(57)【要約】本発明は、レーザを用いて正極シートを連続的にカッティングすることができる正極カッティング装置に関し、本発明の好ましい実施例によるレーザを用いた正極カッティング装置は、レーザビームを放出するレーザ発振器；及び正極シートをカッティングするために前記レーザ発振器から放出された前記レーザビームを集束して前記正極シートに照射する集束レンズ；を備え、前記正極シートの表面に照射されるレーザビームの焦点スポットのサイズは１０〜５０μｍであり、前記焦点スポットにおけるエネルギー密度は２５Ｊ／ｃｍ２以上であり得る。【選択図】図１
2016505384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを放出するレーザ発振器；及び
正極シートをカッティングするために前記レーザ発振器から放出された前記レーザビームを集束して前記正極シートに照射する集束レンズ；を備え、
前記正極シートの表面に照射されるレーザビームの焦点スポットのサイズは１０〜５０μｍであり、前記焦点スポットにおけるエネルギー密度は２５Ｊ／ｃｍ２以上であることを特徴とするレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項２】
前記レーザビームの周波数は、３５〜３００ｋHｚであることを特徴とする請求項１に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項３】
前記レーザ発振器の出力は、２０Ｗ〜５００Ｗであることを特徴とする請求項１に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項４】
前記レーザは、その品質を表す変数であるビームモードパラメータの値(Ｍ２)が１〜２.０であることを特徴とする請求項１に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項５】
前記集束レンズの焦点距離は、１００ｍｍ〜３００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項６】
前記正極シートを解くアンワインダー；及び
前記アンワインダーから離隔されたまま配置され、前記アンワインダーから解ける前記正極シートを巻き返すワインダー；をさらに備え、
前記集束レンズは、前記正極シートのうち前記アンワインダーと前記ワインダーとの間に跨っている区間である懸垂区間に前記レーザビームを照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項７】
前記正極シートの懸垂区間のうち集束されたレーザが照射される領域の垂れを抑制するために、前記懸垂区間の少なくとも一部区間を支持するシートガイドをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項８】
前記シートガイドは、
前記正極シートの懸垂区間の両面のうち垂れる方向側の面である第１面を支える第１ガイドと、前記正極シートの懸垂区間の両面のうち垂れる方向の反対方向に前記正極シートの懸垂区間が揺動することを抑制するために、前記懸垂区間の第２面と離隔されたまま、前記第２面の側に配置される第２ガイドとを有することを特徴とする請求項７に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項９】
前記第１ガイドと前記第２ガイドとの間の間隔は、０．５ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とする請求項８に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項１０】
前記レーザ発振器と前記集束レンズまで続く光路上に配置され、前記集束レンズによって集束されたレーザビームの焦点スポットを、前記正極シートの表面上の所望の位置に動くことができるように、直交座標系をなす第１軸と第２軸を基準にそれぞれ回動可能な第１ミラーと、第２ミラーをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項１１】
前記光路上に配置され、且つ前記第１ミラーと前記第２ミラーより前記レーザ発振器に近く位置し、前記レーザ発振器から放出されたレーザビームの光幅を調節する光幅調節機をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項１２】
前記光幅調節機は、第１レンズと、前記第１レンズより前記レーザ発振器からさらに遠い所に位置する第２レンズとを備え、
前記集束レンズを通過して集束されたレーザビームの焦点スポットと前記正極シートとの相互間の距離調節のために、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離調節構造が形成されたことを特徴とする請求項１１に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項１３】
前記レーザは、パルス変調が可能なDPSSレーザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【請求項１４】
前記レーザは、ファイバーレーザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザを用いた正極カッティング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザを用いた正極カッティング装置に関し、さらに詳しくはレーザを用いて正極シートを連続的にカッティングすることができる正極カッティング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、モバイル機器に対する技術開発と需要の増加により二次電池の需要もまた急激に増加しており、その中でもエネルギー密度と作動電圧が高く、保存と寿命特性が優れたリチウム(イオン／ポリマー)二次電池は、各種モバイル機器はもちろん、多様な電子製品のエネルギー源として広く用いられている。
【０００３】
前記リチウム(イオン／ポリマー)二次電池は、正極と負極が交互に積層されるものの、正極と負極との間に分離膜が介在されている構造を有する電極組立体が外装材ケースに収納されている構造となっている。
【０００４】
一方、電極組立体をなす電極は、平らな電極板の一端に電極タブが引き出されている構造となっているが、電極タブが引き出された電極板を製造するために従来には金型カッターを用いた。具体的には、電極板材料で電極タブの形状は残しておき、残りの部分を切り取られる形状を有する金型カッターを用いて、電極タブが引き出された電極板を製造することとなる。
【０００５】
このように金型カッターを用いて電極材料をカッティングする場合には、カッティング品質が高いとの長所はあるが、精密な形状の金型カッターを製造するのに非常に長い時間が必要となり、金型カッター自体の価格が高価であるとの問題があり、既に定められている金型カッターの形状だけで電極材料をカッティングするしかないとの限界がある。したがって、電極材料をカッティングする工場のライン上で多様な形状及びサイズを有する電極板を製造するためには、生産ラインを停止して金型カッターを交換した後、再稼動する過程を何回も繰り返さなければならない。
【０００６】
多様な種類の金型カッターを設けておき、これを交替しなければならないとのことは、単に金型カッターの生産単価を高めるとの問題を越えて、単位時間の間で生産できる電極板の収率を格段に落としてしまうとの問題まで引き起こす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前述した問題点を解決するために着想されたものであって、電極等のうち特に正極に関する内容を扱っており、一つの製造ラインで多様な形状の正極を製造するとしても、製造ラインを停止させる必要がなく、収率及び稼動率の高い正極カッティング装置を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の他の目的は、正極カッティング工程の費用を低めることができる正極カッティング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記のような目的を達するために本発明の好ましい実施例によるレーザを用いた正極カッティング装置は、レーザビームを放出するレーザ発振器；及び正極シートをカッティングするために前記レーザ発振器から放出された前記レーザビームを集束して前記正極シートに照射する集束レンズ；を備え、前記正極シートの表面に照射されるレーザビームの焦点スポットのサイズは１０〜５０μｍであり、前記焦点スポットにおけるエネルギー密度は２５Ｊ／ｃｍ２以上であり得る。
【００１０】
また、前記レーザビームの周波数は３５〜３００ｋHｚであり得る。
【００１１】
また、前記レーザ発振器の出力は２０Ｗ〜５００Ｗであり得る。
【００１２】
また、前記レーザは、その品質を表す変数であるビームモードパラメータの値(Ｍ２)が１〜２.０であり得る。
【００１３】
また、前記集束レンズの焦点距離は１００ｍｍ〜３００ｍｍであり得る。
【００１４】
また、前記レーザを用いた正極カッティング装置は、前記正極シートを解くアンワインダー；及び前記アンワインダーから離隔されたまま配置され、前記アンワインダーから解ける前記正極シートを巻き返すワインダー；をさらに備え、前記集束レンズは、前記正極シートのうち前記アンワインダーと前記ワインダーとの間に跨っている区間である懸垂区間に前記レーザビームを照射することができる。 
【００１５】
また、前記レーザを用いた正極カッティング装置は、前記正極シートの懸垂区間のうち集束されたレーザが照射される領域の垂れを抑制するために、前記懸垂区間の少なくとも一部区間を支持するシートガイドをさらに含むことができる。
【００１６】
また、前記シートガイドは、前記正極シートの懸垂区間の両面のうち垂れる方向側の面である第１面を支える第１ガイドと、前記正極シートの懸垂区間の両面のうち垂れる方向の反対方向に前記正極シートの懸垂区間が揺動することを抑制するために、前記懸垂区間の第２面と離隔されたまま、前記第２面の側に配置される第２ガイドとを有し得る。
【００１７】
また、前記第１ガイドと前記第２ガイドとの間の間隔は、０.５ｍｍ〜２ｍｍであり得る。
【００１８】
また、前記レーザを用いた正極カッティング装置は、前記レーザ発振器と前記集束レンズまで続く光路上に配置され、前記集束レンズによって集束されたレーザビームの焦点スポットを前記正極シートの表面上の所望の位置に動くことができるように、直交座標系をなす第１軸と第２軸を基準にそれぞれ回動可能な第１ミラーと、第２ミラーをさらに備えることができる。
【００１９】
また、前記レーザを用いた正極カッティング装置は、前記光路上に配置されるものの、前記第１ミラーと前記第２ミラーより前記レーザ発振器に近く位置して、前記レーザ発振器から放出されたレーザビームの光幅を調節する光幅調節機をさらに備えることができる。
【００２０】
また、前記光幅調節機は、第１レンズと、前記第１レンズより前記レーザ発振器からさらに遠い所に位置する第２レンズとを備え、前記集束レンズを通過して集束されたレーザビームの焦点スポットと前記正極シート相互間の距離調節のために、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離調節構造が形成され得る。
【００２１】
また、前記レーザは、パルス変調が可能なDPSSレーザであり得る。
【００２２】
また、前記レーザは、ファイバーレーザであり得る。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、一つの製造ラインで多様な形状の正極を製造するとしても製造ラインを停止させる必要がないので、収率及び稼動率の高い正極カッティング装置を提供することができる。
【００２４】
また、正極カッティング工程の費用を低めることができる正極カッティング装置を提供することができる。
【００２５】
本明細書の次の図等は、本発明の好ましい実施例を例示するものであり、前述された発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割をするものなので、本発明はそのような図に記載された事項にのみ限定され解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るレーザを用いた正極カッティング装置の一部に対する斜視図である。
【図２】集束レンズを通過したレーザビームの光経路を示した図である。
【図３】本発明に係るレーザを用いた正極カッティング装置を模式的に示した正面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】光幅の変化による集束されたレーザビームの焦点スポットの位置変化を示した図である。
【図６】レーザビームの周波数変化による正極シートの断面状態を示した写真である。
【図７】レーザビームの周波数変化による正極シートの断面状態を示した写真である。
【図８】レーザビームの周波数変化による正極シートの断面状態を示した写真である。
【図９】レーザビームの周波数変化による正極シートの断面状態を示した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下では、図を参照して本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。しかし、本発明が以下の実施例によって制限されるか、限定されるものではない。
【００２８】
本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的且つ辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるとの原則に即して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念に解釈されなければならない。
【００２９】
図において各構成要素またはその構成要素をなす特定部分の大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張または省略されるか、または概略的に示された。したがって、各構成要素の大きさは実際の大きさを全的に反映するものではない。関連公知機能あるいは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要にぼかし得ると判断される場合、そのような説明は略する。
【００３０】
図１は、本発明に係るレーザを用いた正極カッティング装置の一部に対する斜視図である。
【００３１】
図１を参照すれば、本発明の好ましい実施例によるレーザを用いた正極カッティング装置(以下、「正極カッティング装置」という)は、レーザビームを放出するレーザ発振器１１と、正極シート３をカッティングするためにレーザ発振器１１から放出されたレーザビームを集束して、正極シート３に照射する集束レンズ１５を備える。集束レンズ１５を通過したレーザビームは、その焦点スポットが正極シート３の表面に当接するのが好ましい。ここで、焦点スポットとは、後述する焦点深度内のレーザビームを称する。
【００３２】
本発明で用いられるレーザは、レーザの発振形態上１μs以下のパルス幅を有するパルス変調方式のレーザを用いることができ、パルス変調方式で用いられる方法はQ-switchingあるいはMOPA(Master oscillator pulse Amplification)方式を用いることができるが、必ずこのような方式のみを制限するものではなく、１０ｐｓ以上〜１μs以下のパルス幅を有するパルス変調（Pulse Modulation）方式であれば変調方式に制限はない。
【００３３】
レーザ発振器１１でレーザを生成するために用いられる共振器として光学繊維が採用され得るが、共振器として光学繊維が用いられて放出されたレーザをファイバーレーザとし、本発明ではファイバーレーザが用いられ得る。また、DPSS(Diode Pumped Solid State Laser)レーザが用いられ得る。
【００３４】
図２は、集束レンズを通過したレーザビームの光経路を示した図である。
【００３５】
光幅はBW、集束されたレーザスポットの最小半径はＷ０、集束レンズ１５の焦点距離はfとしたとき、集束されたレーザスポットの半径が
2016505384.tif 000003
Ｗ０である、二つの地点の間の距離を焦点深度(Depth of Focus)という。焦点深度内のレーザビームである焦点スポット内にカッティング対象物が位置してこそ、十分なエネルギーでカッティングができ、焦点スポットを外れるようになれば、レーザビームのエネルギー量が著しく下落するため、カッティング対象物が不完全にカッティングされるか、カッティング品質が不良になる。
【００３６】
焦点スポットのサイズＷ０は、下記の数学式１（[数１]と表示）で表すことができる。
【数１】
2016505384.tif 000004
【００３７】
前記数学式１で、λはレーザの波長であり、Ｍ２はビームモードパラメータ(Beaｍ ｍode Parameter)との変数としてレーザの品質を表すが、理論値は１であり、実際には約１.３の値を有する。本発明で用いるレーザのＭ２値は１に近いほどよいが、レーザの出力及び発振方式に応じて変わり得る。しかし、数学式１を参照すれば、Ｍ２値が２以上である場合に焦点スポットのサイズを小さくするためには、焦点深度が大きくなるため、１〜２.０の値を有するのが好ましい。ｆは集束レンズ１５の焦点距離であり、Ｄは集束レンズ１５に流入されるレーザビームの光幅である。
【００３８】
焦点深度は、下記の数学式２（[数２]と表示）で表すことができ、数学式２でＬは焦点深度を表し、焦点深度をレイリー長(Rayleigh length)とも称することがある。
【数２】
2016505384.tif 000005
前記数学式１及び２の関係から、下記の数学式３（[数３]と表示）が導出される。
【数３】
2016505384.tif 000006
【００３９】
焦点スポットのサイズＷ０が小さいと、レーザビームのエネルギーが狭い区域に集中され、カッティング対象物のカッティングが容易であり、焦点深度が長いと、カッティング対象物のレーザビームに対する位置が変化するか、カッティング対象物の表面が均一でなくとも常に円滑にカッティングすることができるので、理想的には焦点スポットのサイズＷ０が小さく、且つ焦点深度は長いのがよい。
【００４０】
しかし、前記数学式３を参照すれば、焦点深度はレーザスポットのサイズと比例する。
【００４１】
したがって、もし焦点スポットのサイズが小さいと、レーザビームの単位面積当たりエネルギー密度は高めることができるが、焦点深度もこれと共に短くなるため、カッティング対象物のレーザビームに対する位置が変化するか、カッティング対象物の表面が均一でない場合には、カッティング対象物が円滑にカッティングされなくなる。
【００４２】
逆に、焦点深度が長いと、カッティング対象物のレーザビームに対する位置が変化するか、カッティング対象物の表面が均一でない場合でも比較的敏感でなくなるので、カッティング対象物や焦点の位置などを設定する作業は容易になるが、焦点スポットのサイズも焦点深度とともに大きくなるので、レーザビームの単位面積当たりエネルギー密度がカッティング対象物をカッティングすることができる水準より低くなる問題がある。
【００４３】
このように、焦点深度が非常に長く、これと同時に焦点スポットのサイズを非常に小さくすることが可能でないため、正極シート３のカッティングにおいても焦点深度と焦点スポットのサイズとの間の均衡を合わせることが非常に重要である。また、レーザを用いて正極をカッティングするのにおいて、どのような変数が重要変数なのかを把握することが必要である。
【００４４】
以下では、このための実験に用いられ、実際に正極をカッティングする工程に用いられ得る正極カッティング装置に対して先ず説明し、次に、焦点深度とレーザスポットのサイズとの間の均衡を合わせることと、どのような変数が重要変数なのかを把握するための実験、及びその結果に対して説明する。
【００４５】
図３は、本発明に係るレーザを用いた正極カッティング装置を模式的に示した正面図であり、図４は図３のＩＶ-ＩＶ線に沿った断面図である。
【００４６】
図１、図３及び図４を参照すれば、本発明に係る正極カッティング装置は、前記で説明したレーザ発振器１１と集束レンズ１５以外にも、正極シート３を解くアンワインダー５と、アンワインダー５から離隔されたまま配置され、アンワインダー５から解ける正極シート３を巻き返すワインダー７をさらに備える。
【００４７】
集束レンズ１５は、正極シート３のうちアンワインダー５とワインダー７との間に跨っている区間である懸垂区間Ｓにレーザビームを照射する役割をする。
【００４８】
アンワインダー５には正極シート３が巻き取られており、図３を基準に時計回りに回転して正極シート３を解く。また、ワインダー７は図３を基準に時計回りに回転してアンワインダー５により解けた正極シート３を巻き返す。
【００４９】
アンワインダー５とワインダー７との間に所定区間だけ解けたまま、アンワインダー５とワインダー７との間に跨っている区間を懸垂区間Ｓと称し、この懸垂区間Ｓに該当する正極シート３がアンワインディング及びワインディングされる途中にたるんだり、折れたり、シワがよったりする現象が発生しないように、正極シート３は一定の張力が維持された状態でアンワインディング及びワインディングされるのが好ましい。
【００５０】
一方、レーザ発振器１１と集束レンズ１５まで続く光路上には、第１ミラー１３と第２ミラー１４が配置され得る。
【００５１】
第１ミラー１３と第２ミラー１４は、集束レンズ１５によって集束されたレーザビームの焦点スポットを正極シート３の表面上の所望の位置に動くようにする役割を担う。第１ミラー１３は、第１軸を基準に回動可能であり、第２ミラー１４は第２軸を基準に回動可能であるが、ここで、第１軸と第２軸は直交座標系をなしており、第１ミラー１３の第１軸に対する回動角度と第２ミラー１４の第２軸に対する回動角度を調節することによって、正極シート３の表面上の無数にあるポイントで集束可能なレーザビームの焦点スポットを動かすことができる。
【００５２】
また、光路上には光幅調節機１２が配置され得るが、この光幅調節機１２は第１ミラー１３と第２ミラー１４よりもレーザ発振器１１に近く位置し、レーザ発振器１１から放出されたレーザビームの光幅を調節する役割を担う。
【００５３】
光幅調節機１２は、第１レンズ１２Ａと、この第１レンズ１２Ａよりレーザ発振器１１からさらに遠い所に位置する第２レンズ１２Ｂを備え、第１レンズ１２Ａと第２レンズ１２Ｂとの間の距離を調節する構造(図示せず)が形成されるのが好ましい。
【００５４】
第１レンズ１２Ａ及び第２レンズ１２Ｂのうち少なくともいずれか一つが移動する方式によって、第１レンズ１２Ａと第２レンズ１２Ｂとの間の距離調節が可能であるが、これを介して第１ミラー１３に入射される光幅を調節できるだけでなく、集束レンズ１５を通過して集束されたレーザビームの焦点スポットと正極シート３との相互間の距離調節が可能であり、これに対しては図５を参照してさらに詳しく説明する。
【００５５】
図５は、光幅の変化による集束されたレーザビームの焦点スポットの位置変化を示した図であり、第１レンズ１２Ａと第２レンズ１２Ｂとの間の間隔によって光幅調節機１２を通過したレーザビームは、集束レンズ１５に平行に入射(実線で示される)されるか、発散状態で入射(一点鎖線で示される)されるか、収れん状態で入射(点線で示される)されてよく、それぞれのレーザビームは順次Ｚ２、Ｚ１、Ｚ３の位置に集束される。代表的に三つの例示に対してのみ説明したが、レーザビームの発散の程度や収れんの程度を微細に調整することによって、集束されたレーザビームの焦点スポットと正極シート３との相互間の距離を非常に微細に調節することができる。
【００５６】
正極シート３を所望通りカッティングするためには、焦点スポットが正極シート３の表面に位置しなければならないので、正極シート３の表面に焦点スポットを正確に合わせることは必須的に要求され、本発明ではこのために第１レンズ１２Ａと第２レンズ１２Ｂとの間の間隔を調節する方式を用いることとなった。
【００５７】
通常、レーザビームの焦点スポットの高低を合わせるためには、上下調節が可能なアクチュエータを用いるが、もしアクチュエータ器具を用いれば、外部衝撃によって取付位置が微細に変更されたり、捻れたりする場合が発生しやすい。したがって、本発明は焦点スポットの高低を光学レンズ自体の相互距離を調節することで調整する方式を用いており、この方式はアクチュエータ器具よりも外部衝撃の影響が少ないだけでなく、アクチュエータ器具の調整時に発生する遊撃による微細誤差の影響から自由な長所がある。
【００５８】
一方、焦点スポットを光幅調節機１２を介して微細に調整したとしても、懸垂区間Ｓに対応する正極シート３の高低が一定に維持されないと、正極シート３のカッティングが円滑に行われない可能性が存在する。
【００５９】
このように正極シート３のカッティングが不完全に行われ得る可能性を最小化できるように、本発明に係る正極カッティング装置はシートガイド２０をさらに備えることができる。
【００６０】
図１、図３及び図４を参照して、シートガイド２０に対して詳しく説明する。
【００６１】
シートガイド２０は、正極シート３の懸垂区間Ｓのうち集束されたレーザが照射される領域の垂れを抑制するために懸垂区間Ｓの少なくとも一部区間を支持する構成であって、シートガイド２０は懸垂区間Ｓに対応する正極シート３の両面のうち垂れる方向側の面である第１面１を支える第１ガイド２１を備え、さらに、第１面１の反対方向に正極シート３の懸垂区間Ｓが揺動することを抑制するために、懸垂区間Ｓの第２面２と離隔されたまま、第２面の側に配置される第２ガイド２２をさらに備えることができる。
【００６２】
第１ガイド２１と第２ガイド２２を含むシートガイド２０は、図１及び図４に示されたようにＵ字状に形成され得、図上では正極シート３の幅の略半分以下のみをガイドしているものと示されているが、これとは異なり正極シート３の幅全体をガイドできるように設けることもできる。
【００６３】
前記で説明したように、焦点深度が非常に長く、これと同時にレーザビームの焦点スポットのサイズを非常に小さくすることは不可能であるため、正極シート３のカッティングにおいて焦点深度と焦点スポットのサイズとの間の均衡を合わせることが非常に重要であり、どのような変数が重要変数なのかを把握することが必要である。これを調べるための実験に対しては以下で説明する。
【００６４】
実験では、前記で説明したレーザ発振器１１、第１ミラー１３、第２ミラー１４、集束レンズ１５を用いた。正極シート３の厚さは１４０μｍであり、２０Ｗの出力のレーザ発振器１１を用いてレーザを発生させており、発生されたレーザはＭ２値が略１.３であるシングルモードファイバーレーザ(Single Mode Fiber Laser)であり、波長は１０７０ｎｍである。また、集束レンズ１５に入射されるレーザビームの直径は１０ｍｍである。
【００６５】
＜実験１＞
先ず、以下の＜表１＞は集束レンズ１５の焦点距離が２５４ｍｍで、レーザビームのスポットサイズが４５μｍであるとき、各実験条件を変化させながら正極をカッティングした結果を示す。
【表１】
2016505384.tif 000007
前記＜表１＞を参照すれば、レーザビームの周波数が３５ｋHｚ、焦点スポットのエネルギー密度が３５．９Ｊ／ｃｍ２時と、レーザビームの周波数が５０ｋHｚ、焦点スポットのエネルギー密度が２５．２Ｊ／ｃｍ２時に、全て正極の活物質未コーティング部をカッティングすることができ、正極のカッティング速度が１００ｍｍ／s時はもちろん、１５０ｍｍ／sになる時までも活物質未コーティング部をカッティングすることができた。
【００６６】
しかし、レーザビームの周波数を７５ｋHｚに増加させると、焦点スポットのエネルギー密度は１６．８Ｊ／ｃｍ２となったが、このときは正極のカッティング速度が比較的遅い１００ｍｍ／s時にも、活物質未コーティング部を全くカッティングすることができなかった。これを周波数の問題、または焦点スポットのエネルギー密度の問題と仮定したが、焦点スポットのエネルギー密度を１６．８Ｊ／ｃｍ２に維持した状態では、周波数をいくら増減しても活物質未コーティング部がカッティングされなかった。逆に、周波数を７５ｋHｚに維持した状態で焦点スポットのエネルギー密度を徐々に上昇させて２５Ｊ／ｃｍ２になると、活物質未コーティング部がカッティングされた。
【００６７】
結局、正極シート３の表面に照射されるレーザビームの焦点スポットにおけるエネルギー密度が２５Ｊ／ｃｍ２になると、二次電池に通常用いられる電極組立体を構成する正極板を製造するための正極シート３を、所望の形状通り切ることに何らの問題がないことを確認しており、これに比べてレーザビームの周波数は正極シート３のカッティングに何の影響も与えなかった。
【００６８】
＜実験２＞
次に、以下の＜表２＞は、集束レンズ１５の焦点距離が１６３ｍｍで、レーザビームのスポットサイズが２９μｍであるとき、各実験条件を変化させながら正極をカッティングした結果を示す。
【表２】
2016505384.tif 000008
前記＜表２＞を参照すれば、レーザビームの周波数が３５ｋHｚ、５０ｋHｚ、７５ｋHｚ時、また、焦点スポットのエネルギー密度が、８６．５Ｊ／ｃｍ２、６０．６Ｊ／ｃｍ２、４０．４Ｊ／ｃｍ２時は、正極のカッティング速度が１００ｍｍ／s時はもちろん、２２０ｍｍ／sになる時までも正極シート３の活物質コーティング部と活物質未コーティング部を全てカッティングすることができた。但し、正極のカッティング速度が２６０ｍｍ／s時は、活物質コーティング部は切断されなかったが、正極のカッティング速度が敢えて２６０ｍｍ／sに至らなくとも市販のための十分な正極板の収率を達成することができる。
【００６９】
実験１と比べたとき、実験２で焦点スポットのエネルギー密度は全て２５．２Ｊ／ｃｍ２よりも高く、このようなエネルギー密度状態では正極シート３のカッティングが円滑に行われるとの結論を下すことができる。
【００７０】
また、実験１と実験２の両方における周波数は３５ｋHｚ、５０ｋHｚ、７５ｋHｚに変化させたが、焦点スポットのエネルギー密度が２５.２Ｊ／ｃｍ２よりも高いと、レーザビームの周波数は正極シート３のカッティング可否に対して否定的な影響を与えないことを確認することができる。
【００７１】
一方、前記実験１と実験２においてレーザビームのスポットサイズは、それぞれ順次４５μｍと２９μｍであるが、活物質コーティング部と活物質未コーティング部が全て円滑にカッティングされる周波数と、カッティング速度及びエネルギー密度で焦点スポットのサイズを変化させたとき、正極シート３の表面に照射されるレーザビームの焦点スポットのサイズが１０μｍ以下または５０μｍ以上となる場合には、正極のカッティング速度が著しく遅くなるか、カッティングが不完全になる現象が発生した。
【００７２】
結局、前記実験１及び２と追加の実験を介して、正極シート３の表面に照射されるレーザビームの焦点スポットのサイズは１０〜５０μｍであり、焦点スポットにおけるエネルギー密度は２５Ｊ／ｃｍ２以上であるとき、市販に適する収率で正極シート３をカッティングすることができるとの結論が導出された。
【００７３】
一方、正極シート３をなしているホイル(foil)とこのホイル上に塗布された活物質は、正極シート３のカッティング以後にも互いに独立した層に維持されるのが好ましい。これはレーザビームがホイルと活物質を強すぎるエネルギーで溶かすと、ホイルと活物質の境界面が不明になり、互いに混ってしまい、正極の品質が落ちるためである。
【００７４】
図６から９は、レーザビームの周波数変化による正極シートの断面状態を示した写真であるが、レーザビームの周波数が７０ｋHｚ時は、中央のホイルと、その両面に塗布された活物質の境界が非常に明らかであり、周波数が１５０ｋHｚ、３００ｋHｚ時も７０ｋHｚ時ほどではなくても、ホイルと活物質の境界を認識することはできる。また、周波数が３５ｋHｚ、５０ｋHｚ、７５ｋHｚ(実験１及び実験２で用いた周波数)時は、周波数が７０ｋHｚ時と同様にホイルと活物質の境界が非常に明らかだった。
【００７５】
しかし、周波数が５００ｋHｚになると、ホイルと活物質の境界を全く区分できず、結局、周波数が３５〜３００ｋHｚ範囲内に調整してこそ、正極シート３を市販に適する正極板として製造することができた。
【００７６】
実験１及び２では、集束レンズ１５の焦点距離が２５４ｍｍと１６３ｍｍの場合を例えたが、集束レンズ１５の焦点距離がこの数値を含む区間である１００ｍｍ〜３００ｍｍ範囲内にある際は、レーザビームの焦点スポットのサイズを１０〜５０μｍ範囲内で調節することができた。また、レーザ発振器１１の出力は２０Ｗの場合を実験したが、出力が５００Ｗを超えると、正極シート３をなしているホイルと活物質が境界を区分できない程度になり、正極シート３のカッティング品質が落ちることを確認することができた。
【００７７】
したがって、レーザ発振器１１の出力は２０Ｗ〜５００Ｗを満たすのが好ましい。
【００７８】
一方、前記のような条件を全て満たした状況においても、正極シート３がアンワインダー５とワインダー７によってアンワインディング及びワインディングされる過程中に図１を基準に上下に揺動するようになれば、正極シート３のカッティング品質が低下され得る。
【００７９】
このような現象を防止するために、第１ガイド２１と第２ガイド２２が存在するものであって、第１ガイド２１と第２ガイド２２との間の間隔が０.５ｍｍ〜２ｍｍの場合には、安定的に正極がカッティングされることを確認することができた。
【００８０】
今まで説明した本発明に係る正極カッティング装置によれば、正極シート３をカッティングするのに最適化された工程条件等を決定することによって、品質と収率を適切に調和させた正極を生産することができ、金型カッターではないレーザを用いて正極シート３をカッティングするため、一つの製造ラインで多様な形状の正極を製造しても製造ラインを停止させる必要がないので、稼動率を高めることができるとの長所がある。また、これを介して、正極コーティング工程の費用を低めることができる。
【００８１】
前述したような本発明の詳細な説明では具体的な実施例に関して説明した。しかし、本発明の範疇から外れない限度内ではいくつかの変形が可能である。本発明の技術的思想は、本発明の記述した実施例に限って定められてはならず、特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なもの等によって定められなければならない。
【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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【国際調査報告】
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