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特開2023-80523電池用電極製造装置及び電池用電極製造方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023080523
(43)【公開日】2023-06-09
(54)【発明の名称】電池用電極製造装置及び電池用電極製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01M 4/139 20100101AFI20230602BHJP
   H01M 4/04 20060101ALI20230602BHJP
   H01M 4/62 20060101ALI20230602BHJP
   H01M 10/058 20100101ALI20230602BHJP
   H01M 10/04 20060101ALI20230602BHJP
【FI】
H01M4/139
H01M4/04 Z
H01M4/62 Z
H01M10/058
H01M10/04 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021193916
(22)【出願日】2021-11-30
(71)【出願人】
【識別番号】519100310
【氏名又は名称】APB株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000002288
【氏名又は名称】三洋化成工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001771
【氏名又は名称】弁理士法人虎ノ門知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】堀江 英明
(72)【発明者】
【氏名】榎 健一郎
(72)【発明者】
【氏名】中嶋 勇輔
(72)【発明者】
【氏名】那須 浩太郎
【テーマコード(参考)】
5H028
5H029
5H050
【Fターム(参考)】
5H028AA05
5H028BB04
5H028BB18
5H028BB19
5H028CC11
5H029AJ06
5H029AK03
5H029AL06
5H029AL11
5H029AM03
5H029AM05
5H029AM07
5H029AM16
5H029CJ03
5H029CJ08
5H029CJ28
5H029CJ30
5H029DJ07
5H029DJ09
5H029DJ16
5H050AA08
5H050AA12
5H050BA16
5H050BA17
5H050BA18
5H050CA07
5H050CB07
5H050CB11
5H050DA04
5H050DA13
5H050DA19
5H050FA17
5H050GA03
5H050GA10
5H050GA27
5H050GA30
(57)【要約】
【課題】高密度な電極活物質層を形成して電子伝導性を向上させること。
【解決手段】電池用電極製造装置は、電極活物質及び電解液を含む湿潤粉体を、帯状の基材フィルムに供給する粉体供給部と、前記粉体供給部から供給された前記湿潤粉体を載せた前記基材フィルムを搬送する搬送部と、前記粉体供給部から前記基材フィルムに供給された前記湿潤粉体を圧縮する一対の予備ローラを含む予備プレス部と、前記予備プレス部による圧縮の後に、前記湿潤粉体を圧縮する一対のローラを含むプレス部とを備える。前記予備プレス部は、前記湿潤粉体を段階的に圧縮する前記一対の予備ローラを複数含み、前記一対の予備ローラ間のギャップは、前記一対のローラ間のギャップよりも大きく設定されている。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電極活物質及び電解液を含む湿潤粉体を、帯状の基材フィルムに供給する粉体供給部と、
前記粉体供給部から供給された前記湿潤粉体を載せた前記基材フィルムを搬送する搬送部と、
前記粉体供給部から前記基材フィルムに供給された前記湿潤粉体を圧縮する一対の予備ローラを含む予備プレス部と、
前記予備プレス部による圧縮の後に、前記湿潤粉体を圧縮する一対のローラを含むプレス部と、
を備え、
前記予備プレス部は、前記湿潤粉体を段階的に圧縮する前記一対の予備ローラを複数含み、
前記一対の予備ローラ間のギャップは、前記一対のローラ間のギャップよりも大きく設定されている、電池用電極製造装置。
【請求項2】
前記予備プレス部は、前記一対の予備ローラを少なくとも2つ含み、
複数の前記一対の予備ローラ間のギャップは、前記基材フィルムの搬送方向に向かうに従い減少し、
複数の前記一対の予備ローラ間のギャップのうち最小のギャップは、前記一対のローラ間のギャップよりも大きく設定されている、
請求項1に記載の電池用電極製造装置。
【請求項3】
前記プレス部は、前記予備プレス部における前記一対の予備ローラより径が大きい前記一対のローラによって前記湿潤粉体を圧縮する、
請求項1又は2に記載の電池用電極製造装置。
【請求項4】
前記基材フィルムの搬送方向に沿う搬送に応じて前記一対の予備ローラは回転駆動し、
前記予備プレス部は、複数の前記一対の予備ローラを連動して回転させる回転機構を有する、
請求項1~3のいずれか1つに記載の電池用電極製造装置。
【請求項5】
前記基材フィルムの搬送方向に沿う搬送速度と、前記一対の予備ローラの回転速度とは、一定範囲内で同期している、
請求項1~4のいずれか1つに記載の電池用電極製造装置。
【請求項6】
前記湿潤粉体に対して、セパレータを供給するセパレータ供給部、
を更に備え、
複数の前記一対の予備ローラ及び前記一対のローラは、前記湿潤粉体を、前記セパレータと前記基材フィルムとの間に挟み込んで圧縮する、
請求項1~5のいずれか1つに記載の電池用電極製造装置。
【請求項7】
前記予備プレス部及び前記プレス部は、内部が大気圧よりも減圧されたチャンバ内に配置される、
請求項1~6のいずれか1つに記載の電池用電極製造装置。
【請求項8】
前記湿潤粉体は、ペンデュラー状態又はファニキュラー状態の湿潤粉体である、
請求項1~7のいずれか1つに記載の電池用電極製造装置。
【請求項9】
電極活物質及び電解液を含む湿潤粉体を、帯状の基材フィルムに供給する供給工程と、
前記供給工程によって供給された前記湿潤粉体を載せた前記基材フィルムを搬送する供給工程と、
前記供給工程によって前記基材フィルムに供給された前記湿潤粉体を一対の予備ローラにより圧縮する予備プレス工程と、
前記予備プレス工程による圧縮の後に、前記湿潤粉体を一対のローラにより圧縮するプレス工程と、
を含み、
前記予備プレス工程は、複数の前記一対の予備ローラにより前記湿潤粉体を段階的に圧縮し、
前記一対の予備ローラ間のギャップは、前記一対のローラ間のギャップよりも大きく設定されている、電池用電極製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電池用電極製造装置及び電池用電極製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン電池は高容量の二次電池であり、近年様々な用途で使用されている。例えば、リチウムイオン二次電池の電極は、集電体上に活物質層を備えている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
【0003】
特許文献1は、リチウムイオン伝導性ゲルを固体の電解質として用いるリチウムポリマー二次電池の製造方法を開示している。特許文献1では、例えば、リチウムイオン伝導性ゲルのプレカーサー溶液を含浸させた電極(活物質層)を保持する容器をローラにより平坦化した後に、プレカーサー溶液を硬化させることで、電極表面に平坦なリチウムイオン伝導性ゲル層を形成している。
【0004】
特許文献2では、帯状の基材フィルムであるシート状の集電体に、活物質とバインダとを含む複合粒子(粒体)を電極組成物として供給し、ロールプレスにより電極組成物を圧延することで、活物質層を形成している。例えば、特許文献2では、第一圧延工程として一対のローラにより電極組成物を1回圧延した後、第二圧延工程として複数の一対のローラにより電極組成物を多段で圧延することで、高密度な活物質層を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第4188668号公報
【特許文献2】特許第6633866号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献2では、大径のローラで第一圧延工程を行い、小径のローラで第二圧延工程を行っている。しかし、圧縮前の電極組成物の状態によっては、1回目の圧縮で大径ローラを用いると、電極組成物が平坦な状態で押し固められずに、不均一な状態で圧縮される場合がある。かかる場合、高密度な活物質層が形成できず、電子伝導性が低下する。
【0007】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、高密度な電極活物質層を形成して電子伝導性を向上させることができる電池用電極製造装置及び電池用電極製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために、本発明に係る電池用電極製造装置は、電極活物質及び電解液を含む湿潤粉体を、帯状の基材フィルムに供給する粉体供給部と、前記粉体供給部から供給された前記湿潤粉体を載せた前記基材フィルムを搬送する搬送部と、前記粉体供給部から前記基材フィルムに供給された前記湿潤粉体を圧縮する一対の予備ローラを含む予備プレス部と、前記予備プレス部による圧縮の後に、前記湿潤粉体を圧縮する一対のローラを含むプレス部とを備える。前記予備プレス部は、前記湿潤粉体を段階的に圧縮する前記一対の予備ローラを複数含み、前記一対の予備ローラ間のギャップは、前記一対のローラ間のギャップよりも大きく設定されている。
【発明の効果】
【0009】
本発明の電池用電極製造装置及び電池用電極製造方法によれば、高密度な活物質層を形成して電子伝導性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1図1は、実施形態の電池用電極製造装置を用いて製造される電池の単セルの断面模式図である。
図2図2は、実施形態の電池用電極製造装置の概略図である。
図3図3は、実施形態の電池用電極製造装置に含まれる予備プレス装置及びプレス装置を示す図である。
図4図4は、予備プレス装置及びプレス装置による電極組成物の圧縮過程を模式的に示す図である。
図5図5は、予備プレス装置が有する回転機構の一例を示す図である。
図6図6は、第1変形例の電池用電極製造装置の概略図である。
図7図7は、第2変形例の電池用電極製造装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
(実施形態)
以下、図面を参照して、本発明を適用した実施形態について説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴部分を強調する目的で、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、一部を省略して図示している場合がある。
【0012】
<組電池(二次電池)>
実施形態の電池用電極製造装置及び電池用電極製造方法は、例えば、リチウムイオン電池の製造に適用される。リチウムイオン電池は、複数のリチウムイオン単電池(単セル又は電池セルとも記載する)を組み合わせてモジュール化した組電池、或いは、このような組電池を複数組み合わせて電圧及び容量を調整した電池パックの形態で使用される。
【0013】
<単セル(電池セル)>
図1は、単セル10の断面模式図である。単セル10を複数組み合わせることで上記の組電池を作製することが可能である。例えば、単セル10は、2つの電極20(電池用電極)としての正極20a及び負極20bと、セパレータ30とを有する。
【0014】
セパレータ30は、正極20aと負極20bとの間に配置される。組電池において、複数の単セル10は、正極20aと負極20bとを同方向に向けて積層される。
【0015】
セパレータ30には、電解質が保持される。これにより、セパレータ30は、電解質層として機能する。セパレータ30は、正極20a及び負極20bの電極活物質層22の間に配置され、これらが互いに接触することを抑制する。これにより、セパレータ30は、正極20aと負極20bとの間の隔壁として機能する。
【0016】
セパレータ30に保持される電解質としては、例えば、電解液またはゲルポリマー電解質等が挙げられる。これらの電解質を用いることで、高いリチウムイオン伝導性が確保される。セパレータの形態としては、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。
【0017】
正極20a及び負極20bは、それぞれ、集電体21と、電極活物質層22と、枠体35とを有する。電極活物質層22と集電体21とは、セパレータ30側からこの順に並ぶ。枠体35は、額縁状(環状)である。枠体35は、電極活物質層22の周囲を囲む。正極20aの枠体35と負極20bの枠体35とは、互いに溶着され一体化されている。以下の説明において、正極20a及び負極20bの電極活物質層22を互いに区別する場合、これらをそれぞれ正極活物質層22a、負極活物質層22bと呼ぶ。
【0018】
<正極集電体の具体例>
正極集電体層21aを構成する正極集電体としては、公知のリチウムイオン単電池に用いられる集電体を用いることができ、例えば、公知の金属集電体及び導電材料と樹脂とから構成されてなる樹脂集電体(特開2012-150905号公報及び国際公開第2015/005116号等に記載の樹脂集電体等)を用いることができる。正極集電体層21aを構成する正極集電体は、電池特性等の観点から、樹脂集電体であることが好ましい。
【0019】
金属集電体としては、例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン及びこれらの金属を1種以上含む合金、並びに、ステンレス合金からなる群から選択される一種以上の金属材料が挙げられる。これらの金属材料は、薄板や金属箔等の形態で用いてもよい。また、上記金属材料以外で構成される基材表面にスパッタリング、電着、塗布等の方法により上記金属材料を形成したものを金属集電体として用いてもよい。
【0020】
樹脂集電体としては、導電性フィラーとマトリックス樹脂とを含むことが好ましい。マトリックス樹脂としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)等が挙げられるが、特に限定されない。また、導電性フィラーは、導電性を有する材料から選択されれば特に限定されない。導電性フィラーは、その形状が繊維状である導電性繊維であってもよい。
【0021】
樹脂集電体は、マトリックス樹脂及び導電性フィラーのほかに、その他の成分(分散剤、架橋促進剤、架橋剤、着色剤、紫外線吸収剤、可塑剤等)を含んでいてもよい。また、複数の樹脂集電体を積層して用いてもよく、樹脂集電体と金属箔とを積層して用いても良い。
【0022】
正極集電体層21aの厚さは、特に限定されないが、5~150μmであることが好ましい。複数の樹脂集電体を積層して正極集電体層21aとして用いる場合には、積層後の全体の厚さが5~150μmであることが好ましい。正極集電体層21aは、例えば、マトリックス樹脂、導電性フィラー及び必要により用いるフィラー用分散剤を溶融混練して得られる導電性樹脂組成物を公知の方法でフィルム状に成形することにより得ることができる。
【0023】
<正極活物質の具体例>
正極活物質層22aは、正極活物質を含む混合物の非結着体であることが好ましい。ここで、非結着体とは、正極活物質層中において正極活物質の位置が固定されておらず、正極活物質同士及び正極活物質と集電体とが不可逆的に固定されていないことを意味する。正極活物質層22aが非結着体である場合、正極活物質同士は不可逆的に固定されていないため、正極活物質同士の界面を機械的に破壊することなく分離することができ、正極活物質層22aに応力がかかった場合でも正極活物質が移動することで正極活物質層22aの破壊を防止することができ好ましい。非結着体である正極活物質層22aは、正極活物質層22aを、正極活物質と電解液とを含みかつ結着剤を含まない正極活物質層22aにする等の方法で得ることができる。なお、本明細書において、結着剤とは、正極活物質同士及び正極活物質と集電体とを可逆的に固定することができない薬剤を意味し、デンプン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、スチレン-ブタジエンゴム、ポリエチレン及びポリプロピレン等の公知の溶剤乾燥型のリチウムイオン電池用結着剤等が挙げられる。これらの結着剤は、溶剤に溶解又は分散して用いられ、溶剤を揮発、留去することで表面が粘着性を示すことなく固体化するので正極活物質同士及び正極活物質と集電体とを可逆的に固定することができない。
【0024】
正極活物質としては、例えば、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属元素が2種である複合酸化物、金属元素が3種類以上である複合酸化物等が挙げられるが、特に限定されない。
【0025】
正極活物質は、その表面の少なくとも一部が高分子化合物を含む被覆材により被覆された被覆正極活物質であってもよい。正極活物質の周囲が被覆材で被覆されていると、正極の体積変化が緩和され、正極の膨張を抑制することができる。
【0026】
被覆材を構成する高分子化合物としては、特開2017-054703号公報及び国際公開第2015/005117号等に活物質被覆用樹脂として記載されたものを好適に用いることができる。
【0027】
被覆材には、導電剤が含まれていてもよい。導電剤としては、正極集電体層21aに含まれる導電性フィラーと同様のものを好適に用いることができる。
【0028】
正極活物質層22aには、粘着性樹脂が含まれていてもよい。粘着性樹脂としては、例えば、特開2017-054703号公報に記載された非水系二次電池活物質被覆用樹脂に少量の有機溶剤を混合してそのガラス転移温度を室温以下に調節したもの、及び、特開平10-255805号公報に粘着剤として記載されたもの等を好適に用いることができる。なお、粘着性樹脂は、溶媒成分を揮発させて乾燥させても固体化せずに粘着性(水、溶剤、熱等を使用せずに僅かな圧力を加えることで接着する性質)を有する樹脂を意味する。一方、結着剤として用いられる溶液乾燥型の電極用バインダーは、溶媒成分を揮発させることで乾燥、固体化して活物質同士を強固に接着固定するものを意味する。したがって、上述した結着剤(溶液乾燥型の電極バインダー)と粘着性樹脂とは、異なる材料である。
【0029】
正極活物質層22aには、電解質と非水溶媒を含む電解液が含まれていてもよい。電解質としては、公知の電解液に用いられているもの等が使用できる。非水溶媒としては、公知の電解液に用いられているもの(例えば、リン酸エステル、ニトリル化合物等及びこれらの混合物等)等が使用できる。例えば、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合液、又は、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)の混合液を用いることができる。
【0030】
正極活物質層22aには、導電助剤が含まれていてもよい。導電助剤としては、正極集電体層21aに含まれる導電性フィラーと同様の導電性材料を好適に用いることができる。
【0031】
正極活物質層22aの厚さは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、150~600μmであることが好ましく、200~450μmであることがより好ましい。
【0032】
実施形態において、正極活物質層22aを形成するために供給される正極組成物は、正極活物質と非水電解液を含んでなる湿潤粉体である。また、湿潤粉体はペンデュラー状態又はファニキュラー状態であることがより好ましい。
【0033】
湿潤粉体における非水電解液の割合は、特に限定されないが、ペンデュラー状態又はファニキュラー状態とするためには、正極の場合には非水電解液の割合を湿潤粉体全体の0.5~15重量%とすることが望ましい。
【0034】
<負極集電体の具体例>
負極集電体層21bを構成する負極集電体としては、正極集電体で記載した構成と同様のものを適宜選択して用いることができ、同様の方法により得ることができる。負極集電体層21bは、電池特性等の観点から、樹脂集電体であることが好ましい。負極集電体層21bの厚さは、特に限定されないが、5~150μmであることが好ましい。
【0035】
<負極活物質の具体例>
負極活物質層22bは、負極活物質を含む混合物の非結着体であることが好ましい。負極活物質層が非結着体であることが好ましい理由、及び非結着体である負極活物質層22bを得る方法等は、正極活物質層22aが非結着体であることが好ましい理由、及び非結着体である正極活物質層22aを得る方法と同様である。
【0036】
負極活物質としては、例えば、炭素系材料、珪素系材料及びこれらの混合物等を用いることができるが、特に限定されない。
【0037】
負極活物質は、その表面の少なくとも一部が高分子化合物を含む被覆材により被覆された被覆負極活物質であってもよい。負極活物質の周囲が被覆材で被覆されていると、負極の体積変化が緩和され、負極の膨張を抑制することができる。
【0038】
被覆材としては、被覆正極活物質を構成する被覆材と同様のものを好適に用いることができる。
【0039】
負極活物質層22bは、電解質と非水溶媒を含む電解液を含有する。電解液の組成は、正極活物質層22aに含まれる電解液と同様の電解液を好適に用いることができる。
【0040】
負極活物質層22bには、導電助剤が含まれていてもよい。導電助剤としては、正極活物質層22aに含まれる導電性フィラーと同様の導電性材料を好適に用いることができる。
【0041】
負極活物質層22bには、粘着性樹脂が含まれていてもよい。粘着性樹脂としては、正極活物質層22aの任意成分である粘着性樹脂と同様のものを好適に用いることができる。
【0042】
負極活物質層22bの厚さは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、150~600μmであることが好ましく、200~450μmであることがより好ましい。
【0043】
実施形態において、負極活物質層22bを形成するために供給される負極組成物は、負極活物質と非水電解液を含んでなる湿潤粉体である。また、湿潤粉体はペンデュラー状態又はファニキュラー状態であることがより好ましい。
【0044】
湿潤粉体における非水電解液の割合は、特に限定されないが、ペンデュラー状態又はファニキュラー状態とするためには、負極の場合には非水電解液の割合を湿潤粉体全体の0.5~25重量%とすることが望ましい。
【0045】
<セパレータの具体例>
セパレータ30に保持される電解質としては、例えば、電解液又はゲルポリマー電解質等が挙げられる。セパレータ30は、これらの電解質を用いることで、高いリチウムイオン伝導性が確保される。セパレータ30の形態としては、例えば、ポリエチレン又はポリプロピレン製の多孔性フィルム等が挙げられるが、特に限定されない。
【0046】
<枠体の具体例>
枠体35としては、電解液に対して耐久性のある材料であれば特に限定されないが、例えば、高分子材料が好ましく、熱硬化性高分子材料がより好ましい。枠体35を構成する材料としては、絶縁性、シール性(液密性)、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよく、樹脂材料が好適に採用される。より具体的には、枠体35としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂及びポリフッ化ビニリデン樹脂等が挙げられ、耐久性が高く取り扱いが容易であることからエポキシ系樹脂が好ましい。
【0047】
<電池用電極製造装置及び電池用電極製造方法>
次に、本実施形態の電池用電極製造装置及び電池用電極製造方法(以下、製造方法と略して呼ぶ)について説明する。例えば、電池用電極製造装置及び電池用電極製造方法では、まず正極20a及び負極20bが製造される。正極20aの製造方法と負極20bの製造方法とは、主に電極活物質層22に含まれる電極活物質が異なる。ここでは、電極20の製造方法として、正極20a及び負極20bの製造方法をまとめて説明する。
【0048】
図2は、電池用電極製造装置1000の概略図である。例えば、電池用電極製造装置1000は、チャンバ100、搬送機構150、枠体供給装置200、粉体供給装置300、予備プレス装置400及びプレス装置500を含む。搬送機構150は、搬送部の一例であり、粉体供給装置300は、粉体供給部の一例であり、予備プレス装置400は、予備プレス部の一例であり、プレス装置500は、プレス部の一例である。なお、以下では、帯状の基材フィルムが帯状の集電体21Bである場合を一例として説明する。
【0049】
チャンバ100は、内部を大気圧よりも減圧された状態に保持できる部屋である。チャンバ100の内部は、図示しない減圧ポンプにより大気圧よりも減圧される。なお、標準大気圧は、約1013hPa(約10Pa)である。
【0050】
例えば、チャンバ100の外部に集電体ロール21Rが配置され、集電体ロール21Rから引き出された帯状の集電体21Bが、スリットを通してチャンバ100の内部に搬送される。以下、帯状の集電体21Bを集電体21Bと記載する場合がある。なお、集電体21Bは、上述した集電体21が所定の形状に切り出される前のものである。集電体21Bは、搬送方向Dに沿って搬送される。例えば、集電体21Bは、搬送機構150によって、所定の速度で搬送される。以下では、集電体21Bが搬送される方向を下流側D1、その反対方向を上流側D2として説明する。なお、集電体ロール21Rが配置されるチャンバ100の外部空間は、常圧であってもよいし、チャンバ100と異なるチャンバによって減圧されていてもよい。
【0051】
図2に示す搬送機構150は、駆動ローラ及び従動ローラを有する。駆動ローラは、集電体21Bの上方向側に配置されており、図示しない制御装置による駆動制御により、集電体21Bが搬送方向Dの下流側D1に搬送されるよう、回転する。従動ローラは、集電体21Bの下方向側に配置されており、駆動ローラの回転により集電体21Bが搬送方向Dの下流側D1に移動することに連動して、回転する。搬送機構150は、チャンバ100の内部空間において、搬送方向Dに離間して複数設置されている。最上流側の搬送機構150は、集電体21Bのみを上下方向において挟み込んで、搬送方向Dの下流側D1に搬送する。最下流側の搬送機構150は、少なくとも集電体21B及び枠体35を上下方向において挟み込んで搬送方向Dの下流側D1に搬送する。
【0052】
枠体供給装置200は、搬送される集電体21Bに対して枠体35を供給する。なお、図2では枠体供給装置200がチャンバ100の内部に配置される場合を示すが、枠体供給装置200はチャンバ100の外部に配置されてもよい。例えば、枠体供給装置200は、ロボットアームを有し、事前に製造された枠体35を、搬送される集電体21B上の所定の位置に配置する。なお、枠体35を集電体21Bに配置した後、集電体21B及び枠体35を挟み込むように、ロールプレスで圧縮することとしてもよい。
【0053】
また、図2においては予め製造された枠体35を集電体21B上に置くものとして説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、枠体35は、集電体21Bの上で製造されてもよい。一例を挙げると、集電体21Bを基材とし、ディスペンサーやコーター等によって集電体21B上に所定の材料を所定の形状に吐出又は塗布することで、集電体21B上に枠体35を形成することができる。
【0054】
粉体供給装置300は、図2に示す通り、チャンバ100内で搬送される集電体21B上に電極組成物22cを供給する。上述したように、実施形態において、電極活物質層22(正極活物質層22a、負極活物質層22b)を形成するために、粉体供給装置300から供給される電極組成物22c(正極組成物、負極組成物)は、電極活物質(正極活物質、負極活物質)と電解液(非水電解液)を含んでなる湿潤粉体である。すなわち、粉体供給装置300は、電極活物質及び電解液を含む湿潤粉体を、帯状の基材フィルムである集電体21Bに供給する。また、実施形態において、電極組成物22cとしての湿潤粉体は、ペンデュラー状態又はファニキュラー状態であることがより好ましい。また、電極活物質は、高分子化合物を含む被覆材により被覆された被覆電極活物質である。
【0055】
例えば、粉体供給装置300は、内部に湿潤粉体である電極組成物22cを保持するホッパと、当該ホッパの開口を開閉するシャッタとを備える。粉体供給装置300は、シャッタを開閉することにより、搬送される集電体21B上の搬送方向Dにおける所望の位置に、所望の量の電極組成物22cを供給することができる。電極組成物22cに含まれる電極活物質は、被覆電極活物質であるため、集電体21B上に供給する工程では、電極組成物22cを柔らかい状態にしておくことが必要となる。上述した搬送機構150は、粉体供給装置300から供給された電極組成物22c(湿潤粉体)を載せた集電体21Bを搬送する。
【0056】
予備プレス装置400及びプレス装置500は、帯状の基材フィルムの一例である帯状の集電体21B上に供給された電極組成物22cを圧縮して、図1に示す電極活物質層22を形成する。図3は、電池用電極製造装置1000に含まれる予備プレス装置400及びプレス装置500を示す図である。図4は、予備プレス装置400及びプレス装置500による電極組成物22cの圧縮過程を模式的に示す図である。なお、図3は、図2に示す予備プレス装置400及びプレス装置500の拡大図であり、枠体35を省略して図示している。
【0057】
予備プレス装置400は、粉体供給装置300から集電体21Bに供給された湿潤粉体(電極組成物22c)を圧縮する一対の予備ローラを含む。ここで、予備プレス装置400は、湿潤粉体(電極組成物22c)を段階的に圧縮する一対の予備ローラを複数含む。すなわち、予備プレス装置400は、一対の予備ローラを少なくとも2つ含む。予備プレス装置400は、集電体21Bに載置された、電極活物質及び電解液を含んだ湿潤粉体である電極組成物22cを、搬送方向Dに沿って複数配置された一対の予備ローラにより集電体21Bと共に挟み込んで段階的に圧縮する。図2及び図3に示す一例では、予備プレス装置400は、8つの一対の予備ローラとして、上予備ローラ401a及び下予備ローラ402aと、上予備ローラ401b及び下予備ローラ402bと、上予備ローラ401c及び下予備ローラ402cと、上予備ローラ401d及び下予備ローラ402dと、上予備ローラ401e及び下予備ローラ402eと、上予備ローラ401f及び下予備ローラ402fと、上予備ローラ401g及び下予備ローラ402gと、上予備ローラ401h及び下予備ローラ402hとを有する。なお、以下では、上予備ローラ401a~hや下予備ローラ402a~hを特に区別しない場合、総称して「上予備ローラ401」や「下予備ローラ402」と記載する。
【0058】
図2及び図3に示すように、上予備ローラ401は、ペアとなる下予備ローラ402と同じ径である。集電体21Bに下から接触する下予備ローラ402a~hは、同じ高さに配置される。一方、電極組成物22c(湿潤粉体)に上から接触する上予備ローラ401a~hは、上流側D2から下流側D1に向かって、徐々に低くなるように配置されている。換言すると、上予備ローラ401と下予備ローラ402とが対向する距離は、上流側D2から下流側D1に向かって徐々に短くなっている。すなわち、複数の一対の予備ローラ間のギャップは、集電体21Bの搬送方向Dの下流側D1に向かうに従い減少する。
【0059】
電極組成物22cは、図3に示すように、予備プレス装置400により、段階的に厚さAから厚さB1まで圧縮される。例えば、厚さAは1000μmであり、厚さB1は700~800μmである。すなわち、予備プレス装置400は、電極組成物22cの厚さを、1000μmから700~800μmまで、8段階で減少させる。例えば、予備プレス装置400は、電極組成物22cの厚さを、8回のロールプレスそれぞれで、25~37.5μm減少させる。なお、一対の予備ローラ(上予備ローラ401及び下予備ローラ402)の数は、8つに限定されず、2つ以上であれば良く、少しずつ段階的に圧縮を行うため、3つ以上であることが好ましい。
【0060】
プレス装置500は、予備プレス装置400による圧縮の後に、電極組成物22c(湿潤粉体)を圧縮する一対のローラを含む。プレス装置500は、予備プレス装置400における一対の予備ローラより径が大きい一対のローラによって電極組成物22c(湿潤粉体)を圧縮する。すなわち、プレス装置500は、予備プレス装置400により圧縮された電極組成物22cを、一対の予備ローラより径が大きい一対のローラにより集電体21Bと共に挟み込んで圧縮する。図2及び図3に示す一例では、プレス装置500は、一対のローラとして、上ローラ501及び上ローラ502を有する。図2及び図3に示すように、上ローラ501は、ペアとなる下ローラ502と同じ径であり、上ローラ501の径は、上予備ローラ401の径より大きい。例えば、上予備ローラ401の径は、上ローラ501の径の1/3倍以下である。また、上ローラ501と下ローラ502とが対向する距離は、上予備ローラ401hと下予備ローラ402hとが対向する距離より短い。換言すると、一対の予備ローラ間のギャップは、一対のローラ間のギャップよりも大きく設定されている。そして、複数の一対の予備ローラ間のギャップのうち最小のギャップは、一対のローラ間のギャップよりも大きく設定されている。
【0061】
電極組成物22cは、図3に示すように、プレス装置500により、厚さB1から厚さB2まで圧縮されることで、電極活物質層22となる。例えば、厚さB2は600μmである。すなわち、プレス装置500は、電極組成物22cの厚さを、1回のロールプレスで、700~800μmから600μmまで減少させる。
【0062】
予備プレス装置400による予備プレス工程では、小径ローラ(上予備ローラ401、下予備ローラ402)を用いた多段のロールプレスにより、柔らかい状態で載置されている電極組成物22cを、表面を平坦な状態に維持しつつ、少しずつ段階的に圧縮する(図4の左図を参照)。これにより、電極組成物22cに含まれる電極活物質は、相互の隙間が徐々に減少して液架橋が生じ、高分子化合物を介して相互にくっつきだし、最終的に、ある程度押し固められた状態となる。そして、プレス装置500によるプレス工程では、大径ローラ(上ローラ501、下ローラ502)を用いた1段のロールプレスにより、押し固められた状態の電極組成物22cを、変形させることなく均等に所望の厚さB2まで圧縮し、電極活物質層22を形成する(図4の右図を参照)。なお、図4では下予備ローラ402と下ローラ502を省略している。
【0063】
ここで、基材フィルムである集電体21Bの搬送方向Dに沿う搬送に応じて、予備プレス装置400が含む一対の予備ローラは回転駆動する。このため、予備プレス装置400は、複数の一対の予備ローラ(上予備ローラ401及び下予備ローラ402)を連動して回転させる回転機構403を有することが好ましい。図5は、予備プレス装置400が有する回転機構403の一例を示す図である。
【0064】
図5に示す回転機構403は、ギヤドモータ403aの回転を、プーリー403b及びタイミングベルト403cを介して、保持部材403dにより所定の高さで回転可能に保持されている上予備ローラ401a~hそれぞれに伝達する。プーリー403bは、ギヤドモータ403a及び上予備ローラ401a~hそれぞれの回転軸に設けられ、タイミングベルト403cは、隣り合う2つのプーリー403bそれぞれに架け渡される。この構成において、ギヤドモータ403aが回転すると、上予備ローラ401a~hは連動して回転する。なお、予備プレス装置400は、下予備ローラ402a~hを連動して回転させるため、回転機構403と同様の構成の回転機構を有している。ここで、湿潤粉体が均一に圧縮されるように、基材フィルムである集電体21Bの搬送方向Dに沿う搬送速度と、一対の予備ローラの回転速度とは、一定範囲内で同期している。かかる同期制御は、例えば、搬送機構150の駆動ローラの回転速度と、ギヤドモータ403aの回転速度とを制御することで実現される。
【0065】
これら予備プレス工程及びプレス工程の後、帯状の集電体21Bから集電体層21が適宜切り出される等して、電極20(集電体21、電極活物質層22及び枠体35)が製造される。また、一対の電極20(正極20a及び負極20b)を、セパレータ30を介して互いに向かい合わせに積層する等して、単セル10が製造される。
【0066】
上述したように、実施形態では、複数の一対の小径ローラ(上予備ローラ401及び下予備ローラ402)を用いたロールプレスにより、電極組成物22cである湿潤粉体を少しずつ圧縮させて、変形しにくくなる程度まで押し固める予備プレスを行なう。その後、実施形態では、大径ローラ(上ローラ501及び下ローラ502)を用いたロールプレスにより電極組成物22cを所望の厚さまで圧縮する。これにより、実施形態では、高密度な電極活物質層22を形成して電極20の電子伝導性を向上させることができる。
【0067】
また、実施形態では、予備プレス装置400による多段のロールプレスを、例えば大径ローラの径より1/3以下の径の小径ローラで行なうことで、予備プレス工程及びプレス工程のラインが長くなることを防止することができる。
【0068】
また、実施形態では、複数の一対の予備ローラ(上予備ローラ401及び下予備ローラ402)を連動して回転させることで、電極組成物22cを少しずつ確実に圧縮することができる。
【0069】
また、実施形態では、予備プレス装置400及びプレス装置500は、内部が大気圧よりも減圧されたチャンバ100内に配置される。電極組成物22cである湿潤粉体を減圧下で圧縮することで、電極組成物22cの内部に空気が残留することが防止でき、電極活物質層22の均一性を向上することができる。なお、実施形態では、多段のロールプレスを小径ローラで行なうことで、予備プレス工程及びプレス工程のラインが長くなることを防止することができるが、この利点は、減圧チャンバであるチャンバ100の内部で電極製造を行う場合、設備投資の観点からも大きな利点となる。
【0070】
なお、電極組成物22cはローラに付着しやすいが、これを防止するため、実施形態は、電極組成物22cの上にセパレータ30を供給して、電極組成物22cを予備プレス装置400及びプレス装置500により圧縮しても良い。図6は、第1変形例の電池用電極製造装置1000aの概略図である。
【0071】
図6に示す電池用電極製造装置1000aでは、粉体供給装置300と予備プレス装置400との間に、セパレータ供給装置600が配置され、プレス装置500の下流側D1にセパレータ回収装置700が配置される。セパレータ供給装置600は、セパレータ供給部の一例である。
【0072】
セパレータ供給装置600は、帯状の集電体21Bに載置された電極組成物22cである湿潤粉体に対して、セパレータ30を供給する。例えば、セパレータ供給装置600は、セパレータロールと、当該セパレータロールからセパレータシート30Bを引き出す駆動機構とから構成される。セパレータ供給装置600は、搬送方向Dに沿って所定速度で搬送される電極組成物22cに対して、セパレータシート30Bを同じ所定速度で搬送しながら重ね合わせる。より具体的には、セパレータ供給装置600は、搬送される電極組成物22cの上方に位置するローラを駆動機構として備え、当該ローラにより、セパレータシート30Bを所定速度で搬送しながら電極組成物22cに押し当てることで、電極組成物22cに対してセパレータ30を供給することができる。
【0073】
そして、複数の一対の予備ローラ(上予備ローラ401及び下予備ローラ402)及び一対のローラ(上ローラ501及び下ローラ502)は、電極組成物22cを、セパレータシート30Bと集電体21との間に挟み込んで圧縮する。
【0074】
セパレータ回収装置700は、セパレータシート30Bにおける余剰部分を回収する。すなわち、セパレータシート30Bの全体がセパレータ30として使用されるのではなく、セパレータシート30Bの端部等、セパレータ30として切り出されない部分が生じる場合がある。セパレータ回収装置600は、このような余剰部分を回収する。なお、セパレータ供給装置600が、個々の電極組成物22cに対して、セパレータ30を供給する場合、電池用電極製造装置1000aは、セパレータ回収装置700を備えなくても良い。
【0075】
上述した第1変形例では、予備プレス装置400及びプレス装置500による電極組成物22cの圧縮を、セパレータ30(セパレータシート30B)を介して行うことで、上予備ローラ401や上ローラ501への電極組成物22cの付着を防ぐことができる。これにより、第1変形例では、電極組成物22cの圧縮により形成される電極活物質層22の表面が不均一になったり、電極20に含まれる電極組成物22cの量が不安定になったりすることを確実に回避することができる。
【0076】
また、電極組成物22cのローラへの付着防止の観点からは、実施形態は、電極組成物22cの上に離形フィルムを供給して、電極組成物22cを予備プレス装置400及びプレス装置500により圧縮しても良い。図7は、第2変形例の電池用電極製造装置1000bの概略図である。
【0077】
図7に示す電池用電極製造装置1000bでは、粉体供給装置300と予備プレス装置400との間に、離型フィルム供給装置800が配置され、プレス装置500の下流側D1に離型フィルム回収装置900が配置される。離型フィルム供給装置800は、離型フィルム供給部の一例である。
【0078】
離型フィルム供給装置800は、集電体21Bに載置された電極組成物22cに対して、離型フィルム40Bを供給する。離型フィルム40Bの材質は特に限定されるものではないが、一例として、PET(Polyethylene terephthalate)を採用することができる。また、当該離型フィルム40Bの表面には離型剤を塗布することとしてもよい。例えば、離型フィルム供給装置400は、帯状の離型フィルム40Bをロール状に巻いた離型フィルムロールと、離型フィルムロールから離型フィルムを引き出す駆動機構とから構成される。離型フィルム供給装置400は、搬送方向Dに沿って所定速度で搬送される電極組成物22cに対して、離型フィルム40Bを同じ所定速度で搬送しながら重ね合わせる。より具体的には、離型フィルム供給装置400は、搬送される電極組成物22cの上方に位置するローラを駆動機構として備え、当該ローラにより、離型フィルム40Bを所定速度で搬送しながら電極組成物22cに押し当てることで、電極組成物22cに対して離型フィルム40Bを供給することができる。
【0079】
そして、複数の一対の予備ローラ(上予備ローラ401及び下予備ローラ402)及び一対のローラ(上ローラ501及び下ローラ502)は、電極組成物22cを、離型フィルム40Bと集電体21との間に挟み込んで圧縮する。
【0080】
離型フィルム回収装置600は、予備プレス装置400及びプレス装置500によって圧縮された後の離形フィルム40Bを、電極活物質層22から剥離させて回収する。例えば、離型フィルム回収装置600は、プレス装置500によって圧縮された後の離型フィルム40Bを巻き取り、廃棄や再利用をしやすいロール状にして管理する。
【0081】
上述した第2変形例では、予備プレス装置400及びプレス装置500による電極組成物22cの圧縮を、離形フィルム40Bを介して行うことで、上予備ローラ401や上ローラ501への電極組成物22cの付着を防ぐことができる。これにより、第2変形例でも、電極組成物22cの圧縮により形成される電極活物質層22の表面が不均一になったり、電極20に含まれる電極組成物22cの量が不安定になったりすることを確実に回避することができる。
【0082】
なお、上述した実施形態、第1変形例及び第2変形例では、枠体35内に載置された電極組成物22cを、予備プレス装置400及びプレス装置500により圧縮する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、帯状の集電体21Bの上に連続的に電極組成物22cを載置して、予備プレス装置400及びプレス装置500により圧縮して帯状の電極活物質層を形成し、その後、枠体35が配置可能なように、帯状の電極活物質層を矩形形状の電極活物質層22にトリミングしても良い。或いは、帯状の集電体21B上にマスク等内部に電極活物質層22を形成できる空間のあるものが載置され、その内部に電極組成物22cが供給され、予備プレス装置400及びプレス装置500により電極組成物22cが圧縮されても良い。かかる場合、マスクが除去された後に、枠体35が載置される。
【0083】
また、上述した実施形態、第1変形例及び第2変形例では、電極組成物22cが載置される帯状の基材フィルムが帯状の集電体21Bであるものとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図2に示した帯状の集電体21Bに代えて、帯状のセパレータシート30Bや、帯状の離形フィルム40Bを基材フィルムとしてもよい。
【0084】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。更に、各実施形態で示した構成のそれぞれを適宜組み合わせて利用できることは、言うまでもない。
【符号の説明】
【0085】
10:単セル
20:電極
20a:正極
20b:負極
21:集電体
21a:正極集電体層
21b:負極集電体層
21B:帯状の集電体
21R:集電体ロール
22:電極活物質層
22a:正極活物質層
22b:負極活物質層
22c:電極組成物(湿潤粉体)
30:セパレータ
30B:セパレータシート
35:枠体
40B:離型フィルム
100:チャンバ
150:搬送機構
200:枠体供給装置
300:粉体供給装置
400 予備プレス装置
401,401a,401b,401c,401d,401e,401f,401g,401h:上予備ローラ
402,402a,402b,402c,402d,402e,402f,402g,402h:下予備ローラ
403:回転機構
403a:ギヤドモータ
403b:プーリー
403c:タイミングベルト
403d:保持部材、
500:プレス装置
501:上ローラ
502:下ローラ
600:セパレータ供給装置
700:セパレータ回収装置
800:離型フィルム供給装置
900:離型フィルム回収装置
1000,1000a,1000b:電池用電極製造装置
D:搬送方向
D1:下流側
D2:上流側
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7