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(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】
(24)【登録日】2023-12-22
(45)【発行日】2024-01-05
(54)【発明の名称】巻き取りシート材料のためのドラム
(51)【国際特許分類】
B65H 75/24 20060101AFI20231225BHJP
H01M 10/052 20100101ALN20231225BHJP
H01M 10/0562 20100101ALN20231225BHJP
H01M 10/058 20100101ALN20231225BHJP
【ＦＩ】
B65H75/24 Z
H01M10/052
H01M10/0562
H01M10/058
【請求項の数】
24
(21)【出願番号】P 2022535751
(86)(22)【出願日】2020-12-04
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-15
(86)【国際出願番号】 GB2020053123
(87)【国際公開番号】W WO2021116665
(87)【国際公開日】2021-06-17
【審査請求日】2022-07-12
(31)【優先権主張番号】1918185.8
(32)【優先日】2019-12-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(73)【特許権者】
【識別番号】500024469
【氏名又は名称】ダイソン・テクノロジー・リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100174001
【弁理士】
【氏名又は名称】結城 仁美
(72)【発明者】
【氏名】ジョセフ ダニエル ハワード
(72)【発明者】
【氏名】ベンジャミン ジョン クレメンツ
(72)【発明者】
【氏名】グレゴリー スタンリー シアード
【審査官】鵜飼 博人
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－０８６５０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０８６５０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５６７０００１（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１９９５８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０６２９１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／０５１４７８（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６５Ｈ ７５／００－ ７５／３２
Ｂ６５Ｈ １８／００－ １８／２８
Ｈ０１Ｍ １０／０５８５
Ｈ０１Ｍ １０／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
シート材料の細長いウェブ１０を巻き取り、分割して、ウェブ部分の個別のスタック５６を生成するように配置されたドラム２８であって、前記ドラム２８は、前記ドラム２８の中心軸３４の周りに延在するウェブ受容ループ３０を形成する一連の面３６を備え、前記ドラム２８の各面３６は、前記ウェブ受容ループ３０上に巻き取られたウェブ１０のウェブ部分のそれぞれのスタック５６を支持するように構成されたそれぞれのドラムセグメント３２によって画定され、前記ドラムセグメント３２は、前記ウェブ受容ループ３０が拡張してウェブ１０における張力を増加させることを可能にするように移動可能であり、前記ウェブ受容ループ３０に巻き取られる前記細長いウェブ１０を個別のスタック５６に分割し、さらに、
前記ドラムセグメント３２の少なくとも１つは、前記ウェブ受容ループ３０を拡張するために前記中心軸３４に対して半径方向に移動可能であるとともに、前記ドラムセグメント３２に関連する前記ドラム２８の前記面３６の軸方向端の差動半径方向の動きを可能にするように支持され、その結果、前記ウェブ受容ループ３０のその拡張は、前記ドラム２８の軸方向端の差動半径方向拡張を備える、ドラム２８。
【請求項2】
前記ドラムセグメント３２は、前記ウェブ受容ループ３０を拡張するために離れて移動するように構成される、請求項１に記載のドラム２８。
【請求項3】
少なくとも１つのドラムセグメント３２は、前記中心軸３４に平行および／または直交する１つ以上の軸の周りで回転可能である、請求項１又は２に記載のドラム２８。
【請求項4】
少なくとも１つのドラムセグメント３２は、前記中心軸３４に対して円周方向に移動するように支持される、請求項１から３のいずれか一項に記載のドラム２８。
【請求項5】
前記ドラム２８の前記面３６は、前記ウェブ受容ループ３０が完全に収縮したときに、連続表面を形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載のドラム２８。
【請求項6】
各ドラムセグメント３２は、１つ以上のプレートおよび／またはウェッジを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のドラム２８。
【請求項7】
前記ウェブ受容ループ３０を拡張および収縮させるために前記ドラムセグメント３２の動きをもたらすための駆動機構を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のドラム２８。
【請求項8】
前記ドラム２８の各面３６は、前記中心軸３４に平行に延在する、請求項１から７のいずれか一項に記載のドラム２８。
【請求項9】
ドラム支持体に回転可能に取り付けられた、請求項１から８のいずれか一項に記載のドラム２８を備えるドラムアセンブリ。
【請求項10】
請求項９に記載のドラムアセンブリを備える、ウェブ処理システム５０。
【請求項11】
細長いウェブ１０を前記ドラム２８に供給するように構成された供給システムを備える、請求項１０に記載のウェブ処理システム５０。
【請求項12】
前記ドラム２８の前記面３６の縁に対応する間隔を空けて細長いウェブ１０に切れ目を形成するように配置された切れ目形成装置５４を備える、請求項１０または１１に記載のウェブ処理システム５０。
【請求項13】
前記切れ目形成装置５４は、前記細長いウェブ１０を穿孔および／またはアブレーションして切れ目を形成するように構成される、請求項１２に記載のウェブ処理システム５０。
【請求項14】
前記切れ目形成装置５４は、レーザーおよび／または切断部材を備える、請求項１２または１３に記載のウェブ処理システム５０。
【請求項15】
シート材料の細長いウェブ１０からウェブ部分の個別のスタック５６を製造する方法であって、本方法は、前記細長いウェブ１０をドラム２８に巻き取ることと、
前記ドラム２８を拡張して前記細長いウェブ１０の張力を高め、それによって、前記細長いウェブ１０を個別のスタック５６に分割することと、
を含み、
前記ドラム２８は、前記ドラム２８の中心軸３４の周りに延在するウェブ受容ループ３０を形成する一連の面３６を備え、前記ドラム２８の各面３６は、前記ウェブ受容ループ３０に巻き取られたウェブ１０のウェブ部分のそれぞれのスタック５６を支持するように構成されるそれぞれのドラムセグメント３２によって画定され、
前記ウェブ１０を前記ドラム２８に巻き取ることは、前記ウェブ１０を前記ウェブ受容ループ３０の周りの前記ドラムセグメント３２に巻き取ることを含み、
前記ドラム２８を拡張して前記細長いウェブ１０を個別のスタック５６に分割することは、前記ドラムセグメント３２の相対運動を駆動して前記ウェブ受容ループ３０を拡張することを含み、
前記ドラムセグメント３２の少なくとも１つを半径方向に動かして前記ウェブ受容ループ３０を拡張することを含み、さらに、
少なくとも１つのドラムセグメント３２の軸方向端の異なる半径方向の動きをもたらすことを含む、シート材料の細長いウェブ１０からウェブ部分の個別のスタック５６を製造する方法。
【請求項16】
前記ドラムセグメント３２を動かして、前記ドラム２８の軸方向端の差動半径方向拡張をもたらすことを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記ドラムセグメント３２の動きを同期させることを含む、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項18】
各ドラムセグメント３２に同じ動きを適用することを含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
形成される前記個別のスタック５６の縁に対応して離間する間隔で前記細長いウェブ１０に横方向の切れ目を形成し、その結果、前記間隔は、前記ウェブ１０に沿って次第に増加することと、各切れ目で前記細長いウェブ１０を破断して、前記ウェブ１０を個別のスタック５６に分割することと、
を含む、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項20】
前記ドラム２８を拡張する前に、前記細長いウェブ１０を前記ドラム２８にクランプすることを含む、請求項１５から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
少なくとも１つのドラムセグメント３２に２段階の動きを適用することを含む、請求項１５から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項22】
前記２段階の動きは、傾斜段階および半径方向の平行移動段階を備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
請求項１５から２２のいずれか一項に記載の方法を実行して、シート材料の細長いウェブ１０からウェブ部分の個別のスタック５６を生成する、ウェブ処理システム５０を制御するように配置された制御システム。
【請求項24】
前記細長いウェブ１０は、基板層１２および１つ以上のコーティング層１４、１６、１８を備え、前記スタック５６は、固体電気デバイスを画定する、請求項１から８のいずれか一項に記載のドラム２８、請求項１０から１４のいずれか一項に記載のウェブ処理システム（５０）、請求項１５から２２のいずれか一項に記載の方法または請求項２３の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、シート材料のウェブを巻き取るためのドラムに関する。本発明は、特に、リール状のシート材料を個別のスタックに分割または単離するように構成されたドラムに関する。このようなスタックは、固体電池などの固体デバイスを画定する。
【背景技術】
【0002】
さまざまな利点が約束されているにもかかわらず、固体電池技術は、歴史的に見て法外に高価であり、規模の経済に抵抗することで有名であり、これまで一般的な採用を妨げてきた。
【0003】
ＳＳＢの大量生産に伴う課題を説明するために、１つのアプローチでは、ＳＳＢセルスタックは、連続薄膜基板上に形成して「ウェブ」を画定し、これは、折りたたまれるかまたは巻かれて層となり、次に切断されて、個別の多層スタックを形成する。ウェブは、基板上の必要なアノード、カソードおよび電解質材料の個別の層で構成される層状構造によって画定されるため、各スタックは、ＳＳＢセルのスタックを画定する。このようなウェブは、抵抗率を最小にしてエネルギー密度を最大にするために、数ミクロンのオーダーで非常に薄くなければならない。費用的実行可能性は、また、ウェブが非常に長くなければならないこと、例えば、数百メートルのオーダーでなければならないことをも示す。特にスタックが高速でウェブに損傷を与えることなく形成される場合、このような長くて薄いウェブの取り扱いは、著しい課題である。
【0004】
さらに複雑なことに、ＳＳＢスタックの層の数は、従来のバッテリーセルの同等のスタックの場合よりも１桁の規模で多くなる場合がある。結果として、各スタックの層の縁の整列を管理する許容誤差は小さくなる。これは、層が追加されると整列の誤差が累積するためである。
【0005】
この背景に対して、本発明を考案した。
【発明の概要】
【0006】
本発明の一態様によれば、シート材料の細長いウェブを巻き取りおよび分割して、ウェブ部分の個別のスタックを生成するように配置されたドラムが提供される。ドラムは、ドラムの中心軸の周りに延在するウェブ受容ループを形成する一連の面を備え、ドラムの各面は、ウェブ受容ループ上に巻き取られたウェブのウェブ部分のそれぞれのスタックを支持するように構成されるそれぞれのドラムセグメントによって画定される。ドラムセグメントは可動式であり、ウェブ受容ループを拡張して、ウェブ受容ループに巻き取られたウェブの張力を高め、細長いウェブを個別のスタックに分割することを可能にする。
【0007】
したがって、ドラムは、固体デバイスを形成するための壊れやすく軽量なウェブを処理するための便利な手段を提供するが、ドラムは、そのようなウェブでの使用に限定されない。
【0008】
有利なことに、ドラムは、最初のウェブを、張力を通してウェブを破断することによってウェブ部分のスタックに分割することを可能にし、ウェブを切断する必要性を最小限に抑える。これは、ウェブがコーティング層を運ぶ基板で構成される層状構造であり、固体デバイスを形成するように構成される場合に特に有益である。このようなウェブを切断すると、コーティング層が損傷および／または亀裂を生じ、製品の品質が低下する傾向があるためである。
【0009】
さらに、ドラムの各面にそれぞれのスタックが形成されるため、ドラムは、ウェブ部分の複数の個別のスタックを同時に形成することを可能にする。したがって、ドラムは、製造プロセスの加速を促進し、固体デバイスの製造コストの削減に貢献する。
【0010】
１回の操作でウェブをスタックに破断することもまた、各スタックの層が正確に整列するようにするのに役立つ。
【0011】
いくつかの実施形態では、ドラムセグメントは、ウェブ受容ループを拡張するために離れて移動するように構成される。
【0012】
ウェブ受容ループを拡張するために、ドラムセグメントの少なくとも１つおよび必要に応じて全ては、中心軸に対して半径方向に移動可能であり得る。ドラムセグメントの１つ以上は、外向きの半径方向の動きのために支持され得、例えば、および必要に応じて、ドラムセグメントに関連するドラムの面の軸方向端の差動半径方向の動きを可能にするように支持され、その結果、ウェブ受容ループの拡張は、ドラムの軸方向端の差動半径方向拡張を含む。
【0013】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのドラムセグメントは、中心軸に平行および／または直交する１つ以上の軸の周りで回転可能である。また、少なくとも１つのドラムセグメントは、中心軸に対する円周方向の動きのために、支持され得る。
【0014】
ドラムセグメントは、例えばセグメントを同時に移動可能にするために、必要に応じて同期して移動させるために支持される。ドラムは、ドラムセグメントの動きが中心軸に対してウェブ受容ループの均一な拡張および収縮を引き起こすように構成され得る。これによって、ドラムは巻き取られたウェブ全体でフープ応力を均等に増加させることが可能になる。
【0015】
ウェブ受容ループが完全に収縮したとき、ドラムの面は、必要に応じて、ドラムの中心軸から等距離になる。同様に、ウェブ受容ループが完全に収縮したとき、ドラムの面は、中心軸の周りに等角度間隔で配置され得る。したがって、ドラムに十分な数の面がある場合、ウェブ受容ループはほぼ円形であり得、これは、巻き取り中にウェブに加えられる周期的な負荷を減らすのに役立つ。
【0016】
ウェブ受容ループが完全に収縮するとき、ドラムの面は、連続した表面を形成し得る。
【0017】
ドラムの面の少なくとも１つおよび必要に応じて全ては、平面であり得る。
【0018】
ウェブ受容ループは、完全に収縮したときにポリゴンを画定し得、必要に応じて通常の多角形であり得、多角形の各側面は、ドラムのそれぞれの面に対応する。
【0019】
ドラムの面は、実質的に同一であり得る。また、ドラムセグメントは、実質的に同一であり得る。
【0020】
各ドラムセグメントは、プレートおよび／またはウェッジなどの１つ以上のドラム要素を備え得る。ドラムセグメントまたは要素は、相互に支持するために結合され得る。あるいは、または加えて、ドラムは、ドラムセグメントおよび必要に応じてドラムセグメントの任意の要素を支持するフレームなどの支持構造を含み得る。
【0021】
ドラムは、必要に応じて、ドラムセグメントを動かしてウェブ受容ループを伸縮させる駆動機構を備える。
【0022】
ドラムの各面は、中心軸に平行に延在し得る。
【0023】
本発明はまた、ドラム支持体に回転可能に取り付けられた上記の態様のドラムを備えるドラムアセンブリにも及ぶ。本発明のさらなる態様は、そのようなドラムアセンブリを備えるウェブ処理システムを提供する。ウェブ処理システムはまた、ウェブをドラムに供給するように構成された供給システムを備え得る。
【0024】
ウェブ処理システムはまた、ドラムの面の縁に対応する間隔を空けてウェブに切れ目を形成するように配置された切れ目形成装置をも備え得る。切れ目は、ウェブの穿孔および／または薄肉領域を備え得、その場合、切れ目形成装置は、ウェブを穿孔および／またはアブレーションして切れ目を形成するように必要に応じて構成される。切れ目形成装置は、例えば、レーザーおよび／またはブレードなどの切断部材を備え得る。
【0025】
切れ目は、ウェブを局所的に弱めるように作用し、したがって、ドラムの拡張によって張力下に置かれたときにウェブが破断するポイントを制御する。したがって、切れ目を作成すると、最終的なスタックの形状が制御可能となる。
【0026】
ウェブ処理システムは、各スタックをそれぞれのドラムセグメントに保持するためのクランプを備え得る。
【0027】
本発明の別の態様は、シート材料の細長いウェブからウェブ部分の個別のスタックを製造する方法を提供する。この方法は、ウェブをドラムに巻き取り、ドラムを拡張してウェブの張力を増加させ、それによって細長いウェブを個別のスタックに分割することを含む。
【0028】
ドラムは、ドラムの中心軸の周りに延在するウェブ受容ループを形成する一連の面を備え得、ドラムの各面は、ウェブ受容ループに巻き取られたウェブのウェブ部分のそれぞれのスタックを支持するように構成されるそれぞれのドラムセグメントによって画定される。この場合、ウェブをドラムに巻き取ることは、ウェブをウェブ受容ループの周りのドラムセグメントに巻き取ることを含み、ドラムを拡張して細長いウェブを個別のスタックに分割することは、ドラムセグメントの相対的な動きを駆動してウェブ受容ループを拡張することを含む。このような方法は、ドラムセグメントの少なくとも１つおよび必要に応じて全てを放射状に動かして、ウェブ受容ループを拡張することを含み得る。これは、少なくとも１つのドラムセグメントの軸方向端の様々な半径方向の動きをもたらすこと、および必要に応じてドラムセグメントを動かしてドラムの軸方向端の差動半径方向拡張をもたらすことを含み得る。ドラムセグメントの動きは同期され得、同じ動きは、各ドラムセグメントに適用され得る。
【0029】
この方法はさらに、形成されるスタックの縁に対応する間隔を空けてウェブに横方向の切れ目を形成し、その結果、間隔がウェブに沿って次第に増加することと、各切れ目でウェブを破断して、ウェブをスタックに分割することを含み得る。
【0030】
いくつかの実施形態では、この方法は、ドラムを拡張する前に、ウェブをドラム上にクランプすることを含む。
【0031】
この方法は、２段階の動きを少なくとも１つのドラムセグメントに適用することを含み得る。例えば、二段式運動は、ドラムの前端と後端とに差動半径方向拡張が適用される傾斜段階と、ドラムの前端と後端とが同じ速度で拡張する半径方向の平行移動段階とを含み得る。
【0032】
本発明はまた、ウェブ処理システムを制御して上記の態様の方法を実行して、シート材料の細長いウェブからウェブ部分の個別のスタックを生成するように配置された制御システムをも包含する。
【0033】
上記の本発明の態様のいずれかにおいて、細長いウェブは、基板層および１つ以上のコーティング層を備え得、その場合、個別のスタックは、固体電気デバイスを画定し得る。
【0034】
本発明の各態様の好ましいおよび／または必要に応じた特徴は、単独でまたは組み合わせて、本発明の他の態様にも適切に組み込まれ得ることを理解されたい。
【0035】
ここで、本発明の１つ以上の実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】本発明の実施形態において固体デバイスを製造するのに適したウェブを概略的な形で示す図である。
【図5a】半径方向の拡張の初期段階にあるドラムを示す正面図である。
【図5b】半径方向の拡張の初期段階にあるドラムを示す斜視図である。
【図7a】傘状運動モードの３つの段階における正面からのドラムを示す図である。
【図8a】傘状運動モードの３つの段階における正面からのドラムを示す図である。
【図9a】傘状運動モードの３つの段階における正面からのドラムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
電池などの固体デバイスの大量生産に伴う課題に対処するために、本発明の実施形態は、シート材料の細長いウェブを折りたたみ、個別のスタックに分割することによって、そのようなデバイスを形成する。すでに述べたように、このようなウェブの厚さは、わずか数ミクロンであり得るのに対し、長さは、数百メートルであるため、取り扱いが困難である。
【0038】
例えば、ウェブは、非常に薄いため、非常に軽量で壊れやすく、ウェブを破損させないように張力を制限しながらウェブを張力下に置いて形状を維持し位置を制御するという相反する課題が発生する。
【0039】
また、上記のように、各スタックの層の数を最大化して、対応するエネルギー密度の増加をもたらすことが望ましい。これは、ウェブの多くの折り畳みと、それに伴うスタックの層の縁を整列させたままにすることを確実に維持することの困難さの増加を伴う。また、ウェブを折りたたむと、各折り目で高い曲げ半径が作成され、ウェブコーティングに応力が発生する。
【0040】
このため、他の電気デバイスの製造に使用される従来のＳフォールディング技術は、この方法で固体デバイスを形成するには不適切であることがわかる。
【0041】
したがって、本発明の実施形態は、ウェブに加えられる張力の変動を最小にし、ウェブに加えられる曲げ半径を減少させ、また正確な縁位置合わせを確実にする、ウェブを折りたたみおよび分割するアプローチを提供する。大まかに言えば、このアプローチでは、ウェブをドラムに巻き取り、穿孔および／またはアブレーションされた領域などの横方向の切れ目を作成して、その結果切れ目がドラム上に角度のある間隔で放射状に整列したグループを形成し、次にドラムを拡張してフープ応力を増加させて、各切れ目に沿って巻き取られたウェブを破断し、固体デバイスを画定する個別のスタックを生成する。
【0042】
その文脈において、図１は、本発明の実施形態において使用され得るウェブ１０の構造を概略的な形で示す。ウェブ１０は、層状構造によって画定され、この場合、これは、４つの個別の層から構成され、各層は、ウェブを通って２次元で均一に延在する。
【0043】
図１に示すように、上向きに垂直に連続して、ウェブは、基板１２と、アノード層１４と、電解質層１６と、カソード層１８と、を備える。図１は、全体の概略図であるため、実際には層の相対的な厚さが異なる場合があり得ることを理解されたい。
【0044】
基板１２は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの適切な薄いプラスチックウェブ材料であり、この実施形態では、厚さが１ミクロン以下であるが、他の実施形態では、基板１２は、例えば１０ミクロンまで、より厚くされ得る。
【0045】
アノード、電解質およびカソード層は、既知の技術を使用してコーティングとして基板１２上に形成される。
【0046】
この実施形態では、アノード層１４は、リチウム金属から形成されるが、リチウム合金は、代わりに使用され得る。電解質層１６は、リチウムリン酸窒化物であるが、他の適切な高速イオン伝導体が知られている。このことから、カソード層１８について選択された材料は、安定した化学反応という長所によってリチウムイオンを貯蔵するのに適しているということになる。したがって、カソード層１８に適した材料は、リチウムコバルト酸化物、リチウム鉄リン酸塩またはアルカリ金属ポリサルファイド塩が含まれるが、アルミニウム、マンガンおよび／またはコバルトを補充した任意のアルカリ金属酸化物が使用され得る。
【0047】
当業者は、固体デバイスセルを形成するのに適した他の材料を認識しており、そのような材料の任意の適合可能な組み合わせは、本発明の実施形態において実施され得る。
【0048】
当業者は、図１に示す構造が、固体電池デバイスのセルを画定するために必要な全ての層を提供することを理解されたい。したがって、ウェブ１０は、実用的な目的を果たすには大きすぎるものであるが、単一の固体セルとして特徴付けられ得る。したがって、ウェブ１０は、破断されるか、さもなければ、より小さなウェブ部分に分割され、各ウェブ部分は、有用なサイズの固体セルを画定する。これらのセルは、積み重ねられて、高エネルギー密度の固体デバイスを形成する。最も便利なのは、ウェブ１０を分割する前に折りたたむか、さもなければ重ねることによって、この場合は、以下に説明するようにドラムに巻き取ることである。
【0049】
図１に示されるウェブ１０は、使用され得る最も単純な構造の１つを表すが、他の実施形態では、基板１２が複数のセルを支持するように、さらなる層が含まれ得る。これは、基板１２によって表される寄生質量を有益に最小化し、次に、ウェブ１０から生成される固体デバイスのエネルギー密度を改善する。
【0050】
例えば、カソード層電解質層およびアノード層１４、１６、１８は、繰り返され得、その結果、基板１２は、一方のセルが他方の上に積み重ねられた状態で、固体デバイスの２つのセルに必要な層を支持する。
【0051】
アノード、電解質およびカソード層の追加の組は、図１に示す例に存在するものの上に追加され得、層状パターンを繰り返し得、この場合、カソード、電解質およびアノードの層のそれぞれの組の間にバリア層が設けられ、それぞれのセルを分離する。
【0052】
別のオプションは、図１の構造に電解質層とそれに続くアノード層を追加することであり、これは、カソード層１８が２つのセルの一部を効果的に形成することを意味する。この場合では、カソード層は、図１の単一セル配置の場合よりも厚くなり得る。
【0053】
あるいはまたは加えて、さらなるコーティング層は、基板１２の下側に追加され得、その結果、基板１２は、２組のアノード、電解質およびカソード層の間に挟まれることとなる。
【0054】
原則として、ウェブ１０は、本発明の目的のために、上記の構成のいずれかにおいて任意の数の層を有することが可能である。
【0055】
製造、輸送および取り扱いを容易にするために、ドラム上に巻き取られるウェブ１０は、通常、生成される固体デバイスの意図された幅よりもはるかに広い幅を有するシート材料のリールから切り取られる。したがって、マルチセル固体デバイスを画定するウェブ部分の個別のスタックを製造するためのプロセスの最初のステップは、シート材料を、生成される固体デバイスの所望の幅に対応する幅を有するリボン状ウェブ１０に切断することである。次に、各ウェブ１０は、ドラムに個別に巻き付けられ得、固体デバイスを画定する最終スタックに分割される。
【0056】
このステップを図２に示す。これは、シート材料２２のリール２０が矢印で示された方向に巻きほどかれ、縦方向に切断されて、リールの幅の約６分の１のウェブ１０が生成されることを示す。したがって、単純化のために、図２には、１つだけが示されるが、６つのそのようなウェブがシート材料２２から生成される。図２が示すように、ウェブ１０もまた、ドラムに巻き取る準備ができる長さに切断される。
【0057】
切断されると、適切な材料のフィルムまたはホイルは、ウェブ１０の長辺に沿って堆積され、アノード層１４およびカソード層１８の集電体を画定し、アノード集電体２４は、ウェブ１０の片側に沿って形成され、カソード集電体２６は、反対側に沿って形成される。アノード集電体２４は、例えば、亜鉛、アルミニウム、白金またはニッケルから形成され得る。この実施形態では、カソード集電体２６は、ニッケル製であるが、代わりに白金またはアルミニウムが使用され得る。
【0058】
図３は、ウェブ部分の個別のスタックを生成するために上で概説したように調製されたウェブ１０を巻き取りおよび分割するためのドラム２８の実施形態を斜視図で示す。ドラム２８は、図３において大幅に簡略化され、ウェブ１０が巻かれ得るウェブ受容ループ３０を形成する要素のみを示す。図４は、ドラム２８の内部構造の詳細を示す。
【0059】
図３に示される実施形態では、ドラム２８は、中心軸３４の周りにループ状に配置されたフラットプレート３２の形態における８つの同一のドラム要素を備え、その結果、ループは、規則的な八面多角形の形態をとる。各プレート３２は、ドラム２８のそれぞれの面を画定するために半径方向外向きに面する平面の長方形のウェブ受容面３６を有する。
【0060】
各プレート３２は、放射状断面の等脚台形であり、台形のより長い基部は、ウェブ受容面３６に対応する。この形状によって、プレート３２は、それらのそれぞれのウェブ受容面３６が隣接して、ウェブ受容ループ３０を画定する実質的に連続した表面を形成するように、互いに係合されることが可能になる。
【0061】
したがって、ウェブ受容ループ３０を画定する表面は、円周方向に連続的に延在し、図３に示される向きに関して、ドラム２８の前方と後方との間の中心軸３４に平行に延在する。したがって、プレート３２の長さは、ドラム２８に巻き取られるウェブの幅に対応するサイズのウェブ受容ループ３０の軸方向の広がりを画定する。次に、ウェブ１０の幅は、ドラム２８を使用してウェブ１０から形成される固体デバイスの長さに対応する。
【0062】
プレート３２は、ドラム２８が、プレート３２のウェブ受容面３６が隣接する閉状態から拡張可能であり、プレート３２を離して移動させ、それによってウェブ受容ループ３０の長さを増加させ、次にドラム２８に巻かれたウェブ１０の張力を上げてウェブ１０を個別のスタックに破断させるように、相対運動のために支持される。したがって、ドラム２８は、各プレート３２がそれぞれのドラムセグメントを画定するという点で、セグメント化されていると見なされ得る。他の実施形態では、ドラムセグメントは、プレートまたはウェッジなどの複数の要素から形成され得る。
【0063】
当業者は、プレート３２が互いに対して移動し得、ウェブ受容ループ３０の長さを増加させ、それによって、巻き取られたウェブ１０に増加する張力を加え得る様々な方法があることを理解されたい。この実施形態では、プレート３２は、同時に半径方向外向きに移動してウェブ受容ループ３０を拡張させ、次に半径方向内向きに移動してドラム２８を元の状態に戻すように配置される。
【0064】
この点に関して、図４は、ドラム２８を正面から示し、ドラム２８の正面で、ドラム２８のそれぞれのプレート３２を、プレート３２の端で各々支持する、独立して動作可能な複動アクチュエータ３８の円形アレイを示す。各アクチュエータ３８は、半径方向内側の本体４０と、本体４０内に伸縮自在に配置された半径方向外向きのアーム４２とを備え、その結果、アーム４２は、本体４０の内外に直線的に移動可能であり、アクチュエータを伸長および収縮する。
【0065】
アクチュエータ３８は、ドラム２８のフレームによって集合的に支持され、これは、各アクチュエータ３８の本体４０を、フレームに対して固定された位置に固定する。各アクチュエータ３８のアーム４２は、それぞれのプレート３２に結合され、その結果、アーム４２の外向きの運動によるアクチュエータ３８の伸長は、フレームに対するプレート３２の対応する半径方向の運動を駆動する。
【0066】
中心軸４６はフレーム内にジャーナルされるため、軸４６がドラム支持体に取り付けられたとき、ドラム２８は、回転可能である。
【0067】
対応する一組のアクチュエータが、図４に見られるものの真後ろに位置して、ドラム２８の後方でプレート３２の対応する端を支持することを理解されたい。したがって、ドラム２８は、アクチュエータの前方セットおよびアクチュエータの後方セットを備え、各プレート３２は、各組から１つずつ、それぞれの対のアクチュエータによって支持される。
【0068】
各アクチュエータアーム４２は、ドラム２８の前方と一致するプレート３２のウェブ受容面３６の縁に平行な軸の周りでプレート３２が旋回することを可能にする適切なリンケージを介してそれぞれのプレート３２に接続する。リンケージはまた、ある程度、アクチュエータ３８に対するプレート３２の軸方向の運動を可能にする。このようにして、前方および後方アクチュエータ３８は、異なる量だけ伸長し得、関連するプレート３２に半径方向および回転方向の両方の運動を与え、それによって、中心軸３４に対してプレート３２を傾ける。特に、これは、アクチュエータ３８の前方および後方セットの適切な制御を通じて、ドラム２８の前方および後方の差動半径方向拡張を可能にする。
【0069】
プレート３２の各端でのアクチュエータ３８の差動半径方向伸長の結果としての中心軸３４に対するプレート３２の傾斜に対応する代替手段として、プレート３２に取り付けられたアクチュエータ３８の一方または両方は、フレームに対して旋回可能であり得る。
【0070】
この配置は、アクチュエータ３８を異なる方法で操作することによって、ドラム２８に様々な運動モードを生じさせる。後述のように、様々な運動モードは、ドラム２８に巻き取られたウェブを分割するために使用する際に利点を提供し得る。まず、いくつかの特定の移動モードをより詳細に検討する。
【0071】
最も単純な運動モードを図５ａから６ｂに示す。ここで、アクチュエータ３８は、同時に動作して同じ速度で拡張し、その結果、ドラム２８の前方および後方が半径方向に均等に拡大する。これは「真の放射状」運動と呼ばれる。図５ａおよび５ｂは、プレート３２が離れ始め、その結果、隣接するプレート３２の各対の間に小さなギャップが見えるように、それぞれ正面図および斜視図でドラム２８を示す。この運動は、ドラム２８が図６ａおよび６ｂに示される状態に達するまで続き、プレート３２間のギャップは、増加し、その結果、プレート３２によって画定されるウェブ受容ループ３０の全長が図３の元の状態と比較して大幅に増加する。例えば、直径が０．５～２メートルの間のドラム２８の場合、各プレート３２は、ウェブ受容ループ３０を拡張するために約５～１０ｍｍの半径方向の運動を経験し得るが、これらの寸法および距離は、各用途の要件に従って変化する。
【0072】
独立して操作可能なアクチュエータ３８の適用によって、プレート３２はまた、すでに述べたように、各プレート３２の軸方向端が異なる程度に動き得るように支持される。したがって、ドラム２８の前方および後方は、差動半径方向拡張を経験し得、これは、「傘状」運動と呼ばれ、図７ａから９ｂに示される。
【0073】
図７ａおよび７ｂは、それぞれ正面図および斜視図において、プレート３２が傾斜し始めるときに、ドラム２８の前面でのみプレート３２間にギャップが形成され始めることを示す。図７ｂに最も明確に見られるように、この段階で、プレート３２は、ドラム２８の後方で互いに接触したままである。この状態は、アクチュエータ３８の後方セットを収縮状態に保持しながら、アクチュエータ３８の前方セットの拡張を開始することから生じ、プレート３２が集合的にドラム２８の前方で外側に広がるように、各プレート３２を中心軸３４に対して傾斜させる。
【0074】
図８ａおよび８ｂは、図７ａおよび７ｂに対応するが、ドラム２８の前方がより大きく拡張する、プロセスの後の段階を示す。この段階で、第２の組のアクチュエータ３８が作動され、結果として、ドラム２８の後方もまた拡張し始める。次に、図９ａおよび９ｂに示されるようにドラム２８が完全に拡張した状態に達するまで、全てのアクチュエータ３８が均一な速度で拡張して各プレート３２の一定の傾斜を維持するように、アクチュエータ３８の前方および後方セットが制御される。
【0075】
図７ａから９ｂに示される傘状の運動は、最初の傾斜段階とそれに続くプレートが放射状に移動する拡張段階を伴う範囲で、２段階の動きと見なされ得る。他の２段階の運動は、例えば、図７ａから９ｂに示す操作の順序を逆にして、第２の運動状態でドラム２８の前方を拡張してプレート３２を図９ｂの完全に拡張された状態に傾ける前に、ドラム２８を運動の第１段階の中間位置に拡張することによって可能である。例えば、全てのアクチュエータ３８を一度に操作するが、後方セットのアクチュエータ３８よりも高い速度で前方セットのアクチュエータ３８を拡張することによって、傾斜および拡張運動が同時に起こることも可能である。
【0076】
説明したドラム２８の動作について、ここで図１０を参照すると、ドラム２８は、ウェブ処理システム５０の一部としての使用の文脈で示される。ウェブ処理システム５０は、ウェブ１０をウェブ受容ループ３０に供給しながらドラム２８を回転させ、目標層数に達するまでドラム２８上にウェブ１０の層を構築し、ドラム２８を拡張することによって巻き取ったウェブ１０を個別のスタックに分割するように構成される。
【0077】
ドラム軸４６は、ドラム支持体を画定する一対のピラー５２の間に取り付けられ、そのピラーの１つが図１０に見られ、その結果、ドラム２８は、ピラーの間に吊り下げられ、矢印によって示される方向に回転し得る。ドラム２８の回転は、従来の方法で、電気モーター（図示せず）などの駆動機構によって作用される。モーターはドラム２８に統合され得るか、またはドラム２８およびより広いシステムの一部から分離され得る。
【0078】
ドラム２８が回転するにつれ、ウェブ受容ループ３０の周りにウェブ１０を引張、十分な数に達するまでウェブ１０の層を構築し、その時点でドラム２８は、上記の運動モードの１つを使用して拡張され、ウェブ１０に張力を加え、ウェブ１０を個別のスタックに分割する。ウェブ１０は、ウェブ処理システム５０の一部または分離システムのいずれかであり得る供給システム（図示せず）によってドラム２８のウェブ受容ループ３０に供給される。
【0079】
ウェブ受容ループ３０のほぼ円形の形状は、巻き取り中のウェブ１０内の張力のピークを最小化するように作用するとともに、隣接するプレート３２間の各界面でウェブ１０に加えられる曲げ半径を最小化するように作用することに留意されたい。ウェブ張力またはフープ応力は、ウェブ１０がドラム２８の「角」の１つ、すなわちプレート３２間の界面に係合するたびに上昇するが、プレート３２間の角度は浅いため、張力の増加は、最小限である。これにより、巻き取り中にウェブ１０が伸びたり、破裂したりするリスクが最小限に抑えられる。
【0080】
ドラム２８の面の数を増加させると、巻き取り中にウェブ１０に加えられる張力を均等化する効果があり、したがって実際には、ドラム２８は、８つを超える面を有し得ることを理解されたい。
【0081】
ウェブ処理システム５０はまた、ドラム２８の隣接するプレート３２間の界面に対応する所定の角度位置でウェブ１０に切れ目を形成するように構成される、レーザーアブレーションマシン５４の形態の切れ目形成装置を含む。これは、例えば、レーザーアブレーションマシン５４が隣接するプレート３２間の界面が所定の角度位置と整列するたびに、新しい切れ目を形成するように、その中心軸４６上でドラム２８を回転させるモーター（図示せず）に関連するエンコーダーからの出力に応答してレーザーアブレーションマシン５４の動作を制御することによって達成され得る。
【0082】
切れ目は、ドラム２８が回転するときに形成され得るか、あるいは、切れ目が形成される間、ドラム２８は、所定の角度位置の各々で停止され得る。
【0083】
レーザーアブレーションマシン５４によって形成される切れ目には、その中においてウェブ１０のコーティング層、すなわちアノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８がアブレーションによって除去されて基板１２を露出する、ウェブ１０を横切って横方向に延在する薄肉領域と、ウェブ１０の全ての層を貫通する一連の横方向の穿孔と、が含まれる。概して、穿孔および薄肉領域は、コーティングの均一性を損なう範囲まで、切れ目と見なされ得る。この実施形態では、切れ目は、巻き取り中に形成されるが、他の実施形態では、切れ目は、巻き取りの前または後に形成され得る。
【0084】
ウェブが両面にコーティングを有する基板１２を備える場合、コーティングは、既知の原理を使用して、透明な基板１２を通して動作するようにマシンを調整することによって、１回の動作でレーザーアブレーションマシン５４によって除去され得る。
【0085】
この実施形態では、レーザーアブレーションマシン５４は、ウェブ１０をアブレーションしてコーティング層１４、１６、１８を除去して基板１２を露出させ、また、基板を貫通して各アブレーション領域の中心を通ってウェブ１０を横切って横方向に延在する一連の穿孔を形成する、という二重の操作を実行するように構成される。ただし、異なる実施形態では、これらの操作は、それぞれの角度位置に配置され得る２つの個別のデバイスによって実行され得る。
【0086】
レーザーアブレーションマシン５４をドラム２８の上流に配置して、まだドラム２８に到達していないウェブ１０の部分に切れ目を形成することも可能である。
【0087】
したがって、レーザーアブレーションマシン５４は、ウェブ処理システム５０が、間隔を空けて横方向にウェブ１０に穿孔するかさもなければ弱化することによって、ドラム２８が拡張されるときに個別のスタックに分割するためにウェブ１０を調製することを可能にする。間隔は、ウェブ１０がドラム２８上に巻き取られると、ウェブ１０の各層の穿孔が互いに整列して、ドラム２８の隣接する面の間の各界面と一致する角度的に整列したグループを形成するように決定される。
【0088】
このように、ドラム２８が拡張するにつれてウェブ１０の張力が上昇すると、穿孔の弱化効果によって、ウェブ１０が各穿孔の組に沿って破断することが保証され、したがって、ドラム２８が拡張するとき、ウェブ１０が分割する点を制御するように作用する。
【0089】
穿孔の各組に沿ってウェブ１０を破断すると、各プレート３２上にウェブ部分のそれぞれの個別のスタックが生じる。これを図１１に示す。図１１は、ドラム２８が拡張された後のドラム２８のプレート３２の１つをクローズアップしたものであり、プレート３２のウェブ受容面３６で支持されたウェブ部分のスタック５６を図示する。穿孔が、プレート３２の各対の間の界面と角度を合わせて形成されるにつれて、スタック５６の形状は、プレート３２の台形形状を効果的に継続する。
【0090】
クランプ５８は、ドラム２８の拡張中および拡張後にウェブ１０を所定の位置に保持する。ウェブ部分の対応するクランプスタック５６がドラム２８の他のプレート３２の各々に存在するが、これらは簡単にするために図１１から省略されていることを理解されたい。
【0091】
したがって、ドラム２８の各面は、ウェブ部分のそれぞれのスタック５６の支持体として機能し、形成されるスタック５６の幅は、プレート３２のウェブ受容面３６の幅に対応する。したがって、ドラム２８によって生成されるスタック５６の形状は、ドラム２８の面の形状に対応する。
【0092】
ウェブ１０の層が巻き取り中にドラム２８上に蓄積するにつれて、ドラム２８上のウェブ１０のリールの全幅が増加する。これは、穿孔が所定の角度位置に形成されるため、穿孔の組間の間隔が次第に大きくなることを意味する。ドラム２８が所定の角度位置の組の１つにあるとき、レーザーアブレーションマシン５４が各々の新しい切れ目の組を形成するため、これは、図１０に示される配置において自動的に説明される。同じ原理は、レーザーアブレーションマシン５４がドラム２８の上流に配置されているときに、適用され得る。あるいは、この場合、切れ目の各組間の間隔は、計算され得る。
【0093】
穿孔の組間の間隔の増加は、巻き取り中の穿孔の各組間のアノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８の幅の対応する漸進的な増加を意味する。これが最終的な固体デバイスの性能に与える影響はごくわずかであるが、巻き取られたウェブ１０の最も高い層における追加のコーティング材料は、寄生質量を表すため、バランスなどには、悪い影響を及ぼす。
【0094】
このため、レーザーアブレーションマシン５４は、上記の穿孔の各組の周りに薄肉領域を作成する。薄肉領域の幅は、穿孔の間隔に沿って次第に増加し、穿孔の各組間のアノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８の幅を一定に維持する。したがって、ドラム２８を拡張することによってウェブ１０を分割した後、続いて、各離散スタック５６は、コーティングを含む完全な層の立方体スタックから構成される台形形状を有し、各側に基板材料の三角形のウェッジが隣接する。このようにして、アブレーションプロセスは、各スタック５６内のアノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８の縁が確実に整列されるようにするのに役立つ。
【0095】
図１２は、切れ目が形成され、したがってドラム２８の拡張によって破断する準備ができているウェブ１０の部分を概略的な形で示す。具体的には、示されるウェブ１０の部分は、基板１２のみが残るように、アノード層１４、電解質層１６およびカソード層１８が除去された薄肉領域５８を含む。コーティング層１４、１６、１８の端は、露出した基板１２に面する場所で見えるが、コーティング層１４、１６、１８は、上記のように、図１２に見えるカソード集電体２６を有し、集電体を画定するフィルムまたは箔で覆われるため、ウェブ１０の側面に沿って見えない。
【0096】
基板１２の露出部分は、薄肉領域５８の中心を通って横方向に延在する一列の穿孔６０をさらに含む。穿孔６０は、ここでは通常の一連の小さな円形の開口部として表される。しかしながら、他の実施形態では、穿孔６０に使用されるパターンは、張力が加えられたときに基板１２が破断する方法を最適化するために変化し得る。例えば、穿孔６０は、不規則な間隔で配置され得る。また、穿孔６０の横向きの縁に応力集中を生成して、基板１２を破断するのに必要な張力を下げるように構成された異なる形状は、使用され得る。この点で、多角形の穿孔６０、例えば、ダイヤモンド形、平行四辺形または六角形の穿孔６０が効果的であり得る。
【0097】
傘状モードは、この運動モードがドラム２８の前方から後方にウェブに張力を加え、各一連の穿孔６０に沿って徐々に破断するようにする漸進的な方法のため、各組の穿孔６０に沿ってウェブをきれいに破断するのに特に効果的であり得る。傘状モードの使用は、上記の多角形の穿孔６０など、前縁に応力集中を生じさせるように成形された穿孔６０によって補完され得る。
【0098】
同様に、放射モードは、ウェブ１０全体に均一な圧力を加えることになるため、穿孔６０においてきれいに破断させるのにも効果的であり得る。この場合も、真の半径方向の運動が使用される場合、例えば、ダイヤモンド形状などの縦軸に関して対称性を有する形状など、補完的な穿孔形状が選択され得る。
【0099】
本出願の範囲から逸脱することなく、本発明に対して様々な変更および修正を行い得ることを理解されたい。
【0100】
例えば、ドラムの他の運動モードもまた可能であり得、異なる実施形態において有用であり得る。例えば、プレートは、中心軸３４に平行な軸に沿った平行移動運動、および／またはそのような軸の周りを回転するように支持され得る。
【0101】
いくつかの実施形態は、プレートのサブセットのみが運動する運動モードを使用し得る。例えば、代替プレートは、放射状に移動してドラムを拡張し得る。ただし、この種の運動は、巻き取られたウェブにせん断応力を発生させ、ウェブの分割に悪影響を与え得ることに留意されたい。
【0102】
上記の実施形態のドラムは、ドラムセグメントを互いに対して支持するためのフレームを備えるが、代替案では、セグメントを連結して互いに支持され得る。
【0103】
上記のようなレーザー切断および／またはレーザーアブレーションマシン５４を使用するレーザー切断および／またはアブレーションの代替として、または補足として、ブレードおよびアンビルなどの機械的切断手段は、分割の準備のためにウェブに穴を開けおよび／または薄くするために使用され得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5a】
【図5b】
【図6a】
【図6b】
【図7a】
【図7b】
【図8a】
【図8b】
【図9a】
【図9b】
【図10】
【図11】
【図12】