JP2015053204A - 電極製造装置および電極製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極にダメージや変形を与えることなく、凹部を形成する電極製造装置およびその方法を提供する。【解決手段】電極製造装置は、凸部１２を有する一対のプレス部１を備える。一対のプレス部１が電極３を挟持したときに、各プレス部１が有する凸部１２が前記電極を挟んで対向するように、凸部１２がプレス本体１１に設けられる。電極製造装置は、一対のプレス部１が電極３を挟持して凹部３３を形成するように構成される。これにより、凸部１２が機械的に凹部３３を形成し、電極３へダメージや変形を抑制する。【選択図】図１

Description

リチウムイオン二次電池の製造装置およびその方法に関し、例えば、電極に凹部を形成する電極製造装置およびその方法に関する。

リチウムイオン二次電池ではエネルギー密度を高くする改良がなされている。例えば、電極層を厚く・高密度にすると、エネルギー密度の向上を図ることができる。その一方で、膜厚が増加し、空隙が減少するため、リチウムイオンの伝導性が低下する。このとき、電極内に電解液が十分に保有されていれば、リチウムイオンの伝導は阻害されない。例えば、電極表面に微細な凹部を設けると電解液を保有することができるため、リチウムイオンの伝導性を改善することができる。
電極表面に微細な凹部を設ける手法として、例えば、レーザーやエッチングにより電極に凹部を形成する加工、凸部を有するローラで電極をプレスして電極に凹部を形成する加工などがある。
例えば、特許文献１には、正極電極及び負極電極の少なくとも一方の電極の活物質層の表面を、複数の凸部が点在した一対のローラでプレスすることにより、複数の凹凸部が電極表面に点在するように形成する方法が開示されている。

特開２０１３−０７３８１２号公報

しかしながら、レーザーやエッチングによる加工では、凹部形成の加工時に電極の粒子に熱や化学反応などのダメージを与えるという問題がある。また、プレス加工では、凹部周辺の密度の不均一や、線圧不均一による粒子の盛り上がりや電極の変形が生じるという問題がある。例えば、特許文献1のように、ローラプレスの一方に設けられた凸部が他方に設けられた凸部と対応しないように配置されていると、薄い電極に対して加工を施す場合には電極が変形する恐れがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電極にダメージや変形を与えることなく、凹部を形成する電極製造装置およびその方法を提供する。

本発明に係る電極製造装置の一態様は、凸部を有する一対のプレス部を備える。前記一対のプレス部が電極を挟持したときに、各プレス部が有する前記凸部が前記電極を挟んで対向するように構成される。電極製造装置は、前記一対のプレス部が電極を挟持して凹部を形成する。これにより、凸部が機械的・物理的に凹部を形成し、電極へダメージや変形を抑制する。

本発明に係る電極製造装置の一態様において、前記プレス部が前記電極を挟持したときに線圧が一定になるように、前記凸部が各プレス部に設けられることが好ましい。また、前記一対のプレス部が電極を挟持したときに、一方のプレス部が有する前記凸部と、他方のプレス部が有する前記凸部とが直線上に配置されるように構成されることが好ましい。言い換えると、一対のプレス部が前記電極を挟持したときに、一方のプレス部が有する前記凸部と、他方のプレス部が前記電極の表裏で同じ位置をプレスするように配置されることが好ましい。または、前記一対のプレス部が前記電極を挟持するときに、前記電極と前記凸部との間の隙間が生じないように構成されていることが好ましい。

本発明に係る電極製造装置の一態様において、前記一対のプレス部が一対のローラ、または平板プレスであることが好ましい。

また、本発明に係る電極製造方法の一態様は、凸部を有する一対のプレス部を備える電極製造装置を用いる電極製造方法であって、前記一対のプレス部が、各プレス部が有する凸部が対向するように電極を挟持し、前記凸部が電極に凹部を形成する。

本発明に係る電極製造方法の一態様において、一対のプレス部が前記電極を挟持したときに、一方のプレス部が有する前記凸部と、他方のプレス部が有する前記凸部とが直線上に配置されるように、前記一対のプレス部が電極の両側を挟み込むことが好ましい。前記電極と前記凸部との間の隙間が生じないように、前記一対のプレス部が前記電極を挟持することが好ましい。

本発明に係る電極製造装置の一実施形態によれば、電極にダメージや変形を与えることなく、凹部を形成することができる。

実施形態１に係る電極製造装置が電極を製造する工程の概略を説明する図である。 実施形態１の電極製造装置のプレス部が電極をプレスするときの状態を説明する図である。 レーザーやエッチングによる凹部形成の問題点を説明する図である。 図３の方法による形成された凹部の一例を示す写真である。 特許文献１の問題点を説明する図である。 一対のロールにより構成される電極製造装置の一例を示す図である。 比較例１の凹部の正面写真である。 比較例１の凹部周辺の断面写真である。 実施例２の凹部の正面写真である。 実施例２の凹部周辺の断面写真である。

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。

一実施形態の電極製造装置は、少なくとも、凸部を設けた一対のプレス部を有し、各プレス部の凸部が対向するように設けられる。そして、一対のプレス部が電極をプレスして凹部（凹形状、穴、凹み）を形成するように構成される。
以下、図を参照して各実施形態の態様を説明する。

図１は、実施形態１に係る電極製造装置が電極を製造する工程の概略を説明する図である。電極製造装置が有するプレス部１は、プレス本体１１と凸部１２とを有する。プレス本体１１に配置される凸部１２は、所定のピッチで搬送方向千鳥配置、または、格子配置などを採ることができる。また、凸部１２は、プレス本体１１の表面に凸形状を形成するものであればよい。例えば、凸部１２の形状は、かまぼこ型、直方体、円柱、角柱などのプレス本体の表面から盛上った形状、あるいは、円錐、四角錐、多角錐など、先端が尖った形状など、多種多様な多面体により形成することができる。

図１では、電極製造装置のプレス部１が電極３をプレス加工する工程を示している。電極３は、集電箔３１（集電体）の両側に電極合材層３２（活物質層）を有する。電極合材層３２は、正極または負極の活物質、バインダー、導電助剤等を含む電池材料からなり、集電箔３１の両面に塗布される。
図１を参照してプレス部１が実施するプレス工程の概略を説明する。プレス部１は、電極３の両側に配置される（図１の左側の図）。プレス部１が電極３を挟み込むと、凸部１２が電極合材層３２にくい込むとともに電極３をプレスする（図１の中央の図）。プレス部１による電極３のプレスが終了すると、電極３がプレスされ、密度が調整されるとともに、電極合材層３２に凹部３３が形成される（凹部形成、穴加工）。

本実施形態では、プレス部１が電極３をプレスするときに、各プレス部１が有する複数の凸部１２が、電極３を挟んで対向するように設けられる。言い換えると、電極３の表裏（両面）の同じ位置に各凸部１２が対向するように各プレス部１に設けられている。従って、一対のプレス部１が電極３を挟持すると、凸部１２同士が直線上に配置され、電極の表裏から同じ位置へ圧力をかけることになる。図２にプレス部１が電極３をプレスするときの状態を模式的に表す。各凸部１２の先端に黒塗りの矢印で示す方向が圧力のかかる方向である。凸部１２それぞれが対向する凸部１２と直線上に配置されることになるため、電極３に対して均等な圧力をかけることができる。

続いて、実施形態１の電極製造装置の特徴を詳細に説明する。
（１）凸部（微細加工）を有するプレス部（機械加工プレス）
微細加工を施したプレス装置（プレス部１）によって凹部を機械的に形成する。具体的には、プレス部１は、微細加工により形成された凸部１２を有し、電極３を機械的に加工する。凸部１２は、微細な形状であり、例えば、１μｍから１０００μｍの範囲の凹部３３を形成できるように微細加工される。
電極３がプレス部１によって挟持されると、凸部１２が電極合材層３２の粒子を物理的に押しのける。このため、熱や化学反応による電池材料の粒子にダメージを与えることなく凹部３３を形成することができる。

例えば、従来の技術では、図３に示すように、電極３Ｐの電極合材層３２Ｐ（図３の左側）へレーザーやエッチングして、凹部３３Ｐを形成する（図３の右側）。このような技術で凹部形成した場合、電極合材層３２Ｐの粒子へ熱反応や化学反応を生じさせ、ダメージを与える。図４にレーザーやエッチングにより凹部を形成したときの電極表面の走査型電子顕微鏡写真（Scanning Electron Microscope:SEM）を示す。図４は、図３で示す手法により形成された凹部３３Ｐ周辺の写真の一例を示すものである。図４に示すように、凹部３３Ｐを形成した加工部周辺の粒子にダメージが与えられている。図４中、白塗りの矢印で示す箇所が凹部の加工部周辺である。

（２）一定線圧による密度調整と凹部形成
プレス線圧が一定になるように微細加工を施したプレス部１により、乾燥後の電極３に対して、電極３の密度調整（プレス）と凹部形成とを同時に行う。電極３の密度調整は、例えば、プレス部１が電極３を挟持して圧力を加えることによって、１．０〜４．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３（１．０〜４．０ｇ／ｃｃ）に調整する。プレス部１を用いることにより、凹部３３を形成する周囲も含めて、電極合材層３２の密度（硬さ）を均一にしながら凹部３３を形成（穴加工）することができる。
一定線圧による微細加工を施したプレス装置とは、例えば、すべての微細加工した凸部１２間の距離を一定（すべての微細加工凸部間距離を一定）にした装置である。最近接の凸部までの距離（隣接する凸部間の距離）が凸部１２により異なると、プレス線圧が不均一になる。また、密度調整後の電極で凹部形成した場合、空隙が少なく、粒子が逃げられないため密度不均一が生じる。さらに、表裏のプレス線圧が一定でないと、凹部周辺の密度不均一、電極体の変形が生じる。さらに加えて電極表面方向のみに粒子逃げが可能なため、粒子盛り上がりが生じる。

密度調整前の電極は空隙を多く有することから、凹部形成時に粒子が逃げ、局所的に密度が変化してしまう。本実施形態のプレス部１は、電極全体（凹部形成部も含め）に一定にプレス線圧がかかるため、密度を均一にしながら凹部形成を実施することができる。
加えて、未プレスの電極はやわらかい状態であり、電極に穴をあけるときに、凹部周辺の電極が周りに逃げ易く、電極の粗密ができにくくなる。また、未プレスの電極がやわらかいことから、上記の（１）で記載した、凸部１２が電極合材層３２の粒子を物理的に押しのけやすくなる。これに対して、プレスした後に穴をあけると、凹部周辺の電極の逃げ場がなく、凹部周辺の電極が密に、隣接する凹部間の電極が疎になる。
本実施形態では、一定線圧によって密度調整及び凹部形成を実施することにより、凹部周辺の密度の不均一を抑制する。また、線圧不均一による電極の変形を抑制する。

線圧不均一による電極の変形に関して、例えば、特許文献１の技術のように、一方のローラの凸部と他方のローラの凸部とが対向しないように点在するロール型プレス装置を用いる場合について、図５を参照して説明する。図５に特許文献１の技術で厚さが薄い電極に凹部形成を施した場合の電極の断面形状を模式的に示す。一方のローラの凸部からの圧力と他方のローラの凸部からの圧力とが電極３Ｐに対して直線上にかけられることなく、別の位置にかけられる。黒塗りの矢印で凸部からの圧力がかけられた方向、位置を示す。図５に示すように、電極３Ｐ表面や電極３Ｐの表裏の線圧が不均一になり、凹部３３Ｐ周辺の密度が不均一になる。また、線圧不均一によって、粒子の盛上りや電極３Ｐの変形、電極の集電箔３１Ｐに変形が生じる。

（３）プレス装置と電極間のクリアランス距離をゼロ、及び表裏線圧一定配置
プレス部１と電極３間のクリアランス距離（隙間）をゼロにし、プレス部１と電極３とを密接させながら加工する。かつ、電極断面で見たとき表裏のプレス線圧が一定になるように凸部１２を配置する。表裏のプレス線圧が一定になるようにするために、電極３の表裏に均一な圧力がかかるようにプレス部１に設ける凸部１２の配置を調整する。例えば、電極３の表裏にから電極３を挟持するプレス部１の凸部１２（以降、適宜「電極３の表裏から電極３を挟持するプレス部１の凸部１２」を適宜「表裏の凸部１２」とも記載する）の高さを揃える。これにより、プレス線圧が逃げることがなくなり、凹部３３周辺の電極合材層３２の粒子の逃げや集電箔３１の変形を抑制することができる。クリアランスがある状態で密度調整及び凹部形成を行うと、電極表面方向に粒子が逃げ、凹部３３表面が隆起する。また、表裏の凸部１２による線圧が一定でない場合、電極３の厚さ方向に電極３が変形してしまう。
本実施形態では、プレス装置と電極間のクリアランス距離をゼロにするとともに、表裏のプレス線圧が一定になるようにすることにより、電極合材層３２の粒子の盛上りや電極３（集電箔３１）の変形を抑制する。

以上説明したように、本実施形態の電極製造装置では、プレス部１（プレス装置）が上述した（１）から（３）の特徴を有することにより、凹部形成時に生じる電極合材層３２の粒子対するダメージの防止、凹部周辺の密度均一化、及び、電極合材層３２の粒子の盛上りや電極の変形の抑制を実現することができる。これらは、１μｍ以上１０００μｍ未満の穴加工を実施するときに有利な効果として顕著となる。
加えて、本実施形態では、凸部１２は、微細加工によって１μｍから１０００μｍのサイズでプレス本体１１へ設けられる。例えば、自動車用の電極の厚さは一般的に１０００μｍ以下、実質片面２００μｍ（電極合材層３２の片面厚さ）である。例えば、特許文献１の凸部が１μｍから１０μｍのピッチでプレス加工するため、セル性能の効果が生じない。これに対して、本実施形態では微細加工された凸部１２を用いるため、セル性能の向上に役立つ。

実施形態２．
実施形態１のプレス部１を、ローラ型プレス法を採用する装置（ローラ型プレス装置）に適用する一態様を説明する。図６に実施形態１のプレス部１をローラ型プレス法に適用した場合の電極製造装置の一例を示す。図６では、プレス部１をローラ（ロール型プレス、プレスローラ）により実現する例である。図６では、プレス部１を構成する一対のローラ５を側面から見た図を示す。各ローラ５は、ローラ本体５１と凸部５２とから構成される。凸部５２は、一対のローラ５が電極３を挟んだときに対向するように配置される。図５の例では、電極３は右側から左側に搬送され、一対のローラ５に挟持され、密度調整及び凹部形成が実施される。なお、図６では、電極を搬送する手段などのプレス部１を構成する一対のローラ５以外の手段については省略している。加えて、ローラ５が備える凸部５２は、模式的に示したものであり、実際にはより多くの微細な凸部５２が配置されている。

また、実施形態１のプレス部１は、平板プレス法を採用する装置（平板プレス装置）にも適用可能である。この場合、プレス部１は、一対の平板プレスにより構成される。一対の平板プレスは、電極３を挟んで対向する表面に、図１に示すような凸部１２を有する。
ローラ型プレス法または平板プレス法により電極３がプレスされると、プレスされた電極３の表面は、膜状に微細な穴が開いているような形状となる。

実施形態１のプレス部１をロール型プレス法、平板プレス法の装置に適用した場合にも、実施形態１で説明した効果を奏することができる。

［実施例］
実施例１，２、比較例１ともに実験条件の項目に示す正極及び負極を用いた。また、密度調整及び穴加工（凹部形成）については、実施例１では、ロール型プレス法、実施例２では、平板プレス法により実施した。比較例１では、密度調整をロール型プレス法、凹部形成を平板プレス法と別々の手法により実施した。詳細を、穴加工及び密度調整の項目に実施例、比較例それぞれについて示す。

実験条件：
正極：
活物質：三元系正極活物質
バインダー：ポリフッ化ビリニデン（ＰＶｄＦ）
導電助剤：アセチレンブラック（ＡＢ）
アルミ箔厚さ：１５μｍ
電極厚さ：２００μｍ（片側９２．５μｍ）
密度：１．８×１０^３ｋｇ／ｍ^３から２．８×１０^３ｋｇ／ｍ^３へ調整
（１．８→２．８ｇ／ｃｃ）
加工線圧：５００ｋＮ／ｃｍ
負極：
活物質：天然黒鉛
バインダー：スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）
導電助剤：アセチレンブラック（ＡＢ）
銅箔厚さ：１０μｍ
電極厚さ：３００μｍ（片側１４５μｍ）
密度：１．１×１０^３から１．３×１０^３ｋｇ／ｍ^３へ調整
（１．１→１．３ｇ／ｃｃ）
加工線圧：５００ｋＮ／ｃｍ

穴加工及び密度調整：
［実施例１］
ロール型プレス装置
プレス部：Φ１００ｍｍロール型プレス
凸部形状：２００μｍ角、四角錐凸部
凸部配置間隔：２００μｍピッチ、搬送方向千鳥配置
凸部深さ：５０μｍ
クリアランス：：０ｍｍ
凸部配置：表裏同一
［実施例２］
平板プレス装置
プレス部：９０ｍｍ 平板プレス
凸部形状：Φ４０μｍ、円錐凸部（先端部３０度の傾斜）
凸部配置間隔：１００μｍピッチ、千鳥配置
凸部深さ：５０μｍ
クリアランス：：０ｍｍ
凸部配置：表裏同一
［比較例１］
ロール型プレス装置および平板プレス装置
密度調整のプレス部：Φ２００ｍｍロール型プレス
穴加工のプレス部：９０ｍｍ平板プレス
凸部形状：Φ４０μｍ、円錐凸部（先端部３０度の傾斜）
凸部配置間隔：縦８００μｍピッチ、横８００ピッチ、格子配置
凸部深さ：５０μｍ
クリアランス：：１ｍｍ
凸部配置：表裏凸部が異なる配置

試験結果：
図７乃至図１０に比較例１及び実施例２により形成された凹部の電子顕微鏡写真を示す。比較例１によって形成された凹部の形状は、図７に示すように、凹部表面に粒子が隆起している状態が見られた。また、図８に示すように、凹部周辺の断面は、密度の疎密が生じている。また、集電箔に変形が生じている。
実施例２によって形成された凹部の形状は、図９に示すように、凹部表面に粒子が隆起する現象が生じていない。また、図１０に示すように、凹部周辺の断面は、密度が均一となり、疎密が生じていない。加えて、集電箔にも変形が生じていない。
実施例１は、実施例２と同様の結果が見られた。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ プレス部
１１ プレス本体
１２ 凸部
３、３Ｐ 電極
３１、３１Ｐ 集電箔
３２、３２Ｐ 電極合材層
３３、３３Ｐ 凹部

Claims (10)

1. 凸部を有する一対のプレス部を備え、
   前記一対のプレス部が電極を挟持したときに、各プレス部が有する前記凸部が前記電極を挟んで対向するように構成された電極製造装置。
2. 前記プレス部が前記電極を挟持したときに線圧が一定になるように、前記凸部が各プレス部に設けられた請求項１記載の電極製造装置。
3. 前記一対のプレス部が前記電極を挟持したときに、一方のプレス部が有する前記凸部と、他方のプレス部が有する前記凸部とが直線上に配置されるように構成された請求項１または２記載の電極製造装置。
4. 前記一対のプレス部が前記電極を挟持したときに、一方のプレス部が有する前記凸部と、他方のプレス部が前記電極の表裏で同じ位置をプレスするように配置されるように構成された請求項１または２記載の電極製造装置。
5. 前記一対のプレス部が前記電極を挟持するときに、前記電極と前記凸部との間の隙間が生じないように構成されている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電極製造装置。
6. 前記一対のプレス部が一対のローラである請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電極製造装置。
7. 前記一対のプレス部が一対の平板プレスである請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電極製造装置。
8. 凸部を有する一対のプレス部を備える電極製造装置を用いる電極製造方法であって、
   前記一対のプレス部が、各プレス部が有する凸部が対向するように電極を挟持し、
   前記凸部が電極に凹部を形成する電極製造方法。
9. 一方のプレス部が有する前記凸部と、他方のプレス部が有する前記凸部とが直線上に配置されるように、前記一対のプレス部が電極の両側を挟み込む請求項８記載の電極製造方法。
10. 前記電極と前記凸部との間の隙間が生じないように、前記一対のプレス部が前記電極を挟持する請求項８または９記載の電極製造方法。