JP7205724B2

JP7205724B2 - 電極積層体の製造方法

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Publication number: JP7205724B2
Application number: JP2019139768A
Authority: JP
Inventors: 吉秀榎本; 英樹朝立
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: JP2021022530A

Description

本発明は、電池の電極積層体の製造方法に関する。

リチウムイオン二次電池等の電池の構築に用いられるシート状の電極積層体の製造方法が知られている。例えば、特許文献１に開示されている全固体電池の製造方法では、まず、第１の集電体の表面および裏面の夫々に、第１の活物質層（活物質を含む電極材層ともいう。以下同じ。）が形成される。夫々の第１の活物質層の上には、固体電解質層が形成される。夫々の固体電解質層の上には、基材上に配置された第２の活物質層が、固体電解質層と第２の活物質層が接触するように配置される。第２の活物質層接触している夫々の基材が除去されることで、積層体が形成される。積層体は、ロールプレスされる。

特開２０１７－１３０２８１号公報

ところで、電気自動車やハイブリッド自動車等においてモータを駆動する電源として用いられる車載用電池に関しては、従来よりも電池容量の大きな電池が要求されている。かかる要求を満たすためには、電極積層体の電極材層の厚みを増大させる必要がある。しかし、比較的厚みのある電極材層を備えた電極積層体をシート長手方向にプレス機に搬送して順次ロールプレスするとき、当該電極積層体における電極材層の端部は、当該搬送する方向ならびに該搬送方向と直交する幅方向に伸ばされる。このため、当該電極材層の端部の密度は上昇し難く、結合力も上昇し難い。従って、かかる端部に割れが生じる虞がある。電極材層の上記端部に割れが発生すると、短絡等の不具合の原因になり得るため好ましくない。そこで、電極積層体の端部の割れが生じた部分を切除することが考えられるが、その場合、歩留まりが低くなる。従って、従来よりも比較的厚みが増した電極材層を備えた電極積層体であっても端部に割れを発生させることなく適切に圧縮できることが望ましい。

本発明の典型的な目的は、電極積層体（具体的には電極材層）を適切に圧縮することが可能な電極積層体の製造方法を提供することである。

かかる目的を実現すべく、ここに開示される一態様の電極積層体の製造方法は、電池の電極として用いられるシート状の電極積層体を製造する方法であって、シート状の集電体の第１面と、上記第１面とは反対側の第２面との各々に、少なくとも正負極何れかの電極材層を含む層を形成することで、電極積層体を形成するステップと、上記電極積層体のうち、積層方向に交差する幅方向の両端部に位置する両側面の各々に、型を面接触させるステップと、上記両側面に前記型が面接触された状態で、上記電極積層体のうち上記幅方向の両端部を上記積層方向に圧縮するステップと、上記電極積層体の上記両側面から上記型を離間させるステップと、プレスローラと上記電極積層体の相対的な移動方向を上記幅方向に交差する方向として、上記電極積層体を上記プレスローラによって上記積層方向にロールプレスするステップと、を含むことを特徴とする。

かかる電極積層体の製造方法では、電極積層体がロールプレスされる前に、ロールプレス時の移動方向に交差する幅方向における両側面に型が面接触した状態で、電極積層体の当該幅方向の両端部が積層方向に圧縮される。これにより、電極積層体がロールプレスされる前に、電極積層体の上記幅方向の両端部における層の密度が上昇して結合力が上昇する。従って、その後電極積層体がロールプレスされた時に、電極積層体の幅方向端部に割れが生じる可能性を低減できる。従って、電極積層体が適切に圧縮される。

電極積層体の製造方法の一例を示すフローチャートである。電極積層体の製造方法における端部圧縮工程の一例を説明するための模式断面図である。電極積層体の製造方法における積層体圧縮工程の一例を説明するための模式断面図である。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいう。二次電池には、全固体電池が含まれる。全固体電池は、全固体リチウムイオン二次電池、および、リチウムイオン以外の金属イオンを電化担体とする電池（例えば、ナトリウムイオン二次電池、マグネシウムイオン二次電池等）を包含する。以下、全固体電池の電極積層体の製造方法を例示して、本開示に係る電極積層体の製造方法について説明する。ただし、本開示に係る電極積層体の製造方法を、以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。

図１から図３を参照して、本開示に係る電極積層体の製造方法の一例を説明する。図１に示す電極積層体の製造方法は、電極積層体形成工程（Ｓ１）と、型接触工程（Ｓ２）と、端部圧縮工程（Ｓ３）と、型離間工程（Ｓ４）と、ロールプレス工程（Ｓ５）とを含む。本実施形態では、電極積層体の一例として全固体電池の電極積層体を用いる。

図１および図２に示すように、電極積層体形成工程（Ｓ１）は、シート状の集電体１１０の第１面１１１（表面）と、第１面１１１とは反対側の第２面１１２（裏面）との各々に、電極材層（本実施形態では、第１電極材層１２１および第２電極材層１２３）を含む層１２０を形成することで、電極積層体１００を形成する工程である。集電体１１０の材料としては、例えば、ＳＵＳ、銅、ニッケル、カーボン、アルミニウム、鉄、チタン等が挙げられる。本実施形態では、一例として、第１電極材層１２１は、負極活物質を含む。負極活物質の材料としては、例えば、カーボン活物質、金属活物質、酸化物活物質等が挙げられる。集電体１１０の第１面１１１と第２面１１２に、負極活物質と電解質と溶剤を含むペースト状（スラリー状）の電極組成物を塗布して、乾燥させることで、第１電極材層１２１（負極活物質層）が形成される。溶剤は、例えば、Ｎ－メチルピロリドン等の有機系溶剤である。

本実施形態では、一例として、層１２０は、第１電極材層１２１に加え、セパレータ層１２２および第２電極材層１２３を含む。セパレータ層１２２は、第１電極材層１２１上に形成される。詳細には、集電体１１０の第１面１１１側に形成された第１電極材層１２１上、および、集電体１１０の第２面１１２側に形成された第１電極材層１２１上に、セパレータ層１２２が形成される。一例として、セパレータ層１２２として、固体電解質を含む固体電解質層が形成される。固体電解質は、例えば、Ｌｉイオン伝導性を有する材料（例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質等）である。第１電極材層１２１上に、固体電解質と溶剤を含むペースト状（スラリー状）の電解質組成物を塗布して、乾燥させることで、セパレータ層１２２（固体電解質層）が形成される。溶剤は、例えば、Ｎ－メチルピロリドン等の有機系溶剤である。

第２電極材層１２３は、第１電極材層１２１上に形成された各々のセパレータ層１２２上に形成される。一例として、第２電極材層１２３は、第１電極材層１２１とは極性の異なる電極材を少なくとも含む。本実施形態では、一例として、第２電極材層１２３は、正極活物質を含む。正極活物質の材料としては、例えば、酸化物活物質が挙げられる。各々のセパレータ層１２２上に、正極活物質と電解質と溶剤を含むペースト状（スラリー状）の電極組成物を塗布して、乾燥させることで、第２電極材層１２３（正極活物質層）が形成される。溶剤は、例えば、Ｎ－メチルピロリドン等の有機系溶剤である。以上の工程によって、本実施形態では、集電体１１０を中心として極性が対称となる電極積層体１００が形成される。

型接触工程（Ｓ２）は、電極積層体１００のうち、積層方向（矢印Ａ１の方向）に交差する一の幅方向（矢印Ａ２の方向）の両端部１２５に位置する両側面の各々に、型１を面接触させる工程である。本実施形態では、一例として、電極積層体１００の幅方向における両側面の全体に対して、型１が面接触する。しかし、型１は、電極積層体１００の幅方向における両側面の全体に対して面接触しなくてもよい。例えば、型１は、電極積層体１００の幅方向の両端部１２５に位置する両側面のうち、集電体１１０を除く層１２０の両側面にのみ面接触してもよい。一例として、集電体１１０の幅方向の長さが層１２０の幅方向の長さ以上である場合、幅方向の端部の各々において、集電体１１０の第１面１１１側の層１２０に面接触する型１と、集電体の第２面１１２側の層１２０に面接触する型１とが設けられてもよい。

端部圧縮工程（Ｓ３）は、電極積層体１００の幅方向両側面に型１が面接触された状態で、電極積層体１００のうち幅方向（矢印Ａ２の方向）の両端部１２５（即ち、ここでは第２電極材層１２３）を積層方向（矢印Ａ１の方向）に圧縮する工程である。本実施形態では、一例として、電極積層体１００のうち幅方向の両端部１２５が、積層方向の両側から（図２における白抜き矢印の方向に）プレス機２により圧縮されることで、積層方向に圧縮される。圧縮される端部１２５は、電極積層体の端から所定の幅（一例として、１ｍｍ）を有する。電極積層体１００の両側面に型１が面接触された状態で、電極積層体１００の端部１２５（第２電極材層１２３）を圧縮することで、当該端部１２５が幅方向に崩れる可能性を低減しつつ、当該端部１２５を圧縮することができる。これにより、電極積層体１００における幅方向の両端部１２５（第２電極材層１２３）における層１２０の密度が上昇して結合力が上昇する。

型離間工程（Ｓ４）は、電極積層体１００の両側面から型１を離間させる工程である。ロールプレス工程（Ｓ５）は、プレスローラ３と電極積層体１００の相対的な移動方向を幅方向（矢印Ａ２の方向）に交差する方向として、電極積層体１００をプレスローラ３によって積層方向に（図３における白抜きの矢印の方向）ロールプレスする工程である。ロールプレス工程（Ｓ５）では、プレスローラ３の位置が固定されて、電極積層体１００が移動されてもよい。また、電極積層体１００の位置が固定されて、プレスローラ３が移動されてもよい。また、プレスローラ３と電極積層体１００の両方が移動されてもよい。

電極積層体１００を積層方向に圧縮することで、電極積層体１００の密度（具体的には第２電極材層１２３の密度）が高くなる。また、ロールプレス工程（Ｓ５）前に、端部圧縮工程（Ｓ３）で電極積層体１００の幅方向両端部１２５における層１２０の密度を上昇させ結合力を上昇させている。これにより、電極積層体１００がロールプレスされた時に、電極積層体１００の幅方向の端部１２５に割れが生じる可能性を低減できる。従って、電極積層体１００を適切に圧縮できる。

なお、端部圧縮工程（Ｓ３）における押し込み量およびロールプレス工程（Ｓ５）における押し込み量は、各種条件等（例えば、電極積層体１００の組成物、電極積層体１００の厚み等）に応じて適宜設定されてもよい。一例として、端部圧縮工程（Ｓ３）での押し込み量は、ロールプレス工程（Ｓ５）での押し込み量よりも小さくする（例えば、ロールプレス工程での押し込み量の８０％程度とする）ことが望ましい。端部圧縮工程での押し込み量を、ロールプレス工程での押し込み量以上とすると、ロールプレス工程が行われる時点で幅方向両端部１２５の密度が非常に高くなっているので、ロールプレス工程後の電極積層体１００の厚さが不均一となる可能性がある。これに対し、端部圧縮工程での押し込み量を、ロールプレス工程での押し込み量よりも小さくすることで、電極積層体１００の層１２０における厚さの分布（ムラ）を低減することができる。

次に、実施例および比較例を用いた評価試験の結果を説明する。評価試験において、実施例に係る電極積層体および比較例に係る電極積層体をＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）を用いて再現し、解析した。詳細には、実施例に係る電極積層体は、上記実施形態に係る電極積層体１００の製造方法と同じ製造方法で再現した。より詳細には、実施例に係る電極積層体は、ＣＡＥを用いて、電極積層体形成工程（Ｓ１）、型接触工程（Ｓ２）、端部圧縮工程（Ｓ３）、および型離間工程（Ｓ４）を経てから、ロールプレス工程（Ｓ５）を行う方法で、再現した。なお、実施例では、型接触工程（Ｓ２）において、電極積層体の幅方向および移動方向の端部に位置する側面の各々に、型が面接触された。そして、端部圧縮工程（Ｓ３）では、電極積層体の各側面に型が面接触された状態で、電極積層体の各端部が積層方向に圧縮された。一方、比較例に係る電極積層体は、ＣＡＥを用いて、電極積層体形成工程（Ｓ１）の後、型配置工程（Ｓ２）、端部圧縮工程（Ｓ３）、および型離間工程（Ｓ４）を経ることなく、ロールプレス工程（Ｓ５）を行う方法で再現した。つまり、比較例では、電極積層体が形成された後、電極積層体の端部が圧縮されることなく、電極積層体がロールプレスにより圧縮する方法が用いられた。実施例および比較例の両方について、ロールプレス後における電極積層体の端部の密度を解析した。

比較例の解析結果では、電極積層体の端部の第２電極材層１２３の密度は、約５９％であった。一方、実施例の解析結果では、電極積層体の端部の第２電極材層１２３の密度は、約７５％であった。従って、実施例に係る電極積層体の端部（第２電極材層１２３）の密度は、比較例に係る電極積層体の端部（第２電極材層１２３）の密度より３０％近く高かった。実施例では、電極積層体がロールプレスされる前に、電極積層体の各側面に型が面接触された状態で、電極積層体の各端部が圧縮された。これにより、電極積層体の端部の変形を抑制しつつ、端部を圧縮することができた。従って、電極積層体の端部の第２電極材層１２３の密度が上昇し結合力が上昇したと考えられる。一方、比較例では、電極積層体がロールプレスされる前に、電極積層体の各端部が圧縮されていない。このため、ロールプレスされた時に、電極積層体の端部（第２電極材層１２３）の密度が上昇し難かったと考えられ、電極積層体の端部に崩れが生じ得る状態であった。

上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記で例示された技術を変更することも可能である。例えば、上記実施形態では、電極積層体１００は、集電体１１０、第１電極材層１２１、セパレータ層１２２、および第２電極材層１２３を含む。一例として、電極積層体１００がロールプレスされた後（Ｓ５）、集電体が、第２電極材層１２３上に形成されてもよい。例えば、第２電極材層１２３と極性が同じ集電体（集電体１１０とは極性の異なる集電体）が、第２電極材層１２３上に形成されてもよい。例えば、第２電極材層１２３が正極活物質を含む場合、第２電極材層１２３上に正極集電体が形成されてもよい。

上記実施形態では、電極積層体が全固体電池の電極積層体である例を用いて説明した。しかし、電極積層体は、全固体電池以外の電極積層体であってもよい。一例として、電極積層体が、非水電解液二次電池の電極積層体であってもよい。この場合、シート状の集電体の第１面（表面）と第１面とは反対側の第２面（裏面）との各々に電極材層を形成することで、電極積層体が形成されてもよい。例えば、集電体が負極集電体である場合、電極材層は、負極活物質を含んでいてもよい。例えば、集電体が正極集電体である場合、電極材層は、正極活物質を含んでいてもよい。

型配置工程（Ｓ２）と端部圧縮工程（Ｓ３）は繰り返されてもよい。例えば、電極積層体１００の幅方向における両側面の各々に、型１が面接触され（Ｓ２）、電極積層体１００の幅方向における両端部１２５が、積層方向に圧縮されてもよい（Ｓ３）。その後、電極積層体１００の移動方向における両側面の各々に、型１が面接触され（Ｓ２）、電極積層体１００の移動方向における両端部が、積層方向に圧縮されてもよい（Ｓ３）。電極積層体１００の幅方向における両端部と移動方向における両端部が圧縮される順序は逆であってもよい。また、上記実施形態の型接触工程（Ｓ２）では、電極積層体１００のうち、積層方向に交差する幅方向の両端部１２５に位置する両側面の各々に、型１が面接触される。しかし、幅方向の両端部１２５の側面に加えて、ロールプレス工程（Ｓ５）における移動方向の両端部の少なくとも一方にも型が面接触されてもよい。

１型
３プレスローラ
１００電極積層体
１１０集電体
１１１第１面
１１２第２面
１２０層
１２１第１電極材層
１２５端部

Claims

電池の電極として用いられるシート状の電極積層体を製造する方法であって、
シート状の集電体の第１面と、前記第１面とは反対側の第２面との各々に、少なくとも正負極何れかの電極材層を含む層を形成することで、電極積層体を形成するステップ、
前記電極積層体を形成するステップを行った後、前記電極積層体のうち、積層方向に交差する幅方向の両端部に位置する両側面の各々に、型を面接触させるステップ、
前記型を面接触させるステップを行った後、前記両側面に前記型が面接触された状態で、前記電極積層体のうち前記幅方向の両端部を前記積層方向に圧縮するステップ、
前記両端部を圧縮するステップを行った後、前記電極積層体の前記両側面から前記型を離間させるステップ、
前記型を離間させるステップを行った後、プレスローラと前記電極積層体の相対的な移動方向を前記幅方向に交差する方向として、前記電極積層体を前記プレスローラによって前記積層方向にロールプレスするステップ、
を含むことを特徴とする電極積層体の製造方法。