二次電池製造方法
【課題】セパレータの潰れや折れ曲がりを抑制する二次電池製造方法の提供。
【解決手段】巻回可能に支持された巻芯２２０でセパレータ１１３を挟んで固定し、巻芯２２０を回転させながらセパレータ１１３の間に正極板１１１と負極板１１２を挟んで巻回して巻回電極体１１０を形成し、巻回電極体１１０から巻芯２２０を取り除いて二次電池１００を形成する二次電池製造方法において、巻芯２２０にセパレータ１１３の端部を挟む際に、セパレータ１１３の張力を第１設定張力Ｔ１とし、その状態で、巻芯２２０でセパレータ１１３の端部を挟んで、巻芯２２０に対してセパレータ１１３を固定する保持工程と、セパレータ１１３の張力を第２設定張力Ｔ２とし、巻芯２２０を回転させて正極板１１１と負極板１１２を挟み、巻回電極体１１０を形成する巻回工程を有し、第１設定張力Ｔ１は第２設定張力Ｔ２より張力が高く設定されている。
【解決手段】巻回可能に支持された巻芯２２０でセパレータ１１３を挟んで固定し、巻芯２２０を回転させながらセパレータ１１３の間に正極板１１１と負極板１１２を挟んで巻回して巻回電極体１１０を形成し、巻回電極体１１０から巻芯２２０を取り除いて二次電池１００を形成する二次電池製造方法において、巻芯２２０にセパレータ１１３の端部を挟む際に、セパレータ１１３の張力を第１設定張力Ｔ１とし、その状態で、巻芯２２０でセパレータ１１３の端部を挟んで、巻芯２２０に対してセパレータ１１３を固定する保持工程と、セパレータ１１３の張力を第２設定張力Ｔ２とし、巻芯２２０を回転させて正極板１１１と負極板１１２を挟み、巻回電極体１１０を形成する巻回工程を有し、第１設定張力Ｔ１は第２設定張力Ｔ２より張力が高く設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻芯を用いて二次電池に用いる正極及び負極をセパレータに挟んで巻回する技術に関し、詳しくは巻芯にセパレータを挟む際のセパレータの潰れや折れ曲がりの発生を抑制する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の駆動力としてモータを用いるケースが増えてきている。これに伴い、車載用の電池もニッケル水素二次電池よりもエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池に代表される非水系二次電池を用いることが検討されている。そしてリチウムイオン二次電池も、高入出力化や大容量化の要求から様々な検討がなされている。
【０００３】
特許文献１には、巻回型電極の製造装置に関する技術が開示されている。これは、回転可能に軸支された巻芯と、巻芯を回転させる回転駆動機構と巻芯の回転で積層、捲装されるセパレートシート及び正極シート及び負極シートをそれぞれガイド走向させるガイドブロックと、巻芯へガイド供給するシートに張力を与える加圧ローラと、巻芯への積層、捲装によって形成された巻回体外周を圧着的に保持する保持ブロックとを有する巻回型電極の製造装置であって、ガイドブロックの少なくとも電極シートが走向摺動する面には、供給側が直線的平坦とし、巻回体に近接する領域を曲面とし、それぞれ形成している。これによって、積層を高緊縛とし高品質とできる巻回型電極を歩留まり良く製造できる製造装置が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１―３３２２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示される技術で二次電池を製造する場合には、以下に説明する課題があると考えられる。
【０００６】
特許文献１に開示される技術において、巻芯は２つ割りの構造で、巻芯にセパレータを挟んで固定していると推測される。しかしながら、先端を２分割し隙間を設けた巻芯でセパレータを挟む構造である場合、巻芯の先端に設けられた隙間が少ないと、巻芯でセパレータを挟む際に巻芯でセパレータを潰してしまう問題が生じる。巻芯の先端の隙間は、巻芯を回転させる必要がある他、回りの機器との関係で構造的にあまり大きくすることが出来ないという事情がある。
【０００７】
また、セパレータは樹脂性でかつ微細な穴が沢山設けられた多孔質膜であり、強い張力をかけると伸びたり皺になったりするなどの弊害がある他、巻回する際に一定以上の張力をかけると巻きズレを生じるなどの事情もあって、巻芯の先端に設けられた隙間にセパレータを挿入することを難しくしている。更に、非水系二次電池の製造において、高入出力化や大容量化の要求は高く、セパレータの薄膜化、高多孔化されることが望ましい。この方策の１つとしてセパレータにセラミックスを塗布する方法が提案されている。しかしながら、セラミックス等の材料をポリオレフィン等からなるセパレータの片面に塗布すると、熱膨張係数の違いから製造工程においてカールが発生し易くなる。このため、巻芯に設けられた隙間への挿入はより困難となる。これらの問題について、特許文献１には言及されていない。
【０００８】
そこで、本発明はこのような課題を解決するために、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制する二次電池製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明の一態様による二次電池製造方法は以下のような特徴を有する。
【００１０】
（１）巻回可能に支持された巻芯でセパレータを挟んで固定し、前記巻芯を回転させながら前記セパレータの間に正極体と負極体を挟んで巻回して巻回電極体を形成し、前記巻回電極体から前記巻芯を取り除いて二次電池を形成する二次電池製造方法において、前記巻芯に前記セパレータの端部を挟む際に、前記セパレータの張力を第１設定値とし、その状態で、前記巻芯で前記セパレータの端部を挟んで、前記巻芯に対して前記セパレータを固定する保持工程と、前記セパレータの張力を第２設定値とし、前記巻芯を回転させて正極体と負極体を挟み、前記巻回電極体を形成する巻回工程を有し、前記第１設定値は前記第２設定値より張力が高く設定されていることを特徴とする。
【００１１】
（２）（１）に記載される二次電池製造方法において、前記第１設定値が前記セパレータの幅１００ｍｍに対して、２００ｇｆ〜４５０ｇｆの間の値に設定されることが好ましい。
【００１２】
（３）（１）又は（２）に記載される二次電池製造方法において、前記セパレータは多層構造となっていることが好ましい。
【００１３】
（４）（３）に記載される二次電池製造方法において、前記セパレータは表面にセラミックス粉末を用いた耐熱層を有し、該耐熱層が前記多層構造のうち前記セパレータの片面に塗布された１層を構成していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の二次電池製造方法の態様がこのような特徴を有することで、以下に説明するような作用、効果が得られる。
【００１５】
上記（１）に記載の態様は、巻回可能に支持された巻芯でセパレータを挟んで固定し、巻芯を回転させながらセパレータの間に正極体と負極体を挟んで巻回して巻回電極体を形成し、巻回電極体から巻芯を取り除いて二次電池を形成する二次電池製造方法において、巻芯にセパレータの端部を挟む際に、セパレータの張力を第１設定値とし、その状態で、巻芯でセパレータの端部を挟んで、巻芯に対してセパレータを固定する保持工程と、セパレータの張力を第２設定値とし、巻芯を回転させて正極体と負極体を挟み、巻回電極体を形成する巻回工程を有し、第１設定値は第２設定値より張力が高く設定されているものである。
【００１６】
二次電池の巻回電極体を製造するにあたり、巻芯でセパレータを挟む際に、セパレータの張力を第２設定値よりも張力が高く設定されている第１設定値となるように調整することで、セパレータと巻芯との干渉を防ぎ、セパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することができる。課題に示したように、巻芯の先端に設けられた隙間はセパレータ２枚を挿入するには狭く、セパレータの特性上の問題や巻回する際にセパレータや電極板に張力をかけておくとズレや皺などの原因になりやすいなどの問題がある。しかし、巻芯の先端に設けられた隙間にセパレータを挿入する際には、セパレータのみの張力が問題となるため、張力を付与しても巻回時のズレに繋がらない。また、張力を付与することで、セパレータの弛みが少なくなり、巻芯の先端の隙間に挿入し易くなる。こうして、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。
【００１７】
また、上記（２）に記載の態様は、（１）に記載される二次電池製造方法において、第１設定値がセパレータの幅１００ｍｍに対して、２００ｇｆ〜４５０ｇｆの間の値に設定されるものである。セパレータにかける張力は、あまり高すぎると多孔質膜であるために皺が寄ったり伸びたりといった問題が生じるため、２００ｇｆ〜４５０ｇｆの間の値に設定し、セパレータが弛まずかつ伸びたり皺が寄ったりしない張力を付与して、巻芯の先端の隙間にセパレータを挿入することで、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。
【００１８】
また、上記（３）に記載の態様は、（１）又は（２）に記載される二次電池製造方法において、セパレータは多層構造となっているものである。例えば課題にも示したが、セパレータにセラミックス粉末などを塗布して多孔体層を形成することで耐熱層を有していることで、短絡に強くなる機能を備えることが出来る。しかし、セパレータは樹脂材料であるのに対し、多孔体層を形成するのはセラミックスであるので、両者で熱膨張係数が異なり、この熱膨張係数の異なる２つの層があることで、巻回電極体を製造している最中に熱膨張係数の小さい側にカールしてしまうという問題が発生する。このように、セパレータに異種の材料を用いて多層構造とすることで、セパレータの高機能化を図ることができ、かつ、セパレータが弛まずかつ伸びたり皺が寄ったりしない張力を付与して、巻芯の先端の隙間にセパレータを挿入することで、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。この結果、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。
【００１９】
また、上記（４）に記載の態様は、（３）に記載される二次電池製造方法において、セパレータは表面にセラミックス粉末を用いた耐熱層を有し、耐熱層がセパレータの片面に塗布された多層構造のうち１層を構成しているものである。セパレータに耐熱層を用いると、二次電池の製造時に異物混入した場合でも短絡事故の防止を期待出来る。そして、耐熱層がセパレータの片面に塗布されているために、前述したように熱膨張係数の違いから片側にカールしてしまうが、セパレータを巻芯に挿入する際に張力を付与することで、パレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態の、二次電池の斜視図である。
【図２】本実施形態の、二次電池の断面図である。
【図３】本実施形態の、巻回電極体の部分断面図である。
【図４】本実施形態の、巻回装置の模式図である。
【図５】本実施形態の、巻芯でセパレータを挟む様子を示した模式斜視図である。
【図６】本実施形態の、巻芯でセパレータを挟む際の模式斜視図である。
【図７】本実施形態の、巻回電極体の作成手順を示すフローである。
【図８】本実施形態の、セパレータに付与する張力に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
まず、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１に、本実施形態の二次電池１００の斜視図を示す。図２に、二次電池１００の断面図を示す。なお、巻回電極体１１０は模式的に示してあり内周側を省略している。図３に、巻回電極体１１０の部分断面図を示す。二次電池１００は、非水電解質系のリチウムイオン二次電池であり、帯状の正極板１１１及び負極板１１２がセパレータ１１３に挟まれて巻回された巻回電極体１１０を有し、電池ケース１８０に納められてなる。
【００２３】
正極板１１１は集電箔１１１Ａとして１５μｍ程度の厚みのアルミニウム箔を用いており、その集電箔１１１Ａの表面に正極活物質１１１Ｂが塗布されている。正極活物質１１１Ｂはニッケル、コバルト、マンガンを主成分としたものが用いられる。負極板１１２は集電箔１１２Ａとして１０μｍ程度の厚みの銅箔を用いており、集電箔１１２Ａの表面に負極活物質１１２Ｂが塗布されている。負極活物質１１２Ｂはグラファイトを主成分としたものが用いられる。
【００２４】
セパレータ１１３は第１セパレータ１１３ａと第２セパレータ１１３ｂの２枚が用いられる。セパレータ１１３はポリオレフィン系の単層セパレータ１１３Ａが用いられ厚みは２０μｍ程度である。多孔質膜であるセパレータ１１３の表面の一方にはアルミナ等の耐熱性に優れたセラミックス粉末を用いた無機フィラーであり、多孔質層１１３Ｂを形成している。したがって、セパレータ１１３は単層の単層セパレータ１１３Ａと多孔質層１１３Ｂとの２層構造となっている。なお、第１セパレータ１１３ａと第２セパレータ１１３ｂは便宜上呼び分けるが同じものである。
【００２５】
これら、正極板１１１、負極板１１２、セパレータ１１３が巻回されたものが、巻回電極体１１０であり、巻回電極体１１０は電池ケース１８０に納められている。
【００２６】
電池ケース１８０は、共にアルミニウム製の電池ケース本体１８１及び封口蓋１８２を有している。このうち電池ケース本体１８１は有底矩形箱形であり、この電池ケース１８０と巻回電極体１１０との間には、図示しない箱状に折り曲げた樹脂製の絶縁フィルムが介在させてある。また、封口蓋１８２は矩形板状であり、巻回電極体１１０を挿入した電池ケース本体１８１の開口を閉塞して、この電池ケース本体１８１に溶接される。この封口蓋１８２には、巻回電極体１１０と接続する正極集電部材１９１及び負極集電部材１９２が備えられる。
【００２７】
正極集電部材１９１の先端に位置する正極端子部１９１Ａ及び負極集電部材１９２の先端に位置する負極端子部１９２Ａは、封口蓋１８２を貫通し、蓋表面１８２ａから突出して保持される。正極端子部１９１Ａ及び負極端子部１９２Ａと封口蓋１８２との間には、それぞれ絶縁性の樹脂からなる絶縁部材１９５が介在し、互いを絶縁している。さらに、この封口蓋１８２には矩形板状の安全弁１９７も封着されている。
【００２８】
巻回電極体１１０は電池ケース本体１８１に納められる際に、図２に示すように扁平に潰されて納められる。巻回電極体１１０の正極板１１１は正極集電部材１９１の一端に接続され、負極板１１２は負極集電部材１９２の一端に接続される。
【００２９】
巻回電極体１１０は、図３に示すように外周側から第１セパレータ１１３ａ、負極板１１２、第２セパレータ１１３ｂ、正極板１１１と順番に配置されるように複数周巻回されている。正極板１１１及び負極板１１２の短手方向には未塗工部が設けられており、未塗工部側が正極集電部材１９１及び負極集電部材１９２側に配置されるように巻回されている。そして、セパレータ１１３は正極板１１１及び負極板１１２を切り分けるように配置された上で、巻回電極体１１０の最外周にセパレータ１１３が複数周巻回されて形成されている。
【００３０】
次に、巻回電極体１１０を製造する巻回装置２００の説明を行う。図４に、巻回装置２００の模式図を示す。巻回装置２００は、正極供給リール２４１、負極供給リール２４３、第１セパレータ供給リール２４２、第２セパレータ供給リール２４４を備え、巻芯２２０が回転することで巻回電極体１１０を形成する装置である。正極供給リール２４１には帯状正極２１１が、正極活物質１１１Ｂが塗工された状態で巻かれている。負極供給リール２４３には帯状負極２１３が、負極活物質１１２Ｂが塗工された状態で巻かれている。なお帯状正極２１１と正極板１１１、帯状負極２１３と負極板１１２はそれぞれ同一のものであるが、帯状正極２１１及び帯状負極２１３は、正極板１１１及び負極板１１２の長さよりも長いので、便宜上呼び分けることとしている。
【００３１】
また、第１セパレータ供給リール２４２及び第２セパレータ供給リール２４４には第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４が、それぞれ多孔質層１１３Ｂが塗工された状態で巻かれている。そして、第１帯状セパレータ２１２は、第１セパレータ１１３ａに、第２帯状セパレータ２１４は第２セパレータ１１３ｂに対応する。第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４も、帯状正極２１１及び帯状負極２１３と同様に、巻かれる長さが違っているので便宜的に呼び分けている。
【００３２】
巻回装置２００には、張力調整機構２５０、エッジ検出部２５２、補正機構２５４、押付部材２３０が、制御部２６０と電気的に接続されて備えられている。張力調整機構２５０はテンションローラ２４７と、ダンサーローラ２４８が備えられ、制御部２６０に接続される揺動検出部２６４と付勢手段２４８ｂによって、揺動軸２４８ａ、揺動支持点２４８ｃ、第１ローラ２４８ｄ、第２ローラ２４８ｅ及びテンションローラ２４７を連携させて、帯状正極２１１の張力を調整している。なお、図４では省略して示しているが、この張力調整機構２５０と同様のものが第１帯状セパレータ２１２、帯状負極２１３及び第２帯状セパレータ２１４を調整するためにそれぞれ備えられている。
【００３３】
エッジ検出部２５２は巻芯２２０に巻き取られる帯状正極２１１の縁部の位置を検出する装置である。補正機構２５４は巻芯２２０に巻き取られる帯状正極２１１の幅方向の位置を補正する機構である。帯状正極２１１の位置を制御する機構と同様の機構によって、第１帯状セパレータ２１２、帯状負極２１３、第２帯状セパレータ２１４の位置も制御される。この他に、制御部２６０に接続される外径検出部２６２、張力検出部２６６、設定部２８１、２８２、２８３等や、押付部材２３０に備えられたローラ２３２やアクチュエータ２３４によって、巻回電極体１１０の巻回が制御される。詳しくは特開２０１０−５５９６２号公報などを参照されたい。
【００３４】
図５に、巻芯を前進させてセパレータを挟む様子を模式図に示す。図６に、巻芯２２０でセパレータ１１３を挟む際の模式斜視図を示す。巻芯２２０は接続されるアクチュエータ２２２によって回転されるが、この巻芯２２０は、図５及び図６に示すように中央で２分割でき、その隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挟み込める構造となっている。巻芯２２０は進退機能が備えられて、図５及び図６に示すように第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に対して、前進し隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挿入した後に隙間Ｓを閉じて第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挟み込み保持する。
【００３５】
第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４は、巻芯２２０が退避状態にある段階で、グリッパー２４０によって保持される。この状態で、第１帯状セパレータ２１２の張力を調整する張力調整機構２５０と、第２帯状セパレータ２１４の張力を調整する張力調整機構２５０によって、所定の張力を付与する。
【００３６】
図７に、巻回電極体を作成する際のフローを示す。フローは簡易なものであり、説明が不要だと思われる手順は省略して示している。
【００３７】
Ｓ１では、セパレータ１１３を搬送する。セパレータ１１３は第１帯状セパレータ２１２と第２帯状セパレータ２１４の２枚が用意されており、この第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を所定の位置まで搬送する。そしてＳ２に移行する。
【００３８】
Ｓ２では、セパレータ１１３を保持する。第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を所定の位置まで搬送した後にグリッパー２４０によって保持する。この状態で、張力調整機構２５０によって第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に所定の張力が付与される。第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の幅は約１００ｍｍであり、それぞれ４００ｇｆの張力が付与されている。そしてＳ３に移行する。
【００３９】
Ｓ３では、巻芯２２０を突出させる。巻芯２２０を第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に対して巻芯２２０に突出させる。この際に巻芯２２０の先端には図５に示すように隙間Ｓが設けられており、巻芯２２０を突出させることで第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４をこの隙間Ｓの間に挿入されることになる。そしてＳ４に移行する。
【００４０】
Ｓ４では、巻芯２２０でセパレータ１１３を挟む。図６に示すように巻芯２２０によって、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挟み込む。その後、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４をグリッパー２４０側の適切な位置で図示しないカッターでカットする。カットする位置はカット位置Ｃｌとして示している。カット位置Ｃｌは巻芯２２０に近い位置に設けられることが望ましい。そしてＳ５に移行する。
【００４１】
Ｓ５では、負極板１１２を挿入する。負極板１１２となる帯状負極２１３は第１帯状セパレータ２１２と第２帯状セパレータ２１４との間に挿入される。図示しないグリッパーによって帯状負極２１３は保持されており、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の間に配置される。そしてＳ６に移行する。
【００４２】
Ｓ６では、半ターン巻き取る。巻芯２２０を回転させて第１帯状セパレータ２１２、第２帯状セパレータ２１４及び帯状負極２１３を半ターン巻き取る。そしてＳ７に移行する。
【００４３】
Ｓ７では、正極板１１１を挿入する。正極板１１１となる帯状正極２１１は第２帯状セパレータ２１４と第１帯状セパレータ２１２の間に挿入される。帯状負極２１３と同様に図示しないグリッパーによって保持されており、第２帯状セパレータ２１４と第１帯状セパレータ２１２の間に配置される。そしてＳ８に移行する。
【００４４】
Ｓ８では、帯状正極２１１、第１帯状セパレータ２１２、帯状負極２１３、及び第２帯状セパレータ２１４を巻き取る。帯状正極２１１、第１帯状セパレータ２１２、帯状負極２１３、及び第２帯状セパレータ２１４を、巻芯２２０を回転させることで巻き取り、最終的には帯状正極２１１及び帯状負極２１３を所定の位置で切断し、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を更に数周巻いて切断し、テープなどを用いて第１帯状セパレータ２１２又は第２帯状セパレータ２１４を固定することで、巻回電極体１１０を形成する。この巻回電極体１１０を電池ケース１８０に封入することで、二次電池１００が形成される。掻い摘んで説明したが、巻回電極体１１０はこのような手順を経て巻回される。
【００４５】
図８に、張力調整に関するグラフを示す。縦軸は２５０によって調整される第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の張力である。横軸は作業工程毎に区切った経過時間を示す。巻回電極体１１０は上述したように巻回されるのだが、張力調整機構２５０による張力の調整に関しては、図８に示すような状況である。すなわち、図７に示すフローのうちＳ１からＳ２までは第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の張力は特に調整される必要がないため張力調整機構２５０による調整は行われていないが、Ｓ２からグリッパー２４０に第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４が保持された状態で、張力調整機構２５０によってそれぞれ張力が付与される。この際に領域Ｔｚの範囲内で張力調整機構２５０の張力が設定されていれば、巻芯２２０と第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４との干渉が避けられることが実験で確認されている。領域Ｔｚは２００ｇｆから４５０ｇｆ程度である。
【００４６】
Ｓ２からＳ４までの、巻芯２２０の隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挿入する間に設定される張力を第１設定張力Ｔ１とする。そしてＳ４からＳ８で巻回電極体１１０の巻回が終了するまでは、張力調整機構２５０によって第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４はそれぞれ第２設定張力Ｔ２に設定されて巻回される。第２設定張力Ｔ２は本実施形態では１００ｇｆ程度に設定されているが、実験によってもう少し高い値でも巻回可能であることが確認されている。
【００４７】
第１設定張力Ｔ１の値が領域Ｔｚより高くなると、張力が高くなりすぎて第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４が伸びてしまい、セパレータ１１３の幅が狭くなるなどの問題が確認されている。又、領域Ｔｚより低くなると、巻芯２２０と第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４との干渉の発生確率が大幅に高くなることが確認されている。
【００４８】
本実施形態の二次電池１００の製造方法は上記構成であるので、以下に説明するような作用及び効果を奏する。
【００４９】
本実施形態の二次電池１００の製造方法の態様は、巻回可能に支持された巻芯２２０でセパレータ１１３を挟んで固定し、巻芯２２０を回転させながらセパレータ１１３の間に正極板１１１と負極板１１２を挟んで巻回して巻回電極体１１０を形成し、巻回電極体１１０から巻芯２２０を取り除いて二次電池１００を形成する二次電池製造方法において、巻芯２２０にセパレータ１１３の端部を挟む際に、セパレータ１１３にかける張力を第１設定張力Ｔ１とし、その状態で、巻芯２２０でセパレータ１１３の端部を挟んで、巻芯２２０に対してセパレータ１１３を固定する保持工程と、セパレータ１１３の張力を第２設定張力Ｔ２とし、巻芯２２０を回転させて正極板１１１と負極板１１２を挟み、巻回電極体１１０を形成する巻回工程を有し、第１設定張力Ｔ１は第２設定張力Ｔ２より張力が高く設定されているものである。
【００５０】
その効果としては、まず、セパレータ１１３の潰れや折れ曲がりを抑えることが可能である点が挙げられる。セパレータ１１３となる第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に張力調整機構２５０によってそれぞれ第１設定張力Ｔ１＝２００〜４００ｇｆ程度の張力を付与することで、巻芯２２０の先端に設けられる隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挿入するのを容易にすることが可能である。第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に第１設定張力Ｔ１の張力を張力調整機構２５０によって付与することで、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の直進性を確保することが可能となるためである。
【００５１】
これは課題に示したようにセパレータ１１３にセラミックス粉末などを塗布して多孔質層１１３Ｂを形成することでセパレータ１１３の表面に耐熱層を有しているため、セパレータ１１３とセラミックスという熱膨張係数の違う二つの層ができあがる。このことで、巻回電極体１１０を製造している最中に熱膨張係数の小さい側にカールしてしまうという問題が生じる虞がある。また、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に高い張力を付与して巻回すると巻ズレ、蛇行などを生じる虞があるため、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に対して常に高い張力を与えておくことは好ましくない。このために、通常は第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に対しては弛まない程度の張力が与えられている。
【００５２】
このように、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の直進性が確保しにくい状況にあるため、巻芯２２０の先端に設けられる隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挿入する際には、潰れや折れ曲がりと言った不具合が生じることがある。しかし、張力調整機構２５０によってＳ２からＳ４までの間だけ第１設定張力Ｔ１が付与されることで、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の直進性を改善し、結果的に潰れや折れ曲がりの発生を抑えることが出来る。
【００５３】
巻回電極体１１０は、電池ケース１８０に収められる際に扁平に潰して収める必要があるため、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の先端で潰れや折れ曲がりが発生していると、巻回電極体１１０を扁平に潰しきれずに電池ケース１８０の開口部から巻回電極体１１０が挿入できないというような事態が起きてしまう。あるいは、巻回電極体１１０を電池ケース１８０に挿入できた場合であっても、電池ケース１８０内では巻回電極体１１０のカール部１２０を押し潰している部分とそうでない部分で巻回電極体１１０にかかる力に差が出来てしまう。
【００５４】
潰れや折れ曲がりが発生しこれを押し潰している部分では設計より厚くなるため電池ケース１８０との間に強い力がかかり、圧し潰していない部分では設計通りかそれより薄いために力がかからない。このような差がでると、巻回電極体１１０に添加されている電解液に偏りが生じてしまい、内部でリチウムが析出してしまう虞がある。また、圧力が高いと正極板１１１と負極板１１２との距離を適切に保てなくなる虞もある。その結果、圧力がかかっている部分から巻回電極体１１０の劣化が生じたり、二次電池１００の性能を十分に発揮できない状態となったりする。
【００５５】
更に、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の潰れや折れ曲がりが酷く、隙間Ｓに入らないような状況が生じると、そもそも巻回電極体１１０の巻回の開始をすることができないため、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の切断及びグリッパー２４０でグリップし直すなどの手間がかかることになる。つまり、巻回電極体１１０の歩留まりを悪化させてしまうことになる。よって、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に第１設定張力Ｔ１の張力を所定の期間だけ与えることで、巻回電極体１１０及び巻回電極体１１０の生産性を向上させ、コストダウンにも貢献することが可能となる。
【００５６】
以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
【００５７】
例えば、二次電池１００の形状に関して電池ケース１８０の構成や材質等を例示したが、これに限定される必要は無い。また、巻回装置２００の構成についても例示しているが、他のシステムを用いて巻回電極体１１０を形成することを妨げない。更に、正極板１１１、負極板１１２、及びセパレータ１１３の材質等を示しているが、これも限定されるものではない。例えば、正極活物質１１１Ｂや負極活物質１１２Ｂを変更することを妨げないし、セパレータ１１３の材質や単層セパレータを複層のセパレータにすることを妨げない。
【００５８】
セパレータ１１３の複層化については、本実施形態でも単層のセパレータ１１３の表面にセラミックスの粉末を塗布することで耐熱層を形成して複層化している。しかし本実施例のセパレータ１１３とは違い、ＰＰ、ＰＥを用いた複層のセパレータを使用するケースもある。また、このセパレータの片面に更にセラミックス粉末を塗布すると言うことも考えられる。このように複層のセパレータを用いる場合であって、表面と裏面の２面で材質が異なるようなケースであれば、本発明の巻芯２２０による加熱によってセパレータ１１３のカールを抑制する効果が見込める。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 二次電池
１１０ 巻回電極体
１１１ 正極板
１１２ 負極板
１１３ セパレータ
１１３Ａ 単層セパレータ
１１３Ｂ 多孔質層
１８０ 電池ケース
２００ 巻回装置
２１１ 帯状正極
２１２ 第１帯状セパレータ
２１３ 帯状負極
２１４ 第２帯状セパレータ
２２０ 巻芯
２２１ ヒータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻芯を用いて二次電池に用いる正極及び負極をセパレータに挟んで巻回する技術に関し、詳しくは巻芯にセパレータを挟む際のセパレータの潰れや折れ曲がりの発生を抑制する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の駆動力としてモータを用いるケースが増えてきている。これに伴い、車載用の電池もニッケル水素二次電池よりもエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池に代表される非水系二次電池を用いることが検討されている。そしてリチウムイオン二次電池も、高入出力化や大容量化の要求から様々な検討がなされている。
【０００３】
特許文献１には、巻回型電極の製造装置に関する技術が開示されている。これは、回転可能に軸支された巻芯と、巻芯を回転させる回転駆動機構と巻芯の回転で積層、捲装されるセパレートシート及び正極シート及び負極シートをそれぞれガイド走向させるガイドブロックと、巻芯へガイド供給するシートに張力を与える加圧ローラと、巻芯への積層、捲装によって形成された巻回体外周を圧着的に保持する保持ブロックとを有する巻回型電極の製造装置であって、ガイドブロックの少なくとも電極シートが走向摺動する面には、供給側が直線的平坦とし、巻回体に近接する領域を曲面とし、それぞれ形成している。これによって、積層を高緊縛とし高品質とできる巻回型電極を歩留まり良く製造できる製造装置が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１―３３２２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示される技術で二次電池を製造する場合には、以下に説明する課題があると考えられる。
【０００６】
特許文献１に開示される技術において、巻芯は２つ割りの構造で、巻芯にセパレータを挟んで固定していると推測される。しかしながら、先端を２分割し隙間を設けた巻芯でセパレータを挟む構造である場合、巻芯の先端に設けられた隙間が少ないと、巻芯でセパレータを挟む際に巻芯でセパレータを潰してしまう問題が生じる。巻芯の先端の隙間は、巻芯を回転させる必要がある他、回りの機器との関係で構造的にあまり大きくすることが出来ないという事情がある。
【０００７】
また、セパレータは樹脂性でかつ微細な穴が沢山設けられた多孔質膜であり、強い張力をかけると伸びたり皺になったりするなどの弊害がある他、巻回する際に一定以上の張力をかけると巻きズレを生じるなどの事情もあって、巻芯の先端に設けられた隙間にセパレータを挿入することを難しくしている。更に、非水系二次電池の製造において、高入出力化や大容量化の要求は高く、セパレータの薄膜化、高多孔化されることが望ましい。この方策の１つとしてセパレータにセラミックスを塗布する方法が提案されている。しかしながら、セラミックス等の材料をポリオレフィン等からなるセパレータの片面に塗布すると、熱膨張係数の違いから製造工程においてカールが発生し易くなる。このため、巻芯に設けられた隙間への挿入はより困難となる。これらの問題について、特許文献１には言及されていない。
【０００８】
そこで、本発明はこのような課題を解決するために、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制する二次電池製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明の一態様による二次電池製造方法は以下のような特徴を有する。
【００１０】
（１）巻回可能に支持された巻芯でセパレータを挟んで固定し、前記巻芯を回転させながら前記セパレータの間に正極体と負極体を挟んで巻回して巻回電極体を形成し、前記巻回電極体から前記巻芯を取り除いて二次電池を形成する二次電池製造方法において、前記巻芯に前記セパレータの端部を挟む際に、前記セパレータの張力を第１設定値とし、その状態で、前記巻芯で前記セパレータの端部を挟んで、前記巻芯に対して前記セパレータを固定する保持工程と、前記セパレータの張力を第２設定値とし、前記巻芯を回転させて正極体と負極体を挟み、前記巻回電極体を形成する巻回工程を有し、前記第１設定値は前記第２設定値より張力が高く設定されていることを特徴とする。
【００１１】
（２）（１）に記載される二次電池製造方法において、前記第１設定値が前記セパレータの幅１００ｍｍに対して、２００ｇｆ〜４５０ｇｆの間の値に設定されることが好ましい。
【００１２】
（３）（１）又は（２）に記載される二次電池製造方法において、前記セパレータは多層構造となっていることが好ましい。
【００１３】
（４）（３）に記載される二次電池製造方法において、前記セパレータは表面にセラミックス粉末を用いた耐熱層を有し、該耐熱層が前記多層構造のうち前記セパレータの片面に塗布された１層を構成していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の二次電池製造方法の態様がこのような特徴を有することで、以下に説明するような作用、効果が得られる。
【００１５】
上記（１）に記載の態様は、巻回可能に支持された巻芯でセパレータを挟んで固定し、巻芯を回転させながらセパレータの間に正極体と負極体を挟んで巻回して巻回電極体を形成し、巻回電極体から巻芯を取り除いて二次電池を形成する二次電池製造方法において、巻芯にセパレータの端部を挟む際に、セパレータの張力を第１設定値とし、その状態で、巻芯でセパレータの端部を挟んで、巻芯に対してセパレータを固定する保持工程と、セパレータの張力を第２設定値とし、巻芯を回転させて正極体と負極体を挟み、巻回電極体を形成する巻回工程を有し、第１設定値は第２設定値より張力が高く設定されているものである。
【００１６】
二次電池の巻回電極体を製造するにあたり、巻芯でセパレータを挟む際に、セパレータの張力を第２設定値よりも張力が高く設定されている第１設定値となるように調整することで、セパレータと巻芯との干渉を防ぎ、セパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することができる。課題に示したように、巻芯の先端に設けられた隙間はセパレータ２枚を挿入するには狭く、セパレータの特性上の問題や巻回する際にセパレータや電極板に張力をかけておくとズレや皺などの原因になりやすいなどの問題がある。しかし、巻芯の先端に設けられた隙間にセパレータを挿入する際には、セパレータのみの張力が問題となるため、張力を付与しても巻回時のズレに繋がらない。また、張力を付与することで、セパレータの弛みが少なくなり、巻芯の先端の隙間に挿入し易くなる。こうして、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。
【００１７】
また、上記（２）に記載の態様は、（１）に記載される二次電池製造方法において、第１設定値がセパレータの幅１００ｍｍに対して、２００ｇｆ〜４５０ｇｆの間の値に設定されるものである。セパレータにかける張力は、あまり高すぎると多孔質膜であるために皺が寄ったり伸びたりといった問題が生じるため、２００ｇｆ〜４５０ｇｆの間の値に設定し、セパレータが弛まずかつ伸びたり皺が寄ったりしない張力を付与して、巻芯の先端の隙間にセパレータを挿入することで、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。
【００１８】
また、上記（３）に記載の態様は、（１）又は（２）に記載される二次電池製造方法において、セパレータは多層構造となっているものである。例えば課題にも示したが、セパレータにセラミックス粉末などを塗布して多孔体層を形成することで耐熱層を有していることで、短絡に強くなる機能を備えることが出来る。しかし、セパレータは樹脂材料であるのに対し、多孔体層を形成するのはセラミックスであるので、両者で熱膨張係数が異なり、この熱膨張係数の異なる２つの層があることで、巻回電極体を製造している最中に熱膨張係数の小さい側にカールしてしまうという問題が発生する。このように、セパレータに異種の材料を用いて多層構造とすることで、セパレータの高機能化を図ることができ、かつ、セパレータが弛まずかつ伸びたり皺が寄ったりしない張力を付与して、巻芯の先端の隙間にセパレータを挿入することで、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。この結果、セパレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。
【００１９】
また、上記（４）に記載の態様は、（３）に記載される二次電池製造方法において、セパレータは表面にセラミックス粉末を用いた耐熱層を有し、耐熱層がセパレータの片面に塗布された多層構造のうち１層を構成しているものである。セパレータに耐熱層を用いると、二次電池の製造時に異物混入した場合でも短絡事故の防止を期待出来る。そして、耐熱層がセパレータの片面に塗布されているために、前述したように熱膨張係数の違いから片側にカールしてしまうが、セパレータを巻芯に挿入する際に張力を付与することで、パレータを巻芯に挿入する際に発生するセパレータの潰れや折れ曲がりによる不良を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態の、二次電池の斜視図である。
【図２】本実施形態の、二次電池の断面図である。
【図３】本実施形態の、巻回電極体の部分断面図である。
【図４】本実施形態の、巻回装置の模式図である。
【図５】本実施形態の、巻芯でセパレータを挟む様子を示した模式斜視図である。
【図６】本実施形態の、巻芯でセパレータを挟む際の模式斜視図である。
【図７】本実施形態の、巻回電極体の作成手順を示すフローである。
【図８】本実施形態の、セパレータに付与する張力に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
まず、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１に、本実施形態の二次電池１００の斜視図を示す。図２に、二次電池１００の断面図を示す。なお、巻回電極体１１０は模式的に示してあり内周側を省略している。図３に、巻回電極体１１０の部分断面図を示す。二次電池１００は、非水電解質系のリチウムイオン二次電池であり、帯状の正極板１１１及び負極板１１２がセパレータ１１３に挟まれて巻回された巻回電極体１１０を有し、電池ケース１８０に納められてなる。
【００２３】
正極板１１１は集電箔１１１Ａとして１５μｍ程度の厚みのアルミニウム箔を用いており、その集電箔１１１Ａの表面に正極活物質１１１Ｂが塗布されている。正極活物質１１１Ｂはニッケル、コバルト、マンガンを主成分としたものが用いられる。負極板１１２は集電箔１１２Ａとして１０μｍ程度の厚みの銅箔を用いており、集電箔１１２Ａの表面に負極活物質１１２Ｂが塗布されている。負極活物質１１２Ｂはグラファイトを主成分としたものが用いられる。
【００２４】
セパレータ１１３は第１セパレータ１１３ａと第２セパレータ１１３ｂの２枚が用いられる。セパレータ１１３はポリオレフィン系の単層セパレータ１１３Ａが用いられ厚みは２０μｍ程度である。多孔質膜であるセパレータ１１３の表面の一方にはアルミナ等の耐熱性に優れたセラミックス粉末を用いた無機フィラーであり、多孔質層１１３Ｂを形成している。したがって、セパレータ１１３は単層の単層セパレータ１１３Ａと多孔質層１１３Ｂとの２層構造となっている。なお、第１セパレータ１１３ａと第２セパレータ１１３ｂは便宜上呼び分けるが同じものである。
【００２５】
これら、正極板１１１、負極板１１２、セパレータ１１３が巻回されたものが、巻回電極体１１０であり、巻回電極体１１０は電池ケース１８０に納められている。
【００２６】
電池ケース１８０は、共にアルミニウム製の電池ケース本体１８１及び封口蓋１８２を有している。このうち電池ケース本体１８１は有底矩形箱形であり、この電池ケース１８０と巻回電極体１１０との間には、図示しない箱状に折り曲げた樹脂製の絶縁フィルムが介在させてある。また、封口蓋１８２は矩形板状であり、巻回電極体１１０を挿入した電池ケース本体１８１の開口を閉塞して、この電池ケース本体１８１に溶接される。この封口蓋１８２には、巻回電極体１１０と接続する正極集電部材１９１及び負極集電部材１９２が備えられる。
【００２７】
正極集電部材１９１の先端に位置する正極端子部１９１Ａ及び負極集電部材１９２の先端に位置する負極端子部１９２Ａは、封口蓋１８２を貫通し、蓋表面１８２ａから突出して保持される。正極端子部１９１Ａ及び負極端子部１９２Ａと封口蓋１８２との間には、それぞれ絶縁性の樹脂からなる絶縁部材１９５が介在し、互いを絶縁している。さらに、この封口蓋１８２には矩形板状の安全弁１９７も封着されている。
【００２８】
巻回電極体１１０は電池ケース本体１８１に納められる際に、図２に示すように扁平に潰されて納められる。巻回電極体１１０の正極板１１１は正極集電部材１９１の一端に接続され、負極板１１２は負極集電部材１９２の一端に接続される。
【００２９】
巻回電極体１１０は、図３に示すように外周側から第１セパレータ１１３ａ、負極板１１２、第２セパレータ１１３ｂ、正極板１１１と順番に配置されるように複数周巻回されている。正極板１１１及び負極板１１２の短手方向には未塗工部が設けられており、未塗工部側が正極集電部材１９１及び負極集電部材１９２側に配置されるように巻回されている。そして、セパレータ１１３は正極板１１１及び負極板１１２を切り分けるように配置された上で、巻回電極体１１０の最外周にセパレータ１１３が複数周巻回されて形成されている。
【００３０】
次に、巻回電極体１１０を製造する巻回装置２００の説明を行う。図４に、巻回装置２００の模式図を示す。巻回装置２００は、正極供給リール２４１、負極供給リール２４３、第１セパレータ供給リール２４２、第２セパレータ供給リール２４４を備え、巻芯２２０が回転することで巻回電極体１１０を形成する装置である。正極供給リール２４１には帯状正極２１１が、正極活物質１１１Ｂが塗工された状態で巻かれている。負極供給リール２４３には帯状負極２１３が、負極活物質１１２Ｂが塗工された状態で巻かれている。なお帯状正極２１１と正極板１１１、帯状負極２１３と負極板１１２はそれぞれ同一のものであるが、帯状正極２１１及び帯状負極２１３は、正極板１１１及び負極板１１２の長さよりも長いので、便宜上呼び分けることとしている。
【００３１】
また、第１セパレータ供給リール２４２及び第２セパレータ供給リール２４４には第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４が、それぞれ多孔質層１１３Ｂが塗工された状態で巻かれている。そして、第１帯状セパレータ２１２は、第１セパレータ１１３ａに、第２帯状セパレータ２１４は第２セパレータ１１３ｂに対応する。第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４も、帯状正極２１１及び帯状負極２１３と同様に、巻かれる長さが違っているので便宜的に呼び分けている。
【００３２】
巻回装置２００には、張力調整機構２５０、エッジ検出部２５２、補正機構２５４、押付部材２３０が、制御部２６０と電気的に接続されて備えられている。張力調整機構２５０はテンションローラ２４７と、ダンサーローラ２４８が備えられ、制御部２６０に接続される揺動検出部２６４と付勢手段２４８ｂによって、揺動軸２４８ａ、揺動支持点２４８ｃ、第１ローラ２４８ｄ、第２ローラ２４８ｅ及びテンションローラ２４７を連携させて、帯状正極２１１の張力を調整している。なお、図４では省略して示しているが、この張力調整機構２５０と同様のものが第１帯状セパレータ２１２、帯状負極２１３及び第２帯状セパレータ２１４を調整するためにそれぞれ備えられている。
【００３３】
エッジ検出部２５２は巻芯２２０に巻き取られる帯状正極２１１の縁部の位置を検出する装置である。補正機構２５４は巻芯２２０に巻き取られる帯状正極２１１の幅方向の位置を補正する機構である。帯状正極２１１の位置を制御する機構と同様の機構によって、第１帯状セパレータ２１２、帯状負極２１３、第２帯状セパレータ２１４の位置も制御される。この他に、制御部２６０に接続される外径検出部２６２、張力検出部２６６、設定部２８１、２８２、２８３等や、押付部材２３０に備えられたローラ２３２やアクチュエータ２３４によって、巻回電極体１１０の巻回が制御される。詳しくは特開２０１０−５５９６２号公報などを参照されたい。
【００３４】
図５に、巻芯を前進させてセパレータを挟む様子を模式図に示す。図６に、巻芯２２０でセパレータ１１３を挟む際の模式斜視図を示す。巻芯２２０は接続されるアクチュエータ２２２によって回転されるが、この巻芯２２０は、図５及び図６に示すように中央で２分割でき、その隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挟み込める構造となっている。巻芯２２０は進退機能が備えられて、図５及び図６に示すように第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に対して、前進し隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挿入した後に隙間Ｓを閉じて第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挟み込み保持する。
【００３５】
第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４は、巻芯２２０が退避状態にある段階で、グリッパー２４０によって保持される。この状態で、第１帯状セパレータ２１２の張力を調整する張力調整機構２５０と、第２帯状セパレータ２１４の張力を調整する張力調整機構２５０によって、所定の張力を付与する。
【００３６】
図７に、巻回電極体を作成する際のフローを示す。フローは簡易なものであり、説明が不要だと思われる手順は省略して示している。
【００３７】
Ｓ１では、セパレータ１１３を搬送する。セパレータ１１３は第１帯状セパレータ２１２と第２帯状セパレータ２１４の２枚が用意されており、この第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を所定の位置まで搬送する。そしてＳ２に移行する。
【００３８】
Ｓ２では、セパレータ１１３を保持する。第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を所定の位置まで搬送した後にグリッパー２４０によって保持する。この状態で、張力調整機構２５０によって第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に所定の張力が付与される。第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の幅は約１００ｍｍであり、それぞれ４００ｇｆの張力が付与されている。そしてＳ３に移行する。
【００３９】
Ｓ３では、巻芯２２０を突出させる。巻芯２２０を第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に対して巻芯２２０に突出させる。この際に巻芯２２０の先端には図５に示すように隙間Ｓが設けられており、巻芯２２０を突出させることで第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４をこの隙間Ｓの間に挿入されることになる。そしてＳ４に移行する。
【００４０】
Ｓ４では、巻芯２２０でセパレータ１１３を挟む。図６に示すように巻芯２２０によって、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挟み込む。その後、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４をグリッパー２４０側の適切な位置で図示しないカッターでカットする。カットする位置はカット位置Ｃｌとして示している。カット位置Ｃｌは巻芯２２０に近い位置に設けられることが望ましい。そしてＳ５に移行する。
【００４１】
Ｓ５では、負極板１１２を挿入する。負極板１１２となる帯状負極２１３は第１帯状セパレータ２１２と第２帯状セパレータ２１４との間に挿入される。図示しないグリッパーによって帯状負極２１３は保持されており、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の間に配置される。そしてＳ６に移行する。
【００４２】
Ｓ６では、半ターン巻き取る。巻芯２２０を回転させて第１帯状セパレータ２１２、第２帯状セパレータ２１４及び帯状負極２１３を半ターン巻き取る。そしてＳ７に移行する。
【００４３】
Ｓ７では、正極板１１１を挿入する。正極板１１１となる帯状正極２１１は第２帯状セパレータ２１４と第１帯状セパレータ２１２の間に挿入される。帯状負極２１３と同様に図示しないグリッパーによって保持されており、第２帯状セパレータ２１４と第１帯状セパレータ２１２の間に配置される。そしてＳ８に移行する。
【００４４】
Ｓ８では、帯状正極２１１、第１帯状セパレータ２１２、帯状負極２１３、及び第２帯状セパレータ２１４を巻き取る。帯状正極２１１、第１帯状セパレータ２１２、帯状負極２１３、及び第２帯状セパレータ２１４を、巻芯２２０を回転させることで巻き取り、最終的には帯状正極２１１及び帯状負極２１３を所定の位置で切断し、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を更に数周巻いて切断し、テープなどを用いて第１帯状セパレータ２１２又は第２帯状セパレータ２１４を固定することで、巻回電極体１１０を形成する。この巻回電極体１１０を電池ケース１８０に封入することで、二次電池１００が形成される。掻い摘んで説明したが、巻回電極体１１０はこのような手順を経て巻回される。
【００４５】
図８に、張力調整に関するグラフを示す。縦軸は２５０によって調整される第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の張力である。横軸は作業工程毎に区切った経過時間を示す。巻回電極体１１０は上述したように巻回されるのだが、張力調整機構２５０による張力の調整に関しては、図８に示すような状況である。すなわち、図７に示すフローのうちＳ１からＳ２までは第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の張力は特に調整される必要がないため張力調整機構２５０による調整は行われていないが、Ｓ２からグリッパー２４０に第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４が保持された状態で、張力調整機構２５０によってそれぞれ張力が付与される。この際に領域Ｔｚの範囲内で張力調整機構２５０の張力が設定されていれば、巻芯２２０と第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４との干渉が避けられることが実験で確認されている。領域Ｔｚは２００ｇｆから４５０ｇｆ程度である。
【００４６】
Ｓ２からＳ４までの、巻芯２２０の隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挿入する間に設定される張力を第１設定張力Ｔ１とする。そしてＳ４からＳ８で巻回電極体１１０の巻回が終了するまでは、張力調整機構２５０によって第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４はそれぞれ第２設定張力Ｔ２に設定されて巻回される。第２設定張力Ｔ２は本実施形態では１００ｇｆ程度に設定されているが、実験によってもう少し高い値でも巻回可能であることが確認されている。
【００４７】
第１設定張力Ｔ１の値が領域Ｔｚより高くなると、張力が高くなりすぎて第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４が伸びてしまい、セパレータ１１３の幅が狭くなるなどの問題が確認されている。又、領域Ｔｚより低くなると、巻芯２２０と第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４との干渉の発生確率が大幅に高くなることが確認されている。
【００４８】
本実施形態の二次電池１００の製造方法は上記構成であるので、以下に説明するような作用及び効果を奏する。
【００４９】
本実施形態の二次電池１００の製造方法の態様は、巻回可能に支持された巻芯２２０でセパレータ１１３を挟んで固定し、巻芯２２０を回転させながらセパレータ１１３の間に正極板１１１と負極板１１２を挟んで巻回して巻回電極体１１０を形成し、巻回電極体１１０から巻芯２２０を取り除いて二次電池１００を形成する二次電池製造方法において、巻芯２２０にセパレータ１１３の端部を挟む際に、セパレータ１１３にかける張力を第１設定張力Ｔ１とし、その状態で、巻芯２２０でセパレータ１１３の端部を挟んで、巻芯２２０に対してセパレータ１１３を固定する保持工程と、セパレータ１１３の張力を第２設定張力Ｔ２とし、巻芯２２０を回転させて正極板１１１と負極板１１２を挟み、巻回電極体１１０を形成する巻回工程を有し、第１設定張力Ｔ１は第２設定張力Ｔ２より張力が高く設定されているものである。
【００５０】
その効果としては、まず、セパレータ１１３の潰れや折れ曲がりを抑えることが可能である点が挙げられる。セパレータ１１３となる第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に張力調整機構２５０によってそれぞれ第１設定張力Ｔ１＝２００〜４００ｇｆ程度の張力を付与することで、巻芯２２０の先端に設けられる隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挿入するのを容易にすることが可能である。第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に第１設定張力Ｔ１の張力を張力調整機構２５０によって付与することで、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の直進性を確保することが可能となるためである。
【００５１】
これは課題に示したようにセパレータ１１３にセラミックス粉末などを塗布して多孔質層１１３Ｂを形成することでセパレータ１１３の表面に耐熱層を有しているため、セパレータ１１３とセラミックスという熱膨張係数の違う二つの層ができあがる。このことで、巻回電極体１１０を製造している最中に熱膨張係数の小さい側にカールしてしまうという問題が生じる虞がある。また、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に高い張力を付与して巻回すると巻ズレ、蛇行などを生じる虞があるため、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に対して常に高い張力を与えておくことは好ましくない。このために、通常は第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に対しては弛まない程度の張力が与えられている。
【００５２】
このように、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の直進性が確保しにくい状況にあるため、巻芯２２０の先端に設けられる隙間Ｓに第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４を挿入する際には、潰れや折れ曲がりと言った不具合が生じることがある。しかし、張力調整機構２５０によってＳ２からＳ４までの間だけ第１設定張力Ｔ１が付与されることで、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の直進性を改善し、結果的に潰れや折れ曲がりの発生を抑えることが出来る。
【００５３】
巻回電極体１１０は、電池ケース１８０に収められる際に扁平に潰して収める必要があるため、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の先端で潰れや折れ曲がりが発生していると、巻回電極体１１０を扁平に潰しきれずに電池ケース１８０の開口部から巻回電極体１１０が挿入できないというような事態が起きてしまう。あるいは、巻回電極体１１０を電池ケース１８０に挿入できた場合であっても、電池ケース１８０内では巻回電極体１１０のカール部１２０を押し潰している部分とそうでない部分で巻回電極体１１０にかかる力に差が出来てしまう。
【００５４】
潰れや折れ曲がりが発生しこれを押し潰している部分では設計より厚くなるため電池ケース１８０との間に強い力がかかり、圧し潰していない部分では設計通りかそれより薄いために力がかからない。このような差がでると、巻回電極体１１０に添加されている電解液に偏りが生じてしまい、内部でリチウムが析出してしまう虞がある。また、圧力が高いと正極板１１１と負極板１１２との距離を適切に保てなくなる虞もある。その結果、圧力がかかっている部分から巻回電極体１１０の劣化が生じたり、二次電池１００の性能を十分に発揮できない状態となったりする。
【００５５】
更に、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の潰れや折れ曲がりが酷く、隙間Ｓに入らないような状況が生じると、そもそも巻回電極体１１０の巻回の開始をすることができないため、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４の切断及びグリッパー２４０でグリップし直すなどの手間がかかることになる。つまり、巻回電極体１１０の歩留まりを悪化させてしまうことになる。よって、第１帯状セパレータ２１２及び第２帯状セパレータ２１４に第１設定張力Ｔ１の張力を所定の期間だけ与えることで、巻回電極体１１０及び巻回電極体１１０の生産性を向上させ、コストダウンにも貢献することが可能となる。
【００５６】
以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
【００５７】
例えば、二次電池１００の形状に関して電池ケース１８０の構成や材質等を例示したが、これに限定される必要は無い。また、巻回装置２００の構成についても例示しているが、他のシステムを用いて巻回電極体１１０を形成することを妨げない。更に、正極板１１１、負極板１１２、及びセパレータ１１３の材質等を示しているが、これも限定されるものではない。例えば、正極活物質１１１Ｂや負極活物質１１２Ｂを変更することを妨げないし、セパレータ１１３の材質や単層セパレータを複層のセパレータにすることを妨げない。
【００５８】
セパレータ１１３の複層化については、本実施形態でも単層のセパレータ１１３の表面にセラミックスの粉末を塗布することで耐熱層を形成して複層化している。しかし本実施例のセパレータ１１３とは違い、ＰＰ、ＰＥを用いた複層のセパレータを使用するケースもある。また、このセパレータの片面に更にセラミックス粉末を塗布すると言うことも考えられる。このように複層のセパレータを用いる場合であって、表面と裏面の２面で材質が異なるようなケースであれば、本発明の巻芯２２０による加熱によってセパレータ１１３のカールを抑制する効果が見込める。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 二次電池
１１０ 巻回電極体
１１１ 正極板
１１２ 負極板
１１３ セパレータ
１１３Ａ 単層セパレータ
１１３Ｂ 多孔質層
１８０ 電池ケース
２００ 巻回装置
２１１ 帯状正極
２１２ 第１帯状セパレータ
２１３ 帯状負極
２１４ 第２帯状セパレータ
２２０ 巻芯
２２１ ヒータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻回可能に支持された巻芯でセパレータを挟んで固定し、前記巻芯を回転させながら前記セパレータの間に正極体と負極体を挟んで巻回して巻回電極体を形成し、前記巻回電極体から前記巻芯を取り除いて二次電池を形成する二次電池製造方法において、
前記巻芯に前記セパレータの端部を挟む際に、前記セパレータの張力を第１設定値とし、その状態で、前記巻芯で前記セパレータの端部を挟んで、前記巻芯に対して前記セパレータを固定する保持工程と、
前記セパレータの張力を第２設定値とし、前記巻芯を回転させて正極体と負極体を挟み、前記巻回電極体を形成する巻回工程を有し、
前記第１設定値は前記第２設定値より張力が高く設定されていることを特徴とする二次電池製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載される二次電池製造方法において、
前記第１設定値が前記セパレータの幅１００ｍｍに対して、２００ｇｆ〜４５０ｇｆの間の値に設定されることを特徴とする二次電池製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載される二次電池製造方法において、
前記セパレータは多層構造となっていることを特徴とする二次電池製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載される二次電池製造方法において、
前記セパレータは表面にセラミックス粉末を用いた耐熱層を有し、該耐熱層が前記多層構造のうち前記セパレータの片面に塗布された１層を構成していることを特徴とする二次電池製造方法。
【請求項１】
巻回可能に支持された巻芯でセパレータを挟んで固定し、前記巻芯を回転させながら前記セパレータの間に正極体と負極体を挟んで巻回して巻回電極体を形成し、前記巻回電極体から前記巻芯を取り除いて二次電池を形成する二次電池製造方法において、
前記巻芯に前記セパレータの端部を挟む際に、前記セパレータの張力を第１設定値とし、その状態で、前記巻芯で前記セパレータの端部を挟んで、前記巻芯に対して前記セパレータを固定する保持工程と、
前記セパレータの張力を第２設定値とし、前記巻芯を回転させて正極体と負極体を挟み、前記巻回電極体を形成する巻回工程を有し、
前記第１設定値は前記第２設定値より張力が高く設定されていることを特徴とする二次電池製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載される二次電池製造方法において、
前記第１設定値が前記セパレータの幅１００ｍｍに対して、２００ｇｆ〜４５０ｇｆの間の値に設定されることを特徴とする二次電池製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載される二次電池製造方法において、
前記セパレータは多層構造となっていることを特徴とする二次電池製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載される二次電池製造方法において、
前記セパレータは表面にセラミックス粉末を用いた耐熱層を有し、該耐熱層が前記多層構造のうち前記セパレータの片面に塗布された１層を構成していることを特徴とする二次電池製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２３８５１１（Ｐ２０１２−２３８５１１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０７５４３（Ｐ２０１１−１０７５４３）
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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