JP2015149138A - 塗工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】塗工時の電極ペーストの品質を向上した塗工装置を提供することを課題とする。
【解決手段】金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置であって、電極ペーストを貯留する貯留部と、電極ペーストを金属箔に塗工する塗工部と、貯留部と塗工部との間を接続し、電極ペーストの流路となる接続管と、接続管に設けられるフィルタとを備え、フィルタは、複数の貫通孔24aを有し、貫通孔24aの上流側に凸部24cがそれぞれ形成されており、凸部24cは、上流端及び下流端が開口した中空の凸部であり、側面にスリット24gが形成されている。
【選択図】図3
【解決手段】金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置であって、電極ペーストを貯留する貯留部と、電極ペーストを金属箔に塗工する塗工部と、貯留部と塗工部との間を接続し、電極ペーストの流路となる接続管と、接続管に設けられるフィルタとを備え、フィルタは、複数の貫通孔24aを有し、貫通孔24aの上流側に凸部24cがそれぞれ形成されており、凸部24cは、上流端及び下流端が開口した中空の凸部であり、側面にスリット24gが形成されている。
【選択図】図3
Description
本発明は、金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置に関する。
リチウムイオン二次電池等の電池の電極の製造には、金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置が用いられる。塗工装置には、塗工前に電極ペーストを濾過するために、塗工部に繋がる接続管にフィルタが設けられているものがある。例えば、特許文献1には、電極ペーストの塗工装置において、電極ペーストを塗工部へ流通させる接続パイプにフィルタが設けられ、このフィルタが最大目開き部分から最小目開き部分までの助走距離が最小目開き部分における幅の1/2の寸法よりも長くなるような楕円の断面形状を有する線材を網目状に配置して形成されていることが開示されている。また、特許文献2には、電極ペーストの塗工装置ではないが、塗布液を塗布ヘッドへ給液する給液配管に金属製フィルタを設け、この金属製フィルタにはメッシュ状の多数の孔が形成されていることが開示されている。
電極ペーストは、活物質、導電助剤、バインダ、溶剤等からなり、スラリー状である。電極ペーストには、活物質等の一次粒子が凝縮した粗大な二次粒子が含まれる場合がある。このような粗大な二次粒子を電極ペーストが含んでいると、フィルタの目詰まりを起こし易くなるので電極ペーストに高圧を付加するための装置や圧力隔壁が別途必要となって装置の構造が複雑なものとなったり、あるいは、フィルタを通過すると電極ペーストの塗工時にスジ等の原因となる。電極の表面にスジがあると、その電極を用いた電池では品質が低下する。そのため、塗工時、電極ペーストに粗大な二次粒子が含まれないようにする必要がある。しかし、上記の各特許文献のフィルタの場合、所定の径を有する孔を有しているが、この孔の径が二次粒子より大きいと二次粒子が通過し、塗工時に電極ペーストに粗大な二次粒子が含まれることになる。
そこで、本技術分野においては、塗工時の電極ペーストの品質を向上した塗工装置が要請されている。
本発明の一側面に係る塗工装置は、金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置であって、電極ペーストを貯留する貯留部と、電極ペーストを金属箔に塗工する塗工部と、貯留部と塗工部との間を接続し、電極ペーストの流路となる接続管と、接続管に設けられるフィルタとを備え、フィルタは、複数の貫通孔を有し、当該貫通孔の上流側に凸部がそれぞれ形成されており、凸部は、上流端及び下流端が開口した中空の凸部であり、側面にスリットが形成されている。
この塗工装置は、貯留部と塗工部とが接続管で接続されており、接続管を介して貯留部から塗工部に電極ペーストを供給する。電極ペーストは接続管を通って貯留部から塗工部まで流れるので、貯留部側が上流であり、塗工部側が下流である。さらに、塗工装置は、接続管の途中に電極ペーストを濾過するためにフィルタが設けられている。このフィルタは、複数の貫通孔を有している。各貫通孔の上流側には、凸部がそれぞれ形成されている。この凸部は、上流端及び下流端が開口した中空であり、この中空の部分が貫通孔に繋がっている。また、凸部は、その中空を形成する側面にスリットが形成されている。したがって、電極ペーストに含まれる一次粒子は、凸部の上流端の開口部や側面のスリットを通過し、下流側に流れていく。また、電極ペーストに二次粒子が含まれている場合、その二次粒子は、凸部の上流端の開口部や側面のスリットを通過できずにトラップされるか、あるいは、凸部の上流端やスリットで粉砕されて一次粒子に戻ってスリットを通過し、下流側に流れていく。このように、この塗工装置は、フィルタの各貫通孔の上流側にスリットが形成された凸部をそれぞれ設けることにより、フィルタを二次粒子の状態で通過することを防止でき、塗工時の電極ペーストの品質を向上できる。その結果、電極ペーストの塗工時に表面のスジ等が発生しない。
一形態の塗工装置では、凸部は、上流端側ほど径が小さい凸部である。凸部の上流端ほど径が小さいので、凸部の側面が上流側から下流側にかけて傾斜する。そのため、傾斜した側面には二次粒子が当たり易くなり、側面のスリットでより多くの二次粒子を粉砕あるいはトラップできる。
一形態の塗工装置では、スリットは、上流端が開口したスリットである。スリットの上流端が開口しているので、二次粒子を粉砕し易くなるとともに、電極ペーストがフィルタを通過する際の圧損も低減できる。
本発明によれば、フィルタを二次粒子の状態で通過することを防止でき、塗工時の電極ペーストの品質を向上できる。
以下、図面を参照して、本発明に係る塗工装置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、本発明に係る塗工装置を、電池の電極の製造ラインに組み込まれる塗工工程で用いられる塗工装置に適用する。本実施の形態では、電極の製造ラインの中でも塗工工程及び乾燥工程について説明し、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、金属箔の表裏面の少なくとも一面に電極ペーストがそれぞれ塗工されて活物質層が形成されており、電極ペーストが塗工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。バインダは、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂である。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(登録商標)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。
この電極ペーストに含まれる活物質、導電助剤等が一次粒子である。また、その一次粒子が分子間力、静電気力、液架橋による力などによって凝集して塊状になったものが二次粒子である。この粗大な二次粒子が電極ペーストに含まれて金属箔に塗工されると、電極の表面のスジ等の原因となる。電極の表面(活物質層の表面)にスジがあると、その電極を用いたリチウムイオン二次電池ではリチウム析出し易くなり、品質が低下する。
図1を参照して、本実施の形態に係る製造ライン1(特に、塗工工程2、乾燥工程3)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。
製造ライン1では、帯状の金属箔Lに電極ペーストPを塗工して、その塗工した電極ペーストPを乾燥し、活物質層を形成する。特に、製造ライン1では、電極ペーストPを塗工する前に電極ペーストPをフィルタに通して、塗工時に電極ペーストPに二次粒子が含まれないようにする。
図1に示すように、この塗工工程2、乾燥工程3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4から送り出され、各工程を順次経由した後、巻取ロール5で金属箔Lに活物質層が形成された帯状電極がロール状に巻き取られる。この巻出ロール4と巻取ロール5及び複数の補助ロール6による搬送速度や巻出ロール4と巻取ロール5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に所定のテンション(張力)がかかっている。
塗工工程2は、帯状の金属箔L上に活物質層を形成するための電極用の電極ペーストPを塗工する工程である。塗工工程2は、ダイ方式の塗工装置20を備える。塗工装置20は、容器21、接続管22、ポンプ23、フィルタ24、ガン25、塗工ロール26から構成される。なお、本実施の形態では、容器21が特許請求の範囲に記載の貯留部に相当し、接続管22が特許請求の範囲に記載する接続管に相当し、フィルタ24が特許請求の範囲に記載するフィルタに相当し、ガン25が特許請求の範囲に記載する塗工部に相当する。
容器21は、電極ペーストPを貯蔵する容器である。容器21には、投入口21aからそれぞれ投入された活物質、導電助剤、バインダ、溶剤等が攪拌翼21b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。接続管22は、容器21とガン25との間を接続する管路であり、その途中にポンプ23及びフィルタ24が設けられている。接続管22は、容器21とガン25との間の電極ペーストPの流路となる。塗工装置20では、電極ペーストPが接続管22を介して容器21からガン25まで電極ペーストPが流れるので、容器21側が上流側であり、ガン25が下流側である。
ガン25は、搬送中の帯状の金属箔Lに電極ペーストPを塗工するガンである。ガン25には、ポンプ23によって容器21から接続管22を通して電極ペーストPが供給される。この際、ガン25には、フィルタ24を通過した電極ペーストPが供給される。塗工ロール26は、ガン25に対向して配置されており、搬送中の帯状の金属箔Lを支持している。ガン25では、供給された電極ペーストPが内部のマニホールド25aに一旦溜まり、マニホールド25aから先端のノズル25bに電極ペーストPが押し出され、ノズル25bから塗工ロール26に支持されている帯状の金属箔L上に電極ペーストPを吐出する。塗工工程2でのポンプ23等の制御は、図示しない制御装置によって行われる。なお、フィルタ24については後で詳細に説明する。
乾燥工程3は、塗工工程2で帯状の金属箔L上に塗工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6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が塗工された金属箔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上に活物質層が形成される。
図2〜図4を参照して、フィルタ24について詳細に説明する。図2は、フィルタ24の平面図である。図3は、フィルタ24の貫通孔周辺を拡大した側断面図である。図4は、凸部であり、(a)が平面図であり、(b)が斜視図である。なお、図2は、下流側からフィルタ24を見た場合の平面図である。また、図4は、上流側からフィルタ24を見た場合の凸部の平面図と斜視図である。
フィルタ24は、略円板状であり、接続管22の内径に応じた径を有している。フィルタ24には、多数の貫通孔24aが設けられている。貫通孔24aは、一次粒子より大きい径を有しており、電極ペーストPに含まれる活物質等に応じて径が設定される。図3に示すように、フィルタ24において、貫通孔24aの部分の厚さ(凸部24cを除いた厚さ)は貫通孔24a以外の肉厚部分24bの厚さよりも薄い。このように、肉厚部分24bを有するフィルタ24とすることにより、フィルタ24の厚さを十分に確保でき、フィルタ24の強度は向上する。なお、本実施の形態では、貫通孔24aが特許請求の範囲に記載する貫通孔に相当する。
フィルタ24の各貫通孔24aの上流側には、凸部24cがそれぞれ形成されている。凸部24cは、図4に示すように、略円錐台形状である。凸部24cは、上流端24d及び下流端24eが開口しており、中空である。凸部24cは、下流端24eの開口部が貫通孔24aに繋がっている。凸部24cは、上流端24d側ほど径が小さく、上流端24d側から下流端24e側に傾斜している。上流端24dの開口部は、一次粒子よりも大きい径かつ粗大な二次粒子よりも小さい径を有しており、電極ペーストPに含まれる活物質等に応じて径が設定される。下流端24eの開口部は、貫通孔24aの径と同程度の径である。凸部24cの中空部分を形成する側面24fには、複数(図4等に示す例では、4つ)のスリット24gが形成されている。スリット24gは、上流端24d側が開口している。したがって、凸部24cの上流端24dは、スリット24gの部分で途切れた状態の端部となっている。スリット24gは、一次粒子より大きい幅かつ粗大な二次粒子よりも小さい幅を有しており、電極ペーストPに含まれる活物質等に応じて幅が設定される。上流端24dの開口部の径やスリット24gの幅は、最大でも、電極(ひいては、畜電池)の品質に影響を与えない小さい二次粒子程度とする。なお、本実施の形態では、凸部24cが特許請求の範囲に記載する凸部に相当し、スリット24gが特許請求の範囲に記載するスリットに相当する。
上記構成のフィルタ24を製造する方法の一例を説明する。貫通孔24aとなる部分を薄くした凹状とし、それ以外の肉厚部分24bとなる部分を厚くした円板状の部材を生成する。したがって、この円板状の部材は、一面側には多数の円形の凹部が形成され、他面側が平面である。この円板状の部材は、例えば、金属製とする。そして、プラスドライバ状の先端部を有する治具を用いて、その円板状の部材の各凹部に治具の先端部に差し込んでエンボス加工する。すると、治具の先端部で凹部を形成していた底面が破断され、他面側に盛り上がって凸部24cを形成するとともに、治具のプラスドライバ状の4つの凸部分でスリット24gがそれぞれ形成される。このような治具を用いてエンボス加工を行うことにより、スリット24g付きの凸部24cを簡単に形成することができる。
図1〜図5を参照して、上記構成の製造ライン1における塗工工程2、乾燥工程3の作用について説明する。図5は、フィルタ24による作用を示す側断面図であり、(a)が電極ペーストPに含まれる一次粒子に対する作用であり、(b)が電極ペーストPに含まれる二次粒子に対する作用である。なお、図5では、符号P1で示す小さい黒丸を一次粒子とし、符号P2で示す小さい黒丸が凝集した塊状のものを二次粒子とする。
巻出ロール4と巻取ロール5が作動すると、巻出ロール4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4と巻取ロール5間で搬送される。金属箔Lの搬送を開始すると、塗工工程2の塗工装置20、乾燥工程3の乾燥炉30も稼働する。
塗工工程2では、ポンプ23が作動し、容器21から接続管22を介してガン25に電極ペーストPを供給する。この際、電極ペーストPは、フィルタ24によって濾過される。特に、図5(a)に示すように、電極ペーストPに含まれる一次粒子P1の場合、凸部24cの上流端24dの開口部の径や側面24fのスリット24gの幅が一次粒子よりも大きいので、一次粒子P1は上流端24dの開口部やスリット24gを通過でき、凸部24cの中空部、下流端24eの開口部、貫通孔24aを通って下流側に流れていく。一方、図5(b)に示すように、電極ペーストPに含まれる二次粒子P2の場合、二次粒子P2が上流端24dの開口部の径やスリット24gの幅はよりも大きいので、トラップされて、フィルタ24を通過できない。あるいは、二次粒子P2が凸部24cの上流端24dの部分やスリット24gの部分で粉砕され、一次粒子P1に戻る。そのため、粉砕された一次粒子P1は上流端24dの開口部やスリット24gを通過でき、凸部24cの中空部、下流端24eの開口部、貫通孔24aを通って下流側に流れていく。このように、電極ペーストPに粗大な二次粒子P2が含まれる場合でも、粗大な二次粒子P2の状態でフィルタ24を通過することはない。但し、電極(ひいては、畜電池)の品質に影響を与えない程度の小さい二次粒子がフィルタ24を通過する場合がある。
ガン25に電極ペーストP(粗大な二次粒子P2が含まれないもの)が供給されると、ガン25では、電極ペーストPがマニホールド25aに一旦溜まり、マニホールド25aからノズル25bに電極ペーストPを押し出し、ノズル25bから塗工ロール26で支持されている金属箔L上に電極ペーストPを塗工する。
乾燥工程3では、乾燥炉30内に電極ペーストPが塗工された金属箔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。
この塗工装置20(特に、フィルタ24)によれば、フィルタ24の各貫通孔24aの上流側にスリット24gが形成された凸部24cをそれぞれ設けることにより、フィルタ24を二次粒子の状態で通過することを防止でき、塗工時の電極ペーストPの品質を向上できる。その結果、電極ペーストPの塗工時に表面のスジ等が発生しない。そのため、この電極を用いた電池は、信頼性及び電池特性を向上できるとともに、品質も向上する。また、二次粒子が粉砕されて低減するので、フィルタ24での目詰まりも低減でき、ポンプ23の出力を抑えることができる。
また、この塗工装置20によれば、フィルタ24の凸部24cが上流端24d側ほど径が小さいので、凸部24cの側面24fが上流側から下流側にかけて傾斜し、その傾斜した側面24fには二次粒子が当たり易くなり、スリット24gでより多くの二次粒子を粉砕あるいはトラップできる。
また、この塗工装置20によれば、フィルタ24のスリット24gの上流端側が開口しているので、二次粒子を粉砕し易くなるとともに、電極ペーストPがフィルタ24を通過する際の圧力損失も低減できる。したがって、ポンプ23の出力を抑えることができる。
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、本実施の形態ではダイ方式の塗工装置に適用したが、コンマロール方式等の他の塗工方式の塗工装置にも適用可能である。各塗工方式に応じて、フィルタの形状を変える必要がある。
また、本実施の形態では貫通孔の部分が薄く、それ貫通孔以外の部分が厚い下流側の面に凹凸のあるフィルタとしたが、下流側の面に凹凸がない平面状のフィルタとしてもよい。
また、本実施の形態ではフィルタの凸部を円錐台状の凸部としたが、四角錐台状等の他の形状の凸部としてもよい。また、本実施の形態では上流端側ほど径が小さい凸部としたが、上流端側から下流端側まで径が一定の凸部としてもよい。
また、本実施の形態では凸部の側面のスリットを上流端側が開口したスリットとしたが、上流端側が開口していないスリットとしてもよい。また、本実施の形態ではスリットを4つとしたが、スリットは3つ以下でもよいし、あるいは、5つ以上でもよい。
1…製造ライン、2…塗工工程、3…乾燥工程、4…巻出ロール、5…巻取ロール、6…補助ロール、20…塗工装置、21…容器、21a…投入口、21b…攪拌翼、22…接続管、23…ポンプ、24…フィルタ、24a…貫通孔、24b…肉厚部分、24c…凸部、24d…上流端、24e…下流端、24f…側面、24g…スリット、25…ガン、25a…マニホールド、25b…ノズル、26…塗工ロール、30…乾燥炉。
Claims (3)
- 金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置であって、
電極ペーストを貯留する貯留部と、
電極ペーストを金属箔に塗工する塗工部と、
前記貯留部と前記塗工部との間を接続し、電極ペーストの流路となる接続管と、
前記接続管に設けられるフィルタと、
を備え、
前記フィルタは、複数の貫通孔を有し、当該貫通孔の上流側に凸部がそれぞれ形成されており、
前記凸部は、上流端及び下流端が開口した中空の凸部であり、側面にスリットが形成されている、塗工装置。 - 前記凸部は、上流端側ほど径が小さい凸部である、請求項1に記載の塗工装置。
- 前記スリットは、上流端が開口したスリットである、請求項1又は請求項2に記載の塗工装置。
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JP2018106955A (ja) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | オートモーティブエナジーサプライ株式会社 | リチウムイオン二次電池用電極 |
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