(57)【要約】【課題】電極とセパレータとを交互に積層させていくと電極積層体の下方の層で位置ずれが生じる、といった課題を解決する電極積層体およびその製造方法と製造装置を提供する。【解決手段】本発明の電極積層体は、セパレータ８を介して電極３を積層して形成される。そして、セパレータ８は、電極３を挟んで隣接する一方のセパレータ８と他方のセパレータ８とに異なる位置で少なくとも１箇所接合されており、前記接合箇所５では、１組のセパレータ８同士のみが接合している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを介して電極を積層してなる電極積層体において、
前記セパレータは、前記電極を挟んで隣接する一方のセパレータと他方のセパレータとに異なる位置で少なくとも１箇所接合されており、前記接合箇所では、１組のセパレータ同士のみが接合している電極積層体。
【請求項２】
前記セパレータは、該セパレータの少なくとも２つの辺において前記隣接する一方のセパレータと他方のセパレータとにそれぞれ接合されている、請求項１に記載の電極積層体。
【請求項３】
前記セパレータの、前記隣接する一方のセパレータと他方のセパレータとに接合している辺において、各少なくとも２箇所で前記隣接する一方のセパレータと他方のセパレータとにそれぞれ接合している、請求項１または２に記載の電極積層体
【請求項４】
前記セパレータは電極を内包した袋状をしている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電極積層体。
【請求項５】
セパレータを介して電極を積層してなる電極積層体の製造装置において、
前記電極と前記セパレータを積層する積層ステージと、
前記積層ステージに前記電極と前記セパレータとを交互に搬送して積層する搬送機構と、
前記搬送機構によって前記積層ステージ上に積層された前記セパレータを該セパレータの下層の前記セパレータと接着する接着機構と、
前記接着機構を移動させる移動機構と、を有する電極積層体の製造装置。
【請求項６】
前記接着機構は、前記セパレータ同士の間に挿入される薄板状の下受け部と、前記下受け部との間で２枚の前記セパレータを挟んで接着する接着ヘッドと、を有する、請求項５に記載の電極積層体の製造装置。
【請求項７】
前記接着ヘッドは、熱圧着するためのヒータを有している、請求項６に記載の電極積層体の製造装置。
【請求項８】
セパレータを介して電極を積層してなる電極積層体の製造方法において、
前記セパレータと前記電極とを交互に積層する工程と、
前記セパレータが２枚積層されたときは、１つ下の前記セパレータと接着する工程と、
前記セパレータが３枚以上積層されたときは、前記セパレータが積層される度に、１つ下の前記セパレータと２つ下の前記セパレータとの接着位置と重ならないように、１つ下の前記セパレータと接着をする工程と、を含んでいる、電極積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池などに用いられる電極積層体とその製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンやタブレット端末などの携帯用電子機器の普及に伴い、小型、軽量で薄く、かつ長時間の連続稼働が可能な二次電池等が求められている。二次電池を構成する方法の１つに、多数枚の正極電極と負極電極とをセパレータを介して積層させる方法がある。この方法で製造された積層型二次電池は、電池の形状を比較的自由に形成することができ、密度の高い電極が使用できるため、高いエネルギー密度を有することができる。
【０００３】
積層型二電池において、電極とセパレータの位置が固定されないことで電極の位置ずれや短絡が発生してしまうおそれがある。電極とセパレータの位置が不安定だと二次電池の特性劣化や故障が生じる可能性がある。この対策として、正極および負極の電極が交互に積層され、正極電極と負極電極との間に絶縁性を有するセパレータを備えた構造である積層型二次電池に関する関連技術の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１では、一方の電極を袋状のセパレータで覆うことを開示している。具体的には、一方の電極を挟むシート状のセパレータ同士の端面を溶着して袋状のセパレータを形成し、その中にセパレータを挟んで隣り合う一方の電極を収容することで一方の電極とセパレータとの位置が固定されるため、積層される正極電極と負極電極とセパレータとの位置ずれが抑制される。この一方の電極が収容されたセパレータと他方の電極とを積層していくことで、短絡の発生が抑えられた積層型二次電池が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３８０９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の製造方法の場合、図９に示すように、一方の電極が収容されたセパレータ５１と他方の電極５２とが積み重ねて積層体を作っていくが、セパレータ５１と他方の電極５２を積み重ねていくと、積層体の下方に位置するセパレータ５１と他方の電極５２との間で位置ずれを起こすおそれがある。一方の電極が収容された袋状のセパレータ５１と他方の電極５２との位置ずれが大きい場合、短絡が生じることがある。一方の電極は、袋状のセパレータ５１に内包されているため、袋状のセパレータ５１内にある一方の電極と袋状のセパレータ５１との位置は拘束されるが、袋状のセパレータ５１と他方の電極５２の位置は拘束されないため位置ずれが発生する。袋状のセパレータ５１と他方の電極５２の積層を妨害しない範囲で積層体の最上面を押さえることにより位置ずれをある程度防ぐことが可能である。しかしながら、袋状のセパレータ５１と他方の電極５２とが積み重なっていくと上方の層がクッションの役目を果たし、下方の層を十分に押さえられなくなり、積層体の上方の層を押えるだけでは位置ずれの防止が不十分となる。押さえる力を強くすることによって位置ずれを防ぐことは可能となるが、強すぎる場合には電極、もしくはセパレータを傷付け、短絡が発生する恐れがある。
【０００６】
そこで本発明は、電極とセパレータとを交互に積層させていくと電極積層体の下方の層で位置ずれが生じる、といった課題を解決する電極積層体とその製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電極積層体は、セパレータを介して電極を積層してなる。セパレータは、電極を挟んで隣接する一方のセパレータと他方のセパレータとに異なる位置で少なくとも１箇所接合されており、接合箇所では、１組のセパレータ同士のみが接合している。
【０００８】
本発明のセパレータを介して電極を積層してなる電極積層体の製造装置は、電極とセパレータを積層する積層ステージと、積層ステージに電極とセパレータとを交互に搬送して積層する搬送機構と、搬送機構によって積層ステージ上に積層されたセパレータを該セパレータの下層のセパレータと接着する接着機構と、接着機構を移動させる移動機構と、を有する。
【０００９】
本発明のセパレータを介して電極を積層してなる電極積層体の製造方法は、セパレータと電極とを交互に積層する工程と、セパレータが２枚積層されたときは、１つ下のセパレータと接着する工程と、セパレータが３枚以上積層されたときは、セパレータが積層される度に、１つ下のセパレータと２つ下のセパレータとの接着位置と重ならないように、１つ下のセパレータと接着をする工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電極とセパレータとを交互に積層させても、電極積層体の下方の層における位置ずれを防止することができる。
【００１１】
また、セパレータの溶着された箇所は溶け込んで薄くなる、あるいは材料が変質して硬くなるなどする。そのため、セパレータの既に溶着された箇所にさらに溶着を繰り返すと、何も溶着されていない箇所に溶着する場合とは条件が異なるため、溶着が不安定になる可能性がある。これに対して、本発明によれば、セパレータの、何も溶着されていない箇所同士を溶着するため溶着条件が安定し、溶着不良が発生しない安定した溶着を実現することができる。
【００１２】
また、電極とセパレータの積層完了後に電極積層体を搬送する場合に、電極積層体がセパレータによって固定された状態になるため、搬送が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る電極積層体の一実施形態の概略図であって、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢印の方向から見た概略図である。
【図２】正極電極を内包する袋状のセパレータの製造方法を説明する概略図である。
【図３】図２のＡ部の拡大した、シート状のセパレータの接着パターンを示す概略図であり、（ａ）は連続的に接着した状態、（ｂ）は断続的に接着した状態である。
【図４】電極積層体の製造装置の概略構成図である。
【図５】セパレータと負極とを積層するときのシーケンスである。
【図６】本発明の電極積層体の製造手順を示す概略図である。
【図７】図６の続きの製造手順を示す概略図である。
【図８】セパレータ同士の溶着の他の一例を示す概略図であり、（ａ）は一辺に複数の溶着を行う例、（ｂ）はセパレータの組ごとに溶着位置をずらす例である。
【図９】関連技術の一例の電極積層体の課題を示す側面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態の詳細について説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。なお、以降の図では、正極電極や負極電極に設けられる集電泊は省略しており、本発明の説明に必要な部分のみ図示し説明する。
【００１５】
［電極積層体］
図１は本発明に係る電極積層体の一実施形態の概略図であって、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢印の方向から見た概略図である。本発明の電極積層体７は、正極電極１（図２参照）を内包した袋状のセパレータ８と負極電極３とが交互に積層されている。そして、袋状のセパレータ８は、対向する２辺において、それぞれ下層に位置する袋状のセパレータ８と１つの接合点５で溶着している。また、接合点５の位置は、袋状のセパレータ８と負極電極８との積層方向で下から上に向かって交互に同じ位置になっている。
【００１６】
本発明によれば、隣接する袋状のセパレータ８同士を、負極電極３を挟んで溶着してしまうため、セパレータ８と負極電極３とを交互に積層させてなる電極積層体７が厚くなった場合でも、下方において負極３と正極電極１を内包する袋状のセパレータ８の位置ずれが生じにくくなる。
【００１７】
また、一度溶着された箇所は溶け込んで薄くなる、あるいは材料が変質して硬くなるなどするため、積層方向で下から上に向かって同じ位置で袋状のセパレータ８同士を溶着していくと、何も溶着されていない箇所に接着する場合とは条件が異なるので、接着が不安定にある可能性がある。これに対して、常に何も溶着されていない箇所同士を接着するため、接着条件が安定し、接着不良が発生しない安定した溶着を実現することができる。
【００１８】
なお、以降の説明では、「正極電極１」を「正極１」と称し、負極電極３を「負極３」と称する。また、以降の説明では、「袋状のセパレータ８」という表現は正極１を内包した状態を意図している。
【００１９】
［製造方法］
次に電極積層体７の製造方法を説明する。初めに正極１を内包する袋状のセパレータ８の製造方法を説明する。図２は、袋状のセパレータ８の製造方法を示す概略図である。図３は、図２のＡ部を拡大したシート状のセパレータの接着パターンを示す概略図である。まず正極１、負極３、シート状のセパレータ４を所定の寸法で切断する。シート状のセパレータ４は短絡を防ぐために正極１や負極３よりも大きい寸法で切断する。切断した２枚のシート状のセパレータ４で正極１を、集電箔６が外部に露出した状態で挟み込む。なお、本実施形態では、正極１をシート状のセパレータ４で挟み込んだが、正極１ではなく負極３を挟み込んでもよい。そして、シート状のセパレータ４と正極１の位置を合わせて正極１の、集電箔６がある辺以外の３辺を接着することによって正極１を内部に有する袋状のセパレータ８を作製する。なお、先に２枚のセパレータ４の３辺を先に接着し、後から正極１を挿入してもよい。
【００２０】
接着するシート状のセパレータ４の３辺は図３（ａ）に示すように連続的に接着しても、図３（ｂ）に示すように断続的に接着しても問題なく、袋状のセパレータ８の内部に配置された正極１が、セパレータ８に対しある程度固定されていればよい。
【００２１】
図４に、内部に正極１を有する袋状のセパレータ８と負極３とが交互に積層された電極積層体７の製造装置の概略図を示す。また、図５に、内部に正極１を有する袋状のセパレータ８と負極３とを積層するときのシーケンスを示す。積層前のセパレータ８が載置されたセパレータステージ１０ａと、積層前の負極３が載置された負極ステージ１０ｂと、セパレータ８と負極３とからなる電極積層体７が載置される積層ステージ１０ｃとが設けられている。そして、セパレータステージ１０ａのセパレータ８または負極ステージ１０ｂの負極３を積層ステージ上１０ｃ上に交互に移動させる積層ハンド２０が設けられている。積層ハンド２０は上下左右に移動可能な不図示の機構と接続されている。また、積層ハンド２０には、セパレータ接着機構２２が設けられている。セパレータ接着機構２２には、セパレータ８同士を溶着する際に下に位置し、溶着するセパレータ８以外のセパレータや負極１を保護する薄板状の下受け爪１３（図６参照）と、電極積層体７の最上面を押える押え爪１２と、セパレータ同士を接着する接着ヘッド２１と、が設けられている。接着ヘッド２１には、例えばヒータが設けられることで、セパレータ８同士を溶着させることができる。
【００２２】
積層ハンド２０で負極３と正極１を内包する袋状のセパレータ８を１枚ずつ交互に搬送し、位置合わせをした状態で、積層ステージ１０ｃにセットされた治具１１上に積層する。そして、セパレータ８を搬送したときには、接着ヘッド２１を動作させ、搬送してきたセパレータ８と１つ下層のセパレータ８の一部とを接着する。セパレータ８と負極３の搬送とセパレータ８同士の接着とを繰り返すことで、電極積層体７を成形する。
【００２３】
次に、図６、図７を用いて、正極１を内包する袋状のセパレータ８と負極３とが積層してなる電極積層体７の製造手順を詳細に説明する。なお、図６、図７の各図において、左側の図が電極積層体７の斜視図であり、右側の図が左側の図の斜視図における矢印の方向から見た図である。
【００２４】
以降に、電極積層体７の製造手順を説明する。また、以降の説明は、負極電極３から積層していく場合であるが、正極電極１を内包した袋状のセパレータ８から積層しても構わない。
１．積層治具１１を積層ステージ１０ｃにセットする（図６（ａ））。
２．負極３を治具の上に位置を合わせ積層し、積層体押さえ爪１２で負極３を保持する（図６（ｂ））。
３．セパレータ８の接着予定位置に対応した位置に下受け爪１３を配置する（図６（ｃ））。下受け爪１３は接着されるセパレータ８同士のうちの下方に位置するセパレータ８の接着位置の下に配置する必要がある。負極３とセパレータ８の寸法差がほとんどない場合に、下受け爪１３の上に負極３が積層されることがあるため、負極３を傷つけないよう下受け爪１３は薄い方が好ましい。また、先にセパレータ８から積層する場合には、１枚目のセパレータ８を積層する前に予め下受け爪１３を配置する必要がある。
４．位置を合わせした、正極１を内包した袋状のセパレータ８を先に配置された負極３上に積層し、積層体押さえ爪１２で負極３とセパレータ８とからなる電極積層体７を保持する（図６（ｄ））。
５．位置を合わせした負極３を電極積層体７の最上面に位置するセパレータ８上に積層し、積層体押さえ爪１２で電極積層体７を保持する（図６（ｅ））。
６．次に積層されるセパレータ８とさらに次に積層されるセパレータ８とを接着する接着予定位置に対応した位置に別の下受け爪１３を配置する（図６（ｆ））。
７.位置を合わせしたセパレータ８を電極積層体７の最上面に位置する負極３上に積層し、積層体押さえ爪１２で電極積層体７を保持する（図６（ｇ））。
８．接着ヘッド２１を上記工程３で配置した下受け爪１３と対向させてから下受け爪１３に近づけ、２枚のセパレータ８の一部同士を接着させてから、接着ヘッド２１を電極積層体７から離間させる（図６（ｈ）（ｉ））。
９．位置を合わせした負極３を電極積層体７の最上面に位置するセパレータ８上に積層し、積層体押さえ爪１２で電極積層体７を保持する（図７（ｊ））。
１０．次に積層されるセパレータ８とさらに次に積層されるセパレータ８とを接着する接着予定位置に対応した位置に別の下受け爪１３を配置する（図７（ａ））。
１１．位置を合わせしたセパレータ８を電極積層体７の最上面に位置する負極３上に積層し、積層体押さえ爪１２で電極積層体７を保持する（図７（ｂ））。
１２．接着ヘッド２１を上記工程６で配置した下受け爪１３と対向させてから下受け爪１３に近づけ、上記工程７と上記工程１１とで積層させた２枚のセパレータの一部同士を接着させてから、接着ヘッド２１を電極積層体７から離間させる（図７（ｃ）（ｄ））。
１３．位置を合わせした負極３を電極積層体７の最上面に位置するセパレータ８上に積層し、積層体押さえ爪１２で電極積層体７を保持する（図７（ｅ））。
１４．次に積層されるセパレータ８とさらに次に積層されるセパレータ８とを接着する接着予定位置に対応した位置に別の下受け爪１３を配置する（図７（ｆ））。
１５．位置を合わせしたセパレータ８を電極積層体７の最上面に位置する負極３上に積層し、積層体押さえ爪１２で電極積層体１５を保持する（図７（ｇ））。
１６．接着ヘッド２１を上記工程１０で配置した下受け爪１３と対向させてから下受け爪１３に近づけ、上記工程１１と上記工程１５とで積層させた２枚のセパレータの一部同士を接着させてから、接着ヘッド２１を電極積層体７から離間させる（図７（ｈ）（ｉ））。
１７．以降、工程１３から工程１６を繰り返し、必要な層数に達するまで正極１を内包した袋状のセパレータ８と負極３とを積層し、隣接する袋状のセパレータ８同士の溶着を行い、電極積層体７が完成する（図７（ｊ））。
【００２５】
なお、隣接する袋状のセパレータ８同士の溶着について、隣接するセパレータ同士の溶着は、袋状のセパレータ８の対向する２辺において各１箇所ではなく、図８（ａ）に示すように各２箇所、あるいはそれ以上であってもよい。各辺において２箇所以上溶着することで、袋状のセパレータ８と負極３の位置ずれがより起こりにくくなる。また、セパレータの各層において接着する箇所は各層ごとで交互になっている必要はなく、接着する位置がずれていてもよい（図８（ｂ））。
【００２６】
本発明の電極積層体７の完成後に電極積層体７を搬送する場合に、電極積層体７がセパレータ８によって固定された状態になるため、搬送が容易になるという効果も得られる。
【００２７】
さらに、セパレータ接着機構２２は積層ハンド２０に備えられていなくてもよく、ステージ１０ｃがセパレータ接着機構２２を備えてもよく、完全に独立していてもよい。積層ハンド２０がセパレータ接着機構２２を備える場合には積層と同期してセパレータを接着するが、接着ハンド２０とセパレータ接着機構２２とが分離独立している場合は、積層ハンド２０が電極を搬送中にセパレータを接着することが可能となる。
【００２８】
また、下受け爪１３をステージ１０ｃに配置し、積層体押え爪１２を積層ハンド２０に配置しても良い。
【００２９】
なお、上記では、正極１を内包した袋状のセパレータ８と負極３とを交互に積層させていく電極積層体７を説明した。例えば、シート状のセパレータ４を袋状にせず、負極３、セパレータ４、正極１、セパレータ４、負極３と１枚ずつ積層して、隣接する１組のセパレータ８同士を、隣接する他の１組のセパレータ８同士とは異なる位置で交互に接着することによって、袋状のセパレータ８を用いた場合と同様の効果を得ることができる。これによりシート状のセパレータ４を袋状に加工する工程をなくすことが可能となる。
【符号の説明】
【００３０】
１  正極電極
３  負極電極
４  シート状のセパレータ
５  接合点
７  電極積層体
８  袋状のセパレータ
１０ｃ  積層ステージ
１３  下受け爪
２０  搬送機構
２１  接着ヘッド
２２  接着機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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