JP2023019481A - 基材加熱装置、基材加熱方法、塗工装置および塗工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱後の基材の破断を防止することが可能な基材加熱装置、基材加熱方法、塗工装置および塗工方法を提供する。【解決手段】所定の搬送経路に沿って連続搬送される帯状の基材２がその内部を通過し、その際に基材２を加熱する加熱部１０と、搬送経路において加熱部１０の出口側に位置し、加熱部１０から排出される基材２の幅方向の少なくとも端部の温度低下を抑制する温度低下抑制部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、主にリチウムイオン電池の生産工程などにおいて、連続搬送される基材上に塗膜を形成し、加熱乾燥を行う塗工装置に関するものである。

電子機器の小型化、軽量化の進展に伴う二次電池への高エネルギー密度化と安全性の向上が求められる中で、リチウムイオン電池は、携帯電話やパソコンなどの電子情報端末機器に多く利用されてきた。近年では、夜間電力の蓄電や、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等に二次電池の用途が広がると共に、高容量型の需要も増えてきている。

このようなリチウムイオン電池のセルの生産工程では、特許文献１および図７の塗工装置１００に示されるように、ロールツーロールで巻出しロール１２１から送られる集電電極基材である基材１０２上に活物質、バインダー、導電助剤および溶媒を含むスラリーの塗膜１０３、１０６を塗布部１０４、１０５によって形成し、乾燥装置１１０によって乾燥させる。この乾燥装置１１０による塗膜１０３、１０６の乾燥方法は、従来、特許文献１に記載の通り、熱風などにより塗膜１０３、１０６を加熱することにより乾燥させる方法が多く用いられていた。

特開２０１４－１７３８０３号公報

しかし、上記特許文献１および図７に記載されたような塗工装置１００では、基材１０２が乾燥装置１１０を出た後、幅方向端部から破断するおそれがあった。具体的には、アルミニウム箔などで形成される基材１０２が乾燥装置１１０を出て室温にさらされた場合、図８に示す基材１０２の幅方向端部１０２ａの方が基材１０２の中央部よりも温度低下の速度が速いため、早く収縮する。その際、仮に基材１０２の端部１０２ａにマイクロクラックなどの傷Ｐが存在していた場合に、図８に矢印で示すようにそこを起点として引っ張り応力の影響で基材１０２が裂けるように破断するという問題があった。

特に、その基材１０２上にスラリーの塗膜１０３（および塗膜１０６）が形成されている場合、スラリーはアルミニウムなどの金属と比べて熱伝導率が低いため冷却されにくく、基材１０２のうちその塗膜に接している部分の温度はさらに下がりにくくなるため、乾燥装置１１０で基材１０２および塗膜１０３が高温に加熱された後、乾燥装置１１０を出て室温環境にさらされた際に基材１０２の端部のみ温度低下による収縮が進行するため、基材１０２の破断の可能性がさらに高くなっていた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、加熱後の基材の破断を防止することが可能な基材加熱装置、基材加熱方法、塗工装置および塗工方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明の基材加熱装置は、所定の搬送経路に沿って連続搬送される帯状の基材がその内部を通過し、その際に基材を加熱する加熱部と、前記搬送経路において前記加熱部の出口側に位置し、前記加熱部から排出される基材の幅方向の少なくとも端部の温度低下を抑制する温度低下抑制部と、を備えることを特徴としている。

上記基材加熱装置によれば、温度低下抑制部を備えることにより、加熱部を出た後に基材の端部のみ急激に温度が低下することを防ぐため、基材の端部のみ収縮が進むことに起因する基材の破断を防ぐことが可能である。

また、前記温度低下抑制部は、少なくとも基材の端部を加熱する加熱手段を有すると良い。

こうすることにより、基材の端部がそれ以外の部分より温度が低くなることをさらに抑制することができる。

また、前記加熱手段が前記搬送経路に沿って複数設けられ、これら複数の前記加熱手段によって設定される基材の温度は前記加熱部から離れるほど低くなっていると良い。

こうすることにより、基材の端部とそれ以外の部分との温度差を小さくすることができる。

また、前記加熱手段は、非接触加熱源であると良い。

こうすることにより、加熱手段と基材との接触による基材の破損を防ぐことができる。

また、前記温度低下抑制部は、基材の幅方向の少なくとも端部の温度を前記加熱部から排出される直前の温度と室温との間の温度で維持しても良い。

こうすることにより、基材の端部がそれ以外の部分より温度が低くなることを抑制することができる。

また、上記課題を解決するために本発明の基材加熱方法は、所定の搬送経路に沿って連続搬送される帯状の基材を加熱部を通過させることによって加熱する加熱工程と、前記搬送経路において前記加熱部の出口側に位置する温度低下抑制部によって、前記加熱部から排出される基材の幅方向の少なくとも端部の温度低下を抑制する温度低下抑制工程と、を備えることを特徴としている。

上記基材加熱方法によれば、温度低下抑制工程を備えることにより、加熱部を出た後に基材の端部のみ急激に温度が低下することを防ぐため、基材の端部のみ収縮が進むことに起因する基材の破断を防ぐことが可能である。

また、上記課題を解決するために本発明の塗工装置は、上記のいずれかの基材加熱装置と、基材の搬送方向において前記基材加熱装置の上流側に位置し、基材の幅方向の端部を除いた領域の少なくとも一部に塗膜を形成する塗布部と、を備えることを特徴としている。

上記塗工装置によれば、基材加熱装置が温度低下抑制部を備えることにより、加熱部を出た後に基材の端部のみ急激に温度が低下することを防ぐため、基材の端部のみ収縮が進むことに起因する基材の破断を防ぐことが可能である。

また、前記温度低下抑制部は、基材の端部の温度と前記塗膜が形成されている塗布領域における基材の温度との差を所定範囲内に維持するように設けられていると良い。

こうすることにより、基材の端部と塗布領域にあたる部分との温度差を小さくすることができる。

また、基材は厚さが２０ｕｍ以下の金属箔であり、前記塗膜は二次電池の電極を形成するスラリーである場合に、本発明の塗工装置が好適に用いられる。また、この金属箔は、アルミニウム箔もしくは銅箔であると良い。

また、上記課題を解決するために本発明の塗工方法は、所定の搬送経路に沿って連続搬送される帯状の基材の幅方向の端部を除いた領域の少なくとも一部に塗膜を形成する塗布工程と、上記の基材加熱方法により前記塗膜を加熱乾燥させる乾燥工程と、を備えることを特徴としている。

上記塗工方法によれば、乾燥工程が温度低下抑制工程を備えることにより、加熱部を出た後に基材の端部のみ急激に温度が低下することを防ぐため、基材の端部のみ収縮が進むことに起因する基材の破断を防ぐことが可能である。

本発明の基材加熱装置、基材加熱方法、塗工装置および塗工方法によれば、加熱後の基材の破断を防止することが可能である。

本発明の一実施形態における基材加熱装置および塗工装置を示す概略図である。 本実施形態の基材加熱装置における加熱部の出口側近傍を示す概略図である。 加熱部から排出された基材の温度の推移の一例を示すグラフである。 加熱部から排出された基材の温度の推移の一例を示すグラフである。 他の実施形態の基材加熱装置における加熱部の出口側近傍を示す概略図である。 他の実施形態の基材加熱装置において加熱部から排出された基材の温度の推移の一例を示すグラフである。 従来の塗工装置を示す概略図である。 従来の塗工装置で生じうる問題を示す概略図である。

本発明に係る実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態における基材加熱装置および塗工装置を示す概略図である。

塗工装置１は、塗布部３、４および基材加熱装置７を有している。巻出しロール２１から巻き出された基材２には、塗布部３、４により塗液が塗布され、基材２上で塗液による塗膜３、６が形成される。この塗膜３、６は、基材加熱装置７により加熱され、乾燥する。

基材２は、リチウムイオン電池に代表される二次電池の集電電極基材となる金属箔であり、正極を構成する場合はアルミニウム箔などが用いられ、また、負極を構成する場合は銅箔などが用いられる。この基材２の厚さは２ｕｍ以上２０ｕｍ以下と非常に薄く、さらに具体的には、アルミニウム箔の場合は約１２ｕｍ、銅箔の場合は約４．５ｕｍの厚さのものがよく用いられる。

この基材２は、一方向に長い帯状の形態を有し、基材加熱装置７に対して上流側に基材２を巻き出す巻出しロール２１が設けられ、また、下流側に塗膜３が塗工された基材２を回収する回収装置が設けられており、巻出しロール２１と回収装置とが同期して稼働することにより、基材２に所定の張力が与えられながら所定の搬送経路に沿って基材２が巻出しロール２１から回収装置へ搬送される。すなわち、いわゆるロールツーロール方式で基材２の長尺方向に搬送される。以降の説明では、特に基材加熱装置７の配置箇所において基材２が搬送される方向をＸ軸方向、水平面上でＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交する方向、すなわち鉛直方向をＺ軸方向と呼ぶ。また、基材２において長尺方向と直交する方向（図１などにおけるＹ軸方向）を幅方向と呼ぶ。

塗膜３、６を形成する塗液は、各極の活物質や溶媒などを含むスラリーであり、本実施形態では、スリットダイなどの塗布部４、５によって基材２の表裏面の幅方向両端部を除いた領域の少なくとも一部に塗布され、本実施形態では図２に示すように基材２の幅方向にストライプ状に塗布される。そして、基材加熱装置７にて加熱されることにより、溶媒が揮発して基材２上で乾燥する。このスラリーには、基材２と活物質との結着性を向上させるためにバインダーと呼ばれる結着剤が含まれており、塗膜３、６が基材２から剥離することを防止している。また、このスラリーには、塗膜３全体の電気抵抗を低く抑える導電助剤なども含まれている。

基材加熱装置７は、加熱部１０および温度低下抑制部３０を有し、加熱部１０が基材２および塗膜３、６を加熱し、塗膜３、６を乾燥させる。また、温度低下抑制部３０は加熱部１０の出口側で加熱部１０に近接し、加熱部１０内での加熱環境からたとえば室温環境にさらされる基材２の幅方向端部の温度低下を抑制する。

加熱部１０は、筐体部１１および熱風ノズル１２を有しており、加熱部１０の内部を通過する基材２を加熱する。

筐体部１１は、基材２の搬送方向に長く形成された箱体であり、この箱体の内部空間であって通過する基材２を囲う空間と、この空間に基材２が出入りするための入口および出口を有している。そして、基材２の長手方向に搬送される塗膜３、６が形成された基材２が筐体部１１内を通過する。

また、筐体部１１の内部には、熱風ノズル１２が設けられ、この熱風ノズル１２から基材２へ向けて熱風を吹き付ける。この熱風により、筐体部１１内で基材２を浮揚させるとともに、基材２を幅方向全体にわたって加熱し、これにより塗膜３、６を加熱乾燥させる。そのため、本説明では、加熱部１０を全幅加熱部とも呼ぶ。

また、筐体部１１が基材２を囲うことによって、基材２上の塗膜３、６を乾燥させるための熱が外部に逃げることを抑制するとともに、基材Ｗを浮揚させるために必要な熱風ノズル１２からの風量を小さくする。また、本実施形態では熱風ノズル１２は基材２に対して上下に配置され、基材２の上方に位置する熱風ノズル１２と基材２の下方に位置する熱風ノズル１２が基材２の搬送方向に交互に配置され、図１に示すように、加熱部１０内では基材２は上下方向に波打つ形態を取りながら略直線方向（Ｘ軸方向）に搬送される。

また、本実施形態では、加熱部１０内で基材２および塗膜３、６は約１４０℃まで加熱されるよう、熱風ノズル１２の熱風の温度などが設定されている。

温度低下抑制部３０は、加熱部１０の出口側に近接し、本実施形態では基材２の幅方向端部に非接触で熱エネルギーを付与することにより基材２の幅方向端部の温度低下を抑制している。

図１において二点鎖線の円で囲った部分であって、本実施形態の基材加熱装置７における加熱部１０の出口側近傍を図２に示す。

本実施形態では、温度低下抑制部３０は、基材２の搬送方向を長手方向とする非接触加熱源であり、具体的にはハロゲンヒータ、赤外線ヒータといった輻射加熱源である。この温度低下抑制部３０が基材２の両端部に近接するように配置されている。この温度低下抑制部３０の輻射熱により、図２にハッチングで示す部分であって基材２のエッジを含む端部２ａが選択的に加熱される。

加熱部１０の出口側近傍であって温度低下抑制部３０の周囲環境の温度は、本実施形態では室温に近く、加熱部１０の内部温度よりも遙かに低い。したがって、加熱部１０から排出された基材２および塗膜３はその周囲環境により冷却される。

一方、温度低下抑制部３０の設定温度は、少なくともその周囲環境の温度よりも高く、仮に従来技術のように温度低下抑制部３０が無かった場合と比較したときに、基材２の端部２ａの温度低下を抑制する。すなわち、徐冷させる。なお、本実施形態では、温度低下抑制部３０による基材２の端部２ａの設定温度は約７０℃であり、この温度は、温度低下抑制部３０の周囲環境の温度よりも高く、加熱部１０により到達する基材２および塗膜３、６の温度よりも低い。

ここで、加熱部１０から排出された基材２の温度の推移を示すグラフを図３に概略的に示す。実線は塗膜３が形成された領域である塗布領域における基材２の温度の推移、一点鎖線は本実施形態の温度低下抑制部３０が設けられた場合の基材２の端部２ａの温度の推移、二点鎖線は仮に温度低下抑制部３０が設けられない場合の基材２の端部２ａの温度の推移を示す。

図３において、ある位置での温度差Δｔ１とΔｔ２とで示す通り、基材２の端部２ａの温度低下を抑制することにより、たとえ基材２より熱伝導率が低い塗膜３が基材２の端部２ａ以外に形成されていたとしても、加熱部１０から排出された後の基材２の端部２ａの温度が塗布領域の部分の温度よりも大きく落ち込むことを防ぐことができる。

このように基材２の端部２ａと塗布領域の部分との温度差を小さくするによって、基材２の端部２ａにおいて、塗布領域の部分に対して熱収縮が大きく進行することを防ぐことができる。これにより、仮に基材２の端部２ａに傷があったとしても、そこでの引っ張り応力が緩和され、この傷を起点に基材２の破断が進行することを防止することができる。

ここで、温度低下抑制部３０は、基材２の搬送方向に比較的長く配置されていることが好ましい。たとえば、図３に示すように基材２の端部２ａの温度が塗布領域の部分の温度を逆転するまで温度低下抑制部３０を基材２に沿って設けても良い。こうすることにより、基材２の端部２ａの温度が塗布領域の部分の温度よりも大きく落ち込むことを確実に防ぐことができる。

また、これとは反対に、基材２の破断が生じるような温度差より小さい温度差を維持できるのであれば、基材２の端部２ａの温度が塗布領域の部分の温度を逆転する手前で温度低下抑制部３０が途切れても良い。具体例を図４に示す。このグラフでは、加熱部１０の出口から距離Ｌ１まで温度低下抑制部３０が形成されている例を示しているが、温度低下抑制部３０が途切れた後も基材２の端部２ａとそれ以外の部分の温度差が比較的小さいのであれば、このように温度が逆転する手前で温度低下抑制部３０が途切れても良い。

次に、本発明の塗工装置１による塗工方法について、以下に説明する。

本発明の塗工方法では、塗工装置１を用いてまず所定の搬送経路に沿って連続搬送される帯状の基材２の幅方向の端部２ａを除いた領域の少なくとも一部に塗布部４、５からスラリーを塗布し、塗膜３、６を形成する。このように塗布によって基材２に塗膜３、６を形成する工程を、本説明では塗布工程と呼ぶ。

次に、加熱部１０の内部に基材２を通過するよう搬送することにより、搬送経路に沿って連続搬送される基材２上に形成された塗膜３、６を加熱乾燥させる。この工程を、本説明では加熱工程と呼ぶ。

次に、基材２の搬送経路において加熱部１０の出口側に位置する温度低下抑制部３０によって、加熱部１０から排出される基材２の幅方向の少なくとも端部２ａの温度低下を抑制する。この工程を、本説明では温度低下抑制工程と呼ぶ。

以上の塗布工程、加熱工程、および温度低下工程を有する塗工方法により、特に温度低下工程を有することにより、加熱部１０を出た後に基材２の端部２ａのみ急激に温度が低下することを防ぐため、基材２の端部２ａのみ収縮が進むことに起因する基材２の破断を防ぐことが可能である。

特に本塗工方法がリチウムイオン電池の電極形成に用いられる場合は、基材２は上述の通り厚さ２０ｕｍ以下の金属箔であり、端部２ａに傷があった場合に小さな引っ張り応力が生じても破断が生じる可能性がある。また、基材２の塗布領域にあたる部分は温度が低下しにくいため、基材２の塗布領域の部分と端部２ａとで温度差が大きくなる可能性がある。これに対し、温度低下工程を実施することによって基材２の端部２ａでの引っ張り応力を緩和させることができるため、破断の可能性を低減させることができる。

また、上記の塗工方法のうち、基材２の加熱に関わる加熱工程と温度低下抑制工程とを合わせて、本説明では基材加熱方法とも呼ぶ。また、特に塗膜３、６が形成された基材２に対してこの基材加熱方法を実施して塗膜３、６を乾燥させることを、乾燥工程とも呼ぶ。

次に、本発明の他の実施形態の基材加熱装置７における加熱部１０の出口側近傍の概略図を図５に示す。

本実施形態の基材加熱装置７では、基材に付与するエネルギーが異なる温度低下抑制部３０が基材２の搬送経路に沿って複数設けられ、温度低下抑制部３０による基材２の端部２ａの設定温度が加熱部１０から離れるほど低くなるよう、段階的に設けられている。すなわち、図５に示されている温度低下抑制部３０ａによる端部２ａの設定温度は温度低下抑制部３０ｂによる端部２ａの設定温度より高く、温度低下抑制部３０ｂによる端部２ａの設定温度は温度低下抑制部３０ｃによる端部２ａの設定温度より高くなっている。なお、図５において端部２ａに設けたハッチングは、細かいほど温度が高いことを示している。

このような温度低下抑制部３０を有する基材加熱装置７おいて加熱部１０から排出された基材２の温度の推移を図６のグラフに示す。図５の通り設定温度を段階的に設けていることにより、図６に示すように基材２の端部２ａの温度の推移（一点鎖線で図示）をその端部２ａと隣接する塗膜３の形成部の温度の推移（実線で図示）に追従させることができる。そのため、基材２の端部２ａと塗布領域の部分との温度差を極小化して所定の範囲内に維持することができ、仮に基材２の端部２ａに傷があったとしても、この傷を起点に基材２の破断が進行することを防止することができる。

以上の基材加熱装置、基材加熱方法、塗工装置および塗工方法により、加熱後の基材の破断を防止することが可能である。

ここで、本発明の基材加熱装置、基材加熱方法、塗工装置および塗工方法は、以上で説明した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、上記の説明では、加熱部１０は内部に熱風ノズル１２を有し、熱風で基材２および塗膜３、６を加熱しているが、熱風によるものに限らず、赤外加熱、誘導加熱、蒸気加熱などで基材２および塗膜３、６を加熱する方法が用いられても良い。

また、温度低下抑制部３０は本実施形態ではハロゲンヒータ、赤外線ヒータなどであり、基材２の端部２ａを輻射熱により非接触加熱するものであるが、それに限らず、たとえばハロゲンヒータ、赤外線ヒータ以外の輻射加熱源であっても良く、また、高周波を用いた誘導加熱源であっても良い。また、熱風で端部２ａを加熱するものであっても良い。

また、温度低下抑制部３０は加熱手段を有さず、基材２の端部２ａと接触しない程度に断熱材などの断熱手段で端部２ａを包み込むようにして端部２ａを保温、すなわち加熱部１０から排出される直前の温度と室温との間の温度で維持する形態であっても良い。

また、温度低下抑制部３０は、少なくとも基材２の端部２ａの温度低下を抑制するものであって、端部２ａのみに対して温度低下抑制の効果をもたらすものに限らない。そのため、多少、塗布領域に対しても温度低下抑制の効果をもたらすものであっても良い。

また、本発明の基材加熱装置、基材加熱方法、塗工装置および塗工方法は二次電池の電極形成用途に限らず、たとえばフレキシブル基板上へのインクジェット塗布による金属配線形成など他の用途に用いられても構わない。また、塗膜が形成されていない基材を加熱するにあたっても、本発明の基材加熱装置を用いても構わない。

１ 塗工装置
２ 基材
２ａ 端部
３ 塗膜
４ 塗布部
５ 塗布部
６ 塗膜
７ 基材加熱装置
１０ 加熱部
１１ 筐体部
１２ 熱風ノズル
２１ 巻出しロール
３０ 温度低下抑制部
３０ａ 温度低下抑制部
３０ｂ 温度低下抑制部
３０ｃ 温度低下抑制部
１００ 塗工装置
１０２ 基材
１０２ａ 端部
１０３ 塗膜
１０４ 塗布部
１０５ 塗布部
１０６ 塗膜
１１０ 乾燥装置
１２１ 巻出しロール
Ｐ 傷

Claims (11)

1. 所定の搬送経路に沿って連続搬送される帯状の基材がその内部を通過し、その際に基材を加熱する加熱部と、
   前記搬送経路において前記加熱部の出口側に位置し、前記加熱部から排出される基材の幅方向の少なくとも端部の温度低下を抑制する温度低下抑制部と、
   を備えることを特徴とする、基材加熱装置。
2. 前記温度低下抑制部は、少なくとも基材の端部を加熱する加熱手段を有することを特徴とする、請求項１に記載の基材加熱装置。
3. 前記加熱手段が前記搬送経路に沿って複数設けられ、これら複数の前記加熱手段によって設定される基材の温度は前記加熱部から離れるほど低くなっていることを特徴とする、請求項２に記載の基材加熱装置。
4. 前記加熱手段は、非接触加熱源であることを特徴とする、請求項２もしくは３に記載の基材加熱装置。
5. 前記温度低下抑制部は、基材の幅方向の少なくとも端部の温度を前記加熱部から排出される直前の温度と室温との間の温度で維持することを特徴とする、請求項１に記載の基材加熱装置。
6. 所定の搬送経路に沿って連続搬送される帯状の基材を加熱部を通過させることによって加熱する加熱工程と、
   前記搬送経路において前記加熱部の出口側に位置する温度低下抑制部によって、前記加熱部から排出される基材の幅方向の少なくとも端部の温度低下を抑制する温度低下抑制工程と、
   を備えることを特徴とする、基材加熱方法。
7. 請求項１から５のいずれかに記載の基材加熱装置と、
   基材の搬送方向において前記基材加熱装置の上流側に位置し、基材の幅方向の端部を除いた領域の少なくとも一部に塗膜を形成する塗布部と、
   を備えることを特徴とする、塗工装置。
8. 前記温度低下抑制部は、基材の端部の温度と前記塗膜が形成されている塗布領域における基材の温度との差を所定範囲内に維持するように設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の塗工装置。
9. 基材は厚さが２０ｕｍ以下の金属箔であり、前記塗膜は二次電池の電極を形成するスラリーであることを特徴とする、請求項７もしくは８に記載の塗工装置。
10. 前記金属箔は、アルミニウム箔もしくは銅箔であることを特徴とする、請求項９に記載の塗工装置。
11. 所定の搬送経路に沿って連続搬送される帯状の基材の幅方向の端部を除いた領域の少なくとも一部に塗膜を形成する塗布工程と、
    請求項６に記載の基材加熱方法により前記塗膜を加熱乾燥させる乾燥工程と、
    を備えることを特徴とする、塗工方法。

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