JP6880689B2

JP6880689B2 - ダイ

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Publication number: JP6880689B2
Application number: JP2016237470A
Authority: JP
Inventors: 瑛山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: JP2018089599A

Description

本開示は、ダイに関する。

特開２０１０−０５１９５３号公報（特許文献１）には、塗工用のダイとして、スリット状の細い開口（吐出口）を有するスリットダイが開示される。ダイ塗工では、スリットダイの吐出口から、ダイに対して相対的に移動する基板上へ、塗料を吐出することで、基板上に塗料が塗布される。

なお、スリットダイでは、通常、特許文献１に記載されるように、切欠部を有するスペーサー（シム）が、一対のダイ（ダイブロック）に挟持されており、該切欠部によって、塗料を該吐出口へ流すための厚みの薄い隙間（スロット）が形成されている。従来は、吐出口付近におけるシムの切欠部の形状は、ストレート形状であることが望ましいと考えられていた。

特開２０１０−０５１９５３号公報

しかしながら、図８に示されるように、吐出口の両端部付近では、中央部よりも流速が遅くなる。吐出速度が遅くなると、ペーストが基板の移動速度に追従できず、ペーストがダイから基板上に移動し難くなるため、ダイから吐出されたペーストがダイの吐出口の周囲に付着して堆積する場合がある。なお、特に塗料が高粘度のペーストである場合は、ダイからのペーストの吐出速度がさらに遅くなるため、ペーストがダイの吐出口の両端部付近により一層堆積し易くなる。

そして、ペーストの堆積量が多くなると、堆積したペーストが基板の本来不要な部分（幅方向にはみ出した部分など）に転写されてしまう場合がある。このため、ペーストを用いてダイ塗工を精度良く行うことが困難であるという問題があった。

本開示は、上記の課題に鑑みて、ペーストを用いてダイ塗工を精度良く行うことが可能なダイを提供することを目的とする。

本開示のダイは、ペーストを吐出するためのスリット状の吐出口を有する。また、本開示のダイは、一対のダイブロックと、切欠部を有するシムと、を含む。シムは、一対のダイブロックの間に挟持され、切欠部によって、ペーストを吐出口へ流すためのスロットが形成されている。スロットは、直線部と、直線部と吐出口とを接続する先細り部と、からなる。シムの主面に平行であり、かつ吐出口の長手方向に垂直な方向を吐出方向としたとき、直線部の幅方向（吐出口の長手方向）の両端面は吐出方向に対して平行である。先細り部の幅は、直線部から吐出口に向かって狭くなっている。

先細り部の吐出方向の長さをａとし、直線部の端面から吐出方向に引き出された仮想線と、吐出口の端部と、の間の距離をｂとし、ペーストの粘度をｍＰａ・ｓの単位で表した値をＺとした場合において、
ａ×ｂ／２≧２．５ｍｍ^２、かつ、
Ｚ／（１００００×３）≦ｂ／ａ≦Ｚ／（１００００×１．６）
である。

本開示のダイを用いることで、ペーストを用いてダイ塗工を精度良く行うことができる。その理由は次のように考えられる。

図５および図６を参照して、ダイ塗工では、例えば、所望の塗工幅に合わせた切欠部を有するシム２３を一対のダイブロック２１，２２の間に挟持してなるダイ２が用いられる。ダイ２の吐出口２４からペースト１（塗料）が吐出され、図５の矢印の方向に回転するロール４の表面に設置された基板３上にペースト１０が塗布される。

図７は、従来のダイを用いて塗布されたペーストの端部の拡大写真を示す図である。図７（ａ）は図６のＢ１の部分に相当する拡大写真であり、図７（ｂ）は図６のＢ２の部分に相当する拡大写真である。図７（ａ）では、塗布されたペーストの端部の形状に問題はない。しかし、図７（ｂ）では、塗布されたペーストの端部にペーストが大きくはみ出した部分が形成されている。

図８を参照して、ペーストの粘度が比較的低い場合は、ペーストの吐出速度が比較的早いため、ペースト１が基板３の移動速度（例えば、６０ｍ／分）に追従し易い。このため、ペースト１は、基板３に引っ張られ、ダイ（ダイブロックの先端２１ｂ，２２ｂ）から基板３側へ移動し易い。

一方、図９を参照して、ペーストの吐出速度が遅い場合、吐出速度が、基板３のダイ（ダイブロックの先端２１ｂ，２２ｂ）に対する相対的な移動速度に対して必要な速度よりも遅いと、ペースト１が基板３の移動速度に追従できず、ペースト１が基板３へ移動し難くなる。このため、ダイから吐出されたペースト１がダイの吐出口２４の周囲に付着して堆積し易くなる。

ここで、図１０を参照して、従来のダイ２の吐出口２４の端部近傍２４ｂでは、ダイのスロットの内壁面（シム２３の切欠部の端面）の抵抗により、ペースト１の吐出速度が、吐出口２４の中央部より遅くなっている。したがって、吐出口２４の両端部付近では、特にペーストの堆積が生じやすい。

そして、図１１を参照して、吐出口２４の両端部付近において、ペーストの蓄積量が徐々に多くなると（図１１（ａ）〜（ｃ））、堆積したペーストが基板の本来不要な部分（幅方向にはみ出した部分など）に転写されてしまい、塗布されたペースト１０の端部の形状が乱れてしまう場合があった（図１１（ｄ））。

したがって、塗布されたペーストの端部形状の乱れ（はみ出し、端部肥厚など）を抑制するためには、ダイからのペーストの吐出速度（ダイの吐出口におけるペーストの流量または流速）を、吐出口の長手方向において均―にすることが望ましい。

一方、本開示のダイにおいては、図３（ａ）に示されるように、ダイのスロット２５が直線部２６と先細り部２７とからなる。そして、図３（ｂ）に示されるように、先細り部２７において、シム２３からスロット２５（先細り部２７）の内側に向かって突出した突起部２３ｂが設けられている。これにより、吐出口２４の端部付近から吐出されるペーストの流量低下が抑制される。ダイのスロット２５（先細り部２７）の内壁面（シム２３の切欠部２３ａの端面）の抵抗による影響が、少なくなるためである。

そして、各々の突起部２３ｂの面積Ｓ［ａｂ／２］が２．５ｍｍ^２以上であり、突起部２３ｂのスロット２５側の端面の仮想面に対する傾きＡ［ｂ／ａ］が、Ｚ／（１００００×３）以上である場合に、吐出口２４の端部付近から吐出されるペーストの流量低下が十分に抑制され、塗布されたペーストの幅方向端部の形状が良好となる。なお、Ｚは、ペーストの粘度をｍＰａ・ｓの単位で表した値（無単位の数値）である。

ただし、傾きＡ［ｂ／ａ］が、Ｚ／（１００００×１．６）を超える場合は、スロット２５から送られるペーストが吐出口２４の端部付近に集中し、端部付近から吐出されるペーストの流量が逆に増加してしまう。これにより、塗布されたペーストの幅方向端部が肥厚してしまう。この場合も、端部の立体的な形状の乱れとなる。また、例えば、電極集電体上に電極合材を含むペーストを塗布し、そのペーストを乾燥させて電極合材層を形成して、電極シートを製造するような場合、得られた長い電極シートをロール等に巻き取って保管する上で不都合が生じる。

しがって、傾きＡ［ｂ／ａ］が、Ｚ／（１００００×１．６）以下である場合は、塗布されたペーストの幅方向端部が肥厚することも抑制でき、端部の立体的な形状の乱れも抑制することができる。

以上のように、本開示によれば、ペーストを用いてダイ塗工を精度良く行うことが可能となる。

なお、本開示によれば、ペーストの粘度が異なる場合でも、ペーストの粘度に応じて、ダイ塗工を精度良く行うために適切なダイのスロットの形状（シムの形状）を容易に設計することができる。

本開示のダイの一実施形態を示す斜視図である。図１に示すダイの分解斜視図である。実施形態のダイの特徴を説明するための上面模式図である。実施形態のダイに用いられるシムの形状の一例を示す上面図である。ダイ塗工を説明するための断面模式図である。従来のダイを用いたペーストの塗工を説明するための模式図である。従来のダイを用いて塗布されたペーストの端部の拡大写真を示す図である。吐出速度が速い場合のペーストの挙動を示す断面模式図である。吐出速度が遅い場合のペーストの挙動を示す断面模式図である。従来のダイを用いたペーストの塗工を説明するための模式図である。従来のダイを用いたペーストの塗工を説明するための模式図である。実施例における端部膜厚評価を説明するための模式図である。

以下、本開示の実施形態について説明する。ただし、本開示はこれらに限定されるものではない。

図１は、本開示のダイの一実施形態を示す斜視図である。主に図１を参照して、本実施形態のダイ２は、その先端面に、ペーストを吐出するためのスリット状の吐出口２４を有する。

図２は、図１に示すダイの分解斜視図である。主に図２を参照して、ダイ２は、一対のダイブロック２１，２２と、切欠部２３ａを有するシム２３と、を含む。シム２３は、一対のダイブロック２１，２２の間に挟持され、切欠部２３ａによって、ペーストを（導入口２０ａから貯留部２０を経て）吐出口２４へ流すための隙間が形成されている。

なお、本明細書では、この隙間のうち、シム２３の切欠部２３ａの端面と、ダイブロック２１の主面２１ａと、ダイブロック２２の主面２２ａと、に囲まれる部分を「スロット」と呼ぶ。すなわち、「スロット」は、シム２３の厚みと同じ厚み（高さ）を有する空間部である。したがって、貯留部２０と切欠部２３ａの一部とによって構成される、シム２３の厚みより高さが高い空間部は、「スロット」には含まれない。

図３（ａ）を参照して、本開示のダイにおいては、このようなスロット２５が、直線部２６と、直線部２６と吐出口２４とを接続する先細り部２７と、からなる。

ここで、直線部２６における両端面（吐出口２４の長手方向の両端面）は、吐出方向に対して平行である。ここで、「吐出方向」の用語は、シム２３の主面に平行であり、かつ吐出口２４の長手方向に垂直な方向を意味する。

一方、先細り部２７の幅（幅方向の長さ）は、直線部２６から吐出口２４に向かってテーパー状に狭くなっている。ここで、「幅方向」の用語は、シム２３の主面に平行であり、かつ吐出口２４の長手方向に平行な方向を意味する。

図３（ｂ）を参照して、先細り部２７の吐出方向の長さ（直線部２６の終端（先細り部２７との境界）と吐出口２４との間の距離）をａとする。また、直線部２６の端面２６ａから吐出方向に引き出された仮想線と、吐出口２４の端部２４ａ（シム２３の吐出口２４側の先端）と、の間の距離（吐出口２４の長手方向の距離）をｂとする。

この場合において、ａ（ｍｍ）×ｂ（ｍｍ）／２は、２．５ｍｍ^２以上である。なお、「ａ×ｂ／２」は、図３のような上面視における、仮想線より吐出口側の部分（突起部２３ｂ）のシムの面積Ｓに相当する。ａ×ｂ／２の上限は特に限定されない。

さらに、ｂ／ａは、ペーストの粘度（ｍＰａ・ｓ）／（１００００×３）以上、ペーストの粘度（ｍＰａ・ｓ）／（１００００×１．６）以下である。なお、「ｂ／ａ」は、図３のような上面視における、突起部２３ｂのスロット２５側の端面の仮想線に対する傾きに相当する。

本実施形態のダイに用いられるシムの形状の一例としては、図４に示されるような寸法のシム２３が挙げられる。なお、左側の図が上面図であり、右側の図が側面図である。図４中の符号２３以外の数値の単位は、「ｍｍ」である。シム２３の厚みｔ１は、例えば、１．０ｍｍである。図４に示すシム２３において、ａ＝５、ｂ＝２．５であり、ｂ／ａ＝０．５であり、ａｂ／２＝６．２５である。

なお、本実施形態のダイ２を構成するシム２３およびダイブロック２１，２２の材質は、特に限定されないが、例えば、金属、樹脂などでよく、好ましくは金属である。金属としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ合金）が挙げられる。

（塗工装置）
本実施形態のダイは、塗工装置の部品として用いることができる。塗工装置は、相対的に移動する基板上にダイからペーストを吐出して、基板上にペーストを塗布するための装置である。塗工装置としては、例えば、ダイコーターなどが挙げられる。ダイコーターの方式は、枚葉方式であってもよく、ロール・ツー・ロール方式であってもよい。

図５を参照して、塗工装置は、例えば、上記のダイ２と、ダイ２に対して相対的に基板３を移動させるためのロール４とを備えている。

ダイ２は、基板３に対して所定の間隔を空けて設置される。ダイ２の導入口２０ａに接続された塗料タンク等から、塗料（ペースト１）がダイ２の貯留部２０に供給される（図２参照）。ペースト１は、貯留部２０からスロット２５を経由してダイ２の先端の吐出口２４から吐出され、ロール４上で移動している基板３に対してペースト１０として塗布される。

本実施形態のダイ、および、それを備えた塗工装置は、例えば、電極集電体上に電極合材を含むペーストを塗布し、そのペーストを乾燥させて電極合材層を形成して、電極を製造するために、好適に使用することができる。

このような電極の製造方法などにおいては、ペーストを乾燥させる工程に時間を要するため、製造効率を高める観点からは、乾燥工程の時間を短縮することが望ましい。そのためには、ペースト中の固形分含量を高めることが望ましいが、ペーストの粘度は高くなる。これにより、ダイ塗工を精度良く行うことが困難になり易い。したがって、このような高粘度のペーストを用いる場合において、本開示のダイは特に有用である。

なお、本実施形態のダイを備えた塗工装置を用いて製造された電極は、例えば、リチウムイオン二次電池の電極として用いることができる。そのリチウムイオン二次電池は、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車用等の電源として用いることができる。

以下、実施例が説明される。ただし以下の例は、本開示の発明の範囲を限定するものではない。

〔実施例１〜７および比較例１〜６〕
上述のａおよびｂの値が表１に示す値となるように設計されたシム（ステンレス製）を用意した。なお、シムのａおよびｂ以外の寸法は図４に示す通りであり（図中の数値の単位はｍｍである）、シムの厚みは１．０ｍｍである。そして、各々のシムを２つのダイブロック（ステンレス製）で挟んだ状態で固定し、図１に示されるような実施例１〜７および比較例１〜６のダイを用意した。

（正極合材ペースト１〜３の調製）
まず、以下の材料を準備した。

正極活物質：ＬｉＮｉ_1/3Ｃｏ_1/3Ｍｎ_1/3Ｏ₂
導電材：アセチレンブラック
バインダ：ポリフッ化ビニリデン
溶媒：Ｎ−メチル−２−ピロリドン
正極集電箔：Ａｌ箔（厚さ１５μｍ）
プラネタリミキサの混合容器に、正極活物質、導電材、バインダおよび溶媒を投入し、混練することにより、正極合材ペースト１を得た。固形分の配合比（質量比）は、正極活物質：導電材：バインダ＝９０：８：２とした。また、ペースト中の固形分率（ＮＶ）は６３．５質量％とした。正極合材ペースト１の粘度は、４０００ｍＰａ・ｓであった。

また、材料（正極活物質）の吸油量を変更した点以外は、正極合材ペースト１と同様にして、正極合材ペースト２を得た。正極合材ペースト２の粘度は、８０００ｍＰａ・ｓであった。

また、材料(正極活物質)の吸油量を変更した点以外は、正極合材ペースト１と同様にして、正極合材ペースト３を得た。正極合材ペースト３の粘度は、１００００ｍＰａ・ｓであった。

なお、正極合材ペーストの粘度（ｍＰａ・Ｓ）は、Ｂ型回転粘度計を用いて、剪断速度２．５１ｓ^−１（１ｒｐｍに相当）の条件で測定した。測定結果を表１の「粘度」の欄に示す。

（正極シートの作製）
実施例１〜７および比較例１〜６の各々のダイを備える、図５に示されるような塗工装置（ダイコーター）を用いて、上記で得た正極合材ペースト（ペースト１）を正極集電箔（基板３）の片面に塗布した。塗布された正極合材ペースト（ペースト１０）を乾燥させて、正極集電箔上に正極合材層を形成することで、正極シートを製造した。

なお、実施例１、２および比較例１、２では正極合材ペースト１を使用し、実施例３、４および比較例３、４では正極合材ペースト２を使用し、実施例５〜７および比較例５、６では正極合材ペースト３を使用した。

《計算値》
表１の「粘度」の欄に示される正極合材ペースト１〜３の各々の粘度（μ）の値から、以下の式によってＡｍｉｎおよびＡｍａｘの値を算出した。

Ａｍｉｎ＝μ［ｍＰａ・ｓ］／（１００００×３）
Ａｍａｘ＝μ［ｍＰａ・ｓ］／（１００００×１．６）
計算値を、表１の「計算値」の欄の「Ａｍｉｎ」および「Ａｍａｘ」の欄に示す。

また、表１に示されるａおよびｂの値から、「ｂ／ａ」および「ａ×ｂ／２」の値を算出した。各々の計算値を、表１の「計算値」の欄の「ｂ／ａ（傾きＡ）」および「ａｂ／２（面積Ｓ）」の欄に示す。

《端部形状評価》
上記のようにして、実施例１〜７および比較例１〜６のダイを用いて作製された各々の正極シート（長さ２００ｍ）について、電極合材層の幅方向端部の形状を目視で観察した。観察結果を表１の「端部形状評価」の欄に示す。ここでは、端部の形状に乱れ（はみ出し部分など）が１箇所も観察されなかった場合は「○」（良）と記載し、端部の形状に乱れが１箇所でも観察された場合は「×」（不良）と記載した。

《端部膜厚評価》
各々の正極シート（乾燥後）について、ＲＣ（ロータリーキャリパー）計およびレーザー変位計を用いた膜厚の測定により、図１２に示されるような幅方向の膜厚プロファイルを作成した。その膜厚プロファイルから、端部の膜厚の最大値と、平均膜厚との差（膜厚差）を求めた。

なお、図１２において、横軸の「塗工位置」は、正極集電体を含む正極シートの幅方向の一端からの幅方向の距離である。また、正極集電体は端部から２〜３ｍｍ程度の未塗工部分を有している。上記の「平均膜厚」は、このような未塗工部を除いた正極合材層の端部から特定範囲までの膜厚の平均値である。

このようにして求めた膜厚差に基づいて、端部の肥厚が生じているか否かの評価（端部膜厚評価）を行った。評価結果を表１の「端部膜厚評価」の欄に示す。ここでは、膜厚プロファイルが図１２に示されるように正極シートの幅方向の膜厚が分布している場合、端部の膜厚の最大値と、平均膜厚との差を求め、その膜厚差が５μｍ以下であれば「○」（良）と記載し、５μｍ超であれば「×」（不良）と記載した。

《総合判定》
さらに、表１の「総合判定」の欄には、「端部形状評価」および「端部膜厚評価」の両方が「○」であった場合に「○」（良）と記載し、「端部形状評価」および「端部膜厚評価」の少なくとも１方が「×」であった場合に「×」（不良）と記載した。

表１の「要因」の欄に記載したように、比較例１で端部形状評価が「×」であったのは、「ａ×ｂ／２」の値（図３（ｂ）に示す突起部２３ｂの面積Ｓに相当）が不足したこと（Ｓ不足）が原因であると考えられる。これにより、吐出口２４の端部付近から吐出されるペーストの流量低下の抑制効果が十分に得られなかったと考えられる。

また、比較例２、４および６で、端部膜厚評価が「×」であったのは、「ｂ／ａ」の値（図３（ｂ）に示す突起部２３ｂの端面の傾きＡに相当）がＡｍａｘよりも大きかったこと（Ａ過大）が原因であると考えられる。これにより、スロット２５から送られるペーストが吐出口２４の端部付近に集中し、端部付近から吐出されるペーストの流量が増加してしまったと考えられる。

また、比較例３および５で、「ｂ／ａ」の値（図３（ｂ）に示す突起部２３ｂの端面の傾きＡに相当）がＡｍｉｎより小さかったこと（Ａ不足）が原因であると考えられる。これにより、吐出口２４の端部付近から吐出されるペーストの流量低下の抑制効果が十分に得られなかったと考えられる。

これに対して、「ａ×ｂ／２」および「ｂ／ａ」の両方が本開示の範囲内である、実施例１〜７は、端部形状評価および端部膜厚評価の両方が「○」（良）であった。

なお、本開示の効果を得るための「ｂ／ａ」の値の範囲は、ペーストの粘度によって異なることが分かる。このため、「ｂ／ａ」の値が、ペーストの粘度に応じて算出されるＡｍｉｎおよびＡｍａｘで規定される範囲内に含まれるように、シムの形状を設計することで、本開示の効果が得られると考えられる。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ペースト、１０（塗布された）ペースト、２ダイ、２０貯留部、２０ａ導入口、２１，２２ダイブロック、２１ａ，２２ａ主面、２１ｂ，２２ｂ先端、２３シム、２３ａ切欠部、２３ｂ突起部、２４吐出口、２４ａ端部、２４ｂ端部近傍、２５スロット、２６直線部、２７先細り部、３基板、４ロール。

Claims

ペーストを吐出するためのスリット状の吐出口を有するダイであって、
前記ダイは、一対のダイブロックと、切欠部を有するシムと、を含み、
前記シムは、前記一対のダイブロックの間に挟持され、前記切欠部によって、前記ペーストを前記吐出口へ流すためのスロットが形成されており、
前記スロットは、直線部と、前記直線部と前記吐出口とを接続する先細り部と、からなり、
前記シムの主面に平行であり、かつ前記吐出口の長手方向に垂直な方向である、吐出方向に対して、前記直線部における幅方向の両端面は平行であり、
前記先細り部の幅は、前記直線部から前記吐出口に向かって狭くなっており、
前記先細り部の前記吐出方向の長さをａとし、前記直線部の端面から前記吐出方向に引き出された仮想線と、前記吐出口の端部と、の間の距離をｂとし、前記ペーストの粘度をｍＰａ・ｓの単位で表した値をＺとした場合において、
ａ×ｂ／２が２．５ｍｍ^２以上であり、かつ、
ｂ／ａが、Ｚ／（１００００×３）以上、Ｚ／（１００００×１．６）以下である、電極製造用のダイ。