JP5359136B2 - 電極製造方法および電極製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、電極製造方法および電極製造装置に関する。

電子機器や電気自動車等の駆動用電源として用いられるリチウムイオン電池は、一般的に、扁平な電極が重なった構造を有する。電極は、集電体としての金属箔の面に活物質や溶媒を含む電極材を塗布し、電極材を乾燥して作製される。

電極材を塗布する方法として、長尺な金属箔の面に、スリットダイが連続的に電極材を塗布する連続塗工方式が知られている。例えば特許文献１に記載の発明は、電池同士或いは電池の端子と金属箔とを電気的に接続するためのタブを金属箔に形成するため、電極材の塗布方向に沿って金属箔の面を露出させながら、電極材を連続的に塗布している。電極材の塗布後、電極材は乾燥され、表面をなめらかにするためにプレス加工が施される。

金属箔の面を露出させつつ電極材を塗布する場合、電極材は金属箔の面から突出している。このため、プレスの際に押圧され易く、金属箔の面が露出した未塗工部に比べ、電極材が配置された金属箔の塗工部には大きな力が加わり、プレスした際の塗工部の寸法変化は、未塗工部の寸法変化より大きい。

特に、特許文献１に記載のように電極材を長尺状に連続して塗布すると、プレスした際、塗工部と未塗工部との境に沿う方向における、両者の伸びの差が大きくなり、金属箔の歪みが顕著になり易い。

このような歪みを抑制するために、特許文献１に記載の発明は複数の切れ目を未塗工部に予め設け、切れ目によって、プレスした際に生じる塗工部と未塗工部との寸法変化の差を吸収している。
特開平１１−３５４１０３号公報

しかし、特許文献１に記載の発明は、金属箔の歪みの発生を抑制するために、未塗工部に複数の切れ目を予め形成するため、工数の増加を招き生産性が低下する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、未塗工部と連続する塗工部とを有する金属箔における歪みを抑制して良好な製品品質を維持するとともに、生産性の向上を図り得る電極製造方法および電極製造装置を提供することを、本発明の目的とする。

上記目的を達成するための本発明の電極製造方法は、溶媒を含む電極材を、長尺形状を有する金属箔の面に長手方向に連続的に塗布する塗工工程と、溶媒を蒸発させる乾燥工程と、金属箔を切断する切断工程と、プレスローラーに金属箔を供給する供給工程と、金属箔と相対移動するプレスローラーによって電極材をプレスするプレス工程と、を有する。

塗工工程では、電極材が金属箔の長手方向に連続的に塗布されてなる塗工部、および金属箔の面が金属箔の長手方向に連続的に露出されてなる未塗工部を形成する。切断工程では、塗工部と未塗工部との境に直交方向に金属箔を切断する。供給工程では、プレスローラーに塗工部と未塗工部との境に交わる交差方向から金属箔を供給し、プレス工程において、交差方向に電極材をプレスする。

上記目的を達成するための本発明の電極製造装置は、溶媒を含む電極材を、長尺形状を有する金属箔の面に長手方向に連続的に塗布する塗工手段と、溶媒を蒸発させる乾燥手段と、金属箔を切断する切断手段と、電極材をプレスするプレスローラーと、プレスローラーに金属箔を供給する供給手段と、を有する。

塗工手段は、電極材が金属箔の長手方向に連続的に塗布されてなる塗工部、および金属箔の面が金属箔の長手方向に連続的に露出されてなる未塗工部を形成するように電極材を塗布する。切断手段は、塗工部と未塗工部との境に直交方向に金属箔を切断する。プレスローラーは金属箔と相対移動し、塗工部と未塗工部との境に交わる交差方向に電極材をプレスする。また、供給手段は、交差方向からプレスローラーに金属箔を供給する。

本発明のプレスローラーは、塗工部と未塗工部との境に沿って電極材をプレスするのではなく、塗工部と未塗工部との境に交わる方向に電極材をプレスする。

このため、塗工部と未塗工部との境に沿う方向での両者の伸びが抑制され、本発明は、金属箔の歪みを抑制できる。また、本発明はプレスする方向により歪みを抑制するため、複数の切れ目を設ける等、別途の手間が必要ない。したがって、本発明は、良好な製品品質を維持しつつ、生産性の向上を図り得る。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は電極材の塗布および乾燥を説明するための概略構成図、図２は図１のＩＩからの矢視図である。図３は金属箔の切断を説明するための概略構成図、図４は金属箔の切断パターンを示す平面図、図５（Ａ）は図３のＶからの矢視図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢからの矢視図である。図６（Ａ）は比較例を説明するための部分拡大概略構成図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＢからの矢視図である。図７（Ａ）は図６（Ｂ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う概略断面図、図７（Ｂ）は比較例における金属箔の伸びを示す平面図、図７（Ｃ）は実施形態における金属箔の伸びを示す平面図である。図８（Ａ）は実施形態のプレスローラーの幅を示す概略平面図、図８（Ｂ）は比較例のプレスローラーの幅を示す概略平面図である。

概説すると本実施形態の電極製造方法は、まず溶媒を含む電極材５を金属箔４の一方の面に塗布し、電極材５の溶媒を蒸発させる。金属箔４の他の面にも電極材５を塗布し、電極材５を乾燥させる。その後、金属箔４を切断し、電極材５をプレスする。製造される電極は、集電体としての金属箔４の両面に、活物質を含んだ電極材５を配した構造を有する。

本実施形態では、電極材５を塗布するスリットダイ１、電極材５を乾燥させる乾燥炉２、金属箔４を切断するシャーリングマシン１２、電極材５をプレスするプレスローラー１９、およびプレスローラー１９に金属箔４を供給するベルトコンベア１７が、各工程において動作する。これら複数の装置や部材は、１つの電極製造装置を構成する。

図１に示すように、電極材５を塗布するスリットダイ１（塗工手段に相当）は、先細り形状の対をなすリップ３を有する。対をなすリップ３は、隙間をあけて対向し、スリット状の吐出口を形成する。スリットダイ１は、金属箔４の面に対向し、搬送される金属箔４に対して吐出口から連続的に電極材５を塗布する。

本実施形態は、電極材５の塗布および乾燥に、量産に適したロールトゥロール方式を用いる。モーターにより回転する巻取りロール６が、金属箔４を巻回してなる供給ロール７から金属箔４を巻取りつつ金属箔４を移動させ、その間に金属箔４への電極材５の塗布および乾燥が行われる。

金属箔４は、適宜の材料、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、ステンレス鋼を用いることができる。例えば、正極集電体にはアルミニウムなどの金属箔４を用い、負極集電体には銅などの金属箔４を用いることができる。金属箔４の具体的な厚さについて特に制限はないが、例えば、アルミニウムの場合には２０μｍ、銅の場合には１０μｍ程度の薄膜である。

電極材５は、正極を形成するために用いる正極スラリーと、負極を形成するために用いる負極スラリーとがある。

正極スラリーは、例えば、正極活物質、導電助剤、およびバインダを有し、溶媒を添加することで、所定の粘度にされる。正極活物質は、例えば、マンガン酸リチウムである。導電助剤は、例えば、アセチレンブラックである。バインダは、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）である。溶媒は、例えば、ＮＭＰ（ノルマルメチルピロリドン）である。なお、正極活物質は、マンガン酸リチウムに特に限定されないが、容量および出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物を適用することが好ましい。導電助剤は、例えば、カーボンブラックやグラファイトを利用することも可能である。バインダおよび溶媒は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰに限定されない。

負極スラリーは、例えば、負極活物質、導電助剤、およびバインダを有し、溶媒を添加することで、所定の粘度にされる。負極活物質は、例えば、グラファイトである。導電助剤、バインダ、および溶媒は、例えば、アセチレンブラック、ＰＶＤＦ、およびＮＭＰである。なお、負極活物質は、グラファイトに特に限定されず、ハードカーボンや、リチウム−遷移金属複合酸化物を利用することも可能である。導電助剤は、例えば、カーボンブラックやグラファイトを利用することも可能である。バインダおよび溶媒は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰに限定されない。

電極材５の溶媒を蒸発させる乾燥炉２（乾燥手段に相当）は、スリットダイ１と巻取りロール６との間に位置して金属箔４および電極材５を囲み、金属箔４が搬送されている間に電極材５の溶媒を蒸発させる。

乾燥炉２は、誘導コイルが金属箔４に磁場を作用させて金属箔４に熱を付与し、その熱により電極材５を加熱して溶媒を蒸発させる誘導加熱式乾燥炉である。この他に、乾燥炉２は、熱風により溶媒を蒸発させる熱風式乾燥炉であってもよい。巻取りロール６が金属箔４を巻き取った後、以上説明した過程と同様の過程により、電極材５の塗布されていない反対の面にも電極材５が配置される。乾燥炉２による加熱およびその後の自然冷却を経た後の電極材５の溶媒濃度は、例えば１００ｐｐｍ以下である。

図２に示すように、スリットダイ１は、金属箔４の面の全体に電極材５を塗布するのではなく、塗布方向に沿って金属箔４の面の縁を帯状に露出（符号９で示す部分）させながら、連続的に電極材５を塗布する。以下、電極材５が塗布された金属箔４の部分を塗工部８と称し、電極材５が塗布されず金属箔４の面が露出した部分を未塗工部９と称す。

未塗工部９は、電池同士或いは電池の端子と金属箔４とを電気的に接続するためのタブとなる。また、未塗工部９を金属箔４の面の縁に設けることにより、金属箔４の一方の面に塗布した電極材５が、反対の面に垂れるのを防止できる。

図３に示すように、金属箔４の切断では、まず、電極材５に当接する複数のローラー１１を備えたレベラー１０が、巻取りロール６による巻回により巻き癖を持った金属箔４を平坦にする。複数のローラー１１は、金属箔４の面を挟んで互い違いに並び、金属箔４がローラー１１の間を通過する間に、金属箔４を平板状に矯正する。

レベラー１０が金属箔４を平坦にした後、一対の刃１４、１５を備えたシャーリングマシン１２（切断手段に相当）が、金属箔４を一定の幅で矩形形状に切断する。一対の刃１４、１５は、金属箔４の面の両側から金属箔４を挟み、金属箔４を切断する。シャーリングマシン１２は、切断した金属箔４を受けるベルトコンベア１６を備える。ベルトコンベア１６は、切断後の金属箔４を搬送し、ベルトコンベア１６の端の近傍に配置されたベルトコンベア１７（供給手段に相当）に、切断した金属箔４を移す。

ベルトコンベア１６とベルトコンベア１７とは、垂直方向において位置がずれており、金属箔４は、ベルトコンベア１６の端に設けられたガイド１８に沿ってベルトコンベア１７に移る。

モーターにより回転する搬送ローラー１３は、巻取りロール６が金属箔４（両面に電極材５を配置）を巻回してなるロール２０から、金属箔４を引き出しつつ搬送し、レベラー１０およびシャーリングマシン１２に、金属箔４を供給する。

シャーリングマシン１２は、図４に示すように、電極材５の塗布方向と直交する方向に金属箔４を切断する。切断された金属箔４の幅Ｌ２は、長尺な金属箔４の短手方向の長さＬ１より短い（Ｌ１＞Ｌ２）。

図５（Ａ）に示すように、ベルトコンベア１７は、対をなすプレスローラー１９に切断した金属箔４を供給する。プレスローラー１９は、例えば、金属製の金属ローラーである。

ベルトコンベア１６の搬送方向とベルトコンベア１７の搬送方向とは、互いに直交している。金属箔４は、ベルトコンベア１６からベルトコンベア１７に移ることにより、搬送方向に対する金属箔４の向きが９０度変化する。

具体的には、ベルトコンベア１６は、塗工部８と未塗工部９との境に沿う方向に金属箔４を搬送し、ベルトコンベア１７は、塗工部８と未塗工部９との境に直交する方向に金属箔４を搬送する。

すなわちベルトコンベア１７は、塗工部８と未塗工部９との境に沿う方向からではなく、塗工部８と未塗工部９との境に直交する方向から、金属箔４をプレスローラー１９に供給する。プレスローラー１９は、金属箔４を引き込み、塗工部８と未塗工部９との境に直交する方向から金属箔４を加圧する。図５（Ｂ）に示すように、プレスローラー１９は、未塗工部９および塗工部８を交互に加圧し、電極材５の表面をなめらかな面にする。

本実施形態の効果を比較例と対比しつつ説明する。

図６（Ａ）に示すように、比較例は、シャーリングマシン１２が金属箔４を切断した後、金属箔４は向きを変えることなくプレスローラー１９Ａを通過する点で、本実施形態と異なる。すなわち比較例では、図６（Ｂ）に示すように、金属箔４は塗工部８と未塗工部９との境に沿う方向からプレスローラー１９Ａを通過し、塗工部８と未塗工部９とが同時にプレスローラー１９Ａを通過する。

塗工部８と未塗工部９とが同時にプレスローラー１９Ａを通過すると、図７（Ａ）に示すようにプレスローラー１９Ａは電極材５に当接するため、未塗工部９を殆ど加圧せず、塗工部８に力が集中する。

このため、図７（Ｂ）に示すように、塗工部８は塗工部８と未塗工部９との境に沿う方向に伸びるが、未塗工部９は元の長さから殆ど変化しない。この結果、伸びた塗工部８は、殆ど変化しない未塗工部９に拘束されて変形し、金属箔４に歪みが生ずる。特に、塗工部８と未塗工部９と境に沿ってプレスする距離が長くなると、歪みが累積し、金属箔４の歪みが顕著になる。

これに対し本実施形態では、塗工部８と未塗工部９との境に直交する方向からプレスローラー１９は金属箔４をプレスするため、図７（Ｃ）に示すように、塗工部８および未塗工部９はこの方向に伸びようとする。一方、塗工部８と未塗工部９との境に沿う方向では伸びが抑制され、両者の境に沿って長さの差が殆ど生じない。よって、本実施形態は、金属箔４の歪みを抑制できる。

また、本実施形態はプレスする方向により歪みを抑制するため、未塗工部９に複数の切れ目を設ける等、別途の手間を必要としない。したがって、本実施形態は良好な製品品質を維持しつつ生産性の向上を図り得る。

本実施形態では、シャーリングマシン１２が、金属箔４を幅Ｌ２で切断し、図８（Ａ）に示すように、プレスローラー１９が、切断した金属箔４を短辺Ｌ２側からプレスする。よって、図８（Ｂ）に示す比較例のように長辺Ｌ１側からプレスする場合に比べプレスローラー１９の幅が小さくてすみ（Ｌ４＞Ｌ３）、本実施形態は装置をコンパクトにできる。

＜変形例＞
図９は変形例を説明するための概略斜視図である。

変形例は、実施形態と略同様の構成を有するが、スリットダイ１Ａが、２つに分かれた吐出口を備え、図９に示すように電極材を縞状に塗布し、２つの塗工部８Ａ、および塗工部８Ａの間に位置する１つの未塗工部９Ａを形成する点で第１実施形態と異なる。２つの塗工部８Ａは互いに平行に伸びる。

金属箔４の切断後、プレスローラー１９は、塗工部８Ａと未塗工部９Ａとの境に直交する方向から金属箔４をプレスする。プレスにより、未塗工部９Ａおよび２つの塗工部８Ａは、両者の境に直交する方向に伸びようとする。一方、塗工部８Ａと未塗工部９Ａとの境に沿う方向では伸びが抑制され、変形例は、実施形態と同様の効果を奏する。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。

例えば、プレスローラー１９は、塗工部８と未塗工部９との境に交わる交差方向に電極材５をプレスし、金属箔４の歪みを抑制できればよく、塗工部８と未塗工部９との境に直交する方向からずれていてもよい。また、電極材５をプレスするプレスローラー１９は、相対移動しつつ電極材５の表面を押圧してなめらかにするものであればよく、金属ローラーの他、例えば弾性ローラーや加熱ローラー等、公知技術を用いることができる。

金属箔４とプレスローラー１９とは相対移動すればよく、実施形態のように金属箔４が移動する形態に限定されず、プレスローラー１９が移動しつつ電極材５をプレスする形態であってもよいし、両者が移動する形態であってもよい。

ベルトコンベア１７は、ベルトコンベア１６の搬送方向に対して直交するように位置することで金属箔４の向きを変え、塗工部８と未塗工部９との境に直交する方向から金属箔４をプレスローラー１９に供給している。

しかし、本発明はこの実施形態に限定されない。すなわち、プレスする方向が、塗工部８と未塗工部９との境に交わる交差方向であればよい。例えば、ターンテーブルを用いて切断後の金属箔４の向きを変え、交差方向とプレス方向とが一致するようにしてもよいし、金属箔４の向きは変えずプレスローラー１９を交差方向に移動させてプレスしてもよい。

変形例では、２つの塗工部８Ａと塗工部８Ａの間に位置する１つの未塗工部９Ａとを形成する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、３つの塗工部とこれらの間に位置する２つの未塗工部とを形成してもよく、作製しようとする電極のパターンに合わせて種々改変できる。

また、切断手段は、シャーリングマシン１２に限定されず、金属箔４を切断可能なものであればよく、公知技術を用いることができる。例えば、パンチングマシンやレーザマシンが挙げられる。

電極材の塗布および乾燥を説明するための概略構成図である。 図１のＩＩからの矢視図である。 金属箔の切断を説明するための概略構成図である。 金属箔の切断パターンを示す平面図である。 （Ａ）は図３のＶからの矢視図、（Ｂ）は図５（Ａ）のＢからの矢視図である。 （Ａ）は比較例を説明するための部分拡大概略構成図、（Ｂ）は図６（Ａ）のＢからの矢視図である。 （Ａ）は図６（Ｂ）のＶＩＩ−ＶＩＩに沿う概略断面図、（Ｂ）は比較例における金属箔の伸びを示す平面図、（Ｃ）は実施形態における金属箔の伸びを示す平面図である。 （Ａ）は実施形態のプレスローラーの幅を示す概略平面図、図８（Ｂ）は比較例のプレスローラーの幅を示す概略平面図である。 変形例を説明するための概略斜視図である。

符号の説明

１ スリットダイ（塗工手段）、
２ 乾燥炉（乾燥手段）、
３ リップ、
４ 金属箔、
５ 電極材、
６ 巻取りロール、
７ 供給ロール、
８ 塗工部、
９ 未塗工部、
１０ レベラー、
１１ ローラー、
１２ シャーリングマシン（切断手段）、
１３ 搬送ローラー、
１４、１５ 刃、
１６ ベルトコンベア、
１７ ベルトコンベア（供給手段）、
１８ ガイド、
１９ プレスローラー。

Claims (4)

1. 溶媒を含む電極材を、長尺形状を有する金属箔の面に当該金属箔の長手方向に連続的に塗布し、前記電極材が前記金属箔の長手方向に連続的に塗布されてなる塗工部、および前記金属箔の面が前記金属箔の長手方向に連続的に露出されてなる未塗工部を形成する塗工工程と、
   前記溶媒を蒸発させる乾燥工程と、
   前記塗工部と前記未塗工部との境に直交方向に前記金属箔を切断する切断工程と、
   プレスローラーに前記塗工部と前記未塗工部との境に交わる交差方向から前記金属箔を供給する供給工程と、
   前記金属箔と相対移動する前記プレスローラーによって、前記交差方向に前記電極材をプレスするプレス工程と、を有する電極製造方法。
2. 前記切断工程は、前記金属箔の短手方向の長さより短い幅で前記金属箔を切断することを特徴とする請求項１に記載の電極製造方法。
3. 前記塗工工程は、前記塗工部と前記塗工部との間に位置する前記未塗工部を少なくとも１つ形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電極製造方法。
4. 溶媒を含む電極材を、長尺形状を有する金属箔の面に当該金属箔の長手方向に連続的に塗布し、前記電極材が前記金属箔の長手方向に連続的に塗布されてなる塗工部、および前記金属箔の面が前記金属箔の長手方向に連続的に露出されてなる未塗工部を形成する塗工手段と、
   前記溶媒を蒸発させる乾燥手段と、
   前記塗工部と前記未塗工部との境に直交方向に前記金属箔を切断する切断手段と、
   プレスローラーに前記塗工部と前記未塗工部との境に交わる交差方向から前記金属箔を供給する供給手段と、
   前記金属箔と相対移動し、前記交差方向に前記電極材をプレスするプレスローラーと、を有する電極製造装置。

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