JP2021018964A

JP2021018964A - 電極塗膜の乾燥方法

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Publication number: JP2021018964A
Application number: JP2019135919A
Authority: JP
Inventors: 久敬若濱; Hisanori Wakahama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2021-02-15
Anticipated expiration: 2039-07-24
Also published as: JP7157912B2

Abstract

【課題】電極塗膜を適切に加熱することが可能な電極塗膜の乾燥方法を提供する。【解決手段】電極用ペーストは、電極材と溶剤を含む。電極塗膜は、電極用ペーストを金属シート上に塗布することで形成される。電極塗膜の乾燥方法は、第１加熱ステップと第２加熱ステップを含む。第１加熱ステップでは、熱風および赤外線加熱の少なくとも一方により電極塗膜が加熱される。第２加熱ステップでは、第１加熱ステップにおける加熱によって、電極塗膜の表面に電極材の少なくとも一部が露出するタイミングで、通電加熱による電極塗膜の加熱が開始される。【選択図】図４

Description

本発明は、金属シート上に電極用ペーストを塗布して形成された電極塗膜の乾燥方法に関する。

電極材と溶剤を含む電極用ペーストを金属シート上に塗布することで形成された電極塗膜を乾燥させる方法が知られている。例えば、特許文献１には、電極材とバインダと溶剤を含む電極材ペーストを、金属シート上に塗布することで形成されたリチウムイオン電池用電極塗膜を乾燥させる方法が開示されている。該乾燥方法では、乾燥初期には、塗膜表面に熱風を吹き付けるとともに、赤外線加熱を行って塗膜温度を速やかに上昇させる。乾燥中期には、シート温度より低音の熱風によりシート温度をコントロールしながら、赤外線照射により塗膜全体を加熱する。

国際公開第２０１１／１０５３４８号

特許文献１に記載の乾燥方法では、例えば塗膜の厚みが大きい場合等に、赤外線が塗膜の内部に十分に到達しない可能性がある。塗膜の内部に赤外線が十分に到達しないと、塗膜の内部の温度を上昇させるために時間を要するので、乾燥に要する時間を短縮することが困難となる。

本発明の典型的な目的は、電極塗膜を適切に加熱することが可能な電極塗膜の乾燥方法を提供することである。

かかる目的を実現すべく、ここに開示される一態様の電極塗膜の乾燥方法は、電極材と溶剤を含む電極用ペーストを金属シート上に塗布することで形成された電極塗膜の乾燥方法であって、熱風および赤外線加熱の少なくとも一方により前記電極塗膜を加熱する第１加熱ステップと、前記第１加熱ステップにおける加熱によって、前記電極塗膜の表面に前記電極材の少なくとも一部が露出するタイミングで、通電加熱による前記電極塗膜の加熱を開始する第２加熱ステップと、を含むことを特徴とする。

かかる電極塗膜の乾燥方法では、熱風および赤外線加熱の少なくとも一方により、電極塗膜の表面側から電極塗膜の温度を速やかに上昇させることができる。その後、電極塗膜の表面に電極材の少なくとも一部が露出すると、通電加熱が開始される。これにより、電極塗膜の内部温度も適切に上昇させることができる。従って、電極塗膜を適切に加熱することができる。

溶剤１２２が乾燥される前の状態の電極１００の模式断面図である。本実施形態の乾燥機構１の要部側面図である。通電機構３０の模式平面図である。加熱制御処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。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実施に必要な事柄は、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。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「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う。二次電池には、全固体電池が含まれる。全固体電池は、全固体リチウムイオン二次電池、および、リチウムイオン以外の金属イオンを電化担体とする電池（例えば、ナトリウムイオン二次電池、マグネシウムイオン二次電池等）を包含する。以下、リチウムイオン二次電池の電極における電極塗膜の乾燥方法を例示して、本開示に係る電極塗膜の乾燥方法について説明する。ただし、本開示に係る電極塗膜の乾燥方法を、以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。

図１を参照して、本開示に係る電極１００について説明する。本実施形態の電極１００は、リチウムイオン二次電池の電極（正極もしくは負極）である。電極１００を形成する場合、まず、集電体に相当する金属シート１１０に電極用ペーストが塗布されることで、電極塗膜（電極合材層あるいは電極活物質層ともいう）１２０が形成される。次いで、乾燥によって電極塗膜１２０中の溶剤１２２が蒸発して除去されることで、電極１００が形成される。電極用ペーストは、電極材１２１と溶剤１２２を少なくとも含む。ここで開示される技術が適用される電極１００は、負極であっても、正極であってもよい。

電極１００が負極である場合、金属シート１１０は負極集電体である。負極集電体の材料としては、例えば、箔状のＳＵＳ、銅等が挙げられる。電極材１２１は電極塗膜１２０中に含まれる固形材をいい、負極活物質を主体に構成される。必要に応じて、バインダや導電材が配合され得る。負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な公知の負極活物質を特に限定することなく採用することができる。例えば、黒鉛等のカーボン系負極活物質、ＴｉＳｎ、ＴｉＳｉ等の金属系負極活物質、ＬｉＣｏＮ、ＳｉＯ、ＬｉＴｉＯ_４等の窒化物もしくは酸化物系負極活物質が挙げられる。また、バインダとしては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン樹脂）やＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）等が挙げられる。また、導電材としては、カーボンブラック（アセチレンブラック等）のような炭素材料が挙げられる。また、溶剤１２２は、例えば、Ｎ−メチルピロリドン等の有機溶媒が挙げられる。

電極１００が正極である場合、金属シート１１０は正極集電体である。正極集電体の材料としては、例えば、箔状のＳＵＳ、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン等が挙げられる。電極材１２１は、負極側と同様、電極塗膜１２０中に含まれる固形材をいい、正極活物質を主体に構成される。必要に応じて、バインダや導電材が配合され得る。正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な公知の正極活物質を特に限定することなく採用することができる。例えば、層状結晶構造、スピネル結晶構造等の結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質が挙げられる。バインダ、導電材、溶剤については上記のとおりである。

図２および図３を参照して、本実施形態の乾燥機構１について説明する。乾燥機構１は、電極１００に形成された電極塗膜１２０中の溶剤１２２を乾燥させるために使用される。乾燥機構１は、熱風機構１０と赤外線照射機構２０と通電機構３０を備える。熱風機構１０は、熱風を送風する複数の送風部１１を備える。赤外線照射機構２０は、赤外線を照射することで、電極塗膜１２０を加熱することができる。通電機構３０は複数の通電装置３１を備える。通電装置３１は、電極１００の金属シート１１０に電気的に接続されており、電極１００に通電することで、電極塗膜１２０を加熱することができる。

乾燥機構１において、電極１００は、矢印Ａ１の方向（搬送方向）に搬送される。熱風機構１０の複数の送風部１１は、電極１００の電極塗膜１２０が形成された面に対向する。赤外線照射機構２０も、電極１００の電極塗膜１２０が形成された面に対向する。つまり、熱風機構１０および送風部１１は、電極塗膜１２０を表面側から加熱する。

通電機構３０において、複数の通電装置３１は、キャタピラ（無限軌道）式に配置され、移動される。詳細には、複数の通電装置３１は、複数のローラ（図示略）に掛け回された帯体３２に配置され、ローラが回転されることで、複数の通電装置３１が、矢印Ａ１の方向に搬送される電極１１０と同期して矢印Ａ２の方向に移動される。図３に示すように、複数の通電装置３１の各々は、一対の挟み込み部３１１および３１２を備える。

一対の挟み込み部３１１および３１２は、搬送方向に搬送される電極１００を、搬送方向に交差する方向の両側において挟み込む。通電装置３１は、一対の挟み込み部３１１および３１２で挟み込んだ金属シート１１０に通電する。例えば、通電装置３１は、一対の挟み込み部の一方（挟み込み部３１１）から他方（挟み込み部３１２）に向けて（矢印Ａ３の方向に）通電する。これにより、電極塗膜１２０が内部（金属シート１１０側）から加熱される。通電装置３１は、搬送方向に沿って所定距離移動すると、一対の挟み込み部３１１および３１２による金属シート１１０の挟持を終了する。一対の挟み込み部３１１および３１２から解放された金属シート１１０は、搬送方向に搬送される。

図４を参照して、乾燥機構１を用いた加熱制御処理の一例を説明する。例えば、加熱制御処理は、メモリ等に記憶された加熱制御プログラムに従って、乾燥機構１を制御するプロセッサにより実行される。例えば、乾燥機構１による乾燥処理が行われている間、連続して搬送される各々の電極１００毎に、図４に示す加熱制御処理が実行される。

なお、加熱制御処理は、プロセッサ以外の電子部品（例えば、ＡＳＩＣ）によって実行されてもよい。加熱制御処理は、複数の電子機器（例えば、複数のプロセッサ）によって分散処理されてもよい。

加熱制御処理が開始されると、熱風および赤外線照射の少なくとも一方による電極塗膜１２０の加熱工程（第１加熱工程）が開始される（Ｓ１）。本実施形態では、熱風および赤外線照射の両方による電極塗膜１２０の加熱が開始される。詳細には、熱風機構１０が制御され、複数の送風部１１により熱風が送風されることで、送風部１１を通過している電極１１０の電極塗膜１２０が加熱される。更に、赤外線照射機構２０が制御され、電極塗膜１２０に赤外線が照射されることで、赤外線照射機構２０を通過している電極１１０の電極塗膜１２０が加熱される。これにより、電極塗膜１２０の表面１２４（図１参照）の温度が上昇し、電極塗膜１２０の表面１２４から溶剤１２２が蒸発する。

電極材１２１が電極塗膜１２０の表面１２４に露出するタイミングが到来するまで（Ｓ２：ＮＯ）、第１加熱工程が継続される。一例として、本実施形態では、電極１００が乾燥機構１によって熱風機構１０および赤外線照射機構２０から通電機構３０に引き渡されるタイミングと、電極材１２１の少なくとも一部が電極塗膜１２０の表面１２４に露出するタイミングとが略一致するように、熱風機構１０および赤外線照射機構２０の出力、電極１００の搬送速度、および搬送距離等が予め設定されている。従って、本実施形態では、電極１００が通電機構３０に到達したタイミングが、電極材１２１の少なくとも一部が表面１２４に露出したタイミングとされる。しかし、電極材１２１の少なくとも一部が電極塗膜１２０の表面１２４に露出したか否かを判断する方法を、他の方法に変更することも可能である。例えば、電極塗膜１２０の溶剤１２２が蒸発するにつれて、電極塗膜１２０の表面１２４の反射率が変化する。この反射率を検出することで、電極材１２１の少なくとも一部が電極塗膜１２０の表面１２４に露出したか否かが判断されてもよい。

電極材１２１が電極塗膜１２０の表面１２４に露出するタイミングが到来すると（Ｓ２：ＹＥＳ）、電極塗膜１２０に対する通電加熱工程（第２加熱工程）が開始される（Ｓ３）。詳細には、通電機構３０の通電装置３１が制御され、金属シート１１０に通電されることで、電極塗膜１２０の加熱が開始される。これにより、電極塗膜１２０の表面１２４側とは反対側の金属シート１１０側から、電極塗膜１２０を加熱することができる。

金属シート１１０に対する通電加熱工程が開始されると、金属シート１１０の温度が電極塗膜１２０の表面１２４の温度に一致するか否かが、電極１１０毎に判断される（Ｓ４）。金属シート１１０の温度が電極塗膜１２０の表面１２４の温度に一致するか否かの判断は、公知の方法で行われてもよい。例えば、乾燥機構１は、金属シート１１０の温度を測定するセンサと、電極塗膜１２０の表面１２４の温度を測定するセンサを備えてもよい。測定された金属シート１１０の温度と測定された表面１２４の温度が比較されて、金属シート１１０の温度が表面１２４の温度に一致するか否かが判断されてもよい。また、金属シート１１０の温度は、金属シート１１０に通電される電力量に基づいて算出（推定）されてもよい。また、Ｓ４では、金属シート１１０の温度と電極塗膜１２０の表面１２４の温度の差が所定範囲内であれば、両者の温度が一致していると判断されてもよい。

金属シート１１０の温度が電極塗膜１２０の表面１２４の温度に一致しない場合（Ｓ４：ＮＯ）、金属シート１１０への通電量が調整される（Ｓ５）。つまり、通電装置３１が制御され、金属シート１１０に流れる電力量が調整されることで、電極塗膜１２０への加熱量が調整される。一例として、本実施形態では、金属シート１１０の温度と電極塗膜１２０の表面１２４の温度の差が大きい程、金属シート１１０に流れる電力量が大きくなるように、電力量が調整される。金属シート１１０の温度が電極塗膜１２０の表面１２４の温度に一致している場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、金属シート１１０への通電量が維持される（Ｓ６）。

乾燥機構１による乾燥工程が終了するまで（Ｓ７：ＮＯ）、Ｓ４〜Ｓ７の処理が繰り返される。乾燥機構１による乾燥処理が終了すると、加熱制御処理は終了する。例えば、一対の挟み込み部３１１および３１２による金属シート１１０の挟持を終了した時、加熱制御処理は終了する。

上述の通り、加熱制御処理では、熱風および赤外線加熱の少なくとも一方により電極塗膜１２０が加熱される。電極塗膜１２０の表面１２４に、電極材１２１の少なくとも一部が露出するタイミングで、通電加熱による金属シート１１０の加熱が開始される。従って、まず、熱風および赤外線加熱の少なくとも一方により、電極塗膜１２０の表面１２４側から、電極塗膜１２０が速やかに加熱される。表面１２４に電極材１２１の少なくとも一部が露出すると、電極塗膜１２０の表面１２４側とは反対側の金属シート１１０側から、電極塗膜１２０が加熱される。これにより、電極塗膜１２０の厚み等に関わらず、電極塗膜１２０を適切に短時間で加熱することができる。

本実施形態では、加熱制御処理において通電加熱が開始されると、金属シート１１０の温度と電極塗膜１２０の表面１２４の温度が略等しくなるように維持される。これにより、電極塗膜１２０における温度差を抑制できる。よって、電極塗膜１２０における粒子偏析等を抑制でき、電極１００の品質が低下する可能性を低減できる。

上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記で例示された技術を変更することも可能である。例えば、電極１００が全固体電池用の電極である場合、電極用ペーストは固体電解質を含んでもよい。固体電解質としては、例えば、Ｌｉイオン伝導性を有する材料（例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質等）が挙げられる。

上記実施形態において、熱風および赤外線照射の少なくとも一方による電極塗膜１２０の加熱は、通電加熱開始時に終了されてもよいし、通電加熱開始後も継続されてもよい。熱風および赤外線照射の少なくとも一方による電極塗膜１２０の加熱は、通電加熱開始後に終了されてもよい。熱風機構１０が制御されて、熱風の温度および風量の少なくとも一方が調整されてもよい。熱風機構１０の制御は、例えば、電極塗膜１２０の表面１２４の温度に応じて行われてもよい。赤外線照射機構２０が制御されて、赤外線の照射量が調整されてもよい。赤外線照射機構２０の制御は、例えば、電極塗膜１２０の表面１２４の温度に応じて行われてもよい。

１乾燥機構
１０熱風機構
２０赤外線照射機構
３０通電機構
３１通電装置
１１０金属シート
１２０電極塗膜
１２１電極材
１２２溶剤
１２４表面

Claims

電極材と溶剤を含む電極用ペーストを金属シート上に塗布することで形成された電極塗膜の乾燥方法であって、
熱風および赤外線加熱の少なくとも一方により前記電極塗膜を加熱する第１加熱ステップと、
前記第１加熱ステップにおける加熱によって、前記電極塗膜の表面に前記電極材の少なくとも一部が露出するタイミングで、通電加熱による前記電極塗膜の加熱を開始する第２加熱ステップと、
を含むことを特徴とする電極塗膜の乾燥方法。