JP2015170568A - 電極の製造方法および電極の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱的な劣化を抑制しつつ切断して電極を製造することができる電極の製造方法および電極の製造装置を提供する。
【解決手段】活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での未形成部にタブ形成用の切り込み７５を入れる。活物質層４６を形成した帯状金属箔４５にレーザ照射により切れ目８４を入れた切り取り線８５を幅方向に延びるように形成する。活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での長さ方向に荷重を加えることにより切り取り線８５で電極毎に切断する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電極の製造方法および電極の製造装置に関するものである。

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を製造する場合、その製造工程としては、例えば、塗工工程、乾燥工程、プレス工程、打ち抜き工程等を有する。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後、乾燥工程およびプレス工程を経て、打ち抜き工程において所望の形状に打ち抜く。ここで、レーザを照射することにより、表面に形成した活物質層と共に金属箔を切断して電極を製造する技術が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１においては、レーザを照射するレーザヘッドを切断面に沿って設定した移動速度により移動させると同時に設定したエネルギー強度のレーザ光をレーザヘッドから照射するようにしている。

特開２０１２−２２１９１２号公報

ところが、電極の打ち抜きの時間短縮を図るべくレーザ光を照射して打ち抜きを行おうとすると、レーザ打ち抜きには熱の問題がある。詳しくは、電極の活物質層は、主に活物質、バインダ（樹脂）、導電助剤よりなり、打ち抜き速度を高くするために高出力レーザを用いると熱により活物質も酸化して電極性能が低下することが懸念される。また、高出力レーザを用いると熱により切断面周辺のバインダの劣化を招いてしまう。このバインダが劣化すると、切断後に活物質の剥がれが生じやすくなることが懸念される。

本発明の目的は、熱的な劣化を抑制しつつ切断して電極を製造することができる電極の製造方法および電極の製造装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、活物質層を形成した帯状集電体にレーザ照射により切れ目を入れた切り取り線を幅方向に延びるように形成する切取線形成工程と、前記活物質層を形成した帯状集電体での長さ方向に荷重を加えることにより前記切り取り線で電極毎に切断する切断工程と、を有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、切取線形成工程において、活物質層を形成した帯状集電体にレーザ照射により切れ目を入れた切り取り線が幅方向に延びるように形成される。切断工程において、活物質層を形成した帯状集電体での長さ方向に荷重を加えることにより切り取り線で電極毎に切断される。よって、レーザ照射により切れ目を入れた切り取り線が幅方向に延びるように形成されるにすぎず、熱的な劣化を抑制しつつ切断して電極を製造することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の発明において、前記切断工程の前において、前記活物質層を形成した帯状集電体での未形成部にタブ形成用の切り込みを入れる切込工程を更に有するとよい。

請求項３に記載の発明では、活物質層を形成した帯状集電体にレーザ照射による切れ目を入れた切り取り線を幅方向に延びるように形成するレーザ照射装置と、前記活物質層を形成した帯状集電体での長さ方向に荷重を加えることにより前記切り取り線で電極毎に切断する荷重印加装置と、を備えたことを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、レーザ照射装置により、活物質層を形成した帯状集電体にレーザ照射による切れ目を入れた切り取り線が幅方向に延びるように形成される。荷重印加装置により、活物質層を形成した帯状集電体での長さ方向に荷重を加えることにより切り取り線で電極毎に切断される。よって、レーザ照射装置において、レーザ照射により切れ目を入れた切り取り線が幅方向に延びるように形成されるにすぎず、熱的な劣化を抑制しつつ切断して電極を製造することができる。

請求項４に記載のように、請求項３に記載の電極の製造装置において、前記荷重印加装置は、回転可能なセンターローターと、前記センターローターからアーム部を介して前記センターローターの回転軸の外径側において前記センターローターの回転軸に沿うように延び、前記センターローターの回転に伴い前記活物質層を形成した帯状集電体での長さ方向に荷重を加えるべく前記帯状集電体が巻回される複数本の巻取部材と、を備えるとよい。

請求項５に記載のように、請求項３または４に記載の電極の製造装置において、前記荷重印加装置で切断する前の前記活物質層を形成した帯状集電体での未形成部にタブ形成用の切り込みを入れる切込装置を更に備えるとよい。

本発明によれば、熱的な劣化を抑制しつつ切断して電極を製造することができる。

二次電池の断面図。 電極組立体の模式斜視図。 電極の製造装置の概略構成図。 （ａ）〜（ｄ）は、電極の製造工程を説明するための概略平面図。 荷重印加装置を示す正面図。 荷重印加装置を示す正面図。 荷重印加装置を示す正面図。 （ａ）は図５でのＡ矢視方向から荷重印加装置をみたときの模式的な一部断面図、（ｂ）は図６でのＡ矢視方向から荷重印加装置をみたときの模式的な一部断面図、（ｃ）は図７でのＡ矢視方向から荷重印加装置をみたときの模式的な一部断面図。

以下、リチウムイオン二次電池に具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、直方体状のケース１１内に、積層型の電極組立体１２が収容されている。ケース１１は、有底四角筒状の金属製（例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金製）のケース本体１１ａと、ケース本体１１ａの開口部を塞ぐ蓋体１１ｂとで構成されている。なお、ケース１１内には図示しないが電解液も収容されている。二次電池１０は、リチウムイオン二次電池に具体化されている。

図２に示すように、電極組立体１２は、複数の矩形シート状の正極１３及び複数の矩形シート状の負極１４が、正極１３と負極１４との間にシート状のセパレータ１５が介在する状態で積層されて構成されている。

正極１３は、略矩形状に形成された金属箔１３ａと、その両面に活物質合剤が塗布、乾燥されて形成された活物質層１３ｂと、金属箔１３ａの一辺から延出された正極タブ１３ｃとを有する。

負極１４は、略矩形状に形成された金属箔１４ａと、その両面に活物質合剤が塗布、乾燥されて形成された活物質層１４ｂと、金属箔１４ａの一辺から延出された負極タブ１４ｃとを有する。

なお、二次電池１０がリチウムイオン二次電池の場合、正極１３用の金属箔１３ａはアルミニウム箔が好ましく、負極１４用の金属箔１４ａは銅箔が好ましい。
図１に示すように、蓋体１１ｂには正極端子１６及び負極端子１７が固定されている。正極端子１６及び負極端子１７は、雄ねじ部１６ａ，１７ａ及び鍔部１６ｂ，１７ｂを有し、蓋体１１ｂに形成された孔（図示せず）を、鍔部１６ｂ，１７ｂがケース１１の内側に位置する状態で貫通して蓋体１１ｂから突出する雄ねじ部１６ａ，１７ａに螺合するナット１８により、蓋体１１ｂに締め付け固定されている。正極端子１６及び負極端子１７は、複数の二次電池１０を電気的に接続するバスバー１９をボルト２０により締め付け固定可能に構成されている。なお、鍔部１６ｂ，１７ｂと蓋体１１ｂとの間及びナット１８と蓋体１１ｂとの間には図示しない電気的絶縁材製のシール部材が介装されている。

正極端子１６は鍔部１６ｂに接合された導電部材２１を介して電極組立体１２の正極タブ１３ｃに電気的に接続されている。負極端子１７は鍔部１７ｂに接合された導電部材２２を介して電極組立体１２の負極タブ１４ｃに電気的に接続されている。

図３に示すように、正極１３、負極１４の少なくとも一方を製造するための電極の製造装置３０は、塗工装置４０と、乾燥装置５０と、プレス装置６０と、切込装置７０と、レーザ照射装置８０を備えている。塗工装置４０により図４（ａ）に示すように帯状集電体としての帯状金属箔４５にスラリー状の活物質合剤が塗布され、乾燥することにより帯状金属箔４５に活物質層４６が形成される。切込装置７０により、図４（ｂ）に示すように帯状金属箔４５における活物質層４６が形成されていない部位（未形成部）に切り込み７５が入れられる。レーザ照射装置８０により、図４（ｃ）に示すように、切れ目８４を入れた切り取り線８５が幅方向に延びるように形成される。

さらに、電極の製造装置３０は、図５に示す荷重印加装置９０を備える。荷重印加装置９０により、図４（ｄ）に示すように帯状金属箔４５での長さ方向に荷重を加えることにより切り取り線８５で電極毎に切断される。

図３に示すように、塗工装置４０はダイヘッド４１を有する。ダイヘッド４１に対しスラリー状の活物質合剤（活物質、導電助剤、バインダ樹脂、溶剤等を混練・希釈してスラリー状にしたもの）が送液される。ダイヘッド４１に供給された活物質合剤が帯状金属箔４５に向かって吐出されるようになっている。ダイヘッド４１に対し所定距離だけ離間した位置にバックアップロール４２が配置され、バックアップロール４２の外周に帯状金属箔４５が巻き掛けられ、バックアップロール４２は帯状金属箔４５を連続搬送可能に支持している。バックアップロール４２に支持された帯状金属箔４５に対し、図４（ａ）に示すように、ダイヘッド４１から吐出された活物質合剤が塗布され乾燥されると帯状金属箔４５に活物質層４６が形成される。なお、図３に示すように、活物質合剤が塗布された後の帯状金属箔４５はガイドロール４３に案内されつつ搬送される。

乾燥装置５０は、活物質合剤が塗布された後の帯状金属箔４５が通過して乾燥される。
プレス装置６０は、上下で一対のロール６１，６２を有し、上下のロール６１，６２間を、乾燥装置５０を経た帯状金属箔４５が通過してプレスされる。

切込装置７０は、プレス後の活物質層４６が形成された後の帯状金属箔４５が通過して所望の位置に切り込みを入れることができるようになっている。詳しくは、図４（ｂ）に示すように、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での未形成部にタブ形成用の切り込み７５を入れる。切り込み７５はＬ字状をなしており、第１直線部７５ａと第２直線部７５ｂからなる。第１直線部７５ａは帯状金属箔４５の長さ方向に延びている。第２直線部７５ｂは、第１直線部７５ａの一端部から帯状金属箔４５の幅方向に延びている。

このように、切込装置７０は、荷重印加装置９０で切断する前の活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での未形成部にタブ形成用の切り込み７５を入れることができる。
図３のレーザ照射装置８０は、図４（ｃ）に示すように、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５にレーザ照射による切れ目８４を入れた切り取り線８５を幅方向に延びるように形成する。

図５の荷重印加装置９０は、図４（ｄ）に示すように、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での長さ方向に荷重を加えることにより切り取り線８５で電極毎に切断する。
図５に示すように、荷重印加装置９０は、ケース９１と、回転可能なセンターローター９２と、３本の巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃ（図８（ａ）参照）と、センターローター９２と各巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃをつなぐアーム部９５ａ，９５ｂ，９５ｃと、を備える。センターローター９２は棒状をなし、ケース９１に立設状態で回転可能に支持されている。センターローター９２の下端側はケース９１の下面から突出している。ケース９１内においてセンターローター９２には歯車９３が設けられているとともに歯車９３は歯車９４と噛み合っている。歯車９４はケース９１内に設けたモータ（図示略）により回転する。そして、モータの駆動により歯車９４，９３を介してセンターローター９２が回転するようになっている。

ケース９１の下方においてセンターローター９２の下端から棒状をなすアーム部９５ａ，９５ｂ，９５ｃが、図８（ａ）に示すようにセンターローター９２の中心Ｏから放射状かつ等角度で、図５に示すように斜め下方に延びている。アーム部９５ａの下端から棒状の巻取部材９６ａが真下に延びている。アーム部９５ｂの下端から棒状の巻取部材９６ｂが真下に延びている。アーム部９５ｃの下端から棒状の巻取部材９６ｃが真下に延びている。このように、巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃは、センターローター９２からアーム部９５ａ，９５ｂ，９５ｃを介してセンターローター９２の回転軸の外径側においてセンターローター９２の回転軸に沿うように延びている。そして、巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃは、図６および図８（ｂ）に示すようにセンターローター９２の回転に伴い活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での長さ方向に荷重を加えるべく帯状金属箔４５が巻回される。

図６および図８（ｂ）に示すように、帯状金属箔４５の先端部をいずれかの巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃに止着する。そして、モータにより歯車９４および歯車９３を介してセンターローター９２が回転する。

ここで、アーム部９５ａ，９５ｂ，９５ｃは細く径方向への柔軟性を有し、径方向へ変形しやすいので回転することによりアーム部９５ａ，９５ｂ，９５ｃの下端側は回転前の停止時よりも外径側に膨らんでいく（図７、図８（ｃ）参照）。これにより、巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃが回転に伴う遠心力により回転前の停止時よりも外径側に位置する。この巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃが外径側に広がる力により帯状金属箔４５において切れ目８４を入れた切り取り線８５で切断する。このようにして、帯状金属箔４５が巻き取られる時に遠心力により外周側に応力が作用して図４（ｄ）に示したごとく切断される。

次に、電極の製造装置３０の作用について説明する。なお、金属箔の一方の面には既に活物質層が形成されているものとして以下、金属箔の他方の面に活物質層を形成するとともに電極毎に切断する製造工程について説明する。

まず、塗工装置４０、乾燥装置５０、プレス装置６０を用いて図４（ａ）に示すように、帯状金属箔４５に活物質層４６を形成する。そして、切込装置７０を用いて、図４（ｂ）に示すように、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５を搬送しながら、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での未形成部にタブ形成用の切り込み７５を入れる。このとき、刃で活物質層４６、即ち、活物質（無機物質で硬い）を切るのではなく活物質層の未形成部に切り込み７５を入れるので刃の摩耗や欠けが生じにくい。特にプレスで切り込みを入れることで高速化でき、かつ、活物質層４６が無いため刃の摩耗や欠けが生じにくい。

そして、レーザ照射装置８０を用いて、図４（ｃ）に示すように、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５を搬送しながら、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５にレーザ照射により切れ目８４を入れた切り取り線８５を幅方向に延びるように形成する。このとき、切れ目８４を入れた切り取り線８５なので未だ切断されておらず再度巻き取ることができる。

引き続き、荷重印加装置９０を用いて、図４（ｄ）に示すように、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での長さ方向に荷重を加えることにより切り取り線８５で電極毎に切断する。

つまり、図４（ｃ）に示すように切り取り線８５を形成した後の帯状金属箔４５を、再び荷重印加装置９０の巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃに巻きつけ、図８（ｃ）に示すように遠心力で、３本の巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃが外側に広がる。この３本の巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃが外側に広がることにより帯状金属箔４５に対し長さ方向に荷重が加わる。これにより、切り取り線８５における切れ目８４の間の部位が切られて、幅方向に切断する。

このとき切断されるのは内径側のため、速やかに外周に巻き取られた帯状金属箔４５によって抑え込まれ、飛び散ることが防止される。また、外周の帯状金属箔４５に遠心力で押さえ付けられるため落下することが防止される。そして、回転が止まると自動的に落下するので３本の巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃから電極を外しやすい。

ここで、図７および図８（ｃ）に示すように荷重印加装置９０における細いアーム部９５ａ，９５ｂ，９５ｃは回転に伴い遠心力で広がり、アーム部９５ａ，９５ｂ，９５ｃの下の太い巻取部材（電極巻き取り部分）９６ａ，９６ｂ，９６ｃは垂直に立設した状態を維持しつつ外側に広がる構成とするとより良い。具体的には、回転前には図５に示すように４つの辺Ｓ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ４ａを有する平行四辺形が形成されているが、回転により４つの辺Ｓ１，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂ，Ｓ４ｂを有する平行四辺形が形成されるように変形する構成にする。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）打抜き工程を２ステップに分け、第１ステップにおいてはレーザ照射により帯状金属箔に切れ目８４を入れた切り取り線（ミシン目）８５を形成し、第２ステップにおいては荷重を加えることで切り取り線８５で切断する。よって、レーザの照射量を減らすことで、切断面の劣化を抑制する。

つまり、電極の製造方法として、切取線形成工程と切断工程とを有する。切取線形成工程では、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５にレーザ照射により切れ目８４を入れた切り取り線８５を幅方向に延びるように形成する。切断工程では、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での長さ方向に荷重を加えることにより切り取り線８５で電極毎に切断する。これにより、レーザ照射により切れ目８４を入れた切り取り線８５が幅方向に延びるように形成されるにすぎず、熱的な劣化を抑制しつつ切断して電極を製造することができる。

詳しくは、電極の活物質層は、主に活物質、バインダ（樹脂）、導電助剤よりなり、打ち抜き速度を高くするために単に高出力レーザを用いると熱により活物質も酸化して電極性能の低下を招くとともに高出力レーザを用いると熱により切断面周辺のバインダが劣化して切断後に活物質の剥がれを招きやすい。これに対し、本実施形態では、高出力レーザを用いても熱による活物質の酸化を回避して電極性能の低下を防止することができるとともに切断面周辺のバインダの劣化を回避して切断後の活物質の剥がれを防止することができる。

（２）そのための電極の製造装置として、レーザ照射装置８０と荷重印加装置９０とを備える。よって、レーザ照射装置８０において、レーザ照射により切れ目８４を入れた切り取り線８５が幅方向に延びるように形成されるにすぎず、熱的な劣化を抑制しつつ切断して電極を製造することができる。

（３）電極の製造方法として、切込工程を更に有し、切込工程では、切断工程の前において、活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での未形成部にタブ形成用の切り込み７５を入れることができる。

（４）そのための電極の製造装置として、切込装置７０を更に備えることにより、荷重印加装置９０で切断する前の活物質層４６を形成した帯状金属箔４５での未形成部にタブ形成用の切り込み７５を入れることができる。

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。
・荷重印加装置９０は、３本の巻取部材９６ａ，９６ｂ，９６ｃを備える構成としたが、巻取部材は２本でも４本以上でもよく、複数本備える構成とすればよい。即ち、三又に分岐する構成以外に、二又に分岐したり四又以上に分岐する構成としてもよい。

・切れ目８４を入れた切り取り線（ミシン目）８５の形成部分で破断できる程度の荷重を加えることができれば、特に図５に示した装置に限定されない。要は、遠心力方式以外にも長さ方向に引っ張る他の方式でもよい。例えば、図８（ｂ）のように巻回した帯状金属箔４５に対し内径側から外径側にシリンダ等で圧力（図８（ｂ）で力Ｆで示す）をかけて広げることにより切断してもよい。このように、図５に示した装置においては、遠心力をかける構成としたが、これに限らない。

・タブの形状は長方形状であったが斜状部を有する等その形状は問わない。
・リチウムイオン二次電池に適用したが、これに限ることなく、他の二次電池に適用したり、また一次電池、キャパシタ等に適用してもよい。

３０…電極の製造装置、４５…帯状金属箔、４６…活物質層、７０…切込装置、７５…切り込み、８０…レーザ照射装置、８４…切れ目、８５…切り取り線、９０…荷重印加装置、９２…センターローター、９５ａ…アーム部、９５ｂ…アーム部、９５ｃ…アーム部、９６ａ…巻取部材、９６ｂ…巻取部材、９６ｃ…巻取部材。

Claims (5)

1. 活物質層を形成した帯状集電体にレーザ照射により切れ目を入れた切り取り線を幅方向に延びるように形成する切取線形成工程と、
   前記活物質層を形成した帯状集電体での長さ方向に荷重を加えることにより前記切り取り線で電極毎に切断する切断工程と、
   を有することを特徴とする電極の製造方法。
2. 前記切断工程の前において、前記活物質層を形成した帯状集電体での未形成部にタブ形成用の切り込みを入れる切込工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載の電極の製造方法。
3. 活物質層を形成した帯状集電体にレーザ照射による切れ目を入れた切り取り線を幅方向に延びるように形成するレーザ照射装置と、
   前記活物質層を形成した帯状集電体での長さ方向に荷重を加えることにより前記切り取り線で電極毎に切断する荷重印加装置と、
   を備えたことを特徴とする電極の製造装置。
4. 前記荷重印加装置は、
   回転可能なセンターローターと、
   前記センターローターからアーム部を介して前記センターローターの回転軸の外径側において前記センターローターの回転軸に沿うように延び、前記センターローターの回転に伴い前記活物質層を形成した帯状集電体での長さ方向に荷重を加えるべく前記帯状集電体が巻回される複数本の巻取部材と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の電極の製造装置。
5. 前記荷重印加装置で切断する前の前記活物質層を形成した帯状集電体での未形成部にタブ形成用の切り込みを入れる切込装置を更に備えたことを特徴とする請求項３または４に記載の電極の製造装置。