JP2012028164A

JP2012028164A - リチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉

Info

Publication number: JP2012028164A
Application number: JP2010165526A
Authority: JP
Inventors: Takeki Fujita; 雄樹藤田; Yoshio Kondo; 良夫近藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: JP5543869B2

Abstract

【課題】バインダの分布を従来よりも均一化させた状態で電極塗膜を乾燥させることができるリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉を提供する。
【解決手段】昇温部１１と温度保持部１２と冷却部１３とを備え、リチウムイオン電池用の電極塗膜が塗布された基材シート３をその内部に走行させながら乾燥させるリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉である。昇温部１１の前端と後端に、外気及び温度保持部からの気体流入を防止する排気手段１４を設置する。これらの排気手段１４から排気された昇温部１１の内部ガスを、ファン１７を通じて再び昇温部１１に戻す排気ガス循環経路１９を設け、昇温部１１の溶剤ガス濃度を電極塗膜からの溶剤蒸発を抑制できる濃度に維持する。これにより昇温中のバインダの逆拡散を促進し、偏析を防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、リチウムイオン電池用の電極塗膜が塗布された基材シートを走行させながら乾燥させるリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉に関するものである。

リチウムイオン電池の電極は、正極材または負極材である活物質の粉末（電極材）を、バインダや溶剤などと混練した電極材ペーストをアルミニウムや銅などの基材シート上に塗布して厚みが１００〜３００μｍの電極塗膜を形成したうえ、乾燥させて製造されている。電極材は正極材としてはコバルト酸リチウム、バインダとしてはＰＶＤＦ，溶剤としてはＮＭＰが一般的である。

これらのうち、バインダは乾燥後の電極中において電極材どうしを接着するとともに、電極材を基材シートに接着する役割を持っている。このため、リチウムイオン電池の性能を高めるためには、乾燥後の電極中においてバインダが厚さ方向にできるだけ均一に分布していることが求められる。しかしリチウムイオン電池用電極塗膜は写真用フィルム用塗膜などとは異なり１００〜３００μｍという非常に厚い塗膜であるため、その内部でバインダを均等に分布させることは容易ではない。その理由は次の通りである。

一般にリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉は熱風乾燥炉であり、シート表面に熱風を当てることにより表面から乾燥させる方法が採用されている。図１はその乾燥工程の説明図であり、１はバインダ、２は電極材、３は基材シートである。図１のＡに示すように乾燥前にはバインダ１は均一に分布しているが、熱風により加熱されると溶剤は表面から蒸発するため、電極塗膜の表面に向かって移動し、それに連れてバインダ１も図１のＢに示すように表層側に移動する。そしてこの状態のまま乾燥が進行すると図１のＣのようにバインダ１は電極の表層側に集中する。特にバインダ１として用いられるＰＶＤＦは溶剤中の濃度が高まると析出してバインダ１の粒子どうしが結合してしまうため、バインダ１はその位置に固定されてしまいバインダ偏析と呼ばれる欠陥となる。なお、電極材２は重いのでこのような移動は生じにくい。

この図１のＣに示される状態の電極は、基材シート３と電極材２とを接着するバインダ量が不足するため、基材シート３の巻きつけ作業中に剥離やひび割れを引起し易くなる。なお、この問題を回避するために電極塗膜中のバインダ１の濃度を高めると、相対的に電極材２の量が不足するために電池出力の低下を招くこととなる。

上記の問題を解決するために、特許文献１には乾燥工程を塗膜温度の異なる複数工程に分けて行う方法が提案されている。しかしこの方法では乾燥手段は熱風、赤外線、誘電加熱などの任意の手段を採用できると説明されており、熱風乾燥は塗膜の表面のみから行われるため、塗膜の表層温度のみに着目したこの方法では、乾燥された電極中におけるバインダの濃度分布を均一化することは容易ではない。

特許第３９５３９１１号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、バインダの分布を従来よりも均一化させた状態で電極塗膜を乾燥させることができる新規なリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉を提供することである。

本発明者はこの課題を解決するため、乾燥工程中における電極塗膜内部の溶剤とバインダの挙動を分析したところ、図１のＢに示すようにバインダ１の濃度が不均一になると濃度を均一化しようとする逆拡散が生じようとするが、溶剤量が少ないとこの逆拡散が阻止されること、しかし十分な溶剤量があれば逆拡散が生じ、バインダ１の濃度が均一化されることが判明した。このためには電極塗膜中からの溶剤の蒸発を抑制しながら塗膜温度を高め、逆拡散によりバインダを均一に分散させた状態で一挙に乾燥させることが好ましい。

本発明は上記した知見に基づいてなされたものであり、昇温部と温度保持部と冷却部とを備え、リチウムイオン電池用の電極塗膜が塗布された基材シートをその内部に走行させながら乾燥させるリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉であって、昇温部の前端と後端に、外気及び温度保持部からの気体流入を防止する排気手段を設置するとともに、この排気手段から排気された昇温部の内部ガスを再び昇温部に戻す排気ガス循環経路を設け、昇温部の溶剤ガス濃度を電極塗膜からの溶剤蒸発を抑制できる濃度に維持することを特徴とするものである。

なお請求項２のように、リチウムイオン電池用電極塗膜が、電極材とバインダと溶剤とを含有するものであることが好ましい。また請求項３のように、排気手段が、基材シートの上面及び下面からその走行方向に対して斜め方向に延びる排気流路を備えたものであることが好ましい。また請求項４のように、温度保持部の温度が１００〜１５０℃の範囲であることが好ましい。

本発明のリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉は、昇温部の前端と後端に、外気及び温度保持部からの気体流入を防止する排気手段を設置するとともに、この排気手段から排気された昇温部の内部ガスを再び昇温部に戻す排気ガス循環経路を設け、昇温部の溶剤ガス濃度を電極塗膜からの溶剤蒸発を抑制できる濃度に維持することができるものである。このためリチウムイオン電池用の電極塗膜が塗布された基材シートが昇温部を通過する際においては、電極塗膜中の溶剤量はあまり減少せず、溶媒内部においてバインダの逆拡散が可能な状態で昇温する。このためバインダがほぼ均一分布した状態で昇温部を通過し、温度保持部に入る。この温度保持部では炉内の溶剤蒸気濃度は低く、かつ塗膜温度が高いために一挙に溶剤が蒸発するが、バインダが再び表層側に移動する時間的な余裕がないまま溶剤が蒸発してしまうので、バインダを均一に分散させた状態で一挙に乾燥させることができる。

熱風炉による電極塗膜の乾燥工程の説明図である。本発明の実施形態を示す断面図である。本発明の他の実施形態を示す断面図である。本発明の炉による電極塗膜の乾燥工程の説明図である。本発明の炉による基材シートの温度変化を示すグラフである。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図２は本発明の実施形態のリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉の断面図である。この炉は入口側から順に昇温部１１と温度保持部１２と冷却部１３とからなり、リチウムイオン電池用の電極塗膜が塗布された基材シート３がその内部を一定速度で移動しながら、乾燥を行うものである。図２には加熱手段は示されていないが、赤外線加熱手段が配置されていることは言うまでもない。なおこの実施例では炉内通過時間は約３分であり、温度保持部１２の温度は１００〜１５０℃である。このように温度が異なるのは、電極材の種類によって最適乾燥温度が異なるためである。

基材シート３の表面には、電極塗膜が形成されている。この電極塗膜は前記したとおり、電極材２をバインダ１や溶剤などと混練した電極材ペーストを、アルミニウムや銅などの基材シート３上に１００〜３００μｍの厚さに塗布したものである。基材シート３の厚さは１５〜２０μｍ程度である。またこの実施形態における電極材は、コバルト酸リチウム、バインダはＰＶＤＦ，溶剤はＮＭＰであるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。

このリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉においては、昇温部１１の入口側の前端と、温度保持部１２につながる後端に、排気手段１４が設置されている。これらの排気手段１４は、基材シート３の上面及び下面からその走行方向に対して斜め方向に延びる上下に対をなす排気流路１５，１６を備えたものである。基材シートの上面及び下面からその走行方向に対して斜め方向に延びる排気流路１５，１６が走行方向に対してなす角度は、３０〜６０°が好ましく、この実施形態では４５°である。またこの実施形態では、上下の排気流路１５，１６は同一直線上に乗るように逆向きに配置されている。

これらの排気流路１５，１６からの排気はファン１７に導かれ、ヘッダ１８を介して再び昇温部に戻す排気ガス循環経路１９が形成されている。このような排気流路１５，１６を備えた排気手段１４は、昇温部１１の内部ガスを吸引排気するとともに、前端では外気を吸引し、後端では温度保持部１２の内部ガスを吸引することとなるが、外気や温度保持部１２の内部ガスが昇温部１１に侵入することはほぼ確実に防止される。

排気手段１４からの排気ガス中には、昇温部１１の内部で電極塗膜から蒸発した溶剤の蒸気が含まれている。しかし本発明の炉では、排気手段１４からの排気ガスは排気ガス循環経路１９により再び昇温部１１の内部に戻されるので、昇温部１１の内部の溶剤ガス濃度を高いレベルに維持することができる。もちろん、排気ガス循環経路１９から循環ガスの一部を放出したり、溶剤を添加したりすることによって、溶剤ガス濃度を制御することも可能である。溶剤ガス濃度は爆発限界を考慮してそれよりも低いレベルに制御すべきことはいうまでもない。

図３に示す他の実施形態では、排気流路１５，１６がＶ字状に広がった排気手段１４が配置されている。しかしその機能は図２と同様であるので説明を繰り返すことを省略する。

電極塗膜が塗布された基材シート３は、このように構成されたリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉の内部を通過する際に、図５に示すように昇温、一定温度保持、降温の温度カーブを描きながら乾燥される。特に昇温時には、溶剤は表面から蒸発するため、電極塗膜の表面に向かって移動し、それに連れてバインダ１も図４のＢに示すように表層側に移動することは前述の通りである。

しかし本発明の炉では昇温部１１の溶剤ガス濃度が電極塗膜からの溶剤蒸発を抑制できる濃度に維持されているため、電極塗膜中の溶剤量は減少しにくい。このためにバインダ１の拡散係数は高いままの状態が維持され、バインダ濃度を均一化しようとする逆拡散によって図４のＣに示すように均一分布に近づく。その後、基材シート３は高温状態のまま温度保持部１２に入るので、溶剤は一挙に蒸発して図４のＤに示すようにバインダ１が均一に分散した電極を得ることができる。

得られたリチウムイオン電池用電極は、基材シート３と電極材２とがバインダ１によって的確に接合されているため、基材シート３の巻きつけ作業中に剥離やひび割れを生ずることがなくなり、不良発生率を従来の１/１０以下にまで減少させることが可能となる利点がある。

１バインダ
２電極材
３基材シート
１１昇温部
１２温度保持部
１３冷却部
１４排気手段
１５排気流路
１６排気流路
１７ファン
１８ヘッダ
１９排気ガス循環経路

Claims

昇温部と温度保持部と冷却部とを備え、リチウムイオン電池用の電極塗膜が塗布された基材シートをその内部に走行させながら乾燥させるリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉であって、
昇温部の前端と後端に、外気及び温度保持部からの気体流入を防止する排気手段を設置するとともに、この排気手段から排気された昇温部の内部ガスを再び昇温部に戻す排気ガス循環経路を設け、昇温部の溶剤ガス濃度を電極塗膜からの溶剤蒸発を抑制できる濃度に維持することを特徴とするリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉。
リチウムイオン電池用電極塗膜が、電極材とバインダと溶剤とを含有するものであることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉。
排気手段が、基材シートの上面及び下面からその走行方向に対して斜め方向に延びる排気流路を備えたものであることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉。
温度保持部の温度が１００〜１５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン電池用電極塗膜乾燥炉。