JP7074095B2

JP7074095B2 - 電極板の製造方法

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Publication number: JP7074095B2
Application number: JP2019030352A
Authority: JP
Inventors: 隆彦中野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: JP2020136156A

Description

本発明は、集電箔上に活物質層を有する電極板の製造方法に関するものである。

リチウムイオン二次電池などの電池は、正負の電極板と電解液とをケース内部に収容してなるものである。正負の電極板は、シート状の集電箔上に活物質層が形成されて成るものである。活物質層には、充放電に寄与する活物質、活物質を集電箔上に結着させて活物質層を形成するための結着材などの電極材料が含まれている。シート状の集電箔は活物質層が形成された後、円筒巻芯により巻き取られる。そして、このような電極板の製造方法に係る先行技術として、例えば、特許文献１に記載のものが挙げられる。

特許文献１には、活物質層を有する電極板を円筒巻芯により巻き取る製造装置が開示されている。具体的には、巻き取り速度を高くしつつ、電極板に加わる張力の変動を抑制可能な、扁平電極巻回体を製造する装置が開示されている。

特開２０１７－６２９１９号公報

電極板には、特許文献１にも記載があるように電極板の巻き取り過程において張力が作用している。また、電極板はその厚さばらつきや製造誤差を有する。巻き取り過程において電極板に作用する張力と厚さばらつきや製造誤差によって、電極板には湾曲が発生する。

このような湾曲した正負の電極板とセパレータを巻回して、電池を製造すると、電極板の湾曲に起因し、正負極それぞれが斜めに巻回され、巻回体が円錐状になるなどの製造不良が発生することがある。そのため、電池ケースへの収納の支障となり、電池の生産性が低下すること原因となる。円筒巻芯の巻き取り力を低下させ、巻き取り過程の電極板に作用する張力を小さくすると、電極板の湾曲を抑制することができる。しかしながら、巻き取り力を弱くすると、電極板の幅方向の位置が固定されず巻回され、電極板の幅方向の位置精度が確保できないという課題があった。

電極板の幅方向の位置精度が確保されていない正負の電極板とセパレータを巻回して電池を製造すると、湾曲した電極板を用いた場合と同様に、電極板正負極それぞれが斜めに巻回され、電池ケースへの収納に支障が生じるなどの、製造不良が発生する。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、集電箔と集電箔上に設けられた活物質層を有する電極板を製造するにあたり、電極板に発生する湾曲を抑制しつつ巻回時の巻きズレを抑制可能な電極板の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の集電箔上に活物質層を有する電極板を製造する電極板の製造方法は、集電箔上に活物質層が形成された後の電極板を、外径の変更が可能な円筒巻芯を第１の外径にして巻き取る工程と、電極板の巻取量が予め定められた量以上となった後に、円筒巻芯の外径を第１の外径よりも小さな第２の外径に縮小する工程と、第２の外径に縮小した円筒巻芯で前記電極板を更に巻き取る工程と、を備えることを特徴とする電極板の製造方法である。

本発明に係る電極板の製造方法は、外径を変更可能な円筒巻芯を用いて、電極板を第１の外径で巻き取ることで、巻き取り時の電極板の幅方向の位置精度を確保する。電極板の巻取量が予め定められた量以上となった後に、円筒巻芯の径を第１の外径よりも小さな第２の外径に縮小する。このようにすることで電極板にかかっている張力を開放し、巻き取り時の電極板の幅方向の位置精度を確保しつつ、電極板を湾曲した状態から平坦な状態に戻すことができる。円筒巻芯の外径を第２の外径に縮小すると巻回した電極板が緩むため、緩んだ電極板を第２の外径で更に巻き取る。これにより、電極板の巻き取り時の電極板の幅方向の位置精度を確保しつつ、電極板の湾曲も抑制することができる。

本発明によれば、電極板の巻き取り時の電極板の幅方向の位置精度を確保しつつ、湾曲が抑制された電極板を製造することができる。

実施形態に係る電極板の断面図である実施形態に係る電極板製造装置の概略構成図である。実施形態に係る円筒巻芯の概略図である。実施形態に係る製造方法のフローチャートである。実施形態に係る電極板が巻回された円筒巻芯の概略図である。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

まず、図１により、本形態において製造される電極板１００について説明する。電極板１００は、図１の断面図に示すように、集電箔１１０と、活物質層１２０とを有している。電極板１００は、図１において左右方向に長いものである。

本形態の電極板１００において、活物質層１２０は、集電箔１１０の第１面１１１のみに形成されている。電極板１００は、例えば、リチウムイオン二次電池などの二次電池を構成するための正極または負極として用いられるものである。

集電箔１１０としては、例えば、金属箔を用いることができる。また、活物質層１２０は少なくとも、活物質１２１および結着材１２２を含むものである。活物質１２１は、電池における充放電に寄与するものである。また、結着材１２２は、活物質層１２０を構成する材料を互いに結着させて活物質層１２０を形成するとともに、その活物質層１２０を集電箔１１０の第１面１１１に結着させるためのものである。

具体的には、電極板１００がリチウムイオン二次電池の正極である場合、例えば、集電箔１１０としてアルミニウム箔を、活物質１２１としてＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４を、結着材１２２としてポリフッ化ビニリデン（PVDF）を用いることができる。あるいは、電極板１００がリチウムイオン二次電池の負極である場合、例えば、集電箔１１０として銅箔を、活物質１２１として炭素材料を、結着材１２２としてスチレンブタジエンゴム（SBR）を用いることができる。なお、活物質層１２０には、適宜、活物質層１２０内の導電性を高める導電材など、活物質１２１および結着材１２２以外の材料がさらに含まれていてもよい。

次に、本実施形態において電極板１００の製造に用いる電極板製造装置について説明する。図２は、本実施形態の電極板製造装置１の概略構成図を示している。電極板製造装置１は、図２に示すように、巻出部２、成膜部３、乾燥炉４、蛇行制御部５、検査部６、巻取部７を有している。

巻出部２には、ロール状の集電箔１１０が取り付けられている。巻出部２に取り付けられている集電箔１１０は、まだ、表面に何も形成されていない状態のものである。なお、巻出部２に取り付けられている集電箔１１０は、外周側に第１面１１１を向けた状態でロール状にされている。

そして、巻出部２は、取り付けられている集電箔１１０をその外周側より巻き出すとともに、巻き出した集電箔１１０を電極板製造装置１内に供給することのできるものである。また、巻出部２より巻き出された集電箔１１０の搬送経路には、成膜部３、乾燥炉４、蛇行制御部５、検査部６がこの順で配置されている。

成膜部３は、集電箔１１０の第１面１１１に活物質層１２０を付着させる成膜工程を行うためのものである。集電箔１１０に活物質層が付着してなるシートを図１に成膜シート１４０として示している。乾燥炉４は成膜シート１４０の乾燥工程を行うためのものである。蛇行制御部５は、搬送される集電箔１１０の幅方向についての蛇行を抑制するためのものである。また、検査部６は、電極板１００の不良を検出するためのものである。

そして、巻取部７は、検査部６を通過した電極板１００をロール状に巻き取るための円筒巻芯１０が備えられている。つまり、巻出部２より巻き出された集電箔１１０は、乾燥炉４を通過して電極板１００とされ、蛇行制御部５、検査部６を通過した後、巻取部７の円筒巻芯１０によって巻き取られる。よって、巻取部７の円筒巻芯１０に製造された電極板１００が回収される。円筒巻芯１０の外径は、後述するように可変である。

巻取量検出部８は、巻取部７で巻き取られた電極板１００の量を検知する。巻取量検出部８は例えば、カメラによって構成されており、円筒巻芯１０に巻回された電極板１００の厚さから巻取量Ｘを算出し、制御部９へ巻取量Ｘの情報を送る。制御部９は、巻取量検出部８で検出された、電極板１００の巻取量Ｘが予め定められた量以上であるか判断する。巻取量Ｘが予め定められた量以上である場合は、加圧ポンプ１１の空気圧を調整し、円筒巻芯１０の外径を変更する。

加圧ポンプ１１は円筒巻芯１０に接続されている。加圧ポンプ１１は、制御部９の指令に基づいて、円筒巻芯１０に付与する空気圧を変更する。

次に、円筒巻芯１０について説明する。図３は円筒巻芯１０の概略図を示している。円筒巻芯１０は例えば、樹脂などの伸縮性のある材質で構成されている。円筒巻芯１０は中空のボビンである。また、円筒巻芯１０は加圧ポンプ１１の空気圧を利用して内部を加圧することにより、その外径を変更することができる。例えば、図３（ａ）に示したような外径Ｄ１の状態から、空気圧を減じることで、図３（ｂ）に示したような外径Ｄ２まで、段階的または連続的に変更させることができる。また、加圧ポンプ１１の空気圧を高めることで、再び外径Ｄ２からＤ１に戻すことが可能である。

次に、本形態における電極板１００の製造方法について説明する。図４は、電極板１００の製造方法を示すフローチャートである。

円筒巻芯１０は内挿されたローラにより、外径Ｄ１で電極板１００を十分な巻き取り力で巻き取る（Ｓ１）。ここでいう、十分な巻き取り力とは、巻き取られた電極板１００の幅方向の位置精度が確保可能な程度の巻き取り力をいう。例えば、電極板１００に２２Ｎの張力がかかるように巻き取る。電極板１００は活物質層１２０の塗着量のばらつきや製造誤差により、厚さばらつきを有する。そのため、電極板１００を幅方向の位置精度が確保可能な程度の巻き取り力で巻回すると、その厚さらばらつきに起因して、電極板１００は湾曲した状態で円筒巻芯１０に巻回される。

次に、円筒巻芯１０に巻き取られた電極板１００の巻取量Ｘが、予め定められた巻取量ＰＡ以上となったかを判断する（Ｓ２）。電極板１００の巻取量ＸがＰＡ以上となった場合は、次の工程Ｓ３に進む。電極板１００の巻取量ＸがＰＡ以上でない場合はＳ１に戻り外径Ｄ１で電極板１００の巻き取りを継続する。
ここで、予め定められた巻取量ＰＡは電極板１００の巻回回数によって定めてもよいし、巻回された電極板１００の重量や、巻出部２から搬送された電極板１００の送出量や、電極板１００の巻回時間に基づいて定めることもできる。

次に、巻出部２および巻取部７の駆動を停止し、電極板１００の巻き取りを停止させる（Ｓ３）。巻き取りを継続したまま、次工程の円筒巻芯１０の外径の変更を行うと、円筒巻芯１０に既に巻回された電極板１００が緩むため、巻出部２から巻き出された電極板１００を十分に巻取部７で巻き取ることができなくなる。そのため、円筒巻芯１０の外径変更時は電極板１００の巻き取りを停止させる。

次に、円筒巻芯１０の外径をＤ１から、外径Ｄ１よりも外径の小さなＤ２に変更する（Ｓ４）。具体的には、加圧ポンプ１１の空気圧を減じることで、円筒巻芯１０の外径を外径Ｄ１からＤ２に変更する。外径Ｄ２の際の、円筒巻芯１０に付与される空気圧は、大気圧よりも高い。電極板１００は外径Ｄ１では十分な巻き取り力で巻回されているため、湾曲した状態である。ここで、円筒巻芯１０の外径をＤ１よりも小さなＤ２に変更することで、電極板１００に付加されていた張力が解放される。その結果、電極板１００は湾曲した状態から平坦な状態に戻される。電極板１００の張力が解放されるだけであるため、巻回された電極板１００の幅方向の位置精度は確保されたままである。

次に、円筒巻芯１０の外径をＤ１からＤ２に変更したことによって巻回された電極板１００の一部が緩むため、緩んだ電極板１００をＤ２で更に巻き取る（Ｓ５）。電極板１００の一部が緩むとは、電極板１００に付与された張力が解放されるのみで、巻回された電極板１００は円筒巻芯１０から離間しないこと、および巻回された電極板１００の一部が、円筒巻芯１０から離間することの両方の意味である。この際の、電極板１００に作用する張力は、外径Ｄ１での巻き取り時に付与される張力よりも、弱いものである。外径Ｄ２での巻取力を、外径Ｄ１での巻取力よりも弱くすることで、外径Ｄ２で巻き取った際に、電極板１００が再度湾曲することを抑制することができる。

図５は、実施形態に係る電極板が巻回された円筒巻芯１０の概略図である。図５の左側に示すように、円筒巻芯１０は外径Ｄ１で電極板１００を巻き取る。その後、電極板１００の巻取量が予め定められた量ＰＡ以上となった後、図５の右側に示すように、円筒巻芯の外径を外径Ｄ１よりも小さな外径Ｄ２に、縮小する。その後、外径Ｄ２で緩んだ電極板１００を更に巻き取る。このようにすることで、電極板の湾曲を抑制しつつ、電極板の幅方向の位置精度を確保することができる。

また、本発明の発明者は、本発明の効果を確認するため、以下に示す実験を行った。本実験では、上記の実施形態に係る実施例と、上記の実施形態とは異なる比較例とにより、電極板４０００ｍを巻回して効果を確認する実験をおこなった。表１は、実施例および比較例のそれぞれの条件、および結果を示している。

表１に示すように、実施例は巻取部の円筒巻芯の外径を、２９０ｍｍから２００ｍｍに変更可能である。一方、比較例は巻取部の円筒巻芯の外径は２９０ｍｍであり、変更することができないものである。すなわち、実施例は、上記の実施形態に係る条件を満たしている。実施例については、円筒巻芯の外径２９０ｍｍでの巻き取り時の張力は２２Ｎとしている。予め定めた巻取量となった際に円筒巻芯の外径を２９０ｍｍから２００ｍｍに変更している。その後、円筒巻芯の外径２００ｍｍにおいて、緩んだ電極板を再度巻き取っている。円筒巻芯の外径２００ｍｍにおける巻き取り時張力は巻締まりを抑制するため最大１５Ｎとしている。比較例については、円筒巻芯の外径は２９０ｍｍとし、巻き取り時の張力は１５Ｎで、不変である。

表１に示すように、実施例の電極板の幅方向の位置精度と同等の意味を持つ巻きズレ量は、０．０２ｍｍと比較例の０．７２ｍｍよりも小さくなっている。すなわち、実施例では、巻きズレ量が抑制され、電極板の幅方向の位置精度が確保されていることが確認された。実施例は、巻き取り時張力を大きくしても、円筒巻芯の外径を変更することで、電極板に発生した湾曲を平坦に戻すことが可能である。そのため、巻き取り時の張力を比較例に比して大きいものとしても、電極板の湾曲を抑制しつつ、電極板の幅方向の位置精度を確保することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。例えば、上記の実施形態では、円筒巻芯１０の外径をＤ１からＤ２に変更するものとしたが、外径Ｄ２に変更後、外径Ｄ２での巻取量に応じて、更に円筒巻芯１０の外径をＤ２よりも小さなＤ３に変更してもよい。また、上記の実施形態では、集電箔１１０の第１面１１１のみに活物質層１２０を形成する場合について説明したが、集電箔１１０の第２面１１２にも活物質層１２０を形成した電極板１００についても、上記の実施形態で説明した第１面１１１のみに活物質層１２０を形成した電極板１００と同様に本製造方法を使用することができる。

１電極板製造装置
２巻出部
７巻取部
１０円筒巻芯
１００電極板
１１０集電箔
１２０活物質層

Claims

集電箔上に活物質層を有する電極板を製造する電極板の製造方法であって、
集電箔上に活物質層が形成された後の前記電極板を、外径の変更が可能な円筒巻芯を第１の外径にして巻き取る工程と、
前記電極板の巻取量が予め定められた量以上となった後に、前記円筒巻芯の外径を第１の外径よりも小さな第２の外径に縮小する工程と、
前記第２の外径に縮小した前記円筒巻芯で前記電極板を更に巻き取る工程と、
を備えることを特徴とする電極板の製造方法。