JP2017084678A - リチウムイオン電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極シートを構成する電極膜の膜厚をオンラインで測定して生産効率を向上させる。【解決手段】電極シート１２５を構成する電極箔１１０の表面１１１上にスラリ状の電極材料を塗布する第１塗工部と、上記電極材料上にスラリ状の絶縁材料を塗布する第２塗工部と、電極シート１２５の静電容量を測定する第１測定部と、電極シート１２５の膜厚を測定する第２測定部と、上記第１測定部による静電容量の測定結果と上記第２測定部による電極シート１２５の膜厚の測定結果とに基づいて電極箔１１０上の電極膜の膜厚を求める演算部と、を有している。【選択図】図６

Description

本発明は、リチウムイオン電池の製造方法および製造装置に関する。

携帯型電子機器の発達に伴い、これらの携帯型電子機器の電力供給源として、繰り返し充電が可能な小型二次電池が使用されている。中でも、エネルギー密度が高く、サイクルライフが長いとともに、自己放電性が低く、かつ、作動電圧が高いリチウムイオン二次電池が注目されている。リチウムイオン二次電池は、上述した利点を有するため、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機等の携帯型電子機器に多用されている。

特開２００３−４５４９１号公報（特許文献１）には、正極シート状物の両面に正極電極物質含有溶液と、電解、絶縁物質含有溶液とを、溶液吐出用スリットを有するダイコータを使用して塗布して、加熱工程を経て正極電極シート状物を形成することが開示されている。同様に、負極シート状物の両面に負極電極物質含有溶液と、電解、絶縁物質含有溶液とを、ダイコータを使用して塗布し、加熱工程を経て負極電極シート状物を形成し、両電極シート状物を積層して電極捲回体を形成する二次電池製造方法および二次電池製造装置が開示されている。

特開２００３−４５４９１号公報

リチウムイオン電池の電極材料の塗布工程において、上記特許文献１のように電極基板の面に正極や負極の電極材料を塗布した上にセパレータとなる絶縁材料を塗布することで、生産効率の向上、製造装置のコンパクト化を可能にすることができる。

この場合、電極材料を塗布・乾燥した後には電極材料の塗布量を求める必要があるため、Ｘ線やマイクロメータ、または、レーザ変位計等で電極材料の膜厚を測定する。しかしながら、電極材料上に絶縁材料が塗布された電極の乾燥後の電極膜厚を測定するためには、乾燥後の電極を切り出し、電極の断面の形状を光学顕微鏡やＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いてオフラインで測定しなければならず、これでは生産効率が悪くなる。

本発明の目的は、電極シート上に形成された電極膜の膜厚をオンラインで測定して生産効率を向上させることができる技術を提供することにある。

本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態におけるリチウムイオン電池の製造方法は、（ａ）第１面と第２面とを備えた電極箔の上記第１面上にスラリ状の電極材料を塗布する工程、（ｂ）上記電極材料上にスラリ状の絶縁材料を塗布する工程、を有する。さらに、（ｃ）上記電極材料および上記絶縁材料を乾燥させて、上記電極箔上に上記電極材料からなる電極膜と、上記電極膜上に上記絶縁材料からなる絶縁膜とを有する電極シートを形成する工程、（ｄ）上記電極シートの静電容量を測定する工程、（ｅ）上記電極シートの膜厚を測定する工程、を有する。そして、上記静電容量の測定結果と上記電極シートの膜厚の測定結果に基づいて上記電極膜の膜厚を求めるものである。

一実施の形態におけるリチウムイオン電池の製造装置は、電極箔を搬送する搬送部と、上記電極箔の第１面上にスラリ状の電極材料を塗布する第１塗工部と、上記電極材料上にスラリ状の絶縁材料を塗布する第２塗工部と、上記電極材料および上記絶縁材料を乾燥させて、上記電極箔上に電極膜と上記電極膜上に絶縁膜とを有する電極シートを形成する乾燥部と、を有する。さらに、上記電極シートの静電容量を測定し、かつ上記電極シートの膜厚を測定する測定部と、上記測定部による上記静電容量の測定結果と上記電極シートの膜厚の測定結果とに基づいて、上記電極膜の膜厚を求める演算部と、を有する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

電極シートの電極膜と絶縁膜の厚さをオンラインで測定することにより、電極材料の厚さの経時変化をリアルタイムで把握することができ、電極材料の塗布膜厚の制御に短時間でフィードバックしてリチウムイオン電池の生産効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の概略構成と動作原理の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の製造装置の一例を示す概念図である。 本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の製造手順の一例を示すフロー図である。 本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法に用いられる絶縁膜の厚さと静電容量の関係の一例を示すグラフ図である。 本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法に用いられる電極膜の厚さと静電容量の関係の一例を示すグラフ図である。 図２に示すリチウムイオン電池の製造装置における第１測定部の構造の一例を示す概略図である。 図２に示すリチウムイオン電池の製造装置における制御系の接続状態の一例を示すブロック構成図である。 図２に示すリチウムイオン電池の製造装置における測定時のローラ押圧状態の一例を示す拡大部分平面図である。 変形例のリチウムイオン電池の製造装置における測定時のローラ押圧状態を示す拡大部分平面図である。 他の変形例のリチウムイオン電池の製造装置の一例を示す概念図である。 図１０に示すリチウムイオン電池の製造装置における測定部の構造を示す部分斜視図である。 図１１に示す測定部における制御系の接続状態を示すブロック構成図である。

以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではない。さらに、特定の数以上でも以下でも良いものとする。

また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

＜リチウムイオン電池の構造および動作原理＞
図１は本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の概略構成と動作原理の一例を示す概略図である。

本実施の形態では、蓄電デバイスである二次電池の一例としてリチウムイオン電池を取り上げ、リチウムイオン電池の製造方法およびリチウムイオン電池の製造装置について説明する。

まず、図１に示すリチウムイオン電池の構造と動作原理について説明する。リチウムイオン電池の一例として、電気自動車用電池や電力貯蔵用電池等の、高容量、高出力、かつ、高エネルギー密度を実現できる大型のリチウムイオン電池の研究開発が進められている。特に、自動車産業においては、環境問題に対応するため、動力源としてモータを使用する電気自動車や、動力源としてエンジン（内燃機関）とモータとの両方を使用するハイブリッド車の開発が進められている。このような電気自動車やハイブリッド車の電源としてもリチウムイオン電池が注目されている。ただし、リチウムイオン電池は、作動電圧が高く、エネルギー密度が高いがゆえに、内部短絡や外部短絡などによる異常発熱に対する十分な対策が必要とされている。

図１に示すリチウムイオン電池１０は、非水電解質二次電池の一種で、電解質中のリチウムイオン１１３が電気伝導を担う二次電池である。正極材料（活物質、電極材料１２２ａ）にはリチウム金属酸化物（例えば、Ｌｉ（ＭｎＣｏＮｉＯｘ））を用い、負極材料（活物質、電極材料１２２ｂ）にはグラファイト等の炭素材（例えば、炭素（Ｃ））を用い、電解質には炭酸エチレン等の有機溶剤とヘキサフルオロリン酸リチウムといったリチウム塩を用いるのが主流となっている。電池内では充電時にリチウムイオン１１３は正極から出て負極に入り、放電時には逆にリチウムイオン１１３は負極から出て正極に入る。

リチウムイオン電池１０の構造は、例えば、正極材料（電極材料１２２ａ）を塗布した正極板（Ａｌ箔等の電極箔１１０を含む電極シート１２５ａ）と、負極材料（電極材料１２２ｂ）を塗布した負極板（Ｃｕ箔等の電極箔１１０を含む電極シート１２５ｂ）と、正極板と負極板の接触を防止するポリマフィルム等のセパレータ（絶縁膜）１２４ａとを捲回した電極捲回体を備えている。そして、リチウムイオン電池１０では、上記電極捲回体が外装缶２０に挿入されるとともに、外装缶２０内に電解液１１４（例えば、有機溶媒＋リチウム塩）が注入されている。

つまり、リチウムイオン電池１０では、金属の電極箔１１０ａに正極材料を塗布した正極板（電極シート１２５ａ）と、金属の電極箔１１０ｂに負極材料を塗布した負極板（電極シート１２５ｂ）とが帯状に形成され、帯状に形成された正極板と負極板が直接接触しないように、セパレータ１２４ａを介して断面渦巻状に捲回されて上記電極捲回体が形成される。

以下の説明では、正極の電極シート１２５ａおよび負極の電極シート１２５ｂを総括して「電極シート１２５」と呼ぶ。また、正極の電極箔１１０ａおよび負極の電極箔１１０ｂを総括して「電極箔１１０」と呼ぶ。さらに、正極の電極材料１２２ａおよび負極の電極材料１２２ｂを総括して「電極材料１２２」と呼ぶ。また、セパレータ１２４ａを形成するために基材または電極膜１２６の上に塗布されるペースト状の材料を「絶縁材料１２４」と呼ぶ（後述する図８参照）。

＜リチウムイオン電池の製造装置＞
本実施の形態のリチウムイオン電池を構成する電極シートの製造装置（以降、リチウムイオン電池の製造装置と呼ぶ）について説明する。図２は本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の製造装置の一例を示す概念図である。

図２に示すリチウムイオン電池の製造装置の構成について説明する。図２に示すリチウムイオン電池の製造装置は、図１に示すリチウムイオン電池１０を構成する図８に示す電極シート１２５の製造装置である。リチウムイオン電池の製造装置は、金属箔である電極箔（集電箔等とも呼ぶ）１１０を搬送する搬送部と、電極箔１１０の表面（第１面）１１１上にスラリ状の電極材料１２２を塗布する第１塗工部１０８と、電極箔１１０の電極材料１２２上にスラリ状の絶縁材料１２４を塗布する第２塗工部１０９と、を有している。さらに、電極材料１２２および絶縁材料１２４を乾燥させて電極箔１１０上に電極材料１２２からなる電極膜１２６と、電極膜１２６上に絶縁材料１２４からなるセパレータ（絶縁膜）１２４ａと、を形成する乾燥炉（乾燥部）１３０と、電極シート１２５の静電容量を測定する第１測定部１４４と、電極シート１２５の膜厚を測定する第２測定部１４５と、を有している。さらに、第１測定部１４４による静電容量の測定結果と、第２測定部１４５による電極シート１２５の膜厚の測定結果とに基づいて、電極箔１１０上の電極膜１２６の膜厚を求める図７に示す制御装置（演算部）１４０４を有している。

また、リチウムイオン電池の製造装置は、薄い板状で、かつ後述する図８に示す表面１１１と裏面（第２面）１１２を備えた電極箔１１０を送り出す送り出しロール１０１と、電極箔１１０を巻き取る巻き取りロール１０７とを有している。これにより、電極箔１１０は、送り出しロール１０１と巻き取りロール１０７との間で、複数のローラ１０２，１０３，１０４，１０５，１０６に支えられながら搬送方向Ｓに搬送される。ここでは、電極箔１１０を一定速度で搬送するため複数のローラを使用しており、これら複数のローラをローラ搬送系、つまり搬送部と呼ぶ。

電極箔１１０の搬送経路には、送り出しロール１０１側から巻き取りロール１０７側に向かって順に、第１塗工部１０８、第２塗工部１０９、乾燥炉１３０、第１測定部１４４および第２測定部１４５が設けられている。

第１塗工部１０８には、スラリ状の電極材料１２２を吐出するコータ１２１と、コータ１２１に対向するローラ１０２と、が配置されており、搬送される電極箔１１０は、コータ１２１とローラ１０２との間を通る。そして、第１塗工部１０８において、スラリ状の所定量の電極材料１２２がコータ１２１から電極箔１１０上に塗布される。

なお、図１に示すリチウムイオン電池１０の電極を構成する電極膜１２６を形成するために用いる電極材料１２２は、充放電によりリチウムイオン１１３の放出・吸蔵が可能な活物質と導電助剤の粉末を、これら粉末を結着させるためのバインダおよび溶剤等と混練・調合した高粘度なスラリ状の液体である。

一方、第２塗工部１０９には、スラリ状の絶縁材料１２４を吐出するコータ１２３と、コータ１２３に対向するローラ１０３と、が配置されており、搬送される電極箔１１０は、コータ１２３とローラ１０３との間を通る。そして、第２塗工部１０９において、スラリ状の所定量の絶縁材料１２４がコータ１２３から電極箔１１０上の電極材料１２２上に塗布される。つまり、電極箔１１０上において、電極材料１２２上に絶縁材料１２４が積層される。

乾燥炉１３０では、搬送された電極箔１１０上の電極材料１２２と絶縁材料１２４とが熱風加熱され、固まる。すなわち、電極材料１２２が熱風加熱されて電極膜１２６になり、絶縁材料１２４が加熱されてセパレータ１２４ａになる。これにより、電極箔１１０上に電極膜１２６とセパレータ１２４ａとが積層されて電極シート１２５が形成される。

また、第１測定部１４４には、複数の静電容量測定電極１４０と、複数の静電容量測定電極１４１と、が設けられており、さらに、静電容量測定電極１４０，１４１と対向して配置されたローラ１０５が設けられている。ローラ１０５は、金属部分を備えた第１金属ローラである。

第１測定部１４４では、回転自在に取り付けられた静電容量測定電極１４０および静電容量測定電極１４１が電極シート１２５のセパレータ１２４ａに押し当てられた状態で静電容量の測定が行われる。そして、この静電容量の測定結果から電極シート１２５のセパレータ１２４ａの部分の膜厚を求める。なお、図８に示すように、静電容量測定電極１４０，１４１のそれぞれの外周部には、導電性ゴム（導電性弾性体）１４０１，１４１１が取り付けられている。

また、第２測定部１４５には、マイクロメータ１４２と、マイクロメータ１４２に対向するローラ１０６とが配置されている。これにより、第２測定部１４５では、マイクロメータ１４２によって、搬送された電極シート１２５における電極膜１２６とセパレータ１２４ａとを含めた全膜厚を測定する。

本実施の形態のリチウムイオン電池の製造装置では、上記全膜厚の測定結果に基づいて、予め把握している電極箔１１０の厚さと、第１測定部１４４で静電容量を測定して求めたセパレータ１２４ａの膜厚とを、上記全膜厚から差し引くことにより、電極シート１２５の電極膜１２６の厚さを、オンライン上でリアルタイムで把握することができる。そして、電極材料１２２の塗布膜厚の制御に短時間でフィードバックしてリチウムイオン電池１０の生産効率を向上させることができる。

＜リチウムイオン電池の製造方法＞
以下に、リチウムイオン電池の製造方法について、図３に示すフローに沿って具体的に説明する。図３は本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の製造手順の一例を示すフロー図である。

リチウムイオン電池１０を構成する正極および負極のそれぞれは、電極箔１１０の材料および電極箔１１０に塗工する膜の材料等に違いはあるが、基本的に同様の工程により製造される。そこで、以下では、正極および負極のそれぞれの製造工程を分けずに説明する。例えば、後述の塗工材料である電極材料１２２は、正極用の材料である場合と、負極用の材料である場合とを含んでおり、それぞれの場合において、異なる材料により構成される。ここで、正極の製造工程において、正極用の材料からなる電極箔１１０および塗工材料を用い、負極の製造工程のみに用いられる材料を使用しないことは言うまでもない。また、負極の製造工程においても同様に、負極用の材料からなる電極箔１１０および塗工材料を用い、正極の製造工程のみに用いられる材料を使用しないことは言うまでもない。

１．電極板（正極板および負極板）製造
＜混錬・調合工程＞
本実施の形態によるリチウムイオン電池の製造工程では、まず、リチウムイオン電池の正極または負極をそれぞれ形成するための電極材料１２２を混錬・調合する。

＜第１の塗工工程（電極材料）＞
次に、図２に示す調整したスラリ状の電極材料１２２を、ローラ１０２に対向するように配置された第１塗工部に備わるコータ１２１を用いて、送り出しロール１０１から供給されるフィルム状の電極箔１１０の表面上に薄く、均一に塗工する。なお、第１塗工部１０８において、コータ１２１として、例えばスリットダイコータを用いることができるが、電極材料１２２を塗工する装置として、他の装置を用いてもよい。

＜第２の塗工工程（絶縁材料）＞
次に、スラリ状の絶縁材料１２４を、ローラ１０３に対向するように配置された第２塗工部に備わるコータ１２３を用いて、電極材料１２２の表面上に薄く、均一に塗工する。ここで、第２塗工部には、例えばスリットダイコータを用いることができるが、絶縁材料１２４を塗工する装置として、他の装置を用いてもよい。なお、絶縁材料１２４は、例えば、ポリマー系の樹脂材料である。

＜乾燥工程＞
次に、第１の塗工工程により電極材料１２２を塗工し、さらに、第２の塗工工程により絶縁材料１２４を塗工した電極箔１１０を、熱風乾燥炉である乾燥炉１３０内に搬送する。乾燥炉１３０内では、電極材料中および絶縁材料中の溶剤成分を加熱して蒸発させることで、電極材料１２２および絶縁材料１２４を乾燥させ、図８に示す電極膜１２６および絶縁膜であるセパレータ１２４ａを一括で形成する。すなわち、塗工された電極材料１２２は乾燥工程により電極膜１２６となり、塗工された絶縁材料１２４は乾燥工程によりセパレータ１２４ａとなる。これにより、電極箔１１０と、電極箔１１０の片面（第１面である表面１１１）に順に積層された電極膜１２６およびセパレータ１２４ａからなる電極シート１２５、つまり正極板または負極板がそれぞれ形成される。

＜膜厚測定工程＞
第１の膜厚測定により、第１測定部１４４において、静電容量を測定してセパレータ１２４ａの膜厚を求める。

次に、第２の膜厚測定により、第２測定部１４５において、電極膜１２６とセパレータ１２４ａを含む電極シート１２５の全膜厚を測定し、予め把握している電極箔１１０の厚さと、第１測定部１４４で求めたセパレータ１２４ａの膜厚とを、上記全膜厚から差し引くことにより、電極シート１２５の電極膜１２６の厚さを、オンライン上で把握する。

なお、本膜厚測定工程における第１の膜厚測定と第２の膜厚測定の詳細については、別途説明する。

その後、電極シート１２５は巻き取りロール１０７に巻き取られる。

＜加工工程＞
次に、電極箔１１０に対し、圧縮および切断等の加工を行う。なお、ここでは、電極箔１１０の片面（表面、第１面）に電極膜（正極層または負極層）１２６およびセパレータ１２４ａを形成した電極シート（正極板または負極板）１２５を製造する例を説明した。電極箔１１０の両面（表面１１１と裏面１１２）に電極膜１２６およびセパレータ１２４ａを形成した電極シート１２５を製造する場合には、まず、電極箔１１０の表面１１１に対して、＜混錬・調合工程＞、＜第１の塗工工程（電極材料）＞、＜第２の塗工工程（絶縁材料）＞、＜乾燥工程＞および＜膜厚測定工程＞を行う。その後、＜加工工程＞を行う前に、巻き取りロール１０７に巻き取られた電極シート１２５を反転させて、再度同一の工程を経て、電極箔１１０の裏面１１２を塗工する（後述する図９参照）。

２．電池セル組立
＜捲回工程＞
次に、正極板（電極シート１２５）から電池セルに必要な大きさの、図８に示す正極（電極箔１１０と電極膜１２６）およびセパレータ１２４ａを切り出す。同様に、負極板（電極シート１２５）から電池セルに必要な大きさの負極（電極箔１１０と電極膜１２６）およびセパレータ１２４ａを切り出す。続いて、その表面１１１にセパレータ１２４ａが形成された正極と、その表面１１１にセパレータ１２４ａが形成された負極とを重ねた後、この積層体を捲き合わせる。

＜溶接・組立工程＞
次に、セパレータ１２４ａを挟んで捲き合わせた正極および負極の電極対の群を組み立てて溶接する。この溶接・組立工程では、例えば正極集電タブにアルミニウムリボンを捲きつけ、このアルミニウムリボンに正極集電タブを超音波溶接で接続する。

＜抽液工程＞
次に、溶接したこれらの電極対の群を図１に示す外装缶（電池缶）２０に配置した後、電解液１１４を注入する。

電解液１１４は、非水電解液が使用される。リチウムイオン電池１０は、活物質へのリチウムイオン１１３の挿入および活物質からのリチウムイオン１１３の脱離を利用して充放電を行う電池であり、リチウムイオン１１３が電解液中を移動する。リチウムは、強い還元剤であり、水と激しく反応して水素ガスを発生する。従って、リチウムイオン１１３が電解液１１４中を移動するリチウムイオン電池１０では、水溶液を電解液１１４に使用することができない。このことから、リチウムイオン電池１０では、電解液１１４として非水電解液が使用される。

＜封口工程＞
次に、外装缶２０を完全に密閉することで、電池セルを作製する。

＜充放電工程＞
次に、作製された電池セルを繰り返し充放電する。

＜電池セル検査工程＞
次に、この電池セルの性能および信頼性に関する検査（例えば電池セルの容量および電圧、充電または放電時の電流および電圧の検査等）を行う。これにより、リチウムイオン電池１０の電池セルが完成する。

３．モジュール組立
次に、モジュール組立工程では、電池セルを複数個直列に組み合わせて電池モジュールを構成し、さらに、充／放電制御用コントローラを接続して電池モジュール（電池システム）を構成する（モジュール組立）。その後、モジュール検査工程において、モジュール組立て工程で組立てられた電池モジュールの性能および信頼性に関する検査（例えば、電池モジュールの容量や電圧、充電または放電時の電流や電圧等の検査）を行う（モジュール検査）。

なお、上記電極シート１２５の組立てでは、正極の電極シート１２５と負極の電極シート１２５の両方に絶縁材料１２４を塗布してセパレータ１２４ａを形成する場合を説明したが、正極か負極のいずれか一方のみに絶縁材料１２４を塗布してセパレータ１２４ａを形成し、これらの電極シート１２５を捲回するようにしてもよい。

＜膜厚測定工程の詳細＞
図４は本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法に用いられる絶縁膜の厚さと静電容量の関係の一例を示すグラフ図、図５は本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法に用いられる電極膜の厚さと静電容量の関係の一例を示すグラフ図、図６は図２に示すリチウムイオン電池の製造装置における第１測定部の構造の一例を示す概略図である。

さらに、図７は図２に示すリチウムイオン電池の製造装置における制御系の接続状態の一例を示すブロック構成図、図８は図２に示すリチウムイオン電池の製造装置における測定時のローラ押圧状態の一例を示す拡大部分平面図である。

ここで、本実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法における膜厚測定の考え方について説明する。

本実施の形態では、セパレータ１２４ａの静電容量がセパレータ１２４ａの厚さと反比例の関係であることに着目している。まず、電極材料１２２と絶縁材料１２４が塗布され乾燥された電極シート１２５の静電容量を測定し、この静電容量からセパレータ１２４ａの膜厚を換算する。そして、静電容量を測定した位置と同じ位置でレーザ変位計やマイクロメータ１４２等で全膜厚を測定し、上記全膜厚の測定結果から、電極箔１１０とセパレータ１２４ａの厚さを差し引き、電極膜１２６の厚さを求めるものである。

図４は電極材料１２２と絶縁材料１２４が塗布・乾燥された電極シート１２５の静電容量と、静電容量を測定した位置と同じ位置の断面ＳＥＭ像より求めたセパレータ１２４ａの厚さとの関係を示す。以下に示す数１式は、静電容量（Ｃ）を表す式Ｃ＝ε×（Ｓ／ｄ）、Ｓは面積、ｄは厚さ、εは誘電率、から求めたものであり、図４の関係を数１式でフィッテイングすると、ａ＝１７６０、ｂ＝１１．８で、決定係数ｒ２＝０．９９８９となる。その結果、セパレータ１２４ａの厚さは静電容量で決定できることがわかる。なお、ｄは絶縁膜（セパレータ１２４ａ）の厚さで、ｃは静電容量である。また、ｂは補正係数である。

ｄ＝ａ／ｃ＋ｂ・・・数１式
さらに、電極膜１２６の厚さの影響を確認するために、電極膜１２６の厚さを変化させた時の静電容量を測定した。その結果を図５に示す。図５より、電極膜１２６の厚さが変化した場合でも静電容量は変化しないことが分かった。すなわち、静電容量は同じセパレータ１２４ａを用いた場合、電極膜１２６の厚さの変化に影響されず、セパレータ１２４ａの厚さだけで変化することが証明された。

次に、本実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法を、図２および図６を用いて詳しく説明する。

図８に示す表面１１１と裏面１１２とを備えた電極箔１１０は、図２に示すように、送り出しロール１０１から連続的に送り出され、第１塗工部１０８において、ローラ１０２に対向するコータ１２１から供給されるスラリ状の電極材料１２２が電極箔１１０に塗布される。次いで、第２塗工部１０９において、ローラ１０３に対向するコータ１２３から供給されるスラリ状の絶縁材料１２４が、電極箔１１０に塗布された電極材料１２２上に塗布される。

次いで、搬送された電極箔１１０は、乾燥炉１３０内を通過する。乾燥炉１３０内では、電極箔１１０に熱風が供給される。したがって、電極箔１１０が乾燥炉１３０内を通過することで電極材料１２２および絶縁材料１２４は加熱され乾燥される。これにより、図８に示すように、電極箔１１０上に、電極材料１２２からなる電極膜１２６と、電極膜１２６上に絶縁材料１２４からなるセパレータ１２４ａと、を形成する。

次いで、図２に示すように、電極箔１１０は第１測定部１４４に搬送され、第１測定部１４４において、電極膜１２６とセパレータ１２４ａとが形成された電極シート１２５の静電容量を測定する。

ここで、第１測定部１４４では、図６に示すように、複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１が設けられている。静電容量測定電極１４０および静電容量測定電極１４１のそれぞれは、回転自在な回転電極であり、図８に示すように静電容量測定電極１４０の外周部には導電性ゴム（導電性弾性体）１４０１が取り付けられ、静電容量測定電極１４１の外周部には、導電性ゴム（導電性弾性体）１４１１が取り付けられている。

本実施の形態の第１測定部１４４では、複数の回転自在な回転電極である静電容量測定電極１４０および静電容量測定電極１４１を電極シート１２５のセパレータ１２４ａに押し当てて静電容量を測定する。

すなわち、第１測定部１４４において、図８に示すように、回転自在な静電容量測定電極１４０および静電容量測定電極１４１が、それぞれ電極シート１２５のセパレータ１２４ａに押し当てられた状態で静電容量の測定が行われる。

なお、静電容量測定電極１４０および静電容量測定電極１４１は、個々に回転自在に設けられたローラ状のものであり、例えば、円盤状の金属部材の外周部に導電性ゴム１４０１，１４１１が取り付けられた構造となっている。そして、電極箔１１０の搬送時および静電容量の測定時には、導電性ゴム１４０１，１４１１の部分が絶縁膜であるセパレータ１２４ａに接触する。

一例として、静電容量測定電極１４０および静電容量測定電極１４１は、厚さ１０ｍｍ程度の回転電極であり、この回転電極の外周部分が導電性ゴム１４０１，１４１１で構成されており、それぞれの回転電極は電気的に絶縁されている。

これにより、図２に示すように、電極箔１１０がローラ１０５に対向する静電容量測定電極１４０を通過するときに第１の静電容量が測定され、ローラ１０５に対向する静電容量測定電極１４１を通過する時に第２の静電容量が測定される。

なお、図６に示すように、各静電容量測定電極１４０および各静電容量測定電極１４１のそれぞれは、配線１４６を介して信号切替装置１４０２および静電容量測定装置（静電容量測定部）１４０３と電気的に接続されている。

静電容量測定装置１４０３の測定条件は、一例として、１００ｋＨｚ、１００ｍＶである。この場合、１００ｋＨｚの周波数で測定するため、１秒間に１０数カ所の測定を行うことができる。すなわち、１秒間に、複数設けられた静電容量測定電極１４０および静電容量測定電極１４１のうちの１０数カ所に亘って静電容量の測定を行うことができる。その際、１秒間に１０数カ所の測定を行うための静電容量測定電極１４０および静電容量測定電極１４１による測定箇所の切り替えを信号切替装置１４０２で行っている。つまり、信号切替装置１４０２により各電極の信号が切り替えられ、静電容量測定装置１４０３に各電極の信号が送信される。

なお、各静電容量測定電極１４０および各静電容量測定電極１４１に電圧を印加する図７に示す電源１４７は、例えば、第１測定部１４４に設けられた静電容量測定装置（静電容量測定部）１４０３に設けられている。そして、演算部を含む制御装置１４０４は、静電容量測定装置１４０３と電気的に接続され、さらに、制御装置１４０４は、第２測定部１４５のマイクロメータ１４２とも電気的に接続されている。ただし、電源１４７は、例えば、制御装置１４０４等の静電容量測定装置１４０３以外の他の装置に設けられていてもよい。

また、第１測定部１４４では、図８に示すように、電極箔１１０の裏面（第２面）１１２と、電極シート１２５を搬送するローラ（第１金属ローラ）１０５と、を接触させた状態で静電容量の測定を行う。

すなわち、ローラ１０５は、金属であり、電極箔１１０の裏面１１２をローラ１０５に接触させることで、電極箔１１０の裏面１１２からローラ１０５を介して共通電極に電気的に接続させることができる。

また、第１測定部１４４では、それぞれに回転自在な複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１のそれぞれを、電極シート１２５のセパレータ１２４ａとの接触面積が一定になるようにセパレータ１２４ａに押し当てて静電容量を測定する。つまり、それぞれに回転自在な複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１のそれぞれが、電極シート１２５のセパレータ１２４ａとの接触面積が一定になるようにセパレータ１２４ａに押し当てられた状態で静電容量の測定が行われる。

言い換えると、複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１のセパレータ１２４ａとの接触面積が略一定となるように（接触面積の変動が小さくなるように）、複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１をセパレータ１２４ａに押し付けている。すなわち、複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１は、複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１のそれぞれが、セパレータ１２４ａへの押し圧が一定になるように制御されており、これにより、膜厚の変動による接触面積の変動が抑制される。そして、各電極からの信号が信号切替装置１４０２を介して静電容量測定装置１４０３に入力され、静電容量の大きさを測定することができる。

さらに、静電容量測定装置１４０３と接続された、演算部を含む制御装置１４０４において、静電容量の大きさからセパレータ１２４ａの厚さを算出する。その際、上述の数１式（ｄ＝ａ／ｃ＋ｂ）を用い、測定した静電容量の数値を代入してセパレータ１２４ａの膜厚（ｄ）を求める。

なお、回転電極である複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１はそれぞれ、例えば、１０ｍｍピッチで並んで配置されている。図６に示す例では、静電容量測定電極１４０が１０個、静電容量測定電極１４１が９個設けられており、合計１９個の回転電極が設けられている。その際、複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１は、電極シート１２５の幅方向（図２の搬送方向Ｓに交差する方向）に対して千鳥配列で設けられている。すなわち、複数の静電容量測定電極１４０と複数の静電容量測定電極１４１とが、電極シート１２５の幅方向に対して千鳥配列に配置された状態で電極シート１２５のセパレータ１２４ａに押し当てられている。

複数の静電容量測定電極１４０と複数の静電容量測定電極１４１とが、千鳥配列で設けられていることにより、少ない面積で、より多くの箇所の静電容量（膜厚）を測定することができ、電極材料１２２の塗布量を高精度に求めることができる。

第１測定部１４４における電極シート１２５の静電容量の測定終了後、電極シート１２５は、第２測定部１４５に搬送される。そして、第２測定部１４５において、電極シート１２５の膜厚を測定する。ここでは、マイクロメータ１４２を用いて電極膜１２６とセパレータ１２４ａの厚さを含む電極シート１２５の全膜厚を測定する。その際、第１測定部１４４で静電容量を測定した位置と同じ位置の全膜厚をマイクロメータ１４２で測定する。

その後、制御装置１４０４において、セパレータ１２４ａの膜厚と電極膜１２６の膜厚とがリアルタイムで計算される。

すなわち、第１測定部１４４における静電容量の測定結果と、第２測定部１４５における電極シート１２５の全膜厚の測定結果とに基づいて、制御装置１４０４において電極シート１２５の電極膜１２６の膜厚を求める。具体的には、制御装置１４０４において、静電容量の測定結果からセパレータ１２４ａの膜厚を算出し、さらに電極シート１２５の全膜厚の値から、予め把握している電極箔１１０の厚さと、上記算出したセパレータ１２４ａの膜厚とを差し引くことにより、電極シート１２５の電極膜１２６の厚さを求めることができる。

このように本実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法は、電極材料１２２の塗工、絶縁材料１２４の塗工、電極材料１２２と絶縁材料１２４の乾燥、電極シート１２５の静電容量の測定および電極シート１２５の膜厚測定を、図２に示す同一のリチウムイオン電池の製造装置で行うものである。

ここで、本実施の形態の図２に示すリチウムイオン電池の製造装置を用いて行った電極膜１２６の測定の結果について説明する。電極材料１２２と絶縁材料１２４とを連続して塗布・乾燥し、乾燥後の塗布膜の静電容量を面内の１９点で測定した。事前に測定した絶縁膜（セパレータ１２４ａ）の厚さと静電容量の関係から、セパレータ１２４ａの厚さを求めた。さらに、マイクロメータ１４２による全膜厚の測定結果から、電極箔１１０とセパレータ１２４ａのそれぞれの厚さを差し引き、電極シート１２５の電極膜１２６の厚さを求めた。これにより、塗布方向（搬送方向）および垂直方向（電極シート１２５の幅方向）に対する電極膜１２６の厚さの面内分布が明確となり、プロセスへのフィードバックが短時間でできることが確認できた。

本実施の形態のリチウムイオン電池の製造方法および製造装置によれば、電極材料１２２上に絶縁材料１２４が塗布された電極シート１２５を製造するリチウムイオン電池の製造ラインにおいて、オフラインとすることなく、オンラインで電極シート１２５の電極膜１２６の膜厚測定を行うことができる。

これにより、電極シート１２５の電極膜１２６の厚さの経時変化を、オンラインでリアルタイムに明確に把握することができる。その結果、電極材料１２２の塗布膜厚の制御（プロセス）に短時間でフィードバックしてリチウムイオン電池１０の生産効率を向上させることができる。

例えば、リチウムイオン電池１０の容量は、正確な大きさでなければならないため、フィードバックにより、切断する電極シート１２５の長さを決定することができる。電極膜１２６の厚さ（量）が規格から外れた際には、フィードバックにより、塗工装置においてスラリ状の電極材料１２２をコータ１２１に供給するポンプの回転数を変える制御を行うことで、迅速に塗布量が規格内に収まるように制御することができる。

これにより、リチウムイオン電池１０の生産効率を向上させることができる。

＜変形例＞
図９は変形例のリチウムイオン電池の製造装置における測定時のローラ押圧状態を示す拡大部分平面図である。図９に示す構造では、両面塗布電極の場合の共通電極側の接続方法を示している。

両面塗布電極の場合、電極箔１１０の表面１１１および裏面１１２のそれぞれに、電極膜１２６とセパレータ１２４ａとが形成された電極シート１２５に対し、第１測定部１４４において、電極箔１１０の表面１１１および裏面１１２のそれぞれに、金属製の補助ローラ（第２金属ローラ）１４３が接触した状態で静電容量の測定を行う。

すなわち、両面塗布電極の場合は、ローラ１０５が電極箔１１０に接していないため、電極箔１１０との電気的接点を金属製の補助ローラ１４３を使って共通電極に接続する。

これにより、電極箔１１０の表面１１１および裏面１１２のそれぞれにおいて、補助ローラ１４３を介して共通電極に電気的に接続した状態で静電容量の測定を行うことができる。

＜他の変形例＞
図１０は他の変形例のリチウムイオン電池の製造装置の一例を示す概念図、図１１は図１０に示すリチウムイオン電池の製造装置における測定部の構造を示す部分斜視図、図１２は図１１に示す測定部における制御系の接続状態を示すブロック構成図である。

図１０に示す他の変形例のリチウムイオン電池の製造装置は、静電容量測定と膜厚測定とを同一箇所で、かつ同時に行うものであり、ここでは、図１０に示す測定部１５０で静電容量測定と膜厚測定とを同時に行う場合について説明する。測定部１５０には、図１１に示すようにローラ１０５に対向して複数（ここでは、例えば３個）の静電容量測定電極１４０が回転自在に設けられており、これら静電容量測定電極１４０のそれぞれにマイクロメータ１４２も設けられている。なお、図１２に示すように、静電容量測定電極１４０のそれぞれの外周部には、導電性ゴム（導電性弾性体）１４０１が取り付けられている。そして、演算部を含む制御装置１４０４は、静電容量測定装置１４０３と電気的に接続され、さらに、静電容量測定装置１４０３は、静電容量測定電極１４０と電気的に接続されている。また、制御装置１４０４は、マイクロメータ１４２とも電気的に接続されている。

これにより、図１０に示すリチウムイオン電池の製造装置の測定部１５０では、回転自在に取り付けられた複数の静電容量測定電極１４０のそれぞれが電極シート１２５のセパレータ１２４ａ（図８参照）に押し当てられた状態で静電容量の測定が行われる。そして、この静電容量の測定結果から電極シート１２５のセパレータ１２４ａの部分の膜厚を求める。この時、測定部１５０では、静電容量測定電極１４０のそれぞれにマイクロメータ１４２が設けられているため、静電容量の測定と同時に、マイクロメータ１４２によって、搬送された電極シート１２５における電極膜１２６（図８参照）とセパレータ１２４ａとを含めた全膜厚を測定することができる。

そして、上記全膜厚の測定結果から、電極箔１１０とセパレータ１２４ａの厚さを差し引き、電極膜１２６の厚さを求める。

図１０に示す他の変形例のリチウムイオン電池の製造装置によれば、静電容量測定電極１４０にマイクロメータ１４２が設けられているため、これらの部材の取り付けが一カ所でよく、取り付け作業を容易にすることができ、また、取り付けスペースの効率も向上させることができる。

さらに、静電容量測定電極１４０にマイクロメータ１４２が設けられていることで、膜厚の測定位置と、静電容量の測定位置との相対誤差が生じない。これにより、測定精度を向上させることができる。なお、静電容量測定電極１４０の外周部に取り付けられた導電性ゴム１４０１は、測定力に対する変位が測定精度に影響しない程度の剛性を有することが好ましい。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、上記実施の形態では、複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１が、千鳥配列で２列に並んで設けられている場合を説明したが、複数の静電容量測定電極１４０および複数の静電容量測定電極１４１は一緒に１列に設けられていてもよい。

また、上記実施の形態では、リチウムイオン電池を例に挙げて、本願発明の技術的思想について説明したが、本願発明の技術的思想は、リチウムイオン電池に限定されるものではなく、正極、負極、および、正極と負極とを電気的に分離するセパレータとを備える蓄電デバイス（例えば、電池やキャパシタ等）に幅広く適用することができる。

また、電極シート１２５の静電容量の測定と、電極シート１２５の膜厚の測定とについては、どちらの測定を先に行ってもよく、あるいは同時に行ってもよい。さらに、電極シート１２５の静電容量の測定と、電極シート１２５の膜厚の測定は、同一の測定部で行ってもよく、あるいはそれぞれ別々に設けられた測定部で行ってもよい。

１０ リチウムイオン電池
１０１ 送り出しロール（搬送部）
１０５ ローラ（搬送部、第１金属ローラ）
１０８ 第１塗工部
１０９ 第２塗工部
１１０ 電極箔
１１１ 表面（第１面）
１１２ 裏面（第２面）
１２２，１２２ａ，１２２ｂ 電極材料
１２３ コータ
１２４ 絶縁材料
１２４ａ セパレータ（絶縁膜）
１２５，１２５ａ，１２５ｂ 電極シート
１４０ 静電容量測定電極
１４１ 静電容量測定電極
１４４ 第１測定部
１４５ 第２測定部
１４０１，１４１１ 導電性ゴム（導電性弾性体）
１４０３ 静電容量測定装置（静電容量測定部）

Claims (15)

1. （ａ）第１面と、その反対側の第２面と、を備えた電極箔の前記第１面上にスラリ状の電極材料を塗布する工程、
   （ｂ）前記電極材料上にスラリ状の絶縁材料を塗布する工程、
   （ｃ）前記電極材料および前記絶縁材料を乾燥させて、前記電極箔上に前記電極材料からなる電極膜と、前記電極膜上に前記絶縁材料からなる絶縁膜と、を有する電極シートを形成する工程、
   （ｄ）前記電極シートの静電容量を測定する工程、
   （ｅ）前記電極シートの膜厚を測定する工程、
   を有し、
   前記静電容量の測定結果と前記電極シートの膜厚の測定結果に基づいて、前記電極箔上の前記電極膜の膜厚を求める、リチウムイオン電池の製造方法。
2. 請求項１に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
   前記（ｄ）工程で、回転自在な導電性弾性体を前記電極シートの前記絶縁膜に押し当てて前記静電容量を測定する、リチウムイオン電池の製造方法。
3. 請求項２に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
   前記導電性弾性体として導電性ゴムを用いる、リチウムイオン電池の製造方法。
4. 請求項１に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
   前記（ｄ）工程で、それぞれに回転自在な複数の導電性弾性体を、前記複数の導電性弾性体のそれぞれと前記電極シートの前記絶縁膜との接触面積が一定になるように、前記絶縁膜に押し当てて前記静電容量を測定する、リチウムイオン電池の製造方法。
5. 請求項４に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
   前記複数の導電性弾性体は、前記電極シートの幅方向に対して千鳥配列で設けられている、リチウムイオン電池の製造方法。
6. 請求項１に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
   前記（ａ）工程〜前記（ｅ）工程の処理を同一の製造装置で行う、リチウムイオン電池の製造方法。
7. 第１面と、その反対側の第２面と、を備えた電極箔を搬送する搬送部と、
   前記電極箔の前記第１面上にスラリ状の電極材料を塗布する第１塗工部と、
   前記電極材料上にスラリ状の絶縁材料を塗布する第２塗工部と、
   前記電極材料および前記絶縁材料を乾燥させて、前記電極箔上に前記電極材料からなる電極膜と、前記電極膜上に前記絶縁材料からなる絶縁膜と、を有する電極シートを形成する乾燥部と、
   前記電極シートの静電容量を測定し、かつ前記電極シートの膜厚を測定する測定部と、
   前記測定部による前記静電容量の測定結果と、前記電極シートの膜厚の測定結果と、に基づいて、前記電極箔上の前記電極膜の膜厚を求める演算部と、
   を有する、リチウムイオン電池の製造装置。
8. 請求項７に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
   前記測定部は、前記電極シートの静電容量を測定する第１測定部と、前記電極シートの膜厚を測定する第２測定部と、を含み、
   前記演算部は、前記第１測定部による前記静電容量の測定結果と、前記第２測定部による前記電極シートの膜厚の測定結果と、に基づいて、前記電極箔上の前記電極膜の膜厚を求める、リチウムイオン電池の製造装置。
9. 請求項８に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
   前記第１測定部で、回転自在な導電性弾性体が前記電極シートの前記絶縁膜に押し当てられた状態で前記静電容量の測定が行われる、リチウムイオン電池の製造装置。
10. 請求項９に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記導電性弾性体は導電性ゴムである、リチウムイオン電池の製造装置。
11. 請求項８に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記第１測定部で、それぞれに回転自在な複数の導電性弾性体が、前記複数の導電性弾性体のそれぞれと前記電極シートの前記絶縁膜との接触面積が一定になるように前記絶縁膜に押し当てられた状態で前記静電容量の測定が行われる、リチウムイオン電池の製造装置。
12. 請求項１１に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記複数の導電性弾性体は、前記電極シートの幅方向に対して千鳥配列に配置された状態で前記電極シートの前記絶縁膜に押し当てられている、リチウムイオン電池の製造装置。
13. 請求項１２に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記第１測定部で、前記電極箔の前記第２面と、前記電極箔を搬送する第１金属ローラと、が接触した状態で前記静電容量の測定が行われる、リチウムイオン電池の製造装置。
14. 請求項１２に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記電極箔の前記第１面および前記第２面のそれぞれに前記電極膜および前記絶縁膜が形成された前記電極シートに対し、前記第１測定部において、前記電極箔の前記第１面および前記第２面のそれぞれに第２金属ローラが接触した状態で前記静電容量の測定が行われる、リチウムイオン電池の製造装置。
15. 請求項１２に記載のリチウムイオン電池の製造装置において、
    前記第１測定部に設けられた静電容量測定部に、前記導電性弾性体に電圧を印加する電源が設けられている、リチウムイオン電池の製造装置。

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