JP6476840B2 - 電極の製造方法および電極の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、電極の製造方法および電極の製造装置に関するものである。

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。蓄電装置はケース内に電極組立体が収納されている。電極組立体を構成する電極を製造する場合、その製造工程としては、例えば、塗工工程、乾燥工程、プレス工程、打ち抜き工程等を有する。塗工工程において帯状金属箔にスラリー状の活物質合剤を塗布した後、乾燥工程およびプレス工程を経て、打ち抜き工程において所望の形状に打ち抜く。特許文献１においては、トリミングローラのローラ部によってシート電極を押圧しながらシート電極を切断刃によって切断することにより切断後のシート電極の切断面にバリやかえりが発生するのを抑制している。

特開２０１２−６９２７９号公報

ところで、活物質層を形成した帯状集電体を切断するための刃の長寿命化を図りたいというニーズがある。詳しくは、活物質層を形成した帯状集電体を切断（スリットカット）する場合、例えば金属粒子を多く含む活物質層を切断するために刃の寿命が短く、特許文献１のように刃をトリミングローラのローラ部に一体化した場合、刃の寿命に基づき切断面にバリやかえりが発生し電池組み付け時に短絡を発生させる原因になり、電池の不良率がたかまりのコストを悪化させてしまう。

本発明の目的は、活物質層を形成した帯状集電体を切断するときの切断バリやかえりが発生するのを容易に抑制することができる電極の製造方法および電極の製造装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、アルミニウム帯箔状集電体の少なくとも一方の面にバインダ樹脂を有する活物質層が形成されたリチウム電池正極の切断予定位置での前記活物質層に補填樹脂を塗布あるいは含浸する第１工程と、前記第１工程後においてアルミニウムが軟化する温度以上であってバインダ樹脂の分解温度以下である加熱温度まで前記リチウム電池正極の前記切断予定位置を加熱して前記アルミニウム帯箔状集電体を焼きなます第２工程と、前記第２工程後において、前記リチウム電池正極を前記切断予定位置で切断する第３工程を有することを特徴とする第３工程と、を有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１工程において、バインダ樹脂を有する活物質層を形成したリチウム電池正極における切断予定位置での活物質層に補填樹脂が塗布あるいは含浸される。その後、第２工程において、リチウム電池正極の切断予定位置の活物質層のアルミニウム帯箔状集電体が焼きなましされる。その後、第３工程において、リチウム電池正極の切断予定位置で切断される。

よって、切断予定位置に補填樹脂を塗布あるいは含浸することで切断予定位置の活物質部分が活性化し切断しやすくなるため、切断バリの発生を容易に抑えることができる。また、アルミニウム帯箔状集電体を焼きなまし軟化することでさらに切断しやすくなり切断バリやかえりが発生するのを容易に抑制することができる。その結果、活物質層を形成したリチウム電池正極を切断するための刃を長寿命化することができる。また、プレスするときに切断するのでプレスと切断を容易に行うことができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の電極の製造方法において、前記加熱温度は１９４℃〜２５０℃であるとよい。

請求項３に記載のように、請求項１に記載の電極の製造方法において、アルミニウム帯箔状集電体１１をより切断しやすくするために前記加熱温度は２２０℃〜２５０℃であるとさらによい。

請求項４に記載の発明では、アルミニウム帯箔状集電体の少なくとも一方の面にバインダ樹脂を有する活物質層が形成されたリチウム電池正極の切断予定位置での前記活物質層に補填樹脂を塗布あるいは含浸する補填樹脂塗布装置と、前記リチウム電池正極の前記切断予定位置をアルミニウムが軟化する温度以上であってバインダ樹脂の分解温度以下である加熱温度まで加熱するように熱プレスして前記アルミニウム帯箔状集電体を焼きなます加熱焼きなまし装置と、少なくとも一方に刃が設けられた一対のロールを有し、前記リチウム電池正極を前記刃により前記切断予定位置で切断する切断装置と、を備えたことを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、補填樹脂塗布装置において、バインダ樹脂を有する活物質層を形成したリチウム電池正極の切断予定位置での活物質層に補填樹脂が塗布あるいは含浸される。加熱焼きなまし装置において、リチウム電池正極の切断予定位置は、アルミニウムが軟化する温度以上であってバインダ樹脂の分解温度以下である加熱温度まで加熱するように熱プレスされ、アルミニウム帯箔状集電体が焼きなまされる。切断装置において、刃によりリチウム電池正極の切断予定位置で切断される。

よって、補填樹脂塗布装置により切断予定位置に補填樹脂を塗布あるいは含浸することで切断予定位置の活物質部分が固化し切断バリを発生しにくい。また、熱プレスして前記アルミニウム帯箔状集電体を焼きなます加熱焼きなまし装置により切断しやすくなる。その結果、切断装置において、活物質層を形成した帯状集電体を切断するための活性化するため、切断バリやかえりを抑制することができる。また、プレスするときに切断するのでプレスと切断を容易に行うことができる。

本発明によれば、活物質層を形成した帯状集電体を切断するための刃を長寿命化することができるとともに切断バリやかえりが発生するのを抑制することを容易に行うことができる。

電極の製造装置の概略構成を示す正面図。 プレスロール装置を示す斜視図。 プレスロール装置を示す正面図。 電極の製造工程を説明するための平面図。 電極の製造装置のその他の概略構成を示す正面図。 電極の製造装置のその他の概略構成を示す正面図。 電極の製造装置のその他の概略構成を示す正面図。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、電極製造装置１００は、スプレー方式の補填樹脂塗布装置２０と、加熱ロール式の加熱焼きなまし装置３０と、シャー式の帯状集電体切断装置４０と、を備えている。この電極製造装置１００は、リチウムイオン電池における正極の製造装置である。

アルミニウム帯箔状集電体１１は、ロールトゥロール方式によって、アルミニウム帯箔状集電体巻き出しリール１１ａから供給され、テンションローラ５０を介して、アルミニウム帯箔状集電体巻き取りリール１１ｂ，１１ｃに回収される。

補填樹脂塗布装置２０は、補填樹脂タンク２０ａ，２０ｂと、補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄと、を備える。
補填樹脂塗布装置２０に対し活物質合剤（活物質、導電助剤、バインダ樹脂、溶剤等を混練・希釈してスラリー状にしたもの）が塗工され乾燥およびプレス成型されたアルミニウム帯箔状集電体１１から供給される。バインダ樹脂として、ポリアミドイミドを挙げることができる。

補填樹脂塗布装置２０は、供給された補填樹脂を貯留する補填樹脂タンク２０ａ，２０ｂから補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを経由して、補填樹脂をアルミニウム帯箔状集電体１１に向かって補填樹脂を噴霧する。
加熱焼きなまし装置３０は、上下一対の加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂと、を備える。

補填樹脂塗布装置２０に対し所定距離だけ離間した位置に加熱焼きなまし装置３０が配置され、加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂの外周にアルミニウム帯箔状集電体１１が挟まれ、アルミニウム帯箔状集電体１１を連続搬送可能に支持している。加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂに支持されたアルミニウム帯箔状集電体１１と、補填樹脂塗布部分２１に対し、加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂから熱が加えられる。

帯状集電体切断装置４０は、切断ロール４１と、プレスロール４２ａ，４２ｂと、を備える。
加熱焼きなまし装置３０に対し所定距離だけ離間した位置に帯状集電体切断装置４０が配置され、切断ロール４１によってアルミニウム帯箔状集電体１１が切断されるとともに、上下一対のプレスロール（上ロール、下ロール）４２ａ，４２ｂによってプレスされる。その後、アルミニウム帯箔状集電体１１はプレスロール４２ａ，４２ｂに案内されつつ搬送される。

さらに、本発明を具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。
図２に示すように、アルミニウム帯箔状集電体１１は、活物質層形成部１２ａ，１２ｂと、活物質層未形成部１３ａ，１３ｂと、を備えている。

アルミニウム帯箔状集電体１１の活物質層形成部１２ａ，１２ｂは、活物質合剤（活物質、導電助剤、バインダ樹脂、溶剤等を混練・希釈してスラリー状にしたもの）が塗工され乾燥およびプレス成型されている。アルミニウム帯箔状集電体１１の活物質層形成部１２ａ，１２ｂ上の切断予定位置４３に補填樹脂（詳しくは活物質層のバインダ樹脂を溶剤に溶かしたもの）を噴霧し補填樹脂塗布部分２１を形成する。

図１の加熱焼きなまし装置３０は、補填樹脂塗布装置２０により補填樹脂を噴霧した後のアルミニウム帯箔状集電体１１の切断予定位置４３の補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを上下一対の加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂを有する。

図１，図２に示すように、加熱焼きなまし装置３０は、上下一対の加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂは端部が揃う状態で水平に、かつ、両者の間に所定の隙間ができるように配置されている。そして、上下一対の加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂ間に、補填樹脂噴霧した後の補填樹脂塗布部分２１を形成したアルミニウム帯箔状集電体１１が通過して加熱される。

図１，２に示すように、帯状集電体切断装置４０は、上下一対のプレスロール（上ロール、下ロール）４２ａ，４２ｂを有する。上下のプレスロール４２ａ，４２ｂは、共に円柱状をなす。上下のプレスロール４２ａ，４２ｂは、径が同一寸法となっているとともに長さも同一である。上下のプレスロール４２ａ，４２ｂは端部が揃う状態で水平に、かつ、両者の間に所定の隙間ができるように配置されている。そして、上下一対のプレスロール４２ａ，４２ｂ間に、加熱した後の補填樹脂塗布部分２１を形成したアルミニウム帯箔状集電体１１が通過してプレスされる。

図２，３に示すように、上側のプレスロール４２ａの一側面には、上側のプレスロール４２ａよりも大径なる円板状の切断ロール４１が一体的に設けられている。この大径の切断ロール４１と下側のプレスロール４２ｂの側面との間における段差部分が、アルミニウム帯箔状集電体１１を切断する部位である。アルミニウム帯箔状集電体１１を切断する前の位置が切断予定位置４３となる。このように、切断ロール４１は、ギャング刃である。そして、帯状集電体切断装置４０において、プレスロール４２ａ，４２ｂの回転に伴い切断ロール４１によりアルミニウム帯箔状集電体１１における切断予定位置４３で、加熱した後の補填樹脂塗布部分２１を形成したアルミニウム帯箔状集電体１１が切断される。

即ち、帯状集電体切断装置４０は、一対のプレスロール４２ａ，４２ｂのうちのプレスロール４２ａに切断ロール４１が設けられ、一対のプレスロール４２ａ，４２ｂ間で加熱した後の補填樹脂塗布部分２１を形成したアルミニウム帯箔状集電体１１をプレスするときに切断ロール４１によりアルミニウム帯箔状集電体１１の切断予定位置４３で切断する。これによりロールプレスと同時にカットを行うことができる。
アルミニウム帯箔状集電体１１は、ロールプレスと切断した後で、アルミニウム帯箔状集電体巻き取りリール１１ｂ，１１ｃに回収される。

次に、作用について説明する。
電極の製造工程において、アルミニウム帯箔状集電体１１を用意する。そして、アルミニウム帯箔状集電体１１の表面に補填樹脂塗布装置２０から補填樹脂を噴霧し、アルミニウム帯箔状集電体１１の表面に補填樹脂塗布部分２１を形成するとともに、加熱焼きなまし装置３０を用いて加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂで加熱する。補填樹脂がアルミニウム帯箔状集電体１１内に浸み込み、図４に示すように、アルミニウム帯箔状集電体１１の切断予定位置４３を含めた領域にのみ補填樹脂塗布部分２１を形成する。

その後において、帯状集電体切断装置４０を用いてアルミニウム帯箔状集電体１１の切断予定位置４３を切断すると、加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂにより補填樹脂が活性化されている。詳しくは、補填樹脂における分子同士をつなぐ鎖（結合手）が切れて当該樹脂が活性化される。このような活性化により、切断ロール４１で切断するときに剥離することなく補填樹脂塗布部分２１が切断ロール４１でアルミニウム帯箔状集電体１１を切断しやすくなる。

さらには、加熱焼きなまし装置３０を用いて３０ａ，３０ｂで加熱されたアルミニウム帯箔状集電体１１のアルミニウムの金属結晶が再結晶により軟化しているため、プレスするときに切断するのでプレスと切断を容易に行うことができる。

その後、帯状集電体切断装置４０を用いて一対のプレスロール４２ａ，４２ｂ間で補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄによって形成したアルミニウム帯箔状集電体１１上の補填樹脂塗布部分２１をプレスするとともに帯状集電体切断装置４０に設けた切断ロール４１により図７に示すようにアルミニウム帯箔状集電体１１の切断予定位置４３で切断する。ここで、比較例として活物質合剤（活物質、導電助剤、バインダ樹脂、溶剤等を混練・希釈してスラリー状にしたもの）が塗工され乾燥およびプレス成型されたアルミニウム帯箔状集電体１１のままの状態では、バインダ樹脂が強固に成型されており硬化しているため切断しにくい。

本実施形態では、切断予定位置４３に塗布した補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄが加熱されていることにより活性化し軟らかくなっており、切断バリを生じずに切断が容易となっている。さらには比較例として活物質合剤が塗工され乾燥およびプレス成型されたアルミニウム帯箔状集電体１１のままの状態では、アルミニウム自体がプレスにより加工硬化し切断しにくい。しかしアルミニウム帯箔状集電体１１のアルミニウム自体も加熱により軟化しているために切断バリやかえりを生じずに切断が容易となっている。

加熱焼きなまし工程の加熱温度は、アルミニウム帯箔状集電体１１の活物質合剤であるバインダの軟化温度で、かつアルミニウム自体の金属原子が移動し金属結晶が再結晶し始める１９４℃以上、かつバインダの分解温度２５０℃以下で焼きなましされるリチウム電池電極の製造方法あるとよい。さらにはアルミニウム帯箔状集電体１１のアルミニウム自体の金属結晶が再結晶により軟化され焼きなましされる２２０℃以上かつバインダの分解温度２５０℃以下であることが望ましい。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）図１に示すように、補填樹脂塗布装置２０において、切断予定位置４３に補填樹脂塗布装置２０で補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを作製し、さらに加熱焼きなまし装置３０で切断予定位置４３に加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂで加熱して切断前に活物質層を活性化させることで活物質同士の結着力を高めることで、切断バリの発生を抑制している。また加熱焼きなまし装置３０はアルミニウム帯箔状集電体１１の圧延時に硬化した残留応力を加熱による焼きなまし軟化をすることで、アルミニウム帯箔の強度を下げることで切断が容易になり、切断バリやかえりの発生を抑制している。

つまり、電極の製造方法として、第１工程と第２工程と第３工程とを有する。第１工程では、補填樹脂を有する補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを形成したアルミニウム帯箔状集電体１１における切断予定位置４３に補填樹脂を補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを形成する。

第２工程では、第１工程後においてアルミニウム帯箔状集電体１１の切断予定位置４３の補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄに加熱ロール（上ロール、下ロール）３０ａ，３０ｂで加熱する。

第３工程では、第２工程後において一対のプレスロール４２ａ，４２ｂ間で補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを形成したアルミニウム帯箔状集電体１１をプレスするときにプレスロール４２ａ、４２ｂに設けた切断ロール４１によりアルミニウム帯箔状集電体１１の切断予定位置４３で切断する。

よって、切断予定位置４３に補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを噴霧形成することで切断予定位置４３の活物質部分が活性化し剥離しにくい。また、アルミニウム帯箔状集電体１１を加熱して圧延時に硬化した残留応力を加熱による焼きなまし軟化をすることでことによりさらに切断しやすく切断バリやかえりの発生を抑制できるようになる。その結果、活物質層を形成したアルミニウム帯箔状集電体１１を切断するときの切断バリやかえりを抑制できる。

また、プレスするときに切断するのでプレスと切断を容易に行うことができる。このようにして、アルミニウム帯箔状集電体１１のアルミニウム帯箔の強度を下げることで切断するための切断ロール４１を長寿命化することができるとともにプレスと切断を容易に行うことができることとなる。

（２）上記（１）において、図５〜図７に示すように、アルミニウム帯箔状集電体１１の搬送経路を代えることは容易であり、実用的である。
（３）電極の製造装置として、補填樹脂塗布装置２０と加熱焼きなまし装置３０と帯状集電体切断装置４０とを備える。補填樹脂塗布装置２０は、バインダ樹脂を有する活物質層を形成したアルミニウム帯箔状集電体１１における切断予定位置４３での活物質層に補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄに補填樹脂を噴霧する。加熱焼きなまし装置３０は、補填樹脂塗布装置２０より補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄに補填樹脂を噴霧した後のアルミニウム帯箔状集電体１１の切断予定位置４３の補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを加熱する。

帯状集電体切断装置４０は、一対のプレスロール４２ａ，４２ｂのうちのプレスロール４２ａに切断ロール４１が設けられ、一対のプレスロール４２ａ，４２ｂ間で補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを形成したアルミニウム帯箔状集電体１１をプレスするときに切断ロール４１によりアルミニウム帯箔状集電体１１の切断予定位置４３で切断する。よって、補填樹脂塗布装置２０により切断予定位置４３に補填樹脂噴霧部２０ｃ，２０ｄを設けることで切断予定位置４３の活物質部分が活性化し切断しやすく切断バリが抑制できる。

また、加熱焼きなまし装置３０により加熱してアルミニウム帯箔を軟化することによりさらに切断バリやかえりを抑制できる。その結果、帯状集電体切断装置４０において、補填樹脂塗布装置２０を形成したアルミニウム帯箔状集電体１１を切断するための切断ロール４１を長寿命化することができる。また、プレスするときに切断するのでプレスと切断を容易に行うことができる。このようにして、補填樹脂塗布装置２０を形成したアルミニウム帯箔状集電体１１を切断するための切断ロール４１を長寿命化することができるとともにプレスと切断を容易に行うことができることとなる。

（４）上記（３）において、刃の寿命に基づき切断面にバリが発生し電池組み付け時に短絡を発生させる原因になりを抑制し、電池の良品率を上げることができコストを改善させることができる。

本発明により、活物質層を形成した帯状集電体を切断するときの切断バリやかえりが発生するのを容易に抑制することができる電極の製造方法および電極の製造装置を提供できる。

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。
○アルミニウム帯箔状集電体１１はバインダ樹脂を有する活物質層は、両面に形成していたが、これにかぎらず、活物質層はアルミニウム帯箔状集電体１１の片面にあっても良い。

○アルミニウム帯箔状集電体１１はバインダ樹脂を有する活物質層は、連続した状態で存在していたが、これにかぎらず間欠した状態で存在していても良い。
○補填樹脂塗布装置２０はスプレー式に代えて、滴下方式、インクジェット方式やはけ塗布方式であっても良い。

○加熱焼きなまし装置３０は加熱ロール方式に代えて、高周波加熱方式、赤外線加熱方式や温風加熱方式であっても良い。
○切断ロール４１はシャー刃に代わり、ギャング刃やトムソン刃を用いてもよい。つまり、一対のプレスロールのそれぞれに設けた刃により帯状集電体としての帯状金属箔の切断予定位置で切断するようにしてもよい。要は、一対のプレスロールの少なくとも一方に刃が設けられ、一対のプレスロール間で活物質層を形成した帯状金属箔をプレスするときに刃により帯状金属箔の切断予定位置で切断する構成とすればよい。

○電極は積層型でも捲回型でもよい。
○リチウムイオン二次電池に適用したが、これに限ることなく、他の二次電池に適用したり、またリチウムイオン一次電池、リチウムイオンキャパシタ等に適用してもよい。

１００…電極製造装置、１１…アルミニウム帯箔状集電体、２０…補填樹脂塗布装置、２１…補填樹脂塗布部分、３０…加熱焼きなまし装置、３１…加熱焼きなまし部分、４０…帯状集電体切断装置、４３…切断予定位置、６０…テンションローラ。

Claims (4)

1. アルミニウム帯箔状集電体の少なくとも一方の面にバインダ樹脂を有する活物質層が形成されたリチウム電池正極の切断予定位置の前記活物質層に補填樹脂を塗布あるいは含浸する第１工程と、
   前記第１工程後においてアルミニウムが軟化する温度以上であってバインダ樹脂の分解温度以下である加熱温度まで前記リチウム電池正極の前記切断予定位置を加熱して前記アルミニウム帯箔状集電体を焼きなます第２工程と、
   前記第２工程後において、前記リチウム電池正極を前記切断予定位置で切断する第３工程と、
   を有することを特徴とするリチウム電池電極の製造方法。
2. 前記加熱温度は１９４℃〜２５０℃であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池電極の製造方法。
3. 前記加熱温度は２２０℃〜２５０℃であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池電極の製造方法。
4. アルミニウム帯箔状集電体の少なくとも一方の面にバインダ樹脂を有する活物質層が形成されたリチウム電池正極の切断予定位置の前記活物質層に補填樹脂を塗布あるいは含浸する補填樹脂塗布装置と、
   前記リチウム電池正極の前記切断予定位置をアルミニウムが軟化する温度以上であってバインダ樹脂の分解温度以下である加熱温度まで加熱するように熱プレスして前記アルミニウム帯箔状集電体を焼きなます加熱焼きなまし装置と、
   少なくとも一方に刃が設けられた一対のロールを有し、前記リチウム電池正極を前記刃により前記切断予定位置で切断する切断装置と、
   を備えたことを特徴とするリチウム電池電極の製造装置。

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