JP6776786B2

JP6776786B2 - 積層電池製造装置

Info

Publication number: JP6776786B2
Application number: JP2016199657A
Authority: JP
Inventors: 洋人福田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2036-10-11
Also published as: JP2018062008A

Description

本発明は、いずれも短冊状の箔である第１電極および第２電極を交互に積層した構造の積層電池を製造する積層電池製造装置に関するものである。

近年、環境保護、省エネルギーの観点から、エンジンとモータを動力源として併用したハイブリッド自動車やモータを動力源とした電気自動車が開発、製品化されている。このハイブリッド自動車や電気自動車のエネルギー源として、電気を繰り返し充電放電可能な二次電池は必須の技術である。
一般的にこの二次電池としては、リチウム二次電池、ニッケル二次電池などの二次電池が用いられるが、なかでも、リチウム二次電池は、その動作電圧が高く、高い出力を得やすいので有力な電池であり、ハイブリッド自動車や電気自動車の電源としてますます重要性が増してきている電池である。
従来から、リチウム二次電池やその他の電池として、第１電極と第２電極とを交互に重ね合わせた電極積層体を内蔵するものが使用されている。このような電極積層体には、第１電極および第２電極としていずれも短冊状の箔を利用し、これらを平積み状に積層した構造のものがある。

このような積層構造の電極積層体を製造する先行技術として、特許文献１に記載されている積層体の作製装置および作製方法が挙げられる。同文献の技術では、帯状の「シート状体源２１」が「切断部２３」により切断されて短冊状の電極板である２枚の「シート状体３」が形成され、その後、その２枚の「シート状体３」が「供給機構７」から交互に供給されるようになっている。「供給機構７」の下方には、「落下移動手段９」と「案内積層手段１１」とが配置されている。「落下移動手段９」は、重力を利用して「シート状体３」を「供給機構７」から「案内積層手段１１」へと落下移動させるものである。こうして、２枚の「シート状体３」が「案内積層手段１１」上に順次案内され、そこで積層されるようになっている（同文献の［００１５］〜［００１９］、図１、図３）。

特開２０１２−９１３７２号公報

しかしながら前記した従来の技術には、次のような問題点があった。すなわち、「案内積層手段１１」上に積層される「シート状体３」の位置精度が低いのである。このため、「案内積層手段１１」上に形成される積層体は、「シート状体３」の位置が不揃いなものとなりがちであった。その原因は、「落下移動手段９」上での「シート状体３」が、何ら位置決めを受けていない状態で、重力のみに起因して移動しているためであると解される。「落下移動手段９」上での「シート状体３」はもはや、「シート状体源２１」から切断されて自由状態にあるからである。
この問題を解決するために、例えば図４に示すように、「シート状体源５０」が「積層手段５１」上に積層位置決めされた後、２枚の「回転カッタ５２」により「シート状体源５０」を切断して「シート状体５３」とするようにした積層体の作製装置も考えられるが、この場合、「回転カッタ５２」の側面と「積層手段５１」上に積層された「シート状体５３」の側面が接触して「シート状体５３」の側面に傷が付くといった問題が発生した。

本発明は、前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、第１電極箔短冊と第２電極箔短冊とを位置精度良く積層させて、位置の不揃いがほとんどない積層電池を製造することができ、さらに切断時に積層電池に傷を付けることがない積層電池製造装置を提供することにある。

上記の問題点を解決するために、本発明の積層電池製造装置は、次の構成を有している。
（１）第１電極箔短冊と第２電極箔短冊とが交互に積層された構造の積層電池を製造する積層電池製造装置であって、第１電極箔反物をその長手方向に進行させて搬送する第１電極箔搬送機構と、前記第１電極箔反物の上に、前記第２電極箔短冊を長手方向に対して間隔を開けて配置されるように供給する第２電極箔搬送機構と、前記第２電極箔短冊が配置された前記第１電極箔反物における前記第２電極箔短冊のない箇所を幅方向に切断することで、前記第１電極箔短冊と前記第２電極箔短冊とが１枚ずつ積層された電極箔ペア短冊とする切断機構と、前記切断機構とは近接して配置され、前記電極箔ペア短冊が積層される台座と、を備え、前記切断機構は、前記第１電極箔搬送機構の搬送路上側に配置された上側回転刃と、前記搬送路下側に配置された下側回転刃とから構成され、前記上側回転刃および下側回転刃の回転軸は、前記第１電極箔搬送機構の搬送方向に対して上下方向に傾いて配置されるとともに、前記上側回転刃および下側回転刃の外周面は、その側面に対して前記回転軸の傾き以上に傾斜して交差していることを特徴とする。

上記構成を有する本発明の積層電池製造装置の作用・効果について説明する。
（１）第２電極箔短冊が配置された第１電極箔反物における第２電極箔短冊のない箇所を幅方向に切断することで、第１電極箔短冊と第２電極箔短冊とが１枚ずつ積層された電極箔ペア短冊とする切断機構と、切断機構とは近接して配置され、電極箔ペア短冊が積層される台座とを備えるので、台座上には切断機構により切断された電極箔ペア短冊を位置精度良く積層させることができ、したがって、位置の不揃いがほとんどない積層電池を製造することができる。また、電極箔ペア短冊が積層される台座が切断機構とは近接して配置されているが、切断機構の上側回転刃および下側回転刃の回転軸は、第１電極箔搬送機構の搬送方向に対して上下方向に傾いて配置されるとともに、上側回転刃および下側回転刃の外周面は、その側面に対して回転軸の傾き以上に傾斜して交差しているので、切断機構によって電極箔ペア短冊などに傷を付けることがなく、電極箔ペア短冊を使用した積層電池の性能を著しく損なうことがない。

本発明を実施した積層電池製造装置を概略的に示す図である。本発明を実施した積層電池製造装置の要部を概略的に示す斜視図である。（Ａ）本発明を実施した積層電池製造装置の切断機構付近を概略的に示す正面図である。（Ｂ）本発明を実施した積層電池製造装置の、改良された切断機構付近を概略的に示す正面図である。従来の積層体の作製装置を概略的に示す図である。

（実施形態１）
以下、本発明に係る積層電池製造装置について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において図は、適宜簡略化或いは変形誇張されて描画されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも実施例と同一ではない。
図１は、本発明を実施する積層電池製造装置を簡略的に示す図である。
すなわち、積層電池製造装置１は、正極反物供給部２と、負極反物供給部３と、正極反物切断機構４と、貼り合わせロール５と、ニップロール１６と、負極反物切断機構６と、台座７と、プレスロール８とを有している。前記正極反物供給部２には、正極箔反物コイル９が取り付けられており、正極箔反物１０が巻き出されるようになっている。前記負極反物供給部３には、負極箔反物コイル１１が取り付けられており、負極箔反物１２が巻き出されるようになっている。前記正極箔反物１０および前記負極箔反物１２はいずれも、長尺箔状のものであり、集電箔の表面上に電極活物質層が形成された構造のものである。前記負極箔反物１２の表面上にはさらに、セパレータ層も形成されている。前記正極箔反物１０および前記負極箔反物１２はいずれも、その長手方向に進行して前記貼り合わせロール５へ向かうように構成されている。

また、前記貼り合わせロール５まで搬送された前記負極箔反物１２は、後述する正極箔短冊１３とともに前記ニップロール１６によって前記プレスロール８に向かって搬送されるように構成されている。
したがって、前記貼り合わせロール５および前記ニップロール１６などによって、本発明の第１電極箔搬送機構が構成され、また、前記負極箔反物１２が本発明の第１電極箔反物に相当する。

前記正極反物切断機構４は、前記正極箔反物１０を幅方向に切断することで、カード状の正極箔短冊１３とするものである。前記貼り合わせロール５は、前記負極箔反物１２と前記正極箔短冊１３とを貼り合わせるものである。このため前記貼り合わせロール５に対して、前記負極箔反物１２はそのまま、前記正極箔反物１０は前記正極反物切断機構４によって切断されて前記正極箔短冊１３となってから、供給されるようになっている。前記正極箔短冊１３はさらに、上下一対の２組の搬送ローラ１７により、貼り合わせロール５に対して、前記負極箔反物１２の長手方向に順次連続して供給されるようになっている。
したがって、前記搬送ローラ１７などによって本発明の第２電極箔搬送機構が構成される。
なお、前記正極箔反物１０の、その長手方向とは直交する幅は、前記負極箔反物１２の幅よりもやや狭く設定されており、したがって、前記負極箔反物１２上に前記正極箔短冊１３が貼り合わされた状態では、前記負極箔反物１２の片側の縁側には、前記正極箔短冊１３が存在しない部分（図２において手前部分）が存在する。

本発明の切断機構としての前記負極反物切断機構６は、前記負極箔反物１２を幅方向に切断するものである。この切断により、前記正極箔短冊１３と負極箔短冊とが１枚ずつ積層された電極箔ペア短冊１４が得られる。なお、前記正極箔短冊１３が本発明の第２電極箔短冊に相当し、前記負極箔短冊が本発明の第１電極箔短冊に相当する。
前記台座７は、得られた前記電極箔ペア短冊１４を置くためのものであり、前記負極反物切断機構６とは近接して配置されている。前記プレスロール８は、前記台座７の上に多数枚積層された前記電極箔ペア短冊１４を厚み方向にプレスするものである。なお、前記負極反物切断機構６のすぐ上流側には、前記負極箔反物１２と前記正極箔短冊１３とを支持する前記ニップロール１６が設けられている。

図２は、本発明を実施する積層電池製造装置の要部を簡略的に示す斜視図である。
すなわち、前記負極反物切断機構６は、上側回転刃６１と、下側回転刃６２と、略Ｃ字状をなす切断機構フレーム６３とから構成されている。前記切断機構フレーム６３は、図示しない駆動装置によって、前記第１電極箔搬送機構の搬送方向とは直交する方向、すなわち、前記負極箔反物１２の、その長手方向とは直交する幅方向に往復移動可能に構成されている。前記上側回転刃６１および前記下側回転刃６２は、前記切断機構フレーム６３の上下開放端部分に回転可能にそれぞれ支持されており、したがって、前記上側回転刃６１および前記下側回転刃６２は、第１電極箔搬送機構の搬送路の上方位置および下方位置、つまり、前記負極箔反物１２の上方位置および下方位置にそれぞれ位置する。
また、前記上側回転刃６１と前記下側回転刃６２とは、それぞれの側面間にわずかな隙間が存在するとともに、それぞれの外周が多少オーバーラップするように前記切断機構フレーム６３に取り付けられている。
したがって、前記切断機構フレーム６３が前記負極箔反物１２の、その長手方向とは直交する幅方向に往復移動した際には、前記上側回転刃６１および前記下側回転刃６２も前記負極箔反物１２の、その長手方向とは直交する幅方向に往復移動し、その往移動および復移動において前記負極箔反物１２を切断することが可能である。

図２において、前記切断機構フレーム６３が右斜め下方向に移動する、すなわち、往移動する際は、前記上側回転刃６１は時計方向に回転し、また、前記下側回転刃６２は反時計方向に回転し、そして、前記切断機構フレーム６３が左斜め上方向に移動する、すなわち、復移動する際は、前記上側回転刃６１は反時計方向に回転し、また、前記下側回転刃６２は時計方向に回転するように公知の電動機（図示せず）などにより回転駆動される。
また、前記上側回転刃６１および前記下側回転刃６２が移動する際、前記切断機構フレーム６３の移動速度と前記上側回転刃６１および前記下側回転刃６２の外周における回転速度はほぼ等しくなるように設定されている。
したがって、前記切断機構フレーム６３が往復移動する際には、前記負極箔反物１２の表面と前記上側回転刃６１および前記下側回転刃６２の外周との間の相対速度はゼロかほぼゼロである。しかし、前記切断機構フレーム６３の移動速度に比べて前記上側回転刃６１および前記下側回転刃６２の外周における回転速度の方がやや速く設定されていても差し支えない。

図３（Ａ）は、本発明を実施した積層電池製造装置の切断機構付近を概略的に示す正面図である。
すなわち、図３（Ａ）に示すように、正面視では、前記上側回転刃６１および前記下側回転刃６２は、それぞれの回転軸６１１、６２１が前記第１電極箔搬送機構の搬送方向（図３（Ａ）においては水平方向）に対して、上流側が下流側に比べて上方になるようにして上下方向に傾いて前記切断機構フレーム６３に支持されている。なお、平面視では、前記回転軸６１１、６２１と前記第１電極箔搬送機構の搬送方向とは平行になるように配置されている。
したがって、前記負極反物切断機構６に近接して前記台座７が配置されていたとしても、前記台座７上に積層保持された前記電極箔ペア短冊１４の前記負極反物切断機構６側側面と前記負極反物切断機構６の前記下側回転刃６２の側面が接触することがないため、前記下側回転刃６２の回転移動に伴って前記台座７上に積層保持された前記電極箔ペア短冊１４に傷を付けることがない。

次に、上記の積層電池製造装置１の作用を説明する。積層電池製造装置１により電極積層体１５を製造する際には、貼り合わせロール５に対して、負極箔反物１２と、正極箔短冊１３とが供給される。負極箔反物１２は前述のように、負極反物供給部３から供給され、長手方向に進行することにより貼り合わせロール５に至る。正極箔短冊１３は、正極反物供給部２から正極反物切断機構４および搬送ローラ１７を介して貼り合わせロール５に供給される。貼り合わせロール５にて正極箔短冊１３は、負極箔反物１２の上に、長手方向に対してわずかな間隔をおいて順次並べられて配置される。

その後貼り合わせロール５により、正極箔短冊１３および負極箔反物１２が厚み方向に軽く押し付けられる。この状態で正極箔短冊１３は、負極箔反物１２に対して軽く接着されている。負極箔反物１２のセパレータ層にある程度の接着性があるからである。このためこれ以後、振動等で容易に正極箔短冊１３の位置が負極箔反物１２に対してずれてしまうことはない。

貼り合わせロール５より下流側における正極箔短冊１３および負極箔反物１２は、負極箔反物１２の上に、正極箔短冊１３が長手方向に対してわずかな間隔をおいて順次並んで配置された状態となっている。このような状態の正極箔短冊１３および負極箔反物１２が、貼り合わせロール５から負極反物切断機構６へ向かう。負極反物切断機構６に至った負極箔反物１２は、負極反物切断機構６の上側回転刃６１および下側回転刃６２によって幅方向に切断される。負極反物切断機構６が切断するのは、負極箔反物１２のうち、正極箔短冊１３と次の正極箔短冊１３との間の正極箔短冊１３が存在しない箇所である。

こうして電極箔ペア短冊１４が得られる。負極箔反物１２の進行とともに次々に電極箔ペア短冊１４が得られるので、台座７の上には多数枚の電極箔ペア短冊１４が積層されることとなる。台座７の上に積層された電極箔ペア短冊１４は、プレスロール８により、厚み方向にプレスされる。より詳細には、新たに１枚の電極箔ペア短冊１４が台座７の上に置かれるたびに、プレスロール８によるプレスが実施される。これにより、新たに供給された電極箔ペア短冊１４が、先に供給されてすでに台座７の上に積層されている電極箔ペア短冊１４に対して一体化される。前述のセパレータ層の接着性による。

このようにして所定の枚数の電極箔ペア短冊１４が台座７の上に積層されプレスロール８による一体化がなされると、電極積層体１５が得られる。電極積層体１５は、電池における発電要素として機能するものである。電極積層体１５は通常、電池容器内に電解液とともに収納される。

この際、本実施形態では、上側回転刃６１および下側回転刃６２は、それぞれの回転軸６１１、６２１が第１電極箔搬送機構の搬送方向に対して、上流側が下流側に比べて上方になるようにして上下方向に傾いて配置されているため、台座７が負極反物切断機構６に近接して配置されていたとしても、台座７上に積層保持された電極積層体１５（電極箔ペア短冊１４）の負極反物切断機構６側側面に、下側回転刃６２の回転移動に伴って傷がつくことがなく、したがって、この電極積層体１５を使用した積層電池の性能が低下したり、或いは、積層電池製造装置１の生産性が低下する恐れがない。

（実施形態２）
図３（Ｂ）は、本発明を実施した積層電池製造装置の、改良された切断機構付近を概略的に示す正面図である。
すなわち、上述の実施形態１では、前記上側回転刃６１の外周面が前記台座７上に積層保持された前記電極箔ペア短冊１４の上面に干渉して傷を付ける恐れがあり、また、前記下側回転刃６２の外周面が前記負極箔反物１２の下面に干渉して傷を付ける恐れがあるが、本実施形態は、それらの点を改良した上側回転刃６４および下側回転刃６５を用いた構成となっている。なお、その説明中、上述の実施形態１と同一の作用効果を奏するものには、同じ符号を付して説明し、また、本実施形態の上側回転刃６４および下側回転刃６５は、上述の実施形態１の前記上側回転刃６１および前記下側回転刃６２とほぼ同様な構成となっており、以下の説明においては、主に異なる点を中心に説明する。

図おいて、上側回転刃６４および下側回転刃６５は、上述の実施形態１と同様に、正面視では、それぞれの回転軸６４１、６５１が第１電極箔搬送機構の搬送方向に対して、上流側が下流側に比べて上方になるようにして上下方向に傾いて切断機構フレーム６３に支持されている。なお、平面視では、前記回転軸６４１、６５１と前記第１電極箔搬送機構の搬送方向とは平行になるように配置されている。
前記上側回転刃６４および下側回転刃６５の外周面６４２、６５２は、円錐形状をなしており、前記上側回転刃６４の外周面６４２は、前記第１電極箔搬送機構の搬送方向の上流側が大径で、下流側が小径となるような円錐形状となっている。また、前記下側回転刃６５の外周面６５２は、前記第１電極箔搬送機構の搬送方向の上流側が小径で、下流側が大径となるような円錐形状となっている。

すなわち、図３（Ｂ）に示すように、その回転軸６４１を含む断面形状において、前記上側回転刃６４の外周面６４２は、前記上側回転刃６４の、第１電極箔搬送機構の搬送方向の上流側の側面６４３と交差する角度θ１が鋭角となるように設定されている。望ましくは、角度θ１は、回転軸６４１と水平線６６とがなす角度θ２と等しいか、もしくは、それ以上に設定されている。
同様に、前記下側回転刃６５の外周面６５２は、その回転軸６５１を含む断面形状において、前記下側回転刃６５の、第１電極箔搬送機構の搬送方向の下流側の側面６５３と交差する角度θ３が鋭角となるように設定されている。望ましくは、角度θ３は、回転軸６５１と水平線６６とがなす角度θ４と等しいかそれ以上に設定されている。また、前記上側回転刃６４の角度θ１は、前記下側回転刃６５の角度θ３と等しいのが望ましいが、異なっていても差し支えない。

次に、上記の積層電池製造装置１の作用を説明する。
負極箔反物１２の上に、正極箔短冊１３が長手方向に対してわずかな間隔をおいて順次並んで配置された状態の負極箔反物１２は、貼り合わせロール５から負極反物切断機構６へ向かう。負極反物切断機構６に至った負極箔反物１２は、切断機構フレーム６３の往移動または復移動に伴って、負極反物切断機構６の上側回転刃６４および下側回転刃６５によって幅方向に切断される。負極反物切断機構６が切断するのは、負極箔反物１２のうち、正極箔短冊１３と次の正極箔短冊１３との間の正極箔短冊１３が存在しない箇所である。

この際、本実施形態では、上側回転刃６４および下側回転刃６５は、それぞれの回転軸６４１、６５１が第１電極箔搬送機構の搬送方向に対して、上流側が下流側に比べて上方になるようにして上下方向に傾いて配置されているため、台座７が負極反物切断機構６に近接して配置されていたとしても、台座７上に積層保持された電極積層体１５（電極箔ペア短冊１４）の負極反物切断機構６側側面に、下側回転刃６５の回転移動に伴って傷がつくことがない。したがって、この電極積層体１５を使用した積層電池の性能が低下したり、或いは、積層電池製造装置１の生産性が低下する恐れがない。

また、上側回転刃６４外周面６４２は、円錐状に形成されている。具体的には、上側回転刃６４の外周面６４２は、その回転軸６４１を含む断面形状において、上側回転刃６４の、第１電極箔搬送機構の搬送方向の上流側の側面６４３と交差する角度θ１が、回転軸６４１と水平線６６とがなす角度θ２と等しいか、もしくは、それ以上に設定されているため、負極反物切断機構６によって負極箔反物１２を切断する際に、上側回転刃６１の外周面６４２が台座７上に積層保持された電極箔ペア短冊１４の上面に干渉して傷を付ける恐れがない。また、下側回転刃６５の外周面６５２は、その回転軸６５１を含む断面形状において、下側回転刃６５の、第１電極箔搬送機構の搬送方向の下流側の側面６５３と交差する角度θ３が、回転軸６５１と水平線６６とがなす角度θ４と等しいか、もしくは、それ以上に設定されているため、負極反物切断機構６によって負極箔反物１２を切断する際に、下側回転刃６５の外周面６５２が負極箔反物１２の下面に干渉して傷を付ける恐れがない。

このように本実施形態では、負極反物切断機構６によって負極箔反物１２を切断する際に、上側回転刃６４外周面６４２や下側回転刃６５の外周面６５２によって、台座７上に積層保持された電極箔ペア短冊１４や負極箔反物１２を傷付けることがないので、この電極積層体１５を使用した積層電池の性能が低下したり、或いは、積層電池製造装置１の生産性が低下する恐れがない。

なお、上述した本実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、本形態では、貼り合わせロール５に対して、負極箔を反物状にて供給し、正極箔を短冊状にて供給することとした。しかしこれは、正負逆であってもよい。また、本形態では、台座７上で電極箔ペア短冊１４を押圧するプレス部材として、電極箔ペア短冊１４上を転がるプレスロール８を用いた。しかしこれに限らず、送り方向には移動せず平面状に電極箔ペア短冊１４を押圧するプレスパッドであってもよい。押圧のオンオフが可能であればよい。

１積層電池製造装置
２正極反物供給部
３負極反物供給部
４正極反物切断機構
５貼り合わせロール
６負極反物切断機構
６１上側回転刃
６１１回転軸
６２下側回転刃
６２１回転軸
６４上側回転刃
６４１回転軸
６４２外周面
６５下側回転刃
６５１回転軸
６５２外周面
７台座
１０正極箔反物
１２負極箔反物（第１電極箔反物）
１３正極箔短冊（第２電極箔短冊）
１４電極箔ペア短冊
１５電極積層体
１７搬送ローラ

Claims

第１電極箔短冊と第２電極箔短冊とが交互に積層された構造の積層電池を製造する積層電池製造装置であって、
第１電極箔反物をその長手方向に進行させて搬送する第１電極箔搬送機構と、
前記第１電極箔反物の上に、前記第２電極箔短冊を長手方向に対して間隔を開けて配置されるように供給する第２電極箔搬送機構と、
前記第２電極箔短冊が配置された前記第１電極箔反物における前記第２電極箔短冊のない箇所を幅方向に切断することで、前記第１電極箔短冊と前記第２電極箔短冊とが１枚ずつ積層された電極箔ペア短冊とする切断機構と、
前記切断機構とは近接して配置され、前記電極箔ペア短冊が積層される台座と、を備え、
前記切断機構は、前記第１電極箔搬送機構の搬送路上側に配置された上側回転刃と、前記搬送路下側に配置された下側回転刃とから構成され、前記上側回転刃および下側回転刃の回転軸は、前記第１電極箔搬送機構の搬送方向に対して上下方向に傾いて配置されるとともに、前記上側回転刃および下側回転刃の外周面は、その側面に対して前記回転軸の傾き以上に傾斜して交差していることを特徴とする積層電池製造装置。