態において、ヒータユニット３がセパレータ１に接触しない。

以上に説明した構成の製造装置内の機構である融着ヘッドを使って一枚の電極を二枚のセパレータで挟み、融着して電池ユニットを形成し、電極とセパレータとが交互に積層されている積層型電池を製造する方法を説明する。

セパレータ１は、不図示のセパレータステージに配置され、真空吸着により保持されている。そのうちの一枚のセパレータ１が積層型電池を製造するために、セパレータステージから積層ステージ８へと移動される。積層ステージ８にセパレータ１ａがセットされると、その上に電極６がセパレータ１の中心に位置するように配置される。

次に吸着部２が突出している通常状態にある融着ヘッド１０が、不図示のセパレータステージに接近する。融着ヘッド１０がセパレータステージに接近すると融着ヘッド１０が下降していき、それと同時にセパレータ１に接近した吸着部２が吸引力を発生させてセパレータ１を真空吸着して保持する。吸着部２の吸引力によって真空度が閾値を超えたことを確認すると、セパレータ１を真空吸着によって保持していたセパレータステージは吸引を停止する。セパレータステージとセパレータ１との間の真空吸着が解除されると、吸着部２にセパレータ１が真空吸着された状態のまま、融着ヘッド１０が上昇する。このとき、吸着部２はセパレータ１全体を覆うようにして真空吸着するため、セパレータ１の吸着面の空気に晒される表面積が非常に少ない。特に、セパレータ１の外周部を吸着部２の櫛歯状の端部が覆うため、吸着部２の縁部が櫛歯状でないときに比べて空気に晒される表面積を少なくすることができる。そのため、吸着部２とセパレータ１との間に空気が入り込みにくく、セパレータ１が吸着部２から剥がれにくく落下しにくくなる。これに加えて、ヒータユニット３の縁部の複数の凸部が吸着部２の複数の切り欠き部に入り込むことで、セパレータ１の上面に空気が入り込みにくくなり、さらにセパレータ１が吸着部２から剥がれにくくなる。

従来の技術では、吸着部２がセパレータ１を吸着したときにセパレータ１が吸着部２からはみ出していることが多く、セパレータ１の空気に晒される表面積が多かったため吸着部２とセパレータ１との間に空気が入り込み、セパレータ１が剥がれ落ちることがあった。そのため、空気が入り込まないようにセパレータ１を吸着した吸着部２がゆっくり上昇させることで対処していた。しかし、吸着部２をゆっくり上昇させると、セパレータ１の移動時間が長くなり、電池ユニット及び積層型電池を製造するタクトタイムが長くなることで製造コストが上がってしまうという課題があった。

本実施形態では、セパレータ１が吸着部２から剥がれにくいため、吸着部２の上昇速度を速めることができる。これにより、セパレータ１の移動が迅速に行われるため、電池ユニット及び積層型電池を製造するタクトタイムが短くなり製造コストを削減することができる。

図１（ｂ）に示すように、融着ヘッド１０がセパレータ１を移動しているときには、吸着部２の吸着面が突出しているため、セパレータ１の表面とヒータユニット３との間に隙間が形成される。よって、ヒータユニット３の熱エネルギーがセパレータ１へ移動中に伝達することはない。

セパレータ１を保持した状態で融着ヘッド１０は、融着ヘッド駆動部４によって吸着部２とヒータユニット３とが一体となって水平移動し、積層ステージ８の直上へと移動する。積層ステージ８の直上に到達した融着ヘッド１０は、保持しているセパレータ１が積層ステージ８上の電極６に接触するまで下降する。融着ヘッド１０がセパレータ１と電極６とが接触したことを検知すると、ヒータユニット３とセパレータ１とを接触させるために、さらに融着ヘッド１０が下降する。融着ヘッド１０がさらに下降すると、吸着部２が電極６を押圧し、その反発力によって吸着部２に接続しているバネ５が圧縮される。すると、相対的にヒータユニット３が吸着部２の吸着面より突出し、吸着部２に真空吸着されたセパレータ１に接触する。この状態からさらに融着ヘッド１０が下降すると、図２に示すように、ヒータユニット３の融着面がセパレータ１を押し下げ、積層ステージ８にセットされたセパレータ１ａと保持されたセパレータ１とが接触する。ヒータユニット３が接触したセパレータ１とセパレータ１ａとに熱エネルギーを加えることで、図３（ａ）に示すように、セパレータ１とセパレータ１ａとが電極６を含んだ状態で加熱されて同時に、または順次加熱されて融着される。尚、図３（ｂ）に示すようにセパレータ１から突出する電極６の幅がセパレータ１より狭い場合は、ヒータユニット３を吸着部２の全周に配置することで、電極６がセパレータ１の外部に突出している部分以外の位置のセパレータ１の外周部を融着可能である。

このようにセパレータ１を吸着部２が積層ステージ８上の電極６とセパレータ１ａとに押し付けて位置決めし、その状態を保持したまま連続してセパレータ同士の融着を行うことによって、セパレータ１の位置ずれを少なくすることができる。セパレータ１が位置ずれすることなく融着されることによって、シワの発生を抑制することができる。

セパレータ同士の融着が完了すると、吸着部２が吸引を停止し、セパレータ１の保持を解除する。その後、融着ヘッド１０が上昇するが、まずヒータユニット３がセパレータ１の融着部７から離れる。このとき、吸着部２はバネ５の弾性力によってセパレータ１に押し付けられたままとなっている。そのため、ヒータユニット３がセパレータ１を過融着によってセパレータ１に固着したままの場合であっても、吸着部２に接続しているバネ５の弾性力によってヒータユニット３とセパレータ１の融着部７とを引き離すことができる。そして、セパレータ１と吸着部２とが離れて、セパレータの積層融着が完了する。以上のようにして、一枚の電極を融着された二枚のセパレータによって挟んでいる構成の電池ユニットが製造される。

その後に、融着されたセパレータの上にさらに電極を配置し、その上方にセパレータを配置して融着していく工程を繰り返し、複数の電極と複数のセパレータとが互いに交互に積層される。または、電池ユニットと一枚の電極を互いに交互に積層して積層体が形成され、電池ケースに収容されるように積層型電池が構成されていてもよい。所定の枚数の電極とセパレータとが積層された後に、その積層体が電池ケースに収容されて積層型電池が完成する。

以上のように、製造装置内における単一の機構である融着ヘッド１０がセパレータ１を移動させる手段（吸着部２）と、セパレータ１同士を融着する手段（ヒータユニット３）とを有していることで、セパレータ１の移動と融着が連続して行われる。これによって、セパレータ１が正確に配置されるため、セパレータ１にシワの発生が抑制された状態でセパレータ１同士が融着される。

また、融着ヘッド１０の吸着部２が、セパレータ１を空気に晒される部分を小さくするようにセパレータ１の外周部を櫛歯状の縁部で保持するため、吸着部２とセパレータ１との間に空気が入り込みにくくなり、吸着部２の保持力が向上する。吸着部２のセパレータ１を保持する力が向上するため、融着ヘッド１０の作業速度が上げられる。さらに、ヒータユニット３の縁部が凸部を有する櫛歯状に形成されていることで、セパレータ１の外周部には、融着された融着部７と融着されない部分とが交互に形成される。セパレータ１の外周部の融着されない部分はセパレータ１の融着時に発生するシワの逃げ部になるため、セパレータ１同士を融着した際にシワが発生しにくくなる。加えて、融着ヘッド１０が移動手段と融着手段を有していることで、それぞれを備えた装置を必要とせず、装置の数を減らすことができる。このように、最小限の装置で、作業速度が向上することで製造のタクトタイムが速まることで、電池ユニット及び積層型電池の製造コストが削減される。

（第２の実施形態）
図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態であるセパレータを移動し融着する融着ヘッドの平面図であり、図４（ｂ）はその断面図である。

融着ヘッド１０は、吸着部２と、ヒータユニット３と、融着ヘッド駆動部４と、バネ５とを有している。吸着部２は、不図示のセパレータステージに配置されたセパレータ１に吸引をかけて一枚ずつ保持することができる保持部で、セパレータの大きさと同等の大きさであり、外周の縁部が櫛歯状になるように複数の切り欠きを有している。ヒータユニット３は、セパレータ１を融着する熱エネルギー発生部で、吸着部２の長辺側に隣接している長辺側ヒータユニット３ａと短辺側に隣接している短辺側ヒータユニット３ｂとから構成されている。長辺側ヒータユニット３ａと短辺側ヒータユニット３ｂとは、吸着部２に対向している縁部に複数の凸部をそれぞれ有し、櫛歯状に形成されている。それぞれの縁部の複数の凸部は、吸着部２の縁部の切り欠きに対して上方から下方に向かって新有するように、ヒータユニット３の中心から融着面に向かう方向に突出して構成されている。この複数の凸部は、吸着部２の切り欠きに収まる形状に構成されている。

その他の構成やセパレータ１を移動及び融着する方法については、第１の実施形態と同様であるため省略する。

このように、櫛歯状に形成されたヒータユニット３の縁部の複数の凸部が吸着部２の縁部の切り欠きに対して上方から下方に向かって侵入し、凸部の高さを超えてヒータユニット３が吸着部２に対して移動しようとすると、吸着部２とヒータユニット３が干渉する。ヒータユニット３が吸着部２に干渉すると、ヒータユニット３の融着面の吸着部２の吸着面からの突出量が一定になり、セパレータ１の融着が安定して行えるため、過融着や融着不足等の不具合が抑えられる。

（第３の実施形態）
図５（ａ）は、本発明の第３の実施形態であるセパレータを移動し融着する融着ヘッドの平面図であり、図５（ｂ）はその断面図である。

融着ヘッド１０は、吸着部２と、ヒータユニット３と、融着ヘッド駆動部４と、バネ５とを有している。吸着部２は、不図示のセパレータステージに配置されたセパレータ１に吸引をかけて一枚ずつ保持することができる保持部で、セパレータの大きさと同等の大きさであり、外周の縁部に吸着部２を貫通する複数の円形の穴を有している。尚、この複数の円形の穴は、複数の切り欠きの一種である。ヒータユニット３は、セパレータ１を融着する熱エネルギー発生部で、吸着部２の長辺側に隣接している長辺側ヒータユニット３ａと短辺側に隣接している短辺側ヒータユニット３ｂとから構成されている。長辺側ヒータユニット３ａと短辺側ヒータユニット３ｂとは、吸着部２に対向している縁部に円柱状の複数の凸部をそれぞれ有している。円柱状の複数の凸部は、吸着部２の縁部の穴を上方から下方に向かって侵入するように、ヒータユニット３の中心から融着面へと下向きに構成されている。この円柱状の複数の凸部は、吸着部２の円形の穴に挿入可能な形状を有している。尚、ヒータユニット３の複数の凸部は円柱状に限らず四角柱等でもよく、この場合は吸着部２の穴は円形ではなく、凸部の形状を収容することのできる形状に構成されている。

その他の構成やセパレータ１を移動及び融着する方法については、第１の実施形態と同様であるため省略する。

このように、円柱状の複数の凸部が吸着部２の円形の穴に対して上方から下方に向かって侵入するように構成されていると、第２の実施形態のように、ヒータユニット３が吸着部２に干渉し、ヒータユニット３の融着面の吸着部２の吸着面からの突出量が一定になる。ヒータユニット３の融着面の突出量が一定であると、セパレータ１の融着が安定して行えるため、過融着や融着不足等の不具合が抑えられる。

さらには、図６に示すように、ヒータユニット３の凸部が円柱状のためセパレータ１の融着部７の融着面積が小さくなることで、融着時のシワの逃げ部が十分に形成されるため、セパレータ１のシワの発生が抑制される。

１ セパレータ
２ 吸着部
３ ヒータユニット
４ 融着ヘッド駆動部
５ バネ
６ 電極
７ 融着部
８ 積層ステージ
１０ 融着ヘッド

Claims (7)

1. 一枚の電極が、融着された二枚のセパレータによって挟まれている電池ユニットの製造装置であって、
   前記電極の上に積層するためにセパレータを吸引して保持して移動する吸着部と、前記吸着部の周囲に配置され、前記吸着部によって保持された前記セパレータに接触して加熱し、該セパレータを、前記電極を介してその下方に位置する他のセパレータに融着するための熱エネルギー発生部と、を有し、
   前記吸着部の外周の縁部には複数の切り欠きが形成されており、前記吸着部の前記縁部に対向する前記熱エネルギー発生部の縁部には複数の凸部が形成されており、前記複数の凸部が、前記複数の切り欠き内にそれぞれ収まるように構成されており、
   前記吸着部と前記熱エネルギー発生部とは、前記吸着部が前記セパレータを吸引して保持した状態で一体的に移動することができることを特徴とする製造装置。
2. 電極とセパレータとが交互に積層されている積層型電池の製造装置であって、
   該積層型電池の製造装置における搬送の機能も兼務している請求項１に記載の電池ユニットの製造装置の前記吸着部及び前記熱エネルギー発生部を有し、
   前記吸着部は、前記電池ユニットを、該電池ユニットに含まれている前記電極とは異なる他の電極と交互に重ね合わせる位置に搬送するものであることを特徴とする製造装置。
3. 複数の電極と、前記電極同士の間に位置する複数のセパレータとが互いに積層された積層型電池の製造装置であって、
   前記電極の上に積層するためにセパレータを吸引して保持して移動する吸着部と、前記吸着部の周囲に配置され、前記吸着部によって保持された前記セパレータに接触して加熱し、該セパレータを、前記電極を介してその下方に位置する他のセパレータに融着するための熱エネルギー発生部と、を有し、
   前記吸着部の外周の縁部には複数の切り欠きが形成されており、前記吸着部の前記縁部に対向する前記熱エネルギー発生部の縁部には複数の凸部が形成されており、前記複数の凸部が、前記複数の切り欠き内にそれぞれ収まるように構成されており、
   前記吸着部と前記熱エネルギー発生部とは、前記吸着部が前記セパレータを吸引して保持した状態で一体的に移動することができることを特徴とする製造装置。
4. 前記複数の切り欠きを有する前記吸着部の縁部と前記複数の凸部を有する前記熱エネルギー発生部の縁部とがそれぞれ櫛歯状に形成され、前記複数の凸部は前記熱エネルギー発生部から前記吸着部の前記縁部に向かう方向にそれぞれ突出していることを特徴とする請求項２または３に記載の製造装置。
5. 前記複数の切り欠きを有する前記吸着部の縁部と前記複数の凸部を有する前記熱エネルギー発生部の縁部とがそれぞれ櫛歯状に形成され、前記複数の凸部は前記熱エネルギー発生部から融着すべき前記セパレータの面に向かう方向にそれぞれ突出していることを特徴とする請求項２または３に記載の製造装置。
6. 前記複数の切り欠きが前記吸着部を貫通する複数の穴であり、前記複数の凸部が前記複数の穴へそれぞれ挿入可能であることを特徴とする請求項２または３に記載の製造装置。
7. 前記熱エネルギー発生部は、前記セパレータ同士の間に配置された前記電極が前記セパレータの外部に突出している部分以外の位置の前記セパレータの外周部を融着可能であることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の製造装置。

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