JP2008218134A - 電極群の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極群の製造装置における電極板の搬送機構は一般的に駆動ローラの外周を弾性体で覆い電極板との密着を良くし、対する加圧ローラの外周は金属で構成し、強く加圧することですべりを無くすようにするが、この時、電極板の活物質合剤は駆動ローラの弾性体の形状に沿い、加圧ローラの形状に変形するため電極板の活物質合剤は集電体から剥がされる方向に力が働き、活物質合剤の脱落、欠けが発生する場合がある。
【解決手段】本発明の電極群の製造装置において正極板および負極板の供給部から巻回部までの搬送経路の一部に駆動ローラ１０と加圧ローラ１２により構成される搬送部５、６を設け、この搬送部に前記正極板および負極板をいずれか一方のローラに巻き付くように通過させるとともに、このローラ間の加圧機構１４で正極板および負極板がローラの曲率以上に湾曲されないように構成にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、正極板および負極板の活物質合剤の剥がれ、欠けを防止して脱落させること無く電極板の搬送速度や巻回速度を自由に設定し、生産効率を高めることが可能な電極群の製造装置に関するものである。

近年、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯型通信機器などの電子機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されており、これらの電子機器やその他の動力用の駆動用電源として、高エネルギー密度で負荷特性の優れた電池が要望されている。特に、エネルギー密度および電圧が高く、貯蔵寿命が長いなどの多くの特長を有するリチウムイオン二次電池が脚光を浴びているが、同時にリチウムイオン二次電池には高い安全性が要求されている。

例えば、円筒形のリチウムイオン二次電池は、正極板と負極板とがセパレータを介して渦巻状に巻回して電極群を形成した後、この電極群を有底円筒状の電池容器内に収容し、電池容器の開口部の外周に環状に溝入れ加工を行い、電池容器内に所定量の電解液を注液し、次いで電池容器の開口部にガスケットを介して封口体を挿入し、内側に突出した溝部上で封口体を支持した状態で電池容器の開口部を内側にかしめ加工して封口している。

これらのリチウムイオン二次電池においては、高容量化を図るためには電池容器内に可能な限り多くの正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回した電極群を入れる必要があるが、これら電極群の製造工程において搬送機構のローラ部や巻芯径による電極群の中心部の極小Ｒ部で正極板および負極板における活物質合剤の剥がれ、欠けが発生し、脱落した活物質合剤が正極板および負極板およびセパレータとともに巻回されるとセパレータが損傷し正極板と負極板が直接接触してしまい発熱等の発生の要因となる。

一般的にこの電極板は、紛体として得られた電極活物質を活物質同士結着させるバインダー材と共に混錬、金属箔やパンチングメタル等の集電体に塗着、乾燥する方法が採られており、集電体と電極活物質の結着力はバインダー材の接着力に依存している。結着力を得るためのバインダー材は正極板のバインダー材としてはフッ素系バインダー材のポリテトラフルオロエチレンやポリビニフルオライドが使用されており、さらに柔軟性を持たせ剥がれ、欠けを防止する方法としてバインダー材のポリテトラフルオロエチレンにポリビニルアルコールを加えさらにポリエチレングリコールまたはポリエチレンオキサイドを添加する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、負極板のバインダー材としてはポリオレフィン系バインダー材のポリエチレンやポリプロピレンが使用されており、さらに負極板活物質合剤の脱落、欠けを防ぐ方法として負極板に混錬されているポリオレフィン系バインダー材と同じバインダー材を負極板上に塗布後セパレータを載置し、その後ポリオレフィン系バインダー材を乾燥、加熱し負極板とセパレータを結着させる製造法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−３０６５０３号公報 特開平５−１８２６５７号公報

しかしながら、上述した特許文献に示された従来技術では、高い結着力を得るためには多くのバインダー材が必要となるが多くのバインダー材を使用すると活物質の添加量が少
なくなって電池容量の低下になる。また電極板の製造の乾燥状態により結着力がばらつくこともあり、電極群の製造装置において活物質合剤の剥がれ、欠けの防止は非常に重要な問題となっている。特に電極群の製造装置においては正極板および負極板のリードの位置、そのリードを絶縁するために貼る絶縁テープの位置が一致し絶縁を確保することが安全のために重要である。

これらの位置は正極板および負極板を長尺フープから巻き出す電極板を搬送する寸法で位置が決まる。このため搬送機構では搬送寸法の精度を上げるため電極板の搬送機構の駆動ローラと電極板のすべりを無くすように、一般的に駆動ローラの外周をゴム弾性体で覆い電極板との密着を良くし、対する一対の加圧ローラの外周は金属で構成し、強く加圧することですべりを無くすようにする。この時、正極板および負極板は駆動ローラの外周に接する面では弾性体の形状に沿い、加圧ローラの押圧力により駆動ローラに密着し駆動ローラの回転動力の回転方向へ搬送される。しかし駆動ローラと加圧ローラが正極板および負極板を挟んで接する部分では加圧ローラを駆動ローラに強く加圧すると駆動ローラのゴム弾性体は加圧ローラの形状に変形する。

特に正極板および負極板が駆動ローラに巻き付くように通過させる場合の駆動ローラと加圧ローラが接する部分では正極板および負極板は駆動ローラのゴム弾性体に沿った形状から加圧ローラの形状に極小のＳ字曲線を描くように曲がるため極小のＳ字曲線の影響を強く受け、正極板および負極板の駆動ローラに巻き付く外周の活物質合剤は正極板および負極板の集電体から剥がされる方向に力が働き、バインダー材の結着力より強くなり活物質合剤の剥がれ、欠けが発生する場合がある。

本発明は上記従来の課題を鑑みてなされたもので、電極群の製造装置において正極板および負極板を長尺フープから巻き出す電極板の搬送機構の駆動ローラと加圧ローラが接する部分で正極板および負極板の極小のＳ字曲線を描くような曲がりを防止し活物質合剤に集電体から剥がす方向の力が弱くなるようにすることで活物質合剤の剥がれ、欠けを無くすことを目的とする。

上記のような目的を達成するために本発明における電極群の製造装置は、正極の集電体に少なくとも正極活物質を含む正極の合剤層を形成した帯状の正極板および負極の集電体に少なくともリチウムを保持しうる負極活物質を含む負極の合剤層を形成した帯状の負極板との間に帯状のセパレータを介在させて渦巻状に巻回する電極群の製造装置において、正極板および負極板の供給部から巻回部までの搬送経路の一部に駆動ローラと加圧ローラにより構成される搬送部を設け、この搬送部間に正極板および負極板をいずれか一方のローラに巻き付くように通過させるとともに、このローラ間の加圧部で正極板および負極板がローラの曲率以上に湾曲されないように構成したことを特徴とするものである。

本発明によれば、電極群の製造装置における電極板の搬送機構において駆動ローラと加圧ローラが正極板および負極板を挟んで接する加圧部で正極板および負極板がローラの極率以上に湾曲されず略真円形状を保つため、正極板および負極板の外周部の活物質合剤が正極板および負極板の集電体から剥がされる方向に働く力が弱くなるため活物質合剤の剥がれ、欠けによるセパレータの損傷を防止することが可能となり発熱等を防止しリチウムイオン二次電池の安全性を高めることができる。

本発明の第１の発明では、正極の集電体に少なくとも正極活物質を含む正極の合剤層を形成した帯状の正極板および負極の集電体に少なくともリチウムを保持しうる負極活物質
を含む負極の合剤層を形成した帯状の負極板との間に帯状のセパレータを介在させて渦巻状に巻回する電極群の製造装置において、正極板および負極板の供給部から巻回部までの搬送経路の一部に駆動ローラと加圧ローラにより構成される搬送部を設け、この搬送部間に正極板および負極板をいずれか一方のローラに巻き付くように通過させるとともに、このローラ間の加圧部で正極板および負極板がローラの曲率以上に湾曲されないようにしたことにより、加圧ローラの押圧力を高く設定しても正極板および負極板の活物質合剤の剥がれ、欠けを防止して脱落させること無く電極板を搬送し、巻回時のセパレータの損傷を防止することで電池の発熱等を防止することが可能となる。

本発明の第２の発明では、駆動ローラおよび加圧ローラの少なくともいずれか一方をゴム弾性ローラとしたことにより、正極板および負極板にゴム弾性体が密着し搬送部間のすべりを防止することにより搬送の位置精度を向上させることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図１を参照しながら詳細に説明する。例えば、図１に示されるような本発明のリチウムイオン二次電池の製造装置において、正極板フープ１はアルミニウムやアルミニウム合金製箔の集電体に正極活物質を含む合剤塗料を単位長さに間欠的に塗布した長尺帯状の正極板をリールに巻き付けたもので、負極板フープ２は圧延銅箔や電解銅箔の集電体に負極活物質を含む合剤塗料を単位長さに間欠的に塗布した長尺帯状の負極板をリールに巻き付けたもので第１セパレータフープ３、第２セパレータフープ４は微多孔フィルムおよびこれを重ね合わせた多層フィルムが用いられ同じく長尺帯状にリールに巻き付けしたものを使用する。

これらフープ材料は一定方向に駆動され回転する巻芯７にて正極板８および負極板９をこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回して電極群を形成する。

正極板８は正極板フープ１から巻芯７で巻回されるまでの間、設備の小型化のための経路変更、電極板の張力確保などの理由から一定方向に回転動力を持つ駆動ローラ１０と圧接する一対の加圧ローラ１１による搬送部５を含む多くのローラに接したのち巻芯７まで導かれ、負極板は負極板フープ２から巻芯７で巻回されるまでの間、設備の小型化のための経路変更し電極板の張力確保などの理由から一定方向に回転動力を持つ駆動ローラ１０と圧接する一対の加圧ローラ１１による搬送部６を含む多くのローラに接したのち巻芯７まで導かれる。

ここで正極板８の搬送部５および負極板９の搬送部６について図２（ａ）を用いて詳細に説明する。その際正極板および負極板は電極板１３と表現する。図２（ａ）は本発明を実施するための最良の形態における電極板１３の搬送部の図である。

図２（ａ）において一定方向に回転動力を持つ金属製の駆動ローラ１０と電極板１３とのすべりを無くすように外周面に摩擦力を高く得られるようにゴム弾性体１１で覆われた加圧ローラ１２とで、電極板１３を間に挟み、たとえばシリンダーまたはカム駆動といった加圧機構１４で駆動ローラ１０に押圧力を加える。

この時加圧ローラ１２の外周のゴム弾性体１１は駆動ローラ１０の形状に変形する。これにより電極板１３は強く駆動ローラ１０に押し付けられ駆動ローラ１０の回転方向に搬送されるようになる。しかし電極板１３は駆動ローラ１０の外周面に沿った状態を保ったままで駆動ローラ１０の曲率以上には湾曲されないため電極板１３の外周の活物質合剤は集電体から剥がされる方向の力は働かなくなり、活物質の脱落、欠けの発生を防ぐ効果を有する。本発明の、加圧ローラ１２の外周のゴム弾性体１１には表面摩擦抵抗が高い物が用いられるが、特にシリコンゴムが好ましい。

本発明の実施例１における電極群の製造装置について、図２（ａ）を参照しながら説明する。図２（ａ）において電極板１３は正極板を使用しコバルト酸リチウム等のリチウム含有複合酸化物である正極活物質とアセチレンブラック等を用いた導電剤とポリフッ化ビニリデン等を用いた結着剤とを分散媒に混練分散させた正極合剤塗料を正極集電体であるアルミニウム箔に塗着し、乾燥、圧延して帯状にし用いた。

駆動ローラ１０は外径３０ｍｍで金属からなりアルミニウムを使用しローラを軽量化し搬送速度を高く設定することが可能とした。対になる加圧ローラ１２は同じく外径３０ｍｍで外周をゴム弾性体１１が厚み３ｍｍで覆い、加圧時にゴム弾性体１１が変形し高い保持力が得られるようにし加圧機構１４は高く安定した加圧が得られるよう内径２０ｍｍのシリンダー式を使用し電極板１３の搬送を行った。

この時加圧ローラ１２の外周はゴム弾性体１１のため強い押圧力で金属からなる駆動ローラ１０に押し付けられると図２（ｂ）に示すようにゴム弾性体１１が駆動ローラ１０に接する部分では駆動ローラ１０の形状に変形し密着する。電極板１３は駆動ローラ１０に巻き付くように通り、駆動ローラ１０と加圧ローラ１２に挟まれる間を通過するときも駆動ローラ１０の金属からなる外周の形状に沿って搬送されるため電極板１３に極小のＳ字曲線を描くような曲がりは発生せず活物質合剤には集電体から剥がされる方向に力は働かず活物質合剤の剥がれ、欠けは発生しないで電極板１３を搬送することができ、この搬送機構を実施例１とした。

本発明の実施例２における電極群の製造装置について図３（ａ）を参照しながら説明する。実施例１と同様に正極板を製作し駆動ローラ１０は外径３０ｍｍで外周をゴム弾性体１１が厚み３ｍｍで覆い、加圧ローラ１２も外径３０ｍｍで外周をゴム弾性体１１が厚み３ｍｍで覆った。

加圧機構１４も実施例１と同様にシリンダー式とし電極板１３の搬送を行った。この時駆動ローラ１０と加圧ローラ１２ともに外周面はゴム弾性体１１のため押圧力が加わると図３（ｂ）に示すように駆動ローラ１０と加圧ローラ１２の外周面のゴム弾性体１１は均一に変形し電極板１３を挟んで接する部分では直線状になる。

このため電極板１３は駆動ローラ１０側から進入し駆動ローラ１０に接する部分では駆動ローラ１０の、外周のゴム弾性体１１の形状に沿い、駆動ローラ１０と加圧ローラ１２に挟まれる間は駆動ローラ１０と加圧ローラ１２の、外周面のゴム弾性体１１の均一に変形したゴム弾性体１１の形状に直線的に通過し再び駆動ローラ１０の外周のゴム弾性体１１形状に沿って搬送されるため電極板１３の曲がりは小さく活物質合剤には集電体から剥がされる方向に働く力は弱くなり活物質合剤の剥がれ、欠けは発生しないで電極板１３を搬送することができかつ駆動ローラ１０の外周面がゴム弾性体１１のためゴム弾性体１１と電極板１３の摩擦力が上がり搬送する際の精度をよくすることが可能となり、この搬送機構を実施例２とした。

（比較例１）
電極板の搬送部として図４（ａ）に示す従来の構成の搬送機構を比較例１とした。実施例１と同様に正極板を製作し駆動ローラ１０は外径３０ｍｍで外周をゴム弾性体１１が厚み３ｍｍで覆い、加圧ローラ１２も外径３０ｍｍで金属からなりアルミニウムを使用した。加圧機構１４も実施例１と同様にシリンダー式とし搬送試験を行った。

評価としてはこれらを加圧機構１４の加圧ローラ１２に対するエアー圧を０．２ＭＰａ
から０．４ＭＰａで可変し約６２Ｎから１２３Ｎの加圧力を加えた。この状態で駆動ローラ１０に駆動力を与え電極板１３を回転方向へ９５５ｒｐｍ、約９０ｍ／分で移動量７００ｍｍ搬送するようにし活物質合剤の脱落発生率を評価した。

（表１）に示されるように本発明の電極群の製造装置における電極板の搬送部は活物質合剤の剥がれ、欠けを発生させず脱落を防止することに可能になる。

これは加圧ローラ１２の外周をゴム弾性体１１としたため駆動ローラ１０に押圧力を受け接するときゴム弾性体１１が変形することで電極板１３の極小のＳ字曲線を描くような曲がりを防止したためである。特に実施例１では駆動ローラ１０を金属からなるローラとしたことで電極板１３は駆動ローラ１０の、外周の金属の形状に沿うことで極小の曲がりは発生せず活物質の剥がれ、欠けを防止するのに有効である。

また、実施例２では駆動ローラ１０の外周もゴム弾性体１１とした駆動ローラ１０と加圧ローラ１２の外周面のゴム弾性体１１は均一に変形し電極板１３を挟んで接する部分では直線状になることで電極板１３の曲がりは小さく活物質合剤には集電体から剥がされる方向に働く力は弱くなり活物質合剤の剥がれ、欠けを防止するのに有効である。

本発明の電極群の製造装置における電極板の搬送機構は駆動ローラと加圧ローラが正極板および負極板を挟んで接する加圧部で正極板および負極板がローラの極率以上に湾曲されず略真円形状を保つため電極板の活物質合剤の剥がれ、欠けを防止し電極板を搬送することが可能となるので、電極群の製造装置として有効である。

本発明の実施の形態１における電極群の製造装置を示す断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における搬送機構の詳細を示す断面図、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるゴム弾性体の拡大図 （ａ）本発明の実施の形態２における搬送機構の詳細を示す断面図、（ｂ）本発明の実施の形態２におけるゴム弾性体の拡大図 （ａ）従来の搬送機構の詳細を示す断面図、（ｂ）従来のゴム弾性体の拡大図

符号の説明

１ 正極板フープ
２ 負極板フープ
３ 第１セパフープ
４ 第２セパフープ
５ 正極板の搬送部
６ 負極板の搬送部
７ 巻芯
８ 正極板
９ 負極板
１０ 駆動ローラ
１１ ゴム弾性体
１２ 加圧ローラ
１３ 電極板
１４ 加圧機構
１５ 活物質合剤の剥がれ、欠け

Claims (2)

1. 正極の集電体に少なくとも正極活物質を含む正極の合剤層を形成した帯状の正極板および負極の集電体に少なくともリチウムを保持しうる負極活物質を含む負極の合剤層を形成した帯状の負極板との間に帯状のセパレータを介在させて渦巻状に巻回する電極群の製造装置において、前記正極板および負極板の供給部から巻回部までの搬送経路の一部に駆動ローラと加圧ローラにより構成される搬送部を設け、この搬送部に前記正極板および負極板をいずれか一方のローラに巻き付くように通過させるとともに、このローラ間の加圧機構で正極板および負極板がローラの曲率以上に湾曲されないように構成した電極群の製造装置。
2. 前記駆動ローラおよび加圧ローラの少なくともいずれか一方をゴム弾性ローラとした請求項１に記載の電極群の製造装置。

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