(57)【要約】【課題】生産性に優れた電池用電極の製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】集電体Ｓの表面の一方側から他方側に第１活物質を含む第１塗布液を塗布して連続した平坦な活物質膜１１を形成する第１塗布工程と、第１塗布工程を実行しつつ、第１塗布工程により形成された活物質膜１１上に対し、第２活物質を含む塗布液を互いに離間した複数のライン状に塗布して複数の棒状活物質パターン１２を形成する第２塗布工程とを備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体の表面の一方側から他方側に第１活物質を含む第１塗布液を塗布して連続した平坦な活物質膜を形成する第１塗布工程と、
前記第１塗布工程を実行しつつ、前記第１塗布工程により形成された活物質膜上に対し、第２活物質を含む塗布液を互いに離間した複数のライン状に塗布して複数の棒状活物質部を形成する第２塗布工程と
を備えることを特徴とする電池用電極の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電池用電極の製造方法であって、
前記第１塗布液は、せん断速度が１［ｓ−１］において１０００［Ｐａ・ｓ］以上の粘度を有する電池用電極の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電池用電極の製造方法であって、
前記第１塗布工程により形成された活物質膜は、前記第２塗布工程により形成された各棒状活物質部よりも硬い電池用電極の製造方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電池用電極の製造方法であって、
前記第２活物質は、前記第１活物質と同じまたは略同一の組成を有する電池用電極の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電池用電極の製造方法であって、
前記活物質膜上に前記複数の棒状活物質部が形成された構造体を乾燥させる本乾燥工程をさらに備える電池用電極の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電池用電極の製造方法であって、
前記第１塗布工程により形成された前記活物質膜上に前記複数の棒状活物質部を形成する前に前記活物質膜を乾燥させる膜乾燥工程をさらに備える電池用電極の製造方法。
【請求項７】
第１活物質を含む第１塗布液を吐出する第１ノズルと、
第２活物質を含む第２塗布液を吐出する第２ノズルと、
前記第１ノズルおよび前記第２ノズルに対して集電体を相対移動させる移動機構と、
前記第１ノズルおよび前記第２ノズルからの塗布液の吐出を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、相対移動する前記集電体の表面に前記第１ノズルから前記第１塗布液を吐出して連続した平坦な活物質膜を塗布形成しつつ、前記第２ノズルから前記第２塗布液を吐出して前記活物質膜上に互いに離間した複数の棒状活物質部を塗布形成することを特徴とする電池用電極の製造装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電池用電極の製造装置であって、
前記活物質膜上に前記複数の棒状活物質部が形成された構造体を乾燥させる本乾燥手段をさらに備える電池用電極の製造装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の電池用電極の製造装置であって、
前記第１ノズルから吐出された第１塗布液が前記集電体に着液する第１着液位置と、前記第２ノズルから吐出された第２塗布液が前記活物質膜に着液する第２着液位置との間で、前記活物質膜を乾燥させる膜乾燥手段をさらに備える電池用電極の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、集電体の表面に活物質層を形成してなる電池用電極を製造する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばリチウムイオン電池のような化学電池の電気的特性、特に充放電特性を向上させるために、活物質層を立体的構造としてその体積に対する表面積を増大させることが検討されており、例えば特許文献１では、ラインアンドスペース構造の活物質層を有する電極を製造する技術が記載されている。ここでいうラインアンドスペース構造とは、互いに離隔した複数のライン状パターン（あるいは「棒状パターン」ともいう）からなる構造を指している。
【０００３】
この特許文献１に記載の技術では、ナイフコート法、ドクターブレード法などにより集電体上に第１活物質を含む第１塗布液を塗布して均一な塗布膜を形成し、それを乾燥または焼成により硬化させることで、集電体の上面に平坦な活物質膜を形成した後、さらにノズルスキャン法により活物質膜上に、第２活物質を含む第２塗布液を互いに離隔したライン状に塗布してライン状パターンを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１９８５９６号公報（例えば図３、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献１に記載の技術では、平坦な活物質膜を形成する工程と、ライン状パターン（本発明の「活物質部」に相当）を形成する工程とをそれぞれ独立して実行しており、各工程を実行するための装置を組み合わせた生産システムを用いて電池用電極を製造している。このため、電池用電極を製造する技術においては、生産性において改善の余地が大きく残されている。
【０００６】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、生産性に優れた電池用電極の製造方法および製造装置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】
【０００７】
この発明にかかる電池用電極の製造方法は、集電体の表面の一方側から他方側に第１活物質を含む第１塗布液を塗布して連続した平坦な活物質膜を形成する第１塗布工程と、第１塗布工程を実行しつつ、第１塗布工程により形成された活物質膜上に対し、第２活物質を含む塗布液を互いに離間した複数のライン状に塗布して複数の棒状活物質部を形成する第２塗布工程とを備えることを特徴としている。
【０００８】
また、この発明にかかる電池用電極の製造装置は、第１活物質を含む第１塗布液を吐出する第１ノズルと、第２活物質を含む第２塗布液を吐出する第２ノズルと、第１ノズルおよび第２ノズルに対して集電体を相対移動させる移動機構と、第１ノズルおよび第２ノズルからの塗布液の吐出を制御する制御部とを備え、制御部は、相対移動する集電体の表面に第１ノズルから第１塗布液を吐出して連続した平坦な活物質膜を塗布形成しつつ、第２ノズルから第２塗布液を吐出して活物質膜上に互いに離間した複数の棒状活物質部を塗布形成することを特徴としている。
【０００９】
このように構成された発明では、集電体の表面に活物質膜を形成しつつ、当該活物質膜上に複数の棒状活物質部を形成し、集電体、活物質膜および複数の棒状活物質部で電池用電極が製造される。このように、活物質膜の形成処理と棒状活物質部の形成処理とが部分的に並行して実行されるため、電池用電極の生産性が著しく向上する。
【００１０】
ここで、このように活物質膜上に複数の棒状活物質部を互いに離間して形成する場合、最も考慮すべき技術事項のひとつが棒状活物質部の倒壊、つまりパターン倒壊の抑制である。パターン倒壊を抑制するためには、棒状活物質部を支えるベース部分として機能する活物質膜の形状維持が重要となる。そのためには、せん断速度が１［ｓ−１］において１０００［Ｐａ・ｓ］以上の粘度を有する第１塗布液を用いるのが好適である。また、活物質膜が各棒状活物質部よりも硬くなるように構成するのが望ましく、これによってパターン倒壊を効果的に抑制することができる。
【００１１】
また、棒状活物質部を構成する第２活物質は、第１活物質と同じまたは略同一の組成を有するものであってもよい。こうすることで、活物質膜と棒状活物質部との界面が実質的になくなり両者が一体として活物質層として機能し、パターン強化にも寄与する。
【００１２】
また、活物質膜上に複数の棒状活物質部が形成された積層体を順次乾燥させるように構成することで積層体（活物質層）の形成直後より乾燥処理を行うことができ、生産性をさらに向上させることができる。
【００１３】
さらに、活物質膜上に複数の棒状活物質部を形成する前に活物質膜を乾燥するように構成してもよい。このように、棒状活物質部の形成に先立って、活物質膜のみの乾燥を進行させることで、棒状活物質部の形成前に活物質膜の粘度は高くなり、また硬度も増す。このため、パターン倒壊をさらに効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明によれば、集電体の表面に活物質膜を形成しつつ、当該活物質膜上に複数の棒状活物質部を形成しているので、優れた生産性で電池用電極（＝集電体＋活物質膜＋複数の棒状活物質部）を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる電池用電極の製造装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図１に示す製造装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す製造装置の部分拡大図である。
【図４】本発明にかかる電池用電極の製造装置の他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１はこの発明にかかる電池用電極の製造装置の一実施形態を示す図である。また、図２は図１に示す製造装置の電気的構成を示すブロック図である。この電極製造装置１は、ロール状に巻き取られた金属製のシート（例えば銅箔やアルミニウム箔など）Ｓを集電体とし、当該シートＳの表面に活物質を塗布することで活物質層を形成して電池用電極を製造する。なお、以後の説明のために、図１に示すようにＸＹＺ座標軸を設定する。ここでＸＹ平面が水平面であり、Ｚ軸は鉛直軸と一致する。Ｚ軸における正方向は鉛直上向き方向である。
【００１７】
電極製造装置１は、搬送ユニット２と、第１ノズル３と、第２ノズル４と、本乾燥ユニット５と、装置各部を制御する制御部６とを備えている。搬送ユニット２は、ロール状に巻回された活物質形成前のシートＳを保持するとともにシートＳを一定速度で送り出す巻出部２１と、活物質層が形成された後のシートＳを巻き取る巻取部２２とを有している。これら巻出部２１および巻取部２２は搬送方向Ｄにおいて一定距離だけ離間して設けられている。そして、巻出部２１は制御部６により制御されてロール状シートＳの巻出を行う一方、巻取部２２は制御部６により制御されてシートＳの巻取を行い、巻出部２１と巻取部２２との間でシートＳに対して一定の張力を与えながら矢印方向Ｄに一定速度で搬送する。また、シートＳの搬送経路に沿って第１ノズル３、第２ノズル４および本乾燥ユニット５がこの順序で搬送方向Ｄの上流側（−Ｘ方向側）から下流側（＋Ｘ方向側）に配置されている。
【００１８】
図３は図１に示す製造装置の部分拡大図であり、第１ノズル３および第２ノズル４による活物質の塗布動作を示している。第１ノズル３は、巻出部２１の近傍位置で、シートＳの表面の上方（＋Ｚ方向）に配置されている。第１ノズル３の先端部には、電極製造装置１で製造しようとしている電極の活物質層の幅（Ｙ方向の長さ）とほぼ同一幅のスリット状吐出口３１が設けられている。また、この第１ノズル３には第１塗布液供給部７（図１）が連結されている。
【００１９】
この第１塗布液供給部７は制御部６からの指令に応じて第１活物質を含む第１塗布液を第１ノズル３に圧送する。これによって、第１塗布液が第１ノズル３のスリット状吐出口３１から吐出され、着液位置Ｐ１で搬送方向Ｄに移動しているシートＳの上面に塗布される。その結果、シートＳの表面上に所定幅を有する平坦な活物質膜１１が（−Ｘ）方向側から（＋Ｘ）方向側に延びるように塗布形成されていく。なお、本実施形態では、Ｘ方向において所定長さに達すると、第１塗布液供給部７は一時的に第１塗布液の供給を停止するため、図１に示すように、シートＳの表面には所定長さＬ１の活物質膜１１が一定間隔を開けて順次形成される。また、パターン倒壊を抑制する観点から、第１塗布液の粘度を比較的高く設定している。この点については後で詳述する。
【００２０】
第２ノズル４は、第１ノズル３から距離Ｌ０（＜Ｌ１）だけ（＋Ｘ）方向に離れた位置でシートＳの表面の上方（＋Ｚ方向）に配置され、図示を省略する筐体に対して第１ノズル３とともに固定されている。したがって、第２ノズル４は第１ノズル３と一定の位置関係に維持される。この第２ノズル４は、第１塗布液が吐出されるノズル３よりも開口面積が小さい吐出口４１をＹ方向に多数配列した構造を有している。また、第２ノズル４には第２塗布液供給部８が連結されている。
【００２１】
この第２塗布液供給部８は制御部６からの指令に応じて第２活物質を含む第２塗布液を第２ノズル４に圧送する。これによって、第２塗布液が第２ノズル４の各吐出口４１から吐出され、着液位置Ｐ１から（＋Ｘ）方向に距離Ｌ０だけ離れた着液位置Ｐ２で活物質膜１１の上面に、Ｙ方向に互いに離隔しＸ方向に沿って延びるライン状に塗布され、吐出口４１と同数本の棒状活物質パターン１２が形成される。こうして集電体として機能するシートＳの上面に、活物質膜１１と複数の棒状活物質パターン１２とで構成される積層体１３が形成される。
【００２２】
この積層体１３はシートＳの搬送に伴って本乾燥ユニット５の直下位置を通過する。本乾燥ユニット５は、熱風源や赤外線ヒーターなどの乾燥用熱源５１を有しており、乾燥用熱源５１により積層体１３（＝活物質膜１１＋棒状活物質パターン１２）に含まれる溶剤を乾燥除去して積層体１３をシートＳ上で固化させる。これによって、シートＳ上に固体活物質層１４が配置されて電極が形成される。なお、こうしてシートＳ上に形成された活物質層１４はシートＳとともに巻取部２２で巻き取られる。
【００２３】
以上のように、本実施形態は、集電体として機能するシートＳの表面に活物質膜１１と複数の棒状活物質パターン１２とを形成して電池用電極を製造しており、この点で特許文献１に記載の発明と共通する。しかしながら、本実施形態では、活物質膜１１を形成しつつ、距離Ｌ０だけ遅れて当該活物質膜１１上に複数の棒状活物質パターン１２を形成しており、活物質膜１１の形成処理と棒状活物質パターン１２の形成処理とを部分的に並行して実行している。このため、電池用電極の生産性を特許文献１に記載の発明に比べて大幅に向上させることができる。
【００２４】
また、図１に示すように活物質膜１１上に複数の棒状活物質パターン１２が形成された積層体（活物質層）１３を本乾燥ユニット５により順次乾燥させるように構成しているので、積層体１３の製造直後より乾燥処理を行うことができ、生産性をさらに向上させることができる。
【００２５】
また、本実施形態では、比較的粘度の高い、例えばせん断速度が１［ｓ−１］において１０００［Ｐａ・ｓ］以上の粘度を有する第１塗布液により活物質膜１１が形成されている。この活物質膜１１は複数の棒状活物質パターン１２を支えるベース部分として機能するものであり、上記したように高粘度で形状保持性に優れた塗布液を使用することで活物質膜１１が各棒状活物質パターン１２をしっかりと支持することが可能となっている。このため、棒状活物質パターン１２が倒壊するのを効果的に抑制することができる。また、活物質膜１１により棒状活物質パターン１２を支持することを鑑みて活物質膜１１が各棒状活物質パターン１２よりも硬くなるように構成してもよく、当該構成は棒状活物質パターン１２の倒壊を抑制するのに大きく寄与する。
【００２６】
さらに、本実施形態では、第１塗布液は第１活物質を含むものであり、第２塗布液は第２活物質を含むものであるが、第１活物質および第２活物質が同じまたは略同一の組成を有するように設定してもよく、この場合、活物質膜１１と棒状活物質パターン１２との界面が実質的になくなり両者が一体として強度を向上させて棒状活物質パターン１２の倒壊をさらに効果的に抑制することができる。また、活物質膜１１と棒状活物質パターン１２の各々が果たす機能を鑑みて第１活物質および第２活物質を選定してもよい。すなわち、活物質膜１１を構成する第１活物質については比較的大きな充電容量を有する物質で構成してもよいし、棒状活物質パターン１２を構成する第２活物質については入出力の速い物質で構成してもよい。なお、本実施形態により電池用正極を製造する場合には、正極活物質として公知の材料、例えばＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）を主体とするもの、ＬｉＮｉＯ2またはＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＭｎＰＯ4、ＬｉＭｎ2Ｏ4、またＬｉＭｅＯ2（Ｍｅ＝ＭxＭyＭz；Ｍｅ、Ｍは遷移金属、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で代表的に示される化合物、例えばＬｉＮｉ1/3Ｍｎ1/3Ｃｏ1/3Ｏ2、ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.15Ａｌ0.05Ｏ2などを上記活物質として用いることができる。また、本実施形態により電池用負極を製造する場合には、負極活物質として公知の材料、例えばＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（ＬＴＯ）を主体としたもの、またはＣ、Ｓｉ（その化合物を含む）もしくはＳｎなどを上記活物質として用いることができる。
【００２７】
図４は、本発明にかかる電池用電極の製造装置の他の実施形態を示す図である。この実施形態が図１に示す実施形態と大きく相違する点は、膜乾燥ユニット９を追加装備している点であり、その他の構成は第１実施形態と同様である。したがって、同一構成については同一符号を付して構成説明を省略する。
【００２８】
膜乾燥ユニット９は、図４に示すように、第１ノズル３と第２ノズル４との間に配置された乾燥用熱源９１を有しており、乾燥用熱源９１により棒状活物質パターン１２を塗布形成する前の活物質膜１１のみを加熱し、活物質膜１１中の溶剤を乾燥除去する。これによって、棒状活物質パターン１２の形成前に活物質膜１１の粘度は高くなり、また硬度も増す。このため、棒状活物質パターン１２の倒壊を効果的に抑制することができる。なお、膜乾燥ユニット９を配置した主目的は上記したように活物質膜１１の粘度や硬度の上昇による棒状活物質パターン１２の倒壊抑制であるため、膜乾燥ユニット９により活物質膜１１を完全に固化させることが必須事項ではなく、いわゆる半乾き程度に乾燥させるように構成してもよい。
【００２９】
このように、上記した実施形態では、棒状活物質パターン１２が本発明の「棒状活物質部」の一例に相当している。また、活物質膜１１を形成する工程、棒状活物質パターン１２を形成する工程、本乾燥ユニット５で積層体１３を乾燥する工程、および膜乾燥ユニット９により活物質膜１１のみを乾燥する工程が、それぞれ本発明の「第１塗布工程」、「第２塗布工程」、「本乾燥工程」および「膜乾燥工程」の一例に相当している。さらに、搬送ユニット２が本発明の「移動機構」の一例に相当している。
【００３０】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では、第１ノズル３および第２ノズル４はいずれも筐体に取り付けられている。このため、各ノズルから吐出される塗布液の着液位置Ｐ１、Ｐ２（つまり塗布開始位置）は変動せず固定化されている。ここで、第１ノズル３および第２ノズル４をそれぞれ独立してＸ方向に移動自在に設けてもよい。この場合、第１ノズル３をＸ方向に移動させることで、第１塗布液の着液位置Ｐ１もＸ方向にシフトして第１塗布液の塗布開始位置をＸ方向に調整可能となる。また、第２ノズル４についても、第１ノズル３の場合と同様に、第２ノズル４をＸ方向に移動自在に設けて第２塗布液の着液位置Ｐ２もＸ方向にシフト可能となる。特に、活物質の材料特性などによって各塗布液の塗布開始位置を変更したい場合にも、柔軟に対応することができ、電極製造装置１の汎用性を高めることができる。
【００３１】
また、上記実施形態では、ロール状に巻いたシートＳを送り出して表面に活物質層（＝活物質膜１１＋複数の棒状活物質パターン１２）を形成し、再び別のロールに巻き取って回収する、いわゆるロール・ツー・ロール方式の電極製造装置１に本発明を適用しているが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、活物質膜と複数の棒状活物質部からなる活物質層を集電体の表面に形成してなる電池用電極を製造する技術全般に適用可能である。
【００３２】
また、上記実施形態では、シートＳを搬送ユニット２により搬送方向Ｄに移動させながら固定配置されたノズル３、４から塗布液を吐出させて塗布処理を行っているが、ノズル３、４を移動させることによってシートＳを相対移動させて活物質膜１１および棒状活物質パターン１２を形成するように構成してもよい。
【００３３】
また、上記実施形態では、第２ノズル４として、複数の吐出口４１が設けられた、いわゆる多孔ノズルを用いているが、単ノズルを複数個連設してなる、いわゆるマルチノズルを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
この発明は、集電体上に活物質膜を形成し、さらに当該活物質膜上に複数の棒状活物質部を形成してなる電池用電極を製造する技術全般に適用することができ、特に優れた生産性で製造するのに適している。
【符号の説明】
【００３５】
１…電極製造装置
２…搬送ユニット（移動機構）
３…第１ノズル
４…第２ノズル
５…本乾燥ユニット（本乾燥手段）
６…制御部
９…膜乾燥ユニット（膜乾燥手段）
１１…活物質膜
１２…棒状活物質パターン（棒状活物質部）
Ｄ…搬送方向
Ｐ１…着液位置
Ｐ２…着液位置
Ｓ…シート（集電体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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