JP2014102991A - 電極の製造方法および電極の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極のカールを抑制することができる電極の製造方法および電極の製造装置を提供する。
【解決手段】製造装置１による電極Ａの製造方法は、金属箔８の一方の面８ａ側に配置された第１ロール６ａと金属箔８の他方の面８ｂ側に配置された第２ロール６ｂとによって、金属箔８の両面８ａ，８ｂに電極材９ａ，９ｂが塗布された電極Ａ１をプレスする工程と、金属箔８の一方の面８ａが外周側に配置されるよう、プレスされた電極Ａ２を巻き取る工程と、を含み、電極Ａ１をプレスする工程では、第１ロール６ａと、第１ロール６ａの径より小さい径を有する第２ロール６ｂとによって電極Ａ１をプレスする。
【選択図】図４

Description

本発明は、電極の製造方法および電極の製造装置に関する。

従来、特許文献１に記載されるように、大径のローラと小径のローラとの間において電極シートを走行させ、これらのローラによって電極シートを加圧する、電極シートのソフニング方法が知られている。この方法では、大径のローラと小径のローラを対として、複数の対を電極シートの走行方向に配列している。電極シートの両面において、大径のローラおよび小径のローラが交互に配置される。

また、特許文献２に記載されるように、電極シートに対しロールプレスを行ってその電極シートを巻き取り、その後、電極シートを加熱炉に通して張力を加えながら巻き取る、電極シートの製造方法が知られている。

特開平１０−２１８９９号公報 特許第３６８３１３４号公報

電極を巻取ロールに巻き取ると、巻取ロールの曲率に沿ってカールが発生する。電極にカールが発生すると、たとえば、電極を巻取ロールから巻き出して打ち抜く際、精度良く電極を打ち抜くことが難しいといった問題がある。しかしながら、上述した従来の方法では、電極のカールを抑制することは難しかった。

本発明は、電極のカールを抑制することができる電極の製造方法および電極の製造装置を提供することを目的とする。

本発明の電極の製造方法は、金属箔の両面に活物質層が形成されてなる電極の製造方法であって、金属箔の一方の面側に配置された第１ロールと金属箔の他方の面側に配置された第２ロールとによって、金属箔の両面に電極材が塗布された電極をプレスする工程と、金属箔の一方の面が外周側に配置されるよう、プレスされた電極を巻き取る工程と、を含み、電極をプレスする工程では、第１ロールと、第１ロールの径より小さい径を有する第２ロールとによって電極をプレスする。

この電極の製造方法によれば、電極をプレスする工程では、第１ロールと、第１ロールの径より小さい径を有する第２ロールとによって、電極がプレスされる。この際、金属箔の他方の面側に配置された第２ロールは、金属箔の一方の面側に配置された第１ロールよりも高い面圧を生じさせる。よって、金属箔の他方の面に塗布された電極材の密度は、金属箔の一方の面に塗布された電極材の密度よりも高くなる。金属箔の両面において電極材同士間に密度差が生じることにより、プレス後の電極は、金属箔の一方の面が凹状となるようにカールする。その後、電極を巻き取る工程では、金属箔の一方の面が外周側に配置されるよう、電極が巻き取られる。このように、電極をプレスする工程において、電極が巻き取られる方向とは逆方向に電極をカールさせることで、結果として電極のカールを抑制することができる。

また、電極をプレスする工程では、第１ロールと、第１ロールの径の７０％以下の径を有する第２ロールとによって電極をプレスしてもよい。この場合、第２ロールによって生じる面圧が一層高められる。金属箔の他方の面に塗布された電極材の密度と、金属箔の一方の面に塗布された電極材の密度との差が大きくなる。よって、電極の巻き取り前において、電極を確実にカールさせることができ、結果として電極のカールを一層抑制することができる。

また、電極をプレスする工程では、金属箔の他方の面に塗布された電極材に対して第２ロールにより加える面圧を、金属箔の一方の面に塗布された電極材に対して第１ロールにより加える面圧の１．２倍以上としてもよい。この場合、金属箔の他方の面に塗布された電極材の密度と、金属箔の一方の面に塗布された電極材の密度との差が大きくなる。よって、電極の巻き取り前において、電極を確実にカールさせることができ、結果として電極のカールを一層抑制することができる。

本発明の電極の製造装置は、金属箔の両面に活物質層が形成されてなる電極の製造装置であって、金属箔の一方の面側に配置された第１ロールと金属箔の他方の面側に配置された第２ロールとを有し、金属箔の両面に電極材が塗布された電極をプレスするロールプレス機と、金属箔の一方の面が外周側に配置されるよう、プレスされた電極を巻き取る巻取ロールと、を備え、第２ロールの径は第１ロールの径より小さい。

この電極の製造装置によれば、第１ロールと、第１ロールの径より小さい径を有する第２ロールとによって、電極がプレスされる。この際、金属箔の他方の面側に配置された第２ロールは、金属箔の一方の面側に配置された第１ロールよりも高い面圧を生じさせる。よって、金属箔の他方の面に塗布された電極材の密度は、金属箔の一方の面に塗布された電極材の密度よりも高くなる。金属箔の両面において電極材同士間に密度差が生じることにより、プレス後の電極は、金属箔の一方の面が凹状となるようにカールする。その後、金属箔の一方の面が外周側に配置されるよう、巻取ロールに電極が巻き取られる。このように、ロールプレス機によって、電極が巻き取られる方向とは逆方向に電極をカールさせることで、結果として電極のカールを抑制することができる。

本発明によれば、電極のカールを抑制することができる。

本発明の一実施形態により製造された電極を備える蓄電装置の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態に係る電極の製造装置を模式的に示す図である。 図３中のロールプレス機において電極がプレスされる状態を示す図である。 （ａ）は電極およびロールの平面図、（ｂ）は電極およびロールの正面図である。 ロールの直径とヘルツ面圧との関係の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

以下の説明では、本発明の一実施形態に係る製造方法および製造装置によって製造される電極が、リチウムイオン二次電池に適用される例について説明する。本発明の一実施形態に係る製造方法および製造装置によって製造される電極は、リチウムイオン二次電池以外の蓄電装置に適用されてもよい。たとえば、電極は、電気二重層キャパシタ等に適用されてもよい。

図１および図２を参照して、リチウムイオン二次電池（以下、二次電池という）１００の構成について説明する。図１および図２に示されるように、二次電池１００は、ケース１０と、ケース１０内に収容された電極組立体２０とを備える。電極組立体２０は、正極（電極）３０と、負極（電極）４０と、正極３０と負極４０との間に配置されたセパレータ５０とを備える。正極３０、負極４０およびセパレータ５０は、たとえばシート状である。複数の正極３０および複数の負極４０は、セパレータ５０を介して交互に積層されている。ケース１０内には、電解液６０が充填されている。

正極３０は、縁に形成されたタブ３０ａを有する。タブ３０ａには、正極活物質が担持されていない。正極３０は、タブ３０ａを介して導電部材３２に接続されている。導電部材３２は、正極端子３４に接続されている。正極端子３４は、絶縁リング３６を介してケース１０に取り付けられている。

負極４０は、縁に形成されたタブ４０ａを有する。タブ４０ａには、負極活物質が担持されていない。負極４０は、タブ４０ａを介して導電部材４２に接続されている。導電部材４２は、負極端子４４に接続されている。負極端子４４は、絶縁リング４６を介してケース１０に取り付けられている。

正極３０および負極４０のそれぞれは、金属箔８の両面に形成された活物質層１９ａ，１９ｂを有する（図４参照）。活物質層１９ａ，１９ｂは、活物質を含む電極材９ａ，９ｂが金属箔８の両面に塗布され、ロール６ａ，６ｂによってプレスされることにより形成される。

セパレータ５０としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布または不織布等が例示される。

電解液６０としては、たとえば有機溶媒系または非水系の電解液等が挙げられる。

図３および図４を参照して、電極（すなわち正極３０または負極４０）の製造装置１について説明する。以下の説明では、活物質を含む電極材９ａ，９ｂが金属箔８に塗布された、プレスされる前の電極Ａを電極Ａ１と称し、プレス後の電極Ａを電極Ａ２と称する。製造装置１は、電極Ａ１を巻き出す巻出機２と、電極Ａ１をプレスするためのロールプレス機３と、プレス後の電極Ａ２を巻き取る巻取機４とを備える。

巻出機２は、コア２ｂに電極Ａ１が巻かれてなる巻出ロール２ａを備える。巻出ロール２ａにおいては、電極Ａ１の一方の面（図示上側の面）Ａ１ａが外周側に配置されるよう、電極Ａ１が巻かれている。言い換えれば、電極Ａ１の他方の面Ａ１ｂ（図示下側の面）が内側に配置されるよう、電極Ａ１が巻かれている。金属箔８を基準として、金属箔８の他方の面８ｂに塗布された電極材９ｂはコア２ｂ側に配置され、金属箔８の一方の面８ａに塗布された電極材９ａはコア２ｂの反対側に配置される。

ここで、電極材９ａ，９ｂについて説明する。金属箔８は、たとえば銅箔またはアルミニウム箔である。電極材９ａ，９ｂは、巻出機２の前段に配置された塗布部（図示せず）において金属箔８の両面に塗布される。一方の面８ａに塗布される電極材９ａと、他方の面８ｂに塗布される電極材９ｂとは、たとえば同一の電極材である。電極材９ａ，９ｂは、中性またはアルカリ性である。電極材９ａ，９ｂのｐＨは、たとえば７以上１２以下である。電極材９ａ，９ｂは、活物質とバインダと溶剤とを含む。電極材９ａ，９ｂは、たとえばアセチレンブラック等の導電助剤を更に含んでもよい。

電極材９ａ，９ｂに含まれる活物質は、正極活物質または負極活物質である。正極活物質としては、たとえば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。負極活物質としては、たとえば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。バインダは、例えばポリアミドイミド、ポリイミド等の熱可塑性樹脂であってもよく、主鎖にイミド結合を有するポリマー樹脂であってもよい。溶剤は、例えばＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）、メタノール、メチルイソブチルケトン等の有機溶剤であってもよく、水であってもよい。

図３に示されるように、ロールプレス機３は、筐体３ａと、搬送されるシート状の電極Ａを支持する複数のローラ３ｂと、筐体３ａに収容されて、電極Ａ１をプレスするロールプレス部６とを備える。

ロールプレス部６は、金属箔８の一方の面８ａ側（たとえば上側または表面側）に配置された第１ロール６ａと、金属箔８の他方の面８ｂ側（たとえば下側または裏面側）に配置された第２ロール６ｂと、第２ロール６ｂの他方側に配置されて第２ロール６ｂを機械的に補強するバックアップロール７とを有する。第１ロール６ａ、第２ロール６ｂ、およびバックアップロール７のそれぞれは、円柱形状をなしており、たとえばＳＵＳなどの鋼からなる。第１ロール６ａと第２ロール６ｂとは、互いに対向している。第１ロール６ａの直径と、バックアップロール７の直径とは略等しい。

第１ロール６ａおよび第２ロール６ｂは、所定の位置に配置されて電極Ａを挟み込み、電極Ａをプレスする。第１ロール６ａは、回転軸線Ｌａを中心に回転自在である。第２ロール６ｂは、回転軸線Ｌｂを中心に回転自在である。電極Ａがプレスされる際、第１ロール６ａは回転方向Ｂａに回転し、第２ロール６ｂが回転方向Ｂａとは反対向きの回転方向Ｂｂに回転する。バックアップロール７は、回転軸線Ｌｃを中心に回転自在であり、回転方向Ｂｂとは反対向きの回転方向Ｂｃに回転する。たとえば、第１ロール６ａは、電極Ａの搬送方向Ｃに交差する方向（たとえば鉛直方向）に可動であり、第２ロール６ｂおよびバックアップロール７は、固定されている。

第２ロール６ｂの径は、第１ロール６ａの径よりも小さい。言い換えれば、第２ロール６ｂの直径は、第１ロール６ａの直径よりも小さい。第１ロール６ａは大径ロールであり、第２ロール６ｂは小径ロールである。第２ロール６ｂの径は、第１ロール６ａの径の７０％以下であってもよく、５０％以下であってもよい。第１ロール６ａの直径は、たとえば６００〜８００ｍｍである。第２ロール６ｂの直径は、たとえば３００〜５６０ｍｍである。たとえば、第１ロール６ａおよび第２ロール６ｂのそれぞれの直径の大きさは、電極材９ａ，９ｂに加えられるヘルツ面圧によって決めることができる。たとえば、第１ロール６ａと第２ロール６ｂとの直径の比率は、電極材９ａ，９ｂに加えられるヘルツ面圧によって決めることができる。

巻取機４は、コア４ｂに電極Ａ２が巻き取られてなる巻取ロール４ａを備える。巻取ロール４ａにおいては、電極Ａ２の一方の面（図示上側の面）Ａ２ａ、すなわち金属箔８の一方の面８ａが外周側に配置されるよう、電極Ａ２が巻き取られる。言い換えれば、電極Ａ２の他方の面Ａ２ｂ（図示下側の面）が内側に配置されるよう、電極Ａ２が巻き取られる。金属箔８を基準として、金属箔８の他方の面８ｂに形成された活物質層１９ｂはコア４ｂ側に配置され、金属箔８の一方の面８ａに形成された活物質層１９ａはコア４ｂの反対側に配置される。

次に、電極（すなわち正極３０または負極４０）の製造方法について説明する。まず、図示しない塗布部において、金属箔８の一方の面８ａおよび他方の面８ｂに、電極材９ａおよび電極材９ｂを塗布する。その後、図示しない乾燥部において、電極材９ａ，９ｂを乾燥させてもよい。金属箔８に電極材９ａ，９ｂを塗布することにより、または、電極材９ａ，９ｂを乾燥させることにより、電極Ａ１を得る。電極Ａ１は、間欠塗工電極としてもよい。

次に、巻出機２によって、巻出ロール２ａに巻かれた電極Ａ１をロールプレス機３のロールプレス部６に供給する。第１ロール６ａおよび第２ロール６ｂによって、ロールプレス部６に供給された電極Ａ１を挟み込み、プレスする。このプレス工程により、電極材９ａ，９ｂを圧縮して活物質層１９ａ，１９ｂを形成し、電極Ａ２を得る。このプレス工程では、電極材９ｂに対して第２ロール６ｂにより加える面圧を、電極材９ａに対して第１ロール６ａにより加える面圧の１．２倍以上とする。

次に、電極Ａ２の一方の面Ａ２ａ（すなわち金属箔８の一方の面８ａ）が外周側に配置されるよう、電極Ａ２を巻き取る。そして、巻き取られた電極Ａ２を再度巻き出し、適宜カットすることにより、正極３０または負極４０を得る。

ここで、電極Ａ１をプレスする際、第１ロール６ａと第２ロール６ｂとの径が異なることにより、電極Ａ１の電極材９ａに対して加えられるヘルツ面圧と、電極Ａ１の電極材９ｂに対して加えられるヘルツ面圧とにおいて、圧力差が生じる。

円柱状の物体と平面状の物体との間に生じるヘルツ面圧は、下記の理論式（１）によって表される。

上記の式（１）における各記号は、次の各値を表す。
Ｐ：ヘルツ面圧（ＭＰａ）
Ｆ：プレス荷重（Ｎ）
Ｌ：プレス幅（ｍｍ）
ν_１：ロール６ａ，６ｂのポアソン比
ν_２：電極材９ａ，９ｂのポアソン比
Ｅ_１：ロール６ａ，６ｂの縦弾性係数
Ｅ_２：電極材９ａ，９ｂの縦弾性係数
ｒ：ロール６ａ，６ｂの半径（ｍｍ）

図５（ａ）は、電極Ａ１および第１ロール６ａの平面図、図５（ｂ）は、電極Ａ１および第１ロール６ａの正面図である。図５（ａ）および（ｂ）に示されるように、第１ロール６ａによって荷重Ｆが加えられた場合、第１ロール６ａは、電極材９ａに対して直線状に接する。

上記の式（１）から明らかなように、第２ロール６ｂの半径は第１ロール６ａの半径よりも小さいことから、第２ロール６ｂと電極材９ｂとの間に生じるヘルツ面圧は、第１ロール６ａと電極材９ａとの間に生じるヘルツ面圧よりも大きくなる。すなわち、電極Ａ１の一方の面Ａ１ａまたは他方の面Ａ１ｂにかかる面圧は、ロール６ａ，８ｂの径の平方根に反比例する。

図６は、ロール６ａ，６ｂの直径Ｄａ，Ｄｂ（ｍｍ）と、電極Ａ１に加えられるヘルツ面圧Ｐａ，Ｐｂ（ＭＰａ）との関係の一例を示す図である。図６に示されるように、電極Ａ１の他方の面Ａ１ｂに加えられるヘルツ面圧Ｐｂは、電極Ａ１の一方の面Ａ１ａに加えられるヘルツ面圧Ｐａよりも高くなる。たとえば、第２ロール６ｂの径が第１ロール６ａの径の７０％以下である場合、ヘルツ面圧Ｐｂは、ヘルツ面圧Ｐａの１．２倍以上である。第２ロール６ｂの径が第１ロール６ａの径の５０％以下である場合、ヘルツ面圧Ｐｂは、ヘルツ面圧Ｐａの１．４倍以上である。第２ロール６ｂの径が第１ロール６ａの径の３分の１以下である場合、ヘルツ面圧Ｐｂは、ヘルツ面圧Ｐａの１．７倍以上である。なお、図６の例において、線荷重は２．５ｔ／ｃｍである。

プレス工程において、一方の面と他方の面とでヘルツ面圧が異なることにより、たとえば、電極材９ａの厚さは７０〜８０％程度に圧縮される。一方で、電極材９ｂの厚さは５０〜６０％程度に圧縮される。また、電極材９ｂの搬送方向Ｃにおける延伸率は、電極材９ａの搬送方向Ｃにおける延伸率よりも大きくなる。

以上説明した電極３０，４０の製造方法および製造装置１によれば、電極Ａ１をプレスする工程では、第１ロール６ａと、第１ロール６ａの径より小さい径を有する第２ロール６ｂとによって、電極Ａ１がプレスされる。この際、金属箔８の他方の面８ｂ側に配置された第２ロール６ｂは、金属箔８の一方の面８ａ側に配置された第１ロール６ａよりも高い面圧を生じさせる。よって、金属箔８の他方の面８ｂに塗布された電極材９ｂの密度は、金属箔８の一方の面８ａに塗布された電極材９ａの密度よりも高くなる。金属箔８の両面８ａ，８ｂにおいて電極材９ａ，９ｂ同士間に密度差が生じることにより、プレス後の電極Ａ２は、金属箔８の一方の面８ａが凹状となるようにカールする（図４参照）。その後、電極Ａ２を巻き取る工程では、金属箔８の一方の面８ａが外周側に配置されるよう、巻取ロール４ａに電極Ａ２が巻き取られる。このように、ロールプレス機３により電極Ａ１をプレスする工程において、電極Ａ２が巻き取られる方向とは逆方向に電極Ａをカールさせることで、結果として電極３０，４０のカールを抑制し、平坦な電極３０，４０を作製することができる。

通常、電極材９ａ，９ｂが塗布された塗工部は、プレスされた後、剛直になる。そのため、巻取ロール４ａに巻かれることにより発生するカールは、巻取ロール４ａから電極Ａ２を巻き出した後も維持される。しかしながら、上記製造方法および製造装置１によれば、ロールプレスに用いられる２つのロールを異径にすることで、径の小さい方のロール６ｂが配置された側の電極材９ｂの密度を高め、かつ、電極材９ｂを延伸させることができる。電極材９ｂの高密度化および延伸によって、電極Ａ２を逆カールさせる（すなわち巻取ロール４ａに巻かれる方向とは逆方向にカールさせる）応力が生じる。この応力は、電極Ａが巻取ロール４ａに巻き取られた後も残留応力として残存する。よって、巻取ロール４ａから巻き出されたときに、電極Ａ２は、より平坦な状態を保つ。

また、第１ロール６ａと、第１ロール６ａの径の７０％以下の径を有する第２ロール６ｂとによって電極Ａ１をプレスすることで、第２ロール６ｂによって生じる面圧が一層高められる。金属箔８の他方の面８ｂに塗布された電極材９ｂの密度と、金属箔８の一方の面８ａに塗布された電極材９ａの密度との差が大きくなる。よって、電極Ａ２の巻き取り前において、電極Ａ２を確実に逆向きにカールさせることができ、結果として電極３０，４０のカールを一層抑制することができる。

また、金属箔８の他方の面８ｂに塗布された電極材９ｂに対して第２ロール６ｂにより加える面圧を、金属箔８の一方の面８ａに塗布された電極材９ａに対して第１ロール６ａにより加える面圧の１．２倍以上とすることで、金属箔８の他方の面８ｂに塗布された電極材９ｂの密度と、金属箔８の一方の面８ａに塗布された電極材９ａの密度との差が大きくなる。よって、電極Ａ２の巻き取り前において、電極Ａ２を確実に逆向きにカールさせることができ、結果として電極のカールを一層抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。たとえば、第１ロール６ａの直径および／または第２ロール６ｂの直径を適宜変更してもよい。電極Ａは、間欠塗工電極である場合に限られない。電極Ａが適用される蓄電装置は、積層型の蓄電装置に限られず、捲回型の蓄電装置であってもよい。

１…製造装置、３…ロールプレス機、４…巻取機、４ａ…巻取ロール、６ａ…第１ロール、６ｂ…第２ロール、８…金属箔、８ａ…一方の面、８ｂ…他方の面、９ａ，９ｂ…電極材、１９ａ，１９ｂ…活物質層、Ａ１…（プレス前の）電極、Ａ２…（プレス後の）電極、Ａ…電極。

Claims (4)

1. 金属箔の両面に活物質層が形成されてなる電極の製造方法であって、
   前記金属箔の一方の面側に配置された第１ロールと前記金属箔の他方の面側に配置された第２ロールとによって、前記金属箔の両面に電極材が塗布された電極をプレスする工程と、
   前記金属箔の一方の面が外周側に配置されるよう、プレスされた前記電極を巻き取る工程と、
   を含み、
   前記電極をプレスする工程では、前記第１ロールと、前記第１ロールの径より小さい径を有する前記第２ロールとによって前記電極をプレスする、電極の製造方法。
2. 前記電極をプレスする工程では、前記第１ロールと、前記第１ロールの径の７０％以下の径を有する前記第２ロールとによって前記電極をプレスする、請求項１記載の電極の製造方法。
3. 前記電極をプレスする工程では、前記金属箔の他方の面に塗布された電極材に対して前記第２ロールにより加える面圧を、前記金属箔の一方の面に塗布された電極材に対して前記第１ロールにより加える面圧の１．２倍以上とする、請求項１または２記載の電極の製造方法。
4. 金属箔の両面に活物質層が形成されてなる電極の製造装置であって、
   前記金属箔の一方の面側に配置された第１ロールと前記金属箔の他方の面側に配置された第２ロールとを有し、前記金属箔の両面に電極材が塗布された電極をプレスするロールプレス機と、
   前記金属箔の一方の面が外周側に配置されるよう、プレスされた前記電極を巻き取る巻取ロールと、
   を備え、
   前記第２ロールの径は前記第１ロールの径より小さい、電極の製造装置。

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