JP7089464B2

JP7089464B2 - 両面塗工装置および塗膜形成システム

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Publication number: JP7089464B2
Application number: JP2018236511A
Authority: JP
Inventors: 広司岡田
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2022-06-22
Anticipated expiration: 2038-12-18
Also published as: JP2020097005A; CN211865543U

Description

本発明は、長尺帯状の基材の両面に化学電池材料などの塗工液を同時に塗工する両面塗工装置、および、その両面塗工装置を組み込んだ塗膜形成システムに関する。

従来より、リチウムイオン二次電池などの化学電池の製造においては、金属箔等の基材をロールトゥロール方式にて搬送しつつ、その基材の表面に電極材料の塗工液を吐出して塗膜を形成する。また、電極を多層構造とするために、基材の表裏両面に塗膜を形成することが多く、基材の両面に電極材料の塗工液を吐出して塗膜を形成する両面塗工装置が知られている。このような両面塗工装置としては、まず基材の一方面に塗工液を塗工してから乾燥処理を行い、次に基材の他方面に塗工液を塗工して再度乾燥処理を行うものがある。このような手法によっても、基材の両面に塗工処理を行うことは可能であるが、１つのラインに乾燥炉が２台必要となり、装置の全長が長くなってコストが増大する。

このため、乾燥処理を行う前に基材の両面に塗工液を同時に塗工し、基材の両面に対して一括して乾燥処理を行う装置が開発されている。例えば、特許文献１には、基材を挟んで表面側と裏面側とに相対向するように塗工ノズルを配置し、双方の塗工ノズルから基材の表裏両面に塗工液を同時に吐出して両面同時塗工を行う両面塗工装置が開示されている。特許文献１に開示されるような両面塗工装置では、基材の表裏両面に塗工液を塗工してから一括して乾燥処理を行うため、乾燥炉が１台で足りるとともに、電極の生産性が高まる。

特開２０１５－６２８６５号公報

特許文献１に開示される装置では、基材を略水平方向に沿って搬送するとともに、基材の上下に塗工ノズルを配置していたが、基材を略鉛直方向に沿って搬送するとともに、基材の左右に一対の塗工ノズルを配置するようにしても良い。このような装置では、基材を鉛直方向上向きに搬送しつつ、左右の塗工ノズルから基材の表面および裏面に塗工液を吐出して塗工処理を行う。

基材を鉛直方向上向きに搬送しつつ塗工処理を行うときに、塗工膜厚が薄い場合には塗工ノズルと基材とのギャップが狭いため、基材の搬送速度が比較的遅くても塗工ノズルよりも下方に塗工液が流れ出ることはない。ところが、塗工膜厚が厚い場合には塗工ノズルと基材とのギャップが必然的に広くなるため、塗工液が自重によって塗工ノズルよりも下方に流れ出る現象が発生する。このような液垂れが発生すると、塗工ムラ等の塗工不良の原因となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、塗工液の液垂れを防止することができる両面塗工装置および塗膜形成システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、長尺帯状の基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工装置において、第１ローラから送り出された前記基材を第２ローラで巻き取ることによって前記基材を長手方向に沿って連続して搬送するとともに、少なくとも一部区間では前記基材を鉛直方向上向きに搬送する基材搬送部と、前記一部区間にて前記基材を挟んで水平方向に沿って対向配置され、水平方向に延びるスリット状の吐出口を有する一対のノズルと、を備え、前記一対のノズルのそれぞれは、前記基材の主面と平行に設けられて前記吐出口の上端を規定する上側リップ部および前記吐出口の下端を規定する下側リップ部を有し、前記上側リップ部と前記基材との間の間隔よりも前記下側リップ部と前記基材との間の間隔の方が狭く、前記吐出口のスリット間隔よりも前記上側リップ部と前記基材との間の間隔の方が狭く、前記上側リップ部と前記基材との間に形成される空間の圧力損失よりも前記下側リップ部と前記基材との間に形成される空間の圧力損失の方が大きいことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る両面塗工装置において、前記上側リップ部と前記基材との間の間隔は前記基材に塗工する塗工液のウェット膜厚と等しいことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、塗膜形成システムであって、請求項１または請求項２に記載の両面塗工装置と、前記両面塗工装置によって基材の両面に形成された塗工液の塗膜を乾燥させる乾燥部と、を備えることを特徴とする。

請求項１から請求項３の発明によれば、吐出口の上端を規定する上側リップ部と基材との間に形成される空間の圧力損失よりも吐出口の下端を規定する下側リップ部と基材との間に形成される空間の圧力損失の方が大きいため、下側リップ部と基材との間からの塗工液の液垂れを確実に防止することができる。

本発明に係る両面塗工装置を組み込んだ塗膜形成システムの全体構成を示す図である。一対の塗工ノズルの先端近傍を拡大した図である。一対の塗工ノズルによって基材の表裏面に塗工液が塗工される様子を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る両面塗工装置を組み込んだ塗膜形成システム１の全体構成を示す図である。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。

この塗膜形成システム１は、基材としての長尺帯状の金属箔をロールトゥロール方式にて搬送しつつ、その基材の両面に電極材料である活物質を含む塗工液を塗工し、その塗工液の乾燥処理を行ってリチウムイオン二次電池の電極製造を行う装置である。塗膜形成システム１は、両面塗工装置１０に乾燥部８０を備えて構成される。また、塗膜形成システム１は、システム全体を管理する制御部９０を備える。

本発明に係る両面塗工装置１０は、一対の塗工ノズル２０，２０および搬送機構６０を備える。制御部９０は、両面塗工装置１０の各機構部も制御しており、両面塗工装置１０の制御部としても機能する。

搬送機構６０は、巻き出しローラ（第１ローラ）６１、巻き取りローラ（第２ローラ）６２および複数のガイドローラ６３を備える。巻き出しローラ６１および巻き取りローラ６２は図示省略の駆動モータによって回転駆動される。複数のガイドローラ６３のそれぞれは回転自在に設けられている。長尺帯状の基材５は、巻き出しローラ６１から送り出されて複数のガイドローラ６３に案内されつつ巻き取りローラ６２によって巻き取られることにより、長手方向に沿って連続して搬送される。すなわち、搬送機構６０は、両面塗工装置１０、乾燥部８０の順にロールトゥロール方式にて基材５を連続搬送する。なお、ガイドローラ６３の個数および配置位置については、図１の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜に増減することができる。

また、搬送機構６０は、巻き出しローラ６１から巻き取りローラ６２に至る基材５の搬送経路のうち、乾燥部８０の手前の一部区間においては、基材５を鉛直方向上向きに搬送する。具体的には、当該一部区間の両端のガイドローラ６３を鉛直方向に沿って上下に配置することにより、当該一部区間では基材５が鉛直方向に沿って搬送される。

一対の塗工ノズル２０，２０は、基材５が鉛直方向上向きに搬送される上記一部区間において、搬送される基材５を挟んで水平方向に沿って対向配置されている。一対の塗工ノズル２０，２０は、概ね左右対称となる同様の構成を有する。

図２は、一対の塗工ノズル２０，２０の先端近傍を拡大した図である。一対の塗工ノズル２０，２０のそれぞれは、例えばステンレススチールにて形成されている。各塗工ノズル２０は、水平方向（長尺の基材５の幅方向）に沿って延びるスリット状の吐出口２１を備えたスリットノズルである。

一対の塗工ノズル２０，２０には、図示を省略する送液機構から塗工液が送給される。当該送液機構は、塗工液を貯留するタンク、ポンプおよび圧力センサ等を備えており、所定の流量にて連続的にまたは間欠的に塗工液を塗工ノズル２０に送給する。塗工ノズル２０に送給された塗工液はスリット状の吐出口２１から基材５に向けて吐出される。基材５を挟んで相対向するように配置された一対の塗工ノズル２０，２０は、基材５の表面および裏面に同時に塗工液を吐出して塗膜を形成する。なお、基材５の「表面」とは、基材５の２つの主面のうちの一方面であり、「裏面」とはその反対側の他方面である。すなわち、基材５の表面および裏面は、基材５の両面を単に識別するための表記であり、いずれか特定の面が表面または裏面に限定されるものではない。

図２に示すように、塗工ノズル２０は、吐出口２１よりも上側の先端に上側リップ部２２を有する。上側リップ部２２は、搬送される基材５の主面と平行に設けられるとともに、吐出口２１の上端を規定する。また、塗工ノズル２０は、吐出口２１よりも下側の先端に下側リップ部２３を有する。下側リップ部２３は、搬送される基材５の主面と平行に設けられるとともに、吐出口２１の下端を規定する。

吐出口２１の鉛直方向（基材５の長手方向）の間隔であるスリット間隔Ｄ１は、例えば５００μｍである。また、上側リップ部２２と基材５の主面との間隔である上部間隔Ｄ３は、例えば２５０μｍである。さらに、下側リップ部２３と基材５の主面との間隔である下部間隔Ｄ２は、例えば１５０μｍである。すなわち、下側リップ部２３の方が上側リップ部２２よりも基材５の主面に近接しており、上部間隔Ｄ３よりも下部間隔Ｄ２の方が狭い。また、スリット間隔Ｄ１よりも上部間隔Ｄ３の方が狭い。よって、当然に下部間隔Ｄ２はスリット間隔Ｄ１よりも狭い。

図１に戻り、乾燥部８０は、一対の塗工ノズル２０，２０によって基材５の両面に形成された塗工液の塗膜の乾燥処理を行う。乾燥部８０は、搬送機構６０によって搬送される基材５を加熱することによって、塗工液の塗膜から溶剤を蒸発させて乾燥処理を行う。乾燥部８０は、例えば、塗工液の塗膜を緩やかに昇温させる予熱部、塗膜を所定温度にまで昇温して主たる加熱を行うメイン乾燥部、塗膜をより高温に加熱して膜中の歪みや残留応力を除去するアニール部、加熱された塗膜を冷却する冷却部などを備えていても良い。

制御部９０は、両面塗工装置１０を含む塗膜形成システム１に設けられた各動作機構を制御して基材５に対する塗工処理を進行させる。制御部９０のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部９０は、各種演算処理を行う回路であるＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えて構成される。制御部９０のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって、制御部９０が塗膜形成システム１の各種機構を制御して塗膜形成システム１における塗工処理が進行する。

上述のような構成を備える塗膜形成システム１にて電極製造を行うときには、搬送機構６０によって基材５を長手方向に沿ってロールトゥロールで連続搬送しつつ、一対の塗工ノズル２０，２０によって基材５の表裏面に塗工液の同時塗工を行う。塗工の対象となる基材５は、リチウムイオン二次電池の集電体として機能する金属箔である。塗膜形成システム１にてリチウムイオン二次電池の正極を製造する場合には、基材５として例えばアルミニウム箔（Ａｌ）を用いることができる。また、塗膜形成システム１にて負極を製造する場合には、基材５として例えば銅箔（Ｃｕ）を用いることができる。基材５は長尺のシート状の金属箔であり、その幅および厚さについては特に限定されるものではないが、例えば幅６００ｍｍ～７００ｍｍ、厚さ１０μｍ～２０μｍとすることができる。

両面塗工装置１０においては、搬送機構６０によって搬送される基材５を挟んで水平方向に沿って相対向するように一対の塗工ノズル２０，２０が配置されている。一対の塗工ノズル２０，２０は、搬送機構６０によって鉛直方向上向きに搬送される基材５の表面および裏面に吐出口２１から塗工液を同時に吐出して基材５の両面に塗工液の塗膜を形成する。

塗膜形成システム１にて正極を製造する場合には、正極材料の塗工液として、例えば正極活物質であるコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、導電助剤であるカーボン（Ｃ）、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、溶剤であるＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）の混合液を用いる。コバルト酸リチウムに代えて、正極活物質としてニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、燐酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）などを用いることもできる。

一方、塗膜形成システム１にて負極を製造する場合には、負極材料の塗工液として、例えば負極活物質である黒鉛（グラファイト）、結着剤であるＰＶＤＦ、溶剤であるＮＭＰの混合液を用いる。黒鉛に代えて、負極活物質としてハードカーボン、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、シリコン合金、スズ合金などを用いることもできる。また、正極材料および負極材料の双方において、結着剤としてＰＶＤＦに代えてスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）などを使用することができ、溶剤としてＮＭＰに代えて水（Ｈ_２Ｏ）などを使用することができる。さらに、結着剤としてＳＢＲ、溶剤として水を用いる場合には、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を併用することもできる。これら正極材料および負極材料の塗工液は固体（微粒子）が分散されたスラリーであってその粘度はいずれも１Ｐａ・ｓ（パスカル秒）以上であり、一般的にチクソトロピー性を有する。

基材５の表面および裏面には同種の塗工液が塗工される。例えば、基材５の表面に正極材料の塗工液を塗工するのであれば、基材５の裏面にも正極材料の塗工液を塗工する。また、基材５の表面に負極材料の塗工液を塗工するのであれば、基材５の裏面にも負極材料の塗工液を塗工する。すなわち、一対の塗工ノズル２０，２０は同種の塗工液を吐出するのである。また、一対の塗工ノズル２０，２０は、塗工液を連続的に吐出して基材５に連続塗工を行うようにしても良いし、塗工液を断続的に吐出して基材５に間欠塗工を行うようにしても良い。

図３は、一対の塗工ノズル２０，２０によって基材５の表裏面に塗工液が塗工される様子を示す図である。矢印ＡＲ３に示すように、長尺帯状の基材５は搬送機構６０によって鉛直方向上向きに搬送される。一対の塗工ノズル２０，２０は、鉛直方向上向きに走行する基材５の表裏面に吐出口２１から同時に塗工液を吐出する。吐出された塗工液は基材５の表裏面に着液して塗工液の塗膜を形成する。形成される塗膜のウェット膜厚は、上側リップ部２２と基材５の主面との間の上部間隔Ｄ３と概ね等しい。

ここで、仮に、上側リップ部２２と下側リップ部２３とが面一、すなわち上部間隔Ｄ３と下部間隔Ｄ２とが等しかった場合、塗膜のウェット膜厚が厚いと下側リップ部２３と基材５との間から塗工液の液垂れが発生するおそれがある。そのような液垂れが発生すると、漏れ出た塗工液が基材５の主面に沿って流れ、塗工不良の原因となることは既述した通りである。

本実施形態においては、下側リップ部２３の方が上側リップ部２２よりも基材５の主面に近接しており、上部間隔Ｄ３よりも下部間隔Ｄ２の方が狭く形成されている。このため、上側リップ部２２と基材５との間に形成される空間の圧力損失よりも下側リップ部２３と基材５との間に形成される空間の圧力損失の方が大きくなる。その結果、比較的厚いウェット膜厚の塗膜を形成する場合であっても、下側リップ部２３と基材５との間に形成される空間に塗工液は保持されることとなり、その空間からの塗工液の液垂れを防止することができる。これにより、液垂れに起因した塗工不良を防止することができる。

また、吐出口２１のスリット間隔Ｄ１よりも上部間隔Ｄ３の方が狭い。このため、上側リップ部２２と基材５との間に形成される空間には十分な液量の塗工液が供給されることとなり、塗工液の不足に起因した塗工ムラを防止することができる。もっとも、上部間隔Ｄ３が過度に狭くなると、ダイラタンシー現象に起因した塗工不良が発生するおそれがあるため、そのようなダイラタンシー現象が生じない程度の大きさの上部間隔Ｄ３を確保する必要はある。

一対の塗工ノズル２０，２０によって表裏両面に塗工液が塗工されて塗膜が形成された基材５は乾燥部８０に搬送され、基材５が加熱されて塗工液から溶剤が蒸発し、塗工液の塗膜の乾燥処理が行われる。基材５が乾燥部８０から搬出される時点では塗工液の塗膜が十分に乾燥されている。塗膜が乾燥されたときの乾燥膜厚は上記のウェット膜厚よりも小さい。そして、乾燥部８０から搬出された基材５は巻き取りローラ６２によって巻き取られる。

本実施形態においては、塗工液を吐出する塗工ノズル２０の下側リップ部２３を上側リップ部２２よりも基材５に近づけて上部間隔Ｄ３よりも下部間隔Ｄ２を小さくしている。これにより、上側リップ部２２と基材５との間に形成される空間の圧力損失よりも下側リップ部２３と基材５との間に形成される空間の圧力損失の方が大きくなる。換言すれば、塗工ノズル２０に指向性を持たせて下側リップ部２３と基材５との間よりも上側リップ部２２と基材５との間から塗工液が抜けやすくしているのである。その結果、下側リップ部２３と基材５との間からの塗工液の液垂れを確実に防止することができ、塗工液の液垂れに起因した塗工不良を防止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、下側リップ部２３が基材５の主面と平行な平面であったが、これに限定されるものではなく、下側リップ部２３は多段であっても良いし曲面であっても良い。下側リップ部２３が多段または曲面の場合は、吐出口２１から離れるほど（下側に向かうほど）下側リップ部２３と基材５の主面との間隔が狭くなる形状が好ましい。また、下側リップ部２３に突起を設けて基材５との間隔が狭い領域を設けるようにしても良い。要するに、下側リップ部２３の形態は、上側リップ部２２と基材５との間に形成される空間の圧力損失よりも下側リップ部２３と基材５との間に形成される空間の圧力損失の方が大きくなるようなものであれば良い。

また、基材５の搬送経路上における乾燥部８０と巻き取りローラ６２との間に検査部を設け、乾燥処理後の基材５を巻き取る前に塗膜の検査を行うようにしても良い。検査内容としては、例えば塗膜の膜厚や塗工位置を非接触にて検査すれば良い。

また、上記実施形態においては、塗工時には基材５を鉛直方向上向きに搬送していたが、基材５を鉛直方向から少し傾けて搬送しつつ、その基材５を挟んで対向配置された一対の塗工ノズル２０，２０から両面同時塗工を行うようにしても良い。

また、本発明に係る技術を用いて塗工処理を行う対象となる塗工液はリチウムイオン二次電池の電極材料に限定されるものではなく、例えばリチウムイオンキャパシタや太陽電池材料（電極材、封止材）の塗工液または電子材料の絶縁膜や保護膜の塗工液であっても良い。或いは、ガラス基板に静電防止塗料の塗工液を塗布するのに、本発明に係る技術を用いるようにしても良い。さらには、顔料や接着剤の塗工液を塗布するのに、本発明に係る技術を用いるようにしても良い。

１塗膜形成システム
５基材
１０両面塗工装置
２０塗工ノズル
２１吐出口
２２上側リップ部
２３下側リップ部
６０搬送機構
６１巻き出しローラ
６２巻き取りローラ
８０乾燥部
９０制御部

Claims

長尺帯状の基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工装置であって、
第１ローラから送り出された前記基材を第２ローラで巻き取ることによって前記基材を長手方向に沿って連続して搬送するとともに、少なくとも一部区間では前記基材を鉛直方向上向きに搬送する基材搬送部と、
前記一部区間にて前記基材を挟んで水平方向に沿って対向配置され、水平方向に延びるスリット状の吐出口を有する一対のノズルと、
を備え、
前記一対のノズルのそれぞれは、前記基材の主面と平行に設けられて前記吐出口の上端を規定する上側リップ部および前記吐出口の下端を規定する下側リップ部を有し、
前記上側リップ部と前記基材との間の間隔よりも前記下側リップ部と前記基材との間の間隔の方が狭く、
前記吐出口のスリット間隔よりも前記上側リップ部と前記基材との間の間隔の方が狭く、
前記上側リップ部と前記基材との間に形成される空間の圧力損失よりも前記下側リップ部と前記基材との間に形成される空間の圧力損失の方が大きいことを特徴とする両面塗工装置。
請求項１記載の両面塗工装置において、
前記上側リップ部と前記基材との間の間隔は前記基材に塗工する塗工液のウェット膜厚と等しいことを特徴とする両面塗工装置。
請求項１または請求項２記載の両面塗工装置と、
前記両面塗工装置によって基材の両面に形成された塗工液の塗膜を乾燥させる乾燥部と、
を備えることを特徴とする塗膜形成システム。