JP4888575B2 - 乾燥装置及び乾燥方法 - Google Patents

Description

本発明は乾燥装置及び乾燥方法に関する。

自動車用に用いられるリチウムイオン二次電池は、民生用に比べて要求性能が高く、長寿命であることなどが求められるため、水などの不純物を極力取り除く必要がある。

積層型電池においては、ロール電極（巻電極）を切断加工して必要な長さの電極を製造している（特許文献１参照）。そして、製造した電極、セパレータなどの電池要素を積層し発電要素を形成後、発電要素を外装材に封入し電解質を注液する前に電極に含まれる水分を除去する為に乾燥をしている。

特開２００９−２６６７３９号公報

しかし、発電要素を形成後に乾燥する場合、発電要素の外側から内部に熱を伝える必要があり水分の蒸発に必要な熱量を内部に伝えるのに時間が掛かり、乾燥時間が長くなるという問題点がある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、ロール電極の乾燥時間を短縮することを目的とする。

本発明は、巻芯に巻き上げられた巻電極を乾燥させる乾燥装置である。そして、巻電極を巻芯側から加熱する加熱部を備えることを特徴とする。

また、本発明は、巻芯に巻き上げられた巻電極を乾燥させる乾燥方法である。そして、巻電極を巻芯側から加熱する加熱工程を備えることを特徴とする。

本発明によれば、巻電極を巻芯側から加熱することで、巻き上げられた電極と電極との層間に微細な空間を発生させることができる。そのため、この空間から水分を蒸発させることができるので、ロール電極の乾燥時間を短縮させることができる。

リチウムイオン二次電池の概略構成図である。 ロール電極の斜視図である。 本実施形態による乾燥装置の概略構成図である。 本実施形態による乾燥装置の作用について説明する図である。 本実施形態による乾燥装置のロール電極の乾燥方法を示したものである。 汎用輻射式真空乾燥機の概略構成図である。 汎用輻射式真空乾燥機によるロール電極の乾燥方法の一例を示したものである。 汎用輻射式真空乾燥機によるロール電極の乾燥方法の他の一例を示したものである。

以下、図面等を参照して本発明の一実施形態について説明する。

図１は、リチウムイオン二次電池の概略構成図である。図１（Ａ）はリチウムイオン二次電池１００の平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、リチウムイオン二次電池１００は、発電要素１と、発電要素１を収容する外装体２と、を備える。

発電要素１は、電極１０、及び電解質層としてのセパレータ１１などの電池要素を順次積層した積層体として構成される。電極１０には、それぞれ電力取り出し用の端子３が接続されており、その端子３の一部は外装体２から突出している。外装体２は、重ね合わせた２枚のラミネートフィルムの周縁部２１を熱融着させたものである。

ここで、リチウムイオン二次電池１００の製造工程において、電極１０は、電極１０をロール状に巻いたロール電極４（図２参照）を必要な長さだけ送り出した後に切断されて製造される。電極１０をロール状に巻いているのは、搬送の利便性等を考慮したものである。

図２は、ロール電極４の斜視図である。

ロール電極４は、中空の巻芯４１を中心にして電極１０をロール状に巻き上げたものである。以下では、巻芯４１の近傍の電極１０のことを特に芯部という。

ロール電極４の製造から切断加工に至るまでの例えばロール電極４の搬送中には、空気中の水分が凝縮して電極１０に水分が付着することがある。電極１０に水分が付着していると、電池性能が低下する。自動車用に用いられるリチウムイオン二次電池１００はサイズが相対的に大きく水分付着量も多くなりやすいので、水分付着に対する対策が特に必要となる。

ここで、例えば発電要素１の形成後に発電要素１を乾燥させると、数々の電池要素が混じっているため、水分除去に必要な熱量を電極１０に加えられず、水分除去が不十分になることが多い。したがって、切断加工前にロール電極４を乾燥させることが望ましい。

しかしながら、図６に示す一般的な汎用輻射式真空乾燥機６を使用して、ロール電極４を表面から加熱乾燥させると、乾燥が不十分になりやすく、また、乾燥が完了するまでに長時間を要するという問題点があった。以下、この問題点について図６から図８を参照して説明する。

図６は、汎用輻射式真空乾燥機６の概略構成図である。

図６に示すように、汎用輻射式真空乾燥機６では、真空チャンバ６１の外壁６１ａに配置したヒータ６２によってロール電極４の表面を熱し、表面から芯部に向かって熱を伝達してロール電極４に付着した水分を蒸発させて乾燥させていた。

図７は、汎用輻射式真空乾燥機６によるロール電極４の乾燥方法の一例を示したものである。図７において、太線は真空チャンバ内圧力、細線はロール電極４の表面温度、細破線はロール電極４の芯部温度である。

図７に示すように、この乾燥方法の場合は、加熱とともに真空チャンバ内を減圧して沸点を下げ、ロール電極４の乾燥を行っている（加熱減圧工程）。しかしながら、加温中に真空チャンバ内の気圧を大気圧よりも下げて真空度を上げると、真空チャンバ内雰囲気の熱伝達率が低下してしまう。そのため、主に輻射熱のみによる加熱になってしまうのでロール電極４の表面に到達する熱量が不足してしまい、ロール電極４を十分に乾燥させるために必要な目標温度までロール電極４の表面を加熱できない。目標温度までロール電極４の表面を加熱しようとすると、長時間を要する。

また、表面の加熱が不十分なために、表面から芯部に熱が伝達するのに時間がかかり、表面と芯部との温度差が大きくなりやすい。そのため、ロール電極全体を均一に乾燥させにくく、芯部の乾燥が不十分になりやすい。

また、電極自体が取り扱いに注意を要する材料で構成されているため、水分除去に必要な熱量を与えることができない場合も多い。

さらに、乾燥完了後に冷却期間を設ける必要があるが、前述した通り真空チャンバ内の熱伝達率が低下しているので、冷却にも時間を要する（冷却工程）。

図８は、汎用輻射式真空乾燥機６によるロール電極４の乾燥方法の他の一例を示したものである。図８において、太線は真空チャンバ内圧力、細線はロール電極４の表面温度、細破線はロール電極４の芯部温度である。

図８に示すように、この乾燥方法の場合は、大気圧下でロール電極４の表面が目標温度に到達するまで加熱する（加熱工程）。そして、ロール電極４の表面が目標温度に到達したら、真空チャンバ内を減圧して沸点を下げてロール電極４を乾燥させる（減圧工程）。この場合、加熱工程では沸点が下がっていないのでロール電極４の乾燥は行われず、減圧工程において乾燥が行われることになる。乾燥が終了した後は、再び真空チャンバ内を大気圧に戻してロール電極４を冷却する（冷却工程）。

このように、大気圧下で加熱し、その後減圧させることで、短時間でロール電極４の表面を確実に目標温度まで到達させることができるとともに、目標温度まで加熱することにより乾燥を十分に行うことができる。

しかしながら、加熱工程と減圧工程とが別々になってしまうために、加熱から乾燥が終了するまでには時間がかかる。また、減圧工程に必要な時間（ロール電極４を乾燥させるのに必要な時間）を短縮することはできない。また、ロール電極４は、電極１０と電極１０との層間がしっかり密着した状態となっているため、ロール電極中の水分を表面からしか蒸発させることができない。そのため、減圧工程に必要な時間が特に長くなりやすい。

このように、ロール電極４の乾燥作業に時間がかかると、必要生産量を確保するには汎用輻射式真空乾燥機６の台数を増加させる必要があり、リチウムイオン二次電池１００の生産コストが増加する。

そこで、本実施形態では、乾燥装置及び乾燥方法を変更することで乾燥作業に要する時間を短縮する。

図３は、本実施形態による乾燥装置５の概略構成図である。

乾燥装置５は、真空チャンバ５１と、支持部材５２と、ヒータ５３と、真空ポンプ５４と、を備える。

真空チャンバ５１は、ロール電極４の出し入れが可能に構成され、減圧後に内部に気体が流入しないように気密性が高められた容器である。

支持部材５２は、真空チャンバ５１に固定される支持棒５２ａと、支持棒５２ａに取り外し可能に固定される筒部５２ｂと、を備え、真空チャンバ５１の内部に配置される。支持部材５２は、筒部５２ｂにロール電極４の巻芯４１を挿通させてロール電極４を支持する。

ヒータ５３は、筒部５２ｂの外周面又は外周面の近傍に設けられ、ロール電極４の芯部から表面に向かって熱を伝達する。

真空ポンプ５４は、真空チャンバ５１の外部に設けられ、真空チャンバ５１の内部の気体を外部に排出する。

このように、本実施形態による乾燥装置５は、支持部材５２の筒部とロール電極４の巻芯４１とが接触しているため、熱伝導によってヒータ５３の熱をロール電極４の芯部に伝達することができる。

図４は、本実施形態による乾燥装置５の作用について説明する図である。図４（Ａ）は、ロール電極４の断面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の破線で囲われた部分の拡大図である。図４（Ｃ）は、乾燥装置５によって加熱した後の破線で囲われた部分の拡大図である。

図４（Ｂ）に示すように、乾燥装置５は、ロール電極４の芯部を直接熱し、芯部から表面に向かって熱伝導により熱を伝達させてロール電極４を乾燥させる。そのため、ロール電極４の巻芯側と表面側とを比べると、巻芯側の方が表面側よりも温度が高くなり、電極１０の巻芯側の面（以下「内面」という。）と表面側の面（以下「外面」という。）とを比べても、当然に内面の方が外面よりも温度が高くなる。

そして、ロール状に巻かれた電極１０の内外面に温度差がある場合において、内面の方が外面よりも温度が高いときは、内面に巻き方向の圧縮応力が生じ、外面に巻き方向の引張応力が生じる。また、熱膨張によって電極１０に巻き方向の伸びが発生する。

そのため、図４（Ｃ）に示すように、この応力と熱膨張の作用によって電極１０が波打変形して皺が発生し、巻かれている電極１０と電極１０との層間に微細な空間が発生する。このように電極１０と電極１０との層間に微細な空間を意図的に発生させることで、この空間から水分を蒸発させることができる。したがって、ロール電極４の表面からだけでなく、ロール電極４の内部からも直接水分を蒸発させることができるので、ロール電極４の乾燥にかかる時間自体を短縮できる。

図５は、乾燥装置５によるロール電極４の乾燥方法を示したものである。図５において、太線は真空チャンバ内圧力、細線はロール電極４の表面温度、細破線はロール電極４の芯部温度である。

図５に示すように、乾燥装置５を使った乾燥方法の場合は、加熱開始とともに真空チャンバ内の減圧を開始して沸点を下げ、ロール電極４の乾燥を行う（加熱減圧工程）。乾燥が終了した後は、再び真空チャンバ内を大気圧に戻してロール電極４を冷却する（冷却工程）。

乾燥装置５の場合は、支持部材５２の筒部５２ｂとロール電極４の巻芯４１とが接触しているため、加熱と同時に真空チャンバ内を減圧しても、真空チャンバ内雰囲気の影響を受けずに熱伝導によってヒータ５３の熱を直接ロール電極４の芯部に伝達することができる。

そのため、ロール電極４の芯部の温度を素早く目標温度まで上昇させることができ、加熱しながら乾燥を行うことができる。

また、芯部から表面に向かって熱を伝達させることで、前述したように電極１０に皺を発生させて電極１０と電極１０との層間に微細な空間を発生させることができる。そのため、この空間から水分を蒸発させることができるので、乾燥に要する時間を短縮できるとともに、汎用輻射式真空乾燥機６では水分を蒸発させにくかった芯部側の水分を確実に蒸発させることができる。

さらに、乾燥が終了した後は、真空チャンバ内の気圧を大気圧まで戻すため、真空チャンバ内雰囲気の熱伝達率も戻り、対流によってロール電極４の表面から放熱することができる。そのため、真空チャンバ内の気圧を減圧したまま冷却する場合よりも冷却期間を短縮することができる。

このように、本実施形態による乾燥装置５によれば、加熱と乾燥を同時に行うことができるので、加熱工程と乾燥工程と別々に行う場合よりも乾燥作業全体の期間を短縮できる。

また、ロール電極４の芯部から表面に向かって熱を伝達することにより、電極１０と電極１０との層間に微細な空間を発生させて、この空間から水分を蒸発させることができるので、乾燥に要する時間自体を短縮することができる。そのため、乾燥作業全体の期間を短縮できる。

また、電極１０と電極１０との層間に微細な空間を発生させて、この空間から水分を蒸発させることで、汎用輻射式真空乾燥機６では蒸発させにくかった芯部側の水分や、細部に付着した水分を確実に蒸発させることができる。

さらに、冷却は大気圧下で行うので、真空チャンバ内の気圧を減圧したまま冷却する場合よりも冷却時間を短縮することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記実施形態では乾燥装置５をロール電極４の乾燥に使用したが、電極以外にも使用して良いし、ロール状のものに限られるものでもない。

また、加熱と減圧を同時に実施したが、真空チャンバ内の気圧を目標まで減圧させた後、その減圧状態を維持しながら加熱を実施しても良い。乾燥装置５は、ヒータ５３によって直接熱伝導によって芯部を加熱するので、減圧後であっても真空チャンバ内雰囲気によらずに素早く目標温度まで加熱することができる。

また、筒部５２ｂにロール電極４の巻芯４１を挿通させ、筒部５２ｂに設けたヒータ５３によって、ロール電極４を芯部から表面に向かって加熱したが、筒状又は柱状の巻芯自体にヒータなどの加熱器を設けて支持棒５２ａに固定し、ロール電極４を芯部から表面に向かって加熱しても良い。

４ ロール電極（巻電極）
５ 乾燥装置
４１ 巻芯
５１ 真空チャンバ（容器）
５２ｂ 筒部（支持部）
５３ ヒータ（加熱部）
５４ 真空ポンプ（減圧器）

Claims (10)

1. 巻芯に巻き上げられた巻電極を乾燥させる乾燥装置であって、
   前記巻電極を巻芯側から加熱する加熱部を備える、
   ことを特徴とする乾燥装置。
2. 中空の前記巻芯を挿通させて前記巻電極を支持する支持部を備え、
   前記加熱部は、前記支持部に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の乾燥装置。
3. 前記加熱部は、前記巻芯に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の乾燥装置。
4. 前記巻電極が収納される容器と、
   前記容器の内部圧力を低下させ、前記容器内の沸点を下げて前記巻電極の乾燥を速める減圧器と、
   を備え、
   前記加熱部による加熱と前記減圧器による減圧を同時に実施する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の乾燥装置。
5. 前記巻電極が収納される容器と、
   前記容器の内部圧力を低下させ、前記容器内の沸点を下げて前記巻電極の乾燥を速める減圧器と、
   を備え、
   前記減圧器による減圧後に前記加熱部による加熱を実施する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の乾燥装置。
6. 巻芯に巻き上げられた巻電極を乾燥させる乾燥方法であって、
   前記巻電極を巻芯側から加熱する加熱工程を備える、
   ことを特徴とする乾燥方法。
7. 前記加熱工程は、中空の前記巻芯を挿通させて前記巻電極を支持する支持部に設けられる加熱部によって前記巻電極を巻芯側から加熱する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の乾燥方法。
8. 前記加熱工程は、前記巻芯に設けられた加熱部によって前記巻電極を巻芯側から加熱する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の乾燥方法。
9. 前記巻電極が収納される容器の内部圧力を低下させる減圧工程を備え、前記加熱工程と前記減圧工程とを同時に実施する、
   ことを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれか１つに記載の乾燥方法。
10. 前記巻電極が収納される容器の内部圧力を低下させる減圧工程を備え、前記減圧工程後に前記加熱工程を実施する、
    ことを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれか１つに記載の乾燥方法。

Images