(57)【要約】【課題】集電体として機能する長尺シート状の基材に対して、その搬送方向に直交する方向に延びる活物質構造体を形成することが可能な技術を提供する。【解決手段】活物質を含むペースト状の塗布液を連続的に送出可能なノズルを、送出口を基材の表面に近接させて配置するとともに、送出口から塗布液を送出して送出口から基材表面に向けて突出する塗布液の突出部を形成する第１工程と、突出部の先端を基材表面に接触させる第２工程と、送出口から塗布液を連続的に送出しながらノズルを基材表面から離間する方向に移動させるとともに、該移動中に送出口からの塗布液の送出を停止させる第３工程とを備え、長尺シート状の基材を長手方向に搬送しながら第１ないし第３工程を周期的に繰り返して実行する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体としての機能を有する基材の表面に活物質を塗布する電池用電極の製造方法において、
前記活物質を含むペースト状の塗布液を連続的に送出可能なノズルを、前記塗布液を送出する送出口を前記基材の表面に近接させて配置するとともに、前記送出口から前記塗布液を送出して前記送出口から前記基材表面に向けて突出する前記塗布液の突出部を形成する第１工程と、
前記突出部の先端を前記基材表面に接触させる第２工程と、
前記送出口から前記塗布液を連続的に送出しながら前記ノズルを前記基材表面から離間する方向に移動させるとともに、該移動中に前記送出口からの前記塗布液の送出を停止させる第３工程と
を備え、
長尺シート状の前記基材を長手方向に搬送しながら前記第１ないし前記第３工程を周期的に繰り返して実行する電池用電極の製造方法。
【請求項２】
前記ノズルを前記基材表面に近接した近接位置と前記基材表面から離間した離間位置との間で一定周期で往復運動させながら、該往復運動に同期させて周期的かつ断続的に前記送出口から前記塗布液を送出する請求項１に記載の電池用電極の製造方法。
【請求項３】
前記第３工程では、前記ノズルの前記基材表面からの離間移動速度を段階的に増大させる請求項１または２に記載の電池用電極の製造方法。
【請求項４】
前記第３工程では、前記送出口から送出される前記塗布液の流速と前記ノズルの前記基材表面からの離間移動速度とが等しいまたは略等しい請求項１ないし３のいずれかに記載の電池用電極の製造方法。
【請求項５】
前記第３工程における前記ノズルの前記基材表面からの離間移動速度は、前記基材の搬送速度よりも大きい請求項１ないし４のいずれかに記載の電池用電極の製造方法。
【請求項６】
前記送出口の開口寸法が、前記基材の搬送方向よりも該搬送方向に直交する方向においてより大きい請求項１ないし５のいずれかに記載の電池用電極の製造方法。
【請求項７】
前記塗布液が塗布された前記基材を、該基材の長手方向に直交する方向の軸を中心として巻回する工程をさらに備える請求項１ないし６のいずれかに記載の電池用電極の製造方法。
【請求項８】
集電体としての機能を有する長尺シート状の基材を保持しながら長手方向に搬送する搬送手段と、
活物質を含むペースト状の塗布液を連続的に送出可能な送出口を有するノズルと、
搬送される前記基材の表面に対して前記送出口を対向させて前記ノズルを保持するとともに、該ノズルを前記基材表面に近接した近接位置と前記基材表面から離間した離間位置との間で一定周期で往復運動させるノズル駆動手段と、
前記ノズルの往復運動の周期と同じ周期で前記送出口からの前記塗布液の送出を断続させる送出制御手段と
を備える電池用電極の製造装置。
【請求項９】
前記送出制御手段は、前記ノズルが前記離間位置から前記近接位置に向けて移動し再び前記離間位置に戻る一のサイクルにおいて、前記ノズルが前記近接位置から前記離間位置に向けて移動開始するよりも前に前記塗布液の送出を開始することで前記近接位置で前記送出口から送出させた前記塗布液を前記基材の表面に接触させる一方、前記ノズルが前記近接位置から前記離間位置に向けて移動している間に前記送出口からの前記塗布液の送出を停止させる請求項８に記載の電池用電極の製造装置。
【請求項１０】
前記ノズルの前記基材表面からの離間移動速度が段階的に増大する請求項８または９に記載の電池用電極の製造装置。
【請求項１１】
前記送出口の開口寸法が、前記基材の搬送方向よりも該搬送方向に直交する方向においてより大きい請求項８ないし１０のいずれかに記載の電池用電極の製造装置。
【請求項１２】
前記送出口が前記基材の搬送方向に直交する方向に沿って複数設けられる請求項８ないし１１のいずれかに記載の電池用電極の製造装置。
【請求項１３】
前記搬送手段は、ロール状に巻回された塗布前の前記基材を保持して一定速度で送り出す供給部と、塗布後の前記基材をロール状に巻き取る巻き取り部とを備える請求項８ないし１２のいずれかに記載の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、基材の表面に活物質の層を設けた構造を有する電池用電極を製造する方法およびその製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばリチウムイオン二次電池などの化学電池の製造技術においては、集電体層と活物質層とを積層してなる電極を製造する方法の１つとして、シート状の基材の表面に活物質材料を含む液体を塗布する方法が知られている。例えば特許文献１に記載の技術では、ダイコーターのノズルをローラに対向配置し、ローラに巻き掛けられた長尺シート状の集電体の表面にノズルから吐出させた活物質を含むスラリーを塗布することで、集電体の表面に活物質層を形成する。
【０００３】
また、本願出願人は、活物質の表面積を増大させて充放電特性の改善を図るべく、基材に対して相対移動するノズルから塗布液を連続的に吐出させるノズルスキャン法により、活物質材料を含む塗布液を集電体上にストライプ状に塗布することで立体的な活物質構造体を形成する技術を先に提案している（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３２０７３号公報（例えば、図２）
【特許文献２】特開２０１１−０７０７８８号公報（例えば、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術と特許文献２に記載の技術とを組み合わせて、立体構造を有する活物質層を備える電池用電極を工業的に生産することが期待される。しかしながら、特許文献１に記載されたロール・トゥ・ロール型の生産方式と特許文献２に記載されたノズルスキャン方式とを組み合わせた場合、基材の搬送方向に沿って延びるストライプ構造の活物質構造体を形成することになるため、巻き取り時に活物質構造体に応力が加わり、構造体の材料によっては構造体に亀裂が生じたり基材から剥離するなどの問題が生じ得る。
【０００６】
このことから、基材の搬送方向に直交する方向への構造体の形成が可能な技術の確立が望まれるが、このような要求に応えることのできる技術はこれまで実用化されるに至っていない。
【０００７】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、集電体として機能する長尺シート状の基材に対して、その搬送方向に直交する方向に延びる活物質構造体を形成することが可能な技術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】
この発明の第１の態様は、集電体としての機能を有する基材の表面に活物質を塗布する電池用電極の製造方法において、上記目的を達成するため、活物質を含むペースト状の塗布液を連続的に送出可能なノズルを、塗布液を送出する送出口を基材の表面に近接させて配置するとともに、送出口から塗布液を送出して送出口から基材表面に向けて突出する塗布液の突出部を形成する第１工程と、突出部の先端を基材表面に接触させる第２工程と、送出口から塗布液を連続的に送出しながらノズルを基材表面から離間する方向に移動させるとともに、該移動中に送出口からの塗布液の送出を停止させる第３工程とを備え、長尺シート状の基材を長手方向に搬送しながら第１ないし第３工程を周期的に繰り返して実行する。
【０００９】
このように構成された発明では、送出口から突出した塗布液の先端が基材表面に着液した後、塗布液を送出しながらノズルが基材から離間するとともに該離間移動中に送出が停止されることで、所定量の塗布液が基材表面からこれと離間する方向に引き延ばされながら基材に供給される。これにより、塗布液により基材表面から屹立した活物質構造体が形成される。このようにして形成される活物質構造体の形状は基材の搬送方向による制約を受けず、例えば基材の搬送方向に直交する方向へ延びる構造体も形成可能である。そして、基材の搬送に伴ってこのような構造体の形成を繰り返すことで、基材の搬送方向に沿って多数の構造体を並べて形成することができる。また、塗布液の粘度を適切に設定することで、構造体の延設方向断面における幅に対する高さの比、すなわちアスペクト比の高い構造体も形成することが可能である。
【００１０】
この発明では、例えば、ノズルを基材表面に近接した近接位置と基材表面から離間した離間位置との間で一定周期で往復運動させながら、該往復運動に同期させて周期的かつ断続的に送出口から塗布液を送出する構成であってもよい。このような構成では、ノズルの往復運動に同期して第１ないし第３工程が繰り返し実行される。そのため、基材表面にその搬送方向に沿って一定ピッチで多数の構造体を形成することができる。
【００１１】
また、この発明の他の態様は、集電体としての機能を有する長尺シート状の基材を保持しながら長手方向に搬送する搬送手段と、活物質を含むペースト状の塗布液を連続的に送出可能な送出口を有するノズルと、搬送される基材の表面に対して送出口を対向させてノズルを保持するとともに、該ノズルを基材表面に近接した近接位置と基材表面から離間した離間位置との間で一定周期で往復運動させるノズル駆動手段と、ノズルの往復運動の周期と同じ周期で送出口からの塗布液の送出を断続させる送出制御手段とを備える電池用電極の製造装置である。
【００１２】
このように構成された発明では、上記した製造方法の発明と同様の原理により、ノズルの往復運動に同期して塗布液を断続的に基材に供給することで、基材表面から屹立した活物質構造体を形成することができ、しかもその延設方向は基材の搬送方向に限定されない。したがって、上記発明と同様、塗布後の巻回に耐える電池用電極を製造することができる。
【００１３】
この発明において、送出制御手段は、例えば、ノズルが離間位置から近接位置に向けて移動し再び離間位置に戻る一のサイクルにおいて、ノズルが近接位置から離間位置に向けて移動開始するよりも前に塗布液の送出を開始することで近接位置で送出口から送出させた塗布液を基材の表面に接触させる一方、ノズルが近接位置から離間位置に向けて移動している間に送出口からの塗布液の送出を停止させるように構成されてもよい。このような構成では、基材表面から離間方向に引き延ばされた構造体を形成することができ、高アスペクト比の活物質構造体を形成することができる。
【００１４】
また、これらの発明においては、例えばノズルの基材表面からの離間移動速度を段階的に増大させる構成であってもよい。このような構成では、ノズルの離間移動における後期段階でその速度を高めることで、基材表面に着液した塗布液と、ノズル内に残留する塗布液とを確実に分離することができる。このため、送出終了後に塗布液が離間するノズルにより引き延ばされて基材表面に落下し構造体が乱れるのを防止することができる。
【００１５】
また例えば、送出口から送出される塗布液の流速とノズルの基材表面からの離間移動速度とが等しくまたは略等しくなるように構成されてもよい。塗布液の送出よりも速くノズルが離間されると塗布液が途切れてしまう一方、塗布液の送出に対してノズルの離間速度が遅いとノズルと基材との間に塗布液が滞留し、いずれも整った構造体を形成することができない。塗布液の流速とノズルの離間速度とを概ね一致させることで、高さおよび形状の整った構造体を形成することができる。
【００１６】
また例えば、ノズルの基材表面からの離間移動速度は、基材の搬送速度よりも大きくなるように構成されてもよい。ノズルの離間速度に対して基材の搬送速度が速い場合、塗布液の送出中に基材表面が移動してゆくことで塗布液が基材表面から斜め方向に延びて倒壊するおそれがある。ノズルの離間速度を基材の搬送速度よりも速くすることで、このような問題を回避することができる。なお、この場合でも塗布液の送出中に基材が移動することで塗布液は幾らか斜め方向に延びることになるが、塗布液のレベリングにより傾きが解消されることが期待される。
【００１７】
また例えば、送出口の開口寸法が、基材の搬送方向よりも該搬送方向に直交する方向においてより大きい構成であってもよい。このような構成では、基材の搬送方向に直交する方向を長手方向とする構造体を形成することが可能である。したがって、塗布後に基材が巻回される場合にも構造体の倒壊を防止することができる。
【００１８】
また例えば、送出口が基材の搬送方向に直交する方向に沿って複数設けられてもよい。このような構成では、基材の搬送方向に直交する方向に複数の構造体を並べて同時に形成することができる。そして、基材の搬送方向に繰り返して構造体の形成が行われることで、立体的な構造を有する活物質構造体を効率よく形成することができる。
【００１９】
また例えば、塗布液が塗布された基材を、該基材の長手方向に直交する方向の軸を中心として巻回するための構成をさらに備えてもよい。上記のように、本発明によれば構造体の延設方向が基材の長手方向に限定されないので、塗布後の基材を巻回しても構造体が倒壊することは防止される。したがって、いわゆるロール・トゥ・ロール型の生産方式により電池用電極を効率よく生産することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、ノズルから送出した塗布液を基材に接触させ、塗布液を送出しながらノズルを離間させることで、基材表面から屹立した活物質構造体を形成することができる。構造体の形状が基材の搬送方向に制約されないので、搬送方向に直交する方向に延びる活物質構造体を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明にかかる電池用電極製造装置の一実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】この電極製造装置による電極製造プロセスを模式的に示す図である。
【図３】この電極製造装置により形成される活物質構造体の形状の例を示す図である。
【図４】この電極製造装置の各部の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】この電極製造装置により形成される電極の電池への応用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１はこの発明にかかる電池用電極製造装置の一実施形態の概略構成を示す図である。この電池用電極製造装置（以下、「電極製造装置」と略称する）１は、例えばリチウムイオン二次電池の電極として用いられる電池用電極の製造プロセスの動作主体となる製造ユニット１０と、これを制御する制御ユニット２０とを備えている。電極製造装置１は、完成後の電池において集電体として機能する金属製のシートＳを基材として、その表面に活物質材料を塗布して活物質層を形成することで、集電体と活物質とが積層された電池用電極を製造するための装置である。なお、シートＳとしては単体の金属箔または薄板でもよいが、キャリアとしての例えば樹脂製シートに金属箔を貼り合わせたものや化学的に金属を析出させたものなどを好適に用いることができる。
【００２３】
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。
【００２４】
製造ユニット１０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供給ローラ１１と、活物質層が形成された後のシートＳを巻き取る巻き取りローラ１２とを備えている。シートＳはこれらのローラに掛け渡されており、ローラの回転に伴って矢印方向Ｄｔに一定速度で搬送される。図１の例では、供給ローラ１１および巻き取りローラ１２はそれぞれＸ軸と平行な回転軸を有しており、搬送駆動部１８からの駆動信号に応じてローラ１１，１２が回転することで、シートＳはＹ軸に平行な方向に搬送される。すなわち、この例ではシートＳの搬送方向ＤｔはＹ方向である。搬送駆動部１８は、制御ユニット２０に設けられた搬送制御部２４からの制御指令に応じてローラ１１，１２を駆動し、シートＳを搬送させる。
【００２５】
搬送方向Ｄｔに搬送されるシートＳの搬送経路に沿って、その上流側から順に、塗布ノズル１４および乾燥用ヒータ１５が配置されている。塗布ノズル１４はシートＳの上面側に設けられている。一方、乾燥用ヒータ１５は、シートＳの上面側および下面側からシートＳを挟む１対のヒータを備えている。したがって、シートＳ表面の１点に着目すると、当該点は供給ローラ１１から送り出されて塗布ノズル１４との対向位置および乾燥用ヒータ１５との対向位置を順番に通過することになる。
【００２６】
塗布ノズル１４は、制御ユニット２０に設けられた送出制御部２２により制御される塗布液供給部１７から圧送される活物質を含むペースト状の塗布液の供給を受けて、該塗布液をシートＳ表面に塗布する。塗布液供給部１７は、塗布液を貯留する貯留部と、送出制御部２２からの制御指令に応じて塗布ノズル１４への塗布液の圧送およびその停止を司る例えばモーノポンプなどの送液部を含む。図示を省略しているが、塗布ノズル１４の下面には塗布液を送出するための送出口が設けられており、該送出口から塗布液を連続的に送出可能となっている。シートＳ下面側で塗布ノズル１４に対応する位置には、バックアップローラ１３が設けられている。
【００２７】
また、塗布ノズル１４は上下方向、すなわちＺ方向に所定の可動範囲内で上下動可能に構成されている。より詳しくは、塗布ノズル１４は、上下方向に往復運動が可能な例えばエアシリンダ、ソレノイド、圧電アクチュエータなどの適宜の昇降機構を有する昇降駆動部１６により支持されており、昇降駆動部１６は制御ユニット２０の昇降制御部２１からの制御指令に応じて塗布ノズル１４を昇降させる。これにより、塗布ノズル１４は下面をシートＳの表面に近接させた近接位置と、これより上方に退避してシートＳから離間した離間位置との間を往復運動する。
【００２８】
乾燥用ヒータ１５は、制御ユニット２０に設けられたヒータ制御部２３により所定の温度に制御される。乾燥用ヒータ１５は塗布ノズル１４からシートＳ表面に塗布された塗布液を加熱してその乾燥固化を促進する。乾燥後のシートＳは巻き取りローラ１２により再びロール状に巻き取られる。
【００２９】
ここで、この製造プロセスに用いられる材料としては、例えば次のようなものが挙げられる。例えばリチウムイオン二次電池の正極電極を製造するプロセスでは、集電体となるシートＳとして例えばアルミニウム箔を用いることができる。また、この場合の活物質（正極活物質）としては例えば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などを用いることができる。
【００３０】
また例えば、リチウムイオン二次電池の負極電極を製造するプロセスでは、集電体となるシートＳとして例えば銅箔を用いることができる。また、この場合の活物質（負極活物質）としては例えばＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（ＬＴＯ）を主体としたもの、またはＣ、ＳｉまたはＳｎなどを用いることができる。
【００３１】
活物質を含む塗布液としては、上記した活物質材料の他に、導電助剤としてのアセチレンブラックまたはケッチェンブラック、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）などを混合したものを用いることができる。
【００３２】
このような材料を混合してなる塗布液の組成比を変えることで、その粘度を適宜に調整することが可能である。本実施形態のように塗布ノズル１４から連続的に送出されて構造体を形成するための塗布液としては、例えば粘度を５００Ｐａ・ｓないし１００００Ｐａ・ｓとしたペースト状のものが好適である。
【００３３】
図２はこの電極製造装置による電極製造プロセスを模式的に示す図である。上記のように構成された電極製造装置１では、一定速度で搬送されるシートＳに対して塗布ノズル１４を近接・離間方向に往復運動させながら、該往復運動に同期させて塗布ノズル１４から塗布液を断続的に送出する。これにより、シートＳの搬送方向に沿って周期的な活物質構造体を形成する。具体的には以下の通りである。
【００３４】
塗布ノズル１４は、昇降駆動部１６からの駆動により、一定の周期で上下方向に往復運動する。塗布ノズル１４がシートＳから上方に離間した離間位置からシートＳに近接する近接位置に向かって移動する局面においては、図２（ａ）に示すように、塗布ノズル１４の下面に設けた送出口１４１から少量の塗布液Ｐを送出し、送出口１４１の近傍にシートＳ側に向けて突出する塗布液の突出部を形成した状態で塗布ノズル１４をシートＳに近接させる。
【００３５】
塗布液Ｐの送出量は、図２（ｂ）に示すように、塗布ノズル１４とシートＳとのギャップが最小値Ｇｍｉｎとなる近接位置に塗布ノズル１４が位置するときに、突出部の下端がシートＳの表面に接触するのに十分な量とされる。つまり、塗布ノズル１４の下面からの突出部の長さがギャップ最小値Ｇｍｉｎよりも長くなるように、塗布液Ｐの送出量が設定されている。これにより、塗布ノズル１４が近接位置に位置しているときに、送出口１４１から送出された塗布液ＰがシートＳ表面に着液する。この時点では、シートＳ表面に着液した塗布液Ｐは塗布ノズル１４内の塗布液と連続した状態であり、塗布ノズル１４とシートＳとが塗布液Ｐを介して繋がった状態となっている。
【００３６】
次に、この状態から塗布ノズル１４を上方に移動させ、シートＳ表面から離間させる。これとともに、送出口１４１からは一定流量の塗布液Ｐを送出する。これにより、図２（ｃ）に示すように、下端がシートＳに付着した塗布液Ｐは上方へ向かって引き上げられる。塗布液Ｐの送出量が規定値に達すると、塗布ノズル１４の上方への移動を継続しながら塗布液の送出を停止する。塗布液の送出停止後も塗布ノズル１４を上方へ移動させることにより、シートＳに付着した塗布液Ｐと塗布ノズル１４とが分離される。したがって、図２（ｄ）に示すように、シートＳ表面に残された塗布液により、シートＳの表面から上方に向かって屹立する柱状の構造体Ｃが形成される。塗布ノズル１４の上昇は、シートＳ表面とのギャップが予め設定された最大値Ｇｍａｘとなる離間位置に達した時点で停止される。そして、この位置から再び、図２（ａ）に示すようにシートＳに向かって接近移動が開始される。
【００３７】
上記した一連の動作を１サイクルとして、シートＳを一定速度で搬送しながら一定周期で繰り返すことにより、図２（ｅ）に示すように、シートＳ表面にはその搬送方向Ｄｔに沿って一定ピッチで並ぶ活物質の構造体Ｃが複数形成されることになる。
【００３８】
なお、移動するシートＳに対して塗布ノズル１４を上方へ引き上げた場合、形成される構造体がシート搬送方向の後方側に傾くことが考えられるが、塗布液のレベリング作用により、ある程度の傾きは自然に修正される。またシート搬送速度に対して塗布ノズル１４の引上げ速度を十分に速くすれば、傾きをほぼ無視できるレベルに抑えることができる。
【００３９】
また、塗布ノズル１４の引き上げ速度と、このとき送出口１４１から送出される塗布液の送出速度とは概ね一致していることが好ましい。こうすることで、送出口１４１から送出された塗布液の断面形状が維持されたまま上方へ成長した構造体が得られる。これに対して、引き上げ速度の方が速いと塗布液の供給が間に合わずに途切れて所定高さの構造体が得られないことがある。一方、引き上げ速度が遅いと塗布液が塗布ノズル１４とシートＳとの間で滞留し、その断面形状が乱れたり塗布ノズル１４に付着したりするなどの問題が生じる可能性がある。
【００４０】
また、送出の停止により塗布ノズル１４から分離される塗布液Ｐの上端の形状は不整形であるため、構造体Ｃにおける上端部の形状も図示したように整ったものには必ずしもならないが、塗布液のレベリング作用によりある程度形の揃ったものとなることが期待できる。
【００４１】
さらに、本実施形態のようにシートＳを水平方向に搬送しその上面に塗布液を塗布する場合、塗布ノズル１４から分離された塗布液Ｐが重力の作用で下方へ沈み込み、また乾燥により溶剤成分が揮発することで収縮が起こるため、最終的に得られる活物質構造体の高さは塗布直後の塗布液の高さよりも低くなることがあり得る。この点を見込んで、塗布直後の塗布液は必要とされる活物質構造体の高さよりも高くしておくことが好ましい。
【００４２】
図３はこの電極製造装置により形成される活物質構造体の形状の例を示す図である。図３（ａ）に示す例では、塗布ノズル１４ａの下面に、シートＳの搬送方向Ｄｔ（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に細長くスリット状に延びた、つまりＹ方向の開口寸法よりもＸ方向の開口寸法の方が大きい単一の送出口１４１ａが設けられている。このような例では、Ｘ方向に延びるとともにＺ方向に屹立する活物質構造体Ｃａが、Ｙ方向に一定間隔でシートＳ表面に配列して形成される。塗布液として高粘度のペースト状のものを用いることで、底面および水平方向の断面が送出口１４１ａの開口形状と略同じ形状を有する活物質構造体Ｃａを形成することが可能である。
【００４３】
また、図３（ｂ）に示す例では、塗布ノズル１４ｂの下面に、Ｘ方向に配列された複数の送出口１４１ｂが設けられている。それぞれの送出口１４１ｂの開口形状は互いに同じである。このような例では、送出口１４１ｂの開口形状と略同じ断面形状を有する活物質構造体ＣｂがシートＳ表面においてＸ方向およびＹ方向に二次元配列された構造が得られる。
【００４４】
このように、この実施形態の電極製造装置１では、塗布ノズル１４の送出口１４１の開口形状および塗布液の粘度を適宜に設定することで、種々の断面形状の活物質構造体をシートＳの表面に形成することが可能である。例えば、送出口を円形または正方形とした場合には、Ｚ方向に屹立する円柱状または角柱状の活物質構造体を形成することが可能である。なお、塗布ノズル１４に複数の送出口を設ける場合、それらが同一形状でなくてもよい。送出口の開口形状を異ならせることにより、互いに断面形状の異なる活物質構造体をＸ方向に並べて同時に形成することができる。
【００４５】
また、塗布ノズル１４の底面に、Ｙ方向に位置の異なる複数の送出口を設けてもよい。このような構成では、塗布ノズル１４の上下動の１サイクルの間にＹ方向に並ぶ複数の活物質構造体を同時に形成することができる。この場合、Ｙ方向に並べる送出口の配置をＸ方向に異ならせることにより、Ｙ方向に隣接する活物質構造体の間で互いにＸ方向の位置が異なる、いわゆる千鳥配置の活物質構造体を形成することができる。
【００４６】
図４はこの電極製造装置の各部の動作を示すタイミングチャートである。より具体的には、上記した動作を塗布ノズル１４の動きに着目して表したものである。ここでは動作態様の一部が異なる２つの動作例について説明する。なお、ここで説明する動作の間、シートＳは一定速度で搬送方向Ｄｔに搬送されている。また、図において「ノズルギャップ」は塗布ノズル１４下面とシートＳ表面との間のＺ方向におけるギャップの大きさを表す。また「ノズル移動速度」は塗布ノズル１４のＺ方向への移動速度であり、上向きを正として表す。つまり「＋」は上向きの移動速度、「−」は下向きの移動速度を表す。また、「塗布液送出速度」は送出口１４から送出される塗布液の、塗布ノズル１４に対する相対的な下向きの流速を表す。
【００４７】
図４（ａ）に示す例では、時刻Ｔ0において塗布ノズル１４はシートＳから最も離間した離間位置に位置決めされており、塗布ノズル１４とシートＳ表面とのギャップ（ノズルギャップ）は最大値Ｇｍａｘとなっている。このときノズル移動速度および塗布液送出速度は共に０である。
【００４８】
時刻Ｔ1において、塗布ノズル１４の下向きの移動が開始されてノズルギャップは次第に小さくなり、時刻Ｔ2においてノズルギャップが最小値Ｇｍｉｎである近接位置に到達して移動は停止される。この間の一定期間、少量の塗布液が送出口１４１から送出される。したがって、塗布ノズル１４がシートＳに向かって接近移動しながら、塗布ノズル１４の下面から下方へ突出した塗布液の突出部が形成される。この時の状態を模式的に示したのが図２（ａ）である。塗布液が送出される期間は時刻Ｔ1からＴ2までの間の任意の期間とすることができ、当該期間に送出される塗布液によりギャップ最小値Ｇｍｉｎよりも長い突出部を形成することができるように、当該期間の長さと送出速度とが設定される。
【００４９】
時刻Ｔ2において、塗布ノズル１４が近接位置に到達しノズルギャップが最小値Ｇｍｉｎとなると、塗布ノズル１４の下面から突出する塗布液の突出部の先端（下端）がシートＳ表面に接触し、塗布液がシートＳに付着する。この時の状態を模式的に示したのが図２（ｂ）である。
【００５０】
時刻Ｔ2の直後の時刻Ｔ3（好ましくは、Ｔ3＝Ｔ2）において、送出口１４１からの塗布液の送出を開始するとともに塗布ノズル１４の上向きの移動を開始し、これによりシートＳに着液した塗布液の塊が上向きに成長する。この時の状態を模式的に示したのが図２（ｃ）である。塗布液が引き上げの途中に途切れないように、このときのノズル移動速度は比較的低速に設定される。より具体的には、このときの塗布液送出速度と同程度とされる。送出口１４１からの塗布液の送出と塗布ノズル１４の上向きの移動とは時刻Ｔ4まで継続される。
【００５１】
そして、時刻Ｔ4では、塗布ノズル１４の上昇を継続しながら塗布液の送出を停止する。送出口１４１からの塗布液の供給が停止された状態で塗布ノズル１４がさらにシートＳから離間することで、シートＳから上向きに延びる塗布液は塗布ノズル１４から分離される。このときノズル移動速度をさらに高めることが好ましく、こうすることで塗布液と塗布ノズル１４との分離を素早く行って、塗布液の終端が長く尾を引くことが防止される。これにより活物質構造体上面の形状が大きく乱れるのを防止することができる。小さな形状の乱れは塗布液のレベリング作用により解消される。この時の状態を模式的に示したのが図２（ｄ）である。
【００５２】
ノズルギャップが最大値Ｇｍａｘとなる離間位置に塗布ノズル１４が到達する時刻Ｔ5において、塗布ノズル１４の移動は停止される。ここまで（時刻Ｔ0〜時刻Ｔ5）を１サイクルとして上記動作を繰り返すことで、図２（ｅ）に示したように、Ｙ方向に一定ピッチで並ぶ活物質構造体Ｃが形成される。
【００５３】
一方、図４（ｂ）に示す例では、塗布液の送出の態様が図４（ａ）に示した例とは異なっている。塗布ノズル１４の動作自体は、時刻Ｔ2から時刻Ｔ3までの時間が長くなっている点を除けば図４（ａ）の例と同一であるので説明を省略する。この例では、時刻Ｔ2またはそれ以降において塗布液の送出が開始される。したがって、塗布ノズル１４が近接位置に停止した状態で塗布液による突出部が形成される。そして、突出部の先端がシートＳの表面に接触した時刻Ｔ3において、塗布ノズル１４の上昇が開始される。このため時刻Ｔ2からＴ3までの時間が長く取られる。またノズル上昇と共に塗布液送出速度が増大される。以後は図４（ａ）の態様と同様にして活物質構造体を形成することができる。
【００５４】
各部の寸法および動作速度の数値例を以下に示すが、これらは単なる例であってこれらの数値に限定されるものではない。まず、形成しようとする活物質構造体の寸法は、シートＳに付着する底面のＹ方向長さが５０μｍないし１００μｍ程度、高さは１００μｍないし２００μｍ程度である。Ｘ方向長さは６０ｍｍないし３００ｍｍ程度であるが、この長さが単一の構造体により実現される必要は必ずしもなく、図３（ｂ）に示すように複数の構造体に分かれていてもよい。
【００５５】
また、Ｙ方向における活物質構造体の配列ピッチは例えば３００μｍ程度である。したがって、例えばシートＳの搬送速度を１００ｍｍ／秒とすると時刻Ｔ0からＴ5までのサイクル周期は３ミリ秒、塗布ノズル１４の振動周波数は３３３Ｈｚ程度となる。上記のように活物質構造体の高さが１００μｍないし２００μｍ程度であるから、ノズルギャップの最大値Ｇｍａｘとしては最大でも１ｍｍ程度が取れればよい。一方、ノズルギャップの最小値Ｇｍｉｎについては、塗布ノズル１４がシートＳに接触しない限りにおいてできるだけ近接していることが望ましい。
【００５６】
例えば、近接位置におけるノズルギャップＧｍｉｎを０．０４ｍｍ、離間位置におけるノズルギャップＧｍａｘを０．６ｍｍとし、離間位置から近接位置までの当接ノズル１４の移動速度を６００ｍｍ／秒とすることができる。一方、近接位置から離間位置までの移動局面では、ノズル移動速度を段階的に増大させる。すなわち、送出口１４１から塗布液の送出を行っている時刻Ｔ3からＴ4までの間は３００ｍｍ／秒で塗布ノズル１４をノズルギャップ０．２ｍｍに相当する位置まで上昇させ、その後の時刻Ｔ4からＴ5までの間のノズル移動速度を６００ｍｍ／秒とすることができる。これらの数値例では、時刻Ｔ1から時刻Ｔ2までの時間が約０．９３ミリ秒、時刻Ｔ3から時刻Ｔ4までが約０．５３ミリ秒、時刻Ｔ4から時刻Ｔ5までが約０．６７ミリ秒となる。また図４（ｂ）に示す態様においては、時刻Ｔ2から時刻Ｔ3までの時間は、送出される塗布液の先端がシートＳに着液するまでに必要な時間であり、塗布液送出速度を時刻Ｔ3〜Ｔ4の期間の半分とすれば約０．２７ミリ秒とすることができる。
【００５７】
以上のように、この実施形態の電極製造装置１は、ロール状に巻回された長尺シート状の集電体に塗布液を塗布して立体的な活物質構造体を形成することで、特性の優れた電池用電極を製造することができる。しかも、シート搬送方向に直交する方向に延びる活物質構造体を形成することが可能である。このようにして形成される活物質構造体を有する電池用電極については、次のような態様での電池への応用が可能である。
【００５８】
図５は本実施形態の電極製造装置により形成される電極の電池への応用例を示す図である。図５（ａ）はこの電極製造装置１により形成された電池用電極を用いた電池モジュール１００の断面構造を模式的に示す図である。この電池モジュール１００は、正極集電体１１１および正極活物質構造体１１２を有する正極電極１１０と、負極集電体１２１および負極活物質構造体１２２を有する負極電極１２０とが、電解質層１３０を挟んで積層された構造を有している。正極電極１１０および負極電極１２０の少なくとも一方が、上記した電極製造装置１を用いて製造される。活物質構造体１１２，１２２はそれぞれ集電体１１１，１２１表面に屹立するとともに紙面に垂直な方向Ｄｘに延びる棒状となっており、該方向Ｄｘは、電極製造装置１による製造過程ではＸ方向、つまりシート搬送方向Ｄｔに直交するシートＳの幅方向に相当している。このような棒状の活物質構造体１１２，１２２が方向Ｄｙに一定間隔で並んでおり、該方向Ｄｙは電極製造装置１による製造過程ではＹ方向、つまりシートＳの搬送方向Ｄｔに相当しており、シートＳの長手方向でもある。
【００５９】
このような構造の正極電極１１０および負極電極１２０が電解質層１３０を介して対向することで、活物質の使用量に対して両極の対向表面積が大きく充放電特性の良好な電池モジュールとなる。電解質層１３０は電解液を含むもの、固体電解質によるもののいずれであってもよい。また正極電極および負極電極のいずれか一方は平坦な活物質層を有するものであってもよい。
【００６０】
完成品の電池では、このような構造を有する電池モジュール１００が適宜のサイズに裁断されてパッケージに封入されている。このとき、電池の高容量化または小型化を目的として、図５（ｂ）に示すように電池モジュール１００が折り畳まれたり、図５（ｃ）に示すように巻回された状態でそれぞれパッケージ１４０，１５０に収容される場合がある。
【００６１】
このような場合、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、活物質構造体の延設方向Ｄｘを折り曲げまたは巻回の軸方向とすることで、方向Ｄｘに延びる棒状の活物質構造体にストレスが加わるのを回避することができ、活物質構造体の亀裂や損壊、集電体からの剥離などを効果的に防止することができる。
【００６２】
また、方向ＤｙはシートＳの長手方向であるため、折り曲げまたは巻回に供される帯状の電池モジュール１００の長さを自由に設定可能である。すなわち、方向ＤｘにおいてはシートＳの幅が帯の長さの上限となるが、方向Ｄｙについてはこのような制約がない。したがって、目的に応じて任意の長さの電池モジュール１００を作成することができる。
【００６３】
また、折り畳まれまたは巻回される電池モジュール１００の軸方向長さ、つまり帯の幅Ｌｘは帯の長さとは独立して設定することができる。予めこの長さＬｘに合わせて活物質構造体の長さを設定しておけば、当該長さの電池モジュール１００を作成する際に活物質構造体を切断する必要がなくなり、活物質構造体の損壊を防止する上で効果的である。この実施形態の電極製造装置１では、必要な長さに合わせて塗布ノズル１４の送出口１４１の開口形状を設定することで、このような要求にも容易に対応することが可能である。
【００６４】
以上説明したように、この実施形態においては、シートＳが本発明の「基材」に相当している。そして、供給ローラ１１および巻き取りローラ１２がそれぞれ本発明の「供給部」および「巻き取り部」として機能し、これらおよび搬送駆動部１８が一体として本発明の「搬送手段」として機能している。また、塗布ノズル１４が本発明の「ノズル」として機能し、昇降駆動部１６が本発明の「ノズル駆動手段」として機能している。また、送出制御部２２および塗布液供給部１７が一体として本発明の「送出制御手段」として機能している。また、図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）にそれぞれ示す各部の動作が、本発明の「第１工程」、「第２工程」および「第３工程」に相当している。
【００６５】
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、上記実施形態の電極製造装置１は本発明の「基材」に相当するシートＳを用いていわゆるロール・トゥ・ロール方式で電池用電極を製造するものであるが、この発明の適用対象となる基材はロール状に巻回されたものに限定されない。
【００６６】
また、上記実施形態の電極製造装置１は、塗布ノズル１４を上下動させながら、連続的に塗布液を送出可能な送出口１４１から断続的に塗布液を送出することで、シートＳの表面から屹立しシート搬送方向に直交する方向に延びる活物質構造体を形成しているが、この装置１は、塗布ノズル１４を停止させた状態で送出口１４１から連続的にまたは断続的に塗布液を送出することで、シート搬送方向に延びる活物質構造体を形成する際にも用いることが可能である。
【００６７】
また、上記実施形態では、塗布ノズル１４の上昇移動中、塗布液の送出停止後にノズル移動速度を増加させることで塗布ノズル１４からの塗布液の分離を促進しているが、このことは必須の要件ではない。例えば近接位置から離間位置まで一定速度で塗布ノズル１４を上昇させ、その途中で塗布液の送出を停止するように構成されてもよい。
【００６８】
また、上記実施形態では塗布ノズル１４をシートＳ表面から垂直方向に離間移動させているが、例えばシート搬送方向の移動成分を含む離間動作としてもよい。こうすることで、シートＳの移動に伴って塗布液が斜め方向に成長するのを回避することができる。また上記実施形態では水平方向に搬送されるシートＳに対して上方から塗布を行っているが、シート搬送方向および塗布方向はこれに限定されるものではない。
【００６９】
また、上記実施形態で例示した集電体、活物質、電解質等の材料はその一例を示したものであってこれに限定されず、リチウムイオン二次電池の構成材料として用いられる他の材料を使用してリチウムイオン二次電池用電極を製造する場合においても、本発明を好適に適用することが可能である。また、リチウムイオン二次電池に限らず、基材と活物質層とを積層した構造を有する電池用電極の製造技術全般に本発明を適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、基材表面に活物質を含む塗布液を塗布して電池用電極を製造する技術全般に適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１  電極製造装置
１１  供給ローラ（供給部、搬送手段）
１２  巻き取りローラ（巻き取り部、搬送手段）
１４  塗布ノズル（ノズル）
１６  昇降駆動部（ノズル駆動手段）
１７  塗布液供給部（送出制御手段）
１８  搬送駆動部（搬送手段）
２２  送出制御部（送出制御手段）
Ｃ  活物質構造体
Ｐ  塗布液
Ｓ  シート（基材）
【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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