JP5801464B1 - ロールプレス設備 - Google Patents

Abstract

【課題】電極活物質の塗工部と未塗工部を有する電極材料を圧縮加工するロールプレス設備において、電極材料に所定の張力を与えるダンサーロール装置を圧縮加工後の電極材料が通過する際に、電極材料に深い皺が発生することを抑制することが可能なロールプレス設備を提供する。【解決手段】電極活物質の塗工部と未塗工部を有する電極材料１２を圧縮加工するロールプレスロールプレス機本体１と圧縮加工後の電極材料を巻き取る巻取装置５との間に設けられ、電極材料に所定の張力を与えるダンサーロール装置を備えたロールプレス設備において、電極材料１２のダンサーロール１１に対する抱き付け角度が約９０度となるようにダンサーロール装置における電極材料のパス角度を設定する。【選択図】 図１

Description

本発明は、ロールプレス設備に係り、特に、電極材料を圧縮加工するロールプレス設備に関する。

リチウムイオン電池、キャパシタ等の正極や負極の電極材料は、アルミ箔、銅箔など（金属箔集電体）の帯状の基材の両面に電極活物質を塗工したものであり、また、活物質の密度を上げ且つ均一の厚みとなるようにロールプレス設備を通してロールプレス（圧縮加工）される。このロールプレス後に、電極材料はコイル状に巻取られ、巻取りコイルが電極材料製品として出荷または次工程に移送される。

ロールプレス加工は、理想的には、基材となる箔が圧延されないようにして活物質のみ圧縮加工するものである。しかし、実際には、ロールプレス設備にて圧縮加工する際、基材となる箔が若干圧延される。一方、電極材料は、基材となる箔の幅方向の両側部分には、電力を入出力するタブを溶接する部分を確保するために活物質が塗工されていない。このため、活物質の塗工部と未塗工部を有する電極材料をロールプレスすることになる。このような電極材料をロールプレスすると、塗工部のみに荷重がかかり塗工部の箔のみ圧延（延伸）されることになる。このとき、未塗工部の箔は圧延（延伸）されないので、電極材料幅方向（塗工部と未塗工部）において電極材料長手方向の長さに差が生じる。このような長さの差が生じると、電極材料に皺が発生する要因となる。すなわち、ロールプレスにより箔が伸びた塗工領域と箔が伸びない未塗工領域が電極材料に存在する場合には、ロールプレス後の電極材料を複数のガイドロールにより巻取装置まで搬送する際、未塗工領域のみに搬送張力がかかり塗工領域に張力がかからないため、両者の張力のアンバランスにより塗工部と未塗工部の境界付近に皺が発生する。発生した皺は、搬送、巻き取りの過程において、深い皺や割れに発展し、搬送・巻き取りできなくなる可能性がある。

このような課題に対して、発明者らは、先に、ロールプレス後の電極材料を搬送する過程で用いられる全てのガイドロールを、電極材料に生じる張力により弾性変形する弾性ガイドロールとしたロールプレス設備を提案している（特許文献１）。このように構成することにより、ロールプレスにより電極材料幅方向において電極材料長手方向に長さの差が生じても、ロールプレス後の電極材料に割れを生じさせることなく電極材料を巻取装置まで搬送可能にすることが可能となる。

特許第５３９４５８８号公報 特開２００２‐１８４３９４号公報（図２）

しかしながら、発明者らは、ロールプレス機本体と巻取装置との間に設けられ、電極材料に一定の張力を与えるダンサーロール装置において改善の余地があることを見出した。
すなわち、上述したように、ロールプレス後の電極材料は、複数のガイドロールにより巻取装置まで搬送される。ガイドロール間では上述したように未塗工部のみに張力がかかるが、ガイドロール上では活物質の厚みにより塗工部のみに張力がかかる。したがって、ガイドロールを通るたびに、電極材料がガイドロールに接触し始め、または、電極材料がガイドロールから離間し始める箇所において、未塗工部と塗工部の境界部によじれが生じて皺が発生してしまうことがある。

そして、本発明者らの検討によれば、この課題は、特に、ダンサーロール装置において重要である。すなわち、ダンサーロールにおける電極材料の抱き付け角は、特許文献２などに記載のように、通常、約１８０度となるように、ダンサーロール装置における電極材料のパス角度が設定されている（ダンサーロール装置で電極材料がＵ字状に搬送される）。このように、ロールに対する電極材料の抱き付け角が大きいと、未塗工部と塗工部の境界部のよじれ，ひずみが大きくなり、皺が深く進展する可能性がある。

本発明の目的は、電極活物質の塗工部と未塗工部を有する電極材料を圧縮加工するロールプレス設備において、電極材料に所定の張力を与えるダンサーロール装置を圧縮加工後の電極材料が通過する際に、電極材料に深い皺が発生することを抑制することが可能なロールプレス設備を提供することにある。

本発明は、ロールプレス機本体と巻出装置との間に設けられ、電極材料に加わる張力を調整する入側ダンサーロール装置と、ロールプレス機本体と巻取装置との間に設けられ、電極材料に加わる張力を調整する出側ダンサーロール装置とを備え、入側ダンサーロール装置のダンサーロールに対して、電極材料の抱き付け角度が約１８０度となるように入側ダンサーロール装置における電極材料のパス角度を設定し、出側ダンサーロール装置のダンサーロールに対して、電極材料の抱き付け角度が８０〜９０度となるように出側ダンサーロール装置における電極材料のパス角度を設定したことを特徴とする。
尚、その時パスの一辺は、ダンサーロールの移動方向と平行に近く設定するのが望ましい。

本発明によれば、圧縮加工後の電極材料がダンサーロール装置を通過する際に、電極材料に深い皺が発生することを効果的に抑制することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例に係るロールプレス設備の全体概要を示すシステム構成図。 本発明の実施例に係るロールプレス設備におけるダンサーロール装置の構成例を説明する図。 ロールプレスされる前の電極材料の幅方向断面を模式的に表した図。 ロールプレスされる前の電極材料の平面の一部を模式的に表した図。 電極材料がダンサーロールを通過する際に電極材料に生じるよじれや皺の発生原因を説明する図。 ダンサーロール装置のダンサーロールとして用いられる弾性ロールを模式的に表した図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の一実施例であるロールプレス設備の全体概要を示す。
ロールプレス機本体１の入り側にはシート状の電極材料１２がコイル状に巻回されたプレス前コイルを装着する巻出装置４が設けられ、ロールプレス機本体１の出側にはプレス後の電極材料を巻回しプレス後コイルとする巻取装置５が設けられている。電極材料１２は、帯状基材（アルミ箔や銅箔など）の両面に電極活物質を塗工したものである。リチウムイオン二次電池などの電極材料の他にキャパシタ等の電極材料も適用される。
ロールプレス機本体１は、主ロール２（上プレスロールと下プレスロール）を備え、上プレスロールと下プレスロールとの間に電極材料１１を通過させて圧縮加工を行う。ロールプレス機本体１には、図示省略しているが、上下プレスロール間の間隙または圧縮荷重を調整する圧下装置と、上下プレスロールを巻取機５と同期して回転速度制御可能に駆動する駆動機構（後述の主ロール駆動系）と、ロールのたわみを補正するベンド機構などを備えている。また、主ロール２には、ドリルドロールなどの加熱ロールが用いられ、電極材料１２は主ロール２により温間プレス加工される場合がある。ドリルドロールは、ロール内部に熱媒体を流す熱媒体流路が形成されたものである。熱媒体としては、例えば、油が用いられ、例えば、１５０℃程度に加熱されている。また、主ロールを常温（室温）で使用する場合もある。

また、ロールプレス機本体１の入側には、巻出装置４とロールプレス機本体１との間に、電極材料１２に対する張力を一定に制御し、電極材料１２を搬送するための入側張力制御・搬送機構６が設けられており、ロールプレス機本体１の出側には、ロールプレス機本体１と巻取機５との間に、電極材料１２に対する張力を一定に制御し、電極材料１２を搬送するための出側張力制御・搬送機構７が設けられている。
入側及び出側の張力制御・搬送機構には、複数のガイドロールが設けられている。ガイドロールとしては、通常のガイドロール８の他に、張力を制御する働きを有する入側ダンサーロール９，出側ダンサーロール１１や、主ロールに加熱ロールを使用する場合には電極材料１２が主ロール２において急加熱されるのを抑制するとともに主ロール２が電極材料１２より抜熱されるのを抑制する予熱ロールが設置されている。
予熱ロール１０ａ，１０ｂは二つ設けられ、二つの予熱ロール１０ａ，１０ｂにより電極材料（シート）１２の両面が予熱される。予熱ロール１０ａ，１０ｂは、ロール内部に熱媒体（油など）を流す熱媒体流路が形成されたものであり、例えば、主ロール２（加熱ロール）に供給する油等の熱媒体よりも低温の熱媒体が供給されて、ロール表面が常温よりも高く主ロール表面の温度よりも低い温度に維持されている。

また、図１において、入側張力制御・搬送機構６及び出側張力制御・搬送機構７におけるガイドロール８については、図に示す配置構成に限定されることなく、機器の配置に応じて適宜の本数のガイドロールが設けられている。
また、ロールプレス機本体１の下流側には、ロールプレス後の電極材料１２の厚みを計測する厚み計測３が設けられ、厚み計３の計測値に基づき圧下装置やベンド機構が制御される。

ダンサーロールは電極材料１２に加わる張力を一定に調整するものである。入側ダンサーロール９は巻出装置４とロールプレス機本体１との間に設けられ、入側における電極材料１２にかかる張力を調整する。出側ダンサーロール１１はロールプレス機本体１と巻取装置５との間に設けられ、出側における電極材料１２にかかる張力を調整する。

ダンサーロールには、電極材料に対して張力が発生する方向に空圧アクチュエータなどにより一定の力が付与され、電極材料１２に所定の張力（例えば１０〜２００Ｎ）が付与される。

また、入側ダンサーロール９は、入側ダンサーロール９の上下方向の位置情報に基づき、巻出装置４の巻出し速度が調整され、入側ダンサーロール９が所定範囲内に保持されるようになっている。すなわち、入側ダンサーロール９の位置が所定範囲内の場合には、入側ダンサーロール９の上下動により電極材料１２に加わる張力が一定に維持され、入側ダンサーロール９の位置が所定範囲（入側ダンサーロールの許容ストローク）を外れる場合には、入側ダンサーロール９が所定範囲内に戻るように巻出装置４の巻出し速度が調整される。ここで、入側ダンサーロール９に対する電極材料１２の抱き付け角が約１８０度なので、電極材料１２にかかる張力は空圧アクチュエータなどにより入側ダンサーロール９に作用する力の約半分の大きさである。言い換えれば、必要な張力の倍の大きさで入側ダンサーロール９に荷重を加える必要がある。但し、入側ダンサーロール装置については既存の装置構成を適用できる。

出側ダンサーロール１１も同様に出側ダンサーロール１１の位置情報に基づき、巻取装置５の巻取り速度が調整され、出側ダンサーロール１１が所定範囲内に保持されるようになっている。図１に示す例では、出側ダンサーロール１１の水平に近い方向の位置情報に基づき、出側ダンサーロール１１の位置が所定範囲内の場合には、ダンサーロールの移動により電極材料１２に加わる張力が一定に維持され、出側ダンサーロール１１の位置が所定範囲（出側ダンサーロールの許容ストローク）を外れる場合には、出側ダンサーロール１１が所定範囲内に戻るように巻取装置５の巻取り速度が調整される。ここで、出側ダンサーロール１１に対する電極材料１２の抱き付け角が約９０度なので、出側ダンサーロール１１に加える荷重は、入側ダンサーロール９よりも小さくてよく、また、電極材料１２に加わる張力と略同じ大きさの荷重で良い。したがって、空圧アクチュエータなどの荷重機構を小型化することができる。

なお、入側ダンサーロール９の上下方向の位置情報および出側ダンサーロール１１の水平に近い方向の位置情報は、例えば、固定点を中心として回動するブラケットによりダンサーロールが支持されているので、上下または水平に近い方向の位置情報は固定点を中心とした角度情報として検出する。また、空圧アクチュエータのストローク量に基づき検出されるようにしても良い。

次に、図２に基づき、ロールプレス機本体の出側に設置されるダンサーロール装置の概要について説明する。
図２に示すように、本実施例では、ダンサーロール１１に対する電極材料１２の抱き付け角度が約９０度となるように、ダンサーロール装置における電極材料のパス角度が約９０で設定されている。すなわち、電極材料１２がダンサーロール装置を通過する際に、搬送方向が約９０度転向（Ｌ字状に転向）するように（言い換えれば、ダンサーロールへの電極材料の接触開始部と離間開始部が約９０度の位置関係となるように）、ダンサーロール１１とその前後のガイドロール８との位置関係が設定されている。抱き付け角（抱き角）は電極材料がロールに接している範囲の角度である。また、その時パスの一辺は、ダンサーロールの移動方向と平行に近く設定されている。本実施例では、ダンサーロールの出側のパスがダンサーロールの移動方向と平行に近くなるようにガイドロールの配置が設定されている。

ダンサーロール装置は、ダンサーロール１１と、ダンサーロールの軸部を回動可能に支持するダンサーロール支持ブラケット１３と、ダンサーロール１１に荷重を加えるための空圧アクチュエータ１４と、空圧アクチュエータで発生した荷重をダンサーロール支持ブラケット１３に伝える連結ロッド１４ａを備える。連結ロッド１４ａはダンサーロール支持ブラケット１３に回動可能に連結されている。図２おいて、空圧アクチュエータ１４はダンサーロール１１が反時計方向に移動（回動）するように、ダンサーロール支持ブラケット１３を介して、ダンサーロール１１に一定の荷重を加える。なお、ダンサーロール装置の構成は上述の構成に限定されるものではなく、適宜、配置や構成を変更しても良い。

次に、本実施例のダンサーロール装置における作用効果を説明する。先ず、電極材料１２の構成を説明する。
電極材料１２は、一例としてリチウムイオン電池のものを例示するが、帯状基材の両面に電極活物質を塗工したものであれば、その種類を問わず、その他の電池やキャパシタ等の電極材料であってもよい。図３(ａ)，図３(ｂ)に示すように、金属箔集電体の基材（例えば、アルミ箔、銅箔等）１２ａと、基材１２ａの両面に設けた電極活物質（塗工領域/塗工部）１２ｂ１，１２ｂ２とで構成される。電極材料自体は、正極用、負極用いずれも周知であるので、説明を省略する。帯状の基材１２の流れ方向の両側には、活物質が塗工されていない未塗工領域/未塗工部が設けられている。

このような塗工部と未塗工部を有する電極材料１２をロールプレス機本体１によりロールプレス加工した場合、電極活物質が塗布された塗工部（領域）における基材１２ａに集中的に圧縮荷重がかかり、塗工部における基材１２ａ（箔）が若干圧延され、一方、電極活物質が塗布されていない未塗工部の基材１２ａは圧延されない。すなわち、塗工部は未塗工部よりも材料長手方向に延伸されることになる。

出側ダンサーロール１１と前後のガイドロール８との間では、材料長手方向の長さの差異により、基材が延伸されていない未塗工部のみに張力がかかるが、出側ダンサーロール１１上では活物質の厚みにより塗工部のみに張力がかかる。すなわち、図４に示すように、電極材料１２が出側ダンサーロール１１から離間した箇所では、材料長手方向の基材１２ａの伸びによりたるみが塗工部に生じる。一方、出側ダンサーロール１１と接している部分（抱き付け角の部分）では、未塗工部と塗工部とでは活物質１２ｂの厚み分の差があるので（基材１２ａの厚みは例えば１５μｍ程度、活物質を含めた全体の電極材料１２の厚みは１００μｍ程度）、塗工部のみに張力がかかり、未塗工部には張力がかからないので未塗工部にたるみが生じる。

したがって、図４に示すように、電極材料１２が出側ダンサーロール１１に接触し始め、または、電極材料１２が出側ダンサーロール１１から離間し始める箇所において、未塗工部と塗工部の境界部によじれが生じて皺が発生してしまう。このよじれや皺は、入側ダンサーロール９のように抱き付け角が約１８０度と大きい場合には、大きくなる（なお、入側ダンサーロール９では圧縮加工前の電極材料１２が通過するので問題はない）。特に、基材が例えば１０〜１５μｍ程度のように薄箔化した場合には、発生した皺は、搬送過程において、ガイドロール上で深い皺や割れに発展し、搬送できなくなる要因となる。

図２に示すように、本実施例では、出側ダンサーロール１１に対する電極材料１２の抱き付け角度が約９０度となるように、ダンサーロール装置における電極材料のパス角度約９０で設定されている。出側ダンサーロール１１上での未塗工部の長さが、抱き付け角度が約１８０度の場合よりも短くなるので、たるみも小さくなり、その結果、未塗工部と塗工部の境界部によじれを小さくすることができ、皺の発生を抑制できる。なお、抱き付け角度は、よじれの発生を効果的に抑制するためには、９０度よりも小さく設定するのが望ましい。抱き付け角は、約９０度であるが、ここで約９０度とは、本実施例では、よじれの発生を効果的に抑制するという観点から８０〜９０度程度である。

また、出側ダンサーロール１１に関して、ダンサーロール装置における電極材料のパス角度約９０で設定（電極材料の搬送方向がダンサーロール装置において約９０度転向）することにより、図１に示すように、出側ダンサーロール１１の下流側のガイドロールの本数を低減できる。その結果、プレス加工後の電極材料がガイドロールを通過する回数を低減できるので、皺の進展を抑制できる。また、ガイドロールの本数を低減できるので、プレス設備全体を小型化することができる。

上述の実施例では、出側ダンサーロール１１は、例えば、母材が鉄、アルミニウム等であってその表面にハードクロム（ＨＣｒ）メッキを施したものが用いられるが、特許文献１に記載の弾性ロールを適用しても良い。図５に弾性ロールの概要を示す。

図５において、出側ダンサーロール１１は、軸１６の周りにスポンジ状の物質１５が設けられている。スポンジ材質としては、例えば、ポリウレタン（ウレタン樹脂、ウレタンゴム）、エチレン・プロピレンゴム（EPDM）、クロロプレンゴム(CR)が用いられる。また、スポンジ状の弾性ロールの他に、塗工部に張力を付与できるように変形可能な柔らかいゴムロールを用いても良い。また、弾性ロールのロール面が塗工部に当たり、弾性ロールにより塗工部に張力がかかるようにするため、弾性ロールは、電極材料１２と接したときに、電極材料にかかる張力により、塗工部と未塗工部の両方がロール面に当たるように変形する程度の弾性を有する。弾性ロールとして、スポンジ状のロールが用いられた場合、スポンジ硬度は、アスカーＣ１０〜４０（日本ゴム協会標準規格ＳＲＩＳ０１０１）程度が望ましい。出側ダンサーロール１１に弾性ロールを適用することにより効果的によじれや皺を抑制できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

１・・・ロールプレス機本体、２・・・主ロール、３・・・厚み計、４・・・巻出装置、５・・・巻取装置、６・・・入側張力制御・搬送機構、７・・・出側張力制御・搬送機構、８・・・ガイドロール、９・・・入側ダンサーロール、１０ａ，１０ｂ・・・予熱ロール、１１・・・出側ダンサーロール、１２・・・電極材料、１３・・・ダンサーロール支持ブラケット、１４・・・空圧アクチュエータ、１４ａ・・・連結ロッド、１５・・・スポンジ状の物質、１６…軸。

Claims (3)

1. 電極活物質の塗工部と未塗工部を有する電極材料をロールプレスするロールプレス設備であって、
   前記電極材料をロールプレスするロールプレス機本体と、
   前記ロールプレス機本体の入側に設置され、前記電極材料がコイル状に巻回されたプレス前コイルを装着する巻出装置と、
   前記ロールプレス機本体の出側に設置され、ロールプレス後の前記電極材料巻回しプレス後コイルとする巻取装置と、
   前記ロールプレス機本体と前記巻出装置との間に設けられ、前記電極材料に加わる張力を調整する入側ダンサーロール装置と、
   前記ロールプレス機本体と前記巻取装置との間に設けられ、前記電極材料に加わる張力を調整する出側ダンサーロール装置とを備え、
   前記入側ダンサーロール装置のダンサーロールに対して、前記電極材料がロールに接している範囲の角度である電極材料の抱き付け角度が約１８０度となるように前記入側ダンサーロール装置における前記電極材料のパス角度を設定し、
   前記出側ダンサーロール装置のダンサーロールに対して、前記電極材料がロールに接している範囲の角度である電極材料の抱き付け角度が８０〜９０度となるように前記出側ダンサーロール装置における前記電極材料のパス角度を設定したことを特徴とするロールプレス設備。
2. 請求項１に記載のロールプレス設備において、
   前記出側ダンサーロール装置のダンサーロールの入側または出側における前記電極材料のパスが前記ダンサーロールの移動方向と略平行となるように設定されていることを特徴とするロールプレス設備。
3. 請求項１に記載のロールプレス設備において、
   前記ダンサーロールは、少なくとも表面がスポンジ状の物質で構成された弾性ロールであることを特徴とするロールプレス設備。

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