JP6447201B2 - 蓄電装置用の電極の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置用の電極の検査方法に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。二次電池として、正極用のシート状の電極及び負極用のシート状の電極が、間にセパレータが介在する状態で積層された積層型の電極組立体を備えたものがある。また、帯状の正極及び帯状の負極が、間に帯状のセパレータが存在する状態で巻回された捲回型の電極組立体を備えたものもある。

従来、電極層及び絶縁層の順に積層された電極シートを検査する電池用電極シートの検査方法として、電極シートの検査領域を分割して検査用電圧を印加し、印加した検査用電圧に伴って電極シートに流れる電流を検知する電池用電極シートの検査方法が提案されている（特許文献１参照）。この検査方法は、絶縁層の欠陥を検出するものであり、絶縁層（例えば、セパレータ）を積層していない状態の電極、例えば、金属箔に活物質が塗布されて活物質層が形成された構造の電極自体の欠陥を検査するものではない。

活物質を保持したシート状の集電体からなる蓄電装置用の電極の検査方法として、前記電極を使用して形成された蓄電装置の充放電時における温度変化を予め測定し、充放電時における温度変化に対応する温度に電極の温度を調整した状態で、電極の表面をモアレ法で検査して電極の表面の状態を検出する検査方法が提案されている（特許文献２参照）。この検査方法では、電極の活物質層が不均一な場合あるいはプレス工程の残留応力の場所による違いが大きな場合は、二次電池の充放電の際の発熱による温度変化により電極の歪みや撓みが大きくなることを考慮して、検査は、電極がプレス工程でプレスを受けた後に行われることが好ましいとしている。

特開２０１２−１３２８５５号公報 特開２０１４−２０７１７５号公報

特許文献２の検査方法は、特許文献１の検査方法と異なり、集電体（例えば、金属箔）に活物質が塗布されて活物質層が形成された構造の電極自体の欠陥を検査するが、検査は電極の表面の状態を検出するものであり、電極を構成する集電体と集電体上に形成された活物質層との界面の状態を検出することはできない。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電極を構成する活物質層と集電体との界面における欠陥を非接触で検出することができる蓄電装置用の電極の検査方法を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置用の電極の検査方法は、集電体の少なくとも一方の面に活物質層が形成された帯状の電極の検査方法であって、プレスを受けて応力変動に起因した温度変化を生じた状態の前記電極を赤外線カメラで撮影し、得られた赤外線画像の高解像度化処理を行い、前記高解像度化処理後の画像に基づいて欠陥部を検出する。ここで、「集電体」とは金属箔に限らず、例えば、非金属製の導電性シートも含む。

この発明は、固体に応力が急激に作用し、変形が断熱的に行われる場合には、その応力変動に比例した温度変化が生じる現象（熱弾性効果）を利用して、表面からは検出できない電極の欠陥部を検出する。ところで、電極の製造方法では、集電体に活物質層を形成した後、電極を加圧するプレス工程を有する。プレス工程でプレスされた電極にはプレスされたことに伴う残留応力が存在し、プレスを受ける前の状態において電極が不均一な場合、例えば、電極に厚さ斑、活物質層内の空隙あるいは集電体と活物質層との界面における剥離等の欠陥が存在する場合は、残留応力も不均一になる。そのため、残留応力の影響が温度変化に現れている状態で、プレスされた電極を赤外線カメラで撮影すると、赤外線画像の輝度の変化に基づいて欠陥の有無の検出が可能となる。したがって、電極を構成する活物質層と集電体との界面における欠陥を非接触で検出することができる。

前記赤外線カメラは前記電極の製造工程のプレス工程で使用されるプレス装置に装備され、かつ前記電極がプレスロールによるプレスを受けて応力変動に起因した温度変化を生じた状態を撮影可能な位置に設けられている。電極の検査は、電極がプレス工程でプレスされたことに伴う残留応力の変動に起因する温度変化の状態を赤外線カメラで撮影して行う。電極がプレス工程でプレスされたことに伴う残留応力の変動に起因する温度変化は小さく、その状態は短時間、例えば、１秒程度しか保持されない。しかし、赤外線カメラがプレス装置に装備され、かつ電極がプレスロールによるプレスを受けて応力変動に起因した温度変化を生じた状態を撮影可能な位置に設けられている場合は、帯状の電極の検査を連続的に簡単に行うことができる。

本発明によれば、電極を構成する活物質層と集電体との界面における欠陥を非接触で検出することができる。

一実施形態の電極の製造工程を示す概略図。 熱弾性温度変動幅とノイズ幅との関係を示す模式図。 別の実施形態の製造工程を示す概略図。

以下、蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池に使用される電極の検査方法に具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、電極の製造工程は、塗布工程、乾燥工程、プレス工程を有する。

塗布工程に設けられた塗布装置１１は、スリットダイ１２を備えている。スリットダイ１２は、活物質合剤Ｓが貯留される貯留部１２ａと、貯留部１２ａに貯留された活物質合剤Ｓが吐出される吐出口１２ｂとを備えている。貯留部１２ａには、活物質合剤Ｓが図示しないタンクから図示しないポンプにより圧送され、吐出口１２ｂから吐出されるようになっている。スリットダイ１２の吐出口１２ｂと対向する位置にはバックアップロール１３が設けられている。バックアップロール１３は、スリットダイ１２による集電体としての帯状の金属箔１４の片面に活物質合剤Ｓの塗布が可能な塗布位置と、スリットダイ１２による金属箔１４に対する活物質合剤Ｓの塗布が不能な退避位置とにスリットダイ１２に対して相対移動可能に設けられている。そして、塗布装置１１は、供給用リール１５から繰り出されてバックアップロール１３に沿って移動する帯状の金属箔１４の片面に活物質合剤Ｓを塗布する。

乾燥工程に設けられた乾燥装置１６は、乾燥装置１６内を帯状の金属箔１４と共に移動する活物質合剤Ｓを図示しないヒータ等の熱源によって加熱乾燥する。活物質合剤Ｓは加熱乾燥されて活物質層１７になる。

プレス工程は、一対のプレスロール１８を備え、乾燥装置１６を通過して活物質層１７が形成された金属箔１４をロール加圧する。
上記工程に用いる製造装置は、巻取用リール１９を備え、プレス工程においてプレスロール１８によりロール加圧された後の、活物質層１７が形成された帯状の金属箔１４を、一旦、巻取用リール１９に巻き取る。

なお、バックアップロール１３と乾燥装置１６との間にはガイドロール２０ａが設けられ、プレスロール１８の乾燥装置１６と対向する側と反対側にはガイドロール２０ｂが設けられている。また、供給用リール１５とバックアップロール１３との間、ガイドロール２０ｂと巻取用リール１９との間にはそれぞれダンサーロール２１が設けられている。ダンサーロール２１は、移動する帯状の金属箔１４の張力を調節して、帯状の金属箔１４の弛みを防止する。

金属箔１４の片面に活物質層１７が形成された電極の場合は、巻取用リール１９に巻き取られた活物質層１７が形成された帯状の金属箔１４が帯状の電極２２となる。そして、帯状の電極２２が所定形状に切断されて、積層型電極組立体用電極や捲回型電極組立体用電極が製造される。金属箔１４の両面に活物質層１７が形成された電極を製造する場合は、一方の面に活物質層１７が形成された金属箔１４が巻き取られた巻取用リール１９を供給用リール１５として使用する。そして、前記と同様にして金属箔１４の他方の面にも活物質層１７を形成して、両面に活物質層１７が形成された金属箔１４からなる電極を製造する。

プレスロール１８とガイドロール２０ｂとの間の上方には、プレス工程でプレスを受けた後の活物質層１７が形成された金属箔１４を撮影する赤外線カメラ２３が設けられている。赤外線カメラ２３は、電極の製造工程のプレス工程で使用されるプレス装置に装備され、かつ活物質層１７がプレスロール１８によるプレスを受けて応力変動に起因した温度変化を生じた状態を撮影可能な位置に設けられている。赤外線カメラ２３はコンピュータ２４に接続され、赤外線カメラ２３の撮影データがコンピュータ２４で処理される。

コンピュータ２４には赤外線画像や解析結果を表示するモニタ２５が接続されている。コンピュータ２４は、赤外線カメラ２３で撮影された赤外線画像の高解像度化処理を行うプログラムを備えている。高解像度化処理用のプログラムは、例えば、赤外線応力測定システムで使用される公知のものを使用することができる。

コンピュータ２４には、予め試験により欠陥を有する電極２２を作製して、プレスロール１８でプレスした後の、赤外線カメラ２３による赤外線画像及びその赤外線画像を高解像度化処理した場合のデジタル画像データが、比較データとして記憶されている。欠陥の種類としては、例えば、金属箔１４と活物質層１７との界面の剥離、活物質層１７の厚さの不均一、活物質層１７内の空隙、活物質層１７表面の凹部、金属箔１４の破れ等が挙げられる。

次に電極の検査方法を説明する。
プレス工程でプレスされた帯状の電極２２には、プレスされることにより応力が急激に作用し、変形が断熱的に行われるため、その応力変動に比例した温度変化が生じる。この応力変動に伴う温度変動（熱弾性温度変動）はｍＫ（ミリケルビン）オーダであり、高い分解能及び精度での温度計測が要求される。これに対して、赤外線サーモグラフィのＮＴＥＤ（ノイズ等価温度差）は、２５ｍＫ程度の値であり、模式的に図示すると図２に示すようになる。

したがって、赤外線カメラ（赤外線センサ）の計測信号をそのまま温度に換算しただけでは、熱弾性応力測定に十分な分解能、精度を得ることができない。また、金属箔１４と活物質層１７との界面における剥離等の界面の部分の欠陥に対応して温度変動が生じた場合、温度変動に対応する赤外線の信号が減衰する。そのため、解像度を上げる高解像度化処理が必要になる。

コンピュータ２４は、高解像度化処理として、赤外線画像の所定幅における輝度変化を示す曲線をデジタル化して、画素幅にて平均化された離散値となった第１のデジタル画像を求める。また、コンピュータ２４は、第１のデジタル画像を求めた位置に対して１／２画素だけずれた撮像位置における赤外線画像データから、同様にしてデジタル化した第２のデジタル画像を求める。そして、第１のデジタル画像の値と、第２のデジタル画像の値の平均値を取ることで、高解像度化処理されたデジタル画像を得る。このような処理を二次元的に行うことで、帯状の電極２２の赤外線画像の全体に対する高解像度化処理を行うことができる。

高解像度化処理されたデジタル画像を、予め作製された比較データと比較することにより、検査が行われた帯状の電極２２に欠陥が存在するか否か及び欠陥の種類を判断することが可能になる。高解像度化処理されたデジタル画像と比較データと比較は、コンピュータ２４が行っても、モニタ２５にデジタル画像と比較データとを表示して、その画面を作業者（オペレータ）が観察することで行っても良い。

そして、帯状の電極２２から積層型電極組立体用電極や捲回型電極組立体用電極を製造する際に、欠陥部を避けて帯状の電極２２を切断することにより、欠陥のない積層型電極組立体用電極や捲回型電極組立体用電極を歩留まり良く製造することができる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）電極の検査方法は、集電体（金属箔１４）の少なくとも一方の面に活物質層１７が形成された帯状の電極２２の検査方法であって、プレスを受けた後の電極２２を赤外線カメラ２３で撮影し、得られた赤外線画像の高解像度化処理を行い、高解像度化処理後の画像に基づいて欠陥部を検出する。即ち、検査は、熱弾性効果を利用して行われるため、表面からは検出できない電極の欠陥部を検出することが可能になる。したがって、電極２２を構成する活物質層１７と集電体（金属箔１４）との界面における欠陥を非接触で検出することができる。検査が電極２２に対して非接触で行われるため、電極２２の表面に傷を付けることがない。

（２）赤外線カメラ２３は帯状の電極２２の製造工程のプレス工程で使用されるプレス装置に装備され、かつ帯状の電極２２がプレスロール１８によるプレスを受けて応力変動に起因した温度変化を生じた状態を撮影可能な位置に設けられている。帯状の電極２２がプレス工程でプレスされたことに伴う残留応力の変動に起因する温度変化は小さく、その状態は短時間、例えば、１秒程度しか保持されない。しかし、赤外線カメラ２３がプレス装置に装備され、かつ帯状の電極２２がプレスロール１８によるプレスを受けて応力変動に起因した温度変化を生じた状態を撮影可能な位置に設けられている場合は、帯状の電極２２の検査を連続的に簡単に行うことができる。

（３）コンピュータ２４には、予め試験により欠陥を有する帯状の電極２２を作製して、プレスロール１８でプレスした後の、赤外線カメラ２３による赤外線画像及びその赤外線画像を高解像度化処理した場合のデジタル画像データが、比較データとして記憶されている。高解像度化処理したデジタル画像だけで欠陥の有無を判断することも可能であるが、比較データと比べて差の有無を観察する方が正確な判断を行うことができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ コンピュータ２４が赤外線カメラ２３の赤外線画像データを解析して、帯状の電極２２に欠陥部の種類や位置を表示部に表示するようにしてもよい。そして、作業者は、欠陥部の状態を観察したいときに、高解像度化処理したデジタル画像と比較画像とをモニタ２５により観察するようにしてもよい。

○ 画像データを観察するためのモニタ２５を設けずに、コンピュータ２４が赤外線カメラ２３の赤外線画像データを解析して、帯状の電極２２に欠陥部が存在するか否かや、欠陥部の種類や位置を表示部に表示するようにしてもよい。

○ 活物質層１７が金属箔１４の両面に形成された帯状の電極２２の製造方法は、一方の面に活物質層１７形成された帯状の電極２２が巻回された巻取用リール１９を供給用リール１５として使用して、他方の面に活物質合剤Ｓを塗布して活物質層１７を形成する方法に限らない。例えば、図３に示すように、塗布装置３１として第１スリットダイ３２ａ及び第２スリットダイ３２ｂの２個のスリットダイを備え、金属箔１４の両面に同時に活物質合剤Ｓを塗布する塗布装置３１を使用してもよい。第１スリットダイ３２ａの吐出口（図示せず）は、金属箔１４の上方において、金属箔１４の一方の面に対向配置されている。また、第２スリットダイ３２ｂの吐出口（図示せず）は、金属箔１４の下方において、金属箔１４の他方の面に対向配置されている。第１及び第２スリットダイ３２ａ，３２ｂの吐出口からは活物質合剤Ｓが連続的に吐出され、供給用リール１５から送り出された金属箔１４の両面には活物質合剤Ｓが、金属箔１４の長手方向に連続して塗布される。この場合、赤外線カメラ２３は、プレスロール１８とガイドロール２０ｂとの間を移動する金属箔１４の上面と対向する位置と、下面と対向する位置とにそれぞれ設けられる。そして、金属箔１４の両面に形成された活物質層１７の欠陥の有無や種類が両赤外線カメラ２３が撮影した赤外線画像から検出される。

○ 赤外線カメラ２３は、検査対象物である帯状の電極２２から出ている赤外線放射エネルギーの検出データを見かけの温度に変換して、温度分布を画像表示する変換部を備えていてもよい。即ち、赤外線カメラ２３に代えて、対象物から出ている赤外線放射エネルギーを検出し、見掛けの温度に変換して温度分布を画像表示する装置である赤外線サーモグラフを用いてもよい。

○ 帯状の電極２２の検査を製造工程の途中で行う代わりに、活物質層１７が金属箔１４の少なくとも片面に形成されて巻取用リール１９に巻回された帯状の電極２２に対して、別工程においてプレスロールでプレスを行い、プレスされた帯状の電極２２の検査を行ってもよい。

○ 二次電池は、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等の他の二次電池であってもよい。
○ 蓄電装置は、二次電池に限らず、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のようなキャパシタであってもよい。

１４…集電体としての金属箔、１７…活物質層、１８…プレスロール、２２…帯状の電極、２３…赤外線カメラ。

Claims (2)

1. 集電体の少なくとも一方の面に活物質層が形成された帯状の電極の検査方法であって、
   プレスを受けて応力変動に起因した温度変化を生じた状態の前記電極を赤外線カメラで撮影し、得られた赤外線画像の高解像度化処理を行い、前記高解像度化処理後の画像に基づいて欠陥部を検出することを特徴とする蓄電装置用の電極の検査方法。
2. 前記赤外線カメラは、前記電極の製造工程のプレス工程で使用されるプレス装置に装備され、かつ前記電極がプレスロールによるプレスを受けて応力変動に起因した温度変化を生じた状態を撮影可能な位置に設けられている請求項１に記載の蓄電装置用の電極の検査方法。