JP7741852B2 - 巻回式電極体の製造装置および電池セルの製造方法 - Google Patents

Description

本技術は、巻回式電極体の製造装置および電池セルの製造方法に関する。

巻芯に対して電極シートとセパレータとを積層して捲くことにより電極捲回体を作製することが従来から行われている。たとえば、特開２００９－２５９７２２号公報（特許文献１）作製された電極捲回体を巻芯から抜き取るときに、チャック爪により電極体を把持して抜きずれ（巻きずれ）の発生を抑制することが開示されている。

特開２００９－２５９７２２号公報 国際公開第２０１８／０２５７８５号 特開２０１４－１３３６５２号公報 特開２０１２－１８２０４６号公報 特開２００３－１７１１０号公報 特開２０１５－５３９０号公報 特開２００２－２２２６４５号公報

電極体を把持することで巻きずれの発生を抑制する一定の効果は期待できるものの、把持される電極体の電極面に意図しない影響が及び得る。信頼性の高い電極体を製造するという観点から、従来の技術には改良の余地がある。

本技術の目的は、信頼性の高い電極体を製造することが可能な巻回式電極体の製造装置、および上記電極体を含む電池セルの製造方法を提供することにある。

本技術は、以下の巻回式電極体の製造装置および電池セルの製造方法を提供する。

［１］ 巻回式電極体の製造装置であって、外周面を有し、第１方向に延びる巻芯本体と、前記巻回式電極体の巻き取り時には前記巻芯本体を前記第１方向の軸まわりに回転駆動し、かつ、巻き取られた前記巻回式電極体の抜き取り時には前記巻芯本体を前記第１方向に沿って移動させることが可能な第１駆動部と、前記巻芯本体の前記外周面上に設けられ、前記外周面上に巻回された前記巻回式電極体を前記第１方向に対して反対方向に移動させることが可能な搬送機構と、前記搬送機構を駆動する第２駆動部とを備え、前記搬送機構は、前記第１駆動部による前記巻芯本体の前記第１方向の移動を相殺する速度で前記巻回式電極体を前記第１方向に対して反対方向に移動させ、前記搬送機構を駆動する前記第２駆動部は、前記第１駆動部よりも前記巻芯本体の先端側に位置する、巻回式電極体の製造装置。

［２］ 前記搬送機構は、前記巻芯本体の前記外周面上に設けられたチェーン状部材を含む、［１］に記載の巻回式電極体の製造装置。

［３］ 前記搬送機構は、前記巻芯本体の前記外周面上に設けられたベルト状部材を含む、［１］に記載の巻回式電極体の製造装置。

［４］ 前記搬送機構は、前記巻芯本体の前記外周面の周方向に並ぶように複数設けられる、［１］から［３］のいずれか１項に記載の巻回式電極体の製造装置。

［５］ ［１］から［４］のいずれか１項に記載の巻回式電極体の製造装置を用いて前記巻回式電極体を製造する工程と、電極端子と前記巻回式電極体とを電気的に接続する工程と、前記巻回式電極体を外装体に収納する工程と、前記巻回式電極体が収納された前記外装体を封止する工程とを備えた、電池セルの製造方法。

本技術によれば、巻芯本体に巻き取られた電極巻回体の抜き取り時に電極巻回体をチャック等で把持する必要がなく、電極面への影響を低減することができるので、信頼性の高い電極体を製造することが可能となる。

巻回式電極体の製造装置を用いて電極体を巻き取る状態を示す図である。 巻回式電極体の製造装置の構成を示す図である。 巻芯本体およびその外周面上に設けられた搬送機構の例を示す図である。 搬送機構の変形例を示す図（その１）である。 搬送機構の変形例を示す図（その２）である。 搬送機構の変形例を示す図（その３）である。 電池セルの分解斜視図である。 電極体の構成を示す図である。

以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。

なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。

また、本明細書において幾何学的な文言および位置・方向関係を表す文言、たとえば「平行」、「直交」、「斜め４５°」、「同軸」、「沿って」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。本明細書において「上側」、「下側」などの相対的な位置関係を表す文言が用いられる場合、それらの文言は、１つの状態における相対的な位置関係を示すものとして用いられるものであり、各機構の設置方向（たとえば機構全体を上下反転させる等）により、相対的な位置関係は反転ないし任意の角度に回動し得る。

本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池およびナトリウムイオン電池などの他の電池を含み得る。本明細書において、「電極」は正極および負極を総称し得る。また、「電極板」は正極板および負極板を総称し得る。

本明細書において、「電池セル」は、ハイブリッド車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、および電気自動車（ＢＥＶ：Battery Electric Vehicle）などに搭載可能である。ただし、「電池セル」の用途は、車載用に限定されるものではない。

図１は、巻回式電極体の製造装置を用いて電極体１を巻き取る状態を示す図であり、図２は、巻回式電極体の製造装置の構成を示す図である。

図１，図２に示すように、本実施の形態に係る電極体の製造装置は、巻回式の電極体１の製造装置であって、巻芯本体１００と、第１駆動部２００と、搬送機構３００と、第２駆動部４００とを含む。

巻芯本体１００は、中心軸１００Ａと、外周面１００Ｂと、孔部１００Ｃとを有する。第１駆動部２００は、巻芯本体１００を中心軸１００Ａまわりに回転駆動する。第１駆動部２００は、巻芯本体１００をその中心軸１００Ａの方向（図１中の矢印ＤＲ１方向）に沿って往復移動させることができる。

巻回式の電極体１を巻き取る時は、電極体１を構成する電極板およびセパレータを巻芯本体１００外周面１００Ｂ上に供給しながら巻芯本体１００を回転させる。これにより、電極板およびセパレータが外周面１００Ｂ上に巻き取られる。

外周面１００Ｂ上には搬送機構３００が設けられている。図１，図２の例において、搬送機構３００は、チェーン状部材（帯状部材）により構成されている。ただし、搬送機構３００は、たとえばベルト状部材により構成されてもよいし、チェーン状部材とベルト状部材とが併用されてもよい。

搬送機構３００は、第２駆動部４００により駆動される。図２に示すように、第２駆動部４００は、搬送機構３００を構成するチェーン状部材の収納部４１０，４２０を含む。収納部４１０，４２０には、チェーン状部材を巻き出し、巻き取るための駆動機構（たとえば図示しないモータ等）が設けられている。搬送機構３００を図１中の矢印ＤＲ２方向に駆動する場合には、収納部４１０からチェーン状部材の一端側が巻き出され、収納部４２０にチェーン状部材の他端側が巻き取られる。

搬送機構３００を構成するチェーン状部材は、収納部４１０から巻芯本体１００の中心軸１００Ａの方向に沿って、巻芯本体１００の外周面１００Ｂ上を巻芯本体１００の先端（第１端）に向かって延びる。巻芯本体１００の先端において折り返された搬送機構３００は、巻芯本体１００の中心軸１００Ａの方向に沿って、巻芯本体１００の内部を巻芯本体１００の根元（第２端）に向かって延びる。搬送機構３００は、収納部４１０よりも巻芯本体１００の根元側に位置する孔部１００Ｃを介して、巻芯本体１００の内部から外周面１００Ｂ上に引き出される。巻芯本体１００の外周面１００Ｂ上に引き出された搬送機構３００は、収納部４２０に達する。

巻芯本体１００の外周面１００Ｂ上に形成された電極体１は、巻芯本体１００から抜き取られて次工程に進む。このとき、巻芯本体１００は、第１駆動部２００によって矢印ＤＲ１方向（第１方向）に沿って駆動される。搬送機構３００は、第２駆動部４００によって矢印ＤＲ２方向に駆動される。この結果、外周面１００Ｂ上に電極体１は、巻芯本体１００の移動方向（矢印ＤＲ１方向）に対して反対の方向（矢印ＤＲ３方向）に駆動される。

図２に示すように、第２駆動部４００は、巻芯本体１００の外周に設けられている。また、第２駆動部４００は、第１駆動部２００よりも巻芯本体１００の先端側に位置している。

ここで、搬送機構３００は、第１駆動部２００による巻芯本体１００の矢印ＤＲ１方向の移動を相殺する速度で電極体１を矢印ＤＲ３方向に移動させる。したがって、電極体１を巻芯本体１００から抜き取る時に、静止座標系において電極体１は変位しない。このように、巻芯本体１００の抜き取り方向（矢印ＤＲ１方向）に対して逆方向（矢印ＤＲ３方向）に、巻芯本体１００の抜き取り速度と略同じ速度で電極体１を駆動することで、電極体１を把持することなく巻芯本体１００を電極体１から抜き取ることができる。

搬送機構３００を有しない製造装置においては、電極体１を巻芯本体１００から抜き取る時に、チャック等により電極体１を把持する必要がある。電極体１を把持することにより、電極体１の最内周部に生じる摺動抵抗に起因して、電極体１に巻きずれ（電極体１の一部が巻回軸方向に変形する状態）が生じることがある。また、電極体１を把持したときに、電極面に何らかの影響を及ぼすことがある。

これに対し、本実施の形態に係る製造装置においては、第１駆動部２００による巻芯本体１００の矢印ＤＲ１方向の移動を相殺する速度で電極体１を反対方向（矢印ＤＲ３方向）に移動させることができるので、巻芯本体１００に巻き取られた電極体１の抜き取り時に電極体１をチャック等で把持する必要がなく、巻きずれないし電極面への影響を低減することができる。この結果、電極体１の信頼性を向上させ、高品質の電池を得ることができる。

図３は、巻芯本体１００およびその外周面１００Ｂ上に設けられた搬送機構３００の例を示す図である。図３に示すように、搬送機構３００は、巻芯本体１００の外周面１００Ｂの周方向に略等間隔に並ぶように複数（図３の例では６つ）設けられる。

図４ないし図６は、搬送機構３００の変形例を示す図である。図４ないし図６に示されるように、搬送機構３００の数ないし配置は、適宜変更可能である。また、搬送機構３００を構成するチェーン状部材またはベルト状部材の幅も、たとえば図４に示すように広く形成することが可能である。

図７は、電池セルの分解斜視図である。図７に示すように、本実施の形態に係る電池は、電極体１と、角形外装体２と、蓋部材３とを含む。

電極体１は、Ｘ軸方向（長手方向）に並ぶように正極１１および負極１２を有する。電極体１は、Ｙ軸方向（短手方向）に沿って互いに反対側に位置する外面１０Ａ（第１外面）および外面１０Ｂ（第２外面）を有する。

角形外装体２は、上方に向けて開口する開口部２１を有する。角形外装体２の内部には、電極体１とともに図示しない電解液が収容される。

蓋部材３は、角形外装体２の開口部２１を封口する。蓋部材３の上面には、正極外部端子３１Ａと、負極外部端子３２ＡとがＸ軸方向に間隔をあけて設けられている。蓋部材３の下面には、正極側の集電体３１および負極側の集電体３２が設けられる。正極側の集電体３１は、正極外部端子３１Ａに電気的に接続される。負極側の集電体３２は、負極外部端子３２Ａに電気的に接続される。

さらに、集電体３１は電極体１の正極１１に接続され、集電体３２は電極体１の負極１２に接続される。これにより、電極体１の正極１１および負極１２と、蓋部材３の正極外部端子３１Ａおよび負極外部端子３２Ａとが電気的に接続される。

図８は、電極体１の構成を示す図である。図８に示すように、電極体１は、正極１１を構成する正極板１１Ａと、負極１２を構成する負極板１２Ａと、セパレータ１３，１４とを含む。

正極板１１Ａは、アルミニウム箔からなる正極芯体（第１電極芯体）の両面に正極活物質（たとえばリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等）、結着材（ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等）、および導電材（たとえば炭素材料等）を含む正極活物質合剤層（第１活物質層）が形成された第１領域１１Ｂと、活物質層が形成されず正極芯体が露出した第２領域１１Ｃと、第１領域１１Ｂおよび第２領域１１Ｃの境界１１Ｄとを有する。第２領域１１Ｃの一部（第１領域１１Ｂに隣接する部分）にアルミナ粒子、結着材、および導電材を含む保護層（図示せず）が設けられてもよい。

負極板１２Ａは、銅箔からなる負極芯体（第２電極芯体）の両面に負極活物質層（第２活物質層）が形成された第１領域１２Ｂと、活物質層が形成されず負極芯体が露出した第２領域１２Ｃと、第１領域１２Ｂおよび第２領域１２Ｃの境界１２Ｄとを有する。

正極板１１Ａおよび負極板１２Ａは、上述した製造装置を用いて、Ｘ軸（巻回軸）まわりに巻回される。正極板１１Ａおよび負極板１２Ａは、セパレータ１３，１４を介して積層される。巻芯本体１００から抜き取られた正極板１１Ａおよび負極板１２Ａは、扁平状に成形される。これにより、Ｘ軸方向に沿って一方の端部側に位置する正極１１と、他方の端部側に位置する負極１２とを有する電極体１が形成される。

次に、電極体１と集電体３１，３２とを電気的に接続する。その後、電極体１および集電体３１，３２を角形外装体２に収納し、蓋部材３によって角形外装体２を封止する。そして、角形外装体２内に電解液を注液し、気密試験等を行うことにより、電池セルが完成する。なお、本技術を適用可能な電池は角形電池に限定されず、たとえば円筒電池であってもよい。

本実施の形態において、電極体１の大きさないし巻数は特に制限されるものではないが、巻取り数が多く、幅が広い電極体１において、より効果的に電極体１の信頼性が向上し得る。たとえば、Ｘ軸方向の幅寸法が１２０ｍｍ程度の電極体において、正極板１１Ａおよび負極板１２Ａないしセパレータ１３，１４を約４０周回だけ巻き取る場合と、約６０周回だけ巻き取る場合とを比較すると、約６０周回だけ巻き取る場合の方が、電極体１の最内周部の摺動抵抗がより大きくなると考えられる。このため、本実施の形態に係る製造装置を用いることにより、効果的に巻きずれ、および電極面への影響を抑制することができる。同様に、同じ巻き取り数であっても、より大きな電極体１においては、摺動抵抗が大きくなるため、本実施の形態に係る製造装置を用いることにより、効果的に巻きずれ、および電極面への影響を抑制することができる。

以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電極体、２ 角形外装体、３ 蓋部材、２１ 開口部、１０Ａ 外面、１０Ｂ 外面、１１ 正極、１１Ａ 正極板、１１Ｂ 第１領域、１１Ｃ 第２領域、１１Ｄ 境界、１２ 負極、１２Ａ 負極板、１２Ｂ 第１領域、１２Ｃ 第２領域、１２Ｄ 境界、１３，１４ セパレータ、３１ 集電体、３１Ａ 正極外部端子、３２ 集電体、３２Ａ 負極外部端子、１００ 巻芯本体、１００Ａ 中心軸、１００Ｂ 外周面、１００Ｃ 孔部、２００ 第１駆動部、３００ 搬送機構、４００ 第２駆動部、４１０，４２０ 収納部。

Claims (5)

1. 巻回式電極体の製造装置であって、
   外周面を有し、第１方向に延びる巻芯本体と、
   前記巻回式電極体の巻き取り時には前記巻芯本体を前記第１方向の軸まわりに回転駆動し、かつ、巻き取られた前記巻回式電極体の抜き取り時には前記巻芯本体を前記第１方向に沿って移動させることが可能な第１駆動部と、
   前記巻芯本体の前記外周面上に設けられ、前記外周面上に巻回された前記巻回式電極体を前記第１方向に対して反対方向に移動させることが可能な搬送機構と、
   前記搬送機構を駆動する第２駆動部とを備え、
   前記搬送機構は、前記第１駆動部による前記巻芯本体の前記第１方向の移動を相殺する速度で前記巻回式電極体を前記第１方向に対して反対方向に移動させ、
   前記搬送機構を駆動する前記第２駆動部は、前記第１駆動部よりも前記巻芯本体の先端側に位置する、巻回式電極体の製造装置。
2. 前記搬送機構は、前記巻芯本体の前記外周面上に設けられたチェーン状部材を含む、請求項１に記載の巻回式電極体の製造装置。
3. 前記搬送機構は、前記巻芯本体の前記外周面上に設けられたベルト状部材を含む、請求項１に記載の巻回式電極体の製造装置。
4. 前記搬送機構は、前記巻芯本体の前記外周面の周方向に並ぶように複数設けられる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の巻回式電極体の製造装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の巻回式電極体の製造装置を用いて前記巻回式電極体を製造する工程と、
   電極端子と前記巻回式電極体とを電気的に接続する工程と、
   前記巻回式電極体を外装体に収納する工程と、
   前記巻回式電極体が収納された前記外装体を封止する工程とを備えた、電池セルの製造方法。