(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン電池等の2次電池は、例えば帯状の金属箔集電体に電極活物質を塗布してなる電極帯板をセパレータを介して渦巻き状に巻回し、これを円筒形容器内に密封するとともに正極端子と負極端子とを設けて構成される。かかる2次電池は、電極帯板が渦巻き状に巻回されて反応面積が大きくなることから大電流を得ることが可能となる。
帯状の金属箔集電体には、銅又はアルミニウム等の金属箔が用いられる。リチウムイオン電池の場合には、負極の電極活物質には金属リチウム、正極の電極活物質には各種電極材料と導電材とを混合したものが用いられる。
【0003】
電極帯板は、電池の性能を向上させるために金属箔集電体に対して電極活物質の粒子がバインダによってしっかりと固定されたものである。電極活物質の粒子は、バインダ内に高密度で分散されている必要がある。
そのために、金属箔からなる帯状の集電体上に電極活物質が形成された電極帯板を、プレスすることが行われている。
【0004】
このようなプレスを行う装置は、例えば、下記の特許文献1、2が既に開示されている。なお、特許文献3には、後述する本発明の実施形態に関連する油圧圧下装置が記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、金属箔からなる帯状の集電体上に電極活物質が間欠的に形成されている場合に、上述したような従来の圧縮装置で圧縮させるときに次の問題が生じる。
図1に示されるように電極活物質2bが形成されている部分と、形成されていない部分との間で段差Xが生じている。圧縮ロール
4がこの段差Xの部分を通過する時に、圧縮ロール
4の位置が変動して衝撃が起こり電極帯板2が破断しやすい。
【0007】
本発明の目的は、間欠的に電極活物質が形成された電極帯板を圧縮する場合に、段差衝撃に起因する電極帯板の破断を防ぐ電極帯板の連続圧縮装置
と方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明によると、帯状の金属箔集電体に電極活物質部分がその長さ方向に間欠的に形成されてなる電極帯板を圧縮する電極帯板の連続圧縮装置であって、
対向するように配置され互いに逆方向に回転して対向外周面間に前記電極帯板を挟み込み、その長さ方向に送りながら圧縮処理を行う1対の圧縮ロールと、
電極帯板上の電極活物質部分の圧縮処理の後、次の電極活物質部分の先端が前記1対の圧縮ロール間に来るまでに、圧縮ロール間のギャップを、前記金属箔集電体の厚さより大きくかつ圧縮後の電極活物質部分の電極帯板厚さ以下にさせるギャップ調整手段と、
前記電極帯板上の電極活物質部分の終端が前記圧縮ロール間に来る時を検出する検出手段とを備え、
該検出に反応して、前記ギャップ調整手段は前記1対の圧縮ロール間のギャップを調整
し、
前記電極帯板を挟み込む位置と逆側において前記1対の圧縮ロールを支持するように配置された1対のバックアップロールと、
前記電極帯板を圧縮するために、前記バックアップロールの軸箱を押圧し支持する第1の油圧シリンダと、を備え、
前記1対の圧縮ロールの軸端部には、圧縮ロールを回転可能に支持する軸箱が設けられており、
前記ギャップ調整手段は、一方の圧縮ロールの軸箱に固定された第2の油圧シリンダを有し、
該第2の油圧シリンダのピストンが、他方の圧縮ロールの軸箱を押圧することにより圧縮ロール間のギャップ調整を行い、
前記検出手段は、前記電極帯板上の電極活物質部分の先端が前記圧縮ロール間に来る時を検出し、
該検出に反応して、前記ギャップ調整手段は、前記第2の油圧シリンダのピストンが他方の圧縮ロールの軸箱を押圧する力を取り除く、ことを特徴とする電極帯板の連続圧縮装置が提供される。
【0009】
この構成により、次の電極活物質部分が圧縮ロール間に来たときに、圧縮ロールがギャップ調整手段により電極活物質部分の表面に近くなるように持ち上げられて鉛直方向に関する圧縮ロールと電極活物質部分の表面との距離が減少している。従って、電極帯板上に電極活物質部分が間欠的に形成されたことによる段差が圧縮ロール間に来たときに生じる衝撃を低減させることができる。これにより、電極帯板が段差衝撃により破断することを防止できる。
また、第1の油圧シリンダからの力に抗して第2の油圧シリンダが圧縮ロール間のギャップを離間させる方向に力を付与するので、圧縮ロール間のギャップを調整することができる。
さらに、電極活物質部分の先端と終端が圧縮ロール間に来た時の検出によりギャップ調整手段を非作動にさせ又は作動させることができ、適切なタイミングでギャップ調整手段を非作動・作動させることができる。
【0010】
好ましくは、ギャップ調整手段と前記検出手段により、圧縮ロール間のギャップを、前記金属箔集電体の厚さより大きくかつ圧縮後の電極活物質部分の電極帯板厚さ以下にさせるギャップ制御動作を、前記終端が前記圧縮ロール間に来た時点で行う。これにより、電極活物質が通過直後の衝撃も緩和できる。
【0011】
また、電極帯板上の段差が圧縮ロール間に来た時の圧縮ロールの位置の変動を検出することができるので、この検出信号に反応してロール間ギャップを調整できる。
すなわち、本発明の好ましい実施形態によると、前記検出手段は、前記電極活物質の終端が圧縮ロール間に来た時に、電極活物質部分と電極活物質が形成されていない部分との段差によって圧縮ロールの位置が変動することを検出し、前記ギャップ調整手段は、前記検出手段からの圧縮ロールの位置変動の検出信号に反応して前記1対の圧縮ロール間のギャップを調整する。
【0014】
本発明の好ましい実施形態によると、電極帯板の連続圧縮装置は、第1の油圧シリンダの圧油の圧力を検出する圧力検出器と、該圧力検出器の検出に基づいて、前記第1の油圧シリンダの圧油の圧力を調整する圧力調整手段とを備える。
【0015】
この構成により、圧縮ロールが電極帯板上の電極活物質部分を圧縮している時に、第1の油圧シリンダの圧油の圧力を検出して、これに基づき圧油の圧力を調整することにより、電極活物質部分の全域にわたって一定の圧力で圧縮を行うことができる。
【0016】
本発明によると、帯状の金属箔集電体に電極活物質部分がその長さ方向に間欠的に形成されてなる電極帯板を圧縮する電極帯板の連続圧縮方法であって、
対向するように配置され互いに逆方向に回転して対向外周面間に前記電極帯板を挟み込み、その長さ方向に送りながら圧縮処理を行う1対の圧縮ロールと、
電極帯板上の電極活物質部分の圧縮処理の後、次の電極活物質部分の先端が前記1対の圧縮ロール間に来るまでに、圧縮ロール間のギャップを、前記金属箔集電体の厚さより大きくかつ圧縮後の電極活物質部分の電極帯板厚さ以下にさせるギャップ調整手段と、
前記電極帯板上の電極活物質部分の終端が前記圧縮ロール間に来る時を検出する検出手段と、
前記電極帯板を挟み込む位置と逆側において前記1対の圧縮ロールを支持するように配置された1対のバックアップロールと、
前記電極帯板を圧縮するために、前記バックアップロールの軸箱を押圧し支持する第1の油圧シリンダと、を設け、
前記1対の圧縮ロールの軸端部には、圧縮ロールを回転可能に支持する軸箱が設けられており、
前記ギャップ調整手段は、一方の圧縮ロールの軸箱に固定された第2の油圧シリンダを有し、
(A)前記検出手段による前記検出に反応して、前記ギャップ調整手段が、前記1対の圧縮ロール間のギャップを調整する場合に、該第2の油圧シリンダのピストンが、他方の圧縮ロールの軸箱を押圧することにより圧縮ロール間のギャップ調整を行い、
(B)前記検出手段により、前記電極帯板上の電極活物質部分の先端が前記圧縮ロール間に来る時を検出し、該検出に反応して、前記ギャップ調整手段は、前記第2の油圧シリンダのピストンが他方の圧縮ロールの軸箱を押圧する力を取り除く、ことを特徴とする電極帯板の連続圧縮方法が提供される。
【発明の効果】
【0017】
上述したように、本発明では、金属泊集電体に電極活物質が間欠的に形成された電極帯板を連続的に圧縮する場合において、ギャップ調整手段により、電極帯板上の電極活物質部分の圧縮処理の後、次の電極活物質部分の先端が1対の圧縮ロール間に来るまでに、圧縮ロール間のギャップを、前記金属箔集電体の厚さより大きくかつ圧縮後の電極活物質部分の電極帯板厚さ以下にさせるので、段差が引き続いて圧縮ロール間に来るたびに生じる衝撃を低減できるという優れた効果を有する。これにより、段差が大きい場合にも、衝撃を低減でき、電極帯板の圧縮処理において電極帯板の破断を防止できる。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【0020】
本発明の電極帯板の連続圧縮装置は、帯状の金属箔集電体の片面または両面に電極活物質を塗布してなる電極帯板を連続して圧縮する装置である。帯状の金属箔集電体は、例えば10〜30μm厚の銅またはアルミニウム等の金属箔であり、電極活物質は金属粉、各種電極材料、導電材及びバインダを混合したスラリーである。スラリーは金属箔集電体の片面または両面に、例えば100〜200μm厚にコーティングし乾燥固化した後に、本発明の装置を用いて圧縮する。
【0021】
なお、コーティング材としてのスラリーの塗布・圧着の過程で、コーティング材を加熱することは、圧着がやりやすくなり、コーティング材の割れ等が起きないので有効である。以下では特に述べないがロール類を加熱することも有効である。本発明の実施形態では、コーティング材が間欠的に塗布された電極帯板を圧縮する。
【0022】
図2と
図3は、本発明の実施形態による電極帯板の連続圧縮装置10を示す概略図である。
1対の圧縮ロール4は、両端部が軸受で回転可能に支持され、軸心Z1を中心に回転駆動され、電極帯板2の両面にそれぞれ密着し、圧縮ロール4間で電極帯板2を圧縮する。電極帯板2は、帯状の金属箔集電体2aの片面または両面に電極活物質2bを塗布したものである。
【0023】
1対のバックアップロール6は、1対の圧縮ロール4の外周面にそれぞれ密着し、圧縮ロール4の径方向撓みを低減する。
圧縮ロール4の直径は、好ましくは600mm未満の小径であり、電極帯板2とのロール接触角が10度以下となるように設定される。また、バックアップロール6の直径は、好ましくは600mm以上であり、圧縮ロール4の中心部の撓みが所望の値以下(例えば最大2μm以下)となるように大径に設定されている。
【0024】
図2と
図3において、圧縮ロール4の一方の軸端部を軸心Z1の回りに回転駆動させる回転駆動装置(図示せず)が取り付けられている。また、圧縮ロール4を回転させる代わりに、バックアップロール6の一方の軸端部に軸心Z2の回りにバックアップロール6を回転駆動させる回転駆動装置(図示せず)を取り付けてもよい。即ち、バックアップロール6を回転駆動させて、圧縮ロール4をバックアップロール6との摩擦力で回転させてもよい。
【0025】
符号8は油圧圧下装置である第1の油圧シリンダを指し、図示されないハウジングに固定されたシリンダ本体12と、バックアップロール6の軸箱16を保持しながら昇降することにより、1対の圧縮ロール4のギャップを開閉して電極帯板2を圧縮する圧縮力を付与するピストン18と、油圧源20と配管22で接続され、配管口24を介して圧油が供給及び排出される油圧室26とからなる。この例では、第1の油圧シリンダ8は下側のバックアップロール6の軸箱16の下部に設けられているが、上側のバックアップロール6の軸箱16の上部に設けられてもよい。
【0026】
位置指令部28から圧力・位置切替制御部30へ位置指令信号が供給される。この位置指令信号に従って、圧力・位置切替制御部30は動作信号をサーボ弁などの圧力制御弁32へ供給する。圧力制御弁32は、動作信号を受けて油圧圧下シリンダ8の圧縮力を制御するための圧油を油圧室26へ供給又は排出をするようになっている。さらに、この圧力制御弁32により制御されたピストン18の位置をマグネスケール等の位置検出器34が検出して、検出信号を圧力・位置切替制御部30へ送る。圧力・位置切替制御部30は、上述した位置指令信号と位置検出信号とに基づいて、さらに圧力制御弁32へ動作信号を供給してフィードバック制御を行う。このようにして、圧縮ロール4のギャップ又は圧縮力を制御することができる。
【0027】
以下において、
図4に示されるように、圧縮された電極帯板2の電極活物質2bが塗布された部分の厚さをG0とし、電極帯板2の電極活物質2bが塗布されていない部分の厚さをG1とする。なお、G1は、
図4(B)のように、圧縮ロール4間を通過した後の金属箔集電体2aの厚みであってよい。
図4(A)は、圧縮装置10の圧縮ロール4が電極帯板2の電極活物質2bが塗布された部分を圧縮している状態を示している。この電極活物質部分2bを圧縮し終わると、圧縮部分が電極活物質2bのある部分から無い部分に変わるので、
図4(B)に示されるように1対の圧縮ロール4は、その間の距離がG0からG1になるか、または、その間の距離がG1となる付近で振動することになる。従って、次の電極活物質部分2bの先端が、圧縮ロール4間にやってくると、それが無い部分との段差のため圧縮ロール4間の距離はその瞬間にG1からG0に変わり衝撃が生じる。この衝撃のために、電極帯板2が破断してしまう場合がある。
【0028】
そのため本実施形態によると、圧縮装置10は、第2の油圧シリンダであるバランス制御装置36を備える。
図5は、
図3の圧縮ロール4の軸心方向Z1からみた場合のバランス制御装置36を示している。このバランス制御装置36は、
図3と
図5に示されるように下側の圧縮ロール4の軸箱14の両側に固定されたシリンダ本体38と、押圧部材40を介して上側の圧縮ロール4の軸箱14を押圧するピストン42と、油圧源43と配管44で接続され、配管口46を介して圧油が供給・排出されるシリンダ本体38の油圧室48とからなる。
【0029】
(電極活物質終端の検出に基づく圧油制御)
電極活物質2bが塗布された部分の次に、塗布されていない部分に対応する電極活物質部分2bの終端が圧縮ロール4に来たときには、段差のため油圧圧下装置8のピストン18の位置が変動する。このピストン18の位置の変動を位置検出器34が検出して検出信号を圧力・位置切替制御部30へ与える。位置検出器34の代わりに、油圧圧下装置8の油圧室26に連通するように設けられた圧力検出器60(
図3参照)を用いて、前記終端での段差によるピストン18の変動が引き起こす油圧室26の圧力変動を検出して検出信号を圧力・位置切替制御部30へ与えてもよいし、油圧室48に連通するように設けられた圧力変換器などの圧力検出器PT(
図3参照)を用いて、前記終端での段差によるピストン42の変動が引き起こす油圧室48の圧力変動を検出して検出信号を圧力・位置切替制御部30へ与えてもよい。
このような変動を示す検出信号を受けた圧力・位置切替制御部30は、
図3に示されるように、動作信号を圧力制御弁50へ供給する。この動作信号に従ってサーボ弁等の圧力制御弁50は、上側の圧縮ロール4の軸箱14を押す圧油を油圧室48に供給する。
【0030】
なお、電極活物質部分2bの終端は、位置検出器34、圧力検出器60または圧力検出器PTにより検出したが別にセンサーを設けておき、このセンサーが電極活物質部分2bの終端を検出することにより、この終端部が圧縮ロール4間に来たことを検知するようにしてもよい。すなわち、本発明の検出手段は、位置検出器34、圧力検出器PT又は圧力検出器60により構成されてもよいし、他の適切な装置を本発明の検出手段として用いてもよい。
【0031】
(電極活物質が無い部分におけるギャップ制御)
電極活物質2bが塗布されていない部分が圧縮ロール4の間に来ている時には、位置検出器34が検出した圧縮ロール4の位置が圧力・位置切替制御部30にフィードバックされる。圧力・位置切替制御部30が、このフィードバック信号と、予め圧力・位置切替制御部30にインプットされた希望位置とに基づいて、圧力制御弁50の開度を制御して圧縮ロール4の位置制御を行う。これにより、圧縮ロール4間のギャップを、後述するギャップG2にする。即ち、希望位置はG2に相当する。このような位置制御により、例えば、電極帯板2が破断した時に、復帰作業が迅速化する。
【0032】
圧縮ロール4間のギャップをギャップG2にする制御は、上述したように、電極活物質部分2bの終端が圧縮ロール4間に来たことを検出手段が検出したことに反応してなされてよい。
【0033】
これにより、押圧部材40を介してピストン42が上側の圧縮ロール4の軸箱14を押すことになり、油圧圧下装置8が与えている圧縮力に抗して圧縮ロール4を持ち上げて1対の圧縮ロール4間のギャップを広げることができる。即ち、油圧圧下装置8は1対の圧縮ロール4のギャップを狭める方向に力を付与しているが、バランス制御装置36はこれと反対方向の力を圧縮ロール4に与えることにより、圧縮ロール4間のギャップを調整することが可能である。従って、段差となる次の電極活物質2bが塗布された部分が圧縮ロール4間に到達した時に起こる衝撃を低減させることができる。第2の油圧シリンダであるバランス制御装置36、油圧源43、圧力・位置切替制御部30及び圧力制御弁50は、ギャップ調整手段を構成する。なお、他の適切な装置をギャップ調整手段として用いてもよい。ギャップ調整手段は次の動作を行う。
【0034】
即ち、
図4(C)に示されるように、次の電極活物質2bが圧縮ロール4間に来た時に、圧縮ロール4間の距離が、G0≧G2>G1を満足するG2となっているように、バランス制御装置36は上側の圧縮ロール4の軸箱14を押す。このために、次の電極活物質2bが塗布された部分がロール間に来るまでに、鉛直方向に関して圧縮ロール4のギャップがG1より大きくG0以下となるように上述した動作が行われる。従って、次の電極活物質2bが塗布された部分がロール間に来た時に、衝撃を無くすことができるか又は低減させることができる。なお、連続圧縮装置10全体は弾性変形するので、G0,G2,G1の関係を弾性変形分だけ修正した位置でピストン42の位置設定が必要なこともある。
【0035】
(電極活物質先端の検出に基づく圧油制御)
次の電極活物質2bの先端が圧縮ロール4間に来ると、油圧圧下装置8が付与する力に抗して圧縮ロール4のギャップを広げようとする力は、バランス制御装置36が付与する力に、圧縮対象の電極活物質2bの厚みにより付与される力が加えられた力となる。従って、次の電極活物質2bの先端が圧縮ロール4間に来たときに、油圧圧下装置8のピストン18は、圧縮対象の電極活物質2bの厚みにより付与される力により位置変動する。この変動が、上述したのと同様に、位置検出器34または圧力検出器60により検知され、検知信号が位置検出器34または圧力検出器PTから圧力・位置切替制御部30に送られる。代わりに、圧力検出器PTを用いて、前記先端での段差によるピストン42の変動が引き起こす油圧室48の圧力変動を検出して検出信号を圧力・位置切替制御部30へ与えてもよい。また、代わりに、次の電極活物質部分2bの先端での段差が圧縮ロール4間に来る時を検出するためにこの先端を検出するセンサーを、本発明の検出手段として別に設けてこのセンサーが段差を検出して検出信号を圧力・位置切替制御部30へ供給してもよい。
【0036】
このような検出信号に反応して、次のように、バランス制御装置36、油圧源43、圧力・位置切替制御部30及び圧力制御弁50からなる前記ギャップ調整手段が非作動にされる。前記先端が圧縮ロール4間に来たことを検出した旨の前記検出信号に反応して圧力・位置切替制御部30が動作信号を圧力制御弁50へ供給して油圧室48から圧油を排出してバランス制御装置36のピストン42が上側の圧縮ロール4の軸箱14を押す力を取り除くようにする。これにより、前記ギャップ調整手段を非作動にし、圧縮ロール4の圧縮力をもとに戻す。その後は、電極活物質2bの部分が圧縮ロール4により圧縮され、圧縮後は、同様に次の電極活物質部分2bの先端が圧縮ロール4間に来るまでに圧縮ロール4間のギャップを広げておく。このような動作を行って電極帯板2の圧縮処理を行う。
【0037】
(圧縮力の一定制御)
電極活物質2bが塗布された部分の圧縮は、一定の圧力で行われることが好ましい。このため、圧縮ロール4は、電極活物質2bが塗布された部分を一定の圧力で圧縮を行うように制御される。この一定圧力制御のために、油圧室26内の油圧を検出する上記の圧力検出器60が設けられる。圧力検出器60は圧力変換器であってよいが、これに限定されない。圧力検出器60が検出した油圧室26内の油圧が圧力・位置切替制御部30にフィードバックされる。圧力・位置切替制御部30は、フィードバックされた油圧室26内の油圧と、圧力・位置切替制御部30に予めインプットされた希望圧力とに基づいて、圧力制御弁32の開度を調整する。この方法で、圧縮ロール4による一定の圧力押し付けを実行することができる。この時、前記ギャップ調整手段は、上述のように非作動にされている。
【0038】
なお、本発明の圧力調整手段は、本実施形態では、圧力・位置切替制御部30と圧力制御弁32とにより構成される。
【0039】
(電極活物質の先端または終端の他の検知方法)
電極活物質部分2bの先端または終端の検知は、圧縮ロール4の上流側において、センサーにより行い、当該センサーは当該検知により検知信号を出力してもよい。この場合、当該センサーは検出手段を構成し、当該センサーを用いた次の入力方法1または2を採用してよい。
・入力方法1
当該検知信号は、当該センサーが前記先端または終端を検知した時点から、当該先端または終端が圧縮ロール4間に到達する時間だけ遅れた時点で、圧力・位置切替制御部30に入力されるようにする。
・入力方法2
当該検知信号は、当該センサーが前記先端または終端を検知した時点から、当該先端または終端が圧縮ロール4間に到達する時間だけ遅れた時点の直前に、圧力・位置切替制御部30に入力されるようにする。これにより、電極活物質2bの終端が圧縮ロール4間に来るタイミングに合わせて圧縮ロール4間のギャップをG2になるように制御できる。その結果、電極活物質2bが圧縮ロール4間を通過し終わった時に、ギャップがG0からG1になって板に接触した時の衝撃を緩和することもできる。
【0040】
なお、電極活物質2bの先端または終端を、圧縮ロール4の上流側において検知する前記センサーは、例えば、光学式のものであってよい。すなわち、当該センサーは、電極帯板2の表面に光を微小な時間間隔をおいて照射し、その反射光を検出するものであり、当該光が照射されてから当該反射光を検出するまでの時間を検知する。この時間は、当該反射光が、電極帯板2の表面において電極活物質2bがある部分から反射した場合と、当該反射光が、電極帯板2の表面において電極活物質2bが無い部分から反射した場合とで異なるので、この違いに基づいて前記センサーは、先端または終端を検知した旨の前記検出信号を出力する。
【0041】
上述したセンサーは本実施形態に適切なセンサーであればどのようなセンサーであってもよい。また、バランス制御装置36は
図3に示されるように圧縮ロール4の両側に設けられる。
図3では、圧力・位置切替制御部30は、別々に設けられているが1つに統合してもよい。
【0042】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、圧縮ロール4を支持するバックアップロールは圧縮ロール4の外周面に接する構成に限られず、圧縮ロール4とバックアップロールの間に中間ロール(図示せず)を介してもよい。この場合、他の点は上述と同じである。