JP2013030360A

JP2013030360A - 電極の製造方法および電極製造装置

Info

Publication number: JP2013030360A
Application number: JP2011165703A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakai; 寛中井
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-02-07

Abstract

【課題】生産ラインの運転と停止によって電極の矯正度合いが箇所によってばらつくという問題を解消することが可能な電極の製造方法と電極製造装置を提供する。
【解決手段】電極製造装置１は、電極合材が塗工された塗工部と、電極合材が塗工されていない未塗工部とを含む集電体を押圧する圧延ロール１３ａ、１３ｂと、圧延ロール１３ａ、１３ｂによる押圧の後、未塗工部を選択的に押圧するパンチプレス１４ａ、１４ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的には電極の製造方法および電極製造装置に関し、特定的には、非水電解液二次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電要素を構成する電極の製造方法と製造装置に関するものである。

従来から、たとえば、非水電解液二次電池等の蓄電デバイスに用いられる電極は、電極合材が塗工された塗工部と、電極合材が塗工されていない未塗工部とを含む。このような電極は、集電体の表面の一部に電極合材を塗工し、乾燥した後で、電極合材層の密度を高めるために圧延ロールプレスで集電体を押圧することによって製造される。

しかしながら、電極合材層の密度を高めるために圧延ロールプレスで集電体を押圧すると、シート状の電極の表面に波打ちが生じたり、湾曲したり、またはひずみが生じたりすることがある。このような現象が生じると、最終的に得られる蓄電デバイスにおいて、充分な出力が得られない、内部短絡を引き起こす等の問題が生じる。

そこで、上記の問題を解消するために、たとえば、特開２００１‐７６７１１号公報（以下、特許文献１という）には、所定の条件の下で電極を加熱炉内で加熱した状態で張力を加えること（温間矯正）が開示されている。

また、たとえば、特開２００４‐３３５３７４号公報（以下、特許文献２という）には、電極の未塗工部を誘導加熱により加熱することによって未塗工部の歪みを矯正することが開示されている。

特開２００１‐７６７１１号公報特開２００４‐３３５３７４号公報

特許文献１に開示された温間矯正は大きな熱容量を必要とするため、加熱炉等の設備が大きくなり、設備のコストが高くなる。また、常時、加熱した状態を保つ必要があるため、生産ラインが稼働していない時も不要なエネルギーを消費することになる。これにより、ランニングコストが高くなる。さらに、加熱炉の長さで電極に供給される熱量が定められるため、生産速度を高める場合には加熱炉の長さを延長する等の設備改造が必要になる。さらにまた、生産ラインを停止した場合、電極への加熱を瞬時に止めることができないので、余分な熱量が電極に与えられることになる。その結果、生産ラインの運転と停止によって電極への加熱量が異なることになるので、電極の矯正度合いが箇所によってばらつくことになる。

特許文献２に開示された誘導加熱による矯正では、設備のコスト、ランニングコスト、および、生産速度への対応については改善される。しかし、誘導加熱によっても、生産ラインが運転した後に停止した箇所と、生産ラインが停止した後に運転した箇所とにおける電極への加熱量を、通常運転時における電極への加熱量と同等にすることが困難である。このため、誘導加熱による矯正では、電極の矯正度合いが箇所によってばらつくという問題を解消することは困難である。

そこで、本発明の目的は、生産ラインの運転と停止によって電極の矯正度合いが箇所によってばらつくという問題を解消することが可能な電極の製造方法と電極製造装置を提供することである。

本発明に従った電極の製造方法は、電極合材が塗工された塗工部と、電極合材が塗工されていない未塗工部とを含む集電体を押圧する押圧工程と、押圧工程の後、未塗工部を選択的に押圧する矯正工程とを備える。

本発明の電極の製造方法では、矯正工程が加熱を伴わないので、生産ラインの運転と停止を繰り返しても、生産ラインが運転した後に停止した箇所と、生産ラインが停止した後に運転した箇所とにおける電極への押圧による矯正度合いを同等にすることができる。これにより、生産ラインの運転と停止によって電極の矯正度合いが箇所によってばらつくという問題を解消することができる。

また、矯正工程が加熱を伴わないので、矯正工程の直後に矯正度合いを確認することができるので、矯正度合いに応じて押圧工程の押圧条件を変更することによってフィードバックすることができる。

本発明の電極の製造方法において、押圧工程が圧延ロールプレスによって行われ、矯正工程がパンチプレスまたはロールプレスによって行われることが好ましい。

また、本発明の電極の製造方法において、矯正工程は、押圧工程に同期して行われることが好ましい。押圧工程と矯正工程とを同期させることにより、生産速度の増減に追従して電極を矯正することができる。

さらに、本発明に従った電極製造装置は、電極合材が塗工された塗工部と、電極合材が塗工されていない未塗工部とを含む集電体を押圧する押圧部と、押圧部による押圧の後、未塗工部を押圧する矯正部とを備える。

本発明の電極製造装置を用いれば、矯正部が加熱を伴わないので、生産ラインの運転と停止を繰り返しても、生産ラインが運転した後に停止した箇所と、生産ラインが停止した後に運転した箇所とにおける電極への押圧による矯正度合いを同等にすることができる。したがって、本発明の電極製造装置を用いることにより、生産ラインの運転と停止によって電極の矯正度合いが箇所によってばらつくという問題を解消することができる。

また、矯正部が加熱を伴わないので、矯正部の直後にて矯正度合いを確認することができるため、矯正度合いに応じて押圧部の押圧条件を変更することによってフィードバックすることができる。

さらに、本発明の電極製造装置では、押圧部と矯正部とを一つのコモンベースの上に設置することができる。矯正部が加熱を伴わないので、熱エネルギーの消費がなく、設備の大きさやコストを小さくすることができる。

本発明の電極製造装置において、押圧部が圧延ロールプレスを含み、矯正部がパンチプレスまたはロールプレスを含むことが好ましい。

また、本発明の電極製造装置において、矯正部が押圧部に連続して配置されていることが好ましい。矯正度合いに応じて押圧部の押圧条件を変更することによって容易にフィードバックすることができ、矯正度合いを調整することができる。

本発明によれば、生産ラインの運転と停止によって電極の矯正度合いが箇所によってばらつくという問題を解消することができる。

本発明の一つの実施の形態としての電極製造装置の構成を概略的に示す図である。本発明の実施例において作製された電極材を示す平面図である。本発明の実施例における電極の未塗工部へのパンチプレスの押し込み量を示す断面図である。

（実施形態）
以下、本発明の一つの実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明の一つの実施の形態としての電極製造装置１を用いた電極の製造方法では、まず、巻き出しリール１１にロール状に巻かれた電極材から、帯シート状の電極材１００を、支持ローラ１２を介して送り出す。電極材１００は、集電体の表面上に電極合材が塗工された塗工部と、電極合材が塗工されていない未塗工部とを含む。電極合材は、塗工された後に乾燥させられて、電極合材層として集電体の表面上に形成されている。たとえば、図２に示すように、電極材１００は、集電体の幅方向の一方端部側に配置された塗工部１１０と、集電体の幅方向の他方端部側に配置された未塗工部１２０とを含む。

次に、電極材１００を、圧延ロール１３ａ、１３ｂ（押圧部）に通過させることにより、押圧（プレス）する（押圧工程）。これにより、図２に示すように、電極材１００に張力が加えられ、電極材１００の幅方向の一方端部側に配置された塗工部１１０の領域が伸ばされることにより、未塗工部１２０が配置された電極材１００の他方端部側を内側にして電極材１００が湾曲する。

その後、湾曲した電極材１００の未塗工部１２０を、パンチプレス１４ａ、１４ｂ（矯正部）により、押圧する（矯正工程）。具体的には、図２に示すように、たとえば、未塗工部１２０の領域内の一部分を、長さ方向に一定の間隔Ｐで並んだ押圧箇所１２１、１２２にて所定の直径のパンチで押圧する。この場合、Ａ方向またはＢ方向に一列に並ぶ押圧箇所１２１または１２２にて未塗工部１２０を押圧してもよく、Ａ方向およびＢ方向に二列に並ぶ押圧箇所１２１および１２２にて未塗工部１２０を押圧してもよい。後者の場合、未塗工部１２０の表面に皺が生じないように、Ｂ方向に並ぶ押圧箇所１２２にて押圧した後に、Ａ方向に並ぶ押圧箇所１２１にて押圧することが好ましい。このようにして、湾曲を矯正することができ、すなわち、湾曲量Ｗを低減させることができる。なお、パンチプレス１４ａ、１４ｂの代わりにロールプレスを用いて未塗工部１２０の領域全体を押圧することにより、湾曲を矯正してもよい。

最後に、矯正された帯シート状の電極材１００を、支持ローラ１５を介して送り出し、巻き取りリール１６にてロール状に巻く。

なお、本発明の電極製造装置１を構成する巻き出しリール１１、支持ローラ１２、１５、圧延ロール１３ａ、１３ｂ、パンチプレス１４ａ、１４ｂ、および、巻き取りリール１６は、一つのコモンベース１０の上に設置されている。

以上のように本発明の電極製造装置１を用いた電極の製造方法では、矯正部としてのパンチプレス１４ａ、１４ｂが加熱を伴わないので、生産ラインの運転と停止を繰り返しても、生産ラインが運転した後に停止した箇所と、生産ラインが停止した後に運転した箇所とにおける電極への押圧による矯正度合いを同等にすることができる。したがって、本発明の電極製造装置１を用いた電極の製造方法によれば、生産ラインの運転と停止によって電極の矯正度合いが箇所によってばらつくという問題を解消することができる。

また、矯正部としてのパンチプレス１４ａ、１４ｂが加熱を伴わないので、パンチプレス１４ａ、１４ｂの直後にて矯正度合いを確認することができるため、矯正度合いに応じて押圧部としての圧延ロール１３ａ、１３ｂの押圧条件（圧下量等）を変更することによってフィードバックすることができる。パンチプレス１４ａ、１４ｂが圧延ロール１３ａ、１３ｂの直後に配置されていることが好ましい。矯正度合いに応じて圧延ロール１３ａ、１３ｂの押圧条件（圧下量等）を変更することによって容易にフィードバックすることができ、矯正度合いを調整することができる。

さらに、本発明の電極製造装置１を用いた電極の製造方法において、矯正工程は、押圧工程に同期して行われることが好ましい。すなわち、本発明の電極製造装置１において、パンチプレス１４ａ、１４ｂの駆動が、圧延ロール１３ａ、１３ｂの駆動と同期するように運転されることが好ましい。押圧工程と矯正工程とを同期させることにより、生産速度の増減に追従して電極材１００を矯正することができる。

本発明の電極製造装置１では、圧延ロール１３ａ、１３ｂとパンチプレス１４ａ、１４ｂとを一つのコモンベース１０の上に設置することができる。パンチプレス１４ａ、１４ｂが加熱を伴わないので、熱エネルギーの消費がなく、設備の大きさやコストを小さくすることができる。

なお、本発明によって製造される電極材１００は正極材でもよく負極材でもよい。正極材は、正極端子に接続される側の端部を除いて、正極活物質を含む正極合材層が正極集電体の両面上に形成されることによって構成される。負極材は、負極端子に接続される側の端部を除いて、負極活物質を含む負極合材層が負極集電体の両面上に形成されることによって構成される。

たとえば、正極材は、正極活物質と結着剤と必要に応じて導電剤とを有機溶媒中で混錬してなる正極合材スラリーを、アルミニウム箔または銅箔からなる正極集電体の両面上に均一に塗布し、乾燥して、正極合材層を正極集電体の両面上に形成することにより作製される。

非水電解液二次電池を構成する場合、正極活物質としては、コバルト酸リチウム複合酸化物、マンガン酸リチウム複合酸化物、ニッケル酸リチウム複合酸化物、リチウム‐ニッケル‐マンガン‐コバルト複合酸化物、リチウム‐マンガン‐ニッケル複合酸化物、リチウム‐マンガン‐コバルト複合酸化物、リチウム‐ニッケル‐コバルト複合酸化物等を用いることができる。さらに、正極活物質は、上記の材料を混合したものでもよい。具体的には、非水電解液二次電池の正極活物質としてＬｉＭ_xＯ₂（化学式中、Ｍは一種以上の遷移金属を表し、ｘは電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５以上、１．１０以下である）を主体とするリチウム複合酸化物等を使用することができる。このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属Ｍとしては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等が好ましい。このようなリチウム複合酸化物の具体例としてはＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＮｉ_yＣｏ_1-yＯ₂（化学式中、０＜ｙ＜１である）、Ｌｉ_1+a（Ｎｉ_xＭｎ_yＣｏ_z）Ｏ_2-b（化学式中、−０．１＜ａ＜０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、−０．１＜ｂ＜０．１）、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄等を挙げることができる。これらのリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度が優れた正極活物質となる。正極材を作製するために、これらの正極活物質の複数種をあわせて使用してもよい。正極活物質は、ＬｉＦｅＰＯ₄で表わされるリン酸鉄リチウム等のオリビン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物でもよい。オリビン型構造を有しているのであれば、ＬｉＦｅＰＯ₄で表わされるリン酸鉄リチウムにおいて、Ｆｅの一部をＡｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ等で置換してもよい。また、Ｐの一部をＢ、Ｓｉ等で置換してもよい。

また、上記の正極合材に含有される結着剤としては、通常、非水電解液二次電池の正極合材に用いられている公知の結着剤を用いることができ、上記の正極合材には、導電剤、酸化物等、公知の添加剤を添加することができる。上記の正極合材に含有される導電剤としては、ファーネスブラック、アセチレンブラック等の炭素材料が用いられる。正極活物質と導電剤を結着させるための結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはフッ素系ラテックスが用いられる。

たとえば、負極材は、負極活物質と結着剤と必要に応じて導電剤とを有機溶媒中で混錬してなる負極スラリーを、銅箔またはアルミニウム箔からなる負極集電体の両面上に均一に塗布し、乾燥して、負極合材層を負極集電体の両面上に形成することにより作製される。

非水電解液二次電池を構成する場合、負極活物質としては、難黒鉛化炭素材料、易黒鉛化炭素材料（ソフトカーボン）、グラファイト系炭素材料等の炭素材料を使用することができる。具体的には、熱分解炭素類、コークス類、黒鉛類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭等の炭素材料を使用することができる。上記のコークス類には、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等がある。また、上記の有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。上述した炭素材料のほか、リチウムをドープ、脱ドープできる材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール等の高分子、ＳｎＯ₂等のＳｎ酸化物系、Ｓｎ₅Ｃｕ₆等のＳｎ合金系、ＳｉＭｇ₂等のＳｉ合金系、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂（チタン酸リチウム）等の酸化物を使用することもできる。

また、上記の負極合材に含有される結着剤としては、通常、非水電解液二次電池の負極合材に用いられている公知の結着剤を用いることができ、上記の負極合材には、導電剤、酸化物等、公知の添加剤を添加することができる。負極活物質を結着させるための結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドイミド、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリテトラフルオロエチレンが用いられ、あるいは、スチレンブタジエンラバー等のラテックスバインダーとカルボキシメチルセルロース等の増粘剤の混合物が用いられる。

なお、本発明は、非水電解液二次電池の電極の製造だけでなく、電気二重層キャパシタ等の電極の製造にも適用することができる。

（実施例）
以下、図１に示される電極製造装置１を用いて、以下の表１に示す矯正条件でワークＮｏ．１〜６の電極材１００を製造して湾曲の矯正量を測定した。

図２に示すように、帯シート状の電極材１００は、集電体の表面上に電極合材が塗工された塗工部１１０と、電極合材が塗工されていない未塗工部１２０とを含む。電極合材は、塗工された後に乾燥させられて、電極合材層として集電体の表面上に形成されている。実施例で用いられた電極材１００の長さは５００ｍｍ、塗工部１１０の幅は１５ｍｍ、未塗工部１２０の幅は１０ｍｍである。電極材１００は正極用として作製され、厚みが２０μｍのアルミニウム箔からなる集電体の両面上に片面で厚みが約２５μｍの正極合材層を塗工部１１０の領域に形成した。正極活物質としてのリチウム‐ニッケル‐マンガン‐コバルト複合酸化物と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンと、導電剤としてのアセチレンブラックとを有機溶媒中で混錬してなる正極合材スラリーを、アルミニウム箔からなる集電体の両面上に均一に塗布し、乾燥して、正極合材層を集電体の両面上に形成した。

以上のようにして作製された電極材１００を、圧延ロール１３ａ、１３ｂに通過させることにより、押圧した。これにより、図２に示すように、電極材１００に張力が加えられ、電極材１００の幅方向の一方端部側に配置された塗工部１１０の領域が伸ばされることにより、未塗工部１２０が配置された電極材１００の他方端部側を内側にして電極材１００が湾曲した。このときの湾曲量ＷをＷ１とした。

その後、湾曲した電極材１００の未塗工部１２０を、パンチプレス１４ａ、１４ｂにより、押圧した。具体的には、図２に示すように、たとえば、未塗工部１２０の領域内の一部分を、長さ方向に一定の間隔（プレスピッチ）Ｐで並んだ押圧箇所１２１、１２２にて所定の直径のパンチで押圧した。このとき、表１に示すように「押圧箇所」が「Ａ」の場合、Ａ方向に一列に並ぶ押圧箇所１２１にて未塗工部１２０を押圧し、「Ｂ」の場合、Ｂ方向に一列に並ぶ押圧箇所１２２にて未塗工部１２０を押圧し、「Ｂ→Ａ」の場合、未塗工部１２０の表面に皺が生じないように、Ｂ方向に並ぶ押圧箇所１２２にて押圧した後に、Ａ方向に並ぶ押圧箇所１２１にて押圧した。

表１に示す「押し込み量Ｓ［μｍ］」は、図３に示すように、直径Ｄが３ｍｍのパンチプレス１４ａを用いて、未塗工部１２０の領域にて厚みＴ（２０μｍ）のアルミニウム箔内に入り込む量Ｓとして設定した。

また、表１に示す「プレスピッチＰ［ｍｍ］」は、図２に示すように、Ａ方向またはＢ方向に並んだ押圧箇所１２１または１２２の間隔Ｐとして設定した。

以上のようにして、各ワークの電極材１００の湾曲を矯正することができた。このときの湾曲量ＷをＷ２とした。

表１に示す「矯正量ΔＷ［％］」は、［（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ１］×１００［％］で算出される値である。

表１に示す結果から、Ｂ方向に並ぶ押圧箇所１２２（塗工部１１０に近い領域）で押圧したワークＮｏ．１、２は、Ａ方向に並ぶ押圧箇所１２１（塗工部１１０から離れた領域）で押圧したワークＮｏ．５、６よりも矯正量が大きいことがわかる。また、Ａ方向およびＢ方向に並ぶ押圧箇所１２１、１２２で押圧したワークＮｏ．３、４は、最も矯正量が大きいことがわかる。

今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものであることが意図される。

本発明によれば、生産ラインの運転と停止によって電極の矯正度合いが箇所によってばらつくという問題を解消することができるので、本発明は、非水電解液二次電池、電気二重層キャパシタ等の種々の蓄電要素を収容する蓄電デバイスの電極の製造に寄与するものである。

１：電極製造装置、１３ａ，１３ｂ：圧延ロール、１４ａ，１４ｂ：パンチプレス、１００：電極材、１１０：塗工部、１２０：未塗工部。

Claims

電極合材が塗工された塗工部と、電極合材が塗工されていない未塗工部とを含む集電体を押圧する押圧工程と、
前記押圧工程の後、前記未塗工部を選択的に押圧する矯正工程と、
を備えた、電極の製造方法。
前記押圧工程が圧延ロールプレスによって行われ、前記矯正工程がパンチプレスまたはロールプレスによって行われる、請求項１に記載の電極の製造方法。
前記矯正工程は、前記押圧工程に同期して行われる、請求項１または請求項２に記載の電極の製造方法。
電極合材が塗工された塗工部と、電極合材が塗工されていない未塗工部とを含む集電体を押圧する押圧部と、
前記押圧部による押圧の後、前記未塗工部を押圧する矯正部と、
を備えた、電極製造装置。
前記押圧部が圧延ロールプレスを含み、前記矯正部がパンチプレスまたはロールプレスを含む、請求項４に記載の電極製造装置。
前記矯正部が前記押圧部に連続して配置されている、請求項４または請求項５に記載の電極製造装置。