JP2016031836A - 電極の製造方法、製造装置及び電極 - Google Patents

Abstract

【課題】集電層におけるバリの形成を抑制することができる電極の製造方法を提供する。【解決手段】金属箔４２の一方面及び他方面に活物質層４１，４３が形成された帯状体４０を切断する切断工程を含む電極の製造方法であって、切断工程は、帯状体４０の一方面４０ｃにレーザ光ＬＢを照射しながら、帯状体４０におけるレーザ光ＬＢの照射部分に向けて帯状体４０の他方面４０ｄ側から冷却流体Ｆを当てて帯状体４０を切断する。【選択図】図１

Description

本発明は、電極の製造方法、製造装置及び電極に関する。

従来、例えばリチウムイオン二次電池に用いられる電極のように、集電層の両面に活物質層が形成されている電極が知られている。このような電極は、集電層の両面に活物質層が形成された長尺の帯状体を所定の大きさに切断することで形成されている。例えば、特許文献１には、アルミニウムや銅からなる集電層の両面に活物質層が形成された帯状体をレーザ光によって切断する装置が開示されている。

特開２００２−２８９１８０号公報

しかしながら、一般に、集電層の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いのに対して、活物質層の熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満と低くなっている。そのため、電極をレーザ光によって切断した場合、集電層にこもった熱が逃げ難いことから、溶融した集電層が突出して、バリが形成される虞があった。

本発明は、集電層におけるバリの形成を抑制することができる電極の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電極の製造方法は、集電層の一方面及び他方面に活物質層が形成された電極材料を切断する切断工程を含む電極の製造方法であって、切断工程では、電極材料の一方面にレーザ光を照射しながら、電極材料におけるレーザ光の照射部分に向けて電極材料の他方面側から冷却流体を当てる。

このような電極の製造方法によれば、レーザ光の照射部分に向けて冷却流体が吹き付けられることで、レーザ光によって溶融された集電層を速やかに冷却することができる。これにより、溶融した集電層が突出することなく凝固するため、電極の切断面において集電層にバリが形成されることを抑制することができる。

また、レーザ光の照射部分に冷却流体を当てることでレーザ光の照射中に集電層にチル層を形成してもよい。チル層は、溶融した集電層を急冷することで形成される。そのため、チル層が形成されていることで、電極の切断面が急冷されたことを確認することができる。

また、冷却流体は不活性気体又は還元性気体でもよい。この場合、電極の切断面における集電層の酸化が抑制される。

また、冷却流体は不活性液体又は還元性液体でもよい。この場合、電極の切断面における集電層の酸化が抑制される。

また、本発明に係る電極の製造装置は、集電層の一方面及び他方面に活物質層が形成された電極材料を切断して電極を製造する電極の製造装置であって、電極材料の一方面にレーザ光を照射する照射部と、電極材料におけるレーザ光の照射部分に向けてレーザ光の照射中に電極材料の他方面側から冷却流体を噴射する噴射部とを備える。

このような電極の製造装置によれば、レーザ光の照射部分に向けて冷却流体が吹き付けられることで、レーザ光によって溶融された集電層を速やかに冷却することができる。これにより、溶融した集電層が突出することなく凝固するため、電極の切断面において集電層にバリが形成されることを抑制することができる。

また、本発明に係る電極は、集電層の一方面及び他方面に活物質層が形成された電極材料を切断して形成された電極であって、集電層の切断端縁にチル層が形成されている。

チル層は、溶融した集電層が急冷されることによって形成される。すなわち、集電層の端縁においてチル層が形成されている部分は、溶融された集電層にバリが形成されるよりも前に凝固している。そのため、このような電極では、少なくともチル層が形成されている部分においてバリの形成が抑制されている。

本発明に係る電極の製造方法及び製造装置によれば、集電層におけるバリの形成を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る切断装置を構成する切断ユニットを示す概略側面図である。 本発明の一実施形態に係る切断装置を構成する切断ユニットを示す概略側面図である。 本発明の一実施形態に係る切断装置を構成する切断ユニットを示す概略側面図である。 本発明の一実施形態に係る製造装置の概略側面図である。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１〜図３は、本発明の一実施形態に係る切断装置を構成する切断ユニットを示す概略側面図である。これら図１〜図３では、切断ユニット１００によって帯状体（電極材料）４０が切断される過程が段階的に示されている。すなわち、図１では切断開始時点での帯状体４０が示され、図２では切断途中での帯状体４０が示され、図３では切断が終了した帯状体４０及び電極４８が示されている。なお、図１〜３では、帯状体４０が紙面の手前側から奥側に向かって切断されるものである。

図１に示すように、切断ユニット１００は、帯状体が支持される支持部１１０と、帯状体にレーザ光ＬＢを照射する照射部１２０と、冷却流体を噴射する噴射部１３０とを備えている。帯状体４０は、例えば、集電体となる長尺の金属箔４２と、該金属箔の両面に形成された電極活物質を含む活物質層４１，４３とが積層された構造を有する。活物質層４１，４３は、例えば、金属箔４２の表面に電極活物質を含むペースト又はゲルを塗工した後、乾燥及び圧延等の処理を施すことで形成される。本実施形態では、活物質層４１，４３は、金属箔４２の両面に対して、例えばその全面に形成されている。

帯状体４０は、蓄電装置の電極として使用するものである。蓄電装置としては、リチウムイオン二次電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタが挙げられる。帯状体４０を構成する金属箔及び電極活物質としては、作製する蓄電装置に対応する材料が用いられる。

例えば、蓄電装置がリチウムイオン二次電池の場合、金属箔としては、銅箔、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケル箔等が挙げられる。負極活物質としては、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、ホウ素添加炭素等が挙げられる。正極活物質としては、複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。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。また、活物質層は、上記電極活物質のほかに、バインダを含んでいてもよい。バインダとしては、ＰＴＦＥディスパージョン、カルボキシメチルセルロース、スチレンンブタジエンゴム及びＰＶＤＦ、並びに、これらの２種以上を混合したもの等が挙げられる。

金属箔４２の厚みは、通常、５〜３０μｍであり、好ましくは１０〜２０μｍである。活物質層４１，４３のそれぞれの厚みは、通常、２０〜１００μｍであり、好ましくは５０〜８０μｍである。

支持部１１０は、帯状体４０の長さ方向の先端４０ａ側と、この先端４０ａ側から所定の間隔を空けた基端４０ｂ側との二か所によって帯状体４０を支持する。本実施形態における支持部１１０は、帯状体４０の先端４０ａ側を支持する第１支持部１１０ａと、帯状体４０の基端４０ｂ側を支持する第２支持部１１０ｂとを備えている。第１支持部１１０ａと第２支持部１１０ｂとは、所定の間隔Ｓを空けて配置されている。帯状体４０は、一方面４０ｃが上面、一方面に対向する他方面４０ｄが下面となるように支持部１１０に支持される。

照射部１２０は、照射口１２１が形成されたノズル１２２と、ノズル１２２の内側に配置された集光レンズ１２３とを備えている。集光レンズ１２３は、レーザ発振器（図示省略）から出力されるレーザ光ＬＢを集光するためのものである。集光レンズ１２３によって集光されたレーザ光ＬＢは、ノズル１２２の先端に形成された照射口１２１から照射される。また、ノズル１２２には、アシストガスＧを導入する導入口１２４が設けられており、アシストガスＧを照射口１２１から噴射することができるようになっている。このような照射部１２０は、支持部１１０に支持された帯状体４０の上面（一方面）４０ｃに対して照射口１２１が向くように、支持部１１０の上方に配置される。本実施形態における照射部１２０は、第１支持部１１０ａと第２支持部１１０ｂとの間隔Ｓの上方に配置される。また、本実施形態では、例えば、レーザ発振器として炭酸ガスレーザ発振器が用いられ、アシストガスＧとして不活性ガスである窒素ガスが用いられる。

噴射部１３０は、冷却流体Ｆが噴射される噴射口１３１を備えている。冷却流体Ｆは、帯状体４０におけるレーザ光ＬＢの照射部分を冷却するための流体であり、例えば０℃以下の温度を有している。本実施形態における冷却流体Ｆは、アシストガスＧと同じ窒素ガスである。噴射部１３０は、支持部１１０に支持された帯状体４０の下面（他方面）４０ｄに対して流体が当たるように、支持部１１０の下方において噴射口１３１が上を向いた状態で配置される。本実施形態における噴射部１３０は、第１支持部１１０ａと第２支持部１１０ｂとの間隔Ｓの下方に配置される。噴射部１３０の先端側１３０ａは、噴射口１３１側になるにつれて徐々に細くなるようテーパ状となっている。これにより、噴射部１３０は所定の範囲に絞って冷却流体Ｆを吹き付け易い構造となっている。

照射部１２０及び噴射部１３０は、支持部１１０に支持された帯状体４０の幅方向（図１では、紙面に対して垂直な方向となる）の一端から他端まで移動できるように、支持部１１０に対して移動自在に設けられている。照射部１２０及び噴射部１３０の移動は、制御装置（図示省略）によって制御されるものであり、例えば照射部１２０の直下に噴射部１３０が常に位置するように、照射部１２０及び噴射部１３０が一対で制御される。このような制御により、噴射部１３０の噴射口１３１が常にレーザ光ＬＢの照射部分に向けられることになる。

図１〜図３を参照しながら、切断ユニット１００によって帯状体４０が切断される過程について説明する。帯状体４０は、図１中の矢印Ａの方向に搬送され、所定の位置で停止される。このとき、帯状体４０は第１支持部１１０ａと第２支持部１１０ｂとに跨って支持されている。この状態で、帯状体４０の幅方向の一端側から他端側に向かって、切断が開始される。帯状体４０は、帯状体４０の下面４０ｄに向けて噴射部１３０から冷却流体Ｆが当てられている状態で、この冷却流体Ｆが当てられている位置に対向する上面４０ｃ側の位置に向けてレーザ光ＬＢが照射されることで切断される。このとき、照射部１２０からは、レーザ光ＬＢが照射されるとともに、アシストガスＧが噴射されている。レーザ光ＬＢの照射部１２０と冷却流体の噴射部１３０とは、帯状体４０の幅方向の一端側から他端側に向かって所定の速度で移動するように制御される。

図２に示されるように、帯状体４０の幅方向の一端側から切断が始まると、帯状体４０の切断面Ｃに冷却流体Ｆが到達する。切断面Ｃにおける金属箔４２は、レーザ光ＬＢの熱によって溶融された状態となるが、冷却流体Ｆが当たることで垂れ下がることなく急冷凝固される。このとき、金属箔４２の溶融された部分には、徐冷された場合に形成される結晶構造とは異なり、非常に微細な結晶粒であり脆性材料としての性質を備えるチル層４２ａが形成される。

帯状体４０の切断面Ｃでは、レーザ光ＬＢの進行方向側の金属箔４２にもチル層４２ａが形成される。上述の通り、チル層４２ａは脆性材料としての性質を備えるため、スクライブ効果による帯状体４０の切断の促進が期待される。

このように、レーザ光ＬＢの照射部１２０と冷却流体の噴射部１３０とが、帯状体４０を幅方向の一端側から切断しながら、帯状体４０の幅方向の他端側まで移動することで、帯状体４０の切断が終了する。図３に示されるように、帯状体４０の切断面Ｃには、帯状体４０の幅方向の一端側から他端側にわたってチル層４２ａが形成される。そのため、順次切断されることで製造される電極４８においては、対向する切断面（切断端縁）Ｃにチル層４２ａが形成されることになる。

電極の製造装置１において、切断ユニット１００以外の構成は特に限定されない。図４は、電極の製造装置の一実施形態を示す側面図である。図４に示した電極の製造装置１は、長尺の帯状体４０を巻き取ったリール５０と、帯状体４０を搬送するガイドローラ５２，５４，５６，５８，６０と、切断ユニット１００と、切断された電極４８を搬送する傾斜台７０と、切断された電極４８を回収する回収トレイ７２と、を備えている。また、図示していないが、製造装置１は、リール５０、ガイドローラ５２，５４，５６，５８，６０、及び、ローラカッター１０のそれぞれの回転駆動を行う駆動装置を備えている。ガイドローラ５２，５４，５６，５８，６０は、少なくとも鋼製のローラの表面にクロムメッキで耐摩耗性を持たせたもので形成されていることが好ましいが、外表面が硬質ゴム等の弾性体で覆われたようなものでもよい。

製造装置１では、リール５０から巻き出された帯状体４０がガイドローラ５２，５４，５６，５８，６０によって切断ユニット１００に搬送される。切断ユニット１００では、上述したように帯状体４０の切断が行われる。切断された電極４８は自重によって傾斜台７０を滑り落ち、回収トレイ７２に回収される。このようにして、所望の寸法に切断された電極４８を得ることができる。この電極４８は、例えば蓄電装置に用いられる。

以上、電極の製造装置１によれば、帯状体４０の切断中に、レーザ光ＬＢの照射部分に向けて冷却流体Ｆが吹き付けられることで、切断面Ｃの金属箔４２における溶融された部分を速やかに冷却することができる。これにより、溶融した部分が垂れ下がることなく凝固するため、切断面Ｃにおいて金属箔４２にバリが形成されることを抑制することができる。

また、レーザ光ＬＢの照射部分に冷却流体Ｆが当てられることで、レーザ光ＬＢの照射中に切断面Ｃにおける金属箔４２にチル層４２ａが形成される。製造された電極４８の切断面Ｃにチル層４２ａが形成されていることを確認することで、切断面Ｃが急冷されたと判断することができる。

また、冷却流体Ｆとして、不活性気体である窒素ガスを用いている。帯状体４０におけるレーザの照射部分が、不活性気体によってシールドされることで、帯状体４０の切断面Ｃにおける溶融した金属箔４２の酸化を抑制することができる。

また、このように製造された電極４８では、対向する切断面Ｃにチル層４２ａが形成されている。上述の通り、チル層４２ａは、溶融された金属箔４２にバリが形成されるよりも前に凝固している。そのため、このような電極４８では、チル層４２ａが形成されている部分においてバリの形成が抑制されている。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。

例えば、冷却流体Ｆが窒素ガスである例を示したが、これに限定されない。例えば、ヘリウムガス、二酸化炭素等のような不活性気体や、水素のような還元性気体を用いてもよい。また、これらの気体を混合したものを用いてもよい。

また、冷却流体Ｆは、気体に限定されず、液体であってもよい。例えば、冷却流体としては、切断面Ｃにおける金属箔４２の酸化が抑制されるように、液体窒素、液体二酸化炭素などの不活性液体や、液体水素などの還元性液体を用いてもよい。また、これらの液体を混合したものを用いてもよい。なお、冷却流体Ｆが気化しやすい場合や、液体二酸化炭素のように常圧下で液体の状態をとらない場合などは、製造装置１を圧力容器内に配置し、高圧下で作動させてもよい。

また、搬送されている帯状体４０が、所定の位置で停止してから支持部１１０によって支持される例を示したが、これに限定されない。例えば、帯状体４０が停止することなく、支持部１１０に支持されてもよい。上述した移動制御に加えて、照射部１２０及び噴射部１３０を帯状体４０の搬送方向に向かって帯状体４０と同じ速度で移動制御することで、帯状体４０の長さ方向に対して直交するように帯状体４０を切断することができる。

１…製造装置、４０…帯状体（電極材料）、４０ｃ…一方面、４０ｄ…他方面、４２…金属箔（集電層）、４１，４３…活物質層、４８…電極、Ｆ…冷却流体、ＬＢ…レーザ光。

Claims (6)

1. 集電層の一方面及び他方面に活物質層が形成された電極材料を切断する切断工程を含む電極の製造方法であって、
   前記切断工程では、前記電極材料の一方面にレーザ光を照射しながら、前記電極材料における前記レーザ光の照射部分に向けて前記電極材料の他方面側から冷却流体を当てる、電極の製造方法。
2. 前記レーザ光の照射部分に前記冷却流体を当てることで前記レーザ光の照射中に前記集電層にチル層を形成する、請求項１に記載の電極の製造方法。
3. 前記冷却流体は不活性気体又は還元性気体である、請求項１又は２に記載の電極の製造方法。
4. 前記冷却流体は不活性液体又は還元性液体である、請求項１又は２に記載の電極の製造方法。
5. 集電層の一方面及び他方面に活物質層が形成された電極材料を切断して電極を製造する電極の製造装置であって、
   前記電極材料の一方面にレーザ光を照射する照射部と、
   前記電極材料における前記レーザ光の照射部分に向けて前記レーザ光の照射中に前記電極材料の他方面側から冷却流体を噴射する噴射部とを備える、電極の製造装置。
6. 集電層の一方面及び他方面に活物質層が形成された電極材料を切断して形成された電極であって、
   前記集電層の切断端縁にチル層が形成されている、電極。
   

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