(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
延伸ポリテトラフルオロエチレン製のベースフィルムとリチウム箔とが積層された層状シートと、集電体と負極活物質層とが積層された電極材料と、が、前記リチウム箔と前記負極活物質層とが対向するように張り合わされた電極複合体の前記ベースフィルムにおいて、前記リチウム箔と接する第1面とは反対の第2面に気体を吹き付ける吹付工程と、
前記ベースフィルムを剥がす剥離工程と、
を含むことを特徴とする負極電極の製造方法。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、負極電極の製造方法の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態の製造方法によって製造される負極電極は、蓄電装置としての二次電池に使用される。二次電池は、図示しないが、外観が角型をなす角型電池であり、リチウムイオン二次電池である。この二次電池は、ケース内に電極組立体を備える。電極組立体は、複数の正極電極と複数の負極電極とを備える。電極組立体は、正極電極と負極電極とが両者の間をセパレータで絶縁した状態で交互に積層されて構成されている。
【0016】
図1に示すように、負極電極11は、矩形シート状の電極材料12と、電極材料12の両面に存在するドープ層13と、を備える。電極材料12は、矩形シート状の集電体14と、集電体14の両面に存在する負極活物質層15と、が積層されて構成されている。本実施形態の集電体14は金属箔により構成されている。ドープ層13は、負極活物質層15の表面全体を覆う。
【0017】
負極電極11は、その一辺に沿って負極活物質層15が存在せず、集電体14が露出した未塗工部17を有する。負極電極11において、未塗工部17の一部には、負極タブ18が突出する状態に存在する。負極活物質層15は、活物質、導電材、及びバインダを含む。
【0018】
次に、電極材料12にドープ層13を形成するために用いられる層状シート20について説明する。
図2では、層状シート20において層が形成されている方向をZ軸で示す。Z軸に対して垂直な平面に沿う方向をX軸及びY軸で示す。X軸、Y軸、及びZ軸は、互いに直交する。以下の説明では、X軸に沿う方向を短手方向X、Y軸に沿う方向を長手方向Y、Z軸に沿う方向を積層方向Zともいう。
【0019】
図2に示すように、層状シート20は、矩形シート状のベースフィルム21と、ベースフィルム21の片面に積層された矩形シート状のリチウム箔22と、を備える。層状シート20は、加熱されると記憶した形状に戻る形状記憶材23を備える。
【0020】
形状記憶材23は、ベースフィルム21において、リチウム箔22と接する位置とは異なる位置に配置される。本実施形態のリチウム箔22と形状記憶材23は、ベースフィルム21においてそれぞれ異なる面に存在する。具体的には、リチウム箔22は、ベースフィルム21における第1面21aと接する。形状記憶材23は、ベースフィルム21において第1面21aとは反対の第2面21bと接する。本実施形態のリチウム箔22の厚みは5μmであり、負極活物質層15の表面に張り付けられるリチウム箔22の厚みとして要求される1〜20μmを満たす。
【0021】
図3に示すように、ベースフィルム21は、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」という。)を一軸延伸した延伸ポリテトラフルオロエチレン(以下、「ePTFE」という。)製のフィルムである。ベースフィルム21は、PTFE樹脂の凝集体である複数のノード25と、複数のノード25を連結する複数のフィブリル26と、を有する。ベースフィルム21は、ノード25とフィブリル26の間隙である複数の孔27を有する。
【0022】
本実施形態では、ePTFEを製造する際に、PTFEを延ばす方向である延伸方向と、ベースフィルム21の長手方向Yと、が一致する。そのため、フィブリル26は、長手方向Yに延びる。ノード25は、長手方向Yの大きさが、短手方向Xの大きさよりも小さい。フィブリル26は、長手方向Yの大きさが短手方向Xの大きさよりも大きい。複数のフィブリル26は、短手方向Xに互いに間隔を有し、長手方向Yに略平行に延びる。
【0023】
図4に示すように、本実施形態の形状記憶材23は、医療分野で血管などの拡径に使用されるステントグラスと呼ばれる網状の筒を展開した平板状の金網である。形状記憶材23は、複数の貫通孔23aを有する。本実施形態では、金網の網目が貫通孔23aとされている。ベースフィルム21の第2面21bは、貫通孔23aを介して露出している。
【0024】
形状記憶材23は、力が加えられると変形し、熱が加わると変形した形状から記憶した形状に戻る。形状記憶材23は、接着、貼着、溶着などにより、ベースフィルム21と一体に構成されている。そのため、形状記憶材23は、記憶した形状に戻ることでベースフィルム21を変形させる。形状記憶材23には、短手方向Xに丸まった形状を記憶させている。平板状の形状記憶材23を加熱すると、形状記憶材23は、ベースフィルム21を短手方向Xに湾曲させる。
【0025】
次に、負極電極11の製造方法について説明する。
図5に示すように、負極電極11の製造方法は、形成工程、切断工程、配置工程、加圧工程、吹付工程、及び剥離工程を有することが好ましい。
【0026】
形成工程と切断工程の図示は省略する。形成工程は、長尺帯状の集電体14の両面に負極活物質層15を形成する工程である。切断工程は、負極活物質層15が形成された集電体14を負極電極11の形状に切断し、電極材料12を形成する工程である。
【0027】
配置工程、加圧工程、吹付工程、及び剥離工程は、電極材料12が有する負極活物質層15の表面にドープ層13を形成する工程である。
図6,
図7に示すように、配置工程は、層状シート20と電極材料12とを重ねて配置する工程である。配置工程では、層状シート20と電極材料12とを、リチウム箔22と負極活物質層15とが対向するように配置する。
【0028】
図7では、一方の層状シート20のみを図示している。リチウム箔22の長手方向Yの寸法は、負極活物質層15の長手方向Yの寸法よりも大きく、ベースフィルム21の長手方向Yの寸法よりも小さい。また、リチウム箔22の短手方向Xの寸法は、負極活物質層15の短手方向Xの寸法よりも大きく、ベースフィルム21の短手方向Xの寸法よりも小さい。
【0029】
図6,
図7に示すように、配置工程では、電極材料12が有する負極活物質層15の全面が、リチウム箔22と対向する。本実施形態では、2枚の層状シート20を用意し、各層状シート20のリチウム箔22の間に電極材料12を配置する。下側の層状シート20は、図示しない作業台に載置されている。
【0030】
以下の説明では、一方の層状シート20、一方の層状シート20に重ねられた電極材料12、及び電極材料12に重ねられた他方の層状シート20をまとめて電極複合体Wとする。本実施形態では、電極材料12と層状シート20の短手方向X、長手方向Y、及び積層方向Zを一致させている。電極複合体Wは、積層方向Zに積み重ねられた一組の層状シート20及び電極材料12により構成されている。
【0031】
図8に示すように、加圧工程は、層状シート20と電極材料12を積層方向Zに加圧する工程である。加圧工程により、電極材料12が有する負極活物質層15の表面と、層状シート20のリチウム箔22との密着性が向上する。加圧工程には、電極複合体Wを加圧する加圧装置29と、電極複合体Wを搬送する搬送装置30と、が用いられる。
【0032】
加圧装置29は、積層方向Zに並び、層状シート20と電極材料12とを加圧する一対の加圧ロール29a,29bを備える。一対の加圧ロール29a,29bは、図示しないモータによって短手方向Xを軸方向とする軸(図示略)を中心に回転する。一方の加圧ロール29aは、電極複合体Wが搬送される経路よりも積層方向Zにおいて一方側(例えば重力方向の上側)に配置される。他方の加圧ロール29bは、電極複合体Wが搬送される経路よりも積層方向Zにおいて他方側(例えば重力方向の下側)に配置される。一対の加圧ロール29a,29bは、互いに逆方向に回転する。一対の加圧ロール29a,29bによって挟まれた領域を加圧領域P1とする。
【0033】
搬送装置30は、
図8に白抜き矢印で示す搬送方向に電極複合体Wを搬送する。搬送装置30は、加圧装置29よりも搬送方向の上流に配置された第1搬送部31と、加圧装置29よりも搬送方向の下流に配置された第2搬送部32と、を備える。第1搬送部31及び第2搬送部32は、例えば、ベルトコンベアである。搬送装置30は、電極複合体Wの長手方向Yが搬送方向と沿い、積層方向Zが鉛直方向と沿うように電極複合体Wを搬送する。
【0034】
電極複合体Wは、第1搬送部31によって加圧領域P1まで搬送され、一対の加圧ロール29a,29bの間を通過する。すなわち、加圧工程では、加圧装置29と層状シート20が長手方向Yに相対移動する。層状シート20が有するリチウム箔22は、一対の加圧ロール29a,29bによって、電極材料12が有する負極活物質層15に対して押圧される。これにより、リチウム箔22と負極活物質層15との密着性が向上する。加圧装置29が電極複合体Wに与える荷重は、リチウム箔22と負極活物質層15との密着性が向上し、かつ負極活物質層15が破損しない程度の大きさ(例えば、5kN)に設定されている。電極複合体Wは、第2搬送部32によって後工程(吹付工程)に搬送される。
【0035】
図9に示すように、吹付工程は、層状シート20と電極材料12とが張り合わされた電極複合体Wに温風を吹き付ける工程である。吹付工程には、電熱線などの熱源34を備える一対の送風装置35が用いられる。送風装置35は、空気などの気体を熱源34により温めて送り出す。送風装置35は、気体を送り出す図示しない送風口を有する。送風装置35は、1つの送風口を備えてもよいし、複数の送風口を備えてもよい。
図9では、送風口から送り出された気体を一点鎖線で示している。
【0036】
一対の送風装置35は、積層方向Zにおいて電極複合体Wの厚みよりも広い間隔を有して配置される。そのため、第2搬送部32によって搬送された電極複合体Wは、送風装置35の間を通過可能である。一対の送風装置35の間の領域を吹付領域P2とする。
【0037】
送風装置35は、吹付領域P2に位置する電極複合体Wに対して温風を吹きつける。換言すると、送風装置35は、ベースフィルム21の第2面21bに、例えば空気などの気体を吹き付ける。吹き付けられた気体は、形状記憶材23が有する貫通孔23a(
図4参照)を通過してベースフィルム21の第2面21bに吹き当たり、さらにベースフィルム21が有する孔27(
図3参照)を通過してリチウム箔22に吹き当たる。これによりリチウム箔22とベースフィルム21との間に気体が入り込み、ベースフィルム21をリチウム箔22から浮かせるように作用する。
【0038】
図10に示すように、温めた気体が吹き付けられた形状記憶材23は、気体により加熱されて記憶している形状に戻る。形状記憶材23は、短手方向Xの両端が電極材料12から離れる方向に変形する。
【0039】
図11に示すように、剥離工程は、電極材料12から、ベースフィルム21を剥がす工程である。なお、
図11では、一方の層状シート20を図示し、他方の層状シート20の図示を省略している。層状シート20のうちベースフィルム21を剥離すると、負極活物質層15に張り付けられたリチウム箔22はドープ層13となり、負極電極11が完成する。リチウム箔22のうち負極活物質層15と対向せず、負極活物質層15に張り付けられなかった余剰部分は、ベースフィルム21と共に剥離される。
【0040】
次に、層状シート20を負極電極11から剥離する場合の作用について説明する。
加圧工程では、電極複合体Wを長手方向Yにおける一端から他端に向かって順に加圧する。そのため、リチウム箔22とベースフィルム21は、短手方向Xに比べて長手方向Yに強い力で張り付いている。したがって、ベースフィルム21は、長手方向Yよりも短手方向Xに剥離しやすい。
【0041】
吹付工程では、ベースフィルム21が短手方向Xの端から浮き上がる。剥離工程では、ベースフィルム21の短手方向Xの端を把持し、この端を電極材料12から離すように積層方向Zに移動させる。すると、層状シート20は、短手方向Xに徐々に剥離される。
【0042】
短手方向Xには、複数のフィブリル26が互いに間隔を有して位置している。ベースフィルム21を剥離させるとき、ベースフィルム21においてリチウム箔22と張り付いている部分の剥がす側の端を剥離先端という。ベースフィルム21を短手方向Xに剥離させると、剥離先端には、リチウム箔22に張り付いているフィブリル26と、リチウム箔22に張り付いていない孔27と、が交互に現れる。ベースフィルム21とリチウム箔22が一定の粘着力で張り付いているものとした場合、ベースフィルム21を剥がすと、フィブリル26は、剥がれる速さが遅いスティック状態を生じさせ、孔27は、剥がれる速さがスティック状態よりも速いスリップ状態を生じさせる。これによりスティックスリップ現象が生じ、ベースフィルム21が振動して剥離しやすくなる。
【0043】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)ePTFEは、多数の孔27を有する多孔質材料である。ePTFE製のベースフィルム21とリチウム箔22とが積層された層状シート20と、電極材料12と、が張り合わされた電極複合体Wのベースフィルム21に、リチウム箔22とは反対側から気体を吹き付ける。気体は、ベースフィルム21が有する孔27を通過してリチウム箔22からベースフィルム21を浮かせるように作用する。これにより、ベースフィルム21とリチウム箔22との張り付きを弱めることができる。したがって、ベースフィルム21を剥がす場合に、ベースフィルム21と共にリチウム箔22が電極材料12から剥がれる虞を低減し、リチウム箔22の損傷を低減できる。
【0044】
(2)PTFEを一軸延伸して得られるePTFEは、複数のフィブリル26を有する。それらフィブリル26は、PTFEを延伸させた方向に延びると共に、延伸させた方向とは異なる方向に互いに間隔を有して並ぶ。加圧工程では、フィブリル26が延びる方向に加圧装置29と層状シート20とを相対移動させて加圧する。さらに、剥離工程では、複数のフィブリル26が互いに間隔を有して並ぶ方向にベースフィルム21を剥がす。そのため、剥がす速度が遅いスティック状態に対し、剥がす速度が速いスリップ状態の割合を高め、所謂スティックスリップ現象を生じさせてベースフィルム21を剥がしやすくできる。
【0045】
(3)吹付工程では、ベースフィルム21に温風を吹き付ける。そのため、温風により形状記憶材23を加熱し、ベースフィルム21を記憶した形状に変形させることができる。したがって、ベースフィルム21をより剥がしやすくできる。
【0046】
(4)形状記憶材23は、電極材料12から離れる方向であって、フィブリル26が延びる方向とは異なる方向にベースフィルム21を変形させる。そのため、ベースフィルム21をフィブリル26が延びる方向に変形させる場合に比べ、ベースフィルム21を容易に変形させることができる。
【0047】
(5)形状記憶材23は、ベースフィルム21の第2面21bを露出させる貫通孔23aを有する。吹き付けられた気体は、形状記憶材23が有する貫通孔23aを通過してベースフィルム21に吹き当たる。したがって、第2面21bを覆うように形状記憶材23を設ける場合でも、ベースフィルム21に効率的に気体を吹き付けることができる。第2面21bを覆うように形状記憶材23を設けることで、ベースフィルム21変形させる場合に歪みが生じる虞を低減できる。
【0048】
なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。上記実施形態と下記変更例とは、任意に組み合わせてもよい。下記変更例に含まれる構成同士を任意に組み合わせてもよい。
【0049】
○ 負極電極11の製造方法は、配置工程及び加圧工程を含まなくてもよい。例えば、負極電極11は、別に用意した電極複合体Wに対し、少なくとも吹付工程及び剥離工程を行うことで製造されてもよい。
【0050】
○ ベースフィルム21には、ePTFE樹脂よりも撥水性の小さな化合物を含有させてもよい。すなわち、例えばノード25とフィブリル26の表面をポリマーにより被覆してもよい。ポリマーの例としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ビニルアルコール−テトラフルオロエチレンブロック共重合体などの有機ポリマー類、アルコキシシランなどからゾルゲル反応によって得られる無機系ポリマーなどがある。
【0051】
○ 負極電極11は、集電体14の片面のみに負極活物質層15及びドープ層13を有してもよい。
○ 未塗工部17は、負極タブ18のみから構成されていてもよい。
【0052】
○ 形成工程は、切断工程の後に行ってもよい。例えば、負極活物質層15は、切断された集電体14に形成してもよい。
○ 負極電極11の製造方法は、形成工程及び切断工程を含まなくてもよい。例えば、負極電極11は、別に用意した電極材料12にリチウム箔22を張り付けて製造してもよい。
【0053】
○ 切断工程は、加圧工程、吹付工程、剥離工程のうち、何れか1つの工程の後に行ってもよい。すなわち、負極電極11は、負極活物質層15の表面にドープ層13を形成した後で、負極電極11の形状に切断して製造してもよい。これにより、ドープ層13と負極活物質層15との位置を容易に合わせることができる。
【0054】
○ 吹付工程は、1つの送風装置35により行ってもよい。送風装置35は、2枚の層状シート20に順に気体を吹き付けてもよい。例えば、送風装置35は、一方の層状シート20に気体を吹き付けた後、送風装置35と電極複合体Wのうち少なくとも一方の向きを変えて他方の層状シート20に気体を吹き付けてもよい。1つの送風装置35に複数のダクトを接続し、各ダクトにおいて送風装置35に接続された基端とは反対側の先端を、それぞれ異なるベースフィルム21の第2面21bに対向させてもよい。
【0055】
○ 形状記憶材23を加熱するための加熱装置を送風装置35とは別に設けてもよい。負極電極11の製造方法は、加熱装置により形状記憶材23を加熱する加熱工程を含んでもよい。加熱工程は、吹付工程の後に行うことが好ましい。
【0056】
○ 吹付工程と剥離工程は、同時に行ってもよい。ベースフィルム21は、気体を吹き付けながら剥がしてもよい。
○ 加圧工程では、電極複合体Wに対して加圧装置29を移動させてもよい。加圧工程では、電極複合体Wと加圧装置29の双方を移動させてもよい。
【0057】
○ 加圧工程では、電極複合体Wを加圧する場合に、加圧装置29と電極複合体Wのうち少なくとも一方を長手方向Yとは異なる方向に移動させてもよい。例えば搬送装置30は、電極複合体Wを短手方向Xに移動させてもよい。加圧装置29は、電極複合体Wを短手方向Xにおける一端から他端に向かって加圧してもよい。
【0058】
○ 加圧装置29は、負極活物質層15よりも大きな面を有する一対の部材で電極複合体Wを挟み、電極複合体Wの全体を押し潰すように加圧してもよい。加圧装置29は、負極活物質層15よりも大きな面を有する1つの部材と、1つの加圧ロールにより電極複合体Wを挟んで加圧してもよい。
【0059】
○ 層状シート20は、ベースフィルム21の第1面21aにおいて、リチウム箔22と接する位置とは異なる位置に位置する形状記憶材23を備えてもよい。第1面21aに張り付けられた形状記憶材23は、加熱されるとベースフィルム21を持ち上げるように変形してもよい。
【0060】
○ 層状シート20は、形状記憶材23を備えない構成としてもよい。
○ 送風装置35は、熱源34を備えない構成としてもよい。送風装置35は、常温の気体を送り出してもよい。
【0061】
○ 吹付工程では、空気以外の気体を吹き付けてもよい。例えば、層状シート20に窒素ガスなどの付活性ガスを吹き付けてもよい。
○ 剥離工程では、短手方向Xとは異なる方向にベースフィルム21を剥がしてもよい。例えば、剥離工程では、長手方向Yにベースフィルム21を剥がしてもよい。
【0062】
○ ベースフィルム21は、PTFEを二軸延伸したePTFE製としてもよい。ベースフィルム21が有するフィブリル26は、延びる方向が互いに異なっていてもよい。
次に、上記実施形態及び変更例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
【0063】
(イ)前記形状記憶材は、前記電極材料から離れる方向であって、前記フィブリルが延びる方向とは異なる方向に前記ベースフィルムを変形させる負極電極の製造方法。
(ロ)前記形状記憶材は、前記ベースフィルムの前記第2面を露出させる貫通孔を有する負極電極の製造方法。