JP7266632B2 - 電池の電極材料の検査方法および加工検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池の電極材料の検査方法と、電池の電極材料の加工検査装置とに関する。

電池の電極の品質を検査する方法が従来から種々提案されている。例えば、特許文献１には、ペースト状の活物質を充填した鉛蓄電池用の極板を予熱乾燥させたものに近赤外線を照射し、その反射光からペースト状活物質の含水率を算出する検査方法が開示されている。特許文献１によれば、ペースト状活物質の含水率が適切な範囲にないと、例えばペースト状活物質の表面にひびが入る等の問題が発生する可能性が高くなる、とされる。特許文献１に記載の方法では、算出されたペースト状活物質の含水率が予め定められた範囲から外れている場合には、予熱乾燥炉の温度がフィードバック制御される。特許文献１によれば、これにより、ペースト状活物質の含水率を安定させることができる、とされている。

特許第５７８１７８１号公報

特許文献１に記載された方法では、電極板に充填される前の電極材料に問題があっても電極板に充填した後でなければ不良を発見できない。そのため、電極板に充填される前の電極材料に問題があった場合には、電極板の材料や、電極板の製作に係る工数、時間などの損失が大きい。

そこで、ここでは、電極に形成される前の電極材料の検査方法であって、電極の不良を効果的に削減できる方法を提案する。また、電極に形成される前の電極材料を加工するとともに検査する装置であって、電極の不良を効果的に削減できる加工検査装置を提案する。

ここで提案される電池の電極材料の検査方法は、近赤外分光法により、混錬中の電極材料のスペクトル吸収量を複数回測定する測定ステップと、測定ステップで測定された複数のスペクトル吸収量のデータを統計処理することにより、少なくとも１つの混錬状態の指標値を算出する算出ステップと、算出ステップで算出された各指標値が予め定められた範囲内であるかどうかを判定する判定ステップと、を含む。かかる方法によれば、測定ステップで測定された電極材料のスペクトル吸収量のデータから、混錬中の電極材料の混錬状態に関する少なくとも１つの指標値が得られる。この指標値が予め定められた範囲内に入っているかどうかを判定することにより、問題のある電極材料を混錬中に発見できる可能性を高めることができる。そのため、そのような電極材料を使用して電極を形成してしまうことを抑制できる。その結果、電極の不良を効果的に削減することができる。

上記方法は、電池の電極材料を混錬する混錬装置と、混錬装置によって混錬中の電極材料のスペクトル吸収量を近赤外分光法により測定する測定装置と、測定装置によって測定されたスペクトル吸収量のデータから少なくとも１つの混錬状態の指標値を算出する算出装置と、を備えた、電池の電極材料の加工検査装置によって実行されてもよい。

上記した混錬装置は、電極材料が投入され混錬される混錬槽を備えていてもよく、測定装置は、混錬槽の中に設けられたセンサ部を備えていてもよい。かかる加工検査装置によれば、混錬槽の中にセンサ部が設けられていることにより、混錬槽で混錬中の電極材料の内部の検査を実施できる。

算出ステップは、混錬状態の指標値として、測定ステップで測定された複数のスペクトル吸収量のデータの間のばらつきを算出するステップを含んでいてもよい。かかる方法によれば、電極材料が均一に混錬できているかどうかを評価することができる。

また、算出ステップは、混錬状態の指標値として、測定ステップで測定された複数のスペクトル吸収量のデータの平均値を算出するステップを含んでいてもよい。かかる方法によれば、混錬中の電極材料の成分濃度、例えば含水率が適切かどうかを評価することができる。上記方法はさらに、電極材料のスペクトル吸収量と成分濃度との間の予め求められた関係式と、算出されたスペクトル吸収量の平均値とに基づいて、混錬中の電極材料の成分濃度を推定する推定ステップをさらに含んでいてもよい。さらに、上記関係式は、予め測定された電極材料のスペクトル吸収量と電極材料の成分濃度とをＰＬＳ回帰分析することによって求められた関係式であってもよい。上記したいずれの方法も、電池の電極材料の加工検査装置によって実行されてもよい。

混錬検査装置の模式図である。 センサ部の模式図である。 電極材料の混錬状態検査の一例を示すフローチャートである。 吸光度の測定データのグラフの一例である。 含水率の検量線を示すグラフの一例である。

以下、電池の電極材料の混錬検査装置、および、電池の電極材料の混錬状態の検査方法の一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は、模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。

［混錬検査装置の構成］
図１は、一実施形態に係る混錬検査装置１０の模式図である。混錬検査装置１０は、ここでは、リチウムイオン二次電池の電極シートに塗工される電極材料５を混錬する装置である。電極材料５には、電極の活物質が含まれている。混錬検査装置１０は、電極材料５の混錬状態を混錬中にインライン検査する装置でもある。

正極シートは、ここでは、予め定められた幅および厚さの金属箔（例えば、アルミニウム箔）の両面に、正極活物質を含む正極活物質層が形成された部材である。正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収しうる材料である。正極活物質は、一般的にリチウム遷移金属複合材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。正極活物質層は、正極活物質を含む電極材料５を金属箔に塗工し乾燥させることにより形成される。

負極シートは、ここでは、予め定められた幅および厚さの金属箔（例えば、銅箔）の両面に、負極活物質を含む負極活物質層が形成された部材である。負極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出しうる材料である。負極活物質は、一般的に天然黒鉛以外にも種々提案されており、特に限定されない。負極活物質層は、負極活物質を含む電極材料５を金属箔に塗工し乾燥させることにより形成される。ただし、電極材料５は、リチウムイオン二次電池の電極を形成する材料に限定されるわけではない。

正極シートおよび負極シートの製作においては、まず、電極材料５の原料が計量される。電極材料５の原料は、電極の活物質、溶媒、バインダ、導電助剤などを含んでいる。これらの原料は混合され、混錬検査装置１０により混錬される。混錬によってスラリー状にされた電極材料５は、金属箔に塗工される。電極材料５が塗工された金属箔は乾燥され、これにより電極シートが形成される。

図１に示すように、混錬検査装置１０は、電池の電極材料５を混錬する混錬装置２０と、混錬装置２０によって混錬中の電極材料５のスペクトル吸収量を近赤外分光法により測定する測定装置３０と、測定装置３０によって測定されたスペクトル吸収量のデータから少なくとも１つの混錬状態の指標値を算出する算出装置４０と、を備えている。本実施形態では、測定装置３０は、混錬中の電極材料５のスペクトル吸収量を複数回測定して複数のデータを取得するように設定されている。算出装置４０は、測定された複数のスペクトル吸収量のデータを統計処理することにより、混錬状態の指標値を算出する。算出装置４０は、ここでは、電極材料５の混錬状態の指標値として、測定装置３０によって取得された複数のデータの間のばらつきと、測定装置３０によって取得された複数のデータの平均値とを算出するように設定されている。混錬検査装置１０は、混錬中の電極材料５の成分濃度を推定する推定装置５０をさらに備えており、推定装置５０は、電極材料５のスペクトル吸収量と成分濃度との間の予め求められた関係式と、算出装置４０によって算出されたスペクトル吸収量の平均値とに基づいて、混錬中の電極材料５の成分濃度を推定するように構成されている。

本実施形態では、混錬検査装置１０は、算出装置４０によって算出された各指標値（ここでは、複数のスペクトル吸収量のばらつきおよび平均値）が予め定められた範囲内であるかどうかを判定する判定装置６０を備えている。混錬検査装置１０は、算出装置４０によって算出されたスペクトル吸収量のばらつきおよび平均値が予め定められた範囲内に入ると、電極材料５の混錬が終了したと判定し、混錬工程を終了させるように構成されていてもよい。かかる構成によれば、混錬工程の時間を短縮し得る。または、混錬検査装置１０は、混錬開始から予め定められた時間が経過した後に、電極材料５のスペクトル吸収量のばらつきおよび平均値を算出し、合否判定するように構成されていてもよい。

図１に示すように、混錬装置２０は、電極材料５が投入され混錬される混錬槽２１を備えている。混錬槽２１の内部には、電極材料５を攪拌する図示しない攪拌羽根が設けられている。測定装置３０は、混錬槽２１の中に投入される光ファイバセンサ３１と、光ファイバセンサ３１が接続されたＮＩＲ（近赤外線）測定器３２とを備えている。光ファイバセンサ３１のうち、ＮＩＲ測定器３２に接続された端部と逆側の端部は、近赤外線を照射するとともに、その反射光を受光するセンサ部３３となっている。図２は、センサ部３３の模式図である。図２に示すように、センサ部３３は、近赤外線を照射する照射ファイバ３３ａと、照射された近赤外線の反射光を受光する受光ファイバ３３ｂと、コーティング３３ｃと、を備えている。コーティング３３ｃは、照射ファイバ３３ａおよび受光ファイバ３３ｂを溶媒から保護するものであり、照射ファイバ３３ａおよび受光ファイバ３３ｂの外表面に施されている。コーティング３３ｃは、例えば、焼き付けによる石英ガラスのコーティングである。または、光ファイバセンサ３１は、例えば耐溶媒ガラス等の溶媒に耐え得る材料によって形成されていてもよい。

センサ部３３は、図１に示すように、混錬槽２１の中に設けられ、混錬中の電極材料５に浸かるように配置されている。ただし、センサ部３３は、少なくとも電極材料５の光の吸収量を測定するときに混錬槽２１の中に設けられていればよく、混錬槽２１の中に常時配置されていなくてもよい。混錬検査装置１０は、混錬槽２１の内部と外部との間でセンサ部３３を移動させる移動装置を備えていてもよい。また、センサ部３３は複数であってもよく、その場合、混錬槽２１内の異なる場所に設けられていてもよい。測定装置３０が「混錬中の電極材料５のスペクトル吸収量を複数回測定する」ことには、混錬中の電極材料５のスペクトル吸収量を複数箇所で同時に測定することも含まれる。

ＮＩＲ測定器３２としては、種々の公知のＮＩＲ測定器が利用できる。ＮＩＲ測定器３２は、近赤外線（波長７８０ｎｍ～２５００ｎｍ）を照射し、近赤外線と物質との相互作用を利用して物質の量を測定する装置である。ＮＩＲ測定器３２によれば、物質に吸収される特定波長の光の吸収量（吸光度）を測定することができる。例えば、ＮＩＲ測定器３２によれば、水に吸収される特定波長１３５０ｎｍ～１４５０ｎｍの光の吸収量（吸光度）を測定することができる。例えば、測定装置３０によって測定された波長１３５０ｎｍ～１４５０ｎｍの光の吸光度のデータを解析することにより、電極材料５の含水率を推定することができる。

算出装置４０、推定装置５０、および判定装置６０は、例えば、算出装置４０、推定装置５０、および判定装置６０としての機能を発揮するように構成されたソフトウェアがインストールされたコンピュータであってもよい。ただし、算出装置４０、推定装置５０、および判定装置６０の構成は、特に限定されない。算出装置４０、推定装置５０、および判定装置６０は、例えば、専用のハードウェアとソフトウェアとを備えた専用装置であってもよい。

［混錬状態検査のプロセス］
図３は、電極材料５の混錬状態検査の一例を示すフローチャートである。図３に示すように、電極材料５の混錬状態の検査では、測定ステップＳ０１において、水の吸収波長１３５０ｎｍ～１４５０ｎｍを含む波長帯の光の吸光度のデータが取得される。分析波長は、水の吸収波長１３５０ｎｍ～１４５０ｎｍを含むように、例えば、９００ｎｍ～１７００ｎｍに設定されてもよい。以下では、電極材料５の含水率を例としてプロセスの説明を行うが、電極材料５の混錬状態検査によって濃度が推定される電極材料５の成分は、水以外の成分であってもよい。濃度が推定される成分は、複数種類の成分であってもよい。測定ステップＳ０１では、センサ部３３の位置は固定され、所定の回数（複数回であって、例えば２０回）だけ電極材料５の吸光度が測定される。

測定環境は、好適には、室温（例えば、２０度以上３０度以下）であってもよく、測定が空気中の水分の影響を受けないよう高湿度でない環境（例えば、相対湿度６０％以下）が好ましい。

図４は、吸光度の測定データのグラフの一例である。図４の横軸は、近赤外線の波長である。図４の縦軸は、吸光度である。図４のグラフは、縦軸の値が高いほど、近赤外線の吸光度が大きいことを示している。図４には、３つのグラフが図示されており、各グラフは１回分の測定データを示す。図４には、３回分の測定データが図示されている。図４に示すように、吸光度の各グラフは、吸光度が高い波長と、そのときの吸光度とを示すいくつかのピーク（例えば、ピークＰ１）を有している。しかし、必ずしもピークが明瞭でない場合もあるため、ピーク検出ステップＳ０２では、このデータから二次微分スペクトルを算出する。公知技術であるため詳細な説明は省略するが、二次微分スペクトルを算出することにより、ピークの波長およびピーク高さがより明瞭になる。水の場合、水の吸収波長１３５０ｎｍ～１４５０ｎｍの波長帯に現れるピークが、測定された吸収波長および吸光度を表す。

分散算出ステップＳ０３では、電極材料５の混錬状態の指標値として、測定装置３０によって取得された複数の吸光度のデータの間のばらつきが算出される。ここでは、データ間のばらつきの指標として分散σが算出される。ただし、算出されるばらつきの指標は、データ間のばらつきを示すことができる分散σ以外の指標でもよい。複数の吸光度のデータは、混錬槽２１内で攪拌されて動く電極材料５から取得されたデータなので、電極材料５の異なる場所のデータである。そのため、そのばらつきを評価することにより、電極材料５が混錬によって均一化しているかどうかを評価することができる。ばらつき判定ステップＳ０４では、分散算出ステップＳ０３で算出された分散σが予め定められた範囲内であるかどうかが判定される。算出された分散σが予め定められた範囲内である場合（ステップＳ０４の結果がＹＥＳの場合）、混錬は十分であると判定される。算出された分散σが予め定められた範囲内にない場合（ステップＳ０４の結果がＮＯの場合）、混錬はまだ不十分と判定され、混錬工程が継続される。そして、所定の時間が経過した後、再度吸光度の測定が行われる（測定ステップＳ０１に戻る）。

電極材料５の原料である活物質、バインダなどの溶媒中における分散性が十分でない電極材料５は、原料の比率が適切であっても品質が良くない可能性がある。例えば、原料の分散性が不十分な電極材料５を用いて作成された電極は、活物質層の機械的強度が劣ったり、電気抵抗が高かったりすることがあり得る。本実施形態に係る混錬検査装置１０によれば、複数の吸光度のデータの間のばらつきを算出することにより、電極材料５の均一性を管理することができる。

平均値算出ステップＳ０５では、電極材料５の混錬状態の指標値として、測定ステップＳ０１で測定された複数のスペクトル吸収量のデータの平均値ａｖを算出する。ここでは、水の吸収波長における複数のスペクトル吸収量のデータの平均値ａｖ、つまり、水による近赤外線の吸光度の平均値ａｖを算出する。続く濃度推定ステップＳ０６では、電極材料５のスペクトル吸収量と成分濃度との間の予め求められた関係式と、平均値算出ステップＳ０５で算出されたスペクトル吸収量の平均値ａｖとに基づいて、混錬中の電極材料５の成分濃度が推定される。水の場合、電極材料５のスペクトル吸収量と含水率との間の予め求められた関係式と、水に係るスペクトル吸収量の平均値ａｖとに基づいて、混錬中の電極材料５の含水率が推定される。なお、平均値算出ステップＳ０５の次のステップでは、平均値算出ステップＳ０５で算出された複数のスペクトル吸収量のデータの平均値ａｖが予め定められた範囲に入るかどうかが単に判定されてもよい。

図５は、電極材料５の吸光度と含水率との間の関係式を示すグラフ（以下、検量線Ｇ１と呼ぶ）の一例である。図５の横軸は、含水率である。図５の縦軸は、吸光度である。図５に示す関係は、水の吸光のピーク波長におけるものである。図５に示すように、検量線Ｇ１は、ここでは、含水率０％を含む含水率の５水準（０％、Ａ％、Ｂ％、Ｃ％、およびＤ％、これらの値は他の測定により既知である）のサンプルの吸光度を測定した測定結果をプロットすることによって得られたものである。例えば、含水率Ａ％のサンプルのデータは、データＡ１、Ａ２・・であり、複数存在している。他の水準の含水率のデータも同様である。検量線Ｇ１は、これらのデータを回帰分析することによって求められたものである。詳しくは、検量線Ｇ１の元となる関係式は、予め測定された電極材料５のスペクトル吸収量と電極材料５の成分濃度とをＰＬＳ回帰（部分的最小二乗回帰）分析することによって求められた関係式である。ＰＬＳ回帰分析によれば、電極材料５の特定の成分の濃度と当該成分に係る吸光度との間の複数の実測データから、検量線Ｇ１を求めることができる。図５に示すように、濃度推定ステップＳ０６では、算出された吸光度の平均値ａｖを例えば検量線Ｇ１に当てはめることにより、推定の含水率Ｒｗ１を求めることができる。水以外の成分の吸光度の平均値を対応する検量線に当てはめることにより、当該他の成分の推定濃度を求めることもできる。なお、この推定された成分濃度は、工程の記録として保存されてもよい。

濃度判定ステップＳ０７では、濃度推定ステップＳ０６で推定された含水率Ｒｗ１（他の成分の成分濃度であってもよい）が予め定められた範囲に入っているかどうかが判定される。推定された電極材料５の含水率Ｒｗ１が予め定められた範囲内である場合（ステップＳ０７の結果がＹＥＳの場合）、ステップＳ０８において、電極材料５の含水率は適切であり、電極材料５を次工程で使用してもよいと判定される。推定された電極材料５の含水率が予め定められた範囲から外れた場合（ステップＳ０７の結果がＮＯの場合）、ステップＳ０９において、電極材料５は不良と判定される。なお、ステップＳ０５～Ｓ０７は、ステップＳ０３およびＳ０４よりも先に行われてもよい。

このように、本実施形態では、問題のある電極材料５を混錬段階で発見することができるため、そのような電極材料５を使用して電極を形成してしまい、電極形成に係るコストや時間の損失が大きくなることを抑制できる。特に本実施形態では、吸光度データのばらつき（ここでは、分散σ）から電極材料５の混錬が十分かどうかを判断でき、吸光度データの平均値ａｖから電極材料５の成分の成分濃度が適当かどうかを判断できる。これにより、問題のある電極材料５を混錬段階で的確に発見することができる。推定された成分濃度は、混錬工程の改善や問題が発生した場合の解決などのために活用され得る。さらに、本実施形態では、電極材料５の吸光度は、混錬槽２１の内部に設けられたセンサ部３３により、混錬中の電極材料５の内部（表面ではなく）において測定できる。そのため、電極材料５の表層の測定では分かりにくい問題をより確実に発見することができる。

以上、ここで提案される電池の電極材料の混錬検査装置、および、電池の電極材料の混錬状態の検査方法の一実施形態について説明した。しかし、上記実施形態は一例に過ぎず、他の態様で実施することもできる。上記した実施形態は、特に言及された場合を除いて本発明を限定しない。

５ 電極材料
１０ 混錬検査装置
２０ 混錬装置
２１ 混錬槽
３０ 測定装置
３１ 光ファイバセンサ
３２ ＮＩＲ測定器
３３ センサ部
３３ａ 照射ファイバ
３３ｂ 受光ファイバ
３３ｃ コーティング
４０ 算出装置
５０ 推定装置
６０ 判定装置
Ｇ１ 検量線

Claims (10)

1. 近赤外分光法により、混錬中の電極材料のスペクトル吸収量を複数回測定する測定ステップと、
   前記測定ステップで測定された複数のスペクトル吸収量のデータを統計処理することにより、少なくとも１つの混錬状態の指標値を算出する算出ステップと、
   前記算出ステップで算出された各指標値が予め定められた範囲内であるかどうかを判定する判定ステップと、を含む、
   電池の電極材料の検査方法。
2. 前記算出ステップは、前記混錬状態の指標値として、前記測定ステップで測定された複数のスペクトル吸収量のデータの間のばらつきを算出するステップを含む、
   請求項１に記載の電池の電極材料の検査方法。
3. 前記算出ステップは、前記混錬状態の指標値として、前記測定ステップで測定された複数のスペクトル吸収量のデータの平均値を算出するステップを含む、
   請求項１または２に記載の電池の電極材料の検査方法。
4. 電極材料のスペクトル吸収量と成分濃度との間の予め求められた関係式と、前記算出されたスペクトル吸収量の平均値とに基づいて、混錬中の電極材料の成分濃度を推定する推定ステップをさらに含む、
   請求項３に記載の電池の電極材料の検査方法。
5. 前記関係式は、予め測定された電極材料のスペクトル吸収量と電極材料の成分濃度とをＰＬＳ回帰分析することによって求められた関係式である、
   請求項４に記載の電池の電極材料の検査方法。
6. 電池の電極材料を混錬する混錬装置と、
   前記混錬装置によって混錬中の電極材料のスペクトル吸収量を近赤外分光法により測定する測定装置と、
   前記測定装置によって測定されたスペクトル吸収量のデータから少なくとも１つの混錬状態の指標値を算出する算出装置と、を備えた、
   電池の電極材料の加工検査装置。
7. 前記混錬装置は、電極材料が投入され混錬される混錬槽を備え、
   前記測定装置は、前記混錬槽の中に設けられたセンサ部を備えている、
   請求項６に記載の電池の電極材料の加工検査装置。
8. 前記測定装置は、混錬中の電極材料のスペクトル吸収量を複数回測定して複数のデータを取得するように設定され、
   前記算出装置は、前記混錬状態の指標値として、前記測定装置によって取得された複数のデータの間のばらつきを算出するように設定されている、
   請求項６または７に記載の電池の電極材料の加工検査装置。
9. 前記測定装置は、混錬中の電極材料のスペクトル吸収量を複数回測定して複数のデータを取得するように設定され、
   前記算出装置は、前記混錬状態の指標値として、前記測定装置によって取得された複数のデータの平均値を算出するように設定され、
   電極材料のスペクトル吸収量と成分濃度との間の予め求められた関係式と、前記算出装置によって算出されたスペクトル吸収量の平均値とに基づいて、混錬中の電極材料の成分濃度を推定する推定装置をさらに備えた、
   請求項６～８のいずれか一つに記載の電池の電極材料の加工検査装置。
10. 前記関係式は、予め測定された電極材料のスペクトル吸収量と電極材料の成分濃度とをＰＬＳ回帰分析することによって求められた関係式である、
    請求項９に記載の電池の電極材料の加工検査装置。

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