JP5522025B2 - 塗工装置、塗工方法、電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、リチウムイオン電池等で用いられる活物質ペーストを集電体上に塗布形成する塗工装置、塗工方法、電池の製造方法に関するものである。

特許文献１には、基材上において下層に導電層を形成し上層に活物質層を形成した電極の製造方法が開示されている。この特許文献１の電極の製造方法においては、排出口を２つ備えるダイにより基材に対し導電液と活物質液を排出して、導電層と活物質層の２層を形成している。

特開２００１−３４５０９６号公報

ここで、接着テープ等のような多層塗工品における各塗工層の品質検査は、各塗工層に放射線や赤外線を透過させて行うことが一般的である。しかしながら、特許文献１に示すような導電層と活物質層の２層を基材上に形成する２層塗工を行って電極を製造するときには、上層の活物質層は透過性がないので、上層の活物質層に覆われる下層の導電層の塗布の状態を検査することが困難である。

また、集電体である銅泊に対し下層に結着剤であるバインダを塗布し上層に活物質を塗布して電極を製造する場合において、活物質や銅泊の透過性は低いので、目視などで下層のバインダの塗布状態を検査することが困難となる。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、２層塗工などの多層塗工において目視などで確認できない層の品質を検査することができる塗工装置、塗工方法、電池の製造方法を提供すること、を課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、搬送される基材に対しダイから２つの液体を排出することにより前記基材に２層を積層した塗工物を製造する塗工装置において、前記２つの液体の各液体間に温度差を設定する温度設定部と、前記２層の積層方向に対して垂直な方向についての前記塗工物の温度分布を検出する温度検出手段と、を有し、前記温度設定部により前記各液体間に温度差を設定しておき、前記温度検出手段により検出した前記温度分布をもとに前記２層のうちの目視で確認できない層の塗布状態を検査すること、を特徴とする。

この態様によれば、各液体間に温度差を設定しているので、２層のうちの目視で確認できない層において塗布スケや塗布ムラなどが存在する場合には、塗工物において２層の間の熱の移動による温度変化にバラつきが生じる。そのため、温度検出手段による塗工物の温度分布の検出結果をもとに、２層のうちの目視で確認できない層の塗布状態を検査することができる。したがって、２層塗工において、目視などで確認できない所定の層の品質を検査することができる。ここで、塗布スケとは層が欠けた部分をいい、塗布ムラとは塗布量にバラつきが生じている部分をいう。

上記態様においては、前記塗布状態を検査した結果をもとに前記ダイと前記基材との間の距離を制御するギャップ制御部を有すること、が好ましい。

この態様によれば、塗布ムラを抑制することができる。

上記態様においては、前記温度検出手段は、前記塗工物の前記２層を積層した側の面に対向する位置に設けられていること、が好ましい。

この態様によれば、基材に積層した２層における温度分布を直接的に検出することができるので、２層のうちの目視で確認できない層の塗布状態の検査精度が向上する。

上記態様においては、前記温度検出手段は、前記塗工物の前記基材が設けられた側の面に対向する位置に設けられていること、が好ましい。

この態様によれば、塗工物の基材が設けられた側の空間を有効利用できるので、塗工装置の小型化を図ることができる。

上記態様においては、前記温度検出手段は、サーモグラフィであること、が好ましい。

この態様によれば、塗工物に接触することなく温度分布を検出することができるので、塗工物における塗布状態に影響を与えることなく、複数の層のうちの所定の層の塗布状態を検査できる。

上記課題を解決するためになされた本発明の他の態様は、搬送される基材に対しダイから２つの液体を排出することにより前記基材に２層を積層した塗工物を製造する塗工方法において、前記２つの液体の各液体間に温度差を設定しておき、前記２層の積層方向に対して垂直な方向についての前記塗工物の温度分布を検出し、検出した前記温度分布をもとに前記２層のうちの目視で確認できない層の塗布状態を検査すること、を特徴とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の他の態様は、搬送される集電体に対しダイからバインダ液と活物質液とを排出することにより前記集電体に前記バインダ液により形成されるバインダ層と前記活物質液により形成される活物質層を積層した電極を有する電池の製造方法において、前記バインダ液と前記活物質液の間に温度差を設定しておき、前記バインダ層と前記活物質層の積層方向に対して垂直な方向についての前記電極の温度分布を検出し、検出した前記温度分布をもとに前記バインダ層の塗布状態を検査すること、を特徴とする。

本発明に係る塗工装置、塗工方法、電池の製造方法によれば、２層塗工などの多層塗工において目視などで確認できない層の品質を検査することができる。

実施例１の塗工装置の外観斜視図である。 塗工装置のブロック構成図である。 ダイの排出口周辺の拡大図である。 バインダ層の塗布状態の検査結果をもとに行う制御のフローチャート図である。 評価実験における温度分布の検出結果を示す図である。 実施例２の塗工装置の外観斜視図である。

以下、本発明を具体化した形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施例においては本発明における「塗工物」の一例として、リチウムイオン電池等で用いられる電極３６（図１参照）を例に挙げて説明する。

＜実施例１＞
〔塗工装置の説明〕
図１と図２に示すように、本実施例の塗工装置１は、ダイ１０、塗工制御部１２、温度設定部１４、搬送ローラ１６、サーモグラフィ１８、ギャップ制御部２０などを有する。なお、図１は塗工装置１の外観斜視図であり、図２は塗工装置１のブロック構成図である。

ダイ１０は、図３に示すように、搬送ローラ１６側の面に、第１排出口２２と第２排出口２４の２つの排出口を備える。本実施例では、一例として、第１排出口２２から結着剤であるバインダ液２６を排出し、第２排出口２４から電極活物質を含む負極ペースト２８を排出する。なお、図３は、ダイ１０の排出口周辺の拡大図である。

塗工制御部１２（図２参照）は、塗工装置１による塗工の全般を制御する手段であり、ダイ１０や温度設定部１４や搬送ローラ１６などを制御する。また、温度設定部１４は、塗工制御部１２からの指令に基づいてバインダ液２６（図３参照）と負極ペースト２８（図３参照）の温度を調整して、バインダ液２６と負極ペースト２８との間に所定の温度差を設定する。

搬送ローラ１６は、集電体である銅泊３０を搬送する。また、搬送ローラ１６は、銅泊３０に対してバインダ液２６と負極ペースト２８とを塗布することによりバインダ層３２と負極ペースト層３４とを形成した電極３６を搬送する。なお、銅泊３０は、本発明における「基材」の一例である。

サーモグラフィ１８は、サーモカメラ３８を備えている。サーモカメラ３８は、図１に示すように、搬送ローラ１６により搬送される電極３６の負極ペースト層３４に対向する位置に設けられている。そして、サーモカメラ３８は、電極３６における搬送方向の所定範囲と搬送方向に垂直な方向の全幅を含めた領域Ａにおいて、電極３６の面方向（バインダ層３２と負極ペースト層３４の積層方向に対し垂直な方向）の温度分布を検出する。なお、サーモグラフィ１８は、本発明における「温度検出手段」の一例である。

また、サーモカメラ３８は、電極３６に形成されたバインダ層３２と負極ペースト層３４とが乾燥する前の位置に設けておく。一例として、サーモカメラ３８は、ダイ１０による塗工位置からの距離Ｌ＝１ｍの位置であって、電極３６の上面からの高さＨ＝１５ｃｍの位置に設ける。また、サーモカメラ３８は、広角レンズ（不図示）により焦点距離を１１ｍｍに設定し、視野範囲を１６ｃｍ×１２ｃｍとする。

ギャップ制御部２０（図２参照）は、サーモグラフィ１８により検出した電極３６の温度分布に基づくバインダ層３２の塗布状態の検査情報をもとに、ダイ１０の塗工をフィードバック制御する。

このような構成を有する本実施例の塗工装置１は、搬送ローラ１６により搬送される銅泊３０に対して、第１排出口２２からバインダ液２６を排出してバインダ層３２を形成し、第２排出口２４から負極ペースト２８を排出してバインダ層３２に重ねて負極ペースト層３４を積層する。これにより、銅泊３０の塗工面に対してバインダ層３２と負極ペースト層３４の２層を積層した電極３６を製造することができ、このように製造した電極３６を使って電池を製造することができる。

〔検査方法の説明〕
本実施例では、前記のように電極３６を製造しながら、バインダ層３２の塗布状態の検査（インライン検査）を行う。そこで、バインダ層３２の塗布状態の検査方法について説明する。本実施例では、サーモグラフィ１８を使用してバインダ層３２の塗布状態を検査する。なお、負極ペースト層３４の塗布状態は、目視などで別途検査済みであり、塗布スケや塗布ムラなどがなく安定しているとする。

まず、温度設定部１４によりバインダ液２６と負極ペースト２８の温度を調整して、バインダ液２６と負極ペースト２８との間に温度差を設定する。バインダ液２６と負極ペースト２８との間の温度差は、サーモグラフィ１８の検出可能な温度（分解能、一例として±２℃）よりも大きくなるように設定する。そして、搬送される銅泊３０に対して、第１排出口２２からバインダ液２６を排出し、第２排出口２４から負極ペースト２８を排出して、銅泊３０にバインダ層３２と負極ペースト層３４を積層した電極３６を製造する。なお、バインダ液２６と負極ペースト２８の温度はいずれも１００℃未満とする。

このとき、前記のようにバインダ液２６と負極ペースト２８との間に温度差を設定したので、電極３６において、バインダ層３２と負極ペースト層３４の間で熱の移動が生じる。移動する熱量は、バインダ層３２の厚みによって異なるため、バインダ層３２において厚みが異なる部分が存在すると、バインダ層３２と負極ペースト層３４の間で移動する熱量が他の部分と異なり、当該部分では他の部分と温度が異なる。そこで、サーモグラフィ１８により検出した電極３６の温度分布の結果より、バインダ層３２の厚みを求めて、バインダ層３２の塗布状態を検査する。なお、一例として、バインダ層３２と負極ペースト層３４の温度差が０．０５℃以上あれば、バインダ層３２の塗布状態を検査することができる。また、バインダ層３２の比熱と負極ペースト層３４の比熱との間に所定の差を設定しておくことにより、バインダ層３２と負極ペースト層３４の間の熱の移動時間を調整して、バインダ層３２の塗布状態を確実に検査することができる。

そして、このようなバインダ層３２の塗布状態の検査結果をもとに、ギャップ制御部２０により、図４に示すような制御を行う。なお、図４は、バインダ層３２の塗布状態の検査結果をもとに行う制御のフローチャート図である。

まず、サーモグラフィ１８により検出した電極３６の温度分布のデータを取り込む（ステップＳ１）。次に、予め作成したサーモグラフィ１８により検出した温度とバインダ層３２の厚さの相関グラフ（検量線）をもとに、取り込んだ電極３６の温度分布のデータから、ダイ１０の左右方向（長手方向）のライン上におけるバインダ層３２の厚さのデータを算出する（ステップＳ２）。

次に、算出したバインダ層３２の厚さのデータをもとに、バインダ層３２に塗布スケが存在するか否かを判断する（ステップＳ３）。ここで、塗布スケとは、バインダ層３２が欠けた部分をいう。そして、バインダ層３２に塗布スケが存在すると判断した場合には、電極３６における当該検査領域に塗布スケが存在する旨の目印を付ける（ステップＳ４）。

一方、バインダ層３２に塗布スケが存在しない判断と判断した場合には、バインダ層３２に塗布ムラが存在するか否かを判断する（ステップＳ５）。ここで、塗布ムラとは、バインダ液２６の塗布量に所定量以上のバラつきが生じている部分をいう。

そして、バインダ層３２に塗布ムラが存在すると判断した場合には、電極３６における当該検査領域に塗布ムラが存在する旨の目印を付けて（ステップＳ６）、バインダ層３２に塗布ムラが存在しないようにするためのダイ１０の適正なギャップＧ（図３参照）を算出する（ステップＳ７）。ここで、ギャップＧとは、図３に示すように、ダイ１０と銅泊３０の間の距離（クリアランス）をいう。そして、不図示のギャップ調整手段により、算出した適正なギャップＧになるように例えばダイ１０における左右方向（長手方向、図３の紙面垂直方向）のギャップＧのバランスを調整する（ステップＳ８）。

一方、ステップＳ５において画像データにおいてバインダ層３２に塗布ムラが存在しないと判断した場合には、ダイ１０のギャップＧをそのまま維持する（ステップＳ９）。以上のように、バインダ層３２の塗布状態の検査情報をもとに、ダイ１０の塗工に対しフィードバック制御を行うことができる。

なお、バインダ層３２における塗布スケと塗布ムラとの判別は、サーモグラフィ１８により検出した電極３６の温度分布のデータを画像処理して、電極３６の搬送方向における画像の濃淡の微分値（変化量）をもとに行うこと、が考えられる。例えば、ダイ１０の左右方向のライン上におけるバインダ層３２の厚さが一定でないときに、前記の電極３６の搬送方向における画像の濃淡の微分値が所定値以上の部分は塗布スケが存在する部分であると判断し、当該微分値が所定値未満の場合には塗布ムラが存在する部分であると判断する。

ここで、実際にサーモグラフィ１８を使用してバインダ層３２の塗布状態の検査の評価実験を行った。検査条件は、ダイ１０の材質をＳＵＳ３０４とし、サーモグラフィ１８は赤外線サーモグラフィを使用し、高純度ゲルマニウムレンズを使用して、分解能を０．０５℃、解像度を３２０×２４０画素とした。そして、バインダ層３２を形成するバインダ液２６（スチレン・ブタジエンゴム、ＳＢＲ）の温度を２５℃とし、負極ペースト層３４を形成する負極ペースト２８（炭素材料と増粘材を混合したもの）の温度を５℃とした。なお、集電体として銅泊３０を使用した。

すると、図５に示すような電極３６の温度分布を検出することができた。図５に示すように、バインダ層３２に塗工ムラが生じてバインダ層３２の厚みが所定の厚みよりも小さくなっている領域は、負極ペースト層３４との間における熱交換により、他の領域よりも温度が低くなっている。このようにして、バインダ層３２の塗工ムラが生じている領域を検出することができた。なお、バインダ層３２と負極ペースト層３４の温度差が０．０５℃以上あれば、バインダ層３２の塗工ムラが生じている領域を検出することができた。

なお、本実施例ではバインダ液２６と負極ペースト２８との間に温度差を設定している。そこで、別途設けたサーモグラフィでダイ１０における第１排出口２２と第２排出口２４の周辺の領域Ｂ（図３参照）の部分の温度分布を検出して、第１排出口２２と第２排出口２４の周辺におけるダイ１０のリップ構造（排出口構造）の変化を検査し、この検査結果をもとに２層の排出流量をフィードバック制御してもよい。これにより、バインダ液２６と負極ペースト２８の排出量の変動を抑制することができる。

〔本実施例の効果〕
本実施例によれば、バインダ液２６と負極ペースト２８との間に温度差を設定しているので、バインダ層３２において塗布スケや塗布ムラなどが存在する場合には、電極３６においてバインダ層３２と負極ペースト層３４との間の熱の移動による温度変化にバラつきが生じる。そのため、サーモグラフィ１８による電極３６の温度分布の検出結果をもとに、バインダ層３２の塗布状態を検査することができる。したがって、バインダ層３２と負極ペースト層３４の２層塗工において、目視などで確認できないバインダ層３２の品質を検査することができる。ここで、塗布スケとは層が欠けた部分をいい、塗布ムラとは塗布量にバラつきが生じている部分をいう。なお、一例として、バインダ層３２と負極ペースト層３４の温度差が０．０５℃以上あれば、バインダ層３２の塗布状態を検査することができる。

また、バインダ層３２の塗布状態を検査した結果をもとにダイ１０と銅泊３０との間のギャップＧを制御するので、バインダ層３２についての塗布ムラを抑制することができる。

また、サーモグラフィ１８のサーモカメラ３８は、電極３６のバインダ層３２と負極ペースト層３４を積層した側の面に対向する位置に設けられているので、バインダ層３２と負極ペースト層３４における温度分布を直接的に検出することができる。そのため、バインダ層３２の塗布状態の検査精度が向上する。

＜実施例２＞
次に、実施例２について説明する。以下の説明では、実施例１と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に述べる。実施例２の塗工装置２においては、図６に示すように、サーモカメラ３８は銅泊３０の下面に対向する位置に設けられている。そして、実施例１と同様にバインダ液２６と負極ペースト２８との間に温度差を設定する。ここで、銅泊３０は熱伝導率が高いので、銅泊３０には前記の電極３６における温度分布と同様な温度分布が再現される。そこで、サーモカメラ３８により電極３６（銅泊３０）の温度分布を検出して、この検出結果をもとにバインダ層３２の塗布状態を検査することができる。

本実施例によれば、前記の実施例１の効果に加えて、電極３６の銅泊３０が設けられた側の空間を有効利用できるので、塗工装置２の小型化を図ることができる。

〔その他の実施例〕
前記の実施例においては、負極の電極における塗工について説明したが、正極の電極における塗工においても適用することができる。例えば、下層に導電助剤を塗布し、上層に正極活物質を塗布する実施例においても、前記の実施例１と実施例２を適用することができる。

また、前記の実施例においては２層塗工を例に挙げたが、これに限定されず、ダイ１０から３つ以上の液体を排出して、３つ以上の層を積層した塗布部を形成した塗工物を製造する複数塗工の例においても、本発明は適用できる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

１ 塗工装置
２ 塗工装置
１０ ダイ
１４ 温度設定部
１８ サーモグラフィ
２０ ギャップ制御部
２２ 第１排出口
２４ 第２排出口
２６ バインダ液
２８ 負極ペースト
３０ 銅泊
３２ バインダ層
３４ 負極ペースト層
３６ 電極
３８ サーモカメラ

Claims (7)

1. 搬送される基材に対しダイから２つの液体を排出することにより前記基材に２層を積層した塗工物を製造する塗工装置において、
   前記２つの液体の各液体間に温度差を設定する温度設定部と、
   前記２層の積層方向に対して垂直な方向についての前記塗工物の温度分布を検出する温度検出手段と、を有し、
   前記温度設定部により前記各液体間に温度差を設定しておき、前記温度検出手段により検出した前記温度分布をもとに前記２層のうちの目視で確認できない層の塗布状態を検査すること、
   を特徴とする塗工装置。
2. 請求項１の塗工装置において、
   前記塗布状態を検査した結果をもとに前記ダイと前記基材との間の距離を制御するギャップ制御部を有すること、
   を特徴とする塗工装置。
3. 請求項１または２の塗工装置において、
   前記温度検出手段は、前記塗工物の前記２層を積層した側の面に対向する位置に設けられていること、
   を特徴とする塗工装置。
4. 請求項１または２の塗工装置において、
   前記温度検出手段は、前記塗工物の前記基材が設けられた側の面に対向する位置に設けられていること、
   を特徴とする塗工装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つの塗工装置において、
   前記温度検出手段は、サーモグラフィであること、
   を特徴とする塗工装置。
6. 搬送される基材に対しダイから２つの液体を排出することにより前記基材に２層を積層した塗工物を製造する塗工方法において、
   前記２つの液体の各液体間に温度差を設定しておき、前記２層の積層方向に対して垂直な方向についての前記塗工物の温度分布を検出し、検出した前記温度分布をもとに前記２層のうちの目視で確認できない層の塗布状態を検査すること、
   を特徴とする塗工方法。
7. 搬送される集電体に対しダイからバインダ液と活物質液とを排出することにより前記集電体に前記バインダ液により形成されるバインダ層と前記活物質液により形成される活物質層を積層した電極を有する電池の製造方法において、
   前記バインダ液と前記活物質液の間に温度差を設定しておき、前記バインダ層と前記活物質層の積層方向に対して垂直な方向についての前記電極の温度分布を検出し、検出した前記温度分布をもとに前記バインダ層の塗布状態を検査すること、
   を特徴とする電池の製造方法。

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