JP5665532B2

JP5665532B2 - 製造装置

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Publication number: JP5665532B2
Application number: JP2010291299A
Authority: JP
Inventors: 森島　秀明; 秀明森島; 誠一日方; 和宏寺口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012136342A

Description

この発明の実施形態は、非水電解質二次電池の電極の製造装置に関わる。

近年、ハイブリッド電気自動車用の電源、また太陽光や風力などの自然エネルギーを使った発電機用の蓄電装置として、非水電解質二次電池が注目されている。これらの用途では、負荷や発電量の時間変化が激しいため、瞬時に大電流を蓄えたり放出したりする能力の高い二次電池、すなわち、大電流特性の高い二次電池が要求される。

大電流特性の高い二次電池は、大電流を流した時にも電圧の低下をできるだけ少なくするために、電池内部の電気抵抗をできるだけ小さくする必要がある。

電池内部の電気抵抗を小さくするためには、電流が集中する部分である電極と外部端子とをつなぐ電極タブの断面積を大きくすることが有効である。そこで、例えばハイブリッド電気自動車用にも用いられるような大電流を放出できる二次電池では、電極を構成する集電箔の端部から複数のタブが突出するように集電箔を打抜き加工し、これらのタブを重ねて束ねることにより、断面積の大きな電極タブを構成し、電極タブの電気抵抗を下げる技術がある。

電極は、捲回するに従って周長が長くなる。そのため、タブの間隔が一定になるように電極を加工すると、電極を捲回した際にタブの位置が重ならず、捲回した電極コイルの端からタブがばらばらに突出してしまう。捲回してもタブが一定の位置に揃うようにするためには、タブの間隔を周長の増加にあわせて少しずつ増加させる必要がある。

ここで、集電箔からタブを一定の間隔で打ち抜く場合、例えば、円柱の側面に電極タブの形状に合わせた刃を形成あるいは貼り付け、この円柱を回転させながら集電箔を刃で打ち抜くことにより、タブを加工することができる。この時、円柱の回転速度は一定で良い。

一方、タブの間隔を捲回する電極コイルの周長の増加にあわせて徐々に増加する場合、間隔を少しずつずらしながらタブを１本ずつ加工する必要がある。例えば、タブが形成される電極の表面に対して垂直な方向に動作するプレス装置に刃を取り付け、その刃でタブを打抜き、打ち抜いた後は電極をある間隔移動して停止し、停止した直後にプレス装置が動作して次のタブを打抜き加工し、更に、一つ前よりも長い距離だめ電極を移動させて停止し、プレス装置が動作して次のタブを打抜き加工する。これを、二次電池の捲回コイルの長さ分だけ繰り返した後、今度は最初の間隔だけ電極を移動させて停止し、プレス装置が動作してタブの打抜き加工する。これを、次々繰り返すことが必要になる。

特開２００９−８７７２１号公報特開２００６−１３９９１９号公報

しかし、このような電極の間欠的な移動、停止、加工を繰り返すと、次のような問題が生じる。即ち、電極が加速−減速−停止を繰り返すために、電極に加わる張力が一定ではなくなってしまう。その結果、張力が一定ではない電極を巻き取ることになり、この場合、電極の捲き崩れることが発生する。捲き崩れが生じた電極は、次の加工工程で破断等の問題を引き起こす。

本出願は上記の点に鑑みなされたもので、その目的は、薄い長尺な被加工材料を加速−減速−停止を繰り返して加工する場合でも、加工済みの被加工材料を一定の張力で巻き取ることができる製造装置および製造方法を提供することにある。

実施形態によれば、製造装置は、ロール状に巻き取られた厚さ０．２ｍｍ以下の表又は裏の少なくとも一方の一部が金属以外の物質で被覆された帯状の長尺な金属箔である被加工材料を一定の速度で連続して送り出す送り出し装置と、前記送り出された被加工材料を所定距離だけ間欠的に移動させ、停止している間に前記被加工材料に加工を施す加工装置と、前記加工装置から送り出された前記被加工材料を一定の速度で連続して巻き取る巻取り装置と、前記加工装置と巻取り装置との間で、前記被加工材料の長さ方向の張力が１０Ｎ／ｍ以下となる部分が生じるように前記被加工材料をガイドするガイド部と、前記ガイド部と前記巻取り装置の間に設けられ、前記ガイド部から送られた前記被加工材料に長さ方向の張力を印加し、前記被加工材料の張力を所定の張力まで増大する張力増加装置と、を備え、
前記被加工材料は、前記送り出し装置から前記加工装置を通して前記巻取り装置まで、分断されることなく連続して送られ、
前記張力増加装置は、前記被加工材料と接して被加工材料を搬送する１本以上のローラを備え、前記ローラの表面と前記被加工材料の前記金属箔の被覆物の表面との摩擦係数が０．２以上であり、前記ローラと前記被覆物の合成面粗さが１．８μｍ以上であり、
前記合成面粗さは、σｒ：ローラ表面の自乗平均平方根粗さ、σｗ：箔表面の自乗平均平方根粗さとすると、

で示され、
前記張力増加装置は、水平方向に並んでいるとともに夫々前記被加工材料が巻付けられた複数のローラを有し、前記被加工材料の長さ方向の張力を１００〜３００Ｎ／ｍまで増大し、
前記ガイド部は、前記加工装置から送り出され鉛直方向下方に垂れ下がる前記被加工材料を前記張力増加装置に向けて鉛直方向上方にガイドする複数のガイドローラを備えている。

図１は、実施形態に係る製造装置全体を概略的に示す図。図２は、前記製造装置における打ち抜き装置を示す平面図。図３は、前記製造装置の加工対象となる電極を備えた非水電解質二次電池の一例を示す斜視図。図４は、前記非水電解質二次電池の電極体を一部展開して示す斜視図。図５は、前記電極体を構成する正極、負極、セパレータをそれぞれ示す平面。

以下に、実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

図１は、実施形態に係る製造装置全体を示し、図２は、製造装置の打ち抜き装置を示している。製造装置は、薄い帯状の長尺な被加工材料を加工して巻き取る装置であり、本実施形態では、例えば、二次電池の電極を被加工材料としている。
なお、各図は、実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の二次電池と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

初めに、被加工材料となる電極を備えた非水二次電池の一例を説明する。図３に示すように、非水電解質二次電池は、例えば、リチウムイオン電池等の薄型の二次電池１０として構成されている。この二次電池１０は、外装部材として、扁平な矩形箱状の金属容器１２を有し、その内部に、非水電解液と共に捲回型の電極体１４が収納されている。金属容器１２は、上端が開口した容器本体１２ａと、容器本体に固定され開口を閉塞した板状の蓋体１２ｂとを有している。蓋体１２ｂには、正極端子１６ａおよび負極端子１６ｂが取り付けられ、外部に突出している。これらの正極端子１６ａおよび負極端子１６ｂは、電極体１４を構成する正極および負極にそれぞれ接続されている。

図４および図５に示すように、電極体１４は、帯状の正極１８、帯状の負極２０、および帯状のセパレータ２２を有し、正極１８と負極２０とを、セパレータ２２を挟んで重ね合わせ、これらを渦巻状に捲回した後、扁平な矩形状に成形されている。

図５（ａ）に示すように、正極１８は、アルミニウム等で形成された厚さ０．２ｍｍ以下の金属箔からなる帯状の正極集電体１８ａと、正極集電体１８ａの両面全体に担持された正極活物質層１８ｂとを有している。正極集電体１８ａは、その長手方向に沿って延びる両側縁２４ａ、２４ｂを有している。正極１８は、それぞれ正極集電体１８ａの一方の側縁２４ａから、この側縁に対してほぼ垂直に突出した複数の集電用の正極タブ１８ｃを有している。各正極タブ１８ｃは、正極集電体１８ａと同一材料により正極集電体と一体に成形され、切れ目や繋ぎ目なく正極集電体から延出している。

複数の正極タブ１８ｃは、正極集電体１８ａの長手方向に沿って所定の間隔、例えば、不等間隔（不等ピッチ）を置いて設けられている。正極タブ１８ｃ間の間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３、…は、徐々に広くなるように形成され、例えば、ｄ１を１００ｍｍ、ｄ２を１０１ｍｍ、ｄ２を１０２ｍｍと、１ｍｍずつ大きくなるように形成されている。
なお、複数の正極タブ１８ｃ間の間隔は、不等間隔に限らず、一定の間隔とすることも可能である。

上記構成の正極１８は、以下の工程により作られる。幅広のアルミニウム箔からなる帯状の正極集電体の両面に正極活物質層を塗工した後、正極活物質層を乾燥させ、更に、正極集電体および正極活物質層を所望の厚さに圧延する。続いて、後述する製造装置により、正極活物質層が形成された正極集電体をその長手方向に所定距離だけ間欠的に送りながら、打ちぬき型により、正極集電体の側縁部を所望の形状に打ち抜くことにより、複数の正極タブを切り出す。この際、正極活物質層が形成された正極集電体の送り量を順次増加させることにより、複数の正極タブを不等間隔で形成する。

図３（ｃ）に示すように、負極２０は、銅やアルミニウム等により形成された厚さ０．２ｍｍ以下の金属箔からなる帯状の負極集電体２０ａと、負極集電体２０ａの両面全体に担持された負極活物質層２０ｂとを有している。負極集電体２０ａは、その長手方向に沿って延びた両側縁２８ａ、２８ｂを有している。なお、負極集電体２０ａおよび負極活物質層２０ｂの幅は、正極集電体１８ａおよび正極活物質層１８ｂの幅よりも僅かに小さく形成されている。

負極２０は、それぞれ負極集電体２０ａの一方の側縁２８ａから、この側縁に対してほぼ垂直に突出した複数の集電用の負極タブ２０ｃを有している。各負極タブ２０ｃは、負極集電体２０ａと同一材料により正極集電体と一体に成形され、切れ目や繋ぎ目なく正極集電体から延出している。

複数の負極タブ２０ｃは、負極集電体２０ａの長手方向に沿って所定の間隔、例えば、不等間隔（不等ピッチ）を置いて設けられている。負極タブ２０ｃ間の間隔ｅ１、ｅ２、ｅ３、…は、徐々に広くなるように形成され、例えば、ｅ１を１００ｍｍ、ｅ２を１０１ｍｍ、ｅ２を１０２ｍｍと、１ｍｍずつ大きくなるように形成されている。
なお、複数の負極タブ２０ｃ間の間隔は、不等間隔に限らず、一定の間隔とすることも可能である。

上記構成の負極２０は、以下の工程により作られる。幅広の金属箔からなる帯状の負極集電体の両面に負極活物質層を塗工した後、負極活物質層を乾燥させ、更に、負極集電体および負極活物質層を所望の厚さに圧延する。続いて、負極活物質層が形成された負極集電体をその長手方向に所定距離だけ間欠的に送りながら、打ちぬき型により、負極集電体の側縁部を所望の形状に打ち抜くことにより、複数の負極タブ２０ｃを切り出す。この際、負極活物質層２０ｂが形成された負極集電体２０ａの送り量を順次増加させることにより、複数の負極タブ２０ｃを不等間隔で形成する。

図５（ｂ）に示すように、セパレータ２２は、セルロース等により帯状に形成され、その幅は、正極集電体１８ａおよび正極活物質層１８ｂの幅よりも僅かに大きく形成されている。

図４に示すように、正極１８および負極２０は、セパレータ２２を挟んで、重ね合わされている。この際、負極２０は、負極タブ２０ｃを除いて、その外縁が、正極１８の正極活物質層１８ｂの外縁の内側と対向するように配置されている。セパレータ２２は、その外縁が、正極１８の外側で、かつ、正極タブ１８ｃおよび負極タブ２０ｃを超えない範囲に重ねて配置されている。そして、これらの正極１８、負極２０、およびセパレータ２２を、正極１８の長手方向と直交する軸の周りで渦巻状に捲回し、扁平に成形することにより、電極体１４が形成されている。捲回した状態において、複数の正極タブ１８ｃは互いに重なって位置し、電極体１４の一端から突出している。複数の負極タブ２０ｃも互いに重なって位置し、電極体１４の一端から突出している。

このように形成された電極体１４は、電解液と共に金属容器１２内に収容され、正極タブ１８ｃおよび負極タブ２０ｃは、正極端子１６ａ、負極端子１６ｃにそれぞれ接続されている。

次に、上述した正極あるいは負極を製造する本実施形態に係る製造装置について詳細に説明する。図１に示すように、製造装置１００は、被加工材料を送り出す送り出し装置４０と、加工後の被加工材料を巻き取る巻取り装置４２と、これら送り出し装置と巻取り装置との間に位置し、被加工材料に所望の加工を施す加工装置４４と、を備えている。

送り出し装置４０は、例えば、数千メートルの帯状の被加工材料４６が捲回された加工材料ロール４８とこの加工材料ロールを回転させる図示しない駆動部とを有し、被加工材料を５ｍ／分以上の一定速度、例えば、１０ｍ／分で、かつ、一定の張力で連続して送り出す。加工材料ロール４８の回転軸は、ほぼ水平に支持されている。

巻取り装置４２は、加工済みの被加工材料４６を巻き取る巻取りロール５０と、巻取りロールを回転させる図示しない駆動部とを有し、被加工材料を５ｍ／分以上の一定速度、例えば、１０ｍ／分、および一定の張力で巻き取る。巻取りロール５０の回転軸は、ほぼ水平に支持されている。

製造装置１００は、送り出し装置４０と加工装置４４との間に設けられた、張力減少ローラ部５２、および、張力減少ローラ部から送り出された被加工材料４６を鉛直方向下方に導く送り側ガイドローラ５４を備えている。張力減少ローラ部５２は、水平方向に並んでいるとともに、垂直方向に交互にずれて配置された複数のテンションローラ５６を有している。これらのテンションローラ５６は、互いに同一径に形成され、その回転軸は互いに平行に、かつ、水平に延びている。送り出しロール４８から送り出された被加工材料４６は、複数のテンションローラ５６に順次巻き付けられ、徐々にその張力を低減させながら送り側ガイドローラ５４へ送られる。

送り側ガイドローラ５４は、鉛直方向に並んで複数設けられている。これらのガイドローラ５４は、互いに同一径に形成され、回転軸は互いに平行に、かつ、水平に延びている。張力減少ローラ部５２から送り出された被加工材料４６は、送り側ガイドローラ５４により鉛直方向下方に導かれ、その際、ガイドローラにより揺れないようにガイドされる。

被加工材料４６は、送り側ガイドローラ５４によって鉛直方向下方に導かれた後、ほぼ１８０度向きを変え、加工装置４４に向かって鉛直方向上方に送られる。これにより、被加工材料４６は、鉛直方向下端に位置する部分４６ａで、すなわち、加工装置４４に入る直前で、張力が１０Ｎ／ｍ以下、例えば、ほぼゼロＮ／ｍとなるように設定されている。但し、本実施形態において、被加工材料４６は、ほぼ鉛直方向に沿って垂れ下がった状態であり、部分４６ａの前後には、被加工材料４６の自重分、例えば、１Ｎ／ｍ程度の張力が作用する。

図１および図２に示すように、加工装置４４は、被加工材料４６の搬送−停止−加工−搬送−停止−加工を繰り返し行う。すなわち、被加工材料４６は加速−減速−停止を繰り返し、加工の間は加工装置４４に対して静止している。

加工装置４４は、被加工材料４６を間欠的に所定長さずつ搬送する間欠搬送機構５８と、所定長さ搬送された被加工材料が停止している間、被加工材料を所定形状に打ち抜く打ち抜き型６０と、被加工材料の搬送をガイドする複数の搬送ローラ６１と、を有している。間欠搬送機構５８は、例えば、被加工材料４６の両側縁部をクランプする一対のクランパ６２と、これらのクランパを搬送方向に沿って所定距離移動させる駆動部６４と、を有する。間欠搬送機構５８は、クランパ６２で被加工材料４６の両側縁部を挟持し、搬送方向に所定距離だけ引っ張ることにより、被加工材料を所定距離だけ送る。その後、間欠搬送機構５８は、クランパ６２による挟持を解除した後、クランパを初期位置に戻し、再び被加工材料４６の両側縁部をクランパで挟持し、搬送方向に所定距離だけ引っ張ることにより、被加工材料を所定距離だけ送る。間欠搬送機構５８は、上記の動作を繰り返すことにより、加工装置４４内で、被加工材料４６を所定距離ずつ間欠的に搬送、停止、搬送、停止を繰り返す。被加工材料４６の搬送距離は、駆動部６４により、任意に設定することができ、一定の距離を搬送し、あるいは、搬送距離を徐々に長くしていくこともできる。

打ち抜き型６０は、被加工材料４６を挟んで対向する下型６０ａおよび上型６０ｂと、例えば、上型を昇降する昇降駆動部６６と、を有している。上型６０ｂには、電極タブに対応した打ち抜き歯６０ｃが形成されている。被加工材料４６が停止した状態で、上型６０ｂを下降させて下型６０ａとの間に被加工材料を挟持し、打ち抜き歯６０ｃによって被加工材料の一側縁部に電極タブを打ち抜き形成する。打ち抜き型６０は、１分間に５０回以上、例えば、５０〜２００回の打ち抜きを行う。

図１に示すように、製造装置１００は、加工装置４４と巻き取り装置４２との間に設けられた、張力増加装置６８、および、加工装置４４から鉛直方向下方に送り出された被加工材料４６を張力増加装置に向けて鉛直方向上方に導くガイド部７１を備えている。

ガイド部７１は、鉛直方向に並んで設けられた複数の巻取り側ガイドローラ７０を有している。これらのガイドローラ７０は、互いに同一径に形成され、回転軸は互いに平行に、かつ、水平に延びている。加工装置４４から送り出された被加工材料４６は、鉛直方向下方に導かれた後、ほぼ１８０度向きを変え、巻取り側ガイドローラ７０により鉛直方向上方に導かれ、その際、ガイドローラ７０により揺れないようにガイドされる。これにより、被加工材料４６は、鉛直方向下端に位置する部分４６ｂで、すなわち、加工装置４４と張力増加装置６８との間で、張力が１０Ｎ／ｍ以下、例えば、ほぼゼロＮ／ｍになるように設定されている。このような張力が１０Ｎ／ｍ以下となる箇所を設けることにより、加工装置４４内で生じる被加工材料４６の脈動を吸収することができ、その後、一定の速度で被加工材料を巻き取ることが可能となる。但し、本実施形態において、被加工材料４６は、ほぼ鉛直方向に沿って垂れ下がった状態であり、部分４６ａの前後には、被加工材料４６の自重分、例えば、１Ｎ／ｍ程度の張力が作用する。

張力増加装置６８は、水平方向に並んでいるとともに、垂直方向に交互にずれて配置された複数、例えば、８個のテンションローラ７２を有している。これらのテンションローラ７２は、互いに同一径に形成され、その回転軸は互いに平行に、かつ、水平に延びている。ガイドローラ７０から送り出された被加工材料４６は、複数のテンションローラ７２に順次巻き付けられ、徐々にその張力を増大させながら巻取りロール５０に巻き取られる。張力増加装置６８において、被加工材料４６は、各テンションローラ７２に対して、例えば、１８０度巻き付けられた状態で搬送される。

テンションローラ７２の表面と被加工材料４６の表面の摩擦係数は０．２以上であり、テンションローラ７２と被加工材料４６の合成面粗さは１．８μｍ以上に設定されている。合成面粗さは以下のように定義する：
合成面粗さσは、

σ_r ：ローラ表面の自乗平均平方根粗さ
σ_w ：箔表面の自乗平均平方根粗さ
張力増加装置６８により増加され最終的に被加工材料４６に印加される張力、すなわち、巻取り装置４２によって巻き取る際の被加工材料４６の張力は、例えば、１００〜３００Ｎ／ｍに設定されている。この張力は、上述した摩擦係数、合成面粗さ、テンションローラ７２の数、テンションローラへの被加工材料の巻付け角度（ラップ角度）を調整することにより、所望の値に設定することができる。

各テンションローラ７２について、被加工材料の入力側（巻き始め）の張力Ｔ１と、出力側（送り出し）の張力Ｔ２とは、オイラーベルトの公式から

で示される。
ここで、μは、摩擦係数、Θはラップ角度を示している。

上記のように構成された製造装置１００および製造方法によれば、送り出し装置４０から繰り出された被加工材料（電極）は、加工装置４４の加工位置に搬送される。加工位置では、搬送−停止−加工−搬送−停止−加工が繰り返される。即ち、被加工材料４６は、加速−減速−停止を繰り返し、加工の間は加工装置４４に対して静止している。加工された被加工材料４６が加工装置４４を出た後、搬送方向（長手方向）の張力が１０Ｎ／ｍ以下となる点が少なくとも１ヶ所存在する。この時、被加工材料４６の張力が常に１０Ｎ／ｍ以下でなくとも、その後、被加工材料は張力増加装置６８に搬送される。

被加工材料４６は、張力増加装置６８の複数のテンションローラ７２に順次巻き付くことにより、徐々にテンションが増加し、最終的に所望の張力が印加された状態で巻取りロール５０に巻き取られる。張力増加装置６８を出た被加工材料４６は巻取り装置４２によって１０ｍ／分の一定の速度で連続して巻き取られる。送り出し装置４０から巻取り装置４２までの間で、被加工材料４６は切断されること無く連続して繋がっている。巻取りが常に５ｍ／分以上のある一定の速度であるので、加工位置ではそれに間に合うように加工した被加工材料４６を流品する。従って、加工位置では、搬送−停止する被加工材料の平均速度が巻取り速度に一致する。

このことから、加工装置４４において被加工材料４６の搬送、停止を繰り返し、被加工材料を脈動させた場合でも、巻取りロール５０では、所望の一定の張力で、かつ、一定の速度で連続して被加工材料を巻き取ることができる。被加工材料４６が電極のような非常に薄い金属箔で形成されている場合でも、被加工材料の巻きずれや破断を生じることなく、安定して均一に巻き取ることが可能となる。これにより、二次電池製造の工程において、電極の巻きずれによる損失を低減することができる。

次に、被加工材料および製造装置による製造方法について詳細に説明する。
（非水電解質二次電池の正極スラリーおよび正極）
被加工材料となる電極、例えば、正極は、厚さ０．１ｍｍ以下の金属箔（正極集電体）１８ａと、金属箔の表または裏の少なくも一方に形成された正極活物質層１８ｂを有している。正極活物質層１８ｂは正極スラリーを塗布することにより形成されている。正極スラリーは、正極活物質、正極導電剤及び結着剤を混合して形成されている。正極スラリーに含まれる正極活物質としては、一般的なリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉ１−ｘＣｏｘＯ２（０＜ｘ＜０．３）、ＬｉＭｎｘＮｉｙＣｏｚＯ２（０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．５、０≦ｚ＜０．５）、ＬｉＭｎ２−ｘＭｘＯ４（ＭはＬｉ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、０＜ｘ＜０．２）、ＬｉＭＰＯ４（ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）などである。

集電性能を高め、集電体との接触抵抗を抑えるための正極導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の炭素質物を挙げることができる。

正極活物質と正極導電剤を結着させるための結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム等が挙げられる。

正極活物質、正極導電剤及び結着剤の配合比は、正極活物質は８０重量％以上９５重量％以下、正極導電剤は３重量％以上１８重量％以下、結着剤は2重量％以上17重量％以下の範囲にすることが好ましい。正極導電剤は、３重量％以上であることにより上述した効果を発揮することができ、１８重量％以下であることにより、高温保存下での正極導電剤表面での非水電解質の分解を低減することができる。結着剤は、２重量％以上であることにより十分な電極強度が得られ、１７重量％以下であることにより、電極の絶縁体の配合量を減少させ、内部抵抗を減少できる。

これら正極活物質、導電剤、結着剤を適当な溶媒に懸濁させてスラリーを作るが、この溶媒としては例えばＮメチルエチルピロリドンが挙げられる。正極活物質、導電剤、結着剤の総量と溶媒の重量比は５０：５０から８０：２０が望ましい。

スラリーを塗布する支持体ともなる正極集電体は、アルミニウム箔若しくはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金箔が好ましい。

正極は、例えば、正極活物質、正極導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁し作製したスラリーを、正極集電体に塗布し、乾燥し、正極層を作製した後、前述した製造装置により電極の側縁部を打ち抜き加工することにより作成される。

（負極スラリーおよび負極）
被加工材料となる電極、例えば、負極は、厚さ０．１ｍｍ以下の金属箔（負極集電体）２０ａと、金属箔の表または裏の少なくも一方に形成された負極活物質層２０ｂとを有している。負極活物質層２０ｂは負極スラリーを塗布することにより形成されている。負極スラリーは、負極活物質、負極導電剤及び結着剤を混合して形成されている。負極活物質として、例えばチタン含有金属複合酸化物を使うことができ、リチウムチタン酸化物、酸化物合成時はリチウムを含まないチタン系酸化物などを挙げることができる。

リチウムチタン酸化物としては、例えばスピネル構造を有するＬｉ４＋ｘＴｉ５Ｏ１２（０≦ｘ≦３）や、ラムステライド構造を有するＬｉ２＋ｙＴｉ３Ｏ７（０≦ｙ≦３）が挙げられる。

チタン系酸化物としては、ＴｉＯ２、ＴｉとＰ、Ｖ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含有する金属複合酸化物などが挙げられる。ＴｉＯ２はアナターゼ型で熱処理温度が３００〜５００℃の低結晶性のものが好ましい。ＴｉとＰ、Ｖ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含有する金属複合酸化物としては、例えば、ＴｉＯ２−Ｐ２Ｏ５、ＴｉＯ２−Ｖ２Ｏ５、ＴｉＯ２−Ｐ２Ｏ５−ＳｎＯ２、ＴｉＯ２−Ｐ２Ｏ５−ＭｅＯ（ＭｅはＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素）などを挙げることができる。

この金属複合酸化物は、結晶相とアモルファス相が共存もしくは、アモルファス相単独で存在したミクロ構造であることが好ましい。このようなミクロ構造であることによりサイクル性能が大幅に向上することができる。中でも、リチウムチタン酸化物、ＴｉとＰ、Ｖ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含有する金属複合酸化物が好ましい。

負極導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。
負極活物質と負極導電剤を結着させるための結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジェンゴム等が挙げられる。

負極活物質、負極導電剤及び結着剤の配合比は、負極活物質は７０重量％以上９６重量％以下、負極導電剤は２重量％以上２８重量％以下、結着剤は２重量％以上２８重量％以下の範囲にすることが好ましい。負極導電剤量が２重量％未満であると、負極層の集電性能が低下し、非水電解質二次電池の大電流特性が低下する。また、結着剤量が２重量％未満であると、負極層と負極集電体の結着性が低下し、サイクル特性が低下する。一方、高容量化の観点から、負極導電剤及び結着剤は各々２８重量％以下であることが好ましい。

これら負極活物質、導電剤、結着剤を適当な溶媒に懸濁させてスラリーを作るが、この溶媒としては例えばＮメチルエチルピロリドンが挙げられる。負極活物質、導電剤、結着剤の総量と溶媒の重量比は５０：５０から８０：２０が望ましい。

スラリーを塗布する支持体ともなる負極集電体は、アルミニウム箔または銅箔が好ましい。１．０Ｖよりも貴である電位範囲において電気化学的に安定であるアルミニウム箔若しくはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金箔がより好ましい。

負極は、例えば、負極活物質、負極導電剤及び結着剤を汎用されている溶媒に懸濁し作製したスラリーを、負極集電体に塗布し、乾燥し、負極層を作製した後、前述した製造装置により電極の側縁部を打ち抜き加工することにより作製される。

上述した電極の製造装置および製造方法の作用効果を確認するため、以下の実施例に係る電極製造を行い、その特性を比較した。
（実施例）
厚さ０．０２ｍｍのアルミ箔に、非水電解質二次電池の活物質層を両面に連続的に塗布した電極を準備した。活物質層は、LiCoO2、炭素導電剤、ポリフッ化ビニリデン（PVｄF）をそれぞれ１００：５：５の割合で含む。このような電極を数千メートルだけ製造装置１００の送り出しロール４８に巻き付け、送り出し装置４０に装着する。そして、送り出し装置４０により、送り出しロール４８から電極を平均速度１０ｍ／分で繰り出した。

繰り出された電極を、加工装置４４の加工位置で、１０ｃｍ移動して停止、１０ｃｍ移動して停止を繰り返した。ただし、平均の移動速度は１０ｍ／分と一致させた。加工装置４４において、停止時、打ち抜き型により電極の一側縁部を打ち抜き加工し、電極タブを形成した。

次に、電極を１０ｃｍ移動して停止、１０ｃｍ移動して停止しながら平均速度１０ｍ／分で加工装置４４から電極を搬出した。加工装置４４から搬出された電極は、そのまま鉛直方向に垂らした後、垂直に立ち上げてガイドローラ７０により張力増加装置６８に導いた。本実施例において、電極の単位面積当たり重量は２００ｇ／ｍ^２で均一であり、１ｍ垂直に垂らすことによって自重で２Ｎ／ｍの張力が電極の長さ方向に加わった。

張力増加装置６８の中には複数のテンションローラ７２があり、これらのテンションローラの表面と電極の表面の摩擦係数は０．２、テンションローラと金属箔の合成面粗さは１．８μｍとした。テンションローラの直径は１５ｍｍで、電極の搬送速度１０ｍ／分に合わせて一定の速度で自転している。このようなテンションローラを８本設置した。電極はテンションローラに接している面の角度を、入り口側の接点から出口側の接点へと測定すると、その角度（ラップ角度）が１８０度であった。

張力増加装置６８を出た電極は巻取り装置４２に導かれ、巻取り装置で１０ｍ／分の一定速度で巻き取った。電極の張力、つまり、巻取り張力は張力増加装置６８により３００Ｎ/ｍまで増加したが、巻取り速度は一定に保たれていた。

また、巻取り装置４２での電極の巻取り速度を１５ｍ/分に上げ、それ以外の部分でもその巻取り速度に合わせて平均速度を上げた。そして、巻取り張力を２００Ｎ/ｍとしたが、巻取り速度は一定に保たれていた。

以上のように、電極は巻き取り装置４４により捲きずれのない張力で巻き取られると同時に一定の速度で連続して巻き取ることができた。この電極を、次の加工工程で送り出し装置に設置して加工のために繰り出したところ、正常に繰り出して加工点に供給することができた。

次に、巻取り装置４２での電極の巻取り速度を２０ｍ/分に上げ、製造装置のそれ以外の部分でも、巻取り速度に合わせて電極の平均搬送速度を上げた。巻取り張力を５０Ｎ/ｍまで上げたところ、巻取り速度が一定に保てなくなった。それでも巻取り装置４２で巻き取ろうとすると、竹の子状に捲きずれが発生した。
また、電極の巻取り張力を３０Ｎ/ｍまで上げて巻き取ると、２０ｍ/分で一定速度で巻き取れるようになったが、同様に竹の子状に捲きずれが発生した。

このような、捲きずれた電極を後で取り扱うと、簡単に捲き芯からずれるようにして緩んでしまった。更に、次の加工工程において送り出し装置に設置して繰り出そうとしたが、捲きずれによって電極にシワが発生して加工できなかったり、シワの部分から破断したりして加工できなかった。

以上の実施例から分かるように、電極の巻取り速度に上限は存在するものの、１０ｍ/分から１５ｍ/分の間の一定速度で捲きずれなく正常に巻き取れることが示された。

（比較例）
厚さ０．０２ｍｍのアルミ箔に、非水電解質二次電池の活物質層を両面に連続的に塗布した電極を準備した。活物質層は、LiCoO2、炭素導電剤、ポリフッ化ビニリデン（PVｄF）をそれぞれ１００：５：５の割合で含む。このような電極を数千メートルだけ製造装置１００の送り出しロール４８に巻き付け、送り出し装置４０に装着する。そして、送り出し装置４０により、送り出しロール４８から電極を平均速度１０ｍ／分で繰り出した。

次に、電極を１０ｃｍ移動して停止、１０ｃｍ移動して停止しながら平均速度１０ｍ／分で加工装置４４から電極を搬出した。加工装置４４から搬出された電極は、そのまま鉛直方向に垂らした後、垂直に立ち上げてガイドローラにより張力増加装置６８に導いた。本比較例において、電極の単位面積当たり重量は２００ｇ／ｍ^２で均一であり、１ｍ垂直に垂らすことによって自重で２Ｎ／ｍの張力が電極の長さ方向に加わった。

張力増加装置６８の中には複数のテンションローラ７２があり、これらのテンションローラの表面と電極の表面の摩擦係数は０．１５、テンションローラと金属箔の合成面粗さは１．５μｍとした。テンションローラの直径は１５ｍｍで、電極の搬送速度１０ｍ／分に合わせて一定の速度で自転している。このようなテンションローラを８本設置した。電極はテンションローラ７２に接している面の角度を、入り口側の接点から出口側の接点へと測定すると、その角度が１８０度であった。

張力増加装置６８を出た電極は巻取り装置４２に導かれ、巻取り装置で１０ｍ／分の一定速度で巻き取った。巻取り張力は１００Ｎ/ｍまで上げたところ、巻取り速度が一定に保てなくなった。それでも巻取り装置で巻き取ろうとすると、竹の子状に捲きずれが発生した。

また、巻取り装置４２での電極の巻取り張力を６０Ｎ/ｍまで上げて巻き取ると、１０ｍ／分の一定速度で巻き取れるようになったが、巻き取るにつれて次第に竹の子状に捲きずれが発生した。このような、捲きずれた電極を後で取り扱うと、簡単に捲き芯からずれるようにして緩んでしまった。更に、次の加工工程において送り出し装置に設置して繰り出そうとしたが、捲きずれによって電極にシワが発生して加工できなかったり、シワの部分から破断したりして加工できなかった。以上の比較例では、正常な巻取りができなかった。

以上のことから、本実施形態に係る製造装置および製造方法によれば、非水電解質二次電池用の電極集電体を構成する金属箔あるいは電極を一定速度で繰り出し、加工点で金属箔または電極が移動−停止を繰り返しながら加工し、それを繰り出しから巻取りまで切断することなく連続し、金属箔または電極が巻き取り時に捲きずれのない張力で巻き取られると同時に一定の速度で連続して巻き取ることができる。その結果、巻取り後の製造工程において、電極まきずれによる損失が低減する。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

製造装置の被加工材料は、二次電池の電極、金属箔に限らず、厚さが０．２ｍｍ以下の非常に薄い長尺な材料の加工に利用することができる。製造装置の張力増加装置において、テンションローラの径、設置数は、実施形態に限定されることなく、適宜変更可能である。加工装置による加工は、打ち抜きに限らず、プレス、絞り等の他の加工としてもよい。

１０…二次電池、１２…外装容器、１４…電極体、１６ａ…正極端子、
１６ｂ…負極端子、１８…正極、１８ａ…正極集電体、１８ｂ…正極活物質層、
１８ｃ…正極タブ、２０…負極、２０ａ…負極集電体、２０ｂ…負極活物質層、
２０ｃ…負極タブ、２２…セパレータ、４０…送り出し装置、４２…巻取り装置、
４４…加工装置、４６…被加工材料、５８…間欠搬送機構、６０…打ち抜き型、
６８…張力増加装置、７０…巻取り側ガイドローラ、７２…テンションローラ

Claims

ロール状に巻き取られた厚さ０．２ｍｍ以下の表又は裏の少なくとも一方の一部が金属以外の物質で被覆された帯状の長尺な金属箔である被加工材料を一定の速度で連続して送り出す送り出し装置と、
前記送り出された被加工材料を所定距離だけ間欠的に移動させ、停止している間に前記被加工材料に加工を施す加工装置と、
前記加工装置から送り出された前記被加工材料を一定の速度で連続して巻き取る巻取り装置と、
前記加工装置と巻取り装置との間で、前記被加工材料の長さ方向の張力が１０Ｎ／ｍ以下となる部分が生じるように前記被加工材料をガイドするガイド部と、
前記ガイド部と前記巻取り装置の間に設けられ、前記ガイド部から送られた前記被加工材料に長さ方向の張力を印加し、前記被加工材料の張力を所定の張力まで増大する張力増加装置と、を備え、
前記被加工材料は、前記送り出し装置から前記加工装置を通して前記巻取り装置まで、分断されることなく連続して送られ、
前記張力増加装置は、前記被加工材料と接して被加工材料を搬送する１本以上のローラを備え、前記ローラの表面と前記被加工材料の前記金属箔の被覆物の表面との摩擦係数が０．２以上であり、前記ローラと前記被覆物の合成面粗さが１．８μｍ以上であり、
前記合成面粗さは、σｒ：ローラ表面の自乗平均平方根粗さ、σｗ：箔表面の自乗平均平方根粗さとすると、

で示され、
前記張力増加装置は、水平方向に並んでいるとともに夫々前記被加工材料が巻付けられた複数のローラを有し、前記被加工材料の長さ方向の張力を１００〜３００Ｎ／ｍまで増大し、
前記ガイド部は、前記加工装置から送り出され鉛直方向下方に垂れ下がる前記被加工材料を前記張力増加装置に向けて鉛直方向上方にガイドする複数のガイドローラを備えている、
製造装置。
前記巻取り装置は、前記被加工材料をその長さ方向に５ｍ／分以上の一定の速度で連続的に巻き取る請求項１に記載の製造装置。
前記加工装置は、前記被加工材料を所定形状に打ち抜く抜き型を備え、一分間に５０〜２００回の打ち抜き加工を行う請求項１又は２に記載の製造装置。
前記被加工材料は二次電池の電極である請求項１ないし３のいずれか1項に記載の製造装置。