JP7293271B2 - 電極板の製造方法 - Google Patents

Description

本開示技術は，電極板の製造方法に関する。

従来から，電池等における電極板として，集電箔とその表面上の電極層とを有するものが用いられている。電極板は一般的に，集電箔に電極層を塗工することで製造される。集電箔のうち一部分が，電極層を有しない非塗工部とされる。電池における集電構造のためである。電極層の塗工を受けた電極板に対して，電池に組み込んだ状態での充放電性能のためのプレスを行うことがある。

そのプレスの技術として，特許文献１に記載されているものを挙げることができる。同文献の技術では，塗工部の部分へのプレスを行うロールプレス機の入側にしわ発生防止装置を設置している。しわ発生防止装置は，非塗工部の部分をプレスすることで，電極板におけるしわ，そりの発生を防止する装置である。ロールプレス機でのプレスが塗工部のみに作用することによる集電箔の不均一な伸びがしわやそりの原因となるからである。

特開2019-102172号公報

前記した従来の技術には，次のような問題点があった。しわ発生防止装置がかえって集電箔を破損させてしまう場合があるのである。その理由は，集電箔がもともと，プレスで容易に延伸できるものではないことにある。集電箔はごく薄い金属箔であるため，上下のプレスロールのアライメントにわずかなずれがあっても，荷重が適切に掛からないからである。

本開示技術は，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，非塗工部を適切にプレスして，塗工部と非塗工部とでの伸びの不均一が小さい電極板を製造できる電極板の製造方法を提供することにある。

本開示技術の一態様における電極板の製造方法は，集電箔とその表面上の電極層とを有し，幅方向の一部が集電箔と電極層とをいずれも有する塗工部であるとともに，幅方向の残部が集電箔を有し電極層を有しない非塗工部である電極板を製造する方法であって，塗工部を厚み方向にプレスする本プレス工程と，本プレス工程の前または後に非塗工部の集電箔をプレスすることで，本プレス工程の後における塗工部の集電箔と非塗工部の集電箔との伸び差を緩和する矯正プレス工程とを行い，矯正プレス工程では，集電箔と，集電箔をプレスするプレス部材との間に，集電箔よりも弾性率の低い材質の合成樹脂の弾性体を，少なくとも集電箔の片面側にて挟み込みつつプレスを行うことによるものである。むろん，弾性体を集電箔の両いずれの側にても挟み込みつつ矯正プレス工程を行うことがより好ましい。

上記態様における電極板の製造方法では，電極板に対して，本プレス工程を行うだけでなく矯正プレス工程をも行う。そして矯正プレス工程では弾性体を介してプレスすることで，非塗工部の集電箔を確実に押圧して延伸させるようにしている。これにより，本プレス工程と矯正プレス工程との両方を行った後の状態にて，塗工部と非塗工部とでの集電箔の伸びがあまり大きく異ならないようにしている。矯正プレス工程による伸び差の緩和は，本プレス工程の後で行ってもよいし先に行っておいてもよい。

本開示技術によれば，非塗工部を適切にプレスして，塗工部と非塗工部とでの伸びの不均一が小さい電極板を製造できる電極板の製造方法が提供されている。

実施の形態で製造する電極板の斜視図である。 本プレス工程を示す模式図である。 矯正プレス工程を示す模式図である。 本形態の矯正プレス工程を行う装置の構成例を示す図である。 矯正プレス工程による伸び率の試験の手順を示す斜視図である。 第１の試験の結果を示すグラフである。 第２の試験の結果を示すグラフである。 第３の試験の結果を示すグラフである。

以下，本開示技術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に示す電極板１を製造する方法として本開示技術を具体化したものである。図１の電極板１は，集電箔２とその表面上の電極層３とを有している。電極板１では，幅方向の一部が集電箔２と電極層３とをいずれも有する塗工部４となっており，幅方向の残部が集電箔２を有し電極層３を有しない非塗工部５となっている。電極板１の幅方向における両端付近に非塗工部５があり，中央を含む残部が塗工部４である。

本形態では，電極板１がリチウムイオン電池の正極板である場合について説明する。このため集電箔２はアルミ箔であり，電極層３の主成分はニッケルコバルトマンガン酸リチウムであることとする。本形態では，集電箔２の表面上への電極層３の形成が済んでいる状態を出発材とし，この出発材に対して下の２つのプレス工程を行うことで電極板１を完成させる。これら２つのプレス工程を経ていない段階のものを電極板１と称することもあるがそれは本開示技術においては未完成のものである。
１． 本プレス工程
２． 矯正プレス工程

本プレス工程は，電極板１のうち塗工部４の部分を厚み方向にプレスする工程（図２）である。電極層３の密度を上昇させることで電極板１の充放電性能を向上させるために行われる。矯正プレス工程は，電極板１のうち非塗工部５の部分の集電箔２を厚み方向にプレスする工程（図３）である。本プレス工程と矯正プレス工程との順序は，どちらが先でもよい。

本プレス工程に加えて矯正プレス工程を行うのは，集電箔２の伸びの不均一を緩和するためである。本プレス工程では前述のように，塗工部４を厚み方向にプレスする。これにより圧縮されるのは主として電極層３である。より硬い集電箔２は，電極層３に比べればあまり圧縮されない。しかし全く圧縮されない訳ではなく多少は圧縮される。このため，全く圧縮されない非塗工部５の集電箔２と多少圧縮される塗工部４の集電箔２とで伸び率の差が生じる。この伸び率の差による集電箔２の破損あるいは変形を防止するため，矯正プレス工程を行うのである。

このため矯正プレス工程では図３に示されるように，非塗工部５の集電箔２を加圧ロール６のペアで表裏からプレスする。これにより非塗工部５の集電箔２を厚み方向にプレスする。加圧ロール６は，集電箔２をプレスするプレス部材である。この矯正プレス工程を本プレス工程とともに行うことで，本プレス工程のみを行った場合と比較して，非塗工部５の集電箔２と塗工部４の集電箔２とでの伸び率の差を軽減するのである。

本形態の矯正プレス工程ではさらに，図３に示されるように，集電箔２と加圧ロール６との間に弾性体７を挟み込みつつプレスを行う。弾性体７は，合成樹脂等，集電箔２よりも弾性率の低い材質のものである。加圧ロール６自体は金属製であり，弾性体７は加圧ロール６と比べても弾性率の低い材質のものである。弾性体７を挟み込むことで，集電箔２にダメージを及ぼすことなく適切に矯正プレス工程を行うことができるようにしている。

もし弾性体７を介することなく加圧ロール６で集電箔２を直接に圧縮して矯正プレス工程を行うと，矯正プレス工程を適切に行うことが困難である。加圧ロール６のアライメントがわずかでもずれていると，そのことだけで非塗工部５の集電箔２の全体に荷重を適切に掛けることができないからである。仮にアライメントが正しく荷重を適切に掛けることができたとしても，金属対金属の接触により集電箔２のアルミの一部が剥がれて微粉が発生してしまう。本形態では弾性体７を介することでこのような事態を防いでいる。

本形態の矯正プレス工程を行う装置の構成例を図４に示す。図４の装置は，加圧ロール６のペアの他に，フィルム供給部８とフィルム回収部９とを有している。フィルム供給部８およびフィルム回収部９は，プレス対象である電極板１の上側と下側とにそれぞれ設けられている。上側のフィルム供給部８から供給された樹脂フィルム１０を上側のフィルム回収部９で回収し，下側のフィルム供給部８から供給された樹脂フィルム１０を下側のフィルム回収部９で回収する。この装置では，図３における弾性体７として樹脂フィルム１０を使用している。図３との対比から明らかなように，実際の装置では，図４に示されているものが紙面と垂直な方向に２組並列に存在している。対象とする電極板１が多条塗りのものである場合にはもっと多くの組数が並列に存在しているものを用いることとなる。

この装置では，電極板１を加圧ロール６のペアの間に通しつつ，上側の樹脂フィルム１０を上側の加圧ロール６と電極板１との間に，下側の樹脂フィルム１０を下側の加圧ロール６と電極板１との間に，それぞれ通す。その状態で加圧ロール６のペアを電極板１を押し付けつつ電極板１を通過させることで矯正プレス工程を行う。図４の装置構成は，樹脂フィルム１０が１回のみ使用可能であることを前提としている。樹脂フィルム１０としてある程度の耐久性のあるものを用いる場合には，複数回にわたり使用する装置構成とすることも可能である。図４の装置の上流側または下流側にて，前述の本プレス工程が行われる。

以下，矯正プレス工程の効果についての試験結果を説明する。この試験では，短冊状のアルミ箔を，集電箔に相当する試験片とし，これに矯正プレス工程と同じプレスを施した。その際のプレス前後でのアルミ箔の伸び率を測定した。より詳細には，弾性体７の種類を変更して伸び率を比較する第１の試験と，プレスの押圧力を変更して伸び率を比較する第２の試験と，弾性体７の厚さを変更して伸び率を比較する第３の試験とを行った。

具体的には，図５に示す手順で行った。すなわち，まず試験片（アルミ箔）１１に，延伸方向に隔てた２箇所のマーキング１２を付し，マーキング１２同士の間隔Ａを測定する。そして試験片１１を２枚の弾性体７の間に配置して重ね合わせ，試験片１１と弾性体７との積層体を加圧ロール６のペアで表裏からプレスする。プレス後に弾性体７を取り除いてマーキング１２同士の間隔Ｂを測定する。弾性体７は毎回新品を使用した。間隔Ａがプレス前の長さ，間隔Ｂがプレス後の長さであり，次式で伸び率が算出される。
伸び率 ＝ （Ｂ－Ａ）／Ａ

試験時の諸条件を説明する。まず，第１の試験および第２の試験に共通する事項を述べる。
加圧ロール６の直径：１００ｍｍ
試験片１１の厚さ：１２μｍ（プレス前）
試験片１１の搬送速度：１．６ｃｍ／秒
通し回数：１回

第１の試験について説明する。第１の試験では，４種類の樹脂材料による弾性体７を用意し，これらと弾性体なしとの計５水準の伸び率測定を行った。プレスの押圧力（線圧）は，５ｋＮ／ｃｍとした。弾性体７の厚さは，１００μｍ（プレス前）とした。

弾性体７として使用した樹脂材料の種類およびそれらのヤング率（圧縮弾性率）を表１（本発明者による測定値）に示す。これらの樹脂材料はいずれも，集電箔２や試験片１１の材質であるアルミ（『「砥石」と「研削・研磨」の総合情報サイト』中のヤング率一覧表によればヤング率約７０ＧＰａ）より低弾性率のものであることが分かる。

第１の試験の結果は，図６に示す通りであった。図６では樹脂材料の種類（「なし」は弾性体なし）ごとに，試験片１１の上記の伸び率を示している。４種類の樹脂材料のうちどれを使った場合でも，「なし」と比較して有意に高い伸び率が得られている。このことは，弾性体なしの場合に生じる前述の弊害を，弾性体７を使用することにより軽減できることを意味している。図６ではさらに，使用した樹脂材料のヤング率の値が小さいほど，つまり柔軟性が高いほど，高い伸び率が得られることが示されている。これより，柔軟な材質の弾性体を使用すると，より高い効果が得られることが分かる。

第２の試験について説明する。第２の試験では，プレスの押圧力を３水準に振ってそれぞれの押圧力での伸び率を測定した。第２の試験における弾性体７の材質としては，前述の４種類のうちのＰＶＣを使用した。弾性体７の厚さは，第１の試験と同じく１００μｍ（プレス前）とした。

第２の試験の結果は，図７に示す通りであった。図７ではプレスの押圧力の水準ごとに，試験片１１の上記の伸び率を示している。図７を見ると，押圧力が高いほど伸び率も高いことが分かる。図７中の３水準のうち最も高いプレス押圧力は，前述の第１の試験の際のプレス押圧力と同じである。図７によれば，それよりも低いプレス押圧力であっても，図６中の「なし」と比較して有意に高い伸び率が得られることが分かる。ＰＶＣ以外の種類の弾性体７を使用した場合でも同様の傾向になるものと考えられる。

第３の試験について説明する。第３の試験では，弾性体７の厚さを３水準に振ってそれぞれ伸び率を測定した。第３の試験の試験における弾性体７の材質としては，前述の４種類のうちのＰＥＴを使用した。プレスの押圧力は，第１の試験と同じく５ｋＮ／ｃｍとした。

第３の試験の結果は，図８に示す通りであった。図８では弾性体７の厚さごとに，試験片１１の上記の伸び率を示している。図８を見ると，弾性体７が厚いほど伸び率も高いことが分かる。図８中の３水準のうち最も厚い１００μｍは，前述の第１の試験の際の弾性体７の厚さと同じである。図８によれば，それよりも薄い弾性体７を使用した場合であっても，図６中の「なし」と比較して有意に高い伸び率が得られることが分かる。ＰＥＴ以外の種類の弾性体７を使用した場合でも同様の傾向になるものと考えられる。

上記の第１，第２，および第３の試験は，矯正プレス工程に相当するプレスのみを行ったものであり，本プレス工程と矯正プレス工程とを合わせ行ったものではない。しかしながら第１～第３の試験から，弾性体の材質，厚さの選択およびプレスの押圧力の設定により，非塗工部５の集電箔２の伸び率をコントロールできることが分かる。これより，本プレス工程による塗工部４の集電箔２の伸び率があらかじめ分かっていれば，それに合わせて矯正プレス工程の条件を選べばよいことが分かる。これにより，電極板１に対して本プレス工程と矯正プレス工程とをいずれも行った後における非塗工部５と塗工部４とでの集電箔２の伸び率の差異をごく小さいものとすることができる。

以上詳細に説明したように本実施の形態によれば，集電箔２の表面上の電極層３の形成が済んでいる状態の電極板１に対して，塗工部４をプレスする本プレス工程と，非塗工部５をプレスする矯正プレス工程とを行い，矯正プレス工程では弾性体７を介して集電箔２をプレスすることとしている。これにより，非塗工部５を適切にプレスして，塗工部４と非塗工部５とでの集電箔２の伸びの不均一が小さい電極板１を製造できる電極板の製造方法が実現されている。本実施の形態の方法を経て完成した電極板１では，集電箔２のしわやそり，破損が生じる可能性が著しく低い。

本実施の形態および実施例は単なる例示にすぎず，本開示技術を何ら限定するものではない。したがって本開示技術は当然に，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，対象となる電極板の種類は，リチウムイオン電池の正極板に限らず他のものでもよい。弾性体を電極板の片面に対してのみ介在させる態様であってもある程度の効果はあり，本開示技術の範囲内に含まれる。矯正プレス工程を行う装置構成は，図４に示したものには限られない。樹脂フィルム１０として耐久性のあるものを使用する場合には，樹脂フィルム１０を循環させることで，ある程度の回数にわたり反復して使用するように構成されたものであってもよい。

１ 電極板
２ 集電箔
３ 電極層
４ 塗工部
５ 非塗工部
６ 加圧ロール
７ 弾性体

Claims (1)

1. 集電箔とその表面上の電極層とを有し，幅方向の一部が前記集電箔と前記電極層とをいずれも有する塗工部であるとともに，幅方向の残部が前記集電箔を有し前記電極層を有しない非塗工部である電極板を製造する電極板の製造方法であって，
   前記塗工部を厚み方向にプレスする本プレス工程と，
   前記本プレス工程の前または後に前記非塗工部の前記集電箔をプレスすることで，前記本プレス工程の後における前記塗工部の前記集電箔と前記非塗工部の前記集電箔との伸び差を緩和する矯正プレス工程とを行い，
   前記矯正プレス工程では，前記集電箔と，前記集電箔をプレスするプレス部材との間に，前記集電箔よりも弾性率の低い材質の合成樹脂の弾性体を，少なくとも前記集電箔の片面側にて挟み込みつつプレスを行う電極板の製造方法。

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