リチウムイオン電池の製造方法を詳しく調べたことがある人なら、特に電池の原材料を使用可能な部品に変えるための適切な機器を購入している場合、「コイル加工」や「精密成形」などの用語が飛び交っているのを聞いたことがあるでしょう。コイル工具供給会社のオーナーとして、私はいつもこう尋ねられます。その通りは電池材料用のコイルプレス金型ですが、なぜこの仕事にとって他の金型よりも重要なのでしょうか?専門用語にうんざりしているバッテリー業界の友人にそうするように、これを詳しく説明しましょう。
まず、教科書の定義を少し飛ばしてみましょう。コイルプレス金型は、バッテリー材料の薄く連続したロール (つまり「コイル」部分) を正確で一貫した部品に成形するために設計された特殊な金属ツールです。ここでは、乱雑で不均一な切断やエッジの歪みはありません。ほとんどの電池メーカーは、薄い金属箔 (アノードには銅、カソードにはアルミニウム) を使用し、さらに、場合によっては、処理前に大きなロールに巻かれた活物質コーティングやセパレーターを使用します。これらを一般的なプレス金型で打ち抜こうとすると、端がギザギザになったり、寸法が間違ったり、さらには電池を機能させる繊細な活物質に亀裂が入ったりすることになります。そこでこの金型が登場します。この金型はバッテリーコイルの柔軟性と薄さに対応するために特別に作られており、制御された圧力を使用してコア性能部品に損傷を与えることなくコイルを成形します。
その背後にある理由を見てみましょう。バッテリーの性能が生きるか死ぬかは一貫性によって決まりますよね?ある負極が別の負極よりも 0.1 mm 厚かったり、短絡を引き起こすギザギザの端がある場合、その電池バッチ全体がゴミになります。コイル プレス金型はロールストックを取り出し、ライン速度で成形します。そのため、取り出されるすべての部品は同一になります。たとえば、円筒形のリチウムイオン電池の内側に巻くコアを作成する場合、銅箔を正確な長さに切断し、適切なタブに折り込み、活物質を保持するために平らにプレスする必要があります。一般的な金型では、コイル在庫の継続的な流れに追いつくことができません。停止したり起動したりするため、時間が無駄になり、小さな不一致が発生し、後で大きなバッテリー障害につながります。
ここで、これは他のコイル金型と同じではないかと疑問に思われるかもしれません。素晴らしい質問です。同様のツールがたくさんあるため、明確にしましょう。コイルプレス金型に注目独占的にバッテリーコイル材料に制御された均一な圧力を加えて、形状を形成するだけでなく、成形または切断することも重要です。対照的に、コイル成形金型は、圧力をかけて平らにしたり切断したりするだけでなく、パウチセルの外側ケーシングなど、曲面や輪郭のある表面が必要な、複雑で平らではない部品を曲げるのに適しています。また、電気自動車 (EV) バッテリー パックのステーターを巻くために使用されるステーター スロット モールドや、バッテリー モジュールを接続する重い銅バーを成形するステーター バー成形モールドなど、バッテリー コンポーネントに特化した他のコイル ツールも製造しています。これらはすべてコイルストックで機能しますが、プレス金型はすべてのバッテリーセルの心臓部であるコアフォイルとタブの主力製品です。
電池メーカーにとって実際に重要な技術面について話しましょう。バッテリーコイルの材料は扱いが難しい。銅箔の薄さは 10 ミクロン（人間の髪の毛よりもはるかに薄い！）で、その上の活物質コーティングは脆い。金型が悪いと、フォイルにしわが寄ったり、コーティングに亀裂が入ったり、バリが残って後でセパレーターに穴が開く可能性があります。優れたコイルプレス金型は高級工具鋼で作られ、数百万回の使用後でも摩耗に耐えるように熱処理されており、設計の 0.001 mm 以内 (紙の厚さよりもきつい) に精密研磨された表面を備えています。また、圧力制御も組み込まれているため、コイルに力を入れすぎてコーティングに損傷を与えたり、適用量が少なすぎて巻き付け中にタブが緩んで外れたりすることはありません。 10年以上持続し、高速道路で2,000ポンド以上の電力を供給できるバッテリーを必要とするEVメーカーにとって、このレベルの精度は交渉の余地がありません。
私は、バッテリーメーカーがこの機器に手抜きをするとどうなるかをこの目で見てきました。数年前、私はアノードタブに一般的なスタンピング金型を使用しようとした新興企業と協力しました。工具コストを 30% 節約しましたが、6 か月以内にバッテリー パックが 12% の割合で故障しました。これはすべて、一般的な金型にセルを短絡させる小さなバリが残っていたことが原因でした。彼らは最終的に 20 万ドル相当のバッテリーを廃棄し、問題を解決するために当社のコイル プレス金型に切り替える必要がありました。それがバッテリー製造の特徴です。工具の小さなミスでも、最終的には莫大なコストが発生します。
次に、これがより広範なバッテリー生産ラインにどのように適合するかを見てみましょう。バッテリーコイルの加工は、原材料が箔に巻かれた直後、およびセルに巻かれる直前に行われます。コイルフィードシステムは、ロールストックをプレス金型に連続的に引き込みます。停止や待ち時間はありません。したがって、プレス金型が遅いと、ライン全体も遅くなり、生産目標を達成できなくなります。高品質のコイル プレス金型は毎分 60 メートル以上の速度で稼働します。これはまさに現代のバッテリー ギガファクトリーに必要なものです。タブをカットしたり、巻くためにノッチを成形したり、活物質を箔に押し込んで確実に密着させることさえ、すべて 1 回のパスで行うことができます。これにより、加工ステップが削減され、工場の現場のスペースが節約され、部品を何度も扱うことによるエラーの可能性が減ります。
待ってください、すべてのコイル プレス金型が同じように作られているわけではないことにも言及しておく必要があります。私たちがデザインするとき、コイルプレス金型、お客様が使用する特定のバッテリー材料に合わせて調整します。銅の陽極を使用するメーカーもあれば、より壊れやすいシリコンベースの陽極を使用するメーカーもあれば、より厚いアルミニウムの陰極を使用するメーカーもあります。それに応じて圧力や刃先の鋭さ、型の隙間などを調整します。小型の民生用バッテリー (携帯電話など) を製造している顧客の場合、10 ミクロンの銅箔に最適化された金型を作成する可能性があります。 EV セルの場合、数千回の充電サイクルに対応できるタブを成形するためにより多くの圧力が必要となる、より厚く重いフォイルに合わせて調整します。これは万能のツールではありません。だからこそ、バッテリー材料に精通したサプライヤーと提携することが非常に重要です。
状況が明確であることを確認するために、これを当社が提供する他のコイル ツールと比較してみましょう。パウチバッテリーの外殻を成形する必要がある場合は、コイル成形金型プレス金型の代わりに、薄いフォイルに平らな圧力を加えるのではなく、湾曲した柔軟なケーシングを形成する必要があるためです。 EV のトラクション モーター (バッテリー システムの電力供給の一部) のステーターに取り組んでいる場合は、当社のステータースロットモールドまたはステーターバー成形金型。これらは、セルのアノードおよびカソードに使用される薄い箔ではなく、固定子にスロットを入れるか成形する必要がある厚い銅バー用に作られています。コイル ツーリングのゲームに詳しくない場合は、これらを混同しやすいため、遠慮せずに説明を求めてください。
「コイルプレスの金型はただの派手なスタンプにすぎない」というよくある誤解を耳にします。いいえ。金属部品用の標準スタンプは、連続したコイルではなく、プレカットされたシートで機能します。供給時にコイルにかかる張力に対処するように設計されていないため、ライン速度で動作させるとパーツの位置がずれる可能性があります。もう 1 つの迷信:「すべての型は同じように長持ちする」。安価な金型は 100,000 サイクル持続する可能性がありますが、バッテリー材料用に製造された高品質の金型は 500 万サイクル以上持続します。 24 時間 365 日稼働しているギガファクトリーの場合、金型を交換するために毎週停止するのではなく、年に 1 回だけ交換するだけなので、ダウンタイムが大幅に節約されることになります。
バッテリーの性能が向上するにつれ、コイルプレス金型はどうなるでしょうか?現在、私たちは、現行の液体電解質セパレーターよりも薄くて脆い固体電解質などの次世代電池材料に対応できる金型の開発に取り組んでいます。当社では、リアルタイムで圧力を追跡するセンサーを使用して、さらに精密な制御を組み込んでおり、素材がどれほど敏感であっても、すべての部品が完璧であることを確認します。 EV や消費者向けバッテリーの需要が爆発的に増加するにつれ、これらの金型の重要性はさらに高まるでしょう。金型は原材料を、携帯電話からセミトラックまであらゆるものに動力を供給する部品に変える縁の下の力持ちです。
バッテリーメーカー、工具エンジニア、またはコイル加工ラインのアップグレードを検討している人は、コイルプレス金型の上で寝ないでください。これは単なる装置ではなく、部品の一貫性を保ち、故障を減らし、生産ラインの高速稼働を維持するものです。どの金型がお客様のアプリケーションに適しているかわからない場合は、お問い合わせください。当社は、小型の民生用セルから大型の EV パックに至るまで、あらゆるバッテリー材料のカスタム ソリューションを専門としています。次のバッテリー バッチが可能な限り信頼できるものであることを確認するために、協力していきましょう。
参考文献
- Liu、J.ら。 （2022年）。 「リチウムイオン電池コイル材料の精密加工～プレス金型の役割～」電源ジャーナル、532、231345。
- 国際エネルギー機関 (IEA)。 （2023年）。世界の EV 展望 2023: 先への充電。 IEA出版物、パリ。
- スミス、AB、他。 （2021年）。 「大量バッテリーコイル加工における工具の摩耗」製造科学および工学ジャーナル、１４３（１０）、１０１００７。
- 電池工業会 (BIA)。 （2022年）。 「リチウムイオン電池製造装置の品質基準」 BIA テクニカル レポート 2022-04。
