JP6287531B2

JP6287531B2 - 電極巻回装置

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Publication number: JP6287531B2
Application number: JP2014087173A
Authority: JP
Inventors: 文徳大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-04-21
Also published as: JP2015207444A

Description

本発明は、二次電池等に用いられる電極巻回体を製造する電極巻回装置に関する。

リチウムイオン電池等の二次電池において、正極シート、負極シートおよびセパレータシートが重ねられて渦巻き状に形成された電極巻回体が用いられることがある。このような電極巻回体を製造する電極巻回装置として、繰り出された各シートを互いに鉛直方向にずらして搬送し、巻き取りローラーで各シートを重ねながら巻き取る電極巻回装置が提案されている。特許文献１には、各シートの搬送中に負極シート由来の異物（例えば、負極集電体の銅）が正極シートに混入することを防ぐために、正極シートを負極シートよりも鉛直上方に位置するように配置して、各シートを搬送する電極巻回装置が記載されている。

特開２０１０−１９２３２５号公報

電極巻回体を二次電池に用いる際には、電池内部での短絡防止のために、正極シートの両面にセパレータシートを介在させて負極シートを対向させる必要がある。このため、正極シートと負極シートのうち、負極シートを最内周に配置するという要請がある。しかしながら、特許文献１の電極巻回装置では、鉛直上方に位置する正極シートが内側となり、鉛直下方に位置する負極シートが外側になるようにして巻き取りローラーに巻き取られるので、前述の要請を満たすためには、先に負極シートのみを供給して一周だけ巻回し、その後に正極シートを供給して両極のシートを一緒に巻回する必要があった。このように、電極シートの巻回が２段階で行なわれると、電極巻回体の製造速度が低下するという課題があった。このような課題は、二次電池に限らず、一次電池等の任意の電池に用いられる電極巻回体を製造する電極巻回装置に共通する課題であった。その他、従来の電極巻回装置においては、その小型化や、製造コストやランニングコストの低廉化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態は、セパレータシートを挟んで負極シートと正極シートとが交互に巻回されている電極巻回体を製造するための電極巻回装置であって；前記正極シートを２枚の前記セパレータシートで挟み込んでシート積層体を形成し、予め定められた搬送方向に搬送する第１のローラーと；内側に前記負極シートが位置し、かつ、外側に前記シート積層体が位置するように、前記負極シートと前記シート積層体とを重ねて巻き取る第２のローラーと；前記第２のローラーに巻き取られる前の状態の前記負極シートと、前記シート積層体に形成される前の状態の前記正極シートおよび２枚の前記セパレータシートと、の間に配置されている隔壁部と；を備え；前記搬送方向は、前記第２のローラーへと向かう、水平面と略平行な方向であり；前記負極シートは、前記シート積層体の鉛直上方から前記第２のローラーに供給され；前記第１のローラーは；前記隔壁部における前記搬送方向の下流側端部よりも前記搬送方向の上流側に位置し、２枚の前記セパレータシートのうちの一方を前記正極シートの一方の面に重ねる第３のローラーと；前記隔壁部における前記搬送方向の下流側端部よりも前記搬送方向の上流側に位置し、２枚の前記セパレータシートのうちの他方を前記正極シートの他方の面に重ねる第４のローラーと；の少なくとも２つのローラーを含む。
このような形態であれば、隔壁部における搬送方向の下流側端部よりも搬送方向の上流側に位置する第３および第４のローラーによって、正極シートを２枚のセパレータシートで挟み込んでシート積層体を形成できる。このため、隔壁部の搬送方向の下流側において、鉛直上方から供給される負極シート由来の異物がシート積層体の各シート間に入り込むことを抑制でき、負極シート由来の異物が正極シートの表面に付着することを抑制できる。その他、本発明は、以下のような形態として実現することも可能である。

本発明の一形態によれば、電極巻回装置が提供される。この電極巻回装置は、セパレータシートを挟んで負極シートと正極シートとが交互に巻回されている電極巻回体を製造するための電極巻回装置であって；前記正極シートを２枚の前記セパレータシートで挟み込んでシート積層体を形成する第１のローラーと；内側に前記負極シートが位置し、かつ、外側に前記シート積層体が位置するように、前記負極シートと前記シート積層体とを重ねて巻き取る第２のローラーと；前記第２のローラーに巻き取られる前の状態の前記負極シートと、前記シート積層体に形成される前の状態の前記正極シートおよび前記２枚のセパレータシートと、の間に配置されている隔壁部と；を備える。この形態の電極巻回装置によれば、第２のローラーに巻き取られる前の状態の負極シートとシート積層体に形成される前の状態の正極シートおよび２枚のセパレータシートとの間に、隔壁部が配置されているので、負極シート由来の異物がシート積層体に形成される前の状態の正極シートに付着することを抑制できる。加えて、シート積層体を形成して２枚のセパレータシートにより正極シートを挟み込むので、前述の異物が、シート積層体が形成された後の状態においても正極シートに付着することを抑制できる。さらに、内側に負極シートが位置し、かつ、外側にシート積層体が位置するように、負極シートとシート積層体とを重ねて巻き取るので、１回の巻回で、正極シートと負極シートのうち、負極シートを最内周に配置できる。以上より、負極シート由来の異物が正極シートに付着することを抑制しつつ、電極巻回体の製造速度の低下を抑制できる。

本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、電極巻回体の製造方法や、リチウムイオン電池の製造装置や、リチウムイオン電池の製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての、電極巻回装置１００の構成を模式的に示す断面図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．装置構成：
図１は、本発明の一実施形態としての、電極巻回装置１００の構成を模式的に示す断面図である。図中でＸ軸は水平面と平行であり、Ｙ軸は鉛直方向と平行である。＋Ｙ方向は鉛直上方向を示し、−Ｙ方向は鉛直下方向を示す。本実施形態の電極巻回装置１００は、正極シート２０Ｐ、負極シート２０Ｎ、２つのセパレータシート３０ａおよび３０ｂを略＋Ｘ方向に搬送して巻回し、電極巻回体を製造する。このようにして製造される電極巻回体は、２つのセパレータシート３０ａおよび３０ｂを挟んで、負極シート２０Ｎと正極シート２０Ｐとが交互に巻回された構造を有する。本実施形態では、電極巻回体はリチウムイオン電池に用いられる。なお、リチウムイオン電池に代えて、他の任意の二次電池や一次電池に用いてもよい。本明細書中において、シートとは、図示しない巻き出しローラーから連続して供給される連続シートを意味する。

電極巻回装置１００は、２つのローラー１５と、ローラー１４と、ローラー１３と、ローラー１２と、ローラー１１と、巻き取りローラー１０と、隔壁部５０とを備えている。２つのローラー１５は、搬送方向上流側の領域Ｒ１に配置されている。２つのローラー１５は、図示しない巻き出しローラーから供給されるセパレータシート３０ａまたは３０ｂを、搬送方向下流側（＋Ｘ方向）に搬送する。

ローラー１４は、領域Ｒ１に位置し、２つのローラー１５を除く他のローラー１１〜１４のうち、最も搬送方向上流側に配置されている。ローラー１４は、セパレータシート３０ｂを、図示しない巻き出しローラーから供給される正極シート２０Ｐの下側の面に重ね、層状となったセパレータシート３０ｂおよび正極シート２０Ｐを搬送方向下流側（＋Ｘ方向）に搬送する。

ローラー１３は、領域Ｒ１において、ローラー１４よりも搬送方向下流側に配置されている。ローラー１３は、ローラー１５から供給されるセパレータシート３０ａを正極シート２０Ｐの上側の面に重ね、搬送方向下流側（＋Ｘ方向）に搬送する。

ローラー１２は、搬送方向下流側の領域Ｒ２に位置し、ローラー１３よりも搬送方向下流側に配置されている。ローラー１２は、セパレータシート３０ｂ、正極シート２０Ｐおよびセパレータシート３０ａを重ねて、搬送方向下流側（＋Ｘ方向）に搬送する。ローラー１２は、対向するローラーを持たない片側支持のローラーである。ローラー１２の抱き角の角度θ１は６０°であるが、６０°に限らず任意の角度に設定してもよい。

上述した３つのローラー１２、１３、１４は、正極シート２０Ｐを、２枚のセパレータシート３０ａおよび３０ｂで挟み込んでシート積層体４０を形成する。図１に示すように、ローラー１２がシート積層体４０と接する部分を頂点とする、２枚のセパレータシート３０ａと３０ｂとの間の角度θ２は、非常に小さく、本実施形態では２°に設定されている。なお、角度θ２は、異物が入らない範囲で広げてもよい。

ローラー１１は、領域Ｒ２に位置し、ローラー１２よりも搬送方向下流側に配置されている。ローラー１１は、図示しない巻き出しローラーから供給される負極シート２０Ｎを、シート積層体４０の上に重ね、搬送方向下流側（＋Ｘ方向）に搬送し、巻き取りローラー１０に供給する。本実施形態では、ローラー１１〜１５は、いずれも従動ローラーであるが、少なくとも一部をモーター駆動させてもよい。

巻き取りローラー１０は、領域Ｒ２に位置し、全てのローラーのうち、最も下流側に配置されている。巻き取りローラー１０は、図示しないモーターにより駆動され、巻き取り方向Ｒに向かって巻回する。このとき、巻き取りローラー１０は、内側に負極シート２０Ｎが位置し、かつ、外側にシート積層体４０が位置するように、負極シート２０Ｎとシート積層体４０とを重ねて巻き取る。巻き取りローラー１０は、その巻回により、負極シート２０Ｎとシート積層体４０とを所定回数積層させ、電極巻回体を形成する。

隔壁部５０は、巻き取りローラー１０に巻き取られる前の状態の負極シート２０Ｎと、他の３つのシート２０Ｐ、３０ａおよび３０ｂとの間に配置されている。隔壁部５０は、第１壁部５１と、第２壁部５２と、第３壁部５３とを備えている。第１壁部５１は、水平方向と略平行な板状の外観形状を有する。第２壁部５２は、鉛直方向と略平行な板状の外観形状を有する。第３壁部５３は、第１壁部５１の搬送方向下流側の端部と、第２壁部５２の上端部とを接続し、板状の外観形状を有する。隔壁部５０の搬送方向下流側の端部は、ローラー１３とローラー１２の間に位置する。上述した領域Ｒ１と領域Ｒ２との境界の＋Ｘ方向に沿った位置は、隔壁部５０の搬送方向下流側の端部の＋Ｘ方向に沿った位置と等しい。本実施形態では、隔壁部５０は、錆による異物発生を防ぐためステンレスで形成される。なお、ステンレスに代えて、他の任意の金属や樹脂により形成してもよい。

なお、各シートを構成する材料は従来と同様でよく、例えば以下に示す材料を適用し得る。正極シート２０Ｐおよび負極シート２０Ｎは、シート状の正極集電体および負極集電体の表面に、正極活物質および負極活物質が塗工されて形成される。正極シート２０Ｐの正極集電体にはアルミニウム箔が、正極活物質にはＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２等が好適に使用し得る。一方、負極シート２０Ｎの負極集電体には銅箔が、負極活物質にはグラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム含有遷移金属酸化物や遷移金属窒化物等が好適に使用し得る。また、セパレータシート３０ａ、３０ｂの材料としては、ポリエチレン等の多孔質ポリオレフィン系樹脂が好適に使用し得る。

本実施形態において、ローラー１２、ローラー１３およびローラー１４は、請求項における第１のローラーに相当し、巻き取りローラー１０は、請求項における第２のローラーに相当する。

Ａ２．巻回動作：
電極巻回装置１００による各シートの搬送および巻回の動作について、以下に説明する。図１に示すように、領域Ｒ１においてローラー１５よりも搬送方向上流側では、図示しない巻き出しローラーから供給された各シートは、互いに鉛直方向の間隔が比較的大きい状態（例えば、数十センチメートル離れた状態）で搬送される。ここで、領域Ｒ１では、負極シート２０Ｎと、他の３つのシート２０Ｐ、３０ａおよび３０ｂとの間には、隔壁部５０が配置されている。このため、負極シート２０Ｎ由来の異物が落下して、他の３つのシート２０Ｐ、３０ａおよび３０ｂに付着することが抑制される。負極シート２０Ｎ由来の異物としては、例えば、負極集電体の銅が該当する。

セパレータシート３０ｂは、ローラー１５により搬送された後、ローラー１４により正極シート２０Ｐの下側の面に重ねられる。セパレータシート３０ａは、ローラー１５により搬送された後、ローラー１３により、正極シート２０Ｐの上側の面に重ねられる。上述のように、２枚のセパレータシート３０ａと３０ｂとの間の角度θ２は非常に小さいため、３つのシート２０Ｐ、３０ａおよび３０ｂが、搬送方向に沿ってローラー１４および１３を通過した段階で、シート積層体４０が形成される。なお、角度θ２を非常に小さく設定することにより、２つのセパレータシート３０ａおよび３０ｂを徐々に正極シート２０Ｐに近づけていき、３つのシート２０Ｐ、３０ａおよび３０ｂを重ねるので、シート積層体４０にシワが発生することを抑制できる。シート積層体４０を形成する各シートの間隔は非常に狭いので、負極シート２０Ｎ由来の異物がシート積層体４０の各シート間に入り込み、正極シート２０Ｐの表面に付着することが抑制される。

シート積層体４０がローラー１２を通ることにより、シート積層体４０の各シート間の密着性は向上する。したがって、ローラー１２を通過した後のシート積層体４０においては、負極シート２０Ｎ由来の異物が正極シート２０Ｐに付着することがより抑制される。なお、この密着性の向上により、シート積層体４０において正極シート２０Ｐの先端の位置がずれることも抑制される。また、ローラー１２は対向するローラーを持たない片側支持のローラーであるため、シート積層体４０において、各シートの材料がミクロレベルで流動することを妨げられない。このため、巻回時の内外周差によりシート積層体４０にシワが発生することが抑制される。ローラー１２を通過したシート積層体４０は、ローラー１１によって巻き取りローラー１０に向かって搬送される。

一方、図示しない巻き出しローラーから供給された負極シート２０Ｎは、ローラー１１によってシート積層体４０の上側の面に重ねられ、巻き取りローラー１０に向かって搬送される。巻き取りローラー１０は、より鉛直上方から供給されるシートを、より内周となるように各シートを巻回する。したがって、巻き取りローラー１０が１周巻回すると、内周側から順に負極シート２０Ｎ、セパレータシート３０ａ、正極シート２０Ｐ、セパレータシート３０ｂが配置された、各シートの層が形成される。また、負極シート２０Ｎの先端部と、シート積層体４０を構成する正極シート２０Ｐの先端部とは、略同時に巻き取りローラー１０に供給される。このため、巻き取りローラー１０は１回の巻回で、正極シート２０Ｐと負極シート２０Ｎのうち、負極シート２０Ｎが最内周となるように各シートを重ねて巻回することができる。その後、所定回数巻回することにより、電極巻回体が製造される。

以上説明した本実施形態の電極巻回装置１００によれば、領域Ｒ１では、負極シート２０Ｎと、他の３つのシート２０Ｐ、３０ａおよび３０ｂとの間には、隔壁部５０が配置されている。このため、負極シート２０Ｎ由来の異物が落下して、他の３つのシート２０Ｐ、３０ａおよび３０ｂに付着することが抑制される。加えて、領域Ｒ２では、正極シート２０Ｐは、シート積層体４０の一部として、セパレータシート３０ａおよび３０ｂにより挟み込まれている。シート積層体４０を形成する各シートの間隔は非常に狭いので、負極シート２０Ｎ由来の異物がシート積層体４０の各シート間に入り込み、正極シート２０Ｐの表面に付着することが抑制される。

さらに、上記電極巻回装置１００によれば、負極シート２０Ｎがシート積層体４０の鉛直上方から巻き取りローラー１０に供給される。このため、１回の巻回で、正極シート２０Ｐと負極シート２０Ｎのうち、負極シート２０Ｎを最内周に配置することが可能である。したがって、先に負極シートを１周巻回し、その後に両極シートを併せて巻回するといった、２段階での巻回を行う構成に比べて、電極巻回体の製造速度の低下を抑制できる。

Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、隔壁部５０の搬送方向下流側の端部は、ローラー１３とローラー１２の間に位置していたが、本発明はこれに限定されるものではない。隔壁部５０の搬送方向下流側の端部を、＋Ｘ方向に沿ったローラー１３の回転軸の位置よりも下流側の任意の位置に配置してもよい。例えば、隔壁部５０の搬送方向下流側の端部を、ローラー１２とローラー１１の間に配置する構成を採用していてもよい。隔壁部５０の搬送方向下流側の端部を、＋Ｘ方向に沿ったローラー１３の回転軸の位置よりも下流側に配置することにより、鉛直上方に位置する負極シート２０Ｎ由来の異物が、シート積層体４０を形成する前の３つのシート２０Ｐ、３０ａおよび３０ｂに付着することを抑制できる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施形態における隔壁部５０の形状は、図１に示す形状に限定されるものではなく、例えば、以下のような形状であってもよい。第１壁部５１の断面形状は水平方向と略平行でない板状の外観形状であってもよい。同様に、第２壁部５２の断面形状は鉛直方向と略平行でない板状の外観形状であってもよい。また、第３壁部５３を断面形状が略円弧状となるように形成してもよい。さらに、上記実施形態では、隔壁部５０の断面は全体として屈曲した形状であったが、直線状の形状としてもよい。この場合も、隔壁部５０の搬送方向下流側の端部は、＋Ｘ方向に沿ったローラー１３の回転軸の位置よりも下流側に配置することが好ましい。すなわち一般には、巻き取りローラー１０に巻き取られる前の状態の負極シート２０Ｎと、シート積層体４０に形成される前の状態の正極シート２０Ｐおよび２枚のセパレータシート３０ａおよび３０ｂとの間に配置されている隔壁部を、本発明の電極巻回装置における隔壁部として用いてもよい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、ローラー１３は、ローラー１４よりも搬送方向下流側に配置されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。ローラー１３を、ローラー１４と搬送方向において同じ位置に配置してもよく、また、ローラー１４よりも搬送方向上流側に配置してもよい。

Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、ローラー１２は、対向するローラーを持たない片側支持のローラーであったが、本発明はこれに限定されるものではない。ローラー１２として、対向するローラーを有する両側支持のローラーを用いてもよい。この構成において、対向するローラーを巻き取り開始時のみ対向させ、他の期間には対向させない構成としてもよい。これによって、シート積層体４０にシワが発生することは抑制しつつ、シート積層体４０を構成する各シートがずれることを防止できる。

Ｂ５．変形例５：
上記実施形態において、ローラー１１および１２のうち、少なくとも１つを省略してもよい。かかる構成においては、ローラー１３およびローラー１４が請求項における第１のローラーに相当し、巻き取りローラー１０が請求項における第２のローラーに相当する。この構成においても、１回の巻回で、正極シート２０Ｐと負極シート２０Ｎのうち、負極シート２０Ｎが最内周となるように各シートを重ねて巻回した電極巻回体を製造することができる。さらに、２つのローラー１５を省略してもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…巻き取りローラー
１１…ローラー
１２…ローラー
１３…ローラー
１４…ローラー
１５…ローラー
２０Ｐ…正極シート
２０Ｎ…負極シート
３０ａ…セパレータシート
３０ｂ…セパレータシート
４０…シート積層体
５０…隔壁部
５１…第１壁部
５２…第２壁部
５３…第３壁部
１００…電極巻回装置
Ｒ…巻き取り方向
Ｒ１…搬送方向上流側の領域
Ｒ２…搬送方向下流側の領域
θ１…ローラー１２の抱き角の角度
θ２…角度

Claims

セパレータシートを挟んで負極シートと正極シートとが交互に巻回されている電極巻回体を製造するための電極巻回装置であって、
前記正極シートを２枚の前記セパレータシートで挟み込んでシート積層体を形成し、予め定められた搬送方向に搬送する第１のローラーと、
内側に前記負極シートが位置し、かつ、外側に前記シート積層体が位置するように、前記負極シートと前記シート積層体とを重ねて巻き取る第２のローラーと、
前記第２のローラーに巻き取られる前の状態の前記負極シートと、前記シート積層体に形成される前の状態の前記正極シートおよび２枚の前記セパレータシートと、の間に配置されている隔壁部と、
を備え、
前記搬送方向は、前記第２のローラーへと向かう、水平面と略平行な方向であり、
前記負極シートは、前記シート積層体の鉛直上方から前記第２のローラーに供給され、
前記第１のローラーは、
前記隔壁部における前記搬送方向の下流側端部よりも前記搬送方向の上流側に位置し、２枚の前記セパレータシートのうちの一方を前記正極シートの一方の面に重ねる第３のローラーと、
前記隔壁部における前記搬送方向の下流側端部よりも前記搬送方向の上流側に位置し、２枚の前記セパレータシートのうちの他方を前記正極シートの他方の面に重ねる第４のローラーと、
の少なくとも２つのローラーを含む、電極巻回装置。