(57)【要約】【課題】電極材料の反りを抑制することができる巻取用リールを提供すること。【解決手段】巻取用リール１０は、円筒状の軸芯部１１と、軸芯部１１の外周面に存在し、複数本の金属ワイヤＷによって形成された巻き取り部１５と、を備える。巻き取り部１５は、金属ワイヤＷを軸芯部１１の外周面から径方向に突出した形状に曲げた構造の凸部１６と、凸部１６に連続した金属ワイヤＷを軸芯部１１の外周面に固定した固定部２０とを軸芯部１１の周方向に沿って交互に複数備えるとともに、凸部１６及び固定部２０を軸芯部１１の軸方向に複数備える。凸部１６は、軸芯部１１の周方向に隣り合う固定部２０から立設した脚部１７と、一対の脚部１７同士を繋ぎ、電極材料３０の内周面に線接触する形状の支持部１８を有する。固定部２０は、軸芯部１１の外周面に線接触する形状を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状金属箔の表面に活物質合剤の塗工部が形成された電極材料を巻き取るとともに、前記活物質合剤の塗工部の加熱乾燥に使用される巻取用リールであって、
円筒状の軸芯部と、
前記軸芯部の外周面に存在し、複数本の金属ワイヤによって形成された巻き取り部と、を備え、
前記巻き取り部は、前記金属ワイヤを前記軸芯部の外周面から径方向に突出した形状に曲げた構造の凸部と、該凸部に連続した前記金属ワイヤを前記軸芯部の外周面に固定した固定部とを前記軸芯部の周方向に沿って交互に複数備えるとともに、前記凸部及び前記固定部を前記軸芯部の軸方向に複数備え、
前記凸部は、前記軸芯部の周方向に隣り合う前記固定部から立設した脚部と、一対の脚部同士を繋ぎ、前記電極材料の内周面に線接触する形状の支持部を有し、
前記固定部は、前記軸芯部の外周面に線接触する形状を有する巻取用リール。
【請求項２】
前記軸方向に隣り合う前記凸部同士は、前記軸芯部の周方向にずれている請求項１に記載の巻取用リール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帯状金属箔の表面に活物質合剤の塗工部が形成された電極材料を巻き取るとともに、活物質合剤の塗工部の加熱乾燥に使用される巻取用リールに関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電装置の一種である二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池が知られている。リチウムイオン二次電池は、ケースを備えるとともに、このケース内に電極組立体を備える。電極組立体は、金属箔に活物質層を備える正極の電極及び負極の電極を積層、或いは捲回した構造である。
【０００３】
各極の電極の製造は、まず、活物質、導電剤、溶媒及びバインダを混合したペースト状の活物質合剤を各極の帯状金属箔の表面に塗布して活物質合剤の塗工部を形成し、電極材料を形成する。そして、塗工部を乾燥及び加圧した後、電極材料を電極の外形に沿う形状に切断する。すると、塗工部から活物質層が形成されるとともに、帯状金属箔からタブ等が形成されて電極が製造される。
【０００４】
電極において、活物質層に溶媒や水分が残っていると電池性能が低下するため、塗工部を十分に乾燥させることが好ましい。このため、電極の各製造工程のうち、塗工部を乾燥及び加圧した後、さらに、真空又は減圧乾燥による乾燥工程を行い、活物質合剤の塗工部に残った僅かな溶媒や水分の除去が図られている。
【０００５】
乾燥工程では、電極材料が、該電極材料を巻き取った巻取用リールごと乾燥炉内に収容され、巻取用リールごと加熱されて乾燥が行われる。乾燥炉内に収容される巻取用リールとしては、例えば、特許文献１に開示の巻取用リールが挙げられる。特許文献１の巻取用リールは、電極材料が巻回される芯部と、芯部に巻回された電極材料を乾燥炉内の載置部に対して非接触状態に保持可能に芯部を支持する支持部とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−２３２５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、活物質合剤には溶媒として高沸点の溶媒、例えば、ＮＭＰ（Ｎメチルピロリドン）が使用されている。このため、溶媒を除去するために、乾燥炉内は１００℃以上（例えば、１２０℃）に昇温される。このとき、活物質合剤を構成する金属酸化物や炭素材料は、巻取用リールを形成する金属に比べて線膨張率が小さい。このため、１００℃以上に昇温して加熱乾燥を行うと、活物質合剤の塗工部と巻取用リールとの膨張率の差により、巻取用リールの周長が、巻き取られた電極材料の周長より長くなってしまう。すると、巻き取られた状態の電極材料に張力が加わって電極材料に反りが発生する場合がある。
【０００８】
本発明の目的は、電極材料の反りを抑制することができる巻取用リールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するための巻取用リールは、帯状金属箔の表面に活物質合剤の塗工部が形成された電極材料を巻き取るとともに、前記活物質合剤の塗工部の加熱乾燥に使用される巻取用リールであって、円筒状の軸芯部と、前記軸芯部の外周面に存在し、複数本の金属ワイヤによって形成された巻き取り部と、を備え、前記巻き取り部は、前記金属ワイヤを前記軸芯部の外周面から径方向に突出した形状に曲げた構造の凸部と、該凸部に連続した前記金属ワイヤを前記軸芯部の外周面に固定した固定部とを前記軸芯部の周方向に沿って交互に複数備えるとともに、前記凸部及び前記固定部を前記軸芯部の軸方向に複数備え、前記凸部は、前記軸芯部の周方向に隣り合う前記固定部から立設した脚部と、一対の脚部同士を繋ぎ、前記電極材料の内周面に線接触する形状の支持部を有し、前記固定部は、前記軸芯部の外周面に線接触する形状を有することを要旨とする。
【００１０】
これによれば、凸部の支持部を軸芯部の周方向に繋いだ円を仮想円とすると、巻き取り部に電極材料が巻き取られる際、電極材料は仮想円の周りに巻き取られる。そして、電極材料を巻き取った巻取用リールが、電極材料とともに加熱された場合、軸芯部が周方向へ膨張し、拡径しても、その軸芯部の外周面に固定された巻き取り部において、各凸部の脚部が軸芯部の拡径に追従して変形し、各凸部の支持部の高さは変わりにくい。軸芯部の拡径が、凸部の変形によって相殺され、巻き取り部の仮想円の周長が加熱前より長くなることが抑えられる。このため、巻き取り部の仮想円の周長が、巻き取られた状態の電極材料の周長より長くなることが抑制される。その結果、巻き取られた状態の電極材料に対し、巻き取り部から張力が加わることが抑制され、電極材料に反りが生じることを抑制できる。
【００１１】
また、巻取用リールについて、前記軸方向に隣り合う前記凸部同士は、前記軸芯部の周方向にずれていてもよい。
これによれば、複数の支持部において、軸芯部の軸方向に凸部が同列で並んでいる場合と比べると、巻き取られた電極材料の内周面を支持する箇所が増え、電極材料の巻取り形状が崩れにくくなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電極材料の反りを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】巻取用リールを示す分解斜視図。
【図２】巻取用リールの径方向に沿った断面図。
【図３】巻取用リールを示す部分断面図。
【図４】別例の巻取用リールを示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、巻取用リールを具体化した一実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
この実施形態の巻取用リールを用いて製造される電極を使用した蓄電装置としての二次電池は、図示しないが、外観が角型をなす角型電池であり、リチウムイオン電池である。この二次電池は、ケース内に電極組立体を備える。電極組立体は、複数の正極の電極と、複数の負極の電極を備える。電極は金属箔の両面に活物質層を備える。電極組立体は、正極の電極と負極の電極とが、両者の間を、多孔質かつ樹脂製のセパレータで絶縁した状態で交互に積層されて構成されている。
【００１５】
次に電極の製造方法について説明する。
電極の製造方法は、混練工程と、活物質合剤の塗工部の形成工程と、加圧工程と、乾燥工程と、打ち抜き工程とを含む。
【００１６】
混練工程は、活物質、バインダ、溶媒及び必要に応じて導電助剤、増粘剤を混練して活物質合剤を製造する工程である。電極が正極の場合は、活物質として正極用活物質を使用し、電極が負極の場合は、活物質として負極用活物質を使用する。
【００１７】
活物質合剤の塗工部の形成工程は、帯状金属箔の表面に活物質合剤を塗布する工程である。塗工部の形成工程では、帯状金属箔が供給用リールから繰り出され、塗工装置により活物質合剤が帯状金属箔の両面（表面）に塗布される。その後、活物質合剤の塗工部が乾燥され、塗工部が形成される。
【００１８】
加圧工程は、乾燥された両方の塗工部をロールプレスによって圧縮する工程である。加圧工程は、塗工部の形成工程の直後に行われ、加圧工程を経た電極材料は巻取用リールに巻き取られる。
【００１９】
乾燥工程は、塗工部の形成工程の乾燥時には乾燥しきれず、塗工部内に残る僅かな溶媒（水又は非水溶媒）を蒸発させる工程である。乾燥工程では、電極材料を巻き取った巻取用リールを乾燥炉内に配置する。乾燥炉内の減圧高温環境下に、電極材料を巻き取った巻取用リールを数時間〜十数時間保管する。
【００２０】
打ち抜き工程は、電極材料から個々の電極を打ち抜く工程である。この実施形態では積層型電極組立体用のタブを備えた電極を打ち抜く。
次に、電極材料を巻き取るとともに、乾燥工程で乾燥炉内に配置される巻取用リールについて説明する。
【００２１】
図１又は図２に示すように、巻取用リール１０は、円筒状の軸芯部１１を備える。軸芯部１１の中心軸線Ｌの延びる方向を軸方向とする。軸芯部１１は、円筒状の内周部形成体１２と、この内周部形成体１２の外周面に固定された円筒状の芯形成体１３と、を備える。内周部形成体１２はアルミニウム製である。芯形成体１３はセラミック製であり、芯形成体１３によって、軸芯部１１の剛性が高められている。軸芯部１１において、内周部形成体１２には、図示しない巻取機構のシャフトが嵌挿可能である。
【００２２】
巻取用リール１０は、軸芯部１１における芯形成体１３の外周面に固定された円筒状のベース部１４を備える。ベース部１４はアルミニウム製である。セラミック製の芯形成体１３と比べて、アルミニウム製のベース部１４の方が線膨張率が大きく、芯形成体１３よりベース部１４の方が熱膨張しやすい。巻取用リール１０の軸芯部１１は、ベース部１４の外周面に固定された巻き取り部１５を備える。
【００２３】
巻き取り部１５は、複数本の金属ワイヤＷ製である。金属ワイヤＷは、軸芯部１１の軸方向に複数配列されている。また、各金属ワイヤＷは、リング状であり、軸芯部１１の周方向に一繋ぎである。
【００２４】
巻き取り部１５は、軸芯部１１の外周面から径方向に突出した形状の複数の凸部１６と、各凸部１６を軸芯部１１の外周面に固定した複数の固定部２０とを備える。凸部１６と固定部２０は、軸芯部１１の周方向に交互に存在する。軸芯部１１の軸方向に隣り合う金属ワイヤＷ同士では、凸部１６が互いに周方向にずれた位置にあり、固定部２０も互いに周方向にずれた位置にある。
【００２５】
凸部１６は、一対の脚部１７と、脚部１７の先端同士を繋ぐ支持部１８とを含む。一対の脚部１７は、凸部１６に隣り合う固定部２０から立設されている。脚部１７の高さと、支持部１８の長手方向に沿う寸法とは、一定の比率を有する。
【００２６】
軸芯部１１を軸方向一端から見て、凸部１６は台形に近い形状である。また、支持部１８は、軸芯部１１の周方向に沿って長手が延び、緩やかに湾曲した形状である。固定部２０からの脚部１７の突出寸法は全て同じであり、１本の金属ワイヤＷの中で全ての支持部１８を周方向に繋いだ仮想線によって形成される仮想円Ｃの周りに電極材料３０が巻き取られる。すなわち、支持部１８の長手方向に沿う形状は仮想円Ｃに沿う形状である。
【００２７】
各固定部２０は、軸芯部１１の外周面の周方向に連続して延びる形状である。各固定部２０は、軸芯部１１の外周面に対し線接触した状態で固定されている。各固定部２０は、超音波接合によって軸芯部１１の外周面に固定されている。各金属ワイヤＷは、固定部２０と凸部１６が軸芯部１１の周方向に交互に存在するように、固定部２０を軸芯部１１の外周面に接合して軸芯部１１と一体化されている。各金属ワイヤＷは、所謂ワイヤボンディングと同じ要領で軸芯部１１の外周面に固定されている。
【００２８】
巻き取り部１５は、軸芯部１１の周方向に沿って凹凸の連続した形状である。複数本の金属ワイヤＷを含む巻き取り部１５は、軸芯部１１の外周面を覆う状態に存在する。各凸部１６は、一対の脚部１７の間隔を変化させることで軸芯部１１の周方向に沿って変形可能である。
【００２９】
図１に示すように、巻取用リール１０は、軸芯部１１の軸方向両端に一体の円環状の側板２１を備える。側板２１は、巻き取り部１５の仮想円Ｃより軸芯部１１の径方向外側に突出する状態でネジ２２によって軸芯部１１の内周部形成体１２に固定されている。側板２１の内径は、軸芯部１１の内径と同じである。側板２１の外径は、軸芯部１１に最大量の電極材料３０が巻回された状態において、その電極材料３０の巻回体の外径より大きく設定されている。
【００３０】
次に、巻取用リール１０の作用効果を記載する。
乾燥工程では、電極材料３０を巻き取った巻取用リール１０ごと乾燥炉内に配置し、巻取用リール１０ごと電極材料３０の加熱、乾燥が行われる。なお、図３に示すように、電極材料３０は、帯状金属箔３１の両面に活物質合剤の塗工部３２が長手方向全体に亘って形成されたものである。乾燥炉内は１００℃以上（例えば、１２０℃）に昇温され、電極材料３０及び巻取用リール１０が数時間〜十数時間保管される。その結果、塗工部３２の形成工程の乾燥時には乾燥しきれず、塗工部３２内に残る僅かな溶媒（水又は非水溶媒）が蒸発する。
【００３１】
（１）巻取用リール１０が加熱されると、図３の２点鎖線に示すように、ベース部１４が膨張して拡径するが、そのベース部１４の外周面に固定された巻き取り部１５は、各Ｗの凸部１６の脚部１７がベース部１４の拡径に追従して変形する。すると、巻き取り部１５の各凸部１６の支持部１８の高さは変わらず、巻き取り部１５の仮想円Ｃの周長が加熱前より長くなることが抑えられる。その結果、ベース部１４の拡径が、凸部１６の変形によって相殺され、巻き取り部１５の仮想円Ｃの周長が加熱前より長くなることが抑えられる。このため、巻き取り部１５と、電極材料３０とで周長の差が生じにくく、巻き取られた状態の電極材料３０に対し、巻き取り部１５から張力が加わることが抑制され、電極材料３０に反りが生じることを抑制できる。
【００３２】
（２）各固定部２０は、軸芯部１１の外周面に線接触した状態に固定されている。このため、固定部２０を軸芯部１１に強固に接合することができ、固定部２０に一体の凸部１６が倒れることを抑制できる。その結果、巻き取り部１５の形状を維持でき、電極材料３０を安定して巻き取ることができる。
【００３３】
（３）各凸部１６は、軸芯部１１の軸方向一端から見て台形状である。このため、凸部１６の支持部１８は、軸芯部１１の周方向に沿って長手が延びる形状である。そして、支持部１８は、巻き取り部１５の仮想円Ｃに沿う形状である。よって、巻き取った電極材料３０の内周面に対し支持部１８を線接触させることができる。その結果、巻き取った電極材料３０の内周面に対する凸部１６の接触面積を広くすることができ、電極材料３０を安定した状態に巻き取ることができる。また、巻き取り部１５に電極材料３０がテンションを掛けた状態で巻き取られても、各凸部１６の支持部１８によって電極材料３０が損傷を受けることが抑制できる。
【００３４】
（４）巻き取り部１５は、複数の凸部１６を周方向に並んで備える。このため、電極材料３０の反りを抑制するために、凸部１６と固定部２０を交互に備える巻取用リール１０であっても、電極材料３０を複数箇所から凸部１６によって支持して、電極材料３０の巻取り形状が崩れにくい。
【００３５】
（５）各凸部１６について、脚部１７の高さと支持部１８との比率は定められた範囲内に設定されている。このため、脚部１７が高くなりすぎることを抑制し、凸部１６を倒れにくくし、電極材料３０の巻き取り形状が崩れにくい。
【００３６】
（６）固定部２０は、超音波接合によって軸芯部１１の外周面に固定されている。超音波接合は金属ワイヤＷに熱を加えずに接合でき、金属ワイヤＷを溶かさずに接合できる。よって、固定部２０と軸芯部１１の接合強度が低下しにくい。固定部２０には、凸部１６を曲げることで生じたテンションが加わっているが、固定部２０の接合強度を確保して、固定部２０が軸芯部１１の外周面から剥がれることを抑制できる。
【００３７】
（７）軸芯部１１を軸方向の一端から見て、軸方向に隣り合う凸部１６同士が周方向にずれた位置に配置されている。このため、軸芯部１１の軸方向全体に亘って凸部１６が同列で並んでいる場合と比べると、電極材料３０を支持する箇所が周方向に増え、電極材料３０の巻取り形状が崩れにくくなる。
【００３８】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  図４に示すように、軸芯部１１を軸方向の一端から見て、軸方向に隣り合う凸部１６同士が同列に配置されていてもよい。
【００３９】
○  巻き取り部１５について、軸芯部１１の周方向全体に渡って１本の金属ワイヤＷで凸部１６と固定部２０を交互に形成したが、１本の金属ワイヤＷで凸部１６と一対の固定部２０を形成し、その金属ワイヤＷを軸芯部１１の周方向に複数配置して巻き取り部１５を形成してもよい。
【００４０】
○  各凸部１６の支持部１８は、軸芯部１１の周方向に沿って長手が延びる形状でなくてもよい。例えば、各凸部１６の支持部１８は円弧状であってもよい。
○  軸芯部１１の周方向に存在する凸部１６及び固定部２０の数は適宜変更してもよいし、軸芯部１１の軸方向に存在する金属ワイヤＷの本数は適宜変更してもよい。
【００４１】
○  側板２１は無くてもよい。
○  軸芯部１１の芯形成体１３は、インバー合金製であってもよい。インバー合金は、アルミニウム製のベース部１４及び巻き取り部１５よりも線膨張率が低い。このため、乾燥工程では、芯形成体１３は膨張しにくく、芯形成体１３の膨張を原因として、ベース部１４や巻き取り部１５が拡径されることを抑制できる。インバー合金は剛性を有するため、内周部形成体１２によって軸芯部１１の強度を確保でき、巻き取った電極材料３０の重みで軸芯部１１が撓むことを抑制できる。
【００４２】
○  巻取用リール１０で巻き取った電極材料３０から製造される電極は、ニッケル水素電池用でもよい。
○  帯状金属箔３１に対する活物質合剤の塗工方法は間欠塗工であり、帯状金属箔３１の長手方向に沿って塗工部３２が間隔を空けて形成されていてもよい。
【００４３】
○  電極は、金属箔の片面に活物質層を備える形状でもよい。この場合、電極材料３０は、帯状金属箔３１の片面に塗工部３２を備える構成となる。又は、電極は、金属箔の両面で異なる性質の活物質層を備える形状でもよい。
【００４４】
○  蓄電装置としてのキャパシタに適用してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記凸部の高さと、前記支持部の長さとは一定の比率である巻取用リール。
【００４５】
（２）前記軸芯部の軸方向一端から前記凸部を見て前記凸部は台形状である巻取用リール。
（３）前記固定部は、超音波接合によって前記軸芯部の外周面に接合されている巻取用リール。
【符号の説明】
【００４６】
Ｗ…金属ワイヤ、１０…巻取用リール、１１…軸芯部、１５…巻き取り部、１６…凸部、１７…脚部、１８…支持部、２０…固定部、３０…電極材料、３１…帯状金属箔、３２…塗工部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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