JP6164058B2

JP6164058B2 - 電極の収納装置、及び蓄電装置の製造方法

Info

Publication number: JP6164058B2
Application number: JP2013236091A
Authority: JP
Inventors: 一輝山内
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: JP2015095437A

Description

本発明は、電極の収納装置、及び蓄電装置の製造方法に関する。

従来、蓄電装置として、リチウムイオン二次電池、金属リチウム二次電池、又はニッケル水素二次電池などがよく知られている。このような二次電池は、表面に活物質層を有する板状の電極（正極及び負極）がセパレータを介して重ねられた積層体と、当該積層体を収容するケースとを備える。

このような二次電池の製造では、活物質、導電助剤、バインダー及び溶媒などを含むスラリーを金属箔シートの表面に塗布して、活物質層を金属箔シートの表面に形成する。活物質層が形成された金属箔シートを、所望の形状に打ち抜く工程（打抜工程）によって、複数の電極が形成される。電極は、打抜工程に続く積層工程を実施するための設備へ搬送される。

従来、電極は、下記特許文献１に示すような収納装置（マガジン）に収容された状態で搬送される。この収納装置は、台座と、台座上に並び立つ複数の柱（直線状のガイドシャフト）と、を備える。複数の電極がガイドシャフトに囲まれた空間において台座上に積み重ねられ、収納装置に収納される。

特開２０１３−１５７１９７号公報

従来の収納装置に電極を収納する場合、電極は、その端部がガイドシャフトに接触した状態でガイドシャフトと擦れながら、台座の上方から台座表面へ移動する。電極の端部がガイドシャフトと擦れると、電極の端部が破損し易い。また、搬送時に収納装置が傾いたり、収納装置に衝撃が加わったりした場合も、電極の端部がガイドシャフトに接触して破損し易い。破損した電極が二次電池の正極として用いられた場合、二次電池の容量は所望の設計値に達することが困難となる。破損した電極が金属リチウム二次電池又はリチウムイオン二次電池の負極として用いられた場合、二次電池内にリチウム（デンドライト）が析出し易い。リチウムの析出は、電極間の短絡、容量の低下、又はサイクル特性の劣化を引き起こす。また、電極の破損に伴って発生した電極の欠片は、電極間の短絡の原因となり得る。

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、電極の破損を抑制することができる電極の収納装置、及び当該収納装置を用いた蓄電装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電極の収納装置の第一の態様は、台座と、台座の表面に立つ複数の柱と、を備え、それぞれの柱の少なくとも一部分が、台座の表面に垂直な方向に対して傾いている傾斜部であり、それぞれの柱は、台座の表面に略垂直な回転軸に対して自在に回転し、複数の柱に囲まれた空間内において、複数の板状の電極の全てがいずれの柱とも接触せずに台座上に積み重ねられる。

本発明に係る電極の収納装置の第二の態様は、台座と、台座の表面に立つ複数の柱と、を備え、それぞれの柱は屈曲部を有し、それぞれの柱は屈曲部において自在に折れ曲がり、複数の柱に囲まれた空間内において、複数の板状の電極の全てがいずれの柱とも接触せずに台座上に積み重ねられる。

本発明に係る蓄電装置の製造方法の第一の態様は、電極の収納装置の上記第一の態様を用いた蓄電装置の製造方法であって、複数の板状の電極を作製する工程と、複数の柱で囲まれた空間が台座から垂直上方へ向かって狭まるように、複数の柱を回転させて傾斜部を傾けた後、上記空間内において、複数の電極の全てをいずれの柱とも接触させずに積み重ねて収納装置に収納する工程と、複数の電極の全てをいずれの柱とも接触させずに、複数の電極が収納された収納装置を搬送する工程と、収納装置の搬送後、複数の柱で囲まれた空間が台座から垂直上方へ向かって広がるように、複数の柱を回転させて傾斜部を傾けた後、積み重なった電極の全てをいずれの柱とも接触させずに垂直上方に移動させて上記空間から取り出す工程と、を備える。

本発明に係る蓄電装置の製造方法の第二の態様は、電極の収納装置の上記第二の態様を用いた蓄電装置の製造方法であって、複数の板状の電極を作製する工程と、複数の柱で囲まれた空間が台座から垂直上方へ向かって狭まるように、複数の柱を屈曲部において折り曲げて柱の少なくとも一部分を傾けた後、上記空間内において、複数の電極の全てをいずれの柱とも接触させずに積み重ねて収納装置に収納する工程と、複数の電極の全てをいずれの柱とも接触させずに、複数の電極が収納された収納装置を搬送する工程と、収納装置の搬送後、複数の柱で囲まれた空間が台座から垂直上方へ向かって広がるように、複数の柱を屈曲部において折り曲げて柱の少なくとも一部分を傾けた後、積み重なった電極の全てをいずれの柱とも接触させずに垂直上方に移動させて上記空間から取り出す工程と、を備える。

本発明によれば、電極の破損を抑制することができる電極の収納装置、及び当該収納装置を用いた蓄電装置の製造方法が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る電極の収納装置の模式的斜視図である。図２は、図１に示す収納装置のＩＩ−ＩＩ線における模式的断面図である。図３は、図２に対応する図であり、蓄電装置の製造において、複数の電極を収納装置に収納する工程を示す図である。図４は、図２及び図３に対応する図であり、蓄電装置の製造において、複数の電極を収納装置から取り出す工程を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の構成要素については同一の符号を付す。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

（第一実施形態）
以下では、本発明の第一の態様の具体例として、リチウムイオン二次電池の製造方法及び当該製造方法に用いる電極の収納装置について説明する。

リチウムイオン二次電池の製造方法は、電極を作製する工程、電極を収納装置に収納する工程、収納装置を搬送する工程、収納装置から電極を取り出す工程、積層工程及び組立工程を備える。

＜電極を作製する工程＞
電極を作製する工程は、以下の塗工工程、乾燥工程、打抜工程等を有する。

［塗工工程］
塗工工程では、ロール状に巻かれた帯状の金属箔シートを繰り出し、金属箔シートの表面にスラリーを均一厚さで連続的に塗布して、活物質層を形成する。

金属箔シートは、電極を構成する集電体となる。負極用の金属箔シートは、例えば銅から構成されていればよい。正極用の金属箔シートは、例えばアルミニウムから構成されていればよい。

スラリーは、活物質、導電助剤、バインダー及び溶媒を含んでいてよい。正極用の活物質としては、例えば、リチウム及び遷移金属を含む複合酸化物（Ｌｉ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＭｎを含む酸化物等）を用いればよい。負極用の活物質としては、例えばグラファイト若しくはハードカーボン等の炭素系材料、リチウムと合金化する元素（Ｓｎ若しくはＳｉ）、リチウムと合金化する元素を有する元素化合物、又は、ポリアセチレン若しくはポリピロール等の高分子材料を用いればよい。導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）又は気相法炭素繊維（ＶａｐｏｒＧｒｏｗｎＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ:ＶＧＣＦ）等の炭素系材料を用いればよい。バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン若しくはフッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン若しくはポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド若しくはポリアミドイミド等のイミド系樹脂、又はアルコキシシリノレ基含有樹脂を用いればよい。溶媒としては、例えば、水、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、メタノール又はメチルイソブチルケトンを用いればよい。

［乾燥工程］
乾燥工程では、金属箔シートの表面に形成された活物質層を、所定の条件において乾燥させる。乾燥により、溶媒等が蒸発して活物質層から除去される。

［打抜工程］
打抜工程では、金属箔シートにおいて乾燥した活物質層が形成された領域を、電極の形状に打ち抜き、複数の板状の電極を形成する。電極は、例えば、矩形状の本体部と、本体部の一辺から突出した矩形状のタブ部とを有していればよい。タブ部の少なくとも一部には活物質層が形成されず、活物質層が形成されないタブ部は、後の工程においてリチウムイオン二次電池の電極端子と電気的に接続される。電極の打ち抜きには、打抜機（切断装置）を用いればよい。

打抜工程後、電極をホットプレス機によりプレスしてもよい。プレスにより、電極の活物質の表面が平坦化される。電極をプレスしながら所定の温度で加熱して活物質層を焼成してもよい。

＜電極を収納装置に収納する工程＞
図１及び２に示すように、複数の板状の電極３を収納装置１に収容する。図１及び２は、既に電極３が収納された状態にある収納装置１を示す。なお、図１〜４では、記載の便宜上、電極３が有するタブ部が省略されている。

収納装置１は、台座２と、複数の柱４と、を備える。台座２は、枠８と、枠８上に設置された支持板６と、から構成される。図２に示すように、枠８の厚さは均一であり、支持板６の厚さも均一である。枠８は、矩形状の貫通穴が中心に形成された板である。支持板６は枠８の貫通穴を塞いでいる。支持板６は枠８に固定されておらず、着脱可能である。複数の柱４は枠８の表面に立っている。各柱４の少なくとも一部分は、台座２の表面に垂直な方向（鉛直方向Ｖ）に対して傾いている傾斜部４ａである。図１及び２に示すように、各柱４の両端側は傾かず、鉛直方向Ｖに平行であってよい。各柱４の全体が傾斜部４ａであってもよい。つまり、各柱４の全体が傾いていてもよい。

各柱４は、枠８の表面に略垂直な回転軸Ａ（鉛直方向Ｖに略平行な回転軸）に対して自在に回転する。柱４を回転させる機構は特に限定されない。柱４が円柱である場合、柱４の端面の直径と略同様の内径を有する凹部が枠８の表面に形成されており、柱４の端部が凹部に嵌め込まれた状態で、柱４を回転させてよい。また、柱４が円柱である場合、柱４の端面の中心に柱４よりも細い円柱状の凸部（軸）が形成され、この凸部が嵌合する凹部が枠８の表面に形成され、凸部が凹部にはめ込まれた状態で、柱４を回転させてよい。または、柱４よりも細い円柱状の凸部（軸）が枠８の表面に形成され、この凸部が嵌合する凹部が柱４の端面の中心に形成され、凸部が凹部にはめ込まれた状態で、柱４を回転させてよい。柱４が枠８に対して着脱可能であり、柱４を枠８から外して、柱４を回転させて傾斜部４ａの傾く向きを調整した後に、柱４を枠８に装着してもよい。

柱４に囲まれた空間５内において、複数の板状の電極３が支持板６上に積み重ねられる。つまり、積み重なった電極３が複数の柱４によって囲まれる。柱４の数、長さ及び位置、並びに傾斜部４ａの鉛直方向Ｖに対する角度は、電極３の大きさ及び枚数に応じて設定されるものであり、特に限定されない。柱４の形状は特に限定されない。電極３の破損を抑制するために、柱４の表面は曲面であってよい。同様の理由から、柱４が円柱又は楕円柱であってよい。

図２に示すように、電極３を間に挟んで対向する一対の柱４を含む鉛直方向Ｖにおける収納装置１の断面において、全ての電極３は各柱４と離間している。電極３を間に挟む任意の一対の柱４を含む鉛直方向Ｖにおける収納装置１の断面のいずれにおいも、全ての電極３が各柱４と離間している。つまり、全ての電極３は、いずれの柱４とも接触していない。

以下では、図３に基づき、電極３を空の収納装置１に収容する工程を詳しく説明する。

まず、柱４で囲まれた空間５が台座２から垂直上方へ向かって狭まるように、各柱４を回転させて各柱４の傾斜部４ａを傾ける。換言すれば、傾斜部４ａを内向きに傾け、柱４で囲まれた空間５を鉛直下方に向かうに連れて広げる。さらに換言すれば、対向する一対の柱４の傾斜部４ａ間の距離が、鉛直上方から鉛直下方に向かって増加する。このように傾斜部４ａを傾けた後、枠８の貫通穴を通じて柱状のリフト９（昇降機）の端面を支持板６の下面に押し当てて、支持板６を鉛直上方へ移動させる。搬送パッド７を用いて、一枚の電極３を打抜機から支持板６の上方へ移動させ、支持板６の上面に載置する。搬送パッド７としては、例えば吸引又は磁力によって電極３を吸脱着することが可能な装置を用いればよい。図３及び４の搬送パッド７に付した矢印は、搬送パッド７の可動方向を示すものである。

打抜機から支持板６の上方への電極３の搬送、及び電極３の支持板６への載置を繰り返して、複数の電極３を支持板６の上面に積み重ねる。積み重なった電極３の数の増加に伴い、リフト９を用いて支持板６を鉛直下方に徐々に移動させる。

以上の過程を経て、図１及び２に示すように、空間５内において、複数の電極３が積み重られ、収納装置１に収納される。本実施形態では、柱４で囲まれた空間５が鉛直下方に向かうに連れて広がっているので、支持板６上の電極３が鉛直下方へ移動する際に、電極３の端部が各柱４と接触し難く、電極３の端部の破損が抑制される。

＜収納装置を搬送する工程＞
複数の電極３が収納された収納装置１を、内抜機から積層工程を実施するための設備（積層装置）へ搬送する。図１及び２に示すように、全ての電極３が各柱４と離間している状態で電極３が搬送される。そのため、搬送時に収納装置１が傾いたり、収納装置１に衝撃が加わったりしても、電極３の端部が柱４に接触し難く、電極３の端部の破損が抑制される。

＜収納装置から電極を取り出す工程＞
以下では、図４に基づき、積層装置へ搬送した後の収納装置１から、複数の板状の電極３を取り出す工程を詳しく説明する。

まず、柱４で囲まれた空間５が台座２から垂直上方へ向かって広がるように、各柱４を回転させて各柱４の傾斜部４ａを傾ける。換言すれば、傾斜部４ａを外向きに傾け、柱４で囲まれた空間５を鉛直上方に向かうに連れて広げる。さらに換言すれば、対向する一対の柱４の傾斜部４ａ間の距離が、鉛直下方から鉛直上方に向かって増加する。このように傾斜部４ａを傾けた後、枠８の貫通穴を通じてリフト９の端面を支持板６の下面に押し当てて、電極３が積み重ねられた支持板６を鉛直上方へ移動させる。積み重なった電極３のうち最上部に位置する一枚の電極３を搬送パッド７で吸引する。搬送パッド７に吸着した電極３を収納装置１から積層装置へ移動させ、積層装置の所望の位置に載置する。

搬送パッド７を用いた電極３の吸引、電極３の収納装置１から積層装置への移動及び載置を繰り返す。柱４で囲まれた空間５から取り出された電極３の数の増加に伴い、リフト９を用いて支持板６を鉛直上方に徐々に移動させる。以上の過程を得て、全ての電極３を柱４で囲まれた空間５から取り出す。

本実施形態では、支持板６上の電極３が鉛直上方へ移動する際に、柱４で囲まれた空間５が鉛直上方に向かうに連れて広がっている。そのため、電極３の端部が各柱４と接触し難く、電極３の端部の破損が抑制される。

＜積層工程＞
積層工程では、電極（正極及び負極）を、積層装置を用いて積層し、積層体を形成する。正極及び負極は、セパレータを介して正極活物質層及び負極活物質層が対向するように積層される。予め、正極活物質層又は負極活物質層の表面をセパレータで被覆した後に、正極及び負極を積層してもよい。セパレータは、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン若しくはポリエチレン等の合成樹脂から構成された多孔質膜、又はセラミックスから構成された多孔質膜であればよい。

＜組立工程＞
組立工程では、積層体を構成する正極及び負極それぞれが有するタブ部に、リードを接続する。正極に接続されたリードと負極に接続されたリードとは互いに絶縁される。各リードの一端がケースの外部に出た状態で、積層体及び電解液をケース内に封入する。ケースは、例えば樹脂又は金属から構成されていればよい。電解液に含まれる電解質は、例えば、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３又はＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２等のリチウム塩であればよい。電解液の溶媒は、例えば、環状エステル類、鎖状エステル類又はエーテル類であればよい。

以上の工程を得て、リチウムイオン二次電池が完成する。

本実施形態では、電極３を収納装置１に収納したり、収納装置１から取り出したりする際に、電極３の端部が破損し難い。また、搬送時に収納装置１が傾いたり、収納装置１に衝撃が加わったりしたとしても、電極３の端部が破損し難い。したがって、電極３の端部に破損に起因する電極間の短絡、容量の低下、又はサイクル特性の劣化が抑制される。

（第二実施形態）
以下では、本発明の第二の態様の具体例として、リチウムイオン二次電池の製造方法及び、当該製造方法で用いる電極の収納装置について説明する。以下では、第二実施形態に固有の事項のみについて説明する。以下の事項以外については、第二実施形態は第一実施形態と共通する。第二実施形態及び第一実施形態に共通する事項についての説明は省略する。

第二実施形態においては、図１〜４に示す収納装置１が備える柱４の屈曲部４ｂにおいて、柱４が自在に折れ曲がる。換言すれば、柱４の回転によって傾斜部４ａが傾く向きを調整する代わりに、屈曲部４ｂにおいて柱４を折り曲げることによって、傾斜部４ａが傾く向きを調整する。したがって、第二実施形態では、柱４が回転軸Ａに対して回転しなくてもよい。

電極３を収納装置１に収納する工程では、柱４で囲まれた空間５が台座２から垂直上方へ向かって狭まるように、各柱４を屈曲部４ｂにおいて折り曲げて各傾斜部４ａを傾けた後、空間５内において電極３を支持板６上に積み重ねる。

搬送後の収納装置１から電極３を取り出す工程では、柱４で囲まれた空間５が台座２から垂直上方へ向かって広がるように、各柱４を屈曲部４ｂにおいて折り曲げて各傾斜部４ａを傾けた後、積み重なった電極３を垂直上方に移動させて、一枚ずつ空間５から取り出す。

以上の第二実施形態においても、第一実施形態の場合と同様に、電極３の端部の破損が抑制される。

本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明は以下の形態であってもよい。

蓄電装置は、電極を備えるものであればよく、リチウムイオン二次電池に限定されない。例えば、蓄電装置は、金属リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池、電気二重層キャパシタ、又はリチウムイオンキャパシタであってもよい。

電極の搬送パッド７が、鉛直方向Ｖに自在に移動可能である場合、支持板６を移動させるリフト９は不要であり、支持板６も不要である。この場合、台座２は一つの板から構成されていてよい。

電極を収納装置に収納する工程、収納装置を搬送する工程、又は搬送後の収納装置から電極を取り出す工程において、治具を柱に装着して、柱を固定してもよい。

上記実施形態では、収納装置が打抜工程と積層工程との間での電極の搬送に用いられるが、他の工程間の電極の搬送又は電極の保管に収納装置を用いてもよい。

本発明に係る電極の収納装置及び蓄電装置の製造方法は、電極の破損が抑制された蓄電装置の製造に適している。

１・・・収納装置、２・・・台座、３・・・板状の電極、４・・・柱、４ａ・・・傾斜部、４ｂ・・・屈曲部、５・・・複数の柱で囲まれた空間、６・・・支持板、７・・・電極の搬送パッド、８・・・枠、９・・・リフト、Ｖ・・・台座の表面に垂直な方向（鉛直方向）、Ａ・・・回転軸。

Claims

台座と、前記台座の表面に立つ複数の柱と、を備え、
それぞれの前記柱の少なくとも一部分が、前記台座の表面に垂直な方向に対して傾いている傾斜部であり、
それぞれの前記柱は、前記台座の表面に垂直な回転軸に対して自在に回転し、
複数の前記柱に囲まれた空間内において、複数の板状の電極の全てがいずれの前記柱とも接触せずに前記台座上に積み重ねられる、
電極の収納装置。
台座と、前記台座の表面に立つ複数の柱と、を備え、
それぞれの前記柱は屈曲部を有し、
それぞれの前記柱は前記屈曲部において自在に折れ曲がり、
複数の前記柱に囲まれた空間内において、複数の板状の電極の全てがいずれの前記柱とも接触せずに前記台座上に積み重ねられる、
電極の収納装置。
請求項１に記載の電極の収納装置を用いた蓄電装置の製造方法であって、
複数の板状の電極を作製する工程と、
複数の前記柱で囲まれた空間が前記台座から垂直上方へ向かって狭まるように、複数の前記柱を回転させて前記傾斜部を傾けた後、前記空間内において、複数の前記電極の全てをいずれの前記柱とも接触させずに積み重ねて前記収納装置に収納する工程と、
複数の前記電極の全てをいずれの前記柱とも接触させずに、複数の前記電極が収納された前記収納装置を搬送する工程と、
前記収納装置の搬送後、複数の前記柱で囲まれた空間が前記台座から垂直上方へ向かって広がるように、複数の前記柱を回転させて前記傾斜部を傾けた後、積み重なった前記電極の全てをいずれの前記柱とも接触させずに垂直上方に移動させて前記空間から取り出す工程と、
を備える、
蓄電装置の製造方法。
請求項２に記載の電極の収納装置を用いた蓄電装置の製造方法であって、
複数の板状の電極を作製する工程と、
複数の前記柱で囲まれた空間が前記台座から垂直上方へ向かって狭まるように、複数の前記柱を前記屈曲部において折り曲げて前記柱の少なくとも一部分を傾けた後、前記空間内において、複数の前記電極の全てをいずれの前記柱とも接触させずに積み重ねて前記収納装置に収納する工程と、
複数の前記電極の全てをいずれの前記柱とも接触させずに、複数の前記電極が収納された前記収納装置を搬送する工程と、
前記収納装置の搬送後、複数の前記柱で囲まれた空間が前記台座から垂直上方へ向かって広がるように、複数の前記柱を前記屈曲部において折り曲げて前記柱の少なくとも一部分を傾けた後、積み重なった前記電極の全てをいずれの前記柱とも接触させずに垂直上方に移動させて前記空間から取り出す工程と、
を備える、
蓄電装置の製造方法。