JP2018206538A - 活物質密度検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極材料の搬送経路途中で非破壊検査によって合剤層の活物質密度を検査できる活物質密度検査装置を提供すること。【解決手段】活物質密度検査装置７０は、電極材料１４を厚み方向の一方向に押圧して電極材料１４に荷重を付与する荷重付与装置７１と、電極材料１４に付与された荷重を計測する荷重測定装置７２と、を有する。また、活物質密度検査装置７０は、荷重付与装置７１によって付与された荷重、荷重の付与によって生じる電極材料１４のたわみ、電極材料１４の長さ、断面二次モーメントから電極材料１４のヤング率を導出し、ヤング率から活物質密度を導出する密度測定装置７３を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、合剤層の活物質密度を導出する活物質密度検査装置に関する。

リチウムイオン二次電池等の蓄電装置は電極組立体を備える。電極組立体は、正極及び負極の電極がセパレータを間に介在する状態で層状に配置されて構成されている。各極の電極は、集電体の両面に活物質層を備える。活物質層の形成は、活物質を有する活物質合剤を帯状集電体に塗布し、乾燥、プレスすることにより行われる。

得られた電極において、活物質密度が低すぎると、電極の厚みが厚くなり過ぎ、二次電池のケース内に収容される電極の枚数が少なくなって電池容量が低下して好ましくない。一方で、密度が高すぎると、活物質層において活物質同士の間に電解液が染みこみにくくなり、電池の反応速度が低下する等して好ましくない。

したがって、活物質密度が規格内にあるか否かが検査されている。活物質密度の検査としては、例えば、特許文献１のように、搬送される電極材料の一部を検査片として切り出し、切り出した検査片の活物質密度を検査する方法がある。

特開２００９−１８４０９０号公報

ところが、特許文献１のように電極材料の一部を検査片として切り出すといった破壊検査では、検査片が切り出された部分は電極材料として使用できず、材料歩留まりが低下する。また、検査片の検査結果が出るまでは、電極材料は搬送され続けるため、検査片の密度が規格外である検査結果が出た場合には、規格外の電極材料が製造され続けてしまう。

本発明の目的は、電極材料の搬送経路途中で非破壊検査によって合剤層の活物質密度を検査できる活物質密度検査装置を提供することにある。

上記問題点を解決するための活物質密度検査装置は、帯状集電体の長手方向に沿った搬送経路における、塗工装置から前記帯状集電体に塗布された活物質合剤よりなる合剤層をプレスするプレス装置の下流に配設され、該合剤層における活物質密度を導出する活物質密度検査装置であって、前記帯状集電体と前記合剤層を有する電極材料を厚み方向の一方向に押圧して前記電極材料に荷重を付与する荷重付与装置と、前記電極材料の前記荷重の付与された部分から前記電極材料の搬送方向に等距離離れた場所に配置され、前記電極材料に付与された荷重を測定する一対の荷重測定装置と、前記電極材料に付与された荷重、前記荷重付与装置による荷重の付与によって生じる前記電極材料のたわみ、前記一対の荷重測定装置の間の前記搬送方向に沿った前記電極材料の長さ、及び前記電極材料の前記荷重が付与された部分における断面二次モーメントから前記電極材料のヤング率を導出し、前記ヤング率と前記活物質密度が比例の関係にあることに基づいて前記活物質密度を導出する密度測定装置と、を有することを要旨とする。

これによれば、電極材料の搬送経路途中で、荷重付与装置によって電極材料に荷重を付与し、荷重測定装置によって電極材料に付与された荷重を測定する。荷重を付与するための荷重付与装置の駆動量から電極材料のたわみが決定される。また、一対の荷重測定装置間の長さから電極材料の長さは予め設定され、電極材料の断面積は、電極材料の製造条件によって予め設定されるため、断面積から断面二次モーメントは予め設定される。そして、密度測定装置は、荷重、たわみ、電極材料の長さ、断面二次モーメントからヤング率を導出するとともに、ヤング率から活物質密度を導出する。したがって、活物質密度検査装置により、電極材料の搬送経路途中で活物質密度を検査することができ、しかも、電極材料を切り出す等の破壊検査とせず、非破壊で活物質密度を検査することができる。

また、活物質密度検査装置は、前記搬送方向における前記プレス装置の上流にも配設されていてもよい。
これによれば、プレス装置の上流側で活物質密度の検査を行い、検査結果に応じてプレス装置による活物質密度の調整を行うことで、プレス後の活物質密度が規格外となることを未然に防ぐことが可能になる。

また、活物質密度検査装置について、前記密度測定装置は、前記プレス装置と信号接続されていてもよい。
これによれば、検査結果に応じてプレス装置によるプレスの仕方を調節することで、プレス後の活物質密度が規格外となることを未然に防ぐことが可能になる。

本発明によれば、電極材料の搬送経路途中で非破壊検査によって合剤層の活物質密度を検査できる。

実施形態の生産設備を模式的に示す図。 電極を示す斜視図。 電極密度検査装置を示す拡大図。 電極材料に荷重を付与した状態を示す拡大図。 活物質密度とヤング率との関係を示すグラフ。

以下、活物質密度検査装置を具体化した一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
蓄電装置としての二次電池は、図示しないが、ケースと、ケースに収容された電極組立体と、を備える。電極組立体は、複数の正極の電極と、複数の負極の電極と、両者の間を絶縁するセパレータと、を備える。本実施形態における二次電池は、リチウムイオン電池である。

図２に示すように、正極及び負極の電極１１は、それぞれ集電体である矩形状の金属箔（正極はアルミニウム箔、負極は銅箔）１２と、金属箔１２の両面に設けられた活物質層１３と、を備える。電極１１は、長尺状の電極材料を所定の形状に切断することで製造される。以下、電極材料の生産設備について説明する。

図１に示すように、電極材料１４を生産する生産設備２０は、長尺の帯状集電体２１の両面に、活物質合剤を連続塗工し、その活物質合剤の層である合剤層２２を乾燥し、プレスして電極材料１４を製造する設備である。なお、活物質合剤としては、活物質、導電剤、バインダ、及び溶媒を混練したものが用いられる。

生産設備２０は、帯状集電体２１を搬送する搬送装置３０と、帯状集電体２１に活物質合剤２２ａを塗布する塗工装置４０と、塗工された合剤層２２を乾燥させる乾燥装置５０と、合剤層２２をプレスするプレス装置６０とを備えている。搬送装置３０は、供給リール３１、巻取リール３２、及び複数のガイドローラ３３を備える。供給リール３１には、帯状集電体２１が巻装されている。帯状集電体２１は、長手方向が供給リール３１の周方向に延びる状態で供給リール３１に巻装されている。供給リール３１は、図示しない支持装置によって回転可能に支持されている。

巻取リール３２は、図示しない支持装置によって回転可能に支持されている。供給リール３１から供給された帯状集電体２１は、回転する巻取リール３２に巻き取られる。その結果、帯状集電体２１は一定の速度で長手方向に搬送される。帯状集電体２１が搬送される方向を搬送方向Ｄとする。また、供給リール３１から巻取リール３２に至るまで帯状集電体２１が通過する経路が帯状集電体２１の搬送経路となり、搬送経路は、帯状集電体２１の長手方向に沿って延びる。

塗工装置４０は、帯状集電体２１の搬送経路に沿う場所のうち、搬送方向Ｄにおける供給リール３１の下流側に配設されている。塗工装置４０はダイ方式である。
乾燥装置５０は、帯状集電体２１の搬送経路に沿う場所のうち、搬送方向Ｄにおける塗工装置４０の下流に設けられている。乾燥装置５０の内部には、高温の熱媒体（例えば空気や窒素ガスなどの気体）が外部から供給されることにより、帯状集電体２１に塗工された活物質合剤２２ａは、同乾燥装置５０の内部を通過する過程で乾燥される。これにより、活物質合剤２２ａに含まれる溶媒が蒸発するとともに、熱によりバインダの硬化が始まり、活物質や導電助剤が相互に固定されて、合剤層２２が形成される。帯状集電体２１と合剤層２２から電極材料１４が形成される。

プレス装置６０は、電極材料１４を挟んで対向する一対のプレスロール６１を備える。各プレスロール６１は、図示しない駆動装置によって回転する。各プレスロール６１の軸心は、電極材料１４の短手方向に延びる。そして、一対のプレスロール６１の間を電極材料１４が通過することにより、帯状集電体２１両面の合剤層２２がプレスされ、合剤層２２における活物質密度が高められる。

次に、電極材料１４の合剤層２２における活物質密度を検査する活物質密度検査装置７０について説明する。
活物質密度検査装置７０は、搬送経路に沿う場所のうち、搬送方向Ｄにおけるプレス装置６０の上流及び下流に配設されている。なお、以下、プレス装置６０の上流に配設された活物質密度検査装置７０を上流側の活物質密度検査装置７０と記載し、プレス装置６０の下流に配設された活物質密度検査装置７０を下流側の活物質密度検査装置７０と記載する。

上流側及び下流側の活物質密度検査装置７０は、流体圧シリンダ製の荷重付与装置７１を備える。荷重付与装置７１は、電極材料１４の下側に配設されている。荷重付与装置７１は、シリンダチューブ７１ａの上端から該シリンダチューブ７１ａに対し出没可能なロッド７１ｂを備える。荷重付与装置７１は、ロッド７１ｂの先端にローラ７１ｃを回転可能に備える。そして、シリンダチューブ７１ａからロッド７１ｂを突出させ、ローラ７１ｃを回転させながら電極材料１４に押し当てることで、荷重付与装置７１は、電極材料１４を厚み方向の一方向に押圧し、電極材料１４に荷重を付与する。

上流側及び下流側の活物質密度検査装置７０は、搬送経路に沿う場所のうち、搬送方向Ｄにおける荷重付与装置７１の上流と下流に配設された荷重測定装置７２を備える。荷重測定装置７２は、電極材料１４の上側に配設されている。荷重測定装置７２は、搬送経路に沿う場所のうち、搬送方向Ｄにおける荷重付与装置７１を挟む位置に配設されている。各荷重測定装置７２は、搬送方向Ｄに沿って荷重付与装置７１から等距離離れた位置に配設されている。よって、荷重付与装置７１は、搬送方向Ｄにおける一対の荷重測定装置７２の中央に配設されている。そして、搬送方向Ｄに沿った一対の荷重付与装置７１間の離間距離Ｌ（図４参照）を二等分する位置に、荷重付与装置７１のローラ７１ｃが当接して電極材料１４に荷重が付与される。なお、一対の荷重付与装置７１の離間距離Ｌは、後述の密度測定装置７３に予め入力されている。

図４に示すように、各荷重測定装置７２は、電子天秤７２ａを備える。また、各荷重測定装置７２は、電極材料１４の短手方向に延びる軸７２ｂを備えるとともに、軸７２ｂに回転可能に支持されたタッチロール７２ｃを備える。タッチロール７２ｃは各電子天秤７２ａに摺接可能な状態に配設されている。タッチロール７２ｃに電極材料１４が押し当てられると、タッチロール７２ｃを介した電子天秤７２ａにより電極材料１４に付与された荷重Ｗが測定される。

また、荷重付与装置７１によって電極材料１４に荷重Ｗが付与されると、電極材料１４は、一対の荷重測定装置７２との接触点Ｐ１を起点としてたわむ。ここで、荷重測定装置７２と電極材料１４との接触点をＰ１、荷重付与装置７１のローラ７１ｃと電極材料１４との接触点をＰ２とすると、たわみδは、電極材料１４の厚み方向に沿った接触点Ｐ１と接触点Ｐ２との距離Ｋで表される。

よって、電極材料１４のたわみδは、荷重付与装置７１におけるロッド７１ｂの移動量で決定される。すなわち、荷重付与装置７１の駆動量であるロッド７１ｂの移動量により、電極材料１４のたわみδは予め設定される。したがって、ロッド７１ｂの移動量を予め設定して荷重付与装置７１を駆動させることで、たわみδを予め把握しておくことができ、たわみδは後述の密度測定装置７３に予め入力されている。

図３に示すように、上流側及び下流側の活物質密度検査装置７０は、各荷重測定装置７２と信号接続された密度測定装置７３を備える。密度測定装置７３は、荷重測定装置７２によって計測された荷重Ｗと、荷重付与装置７１間の離間距離Ｌと、たわみδと、荷重付与装置７１によって荷重が付与された部分における断面二次モーメントＩとから、梁のたわみを計算する際の公式から合剤層２２のヤング率を導出する。なお、断面二次モーメントＩは、電極材料１４の厚み方向への断面積から予め計算され、密度測定装置７３に入力されている。

密度測定装置７３は、導出されたヤング率から合剤層２２の活物質密度を導出する。図５に示すように、ヤング率と活物質密度は、比例の関係にあることが発明者らの研究によって立証されている。密度測定装置７３は、導出されたヤング率から活物質密度を導出する。密度測定装置７３は、導出された活物質密度が、予め決められた規格内にあるか否かを判定する。導出された活物質密度が、規格の最小値より小さい、又は規格の最大値より大きい場合は、規格外であると判定する。

なお、上流側の活物質密度検査装置７０と、下流側の活物質密度検査装置７０とでは、活物質密度の規格が異なる。下流側の活物質密度検査装置７０においては、プレス後の活物質密度を検査するため、活物質密度の規格は、電極１１における活物質密度を基準に設定される。活物質密度の規格範囲は、規格外になると不良品とする値よりも若干の余裕を持って設定されている。

上流側の活物質密度検査装置７０は、プレス前の活物質密度を検査するため、活物質密度の規格は、プレス後の活物質密度よりも低い値に設定される。プレス装置６０によるプレス量は、機械的に設定可能である。よって、プレス前の活物質密度の規格は、設定されたプレス量によるプレスを行ったときに、活物質密度が電極１１の活物質密度の規格内に収まる値に設定されている。

下流側の密度測定装置７３には、搬送装置３０及びプレス装置６０が信号接続されている。活物質密度が規格外であると判定された場合、密度測定装置７３は、規格外を示す旨の信号である警告信号を搬送装置３０に出力する。搬送装置３０は、活物質密度が規格外である旨の警告信号を入力すると、直ちに搬送装置３０の駆動を停止させる。

そして、下流側の密度測定装置７３によって、活物質密度が規格よりも低いと判定された場合、密度測定装置７３は、活物質密度が規格よりも低い旨の信号である警告信号をプレス装置６０に出力する。プレス装置６０は、活物質密度が規格よりも低い旨の警告信号を入力すると、プレスロール６１間のギャップを狭める制御を行い、活物質密度が規格に収まるようにプレス圧を高める。その後、搬送装置３０を駆動させ、電極材料１４の生産を継続させる。

一方、下流側の密度測定装置７３によって、活物質密度が規格よりも高いと判定された場合、密度測定装置７３は、活物質密度が規格よりも高い旨の信号である警告信号をプレス装置６０に出力する。プレス装置６０は、活物質密度が高い旨の警告信号を入力すると、プレスロール６１間のギャップを広める制御を行い、活物質密度が規格に収まるようにプレス圧を低くする。その後、搬送装置３０を駆動させ、電極材料１４の生産を継続させる。

また、上流側の密度測定装置７３には、プレス装置６０及び搬送装置３０が信号接続されている。上流側の密度測定装置７３によって、活物質密度が規格よりも低いと判定された場合、密度測定装置７３は、規格外を示す旨の信号である警告信号をプレス装置６０に出力する。プレス装置６０は、活物質密度が規格よりも低い旨の警告信号を入力すると、プレスロール６１間のギャップを狭める制御を行い、活物質密度が規格に収まるようにプレス圧を高める。その後、搬送装置３０を駆動させ、電極材料１４の生産を継続させる。

一方、上流側の密度測定装置７３によって、活物質密度が規格よりも高いと判定された場合、さらにプレスしても活物質密度が規格外であるため、密度測定装置７３は、規格外を示す旨の信号である警告信号を搬送装置３０に出力する。搬送装置３０は、活物質密度が高い旨の警告信号を入力すると、搬送装置３０の駆動を停止させたままとする。

次に、活物質密度検査装置７０の作用及び活物質密度の検査方法を記載する。
まず、図３又は図４に示すように、下流側の活物質密度検査装置７０において、乾燥装置５０を通過した電極材料１４に対し、荷重付与装置７１によって電極材料１４が押し上げられる。電極材料１４が予め決められた量だけ押し上げられると、荷重測定装置７２によって電極材料１４に付与された荷重Ｗが測定される。

密度測定装置７３は、荷重測定装置７２によって測定された荷重Ｗと、一対の荷重測定装置７２間の離間距離Ｌと、荷重付与装置７１のロッド７１ｂの移動量によって決められたたわみδと、断面二次モーメントＩとから、梁の強度計算に基づいてヤング率を導出する。さらに、密度測定装置７３は、導出されたヤング率から合剤層２２の活物質密度を導出する。密度測定装置７３は、導出された活物質密度に応じて搬送装置３０又はプレス装置６０の駆動を制御する。

上流側の活物質密度検査装置７０による活物質密度の検査は、下流側の活物質密度検査装置７０による活物質密度の検査と同じ要領で行われる。密度測定装置７３は、導出された活物質密度に応じて搬送装置３０又はプレス装置６０の駆動を制御する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）活物質密度検査装置７０によれば、荷重付与装置７１により電極材料１４に荷重を付与し、荷重測定装置７２によって荷重Ｗを測定した後、密度測定装置７３は、測定された荷重Ｗと、予め設定されている荷重付与装置７１間の離間距離Ｌと、たわみδと、断面二次モーメントＩとからヤング率を導出する。さらに、密度測定装置７３は、導出されたヤング率から合剤層２２の活物質密度を導出する。したがって、電極材料１４の搬送経路途中であっても、電極材料１４に荷重を付与するだけで、密度測定装置７３によって活物質密度を導出できる。よって、活物質密度を非破壊検査で導出することができ、電極材料１４の材料歩留まりを低下させない。

そして、電極材料１４の搬送経路途中で活物質密度の検査を行うことができ、活物質密度が規格外である場合には、電極材料１４の搬送を停止させる等の対処を速やかに取ることができる。よって、活物質密度が規格外の電極材料１４が製造され続けることを抑止できる。

（２）上記構成の活物質密度検査装置７０によれば、電極材料１４の所望する場所で活物質密度の検査が可能になり、電極材料１４の長さ方向において十数ｍｍ〜数十ｍｍ単位での活物質密度の検査が可能となる。

（３）下流側の活物質密度検査装置７０は、搬送経路に沿う場所のうち、搬送方向Ｄにおける巻取リール３２の上流に配設され、巻取リール３２に電極材料１４が巻き取られる前に活物質密度を検査できる。よって、巻取リール３２に電極材料１４を巻き取った後に活物質密度を検査する場合と比べると、活物質密度を早期に検査できるとともに、巻き取った電極材料１４を巻き出して活物質密度を検査する必要がなく、検査が容易となる。

（４）下流側の活物質密度検査装置７０の密度測定装置７３は、導出した活物質密度が規格外の場合には、プレス装置６０に警告信号を出力する。プレス装置６０は、警告信号を入力すると一対のプレスロール６１間のギャップを調節して、活物質密度を調整する。よって、導出された活物質密度をプレス装置６０にフィードバックして、活物質密度が規格内に入るように速やかに調整できる。

（５）上流側の活物質密度検査装置７０は、プレス装置６０の上流側で活物質密度の検査を行い、密度測定装置７３は、導出した活物質密度が規格よりも高い場合には、搬送装置３０に警告信号を出力し、搬送装置３０による電極材料１４の搬送を停止させる。また、密度測定装置７３は、導出した活物質密度が規格よりも低い場合には、プレス装置６０に警告信号を出力し、活物質密度が高められるようにする。よって、上流側の活物質密度検査装置７０を設け、活物質密度をプレス前に検査することで、プレス後の活物質密度が規格外となることを未然に防ぐことが可能になる。

（６）活物質密度検査装置７０は、荷重付与装置７１によって電極材料１４に荷重を付与して撓ませるが、それ以外の部分では電極材料１４には張力が付与されている。このため、活物質密度検査装置７０によって活物質密度を検査しても、電極材料１４に弛みや皺が形成されることを抑制でき、弛みや皺を原因としたプレスロール６１の損傷が発生しにくい。

（７）下流側の活物質密度検査装置７０において、活物質密度の規格範囲は、電極１１の活物質層１３として所望する活物質密度より余裕を持って設定されている。このため、密度測定装置７３によって規格外であると判定された場合でも、プレスロール６１間のギャップを調整することで活物質密度を規格内に収めることができ、無駄になる活物質合剤２２ａの量を少なくできる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 塗工装置４０の塗工方式をダイ方式としたが、その他の塗工方式、例えばコンマロール方式であってもよい。コンマロール方式による塗工方式では、塗工が継続的に行われると、活物質合剤２２ａの貯留部内で活物質合剤２２ａが滞り、活物質濃度が高くなる場合がある。この場合は、合剤層２２の活物質密度が高くなる虞がある。よって、コンマロール方式の塗工装置４０を用いた場合は、活物質密度が規格より高くなりやすい。このため、実施形態の活物質密度検査装置７０により、活物質密度を電極材料１４の搬送経路途中で検査し、検査結果を塗工装置４０にフィードバックすることで、活物質密度が規格外になることを抑制しやすくなる。

○ 搬送方向Ｄにおけるプレス装置６０の上流側に配設された活物質密度検査装置７０は無くてもよい。
○ 一対の荷重測定装置７２は、電極材料１４の搬送方向Ｄ（長手方向）ではなく、短手方向に配設されていてもよい。

○ 密度測定装置７３は、プレス装置６０と信号接続されていなくてもよい。この場合、導出された活物質密度が規格外であった場合、密度測定装置７３にその旨を表示させ、作業者に規格外であることを報知するのが好ましい。

○ 活物質合剤２２ａを連続塗工としたが、間欠塗工としてもよい。
○ 電極１１が、活物質層１３の表面を覆う保護層（例えば、セラミック層）を備える場合、電極材料１４は、合剤層２２の表面に保護層材料（例えば、セラミックスラリー）が塗布される。このような保護層材料の塗布された電極材料１４においても、活物質密度検査装置７０を用いて活物質密度を測定してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記電極材料は搬送装置によって前記搬送方向に搬送され、前記搬送経路に沿う場所のうち、前記搬送方向における前記プレス装置より上流の前記活物質密度検査装置により、前記活物質密度が規格より高いと判定された場合は、前記搬送装置を停止させる活物質密度検査装置。

（２）前記ヤング率は、梁の強度計算に基づいて導出する活物質密度検査装置。

Ｄ…搬送方向、１４…電極材料、２１…帯状集電体、２２…合剤層、２２ａ…活物質合剤、４０…塗工装置、６０…プレス装置、７０…活物質密度検査装置、７１…荷重付与装置、７２…荷重測定装置、７３…密度測定装置。

Claims (3)

1. 帯状集電体の長手方向に沿った搬送経路における、塗工装置から前記帯状集電体に塗布された活物質合剤よりなる合剤層をプレスするプレス装置の下流に配設され、該合剤層における活物質密度を導出する活物質密度検査装置であって、
   前記帯状集電体と前記合剤層を有する電極材料を厚み方向の一方向に押圧して前記電極材料に荷重を付与する荷重付与装置と、
   前記電極材料の前記荷重の付与された部分から前記電極材料の搬送方向に等距離離れた場所に配置され、前記電極材料に付与された荷重を測定する一対の荷重測定装置と、
   前記電極材料に付与された荷重、
   前記荷重付与装置による荷重の付与によって生じる前記電極材料のたわみ、
   前記一対の荷重測定装置の間の前記搬送方向に沿った前記電極材料の長さ、
   及び前記電極材料の前記荷重が付与された部分における断面二次モーメントから前記電極材料のヤング率を導出し、前記ヤング率と前記活物質密度が比例の関係にあることに基づいて前記活物質密度を導出する密度測定装置と、を有することを特徴とする活物質密度検査装置。
2. 前記活物質密度検査装置は、前記搬送方向における前記プレス装置の上流にも配設されている請求項１に記載の活物質密度検査装置。
3. 前記密度測定装置は、前記プレス装置と信号接続されている請求項１又は請求項２に記載の活物質密度検査装置。