JP2014086151A - 電池用電極の製造方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造工程にて電極用ペーストの乾燥状態を判定することにより、歩留まりを向上させることが可能な電池用電極の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る電池用電極の製造方法は、電極用基材に電極用ペーストを塗布するステップと、電極用基材に塗布された電極用ペーストを乾燥炉内で乾燥させるステップと、乾燥中の電極用ペーストの放射熱を放射熱測定部で測定するステップと、放射熱測定部の測定結果に基づいて乾燥中の電極用ペーストの乾燥状態を判定するステップと、を備えたものである。
【選択図】図２
【解決手段】本発明の一態様に係る電池用電極の製造方法は、電極用基材に電極用ペーストを塗布するステップと、電極用基材に塗布された電極用ペーストを乾燥炉内で乾燥させるステップと、乾燥中の電極用ペーストの放射熱を放射熱測定部で測定するステップと、放射熱測定部の測定結果に基づいて乾燥中の電極用ペーストの乾燥状態を判定するステップと、を備えたものである。
【選択図】図２
Description
本発明は電池用電極の製造方法及び装置に関する。
特許文献１には、非水電解質二次電池等に用いられるシート状電極の製造工程において、シート状の電極用基材に塗布された電極用ペーストの乾燥状態を評価する方法が開示されている。特許文献１に開示された乾燥状態の評価方法では、電極用ペースト内に温度測定手段を埋設し、温度測定手段の乾燥装置内での移動時間又は移動距離に対する温度変化の屈曲点により電極用ペーストの乾燥状態を評価する。
特許文献１に開示された乾燥状態の評価方法では、事前準備として電極用ペーストの乾燥条件を検証するための評価をすることはできるが、実際の製造工程にて電極用ペーストの乾燥状態を判定することはできない。そのため、例えば、環境変化等の影響で乾燥条件が事後的に変化した場合、電極用ペーストが十分に乾燥されない可能性があった。つまり、特許文献１に開示された乾燥状態の評価方法では、電池用電極の歩留まりを向上させることができないという問題があった。
本発明は、上記を鑑みなされたものであって、製造工程にて電極用ペーストの乾燥状態を判定することにより、歩留まりを向上させることが可能な電池用電極の製造方法及び装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る電池用電極の製造方法は、電極用基材に電極用ペーストを塗布するステップと、前記電極用基材に塗布された前記電極用ペーストを乾燥炉内で乾燥させるステップと、乾燥中の前記電極用ペーストの放射熱を放射熱測定部で測定するステップと、前記放射熱測定部の測定結果に基づいて前記電極用ペーストの乾燥状態を判定するステップと、を備えたものである。それにより、製造工程にて電極用ペーストの乾燥状態を判定することができるため、歩留まりを向上させることができる。
前記放射熱測定部は、前記乾燥炉内の雰囲気温度が一定となる箇所に配置されていることが好ましい。それにより、蒸発溶媒の影響を受けることなく乾燥状態を判定することができる。
乾燥中の前記電極用ペーストと前記放射熱測定部との間に風を送るステップをさらに備えることが好ましい。それにより、乾燥途中であっても蒸発溶媒の影響を受けることなく乾燥状態を判定することができる。
前記放射熱測定部は赤外線吸収センサーであることが好ましい。
本発明の一態様に係る電池用電極の製造装置は、電極用基材に塗布された電極用ペーストを乾燥炉内で乾燥させる乾燥装置と、乾燥中の前記電極用ペーストの放射熱を測定する放射熱測定部と、前記放射熱測定部の測定結果に基づいて前記電極用ペーストの乾燥状態を判定する判定部と、を備えたものである。それにより、製造工程にて電極用ペーストの乾燥状態を判定することができるため、歩留まりを向上させることができる。
本発明により、製造工程にて電極用ペーストの乾燥状態を判定することにより、歩留まりを向上させることが可能な電池用電極の製造方法及び装置を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明にかかる電極製造装置（電池用電極の製造装置）によって製造される電池の一つであるリチウムイオン二次電池について説明する。
まず、本発明にかかる電極製造装置（電池用電極の製造装置）によって製造される電池の一つであるリチウムイオン二次電池について説明する。
図１は、リチウムイオン二次電池の原理を示す断面模式図である。リチウムイオン二次電池は、所定の負荷（不図示）に電力を供給することができる。図１に示すように、リチウムイオン二次電池は、正極活物質を担持した正極１、負極活物質を担持した負極２、正極１及び負極２の間に設けられたセパレータ３を備えている。正極１及び負極２は、多孔質であって非水電解液を含んでいる。
実際のリチウムイオン二次電池は、例えば帯状の正極１と帯状の負極２とが帯状のセパレータ３を介して捲回された捲回構造や、複数の正極１と複数の負極２とがセパレータ３を介して交互に積層された積層構造などを有している。また、リチウムイオン二次電池は、単一のリチウムイオン二次電池でもよく、また複数のリチウムイオン二次電池を電気的に接続することにより構成された組電池であってもよい。
（正極１）
正極１は正極活物質を含んでいる。正極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料である。正極活物質としては、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）等を用いることができる。また、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２を任意の割合で混合して焼成した材料を用いてもよい。組成の一例としては、例えば、これらの材料を等しい割合で混合したＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２が挙げられる。
正極１は正極活物質を含んでいる。正極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料である。正極活物質としては、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）等を用いることができる。また、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２を任意の割合で混合して焼成した材料を用いてもよい。組成の一例としては、例えば、これらの材料を等しい割合で混合したＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２が挙げられる。
また、正極１は、導電材を含んでいてもよい。導電材としては、例えばアセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛（グラファイト）を用いることができる。
例えば、正極１は、正極活物質、導電材、溶媒、および結着剤（バインダー）を混練した正極合剤（電極用ペースト）を正極集電体（電極用基材）に塗布して乾燥することによって得られる。ここで、溶媒としては、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液を用いることができる。また、バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等を用いることができる。また、正極集電体として、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属箔を用いることができる。
（負極２）
負極２は負極活物質を含んでいる。負極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えば、黒鉛（グラファイト）等からなる粉末状の炭素材料を用いることができる。そして、正極と同様に、負極活物質と、溶媒と、バインダーとを混練し、混練後の負極合剤（電極用ペースト）を負極集電体（電極用基材）に塗布して乾燥することによって負極を作製することができる。ここで、負極集電体として、例えば銅やニッケルあるいはそれらの合金からなる金属箔を用いることができる。
負極２は負極活物質を含んでいる。負極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えば、黒鉛（グラファイト）等からなる粉末状の炭素材料を用いることができる。そして、正極と同様に、負極活物質と、溶媒と、バインダーとを混練し、混練後の負極合剤（電極用ペースト）を負極集電体（電極用基材）に塗布して乾燥することによって負極を作製することができる。ここで、負極集電体として、例えば銅やニッケルあるいはそれらの合金からなる金属箔を用いることができる。
（セパレータ３）
セパレータ３には、絶縁性の多孔質膜を用いることができる。例えば、セパレータ３としては、ポリエチレン膜、ポリオレフィン膜、ポリ塩化ビニル膜等の多孔質ポリマー膜、あるいはイオン導電性ポリマー電解質膜を使用することができる。これらの膜は、セパレータ３として、単独で使用してもよいし、組み合わせて使用してもよい。
セパレータ３には、絶縁性の多孔質膜を用いることができる。例えば、セパレータ３としては、ポリエチレン膜、ポリオレフィン膜、ポリ塩化ビニル膜等の多孔質ポリマー膜、あるいはイオン導電性ポリマー電解質膜を使用することができる。これらの膜は、セパレータ３として、単独で使用してもよいし、組み合わせて使用してもよい。
（非水電解液）
非水電解液は、非水溶媒に支持塩が含有された組成物である。ここで、非水溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等からなる群から選択された一種または二種以上の材料を用いることができる。また、支持塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＩ等から選択される一種または二種以上のリチウム化合物（リチウム塩）を用いることができる。
非水電解液は、非水溶媒に支持塩が含有された組成物である。ここで、非水溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等からなる群から選択された一種または二種以上の材料を用いることができる。また、支持塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＩ等から選択される一種または二種以上のリチウム化合物（リチウム塩）を用いることができる。
＜本実施の形態にかかる電極製造装置の説明＞
次に、図２を参照して、本実施の形態にかかる電極製造装置（電池用電極の製造装置）について説明する。図２は、本実施の形態にかかる電極製造装置１０を示す図である。図２に示す電極製造装置１０は、搬送及び塗布装置１１と、乾燥装置１２と、センサー（放射熱測定部）１３と、乾燥状態判定部（判定部）１４と、を少なくとも備える。
次に、図２を参照して、本実施の形態にかかる電極製造装置（電池用電極の製造装置）について説明する。図２は、本実施の形態にかかる電極製造装置１０を示す図である。図２に示す電極製造装置１０は、搬送及び塗布装置１１と、乾燥装置１２と、センサー（放射熱測定部）１３と、乾燥状態判定部（判定部）１４と、を少なくとも備える。
本実施の形態では、電極製造装置１０がリチウムイオン二次電池の正極を製造する場合を例に説明するが、これに限られない。電極製造装置１０は、リチウムイオン二次電池の負極を製造することもできる。さらに、電極製造装置１０は、シート状の電極が用いられた他の電池（リチウムイオン二次電池以外の二次電池や燃料電池）の電極を製造することもできる。
（搬送及び塗布装置１１）
搬送及び塗布装置１１は、電極用基材に電極用ペーストを塗布してシート状の電極を形成しつつ、形成されたシート状電極を搬送する装置である。具体的には、搬送及び塗布装置１１は、巻出しローラ１１１と、バックアップローラ１１２と、ガイドローラ１１３と、巻取りローラ１１４と、ダイ１１５と、を有する。
搬送及び塗布装置１１は、電極用基材に電極用ペーストを塗布してシート状の電極を形成しつつ、形成されたシート状電極を搬送する装置である。具体的には、搬送及び塗布装置１１は、巻出しローラ１１１と、バックアップローラ１１２と、ガイドローラ１１３と、巻取りローラ１１４と、ダイ１１５と、を有する。
電極用基材１５は、巻出しローラ１１１から連続的に巻き出され、バックアップローラ１１２及びガイドローラ１１３を経て、巻取りローラ１１４に巻き取られる。ダイ１１５は、バックアップローラ１１２に近接して配置され、電極用ペースト１６を吐出する。
ここで、巻出しローラ１１１から連続的に巻き出される電極用基材１５は、巻取りローラ１１４に巻き取られることにより、バックアップローラ１１２の周面に沿って搬送される。このとき、ダイ１１５から吐出される電極用ペースト１６が電極用基材１５の表面に所定量ずつ塗布される。
（乾燥装置１２）
乾燥装置１２は、電極用基材１５に塗布された電極用ペースト１６を乾燥させる装置である。具体的には、乾燥装置１２は、乾燥炉１２１と、送風部１２２と、を有する。
乾燥装置１２は、電極用基材１５に塗布された電極用ペースト１６を乾燥させる装置である。具体的には、乾燥装置１２は、乾燥炉１２１と、送風部１２２と、を有する。
乾燥炉１２１は、例えばトンネル型の乾燥炉であって、バックアップローラ１１２の後段に配置される。送風部１２２は、乾燥炉１２１内に設けられ、一つ又は複数のノズルから熱風を吹き出す。乾燥装置１２は、送風部１２２から吹き出された熱風により、乾燥炉１２１内に搬送された電極用基材１５に塗布された電極用ペースト１６を乾燥させる。
（センサー１３）
センサー１３は、乾燥炉１２１内で乾燥中の電極用ペースト１６の放射熱を測定する部である。センサー１３は、例えば、赤外線吸収センサーであって、乾燥中の電極用ペースト１６の放射熱（赤外線エネルギー）を集光するレンズ１３１と、レンズ１３１によって集光された放射熱（赤外線エネルギー）の量（熱流束）から当該電極用ペースト１６の温度情報を出力する吸収体１３２と、を有する。
センサー１３は、乾燥炉１２１内で乾燥中の電極用ペースト１６の放射熱を測定する部である。センサー１３は、例えば、赤外線吸収センサーであって、乾燥中の電極用ペースト１６の放射熱（赤外線エネルギー）を集光するレンズ１３１と、レンズ１３１によって集光された放射熱（赤外線エネルギー）の量（熱流束）から当該電極用ペースト１６の温度情報を出力する吸収体１３２と、を有する。
なお、熱流束ｑ［Ｗ／ｍ２］は、次の式（１）のように表される。
ｑ＝σεＴ４ ・・・（１）
なお、σはボルツマン定数（５．６７×１０−８［Ｗ／ｍ２ｋ４］）、εは放射率、Ｔは測定物温度［Ｋ］である。
式（１）から明らかなように、測定対象の電極用ペースト１６の放射熱を測定してその熱流束（ｑ）を特定することにより、測定対象の電極用ペースト１６の温度（Ｔ）を算出することができる。
なお、センサー１３は、乾燥炉１２１内の雰囲気温度が一定となる箇所に配置されることが好ましい。それにより、センサー１３は、蒸発した溶媒（蒸発溶媒）の影響を受けることなく精度良く電極用ペースト１６の放射熱を測定することができる。（つまり、後述する乾燥状態判定部１４は、蒸発溶媒の影響を受けることなく乾燥状態を判定することができる。）
また、センサー１３は、送風部１２２の熱風の吹き出し口の近くに配置されることが好ましい。より具体的には、センサー１３と乾燥中の電極用ペースト１６との間に送風部１２２からの熱風が吹き出されることが好ましい。それにより、センサー１３と乾燥中の電極用ペースト１６との間の蒸発溶媒が除去されるため、センサー１３は、乾燥途中であっても蒸発溶媒の影響を受けることなく精度良く電極用ペースト１６の放射熱を測定することができる。（つまり、後述する乾燥状態判定部１４は、乾燥途中であっても蒸発溶媒の影響を受けることなく乾燥状態を判定することができる。）
なお、電極製造装置１０が電池用電極としてリチウムイオン二次電池の正極を製造する場合、センサー１３は、４〜５ｕｍ及び１０〜１４ｕｍの範囲内の赤外線を吸収するように構成されていることが好ましい。それにより、センサー１３は、精度良く測定対象の放射熱を測定することができる。
一方、電極製造装置１０が電池用電極としてリチウムイオン二次電池の負極を製造する場合、センサー１３は、７〜１４ｕｍの範囲内の赤外線を吸収するように構成されていることが好ましい。それにより、センサー１３は、精度良く測定対象の放射熱を測定することができる。
さらに、電極製造装置１０が電池用電極としてリチウムイオン二次電池の正極を製造する場合、センサー１３にて規定される測定対象の放射率が０．９〜０．９５の範囲内であることが好ましい。それにより、センサー１３は、精度良く測定対象の放射熱を測定することができる。
一方、電極製造装置１０が電池用電極としてリチウムイオン二次電池の負極を製造する場合、センサー１３にて規定される測定対象の放射率が０．７〜０．９の範囲内であることが好ましい。それにより、センサー１３は、精度良く測定対象の放射熱を測定することができる。
（乾燥状態判定部１４）
乾燥状態判定部１４は、センサー１３の測定結果（温度情報）に基づいて、乾燥中の電極用ペースト１６の乾燥状態を判定する部である。乾燥状態判定部１４は、センサー１３の測定結果により乾燥中の電極用ペースト１６の温度が所定温度に達したことを検出すると、当該電極用ペースト１６が充分に乾燥したと判定する。
乾燥状態判定部１４は、センサー１３の測定結果（温度情報）に基づいて、乾燥中の電極用ペースト１６の乾燥状態を判定する部である。乾燥状態判定部１４は、センサー１３の測定結果により乾燥中の電極用ペースト１６の温度が所定温度に達したことを検出すると、当該電極用ペースト１６が充分に乾燥したと判定する。
図３は、電極用ペースト１６の乾燥時間と、電極用ペースト１６の温度（ワーク温度）及び乾燥炉１２１内の蒸発溶媒量と、の関係を示す図である。
図３に示すように、乾燥初期では、電極用ペースト１６が乾燥していないため、当該電極用ペースト１６の温度は低く、炉内の蒸発溶媒の量も多い（蒸発溶媒の濃度が高い）。しかし、乾燥が進むにつれて、電極用ペースト１６の温度は上昇し、炉内の蒸発溶媒の量も減少する（蒸発溶媒の濃度が低下する）。そして、電極用ペースト１６が充分に乾燥すると、当該電極用ペースト１６の温度は炉内の雰囲気温度に到達して一定となる。（また、このときの炉内の蒸発溶媒もほとんどなくなる。）
そこで、乾燥状態判定部１４は、乾燥中の電極用ペースト１６の放射熱により特定される当該電極用ペースト１６の温度が炉内雰囲気温度に達したか否かにより、当該電極用ペースト１６の乾燥状態を判定している。
例えば、乾燥中の電極用ペースト１６の放射熱により特定される温度（即ち、乾燥中の電極用ペースト１６の温度）が炉内雰囲気温度に達していない場合、乾燥状態判定部１４は、当該電極用ペースト１６が充分に乾燥していないと判定する。一方、乾燥中の電極用ペースト１６の放射熱により特定される温度（即ち、乾燥中の電極用ペースト１６の温度）が炉内雰囲気温度に達している場合、乾燥状態判定部１４は、当該電極用ペースト１６が充分に乾燥したと判定する。
このように、上記実施の形態にかかる電極製造装置は、乾燥中の電極用ペーストの放射熱を測定するセンサーと、センサーの測定結果に基づいて乾燥中の電極用ペーストの乾燥状態を判定する乾燥状態判定部と、を備える。それにより、上記実施の形態にかかる電極製造装置１０は、製造工程にて電極用ペーストの乾燥状態を判定（インライン判定）することができるため、環境変化等の影響で乾燥条件が変化した場合でも、精度良く電極用ペーストの乾燥状態を判定することができる。その結果、上記実施の形態にかかる電極製造装置１０は、電池用電極の歩留まりを向上させることができる。
以上、本発明を上記実施形態および実施例に即して説明したが、上記実施形態および実施例の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
１０ 電極製造装置
１１ 搬送及び塗布装置
１２ 乾燥装置
１２１ 乾燥炉
１２２ 送風部
１３ センサー
１４ 乾燥状態判定部
１５ 電極用基材
１６ 電極用ペースト
１１１ 巻出しローラ
１１２ バックアップローラ
１１３ ガイドローラ
１１４ 巻取りローラ
１１５ ダイ
１３１ レンズ
１３２ 吸収体
２ 負極
３ セパレータ
１０ 電極製造装置
１１ 搬送及び塗布装置
１２ 乾燥装置
１２１ 乾燥炉
１２２ 送風部
１３ センサー
１４ 乾燥状態判定部
１５ 電極用基材
１６ 電極用ペースト
１１１ 巻出しローラ
１１２ バックアップローラ
１１３ ガイドローラ
１１４ 巻取りローラ
１１５ ダイ
１３１ レンズ
１３２ 吸収体
Claims (5)
- 電極用基材に電極用ペーストを塗布するステップと、
前記電極用基材に塗布された前記電極用ペーストを乾燥炉内で乾燥させるステップと、
乾燥中の前記電極用ペーストの放射熱を放射熱測定部で測定するステップと、
前記放射熱測定部の測定結果に基づいて前記電極用ペーストの乾燥状態を判定するステップと、を備えた電池用電極の製造方法。 - 前記放射熱測定部は、前記乾燥炉内の雰囲気温度が一定となる箇所に配置されている、請求項１に記載の電池用電極の製造方法。
- 乾燥中の前記電極用ペーストと前記放射熱測定部との間に風を送るステップをさらに備えた請求項１又は２に記載の電池用電極の製造方法。
- 前記放射熱測定部は赤外線吸収センサーである、請求項１〜３の何れか一項に記載の電池用電極の製造方法。
- 電極用基材に塗布された電極用ペーストを乾燥炉内で乾燥させる乾燥装置と、
乾燥中の前記電極用ペーストの放射熱を測定する放射熱測定部と、
前記放射熱測定部の測定結果に基づいて前記電極用ペーストの乾燥状態を判定する判定部と、を備えた電池用電極の製造装置。
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| JP2019091624A (ja) | 非水電解質二次電池の製造方法 |
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