JP2023049512A - エネルギーデバイスの粉体層複合体、その製造方法及びエネルギーデバイスの粉体塗工装置 - Google Patents

エネルギーデバイスの粉体層複合体、その製造方法及びエネルギーデバイスの粉体塗工装置 Download PDF

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Abstract

【課題】エネルギーデバイスを高性能化できるエネルギーデバイスの粉体層複合体等を提供する。【解決手段】粉体層複合体４は、集電体１と、集電体１上に形成された膜厚が５０μｍ以上の粉体層３と、を備える。粉体層３は、少なくとも１種類の粒子材料で構成される粉体２を含む。粉体層３に含まれる溶剤の濃度は５０ｐｐｍ以下である。粉体層３の任意の３０ｍｍ×３０ｍｍの領域において、粉体層３の目付量ばらつきは、１０％以下である。【選択図】図２

Description

本開示は、エネルギーデバイスの粉体層複合体、その製造方法及びエネルギーデバイスの粉体塗工装置に関する。
従来、集電体等の部材を搬送しつつ、集電体の表面上に粉体を塗工する技術が知られている。
例えば、特許文献１には、長尺（大判）の集電体である集電体の表面上に、活物質を含む粉体の複合材料を塗工する技術が開示されている。
特許文献１には、集電体の表面上に粉体を供給した後、供給された粉体をスキージによって平坦にすることにより、粉体で形成される層（以後、「粉体層」とする）の厚みを均一に調整することが記載されている。
特許第６０６７６３６号公報
全固体電池等の薄層のエネルギーデバイスでは、粉体層の品質を高めることで、エネルギーデバイスを高性能化することが求められている。そこで、本開示は、エネルギーデバイスを高性能化できるエネルギーデバイスの粉体層複合体等を提供する。
本開示の一態様に係るエネルギーデバイスの粉体層複合体は、集電体と、前記集電体上に形成された膜厚が５０μｍ以上の粉体層と、を備え、前記粉体層は、少なくとも１種類の粒子材料で構成される粉体を含み、前記粉体層に含まれる溶剤の濃度は５０ｐｐｍ以下であり、前記粉体層の任意の３０ｍｍ×３０ｍｍの領域において、前記粉体層の目付量ばらつきは、１０％以下である。
本開示の一態様に係るエネルギーデバイスの粉体層複合体の製造方法は、集電体の表面上に粉体を供給して前記粉体を含む粉体層を形成することと、集電体との間に隙間が形成されるように配置されたスキージに対して、前記集電体を所定の方向に相対移動させながら、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動させた前記スキージを用いて、前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することを含み、前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することにおいて、前記粉体層における前記粉体の充填率が前記粉体のタップ充填率以上になるように前記粉体層における前記粉体を充填する。
本開示の一態様に係るエネルギーデバイスの粉体塗工装置は、集電体の表面上に粉体を供給する粉体供給部と、前記集電体との間に隙間が形成されるように配置され、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動するスキージであって、前記粉体供給部によって前記集電体の表面上に供給された前記粉体の目付量と充填率とを調整するスキージと、前記スキージに対して前記集電体を所定の方向に相対移動させる駆動部と、前記隙間及び前記スキージの振動の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える。
本開示によれば、エネルギーデバイスを高性能化できる。
図１は、比較例に係る粉体層を説明するための概略図である。 図２は、実施の形態に係る粉体層複合体の概略図である。 図３は、実施の形態に係る粉体層複合体の製造工程を示すフローチャートである。 図４Ａは、実施の形態に係る粉体整列工程において、集電体の表面上に供給された粉体を充填していく工程を説明するための概略図である。 図４Ｂは、実施の形態に係る粉体整列工程において、粉体層上部に余剰粉体が噴出した状態を説明するための概略図である。 図４Ｃは、実施の形態に係る粉体整列工程において、余剰粉体をかきとり、粉体層の厚みを一定にした状態を説明するための概略図である。 図５は、実施の形態に係る粉体層複合体の製造に用いられる粉体塗工装置の概略図である。
（本開示の一態様を得るに至った経緯）
本発明者らは、集電体の表面上に形成する粉体層に関して、以下のような課題があることを見出した。特許文献１のように、スキージで粉体層の厚みが均一になるようにしても、大判の粉体層において、粉体の目付量ばらつきが発生する。そのため、このような粉体層を用いた大判のエネルギーデバイスの品質には問題が生じやすい。粉体の目付量とは、単位面積当たりの粉体量を重さで示した値であり、目付量の単位は例えばｇ／ｃｍ２である。
ここで、粉体層のばらつきに関して図１を用いて具体的に説明する。図１は、比較例に係る粉体層を説明するための概略図である。図１における白抜きの矢印は集電体１Ｘの搬送方向を示している。図１に示されるスキージ５Ｘは、集電体１Ｘとの間に隙間が形成されるように固定されている。図１に示されるように、集電体１Ｘが搬送されることで、粉体２Ｘがスキージ５Ｘによってならされ、粉体層３Ｘの膜厚が一定に制御される。しかし、粉体２Ｘの充填具合（粗密）のばらつきを制御することができないため、粉体層３Ｘの目付量を一定に制御することが困難である。
そこで、本開示は、集電体上に、大判で目付量ばらつきが少ない粉体層を形成することで、大判のエネルギーデバイスを高性能化できるエネルギーデバイスの粉体層複合体等を提供する。以下、詳細に説明する。
（本開示の概要）
本開示の一態様の概要は以下の通りである。
本開示の一態様におけるエネルギーデバイスの粉体層複合体は、集電体と、前記集電体上に形成された膜厚が５０μｍ以上の粉体層と、を備え、前記粉体層は、少なくとも１種類の粒子材料で構成される粉体を含み、前記粉体層に含まれる溶剤の濃度は５０ｐｐｍ以下であり、前記粉体層の任意の３０ｍｍ×３０ｍｍの領域において、前記粉体層の目付量ばらつきは、１０％以下である。
これにより、粉体層の目付量ばらつきが小さく、溶剤による粉体層の劣化が抑制された粉体層複合体が実現される。よって、このような粉体層複合体をエネルギーデバイスに用いることで、エネルギーデバイスの出力及び品質を高め、エネルギーデバイスを高性能化できる。
また、例えば、前記粉体層における前記粉体の充填率は、前記粉体のタップ充填率以上であってもよい。
これにより、タップして粉体を充填した場合以上に、粉体層における粉体間の空隙が少なくなり、粉体層の目付量ばらつきをより小さくできる。
また、例えば、前記少なくとも１種類の粒子材料の中で最も体積割合の大きい粒子材料である主粉体の（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０で表される粒度分布は７５％より大きく前記粉体層における前記粉体の充填率は、前記粉体のタップ充填率の１．１倍以上であってもよい。
粉体の粒度分布が大きい場合には、粉体の流動性が悪くなり、粉体層の目付量のばらつきが発生しやすいが、タップして粉体を充填した場合よりも粉体層における粉体の充填率が１０％以上高いことで、粉体層における粉体間の空隙がより少なくなり、粉体層の目付量ばらつきをより小さくできる。
また、例えば、前記粉体層における前記粉体の充填率は８０％以上であってもよい。
これにより、粉体間の接触が多くなり、粉体層複合体を用いたエネルギーデバイスをより高性能化できる。
また、例えば、前記集電体は正極集電体であり、前記粉体は、前記少なくとも１種類の粒子材料として、正極活物質と、イオン伝導性を有する固体電解質と、を含んでもよい。
これにより、粉体層複合体を全固体電池の正極として用いることができる。
また、例えば、前記集電体は負極集電体であり、前記粉体は、前記少なくとも１種類の粒子材料として、負極活物質と、イオン伝導性を有する固体電解質と、を含んでもよい。
これにより、粉体層複合体を全固体電池の負極として用いることができる。
また、本開示の一態様におけるエネルギーデバイスの粉体層複合体の製造方法は、集電体の表面上に粉体を供給して前記粉体を含む粉体層を形成することと、集電体との間に隙間が形成されるように配置されたスキージに対して、前記集電体を所定の方向に相対移動させながら、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動させた前記スキージを用いて、前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することを含み、前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することにおいて、前記粉体層における前記粉体の充填率が前記粉体のタップ充填率以上になるように前記粉体層における前記粉体を充填する。
これにより、粉体層における粉体の充填率が高められて、形成される粉体層の空隙部分が少なくなる。その結果、粉体層中の粉体の粗密が生じる原因となる空隙部分が少なくなることで、粉体層の目付量ばらつきを小さい粉体層複合体を製造できる。よって、このような粉体層複合体をエネルギーデバイスに用いることで、エネルギーデバイスの出力及び品質を高め、エネルギーデバイスを高性能化できる。
また、例えば、前記粉体は、少なくとも１種類の粒子材料粉体を含み、前記少なくとも１種類の粒子材料の中で最も体積割合が大きい材料粒子である主粉体の（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０で表される粒度分布が、７５％より大きい場合に、前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することにおいて、前記粉体層における前記粉体の充填率が前記粉体のタップ充填率の１．１倍以上になるように前記粉体層における前記粉体を充填してもよい。
これにより、粉体の粒度分布が大きい場合には、粉体の流動性が悪くなり、粉体層の目付量のばらつきが発生しやすいが、タップして粉体を充填した場合よりも粉体層における粉体の充填率を１０％以上高くすることで、粉体層における粉体間の空隙がより少なくなり、粉体層の目付量ばらつきをより小さくできる。
また、例えば、前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することは、前記粉体層における前記粉体の一部を、前記集電体からの高さが前記隙間より高い位置に噴出させることを含んでもよい。
これにより、粉体層における粉体の充填率を、別途測定装置などを使って測定することなく、粉体の高充填状況を確認することができ、粉体層の品質安定化を簡便かつ、確実に行うことができる。
また、例えば、前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することは、噴出させた前記一部の粉体を、前記スキージでかきとり、前記粉体層の厚みを調整することを含んでもよい。
これにより、粉体層の上部に噴出した一部の粉体が除去され、粉体層の厚みを一定にし、粉体層の目付量のばらつきを小さくすることができる。
また、本開示の一態様におけるエネルギーデバイスの粉体塗工装置は、集電体の表面上に粉体を供給する粉体供給部と、前記集電体との間に隙間が形成されるように配置され、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動するスキージであって、前記粉体供給部によって前記集電体の表面上に供給された前記粉体の目付量と充填率とを調整するスキージと、前記スキージに対して前記集電体を所定の方向に相対移動させる駆動部と、前記隙間及び前記スキージの振動の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える。
これにより、制御部がスキージと集電体との隙間及び前記スキージの振動の少なくとも一方を制御することによって、スキージによって調整される、集電体の表面上に供給された粉体で形成される粉体層の充填率を高めることができる。よって、粉体塗工装置を用いることで、粉体層の充填率が高められ、粉体層の目付量ばらつきが低減された粉体層複合体を製造することができる。よって、このような粉体層複合体をエネルギーデバイスに用いることで、エネルギーデバイスの出力及び品質を高め、エネルギーデバイスを高性能化できる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程、工程の順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、本明細書において、平行などの要素間の関係性を示す用語、及び、矩形などの要素の形状を示す用語、ならびに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。
また、各図は、本開示を示すために適宜強調、省略、または比率の調整を行った模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではなく、実際の形状、位置関係、及び比率とは異なる場合がある。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡素化される場合がある。
また、本明細書において、全固体電池の構成における「上」及び「下」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上」及び「下」という用語は、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合のみならず、２つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合にも適用される。
また、本明細書において、各概略図では、粉体層の厚み方向に垂直な方向から見た場合の粉体層複合体が示されている。
（実施の形態）
［粉体層複合体の構成］
まず、実施の形態に係る粉体層複合体の構成について説明する。図２は、実施の形態に係る粉体層複合体４の概略図である。
図２に示されるように、粉体層複合体４は、集電体１と、集電体１上に形成された粉体層３と、を備える。粉体層複合体４は、エネルギーデバイスの粉体層複合体であり、例えば、エネルギーデバイスの電極として用いられる。なお、粉体層複合体４は、集電体１と粉体層３との間に位置する、導電性炭素材料等からなる接続層等の他の層をさらに備えていてもよい。
粉体層３は、膜厚が５０μｍ以上である。粉体層３の膜厚の上限は特に制限されないが、例えば、１０００μｍ以下である。
粉体層３は、少なくとも１種類の粒子材料で構成される粉体２を含む。粉体層３は、例えば、粉体２で構成される。
粉体層３に含まれる溶剤の濃度が５０ｐｐｍ以下である。つまり、粉体層３は、溶剤を実質的に含まない。実質的に含まないとは、全く含まない場合、及び、不純物等として不可避的に５０ｐｐｍ以下で含まれる場合を意味する。溶剤の濃度は、重量基準の濃度である。
平面視における粉体層３の大きさは、例えば、３０ｍｍ×３０ｍｍ以上である。平面視における粉体層３の大きさの上限は特に制限されないが、例えば、３００ｍｍ×５００ｍｍ以下である。
粉体層３の任意の３０ｍｍ×３０ｍｍの領域において、粉体層３の目付量ばらつきは、１０％以下である。ここで、目付量とは、単位面積当たりの粉体２の重量を表しており、例えば、ｇ／ｃｍ２の単位で表すことができる。
目付量の測定方法としては、例えば、以下の方法で行われる。まず、粉体層複合体４を上下からプレスすることで押し固め、その後、粉体層複合体４を直径５ｍｍ以上直径９ｍｍ以下の円形に打ち抜き、打ち抜かれた粉体層３と集電体１との合計重量を測定する。そして、あらかじめ測定していた直径５ｍｍ以上直径９ｍｍ以下で打ち抜いた同ロットの集電体１の重さを、上記合計重量から差し引くことで、粉体層３の重量を求める。この重量を直径５ｍｍ以上直径９ｍｍ以下の円の面積で割ることで、目付量を求めることができる。
また、目付量のばらつきの測定は、例えば、以下の方法で行われる。まず、平面視での粉体層複合体４における任意の３０ｍｍ×３０ｍｍの領域を選択する。この領域は、粉体層複合体４の中央部の領域であってもよく、端部を含む領域であってもよい。そして、この領域の範囲内で、例えば、直径５ｍｍ以上直径９ｍｍ以下の円形で５箇所以上打ち抜いて、上述の方法を用いて目付量を測定する。ばらつきの測定の精度を高める観点から９箇所以上打ち抜いてもよい。打ち抜いた全箇所の目付量の平均と、打ち抜いた各箇所の目付量のうち最も当該平均との差が大きい箇所の目付量との差（詳細には差の絶対値）を、当該平均で割ることで目付量ばらつきが算出される。つまり、目付量ばらつきが１０％以下であるとは、打ち抜いたいずれの箇所においても、目付量の当該平均との差が、当該平均の１０％以下であることを意味する。
また、粉体層３における粉体２の充填率は、粉体２のタップ充填率以上である。これにより、粉体層３内で、粉体２の粗密が生じにくく、粉体層３の目付量のばらつきを小さくできる。
粉体層３における粉体２の充填率は、粉体層３の見かけ体積に対する粉体２の真の体積の割合であり、例えば、目付量を粉体層３の厚さ（単位は例えばｃｍ）で割ることで求めることができる。後述するように、粉体２がスキージ５を通過して粉体層３が製造されるため、粉体層３の厚さは、例えば、スキージ５通過後の厚さである。
また、粉体２のタップ充填率は、粉体２のタップ密度を粉体２の真密度で割った値である。タップ密度及び真密度は、例えば、ｇ／ｃｍ３の単位であらわすことができる。
タップ密度は、所定の大きさの容器に、当該容器をタップしながら、粉体２を充填させた場合の見かけ密度であり、例えば、以下の方法で測定する。
まず、直径２０ｍｍ高さ２０ｍｍの空間を有する容器に、粉体２を静かに容器からあふれるまで入れる。そして、粉体２が入れられた容器に対してタップ動作を行う。具体的には、高さ１０ｍｍで、１００回／３０秒のタップ速度で、１００回タップ動作を行う。その後、粉体２を静かに容器からあふれるまで追加し、上記タップ動作を再び行う。上記の粉体２の容器への供給とタップ動作とを１０回繰り返したのち、容器の空間の高さ以上にあふれた粉体２を、容器上面に垂直に立てて接触させた、直線のヘラを滑らかに動かし、容器上面より上の余剰な粉体２をすり落とす。
このような操作の後に容器に入っている粉体２の重量を測定し、容器の容量で割ることで、粉体２のタップ密度（ｇ／ｃｍ３）を求めることができる。そして、粉体２のタップ密度を、粉体２の真密度で割ることで、粉体２のタップ充填率を求めることができる。
なお、粉体２が複数の種類の粒子材料からなる合剤粉である場合は、合剤粉のタップ充填率を求める。
また、本実施の形態においては、粉体２の粒度ばらつきが大きく、粉体２の流動性が悪い粉体の場合でも、粉体層３の目付量のばらつきが小さい粉体層複合体４を実現可能である。
粉体層３において、粉体２を構成する少なくとも１種類の粒子材料の中で最も体積割合の大きい粒子材料である主粉体の（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０で表される粒度分布は、７５％より大きくてもよい。この場合、粉体層３における粉体２の充填率は、粉体２のタップ充填率の１．１倍以上であってもよい。これにより、粉体層３の目付量のばらつきを小さくすることができる。粉体２が複数の種類の粒子材料で構成される場合、最も体積割合の大きい粒子材料の影響を受けやすいので、最も体積割合の大きい主粉体の粒度分布について着目している。
流動性の悪い粉体２の場合、粉体２が配列しにくいため、粉体層３中の粉体２間の空隙にかたよりが生じやすくなり、目付量ばらつきが発生しやすい。そのため、粉体２の充填率が高くなることで、空隙部分を減少させ、目付量ばらつきを抑制することができる。
粉体２の粒度分布が大きいと、流動性が悪くなる理由としては、大粒子と小粒子とが組み合わさり粉体が凝集し易くなり、流動性が悪くなると考えられる。
粒度分布を表す（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０において、Ｄ１０、Ｄ５０及びＤ９０は、体積基準での粒子径分布に基づく粒子径を表す。具体的には、体積基準での、累積頻度が１０％の時の粒子径をＤ１０で表し、５０％の時の粒子径をＤ５０で表し、９０％時の粒子径をＤ９０で表す。Ｄ５０は、メジアン径とも称される。粒度分布は、例えば、市販のレーザ解析・散乱式粒度分布測定装置を用いて測定される。粒度分布は、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による画像の解析により決定してもよい。
また、粉体層３における粉体２の充填率は、例えば、８０％以上である。これにより、粉体２間の接触が多くなり、粉体層複合体４を用いたエネルギーデバイスをより高性能化できる。
粉体層３は、詳細は後述するが、例えば、粉体２に高周波の振動を与えることで、粉体２に流動性を付与しながら粉体層３における粉体２を充填することで形成される。これにより、３０ｍｍ×３０ｍｍ以上の大きさで、厚みが５０μｍ以上の粉体層３を作製することができ、粉体層３を大型高容量のエネルギーデバイスに用いことができる。
また、粉体層３は、例えば、溶剤を含まない塗工工程を経て作製されることで、溶剤を実質的に含まない粉体層３を形成できる。これにより、粉体層３には、溶剤によるダメージがない。したがって、粉体層３の劣化が抑制され、かつ、粉体層３における粉体２の目付量ばらつきが小さい粉体層複合体４が形成され、高出力で優れた品質を有する、大型高容量のエネルギーデバイスの粉体層複合体４を実現できる。
粉体層複合体４は、例えば、全固体電池等のエネルギーデバイスの正極又は負極に用いることができる。
粉体層複合体４が正極である場合は、例えば、集電体１は、正極集電体であり、粉体２を含む粉体層３は、正極合剤層である。正極合剤層は、正極集電体上に形成されている。正極合剤層における粉体２は、少なくとも１種類の粒子材料として、正極活物質と、イオン伝導性を有する固体電解質とを含む。
粉体層複合体４が負極である場合は、例えば、集電体１は負極集電体であり、粉体２を含む粉体層３は、負極合剤層である。負極合剤層は、負極集電体上に形成されている。負極合剤層における粉体２は、少なくとも１種類の粒子材料として、負極活物質と、イオン伝導性を有する固体電解質とを含む。
正極合剤層及び負極合剤層は、粉体２に下記の材料を用いて、後述する製造方法により作製することができる。
正極合剤層及び負極合剤層に含まれる溶剤の濃度は５０ｐｐｍ以下である。すなわち、正極合剤層及び負極合剤層は、溶剤を実質的に含まない。実質的に含まないとは、全く含まない場合、及び、不純物等として不可避的に５０ｐｐｍ以下で含まれる場合を意味する。
なお、溶剤とは、例えば、有機溶剤である。溶剤の測定方法は特に限定されず、例えば、ガスクロマトグラフィー、質量変化法等を用いて測定できる。有機溶剤としては、例えば、ヘプタン、キシレン及びトルエン等の無極性有機溶剤、第三級アミン系溶剤、エーテル系溶剤、チオール系溶剤及びエステル系溶剤等の極性有機溶剤、並びに、これらの組み合わせを含む。第三級アミン系溶剤の例は、トリエチルアミン、トリブチルアミン及びトリアミルアミンを含む。エーテル系溶剤の例は、テトラヒドロフラン及びシクロペンチルメチルエーテルを含む。チオール系溶剤の例は、エタンメルカプタンを含む。エステル系溶剤の例は、酪酸ブチル、酢酸エチル及び酢酸ブチルを含む。
次に、正極合剤層及び負極合剤層に用いられる材料の詳細について述べる。
正極活物質は、負極よりも高い電位で結晶構造内にリチウム（Ｌｉ）などの金属イオンが挿入又は離脱され、リチウムなどの金属イオンの挿入又は離脱に伴って酸化又は還元が行われる物質である。正極活物質の種類は、全固体電池の種類に応じて適宜選択され、例えば、酸化物活物質、硫化物活物質等が挙げられる。
本実施の形態における正極活物質は、例えば、酸化物活物質（リチウム含有遷移金属酸化物）が用いられる。酸化物活物質としては、例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＮｉＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４及びこれらの化合物の遷移金属を１又は２の異種元素で置換することによって得られる化合物等が挙げられる。上記化合物の遷移金属を１又は２の異種元素で置換することによって得られる化合物としては、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ２等、公知の材料が用いられる。正極活物質は、１種で使用してもよく、又は２種以上を組み合わせて使用してもよい。
正極活物質の形状としては、例えば、粒子状及び薄膜状などが挙げられる。正極活物質が粒子状である場合、正極活物質の粒子径は、例えば、５０ｎｍ以上５０μｍ以下の範囲であり、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であってもよい。正極活物質の粒子径を５０ｎｍ以上とすることで、取扱性が良くなりやすく、一方、粒子径を５０μｍ以下とすることで、小粒径の活物質を用いることで、表面積が大きくなり、高容量な正極が得られやすい。なお、本明細書における正極合剤層又は負極合剤層に含まれる材料の粒子径は、例えば、上述したＤ５０である。
正極合剤層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、４０重量％以上９９重量％以下の範囲内であってもよく、７０重量％以上９５重量％以下であってもよい。
正極活物質の表面は、コート層で被覆されていてもよい。正極活物質（例えば酸化物活物質）と固体電解質（例えば、硫化物系固体電解質）との反応を抑制することができるからである。コート層の材料としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３、Ｌｉ３ＰＯ４、ＬｉＰＯＮ等のＬｉイオン伝導性酸化物が挙げられる。コート層の平均厚さは、例えば、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内であり、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内であってもよい。
正極合剤層に含まれる正極活物質と固体電解質との割合は、重量換算で正極活物質／固体電解質＝重量比とした場合に、重量比が１以上１９以下の範囲内であってもよく、２．３以上１９以下の範囲内であってもよい。この重量比の範囲内であることにより、正極合剤層内でのリチウムイオン伝導経路及び電子伝導経路の両方が確保されやすい。
負極活物質は、正極よりも低い電位で結晶構造内にリチウムなどの金属イオンが挿入又は離脱され、リチウムなどの金属イオンの挿入又は離脱に伴って酸化又は還元が行われる物質である。
本実施の形態における負極活物質としては、例えば、リチウム、インジウム、スズ、ケイ素といったリチウムとの易合金化金属、ハードカーボン、黒鉛等の炭素材料、及び、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＳｉＯｘ等の酸化物活物質等の、公知の材料が用いられる。また、負極活物質としては、上述した負極活物質を適宜混合した複合体等も用いてもよい。
負極活物質の粒子径は、例えば、５０μｍ以下である。小粒径の活物質を用いることで、表面積が大きくなり、高容量にできる。
負極合剤層に含まれる負極活物質と固体電解質との割合は、重量換算で負極活物質／固体電解質＝重量比とした場合に、例えば、重量比が０．６以上１９以下の範囲内であり、１以上５．７以下の範囲内であってもよい。この重量比の範囲内であることにより、負極合剤層内でのリチウムイオン伝導経路と電子伝導経路の両方が確保されやすい。
固体電解質は、伝導イオン種（例えば、リチウムイオン）に応じて適宜選択すればよく、例えば、大きくは硫化物系固体電解質と酸化物系固体電解質とハロゲン化物系固体電解質とに分けることが出来る。
本実施の形態における硫化物系固体電解質の種類は特に限定しないが、硫化物系固体電解質としては、例えば、Ｌｉ２Ｓ－ＳｉＳ２、ＬｉＩ－Ｌｉ２Ｓ－ＳｉＳ２、ＬｉＩ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、ＬｉＩ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｏ５、ＬｉＩ－Ｌｉ３ＰＯ４－Ｐ２Ｓ５及びＬｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５などが挙げられ、特に、リチウムイオン伝導性が優れている観点から、硫化物系固体電解質は、Ｌｉ、Ｐ及びＳを含んでもよい。硫化物系固体電解質は、１種で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。また、硫化物系固体電解質は、結晶質であってもよく、非晶質であってもよく、ガラスセラミックスであってもよい。なお、上記「Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５」の記載は、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を含む原料組成を用いてなる硫化物系固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。
本実施の形態においては、硫化物系固体電解質の一形態は、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を含む硫化物ガラスセラミックスであり、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５の割合は、モル換算でＬｉ２Ｓ／Ｐ２Ｓ５＝モル比とした場合、例えば、モル比が２．３以上４以下の範囲内であり、３以上４以下の範囲内であってもよい。このモル比の範囲内であることにより、電池特性に影響するリチウム濃度を保ちながら、イオン伝導性の高い結晶構造とすることができる。
本実施の形態における硫化物系固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。硫化物系固体電解質材料が粒子形状である場合、硫化物系固体電解質の粒子径は、特に限定されるものではないが、正極又は負極内の充填率を向上させやすくなるため、４０μｍ以下であってもよく、２０μｍ以下であってもよく、１０μｍ以下であってもよい。一方、硫化物系固体電解質の粒子径は、０．００１μｍ以上であってもよく、０．０１μｍ以上であってもよい。
次に、本実施の形態における酸化物系固体電解質について説明する。酸化物系固体電解質の種類は特に限定しないが、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ２、Ｌｉ２ＳｉＯ４、Ｌｉ０．５Ｌａ０．５ＴｉＯ３、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ０．７（ＰＯ４）３、Ｌａ０．５１Ｌｉ０．３４ＴｉＯ０．７４、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３等が挙げられる。酸化物系固体電解質は、１種を使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
次に、正極集電体及び負極集電体の詳細について述べる。
本実施の形態における正極は、例えば、金属箔等からなる正極集電体を備える。正極集電体には、例えば、アルミニウム、金、白金、亜鉛、銅、ＳＵＳ、ニッケル、スズ、チタン、又は、これらの２種以上の合金等からなる箔状体、板状体、網目状体等が用いられる。
また、正極集電体の厚さ及び形状等については、正極の用途に応じて適宜選択してもよい。
本実施の形態における負極は、例えば、金属箔等からなる負極集電体を備える。負極集電体には、例えば、ＳＵＳ、金、白金、亜鉛、銅、ニッケル、チタン、スズ、又は、これらの２種以上の合金等からなる箔状体、板状体、網目状体等が用いられる。
また、負極集電体の厚さ及び形状等については、負極の用途に応じて適宜選択してもよい。
［粉体層複合体の製造方法］
次に、図３、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを参照して、本実施の形態に係る粉体層複合体の製造方法について説明する。
図３は、実施の形態に係る粉体層複合体４の製造工程を示すフローチャートである。粉体層複合体４は、例えば、３つの工程を経て形成される。
図３に示されるように、粉体層複合体４の製造方法は、例えば、粉体供給工程（Ｓ１０）と、粉体整列工程（Ｓ２０）と、を含み、必要に応じて粉体シート化工程（Ｓ３０）をさらに含んでいてもよい。
まず、粉体供給工程に用いる粉体２を準備する。粉体２の原料は特に限定されないが、例えば、粉体２として、上述のような活物質を含む合剤粉を用いてもよい。活物質と固体電解質と、必要に応じて結着剤及び導電材等の添加物とを加えたものを混合し、粉体２を作製する。混合する方法としては、例えば、乳鉢、ボールミル又はミキサーなどを用いて混合する方法が挙げられる。また、混合の方法は、例えば、溶剤などを用いず、各粒子材料を混合する方法であってもよい。これにより、粉体２の材料劣化を抑制できる。
粉体供給工程（Ｓ１０）では、集電体１の表面上に粉体２を供給して、粉体層３を形成する。例えば、搬送装置を用いて集電体１を所定の方向に移動させながら、ホッパ等の粉体供給部を用いて、集電体１の表面上に粉体２を供給する。集電体１は、シート状であってよい。粉体供給工程では、例えば、溶剤を用いず、集電体１の表面上に粉体２を供給する。これにより、実質的に溶剤を含まない粉体層３が形成される。なお、粉体２を供給する際には、集電体１を移動させる代わりに、粉体供給部を集電体１に対して所定の方向に移動させてもよい。
次に、粉体整列工程（Ｓ２０）では、スキージを用いて、粉体層３の厚みと粉体層３における粉体２の充填率とを調整する。例えば、粉体整列工程では、スキージを用いて、粉体２を集電体１の表面上に整列させる。また、集電体１の表面上に供給された粉体２の目付量を、スキージを用いて調整する。すなわち、粉体整列工程では、粉体供給工程で形成された粉体層３の目付量を、所望の値になるように調整する。この時、スキージを、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動させる。粉体整列工程の詳細については後述する。
粉体シート化工程（Ｓ３０）では、集電体１上に整列させた粉体２、つまり、上述の厚みと充填率とが調整された粉体層３をプレスなどによって圧縮する。これにより、集電体１の表面上の粉体層３は圧縮され、粉体層３の充填率がさらに高くなる。例えば、粉体シート化工程を経た粉体層３の充填率は、８０％以上となる。粉体層３を圧縮し押し固めることで、粉体２がばらけることがなくなるので、粉体層複合体４の運搬性が向上する。
以上のように、粉体層複合体４の製造方法において、粉体供給工程（Ｓ１０）、粉体整列工程（Ｓ２０）及び粉体シート化工程（Ｓ３０）を順に行うことによって、集電体１の表面上に粉体２を含む粉体層３が形成された粉体層複合体４が得られる。このような、集電体１と粉体層３との粉体層複合体４を、エネルギーデバイスに用いることができる。例えば、粉体２として活物質を含む粉体を用いる場合、電池の電極を製造することができる。
次に、粉体整列工程（Ｓ２０）に関して、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを用いて詳細を述べる。
粉体整列工程において、粉体２を充填していくことで、粉体層３中の空隙を低減して、粉体層３における粉体２の粗密差を低減し、粉体層３の目付量ばらつきを低減できる。
図４Ａは、粉体整列工程において、集電体１の表面上に供給された粉体２を充填していく工程を説明するための概略図である。図４Ｂは、粉体整列工程において粉体層３上部に余剰粉体６が噴出した状態を説明するための概略図である。図４Ｃは、粉体整列工程において、余剰粉体６をかきとり、粉体層３の厚みを一定にした状態を説明するための概略図である。図４Ａから図４Ｃでは、集電体の移動方向が矢印で示されている。
図４Ａに示されるように、集電体１の表面上には、粉体供給工程で供給された粉体２で構成される粉体層３が形成されており、集電体１を所定の方向に移動させながら、粉体層３の厚みと粉体層３における粉体２の充填率を、スキージ５を用いて調整する。この際、粉体層３における粉体２の充填率が粉体２のタップ充填率以上になるように、粉体層３における粉体２を充填する。これにより、集電体１と粉体層３とを備える粉体層複合体４を形成する。なお、集電体１の代わりにスキージ５を所定の方向に移動させてもよい。つまり、スキージ５に対して、集電体１を所定の方向に相対移動させる。所定の方向は、集電体１の厚み方向に垂直な方向であり、例えば、集電体１が長尺状のシートである場合、集電体１の長手方向である。
スキージ５は、集電体１との間に隙間が形成されるように配置される。この隙間は、形成したい粉体層３の厚みに応じて設定される。また、スキージ５は、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動する。すなわち、スキージ５は、超音波帯近傍の高周波振動している。粉体整列工程では、このように、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動させたスキージ５を用いて、粉体層３の厚みと粉体層３における粉体２の充填率を調整する。スキージ５を超音波帯近傍の高周波振動させることにより、粉体２の流動性が高まるため、粉体２が整列され、充填されていく。
粉体２の流動性は、スキージ５の振動の周波数が高いほど高くなりやすい。そのため、超音波帯近傍の高周波領域の２ｋＨｚ以上の周波数でスキージ５を振動させることで、粉体２の流動性を十分に高めることができる。超音波帯近傍の高周波は減衰しやすいために、周波数が高すぎると振動が伝わりにくくなるが、３００ｋＨｚ以下の周波数でスキージ５を振動させることで、粉体２の流動性を十分高めることができる。スキージ５が超音波帯近傍の高周波振動することで、スキージ５に接する粉体２は粉体圧による摩擦抵抗を受けにくくなり、流動性が高まることで、粉体２が整列され充填される。
このように、集電体１が所定の方向に移動して、粉体層３の上部の粉体２がスキージ５に接触しながらスキージ５を通過し、スキージ５が超音波帯近傍の高周波振動することで、粉体２は流動し、整列するため、粉体層３における粉体２の充填率は高くなる。更に粉体２の充填率を向上させるために、粉体２を複数回、スキージ５に通過させてもよい。粉体２を複数回、スキージ５に通過させる場合、毎回、同じ方向に集電体１を移動さてもよく、交互に移動方向を反転させて集電体１を移動させてもよい。
スキージ５の超音波帯近傍の高周波振動の方向は、スキージ５の面に対して、垂直方向のみであってもよく、水平方向のみであってもよい。
垂直方向とは、粉体層３に対向するスキージ５の主面に対して垂直な方向である。垂直方向の振動は、粉体２に対して縦波（スキージ５が粉体２に対して近接及び離間するように振動する方向の波）が伝わりやすい。
垂直方向の振動成分は、粉体２間の摩擦抵抗低下への効果が大きい。具体的には、垂直方向の振動は、スキージ５が粉体２に対して近接及び離間するように振動する方向であるため、粉体２同士の衝突が繰り返され、粉体２に対して振動が伝わりやすくなる。超音波帯近傍の高周波は周波数が高いため、粉体２同士の振動が伝わりにくいおそれがあるが、垂直方向の振動であれば、粉体２に対して特に振動が伝わりやすい。
特に、垂直方向の振動成分は、粉体２が溜まった貯まり部において粉体２を大きく動かすことができる。これにより、粉体２同士がよりぶつかり合いやすくなるため、粉体２がより流動しやすくなる。
水平方向とは、粉体層３に対向するスキージ５の主面と平行、かつ、スキージ５の軸と平行な方向である。水平方向の振動は、粉体２に対して横波（スキージ５が粉体２に対してこすれあって振動する方向の波）が伝わりやすい。なお、スキージ５の軸とは、例えば、粉体層３が長尺状である場合、粉体層３の長手方向とは垂直な方向の幅方向と平行な方向の軸を意味する。スキージ５の軸は、スキージ５が円柱状など、長尺状の場合、スキージ５の長手方向と平行であってもよい。
スキージ５の主面は、例えば、集電体１の上面と平行な面である。また、スキージ５の振動では、垂直方向及び水平方向の両方の超音波帯近傍の高周波振動を併用してもよい。これにより、粉体２の流動性をさらに高めることができる。一粒の粉体に着目した場合、粉体２の振動方向がランダムになり、粉体表面全体に振動が加わるので、振動が伝わらずに摩擦抵抗が高い面がなくなり、流動性が高まるためである。
スキージ５が垂直方向及び水平方向に超音波帯近傍の高周波振動する場合、スキージ５の水平方向の振動の大きさは、スキージ５の垂直方向の振動の大きさよりも大きくてもよい。すなわち、スキージ５の振動において、粉体２の横波成分（スキージ５の表面と粉体２の表面とがこすれあうように振動する方向）の振動の大きさは、粉体２の縦波成分（スキージ５が粉体２に対して近接及び離間するように振動する方向）の振動の大きさよりも大きくてもよい。スキージ５の超音波帯近傍の水平方向の高周波振動は、粉体２間の摩擦抵抗低下に加えて、スキージ５と粉体２との摩擦力低下にも大きく寄与する。よって、特に摩擦抵抗が高くなりやすいスキージ５と粉体２との界面における摩擦抵抗を、スキージ５の水平方向の振動によって低減することができるとともに、粉体２間の摩擦抵抗も低減できるため、粉体２の流動性をより高めることができる。
スキージ５の垂直方向の振動の大きさは、例えば、２μｍ以上である。すなわち、スキージ５の垂直方向の振幅は、例えば、２μｍ以上である。これにより、粉体２間の摩擦抵抗を十分低下させることができ、粉体２の流動性をより高めることができる。また、スキージ５の垂直方向の振幅は、例えば、２０μｍ以下である。これにより、粉体２が垂直方向に大きく振動することを抑制し、膜厚ばらつきを小さくできる。
また、スキージ５の水平方向の振動の大きさは、例えば、４μｍ以上である。すなわち、スキージ５の水平方向の振幅は、例えば、４μｍ以上である。これにより、スキージ５と粉体２との界面の摩擦抵抗を十分低下させることができ、粉体２の流動性をより高めることができる。また、スキージ５の水平方向の振幅は、例えば、４０μｍ以下である。これにより、粉体２が水平方向に大きく振動することを抑制し、粉体層３の幅方向の端部において粉体２が大きく移動することによる、幅方向の粉体層３のサイズばらつきを小さくできる。
スキージ５は、例えば、円柱状であり、例えば、円柱の軸方向（円柱の高さ方向）が、集電体１の上面と平行、かつ、集電体１の移動方向と交差（例えば、直交）するように配置される。円柱状のスキージ５は、スキージ５の円柱の軸方向の両端を、水平方向に摺動するようベアリングつきの支柱で固定して配置される。この場合、スキージ５の軸心を、円形状ベアリングの口径に差し込む形状にすることで、水平方向の振幅が垂直方向の振幅より大きい関係をつくりだすことができる。
このように、粉体層３における粉体２の充填率をあげることで、粉体層３の目付量のばらつきが少なくなり、良好な粉体層３を得ることができる。また、粉体整列工程では、粉体層３の厚みと粉体層３における粉体２の充填率を調整するために、例えば、スキージ５と集電体１との隙間、スキージ５の振動（例えば、周波数及び振幅の少なくとも一方）、及び、粉体２をスキージ５に通過させる回数の少なくとも１つを調整する。
粉体２の充填率が低い場合は、粉体層３中の、粉体２の粗密の差が大きくなる。よって、粉体層３の目付量のばらつきも大きくなる。そこで、上述のようにして、粉体２を整列させ、粉体層３における粉体２の充填率を高める。これにより、粉体層３の空隙部分が、粉体２に置き換わって、空隙部分が少なくなる。よって、粉体層３中の、粉体２の粗密の差が小さくなり、目付量ばらつきが小さな粉体層３を得ることができる。
また、本実施の形態においては、更に、粉体層３の目付量ばらつきを低減させるためには、以下の工程を行ってもよい。
図４Ｂに示されるように、粉体整列工程は、粉体層３における粉体２の一部を、集電体１からの高さがスキージ５と集電体１との隙間より高い位置に噴出させることを含む。つまり、粉体層３上部に、粉体層３における粉体２の一部である余剰粉体６を噴出させる。
粉体層３における粉体２の一部が噴出する状態とは、粉体層３中の粉体２が、整列しきって十分に充填されている状態であり、粉体層３中でそれ以上粉体２を充填しにくくなっているために、余剰粉体６が噴出する。つまり、粉体層３において粉体２が十分に充填しているか否かを、粉体層３からの余剰粉体６の噴出状況をみることで判断することができる。つまり、粉体層３における粉体２の充填率を、別途測定装置などを使って測定することなく、粉体２の高充填状況を確認することができ、粉体層３の品質安定化を簡便かつ確実に行うことができる。
例えば、スキージ５の振動条件及びスキージ５と集電体１との隙間を調整する、または、粉体２をスキージ５に繰り返し通過させる等によって、粉体層３における粉体２の充填率を高め、余剰粉体６を噴出させる。
このような余剰粉体６が噴出する状態は、粉体層３中の空隙部分がほぼなくなっている状態である。つまり、粉体層３中の粉体２の粗密の差、すなわち粉体層３の目付量ばらつきの要因である、粉体２間の空隙がほぼなくなる状態となる。よって、余剰粉体６を噴出させることで、粉体層３の目付量ばらつきがより小さくなる。
このように、余剰粉体６が噴出して粉体層３が十分に充填されている状態では、粉体層３における粉体２の充填率は、粉体２のタップ充填率以上又は粉体２のタップ充填率の１．１倍以上となる。
更に、粉体整列工程は、余剰粉体６を噴出させた後、図４Ｃに示されるように、余剰粉体６を、スキージ５でかきとり、粉体２の厚みを調整することを含んでもよい。
余剰粉体６をかきとることで、粉体層３の上部に噴出した余剰粉体６が除去され、粉体層３の膜厚を一定にし、粉体層３の目付量のばらつきを小さくする。この余剰粉体６をかきとる工程においては、上記の余剰粉体６を噴出させるまでの粉体２を充填する工程よりも、スキージ５の振幅が小さくてもよい。余剰粉体６をかきとる工程においては、粉体層３の厚みをならすことが主目的なので、振幅を小さくすることで、余剰粉体６のさらなる噴出を抑制しつつ、余剰粉体６をかきとることができる。また、余剰粉体６をかきとる工程においては、スキージ５を振動させなくてもよい。
なお、余剰粉体６を除去する方法は、スキージ５でかきとる方法に限らない。例えば、スキージ５以外のかきとり用の道具を用いて余剰粉体６を除去してもよく、吸引装置を用いて余剰粉体６を吸引することで除去してもよく、気体を余剰粉体６に吹きかけて吹き飛ばすことで除去してもよい。
［粉体塗工装置］
次に、図５を参照して、本実施の形態に係る粉体層複合体の製造に用いられる粉体塗工装置について説明する。なお、以下の説明では、スキージ５に関する説明等、上記の粉体層複合体４の製造方法で述べた内容については、説明を省略又は簡略化する。
図５は、本実施の形態に係る粉体層複合体４の製造に用いられる粉体塗工装置１０の概略図である。
図５に示されるように、粉体塗工装置１０は、スキージ５と、粉体供給部１１と、駆動部１２と、制御部１３と、を備える。粉体塗工装置１０は、エネルギーデバイスの粉体塗工装置であり、エネルギーデバイス用の粉体層複合体の製造に用いられる。粉体塗工装置１０は、搬送装置である駆動部１２によって集電体１を搬送しつつ、集電体１の表面上に粉体２を塗工する装置である。具体的には、粉体塗工装置１０は、駆動部１２によって集電体１を搬送しつつ、粉体供給部１１を用いて集電体１の表面上に粉体２を連続的に供給する。
駆動部１２は、集電体１を所定の方向に移動させる装置である。駆動部１２は、集電体１を搬送可能であれば特に限定されない。駆動部１２は、例えば、ロール状に巻回された集電体１を連続的に繰り出すロールｔｏロール方式用の搬送装置であるが、これに限らない。駆動部１２は、例えば、集電体１を載置して移動するコンベアを有するコンベア型の搬送装置であってもよい。また、駆動部１２は、集電体１を断続的に繰り出してもよい。なお、集電体１の搬送経路上には、集電体１の移動に伴って回転するガイドローラ、及び集電体１の蛇行を修正する制御装置等が設けられてもよい。また、駆動部１２は、スキージ５及び粉体供給部１１を所定の方向に移動させる装置であってもよい。つまり、駆動部１２は、スキージ５及び粉体供給部１１に対して、集電体１を所定の方向に相対移動させる。
粉体供給部１１は、集電体１の表面上に粉体２を供給する。粉体供給部１１は、例えば、ホッパである。ホッパは、その内部に粉体２を貯溜すると共に、粉体２を集電体１の表面上に供給する。粉体供給部１１は、スキージ５よりも集電体１の移動方向における上流側に配置される。粉体供給部１１によって集電体１の面上に供給された粉体２は、粉体層３を形成し、集電体１の移動に伴ってスキージ５に到達することとなる。なお、本実施の形態では、粉体供給部１１としてホッパを用いているが、これに限られず、粉体供給部１１は、集電体１の表面上に粉体２を供給可能な装置であれよい。粉体供給部１１は、例えば、フィーダであってもよい。
スキージ５は、集電体１上に供給された粉体２の目付量と充填率とを調整して塗膜を行う。本実施の形態では、スキージ５は、集電体１と平行な端面を有する。スキージ５の形状は、特に制限されないが、例えば、円柱である。スキージ５は、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動する。スキージ５は、例えば、振動の周波数及び振幅を調整可能である。スキージ５の振動方向及び振幅等については上記の粉体層複合体４の製造方法で述べた通りである。
スキージ５は、集電体１における粉体２が供給される表面側で、集電体１との間に所定の隙間が形成されるように配置されている。また、スキージ５は、例えば、集電体１との隙間を調整可能に設置されている。スキージ５と集電体１との隙間は、スキージ５の位置を移動させることで調整されてもよく、集電体１の位置を移動させることで調整されてもよい。
また、スキージ５は、粉体供給部１１よりも集電体１の移動方向における下流側に配置されている。これにより、スキージ５と集電体１との隙間を集電体１の表面上に供給された粉体２が通過する。つまり、粉体供給部１１から集電体１の表面上に供給された粉体２が、集電体１の移動に伴ってスキージ５まで到達し、スキージ５によってならされる。また、スキージ５は、振動しながら集電体１の表面上に供給された粉体２に接触し、集電体１の表面上に供給された粉体２に流動性を与えることで、整列させ、粉体層３中の空隙を減少させる。つまり、スキージ５によって、粉体層３における粉体２の充填率が調整されて高められる。また、スキージ５は、スキージ５と集電体１との隙間よりも高い位置にある粉体２をかきとり、粉体層３の目付量及び厚みを調整する。
制御部１３は、スキージ５と集電体１との隙間、及び、スキージ５の振動の少なくとも一方を制御するための制御機構（制御装置）である。制御部１３は、スキージ５と集電体１との隙間の制御のために、例えば、スキージ５及び集電体１の少なくとも一方の位置を調整する。また、制御部１３は、スキージ５の振動の制御として、例えば、スキージ５の振動の振幅及び周波数の少なくとも一方を調整する。制御部１３がスキージ５と集電体１との隙間、及び、スキージ５の振動の少なくとも一方を制御することで、スキージ５は、粉体層３における粉体２の充填率を粉体２のタップ密度以上に充填する。これにより、粉体層３中の空隙がより少なくなり、粉体層３の目付量ばらつきが低減される。これは、粉体層３中の空隙のかたよりが、目付量ばらつきの要因となるので、空隙を減少させることで、空隙のかたよりが減少するためである。
なお、制御部１３は、粉体層３における粉体２の充填率を調整するために、粉体供給部１１による粉体２の供給量、及び／又は、駆動部１２による集電体１の相対移動速度を制御してもよい。
（その他の実施の形態）
以上、本開示に係る粉体層複合体等について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態は、例示であり、本開示の特許請求に記載の範囲において、技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。また、本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲に含まれる。
例えば、上記実施の形態では、正極及び負極において伝導するイオンがリチウムイオンである例を説明したが、これに限らない。正極及び負極において伝導するイオンは、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオンまたは銅イオン等のリチウムイオン以外のイオンであってもよい。
本開示に係るエネルギーデバイスの粉体複合体は、溶媒を実質的に含まず、目付量ばらつきが小さく、均一な粉体層を備えるため、高品質な全固体電池の電極等の様々な用途に適用できる。
１ 集電体
２ 粉体
３ 粉体層
４ 粉体層複合体
５ スキージ
６ 余剰粉体
１０ 粉体塗工装置
１１ 粉体供給部
１２ 駆動部
１３ 制御部

Claims (11)

  1. 集電体と、
    前記集電体上に形成された膜厚が５０μｍ以上の粉体層と、を備え、
    前記粉体層は、少なくとも１種類の粒子材料で構成される粉体を含み、
    前記粉体層に含まれる溶剤の濃度は５０ｐｐｍ以下であり、
    前記粉体層の任意の３０ｍｍ×３０ｍｍの領域において、前記粉体層の目付量ばらつきは、１０％以下である、
    エネルギーデバイスの粉体層複合体。
  2. 前記粉体層における前記粉体の充填率は、前記粉体のタップ充填率以上である、
    請求項１に記載のエネルギーデバイスの粉体層複合体。
  3. 前記少なくとも１種類の粒子材料の中で最も体積割合の大きい粒子材料である主粉体の（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０で表される粒度分布は７５％より大きく、
    前記粉体層における前記粉体の充填率は、前記粉体のタップ充填率の１．１倍以上である、
    請求項２に記載のエネルギーデバイスの粉体層複合体。
  4. 前記粉体層における前記粉体の充填率は８０％以上である、
    請求項１から３のいずれか１項に記載のエネルギーデバイスの粉体層複合体。
  5. 前記集電体は正極集電体であり、
    前記粉体は、前記少なくとも１種類の粒子材料として、正極活物質と、イオン伝導性を有する固体電解質と、を含む、
    請求項１から４のいずれか１項に記載のエネルギーデバイスの粉体層複合体。
  6. 前記集電体は負極集電体であり、
    前記粉体は、前記少なくとも１種類の粒子材料として、負極活物質と、イオン伝導性を有する固体電解質と、を含む、
    請求項１から４のいずれか１項に記載のエネルギーデバイスの粉体層複合体。
  7. 集電体の表面上に粉体を供給して前記粉体を含む粉体層を形成することと、
    集電体との間に隙間が形成されるように配置されたスキージに対して、前記集電体を所定の方向に相対移動させながら、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動させた前記スキージを用いて、前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することを含み、
    前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することにおいて、前記粉体層における前記粉体の充填率が前記粉体のタップ充填率以上になるように前記粉体層における前記粉体を充填する、
    エネルギーデバイスの粉体層複合体の製造方法。
  8. 前記粉体は、少なくとも１種類の粒子材料粉体を含み、
    前記少なくとも１種類の粒子材料の中で最も体積割合が大きい材料粒子である主粉体の（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０で表される粒度分布が、７５％より大きい場合に、
    前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することにおいて、前記粉体層における前記粉体の充填率が前記粉体のタップ充填率の１．１倍以上になるように前記粉体層における前記粉体を充填する、
    請求項７に記載のエネルギーデバイスの粉体層複合体の製造方法。
  9. 前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することは、
    前記粉体層における前記粉体の一部を、前記集電体からの高さが前記隙間より高い位置に噴出させることを含む、
    請求項７又は８に記載のエネルギーデバイスの粉体層複合体の製造方法。
  10. 前記粉体層の厚みと前記粉体層における前記粉体の充填率とを調整することは、
    噴出させた前記一部の粉体を、前記スキージでかきとり、前記粉体層の厚みを調整することを含む、
    請求項９に記載のエネルギーデバイスの粉体層複合体の製造方法。
  11. 集電体の表面上に粉体を供給する粉体供給部と、
    前記集電体との間に隙間が形成されるように配置され、周波数２ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下で振動するスキージであって、前記粉体供給部によって前記集電体の表面上に供給された前記粉体の目付量と充填率とを調整するスキージと、
    前記スキージに対して前記集電体を所定の方向に相対移動させる駆動部と、
    前記隙間及び前記スキージの振動の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える、
    エネルギーデバイスの粉体塗工装置。
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