JP2022155763A - 電極板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】しわ，そりの発生を防止しつつ電極板を製造することができる電極板の製造方法を提供すること。【解決手段】本開示技術では，集電箔２とその表面上の電極層３とを有し，幅方向の一部が集電箔２と電極層３とをいずれも有する塗工部４であるとともに，幅方向の残部が集電箔２を有し電極層３を有しない非塗工部５である電極板１を製造するに際して，塗工部４を厚み方向にプレスする本プレス工程と，本プレス工程の前または後に非塗工部５の集電箔２をプレスすることで，本プレス工程の後における塗工部４の集電箔２と非塗工部５の集電箔２との伸び差を緩和する矯正プレス工程と，本プレス工程と矯正プレス工程とのうち後で行われる方の工程よりも前に，集電箔２における塗工部４と非塗工部５との境界部７を，集電箔２の温度がその融点に達しない範囲内で加熱する加熱工程とを行う。【選択図】図５

Description

本開示技術は，電極板の製造方法に関する。

従来から，電池等における電極板として，集電箔とその表面上の電極層とを有するものが用いられている。電極板は一般的に，集電箔に電極層を塗工することで製造される。集電箔のうち一部分が，電極層を有しない非塗工部とされる。電池における集電構造のためである。電極層の塗工を受けた電極板に対して，電池に組み込んだ状態での充放電性能のためのプレスを行うことがある。

そのプレスの技術として，特許文献１に記載されているものを挙げることができる。同文献の技術では，塗工部の部分へのプレスを行うロールプレス機の入側にしわ発生防止装置を設置している。しわ発生防止装置は，非塗工部の部分をプレスすることで，電極板におけるしわ，そりの発生を防止する装置である。ロールプレス機でのプレスが塗工部のみに作用することによる集電箔の不均一な伸びがしわやそりの原因となるからである。

特開2019-102172号公報

前記した従来の技術には，次のような問題点があった。しわ発生防止装置を備えていてもなお，しわ，そりの発生を防止しきれない場合があるのである。その理由は，搬送される電極板の幅方向位置が本来の位置からずれることがあるためである。この位置ずれが起こっている状態では非塗工部の一部が，しわ発生防止装置でもロールプレス機でもプレスされないままとなり，伸びの不均一が残ってしまうためである。特許文献１のしわ発生防止装置では蛇行検知を行い位置ずれに対処するようにしてはいるが，位置ずれを完全には修正できるものではない。

本開示技術は，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，しわ，そりの発生を防止しつつ電極板を製造することができる電極板の製造方法を提供することにある。

本開示技術の一態様における電極板の製造方法は，集電箔とその表面上の電極層とを有し，幅方向の一部が集電箔と電極層とをいずれも有する塗工部であるとともに，幅方向の残部が集電箔を有し電極層を有しない非塗工部である電極板を製造する方法であって，塗工部を厚み方向にプレスする本プレス工程と，本プレス工程の前または後に非塗工部の集電箔をプレスすることで，本プレス工程の後における塗工部の集電箔と非塗工部の集電箔との伸び差を緩和する矯正プレス工程と，本プレス工程と矯正プレス工程とのうち後で行われる方の工程よりも前に，集電箔における塗工部と非塗工部との境界部を，集電箔の温度がその融点に達しない範囲内で加熱する加熱工程とを行うものである。

上記態様における電極板の製造方法では，電極板に対して，本プレス工程を行うだけでなく矯正プレス工程をも行う。両プレス工程はどちらを先に行ってもよいが，後で行う方のプレス工程より前に，加熱工程を行う。加熱工程を行うことで境界部の集電箔を軟化し，伸び性を向上させておく。これにより，プレス工程による伸び率の差からストレスが掛かる場所である境界部の集電箔のそり，破断の発生を防止する。その一方で集電箔のうち塗工部から離れた部分は加熱工程の対象としないことで，非塗工部の集電箔全体としてのしわの発生を防止する。

本開示技術によれば，しわ，そりの発生を防止しつつ電極板を製造することができる電極板の製造方法が提供されている。

実施の形態で製造する電極板の斜視図である。 本プレス工程を示す模式図である。 矯正プレス工程を示す模式図である。 加熱工程の対象箇所を示す平面図である。 本形態における加熱工程を示す断面図である。 比較例における加熱工程を示す断面図である。 非塗工部の全体にしわが発生した状況を示す平面図である。 非塗工部の大部分にはしわが発生していない状況を示す平面図である。 破断しやすさの確認試験を実施した状況を示す平面図である。 加熱工程を行ったことにより破断が発生しなかった状況を示す平面図である。 加熱工程を行わなかったことにより破断が発生した状況を示す平面図である。 引っ張り試験の試験片を切り出す状況を示す平面図である。 引っ張り試験の結果を示すグラフである。

以下，本開示技術を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，図１に示す電極板１を製造する方法として本開示技術を具体化したものである。図１の電極板１は，集電箔２とその表面上の電極層３とを有している。電極板１では，幅方向の一部が集電箔２と電極層３とをいずれも有する塗工部４となっており，幅方向の残部が集電箔２を有し電極層３を有しない非塗工部５となっている。電極板１の幅方向における両端付近に非塗工部５があり，中央を含む残部が塗工部４である。

本形態では，電極板１がリチウムイオン電池の正極板である場合について説明する。このため集電箔２はアルミ箔であり，電極層３の主成分はニッケルコバルトマンガン酸リチウムであることとする。本形態では，集電箔２の表面上への電極層３の形成が済んでいる状態を出発材とし，この出発材に対して下の２つのプレス工程を行うことで電極板１を完成させる。これら２つのプレス工程を経ていない段階のものを電極板１と称することもあるがそれは本開示技術においては未完成のものである。
１． 本プレス工程
２． 矯正プレス工程

本プレス工程は，電極板１のうち塗工部４の部分を厚み方向にプレスする工程（図２）である。電極層３の密度を上昇させることで電極板１の充放電性能を向上させるために行われる。矯正プレス工程は，電極板１のうち非塗工部５の部分の集電箔２を厚み方向にプレスする工程（図３）である。本プレス工程と矯正プレス工程との順序は，どちらが先でもよい。

本プレス工程に加えて矯正プレス工程を行うのは，集電箔２の伸びの不均一を緩和するためである。本プレス工程では前述のように，塗工部４を厚み方向にプレスする。これにより圧縮されるのは主として電極層３である。より硬い集電箔２は，電極層３に比べればあまり圧縮されない。しかし全く圧縮されない訳ではなく多少は圧縮される。このため，全く圧縮されない非塗工部５の集電箔２と多少圧縮される塗工部４の集電箔２とで伸び率の差が生じる。この伸び率の差による集電箔２の破損あるいは変形を防止するため，矯正プレス工程を行うのである。

本形態では，上記２つのプレス工程に加えて，加熱工程をも行う。本形態の加熱工程では，電極板１の全体を加熱するのではなく，図４に示すように，塗工部４と非塗工部５との境界部７を加熱する。加熱工程を行う目的は，境界部７の集電箔２を軟化させることである。非塗工部５と塗工部４との前述の伸び率の差が確定するときに当該箇所の集電箔２が軟化済みであれば，破損あるいは変形を防止できるからである。このためプレス工程の実施時期は，上記２つのプレス工程のうち後で行われるものより前である必要がある。よって，加熱工程を含めた３つの工程の実施順序は，次の４通りが可能である。
・本プレス工程→→加熱工程→→→→矯正プレス工程
・矯正プレス工程→加熱工程→→→→本プレス工程
・加熱工程→→→→本プレス工程→→矯正プレス工程
・加熱工程→→→→矯正プレス工程→本プレス工程

本発明者は，加熱工程による集電箔２の軟化の効果を検証する試験を行ったので，その結果を説明する。行ったのは，次の３通りの試験である。
・しわ発生状況の確認試験
・破断しやすさの確認試験
・引っ張り試験

まず，しわ発生状況の確認試験を説明する。この試験では，電極板１に対して加熱工程を行い次いで本プレス工程を行ったときの，本プレス工程後における境界部７の集電箔２のしわの発生状況を確認した。その際，加熱工程について，境界部７のみを対象とするもの（図５参照，本形態に相当）と，非塗工部５全体を対象とするもの（図６参照，比較例）との２通りを行い，比較した。加熱にはＩＨヒータ８を用いた。

この試験における加熱条件は，以下の通りとした。
・加熱温度：２５０℃
・加熱時間：１．２秒

加熱温度は，ＩＨヒータ８による加熱領域を出た直後における集電箔２の温度を放射温度計で測定し，その測定値が上記の温度になるようにＩＨヒータ８の出力を調整することで制御した。集電箔２が溶融してしまうほどの高い加熱温度とする訳にはいかないことはもちろんであり，この試験では上記の温度とした。電極層３が充放電性能を維持できる上限温度が集電箔２の融点より低い場合，加熱温度はその上限温度未満でなければならないが，上記の温度であればその問題もない。加熱時間は，図５，図６の紙面に垂直な方向への電極板１の搬送速度により上記のように調整した。

この試験におけるプレス条件は，以下の通りとした。
・プレス荷重（線圧）：２０ｋＮ／ｃｍ
・ロール径：３００ｍｍ
・通し速度：１．０ｍ／分

試験実施後における非塗工部５の集電箔２のしわの発生状況には，加熱位置による違いがあった。図６のように非塗工部５全体を加熱したものでは，図７に示すように非塗工部５の集電箔２の全体にしわ９が発生した。非塗工部５の全体が加熱工程で軟化していたためと考えられる。これに対して図５のように境界部７のみを加熱したものでは，図８に示すように，非塗工部５の集電箔２のうち塗工部４との境界付近にのみしわ９が発生した。集電箔２のうち塗工部４から離れた部位には，多少のうねりは発生したもののしわ９は発生しなかった。加熱工程で軟化していたのが境界部７のみであるためと考えられる。

この試験では矯正プレス工程を実施しなかったので本形態の製造方法を全部再現した訳ではないが，それでも上記のしわ９の発生状況の相違は，加熱位置を適切に選択することの意義を物語っている。図７のように非塗工部５の全体にしわ９が発生したのでは，後の捲回工程や集電端子部材の取り付け工程等に支障が出ることが予想されるからである。これではまた，矯正プレス工程を加熱工程より後に行う場合には，矯正プレス工程自体にも支障があることになる。これに対して，本形態のように加熱位置を境界部７のみとすることで，加熱工程後においても非塗工部５の大部分にはしわがない状態を得ることができる。

次に，破断しやすさの確認試験を説明する。この試験では，加熱工程を図５のように行った場合（本形態に相当）と，加熱工程を行わなかった場合（比較例）とで，本プレス工程後における集電箔２の破断の起こりやすさを比較した。この試験は，図９に示すように非塗工部５の集電箔２を，幅２ｍｍ分残して切り取った状態で行った。このようにした理由は，非塗工部５の幅を狭くすることでそこに本プレス工程時の引っ張り応力を集中させ，境界部における伸び率の差を強調することにある。この試験における加熱条件およびプレス条件は，前述のしわ発生状況の確認試験における条件と同じとした。

加熱工程を行ったものでは，本プレス工程実施後においても，図１０に示すように非塗工部５（集電箔２）に破断が発生しなかった。これに対して，加熱工程を行わなかったものに本プレス工程を行った後では，図１１に示すように非塗工部５（集電箔２）に破断箇所１０が発生した。

この試験でも矯正プレス工程を実施しておらず本形態の製造方法を全部再現してはいないが，それでも上記の破断の発生状況の相違は，加熱工程を行うことの意義を物語っている。図１１で破断箇所１０が発生していることから，この試験の条件が，境界部７に掛かる引っ張り応力に関してかなり厳しい条件であることが分かる。図１０で破断が発生していないことは，境界部７の集電箔２を加熱工程であらかじめ軟化させておくことで，厳しい条件の引っ張り応力が掛かっても破断には至らせないようにすることができることを意味している。

続いて，引っ張り試験を説明する。この試験では，加熱工程を図５のように行った後の電極板１における非塗工部５の集電箔２について，引っ張り試験を行い伸び率を測定した。加熱工程の加熱条件は，前述の各試験における条件と同じとした。この引っ張り試験では図１２に示すように，加熱工程後の電極板１の非塗工部５の中の２通りの位置から試験片１１を切り出した。一方は塗工部４にすぐ隣接する位置で，これは加熱工程で加熱を受けた領域である境界部７に属するものである。もう一方は塗工部４から離れた縁辺寄りの位置で，これは加熱工程で加熱を受けていないものである。両者５枚ずつの試験片１１を切り出して試験に供した。

この試験ではこれら２通りの位置から切り出した試験片１１を引っ張り試験機で引っ張り，破断に至る直前までの伸び率を比較した。結果を図１３に示す。図１３に「非加熱部」として示しているのが縁辺寄りの位置からの試験片１１の伸び率であり，「加熱部」として示しているのが境界部７からの試験片１１の伸び率である。いずれも５枚の試験片１１の結果の平均値である。両者を比較すると，「加熱部」の伸び率が「非加熱部」に対して１．５倍程度あることが分かる。

この試験では加熱工程のみを実施しており，本形態の製造方法を全部再現している訳ではない点では前述の各試験と同様であるが，それでも加熱工程を行うことによる集電箔２の材質の変化を知ることができる点で意義がある。加熱工程の影響を受けた領域内の集電箔２は，加熱工程の影響を受ける前の集電箔２と比較して，明らかに伸び性が高いということである。本プレス工程と矯正プレス工程との両方を経るとストレスが強く掛かる可能性のある箇所，すなわち境界部７に対してあらかじめ加熱工程を施しておくことで，集電箔２の破損あるいは変形を防止することができる。

以上詳細に説明したように本実施の形態によれば，集電箔２の表面上の電極層３の形成が済んでいる状態の電極板１に対して，塗工部４をプレスする本プレス工程と，非塗工部５をプレスする矯正プレス工程とを行うこととしている。そして，両プレス工程のうち後で行われる方のものより前に，境界部７に対して加熱工程を行っておくこととしている。このようにすることで，境界部７の集電箔２の伸び性をあらかじめ向上させておく。

これにより，両プレス工程による伸び率の差が集中することとなる境界部７においても，集電箔２の破損あるいは変形が防止されるようにしている。その一方で集電箔２のうち塗工部４から離れた部分は加熱工程の対象としないようにしている。これにより，非塗工部５の集電箔２の大部分には余計なしわ寄りが生じないようにしている。

境界部７を加熱工程の対象とすることは，本プレス工程と矯正プレス工程とでプレスの対象位置に僅かにずれがあった場合に特に有意義である。このような場合には，電極板１における左右両方の境界部７の一方にて，本プレス工程と矯正プレス工程とのいずれでもプレスを受けない領域が僅かながら発生することとなる。その領域には，本プレス工程と矯正プレス工程との両方が行われた後には，非常に狭い範囲内に顕著な伸び率の差が集中することとなる。境界部７の集電箔２の伸び性があらかじめ向上されていることで，そのような場合でも当該領域における集電箔２の破損あるいは変形が防止される。かくして，しわ，そりの発生を防止しつつ電極板を製造することができる電極板の製造方法が実現されている。

本実施の形態および実施例は単なる例示にすぎず，本開示技術を何ら限定するものではない。したがって本開示技術は当然に，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，対象となる電極板の種類は，リチウムイオン電池の正極板に限らず他のものでもよい。加熱工程で用いる加熱手段は，ＩＨヒータには限られない。

１ 電極板
２ 集電箔
３ 電極層
４ 塗工部
５ 非塗工部
７ 境界部
８ ＩＨヒータ

Claims (1)

1. 集電箔とその表面上の電極層とを有し，幅方向の一部が前記集電箔と前記電極層とをいずれも有する塗工部であるとともに，幅方向の残部が前記集電箔を有し前記電極層を有しない非塗工部である電極板を製造する電極板の製造方法であって，
   前記塗工部を厚み方向にプレスする本プレス工程と，
   前記本プレス工程の前または後に前記非塗工部の前記集電箔をプレスすることで，前記本プレス工程の後における前記塗工部の前記集電箔と前記非塗工部の前記集電箔との伸び差を緩和する矯正プレス工程と，
   前記本プレス工程と前記矯正プレス工程とのうち後で行われる方の工程よりも前に，前記集電箔における前記塗工部と前記非塗工部との境界部を，前記集電箔の温度がその融点に達しない範囲内で加熱する加熱工程とを行う電極板の製造方法。

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