JP6054803B2 - 二次電池の電極製造装置及び電極製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に用いられる、箔の表面に活物質を塗布して構成される電極を製造する技術に関する。

リチウムイオン二次電池などの電池においては、その正極および負極として、シート状の電極（シート電極）が用いられるものがある。
前記シート電極は、例えばアルミニウム箔や銅箔やステンレス箔などの金属箔にて構成された集電箔の表面に活物質等を層状に塗布して構成されている。そして、前記電池は、正極として構成されたシート電極と負極として構成されたシート電極とをセパレータを介して積層し、さらに積層したシート電極を巻回して巻回体を構成した状態で、電解液が充填された電池ケース内に収納することで構成されている。

シート電極を製造する方法としては、例えば、搬送経路に沿って搬送される集電箔の表面に対して、電極活物質、導電材、バインダを含んだ造粒粒子を供給し、ブレード状のスキージ等を用いて集電箔上の造粒粒子を所定の厚さに定量化した後にプレスする方法が挙げられる（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１２−１２９５３６号公報

前記の如くシート電極に活物質等を含む造粒粒子を塗布する際に、当該造粒粒子の温度が高いとバインダの結着性が高くなり、造粒粒子がスキージに付着してしまうことがある。これにより、シート電極における活物質等の厚さの品質精度にばらつきが生じることがあった。

本発明は、上記の状況を鑑み、スキージに造粒粒子が付着することを防止して、シート電極における活物質等の厚さの品質精度を向上させることができる、二次電池の電極製造装置及び電極製造方法を提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、集電箔上にバインダを含んだ粒子を供給する粒子供給器と、前記粒子供給器により前記集電箔上に供給された前記粒子を定量化するスキージと、前記スキージを雰囲気温度以下に冷却する冷却装置と、を備えるものである。

請求項２においては、前記スキージは中空のローラーであり、前記冷却装置は前記ローラーの中空部に冷却液を循環させることにより前記スキージを冷却するものである。

請求項３においては、前記スキージの表面における前記集電箔と対向する側には、ダイヤモンドライクカーボン層が形成されているものである。

請求項４においては、集電箔上にバインダを含んだ粒子を供給し、前記集電箔上に供給された前記粒子を、雰囲気温度以下に冷却したスキージを用いて定量化するものである。

請求項５においては、前記スキージを中空のローラーで構成し、前記ローラーの中空部に冷却液を循環させることにより前記スキージを冷却した状態で前記粒子を定量化するものである。

請求項６においては、前記スキージの表面における前記集電箔と対向する側には、ダイヤモンドライクカーボン層が形成されているものである。

本発明によれば、二次電池の電極の製造に際して、スキージに造粒粒子が付着することを防止して、シート電極における活物質等の厚さの品質精度を向上させることができる。

（ａ）及び（ｂ）は二次電池の電極製造装置における塗布工程部の概略構成を示した図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ二次電池の電極製造装置の効果を示した図。 別実施形態に係る二次電池の電極製造装置における塗布工程部の概略構成を示した図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。

本発明に係る二次電池の電極製造装置及び電極製造方法を用いて製造される電池は、例えばリチウムイオン二次電池などの電池に構成されており、その正極および負極として、シート状の電極（シート電極）が用いられている。
前記シート電極は、例えばアルミニウム箔や銅箔やステンレス箔などの金属箔にて構成された集電箔の表面に活物質を層状に塗布して構成されており、前記電池は、正極として構成された前記シート電極と負極として構成された前記シート電極とをセパレータを介して積層し、さらに積層したシート電極を巻回して巻回体を構成した状態で、電解液が充填された電池ケース内に収納することで構成されている。

前記シート電極は、搬送経路に沿って搬送される集電箔の表面に対して接着剤を印刷する接着剤印刷工程、接着剤が印刷された集電箔Ｌ１（図１（ａ）及び（ｂ）を参照）に対して造粒粒子を所定の厚さに塗布する塗布工程、及び前記塗布工程にて造粒粒子が塗布された集電箔を一対のプレスロールにより挟み込んでプレスするプレス工程を経て製造される。なお、上記の如く集電箔の表面に対して接着剤を印刷する接着剤印刷工程は、粉体の性質やプレスロールのプレス条件等に応じて、省略可能なものである。

図１に示すように、本実施形態に係る二次電池の電極製造装置において塗布工程が行われる塗布工程部は、粒子供給器１０と、スキージ２０と、冷却装置３０と、を備える。塗布工程部等、シート電極の製造装置においては、帯状の集電箔Ｌ１が図示しない搬送装置によって図１（ａ）及び（ｂ）中に示す矢印Ａの如く連続的に搬送されている。塗布工程にて集電箔Ｌ１に塗布される造粒粒子は、電極構成物を構成する活物質、導電材、およびバインダ、ならびにこれらを溶解または分散するための有機溶媒又は水を含んだペーストを乾燥させて得られる粉体である。バインダとしては、例えばアクリル系樹脂やＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）等が用いられる。

粒子供給器１０は、接着剤印刷工程で接着剤が印刷された後に搬送される集電箔Ｌ１の上面に、バインダを含んだ造粒粒子Ｐを供給する。具体的には図１（ｂ）中に示す矢印Ｄの如く、集電箔Ｌ１の上面におけるスキージ２０よりも上流側に、造粒粒子Ｐを落下させていくのである。

スキージ２０は、粒子供給器１０により集電箔Ｌ１の上面に供給された造粒粒子Ｐを定量化する。スキージ２０は図１（ａ）及び（ｂ）に示す如く、集電箔Ｌ１の搬送方向（矢印Ａの方向）と直交する方向に軸線を有するローラー状に形成されている。そして、スキージ２０は集電箔Ｌ１から所定の距離を保って、矢印ｒに示す如く回転している。上記構成において、スキージ２０は上流側から流れてくる造粒粒子Ｐを所定の厚さに揃えることにより、集電箔Ｌ１の上面における造粒粒子Ｐを定量化しているのである。
本実施形態において、スキージ２０はその内部に中空部２１が形成されている。なお、本実施形態のおけるスキージ２０はローラー上に形成しているが、中空のブレード状に形成することも可能である。

冷却装置３０は、スキージ２０を雰囲気温度以下に冷却する。具体的には、冷却装置３０は冷却液の一実施形態である冷却水Ｗを供給する冷却ポンプとして構成されており、スキージ２０の中空部２１と配管３１ｉ・３１ｏで連通されている。そして、図１（ａ）中の矢印Ｆｉ・Ｆｏに示す如く、スキージ２０の中空部２１に冷却水Ｗを循環させることにより、スキージ２０を冷却するのである。なお、スキージ２０の冷却方法としては、冷却水Ｗを用いる構成に限られず、油冷又は空冷を用いることも可能である。

このように、本実施形態に係る二次電池の電極製造方法においては、集電箔Ｌ１の上面にバインダを含んだ造粒粒子Ｐを供給し、造粒粒子Ｐを、雰囲気温度以下に冷却したスキージ２０を用いて定量化するのである。

具体的には、スキージ２０を中空のローラーで構成し、スキージ２０の中空部２１に冷却水Ｗを循環させることにより、スキージ２０を冷却した状態で造粒粒子Ｐを定量化するのである。

上記の如く、本実施形態に係る二次電池の電極製造装置によれば、集電箔Ｌ１に造粒粒子Ｐを塗布する際に、スキージ２０と造粒粒子Ｐとの接触部を雰囲気温度以下の温度に冷却することができ、スキージ２０に接触する造粒粒子Ｐの内部に含まれるバインダの結着性が高くなることを抑止できる。
即ち、造粒粒子Ｐに含まれるバインダの温度が雰囲気温度よりも低いガラス転移点に近づくにつれて、バインダの結着力を低下させることができるため、造粒粒子がスキージ２０に付着することを抑制できる。これにより、シート電極における造粒粒子Ｐの厚さの品質精度にばらつきが生じることを防ぎ、造粒粒子Ｐの層の厚みを均一にすることができるのである。つまり、本実施形態によれば、シート電極における活物質等の厚さの品質精度を向上させることができるのである。

また、本実施形態に係る二次電池の電極製造装置の塗布工程部によれば、図１（ｂ）に示す如く、スキージ２０における集電箔Ｌ１と対向する側、即ちスキージ２０の外周面には、ダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）層２３が形成されている。ＤＬＣは、主として炭化水素、あるいは、炭素の同素体から成る非晶質（アモルファス）の硬質膜である。なお、スキージをブレード状に形成した場合は、スキージが集電箔と対向する側（スキージにおける造粒粒子Ｐと接触する部分）にＤＬＣ層を形成すればよい。

本実施形態に係る二次電池の電極製造装置によれば、上記の如く構成することにより、シート電極における活物質等の厚さの品質精度をより向上させることができる。つまり、疎水的（例えばステンレスの水との接触角が約４０度であるのに対して、ＤＬＣの水との接触角は約９０度）かつ平滑（例えば表面粗さＲａ＝０．０１μｍ）なＤＬＣをスキージ２０の表面に形成することにより、造粒粒子Ｐの内部に含まれるバインダがよりスキージ２０に付着しにくくなるようにして、シート電極における造粒粒子Ｐの厚さの品質精度にばらつきを防ぐことができるのである。具体的には、バインダは親水性を有しているため、スキージ２０を疎水的にすることで、バインダとスキージ２０との結着力を低下させているのである。また、スキージ２０の表面を平滑にすることで、スキージ２０と造粒粒子Ｐとの接触面積を低下させて、スキージ２０と造粒粒子Ｐとの結着力を低下させているのである。

図２を用いて、本実施形態に係る二次電池の電極製造装置の効果について説明する。図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、従来技術と実施例１・２との比較実験を行った結果を示している。各図において、横軸方向はシート電極における幅方向（搬送方向に直交する方向）の位置を、縦軸方向はスキージにより集電箔上に定量化した、単位面積あたりの造粒粒子Ｐの目付量（ｍｇ／ｃｍ２）を示している。縦軸右側における「規格」と記載した幅は、造粒粒子Ｐの目付量の規格（許容範囲）を示している。

図２（ａ）において、実施例１は上記実施形態においてスキージの表面にＤＬＣ層を形成せずに、冷却装置によるスキージの冷却のみを行った場合を示している。また、図２（ｂ）において、実施例２は上記実施形態と同様にスキージ２０の表面にＤＬＣ層を形成し、かつ冷却装置３０によるスキージ２０の冷却を行った場合を示している。また、図２（ａ）及び（ｂ）において、従来技術はスキージの表面にＤＬＣ層を形成せず、かつ冷却装置によるスキージの冷却も行わなかった場合を示している。

図２（ａ）に示す如く、実施例１においては、シート電極の幅方向位置における複数の箇所で、造粒粒子Ｐの目付量を規格内におさめることができた。さらに、図２（ｂ）に示す如く、上記実施形態と同様の実施例２においては、シート電極の幅方向位置における全域で、造粒粒子Ｐの目付量を規格内におさめることができた。即ち、上記比較実験により、本実施形態（実施例２）に係る二次電池の電極製造装置においては、シート電極における活物質等の厚さの品質精度をより向上させることができることが実証できたのである。

次に、図３を用いて、別実施形態に係る二次電池の電極製造装置の塗布工程部について説明する。
本実施形態においては、前記実施形態と略同様の構成については同符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態は左右対称となる構成であるため、以下では主に右側の構成のみを説明し、左側の構成の説明は省略する。

本実施形態に係る二次電池の電極製造装置の塗布工程部は、図３に示す如く、搬送経路に沿って搬送される集電箔Ｌ２の両側の表面に対して、造粒粒子Ｐｒ・Ｐｌを所定の厚さに塗布する。
図３に示すように、本実施形態に係る塗布工程部は、粒子供給器１０ｒ・１０ｌと、スキージ２０ｒ・２０ｌと、大径のローラー４０ｒ・４０ｌと、それぞれのスキージ２０ｒ・２０ｌを冷却する図示しない冷却装置と、を備える。

粒子供給器１０ｒは、ローラー４０ｒの上側に、バインダを含んだ造粒粒子Ｐｒを供給する。矢印ｒに示す如く回転するスキージ２０ｒは、粒子供給器１０ｒによりローラー４０ｒの上側に供給された造粒粒子Ｐｒを定量化する。ローラー４０ｒは図３に示す如く、集電箔Ｌ２の搬送方向（矢印Ａの方向）と直交する方向に軸線を有する大径のローラー状に形成されている。そして、ローラー４０ｒは集電箔Ｌ２から所定の距離を保って、矢印Ｒに示す如く回転している。また、スキージ２０ｒはローラー４０ｒから所定の距離を保って、矢印ｒに示す如く回転している。上記構成において、スキージ２０ｒは上流側から流れてくる造粒粒子Ｐｒを所定の厚さに揃えることにより、ローラー４０ｒ及び集電箔Ｌ２の右側面における造粒粒子Ｐｒを定量化しているのである。そして、冷却装置は、前記実施形態と同様に、スキージ２０ｒ・２０ｌを雰囲気温度以下に冷却している。

このように、本実施形態に係る二次電池の電極製造装置によっても、集電箔Ｌ２に造粒粒子Ｐｒ・Ｐｌを塗布する際に、スキージ２０ｒ・２０ｌと造粒粒子Ｐとの接触部を雰囲気温度以下の温度に冷却することができ、造粒粒子Ｐｒ・Ｐｌの内部に含まれるバインダの結着性が高くなることを抑止できる。これにより、造粒粒子がスキージ２０ｒ・２０ｌに付着して、シート電極における造粒粒子Ｐｒ・Ｐｌの厚さの品質精度にばらつきが生じることを防ぐことができるのである。つまり、本実施形態によれば、シート電極における活物質等の厚さの品質精度を向上させることができるのである。

１０ 粒子供給器
２０ スキージ（ローラー）
３０ 冷却装置（冷却ポンプ）
Ｌ１ 集電箔
Ｐ 造粒粒子

Claims (6)

1. 集電箔上に、アクリル系樹脂又はスチレンブタジエンゴムであるバインダ、電極構成物を構成する活物質、導電材、および有機溶剤又は水を含むペーストの乾燥物である造粒粒子を供給する粒子供給器と、
   前記粒子供給器により前記集電箔上に供給された前記造粒粒子を定量化するスキージと、
   前記スキージを雰囲気温度以下に冷却する冷却装置と、を備える、
   ことを特徴とする、リチウムイオン二次電池の電極製造装置。
2. 前記スキージは中空のローラーであり、
   前記冷却装置は前記ローラーの中空部に冷却液を循環させることにより前記スキージを冷却する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池の電極製造装置。
3. 前記スキージの表面における前記集電箔と対向する側には、ダイヤモンドライクカーボン層が形成されている、
   ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のリチウムイオン二次電池の電極製造装置。
4. 集電箔上に、アクリル系樹脂又はスチレンブタジエンゴムであるバインダ、電極構成物を構成する活物質、導電材、および有機溶剤又は水を含むペーストの乾燥物である造粒粒子を供給し、
   前記集電箔上に供給された前記造粒粒子を、雰囲気温度以下に冷却したスキージを用いて定量化する、
   ことを特徴とする、リチウムイオン二次電池の電極製造方法。
5. 前記スキージを中空のローラーで構成し、
   前記ローラーの中空部に冷却液を循環させることにより前記スキージを冷却した状態で前記粒子を定量化する、
   ことを特徴とする、請求項４に記載のリチウムイオン二次電池の電極製造方法。
6. 前記スキージの表面における前記集電箔と対向する側には、ダイヤモンドライクカーボン層が形成されている、
   ことを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載のリチウムイオン二次電池の電極製造方法。

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