(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被捲回物の一部を、捲芯が、捲芯を構成する断面が半円形の２つの部材の間に形成される間隙としてその回転軸方向に沿って有する空隙部内に、当該空隙部内に進入可能な挿入部材を当該捲芯空隙部に対して移動させることによって、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に位置させた後、捲芯を構成する断面が半円形の２つの部材を相対的に移動させてこれら２つの部材の間に被捲回物を挟み込み、捲芯を回転させることにより、被捲回物を捲芯上に巻き取って電極体を製造する電池用電極体の製造方法。
【請求項２】
被捲回物が、セパレーターと正極及び／又は負極の積層体である請求項１記載の電池用電極体の製造方法。
【請求項３】
回転軸方向に沿った空隙部を有する捲芯と、その空隙部内に、捲芯回転軸方向と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に被捲回物を位置させる手段と、捲芯の回転手段とを備えている電池用電極体の製造装置であって、前記捲芯は、断面が半円形の２つの部材から構成され、それら断面が半円形の２つの部材は、それらの間に上記空隙部が形成されるように間隙をあけて対向する位置と、それらの間に被捲回物を挟み込む位置との間で、相対的に移動可能であり、捲芯の空隙部内に捲芯回転軸方向と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に被捲回物を位置させる手段は、捲芯の空隙部内に進入可能な挿入部材と、その挿入部材を、捲芯回転軸方向と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に空隙部内に挿入する手段とから構成されている電池用電極体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セパレーターと電極とを捲芯を用いて捲回してなる電池用電極体の製造方法と装置に関し、更に詳しくは、捲芯を除去してできる電池用電極体のセンター穴にセパレーター等の被捲回物が実質上残らない電池用電極体の製造方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオ機器やオーディオ機器、更には通信機器やコンピューターなどの携帯化に伴い、高性能の電池に対する需要は益々高まりつつあるが、中でも、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、サイクル特性に優れ、自己放電も少ないので注目を浴び、種々の大きさ及び形態のリチウムイオン二次電池が既に実用化されている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池の電極体は、通常、図１０に示すように、２枚のセパレーター３、３と正極４及び負極５とを積層したものを、捲芯１の空隙部２に挟み込み、捲芯１を回転させることによって捲回し、次いで、捲芯１を抜き取ることによって製造するが、被捲回物であるセパレーター３、３の先端部を捲芯１の空隙部２に挟み込んで捲回するために、図１１に示すように、捲芯１が抜き取られた電極体６のセンター穴７内には、センター穴７を横切って、平仮名の“の”の字状にセパレーター３が残ってしまうという欠点があった。このセンター穴７は、図１２に示すように、電極体６を負極缶８に挿入した後に、負極リード９と負極缶８とを溶接する溶接棒１０の挿入穴として利用されるものであり、そのセンター穴７にセパレーター３が“の”の字状に存在することは、溶接棒１０の挿入を妨げ、溶接不良の原因ともなって、好ましいものではない。
【０００４】
この不都合をなくすため、従来は、溶接棒１０の挿入に先立って、やや高温に熱したリフォーミングピンをセンター穴７内に挿入して、センター穴７の中央に存在するセパレーター３を、センター穴内壁に押しつけて、センター穴７をリフォーミングすることが行われていた。しかしながら、このような方法では、リフォーミングの為の工程が増えるばかりでなく、高温を使用する為に電極体に思わぬ損傷を与えたり、リフォーミングされたはずのセンター穴が溶接棒挿入時には再び元の形状に戻っていたりして、製品歩留まりを悪くするという問題点があった。
【０００５】
更には、特開平８−３１５８３０号公報に見られるように、捲芯端部の断面形状をセンター穴と同じ形状にし、この捲芯を抜き取る際に、捲芯端部によってセンター穴を成形することによって、センター穴内に“の”の字状に残るセパレータの問題を解決しようとする提案も為されてはいるが、この方法によっても、所詮は、センター穴内に残ってしまったセパレーターを事後的に処理するものであり、問題を根本的に解決するものではない。
【０００６】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は、これら従来技術の欠点を解決するために為されたもので、センター穴内に残ってしまったセパレーターを事後的に処理するという従来の考え方を根本的に転換し、そもそも、センター穴内にセパレーター等の被捲回物が実質的に残らないような電池用電極体の製造方法と製造装置を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、電池用電極体の製造方法並びに製造装置について研究を重ねた結果、従来のように、被捲回物であるセパレーター等の先端部を、捲芯の空隙部を貫通させて捲芯に挟み込むのではなく、被捲回物の一部を捲芯の空隙部を貫通させない程度に捲芯に挟み込み、捲芯を回転させることによって、捲回後、何らの成形を施すことなく、センター穴内に実質上、セパレーター等の被捲回物が残らない電極体が得られることを見出して、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、被捲回物の一部を、捲芯がその回転軸方向に沿って有する空隙部内に、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に位置させて、捲芯を回転させることにより、被捲回物を捲芯上に巻き取って電極体を製造する電池用電極体の製造方法によって、また、回転軸方向に沿った空隙部を有する捲芯と、その空隙部内に、捲芯回転軸方向と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に被捲回物を位置させる手段と、捲芯の回転手段とを備えている電池用電極体の製造装置によって、上記課題を解決するものである。
【０００９】
本発明にあっては、被捲回物が、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しない程度に空隙部内に位置せしめられることが重要である。ここで、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しない程度とは、捲芯の回転軸に沿って存在する空隙部内に位置する被捲回物の先端が、捲芯の反対側に出ることがないことを言い、被捲回物の先端が捲芯の反対側に出ない限り、空隙内における被捲回物の先端位置は特に問うものではない。しかしながら、通常、捲回を確実にし、かつ、センター穴内に実質上、被捲回物を残さないという観点からは、捲芯軸径の１／４ないし３／４程度、被捲回物が捲芯空隙部内に位置することが望ましく、更には、捲芯軸径の１／３ないし２／３程度、被捲回物が空隙部内に位置することが好ましい。
【００１０】
また、被捲回物が空隙部内に位置するとは、被捲回物が空隙部内に存在することを言い、例えば、被捲回物を捲芯空隙部の手前に置いて、捲芯と反対側から捲芯に向かって相対的に挿入部材を移動させ、その挿入部材を捲芯空隙部内に挿入することによって、被捲回物を空隙部内に位置させる。
【００１１】
挿入部材の形状としては、捲芯空隙部内に進入可能で、被捲回物の一部を空隙部内に挿入することができるものであれば良く、全体が空隙部内に挿入可能な程度に薄い板状ものや、空隙部内に挿入される部分だけが薄いもの、空隙部内に挿入される部分だけで構成される長尺状のもの、先端を特に薄くした刃状のも、糸状のものなど種々の形態が可能である。挿入部材は、捲芯回転軸と平行に配置され、捲芯回転軸と平行に空隙部内に挿入されるのが好ましい。
【００１２】
挿入部材の空隙部内への挿入深さは、挿入部材によって捲芯空隙部内に位置せしめられる被捲回物の挿入先端が捲芯を貫通しない程度であれば特に制限はないが、空隙部内に位置させる被捲回物の挿入先端と同程度、すなわち、捲芯軸径の１／４ないし３／４程度、挿入部材を捲芯空隙部内に挿入するのが好ましく、更には、捲芯軸径の１／３ないし２／３程度挿入するのが更に好ましい。
【００１３】
このように、本発明にあっては、捲芯空隙部内に位置する被捲回物の先端が捲芯を貫通して捲芯反対側に突き出る必要がないので、捲芯空隙部は、有底のものであっても、捲芯回転軸と直交する方向に捲芯を貫通しているものであっても良い。
【００１４】
被捲回物の一部が捲芯空隙部内に位置する状態で、捲芯が回転すると、空隙部は内部に被捲回物の一部を位置させたまま回転し、空隙部の内壁エッジと被捲回物との接点を起点にして被捲回物は捲芯上に捲き取られる。捲芯の回転に伴い、空隙部内に位置する被捲回物の一部が期せずして抜け出てしまうのを防ぐ為に、被捲回物が捲芯上を少なくとも１捲きするまでの間、被捲回物が空隙部から抜け出るのを防止する手段を講じるのが好ましい。被捲回物が捲芯上を少なくとも１捲きするまでの間とは、捲き取られる被捲回物が、捲芯を１捲きして、捲取の起点となった被捲回物上を覆うまでの間を言い、そのような状態になれば、被捲回物は自身にかかる張力によって捲き締まり、最早被捲回物が空隙部から抜け出ることはない。なお、被捲回物が空隙部から抜け出るのを防止する手段を講じる時期は、捲芯が回転を開始するまでであればいつでも良く、空隙部に被捲回物が位置する前であっても後であっても良い。また、被捲回物が空隙部から抜け出るのを防止する手段を解除する時期は、被捲回物が最早、捲芯空隙部から抜け出ることがなくなった後であればいつでも良く、安全率や、被捲回物や捲芯の性状、捲取速度などに応じて、適宜設定できることは言うまでもない。
【００１５】
被捲回物が空隙部から抜け出るのを防止する手段としては、捲芯構成部材で被捲回物を挟み込むことによって、被捲回物が捲芯空隙部から抜け出るのを防止することが可能である。
【００１６】
捲芯は、捲回終了後に抜き取られる。抜き取りは、捲芯全体を一方向に引き抜くことによって行っても良く、捲芯が２以上の部材から構成されている場合には、一方向、或いは、対向する２方向に引き抜くようにしても良い。
【００１７】
また、本発明において、被捲回物とは、電池用電極体を構成するに際して、捲回される材料を言い、リチウムイオン二次電池や、ニッケル／カドミウム二次電池の場合には、セパレーター、正極、負極などである。これらは通常、薄い帯状物であって、積層された状態で捲回位置に供給される。捲回される正極及び負極の長さは、通常、セパレーターよりも短いので、捲回位置に供給されてくる被捲回物の先頭部はセパレーターのみからなる。従って、捲芯の空隙部内に位置する被捲回物の一部は、大抵の場合、セパレーターであるが、捲芯の空隙部内に位置する被捲回物の一部は、何もセパレーターに限られるものではなく、被捲回物の先頭部を構成するものであれば、何であっても良い。なお、以下の説明は、主として、リチウムイオン二次電池もしくはニッケル／カドミウム二次電池を念頭において行うが、本発明が、これら特定の電池に限られるものではなく、また、以下に説明する特定の実施の態様に限定されるものでもないことは勿論である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の電池用電極体製造装置の全体構成を示す。図１において、１は捲芯であり、３はセパレーター、４は正極、５は負極である。１１、１２は、それぞれ、第１クランプローラー及び第２クランプローラーであって、双方向矢印で示される方向に移動可能であり、供給されてきたセパレーター３、ないしは、セパレーター３と正極４及び負極５を、上下から挟んでクランプできるようになっている。この第１、第２のクランプローラー１１及び１２は、一方向にのみ回転するモノウエイローラーで構成するのが望ましい。１３は挿入板、１４はモノウエイローラーからなる抜け止めローラー、１５は弛み付与ローラーで、矢印方向に移動して、セパレーター３に所定量の弛み付与するものである。１６はフィードローラー、１７はカッター、１８、１９は、それぞれ、正極リード溶接機構及び負極リード溶接機構、２０はアウターテープ、２１はアウターテープ貼付機構である。この図の例では、捲芯１は、断面が半円形の２つの部材１ａ及び１ｂから構成されており、３本用意されて、互いに１２０度離れたＡ、Ｂ、Ｃ、３つの位置を順次回転移動できるようになっている。Ａ位置では、捲芯１による、セパレーター３、３、正極４、及び負極５の捲取が行われ、Ｂ位置では、捲取終わった電極体６へのアウターテープの貼付が行われ、Ｃ位置では、捲芯１の抜き取り作業が行われる。捲芯１のＡ位置からＢ位置への回転移動は、次の捲取作業のために、セパレーター３、３を捲取準備位置に持ち来す役目もかねるものである。このように、捲芯１を３本用意し、各々の位置で、異なる作業を行うようにすることによって、作業効率を向上させることができる。捲芯１の数は、何も３本に限るものではなく、１本でも、２本でも、更には４本以上であっても良いことは勿論である。
【００１９】
次に、図面を用いて、この装置の動作を説明する。まず、図２に示すように第１のクランプローラー１１、１１が上下からセパレーター３、３を挟み込み、クランプする。同時に、この第１のクランプローラー１１よりも下流側では、カッター１７が上昇して、Ｂ位置にある捲取終わった電極体６からセパレーター３を切り離し、電極体６にアウターテープを貼付ける作業が行われる。
【００２０】
続いて、図３に示すように、抜け止めローラー１４が前進して、捲芯１との間でセパレーター３、３を挟み込み、捲芯１に当接する。抜け止めローラー１４は、矢印で示す方向にのみ回転するモノウエイローラーであるので、捲芯１の回転に伴って、セパレーター３、３を順次下流側に送り出す方向には回転するが、逆方向には回転せず、セパレーター３、３が捲芯１の回転に伴って空隙部内から抜け出るのを防止する機能を備えている。抜け止めローラー１４がセパレーター３、３を挟み込んで捲芯１に当接した後、第２のクランプローラー１２が上下からセパレーター３、３、及び正極４並びに負極５を挟み込み、クランプする。
【００２１】
次に、図４に示すように、第１のクランプローラー１１、１１によるクランプが解除され、挿入部材１３が上昇して、被捲回物であるセパレーター３、３を、捲芯１の空隙部２内に挿入する。続いて、挿入部材１３が下降し、捲芯１が回転を開始して、捲取が始まる。抜け止めローラー１４は、セパレーター３、３が捲芯１に少なくとも１捲き、好ましくは、１〜２捲き程度巻き付いた段階で、後退して、抜け止め機能を解除する。
【００２２】
図１に戻って、正極４及び負極５は、それぞれ、フィードローラー１６、１６によって、所定の時期に供給を開始され、セパレーター３、３と共に、第２のクランプローラー１２、１２によってクランプされ、捲回位置へと移動する。フィードローラー１６、１６は、正極４及び負極５が第２のクランプローラー１２、１２によってクランプされた段階で、正極４及び負極５との当接を解除する。正極４及び負極５は、セパレーター３、３と共に、順次捲回位置へと送り出され、正極４及び負極５の捲芯１への捲回が開始した段階で、第２のクランプローラー１２、１２のクランプは解除される。
【００２３】
捲回の終了時には、フィードローラー１６、１６が、正極４及び負極５を、それぞれクランプすると共に、フィードローラー１６、１６近傍のカッター１７、１７が機能して、正極４及び負極５を切断する。次いで、捲芯１は、回転を停止して、位置Ｂまで回動し、図１の状態に戻る。
【００２４】
なお、以上の説明では、抜け止め防止手段として、抜け止めローラーを用いる例を示したが、抜け止めローラーではなく、弛み付与ローラー１５を用いる場合には、図５に示すように、弛み付与ローラー１５が前進して、セパレーター３、３を押し上げ、その走行路長を伸ばして、セパレーター３、３に、捲芯１を少なくとも１捲きするに必要な弛みを付与する。次いで、第２のクランプローラー１２が上下からセパレーター３、３、及び正極４並びに負極５を挟み込み、クランプする。この場合の第２のクランプローラー１２としては、セパレーター３、３を下流方向にのみ送り出すように回転するモノウエイローラーを用いるのが好ましい。続いて、図６に示すように、第１のクランプローラー１１、１１よるクランプが解除され、挿入部材１３が上昇して、セパレーター３、３の一部を空隙部２内に位置させ、挿入部材１３が下降すると共に、弛み付与ローラー１５も下降して、捲芯１と第２のクランプローラー１２、１２との間には、捲芯１の少なくとも１捲き分に相当する弛みが残される。この状態で捲芯１は回転し、捲取が開始される。後の動作は、抜け止めローラー１４を用いる場合と同じである。
【００２５】
図７は、抜け止め防止手段の他の例を示し、捲芯１の空隙部２内に被捲回物であるセパレーター３、３等を位置させた後、捲芯１を構成する捲芯構成部材１ａを回転方向に回転させて、捲芯構成部材１ａのエッジと捲芯構成部材１ｂのエッジとの間で、セパレーター３、３を挟み込むものである。このようにしてセパレーター３、３を挟み込んだまま捲芯１は回転し、被捲回物が捲芯１上に捲回される。また、捲芯構成部材１ａを捲芯構成部材１ｂに対して相対的に移動させ、捲芯構成部材１ａと捲芯構成部材１ｂの対向する面間でセパレーター３、３を挟み込むようにしても良い。この図７に示したような抜け止め防止手や、上述した抜け止めローラーや弛み付与ローラーを用いる抜け止め防止手段、更には、その他の抜け止め防止手段は、その複数を併用しても良いことは勿論である。
【００２６】
このようにして捲き取られた電極体６は、図８に示すように、センター穴７に、平仮名の“の”の字状に残るセパレーター等の被捲回物がなく、捲回工程の後に、センター穴のリフォーミングをする必要がない。なお、本発明の製造方法ないしは製造装置は、セパレーター等の被捲回物の一部を捲芯を貫通させない程度に捲芯空隙内に位置させて、捲芯を回転させ捲回するものであるので、電極体６の中心部側にある被捲回物の先端部近傍には、通常、２２で示すように、空隙部２の内壁エッジが当接した折り目が１箇所だけ残る。図９に示すように、この折り目２２と被捲回物の先端２３との間の距離Ｘは、捲芯軸径より、換言すれば、センター穴７の直径よりも短い。これに対して、従来のように、被捲回物を捲芯を貫通させた状態で回転させて捲回するものにあっては、電極体６の中心部側にある被捲回物の先端部近傍には、例えば、図１１に見られるように、捲芯の軸径とほぼ同じ距離を隔てて、２箇所の折り目２２、２２が残るのが普通である。したがって、捲回された電極体の中心部側にある被捲回物の先端部近傍１箇所に折り目があるかどうかで、本発明にかかる電極体と従来技術による電極体とは明瞭に区別されるものである。なお、このような折り目が１箇所でないからといって、必ずしも、本発明の製造方法ないしは製造装置によって製造されたものではないということを意味するものではない。
【００２７】
以下、参考例を用いて、本発明を更に詳細に説明するが、本発明が以下の参考例に限られるものでないことは言うまでもない。
【００２８】
【参考例】
図１に示す装置を用いて、リチウムイオン二次電池用の電極体を製造した。断面半円形の超硬合金でできた捲芯構成部材２本を、０．４５ｍｍの間隔を開けて対向させ、直径４ｍｍの捲芯とし、それに、ポリプロピレンとポリエチレンとを積層した厚さ約３０μｍのセパレーター、厚さ約２００μｍ程度の正極及び負極を捲き付け、直径１８ｍｍの円筒形電池用電極体とした。挿入部材としては、厚さ０．２ｍｍのステンレス板を使用し、捲芯空隙部内に約２ｍｍ挿入した。抜け止め防止手段としては、図５〜図６に示す、弛み付与ローラーを用い、約２０ｍｍの弛みを持たせた。電極体は、合計で１２０個製造し、そのセンター穴形状を調べた。その結果、製造された１２０個の電極体のセンター穴は、捲芯を抜き取った状態で、全てきれいな円形をしており、センター穴に実質上、何らのセパレーターも存在しなかった。次いで、通常の製造装置を用いて負極リードと負極缶との溶接を行い、電池として組み立てたが、全て良好な電池特性を示し、不良品の発生は見られなかった。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電池用電極体の製造方法並びに製造装置によれば、センター穴内に、被捲回物が“の”の字状に残ることのない電極体が、容易に、かつ、確実に得られるものである。本発明によれば、電極体の捲回後にセンター穴をリフォームしたり、成形したりする必要がなく、製造工程が簡略化できるのみならず、生産効率を高め、しかも、熱や溶剤や接着剤等を使用しないので、電池性能や環境に与える影響を顧慮する必要がない。従って、そのような電池用電極体は、電極体として優れていると共に、そのような電極体を組み込んだ電池そのものも、極めて性能の良い、優れた電池が得られるものである。
【００３０】
【図面の簡単な説明】
【図１】  電極体製造装置の全体図を示す図である。
【図２】  電極体製造装置の動作を示す図である。
【図３】  電極体製造装置の動作を示す図である。
【図４】  電極体製造装置の動作を示す図である。
【図５】  電極体製造装置の動作を示す図である。
【図６】  電極体製造装置の動作を示す図である。
【図７】  電極体製造装置の他の例を示す図である。
【図８】  本発明の電極体の一例を示す側面図である。
【図９】  本発明の電極体の一部を拡大した図である。
【図１０】  従来の電極体の製造方法を示す図である。
【図１１】  従来の電極体の側面図である。
【図１２】  従来の電池の製造方法を示す断面図である。
【００３１】
【符号の説明】
１      捲芯
２      空隙部
３      セパレーター
４      正極
５      負極
６      電極体
７      センター穴
８      負極缶
９      負極リード
１０    溶接棒
１１    第１のクランプローラー
１２    第２のクランプローラー
１３    挿入部材
１４    抜け止めローラー
１５    弛み付与ローラー
１６    フィードローラー
１７    カッター
１８    正極リード溶接機構
１９    負極リード溶接機構
２０    アウターテープ
２１    アウターテープ貼付機構
２２    折り目
Ｘ      被捲回物先端部からの距離
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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