JP6662245B2

JP6662245B2 - 電極の製造装置

Info

Publication number: JP6662245B2
Application number: JP2016167878A
Authority: JP
Inventors: 宗高井; 勝志榎原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: JP2018037198A

Description

この発明は、二次電池に用いられる電極を製造するための電極の製造装置に関するものである。

近年、環境保護、省エネルギーの観点から、エンジンとモータを動力源として併用したハイブリッド自動車やモータを動力源とした電気自動車が開発、製品化されている。このハイブリッド自動車や電気自動車のエネルギー源として、電気を繰り返し充電放電可能な二次電池は必須の技術である。
一般的にこの二次電池としては、リチウム二次電池、ニッケル二次電池などの二次電池が用いられるが、なかでも、リチウム二次電池は、その動作電圧が高く、高い出力を得やすいので有力な電池であり、ハイブリッド自動車や電気自動車の電源としてますます重要性が増してきている電池である。

ところで、特許文献１には、この二次電池に用いられる電極の製造装置として成形転写装置が開示されている。すなわち、この特許文献１に開示された成形転写装置は、第１ロールＲａと第２ロールＲｂと第３ロールＲｃとを備え、湿潤造粒粒子２１を第１ロールＲａと第２ロールＲｂとの間に供給すると、第１ロールＲａと第２ロールＲｂとによって圧縮されて成形体２３が形成される。成形体２３は、第２ロールＲｂ上を搬送されて第２ロールＲｂと第３ロールＲｃとの間まで移動し、その後、第２ロールＲｂと第３ロールＲｃとの間で負極集電体１１の一方の表面に圧着される。これにより、負極合剤層が負極集電体１１の一方の表面に形成される。

特開２０１６−１０３４３３号公報

しかし、この特許文献１に記載されている成形転写装置を用いて負極集電体１１を製造すると、負極合剤層の厚みが不均一となった。この原因として考えられるのが、第１ロールＲａと第２ロールＲｂとには機械的な振れが存在し、また第１ロールＲａおよび第２ロールＲｂの真円度がずれることによって第１ロールＲａおよび第２ロールＲｂ間のギャップがロールの回転に伴ってばらつき、それに伴って、成形体２３の厚みが不均一となり、最終的には、この負極集電体を用いた最終製品、例えば、二次電池の性能が安定しない恐れがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、常に性能が安定した、二次電池に用いられる電極を製造し得る電極の製造装置を提供することを目的とする。

上記の問題点を解決するために、本発明の電極の製造装置は、次の構成を有している。
（１）互いに間隔をおいて配置された第１ロールと第２ロールとの間に、少なくとも活物質と結着剤と溶媒とを含む湿潤造粒体を供給することにより前記第２ロール上に合材シートを形成し、その後に前記合材シートを前記第２ロールと第３ロールとの間に搬送される集電箔上に転写して二次電池に用いられる電極を製造する電極の製造装置であって、前記電極の製造装置は、前記第１ロールおよび前記第２ロールの各回転角度における軸芯とロール表面との距離の変位量と、前記第１ロールおよび前記第２ロールの各回転角度における機械的ブレ量と、を記憶する記憶手段を備え、前記記憶手段に記憶された各回転角度における前記距離の変位量と、前記機械的ブレ量と、を用いて前記第１ロールおよび前記第２ロール間の各回転角度におけるクリアランスの変化を算出し、前記クリアランスの変化に応じて前記第２ロールと前記第３ロールとの回転速度比を制御する制御手段を備えることを特徴とする。

上記構成を有する本発明の電極の製造方法の作用・効果について説明する。
（１）互いに間隔をおいて配置された第１ロールと第２ロールとの間に、少なくとも活物質と結着剤と溶媒とを含む湿潤造粒体を供給することにより第２ロール上に合材シートを形成し、その後に前記合材シートを前記第２ロールと第３ロールとの間に搬送される集電箔上に転写して二次電池に用いられる電極を製造する電極の製造装置であって、前記合材シートの厚みの変化に応じて前記第２ロールと前記第３ロールとの速度比を制御する制御手段を備えるため、常に性能が安定した、二次電池に用いられる電極を製造し得るなど優れた作用効果を奏する。

本発明の電極の製造装置を概略的に示す図である。本発明の電極の製造装置の制御装置を示すブロック図である。第１ロールおよび第２ロールの回転位置と、各ロール間に形成されるギャップを含む直線上のある基点からギャップ上の各ロールの表面までの距離との関係を示す図である。（ａ）は、本発明の電極の製造装置を簡略的に示す図である。（ｂ）は、第２ロール上に形成される合材シートの厚み、第２ロールと第３ロールとの回転速度が異なる場合における活物質層の厚みをそれぞれ時間との関係で示す図である。

（実施形態１）
以下、本発明に係る電極の製造装置について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において図は、適宜簡略化或いは変形誇張されて描画されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも実施例と同一ではない。

図１は、本発明の電極の製造装置を概略的に示す図である。
すなわち、本実施形態における長尺シート状のシート電極５を製造するための電極の製造装置１０は、駆動手段としての第１モータ１２によって、図１において時計方向に回転駆動される第１ロール１１を備える。また、前記第１ロール１１の回転軸には、前記第１ロール１１の回転角度および回転速度を検出するための第１エンコーダ１３が設けられている。
前記第１ロール１１とわずかな間隔をおいて第２ロール１４が回転可能に配置されており、前記第２ロール１４は、駆動手段としての第２モータ１５によって、図１において反時計方向に回転駆動される。また、前記第２ロール１４の回転軸には、前記第２ロール１４の回転角度および回転速度を検出するための第２エンコーダ１６が設けられている。
前記第２ロール１４とわずかな間隔をおいて第３ロール１７が回転可能に配置されており、前記第３ロール１７は、駆動手段としての第３モータ１８によって、図１において時計方向に回転駆動される。また、前記第３ロール１７の回転軸には、前記第３ロール１７の回転角度および回転速度を検出するための第３エンコーダ１９が設けられている。
前記第１ロール１１と前記第２ロール１４と前記第３ロール１７とは、互いの回転軸線が平行となるように設置されている。

前記シート電極５は、金属箔集電体６（本発明の集電箔に相当する）の表面に活物質等から成る合材シート７が層状に転写されることにより成膜された活物質層８を有する。
正極用のシート電極５としては、アルミニウム箔やステンレス箔などの金属箔集電体６の表面に、活物質層８としてリチウムコバルト複合酸化物やリチウムマンガン複合酸化物などを含む活物質と結着剤と溶媒とを少なくとも含む湿潤造粒体９が層状に成膜されたものである。また、負極用のシート電極としては、銅箔やステンレス箔などの金属箔集電体６の表面に、活物質層８として黒鉛やコークスなどを含む活物質と結着剤と溶媒とを少なくとも含む湿潤造粒体９が層状に成膜されたものである。
また、前記活物質層８は、金属箔集電体６の、長手方向と直交する幅方向の片側縁部分を除いて形成されている。

前記電極の製造装置１０において、前記金属箔集電体６は、前記第３ロール１７の回転に伴って、前記第２ロール１４と前記第３ロール１７との間を通って前記第３ロール１７表面上に密着捲回されながら搬送され、その状態では、前記金属箔集電体６の表面と前記第２ロール１４の表面との間には、わずかな隙間が存在する。

図２は、本発明の電極の製造装置の制御装置を示すブロック図である。
すなわち、本実施形態の制御装置２０は、周知のＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭなどによって構成されており、本発明の制御手段に相当する。
前記制御装置２０は、第１演算部２１と第２演算部２２とを備えるとともに、前記第１ロール１１および第２ロール１４の各回転角度における軸芯とロール表面との距離の変位量（偏芯量）や各回転角度における前記第１ロール１１および第２ロール１４の機械的ブレ量を予め記憶する記憶手段（図示せず）を備える。
前記第１演算部２１は、前記第１エンコーダ１３および前記第２エンコーダ１６からの検出信号と前記記憶手段に記憶された各回転角度における変位量に基づいて前記第１ロール１１および前記第２ロール１４の回転に伴うそれら両ロール１１、１４間のクリアランスの変化を求め、その求められたクリアランスの変化に基づいて前記第２ロール１４と前記第３ロール１７との速度比を順次出力する。また、前記第２演算部２２は、前記第３エンコーダ１９からの検出信号に基づいて算出された前記第３ロール１７の回転速度と前記第１演算部２１から順次出力される速度比に基づいて前記第２モータ１５の回転速度を算出して回転速度指令として前記第２モータ１５へ出力する。
また、この時、前記第２演算部２２は、前記第１ロール１１および第２ロール１４の機械的ブレ量も考慮して前記回転速度指令を前記第２モータ１５へ出力する。

以上のように構成された電極の製造装置１０おいて、第１ロール１１は、第１モータ１２によって、図１において時計方向に回転駆動され、また、第２ロール１４は、第２モータ１５によって、図１において反時計方向に、第１ロール１１の回転速度よりも速く回転駆動され、さらに、第３ロール１７は、第３モータ１８によって、図１において時計方向に回転駆動される。また、第３ロール１７の回転に伴って、金属箔集電体６が第２ロール１４との間を通って搬送される。
この状態において、第１ロール１１と第２ロール１４との間に予め混練された湿潤造粒体９が供給されると、供給された湿潤造粒体９は、第１ロール１１と第２ロール１４との間で圧縮されて合材シート７として成形される。ここで、第２ロール１４は、第１ロール１１の回転速度よりも速く回転しているので、成形された合材シート７は、第２ロール１４の表面上に担持されて第３ロール１７に向かって搬送される。そして、第２ロール１４と第３ロール１７との間に搬送された合材シート７は、金属箔集電体６表面に転写されて活物質層８として金属箔集電体６とともに次の乾燥工程に搬送される。

図３は、第１ロールおよび第２ロールの回転位置と、各ロール間に形成されるギャップを含む直線上のある基点からギャップ上の各ロールの表面までの距離との関係を示す図である。
すなわち、本実施形態の電極の製造装置１０では、第１ロール１１および第２ロール１４の断面形状は真円ではなく多少歪んでいたり、また、第１ロール１１および第２ロール１４の回転軸が中心より偏軸していたり、或いは第１ロール１１および第２ロール１４に機械的ブレ量が存在するので、図３に示すように、第１ロール１１と第２ロール１４との間のギャップ量は、第１ロール１１および第２ロール１４の回転に伴って逐次変動する。ギャップ量が変動すると、合材シート７の厚みが変化して不均一となり、最終的には、この負極集電体を用いた最終製品、例えば、二次電池の性能が安定しない恐れがある。

図４（ａ）は、本発明の電極の製造装置を簡略的に示す図である。図４（ｂ）は、第２ロール上に形成される合材シートの厚み、第２ロールと第３ロールとの回転速度が異なる場合における活物質層の厚みをそれぞれ時間との関係で示す図である。
すなわち、図４（ｂ）に示すように、第２ロール１４と第３ロール１７とを同じ速度で回転させると、合材シート７の厚みがそのままの状態で金属箔集電体６に転写されるので、活物質層８の厚みは、合材シート７の厚みと等しくなる。
それに対して、例えば、第２ロール１４を第３ロール１７の回転速度よりも遅く回転させると、合材シート７が薄く伸ばされて金属箔集電体６に転写されるので、活物質層８の厚みは、合材シート７の厚みより薄くなる。

したがって、制御装置２０の第１演算部２１は、第１エンコーダ１３および第２エンコーダ１６からの検出信号と記憶手段に記憶された変位量に基づいて第１ロール１１と前記第２ロール１４との間のクリアランスの変化（ばらつき）、つまり合材シート７の厚みの変化を第１ロール１１および第２ロール１４の回転角との関係で求め、その求められたクリアランスに基づいて前記第２ロール１４と前記第３ロール１７との速度比を逐次出力する。また、第２演算部２２は、第３エンコーダ１９からの検出信号に基づいて算出された第３ロール１７の回転速度と第１演算部２１から出力される速度比に基づいて第２モータ１５の回転速度を算出して回転速度指令として第２モータ１５へ逐次出力する。

つまり、制御装置２０は、合材シート７の厚みが厚い部分が第２ロールと第３ロールとの間に差し掛かる場合には、第２ロール１４の回転速度を第３ロール１７の回転速度よりも遅くして合材シート７の厚みより活物質層８の厚みが薄く転写されるように、また、合材シート７の厚みが薄い部分が第２ロールと第３ロールとの間に差し掛かる場合には、第２ロール１４の回転速度を第３ロール１７の回転速度と等しくして合材シート７がそのままの厚みで転写されるように、第２モータ１５の回転速度を制御する。すなわち、合材シート７の厚みのばらつきに応じて第２モータ１５の回転速度を制御、つまり第２ロール１４と第３ロール１７との速度比を制御することによって、合材シート７の厚みがばらついたとしても活物質層８の厚みを均一にすることができ、最終的には、この負極集電体を用いた最終製品、例えば、二次電池の性能を向上させることができる。
また、電極の製造装置１０の機械的精度も必要以上に求められることがなく、製造装置も安価に製作できる。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、その他一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々変更、改良を加えた態様で実施することができる。例えば、上述した実施形態では、第２ロール１４と第３ロール１７との間のギャップ量の変化は考慮されていないが、制御装置２０は、第２ロール１４と第３ロール１７との間のギャップ量の変化も考慮して第２ロール１４の回転速度を制御するようにしても差し支えないことは言うまでもない。また、合材シート７の厚みが厚い部分が第２ロールと第３ロールとの間に差し掛かる場合には、第２ロール１４の回転速度を第３ロール１７の回転速度と等しくして合材シート７がそのままの厚みで転写され、また、合材シート７の厚みが薄い部分が第２ロールと第３ロールとの間に差し掛かる場合には、第２ロール１４の回転速度を第３ロール１７の回転速度よりも速くして合材シート７の厚みより活物質層８の厚みが厚く転写されるように制御しても差し支えないことは言うまでもない。

５・・・シート電極
６・・・金属箔集電体
７・・・合材シート
８・・・活物質層
９・・・湿潤造粒体
１０・・・電極の製造装置
１１・・・第１ロール
１４・・・第２ロール
１７・・・第３ロール
２０・・・制御装置

Claims

互いに間隔をおいて配置された第１ロールと第２ロールとの間に、少なくとも活物質と結着剤と溶媒とを含む湿潤造粒体を供給することにより前記第２ロール上に合材シートを形成し、その後に前記合材シートを前記第２ロールと第３ロールとの間に搬送される集電箔上に転写して二次電池に用いられる電極を製造する電極の製造装置であって、
前記電極の製造装置は、
前記第１ロールおよび前記第２ロールの各回転角度における軸芯とロール表面との距離の変位量と、
前記第１ロールおよび前記第２ロールの各回転角度における機械的ブレ量と、
を記憶する記憶手段を備え、
前記記憶手段に記憶された各回転角度における前記距離の変位量と、前記機械的ブレ量と、を用いて前記第１ロールおよび前記第２ロール間の各回転角度におけるクリアランスの変化を算出し、前記クリアランスの変化に応じて前記第２ロールと前記第３ロールとの回転速度比を制御する制御手段を備えることを特徴とする電極の製造装置。