JP6061419B2

JP6061419B2 - ファイバー状電極の製造設備および製造方法

Info

Publication number: JP6061419B2
Application number: JP2012185608A
Authority: JP
Inventors: 整柚木; 智昭高▲崎▼; 西村　和也; 和也西村; 境　哲男; 哲男境; 史織桂
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: JP2014043602A

Description

本発明は、アルカリ系電池や非水系電池などの電池に使用される、電池の高出力化を可能とするファイバー状の電極を製造するための設備および方法に関する。

近年、エネルギー問題や環境問題の解決策として、車両に蓄電池を搭載するなど、化学電池の用途が拡大しており、これにともなって、電池の高出力化が求められている。従来、電極構造として、例えばブロック状、プレート状、シート状などの構造が一般的に用いられてきたが、さらなる電池の高出力化を実現するための電極構造として、炭素繊維のようなファイバー状材料を集電体とし、その表面に活物質層を形成して作製したファイバー状電極が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ファイバー状電極の製造工程においては、芯体となる炭素繊維などのファイバー状材料の一本一本に均一に活物質層を形成するための準備工程として、ファイバー状材料の束を開繊する工程が必要とされる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−３１７７９４号公報特許第３０６４０１９号明細書

しかし、電極の製造工程においては、集電体として機能するファイバー状材料の束をいったん開繊した後も、導電層や活物質層の形成工程、洗浄工程等、多くの工程を経ることになる。これらの開繊工程の後工程では、ファイバー状材料を種々の液体に浸漬させる場合があり、液の表面張力などに起因して、ファイバー状材料同士が再付着し、開繊状態を保持することが困難となる。その結果、活物質層を均一に形成できないという問題があった。一方で、開繊の後工程で開繊状態を維持するために、ファイバー状材料にテンションを付与することが考えられるが、過大なテンションを付与すれば、ファイバー状材料の破断や毛羽立ちが発生し、やはり均一な活物質層の形成が困難となる。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、ファイバー状材料の開繊状態を保持して活物質層を均一に形成することができるファイバー状電極の製造設備および製造方法を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係るファイバー状電極製造設備は、電池に使用されるファイバー状の電極を製造する設備であって、前記ファイバー状電極の芯体であるファイバー状集電体の束を開繊する開繊ユニットと、前記開繊ユニットによって開繊された前記ファイバー状集電体上に活物質層を形成して前記ファイバー状電極を作製する電極作製ユニットとを備え、前記電極作製ユニットが、前記ファイバー状集電体またはファイバー状電極の開繊状態を保持しながら搬送する開繊状態保持装置を有している。また、本発明に係るファイバー状電極製造方法は、前記ファイバー状電極の芯体であるファイバー状集電体の束を開繊する開繊工程と、前記開繊ユニットによって開繊された前記ファイバー状集電体上に活物質層を形成して前記ファイバー状電極を作製する電極作製工程とを備え、前記電極作製工程が、前記ファイバー状集電体またはファイバー状電極の開繊状態を保持しながら搬送する工程を有している。

この構成によれば、開繊ユニットによって開繊されたファイバー状集電体またはファイバー状電極が、その後の電極作製ユニットによる工程においても開繊状態を保持しながら活物質層を形成できるので、ファイバー状集電体の１本１本に均一に活物質層を形成することができる。

本発明の一実施形態に係る製造設備において、前記電極作製ユニットが、前記開繊されたファイバー状集電体に金属めっきを施すめっき装置を有しており、少なくとも該めっき装置の下流に前記開繊状態保持装置が設けられていることが好ましい。ファイバー状集電体上に金属めっき被膜を形成することにより、ファイバー状電極の導電性を向上させることができる一方で、めっき工程を経た後のファイバー状集電体は、めっき液の表面張力により互いに付着し易くなり、開繊状態の維持が特に困難となる場合がある。そこで、めっき装置の下流に開繊状態保持装置を設けることにより、電極の導電性を向上させながら、均一な活物質層の形成が可能となる。

本発明の一実施形態に係る製造設備において、前記開繊状態保持装置は、回転可能に支持され、互いに平行に配置された３つ以上の同径の搬送ローラからなる搬送ローラ列を有し、該搬送ローラ列の両端に位置する搬送ローラの回転軸心を含む平面と、前記搬送ローラ列の各搬送ローラの回転軸心との距離が、搬送ローラ径をＤとしてＤ／３以下に設定されていることが好ましい。この構成によれば、ファイバー状集電体を、３つ以上の搬送ローラを有する搬送ローラ列を通すことにより、ファイバー状集電体に適度なテンションを与えて開繊状態を保持することができる。しかも、各搬送ローラは、ローラ径Ｄに対してＤ／３以下という、水平に近い状態で配置されているので、過大なテンションによってファイバー状集電体に破断や毛羽立ちが発生することを防止できる。

本発明の一実施形態に係るファイバー状電極製造設備において、前記開繊ユニットが、前記ファイバー状集電体束を吸引することにより開繊する吸引器を有しており、該吸引器が、前記ファイバー状集電体を開繊方向における互いに反対の向きに吸引する２つの開繊方向吸引口と、前記ファイバー状集電体の進行方向に吸引する長手方向吸引口とを有することが好ましい。この構成によれば、ファイバー状集電体が、主として２つの開繊方向吸引口からの吸引によって開繊されるとともに、長手方向吸引口からの吸引を加えることにより、より均一に開繊することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るファイバー状電極製造設備において、前記開繊ユニットが、前記ファイバー状集電体束に付着している収束剤を加熱して除去する収束剤加熱器を有していることが好ましい。この構成によれば、収束剤を短時間で除去して、電極の材料として適切な物性を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るファイバー状電極製造設備において、前記開繊ユニットが、回転不能に支持された互いに平行な複数の円柱状部材を含む、前記ファイバー状集電体束にテンションを付与するテンション付与機構を有していることが好ましい。この構成によれば、ファイバー状集電体を回転不能に固定された円柱状部材を通過させることにより、ファイバー状集電体束に適度なテンションを付与して、ファイバー状集電体束の捩れを効果的に防止できる。これにより、ファイバー状集電体の破断や毛羽立ちが防止され、効率的に開繊を行うことができる。

本発明の一実施形態において、前記テンション付与機構が、前記ファイバー状集電体の進行方向に平行に往復運動可能に設けられていることが好ましい。この構成によれば、ファイバー状集電体束に対して扁平状に広げる力が働いて扁平に加工できるうえ、より効果的に捩れが抑制され、またテンションが保持される。

また、前記テンション付与機構の往復運動の速度が２ｃｍ／ｓ以下に設定されていることが好ましい。この構成によれば、往復運動の摩擦によるファイバー状集電体の破断や毛羽立ちが防止される。

本発明の一実施形態に係るファイバー状電極製造設備において、前記電極作製ユニットが、前記ファイバー状集電体上に電解析出によって活物質層を形成する電解析出装置を有しており、当該電解析出装置が、電解析出処理を行う電解析出槽と、該電解析出層内の電解析出液を循環させる循環機構を有していることが好ましい。前記電解析出槽の電解析出液の温度は、例えば、２０〜８０℃の範囲内にあることが好ましい。このように構成することにより、電解析出槽の電解析出液の組成変化を抑制し、ｐＨなどの液性状を維持しながら電解析出処理を行うことができるので、一定の品質の電極を長時間にわたって連続的に製造することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るファイバー状電極製造設備において、前記電池がアルカリ系電池である場合、前記ファイバー状集電体上に電解析出によって活物質層を形成する電解析出装置と、該電解析出装置で電解析出処理を施されたファイバー状電極を直接導入してアルカリ洗浄を行なうアルカリ洗浄装置とを有することが好ましい。ここで、「電解析出処理を施されたファイバー状電極を直接導入して」とは、途中で水洗工程などの他の工程を経ることなくアルカリ洗浄装置に導入すること意味する。電解析出処理後のファイバー状電極をアルカリ洗浄することにより、電解析出によりファイバー状集電体上に形成された析出物が、アルカリとの反応により活物質層として定着する。ただし、電解析出処理後のファイバー状電極をアルカリ洗浄する前に水洗すると、電解析出した活物質の一部が、活物質層として安定化する前に洗い流されてしまう。しかし、電解析出装置から導出されたファイバー状電極を、途中で水洗工程などの他の工程を経ることなく直接アルカリ洗浄装置に導入してアルカリ洗浄することにより、電解析出処理によって得られた活物質を、ファイバー状集電体上で確実に活物質層として定着させることができる。

本発明の一実施形態に係るファイバー状電極製造設備において、前記電極作製ユニットが、前記ファイバー状集電体上にスラリーを塗布することによって活物質層を形成するスラリー塗布装置を有していてもよい。この構成によれば、ファイバー状電極の製造速度を大幅に向上させることができる。また、この構成により、水素吸蔵合金のようにめっき法によって析出しにくい材料であっても、粉末状材料の塗布によってファイバー状電極の作製が可能となり、例えば、ニッケル水素二次電池の負極やリチウムイオン電池の正極、負極などの製造に用いる粉体を用いて、容易にニッケル水素二次電池の負極やリチウムイオン電池の正極、負極に用いるファイバー状電極を作製できる。

以上のように、本発明に係るファイバー状電極製造設備によれば、ファイバー状材料の開繊状態を保持して活物質層を均一に形成することが可能になる。

本発明の第１実施形態に係るファイバー状電極の製造設備の概略構成を示すブロック図である。図１の製造設備の予備開繊装置の構成を示す図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が平面図である。図１の製造設備の開繊装置の概略構成を示す側面図である。図１の製造設備の開繊装置の概略構成を示す平面図である。図３の開繊装置の一変形例を示す側面図である。図１の製造設備の電極作製ユニットを示す概略構成図である。図６の開繊状態保持装置の要部を示す概略図である。本発明の第２実施形態に係る製造設備の要部を示す概略図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１に、本発明の第１実施形態に係るファイバー状電極の製造設備Ｍの概略構成を示す。この製造設備Ｍは、電池（本実施形態の例では、アルカリ系電池であるニッケル水素２次電池）に使用されるファイバー状の電極を製造する装置であり、ファイバー状電極の芯体であるファイバー状の集電体の束を開繊する開繊ユニット１と、開繊ユニットによって開繊されたファイバー状集電体上に活物質層を形成する電極作製ユニット３とを備えている。

なお、ファイバー状集電体としては、導電性のファイバー状素材、例えばカーボンファイバーが好ましく、その他に、例えばニッケル線、銅線、アルミニウム線、鋼線、金属被覆したポリオレフィン等を使用することができる。

開繊ユニット１は、ファイバー状集電体の束が巻き付けられたボビンからファイバー状集電体束を巻き出して、ファイバー状集電体束１３を開繊し易い状態にする予備開繊装置５と、予備開繊装置５を通過したファイバー状集電体束を開繊する開繊装置７とを有している。

図２に予備開繊装置５の構成を示す。なお、以下の説明において、製造設備Ｍにおけるファイバー状集電体１１の進行方向（つまりファイバー状集電体１１の長手方向）を縦方向Ｘと呼び、ファイバー状集電体束が開繊される方向を横方向Ｙと呼ぶ場合がある。

予備開繊装置５において、ファイバー状集電体１１の束１３は、巻出し器１５から巻き出され、複数の予備開繊搬送ローラ１７によって搬送された後、Ｕ字形の案内フック１９によって横方向Ｙの中央部に案内される。本実施形態の巻出し器１５は、ファイバー状集電体束１３が巻き付けられた巻出しロール２１と、巻出しロール２１を回転可能に支持する巻出し支持台２３とからなる。図２（ｂ）に示すように、巻出し支持台２３は、巻出しロール２１の回転軸心に直交する回動軸心Ｃ１に対して回動可能に設置されている。ファイバー状集電体束１３が巻出しロール２１から巻き出される際、巻出しロール２１状の巻出し位置が横方向Ｙに変化するので、この巻出し位置変化に応じて巻出し支持台２３を回動させることにより、ファイバー状集電体束１３のテンションを調整することができる。

案内フック１９で中央部に寄せられたファイバー状集電体束１３は、複数（図示の例では３つ）の固定バー２５を通過した後に、収束剤燃焼器２７に進入する。各固定バー２５は、回転不能に設けられた円柱状の部材である。図示の例では、複数の固定バー２５が、横方向Ｙの両端に位置する固定板２９にはしご状に、つまり、同一の軸心方向位置に互いに平行に固定されている。互いに平行に配置された複数の固定バー２５をファイバー状集電体束１３が通過することにより、ファイバー状集電体束１３に適度なテンションが付与される。すなわち、上記複数の固定バー２５は、ファイバー状集電体束１３にテンションを付与するテンション付与機構として機能し、ファイバー状集電体束１３の捩れを抑制し、予備的に開繊する。

さらに、複数の固定バー２５は、上記のように固定板２９にはしご状に固定された状態で、縦方向Ｘに一体に往復運動可能に設けられている。複数の固定バー２５を縦方向Ｘに往復運動させることにより、ファイバー状集電体束１３に対して扁平状に広げる力が働いて扁平に加工できるうえ、より効果的に捩れが抑制され、またテンションが保持される。固定バー２５の往復運動の摩擦によるファイバー状集電体１１の破断や毛羽立ちを防止するために、往復運動の速度は２ｃｍ／ｓ以下であることが好ましい。

ボビンに巻き取られた状態のファイバー状集電体束１３には、多数のファイバー状集電体１１を相互に結着させて束状に収束する収束剤が付着している場合がある。このような場合には、ファイバー状集電体１１に付着した収束剤を除去することにより、ファイバー状電極に加工した後の電極の電気伝導性が低下することを防止でき、より優れた性能の電極を得ることができる。収束剤燃焼器２７は、ファイバー状集電体束１３を加熱することによりファイバー状集電体１１に付着した収束剤を燃焼させて除去するものであり、例えば電気炉が収束剤燃焼器２７として用いられる。収束剤燃焼器２７として用いられる電気炉は、ファイバー状集電体１１の進行方向Ｘにほぼ平行な軸心を有する円筒形状を有している。

本実施形態では、収束剤が除去される前のファイバー状集電体束１３は、上記の３本の固定バー２５の上部または下部を交互に通過する。図示の例では、ファイバー状集電体束１３は、最上流の第１の固定バー２５の下部、その下流の第２の固定バー２５の上部、最下流の第３の固定バー２５の下部の順に通過する。このように、固定バー２５からなるテンション付与機構を収束剤燃焼器２７の上流に配置して、収束剤燃焼器２７内に進入する前段階のファイバー状集電体束１３の捩れを防止しているので、収束剤燃焼器２７に進入する際に、収束剤燃焼器２７を構成する部材に接触することによるファイバー状集電体１１の破断や毛羽立ちが防止される。

予備開繊装置５で結束剤が除去され、各ファイバー状集電体１１が互いに結着しない状態となったファイバー状集電体束１３は、図３に示す開繊装置７に搬送される。本実施形態の開繊装置７は、ファイバー状集電体束１３を下方から吸引することにより開繊する。具体的には、開繊装置７は、ファイバー状集電体束１３を支持および搬送する搬送機構３１と、搬送機構３１の下方に設けられた吸引器３３とを有している。図４に示すように、吸引器３３は、２つ（１対）の横方向（開繊方向）吸引口３５，３５および１つの縦方向（長手方向）吸引口３７の、計３つの吸引口を有している。

２つの横方向吸引口３５，３５は、搬送機構３１の下方で、横方向Ｙに並べて配置されている。これら１対の横方向吸引口３５，３５は、それぞれがファイバー状集電体束１３の横方向Ｙにおける中央部を向くように、互いに逆向きに傾けて設置されている。一方、縦方向吸引口３７は、２つの横方向吸引口３５，３５の下流側に配置されており、上流側を向くように縦方向Ｘに傾けて配置されている。

ファイバー状集電体束１３は、主として２つの横方向吸引口３５，３５からの吸引によって開繊されるとともに、縦方向吸引口３７からの吸引により縦方向Ｘに引っ張られることによって、横方向Ｙに均一に広がる。なお、このように、縦方向吸引口３７は、主としてファイバー状集電体束１３を均一に開繊させるために設けられているので、縦方向吸引口３７の吸引力は、横方向吸引口それぞれの吸引力よりも小さい値、例えば１／２程度に設定することが好ましい。

また、本実施形態の変形例として、図５に示すように、吸引器３３に追加して、または吸引器３３の代わりに、ファイバー状集電体束１３に対して上方から断続的に空気を吹き付ける断続ブロワ機構３９を設けてもよい。図示の例では、連続的に吹付を行うブロワ３９ａの吹き出し口に開閉可能なシャッター３９ｂを設けることにより、断続ブロワ３９を構成している。ファイバー状集電体束１３に連続的に空気を吹き付けることにより開繊を行うと、吹き付けた空気流により発生する乱流の影響で均一に開繊することが困難になるが、この例のように断続的に空気を吹き付けることにより、均一に開繊することができる。

さらには、開繊装置７の搬送機構３１の上流部に、ファイバー状集電体束１３のテンションを調整するテンション調整機構４１を設けてもよい。図示の例では、テンション調整機構４１として、ファイバー状集電体束１３に対して上下方向に、つまり進行方向Ｘおよび開繊方向Ｙに直交する方向Ｚに進退可能なスライド機構を使用している。

なお、本実施形態では、吸引器３３として、図４に示す２つ（１対）の横方向吸引口３５，３５および１つの縦方向吸引口３７の、計３つの吸引口を有する構成のものを説明したが、吸引器３３は少なくとも１対の横方向吸引口３５，３５を有していればよい。２つの横方向吸引口３５，３５のみを用いて吸引しても、１つの吸引口３７を用いる場合に比べて効率的かつ均一に開繊できる。

次に、電極作製ユニット３の構成について説明する。図６に示すように、電極作製ユニット３は、開繊されたファイバー状集電体１１の表面に金属めっきによる被膜層を形成するめっき装置５１と、めっき装置５１を経たファイバー状集電体１１を、開繊された状態を保持しながら後工程に搬送する開繊状態保持装置５３と、ファイバー状集電体上（この例では、めっき装置５１で形成された金属被膜層上）に、活物質層を形成する活物質層形成装置５５を主要な構成要素として備えている。

めっき装置５１は、ファイバー状集電体１１に金属めっき処理を施すめっき浴槽５７と、めっき浴槽５７への導入部に設けられてファイバー状集電体１１をめっき浴槽５７内へ案内するめっき浴槽導入ローラ５９と、めっき浴槽５７からの導出部に設けられて、めっき処理が施されたファイバー状集電体１１をめっき浴槽５７外へ導出するめっき浴槽導出ローラ６１とを備えている。めっき浴槽５７の内部には、めっき浴槽５７内でファイバー状集電体を搬送する上流側搬送ローラ６３および下流側搬送ローラ６５が設けられている。図示の例では、ファイバー状集電体１１は、めっき浴槽導入ローラ５９の上部から、上流側搬送ローラ６３の下部、下流側搬送ローラ６５の下部、めっき浴槽導出ローラ６１の上部の順に通過する。なお、本実施形態では、めっき装置５１によってニッケルめっきを施す。めっき浴槽５７で使用するめっき溶液として、アミド硫酸ニッケル（スルファミン酸ニッケル）水溶液をベースとしてホウ酸や塩化ニッケルなどを添加したものを使用する。硫酸ニッケルをベースとしたワット浴も使用可能である。均一なめっき層を得るために、めっき浴温度の好ましい範囲は４０〜８０℃である。めっき浴温度が高くなりすぎると、水の蒸発の影響による液濃度変化が懸念される。具体的には、めっき液濃度が上昇すると、めっき量が減少し、逆にめっき液濃度が低下すると、めっき量が増大する。その結果、めっき量が集電体上で不均一となり、集電体上の場所によって電気導電性も不均一となるので、後述する電解析出による活物質の析出量が不均一となる。したがって、同一ロットの電極を用いて製造した電池であっても、電池ごと実容量のばらつきが大きくなる。このため、めっき量を一定に保持できれば、必要以上に温度を上げなくてよい。このことから、めっき浴温度のより好ましい範囲は４０〜６０℃である。

本実施形態に係る活物質層形成装置５５は、電解析出によってファイバー状集電体１１上に活物質層を形成する電解析出装置５５Ａとして構成されている。具体的には、活物質層形成装置５５（電解析出装置５５Ａ）は、ファイバー状集電体１１に電解析出処理を施す活物質層形成槽６７（電解析出浴槽６７Ａ）と、電解析出浴槽６７Ａへの導入部に設けられてファイバー状集電体を電解析出浴槽６７Ａ内へ案内する電解析出浴槽導入ローラ６９と、電解析出浴槽６７Ａからの導出部に設けられて、電解析出処理が施されたファイバー状集電体（電極）１１を電解析出浴槽６７Ａ外へ導出する電解析出浴槽導出ローラ７１とを備えている。電解析出浴槽６７Ａの内部には、電解析出浴槽６７Ａ内でファイバー状集電体１１を搬送する上流側搬送ローラ７３および下流側搬送ローラ７５が設けられている。図示の例では、ファイバー状集電体１１は、電解析出浴槽導入ローラ６９の上部から、上流側搬送ローラ７３の下部、下流側搬送ローラ７５の下部、電解析出浴槽導出ローラ７１の上部の順に通過する。

また、同図に示すように、電解析出浴槽６７Ａには、電解析出液を循環させる循環機構７７が設けられている。循環機構７７は省略してもよいが、循環機構７７を設けることにより、電解析出浴槽６７Ａ内の電解析出液の組成変化を抑制し、ｐＨなどの液性状を維持しながら電解析出処理を行うことができるので、一定の品質の電極を長時間にわたって連続的に製造することが可能となる。

なお、本実施形態における電解析出では、活物質層として水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２）を形成する。そのために電解析出浴槽６７Ａで使用する電解析出液として、硝酸ニッケル溶液を使用している。また、電解析出液の温度の好ましい範囲は２０〜８０℃である。電解析出液の温度によって、付着した活物質の電池特性が影響を受ける場合がある。例えば、低温で電解析出した場合でも、析出量は一定に保たれるが、得られた電極の放電容量が低下する傾向にある。また、低温では電解析出にムラが生じ、品質の良い電極の製造が困難になる。このため、適度に温度を上げた方がよく、電解析出液の温度のより好ましい範囲は４０〜８０℃である。また、電解析出液の温度が高くても、電解析出量は一定に保たれる傾向があるが、めっき液の場合と同様に、濃度変化や液量変化の影響を受けやすく、場所によって活物質の析出量が変化し、電池容量のばらつきが生じ易い。したがって、必要以上に温度を上げるのは好ましくなく、電解析出液の温度のさらに好ましい範囲は４０℃〜６０℃である。

また、電解析出時には、電解析出時にＮＯ_３ ⁻（硝酸イオン）が分解されてアンモニア（アルカリ）が発生するためｐＨが高くなりやすいので、硝酸を滴下するなどしてｐＨを調整することが好ましい。ｐＨが酸性よりにシフトして３を下回ると酸性が強くなり、電解析出量が減少する。一方、ｐＨ調整を行わずに電解析出を続けると、アルカリ側にシフトしてｐＨが上昇し続け、ｐＨが６．５を超えると沈殿が生じて液の濃度変化の影響を受ける。したがって、ｐＨは３〜６．５の範囲にあることが好ましい。もっとも、電解析出液のｐＨは変動し易いので、電解析出量を一定に保持でき、かつｐＨ変動が生じても電解析出量に影響を及ぼさない範囲として、電解析出液のｐＨは４〜６の範囲にあることがより好ましく、４〜５．５の範囲にあることがさらに好ましい。上述のように循環機構７７を設けて電解析出液を循環させることは、液に流れを生じさせて、上記の滴下した硝酸を電解析出液全体に均一に行き渡らせる点からも好ましい。

めっき装置５１と活物質層形成装置５５との間には、開繊状態保持装置５３が設けられている。開繊状態保持装置５３は、具体的には、回転可能に設けられた複数（本実施形態では５つ）の搬送ローラ８１からなる搬送ローラ列８３によってファイバー状集電体束１３の開繊状態を保持しながら搬送する。本実施形態において、図７に示すように、搬送ローラ列８３を構成する各搬送ローラ８１は同一のローラ径Ｄを有しており、かつ、各搬送ローラ８１は、その回転軸心Ｃ２が、両端に位置する搬送ローラ８１，８１の回転軸心Ｃ２を含む平面Ｐ１からの距離Ｓ１がＤ／３以下となるように配置される。各搬送ローラ８１の回転軸心Ｃ２の平面Ｐ１からの距離Ｓ１のより好ましい範囲はＤ／５以下であり、図６の例では、すべての搬送ローラ８１の回転軸心Ｃ２がほぼ同一平面内に位置するように配置されている。

さらに、図７に示すように、各搬送ローラ８１は、めっき浴槽５７の導出ローラの回転軸心と電解析出浴槽６７Ａの導入ローラの回転軸心とを含む平面Ｐ２からの距離Ｓ２がＤ／３以下となるように配置されている。各搬送ローラの回転軸心の線分Ｌ２からの距離Ｓ２のより好ましい範囲はＤ／５以下であり、図６の例では、すべての搬送ローラの回転軸心Ｃ２がほぼ平面Ｐ２内に位置するように配置されている。

なお、開繊状態保持装置５３は、搬送ローラ列８３の下流に、さらに乾燥器および開繊機構を備えていてもよい。また、開繊状態保持装置５３において、ファイバー状集電体束１１を液滴によって水洗することが好ましい。

活物質層形成装置５５の下流には、さらに、アルカリ洗浄装置８５が設けられている。アルカリ洗浄装置８５は、ファイバー状集電体に電解析出処理を施すアルカリ洗浄浴槽８７と、アルカリ洗浄浴槽８７への導入部に設けられてファイバー状集電体をアルカリ洗浄浴槽８７内へ案内するアルカリ洗浄浴槽導入ローラ８９と、アルカリ洗浄浴槽８７からの導出部に設けられて、アルカリ洗浄処理が施されたファイバー状電極１１をアルカリ洗浄浴槽８７外へ導出するアルカリ洗浄浴槽導出ローラ９１とを備えている。

アルカリ洗浄装置８５において、電解析出処理後のファイバー状電極１１を、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムのようなアルカリ溶液（ｐＨ１２〜１４程度）でアルカリ洗浄することにより、電解析出により形成された析出物が、アルカリとの反応により活物質層（水酸化ニッケル）として定着する。ただし、電解析出処理後のファイバー状電極１１をアルカリ洗浄する前に水洗すると、電解析出した活物質の一部が、活物質層として安定化する前に洗い流されてしまう。本実施形態では、電解析出装置５５Ａから導出されたファイバー状電極を、直接、つまり途中で水洗工程などの他の工程を経ることなくアルカリ洗浄装置８５に導入してアルカリ洗浄するので、電解析出処理によって得られた活物質を、ファイバー状集電体１１上で確実に活物質層として定着させることができる。

アルカリ洗浄装置８５の下流には、超音波洗浄装置９３が設けられている。超音波洗浄装置９３では、ファイバー状電極を水浴させた状態で超音波洗浄を施すことにより、保持力の弱い水酸化ニッケルを振るい落とす。

なお、図６に示すように、開繊状態保持装置５３は、アルカリ洗浄装置８５と超音波洗浄装置９３との間、および超音波洗浄装置９３の下流にも設けられている。このように、開繊状態保持装置５３は、電極作製ユニット３内のどのような位置に設けてもよいが、特には、少なくともめっき装置５１の下流に設けることが好ましい。ファイバー状集電体１１上に金属めっき被膜を形成することにより、ファイバー状電極の導電性を向上させることができる一方で、めっき工程を経た後のファイバー状集電体１１は、めっき液の表面張力により互いに付着し易くなり、開繊状態の維持が特に困難となる。そこで、めっき装置５１の下流に開繊状態保持装置を設けることにより、電極の導電性を向上させながら、均一な活物質層の形成が可能となる。

本実施形態に係る製造設備Ｍおよびこれを用いる製造方法によれば、開繊ユニットによって開繊されたファイバー状集電体束１３が、その後の電極作製ユニットにおける工程においても開繊状態を保持しながら活物質層を形成できるので、ファイバー状集電体１１の１本１本に均一に活物質層を形成することができる。

図８に、本発明の第２実施形態に係るファイバー状電極製造設備Ｍの要部を示す。この第２実施形態では、図１の第１実施形態における電極作製ユニットの活物質層形成装置５５として、第１実施形態の電解析出装置５５Ａの代わりに、図８に示すスラリー塗布装置５５Ｂを使用する。スラリー塗布装置５５Ｂは、電極の活物質をバインダ、増粘剤、導電剤などとともにペースト状に調整したスラリーを、開繊されたファイバー状集電体１１の表面に塗布することにより、ファイバー状集電体１１上に活物質層を形成する。

具体的には、活物質層形成装置５５（スラリー塗布装置５５Ｂ）は、ファイバー状集電体をスラリーに浸漬してスラリーを塗布する活物質層形成槽６７（スラリー浸漬槽６７Ｂ）を備えている。スラリー浸漬槽６７Ｂの導出部付近には、ドクターブレードやスクレーパなどの、余分なスラリーを除去する除去機構９５が設けられており、この除去機構９５を通すことにより、スラリーの塗布量を調整する。スラリー塗布装置５５Ｂを通過したファイバー状集電体１１を、スラリー乾燥機９７によって乾燥することにより、活物質層が定着する。

また、本実施形態では、めっき装置５１の下流の開繊状態保持装置５３において、水滴による水洗を行う。さらに、開繊状態保持装置５３とスラリー塗布装置５５Ｂとの間には、第１実施形態と同様、乾燥器および開繊機構を設けて、めっき処理した後に乾燥し、その後再び開繊してもよい。

本実施形態のように、活物質層を形成するために、スラリー塗布装置５５Ｂを設けてスラリー塗布を行うことにより、電解析出によって活物質層を形成する場合に比べて電極の製造速度を大幅に向上させることができる。また、スラリー塗布装置５５Ｂによれば、水素吸蔵合金や炭素粉末のような粉末状材料の塗布が可能となり、例えば、ニッケル水素二次電池の負極のように、メッキもしくは電解析出が難しい材料のファイバー電極製造も可能である。

なお、上記の各実施形態においては、主としてニッケル水素二次電池に使用する電極（正極）を製造する装置を例として説明したが、本発明は、これに限らず、各種一次電池および二次電池、例えば、マンガン電池、銀亜鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル亜鉛電池、ニッケル鉄電池のほか、リチウムイオン電池のような非水系電池などに使用する電極（正極および負極）の製造設備にも適用することが可能である。

例えば、本発明の製造設備、製造方法をリチウムイオン電池用のファイバー状電極に適用する実施形態においては、ファイバー状集電体１１にめっき装置５１によってアルミニウム、銅等のめっき層を形成してもよい。Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎなどの水酸化物や酸化物をカーボンファイバー上に電解析出させた後、Ｌｉ塩中で水熱処理することによってもリチウム電池用正極が得られる。また、負極用のＣｕ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｓｎ合金を析出させる場合には、カーボンファイバー上に電気めっきすればよい。また、カーボンファイバー自体が負極として機能する。

また、本発明の範囲には含まれないが、上記の予備開繊装置（工程）、開繊装置（工程）、活物質層形成装置（工程）、アルカリ洗浄装置（工程）等の各装置・工程のいずれかを含む製造設備・製造方法は、本発明で必須の構成要件とした開繊状態保持装置と組み合わせなくとも、上述したそれぞれの効果を奏する。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１開繊ユニット
３電極作製ユニット
５予備開繊装置
７開繊装置
１１ファイバー状集電体
１３ファイバー状集電体束
５１めっき装置
５３開繊状態保持装置
５５活物質層形成装置
８１搬送ローラ
８３搬送ローラ列
８５アルカリ洗浄装置
Ｃ２搬送ローラの回転軸心
Ｄ搬送ローラ径
Ｍ製造設備
Ｐ１両端に位置する搬送ローラの回転軸心Ｃ２を含む平面
Ｓ１両端に位置する搬送ローラの回転軸心を含む平面と搬送ローラの回転軸心との距離

Claims

電池に使用されるファイバー状の電極を製造する設備であって、
前記ファイバー状電極の芯体であるファイバー状集電体の束を開繊する開繊ユニットと、
前記開繊ユニットによって開繊された前記ファイバー状集電体上に活物質層を形成して前記ファイバー状電極を作製する電極作製ユニットとを備え、
前記開繊ユニットが、前記ファイバー状集電体束を吸引することにより開繊する吸引器を有しており、該吸引器が、前記ファイバー状集電体を開繊方向における互いに反対の向きに吸引する２つの開繊方向吸引口と、前記ファイバー状集電体の進行方向に吸引する長手方向吸引口とを有しており、
前記電極作製ユニットが、前記ファイバー状集電体束の開繊状態を保持しながら搬送する開繊状態保持装置を有している
ファイバー状電極の製造設備。
請求項１において、前記電極作製ユニットが、前記開繊されたファイバー状集電体に金属めっきを施すめっき装置を有しており、少なくとも該めっき装置の下流に前記開繊状態保持装置が設けられているファイバー状電極の製造設備。
請求項１または２において、前記開繊状態保持装置は、回転可能に支持され、互いに平行に配置された３つ以上の同径の搬送ローラからなる搬送ローラ列を有し、該搬送ローラ列の両端に位置する搬送ローラの回転軸心を含む平面と、前記搬送ローラ列の各搬送ローラの回転軸心との距離が、搬送ローラ径をＤとしてＤ／３以下に設定されているファイバー状電極の製造設備。
請求項１から３のいずれか一項において、前記開繊ユニットが、前記ファイバー状集電体束に付着している収束剤を加熱して除去する収束剤加熱器を有しているファイバー状電極の製造設備。
請求項１から４のいずれか一項において、前記開繊ユニットが、回転不能に支持された互いに平行な複数の円柱状部材を含む、前記ファイバー状集電体束にテンションを付与するテンション付与機構を有しているファイバー状電極の製造設備。
請求項５において、前記テンション付与機構が、前記ファイバー状集電体の進行方向に平行に往復運動可能に設けられているファイバー状電極の製造設備。
請求項６において、前記テンション付与機構の往復運動の速度が２ｃｍ／ｓ以下に設定されているファイバー状電極の製造設備。
請求項１から５のいずれか一項において、前記電極作製ユニットが、前記ファイバー状集電体上に電解析出によって活物質層を形成する電解析出装置を有しており、当該電解析出装置が、電解析出処理を行う電解析出槽と、該電解析出層内の電解析出液を循環させる循環機構を有しているファイバー状電極の製造設備。
請求項８において、前記電解析出槽の電解析出液の温度が２０〜８０℃の範囲内にあるファイバー状電極の製造設備。
請求項１から９のいずれか一項において、前記電池がアルカリ系電池であり、前記電極作製ユニットが、前記ファイバー状集電体上に電解析出によって活物質層を形成する電解析出装置と、該電解析出装置で電解析出処理を施されたファイバー状電極を直接導入してアルカリ洗浄を行なうアルカリ洗浄装置とを有するファイバー状電極の製造設備。
請求項１から５のいずれか一項において、前記電極作製ユニットが、前記ファイバー状集電体上にスラリーを塗布することによって活物質層を形成するスラリー塗布装置を有しているファイバー状電極の製造設備。
電池に使用されるファイバー状の電極を製造する方法であって、
前記ファイバー状電極の芯体であるファイバー状集電体の束を開繊する開繊工程と、
前記開繊工程によって開繊された前記ファイバー状集電体上に活物質層を形成して前記ファイバー状電極を作製する電極作製工程とを備え、
前記開繊工程が、前記ファイバー状集電体を開繊方向における互いに反対の向きに吸引し、かつ、前記ファイバー状集電体の進行方向に吸引することにより、前記ファイバー状集電体束を開繊する工程を有しており、
前記電極作製工程が、前記ファイバー状集電体またはファイバー状電極の開繊状態を保持しながら搬送する工程を有している
ファイバー状電極の製造方法。