(57)【要約】【課題】金属箔に皺が生じることを抑制すること。【解決手段】電極シート１０は、長尺状の金属箔１１に活物質層１２が設けられた塗工部２１と、金属箔１１が露出する未塗工部２２と、を備える。活物質層１２は、高密度領域１３と、低密度領域１４と、を備える。高密度領域１３は、第１活物質層１５により構成されている。低密度領域１４は、第１活物質層１５に、第１活物質層１５よりも密度の低い第２活物質層１６を重ねた層により構成されている。低密度領域１４は、高密度領域１３と未塗工部２２との間に位置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔に活物質層を設けた塗工部と、
前記金属箔が露出する未塗工部と、を備え、
前記活物質層は、
第１活物質層のみで構成された高密度領域と、
前記第１活物質層に前記第１活物質層よりも密度の低い第２活物質層を重ねた層により構成されており、前記高密度領域と前記未塗工部との間に位置する低密度領域と、を備えるリチウムイオン二次電池用の電極。
【請求項２】
前記低密度領域は、前記高密度領域から前記未塗工部に向けて徐々に密度が低くなる請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
【請求項３】
長尺状の金属箔を搬送する搬送装置と、
乾燥することで第１活物質層となる第１活物質合剤層を前記金属箔に形成する第１塗工装置と、
前記第１活物質合剤層を乾燥させる第１乾燥装置と、
前記第１活物質合剤層と前記金属箔の短手方向の両縁との間に位置し、前記金属箔が露出する部分を未塗工部とすると、前記未塗工部に沿う前記第１活物質合剤層の両端部を前記第１活物質合剤層の中央部よりも薄く成形する成形部と、
乾燥することで前記第１活物質層よりも密度の低い第２活物質層となる第２活物質合剤層を前記成形部による成形が行われた後の前記両端部に塗工する第２塗工装置と、
前記第２活物質合剤層を乾燥させる第２乾燥装置と、
前記第１活物質層及び前記第２活物質層を加圧する加圧装置と、を備えるリチウムイオン二次電池用の電極の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池用の電極及びリチウムイオン二次電池用の電極の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、正負の電極を備える。電極は、電極の原材料となる電極シートを切断することで得られる。電極シートは、帯状金属箔と活物質層とが重なり合う塗工部と、帯状金属箔と活物質層とが重なり合わない未塗工部と、を備える。特許文献１には、電極シートを製造する製造装置が記載されている。電極シートは、帯状金属箔に活物質層を設け、この活物質層を加圧することで製造される。特許文献１に記載の製造装置は、活物質層を一対のプレスロールで加圧している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１３９５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、プレスロールによって加圧されることで、活物質層を介して、塗工部の帯状金属箔は圧延される。一方で、活物質層が設けられていない未塗工部はプレスロールによってほとんど加圧されない。塗工部の帯状金属箔と、未塗工部とで、長手方向への寸法に差が生じ、この差に起因して未塗工部と塗工部の境界部には皺が生じるおそれがある。この皺は、電極シートから得られた電極にも残存し、金属箔から活物質層が剥離する原因となる。
【０００５】
本発明の目的は、金属箔に皺が生じることを抑制できるリチウムイオン二次電池用の電極及びリチウムイオン二次電池用の電極の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するリチウムイオン二次電池用の電極は、金属箔に活物質層を設けた塗工部と、前記金属箔が露出する未塗工部と、を備え、前記活物質層は、第１活物質層のみで構成された高密度領域と、前記第１活物質層に前記第１活物質層よりも密度の低い第２活物質層を重ねた層により構成されており、前記高密度領域と前記未塗工部との間に位置する低密度領域と、を備える。
【０００７】
活物質層を加圧したときに金属箔に加わる力は、金属箔において、密度が高い活物質層に接する部分ほど大きくなる。従って、リチウムイオン二次電池用の電極を製造する際に、活物質層の加圧を行うことで生じた金属箔の延び量は、高密度領域に接する部分に比べて、低密度領域に接する部分の方が少ない。未塗工部は、低密度領域に隣り合っているため、未塗工部と高密度領域が隣り合っている場合に比べて、加圧による金属箔の圧延を原因とする皺の発生を抑制できる。
【０００８】
上記リチウムイオン二次電池用の電極について、前記低密度領域は、前記高密度領域から前記未塗工部に向けて徐々に密度が低くなってもよい。
金属箔の低密度領域に接する部分は、未塗工部に近付くほど加圧による延び量が少なくなる。従って、未塗工部と塗工部との境界部に生じる応力の集中を抑制できる。
【０００９】
上記課題を解決するリチウムイオン二次電池用の電極の製造装置は、長尺状の金属箔を搬送する搬送装置と、乾燥することで第１活物質層となる第１活物質合剤層を前記金属箔に形成する第１塗工装置と、前記第１活物質合剤層を乾燥させる第１乾燥装置と、前記第１活物質合剤層と前記金属箔の短手方向の両縁との間に位置し、前記金属箔が露出する部分を未塗工部とすると、前記未塗工部に沿う前記第１活物質合剤層の両端部を前記第１活物質合剤層の中央部よりも薄く成形する成形部と、乾燥することで前記第１活物質層よりも密度の低い第２活物質層となる第２活物質合剤層を前記成形部による成形が行われた後の前記両端部に塗工する第２塗工装置と、前記第２活物質合剤層を乾燥させる第２乾燥装置と、前記第１活物質層及び前記第２活物質層を加圧する加圧装置と、を備える。
【００１０】
第２活物質層は、第１活物質層よりも密度が低い。従って、第１活物質層と第２活物質層とが重ねられた部分は、第１活物質層のみの部分に比べて密度が低い。加圧装置によって加圧された際の金属箔の延び量は、第１活物質層のみが設けられた部分に接する部分に比べて、第１活物質層と第２活物質層とが重ねられた部分に接する部分のほうが少なくなる。第１活物質層と第２活物質層とが重なり合う部分は、未塗工部に沿って設けられているため、加圧による金属箔の圧延を原因とする皺の発生を抑制できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属箔に皺が生じることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電極シートの平面図。
【図２】電極シートを示す図１の２−２線断面図。
【図３】リチウムイオン二次電池用の電極の製造装置を示す概略構成図。
【図４】乾燥装置内に配置されたスクレーパを示す斜視図。
【図５】第２塗工装置の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、リチウムイオン二次電池用の電極及びリチウムイオン二次電池用の電極の製造装置の一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、電極シート１０は、長尺状である。電極シート１０は、長尺状の金属箔１１に活物質層１２が設けられた塗工部２１と、金属箔１１が露出する未塗工部２２と、を備える。電極シート１０は、電極３０の原反である。リチウムイオン二次電池は、電極シート１０から切り出した個片の電極３０を、セパレータを介して重ねて電極組立体とし、この電極組立体をケースに収容したものである。
【００１４】
電極シート１０がリチウムイオン二次電池の正極電極の原反の場合、金属箔１１はアルミニウム箔である。電極シート１０がリチウムイオン二次電池の負極電極の原反の場合、金属箔１１は銅箔である。活物質層１２は、極性に応じた活物質、導電剤、及び、バインダを含む。
【００１５】
活物質層１２は、金属箔１１の長手方向の全体に亘って設けられている。活物質層１２は、金属箔１１の短手方向の中央に一定幅で設けられている。未塗工部２２は、塗工部２１を挟んで金属箔１１の短手方向両側に設けられている。未塗工部２２は、金属箔１１の長手方向の全体に亘って設けられている。
【００１６】
活物質層１２は、高密度領域１３と、低密度領域１４と、を備える。高密度領域１３は、活物質層１２の幅方向の中央に設けられている。低密度領域１４は、高密度領域１３を挟んで活物質層１２の幅方向の両端部に設けられている。低密度領域１４の幅は、高密度領域１３の幅に比べて短い。低密度領域１４は、金属箔１１の面に沿う方向において、高密度領域１３と未塗工部２２との間に位置している。活物質層１２の表面には、活物質など活物質層１２を構成する材料により微細な凹凸は生じるが、活物質層１２の厚みは全体に亘って略均一である。高密度領域１３の厚みと低密度領域１４の厚みの差は、製造上生じ得る公差の範囲内に収められている。
【００１７】
高密度領域１３は、第１活物質層１５のみで構成されている。低密度領域１４は、第１活物質層１５に、第１活物質層１５よりも密度の低い第２活物質層１６を重ねた層により構成されている。低密度領域１４の第１活物質層１５は、高密度領域１３の第１活物質層１５から活物質層１２の幅方向に離れるにつれて徐々に薄くなる。言い換えれば、低密度領域１４の第１活物質層１５は、当該第１活物質層１５に最も近い未塗工部２２に向けて徐々に薄くなっている。第２活物質層１６は、第１活物質層１５が薄くなるに従い厚くなる。従って、低密度領域１４は、高密度領域１３から未塗工部２２に向けて徐々に密度が低くなる。
【００１８】
なお、第１活物質層１５と第２活物質層１６では、活物質、導電剤及びバインダの種類は同一であるが、第２活物質層１６の空隙率が第１活物質層１５の空隙率よりも高い。これにより、第２活物質層１６は、第１活物質層１５に比べて密度が低くなっている。第２活物質層１６の密度は、例えば、第１活物質層１５の密度の３０％〜７０％である。
【００１９】
電極シート１０は、塗工部２１及び未塗工部２２を備え、活物質層１２は高密度領域１３及び低密度領域１４を備える。従って、電極シート１０をリチウムイオン二次電池用の電極と捉えることができる。また、図１から把握できるように、電極シート１０から切り出される個片の電極３０も、塗工部２１と、未塗工部２２とを備えた状態で電極シート１０から切り出される。従って、個片の電極３０をリチウムイオン二次電池用の電極と捉えることもできる。即ち、リチウムイオン二次電池用の電極とは、低密度領域１４と未塗工部２２とが隣り合うように構成されていればよく、個片の電極３０を切り出す前の電極シート１０をリチウムイオン二次電池用の電極と捉えることもできるし、電極シート１０から切り出された後の個片の電極３０をリチウムイオン二次電池用の電極と捉えることもできる。
【００２０】
次に、リチウムイオン二次電池用の電極の製造装置（以下、製造装置と称する）について説明する。本実施形態の製造装置は、電極シート１０を製造する装置である。本実施形態の製造装置に、電極シート１０から個片の電極３０を切り出す切断装置を設けることで、製造装置を、電極３０を製造する装置としてもよい。即ち、製造装置は、リチウムイオン二次電池用の電極として、電極シート１０を製造する装置であってもよいし、個片の電極３０を製造する装置であってもよい。
【００２１】
図３及び図４に示すように、製造装置４１は、金属箔１１を搬送する搬送装置５０と、金属箔１１に第１活物質合剤４２を塗布する第１塗工装置６０と、第１活物質合剤４２を乾燥させる第１乾燥装置８０と、第１乾燥装置８０内に配置された成形部９１と、を備える。製造装置４１は、金属箔１１に第２活物質合剤４４を塗布する第２塗工装置９４と、第２活物質合剤４４を乾燥させる第２乾燥装置９５と、加圧装置８１と、を備える。
【００２２】
搬送装置５０は、金属箔１１を供給する供給装置５１と、製造された電極シート１０を巻き取る巻取装置５５と、を備える。供給装置５１は、金属箔１１が巻装された供給リール５２と、供給リール５２が設置される第１シャフト５３とを備える。供給リール５２は、第１シャフト５３によって回転可能に支持されている。供給リール５２より引き出された金属箔１１は、長手方向が供給リール５２の周方向に延びる状態とされている。図示は省略するが、本実施形態では、両面のうちの一方の面に活物質層１２が既に形成された金属箔１１が供給リール５２に巻装されているとする。
【００２３】
巻取装置５５は、電極シート１０を巻き取る巻取リール５６と、巻取リール５６が設置される第２シャフト５７とを備える。巻取リール５６は、第２シャフト５７によって回転可能に支持されている。電極シート１０は長手方向が巻取リール５６の周方向に延びる状態で巻取リール５６に巻き取られる。第１シャフト５３及び第２シャフト５７の両方、あるいは、第２シャフト５７が図示しないモータなどの駆動源によって回転することで、供給リール５２及び巻取リール５６は回転する。これにより、金属箔１１は搬送される。
【００２４】
第１塗工装置６０は、金属箔１１の搬送方向における供給装置５１よりも下流に位置している。第１塗工装置６０は、ダイヘッド６２と、ダイヘッド６２から離間して配置されたバックアップロール６１とを備える。ダイヘッド６２は、第１活物質合剤４２が貯留されるマニホールド６３と、第１活物質合剤４２の吐出口６４と、吐出口６４から第１活物質合剤４２を吐出させるためのスロット６５とを備える。ダイヘッド６２は、吐出口６４が金属箔１１を向くように配置されている。スロット６５は、マニホールド６３と吐出口６４とを繋いでいる。第１活物質合剤４２は、活物質、導電剤、バインダ及び溶媒を混合したペーストである。第１塗工装置６０は、金属箔１１の短手方向の中央に一定幅で第１活物質合剤４２を塗布する。これにより、金属箔１１には、第１活物質合剤４２の層である第１活物質合剤層４３が形成される。第１活物質合剤層４３は、乾燥することで第１活物質層１５になる。第１活物質合剤層４３の幅方向の両端部４３Ａ，４３Ｂは、第１活物質合剤層４３と金属箔１１の短手方向の両縁Ｅ１，Ｅ２との間に位置する未塗工部２２に沿う。
【００２５】
第１乾燥装置８０は、金属箔１１の搬送方向における第１塗工装置６０よりも下流に位置している。第１乾燥装置８０は、例えば、加熱部により炉内の雰囲気温度を上昇させることで第１活物質合剤層４３の乾燥を促進させる装置である。
【００２６】
図４に示すように、成形部９１は、第１乾燥装置８０内に配置された２つのスクレーパ９２，９３を備える。スクレーパ９２，９３は乾燥途中の第１活物質合剤層４３の一部を掻き取ることで、第１活物質合剤層４３の幅方向の両端部４３Ａ，４３Ｂが中央部４３Ｃよりも薄くなるように成形を行う。本実施形態においては、両端部４３Ａ，４３Ｂが未塗工部２２に向けて徐々に薄くなるように成形が行われる。スクレーパ９２，９３は、第１活物質合剤層４３に含まれる溶剤が塗工直後よりも少なく、第１活物質合剤４２に含まれる溶剤が第１乾燥装置８０を通過した後よりも多い状態となる位置で第１活物質合剤層４３の一部を掻き取れるように配置されている。
【００２７】
スクレーパ９２，９３は、金属箔１１の短手方向の中心側から短手方向の両縁Ｅ１，Ｅ２に向けて第１活物質層１５の両端部４３Ａ，４３Ｂに斜めに進入するように配置されている。これにより、金属箔１１とともに第１活物質合剤層４３が搬送されると、スクレーパ９２，９３により第１活物質合剤層４３の両端部４３Ａ，４３Ｂは掻き取られていく。
【００２８】
第１活物質合剤層４３は、スクレーパ９２，９３によって両端部４３Ａ，４３Ｂが中央部４３Ｃよりも薄くされた後に、第１乾燥装置８０によって乾燥されることで第１活物質層１５になる。
【００２９】
図３に示すように、第２塗工装置９４は、金属箔１１の搬送方向における第１乾燥装置８０よりも下流に位置している。第２塗工装置９４としては、例えば、第１塗工装置６０と同様なものが用いられる。
【００３０】
図５に示すように、第２塗工装置９４は、第２活物質合剤４４を金属箔１１に塗工する。第２塗工装置９４は、スクレーパ９２，９３によって中央部４３Ｃよりも薄く成形された両端部４３Ａ，４３Ｂに第２活物質合剤４４を塗工する。詳細にいえば、第２塗工装置９４は、スクレーパ９２，９３により第１活物質合剤層４３の一部が掻き取られ、中央部４３Ｃよりも薄くなった部分に第２活物質合剤４４を重ねて塗工する。これにより、金属箔１１には第２活物質合剤層４５が形成される。第２活物質合剤層４５は、乾燥することで第２活物質層１６になる。
【００３１】
第２活物質合剤４４は、活物質、導電剤、バインダ及び溶媒を混合したペーストである。第２活物質合剤４４は、乾燥して第２活物質層１６となったときに、第１活物質層１５よりも密度が低くなるような合剤である。第２活物質合剤４４は、例えば、加圧される前の第２活物質層１６の密度が、加圧される前の第１活物質層１５の密度の３０％〜７０％になるような合剤である。具体的にいえば、第１活物質合剤４２及び第２活物質合剤４４に含まれる活物質として、粒径の異なる複数の活物質を用い、第１活物質合剤４２と第２活物質合剤４４とで活物質の割合を変更している。例えば、粒径１００［μｍ］の活物質と、粒径１０［μｍ］の活物質との割合を第１活物質合剤４２では７０：３０にするのに対し、第２活物質合剤４４では１００：１０にする。粒径の大きい活物質ほど活物質層１５，１６中の空隙が大きくなるため、粒径の大きい活物質の割合を大きくするほど空隙率を高くすることができる。また、粒径の異なる活物質の割合を変更せずに、第１活物質合剤４２の溶媒の比率を第２活物質合剤４４の溶媒の比率よりも低くしてもよい。溶媒は、揮発するため、溶媒の量が多いほど、活物質層の空隙率は高くなる。また、第１活物質合剤４２のバインダの比率を第２活物質合剤４４のバインダの比率よりも多くしてもよい。
【００３２】
第２乾燥装置９５は、金属箔１１の搬送方向における第２塗工装置９４よりも下流に位置している。第２乾燥装置９５は、例えば、加熱部により炉内の雰囲気温度を上昇させることで第２活物質合剤層４５の乾燥を促進させる装置である。第２活物質合剤層４５は、第２乾燥装置９５によって乾燥されることで第２活物質層１６になる。第２活物質層１６が形成されることで、金属箔１１には、第１活物質層１５と第２活物質層１６とで構成された活物質層１２が形成される。
【００３３】
加圧装置８１は、金属箔１１の搬送方向における第２乾燥装置９５よりも下流に位置している。加圧装置８１は、活物質層１２を挟んで配置された一対のプレスロール８２を備える。本実施形態の各プレスロール８２は、内部に熱媒体が流通可能な構造である。このため、プレスロール８２の周面は、熱媒体によって加熱されている。
【００３４】
一対のプレスロール８２の間を通過することで、活物質層１２は加圧され、これにより高密度化される。また、加熱しながら活物質層１２の加圧を行うことで、活物質層１２の更なる高密度化が図られている。加圧装置８１によって活物質層１２が加圧されることで電極シート１０は製造される。活物質層１２のうち第１活物質層１５のみが設けられた部分は高密度領域１３となり、第１活物質層１５と第２活物質層１６とが重ねられた部分は、低密度領域１４となる。
【００３５】
本実施形態の作用について説明する。
電極シート１０を製造する際には、活物質層１２が、加圧装置８１によって加圧される。活物質層１２を加圧したときに金属箔１１に加わる力は、密度が高い活物質層１２に接する部分（高密度領域１３）ほど大きくなる。第１活物質層１５と第２活物質層１６とが重ねられた部分（低密度領域１４）は、第１活物質層１５のみの部分に比べて密度が低い。加圧装置８１によって加圧された際の金属箔１１の延び量は、第１活物質層１５のみが設けられた部分に接する部分に比べて、第１活物質層１５と第２活物質層１６とが重ねられた部分に接する部分のほうが少なくなる。第１活物質層１５と第２活物質層１６とが重なり合う部分は、未塗工部２２に沿って設けられているため、未塗工部２２に沿う部分の延び量は少なくなる。
【００３６】
本実施形態の効果について説明する。
（１）電極シート１０を製造する際に、活物質層１２の加圧を行うことで生じた金属箔１１の延び量は、高密度領域１３に接する部分に比べて、低密度領域１４に接する部分の方が少ない。未塗工部２２は、低密度領域１４に隣り合っているため、未塗工部２２と高密度領域１３が隣り合っている場合に比べて、加圧による金属箔１１の圧延を原因とする皺の発生を抑制できる。
【００３７】
特に、本実施形態のように周面が加熱されたプレスロール８２によって塗工部２１をプレスする場合、金属箔１１は、プレスロール８２の熱によって軟化、変形しやすくなり、金属箔１１に皺が生じやすい。詳細にいえば、金属箔１１を加熱することで、降伏点が低下し、降伏点の低下を原因として金属箔１１に皺が生じやすくなる。従って、周面が加熱されたプレスロール８２を用いて電極シート１０を製造する際には、顕著な効果が得られる。
【００３８】
（２）金属箔１１に生じる皺を抑制するために、第１活物質層１５の両端部を中央部よりも薄くするのみで、両端部に第２活物質層１６を設けない場合に比べて、リチウムイオン二次電池の電池容量の低下を抑制できる。
【００３９】
（３）低密度領域１４は、高密度領域１３から未塗工部２２に向けて徐々に密度が低くなる。金属箔１１の低密度領域１４に接する部分は、未塗工部２２に近付くほど加圧による延び量が少なくなる。低密度領域１４を一定の密度にする場合に比べて、塗工部２１と未塗工部２２の境界部に生じる応力の集中を抑制できる。
【００４０】
（４）製造装置４１は、第１活物質合剤層４３の両端部４３Ａ，４３Ｂを中央部４３Ｃよりも薄く成形し、この両端部４３Ａ，４３Ｂに第２活物質合剤層４５を塗工している。これにより、第１活物質層１５と第２活物質層１６とが重なる部分を設けることができ、皺の発生を抑制できる電極シート１０を製造することができる。
【００４１】
実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○低密度領域１４は、第１活物質層１５と第２活物質層１６とが重ねて設けられていればよく、高密度領域１３と未塗工部２２との間で密度が一定であってもよい。例えば、低密度領域１４の第１活物質層１５の厚さと第２活物質層１６の厚さとを同一にしてもよい。
【００４２】
○成形部９１として、第１活物質合剤層４３に送風を行う装置を用いてもよい。この場合、第１活物質合剤層４３の両端部４３Ａ，４３Ｂに向けて送風を行い、風圧によって両端部４３Ａ，４３Ｂを中央部４３Ｃよりも薄く成形する。
【００４３】
○成形部９１は、第１塗工装置６０と第１乾燥装置８０との間に設けられていてもよい。
○第１塗工装置６０及び第２塗工装置９４は、活物質合剤を塗布できればよく、コンマコーター、リップコーターなどであってもよい。
【００４４】
○プレスロール８２の周面は加熱されていなくてもよい。また、プレスロール８２の周面は冷却されていてもよい。
○電極シート１０は、金属箔１１の片面にのみ活物質層１２を設けたものでもよい。
【符号の説明】
【００４５】
Ｅ１，Ｅ２…両縁、１０…電極シート（リチウムイオン二次電池用の電極）、１１…金属箔、１２…活物質層、１３…高密度領域、１４…低密度領域、１５…第１活物質層、１６…第２活物質層、２１…塗工部、２２…未塗工部、３０…電極（リチウムイオン二次電池用の電極）、４１…リチウムイオン二次電池用の電極の製造装置、４３…第１活物質合剤層、４３Ａ，４３Ｂ…両端部、４３Ｃ…中央部、４５…第２活物質合剤層、５０…搬送装置、６０…第１塗工装置、８０…第１乾燥装置、８１…加圧装置、９１…成形部、９４…第２塗工装置、９５…第２乾燥装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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