JP2014123663A - リチウムイオンキャパシタ用電極の製造装置及び製造方法 - Google Patents

リチウムイオンキャパシタ用電極の製造装置及び製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電極シート上の電極材料にリチウムイオンをドーピングする時間を大幅に短縮する。
【解決手段】電極シートを搬出入可能な処理室２００と，処理室内に希ガスを導入するための希ガス供給部２３０と，処理室内を排気して所定の真空圧力にする排気装置２２０と，処理室内に搬入される電極シートＷの炭素材料Ｃ上に，リチウム含有粉末を溶融させながら吹き付けてリチウムの薄膜を成膜することにより，リチウムイオンをドーピングするリチウム溶射部２１０とを設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は，リチウムイオンキャパシタ用電極の製造装置及び製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池などのリチウムイオンキャパシタの電極を製造する工程には，電極材料に予めリチウムイオンをドーピングさせるプレドーピング工程がある。例えばリチウムイオン二次電池の負電極（アノード）を製造する際には，電極材料として用いられる活性炭素などの炭素材料にリチウムイオンをドーピングさせている。
このようなリチウムのドーピング工程としては，従来，リチウムイオンを含む電解液が満たされたドーピング槽内に，炭素材料を浸すことによってその炭素材料にリチウムイオンをドーピングさせるようにしていた（例えば下記特許文献１参照）。
特開平０９−０２２６９０号公報
しかしながら，このような従来のリチウムドーピング工程では，炭素材料全体に均一にリチウムイオンがドーピングされるまでに数日間という非常に長い時間がかかる。このようなリチウムドーピング工程はリチウムイオンキャパシタの生産効率を低下させる大きな要因となっている。
そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，電極材料にリチウムイオンをドーピングする時間を大幅に短縮することができる電極製造装置等を提供することにある。
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，電極シート上の電極材料（例えば炭素材料）にリチウムイオンをドーピングしてリチウムイオンキャパシタ用電極を製造する電極製造装置であって，前記電極シートを搬出入可能な処理室と，前記処理室内に希ガスを導入するための希ガス供給部と，前記処理室内を排気して所定の真空圧力にする排気装置と，前記処理室内に搬入される前記電極シートの電極材料上に，リチウム含有粉末を溶融させながら吹き付けてリチウムの薄膜を成膜することにより，前記電極材料にリチウムイオンをドーピングするリチウム溶射部と，を備えたことを特徴とする電極製造装置が提供される。
このようなリチウム溶射部は，例えば前記電極シートの電極材料に向けて前記リチウム含有粉末を噴出するリチウム含有粉末供給部と，前記リチウム含有粉末供給部から噴出されたリチウム含有粉末を溶解する加熱ガスを供給する加熱ガス供給部とを備えて構成することができる。
この場合，上記リチウム含有粉末供給部は前記電極材料に対して垂直に配置され，前記加熱ガス供給部は前記リチウム含有粉末供給部に対して傾斜して，前記リチウム含有粉末供給部の粉末噴出口と前記電極材料側との間に前記加熱ガスが噴出されるように配置されるようにしてもよい。
また，上記電極シートはロール状とし，前記処理室の両側に前記電極シートの収容室をそれぞれ設けてこれらを連通させて，前記電極シートを一方の収容室から巻出し，前記処理室内を通って他方の収容室で巻き取るように構成し，前記リチウム溶射部は，前記電極シートが巻出されて前記処理室内を通る際に，その電極材料上にリチウムの薄膜を成膜するようにしてもよい。
また，上記リチウム含有粉末供給部は前記電極シートの幅方向に延出し，前記電極材料に対して垂直に配置された板状部材に，前記リチウム含有粉末を供給するための複数の孔部を前記電極シートの幅方向に並べて形成してなり，上記加熱ガス供給部は，前記リチウム含有粉末供給部の各孔部についてそれぞれ，１つの孔部に対して前記電極シートの長手方向の両側に２つの加熱ガス供給部を対称に配置するようにしてもよい。
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，電極シート上の電極材料にリチウムイオンをドーピングしてリチウムイオンキャパシタ用電極を製造する電極製造方法であって，前記電極シートを搬出入可能な処理室内を希ガス雰囲気にして減圧し，前記処理室内に搬入される前記電極シートの電極材料上に，リチウム含有粉末を溶融させながら吹き付けてリチウムの薄膜を成膜することにより，前記電極材料にリチウムイオンをドーピングすることを特徴とする電極製造方法が提供される。
本発明によれば，処理室内に搬入される電極シートの電極材料上に，リチウム含有粉末を溶融させながら吹き付けて，希ガス雰囲気中においてリチウムの薄膜を成膜することで，電極材料にリチウムイオンをドーピングすることにより，電極材料にリチウムイオンをドーピングする時間を大幅に短縮できる。
本発明の実施形態にかかる電極製造装置の構成例を示す断面図である。 図１に示す電極製造装置の上面図である。 図１に示す処理室を図２に示すＡ−Ａ断面で切断した場合の断面斜視図である。 同実施形態にかかる電極製造処理の具体例を示すフローチャートである。 同実施形態におけるリチウム含有粉末供給部に，加振器付きのホッパーを設けた場合を説明するための断面図である。 同実施形態におけるリチウム含有粉末供給部に，撹拌機付きのホッパーを設けた場合を説明するための断面図である。
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（リチウムイオンキャパシタ用電極製造装置の構成例）
先ず，本発明の実施形態にかかるリチウムイオンキャパシタ用電極製造装置（以下「電極製造装置」と称する。）について図面を参照しながら説明する。ここでは，リチウムイオン二次電池などのリチウムイオンキャパシタに用いられる負電極（アノード）を製造するための工程として，電極シート上の電極材料にリチウムイオンをドーピングする工程を実施するための電極製造装置（ドーピング装置）を例に挙げる。
図１は本実施形態にかかる電極製造装置の概略構成を示す断面図であり，図２は図１に示す電極製造装置の上面図である。図１は，図２のＡ−Ａ断面で切断した場合の縦断面図である。図３は，図１に示す処理室の断面斜視図である。
本実施形態にかかる電極製造装置１００は，ロール状の電極シートを巻出して巻取りながら，真空排気しながら希ガス雰囲気にした処理室内にて，その電極シート上に形成された電極材料上にリチウムを溶射により成膜できるように構成される。これによって，電極材料上に溶射によりリチウムの薄膜を成膜することで，電極材料にリチウムイオンをドーピングすることができる。ここでは電極シートの電極材料として，活性炭などの炭素材料を例に挙げる。
具体的には図１に示すように，本実施形態にかかる電極製造装置１００は，ロール状の電極シートＷを収容する巻出し側の収容室１１０Ａと，この収容室１１０Ａから離間して設けられた巻取り側の収容室１１０Ｂと，これら収容室１１０Ａ，１１０Ｂとの間に設けられる処理室２００とを備える。これら収容室１１０Ａ，１１０Ｂ，処理室２００はそれぞれ，ステンレスやアルミニウムなどの金属からなる気密の筐体により構成される。なお，各収容室１１０Ａ，１１０Ｂには例えばその前面に蓋部や扉部などで閉塞可能な開口部を設け，電極シートＷを出し入れできるようにしてもよい。
処理室２００と巻出し側収容室１１０Ａとの間は連通口ＧＡによって連通している。巻出し側収容室１１０Ａから巻出されたロール状電極シートＷは，この連通口ＧＡを介して処理室２００内に搬入されるようになっている。
処理室２００と巻取り側収容室１１０Ｂとの間は連通口ＧＢによって連通している。処理室２００で処理された電極シートＷは，この連通口ＧＢを介して処理室２００から巻取り側の収容室１１０Ｂへ搬出され，巻取り側の収容室１１０Ｂ内にて巻き取られるようになっている。このように処理済みの電極シートＷを巻き取る際には，その処理面を剥離性を有する樹脂（例えば樹脂フィルム）で被覆しながら巻取るようにしてもよい。
なお，処理室２００と各収容室１１０Ａ，１１０Ｂとの間には，各連通口ＧＡ，ＧＢの周りを囲むＯリングなどのシール部材ＳＡ，ＳＢが設けられ，シールされている。
収容室１１０Ａ，１１０Ｂにはそれぞれ，これらの内部を真空排気する排気装置１２０Ａ，１２０Ｂを接続する排気口１２２Ａ，１２２Ｂが形成されている。処理室２００にはその内部を真空排気する排気装置２２０を接続する排気口２２２が形成されている。これらの排気装置１２０Ａ，１２０Ｂ，２２０は真空ポンプなどからなり，それぞれ別々に設けられている。
このような各排気装置１２０Ａ，１２０Ｂ，２２０によって，収容室１１０Ａ，１１０Ｂ，処理室２００の内部圧力を別々に調整できる。これによれば収容室１１０Ａ，１１０Ｂ内と，処理室２００内との間で圧力差を生じさせることもできる。例えば各収容室１１０Ａ，１１０Ｂの内部雰囲気がパーティクルなどとともに連通口ＧＡ，ＧＢを通して処理室２００内に入り込まないようにしたい場合には，収容室１１０Ａ，１１０Ｂ内の圧力を処理室２００内の圧力よりも低くなるように調整すればよい。なお，収容室１１０Ａ，１１０Ｂの排気装置１２０Ａ，１２０Ｂは，必ずしも別々に設ける必要はなく，共通の１つの排気装置を設けるようにしてもよい。
巻出し側収容室１１０Ａは巻出し軸１１２Ａを備え，巻取り側収容室１１０Ｂは巻取り軸１１２Ｂを備える。巻出し軸１１２Ａにロール状の電極シートＷをセットする際には，例えばロール状の電極シートＷの中心を巻出し軸１１２Ａに差し込むことで支持されるように構成することができる。
巻出し軸１１２Ａ，巻取り軸１１２Ｂはそれぞれ，各収容室１１０Ａ，１１０Ｂに回転自在に支持されている。この場合，巻出し軸１１２Ａ，巻取り軸１１２Ｂは片側支持でも，両側支持でもよい。巻出し軸１１２Ａ，巻取り軸１１２Ｂはそれぞれ，図３に示すように各収容室１１０Ａ，１１０Ｂの外側に設けられたモータ１１４Ａ，１１４Ｂに接続される。巻出し軸１１２Ａ，巻取り軸１１２Ｂはそれぞれ，これらモータ１１４Ａ，１１４Ｂにより正転も逆転（反転）もできるようになっている。これにより，電極シートＷを巻出し軸１１２Ａから巻取り軸１１２Ｂへ搬送する図１に示す矢印の搬送方向だけではなく，図１の矢印とは反対の方向，すなわち巻取り軸１１２Ｂから巻出し軸１１２Ａへ搬送することもできる。
各収容室１１０Ａ，１１０Ｂには電極シートＷを搬送するガイドローラ１０２Ａ，１０２Ｂが設けられており，処理室２００にも各収容室１１０Ａ，１１０Ｂ寄りにそれぞれ電極シートＷを搬送するガイドローラ２０２Ａ，２０２Ｂが設けられている。巻出し軸１１２Ａにセットされた電極シートＷは，連通口ＧＡ，ＧＢを通して巻取り軸１１２Ｂまで，上記複数のガイドローラ１０２Ａ，２０２Ａ，２０２Ｂ，１０２Ｂを介して掛け渡される。なお，ガイドローラの数や配置は図示するものに限られるものではない。また，ガイドローラだけではなく，電極シートＷのテンションを調整するためのテンションローラを設けるようにしてもよい。
処理室２００にはその天井部に，処理室２００内に搬入される電極シートＷの電極材料としての炭素材料Ｃ上に，リチウムを含むリチウム含有粉末（リチウムパウダーなど）を溶融させながらリチウムの薄膜を成膜することにより，炭素材料Ｃにリチウムイオンをドーピングさせるリチウム溶射部２１０を設けている。
リチウム溶射部２１０は図３に示すように，電極シートＷの炭素材料Ｃに向けてリチウム含有粉末を噴出して供給するリチウム含有粉末供給部２５０と，リチウム含有粉末供給部２５０から噴出されたリチウム含有粉末を溶融する加熱ガス（所定の温度に加熱したアルゴンなどの希ガスなど）を供給することでリチウム含有粉末を溶融する加熱ガス供給部２６０を備える。
リチウム含有粉末供給部２５０は，電極シートＷに対して垂直に配置した略板状の部材であって，その板状部材の縦方向（上下方向）に，リチウム含有粉末を供給する複数の孔部２５２を形成して構成される。各孔部２５２はリチウム含有粉末供給部２５０の下端まで貫通し，下端の粉末噴出口２５４からリチウム含有粉末が噴出されるようになっている。各孔部２５２の基端側の側部にはリチウム含有粉末のキャリアガスとしてアルゴンガスなどの希ガスを導入するガス導入口２５６が設けられている。
複数の孔部２５２は図２に示すように，電極シートＷの幅方向に等間隔に並ぶように形成される。なお，孔部２５２の数や配置間隔は，電極シートＷの炭素材料の幅方向（搬送方向に垂直な方向）に満遍なくリチウムの薄膜が成膜されるように決めることが好ましい。図２では，５つの孔部２５２を備えたリチウム含有粉末供給部２５０を例に挙げているが，これに限られるものではなく，孔部２５２は４つ以下であってもよく，また６つ以上形成してもよい。
このようなリチウム含有粉末供給部２５０によれば，ガス導入口２５６からアルゴンガスを導入することで，各孔部２５２を通るリチウム含有粉末は，下端の粉末噴出口２５４から噴出され，電極シートＷの炭素材料Ｃ上に吹き付けられる。ガス導入口２５６から導入するアルゴンガスの流量をコントロールすることにより，リチウム含有粉末の噴出速度を調整できる。
なお，リチウム含有粉末に含まれるリチウムは，反応性が高く発火し易い性質があるため，キャリアガスとしてもアルゴンガスなどの希ガスのようにリチウムとは反応しないガスを用いることで，リチウムの自然発火などを防ぐことができる。
加熱ガス供給部２６０は，図３に示すように略筒状に構成される。図３に示す加熱ガス供給部２６０は，アルゴンガスなどの希ガスを通すガス管２６２の周りにヒータ２６４を巻いて構成される。図３に示すように，ガス管２６２の基端はセラミックなどで構成された支持部２６３により支持し，支持部２６３よりも先端側には石英ガラスなどで構成したガラス管２６６を設け，このガラス管２６６内にガス管２６２を配置するようにしてもよい。これによれば希ガス温度の安定性を高めることができる。
このような加熱ガス供給部２６０によれば，ヒータ２６４をオンしてガス管２６２の基端から希ガスを導入すると，ガス管２６２を通る希ガスはヒータ２６４によって加熱され，ガス管２６２の先端のガス噴出口２６８から加熱された希ガスとして噴出される。これにより，リチウム含有粉末供給部２５０の粉末噴出口２５４から噴出されるリチウム含有粉末に，加熱された希ガスが供給されるように加熱ガス供給部２６０を配置することで，リチウム含有粉末を溶融させながら，電極シートＷの炭素材料Ｃ上に吹き付けることができる。
ここでのリチウム含有粉末としては，例えばリン含有化合物などで被覆されたリチウム金属粉末を用いることができる。このようなリチウム金属粉末は空気中でも極めて安定的で扱いが容易であり，リチウムの融点温度以上で加熱することで溶融してリチウムが得られる。本実施形態では，このようなリチウム含有粉末を加熱ガスで加熱することで，電極材料へのリチウム溶射を可能とする。なお，リチウム含有粉末としては，上記のものに限られるものではない。
なお，加熱ガス供給部２６０の数や配置は，図３に示すようにリチウム含有粉末供給部２５０の孔部２５２の数や配置に応じて決めることが好ましい。図３は，リチウム含有粉末供給部２５０の１つの孔部２５２に対して，２つの加熱ガス供給部２６０を設けた場合の例を示している。具体的にはリチウム含有粉末供給部２５０の１つの孔部２５２に対して，電極シートＷの長手方向の両側に，２つの加熱ガス供給部２６０をそれぞれ対称に配置する。
このとき，２つの加熱ガス供給部２６０は，これらからの加熱ガスが孔部２５２の粉末噴出口２５４と電極シートＷの炭素材料Ｃとの間に供給されるように配置される。具体的には，２つの加熱ガス供給部２６０はその間のリチウム含有粉末供給部２５０（孔部２５２）に対して鋭角をなすように傾斜して配置する。
これによれば，各孔部２５２の先端の粉末噴出口２５４から噴出されるリチウム含有粉末は加熱ガスによって加熱されて溶融する。これにより，リチウムが電極シートＷの炭素材料Ｃに向けて溶射されるので，炭素材料Ｃにリチウムの薄膜を高速で成膜することができる。これにより，炭素材料Ｃへのリチウムイオンのドーピング工程にかかる時間を大幅に短縮できる。
ところで，このようなリチウムは非常に反応性が高く，もし大気中（空気中）で成膜を行うと自然発火する可能性も高くなる。この点，アルゴンガスなどの希ガス中でリチウムの溶射を行うことで，リチウムを自然発火させずに成膜できる。
そこで，本実施形態にかかる電極製造装置１００では希ガスの導入機構を設け，上述したリチウム含有粉末供給部２５０のキャリアガスや加熱ガス供給部２６０の加熱ガスに希ガスを用いるだけではなく，処理室２００の内部とこれに連通する各収容室１１０Ａ，１１０Ｂの内部にも希ガスを導入して希ガス雰囲気にした上で，リチウムの成膜処理を行うことができるようにしている。
ここで，このような希ガスの導入機構の構成の具体例について図面を参照しながら説明する。図１では，処理室２００と各収容室１１０Ａ，１１０Ｂのそれぞれについて，別々に希ガスの流量を調整しながら導入できるようにした場合の例を挙げている。なお，希ガスとしては，上述のとおりアルゴンガスを例に挙げることができるが，適用可能な希ガスの種類はこれに限られるものではない。
図１に示すように収容室１１０Ａ，１１０Ｂにはそれぞれ，希ガス（ここではアルゴンガス）を供給するための希ガス供給部１３０Ａ，１３０Ｂが設けられている。希ガス供給部１３０Ａ，１３０Ｂはそれぞれ，希ガス供給源１３２Ａ，１３２Ｂを備える。これら希ガス供給源１３２Ａ，１３２Ｂはそれぞれ配管１３４Ａ，１３４Ｂを介して，各収容室１１０Ａ，１１０Ｂのガス導入口１３３Ａ，１３３Ｂに接続される。
これらの配管１３４Ａ，１３４Ｂにはそれぞれ，希ガスの流量を調整する流量調整器としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１３５Ａ，１３５Ｂと開閉バルブ１３６Ａ，１３６Ｂが設けられている。
処理室２００には，希ガス（ここではアルゴンガス）を供給するための希ガス供給部２３０が設けられている。希ガス供給部２３０は希ガス供給源２３２を備える。希ガス供給源２３２は配管２３４を介して処理室２００のガス導入口２３３に接続され，配管２３７を介してリチウム含有粉末供給部２５０のガス導入口２５６に接続され，配管２３８及びこれから分岐した複数の分岐配管２３９を介して各加熱ガス供給部２６０のガス管２６２に接続されている。
これらの配管２３４，２３７，２３８にはそれぞれ，希ガスの流量を調整する流量調整器としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２３５と開閉バルブ２３６が設けられている。これにより，処理室２００，リチウム含有粉末供給部２５０，加熱ガス供給部２６０に供給する希ガスの流量を別々に調整することができる。
なお，本実施形態では，別々の希ガス供給源１３０Ａ，１３０Ｂ，２３２を設けた場合を例に挙げて説明したが，これに限られるものではなく，同じ種類の希ガスを用いる場合には，処理室２００と収容室１１０Ａ，１１０Ｂに共通の１つの希ガス供給源を設けるようにしてもよい。また，希ガスの流量を調整する流量調整器は，マスフローコントローラ（ＭＦＣ）に限られるものではない。
このような電極製造装置１００は図１に示すように，その各構成部を制御する制御部３００を備える。制御部３００には，オペレータが電極製造装置１００を操作するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやディスプレイ等からなる操作部３１０が接続されている。操作部３１０はタッチパネルで構成してもよい。
さらに，制御部３００には，電極製造装置１００で実行される後述の電極製造処理を制御部３００の制御にて実現するためのプログラムやプログラムを実行するために必要なレシピデータ（例えば処理室２００，収容室１１０Ａ，１１０Ｂの内部の設定圧力，電極シートＷの巻取り速度等）などが記憶された記憶部３２０が接続されている。
なお，これらのレシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよく，またＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で記憶部３２０の所定位置にセットするようになっていてもよい。
制御部３００は，操作部３１０からの指示等に基づいて所望のプロセスレシピを記憶部３２０から読み出して各部を制御することで，電極製造装置１００での所望の処理を実行する。また，操作部３１０からの操作によりレシピを編集できるようになっている。
（ロール状電極シート）
次に，電極製造装置１００による電極製造処理において，リチウムイオンをドーピングする際に用いられるロール状の電極シートについて説明する。ここではリチウムイオン二次電池の負電極を製造する際に用いられるロール状の電極シートを例に挙げる。
リチウムイオン二次電池は，例えば正極と負極とをセパレータを介して積層して電池容器内に収容し，電解液を注入して構成される。これら正極，負極などの電極はそれぞれ，予めロール状に形成した電極シートを切断加工して必要な長さや形状に加工して製造される。
本実施形態では，これらのうちロール状に形成された電極シートＷの電極部材にリチウムイオンをドーピングして，ロール状に巻き直すことにより，負極のロール状電極シートを製造する。本実施形態によるリチウムイオンドーピング前のロール状電極シートＷは例えば図３に示すように，樹脂や金属などからなるベースシート上に等間隔で，電極部材としての炭素材料Ｃがシート状に形成されているものを用いる。
ここでの炭素材料Ｃとしては，黒鉛，活性炭，難黒鉛化炭素質，易黒鉛化炭素質などが挙げられるが，ここでは黒鉛よりも優れた容量をもつ活性炭を用いることとする。なお，リチウムイオンをドーピングする電極材料としてはこれらの炭素材料に限られるものではなく，ケイ素若しくはこれを含む化合物やスズ若しくはこれを含む化合物などであってもよい。
（電極製造処理）
次に，このような炭素材料Ｃが形成された電極シートＷに対して，本実施形態にかかる電極製造装置１００を用いてリチウムイオンをドーピングすることによって，リチウムイオン二次電池用の負極のロール状電極シートを製造する電極製造処理について図面を参照しながら説明する。制御部３００は，所定のプログラムに基づいて電極製造装置１００の各部を制御することによって，ドーピング処理を実行するようになっている。図４は本実施形態にかかる電極製造処理の具体例を示すフローチャートである。
この電極製造処理（ドーピング処理）は，ロール状電極シートＷを電極製造装置１００にセットし，例えば操作部３１０に設けた処理開始ボタンを押下することによって開始される。具体的には，ロール状電極シートＷのロールコアＲを巻出し軸１１２Ａに差し込んで固定し，電極シートＷを繰り出して図１に示すように各ガイドローラ１０２Ａ，２０２Ａ，２０２Ｂ，１０２Ｂに掛け渡し，巻取り軸１１２ＢにセットしたロールコアＲに取り付ける。処理開始ボタンを押下することによって処理を開始させる。
制御部３００は電極製造処理を開始すると，先ずステップＳ１１０にて処理室２００と各収容室１１０Ａ，１１０Ｂに希ガスを導入しながら真空排気して減圧する。具体的には，希ガス供給源１３２Ａ，１３２Ｂから各収容室１１０Ａ，１１０Ｂに希ガスを所定流量で供給するとともに，希ガス供給源２３２から処理室２００に希ガスを所定流量で供給する。ここでの希ガスとしてはアルゴンガスを用いる。
処理室２００と各収容室１１０Ａ，１１０Ｂを減圧する際には，排気装置１２０Ａ，１２０Ｂを駆動して各収容室１１０Ａ，１１０Ｂの内部を排気するとともに，排気装置２２０を駆動して処理室２００の内部を排気して，それぞれを所定の真空圧力まで減圧する。
続いて，ステップＳ１２０にて処理室２００と各収容室１１０Ａ，１１０Ｂが所定の設定圧力（真空圧力）になったか否かを判断する。具体的には例えば図示しない圧力センサによってそれぞれの圧力を監視し，処理室２００は１００Ｔｏｒｒ程度の設定圧力まで減圧し，各収容室１１０Ａ，１１０Ｂはそれよりも高い設定圧力まで減圧する。
ステップＳ１２０にて処理室２００と各収容室１１０Ａ，１１０Ｂがそれぞれ所定の設定圧力になったと判断した場合には，その圧力を保持するように各排気装置１２０Ａ，１２０Ｂ，２２０を制御しながら，ステップＳ１３０にて電極シートＷの巻出し巻取りを開始する。
具体的にはロール状の電極シートＷは巻出し収容室１１０Ａから巻出され，処理室２００を通って巻取り収容室１１０Ｂの巻取り軸１１２Ｂに巻取られるように，モータ１１４Ａ，１１４Ｂを駆動させて巻取り軸１１２Ａと巻出し軸１１２Ｂの回転を開始する。これにより，電極シートＷは図１に示す矢印の方向に搬送される。
そして，ステップＳ１４０にて電極シートＷが処理室２００を通る際に，その炭素材料Ｃ上にリチウムイオンをドーピングする。具体的には，電極シートＷの各炭素材料Ｃ上において，加熱ガス供給部２６０にて加熱した希ガスを供給しながら，リチウム含有粉末供給部２５０からリチウム含有粉末を希ガスとともに噴射する。
こうして，電極シートＷの炭素材料Ｃにリチウムが高速でドーピングされる。そしてドーピング処理後の電極シートＷは大気に晒されることなく，巻取り軸１１２Ｂに巻取られる。
なお，ドーピング処理を行う際のリチウム含有粉末供給部２５０によるリチウム含有粉末の噴出速度と，加熱ガス供給部２６０による加熱ガスの噴出速度は，それぞれのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２３５によって希ガスの流量を調整することで調整可能である。
また，加熱ガス供給部２６０によって噴出される希ガスの加熱温度は，ヒータ２６４の設定温度を調整することで調整できる。このときの設定温度は，少なくともリチウムを溶解できる温度，すなわちリチウムの融点温度（略１８０℃）近傍であることが好ましい。但し，リチウムの発火を防止すべく，リチウムの沸点（１３４７℃）以上の温度にはならないようにする。ここでは各加熱ガス供給部２６０のヒータ２６４の設定温度を例えば２００℃程度に設定する。
また，電極シートの幅が大きくて処理室２００内で若干の温度差が生じる場合にはそれを補正するように，各加熱ガス供給部２６０のヒータ２６４の設定温度を別々に調整することもできる。
また，炭素材料Ｃに成膜するリチウムの膜厚は，リチウム含有粉末供給部２５０から供給するリチウム含有粉末の量や希ガス流量などを変えることによって制御できる。また，電極シートＷの搬送速度を調整することによってもリチウムの膜厚を制御できる。例えばリチウムの膜厚を増加させたい場合には，電極シートＷの搬送速度を遅くすればよく，逆にリチウムの膜厚を減少させたい場合には，電極シートＷの搬送速度を速くすればよい。
また，炭素材料Ｃの範囲において搬送方向を正転と逆転を繰り返すことにより，リチウムの膜厚を調整できる。これによれば搬送方向を正転と逆転の繰り返し回数によっても，繰り返し回数によってもリチウムの膜厚を制御できる。
次に，ステップＳ１５０にて電極シートＷの巻取り終了か否かを判断する。巻取り終了か否かは，例えば図示しない巻径センサなどによって電極シートＷの巻径を検出することによって判断してもよく，また巻取り軸１１２Ｂを駆動するモータ１１４Ｂのトルク出力の変化から判断してもよい。
ステップＳ１５０にて巻取り終了と判断した場合には，ステップＳ１６０にて巻取り軸１１２Ａと巻出し軸１１２Ｂの回転を停止して，電極シートＷの巻出し巻取りを停止する。ステップＳ１７０にて処理室２００と収容室１１０Ａ，１１０Ｂの内部を大気圧力に復帰させて，処理室２００と各収容室１１０Ａ，１１０Ｂへの希ガスの導入を停止する。この大気圧への復帰が完了すると，図１に示す処理済みロール状電極シートを取り出すことができる。
このように本実施形態にかかる電極製造装置１００による電極製造処理によれば，電極シートＷの電極材料上に，リチウム含有粉末を溶融させながら吹き付けてリチウムの薄膜を成膜することにより，高速にリチウムの薄膜を成膜できる。これにより，炭素材料にリチウムイオンをドーピングする時間を，電解液の中でリチウムイオンをドーピングしていた従来に比して飛躍的に短縮できる。これにより，リチウムイオンキャパシタの形状の多様化にも対応できる。
また，本実施形態ではこのようなリチウム溶射によってリチウムを成膜するので，電極材料が本実施形態で例に挙げたようにシート状（平面状）ではなくても，どのような形状でも（例えば立体状），リチウムイオンをドーピングすることができる。
また，本実施形態で用いられるリチウム含有粉末は大気中でも安定していて扱い易いのに対して，リチウム自体は反応性が高く，空気中で自然発火し易く扱い難い性質がある。この点，本実施形態では，電極製造装置１００外では，安定したリチウム含有粉末として扱うことができ，ドーピング処理の際には希ガス雰囲気にした処理室２００内でリチウム含有粉末を加熱溶融させるため，リチウム自体を発火させることなく，リチウムの成膜処理を行うことができる。
さらに，本実施形態ではリチウム含有粉末供給部２５０の孔部２５２を通って粉末噴出口２５４から噴出したリチウム含有粉末を加熱ガスで加熱するようにしたので，孔部２５２を通っている間にリチウムが溶融して孔部２５２に付着することを防止できる。
なお，リチウム含有粉末がリチウム含有粉末供給部２５０の孔部２５２内で詰まらないように，加振器を取り付けるようにしてもよい。この場合，例えばリチウム含有粉末供給部２５０の基端部に，リチウム含有粉末を一時的に蓄えて必要に応じて孔部２５２に供給する気密なホッパーを設け，このホッパーに加振器を取り付けるようにしてもよい。
このような加振器付きのホッパーの構成例を図５に示す。図５に示すホッパー２７０はその内部に下方に凸に傾斜するテーパ状のバッフル板２７４を備える。バッフル板２７４の底部には孔部２５２と連通する複数の貫通孔２７６が設けられている。なお，これら複数の貫通孔２７６を開閉する図示しないシャッター部を設けることができる。このシャッター部を開閉することで，リチウム含有粉末供給部２５０からリチウム含有粉末を噴出させるタイミングや量を調整するようにしてもよい。
このようなホッパー２７０に加振器２８０を取り付けることで，加振器２８０の振動により，ホッパー２７０内のリチウム含有粉末は孔部２５２内で詰まることなく，粉末噴出口２５４から噴出させることができる。なお，ホッパー２７０はリチウム含有粉末供給部２５０に着脱自在に構成することができる。これによれば，ホッパー２７０内のリチウム含有粉末が無くなったときには，ホッパー２７０ごと交換することでリチウム含有粉末を補充することができる。
また，ホッパー２７０に加振器２８０を取り付ける代わりに，ホッパー２７０内に撹拌機を設けるようにしてもよい。例えば図６に示すようにホッパー２７０内に撹拌機２９０を設けて，これをモータ２９２によって回転させることにより，ホッパー２７０内のリチウム含有粉末を撹拌させることにより，ホッパー２７０内のリチウム含有粉末は孔部２５２内で詰まることなく，粉末噴出口２５４から噴出させることができる。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば本実施形態にかかる電極製造装置では，ロール状の電極シートに形成された電極材料にリチウムを成膜することで，リチウムイオンをドーピングする場合を例に挙げたが，これに限られるものではなく，矩形の電極シートに形成された電極材料であってもよい。また本実施形態にかかる電極製造装置によれば，平面状だけではなく，立体状の電極シートに形成された電極材料であっても，リチウムを成膜できるので，これらに対してもリチウムイオンをドーピングすることができる。
本発明は，リチウムイオンキャパシタ用電極の製造装置及び製造方法に適用可能である。
１００ 電極製造装置
１０２Ａ，１０２Ｂ ガイドローラ
１１０Ａ 巻出し側収容室
１１０Ｂ 巻取り側収容室
１１２Ａ 巻出し軸
１１２Ｂ 巻取り軸
１１４Ａ，１１４Ｂ モータ
１２０Ａ，１２０Ｂ 排気装置
１２２Ａ，１２２Ｂ 排気口
１３０Ａ，１３０Ｂ 希ガス供給部
１３２Ａ，１３２Ｂ 希ガス供給源
１３３Ａ，１３３Ｂ ガス導入口
１３４Ａ，１３４Ｂ 配管
１３５Ａ，１３５Ｂ マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
１３６Ａ，１３６Ｂ 開閉バルブ
２００ 処理室
２０２Ａ，２０２Ｂ ガイドローラ
２１０ リチウム溶射部
２２０ 排気装置
２２２ 排気口
２３０ 希ガス供給部
２３２ 希ガス供給源
２３３ ガス導入口
２３４，２３７，２３８ 配管
２３５ マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
２３６ 開閉バルブ
２３９ 分岐配管
２５０ リチウム含有粉末供給部
２５２ 孔部
２５４ 粉末噴出口
２５６ ガス導入口
２６０ 加熱ガス供給部
２６２ ガス管
２６３ 支持部
２６４ ヒータ
２６６ ガラス管
２６８ ガス噴出口
２７０ ホッパー
２７４ バッフル板
２７６ 貫通孔
２８０ 加振器
２９０ 撹拌機
２９２ モータ
３００ 制御部
３１０ 操作部
３２０ 記憶部
３２００ 制御部
Ｃ 炭素材料
ＧＡ，ＧＢ 連通口
Ｗ 電極シート

Claims (7)

  1. 電極シート上の電極材料にリチウムイオンをドーピングしてリチウムイオンキャパシタ用電極を製造する電極製造装置であって，
    前記電極シートを搬出入可能な処理室と，
    前記処理室内に希ガスを導入するための希ガス供給部と，
    前記処理室内を排気して所定の真空圧力にする排気装置と，
    前記処理室内に搬入される前記電極シートの電極材料上に，リチウム含有粉末を溶融させながら吹き付けてリチウムの薄膜を成膜することにより，前記電極材料にリチウムイオンをドーピングするリチウム溶射部と，
    を備えたことを特徴とする電極製造装置。
  2. 前記リチウム溶射部は，前記電極シートの電極材料に向けて前記リチウム含有粉末を噴出するリチウム含有粉末供給部と，前記リチウム含有粉末供給部から噴出されたリチウム含有粉末を溶解する加熱ガスを供給する加熱ガス供給部と，を備えることを特徴とする請求項１に記載の電極製造装置。
  3. 前記リチウム含有粉末供給部は前記電極材料に対して垂直に配置され，前記加熱ガス供給部は前記リチウム含有粉末供給部に対して傾斜して，前記リチウム含有粉末供給部の粉末噴出口と前記電極材料との間に前記加熱ガスが噴出されるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の電極製造装置。
  4. 前記電極シートはロール状であり，
    前記処理室の両側に前記電極シートの収容室をそれぞれ設けてこれらを連通させて，前記電極シートを一方の収容室から巻出し，前記処理室内を通って他方の収容室で巻き取るように構成し，
    前記リチウム溶射部は，前記電極シートが巻出されて前記処理室内を通る際に，その電極材料上にリチウムの薄膜を成膜することを特徴とする請求項２又は３に記載の電極製造装置。
  5. 前記リチウム含有粉末供給部は前記電極シートの幅方向に延出し，前記電極材料に対して垂直に配置された板状部材に，前記リチウム含有粉末を供給するための複数の孔部を前記電極シートの幅方向に並べて形成してなり，
    前記加熱ガス供給部は，前記リチウム含有粉末供給部の各孔部についてそれぞれ，１つの孔部に対して前記電極シートの長手方向の両側に２つの加熱ガス供給部を対称に配置したことを特徴とする請求項４に記載の電極製造装置。
  6. 前記電極材料は炭素材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電極製造装置。
  7. 電極シート上の電極材料にリチウムイオンをドーピングしてリチウムイオンキャパシタ用電極を製造する電極製造方法であって，
    前記電極シートを搬出入可能な処理室内を希ガス雰囲気にして減圧し，
    前記処理室内に搬入される前記電極シートの電極材料上に，リチウム含有粉末を溶融させながら吹き付けてリチウムの薄膜を成膜することにより，前記電極材料にリチウムイオンをドーピングすることを特徴とする電極製造方法。
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