JP2015076229A - 電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属箔に電極ペーストを塗布して形成された活物質層の端部の精度を向上させる電極の製造方法を提供する。
【解決手段】金属箔に電極ペーストを塗布して活物質層が形成される電極の製造方法であって、帯状の金属箔Ｌに電極ペーストＰを塗布する塗布工程２と、塗布工程２で塗布された電極ペーストＰを乾燥し、活物質層を形成する乾燥工程３と、乾燥工程３で乾燥した後に、帯状の金属箔Ｌに形成された活物質層の端部の一部分を除去するためにレーザー光を照射する照射工程４と、照射工程４でレーザー光を照射した後に、活物質層が形成された帯状の金属箔から電極を打抜く打抜工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属箔に電極ペーストを塗布して活物質層が形成される電極の製造方法に関する。

電池に用いられる電極を製造する方法には、帯状の金属箔に電極ペーストを塗布し、電極ペーストを乾燥させて活物質層を形成する工程と、活物質層が形成された帯状電極から個々の電極を打抜く工程が含まれる。このように形成された活物質層の端部の厚みが、塗布条件により、中央部と比べて厚くなったりあるいは薄くなったりする場合がある。また、活物質層の幅サイズが、塗布した際の電極ペーストの流れ等により、活物質層の設計寸法の幅サイズよりも広くなったりする場合がある。このような場合、製造された電極を用いる電池の特性が低下し、例えば、電極の容量（アンペア・アワー）が不足または過多になったり、リチウムイオン二次電池の場合にはリチウム析出等が発生する。そこで、例えば、特許文献１には、スラリー状の母電極活物質層を母電極集電体の所定領域に塗布した後に母電極活物質層の両端部における傾斜部にエアまたは希ガス等を吹き込み、傾斜部の凸上に突出した部分を低くする二次電池について開示されている。

特開２０１１−１１９２１６号公報

スラリー状の母電極活物質層を整形するためにエア等の吹き込みによって端部の凸部分を平らにしても、この吹き込み工程を乾燥工程の前に行った場合には吹き込み工程後にスラリー状の母電極活物質層が流れて、端部が中央部に比べて薄くなったり、幅サイズが広くなる可能性がある。また、エア等の吹き込みでは、端部の厚みや幅サイズについて高い精度が得られない可能性もある。

そこで、本技術分野では、金属箔に電極ペーストを塗布して形成された活物質層の端部の精度を向上させる電極の製造方法を提供することが望まれている。

本発明の一態様に係る電極の製造方法は、金属箔に電極ペーストを塗布して活物質層が形成される電極の製造方法であって、帯状の金属箔に電極ペーストを塗布する塗布工程と、塗布工程で塗布された電極ペーストを乾燥し、活物質層を形成する乾燥工程と、乾燥工程で乾燥した後に、帯状の金属箔に形成された活物質層の端部の一部分を除去するためにレーザー光を照射する照射工程と、照射工程でレーザー光を照射した後に、活物質層が形成された帯状の金属箔から電極を打抜く打抜工程とを含む。

この製造方法では、帯状の金属箔に電極ペーストを塗布し、塗布された電極ペーストを乾燥して活物質層を形成する。電極ペーストを乾燥させているので、乾燥後は電極ペーストが流れるようなことがなく、電極ペーストが固まった状態の活物質層が形成される。この形成された活物質層は、端部の厚みが中央部に比べて厚くなっているあるいは薄くなっている場合があり、また、幅サイズが広くなっている場合がある。そこで、この製造方法では、帯状の金属箔に形成された活物質層の端部にレーザー光を照射し、活物質層の端部の一部分を除去する。レーザー光を用いて端部の一部分を焼き取っているので、活物質層の端部を精度良く加工できる。これによって、活物質層の端部の厚みが中央部よりも厚くなっていた場合あるいは薄くなっていた場合でも、その厚みの不均一な部分が除去され、活物質層全体の厚みが均一になる。また、活物質層の幅サイズが広くなっていた場合でも、その広い部分が除去され、幅サイズが設計寸法になる。活物質層の端部の一部分を除去した後に、この製造方法では、活物質層が形成された帯状の金属箔から電極を打抜く。このように、この電極の製造方法は、帯状の金属箔に形成された活物質層の端部にレーザー光を照射して端部の一部分を除去することにより、金属箔に形成された活物質層の端部の精度を向上させることができる。その結果、製造された電極を用いた電池の特性の低下を抑制できる。

なお、活物質層の端部にレーザー光を照射する場合、両端部の精度を向上させる必要がある場合には両端部にレーザー光をそれぞれ照射する構成とし、片方の端部のみ精度を向上させる必要がある場合にはその片方の端部だけレーザー光を照射する構成とする。また、金属箔の表裏の両側に活物質層がそれぞれ形成される場合には金属箔の両側にレーザー光をそれぞれ照射する構成とし、金属箔の片側にのみ活物質層が形成される場合には金属箔の片側にのみレーザー光を照射する構成とする。

本発明の一態様によれば、帯状の金属箔に形成された活物質層の端部にレーザー光を照射して端部の一部分を除去することにより、金属箔に形成された活物質層の端部の精度を向上させることができる。

本実施の形態に係る電極の製造ラインの一部を模式的に示す図である。 乾燥工程後の帯状電極の幅方向の断面図である。 照射工程中の帯状電極を示す図であり、（ａ）が幅方向の断面図であり、（ｂ）が平面図である。 照射工程後の帯状電極を示す図であり、（ａ）が幅方向の断面図であり、（ｂ）が平面図である。 打抜工程前の帯状電極と打抜工程後の電極を示す図であり、（ａ）が打抜工程で打抜かれる形状を示す帯状電極の平面図であり、（ｂ）が打抜工程で打抜かれた電極の平面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電極の製造方法の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施の形態では、本発明を、電池に用いられる電極の製造ラインに組み込まれる塗布工程、乾燥工程、照射工程、打抜工程を含む電極の製造方法に適用する。本実施の形態では、その他の電極の製造工程については説明を省略する。なお、製造される電極は、例えば、二次電池又は電気二重層キャパシタ等の蓄電装置に用いられる。二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。また、製造される電極は、一次電池に用いられてもよい。本実施の形態では、リチウムイオン二次電池に用いられる電極を製造する場合とする。

電極は、金属箔の少なくとも一面に電極ペーストがそれぞれ塗布されて活物質層が形成されており、電極ペーストが塗布されていないタブも有している。金属箔は、例えば、銅箔、アルミニウム箔である。電極ペーストは、活物質、バインダ、溶剤等を含んでいる。活物質は、正極活物質及び負極活物質のいずれであってもよい。正極活物質としては、例えば、複合酸化物、金属リチウム、硫黄である。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。負極活物質は、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素である。溶剤は、例えば、ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）、メタノール、メチルイソブチルケトン等の有機溶剤、水である。また、電極ペーストは、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の導電助剤を含んでいてもよい。また、電極ペーストは、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等の増粘剤を含んでいてもよい。

図１〜図５を参照して、本実施の形態に係る製造ライン１（特に、塗布工程２、乾燥工程３、照射工程４、打抜工程（図示せず））について説明する。図１は、電極の製造ライン１の一部を模式的に示す図である。図２は、乾燥工程後の帯状電極の幅方向の断面図である。図３は、照射工程中の帯状電極を示す図である。図４は、照射工程後の帯状電極を示す図である。図５は、打抜工程前の帯状電極と打抜工程後の電極を示す図である。

製造ライン１では、帯状の金属箔Ｌに電極ペーストＰを塗布して、その塗布した電極ペーストＰを乾燥し、活物質層Ａを形成する。そして、製造ライン１では、その活物質層Ａが形成された帯状の金属箔Ｌ（帯状電極ＢＥ）の幅方向の両端部にレーザー光をそれぞれ照射し、両端部の一部分をそれぞれ除去する。さらに、製造ライン１では、帯状電極ＢＥから個々の電極Ｅを打抜く。なお、この製造ライン１は、金属箔Ｌの表裏の一面にのみ活物質層Ａを形成し、金属箔Ｌの幅方向において２個の電極Ｅ，Ｅを製造する２条取りの製造ラインとする。

図１に示すように、この塗布工程２、乾燥工程３、照射工程４における工程においては、ロール状に巻き取られている帯状の金属箔Ｌが巻出ロール５から送り出され、各工程を順次経由した後、巻取ロール６で金属箔Ｌに活物質層Ａが形成された帯状電極ＢＥがロール状に巻き取られる。この巻出ロール５と巻取ロール６及び複数の補助ロール７による搬送速度や巻出ロール５と巻取ロール６の作動／停止等は、製造ライン１の制御装置（図示せず）及び各ロールを駆動する駆動装置（図示せず）によって制御される。この搬送速度は、例えば、１０ｍ／ｍｉｎである。搬送中は、帯状の金属箔Ｌ（帯状電極ＢＥ）に所定のテンション（張力）がかかっている。図示しない打抜工程は、これらの各工程２，３，４の後工程で行われる。

塗布工程２は、帯状の金属箔Ｌ上に活物質層Ａを形成するための電極用の電極ペーストＰを塗布する工程である。塗布工程２は、金属箔Ｌ上に電極ペーストＰを塗布するガン２３を備える。容器２０には、投入口２０ａからそれぞれ投入された活物質、バインダ、溶剤等が攪拌翼２０ｂによって混練・攪拌された電極ペーストＰが貯蔵されている。ガン２３には、この容器２０から供給管２１を介してポンプ２２によって電極ペーストＰが供給される。また、ガン２３に対向して、塗布ロール２４が配置されており、金属箔Ｌを支持している。ガン２３では、供給された電極ペーストＰが内部のマニホールド２３ａに一旦溜まり、マニホールド２３ａから先端のノズル２３ｂに電極ペーストＰが押し出され、ノズル２３ｂから金属箔Ｌ上に電極ペーストＰを吐出する。このように、ガン２３は、ダイ方式の塗布装置の一部をなす。塗布工程２でのポンプ２２等の制御は、図示しない制御装置によって行われる。なお、塗布工程２では、２条取りで必要となる活物質層Ａの幅サイズ（設計寸法）よりも幅方向の各端部においてそれぞれ所定量幅広で電極ペーストＰを塗布する。この幅広にする所定量は、実験等によって適宜設定され、例えば、数ｍｍ程度である。なお、塗布方式としては、ダイ方式以外のコンマロール方式等の塗布も適用可能である。

乾燥工程３は、塗布工程２で帯状の金属箔Ｌ上に塗布された電極ペーストＰを乾燥し、電極ペーストＰ中の溶剤を除去する工程である。乾燥工程３は、乾燥炉３０を備える。乾燥炉３０内には、補助ロール７により案内される帯状の金属箔Ｌの経路に沿って、加熱手段が配置されている。電極ペーストＰが塗布された金属箔Ｌは、乾燥炉３０内を通過している間に加熱され、電極ペーストＰ中の溶剤が除去され、金属箔Ｌ上に活物質層Ａが形成される。

図２には、乾燥工程３での乾燥後の帯状電極ＢＥの一例を示しており、帯状の金属箔Ｌの一面に設計寸法よりも幅広の活物質層Ａが形成されている。この帯状電極ＢＥの場合、幅方向の両端部が中央部よりそれぞれ厚くなっており、凸部Ｃ，Ｃがある。このような凸部Ｃ，Ｃの幅方向の長さや塗布された電極ペーストＰが幅方向に流れる長さ等を実験によって収集し、塗布工程２で幅広に塗布する上記所定量を設定すればよい。なお、乾燥工程３で電極ペーストＰを乾燥させているので、乾燥後は電極ペーストＰが流れるようなことがなく、電極ペーストＰが固まった状態の活物質層Ａが形成される。

照射工程４は、乾燥工程３で電極ペーストＰを乾燥させた後に、帯状の金属箔Ｌ上に活物質層Ａが形成された帯状電極ＢＥの活物質層Ａの幅方向の両端部にレーザー光をそれぞれ照射し、活物質層Ａの両端部の一部分をそれぞれ除去する工程である。照射工程４は、レーザー光照射装置４０を備える。図３に示すように、レーザー光照射装置４０は、補助ロール７により案内される帯状電極ＢＥの活物質層Ａが形成されている側の上方において、幅方向の両側に照射部４０ａがそれぞれ配置されている。照射部４０ａは、レーザー光ＬＬが活物質層Ａの幅方向の端部に照射されるように、配設位置及び取付角度等が調整されている。照射部４０ａから照射されるレーザー光ＬＬの幅は、活物質層Ａの幅方向の端部において焼き取られる部分の所定長さと同じ幅でもよいし、あるいは、焼き取られる部分の所定長さより狭い幅でもよい。レーザー光ＬＬの幅が焼き取られる部分の所定長さと同じ幅の場合には照射部４０ａは固定であり、レーザー光ＬＬの幅が焼き取られる部分の所定長さより狭い幅の場合には照射部４０ａはレーザー光ＬＬが幅方向に移動できるように照射角度等が可変な構造であり、照射中のレーザー光ＬＬが幅方向に移動するように制御される。レーザー光照射装置４０では、所定の波長のレーザー光（電磁波）を発生させ、照射部４０ａ，４０ａから活物質層Ａの幅方向の各端部にレーザー光ＬＬをそれぞれ照射する。レーザー光照射装置４０に対する制御は、図示しない制御装置によって行われる。

なお、レーザー光照射装置４０で用いるレーザー光（電磁波）の波長は、特に限定しない。但し、活物質層Ａに含まれる各物質に応じて、レーザー光で焼き取り易い波長の電磁波があれば、その波長の電磁波のレーザー光を用いるとよい。この好適な波長については、実験等によって適宜設定するとよい。また、活物質層Ａの端部において焼き取られる所定長さは、塗布工程２で幅広に塗布する所定量分の長さである。

図４には、照射工程４での活物質層Ａの両端部の一部分が焼き取られた後の帯状電極ＢＥの一例を示している。両端部が焼き取られた後の活物質層Ａは、両端部に図２に示す例のような凸部Ｃ，Ｃ等がない。この活物質層Ａの両端部の側面は、図４（ａ）に示すように、金属箔Ｌに対して垂直な面になっている。両端部が焼き取られた後の活物質層Ａの厚みは、幅方向において中央部から各端部まで同程度の厚みとなり、均一な厚みとなっている。この均一の厚みは、設計上の規格内に入っている。両端部が焼き取られた後の活物質層Ａの幅サイズは、２条取りで必要となる活物質層Ａの幅サイズ（設計寸法）となっている。この活物質層Ａの両端部の外側には、レーザー光ＬＬで焼き取った痕Ｖ，Ｖが残っている場合がある。

打抜工程は、帯状電極ＢＥから電極をそれぞれ打抜く工程である。打抜工程は、従来の周知の電極を打抜くための打抜装置（図示せず）を備えている。打抜装置では、帯状電極ＢＥの所定の箇所を裁断し、帯状電極ＢＥから製品となる大きさかつ形状の電極を打抜く。打抜装置に対する制御は、図示しない制御装置によって行われる。

２条取りの場合、図５（ａ）に示すように、破線で示す箇所が裁断され、金属箔Ｌの所定部分が切り取られ、幅方向において２個の電極Ｅ，Ｅが打抜かれる。打抜かれた電極Ｅは、図５（ｂ）に示すように、金属箔Ｌの一面に活物質層Ａが形成された部分と活物質層Ａが形成されていない部分があり、活物質層Ａが形成されていない部分がタブＴになる。このタブＴの一部分にレーザー痕Ｖが残っている場合があるが、電池の性能に対して影響を与えない。

図１〜図５を参照して、上記構成の製造ライン１における塗布工程２、乾燥工程３、照射工程４及び打抜工程の作用について説明する。

巻出ロール５と巻取ロール６が作動すると、巻出ロール５から金属箔Ｌが送り出され、所定のテンションがかけられた状態で金属箔Ｌが所定の搬送速度で巻出ロール５と巻取ロール６間で搬送される。金属箔Ｌの搬送を開始すると、塗布工程２、乾燥工程３及び照射工程４の各工程も稼働する。打抜工程は、これらの各工程とは別の後工程において稼働する。

塗布工程２では、ポンプ２２が作動し、容器２０から供給管２１を介してガン２３に電極ペーストＰを供給する。ガン２３では、電極ペーストＰがマニホールド２３ａに一旦溜まり、マニホールド２３ａからノズル２３ｂに電極ペーストＰを押し出し、ノズル２３ｂから塗布ロール２４で支持されている金属箔Ｌ上に電極ペーストＰを塗布する。この際、金属箔Ｌ上に、設計寸法よりも所定量幅広に電極ペーストＰが塗布される。

乾燥工程３では、乾燥炉３０内に電極ペーストＰが塗布された金属箔Ｌが入ると、乾燥炉３０内に配置された加熱手段が電極ペーストＰを加熱し、電極ペーストＰ中の溶剤を蒸発させ、電極ペーストＰが乾燥する。これによって、金属箔Ｌ上に活物質層Ａ（設計寸法より幅広のサイズ）が形成される。

照射工程４では、レーザー光照射装置４０に活物質層Ａが形成された帯状電極ＢＥが搬送されてくると、レーザー光照射装置４０の照射部４０ａ，４０ａから活物質層Ａの幅方向の各端部にレーザー光ＬＬをそれぞれ照射する。ここでは、活物質層Ａの幅方向の各端部の一部分がレーザー光ＬＬでそれぞれ焼き取られ、活物質層Ａの幅サイズが設計寸法になるとともに、活物質層Ａの端部が中央部よりも厚くなっていた場合あるいは薄くなっていた場合でもその厚みの不均一な部分が除去され、活物質層Ａ全体の厚みが均一になる。

プレス工程等を経て打抜工程になると、打抜工程では、打抜装置で帯状電極ＢＥの所定の箇所を裁断し、帯状電極ＢＥから電極を打抜く。

この製造ライン１による電極の製造方法によれば、帯状の金属箔Ｌに形成された活物質層Ａの各端部にレーザー光をそれぞれ照射して各端部の一部分をそれぞれ除去することにより、金属箔Ｌに形成された活物質層Ａの幅方向の端部の精度を向上させることができる。端部の精度の向上としては、端部を中央部と同程度の厚みにでき、活物質層Ａ全体の厚みを均一にできる。また、端部の精度の向上としては、端部の一部分を高精度に除去して、活物質層Ａの幅サイズを設計寸法にできる。その結果、製造された電極を用いた電池の特性の低下を抑制できる。例えば、電極の容量として設計容量を確保できたり、リチウムイオン二次電池の場合にはリチウム析出を抑制できる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、本実施の形態では金属箔の表裏の一面に活物質層を形成した電極を例にして説明したが、金属箔の両面に活物質層をそれぞれ形成した電極にも適用可能である。また、本実施の形態では幅方向に２個の電極を製造する２条取りを例にして説明したが、幅方向に１個の電極を製造する１条取りにも適用可能である。

また、本実施の形態では幅方向の両側にレーザー光を照射する構成としたが、幅方向の一方側については打抜工程等において端部の厚みやサイズの精度を十分に確保できる場合、幅方向の他方側にだけレーザー光を照射する構成としてもよい。

１…製造ライン、２…塗布工程、３…乾燥工程、４…照射工程、５…巻出ロール、６…巻取ロール、７…補助ロール、２０…容器、２０ａ…投入口、２０ｂ…攪拌翼、２１…供給管、２２…ポンプ、２３…ガン、２３ａ…マニホールド、２３ｂ…ノズル、２４…塗布ロール、３０…乾燥炉、４０…レーザー光照射装置、４０ａ…照射部。

Claims (1)

1. 金属箔に電極ペーストを塗布して活物質層が形成される電極の製造方法であって、
   帯状の金属箔に電極ペーストを塗布する塗布工程と、
   前記塗布工程で塗布された電極ペーストを乾燥し、活物質層を形成する乾燥工程と、
   前記乾燥工程で乾燥した後に、帯状の金属箔に形成された活物質層の端部の一部分を除去するためにレーザー光を照射する照射工程と、
   前記照射工程でレーザー光を照射した後に、活物質層が形成された帯状の金属箔から電極を打抜く打抜工程と、
   を含む、電極の製造方法。