JP2014191937A - リチウムイオン電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

リチウムイオン電池の製造方法および製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電極材料層と絶縁材料層との界面に形成される混合層を薄くして、セパレータとして機能する絶縁材料層の厚さを確保することにより、リチウムイオン電池の製造歩留りの低下を防ぐことのできる技術を提供する。
【解決手段】第1スリットダイコータDC1を用いて正極板PEPの表面にスラリー状の正極材料PASを塗布した後、正極材料PASからなる膜の表面に熱風を供給して、正極材料PASからなる膜の表面から、正極板PEPの表面に達しない第1深さまでを乾燥させる。その後、正極材料PASからなる膜の表面に、第2スリットダイコータDC2を用いてスラリー状の絶縁材料IFを塗布しても、正極材料層と絶縁材料層との界面に形成される混合層の厚さは5μm以下となり、セパレータとして機能する絶縁材料層の厚さを確保することができる。
【選択図】図7

Description

本発明は、リチウムイオン電池の製造方法および製造装置に関し、特に正極、負極、および正極と負極とを電気的に分離するセパレータを備えるリチウムイオン電池の製造方法および製造装置に適用して有効な技術に関するものである。
携帯電子機器の発達に伴い、携帯電子機器の電力供給源として、繰り返し充電が可能な小型二次電池が使用されている。中でも、エネルギー密度が高く、サイクルライフが長いとともに、自己放電性が低く、かつ、作動電圧が高いリチウムイオン電池が注目されている。
リチウムイオン電池は、上記利点を有するため、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、および携帯電話機などの携帯電子機器に多用されている。さらに、近年では、電気自動車用電池や電力貯蔵用電池として、高容量、高出力、および高エネルギー密度を実現できる大型のリチウムイオン電池の研究開発が進められている。
特に、自動車産業においては、環境問題に対応するため、動力源としてモータを使用する電気自動車、および動力源としてエンジン(内燃機関)とモータとの両方を使用するハイブリッド車の開発が進められている。このような電気自動車およびハイブリッド車の電源としてもリチウムイオン電池が注目されている。ただし、リチウムイオン電池は、作動電圧が高く、エネルギー密度が高いために、内部短絡および外部短絡などによる異常発熱に対する十分な対策が必要とされている。
本技術分野の背景技術として、特開2003−045491号公報(特許文献1)がある。この公報には、「正極シート状物の両面に正極電極物質含有溶液と、電解、絶縁物質含有溶液とを、溶液吐出用スリットを有するダイコータを使用して塗布し、加熱工程を経て正極電極シート状物を形成する。同様に、負極シート状物の両面に負極電極物質含有溶液と、電解、絶縁物質含有溶液とを、ダイコータを使用して塗布し、加熱工程を経て負極電極シート状物を形成する。そして、両電極シート状物を積層して電極捲回体を形成する二次電池製造方法および二次電池製造装置」が記載されている。
特開2003−045491号公報
上記特許文献1には、電極板の両面に正極または負極の電極材料を塗布し、その電極材料の上に、連続してセパレータとなる絶縁材料を塗布することで、リチウムイオン電池の生産効率の向上および製造装置のコンパクト化を可能とすることができることが記載されている。
しかし、電極板の両面に正極または負極の電極材料を塗布し、その電極材料の上に、連続してセパレータとなる絶縁材料を塗布して、電極材料と絶縁材料とを積層した塗膜を形成した場合、電極材料層と絶縁材料層との界面に電極材料と絶縁材料との混合層が形成される。その混合層が厚くなると、セパレータとして機能する絶縁材料層が薄くなり、正極と負極との短絡が発生しやすくなる。これが原因となってリチウムイオン電池の製品歩留まりが低下するという問題があった。
そこで、本発明は、電極材料層と絶縁材料層との界面に形成される混合層を薄くして、セパレータとして機能する絶縁材料層の厚さを確保することにより、リチウムイオン電池の製品歩留まりの低下を防ぐことのできる技術を提供する。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
上記課題を解決するために、本発明のリチウムイオン電池の製造方法は、第1塗布機構によって、電極板の表面にスラリー状の電極材料を塗布する工程と、電極材料からなる膜の表面を加熱して、電極材料からなる膜の表面から、電極板の表面に達しない第1深さまでを乾燥させる工程と、第2塗布機構によって、電極材料からなる膜の表面にスラリー状の絶縁材料を塗布する工程と、電極材料と絶縁材料とを積層した塗膜の全体を乾燥させる工程とを有する。
また、上記課題を解決するために、本発明のリチウムイオン電池の製造装置は、電極板を第1方向に搬送する搬送機構に沿って、電極板の表面にスラリー状の電極材料を塗布する第1塗布機構と、電極材料からなる膜の表面を加熱して、電極材料からなる膜の表面から、電極板の表面に達しない第1深さまでを乾燥させる第1乾燥機構と、電極材料からなる膜の表面にスラリー状の絶縁材料を塗布する第2塗布機構と、電極材料と絶縁材料とを積層した塗膜の全体を乾燥させる第2乾燥機構とを順に有し、第1乾燥機構は、第1塗布機構側に設けられた加熱部と、第2塗布機構側に設けられた冷却部とを有する。
本発明によれば、電極材料層と絶縁材料層との界面に形成される混合層を薄くして、セパレータとして機能する絶縁材料層の厚さを確保することにより、リチウムイオン電池の製造歩留りの低下を防ぐことができる。
上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
リチウムイオン電池の動作原理を説明する概略図である。 比較例として示すリチウムイオン電池の具体的な製造工程の工程図である。 実施の形態によるリチウムイオン電池の具体的な製造工程の工程図である。 比較例として示すリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図である。 スリットダイコータによるスラリー状の正極材料の塗布の状態を模式的に説明する断面図である。 正極板の表面に塗工された塗膜における正極材料層と絶縁材料層との界面の状態を説明する断面図である。 実施の形態によるリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図である。 実施の形態による正極電極シートおよび比較例の正極電極シートにおける正極材料層と絶縁材料層との界面に形成された混合層の厚さをまとめたグラフ図である。 実施の形態の第1変形例によるリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図である。 カーテンコータによるスラリー状の絶縁材料の塗布の状態を模式的に説明する断面図である。 実施の形態の第2変形例によるリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図である。 実施の形態の第3変形例によるリチウムイオン電池の電極製造装置を構成する加熱部を拡大して示す断面図である。 実施の形態の第3変形例によるリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図である。 実施の形態の第4変形例によるリチウムイオン電池の電極製造装置を構成する加熱部を拡大して示す断面図である。 実施の形態の第4変形例によるリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図である。 実施の形態の第4変形例による他のリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図である。
以下の実施の形態においては、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
また、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下の説明では、正極板および負極板を総括して「電極板」と呼び、正極材料および負極材料を総括して「電極材料」と呼び、正極電極シートおよび負極電極シートを総括して「電極シート」と呼ぶ。また、以下の説明では、乾燥炉を用いた乾燥工程前の正極材料、負極材料、および絶縁材料は、バインダー溶液および有機溶剤などの液体を含み、流動性を有する物質である。また、以下の説明では、正極材料からなる膜を正極材料膜、負極材料からなる膜を負極材料膜、電極材料からなる膜を電極材料膜と記載する場合もある。また、以下の説明で「電極板(正極板、負極板を含む)の表面」という場合は、電極板の表側の面および裏側の面を含めた全面ではなく、表側の面のみを指すものとする。
(実施の形態)
リチウムイオン電池の動作原理を図1を用いて説明する。図1は、リチウムイオン電池の動作原理を説明する概略図である。
リチウムイオン電池は、非水電解質二次電池の一種で、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う二次電池である。
図1に示すように、正極材料(正極活物質)CAMには、例えばリチウム金属酸化物を用い、負極材料(負極活物質)AAMには、例えばグラファイトなどの炭素材を用いる。電解質ESには、例えば炭酸エチレンなどの有機溶剤またはヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)などのリチウム塩を用いる。
リチウムイオン電池内では、充電時にリチウムイオン(Li)は正極から出て負極に入り、放電時に逆にリチウムイオン(Li)は負極から出て正極に入る。リチウムイオン電池は、例えば正極材料CAMを塗工した正極板(アルミニウム(Al)箔)PEPと、負極材料AAMを塗工した負極板(銅(Cu)箔)NEPと、正極と負極との接触を防止するポリマフィルムなどのセパレータSPと、を捲回した電極捲回体を備えている。そして、リチウムイオン電池では、この電極捲回体が外装缶に挿入されるとともに、外装缶内に電解液(上記電解質ES)が注入されている。
つまり、リチウムイオン電池では、正極板PEPに正極材料CAMを塗工した正極と、負極板NEPに負極材料AAMを塗工した負極とが帯状に形成され、帯状に形成された正極と負極とが直接接触しないように、セパレータSPを介して断面渦巻状に捲回されて電極捲回体が形成されている。
まず、比較例として、リチウムイオン電池の製法方法について、図2を用いて説明する。図2は、比較例として示すリチウムイオン電池の具体的な製造工程の工程図である。
図2に示すように、リチウムイオン電池の製造工程は、正極電極シート製造工程と、負極電極シート製造工程と、電池セル組立工程と、電池モジュール組立工程とを含んでいる。
正極電極シート製造工程では、まず、正極材料の原料となる各種材料を混練および調合してスラリー状の正極材料を作製する(混練・調合)。そして、フィルム状の電極板(金属箔、基材、基板、電極シート状物などとも言う)の表面にスラリー状の正極材料を塗布し、乾燥させた後(塗工)、正極材料膜が形成された電極板に圧縮および切断といった加工を行い(加工)、フィルム状の正極電極シートを製造する。
一方、負極電極シート製造工程では、使用される原料となる各種材料は正極電極シート製造工程とは異なるが、負極電極シートが製造されるまでの手順は正極電極シート製造工程と同じである。まず、負極材料の原料となる各種材料を混練および調合してスラリー状の負極材料を作製する(混練・調合)。そして、フィルム状の電極板の表面にスラリー状の負極材料を塗布し、乾燥させた後(塗工)、負極材料膜が形成された電極板に圧縮および切断といった加工を行い(加工)、フィルム状の負極電極シートを製造する。
次に、電池セル組立工程では、フィルム状の正極電極シートから、電池セルに必要な大きさの正極を切り出し、フィルム状の負極電極シートから、電池セルに必要な大きさの負極を切り出す。さらに、正極と負極とを分離するためのフィルム状のセパレータから、電池セルに必要な大きさのセパレータを切り出し、正極と負極との間に、切り出したセパレータを挟んで重ねて捲き合わせる(捲回)。そして、捲き合わせた正極、負極、およびセパレータの電極対の群を組み立てて溶接する(溶接・組立)。続いて、溶接した電極対の群を、電解液が注入された電池缶内に配置した後(注液)、電池缶を完全に密閉して(封口)、電池セルを作製する。
次に、作製された電池セルを繰り返し充放電して(充放電)、この電池セルの性能および信頼性に関する検査(例えば電池セルの容量および電圧、充電時または放電時の電流および電圧等の検査)を行う(単電池検査)。これにより、電池セルが完成し、電池セル組立工程が終了する。
次に、電池モジュール組立工程では、複数個の電池セルを直列に組み合わせて電池モジュールを構成し、さらに、充電/放電制御用コントローラを接続して電池システムを構成する(モジュール組立)。続いて、組み立てられた電池モジュールの性能および信頼性に関する検査(例えば電池モジュールの容量および電圧、充電時または放電時の電流および電圧等の検査)を行う(モジュール検査)。これにより、電池モジュールが完成し、電池モジュール組立工程が終了する。
本発明者らは、リチウムイオン電池の製造コストを低減する検討を行っており、その一手段として、正極と負極との間にセパレータを挟んで重ねて捲き合わせる工程を省略する検討を行っている。すなわち、前述した比較例のリチウムイオン電池の製法方法では、正極および負極の製造工程とは異なる工程においてセパレータを製造し、正極と負極との間にセパレータを挟んで重ねて捲き合わせているが、このセパレータの捲回を省略することにより、リチウムイオン電池の製造コストの低減を図った。
図3に、実施の形態によるリチウムイオン電池の具体的な製造工程の工程図を示す。
図3に示すように、リチウムイオン電池の製造工程は、前述の図2に示したリチウムイオン電池の製造工程と同様に、正極電極シート製造工程と、負極電極シート製造工程と、電池セル組立工程と、電池モジュール組立工程とを含んでいる。
正極電極シート製造工程では、まず、正極材料の原料となる各種材料を混練および調合してスラリー状の正極材料を作製する(混練・調合)。続いて、フィルム状の電極板の表面にスラリー状の正極材料を塗布し(電極材料塗布)、さらに、スラリー状の正極材料からなる膜の表面にセパレータとなるスラリー状の絶縁材料(電解、絶縁物質などとも言う)を塗布する(セパレータ塗布)。続いて、スラリー状の正極材料とスラリー状の絶縁材料とを積層した塗膜の全体を乾燥させた後(乾燥)、正極材料と絶縁材料とを積層した塗膜が形成された電極板に圧縮および切断といった加工を行い(加工)、セパレータを有するフィルム状の正極電極シートを製造する。
一方、負極電極シート製造工程では、使用される原料となる各種材料は正極電極シート製造工程とは異なるが、負極電極シートが製造されるまでの手順は正極電極シート製造工程と同じである。まず、負極材料の原料となる各種材料を混練および調合してスラリー状の負極材料を作製する(混練・調合)。続いて、フィルム状の電極板の表面にスラリー状の負極材料を塗布し(電極材料塗布)、さらに、スラリー状の負極材料からなる膜の表面にセパレータとなるスラリー状の絶縁材料を塗布する(セパレータ塗布)。続いて、スラリー状の負極材料およびスラリー状の絶縁材料とを積層した塗膜の全体を乾燥させた後(乾燥)、負極材料と絶縁材料とを積層した塗膜が形成された電極板に圧縮および切断といった加工を行い(加工)、セパレータを有するフィルム状の負極電極シートを製造する。
次に、電池セル組立工程では、フィルム状の正極電極シートから、電池セルに必要な大きさの正極を切り出し、フィルム状の負極電極シートから、電池セルに必要な大きさの負極を切り出して、正極と負極とを挟んで重ねて捲き合わせる(捲回)。正極電極シートおよび負極電極シートには、すでにセパレータが形成されているので、この捲回工程では、正極と負極との間にセパレータを挟んで重ねて捲き合わせる必要がなく、前述の図2を用いて説明した比較例のリチウムイオン電池の製造方法よりも製造コストを低減することができる。
その後は、前述の図2を用いて説明した比較例のリチウムイオン電池の製造方法と同様にして、電池セルを完成させ、さらに、電池モジュールを完成させる。
しかし、電極板の表面にスラリー状の電極材料を塗布し、連続してスラリー状の電極材料からなる膜の表面にスラリー状の絶縁材料を塗布し、その後、電極材料と絶縁材料とを積層した塗膜を乾燥させる一連の電極シートの製造方法においては、種々の技術的課題が存在することが明らかとなった。
以下に、電極板の表面にスラリー状の電極材料およびスラリー状の絶縁材料を連続して塗布する前述した電極シートの製造方法における課題について、図4〜図6を用いて詳細に説明する。
まず、比較例として、電極板の表面にスラリー状の電極材料およびスラリー状の絶縁材料を連続して塗布する工程について説明する。図4は、リチウムイオン電池の電極製造装置の概略図を示す。図4では、正極電極シートの片面の製造工程を例示している。
正極板PEPは、正極板送り出しロールSL1から送り出され、第1ローラRL1、第2ローラRL2、および第3ローラRL3によって巻き取りロールSL2へ搬送される。第1ローラRL1に対向して第1スリットダイコータ(第1塗布機構)DC1が設置され、第2ローラRL2に対向して第2スリットダイコータ(第2塗布機構)DC2が設置されている。
まず、正極板送り出しロールSL1から送り出された正極板PEPの表面に、第1ローラRL1と対向した位置の第1スリットダイコータDC1から供給されるスラリー状の正極材料PASが塗布される。続いて、第2ローラRL2と対向した位置の第2スリットダイコータDC2から供給されるスラリー状の絶縁材料IFが塗布される。続いて、乾燥炉(第2乾燥機構)DRYを通過することで、正極板PEPの表面に形成された正極材料PASと絶縁材料IFとを積層した塗膜の全体が乾燥し、その表面に塗膜が形成された正極板PEPは巻き取りロールSL2に巻き取られる。
図5に、前述した第1スリットダイコータDC1によるスラリー状の正極材料PASの塗布の状態を模式的に説明する断面図を示す。
図5に示すように、スラリー状の正極材料PASを貯留したタンクから定量ポンプによって、口金D1のマニホールドD2にスラリー状の正極材料PASが供給される。マニホールドD2において、スラリー状の正極材料PASの圧力分布が均一となった後、口金D1に設けられたスリット部D3へスラリー状の正極材料PASが供給され、吐出される。吐出されたスラリー状の正極材料PASは、口金D1と第1間隔h1を保って口金D1と相対的に走行する正極板PEPとの間に、ビードと呼ばれる正極材料溜りD4を形成し、この状態で正極板PEPの走行に伴ってスラリー状の正極材料PASが引き出されて正極材料PASからなる膜が形成される。
ここで、正極材料PASからなる膜の形成により消費される量と同量のスラリー状の正極材料PASがスリット部D3から供給されることにより、正極材料PASからなる膜が連続的に形成される。蒸発速度の速い有機溶剤系の薄い膜の塗布を安定的に行うためには、正極材料溜りD4の下流側メニスカス(液面の屈曲)D5の形成の安定化が重要となる。そのために、マニホールドD2へスラリー状の正極材料PASを供給する圧力は、スリット部D3圧損+口金D1の下流側リップ部D6圧損+下流側メニスカスD5圧力となる。
前述の図4に示した工程では、引き続き、第2スリットダイコータDC2のスリット部から吐出されたスラリー状の絶縁材料IFが、正極板PEPの表面に正極材料PASからなる膜を介して塗布される。この際の第2スリットダイコータDC2における条件は、前述した第1スリットダイコータDC1における条件と同様である。
スラリー状の正極材料PASとスラリー状の絶縁材料IFとを重ねて塗布することは、その後、乾燥炉DRYによる乾燥工程において、正極材料層と絶縁材料層とを同時に乾燥させ、固着させることが出来るので、製造効率がよい。
しかし、図6に示すように、正極板PEPの表面に塗布された正極材料層ELと絶縁材料層SELとの界面に、絶縁機能が失われた混合層MIXが形成される。この混合層MIXの形成により、絶縁機能を持つ絶縁材料層SELの厚さが本来意図した厚さより薄くなり、正極と負極との短絡が生じやすくなる。例えば正極材料層ELの厚さが30〜100μm、絶縁材料層SELの厚さが10μmの場合、10μm以上の厚さの混合層MIXが形成されると、正極材料層EL内の活物質が塗膜の表面、すなわち絶縁材料層SELの表面に出てきてしまう。従って、この場合は、混合層MIXの厚さを5μm以下とする必要がある。
セパレータとなるスラリー状の絶縁材料IFを厚く塗布することにより、正極と負極との短絡を防止することは可能ではあるが、リチウムイオン電池の小型化および軽量化を図るためには、絶縁材料層SELの厚さを厚くすることができない。
そこで、実施の形態では、リチウムイオン電池の小型化および軽量化を図るため、セパレータとして機能する絶縁材料層SELを薄く設計した場合でも、正極材料層ELと絶縁材料層SELとの界面に形成される混合層MIXの厚さを薄くして、正極と負極との短絡を防止することのできる正極電極シートの製造方法を提案する。
実施の形態によるリチウムイオン二次電池の製造方法を図7を用いて説明する。図7は実施の形態によるリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図である。
正極板PEPは、正極板送り出しロールSL1から送り出され、第1ローラRL1、第2ローラRL2、および第3ローラRL3によって巻き取りロールSL2へ搬送される。第1ローラRL1に対向して第1スリットダイコータDC1が設置され、第2ローラRL2に対向して第2スリットダイコータDC2が設置されている。
さらに、第1スリットダイコータDC1と第2スリットダイコータDC2との間に、加熱部HPと冷却部CPとからなる乾燥機構(第1乾燥機構)を有する。加熱部HPは熱風供給口HAOと熱風吸引口HAIとを備える熱風ノズルHNにより構成され、第1スリットダイコータDC1側に設置されている。また、冷却部CPは冷風供給口CAOと冷風吸引口CAIとを備える冷風ノズルCNにより構成され、第2スリットダイコータDC2側に設置されている。
まず、正極板送り出しロールSL1から送り出された正極板PEPの表面に、第1ローラRL1と対向した位置の第1スリットダイコータDC1から供給されるスラリー状の正極材料PASが塗布される。正極材料PASには、例えばコバルト酸リチウムからなる正極活物質と導電助剤としてのカーボンとを混合し、ポリフッ化ビニリデンからなる結着剤(バインダとも言う)をNメチルピロリドン(NMP)に溶解させた溶液に混練したスラリーが用いられる。
次に、加熱部HPを構成する熱風ノズルHNの熱風供給口HAOから、正極材料PASからなる膜の表面に熱風が供給され、供給された熱風は熱風ノズルHNの熱風吸引口HAIに吸引される。熱風の温度は、例えば80〜120℃である。正極材料PASからなる膜の表面に熱風を供給することにより、正極材料PASからなる膜の表面から、正極板PEPの表面に達しない第1深さ、例えば正極材料PASからなる膜の表面から1〜10μmの深さまでを乾燥させる。
熱風供給口HAOおよび熱風吸引口HAIは、それぞれ正極板PEPが搬送される第1方向と正極板PEPの表面で直交する第2方向に延在しており、正極材料PASからなる膜の表面に、正極板PEPの第2方向の一方の端部から他方の端部まで、第1方向に第1幅を有して熱風が供給されるように配置されている。
図7に示す加熱部HPでは、熱風ノズルHNの熱風吸引口HAIを第1スリットダイコータDC1側に、熱風ノズルHNの熱風供給口HAOを冷却部CP側に設置しているが、この逆であってもよい。すなわち、熱風ノズルHNの熱風供給口HAOを第1スリットダイコータDC1側に、熱風ノズルHNの熱風吸引口HAIを冷却部CP側に設置してもよい。ただし、第1スリットダイコータDC1から供給される正極材料PASの成分が、熱風の熱により変化するおそれがあるため、熱風ノズルHNの熱風吸引口HAIを第1スリットダイコータDC1側に設置する方が好ましい。
次に、冷却部CPを構成する冷風ノズルCNの冷風供給口CAOから、正極材料PASからなる膜の表面に冷風が供給され、正極材料PASの表面が冷却され、供給された冷風は冷風ノズルCNの冷風吸引口CAIに吸引される。冷風の温度は、例えば室温(20〜30℃)である。
正極材料PASを加熱したままの状態で、第2スリットダイコータDC2へ搬送すると、第2スリットダイコータDC2から供給される絶縁材料IFの成分が、正極材料PASの熱により変化するおそれがある。このため、第2スリットダイコータDC2へ正極板PEPを搬送する前に、正極材料PASの温度を下げる必要がある。
冷風供給口CAOおよび冷風吸引口CAIは、それぞれ正極板PEPが搬送される第1方向と正極板PEPの表面で直交する第2方向に延在しており、正極材料PASからなる膜の表面に、正極板PEPの第2方向の一方の端部から他方の端部まで、第1方向に第2幅を有して冷風が供給されるように配置されている。
図7に示す冷却部CPでは、冷風ノズルCNの冷風吸引口CAIを加熱部HP側に、冷風ノズルCNの冷風供給口CAOを第2スリットダイコータDC2側に設置しているが、この逆であってもよい。すなわち、冷風ノズルCNの冷風供給口CAOを加熱部HP側に、冷風ノズルCNの冷風吸引口CAIを第2スリットダイコータDC2側に設置してもよい。ただし、第2スリットダイコータDC2から供給される絶縁材料IFの成分が、冷風により変化するおそれがあるため、冷風ノズルCNの冷風供給口CAOを第2スリットダイコータDC2側に設置する方が好ましい。
次に、正極材料PASからなる膜の表面に、第2ローラRL2と対向した位置の第2スリットダイコータDC2から供給されるスラリー状の絶縁材料IFが塗工される。絶縁材料IFには、例えばシリカ(SiO)の粉体を、ポリフッ化ビニリデンからなる結着剤をNメチルピロリドンに溶解させた溶液に混練したスラリーが用いられる。
次に、乾燥炉DRYを通過することで、正極板PEPの表面に形成された正極材料PASと絶縁材料IFとを積層した塗膜の全体が乾燥し、その表面に塗膜が形成された正極板PEPは巻き取りロールSL2に巻き取られる。
実施の形態では、正極材料PASからなる膜の表面にスラリー状の絶縁材料IFが塗布されるが、正極材料PASからなる膜の表面は乾燥しているので、正極材料層ELと絶縁材料層SELとの界面に形成される混合層MIXの厚さを5μm以下にすることができる(前述の図6参照)。
図8に、前述の図7を用いて説明した実施の形態による製造工程で形成された正極電極シート、および前述の図4を用いて説明した比較例の製造工程で形成された正極電極シートにおける正極材料層と絶縁材料層との界面に形成された混合層の厚さをまとめたグラフ図を示す。図8の縦軸は混合層の厚さ、横軸は正極板の搬送速度である。この混合層の厚さは、正極電極シートの断面を切り出し、SEM(Scanning Electron Microscope)により観察した像から算出した。
正極材料膜の表面を乾燥させずに、正極材料膜の表面にスラリー状の絶縁材料を塗布する比較例のダイコーティング方式では、正極板の搬送速度により、混合層の膜厚が変化している。また正極板の搬送速度が100m/minでも混合層の厚さは10μm以下とならない。通常、正極板の搬送速度としては、1〜50m/minが採用されるが、この搬送速度でも混合層の厚さは10μm以上となり、絶縁材料層が薄膜化するに従って正極と負極との短絡が発生する可能性が高くなる。
これに対して、正極材料膜の表面を乾燥させた後、正極材料膜の表面にスラリー状の絶縁材料を塗布する実施の形態によるダイコーティング方式では、正極板の搬送速度によらず、混合層の膜さは5μm以下となっており、絶縁材料層の厚さが確保できて正極と負極との短絡が発生する可能性は低くなる。
なお、前述した実施の形態では、正極板PEPの片面に正極材料PASおよび絶縁材料IFを塗工することにより、正極電極シートを製造する例を記載した。正極板PEPの両面に正極材料PASおよび絶縁材料IFを塗工する場合には、例えば巻き取りロールSL2に巻き取られた正極電極シートを反転させて、再度同一の工程を経て裏面を塗工することが考えられる。
また、前述した実施の形態では、正極電極シートの製造工程を例示したが、同様の製造工程を用いることにより、負極電極シートの製造工程も実現することができる。この場合は、負極材料には、例えば炭素材からなる負極活物質と、ポリフッ化ビニリデンからなる結着剤をNメチルピロリドンに溶解させた溶液に混練したスラリーが用いられる。
絶縁材料IFには、例えばシリカの粉体を、ポリフッ化ビニリデンからなる結着剤をNメチルピロリドンに溶解させた溶液に混練したスラリーが用いられる。また、絶縁材料IFにポリプロピレンやポリエチレンの微粒子を混合したスラリーを用いることで、シャットダウン性を持たせることもできる。
このように、実施の形態によれば、リチウムイオン電池の製造コストを低減するために、電極板の表面にスラリー状の電極材料を塗布した後、続いて電極材料膜の表面にスラリー状の絶縁材料を塗布しても、電極材料層と絶縁材料層との界面に形成される混合層の厚さを5μm以下とすることができる。これにより、セパレータとして機能する絶縁材料層の厚さが確保されて正極と負極との短絡を防ぐことができるので、リチウムイオン電池の製造歩留りの低下を防ぐことができる。
(実施の形態の第1変形例)
第1変形例と前述した実施の形態との相違点は、加熱部、冷却部、および第2スリットダイコータの構造である。その他の構成は、前述した実施の形態による製造方法および製造装置と同一または実質的に同一であるので、その説明は省略する。
前述した実施の形態では、熱風ノズルHNにより構成される加熱部HP、冷風ノズルCNにより構成される冷却部CP、およびスラリー状の絶縁材料の塗布に用いる第2スリットダイコータDC2は、それぞれ別々の部分品として電極製造装置に設けられている(前述の図7参照)。
図9に、第1変形例によるリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図を示す。
第1変形例では、図9に示すように、熱風ノズルHNにより構成される加熱部HP、冷風ノズルCNにより構成される冷却部CP、およびスラリー状の絶縁材料の塗布に用いる第2スリットダイコータDC2によって一つの部分品を構成し、この一つの部分品を電極製造装置に設けることもできる。
すなわち、一つの部分品の中に、熱風ノズルHNにより構成される加熱部HP、冷風ノズルCNにより構成される冷却部CP、およびスラリー状の絶縁材料の塗布に用いる第2スリットダイコータDC2が設けられている。
(実施の形態の第2変形例)
第2変形例と前述した実施の形態との相違点は、スラリー状の絶縁材料を塗布する塗布機構である。すなわち、前述した実施の形態では、スラリー状の絶縁材料IFの塗布にはスリットダイコータ(第2スリットダイコータDC2)を用いたが、第2変形例では、カーテンコータを用いている。その他の構成は、前述した実施の形態による製造方法および製造装置と同一または実質的に同一であるので、その説明は省略する。
図10に、第2変形例によるカーテンコータによるスラリー状の絶縁材料の塗布の状態を模式的に説明する断面図を示し、図11に、第2変形例によるカーテンコータを用いたリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図を示す。
図10および図11に示すように、カーテンコータFCでは、スラリー状の絶縁材料IFを貯留したタンクから定量ポンプによって、口金F1のマニホールドF2にスラリー状の絶縁材料IFが供給される。マニホールドF2において、スラリー状の絶縁材料IFの圧力分布が均一となった後、口金F1に設けられたスリット部F3へスラリー状の絶縁材料IFが供給され、吐出される。口金F1と正極板PEPの表面に形成された正極材料PASからなる膜との第2間隔h2は、前述の図5に示した第1スリットダイコータDC1の口金D1と正極板PEPとの第1間隔h1よりも大きく、吐出されたスラリー状の絶縁材料IFは、正極板PEPの走行に伴って正極材料PASからなる膜の表面に引き出されて絶縁材料層を形成する。カーテンコータFCを用いることにより、より均一にスラリー状の絶縁材料IFを塗布することができる。
スラリー状の絶縁材料IFが供給される正極材料PASからなる膜の表面は、加熱部HPおよび冷却部CPによって乾燥している。
なお、前述した第1変形例と同様に、熱風ノズルHNにより構成される加熱部HP、冷風ノズルCNにより構成される冷却部CP、およびスラリー状の絶縁材料の塗工に用いるカーテンコータFCによって一つの部分品を構成し、この一つの部分品を電極製造装置に設けることもできる。
(実施の形態の第3変形例)
第3変形例と前述した実施の形態の相違点は、加熱部を構成する熱風ノズルおよび冷却部を構成する冷却ノズルの構造である。すなわち、前述した実施の形態では、加熱部HPを構成する熱風ノズルHNの正極材料膜の表面に対向する面と、正極材料膜の表面との距離は一定としたが(前述の図7参照)、第3変形例では、上記距離を一定としていない。同様に、前述した実施の形態では、冷却部CPを構成する冷却ノズルCMの正極材料膜の表面に対向する面と、正極材料膜の表面との距離は一定としたが(前述の図7参照)、第3変形例では、上記距離を一定としていない。その他の構成は、前述した実施の形態による製造方法および製造装置と同一または実質的に同一であるので、その説明は省略する。
図12に、第3変形例による加熱部を構成する熱風ノズルの拡大断面図を示し、図13に、第3変形例によるリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図を示す。ここでは、加熱部を構成する熱風ノズルの構造について説明するが、冷却部を構成する冷風ノズルの構造も同様である。
図12および図13に示すように、加熱部HPに備わる熱風ノズルHNの正極材料PASからなる膜の表面に対向する面は、熱風供給口HAOと熱風吸引口HAIとの間に位置する第1面FA1と、熱風吸引口HAIから第1スリットダイコータDC1側(熱風供給口HAOと反対側)に位置する第2面FA2と、熱風供給口HAOから冷却部CP側(熱風吸引口HAIと反対側)に位置する第3面FA3とを有している。そして、上記第1面FA1と正極材料PASからなる膜の表面との第1距離d1が、上記第2面FA2と正極材料PASからなる膜の表面との第2距離d2および上記第3面FA3と正極材料PASからなる膜の表面との第3距離d3よりも大きくなるように、熱風ノズルHNは構成されている。
熱風供給口HAOと熱風吸引口HAIとの間に位置する第1面FA1と正極材料PASからなる膜の表面との第1距離d1を大きくすることにより、正極材料PASからなる膜の表面を効率よく乾燥させることができる。しかし、熱風吸引口HAIから第1スリットダイコータDC1側にある第2面FA2と正極材料PASからなる膜の表面との第2距離d2が大きくなると、熱風が加熱部HPから外に出やすくなり、正極材料PASからなる膜の表面を効率よく乾燥させることができなくなる。同様に、熱風供給口HAOから冷却部CP側にある第3面FA3と正極材料PASからなる膜の表面との第3距離d3が大きくなると、熱風が加熱部HPから外に出やすくなり、正極材料PASからなる膜の表面を効率よく乾燥させることができなくなる。
そこで、上記第1面FAと正極材料PASからなる膜の表面との第1距離d1は大きくするが、上記第2面FA2と正極材料PASからなる膜の表面との第2距離d2および上記第3面FA3と正極材料PASからなる膜の表面との第3距離d3は小さくする。
なお、前述した第1変形例と同様に、熱風ノズルHNにより構成される加熱部HP、冷風ノズルCNにより構成される冷却部CP、およびスラリー状の絶縁材料の塗工に用いる第2スリットコータDC2によって一つの部分品を構成し、この一つの部分品を電極製造装置に設けることもできる。
(実施の形態の第4変形例)
第4変形例と前述した実施の形態の相違点は、加熱部の構造である。すなわち、前述した実施の形態では、加熱部HPは熱風ノズルHNによって構成したが(前述の図7参照)、第4変形例では、加熱部HPを赤外線加熱によって構成する。その他の構成は、前述した実施の形態による製造方法および製造装置と同一または実質的に同一であるので、その説明は省略する。
図14に、第4変形例による赤外線加熱と熱風ノズルとを併用した加熱部の拡大断面図を示し、図15に、第4変形例によるリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図を示す。
図14および図15に示すように、加熱部HPは、赤外線加熱IRと熱風ノズルHNとを併用した構造であってもよい。赤外線加熱IRと熱風ノズルHNとを併用することにより、効率よく正極材料PASからなる膜の表面を乾燥させることができる。
また、赤外線加熱のみで加熱部HPを構成してもよい。図16に、第4変形例による他のリチウムイオン電池の電極製造装置の概略図を示す。
図16に示すように、加熱部HPには、熱風ノズルHNに代えて赤外線加熱IRが設けられており、この赤外線加熱IRを用いることによっても、正極材料PASからなる膜の表面を乾燥させることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば実施の形態では、リチウムイオン電池を例に挙げて、本発明の技術的思想について説明したが、本発明の技術的思想は、リチウムイオン電池に限定されるものではなく、正極、負極、および正極と負極とを電気的に分離するセパレータを備える蓄電デバイス、例えば電池またはキャパシタなどにも幅広く適用することができる。
AAM 負極材料(負極活物質)
CAI 冷風吸引口
CAM 正極材料(正極活物質)
CAO 冷風供給口
CN 冷風ノズル
CP 冷却部
D1 口金
D2 マニホールド
D3 スリット部
D4 正極材料溜り
D5 メニスカス(液面の屈曲)
D6 リップ部
DC1 第1スリットダイコータ
DC2 第2スリットダイコータ
DRY 乾燥炉
EL 正極材料層
ES 電解質
F1 口金
F2 マニホールド
F3 スリット部
FA1 第1面
FA2 第2面
FA3 第3面
FC カーテンコータ
HAI 熱風吸引口
HAO 熱風供給口
HN 熱風ノズル
HP 加熱部
IF 絶縁材料
IR 赤外線加熱
NEP 負極板
MIX 混合層
PAS 正極材料
PEP 正極板
RL1 第1ローラ
RL2 第2ローラ
RL3 第3ローラ
SEL 絶縁材料層
SL1 正極板送り出しロール
SL2 巻き取りロール
SP セパレータ

Claims (15)

  1. (a)第1塗布機構によって、電極板の表面にスラリー状の電極材料を塗布する工程、
    (b)前記(a)工程の後、前記電極材料からなる膜の表面を加熱して、前記電極材料からなる膜の表面から、前記電極板の表面に達しない第1深さまでを乾燥させる工程、
    (c)前記(b)工程の後、第2塗布機構によって、前記電極材料からなる膜の表面にスラリー状の絶縁材料を塗布する工程、
    (d)前記(c)工程の後、前記電極材料と前記絶縁材料とを積層した塗膜を乾燥させる工程、
    を有する、リチウムイオン電池の製造方法。
  2. 請求項1記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
    前記(b)工程では、前記電極材料からなる膜の表面に80〜120℃の熱風を供給した後、前記電極材料からなる膜の表面を冷却する、リチウムイオン電池の製造方法。
  3. 請求項1記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
    前記(b)工程では、前記電極材料からなる膜の表面を赤外線加熱した後、前記電極材料からなる膜の表面を冷却する、リチウムイオン電池の製造方法。
  4. 請求項1記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
    前記(b)工程では、前記電極材料からなる膜の表面に80〜120℃の熱風を供給すると同時に、前記電極材料からなる膜の表面を赤外線加熱し、その後、前記電極材料からなる膜の表面を冷却する、リチウムイオン電池の製造方法。
  5. 請求項2、3、または4記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
    前記電極材料からなる膜の表面に20〜30℃の冷風を供給して、前記電極材料からなる膜の表面を冷却する、リチウムイオン電池の製造方法。
  6. 請求項1記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
    前記第1深さは1〜10μmである、リチウムイオン電池の製造方法。
  7. 請求項1記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
    前記電極材料からなる層と前記絶縁材料からなる層との界面には、前記電極材料と前記絶縁材料との混合層が形成されており、前記混合層の厚さは5μm以下である、リチウムイオン電池の製造方法。
  8. 電極板を第1方向に搬送する搬送機構に沿って、
    前記電極板の表面にスラリー状の電極材料を塗布する第1塗布機構と、
    前記電極材料からなる膜の表面を加熱して、前記電極材料からなる膜の表面から、前記電極板の表面に達しない第1深さまでを乾燥させる第1乾燥機構と、
    前記電極材料からなる膜の表面にスラリー状の絶縁材料を塗布する第2塗布機構と、
    前記電極材料と前記絶縁材料とを積層した塗膜を乾燥させる第2乾燥機構と、を順に有し、
    前記第1乾燥機構は、
    前記第1塗布機構側に設けられた加熱部と、
    前記第2塗布機構側に設けられた冷却部と、を有する、リチウムイオン電池の製造装置。
  9. 請求項8記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記加熱部は、熱風供給口と熱風吸引口とを備える熱風ノズルにより構成され、
    前記冷却部は、冷風供給口と冷風吸引口とを備える冷風ノズルにより構成されている、リチウムイオン電池の製造装置。
  10. 請求項9記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記熱風ノズルの前記熱風供給口から前記電極材料からなる膜の表面へ供給される熱風の温度は80〜120℃であり、
    前記冷風ノズルの前記冷風供給口から前記電極材料からなる膜の表面へ供給される冷風の温度は20〜30℃である、リチウムイオン電池の製造装置。
  11. 請求項9記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記熱風ノズルの前記電極材料からなる膜の表面に対向する面は、
    前記熱風供給口と前記熱風吸引口との間に位置する第1面と、
    前記熱風吸引口から前記熱風供給口とは反対側に位置する第2面と、
    前記熱風供給口から前記熱風吸引口とは反対側に位置する第3面と、を有し、
    前記第1面と前記電極材料からなる膜の表面との第1距離が、前記第2面と前記電極材料からなる膜の表面との第2距離および前記第3面と前記電極材料からなる膜の表面との第3距離よりも大きく、
    前記冷風ノズルの前記電極材料からなる膜の表面に対向する面は、
    前記冷風供給口と前記冷風吸引口との間に位置する第4面と、
    前記冷風吸引口から前記冷風供給口とは反対側に位置する第5面と、
    前記冷風供給口から前記冷風吸引口とは反対側に位置する第6面と、を有し、
    前記第4面と前記電極材料からなる膜の表面との第4距離が、前記第5面と前記電極材料からなる膜の表面との第5距離および前記第6面と前記電極材料からなる膜の表面との第6距離よりも大きい、リチウムイオン電池の製造装置。
  12. 請求項8記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記加熱部は、赤外線加熱により構成されている、リチウムイオン電池の製造装置。
  13. 請求項8記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記加熱部は、熱風供給口と熱風吸引口とを備える熱風ノズル、および前記熱風供給口と前記熱風吸引口との間に設けれた赤外線加熱により構成され、
    前記冷却部は、冷風供給口と冷風吸引口とを備える冷風ノズルにより構成されている、リチウムイオン電池の製造装置。
  14. 請求項8記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記加熱部、前記冷却部、および前記第2塗布機構が一つの部分品として構成されている、リチウムイオン電池の製造装置。
  15. 請求項8記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記第1塗布機構はスリットダイコータ、前記第2塗布機構はカーテンコータである、リチウムイオン電池の製造装置。
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