JP5716622B2 - 帯状電極の製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、帯状電極の製造装置および製造方法に関するものである。

従来から湾曲したり波打ったりしない帯状電極を製造する方法が提案されている（特許文献１参照）。これは、長尺金属箔に帯状に活物質が連続的に塗工された活物質塗工部と帯状の未塗工部を有する帯状素材を両面から一対の加圧ロールで圧縮するプレス成形工程と、成形後に加熱炉によって帯状素材を加熱して、長尺状の帯状素材に存在する不均一な歪み分布を緩和させるシート歪み緩和工程と、を備える。そして、シート歪み緩和工程では、加圧ロールで圧縮された帯状素材に張りを与えながら巻取りロールで巻取り、加圧ロールと巻取りロールとの間で帯状素材に矯正ロールを圧接させて未塗工部に集中的に伸びを与えて、矯正するようにしている。

特開２００３−１００２８６号公報

しかしながら、上記従来例では、活物質塗工部を厚さ方向に加圧するプレス成形工程において、活物質塗工部の長尺方向への伸び量と加圧されない未塗工部の伸び量とで、差が生じることにより、帯状素材に不均一な歪みが発生される。このため、その後に、帯状素材を加熱炉で加熱して、未塗工部に長手方向の張力を掛けて、帯状素材に存在する不均一な歪み分布を緩和させる必要があり、その際に塗工されている活物質も加熱されることからその変質に対する懸念があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、活物質を変質させることなく歪み分布の緩和に好適な帯状電極の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、長尺金属箔の巾方向の一部に活物質が長尺方向に連続的に塗工された塗工部と、巾方向の残部に長尺方向に延びる未塗工部と、を備える帯状素材から帯状電極を製造する装置である。このため、帯状素材に予め設定した張力を付与した状態で長尺方向に搬送する搬送手段と、前記設定した張力が付与された帯状素材の塗工部に対して予め設定した温度で加熱しつつ圧縮する加圧ロールを備えたロールプレス成形装置と、を備える。そして、本発明においては、ロールプレス成形装置を通過した帯状素材の未塗工部に対して加熱ローラを転動接触させることにより予め設定した温度で加熱して未塗工部に集中的に伸びを与える未塗工部加熱装置を備えることを特徴とする。

したがって、本発明では、未塗工部加熱装置による加熱により、塗工されている活物質も加熱されることがなく、張力が付与されている帯状素材の未塗工部に集中的に伸びを与えることができ、活物質の変質に影響を与えずに、帯状素材の未塗工部の伸びを塗工部の伸びと同等にでき、帯状素材に存在する不均一な歪み分布を緩和させることができる。

本発明の一実施形態を示す帯状電極の製造装置の概略構成図。 帯状素材の説明図。 制御装置により実行される張力制御の制御フローチャート。 ロールプレス成形装置及び未塗工部加熱装置の斜視図。 ロールプレス成形装置及び未塗工部加熱装置の平面図。 未塗工部加熱装置の拡大図。 制御装置による帯状素材の張力設定範囲及びロールプレス成形装置及び未塗工部加熱装置の温度設定範囲を説明する特性図。 未塗工部の変形例を示す拡大図。

以下、本発明の帯状電極の製造装置および製造方法を実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明を適用した帯状電極の製造装置の実施形態を示す概略構成図である。

帯状電極の製造装置は、長尺の帯状素材Ｗの巻出し装置１と、帯状素材Ｗの巻取り装置２と、ロールプレス成形装置６の前側及び後側の帯状素材Ｗの張力を夫々検出する前段及び後段の張力検出装置３，４と、帯状素材Ｗの張力を制御する制御装置５と、からなる帯状素材Ｗの搬送手段を備える。そして、帯状素材Ｗは、制御装置５により加熱温度が夫々制御される、帯状素材Ｗの活物質塗工部Ｗ１を加熱しつつ加圧してプレス成形するロールプレス成形装置６と、帯状素材Ｗの活物質未塗工部Ｗ２を加熱する未塗工部加熱装置７と、を経由して、搬送手段により長手方向に搬送される。

長尺の帯状素材Ｗは、ロールプレス加工後に裁断されることにより、非水系二次電池、例えば、リチウム二次電池に使用されるシート状の正極電極に使用されるものである。しかしながら、シート状の負極電極の製造にも適用することができる。正極電極を構成する帯状素材Ｗは、アルミニウム箔やステンレス箔などの金属箔集電体の表面に、リチウムコバルト複合酸化物やリチウムマンガン複合酸化物などを含む正極活物質が層状に圧着されたものである。また、負極電極を構成する帯状素材Ｗは、銅箔やステンレス箔などの金属箔集電体の表面に、黒鉛やコークスなどを含む負極活物質が層状に圧着されたものである。この帯状素材Ｗは、図２に示すように、長尺帯状の金属箔の両面に幅方向両側の未塗工部Ｗ２を残して電極材を帯状に塗布して乾燥した活物質塗工部Ｗ１と、金属箔の幅方向両側の活物質を塗布していない未塗工部Ｗ２と、を備える帯状電極の素材である。この帯状素材Ｗは、ロール状に巻付けた巻出しロールＷＯにより供給される。

搬送手段を構成する巻出し装置１は、帯状素材Ｗの巻出しロールＷＯを装着し、内蔵するブレーキ装置により制動を加えつつ巻出しロールＷＯから帯状素材Ｗを繰出すよう作動する。また、搬送手段を構成する巻取り装置２は、巻出し装置１から繰出されて、ロールプレス成形装置６及び未塗工部加熱装置７を経由して加工された帯状素材Ｗを、巻取りモータにより回転駆動する巻取りロールＷＸに巻取るよう作動する。即ち、巻出し装置１の巻出しロールＷＯから繰出される帯状素材Ｗは、ロールプレス成形装置６を経由することで帯状素材Ｗの塗工部Ｗ１にプレス成形が施され、未塗工部加熱装置７により加熱されることにより未塗工部Ｗ２が伸ばされて、巻取り装置２の巻取りロールＷＸに巻取られる。

次に、帯状素材Ｗの張力調整について、以下に説明する。即ち、帯状素材Ｗは巻出し装置１と巻取り装置２との間において、前段張力検出装置３，４及び後段張力検出装置３，４は、巻出し装置１−ロールプレス成形装置６間及びロールプレス成形装置６−巻取り装置２間の帯状素材Ｗの張力を夫々検出する。具体的には、前段及び後段の張力検出装置３，４は、一対のガイドローラ１１とその間に配置した張力検出ローラ１２とに帯状素材Ｗを掛け回して、張力検出ローラ１２に作用する横方向荷重を検出することにより、帯状素材Ｗに作用している張力を検出する。検出された張力値は、加圧ロール前張力値・加圧ロール後張力値として制御装置５に入力される。制御装置５は、前段張力検出装置３及び後段張力検出装置４により夫々検出された張力の検出信号に基づいて、巻出し装置１のブレーキ力及び巻取り装置２のモータトルクを制御して、帯状素材Ｗの張力を制御する。即ち、制御装置５は、巻出し装置１の巻出しロールＷＯに加える制動力を調整することにより、巻出される帯状素材Ｗの加圧ロール１５より前段の張力値を調整する。また、制御装置５は、巻取り装置２の巻取りロールＷＸを回転駆動する巻取りモータの駆動トルクを調整することにより、巻取る帯状素材Ｗの加圧ロール１５より後段の張力値を調整する。

図３は制御装置５により所定時間毎に実行される張力制御の制御フローチャートである。帯状素材Ｗの張力制御においては、先ず、ステップＳ１において、前段張力検出装置３より検出された張力が読込まれる。次いで、ステップＳ２において、読込まれた張力が、下限設定値より低いか否かが判定され、下限設定値より低い場合にはステップＳ３に進み、巻出し装置１のブレーキ力を増加させ、ステップＳ６へ進む。また、ステップＳ２においての判定において、読込まれた張力が、下限設定値以上である場合にはステップＳ４に進み、上限設定値より高いか否かが判定される。そして、読込まれた張力が、上限設定値より低い場合にはステップＳ６へ進み、上限設定値より高い場合にはステップＳ５へ進んで巻出し装置１のブレーキ力を低下させた後ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６では、後段張力検出装置４より検出された張力が読込まれる。ステップＳ７では、読込まれた張力が、下限設定値より低いか否かが判定され、下限設定値より低い場合にはステップＳ８に進み、巻取り装置２のモータトルクを増加させ、ステップＳ１１へ進む。また、ステップＳ７においての判定において、読込まれた張力が、下限設定値以上である場合にはステップＳ９に進み、上限設定値より高いか否かが判定される。そして、読込まれた張力が、上限設定値より低い場合にはステップＳ１１へ進み、上限設定値より高い場合にはステップＳ１０へ進んで巻取り装置２のモータトルクを低下させた後ステップＳ１１へ進む。 ステップＳ１１では、帯状素材Ｗのプレス成形が完了したか否かが判定され、完了している場合には処理を終了させ、完了していない場合にはステップＳ１へ進んで、ステップＳ１〜ステップＳ１０の処理を繰返す。

以上に説明した巻出し装置１、前段張力検出装置３、後段張力検出装置４、巻取り装置２は、帯状素材Ｗに予め設定した張力を付与した状態で長尺方向に搬送する搬送手段を構成している。なお、搬送手段は、帯状素材Ｗに予め設定した張力を付与した状態で長尺方向に搬送するものであれば、上記構成のものに限定されるものではなく、他の構成のものであってもよい。

ロールプレス成形装置６は、図４及び図５に示すように、巻出し装置１と巻取り装置２との間で、前述の張力が調整された帯状素材Ｗに対して、加熱された上下一対の加圧ロール１５により帯状素材Ｗの塗工部Ｗ１を上下両面から加熱しながら加圧してプレス成形する。このため、加圧ロール１５には、加熱ヒータ１６と温度センサ１７が内臓され、温度センサ１７による検出値が制御装置５に入力され、検出される温度が設定した温度範囲内となるように制御装置５により加熱ヒータ１６が制御される。このように、帯状素材Ｗの塗工部Ｗ１を上下両面から加熱しながら加圧してプレス成形することにより、常温でのプレス成形に比較して、プレス成形の成型荷重を低下させることができ、プレス成形による皺などの歪みの発生を抑制することができる。

しかしながら、帯状素材Ｗを加圧ロール１５間に通したとき、活物質塗工部Ｗ１の厚みは活物質未塗工部Ｗ２の厚みよりも厚いため、活物質塗工部Ｗ１は、ロールプレスによる加圧で伸び率や変形量が大きいのに対し、活物質未塗工部Ｗ２は、そのような伸び率や変形量がほとんどない。その結果、帯状素材Ｗに不均一な歪みが生じる。また、場合によっては、活物質塗工部Ｗ１が波打ったような形に変形することもある。こうなると、帯状素材Ｗを所定形状に裁断したとき、シート状の電極が湾曲するなど変形する。このため、電池を製造する際、電極をうまく積層できないなどの問題が生じる。このような問題を解決すべく、本実施形態では、その下流に未塗工部加熱装置７を配列して、帯状素材Ｗのうち、活物質未塗工部Ｗ２を加熱しながら、帯状素材Ｗに長手方向の張力を掛けて、帯状素材Ｗに存在する不均一な歪み分布を緩和させるようにしている。

未塗工部加熱装置７は、図４〜図６に示すように、プレス成形後の帯状素材Ｗの活物質未塗工部Ｗ２に転動接触して活物質未塗工部Ｗ２を加熱する加熱ローラ２０と、加熱ローラ２０との間で帯状素材Ｗの活物質未塗工部Ｗ２を挟んで転動するガイドローラ２１と、を備える。加熱ローラ２０とガイドローラ２１との軸はリンク２２により連結されている。加熱ローラ２０は帯状素材Ｗの両側に設けた各活物質未塗工部Ｗ２の幅方向寸法と同等の軸方向長さ寸法が設定されて、帯状素材Ｗの各活物質未塗工部Ｗ２の全幅領域に接触する。また、加熱ローラ２０は加圧ロール１５の表面に転動接触することにより、加熱された加圧ロール１５からの伝熱によりそれ自体が温度上昇されて、他方で接触する帯状素材Ｗの各活物質未塗工部Ｗ２を加熱する。

従って、帯状素材Ｗの未塗工部Ｗ２は、加えられる張力が調整された状態で、加熱ローラ２０と接触することにより温度上昇されることにより、塗工部Ｗ１と同等の伸びが加えられる。このような工程を設ければ、活物質への熱的影響を抑えながら、帯状素材Ｗに存在する不均一な歪み分布を緩和させることができる。従って、その後に帯状素材Ｗをシート状の電極として所定形状に裁断してシート電極を形成しても、シート電極に湾曲など変形が生じにくい。また、活物質への熱的影響を考慮する必要がないため、活物質未塗工部Ｗ２への加熱温度は、金属箔の強度のみを考慮して上げることができる。このため、長い加熱炉を設置しなくても、シート電極の生産性を向上させることができる。

また、ガイドローラ２１は、図６に示すように、上下方向（実線参照）若しくは加圧ロール１５の円周方向（破線参照）にその位置を変更可能に構成されている。このため、ガイドローラ２１の上下方向の位置変更に伴い、加圧ロール１５を通過した帯状素材Ｗの傾きを変更できる。言い換えれば、ガイドローラ２１を上下方向にその位置を変更させることにより、帯状素材Ｗの加圧ロール１５への接触角度θおよび接触長さＬを調整することができる。なお、ガイドローラ２１の上記した上下方向への位置変更時においても、加熱ローラ２０はリンク２２によりガイドローラ２１回りに回動して加圧ロール１５への接触状態を継続するようにしている。このため、加熱ローラ２０は加圧ロール１５より常に受熱状態を維持して、帯状素材Ｗの活物質未塗工部Ｗ２を加熱可能である。

上記した帯状素材Ｗの張力の上限設定値は、図７に示すように、帯状素材Ｗが破断を開始する張力値ＴＨに設定される。また、帯状素材Ｗの張力の下限設定値は、ロールプレス成形装置６及び未塗工部加熱装置７を通過することにより、帯状素材Ｗの塗工部Ｗ１及び未塗工部Ｗ２に発生する皺などが伸ばされ、帯状素材Ｗに発生する歪みを抑制することができる張力値ＴＬに設定される。

また、制御装置５により温度制御されるロールプレス成形装置６・未塗工部加熱装置７の制御温度について説明する。この制御温度の下限値は、図７に示すように、ロールプレス成形装置６により帯状素材Ｗに発生する皺などを未塗工部加熱装置７により充分に伸ばすことができ、帯状素材Ｗの歪みを抑制することができる下限温度Ｔｂに設定する。また、制御温度の上限値は、帯状素材Ｗの塗工部Ｗ１に塗工された活物質からなる電極材が変質しない上限温度Ｔａに設定する。電極材の変質は、例えば、活物質を結合しているバインダが変質する場合を含む。なお、図７から分るように、下限温度Ｔｂは帯状素材Ｗの張力が上限の張力値ＴＨに近い側では、若干低下させてもよい。

以上の構成の帯状電極の製造装置においては、ロールプレス成形後において、設定した張力が付与されている帯状素材Ｗに対して、未塗工部加熱装置７によりその活物質未塗工部Ｗ２を加熱することで、帯状素材Ｗの未塗工部Ｗ２を伸ばしやすくでき、塗工部Ｗ１の伸びと同等にでき、帯状素材Ｗに存在する不均一な歪み分布を緩和させることができる。

図８は未塗工部加熱装置７の変形例であり、加熱ローラ２０の加圧ロール１５への接触を止めて、加熱ローラ２０自体に熱源となる加熱ヒータを備えるようにしたものである。加熱ローラ２０の加熱温度は、加圧ロール１５の温度と同等に設定してもよく、また、加熱ローラ２０が帯状素材Ｗの未塗工部Ｗ２のみに接触するものであるため、未塗工部Ｗ２に適した温度に設定することもできる。この場合においては、加熱ローラ２０とガイドローラ２１との相対位置は、上下方向の位置関係を保つように、図示しないが、固定的若しくは弾性的に位置保持されるようにする。この場合においても、加熱ローラ２０により帯状素材Ｗの各活物質未塗工部Ｗ２を加熱することができると共に、ガイドローラ２１を上下方向に移動させることにより、帯状素材Ｗの加圧ロール１５への接触角度および接触長さを調整することができる。

なお、上記実施形態において、正極の帯状電極の製造方法について説明したが、負極の帯状電極の製造にも本発明を適用できる。負極の帯状電極の場合にも、未塗工部加熱装置７において、負極活物質への熱的影響を抑えながら、長尺状の帯状素材Ｗに存在する不均一な歪み分布を緩和させることができる。従って、その後に長尺状の帯状負極電極を裁断して負極電極を形成しても、負極電極に湾曲など変形が生じにくい。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）長尺金属箔の巾方向の一部に活物質が長尺方向に連続的に塗工された塗工部Ｗ１と、巾方向の残部に長尺方向に延びる未塗工部Ｗ２と、を備える帯状素材Ｗから帯状電極を製造する装置である。このため、帯状素材Ｗに予め設定した張力を付与した状態で長尺方向に搬送する搬送手段と、前記設定した張力が付与された帯状素材Ｗの塗工部Ｗ１に対して両面から予め設定した温度で加熱しつつ圧縮する一対の加圧ロール１５を備えたロールプレス成形装置６と、を備える。そして、ロールプレス成形装置６を通過した帯状素材Ｗの未塗工部Ｗ２に対して加熱ローラ２０を転動接触させることにより予め設定した温度で加熱して未塗工部Ｗ２に集中的に伸びを与える未塗工部加熱装置７を備える。

このため、未塗工部加熱装置７による加熱により、張力が付与されている帯状素材Ｗの未塗工部Ｗ２に集中的に伸びを与えることができ、帯状素材Ｗの未塗工部Ｗ２の伸びを塗工部Ｗ１の伸びと同等にでき、帯状素材Ｗに存在する不均一な歪み分布を緩和させることができる。また、活物質未塗工部Ｗ２を加熱ローラ２０が押えるので、帯状電極の幅方向の位置ズレを抑制でき、帯状電極の歩留まりを向上させることができる。

（イ）帯状素材Ｗに加える所定の張力は、ロールプレス成形装置６により圧縮される塗工部Ｗ１の伸びと未塗工部加熱装置７による未塗工部Ｗ２の加熱による伸びとにより帯状素材Ｗに発生する歪みを抑制できる張力値ＴＬを下限とし、帯状素材Ｗが破断を開始する張力値ＴＨを上限とする範囲内に設定する。また、ロールプレス装置及び未塗工部加熱装置７の予め設定した温度は、ロールプレス成形装置６により圧縮される塗工部Ｗ１の伸びと未塗工部加熱装置７による未塗工部Ｗ２の加熱による伸びとにより帯状素材Ｗに発生する歪みを抑制できる下限温度Ｔｂと帯状素材Ｗの塗工部Ｗ１に塗工された活物質からなる電極材が変質しない上限温度Ｔａとの範囲内で設定する。このため、帯状電極の塗工部Ｗ１を構成する活物質の変質を抑制すると共に帯状電極の破断を抑制しつつ、帯状電極の歪み分布を緩和させることができる。

（ウ）未塗工部加熱装置７は、一方でロールプレス成形装置６の加圧ロール１５表面に転動接触することにより加圧ロール１５より伝熱されて温度調整され且つ他方で帯状素材Ｗの未塗工部Ｗ２に転動接触する加熱ローラ２０と、帯状素材Ｗの未塗工部Ｗ２を挟んで加熱ローラ２０と対面して配置されて未塗工部Ｗ２に転動接触するガイドローラ２１と、により構成されている。このため、未塗工部加熱装置７自身に独自の加熱手段を設ける必要がなく、未塗工部加熱装置７の構成を簡素化することができる。

（エ）未塗工部加熱装置７は、ロールプレス成形装置６の加圧ロール１５の円周方向若しくは上下方向に移動可能に構成されている。このため、ロールプレス後に、帯状素材Ｗが加圧ロール１５に接触する時間を、変化させることができ、帯状素材Ｗの塗工部Ｗ１への加熱時間を調整することができる。

Ｗ 帯状素材
Ｗ１ 塗工部
Ｗ２ 未塗工部
１ 巻出し装置
２ 巻取り装置
３，４ 張力検出装置
５ 制御装置
６ ロールプレス成形装置
７ 未塗工部加熱装置
１５ 加圧ロール
２０ 加熱ローラ
２１ ガイドローラ

Claims (6)

1. 長尺金属箔の巾方向の一部に活物質が長尺方向に連続的に塗工された塗工部と、巾方向の残部に長尺方向に延びる未塗工部と、を備える帯状素材から帯状電極を製造する装置であり、
   前記帯状素材に予め設定した張力を付与した状態で長尺方向に搬送する搬送手段と、
   前記設定した張力が付与された帯状素材の塗工部に対して予め設定した温度で加熱しつつ圧縮する加圧ロールを備えたロールプレス成形装置と、
   前記ロールプレス成形装置を通過した帯状素材の未塗工部に対して加熱ローラを転動接触させることにより予め設定した温度で加熱して未塗工部に集中的に伸びを与える未塗工部加熱装置と、を備えることを特徴とする帯状電極の製造装置。
2. 前記所定の張力は、ロールプレス成形装置により圧縮される塗工部の伸びと未塗工部加熱装置による未塗工部の加熱による伸びとにより帯状素材に発生する歪みを抑制できる張力値ＴＬを下限とし、帯状素材が破断を開始する張力値ＴＨを上限とする範囲内に設定され、
   前記予め設定した温度は、ロールプレス成形装置により圧縮される塗工部の伸びと未塗工部加熱装置による未塗工部の加熱による伸びとにより帯状素材に発生する歪みを抑制できる下限温度Ｔｂと帯状素材の塗工部に塗工された活物質からなる電極材が変質しない上限温度Ｔａとの範囲内で設定することを特徴とする請求項１に記載の帯状電極の製造装置。
3. 前記未塗工部加熱装置は、一方でロールプレス成形装置の加圧ロール表面に転動接触することにより加圧ロールより伝熱されて温度調整され且つ他方で帯状素材の未塗工部に転動接触する加熱ローラと、帯状素材の未塗工部を挟んで加熱ローラと対面して配置されて未塗工部に転動接触するガイドローラと、により構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の帯状電極の製造装置。
4. 前記未塗工部加熱装置は、ロールプレス成形装置の加圧ロールの円周方向若しくは上下方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の帯状電極の製造装置。
5. 前記ロールプレス成形装置は、前記設定した張力が付与された帯状素材の塗工部に対して両面から予め設定した温度で加熱しつつ圧縮する一対の加圧ロールを備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の帯状電極の製造装置。
6. 長尺金属箔の巾方向の一部に活物質が長尺方向に連続的に塗工された塗工部と、巾方向の残部に長尺方向に延びる未塗工部と、を備える帯状素材から帯状電極を製造する方法であり、
   搬送手段により前記帯状素材に予め設定した張力を付与した状態で長尺方向に搬送し、
   搬送される帯状素材の塗工部を予め設定した温度に加熱された加圧ロールで圧縮し、
   その後に、帯状素材の未塗工部に予め設定した温度に加熱された未塗工部加熱ローラを転動接触させて、未塗工部に集中的に伸びを与えて、帯状電極を製造することを特徴とする帯状電極の製造方法。

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