JP2018010822A

JP2018010822A - 電極の製造装置

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Publication number: JP2018010822A
Application number: JP2016139973A
Authority: JP
Inventors: 隆彦中野; Takahiko Nakano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2018-01-18

Abstract

【課題】箔に活物質材料を転写して電極を製造する装置であって，製造速度を上げても，端部まで安定した品質の電極の製造が期待できる電極の製造装置を提供すること。
【解決手段】製造装置１００は，Ａロール１とＢロール２とＣロール３とを備え，供給ギャップＧ１の上方に供給される造粒体１０を，Ｃロール３にて搬送される金属箔１１に転写する。さらに，製造装置１００は，造粒体１０の搬送方向について供給ギャップＧ１よりも上流側で，かつ，Ｂロール２に接触しない位置に，Ｂロール２と平行に配置された供給ロール４３を備える。そして，電極１２の製造時には，供給ロール４３を，Ｂロール２と同じ回転方向に回転させる。
【選択図】図１

Description

本発明は，金属箔に活物質を含む材料である活物質材料を転写することにより，金属箔と活物質材料の層とが積層された電極を製造する製造装置に関する。

従来から，例えば，リチウムイオン二次電池には，金属箔の表面に活物質層が形成されたシート状の電極が用いられている。シート状の電極の製造方法を開示した文献としては，例えば，特許文献１がある。特許文献１には，活物質粒子と，バインダと，溶媒とを含む湿潤状態の粒子である造粒体を，圧延ロールによって金属箔に押し当てることにより，造粒体を金属箔に転写する製造方法が開示されている。

特開２０１６−２５０６０号公報

しかしながら，前記した従来の技術には，次のような問題があった。すなわち，圧延ロールの回転速度や金属箔の搬送速度を上昇させて，電極の製造速度を上げると，金属箔の搬送方向に直交する方向の端部において，活物質層の直線性が低下する場合があった。つまり，製造速度を上げることで，活物質材料が幅方向の端部まで適切に充填されない場合があり，製造された電極の端部の品質が不安定となるという問題点があった。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，箔に活物質材料を転写して電極を製造する装置であって，製造速度を上げても，端部まで安定した品質の電極の製造が期待できる電極の製造装置を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の一態様における電極の製造装置は，駆動力を受けて回転する第１ロールと，前記第１ロールとの間に第１間隙を空けて，前記第１ロールに平行に配置され，駆動力を受けて前記第１ロールと逆の回転方向に回転する第２ロールと，前記第２ロールとの間に前記第１間隙より小さい第２間隙を空けて，前記第２ロールに平行に配置され，駆動力を受けて前記第２ロールと逆の回転方向に回転する第３ロールと，を備え，前記第１間隙に活物質を含む材料である活物質材料を供給し，前記第１間隙を通過して前記第２ロールにて搬送される前記活物質材料を，前記第３ロールにて搬送される箔に前記第２間隙にて転写することによって，前記箔の表面に前記活物質材料の層を形成する電極の製造装置であって，前記活物質材料の搬送方向について前記第１間隙よりも上流側で，かつ，前記第２ロールに接触しない位置に，前記第２ロールに平行に配置され，駆動力を受けて前記第２ロールと同じ回転方向に回転する第４ロールを備えるものである。

上述の一態様における電極の製造装置によれば，活物質材料の搬送方向について第１間隙よりも上流側に第４ロールを備え，電極の製造時には，第４ロールが第２ロールと同じ回転方向に回転する。従って，第４ロールが活物質材料を積極的に第１間隙に搬送することになり，第２ロールの軸方向の広い範囲にわたって，十分な量の活物質材料を第１間隙に供給できる可能性が高まる。従って，製造速度を上げても，端部まで安定した品質の電極の製造が期待できる。

本発明によれば，箔に活物質材料を転写して電極を製造する装置であって，製造速度を上げても，端部まで安定した品質の電極の製造が期待できる電極の製造装置が実現される。

本形態の製造装置を示す概略断面図である。二次電池の例を示す概略断面図である。供給部を示す平面図である。製造時における製造装置を示す正面図である。電極の製造実験の結果を示す表である。電極の幅方向端部の状態を示す説明図である。

以下，本発明を具体化した形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，金属箔に電極活物質を含む造粒体を転写して電極を製造する装置に，本発明を適用したものである。

本形態の製造装置１００の概略構成を，図１に示す。本形態の製造装置１００は，例えば，リチウムイオン二次電池に用いられる帯状の電極１２を製造するための装置である。製造装置１００は，複数のロールを使用して，活物質を含む材料である造粒体１０を金属箔１１に転写することにより，金属箔１１上に活物質の層を形成した積層シート状の電極１２を製造する装置である。

本形態の製造装置１００にて製造された電極１２は，例えば，図２に示すような，略直方体形状で密閉型のリチウムイオン二次電池２００に使用される。このリチウムイオン二次電池２００は，金属製の電池ケース１１０に捲回型の電極体１５０と電解液とが封入されたものである。

電極体１５０は，帯状の正極の電極と帯状の負極の電極とが，間に帯状のセパレータを挟んで扁平形状に捲回された捲回体である。正極用の電極は，例えば，アルミ箔に正極活物質を含む活物質層を形成したものである。正極の活物質層としては，リチウムイオンを吸蔵・放出可能な活物質を含み，例えば，リチウム含有金属酸化物に結着剤と分散溶媒等を混練したものが好適である。負極用の電極は，例えば，銅箔に負極活物質を含む活物質層を形成したものである。負極の活物質層としては，黒鉛等の炭素系材料が好適である。

リチウムイオン二次電池２００は，図２中で電池ケース１１０の上方に，正極端子１２０と負極端子１３０とを有している。正極端子１２０と負極端子１３０とは，電池ケース１１０の内部で，電極体１５０の正負の電極にそれぞれ接続されている。

図１の説明に戻り，本形態の製造装置１００は，Ａロール１と，Ｂロール２と，Ｃロール３と，供給部４と，を備える。Ａロール１は，第１ロールの一例であり，Ｂロール２は，第２ロールの一例であり，Ｃロール３は，第３ロールの一例である。Ａロール１とＢロール２とＣロール３とは，いずれも，回転軸が略水平となるように，互いに平行に配置されている。図１の例では，Ａロール１とＢロール２とは，ほぼ水平に並んで配置され，Ｃロール３は，Ｂロール２の下方に配置されている。ただし，各ロールの配置は，この図の例に限らない。例えば，３つのロール１，２，３が全て水平に並んで配置されていてもよい。

また，Ａロール１とＢロール２とは，外面同士の最近接箇所で，例えば，６０〜１００μｍの隙間を空けて隣接している。また，Ｂロール２とＣロール３とは，外面同士の最近接箇所で，例えば，１０〜２０μｍの隙間を空けて隣接している。Ａロール１とＣロール３とは，隣接していない。以下では，Ａロール１とＢロール２との間の隙間を供給ギャップＧ１，Ｂロール２とＣロール３との間の隙間を成膜ギャップＧ２という。供給ギャップＧ１は，第１間隙の一例であり，成膜ギャップＧ２は，第２間隙の一例である。

図１に示すように，各ロール１，２，３の径はそれぞれ異なる。具体的に，Ａロール１の直径は，例えば，１５０ｍｍ以上であり，３つのうちで最も小さい。また，Ｂロール２の直径は，例えば，２００ｍｍ以上である。そして，Ｃロール３の直径は，３つのうちで最も大きいことが望ましい。Ａロール１やＢロール２の径が小さすぎると，これらのロールの間で造粒体１０を溜めることができる空間が小さく，供給ギャップＧ１へ十分な量の造粒体１０を供給することが難しくなる。

そして，Ａロール１とＢロール２とＣロール３とは，それぞれを回転駆動する不図示のモータに接続されており，電極１２の製造時にはそれぞれ所定の回転速度で回転される。各ロール１，２，３の周速は，Ａロール１の周速が３つのうちで最も遅く，Ｃロール３の周速が３つのうちで最も速い。Ｃロール３の周速が，成膜速度に相当する。そして，３つのロール１，２，３の周速の間には互いに正の相関関係があり，例えば，Ａロール１の周速とＢロール２の周速とＣロール３の周速との比が１：３：９程度となるように，各ロール１，２，３の回転速度が決定されている。なお，モータは，複数のロールで共通であっても，各ロールで個別であってもよい。

各ロール１，２，３の回転方向は，供給ギャップＧ１や成膜ギャップＧ２にて，ギャップを形成する２つのロールが互いに同じ向きへ移動するように定められている。図１に示した例では，供給ギャップＧ１では，Ａロール１とＢロール２との外周面がいずれも図１中で下向きに移動し，成膜ギャップＧ２では，Ｂロール２とＣロール３との外周面がいずれも図１中で右向きに移動する。つまり，Ａロール１とＢロール２とは互いに逆の回転方向に回転し，Ｂロール２とＣロール３とは互いに逆の回転方向に回転する。そして，Ａロール１とＣロール３とは同じ回転方向に回転する。

供給部４は，図外の装置にて製造された造粒体１０を，供給ギャップＧ１に供給する。造粒体１０は，電極活物質とバインダとを含む粉体に少量の水等の溶媒を加えて湿潤状態とし，攪拌することで略球形に造粒したものである。粉体にはさらに増粘剤が含まれてもよい。また，造粒体１０としては，例えば，ふるい等によって，粒の大きさをある程度揃えたものを使用してもよい。本形態では，例えば，粒径４ｍｍ以下の造粒体１０を使用する。造粒体１０はペースト状とした活物質材料に比較して水分含有量が少ないため，造粒体１０を使用することで電極１２の乾燥に要する時間が短縮される。

そして，造粒体１０は，図１中で供給ギャップＧ１の上方に配置されるホッパ等の造粒体１０を供給する部材から，供給部４を経て，供給ギャップＧ１へと搬送される。本形態の供給部４は，図３と図４とに示すように，供給面４１と，仕切板４２１と，仕切板４２２と，供給ロール４３と，を備える。供給ロール４３は，第４ロールの一例である。図３は，造粒体１０が無い状態の製造装置１００を図１中の上方から見た図である。図４は，電極１２の製造時の製造装置１００を図１中の左方から見た図である。

供給面４１は，図１に示したように，造粒体１０のＡロール１側への飛散を防止する。仕切板４２１，４２２は，図３と図４とに示すように，Ａロール１とＢロール２との軸方向について両側に，端部よりもやや中央寄りの位置に設けられ，軸方向に直交する平面を有する。そして，電極１２の製造時には，図１に示したように，造粒体１０は，仕切板４２１と仕切板４２２との間の範囲から，供給ギャップＧ１に供給される。

供給ロール４３は，造粒体１０の搬送方向について供給ギャップＧ１よりも上流側の位置に，Ｂロール２と平行に配置された金属製のロールである。供給ロール４３は，図１に示したように，Ａロール１とＢロール２と供給面４１とのいずれにも接触していない。また，供給ロール４３は，図３に示すように，両側の仕切板４２１，４２２の中央位置に配置され，仕切板４２１と仕切板４２２とのいずれにも接触していない。

そして，供給ロール４３は，電極１２の製造時には，図１に示したように，造粒体１０に接触する。そのために，供給ロール４３は，図１中で供給ギャップＧ１の上方であって，造粒体１０を供給するホッパ等の供給口よりも下方の，供給ギャップＧ１からさほど離れていない位置に配置される。例えば，図１中で上下方向である垂直方向について，供給ロール４３の下端部は，供給面４１の下端部以下の位置であって，Ｂロール２の上端部以下の位置であるとよい。供給ロール４３の下端部と供給面４１の下端部との垂直方向の距離は，例えば，０〜１０ｍｍ程度が好ましい。

また，図１に示したように，供給ロール４３の径は，Ａロール１よりも小さく，例えば，直径１０〜４０ｍｍ程度であるとよい。また，図３に示すように，供給ロール４３の軸方向の長さは，両側の仕切板４２１，４２２の間隔よりも短い。供給ロール４３の回転軸４４は，仕切板４２１，４２２を厚さ方向に貫通し，その一端がモータ４５に取り付けられている。そして，供給ロール４３は，電極１２の製造時には，モータ４５による回転駆動力を受けて，図１に示したように，Ｂロール２と同じ回転方向に回転する。つまり，供給ロール４３とＢロール２とは，隣接する箇所でそれぞれのロールの表面が互いに異なる向きに移動する。

電極１２の製造時には，図１に示したように，供給ギャップＧ１の上部の空間に，両側の仕切板４２１，４２２の間の範囲内で，造粒体１０が供給される。このとき，供給ロール４３は，造粒体１０の中にほぼ埋まった状態となる。そして，供給ロール４３は，Ｂロール２の周速以上の周速で回転される。例えば，電極１２の製造速度を上昇させるために，Ｂロール２の周速を速くする場合には，供給ロール４３の周速も速くする。供給ロール４３の周速は，Ｂロール２の周速と等しくてもよいし，Ｂロール２の周速よりも少し速い速度としてもよい。

これにより，造粒体１０は，供給ロール４３によって攪拌されるとともに軸方向に分散されて，Ｂロール２に向けて供給され，Ｂロール２の回転とともに供給ギャップＧ１へ供給される。つまり，供給ギャップＧ１では，Ｂロール２の軸方向について，仕切板４２１と仕切板４２２との間の空間全体にほぼ均一に造粒体１０が供給され，Ａロール１とＢロール２とで挟まれて膜状に成形される。成形された造粒体１０は，Ｂロール２にて成膜ギャップＧ２へ搬送される。

また，電極１２の製造時には，図１に示したように，Ｃロール３によって，成膜ギャップＧ２に金属箔１１が供給される。金属箔１１は，例えば，厚さ１０〜２０μｍの帯状の金属製の薄膜であり，正極の電極を製造する際にはアルミ箔，負極の電極を製造する際には銅箔が用いられる。金属箔１１は，図示しない供給ロール等から巻き出され，Ｃロール３の外周面にて成膜ギャップＧ２へ搬送される。

成膜ギャップＧ２では，図４に示すように，Ｂロール２の外周面にて搬送される膜状の造粒体１０とＣロール３の外周面にて搬送される金属箔１１とが対向する。成膜ギャップＧ２は，Ｂロール２上の造粒体１０の厚さと金属箔１１の厚さとを合わせた厚さよりも小さい。そのため，成膜ギャップＧ２にて，造粒体１０と金属箔１１とが圧接される。造粒体１０の搬送方向は，図４中で上から下に向かう向きであり，金属箔１１の搬送方向は，図４中で下から上に向かう向きである。

成膜ギャップＧ２では，Ｃロール３の周速の方がＢロール２の周速よりも速いので，造粒体１０が金属箔１１に転写されて積層状態の電極１２となる。製造された電極１２は，Ｃロール３から図１中で右向きに搬送され，図外の乾燥炉等にて乾燥される。

そして，図４に示すように，金属箔１１の幅は，成膜ギャップＧ２での造粒体１０の幅よりも大きい。幅は，それぞれの搬送方向に直交する方向の大きさである。成膜ギャップＧ２を通過して電極１２となった状態でも，造粒体１０の層の幅は金属箔１１の幅未満であり，電極１２の幅方向両端部には，造粒体１０が積層せずに金属箔１１が露出している範囲が存在する。この露出範囲は，後に電極１２を電極端子等と接続する際に使用される箇所であり，造粒体１０の積層された範囲との境界が直線状であることが望ましい。

成膜ギャップＧ２へ至る造粒体１０の膜にて，例えば，幅方向両端部の造粒体１０の密度が中央部より小さくなっていると，電極１２に形成された造粒体１０の層の幅方向両端部の形状が乱れ，直線状ではなくなることがある。これに対し，本形態の製造装置１００では，供給部４に供給ロール４３を備え，供給ロール４３をＢロール２と同じ回転方向に回転させるので，Ｂロール２へ十分な量の造粒体１０を供給でき，幅方向の端部まで均一な造粒体１０の膜とすることができる。従って，本形態の製造装置１００では，製造速度を上げても，幅方向両端部の金属箔１１と造粒体１０の層との境界が直線状となり，端部まで安定した品質の電極１２の製造が期待できる。

さらに，本形態では，供給ロール４３を，その周速がＢロール２の周速以上となるように回転させる。このようにすれば，製造速度を上昇させる場合には，Ｃロール３やＢロール２の周速を速くするとともに，供給ロール４３の周速を速くすることになるので，さらに確実に造粒体１０を供給できる。

続いて，本形態の製造装置１００を使用して，発明者が行った実験の結果について説明する。本実験では，本形態の供給ロール４３を備える実施例の製造装置１００と，供給ロール４３を備えない比較例の製造装置とを用いて，それぞれ電極１２を製造した。実施例の製造装置１００は，供給ロール４３として，径４０ｍｍの金属ロールを備えるものであり，本実験では，供給ロール４３を，Ｂロール２の周速と同じ周速で回転させた。また，比較例の製造装置は，供給ロール４３を備えない点以外は，実施例のものと同様の装置である。

本実験では，直径４ｍｍ以下の造粒体１０を用いて，成膜速度を各種に変更して，電極１２の製造を行った。なお，成膜速度は，Ｃロール３の周速であり，成膜速度を変更した場合には，Ｂロール２の周速，Ａロール１の周速のいずれも，成膜速度に合わせて変更した。実施例では，さらに，供給ロール４３の周速も変更し，Ｂロール２の周速と等しい周速とした。なお，本実験では，Ｂロール２の周速は成膜速度の１／３程度とした。

実験の結果を，図５に示す。本実験では，製造された電極１２の幅方向において，造粒体１０の層の端部の形状を確認した。図５では，製造された電極１２の造粒体１０の層の端部の形状が直線状であると見なすことができ，良好な品質である場合に○，良好な品質ではない場合に×，中程度の品質の場合に△とした。具体的には，図６に示すように，造粒体１０の層の幅方向端部の位置のぶれ幅Ｋが，１ｍｍ以下の場合に○，１〜２ｍｍの範囲内の場合に△，２ｍｍ以上のものがある場合に×とした。

ぶれ幅Ｋは，例えば，製造された造粒体１０の層の端部のうち，最も外側の位置と最も内側の位置との距離である。あるいは，ぶれ幅Ｋは，製造された造粒体１０の層の端部のうち，造粒体１０の層の形成が期待される範囲１２Ａからの最大距離としてもよい。なお，電極１２にて期待される造粒体１０の範囲１２Ａは，仕切板４２１，４２２の配置に基づいて，予め決まっている。

図５に示すように，成膜速度を８ｍ／ｍｉｎまたは１５ｍ／ｍｉｎとした場合には，実施例の装置でも比較例の装置でも，ぶれ幅Ｋの小さい良好な電極１２を製造することができた。一方，成膜速度を２０ｍ／ｍｉｎとした場合には，実施例の装置では良好な電極１２を製造できたのに対し，比較例の装置にて製造した電極１２では，ぶれ幅Ｋのやや大きい箇所があった。

成膜速度をさらに速くし，３０ｍ／ｍｉｎまたは６０ｍ／ｍｉｎとした場合には，実施例の装置では良好な電極１２を製造できたのに対し，比較例の装置にて製造した電極１２にはぶれ幅Ｋのかなり大きい箇所があり，良好な品質とは言えなかった。比較例では，成膜速度を上げることでＢロール２の軸方向端部における造粒体１０の充填性が低下し，端部まで十分な造粒体１０が供給されていなかった可能性が高い。これに対し，実施例の製造装置であれば，造粒体１０の充填性が良好であり，端部まで適切に成膜できることが確認できた。

以上詳細に説明したように本形態の製造装置１００は，造粒体１０の搬送方向について，供給ギャップＧ１よりも上流側に供給ロール４３を備える。さらに，電極１２の製造時には，供給ロール４３を，造粒体１０に接触させて，Ｂロール２と同じ回転方向に回転させるので，十分な量の造粒体１０がＢロール２に供給される。これにより，供給ギャップＧ１への造粒体１０の充填性が向上するので，製造速度を上げても，端部まで安定した品質の電極の製造が期待できる。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，本発明は，金属箔に造粒体による層を形成してシート状の電極を製造する製造方法であれば，リチウムイオン二次電池用の電極に限らず，各種の電池の電極の製造方法に適用可能である。すなわち，電極の材料や造粒体の種類は，実施の形態に限定されるものではない。

また，各ロールの径や回転速度等の各種の数値は，いずれも一例であり，上記の例に限らない。例えば，Ａロール１とＢロール２とＣロール３の径は，同程度であってもよい。また，供給ロール４３の径は，Ａロール１の径より大きくてもよい。

また，実施の形態では，供給ロール４３の周速をＢロール２の周速以上とするとしているが，これに限らない。例えば，供給ロール４３の周速を固定値としてもよい。あるいは，Ｂロール２の周速より遅くてもよい。ただし，Ｂロール２の周速以上とすれば，Ｂロール２の周速を速くしても確実に造粒体１０を供給できるので，好ましい。

また，例えば，供給ロール４３は，金属製のロールに限らず，ゴムロールやスポンジロールであってもよい。また，円筒形状に限らず，軸方向の中央部が大径で両端部が小径のいわゆるクラウン形状のロールであってもよい。また，供給ロール４３は，その表面に，例えば粗面化処理などの加工が施されたものであってもよい。

また，回転軸４４が両側の仕切板４２１，４２２を貫通して設けられるとしたが，これに限らない。例えば，仕切板４２１，４２２に切り欠きを設けて，その切り欠きに回転軸４４を通すととしてもよい。また，モータ４５は，供給ロール４３に専用のものに限らず，Ａロール１，Ｂロール２，Ｃロール３の駆動モータのいずれかと共用であってもよい。

また，例えば，供給ロール４３は，Ａロール１や供給面４１に接触してもよい。また，供給ロール４３の軸方向の両端部は，仕切板４２１，４２２に接触してもよい。例えば，供給ロール４３が回転可能となる程度に摺接してもよい。ただし，いずれも接触しない方が駆動のしやすさの点からは好ましい。

１Ａロール
２Ｂロール
３Ｃロール
４３供給ロール
１００製造装置

Claims

駆動力を受けて回転する第１ロールと，
前記第１ロールとの間に第１間隙を空けて，前記第１ロールに平行に配置され，駆動力を受けて前記第１ロールと逆の回転方向に回転する第２ロールと，
前記第２ロールとの間に前記第１間隙より小さい第２間隙を空けて，前記第２ロールに平行に配置され，駆動力を受けて前記第２ロールと逆の回転方向に回転する第３ロールと，
を備え，
前記第１間隙に活物質を含む材料である活物質材料を供給し，前記第１間隙を通過して前記第２ロールにて搬送される前記活物質材料を，前記第３ロールにて搬送される箔に前記第２間隙にて転写することによって，前記箔の表面に前記活物質材料の層を形成する電極の製造装置であって，
前記活物質材料の搬送方向について前記第１間隙よりも上流側で，かつ，前記第２ロールに接触しない位置に，前記第２ロールに平行に配置され，駆動力を受けて前記第２ロールと同じ回転方向に回転する第４ロールを備えることを特徴とする電極の製造装置。