JPWO2012095975A1 - 電極材料塗布装置および濾過装置 - Google Patents
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Abstract
Description
正極シート220は、図2及び図3に示すように、帯状の正極集電体221(正極芯材)を有している。正極集電体221には、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。この正極集電体221には、所定の幅を有する帯状のアルミニウム箔が用いられている。また、正極シート220は、未塗工部222と正極合剤層223とを有している。未塗工部222は正極集電体221の幅方向片側の縁部に沿って設定されている。正極合剤層223は、正極活物質を含む正極合剤224が塗工された層である。正極合剤224は、正極集電体221に設定された未塗工部222を除いて、正極集電体221の両面に塗工されている。
ここで、図4は、リチウムイオン二次電池100の正極シート220の断面図である。なお、図4において、正極合剤層223の構造が明確になるように、正極合剤層223中の正極活物質610と導電材620とバインダ630とをそれぞれ大きく模式的に表している。
導電材620としては、例えば、カーボン粉末やカーボンファイバーなどのカーボン材料が例示される。このような導電材から選択される一種を単独で用いてもよく二種以上を併用してもよい。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、黒鉛化カーボンブラック、カーボンブラック、黒鉛、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末などのカーボン粉末を用いることができる。
また、バインダ630は、正極活物質610や導電材620の各粒子を結着させたり、これらの各粒子と正極集電体221とを結着させたりする。かかるバインダ630としては、使用する溶媒に溶解または分散可溶なポリマーを用いることができる。例えば、水性溶媒を用いた正極合剤組成物においては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)などのセルロース系ポリマー、また例えば、ポリビニルアルコール(PVA)や、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系樹脂、酢酸ビニル共重合体やスチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)などのゴム類;などの水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。また、非水溶媒を用いた正極合剤組成物においては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリアクリルニトリル(PAN)などのポリマーを好ましく採用することができる。上記で例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、上記組成物の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。
正極合剤層223は、例えば、上述した正極活物質610や導電材620を溶媒にペースト状(スラリ状)に混ぜ合わせた正極合剤224を作成し、正極集電体221に塗布し、乾燥させ、圧延することによって形成されている。この際、溶媒としては、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。
負極シート240は、図2に示すように、帯状の負極集電体241(負極芯材)を有している。負極集電体241には、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、負極集電体241には、所定の幅を有する帯状の銅箔が用いられている。また、負極シート240は、未塗工部242と、負極合剤層243とを有している。未塗工部242は負極集電体241の幅方向片側の縁部に沿って設定されている。負極合剤層243は、負極活物質を含む負極合剤244が塗工された層である。負極合剤244は、負極集電体241に設定された未塗工部242を除いて、負極集電体241の両面に塗工されている。
図5は、リチウムイオン二次電池100の負極シート240の断面図である。また、図5において、負極合剤層243の構造が明確になるように、負極合剤層243中の負極活物質710とバインダ730とをそれぞれ大きく模式的に表している。ここでは、負極活物質710は、いわゆる鱗片状(Flake Graphite)黒鉛が用いられた場合を図示している。負極活物質710は、図5に示された例に限定されない。負極合剤層243には、図5に示すように、負極活物質710や増粘剤(図示省略)やバインダ730などが含まれている。
負極活物質には、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛や人造黒鉛のアモルファスカーボンなどの黒鉛(炭素系材料)が挙げられる。なお、負極活物質は、それ自体に導電性を有している。また、この例では、図3に示すように、負極合剤層243の表面には、さらに耐熱層245(HRL:heat-resistant layer)が形成されている。耐熱層245には、主として金属酸化物(例えば、アルミナ)で形成されている。なお、このリチウムイオン二次電池100では、負極合剤層243の表面に耐熱層245が形成されている。図示は省略するが、耐熱層は、例えば、セパレータ262、264の表面に形成されていてもよい。
また、負極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる材料の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。負極活物質には、例えば、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が挙げられる。より具体的には、いわゆる黒鉛質(グラファイト)、難黒鉛化炭素質(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた炭素材料を用いることができる。例えば、天然黒鉛のような黒鉛粒子を使用することができる。また、負極活物質には、天然黒鉛表面に非晶質炭素コートを施した材料を用いることができる。
セパレータ262、264は、正極シート220と負極シート240とを隔てる部材である。この例では、セパレータ262、264は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ262、264には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータや積層構造のセパレータがある。この例では、図2および図3に示すように、負極合剤層243の幅b1は、正極合剤層223の幅a1よりも少し広い。さらにセパレータ262、264の幅c1、c2は、負極合剤層243の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。
捲回電極体200の正極シート220および負極シート240は、セパレータ262、264を介在させた状態で重ねられ、かつ、捲回されている。
また、この例では、電池ケース300は、図1に示すように、いわゆる角型の電池ケースであり、容器本体320と、蓋体340とを備えている。容器本体320は、有底四角筒状を有しており、一側面(上面)が開口した扁平な箱型の容器である。蓋体340は、当該容器本体320の開口(上面の開口)に取り付けられて当該開口を塞ぐ部材である。
その後、蓋体340に設けられた注液孔から電池ケース300内に電解液が注入される。電解液は、この例では、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば、体積比1:1程度の混合溶媒)にLiPF6を約1mol/リットルの濃度で含有させた電解液が用いられている。その後、注液孔に金属製の封止キャップを取り付けて(例えば溶接して)電池ケース300を封止する。なお、電解液としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液を使用することができる。
また、この例では、当該電池ケース300の扁平な内部空間は、扁平に変形した捲回電極体200よりも少し広い。捲回電極体200の両側には、捲回電極体200と電池ケース300との間に隙間310、312が設けられている。当該隙間310、312は、ガス抜け経路になる。
図4に示すように、この実施形態では、正極集電体221の両面にそれぞれ正極合剤224が塗工されている。かかる正極合剤224の層(正極合剤層223)には、正極活物質610と導電材620が含まれている。図5に示すように、負極集電体241の両面にそれぞれ負極合剤244が塗工されている。かかる負極合剤244の層(負極合剤層243)には、負極活物質710が含まれている。
ここで、正極合剤層223は、例えば、正極活物質610と導電材620の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間を有している。かかる正極合剤層223の微小な隙間には電解液(図示省略)が浸み渡り得る。また、負極合剤層243は、例えば、負極活物質710の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間を有している。かかる負極合剤層243の微小な隙間には電解液(図示省略)が浸み渡り得る。ここでは、かかる隙間(空洞)を適宜に「空孔」と称する。
図7は、かかるリチウムイオン二次電池100の充電時の状態を模式的に示している。充電時においては、図7に示すように、リチウムイオン二次電池100の電極端子420、440(図1参照)は、充電器290に接続される。充電器290の作用によって、充電時には、正極合剤層223中の正極活物質610(図4参照)からリチウムイオン(Li)が電解液280に放出される。また、正極活物質610(図4参照)からは電子が放出される。放出された電子は、図7に示すように、導電材620を通じて正極集電体221に送られ、さらに、充電器290を通じて負極へ送られる。また、負極では電子が蓄えられるとともに、電解液280中のリチウムイオン(Li)が、負極合剤層243中の負極活物質710(図5参照)に吸収され、かつ、貯蔵される。
図8は、かかるリチウムイオン二次電池100の放電時の状態を模式的に示している。放電時には、図8に示すように、負極から正極に電子が送られるとともに、負極合剤層243に貯蔵されたリチウムイオン(Liイオン)が、電解液280に放出される。また、正極では、正極合剤層223中の正極活物質610に電解液280中のリチウムイオン(Li)が取り込まれる。
なお、上記はリチウムイオン二次電池の一例を示すものである。リチウムイオン二次電池は上記形態に限定されない。また、同様に集電体に電極合剤が塗工された電極シートは、他にも種々の電池形態に用いられる。例えば、他の電池形態として、円筒型電池やラミネート型電池などが知られている。円筒型電池は、円筒型の電池ケースに捲回電極体を収容した電池である。また、ラミネート型電池は、正極シートと負極シートとをセパレータを介在させて積層した電池である。
ここで、集電体22の好ましい一形態は、例えば、銅(Cu)やアルミニウム(Al)などの金属箔である。また、集電体22は、必ずしも金属箔に限定されない。例えば、集電体22は、導電性を持たせた樹脂でもよい。導電性を持たせた樹脂には、例えば、ポリプロピレンフィルムに、アルミや、銅を蒸着させたフィルム材を用いることができる。
ここで、合剤24は、溶媒に少なくとも黒鉛粒子が分散したスラリーである。黒鉛粒子には、例えば、黒鉛質(グラファイト)、難黒鉛化炭素質(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質(ソフトカーボン)、天然黒鉛、天然黒鉛表面に非晶質炭素コートを施した材料が含まれる。溶媒には、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。かかる合剤24には、例えば、溶媒に少なくとも黒鉛粒子が分散したスラリー、例えば、リチウムイオン二次電池の製造に用いられる負極合剤が含まれる。
走行経路12は、集電体22を走行させる経路である。この実施形態では、走行経路12には、集電体22を走行させる所定の経路に沿って複数のガイドが配置されている。走行経路12の始端には、集電体22を供給する供給部32が設けられている。供給部32には、予め巻き芯32aに巻き取られた集電体22が配置されている。供給部32からは適宜に適当な量の集電体22が走行経路12に供給される。また、走行経路12の終端には集電体22を回収する回収部34が設けられている。回収部34は、走行経路12で所定の処理が施された集電体22を巻き芯34aに巻き取る。この実施形態では、回収部34には、例えば、制御部34bと、モータ34cとが設けられている。制御部34bは、回収部34の巻き芯34aの回転を制御するためのプログラムが予め設定されている。モータ34cは、巻き芯34aを回転駆動させるアクチュエータであり、制御部34bに設定されたプログラムに従って駆動する。かかる走行経路12には、電極材料塗布装置14と、乾燥炉16とが順に配置されている。
電極材料塗布装置14は、図9に示すように、流路14aと、フィルタ14bと、磁石14c1,14c2と、塗布部14dとを備えている。この実施形態では、電極材料塗布装置14は、走行経路12に配設されたバックロール41を走行する集電体22に対して合剤24を塗布するように構成されている。このため、この実施形態では、電極材料塗布装置14は、さらにタンク43と、ポンプ44とを備えている。ここで、タンク43は、合剤24を貯留した容器である。ポンプ44は、タンク43から流路14aに合剤24を送り出す装置である。
流路14aは、溶媒に少なくとも黒鉛粒子が分散したスラリーが流通し得る流路である。この実施形態では、流路14aは、タンク43から塗布部14dへ至るように形成されている。フィルタ14bは、流路14a内に配置されている。また、磁石14c1,14c2は、流路14aに沿った磁力線を有する磁場をフィルタ14bに生じさせるように配置されている。かかるフィルタ14bと、磁石14c1,14c2は、電極材料塗布装置14のうちスラリーを濾過する濾過装置50を構成している。
ここで、フィルタ14bは、樹脂や金属の繊維を絡ませた不織布フィルタや、樹脂や金属の繊維を編んだメッシュフィルタなどを用いることができる。フィルタ14bの目の粗さは、除去し得る粒子の大きさや、合剤24(スラリー)の粘度にも影響する。このため、具体的な実施において、流路14aに流通させる合剤24(スラリー)に応じた適当なフィルタを選択するとよい。
また磁石14c1,14c2は、流路14aに沿った磁力線を有する磁場をフィルタ14bに生じさせる部材である。この実施形態では、磁石14c1,14c2は、流路14aに沿ってフィルタ14bを挟むように配置され、それぞれフィルタ14bに対向した部位が互いに引き合う磁極になる一対の磁石で構成されている。すなわち、例えば、図9に示すように、磁石14c1,14c2は、磁石14c1,14c2のうち何れか一方がフィルタ14bに対してS極となり、他方がフィルタ14bに対してN極となるように配置されている。ここで、磁石14c1,14c2は、永久磁石で構成してもよいし、電磁石で構成してもよい。
図10は、濾過装置50に関し、流路14aとフィルタ14bと磁石14c1,14c2の具体的な構成例を示している。図10に示す例では、流路14aは、フィルタ14bが配置される空間14a1(フィルタ配置空間)において内径が広く形成されている。フィルタ14bは、流路14aの当該空間14a1に応じた形状を有し、当該空間14a1を仕切るように当該空間14a1の中央に配置されている。ここで、磁石14c1,14c2は、U字型に屈曲した板状の鋼材のうち、対向する両側の片部に構成されている。この実施形態では、当該磁石14c1,14c2の中央には、流路14aとなるパイプを通す穴14e1、14e2が形成されている。ここでは、磁石14c1,14c2は、永久磁石が採用されている。当該磁石14c1,14c2の間に挟まれたフィルタ14bに対して、磁石14c1,14c2のうち一方の磁石14c1がN極になり、他方の磁石14c2はS極になる。
これに対して、図13は、上述した濾過装置50においてフィルタ14bがスラリーを濾過するイメージが示されている。上述した濾過装置50では、図13に示すように、フィルタ14bは、磁石14c1,14c2の間に挟まれている。フィルタ14bに対して磁石14c1,14c2のうち一方の磁石14c1がN極になり、他方の磁石14c2がS極になる。このため、磁力線が流路14aに沿った磁場がフィルタ14bに生じている。換言すると、かかる磁石14c1,14c2によって、フィルタ14bに対して合剤24が通り抜けるべき方向に沿った磁力線を有する磁場が形成される。
塗布部14dは、図9に示すように、フィルタ14bを通った合剤24(スラリー)を集電体22に塗る。ここで、塗布部14dは、例えば、スリットコーター、グラビアコーター、ダイコーター、コンマコーター等が用いられる。この電極材料塗布装置14の塗布部14dには、例えば、図10に示すような濾過装置50を通過した合剤24が供給される。上述したように、濾過装置50では、より目の細かいフィルタ14bを用いることができ、スラリー中の凝集物や異物をより適切に除去できる。このように、この電極材料塗布装置14によれば、スラリー中の凝集物や異物をより適切に除去できるので、塗布部14dでスラリーが詰まり難い。このため、合剤24が塗工される集電体22に、いわゆる塗工すじが発生しにくく、二次電池の製造において不良が生じにくい。
例えば、濾過装置50の磁石14c1,14c2に、永久磁石を用いた例を例示した。磁石14c1,14c2が永久磁石である場合には、磁石を構成するために電力が必要でないので、ランニングコストを低く抑えることができる。ただし、濾過装置50の磁石14c1,14c2は電磁石で構成してもよい。図14は、磁石14c1,14c2を電磁石で構成した濾過装置の構成例(濾過装置50A)を示している。図14に示す例では、フィルタ14bの上流側および下流側の流路14aに、それぞれ電磁石になるコイルC10,C20が配置されている。コイルC10,C20は、フィルタ14bに対して互いに反する磁極になるように(例えば、一方がフィルタ14bに対してN極となる場合に、他方がS極となるように)電源P1に接続されている。ここで、電源P1は直流電源でもよいし、交流電源でもよい。
14 電極材料塗布装置
14a 流路
14a1 フィルタ配置空間
14b フィルタ
14c1,14c2 磁石
14d 塗布部
14e1、14e2 流路14aを通す穴
16 乾燥炉
22 集電体
24 合剤
32 供給部
32a 芯
34 回収部
34a 芯
34b 制御部
34c モータ
41 バックロール
42 ダイ
43 タンク
44 ポンプ
50、50A 濾過装置
60 黒鉛粒子
100 リチウムイオン二次電池
200 捲回電極体
220 正極シート
221 正極集電体
222 未塗工部
222a 中間部分
223 正極合剤層
224 正極合剤
240 負極シート
241 負極集電体
242 未塗工部
243 負極合剤層
244 負極合剤
245 耐熱層
262 セパレータ
264 セパレータ
280 電解液
290 充電器
300 電池ケース
310 隙間
320 容器本体
322 蓋体と容器本体の合わせ目
340 蓋体
360 安全弁
420 電極端子(正極)
440 電極端子(負極)
610 正極活物質
620 導電材
630 バインダ
710 負極活物質
730 バインダ
1000 車両駆動用電池
C10、C20 コイル
Claims (10)
- 溶媒に少なくとも黒鉛粒子が分散したスラリーが流通し得る流路と、
前記流路内に配置されたフィルタと、
前記流路に沿った磁力線を有する磁場をフィルタに生じさせるように配置された磁石と、
前記フィルタを通った前記スラリーを集電体に塗る塗布部と
を備えた電極材料塗布装置。 - 前記磁石は、前記流路に沿って前記フィルタを挟むように配置され、それぞれ前記フィルタに対向した部位が互いに引き合う磁極になる一対の磁石で構成された、請求項1に記載された電極材料塗布装置。
- 前記磁石は、永久磁石で構成された、請求項1又は2に記載された電極材料塗布装置。
- 前記磁石は、電磁石で構成された、請求項1又は2に記載された電極材料塗布装置。
- 流路に配置したフィルタに磁力線が流路に沿った磁場を生じさせながら、溶媒に少なくとも黒鉛粒子を分散させたスラリーを前記流路に供給して、前記スラリーを濾過する、スラリーの濾過方法。
- 請求項5に記載されたスラリーの濾過方法によってスラリーを濾過する工程と、
当該濾過する工程で濾過された前記スラリーを集電体に塗布する工程と
を含む、二次電池の製造方法。 - 流路と、
前記流路内に配置したフィルタと、
磁力線が流路に沿った磁場を前記フィルタに生じさせるように配置された磁石と
を備えた、濾過装置。 - 前記磁石は、前記流路に沿って前記フィルタを挟むように配置され、それぞれ前記フィルタに対向した部位が互いに引き合う磁極になる一対の磁石で構成された、請求項7に記載された濾過装置。
- 前記磁石は、永久磁石で構成された、請求項7又は8に記載された濾過装置。
- 前記磁石は、電磁石で構成された、請求項7又は8に記載された濾過装置。
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