JP2014194882A - リチウムイオン電池の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池の電極材料の塗工膜厚の均一性を向上させる。
【解決手段】正極シートと負極シートとがセパレータ層を介して交互に積層された積層体を備えるリチウムイオン電池の製造装置であり、ヘッドであるダイコーター３と支え台であるローラー部材８との間に隙間を形成する隙間形成部を有している。さらに、上記隙間形成部は回転ローラー９であり、回転ローラー９は、ダイコーター３よりローラー部材８に向かって突出し、かつバネ部材１７によってローラー部材８に対して押し付けられるように支持されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、リチウムイオン電池の製造装置および製造方法に関するものである。

リチウムイオン電池は、正極シートと負極シートがセパレータを介して交互に積層された積層体が電解液とともに外装体内に封入された二次電池である。外装体には、円筒型もしくは角型の缶やＡｌ（アルミニウム）などを基体としたラミネートフィルムなどが用いられる。リチウムイオン電池の製造方法や外観は、外装体の構造や種類によって大きく異なるが、いずれの外装体が用いられる場合であっても、電池を動作させるための基本的な構成要素は共通である。

すなわち、正極シートは、電極箔の片面または両面に電極材料（正極活物質）からなる電極層が設けられた基本構造を有し、負極シートは、電極箔の片面または両面に電極材料（負極活物質）からなる電極層が設けられた基本構造を有する。正極シート上の電極層と負極シート上の電極層との間には、両電極層が短絡することを防ぐためにセパレータ層が設けられる。リチウムイオン電池は、正極シート、セパレータ、負極シートからなる積層体を形成し、その積層体を、リチウムイオンを含む電解液とともに外装体内に封入して製造される。

このようなリチウムイオン電池の製造方法に関し、その電極の製造について、正極を例に説明すると以下のようになる。

まず、正極活物質の粉末原料、導電材粉末、バインダー溶液および有機溶剤などを混練してスラリー状のペースト（電極材）を生成し、このペーストをダイコーターなどの塗工手段を用いて集電用アルミ電極箔上に薄く、均一に塗布する。その後、塗布したペーストを乾燥させて電極膜（上記電極層に相当）を形成する。次に、電極膜を所定の厚さに調整するためのカレンダー処理（ロールで潰して延伸させる処理）または電極膜を所定の形状に加工するためのスリット加工などを経て、リチウムイオン電池用の電極を形成する。

特開２００５−２７０７０４号公報

上記したように、リチウムイオン電池の製造工程では、ペースト状の電極材料の製造、電極箔への電極材料の塗布および乾燥を含む一連の工程を経て、またはこれらの工程を組み合わせて電極層が形成された電極シートを形成する必要がある。

上記一連の工程のうち、塗布工程においては、ダイコーターやブレードコーターなどを用いて電極材料の塗工を行うが、その際、電極材料の膜厚（塗工膜厚）を均一にするために電極箔とコーターヘッドとの間に膜厚に応じた隙間を形成する必要がある。

そして、この隙間が均一に形成されていないと、塗工時の電極材料の膜厚も均一には形成できない。

しかしながら、コーターヘッドはリチウムイオン電池の製造装置の架台に保持されており、上記隙間の精度は、上記コーターヘッドそのものの製造精度と、搬送ローラーおよびステージ（電極箔を支える支え台）の塗工面の精度により決まるものである。したがって、上記隙間の精度を高めるのは困難であり、塗工膜厚の精度を向上させることも困難なことが課題である。

なお、上記特許文献１（特開２００５−２７０７０４号公報）には、スリットダイから塗液を吐出させる構造が開示されているが、この構造においても、スリットダイとバックアップロール（支え台）との隙間の大きさの制御は困難である。

本発明の目的は、塗工膜厚の均一性を向上させることができるリチウムイオン電池の製造装置、およびリチウムイオン電池の製造方法を提供することにある。

本発明の前記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。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態であるリチウムイオン電池の製造装置は、正極シートと負極シートとがセパレータ層を介して交互に積層された積層体を備えるリチウムイオン電池の製造装置であり、電極箔を搬送する搬送機構と、水と溶剤およびバインダーを含む電極材料を電極箔の上に塗布するヘッドと、ヘッドと所望の隙間を形成して配置され、かつ電極箔を支える支え台と、ヘッドと支え台との間に上記隙間を形成するように設けられた隙間形成部とを備える塗布部と、電極材料を乾燥させて電極層を形成する乾燥部と、を有している。さらに、上記隙間形成部は、ヘッドより支え台に向かって突出し、かつ支え台に対して押し付けられるように支持されているものである。

また、一実施の形態であるリチウムイオン電池の製造方法は、正極シートと負極シートとがセパレータ層を介して交互に積層された積層体を備えるリチウムイオン電池の製造方法であり、電極材料を支え台によって支えられた電極箔の上にヘッドから塗布する塗布工程と、電極材料を乾燥させて電極層を形成する乾燥工程と、を有している。さらに、塗布工程において、ヘッドより支え台に向かって突出し、かつ支え台に対して押し付けられるように支持された隙間形成部により、ヘッドと支え台との間に所望の隙間を形成した状態で電極箔に電極材料を塗布するものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、塗工膜厚の均一性を向上させて電極の品質を高めることができるリチウムイオン電池の製造装置を提供することができる。

また、本発明によれば、塗工膜厚の均一性を向上させて電極の品質を高めることができるリチウムイオン電池の製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態におけるリチウムイオン電池の製造装置を構成する電極製造装置の構造の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法によって製造されるリチウムイオン電池の構造の一例を示す断面図である。 図１に示す電極製造装置の塗布部におけるヘッドと支え台の関係の一例を示す概念図である。 図１に示す電極製造装置の塗布部におけるヘッドの支持機構の一例を示す平面図である。 図４に示すヘッドの支持機構を備えた電極製造装置の主要部の構造の一例を示す正面図である。 図５に示す電極製造装置の主要部の構造の一例を示す側面図である。 本発明の実施の形態の電極製造装置における第１変形例の主要部の構造を示す正面図である。 本発明の実施の形態の電極製造装置における第２変形例の主要部の構造を示す側面図である。

以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）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などを除き、その特定の数に限定されるものではない。さらに、特定の数以上でも以下でも良いものとする。

また、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、以下の実施の形態において、構成要素等について、「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等についても同様である。

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

（実施の形態）
本実施の形態に係る製造方法または製造装置によって製造されるリチウムイオン電池は、正極シートと負極シートとがセパレータ層を介して交互に積層された積層体が電解液とともに外装体（例えば、円筒型の容器）内に封入された二次電池である。なお、正極シートには、正極用の電極層が形成され、一方、負極シートには、負極用の電極層が形成されている。

以下の説明では、正極シートおよび負極シートを総括して「電極シート」と呼ぶ。また、電極層を形成するために電極箔の表面に塗布されるペースト状の材料を「電極材料」と呼び、セパレータ層を形成するために基材または電極層の上に塗布されるペースト状の材料を「セパレータ材料」と呼ぶ。さらに、電極材料とセパレータ材料を総括して「ペースト」と呼ぶ。本願でいう電極材料およびセパレータ材料は、バインダー溶液および有機溶剤などの液体を含み、流動性を有する液状の物質である。また、以下の説明で「電極箔の表面」という場合は、電極箔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。

なお、リチウムイオン電池の正極または負極を構成する電極層を形成するために用いる電極材料は、例えば、活物質粉末、導電材粉末、およびこれらの粉末を結着するためのバインダー材等を、有機溶剤に分散させた高粘度スラリー状の液体である。上記有機溶剤は、例えば、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）などである。

次に、本実施の形態におけるリチウムイオン電池の製造装置およびリチウムイオン電池の製造方法について、図１〜図６を参照しながら説明する。図１は実施の形態のリチウムイオン電池の製造装置を構成する片面塗布型の電極製造装置の構造の一例を示す概略図、図２は実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法によって製造されるリチウムイオン電池の構造の一例を示す断面図である。

また、図３は図１に示す電極製造装置の塗布部におけるヘッドと支え台の関係の一例を示す概念図、図４は図１に示す電極製造装置の塗布部におけるヘッドの支持機構の一例を示す平面図である。さらに、図５は図４に示すヘッドの支持機構を備えた電極製造装置の主要部の構造の一例を示す正面図、図６は図５に示す電極製造装置の主要部の構造の一例を示す側面図である。

まず、図１に示す片面塗布型の上記電極製造装置について説明する。上記電極製造装置は、電極箔（集電箔ともいう）１を搬送する複数のローラー（搬送機構）５と、電極材料を電極箔１の上に塗布する塗工部（塗布部）２と、上記電極材料を乾燥させて上記電極層を形成する乾燥室（乾燥部）６とを有している。

なお、上記電極材料は、水と相溶な溶剤および水に難溶なバインダーを含むものである。そこで、巻き出し機である集電用電極箔ロール４から送り出された電極箔１は、塗工部２で上記電極材料が塗布され、その後、乾燥室６に搬送されて乾燥が行われ、これにより、電極箔１上に上記電極層が形成される。その後、巻き取り機である電極箔ロール７に巻き取られる。なお、電極箔ロール７に巻き取られた電極箔１は、次工程に搬送される。

また、電極箔１の搬送は、電極箔１の搬送系として設けられ、かつ電極箔１の片側の面を支持する複数のローラー５によって行われ、それぞれのローラー５の回転によって所定の方向に送られる。

ここで、電極製造装置の塗工部２では、ヘッドであるダイコーター（電極コーター、コーターヘッド等とも言う）３から上記電極材料が吐出され、これにより、電極箔１上に上記電極材料が塗布される。

その際、図３に示すように、ダイコーター３とローラー部材（支え台）８との隙間Ｌは、電極箔１上でその幅方向に対して均一な塗工膜厚を形成するためには、ダイコーター３の幅方向Ｍ（図４参照）に対してどの位置に対しても一定の距離とならなければならない。つまり、図３に示すダイコーター３とローラー部材８との隙間Ｌを、図４に示すダイコーター３の幅方向Ｍに対してどの位置に対しても一定の距離にすることで、電極箔１上に形成される電極材料の塗工膜厚をいずれの位置においても均一な膜厚にすることができる。

また、電極箔１は、塗工面８ａを有した支え台（ローラー部材８）によって支えられた状態で上記電極材料が塗布される。すなわち、図３に示すように、ダイコーター３は、その先端部が隙間Ｌを介して支え台（ローラー部材８）の塗工面８ａと対向するように配置されており、この状態で上記電極材料が塗布される。

そこで、本実施の形態の上記電極製造装置では、ダイコーター３とローラー部材８との間に、上記隙間Ｌが、ダイコーター３の幅方向Ｍに対して均一に形成されるように、塗工部２に隙間形成部が設けられている。

つまり、塗工部２は、上記電極材料を電極箔１の上に塗布するダイコーター（ヘッド）３と、ダイコーター３と所望の隙間（図３参照）Ｌを形成して配置され、かつ電極箔１を支えるローラー部材（支え台）８とを備えている。さらに、塗工部２は、ヘッド（ダイコーター３）と支え台（ローラー部材８）との間に所望の隙間を形成するように設けられた上記隙間形成部を備えている。

なお、隙間Ｌは、例えば、１０〜２００μｍ程度のものであるが、これらの数値に限定されるものではない。

本実施の形態の上記電極製造装置の隙間形成部は、図４〜図６に示すように、ダイコーター３の電極箔１の搬送方向Ｓ（図１参照）に交差する方向（図４に示す幅方向Ｍ）の両側に、回転自在に設けられた回転ローラー９である。つまり、回転ローラー９は、ダイコーター３の幅方向Ｍに対して左右両側に設けられており、さらにダイコーター３より支え台（ローラー部材８）に向かって僅かに突出し、かつ支え台（ローラー部材８）に対して押し付けられるように支持されている（図５参照）。

なお、回転ローラー９は、弾性部材によって支え台（ローラー部材８）に対して押し付けられている。本実施の形態の上記電極製造装置では、上記弾性部材は、図５に示すバネ部材１７であり、２つのバネ部材１７によって、２つの回転ローラー９は、支え台（ローラー部材８）に対して常時押し付けられている。バネ部材１７は、例えば、コイルバネ等であるが、板状のバネ等であってもよい。さらに、弾性部材は、バネ部材以外のゴム等の高分子材料を用いた部材であってもよい。

また、本実施の形態の上記電極製造装置では、ダイコーター３と対向して配置された支え台は、電極箔１の搬送方向に沿って回転自在に設けられた、図５および図６に示すローラー部材８である。ローラー部材８は、円筒形に形成され、その円筒状の面が塗工面８ａである。すなわち、塗工部２における電極材料の塗布工程で電極箔１を支えるものであり、電極箔１が弛まないように電極箔１にテンションを付与し、かつ電極箔１の搬送方向Ｓと同方向に回転することで、電極箔１の搬送を案内している。

なお、ローラー部材８は、例えば、ステンレス鋼等から形成されている。

そして、ダイコーター３の両側に設けられた回転ローラー９が、常時、このローラー部材８に押し付けられており、これにより、ダイコーター３とローラー部材８との間には、常時図３に示すような隙間Ｌが形成される構造となっている。

ここで、図４〜図６に示す本実施の形態の上記電極製造装置の詳細構造について説明する。

まず、ヘッドであるダイコーター３は、その背面側に配置された第１プレート１８にネジ２４によって固定されており、さらに第１プレート１８は、その左右両側に配置された側部プレート２６にネジ２５によって固定されている。

その際、図５に示すように、第１プレート１８の左右両側の側面から突出する突起部１８ａが各側部プレート２６の長孔２６ａに係合している。

さらに、左右２つの側部プレート２６のそれぞれの内側には、回転ローラー９が回転自在に取り付けられている。この時、回転ローラー９は、それぞれダイコーター３の左右両側に配置され、かつダイコーター３の先端部から所望量突出するように側部プレート２６に取り付けられている。

この時の回転ローラー９のダイコーター３の先端部からの突出量が、上記電極製造装置におけるダイコーター３とローラー部材８との隙間Ｌ（図３参照）に相当する。

これにより、ダイコーター３と第１プレート１８と側部プレート２６と回転ローラー９とからなる構造体が、一体となってヘッド機構部を形成している。

また、上記ヘッド機構部は、２つのバネ部材１７を介して天井プレート２３に支持されている。すなわち、２つのバネ部材１７によって、第１プレート１８およびこれに取り付けられた側部プレート２６を介して２つの回転ローラー９にバネ作用が働いており、２つの回転ローラー９のそれぞれが、支え台であるローラー部材８に押し付けられている。

また、図６に示すように、天井プレート２３は、上記ヘッド機構部の背面側に配置された第２プレート１９に連結されている。さらに、第２プレート１９は第１プレート１８とベアリング２１を介して連結されている。したがって、第１プレート１８に固定されたダイコーター３も、第１プレート１８がバネ部材１７によって支持されていることと合わせて、第１プレート１８の面方向に対して僅かには回転可能なように支持されている。

また、第２プレート１９は、図６に示すように、その背面側において、リニアガイド２２を介して第３プレート２０に支持されている。なお、リニアガイド２２は、第２プレート１９を上記電極製造装置の昇降方向に可動自在にするものであり、したがって、第１プレート１８に固定されたダイコーター３も上記昇降方向に可動自在に設けられている。

また、第３プレート２０は、その背面側においてＬ型プレート２７に固定されており、さらに、このＬ型プレート２７は、リニアガイド２８を介してヘッド側プレート２９に固定されている。リニアガイド２８は、Ｌ型プレート２７を前後方向（図１に示す電極箔１の搬送方向Ｓに沿った方向）に動かすことが可能なガイドであり、したがって、上記ヘッド機構部のダイコーター３も上記前後方向に動くことが可能となっている。

そして、ヘッド側プレート２９は、プレート支持部３０を介して上記電極製造装置の架台（ベース）３１に固定されている。

一方、支え台側においては、支え台であるローラー部材８は、架台３１に固定されたベース側プレート３２に、図１に示す電極箔１をその搬送方向Ｓに沿って送り出すように回転自在に支持されている。

そして、ダイコーター３の両側に配置された回転ローラー９が、支え台であるローラー部材８にバネ部材１７によって押し付けられているため、ダイコーター３とローラー部材８との間には、常時図３に示すような隙間Ｌが形成される構造となっている。

すなわち、常にローラー部材８の塗工面８ａに押し付けられた回転ローラー９が、塗工面８ａ上を走行することで、塗工面８ａの凹凸や塗工面８ａの傾きにダイコーター３が追従するため、ダイコーター３と塗工面８ａとの距離を常に一定に保つことができる。これにより、ダイコーター３は常に塗工面８ａと一定の隙間Ｌを維持した状態で塗工を行うことができる。

また、ダイコーター３は、上記ヘッド機構部の構造により、ベアリング２１やリニアガイド２２，２８を介して固定されているため、傾きや昇降方向に対して自由に可動することができる。さらに、ダイコーター３を備えたヘッド機構部がバネ部材１７によって支持され、かつベアリング２１やリニアガイド２２，２８を介して固定されていることと合わせると、ダイコーター３は、ローラー部材８の塗工面８ａの形状に沿って追従して動くことができる。

その結果、ダイコーター３と塗工面８ａとの距離を常に一定に保つことができる。

さらに、本実施の形態の上記電極製造装置では、上記ヘッド機構部側と支え台側とでは、それぞれ独立したプレートによって支持されているため、隙間Ｌの大きさを調整することが可能になっている。

また、回転ローラー９の直径は、ローラー部材８の直径より小さく形成されている。これにより、塗工面８ａの細かな凹凸や変形等にも回転ローラー９が接触することができるため、ダイコーター３と塗工面８ａとの距離を高精度に一定に保つことができる。

次に、本実施の形態におけるリチウムイオン電池の製造方法を、図１、図３〜図６を用いて説明する。まず、リチウムイオン電池の正極または負極を構成する電極層の形成材料である電極材料を用意する。かかる電極材料は高粘度スラリー状の液体であり、図１に示される塗工部２に設置された塗布機構（本実施の形態ではダイコーター３）によって、集電用電極箔ロール４から供給される電極箔１の表面上に薄く、かつ均一に塗布される。すなわち、塗工部２において塗布工程が行われる。

ここで、本実施の形態の塗布工程の詳細を説明する。

上述のように、本実施の形態の上記電極製造装置における隙間形成部は、ダイコーター３の、電極箔１の搬送方向Ｓと交差する方向（図４に示す幅方向Ｍ）の両側に設けられた回転ローラー９である。つまり、ダイコーター３の幅方向Ｍの左右両側に回転ローラー９が配置されている。

一方、塗布時、電極箔１を支える支え台は、電極箔１の搬送方向Ｓに沿って電極箔１を送り出すように回転自在に設けられたローラー部材８である。

これにより、上記塗布工程では、ダイコーター３よりローラー部材８に向かって僅かに突出し、かつローラー部材８に対して押し付けられるように支持された回転ローラー９をローラー部材８の塗工面８ａに走行させ、この状態で電極材料の塗布を行う。この時、回転ローラー９によって、ダイコーター３とローラー部材８との間に、常に図３に示すような所望の隙間Ｌが形成され、この隙間Ｌが形成された状態で、ローラー部材８によって支えられた電極箔１の上にダイコーター３から上記電極材料を塗布する。

なお、回転ローラー９のローラー部材８への押し付けは、弾性部材であるバネ部材１７によって常時行われている。つまり、回転ローラー９がバネ部材１７によって常時ローラー部材８に押し付けられることで、ダイコーター３とローラー部材８との間に、常に図３に示すような所望の隙間Ｌを形成することができる。

これにより、電極箔１上に形成される電極材料の塗工膜厚を、精度を向上させて、均一に、かつ一定の厚さで形成することができる。

また、回転ローラー９の直径は、ローラー部材８の直径より遥かに小さく形成されており、この小さい直径の回転ローラー９をローラー部材８に対して押し付けて走行させる。これにより、ローラー部材８の塗工面８ａの細かな凹凸や変形等に対しても回転ローラー９が接触することができ、その結果、ダイコーター３と塗工面８ａとの距離を高精度に一定に保つことができる。

なお、本実施の形態において用いられる電極材料は、少なくとも、正または負極活物質粉末を含み、場合によっては導電材粉末の固形成分を含む。ここで、電極材料は、乾燥後において粉末成分間または粉末成分と電極箔間を結着するためのバインダーであって、水に難溶なバインダーと、固化材とを含む。さらに、電極材料は、上記成分をスラリー状の高粘度液体ペーストとして調整するための溶剤であり、水と相溶な溶剤をさらに含む。

つまり、電極材料は、正または負極活物質粉末、水に難溶なバインダー、固化材および水と相溶な溶剤を含み、場合によっては導電材粉末の固形成分を含んでいる。ただし、バインダーと固化材とが兼用であることがより好ましい。具体的には、電極材料は、正または負極活物質粉末、固化材として使用可能なバインダーおよび溶剤を少なくとも含んでいることが好ましい。

次に、電極材料が塗布された電極箔１の裏面に接しながら、電極箔１を一定速度で搬送する搬送機構（本実施の形態ではローラー５による搬送系）を用いて、電極箔１を乾燥室６に搬入し、乾燥室６において、乾燥工程を行う。具体的には、熱風乾燥などの周知の手法で電極材料中の液体成分を加熱蒸発させて電極材料を乾燥させ、これにより、電極層を形成する。

その後、乾燥工程を経た電極箔１が巻き取られた電極箔ロール７は、次工程に供給される。ただし、電極箔１の裏面にも電極層を形成する場合には、上記のような工程を電極箔１の裏面に対しても行い、両面に電極層が形成された電極シートを製造してから、次の工程に進む。

また、上記のように、正極用の電極箔（例えばＡｌ（アルミニウム））の表面に正極用の電極層（例えばアセチレンブラックなどの導電材層）を形成することで正極シートを形成する。さらに、上述した工程により、負極用の電極箔（例えばＣｕ（銅））の表面に負極用の電極層（例えばアセチレンブラックなどの導電材層）を形成することで負極シートを形成する。

その後、セパレータ層を介して正極シートと負極シートを重ね合わせて積層体を形成する。セパレータ層は、公知のフィルム状セパレータを用いて形成することもできるが、後述する方法によって正極シートまたは負極シートの電極層の上にセパレータ層を一体的に形成することもできる。

次に、本実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法によって製造されるリチウムイオン電池の一例を図２に示す。図示されているリチウムイオン電池では、正極シート１０、負極シート１１およびセパレータ層としてのセパレータ１２からなる積層体が円筒型の容器１３内に組み込まれている。より具体的には、上記積層体が所定の長さに切断され、巻回されて、容器１３内に組み込まれている。

したがって、容器１３内では、正極用の電極層が形成された正極シート１０、セパレータ層としてのセパレータ１２、負極用の電極層が形成された負極シート１１が繰り返し交互に積層されている。換言すれば、隣り合う正極シート１０と負極シート１１との間にセパレータ層が介在している。

容器１３内には、上記積層体とともに電解液が充填されている。容器１３の一端は正極端子１５により封止され、他端は負極端子１６により封止されている。正極シート１０は、金属膜からなる正極リード１４を介してガス排出構造を有する正極端子１５に電気的に接続されており、負極シート１１は、金属膜からなる負極リード（図示せず）を介して負極端子１６に電気的に接続されている。

以下では、本実施の形態におけるリチウムイオン電池を構成する各材料、およびリチウムイオン電池を製造する際に用いる各材料について詳しく説明する。

本実施の形態で用いるリチウムイオン電池の正極活物質には、コバルト酸リチウムまたはマンガン（Ｍｎ）を含有するスピネル構造のリチウム含有複合酸化物を用いることができる。また、正極活物質には、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）を含む複合酸化物、またはオリビン型リン酸鉄に代表されるオリビン型化合物などを使用することができる。ただし、正極活物質に用いる材料は、これらに限定されるわけではない。

マンガン（Ｍｎ）を含有するスピネル構造のリチウム含有複合酸化物は熱的安定性に優れているため、これを含む電極シートを形成することで、安全性の高い電池を構成することができる。また正極活物質には、マンガン（Ｍｎ）を含有するスピネル構造のリチウム含有複合酸化物のみを用いてもよいが、他の正極活物質を併用してもよい。このような他の正極活物質としては、例えば、Ｌｉ_1+x ＭＯ₂（−０．１＜ｘ＜０．１、Ｍ：Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｉなど）で表わされるオリビン型化合物などが挙げられる。

また、層状構造のリチウム含有遷移金属酸化物の具体例としては、ＬｉＣｏＯ₂ またはＬｉＮｉ_1-x Ｃｏ_x-y Ａｌ_y Ｏ₂（０．１≦ｘ≦０．３、０．０１≦ｙ≦０．２）などを用いることができる。また、層状構造のリチウム含有遷移金属酸化物には、少なくともＣｏ、ＮｉおよびＭｎを含む酸化物（ＬｉＭｎ_1/3 Ｎｉ_1/3 Ｃｏ_1/3 Ｏ₂ 、ＬｉＭｎ_5/12Ｎｉ_5/12Ｃｏ_1/6 Ｏ₂ 、ＬｉＮｉ_3/5 Ｍｎ_1/5 Ｃｏ_1/5 Ｏ₂ など）などを用いることができる。

本実施の形態で用いる負極活物質は、例えば、天然黒鉛（鱗片状黒鉛）、人造黒鉛または膨張黒鉛などの黒鉛材料を用いることができる。また、負極活物質には、ピッチを焼成して得られるコークスなどの易黒鉛化性炭素質材料を用いることもできる。また、負極活物質には、フルフリルアルコール樹脂（ＰＦＡ）、ポリパラフェニレン（ＰＰＰ）またはフェノール樹脂などを低温焼成して得られる非晶質炭素などの難黒鉛化性炭素質材料を用いてもよい。また、炭素材料の他に、リチウム（Ｌｉ）またはリチウム含有化合物なども負極活物質として用いることができる。

リチウム含有化合物としては、Ｌｉ−Ａｌなどのリチウム合金、Ｓｉ（ケイ素）、または、Ｓｎ（錫）などとリチウム（Ｌｉ）との合金化が可能な元素を含む合金が挙げられる。さらにＳｎ酸化物またはＳｉ酸化物などの酸化物系材料も用いることも可能である。

本実施の形態で用いる導電材は、正極合剤層に含有させる電子伝導助剤として用いるもので、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、またはカーボンナノチューブなどの炭素材料が好ましい。上記の炭素材料の中でも、添加量と導電性の効果、および正極合剤層含有組成物（後述する）の製造性の点から、アセチレンブラックを用いることが特に好ましい。かかる導電材は負極合剤層の材料として用いることも可能であり、好ましい場合もある。なお、ここでいう正極または負極の合剤層とは、上記した電極材料、またはこれを固化、乾燥させた電極層のことである。

本実施の形態では、固化材を兼ねるバインダー成分を含むバインダーを用いることもできる。具体的には、バインダーは、上記の活物質および電子伝導助剤を結着するためのバインダー成分を含有していることが好ましい。バインダーとしては、例えば、ポリビニリデンフルオライド系ポリマー（主成分モノマーであるビニリデンフルオライドを８０質量％以上含有する含フッ素モノマー群の重合体）、またはゴム系ポリマーなどが好適に用いられる。上記ポリマーは、２種以上を併用してもよい。また、本実施の形態で用いられるバインダーは、溶媒に溶解した溶液の形態で供されるものが好ましい。

上記ポリビニリデンフルオライド系ポリマーを合成するための含フッ素モノマー群としては、ビニリデンフルオライド、またはビニリデンフルオライドと他のモノマーとの混合物で、ビニリデンフルオライドを８０質量％以上含有するモノマー混合物等が挙げられる。他のモノマーとしては、例えば、ビニルフルオライド、トリフルオロエチレン、トリフルオロクロロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、およびフルオロアルキルビニルエーテルなどが挙げられる。

上記のゴム系ポリマーとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレンプロピレンジエンゴム、およびフッ素ゴムなどが挙げられる。

正極および負極の各合剤層中におけるバインダーの含有量は、乾燥後の電極材料を基準として０．１質量％以上、より好ましくは０．３質量％以上である。

また、電極箔１に電極材料を塗布する塗布機構（ダイコーター３、塗工手段）には、例えば、押出しコーター、リバースローラー、ドクターブレード、アプリケーターなどを用いることもできる。

また、電極箔１はシート状の箔に限定されない。電極箔１の材料には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼、もしくはチタン（Ｔｉ）などの純金属または合金性導電材料を用いることができる。また、電極箔１の形状は網状や板状であってもよい。また、電極箔１は、パンチドメタルやフォームメタルであってもよい。電極箔１の厚みとしては、例えば、５〜３０μｍ、より好ましくは８〜１６μｍが選択される。また、電極箔１の一方の面に形成される電極層の厚みは、乾燥後の厚みで、例えば、１０〜３００μｍ、より好ましくは３０〜１５０μｍを選択できる。

また、本実施の形態において用いられる溶剤は、水に溶解する性質を有する。このような溶剤としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド、プロピレンカーボネート、ジメチルホルムアミド、もしくはγ−ブチロラクトンなどに代表される非プロトン性極性溶剤、またはこれらの混合液を選択できる。

次に、図１に示す乾燥室６で行われる乾燥工程について説明する。

上記乾燥工程には、温風乾燥を用いることが考えられるが、これに限定されるものではない。乾燥手段としては、赤外線、遠赤外線その他の電磁波を照射する加熱方式であってもよい。また、高周波電場による誘電加熱方式、または磁束の変化を利用する誘導加熱方式を用いることも可能である。さらにはヒーターを組み込んだ加熱ロールまたはホットプレートなどを利用する接触加熱方式を用いてもよく、上記した乾燥手段のいくつかを組み合わせた加熱方式も用いることもできる。

以下、本実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法を構成する各工程についてより具体的に説明する。

正極活物質には、リチウム遷移金属複合酸化物としてのニッケルコバルトマンガン酸リチウムを選択することができる。上記リチウム遷移金属複合酸化物と、導電材の黒鉛粉末と、導電材のアセチレンブラックと、固化材を兼ねるバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、重量比で８５：８：２：５となる割合で混合する。さらに溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を逐次添加する。

次に、これらの混合成分を、プラネタリーミキサーで混練して正極用の電極材料を調整する。この電極材料はスラリー状の液体であり、電極材料中には固化材としてのバインダー成分がＮＭＰ中に溶解している。回転粘度計で測定した電極材料の粘度は約１０Ｐａ・Ｓとなる。

このようにして混練した電極材料を厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極集電体、電極箔１）上に厚さ１００μｍとなるようアプリケーターで塗布する。以上の工程が、電極箔１の表面に、水と相溶な溶剤および水に難溶なバインダーを含む電極材料を塗布する塗布工程である。

次に、電極材料が塗布されたアルミニウム箔を、温風乾燥炉内で１２０℃の温度で１０分間乾燥させ、電極材料中の水および微量に残留したＮＭＰを蒸発除去することで、アルミニウム箔（電極箔１）上に正極用の電極層が形成された正極シートを形成する。以上の工程が、電極材料を乾燥させる乾燥工程である。

本実施の形態によれば、回転ローラー９が、ダイコーター３よりローラー部材８に向かって突出し、かつローラー部材８に対して押し付けられるように支持されていることで、回転ローラー９を常にローラー部材８の塗工面８ａに接触させて走行させることができる。

これにより、回転ローラー９が塗工面８ａの凹凸や傾き、または変形等に追従することができる。さらに、回転ローラー９と係合するダイコーター３もローラー部材８の塗工面８ａの凹凸や傾きに追従させることができる。したがって、ダイコーター３とローラー部材８の塗工面８ａとの間に形成される隙間Ｌを、塗工面８ａのいずれの位置においても同じ距離（一定）にすることができ、上記隙間Ｌの均一性を高めることができる。

その結果、塗工膜厚の均一性および精度を高めることができ、リチウムイオン電池の電極の品質を高めることができる。

なお、本実施の形態では、電極箔１を支える支え台がローラー部材８である。したがって、支え台がステージのように固定された塗工面を備えている場合と異なり、回転する塗工面８ａであるため、ダイコーター３との隙間にバラツキが生じやすく、隙間量の精度出しが困難である。

このような状況であっても本実施の形態の上記電極製造装置では、回転するローラー部材８の塗工面８ａに回転ローラー９を常に接触させることができるため、ダイコーター３をローラー部材８に対して追従させることができる。その結果、ダイコーター３とローラー部材８との間の隙間Ｌを均一に形成することができる。

言い換えると、電極箔１を支える支え台の塗工面８ａの形状が常に一定で無くても、ダイコーター３は支え台の塗工面８ａと一定の隙間（距離）を保つことができ、塗工面８ａのどの箇所においても均一な厚さの塗工膜を形成することができる。

これにより、塗工面８ａの高精度化を緩和することができ、ダイコーター３を決められた位置で固定する部品もしくはセンサ等の高価な部品も不要になるため、安価なリチウムイオン電池の製造装置と製造方法を実現することができる。

また、本実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法は、電極材料の塗布において、電気制御によって塗工膜の膜厚を均一に形成するのではなく、電気制御無しでヘッドと支え台との隙間の制御を行って塗工膜の膜厚を均一に形成することができるものである。

したがって、センサ等を用いた隙間制御が不要になるため、電極箔１の高速搬送の塗工処理においても、ダイコーター３をリニアに支え台の塗工面８ａに追従させることができる。

これにより、経済的負担を軽減しつつ電極の品質を高めることができるリチウムイオン電池の製造装置と製造方法を実現することができる。

次に、図２に示すセパレータ１２の製造方法について説明する。

セパレータ１２の製造方法は、正極シートおよび負極シートを形成する工程と実質的に同一の工程を有する。具体的には、基材（箔）上にペースト状のセパレータ材料を塗布した後、乾燥・固化させることで、セパレータを形成することができる。

具体的なセパレータ製造工程では、例えば、図１に示される製造装置と同様の製造装置に、集電用電極箔ロール４に替えて基材ロールをセットする。その後、電極層の形成工程と同様に、搬送機構によって搬送される基材の表面に、塗工部においてペースト状のセパレータ材料を塗布する。

次いで、セパレータ材料が塗布された基材を乾燥室６に搬入し、セパレータ材料を乾燥・固化させる。以上の工程により、基材上にセパレータ層が形成されたセパレータを製造することができる。

セパレータ層の形成材料であるセパレータ材料には、シリカ（酸化シリコン）、アルミナ（酸化アルミニウム）またはポリエチレン等と、上述したバインダーと、溶剤（例えばＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ））とを混ぜた混合ペーストを用いることができる。

上記のようにして製造されたセパレータ（セパレータ層）１２は、例えば多孔性ポリプロピレン膜などからなり、完成したリチウムイオン電池内において、正極シートと負極シートとの間に介在し、隣り合う電極の両極活物質同士の接触を防止することができる。さらに、セパレータ層内の空孔内に電解液を保持し、電極間のイオン伝導の通路を形成することができる。

（第１変形例）
図７は実施の形態の電極製造装置における第１変形例の主要部の構造を示す正面図である。

本第１変形例は、ローラー部材８等の電極箔１を支える支え台（ステージでもよい）の塗工面８ａが、水平方向に対して明らかに傾斜している場合である。

塗工面８ａが水平方向に対して傾斜している場合であっても、回転ローラー９が支え台に押し付けられて常に塗工面８ａに接触している状態を保つことができれば、ダイコーター３と塗工面８ａの間に一定の距離の隙間を形成することができる。

そこで、本第１変形例においても、回転ローラー９が、第１プレート１８と側部プレート２６を介してバネ部材１７によりローラー部材８の塗工面８ａに押し付けられているため、回転ローラー９は常に支え台に接触している状態で走行可能になっている。

したがって、塗工面８ａが水平方向に対して傾斜していても、ダイコーター３と塗工面８ａの間に一定の距離の隙間を形成することができる。

すなわち、ダイコーター３とローラー部材８の塗工面８ａとの間に形成される隙間の均一性を高めることができる。

これにより、本第１変形例においても、電極箔１上に形成される塗工膜厚の均一性を高めることができ、リチウムイオン電池の電極の品質を高めることができる。

（第２変形例）
図８は実施の形態の電極製造装置における第２変形例の主要部の構造を示す側面図である。

本第２変形例は、電極箔１を支える支え台が筒状のローラー部材８であり、その塗工面８ａに直交する方向の断面形状が真円ではなく、歪な円（楕円等も含む）を形成する場合である。すなわち、支え台（ステージでもよい）の塗工面８ａが、電極箔１の搬送方向Ｓに対して傾きや凹凸を有した面の場合である。

上記場合であっても、回転ローラー９が支え台に押し付けられて常に塗工面８ａに接触している状態を保つことができれば、回転ローラー９が塗工面８ａの形に応じて追従するため、ダイコーター３と塗工面８ａの間に一定の距離の隙間を形成することができる。

そこで、本第２変形例においても、回転ローラー９が、第１プレート１８と側部プレート２６を介してバネ部材１７によりローラー部材８の塗工面８ａに押し付けられていることにより、回転ローラー９は常に支え台に接触している状態で走行可能になっている。

したがって、塗工面８ａが、電極箔１の搬送方向Ｓに対して傾きや凹凸を有した面の場合であっても、ダイコーター３と塗工面８ａの間に一定の距離の隙間を形成することができる。

すなわち、ダイコーター３とローラー部材８の塗工面８ａとの間に形成される隙間の均一性を高めることができる。

これにより、本第２変形例においても、上記第１変形例と同様に、電極箔１上に形成される塗工膜厚の均一性を高めることができ、リチウムイオン電池の電極の品質を高めることができる。

以上、本発明者ら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、上記実施の形態では、ヘッドと支え台の間に隙間を形成する隙間形成部が回転ローラー９の場合を説明したが、上記隙間形成部は、回転ローラー９に限らずブロック材（例えば、ブレードコーターのブレード等）等を用いてもよい。

上記隙間形成部として、ブレード等のブロック材を用いる場合、その表面にコーティングを施すことにより、支え台の塗工面８ａとブロック材の摩擦を軽減してブロック材を滑り易くすることができる。

さらに、上記隙間形成部としてブロック材を用いる場合には、上記支え台としては、ステージを用いることになる。

すなわち、上記実施の形態では、電極箔１を支える支え台が筒状のローラー部材８の場合を説明したが、上記支え台は、上面に塗工面８ａを備えたステージであってもよい。

１ 電極箔
２ 塗工部（塗布部）
３ ダイコーター（ヘッド）
４ 集電用電極箔ロール
５ ローラー（搬送機構）
６ 乾燥室（乾燥部）
７ 電極箔ロール
８ ローラー部材（支え台）
８ａ 塗工面
９ 回転ローラー（隙間形成部）
１０ 正極シート
１１ 負極シート
１２ セパレータ
１３ 容器
１４ 正極リード
１５ 正極端子
１６ 負極端子
１７ バネ部材（弾性部材）
１８ 第１プレート
１８ａ 突起部
１９ 第２プレート
２０ 第３プレート
２１ ベアリング
２２ リニアガイド
２３ 天井プレート
２４，２５ ネジ
２６ 側部プレート
２６ａ 長孔
２７ Ｌ型プレート
２８ リニアガイド
２９ ヘッド側プレート
３０ プレート支持部
３１ 架台
３２ ベース側プレート

Claims (10)

1. 正極用の電極層が形成された正極シートと、負極用の電極層が形成された負極シートとがセパレータ層を介して交互に積層された積層体を備えるリチウムイオン電池の製造装置であって、
   電極箔を搬送する搬送機構と、
   水と相溶な溶剤および水に難溶なバインダーを含む電極材料を前記電極箔の上に塗布するヘッドと、前記ヘッドと所望の隙間を形成して配置され、かつ前記電極箔を支える支え台と、前記ヘッドと前記支え台との間に前記隙間を形成するように設けられた隙間形成部とを備える塗布部と、
   前記電極材料を乾燥させて前記電極層を形成する乾燥部と、
   を有し、
   前記隙間形成部は、前記ヘッドより前記支え台に向かって突出し、かつ前記支え台に対して押し付けられるように支持されている、リチウムイオン電池の製造装置。
2. 請求項１に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
   前記隙間形成部は、前記ヘッドの前記電極箔の搬送方向に交差する方向の両側に設けられた回転ローラーである、リチウムイオン電池の製造装置。
3. 請求項２に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
   前記回転ローラーは、弾性部材によって前記支え台に対して押し付けられている、リチウムイオン電池の製造装置。
4. 請求項３に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
   前記支え台は、前記電極箔の搬送方向に沿って回転自在に設けられたローラー部材である、リチウムイオン電池の製造装置。
5. 請求項４に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
   前記回転ローラーの直径は、前記ローラー部材の直径より小さい、リチウムイオン電池の製造装置。
6. 正極用の電極層が形成された正極シートと、負極用の電極層が形成された負極シートとがセパレータ層を介して交互に積層された積層体を備えるリチウムイオン電池の製造方法であって、
   水と相溶な溶剤および水に難溶なバインダーを含む電極材料を、支え台によって支えられた電極箔の上にヘッドから塗布する塗布工程と、
   前記電極材料を乾燥させて前記電極層を形成する乾燥工程と、
   を有し、
   前記塗布工程において、前記ヘッドより前記支え台に向かって突出し、かつ前記支え台に対して押し付けられるように支持された隙間形成部により、前記ヘッドと前記支え台との間に所望の隙間を形成した状態で前記電極箔に前記電極材料を塗布する、リチウムイオン電池の製造方法。
7. 請求項６に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
   前記隙間形成部は、前記ヘッドの前記電極箔の搬送方向に交差する方向の両側に設けられた回転ローラーであり、前記回転ローラーによって前記ヘッドと前記支え台との間に所望の前記隙間を形成する、リチウムイオン電池の製造方法。
8. 請求項７に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
   弾性部材によって前記支え台に対して前記回転ローラーを押し付ける、リチウムイオン電池の製造方法。
9. 請求項８に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
   前記支え台は、前記電極箔の搬送方向に沿って回転自在に設けられたローラー部材であり、前記ローラー部材によって前記電極箔を支える、リチウムイオン電池の製造方法。
10. 請求項９に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
    前記ローラー部材の直径より小さい直径の前記回転ローラーを、前記ローラー部材に対して押し付ける、リチウムイオン電池の製造方法。

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