特開 2024-176559 電極シートの圧延装置

(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】P2024176559

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】電極シートの圧延装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/04 20060101AFI20241212BHJP

   H01M 4/139 20100101ALI20241212BHJP

   H01G 11/86 20130101ALI20241212BHJP

   H01G 13/00 20130101ALI20241212BHJP

   B21B 1/40 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

H01M4/04 A

H01M4/139

H01G11/86

H01G13/00 381

B21B1/40

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095148

(22)【出願日】2023-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】520184767

【氏名又は名称】プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100117606

【弁理士】

【氏名又は名称】安部 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100121186

【弁理士】

【氏名又は名称】山根 広昭

(74)【代理人】

【識別番号】100130605

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 浩治

(74)【代理人】

【識別番号】100218084

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊光

(72)【発明者】

【氏名】山崎 俊

(72)【発明者】

【氏名】三藤 正博

(72)【発明者】

【氏名】丸尾 哲正

(72)【発明者】

【氏名】芳賀 健吾

(72)【発明者】

【氏名】秋葉 祥恵

【テーマコード（参考）】

4E002

5E078

5E082

5H050

【Ｆターム（参考）】

4E002AD13

4E002BB09

4E002CA08

5E078AA15

5E078AB01

5E078BB24

5E078BB30

5E082AB10

5E082LL40

5E082MM22

5H050AA19

5H050BA14

5H050BA17

5H050CA07

5H050CB08

5H050GA03

5H050GA29

5H050HA04

(57)【要約】

【課題】圧延ロールのＤＬＣ被膜が剥離してもコンタミが発生しにくい電極シートの圧延装置
【解決手段】圧延装置は、蓄電デバイスの電極シートが搬送される搬送経路に配置された圧延装置であって、一対の圧延ロール３１を備えている。一対の圧延ロール３１は、それぞれ、基材３２と、基材３２の外周面のうち電極シートを圧延する圧延領域に少なくとも形成された下地層３３と、下地層３３の外周面上に形成されたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜３４と、を有している。下地層３３は、基材３２よりも硬い。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄電デバイスの電極シートが搬送される搬送経路に配置された圧延装置であって、
一対の圧延ロールを備えており、
前記一対の圧延ロールは、それぞれ、
基材と、
前記基材の外周面のうち前記電極シートを圧延する圧延領域に少なくとも形成された下地層と、
前記下地層の外周面上に形成されたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜と、を有し、
前記下地層は、前記基材よりも硬い、
電極シートの圧延装置。

【請求項2】

前記下地層は、超硬合金によって形成されている、
請求項１に記載の電極シートの圧延装置。

【請求項3】

前記下地層の平均厚みは、前記ＤＬＣ被膜の平均厚みよりも厚い、
請求項１に記載の電極シートの圧延装置。

【請求項4】

前記下地層の平均厚みは５０μｍ以上である、
請求項１に記載の電極シートの圧延装置。

【請求項5】

前記下地層は、溶射被膜によって構成されている、
請求項１に記載の電極シートの圧延装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電極シートの圧延装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特許文献１には、帯状金属箔に活物質スラリー層とセラミックスラリー層とを塗工した電極材料を厚み方向にプレスする工程を含む電極材料の製造方法が開示されている。セラミックスラリー層には、セラミック粒子が含まれている。特許文献１に記載の方法では、電極材料を搬送しながら、ロール本体の外周面をダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の耐摩耗層で覆ったプレスロールによってプレスする。特許文献１によれば、耐摩耗層によりロール本体とセラミック粒子との直接の摺接がなくなり、ロール本体の摩耗が抑制される、とされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－１９０６８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されているように、蓄電デバイスの電極シートを圧延する圧延ロールの表面に硬度の高いＤＬＣ被膜を形成することにより、圧延ロールの耐摩耗性を向上させることができる。しかし、ＤＬＣ被膜は靭性が弱く、圧延ロールの基材から剥離する場合がある。ＤＬＣ被膜が剥離すると、基材が急速に摩耗する。基材が急速に摩耗すると、摩耗によって発生した基材の微粒子がコンタミとなり、電極シートの品質に影響を与えるおそれがある。

【0005】

そこで、ここでは、圧延ロールのＤＬＣ被膜が剥離してもコンタミが発生しにくい電極シートの圧延装置を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

ここに開示される電極シートの圧延装置は、蓄電デバイスの電極シートが搬送される搬送経路に配置された圧延装置であって、一対の圧延ロールを備えている。前記一対の圧延ロールは、それぞれ、基材と、前記基材の外周面のうち前記電極シートを圧延する圧延領域に少なくとも形成された下地層と、前記下地層の外周面上に形成されたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜と、を有している。前記下地層は、前記基材よりも硬い。

【0007】

上記電極シートの圧延装置によれば、基材とＤＬＣ被膜との間に、基材よりも硬い下地層が存在する。圧延ロールのＤＬＣ被膜が剥離しても、下地層により、基材は電極シートに触れない。そのため、基材の摩耗が防止される。また、下地層は基材よりも硬く、摩耗しにくい。その結果、コンタミを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】電極シートの圧延装置の模式的な側面図である。

【図2】電極シートの圧延装置の模式的な平面図である。

【図3】圧延ロールの模式的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、蓄電デバイスの電極シートの圧延装置の一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は、模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。

【0010】

［圧延装置の構成］
図１は、一実施形態に係る電極シートの圧延装置１０の模式的な側面図である。図２は、電極シートの圧延装置１０の模式的な平面図である。圧延装置１０は、ここでは、リチウムイオン二次電池の電極シート１を圧延するものである。ただし、電極シート１は、リチウムイオン二次電池の電極シートには限定されず、公知の各種蓄電デバイスの電極シートであってもよい。蓄電デバイスとは、電気エネルギーを取り出し可能なデバイス全般を指す用語であって、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池（化学電池）と、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（物理電池）と、を包含する。

【0011】

電極シート１は、帯状の電極箔２と、電極箔２に形成された活物質層３と、を備えている。正極シートは、予め定められた幅および厚さの帯状の電極箔２（例えば、アルミニウム箔）の表面に、正極活物質を含む正極活物質層３が形成された部材である。正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収しうる材料である。負極シートは、予め定められた幅および厚さの帯状の電極箔２（例えば、銅箔）の表面に、負極活物質を含む負極活物質層３が形成された部材である。負極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出しうる材料である。正極活物質および負極活物質は、上記した材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。

【0012】

正極シートは、活物質層３を保護し、電解液との反応を防ぐ保護層４をさらに備えている。保護層４は、ここでは、金属酸化物（セラミック）の不動態を含む層である。保護層４は、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）を含んでいる。ただし、保護層４は、上記した材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。保護層４は、正極の活物質層３の上層に重ねて形成されている。図１および図２では、電極シート１として、保護層４を備えた正極シートを図示する。また、以下では、特に断らない限り、電極シート１は保護層４を有するものとして説明を行う。

【0013】

活物質層３の原料は、スラリー状にされ、電極箔２に塗工される。活物質層３の原料は、電極箔２の片面に塗工されてもよく、両面に塗工されてもよい。正極シートの場合、保護層４の材料は、スラリー状にされ、活物質層３に重ねて塗工される。電極シート１には、活物質層３および保護層４が塗工された部分と、活物質層３も保護層４も形成されていない未塗工部とが形成される。塗工されたスラリー状の活物質層３および保護層４の原料は、乾燥工程で乾燥される。圧延装置１０は、その後、電極シート１を長手方向に搬送しながら連続的にプレスし、活物質層３および保護層４の厚さを所定の範囲内の厚さに調整するとともに、活物質層３内の活物質を高密度化する。

【0014】

図１に示すように、圧延装置１０は、蓄電デバイスの電極シート１が搬送される搬送経路に配置されている。図１に示すように、圧延装置１０自体も、電極シート１を搬送する機構を備えていてもよい。本実施形態では、圧延装置１０は、巻出装置２０と、プレス装置３０と、巻取装置４０と、を備えている。活物質層３および保護層４を乾燥させた後の電極シート１は、ロールで巻出装置２０に供給される。巻取装置４０は、巻出装置２０から繰り出され、プレス装置３０によって圧延された電極シート１を巻き取る。ただし、圧延装置１０は、他の搬送装置による電極シート１の搬送経路に設けられていてもよい。

【0015】

圧延装置１０（詳しくは、プレス装置３０）は、一対の圧延ロール３１Ｕおよび３１Ｄを備えている。上側の圧延ロール３１Ｕと下側の圧延ロール３１Ｄとは、電極シート１の搬送経路を挟んで上下に向かい合っている。上側の圧延ロール３１Ｕは、電極シート１を圧延する際、図示しない駆動装置によって下降され、下側の圧延ロール３１Ｄとともに電極シート１をプレスする。圧延後の活物質層３および保護層４の厚さは、膜厚センサ３５により測定される。上側の圧延ロール３１Ｕの上下方向の位置またはプレス圧は、膜厚センサ３５によって測定された活物質層３および保護層４の厚さを受けてフィードバック制御される。なお、以下では、上側の圧延ロール３１Ｕと下側の圧延ロール３１Ｄとを区別しない場合、符号３１を使用し、圧延ロール３１、一対の圧延ロール３１等と呼ぶことがある。

【0016】

圧延装置１０のプレス力は特に限定されないが、線圧４００００Ｎ／ｃｍに達する場合もあり得る。圧延ロール３１Ｕおよび３１Ｄの電極シート１の幅方向の長さは、１００ｃｍに達する場合もあり得る。圧延時の電極シート１の搬送速度も特に限定されないが、１００ｍ／分に達する場合もあり得る。圧延装置１０の線圧が高く、電極シート１の搬送速度が速く、かつ、保護層４が硬いことにより、一対の圧延ロール３１Ｕおよび３１Ｄには大きな摩擦力が加わる。保護層４のセラミック部分のビッカース硬さは、例えば、１４００～１８００ＨＶである。また、電極シート１の搬送速度が速いことにより、時間当たりの圧延ロール３１の摩耗量も大きくなる。

【0017】

図３は、圧延ロール３１の模式的な断面図である。図３に示すように、圧延ロール３１は、基材３２と、下地層３３と、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜３４と、を有している。基材３２は、円筒形に形成された圧延ロール３１の基体である。基材３２は、例えば、高炭素軸受鋼鋼材（ＳＵＪ材）、好ましくは、例えば、汎用性の高いＳＵＪ２によって形成されている。ただし、基材３２の材質は、ＳＵＪ材に限定されない。基材３２は、例えば、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼等からなっていてもよい。基材３２の材料としては、圧延ロール３１のプレス圧に耐える強度を有し、かつ、入手性、加工性、コスト等が優れる材料が好ましい。基材３２の硬度は、本実施形態では、それほど高い必要はない。基材３２として好ましい材料のビッカース硬さは、例えば、６００ＨＶ以上９００ＨＶ以下である。

【0018】

下地層３３は、基材３２よりも硬い層であり、基材３２の表面に形成されている。下地層３３は、基材３２の外周面のうち電極シート１を圧延する圧延領域３２ａ（図２参照）に少なくとも形成されている。図２に示すように、圧延領域３２ａは、圧延時に電極シート１に接する領域である。電極シート１の幅方向に関する圧延領域３２ａの幅は、電極シート１の幅と等しい。下地層３３は、基材３２の外周面のうち、圧延領域３２ａを含み、圧延領域３２ａよりも広い部分に形成されていてもよい。例えば、下地層３３は、基材３２の外周面の全体に形成されていてもよい。

【0019】

本実施形態では、下地層３３は、超硬合金によって形成されている。さらに詳しくは、下地層３３は、超硬合金の溶射被膜によって形成されている。超硬合金は、タングステンカーバイドをコバルト、ニッケル等の金属で焼結した材料である。超硬合金において、タングステンカーバイドの微粒を結合する金属は、コバルト、ニッケルには限定されない。溶射被膜は、溶融状態または溶融に近い状態にした材料を基材に吹き付けて形成する被膜である。超硬金属の溶射被膜は、例えば、高速フレーム溶射法によって形成される。ただし、下地層３３は、超硬合金以外の材料、例えば、金属酸化物（セラミック）と金属とを含む材料（いわゆるサーメット）の溶射被膜であってもよい。または、下地層３３は、溶射以外の方法によって形成されていてもよい。例えば、下地層３３は、硬質クロムメッキによって形成されていてもよい。

【0020】

下地層３３は、少なくとも基材３２よりも硬い材料によって形成される。下地層３３のビッカース硬さは、好ましくは、９００ＨＶ以上である。下地層３３のビッカース硬さは、１２００ＨＶ以上あると、さらに好ましい。超硬金属のビッカース硬さは、１１００ＨＶ～１５００ＨＶ程度である。硬質クロムメッキのビッカース硬さは、７５０ＨＶ～１０００ＨＶ程度である。

【0021】

下地層３３は、好ましくは、厚く形成される。下地層３３を厚く形成するための工法としては、溶射が適している。下地層３３は、好適には、平均厚み５０μｍ以上となるように形成される。さらに好ましくは、下地層３３は、平均厚み１００μｍ以上となるように形成される。

【0022】

図３に示すように、ＤＬＣ被膜３４は、下地層３３の外周面上に形成されている。ＤＬＣ被膜３４は、ダイヤモンドおよび黒鉛の両方の炭素結合構造を有する炭素被膜である。ＤＬＣ被膜３４は、例えば、炭酸水素ガスをプラズマ化して蒸着するプラズマＣＶＤ（化学気相成長）法や、黒鉛を原料とするスパッタリングによって形成される。ＤＬＣ被膜３４のビッカース硬さは、例えば、１６００ＨＶ以上２５００ＨＶ以下である。ＤＬＣ被膜３４のビッカース硬さは、下地層３３のビッカース硬さよりも大きい。ＤＬＣ被膜３４の平均厚みは、例えば、２～３μｍである。ＤＬＣ被膜３４の実現可能な厚みは、数μｍ以下である。下地層３３の平均厚みは、ＤＬＣ被膜３４の平均厚みよりも厚い。下地層３３の平均厚みは、好ましくは、ＤＬＣ被膜３４の平均厚みの１０倍以上である。

【0023】

［実施形態の作用効果］
以下に、本実施形態に係る電極シート１の圧延装置１０によって奏することのできる作用効果について説明する。

【0024】

本実施形態に係る電極シート１の圧延装置１０は、蓄電デバイスの電極シート１が搬送される搬送経路に配置された圧延装置であって、一対の圧延ロール３１を備えている。一対の圧延ロール３１は、それぞれ、基材３２と、基材３２の外周面のうち電極シート１を圧延する圧延領域３２ａに少なくとも形成された下地層３３と、下地層３３の外周面上に形成されたＤＬＣ被膜３４と、を有している。下地層３３は、基材３２よりも硬い。

【0025】

ＤＬＣ被膜３４は靭性が弱く、基材３２から剥離する場合がある。例えば、圧延ロール３１が異物を噛み込んだりすると、ＤＬＣ被膜３４は剥離しやすい。従来、蓄電デバイスの電極シート１を圧延する圧延ロールは、基材の外周面にＤＬＣ被膜が形成されていた。そのため、従来の圧延ロールでは、ＤＬＣ被膜が剥離すると基材が急速に摩耗した。電極シート１、特に保護層４は非常に硬く、さらに、プレス圧が大きく、電極シート１の搬送速度が速いため、基材は急速に摩耗する。基材が急速に摩耗すると、摩耗によって発生した基材の微粒子がコンタミとなり、電極シート１の品質に影響を与えるおそれがある。

【0026】

それに対し、本実施形態に係る圧延装置１０では、基材３２とＤＬＣ被膜３４との間に、基材３２よりも硬い下地層３３が存在する。圧延ロール３１のＤＬＣ被膜３４が剥離しても、下地層３３により、基材３２は電極シート１に触れない。そのため、基材３２の摩耗は防止される。また、下地層３３は基材３２よりも硬く、摩耗しにくい。その結果、コンタミを抑制することができる。

【0027】

また、従来の圧延ロールでは、ＤＬＣ被膜が長時間の使用により摩耗し、一部または全部がなくなった場合にも、基材が急速に摩耗する。そのため、ＤＬＣ被膜が磨滅または剥離してから、ＤＬＣ被膜が磨滅または剥離したことが判明して圧延ロールを交換するまでの間にも、基材の摩耗が進行する。これにより、圧延ロールの寿命が短くなっていた。なお、基材が使用可能なうちは、基材にＤＬＣ被膜を再度形成して再利用する。

【0028】

それに対して、本実施形態に係る圧延装置１０では、ＤＬＣ被膜３４が磨滅または剥離した後に電極シート１に接して摩耗するのは下地層３３である。下地層３３は基材３２よりも硬く、基材３２よりも摩耗量が少ない。そのため、圧延ロール３１を再利用可能な状態に維持できる期間が長く、従来よりも多くの回数、ＤＬＣ被膜３４を再形成できる。その結果、圧延ロール３１の寿命を従来よりも長くすることができる。

【0029】

本実施形態では、下地層３３は、超硬合金によって形成されている。かかる構成によれば、超硬合金からなる下地層３３の硬度が高いため、圧延ロール３１の摩耗量をより少なくすることができる。

【0030】

本実施形態では、下地層３３の平均厚みは、ＤＬＣ被膜３４の平均厚みよりも厚い。かかる構成によれば、下地層３３の厚みが厚いため、圧延ロール３１の寿命をさらに長くすることができる。

【0031】

本実施形態では、下地層３３の平均厚みは５０μｍ以上である。かかる構成によれば、下地層３３の厚みが厚いため、圧延ロール３１の寿命をさらに長くすることができる。本願発明者の試作によれば、基材の表面にＤＬＣ被膜を形成する従来の圧延ロール（基材の材料はＳＵＪ２）に比べて、下地層３３の平均厚みが５０μｍ以上の圧延ロール３１の寿命は、数倍以上である。

【0032】

本実施形態では、下地層３３は、溶射被膜によって構成されている。かかる構成によれば、下地層３３の材料の自由度が高い。溶射は、被膜を形成可能な材料に制限が少ない。また、溶射によれば、下地層３３を厚く形成しやすい。

【0033】

［他の実施形態］
以上、ここで提案される電極シートの圧延装置の一実施形態について説明した。しかし、上記した実施形態は一例に過ぎず、他の態様で実施することもできる。例えば、上記した実施形態では、圧延ロール３１は、基材３２、下地層３３、およびＤＬＣ被膜３４の３層構造であったが、これには限定されない。圧延ロールは、最も径方向の内側に基材が、最も径方向の外側にＤＬＣ被膜が配置され、両者の間に下地層が配置された４層以上の層構造を有していてもよい。

【0034】

その他、上記した実施形態は、特に言及された場合を除いて本発明を限定しない。また、ここで開示される技術は、種々変更でき、特段の問題が生じない限りにおいて、各構成要素やここで言及された各処理は適宜に省略され、または、適宜に組み合わされ得る。

【0035】

本明細書は、以下の各項に記載の開示を含んでいる。

【0036】

項１：
蓄電デバイスの電極シートが搬送される搬送経路に配置された圧延装置であって、
一対の圧延ロールを備えており、
前記一対の圧延ロールは、それぞれ、
基材と、
前記基材の外周面のうち前記電極シートを圧延する圧延領域に少なくとも形成された下地層と、
前記下地層の外周面上に形成されたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜と、を有し、
前記下地層は、前記基材よりも硬い、
電極シートの圧延装置。

【0037】

項２：
前記下地層は、超硬合金によって形成されている、
項１に記載の電極シートの圧延装置。

【0038】

項３：
前記下地層の平均厚みは、前記ＤＬＣ被膜の平均厚みよりも厚い、
項１または２に記載の電極シートの圧延装置。

【0039】

項４：
前記下地層の平均厚みは５０μｍ以上である、
項１～３のいずれか一つに記載の電極シートの圧延装置。

【0040】

項５：
前記下地層は、溶射被膜によって構成されている、
項１～４のいずれか一つに記載の電極シートの圧延装置。

【符号の説明】

【0041】

１ 電極シート
２ 電極箔
３ 活物質層
４ 保護層
１０ 圧延装置
２０ 巻出装置
３０ プレス装置
３１ 圧延ロール
３１Ｄ 下側の圧延ロール
３１Ｕ 上側の圧延ロール
３２ 基材
３２ａ 圧延領域
３３ 下地層
３４ ＤＬＣ被膜
３５ 膜厚センサ
４０ 巻取装置

【図1】

【図2】

【図3】