JP2015015147A - Electrode forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、電極形成装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to an electrode forming apparatus.
Li二次電池においては、正極と負極との接触を回避するための絶縁体膜として、多孔質の高分子膜(セパレータ)が用いられている。従来のセパレータは、正極および負極とは別個の部材として準備され、正極と負極とでセパレータを挟持した積層体を捲回または積層して電池が製造される。こうして用いられるセパレータは自立膜であるため、ある程度の厚さが要求される。しかしながら、セパレータの厚さは捲き数(または積層数)の制約につながり、電池の容量が制限されてしまう。 In a Li secondary battery, a porous polymer film (separator) is used as an insulator film for avoiding contact between a positive electrode and a negative electrode. A conventional separator is prepared as a member separate from a positive electrode and a negative electrode, and a battery is manufactured by winding or stacking a laminate in which the separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. Since the separator used in this way is a self-supporting film, a certain thickness is required. However, the thickness of the separator leads to restrictions on the number of sheets (or the number of layers), and the capacity of the battery is limited.
セパレータの厚さを低減して電池の容量アップを図るために、電極基材の表面に塗布法によりセパレータを直接形成することが提案されている。場合によっては、電極上のセパレータはパターニングが必要とされ、例えば、エレクトロスピニングでセパレータ膜を形成する際に電場を制御して、セパレータ膜をパターニングすることが提案されている。しかしながら、電場制御を行なった場合には、電場干渉をうけるためにパターニング精度が悪いのに加えて、膜厚の均一性が損なわれる。具体的には、電場を印加しない部分にも数μm(実測で3μm)以下のナノ繊維の薄膜が形成されてしまう。 In order to increase the battery capacity by reducing the thickness of the separator, it has been proposed to form the separator directly on the surface of the electrode base material by a coating method. In some cases, the separator on the electrode needs to be patterned. For example, it has been proposed to pattern the separator film by controlling the electric field when the separator film is formed by electrospinning. However, when electric field control is performed, in addition to poor patterning accuracy due to electric field interference, film thickness uniformity is impaired. Specifically, a nanofiber thin film of several μm or less (3 μm in actual measurement) is also formed in a portion where no electric field is applied.
優れた性能のLi二次電池を得るためには、電極表面のセパレータ膜は高い精度でパターニングされることが望まれる。しかしながら、精度よくパターニングされたセパレータ膜を、均一な膜厚で電極基材の表面に形成することは、未だ実現されていないのが現状である。 In order to obtain a Li secondary battery with excellent performance, it is desired that the separator film on the electrode surface be patterned with high accuracy. However, at present, it has not been realized to form a separator film patterned with high precision on the surface of the electrode substrate with a uniform film thickness.
本発明が解決しようとする課題は、精度よくパターニングされた膜厚均一な絶縁体膜を表面に有する電極を形成できる電極形成装置を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide an electrode forming apparatus capable of forming an electrode having an insulating film with a uniform film thickness patterned on the surface.
実施形態によれば、電極形成装置は、電極基材表面に絶縁体の膜を形成する塗布部、および前記絶縁体の膜の所定の領域を除去するパターニング部を具備する。前記パターニング部は、前記膜の除去予定領域に、前記絶縁体を透過する第一の波長のレーザ光を照射して、前記除去予定領域を前記電極基材から剥離する剥離部と、前記膜の除去予定領域を、その周囲から切断する切断部とを含むことを特徴とする。 According to the embodiment, the electrode forming apparatus includes a coating unit that forms an insulator film on the surface of the electrode substrate, and a patterning unit that removes a predetermined region of the insulator film. The patterning unit irradiates a region to be removed of the film with laser light having a first wavelength that passes through the insulator, and removes the region to be removed from the electrode substrate, The to-be-removed area includes a cutting part that cuts from the periphery thereof.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、一実施形態にかかる電極形成装置の構成を表わす概略図である。図示する形成装置10は、電極基材(図示せず)上に絶縁体膜(セパレータ膜)を塗布法により形成する塗布部11と、電極基材上の絶縁体膜の所定の領域を除去するパターニング部16とを具備する。パターニング部16は、絶縁体膜の所定の領域(除去予定領域)を下地の電極基材から剥離する剥離部13と、絶縁体膜の除去予定領域を周囲から切断する切断部15とを含む。図示する電極形成装置10においては、電極基材は、搬送ベルト17、巻き出しロール18および巻き取りロール19を含むロールツーロールの搬送機構によって搬送される。具体的には、搬送ベルト17は巻き出しロール18と巻き取りロール19とによって駆動されて、塗布部11、剥離部13、および切断部15に順に達するように、矢印A方向に電極基材を搬送する。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an electrode forming apparatus according to an embodiment. The forming
パターニング部16においては、電極基材の移動方向に沿って剥離部13と切断部15とが設けられているが、これに限定されない。図示する例とは逆に、電極基材の移動方向に沿って設けられた切断部15と剥離部13とによって、パターニング部16を構成してもよい。
In the
塗布部11においては、図2に示すように電極基材21上に絶縁体膜23が形成される。電極基材21は、1〜200μm程度の厚さの導電性箔であり、その材質は、例えば、Al、Au、Ag、Cu、Pt、および導電性ステンレス等から選択することができる。
In the application part 11, an
電極基材21上に形成される絶縁体膜23は、実質的に電子伝導性のない構造体であり、有機材料および無機材料のいずれを含んでいてもよい。薄膜化を図るために、本実施形態の装置において電極基材21上に形成される絶縁体膜23の厚さは、20μm以下程度とすることが望まれる。
The
有機材料を含む絶縁体膜は、例えば繊維状の構造体であり、繊維の材質は、例えば、ポリアミドイミド(PAI)およびポリフッ化ビニリデン(PVdF)等から選択することができる。こうした有機材料を用いた場合には、1μm以上の厚さの絶縁体膜23を作製することができる。
The insulator film containing an organic material is, for example, a fibrous structure, and the material of the fiber can be selected from, for example, polyamideimide (PAI), polyvinylidene fluoride (PVdF), and the like. When such an organic material is used, the
有機材料を含む絶縁体膜は、例えばエレクトロスピニング等の紡糸膜形成手法により形成することができる。具体的には、上述したような有機材料を有機溶媒に溶解した溶液を原料として用いて、電界の力によって繊維を形成するエレクトロスピニング装置により、電極基材25上に紡糸膜を作製する。有機溶媒は、例えばジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、アセトン、エタノール、およびメタノール等から選択することができる。
The insulator film containing an organic material can be formed by a spinning film forming technique such as electrospinning. Specifically, a spun membrane is formed on the
無機材料を含む絶縁体膜23は、例えばアルミナ等の金属酸化物の微粒子を含む樹脂を、例えば、ブレード印刷、スプレー塗布等の任意の方法により電極基材21上に印刷して形成することができる。印刷法を採用した場合には、例えば1〜100μm程度の厚さの絶縁体膜23を形成することができる。
The
剥離部13においては、絶縁体膜23の所定の領域(除去予定領域)に所定の波長の剥離用レーザを照射して、除去予定領域の絶縁体膜を下地の電極基材21から剥離する。図3を参照して、剥離部13について説明する。図3(a)に示されるように、電極基材21上に形成された絶縁体膜23の除去予定領域に剥離用レーザ光L1が照射される。剥離用レーザL1としては、絶縁体膜23を透過する波長を有するレーザ光が選択される。絶縁体膜23を透過した剥離用レーザ光L1のエネルギーは、絶縁体膜23と電極基材21との界面にエネルギーが集中する。その結果、電極基材21からの放射熱によって、図3(b)に示されるように、除去予定領域Bにおける絶縁体膜23aが電極基材21から剥離する。
In the
剥離用レーザL1の使用波長は、絶縁体膜23の材質に応じて適宜選択することができる。一般的に有機化合物は、波長の長い光ほど透過率が大きい。例えば400nm以下の波長の光透過率は10%以下であり、800nm以上の波長の光の透過率は80%以上であること知られている。なお、上述したPAIおよびPVdFは、波長365nm以下の波長の吸光度が0.1以上である。
The wavelength used for the peeling laser L1 can be appropriately selected according to the material of the
したがって、例えばエレクトロスピニングで形成された紡糸膜(有機材料)を含む絶縁体膜の場合には、この絶縁体膜を透過しやすい波長800nm以上のIRレーザが剥離用レーザとして用いられる。より具体的には、例えば波長1060nmの半導体レーザ等が挙げられる。 Therefore, for example, in the case of an insulator film including a spun film (organic material) formed by electrospinning, an IR laser having a wavelength of 800 nm or more that easily transmits through the insulator film is used as a peeling laser. More specifically, for example, a semiconductor laser having a wavelength of 1060 nm may be used.
このように、有機材料を含む絶縁体膜に照射される剥離用レーザの波長は、1200nm以下とすることが好ましい。なお、絶縁体膜の所定の領域を剥離するためにIRレーザが用いられる場合には、この絶縁体膜が形成される電極基材は、高い融点を有することが望まれる。例えば、AuおよびAg等からなる電極基材21が挙げられる。
Thus, it is preferable that the wavelength of the peeling laser applied to the insulator film containing an organic material be 1200 nm or less. When an IR laser is used to peel a predetermined region of the insulator film, it is desirable that the electrode substrate on which the insulator film is formed has a high melting point. For example, the
一方、無機材料からなる絶縁体膜の場合には、波長の短い光ほど透過率が大きいことから、波長380nm以下のUVレーザを剥離用レーザとして用いることが好ましい。このように、絶縁体膜の材質に応じて適切な波長の光を照射することによって、絶縁体膜23の除去予定領域を電極基材21から剥離することができる。
On the other hand, in the case of an insulator film made of an inorganic material, it is preferable to use a UV laser having a wavelength of 380 nm or less as a peeling laser because light having a shorter wavelength has a higher transmittance. In this way, the region to be removed of the
剥離用レーザを照射する際の方向および角度は特に限定されず、電極基材21と絶縁体膜23との界面で焦点を結ぶように剥離用レーザL1が照射されればよい。照射されるレーザは、点型およびバー型のいずれでもよいが、バー型で剥離用レーザを照射した場合には、絶縁体膜の除去予定領域をより効率よく剥離することができる。
The direction and angle at the time of irradiating the peeling laser are not particularly limited, and the peeling laser L1 may be irradiated so as to focus on the interface between the
剥離用レーザ光L1の焦点を、絶縁体膜23と電極基材21との界面に調整する制御部を設けた場合には、絶縁体膜と電極基材との界面に効率よくエネルギーを集中させて、絶縁体膜の除去予定領域を電極基材21から剥離することができる。
When a controller for adjusting the focal point of the peeling laser beam L1 at the interface between the
電極基材21から剥離された絶縁体膜23の除去予定領域は、切断部15において、周囲から切断される。切断部15においては、例えば境界にガイドを沿わせ、外力を与えて除去予定領域を引き剥がすことによって、せん断力を与えて除去予定領域を周囲から切断することができる。絶縁体膜の材質が吸収する波長のレーザ(切断用レーザ)を除去予定領域に照射した場合には、効率よく熱切断することが可能となる。
The region to be removed of the
図4を参照して、レーザを用いた切断部15について説明する。図4(a)に示されるように、電極基材21上に形成された絶縁体膜23の除去予定領域に、切断用レーザ光L2が照射される。切断用レーザ光L2は、絶縁体膜23の材質が吸収する波長であり、このレーザ光のエネルギーは絶縁体膜23表面に集中する。これによって、図4(b)に示されるように、絶縁体膜23の除去予定領域Bが周囲から切断されて除去される。
With reference to FIG. 4, the cutting
切断用レーザL2の使用波長は、絶縁体膜23の材質に応じて適宜選択することができる。例えば、エレクトロスピニングで形成された有機材料からなる紡糸膜は波長380nm以下の紫外光を吸収しやすいので、UVレーザを用いることが好ましい。有機材料を含む絶縁体膜の切断に用いるレーザは、例えば、KrFレーザ、YAGレーザ、および第三高調波レーザなどから選択することができる。なお、波長が365nm以下のUVレーザを用いた場合には、例えば切断効率が向上するといった効果が得られる。一方、無機材料からなる絶縁体膜の場合には、800nm以上のIRレーザを用いることが好ましい。
The operating wavelength of the cutting laser L2 can be appropriately selected according to the material of the
切断用レーザを照射する際の方向および角度は特に限定されず、絶縁体膜23の表面で焦点を結ぶように切断用レーザL2が照射されればよい。照射されるレーザは、点型およびバー型のいずれでもよいが、点型で切断用レーザを照射した場合には、絶縁体膜の除去予定領域を高い精度で切断することができる。
The direction and angle when irradiating the cutting laser are not particularly limited, and the cutting laser L2 may be irradiated so as to focus on the surface of the
切断用レーザ光L2の焦点を、絶縁体膜23の表面に調整する制御部を設けることによって、絶縁体膜の表面に効率よくエネルギーを集中させて、絶縁体膜23の除去予定領域を周囲から切断して除去することができる。
By providing a control unit that adjusts the focal point of the laser beam L2 for cutting on the surface of the
剥離部13および切断部15のいずれにおいても、電極基材21の材質、絶縁体膜23の材質および厚さ等を考慮して、レーザ出力を調節することが望まれる。例えば、AuはAlより融点が高いので、電極基材21としてAuを用いた場合には、Alを用いた場合よりレーザ出力を高めて絶縁体膜23の剥離および切断を行なってもよい。
In any of the peeling
AlやCuといった融点の低い金属が電極基材21として用いられる場合には、レーザ出力を調整して抑えることが求められる。一度のレーザ照射を行なっても絶縁体膜の除去予定領域を剥離または切断できない場合には、複数回繰り返してレーザを照射して目的を達成することができる。
When a metal having a low melting point such as Al or Cu is used as the
剥離用レーザの出力は、最大でも1J/cm2以下であれば、絶縁体膜23の除去予定領域を電極基材21から剥離することができる。また、切断用レーザの出力は、最大でも1J/cm2以下であれば、絶縁体膜23の除去予定領域を周囲から切断することができる。
If the output of the peeling laser is at most 1 J / cm 2 or less, the region to be removed of the
本実施形態の電極形成装置においては、塗布部11の下流に乾燥部(図示せず)およびプレス部(図示せず)を設けることもできる。乾燥部では、例えば温風や乾燥風(ドライエア)によって電極基材上の絶縁体膜を乾燥し、プレス部では、例えばロールプレスによって乾燥後の絶縁体膜を加圧する。これによって、電極基材上に形成された絶縁体膜の安定性が高められる。 In the electrode forming apparatus of this embodiment, a drying unit (not shown) and a press unit (not shown) can be provided downstream of the application unit 11. In the drying section, the insulator film on the electrode substrate is dried by, for example, warm air or dry air (dry air), and in the press section, the dried insulator film is pressurized by, for example, a roll press. This enhances the stability of the insulator film formed on the electrode substrate.
乾燥部およびプレス部は、塗布部11の下流であれば、任意の場所に設けることができる。例えば、パターニング部16の後に乾燥部を設けた場合には、より高い精度で絶縁体膜の除去予定領域を剥離/切断して除去することができる。
The drying unit and the press unit can be provided at any location as long as they are downstream of the application unit 11. For example, when the drying unit is provided after the
本実施形態の形成装置を用いることによって、図5に示されるように、パターニングされた絶縁体膜23’が電極基材21上に得られる。本実施形態においては、パターニングされた絶縁体膜23’と電極基材21とを合わせて電極25と称する。図示するように、電極25においては、絶縁体膜23が除去されて電極基材表面21aが露出している。この電極基材表面21aには、絶縁体膜は実質的に存在しない。電極基材表面21aにおいては、絶縁体膜はSEM観察によって確認されない程度であり、高い精度でのパターニングが可能である。
By using the forming apparatus of this embodiment, a
しかも、パターニングされた絶縁体膜23’においては、膜厚の均一性は何等損なわれることはない。具体的には、レーザ顕微鏡による観察の結果、パターニングされた絶縁膜23’の膜厚ばらつきは、狙い膜厚10μmに対して±5%以内であるので、均一性が優れていることが確認される。
In addition, the uniformity of the film thickness is not impaired in the patterned
<実施例>
以下に、電極形成装置の具体例を示す。
<Example>
Below, the specific example of an electrode formation apparatus is shown.
本実施例の電極形成装置を用いて、Al製の電極基材の上にパターニングされた絶縁体膜を形成する。用いた電極形成装置は、基本的には、図1に示したように、塗布部11、剥離部13、および切断部15を有する。塗布部11としては、電界の力によって繊維を形成するエレクトロスピニング装置を用いる。
Using the electrode forming apparatus of this example, a patterned insulator film is formed on an Al electrode substrate. The used electrode forming apparatus basically has a coating part 11, a peeling
ポリアミドイミド(PAI)を13.13質量%の濃度でジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解して、絶縁体膜の原料溶液を調製した。塗布部においては、この原料溶液を用いて、エレクトロスピニング装置により電極基材上に紡糸膜を作製する。印加電圧40kV、液供給量1.375mL/hの紡糸条件で成膜して、電極基材上に一様な膜(絶縁体膜)を形成した。得られた絶縁体膜の膜厚は20μmであった。 Polyamideimide (PAI) was dissolved in dimethylacetamide (DMAc) at a concentration of 13.13% by mass to prepare an insulator film raw material solution. In the coating part, a spun film is produced on the electrode base material by an electrospinning apparatus using this raw material solution. A film was formed under the spinning conditions of an applied voltage of 40 kV and a liquid supply amount of 1.375 mL / h to form a uniform film (insulator film) on the electrode substrate. The film thickness of the obtained insulator film was 20 μm.
絶縁体膜の所定の領域は、剥離部13において剥離用レーザを照射し、切断部15において切断用レーザを照射することによって除去する。剥離部13においては、剥離用レーザとして1040nmの赤外線レーザを用いる。この剥離用レーザを、絶縁体膜の除去予定領域に0.2J/cm2で照射して下地の電極基材から剥離した。
The predetermined region of the insulator film is removed by irradiating the peeling laser at the peeling
切断部15においては、切断用レーザとして、354nmの第三高調波レーザを用いた。この切断用レーザを、絶縁体膜の除去予定領域に0.5J/cm2の出力で照射して、周囲から切断して除去した。
In the cutting
こうして、絶縁体膜がパターニングされて電極基材の表面の一部が露出し、図5に示したような電極25が得られた。SEM観察の結果、露出した電極基材の表面21aには絶縁体膜の存在は確認されず、実質的に除去されていた。また、パターニングされた絶縁体膜23’の膜厚は、均一であることがレーザ顕微鏡により確認された。
In this way, the insulator film was patterned to expose a part of the surface of the electrode substrate, and the
パターニング精度が悪い絶縁体膜を有する電極、あるいは膜厚の均一性が低い絶縁体膜を表面に有する電極を用いてLi二次電池が作製された場合には、溶接後の電極抵抗が増加してしまう。上述したように、実施例の装置を用いて形成された電極は、精度よくパターニングされた均一な膜厚の絶縁体膜を表面に有している。こうした電極を用いることによって、溶接後の電極抵抗が低減されたLi二次電池が作製される。 When a Li secondary battery is fabricated using an electrode having an insulator film with poor patterning accuracy or an electrode having an insulator film with a low film thickness uniformity on the surface, the electrode resistance after welding increases. End up. As described above, the electrode formed using the apparatus of the example has an insulator film with a uniform film thickness that is patterned with high precision on the surface. By using such an electrode, a Li secondary battery with reduced electrode resistance after welding is produced.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…電極形成装置; 11…塗布部; 13…剥離部; 15…切断部
16…パターニング部; 17…搬送ベルト; 18…巻き出しロール
19…巻き取りロール; 21…電極基材; 23…絶縁体膜
L1…剥離用レーザ光; 23a…剥離した絶縁体膜; L2…切断用レーザ光
23’…パターニングされた絶縁体膜; 21a…電極基材表面; 25…電極
A…進行方向; B…除去予定領域。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記絶縁体の膜の所定の領域を除去するパターニング部を具備し、
前記パターニング部は、
前記膜の除去予定領域に、前記絶縁体を透過する第一の波長のレーザ光を照射して、前記除去予定領域を前記電極基材から剥離する剥離部と、
前記膜の除去予定領域を、その周囲から切断する切断部と
を含むことを特徴とする電極形成装置。 An application part for forming an insulator film on the surface of the electrode substrate; and a patterning part for removing a predetermined region of the insulator film;
The patterning unit includes
Irradiating the region to be removed of the film with a laser beam having a first wavelength that passes through the insulator, and a separation part for separating the region to be removed from the electrode substrate;
An electrode forming apparatus comprising: a region to be removed from the film;
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