JP7465973B2 - 個別のスタックに分割するためのシート材料を調製する方法 - Google Patents

Description

本発明は、個別のスタックに分割するためのシート材料を調製する方法に関する。特に、本発明は、ドラム上に巻き取った後、個別のスタックに分割されるかさもなければ単離されるシート材料のウェブを調製することに関し、このようなスタックは、固体電池などの固体デバイスを画定する。

さまざまな利点が約束されているにもかかわらず、固体電池技術は、歴史的に見て法外に高価であり、規模の経済に抵抗することで有名であり、これまで一般的な採用を妨げてきた。

ＳＳＢの大量生産に伴う課題を説明するために、１つのアプローチでは、ＳＳＢセルスタックは、連続薄膜基板上に形成して「ウェブ」を画定し、これは、折りたたまれるかまたは巻かれて層となり、次に切断されて、個別の多層スタックを形成する。ウェブは、基板上の必要なアノード、カソードおよび電解質材料の個別の層で構成される層状構造によって画定されるため、各スタックは、ＳＳＢセルのスタックを画定する。このようなウェブは、抵抗率を最小にしてエネルギー密度を最大にするために、数ミクロンのオーダーで非常に薄くなければならない。費用的実行可能性は、また、ウェブが非常に長くなければならないこと、例えば、数百メートルのオーダーでなければならないことをも示す。特にスタックが高速でウェブに損傷を与えることなく形成される場合、このような長くて薄いウェブの取り扱いは、著しい課題である。

さらに複雑なことに、ＳＳＢスタックの層の数は、従来のバッテリーセルの同等のスタックの場合よりも１桁の規模で多くなる場合がある。結果として、各スタックの層の縁の整列を管理する許容誤差は小さくなる。これは、層が追加されると整列の誤差が累積するためである。

この背景に対して、本発明を考案した。

本発明の一態様は、ウェブをドラム上に巻き取った後、ウェブ部分の個別のスタックに分割するためのシート材料の細長いウェブを調製する方法を提供する。本方法は、形成される個別のスタックの縁に対応する間隔を空けてウェブに横方向の切れ目を形成することを含み、間隔は、ウェブに沿って次第に増加し、その結果、切れ目は、ドラムに巻き取られたときに角度的に整列したグループを形成する。

ウェブに切れ目を形成すると、それらの箇所でウェブが弱くなる。つまり、ウェブは、例えばドラムを拡張するときに、ウェブ部分の個別のスタックへとより容易に破断し分割され得る。したがって、切れ目を作成すると、最終的なスタックの形状を制御することが可能になる。切れ目がドラム上で整列することを保証することは、各スタックの層の縁がスタックへの分割に続いて整列することを意味する。

各切れ目は、横方向の一連の穿孔を備え得る。この場合、本方法は、規則的または不規則な間隔でウェブに穿孔し、各一連の穿孔を形成することを含み得る。各一連の穿孔は、多角形であり得、例えば、平行四辺形、六角形、三角形またはダイヤモンドの形のいずれかを備える。

あるいは、または加えて、各切れ目は、ウェブの薄肉部分を備え得る。このような実施形態では、この方法は、ウェブの１つ以上のコーティング層の一部を除去することによって各薄肉部分を形成することを含み得る。例えばウェブをアブレーションすることによって薄肉部分を形成するなどである。そのような方法は、ウェブに沿って薄肉部分の幅を次第に増加させることを含み得る。例えば、本方法は、切れ目の間の間隔に従って薄肉部分の幅を増加させることを含み得、その結果、連続する薄肉部分の間の空間は、ウェブに沿って一定である。これにより、最終的な個別のスタックの寄生質量が最小限に有益に抑えられ、ウェブの全厚領域の縁が確実に整列することをも助ける。

いくつかの実施形態では、切れ目は、ウェブの穿孔および薄肉部分の組み合わせを備える。例えば、各切れ目は、ウェブの薄肉部分を通って中央に延在する横方向の一連の穿孔を備え得る。

本方法は、ウェブの巻き取り中に切れ目を形成することを備え得る。各切れ目は、ドラム上にあるウェブの部分に形成され得る。例えば、この方法は、ウェブの複数の層をドラム上に巻き取り、次にそれらの層を一緒に穿孔することを含み得る。本方法はまた、ドラムが所定の角度位置の組の１つにあるときに、各切れ目を形成することを含み得る。

あるいは、本方法は、まだドラムに巻き取られていないウェブの部分に各切れ目を形成することを含み得る。ドラム上にあるウェブの部分にいくつかの切れ目を形成することおよびまだドラムに巻き取られていないウェブの部分に他の切れ目を形成することも可能である。

この方法は、ドラムが回転している間に切れ目を形成することを含み得る。ドラムが静止している間に切れ目が形成されることもあり得る。

各切れ目の形成は、レーザー切断および／または機械的切断を含み得る。

ウェブは、基板層および１つ以上のコーティング層を備え得、その場合、切れ目を形成することは、例えば、アブレーションによる１つ以上のコーティング層の局所的除去を含み得る。

ウェブから形成された各スタックは、固体電気デバイスを画定し得る。

本発明はまた、シート材料の細長いウェブからウェブ部分のスタックを製造する方法にも及ぶ。この方法は、上記の方法を使用してウェブを調製することと、ウェブの連続する層の切れ目がドラム上で整列するようにウェブをドラム上に巻き取ることと、ドラムを拡張してウェブにおける張力を増加させ各切れ目でウェブを破断することと、それによってウェブを各ドラムセグメントのそれぞれのスタックに分割することと、を含む。

本発明はまた、ウェブ処理システムを制御して、ウェブ部分の個別のスタックに分割するためのシート材料の細長いウェブを調製するために、および／またはウェブ部分の当該スタックを生成するために、上記の態様の方法を実行するように配置された制御システムをも包含する。

本発明の別の態様は、ウェブをドラム上に巻き取った後、ウェブ部分の個別のスタックに分割するためのシート材料の細長いウェブを調製するように構成されたウェブ処理システムを提供する。このシステムは、形成されるスタックの縁に対応する次第に増加する間隔でウェブに横方向の切れ目を形成するように配置された切れ目形成装置を備え、その結果、切れ目は、ドラムに巻き取られるときに角度的に整列したグループを形成する。

切れ目形成装置は、必要に応じて、ウェブを穿孔および／またはアブレーションして切れ目を形成するように構成される。

切れ目形成装置は、レーザーおよび／またはブレードなどの切断部材を備え得る。

本発明のさらなる態様は、次第に増加する間隔で横方向の切れ目を備えるシート材料の細長いウェブを提供する。

ウェブは、基板層および１つ以上のコーティング層を備え得る。

各切れ目は、横方向の一連の穿孔を備え得る。各一連の穿孔は、多角形であり得、例えば、平行四辺形、六角形、三角形またはダイヤモンド形状のいずれかを備える。各一連の穿孔は、一定または不規則な間隔で配置され得る。

各切れ目は、ウェブの薄肉部分を含み得、その場合、本方法は、ウェブの１つ以上のコーティング層の一部を除去することによって、各薄肉部分を形成することを含み得る。薄肉部分の幅は、ウェブに沿って次第に増加し得る。例えば、薄肉部分の幅は、切れ目の間の間隔に従って増加し得、その結果、連続する薄肉部分の間の空間は、ウェブに沿って一定である。

あるいは、または加えて、各切れ目は、ウェブの薄肉部分を通って中央に延在する横方向の一連の穿孔を備え得る。

本発明の各態様の好ましいおよび／または必要に応じた特徴は、単独でまたは組み合わせて、本発明の他の態様にも適切に組み込まれ得ることを理解されたい。

ここで、本発明の１つ以上の実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して説明する。

本発明の実施形態において固体デバイスを製造するのに適したウェブを概略的な形で示す図である。 図１のウェブの初期処理ステップを示す図である。 図１のウェブを巻き取って個別のスタックに分割するように構成された拡張可能なドラムの斜視図である。 図３のドラムを正面から示し、ドラムの内部の特徴を明らかにする図である。 半径方向の拡張の初期段階にあるドラムを示す正面図である。 半径方向の拡張の初期段階にあるドラムを示す斜視図である。 図５ａに対応するが、完全に拡張された状態のドラムを示す図である。 図５ｂに対応するが、完全に拡張された状態のドラムを示す図である。 傘状運動モードの３つの段階における正面からのドラムを示す図である。 図７ａに対応する、ドラムの透視図である。 傘状運動モードの３つの段階における正面からのドラムを示す図である。 図８ａに対応する、ドラムの透視図である。 傘状運動モードの３つの段階における正面からのドラムを示す図である。 図９ａに対応する、ドラムの透視図である。 図３のドラムを組み込んだウェブ処理システムを示す図である。 拡張後の図３のドラムのプレートの詳細図である。 図１０のウェブ処理システムによって処理されたウェブの一部を示す図である。

電池などの固体デバイスの大量生産に伴う課題に対処するために、本発明の実施形態は、シート材料の細長いウェブを折りたたみ、個別のスタックに分割することによって、そのようなデバイスを形成する。すでに述べたように、このようなウェブの厚さは、わずか数ミクロンであり得るのに対し、長さは、数百メートルであるため、取り扱いが困難である。

例えば、ウェブは、非常に薄いため、非常に軽量で壊れやすく、ウェブを破損させないように張力を制限しながらウェブを張力下に置いて形状を維持し位置を制御するという相反する課題が発生する。

また、上記のように、各スタックの層の数を最大化して、対応するエネルギー密度の増加をもたらすことが望ましい。これは、ウェブの多くの折り畳みと、それに伴うスタックの層の縁を整列させたままにすることを確実に維持することの困難さの増加を伴う。また、ウェブを折りたたむと、各折り目で高い曲げ半径が作成され、ウェブコーティングに応力が発生する。

このため、他の電気デバイスの製造に使用される従来のＳフォールディング技術は、この方法で固体デバイスを形成するには不適切であることがわかる。

したがって、本発明の実施形態は、ウェブに加えられる張力の変動を最小にし、ウェブに加えられる曲げ半径を減少させ、また正確な縁位置合わせを確実にする、ウェブを折りたたみおよび分割するアプローチを提供する。大まかに言えば、このアプローチでは、ウェブをドラムに巻き取り、穿孔および／またはアブレーションされた領域などの横方向の切れ目を作成して、その結果切れ目がドラム上に角度のある間隔で放射状に整列したグループを形成し、次にドラムを拡張してフープ応力を増加させて、各切れ目に沿って巻き取られたウェブを破断し、固体デバイスを画定する個別のスタックを生成する。

その文脈において、図１は、本発明の実施形態において使用され得るウェブ１０の構造を概略的な形で示す。ウェブ１０は、層状構造によって画定され、この場合、これは、４つの個別の層から構成され、各層は、ウェブを通って２次元で均一に延在する。

図１に示すように、上向きに垂直に連続して、ウェブは、基板１２と、アノード層１４と、電解質層１６と、カソード層１８と、を備える。図１は、全体の概略図であるため、実際には層の相対的な厚さが異なる場合があり得ることを理解されたい。

基板１２は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの適切な薄いプラスチックウェブ材料であり、この実施形態では、厚さが１ミクロン以下であるが、他の実施形態では、基板１２は、例えば１０ミクロンまで、より厚くされ得る。

アノード、電解質およびカソード層は、既知の技術を使用してコーティングとして基板１２上に形成される。

この実施形態では、アノード層１４は、リチウム金属から形成されるが、リチウム合金は、代わりに使用され得る。電解質層１６は、リチウムリン酸窒化物であるが、他の適切な高速イオン伝導体が知られている。このことから、カソード層１８について選択された材料は、安定した化学反応という長所によってリチウムイオンを貯蔵するのに適しているということになる。したがって、カソード層１８に適した材料は、リチウムコバルト酸化物、リチウム鉄リン酸塩またはアルカリ金属ポリサルファイド塩が含まれるが、アルミニウム、マンガンおよび／またはコバルトを補充した任意のアルカリ金属酸化物が使用され得る。

当業者は、固体デバイスセルを形成するのに適した他の材料を認識しており、そのような材料の任意の適合可能な組み合わせは、本発明の実施形態において実施され得る。

当業者は、図１に示す構造が、固体電池デバイスのセルを画定するために必要な全ての層を提供することを理解されたい。したがって、ウェブ１０は、実用的な目的を果たすには大きすぎるものであるが、単一の固体セルとして特徴付けられ得る。したがって、ウェブ１０は、破断されるか、さもなければ、より小さなウェブ部分に分割され、各ウェブ部分は、有用なサイズの固体セルを画定する。これらのセルは、積み重ねられて、高エネルギー密度の固体デバイスを形成する。最も便利なのは、ウェブ１０を分割する前に折りたたむか、さもなければ重ねることによって、この場合は、以下に説明するようにドラムに巻き取ることである。

図１に示されるウェブ１０は、使用され得る最も単純な構造の１つを表すが、他の実施形態では、基板１２が複数のセルを支持するように、さらなる層が含まれ得る。これは、基板１２によって表される寄生質量を有益に最小化し、次に、ウェブ１０から生成される固体デバイスのエネルギー密度を改善する。

例えば、カソード層電解質層およびアノード層１４、１６、１８は、繰り返され得、その結果、基板１２は、一方のセルが他方の上に積み重ねられた状態で、固体デバイスの２つのセルに必要な層を支持する。

アノード、電解質およびカソード層の追加の組は、図１に示す例に存在するものの上に追加され得、層状パターンを繰り返し得、この場合、カソード、電解質およびアノードの層のそれぞれの組の間にバリア層が設けられ、それぞれのセルを分離する。

別のオプションは、図１の構造に電解質層とそれに続くアノード層を追加することであり、これは、カソード層１８が２つのセルの一部を効果的に形成することを意味する。この場合では、カソード層は、図１の単一セル配置の場合よりも厚くなり得る。

あるいはまたは加えて、さらなるコーティング層は、基板１２の下側に追加され得、その結果、基板１２は、２組のアノード、電解質およびカソード層の間に挟まれることとなる。

原則として、ウェブ１０は、本発明の目的のために、上記の構成のいずれかにおいて任意の数の層を有することが可能である。

製造、輸送および取り扱いを容易にするために、ドラム上に巻き取られるウェブ１０は、通常、生成される固体デバイスの意図された幅よりもはるかに広い幅を有するシート材料のリールから切り取られる。したがって、マルチセル固体デバイスを画定するウェブ部分の個別のスタックを製造するためのプロセスの最初のステップは、シート材料を、生成される固体デバイスの所望の幅に対応する幅を有するリボン状ウェブ１０に切断することである。次に、各ウェブ１０は、ドラムに個別に巻き付けられ得、固体デバイスを画定する最終スタックに分割される。

このステップを図２に示す。これは、シート材料２２のリール２０が矢印で示された方向に巻きほどかれ、縦方向に切断されて、リールの幅の約６分の１のウェブ１０が生成されることを示す。したがって、単純化のために、図２には、１つだけが示されるが、６つのそのようなウェブがシート材料２２から生成される。図２が示すように、ウェブ１０もまた、ドラムに巻き取る準備ができる長さに切断される。

切断されると、適切な材料のフィルムまたはホイルは、ウェブ１０の長辺に沿って堆積され、アノード層１４およびカソード層１８の集電体を画定し、アノード集電体２４は、ウェブ１０の片側に沿って形成され、カソード集電体２６は、反対側に沿って形成される。アノード集電体２４は、例えば、亜鉛、アルミニウム、白金またはニッケルから形成され得る。この実施形態では、カソード集電体２６は、ニッケル製であるが、代わりに白金またはアルミニウムが使用され得る。

図３は、ウェブ部分の個別のスタックを生成するために上で概説したように調製されたウェブ１０を巻き取りおよび分割するためのドラム２８の実施形態を斜視図で示す。ドラム２８は、図３において大幅に簡略化され、ウェブ１０が巻かれ得るウェブ受容ループ３０を形成する要素のみを示す。図４は、ドラム２８の内部構造の詳細を示す。

図３に示される実施形態では、ドラム２８は、中心軸３４の周りにループ状に配置されたフラットプレート３２の形態における８つの同一のドラム要素を備え、その結果、ループは、規則的な八面多角形の形態をとる。各プレート３２は、ドラム２８のそれぞれの面を画定するために半径方向外向きに面する平面の長方形のウェブ受容面３６を有する。

各プレート３２は、放射状断面の等脚台形であり、台形のより長い基部は、ウェブ受容面３６に対応する。この形状によって、プレート３２は、それらのそれぞれのウェブ受容面３６が隣接して、ウェブ受容ループ３０を画定する実質的に連続した表面を形成するように、互いに係合されることが可能になる。

したがって、ウェブ受容ループ３０を画定する表面は、円周方向に連続的に延在し、図３に示される向きに関して、ドラム２８の前方と後方との間の中心軸３４に平行に延在する。したがって、プレート３２の長さは、ドラム２８に巻き取られるウェブの幅に対応するサイズのウェブ受容ループ３０の軸方向の広がりを画定する。次に、ウェブ１０の幅は、ドラム２８を使用してウェブ１０から形成される固体デバイスの長さに対応する。

プレート３２は、ドラム２８が、プレート３２のウェブ受容面３６が隣接する閉状態から拡張可能であり、プレート３２を離して移動させ、それによってウェブ受容ループ３０の長さを増加させ、次にドラム２８に巻かれたウェブ１０の張力を上げてウェブ１０を個別のスタックに破断させるように、相対運動のために支持される。したがって、ドラム２８は、各プレート３２がそれぞれのドラムセグメントを画定するという点で、セグメント化されていると見なされ得る。他の実施形態では、ドラムセグメントは、プレートまたはウェッジなどの複数の要素から形成され得る。

当業者は、プレート３２が互いに対して移動し得、ウェブ受容ループ３０の長さを増加させ、それによって、巻き取られたウェブ１０に増加する張力を加え得る様々な方法があることを理解されたい。この実施形態では、プレート３２は、同時に半径方向外向きに移動してウェブ受容ループ３０を拡張させ、次に半径方向内向きに移動してドラム２８を元の状態に戻すように配置される。

この点に関して、図４は、ドラム２８を正面から示し、ドラム２８の正面で、ドラム２８のそれぞれのプレート３２を、プレート３２の端で各々支持する、独立して動作可能な複動アクチュエータ３８の円形アレイを示す。各アクチュエータ３８は、半径方向内側の本体４０と、本体４０内に伸縮自在に配置された半径方向外向きのアーム４２とを備え、その結果、アーム４２は、本体４０の内外に直線的に移動可能であり、アクチュエータを伸長および収縮する。

アクチュエータ３８は、ドラム２８のフレームによって集合的に支持され、これは、各アクチュエータ３８の本体４０を、フレームに対して固定された位置に固定する。各アクチュエータ３８のアーム４２は、それぞれのプレート３２に結合され、その結果、アーム４２の外向きの運動によるアクチュエータ３８の伸長は、フレームに対するプレート３２の対応する半径方向の運動を駆動する。

中心軸４６はフレーム内にジャーナルされるため、軸４６がドラム支持体に取り付けられたとき、ドラム２８は、回転可能である。

対応する一組のアクチュエータが、図４に見られるものの真後ろに位置して、ドラム２８の後方でプレート３２の対応する端を支持することを理解されたい。したがって、ドラム２８は、アクチュエータの前方セットおよびアクチュエータの後方セットを備え、各プレート３２は、各組から１つずつ、それぞれの対のアクチュエータによって支持される。

各アクチュエータアーム４２は、ドラム２８の前方と一致するプレート３２のウェブ受容面３６の縁に平行な軸の周りでプレート３２が旋回することを可能にする適切なリンケージを介してそれぞれのプレート３２に接続する。リンケージはまた、ある程度、アクチュエータ３８に対するプレート３２の軸方向の運動を可能にする。このようにして、前方および後方アクチュエータ３８は、異なる量だけ伸長し得、関連するプレート３２に半径方向および回転方向の両方の運動を与え、それによって、中心軸３４に対してプレート３２を傾ける。特に、これは、アクチュエータ３８の前方および後方セットの適切な制御を通じて、ドラム２８の前方および後方の差動半径方向拡張を可能にする。

プレート３２の各端でのアクチュエータ３８の差動半径方向伸長の結果としての中心軸３４に対するプレート３２の傾斜に対応する代替手段として、プレート３２に取り付けられたアクチュエータ３８の一方または両方は、フレームに対して旋回可能であり得る。

この配置は、アクチュエータ３８を異なる方法で操作することによって、ドラム２８に様々な運動モードを生じさせる。後述のように、様々な運動モードは、ドラム２８に巻き取られたウェブを分割するために使用する際に利点を提供し得る。まず、いくつかの特定の移動モードをより詳細に検討する。

最も単純な運動モードを図５ａから６ｂに示す。ここで、アクチュエータ３８は、同時に動作して同じ速度で拡張し、その結果、ドラム２８の前方および後方が半径方向に均等に拡大する。これは「真の放射状」運動と呼ばれる。図５ａおよび５ｂは、プレート３２が離れ始め、その結果、隣接するプレート３２の各対の間に小さなギャップが見えるように、それぞれ正面図および斜視図でドラム２８を示す。この運動は、ドラム２８が図６ａおよび６ｂに示される状態に達するまで続き、プレート３２間のギャップは、増加し、その結果、プレート３２によって画定されるウェブ受容ループ３０の全長が図３の元の状態と比較して大幅に増加する。例えば、直径が０．５～２メートルの間のドラム２８の場合、各プレート３２は、ウェブ受容ループ３０を拡張するために約５～１０ｍｍの半径方向の運動を経験し得るが、これらの寸法および距離は、各用途の要件に従って変化する。

独立して操作可能なアクチュエータ３８の適用によって、プレート３２はまた、すでに述べたように、各プレート３２の軸方向端が異なる程度に動き得るように支持される。したがって、ドラム２８の前方および後方は、差動半径方向拡張を経験し得、これは、「傘状」運動と呼ばれ、図７ａから９ｂに示される。

図７ａおよび７ｂは、それぞれ正面図および斜視図において、プレート３２が傾斜し始めるときに、ドラム２８の前面でのみプレート３２間にギャップが形成され始めることを示す。図７ｂに最も明確に見られるように、この段階で、プレート３２は、ドラム２８の後方で互いに接触したままである。この状態は、アクチュエータ３８の後方セットを収縮状態に保持しながら、アクチュエータ３８の前方セットの拡張を開始することから生じ、プレート３２が集合的にドラム２８の前方で外側に広がるように、各プレート３２を中心軸３４に対して傾斜させる。

図８ａおよび８ｂは、図７ａおよび７ｂに対応するが、ドラム２８の前方がより大きく拡張する、プロセスの後の段階を示す。この段階で、第２の組のアクチュエータ３８が作動され、結果として、ドラム２８の後方もまた拡張し始める。次に、図９ａおよび９ｂに示されるようにドラム２８が完全に拡張した状態に達するまで、全てのアクチュエータ３８が均一な速度で拡張して各プレート３２の一定の傾斜を維持するように、アクチュエータ３８の前方および後方セットが制御される。

図７ａから９ｂに示される傘状の運動は、最初の傾斜段階とそれに続くプレートが放射状に移動する拡張段階を伴う範囲で、２段階の動きと見なされ得る。他の２段階の運動は、例えば、図７ａから９ｂに示す操作の順序を逆にして、第２の運動状態でドラム２８の前方を拡張してプレート３２を図９ｂの完全に拡張された状態に傾ける前に、ドラム２８を運動の第１段階の中間位置に拡張することによって可能である。例えば、全てのアクチュエータ３８を一度に操作するが、後方セットのアクチュエータ３８よりも高い速度で前方セットのアクチュエータ３８を拡張することによって、傾斜および拡張運動が同時に起こることも可能である。

説明したドラム２８の動作について、ここで図１０を参照すると、ドラム２８は、ウェブ処理システム５０の一部としての使用の文脈で示される。ウェブ処理システム５０は、ウェブ１０をウェブ受容ループ３０に供給しながらドラム２８を回転させ、目標層数に達するまでドラム２８上にウェブ１０の層を構築し、ドラム２８を拡張することによって巻き取ったウェブ１０を個別のスタックに分割するように構成される。

ドラム軸４６は、ドラム支持体を画定する一対のピラー５２の間に取り付けられ、そのピラーの１つが図１０に見られ、その結果、ドラム２８は、ピラーの間に吊り下げられ、矢印によって示される方向に回転し得る。ドラム２８の回転は、従来の方法で、電気モーター（図示せず）などの駆動機構によって作用される。モーターはドラム２８に統合され得るか、またはドラム２８およびより広いシステムの一部から分離され得る。

ドラム２８が回転するにつれ、ウェブ受容ループ３０の周りにウェブ１０を引張、十分な数に達するまでウェブ１０の層を構築し、その時点でドラム２８は、上記の運動モードの１つを使用して拡張され、ウェブ１０に張力を加え、ウェブ１０を個別のスタックに分割する。ウェブ１０は、ウェブ処理システム５０の一部または分離システムのいずれかであり得る供給システム（図示せず）によってドラム２８のウェブ受容ループ３０に供給される。

ウェブ受容ループ３０のほぼ円形の形状は、巻き取り中のウェブ１０内の張力のピークを最小化するように作用するとともに、隣接するプレート３２間の各界面でウェブ１０に加えられる曲げ半径を最小化するように作用することに留意されたい。ウェブ張力またはフープ応力は、ウェブ１０がドラム２８の「角」の１つ、すなわちプレート３２間の界面に係合するたびに上昇するが、プレート３２間の角度は浅いため、張力の増加は、最小限である。これにより、巻き取り中にウェブ１０が伸びたり、破裂したりするリスクが最小限に抑えられる。

ドラム２８の面の数を増加させると、巻き取り中にウェブ１０に加えられる張力を均等化する効果があり、したがって実際には、ドラム２８は、８つを超える面を有し得ることを理解されたい。

ウェブ処理システム５０はまた、ドラム２８の隣接するプレート３２間の界面に対応する所定の角度位置でウェブ１０に切れ目を形成するように構成される、レーザーアブレーションマシン５４の形態の切れ目形成装置を含む。これは、例えば、レーザーアブレーションマシン５４が隣接するプレート３２間の界面が所定の角度位置と整列するたびに、新しい切れ目を形成するように、その中心軸４６上でドラム２８を回転させるモーター（図示せず）に関連するエンコーダーからの出力に応答してレーザーアブレーションマシン５４の動作を制御することによって達成され得る。

切れ目は、ドラム２８が回転するときに形成され得るか、あるいは、切れ目が形成される間、ドラム２８は、所定の角度位置の各々で停止され得る。

レーザーアブレーションマシン５４によって形成される切れ目には、その中においてウェブ１０のコーティング層、すなわちアノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８がアブレーションによって除去されて基板１２を露出する、ウェブ１０を横切って横方向に延在する薄肉領域と、ウェブ１０の全ての層を貫通する一連の横方向の穿孔と、が含まれる。概して、穿孔および薄肉領域は、コーティングの均一性を損なう範囲まで、切れ目と見なされ得る。この実施形態では、切れ目は、巻き取り中に形成されるが、他の実施形態では、切れ目は、巻き取りの前または後に形成され得る。

ウェブが両面にコーティングを有する基板１２を備える場合、コーティングは、既知の原理を使用して、透明な基板１２を通して動作するようにマシンを調整することによって、１回の動作でレーザーアブレーションマシン５４によって除去され得る。

この実施形態では、レーザーアブレーションマシン５４は、ウェブ１０をアブレーションしてコーティング層１４、１６、１８を除去して基板１２を露出させ、また、基板を貫通して各アブレーション領域の中心を通ってウェブ１０を横切って横方向に延在する一連の穿孔を形成する、という二重の操作を実行するように構成される。ただし、異なる実施形態では、これらの操作は、それぞれの角度位置に配置され得る２つの個別のデバイスによって実行され得る。

レーザーアブレーションマシン５４をドラム２８の上流に配置して、まだドラム２８に到達していないウェブ１０の部分に切れ目を形成することも可能である。

したがって、レーザーアブレーションマシン５４は、ウェブ処理システム５０が、間隔を空けて横方向にウェブ１０に穿孔するかさもなければ弱化することによって、ドラム２８が拡張されるときに個別のスタックに分割するためにウェブ１０を調製することを可能にする。間隔は、ウェブ１０がドラム２８上に巻き取られると、ウェブ１０の各層の穿孔が互いに整列して、ドラム２８の隣接する面の間の各界面と一致する角度的に整列したグループを形成するように決定される。

このように、ドラム２８が拡張するにつれてウェブ１０の張力が上昇すると、穿孔の弱化効果によって、ウェブ１０が各穿孔の組に沿って破断することが保証され、したがって、ドラム２８が拡張するとき、ウェブ１０が分割する点を制御するように作用する。

穿孔の各組に沿ってウェブ１０を破断すると、各プレート３２上にウェブ部分のそれぞれの個別のスタックが生じる。これを図１１に示す。図１１は、ドラム２８が拡張された後のドラム２８のプレート３２の１つをクローズアップしたものであり、プレート３２のウェブ受容面３６で支持されたウェブ部分のスタック５６を図示する。穿孔が、プレート３２の各対の間の界面と角度を合わせて形成されるにつれて、スタック５６の形状は、プレート３２の台形形状を効果的に継続する。

クランプ５８は、ドラム２８の拡張中および拡張後にウェブ１０を所定の位置に保持する。ウェブ部分の対応するクランプスタック５６がドラム２８の他のプレート３２の各々に存在するが、これらは簡単にするために図１１から省略されていることを理解されたい。

したがって、ドラム２８の各面は、ウェブ部分のそれぞれのスタック５６の支持体として機能し、形成されるスタック５６の幅は、プレート３２のウェブ受容面３６の幅に対応する。したがって、ドラム２８によって生成されるスタック５６の形状は、ドラム２８の面の形状に対応する。

ウェブ１０の層が巻き取り中にドラム２８上に蓄積するにつれて、ドラム２８上のウェブ１０のリールの全幅が増加する。これは、穿孔が所定の角度位置に形成されるため、穿孔の組間の間隔が次第に大きくなることを意味する。ドラム２８が所定の角度位置の組の１つにあるとき、レーザーアブレーションマシン５４が各々の新しい切れ目の組を形成するため、これは、図１０に示される配置において自動的に説明される。同じ原理は、レーザーアブレーションマシン５４がドラム２８の上流に配置されているときに、適用され得る。あるいは、この場合、切れ目の各組間の間隔は、計算され得る。

穿孔の組間の間隔の増加は、巻き取り中の穿孔の各組間のアノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８の幅の対応する漸進的な増加を意味する。これが最終的な固体デバイスの性能に与える影響はごくわずかであるが、巻き取られたウェブ１０の最も高い層における追加のコーティング材料は、寄生質量を表すため、バランスなどには、悪い影響を及ぼす。

このため、レーザーアブレーションマシン５４は、上記の穿孔の各組の周りに薄肉領域を作成する。薄肉領域の幅は、穿孔の間隔に沿って次第に増加し、穿孔の各組間のアノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８の幅を一定に維持する。したがって、ドラム２８を拡張することによってウェブ１０を分割した後、続いて、各離散スタック５６は、コーティングを含む完全な層の立方体スタックから構成される台形形状を有し、各側に基板材料の三角形のウェッジが隣接する。このようにして、アブレーションプロセスは、各スタック５６内のアノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８の縁が確実に整列されるようにするのに役立つ。

図１２は、切れ目が形成され、したがってドラム２８の拡張によって破断する準備ができているウェブ１０の部分を概略的な形で示す。具体的には、示されるウェブ１０の部分は、基板１２のみが残るように、アノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８が除去された薄肉領域５８を含む。コーティング層１４、１６、１８の端は、露出した基板１２に面する場所で見えるが、コーティング層１４、１６、１８は、上記のように、図１２に見えるカソード集電体２６を有し、集電体を画定するフィルムまたは箔で覆われるため、ウェブ１０の側面に沿って見えない。

基板１２の露出部分は、薄肉領域５８の中心を通って横方向に延在する一列の穿孔６０をさらに含む。穿孔６０は、ここでは通常の一連の小さな円形の開口部として表される。しかしながら、他の実施形態では、穿孔６０に使用されるパターンは、張力が加えられたときに基板１２が破断する方法を最適化するために変化し得る。例えば、穿孔６０は、不規則な間隔で配置され得る。また、穿孔６０の横向きの縁に応力集中を生成して、基板１２を破断するのに必要な張力を下げるように構成された異なる形状は、使用され得る。この点で、多角形の穿孔６０、例えば、ダイヤモンド形、平行四辺形または六角形の穿孔６０が効果的であり得る。

傘状モードは、この運動モードがドラム２８の前方から後方にウェブに張力を加え、各一連の穿孔６０に沿って徐々に破断するようにする漸進的な方法のため、各組の穿孔６０に沿ってウェブをきれいに破断するのに特に効果的であり得る。傘状モードの使用は、上記の多角形の穿孔６０など、前縁に応力集中を生じさせるように成形された穿孔６０によって補完され得る。

同様に、放射モードは、ウェブ１０全体に均一な圧力を加えることになるため、穿孔６０においてきれいに破断させるのにも効果的であり得る。この場合も、真の半径方向の運動が使用される場合、例えば、ダイヤモンド形状などの縦軸に関して対称性を有する形状など、補完的な穿孔形状が選択され得る。

本出願の範囲から逸脱することなく、本発明に対して様々な変更および修正を行い得ることを理解されたい。

例えば、ドラムの他の運動モードもまた可能であり得、異なる実施形態において有用であり得る。例えば、プレートは、中心軸３４に平行な軸に沿った平行移動運動、および／またはそのような軸の周りを回転するように支持され得る。

いくつかの実施形態は、プレートのサブセットのみが運動する運動モードを使用し得る。例えば、代替プレートは、放射状に移動してドラムを拡張し得る。ただし、この種の運動は、巻き取られたウェブにせん断応力を発生させ、ウェブの分割に悪影響を与え得ることに留意されたい。

上記の実施形態のドラムは、ドラムセグメントを互いに対して支持するためのフレームを備えるが、代替案では、セグメントを連結して互いに支持され得る。

上記のようなレーザー切断および／またはレーザーアブレーションマシン５４を使用するレーザー切断および／またはアブレーションの代替として、または補足として、ブレードおよびアンビルなどの機械的切断手段は、分割の準備のためにウェブに穴を開けおよび／または薄くするために使用され得る。

Claims (27)

1. ウェブ１０をドラム２８に巻き取った後ウェブ部分の個別のスタック５６に分割するためのシート材料の細長いウェブ１０を調製する方法であって、前記方法は、形成される前記個別のスタック５６の縁に対応する間隔を空けて、前記ウェブ１０の巻き取り中に前記ウェブ１０に横方向の切れ目を形成することを含み、前記間隔は、前記ウェブ１０に沿って次第に増加し、その結果、前記ドラム２８に巻き取られたときに、切れ目は、角度的に整列したグループを形成し、
   前記角度的に整列したグループにおいて、前記切れ目は前記ドラム２８に巻き取られた状態において前記ドラム２８の半径方向に整列してなる、
   固体電池用のシート材料の細長いウェブ１０を調製する方法。
2. 各切れ目は、横方向の一連の穿孔６０を備える、請求項１に記載の方法。
3. 各一連の穿孔６０は、多角形である、請求項２に記載の方法。
4. 不規則な間隔で前記ウェブ１０に穿孔し、各一連の穿孔６０を形成することを含む、請求項２または３に記載の方法。
5. 各切れ目は、前記ウェブ１０の薄肉部分を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ウェブ１０の１つ以上のコーティング層の一部を除去することによって各薄肉部分を形成することを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記ウェブ１０をアブレーションして前記薄肉部分を形成することを含む、請求項５または６に記載の方法。
8. 前記ウェブ１０に沿って前記薄肉部分の幅を次第に増加させることを含む、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 連続する薄肉部分の間の空間が前記ウェブ１０に沿って一定であるように、前記切れ目の間の前記間隔に従って前記薄肉部分の前記幅を増加させることを含む、請求項８に記載の方法。
10. 各切れ目は、前記ウェブ１０の薄肉部分の中央を通って前記ウェブ１０の長手方向に対して横方向に延在する一連の穿孔６０を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ドラム２８上にある前記ウェブ１０の部分上に各切れ目を形成することを含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記ウェブ１０の複数の層を前記ドラム２８上に巻き取り、次に前記層を共に穿孔することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ドラム２８は、所定の角度位置の組の１つにあるときに各切れ目を形成することを含む、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記ドラム２８にまだ巻き取られていない前記ウェブ１０の一部に各切れ目を形成することを含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記ドラム２８が回転している間に切れ目を形成することを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記ウェブ１０は、基板層１２および１つ以上のコーティング層を備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 各スタック５６は、固体電気デバイスを画定する、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. シート材料の細長いウェブ１０からウェブ部分のスタック５６を製造する方法であって、前記方法は、
    請求項１から１７のいずれか一項の方法を使用して前記ウェブ１０を調製することと、
    前記ウェブ１０の連続する層の切れ目が前記ドラム２８上に整列するように、前記ウェブ１０を前記ドラム２８に巻き取ることと、
    前記ドラム２８を拡張して前記ウェブ１０の張力を増加させ、各切れ目で前記ウェブ１０を破断し、それによって前記ウェブ１０を各ドラムセグメント３２のそれぞれのスタック５６に分割することと、
    を含む、シート材料の細長いウェブ１０からウェブ部分のスタック５６を製造する方法。
19. ウェブ部分の個別のスタック５６に分割するためのシート材料の細長いウェブ１０を調製するためにおよび／またはウェブ部分の前記スタックを生成するために、請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法を実行するウェブ処理システム５０を制御するように配置された制御システム。
20. ウェブ１０をドラム２８に巻き取った後、ウェブ部分の個別のスタック５６に分割するためのシート材料の細長いウェブ１０を調製するように構成されたウェブ処理システム５０であって、前記システムは、前記ウェブ１０の巻き取り中に、形成される前記スタック５６の縁に対応する次第に増加する間隔でウェブ１０において横方向の切れ目を形成するように配置された切れ目形成装置５４を備え、その結果、前記切れ目は、前記ドラム２８に巻き取られるときに角度的に整列したグループを形成し、前記角度的に整列したグループにおいて、前記切れ目は前記ドラム２８に巻き取られた状態において前記ドラム２８の半径方向に整列してなる、
    ウェブ部分の個別のスタック５６に分割するための固体電池用のシート材料の細長いウェブ１０を調製するように構成されたウェブ処理システム５０。
21. 前記切れ目形成装置５４は、前記ウェブ１０を穿孔および／またはアブレーションして切れ目を形成するように構成される、請求項２０に記載のウェブ処理システム５０。
22. 前記切れ目形成装置５４は、レーザーおよび／または切断部材を備える、請求項２０または２１に記載のウェブ処理システム５０。
23. 次第に増加する間隔で横方向の切れ目を備えるウェブ１０であり、
    各切れ目は、前記ウェブ１０の１つ以上のコーティング層の一部が除去されてなる前記ウェブ１０の薄肉部分を備え、
    前記薄肉部分の幅は、前記ウェブ１０に沿って次第に増加するとともに、前記切れ目間の間隔に従って増加し、その結果、連続する薄肉部分の間の空間が前記ウェブ１０に沿って一定であるようになり、
    前記各切れ目は、前記ウェブ１０の薄肉部分の中央を通って前記ウェブ１０の長手方向に対して横方向に延在する一連の穿孔６０を備え、
    前記切れ目はドラム２８に巻き取られた状態において前記ドラム２８の半径方向に整列してなるように配置されてなる、
    固体電池用のシート材料の細長いウェブ１０。
24. 基板層１２および１つ以上のコーティング層を備える、請求項２３に記載のウェブ１０。
25. 各切れ目は、横方向の一連の穿孔６０を備える、請求項２３または２４に記載のウェブ１０。
26. 各一連の穿孔６０は、多角形である、請求項２５に記載のウェブ１０。
27. 各一連の穿孔６０は、不規則な間隔で配置される、請求項２５または２６に記載のウェブ１０。

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