JP6708150B2

JP6708150B2 - 電池用電極製造装置

Info

Publication number: JP6708150B2
Application number: JP2017046317A
Authority: JP
Inventors: 健幸尾崎; 丈典池田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: JP2018152189A

Description

本発明は、供給された電極材料をシート状に成膜した後、それを電極集電体上に転写して電極シートを形成する電池用電極製造装置に関するものである。

電極製造装置に関して、供給された電極材料を塗膜の状態として電極集電体上に転写して電極シートを形成するものが知られている。この種の電極製造装置では、第１、第２及び第３の３つのロールを有し、それら３つのロールを用いてロールの回転方向に電極材料を伸ばすことにより薄いシート状に成形後、電極集電体上に転写している。すなわち、第１、第２ロール間で電極材料を膜状電極合材に成形して第２ロールへ転写し、第２、第３ロール間で第２ロールから電極集電体上に膜状電極合材を転写して電極シートを形成している。そして、第１、第２ロール間に、ロールの外周に一致した形状をなす隔壁を設けて、その隔壁により膜状電極合材の幅（転写幅）を規制するようになっている（特許文献１参照）。

特開２０１６−２０７３４０号公報

ここで、電極材料がロール間を通過する際に、電極材料はロールの回転方向だけでなくロールの軸方向にも伸びてしまう（広がってしまう）ため、図４（ｂ）に示すように、所望の転写幅Ｗ２から電極材料が漏れ出して（はみ出して）しまい、膜状電極合材２２３の両端部が直線とならずに波打つような形状で電極集電体２２１に転写されてしまう。そして、転写幅から漏れ出た膜状電極合材（電極材料）は電極集電体との接着が弱くなるため、電池セル内で電極集電体から脱落してセパレータを破損するおそれがある。また、転写幅から漏れ出た電極材料分の目付量（面積当たりの質量）が減少するおそれがあり、容量不足等の電池性能の低下を招いてしまうおそれもある。

そのため、上記の電極製造装置では、図１２に示すように、第１ロール２１１と第２ロール２１２とのロール間の距離が狭くなる位置の形状に合わせた隔壁２１５を設置している。しかしながら、ロール間の距離が最も狭くなる箇所（両ロールの対面位置）では、その距離が７０〜１００μｍであるため、この部分に合う（入り込む形状の）隔壁を設けることは非常に困難であり、転写幅からの電極材料の漏れ出しを防止することができないおそれがある。また、上記の電極製造装置では、第２ロール２１２と第３ロール２１３との間には隔壁が設けられていないため、膜状電極合材２２３を電極集電体２２１上に転写する際にも電極材料（膜状電極合材）が押圧されるので、電極材料がロールの軸方向へ広がって転写幅から漏れ出してしまうおそれがある。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、電極材料の転写幅からの漏れ出しを防止して一定幅で電極材料を電極集電体上に転写することができる電池用電極製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、電極材料を電極集電体上に転写して電極シートを形成する電池用電極製造装置において、前記電極材料の前記電極集電体への転写幅と同幅の第１ロールと、前記第１ロールに対向配置された前記第１ロールと同幅の第２ロールと、前記第２ロールに対向配置された前記電極集電体の幅よりも大きい幅の第３ロールと、前記第１ロールの端面と前記第２ロールの端面とに接して、少なくとも前記第１ロールと前記第２ロールとの間隔が最も狭くなる箇所を両側から覆う一対の第１壁部材と、前記第２ロールの端面と、前記第３ロールによって搬送される前記電極集電体とに接して、少なくとも前記第２ロールと前記第３ロールとの間隔が最も狭くなる箇所を両側から覆う一対の第２壁部材とを有することを特徴とする。

この電池用電極製造装置では、第１、第２ロールの幅（軸方向長さ）が転写幅と同幅であるため、両ロールの端面に接する第１壁部材を配置することが可能となっている。そして、第１壁部材は、電極材料を伸ばす力が最も強く、第１ロールと第２ロールとの間隔が最も狭くなる箇所（第１ロールと第２ロールとが対向する部分）を両側から覆っている。そのため、第１、第２ロール間で電極材料が膜状電極合材に成膜される際、電極材料がロールの軸方向に伸びてしまって（広がってしまって）も、第１壁部材によって堰き止められる。これにより、転写幅から電極材料が漏れ出すことを防止することができる。従って、第１ロールと第２ロールにより、両端部が直線化された一定の転写幅で電極材料を膜状電極合材に成膜することができる。

また、第２ロールと第３ロールとの間に第２壁部材が配置されているため、成膜された膜状電極合材を電極集電体上に転写する際に、膜状電極合材（電極材料）がロールの軸方向に伸びてしまって（広がってしまって）も、第２壁部材によって堰き止められる。これにより、転写幅から膜状電極合材（電極材料）が漏れ出すことを防止することができる。従って、第２ロールと第３ロールにより、両端部が直線化された一定の転写幅で膜状電極合材を電極集電体上に転写することができる。

本発明に係る電池用電極製造装置によれば、上記した通り、電極材料の転写幅からの漏れ出しを防止して一定幅で電極材料を電極集電体上に転写することができる。

実施形態に係る電極製造装置の概略構成を示す斜視図である。図１に示す電極製造装置の上面図である。図１に示す電極製造装置の側面図である。電極シートを示す平面図であり、（ａ）が本発明、（ｂ）が従来例である。第１壁部材の変形例を適用した電極製造装置の上面図である。図５に示す電極製造装置の側面図である。第１壁部材の変形例を示す斜視図である。第２壁部材の変形例を第２ロール側から見た図である。図８に示す第２壁部材の変形例の側面図である。別の第２壁部材の変形例を示す上面図である。図１０に示す第２壁部材の変形例の側面図である。従来の電極製造装置を示す斜視図である。

以下、本発明の電池用電極製造装置を具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。そこで、本実施形態に係る電極製造装置を模式的に示した斜視図を図１に示し、その上面図を図２に示し、側面図を図３に示す。本実施形態に係る電極製造装置１は、図１〜図３に示すように、第１ロール１０と、第２ロール２０と、第３ロール３０とを有している。

第１ロール１０及び第２ロール２０は、両ロール間に供給される電極材料１３０を、シート状に成膜するプレスロールであり、電極集電体１１０への電極材料１３０（膜状電極合材１２０）の転写幅Ｗ２と同幅のロールである。つまり、図２に示すように、第１ロール１０のロール幅Ｒｗ１が転写幅Ｗ２と等しく（Ｒｗ１＝Ｗ２）、第２ロール２０のロール幅Ｒｗ２が転写幅Ｗ２と等しい（Ｒｗ２＝Ｗ２）。

第１ロール１０と第２ロール２０は、図３に示すように、それぞれの回転軸が水平方向に並んで配置されている。このような第１ロール１０及び第２ロール２０は、軸間距離が一定の間隔となるように保持され、第１ロール１０の外周面と第２ロール２０の外周面との間には、所定の隙間（成膜する膜厚相当）が設けられている。なお、所定の隙間（最も狭くなる部分）は、７０〜１００μｍ程度である。そして、第１ロール１０と第２ロール２０は、図３に示す矢印方向へ回転、つまり逆方向に回転する。

第３ロール３０は、第１ロール１０及び第２ロール２０によって成形された膜状電極合材１２０を、電極集電体１１０に転写する転写ロールであり、電極集電体１１０の幅Ｗ１よりも大きいロール幅Ｒｗ３を有するロールである。この第３ロール３０の外周面には、電極集電体１１０が巻き掛けられており、電極集電体１１０を第２ロール２０まで搬送するようになっている。

本実施形態において、この第３ロール３０は、第１ロール１０と第２ロール２０に対して水平方向に並んで配置されているが、第３ロール３０は、第１ロール１０や第２ロール２０と干渉しない位置で、且つ、膜状電極合材１２０を電極集電体１１０に転写できる位置関係であればどこに配置されていてもよい。

この第３ロール３０は、第２ロール２０との軸間距離が一定の間隔となるように保持され、第２ロール２０の外周面と第３ロール３０の外周面との間には、所定の隙間（製造する電極シート１００の厚さ相当）が設けられている。この第３ロール３０は、図３に示す矢印方向へ回転、つまり第２ロール２０と逆方向（第１ロール１０と同方向）に回転する。

そして、電極製造装置１は、第１ロール１０と第２ロール２０との対向位置付近に、第１壁部材５０を有する。第１壁部材５０は、第１ロール１０の端面１０ａと第２ロール２０の端面２０ａとに接して、少なくとも第１ロール１０と第２ロール２０との間隔が最も狭くなる両ロールの対面位置を両側（両端面）から覆う一対の部材である。つまり、第１壁部材５０は、第１ロール１０及び第２ロール２０によって電極材料１３０がシート状に圧縮成形される部分を両ロール１０，２０の両端面１０ａ，２０ａから覆っている。

本実施形態において、第１壁部材５０は、その下端部が、第１ロール１０及び第２ロール２０の両端面１０ａ，２０ａに軸方向へ突出形成された小径部１０ｂ，２０ｂの外周面に沿った円弧形状をなしており、小径部１０ｂ，２０ｂの外周面に接触している。また、第１壁部材５０は、第２ロール２０の外周面付近まで上方へ延設されている。そして、この一対の第１壁部材５０により第１ロール１０及び第２ロール２０の上方に区画された空間内に電極材料１３０が供給され、その供給された電極材料１３０が第１ロール１０と第２ロール２０の間へ供給されるようになっている。

電極材料１３０は、膜状電極合材１２０を形成するための粉末の材料を含むものである。本実施形態の電極材料１３０は、電極活物質と結着材と溶媒とを混合して造粒した湿潤造粒体である。この湿潤造粒体は、溶媒が電極活物質の粒子と結着材に保持（吸収）された状態で、これらが集合（結合）した物質（粒状体）である。

また、電極製造装置１は、第２ロール２０と第３ロール３０との対向位置付近に、第２壁部材６０を有する。第２壁部材６０は、第２ロール２０の端面と、第３ロール３０によって搬送される電極集電体１１０とに接して、少なくとも第２ロール２０と第３ロール３０との間隔が最も狭くなる両ロールの対向位置を両側から覆う一対の部材である。つまり、第２壁部材６０は、第２ロール２０及び第３ロール３０によって、シート状に成膜された膜状電極合材１２０が電極集電体１１０に転写される部分を両側（第２ロール２０の両端面２０ａ）から覆っている。

本実施形態において、第２壁部材６０は、樹脂等の変形可能な材質で形成されており、図２に示すように、第３ロール３０の外周面に向かって先細りとなるテーパ部６１を備え、そのテーパ部６１の先端が電極集電体１１０に対して線接触するようになっている。そして、第２壁部材６０のテーパ部６１の先端は、他の部分に比べて変形しやすくなっている。これにより、テーパ部６１の先端と電極集電体１１０との密着性が高められる。

また、第２壁部材６０は、テーパ部６１の先端で電極集電体１１０に対して線接触するため、電極集電体１１０との間に生じる摩擦が小さくなる。その結果、薄くて破れやすい電極集電体１１０に対して第２壁部材６０を接触させながら、第３ロール３０によって電極集電体１１０を高速で搬送することができる。特に、第２壁部材６０を、ＰＴＦＥ等の滑りやすい材質で形成することにより、電極集電体１１０との摩擦をより低減することができる。それにより、第２壁部材６０を電極集電体１１０に密着させながら電極集電体１１０を安定して高速で搬送することができる。

次に、上記の電極製造装置１の動作（電極シート１００の製造）について説明する。まず、第１ロール１０及び第２ロール２０上にて第１壁部材５０により区画された空間内に、電極材料１３０が供給される。そうすると、電極材料１３０は第１ロール１０と第２ロール２０との間に供給される。第１ロール１０と第２ロール２０との間に供給された電極材料１３０は、第１ロール１０及び第２ロール２０の回転によって、第１ロール１０と第２ロール２０との隙間を通過しつつ、その隙間の通過時に第１ロール１０及び第２ロール２０によって加圧（圧縮）されて引き伸ばされる。この加圧により、電極材料１３０中の各粒子同士が、電極材料１３０中の結着材等の作用によって結着される。これにより、第１ロール１０と第２ロール２０との隙間を通過した電極材料１３０は、シート状に成膜されて膜状電極合材１２０となる。

ここで、電極材料１３０は、第１ロール１０と第２ロール２０との隙間の通過時に、第１ロール１０及び第２ロール２０によって加圧（圧縮）されて引き伸ばされる。このとき、電極材料１３０は、ロールの回転方向だけでなくロールの軸方向にも伸びて広がってしまう。しかしながら、電極製造装置１では、第１壁部材５０によって電極材料１３０のロールの軸方向への伸び広がりが防止（規制）される。そして、第１ロール１０の幅Ｒｗ１及び第２ロール２０の幅Ｒｗ２は、電極材料１３０の転写幅Ｗ２と同じに設定されている。そのため、第１ロール１０と第２ロール２０とにより、狙いの転写幅（つまり第１（第２）ロールの幅）で両端部が波打つことなく真っ直ぐに（直線状に）膜状電極合材１２０を形成することができる。

そして、第１ロール１０及び第２ロール２０によってシート状に成膜された膜状電極合材１２０は、第２ロール２０の外周面上に順次付着していく。第２ロール２０の外周面上に付着した膜状電極合材１２０は、第２ロール２０の回転により、第３ロール３０との対面位置へと搬送される。

その後、第２ロール２０に付着した膜状電極合材１２０は、第３ロール３０によって第２ロール２０へ搬送されてきた電極集電体１１０とともに、第２ロール２０と第３ロール３０との隙間を通過する。その際に、電極集電体１１０及び膜状電極合材１２０は、その厚み方向に第２ロール２０及び第３ロール３０によって加圧され、膜状電極合材１２０が、第２ロール２０の外周面上から電極集電体１１０上に転写される。かくして、電極シート１００が製造される。

ここで、膜状電極合材１２０は、第２ロール２０と第３ロール３０との隙間を通過する際に、第２ロール２０及び第３ロール３０によって加圧（圧縮）されて引き伸ばされる。このとき、膜状電極合材１２０は、ロールの回転方向だけでなくロールの軸方向にも伸びて広がってしまう。しかしながら、電極製造装置１では、第２ロール２０と第３ロール３０との隙間部分を両側から覆うようにして一対の第２壁部材６０が設けられている。そして、この第２壁部材６０は、第３ロール３０によって電極集電体１１０を高速で搬送しても、電極集電体１１０を損傷することなく電極集電体１１０に対して密着している。そのため、第２壁部材６０によって、膜状電極合材１２０のロールの軸方向への伸び広がりが防止（規制）される。その結果、図４（ａ）に示すように、狙いの転写幅Ｗ２で両端部が波打つことなく真っ直ぐに（直線状に）膜状電極合材１２０が電極集電体１１０上に転写された電極シート１００を得ることができる。なお、図４（ｂ）は、膜状電極合材の両端部が波打った形状となった電極シートの従来品を示す。

このようにして、電極製造装置１では、狙いの転写幅Ｗ２からの電極材料１３０（膜状電極合材１２０）の漏れ出しがなくなる。そのため、電極材料１３０（膜状電極合材１２０）が電極集電体１１０にしっかりと接着される。従って、電池セル内で電極材料１３０が電極集電体１１０から脱落することを防止することができる。また、規定量（規定厚さ）の電極材料１３０が電極集電体１１０に転写されるため目付量が減少しないので、容量不足等の電池性能の低下が生じることもない。

続いて、第１壁部材の変形例について説明する。上記した第１壁部材５０は固定壁であったが、第１壁部材を第１ロール１０とともに回転する回転壁として構成することもできる。例えば、図５〜図７に示すように、第１ロール１０の両端面１０ａに、ロール径よりも大きく、第２ロール２０の端面２０ａの一部を覆う円盤状の回転壁５５を設けることができる。このように第１壁部材として回転壁５５を設置することにより、壁面近傍で電極材料１３０の流動性が向上する。そのため、壁面近傍の電極材料１３０が第１ロール１０と第２ロール２０との隙間に入り込みやすくなり、狙いの転写幅から外側への電極材料１３０の漏れ出しを効果的に抑制することができる。

次に、第２壁部材の変形例について説明する。上記した第２壁部材６０は変形可能で滑りやすい材質を使用してテーパ部６１を形成することにより、電極集電体１１０との摩擦を低減しているが、潤滑剤を供給して電極集電体１１０との摩擦を低減することもできる。例えば、図８及び図９に示すように、テーパ部６１を備えない第２壁部材６５を設けた場合、第２壁部材６５よりも第３ロール上流側（図９では下方）に、潤滑剤を含むスポンジ等の潤滑剤供給部材６６を、第２壁部材６５へ潤滑剤を供給できるように配置して、第２壁部材６５と電極集電体１１０との間に潤滑剤を供給することができる。このような構成によっても、第２壁部材６５と電極集電体１１０との摩擦を低減することができ、電極集電体１１０を損傷させることなく高速で搬送することができる。

また、上記した第２壁部材６０は固定壁であったが、第３ロール３０の回転速度と同速度で循環移動する移動壁とすることもできる。例えば、図１０及び図１１に示すように、４つのベルトプーリ６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄに巻き掛けられて循環移動する無端状ベルト６８を設けることができる。なお、無端状ベルト６８としては、第２ロール２０と第３ロール３０との隙間寸法よりも厚い厚さのものを使用する必要がある。これにより、無端状ベルト６８によって、膜状電極合材１２０のロールの軸方向への伸び広がりを防止（規制）することができる。

このように第２壁部材として、第３ロール３０の回転速度と同速度で循環移動する無端状ベルト６８を設けることにより、無端状ベルト６８と電極集電体１１０との摺動をなくすとともに、転写される膜状電極合材１２０との速度差を小さくすることができる。そのため、電極集電体１１０を高速搬送しながら無端状ベルト６８との密着性を高めることができるので、第２ロール２０から膜状電極合材１２０を電極集電体１１０上へ転写する際に、狙いの転写幅から外側への電極材料１３０（膜状電極合材１２０）の漏れ出しを効果的に抑制することができる。

以上、詳細に説明したように本実施形態に係る電極製造装置１によれば、第１ロール１０の幅Ｒｗ１と第２ロール２０の幅Ｒｗ２が転写幅Ｗ２と同幅であるため、両ロールの端面１０ａ，２０ａに接する一対の第１壁部材５０を配置することができ、この第１壁部材５０により、電極材料１３０を引き伸ばす力が最も強い、第１ロール１０と第２ロール２０との間隔が最も狭くなる箇所（対面位置）をロール両側から覆っている。これにより、第１ロール１０と第２ロール２０との間で電極材料１３０が膜状電極合材１２０に成膜される際、電極材料１３０がロールの軸方向に伸びてしまって（広がってしまって）も、第１壁部材５０によって堰き止めることができる。従って、狙いの転写幅Ｗ２から電極材料１３０が漏れ出すことを防止することができるため、第１ロール１０と第２ロール２０により、両端部が直線化された一定の転写幅Ｗ２で電極材料１３０を膜状電極合材１２０に成膜することができる。

また、第２ロール２０と第３ロール３０との隙間に第２壁部材６０が配置されているため、成膜された膜状電極合材１２０を電極集電体１１０上に転写する際に、膜状電極合材１２０（電極材料１３０）がロールの軸方向に伸びてしまって（広がってしまって）も、第２壁部材６０によって堰き止められる。従って、転写幅Ｗ２から膜状電極合材１２０（電極材料１３０）が漏れ出すことがないため、第２ロール２０と第３ロール３０により、両端部が直線化された一定の転写幅Ｗ２で膜状電極合材１２０を電極集電体１１０上に転写することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

１電極製造装置
１０第１ロール
１０ａ端面
２０第２ロール
２０ａ端面
３０第３ロール
５０第１壁部材
６０第２壁部材
１００電極シート
１１０電極集電体
１２０膜状電極合材
１３０電極材料
Ｒｗ１ロール幅（第１ロール）
Ｒｗ２ロール幅（第２ロール）
Ｒｗ３ロール幅（第３ロール）
Ｗ１電極集電体幅
Ｗ２転写幅

Claims

電極材料を電極集電体上に転写して電極シートを形成する電池用電極製造装置において、
前記電極材料の前記電極集電体への転写幅と同幅の第１ロールと、
前記第１ロールに対向配置された前記第１ロールと同幅の第２ロールと、
前記第２ロールに対向配置された前記電極集電体の幅よりも大きい幅の第３ロールと、
前記第１ロールの端面と前記第２ロールの端面とに接して、少なくとも前記第１ロールと前記第２ロールとの間隔が最も狭くなる箇所を両側から覆う一対の第１壁部材と、
前記第２ロールの端面と、前記第３ロールによって搬送される前記電極集電体とに接して、少なくとも前記第２ロールと前記第３ロールとの間隔が最も狭くなる箇所を両側から覆う一対の第２壁部材とを有する
ことを特徴とする電池用電極製造装置。