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WO2018180791A1 - 金型 - Google Patents

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Publication number
WO2018180791A1
WO2018180791A1 PCT/JP2018/011087 JP2018011087W WO2018180791A1 WO 2018180791 A1 WO2018180791 A1 WO 2018180791A1 JP 2018011087 W JP2018011087 W JP 2018011087W WO 2018180791 A1 WO2018180791 A1 WO 2018180791A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mold
active material
material layer
flat plate
protrusion
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/011087
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
武史 久津輪
英二 松本
哲也 山▲崎▼
航志 湯浅
Original Assignee
株式会社 安永
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社 安永 filed Critical 株式会社 安永
Priority to KR1020197032049A priority Critical patent/KR20190133748A/ko
Priority to CN201880022659.3A priority patent/CN110476276A/zh
Publication of WO2018180791A1 publication Critical patent/WO2018180791A1/ja

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F1/00—Perforating; Punching; Cutting-out; Stamping-out; Apparatus therefor
    • B26F1/02—Perforating by punching, e.g. with relatively-reciprocating punch and bed
    • B26F1/14—Punching tools; Punching dies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F1/00—Perforating; Punching; Cutting-out; Stamping-out; Apparatus therefor
    • B26F1/24—Perforating by needles or pins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/72—Grids
    • H01M4/74—Meshes or woven material; Expanded metal
    • H01M4/742—Meshes or woven material; Expanded metal perforated material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a mold for forming an opening in an active material layer constituting an electrode of a secondary battery or the like.
  • Patent Document 1 an opening is formed by chemical etching or a mechanical method in which an opening is formed by causing a tip to be sharp like a needle or by causing particles to collide with an active material layer at high speed.
  • Patent Document 2 it is described that an opening is formed using a flat plate press having projections.
  • JP 2007-250510 A Japanese Patent No. 5633751
  • the openings are formed by the method of colliding the particles at high speed, laser processing and etching processing, the number of work steps becomes relatively large, the work itself becomes difficult, and the cost of forming the openings is relatively high.
  • the protrusion is worn. When such wear occurs, it is necessary to replace the mold itself, which increases the cost of the mold and the maintenance cost.
  • the projection is pressed against the active material layer to form an opening, the projection may not be removed from the active material layer. If force is applied to remove the mold from the active material layer, There is a risk of damage to the material layer and mold protrusion.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a mold having excellent durability and capable of forming an opening while preventing the active material layer from being damaged. It is to provide.
  • the mold of the present invention is a mold for forming a plurality of openings in the active material layer of the battery electrode, and a flat plate portion made of a metal having a hardness of HV650 or less, A plurality of frustum-shaped protrusions that are integrally formed so as to protrude from the surface of the flat plate portion, and each of the plurality of protrusion portions is made of the same metal as the material of the flat plate portion.
  • the surface area of the upper surface located at the tip is 20 ⁇ m 2 or more, including inclined side surfaces that are inclined at 5 to 20 degrees with respect to the direction orthogonal to the surface of the flat plate portion.
  • FIG. 1 is a perspective view of a mold according to Example 1.
  • FIG. 1 is a front view of a mold according to Example 1.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a usage state of a mold according to Example 1. It is an enlarged side view of the protrusion part of the metal mold
  • FIG. It is an expansion perspective view of the projection part of the metallic mold concerning a modification. It is an expansion perspective view of the projection part of the metallic mold concerning a modification. It is an expansion perspective view of the projection part of the metallic mold concerning a modification.
  • 5 is an enlarged cross-sectional view of a mold according to Example 2.
  • FIG. 1 is a perspective view of the mold according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a front view of the mold according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a usage state of the mold according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is an enlarged side view of a protrusion formed on the mold according to the first embodiment.
  • the mold 10 according to the first embodiment includes a rectangular parallelepiped flat plate portion 11 and a plurality of protrusions 12 formed on the first surface 11 a side of the flat plate portion 11. .
  • the protruding portion 12 protrudes from the first surface 11a of the flat plate portion 11, and becomes a portion that presses the workpiece and forms an opening.
  • the second surface 11b of the flat plate portion 11 has a flat shape for attaching a jig for supporting the mold 10, but various jigs or Irregularities or the like may be formed to connect the support members.
  • the battery electrode 23 in a state where the active material layer 21 is formed on the surface of the current collector foil 22 is used.
  • the material layer 21 is placed on the support base 24 so as to face the mold 10, and the battery electrode 23 is sandwiched between the mold 10 and the support base 24. Then, by sandwiching the battery electrode 23 between the mold 10 and the support 24, the protrusion 12 and the active material layer 21 are in contact with each other, and a plurality of openings are formed in the active material layer 21 at the same time.
  • the opening in the present invention is a so-called recess without penetrating the active material layer 21.
  • the thickness of the active material layer 21 that is the processing target of the mold 10 according to Example 1 is preferably 10 ⁇ m or more.
  • the reason for this is that when a secondary battery is formed using the battery electrode 23, the depth is 10 ⁇ m or more so that the electrolytic solution penetrates into the active material layer 21 to improve the performance of the secondary battery. This is because it is necessary to form an opening. Further, if a hole that penetrates the active material layer 21 is formed, the active material layer 21 may be peeled off. Therefore, the minimum thickness at which the through hole is not formed is set to 10 ⁇ m.
  • the current collector foil 22 for example, copper, aluminum, titanium, nickel (including these alloys), stainless steel, or the like is used.
  • the thickness of the current collector foil 22 is generally selected in the range of 5 to 40 ⁇ m, but can be appropriately changed according to the characteristics required for the secondary battery.
  • the mold 10 is formed by applying a general electroforming technique to a mother mold made of a resin material in which a recess corresponding to the protrusion 12 is formed. For this reason, the flat plate part 11 and the protrusion part 12 are integrally formed of the same metal.
  • the mold 10 is formed of a metal having a hardness of HV650 or less in consideration of the thickness of about 500 ⁇ m from the viewpoint of strength and the warpage of the mold 10 itself. That is, a metal exceeding the hardness HV650 cannot be used as a constituent member of the mold 10 according to the first embodiment in consideration of the shape of the mold 10 and the like.
  • Example 1 what synthesize
  • die 10 formed is HV650 or less, the said electroforming material uses other metals, such as nickel, copper, iron, or nickel molybdenum alloy (NiMo), alone or in mixture. Also good.
  • a total of 32 protrusions 12 are arranged in a matrix (4 rows ⁇ 8 columns).
  • the interval between the protrusions 12 is preferably 250 ⁇ m or less, and more preferably 100 ⁇ m or less. That is, the formation density of the protrusions 12 is preferably 16 pieces / mm 2 or more, and more preferably 100 pieces / mm 2 or more.
  • Example 1 the formation density of the protrusions 12 is set to 16 pieces / mm 2 or more, while reducing the number of times the certain region of the active material layer 21 is pressed by the mold 10. More openings are formed at the same time so that the reliability as the battery electrode 23 can be maintained.
  • the number and arrangement of the protrusions 12 are not limited to the above-described contents, and can be appropriately changed according to the number of openings formed in the active material layer 21 and the formation location.
  • the protrusions 12 may be randomly arranged so that the intervals between the protrusions 12 are different without being regularly arranged like a matrix.
  • the height of the protrusion 12 is preferably 20 ⁇ m or more.
  • the reason for setting the height of the protrusion 12 in this way is that when a secondary battery is formed using the battery electrode 23, the electrolytic solution penetrates into the active material layer 21 to improve the performance of the secondary battery. In order to achieve this, it is necessary to form an opening having a depth of 10 ⁇ m or more, and therefore it is important that the height of the protrusion 12 is 10 ⁇ m or more. Furthermore, although an opening having a depth of 10 ⁇ m or more can be formed when the height of the protrusion 12 is 10 ⁇ m or more and less than 20 ⁇ m, depending on the adjustment accuracy of the pressing amount of the mold 10, the protrusion 12 is not formed.
  • the height of the protrusion 12 is set as described above. It is preferable to do.
  • the projecting portion 12 is composed of a projecting portion 12a located on the flat plate portion 11 side and a top portion 12b located at the tip of the projecting portion 12 and having a convex curved surface shape.
  • the shape of the protrusion 12a is a truncated cone, and the shape of the top 12b is hemispherical.
  • the protrusion 12a includes an inclined side surface 12c that is inclined at 5 degrees or more and 20 degrees or less with respect to a direction orthogonal to the first surface 11a of the flat plate section 11.
  • the inclination angle (hereinafter also referred to as draft angle) ⁇ of the inclined side surface 12c with respect to the direction orthogonal to the first surface 11a was set to 9 degrees.
  • the reason for setting such an inclination angle ⁇ is that when the inclination angle is less than 5 degrees, when the opening is formed in the active material layer 21 by the mold 10, the protrusion 12 is easily caught on the active material layer 21, This is because there is a possibility that the protruding portion 12 cannot be removed from the active material layer 21.
  • the active material layer 21 when the inclination angle is 20 degrees or more, an area where the active material layer 21 is pressed (pressed area) with respect to the formation of one opening increases, and the active material layer 21 may peel from the current collector foil 22. Because. By reducing the catching of the protrusions 12 and the separation of the active material layer 21, the active material layer 21 is prevented from being damaged and the reliability of the secondary battery is deteriorated, and the friction of the inclined side surface 12 c is further reduced. Damage is prevented and the durability of the mold 10 is improved.
  • the diameter 2r of the upper surface of the protruding portion 12a (that is, the diameter 2r of the top portion 12b) is preferably 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the surface area of the upper surface of the projecting portion 12a is about 20 [mu] m 2 or more 320 .mu.m 2 or less. This is based on the result of calculating the minimum surface area and the maximum surface area of the upper surface of the protrusion 12a because the diameter 2r of the upper surface of the protrusion 12a is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the reason for setting in this way is that the protrusion 12 is easily broken when the diameter is less than 5 ⁇ m, and the active material layer 21 is easily peeled from the current collector foil 22 when the opening is formed when the diameter is larger than 20 ⁇ m.
  • the surface area of the upper surface of the protruding portion 12a is 20 ⁇ m 2 or more, and the set value is the above-described protruding portion 12a. This is consistent with the result of calculating the minimum surface area of the upper surface of the film, and no contradiction occurs. Therefore, in the first embodiment, it is necessary that the surface area of the upper surface of the protrusion 12a is 20 ⁇ m 2 or more, and the diameter 2r of the upper surface of the protrusion 12a is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less (that is, the upper surface of the protrusion 12a).
  • the surface area of is set to about 20 [mu] m 2 or more 320 .mu.m 2 or less).
  • the top portion 12b is formed on the upper surface of the protruding portion 12a, but there is no step between the top portion 12b and the protruding portion 12a. That is, the convex curved surface of the top portion 12b is smoothly continuous with the inclined side surface 12c of the protruding portion 12a. Due to the shape of the top portion 12b, the diameter 2r of the top portion 12b is the same as the diameter 2r of the upper surface of the protruding portion 12a, and the top portion 12b is a hemisphere having a diameter of 2.5 ⁇ m or more.
  • the force applied to the tip of the protrusion 12 only occurs in the extending direction of the protrusion 12 (that is, the direction orthogonal to the first surface 11a).
  • the force applied to the active material layer 21 acts in a complicated manner, and the force is also generated in the direction orthogonal to the extending direction of the protrusion 12.
  • the hemispherical top part 12b as described above is provided to disperse the stress applied to the tip of the projection part 12 when the active material layer 21 is pressed, thereby preventing the projection part 12 from being worn.
  • a concave portion corresponding to the protrusion 12 is formed on the surface of the material by a known technique with respect to the material to be a matrix.
  • the material surface may be mechanical processing such as cutting, chemical processing such as etching, or laser irradiation.
  • the concave portion needs to be processed with extremely high accuracy and fineness so that the various shapes and dimensions of the protrusion 12 and the above-described concave portion can be realized.
  • a general electroforming technique is applied to the mother die in which the concave portion is formed, and the metal die 10 corresponding to the mother die is formed. Then, the mold 10 is completed by separating the mold 10 from the mother mold.
  • the projecting portion 12 includes the truncated cone-shaped projecting portion 12a and the hemispherical top portion 12b.
  • the shape of the projecting portion is not limited to this, and for example, FIG. 5 to FIG.
  • or FIG. 7 is an expansion perspective view of the protrusion part of the metal mold
  • a truncated cone-shaped protrusion 32 may be formed. That is, it is the same as that in which the top portion 12b in the first embodiment is absent and only the protruding portion 12a is formed. Even in such a case, if the inclination angle ⁇ of the inclined side surface of the protrusion 32 is not less than 5 degrees and not more than 20 degrees, the protrusion 32 may be caught by the active material layer 21 with respect to the active material layer 21. Thus, the damage of the active material layer 21 can be prevented and the durability of the mold 10 can be improved.
  • the surface area of the upper surface of the protrusion 32 to 20 ⁇ m 2 or more and setting the diameter 2r of the upper surface of the protrusion 32 to 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, wear of the tip of the protrusion 32 is prevented, The active material layer 21 is also prevented from peeling off.
  • a triangular pyramid-shaped protrusion 42 may be formed. That is, the shape of the portion that presses the active material layer 21 is not limited to the truncated cone, and may be various types of truncated pyramids. Even in such a case, if the inclination angle ⁇ of the inclined side surface of the protrusion 42 is not less than 5 degrees and not more than 20 degrees, the protrusion 42 may be caught by the active material layer 21 with respect to the active material layer 21. Thus, the damage of the active material layer 21 can be prevented and the durability of the mold 10 can be improved.
  • the protrusions 42 can be easily formed by linear machining.
  • a protrusion 52 having a shape in which a side of the quadrangular pyramid is chamfered may be formed.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the mold 110 according to the second embodiment.
  • the mold 110 according to the second embodiment also has a rectangular parallelepiped flat plate portion 111 and a plurality of flat plates 111 formed on the first surface 111 a side, like the mold 10 according to the first embodiment.
  • the protrusion 112 is provided.
  • the second surface 111b of the flat plate portion 111 also has a flat shape in order to attach a jig for supporting the mold 110, similarly to the mold 10 according to the first embodiment.
  • the projecting portion 112 is located on the flat plate portion 111 side, the projecting portion 112 a and the tip of the projecting portion 112, and has a convex curved surface shape.
  • the top part 112b is formed.
  • the shape of the protrusion part 112a is a truncated cone shape, and the shape of the top part 112b is hemispherical.
  • the mold 110 according to the second embodiment has a coating layer 130 formed on the first surface 110a. That is, in the mold 110, the flat surface of the flat plate portion 111 (the surface on which the protrusion 112 is not formed) and the surface of the protrusion 112 (the convex curved surfaces of the inclined side surface 112 c and the top portion 112 b) are protected by the covering layer 130. ing.
  • the layer thickness of the coating layer 130 is several ⁇ m, but can be appropriately changed according to the material and thickness of the active material layer 21 and the material of the coating layer 130.
  • the covering layer 130 is made of an alloy having the same metal as the material of the flat plate portion 111 and the protruding portion 112 as a main material and having higher hardness than the material of the flat plate portion 111 and the protruding portion 112.
  • the coating layer 130 may be formed using a nickel boron (NiB) alloy as an alloy mainly composed of nickel. In this case, the coating layer 130 is formed on the first surface 111a by electroless plating.
  • an electroformed material that is, the flat plate portion 111 and the protruding portion 112
  • a laminated material that is, the covering layer 130.
  • a first aspect of the present invention is a mold for forming a plurality of openings in an active material layer of a battery electrode, the flat plate portion made of a metal having a hardness of HV650 or less, the material of the flat plate portion, A plurality of frustum-shaped protrusions made of the same metal and integrally formed so as to protrude from the surface of the flat plate portion, and each of the plurality of protrusion portions is a surface of the flat plate portion
  • the surface area of the upper surface located at the tip is 20 ⁇ m 2 or more, including an inclined side surface that is inclined at 5 degrees or more and 20 degrees or less with respect to a direction orthogonal to the direction.
  • the thickness as a whole can be about 500 micrometers, and curvature is prevented.
  • the inclined side surface of the protruding portion is inclined at 5 degrees or more and 20 degrees or less with respect to the direction orthogonal to the surface of the flat plate portion, when pulling out the protruding portion that pressed the active material layer from the active material layer, The protrusion is reduced from being caught by the active material layer, and the active material layer is prevented from being damaged, and the frictional damage of the inclined side surface is prevented, thereby improving the durability of the mold.
  • the surface area of the upper surface located at the tip of the protrusion is 20 ⁇ m 2 or more, the formation of the protrusion is facilitated and wear of the tip of the protrusion due to contact with the active material layer is prevented. Become.
  • each of the plurality of protrusions has a top portion having a convex curved surface formed at the tip thereof.
  • each of the plurality of protrusions has a truncated cone shape in which the upper surface located at the tip has a diameter of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m. It is to prepare. Thereby, there is no pointed portion on the side surface of the protruding portion, the wear of the protruding portion itself is prevented, and the durability of the mold is improved. Further, when the opening is formed in the active material layer, the protrusion is prevented from being broken and the active material layer is prevented from peeling off from the current collector foil.
  • the top portion has a hemispherical shape with a diameter of 5 ⁇ m or more.
  • each of the plurality of protrusions has a truncated pyramid shape.
  • an opening can be easily formed in the active material layer.
  • the protrusions can be easily formed even by linear machining.
  • each of the plurality of protrusions has a shape in which a side of the pyramid is chamfered. Thereby, there is no pointed portion on the side surface of the protruding portion, the wear of the protruding portion itself is prevented, and the durability of the mold is improved.
  • the surface of the plurality of protrusions is mainly made of the same metal as the material of the protrusions, and the material of the protrusions. That is, a coating layer made of an alloy having a higher hardness is formed.
  • the processed surface for forming the opening in the active material layer is covered with a harder material, the wear of the protrusion can be prevented, and the durability of the mold itself can be further improved. it can.
  • the adhesiveness of a protrusion part and a coating layer can be improved, and peeling of the coating layer at the time of use of a metal mold
  • the formation density of the protrusions on the surface of the flat plate portion is 16 pieces / mm 2 or more. .
  • the height of the protruding portion is 20 ⁇ m or more.
  • transmit the electrolyte solution to an active material layer and can aim at the performance of a secondary battery can be formed easily.
  • the active material layer is pressed by the mold, it is possible to prevent the region of the flat plate portion where the protruding portion is not formed from coming into contact with the active material layer and compressing the active material layer as a whole.

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Abstract

電池電極の活物質層に対して複数の開口を形成するための金型であって、硬度がＨＶ６５０以下の金属からなる平板部と、前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、を有し、前記複数の突出部のそれぞれは、前記平板部の表面に直交する方向に対して５度以上２０度以下で傾斜した傾斜側面を含み、先端に位置する上面の表面積が２０μｍ２以上であること。

Description

金型
　本発明は、二次電池等の電極を構成する活物質層に対して開口を形成するための金型に関する。
　従来から、二次電池の電極を構成する活物質層に対して、多数の開口（凹部）を形成することが知られている。例えば、特許文献１においては、活物質層に対して、針のように先端が尖ったもの、若しくは粒子を高速で衝突させることによって開口を形成する機械的方法、化学的なエッチングによって開口を形成する化学的方法、又はレーザによる溶解によって開口を形成する方法が記載されている。また、特許文献２においては、凸部が形成された平板プレス機を用いて、開口を形成すること記載されている。
特開２００７－２５０５１０号公報 特許５６３３７５１号公報
　しかしながら、粒子を高速で衝突させる方法、レーザ加工及びエッチング加工によって開口を形成すると、作業工程数が比較的に多くなるとともに、その作業自体が難しくなり、開口形成自体のコストが比較的に高くなる。一方、突起である凸部が形成された金型を活物質層に押圧して開口を形成する場合には、当該突起が摩耗してしまう。このような摩耗すると金型自体を交換する必要があり、金型のコスト、及びメンテナンス費用が増加することになる。また、当該突起を活物質層に押圧して開口を形成する場合には、当該突起が活物質層から抜けなくなることもあり、当該金型を活物質層から抜こうとして力を加えると、活物質層や金型の突起が破損する恐れがある。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた耐久性を備え、且つ活物質層の破損を防止しつつ開口を形成することができる金型を提供することにある。
　上述した目的を達成するため、本発明の金型は、電池電極の活物質層に対して複数の開口を形成するための金型であって、硬度がＨＶ６５０以下の金属からなる平板部と、前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、を有し、前記複数の突出部のそれぞれは、前記平板部の表面に直交する方向に対して５度以上２０度以下で傾斜した傾斜側面を含み、先端に位置する上面の表面積が２０μｍ２以上であることである。
　本発明によれば、優れた耐久性を備え、且つ活物質層の破損を防止しつつ開口を形成することができる金型を提供することができる。
実施例１に係る金型の斜視図である。 実施例１に係る金型の正面図である。 実施例１に係る金型の使用状態を示す概略図である。 実施例１に係る金型の突起部の拡大側面図である。 変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。 変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。 変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。 実施例２に係る金型の拡大断面図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の金型について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、各実施例及び変形例の説明に用いる図面は、いずれも本発明に係る金型を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部分の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、各実施例及び変形例で用いる一部の数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。
＜実施例１＞
　先ず、図１乃至図４を参照し、実施例１に係る金型及びその使用状態について詳細に説明する。ここで、図１は、実施例１に係る金型の斜視図であり、図２は、実施例１に係る金型の正面図である。また、図３は、実施例１に係る金型の使用状態を示す概略図である。更に、図４は、実施例１に係る金型に形成された突起部の拡大側面図である。
　図１及び図２から分かるように、実施例１に係る金型１０は、直方体状の平板部１１、平板部１１の第１表面１１ａ側に形成された複数の突起部１２を有している。ここで、突起部１２は、平板部１１の第１表面１１ａから突出し、被加工物を押圧して開口を形成する部分となる。なお、実施例１に係る金型１０において、平板部１１の第２表面１１ｂは、金型１０を担持するための治具を取り付けるために平坦な形状を備えているが、各種の治具又は支持部材を接続するために凹凸等が形成されていてもよい。
　図３に示すように、被加工物である活物質層２１に複数の開口を形成する場合には、集電箔２２の表面に活物質層２１が形成された状態の電池電極２３を、活物質層２１が金型１０と対向するように支持台２４上に載置し、金型１０と支持台２４とによって電池電極２３を挟むことになる。そして、電池電極２３を金型１０と支持台２４とによって挟むことにより、突起部１２と活物質層２１が接触して、活物質層２１に複数の開口が同時に形成されることになる。なお、本発明における開口は、活物質層２１を貫通することがなく、いわゆる凹部のことである。
　実施例１に係る金型１０の加工対象である活物質層２１の厚みは、１０μｍ以上であることが好ましい。この理由としては、電池電極２３を用いて二次電池を形成した際に、電解液を活物質層２１に浸透させて当該二次電池の性能を向上させるためには、深さが１０μｍ以上の開口を形成する必要があるからである。また、活物質層２１を貫通するような孔を形成してしまうと、活物質層２１が剥離する恐れがあるため、当該貫通孔が形成されない最小の厚みとして１０μｍとしている。
　一方、集電箔２２としては、例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル（これらの合金含む）又はステンレス等が用いられることになる。また、集電箔２２の厚みは、５～４０μｍの範囲で一般的に選択されることになるが、二次電池に要求される特性に応じて適宜変更することが可能である。
　金型１０は、突起部１２に対応する凹部が形成された樹脂材料からなる母型に対して、一般的な電鋳技術を施して形成される。このため、平板部１１及び突起部１２は、同一の金属によって一体的に形成されている。金型１０は、強度の観点からその厚みが約５００μｍになること、及び金型１０自体の反りを考慮して、硬度ＨＶ６５０以下の金属から形成されている。すなわち、硬度ＨＶ６５０を超える金属については、金型１０の形状等を考慮すると、実施例１に係る金型１０の構成部材として用いることができない。実施例１においては、ニッケル及びコバルトを所望の混合比で合成したものを電鋳材料として使用し、ＨＶ６００（公称値）のニッケルコバルト合金（ＮｉＣｏ）から金型１０が形成されている。なお、当該電鋳材料は、形成される金型１０の硬度がＨＶ６５０以下であれば、ニッケル、銅、鉄、又はニッケルモリブデン合金（ＮｉＭｏ）等の他の金属を単体又は混合して使用してもよい。
　また、図１及び図２に示すように、突起部１２はマトリックス状（４行×８列）に並んで合計３２個形成されている。ここで、突起部１２同士の間隔は、２５０μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。すなわち、突起部１２の形成密度は、１６個／ｍｍ２以上であることが好ましく、１００個／ｍｍ２以上であることがより好ましい。ここで、活物質層２１に対してより多くの開口が形成されることが望ましくなるが、活物質層２１の一定の領域に対して金型１０を複数回押圧して開口を多数形成すると、活物質層２１の剥がれ又は破損が生じ、電池電極２３としての信頼性が低下することになる。このために、実施例１においては、突起部１２の形成密度は、１６個／ｍｍ２以上とすることにより、活物質層２１の一定の領域を金型１０によって押圧する回数を低減しつつも、より多くの開口を同時に形成し、電池電極２３としての信頼性を維持できるようにしている。
　なお、突起部１２の数量及び配置は、上述した内容に限定されることなく、活物質層２１に形成する開口の数量及び形成箇所に応じて適宜変更することができる。例えば、突起部１２は、マトリックス状のような規則的に配置されることなく、突起部１２同士の間隔がことなるようにランダムに配置されてもよい。
　更に、突起部１２の高さは、２０μｍ以上であることが好ましい。このように突起部１２の高さを設定する理由としては、電池電極２３を用いて二次電池を形成した際に、電解液を活物質層２１に浸透させて当該二次電池の性能を向上させるためには、深さが１０μｍ以上の開口を形成する必要があるため、突起部１２の高さが１０μｍ以上となることが重要となるからである。更に、突起部１２の高さが１０μｍ以上２０μｍ未満では深さが１０μｍ以上の開口を形成することはできるものの、金型１０の押圧量の調整精度によっては、突起部１２が形成されていない第１表面１１ａの一部が活物質層２１に接触して活物質層２１を全体的に圧縮する恐れがあり、このようなことを防止する観点から上記のように突起部１２の高さを設定することが好ましくなる。
　図４に示すように、突起部１２は、平板部１１側に位置する突出部１２ａ、及び突起部１２の先端に位置し且つ凸曲面状をなす頂部１２ｂから構成されている。突出部１２ａの形状は円錐台状であり、頂部１２ｂの形状は半球状である。
　突出部１２ａは、平板部１１の第１表面１１ａに直交する方向に対して５度以上２０度以下で傾斜している傾斜側面１２ｃを含んでいる。実施例１においては、第１表面１１ａに直交する方向に対する傾斜側面１２ｃの傾斜角度（以下、抜き勾配とも称する）θを９度に設定した。このような傾斜角度θを設定する理由としては、傾斜角度５度未満では金型１０によって活物質層２１に開口を形成した際に、活物質層２１に対して突起部１２が引っかかりやすくなり、活物質層２１から突起部１２が抜けなくなる可能性があるからである。また、傾斜角度２０度以上では、１つの開口形成に対する活物質層２１の押圧される領域（押圧面積）が増加することになり、活物質層２１が集電箔２２から剥離する可能性があるからである。このような突起部１２の引っかかり及び活物質層２１の剥離が低減されることにより、活物質層２１の破損及びこれに伴う二次電池の信頼性悪化が防止され、更には傾斜側面１２ｃの摩擦損傷が防止されることになり、金型１０の耐久性向上につながることになる。
　また、突出部１２ａの上面の直径２ｒ（すなわち、頂部１２ｂの直径２ｒ）は、５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。これらのことを換言すると、突出部１２ａの上面の表面積が約２０μｍ２以上３２０μｍ２以下であることと同義である。これは、突出部１２ａの上面の直径２ｒは５μｍ以上２０μｍ以下であることから、突出部１２ａの上面の最小表面積及び最大表面積を算出した結果に基づいている。このように設定する理由は、直径が５μｍ未満であると突起部１２が折れやすくなり、２０μｍより大きくなると開口形成時に活物質層２１が集電箔２２から剥離しやすくなるためである。
　ここで、突出部１２ａを形成するための精度（母型の形成精度）を考慮すると、突出部１２ａの上面の表面積が２０μｍ２以上であることが重要となり、かかる設定値は、上記突出部１２ａの上面の最小表面積を算出した結果とも一致し、矛盾が生じていない。従って、実施例１においては、突出部１２ａの上面の表面積が２０μｍ２以上であることを必要条件とし、更には突出部１２ａの上面の直径２ｒが５μｍ以上２０μｍ以下（すなわち、突出部１２ａの上面の表面積が約２０μｍ２以上３２０μｍ２以下）とするように設定されている。このような突出部１２ａの上面の直径２ｒ及び表面積を設定することにより、活物質層２１に対して、突出部１２ａの先端（すなわち、頂部１２ｂの形成面側）の摩耗が防止されることになる。
　頂部１２ｂは、突出部１２ａの上面に形成されているものの、頂部１２ｂと突出部１２ａとの間には段差が存在していない。すなわち、突出部１２ａの傾斜側面１２ｃに対して、頂部１２ｂの凸曲面が平滑に連続している。このような頂部１２ｂの形状により、頂部１２ｂの直径２ｒは突出部１２ａの上面の直径２ｒと同一であり、頂部１２ｂは直径２．５μｍ以上の半球体となる。ここで、突起部１２が活物質層２１を押圧する際には、突起部１２の先端に係る力は、突起部１２の延在方向（すなわち、第１表面１１ａに直交する方向）生じるだけでなく、活物質層２１に加わる力が複雑に作用し、突起部１２の延在方向に直交する方向にも力が生じることになる。このため、上記のような半球状の頂部１２ｂを設け、活物質層２１の押圧時における突起部１２の先端にかかる応力を分散させ、突起部１２の摩耗を防止することが図られている。
　実施例１に係る金型１０の製造方法の一例を以下に説明する。先ず、母型となる材料に対して公知の技術によって、突起部１２に対応する凹部を当該材料の表面に形成する。凹部の形成方法としては、例えば、材料表面を切削等の機械的加工であってもよく、エッチング等の化学的加工であってもよく、レーザ照射によるものであってもよい。なお、当該凹部は、上述した突起部１２及びの各種形状及び寸法を実現できるように、非常に高精度且つ微細な加工が必要となる。その後、凹部が形成された母型に一般的な電鋳技術を施して、当該母型に対応する金属の金型１０が形成される。そして、当該母型から金型１０を離間することで、金型１０の製造が完了する。
＜変形例＞
　実施例１においては、突起部１２が円錐台状の突出部１２ａ及び半球状の頂部１２ｂから構成されていたが、突起部の形状はこれに限定されることなく、例えば、図５乃至図７に示すような形状であってもよい。ここで、図５乃至図７は、変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。
　図５に示すように、金型１０の変形例として、円錐台状の突起部３２が形成されてもよい。すなわち、実施例１における頂部１２ｂがなく、突出部１２ａのみが形成されているものと同一である。このような場合であっても、突起部３２の傾斜側面の傾斜角度θが５度以上２０度以下であれば、活物質層２１に対して、突起部３２が活物質層２１に引っかかることが低減され、活物質層２１の破損等の防止及び金型１０の耐久性向上を図ることができる。また、突起部３２の上面の表面積を２０μｍ２以上に設定し、且つ突起部３２の上面の直径２ｒを５μｍ以上２０μｍ以下に設定することにより、突起部３２の先端の摩耗が防止されるとともに、活物質層２１の剥離も防止されることになる。
　また、図６に示すように、金型１０の他の変形例として、三角錐台状の突起部４２が形成されてもよい。すなわち、活物質層２１を押圧する部分の形状は円錐台に限定されることなく、各種の角錐台であってもよいことになる。このような場合であっても、突起部４２の傾斜側面の傾斜角度θが５度以上２０度以下であれば、活物質層２１に対して、突起部４２が活物質層２１に引っかかることが低減され、活物質層２１の破損等の防止及び金型１０の耐久性向上を図ることができる。また、突起部４２の上面の面積を２０μｍ２以上に設定することにより、突起部４２の先端の摩耗が防止されることになる。更に、複数の突起部４２のそれぞれが、三角錐台状の形状又はその他の角錐台状の形状を備える場合は、直線的な機械加工でも容易に突起部４２を形成することが可能となる。
　更に、図７に示すように、金型１０の他の変形例として、四角錐体の側辺を面取りした形状を備える突起部５２が形成されてもよい。このような面取り加工を施すことにより、突起部５２の側面に尖った部分がなくなり、突起部５２自体の摩耗が防止されることになる。すなわち、図６に示すような角が存在する突起部４２と比較して、金型１０の更なる耐久性の向上が図られることになる。
　なお、図６及び図７に示す変形例においても、凸曲面状をなす頂部を設けてもよい。これにより、活物質層２１の押圧時に、突起部４２，５２の先端にかかる応力を分散することができ、突起部４２，５２の摩耗を更に防止することができる。
＜実施例２＞
　実施例１の金型１０と比較して、更に耐久性の向上が図られた金型１１０を実施例２として、図８を参照しつつ説明する。ここで、図８は、実施例２に係る金型１１０の拡大断面図である。
　図８に示すように、実施例２に係る金型１１０も、実施例１に係る金型１０と同様に、直方体状の平板部１１１、平板部１１１の第１表面１１１ａ側に形成された複数の突起部１１２を有している。また、平板部１１１の第２表面１１１ｂも、実施例１に係る金型１０と同様に、金型１１０を担持するための治具を取り付けるため、平坦な形状を備えている。
　更に、図８に示すように、実施例２に係る金型１１０においても、突起部１１２は、平板部１１１側に位置する突出部１１２ａ、及び突起部１１２の先端に位置し且つ凸曲面状をなす頂部１１２ｂから構成されている。そして、突出部１１２ａの形状は円錐台状であり、頂部１１２ｂの形状は半球状である。以上のことから、実施例２に係る金型１１０と、実施例１に係る金型１０とは、平板部及び突起部の形状及び寸法は同一である。このため、これらの形状及び寸法に関する作用効果についての説明は省略する。
　一方、実施例２に係る金型１１０は、実施例１に係る金型１０とは異なり、第１表面１１０ａ上に被覆層１３０が形成されている。すなわち、金型１１０においては、平板部１１１の平坦な面（突起部１１２の非形成面）、及び突起部１１２の表面（傾斜側面１１２ｃ及び頂部１１２ｂの凸曲面）は、被覆層１３０によって保護されている。例えば、被覆層１３０の層厚は、数μｍであるが、活物質層２１の材料、厚みや被覆層１３０の材料に応じて適宜変更することができる。
　被覆層１３０は、平板部１１１及び突起部１１２の材料と同一の金属を主材料とし、且つ平板部１１１及び突起部１１２の材料よりも高い硬度を備える合金から構成されている。例えば、平板部１１１及び突起部１１２がニッケルコバルト合金である場合には、ニッケルを主材料とする合金としてニッケルボロン（ＮｉＢ）合金を用いて被覆層１３０を形成してもよい。この場合に、被覆層１３０は無電解メッキによって第１表面１１１ａ上に形成されることになる。
　平板部１１１及び突起部１１２の材料と同一の金属を主材料として被覆層１３０を形成することにより、電鋳材料（すなわち、平板部１１１及び突起部１１２）と積層材料（すなわち、被覆層１３０）との密着性を向上させることができ、金型１１０の使用時における被覆層１３０の剥離を防止することができる。また、金型１１０自体の加工面が、より硬度な材料の被覆層１３０によって覆われていることにより、突起部１１２の摩耗を防止することができ、金型１１０自体の耐久性をより向上させることができる。
＜本発明の態様＞
　本発明の第１の態様は、電池電極の活物質層に対して複数の開口を形成するための金型であって、硬度がＨＶ６５０以下の金属からなる平板部と、前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、を有し、前記複数の突出部のそれぞれは、前記平板部の表面に直交する方向に対して５度以上２０度以下で傾斜した傾斜側面を含み、先端に位置する上面の表面積が２０μｍ２以上であることである。
　第１の態様に係る金型は、硬度ＨＶ６５０以下の金属から形成されているため、全体としての厚みを５００μｍ程度にすることができ、反りが防止されている。また、突出部の傾斜側面が平板部の表面に直交する方向に対して５度以上２０度以下で傾斜しているため、活物質層を押圧した突出部を当該活物質層から引き抜く際に、突出部が当該活物質層に引っかかることが低減され、当該活物質層の破損等が防止されるとともに、傾斜側面の摩擦損傷が防止されることで金型の耐久性が向上することになる。更に、突出部の先端に位置する上面の表面積が２０μｍ２以上であるため、突出部の形成が容易となるとともに、活物質層との接触に伴う突出部の先端の摩耗が防止されることになる。
　本発明の第２の態様によれば、上記本発明の第１の態様において、前記複数の突出部のそれぞれの先端には凸曲面状をなす頂部が形成されていることである。これにより、活物質層の押圧時において、活物質層に対しては凸曲面の頂部が先ず接触することになり、活物質層の加工時における突出部の先端にかかる応力が分散され、突出部の摩耗を防止することができる。
　本発明の第３の態様によれば、上記本発明の第２の態様において、前記複数の突出部のそれぞれは、先端に位置する上面の直径が５μｍ以上２０μｍ以下である円錐台状の形状を備えることである。これにより、突出部の側面に尖った部分がなくなり、突出部自体の摩耗が防止され、金型の耐久性の向上が図られることになる。また、活物質層への開口形成の際に、突起が折れることや活物質層が集電箔から剥離することが防止される。
　本発明の第４の態様によれば、上記本発明の第３の態様において、前記頂部は５μｍ以上の直径の半球状の形状を備えることである。これにより、活物質層の押圧時において、活物質層に対しては半球状の頂部が先ず接触することになり、活物質層の加工時における突出部の先端にかかる応力が分散され、突出部の摩耗を防止することができる。
　本発明の第５の態様によれば、上記本発明の第１又は２の態様において、前記複数の突出部のそれぞれは角錐台状の形状を備えることである。これにより、活物質層に対して容易に開口を形成することができる。また、特に複数の突出部のそれぞれが三角錐台状または四角垂台状の形状を備える場合は、直線的な機械加工でも容易に突出部を形成することが可能となる。
　本発明の第６の態様によれば、上記本発明の第１又は２の態様において、前記複数の突出部のそれぞれは角錐体の側辺が面取された形状を備えることである。これにより、突出部の側面に尖った部分がなくなり、突出部自体の摩耗が防止され、金型の耐久性の向上が図られることになる。
　本発明の第７の態様によれば、上記本発明の第１の態様において、前記複数の突出部の表面に、前記突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ前記突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなる被覆層が形成されていることである。これにより、活物質層に開口を形成するための加工面がより硬度な材料によって覆われることになり、突出部の摩耗を防止することができ、金型自体の耐久性をより向上させることができる。また、突出部と被覆層との密着性を向上させることができ、金型の使用時における被覆層の剥離を防止することができる。
　本発明の第８の態様によれば、上記本発明の第１乃至７のいずれかの態様において、前記平板部の表面における前記突出部の形成密度は１６個／ｍｍ２以上であることである。これにより、活物質層の一定の領域に対して多数の開口を形成する場合であっても、活物質層の一定の領域に対して金型の接触する回数が低減されることになり、より多くの開口が同時に形成され、二次電池の集電箔としての信頼性を維持することができる。
　本発明の第９の態様によれば、上記本発明の第１乃至８のいずれかの態様において、前記突出部の高さは２０μｍ以上であることである。これにより、電解液を活物質層に浸透させて二次電池の性能を向上を図ることができる開口を容易に形成することができる。また、金型による活物質層の押圧時において、突出部が形成されていない平板部の領域が活物質層に接触して活物質層を全体的に圧縮することを防止することができる。
　１０　　金型
　１１　　平板部
　１１ａ　　第１表面
　１１ｂ　　第２表面
　１２　　突起部
　１２ａ　　突出部
　１２ｂ　　頂部
　１２ｃ　　傾斜側面
　２１　　活物質層
　２２　　集電箔
　２３　　電池電極
　２４　　支持台
　１１０　　金型
　１１１　　平板部
　１１１ａ　　第１表面
　１１１ｂ　　第２表面
　１１２　　突起部
　１１２ａ　　突出部
　１１２ｂ　　頂部
　１１２ｃ　　傾斜側面
　１３０　　被覆層
 
 

Claims (9)

  1. 　電池電極の活物質層に対して複数の開口を形成するための金型であって、
    　硬度がＨＶ６５０以下の金属からなる平板部と、
    　前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、を有し、
    　前記複数の突出部のそれぞれは、前記平板部の表面に直交する方向に対して５度以上２０度以下で傾斜した傾斜側面を含み、先端に位置する上面の表面積が２０μｍ２以上である金型。
  2. 　前記複数の突出部のそれぞれの先端には、凸曲面状をなす頂部が形成されている請求項１に記載の金型。
  3. 　前記複数の突出部のそれぞれは、先端に位置する上面の直径が５μｍ以上２０μｍ以下である円錐台状の形状を備える請求項２に記載の金型。
  4. 　前記頂部は、５μｍ以上の直径の半球状の形状を備える請求項３に記載の金型。
  5. 　前記複数の突出部のそれぞれは、角錐台状の形状を備える請求項１又は２に記載の金型。
  6. 　前記複数の突出部のそれぞれは、角錐体の側辺が面取された形状を備える請求項１又は２に記載の金型。
  7. 　前記複数の突出部の表面に、前記突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ前記突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなる被覆層が形成されている請求項１に記載の金型。
  8. 　前記平板部の表面における前記突出部の形成密度は、１６個／ｍｍ２以上である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の金型。
  9. 　前記突出部の高さは、２０μｍ以上である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の金型。
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