KR101425714B1 - 전지용 전극의 제조 방법 및 전지의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

활물질 재료를 포함하는 도포액의 도포에 의해 전지용 전극을 제조하는 기술에 있어서, 패턴간의 접촉을 회피하면서, 종래보다 좁은 간격으로 스트라이프형상 패턴을 형성한다. X방향으로 다수의 토출구를 갖는 노즐(21)을 기재(110)에 대하여 Y방향으로 주사 이동시키면서, 각 토출구로부터 활물질 재료를 포함하는 도포액을 토출시켜 기재(110)에 도포한다. 1회째의 주사 이동으로 형성된 패턴(221)의 사이에, 2회째의 주사 이동으로 새롭게 도포액을 도포하여 패턴(222)을 형성한다. 주사 방향(Y방향)에 있어서의 패턴(221, 222)의 시단 위치를 서로 상이하게 함으로써, 패턴 시단부에 있어서의 도포액의 확산에 기인하는 패턴간의 접촉을 방지한다.

Description

전지용 전극의 제조 방법 및 전지의 제조 방법 {BATTERY ELECTRODE MANUFACTURING METHOD AND BATTERY MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 활물질 재료를 포함하는 도포액을 기재에 도포하여 전지용 전극을 제조하는 방법, 및 그 전극을 이용하여 전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

예를 들면 리튬 이온 전지와 같은 화학 전지를 제조하는 방법으로서, 본원 출원인은, 집전체가 되는 기재의 표면에 활물질 재료를 포함하는 도포액을 스트라이프형상으로 도포하여 한쪽 전극을 형성하고, 이에 전해질층이나 다른쪽 전극을 적층하는 기술을 먼저 개시했다(특허 문헌 1 참조). 이 기술에 있어서는, 도포액을 토출하는 토출구를 갖는 노즐을 기재 표면에 대하여 주사 이동시키는 노즐 스캔 방식에 의해, 소정 방향으로 다수의 토출구를 배열한 노즐로부터 활물질 재료를 포함하는 도포액을 기재 표면에 도포하여, 서로 평행한 다수의 스트라이프형상의 활물질 패턴을 형성하고 있다.

일본국 특허공개 2011－070788호 공보(예를 들면, 도 2)

노즐을 기재 표면에 대하여 주사 이동시키면서 도포액을 토출시키는 노즐 스캔 방식에서는, 도포 개시 시점에 있어서, 토출구로부터 토출되어 기재에 착액한 도포액이 주위에 확산되어, 결과적으로 패턴 시단부가 다른 부분보다도 두꺼워지는 경우가 있다.

그 한편으로, 전지 성능, 보다 구체적으로는 전지 용량 및 충방전 특성을 더욱 향상시키기 위해서, 활물질 패턴의 고밀도화도 요구되고 있고, 평행한 패턴간의 간격을 보다 좁히는 것이 필요하다. 이 경우, 상기 종래 기술에서는, 도포 개시시의 도포액의 확산에 의해 인접하는 패턴끼리 접촉해 버릴 가능성이 있고, 이러한 패턴의 고밀도화의 요구에 대하여 대응이 어려운 경우가 있다. 이 점에 있어서, 상기 종래 기술은 개선의 여지가 남겨져 있다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 활물질 재료를 포함하는 도포액의 도포에 의해 전지용 전극을 제조하는 기술에 있어서, 패턴간의 접촉을 회피하면서, 종래보다 좁은 간격으로 스트라이프형상 패턴을 형성하고, 전지의 성능 향상에 기여할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 제1의 양태는, 기재의 표면에 서로 평행한 복수의 스트라이프형상의 활물질 패턴이 배치된 전지용 전극을 제조하는 제조 방법에 있어서, 상기 목적을 달성하기 위해, 상기 기재의 표면에 대하여 상대적으로, 활물질의 재료를 포함하는 도포액을 토출하는 노즐을 소정의 주사 방향으로 주사 이동시켜, 상기 도포액을 상기 기재 표면에 스트라이프형상으로 도포하여 제1의 활물질 패턴을 형성하는 제1 도포 공정과, 상기 기재의 표면에 대하여 상대적으로, 활물질의 재료를 포함하는 도포액을 토출하는 노즐을 상기 주사 방향으로 주사 이동시켜, 상기 도포액을 상기 기재 표면에 스트라이프형상으로 도포하여 상기 제1의 활물질 패턴과 인접하는 제2의 활물질 패턴을 형성하는 제2 도포 공정을 구비하고, 상기 제1의 활물질 패턴의 시단 위치와, 상기 제2의 활물질 패턴의 시단 위치를, 상기 주사 방향에 있어서 서로 다르게 하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이 구성된 발명에서는, 서로 인접하는 제1의 활물질 패턴과 제2의 활물질 패턴의 사이에서, 그 시단 위치를 주사 방향에 있어서 서로 다르게 하고 있다. 이 때문에, 제1의 활물질 패턴과 제2의 활물질 패턴이 각각 그 시단 부분에 있어서 본래의 패턴폭보다도 넓어진 경우에도, 각각의 시단 위치가 주사 방향에 있어서 동일한 케이스에 비해 양 패턴이 접촉할 우려가 적어진다. 인접하는 활물질 패턴끼리 단순히 그 시단 부분에서만 접촉한 것 만으로는 문제는 적다고도 할 수 있다. 그러나, 현실 문제로는, 시단 부분에 인접 패턴이 접촉해 버리면, 기재에 대한 노즐의 상대 이동에 의해, 그대로 양 패턴이 일체화한 채로 폭이 넓은 패턴이 형성되어 버리는 경우가 많다. 이 때문에, 활물질 패턴의 형상이나 표면적이 소기의 것과는 달라져, 기대한 전지 성능을 얻을 수 없게 된다.

본 발명에서는, 인접 패턴의 시단 위치를 주사 방향으로 다르게 함으로써 패턴간의 접촉의 발생 확률을 저감시킨다. 이 때문에, 패턴간의 접촉을 회피하면서, 종래보다도 좁은 간격으로 인접시킨 복수의 스트라이프형상 패턴으로 이루어지는 활물질 패턴을 형성하는 것이 가능해진다.

또한, 이 발명에 있어서는, 서로 인접하는 활물질 패턴간의 접촉이 방지되어 있다. 이 때문에, 인접하는 활물질 패턴은 동종의 것에 한정되지 않고, 서로 조성이 다른 것이어도 된다. 예를 들면 양극 전극용 활물질 패턴과 음극 전극용 활물질 패턴을 기재 상에 교호로 배치하도록 해도 된다. 이 의미에 있어서, 본 발명의 제1 도포 공정에서 사용되는 도포액과 제2 도포 공정에서 사용되는 도포액은 동일한 것에 한정되지 않는다.

본 발명에 있어서는, 예를 들면, 제1 도포 공정에서는, 서로 평행한 복수의 제1의 활물질 패턴을 형성하고, 제2 도포 공정에서는, 서로 인접하는 제1의 활물질 패턴의 사이에, 제2의 활물질 패턴을 형성하도록 해도 된다. 이렇게 함으로써, 서로 근접하고, 또한 서로 접촉하지 않는 다수의 활물질 패턴을 형성하는 것이 가능하고, 성능이 양호한 전지용 전극을 제조하는 것이 가능해진다.

이 경우에 있어서는, 예를 들면, 주사 방향과 직교하는 방향으로 배열된 복수의 토출구를 갖는 동일한 노즐을 제1 도포 공정 및 제2 도포 공정에서 공통으로 이용하고, 제1 도포 공정과 제2 도포 공정의 사이에서, 도포 개시 시에 있어서의 기재 표면에 대한 노즐의 상대 위치를, 주사 방향 및 이에 직교하는 방향으로 서로 다르게 해도 된다. 이와 같이 하면 제1 및 제2의 활물질 패턴을 형성하는데 각각 개별의 노즐을 준비할 필요가 없다. 또한, 제1 도포 공정과 제2 도포 공정의 사이에서 도포 개시시의 기재 표면에 대한 노즐의 위치를 다르게 함으로써, 주사 방향에 있어서의 시단 위치가 서로 다르고, 또한 주사 방향으로 직교하는 방향에 있어서 서로 다른 위치로 연장되는 복수의 스트라이프형상 패턴을 간단하게 형성할 수 있다.

혹은 예를 들면, 노즐은 도포액을 토출하여 제1의 활물질 패턴을 형성하는 제1의 토출구와, 도포액을 토출하여 제2의 활물질 패턴을 형성하는 제2의 토출구를 가짐과 더불어, 제2의 토출구는 주사 방향 및 이와 직교하는 방향으로 제1의 토출구와는 다른 위치에 설치되어 있고, 상기 노즐을 기재에 대하여 상대 이동시킴으로써, 제1 도포 공정과 제2 도포 공정을 동시에 실행하도록 해도 된다. 주사 방향과 직교하는 방향으로 위치를 다르게 한 토출구를 노즐에 설치함으로써, 노즐의 1회의 주사 이동으로 복수의 활물질 패턴을 동시에 형성하는 것이 가능하다. 이 때, 인접하는 토출구간에서 그 위치를 주사 방향으로 다르게 해 두면, 패턴의 시단 위치도 인접 패턴간에서 다르게 되어, 본 발명의 목적이 달성된다.

이 경우, 예를 들면, 노즐은 제1의 토출구 및 제2의 토출구가 주사 방향과 직교하는 방향으로 각각 복수 배열된 것이어도 된다. 이렇게 함으로써, 노즐의 1회의 주사 이동으로 보다 다수의 패턴을 형성하는 것이 가능해져, 패턴 형성의 스루 풋을 향상시킬 수 있다.

이러한 발명에 있어서, 예를 들면, 제2의 활물질 패턴의 시단 위치를 제1의 활물질 패턴의 시단 위치에 대하여 주사 방향의 상류측으로 해도 된다. 이 경우에는, 제2의 활물질 패턴이 되는 도포액은 시단 부분에서의 확산이 수속하여 폭이 안정된 상태로 먼저 형성된 제1의 활물질 패턴의 사이를 통과하여 도포되게 된다. 이 때문에, 제2의 활물질 패턴이 되는 도포액의 확산이 형성이 다된 제1의 활물질 패턴과의 접촉으로 연결될 우려가 경감된다.

한편, 예를 들면, 제2의 활물질 패턴의 시단 위치를 제1의 활물질 패턴의 시단 위치에 대하여 주사 방향의 하류측으로 해도 된다. 이 경우에는, 제1의 활물질 패턴의 시단부의 확대를 피한 위치부터 노즐의 주사 이동을 개시할 수 있으므로, 노즐 선단이 형성이 다 된 제1의 활물질 패턴에 접촉하여 패턴이 흐트러지는 것을 방지할 수 있다.

또한 예를 들면, 제1의 활물질 패턴의 시단 위치와 제2의 활물질 패턴의 시단 위치 사이의 주사 방향에 있어서의 거리를, 예를 들면 주사 방향과 직교하는 방향에 있어서의 제1의 활물질 패턴과 이에 인접하는 제2의 활물질 패턴의 배열 피치 이상으로 하도록 해도 된다. 여기서, 제1의 활물질 패턴과 인접하는 제2의 활물질 패턴의 배열 피치에 대해서는, 주사 방향과 직교하는 방향에 있어서의 제1 및 제2의 활물질 패턴 각각의 중심선간의 거리로서 정의할 수 있다.

시단부에 있어서의 패턴의 확대는 주사 방향 및 이에 직교하는 방향의 어디에나 생길 수 있는데, 그 확대를 양 방향에서 동일한 정도로 가정해 본다. 그러면, 확대된 패턴의 폭이 패턴의 배열 피치, 즉 본래의 패턴폭과 패턴 간격의 합계를 초과할 것 같으면, 패턴의 확대가 인접하는 패턴을 형성해야 할 위치까지 미치게 된다. 이 때문에, 원래 그러한 피치로 패턴을 배열하는 것이 곤란하다.

반대로 그러한 문제가 생기지 않는 배열 피치가 설정되어 있으면, 그 배열 피치와 동 정도 이상으로 주사 방향에 있어서의 시단 위치의 차이를 설정하면, 인접하는 패턴이 접촉하는 것은 거의 확실하게 회피할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 제2의 양태는, 상기한 어느 하나의 제조 방법에 의해, 전극을 제조하는 전극 제조 공정과, 상기 전극의 상기 활물질 패턴이 형성된 면에 전해질 재료를 포함하는 도포액을 도포하고, 상기 활물질 패턴을 덮는 전해질층을 형성하는 전해질층 형성 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지의 제조 방법이다.

이와 같이 구성된 발명에서는, 상기와 같이 인접 패턴의 접촉이 없고, 또한 패턴간의 간격이 작은 스트라이프형상의 활물질 패턴을 갖는 전극에, 다른 기능층이 도포에 의해 적층되어 전지가 제조된다. 즉, 본 발명에 의하면, 고밀도의 스트라이프형상 패턴으로 형성된 표면적이 큰 활물질층을 갖는 고성능의 전지를 제조하는 것이 가능하다.

본 발명에 관한 전지용 전극 및 전지의 제조 방법에 의하면, 서로 접촉하지 않고, 또한 근접하여 배치된 복수의 스트라이프형상 활물질 패턴을 갖는 전지용 전극을 제조하는 것이 가능하다. 이 때문에, 이를 이용하는 전지의 용량이나 충방전 특성 등의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명을 이용하여 제조되는 전지의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 이 실시 형태에 있어서의 모듈 제조 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 3a 및 도 3b는 노즐 스캔법에 의한 재료 도포의 모습을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 패턴 간격을 작게 한 경우에 생길 수 있는 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 이 실시 형태에 있어서의 활물질 패턴의 예를 나타내는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 실시 형태에 관한 패턴 형성의 제1 및 제2의 예를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 실시 형태에 관한 패턴 형성의 제3의 예를 나타내는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 실시 형태에 관한 패턴 형성의 제4의 예를 나타내는 도면이다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명을 이용하여 제조되는 전지의 구성예를 나타내는 도면이다. 보다 상세하게는, 도 1a는 본 발명에 관한 전지의 제조 방법의 일실시 형태에 의해 제조되는 리튬 이온 전지 모듈의 단면의 개략 구조를 나타내는 도면이다. 또한 도 1b는 본 발명에 관련된 전지용 전극의 제조 방법의 일실시 형태에 의해 제조되고, 도 1a에 나타내는 전지 모듈에 사용되는 전극의 개략 구조를 나타내는 도면이다. 이 리튬 이온 전지 모듈(1)은, 음극 집전체(11) 상에 음극 활물질층(12), 고체 전해질층(13), 양극 활물질층(14) 및 양극 집전체(15)를 차례로 적층한 구조를 가지고 있다. 이 명세서에서는, X, Y 및 Z좌표 방향을 각각 도 1a에 나타내는 바와같이 정의한다.

도 1b는 음극 집전체(11) 표면에 음극 활물질층(12)을 형성하여 이루어지는 음극 전극(10)의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 1b에 나타내는 바와같이, 음극 활물질층(12)은 Y방향에 따라 연장되는 스트라이프형상의 패턴(120)이 X방향으로 일정 간격을 두고 다수 배열된, 라인 앤드 스페이스 구조로 되어 있다. 한편, 고체 전해질층(13)은 고체 전해질에 의해 형성된 대략 일정한 두께를 갖는 박막이다. 고체 전해질층(13)은, 상기와 같이 음극 집전체(11) 위에 음극 활물질층(12)이 형성되어 이루어지는 음극 전극(10) 표면의 요철에 추종하도록, 상기 전극(10) 상면의 거의 전체를 일률적으로 덮고 있다.

또한, 양극 활물질층(14)은, 그 하면측은 고체 전해질층(13) 상면의 요철에 따른 요철 구조를 갖는데, 그 상면은 대략 평탄하게 되어 있다. 그리고, 이와 같이 대략 평탄하게 형성된 양극 활물질층(14)의 상면에 양극 집전체(15)가 적층되고, 리튬 이온 전지 모듈(1)이 형성된다. 이 리튬 이온 전지 모듈(1)에 적절한 탭 전극이 설치되거나, 복수의 모듈이 적층되어 리튬 이온 전지가 구성된다.

여기서, 각 층을 구성하는 재료로는, 리튬 이온 전지의 구성 재료로서 공지의 것을 이용하는 것이 가능하고, 음극 집전체(11), 양극 집전체(15)로는, 예를 들면 구리박, 알루미늄박을 각각 이용할 수 있다. 또한, 양극 활물질로는 예를 들면 LiCoO₂(LCO)를 주체로 하는 것을, 음극 활물질로는 예를 들면 Li₄Ti₅0₁₂(LTO)를 주체로 한 것을, 각각 이용할 수 있다. 또한, 고체 전해질층(13)으로는, 예를 들면 폴리에틸렌옥사이드와 폴리스티렌의 혼합물을 이용할 수 있다. 또한, 각 기능층의 재질에 대해서는 이들에 한정되는 것은 아니다.

이러한 구조를 갖는 리튬 이온 전지 모듈(1)은, 박형이고 휘어짐이 용이하다. 또한, 음극 활물질층(12)을 도시한 것과 같은 요철을 갖는 입체적 구조로 하여, 그 체적에 대한 표면적을 크게 하고 있다. 이 때문에, 얇은 고체 전해질층(13)을 통한 양극 활물질층(14)과의 대향 표면적을 크게 취할 수 있어, 고효율·고출력을 얻을 수 있다. 이와 같이, 상기 구조를 갖는 리튬 이온 전지는 소형이고 고성능을 얻을 수 있는 것이다.

도 2는 이 실시 형태에 있어서의 모듈 제조 방법을 나타내는 플로우차트이다. 이 제조 방법에서는, 우선 음극 집전체(11)가 되는 금속박, 예를 들면 구리박을 준비한다(단계 S101). 얇은 구리박을 사용하는 경우는 그 반송이나 취급이 어렵기 때문에, 예를 들면 한쪽면을 유리판이나 수지 시트 등의 캐리어에 부착하는 등에 의해 반송성을 높여 두는 것이 바람직하다.

이어서, 구리박의 한쪽면에, 음극 활물질을 포함하는 도포액을 노즐 디스펜스법, 그 중에서 도포액을 토출하는 노즐을 도포 대상면에 대하여 상대 이동시키는 노즐 스캔법에 의해 도포한다(단계 S102). 도포액으로는, 예를 들면, 상기한 음극 활물질을 포함하는 유기계 LTO 재료(유기·무기 복합 재료)를 이용할 수 있다. 도포액에는, 음극 활물질 외에, 도전 조제로서의 아세틸렌 블랙 또는 케첸 블랙, 결착제로서의 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스틸렌부타디엔 러버(SBR), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알코올(PVA) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 용제로서의 N―메틸―2―피롤리돈(NMP) 등을 혼합한 것을 이용할 수 있다. 또한, 음극 활물질 재료로는 상기한 LTO 외에 예를 들면 흑연, 금속 리튬, SnO₂, 합금계 등을 이용하는 것이 가능하다.

도 3a 및 도 3b는 노즐 스캔법에 의한 재료 도포의 모습을 모식적으로 나타내는 도면이다. 보다 상세하게는, 도 3a는 노즐 스캔법에 의한 도포의 모습을 측면으로부터 본 도면, 도 3B는 동일한 모습을 기울여 상방으로부터 본 도면이다. 노즐 스캔법에 의해 도포액을 기재에 도포하는 기술은 공지이며, 본 방법에 있어서도 그러한 공지 기술을 적용하는 것이 가능하므로, 장치 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

노즐 스캔법에서는, 도포액을 토출하기 위한 토출구를 1개 또는 복수 구멍을 뚫어 형성된 노즐(21)을 구리박(11)의 상방에 배치하고, 토출구로부터 일정량의 도포액(22)을 토출시키면서, 노즐(21)을 구리박(11)에 대하여 상대적으로 화살표 방향(Ds)으로 일정 속도로 주사 이동시킨다. 이렇게 함으로써, 구리박(11) 상에는 도포액(22)이 Y방향을 따른 스트라이프형상으로 도포된다. 노즐(21)에 복수의 토출구를 형성하면, 1회의 주사 이동으로 복수의 스트라이프를 형성할 수 있다. 필요에 따라서 주사 이동을 반복함으로써, 구리박(11)의 전면에 스트라이프형상으로 도포액을 도포할 수있다. 이를 건조 경화시킴으로써, 구리박(11)의 상면에 음극 활물질층(12)이 형성된다. 또한, 도포액에 광 경화성 수지를 첨가하여 도포 후에 광 조사하여 경화시키도록 해도 된다.

이 시점에서는, 대략 평탄한 구리박(11)의 표면에 대하여 음극 활물질층(12)이 솟아오른 상태로 되어 있고, 단지 표면이 평탄하게 되도록 도포액을 도포하는 경우에 비해, 활물질의 사용양에 대한 표면적을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 후에 형성되는 양극 활물질과의 대향 면적을 크게 하여 고출력을 얻을 수 있다.

도 2의 플로우차트의 설명을 계속한다. 이와같이 하여 형성된, 구리박(11)에 음극 활물질층(12)을 적층하여 이루어지는 적층체(음극 전극)(10)의 상면에 대하여, 적절한 도포 방법, 예를 들면 스핀 코팅법에 의해 전해질 도포액을 도포한다(단계 S103). 전해질 도포액으로는, 상기한 고분자 전해질 재료, 예를 들면 폴리에틸렌옥사이드, 폴리스티렌 등의 수지, 지지염으로서의 예를 들면 LiPF₆(6불화 인산 리튬) 및 용제로서의 예를 들면 디에틸렌카보네이트 등을 혼합한 것을 이용할 수 있다.

이와같이 하여 형성된, 구리박(11), 음극 활물질층(12), 고체 전해질층(13)을 적층하여 이루어지는 적층체에 대하여, 적절한 방법, 예를 들면 공지의 나이프 코팅법에 의해 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질 도포액이 도포되어, 양극 활물질층(14)이 형성된다(단계 S104). 양극 활물질을 포함하는 도포액으로는, 예를 들면, 상기한 양극 활물질과, 도전 조제로서의 예를 들면 아세틸렌 블랙, 결착제로서의 SBR, 분산제로서의 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 용제로서의 순수(純水) 등을 혼합한 수계 LCO 재료를 이용할 수 있다. 양극 활물질 재료로는, 상기한 LCO의 외, LiNiO₂ 또는 LiFePO₄, LiMnPO₄, LiMn₂0₄, 또한 LiMeO₂(Me＝M_xM_yM_z；Me, M은 천이 금속, x＋y＋z＝1)로 대표적으로 표시되는 화합물, 예를 들면 LiNi_{1 /3}Mn_{1 /3}Co_{1 /3}0₂, LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 등을 이용할 수 있다. 또한, 도포 방법으로는, 예를 들면 나이프 코팅법, 바 코팅법이나 스핀 코팅법과 같이, 상면이 평탄하게 되는 막을 형성하는 것이 가능한 공지의 도포 방법을 적절히 채용할 수 있다.

이와 같이 하여 양극 활물질을 포함하는 도포액을 적층체에 도포함으로써, 하면이 고체 전해질층(13)의 요철에 따른 요철을 갖는 한편, 상면이 대략 평탄한 양극 활물질층(14)이 형성된다. 이렇게 하여 형성된 양극 활물질층(14)의 상면에, 양극 집전체(15)가 되는 금속박, 예를 들면 알루미늄박을 적층한다(단계 S105). 이 때, 앞의 단계 S104에서 형성된 양극 활물질층(14)이 경화하지 않는 동안에, 그 상면에 양극 집전체(15)를 겹치는 것이 바람직하다. 이와같이 함으로써, 양극 활물질층(14)과 양극 집전체(15)을 서로 밀착시켜 접합할 수 있다. 또한 양극 활물질층(14)의 상면은 평평하게 균일하게 되어 있으므로, 양극 집전체(15)를 간극없이 적층하는 것이 용이해진다. 이상과 같이 하여, 도 1a에 나타낸 리튬 이온 전지 모듈(1)을 제조할 수 있다.

상기한 리튬 이온 전지의 제조 방법은, 기본적으로 전술의 특허 문헌 1(일본국 특허공개 2011－070788호 공보)의 것과 동일하다. 다만, 본 실시 형태에 있어서는, 다수의 스트라이프형상의 활물질 패턴(120)의 간격을 종래보다도 작게 하여 음극 활물질층(12)에 있어서의 활물질 패턴(120)의 고밀도화를 도모하기 위해, 단계 S102에서의 음극 활물질층(12)의 제조 공정을 이하와 같이 구성하고 있다.

도 4a 내지 도 4d는 패턴 간격을 작게 한 경우에 생길 수 있는 문제점을 설명하기 위한 도면이다. 여기서는 기재(110) 상에 2개의 활물질 패턴(121, 122)을 형성하는 경우를 예시하는데, 패턴 갯수가 이보다 많은 경우도 생각은 같다. 이들 2개의 패턴(121, 122)을 도포에 의해 형성하는 경우, 도 4a에 나타내는 바와같이, 일정한 패턴폭을 갖는 2개의 패턴(121, 122)이 일정한 간격(DO)을 가지고 서로 평행하게 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 기재(110)에 대하여 상대 이동하는 노즐(21)로부터 도포액을 토출시켜 도포액을 기재(110)에 도포하는 노즐 스캔법에 있어서는, 도포 개시시의 노즐(21) 개구에서의 도포액의 체류나 주사 이동의 동작 개시 타이밍의 관계에서, 도 4b에 나타내는 바와같이, 패턴 시단부(Pa)의 폭이 본래보다 확대되는 경우가 있다. 즉, 패턴 시단부에 있어서의 간격(D1)은, 본래의 간격(DO)보다도 작아지기 쉽다.

여기서, 패턴 간격을 지금까지보다 작게 하는 경우를 생각하면, 도 4C에 나타내는 바와같이, 패턴 시단부(Pa)의 확대에 기인하여 인접하는 패턴(121, 122)이 접촉되어 버리는 경우가 있다. 패턴(121, 122)은 모두 리튬 이온 전지의 음극 집전체 상의 음극 활물질 패턴이기 때문에, 이들이 단지 시단부(Pa)에서만 접촉하여 전기적으로 단락했다고 해도, 전지의 동작 상은 치명적인 문제가 되지 않는다. 또한 예를 들면 도 4C에 A―A’파선으로 표시하는 바와같이, 패턴 시단 부분을 기재(110)와 함께 잘라내 전지로서 사용하지 않게 하면 특별히 지장은 없다.

그러나, 실제 문제로는, 도포액의 표면 장력에 의해, 패턴 시단부에서 일단 접촉이 생기면 2개의 패턴이 다시 분리되는 것은 용이하지 않다. 그리고, 각각의 패턴에 대응하는 도포액을 토출하는 노즐이 주사 이동함에 따라, 도 4D에 나타내는 바와같이, 2개여야 할 도포액의 스트라이프가 일체가 된 상태 그대로 패턴(123)이 형성되게 된다. 이 때문에, 패턴폭이나 표면적 등의 형상이 원하는 것과는 달라져, 이 전극을 사용하는 전지 성능의 변동을 초래한다.

도 5a 및 도 5b는 이 실시 형태에 있어서의 활물질 패턴의 예를 나타내는 도면이다. 상기와 같은 문제를 감안하여, 본 실시 형태에서는, 도 5a에 나타내는 바와같이, 각 패턴의 Y방향에 있어서의 시단 위치를 동일하게 하지 않고, 서로 인접하는 패턴간에 시단 위치를 Y방향으로 다르게 하고 있다. 보다 구체적으로는, 기재(110) 상에 형성되는 서로 평행한 다수의 활물질 패턴 P1, P2, P3, …, 중, 첨자가 홀수인 1개걸러 패턴 P1, P3, P5,…, 에 대해서는 Y좌표치 Y1를 시단 위치로 하여 도포를 행하는 한편, 첨자가 짝수인 나머지 패턴 P2, P4, P6,…, 에 대해서는 값Y1과는 다른 Y좌표치 Y2를 시단 위치로 하여 도포를 행한다. 이와같이 함으로써, 시단부에서의 패턴의 확대에 기인하는 인접 패턴간의 접촉을 회피하는 것이 가능해진다.

Y방향에 있어서의 시단 위치를 인접 패턴간에서 어느 정도 떼어 놓으면 좋은가에 대하여, 도 5b를 참조하면서 고찰한다. 여기에서는, 노즐(21)로부터 기재(110)에 착액한 도포액이 기재(110) 표면(X－Y 평면) 상에서 등방적으로(상부로부터 봐서 원형으로) 확산되는 경우를 상정하고 있다. 실제로는 노즐(21)의 이동 방향(Y방향)을 따라 도포액이 퍼져 시단부의 팽출은 Y방향으로 연장되는 것이 예상되므로, 여기서의 고찰은, 시단 위치를 최저한 어느만큼 떼어놓아야하는가의 지침을 나타내는 것이다. 또한, 각 패턴 시단부의 확대량은 일정하게 하고, 그 확대의 직경을 부호 Ra에 의해 표시한다. 또한 X방향에 있어서의 패턴의 배열 피치(패턴 중심선간의 거리)를 Lp로 한다.

도 5b는 인접하는 2개의 패턴간에서 시단부끼리 접촉하는 케이스 중, 2개의 패턴의 Y방향에 있어서의 시단 위치가 가장 많이 떨어진 것을 나타내고 있다. 2개의 패턴의 Y방향에 있어서의 시단 위치의 차 ΔY(＝Y2－Y1)가 동 도면에 나타내는 관계보다도 크면, 2개의 패턴은 접촉하지 않는다. 즉, 도 5b에 나타내는 관계로부터,

ΔY＞SQR(Ra²－Lp²)

이면, 인접 패턴의 시단끼리 접촉하지 않는다. 상기 식에 있어서, 함수 SQR(x)는 x의 평방근을 나타내는 것으로 한다. 따라서, 시단부에 있어서의 도포액의 확산의 정도와, 패턴의 배열 피치를 이미 알고 있으면, 인접 패턴의 시단 위치의 차는 상기 식에 의거하여 설정할 수 있다.

또한, 본원 발명자 들의 지견에 의하면, 도포액의 점도나 노즐(21)의 개구 직경 및 주사 속도 등의 도포 조건이 적절히 관리되어 있으면, 도포액의 확산에 의한 패턴 시단부의 폭의 증대량은 최대로도 20∼30% 정도이다. 이 점으로부터 보다 간편하게, 인접 패턴의 시단 위치의 차 ΔY를 패턴의 배열 피치(Lp)와 동 정도 이상으로 해도 된다.

다음에, 상기한 패턴을 노즐 스캔법에 의해 형성하기 위한 구체적인 방법에 대하여 설명한다. 서로 평행한 다수의 패턴을, 그 시단부를 상기한 소위 지그재그 배치로 하면서 형성하기 위한 방법으로는, 예를 들면 이하와 같은 순서의 것을 생각할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 실시 형태에 관련된 패턴 형성의 제1 및 제2의 예를 나타내는 도면이다. 상기와 같이 시단 위치가 지그재그 배치로 된 패턴에 대해서는, 예를 들면 도 3a 및 도 3b에 나타낸 도포 방법을 응용한 것을 생각할 수 있다. 즉, 도 3B에 나타내는 바와같이, 도포액을 토출하는 토출구를 X방향으로 다수 배열한 노즐(21)을 기재(110)의 표면에 대하여 Y방향으로 주사 이동시킨다. 이렇게 함으로써, 서로 평행하게 Y방향을 따라 연장되는 복수의 스트라이프형상 패턴(22)을 형성하는 것이 가능하다(제1 도포 공정). 그리고, 이와같이 하여 복수의 패턴을 형성한 후, 기재(110)에 대한 노즐(21)의 X방향 위치를, 이미 형성된 패턴의 X방향 배열 피치, 즉 노즐(21)에 있어서의 토출구의 배열 피치의 1/2만큼 이동시킨다. 그 후, 다시 Y방향으로의 주사 이동을 행함으로써, 이미 형성된 패턴의 사이에 각각 1개씩 더 새로운 패턴을 형성할 수 있다(제2 도포 공정). 이에 따라, 종래의 2배의 밀도(즉 1/2의 배열 피치)로 패턴을 형성하는 것이 가능하다.

이 때, 도포 개시시에 있어서의 기재(110)에 대한 노즐(21)의 Y방향 위치를 다르게 함으로써, 인접 패턴간에 Y방향에 있어서의 패턴 시단 위치가 교호로 다른, 지그재그 배치의 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 전후의 주사 이동으로 각각 형성되는 패턴간에서의 위치 관계에는, 다음의 2가지를 생각할 수 있다.

도 6a에 나타내는 제1의 예에서는, 1회째의 주사로 기재(110) 표면에 형성된 이미 형성된 패턴(221)의 시단 위치보다도 노즐(21)의 주사 이동 방향(Ds)에 있어서의 상류측(도면에서 좌측 하방)부터, 2회째의 패턴(222)의 도포가 개시된다. 이 경우에는, 2회째의 주사로 도포되는 도포액은, 1회째의 주사로 형성된 패턴 시단부의 사이를 지나 하류측을 향해 도포된다. 이와 같이 한 경우, 2회째의 주사로 도포되는 도포액은, 이미 형성된 패턴으로부터 떨어진 위치에서 확산된 후, 도포폭이 안정된 상태로 이미 형성된 패턴의 사이에 도포되므로, 도포액이 확산됨으로써 이미 형성된 패턴과 접촉하는 것을 확실하게 방지하는 것이 가능하다.

한편, 도 6b에 나타내는 제2의 예에서는, 1회째의 주사로 기재(110)에 형성된 이미 형성된 패턴(223)의 시단 위치보다도 노즐(21)의 주사 이동 방향(Ds)에 있어서의 하류측부터, 2회째의 패턴(224)의 도포가 개시된다. 이와 같이 한 경우에도, 도포액이 이미 형성된 패턴과 접촉하는 것을 방지하는 것이 가능하고, 또한 노즐(21)의 선단이 이미 형성된 패턴의 시단부의 사이를 통과할 때에 이미 형성된 패턴과 접촉하여 손상시키는 일은 없다.

도 7a 및 도 7b는 본 실시 형태에 관련된 패턴 형성의 제3의 예를 나타내는 도면이다. 도 7a에 나타내는 바와같이, 노즐(26)에 형성하는 토출구(261, 262)를 지그재그 배치로 한다. 이렇게 함으로써, 기재(110)에 대한 노즐(26)의 1회의 주사 이동으로, 인접 패턴간에 시단 위치가 지그재그 배치로 된 패턴을 형성하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 노즐(26)의 저면(260)에, X방향으로 등간격으로 일렬로 배치된 복수의 제1의 토출구(261)로 이루어지는 제1의 토출구열을 설치한다. 또한, 제1의 토출구열과는 Y방향으로 위치를 다르게 하여, X방향에 있어서의 개구 위치가 토출구(261)와는 다른 복수의 제2의 토출구(262)로 이루어지는 제2의 토출구열을 설치한다.

이와 같이 배치된 토출구(261, 262)로부터 각각 도포액을 토출시키면서, 기재(110)에 대하여 노즐(26)을 주사 방향(Ds)(Y방향)으로 주사 이동시킨다. 이에 따라, 도 7b에 나타내는 바와같이, 기재(110) 상에는, 서로 평행하고 또한 인접 패턴간에서 시단 위치가 Y방향으로 상이한 복수의 스트라이프형상 패턴(271, 272)이 동시에 형성된다. 보다 구체적으로는, 제1의 토출구(261)로부터 토출되는 도포액에 의해 패턴(271)이, 또한 제2의 토출구(262)로부터 토출되는 도포액에 의해 패턴(272)이, 각각 형성된다. 즉, 이 예에서는, 본 발명의 「제1 도포 공정」과 「제2 도포 공정」이 동시에 실행되게 된다. 이러한 도포 방법에 의해서도, 소기의 구조를 갖는 전극(100)을 제조하는 것이 가능하다.

도 8a 및 도 8b는 본 실시 형태에 관련된 패턴 형성의 제4의 예를 나타내는 도면이다. 상기 각 예에서는 X방향으로 복수의 토출구를 배열한 노즐을 이용하여 복수의 패턴을 동시에 형성하고 있다. 그러나, 단일 토출구를 갖는 노즐을 이용해도, 동일한 구성을 갖는 전극(100)을 제조하는 것이 가능하다. 즉, 도 8a에 나타내는 바와같이, 단일 토출구를 갖는 노즐(28)을, 기재(110)에 대한 X방향 위치를 일정한 이송 피치로 변경하면서, 그때마다 Y방향으로의 주사 이동을 행하게 함으로써, 서로 평행하게 Y방향으로 연장되는 복수의 패턴(291)을 형성한다(제1 도포 공정).

그 후, 도 8b에 나타내는 바와같이, 최초로 형성한 패턴(2911)과 2번째로 형성한 패턴(2912)의 사이에, 또한 이들 패턴의 시단 위치와는 Y방향 위치를 다르게 한 위치로 노즐(28)을 이동시킨다. 그리고, 상기와 동일한 이송 피치로 노즐(28)의 기재(110)에 대한 X방향 위치를 변경하면서, 그때마다 노즐(28)을 Y방향으로 주사 이동시킨다(제2 도포 공정). 이렇게 함으로써, 이미 형성된 패턴(291)의 사이에 새로운 패턴(292)을 형성할 수 있다. 앞의 예와 마찬가지로, 새로운 패턴(292)의 시단 위치는 이미 형성된 패턴(291)의 시단 위치의 주사 이동 방향(Ds)에 있어서의 상류측, 하류측의 어느쪽으로나 할 수 있다.

또한, 이들 도포예에 있어서, 패턴의 종단 위치에 대해서는 특별히 한정되지 않고, Y방향의 동일한 위치에서 종단시켜도 상관없다. 도포의 종료 위치에 있어서는 개시 위치와 동일한 패턴의 현저한 확대는 볼 수 없고, 또한 만일 패턴의 확대에 의한 접촉이 생겼다고 해도 접촉은 그 위치에만 한정되어 도 4D에 나타내는 바와같이 인접 패턴이 일체로 되어 버리는 경우는 없기 때문이다.

이상과 같이, 이 실시 형태에서는, 기재 상에 활물질을 포함하는 도포액을 도포하여 서로 평행한 복수의 스트라이프형상 패턴을 형성한다. 이에 있어, 패턴 시단부의 확대에 기인하는 패턴간의 접촉을 방지하기 위해, 인접하는 패턴의 사이에서 패턴 시단 위치를 패턴 연장 방향(노즐 주사 이동 방향)으로 다르게 하고 있다. 이와같이 함으로써, 패턴 시단부에 인접하는 패턴에 접촉하는 것에 기인하는 패턴 형상의 흐트러짐을 방지하고, 종래보다도 좁은 간격으로 활물질 패턴을 형성할 수 있다. 그 결과, 이 실시 형태에서는, 용량 및 충방전 특성이 양호한 전지를 제조하기 위한 전지용 전극을 제조하는 것이 가능하다.

이상 설명한 것처럼, 이 실시 형태에 있어서는, 도 6a에 있어서의 패턴(221), 도 6b에 있어서의 패턴(223), 도 7b에 있어서의 패턴(271), 도 8a에 있어서의 패턴(291) 등이 본 발명의 「제1의 활물질 패턴」에 상당한다. 또한, 도 6a에 있어서의 패턴(222), 도 6b에 있어서의 패턴(224), 도 7b에 있어서의 패턴(272), 도 8b에 있어서의 패턴(292) 등이 본 발명의 「제2의 활물질 패턴」에 상당한다.

또한, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 한 상술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시 형태는, 설명한 방법에 의해 형성한 음극 전극(10)에 고체 전해질층, 양극 활물질층 및 양극 집전체를 순차적으로 적층함으로써 전 고체 전지를 제조하는 방법에 본 발명을 적용한 것이다. 그러나, 이러한 고체 전해질을 이용하는 것 뿐만 아니라, 전해액에 의한 전해질층을 갖는 전지를 제조하는 기술 및 이를 위한 전극을 제조하는 기술에 대해서도, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.

또한, 상기 실시 형태에서는 서로 인접하는 활물질 패턴을 동 조성의 것으로 하고 있는데, 이에 한정되지 않는다. 입체 구조를 갖는 활물질 패턴으로 이루어지는 전지로는 상기 이외에 기재 표면을 따라 양음의 활물질을 교호로 배열한 것도 제안되어 있다(예를 들면 일본국 특허공개 2006－147210호 공보 참조). 이러한 전지에 이용되는 전극을 제조할 때에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 또한, 상기 실시 형태에서는 음극 전극을 제조하는데 본 발명을 적용하고 있는데, 양극 전극의 제조에 있어서도 당연히 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.

또한, 상기 실시 형태에서 예시한 집전체, 활물질, 전해질 등의 재료는 그 일예를 나타내는 것으로 이에 한정되지 않는다. 리튬 이온 전지의 구성 재료로서 이용되는 다른 재료를 사용하여 리튬 이온 전지를 제조하는 경우에 있어서도, 본 발명의 제조 방법을 매우 적합하게 적용하는 것이 가능하다. 또한, 리튬 이온 전지에 한정되지 않고, 다른 재료를 이용한 화학 전지의 제조 및 그에 이용되는 전극의 제조 전반에 대하여, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.

또한 상기 설명에서는, 발명의 원리를 이해하기 쉽게 하기 위해서 기재에 대하여 노즐을 주사 이동시키는 양태를 예시하고 있는데, 기재와 노즐의 상대 이동은, 노즐, 기재의 어느것을 이동시킴으로써도 실현 가능하다. 오히려, 노즐에 진동이 가해짐에 의한 도포의 불균일을 방지한다고 하는 관점에서는, 노즐을 고정하여 기재를 이동시키는 구성으로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

본 발명은, 활물질을 이용한 전지용 전극 및 상기 전극을 이용한 전지의 제조 기술에 적합하게 적용할 수 있고, 특히 기재 상에 복수의 스트라이프형상의 활물질 패턴을 고밀도로 형성하여, 용량 및 충방전 특성이 양호한 전지를 제공하는 것을 가능하게 하는 것이다.

10, 100 : 전극(전지용 전극) 11, 110 : 기재
21, 26, 28 : 노즐
221, 223, 271, 291 : 활물질 패턴(제1의 활물질 패턴)
222, 224, 272, 292 : 활물질 패턴(제2의 활물질 패턴)

Claims (9)

1. 기재의 표면에 서로 평행한 복수의 스트라이프형상의 활물질 패턴이 배치된 전지용 전극을 제조하는 제조 방법에 있어서,
   상기 기재의 표면에 대하여 상대적으로, 활물질의 재료를 포함하는 도포액을 토출하는 노즐을 소정의 주사 방향으로 주사 이동시켜, 상기 도포액을 상기 기재 표면에 스트라이프형상으로 도포하여 제1의 활물질 패턴을 형성하는 제1 도포 공정과,
   상기 기재의 표면에 대하여 상대적으로, 활물질의 재료를 포함하는 도포액을 토출하는 노즐을 상기 주사 방향으로 주사 이동시켜, 상기 도포액을 상기 기재 표면에 스트라이프형상으로 도포하여 상기 제1의 활물질 패턴과 인접하는 제2의 활물질 패턴을 형성하는 제2 도포 공정을 구비하고,
   상기 제1의 활물질 패턴의 시단 위치와, 상기 제2의 활물질 패턴의 시단 위치를, 상기 주사 방향에 있어서 서로 다르게 하는 것을 특징으로 하는 전지용 전극의 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 도포 공정에서는, 서로 평행한 복수의 상기 제1의 활물질 패턴을 형성하고,
   상기 제2 도포 공정에서는, 서로 인접하는 상기 제1의 활물질 패턴의 사이에, 상기 제2의 활물질 패턴을 형성하는, 전지용 전극의 제조 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 도포 공정에서의 상기 노즐과 상기 제2 도포 공정에서의 상기 노즐은 동일한 노즐이고, 상기 노즐은, 상기 주사 방향과 직교하는 방향으로 배열된 복수의 토출구를 가지며, 상기 제1 도포 공정과 상기 제2 도포 공정의 사이에서, 도포 개시시에 있어서의 상기 기재 표면에 대한 상기 노즐의 상대 위치를, 상기 주사 방향 및 이에 직교하는 방향으로 서로 다르게 하는, 전지용 전극의 제조 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 도포 공정에서의 상기 노즐과 상기 제2 도포 공정에서의 상기 노즐은 동일한 노즐이고, 상기 노즐은, 상기 도포액을 토출하여 상기 제1의 활물질 패턴을 형성하는 제1의 토출구와, 상기 도포액을 토출하여 상기 제2의 활물질 패턴을 형성하는 제2의 토출구를 가짐과 더불어, 상기 제2의 토출구는 상기 주사 방향 및 이와 직교하는 방향으로 상기 제1의 토출구와는 상이한 위치에 형성되어 있고,
   상기 노즐을 상기 기재에 대하여 상대 이동시킴으로써, 상기 제1 도포 공정과 상기 제2 도포 공정을 동시에 실행하는, 전지용 전극의 제조 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 노즐은, 상기 제1의 토출구 및 상기 제2의 토출구가, 상기 주사 방향과 직교하는 방향으로 각각 복수 배열된 것인, 전지용 전극의 제조 방법.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2의 활물질 패턴의 시단 위치를, 상기 제1의 활물질 패턴의 시단 위치에 대하여 상기 주사 방향의 상류측으로 하는, 전지용 전극의 제조 방법.
7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2의 활물질 패턴의 시단 위치를, 상기 제1의 활물질 패턴의 시단 위치에 대하여 상기 주사 방향의 하류측으로 하는, 전지용 전극의 제조 방법.
8. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1의 활물질 패턴의 시단 위치와 상기 제2의 활물질 패턴의 시단 위치 사이의 상기 주사 방향에 있어서의 거리를, 상기 주사 방향과 직교하는 방향에 있어서의 상기 제1의 활물질 패턴과 이에 인접하는 상기 제2의 활물질 패턴의 배열 피치 이상으로 하는, 전지용 전극의 제조 방법.
9. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 전지용 전극의 제조 방법에 의해, 전극을 제조하는 전극 제조 공정과,
   상기 전극의 상기 활물질 패턴이 형성된 면에 전해질 재료를 포함하는 도포액을 도포하여, 상기 활물질 패턴을 덮는 전해질층을 형성하는 전해질층 형성 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지의 제조 방법.

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