JP2013131369A

JP2013131369A - 電極材料の塗布量測定方法

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Publication number: JP2013131369A
Application number: JP2011279593A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Suzuki; 繁鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: JP5655773B2

Abstract

【課題】基材の表面に塗布された電極材料の塗布量を、安価で簡易にかつ短時間で精度良く測定することができる方法を提供すること。
【解決手段】塗工膜２１が塗工された塗工部２２と塗布されていない未塗工部２３が、帯状の基材２０の幅方向に形成された電極板１０における塗工膜２１の塗布量を測定する測定方法において、基材搬送方向の同一位置で幅方向にて、塗工部２２と未塗工部２３とをそれぞれ打ち抜く打ち抜き工程と、打ち抜き工程にて塗工部２２及び未塗工部２３でそれぞれ打ち抜いた塗工部サンプル２２ａ及び未塗工部サンプル２３ａについてそれぞれ重量を測定して単位面積当たりの重量をそれぞれについて算出する重量算出工程と、重量算出工程で算出された単位面積当たりの重量の差に基づき塗工膜２１の塗布量を求める塗布量算出工程と、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、基材の表面に塗布された電極材料の塗布量を測定する塗布量測定方法に関する。より詳細には、オフラインで実重量測定を行う電極材料の塗布量測定方法に関するものである。

近年、モータを駆動源として搭載したハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両が普及しつつある。こうした電動車両には、充電や放電を行うための二次電池が搭載されている。二次電池の電極板は、帯状の金属箔（基材）に活物質を塗布することによって製造されている。具体的に電極板の製造過程では、金属箔の両面にペースト状の活物質を塗布し、その活物質を乾燥させ、乾燥させた活物質を金属箔とともにプレスロールにて圧延し、圧延後の薄膜を適切な幅および長さに切断することが行われている。

この二次電池では、充電や放電を行う際、正極板の塗工膜に含まれる正極活物質と、負極板の塗工膜に含まれる負極活物質との間で、イオンの吸蔵や放出が行われる。イオンの吸蔵や放出を適切に行うためには、正極板や負極板の表面にペースト状の活物質が均一に塗布されている必要がある。

そのため、電極板に塗布された電極材料の塗布量を測定している。この塗布量の測定方法としては、例えば、ＣＣＤセンサで電極板の幅方向の全長に亘って撮像し、撮像データに基づいて電極板上の電池材料の膜厚を測定し、塗布量をフィードバック制御するものがある（特許文献１参照）。また、β線やＸ線などの放射線を塗布物に照射して透過量を測定し、測定透過量に基づき単位面積当たりの電極材料の塗布量を測定するものもある（特許文献２参照）。
ところが、このような測定方法では、測定装置が高価であることなどから、安価に電極材料の塗布量を測定することができなかった。

そこで、安価に電極材料の塗布量を測定するために、電極材料が塗布された電極板をサンプリングして（切り抜き）、そのサンプルの塗布量を実重量測定により測定することが行われている。このような測定方法では、例えば、図１０に示すように、塗工膜（電極材料）が塗布された帯状の電極板から一部を切り取って（図１０（ａ）参照）、サンプルを取得し（図１０（ｂ）参照）、そのサンプルの重量を測定する。その後、サンプルの塗工膜を削り取って（図１０（ｃ）参照）、再度重量を測定する。そして、測定した重量の差から塗布量を算出している。

特開２００７−０６６８２１号公報特開平９−１６１７９２号公報

しかしながら、従来の実重量測定による塗布量測定方法では、電極部材の除去作業に多大な時間がかかるため、測定時間が非常に長いという問題があった。このように除去作業に多大な時間がかかるのは、電極は、１０〜１５μｍ程度の非常に薄い電極板（基材）上に５０μｍ程度の塗工膜が形成されたものであるため、破損しないように樹脂製のブレードを用いて電極板から塗工膜（電極材料）を荒除去をした後、スポンジ状部材によって拭き取るという特殊な除去作業を行う必要があるからである。

また、電極板の表面には微少な凹凸があるため、塗工膜を電極板から完全に除去することが難しく、測定誤差が生じてしまうので塗布量を精度良く測定することができなかった。
さらに、切り出したサンプル（図１０（ｂ）参照）の重量をその面積で割ることにより、単位面積当たりの重量を算出しているため、塗布量のばらつきまで把握することはできなかった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、基材の表面に塗布された電極材料の塗布量を、安価で簡易にかつ短時間で精度良く測定することができる方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、電極材料が塗布された塗工部と塗布されていない未塗工部が、帯状の基材の幅方向に形成された電極板における電極材料の塗布量を測定する測定方法において、基材搬送方向の同一位置で幅方向にて、前記塗工部と前記未塗工部とをそれぞれ打ち抜く打ち抜き工程と、前記打ち抜き工程にて前記塗工部及び前記未塗工部でそれぞれ打ち抜いた部分についてそれぞれ重量を測定して単位面積当たりの重量をそれぞれについて算出する重量算出工程と、前記重量算出工程で算出された単位面積当たりの重量の差に基づき電極材料の塗布量を求める塗布量算出工程と、を含むことを特徴とする。

この塗布量測定方法では、打ち抜き工程にて、基材搬送方向の同一位置で幅方向において、電極板の塗工部と未塗工部とをそれぞれ打ち抜く。これにより、塗工部と未塗工部についてそれぞれサンプルを取得する。次に、重量算出工程にて、打ち抜き工程で取得した塗工部と未塗工部とのサンプルについてそれぞれ重量を測定する。そして、塗工部と未塗工部とのサンプルについてそれぞれ単位面積当たりの重量を算出する。その後、塗布量算出工程にて、重量算出工程で算出した塗工部と未塗工部との単位面積当たりの重量差に基づき電極材料の塗布量を求める。すなわち、打ち抜いた塗工部の単位面積当たりの重量から打ち抜いた未塗工部の単位面積当たりの重量を差し引いて、電極材料の塗布量を算出する。

このようにして電極材料の塗布量を測定するため、電極板の塗工部と未塗工部の重量を正確に求めることができるので、電極材料の塗布量を精度良く測定することができる。また、電極部材の除去作業が不要となるため、測定時間を非常に短くすることができる。さらに、測定装置が高価になることもないため、安価に電極材料の塗布量を測定することができる。
従って、この塗布量測定方法によれば、安価で簡易にかつ短時間で、電極材料の塗布量を精度良く測定することができる。

上記した塗布量測定方法において、前記打ち抜き工程では、前記塗工部を２箇所以上で打ち抜くことが望ましい。

このようにすることにより、安価で簡易にかつ短時間で、電極材料の塗布量を精度良く測定することができるとともに、電極板の幅方向における塗布量のばらつきも把握することができる。

上記した塗布量測定方法において、前記打ち抜き工程では、角部に丸みを持たせて前記塗工部を打ち抜くことが望ましい。

このようにすることにより、電極板の塗工部を打ち抜く際に、電極板からの電極材料の剥がれを抑制することができる。従って、塗工部の重量をより正確に測定することができる。これにより、電極材料の塗布量を一層精度良く測定することができる。

この場合には、前記角部が、Ｒ５以上となるように打ち抜けば良い。

このようにすることにより、電極板からの電極材料の剥がれを確実に抑制することができる。従って、塗工部の重量をより一層正確に測定することができる。これにより、電極材料の塗布量をより一層精度良く測定することができる。

本発明に係る電極材料の塗布量測定方法によれば、上記した通り、安価で簡易にかつ短時間で、電極材料の塗布量を精度良く測定することができる。

電極板の概略構成を示す平面図である。電極板の幅方向の断面を示す断面図である。打ち抜く箇所及び形状を模式的に示す図である。塗布量を測定するために必要な測定時間の比較結果を示す図である。塗布量の測定ばらつきの比較結果を示す図である。塗工部を打ち抜いた塗工部サンプルの角部を拡大した図である。塗工部サンプルの角部における形状（Ｒの大きさ）による塗布量の測定ばらつきの結果を示す図である。塗工部を複数箇所で打ち抜く場合の一例を示す図である。図８に示す各位置で打ち抜いた各塗工部サンプルの塗布量を示す図である。従来の塗布量測定方法の手順を示す図である。

以下、本発明の電極材料の塗布量測定方法を具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。ここでは、電動車両に搭載するリチウムイオン二次電池の電極となる電極板の製造工程にて、基材に塗布された塗工材（塗工膜）の塗布量を測定する場合について例示する。

そこで、まず、塗布量を測定する電極板について、図１及び図２を参照しながら簡単に説明する。図１は、電極板の概略構成を示す平面図である。図２は、電極板の幅方向の断面を示す断面図である。
図１及び図２に示すように、電極板１０は、帯状の基材２０の両面に塗工膜２１が形成されたものである。塗工膜２１は、基材２０に塗工材（電極材料）を塗布した後に乾燥させることにより、基材２０に結着されている。なお、塗工材は、活物質、導電補助材、バインダ、及び溶媒等が混練された導電性ペーストである。この塗工膜２１は、基材２０の幅方向（図１では上下方向）の中心付近に塗工されており、この部分が塗工部２２となっている。一方、基材２０の幅方向の両端部に、塗工膜２１が塗工されていない未塗工部２３が形成されている。

そして、図２中左側の塗工膜２１の塗工幅は、図２中右側の塗工膜２１の塗工幅と同じである。また、図２中左側の塗工膜２１の幅方向の位置は、図２中右側の塗工膜２１の幅方向の位置と同じである。すなわち、図２中左側の塗工膜２１は、図２中右側の塗工膜２１の真裏の位置にある。本実施形態において、基材２０の厚さは、１０μｍ程度であり、塗工膜２１の厚さは、乾燥前で４０μｍ程度、乾燥後で３０μｍ程度である。

電極板１０には、正極及び負極の２種類がある。リチウムイオン二次電池の正極板には、基材２０としてアルミ箔等を用いることができる。また、正極の塗工膜２１を形成する塗工材に含まれる活物質としては、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、放電時にリチウムイオンを放出するものであれば良く、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。

一方、リチウムイオン二次電池の負極板には、基材２０として銅箔等を用いることができる。また、負極の塗工膜２１を形成する塗工材に含まれる活物質としては、放電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時にリチウムイオンを放出するものであれば良く、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素や、ソフトカーボン、ハードカーボン等の非晶質のアモルファス系炭素が挙げられる。

ここで、正極板と負極板とでは、前述したように材料は異なるが、基材２０及び塗工膜２１の幅や厚み等に大差はない。さらに正極板も負極板も、図２に示したように、基材２０の両面に塗工膜２１を塗工したものであることに変わりない。このため、本実施の形態に係る塗布量測定方法は、リチウムイオン二次電池の正極板又は負極板のいずれにも適用することができる。よって、以下では、特に正極と負極とを区別しないで電極板１０として説明する。

次に、上記した電極板に塗布された塗工材（塗工膜）の塗布量を測定する方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、打ち抜く箇所及び形状を模式的に示す図である。
本実施の形態に係る塗布量測定方法では、オフラインでサンプルを取得して塗工膜２１の塗布量を測定する。具体的には、打ち抜き工程、重量算出工程、及び塗布量算出工程を、この順に実施して、基材２０に塗布された塗工材（塗布膜２１）の塗布量を測定する。そこで、以下、各工程について説明する。

まず、打ち抜き工程では、上記した電極板１０を、図３に示すように、打ち抜き機にて打ち抜く。具体的には、基材搬送方向（図３では左右方向）の同一位置で電極板の幅方向（図３では上下方向）にて、塗工部２２と未塗工部２３とにおいて、それぞれ矩形状に電極板１０を打ち抜く。これにより、電極板１０から塗工部サンプル２２ａと未塗工部サンプル２３ａとが切り出される。

続いて、重量算出工程では、打ち抜き工程で取得した塗工部サンプル２２ａと未塗工部サンプル２３ａについてそれぞれ単位面積当たりの重量を算出する。すなわち、まず、塗工部サンプル２２ａと未塗工部サンプル２３ａとの重量を測定する。そして、塗工部サンプル２２ａ及び未塗工部サンプル２３ａの各面積が既知（算出可能）であるから、測定した各重量と各面積とから、塗工部サンプル２２ａの単位面積当たりの重量Ａ（ｇ／ｍｍ²）及び未塗工部サンプル２３ａの単位面積当たりの重量Ｂ（ｇ／ｍｍ²）をそれぞれ算出する。

そして、塗布量算出工程では、重量算出工程で算出した塗工部サンプル２２ａと未塗工部サンプル２３ａとの重量差に基づき、塗工膜２１の塗布量を求める。つまり、塗工部サンプル２２ａの重量に含まれる基材２０の重さを、未塗工部サンプル２３ａの重量とみなして、塗工膜２１の塗布量Ｃ（ｇ／ｍｍ²）を、Ｃ＝Ａ−Ｂにより求める。

このように、本実施の形態に係る塗布量測定方法では、塗工膜２１の除去作業が不要であるため、測定時間を非常に短くすることができる。また、センサや放射線を使用しないので測定装置が高価になることがないため、安価に塗工膜２１の塗布量を測定することができる。そして、塗工部サンプル２２ａと未塗工部サンプル２３ａの各重量Ａ，Ｂを正確に求めることができるため、塗工膜２１の塗布量Ｃを精度良く測定することができる。

ここで、従来の実重量測定による塗布量測定方法と、本実施の形態に係る塗布量測定方法とによって塗工膜２１の塗布量を測定したので、その比較結果を図４及び図５に示す。図４は、塗工膜の塗布量を測定するために必要な測定時間の比較結果を示す図である。図５は、塗工膜の塗布量の測定ばらつきの比較結果を示す図である。なお、図４及び図５には、従来の実重量測定での塗布量測定方法による測定結果を「１００」とした比較結果を示している。

図４から明らかなように、本実施の形態に係る塗布量測定方法によれば、測定時間が大幅に短縮されていることが判る。より詳細には、本実施の形態に係る塗布量測定方法によれば、従来方法に比べて測定時間をおよそ９０％短縮することができる。
また、図５から明らかなように、本実施の形態に係る塗布量測定方法によれば、測定精度が向上していることが判る。より詳細には、本実施の形態に係る塗布量測定方法によれば、従来方法に比べて測定ばらつき（３σ：σは標準偏差）を１０％低減する、つまり測定精度を１０％向上させることができる。

このように本実施の形態に係る塗布量測定方法では、塗工部サンプル２２ａと未塗工部サンプル２３ａとの重量差に基づき、基材２０に塗布された塗工膜２１の塗布量を測定するので、塗工膜２１の除去作業が不要となり、測定時間を非常に短くすることができるとともに、測定精度を向上させることができる。

ここで、上記した塗布量測定方法の変形例について、図６〜図９を参照しながら説明する。図６は、塗工部を打ち抜いた塗工部サンプルの角部を拡大した図である。図７は、塗工部サンプルの角部における形状（Ｒの大きさ）による塗布量の測定ばらつきの結果を示す図である。図８は、塗工部を複数箇所で打ち抜く場合の一例を示す図である。図９は、図８に示す各位置で打ち抜いた各塗工部サンプルの塗布量を示す図である。なお、図９には、上記した実施の形態での塗布量測定方法による測定結果を「１００」とした比較結果を示している。

まず、第１の変形例について、図６及び図７を参照しながら説明する。第１の変形例では、塗工部サンプルを取得する際に、角部に丸みを持たせる。具体的には、図６に示すように、塗工部サンプル２２ａの角部２２ｃについて、Ｒ面取りを行って丸みを持たせている。なお、図６には、塗工部サンプル２２ａにおける１つの角部だけを示しているが、第１の変形例では、塗工部サンプル２２ａの四隅すべてについて同じ大きさ（形状）の丸みを持たせている。

これにより、第１の変形例では、電極板１０の塗工部２２を打ち抜いて塗工部サンプル２２ａを取得する際に、基材２０からの塗工膜２１の剥がれを抑制することができる。その結果、塗工部サンプル２２ａの重量をより正確に測定することができる。従って、塗工膜２１の塗布量を一層精度良く測定することができる。

そして、角部のＲ面取りの大きさは、Ｒ５以上とすると良い。なぜなら、図７に示すように、Ｒ面取りの大きさがＲ５未満であると、測定ばらつきがほとんど変化しない一方、Ｒ面取りの大きさがＲ５以上であると、測定ばらつきを小さくすることができるからである。具体的には、Ｒ面取りの大きさをＲ５以上にすることにより、測定精度を３５％程度向上させることができる。
なお、Ｒ面取りの大きさの上限は、塗工部サンプル２２ａの形状が円形になるときの半径となる。

このように第１の変形例において、角部のＲ面取りの大きさをＲ５以上とすることにより、基材２０からの塗工膜２１の剥がれを確実に抑制することができる。従って、塗工部サンプル２２ａの重量をより一層正確に測定することができる。これにより、塗工膜２１の塗布量をより一層精度良く測定することができる。

なお、塗工部サンプル２２ａの角部の少なくとも１つについて丸みを持たせれば、塗布量の測定精度を向上させることができるが、すべての角部について丸みを持たせる方が好ましい。こうすることにより、測定精度の向上率がより大きくなるからである。

次に、第２の変形例について、図８及び図９を参照しながら説明する。第２の変形例では、塗工部サンプルを複数取得する。具体的には、図８に示すように、塗工部２２の幅方向に複数箇所（ここでは６箇所）において同一形状（ここでは矩形状）の塗工部サンプル２２ａを取得する。

これにより、図９に示すように、塗工膜２１の幅方向の各箇所において、塗工膜２１の単位面積当たりの重量を正確に算出することができる。その結果、電極板１０の幅方向における塗工膜２１の塗布量のばらつきを把握することができる。例えば、図９に示す例では、図８に示す位置（１）から位置（６）に向かって膜厚が厚くなるような分布となっていることが判る。
また、第２の変形例でも、上記したように、安価で簡易にかつ短時間で、塗工膜２１の塗布量を精度良く測定することができる。

なお、第２の変形例において、第１の変形例のように、各塗工部サンプル２２ａの角部に丸みを持たせるようにしても良い。これにより、塗工膜２１の膜厚ばらつき及び塗布量をより一層精度良く測定することができる。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る塗布量測定方法によれば、電極板１０の塗工部２２と未塗工部２３とをそれぞれ打ち抜き、塗工部サンプル２２ａと未塗工部サンプル２３ａとを取得して、塗工部サンプル２２ａと未塗工部サンプル２３ａとの重量差に基づき、基材２０に塗布された塗工膜２１の塗布量を測定する。従って、塗工膜２１の除去作業が不要となり、測定時間を非常に短くすることができるとともに、測定精度を向上させることができる。

なお、上記した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く、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、打ち抜き形状が矩形状のものを例示したが、打ち抜き形状は特に制限はなく、面積が把握できる形状（例えば、四角以外の多角形形状や円形状など）であれば良い。

１０電極板
２０基材
２１塗工膜
２２塗工部（塗工膜）
２２ａ塗工部サンプル
２２ｃ角部
２３未塗工部
２３ａ未塗工部サンプル

Claims

電極材料が塗布された塗工部と塗布されていない未塗工部が、帯状の基材の幅方向に形成された電極板における電極材料の塗布量を測定する測定方法において、
基材搬送方向の同一位置で幅方向にて、前記塗工部と前記未塗工部とをそれぞれ打ち抜く打ち抜き工程と、
前記打ち抜き工程にて前記塗工部及び前記未塗工部でそれぞれ打ち抜いた部分についてそれぞれ重量を測定して単位面積当たりの重量をそれぞれについて算出する重量算出工程と、
前記重量算出工程で算出された単位面積当たりの重量の差に基づき電極材料の塗布量を求める塗布量算出工程と、
を含むことを特徴とする電極材料の塗布量測定方法。
請求項１に記載する電極材料の塗布量測定方法において、
前記打ち抜き工程では、前記塗工部を２箇所以上で打ち抜く
ことを特徴とする電極材料の塗布量測定方法。
請求項１又は請求項２に記載する電極材料の塗布量測定方法において、
前記打ち抜き工程では、角部に丸みを持たせて前記塗工部を打ち抜く
ことを特徴とする電極材料の塗布量測定方法。
請求項３に記載する電極材料の塗布量測定方法において、
前記角部が、Ｒ５以上となるように打ち抜く
ことを特徴とする電極材料の塗布量測定方法。