JP6387853B2

JP6387853B2 - 円形刃

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Publication number: JP6387853B2
Application number: JP2015027652A
Authority: JP
Inventors: 亮太磯村; 木下　恭一; 恭一木下; 雅巳冨岡
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2015-02-16
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2035-02-16
Also published as: JP2016150395A

Description

本発明は、円形刃に係り、詳しくは金属箔上に活物質層が形成された電極のスリッタ装置に用いられる円形刃に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。蓄電装置はケース内に電極組立体が収納されている。電極組立体を構成する電極の製造工程においては、例えば、塗工工程において帯状金属箔にスラリー状の活物質合剤を塗布した後、乾燥工程およびプレス工程を経て、帯状金属箔上に活物質層が形成される。その後、スリットカット工程において、帯状金属箔の幅方向端部、又は多条取りを前提とした帯状金属箔の中央部で切断される。

ところで、リチウムイオン二次電池の活物質として用いられる金属酸化物など、活物質の種類によっては金属箔上の活物質層の硬度が増し、スリットカット工程に用いる円形刃（回転刃）の刃部に刃欠けが生じやすくなる。特に、上刃と下刃との回転刃の対よりなるスリッタ装置では、少なくとも一方の回転刃にシャー角を有するシャーカッター刃を用いることが多く、シャーカッター刃の側で刃欠けが生じやすい。回転刃の刃部が金属製の場合、刃欠けに起因する金属粉が電極に付着し、蓄電装置の短絡の一因となる可能性があった。そこで、スリットカットに用いられる刃部を、非導電性のセラミックスにより構成することが考えられる。

金属箔上に活物質層が形成された電極を切断する電極切断用刃物として、図６に示すように、台金部５１と、セラミックスからなる刃部５２とが樹脂系接着剤により接合された上刃部材５３及び下刃部材５４が、それぞれ基端において軸部５５により回動可能に支持された構成の物が提案されている（特許文献１参照）。この電極切断用刃物は、セラミック製の刃部５２で電極を切断することにより、刃物全体がダイス鋼や高速度工具鋼などの金属から形成された刃物で電極を切断する場合と異なり、切断時にシート状電極の金属が刃部に凝着せず、刃部に凝着した金属により切断能力が低下することを回避するようにしている。

特開２０１１−１６１５６５号公報

特許文献１には、上刃部材５３及び下刃部材５４を開閉して切断する構成のほか、スリッターナイフの回転刃として、ドーナッツ状に形成された台金部の外周にセラミックスからなる刃部を備えた構成が提案されている。ところで、回転刃の刃部をセラミックス製とし、活物質層を有する電極を切断する場合、刃部が硬いことに起因し、刃部に生じる振動が大きくなるため、切断が円滑に行われない場合がある。回転刃全体をセラミックス製とする場合と比較し、特許文献１は台金部が金属製のため、台金部にて幾分振動が吸収されやすいが、十分ではなかった。また、特許文献１の刃物は、台金部５１にセラミック製の刃部５２を樹脂系接着剤により接合する必要がある。また、刃部５２は一つずつ金型で製造する必要があるため、製造に手間が掛かる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、円形刃で活物質層を有する電極を切断しても、刃部に金属が凝着せず、回転する刃の刃部が振動しても、切断を円滑に行うことができる円形刃を提供することにある。

上記課題を解決する円形刃は、遠心成形法により製造され、外周側の刃部が熱硬化性樹脂をマトリックスとし、セラミック粒子を強化材としたセラミック粉体強化熱硬化性樹脂で構成され、内側が熱硬化性樹脂で構成され、かつ円板状に形成されている。なお、内側の熱硬化性樹脂中にも、少量のセラミック粒子が混合されていてもよい。

外周側の刃部がセラミック粉体強化熱硬化性樹脂製で円形の円形刃を上刃として回転させた状態で、金属箔上に活物質層が形成された電極を切断すると、切断された電極の金属が円形刃の刃部に凝着することが防止される。刃部は金属や活物質層の切断が可能な硬さを有するセラミック粉体強化熱硬化性樹脂製のため、電極を良好に切断する。また、電極を切断する際に刃部が振動しても、刃部に連続する熱硬化性樹脂製の内側部分が振動を吸収するため、切断が円滑に行われる。したがって、円形の円形刃で活物質層を有する電極を切断しても、刃部に金属が凝着せず、円形刃の刃部が振動しても、切断を円滑に行うことができる。

前記セラミック粒子は、ＳｉＣ粒子、ＡｌＮ粒子、Ｓｉ_３Ｎ_４粒子から選択されることが好ましい。ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４は、ビッカース硬さ（ＨＶ）が１０００以上あるため、円形刃の刃部を構成するセラミック粉体強化熱硬化性樹脂が磨耗し難く、耐久性に優れたものになる。

本発明によれば、円形の円形刃で活物質層を有する電極を切断しても、刃部に金属が凝着せず、円形刃の刃部が振動しても、切断を円滑に行うことができる。

（ａ）は一実施形態のシャーカッター刃の模式正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図。（ａ）は遠心成形装置の金型部を破断した模式図、（ｂ）は金型とローラの関係を示す模式図。（ａ）〜（ｆ）は遠心鋳造によるシャーカッター刃の製造工程を示す模式図。（ａ）はシャーカッター刃の作用を示す部分正面図、（ｂ）は同じく模式側面図。別の実施形態の遠心成形装置の金型部を破断した模式図。従来技術の電極切断用刃物の側面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態では、円形刃は、シャー角を有するシャーカッター刃１１である。シャーカッター刃１１は、外周側の刃部１２が熱硬化性樹脂をマトリックスとし、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４から選択されたセラミック粒子を強化材としたセラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａで構成され、内側が熱硬化性樹脂１３ｂで構成され、かつ中央に孔１１ａを有する円板状に形成されている。この実施形態では、ＳｉＣ粒子が強化材として使用されている。

シャーカッター刃１１は、遠心成型法により製造され、外周側が熱硬化性樹脂をマトリックスとし、セラミック粒子を強化材としたセラミック粉体強化熱硬化性樹脂で構成され、内側が熱硬化性樹脂で構成された円筒状の前駆体をカッターで所定の厚さに切断した後、刃先を研磨して製造される。

熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂（ユリア樹脂）、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド等が挙げられる。

セラミック粒子は、硬さがＨＶ３００以上、より好ましくはＨＶ６００以上で、平均粒径が１０μｍ以上、より好ましくは平均粒径が２０μｍ〜１００μｍの物が好ましい。
セラミック粒子は、粒径がミクロンオーダーの粒子であって、かつ平均粒径Ｄ50が一桁異なる複数種の粒子、例えば２種類が混合されていることが好ましい。ここで、「ミクロンオーダー」とは、１μｍ以上、１ｍｍ未満を意味する。２種類のセラミック粒子としては、例えば、平均粒径Ｄ50が１０μｍ程度の粒子と、平均粒径Ｄ50が１００μｍ程度の粒子の２種類の粒子が使用される。

次にシャーカッター刃１１の製造方法を説明する。
シャーカッター刃１１の製造には遠心鋳造装置を使用する。図２（ａ），（ｂ）に示すように、遠心鋳造装置２０は、回転自在な円筒状の金型２１と、金型２１を回転させる回転駆動部２２とを備えている。

金型２１内の一端部（図２（ａ）の左端部）には、金型内に供給されたセラミック粒子と、未硬化の熱硬化製樹脂との混合物が金型２１外へ漏れるのを防止する円板２３が、取り外し可能に固定されている。金型２１内の他端部（図２（ａ）の右端部）には、金型内にセラミック粒子と、未硬化の熱硬化製樹脂との混合物を供給する孔２４ａを有する円板２４が取り外し可能に固定されている。孔２４ａは円板２４の外周寄りに形成されるとともに、混合物の供給後に固定部材２５により閉鎖されるようになっている。円板２４を固定する固定部材２５は、一部に孔２４ａを金型２１の外部に開放する孔２５ａが形成されている。そして、固定部材２５は、孔２５ａが孔２４ａと対向する位置に配置された状態で混合物が金型２１内に供給された後、孔２５ａが孔２４ａと対向しない位置に配置されることにより、孔２４ａを閉鎖するようになっている。

金型２１の長手方向の両端寄りの外周には、環状凸部２６がそれぞれ形成されている。回転駆動部２２は、環状凸部２６と係合して金型２１を支持するそれぞれ一対のローラ２７を備え、ローラ２７を図示しないモータで駆動することで金型２１を回転駆動する。

次に遠心鋳造装置２０を使用してシャーカッター刃１１を製造する手順を説明する。
先ず、粒径がミクロンオーダーで、かつ平均粒径Ｄ50が一桁違う２種類のＳｉＣ粒子を所定の割合で混合した混合ＳｉＣ粉体と、未硬化の熱硬化性樹脂とを混合した混合物を準備する。混合物全体に占める混合ＳｉＣ粉体の量は、混合物の体積を１００％としたときに、混合ＳｉＣ粉体が６５〜７０体積％含まれることが好ましい。

セラミック粒子の粒径がミクロンオーダーより小さなナノメートルオーダーの場合は、セラミック粒子の体積当たりの表面積が格段に大きくなり、そのため表面エネルギーが大きくなってセラミック粒子が凝集してしまう。その結果、凝集した粒子間に未硬化の液体状の熱硬化性樹脂が入っていかず、空隙として残り、シャーカッター刃１１が製造された際に、空孔残りによる成形不良やヤング率低下による剛性の低下などの各種性能低下が生じる。しかし、セラミック粒子の粒径がミクロンオーダーで、かつ平均粒径Ｄ50が一桁異なる複数種が混合されている場合は、セラミック粒子は凝集を生じることなく分散するため、セラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａのマトリックスとなる未硬化の液体状の熱硬化性樹脂がセラミック粒子の間に入っていき、空孔が生じない。

次に図３（ａ）に示すように、孔２４ａが上側に位置する状態に金型２１を静止させた状態で混合物１４を金型２１内に投入する。混合物１４の投入は、例えば、図示しない鋳込み樋を使用して行う。所定量の混合物１４を投入後、孔２４ａを塞ぐ位置に固定部材２５を配置した状態で金型２１を回転させる。

回転初期の状態では、図３（ｂ）に示すように、混合物１４はセラミック粒子１５と硬化前熱硬化性樹脂１６とがほぼ均一に混合された状態にある。その後、金型２１の回転速度が上げられると、図３（ｃ）に示すように、密度が高いセラミック粒子（ＳｉＣ）１５が遠心力により、金型２１の外側に集まりだす。さらに金型２１の回転を継続すると、図３（ｄ）に示すように、セラミック粒子１５が最外周に集まって刃先部分の形成に適した状態となる。

次に図示しない加熱手段により金型２１を外部から加熱して、硬化前熱硬化性樹脂１６を熱硬化させる。加熱温度は、熱硬化性樹脂の種類によっても異なるが、例えば、２００℃〜３００℃程度で行われる。硬化前熱硬化性樹脂１６の硬化完了後、図３（ｅ）に示すように、外周側が熱硬化性樹脂をマトリックスとし、セラミック粒子を強化材としたセラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａで構成され、内側が熱硬化性樹脂１３ｂで構成された円筒状の前駆体１７を金型２１から取り出す。

次に円筒状の前駆体１７をカッターにより所定の厚さに切断して、図３（ｆ）に示すように、円板１８を得る。まず、円板１８の中央に取付け用の孔１１ａを形成する。次に、孔１１ａにより回転軸に固定し、その円板１８を研磨すると、図１（ａ），（ｂ）に示すようなシャーカッター刃１１が完成する。円板１８の研磨は、刃先が尖るように、円板１８の一方の面が他方の面に対して斜めになるように研磨した後、刃面にセラミック粒子のみが突出するように、研磨面から熱硬化性樹脂のみを除去する研磨方法で研磨する。例えば、可撓性支持体上にセラミック粒子１５より柔らかく、熱硬化性樹脂より硬い研磨剤粒子と、結合剤樹脂を主体とする研磨層を有する研磨テープで、円板１８の刃先の被研磨面を研磨する。得られたシャーカッター刃１１の刃先先端部分のヤング率は、熱硬化性樹脂のヤング率の２倍以上になる。

円筒状の前駆体１７は、遠心成形法により製造され、硬化前熱硬化性樹脂１６が硬化される際、金型２１に接する外面からの指向性凝固により、気孔や異物の噛み込みのない極めて良好な品質が得られ、遠心力により偏肉のない円筒となる。また、成形時に凝固収縮を妨げるものがないため、成形時の残留応力が少なくなる。

シャーカッター刃１１は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、スリットカット装置の上刃用回転軸３１にボルト３２により固定されて、上刃として使用される。スリットカット装置の下刃３３は、外周に溝３４を有しており、シャーカッター刃１１は、刃部１２が溝３４内で回転する状態で下刃３３と共同して電極３５を切断する。図４（ａ）に示すように、溝３４の幅は、シャーカッター刃１１の厚さより大きく形成されている。上刃用回転軸３１は、軸方向に移動調節可能に構成され、シャーカッター刃１１の刃部１２の側面と、下刃３３の溝３４の内面との距離が切断に適した状態に調整されて電極３５の切断が行われる。図４（ｂ）に示すように、電極３５は下面が下刃３３の外周面に接触する状態で所定方向へ移動されつつ、シャーカッター刃１１の刃部１２と下刃３３とにより切断される。

熱硬化性樹脂は比重がセラミックに比べて小さいため、シャーカッター刃１１は全体がセラミック製の場合に比べて軽くなり、慣性重量が小さく回転速度の制御がし易い。シャーカッター刃１１の刃部１２は、硬度の大きなセラミック粒子１５の部分が電極３５と接触して電極３５を良好に切断する。また、電極３５を切断する際に刃部１２が振動しても、刃部１２に連続する内側の熱硬化性樹脂１３ｂ部分が振動を吸収するため、切断が良好に行われる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）シャーカッター刃１１は、遠心成形法により製造され、外周側の刃部１２が熱硬化性樹脂をマトリックスとし、セラミック粒子１５を強化材としたセラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａで構成され、内側が熱硬化性樹脂１３ｂで構成された円板状に形成されている。したがって、円形のシャーカッター刃１１で活物質層を有する電極を切断しても、刃部１２に金属が凝着せず、回転するシャーカッター刃１１の刃部１２が振動しても、切断を円滑に行うことができる。

（２）セラミック粒子１５は、ＳｉＣ粒子、ＡｌＮ粒子、Ｓｉ_３Ｎ_４粒子から選択されている。ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４は、ビッカース硬さ（ＨＶ）が１０００以上あるため、シャーカッター刃１１の刃部１２を構成するセラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａが磨耗し難く、耐久性に優れたものになる。

（３）セラミック粒子は、粒径がミクロンオーダーで、かつ平均粒径が一桁違う複数種が混合されている。そのため、シャーカッター刃１１は、前駆体１７の遠心成形時の空孔残りによる成形不良やヤング率低下による剛性の低下などの各種性能低下が生じない。

（４）セラミック粒子１５としてＳｉＣ粒子が使用されている。ＳｉＣは、ＡｌＮ及びＳｉ_３Ｎ_４に比べてビッカース硬さ（ＨＶ）が７割以上大きいため、セラミック粒子１５としてＡｌＮ粒子あるいはＳｉ_３Ｎ_４粒子を使用した場合に比べて耐久性に優れる。

（５）シャーカッター刃１１は、材料に金属を使用していないため、万一、電極３５の切断中に欠けて、欠けた材料が電極３５に付着しても、蓄電装置の内部短絡を発生させない。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 円筒状の前駆体１７を遠心成形法により製造する場合、必要な量の混合物１４を金型２１内に一度に供給した後、金型２１を回転させる方法に限らない。例えば、図５に示すように、中央に孔２８ａが形成された円板２８を金型２１内の両端部に、一部が切り欠かれた円環状の固定部材２９を介して固定する。そして、金型２１を回転させながら一方の円板２８の孔２８ａから混合物１４を徐々に供給するようにしてもよい。

○ シャーカッター刃１１の刃部１２は、切断する電極３５と摺動する部分となる表面に、セラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａを構成するセラミック粒子１５が、マトリックスの熱硬化性樹脂より突出している構成に限らず、刃部１２の表面がセラミック粒子１５とマトリックスの熱硬化性樹脂とが平坦な面を形成した状態であってもよい。

○ 上記実施形態では、円形刃（回転刃）を、先端側に向かって尖るように厚さが変化するシャーカッター刃１１としたが、本発明は特にシャーカッター刃に限定されるものでは無い。例えば、先端が平坦で厚さが一定の形状、即ち所謂ギャング刃であってもよい。例えば、スリッタ装置が、シャーカッター刃である上刃と、ギャング刃である下刃の対よりなる場合に、上刃と下刃の双方に本発明を適用してもよい。

○ セラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａを構成するセラミック粒子１５は、ＳｉＣ粒子に限らず、ＡｌＮ粒子あるいはＳｉ_３Ｎ_４粒子を使用してもよい。窒素系のセラミック粒子の場合、ＳｉＣ粒子に比べて電気伝導度が低い。

○ セラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａを構成するセラミック粒子１５は、ＳｉＣ粒子、ＡｌＮ粒子及びＳｉ_３Ｎ_４粒子から選択されたものに限らず、例えば、アルミナ粒子やジルコニア粒子であってもよい。

○ セラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａを構成するセラミック粒子１５は、粒径がミクロンオーダーで、かつ平均粒径Ｄ50が一桁異なる複数種が混合されている場合に限らない。例えば、平均粒径Ｄ50が１０μｍより小さな８μｍ〜９μｍのセラミック粒子１５と、平均粒径Ｄ50が１００μｍ以上のセラミック粒子１５とが混合されたもの、即ち平均粒径Ｄ50が二桁異なる複数種が混合されたものであってもよい。また、平均粒径Ｄ50が１０μｍのセラミック粒子１５と、平均粒径Ｄ50が８０μｍ〜９０μｍのセラミック粒子１５とが混合されたもの、即ち平均粒径Ｄ50が同じ桁の複数種が混合されたものであってもよい。

○ セラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａを構成するセラミック粒子１５は、同じ材質のセラミック粒子に限らず、異なる材質の複数のセラミック粒子が混合されたものであってもよい。

○ セラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａは、強化材としてセラミック粒子にセラミックファイバーが混合されたものを使用してもよい。
○ スリッタ装置の下刃３３は、上刃となるシャーカッター刃１１と同様に遠心成形により形成されたセラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａを使用せずに、他の方法で使用されたものであってもよい。他の方法としては、特開昭６０−６３３３５号公報に開示された方法が挙げられる。例えば、金型のキャビティ内部にセラミック繊維とセラミック粒子を混在する状態で配置し、その金型内に未硬化の熱硬化性樹脂を供給した後、熱硬化性樹脂を熱硬化させる。

○ セラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａの熱硬化性樹脂として電極の結着材と同じものを使用してもよい。この場合、電極３５の切断端面がセラミック粉体強化熱硬化性樹脂１３ａの熱硬化性樹脂でコーティングされても、電極３５の結着材と同じ成分のため、電池特性に悪影響を及ぼす反応を生じることがなく、また、切断端面に起因する電池の内部短絡が生じ難くなる。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記セラミック粒子は、ＳｉＣ粒子である。

１１…円形刃としてのシャーカッター刃、１１ａ…孔、１２…刃部、１３ａ…セラミック粉体強化熱硬化性樹脂、１３ｂ…熱硬化性樹脂、１５…セラミック粒子。

Claims

遠心成形法により製造され、外周側の刃部が熱硬化性樹脂をマトリックスとし、セラミック粒子を強化材としたセラミック粉体強化熱硬化性樹脂で構成され、内側が熱硬化性樹脂で構成され、かつ円板状に形成されていることを特徴とする円形刃。
前記セラミック粒子は、ＳｉＣ粒子、ＡｌＮ粒子、Ｓｉ_３Ｎ_４粒子から選択される請求項１に記載の円形刃。