JP2016207340A - 電極製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供給された電極材料から成る塗膜が転写ロールに残留することなく離型し、電極集電体２１上に転写された塗膜の表面状態が良好であることを実現する、電極製造装置を提供する。
【解決手段】第１のロール１１および第２のロール１２の間に供給された電極材料２２を、第２のロール上に塗膜として付着させるとともに、該第２のロールに別途供給された電極集電体２１上に該第２のロール上から前記塗膜を転写することにより、前記電極集電体上に前記転写した塗膜２３から成る電極合材層を成膜する電極製造装置１０であって、第２のロールの表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ＜Ｒａ＜１．５μｍを、第２のロールの表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．１０ｍｍ＜ＲＳｍ＜０．１８ｍｍを、第２のロールの表面の粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）がＲｋｕ＜３をそれぞれ満たす、電極製造装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の回転ロール間に電極材料を供給し、該供給された電極材料を一方のロール表面に塗膜として付着させ、該塗膜を別途供給された電極集電体上に転写することで該電極集電体上に電極合材層を形成することを実現する電極製造装置に関する。

リチウムイオン二次電池（リチウム二次電池）等の非水電解液二次電池は、既存の電池に比べて軽量且つエネルギー密度が高いことから、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として用いられている。特に軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両の駆動用高出力電源として今後ますます普及していくことが期待されている。

非水電解液二次電池は、発電要素として、正極および負極を有する電極体を備える。当該正極は、典型的な一例として、シート状の正極集電体上に正極活物質を含む正極合材層を有する。当該負極も同様に、典型的な一例として、シート状の負極集電体上に負極活物質を含む負極合材層を有する。このような電極の製造方法の一例として、正負極いずれかの電極の活物質を含む電極材料を一対の対向する（回転）ロール間に供給し、該供給された電極材料を当該一対のロールのうちの一方のロール（転写ロール）に塗膜の状態として付着させ、該付着した電極材料（塗膜）を、対応する正負極いずれかの電極集電体上に転写して当該塗膜から成る電極合材層を成膜する方法が挙げられる。したがって、このような方法で電極を製造する場合には、一対の対向する（回転）ロールを備える電極製造装置が用いられる。

ところで、この種の電極製造装置を採用する場合、転写ロールに付着した電極材料（塗膜）を電極集電体上に転写する際には、電極材料（塗膜）が転写ロールに残留（付着残り）することなく離型し、かつ転写された塗膜の表面状態も全体に亘って平坦でありほぼ均質な密度、表面粗さを保った良好な状態であることが求められる。このような要求を満たすために、ロール表面に、フッ素樹脂やシリコーン樹脂等の離型性樹脂材料を、コーティングするなどして用いることが知られている（例えば、特許文献１および２参照）。

特開２０１３−６２２号公報 特開２０１３−２１５６８８号公報

しかしながら、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等の離型性樹脂材料は、ロールを構成する材料（典型的にはＳＵＳ等の金属材料）に比べて硬度がはるかに低い。そのため、ロール表面に離型性樹脂材料がコートされた転写ロールを用いた場合には、電極製造装置を使用するにつれてロール表面の離型性樹脂材料が磨耗してしまい、所望の離型性能を発揮しなくなる。つまり、ロール表面に離型性樹脂材料がコートされた転写ロールは、使用可能寿命が短く、耐久性が低いことが欠点である。また、ロール表面の離型性樹脂材料が磨耗した転写ロールの使用は、電極材料が転写ロールに残留しがちとなり、電極集電体上に転写された塗膜（電極合材層）の表面状態（品質）が悪くなるため、好ましくない。

そこで本発明は、電極材料から成る塗膜が転写ロールに残留（付着残り）することなく離型し、かつ、電極集電体上に転写された塗膜の表面状態が良好であることを実現する、電極製造装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、転写ロールの表面粗さの観点から鋭意検討を行った。種々の表面粗さの転写ロールを作製して検討した結果、特定範囲の平均粗さ（Ｒａ）と、特定範囲の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）と、特定範囲の粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）の組み合わせによれば、上記課題を解決できることを見出した。

すなわち、ここに開示される電極製造装置は、第１のロールと、前記第１のロールに対向して配置された第２のロールとを備え、前記第１のロールおよび前記第２のロールの間に供給された電極材料を前記第２のロール上に塗膜として付着させるとともに、該第２のロールに別途供給された電極集電体上に該第２のロール上から前記塗膜を転写することにより、前記電極集電体上に前記塗膜から成る電極合材層を成膜する電極製造装置である。
そして当該電極製造装置は、
前記第２のロールの表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ＜Ｒａ＜１．５μｍを、
前記第２のロールの表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．１０ｍｍ＜ＲＳｍ＜０．１８ｍｍを、
前記第２のロールの表面の粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）がＲｋｕ＜３を
それぞれ満たすことを特徴とする。
このような構成によれば、電極材料から成る塗膜が第２のロール（即ち転写ロール）に残留（付着残り）することなく離型し、かつ電極集電体上に転写された塗膜の表面状態が全体に亘ってフラットであり、ほぼ均質な密度、表面粗さを保った良好な表面状態であることを実現する電極製造装置が提供される。また、ここで開示される電極製造装置では、ロール表面に対してフッ素樹脂やシリコーン樹脂等の離型性樹脂材料をコートすることなく、塗膜の離型性の良い転写ロール（前記第２のロール）を構成することができる。このため、転写ロールの使用可能な寿命が長く、転写ロールの高い耐久性（ロングライフ性能）を実現することができる。

一実施形態に係る電極製造装置を模式的に示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない電極製造装置の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

図１に、本実施形態に係る電極製造装置１０を模式的に示す斜視図を示す。電極製造装置１０は、第１のロール１１（以下、供給ロール１１ともいう）と第２のロール１２（以下、転写ロール１２ともいう）とを備える。供給ロール１１の回転軸と転写ロール１２の回転軸は、水平に並んでいる。しかしながら、供給ロール１１と転写ロール１２の配置はこれに限られない。また、供給ロール１１と転写ロール１２は、電極集電体２１上に成膜する電極合材層（塗膜）２３の所望の厚さに応じた距離だけ離れている。すなわち、供給ロール１１と転写ロール１２の間には、所定の幅（厚さ） のギャップがあり、かかるギャップのサイズにより、転写ロール１２の表面に付着させる電極材料２２から成る塗膜の厚さを制御することができる。供給ロール１１の外周面と転写ロール１２の外周面は互いに対向している。供給ロール１１と転写ロール１２は、図１の矢印に示すように、逆方向に回転する。

供給ロール１１および転写ロール１２の幅方向の両端部には、隔壁１５が設けられている。隔壁１５は、電極材料２２を供給ロール１１および転写ロール１２上に保持すると共に、２つの隔壁１５の間の距離によって、電極集電体２１上に成膜される電極合材層（塗膜）２３の幅を規定する役割を果たす。この２つの隔壁１５の間に、フィーダー（図示せず）等によって電極材料２２が供給される。
なお、隔壁１５は、本実施形態の電極製造装置１０の必須の構成ではなく、電極製造装置１０は、隔壁１５を有していなくてもよい。例えば、ロールの外周の形状に一致した形状のノズルを有するフィーダーを用い、フィーダーのノズルを、供給ロール１１および転写ロール１２の間のギャップ上に配置した態様も可能である。この態様では、フィーダーのノズルの側面が、隔壁１５の機能を果たす。

本実施形態に係る電極製造装置１０では、転写ロール１２の隣に第３のロールとしてバックアップロール１３が配置されている。バックアップロール１３は、電極集電体２１を第２のロール（転写ロール）１２まで搬送する役割を果たす。図１では、供給ロール１１の回転軸と転写ロール１２の回転軸とバックアップロール１３の回転軸が水平に並ぶように配置されているが、バックアップロール１３の配置は、転写ロール１２上の塗膜（電極材料）２２が電極集電体２１に転写されるように、当該電極集電体２１を転写ロール１２まで搬送するように構成されている限り、図示される態様に限られない。転写ロール１２の外周面とバックアップロール１３の外周面は互いに対向している。転写ロール１２とバックアップロール１３は、図１の矢印に示すように、逆方向に回転する。なお、バックアップロール１３は、本実施形態の電極製造装置１０の必須の構成ではなく、転写ロール１２上の塗膜（電極材料）が電極集電体２１に転写される限り、バックアップロール１３以外の電極集電体２１の搬送手段を用いてもよい。

転写ロール１２は、その表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ＜Ｒａ＜１．５μｍを満たす。また、その粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．１０ｍｍ＜ＲＳｍ＜０．１８ｍｍを満たす。また、その粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）がＲｋｕ＜３を満たす。ここで、平均粗さ（Ｒａ）、粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）および粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）はそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に記載された定義に従い、接触式粗さ測定器等を用いて求めることができる。

本発明者らは、凹凸形成のためのサンドブラストおよびポリッシュのためのサンドブラストを組み合わせて、種々の表面粗さを有する転写ロールを実際に作製し、検討を行った。その結果、数ある表面粗さに関するパラメータの中でも、Ｒａ、ＲＳｍおよびＲｋｕが上記の範囲内にあれば、電極材料（塗膜）が転写ロールに残留（付着残り）することなく容易に離型し、かつ転写された塗膜の表面状態も良好であることを見出した。硬度の高いロールの表面粗さによってこれらの性能が得られているために、当然に、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等の離型性樹脂材料をロール表面に用いる場合に比べ、転写ロールの使用寿命（耐久性）ははるかに向上する。

本発明者らが検討した結果によれば、Ｒａが０．５μｍよりも小さすぎる場合には、転写ロールの離型性が低すぎて、電極材料が転写ロールから面剥離しないことがある。一方、Ｒａが１．５μｍよりも大きすぎる場合には、転写された塗膜の表面の凹凸が大きくなり、転写された塗膜の表面状態が悪くなる。したがって、Ｒａは、０．５μｍ＜Ｒａ＜１．５μｍを満たすことが必要である。

また、本発明者らが検討した結果によれば、ＲＳｍが０．１０ｍｍよりも小さすぎる場合、転写ロールの離型性が低すぎて、塗膜（電極材料）が転写ロールから面剥離しないことがある。一方、ＲＳｍが０．１８ｍｍよりも大きすぎる場合、転写された塗膜（電極材料）の表面に凹凸が目立つなど、転写された塗膜の表面状態が悪くなる。したがって、ＲＳｍは、０．１０ｍｍ＜ＲＳｍ＜０．１８ｍｍを満たすことが必要である。

また、本発明者らが検討した結果によれば、Ｒｋｕが３よりも大きすぎる場合、塗膜（電極材料）が転写ロールから面剥離するものの、転写ロール表面に塗膜（電極材料）の残留（付着残り）が起こり得る。したがって、Ｒｋｕは、Ｒｋｕ＜３を満たすことが必要である。

なお、上記好適な範囲のＲａ、ＲＳｍおよびＲｋｕを得るには、対象とする転写ロールの表面に凹凸形成を行うためのサンドブラストおよびポリッシュのためのサンドブラストを行う際の条件を適切に選択すればよい。特に、適切な大きさの尖り度の小さい凹凸を形成し、適切な条件下でポリッシュを行うとよい。

供給ロール１１、転写ロール１２およびバックアップロール１３の直径は、従来公知の電極製造装置のロールの直径と同じであってよく、通常、数百ｍｍ程度（例えば１００ｍｍ）である。なお、供給ロール１１、転写ロール１２およびバックアップロール１３の直径は同一の直径であってもよく、異なる直径であってもよい。供給ロール１１、転写ロール１２およびバックアップロール１３の幅（回転軸方向の長さ）は、従来公知の電極製造装置のロールの幅と同じであってよく、作製する電極合材層の幅と使用する電極集電体の幅によって適宜決定することができる。

供給ロール１１、転写ロール１２およびバックアップロール１３の表面の材質としては、従来公知の電極製造装置のロールの表面の材質と同じであってよい。例えば、ＳＵＳ鋼、ＳＵＪ鋼などであってよく、特に高硬度であることから、焼き入れされたＳＵＳ鋼および焼き入れされたＳＵＪ鋼が好ましい。

電極製造装置１０の各ロール１１，１２，１３には、本発明の効果を阻害しない範囲内で、公知の表面処理（例えば、高撥水処理）が施されていてもよい。

本実施形態に係る電極製造装置１０は、供給ロール１１および転写ロール１２の間に供給された電極材料２２を供給ロール１１と転写ロール１２の間のギャップにより規定される厚さの塗膜とした状態で転写ロール１２に付着させ、さらに当該塗膜２３を電極集電体２１上に転写して電極合材層（塗膜）２３が成膜されるように構成されている。当該構成について、電極製造装置１０の使用方法を兼ねて詳細に説明する。

電極材料２２は、ペースト、スラリー、および造粒体の形態をとり得るが、造粒体、特に湿潤状態の造粒体（溶媒を少量含む造粒体）が、電極製造装置１０において電極合材層を電極集電体上に成膜するという目的に適している。造粒体の粒径としては、供給ロール１１および転写ロール１２の間のギャップの幅よりも大きな粒径をとり得る。例えば、ギャップの幅は、通常、数十μｍ程度（例えば３０〜５０μｍ）であり、造粒体の粒径は、数百μｍ程度（例えば２００μｍ〜３００μｍ）であり得る。

電極材料２２は、非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池の電極材料として一般的に使用されているものを用いることができる。例えば、電極材料２２が正極用の材料であった場合には、電極材料（正極材料）２２は、典型的には、正極活物質、導電材、バインダ、溶媒等を含む。正極活物質としては、例えばリチウム遷移金属酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４等）、リチウム遷移金属リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ_４等）等が挙げられる。導電材としては、例えばアセチレンブラック（ＡＢ）等のカーボンブラックやその他（グラファイト等）の炭素材料等が挙げられる。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が挙げられる。溶媒としては、例えばＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等が挙げられる。

電極材料２２が負極用の材料であった場合には、電極材料（負極材料）２２は、典型的には、負極活物質、バインダ、増粘剤、溶媒等を含む。負極活物質としては、例えば黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料が挙げられる。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）等が挙げられる。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等が挙げられる。溶媒としては、例えば水等が挙げられる。

湿潤状態の造粒体の形態にある電極材料２２を、２つの隔壁１５間にフィーダー等によって投入し、電極材料２２を供給ロール１１および転写ロール１２の間に供給する。供給ロール１１と転写ロール１２は、逆方向に回転している。供給ロール１１と転写ロール１２の回転速度はそれぞれ、従来の電極製造装置の供給ロールおよび転写ロールの回転速度と同様の速度であってよい、供給ロール１１と転写ロール１２の回転速度は、同一の速度であっても異なる速度であってもよい。

供給された電極材料２２は、供給ロール１１と転写ロール１２との間のギャップを通過する。このとき、電極材料２２が所定の厚さの塗膜に形成されて転写ロール１２に付着する。特に限定するものではないが、例えば、電極材料２２としての造粒体が、供給ロール１１および転写ロール１２によって押し潰されながら造粒体同士が一体化していき、引き延ばされて膜状体（塗膜）２３を形成する。而して、塗膜（膜状体）２３となった電極材料２２は、そのまま転写ロール１２の表面に順次付着していく。

一方で、バックアップロール１３により、電極集電体２１が搬送され、転写ロール１２まで供給される。電極集電体２１が正極集電体である場合には、電極集電体２１は、典型的にはアルミ箔である。電極集電体２１が負極集電体である場合には、電極集電体２１は、典型的には銅箔である。転写ロール１２とバックアップロール１３は、逆方向に回転している。バックアップロール１３の回転速度は、従来の、電極集電体を搬送するためのバックアップロールの回転速度と同様の速度であってよい。

而して、転写ロール１２の表面に付着した塗膜２３が、バックアップロール１３により搬送されてきた電極集電体２１に接触すると、当該塗膜２３は転写ロール１２から電極集電体２１上に転写される。これにより、電極集電体２１上に、転写した塗膜から成る電極合材層２３が成膜される。
ここで転写ロール１２の表面粗さに関し、Ｒａ、ＲＳｍおよびＲｋｕが上記の範囲内にあるため、電極材料２２が転写ロール１２に残留（付着残り）することなく離型し、かつ転写された塗膜２３の表面状態も全体にわたってフラットでほぼ均質な密度、表面粗さを保った良好な状態を実現することができる。

電極合材層２３が成膜された電極集電体２１は、乾燥炉（図示せず）に搬送され、乾燥炉において電極合材層２３に含まれる溶媒が除去される。このようにして、電極が製造される。なお、電極材料２２が溶媒を含まない場合には、乾燥炉による乾燥処理は不要である。

電極製造装置１０によって製造された電極は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池の電極として好適に用いることができる。したがって、電極製造装置１０は、好適には、非水電解質二次電池（特にリチウムイオン二次電池）用の電極製造装置である。なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池等のいわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。電極製造装置１０によって製造された電極を用いて作製された非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池は、各種用途に利用可能であり、好適な用途としては、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０ 電極製造装置
１１ 供給ロール
１２ 転写ロール
１３ バックアップロール
１５ 隔壁
２１ 電極集電体
２２ 電極材料
２３ 塗膜（電極合材層）

Claims (1)

1. 第１のロールと、前記第１のロールに対向して配置された第２のロールとを備え、
   前記第１のロールおよび前記第２のロールの間に供給された電極材料を、前記第２のロール上に塗膜として付着させるとともに、該第２のロールに別途供給された電極集電体上に該第２のロール上から前記塗膜を転写することにより、前記電極集電体上に前記転写した塗膜から成る電極合材層を成膜する電極製造装置であって、
   前記第２のロールの表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ＜Ｒａ＜１．５μｍを、
   前記第２のロールの表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．１０ｍｍ＜ＲＳｍ＜０．１８ｍｍを、
   前記第２のロールの表面の粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）がＲｋｕ＜３を
   それぞれ満たす、電極製造装置。

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