JP6946942B2 - 帯状電極の製造装置及び製造方法 - Google Patents

帯状電極の製造装置及び製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、帯状電極の製造装置及び製造方法に関する。
例えばリチウムイオン二次電池等に使用される帯状電極は、帯状の集電箔の表面に長手方向に沿って電極合材層が形成された構成を有している。ここで、集電箔は、電極合材層が形成された形成部と、幅方向両端部において集電箔が露出した非形成部とからなる。
特許文献1に開示されているように、このような帯状電極の製造装置及び製造方法では、電極合材層が形成された集電箔を厚さ方向にプレスする。このようなプレス工程よって、電極合材層が圧縮され、製造される帯状電極の電極密度を向上させることができる。
ところが、このプレス工程では、集電箔において電極合材層が形成された形成部は伸びるが、非形成部は伸びないため、そのままでは集電箔が湾曲してしまう。そこで、上述のプレス工程の後、非形成部を延伸する工程が必要となる。特許文献1に開示された帯状電極の製造装置及び製造方法では、形成部に形成された電極合材層に対向する小径部と非形成部に対向する大径部とを有する延伸ロールを用いて、非形成部を延伸している。
特開2014−116141号公報
発明者は、電極合材層が形成された集電箔をプレスした後、集電箔において電極合材層が形成されていない非形成部を延伸する帯状電極の製造装置及び製造方法に関し、以下の問題点を見出した。
特許文献1に開示された延伸ロールを用いて非形成部を延伸した場合、集電箔の非形成部における形成部との境界近傍にシワが発生するという問題があった。そして、このような非形成部すなわち集電箔に発生したシワが起点となって、集電箔が破断してしまう虞があった。
なお、電極密度を向上させるため形成部のプレス量を増加させると、それに伴って非形成部の延伸量も増加させる必要がある。このように、非形成部の延伸量が増加すると、非形成部にシワが発生し易くなる。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、集電箔において電極合材層が形成されていない非形成部を延伸する際、非形成部に発生するシワを抑制可能な帯状電極の製造装置及び製造方法を提供するものである。
本発明の一態様に係る帯状電極の製造装置は、
長手方向に沿って電極合材層が形成された帯状の集電箔を、前記電極合材層の厚さ方向にプレスする一対のプレスロールと、
前記集電箔の幅方向両端部において前記電極合材層が形成されずに前記集電箔が露出した非形成部を、延伸する延伸ロールと、を備えた帯状電極の製造装置であって、
前記延伸ロールは、
前記集電箔に形成された前記電極合材層に対向する第1ロールと、
前記第1ロールの軸方向両端に配置され、前記非形成部に対向する一対の第2ロールと、を有しており、
前記一対の第2ロールの中心軸に対して前記第1ロールの中心軸が、延伸する前記集電箔から遠ざかる方向にずれているものである。
本発明の一態様に係る帯状電極の製造装置では、非形成部を延伸する延伸ロールが、集電箔に形成された電極合材層に対向する第1ロールと、第1ロールの軸方向両端に配置され、非形成部に対向する一対の第2ロールと、を有しており、一対の第2ロールの中心軸に対して第1ロールの中心軸が、延伸する集電箔から遠ざかる方向にずれている。そのため、集電箔が延伸ロールに進入する際には、一対の第2ロールに対する第1ロールの凹み段差が徐々に大きくなりと共に、集電箔が延伸ロールから離脱する際には、凹み段差が徐々に小さくなる。その結果、非形成部を延伸する際、非形成部が徐々に延伸されるため、非形成部に発生するシワを抑制することができる。
前記延伸ロールは、前記第1ロールの回転軸を構成する第1シャフトと、前記一対の第2ロールの回転軸を構成する一対の第2シャフトと、をさらに備え、前記一対の第2シャフトの少なくとも一方は円筒形状を有しており、前記第1シャフトが挿通されていてもよい。これによって、簡易な構成で第1ロールの中心軸と一対の第2ロールの中心軸とをずらすことができる。
また、前記第1ロールが中空構造を有していてもよい。これによって、第1ロールを軽量化することができる。
本発明の一態様に係る帯状電極の製造方法は、
長手方向に沿って電極合材層が形成された帯状の集電箔を、前記電極合材層の厚さ方向にプレスする工程と、
前記集電箔の幅方向両端部において前記電極合材層が形成されずに前記集電箔が露出した非形成部を、延伸ロールによって延伸する工程と、を備えた帯状電極の製造方法であって、
前記延伸ロールは、
前記集電箔に形成された前記電極合材層に対向する第1ロールと、
前記第1ロールの軸方向両端に配置され、前記非形成部に対向する一対の第2ロールと、を有しており、
前記一対の第2ロールの中心軸に対して前記第1ロールの中心軸を、延伸する前記集電箔から遠ざかる方向にずらすものである。
本発明の一態様に係る帯状電極の製造方法では、非形成部を延伸する延伸ロールが、集電箔に形成された電極合材層に対向する第1ロールと、第1ロールの軸方向両端に配置され、非形成部に対向する一対の第2ロールと、を有しており、一対の第2ロールの中心軸に対して第1ロールの中心軸を、延伸する集電箔から遠ざかる方向にずらす。そのため、集電箔が延伸ロールに進入する際には、一対の第2ロールに対する第1ロールの凹み段差が徐々に大きくなりと共に、集電箔が延伸ロールから離脱する際には、凹み段差が徐々に小さくなる。その結果、非形成部を延伸する際、非形成部が徐々に延伸されるため、非形成部に発生するシワを抑制することができる。
本発明により、集電箔において電極合材層が形成されていない非形成部を延伸する際、非形成部に発生するシワを抑制可能な帯状電極の製造装置及び製造方法を提供することができる。
帯状電極40の平面図である。 図1のII−II断面図である。 第1の実施形態に係る帯状電極の製造装置の側面図である。 第1の実施形態に係る延伸ロール30の断面図である。 第1の実施形態に係る延伸ロール30の模式的側面図である。 比較例に係る延伸ロール300の断面図である。 比較例に係る延伸ロール300の模式的側面図である。 実施形態に係る延伸ロール30及び比較例に係る延伸ロール300における位置による段差の変化を比較して示したグラフである。 実施形態に係る延伸ロール30及び比較例に係る延伸ロール300を用いて非形成部41bを延伸した際のシワの発生状況を示すマクロ写真である。
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
(第1の実施形態)
<帯状電極の構成>
まず、図1、図2を参照して、第1の実施形態に係る帯状電極の製造装置によって製造される帯状電極の構成について説明する。図1は、帯状電極40の平面図である。図2は、図1のII−II断面図であって、後述する図3のII−II断面図でもある。
なお、当然のことながら、図1、図2及びその他の図面に示した右手系xyz直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、z軸正向きが鉛直上向き、xy平面が水平面であり、図面間で共通である。
帯状電極40は、例えばリチウムイオン二次電池等に使用される正極用もしくは負極用の帯状電極である。図1、図2に示すように、帯状電極40は、集電箔41と電極合材層42とを備えている。ここで、集電箔41は、電極合材層42が形成された形成部41aと、電極合材層42が形成されずに集電箔41の幅方向(y軸方向)両端部において集電箔41が露出した非形成部41bとを備えている。図2に示すように、電極合材層42は、集電箔41の両表面に形成されている。但し、電極合材層42は、集電箔41の一方の表面に形成されていてもよい。
図1に示すように、電極合材層42は、帯状の集電箔41の長手方向(x軸方向)に沿って、集電箔41の表面に帯状に形成されている。他方、集電箔41の幅方向(y軸方向)両端部では、長手方向(x軸方向)に沿って集電箔41が帯状に露出している。そのため、集電箔41は、電極合材層42に対応して長手方向(x軸方向)に帯状に延びた形成部41aと、形成部41aを介して略平行に延びた一対の非形成部41bとから構成されている。すなわち、帯状電極40は中心線CLに対して線対称な構成を有している。一例として、形成部41aの幅は210mm程度、一対の非形成部41bの幅はそれぞれ15mm程度である。
なお、図示しないが、帯状電極40は、後工程において中心線CLに沿って切断され、2分割される。その後、分割された負極用の帯状電極、セパレータ、分割された正極用の帯状電極、セパレータの4枚をこの順に積層して捲回することによって、捲回電極体が製造される。その捲回電極体において、正極用の帯状電極の非形成部41bには正極端子が、負極用の帯状電極の非形成部41bには負極端子が、それぞれ接合される。セパレータには、一例として、PE(ポリエチレン)/PP(ポリプロピレン)/PE(ポリエチレン)の3層積層構造を有する多孔質フィルムを用いることができる。
帯状電極40が正極用の場合について説明する。集電箔41としては、例えばアルミニウム箔を用いることができる。電極合材層42を構成する正極活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiMn、LiNiO、LiNiCo(1−x)、及びLiNiCoMn(1−x−y)等のリチウム含有複合酸化物等が挙げられる(式中、0<x<1、0<y<1)。正極活物質層用の電極材料の組成は特に制限されず、公知の組成を適用可能である。
電極合材層42は例えば、上記の正極活物質に加え、炭素粉末等の導電材、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等の結着剤を固形分として含むことができる。さらに必要に応じて、カルボキシメチルセルロースNa塩(CMC)等の分散剤を固形分として含むことができる。電極合材層42を構成する溶媒としては、水、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等を用いることができる。
帯状電極40が負極用の場合について説明する。集電箔41としては、例えば銅箔を用いることができる。電極合材層42を構成する負極活物質としては、例えば、黒鉛等の炭素、金属リチウム、リチウム合金、リチウムイオンのド−プ・脱ド−プが可能な遷移金属酸化物/遷移金属窒化物/遷移金属硫化物、及び、これらの組み合わせ等が挙げられる。負極活物質層用の電極材料の組成は特に制限されず、公知の組成を適用可能である。
電極合材層42は例えば、上記の負極活物質に加え、スチレン−ブタジエン共重合体(SBR)等の結着剤を固形分として含むことができる。さらに必要に応じて、カルボキシメチルセルロースNa塩(CMC)等の分散剤を固形分として含むことができる。電極合材層42を構成する溶媒としては、水等を用いることができる。
<帯状電極の製造装置の全体構成>
次に、図3を参照して、第1の実施形態に係る帯状電極の製造装置及び製造方法の全体構成について説明する。図3は、第1の実施形態に係る帯状電極の製造装置の側面図である。図3に示すように、本実施形態に係る帯状電極の製造装置は、一対のプレスロール11、12、3つのガイドロール21〜23、延伸ロール30を備えている。
まず、図3に示すように、塗工や転写などによって電極合材層42が形成された集電箔41が、x軸負方向から当該製造装置内に搬入され、一対のプレスロール11、12によって厚さ方向にプレスされる。一例として、プレスロール11、12の直径は400mm程度であって、加圧能力30〜50tの油圧プレスを用いることができる。このプレス工程よって、電極合材層42が圧縮され、製造される帯状電極40の電極密度を向上させることができる。
ここで、上述の通り、図2は、図3のII−II断面図である。図2には、帯状電極40の断面図と共に二点鎖線によってプレスロール11、12も仮想的に示されている。図2に示すように、電極合材層42が形成された集電箔41をプレスした際、集電箔41における形成部41aは厚さ方向(z軸方向)に圧縮されると共にx軸方向に伸びる。他方、非形成部41bは厚さ方向(z軸方向)に圧縮されないため、x軸方向にも伸びない。従って、そのままでは、形成部41aと非形成部41bとからなる集電箔41が湾曲してしまう。
そこで、図3に示すように、電極合材層42が形成された集電箔41をプレスロール11、12によってプレスした後、集電箔41の非形成部41bを延伸ロール30によって延伸する。そのため、プレスロール11、12によってプレスされた電極合材層42付き集電箔41は、ガイドロール21によって延伸ロール30に導かれる。ガイドロール21によって、電極合材層42付き集電箔41の搬送方向は、x軸正方向からz軸負方向かつx軸負方向に変更される。
このように、延伸ロール30によって、集電箔41の非形成部41bが延伸され、帯状電極40が製造される。そして、図3の例では、延伸ロール30を通過した帯状電極40の搬送方向は、ガイドロール22によって、x軸正方向からz軸正方向に変更され、さらにガイドロール23によって、z軸正方向からx軸正方向に変更される。
なお、延伸ロール30による延伸工程と、プレスロール11、12によるプレス工程との順序を逆にしてもよい。また、当然のことながら、搬送方向を変更するためのガイドロール21〜23の個数や配置は、図3に示した例に限定されるものではなく、適宜決定すればよい。
<延伸ロール30の詳細構成>
次に、図4、図5を参照して、第1の実施形態に係る延伸ロール30の詳細構成について説明する。図4は、第1の実施形態に係る延伸ロール30の断面図である。図5は、第1の実施形態に係る延伸ロール30の模式的側面図である。第1の実施形態に係る帯状電極の製造装置は、延伸ロール30の構成に一つの特徴を有している。図4に示すように、延伸ロール30は、形成部41aに形成された電極合材層42に対向する第1ロール31と、非形成部41bに対向する一対の第2ロール32a、32bとを備えている。
図4に示すように、第1ロール31は、y軸方向を長手方向とする中空円柱形状を有している。第1ロール31を中空構造とすることによって軽量化することができる。但し、第1ロール31が中空構造でなくてもよい。第1ロール31の両底面の中央部に設けられた貫通孔に、ベアリングB1a、B1bが嵌め込まれている。ベアリングB1a、B1bには、y軸方向に延設されたシャフト(第1シャフト)S1が嵌挿されている。すなわち、第1ロール31は、固定され回転しないシャフトS1を回転軸として回転することができる。図4には、シャフトS1の中心軸A1が示されている。例えば、電極合材層42が第1ロール31に接触した場合、第1ロール31が回転する。
図4に示すように、一対の第2ロール32a、32bは、第1ロール31の中心軸A1の方向(y軸方向)の両端に配置されている。一例として、第2ロール32a、32bの直径は、第1ロール31の直径と同程度である。一対の第2ロール32a、32bは、いずれもy軸方向を長手方向とする円筒形状を有している。第2ロール32aの内周面にはベアリングB2aが嵌め込まれている。ベアリングB2aには、y軸方向に延設された円筒形状のシャフトS2aが嵌挿されている。
同様に、図4に示すように、第2ロール32bの内周面にはベアリングB2bが嵌め込まれている。ベアリングB2bには、y軸方向に延設された円筒形状のシャフトS2bが嵌挿されている。すなわち、第2ロール32a、32bは、それぞれ固定され回転しないシャフト(第2シャフト)S2a、S2bを回転軸として回転することができる。ここで、シャフトS2a、S2bは共通の中心軸A2を有する。図4に示すように、非形成部41bが第2ロール32a、32bに接触することによって、第2ロール32a、32bが回転する。
図5の模式的側面図に示すように、非形成部41bが第2ロール32a、32bに接触する位置P1〜P3では、第1ロール31が第2ロール32a、32bよりも凹むように段差が設けられている。図4は、この段差が最大となる位置P2における断面図である。図4に示すように、位置P2では、この段差がプレス工程後の電極合材層42の厚さよりも大きくなっている。そのため、非形成部41bを第2ロール32a、32bに接触させ、所定の張力で延伸することができる。
ここで、図4、図5に示すように、本実施形態に係る延伸ロール30では、第1ロール31の回転軸(中心軸A1)と第2ロール32a、32bの回転軸(中心軸A2)とをずらしている。図4に示すように、少なくとも一方の第2ロール32aのシャフトS2aが円筒形状であるため、シャフトS2aの内部に第1ロール31のシャフトS1を挿通させることができる。このような簡易な構成によって、固定された第2ロール32a、32bの回転軸(中心軸A2)に対して、第1ロール31の回転軸(中心軸A1)の位置を変更し、ずらすことができる。
図5に示すように、第1ロール31が延伸する非形成部41bから遠ざかる方向に、第2ロール32a、32bの中心軸A2に対して第1ロール31の中心軸A1をずらす。すなわち、位置P1から位置P2に向かって、第2ロール32a、32bに対する第1ロール31の凹み段差を徐々に大きくし、位置P2から位置P3に向かって、上記凹み段差を徐々に小さくする。ここで、位置P1は、非形成部41bが第2ロール32a、32bに進入する位置である。位置P3は、非形成部41bが第2ロール32a、32bから離脱する位置である。このような構成によって、非形成部41bを延伸する際、非形成部41bが徐々に延伸されるため、非形成部41bに発生するシワを抑制することができる。
<比較例に係る延伸ロール300の構成>
次に、図6、図7を参照して、比較例に係る延伸ロール300の構成について説明する。図6は、比較例に係る延伸ロール300の断面図である。図7は、比較例に係る延伸ロール300の模式的側面図である。図6に示すように、比較例に係る延伸ロール300は、電極合材層42が形成された形成部41aに対向する小径部310と、非形成部41bに対向する一対の大径部320とが一体に形成されている。
図6に示すように、延伸ロール300は、y軸方向を長手方向とする円柱形状を有している。延伸ロール300の両底面の中央部を長手方向(y軸方向)に貫通する貫通孔に、ベアリングB1a、B1bが嵌め込まれている。ベアリングB1a、B1bには、y軸方向に延設されたシャフトS1が嵌挿されている。すなわち、延伸ロール300は、シャフトS1を回転軸として回転することができる。図6には、シャフトS1の中心軸A1が示されている。
図7の模式的側面図に示すように、比較例に係る延伸ロール300では、当然のことながら、小径部310と大径部320との段差は位置P1〜P3によらず一定である。ここで、図8は、実施形態に係る延伸ロール30及び比較例に係る延伸ロール300における位置による段差の変化を比較して示したグラフである。横軸が延伸ロールにおける位置(P1〜P3)、縦軸は段差(mm)を示している。
また、図6は、図7に示した位置P2における断面図である。図6に示すように、小径部310と大径部320との段差がプレス工程後の電極合材層42の厚さよりも大きくなっている。そのため、非形成部41bを大径部320に接触させ、所定の張力で延伸させることができる。
図7、図8に示すように、比較例に係る延伸ロール300では、小径部310と大径部320との段差は位置によらず一定である。そのため、非形成部41bを延伸する際、非形成部41bが急激に延伸され、非形成部41bにシワが発生してしまう。そして、このような非形成部41bに発生したシワが起点となって、集電箔41が破断してしまう虞があった。電極密度を向上させるため形成部41aのプレス量を増加させると、それに伴って非形成部41bの延伸量も増加させる必要がある。このように、非形成部41bの延伸量が増加すると、非形成部41bにシワが発生し易くなる。
<実施形態に係る効果>
これに対し、図5、図8に示すように、実施形態に係る延伸ロール30では、非形成部41bが進入する際には、第2ロール32a、32bに対する第1ロール31の凹み段差が徐々に大きくなり、非形成部41bが離脱する際には、この凹み段差が徐々に小さくなる。このような構成によって、非形成部41bを延伸する際、非形成部41bが徐々に延伸されるため、非形成部41bに発生するシワを抑制することができる。
ここで、図9は、実施形態に係る延伸ロール30及び比較例に係る延伸ロール300を用いて非形成部41bを延伸した際のシワの発生状況を示すマクロ写真である。図9に示すように、比較例に係る延伸ロール300を用いた場合、非形成部41bにおける形成部41aとの境界近傍にシワが発生した。ここで、形成部41aには電極合材層42が形成されている。
一方、実施形態に係る延伸ロール30を用いた場合、明らかに非形成部41bに発生するシワが抑制された。具体的には、実施形態では、比較例に比べ、形成部41aとの境界から0.3mmの範囲におけるシワが90%以上減少した。なお、形成部41a全体の幅は13.4mmであった。
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
11、12 プレスロール
21〜23 ガイドロール
30 延伸ロール
31 第1ロール
32a、32b 第2ロール
40 帯状電極
41 集電箔
41a 形成部
41b 非形成部
42 電極合材層
A1、A2 中心軸
B1a、B1b ベアリング
B2a、B2b ベアリング
S1、S2a、S2b シャフト

Claims (4)

  1. 長手方向に沿って電極合材層が形成された帯状の集電箔を、前記電極合材層の厚さ方向にプレスする一対のプレスロールと、
    前記集電箔の幅方向両端部において前記電極合材層が形成されずに前記集電箔が露出した非形成部を、延伸する延伸ロールと、を備えた帯状電極の製造装置であって、
    前記延伸ロールは、
    前記集電箔に形成された前記電極合材層に対向する第1ロールと、
    前記第1ロールの軸方向両端に配置され、前記非形成部に対向する一対の第2ロールと、を有しており、
    前記一対の第2ロールの中心軸に対して前記第1ロールの中心軸が、延伸する前記集電箔から遠ざかる方向にずれており
    前記非形成部が前記一対の第2ロールに進入する位置及び前記一対の第2ロールから離脱する位置では、前記一対の第2ロールに対する前記第1ロールの凹み段差が、プレスされた前記電極合材層の厚さ以下であり、
    前記凹み段差が最大となる位置では、前記凹み段差が、プレスされた前記電極合材層の厚さよりも大きく、
    前記凹み段差は、前記進入する位置から前記最大となる位置に向かって徐々に大きくなると共に、前記最大となる位置から前記離脱する位置に向かって徐々に小さくなる、
    帯状電極の製造装置。
  2. 前記延伸ロールは、
    前記第1ロールの回転軸を構成する第1シャフトと、
    前記一対の第2ロールの回転軸を構成する一対の第2シャフトと、をさらに備え、
    前記一対の第2シャフトの少なくとも一方は円筒形状を有しており、前記第1シャフトが挿通されている、
    請求項1に記載の帯状電極の製造装置。
  3. 前記第1ロールが中空構造を有している、
    請求項1又は2に記載の帯状電極の製造装置。
  4. 長手方向に沿って電極合材層が形成された帯状の集電箔を、前記電極合材層の厚さ方向にプレスする工程と、
    前記集電箔の幅方向両端部において前記電極合材層が形成されずに前記集電箔が露出した非形成部を、延伸ロールによって延伸する工程と、を備えた帯状電極の製造方法であって、
    前記延伸ロールは、
    前記集電箔に形成された前記電極合材層に対向する第1ロールと、
    前記第1ロールの軸方向両端に配置され、前記非形成部に対向する一対の第2ロールと、を有しており、
    前記一対の第2ロールの中心軸に対して前記第1ロールの中心軸を、延伸する前記集電箔から遠ざかる方向にずら
    前記非形成部が前記一対の第2ロールに進入する位置及び前記一対の第2ロールから離脱する位置では、前記一対の第2ロールに対する前記第1ロールの凹み段差を、プレスされた前記電極合材層の厚さ以下とし、
    前記凹み段差が最大となる位置では、前記凹み段差を、プレスされた前記電極合材層の厚さよりも大きくし、
    前記凹み段差を、前記進入する位置から前記最大となる位置に向かって徐々に大きくすると共に、前記最大となる位置から前記離脱する位置に向かって徐々に小さくする、
    帯状電極の製造方法。
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