JP4904782B2 - 電極板の製造方法およびその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に用いられる電極板を乾燥炉内に連続的に搬送し、電極板全体を均一に効率よく乾燥させながらも酸化されない電極板を生産するための電極板の製造方法およびその製造装置に関するものである。

近年、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯型通信機器などの電子機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されており、これらの電子機器やその他の動力用の駆動用電源として、高エネルギー密度で負荷特性の優れた密閉形電池が要望されている。特に、エネルギー密度および電圧が高く、貯蔵寿命が長いなどの多くの特長を有するリチウムイオン二次電池が脚光を浴びている。

上述のように大電流放電用途に用いられるリチウムイオン二次電池として、幅方向の少なくとも端部に活物質を塗布していない無地部を形成し、乾燥させた電極板である正極板および負極板とがセパレータを介してそれぞれの上端側あるいは下端側が極板群の上下からそれぞれ突出するように渦巻状に巻回し、その上下から突出した正極板と負極板の先端部分に集電体を複数箇所で溶接することにより極板群からの集電性を高めた構造のものや、電極板である正極板および負極板の幅方向に活物質を塗布しない極板芯材の無地部を設けて乾燥し、その無地部に集電体を溶接後、セパレータを介して渦巻状に巻回した極板群より突出した集電体を介して集電する構造のものがある。

それらの活物質を塗布する方法として、活物質をコンマコーターやダイコーターなどの塗工方式にて塗布することにより形成され、塗布形成された電極板は活物質や結着材などを溶媒（水、有機溶媒）に混練分散させてペースト状としており、溶媒を加熱して乾燥する必要がある。

極板芯材に塗布されたペースト状の正極合剤または負極合剤（以下、合剤と称する）を乾燥させるために極板芯材を発熱させて直接にペースト状の合剤を迅速に加熱する方法として電磁誘導コイルを用いた高周波加熱方式があり、高周波加熱装置に用いられる電磁誘導コイルは、外周部分に高い磁束密度を持ち、極板芯材の端部に磁束が集中することで一部分のみの急激な発熱が起こり極端な加熱むらが生じるため、極板芯材の酸化や焼けが発生し安定した品質の電極板が得られない。その対策として均一な磁束密度を発生させるために電磁誘導コイルの中央部から外周部にかけて電極板から徐々に離間する方向に電磁誘導コイルを捲回することで対処する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２４５９４７号公報

しかしながら上述した従来技術である特許文献では、極板芯材の全面に対しては確かに均等な磁束密度を持つ磁界を発生させることはできるが、極板芯材にペースト状の合剤を塗布している電極板においては、電極板の厚みむらや幅、走行位置の変化による電磁誘導コイルとの距離の差に対して磁束のかかり方に差ができるため、電極板に対する発熱のむらが発生し均一な品質の電極板が得られない。

発熱のむらを考慮して、電極板を加熱しすぎると合剤の塗布されていない無地部が酸化され、酸化された無地部に酸化被膜が形成されると集電体を電極板の無地部に溶接する際に溶接不良が発生し、高い集電効率を得られない。

また、酸化被膜を形成させずに電極板を乾燥させるためには電磁誘導コイルへ流す電流量を規制しなければならず、電磁誘導コイルは外周部分の磁束密度が中心と比較して高くなる磁界を発生させるエッジ効果を有することで、極板芯材など薄いものに対しては外周部近傍と中心部分の温度のむらが極端に発生することにより電極板の乾燥が均一にならない課題も発生する。

さらに、高周波加熱装置のみによる極板芯材の加熱では塗布されたペースト状の合剤の溶媒を蒸発させる速度に限界があることにより生産性が悪いと言う課題も発生する。

本発明は上記従来の課題を鑑みてなされたもので、電極板の無地部が酸化しないにも関わらず、極端な温度のむらが無く、高品質な乾燥できる汎用性に優れた生産性の高い電極板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、高周波発生部から電流を送電される電磁誘導コイルと、熱風発生体とを備えた乾燥炉内に、正極合剤または負極合剤を帯状の金属製の極板芯材上に部分的または全面的に塗布した電極板を連続的に搬入する搬送手段を備え、前記乾燥炉内に設置された前記電磁誘導コイルと前記乾燥炉内を通過する前記電極板との間にフェライトコアを前記電極板の両端部に位置する場所に設置したことを特徴としている。

本発明は高周波発生部から電流を送電される電磁誘導コイルと、熱風発生体とを備えた乾燥炉内に、正極合剤または負極合剤を帯状の金属製の極板芯材上に部分的または全面的に塗布した電極板を連続的に搬入する搬送手段を備え、前記乾燥炉内に設置された前記電磁誘導コイルと前記乾燥炉内を通過する前記電極板との間にフェライトコアを前記電極板
の両端部に位置する場所に設置したことにより、電磁誘導コイルから発生する磁束をフェライトコアへ集中させて、電極板の端部のみの急激な温度上昇を制御することができ、均一な電極板の乾燥をすることが可能となる。

本発明の第１の発明は、高周波発生部から電流を送電される電磁誘導コイルと、熱風発生体とを備えた乾燥炉内に正極合剤または負極合剤を帯状の金属製の極板芯材上に部分的または全面的に塗布した電極板を連続的に搬入する搬送手段を備え、前記乾燥炉内に設置された前記電磁誘導コイルと前記乾燥炉内を通過する前記電極板との間にフェライトコアを前記電極板の両端部に位置する場所に設置したことにより、電磁誘導コイルから発生する磁束をフェライトコアへ集中させて、電極板の端部のみの急激な温度上昇を制御することができ、均一な電極板の乾燥をすることが可能となる。

本発明の第２の発明は、電磁誘導コイルの幅が電極板の幅方向よりも狭くしたことにより、電極板の両端部のみの急激な温度上昇を防止することができ、電極板の仕様に合わせた電磁誘導コイルを用意することが不要となり、電極板の種々のサイズに簡単に対応できるため、メンテナンス性や品種切替え時の対応時間効率に優れた製造装置の提供が可能となる。

以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の電極板の製造装置の模式図である。極板芯材１が連続して巻き出し部２より巻き出され、塗工部にて活物質からなるペースト状の合剤４を極板芯材１上に塗工ダイノズル３より吐出して塗布形成し、乾燥炉５に搬入手段を用いて搬入する製造方法である。

ここで、活物質からなるペースト状の合剤４において複合リチウム酸化物を活物質とする正極合剤では、活物質の一例としてコバルト酸リチウムを１００重量部と、その活物質１００重量部に対して導電剤であるアセチレンブラック３重量部、結着剤であるポリフッ化ビニデンを３重量部とを適量のＮ−メチル−２−ピロリドンとともに公転しながら自転する攪拌翼を持つ万能ミキサを用いて攪拌し混練してペースト状の正極合剤を形成させている。

また、リチウムを保持しうる活物質とする負極合剤では、活物質の一例としてグラファイトを１００重量部と、その活物質１００重量部に対して結着剤であるスチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子分散体を２．５重量部、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース１重量部を加え、水を溶媒として固形分に対し同重量を添加して万能ミキサを用いて攪拌し混練してペースト状の負極合剤を形成させている。

ペースト状の正極合剤または負極合剤を塗工ダイノズル３からなる塗工部より吐出させ、極板芯材１に塗布を行う。正極合剤を塗布する極板芯材１は、アルミニウムやアルミニウム合金製の箔やラス加工もしくはエッチング処理された厚み１０μｍ〜６０μｍのものからなり、負極合剤は厚み１０μｍの銅箔からなる極板芯材１に塗布される。また、塗布のパターンとしては極板芯材１の幅方向の少なくとも一端部に合剤４を塗布しない無地部を設けて全面的に塗布した電極板１４や極板芯材１の幅方向に合剤４を部分的に塗布する間欠塗工した電極板１４がある。

乾燥炉５内には搬送手段を用い、電極板１４が搬入される。本発明においては、入口ローラ１３と出口ローラ１６との間に張力を巻き出し部２と巻き取り部８を用いて発生させ、電極板１４を搬入している。なお、搬入手段においては、網状のコンベアでも良く、本
発明の搬入手段のような電極板１４と接触しない搬入手段が好ましい。

また、乾燥炉５は３室からなり、１室目に電極板１４と所定の距離を保った位置に電磁誘導コイル６を２セット配置し、各室に所定の温度で放出する熱風を送り込んでいる。

次に、乾燥炉５内に配置される電磁誘導コイル６に乾燥炉５外に設置された高周波発生部７より電流を送電して極板芯材１を発熱させ、合剤４は一定温度に保たれた乾燥炉５内を通過して乾燥させ、極板芯材１とともに巻き取り部８にて巻き取られる。また、図２は本発明の製造方法を用いた電極板の製造装置における平面図であり、乾燥炉５には熱交換器９および送風を送るためのファン１０から構成されており、乾燥炉５内に熱風を送り込み、乾燥炉５内の温度を一定に保っている。

また、図３は上述した乾燥炉５内の電磁誘導コイル６、電極芯材１および合剤４からなる電極板１４、ノズル１１の配置を示した模式図である。電磁誘導コイル６により発熱する極板芯材１に対しノズル１１にて温度および風速が制御された風を吹き付けることで、極板芯材１の急激な温度上昇の防止と温度の制御を行うとともに、蒸発した溶媒がペースト状の合剤４の表面より連続的に排除され、そのことにより乾燥効率を向上させている。

以下、本発明の一実施例について、負極合剤を帯状の極板芯材に塗布した電極板を用い、電極板の製造装置を用いてさらに詳しく説明する。

本発明の実施例１においては、図１に示されるように搬入手段として、巻き出し部２に巻かれている厚みが１０μｍ、幅が１３０ｍｍの銅箔である極板芯材１を入口ローラ１３と出口ローラ１６を介して乾燥炉５の中を通し巻き取り部８にて巻き取られている。また、巻き出し部２の巻き出す速度より巻き取り部８の巻き取る速度を速くし、極板芯材１に１０〜５０ｋｇｆの張力を掛け、入口ローラ１３に配置された塗工ダイノズル３より合剤４を吐出し、４〜１０ｍ／分の極板芯材１の走行速度で極板芯材１の幅方向の両端部に合剤４を塗布しない無地部を設けて電極芯材１の片面のみに全面的に塗布され、乾燥炉５内に搬入される。また、その後塗布されていない残りの電極芯材１の片面を同じ要領で塗布し乾燥させ、極板芯材１の厚みを含む厚みが２７０μｍの電極板１４を作成した。
また、乾燥炉５内では図３に示されるように、幅が１１０ｍｍ、出力が３６４Ｗの電磁誘導コイル６については電極板１４の幅より狭い幅の電磁誘導コイルを用い、電極板１４に対して電磁誘導コイル６を下部に置き、電極板１４と電磁誘導コイル６の上面との距離を１７ｍｍに配置し、熱風発生体１５に耐熱ホースにより繋がれているノズル１１を電極板１４の幅方向の上面２箇所に配置した。次に、電磁誘導コイル６に接続された高周波発生部７より電流を送電し、熱風発生体１５の設定を電極板１４の近傍にて温度が６０℃、風速が３．２ｍ／ｓｅｃの熱風を熱風発生体１５に接続されたノズル１１より放出し電極板１４に吹き付けた。

また、３室からなる乾燥炉５の１室目に熱交換部９とファン１０によって温度を６０℃、風速を３．２ｍ／ｓｅｃに制御された熱風を放出し、２室目の熱風温度が８０℃、風速が６ｍ／ｓｅｃ、３室目の熱風温度が１２０℃、風速が６ｍ／ｓｅｃの各々に設定された熱風を放出し、乾燥炉５内の温度を一定に保ちながら、図１の矢印方向に電極板１４を走行させ乾燥を行った。
その結果、電極板１４の端部から１０ｍｍ内側の部分の温度は６５℃を保たれ、銅箔である極板芯材１の酸化を抑制した。

また、電磁誘導コイル６を設置した１室目を通過した後の電極板１４の水分蒸発量は２３％であり、磁束が集中する極板芯材１の端部から１０ｍｍ内側の電極板１４の表面は亀
裂がなく、電極板１４の中央部と同等の状態であり、剥離試験による評価では電極板１４の端部と中央部とでは同等の結着強度であった。

ここで、ノズル１１より熱風を放出しない場合においては、極板芯材１の端部より１０ｍｍ内側の部分を測定すると温度が１２０℃となり、銅箔である極板芯材１の酸化は見られないものの、乾燥炉５の１室目を通過した時の電極板１４の水分蒸発量を測定すると１７．５％と本発明の製造装置で乾燥したときより乾燥状態が悪く、剥離試験による評価では電極板１４の端部と中央部とでは端部の結着強度の方が中央部より低くなっていた。

また、電磁誘導コイル６の幅を極板芯材１と同じ幅にした場合については、極板芯材１の端部から１０ｍｍ内側の部分の温度を測定すると最も高い部分では温度が２９０℃となり、銅箔である極板芯材１に酸化がみられ、磁束が集中する極板芯材１の端部から１０ｍｍ内側の電極板１４の表面は亀裂と沸騰によるクレーター上のピンホールが発生し、電極板１４の中央部とは異なる状態であった。

本発明の実施例２においては、図４に示されるように乾燥炉５内に設置されたノズル１１を電極板１４の幅方向に対して、垂直方向に設置し、同図の矢印方向に電極板１４を走行させながら、実施例１と同じ要領で電極板１４の乾燥を行った。その結果は、実施例１と同様な結果が得られ、電極板１４の乾燥状態は良好であった。

本発明の実施例３においては、図５に示されるように乾燥炉５内に設置された上部ノズル２１を電極板１４に対して上方向に設置し、下部ノズル２２を電極板１４に対して電磁誘導コイル６を介在させた状態で下方向に設置した。
また、電磁誘導コイル６においては、電磁誘導コイル６のコイル同士のみを繋ぎ、下部ノズル２２より放出した熱風が電磁誘導コイル６のコイルとコイルの間を通過して電極板１４に吹き付けられるようにし、同図の矢印方向に電極板１４を走行させ、実施例１と同じ要領で電極板１４の乾燥を行った。その結果、実施例１と同様な結果が得られ、電極板１４の乾燥状態は良好であり、特に両面同時に極板芯材１に合剤４を塗布する電極板１４においては有効的で生産性の向上が見られた。

本発明の実施例４においては、図６に示すように、極板芯材１に対して電磁誘導コイル６を下部に置き、極板芯材１と電磁誘導コイル６の上面との距離を１７ｍｍに配置した。極板芯材１の端部と電磁誘導コイル６の端部の位置を合わせて極板芯材１の端部に磁束が集中する状態に配置し、電磁誘導コイル６と極板芯材１の間に幅が２０ｍｍ、厚みが５ｍｍのフェライトコア１２を極板芯材１の幅方向と平行になる位置で、電磁誘導コイル６の両端部の位置に配置した。極板芯材１を走行させず停止したまま電磁誘導コイル６に接続された高周波発生部７より電流を送電し、１５秒後に極板芯材１の端部の温度を測定すると極板芯材１の端部から１０ｍｍ内側の最も高い温度の部分でも１００℃となり銅箔である極板芯材１の酸化を抑制し温度の制御が図れた。これは、電磁誘導コイル６の外周部における高い磁束がフェライトコア１２に集中されることで、極板芯材１の端部にかかる磁束の量を制御し集中を防ぎ、極板芯材１の発熱を抑制できたと考えられる。

また、実施例１と同様の合剤４を極板芯材１に塗工ダイノズル３にて４ｍ／分の速度で塗布を行い、電極板１４を作製した。電極板１４が搬入される乾燥炉５は実施例１と同様に３室からなり、１室目に能力設定及び電極板１４との距離を１７ｍｍに確保した電磁誘導コイル６を２セットの電磁誘導コイル６を電極板１４の下部に置き、極板芯材１の端部と電磁誘導コイル６の端部位置を合わせて極板芯材１の端部に磁束が集中する状態に配置
した。また、電磁誘導コイル６と電極板１４との間に幅が２０ｍｍ、厚みが５ｍｍのフェライトコア１２を極板芯材１の幅方向と平行になる位置で、電磁誘導コイル６の両端部位置に配置した。更に、２室目の熱風温度設定を８０℃、風速６ｍ／ｓｅｃ、３室目の熱風温度設定を１２０℃、風速６ｍ／ｓｅｃとして、図６の矢印方向に電極板１４を走行させて乾燥を行った。その結果、磁束が集中する電極板１４の端部から１０ｍｍ内側の合剤４の表面は亀裂がなく極板芯材１の中央部に塗工された合剤４と同等の状態であり、同等の結着強度であった。
ここで、電極板１４と電磁誘導コイル６の間にフェライトコア１２を配置しない場合においては、極板芯材１の端部から１０ｍｍ内側部分の最も高い温度は、２９０℃となり銅箔である極板芯材１は酸化した。
また、同様に合剤４を極板芯材１に塗工を行った電極板１４では、磁束が集中する極板芯材１の端部から１０ｍｍ内側の合剤４の表面に亀裂と沸騰によるクレーター上のピンホールが発生し、極板芯材１の中央部に塗布された合剤４とは異なる状態であり、結着強度も低かった。
以上のように、本発明である合剤を帯状の極板芯材上に塗布した直後の電極板を電磁誘導用コイルと熱風発生体を備えた乾燥炉内に連続的に搬入し、電極板の幅方向温度を一定に保ちながら電極板を乾燥することで、電極板の部分的に発生する急激な温度上昇を防止し、均一な温度を得ることができ、電極板の表面に塗布された合剤を効率よく乾燥できる。さらに、電極板の無地部を酸化せず、しかも極端な温度のむらが無く、高品質な乾燥が可能となり、品質の安定した電極板の作製が可能となる。

本発明によれば、電磁誘導コイルによる乾燥を行う際に、極板芯材の端部への磁束集中を制御することで温度の制御が可能な乾燥装置を提供できる。このような乾燥装置は、リチウム二次電池の負極集電体である極板芯材に限定されず、金属シートを用いた極板芯材を基材とするリチウム二次電池の正極集電体、もしくは電気二重層コンデンサーのアルミシート材にも応用できる。

本発明の一実施形態に係る電極板の製造装置の模式図 本発明の一実施形態に係る電極板の製造装置の平面図 本発明の実施例１に係る電磁誘導コイルと極板芯材及びノズルの配置を示す模式図 本発明の実施例２に係る電磁誘導コイルと極板芯材及びノズルの配置を示す模式図 本発明の実施例３に係る電磁誘導コイルと極板芯材及びノズルの配置を示す模式図 本発明の実施例４に係る電磁誘導コイルと極板芯材及びフェライトコアの配置を示す模式図

符号の説明

１ 極板芯材
２ 巻き出し部
３ 塗工ダイノズル
４ 合剤
５ 乾燥炉
６ 電磁誘導コイル
７ 高周波発生部
８ 巻き取り部
９ 熱交換部
１０ ファン
１１ ノズル
１２ フェライトコア
１３ 入口ローラ
１４ 電極板
１５ 熱風発生体
１６ 出口ローラ
２１ 上部ノズル
２２ 下部ノズル

Claims (2)

1. 高周波発生部から電流を送電される電磁誘導コイルと、熱風発生体とを備えた乾燥炉内に、正極合剤または負極合剤を帯状の金属製の極板芯材上に部分的または全面的に塗布した電極板を連続的に搬入する搬送手段を備え、前記乾燥炉内に設置された前記電磁誘導コイルと前記乾燥炉内を通過する前記電極板との間にフェライトコアを前記電極板の両端部に位置する場所に設置した電極板の製造装置。
2. 電磁誘導コイルの幅が電極板の幅方向よりも狭くしたことを特徴とする請求項１に記載の電極板の製造装置。