JP2013073690A

JP2013073690A - 電極のプレス装置、電極の製造装置及び電極の製造方法

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Publication number: JP2013073690A
Application number: JP2011209722A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Uematsu; 育生植松; Masaomi Nakahata; 政臣中畑
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-04-22
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: US20130074711A1; US9419269B2; KR20150016188A; JP5606416B2; KR101569559B1; CN103117371A; KR20130033977A; CN103117371B

Abstract

【課題】歪み量の少ない電極のプレス装置、電極の製造装置及び電極の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態にかかる電極のプレス装置は、表面に電極層が形成された第１の領域と、前記電極層が形成されていない第２の領域と、を有する電極シートを、圧縮するプレスユニットと、前記電極シートに対向配置され、前記電極シートの前記第１の領域に対向し前記電極シートから退避した退避面と、前記第２の領域に対向し前記電極シート側に突出した突出面と、前記電極シートのエッジ部に対向し前記突出面から連続的に前記電極シートから離間する方向に退避する逃げ面と、を有するストレッチ部材を備え、前記第２の領域に張力を与える、ストレッチユニットと、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、電極のプレス装置、電極の製造装置及び電極の製造方法に関する。

従来の小型電子機器用途に加え、近年ではハイブリッド電気自動車の電源用途に用いられ、高容量、長サイクル寿命、急速充電性等を兼ね備えたバッテリが求められている。制限ある電池内に出来るだけ多くの活物質を充填するため、電極もより高密度に圧縮されるようになった。

電極の製造では、例えば金属箔などの帯状集電体からなる基材に活物質を含む電極材料を塗布し、乾燥して電極膜を形成した後、ロールプレス装置などで塗布領域を圧縮する。圧縮された塗布領域の電極シートも塑性変形によって伸びるが、電極材料が塗布されない非塗布領域はプレス圧力が掛からないため、電極シートが伸びない。その結果、この電極シートの伸びの差によって塗布領域と非塗布領域との境界に残留応力が働き、電極に歪みや反りが生じる。

特開２００１−２９７７５３号公報

実施形態では歪み量を低減できる電極のプレス装置、電極の製造装置、及び電極の製造方法を提供することを目的とする。

実施形態にかかる電極のプレス装置は、表面に電極層が形成された第１の領域と、前記電極層が形成されていない第２の領域と、を有する電極シートを、圧縮するプレスユニットと、前記電極シートに対向配置され、前記第２の領域に対応する位置において前記電極シート側に突出した突出面と、前記電極シートの前記第１の領域に対応する位置において前記突出面よりも前記電極シートから退避した退避面と、前記電極シートのエッジ部に対応する位置において前記電極シートから離間する方向に退避する逃げ面と、を有するストレッチ部材を備え、前記第２の領域に張力を与える、ストレッチユニットと、を備えたことを特徴とする。

第１実施形態にかかるプレス装置を示す説明図。同プレス装置におけるガイドローラと電極シートＳ１との位置関係を示す説明図。図２のＡ−Ａ断面図。図２のＢ−Ｂ断面図。他の実施形態にかかるガイドローラの構成を示す断面図。他の実施形態にかかるガイドローラの構成を示す断面図。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態かかる電極の製造装置及び電極の製造方法について、図１乃至図４を参照して説明する。各図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。本実施形態にかかる電極の製造装置は図１に示す電極のプレス装置１３を備えている。

図１に示すプレス装置１３は、電極シートＳ１の送り方向に沿って上流側から下流側に、電極シートＳ１を圧縮して電極密度を向上させるプレスユニット３１、圧縮時に形成される電極シートＳ１の歪みを矯正するストレッチユニット３２、及びプレス及び矯正後の電極シートＳ１を巻き取る巻取りユニット３３、を順番に備えて構成されている。

プレスユニット３１は、１対のプレスロール３１ａ，３１ｂを有する。プレスロール３１ａ，３１ｂは、駆動部によってＹ軸に沿う軸心を中心に回転することにより、プレスロール３１ａ，３１ｂ間に挿入された電極シートＳ１を圧縮成形する。

巻取りユニット３３は、駆動部によって回転軸３３ａがＹ軸に沿う軸心を中心に回転することで、電極シートＳ１をフープ状に巻き取り、ロールＲ１を形成するようになっている。

ストレッチユニット３２は、複数の金属製ガイドローラ３４〜３８（従動ローラ）を有し、プレスユニット３１から巻取りユニット３３に電極シートＳ１をガイドする。プレスロール３１ａ，３１ｂから巻取りユニット３３に搬送される電極シートＳ１には、長手方向に張力（巻取り張力）が加わる。ガイドローラ３４〜３８は、電極シートＳ１に加わる張力が巻取りに適した所望の範囲となるように、電極シートＳ１の上下面に交互に配置されている。ガイドローラ３６はストレッチ部材として機能する。

図２乃至図４に示すように、ガイドローラ３６は、段差部４３を介して軸方向一方側に小径部４１を、他方側に大径部４２を、有している。小径部４１と大径部４２の境界位置から、他方側に所定距離離間した部分に逃げ部４４を備えている。小径部４１及び大径部４２はそれぞれ円柱状であって、段差部４３を介して連続している。逃げ部４４は大径部４２から連続して形成され径が逓減するとともにその断面が曲線をなすラウンド形状に形成されている。

小径部４１の外周面が退避面４１ａを構成し、大径部４２の外周面は突出面４２ａを構成し、逃げ部４４の外周面は逃げ面４４ａを構成する。すなわち、ガイドローラ３６の外周面には、電極シートＳ１の塗布領域Ａ１に対向する退避面４１ａと、非塗布領域Ａ２に対向する突出面４２ａと、電極シートＳ１のエッジ部Ｓｅに対向する逃げ面４４ａと、が連続して形成されている。小径部４１の径ｒ１と、大径部４２の径ｒ２と逃げ部４４の径ｒ３は、ｒ１＜ｒ３＜ｒ３の関係を満たしている。

突出面４２ａは図中破線で示す搬送面４０に対して突出しており、退避面４１ａは搬送面４０から離間している。逃げ面４４ａは搬送面４０から徐々に離間するように弓状に湾曲している。

ガイドローラ３６と電極シートＳ１の位置関係として、塗布領域Ａ１は小径部４１に対向し、大径部４２は乗り上げないように設定されている。すなわち塗布領域Ａ１と非塗布領域Ａ２との境界Ｘは、段差部４３付近であって段差部４３よりも小径部４１側に配置される。

電極シートＳ１をガイドローラ３６に巻きつけた状態において、小径部４１の外周面である退避面４１ａは電極シートＳ１の基材Ｓ０及び電極層Ｄに接触せず、間に隙間４０ａが形成されるように設定される。すなわち、大径部４２の半径ｒ２と小径部４１の半径ｒ１の差ｒ２−ｒ１で決定される段差Ｈが電極層Ｄの厚みｔ１よりも大きく、Ｈ＞ｔ１を満たすように設定される。

段差Ｈ（％）は、電極層Ｄの厚さｔ１を１００％とした際に下記（１）式を満たすことが望ましい。１５０≦Ｈ≦６００（１）
段差Ｈを厚さｔ１の１５０％以上にすることによって、非塗布領域Ａ２に応力を十分に集中させて伸ばすことができる。また、段差Ｈを厚さｔ１の６００％以下にすることによって、非塗布領域Ａ２と塗布領域Ａ１との境界Ｘ付近に皺及び亀裂が生じるのを抑えることができる。皺や亀裂を防止する効果を高めるには、２００≦Ｈ≦４００の範囲がより好ましい。

逃げ面４４ａは電極シートＳ１のエッジ部Ｓｅに対向配置される。すなわち逃げ面４４ａの開始端部Ｐ１よりも軸方向（Ｙ方向）外側に電極シートＳ１のエッジ部Ｓｅが配置されるように設定される。

また、図４に示すように、電極シートＳ１がガイドローラ３６の外周に巻きつけられる抱き角θは６０度以上が望ましい。

さらに、ガイドローラ３６は加熱装置としてのヒータ３６ａを備えている。湾曲矯正工程においてヒータにより加熱処理をすることで、引き伸ばし変形しやすい状態にする。

以上のように構成されたガイドローラ３６の周りに、電極シートＳが巻きつけられた状態で、巻き取りユニット３３に巻き取られると、張力により接触面に接触した未塗布領域Ａ１の電極シートＳが長さ方向（送り方向）に引っ張られて伸ばされる。このため、プレス時に伸ばし量の差によって生じた電極シートＳ１の湾曲が矯正される。

以下、本実施形態にかかるプレス方法は、図１に示すプレス装置１３にて、ロール状に巻かれた電極シートＳ１を巻きだしてプレス工程及びストレッチ工程を行う。電極シートＳ１は、予め基材Ｓ０の上下表面に電極材料を塗布し、乾燥させて電極材料を硬化させることで得られる。電極層Ｄは基材Ｓ０の長さ方向に連続して形成されている。電極シートＳ１には電極層Ｄが形成された塗布領域Ａ１（第１の領域）と、電極層Ｄが塗布されずに基材Ｓ０が露出した非塗布領域Ａ２（第２の領域）とが形成される。

なお、基材Ｓ（帯状集電体）としては例えばアルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔等の金属箔を用いる。基材Ｓは、例えば厚さ（Ｚ軸方向）寸法は５０μｍ以下、幅（Ｙ軸方向）寸法は数百ｍｍ、長さ寸法は数千ｍｍ程度のものを用いる。

電極材料（活物質スラリー）は、例えば活物質に、必要に応じて導電剤及び結着剤を添加し、これらを溶媒の存在下で混練することにより調製される。活物質には、正極用、負極用のいずれを用いても良い。

正極の活物質は、特に限定されるものではなく、種々の酸化物、例えば、リチウム含有コバルト酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ_２）、二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物（例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＭｎＯ_２）、リチウム含有ニッケル酸化物（例えば、ＬｉＮｉＯ_２）、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．２Ｏ_２）、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタンや二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。

負極の活物質は、特に限定されるものではなく、例えば、黒鉛質材料もしくは炭素質材料（例えば、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体など）、カルコゲン化合物（例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブなど）、軽金属（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム、リチウム合金など）、リチウムチタン酸化物（例えば、スピネル型のチタン酸リチウム）等を挙げることができる。

導電剤は、特に限定されるものではなく、例えば、黒鉛、炭素質物、アセチレンブラック、カーボンブラック等を挙げることができる。また、結着剤は、特に限定されるものではなく、例えば、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ素系ゴムを用いることができる。

プレス工程としては、例えばロール状に巻かれた電極シートＳ１を巻きだしながら、回転しているプレスロール３１ａ，３１ｂ間に挿入し、圧縮成形を施す。電極シートＳ１の挿入方向が電極シートＳ１の長手方向に平行であり、プレス圧力は、塗布領域Ａ１の電極層Ｄに主に加わり、電極層Ｄが圧縮成形され、密度が高められる。このとき、非塗布領域Ａ２には、プレス圧力がほとんど加わらないため、非塗布領域Ａ２では塗布領域Ａ１に比べて電極シートＳ１の伸びが小さくなる。その結果、電極シートＳ１に歪みや反りが生じる。

プレスロール３１ａ，３１ｂ間を通過した電極シートＳ１は、下流側に送られガイドローラ３４〜３８を経由して巻取りユニット３３まで搬送される。このとき、湾曲矯正装置を兼ねたガイドローラ３６では、図２〜図４に示すように、小径部４１に塗布領域Ａ１が対応し、大径部４２に非塗布領域Ａ２が対向配置される。すなわち、大径部４２の外周面である突出面４２ａに電極シートＳ１の非塗布領域Ａ２が接触し、小径部４１の外周面である退避面４１ａと電極シートＳ１の塗布領域Ａ１との間には隙間４０ａが形成される。

この状態で、ストレッチ工程として、巻き取りユニット３３により電極シートＳ１を巻き取る（ＳＴ７）。ストレッチ工程では、電極シートＳ１の短辺方向（幅方向）に平行な断面での引張応力Ｆ（Ｎ／ｍｍ^２）を、２０≦Ｆ≦１００の範囲にすることが好ましい。引張応力Ｆを２０（Ｎ／ｍｍ^２）以上にすることによって、電極を精度よく巻き取るために必要な応力を満たしつつ、集電体露出部を十分に伸ばすことができる。引張応力Ｆを１００（Ｎ／ｍｍ^２）以下にすることによって、電極の破断及び巻取り精度低下の問題を生じさせることなく、集電体露出部を十分に伸ばすことができる。よって、引張応力Ｆ（Ｎ／ｍｍ^２）を２０≦Ｆ≦１００の範囲にすることによって、電極を破断させることなく、かつ電極を精度よく巻き取りつつ、集電体露出部を十分に伸ばすことができる。段差の高さやコーナー部の形状の条件にも依るが、電極の破断及び巻取り精度低下を防止する効果を高めるためには２０≦Ｆ≦４０の範囲がより好ましい。

ストレッチ工程においては例えばヒータ３６ａにより、６０℃以上１５０℃以下の温度で加熱処理を施しつつ、湾曲矯正を行うことが望ましい。加熱処理温度Ｔを６０℃以上にすることによって、塑性変形に必要となる応力を低減させる効果を高めることができる。また、電極シートＳ１に掛ける応力が同じ場合には、加熱することによって電極の歪みや反りを矯正する効果を高めることができる。これらの効果は、加熱処理温度Ｔが高い方が得られやすいが、電極層Ｄの熱による変質を避けるため、加熱処理温度Ｔは６０℃以上１５０℃以下の範囲にすることが望ましい。

圧縮成形後の電極シートＳ１は、塗布領域Ａ１が伸びて弛むため、ガイドローラ３６での巻取り張力（応力）は塗布領域Ａ１にはほとんど加わらず、圧縮後に伸ばされていない非塗布領域Ａ２に巻取り張力が集中する。この時、電極の歪み量は、圧縮後の歪み量に対し、電極を圧縮時の巻き取り張力と同じ張力で巻取りユニット３３に巻き換えた後では約１０％軽減させることができる。

ガイドローラ３６を通過した電極シートＳ１は、ガイドローラ３７，３８を経由して巻取りユニット３３に巻き取られる。さらに、フープ状の電極シートＳ１を必要に応じて所望のサイズに裁断することにより、電極体が得られる。なお、電極シートＳ１をそのまま電極体として用いることもできる。

二次電池の製造工程として、以上のように製造された電極体を電池容器内に配置する処理、電池容器に電解液を注入する処理、電池容器を封止する処理、などの各種の処理を順次行うことにより、二次電池が完成する。

以上説明した実施形態によれば、圧縮成形が施された電極シートＳ１を、塗布領域Ａ１を小径部４１（退避部）に対向させ、非塗布領域Ａ２を大径部４２（突出部）に対向させた状態で、電極シートＳ１の長さ方向に張力を加えるため、張力を非塗布領域Ａ２に集中させることができ、非塗布領域を塑性変形させて十分に伸ばすことができる。これにより、圧縮成形で電極シートＳ１に生じた歪みや反りを矯正することができ、電極群を作製する際の電極の破断を防止することができる。その結果、品質の優れた電極を高い生産効率で製造することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、非塗布領域Ａ２のエッジ部Ｓｅを、逃げ面に対向配置することにより、エッジ部Ｓｅにおいて応力集中を緩和することができる。これにより、例えば基材Ｓ０のエッジ部Ｓｅの端面に細かいクラックなどが形成されている場合であっても応力緩和により亀裂や破断を防止することができる。すなわち、例えば端面の傷やクラックに応力が集中すると、傷やクラックから亀裂や破断が生じやすくなるが、本実施形態では非塗布領域Ａ２のうち、特に歪みが大きい境界Ｘ付近には応力を集中させて引き伸ばしを行いつつ、境界Ｘから一定距離離間したエッジ部Ｓｅは応力集中を回避することにより、湾曲矯正効果を確保しつつ、亀裂や破断を抑制することが可能となる。本実施形態では、ガイドローラ３６のエッジ部対向部分の径を逓減させて搬送面４０から軸心に向かう方向（図中下方）に退避する逃げ面４４ａを形成するだけの単純な構成で、応力集中を回避することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、適宜変更して実施可能である。例えば上記実施形態で+はプレスユニット３１としてプレスロール３１ａ，３１ｂを用いたが、電極層Ｄを高密度化できるものであればプレスロールの代わりに使用することができる。例えば、プレスロールの代わりに平板プレスを用いることができる。また、プレス工程は、プレス圧力を多段階に変化させて行っても良い。

上記実施形態では複数のガイドローラのうち一つのガイドローラ３６を湾曲矯正装置として使用したが、ガイドローラの数も上記に限られるものではなく、湾曲矯正装置として使用するガイドローラの数や位置も上記に限られない。

ガイドローラ３６の回転軸方向の一方の端部に円周面から突出した大径部４２の外周面を突出面としたが、これに限定されず、非塗布領域Ａ２を伸ばす効果が得られるものであれば良い。例えば段差、大径部、小径部の位置や数などは適宜変更可能である。

基材Ｓ０の両面に電極層Ｄを設けたが、基材Ｓ０の片面のみに電極層Ｄを設けることもできる。

上記実施形態では、ガイドローラ３６の逃げ部４４の形状として、大径部４２から連続して形成され径が逓減するとともにその断面が曲線をなすラウンド形状としたが、これに限られるものではない。例えば図５に示すガイドローラ１３６は、段差部４３から軸方向に離間した部分に、径が低減するとともにその断面が傾斜するテーパ形状に形成された逃げ部１４４を備える。この逃げ部１４４の外面が逃げ面１４４ａを形成する。このような断面形状が直線となるように径を変化させる場合においても、エッジ部Ｓｅにおいて応力を緩和させることができるので、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、ガイドローラ３６に設ける段差部４３は、図２に例示されるように直角あるいは略直角とした例を示したが、これに限られるものではなくテーパーを設けても良い。例えば図６に示すガイドローラ２３６は、段差部２４３のコーナー部分が曲率Ｒを有する湾曲面となっている。コーナー部分の曲率半径Ｒが小さいほど、集電体露出部を伸ばす効果が大きくなる一方で、電極が蛇行した場合に電極破断が生じやすくなるので、例えば曲率半径Ｒ（ｍｍ）は、０．５ｍｍ≦Ｒ≦７ｍｍの範囲がより好ましい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ｓ１…電極シート、Ｓ０…基材（帯状集電体）、Ｄ…電極層、Ａ１…塗布領域（第１の領域）、Ａ２…非塗布領域（第２の領域）、Ｓｅ…エッジ部、Ｘ１…境界、Ｈ…段差、１３…プレス装置、３１…プレスユニット、３１ａ．３１ｂ…プレスロール、３２…ストレッチユニット、３３…巻取りユニット、３３ａ…回転軸、３３…巻き取りユニット、３４〜３８…ガイドローラ、３６…ガイドローラ（ストレッチ部材）、４０…搬送面、４０ａ…隙間、４１…小径部、４１ａ…退避面、４２…大径部、４２ａ…突出面、４３…段差部、４４…逃げ部、４４ａ…逃げ面、１３６…ガイドローラ、１４４…逃げ部、１４４ａ…逃げ面、２３６…ガイドローラ、２４３…段差部。

Claims

表面に電極層が形成された第１の領域と、前記電極層が形成されていない第２の領域と、を有する電極シートを、圧縮するプレスユニットと、
前記電極シートに対向配置され、前記第２の領域に対応する位置において前記電極シート側に突出した突出面と、前記電極シートの前記第１の領域に対応する位置において前記突出面よりも前記電極シートから退避した退避面と、前記電極シートのエッジ部に対応する位置において前記電極シートから離間する方向に退避する逃げ面と、を有するストレッチ部材を備え、前記第２の領域に張力を与える、ストレッチユニットと、
を備えたことを特徴とする電極のプレス装置。
前記ストレッチ部材は、小径部と、前記小径部よりも大きい径を有する大径部と、備え、前記小径部と前記大径部の境界から前記大径部側に離間した部分において径が低減するとともにその断面が曲線をなすラウンド形状に形成された逃げ部と、を備えるローラであり、
前記小径部の外周面が前記退避面を構成し、前記大径部の外周面が前記突出面を構成し、前記逃げ部の外周面が前記逃げ面を構成することを特徴とする請求項１記載の電極のプレス装置。
前記ストレッチ部材は、小径部と、前記小径部よりも大きい径を有する大径部と、備え、前記小径部と前記大径部の境界から、前記大径部側に離間した部分に、径が低減するとともにその断面が傾斜するテーパ形状に形成された逃げ部と、を備えるローラであり、
前記小径部の外周面が前記退避面を構成し、前記大径部の外周面が前記突出面を構成し、前記逃げ部の外周面が前記逃げ面を構成することを特徴とする請求項１記載の電極のプレス装置。
請求項１乃至３の電極のプレス装置を備えたことを特徴とする電極の製造装置。
表面に電極層が形成された第１の領域と、前記電極層が形成されていない第２の領域と、を有する電極シートを、圧縮し、
外周面に、前記電極シートの前記第１の領域に対向する退避面と、前記第２の領域に対向し前記電極シートに対して突出した突出面と、前記電極シートの前記第２の領域におけるエッジ部に対向し前記突出面から連続して前記電極シートから退避する逃げ面と、を有するストレッチ部材に、前記電極シートの前記第２の領域を当接させて張力を与えることにより、前記電極シートの前記第２の領域を引き伸ばす、ことを特徴とする電極の製造方法。