JP5989715B2 - リチウムイオン二次電池用電極シートの製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、リチウムイオン二次電池10を示す断面図である。図2は、当該リチウムイオン二次電池10に内装される電極体40を示す図である。なお、図1および図2に示されるリチウムイオン二次電池10は、本発明が適用されうるリチウムイオン二次電池の一例を示すものに過ぎず、本発明が適用されうるリチウムイオン二次電池を特段限定するものではない。
電池ケース20は、ケース本体21と、封口板22とを備えている。ケース本体21は、一端に開口部を有する箱形を有している。ここで、ケース本体21は、リチウムイオン二次電池10の通常の使用状態における上面に相当する一面が開口した有底直方体形状を有している。この実施形態では、ケース本体21には、矩形の開口が形成されている。封口板22は、ケース本体21の開口を塞ぐ部材である。封口板22は凡そ矩形のプレートで構成されている。かかる封口板22がケース本体21の開口周縁に溶接されることによって、略六面体形状の電池ケース20が構成されている。
電極体40は、図2に示すように、帯状の正極(正極シート50)と、帯状の負極(負極シート60)と、帯状のセパレータ(セパレータ72、74)とを備えている。
正極シート50は、帯状の正極集電箔51と正極活物質層53とを備えている。正極集電箔51には、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。正極集電箔51には、例えば、予め定められた幅を有し、厚さが凡そ15μmの帯状のアルミニウム箔を用いることができる。正極集電箔51の幅方向片側の縁部に沿って露出部52が設定されている。図示例では、正極活物質層53は、正極集電箔51に設定された露出部52を除いて、正極集電箔51の両面に形成されている。ここで、正極活物質層53は、正極集電箔51に保持され、少なくとも正極活物質が含まれている。
負極シート60は、図2に示すように、帯状の負極集電箔61と、負極活物質層63とを備えている。負極集電箔61には、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この負極集電箔61には、予め定められた幅を有し、厚さが凡そ10μmの帯状の銅箔が用いられている。負極集電箔61の幅方向片側には、縁部に沿って露出部62が設定されている。負極活物質層63は、負極集電箔61に設定された露出部62を除いて、負極集電箔61の両面に形成されている。負極活物質層63は、負極集電箔61に保持され、少なくとも負極活物質が含まれている。
導電材としては、例えば、カーボン粉末、カーボンファイバーなどのカーボン材料が例示される。このような導電材から選択される一種を単独で用いてもよく二種以上を併用してもよい。カーボン粉末としては、例えば、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、黒鉛化カーボンブラック、カーボンブラック、黒鉛、ケッチェンブラックなどの粉末を用いることができる。
また、バインダは、正極活物質層53に含まれる正極活物質と導電材の各粒子を接着させたり、これらの粒子と正極集電箔51とを接着させたりする。かかるバインダとしては、使用する溶媒に溶解または分散可能なポリマーを用いることができる。例えば、水性溶媒においては、フッ素系樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)など)、ゴム類(スチレンブタジエン共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)など)、ポリビニルアルコール(PVA)、酢酸ビニル共重合体、アクリレート重合体などの水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。また、非水溶媒においては、ポリマー(ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリアクリロニトリル(PAN)など)を好ましく採用することができる。また、増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)などのセルロース系ポリマーが好適に用いられる。
セパレータ72、74は、図2に示すように、正極シート50と負極シート60とを隔てる部材である。この例では、セパレータ72、74は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ72、74には、樹脂製の多孔質膜、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。この例では、図2に示すように、負極活物質層63の幅b1は、正極活物質層53の幅a1よりも少し広い。さらにセパレータ72、74の幅c1、c2は、負極活物質層63の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。
この実施形態では、電極体40は、図2に示すように、捲回軸WLを含む一平面に沿った扁平な形状を有している。図2に示す例では、正極集電箔51の露出部52と負極集電箔61の露出部62とは、それぞれセパレータ72、74の両側において、らせん状に露出している。図1に示すように、電極体40は、セパレータ72、74からはみ出た正負の露出部52、62が、正負の電極端子23、24の電池ケース20の内部に配置された先端部23a、24aに溶接されている。
電解液80としては、従来からリチウムイオン電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(以下、適宜に「EC」という。)、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート(以下、適宜に「DMC」という。)、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート(以下、適宜に「EMC」という。)、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば体積比1:1)にLiPF6を約1mol/Lの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。
充電時、リチウムイオン二次電池10は、正極シート50と負極シート60との間に、電圧が印加され、正極活物質層53中の正極活物質からリチウムイオン(Li)が電解液に放出され、正極活物質層53から電荷が放出される。負極シート60では電荷が蓄えられるとともに、電解液中のリチウムイオン(Li)が、負極活物質層63中の負極活物質に吸収され、かつ、貯蔵される。これにより、負極シート60と正極シート50とに電位差が生じる。
放電時、リチウムイオン二次電池10は、負極シート60と正極シート50との電位差によって、負極シート60から正極シート50に電荷が送られるとともに、負極活物質層63に貯蔵されたリチウムイオンが電解液に放出される。また、正極では、正極活物質層53中の正極活物質に電解液中のリチウムイオンが取り込まれる。
ここで、搬送装置310は、集電箔201を送る複数のローラで構成されている。ここでは、駆動機構312を備えた搬送ローラ301と、搬送ローラ301に従って回転する従動ローラ302と、集電箔201を支持しつつ転動する複数のプーリ303とを備えている。ここでは、電池に用いられる帯状の電極シートの2本分の幅(2条幅)を有する帯状の集電箔201が用意される。そして、かかる2条幅の帯状の集電箔201が搬送装置310の各ローラによって送られる。
ここで、定量フィーダー103は、搬送装置310によって搬送される帯状の集電箔201の上方に配置されている。定量フィーダー103は、搬送装置310によって搬送される集電箔201の上に造粒粒子の粉体220を供給する。造粒粒子の粉体220を得る工程については、後で述べる。
図5は、集電箔201の搬送経路を横断した断面図(図4中のV−V断面図)である。外側ガイド104、105は、図5に示すように、搬送装置310によって集電箔201の幅方向両側に配置されている。この実施形態では、外側ガイド104、105は、集電箔201の幅方向両側の縁に沿って立った壁を備えている。外側ガイド104、105は、定量フィーダー103が配置された部位から圧延ローラ101、102が配置された部位まで、搬送装置310の搬送経路に沿って連続して設けられている。なお、集電箔201の幅方向の両側に設けられた外側ガイド104、105は無くてもよい。外側ガイド104、105が無い場合、余剰の粉体220が集電箔201の両側から落ちるが、粉体220の外側の縁220bはある程度の精度が保たれる。また、集電箔201の両側から落ちる余剰の粉体220は、トレイなどで受けて回収されるように装置を構成すれば無駄もない。ただし、集電箔201の幅方向の両側に設けられた外側ガイド104、105があると、粉体220の外側の縁220bはより精度よく成形される。このため、図4に示すように、集電箔201の幅方向の両側に外側ガイド104、105を設ける方が好ましい。
スキージ部材106は、集電箔201の上に供給された粉体220の厚さを調整する部材である。この実施形態では、スキージ部材106は、搬送装置310の搬送経路において、定量フィーダー103が配置された部位と、圧延ローラ101、102が配置された部位との間に配置されている。スキージ部材106は、一対のローラ状の部材であり、スキージローラ106aと、バックローラ106bとを備えている。ここで、スキージローラ106aは、集電箔201の上面に対して予め定められた隙間を空けて配置されている。バックローラ106bは、集電箔201の下側において、スキージローラ106aと対向するように配置されている。バックローラ106bは、スキージローラ106aが集電箔201の上の粉体220に当たる部位で集電箔201の下面を支持している。かかるバックローラ106bに支持されることによって、集電箔201とスキージローラ106aとの間隙は一定になる。集電箔201の上に供給された粉体220は、スキージ部材106を通過する際に、集電箔201の上面とスキージローラ106aとの間隙に応じた厚さに調整される。なお、スキージ部材106は、図3および図4に示す形態では、ローラ状の部材で構成されているが、これに限らず、例えば、ブレード状(板刃状)の部材でもよい。
粉体除去部材108は、集電箔201の上に堆積した粉体220を部分的に除去する部材である。この実施形態では、粉体除去部材108は、スキージローラ106aの前方において、集電箔201の幅方向の中央部分202、203に集電箔201の長さ方向に沿って配置されている。ここで、図6は、ここで作製される2条幅の電極シートの中間生産品が示す図である。図7は、ここで作製される2条幅の電極シートが切断される前の状態を示している。図8は、ここで作製される2条幅の電極シートが切断された状態を示している。ここで、粉体除去部材108によって粉体220が除去される集電箔201の幅方向の中央部分202、203の幅(図6参照)は、2条の電極シート207、208の露出部202、203を合わせた幅(図8参照)に相当する。この実施形態では、集電箔201が搬送されると、かかる粉体除去部材108によって集電箔201の中央部分202、203の粉体220が除去される。粉体除去部材108は、例えば、集電箔201の上を滑るように配置されているとよい。例えば、粉体除去部材108は、定量フィーダー103、外側ガイド104、105、あるいは、スキージ部材106に支持されているとよい。
内側ガイド109は、粉体除去部材108の後端と同じ幅を有しており、粉体除去部材108の後端から搬送経路の後方に延びている。内側ガイド109は、図4に示すように、粉体除去部材108によって集電箔201の中央部分202、203から左右に押し分けられた粉体220の内側の縁220aを支持する。内側ガイド109は、例えば、集電箔201の上を滑るように配置されているとよい。搬送経路320の搬送方向において内側ガイド109の下流側には、圧延ローラ101、102が設けられている。
圧延ローラ101、102は、粉体220を集電箔201に押し付けて、集電箔201の上に粉体220の堆積層204、205を形成する。圧延ローラ101、102に供給される集電箔201は、粉体除去部材108によって幅方向の中央部分202、203から粉体220が除去されている。
ここで提案されるリチウムイオン二次電池用電極シートの製造方法について、具現化した製造装置の装置構成を例示した。ここで提案されるリチウムイオン二次電池用電極シートの製造方法は、上述した製造装置に限定されない。ここで提案されるリチウムイオン二次電池用電極シートの製造方法は、以下の工程が含まれているとよい。なお、以下の記載の順番は、特に言及されない限りにおいて、工程の順番を言及するものではない。
ここで提案される電極シートの製造方法は、
工程1:帯状の集電箔201を用意する工程;
工程2:造粒粒子の粉体220を用意する工程;
工程3:帯状の集電箔201を搬送する工程;
工程4:造粒粒子の粉体220を堆積させる工程;
工程5:厚さ調整工程;および、
工程6:プレス工程;
を含んでいる。
ここで提案される電極の製造方法は、種々の電極に適用できる。例えば、リチウムイオン二次電池では、正極用の電極および負極用の電極の何れにも適用できる。造粒粒子240に含まれる活物質粒子241は、作製される電極によって異なる。例えば、活物質粒子241には、リチウムイオン二次電池の正極用の電極を製造する場合には、当該正極に用いられる活物質粒子が用いられる。また、リチウムイオン二次電池の負極用の電極を製造する場合には、当該負極に用いられる活物質粒子が用いられる。
20 電池ケース
21 ケース本体
22 封口板
23 正極端子
24 負極端子
30 安全弁
32 注液口
33 封止材
40 捲回電極体
50 正極シート
51 正極集電箔
52 露出部
53 正極活物質層
60 負極シート
61 負極集電箔
62 露出部
63 負極活物質層
72、74 セパレータ
80 電解液
100 製造装置
101、102 圧延ローラ
103 定量フィーダー
104 外側ガイド
106 スキージ部材
106a スキージローラ
106b バックローラ
108 粉体除去部材
108a 粉体除去部材の先端
109 内側ガイド
121〜123 壁部材(ガイド)
200 電極シート
201 集電箔
202、203 活物質層未形成領域(集電箔の中央部分、露出部)
204、205 活物質層(粉体220の堆積層)
204a、205a 活物質層204、205の内側の縁
204b、205b 活物質層204、205の外側の縁
207、208 電極シート
220 造粒粒子の粉体
220a 造粒粒子の粉体220の内側の縁
220b 造粒粒子の粉体220の外側の縁
240 造粒粒子
241 活物質粒子
242 バインダ
301 搬送ローラ
302 従動ローラ
303 プーリ
310 搬送装置
312 駆動機構
320 搬送経路
WL 捲回軸
Claims (4)
- 帯状の集電箔を用意する工程と、
活物質粒子とバインダとを含む造粒粒子の粉体を用意する工程と、
前記帯状の集電箔を搬送する工程と、
前記帯状の集電箔の上に、前記造粒粒子の粉体を堆積させる工程と、
前記帯状の集電箔の幅方向の中央部分から前記造粒粒子の粉体を除去し、前記集電箔の中央部分の両側に残った前記造粒粒子の粉体に、スキージ部材が当てられて当該造粒粒子の粉体の厚さを調整する工程と、
前記集電箔の中央部分の両側に残った造粒粒子の粉体をプレスするプレス工程と
を含む、
リチウムイオン二次電池用電極シートの製造方法。 - 前記厚さを調整する工程では、前記帯状の集電箔の幅方向の中央部分において、前記集電箔の上に堆積した前記造粒粒子の粉体を幅方向の両側に案内して、前記帯状の集電箔の幅方向の中央部分から前記造粒粒子の粉体を除去する工程が含まれる、請求項1に記載されたリチウムイオン二次電池用電極シートの製造方法。
- 前記プレス工程では、
前記集電箔の中央部分の両側に残った前記造粒粒子の粉体の内側の縁にガイドを当てつつ、前記造粒粒子の粉体をプレスする、
請求項1または2に記載されたリチウムイオン二次電池用電極シートの製造方法。 - 前記プレス工程では、
前記集電箔の中央部分の両側に残った前記造粒粒子の粉体の外側の縁にガイドを当てつつ、前記造粒粒子の粉体をプレスする、
請求項1から3までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池用電極シートの製造方法。
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