JP6391366B2

JP6391366B2 - 電池用極板の製造装置

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Publication number: JP6391366B2
Application number: JP2014171850A
Authority: JP
Inventors: 元井　昌司; 昌司元井; 賢司北島; 野村　和夫; 和夫野村
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-08-26
Also published as: KR20170045217A; KR102473483B1; CN106605320A; CN106605320B; JP2016046213A; WO2016031499A1

Description

本発明は、基材に活物質を含むスラリーを塗布して電池用極板を製造するための製造装置に関する。

例えば、特許文献１のように、電池用極板は、ロールツーロールで送られる基材に、活物質、バインダー、導電助剤及び溶媒を含むスラリーが塗布され、製造される。このようにして製造された電池用極板において、基材上に形成される活物質を含む層の厚さは、電池の充放電量に直接影響を与えることから、特に高容量型の電池（バッテリ）の場合、基材に塗布するスラリーの膜厚管理は非常に重要となる。つまり、スラリーは、基材の幅方向及び送り方向に沿って均一な厚さで塗布される必要がある。

このようなスラリーを基材に塗布するためのダイには、特許文献１に開示されているように、幅方向に長いマニホールド（液溜め部）と、このマニホールドに繋がるスリットとが形成されており、スラリーは、マニホールドに供給され、マニホールドからスリットを通じて基材に対して吐出される。スリットは、基材の幅方向に沿って均一な量でスラリーが吐出されるように均一な隙間寸法で形成されている。

特開平１１−２３３１０２号公報

しかし、上記特許文献１に示すような従来の電池用極板の製造装置では、基材に塗布されたスラリーの塗膜層の膜厚が幅方向にわたって均一になりにくいという問題があった。具体的には、幅方向に長いマニホールドに対し、そのマニホールドに連通してスラリーを供給する流入部は１点にのみ設けられているため、マニホールドにおいてスラリーの流量を幅方向に均一化させるといえどもマニホールド内でのスラリーの圧力は流入部からマニホールドの端部に向かって低くなる傾向がある。そのため、スラリーの流量は流入部近傍で多くなり、図５に示すように基材２に塗布されたスラリー３の塗膜層の形状は、マニホールドの幅方向に関して流入部に近い部分で厚い凸形状となっていた。

特に、電池用極板を製造するために用いるスラリーは粘度が高く、マニホールド内で幅方向に広がりにくいため、上記のようにスラリー３の塗膜層が凸形状になりやすくなり、また、スラリー３を高速で塗布するためにスラリー３の供給速度を増加させると、塗膜層が凸形状になる傾向がますます強くなるおそれがあった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、基材上に平坦度の高い塗膜層を形成することを目的とする。

本発明の電池用極板の製造装置は、幅方向に長くスラリーを溜める空間からなる第１のマニホールドと、当該幅方向に広いスリットを経由して当該第１のマニホールドと繋がり、スラリーを基材に対して吐出する吐出口とが形成されたダイと、前記スリットの途中に設けられた前記幅方向に長い第２のマニホールドと、前記第１のマニホールドに連通している流入部から前記第１のマニホールドにスラリーを供給する供給手段と、を備え、前記第２のマニホールドの容積は、前記第１のマニホールドの容積よりも小さく、前記第２のマニホールド上において前記流入部から前記吐出口への最短経路と交わる部分には、スラリーを流出させることにより前記吐出口からのスラリーの吐出量を調整する調整部が１つ設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、第２のマニホールド上において流入部から吐出口への最短経路と交わる部分には、スラリーを流出させることにより吐出口からのスラリーの吐出量を調整する調整部が１つ設けられていることから、幅方向にわたって吐出口へ流れるスラリーの量を調整部において調整することができ、吐出口からのスラリーの吐出量を幅方向にわたって所定の量に維持して平坦度の高い塗膜層を形成することができる。具体的には、第１のマニホールドからスリットに流れ込む際にスラリーの流量が多くなりやすい流入部から吐出口への最短経路上において、調整部によってスラリーの流量を減らし、吐出口から吐出されるスラリーの流量を幅方向において均一に近づけることが可能である。

また、前記流入部および前記調整部は、前記スリットの中心線に沿って設けられていることが望ましい。

この場合、調整部を機能させずに塗布した場合の塗膜層の厚みが最も厚い部分（流入部近傍）と最も薄い部分（端部近傍）との厚みの差が最も小さくなり、調整部でスラリーの吐出を調整した際に容易に高い平坦度を実現することができる。

また、前記第２のマニホールドは、下部は前記スリットを形成する面と面一の平坦面であり、前記スリットとの接続部より上の部分は角部を有しない形状であっても良い。

この場合、第２のマニホールド内におけるスラリーの滞留を防止することができる。

本発明によれば、基材上に平坦度の高い塗膜層を形成することが可能となる。

本発明の電池用極板の製造装置の概略構成を示す説明図である。図１のａ矢視の断面図である。本実施形態の電池用極板の製造装置によって基材上に形成された塗膜層の形状を示す説明図である。他の実施形態における電池用極板の製造装置の概略構成を示す説明図である。従来の電池用極板の製造装置によって基材上に形成された塗膜層の形状を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、電池用極板の製造装置の概略構成を示す説明図である。この製造装置１は、ロールツーロールで送られる金属箔からなる基材２に、活物質、バインダー、導電助剤及び溶媒を含むスラリー３を塗布するための装置である。この製造装置によれば、塗布したスラリー３を乾燥させることで基材２上に活物質を含む層が形成され、この基材２が所定形状に切断され電池用極板となる。基材２上に形成される活物質を含む層の厚さは、電池の充放電量に直接影響を与えることから、基材２に塗布するスラリー３によって形成される塗膜層の膜厚管理は非常に重要であり、この製造装置１によれば、以下の実施形態において説明するように、スラリー３は、基材２の送り方向に沿って均一な厚さ（均一な塗膜量）で塗布される。なお、基材２の幅方向は、基材２の送り方向に直交する方向であり、図１におけるＹ軸方向がこれに相当する。

製造装置１は、基材２の幅方向に沿って長く構成されたダイ１０と、このダイ１０にスラリー３を供給する供給手段２０とを備えている。ダイ１０において、その長手方向（図１におけるＹ軸方向）を幅方向という。この製造装置１では、ダイ１０に対向するローラ５が設置されており、ダイ１０の幅方向とローラ５の回転中心線の方向とは平行である。基材２は、このローラ５に案内され、基材２とダイ１０（後述のスリット１２の先端）との間隔（隙間）が一定に保たれ、この状態でスラリー３の塗布が行われる。

本実施形態のダイ１０は、先細り形状である第一リップ１３ａを有する第一分割体１３と、先細り形状である第二リップ１４ａを有する第二分割体１４とを、これらの間にシム板１５を挟んで、組み合わせた構成からなる。図２は、図１のａ矢視の断面図である。ダイ１０は、その内部に、幅方向に長い空間からなる第１のマニホールド１１と、この第１のマニホールド１１と繋がるスリット１２とが形成され、また、第一リップ１３ａと第二リップ１４ａとの間には、スリット１２の解放端である吐出口１８が形成されている。すなわち、第１のマニホールド１１と吐出口１８とは、スリット１２を経由して繋がっている。

この構成により、供給手段２０により供給されたスラリー３は、先ず第１のマニホールド１１に溜められ、次に、スリット１２を経由して吐出口１８から吐出される。

スリット１２は、第１のマニホールド１１と同様に幅方向に長く形成されており、スリット１２の幅方向寸法は、シム板１５の内寸Ｗによって決定され、スリット１２の幅方向寸法と略同一の幅方向寸法のスラリー３を、基材２上に塗布することができる。スリット１２の隙間寸法（高さ寸法）は、例えば０．４〜１．５ｍｍである。本実施形態では、スリット１２の隙間方向が上下方向であり、幅方向が水平方向となる姿勢でダイ１０は設置されている。つまり、第１のマニホールド１１とスリット１２とが水平方向に並んで配置される姿勢でダイ１０は設置されている。したがって、第１のマニホールド１１に溜められているスラリー３をスリット１２および吐出口１８を通じて基材２へと流す方向は水平方向となる。

なお、シム板１５の厚さを変更することにより、第１のマニホールド１１内部の圧力（塗工圧力）を調整することができ、この調整によって、様々な特性を有するスラリー３で均一な膜厚の塗工を行うことが可能となる。

また、スラリー３の流れる方向（図１におけるＸ軸方向）におけるスリット１２の途中には、幅方向（Ｙ軸方向）の長さが第１のマニホールドおよびスリット１２と同等である第２のマニホールド２４が設けられている。この第２のマニホールド２４の幅方向の断面積は、第１のマニホールドよりも小さい。すなわち第２のマニホールド２４の容積は、第１のマニホールドより小さい。

また、第２のマニホールド２４の形状は、下部はスリット１２を形成する面と面一の平坦面であり、スリット１２との接続部より上の部分は角部を有しないものとなっている。こうすることにより、第２のマニホールド２４内でスラリー３が滞留しやすい箇所が無いようにしている。

また、ダイ１０の幅方向の中央部であり、スリット１２の中心線上にあたる部分には、流入部１６が設けられており、この流入部１６は、ダイ１０の外部から第１のマニホールド１１へ繋がる貫通孔（流入口）からなる。供給手段２０は、この流入部１６に一端部が接続されている流入パイプ２１と、スラリー３を貯留しているタンク２２と、このタンク２２内のスラリー３を、パイプ２１を通じてダイ１０へ供給するためのポンプ２３とを有している。以上より、供給手段２０は、第１のマニホールド１１に流入部１６からスラリー３を供給することができる。なお、本実施形態では、図１に示すように、流入部１６は、第１のマニホールド１１の底部１７と繋がっており、この底部１７からスラリー３を流入させる構成としている。

そして、第１のマニホールド１１は、供給手段２０から供給されたスラリー３を溜めることができ、第１のマニホールド１１に溜められているスラリー３を、スリット１２を通って吐出口１８からロールツーロールで送られる基材２に対して吐出し、この基材２に対してスラリー３を連続的に塗布することができる。スリット１２の隙間寸法はその幅方向に一定であり、基材２上に塗布されるスラリー３の厚さは幅方向に一定となる。

スラリー３は一定量を供給するポンプによりダイ１０に供給され、この供給量は適宜調整されるが、後述の通りセンサ３６及び制御装置３７によるフィードバック制御により供給が調整される。

また、ダイ１０には圧力センサ（図示せず）が設けられて、この圧力センサは、第１のマニホールド１１のスラリー３の内圧を計測するようにしても良い。そして、この計測結果に基づいて供給手段２０によるスラリー３の供給が制御され、第１のマニホールド１１のスラリー３の内圧を一定に保つ。第１のマニホールド１１で内圧が一定とされるスラリー３は、スリット１２から幅方向全長にわたって均等の量で吐出され、また、前記圧力センサの計測結果に基づいて、スリット１２から吐出されるスラリー３の量が変動しないように制御され、基材２上に塗布されるスラリー３の送り方向の厚さを一定とする。また、図示しないが、パイプ２１の途中にはスラリー３用のフィルタが設けられている。

また、第２のマニホールド２４には、第１のマニホールド１１から吐出口１８へ流されるスラリー３を吐出口１８以外からダイ１０の外部へ流出させる調整部３１が設けられている。本実施形態では、図２に鎖線で示したスリット１２の中心線上にあたる部分に、調整部３１が設けられている。ここで、上記の通り流入部１６もスリット１２の中心線上に設けられており、すなわち、調整部３１は流入部１６から吐出口１８への最短経路と第２のマニホールド２４とが交わる部分に設けられている。

調整部３１は、スリット１２とダイ１０の外部とを繋ぐ貫通孔と、貫通孔に接続されているパイプ５１とからなる。本実施形態では、パイプ５１の一端はタンク２２に繋がれており、タンク２２に貯留されるスラリー３が流入部１６から第１のマニホールド１１に流入するのとは別に、調整部３１から流出したスラリー３がタンク２２に戻される。なお、パイプ５１の途中に、図示しないがフィルタが設けられていても良い。

さらに、本実施形態では、この調整部３１には、第２のマニホールド２４から流出させるスラリー３の量の調整を行う制御装置が設けられている。具体的に説明すると、図２に示すように、パイプ５１に前記制御装置としてバルブ６１が接続されている。バルブ６１には、調整部３１から流出するスラリー３の流量を調整する機能を有している。なお、バルブ６１は、調整部３１から流出するスラリー３の圧力を調整してもよい。または、調整部３１とタンク２２とを繋ぐパイプ５１の途中に、スラリー３の流量管理（流出量調整）を行う機器（例えば、ポンプ）が設けられていてもよく、この場合、この機器が、第２のマニホールド２４から流出させるスラリー３の排出調整を行う制御装置として機能する。

次に、本実施形態の製造装置１によって基材２上に形成されたスラリー３の塗膜層の形状を図３に示す。

前述の通り、本発明では、ダイ１０の第２のマニホールド２４には、スラリー３を吐出口１８以外からダイ１０の外部へ流出させる調整部３１が設けられている。そしてこの調整部３１が、流入部１６から吐出口１８への最短経路と第２のマニホールド２４とが交わる部分に設けられていることにより、図３にハッチングで示すように平坦度の高いスラリー３の塗膜層を基材２上に形成させることができる。具体的には、以下の通りである。

仮に調整部３１を機能させずにダイ１０から基材２にスラリー３を吐出した場合、基材２に形成されるスラリー３の塗膜層の形状は図３に二点鎖線で示すように幅方向（Ｙ軸方向）に凸形状となる傾向がある。これは、ダイ１０の第１のマニホールド１１から吐出口１８へ流れるスラリー３の流量が流入部１６近傍で最も多くなり、流入部１６からマニホールド１１の端部へ離れていくにしたがってスラリー３の流量が少なくなるためであり、流量が多い部分であるほど膜厚が大きくなり、塗膜層は流入部１６近傍から吐出された部分が最も厚くなるような凸形状となる。

これに対し、本発明では流入部１６から吐出口１８への最短経路と第２のマニホールド２４とが交わる部分に調整部３１が設けられているため、調整部３１からスラリー３をダイ１０の外部へ流出させることによって、流入部１６の近傍の吐出口１８から吐出されるスラリー３の量を減らすよう制御することができる。その結果、スラリー３の塗膜層において本来膜厚が最も大きくなる部分の膜厚を小さくすることができ、図３に示すように平坦度が高くなった塗膜層が得られる。

こうすることにより、流入部１６から吐出口１８への最短経路上に設けられた１つの調整部３１のみによるスラリー３の吐出量の調整によって、基材２に形成されるスラリー３の塗膜層を高度に平坦化することができるため、簡便な制御で高い平坦度の塗膜層を得ることができる。また、調整部３１の洗浄などのメンテナンスも、調整部３１の個数が少ないため容易である。

なお、第１のマニホールド１１の端部において、吐出口１８からのスラリー３の吐出量が流入部１６の近傍よりも少なくなる理由は、この端部には、第１のマニホールド１１の幅方向端面を構成する壁が存在していることから、流入部１６から供給され幅方向両側へ広がるスラリー３は、端部において圧力が低くなり、それにしたがって流速が低下するためである。特に、スラリー３は粘度（粘性）が高いため、端部において流速が低下しやすい。

なお、本実施形態の製造装置１のダイ１０から吐出されるスラリー３として、粘度が数千から数万ｃＰ（剪断速度＝１の場合）のものを採用することができる。

ここで、本発明では、調整部３１は第１のマニホールド１１にではなく、第２のマニホールド２４に設けられている。これは、第１のマニホールド１１は流入部１６から流入したスラリー３を第１のマニホールド１１全体に行き渡らせるために幅方向の断面積を大きく、すなわち容積を大きく形成されているためであり、仮に第１にマニホールド１１に調整部３１を設けた場合、調整部３１による局所的なスラリー３の流量の調整を行っても、感度が悪く十分に調整の効果が得られにくい。

一方、仮に第２のマニホールド２４ではなくスリット１２に直接調整部３１を設けた場合、調整の感度が良すぎて吐出口１８からのスラリー３の吐出量の制御が困難であるとともに、調整部３１による吐出量の調整が影響する幅方向（Ｙ軸方向）の範囲が狭くなって、塗膜層の形状は平坦化されず、調整部３１で調整された部分のみがへこんだ形状になるおそれがある。

これに対し、第１のマニホールド１１よりも幅方向の断面積が小さい第２のマニホールド２４に調整部３１を設けることにより、調整部３１における調整を適度に感度良く、また幅方向に広い領域に対して吐出口１８からの吐出量に反映させ、塗膜層を平坦化させることが可能である。

また、本実施形態では、流入部１６および調整部３１がスリット１２の中心軸に沿って設けられている。ここで、第１のマニホールド１１内において流入部１６とその流入部１６から最も離れた部分（マニホールド１１の端部）との距離は、流入部１６をマニホールド１１の中央（スリット１２の中心軸上）に設けた場合に最小となる。基材２に形成されたスラリー３の塗膜層の膜厚は、流入部１６から離れた位置から吐出されて形成された部分であるほど小さくなるため、調整部３１を機能させずに塗布した場合の塗膜層の厚みが最も厚い部分（流入部近傍）と最も薄い部分（端部近傍）との厚みの差は、流入部１６をマニホールド１１の中央（スリット１２の中心軸上）に設けた場合に最も小さくなり、調整部３１でスラリー３の吐出を調整した際に容易に高い平坦度を実現することができる。

また、製造装置１は、基材２上へ塗布したスラリー３の膜厚を測定するセンサ３６（図１参照）を備えていても良い。このセンサ３６は、幅方向に沿って複数設けられていてもよい。センサ３６は、非接触式であり、基材２上のスラリー３の膜厚を、幅方向に沿って複数カ所、又は、幅方向の全長にわたって計測可能であり、計測結果は、製造装置１が備えている制御装置（コンピュータ）３７に出力される。制御装置３７はセンサ３６からの計測結果に基づくフィードバック制御を行い、バルブ６１の開度を調整する。つまり、スラリー３の膜厚の計測結果に応じて、制御装置３７は、バルブ６１に対して制御信号を出力し、バルブ６１の開度を調整する。これにより、たとえばマニホールド１１内でのスラリー３の滞留などによりスラリー３の流れに経時的な変化が生じても対応することができ、スラリー３の塗膜層の膜厚を幅方向に平坦化することが容易となる。

なお、センサ３６の代わりに制御装置３７が有するタイマ機能により、バルブ６１の開度を制御してもよい。つまり、塗布開始からある時間が経過すると第１のマニホールド１１の端部などでスラリー３の固形成分の沈殿や凝集が生じて、スラリー３の流れに変化が生じる場合、この時間が経過する前の所定時間をタイマで計測し、その所定時間が経過すると、制御装置３７はバルブ６１の開度を大きくする制御を行ってもよい。

以上の電池用極板の製造装置により、基材上に平坦度の高い塗膜層を形成することが可能となる。

また、本発明の製造装置１は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。例えば、本実施形態（図２参照）では、流入部１６および調整部３１は、スリット１２の中心線に沿って設けられた構成としているが、中心線に沿った位置に限らず、たとえば図４に示すようにダイ１０の端部近傍に設けられた構成であってもよい。この構成であったとしても、調整部３１を機能させなかった場合にスラリー３の塗膜層の膜厚が最も大きくなる流入部１６近傍において、調整部３１がスラリー３の吐出量を減らすことができ、幅方向の塗膜層の平坦度を高めることができる。

また、前記実施形態では、第１のマニホールド１１のスラリー３をスリット１２を通じて吐出口１８から基材２へと流す方向が水平方向となるようにダイ１０が設置されている場合について説明したが、ダイ１０の設置姿勢はこれ以外であってもよい。例えば、第１のマニホールド１１とスリット１２とが鉛直方向に並んで配置される姿勢でダイ１０は設置されていてもよく、この場合において、第１のマニホールド１１のスラリー３をスリット１２を通じて吐出口１８から基材２へと流す方向が鉛直方向上向きとなるようにダイ１０が設置されていてもよい。

なお、本発明の製造装置１は、塗布する塗布液が粘度の高いスラリーである場合に有効であり、粘度の高いスラリーを塗布して製品（例えば、光学フィルム）を製造する場合に適用してもよい。

１製造装置
２基材
３スラリー
５ローラ
１０ダイ
１１第１のマニホールド
１２スリット
１３第一分割体
１３ａ第一リップ
１４第二分割体
１４ａ第二リップ
１５シム板
１６流入部
１７底部
１８吐出口
２０供給手段
２１流入パイプ
２２タンク
２３ポンプ
２４第２のマニホールド
２５滞留物
３１調整部
３６センサ
３７制御装置
５１パイプ
６１バルブ

Claims

幅方向に長くスラリーを溜める空間からなる第１のマニホールドと、当該幅方向に広いスリットを経由して当該第１のマニホールドと繋がり、スラリーを基材に対して吐出する吐出口とが形成されたダイと、
前記スリットの途中に設けられた前記幅方向に長い第２のマニホールドと、
前記第１のマニホールドに連通している流入部から前記第１のマニホールドにスラリーを供給する供給手段と、を備え、
前記第２のマニホールドの容積は、前記第１のマニホールドの容積よりも小さく、
前記第２のマニホールド上において前記流入部から前記吐出口への最短経路と交わる部分には、スラリーを流出させることにより前記吐出口からのスラリーの吐出量を調整する調整部が１つ設けられていることを特徴とする、電池用極板の製造装置。
前記流入部および前記調整部は、前記スリットの中心線に沿って設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の電池用極板の製造装置。
前記第２のマニホールドは、下部は前記スリットを形成する面と面一の平坦面であり、前記スリットとの接続部より上の部分は角部を有しないことを特徴とする、請求項１から２のいずれかに記載の電池用極板の製造装置。