JP2005538850A - アルカリ金属又はその合金の薄層化プロセス及び薄層化装置 - Google Patents
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Abstract
リチウム又はリチウム合金のシートを薄いリチウム又はリチウム合金のフィルムにする薄層化プロセスによって、電気化学的電池用のリチウム又はリチウム合金製のアノードを製造するための装置及び方法を提供する。本方法及び装置は、一対の加工ローラーの向き合った表面によって画成される輪郭を調節して加工ローラーの熱膨張を補償し、又はリチウム又はリチウム合金のシートの不均等な厚さを補償し、フィルムの形状及び輪郭を制御する。
Description
本発明は、全体として、リチウム金属ポリマー電池に関し、更に詳細には、アルカリ金属又はその合金のシートを薄層化(ラミネート)し、好ましくはポリマー電解質とともに電気化学的電池のアノードとして使用することができる薄いフィルムにするプロセス及び装置に関する。
固体ポリマー電解質及び薄いフィルム状のアノード及びカソードの積層体から製造された充電式バッテリーは、従来の液体電解質バッテリーを上回る多くの利点を備えている。これらの利点には、バッテリーが全体として軽量であり、出力密度が高く、比エネルギーが高く、使用寿命が長く、有毒な液体が環境に漏れる危険がないために環境に優しい、ということが含まれる。
固体ポリマーバッテリーの構成要素には、正極、負極、及びこれらの電極間に挟まれた固体ポリマー電解質等の導イオン性絶縁体が含まれる。アノード又は負極は、通常は、アルカリ金属や合金、代表的にはリチウム金属やリチウム−アルミニウム合金等の軽金属のフィルムでできている。複合カソード又は正極は、通常は、遷移金属酸化物等の活性材料、導電性充填材、通常は炭素粒子、導イオン性ポリマー電解質、及び通常は薄いアルミニウムシートである電流コレクタを含む。薄い複合カソードフィルムは、通常は、電流コレクタにコーティングを施すことによって得られる。
厚さが75μm以下で幅が例えば10cm以上と広幅の帯状をなした長さが数百mの薄いリチウムフィルムを迅速に且つ信頼性のある方法で製造する上で、化学反応性、展性、低い機械的強度、接触するだけでそれ自体が急速に溶接し、多くの固体、例えば通常の金属に強固に付着するといった、この金属の極端な物理的及び化学的性質に起因する重要な技術的困難に直面する。
この困難は、特定の金属及び化学製品の供給者が、厚さが40μm及びそれ以下の十分な表面及び長さの、適切な表面仕上げが施してあり且つ適当な化学的性質を備えた薄いリチウムフィルムをリチウム電池で使用する場合の困難性によって確認される。
現在、75μm及びそれ以上のシートを連続的に製造するためには、冷間押出しを使用する。これらの厚さは、全体として、液体電解質を使用するリチウム電池の製造に適合する。厚さをこれ以上薄くするため、押出しによって得られたフィルムを、その後、硬質材料製のローラー間で薄層化する。これらのプロセスは、30μm乃至75μmの限られた量のシートの製造について説明されており、商業的に使用される。
米国特許第3,721,113号には、多数の連続した積層体が、硬質プラスチック製のフィルムによって保護された鋼製ローラー間を通過するプロセスが記載されている。これらのフィルムはリチウムに対して非反応性であり、30μm乃至40μmの薄いフィルムを提供する上で必要とされる。米国特許第4,824,746号には、溶融リチウムをプラスチック製支持体上にコーティングすることに基づく別のプロセスが記載されている。
大規模な製造プロセスでは、ポリマー電解質電池を製造するために稠密なリチウムを15μm乃至40μmの厚さに効率的に薄層化する上で多くの困難がある。第1に、薄層化済みのリチウム金属は、多くの場合、接触した薄層化ローラーと反応し、及び/又は変形し、付着する。この問題点は、米国特許第5,837,401号、米国特許第5,528,920号、及び米国特許第6,019,801号に記載されているように潤滑剤を使用することにより解決された。潤滑剤は、薄い薄層化済みのリチウムフィルムが薄層化ローラーと反応したりこれらのローラーに過度に付着したりしないようにし、結果的に得られた電気化学的電池の電気化学性に影響しない添加剤を含む。第2に、リチウム又はその合金が極めて脆性であるため、薄層化ローラーを出るリチウムフィルムに極めて小さい引張力しか及ぼすことができない。例えば、リチウムのフィルムは、その弾性の下限である579.13kPa以上の引張力で切れてしまう。従って、リチウムフィルムが切れたり破れたりしないように引張力を精密に監視し且つ制御しなければならず、従って、費用のかかる製造中断を行わなければならない。
第3に、5μm乃至50μmの厚さに関し、リチウム又はその合金のフィルムをその全幅に亘って一定の厚さに薄層化するのは困難である。従来の薄層化プロセスでは、薄層化したリチウムフィルムの幅に亘り、厚さのばらつきが生じ、これにより薄層化作業中にリチウムフィルムが切れてしまい、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルムを電気化学的電池について不適切なものにしてしまう。
かくして、リチウム又はリチウム合金の薄いフィルムを一回通過させるだけで薄層化するように構成された、従来技術の制限がなく且つ一定の厚さのフィルムを提供する方法及び装置が必要とされている。
本発明の目的は、リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化し、制御された厚さの薄いフィルムにする方法を提供することである。
本発明の別の目的は、リチウム又はリチウム合金の制御された厚さの薄いフィルムを製造するように構成された薄層化装置を提供することである。
実施化され且つ広範に説明したように、本発明は、リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化して薄いフィルムにする方法を提供する。この方法は、
リチウム又はリチウム合金のシートに薄層化潤滑剤を塗布する工程と、
リチウム又はリチウム合金のシートを、潤滑剤とともに、一対の加工ローラーの向き合った表面間に通し、リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する工程と、
前記一対の加工ローラーの前記向き合った表面によって画成された輪郭を調節し、前記薄層化が行われた厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムの形状及び輪郭を制御する工程と、
前記リチウム又はリチウム合金のフィルムに張力を加えることによって、前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを前記一対の加工ローラーの間から取り出す工程を含む。
リチウム又はリチウム合金のシートに薄層化潤滑剤を塗布する工程と、
リチウム又はリチウム合金のシートを、潤滑剤とともに、一対の加工ローラーの向き合った表面間に通し、リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する工程と、
前記一対の加工ローラーの前記向き合った表面によって画成された輪郭を調節し、前記薄層化が行われた厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムの形状及び輪郭を制御する工程と、
前記リチウム又はリチウム合金のフィルムに張力を加えることによって、前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを前記一対の加工ローラーの間から取り出す工程を含む。
好ましい実施形態では、一対の加工ローラーの端部に力を加え、各加工ローラーを湾曲させることにより、これらのローラーの向き合った表面が画成する輪郭を変更する。有利には、加工ローラーは、これらのローラーを曲げ易くする凸状円筒形形状を有する。
実施化され且つ広範に説明したように、本発明は、更に、リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化して薄いフィルムにするための装置を提供する。この装置は、
リチウム又はリチウム合金のシートを供給する供給ローラーと、
薄層化潤滑剤分配ユニットと、
リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する薄層化面を画成する一対の加工ローラーと、
一対の加工ローラーの向き合った表面によって画成された薄層化面の輪郭を調節するための調節手段と、
厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを巻き取るための巻取りローラーを含み、この巻取りローラーは所定の張力が加わった前記フィルムを巻き取るための駆動手段に連結されている。
リチウム又はリチウム合金のシートを供給する供給ローラーと、
薄層化潤滑剤分配ユニットと、
リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する薄層化面を画成する一対の加工ローラーと、
一対の加工ローラーの向き合った表面によって画成された薄層化面の輪郭を調節するための調節手段と、
厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを巻き取るための巻取りローラーを含み、この巻取りローラーは所定の張力が加わった前記フィルムを巻き取るための駆動手段に連結されている。
好ましい実施形態では、加工ローラーは、これらの加工ローラーの各々が湾曲することにより、これらの加工ローラーの向き合った表面によって画成される薄層化面の輪郭を変化させるように加工ローラーの端部分に力を加える支持部材に取り付けられている。
本発明及びその他の利点は、以下の説明及び添付図面により更によく理解されるであろうし、明らかになるであろう。
図1を参照すると、この図には、押出しによって予備成形した約125μm乃至250μmのリチウム又はリチウム合金のシート14から、約20μm乃至40μmのリチウム又はリチウム合金のフィルム12を製造するように構成された薄層化装置10が概略的に示してある。薄層化装置10は、主フレーム16、一対の薄層化ローラー18a及び18b、薄層化ローラー18aと隣接しており且つ接触した第1バックアップローラー20a、薄層化ローラー18bと隣接しており且つ接触した第2バックアップローラー20b、及び二つの薄層化潤滑剤分配ユニット22a及び22bを含む。薄層化ローラー即ち加工ローラー18a及び18b並びにバックアップローラー20a及び20bは、以下に更に詳細に説明するように、支持フレーム50及び52に取り付けられる(図3参照)。
リチウム又はリチウム合金製の押出しシート14が巻き付けられたロール24が供給ローラー26に配置されている。このローラーは、リチウムシート14の張力を薄層化ローラー18a及び18bに到達する前に制御するように構成された駆動モータ制御ユニット(図示せず)を含む。約125μm乃至250μmのリチウムシート14は、一連の自由ローラー28を通って蛇行し、移動するリチウムシート14の正確な速度を計測する第1エンコーダローラー41に至り、次いで、薄層化装置10に進入するリチウムシート14に作用する張力を正確に計測するように構成されたロードセルが設けられた第1張力ローラー43を通過する。張力ローラー43のロードセルは、リチウムシート14に及ぼされた張力を自動的に調節するため、ロール24の駆動モータの制御ユニットに電子的に接続されていてもよい。次いで、リチウムシート14を直線化装置30に供給する。この装置は、密に配置した一連のローラー32を通してリチウムシート14を迅速に巻き流すことによりリチウムシート14の横方向ずれをなくし、リチウムシート14がジグザグ状に移動しないようにし、これによってリチウムシート14を薄層化ローラー18a及び18bの中央部分に真っ直ぐに、薄層化プロセスにとって致命的な横方向波打ち移動を生じさせることなく供給するようにする。従って、リチウムシート14は薄層化ローラー18a及び18bにこれらのローラー間の固定された位置に供給される。
薄層化装置10の入口では、潤滑剤分配ユニット22a及び22bが適量のリチウム適合性薄層化潤滑剤を薄層化領域から上流の各加工ローラー18a及び18bの加工面上に放出する。リチウムシート14は、適正に潤滑された加工ローラー18a及び18bに積層され、これによって、加工ローラーへの薄層化フィルム12の望ましからぬ付着が起こらないようにする。潤滑剤は、米国特許第5,837,401号及び米国特許第6,019,801号に完全に記載されている。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。潤滑剤は、好ましくは、トルエン、ヘキサン及びポリオキシエチレンジステアリン酸を基材とし、薄層化済みのリチウムフィルム12がローラー18a及び18bのいずれかに過度に付着しないように、各ローラー18a及び18b上で十分な量で使用される。
リチウムシート14は二つの加工ローラー18aと18bとの間を通過し、ここで厚さが約125μm乃至250μmから約20μm乃至40μmまで減少される。バックアップローラー20a及び20bが加工ローラー18a及び18bに圧力を加え、これらのローラーがリチウムシート14に、その厚さを減少させて約20μm乃至40μmのリチウムフィルム12にするのに十分な圧力を及ぼす。薄層化圧力(ラミネーション圧力)は、リチウムフィルム12の形状及び厚さに影響を及ぼす望ましからぬ湾曲が加工ローラー18a及び18bで生じないようにするため、加工ローラー18a及び18bに直接加えられるのでなくバックアップローラー20a及び20bを通して加えられる。勿論、加工ローラー18a及び18bの表面粗さは、高品質の薄いリチウムフィルム12を製造するため、最少でなければならない。バックアップローラー20a及び20bによって加工ローラー18a及び18bに加えられた圧力は、各ローラー18a及び18bの表面上に均等に分配され、これによって加工ローラー18a及び18bの形状に影響が及ぼされないようにする。しかしながら、加工ローラー18a及び18bが十分な剛性を備えている場合には、リチウムシート14の厚さを減少させてこれをリチウムフィルム12にするために加工ローラー18a及び18bによって、バックアップローラーを使用せずに、必要な圧力を加える必要がある。同様に、加工ローラー18a及び18bに均等な圧力を加えるため、複数のバックアップローラーを使用してもよい。例えば、二対のバックアップローラーを加工ローラー18a及び18bの両側に位置決めしてもよい。
上述したように、加工ローラー18a及び18b上に分配された薄層化潤滑剤により、薄層化済みのリチウムフィルム12が薄層化ローラー18a及び18bを真っ直ぐに出るように、リチウムフィルム12が加工ローラーに付着しないようにする。潤滑剤を使用することにより、リチウムに付着してしまうために通常は適切でない材料でできた加工ローラーをリチウムと重ねることができる。潤滑剤によりこの制限がなくなる。薄層化ローラー即ち加工ローラーは、従来、ポリアセタール樹脂、リチウムと適合性の、即ちリチウムと反応しない硬質プラスチック材料で形成されていたが、大規模な生産においてはポリアセタール製ローラーは急速に磨耗してしまい、磨耗したローラーの交換及び廃棄を頻繁に行う必要があり、そのため、費用が膨大に膨れ上がり、薄層化体製造プロセスを不可能にしてしまう。従って、大規模な生産では、加工ローラーは、好ましくは、鋼やステンレス鋼製の円筒体やセラミックローラー等の丈夫な硬質材料で形成される。鋼やステンレス鋼製の円筒体は、硬度を追加するため、クロム又はクロムモリブデンの薄いコーティングを備えている。
薄層化済みのリチウムフィルム12を、リチウムフィルム12の表面の均等性を計測し、フィルム上の何らかの穴やフィルムの縁部に沿った亀裂を検出する反射光システム36を通して引っ張る。光学システムは、リチウムフィルム12の厚さの計測にも使用することができる。被駆動巻取りローラー38によってリチウムフィルム12に制御された張力を加え、リチウムフィルム12を適切に巻き取る。薄層化済みのリチウムフィルム12は制御された張力の作用下で一連のローラーを通って蛇行する。一連のローラーのうちの第1ローラーは、薄層化装置10を出る薄層化済みのリチウムフィルム12に作用する張力を正確に計測するように構成されたロードセルを備えた第2張力ローラー45である。張力ローラー45のロードセルは、リチウムシート12に及ぼされる張力を自動的に調節する巻取りローラー38の駆動モータの制御ユニットに電子的に接続されていてもよい。次いで、リチウムフィルム12は、移動するリチウムフィルム12の正確な速度を計測する第2エンコーダローラー47を通過する。リチウムフィルム12は、次いで、一連の自由ローラー34を通過し、巻取りローラー38に至る。
ポリプロピレンフィルム90等の薄い絶縁体フィルムもまた、巻取りローラー38に巻き取られ、リチウムフィルム12の層をこれらの層が互いに付着しないように分離する。絶縁フィルム90は、巻取りローラー38によってロール92から引っ張られるが、絶縁フィルム90は、先ず最初に、絶縁フィルム90に作用する張力を正確に計測するように構成されたロードセルを備えた張力ローラー94を通過する。張力のこの計測値は、巻取りローラー38がリチウムフィルム12に及ぼす張力を制御する上で必要である。これは、巻取りローラー38によって及ぼされた張力がリチウムフィルム12と絶縁フィルム90との間で分割されるためである。
第1及び第2のエンコーダローラー41及び47は、夫々、薄層化装置10に入るリチウムシート14の速度及び薄層化装置10を出る薄層化済みのリチウムフィルム12の速度を計測する。リチウムシート14の入口速度と薄層化済みのリチウムフィルム12の出口速度との間の関係は、最初のリチウムシート14のリチウムフィルム12への厚さの減少と正比例し、薄層化済みのリチウムフィルム12の厚さは、最初のリチウムシート14の厚さが分かっている場合には、簡単な数式によって演繹できる。薄層化済みのリチウムフィルム12の厚さは、好ましくは、第1及び第2のエンコーダローラー41及び47の間の速度差によって制御され且つ確認される。
薄層化プロセスは、リチウムフィルム12を電気化学的電池で使用する上で不適にするリチウムフィルム12と水粒子との望ましからぬ化学反応が起こらないように、好ましくは、相対湿度が1%以下の無水雰囲気内で行われる。
図2a及び図2bは、リチウムシート14を直線化装置30に通す方法を示す。薄層化前にリチウムシート14を上ローラー101と下ローラー103との間に供給する。次いで、薄層化装置を始動させ、リチウムが移動を開始し、上ローラー101をゆっくりと各下ローラー103間の自由空間内に移動し、これによってリチウムシート14を密に並べた一連のローラーに通し、これによりリチウムシート14が横方向に変移したりジグザグに移動したりしないようにし、これにより、リチウムシート14を薄層化ローラー18a及び18bの中央部分に横方向波打ち移動を生じさせることなく真っ直ぐに供給する。上ローラー101及び下ローラー103は、クロムめっきしたステンレス鋼、又は硬質プラスチック、アセタール及びデルリン(デルリン(Delrin)は登録商標である)で形成されていてもよい。
図3及び図4は、夫々、薄層化装置10の一実施形態の概略側面図及び正面図であり、薄層化済みのリチウムフィルム12の厚さ及び形状を制御可能にする薄層化装置10の主要構成要素、特定的にはバックアップローラー20a及び20b及び加工ローラー18a及び18bのマウント及びこれらの調節手段を示す。例示の薄層化装置10は、薄層化済みのリチウムフィルムの形状及び厚さを制御するように構成された薄層化装置の多くの様々な可能な構成の一例に過ぎないということは理解されるべきである。例えば、支持部材及びフレームは様々な構成をとってもよい。同様に、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な液圧システム構成を薄層化装置10で使用してもよい。
図3及び図4を参照すると、バックアップローラー20a及び20bは、各々、支持フレーム50及び52の夫々のベアリングに取り付けられている。支持フレーム52は、摺動チャンネル又は当該技術分野で周知のベアリング等の任意の適当な手段によって主フレーム16の垂直部材に摺動自在に取り付けられているが、支持フレーム50は主フレーム16の垂直部材に固定的に取り付けられている。従って、支持フレーム52は、垂直方向に自由に移動することができる。加工ローラー18a及び18bは、各々、電動モータ又は液圧モータ(図示せず)によって駆動される。加工ローラーは、更に、摩擦バックアップローラー20a及び20bによっても駆動される。一対の液圧ピストン−シリンダ66を主フレーム16の上水平部材に取り付け且つ支持フレーム52に連結するが、支持フレーム50は固定されている。ピストン−シリンダ66は、支持フレーム52の上下移動を制御し、加工ローラー18a及び18bに圧力Pを加える。これらの加工ローラー18a及び18bは、夫々、支持部材54及び56に取り付けられている。これらの支持部材は自由に浮動し、支持フレーム50及び52と作動的にリンクしている。支持部材54の端部分58及び59は、一対の液圧式ピストン−シリンダアッセンブリ60及び61を介して支持フレーム50に作動的に連結されており、支持部材56の端部分62及び63は、一対の液圧式ピストン−シリンダアッセンブリ64及び65を介して支持フレーム52に作動的に連結されている。
作動にあたり、薄層化速度(ラミネーション速度)は、加工ローラー18a及び18bの速度によって設定され、リチウムフィルム12の厚さを所望の厚さに減少させるのに必要な圧力Pは、ピストン−シリンダ66内への流体の量を制御する液圧バルブによって調節され、バックアップローラー20bがこの圧力Pを加工ローラー18bに伝達する。所望の圧力Pが設定された後、図5a乃至図5c及び図6a乃至図6cを参照して更に詳細に説明するように、薄層化済みのリチウムフィルムの最終形状を各ピストン−シリンダアッセンブリ60、61、64及び65への流体圧力を調整することによって微調節し、これによって各ピストン−シリンダアッセンブリ60、61、64及び65によって支持部材54及び56に及ぼされる力を調節する。本発明の目的について、ピストン−シリンダアッセンブリの代わりに、十分な力を発生することができる電気式アクチュエータ等の任意の種類のアクチュエータを使用することができる。
薄層化プロセス中、薄層化面のところで摩擦によって発生した熱が加工ローラー18a及び18bに伝達され、これらの加工ローラー18a及び18bを僅かに膨張させる。加工ローラーが薄層化ゾーンで数ミクロン膨張するだけでリチウムフィルム12の厚さは不均等になってしまう。これは、電気化学的薄膜電池にとって不適である。この問題点を解決し、リチウムフィルム12の厚さを均等にするため、膨張した加工ローラー18a及び18bの接触面67は、加工ローラー18a及び18bを曲げることによって調節され、これにより接触面67を真っ直ぐにし、厚さが均等なリチウムフィルム12を製造する。
図5aは、加工ローラー18a及び18bが直線状の円筒体である第1の実施形態による、加工ローラー18a及び18b及びバックアップローラー20a及び20bの中立位置での概略正面図である。バックアップローラー20a及び20bは、リチウムフィルム12の厚さを所望の厚さまで減少させるのに十分な圧力Pを加工ローラー18a及び18bに加えるが、この際、加工ローラー18a及び18bの支持部材54及び56には横方向力は加えられず、完全に平らであり且つ均等のままであり、これらの向き合った表面もまた同様の平らで均等な薄層化面70を画成する。
図5bでは、バックアップローラー20a及び20bは、リチウムフィルム12の厚さを所望の厚さに減少させるのに十分な圧力Pを加工ローラー18a及び18bに加える。しかしながら、加工ローラー18a及び18bの中央部分は、薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって発生した熱により膨張している。加工ローラー18a及び18bを変形させたこの熱膨張を補償するため、内向きの横方向力Fxを支持部材54及び56に加え、これにより加工ローラー18a及び18bを外方に僅かに曲げ、薄層化面70の中央部分を外方に僅かに開放し、これを直線状にする。図5bでは、円筒体18a及び18bの外部分が外方に曲がっているように示してある。そのため、薄層化面70は、横方向力Fxを加工ローラー18a及び18bに加えることによって曲げられて直線状にされる。薄層化面70の中央部分の輪郭は直線状に曲げ戻され、その結果、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム12はその全幅に亘って均等な厚さを備えている。
薄層化が行われるリチウムシート14の縁部の厚さがその中央部の厚さよりも厚い場合がある。全幅に亘って厚さが均等なリチウムフィルム12を積層するためには、加工ローラー18a及び18bによって更に大きな圧力をリチウムシート14の外側縁部に加えなければならない。これを行うため、支持部材54及び56に同じ横方向力Fxを加えることによって、加工ローラー18a及び18bの外縁部を内方に僅かに湾曲し、リチウムシート14の縁部にその中央部分に加えられるよりも多くの圧力を加え、薄層化済みのリチウムフィルム12の厚さをその全幅に亘って均等にする。薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって加工ローラー18a及び18bの中央部分に熱が発生するため、加工ローラー18a及び18bの中央部分が僅かに膨張する。加工ローラー18a及び18bの中央部分の直径を増大するこの熱膨張を補償するため、横方向力Fxを比例して減少させ、薄層化面70を直線状に維持し、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム12の厚さをその全幅に亘って均等にする。
薄層化が行われるリチウムシート14の中央部分がその縁部よりも厚い場合がある。全幅に亘って厚さが均等なリチウムフィルム12を薄層化するため、加工ローラー18a及び18bによって更に多くの圧力をリチウムシート14の中央部分に加えなければならない。これを行うため、図5cに示すように、加工ローラー18a及び18bの支持部材54及び56に外向きの横方向力Fyを加える。横方向力Fyは、加工ローラー18a及び18bの中央部分を僅かに湾曲し、薄層化面70の中央部分を互いに向かって内方に押圧し、これによって更に多くの圧力をリチウムシート14の中央部分に加え、全幅に亘って厚さが均等なリチウムフィルム12を薄層化する。
稀には、薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって加工ローラー18a及び18bの外側部分に発生した熱によりこれらの加工ローラーが膨張し、薄層化面70の中央部分に小さな隙間ができる場合がある。この熱膨張を補償するため、加工ローラー18a及び18bの支持部材54及び56に外向きの横方向力Fyを加える。横方向力Fyにより加工ローラー18a及び18bの中央部分を内方に僅かに曲げ、薄層化面70の中央部分を互いに押し付けて薄層化面70を直線状にする。図5cでは、円筒体18a及び18bの外部分は、薄層化面70が湾曲して直線状になるように内方に湾曲した状態で示してある。結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム12がその全幅に亘って厚さが均等であるように、薄層化面70の中央部分の輪郭を曲げ戻して直線状にする。
図5b及び図5cに示す加工ローラー18a及び18bの形状は明瞭化を図るために大幅に誇張してあるが、湾曲した輪郭は、実際には裸眼で視認できるものではなく、完全に直線状の輪郭からのずれは0μm乃至10μm程度である。
図6a、図6b及び図6cは、加工ローラー19a及び19bが湾曲した円筒体である、第2の実施形態による加工ローラー19a及び19b及びバックアップローラー20a及び20bの概略正面図である。加工ローラー19a及び19bは僅かに凸状の輪郭を有し、これらのローラーの向き合った表面80は、薄層化されたリチウムフィルム12の幅よりも数mm広幅の薄層化セグメント82を画成する。湾曲した設計により、加工ローラー19a及び19bの端部分はその他の部分よりも僅かに大きく離間されており、これにより、加工ローラー19a及び19bを内方及び外方に曲げるのを容易にする。
図6aは、中立位置の加工ローラー19a及び19bを示す。バックアップローラー20a及び20bは、リチウムフィルム12の厚さを所望の厚さまで減少するのに十分な圧力Pを加工ローラー19a及び19bに加え、この際、加工ローラー19a及び19bの支持部材54及び56には横方向力は加えられない。従って、薄層化セグメント82は完全に平らであり且つ均等のままである。
図6bでは、バックアップローラー20a及び20bは、リチウムフィルム12の厚さを所望の厚さまで減少させるのに十分な圧力Pを加工ローラー19a及び19bに加えている。しかしながら、薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって発生した熱による熱膨張により、加工ローラー19a及び19bの中央部分が膨張する。加工ローラー19a及び19bを変形させるこの熱膨張を補償するため、加工ローラー19a及び19bの支持部材54及び56に内向きの横方向力Fxを加える。横方向力Fxにより加工ローラー19a及び19bが外方に僅かに湾曲し、これにより薄層化セグメント82の中央部分を図6bに示すように平らにする。加工ローラー19a及び19bの外側部分を内方に湾曲し、薄層化セグメント82を真っ直ぐにする。従って、結果的に得られた薄層化リチウムフィルム12は、平らであり且つ均等な厚さを有する。加工ローラー19a及び19bは凸状輪郭を備えているため、自由ゾーン84が形成され、これにより湾曲が容易になる。自由ゾーンでは、加工ローラー19a及び19bは自由に移動でき、これにより薄層化セグメント82の中央部分を所望の通りに湾曲させることができる。
以上に説明したように、薄層化が行われるリチウムシート14の縁部が中央部分よりも厚い場合がある。全幅に亘って厚さが均等なリチウムフィルム12を薄層化するためには、加工ローラー19a及び19bによってリチウムシート14の外側縁部に、及び従って薄層化セグメント82の外縁部に更に大きな圧力を加えなければならない。これを行うため、支持部材54及び56に同じ横方向力Fxを加え、これによって加工ローラー19a及び19bの外縁部を内方に僅かに曲げ、リチウムシート14の縁部にその中央部分よりも大きな圧力を加え、薄層化済みのリチウムフィルム12の厚さを全幅に亘って均等にする。薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって加工ローラー19a及び19bの中央部分に熱が発生するため、加工ローラー19a及び19bの中央部分が僅かに膨張する。加工ローラー19a及び19bの中央部分の直径を僅かに増大するこの熱膨張を補償するため、横方向力Fxを比例して減少させ、薄層化セグメント82を直線状に維持し、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム12の厚さをその全幅に亘って均等にする。
この場合も、図5cを参照して以上に説明したように、薄層化が行われるリチウムシート14の中央部分が縁部よりも厚い場合がある。厚さが全幅に亘って均等なリチウムフィルム12を薄層化するため、加工ローラー19a及び19bによってリチウムシート14の中央部分に及び従って薄層化セグメント82の中央部分に更に大きな圧力を加えなければならない。これを行うため、図6cに示すように、加工ローラー19a及び19bの支持部材54及び56に外向きの横方向力Fyを加える。横方向力Fyにより、加工ローラー19a及び19bの中央部分が僅かに湾曲し、薄層化セグメント82の中央部分を内方に押圧し、これによってリチウムシート14の中央部分に更に大きな圧力を加え、厚さが全幅に亘って均等なリチウムフィルム12を薄層化する。
稀には、薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって発生した熱により、加工ローラー19a及び19bの向き合った表面80の外側部分が膨張し、薄層化セグメント82の中央部分に小さな隙間を形成する場合がある。この熱膨張を補償するため、加工ローラー19a及び19bの支持部材54及び56に外向きの横方向力Fyを加える。横方向力Fyにより加工ローラー19a及び19bの中央部分が内方に僅かに湾曲し、薄層化セグメント82の中央部分を内方に押圧し、薄層化セグメント82を直線状にする。図6cでは、円筒体19a及び19bの外部分が内方に湾曲し、薄層化セグメント82が直線状に再形成された状態で示してある。薄層化セグメント82の中央部分の輪郭が曲げ戻されて直線状になっており、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム12は平らであり、厚さがその全幅に亘って均等である。
加工ローラー19a及び19bは、凸状の輪郭を備えているため、加工ローラー19a及び19bの端部分間及び加工ローラー19a及び19b及びバックアップローラー20a及び20bの端部分間に自由ゾーン84及び85が形成され、これにより容易に湾曲させることができる。加工ローラー19a及び19bの端部分が自由に移動して薄層化セグメント82の中央部分を所望の通りに湾曲させることができる。
勿論、図5b、図5c、図6b及び図6cには対称的に調節する場合のみが示してあるが、支持部材54及び56が互いに独立しているため、調節を他の態様で行ってもよい。例えば、加工ローラーの一方の側部が他方の側部よりも大きく膨張した場合には、左側又は右側の支持部材の力Fx又はFyを反対側の支持部材の力Fx又はFyよりも大きくし、多様に微調節を行うことができる。
薄層化面80の薄層化セグメント82の形状の調節と反射光システム36等の適切な計測装置の正確な計測値とを組み合わせることにより、薄層化装置10は、厚さが5μm乃至60μmの品質に優れた、全長及び全幅に亘ってほぼ一定の厚さの薄層化済みのリチウムフィルム12を製造することができる。
上述したように、加工ローラー18a及び18b又は19a及び19bが十分に剛性である場合には、リチウムシート14の厚さを減少させてリチウムフィルム12にするのに必要な圧力を、図3aに示すバックアップローラーを使用せずに、加工ローラーによって直接加えてもよい。加工ローラーの中央部分に発生した熱は、以上に説明したのと同様の方法で横方向力Fxを調節し、結果的に得られる薄層化済みのリチウムフィルム12が平らであり且つその全幅に亘って厚さが均等であるようにこれらの加工ローラーを直線状に曲げ戻すことによって加工ローラーの中央部分の輪郭を制御することにより補償される。
薄層化済みのリチウムフィルム12の輪郭及び厚さの調節は、バックアップローラー20a及び20bによって加えられる圧力及び支持部材54及び56に加えられる圧力をオペレータが現場で微調整して薄層化面70又は薄層化セグメント82の形状を調節してもよいし、計測の読み及びバックアップローラー及び加工ローラーの様々な圧力及び力を制御するアクチュエータ(電気式又は液圧式)をコンピュータにリンクすることによってこの作業を電子的に行ってもよい。コンピュータは、当該技術分野で周知のようにこの目的のために特別に書かれたプログラムによって、これらのパラメータを即座に調節する。
本発明を特定の実施形態と関連して説明したが、本発明の範疇内でこの他の変形及び変更が考えられる。従って、本発明は以上の説明に限定されず、特許請求の範囲によって定義される。
Claims (21)
- リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化して薄いフィルムにする方法において、
前記リチウム又はリチウム合金のシートを一対の加工ローラーの向き合った表面間に通し、前記リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する工程と、
前記一対の加工ローラーの向き合った表面が画成する輪郭を調節し、前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムの形状及び輪郭を制御する工程と、
前記リチウム又はリチウム合金のフィルムに所与の張力を加えることによって、前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを前記一対の加工ローラーの間から取り出す工程とを含む、方法。 - 前記一対の加工ローラーの各々を湾曲させることによって前記向き合った表面が画成される輪郭を変更するように、前記一対の加工ローラーの端部分に力を加える、請求項1に記載の方法。
- 前記加工ローラーは、これらの加工ローラーを湾曲し易くするように構成された凸状の円筒形形状を有する、請求項2に記載の方法。
- 少なくとも一つのバックアップローラーによって、前記リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させるのに十分な圧力を前記加工ローラーに均等に加える、請求項2に記載の方法。
- 液圧ピストン−シリンダアッセンブリによって圧力及び力を発生させる、請求項4に記載の方法。
- 圧力及び力の調節は、液圧流体の不足を調節するように構成された液圧式制御バルブによって行われる、請求項5に記載の方法。
- 電気式アクチュエータによって圧力及び力を発生させる、請求項4に記載の方法。
- 前記リチウム又はリチウム合金のシートを前記一対の加工ローラー間に通す前記工程の前に、前記リチウムシートを密に並んだ一連のローラーを通して迅速に巻き流し、前記リチウムシートの横方向ずれをなくすことにより、前記リチウムシートを前記加工ローラーの中央部分に横方向波打ち移動を生じさせることなく真っ直ぐに供給する、請求項1に記載の方法。
- 前記加工ローラーはステンレス鋼製である、請求項1に記載の方法。
- 前記加工ローラーにはクロムコーティングが施してある、請求項9に記載の方法。
- 前記加工ローラーは、プラスチック、アセタール又はデルリン(登録商標)で形成されている、請求項1に記載の方法。
- 薄層化潤滑剤を前記リチウム又はリチウム合金のシートに塗布する、請求項1に記載の方法。
- リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化して薄いフィルムにするための装置において、
リチウム又はリチウム合金のシートを供給するローラーと、
薄層化潤滑剤分配ユニットと、
前記リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する薄層化面を画成する一対の加工ローラーと、
前記一対の加工ローラーが画成する前記薄層化面の輪郭を調節するための調節手段と、
前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを巻き取るための巻取りロールであって、所定張力が作用した前記フィルムを巻き取るよう、駆動手段に連結された巻取りロールとを含む、装置。 - 前記加工ローラーは支持部材に取り付けられており、前記支持部材は、前記加工ローラーの各々を湾曲させることによって前記薄層化面の輪郭を変化させ、薄層化された前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムの形状及び輪郭を制御するように前記加工ローラーに力を加えるように構成されている、請求項13に記載の装置。
- 少なくとも一対のバックアップローラーを更に含み、これらのバックアップローラーの各々は、前記一対の加工ローラーの一方と隣接しており且つ接触しており、隣接した加工ローラーに圧力を加えるように構成されている、請求項14に記載の装置。
- 前記加工ローラーを湾曲させるのに必要な力を発生させる液圧式ピストン−シリンダを更に含む、請求項14に記載の装置。
- 前記液圧式ピストン−シリンダは、前記バックアップローラーが取り付けられた支持フレームに取り付けられている、請求項14に記載の装置。
- 前記加工ローラーは、これらの加工ローラーを湾曲し易くするように構成された凸状の円筒形形状を有する、請求項14に記載の装置。
- 圧力及び力の調節は、液圧流体の不足を調節するように構成された液圧式制御バルブによって行われる、請求項16に記載の装置。
- 前記リチウム又はリチウム合金のシートが横方向にずれないようにすることによって前記リチウム又はリチウム合金のシートを横方向波打ち移動を生じさせることなく前記薄層化面に真っ直ぐに供給する密に並んだ一連のローラーを備えた直線化装置を更に含む、請求項13に記載の装置。
- 前記リチウム又はリチウム合金のフィルムの層をこれらの層が互いに付着しないように分離するための、巻取りローラーに巻き付けられた絶縁体製の薄いフィルムを更に含む、請求項13に記載の装置。
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