JP7153682B2 - 切断装置および切断方法 - Google Patents

Description

本開示は、切断装置および切断方法に関する。

近年、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）等の普及にともない、車載用の二次電池の出荷が増えている。特にリチウムイオン二次電池の出荷が増えている。また、車載用に限らず、例えばノート型パソコン等の携帯端末用の電源としても二次電池の普及が進んでいる。このような二次電池について、例えば特許文献１には、切断対象である電極板をロールｔｏロール方式で連続搬送しながら、レーザ光で電極板を切断加工することが開示されている。

特開２０１６－３３９１２号公報

電極板の切断方法としては、レーザ光で連続的に電極板を走査して一続きの切断部で電極板を切断する、いわゆる一筆書き方式と、レーザ光で間欠的に電極板を走査して複数の単位切断部（切断セグメント）をつなぎ合わせて電極板を切断する、いわゆるオンザフライ（On the FLY）方式と、が挙げられる。

一筆書き方式によれば、確実に電極板を切断することができるが、レーザ光の出力条件が搬送速度に大きく依存するという課題があった。例えば、電極板の搬送速度が遅いときに電極板への入熱量が過大となって、電極板に焦げ等が発生するおそれがあった。このため、一筆書き方式では、電極板の搬送速度に合わせてレーザ光の強度を細かく調整する必要があり、そのためにレーザ光の出力制御プログラムが非常に複雑で、作成が困難であった。

これに対し、オンザフライ方式によれば、レーザ光の出力制御を簡略化することができる。しかしながら、オンザフライ方式には、切断品質が搬送速度に大きく依存するという課題があった。例えば、電極板の搬送速度が速いと複数の単位切断部のつなぎ合わせが困難になり、切断部が不連続となった位置にバリが生じるおそれがあった。電極板に生じたバリはショートの原因になるため、二次電池の品質低下につながる。特に近年は、二次電池の生産リードタイムやスループットの向上が求められており、電極板の搬送速度が高速化する傾向にある。このため、電極板の切断品質がより低下しやすい状況にある。

本開示はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、電極板を切断する際の切断品質の低下を抑制する技術を提供することにある。

本開示のある態様は、切断装置である。この切断装置は、複数の電極板の連続体を搬送する搬送部と、レーザ光で連続体を走査するレーザ走査部と、レーザ走査部を制御する制御部と、を備える。制御部は、レーザ光を間欠的に照射しながら連続体を走査することで、連続する複数の単位切断部を形成して、連続体を第１部分と第２部分とに分断するようにレーザ走査部を制御する。単位切断部は、第１部分および第２部分の境界に沿って延びる主線部と、主線部の端部から屈折して延びる屈折部と、を有する。

本開示の他の態様は、切断方法である。この切断方法は、複数の電極板の連続体を搬送し、レーザ光を間欠的に照射しながら連続体を走査することで、連続する複数の単位切断部を形成して、連続体を第１部分と第２部分とに分断することを含む。単位切断部は、第１部分および第２部分の境界に沿って延びる主線部と、主線部の端部から屈折して延びる屈折部と、を有する。

以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

本開示によれば、電極板を切断する際の切断品質の低下を抑制することができる。

実施の形態１に係る切断装置を模式的に示す斜視図である。 図２（Ａ）は、レーザ光の軌跡を示す模式図である。図２（Ｂ）は、参考例における単位切断部の形状を示す模式図である。図２（Ｃ）は、実施の形態１における単位切断部の形状を示す模式図である。 実施の形態２における単位切断部の形状を示す模式図である。

以下、本開示を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、本開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも本開示の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る切断装置を模式的に示す斜視図である。切断装置１は、搬送部２と、レーザ走査部４と、制御部６と、を備える。搬送部２は、連続体８を搬送する機構である。搬送速度は、例えば１ｍ／分～１００ｍ／分である。レーザ走査部４は、レーザ光Ｌで連続体８を走査して、連続体８に切断加工を施す機構である。制御部６は、レーザ走査部４を制御する機構である。本実施の形態では、レーザ走査部４によって連続体８が切断される位置において連続体８が流れる方向を連続体８の搬送方向Ａとする。例えば、搬送方向Ａは鉛直方向下方である。

本実施の形態の連続体８は、搬送方向Ａに長い帯状の部材であり、複数の電極板１０が連なった構造を有する。例えば、連続体８は、電極板１０が２行複数列に配列された構造を有する。各電極板１０は、集電板に電極活物質層が積層された構造を有する。一般的なリチウムイオン二次電池の場合、集電板は正極であればアルミニウム箔等で構成され、負極であれば銅箔等で構成される。また、一般的なリチウムイオン二次電池の場合、電極活物質は、正極であればコバルト酸リチウムやリン酸鉄リチウム等であり、負極であれば黒鉛等である。レーザ走査部４による切断加工が連続体８に施された後の状態で、各電極板１０にはタブ部１２が設けられる。タブ部１２は、電極板１０の集電板から連続体８の幅方向Ｂに突出する。幅方向Ｂは、搬送方向Ａと直交する方向である。

連続体８は、電極活物質の塗布部１４と、電極活物質の非塗布部１６と、を有する。電極活物質の塗布部１４は、連続体８における幅方向Ｂの中央部に配置される。塗布部１４は、電極活物質層に相当する。塗布部１４は、公知の塗工装置を用いて、集電板を構成する板材の表面に電極活物質を含む電極スラリーを塗布することで得られる。電極活物質の非塗布部１６は、連続体８における幅方向Ｂの両端部に配置される。非塗布部１６は、集電板を構成する板材が露出した部分であり、レーザ走査部４による切断加工によってタブ部１２となる。なお、塗布部１４と非塗布部１６との境界には、例えば塗布部１４を保護するための酸化物層などが設けられてもよい。この酸化物層は、好ましくは正極を構成する電極板１０に設けられる。

搬送部２は、図示しないフィードロールによって連続体８をレーザ走査部４と対向する位置に連続搬送する。本実施の形態の切断装置１は、幅方向Ｂに並ぶ２つのレーザ走査部４を備える。一方のレーザ走査部４は、搬送中の連続体８における一端側の非塗布部１６にレーザ光Ｌを照射する。他方のレーザ走査部４は、搬送中の連続体８における他端側の非塗布部１６にレーザ光Ｌを照射する。これにより、両側の非塗布部１６に切断加工が施されてタブ部１２が形成される。なお、連続体８が負極板の配列されたものである場合、レーザ走査部４による切断加工の際に、塗布部１４の一部も切断され得る。また、連続体８が正極板の配列されたものである場合、塗布部１４と非塗布部１６との境界には、図示しない保護層が設けられる。保護層は、例えば集電板を構成する金属の酸化物層である。この場合、レーザ走査部４による切断加工の際に、非塗布部１６に加えて保護層の一部も切断され得る。あるいは非塗布部１６に加えて塗布部１４の一部および保護層の一部も切断され得る。

搬送部２は、チャンバー１８を有する。チャンバー１８は、レーザ光Ｌでの切断加工によって生じるスパッタやヒュームが連続体８や切断装置１に付着したり、雰囲気中に浮遊したりすることを抑制する。なお、チャンバー１８は省略することもできる。

レーザ走査部４で切断加工が施された連続体８は、製品部２６と、廃材部２８とに分けられる。製品部２６は、連続する複数の電極板１０と、非塗布部１６の一部分で構成される複数のタブ部１２と、を含む。各タブ部１２は、各電極板１０に対して１対１で設けられる。廃材部２８は、非塗布部１６のうちタブ部１２として製品部２６側に残らなかった部分である。製品部２６は、次工程のラインに搬送される。廃材部２８は、製品部２６とは異なる方向に搬送されて、製品部２６から切り離される。

レーザ走査部４は、レーザ発振器３４と、走査機構３６と、を有する。レーザ発振器３４は、公知のファイバーレーザー等を採用することができる。なお、レーザ発振器３４は、パルスレーザー発振器であってもよい。走査機構３６は、レーザ発振器３４からレーザ光Ｌが入射される。走査機構３６は、公知のものを採用可能であり、例えばガルバノスキャナーを使用することができる。走査機構３６は、２方向の軸をもつ２つのモータに回動可能に支持された図示しないミラーを有し、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にミラーを回転運動させて、ＸＹ平面上をレーザ光Ｌで走査することができる。走査機構３６は、このような２Ｄスキャナに限定されず、焦点（Ｚ軸）方向への走査を加えた３Ｄスキャナであってもよい。この場合、Ｚ軸方向への走査は、コリメータレンズのＺ軸方向への移動によって実現される。走査機構３６は、連続体８に向けてレーザ光Ｌを照射するとともに、ミラーの回動によってレーザ光Ｌの照射方向を変位させることができる。レーザ発振器３４および走査機構３６の駆動は、制御部６によって制御される。

制御部６は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図１では、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。この機能ブロックがハードウェアおよびソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には当然に理解されるところである。

図２（Ａ）は、レーザ光Ｌの軌跡を示す模式図である。図２（Ｂ）は、参考例における単位切断部の形状を示す模式図である。図２（Ｃ）は、実施の形態１における単位切断部の形状を示す模式図である。

制御部６は、レーザ光Ｌを間欠的に照射しながら連続体８を走査することで、連続する複数の単位切断部３８を形成して、連続体８を第１部分と第２部分とに分断するようにレーザ走査部４を制御する。つまり、制御部６は、オンザフライ方式で連続体８に切断加工を施すようにレーザ走査部４を制御する。

レーザ走査部４は、レーザ光Ｌの間欠照射における各照射区分において、レーザ光Ｌの照射位置を連続体８における所定の照射開始点に合わせて、レーザ光Ｌによる連続体８の走査を開始する。レーザ走査部４は、走査機構３６のミラーを回動させて、搬送方向Ａの上流側に向かってレーザ光Ｌの照射位置を変位させる。レーザ走査部４は、レーザ光Ｌの照射位置が所定の照射終了点に到達すると、レーザ光Ｌの照射を停止する。これにより、１つの単位切断部３８が形成される。

連続体８の搬送は継続されるため、形成された単位切断部３８は搬送方向Ａの下流側に流れていく。レーザ走査部４は、連続体８の搬送速度よりも速い速度で、レーザ光Ｌの照射位置を照射開始点に戻す。その後、前回の照射区分で形成された単位切断部３８の搬送方向上流側の端部、つまり前回の照射区分におけるレーザ光Ｌの照射終了位置が照射開始点に到達すると、レーザ走査部４は、次の照射区分におけるレーザ光Ｌの照射を開始する。制御部６は、前回の照射区分の照射終了位置が照射開始点に到達したことを連続体８の搬送速度や経過時間から把握することができる。

以上の動作が繰り返されることにより、図２（Ａ）に示すように断片的なレーザ光Ｌの軌跡４０、言い換えれば単位切断部３８が連続して、連続体８が第１部分としての製品部２６と第２部分としての廃材部２８とに切り分けられる。連続体８においてタブ部１２に対応する部分では、タブ部１２の輪郭に沿うように幅方向Ｂの外側に湾曲する軌跡４０が描かれる。これにより、電極板１０から幅方向Ｂに突出するタブ部１２が形成される。各タブ部１２は、１つの軌跡４０（単位切断部３８）で形成される。連続体８において、搬送方向Ａで隣り合う２つのタブ部１２をつなぐ接続領域４２に対応する部分では、複数の直線状の軌跡４０が描かれる。これにより、複数の直線状の単位切断部３８がつなぎ合わされて、直線状の接続領域４２が形成される。接続領域４２は、搬送方向Ａに対し平行に延びる。

図２（Ｂ）に示す参考例のように、各単位切断部３８が製品部２６と廃材部２８との境界に沿って延びる主線部４４のみで構成される場合、隣り合う単位切断部３８が幅方向Ｂにずれたときに、単位切断部３８が不連続になってしまうおそれがある。これに対し図２（Ｃ）に示すように、本実施の形態の単位切断部３８は、製品部２６と廃材部２８との境界に沿って延びる主線部４４と、主線部４４の端部から屈折して延びる屈折部４６と、を有する。各屈折部４６は、主線部４４の端部から幅方向Ｂの外側に向かって延びる。これにより、たとえ隣り合う単位切断部３８が幅方向Ｂにずれたとしても、各単位切断部３８の屈折部４６どうしを交差させることができる。この結果、隣り合う単位切断部３８を連続させることができる。

例えば、接続領域４２を構成する直線状の単位切断部３８では、主線部４４は、搬送方向Ａに対し平行に延びる直線状である。屈折部４６は、この主線部４４の両端から、主線部４４の延びる方向と交わる方向、つまり搬送方向Ａと交わる方向に延びる。タブ部１２を構成する湾曲状の単位切断部３８では、主線部４４は、幅方向Ｂに突出する湾曲状の部分と、湾曲の裾に位置して搬送方向Ａに対し平行に延びる直線状の部分と、を有する。この直線状の部分は、接続領域４２の一部を構成する。屈折部４６は、主線部４４の直線状部分の端部から搬送方向Ａと交わる方向に延びる。なお、屈折部４６は、直線状であっても曲線状であってもよい。

タブ部１２は、非塗布部１６を切断することで形成される。また、図２（Ｃ）に示す接続領域４２は、非塗布部１６を切断することで形成されている。ただし、接続領域４２が設けられる位置は非塗布部１６に限らない。連続体８が負極板の配列体である場合、接続領域４２は、塗布部１４の幅方向Ｂにおける端部の切断によって形成されてもよい。つまり、接続領域４２を形成する単位切断部３８は、塗布部１４に配置されてもよい。この場合、単位切断部３８の少なくとも主線部４４が塗布部１４に配置される。また、連続体８が正極板の配列体である場合、接続領域４２は、保護層の切断によって形成されてもよいし、塗布部１４の幅方向Ｂにおける端部の切断によって形成されてもよい。つまり、接続領域４２を形成する単位切断部３８は、保護層または塗布部１４に配置されてもよい。この場合、単位切断部３８の少なくとも主線部４４が保護層または塗布部１４に配置される。

以上説明したように、本実施の形態に係る切断装置１は、複数の電極板１０の連続体８を搬送する搬送部２と、レーザ光Ｌで連続体８を走査するレーザ走査部４と、レーザ走査部４を制御する制御部６と、を備える。制御部６は、レーザ光Ｌを間欠的に照射しながら連続体８を走査することで、連続する複数の単位切断部３８を形成して、連続体８を第１部分と第２部分とに分断するようにレーザ走査部４を制御する。各単位切断部３８は、第１部分と第２部分との境界に沿って延びる主線部４４と、主線部４４の端部から屈折して延びる屈折部４６と、を有する。

単位切断部３８に屈折部４６を設けることで、隣り合う２つの単位切断部３８が隣接方向と交わる方向にずれた場合であっても、屈折部４６どうしを交差させることで２つの単位切断部３８を連続させることができる。これにより、第１部分および第２部分の切断部におけるバリの発生を抑制することができるため、電極板の切断品質の低下を抑制することができる。よって、二次電池の品質を維持しながら、生産リードタイムやスループットの向上を図ることができる。

また、本実施の形態の連続体８は、搬送方向Ａに長い帯状であり、連続体８における搬送方向Ａと直交する幅方向Ｂの中央部に設けられる電極活物質の塗布部１４と、連続体８における幅方向Ｂの端部に配置される電極活物質の非塗布部１６と、を有する。制御部６は、少なくとも非塗布部１６を切断して搬送方向Ａに所定の間隔をあけて配置される複数のタブ部１２を形成するようレーザ走査部４を制御する。そして、少なくとも一部の屈折部４６は、幅方向Ｂの外側に向かって延びる。これにより、屈折部４６によって電極板１０の端部が切り欠かれることを抑制することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、タブ部１２が複数の単位切断部３８で形成される点を除き、実施の形態１と共通の構成を有する。以下、本実施の形態について実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

図３は、実施の形態２における単位切断部３８の形状を示す模式図である。図３に示すように、本実施の形態では、タブ部１２が複数の単位切断部３８によって縁取りされている。具体的には、２つの略Ｌ字状の単位切断部３８と、１つの直線状の単位切断部３８とによってタブ部１２が形成される。Ｌ字状の単位切断部３８は、搬送方向Ａに延在する部分と幅方向Ｂに延在する部分とを有し、幅方向Ｂに延在する部分がタブ部１２の側部を構成する。搬送方向Ａに延在する部分は、接続領域４２の一部を構成する。また、直線状の単位切断部３８によって、タブ部１２の搬送方向Ａに延在する頂部が形成される。

Ｌ字状の単位切断部３８と直線状の単位切断部３８とは、それぞれ両端部に屈折部４６を有する。そして、Ｌ字状の単位切断部３８における幅方向外側の端部に設けられた屈折部４６と、直線状の単位切断部３８の屈折部４６とが交差することで、これらの単位切断部３８が連続する。Ｌ字状の単位切断部３８における反対側の端部に設けられた屈折部４６は、接続領域４２を構成する直線状の単位切断部３８の屈折部４６と交差する。

搬送方向Ａで隣り合う２つのタブ部１２をつなぐ接続領域４２に位置する単位切断部３８では、屈折部４６が幅方向Ｂの外側に向かって延びる。これにより、屈折部４６によって電極板１０の端部が切り欠かれることを抑制できる。一方、タブ部１２の幅方向Ｂの頂部に位置する単位切断部３８では、屈折部４６が幅方向Ｂの内側に向かって延びる。これにより、屈折部４６によって廃材部２８が切断されてしまうことを回避することができる。廃材部２８の切断を回避できることで、廃材部２８が製品部２６から分離されずに製品部２６とともに搬送されてしまうことを回避することができる。なお、例えば廃材部２８の幅や厚みが大きい、強度が高い材質であるといった理由で、廃材部２８が切断されない状態が得られるのであれば、タブ部１２の頂部に位置する屈折部４６を幅方向Ｂの外側に向けてもよい。

以上、本開示の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、本開示を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本開示の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された本開示の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。設計変更が加えられた新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形それぞれの効果をあわせもつ。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。以上の構成要素の任意の組み合わせも、本開示の態様として有効である。図面の断面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。

各実施の形態では、第１部分は製品部２６であり第２部分は廃材部２８であるが、これに限らず、例えば第１部分および第２部分はそれぞれ電極板１０であってもよい。また、連続体８は、電極板１０とセパレータとが積層された状態のものであってもよい。また、非塗布部１６は、連続体８の片側のみに設けられてもよい。

上述した実施の形態に係る発明は、以下に記載する項目によって特定されてもよい。
［項目１］
複数の電極板（１０）の連続体（８）を搬送し、
レーザ光（Ｌ）を間欠的に照射しながら連続体（８）を走査することで、連続する複数の単位切断部（３８）を形成して連続体（８）を第１部分と第２部分とに分断することを含み、
単位切断部（３８）は、第１部分および第２部分の境界に沿って延びる主線部（４４）と、主線部（４４）の端部から屈折して延びる屈折部（４６）と、を有する、
切断方法。

１ 切断装置、 ２ 搬送部、 ４ レーザ走査部、 ６ 制御部、 ８ 連続体、 １０ 電極板、 １２ タブ部、 １４ 塗布部、 １６ 非塗布部、 ３８ 単位切断部、 ４２ 接続領域、 ４４ 主線部、 ４６ 屈折部。

Claims (4)

1. 複数の電極板の連続体を搬送する搬送部と、
   レーザ光で前記連続体を走査するレーザ走査部と、
   前記レーザ走査部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、レーザ光を間欠的に照射しながら前記連続体を走査することで、連続する複数の単位切断部を形成して、前記連続体を第１部分と第２部分とに分断するように前記レーザ走査部を制御し、
   前記複数の単位切断部はそれぞれ、前記第１部分および前記第２部分の境界に沿って延びる直線状の主線部と、前記主線部の端部から屈折して前記主線部が延びる方向と交わる方向に延びる屈折部と、を有し、
   前記複数の単位切断部は、隣り合う単位切断部の前記屈折部どうしが交差して連続する、
   切断装置。
2. 前記連続体は、搬送方向に長い帯状であり、前記連続体における前記搬送方向と直交する幅方向の中央部に配置される電極活物質の塗布部と、前記連続体における前記幅方向の端部に配置される前記電極活物質の非塗布部と、を有し、
   前記制御部は、少なくとも前記非塗布部を切断して前記搬送方向に所定の間隔をあけて配置される複数のタブ部を形成するよう前記レーザ走査部を制御し、
   少なくとも一部の前記屈折部は、前記幅方向の外側に向かって延びる、
   請求項１に記載の切断装置。
3. 前記搬送方向で隣り合う２つの前記タブ部をつなぐ接続領域に位置する前記単位切断部では、前記屈折部が前記幅方向の外側に向かって延び、
   前記タブ部の前記幅方向の頂部に位置する前記単位切断部では、前記屈折部が前記幅方向の内側に向かって延びる、
   請求項２に記載の切断装置。
4. 複数の電極板の連続体を搬送し、
   レーザ光を間欠的に照射しながら前記連続体を走査することで、連続する複数の単位切断部を形成して、前記連続体を第１部分と第２部分とに分断することを含み、
   前記複数の単位切断部はそれぞれ、前記第１部分および前記第２部分の境界に沿って延びる直線状の主線部と、前記主線部の端部から屈折して前記主線部が延びる方向と交わる方向に延びる屈折部と、を有し、
   前記複数の単位切断部は、隣り合う単位切断部の前記屈折部どうしが交差して連続する、
   切断方法。

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