KR101573994B1 - 전극 재료 도포 장치 및 여과 장치 - Google Patents

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Abstract

전극 재료 도포 장치(14)는, 용매에 적어도 흑연 입자가 분산된 슬러리가 유통할 수 있는 유로(14a)와, 유로(14a) 내에 배치된 필터(14b)와, 유로(14a)를 따른 자력선을 갖는 자장을 필터(14b)에 발생시키도록 배치된 자석(14c1, 14c2)과, 필터(14b)를 통과한 슬러리를 집전체에 도포하는 도포부(14d)를 구비하고 있다.

Description

전극 재료 도포 장치 및 여과 장치 {ELECTRODE MATERIAL APPLYING APPARATUS, AND FILTERING APPARATUS}
본 발명은 전극 재료 도포 장치 및 여과 장치에 관한 것이다. 이러한 전극 재료 도포 장치는, 예를 들어, 2차 전지에 관한 것으로, 특히, 집전체에 전극 합제를 도포 시공하는 장치에 사용할 수 있다. 또한 여과 장치는 전극 합제를 여과하는 데 사용할 수 있다.
여기서, 본 명세서에 있어서 「2차 전지」라 함은, 반복 충전 가능한 축전 디바이스 일반을 말한다. 2차 전지에는, 예를 들어, 리튬 이온 2차 전지(lithium-ion secondary battery)가 포함된다. 또한, 본 명세서에 있어서 「리튬 이온 2차 전지」는, 전해질 이온으로서 리튬 이온을 이용하고, 정부극간에 있어서의 리튬 이온에 수반하는 전자의 이동에 의해 충방전이 실현되는 2차 전지를 말한다.
리튬 이온 2차 전지의 제조 방법으로서, 예를 들어, 특허문헌 1에는, 리튬 2차 전지의 제조 방법에 관해, 정극의 형성에 사용하는 정극 슬러리 및 부극의 형성에 사용하는 부극 슬러리를 여과하는 것이 개시되어 있다. 이에 의해, 제조 공정에서의 혼입 미소 금속 분말 및 원재료 분말 중의 조대 분말을 제거하는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2009-301942호 공보
예를 들어, 부극 슬러리는, 전극 활물질로서의 흑연이 용매 중에 분산된 슬러리이다. 이러한 슬러리는, 예를 들어, 금속박에 도포되고, 그 후, 건조되고, 또한 압연된다. 이러한 슬러리에는, 용매 중에서, 전극 활물질이나 바인더나 증점재가 소정 이상으로 응집한 큰 입자가 포함되는 경우가 있다. 금속박이 띠 형상의 시트재인 경우에 있어서, 슬러리는, 예를 들어, 반송되는 금속박에 연속적으로 도포된다. 이때, 슬러리에 큰 입자가 포함되어 있으면, 당해 입자가 도포 경로에서 막히는 경우가 있다. 당해 입자가 막힌 부분에서는 슬러리가 도포되지 않고, 금속박에 줄 형상으로 슬러리가 도포되어 있지 않은 부분(도포 시공 줄)이 발생하는 경우가 있다. 이로 인해, 슬러리로부터 큰 입자를 제거하는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 슬러리에 포함되는 입자의 입경을 대략 고르게 하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 도포 전에 슬러리를 필터에 통과시켜 슬러리를 여과하는 경우가 있다.
또한, 이러한 슬러리는, 소정의 도포량으로 금속박에 도포 시공된다. 이로 인해 슬러리는, 금속박에 도포하였을 때에 액이 처지거나, 두께(도포량)가 크게 바뀌는 일이 없는 정도로 소요의 점도를 갖고 있다. 이러한 슬러리는, 다일러턴시 거동을 나타내기 쉽고, 필터의 눈이 미세해질수록, 저항이 높아진다. 이로 인해, 눈이 미세한 필터에 슬러리를 통과시키기 위해서는 슬러리에 부여하는 압력을 높게 할 필요가 있다. 또한, 다일러턴시 거동의 영향에 의해, 슬러리에 부여하는 압력이 높아질수록, 슬러리는 필터를 통과하기 어려워진다. 이와 같이 필터의 눈을 미세하게 할수록, 눈 막힘이 발생하기 쉽다. 이로 인해, 필터의 눈을 어느 정도 거칠게 할 수밖에 없는 경우도 있다. 또한, 슬러리를 여과할 때, 필터의 눈이 거칠면, 제거할 수 있는 입자의 입경이 커져 버린다. 이와 같이, 슬러리는, 단순하게 눈이 미세한 필터를 통과시키려고 해도, 능숙하게 여과할 수 없는 경우가 있다.
본 발명에 관한 전극 재료 도포 장치는, 용매에 적어도 흑연 입자가 분산된 슬러리가 유통할 수 있는 유로와, 유로 내에 배치된 필터와, 유로를 따른 자력선을 갖는 자장을 필터에 발생시키도록 배치된 자석과, 필터를 통과한 슬러리를 집전체에 도포하는 도포부를 구비하고 있다.
이러한 전극 재료 도포 장치에 따르면, 유로에 형성된 필터를 통과할 때에, 자장의 영향으로, 유로를 따라 흑연 입자의 방향이 정렬된다. 이로 인해, 용매에 적어도 흑연 입자가 분산된 슬러리가 필터를 통과하기 쉬워져, 필터의 눈 막힘이 발생하기 어려워진다. 이로 인해, 보다 눈이 미세한 필터를 채용할 수 있어, 슬러리 중의 응집물이나 이물질을 보다 미세한 레벨로 제거할 수 있다.
이 경우, 자석은, 예를 들어, 유로를 따라 필터를 사이에 끼우도록 배치되고, 각각 필터에 대향한 부위가 서로 끌어당기는 자극으로 되는 한 쌍의 자석으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 자석은, 영구 자석으로 구성되어 있어도 되고, 전자석으로 구성되어 있어도 된다.
또한, 슬러리의 여과 방법이라고 하는 관점에 있어서, 본 발명은, 유로에 배치한 필터에 자력선이 유로를 따른 자장을 발생시키면서, 용매에 적어도 흑연 입자를 분산시킨 슬러리를 유로에 공급하여, 슬러리를 여과하는 방법이다. 이러한 슬러리의 여과 방법에 따르면, 필터의 눈 막힘이 발생하기 어려워진다. 이로 인해, 보다 눈이 미세한 필터를 채용할 수 있어, 슬러리 중의 응집물이나 이물질을 보다 미세한 레벨로 제거할 수 있다.
이러한 여과 방법은 슬러리 중의 응집물이나 이물질을 보다 미세한 레벨로 제거할 수 있으므로, 2차 전지의 성능 향상에 기여할 수 있다. 이로 인해, 이러한 여과 방법은, 2차 전지의 제조 방법에 있어서, 슬러리를 집전체에 도포하는 도포 공정을 포함하는 경우에, 슬러리를 여과하는 방법에 채용하는 것이 적합하다. 예를 들어, 2차 전지의 제조 방법은, 상술한 슬러리의 여과 방법에 의해 슬러리를 여과하는 공정과, 당해 여과하는 공정에서 여과된 슬러리를 집전체에 도포하는 공정을 포함하고 있으면 좋다.
도 1은 리튬 이온 2차 전지의 구조의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 리튬 이온 2차 전지의 권회 전극체를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2 중의 Ⅲ―Ⅲ 단면을 도시하는 단면도이다.
도 4는 정극 합제층의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5는 부극 합제층의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 6은 권회 전극체의 미도포 시공부와 전극 단자의 용접 개소를 도시하는 측면도이다.
도 7은 리튬 이온 2차 전지의 충전 시의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 리튬 이온 2차 전지의 방전 시의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 2차 전지의 제조에 있어서의 일 공정을 나타내는 도면이다.
도 10은 여과 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은 여과 장치에 자석이 없다고 가정한 경우에 있어서, 필터가 슬러리를 여과하는 이미지를 나타내는 도면이다.
도 12는 슬러리의 다일러턴시 거동의 전형예를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 필터가 슬러리를 여과하는 이미지를 나타내는 도면이다.
도 14는 여과 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 15는 2차 전지를 탑재한 차량을 도시하는 도면이다.
여기에서는 우선, 본 발명이 적용될 수 있는 2차 전지의 예로서, 리튬 이온 2차 전지의 구조예를 간단하게 설명한다. 그 후, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 2차 전지의 제조 방법 및 전극 재료 도포 장치를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 동일한 작용을 발휘하는 부재, 부위에는 적절히 동일한 부호를 부여하고 있다. 또한, 각 도면은, 모식적으로 도시하고 있고, 반드시 실물을 반영하지 않는다.
도 1은 리튬 이온 2차 전지(100)를 도시하고 있다. 이 리튬 이온 2차 전지(100)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 권회 전극체(200)와 전지 케이스(300)를 구비하고 있다. 또한, 도 2는 권회 전극체(200)를 도시하는 도면이다. 도 3은 도 2 중의 Ⅲ―Ⅲ 단면을 도시하고 있다.
권회 전극체(200)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 정극 시트(220), 부극 시트(240) 및 세퍼레이터(262, 264)를 갖고 있다. 정극 시트(220), 부극 시트(240) 및 세퍼레이터(262, 264)는, 각각 띠 형상의 시트재이다.
≪정극 시트(220)≫
정극 시트(220)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 띠 형상의 정극 집전체(221)(정극 코어재)를 갖고 있다. 정극 집전체(221)에는, 정극에 적합한 금속박이 적절하게 사용될 수 있다. 이 정극 집전체(221)에는, 소정의 폭을 갖는 띠 형상의 알루미늄박이 사용되어 있다. 또한, 정극 시트(220)는, 미도포 시공부(222)와 정극 합제층(223)을 갖고 있다. 미도포 시공부(222)는 정극 집전체(221)의 폭 방향 편측의 테두리부를 따라 설정되어 있다. 정극 합제층(223)은, 정극 활물질을 포함하는 정극 합제(224)가 도포 시공된 층이다. 정극 합제(224)는, 정극 집전체(221)에 설정된 미도포 시공부(222)를 제외하고, 정극 집전체(221)의 양면에 도포 시공되어 있다.
≪정극 합제층(223), 정극 활물질(610)≫
여기서, 도 4는 리튬 이온 2차 전지(100)의 정극 시트(220)의 단면도이다. 또한, 도 4에 있어서, 정극 합제층(223)의 구조가 명확해지도록, 정극 합제층(223) 중의 정극 활물질(610)과 도전재(620)와 바인더(630)를 각각 크게 모식적으로 나타내고 있다.
정극 합제층(223)에는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 정극 활물질(610)이나 도전재(620)나 바인더(630)가 포함되어 있다. 정극 활물질(610)에는, 리튬 이온 2차 전지의 정극 활물질로서 사용되는 물질을 사용할 수 있다. 정극 활물질(610)의 예를 들면, LiNiCoMnO2(리튬니켈코발트망간 복합 산화물), LiNiO2(니켈산리튬), LiCoO2(코발트산리튬), LiMn2O4(망간산리튬), LiFePO4(인산철리튬) 등의 리튬 전이 금속 산화물을 들 수 있다. 여기서, LiMn2O4는, 예를 들어, 스피넬 구조를 갖고 있다. 또한, LiNiO2나 LiCoO2는 층상의 암염 구조를 갖고 있다. 또한, LiFePO4는, 예를 들어, 올리빈 구조를 갖고 있다. 올리빈 구조의 LiFePO4에는, 예를 들어, 나노미터 오더의 입자가 있다. 또한, 올리빈 구조의 LiFePO4는, 또한 카본막으로 피복할 수 있다.
≪도전재(620)≫
도전재(620)로서는, 예를 들어, 카본 분말이나 카본 파이버 등의 카본 재료가 예시된다. 이러한 도전재로부터 선택되는 1종을 단독으로 사용해도 되고 2종 이상을 병용해도 된다. 카본 분말로서는, 다양한 카본 블랙(예를 들어, 아세틸렌 블랙, 오일 파네스 블랙, 흑연화 카본 블랙, 카본 블랙, 흑연, 케첸 블랙), 그라파이트 분말 등의 카본 분말을 사용할 수 있다.
≪바인더(630)≫
또한, 바인더(630)는, 정극 활물질(610)이나 도전재(620)의 각 입자를 결착시키거나, 이들 각 입자와 정극 집전체(221)를 결착시킨다. 이러한 바인더(630)로서는, 사용하는 용매에 용해 또는 분산 가용한 폴리머를 사용할 수 있다. 예를 들어, 수성 용매를 사용한 정극 합제 조성물에 있어서는, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 등의 셀룰로오스계 폴리머, 또한 예를 들어, 폴리비닐알코올(PVA)이나, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌―헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP) 등의 불소계 수지, 아세트산비닐 공중합체나 스티렌부타디엔고무(SBR), 아크릴산 변성 SBR 수지(SBR계 라텍스) 등의 고무류, 등의 수용성 또는 수분산성 폴리머를 바람직하게 채용할 수 있다. 또한, 비수 용매를 사용한 정극 합제 조성물에 있어서는, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리아크릴니트릴(PAN) 등의 폴리머를 바람직하게 채용할 수 있다. 상기에서 예시한 폴리머 재료는, 바인더로서의 기능 이외에, 상기 조성물의 증점제, 그 밖의 첨가제로서의 기능을 발휘하는 목적으로 사용될 수도 있다.
≪증점제, 용매≫
정극 합제층(223)은, 예를 들어, 상술한 정극 활물질(610)이나 도전재(620)를 용매에 페이스트 상태(슬러리 상태)로 혼합한 정극 합제(224)를 작성하고, 정극 집전체(221)에 도포하고, 건조시키고, 압연함으로써 형성되어 있다. 이때, 용매로서는, 수성 용매 및 비수 용매 모두 사용 가능하다. 비수 용매의 적합한 예로서 N―메틸―2―피롤리돈(NMP)을 들 수 있다.
정극 합제 전체에 차지하는 정극 활물질의 질량 비율은, 약 50wt％ 이상(전형적으로는 50 내지 95wt％)인 것이 바람직하고, 통상은 약 70 내지 95wt％(예를 들어 75 내지 90wt％)인 것이 보다 바람직하다. 또한, 정극 합제 전체에 차지하는 도전재의 비율은, 예를 들어 약 2 내지 20wt％로 할 수 있고, 통상은 약 2 내지 15wt％로 하는 것이 바람직하다. 바인더를 사용하는 조성에서는, 정극 합제 전체에 차지하는 바인더의 비율을 예를 들어 약 1 내지 10wt％로 할 수 있고, 통상은 약 2 내지 5wt％로 하는 것이 바람직하다.
≪부극 시트(240)≫
부극 시트(240)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 띠 형상의 부극 집전체(241)(부극 코어재)를 갖고 있다. 부극 집전체(241)에는, 부극에 적합한 금속박이 적절하게 사용될 수 있다. 이 실시 형태에서는, 부극 집전체(241)에는, 소정의 폭을 갖는 띠 형상의 구리박이 사용되어 있다. 또한, 부극 시트(240)는, 미도포 시공부(242)와, 부극 합제층(243)을 갖고 있다. 미도포 시공부(242)는 부극 집전체(241)의 폭 방향 편측의 테두리부를 따라 설정되어 있다. 부극 합제층(243)은, 부극 활물질을 포함하는 부극 합제(244)가 도포 시공된 층이다. 부극 합제(244)는, 부극 집전체(241)에 설정된 미도포 시공부(242)를 제외하고, 부극 집전체(241)의 양면에 도포 시공되어 있다.
≪부극 합제(244)≫
도 5는 리튬 이온 2차 전지(100)의 부극 시트(240)의 단면도이다. 또한, 도 5에 있어서, 부극 합제층(243)의 구조가 명확해지도록, 부극 합제층(243) 중의 부극 활물질(710)과 바인더(730)를 각각 크게 모식적으로 나타내고 있다. 여기에서는, 부극 활물질(710)은, 소위 인편상(Flake Graphite) 흑연이 사용된 경우를 도시하고 있다. 부극 활물질(710)은, 도 5에 나타내어진 예에 한정되지 않는다. 부극 합제층(243)에는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 부극 활물질(710)이나 증점제(도시 생략)나 바인더(730) 등이 포함되어 있다.
≪부극 활물질(710)≫
부극 활물질에는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 천연 흑연이나 인조 흑연의 아몰퍼스 카본 등의 흑연(탄소계 재료)을 들 수 있다. 또한, 부극 활물질은, 그 자체에 도전성을 갖고 있다. 또한, 이 예에서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 부극 합제층(243)의 표면에는, 또한 내열층(245)(HRL:heat-resistant layer)이 형성되어 있다. 내열층(245)에는, 주로 금속 산화물(예를 들어, 알루미나)로 형성되어 있다. 또한, 이 리튬 이온 2차 전지(100)에서는, 부극 합제층(243)의 표면에 내열층(245)이 형성되어 있다. 도시는 생략하지만, 내열층은, 예를 들어, 세퍼레이터(262, 264)의 표면에 형성되어 있어도 된다.
≪부극 활물질≫
또한, 부극 활물질로서는, 종래부터 리튬 이온 2차 전지에 사용되는 재료의 1종 또는 2종 이상을 특별히 한정 없이 사용할 수 있다. 부극 활물질에는, 예를 들어, 적어도 일부에 그라파이트 구조(층상 구조)를 포함하는 입자상의 탄소 재료(카본 입자)를 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 소위 흑연질(그라파이트), 난흑연화 탄소질(하드 카본), 이흑연화 탄소질(소프트 카본), 이들을 조합한 탄소 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 천연 흑연과 같은 흑연 입자를 사용할 수 있다. 또한, 부극 활물질에는, 천연 흑연 표면에 비정질 탄소 코트를 실시한 재료를 사용할 수 있다.
특별히 한정하는 것은 아니지만, 부극 합제 전체에 차지하는 부극 활물질의 비율은 약 80wt％ 이상(예를 들어 80 내지 99wt％)으로 할 수 있다. 또한, 부극 합제 전체에 차지하는 부극 활물질의 비율은, 약 90wt％ 이상(예를 들어 90 내지 99wt％, 보다 바람직하게는 95 내지 99wt％)인 것이 바람직하다. 부극 합제 전체에 차지하는 바인더(730)의 비율은, 예를 들어, 약 0.5 내지 10wt％로 할 수 있고, 통상은 약 0.5 내지 5wt％로 하는 것이 바람직하다.
≪세퍼레이터(262, 264)≫
세퍼레이터(262, 264)는, 정극 시트(220)와 부극 시트(240)를 격리시키는 부재이다. 이 예에서는, 세퍼레이터(262, 264)는, 미소한 구멍을 복수 갖는 소정 폭의 띠 형상의 시트재로 구성되어 있다. 세퍼레이터(262, 264)에는, 예를 들어, 다공질 폴리올레핀계 수지로 구성된 단층 구조의 세퍼레이터나 적층 구조의 세퍼레이터가 있다. 이 예에서는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 부극 합제층(243)의 폭 b1은, 정극 합제층(223)의 폭 a1보다도 조금 넓다. 또한 세퍼레이터(262, 264)의 폭 c1, c2는, 부극 합제층(243)의 폭 b1보다도 조금 넓다(c1, c2＞b1＞a1).
≪권회 전극체(200)≫
권회 전극체(200)의 정극 시트(220) 및 부극 시트(240)는, 세퍼레이터(262, 264)를 개재시킨 상태로 포개지고, 또한, 권회되어 있다.
이 예에서는, 정극 시트(220)와 부극 시트(240)와 세퍼레이터(262, 264)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 길이 방향을 고르게 하여, 정극 시트(220), 세퍼레이터(262), 부극 시트(240), 세퍼레이터(264)의 순으로 포개져 있다. 이때, 정극 합제층(223)과 부극 합제층(243)에는, 세퍼레이터(262, 264)가 포개진다. 또한, 부극 합제층(243)의 폭은 정극 합제층(223)보다도 조금 넓어, 부극 합제층(243)은 정극 합제층(223)을 덮도록 포개져 있다. 이에 의해, 충방전 시에, 정극 합제층(223)과 부극 합제층(243) 사이에서, 리튬 이온(Li)이 보다 확실하게 오고 간다.
또한, 정극 시트(220)의 미도포 시공부(222)와 부극 시트(240)의 미도포 시공부(242)는, 세퍼레이터(262, 264)의 폭 방향에 있어서 서로 반대측으로 밀려 나오도록 포개져 있다. 포개진 시트재[예를 들어, 정극 시트(220)]는, 폭 방향으로 설정된 권회축 주위로 권회되어 있다.
또한, 이러한 권회 전극체(200)는, 정극 시트(220)와 부극 시트(240)와 세퍼레이터(262, 264)를 소정의 순서대로 포개면서 권회한다. 이 공정에 있어서, 각 시트의 위치를 EPC(edge position control)와 같은 위치 조정 기구로 제어하면서 각 시트를 포갠다. 이때, 세퍼레이터(262, 264)가 개재된 상태이지만, 부극 합제층(243)은 정극 합제층(223)을 덮도록 포개진다.
≪전지 케이스(300)≫
또한, 이 예에서는, 전지 케이스(300)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 소위 각형의 전지 케이스이며, 용기 본체(320)와, 덮개(340)를 구비하고 있다. 용기 본체(320)는, 바닥이 있는 사각 통 형상을 갖고 있고, 일측면(상면)이 개방된 편평한 상자형의 용기이다. 덮개(340)는, 당해 용기 본체(320)의 개구(상면의 개구)에 장착되어 당해 개구를 막는 부재이다.
차량 탑재용의 2차 전지에서는, 연비 향상을 위해, 중량 에너지 효율(단위 중량당 전지의 용량)을 향상시키는 것이 요망된다. 이로 인해, 전지 케이스(300)를 구성하는 용기 본체(320)와 덮개(340)는, 알루미늄이나 알루미늄 합금 등의 경량 금속(이 예에서는, 알루미늄)을 채용하는 것이 요망된다. 이에 의해 중량 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
이 전지 케이스(300)는, 권회 전극체(200)를 수용하는 공간으로서, 편평한 직사각형의 내부 공간을 갖고 있다. 또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 당해 전지 케이스(300)의 편평한 내부 공간은, 권회 전극체(200)보다도 횡폭이 조금 넓다. 이 실시 형태에서는, 전지 케이스(300)의 내부 공간에는, 권회 전극체(200)가 수용되어 있다. 권회 전극체(200)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 권회축에 직교하는 한 방향에 있어서 편평하게 변형시켜진 상태에서 전지 케이스(300)에 수용되어 있다.
이 실시 형태에서는, 전지 케이스(300)는, 바닥이 있는 사각 통 형상의 용기 본체(320)와, 용기 본체(320)의 개구를 막는 덮개(340)를 구비하고 있다. 여기서, 용기 본체(320)는, 예를 들어, 딥드로잉 성형이나 임펙트 성형에 의해 성형할 수 있다. 또한, 임펙트 성형은, 냉간에서의 단조의 일종이며, 충격 압출 가공이나 임펙트 프레스라고도 칭해진다.
또한, 전지 케이스(300)의 덮개(340)에는, 전극 단자(420, 440)가 장착되어 있다. 전극 단자(420, 440)는, 전지 케이스(300)[덮개(340)]를 관통하여 전지 케이스(300)의 외부에 나와 있다. 또한, 덮개(340)에는 안전 밸브(360)가 설치되어 있다.
이 예에서는, 권회 전극체(200)는, 전지 케이스(300)[이 예에서는, 덮개(340)]에 장착된 전극 단자(420, 440)에 장착되어 있다. 권회 전극체(200)는, 권회축에 직교하는 한 방향에 있어서 편평하게 눌려 구부려진 상태에서 전지 케이스(300)에 수납되어 있다. 또한, 권회 전극체(200)는, 세퍼레이터(262, 264)의 폭 방향에 있어서, 정극 시트(220)의 미도포 시공부(222)와 부극 시트(240)의 미도포 시공부(242)가 서로 반대측으로 밀려 나와 있다. 이 중, 한쪽의 전극 단자(420)는, 정극 집전체(221)의 미도포 시공부(222)에 고정되어 있고, 다른 쪽의 전극 단자(440)는, 부극 집전체(241)의 미도포 시공부(242)에 고정되어 있다.
또한, 이 예에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 덮개(340)의 전극 단자(420, 440)는, 권회 전극체(200)의 미도포 시공부(222), 미도포 시공부(242)의 중간 부분(222a, 242a)에 연장되어 있다. 당해 전극 단자(420, 440)의 선단부는, 미도포 시공부(222, 242)의 각각의 중간 부분에 용접되어 있다. 도 6은 권회 전극체(200)의 미도포 시공부(222, 242)와 전극 단자(420, 440)의 용접 개소를 도시하는 측면도이다.
세퍼레이터(262, 264)의 양측에 있어서, 정극 집전체(221)의 미도포 시공부(222), 부극 집전체(241)의 미도포 시공부(242)는 나선형으로 노출되어 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 이 실시 형태에서는, 이들 미도포 시공부(222, 242)를 그 중간 부분에 있어서, 각각 모아, 전극 단자(420, 440)의 선단부에 용접하고 있다. 이때, 각각의 재질의 차이로부터, 전극 단자(420)와 정극 집전체(221)의 용접에는, 예를 들어, 초음파 용접이 이용된다. 또한, 전극 단자(440)와 부극 집전체(241)의 용접에는, 예를 들어, 저항 용접이 이용된다.
이와 같이, 권회 전극체(200)는, 편평하게 눌려 구부려진 상태에서, 덮개(340)에 고정된 전극 단자(420, 440)에 장착되어 있다. 이러한 권회 전극체(200)는, 용기 본체(320)의 편평한 내부 공간에 수용된다. 용기 본체(320)는, 권회 전극체(200)가 수용된 후, 덮개(340)에 의해 막아진다. 덮개(340)와 용기 본체(320)의 이음매(322)(도 1 참조)는, 예를 들어, 레이저 용접에 의해 용접되어 밀봉되어 있다. 이와 같이, 이 예에서는, 권회 전극체(200)는, 덮개(340)[전지 케이스(300)]에 고정된 전극 단자(420, 440)에 의해, 전지 케이스(300) 내에 위치 결정되어 있다.
≪전해액≫
그 후, 덮개(340)에 형성된 주액 구멍으로부터 전지 케이스(300) 내에 전해액이 주입된다. 전해액은, 이 예에서는, 에틸렌카보네이트와 디에틸카보네이트의 혼합 용매(예를 들어, 체적비 1:1 정도의 혼합 용매)에 LiPF6를 약 1mol/리터의 농도로 함유시킨 전해액이 사용되어 있다. 그 후, 주액 구멍에 금속제의 밀봉 캡을 장착하여(예를 들어 용접하여) 전지 케이스(300)를 밀봉한다. 또한, 전해액으로서는, 종래부터 리튬 이온 2차 전지에 사용되는 비수 전해액을 사용할 수 있다.
≪가스 배출 경로≫
또한, 이 예에서는, 당해 전지 케이스(300)의 편평한 내부 공간은, 편평하게 변형한 권회 전극체(200)보다도 조금 넓다. 권회 전극체(200)의 양측에는, 권회 전극체(200)와 전지 케이스(300) 사이에 간극(310, 312)이 형성되어 있다. 당해 간극(310, 312)은, 가스 배출 경로로 된다.
이러한 구성의 리튬 이온 2차 전지(100)는, 과충전이 발생한 경우에 온도가 높아진다. 리튬 이온 2차 전지(100)의 온도가 높아지면, 전해액이 분해되어 가스가 발생한다. 발생한 가스는, 권회 전극체(200)의 양측에 있어서의 권회 전극체(200)와 전지 케이스(300)의 간극(310, 312), 및, 안전 밸브(360)를 통해, 원활하게 외부에 배기된다. 이러한 리튬 이온 2차 전지(100)에서는, 정극 집전체(221)와 부극 집전체(241)는, 전지 케이스(300)를 관통한 전극 단자(420, 440)를 통해 외부의 장치에 전기적으로 접속된다.
≪정극 합제층(223), 부극 합제층(243)≫
도 4에 도시하는 바와 같이, 이 실시 형태에서는, 정극 집전체(221)의 양면에 각각 정극 합제(224)가 도포 시공되어 있다. 이러한 정극 합제(224)의 층[정극 합제층(223)]에는, 정극 활물질(610)과 도전재(620)가 포함되어 있다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 부극 집전체(241)의 양면에 각각 부극 합제(244)가 도포 시공되어 있다. 이러한 부극 합제(244)의 층[부극 합제층(243)]에는, 부극 활물질(710)이 포함되어 있다.
≪공공(vacancy)≫
여기서, 정극 합제층(223)은, 예를 들어, 정극 활물질(610)과 도전재(620)의 입자간 등에, 공동이라고도 칭해야 하는 미소한 간극을 갖고 있다. 이러한 정극 합제층(223)의 미소한 간극에는 전해액(도시 생략)이 골고루 스며들 수 있다. 또한, 부극 합제층(243)은, 예를 들어, 부극 활물질(710)의 입자간 등에, 공동이라고도 칭해야 하는 미소한 간극을 갖고 있다. 이러한 부극 합제층(243)의 미소한 간극에는 전해액(도시 생략)이 골고루 스며들 수 있다. 여기에서는, 이러한 간극(공동)을 적절히 「공공」이라고 칭한다.
이하, 충전 시와 방전 시의 리튬 이온 2차 전지(100)의 동작을 설명한다.
≪충전 시의 동작≫
도 7은 이러한 리튬 이온 2차 전지(100)의 충전 시의 상태를 모식적으로 도시하고 있다. 충전 시에 있어서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 리튬 이온 2차 전지(100)의 전극 단자(420, 440)(도 1 참조)는, 충전기(290)에 접속된다. 충전기(290)의 작용에 의해, 충전 시에는, 정극 합제층(223) 중의 정극 활물질(610)(도 4 참조)로부터 리튬 이온(Li)이 전해액(280)에 방출된다. 또한, 정극 활물질(610)(도 4 참조)로부터는 전자가 방출된다. 방출된 전자는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 도전재(620)를 통해 정극 집전체(221)로 이송되고, 또한, 충전기(290)를 통해 부극으로 이송된다. 또한, 부극에서는 전자가 축적되는 동시에, 전해액(280) 중의 리튬 이온(Li)이, 부극 합제층(243) 중의 부극 활물질(710)(도 5 참조)에 흡수되고, 또한, 저장된다.
≪방전 시의 동작≫
도 8은 이러한 리튬 이온 2차 전지(100)의 방전 시의 상태를 모식적으로 도시하고 있다. 방전 시에는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 부극으로부터 정극으로 전자가 이송되는 동시에, 부극 합제층(243)에 저장된 리튬 이온(Li 이온)이, 전해액(280)에 방출된다. 또한, 정극에서는, 정극 합제층(223) 중의 정극 활물질(610)에 전해액(280) 중의 리튬 이온(Li)이 도입된다.
이와 같이, 리튬 이온 2차 전지(100)의 충방전에 있어서, 전해액(280)을 통해, 정극 합제층(223)과 부극 합제층(243) 사이에서 리튬 이온(Li)이 오고 간다. 이로 인해, 정극 합제층(223)에서는, 전해액(280)이 골고루 스며들어, 리튬 이온이 원활하게 확산될 수 있는 소요의 공공이, 정극 활물질(610)(도 4 참조)의 주위나 부극 활물질(710)(도 5 참조)의 주위에 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해 정극 활물질(610)이나 부극 활물질(710)의 주위에 충분한 리튬 이온이 존재할 수 있다. 이로 인해, 전해액(280)과 정극 활물질(610) 사이, 전해액(280)과 부극 활물질(710) 사이에서 리튬 이온(Li)의 왕래가 원활해진다.
또한, 충전 시에 있어서는, 정극 활물질(610)로부터 도전재(620)를 통해 정극 집전체(221)에 전자가 이송된다. 이에 반해, 방전 시에 있어서는, 정극 집전체(221)로부터 도전재(620)를 통해 정극 활물질(610)로 전자가 복귀된다. 정극 활물질(610)은 리튬 전이 금속 산화물로 이루어지고 도전성이 부족하다. 이로 인해, 정극 활물질(610)과 정극 집전체(221) 사이의 전자의 이동은, 주로 도전재(620)를 통해 행해진다.
이와 같이, 충전 시에 있어서는, 리튬 이온(Li)의 이동 및 전자의 이동이 원활할수록, 효율적이고 급속한 충전이 가능해진다고 생각된다. 또한, 방전 시에 있어서는, 리튬 이온(Li)의 이동 및 전자의 이동이 원활할수록, 전지의 저항이 저하되고, 방전량이 증가하므로, 전지의 출력이 향상된다고 생각된다.
≪다른 전지 형태≫
또한, 상기는 리튬 이온 2차 전지의 일례를 나타내는 것이다. 리튬 이온 2차 전지는 상기 형태에 한정되지 않는다. 또한, 마찬가지로 집전체에 전극 합제가 도포 시공된 전극 시트는, 그 밖에도 다양한 전지 형태에 사용된다. 예를 들어, 다른 전지 형태로서, 원통형 전지나 라미네이트형 전지 등이 알려져 있다. 원통형 전지는, 원통형의 전지 케이스에 권회 전극체를 수용한 전지이다. 또한, 라미네이트형 전지는, 정극 시트와 부극 시트를 세퍼레이터를 개재시켜 적층한 전지이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 2차 전지의 제조 방법, 특히 전극 재료 도포 장치를 도면에 기초하여 설명한다. 도 9는 이러한 전극 재료 도포 장치의 제조 방법을 구현화한 제조 장치를 도시하는 도면이다.
이 2차 전지의 제조 방법은, 도 9에 도시하는 바와 같이, 집전체(22)에 합제(24)를 도포하는 도포 공정(14)과, 집전체(22)에 도포된 합제(24)를 건조시키는 건조 공정(16)을 포함하고 있다. 이 실시 형태에서는, 2차 전지의 제조 방법의 일 공정으로서, 전극 시트를 제조하는 제조 공정(10)에 있어서는, 주행 경로(12), 전극 재료 도포 장치(14), 건조로(16)를 구비하고 있다.
≪집전체(22)≫
여기서, 집전체(22)의 바람직한 일 형태는, 예를 들어, 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 등의 금속박이다. 또한, 집전체(22)는, 반드시 금속박에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 집전체(22)는, 도전성을 갖게 한 수지여도 된다. 도전성을 갖게 한 수지에는, 예를 들어, 폴리프로필렌 필름에, 알루미늄이나, 구리를 증착시킨 필름재를 사용할 수 있다.
≪합제(24)≫
여기서, 합제(24)는, 용매에 적어도 흑연 입자가 분산된 슬러리이다. 흑연 입자에는, 예를 들어, 흑연질(그라파이트), 난흑연화 탄소질(하드 카본), 이흑연화 탄소질(소프트 카본), 천연 흑연, 천연 흑연 표면에 비정질 탄소 코트를 실시한 재료가 포함된다. 용매에는, 수성 용매 및 비수 용매 모두 사용 가능하다. 비수 용매의 적합한 예로서 N―메틸―2―피롤리돈(NMP)을 들 수 있다. 이러한 합제(24)에는, 예를 들어, 용매에 적어도 흑연 입자가 분산된 슬러리, 예를 들어, 리튬 이온 2차 전지의 제조에 사용되는 부극 합제가 포함된다.
≪주행 경로(12)≫
주행 경로(12)는, 집전체(22)를 주행시키는 경로이다. 이 실시 형태에서는, 주행 경로(12)에는, 집전체(22)를 주행시키는 소정의 경로를 따라 복수의 가이드가 배치되어 있다. 주행 경로(12)의 시단부에는, 집전체(22)를 공급하는 공급부(32)가 설치되어 있다. 공급부(32)에는, 미리 권취 코어(32a)에 권취된 집전체(22)가 배치되어 있다. 공급부(32)로부터는 적절하게 적당한 양의 집전체(22)가 주행 경로(12)에 공급된다. 또한, 주행 경로(12)의 종단부에는 집전체(22)를 회수하는 회수부(34)가 설치되어 있다. 회수부(34)는, 주행 경로(12)에서 소정의 처리가 실시된 집전체(22)를 권취 코어(34a)에 권취한다. 이 실시 형태에서는, 회수부(34)에는, 예를 들어, 제어부(34b)와, 모터(34c)가 설치되어 있다. 제어부(34b)는, 회수부(34)의 권취 코어(34a)의 회전을 제어하기 위한 프로그램이 미리 설정되어 있다. 모터(34c)는, 권취 코어(34a)를 회전 구동시키는 액추에이터이며, 제어부(34b)에 설정된 프로그램에 따라 구동한다. 이러한 주행 경로(12)에는, 전극 재료 도포 장치(14)와, 건조로(16)가 순서대로 배치되어 있다.
≪전극 재료 도포 장치(14)(도포 공정)≫
전극 재료 도포 장치(14)는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 유로(14a)와, 필터(14b)와, 자석(14c1, 14c2)과, 도포부(14d)를 구비하고 있다. 이 실시 형태에서는, 전극 재료 도포 장치(14)는, 주행 경로(12)에 배치된 백 롤(41)을 주행하는 집전체(22)에 대하여 합제(24)를 도포하도록 구성되어 있다. 이로 인해, 이 실시 형태에서는, 전극 재료 도포 장치(14)는, 탱크(43)와, 펌프(44)를 더 구비하고 있다. 여기서, 탱크(43)는, 합제(24)를 저류한 용기이다. 펌프(44)는, 탱크(43)로부터 유로(14a)에 합제(24)를 송출하는 장치이다.
≪유로(14a)≫
유로(14a)는, 용매에 적어도 흑연 입자가 분산된 슬러리가 유통할 수 있는 유로이다. 이 실시 형태에서는, 유로(14a)는, 탱크(43)로부터 도포부(14d)에 이르도록 형성되어 있다. 필터(14b)는, 유로(14a) 내에 배치되어 있다. 또한, 자석(14c1, 14c2)은, 유로(14a)를 따른 자력선을 갖는 자장을 필터(14b)에 발생시키도록 배치되어 있다. 이러한 필터(14b)와, 자석(14c1, 14c2)은, 전극 재료 도포 장치(14) 중 슬러리를 여과하는 여과 장치(50)를 구성하고 있다.
≪필터(14b)≫
여기서, 필터(14b)는, 수지나 금속의 섬유를 얽히게 한 부직포 필터나, 수지나 금속의 섬유를 편직한 메쉬 필터 등을 사용할 수 있다. 필터(14b)의 눈의 거칠기는, 제거할 수 있는 입자의 크기나, 합제(24)(슬러리)의 점도에도 영향을 미친다. 이로 인해, 구체적인 실시에 있어서, 유로(14a)에 유통시키는 합제(24)(슬러리)에 따른 적당한 필터를 선택하면 좋다.
≪자석(14c1, 14c2)≫
또한 자석(14c1, 14c2)은, 유로(14a)를 따른 자력선을 갖는 자장을 필터(14b)에 발생시키는 부재이다. 이 실시 형태에서는, 자석(14c1, 14c2)은, 유로(14a)를 따라 필터(14b)를 사이에 끼우도록 배치되고, 각각 필터(14b)에 대향한 부위가 서로 끌어당기는 자극으로 되는 한 쌍의 자석으로 구성되어 있다. 즉, 예를 들어, 도 9에 도시하는 바와 같이, 자석(14c1, 14c2)은, 자석(14c1, 14c2) 중 어느 한쪽이 필터(14b)에 대하여 S극으로 되고, 다른 쪽이 필터(14b)에 대하여 N극으로 되도록 배치되어 있다. 여기서, 자석(14c1, 14c2)은, 영구 자석으로 구성해도 되고, 전자석으로 구성해도 된다.
≪여과 장치(50)≫
도 10은 여과 장치(50)에 관한 것으로, 유로(14a)와 필터(14b)와 자석(14c1, 14c2)의 구체적인 구성예를 나타내고 있다. 도 10에 나타내는 예에서는, 유로(14a)는, 필터(14b)가 배치되는 공간(14a1)(필터 배치 공간)에 있어서 내경이 넓게 형성되어 있다. 필터(14b)는, 유로(14a)의 당해 공간(14a1)에 따른 형상을 갖고, 당해 공간(14a1)을 구획하도록 당해 공간(14a1)의 중앙에 배치되어 있다. 여기서, 자석(14c1, 14c2)은, U자형으로 굴곡된 판 형상의 강재 중, 대향하는 양측의 편부에 구성되어 있다. 이 실시 형태에서는, 당해 자석(14c1, 14c2)의 중앙에는, 유로(14a)로 되는 파이프를 통과시키는 구멍(14e1, 14e2)이 형성되어 있다. 여기에서는, 자석(14c1, 14c2)은, 영구 자석이 채용되어 있다. 당해 자석(14c1, 14c2)의 사이에 끼워진 필터(14b)에 대하여, 자석(14c1, 14c2) 중 한쪽의 자석(14c1)이 N극으로 되고, 다른 쪽의 자석(14c2)은 S극으로 된다.
이 여과 장치(50)는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 유로(14a) 내에 배치한 필터(14b)에 대하여, 자석(14c1, 14c2)이 필터(14b)를 사이에 끼우도록 배치되어 있다. 그리고 자석(14c1, 14c2) 중 한쪽의 자석(14c1)이 N극으로 되고, 다른 쪽의 자석(14c2)이 S극으로 된다. 이로 인해, 이러한 자석(14c1, 14c2)에 의해, 필터(14b)에는, 자력선이 유로(14a)를 따른 자장이 발생한다.
이 실시 형태에서는, 용매에 적어도 흑연 입자가 분산된 슬러리를 유로(14a)에 유통시킨다. 여기서, 흑연 입자는, 예를 들어, 육각 판 형상 결정이 복수의 층을 형성하도록 포개진 층 구조를 갖고 있으면 좋다. 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 천연 흑연, 인조 흑연의 아몰퍼스 카본 등을 들 수 있다. 이러한 흑연 입자는, 자장의 작용에 의해, 용매 중에서 흑연의 육각 판 형상 결정의 면(흑연의 층간의 면)이 자력선에 평행해지도록 배향하는 경향이 보인다. 예를 들어, 육각 판 형상 결정의 흑연의 층이 포개진 인편상 흑연(Flake Graphite)에서는, 흑연의 층간의 면이 고르게 되어 있으므로, 자력선에 평행해지도록 배향하는 경향이 현저하게 나타난다. 이러한 인편상 흑연은, 육각 판 형상 결정이 층간의 결합력보다도 강하므로, 대략 납작한 형상을 갖고 있다.
그런데 도 11은 자석(14c1, 14c2)이 없다고 가정한 경우[환언하면, 자석(14c1, 14c2)에 의한 자장의 작용이 없는 상태]에 있어서, 필터(14b)가 슬러리[합제(24)]를 여과하는 이미지가 도시되어 있다. 이 경우, 자석(14c1, 14c2)에 의한 자장의 작용이 없다. 이로 인해, 합제(24) 중의 흑연 입자(60)는, 제어되어 있지 않고, 랜덤하게 임의의 방향으로 배향하고 있는 것으로 생각된다. 이와 같이, 자석(14c1, 14c2)에 의한 자장의 작용이 없는 경우에는, 흑연 입자(60)는 필터(14b)를 통과하기 어려워, 눈 막힘의 요인으로 된다.
또한, 이러한 합제(24)(슬러리)에는 다일러턴시 거동이 발생할 수 있다. 특히, 눈이 미세한 필터(14b)를 선택하면, 슬러리에 작용하는 전단력이 높아진다. 이로 인해, 필터(14b)를 통과시킬 때의 저항이 높아진다. 필터(14b)를 통과시킬 때의 저항이 높아지면, 슬러리가 필터(14b)를 통과할 수 없는 경우도 있다. 따라서, 슬러리가 필터(14b)를 통과할 수 있는 정도로는, 필터(14b)의 눈을 거칠게 할 필요가 있다.
도 12는 이러한 슬러리의 다일러턴시 거동에 대해, 전형예를 나타내고 있다. 도 12 중의 a, b, c는, 각각 다른 슬러리의 샘플에 대해, 전단 속도와, 점도의 관계를 나타내고 있다. 이 중, 슬러리 a, b, c는, 각각 고형분 농도가 다르다. 슬러리 a, b는, 전단 속도가 높아진 경우에, 점도가 높아지는 경향을 나타내고 있다. 또한, 슬러리 c는, 전단 속도가 높아져도, 점도가 높아지지 않고, 다일러턴시 거동을 나타내고 있지 않다. 이와 같이 슬러리 상태의 재료는, 다일러턴시 거동을 나타내는 경우가 있다.
예를 들어, 리튬 이온 2차 전지의 부극 합제는, 상술한 바와 같이 용매에 흑연 입자(60)가 분산된 슬러리 상태의 재료이다. 이러한 부극 합제는, 다일러턴시 거동을 나타내는 경우가 있다. 이러한 부극 합제는, 다일러턴시 거동을 나타내는 경우에는, 필터(14b)에서 눈 막힘이 발생하기 쉽다. 특히, 인편상의 흑연은, 다일러턴시 거동을 발생시키기 쉽다. 인편상의 흑연은, 상술한 바와 같이, 대략 납작한 형상을 갖고 있다. 이러한 인편상의 흑연은, 그 형상 특성에 의해, 고전단 영역에서 난류로 되고, 다일러턴시 거동이 발생하기 쉬워진다고 생각된다. 또한, 이러한 인편상의 흑연은, 육각 판 형상 결정의 법선 방향에 있어서 투영 면적이 커진다. 이러한 인편상의 흑연이 육각 판 형상 결정의 법선 방향에서 필터(14b)에 침입하면, 특히 눈 막힘이 일어나기 쉽다. 이로 인해, 부극 합제와 같이, 용매에 흑연 입자(60)가 분산된 슬러리는, 특히, 필터(14b)에서 눈 막힘이 발생하기 쉬운 경향이 있다.
≪자석(14c1, 14c2)의 작용≫
이에 반해, 도 13은 상술한 여과 장치(50)에 있어서 필터(14b)가 슬러리를 여과하는 이미지가 도시되어 있다. 상술한 여과 장치(50)에서는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 필터(14b)는, 자석(14c1, 14c2)의 사이에 끼워져 있다. 필터(14b)에 대하여 자석(14c1, 14c2) 중 한쪽의 자석(14c1)이 N극으로 되고, 다른 쪽의 자석(14c2)이 S극으로 된다. 이로 인해, 자력선이 유로(14a)를 따른 자장이 필터(14b)에 발생하고 있다. 환언하면, 이러한 자석(14c1, 14c2)에 의해, 필터(14b)에 대하여 합제(24)가 빠져나가야 하는 방향을 따른 자력선을 갖는 자장이 형성된다.
이때, 흑연 입자(60)는, 자장의 작용에 의해 자력선에 평행해지도록 배향한다. 이로 인해, 도 13에 도시하는 바와 같이, 흑연 입자(60)는 필터(14b)의 눈을 통과하기 쉬워진다. 또한 상술한 여과 장치(50)에서는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 자력선이 유로(14a)를 따른 자장이 필터(14b)에 발생하고 있다. 이로 인해, 슬러리 중의 흑연 입자(60)의 배향이 유로(14a)를 따라 고르게 된다. 예를 들어, 이러한 인편상의 흑연은, 육각 판 형상 결정의 층간이, 당해 자력선을 따른 방향으로 되도록 배향한다. 이로 인해, 필터(14b)의 눈에 대하여, 인편상의 흑연에 대하여 흑연 입자(60)의 투영 면적이 작아진다. 이 상태에서 인편상의 흑연이 필터(14b)에 침입하므로, 눈 막힘이 일어나기 어렵다.
또한, 자장의 작용에 의해, 인편상의 흑연의 방향이 안정되므로, 전단 속도가 높아져도 난류가 발생하기 어렵고, 다일러턴시 거동이 발생하기 어렵다. 이와 같이, 이 여과 장치(50)에 따르면, 슬러리 중의 흑연 입자(60)의 배향이 유로(14a)를 따라 고르게 되므로, 슬러리가 필터(14b)를 통과할 때의 저항이 경감된다. 또한, 슬러리가 필터(14b)를 통과할 때의 저항이 경감되므로, 다일러턴시 거동에 의한 영향이 작아진다. 이러한 여과 장치(50)의 필터(14b)의 눈은, 슬러리가 필터(14b)를 통과할 수 있는 정도로 미세하게 할 수 있다. 이 여과 장치(50)에서는, 상술한 바와 같이 필터(14b)를 통과할 때에 슬러리에 발생하는 저항이 작고, 또한, 다일러턴시 거동이 발생하기 어려우므로, 필터(14b)의 눈을 보다 미세하게 할 수 있다.
이와 같이, 이 여과 장치(50)에 따르면, 슬러리 중의 흑연 입자(60)가, 필터(14b)의 눈을 통과하기 쉬워, 필터(14b)의 눈을 미세하게 할 수 있다. 이 결과, 슬러리 중의 응집물이나 이물질을, 보다 확실하게 제거할 수 있다. 그런데 여과 장치(50)에 있어서의, 흑연 입자(60)의 배향의 정도는, 예를 들어, 자석(14c1, 14c2) 사이에 작용하는 자장의 강도나, 여과 장치(50)를 통과하는 합제(24)(슬러리)의 점도가 영향을 미친다.
이 중, 슬러리의 점도는, 다른 요인의 영향을 받는다. 예를 들어, 슬러리의 점도가 지나치게 높으면, 필터(14b)에 통과되지 않을 뿐만 아니라, 도포부(14d)(예를 들어, 다이)에 있어서, 슬러리가 토출되지 않는 등의 영향이 있다. 또한, 슬러리의 점도가 지나치게 낮으면, 도포 시에 액 처짐이 발생하여, 소정의 도포량이 유지되지 않는 등의 영향이 있다. 이로 인해, 슬러리의 점도는, 도포가 적절하게 가능한 정도의 점도로 조정된다. 이로 인해, 이러한 도포가 적절하게 가능한 정도의 점도에 있어서, 슬러리 중의 흑연 입자(60)가 적절하게 배향할 수 있도록, 자석(14c1, 14c2)의 강도를 조정하면 좋다.
리튬 이온 2차 전지의 제조에 있어서, 부극 합제는, 예를 들어, 슬러리의 점도는, 예를 들어, 500mPa·sec 내지 5000mPa·sec(E형 점토계, 25℃, 2rpm 시), 고형분 농도가 40wt％ 내지 60wt％ 정도로 조정될 수 있다. 이 경우, 자석(14c1, 14c2)의 강도는, 예를 들어, 필터(14b)가 배치된 위치 혹은 그 근방 위치에 있어서, 1.0T 이상, 보다 바람직하게는 1.5T 이상, 나아가서는 2.0T 이상이면 좋다. 자장의 강도는, 시판의 자기 측정기로 측정할 수 있다. 이러한 자기 측정기로서는, 예를 들어, 시판의 자기 측정기로서는, LakeShore사제의 가우스 미터 425형을 들 수 있다.
이와 같이, 자석(14c1, 14c2)은, 유로(14a)에 공급되는 슬러리의 상태(예를 들어, 점도)에 따라, 슬러리 중의 흑연 입자(60)를 자력선을 따라 배향시킬 수 있는 정도의 자력을 발휘하면 좋다.
≪도포부(14d)≫
도포부(14d)는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 필터(14b)를 통과한 합제(24)(슬러리)를 집전체(22)에 도포한다. 여기서, 도포부(14d)는, 예를 들어, 슬릿 코터, 그라비아 코터, 다이 코터, 콤마 코터 등이 사용된다. 이 전극 재료 도포 장치(14)의 도포부(14d)에는, 예를 들어, 도 10에 도시하는 바와 같은 여과 장치(50)를 통과한 합제(24)가 공급된다. 상술한 바와 같이, 여과 장치(50)에서는, 보다 눈이 미세한 필터(14b)를 사용할 수 있어, 슬러리 중의 응집물이나 이물질을 보다 적절하게 제거할 수 있다. 이와 같이, 이 전극 재료 도포 장치(14)에 따르면, 슬러리 중의 응집물이나 이물질을 보다 적절하게 제거할 수 있으므로, 도포부(14d)에서 슬러리가 막히기 어렵다. 이로 인해, 합제(24)가 도포 시공되는 집전체(22)에, 소위 도포 시공 줄이 발생하기 어려워, 2차 전지의 제조에 있어서 불량이 발생하기 어렵다.
이상과 같이, 이 전극 재료 도포 장치(14)에서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 탱크(43)에 저류된 합제(24)는, 펌프(44)에 의해 빨아 올려지고, 유로(14a)에 공급된다. 합제(24)는, 유로(14a)에 배치된 여과 장치(50)에 의해 여과되고, 다이(42)를 통해 백 롤(41)에 의해 지지된 집전체(22)의 표면에 공급된다. 또한, 합제(24)가 도포된 집전체(22)는, 건조로(16)를 통과시켜, 합제(24)를 건조시켜 회수부(34)에 회수된다.
이상, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 전극 재료 도포 장치(14)를 설명하였지만, 전극 재료 도포 장치(14)는, 상술한 실시 형태에 한정되지 않는다.
≪다른 형태≫
예를 들어, 여과 장치(50)의 자석(14c1, 14c2)에, 영구 자석을 사용한 예를 예시하였다. 자석(14c1, 14c2)이 영구 자석인 경우에는, 자석을 구성하기 위해 전력이 필요하지 않으므로, 러닝 코스트를 낮게 억제할 수 있다. 단, 여과 장치(50)의 자석(14c1, 14c2)은 전자석으로 구성해도 된다. 도 14는 자석(14c1, 14c2)을 전자석으로 구성한 여과 장치의 구성예[여과 장치(50A)]를 나타내고 있다. 도 14에 나타내는 예에서는, 필터(14b)의 상류측 및 하류측의 유로(14a)에, 각각 전자석으로 되는 코일(C10, C20)이 배치되어 있다. 코일(C10, C20)은, 필터(14b)에 대하여 서로 반하는 자극으로 되도록[예를 들어, 한쪽이 필터(14b)에 대하여 N극으로 되는 경우에, 다른 쪽이 S극으로 되도록] 전원(P1)에 접속되어 있다. 여기서, 전원(P1)은 직류 전원이어도 되고, 교류 전원이어도 된다.
이와 같이, 자석(14c1, 14c2)은 전자석으로 구성할 수 있다. 자석(14c1, 14c2)을 전자석으로 구성한 경우, 각 코일(C10, C20)에 흘리는 전류를 조정함으로써, 자석(14c1, 14c2)의 자력을 조정할 수 있다. 이와 같이 자석(14c1, 14c2)뿐만 아니라, 예를 들어, 전극 재료 도포 장치(14)의 상술한 유로(14a), 필터(14b), 자석(14c1, 14c2) 또는 도포부(14d)의 구체적 구성은, 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 다양한 개변이 가능하다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 집전체(22)가, 박 형상 혹은 시트 형상(띠 형상)을 주행시키면서, 연속적으로 합제(24)가 도포 시공되고 있다. 집전체(22)에 합제(24)를 도포하는 공정은, 이러한 형태에 한정되지 않는다. 합제(24)는, 예를 들어, 집전체(22) 상에 유입되어, 잡아 늘려지는 것이어도 되고, 인쇄에 의해도 되고, 다양한 형태가 채용된다.
또한, 이 전극 재료 도포 장치(14)는, 예를 들어, 도 10에 도시하는 바와 같이, 합제(24)를 여과하는 여과 장치(50)로서, 유로(14a) 내에 배치된 필터(14b)와, 자력선이 유로를 따른 자장을 필터(14b)에 발생시키도록 배치된 자석(14c1, 14c2)을 구비하고 있다. 이러한 여과 장치(50)는, 예를 들어, 용매에 적어도 흑연 입자가 분산된 슬러리를 여과하는 경우에, 필터(14b)의 눈을 작게 할 수 있다. 이로 인해, 이러한 슬러리에 포함되는 응집물이나 이물질을 보다 미세한 레벨로 제거할 수 있다. 따라서, 응집물이나 이물질의 혼입이 적고, 보다 균질한 합제(24)를 도포할 수 있다. 이 경우, 도포부(14d)의 구성에 관계없이, 보다 안정된 전극 시트를 제공할 수 있고, 또한, 2차 전지의 성능 향상에 기여한다.
여기에서는, 용매에 적어도 흑연 입자를 분산시킨 슬러리[여기에서는 합제(24)]에 대해, 신규한 여과 방법이 제안되어 있다. 즉, 용매에 적어도 흑연 입자를 분산시킨 슬러리[여기에서는 합제(24)]는, 예를 들어, 유로(14a)에 배치한 필터(14b)에 자력선이 유로를 따른 자장을 발생시키면서, 당해 슬러리[합제(24)]를 유로(14a)에 공급하여 당해 슬러리를 여과하면 좋다. 이러한 여과 방법에 의해, 슬러리에 포함되는 응집물이나 이물질을 보다 미세한 레벨로 제거할 수 있다. 또한, 슬러리에 포함되는 입자를 보다 균일하게 할 수 있다. 또한, 이 여과 방법에 따르면, 여과할 때에 슬러리에 발생하는 다일러턴시 거동에 의한 영향을 작게 할 수 있다. 이로 인해, 필터(14b)의 눈의 거칠기가 동일한 정도이면, 필터(14b)를 통과시키는 데 슬러리에 부여하는 압력을 작게 할 수 있다. 이로 인해, 슬러리를 공급하는 펌프 등의 설비를 소형화할 수 있고, 또한, 펌프를 구동시키는 데 필요한 에너지도 저감할 수 있다. 이로 인해, 설비 비용이나 러닝 코스트를 작게 억제할 수 있다. 또한, 이러한 여과 방법은, 상술한 바와 같이, 이러한 슬러리를 집전체에 도포하는 도포 공정을 포함하는, 2차 전지의 제조 방법에 널리 적용할 수 있다.
또한, 이러한 여과 방법을 구현화하는 여과 장치(50)는, 예를 들어, 도 10이나 도 14에 도시하는 바와 같이, 유로(14a)와, 유로(14a) 내에 배치한 필터(14b)와, 자력선이 유로(14a)를 따른 자장을 필터(14b)에 발생시키도록 배치된 자석(14c1, 14c2)을 구비하고 있으면 좋다. 이 경우, 자석(14c1, 14c2)은, 유로(14a)를 따라 필터(14b)를 사이에 끼운 한 쌍의 자석으로 구성하면 좋다. 이 경우, 자석(14c1, 14c2)은, 각각 필터(14b)에 대향한 부위가 서로 끌어당기는 자극으로 되면 좋다. 또한, 자석(14c1, 14c2)은, 영구 자석이어도 되고, 전자석이어도 된다.
또한, 바람직한 용도로서, 리튬 이온 2차 전지의 부극 합제를 여과하는 공정을 들었지만, 예를 들어, 여과 장치(50)는, 이러한 용도에 한정되지 않고, 보다 광범위한 용도에 사용할 수 있다. 리튬 이온 2차 전지의 부극 합제는, 합제 중의 흑연 입자(60)의 비율이 높아, 이러한 여과 장치(50)에 의해 얻어지는 효과가 높다. 또한, 예를 들어, 리튬 이온 2차 전지의 정극 합제는, 도전재로서 흑연 입자가 포함되는 경우가 있다. 이로 인해, 이러한 정극 합제를 여과할 때에 사용해도 된다.
이상, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 전극 재료 도포 장치, 여과 장치, 슬러리의 여과 방법, 나아가서는 2차 전지의 제조 방법을 설명하였다. 또한, 여기에서는, 각각 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법에 적용한 실시 형태를 예시하였다. 또한, 본 발명은, 특별히 언급이 없는 한에 있어서 상술한 어느 실시 형태에도 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 2차 전지(예를 들어, 리튬 이온 2차 전지)의 출력 향상에 기여할 수 있다. 이로 인해, 본 발명은, 하이 레이트에 의한 출력 특성이나 사이클 특성에 대해 요구되는 레벨이 특히 높은, 하이브리드 자동차나, 전기 자동차의 구동용 전지 등 차량 구동 전원용의 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법에 적합하다. 즉, 리튬 이온 2차 전지는, 예를 들어, 도 15에 도시하는 바와 같이, 자동차 등의 차량(1)의 모터(전동기)를 구동시키는 전지(1000)로서 적절하게 이용될 수 있다. 차량 구동용 전지(1000)는, 복수의 2차 전지를 조합한 조전지로 해도 된다.
12 : 주행 경로
14 : 전극 재료 도포 장치
14a : 유로
14a1 : 필터 배치 공간
14b : 필터
14c1, 14c2 : 자석
14d : 도포부
14e1, 14e2 : 유로(14a)를 통과시키는 구멍
16 : 건조로
22 : 집전체
24 : 합제
32 : 공급부
32a : 코어
34 : 회수부
34a : 코어
34b : 제어부
34c : 모터
41 : 백 롤
42 : 다이
43 : 탱크
44 : 펌프
50, 50A : 여과 장치
60 : 흑연 입자
100 : 리튬 이온 2차 전지
200 : 권회 전극체
220 : 정극 시트
221 : 정극 집전체
222 : 미도포 시공부
222a : 중간 부분
223 : 정극 합제층
224 : 정극 합제
240 : 부극 시트
241 : 부극 집전체
242 : 미도포 시공부
243 : 부극 합제층
244 : 부극 합제
245 : 내열층
262 : 세퍼레이터
264 : 세퍼레이터
280 : 전해액
290 : 충전기
300 : 전지 케이스
310 : 간극
320 : 용기 본체
322 : 덮개와 용기 본체의 이음매
340 : 덮개
360 : 안전 밸브
420 : 전극 단자(정극)
440 : 전극 단자(부극)
610 : 정극 활물질
620 : 도전재
630 : 바인더
710 : 부극 활물질
730 : 바인더
1000 : 차량 구동용 전지
C10, C20 : 코일

Claims (10)

  1. 적어도 육각 판 형상 결정이 복수의 층을 형성하도록 포개진 층 구조를 갖는 흑연 입자를 용매에 분산시킨 슬러리가 유통할 수 있는 유로와,
    상기 유로 내에 배치된 필터와,
    상기 슬러리가 상기 필터를 통과할 때에, 상기 유로를 따른 자력선을 갖는 자장을 필터에 발생시키고, 상기 층 구조를 갖는 흑연 입자의 육각 판 형상 결정면을 상기 자력선에 대하여 평행하게 배향시키도록 배치된 자석과,
    상기 필터를 통과한 상기 슬러리를 집전체에 도포하는 도포부를 구비하고,
    상기 자력선을 갖는 자장의 작용에 의해, 상기 필터의 단위 표면적에 대한 상기 흑연 입자의 투영 면적이 상기 자장의 작용이 없는 상태보다도 작게 되는 것이 실현되어 있는, 전극 재료 도포 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자석은, 상기 유로를 따라 상기 필터를 사이에 끼우도록 배치되고, 각각 상기 필터에 대향한 부위가 서로 끌어당기는 자극으로 되는 한 쌍의 자석으로 구성된, 전극 재료 도포 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흑연은, 인편상 흑연인, 전극 재료 도포 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석은, 영구 자석 또는 전자석으로 구성된, 전극 재료 도포 장치.
  5. 유로에 배치한 필터에 자력선이 유로를 따른 자장을 발생시키면서, 적어도 육각 판 형상 결정이 복수의 층을 형성하도록 포개진 층 구조를 갖는 흑연 입자를 용매에 분산시킨 슬러리를 상기 유로에 공급하여, 상기 슬러리가 상기 필터를 통과할 때에, 상기 층 구조를 갖는 흑연 입자의 육각 판 형상 결정면을 상기 자력선에 대하여 평행하게 되도록 배향시키고, 상기 자력선을 갖는 자장의 작용에 의해 상기 필터의 단위 표면적에 대한 상기 흑연 입자의 투영 면적이 상기 자장의 작용이 없는 상태보다도 작게 되도록 상기 슬러리를 여과하는, 슬러리의 여과 방법.
  6. 제5항에 기재된 슬러리의 여과 방법에 의해 슬러리를 여과하는 공정과,
    당해 여과하는 공정에서 여과된 상기 슬러리를 집전체에 도포하는 공정을 포함하는, 2차 전지의 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 필터는, 상기 유로를 슬러리의 흐름 방향에서 구획하도록, 상기 흐름 방향과 수직으로 배치되는, 전극 재료 도포 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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