特許 6711024 電極清掃装置、及び、電極清掃方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6711024

(24)【登録日】2020年6月1日

(45)【発行日】2020年6月17日

(54)【発明の名称】電極清掃装置、及び、電極清掃方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20200608BHJP

   H01G 11/86 20130101ALI20200608BHJP

   H01G 13/00 20130101ALI20200608BHJP

   H01M 10/0585 20100101ALN20200608BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/04 Z

   H01G11/86

   H01G13/00 381

   !H01M10/0585

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-41228(P2016-41228)

(22)【出願日】2016年3月3日

(65)【公開番号】特開2017-157474(P2017-157474A)

(43)【公開日】2017年9月7日

【審査請求日】2018年12月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】廣江 拓

(72)【発明者】

【氏名】木下 恭一

【審査官】 結城 佐織

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−２３１０２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １０／０４

Ｈ０１Ｇ １１／８６

Ｈ０１Ｇ １３／００

Ｈ０１Ｍ １０／０５８５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

同一極性の電極を複数積層した電極群の端面を清掃する電極清掃装置であって、
前記電極群が載置される載置部と、
前記端面に沿って導電性のブラシを摺動させる摺動部と、
前記ブラシに通電する通電部と、を備え、
前記摺動部は、
前記ブラシが設けられた軸部材を支持する支持部と、
前記支持部をガイドするガイド部とを含む電極清掃装置。

【請求項2】

前記軸部材は、前記電極の積層方向に延び、
前記支持部は、前記軸部材を回転可能に支持する請求項１に記載の電極清掃装置。

【請求項3】

前記載置部は、異なる極性の電極を互いに絶縁された状態で交互に積層して電極組立体を製造する前に同一極性の電極を積層して載置するマガジンの一部である請求項１又は請求項２に記載の電極清掃装置。

【請求項4】

電極材料から打ち抜かれた複数の電極を積層した電極群の端面に沿って、電源に接続された導電性のブラシを摺動させる電極清掃方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄電装置に用いられる電極を清掃する電極清掃装置、及び、電極清掃方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。この種の二次電池は、正極の電極と負極の電極とがセパレータを間に挟んだ状態で積層された電極組立体を備える（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−２２２６６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、電極を製造する過程で、電極の端面にバリが生じる場合がある。バリを有する電極を積層すると、バリがセパレータを突き破るおそれがあり、内部短絡の原因となり得る。内部短絡が生じると二次電池の自己放電量が多くなる。

【0005】

本発明の目的は、電極のバリを清掃することができる電極清掃装置、及び、電極清掃方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決する電極清掃装置は、同一極性の電極を複数積層した電極群の端面を清掃する電極清掃装置であって、前記電極群が載置される載置部と、前記端面に沿って導電性のブラシを摺動させる摺動部と、を備える。

【0007】

これによれば、導電性のブラシに電流を流すことができる。そして、摺動部によって、電極群の端面に沿ってブラシを摺動させることで、ブラシから各電極のバリに電流が流れる。バリは、電流により焼き切れるため、電極を清掃することができる。

【0008】

上記電極清掃装置について、前記ブラシに通電する通電部を備え、前記摺動部は、前記ブラシが設けられた軸部材を支持する支持部と、前記支持部をガイドするガイド部とを含む。これによれば、ガイド部に沿ってブラシを移動させることができ、バリの除去を行いやすい。

【0009】

上記電極清掃装置について、前記軸部材は、前記電極の積層方向に延び、前記支持部は、前記軸部材を回転可能に支持する。これによれば、軸部材が回転可能に支持されることで、ブラシも軸部材と一体となって回転する。ブラシが回転することで、バリとブラシとが接触しやすく、バリの除去を行いやすい。

【0010】

上記電極清掃装置について、前記載置部は、異なる極性の電極を互いに絶縁された状態で交互に積層して電極組立体を製造する前に同一極性の電極を積層して載置するマガジンの一部であってもよい。これによれば、マガジンを電極清掃装置としても兼用することができる。

【0011】

上記課題を解決する電極清掃方法は、電極材料から打ち抜かれた複数の電極を積層した電極群の端面に沿って、電源に接続された導電性のブラシを摺動させる。
これによれば、バリが清掃された電極を得ることができる。この電極を用いて二次電池の電極組立体を製造することで、バリによる内部短絡が抑制された二次電池を得ることができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、電極のバリを清掃することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】（ａ）は二次電池の斜視図、（ｂ）は電極組立体の分解斜視図。

【図2】電極組立体の製造工程を示すフローチャート。

【図3】（ａ）はマガジンの斜視図、（ｂ）は（ａ）の符号Ａで示す箇所の拡大図、（ｃ）は電極群の端面の拡大図。

【図4】マガジンを電極清掃装置として用いるときのマガジンの斜視図。

【図5】ガイド溝を示す平面図。

【図6】マガジンを示す図４の６−６線断面図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、電極清掃装置、及び、電極清掃方法の一実施形態について説明する。
図１（ａ）に示すように、二次電池１０は、電極組立体２０と、電極組立体２０を収容したケース１１と、電極組立体２０と電気を授受するための２つの端子１２と、を備える。ケース１１は、有底筒状のケース本体１３と、ケース本体１３の開口部を閉塞する蓋１４と、を備える。二次電池１０は、例えば、リチウムイオン二次電池である。

【0015】

図１（ｂ）に示すように、電極組立体２０は、複数の正極の電極２１と、複数の負極の電極２２と、複数のセパレータ２８と、を備える。電極組立体２０は、正極の電極２１と負極の電極２２がセパレータ２８によって互いに絶縁された状態で交互に積層されている。

【0016】

各電極２１，２２は、金属箔２３を備える。正極の電極２１の金属箔２３は、例えばアルミニウム箔である。負極の電極２２の金属箔２３は、例えば銅箔である。
金属箔２３は、長辺２４ａ，２４ｂ及び短辺２４ｃ，２４ｄを有する長方形状の本体部２４と、本体部２４の２つの長辺２４ａ，２４ｂのうち、一方の長辺２４ａから突出した形状のタブ２５と、を備える。タブ２５は、矩形状であり、本体部２４からの突出方向が長手方向となり、長辺２４ａに沿う方向が短手方向となっている。

【0017】

各電極２１，２２は、金属箔２３の両面のうち、長辺２４ａに沿う部分を除いた部分を覆う活物質層２６を備える。また、各電極２１，２２は、長辺２４ａに沿って金属箔２３の露出した未塗工部２７を備える。

【0018】

活物質層２６は、それぞれの極性用の活物質、バインダ、及び導電助剤などを含有している。活物質層２６は、二次電池１０としての出力密度を向上させることを目的として、活物質の密度が高められている。セパレータ２８は、多孔質な絶縁体である。

【0019】

次に、上記した電極組立体２０、及び、電極２１，２２の製造方法について説明する。
図２に示すように、各電極２１，２２を製造するときには、まず、電極材料を製造する（ステップＳ１）。電極材料は、活物質、導電助剤、溶媒及びバインダを混合した活物質ペーストを長尺状の帯状金属箔の両面に塗布し、活物質ペーストを乾燥させることで製造される。

【0020】

次に、電極材料を電極２１，２２の形状に打ち抜き、電極材料から電極２１，２２を切断する（ステップＳ２）。
切断された電極２１，２２は、マガジン３０（図３参照）に積層される（ステップＳ３）。マガジン３０は、異なる極性の電極２１，２２を積層した電極組立体２０を製造する前に、同一極性毎に区分して各電極２１，２２を積層するものである。

【0021】

次に、各電極２１，２２は、清掃される（ステップＳ４）。この清掃は、電極材料から電極２１，２２を切断したときに電極２１，２２の切断部（端面）に生じたバリを除去するために行われる。

【0022】

清掃後の電極２１，２２は、セパレータ２８によって絶縁された状態で交互に積層され、これにより電極組立体２０が製造される（ステップＳ５）。電極組立体２０の製造は、例えば、マガジン３０に積層された電極２１，２２を吸着して搬送する搬送装置によって、正極の電極２１、セパレータ２８、及び、負極の電極２２を順番に積層することで行われる。

【0023】

次に、マガジン３０について詳細に説明する。なお、以下の説明において、負極の電極２２が積層されるマガジン３０について説明するが、正極の電極２１が積層されるマガジンについても同様の態様である。

【0024】

図３（ａ）に示すように、マガジン３０は、台座３１と、台座３１の１つの面３２に固定された２つの支持板３３と、支持板３３に支持された１つの枠体４０と、電極２２が積層される載置部３４を規定する複数の棒材４８とを備える。面３２において、棒材４８に囲まれる領域が載置部３４となる。枠体４０は、内周縁と外周縁とを貫通する切欠Ｓを備える。枠体４０は、内周縁に沿って複数の貫通孔４６を備える。

【0025】

台座３１は、面３２に開口し、棒材４８が挿入される挿入穴４９を複数備える。挿入穴４９は、貫通孔４６と同数設けられている。挿入穴４９同士の間隔は、貫通孔４６同士の間隔と同一間隔である。棒材４８は、挿入穴４９、及び、貫通孔４６に対して、挿入、及び、抜去可能である。挿入穴４９及び貫通孔４６は、載置部３４に電極２２を積層したときに、電極２２の端面が揃った状態で積層されるように位置が定められている。

【0026】

載置部３４に電極２２を載置するときには、枠体４０及び棒材４８により電極２２がガイドされる。この際、タブ２５は切欠Ｓを通って載置部３４に載置されることで、枠体４０とタブ２５との干渉が抑止されている。複数の電極２２が積層された電極群５０は、複数の電極２２の端面（四辺）によって構成された４つの端面５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄを備えることになる。なお、端面５０ａは長辺２４ａによって構成された端面であり、端面５０ｂは長辺２４ｂによって構成された端面である。端面５０ｃは短辺２４ｃによって構成された端面であり、端面５０ｄは短辺２４ｄによって構成された端面である。

【0027】

図３（ｂ）に示すように、電極２２を製造する際に、電極材料を切断することで、切断部となる電極２２の端面には、バリ５１が生じている。このバリ５１は、金属箔２３の端面から突出している。

【0028】

図４に示すように、電極２２は、マガジン３０に積層された後に、清掃部材９１によって清掃され、これによりバリ５１が除去される。清掃部材９１は、軸部材９５と、軸部材９５に設けられたブラシ９４とを備える。軸部材９５は、円柱状の本体９２と、本体９２を軸線方向に貫通し、本体９２の両面から一部が突出した支持軸９３とを備える。ブラシ９４は、本体９２の外周面に設けられている。本実施形態において、本体９２、支持軸９３、及び、ブラシ９４は、導電性の材料で製造されている。導電性の材料としては、例えば、カーボンや金属などが挙げられる。本実施形態においては、通電されたブラシ９４を電極群５０の端面に沿って摺動させることで、バリ５１が除去された状態、あるいは、バリ５１が除去されやすい状態になる。

【0029】

バリ５１は、電極２２の切断部（四辺）のうち、活物質層２６と金属箔２３とが重なり合う部分の切断部に生じやすい。すなわち、金属箔２３の長辺２４ｂ、及び、短辺２４ｃ，２４ｄにはバリ５１が生じやすく、長辺２４ａにはバリ５１が生じにくい。このため、少なくとも、活物質層２６と金属箔２３とが重なり合う部分の切断部となる長辺２４ｂ、及び、各短辺２４ｃ，２４ｄによって構成される端面５０ｂ，５０ｃ，５０ｄに沿ってブラシ９４を摺動させる。

【0030】

また、バリ５１は、電極２２の四辺（端部）の延びる方向に傾いている場合が多い。このバリ５１に対して電極２２の四辺（端部）の延びる方向からブラシ９４を摺動させることで、ブラシ９４がバリ５１に接触しやすく、バリ５１が除去されやすい。また、金属箔２３は、活物質層２６に比べて弾性力が高く、電極材料を刃によって打ち抜いて切断するときに弾性変形することで収縮し、切断された後に元の形状に復元する。結果として、図３（ｃ）に示すように、電極２２の切断部では、活物質層２６よりも金属箔２３のほうが僅かに突出している。このため、電極２２が積層され、電極群５０となると、各端面５０ｂ，５０ｃ，５０ｄには僅かに突出した金属箔２３によって微細な隙間Ｃが生じることになる。この隙間Ｃは、電極２２の積層方向と直交する方向に延びている。このため、ブラシ９４を隙間Ｃ内に入り込みやすくし、バリ５１を除去しやすくするために、ブラシ９４を電極２２の積層方向に直交する方向に摺動させる。

【0031】

本実施形態のマガジン３０は、上記したブラシ９４を端面５０ｂ，５０ｃ，５０ｄに沿って摺動させる機構を備えることで、電極清掃装置としても兼用可能に構成されている。以下、マガジン３０を電極清掃装置として兼用するための機構について説明する。なお、マガジン３０を電極清掃装置として兼用する場合、各棒材４８は挿入穴４９及び貫通孔４６から抜去されている。

【0032】

図３及び図４に示すように、台座３１は、ガイド部としてのガイド溝６１と、ガイド溝６１に収容された支持部６５と、を備える。支持部６５は、直方体状であり、１つの面に開口する支持穴６５ａを備える。支持穴６５ａは、ガイド溝６１の開口方向と同一方向を向く。支持部６５は、ガイド溝６１内で移動可能であり、ガイド溝６１に沿ってガイドされる。これにより、支持部６５に支持された清掃部材９１もガイド溝６１にガイドされる。

【0033】

支持穴６５ａには、支持軸９３が挿入される。これにより、清掃部材９１は回転可能な状態で支持部６５に支持される。詳細にいえば、軸部材９５の回転に伴って、軸部材９５に設けられたブラシ９４も一体となって回転する。支持部６５は、支持軸９３を介して、ブラシ９４を支持しているともいえる。

【0034】

支持穴６５ａに支持軸９３が挿入されると、清掃部材９１はガイド溝６１から起立した状態で支持される。これにより、支持軸９３の軸線方向と本体９２の軸線方向は、電極２２の積層方向に一致する。また、支持部６５が移動すると、ブラシ９４は、電極２２の四辺の延びる方向に移動する。

【0035】

図５に示すように、ガイド溝６１は、面３２に開口している。ガイド溝６１は、平面視Ｕ字状であり、第１ガイド部６２と、第１ガイド部６２の一端に直角に交わる第２ガイド部６３と、第１ガイド部６２の他端に直角に交わる第３ガイド部６４と、を備える。

【0036】

各ガイド部６２〜６４は、載置部３４に沿っている。第１ガイド部６２は、載置部３４に載置された電極群５０の端面５０ｂに沿うように設けられている。第２ガイド部６３は、載置部３４に載置された電極群５０の端面５０ｃに沿うように設けられている。第３ガイド部６４は、載置部３４に載置された電極群５０の端面５０ｄに沿うように設けられている。すなわち、各ガイド部６２〜６４は、バリ５１を除去する対象となる端面５０ｂ、５０ｃ、５０ｄに対応して設けられている。第１ガイド部６２に支持部６５がガイドされると、ブラシ９４は端面５０ｂを摺動する。第２ガイド部６３に支持部６５がガイドされると、ブラシ９４は端面５０ｃを摺動する。第３ガイド部６４に支持部６５がガイドされると、ブラシ９４は端面５０ｄを摺動する。

【0037】

図６に示すように、ガイド溝６１の底部には、支持部６５を円滑に移動させるための移動部材７１が配置されている。移動部材７１は、所定の間隔毎に複数配置されている。移動部材７１は、球状のボール７２と、ボール７２を回転可能に支持する回転支持部７３とを備える。回転支持部７３は、ボール７２がガイド溝６１の開口を向くようにガイド溝６１の底部に固定されている。支持部６５が移動する際には、ボール７２が回転することで、支持部６５が円滑に移動する。

【0038】

ブラシ９４は、電源８１に接続されることで通電される。詳細にいえば、清掃部材９１を支持する支持部６５は、内部に電源８１と接続される図示しない接続部を備えており、支持軸９３が支持穴６５ａに挿入されることで支持軸９３、本体９２、及び、ブラシ９４が電源８１と接続される。本実施形態では、支持部６５、支持軸９３、及び、本体９２がブラシ９４を通電させる通電部となる。

【0039】

ブラシ９４に接続された電源８１の極とは異なる極には、タブ２５を把持する把持部材８２が接続されている。把持部材８２は、回動軸８３を中心として回動可能な２枚の金属板８４とを備える。

【0040】

次に、本実施形態の電極清掃装置の作用を、電極清掃方法とともに説明する。
まず、電極群５０を構成する電極２２のうち、複数の電極２２のタブ２５を把持部材８２で纏めて把持する。次に、清掃部材９１を支持した支持部６５をガイド溝６１にガイドさせることで、ブラシ９４を端面５０ｂ，５０ｃ，５０ｄに沿って摺動させる。本実施形態では、ブラシ９４を支持する支持部６５、及び、この支持部６５を移動させるガイド溝６１が摺動部となる。

【0041】

バリ５１とブラシ９４とが接触すると、電源８１から金属箔２３、及び、バリ５１に電流が流れる。バリ５１は金属箔２３に比べて断面積が小さい。すなわち、バリ５１は金属箔２３に比べて抵抗値が高くなるため、バリ５１で生じるジュール熱は、金属箔２３で生じるジュール熱よりも多くなる。これにより、バリ５１は電流によって焼き切れる一方で、金属箔２３は焼き切れることがなく、バリ５１のみを除去して電極２２を清掃することができる。この後、送風機により電極群５０に送風を行うことで、バリ５１が燃焼したことで生じた灰や、焼け残ったバリ５１を除去することができる。焼け残ったバリ５１も、ブラシ９４の摺動により除去しやすくなっている。

【0042】

バリ５１が除去される電極２２は、把持部材８２でタブ２５が把持された電極２２である。順次、把持部材８２に把持される電極２２を異ならせていき、電極群５０を構成する全ての電極２２を清掃する。

【0043】

したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）マガジン３０は、電極群５０の端面５０ｂ，５０ｃ，５０ｄに沿って導電性のブラシ９４を摺動させる支持部６５、及び、ガイド溝６１を備える。ブラシ９４は、導電性であるため、電源８１と接続されることで電流が流れる。電源８１に接続された把持部材８２でタブ２５を把持しながら、ブラシ９４を電極群５０の端面５０ｂ，５０ｃ，５０ｄに沿って摺動させることで、金属箔２３及びバリ５１には電流が流れる。バリ５１は、電流が流れることで焼き切れるため、電極２２を清掃することができる。

【0044】

（２）支持部６５は、ガイド溝６１に沿って移動するため、電極群５０の端面５０ｂ，５０ｃ，５０ｄに沿ってブラシ９４を摺動させやすく、電極２２の清掃を行いやすい。
（３）ブラシ９４は、電極２２の積層方向に延びる本体９２及び支持軸９３を中心に回転する。このため、ブラシ９４が回転することで、バリ５１を除去しやすい。

【0045】

（４）マガジン３０の台座３１を電極清掃装置として兼用している。このため、マガジン３０と電極清掃装置とを別に設ける場合に比べて、部品点数の削減、及び、製造コストの削減が図られる。また、マガジン３０に積層された電極２２を清掃することで、マガジン３０で積層された電極２２を別の箇所に移動させることなく、清掃を行うことができる。

【0046】

（５）電極清掃装置を用いて電極２２のバリ５１を清掃することで、バリ５１の少ない電極２２を得ることができる。この電極２２を用いた電極組立体２０を用いて二次電池１０を製造することで、バリ５１を原因とした内部短絡が抑制された二次電池１０を得ることができる。

【0047】

なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○マガジン３０を兼用して電極清掃装置としたが、マガジン３０を兼用しない専用の電極清掃装置であってもよい。

【0048】

○把持部材８２は、タブ２５を把持することができ、電流を流すことができる形状であれば、どのような形状でもよい。
○ガイド部として、台座３１の面上に配置されるレールを用いてもよい。

【0049】

○マガジン３０は、移動部材７１を備えていなくてもよい。この場合であっても、ガイド溝６１内で支持部６５を移動させることができる。
○実施形態では、本体９２に電源８１と接続される接続部を設けることで、本体９２を通電部としてもよい。

【0050】

○支持部６５は、清掃部材９１の支持軸９３などに一体化されていてもよい。この場合、支持部６５を摺動させるガイド溝６１が摺動部として機能する。
○電極は、キャパシタなどに用いられる電極であってもよい。

【0051】

○バリ５１に対して、電極２２の積層方向からブラシ９４を接触させてもよい。
○電極清掃装置は、正極の電極２１を清掃するものでもよい。

【符号の説明】

【0052】

２０…電極組立体、２１…正極の電極、２２…負極の電極、３０…マガジン、３１…台座、５０…電極群、５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ…端面、６１…ガイド溝、６５…支持部、８１…電源、９１…清掃部材、９２…本体、９３…支持軸、９４…ブラシ、９５…軸部材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】