JP2006100201A - 電極板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 巻芯を用いて電極板中間品を巻き取る工程において、該電極板中間品に縦シワおよび巻き締りが生じ難い、電極板の製造方法を提供する。
【解決手段】 活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程を含む電極板の製造方法において、前記電極板中間品を、10.16〜20.32cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜304Nの巻取り張力で巻き取る。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電極板の製造方法に関する。
一般に、非水電解質液二次電池、電気二重層キャパシタ等の電極板は、集電体の少なくとも一面に活物質層を所定パターン状に断続的に設けた構成をとる。活物質層のパターンが存在しない非塗工部は、端子を取り付ける等の目的のために集電体が露出した部分である。
電極板は、集電体を準備し、活物質層用塗工組成物を調製し、該活物質層用塗工組成物を集電体に塗布することにより活物質層を形成し、乾燥し(コーティング工程)、必要に応じて該活物質層が形成された集電体をプレスし(プレス工程)、該プレスした集電体を所定の幅に切断し(スリット工程)、さらに、電極板を必要に応じて所定の長さに切断する(裁断工程)ことにより製造される。コーティング工程では、活物質層用塗工組成物を塗布した塗工部と塗布していない非塗工部を順次形成する間歇塗布方式が広く用いられている。
上記のようなコーティング工程、プレス工程、スリット工程を含む一連の製造プロセスを効率よく行うために、長尺の集電体を巻芯を中心にして巻き付けたロールを用いる。すなわち、集電体ロールをコーティング工程の搬送路上流に設けた供給装置に装着し、一方、別の巻芯(第二の巻芯)を、この搬送路下流側に設けた巻取装置に装着し、集電体を集電体ロールから繰り出し、該集電体上に間歇塗工を行い、塗膜を乾燥することで、活物質層が形成された集電体(電極板中間品とよぶ)を作製し、これを巻取装置により第二の巻芯に巻き取る。
次に、第二の巻芯に巻き取られた中間品ロールを、コーティング工程の巻取装置から取り外し、プレス工程の供給装置に装着し、一方、別の巻芯(第三の巻芯)を、この工程の巻取装置に装着し、電極板中間品を中間品ロールから繰り出し、プレス加工を行った後、巻取装置により第三の巻芯に巻き取る。なお、コーティング工程とプレス工程を連続した搬送路上で行うなど、一回の繰り出し・巻き取り作業の間で2つ以上の工程を行ってもよい。
次に、第三の巻芯に巻き取られた中間品ロールを、スリット工程の供給装置に装着し、中間品を中間品ロールから繰り出してスリット加工を行い、再び巻き取る。
上記主要な工程以外の工程でも、同様にして、ロールの装着、集電体又は電極板中間品の繰り出し、加工、巻き取りを行う。
ロールからの繰り出し作業と巻き取り作業を伴う各工程においては、電極板中間品を巻芯に巻き取る際、巻芯付近に巻き取られた電極板中間品(すなわち、電極板中間品の巻き始めから、巻き取られたロールがある程度の太さになるまでの部分)の非塗工部に縦シワが発生してしまう事がある。ここで、縦シワとは、長尺の集電体の長手方向に生じるシワのことをいう。
前記ロールを模式的に図示した図2を参照して説明すると、同テンションでロール102の巻取り径103が大きいものと小さいものとを巻き取る場合、小さいロールの方が巻取り面104のカーブがきつい(曲率が大きい)ため、ゆがみが生じ、縦シワが発生する。
また、一つのロール102の巻き取り工程のなかでは、巻き取り作業を開始した直後の巻取り径103がまだ小さい段階では、巻取り面104のカーブがきつい。そのため、巻き取り作業の開始直後において、巻芯付近に巻き取られた電極板中間品には縦シワが発生しやすい。
ここで、巻取り面104は、電極板中間品101が巻き取られたロール102の曲面を、巻取り径103は、巻芯105の中心軸から巻取り面104までの距離を意味する。
そこで、巻芯付近に巻き取られた電極板中間品の非塗工部に縦シワが入らないように、搬送装置の巻取り張力を緩めると、電極板中間品が蛇行して巻き取られてしまう可能性が生じる。
また、蛇行せずとも巻芯部の巻きが緩いため、長尺の集電体をコーティングして巻き取ったときに巻芯部付近がつぶれてしまい、電極板中間品の幅方向にシワ及び折れ曲がりが生じる。このシワ及び折れ曲がりを巻き締りという。塗工部では、集電体と集電体の間に活物質層の厚さ分だけ間隔を保って巻き取られ、その上から非塗工部がきつく巻き取られるため、巻芯付近に巻き取られた電極板中間品の塗工部と非塗工部との境界で巻き締りが特に発生しやすい。また、巻き締りは、塗工部と比較的長い非塗工部との境界となる塗工端にも発生しやすい。巻き締りは、特に、1つのロールの最初と最後に形成された塗工部の最端部に集中する傾向がある。
このような縦シワや巻き締りがコーティング工程における電極板中間体に発生してしまった場合、前記プレス工程において、該電極板中間体を圧延するプレスロールを傷つけてしまう可能性がある。
このような縦シワや巻き締りの防止策として、巻芯の芯径106を大きくして、巻き始めの段階から巻取り径103を大きくすることが考えられるが、芯径には規格があるため巻芯の芯径を大きくすることは、各工程間の互換性の点から困難である。上述したように、ロールはいくつかのラインや製造部門に転々と運ばれ、各工程の供給装置に装着して用いられる。その為、もしも巻芯の芯径を変更したい場合には、関連施設全てのロール装着部を巻芯の芯径に合わせて設計変更する必要が生じ、経済的な負担が大きすぎる。
また、別の防止策としては、巻芯への巻き始めからロールがかなり太くなるまでの長い部分を未塗工部のまま巻き取る方法や、或いは、巻芯への巻き始め部分に廃棄を当初から予定して塗工部を設け巻き取る方法がある。
しかしながら、これらの方法では、巻芯への巻き始め部分の長い未塗工部や、はじめたら廃棄予定の活物質層を設けた塗工部は製品として役に立たず、廃棄される。従って、製造原料のロスが大きく、製造コストがかかるという問題がある。
本発明は、上記の実状に鑑みて成し遂げられたものであり、その目的は、巻芯を用いて電極板中間品を巻き取る工程において、該電極板中間品に縦シワおよび巻き締りが生じ難い、電極板の製造方法を提供することにある。
本発明に係る電極板の第一の製造方法は、活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程を含む電極板の製造方法において、前記電極板中間品を、11〜14cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜255Nの巻取り張力で巻き取ることを特徴とする。
また、本発明に係る電極板の第二の製造方法は、活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程を含む電極板の製造方法において、前記電極板中間品を、15〜18cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜285Nの巻取り張力で巻き取ることを特徴とする。
また、本発明に係る電極板の第三の製造方法は、活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程を含む電極板の製造方法において、前記電極板中間品を、19〜22cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜304Nの巻取り張力で巻き取ることを特徴とする。
本発明によれば、活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程において、巻芯の芯径に合わせて巻取り張力を特定範囲に調整することによって、該電極板中間品に縦シワおよび巻き締りが生じることを回避する。
したがって、縦シワや巻き締りを回避するためのみに必要で最終的に廃棄される部分、例えば、長い非塗工部や縦シワ防止用等の塗工部を、巻芯への巻き始め部分に設ける必要がないため、電極板製造材料のロス量を著しく削減することができ、製造コストを低減することができる。
また、本発明に係る製造方法において、巻芯の芯径は、規格に対応する範囲であるため、規格品の巻芯を用いて適切に電極板を製造でき、経済的な負担はほとんど発生しない。
本発明に係る電極板の製造方法は、活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程を含む電極板の製造方法において、巻き芯の芯径の寸法に合わせて巻取り張力を特定したものであり、以下の第一、第二及び第三の製造方法を含む。
すなわち第一の製造方法は、上記の巻き取り工程において電極板中間品を、11〜14cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜255Nの巻取り張力で巻き取ることを特徴とする。
また、第二の製造方法は、上記の巻き取り工程において電極板中間品を、15〜18cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜285Nの巻取り張力で巻き取ることを特徴とする。
また、第三の製造方法は、上記の巻き取り工程において電極板中間品を、19〜22cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜304Nの巻取り張力で巻き取ることを特徴とする。
以下、本発明の実施の態様について、図面を参照しながら、詳細に説明する。
(基本構成)
本発明に係る電極板の製造方法における、活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて電極板中間品を巻き取る工程を、図1に模式的に図示する。
巻芯1aを中心にして集電体2を巻いた集電体ロール3を装着した供給装置4から、集電体2が繰り出され、搬送路を移動してダイヘッド5a、5bにより活物質層用塗工組成物が塗布され、該塗布により形成された活物質層6が乾燥機7で乾燥される。この様に活物質層6を集電体2に形成した電極板中間品8はさらに下流側へ移動し、巻取装置9で巻芯1bを中心にして中間品ロール10として巻き取られる。
(電極板中間品)
本発明における電極板中間品は、活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている、製造工程途中の中間製品であり、代表的には細長い連続シート状の電極板中間品である。
本発明により加工される正極用及び負極用の電極板中間品は、以下のようにして作製される。
電極板には非水電解質液二次電池用、電気二重層キャパシタ用等、様々な形態があるが、一般に、正極板中間品は、少なくとも正極活物質及び結着材を含有する正極活物質層用塗工組成物を集電体の一面側又は両面に塗布して、正極活物質層を形成することによって作製される。一方、負極板中間品は、少なくとも負極活物質及び結着材を含有する負極活物質層用塗工組成物を集電体の一面側又は両面に塗布して、負極活物質層を形成することによって作製される。
正極活物質としては、従来から非水電解質液二次電池用、電気二重層キャパシタ等の正極活物質として用いられている材料を用いることができる。例えば、非水電解液二次電池用電極板であれば、LiMn24(マンガン酸リチウム)、LiCoO2(コバルト酸リチウム)若しくはLiNiO2(ニッケル酸リチウム)等のリチウム酸化物、又はTiS2、MnO2、MoO3もしくはV25等のカルコゲン化合物を例示することができる。特に、LiCoOを正極活物質として用い、炭素質材料を負極活物質として用いることにより、4ボルト程度の高い放電電圧を有するリチウム系2次電池が得られる。
一方、負極活物質としては、従来から非水電解質液二次電池用、電気二重層キャパシタ等の負極活物質として用いられている材料を用いることができる。例えば、非水電解液二次電池用電極板であれば、天然グラファイト、人造グラファイト、アモルファス炭素、カーボンブラック、又は、これらの成分に異種元素を添加したもののような炭素質材料が好んで用いられる。溶媒が有機系の場合には金属リチウム又はリチウム合金のようなリチウム含有金属が好適に用いられる。
正極活物質及び負極活物質は、塗工層中に均一に分散させるために、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、1〜100μmの範囲の粒径を有し、且つ平均粒径が約10μmの粉体であることが好ましい。これらの正極活物質及び負極用活物質は、それぞれ単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
活物質層用塗工組成物中の正極又は負極活物質の配合割合は、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、溶剤を除く配合成分を基準(固形分基準)とした時に通常、90〜98.5重量%とするが、特に高容量化を図る点からは、95.2〜96.6重量%であることが好ましい。
結着材としては、従来から用いられているもの、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、熱可塑性樹脂、より具体的にはポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸エステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、セルロース樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリビニル樹脂、フッ素系樹脂又はポリイミド樹脂等を使用することができる。この際、反応性官能基を導入したアクリレートモノマー又はオリゴマーを結着材中に混入させることも可能である。そのほかにも、ゴム系の樹脂や、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂、アクリレートモノマー、アクリレートオリゴマー或いはそれらの混合物からなる電離放射線硬化性樹脂、上記各種の樹脂の混合物を使用することもできる。
活物質層用塗工組成物中の結着材の配合割合は、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、固形分基準で通常、0.5〜10重量%、好ましくは2〜4重量%とするが、高容量化を図る点からは、1.6〜2.0重量%が好ましい。
正極又は負極活物質層用塗工組成物には、導電剤を添加しても良い。導電剤としては、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、グラファイト、カーボンブラック又はアセチレンブラック等の炭素質材料が必要に応じて用いられる。塗工組成物中の導電剤の配合割合は、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、通常、固形分基準で、1.5〜2.0重量%とする。
正極又は負極活物質層用塗工組成物を調製する溶剤としては、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、トルエン、メチルエチルケトン、N−メチル−2−ピロリドン或いはこれらの混合物のような有機溶剤を用いることができる。塗工組成物中の溶剤の割合は、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、通常、30〜60重量%、好ましくは45〜55重量%とし、塗工液をスラリー状に調製する。
正極又は負極活物質層用塗工組成物は、適宜選択した正極又は負極活物質、結着材、及び他の配合成分を適切な溶剤中にいれ、ホモジナイザー、ボールミル、サンドミル、ロールミル又はプラネタリーミキサー等の分散機により混合分散して、スラリー状に調製できる。
このようにして調製された正極又は負極活物質層用塗工組成物を、基体である集電体の一面又は両面に塗布、乾燥して正極又は負極活物質層を形成する。正極板の集電体としては、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、通常、アルミニウム箔が好ましく用いられる。一方、負極板の集電体としては、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、電解銅箔や圧延銅箔等の銅箔が好ましく用いられる。集電体の厚さは、例えば、非水電解質液二次電池用電極板であれば、通常、5〜50μm程度とする。
正極又は負極活物質層用塗工組成物の塗布方法は、特に限定されないが、例えばスライドダイコート、コンマダイレクトコート、コンマリバースコート等のように、厚い塗工層を形成できる方法が適している。ただし、活物質層に求められる厚さが比較的薄い場合には、グラビアコートやグラビアリバースコート等により塗布してもよい。活物質層は、複数回塗布、乾燥を繰り返すことにより形成してもよい。
集電体上に、活物質層を設けた塗工部と、端子取り付け等の目的に利用される非塗工部を間歇的なパターン状に形成するには、例えば、ダイヘッドを機械的に制御しながら活物質層用塗工組成物を集電体上に塗工して塗工部と非塗工部のパターンを直接形成する。具体的には、塗工部又は非塗工部のパターンに合わせてダイヘッド及び/又は集電体を動かしながらダイヘッドからの活物質層用塗工組成物の吐出開始と吐出停止を繰り返したり、ダイヘッドの離脱と再接近を、活物質層用塗工組成物の吐出停止とその再開にそれぞれ同調させて繰り返せばよい。
乾燥工程における熱源としては、熱風、赤外線、マイクロ波、高周波、或いはそれらを組み合わせて利用できる。乾燥工程において集電体をサポートする金属ローラーや金属シートを加熱して放出させた熱によって乾燥してもよい。また、乾燥後、電子線又は放射線を照射することにより、結着材を架橋反応させて活物質層を得ることもできる。塗布と乾燥は、複数回繰り返してもよい。
このようにして得られる活物質層は、少なくとも正極又は負極活物質及び結着材を含有し、さらに必要に応じて導電剤やその他の成分を含有してなるものであり、乾燥後の活物質層に含有される各成分の配合割合は、活物質層用塗工組成物の固形分基準での配合割合と同じである。正極又は負極活物質層の塗工量は通常、20〜350g/mとし、その厚さは、乾燥、プレス後に通常10〜200μm、好ましくは50〜170μmの範囲にする。
(電極板中間品の繰り出し及び巻き取り)
本発明に係る電極板の製造方法においては、長尺の集電体を巻芯を中心にして巻き付けたロールを用いて、コーティング工程、プレス工程、スリット工程を含む一連の製造プロセスを効率よく行う。すなわち、図1に示すように、集電体ロール3をコーティング工程の搬送路上流に設けた供給部4の巻芯1aに装着し、一方、別の巻芯1bを、この搬送路下流側に設けた巻取部9に装着し、集電体2を集電体ロール3から繰り出し、該集電体2上に間歇塗工を行い、塗膜を乾燥機7において乾燥することで、活物質層6が形成された電極板中間品8を作製し、これを巻取部9により巻芯1bに巻き取る。
次に、巻芯1bに巻き取られた中間品ロール10を、コーティング工程の巻取部9から取り外し、プレス工程(図示せず)の供給部に装着し、一方、別の巻芯(第三の巻芯)を、この工程の巻取部に装着し、電極板中間品を中間品ロールから繰り出し、プレス加工を行った後、巻取部により第三の巻芯に巻き取る。なお、コーティング工程とプレス工程を連続した搬送路上で行うなど、一回の繰り出し・巻き取り作業の間で2つ以上の工程を行ってもよい。
次に、第三の巻芯に巻き取られた中間品ロールを、スリット工程の供給部に装着し、中間品を中間品ロールから繰り出してスリット加工を行い、再び巻き取る。上記主要な工程以外の工程でも、同様にして、ロールの装着、集電体又は電極板中間品の繰り出し、加工、巻き取りを行う。
本発明においては、上記の各工程において前記電極板中間品を巻き取るための巻取り張力を巻き芯の芯径に合わせて特定の範囲に調節する。
具体的には、巻き芯の芯径が11〜14cmである場合には、前記巻取り張力が235〜255N(24〜26kgf)の範囲となるように調節し、巻き芯の芯径が15〜18cmである場合には、前記巻取り張力が235〜285N(24〜29kgf)の範囲となるように調節し、前記芯径が19〜22cmである場合には、前記巻取り張力が235〜304N(24〜31kgf)の範囲となるように調節する。なお、搬送速度は通常、5〜50m/min.とする。
上記芯径(巻芯の外径)のサイズ範囲は、広く用いられている巻芯の内径の規格に対応した範囲である。また、上記範囲の芯径と巻取り張力の組み合わせで電極板中間品を繰り出し・巻き取ると、上記電極板製造のどの工程においても、繰り出しおよび巻き取りの際に電極板中間品に縦シワおよび巻き締りが生じることを回避することができる。
本発明における、上述の芯径と巻取り張力の関係を実施例によって説明する。
(実施例1)
集電体として、幅620mm、厚さ12μmの長尺状の電解銅箔を用い、該集電体上に黒鉛とポリフッ化ビニリデンを96/4の割合で混合した混合物をN−メチル−2−ピロリドンで分散した負極活物質層用塗工組成物を、乾燥時の両面単位面積当たりの塗工量が240g/mとなるように集電体の両面に間歇塗布して負極活物質層を形成し、電極板中間品を作製した。
そして、塗布を行った長尺状集電体の先頭から順次、表1に示す巻芯の芯径と巻取り張力の組み合わせで、前記電極板中間品を巻き取り、とりわけ集電体の始端部から先頭の塗工部に到達するまでの区間における、縦シワおよび巻き締りの発生の有無を確認した。その結果を表1に示す。
Figure 2006100201
(実施例1の評価)
表1より、縦シワは、巻取り張力が過大になると発生することが分かる。例えば、巻芯の芯径が10.89cmの場合、245N以上の巻取り張力において縦シワが発生した。しかし、巻芯の芯径が13.06cm、17.29cm、19.05cmと大きくなるに従って、縦シワが発生しない巻取り張力の上限が245N、274.4N、294Nとそれぞれ上がった。これより、巻芯の芯径を大きくすると、縦シワが発生しない巻取り張力の上限が上がることが分かる。
一方、表1より、巻き締りは、巻取り張力が小さいと発生することが分かる。例えば、巻芯の芯径が13.06cm、17.29cm、19.05cmの場合、いずれも215.6N以下の巻取り張力において巻き締りが発生し、245N以上の巻取り張力では巻き締りが発生しなかった。また、巻芯の芯径が10.89cmの時は、全ての巻取り張力において、巻き締りが発生した。巻芯の芯径が10.89cmでは巻取り径が小さいため、巻取り面の曲率が大きく、巻き締りが発生した。
表1より、縦シワと巻き締りの双方が発生しないのは、芯径が13.06cm(内径が4.5インチ)の巻芯を用いて、245N(25kgf)の巻取り張力で巻き取る場合、芯径が17.29cm(内径が6インチ)の巻芯を用いて、245(25kgf)および274.4(28kgf)の巻取り張力で巻き取る場合、芯径が19.05cm(内径が7.5インチ)の巻芯を用いて、245(25kgf)、274.4N(28kgf)および294N(30kgf)の巻取り張力で繰り出し、巻き取る場合であった。
上記のような電極板の製造方法、つまり、巻芯の芯径および巻取り張力の双方を特定範囲に調整して、活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程を含む電極板の製造方法を用いることで、該電極板中間品に縦シワおよび巻き締りが生じることを回避できる。したがって、縦シワや巻き締りを回避するためのみに必要で最終的に廃棄される部分を、巻芯へ巻き始める部分に設ける必要がないため、電極板製造材料のロス量を著しく削減することができ、製造コストを低減することができる。
また、本発明に係る製造方法において、巻芯の芯径は、規格に対応する範囲であるため、規格品の巻芯を用いて適切に電極板を製造でき、経済的な負担はほとんど発生しない。
本発明における、電極板製造の一工程例を示す説明図である。 従来技術における、ロールを示す説明図である。
符号の説明
1(1a,1b) 巻芯
2 集電体
3 集電体ロール
4 供給部
5(5a,5b) ダイヘッド
6 活物質層
7 乾燥機
8 電極板中間品
9 巻取部
10 中間品ロール
11 芯径
101 電極板中間品
102 ロール
103 巻取り径
104 巻取り面
105 巻芯
106 芯径

Claims (3)

  1. 活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程を含む電極板の製造方法において、前記電極板中間品を、11〜14cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜255Nの巻取り張力で巻き取ることを特徴とする、電極板の製造方法。
  2. 活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程を含む電極板の製造方法において、前記電極板中間品を、15〜18cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜285Nの巻取り張力で巻き取ることを特徴とする、電極板の製造方法。
  3. 活物質層が集電体の少なくとも一面に設けられている長尺の電極板中間品を、巻芯を用いて巻き取る工程を含む電極板の製造方法において、前記電極板中間品を、19〜22cmの芯径を有する前記巻芯を用いて、235〜304Nの巻取り張力で巻き取ることを特徴とする、電極板の製造方法。
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