JP5954220B2 - 電極の製造装置、及び電極の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電極の製造装置、及び電極の製造方法に関する。

従来から、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）などの車両に搭載される蓄電装置としては、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池などがよく知られている。これらの蓄電装置の中には、帯状の金属箔の表面に活物質層を有する電極を例えば捲回したり、該電極を打ち抜いた電極シートを積層したりして形成された電極組立体を有するものがある。

ところで、帯状の電極では、ロール状に捲回して保存したり、ロール状に捲回したまま加熱（ベーク）したりすることに起因して、長手方向の反りが生じる場合がある。反りが生じた電極を捲回したり、打ち抜いて積層したりする場合には、電極組立体の縁部にズレが生じ、蓄電装置としての性能が低下してしまう虞があることから、予め電極の反りを矯正しておくことが好ましい。

このような、電極の反りを矯正する装置ではないものの、金属ストリップの反りを矯正する反り矯正装置が提案されている（例えば特許文献１）。特許文献１の反り矯正装置では、金属ストリップの搬送方向における連続熱処理炉の上流側、及び下流側にブライドルロールをそれぞれ設け、各ブライドルロールにより金属ストリップに張力を付与しつつ熱処理を行うことで、反りを矯正するとともに、矯正に伴って生じる内部応力を軽減している。

特開２０００−１０９９３３号公報

しかしながら、特許文献１の反り矯正装置では、連続熱処理炉に続けてさらにブライドルロールを通過することから、反りが矯正された金属ストリップに再び反りが発生してしまう可能性がある。

この発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、電極の反りを矯正できるとともに内部応力を軽減できる電極の製造装置、及び電極の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する電極の製造装置は、帯状の金属箔の少なくとも一方の面に活物質を含む活物質層を有する電極の製造装置であって、常温下において前記電極を該電極の長手方向の反りとは反対方向に反らせて矯正する矯正ロールを有する矯正部と、前記電極の搬送方向における前記矯正部の下流側に設けられ、前記電極を平坦な状態で加熱する加熱部と、前記搬送方向における前記加熱部の直ぐ下流側に設けられ、前記電極を成形、又は捲回する加工部と、を有し、前記加熱部と前記加工部との間で前記電極の形状が変形されないことを要旨とする。

これによれば、矯正部の矯正ロールによって電極の反りが矯正されるとともに、加熱部において平坦な状態で電極が加熱されることで内部応力が軽減される。そして、加熱部の直ぐ下流側には、加工部が設けられていることから、電極を予め変形させることなく、電極の反りが矯正され、且つ残存応力が軽減された状態で電極を成形、又は捲回できる。したがって、電極の反りを矯正できるとともに内部応力を軽減できる。

また、上記電極の製造装置について、前記加熱部は、該加熱部を搬送される電極を支持する支持ロールを有することが好ましい。これによれば、例えば流体を吹き付けることにより電極を浮揚させて搬送するフローティング式と比較して、活物質層が損傷することを抑制できる。

また、上記電極の製造装置について、前記加熱部は、前記電極が通過され、該通過される電極を加熱する加熱空間を有する加熱炉であることが好ましい。これによれば、加熱空間に電極を通過させることで電極全体を均一に加熱し、電極の一部に内部応力が残存することを抑制できる。

また、上記電極の製造装置について、前記活物質層には、前記活物質を結着するバインダを含み、前記加熱部の温度は、１２０℃以上であって、且つ前記バインダの熱分解温度未満であることが好ましい。これによれば、加熱処理によって残存応力を軽減しつつも、バインダが熱分解してしまうことを抑制できる。

上記課題を解決する電極の製造方法は、帯状の金属箔の少なくとも一方の面に活物質を含む活物質層を有する電極の製造方法であって、常温下において前記電極を該電極の長手方向の反りとは反対方向に反らせて矯正する矯正工程と、反りを矯正した電極を平坦な状態で加熱する加熱工程と、加熱済みの電極を予め変形させることなく成形、又は捲回する加工工程と、を有し、前記加熱工程と前記加工工程との間に前記電極の形状を変形させる工程がないことを要旨とする。

これによれば、矯正工程により電極の反りを矯正するとともに、加熱工程により、平坦な状態で電極を加熱することで内部応力を軽減できる。そして、加工工程では、加熱済みの電極を予め変形させることなく成形、又は捲回する。したがって、電極の反りを矯正できるとともに内部応力を軽減できる。

本発明によれば、電極の反りを矯正できるとともに内部応力を軽減できる。

電極の製造装置を模式的に示す正面図。 （ａ）、及び（ｂ）は、別の実施形態における電極の製造装置の一部を模式的に示す正面図。 別の実施形態における電極の製造装置の一部を模式的に示す正面図。

以下、電極の製造装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態の製造装置１０は、蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池に用いる帯状の電極１１を供給する供給部としての供給機構１２を有する。供給機構１２は、例えば芯材に対してロール状に捲回した電極ロール１１ａをセットし、装置に電極１１を供給する供給ロール１２ａを備えている。

ここで、電極１１は、帯状である金属箔１１ｂの両方の面に活物質、導電剤、及びバインダを含む活物質層１１ｃを有する。正極用の電極１１において、金属箔１１ｂは、例えばアルミニウム箔であり、活物質としては正極用の活物質が用いられる。また、負極用の電極１１において、金属箔１１ｂは、例えば銅箔であり、活物質としては負極用の活物質が用いられる。活物質層１１ｃに用いられるバインダは、例えば熱分解温度が３７５℃であるポリフッ化ビニリデンや、熱分解温度が３９０℃であるポリテトラフルオロエチレンなどである。

また、電極１１は、電極ロール１１ａの状態のまま、所定期間にわたって保存されたり、加熱（ベーク）処理を施されたりすることで、電極ロール１１ａの周方向に沿って湾曲するように、電極１１の長手方向の反りが癖付けされている。

製造装置１０において、電極１１は、供給ロール１２ａ（電極ロール１１ａ）の上部から、電極１１の搬送方向Ｙ１となる側方に向かって引き出され、供給される。このため、製造装置１０において電極１１は、癖付けされた反りにより、下方に向かって湾曲することになる。

電極１１の搬送方向Ｙ１における供給機構１２の下流側には、電極１１の長手方向の反りを矯正する矯正部としての矯正機構１４が設けられている。矯正機構１４は、軸心まわりで回転可能に支持され、電極１１を該電極１１の反り方向（本実施形態では下方）に向かって案内する円柱状の第１案内ロール１５ａを有する。電極１１の搬送方向Ｙ１は第１案内ロール１５ａにより本実施形態では下方に向かう方向になる。

矯正機構１４は、第１案内ロール１５ａよりも下方において、軸心まわりで回転可能に支持され、第１案内ロール１５ａにより案内された電極１１の搬送方向Ｙ１を反対方向（本実施形態では上方に向かう方向）に反転させる円柱状の第２案内ロール１５ｂを有する。第２案内ロール１５ｂは、該第２案内ロール１５ｂの外周面を倣わせるように電極１１を搬送することで、電極１１を該電極１１の反りとは反対方向に湾曲させる。

また、矯正機構１４は、第２案内ロール１５ｂよりも上方において、軸心まわりで回転可能に支持され、第２案内ロール１５ｂにより案内される電極１１の搬送方向Ｙ１を変更する第３案内ロール１５ｃを有する。したがって、各案内ロール１５ａ，１５ｃと、第２案内ロール１５ｂとは、垂直方向（上下方向）に並設されている。

各案内ロール１５ａ〜１５ｃは、相互に平行（又は略平行）に配置されている。各案内ロール１５ａ〜１５ｃは、例えばゴムメタル製である。また、矯正機構１４は、加熱装置、及び冷却装置などの温度調節装置を有しておらず、電極１１を加熱、又は冷却することなく、常温下で各案内ロール１５ａ〜１５ｃにより電極１１を案内する。ここで、本明細書における「常温」は、５℃以上３５℃以下（２０℃±１５℃）の温度を指す。

また、第１案内ロール１５ａの回転速度は、第３案内ロール１５ｃの回転速度よりも僅かに遅く設定されている。このため、電極１１は、各案内ロール１５ａ，１５ｃの間で長手方向に沿って張力が付与されているとともに、第２案内ロール１５ｂの外周面に密着されている。

搬送方向Ｙ１における矯正機構１４の下流側には、電極１１を加熱する加熱部及び加熱炉としての高温槽１７が設けられている。高温槽１７における加熱空間としての内部空間Ｓでは、高温の例えば空気や窒素ガスなどの熱媒体が外部から供給されるとともに、該高温の熱媒体が電極１１に吹きつけられることで、電極１１の全体が均一（又は略均一）に加熱されるようになっている。

高温槽１７の内部空間Ｓには、第３案内ロール１５ｃにより案内される電極１１を下方から支持しながら搬送する円柱状の複数の搬送ロール１７ａが軸心まわりで回転可能に支持されている。本実施形態の高温槽１７は、２つの搬送ロール１７ａを有する。各搬送ロール１７ａは、水平方向に並ぶように、且つ相互に平行に配置されており、電極１１を平坦な状態で支持する。ここで、本明細書における「平坦な状態」には、完全に平面状である状態のほか、ごく僅かに屈曲、又は湾曲した状態を含むことを意図している。本実施形態では、各搬送ロール１７ａが支持ロールとなる。

また、搬送方向Ｙ１における高温槽１７の直ぐ下流側には、電極１１を打ち抜き加工することにより、略矩形の電極シートに成形する加工部としての成形機構１９が設けられている。ここで「高温槽１７の直ぐ下流側」とは、高温槽１７と成形機構１９との間に電極１１の形状を変化させる装置を間に挟まないことを意図しており、例えば冷却装置や、検査装置など、電極１１の形状を変化させない装置を間に挟んでいてもよい。

次に、製造装置１０による電極１１の製造方法について、その作用とともに説明する。
まず、電極ロール１１ａを供給ロール１２ａにセットする。次に、供給機構１２から供給される電極１１を、矯正機構１４の各案内ロール１５ａ〜１５ｃにより搬送して電極１１の反りを矯正する（矯正工程）。

詳しく説明すると、電極１１には、各案内ロール１５ａ，１５ｃの回転速度差によって長手方向に沿った張力が付与される。このため、電極１１は、第２案内ロール１５ｂの外周面に押し付けられた状態で、且つ第２案内ロール１５ｂの外周面に倣って搬送される。

このため、第２案内ロール１５ｂにおいて、電極１１は、電極ロール１１ａの状態であるうちに癖付けされた反りとは反対方向に反らされ、これにより反りが矯正される。本実施形態では、第２案内ロール１５ｂが矯正ロールとして機能する。

また、製造装置１０（矯正機構１４）では、第２案内ロール１５ｂによる電極１１の反りの矯正を常温下で行う。このため、電極１１の反りの矯正を加熱しながら行う場合と比較して、電極１１の温度が均一な状態で反りを矯正できる。

このとき、電極１１のうち特に金属箔１１ｂには、反りの矯正によって内部応力が発生した状態となる。なお、電極１１に内部応力が残存している場合には、時間の経過に伴って電極１１が再び反ったり、変形したりしてしまう虞がある。

次に、反りが矯正された電極１１を、高温槽１７に搬送するとともに、該高温槽１７の内部空間Ｓを平坦な状態で加熱しながら搬送する（加熱工程）。電極１１は、高温槽１７において加熱されることにより内部応力が軽減されることから、電極１１が時間の経過とともに変形することを抑制できる。また、電極１１は、高温槽１７において平坦な状態とされることから、該電極１１を変形させた状態で加熱する場合と比較して、新たな反りが発生することを抑制できる。

製造装置１０では、高温槽１７を採用することで、例えばヒータを内蔵した熱ロールを用いて電極１１を加熱する場合と比較して、電極１１を均一且つ十分に加熱し、電極１１の一部に内部応力が残存することを抑制できる。

加熱工程における加熱温度、即ち高温槽１７内に供給される熱媒体の温度は、１２０℃以上とする。これにより、電極１１の内部応力を好適に軽減し、電極１１が時間の経過とともに変形することを抑制できる。また、高温槽１７内に供給される熱媒体の温度は、電極１１の活物質層１１ｃに含まれるバインダの熱分解温度未満の温度とする。これにより、電極１１の内部応力を緩和するときにバインダが熱分解して活物質層１１ｃが損傷したり剥離したりすることを抑制できる。

また、高温槽１７では、各搬送ロール１７ａにより支持した状態で電極１１を搬送する。このため、例えば流体を強く吹き付けることにより電極１１を浮揚させて搬送するフローティング式を採用する場合と比較して、吹き付けられる流体によって電極１１の活物質層１１ｃが損傷することを抑制できる。

次に、高温槽１７で加熱済みの電極１１を予め変形させることなく成形機構１９へ搬送し、該成形機構１９にて電極１１を打ち抜き加工して略矩形の電極シートに成形する（加工工程）。前述のように、高温槽１７と成形機構１９との間には、電極１１の形状を変形させる装置が配置されていない。即ち、製造装置１０では、高温槽１７により内部応力を緩和（加熱工程）したのち、成形機構１９にて電極１１を打ち抜き加工（加工工程）するまでの間に電極１１の形状を変形させる別の工程を行わない。このため、反りを矯正し、且つ内部応力を軽減した電極１１に、再び反りが発生することを抑制できる。その後、成形機構１９にて成形した電極シートを間にセパレータを挟んだ状態で積層し、リチウムイオン二次電池用の電極組立体を形成する。

したがって、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）第２案内ロール１５ｂによって電極１１の反りが矯正されるとともに、高温槽１７において平坦な状態で電極１１が加熱されることで内部応力が軽減される。そして、高温槽１７の直ぐ下流側には、成形機構１９が設けられていることから、電極１１を予め変形させることなく、電極１１の反りが矯正され、且つ内部応力が軽減された状態で電極１１を成形できる。したがって、電極１１の反りを矯正できるとともに内部応力を軽減できる。

（２）常温下で電極１１の反りを矯正している。このため、電極１１の温度が均一な状態で反りを矯正できることから、反りが不均一に矯正されてしまうことを抑制できる。
（３）高温槽１７では、搬送ロール１７ａにより電極１１を支持する。このため、例えばフローティング式で電極１１を搬送する場合と比較して、電極１１の活物質層１１ｃが損傷することを抑制できる。

（４）高温槽１７により電極１１を加熱することから、電極１１の全体を均一に加熱し、電極１１の一部に内部応力が残存することを抑制できる。
（５）高温槽１７では、１２０℃以上であって、且つバインダの熱分解温度以下の温度で電極１１を加熱する。このため、加熱処理によって電極１１の内部応力を軽減しつつも、バインダが熱分解してしまうことを抑制できる。

（６）加工工程では、加熱済みの電極１１を予め変形させることなく成形する。したがって、電極１１の反りを矯正できるとともに内部応力を軽減できる。
（７）また、電極１１の反りを矯正し、且つ内部応力を軽減していることから、電極１１を打ち抜き加工した電極シートを積層するときに、電極組立体の縁部において電極シートがずれてしまうことを抑制できる。

（８）各案内ロール１５ａ，１５ｃと、第２案内ロール１５ｂと、を垂直方向に並ぶように配置している。このため、各案内ロール１５ａ，１５ｃと、第２案内ロール１５ｂと、を水平方向に並ぶように配置する場合と比較して、製造装置１０の全長が長くなることを抑制できる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 図２（ａ）に示すように、高温槽１７は３つ以上の搬送ロール１７ａを有していてもよい。また、搬送ロール１７ａは、電極１１の反り方向側の面（下面）、及び反りと反対方向側の面（上面）にそれぞれ対応させて配置されていてもよい。また、図２（ｂ）に示すように、搬送ロール１７ａは、電極１１の反りと反対方向側の面（上面）に対応させて配置されていてもよい。

○ 図３に示すように、第２案内ロール１５ｂは、複数のロールを組み合わせて構成されていてもよい。例えば、第２案内ロール１５ｂは、相互に平行、且つ軸心まわりで回転可能に支持された１対の円柱状の第２案内ロール２１ａ，２１ｂから構成されていてもよい。この場合には、第２案内ロール２１ａ，２１ｂにより挟持した状態で、電極１１の反りを矯正する。また、第２案内ロール２１ａの外周面を軸心方向に沿って凹状に形成する一方で、第２案内ロール２１ｂの外周面を軸心方向に沿って凸状に形成した所謂クラウンロールとしてもよい。また、第２案内ロール２１ａ，２１ｂは、フィードバック制御により中心軸を曲げながら回転させて電極１１を矯正するようにしてもよい。

○ 各案内ロール１５ａ〜１５ｃの配置を変更してもよい。例えば、各案内ロール１５ａ，１５ｃと、第２案内ロール１５ｂと、を水平方向（左右方向）に並ぶように配置してもよい。

○ 電極１１の反りを矯正する第２案内ロール１５ｂを２つ以上設けてもよい。
○ 各案内ロール１５ａ〜１５ｃは、例えばダイヤモンドライクカーボン、ポリテトラフルオロエチレン、及び二硫化モリブデンなどのコート層を表面に有していてもよい。これによれば、各案内ロール１５ａ〜１５ｃの摩擦係数を小さくし、電極１１の搬送にかかるエネルギの消費を低減できる。

○ 高温槽１７では、例えば誘導加熱により電極１１の金属箔１１ｂを発熱させることで加熱してもよい。また、高温槽１７では、内部空間Ｓにヒータを配設し、輻射熱により電極１１を加熱してもよい。

○ 成形機構１９は、正極用の電極１１、及び負極用の電極１１を間にセパレータを挟んだ状態で捲回し、各電極１１を電極組立体に成形する装置であってもよい。これによれば、電極１１を捲回するときに、電極１１の反りに起因して、電極組立体の縁部において電極１１がずれてしまうことを抑制できる。

○ 成形機構１９は、電極１１を長手方向、又は幅方向に沿って切断する装置であってもよい。これによれば、電極１１の反りに起因して、切断する目標位置とは異なる位置で電極１１を切断してしまうことを抑制できる。

○ 高温槽１７において、各搬送ロール１７ａは、電極１１が平坦な状態で搬送可能であれば、その位置を変更してもよい。例えば、搬送方向Ｙ１における上流側の搬送ロール１７ａよりも下流側の搬送ロール１７ａを、上方、又は下方に配置してもよい。

○ ニッケル水素二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電装置用の電極の製造装置に具体化してもよい。
○ 車両以外に用いられる蓄電装置用の電極の製造装置に具体化してもよい。

Ｙ１…搬送方向、１０…製造装置、１１…電極、１１ｂ…金属箔、１１ｃ…活物質層、１４…矯正機構（矯正部）、１５ｂ…第２案内ロール（矯正ロール）、１７…高温槽（加熱部、加熱炉）、１７ａ…搬送ロール、１９…成形機構（成形部）。

Claims (5)

1. 帯状の金属箔の少なくとも一方の面に活物質を含む活物質層を有する電極の製造装置であって、
   常温下において前記電極を該電極の長手方向の反りとは反対方向に反らせて矯正する矯正ロールを有する矯正部と、
   前記電極の搬送方向における前記矯正部の下流側に設けられ、前記電極を平坦な状態で加熱する加熱部と、
   前記搬送方向における前記加熱部の直ぐ下流側に設けられ、前記電極を成形、又は捲回する加工部と、を有し、
   前記加熱部と前記加工部との間で前記電極の形状が変形されないことを特徴とする電極の製造装置。
2. 前記加熱部は、該加熱部を搬送される電極を支持する支持ロールを有する請求項１に記載の電極の製造装置。
3. 前記加熱部は、前記電極が通過され、該通過される電極を加熱する加熱空間を有する加熱炉である請求項１または２に記載の電極の製造装置。
4. 前記活物質層には、前記活物質を結着するバインダを含み、
   前記加熱部の温度は、１２０℃以上であって、且つ前記バインダの熱分解温度未満である請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極の製造装置。
5. 帯状の金属箔の少なくとも一方の面に活物質を含む活物質層を有する電極の製造方法であって、
   常温下において前記電極を該電極の長手方向の反りとは反対方向に反らせて矯正する矯正工程と、
   反りを矯正した電極を平坦な状態で加熱する加熱工程と、
   加熱済みの電極を予め変形させることなく成形、又は捲回する加工工程と、を有し、
   前記加熱工程と前記加工工程との間に前記電極の形状を変形させる工程がないことを特徴とする電極の製造方法。