JP6992630B2 - 電極板の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は，電池の構成要素である電極板の製造方法および製造装置に関する。さらに詳細には，集電箔の両面に電極層を有する構造の電極板を製造する方法および装置に関するものである。

従来から，二次電池その他各種の電池は，正負の電極板を使用して構成されている。これらの電極板は多くの場合，集電箔の両面に電極層を有する構造のものである。電極層は，電極活物質を主成分として層状に形成されたものである。一般的にこうした電極板は，原料粉末と液成分との混合物の層を集電箔の両面に形成し，その後に液成分を揮発させて除去して製造される。さらに，液成分の揮発後に，電極層を厚さ方向に加圧することが行われている（例えば特許文献１）。電極層の密度が高い方が電池容量の確保上有利だからである。

特開２００９－２４５７８８号公報

しかしながら前記した従来の技術には，次のような問題点があった。加圧後における電極層の密度を十分に上げようとすると，製造設備の大型化が不可避なことである。電極層を加圧するロールを高荷重に対応できるものとしなければならないからである。特許文献１の技術ではロールにさらに加熱機能を付加して高密度化を図っているが，加熱機能の付加もまた製造設備の複雑化・大型化の要因である。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，設備の大型化・複雑化を抑制しつつ，高密度な電極層が得られるようにした，電極板の製造方法および製造装置を提供することにある。

本発明の一態様における電極板の製造方法は，集電箔の両面に電極層を有する電極板を製造する方法であって，集電箔の両面に未成電極層を有する原電極板を送出する原板送出部と，原板送出部から送出された原電極板に両面側から接触して未成電極層を電極層とするプレスロール対と，プレスロール対を通過した電極板を受ける電極板受取部と，プレスロール対の各ロールを，原電極板および電極板の搬送方向に回転させる駆動部とを用い，原板送出部，プレスロール対，および電極板受取部の位置関係を，原電極板および電極板が一方のロールに対して巻き付く配置としておき，駆動部による各ロールの駆動を，原電極板および電極板が巻き付かれる方のロールである内ロールの円柱面の移動速度よりも，もう一方のロールである外ロールの円柱面の移動速度が速くなるように行うものである。

上記態様における電極板の製造方法では，原板送出部から送出された原電極板の両面の未成電極層が，プレスロール対を通過するときに圧縮されて電極層となる。これにより原電極板が電極板となる。ここにおいて，プレスロール対の内ロールに原電極板ないし電極板が巻き付くとともに，巻き付きの内ロールよりも外ロールの方が速い移動速度で回転する設定となっている。このため，プレスロール対によるプレス時には未成電極層に対して，プレス荷重のみならず速度差に基づく剪断力も加わる。これにより，未成電極層がより強い圧縮を受けるので，プレス荷重以上の圧縮効果が得られる。このため，密度の高い良好な電極層を有する電極板が得られる。

上記態様の電極板の製造方法ではさらに，外ロールの円柱面の移動速度を，内ロールの円柱面の移動速度の１.０３～１.０５倍の範囲内とすることが好ましい。速度比がこの範囲内であれば，高い圧縮効果と，原電極板ないし電極板への過大な負荷の防止とを両立することが容易にできる。

上記のいずれかの態様の電極板の製造方法ではまた，原電極板および前記電極板の前記内ロールへの巻き付き角が３０～１２０°の範囲内であることが好ましい。巻き付き角がこの範囲内にあれば，内ロールによる原電極板および電極板の搬送が安定するとともに，原電極板および電極板の湾曲に伴うストレスが過大でない。

上記のいずれかの態様の電極板の製造方法ではさらに，原板送出部から，表裏の未成電極層の密度に差がある原電極板を，より高密度の未成電極層がプレスロール対にて内ロールの側に向くように送出することが好ましい。すなわち，より低密度の未成電極層がプレスロール対にて外ロールの側に向くように送出するのである。外ロール側では，移動速度が内ロールより速い分，未成電極層の表面と外ロールの表面との間に滑りがある。その分，外ロール側では内ロール側よりも圧縮効果が高い。このため，原電極板の表裏の未成電極層の密度差が緩和され，より均質な電極層を表裏に有する電極板が得られる。

本発明の別の一態様における電極板の製造装置は，集電箔の両面に電極層を有する電極板を製造する装置であって，集電箔の両面に未成電極層を有する原電極板を送出する原板送出部と，原板送出部から送出された原電極板に両面側から接触して未成電極層を電極層とするプレスロール対と，プレスロール対を通過した電極板を受ける電極板受取部と，プレスロール対の各ロールを，原電極板および電極板の搬送方向に回転させる駆動部とを有し，原板送出部，プレスロール対，および電極板受取部の位置関係が，原電極板および電極板が一方のロールに対して巻き付く配置に設定されており，駆動部は各ロールの駆動を，原電極板および電極板が巻き付かれる方のロールの円柱面の移動速度よりも，もう一方のロールの円柱面の移動速度が速くなるように行うものである。かかる製造装置により，前述の各態様の電極板の製造方法を実施することができる。

本構成によれば，設備の大型化・複雑化を抑制しつつ，高密度な電極層が得られるようにした，電極板の製造方法および製造装置が提供されている。

電極板の製造装置の構成を示す斜視図である。 プレスロール対によるプレス箇所付近での電極板の状況を示す断面図である。 プレスロール対の一方のロールへの電極板の巻き付き角を説明する正面図である。 本形態でのプレス力により電極層が圧縮される状況を示す拡大断面図である。 比較例でのプレス力により電極層が圧縮される状況を示す拡大断面図である。 両ロールの回転速度差と，電極率の密度上昇率との関係についての試験結果を示すグラフである。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，図１に示すように構成された電極板の製造装置および同装置により実施される電極板の製造方法として本発明を具体化したものである。

図１に示す電極板の製造装置１は，原板送出部２と，プレスロール対３と，電極板受取部４と，駆動部５とを有している。原板送出部２は，原電極板６をプレスロール対３へ向けて送り出す部位である。プレスロール対３は，原電極板６を厚さ方向に加圧して電極板７とする部位である。電極板受取部４は，プレスロール対３から電極板７を受け取って巻き取る部位である。駆動部５は，プレスロール対３の各ロールの回転を司る部分である。以下順に説明する。

原板送出部２は，ロール取付軸８と，テンションローラ９とを有している。ロール取付軸８は，原板コイル１０を取り付ける軸である。原板コイル１０は，原電極板６を巻き取ったものである。テンションローラ９は，原板コイル１０とプレスロール対３との間の原電極板６に張力を掛けるものである。

プレスロール対３は，第１ロール１１と第２ロール１２とを有するロール対である。第１ロール１１と第２ロール１２との間に原電極板６を通すようになっている。原電極板６はプレスロール対３を通ることで，厚さ方向にやや圧縮されて電極板７となる。

電極板受取部４は，テンションローラ１３と，巻き取り軸１４とを有している。巻き取り軸１４は，プレスロール対３を通って出てきた電極板７を巻き取って電極板コイル１５を形成するものである。テンションローラ１３は，プレスロール対３と電極板コイル１５との間の電極板７に張力を掛けるものである。さらに，テンションローラ９とテンションローラ１３とで，原電極板６および電極板７の第２ロール１２への巻き付き角が規定されるようになっている。巻き付き角については後述する。

駆動部５は，制御装置１６と，第１モータ１７と，第２モータ１８とを有している。第１モータ１７と第２モータ１８とで，第１ロール１１と第２ロール１２とを別々に回転駆動するようになっている。回転の向きはいずれも，原電極板６および電極板７を，搬送方向に原板送出部２から電極板受取部４へ推進する向きである。制御装置１６は，第１モータ１７および第２モータ１８を制御する装置である。これにより第１ロール１１と第２ロール１２とを，異なる円周速度で回転させることができるようになっている。第１ロール１１と第２ロール１２との回転速度の関係については後述する。

ここで原電極板６および電極板７について説明する。原電極板６と電極板７とは実際には同じものであり，プレスロール対３によるプレスを受ける前の未完成段階のものを原電極板６と呼び，電極板として完成段階に至ったプレス後のものを電極板７と呼び分けている。原電極板６および電極板７の構造を図２により説明する。図２には，プレスロール対３によるプレス箇所およびその前後における原電極板６および電極板７の状況を示している。

原電極板６は，集電箔１９の両面に未成電極層２０を形成したものである。電極板７は，集電箔１９の両面に電極層２１を形成したものである。電極層２１は，電極活物質を主成分として形成された層である。未成電極層２０は，プレスロール対３によるプレスを受けることにより厚さ方向に圧縮されて電極層２１となる，未完成の電極層である。すなわち未成電極層２０は，完成した電極層２１よりも密度が低いが，その点以外は特に違いのないものである。つまり原電極板６は，電極層２１の原料粉末と液成分とによる層形成を集電箔１９の両面に受けそして乾燥処理を経て，プレスロール対３によるプレスのみを残す段階のものである。このような段階のものを巻き取ったのが原板コイル１０である。

次に，第２ロール１２への巻き付き角について説明する。図３に，原電極板６および電極板７と，第２ロール１２との配置関係を示す。図３に示されるように，原電極板６および電極板７は，プレスロール対３を直線状に通過するのではなく，一方のロールに巻き付きつつ通過する。原電極板６および電極板７が巻き付いているのは，第２ロール１２である。すなわち原電極板６および電極板７は，第２ロール１２に対してはある程度の長さの区間に渡って接触している。一方，原電極板６および電極板７は，第１ロール１１に対してはほぼ一箇所で接触しているだけである。このため原電極板６および電極板７の搬送速度は，主として第２ロール１２の回転により支配されることとなる。

巻き付き角θについては，３０～１２０°の範囲内（より好ましくは３０～９０°の範囲内）が好ましい。巻き付き角θが小さすぎる（直線に近い）と，第２ロール１２の回転による原電極板６および電極板７の搬送が安定しない。一方，巻き付き角θが大きすぎる（Ｕターンに近い）と，原電極板６および電極板７に掛かる湾曲のストレスが大きくなるからである。なお図２では，巻き付き角θは無視して描いた。また，電極板の製造装置１としては，テンションローラ９とテンションローラ１３との少なくとも一方の位置を可変とすることで，巻き付き角θの調整機能を持たせることもできる。なお，巻き付き角θは，プレスロール対３より上流側での原電極板６の進行方向をプレスロール対３の下流側へ延長した方向と，プレスロール対３より下流側での電極板７の進行方向とがなす角である。

続いて，第１ロール１１と第２ロール１２との回転速度の関係について説明する。本形態の電極板の製造装置１では，第１ロール１１と第２ロール１２とで，回転による円柱面の移動速度に差を付けている。つまり，第１ロール１１と第２ロール１２とで径が同じだとすれば，回転速度が違うということである。以下，第１ロール１１と第２ロール１２とが同径であることとして説明する。

本形態では，第２ロール１２の回転速度より第１ロール１１の回転速度の方が速い設定としている。このため第１ロール１１は，原電極板６および電極板７の移動に対して過剰に回転することになる。前述のように原電極板６および電極板７の搬送速度は接触距離の長い第２ロール１２の回転速度により決まるからである。この，第１ロール１１および第２ロール１２により原電極板６の未成電極層２０に加わる力について説明する。図２に示す矢印Ｐ１，Ｐ２，Ｔ１，Ｔ２，Ｇ１，Ｇ２が，第１ロール１１および第２ロール１２による挟み付け箇所にて未成電極層２０に加わる力を示している。これらはそれぞれ，次の力である。

Ｐ１……第１ロール１１から上側の未成電極層２０に加わる圧縮力
Ｐ２……第２ロール１２から下側の未成電極層２０に加わる圧縮力
Ｔ１……第１ロール１１から上側の未成電極層２０に加わる剪断力
Ｔ２……第２ロール１２から下側の未成電極層２０に加わる剪断力
Ｇ１……力Ｐ１と力Ｔ１との合力
Ｇ２……力Ｐ２と力Ｔ２との合力

このうち，力Ｐ１と力Ｐ２とは，厚さ方向の力であり，互いに逆向きで大きさは等しい。力Ｔ１と力Ｔ２とは，搬送方向の力である。ただし力Ｔ１が前向きであるのに対し力Ｔ２は後ろ向きの力である。力Ｔ１が前向きであるのは，過剰に回転する第１ロール１１により上側の未成電極層２０が推進される形となるからである。力Ｔ２が後ろ向きであるのは，第１ロール１１による過剰な推進に対して，回転の遅い第２ロール１２が制動する形となるからである。そして力Ｔ１と力Ｔ２との大きさを比較すると，力Ｔ１の方が力Ｔ２より大きい。前述の回転速度の差による。ただしこの力Ｔ１と力Ｔ２との大きさの差は，第１ロール１１と上側の未成電極層２０との間の滑りによって吸収されている。力Ｔ１と力Ｔ２との大きさの差のため，合力Ｇ１と合力Ｇ２との大きさに関しても，合力Ｇ１の方が合力Ｇ２より大きいことになる。

本形態のプレスロール対３では原電極板６の未成電極層２０に，上記で合力Ｇ１と合力Ｇ２として説明した斜め方向の力が印加される。このため図４に示すように，プレスによる未成電極層２０の構成粒子の移動が起こりやすい。このため，プレスでの荷重がさほど大きくなくても，圧縮効果が高い。これに対して厚さ方向のプレス力Ｐ１のみが掛かる場合には，図５に示すように，プレス力に対して構成粒子の位置の安定性が高い。このため，プレスの荷重を大きくしてＰ１そのものを大きくしないと，高い圧縮効果が得られない。第１ロール１１と第２ロール１２とで回転速度に差がない場合には図５のようになりやすい。本形態では，第１ロール１１と第２ロール１２とで回転速度に差を付けることで，図４に示した高い圧縮効果が得られるようにしているのである。なお集電箔１９は，金属箔であり電極層２１と比べてはるかに硬度が高いため，プレスロール対３でほとんど圧縮されない。

さらに，上記から分かるように本形態では，原電極板６の表裏両面の未成電極層２０のうち第１ロール１１側の方の未成電極層２０に，より大きい圧縮力が掛かる。これも第１ロール１１と第２ロール１２との回転速度差に起因する。そしてその分，プレスによる圧縮効果も，第２ロール１２の側の未成電極層２０よりも第１ロール１１側の未成電極層２０の方がやや大きい。

このため，もともとの原電極板６において表裏の未成電極層２０間に密度の差がある場合に，プレスロール対３を通すことでその密度差を緩和することができる。すなわち，より密度の高い方の未成電極層２０が第２ロール１２の方を向くように，原板コイル１０をロール取付軸８に取り付ければよい。

実際には，原電極板６における表裏の未成電極層２０間には密度差がある場合が多い。その理由は原電極板６の製造過程にある。原電極板６の製造過程では多くの場合，表裏の未成電極層２０を同時に形成するのではなく片面ずつ順次形成するからである。未成電極層２０の形成の都度，目付量調整や平坦化のためのプレスが行われるので，先に形成された方の未成電極層２０はプレスを２回経験してしまうからである。本形態の製造装置１では，このような表裏の密度差を軽減した電極板７を得ることができる。原電極板６における表裏の未成電極層２０の密度差が小さい場合や，製品である電極板７における表裏の電極層２１の密度差の許容限度が大きい場合には，原板コイル１０の取り付け方が逆向きであっても問題はない。

ここで，第１ロール１１と第２ロール１２との回転速度差と，未成電極層２０から電極層２１への密度上昇率との関係を図６により説明する。本発明者はこの関係についての試験を，以下の条件で行った。
電極板の種類：厚目付正極板
プレス荷重（線圧）：９８００Ｎ／ｃｍ
搬送速度：１０ｍ／分
ロール径：３９ｃｍ（第１ロール１１，第２ロール１２とも）
巻き付き角θ：３０°

本試験では，第２ロール１２の回転速度を上記の搬送速度を実現するための回転速度で一定とし，第１ロール１１の回転速度を振ることで回転速度差を実現した。そして，プレス後における第１ロール１１側の電極層２１の密度（プレス後密度）を，目付量（面積当たりの付着量）と層厚とから算出した。これが高いほど良であり，低いほど不良である。

結果を図６のグラフに示す。図６のグラフにおける横軸は，第１ロール１１と第２ロール１２との回転速度の比を示している。すなわち横軸中の「１」は，両ロールの回転速度が同一である場合を示している。グラフ中で右へ行くほど，第１ロール１１の回転速度が速いことを意味し，逆に左へ行くほど，第１ロール１１の回転速度が遅いことを意味する。縦軸は，第１ロール１１側の電極層２１の密度変化指数を示している。ここでは密度変化指数を次のように定義している。「基準密度」とは，回転速度比が１である場合における第１ロール１１側のプレス後密度，である。
密度変化指数 ＝ 第１ロール１１側のプレス後密度／基準密度

図６中では，各回転速度比における密度変化指数がプロットされている。菱形マークによるプロットは，電極板に破断が生じず正常にプレスがなされたことを示している。罰点マークによるプロットは，電極板に破断が生じたことを示している。その場合でも密度変化指数の算出は可能であった。

図６中では，横軸が「１」のところで密度変化指数が「１」となっている。これは前述の用語の定義から当然である。これよりも右へ行くと，すなわち第１ロール１１の回転速度が速くなると，「１」より大きな密度変化指数が得られている。ただし回転速度比が１．０６を超えると，電極板に破断が生じてＮＧとなった。図６より，特に優れた回転速度比といえるのは，図中に「安定領域」として示している１.０３～１.０５の範囲内であることが分かる。１．０４以上という高めの密度変化指数が得られつつ，電極板に破断が生じることもないからである。

一方，図６中で横軸における「１」より左側の領域を見ると，右側とは異なり，特に良好な範囲といえる領域は見当たらない。速度比０．９９のところで多少密度変化指数の上昇が見られるものの，電極板に破断が非常に生じやすいからである。すなわち，速度比０．９８程度の，第１ロール１１の回転速度を第２ロール１２の回転速度よりほんの少し遅くしただけで破断が起こっている。このように，両ロールの回転速度の大小関係を本形態とは逆向きにすることは，好ましくないのである。

本形態の電極板の製造装置１での電極板の製造は，次のようにして行われる。すなわち，原板コイル１０をロール取付軸８に取り付ける。その際前述のように，未成電極層２０同士の密度差を考慮した向きに取り付けるのがよい。そして，原板コイル１０から引き出される原電極板６を，テンションローラ９を介してプレスロール対３に進入させる。プレスロール対３の各ロールは前述の回転速度の関係となるように回転させておく。プレスロール対３を通過してきた電極板７を，テンションローラ１３を介して巻き取り軸１４へ導き，巻き取って電極板コイル１５とする。これにより前述のように良好な電極板７が得られる。

以上詳細に説明したように本実施の形態によれば，プレスロール対３の一方のロール（第２ロール１２）に対して原電極板６および電極板７が巻き付く配置とするとともに，巻き付きの外側となる第１ロール１１がより高速となるように，両ロールの回転速度に差を付けている。これにより効率よく未成電極層２０を圧縮して，良好な電極層２１を有する電極板７を得るようにしている。こうして，プレスロール対３をあまり大荷重対応のものとしなくても，高密度な電極層２１が得られる，電極板の製造方法および製造装置１が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，前記実施の形態では，第１ロール１１および第２ロール１２にそれぞれモータ（第１モータ１７および第２モータ１８）を設けて別々に駆動した。しかしこれに限らず，共通の１つのモータで第１ロール１１と第２ロール１２との両方を駆動し，駆動伝達のギヤ比により回転速度差を出すようにしてもよい。

前記実施の形態ではまた，第１ロール１１と第２ロール１２とを同径とし，それらの回転速度差により円柱面の移動速度差を実現することとした。しかしこれに限らず，第１ロール１１と第２ロール１２との回転速度を同一とし，代わりに第１ロール１１と第２ロール１２とを異径とすることで円柱面の移動速度差を出してもよい。むろん，第１ロール１１と第２ロール１２とで半径と回転速度とのいずれもが異なり，円柱面の移動速度差も異なるようにしてもよい。

また，原板送出部２にて原板コイル１０を使用することは必須ではない。原電極板６を製造する装置から直接に原電極板６を受け入れてプレスロール対３に進入させるように構成してもよい。同様に電極板受取部４にて電極板７を巻き取ることも必須ではない。電極板７に次段階の処理を施す装置に直接に電極板７を送り込むように構成してもよい。また，製造する電極板は，リチウムイオン電池，ニッケル水素電池，全固体電池等，いかなる種類の電池のものでもよい。また，正極板，負極板のいずれでもよい。

１ 電極板の製造装置
２ 原板送出部
３ プレスロール対
４ 電極板受取部
５ 駆動部
６ 原電極板
７ 電極板
８ ロール取付軸
９ テンションローラ
１１ 第１ロール
１２ 第２ロール
１３ テンションローラ
１４ 巻き取り軸
１９ 集電箔
２０ 未成電極層
２１ 電極層
θ 巻き付き角

Claims (5)

1. 集電箔の両面に電極層を有する電極板を製造する電極板の製造方法であって，
   集電箔の両面に未成電極層を有する原電極板を送出する原板送出部と，
   前記原板送出部から送出された原電極板に両面側から接触して前記未成電極層を電極層とするプレスロール対と，
   前記プレスロール対を通過した電極板を受ける電極板受取部と，
   前記プレスロール対の各ロールを，前記原電極板および前記電極板の搬送方向に回転させる駆動部とを用い，
   前記原板送出部，前記プレスロール対，および前記電極板受取部の位置関係を，前記原電極板および前記電極板が一方のロールに対して巻き付く配置としておき，
   前記駆動部による前記各ロールの駆動を，前記原電極板および前記電極板が巻き付かれる方のロールである内ロールの円柱面の移動速度よりも，もう一方のロールである外ロールの円柱面の移動速度が速くなるように行うことを特徴とする電極板の製造方法。
2. 請求項１に記載の電極板の製造方法であって，
   前記外ロールの円柱面の移動速度を，前記内ロールの円柱面の移動速度の１.０３～１.０５倍の範囲内とすることを特徴とする電極板の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の電極板の製造方法であって，
   前記原電極板および前記電極板の前記内ロールへの巻き付き角が３０～１２０°の範囲内であることを特徴とする電極板の製造方法。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の電極板の製造方法であって，
   前記原板送出部から，表裏の未成電極層の密度に差がある原電極板を，より高密度の未成電極層が前記プレスロール対にて前記内ロールの側に向くように送出することを特徴とする電極板の製造方法。
5. 集電箔の両面に電極層を有する電極板を製造する電極板の製造装置であって，
   集電箔の両面に未成電極層を有する原電極板を送出する原板送出部と，
   前記原板送出部から送出された原電極板に両面側から接触して前記未成電極層を電極層とするプレスロール対と，
   前記プレスロール対を通過した電極板を受ける電極板受取部と，
   前記プレスロール対の各ロールを，前記原電極板および前記電極板の搬送方向に回転させる駆動部とを有し，
   前記原板送出部，前記プレスロール対，および前記電極板受取部の位置関係が，前記原電極板および前記電極板が一方のロールに対して巻き付く配置に設定されており，
   前記駆動部は前記各ロールの駆動を，前記原電極板および前記電極板が巻き付かれる方のロールの円柱面の移動速度よりも，もう一方のロールの円柱面の移動速度が速くなるように行うものであることを特徴とする電極板の製造装置。
   

Images