JP4617625B2

JP4617625B2 - 巻芯

Info

Publication number: JP4617625B2
Application number: JP2001262776A
Authority: JP
Inventors: 哲夫赤澤; 寿孝内村
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2003073036A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シート状材料を巻き取るための巻芯に関する。特に、本発明の巻芯は電池製造時に用いられる電池用巻芯として好適に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池のような円筒電池は、一般に電極とセパレータとを交互に挟み込む形で巻芯に巻き付けられて捲回された後、捲回された電極素子から巻芯を抜き取って渦巻状の電極体を作製し、これを電池缶内に挿入することにより製造されている。
【０００３】
ところが、前記捲回後に巻芯を電極体から抜き取る際に、ピン（巻芯）抜け不良や成形時のセンターピン（巻芯）挿入不良による素子形状異常等があり、電池の歩留まりの低下の大きな要因となっていた。そこで、ピン抜け性を改良するために、捲回用ピン（巻芯）として、従来の鉄製の巻芯に代えて、巻芯の表面をクロムメッキ処理鏡面加工されたものが使用されているが、いまだ十分とはいえず、巻芯の抜き取り時の滑りが悪いため、巻芯を抜き取った際に、電極素子の形状が竹の子状態になったり、抜けなかったりすることが起こっていた。これらの原因は、捲回後のセパレータと巻芯との滑りの悪さ、すなわちセパレータが巻芯に比較的強く巻かれるため、捲回後に巻芯を抜き取る際のセパレータと巻芯との摩擦係数に起因するものと考えられる。
【０００４】
そこで、摩擦係数の数値を下げる試みがいくつか提案されている。例えば、巻芯表面にシリコン離型剤を塗布する方法が提案されているが、この方法の場合には、電極体を巻き取る毎に、巻芯にシリコン離型剤を塗布する必要があり、製造工程が複雑になり、生産効率も悪い。また、特開平６−２５１７７４号公報には、巻芯表面のクロムメッキ処理鏡面加工の代わりに、カーボンをエポキシ樹脂等と混合し、これを巻芯の芯体表面に塗布して摩擦係数を低減させる方法が提案されている。
しかしながら、電極素子を形成する場合、比較的大きなテンションをかけて捲回されるため、前記特開平６−２５１７７４号公報の場合には、巻芯の耐久性に難点があり、巻芯の交換の頻度が高くなり、長期間連続した製造を行うことが困難であり、生産効率の面で難点を有しており、しかも、ピン抜け性も未だ十分とは言えなかった。そこで、巻芯表面をさらに改良したものとして、クロムめっきの耐磨耗性と４フッ化樹脂の低摩擦係数の特性を複合して有する巻芯として、自己潤滑性クロムめっきした巻芯が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自己潤滑性クロムめっきした巻芯は、比較的低い摩擦係数を有しているが耐久性の面では未だ十分ではなく、さらに優れた特性を有する巻芯の提供が望まれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を解決するために鋭意検討の結果、巻芯の表面粗さＲｚを特定の範囲とし、さらに巻芯表面の切断レベルの負荷長さ率ｔｐを特定の範囲とすることによって、低摩擦係数を有し、しかも耐久性に優れた巻芯が得られることを見出し、本発明に至った。
すなわち本発明は、シート状材料を巻き取るための巻芯において、前記巻芯表面の表面粗さＲｚが０．４〜５μｍであって、且つ切断レベル４０％におけるｔｐが２０〜９５％であることを特徴とする巻芯に関する。
【０００７】
また本発明において、前記巻芯表面がセラミック被覆された巻芯であることが好ましい。
本発明の巻芯は、シート状材料として比較的柔軟なフィルムが使用されるリチウム二次電池の電極体製造時の巻芯として好適に使用することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明において、巻芯のフィルムが当接する主表面部における表面粗さ（十点平均粗さ）Ｒｚが過度に小さい場合には、摩擦抵抗が大きくなり、巻芯抜き取り時に、ピン抜け不良となり易く、一方、Ｒｚが過度に大きい場合には、フィルムの損傷が起こり易くなる。したがって、表面粗さ（十点平均粗さ）Ｒｚは０．４〜５μｍ、特に１〜３．５μｍとするのが好ましい。また、切断レベル４０％における負荷長さ率ｔｐが過度に小さい場合には、使用されるフィルムが柔らかいために摩擦抵抗が大きくなり、巻芯抜き取り時に、ピン抜け不良となり易い。したがって、負荷長さ率ｔｐは大きい方が好ましいが、表面粗さ（十点平均粗さ）Ｒｚが上記の範囲の場合には、過度に大きくすることは製造上、困難な面があり通常ｔｐは最大８５％程度である。したがって、切断レベル４０％の負荷長さ率ｔｐは２５〜８５％とするのがよい。
特に本発明において、巻芯表面にセラミック被膜を形成させた巻芯は、低摩擦係数を有し、しかも耐久性に優れており好ましい。
【０００９】
本発明において、セラミック被膜はマグネトロンスパッタ−イオンプレーティング法（ＳＩＰ法）により形成される。セラミック被膜としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ等の炭化物、窒化物、酸窒化物が挙げられ、具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＮＯ、ＴｉＡｌＮＣ、ＣｒＮ、ＴｉＣｒＮ等が挙げられる。
セラミック被膜の形成は、マグネトロンスパッタイオンプレーティングＳＩＰ処理装置Ｚ７００（ドイツ、ライボルト社製）を用いて行うのが好ましい。以下にセラミック被覆法の一例を示す。
被体（巻芯本体）を予めガラス粒子♯１２０〜♯２００、Ａｌ_２Ｏ_３♯８０〜♯２２０等を用いてサンドブラスト処理を行った後、サンドペーパー♯４００で軽く研磨し、鋭い突起を除去する。
前記被体をマグネトロンスパッタイオンプレーティングＳＩＰ処理装置Ｚ７００を用いてＴｉＮ等のセラミック被膜を約２μｍ形成する。セラミック被膜を形成した被体の表面を軽く、研磨材入りナイロンタワシ等を用いて研磨し、鋭い突起を除去し、セラミック被膜を形成した巻芯を製作する。
【００１０】
本発明において、表面粗さ（十点平均粗さ）ＲｚはＪＩＳＢ０６０１に記載された方法により求めた。また、切断レベル４０％の負荷長さ率ｔｐもＪＩＳＢ０６０１に記載された方法により求めた。
表面粗さの測定方法を以下に示す。
（１）測定はＪＩＳＢ０６０１表面粗さ−定義および表示、ＪＩＳＢ０６５１触針式表面粗さ測定器に準拠した。
測定機器：表面粗さ計（小坂研究所製型式：ＳＥ−２３００、ダイヤモンド触針先端Ｒ５μｍ、接触圧４ｍＮ）
研削面に対して直角方向に測定した。
（２）Ｒｚの求め方
Ｒｚは粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜取り部分の平均線から縦倍率方向に測定した最も高い山頂から５番目までの山頂の標高の絶対値の平均値と最も低い谷底から５番目までの谷底の標高（深さ）の絶対値の平均値との和を求め、この値をμｍで表した。
（３）ｔｐの求め方
ｔｐは粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜取り部分の粗さ曲線を山頂線に平行な切断レベルで切断したときに得られる切断長さの和の基準長さに対する比を百分率で表した。基準長さは０．２５ｍｍ、切断レベルは４０％とし、その時のｔｐを用いて評価項目とした
【００１１】
摩擦係数は、プラスチックフィルム及びシートの摩擦係数試験方法ＪＩＳＫ７１２５に準拠した方法により測定した。図１に摩擦係数測定の概略図を示す。
摩擦係数の測定方法を以下に示す。
（１）測定機器：スリップテスター（理学工業製Ｎｏ．３７８０）
（２）捲回時の巻芯を想定して、従来の荷重（２００ｇ）、面積（３９．６９ｃｍ^２）よりも高い荷重（３９０ｇ）、小さい面積（１．７６ｃｍ^２）とした。
（３）フィルム試験片は２３±２℃、相対湿度６５±５％に調整された雰囲気で２４時間コンディショニングを行う。
（４）滑り片表面（φ１５ｍｍ円柱）にフィルム試験片をセロハンテープで貼り付ける。
（５）表面粗し加工された試験板を測定器の試験テーブルにテープで固定する。
（６）表面粗し加工された試験板上に滑り片を乗せ、フックをロードセルのリングにかける。
（７）試験テーブルを１５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で移動させる。
（８）ロードセルで移動時の荷重をチャート上に記録する。
静摩擦係数μｓ＝Ａ／Ｂ
動摩擦係数μｋ＝Ｃ／Ｂ
但し、Ａ：動き始めた時の荷重
Ｂ：滑り片および重りの総重量３９０ｇ
Ｃ：動き途中の最大、最小の荷重の平均値
【００１２】
磨耗試験はＪＩＳＫ７２０４に準拠して測定した。測定方法を以下に示す。
回転する試験片上に１対の磨耗輪を規定荷重の下で圧着させ、磨耗輪によって試験片を磨耗させ、磨耗質量を測定した。
測定機器：テーバー式磨耗試験機（東洋精機製）
磨耗輪：ＣＳ１０Ｆ
速度：６０ｒｐｍ
荷重：７５０ｇｆ
磨耗回数：１０００回
試験片：１００ｍｍ角×３ｔ
【００１３】
ピン抜け性評価は以下の方法で行った。図２にピン抜け性測定の概略図を示す。図中、１はセパレータ、２は金属棒（巻芯）を示す。
多孔フィルムの捲回時のピン抜け性を評価する方法として半月状の金属棒１対の間にセパレータを２枚挟み込み、もう一方の端にそれぞれ荷重による張力をかけながら数周巻きつけた。そして、巻き状態のセパレータから金属棒を引き抜きその時の引き抜き力を測定した。
金属棒：φ８ｍｍ半割り形状
多孔フィルム幅：６０ｍｍ、セパレータ長さ：８００ｍｍ
荷重：３００ｇ／１枚
【００１４】
本発明における巻芯の形状としては、特に限定されず、円柱状、円筒状、楕円形状、三角形状、多角形状、板状等が挙げられ、前記形状のスリットを有する巻芯が好適に使用される。さらに摩擦係数を軽減するために巻芯の縦方向に溝を形成して摩擦を軽減したもの、巻芯スリットをテーパ状として巻芯寸法を可変としたもの、あるいは巻芯外形寸法を可変に調整するもの等を使用することができる。
【００１５】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を示し、本発明についてさらに詳細に説明する。
参考例１
金属板（材質：ＳＵＳ３０４）にガラス粒子（粒度♯２００）を縦横方向にショットブラストして表面を粗し下地加工を行った。次に、この金属板の表面粗さと滑り性を確認するために表面粗さと摩擦係数を前記した方法により測定した。表面粗さ（十点平均粗さ）Ｒｚ及び４０％切断レベルにおける負荷長さ率ｔｐを測定した。基準長さを０．２５ｍｍ、評価長さを１ｍｍとしたときのＲｚは１．７５μｍ、また４０％切断レベルにおける負荷長さ率ｔｐは２３％であった。摩擦係数を前記した方法により測定した。ＰＰ・ＰＥ複層セパレータ２５μｍ（宇部興産（株）製、ユーポア（Ｒ）ＵＰ３０２５）の静摩擦係数μｓは０．４３、動摩擦係数μｋは０．２５であった。また、ＰＰ・ＰＥ複層セパレータ２５μｍ（宇部興産（株）製、ユーポア（Ｒ）ＵＰ３０４５、高分子量グレード）の静摩擦係数μｓは０．４７、動摩擦係数μｋは０．３４であった。
【００１６】
参考例２
参考例１と同様にしてガラス粒子で表面粗し加工し、さらにサンドペーパー（♯４００）で軽く表面研磨して鋭い突起を取り除いた。表面特性は参考例１と同様に表面粗さと摩擦係数を測定した。Ｒｚは１．２３μｍ、ｔｐは３４％であり、参考例１と比較して、表面粗さが小さくなり接触面積も増加した。摩擦係数はユーポア（Ｒ）ＵＰ３０２５のとき、静摩擦係数μｓは０．２６、動摩擦係数μｋは０．１４であった。また、ユーポア（Ｒ）ＵＰ３０４５のとき、静摩擦係数μｓは０．３１、動摩擦係数μｋは０．１７であった。表面の鋭い突起を取り除くことでｔｐが大きくなり参考例１と比較して摩擦係数は低減された。
【００１７】
実施例１
参考例１と同様にガラス粒子で金属表面を粗し下地加工をし、磨耗性を向上させるためマグネトロンスパッタリングによるセラミック被膜処理を行った。セラミック被膜はマグネトロンスパッタイオンプレーティングＳＩＰ処理装置Ｚ７００（ドイツ、ライボルト社製）を用いＴｉＡｌＣＮ（４元組成）の被膜を形成した。膜厚は約２μｍであり、密着力はＣＳＥＭスクラッチ試験で１００Ｎまで被膜の破壊は観測されず、密着強度は他法（アーク放電法、ホローカソード法）と同等で優れている。被膜は最終仕上げに研磨材入りナイロンタワシで軽く研磨して鋭い突起を除去した。表面特性は参考例１と同様に表面粗さと摩擦係数を測定した。表面粗さＲｚは１．５８μｍ、ｔｐは５１％であった。摩擦係数はユーポア（Ｒ）ＵＰ３０２５のとき、静摩擦係数μｓは０．２５、動摩擦係数μｋは０．２０であった。また、ユーポア（Ｒ）ＵＰ３０４５のとき、静摩擦係数μｓは０．３２、動摩擦係数μｋは０．２９であった。セラミック被覆後の表面の鋭い突起を取り除くことにより摩擦係数は低かった。セラミック被覆の摩擦係数への影響は少なかった。
【００１８】
実施例２
参考例２と同様にしてガラス粒子で表面加工した後、さらにサンドペーパー（♯４００）で軽く表面研磨して鋭い突起を取り除いた。次いで実施例１と同様にしてセラミック被膜を形成した。表面特性は参考例１と同様に表面粗さと摩擦係数を測定した。表面粗さＲｚは１．３０μｍ、ｔｐは６６％であった。摩擦係数はユーポア（Ｒ）ＵＰ３０２５のとき、静摩擦係数μｓは０．２７、動摩擦係数μｋは０．２２であった。また、ユーポア（Ｒ）ＵＰ３０４５のとき、静摩擦係数μｓは０．３１、動摩擦係数μｋは０．２３であった。実施例１の場合と同様に、セラミック被膜の摩擦係数への影響は少なく、セラミック被覆後の表面の鋭い突起を取り除くことによりｔｐの上昇は見られるが摩擦係数は安定して低かった。参考例１〜２、実施例１〜２の処理条件を表１に、また表面粗さと摩擦係数の測定結果を表２に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】
参考例３
金属板（材質：ＳＵＳ３０４）にガラス粒子（粒度♯１２０）を縦横方向にショットブラストして表面を粗し下地加工した。次に、この金属板の表面粗さと滑り性を確認するために表面粗さと摩擦係数を測定した。その測定結果を表３に示す。
【００２２】
参考例４
参考例３と同様にしてガラス粒子で表面を粗し下地加工した。さらにサンドペーパー（♯４００）で軽く表面研磨して鋭い突起を取り除いた。次に、この金属板の表面粗さと滑り性を確認するために表面粗さと摩擦係数を測定した。その測定結果を表３に示す。
【００２３】
比較例１
金属板（材質：ＳＵＳ３０４）にアルミナ粒子（粒度♯８０）を縦横方向にショットブラストして表面を粗し下地加工した。次に、この金属板の表面粗さと滑り性を確認するために表面粗さと摩擦係数を測定した。その測定結果を表３に示す。
【００２４】
参考例５
比較例１と同様にしてアルミナ粒子で表面を粗し下地加工した。さらにサンドペーパー（♯４００）で軽く表面研磨して鋭い突起を取り除いた。次に、この金属板の表面粗さと滑り性を確認するために表面粗さと摩擦係数を測定した。その測定結果を表３に示す。
【００２５】
参考例６
金属板（材質：ＳＵＳ３０４）にアルミナ粒子（粒度♯２２０）を縦横方向にショットブラストして表面を粗し下地加工した。さらにサンドペーパー（♯４００）で軽く表面研磨して鋭い突起を取り除いた。次に、この金属板の表面粗さと滑り性を確認するために表面粗さと摩擦係数を測定した。その測定結果を表３に示す。
【００２６】
【表３】

【００２７】
実施例３
金属板（材質：ＳＳ４００）にアルミナ粒子（粒度♯２２０）を縦横方向にショットブラストして表面を粗し下地加工した。さらにサンドペーパー（♯４００）で軽く表面研磨して鋭い突起を取り除いた。次に、この金属板の表面にＴｉＣｒＣＮ被覆、ＴｉＣｒＮ被覆、ＴｉＡｌＮ被覆、ＴｉＡｌＣＮ被覆を形成した。その後、最終仕上げとして研磨材で軽く研磨して鋭い突起を取り除いた。次に、この金属板の磨耗特性と滑り耐久特性の変化を調べた。すなわち、セラミック被覆表面の場合の磨耗特性と、被覆なし（比較例２）、クロムめっき（比較例３）、潤滑性クロムめっき（比較例４）の場合の磨耗特性の比較を行った。磨耗試験は磨耗輪による前記した磨耗試験方法により行った。その後磨耗表面の摩擦係数の変化を測定した。セパレータとしては、ユーポア（Ｒ）ＵＰ３０２５を使用した。その結果を表４に示す。
【００２８】
比較例２
セラミック被覆処理を行わなかったほかは、実施例３と同様にして磨耗特性と滑り耐久特性の変化（摩擦係数の変化）を測定した。その結果を表４に示す。
【００２９】
比較例３
実施例３におけるセラミック被覆処理の代わりに、金属板（材質：ＳＳ４００）に約７０μｍの硬質クロムめっきを行った後、実施例３と同様にして磨耗特性と滑り耐久特性の変化（摩擦係数の変化）を測定した。その結果を表４に示す。
【００３０】
比較例４
実施例３におけるセラミック被覆処理の代わりに、クロムめっきの耐磨耗性と４フッ化樹脂の低摩擦係数等の特性を複合して持つとされる自己潤滑性クロムめっきを金属板（材質：ＳＳ４００）に約３０μｍ被覆した後、実施例３と同様にして磨耗特性と滑り耐久特性の変化（摩擦係数の変化）を測定した。その結果を表４に示す。
【００３１】
【表４】

【００３２】
表４から、比較例２〜４に見られるように金属表面のままや、潤滑性クロムめっき（テフロン（Ｒ）被覆材）では研磨材入りの磨耗輪による磨耗試験では磨耗減量が大きい。一方、表面に硬質のクロムめっきやセラミック被覆を行うと、磨耗が低く抑えられ、効果が顕著に現れている。磨耗後の摩擦係数の変化はクロムめっきとセラミック被覆はほとんど変化がないのに対し、磨耗の激しい自己潤滑性クロムめっきや金属表面のままの場合には、摩擦係数が著しく変化して、大きくなっており、リチウム二次電池の連続製造を続けるとピン抜け性が悪くなることを示している。
【００３３】
実施例４
実施例３と同様の処理を金属棒に加工した。すなわち、金属棒（ＳＫＨ５１）をアルミナ粒子♯２２０で表面加工した後、セラミック（ＴｉＡｌＣＮ）を約２μｍ被膜した。その後、軽い研磨により表面突起を除いた。セパレータの捲回時のピン抜け性を評価する方法として金属棒引き抜き時の引張り荷重を測定した。金属棒はφ８ｍｍ半割形状で一対の間の隙間に２枚のセパレータを挟み込み、もう一方の端に荷重による張力をかけながら数回巻き付けた。そして巻き状態のセパレータから金属棒を引き抜く時の荷重を測定した。セパレータの長さは８００ｍｍ、それぞれ１枚毎に荷重３００ｇの張力をかけた。セパレータとして、ユーポア（Ｒ）ＵＰ３０２５（ＰＰ・ＰＥ複層２５μｍ）、ユーポア（Ｒ）ＵＰ３０４５（ＰＰ・ＰＥ複層２５μｍ、高分子量グレード）、ＰＥ単層２５μｍ、ＰＰ・ＰＥ複層１６μｍの４種について測定を行った。その測定結果を表５に示す。
【００３４】
比較例５
金属棒（ＳＫＨ５１）にクロムめっき約５０〜７０μｍ被膜をした。その後実施例４と同様に表面粗さ、引き抜き荷重（Ｎ）を測定した。その測定結果を表５に示す。
【００３５】
比較例６
金属棒（ＳＫＨ５１）に潤滑性クロムめっき約３０μｍ被覆をした。その後実施例４と同様に表面粗さ、引き抜き荷重（Ｎ）を測定した。その測定結果を表５に示す。
【００３６】
【表５】

【００３７】
セラミック被膜を有する金属棒の引き抜き時の引張り荷重を、クロムめっきした場合（比較例５）、潤滑性クロムめっきした場合（比較例６）と比較すると、適度な表面粗し加工した後にセラミック被膜を有する金属棒は低摩擦係数でピン抜け性に効果があるとされる潤滑性クロムめっきと同等の滑り特性が確認された。しかしながら、潤滑性クロムめっきは前記したように磨耗試験からも分るように耐久性に難点があり、一方耐磨耗性があるクロムめっきは引き抜き荷重が高い。したがって、適度な表面粗さを有するセラミック被膜金属が耐久性、低摩擦係数でピン抜け性に優れた良好な表面被膜手段であることを示している。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の巻芯は、巻芯表面の摩擦係数が小さいのでシート状材料を巻き取った後に巻芯を抜き取る際の滑り特性が良く、シート材料を傷つけることがない。また、耐磨耗特性に優れており、長期間にわたり連続製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における摩擦係数測定の概略図を示す。
【図２】本発明におけるピン抜け性測定の概略図を示す。

Claims

シート状材料を巻き取った後に抜き取られる巻芯であって、前記巻芯表面がセラミック被膜されており、該巻芯表面の表面粗さ（十点平均粗さ）Ｒｚが１〜３．５μｍであって、且つ切断レベル４０％における負荷長さ率ｔｐが２５〜８５％であることを特徴とする巻芯。
前記巻芯表面はショットブラスト処理が施されていることを特徴とする請求項１記載の巻芯。