JP2012119095A - 電極板製造装置および電池の製造方法 - Google Patents

電極板製造装置および電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 塗工層における剥離強度の高い電極板を製造することのできる電極板製造装置および電池の製造方法を提供すること。
【解決手段】 電極板製造装置1000は,巻き出し部1100と,塗工部1200と,乾燥炉1300と,巻取り部1400とを有している。塗工部1200は,グラビア塗工装置1210と,ダイ塗工装置1250とを有している。グラビア塗工装置1210は,電極芯材の搬送経路におけるダイ塗工装置1250の配置箇所より上流の位置に配置されている。グラビア塗工装置1210は,グラビアロール1211を有している。グラビアロール1211の表面には,多数の非貫通孔1211aが形成されている。この非貫通孔1211aは,電解エッチングにより形成されたものである。
【選択図】図6

Description

本発明は,電極板製造装置および電池の製造方法に関する。さらに詳細には,電極芯材に塗工液を好適に塗工することのできる電極板製造装置および電池の製造方法に関するものである。
電池は,携帯電話やパーソナルコンピュータ等の電子機器,ハイブリッド車両や電気自動車等の車両など,多岐にわたる分野で利用されている。このような電池は,正極板と負極板と電解質とを備えるものである。また,正極板と負極板とを絶縁するために,これらの間にセパレータを設けることが一般的である。
例えば,リチウムイオン二次電池では,電極板(正極板および負極板)として,電極芯材(正極芯材および負極芯材)である電極箔に活物質等を含む合材層(正極合材層および負極合材層)を形成したものが用いられることがある。電極板の製造工程はおよそ次の通りである。まず,活物質や結着材を混練した塗工液を作成する。次に,電極芯材にその塗工液を塗工することで電極芯材にペースト層を形成する。この後,その電極芯材を乾燥炉の内部に搬送しつつペースト層を乾燥する(乾燥工程)。
この乾燥工程では,ペースト層内部で塗工液の対流が起こる。そのため,ペースト層内部における電極芯材側に存在していた結着材が,ペースト層の表面付近に移動することがある(マイグレーション:特許文献1の図2(b)参照)。この場合,塗工液の乾燥後に得られる電極板の合材層内部では,結着材が合材層の表面に偏在している。これはつまり,合材層内部における電極芯材との境目付近で,結着材が不足していることを意味している。このようにマイグレーションの生じている電極板では,結着材の不足している境目箇所で剥離しやすい。すなわち,剥離強度が低いのである。
剥離強度の低い電極板の合材層では,その後の製造工程において剥離が生じることがある。例えば,電極板とセパレータとを捲回した捲回電極体を有する電池を製造する場合,その捲回工程で電極板の合材層が剥離することがある。捲回時に,電極板に応力が加わるためである。
また,製品出荷後においても剥離が生じることがある。リチウムイオン二次電池では充放電を行うことにより,合材層の活物質にリチウムイオンが吸蔵されたり(インターカレーション),放出されたりする(デインターカレーション)。このリチウムイオンの吸蔵・放出により,合材層の体積は変化する。負極板では合材層の体積の変化量が特に大きい。このよう電池の充放電により,合材層は膨張と収縮を繰り返すこととなる。これにより,合材層が局所的に剥離するおそれがあるのである。
合材層における剥離箇所では,電荷の授受がほとんど起こらない。したがって,剥離箇所における集電性は著しく低い。つまり,剥離箇所のある電極板を用いているリチウムイオン二次電池の電池性能は低い。したがって,電極板における合材層の剥離強度は高いものとすることが好ましい。
そのため,電極板の剥離強度の向上を図った技術が開発されてきている。例えば特許文献1には,負極芯材に2層からなる塗工層の形成されたリチウムイオン二次電池が開示されている。特許文献1におけるリチウムイオン二次電池の製造工程はおよそ次のとおりである。まず,負極芯材に第1のペースト層を塗工する。そして,その第1のペースト層を乾燥させて第1の塗工層(プレコート層)とする。続いて,乾燥済みの第1の塗工層の上に第2のペースト層を塗工する。そして,その第2のペースト層を乾燥させて第2の塗工層とする(特許文献1の段落[0035]―[0037]参照)。第1のペースト層は,結着材を含む結着材溶液の層である。これにより,第2の塗工層が負極芯材から剥離しにくい負極板を備えるリチウムイオン二次電池を製造することができるとしている。
特開2009−238720号公報
ところで,特許文献1では,電極板の第1の塗工層(プレコート層)は活物質を含んでいない。そのため,第1の塗工層の内部では電極反応が生じない。電極反応が起こる箇所は,活物質を含んでいる第2の塗工層である。したがって,電極芯材は第2の塗工層から集電することとなる。しかし,前述のとおり,電極芯材と第2の塗工層との間には第1の塗工層が形成されている。そのため,第1の塗工層は,電極芯材と第2の塗工層との間で電荷の授受を妨げる要因となる。
そのため,特許文献1のように電極芯材と第2の塗工層との間に塗工層の形成されている電極板を用いる電池では,内部抵抗がやや高い。したがって,活物質を含む第2の塗工層と電極芯材との間に別途塗工層を形成することなく,剥離強度の高い電極板を作成することが好ましい。
本発明は,前述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,塗工層における剥離強度の高い電極板を製造することのできる電極板製造装置および電池の製造方法を提供することである。
この課題の解決を目的としてなされた本発明の一態様における電極板製造装置は,電極芯材を巻き出す巻き出し部と,電極芯材の一方の面に第1の塗工液を塗工して第1のペースト層とする第1の塗工装置と,電極芯材の第1のペースト層の上に第2の塗工液を塗工して第2のペースト層とする第2の塗工装置と,電極芯材を搬送しつつ電極芯材の第1のペースト層および第2のペースト層を乾燥させる乾燥炉と,第1のペースト層および第2のペースト層を乾燥させた電極芯材を巻き取る巻取り部とを有するものである。そして,第1の塗工装置は,電解エッチングにより表面に多数の非貫通孔が形成されている塗工用ローラを有する。かかる電極板製造装置では,第1のペースト層を十分に薄い塗工厚で塗工することができる。また,乾燥前の第1のペースト層の上に第2のペースト層を塗工することができる。そして,この電極板製造装置により製造された電極板における塗工層の剥離強度は高い。さらに,十分に速い搬送速度で搬送しつつ電極板を作成することができる。したがって,電極板の生産性はよい。
上記に記載の電極板製造装置において,塗工用ローラに形成されている非貫通孔の平均径は0.3〜2.0μmであり,塗工用ローラに形成されている非貫通孔の平均深さは1〜15μmであるとよい。10m/分以上で搬送しても,0.7〜2.0μm程度の塗工厚でペースト層を塗工することができるからである。
上記に記載の電極板製造装置において,第1の塗工装置は,塗工用ローラとしてグラビアロールを用い,電極芯材の搬送方向にならう向きの反対向きにグラビアロールを回転させるものであるとよい。グラビア塗工装置により,好適に第1のペースト層を塗工することができることに変わりないからである。
上記に記載の電極板製造装置において,第1の塗工装置は,塗工用ローラとしてロッドを用い,電極芯材の搬送方向にならう向きにロッドを回転させるものであってもよい。ロッド塗工装置により,好適に第1のペースト層を塗工することができることに変わりないからである。
また,本発明の別の態様における電池の製造方法は,電極芯材に塗工液を塗工してペースト層とするとともに乾燥炉内を搬送しつつそのペースト層を乾燥させて正極板または負極板とする電極板作成工程と,正極板と負極板とをこれらの間にセパレータを介在させた電極体とする電極体作成工程と,電極体を電池容器の内部に配置するとともに電池容器の内部に電解液を注入して封止する電池組立工程とを有する方法である。また,電極板作成工程では,電極芯材に第1の塗工液を塗工して第1のペースト層とする第1の塗工工程と,電極芯材の第1のペースト層の上に第2の塗工液を塗工して第2のペースト層とする第2の塗工工程とを有する。そして,第1の塗工工程では,電解エッチングにより表面に多数の非貫通孔が形成されている塗工用ローラを用いて塗工する。かかる電池の製造方法では,電極板作成工程において,第1のペースト層を十分に薄い塗工厚で塗工することができる。また,乾燥前の第1のペースト層の上に第2のペースト層を塗工することができる。そして,この電極板作成工程を経て製造された電極板における塗工層の剥離強度は高い。さらに,十分に速い搬送速度で搬送しつつ電極板を作成することができる。したがって,電極板の生産性はよい。
上記に記載の電池の製造方法において,塗工用ローラとして,塗工用ローラに形成されている非貫通孔の平均径は0.3〜2.0μmであり,塗工用ローラに形成されている非貫通孔の平均深さは1〜15μmであるとよい。10m/分以上で搬送しても,0.7〜2.0μm程度の塗工厚でペースト層を塗工することができるからである。
上記に記載の電池の製造方法において,第1の塗工工程では,塗工用ローラを電極芯材の搬送方向にならう向きの反対向きに回転させるものであるとよい。リバース・キス方式の塗工により,好適に第1のペースト層を塗工することができることに変わりないからである。
上記に記載の電池の製造方法において,第1の塗工工程では,塗工用ローラを電極芯材の搬送方向にならう向きに回転させるものであってもよい。キス方式の塗工により,好適に第1のペースト層を塗工することができることに変わりないからである。
本発明によれば,塗工層における剥離強度の高い電極板を製造することのできる電極板製造装置および電池の製造方法が提供されている。
実施形態に係る電池の製造方法により製造される電池の構造を説明するための断面図である。 実施形態に係る電池の製造方法により製造される電池の捲回電極体を説明するための斜視図である。 実施形態に係る電池の製造方法により製造される電池における捲回電極体の捲回構造を説明するための展開図である。 実施形態に係る電池の製造方法により製造される電池の正極板(負極板)の構造を示す斜視断面図である。 実施形態に係る電極板製造装置により製造される正極板(負極板)の構造を示す斜視断面図である。 第1の実施形態に係る電極板製造装置の構成を説明するための概略構成図である。 実施形態に係る電極板製造装置のダイ塗工装置が結着材溶液層の上に負極用塗工液層を塗工している様子を示す概念図である。 第1の実施形態に係る電極板製造装置のグラビアロールを説明するための斜視図である。 実施形態に係る電池の製造方法で用いられる捲回装置を説明するための概略構成図である。 第1の実施形態に係る電極板製造装置の別のグラビアロールを説明するための斜視図である。 第2の実施形態に係る電極板製造装置の構成を説明するための概略構成図である。
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,リチウムイオン二次電池の電極板を製造する電極板製造装置および電池の製造方法について,本発明を具体化したものである。
(第1の実施形態)
1.電池
本実施の形態に係るバッテリは,円筒型のリチウムイオン二次電池である。図1に,本形態のバッテリ10の断面図を示す。バッテリ10は,図1に示すように,電池容器11および蓋12からなる電池ケースにより密閉された電池セルである。バッテリ10には,捲回電極体100と,正極集電板110と,負極集電板120とが内蔵されている。また,電池容器11の内部には電解液が注入されている。
捲回電極体100は,電解液中で充放電を繰り返し,発電に直接寄与するものである。正極集電板110は,後述する捲回電極体100の正極芯材と接続された正極集電体である。その材質は,アルミニウムである。負極集電板120は,後述する捲回電極体100の負極芯材と接続された負極集電体である。その材質は,銅である。
本形態に係るリチウムイオン二次電池の捲回電極体100を図2に示す。捲回電極体100は,図2に示すように,軸芯101の回りに正極板と負極板とを,これらの間にセパレータS,Tを介在させて捲回された積層電極体である。軸芯101は,捲回電極体100を捲回する際に中心となる部材である。その形状は円筒形状である。軸芯101の外径は,3〜20mm程度である。ただし,これ以外の外径のものを用いてもよい。その材質として,ポリフェニレンサルファイド(PPS)等が挙げられる。もちろんこれ以外の材質のものを用いてもよい。なお,図2には,後述する正極非塗工部P2および負極非塗工部N2が表れている。
セパレータS,Tは,ポリエチレンやポリプロピレン等の多孔性フィルムである。セパレータS,Tの厚みは,10〜50μm程度である。ここで,セパレータSとセパレータTとは同じ材質のものである。上記の捲回順の理解のために符号をS,Tとして区別しただけである。
電池容器11の内部に注入された電解液は,有機溶媒に電解質を溶解させたものである。有機溶媒として例えば,プロピレンカーボネート(PC)やエチレンカーボネート(EC),ジメチルカーボネート(DMC),エチルメチルカーボネート(EMC)等のエステル系溶媒や,エステル系溶媒にγ−ブチロラクトン(γ−BL),ジエトキシエタン(DEE)等のエーテル系溶媒等を配合した有機溶媒が挙げられる。また,電解質である塩として,過塩素酸リチウム(LiClO)やホウフッ化リチウム(LiBF),六フッ化リン酸リチウム(LiPF)などのリチウム塩を用いることができる。
図3は,捲回電極体100の捲回構造を示す展開図である。捲回電極体100は,図3に示すように,内側から正極板P,セパレータS,負極板N,セパレータTの順に積み重ねた状態で捲回されたものである。
正極板Pは,正極芯材であるアルミ箔にリチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極活物質を含む合材を塗布したものである。正極活物質として,ニッケル酸リチウム(LiNiO),マンガン酸リチウム(LiMnO),コバルト酸リチウム(LiCoO)等のリチウム複合酸化物などが用いられる。負極板Nは,負極芯材である銅箔にリチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質を含む合材を塗布したものである。負極活物質として,非晶質炭素,難黒鉛化炭素,易黒鉛化炭素,黒鉛等の炭素系物質が用いられる。
図3に示すように正極板Pには,正極塗工部P1と,正極非塗工部P2とがある。正極塗工部P1は,正極芯材に正極活物質等を含む正極合材層を形成した箇所である。正極非塗工部P2は,正極芯材に正極合材層を形成していない箇所である。負極板Nには,負極塗工部N1と,負極非塗工部N2とがある。負極塗工部N1は,負極芯材に負極活物質等を含む負極合材層を形成した箇所である。負極非塗工部N2は,負極芯材に負極合材層を形成していない箇所である。
図3中の矢印Aは,正極板P,負極板N,セパレータS,Tの幅方向(図2でいえば縦方向)を示している。図3中の矢印Bは,正極板P,負極板N,セパレータS,Tの長手方向(図2の捲回電極体100の周方向)を示している。
2.電極板
図4は,正極板P(もしくは負極板N)の斜視断面図である。図4中の括弧外の各符号は,正極の場合の各部を,括弧内の各符号は,負極の場合の各部を示している。図4中の矢印Aが示す方向は,図3中の矢印Aが示す方向と同じである。すなわち,正極板Pの幅方向である。図4中の矢印Bが示す方向は,図3中の矢印Bが示す方向と同じである。すなわち,正極板Pの長手方向である。
図4に示すように,正極板Pは,帯状の正極芯材PBの両面の一部に正極合材層PAが形成されたものである。図4中の左側には,正極板Pの正極非塗工部P2が幅方向に突出している。正極非塗工部P2は,帯状に形成されている。正極非塗工部P2は,正極芯材PBの両面ともに正極合材が塗布されていない領域である。したがって正極非塗工部P2では,正極芯材PBがむき出したままの状態にある。一方,図4中の右側には,正極非塗工部P2に対応するような突出部はない。正極塗工部P1では,正極芯材PBの両面に一様の厚みで正極合材層PAが形成されている。
正極合材層PAは,正極芯材PBであるアルミ箔にリチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極活物質を含む合材を塗布して形成された層である。正極活物質として,ニッケル酸リチウム(LiNiO),マンガン酸リチウム(LiMnO),コバルト酸リチウム(LiCoO)等のリチウム複合酸化物などが用いられる。また,合材には,ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),スチレンブタジエンラバー(SBR),ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の結着剤やカルボキシメチルセルロース(CMC)等の増粘剤が含まれている。
図4に示すように,負極板Nは,帯状の負極芯材NBの両面の一部に負極合材層NAが形成されたものである。図4中の左側には,負極板Nの負極非塗工部N2が幅方向に突出している。負極非塗工部N2は,帯状に形成されている。負極非塗工部N2は,負極芯材NBの両面ともに負極合材が塗布されていない領域である。したがって負極非塗工部N2では,負極芯材NBがむき出したままの状態にある。一方,図4中の右側には,負極非塗工部N2に対応するような突出部はない。負極塗工部N1では,負極芯材NBの両面に一様の厚みで負極合材層NAが形成されている。
負極合材層NAは,負極芯材NBである銅箔にリチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質を含む合材を塗布して形成された層である。負極活物質として,非晶質炭素,難黒鉛化炭素,易黒鉛化炭素,黒鉛等の炭素系物質が用いられる。また,合材には,ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),スチレンブタジエンラバー(SBR),ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の結着剤やカルボキシメチルセルロース(CMC)等の増粘剤が含まれている。
3.電極板製造装置
本形態の電極板製造装置について説明する。本形態の電極板製造装置は,図5に示す正極板PXや負極板NXを製造するためのものである。図5に示す正極板PXや負極板NXを図5中の線Lに沿ってスリットすることにより,図4に示した正極板Pや負極板Nを作成することができる。
すなわち,本形態の電極板製造装置は,電極芯材(正極芯材PBおよび負極芯材NB)に電極合材層(正極合材層PAおよび負極合材層NA)を形成することにより,電極板(正極板PXおよび負極板NX)を作成するものである。正極板PXの作成工程および負極板NXの作成工程のいずれにおいても,本形態の電極板製造装置の各部は同様の役割を担う。したがって,これらを代表して負極板NXを製造する場合を例に挙げて電極板製造装置の構成を説明する。
本形態の電極板製造装置1000の概略構成を図6に示す。電極板製造装置1000は,巻き出し部1100と,塗工部1200と,乾燥炉1300と,巻取り部1400とを有するものである。
3−1.巻き出し部
巻き出し部1100は,巻き出しリール1101を有している。巻き出しリール1101は,未塗工の箔,すなわち負極芯材NBを巻き出すためのものである。
3−2.塗工部
塗工部1200は,図6に示すように,グラビア塗工装置1210と,ダイ塗工装置1250とを有している。グラビア塗工装置1210は,負極芯材NBの搬送方向におけるダイ塗工装置1250より上流の位置に配置されている。グラビア塗工装置1210は,負極芯材NBに結着材溶液を塗工するための第1の塗工装置である。ダイ塗工装置1250は,負極芯材NBの結着材溶液からなるペースト層の上に負極用塗工液を塗工するための第2の塗工装置である。
グラビア塗工装置1210は,グラビアロール1211と,液槽1212と,ドクターブレード1213と,ガイドローラ1214,1215とを有している。グラビアロール1211は,負極芯材NBに結着材溶液層NA1(図7参照)を塗工するための塗工用ローラである。グラビアロール1211の表面には,後述するように,多数の非貫通孔が形成されている。液槽1212は,結着材溶液を収容するためのものである。グラビアロール1211は液槽1212の結着材溶液に浸かっている。そのため結着材溶液はグラビアロール1211の非貫通孔に入り込むことができる。
ドクターブレード1213は,塗工前のグラビアロール1211から結着材溶液の一部を取り除くためのものである。負極芯材NBに塗工する結着材溶液層NA1の厚みが厚くなりすぎないようにするためのものである。ガイドローラ1214,1215は,負極芯材NBとグラビアロール1211との接触面積を増やすためのローラである。
負極芯材NBは,図6中の矢印Cの向きに搬送される。塗工を行う際には,グラビアロール1211は,図6中の矢印Dの向きに回転する。つまり,グラビアロール1211は,負極芯材NBの搬送方向にならう向きの反対向きに回転するようになっている。このようにグラビア塗工装置1210は,リバース・キス方式の塗工装置である。
ダイ塗工装置1250は,塗工用ダイ1251と,バックアップローラ1252とを有している。塗工用ダイ1251は,図7に示すように,負極芯材NBに塗工されている結着材溶液層NA1の上に負極用塗工液層NA2を塗工するためのものである。バックアップローラ1252は,負極芯材NBを搬送するとともに,塗工用ダイ1251による塗工の際に負極芯材NBを支持するためのものである。
3−3.乾燥炉
乾燥炉1300は,結着材溶液層NA1および負極用塗工液層NA2を塗工された負極芯材NBをその内部に搬送するとともに,これらの結着材溶液層NA1および負極用塗工液層NA2を乾燥させるためのものである。乾燥炉1300は,図6に示すように,エアノズル1301と,ローラ1302とを有している。エアノズル1301は,未乾燥の負極用塗工液層NA2に熱風を吹き付けるためのノズルである。未乾燥の結着材溶液層NA1および負極用塗工液層NA2は,エアノズル1301から吹き付けられる熱風により乾燥される。ローラ1302は,負極芯材NBを搬送するためのフリーローラである。
3−4.巻取り部
巻取り部1400は,巻き取り用リール1401を有している。巻き取り用リール1401は,負極合材層NAを形成された負極芯材NBを巻き取るためのものである。なお,後述するように,結着材溶液層NA1および負極用塗工液層NA2は,乾燥後には単一層の負極合材層NAとなる。
4.グラビアロール
4−1.グラビアロールの非貫通孔
ここで,本形態のグラビアロール1211について説明する。グラビアロール1211は,もちろん円筒形状をしている。その円筒外径は,40〜50mm程度である。グラビアロール1211は中実ローラである。もしくは,中空ローラであってもよい。グラビアロール1211の材質はアルミニウムである。
図8に示すように,グラビアロール1211の表面には多数の非貫通孔1211aが形成されている。これらの非貫通孔1211aは,グラビアロール1211の全表面にわたって形成されている。非貫通孔1211aの平均径は,0.3〜2.0μmである。非貫通孔1211aの平均深さは,1〜15μmである。
グラビアロール1211における非貫通孔1211aを形成されている領域の面積を非貫通孔領域面積Vとする。本形態では,非貫通孔領域面積Vは,グラビアロール1211の全表面積である。グラビアロール1211の非貫通孔領域面積Vにおける個々の非貫通孔1211aの面積を足し合わせた総和を非貫通孔面積和Wとする。このとき,非貫通孔領域面積Vに対する非貫通孔面積和Wは,20〜70%の範囲内である。
4−2.グラビアロールの非貫通孔の形成方法
グラビアロール1211に多数の非貫通孔1211aを形成するために,電解エッチングを用いる。その際の電解液として,塩酸等,アルミニウムを電解エッチングする際に通常用いられるものを用いればよい。その際の条件として,アノダイジングレシオの値を1.3nm/Vとするとよい。高精度で加工することができるからである。この電解エッチングにより,多数の非貫通孔1211aを形成されたグラビアロール1211を製造することができる。
このように,本形態の電極板製造装置1000では,微細な非貫通孔1211aを多数形成されたグラビアロール1211を第1の塗工装置として用いている。そのため,結着材溶液のペースト層の厚みを0.7〜2.0μm程度の厚みで塗工することができる。その際,電極芯材の搬送速度として,後述するように,10m/分以上の速度で搬送することができる。この速度領域で電極芯材の塗工をしても,ペースト層の厚みを0.7〜2.0μmという薄い厚みで一様に塗工することができる。なお,この厚みは,塗工時における液体層(スラリー状)の厚みであり,乾燥後の固体層の厚みではない。
5.電極板製造装置を用いた電極板作成工程
正極板Pの作成工程と負極板Nの作成工程とは,ほぼ同様である。芯材や塗工液等,原材料が異なっているだけである。したがって,これらを代表して負極板Nの作成工程について説明する。
5−1.塗工工程
5−1−1.第1塗工工程
まず,負極板NXを,図6に示した電極板製造装置1000を用いて作成する。巻き出し部1100の巻き出しリール1101から負極芯材NBを巻き出す。ここで搬送速度は,10m/分以上である。この搬送速度は,電極板製造装置1000において負極芯材NBが巻き出されてから塗工・乾燥後に巻き取られるまで一定の値である。
次に,負極芯材NBは,グラビア塗工装置1210の箇所に図6中の矢印Cの向きに搬送される。そして,負極芯材NBの第1面に,グラビアロール1211により結着材溶液(第1の塗工液)が塗工される。これにより,負極芯材NBの第1面に結着材溶液層NA1が形成される。結着材溶液層NA1は,第1のペースト層である。この結着材溶液層NA1の厚みは,0.7〜2.0μm程度である。
5−1−2.第2塗工工程
続いて,結着材溶液層NA1を塗工された負極芯材NBは,ダイ塗工装置1250の箇所に搬送される。ダイ塗工装置1250は,図7に示すように,負極芯材NBの第1面に負極用塗工液(第2の塗工液)を塗工する。このとき,結着材溶液層NA1はもちろん乾いていない。このため,負極芯材NBの結着材溶液層NA1の上に負極用塗工液層NA2が形成される。負極用塗工液層NA2は,第2のペースト層である。この負極用塗工液層NA2の厚みは,10〜100μmである。
なお,詳細については後述するが,結着材溶液における結着材の濃度は,負極用塗工液における結着材の濃度よりも高い。したがって,ダイ塗工装置1250による塗工の直後では,結着材溶液層NA1における結着材の濃度は,負極用塗工液層NA2における結着材の濃度よりも高い。なお,図7では,結着材溶液層NA1の厚みと負極用塗工液層NA2の厚みとがほぼ同程度であるとして描かれている。しかし実際には,結着材溶液層NA1の厚みは,負極用塗工液層NA2の厚みに比べて十分に薄い。
この塗工の後,結着材溶液層NA1および負極用塗工液層NA2の少なくとも一部は互いに混じり合う。結着材溶液層NA1および負極用塗工液層NA2の少なくとも一部が混じり合ったものを以下,ペースト層NA1,NA2と呼ぶこととする。ペースト層NA1,NA2における負極芯材NBの側での結着材の濃度は,ペースト層NA1,NA2における表面側での結着材の濃度よりも依然として高い。
5−2.乾燥工程
続いて,塗工された負極芯材NBは,図6中の矢印Eの向きに,乾燥炉1300の内部に搬送される。そして,これらのペースト層NA1,NA2は,エアノズル1301から噴出す熱風により乾燥される。この乾燥による温度上昇により,ペースト層NA1,NA2の膜厚内部では対流が生じる。そのため,ペースト層NA1,NA2の内部における溶液の混合は,より促進される。
つまり,ペースト層NA1,NA2における溶液の混合と,ペースト層NA1,NA2における溶媒の揮発,すなわち乾燥とは同時に起こる。そのため,乾燥を続けるに従い,ペースト層NA1,NA2は,ほぼ単一の液層となる。したがって,乾燥後には負極芯材NBの上に負極合材層NAが形成されることとなる。
このように第1面に負極合材層NAを形成された負極芯材NBは,巻取り部1500の巻取りリール1501に巻き取られる。
次に,第1面に負極合材層NAの形成された負極芯材NBの第2面に負極合材層NAを形成する。この工程には,電極板製造装置1000を再び用いればよい。これにより,図5に示した負極板NXを作成することができる。また,正極板PXについても同様に作成することができる。
以上のように作成された負極板NXでは,負極合材層NAにおける負極芯材NBの側での結着材の濃度は,負極合材層NAにおける表面側での結着材の濃度に比べてやや高い。したがって,本形態の負極板Nにおける負極合材層NAの剥離強度は高い。すなわち,負極合材層NAは剥離しにくい。もちろん,正極板PXについても同様である。
6.電池の製造方法
続いて,本形態の電池の製造方法について説明する。本形態に係る電池の製造方法では,前述のとおり,正極板PX,負極板NXの製造に電極板製造装置1000を用いることに特徴がある。すなわち,電極芯材(正極芯材PBおよび負極芯材NB)に塗工液を塗工して電極板(正極板PX,負極板NX)を作成する電極板作成工程に特徴がある。
6−1.塗工液作成工程
6−1−1.正極用塗工液混練工程
まず,正極合材層PAを形成するための正極用塗工液を作成する混練工程について説明する。ここで用いる正極活物質,導電材,増粘材,溶媒として,上記のものを用いればよい。そして,混練機内で溶媒中に正極活物質,導電材,増粘材を混入するとともに,混練羽根で攪拌する。これにより,正極用塗工液が作成される。
6−1−2.負極用塗工液混練工程
そして,負極合材層NAを形成するための負極用塗工液を作成する混練工程について説明する。ここで用いる負極活物質,増粘材,溶媒として,上記のものを用いればよい。そして,混練機内で溶媒中に負極活物質,増粘材を混入するとともに,混練羽根で攪拌する。これにより,負極用塗工液が作成される。
6−1−3.結着材溶液作成工程
さらに,結着材溶液を作成する。結着材溶液は,結着材と溶媒とを混合してできた溶液である。また,結着材溶液は,正極用と負極用とで共通のものを作成する。溶媒は,正極用塗工液や負極用塗工液に用いたものと同じである。また,結着材も,正極用塗工液や負極用塗工液に用いたものと同じものを用いるとよい。結着材溶液の上に正極用塗工液または負極用塗工液を塗工した後に,正極用塗工液または負極用塗工液と結着材溶液とがよく混じり合うからである。
ここで,結着材溶液における結着材の濃度は,もちろん正極用塗工液における結着材の濃度や負極用塗工液における結着材の濃度よりも大きい。
以上に説明したこれらの塗工液の作成順序は問わない。つまり,どの順序で作成してもよい。また,正極用塗工液と負極用塗工液とで用いる溶媒が異なる場合には,正極用と負極用の2種類の結着材溶液を用意しても構わない。
6−2.電極板作成工程
前述したように,本形態の電極板製造装置1000を用いて負極板NXを作成する。続いて,負極板NXを図5の線Lに沿って切断する。これにより,図4に示した負極板Nを作成することができる。また,正極板Pについても同様に作成することができる。
6−3.電極体作成工程
続いて,図9に示す捲回装置3000を用いて,正極板Pおよび負極板Nに,セパレータS,Tを介在させて積層しつつ捲回する。捲回装置3000は,正極板供給部3001と,負極板供給部3002と,セパレータ供給部3003,3004と,捲回軸3005とを有している。ここで,図3に示したように,内側から正極板P,セパレータS,負極板N,セパレータTの順番に積層されるように積み重ねて捲回する。捲回軸3005が図9の矢印Fの向きに回転することにより,捲回電極体100が作成される。
6−4.電池組立工程
続いて,電池容器11の内部に捲回電極体100を配置する。そして電池容器11の内部に電解液を注入する。そして蓋12をして封止する。もしくは,蓋12を電池容器11に装着した後に注液口を封止することとしてもよい。これにより,本形態のバッテリ10が組み立てられる。この後,コンディショニングやエージングなどの処理や,各種の検査工程を行うとよい。以上の工程を経ることにより,本形態のバッテリ10が製造される。
7.変形例
7−1.グラビアロールの二重構造
本形態のグラビアロール1211は,中実ローラもしくは中空ローラであるとした。しかし,図10に示すように,二重構造のグラビアロール1230を用いることとしてもよい。グラビアロール1230は,外周部1231と,内軸部1232とを有するものである。
外周部1231は,内軸部1232を外側から覆う円筒形状をしている。そして,外周部1231の表面には,多数の非貫通孔1231aが形成されている。これらの非貫通孔1231aの平均径,平均深さ等は,グラビアロール1211の非貫通孔1211aと同程度であればよい。外周部1231の材質は,例えばアルミニウムである。これは例示であり,他の材質であってもよい。内軸部1232は,円柱形状をしている。内軸部1232の材質は,例えばステンレス(SUS)である。内軸部1232の材質は,外周部1231の金属より強度の高いものであれば他の材質のものであってよい。そのため,グラビアロール1230の強度はグラビアロール1211の強度より高い。
7−2.グラビアロールのエッチング領域
本形態では,グラビアロール1211の全表面に電解エッチングを施した。すなわち,グラビアロール1211をそのまま電解液に浸漬した。しかし,グラビアロールの一部のみを電解液に浸漬することとしてもよい。ただし,少なくとも塗工に用いられる領域には電解エッチングを施す必要がある。非貫通孔1231aを形成するためである。
7−3.負極板にのみ結着材溶液を塗工する場合
本形態では,負極板Nのみならず正極板Pにも結着材溶液を塗工することとした。しかし,負極板Nを作成する場合にのみ,結着材溶液を塗工することとしてもよい。つまり,正極板Pを作成する場合には,正極芯材PBに結着材溶液を塗工することなく,正極用塗工液のみを塗工することとしてもよい。
これは,次の理由による。正極合材層PAあるいは負極合材層NAでは,充放電により正極活物質あるいは負極活物質の分子構造にリチウムイオンが入り込むインターカレーションが起こる。このインターカレーションによる負極合材層NAの体積変化は,正極合材層PAの体積変化よりも大きい。そのため,負極合材層NAは正極合材層PAに比べて剥離しやすい。したがって,正極板Pを作成する場合に結着材溶液を塗工しないでもよい場合がある。なお,この場合には,正極用塗工液に結着材を混入しておく必要がある。
7−4.両面塗工方式の電極板製造装置
本形態の電極板製造装置1000は,図6に示したような片面塗工方式のものである。しかし,本発明は,両面塗工方式の電極板製造装置にも当然に適用することができる。その場合には,電極芯材の搬送方向における乾燥炉1300より下流の位置に,電極芯材の第2面を塗工するグラビア塗工装置1210およびダイ塗工装置1250をこの順で配置すればよい。また,そのさらに下流には,第2面を乾燥させるための乾燥炉を設ける必要がある。
7−5.ダイ塗工装置の向き
本形態では,図6に示すように,塗工用ダイ1251は,バックアップローラ1252の横側で,横向きに配置されていることとした。しかし,バックアップローラの下側から塗工するように塗工用ダイ1251を配置することとしてもよい。電極芯材に塗工液を塗工できることに変わりないからである。
7−6.グラビア塗工装置
本形態では,グラビア塗工装置1210により電極芯材に結着材溶液を塗工し,ダイ塗工装置1250により電極芯材に正極用塗工液もしくは負極用塗工液を塗工することとした。しかし,グラビア塗工装置を2つ設けることとしてもよい。その場合,下流に配置されているグラビア塗工装置が正極用塗工液もしくは負極用塗工液を塗工することとなる。
7−7.乾燥炉内の搬送方法
本形態では,図6に示すように,乾燥炉1300内での電極芯材の搬送にローラ1302を用いることとした。しかし,乾燥炉1300の内部における電極芯材の搬送を,ローラ1302を用いたローラ搬送でなく,エアフローティング方式により行うこととしてもよい。
7−8.加熱方法
本形態では,エアノズル1301から負極芯材NBのペースト層NA1,NA2に向かって熱風を吹き付けることにより,ペースト層NA1,NA2を乾燥させることとした。しかし,ペースト層NA1,NA2を乾燥させる加熱方法であれば,その他の加熱方法を用いることとしてもよい。例えば,赤外線加熱(IR)や誘導加熱(IH)を用いることができる。
7−9.乾燥炉の連結数
本形態の乾燥炉1300は,一段の乾燥炉である。しかし,この乾燥炉の炉数は任意に変えてよい。炉数を増やしたほうが好適な乾燥プロファイルでペースト層NA1,NA2を乾燥させることができる。ただし,炉数を増やすほど,電極板製造装置のコストは増大する。
8.まとめ
以上,詳細に説明したように,本実施の形態に係る電極板製造装置1000は,グラビア塗工装置1210と,ダイ塗工装置1250とを有するものである。また,電極板製造装置1000は,微細な非貫通孔1211aの形成されたグラビアロール1211を有するものである。非貫通孔1211aが微細であるため,塗工厚の薄い結着材溶液のペースト層を塗工することができる。これにより,十分な剥離強度を備える正極板PXおよび負極板NXを作成することができる電極板製造装置1000が実現されている。
また,本形態の電池の製造方法は,電極板作成工程を有する方法である。電極板作成工程では,電解エッチングにより多数の非貫通孔1211aの形成されたグラビアロール1211を用いて結着材溶液を電極芯材に薄く塗工し,その上にダイ塗工装置により塗工液を塗工して乾燥させる。そのため,電極芯材と塗工層との剥離強度の十分な正極板Pおよび負極板Nを製造することができる。したがって,本形態の電池の製造方法では,正極板Pおよび負極板Nにおける塗工層の剥離強度の高い電池を製造することができる。
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,グラビアロールの材質は,アルミニウムに限らない。電解エッチングにより非貫通孔を多数形成できる材質のものであれば,その他の材質であってもよい。
また,軸芯を有さない電池にも適用することができる。また,円筒型電池に限らない。捲回電極体を用いる電池であれば,同様に適用することができる。例えば,電池セルの内部に軸芯を有さない電池セルにも適用することができる。また,捲回電極体を扁平プレスして作成される扁平形状の捲回電極体を有する角型電池にも適用することができる。また,捲回しないで正極板と負極板とを平積みした電極体を用いる電池にも適用することができる。また,リチウムイオン二次電池に限らない。ニッケル水素電池やその他の二次電池にも適用することができる。また,電池であれば,二次電池に限らず,一次電池にも適用することができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態について説明する。本形態に係る電極板製造装置の構成は,第1の実施形態で説明した電極板製造装置の構成とほぼ同様である。異なる点は,グラビア塗工装置の代わりに,ロッド塗工装置を有している点である。したがって,その異なる点を中心に説明する。また,第1の実施形態と同様に,負極板PXを製造する場合を例に挙げて説明する。
1.電極板製造装置
本形態の電極板製造装置2000の概略構成を図11に示す。電極板製造装置2000は,前述のとおり第1の実施形態に係る電極板製造装置1000(図6参照)とほぼ同じ構成である。異なる点は,塗工部2200である。塗工部2200は,図11に示すように,ロッド塗工装置2210と,ダイ塗工装置1250とを有している。
ロッド塗工装置2210は,ロッド2211と,支持部材2212とを有する第1の塗工装置である。ロッド2211は,負極芯材NBに結着材溶液層NA1を塗工するための塗工用ローラである。支持部材2212は,ロッド2211を支持するとともに,塗工液をロッド2211に供給するための槽でもある。ロッド塗工装置2210は,キス方式の塗工装置である。つまり,ロッド2211は,図11の矢印Hの向きに回転する。そしてその回転する向き(図11の矢印H)は,負極芯材NBの搬送方向Gにならう向きである。
2.ロッド
ここで,本形態のロッド2211について説明する。ロッド2211は,円柱形状をしている。その円柱の外径は,5〜20mm程度である。ロッド2211の材質は,例えばアルミニウムである。また,その他の材質であってもよい。
ロッド2211の表面には,多数の非貫通孔が形成されている。それらの非貫通孔は,図8のグラビアロール1211に形成されている非貫通孔1211aと同様である。すなわち,非貫通孔の平均径は,0.3〜2.0μmである。非貫通孔の平均深さは,1〜15μmである。ロッド2211における非貫通孔領域面積Vに対する非貫通孔面積和Wは,20〜70%の範囲内である。
3.電池の製造方法
電極板製造装置2000のその他の構成は,第1の実施形態のものと同様である。また,電池の製造方法もほぼ同様である。つまり,第1の実施形態の電極板製造装置1000を用いる代わりに,本形態の電極板製造装置2000を用いるだけである。
4.変形例
本形態では,第1の実施形態のところで説明したすべての変形例を適用することができる。その奏する効果に変わりはない。
5.まとめ
以上,詳細に説明したように,本実施の形態に係る電極板製造装置2000は,ロッド塗工装置2210と,ダイ塗工装置1250とを有するものである。また,電極板製造装置2000は,微細な非貫通孔の形成されたロッド2211を有するものである。非貫通孔が微細であるため,塗工厚の薄い結着材溶液のペースト層を塗工することができる。これにより,十分な剥離強度を備える正極板PXおよび負極板NXを作成することができる電極板製造装置2000が実現されている。
また,本形態の電池の製造方法は,電極板作成工程を有する方法である。電極板作成工程では,電解エッチングにより多数の非貫通孔の形成されたロッド2211を用いて結着材溶液を電極芯材に薄く塗工し,その上にダイ塗工装置により塗工液を塗工して乾燥させる。そのため,電極芯材と塗工層との剥離強度の十分な正極板Pおよび負極板Nを製造することができる。したがって,本形態の電池の製造方法では,正極板Pおよび負極板Nにおける塗工層の剥離強度の高い電池を製造することができる。
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,ロッドの材質は,アルミニウムに限らない。電解エッチングにより非貫通孔を多数形成できる材質のものであれば,その他の材質であってもよい。
また,軸芯を有さない電池にも適用することができる。また,円筒型電池に限らない。捲回電極体を用いる電池であれば,同様に適用することができる。例えば,電池セルの内部に軸芯を有さない電池セルにも適用することができる。また,捲回電極体を扁平プレスして作成される扁平形状の捲回電極体を有する角型電池にも適用することができる。また,捲回しないで正極板と負極板とを平積みした電極体を用いる電池にも適用することができる。また,リチウムイオン二次電池に限らない。ニッケル水素電池やその他の二次電池にも適用することができる。また,電池であれば,二次電池に限らず,一次電池にも適用することができる。
10…バッテリ
11…電池容器
12…蓋
100…捲回電極体
110…正極集電板
120…負極集電板
1000,2000…電極板製造装置
1100…巻き出し部
1101…巻き出しリール
1200,2200…塗工部
1210…グラビア塗工装置
1211…グラビアロール
1211a…非貫通孔
1212…液槽
1213…ドクターブレード
1214,1215…ガイドローラ
1230…グラビアロール
1231…外周部
1231a…非貫通孔
1232…内軸部
1250…ダイ塗工装置
1251…塗工用ダイ
1252…バックアップローラ
1300…乾燥炉
1301…エアノズル
1302…ローラ
1400…巻取り部
1401…巻取りリール
2210…ロッド塗工装置
2211…ロッド
2212…支持部材
3000…捲回装置
3001…正極板供給部
3002…負極板供給部
3003,3004…セパレータ供給部
3005…捲回軸
P,PX…正極板
PA…正極合材層
PB…正極芯材
P1…正極塗工部
P2…正極非塗工部
N,NX…負極板
NA…負極合材層
NB…負極芯材
N1…負極塗工部
N2…負極非塗工部
NA1…結着材溶液層
NA2…負極用塗工液層
S,T…セパレータ

Claims (8)

  1. 電極芯材を巻き出す巻き出し部と,
    電極芯材の一方の面に第1の塗工液を塗工して第1のペースト層とする第1の塗工装置と,
    電極芯材の第1のペースト層の上に第2の塗工液を塗工して第2のペースト層とする第2の塗工装置と,
    電極芯材を搬送しつつ電極芯材の第1のペースト層および第2のペースト層を乾燥させる乾燥炉と,
    第1のペースト層および第2のペースト層を乾燥させた電極芯材を巻き取る巻取り部とを有する電極板製造装置であって,
    前記第1の塗工装置は,
    電解エッチングにより表面に多数の非貫通孔が形成されている塗工用ローラを有することを特徴とする電極板製造装置。
  2. 請求項1に記載の電極板製造装置であって,
    前記塗工用ローラに形成されている非貫通孔の平均径は0.3〜2.0μmであり,
    前記塗工用ローラに形成されている非貫通孔の平均深さは1〜15μmであることを特徴とする電極板製造装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の電極板製造装置であって,
    前記第1の塗工装置は,
    前記塗工用ローラとしてグラビアロールを用い,
    電極芯材の搬送方向にならう向きの反対向きに前記グラビアロールを回転させるものであることを特徴とする電極板製造装置。
  4. 請求項1または請求項2に記載の電極板製造装置であって,
    前記第1の塗工装置は,
    前記塗工用ローラとしてロッドを用い,
    電極芯材の搬送方向にならう向きに前記ロッドを回転させるものであることを特徴とする電極板製造装置。
  5. 電極芯材に塗工液を塗工してペースト層とするとともに乾燥炉内を搬送しつつそのペースト層を乾燥させて正極板または負極板とする電極板作成工程と,
    正極板と負極板とをこれらの間にセパレータを介在させた電極体とする電極体作成工程と,
    電極体を電池容器の内部に配置するとともに前記電池容器の内部に電解液を注入して封止する電池組立工程とを有する電池の製造方法であって,
    前記電極板作成工程では,
    電極芯材に第1の塗工液を塗工して第1のペースト層とする第1の塗工工程と,
    電極芯材の第1のペースト層の上に第2の塗工液を塗工して第2のペースト層とする第2の塗工工程とを有し,
    前記第1の塗工工程では,
    電解エッチングにより表面に多数の非貫通孔が形成されている塗工用ローラを用いて塗工することを特徴とする電池の製造方法。
  6. 請求項5に記載の電池の製造方法であって,
    前記塗工用ローラとして,
    前記塗工用ローラに形成されている非貫通孔の平均径は0.3〜2.0μmであり,
    前記塗工用ローラに形成されている非貫通孔の平均深さは1〜15μmであるものを用いることを特徴とする電池の製造方法。
  7. 請求項5または請求項6に記載の電池の製造方法であって,
    前記第1の塗工工程では,
    前記塗工用ローラを電極芯材の搬送方向にならう向きの反対向きに回転させるものであることを特徴とする電池の製造方法。
  8. 請求項5または請求項6に記載の電池の製造方法であって,
    前記第1の塗工工程では,
    前記塗工用ローラを電極芯材の搬送方向にならう向きに回転させるものであることを特徴とする電池の製造方法。
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