JP2014116208A - 電極の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】活物質合剤を回収して再利用するときに活物質が凝集することを抑制できる電極の製造装置を提供すること。
【解決手段】バッキングロール２５が搬送する金属箔１１と、コーティングロール２２に付着される活物質ペースト１２とを接触させ、金属箔１１に活物質ペースト１２を転写する製造装置１０であって、金属箔１１と活物質ペースト１２とが接触される接触部Ｐ３よりも、コーティングロール２２の回転方向Ｙ２における下流側に位置し、コーティングロール２２に付着する活物質ペースト１２を掻き取るスクレーパ４１と、スクレーパ４１に超音波振動を発生させるスクレーパ用振動子４１ｂと、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極の製造装置に関する。

従来から、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）などの車両に搭載される蓄電装置としては、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池などがよく知られている。これらの蓄電装置では、金属箔の表面に活物質層を有する電極（正極及び負極）を間にセパレータを介在させた状態で積層、又は捲回した電極組立体を有している。

そして、電極の製造装置としては、活物質、導電剤、バインダ、及び溶媒を混練したペースト状の活物質合剤をコーティングロールに付着させるとともに、該コーティングロールに付着させた活物質合剤を、バッキングロールにて搬送する帯状の金属箔に転写させるものがある（例えば特許文献１）。特許文献１の製造装置では、活物質合剤を貯留するタンク（液ダム）にて超音波振動を発生させることで、活物質合剤において活物質が凝集することを抑制している。

特開２００３−１７０１０４号公報

ところで、電極の製造装置では、金属箔に転写されなかった余剰の活物質合剤をコーティングロールから回収するとともに、該回収した活物質合剤をタンクに投入して再利用することが行われている。しかしながら、特許文献１の製造装置では、タンクにて活物質合剤を貯留した状態で超音波振動を付与することから、回収された活物質合剤の中で既に凝集している活物質を再び分散させることが困難である。このため、特許文献１では、活物質合剤を再利用する際に、凝集した活物質のツブの混入や、該ツブがローラ間に挟まることに起因するスジなどの不良が発生する虞がある。

この発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、活物質合剤を回収して再利用するときに活物質が凝集することを抑制できる電極の製造装置を提供することにある。

上記課題を解決する電極の製造装置は、活物質を含む活物質合剤が付着される第１ロールと、金属箔を搬送する第２ロールと、を有し、前記第２ロールが搬送する金属箔と、前記第１ロールに付着される活物質合剤とを接触させ、前記金属箔に活物質合剤を転写する電極の製造装置であって、前記金属箔と前記活物質合剤とが接触される部分よりも、前記第１ロールの回転方向における下流側に位置し、前記第１ロールに付着する活物質合剤を掻き取るスクレーパと、前記スクレーパに超音波振動を発生させるスクレーパ振動機構と、を有することを要旨とする。

これによれば、第１ロールに付着される活物質合剤のうち、金属箔に転写されなかった活物質合剤をスクレーパにより掻き取って回収し、再利用できる。そして、このスクレーパでは、スクレーパ振動機構によって超音波振動が発生されることから、活物質合剤の回収と同時に、活物質合剤の中で活物質が凝集することを抑制できる。したがって、活物質合剤を回収してから、タンク内にて超音波振動を付与して活物質を再分散させる従来技術と比較して、活物質合剤を回収して再利用するときに活物質が凝集することを抑制できる。

上記電極の製造装置は、前記第１ロール、及び前記第２ロールの少なくとも一方を移動させることにより、前記第１ロールと、前記第２ロールとの離間距離を、前記金属箔と前記活物質合剤とが接触する接触距離と、前記金属箔と前記活物質合剤とが接触しない非接触距離とに繰り返し調整し、前記金属箔に前記活物質合剤を間欠的に転写させる制御手段をさらに有することが好ましい。

これによれば、金属箔に活物質合剤を間欠的に転写させることから、第１ローラからスクレーパによって掻き取る活物質合剤が多くなる。しかしながら、スクレーパでは、スクレーパ振動機構によって超音波振動が発生されることから、回収する活物質合剤が多い場合であっても、該活物質合剤の中で活物質が凝集することを抑制できる。

上記電極の製造装置は、前記スクレーパ振動機構は、前記第１ロールの外周面の接線に沿った方向の超音波振動を発生させることが好ましい。
これによれば、スクレーパには、第１ロールの外周面の接線に沿った方向の超音波振動が発生されることから、外周面に垂直な方向の超音波振動を発生させる場合と比較して、スクレーパによる活物質合剤の掻き取りを容易にできる。

上記電極の製造装置は、前記スクレーパが掻き取る活物質合剤を貯留する貯留容器と、前記貯留容器に超音波振動を発生させる容器振動機構と、をさらに有することが好ましい。これによれば、掻き取った活物質合剤を貯留する貯留容器においても超音波振動を発生させ、回収した活物質合剤で活物質が凝集することをさらに抑制できる。

上記電極の製造装置は、前記第１ロールと離間して配置され、前記第１ロールとの間の隙間における前記第１ロールからの離間距離に応じて前記第１ロールに付着させる活物質合剤の厚さを規制する第３ロールをさらに有することが好ましい。

これによれば、第１，第３ロールとの隙間によって金属箔に転写させる活物質合剤の厚さを容易に調節できる。そして、このような第３ロールを備える製造装置において、回収した活物質合剤を再利用する場合であっても、活物質の凝集が抑制されていることから、凝集した活物質が第１，第３ロールとの隙間に詰まることに起因するスジの発生を抑制できる。

本発明によれば、活物質合剤を回収して再利用するときに活物質が凝集することを抑制できる。

電極の製造装置を模式的に示す正面図。 電極の製造装置の一部を拡大して模式的に示す正面図。

以下、電極の製造装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池に用いる電極の製造装置１０は、金属箔１１の一方の面である塗布面１１ａに活物質合剤としての活物質ペースト１２を塗布（転写）するための装置である。

即ち、製造装置１０は、正極電極を製造する場合には、例えばアルミニウム箔である正極用の金属箔１１に、正極用の活物質ペースト１２を塗布し、塗布面１１ａに正極活物質層を設けるための装置となる。正極用の活物質ペースト１２には、正極用の活物質、導電剤、バインダ、及び溶媒を混練したものが用いられる。

また、製造装置１０は、負極電極を製造する場合には、例えば銅箔である負極用の金属箔１１に、負極用の活物質ペースト１２を塗布し、塗布面１１ａに負極活物質層を設けるための装置となる。負極用の活物質ペースト１２には、負極用の活物質、導電剤、バインダ、及び溶媒を混練したものが用いられる。

製造装置１０は、供給ロール１４ａにロール状に捲回された帯状の金属箔１１をセットし、装置に供給するための供給機構部１４を備えている。また、供給機構部１４の上方には、供給される金属箔１１に、活物質ペースト１２を転写する転写装置２０が設けられている。

図２に示すように、転写装置２０は、活物質ペースト１２を貯留するタンク２１、第１ロールとしての円柱状のコーティングロール２２、タンク２１から供給される活物質ペースト１２をコーティングロール２２の表面に付着させるとともに、活物質ペースト１２の厚さ（量）を調節する略円柱状の第３ロールとしてのコンマロール２３を有する。また、転写装置２０は、コーティングロール２２に金属箔１１を近接させるとともに、金属箔１１の搬送方向Ｙ１に回転して、金属箔１１を搬送する第２ロールとしての円柱状のバッキングロール２５を備える。各ロール２２，２３，２５は平行に配置されている。

コーティングロール２２は、バッキングロール２５とは反対方向である回転方向Ｙ２に回転することにより、その表面に付着した活物質ペースト１２を金属箔１１の塗布面１１ａに転写する。なお、転写装置２０では、金属箔１１における幅方向の両縁部に活物質ペースト１２が転写されていない非塗工部が形成される幅で、活物質ペースト１２が金属箔１１に転写される。

コンマロール２３は、コーティングロール２２と離間して配置され、コーティングロール２２との間の隙間２３ａにおけるコーティングロール２２からの離間距離に応じて、コーティングロール２２に付着させる活物質合剤の厚さを規制する。

バッキングロール２５は、金属箔１１をコーティングロール２２に対して、金属箔１１の塗布面１１ａに活物質ペースト１２を転写させる接触位置Ｐ１に位置可能である。以下の説明では、金属箔１１と活物質ペースト１２とが接触される部分を接触部Ｐ３と示す。また、金属箔１１が接触位置Ｐ１に位置している状態における各ロール２２，２５の離間距離は、金属箔１１と活物質ペースト１２とが接触する接触距離となる。

また、バッキングロール２５は、接触位置Ｐ１から離れた位置であり、金属箔１１をコーティングロール２２に近接させず、金属箔１１の塗布面１１ａに活物質ペースト１２を転写させない離間位置Ｐ２に位置可能である。金属箔１１が離間位置Ｐ２に位置している状態における各ロール２２，２５の離間距離は、金属箔１１と活物質ペースト１２とが接触しない非接触距離となる。バッキングロール２５は、接触位置Ｐ１と離間位置Ｐ２との間を移動可能である。

そして、図１に示すように、製造装置１０には、バッキングロール２５に接続され、バッキングロール２５の位置や回転速度を制御可能な制御手段としての制御装置２８が設けられている。製造装置１０では、制御装置２８により、バッキングロール２５を接触位置Ｐ１と離間位置Ｐ２との間で繰り返し移動させることにより、金属箔１１に活物質ペースト１２が間欠的に塗布される。

また、転写装置２０の側方には、金属箔１１の塗布面１１ａに転写された活物質ペースト１２を乾燥させる乾燥炉３０が設けられている。乾燥炉３０の内部には、高温の熱媒体（例えば空気や窒素ガスなどの気体）が外部から供給され、金属箔１１に転写された活物質ペースト１２を加熱するとともに、活物質ペースト１２から蒸発した溶媒蒸気を乾燥炉３０内から除去するようになっている。

乾燥炉３０の出口側の側方には、金属箔１１を搬送方向Ｙ１へ搬送しながら、乾燥済みの活物質ペースト１２を一対のプレスロール３２ａにより加熱しながらロールプレス（圧縮）するプレス機構部３２が設けられている。プレス機構部３２により乾燥済みの活物質ペースト１２を圧縮することで、正極用、又は負極用の活物質層３５が完成される。また、製造装置１０は、金属箔１１の搬送方向Ｙ１におけるプレスロール３２ａよりも後方で、金属箔１１を巻取る巻取ロール３６ａを有する巻取機構部３６を備える。

そして、図２に示すように、転写装置２０の下方であって、コーティングロール２２の回転方向における接触部Ｐ３よりも下流側には、コーティングロール２２から金属箔１１に転写されなかった活物質ペースト１２を回収する回収機構部４０が設けられている。

回収機構部４０は、接触部Ｐ３よりもコーティングロール２２の回転方向Ｙ２における下流側に位置し、コーティングロール２２に付着する活物質ペースト１２をコーティングロール２２の表面から掻き取るスクレーパ４１と、スクレーパ４１で掻き取った活物質ペースト１２を回収して貯留する回収タンク４５とを有する。

スクレーパ４１は、コーティングロール２２と平行に配置され、且つコーティングロール２２の軸線に沿って延びる略平板状である金属（例えば鉄やアルミニウム）製のホーン型スクレーパである。スクレーパ４１の先端には、コーティングロール２２に沿って延びるとともに、コーティングロール２２の外周面に接する接触面４１ａが設けられている。この接触面４１ａは、コーティングロール２２に付着される活物質ペースト１２の幅よりも広い幅でコーティングロール２２に接する。スクレーパ４１は、基端部（下端部）から接触面４１ａに向かって断面積が徐々に小さくなる先細り形状である。

また、スクレーパ４１の基端部には、スクレーパ４１に超音波振動を発生させるスクレーパ振動機構としてのスクレーパ用振動子４１ｂが設けられている。スクレーパ用振動子４１ｂは、例えば圧電素子などであり、印加する電圧を制御装置２８により制御することで、コーティングロール２２の外周面における接線方向Ｙ３に沿った方向の超音波振動をスクレーパ４１に発生させる。

また、回収タンク４５は、底壁４５ａと、該底壁４５ａから立設された側壁４５ｂとを有する有底筒状であり、スクレーパ４１の下方に配設されている。回収タンク４５の側壁４５ｂには、該側壁４５ｂに超音波振動を発生させる容器振動機構としての容器用振動子４５ｃが設けられている。容器用振動子４５ｃは、例えば圧電素子などであり、印加する電圧を制御装置２８により制御することで、側壁４５ｂに超音波振動を発生させる。

次に、製造装置１０の使用方法について、その作用とともに説明する。
図１に示すように、ロール状に捲回された金属箔１１を供給ロール１４ａにセットするとともに、調製した活物質ペースト１２をタンク２１に投入する。

続けて、図２に示すように、制御装置２８によりバッキングロール２５を搬送方向Ｙ１に回転させながら、接触位置Ｐ１と離間位置Ｐ２との間を所定の時間間隔で移動させ、金属箔１１の塗布面１１ａに活物質ペースト１２を間欠的に転写する。これにより、金属箔１１の塗布面１１ａには、搬送方向Ｙ１に沿って、活物質ペースト１２が矩形状に転写された塗布部１２ａが、活物質ペースト１２の塗布されていない非塗布部１２ｂを間に挟んで隣り合うように形成される。

このとき、コーティングロール２２に対するコンマロール２３の離間距離を調節することにより、コーティングロール２２に付着させる活物質ペースト１２の厚さ（量）を調節できる。このため、製造装置１０では、コーティングロール２２から金属箔１１に転写する活物質ペースト１２の厚さを容易に変更できる。

次に、活物質ペースト１２を転写した金属箔１１を乾燥炉３０に搬送し、該乾燥炉３０にて活物質ペースト１２を乾燥させる。そして、金属箔１１を搬送方向Ｙ１へ搬送しながら、乾燥済みの活物質ペースト１２を一対のプレスロール３２ａにより加熱しながらロールプレス（圧縮）する。これにより、活物質層３５が完成される。次に、巻取ロール３６ａにより金属箔１１を巻き取る。

なお、巻き取った金属箔１１は、再び製造装置１０の供給ロール１４ａにセットし、上述と同様にして活物質層３５が形成されていない側の面を新たな塗布面１１ａとして活物質層３５を形成する。なお、活物質層３５は、金属箔１１の両面において重なる位置に形成する。

そして、本実施形態の製造装置１０では、コーティングロール２２から金属箔１１へ転写されなかった活物質ペースト１２を回収機構部４０にて回収する。ここで、本実施形態の製造装置１０では、金属箔１１に対して活物質ペースト１２を間欠的に塗布することから、コーティングロール２２の表面には、間欠的に活物質ペースト１２が残存した状態となる。

スクレーパ４１は、接触面４１ａにてコーティングロール２２の表面と接触していることから、コーティングロール２２の表面に付着する活物質ペースト１２は、コーティングロール２２が回転方向Ｙ２に回転することに伴ってスクレーパ４１により掻き取られる。このとき、スクレーパ４１には、接線方向Ｙ３に沿った方向の超音波振動が発生されていることから、スクレーパ４１による活物質合剤の掻き取りが効率的に行われる。

そして、スクレーパ４１により掻き取られた活物質ペースト１２は、回転方向Ｙ２におけるスクレーパ４１の上流側に滞留するとともに、重力によってシズク状に滴るように回収タンク４５へ落下する。このとき、スクレーパ４１では、スクレーパ用振動子４１ｂによって超音波振動が発生されていることから、シズク状になった活物質ペースト１２において、活物質を分散させ、該活物質が凝集してしまうことを抑制できる。

そして、スクレーパ４１で掻き取られた活物質ペースト１２は、回収タンク４５へ落下するとともに貯留される。回収タンク４５の側壁４５ｂでは、容器用振動子４５ｃによって超音波振動が発生される。このため、回収タンク４５に貯留中である活物質ペースト１２において、活物質を分散させ、活物質が凝集してしまうことを抑制できる。

そして、回収タンク４５に貯留された活物質ペースト１２は、再利用ではない活物質ペースト１２に対して所定割合となるように再びタンク２１に投入され、電極の製造に再利用される。本実施形態では、スクレーパ４１によって掻き取った活物質ペースト１２における活物質の凝集が抑制される。このため、活物質ペースト１２を再利用する場合であっても、コーティングロール２２とコンマロール２３との隙間２３ａに凝集した活物質のツブが詰まることに起因して、塗布部１２ａに搬送方向Ｙ１に沿って延びる塗工スジが発生することを抑制できる。また、塗布部１２ａに、凝集した活物質のツブが混入することを抑制できる。

このようなことは、スクレーパ用振動子４１ｂ、及び容器用振動子４５ｃを設けない比較例の製造装置で製造した電極（比較例１〜３）と、本発明の製造装置１０で製造した電極（実施例１〜６）とで、塗工スジの発生率（％）、及び活物質のツブの混入率（％）を評価することで確認される。なお以下に示す実施例は、例示であって本発明を限定するものではない。

実施例１〜６、及び比較例１〜３では、再利用ではない活物質ペーストに対して、回収された活物質ペーストを同じ所定割合で混合して再利用するとともに、４００ｍの金属箔に対して、幅１６５ｍｍ×長さ１３０ｍｍの塗布部を５０ｍｍ間隔で形成したものをサンプルとした。また、幅が１ｍｍ以上の塗工スジがある塗布部について、塗工スジが発生していると判定するとともに、幅が１ｍｍ以上の活物質のツブが混入している塗布部について、活物質のツブの混入が発生していると判定した。そして、各サンプルに形成される塗布部のうち、塗工スジが発生している塗布部の割合を塗工スジの発生率（％）とし、ツブの混入が発生している塗布部の割合を活物質のツブの混入率（％）としたものを表１に示す。

表１に示すように、比較例１〜３では、塗工スジの発生率が６．４４％〜６．７８％であるのに対して、本発明の実施例１〜６では、０．２７％〜０．３６％であり、塗工スジの発生率が大幅に低減されていることが確認された。また、比較例１〜３では、活物質のツブの混入率が０．０８％〜０．１７％であるのに対して、本発明の実施例１〜６では、０．０４％〜０．１１％であり、活物質のツブの混入率が低減されていることが確認された。

したがって、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）スクレーパ４１では、スクレーパ用振動子４１ｂによって超音波振動が発生されることから、活物質ペースト１２の回収と同時に、活物質ペースト１２の中で活物質が凝集することを抑制できる。したがって、活物質ペースト１２を回収してから、タンク２１内にて超音波振動を付与して活物質を再分散させる従来技術と比較して、活物質ペースト１２を回収して再利用するときに活物質が凝集することを抑制できる。

（２）製造装置１０では、金属箔１１に活物質ペースト１２を間欠的に転写させることから、コーティングロール２２からスクレーパ４１によって掻き取る活物質ペースト１２が多くなる。しかしながら、スクレーパ４１では、スクレーパ用振動子４１ｂによって超音波振動が発生されることから、このように回収する活物質ペースト１２が多い場合であっても、該活物質ペースト１２の中で活物質が凝集することを抑制できる。

（３）スクレーパ４１には、コーティングロール２２の外周面の接線に沿った接線方向Ｙ３の超音波振動が発生されることから、外周面に垂直な方向の超音波振動を発生させる場合と比較して、スクレーパ４１による活物質ペースト１２の掻き取りを容易にできる。

（４）製造装置１０では、掻き取った活物質ペースト１２を貯留する回収タンク４５においても超音波振動を発生させ、回収した活物質ペースト１２で活物質が凝集することをさらに抑制できる。

（５）製造装置１０では、コーティングロール２２とコンマロール２３との隙間２３ａによって金属箔１１に転写させる活物質ペースト１２の厚さを容易に調節できる。そして、このようなコンマロール２３を備える製造装置１０において、回収した活物質ペースト１２を再利用する場合であっても、活物質が凝集することが抑制されていることから、凝集した活物質が隙間２３ａに詰まることに起因する塗工スジの発生を抑制できる。

（６）そして、製造装置１０では、活物質ペースト１２を回収して再利用する場合であっても、凝集した活物質のツブが活物質ペースト１２（塗布部１２ａ）に混入する可能性を低減し、歩留まりを向上させることができる。

（７）また、本実施形態では、活物質層３５に塗工スジが発生したり、活物質のツブが混入したりすることを抑制し、リチウムイオン二次電池に用いた場合に、該蓄電装置としての電気容量が低下することを好適に抑制できる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 回収タンク４５を省略してもよい。この場合、製造装置１０は、スクレーパ４１で掻き取った活物質ペースト１２を連続的にタンク２１へ還流させる還流機構を備えてもよい。

○ 容器用振動子４５ｃを省略してもよい。
○ 製造装置１０は、コーティングロール２２を移動させて、又は各ロール２２，２５の両方を移動させて各ロール２２，２３の離間距離を調整してもよい。

○ スクレーパ４１の形状は、コーティングロール２２から活物質ペースト１２を掻き取り可能な形状であれば、適宜変更してもよい。
○ スクレーパ用振動子４１ｂは、スクレーパ４１に対してコーティングロール２２の外周面に直交する方向の超音波振動を発生させてもよい。

○ 製造装置１０は、制御装置２８の制御によりバッキングロール２５を接触位置Ｐ１に維持させ、金属箔１１に活物質ペースト１２を連続的に塗布可能な装置であってもよい。

○ タンク２１に超音波振動を発生させるタンク振動機構を設けてもよい。
○ スクレーパ４１は、接触部Ｐ３よりも回転方向Ｙ２の下流側であれば、コーティングロール２２の側方に設けてあってもよい。

○ 製造装置１０は、乾燥炉３０やプレス機構部３２を省略してもよい。
○ 製造装置１０は、金属箔１１の片方の面に活物質ペースト１２を転写する装置であってもよい。

○ ニッケル水素二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電装置に用いられる電極の製造装置であってもよい。

Ｐ３…接触部、Ｙ２…回転方向、Ｙ３…接線方向、１０…製造装置、１１…金属箔、１２…活物質ペースト（活物質合剤）、２２…コーティングロール（第１ロール）、２３…コンマロール（第３ロール）、２３ａ…隙間、２５…バッキングロール（第２ロール）、３９…制御装置（制御手段）、４１…スクレーパ、４１ｂ…スクレーパ用振動子（スクレーパ振動機構）、４５…回収タンク（貯留容器）、４５ｃ…容器用振動子（容器振動機構）。

Claims (5)

1. 活物質を含む活物質合剤が付着される第１ロールと、
   金属箔を搬送する第２ロールと、を有し、
   前記第２ロールが搬送する金属箔と、前記第１ロールに付着される活物質合剤とを接触させ、前記金属箔に活物質合剤を転写する電極の製造装置であって、
   前記金属箔と前記活物質合剤とが接触される部分よりも、前記第１ロールの回転方向における下流側に位置し、前記第１ロールに付着する活物質合剤を掻き取るスクレーパと、
   前記スクレーパに超音波振動を発生させるスクレーパ振動機構と、を有することを特徴とする電極の製造装置。
2. 前記第１ロール、及び前記第２ロールの少なくとも一方を移動させることにより、前記第１ロールと、前記第２ロールとの離間距離を、前記金属箔と前記活物質合剤とが接触する接触距離と、前記金属箔と前記活物質合剤とが接触しない非接触距離とに繰り返し調整し、前記金属箔に前記活物質合剤を間欠的に転写させる制御手段をさらに有する請求項１に記載の電極の製造装置。
3. 前記スクレーパ振動機構は、前記第１ロールの外周面の接線に沿った方向の超音波振動を発生させる請求項１または２に記載の電極の製造装置。
4. 前記スクレーパが掻き取る活物質合剤を貯留する貯留容器と、
   前記貯留容器に超音波振動を発生させる容器振動機構と、をさらに有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極の製造装置。
5. 前記第１ロールと離間して配置され、前記第１ロールとの間の隙間における前記第１ロールからの離間距離に応じて前記第１ロールに付着させる活物質合剤の厚さを規制する第３ロールをさらに有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極の製造装置。