WO2012137904A1 - 袋詰電極の製造装置および製造方法 - Google Patents

袋詰電極の製造装置および製造方法 Download PDF

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Abstract

 本発明の袋詰電極の製造装置は、各々の外周面(311)が対向して並び、セパレータ(40)を外周面に保持して回転することで搬送する一対の円柱状回転体(310,320)と、一対の円柱状回転体の間に向かって円柱状回転体の接線方向へ所定形状の電極(22)を搬送する電極搬送部(200)と、一対の円柱状回転体によって搬送される一対のセパレータの間に電極を挟んだ状態でセパレータ同士を接合する接合部(400)とを有する。そして、電極搬送部によって搬送されている状態の電極の両面へ、一対のセパレータを回転している円柱状回転体から同時に受け渡して積層し、電極の両面に受け渡された一対のセパレータ同士を接合部によって接合することで、電極をセパレータによって袋詰めする。

Description

袋詰電極の製造装置および製造方法
 本発明は、袋詰電極の製造装置および製造方法に関する。
 近年、自動車用電池、太陽電池および電子機器用電池など各種電池において、積層型の電池が使用されている。積層型電池は、正極、負極およびセパレータをシート状に形成し、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に交互に積層して構成される。なお、以下、正極および負極を、電極と称する場合がある。
 このような積層型電池の製造に用いられる装置として、様々な装置が提案されており、例えば特許文献1に記載の装置が挙げられる。
 特許文献1に記載の装置は、まず、上下に対向して配置される受け台および押え板の搬送方向への移動を停止させた状態で、受け台および押え板の各々にセパレータを吸引保持する。次に、下方の受け台に吸着されているセパレータの上に正極を載置する。その後、上方の押え板を下降させて、押え板に吸着されているセパレータを正極の上に被せる。この状態で、正極の周囲で重なるセパレータの縁同士を熱接着して、袋状となるセパレータに正極が挟まれた袋詰正極を作製する。そして、受け台と押え板の間に袋詰正極を挟んだ状態のまま搬送した後、受け台と押え板の間から袋詰正極を取り出し、この袋詰正極を負極と交互に積層する。これにより、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に交互に積層した電池要素を作成している。
特開2007-329111号公報
 しかしながら、特許文献1に記載の装置は、停止した状態の受け台に吸着されているセパレータの上に正極を載置した後に、押え板を下降させて抑え板に吸着されたセパレータを正極に被せることで袋詰正極(袋詰電極)を作製している。そのため、電極に対して2枚のセパレータが異なるタイミングで重なることから、製造時間が長くなるという問題がある。
 本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的は、袋詰電極を高速に作製し、電池の製造時間を短縮可能な袋詰電極の製造装置および製造方法を提供することにある。
 本発明の第一の態様に係る袋詰電極の製造装置は、各々の外周面が対向して並び、セパレータを外周面に保持して回転することで搬送する一対の円柱状回転体と、一対の円柱状回転体の間に向かって円柱状回転体の接線方向へ所定形状の電極を搬送する電極搬送部と、一対の円柱状回転体によって搬送される一対のセパレータの間に電極を挟んだ状態でセパレータ同士を接合する接合部とを有する。そして、電極搬送部によって搬送されている状態の電極の両面へ、一対のセパレータを回転している円柱状回転体から同時に受け渡して積層し、電極の両面に受け渡された一対のセパレータ同士を接合部によって接合することで、電極をセパレータによって袋詰めする。
 本発明の第二の態様に係る袋詰電極の製造方法は、各々の外周面が対向して並ぶ一対の円柱状回転体の外周面の各々にセパレータを保持して円柱状回転体を回転させて搬送する工程と、一対の円柱状回転体の間に向かって円柱状回転体の接線方向へ所定形状の電極を搬送する工程とを有する。さらに、前記製造方法は、一対の円柱状回転体の間に搬送されている状態の電極の両面へ、一対のセパレータを、回転している円柱状回転体から同時に受け渡して積層する工程と、電極の両面に受け渡された一対のセパレータ同士を接合することで、電極をセパレータによって袋詰めする工程とを有する。
図1は、リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。 図2は、リチウムイオン二次電池の分解斜視図である。 図3は、袋詰正極および負極を示す平面図である。 図4は、袋詰正極に負極を重ねた様子を示す平面図である。 図5は、袋詰電極の製造装置を示す概略斜視図である。 図6は、袋詰電極の製造装置の電気的構成を示す図である。 図7は、袋詰電極の製造装置の電極搬送部を示す側面図である。 図8は、袋詰電極の製造装置の電極搬送部を示す正面図である。 図9は、袋詰電極の製造装置の電極搬送部を示す平面図である。 図10は、袋詰電極の製造装置の回転搬送部を示す概略断面図である。 図11は、袋詰電極の製造装置による積層工程を示す第1の説明図である。 図12は、袋詰電極の製造装置による積層工程を示す第2の説明図である。 図13は、袋詰電極の製造装置による積層工程を示す第3の説明図である。 図14は、袋詰電極の製造装置による積層工程を示す第4の説明図である。 図15は、袋詰電極の製造装置による積層工程を示す第5の説明図である。 図16は、袋詰電極の製造装置による積層工程を示す第6の説明図である。 図17は、袋詰電極の製造装置による積層工程を示す第7の説明図である。 図18は、袋詰電極の製造装置による積層工程を示す第8の説明図である。 図19は、回転搬送部の動作を示すチャートである。 図20は、袋詰電極の製造装置の他の例を示す概略断面図である。 図21は、袋詰電極の製造装置の更に他の例を示す概略断面図である。
 以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
 本発明は、電池の製造工程の一部に適用される、電池の発電要素を組み立てるための袋詰電極の製造装置および製造方法に関する。本発明の一実施形態に係る袋詰電極の製造装置を説明する前に、電池の構造について説明する。
 [電池]
 まず、図1を参照して、製造装置により形成されるリチウムイオン二次電池(積層型電池)について説明する。図1はリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図、図2はリチウムイオン二次電池の分解斜視図、図3は袋詰正極および負極の平面図である。
 図1に示すとおり、リチウムイオン二次電池10は、扁平な矩形形状を有しており、正極リード11および負極リード12が外装材13の同一端部から導出されている。外装材13の内部には、充放電反応が進行する発電要素(電池要素)15が収容されている。図2に示すとおり、発電要素15は、袋詰正極20と、負極30とが交互に積層されて形成される。
 袋詰正極20は、図3(A)に示すように、矩形形状の正極22が、矩形形状のセパレータ40により挟み込まれている。正極22は、ごく薄いシート状の正極集電体(集電箔)の両面に正極活物質層が形成されている。2枚のセパレータ40は、端部において接合部位42により相互に接合されて、袋状に形成されている。セパレータ40は、直線的に形成される辺44Aから正極22の正極タブ23が引き出され、さらに、辺44Aの反対の辺44Bに、部分的に突出する係合部43が形成されている。係合部43は、外装材13の内部で外装材13に係合することで、発電要素15を外装材13に対して固定する役割を果たす。正極22は、正極タブ23以外の部分に正極活物質層24が形成されている。
 負極30は、図3(B)に示すように、矩形形状で形成され、ごく薄いシート状の負極集電体(集電箔)の両面に負極活物質層34が形成されている。負極30は、負極タブ33以外の部分に負極活物質層34が形成されている。
 袋詰正極20に負極30を重ねると、図4に示すようになる。図4に示すように、平面視した場合、負極活物質層34は正極22の正極活物質層24よりも一回り大きく形成されている
 なお、袋詰正極20と負極30とを交互に積層してリチウムイオン二次電池を製造する方法自体は、一般的なリチウム二次電池の製造方法であるため、詳細な説明は省略する。
 [製造装置]
 次に、本発明の一実施形態に係る袋詰電極の製造装置について、図面を参照しつつ説明する。
 本製造装置は、図5および図6に示すように、正極用のシート素材Dから正極22を切り出す正極切断部100と、切り出された正極22を搬送する電極搬送部200とを備えている。さらに積層装置は、電極搬送部200の搬送方向の下流側に設けられる回転搬送部300と、回転搬送部300の両側に設けられた溶着部400(接合部)と、装置の全体を統括して制御する制御装置500(同期装置)とを備えている。本実施形態では、正極22の搬送される方向を搬送方向X、正極22の面と垂直な方向を上下方向Z、上下方向Zおよび搬送方向Xと直交する方向を幅方向Yとして説明する。
 正極切断部100は、ロール状に巻回された正極用のシート素材Dを、打ち抜き加工等によって所定形状に切断することで、所定の形状の正極22(シート部材)を切り出すものである。ここで切り出された正極22は、矩形形状であって、正極タブ23を有する。
 電極搬送部200は、図7~図9に示すように、コンベア210と、吸着搬送部220とを備えている。コンベア210は、正極切断部100にて切り出された正極22を搬送する。吸着搬送部220は、コンベア210上の正極22を吸着して回転搬送部300(セパレータ搬送部)へ搬送する。コンベア210の上方には、撮像カメラ230(位置検出部)と照明231とが設けられている。
 コンベア210は、無端状に形成された通気性を有するサクションベルト211と、搬送方向に並んで配置されてサクションベルト211を回転可能に保持する2つの回転軸212とを備えている。さらに、コンベア210は、サクションベルト211の内部に配置される負圧発生部213を備えている。
 サクションベルト211には複数の空気吸引孔214が形成されている。そして、空気吸引孔214を介して負圧発生部213により空気を吸引することにより、薄くて搬送が困難な正極22をコンベア210上の平坦な設置面215(基準面)に保持して搬送可能となっている。サクションベルト211の設置面215は、撮像カメラ230により正極22との境界が認識しやすい色調となっており、本実施形態は白色となっている。
 なお、本実施形態では、正極22を略水平状態に設置することができる平坦な設置面215を備えるものとして、コンベア210を適用している。しかし、平坦な設置面を備えるならば、その他の装置を用いてもよい。
 図5および図8に示すように、コンベア210の両側には、サクションベルト211上の正極22の側部を押圧して保持する押圧部240が設けられる。押圧部240は、制御装置500により制御されるアクチュエータ241によってサクションベルト211上の設置面215(基準面)に対して近接または離間するクランパー242を備えている。クランパー242は、正極22を設置面215に押圧することで正極22の歪みを矯正するものである。特に、ロール状に巻回されたシート素材Dから切り出される正極22は、巻き癖が残って丸まりやすい。また、正極22、負極30およびセパレータ40は非常に薄い箔状の素材であり、特に自動車用電池等のような大型の電池では、非常に変形しやすい。なお、サクションベルト211は、設置面215に接触している部材を吸引して保持するものであるが、通常、設置面215から離れている部位を引き付けるほどの吸引力は備えていない。そこで、クランパー242によって正極22を設置面215に押し付けることで、正極22の変形を矯正する。これにより、撮像カメラ230による正極22の位置の把握を高精度に行うことができ、かつ、吸着搬送部220による吸着位置も高精度に設定できる。その結果、後の工程における加工精度が向上する。
 そして、図9に示すように、クランパー242は、サクションベルト211上の正極22の搬送方向に沿う2側辺H2,H4(縁)に沿う長尺な部位を押圧可能に形成されている。これにより、クランパー242の間に、吸着搬送部220による正極22の吸着位置を確保することができる。さらに、撮像カメラ230により正極22の4側辺H1~H4(縁)を撮像できるように、クランパー242は、4側辺H1~H4の縁よりも内側、つまり正極22の中央側を押圧することができる。なお、クランパー242は、押さえた正極22を、クランパー242を透過して撮像できるように、透明な部材で形成される。透明な部材としては、例えばアクリル樹脂やガラス等を適用できる。しかし、クランパー242の材料は特に限定されず、照明231の周波数や撮像カメラ230の撮像特性に応じて適宜設定できる。
 吸着搬送部220は、駆動装置(不図示)に接続されて移動可能な装置本体221と、装置本体221の下部に設けられて負圧供給源(不図示)に接続されることで吸着力を発揮する吸着ヘッド222とを備えている。吸着ヘッド222は、駆動装置の動作にしたがって上下方向Z、搬送方向Xおよび幅方向Yに三次元的に移動可能であり、さらに、水平面に沿って回転可能となっている。
 コンベア210の上方に設けられる撮像カメラ230は、コンベア210により搬送されてくる正極22を、クランパー242により押圧して保持した後、照明231が照射する光の下に撮像するものである。撮像カメラ230は、正極22が所定位置まで搬送されて停止した際に撮像された正極22の画像に基づく信号を、制御装置500に送信する。所定の信号を受け取った制御装置500は、信号から、正極22の位置や状態である位置情報を算出し、算出した位置情報の結果に基づいて吸着搬送部220の駆動装置の移動を制御する。そして、吸着搬送部220は、正極22の位置や姿勢を適正に修正して、後述する回転搬送部300の隙間340(図5参照)に搬送する。
 具体的には、制御装置500は、所定位置でコンベア210を停止させ、撮像カメラ230によって撮像された画像から、図9に示す正極22の4辺に対応する側辺エリアE1~E4の縁を検出する。当該縁は、サクションベルト211と正極22との色調の差異から検出できる。制御装置500は、この検出結果から、4辺の近似直線L1~L4を最小二乗法等を用いて算出する。次に、制御装置500は、4辺の近似直線L1~L4の交点である四隅の角部K1~K4を算出し、4つの角部K1~K4の平均値を算出して、これを電極中心点Oの座標とする。なお、電極中心点Oの座標は、搬送方向Xおよび幅方向Yの座標で表される。そして、制御装置500は、正極22の搬送方向に沿う2側辺H2,H4の近似直線L2,L4の一方、または両方の平均値から、正極22の水平面(基準面)における傾き角θを算出する。この後、制御装置500は、電極中心点Oの座標および傾き角θから、水平面における正極22の正規位置に対する位置および傾きの補正量を算出する。そして、制御装置500は、この補正量を矯正するように、吸着搬送部220(位置補正部)の駆動装置を制御する。さらに、吸着搬送部220は、正極22の位置を補正しつつ、回転搬送部300の隙間340に搬送する。
 なお、本実施形態では、撮像カメラ230によって正極22の位置や状態を認識している。しかし、その他のセンサも用いてもよく、例えば正極22の先端を検知する接触センサ等によって、正極22の位置を認識することもできる。
 吸着搬送部220は、コンベア210の所定位置に正極22が搬送されて、クランパー242により正極22の側部を押圧して正極22の形状を矯正した状態で、垂直に下降して吸着ヘッド222により正極22を吸着して保持する。そして、クランパー242による正極22の拘束を開放した後、吸着搬送部220は、正極22の略水平状態を維持したまま上昇する。その後、吸着搬送部220は、算出した補正量に応じて正極22の位置および姿勢を適正に修正して、回転搬送部300の隙間340に搬送する。
 回転搬送部300の隙間340の近傍には、図10に示すように、隙間340の上下を挟むように設けられ、正極22の回転搬送部300への導入を補助する導入支持部250が設けられる。導入支持部250は、複数のローラ群からなり、吸着搬送部220により搬送されてきた正極22を支持するとともに、回転搬送部300の隙間340に送り出すものである。
 導入支持部250は、1つのローラからなる上側導入支持部251と、複数のローラからなる下側導入支持部252とを備えている。上側導入支持部251は、上下方向Zに移動可能であり、上方へ移動した“開状態”から、下降して下側導入支持部252における搬送方向の最下流側のローラとの間に正極22を挟持する“閉状態”となることができる。さらに、上側導入支持部251は、回転するように駆動することで、挟持した正極22を隙間340に送り出すことができる。
 下側導入支持部252は、搬送方向の上流側のローラが斜めに下降した“開状態”から、吸着搬送部220から正極22を受け渡される際に上昇して略水平となって“閉状態”となる。それにより、図14に示すように、下側導入支持部252は、正極22を搬送可能に支持する。上側導入支持部251のローラと対をなす搬送方向の最下流側のローラは、回転するように駆動することが可能となっている。そのため、上側導入支持部251との間に正極22を挟持した状態で最下流側のローラが回転することで、挟持した正極22を隙間340に送り出すことができる。
 したがって、吸着搬送部220により正極22が搬送されてくると、上側導入支持部251を下降させて下側導入支持部252との間に正極22の先端を挟持する。さらに、下側導入支持部252のローラを上昇させて略水平状態とし、正極22の下面を支持する。この後、吸着搬送部220の吸着ヘッド222から正極22を解放して、導入支持部250の回転によって正極22を回転搬送部300の隙間340に順次送り込む。
 回転搬送部300(セパレータ搬送部)は、シート状のセパレータ素材Sからセパレータ40を切り出しつつ、吸着搬送部220によって搬送される正極22に積層するものである。回転搬送部300は、円柱状に形成された上下一対の積層ドラム310(円柱状回転体)、積層ドラム320(円柱状回転体)を備えている。
 この上下一対の積層ドラム310,320は、回転軸が搬送方向Xに直交している。さらに、積層ドラム310,320は、所定の隙間340を空けて外周面311同士が対向するように互いに平行に配置され、かつ、水平面を基準に対称な構造を有する。
 各々の積層ドラム310,320の外周面311には、セパレータ40を吸着可能な吸着部が形成されている。さらに、積層ドラム310,320の内部には、非回転的に設けられる内側構造部330を有している。積層ドラム310,320の幅(回転軸方向の長さ)は、セパレータ素材Sの両縁が積層ドラム310,320の両端からはみ出す程度となっている。
 上下の積層ドラム310,320は、隙間340を空けて配置されている。そして、この隙間340において、積層ドラム310,320は、搬送方向Xの下流側へ向かって回転するようになっている。すなわち、上側に位置する積層ドラム310は、図10の紙面上で左回りに回転することにより、外周面311に吸着したセパレータ40を隙間340まで搬送する。また、下側に位置する積層ドラム320は、図10の紙面上で右回りに回転することにより、外周面311に吸着したセパレータ40を隙間340まで搬送する。なお、上側および下側の積層ドラム310,320は、制御装置500により回転を制御される駆動モータ(不図示)により駆動される。
 積層ドラム310,320には、外周面311に無数の通気孔312が形成されている。さらに、外周面311には、周方向の一部に、後述する切断部350に設けられるセパレータカッター351(切断刃)が侵入可能な凹部313(受け部)が形成されている。凹部313は、積層ドラム310,320の180度毎の2箇所に形成される。なお、凹部313が周方向に2箇所設けられるのは、積層ドラム310,320が1回転する毎に2枚のセパレータ40を切り出すためである。ただ、積層ドラム310,320の1回転の間に切り出すセパレータ40の枚数に応じて、周方向の凹部313の数を変更することができる。
 そして、各々の積層ドラム310,320の周辺には、外周面311に近接して、シート状のセパレータ素材Sを供給または拘束する送出ローラ部360(ロック機構)が設けられている。さらに、積層ドラム310,320の外周面311上のセパレータ素材Sを切断する切断部350が設けられている。また、図15に示すように、切断部350による切断で発生する不要の切取片S’を回収するための切取片吸着部370が設けられている。
 具体的には、回転搬送部300の搬送方向の下流側における斜め上方および斜め下方には、円柱状に形成された小型の送出ローラ部360が設けられている。
 送出ローラ部360では、回転搬送部300の搬送方向の下流側における斜め上方および斜め下方に、一対の送出ローラ361,362が設けられている。この送出ローラ361,362は、円柱状に形成されており、所定の隙間を空けて配置されている。この送出ローラ部360は、セパレータロール(不図示)から搬送される一枚の連続したセパレータ素材Sを隙間に挟み込む。そして、送出ローラ部360が回転することでセパレータ素材Sを回転搬送部300に送り出し、停止することで送り出しを停止してセパレータ素材Sを拘束する。送出ローラ361,362は、制御装置500によって制御されて、所定のタイミングで回転搬送部300にセパレータ素材Sを送り出すようになっている。
 切断部350は、回転搬送部300の上方および下方に、それぞれセパレータカッター351を備えている。セパレータカッター351は、積層ドラム310,320の外周面311に吸着されたセパレータ素材Sを溶融させて所定形状に切り出す熱カッターである。具体的には
、まず、セパレータ40は、積層ドラム310,320の外周面311に吸着され搬送される。この際、積層ドラム310,320の凹部313がセパレータカッター351と対向する位置まで移動すると、セパレータカッター351が制御装置500の指令を受けて積層ドラム310,320の凹部313に侵入するように移動する。これにより、セパレータカッター351がセパレータ40を溶融して、セパレータ40を図3(A)に示すような所定形状に切り出す。セパレータ素材Sからセパレータ40を連続的に切り出す際には、先に切り出すセパレータ40の後端を係合部43が形成される辺44Bとし、次に切り出すセパレータ40の前端を直線的な辺44Aとする。このように、形状が一致しない2辺44A,44Bを切断部350によって同時に切り出すことで、余剰の切取片S’が発生する。
 切取片吸着部370は、図15に示すように、吸着力を発揮するカッター用吸着ヘッド371を備えている。そして、セパレータカッター351がセパレータ素材Sを切断した後に凹部313から抜け出して後退するタイミングで、カッター用吸着ヘッド371が切断した部位に近接するように移動する。その後、カッター用吸着ヘッド371が、セパレータカッター351により切り出されたセパレータ40の余剰の切取片S’を吸引して保持する。そして、切取片S’を吸引保持したまま、カッター用吸着ヘッド371を積層ドラム310,320の外周面311から離間させる。この後、カッター用吸着ヘッド371の吸引を停止して切取片S’を離し、積層ドラム310,320の外周面311から離間した位置に別途設けられる吸い込み口372によって切取片S’を吸い込んで回収する。
 ここで、カッター用吸着ヘッド371を使用せず、吸い込み口372のみで切取片S’を回収しようとすると、吸い込む過程で切取片S’が外周面311に残るセパレータ40やセパレータ素材Sに接触してしまう虞がある。しかし、カッター用吸着ヘッド371で一旦吸着して離間させた後に吸い込み口372で回収することで、切取片S’によるセパレータ40やセパレータ素材Sの損傷を抑制しつつ回収できる。
 図10に示すように、各々の積層ドラム310,320の内部には、内側構造部330が設けられる。内側構造部330には、装置の作動時に工程に応じて負圧の強度を調整可能な第1負圧室331と、装置の作動時に負圧が略一定に保たれる第2負圧室332とが非回転的に形成される。第1負圧室331および第2負圧室332は、圧力調整弁が設けられた負圧供給装置333に接続され、制御装置500によって負圧供給装置333を制御することで内部の圧力を調整可能である。
 第1負圧室331および第2負圧室332は、積層ドラム310,320の内周面によって外部と隔絶されている。したがって、積層ドラム310,320に形成される通気孔312を介して、積層ドラム310,320の外周面311に非回転的に負圧の領域を発生させる。この領域は、積層ドラム310,320が回転しても、回転することはない。第1負圧室331は、送出ローラ部360に対応する位置から、積層ドラム310,320の回転方向へ向かってセパレータカッター351に対応する位置までの範囲に形成される。第2負圧室332は、セパレータカッター351に対応する位置から、積層ドラム310,320の回転方向へ向かって隙間340に対応する位置までの略180度の範囲に形成される。
 したがって、図11に示すように、積層ドラム310,320の外周面311には、第1負圧室331に対応する位置で負圧が調整されて変化する滑り領域A1(吸着力調整領域)が形成される。さらに、外周面311には、第2負圧室332に対応する位置で負圧が略一定でセパレータ素材Sまたは切り出されたセパレータ40を吸着して保持する吸着領域A2が形成される。吸着領域A2は、吸引力が強く、セパレータ素材Sまたは切り出されたセパレータ40を吸引力により保持して、積層ドラム310,320の回転に沿ってこれらを回転させることができる。滑り領域A1もまた、吸着領域A2と同程度の吸引力に設定してセパレータ40を回転させることができる。さらに、滑り領域A1は、吸引力を低下させることで、セパレータ素材Sを外周面311から離れない程度に保持しつつも、積層ドラム310,320が回転する際にセパレータ素材Sを回転させずに外周面311上で滑らせることができる。
 また、内側構造部330の、隙間340に対応する位置から、積層ドラム310,320の回転方向へ向かって送出ローラ部360に対応する位置までの範囲は、第1負圧室331および第2負圧室332のいずれも設けられない。そのため、外周面311のこの範囲に対応する部位には、負圧が発生せずにセパレータ40を吸着しない非吸着領域A3が非回転的に形成される。
 そして、回転搬送部300は、積層ドラム310,320でセパレータ40を切り出しつつ吸着して搬送する。さらに、回転搬送部300は、積層ドラム310,320の回転の速度と電極搬送部200による正極22の搬送の速度とを同期させつつ、搬送方向Xの下流側から正極22の両面にセパレータ40を順次積層する。このとき、図10に示すように、正極22は、吸着搬送部220によって円柱形状の積層ドラム310,320の接線方向Tへ導入される。
 溶着部400は、図3に示すように、正極22の両面に積層されたセパレータ40同士を溶着するものである。この溶着部400は、図10に示すように、積層ドラム310,320の回転軸方向の両端に、上下一対の溶着機410,420を備えている。
 上下の溶着機410,420は、対向する面に搬送方向Xに沿って複数の突起411,421が設けられている。そして、対向する突起411,421によってセパレータ40同士を加圧しつつ加熱することで、溶着可能となっている。
 溶着機410,420は、搬送方向Xおよび上下方向Zへ移動することができる。つまり、溶着機410,420は、隙間340に搬送されて積層されたセパレータ40および正極22に同期するように、搬送方向Xへセパレータ40と同速で移動しつつ互いに接近する。そして、対向する突起411,421によって、積層されたセパレータ40同士を接合して接合部位42を形成する。その後、セパレータ40で袋状に包装された正極22が所定位置まで搬送されると、溶着機410,420が離間し、搬送方向の上流側へ移動する。そして、溶着機410,420は、再び搬送方向Xへセパレータ40と同速で移動させつつ近接させて、他の接合部位42を溶着する。全ての接合部位42が接合された後、溶着機410,420同士が離間して、作製された袋詰正極20が開放される。
 なお、セパレータ40同士を接合するには、上述の構造に限定されない。つまり、例えば、セパレータ40同士を1対の回転する加熱ローラの間で加熱しつつ溶着したり、加熱せずに加圧のみで圧着したり、または接着剤を用いて接合することも可能である。
 制御装置500は、図6に示すように、正極切断部100、撮像カメラ230、押圧部240、コンベア210、吸着搬送部220、導入支持部250、送出ローラ部360、積層ドラム310,320、切断部350、切取片吸着部370、負圧供給装置333および溶着部400の全てを統括して一体的に制御する。そして、制御装置500は、図6の各部を同期させつつ作動させることができる。なお、制御装置500は、電池を作成するための他の装置をも含めて、統括的に制御を行うこともできる。
 次に本製造装置を用いた製造方法について、図11~図19を参照しつつ説明する。
 まず、ロール状に巻回された正極用のシート素材Dを、正極切断部100にて切断し、正極22を形成する。切り出された正極22は、不図示の吸着パッドやコンベア等によって、コンベア210の設置面215上に置かれる。また、送出ローラ部360はセパレータロールから送られてくる一枚の連続したセパレータ素材Sを隙間に挟み込んで拘束している。したがって、セパレータ素材Sの先端は、図11に示すように、回転搬送部300の最上部または最下部に位置している。そして、第1負圧室331は負圧が低く設定されて、外周面311の滑り領域A1でセパレータ素材Sが引き出されることなく、積層ドラム310,320がセパレータ素材Sの内面上を滑りながら回転している。なお、本実施形態では、積層ドラム310,320の1回転で2枚のセパレータ40を切り出すため、図11にて2点鎖線で示すように、先に切り出されたセパレータ40が、既に積層ドラム310,320の外周面311上に吸着されて搬送されている。
 正極22が置かれたコンベア210は、図11に示すように、サクションベルト211の設置面215上の正極22を、搬送方向Xへ一列に並んで縦並び(タブが搬送方向Xの上流側に位置する並び)に搬送する。この際、正極22は、サクションベルト211によって吸着されるため、捲れ等の発生が抑制されている。なお、正極22を、横並び(タブが幅方向Yに位置する並び)で搬送してもよい。サクションベルト211は、所定の位置まで移動すると、正極22を吸着した状態のまま移動を停止する。そして、図12に示すように、押圧部240が作動して、クランパー242によって正極22の2側辺H2,H4に沿う長尺な部位を押圧する(図8,図9参照)。これにより、正極22の丸まり等の変形が矯正される。そして、正極22のサクションベルト211から浮いていた部分がサクションベルト211に近づくことで、サクションベルト211によって吸引されて、設置面215上に正極22が密に付着することになる。
 この状態で、撮像カメラ230が正極22の4側辺H1~H4を撮像し、制御装置500に所定の信号を送信する。制御装置500は、受信した信号から、前述した方法で電極中心点Oの座標と傾き角θを算出し、正極22の正規位置に対する位置および傾きの補正量を算出する。なお、撮像の際には、クランパー242は正極22の4側辺H1~H4の縁よりも内側(正極22の中央側)を押圧するため、撮像カメラ230によって4側辺H1~H4を確実に撮像できる。また、クランパー242が透明な材料で形成されているため、撮像範囲にクランパー242が入っても、クランパー242を透過して正極22を撮像できる。
 次に、サクションベルト211の上方に位置する吸着搬送部220の吸着ヘッド222を下降させて、吸着ヘッド222を正極22の上面に押し付ける。これにより、正極22は吸着ヘッド222に吸着される。なお、正極22はサクションベルト211にも吸着されている。しかし、吸着ヘッド222の吸着力をサクションベルト211よりも高く設定するか、若しくはサクションベルト211による吸着を一旦停止することで、吸着ヘッド222によって正極22をサクションベルト211から引き離すことができる。
 そして、積層ドラム310,320が回転し、セパレータカッター351に対応する位置へ向かって凹部313が移動する。その際、凹部313がセパレータカッター351の位置まで所定角度αとなったときに、制御装置500によって第1負圧室331の負圧を高めて滑り領域A1の吸着力を強める。さらに、送出ローラ部360を回転させて、一対の送出ローラ361,362の間にセパレータ素材Sを挟みながら、順次送り出す。これにより、積層ドラム310,320に対して、セパレータ素材Sの供給を開始する(図19のT1を参照)。そして、負圧が高まった滑り領域A1および吸着領域A2において積層ドラム310,320の外周面311にセパレータ素材Sが吸着され、セパレータ素材Sが積層ドラム310,320の回転にしたがって順次引き出される。なお、所定角度αは、切り出される1枚のセパレータ40の長さに対応した角度である。
 この後、吸着搬送部220は、図13に示すように、正極22を略水平状態に維持したまま上昇した後、搬送方向Xに移動し、回転搬送部300の隙間340へ搬送する。このとき、吸着搬送部220は、制御装置500によって駆動装置が制御されて、正極22の位置および姿勢を補正する。具体的には、吸着搬送部220は、正極22を吸着してから回転搬送部300へ受け渡すまでの間に、正極22の位置および姿勢を補正する。これにより、正極22の位置が常に高精度に保たれ、後の工程における積層の精度が向上する。
 そして、吸着搬送部220により搬送された正極22は、図14に示すように、回転搬送部300の隙間340の手前に設けられる“開状態”の導入支持部250に到達する。そして、導入支持部250は、上側導入支持部251を下降させて下側導入支持部252との間に正極22の先端を挟持する。さらに、導入支持部250は、下側導入支持部252のローラを上昇させて略水平状態として“閉状態”となり、正極22の下面を支持する。この後、吸着搬送部220の吸着ヘッド222から正極22を解放して、導入支持部250の回転によって正極22を回転搬送部300の隙間340に順次送り込む。
 また、回転搬送部300では、回転開始から積層ドラム310,320が角度αだけ回転すると、積層ドラム310,320の回転を停止する(図19のT2を参照)。このとき、セパレータ素材Sは、一枚分のセパレータ40に対応する角度αだけ積層ドラム310,320上に引き出されている。さらに、凹部313が切断部350のセパレータカッター351に対向して位置する。そして、制御装置500の指令によってセパレータカッター351をセパレータ素材Sに押し付けて、セパレータ素材Sを所定の形状に切断してセパレータ40を切り出す。切り出されたセパレータ40は、図11に示す積層ドラム310,320の吸着領域A2に位置しているため、積層ドラム310,320に吸着して保持される。
 そして、セパレータカッター351がセパレータ素材Sを切断した後に凹部313から抜け出して後退する。このセパレータカッター351が後退するタイミング(図19のT3を参照)で、図15に示すように、制御装置500の指令によってカッター用吸着ヘッド371が余剰の切取片S’に近接し、吸引して保持した後、元の位置へ戻る。この後、カッター用吸着ヘッド371の吸引を停止して切取片S’を離し、図10に示す吸い込み口372によって切取片S’を吸い込んで回収する。
 そして、吸着搬送部220の吸着ヘッド222から正極22を解放した後、導入支持部250の回転により正極22を積層ドラム310,320の隙間340に順次送り込む。さらに、積層ドラム310,320を再び回転させて(図19のT4を参照)、切り出されたセパレータ40を吸着したまま回転させ、隙間340に搬送する。なお、積層ドラム310,320を再び回転させる際には、制御装置500によって第1負圧室331の負圧を低下させて滑り領域A1の吸着力を弱め、かつ、送出ローラ部360によりセパレータ素材Sを拘束した状態とする(図18参照)。これにより、外周面311の滑り領域A1でセパレータ40が引き出されることなく、積層ドラム310,320がセパレータ素材Sの内面上を滑りながら回転する。
 回転搬送部300の隙間340にセパレータ40の先端が到達すると、図16に示すように、まず2枚のセパレータ40同士が積層された後、正極22の先端の両面にセパレータ40が積層される。このとき、セパレータ40および正極22の速度が同速となる。さらに、セパレータ40および正極22が予め設定された適正な位置で重なるように、回転搬送部300および吸着搬送部220における、搬送位置(搬送のタイミング)および搬送速度を制御装置500によって制御する。
 次に、制御装置500の指令により、対の溶着機410,420が近接しつつ搬送方向Xへ移動し、セパレータ40の両縁の先端のみを挟み込んで挟持する。そして、セパレータ40および正極22の搬送方向Xへ移動させつつ、突起411,421によって溶着する(図19のT5を参照)。セパレータ40は、隙間340を過ぎると積層ドラム310,320の非吸着領域A3に達する。そのため、セパレータ40は、吸着力を受けずに積層ドラム310,320の外周面311から離れて、正極22を間に挟んだ状態で搬送方向Xへ順次搬出される。そして、セパレータ40の先端が既に接合されているため、積層ドラム310,320の外周面311から離れても、セパレータ40同士が離れることはない。
 この後も、積層ドラム310,320に同期して、導入支持部250により、正極22が略水平状態で搬送方向Xに搬送される。そして、積層ドラム310,320の外周面311に吸着されたセパレータ40が、積層ドラム310,320の回転にしたがって正極22の両面に順次積層される。なお、このときには、次のセパレータ40を切り出すために、滑り領域A1の吸着力を再び強め、送出ローラ部360によるセパレータ素材Sの供給が開始されている(図19のT6を参照)。
 そして、正極22の両面にセパレータ40が積層された状態で所定位置まで搬送した後、対の溶着機410,420を離間させて、搬送方向の上流側へ移動させる。その後、図17に示すように、溶着機410,420を再び搬送方向Xへ移動させつつ近接させて、他の接合部位42を溶着する。セパレータ40の両縁における全ての接合部位42が接合された後、図18に示すように、溶着機410,420同士が離間して、作製された袋詰正極20が開放される(図19のT7を参照)。この後、図示しない他の溶着機によってセパレータ40の辺44Bの接合部位42も接合されて、袋詰正極20となる。
 そして、上記の工程を繰り返すことで、連続して袋詰正極20を作製することができる。
 作製された袋詰正極20は、次の工程へ搬送されて、負極30と交互に積層して発電要素15となり、最終的にリチウムイオン二次電池10が製造される。
 本実施形態では、まず、正極22を搬送しながら正極22の両面へ一対のセパレータを同時に積層する。そして、この積層した状態でセパレータの縁同士を接合することで、正極22をセパレータによって袋詰めする。そのため、袋詰正極20を高速に作製でき、電池の製造時間を短縮できる。なお、ここでいうセパレータは、所定形状のセパレータ40のみならず、セパレータ素材Sをも含み得る。
 また、制御装置500(同期装置)は、セパレータ40および正極22が所定の位置で重なるように、積層ドラム310,320および電極搬送部200の搬送位置(搬送のタイミング)および搬送速度を同期させる。これにより、正極22およびセパレータ40をともに移動させつつ搬送方向Xの下流側から順次積層するため、袋詰正極20を高精度かつ高速に製造できる
 なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々改変することができる。
 図20は、本実施形態に係る袋詰電極の製造装置の変形例を示す。図20に示すように、積層ドラム310,320の非吸着領域A4として、積層ドラム310,320の内部に大気圧よりも圧力の高い加圧室334を設け、通気孔312から気体(流体)を吹き出す構成とすることができる。このような構成とすれば、セパレータ40を積層ドラム310,320から離間させたいタイミングで、セパレータ40に極力負荷を与えずに離間させることができる。
 また、図21は、本実施形態に係る袋詰電極の製造装置における他の変形例を示す。図21に示すように、積層ドラムは、円柱形状ではなく、柔軟に屈曲可能で通気孔382を有するサクションベルト380を複数の回転ローラ383で保持してもよい。このような構成とすることにより、断面が円形に限定されず、外周面381を任意の形状とすることができ、設計自由度が向上する。特に、このような構成により、対となるサクションベルト380の間における、セパレータ40および正極22を積層する領域Bを広く設定することができる。これにより、溶着機による溶着が完了するまでサクションベルト380でセパレータ40および正極22を挟んで保持でき、溶着の精度を向上させることができる。なお、図20および図21では、本実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、その説明を省略する。
 また、上記実施形態では、袋詰正極20として、セパレータ40に正極22が袋詰めされた形態について説明した。しかし、上記の袋詰電極の製造装置によって袋詰めされるのは、負極30であってもよい。
 また、上記実施形態では、図1に示すように、正極リード11および負極リード12が外装材13の同一端部から導出されている場合について説明したが、これに限定されない。正極リード11および負極リード12が、例えばそれぞれ反対の端部から導出されてもよい。この場合、リチウムイオン二次電池10の発電要素15を形成する際には、正極タブ23と負極タブ33が相互に反対向きになるように負極30と袋詰正極20が積層される。
 また、本実施形態は、回転搬送部300における上下一対の積層ドラム310,320の間に所定の隙間340を設けている。しかし、積層ドラム310,320が互いに接して隙間がない状態であってもよい。この場合、回転搬送部300の一方若しくは両方が、正極22およびセパレータ40の厚みに応じて追従する構造を備えることが好ましい。
 また、電極搬送部200において正極22を略水平状態に搬送しているが、その他の方向で搬送してもよい。
 また、一対の積層ドラム310,320を上下に配置するのではなく、その他の方向に配置してもよい。
 また、本実施形態は、セパレータカッター351により一枚の連続したセパレータ素材Sを、積層ドラム310,320の外周面311に吸着した状態で所定形状に切り出している。しかし、予め所定形状に切り出されたセパレータ40を、積層ドラム310,320に供給して吸着しつつ搬送してもよい。
 また、本実施形態では、一対の対称形状の積層ドラム310,320が設けられる。しかし、対となる積層ドラム(セパレータ搬送部)の形状が、非対称であってもよく、例えば一方を円柱状の積層ドラムとし、他方を任意の形状のサクションベルトとしてもよい。
 また、積層ドラム310,320は吸着力を備えているため、正極22(または負極30)の一方面に1枚のセパレータ40を積層するような構成では、積層ドラムが1つでも十分に機能を発揮する。
 また、導入支持部250は、その全てをローラからなるものとしたが、フラットな部材など、その他の部材で構成してもよい。
 また、切断部350に設けられる切断刃は、熱カッターでなくてもよく、物理的に鋭利な切断刃であってもよい。また、受け部として凹部313を設けているが、受け部は必ずしも凹部313でなくてもよい。
 また、積層ドラム310,320の滑り領域A1において、負圧を調整することでセパレータ素材Sの外周面311での滑りと吸着を調整している。しかし、第1負圧室331の負圧を略一定に保ち、送出ローラ部360の拘束力のみで、セパレータ素材Sの供給と拘束を調整してもよい。なお、この際には、滑り領域A1の吸着力は、吸着領域A2の吸着力よりも低いことが好ましい。
 また、積層ドラム310,320(セパレータ搬送部)に吸着力を与える方法は、負圧により吸着する方法に限定されず、例えば静電気により吸着してもよい。
 また、本実施形態では、正極切断部100、撮像カメラ230、押圧部240、コンベア210、吸着搬送部220、導入支持部250、送出ローラ部360、積層ドラム310,320、切断部350、切取片吸着部370、負圧供給装置333および溶着部400を、制御装置500(同期装置)により同期させている。しかし、必ずしも全てが電気的に同期している必要はなく、例えば、少なくとも一部を機械的にリンクして同期させてもよい。
 また、本実施形態では、セパレータ40の縁同士を接合した接合部位42を示したが、接合部位は縁に限られるものではなく、縁以外であってもよい。
 特願2011-085741号(出願日:2011年4月7日)および特願2012-067812号(出願日:2012年3月23日)の全内容は、ここに援用される。
 以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形および改良が可能であることは、当業者には自明である。
 本発明の袋詰電極の製造装置および製造方法によれば、電極を搬送しながら、しかも電極の両面へ一対のセパレータを同時に積層する。そして、この積層した状態でセパレータ同士を接合することで、電極をセパレータによって袋詰めする。そのため、袋詰電極を高速に作製でき、電池の製造時間を短縮できる。
 10 二次電池
 20 袋詰正極
 22 正極
 30 負極
 40 セパレータ
 42 接合部位
 200 電極搬送部
 300 回転搬送部
 310,320 積層ドラム(円柱状回転体)
 311 外周面
 400 溶着部(接合部)
 500 制御装置(同期装置)
 S セパレータ素材(セパレータ)

Claims (4)

  1.  各々の外周面が対向して並び、セパレータを前記外周面に保持して回転することで搬送する一対の円柱状回転体と、
     一対の前記円柱状回転体の間に向かって当該円柱状回転体の接線方向へ所定形状の電極を搬送する電極搬送部と、
     一対の前記円柱状回転体によって搬送される一対の前記セパレータの間に前記電極を挟んだ状態で前記セパレータ同士を接合する接合部と、
     を有し、
     前記電極搬送部によって搬送されている状態の前記電極の両面へ、一対の前記セパレータを回転している前記円柱状回転体から同時に受け渡して積層し、前記電極の両面に受け渡された一対の前記セパレータ同士を前記接合部によって接合することで、前記電極を前記セパレータによって袋詰めすることを特徴とする袋詰電極の製造装置。
  2.  前記セパレータおよび電極が所定の位置で重なるように、前記円柱状回転体および前記電極搬送部の搬送位置および搬送速度を同期させる同期装置をさらに有し、
     前記同期装置によって、前記電極およびセパレータをともに移動させつつ搬送方向の下流側から順次積層することを特徴とする請求項1に記載の袋詰電極の製造装置。
  3.  各々の外周面が対向して並ぶ一対の円柱状回転体の前記外周面の各々にセパレータを保持して前記円柱状回転体を回転させて搬送する工程と、
     一対の前記円柱状回転体の間に向かって当該円柱状回転体の接線方向へ所定形状の電極を搬送する工程と、
     一対の前記円柱状回転体の間に搬送されている状態の前記電極の両面へ、一対の前記セパレータを、回転している前記円柱状回転体から同時に受け渡して積層する工程と、
     前記電極の両面に受け渡された一対の前記セパレータ同士を接合することで、前記電極を前記セパレータによって袋詰めする工程と、
     を有することを特徴とする袋詰電極の製造方法。
  4.  前記電極は、電極搬送部により、一対の前記円柱状回転体の間に向かって搬送され、
     前記セパレータおよび電極が所定の位置で重なるように、前記円柱状回転体および前記電極搬送部の搬送位置および搬送速度を同期させて、前記電極およびセパレータをともに移動させつつ搬送方向の下流側から順次積層することを特徴とする請求項3に記載の袋詰電極の製造方法。
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