(57)【要約】【課題】従来技術から公知の方法の利点を実質的に維持しつつ、より低コストのプロセスで製造を行え、従来技術から公知の方法の欠点を確実に回避できる、電極の製造方法を提供する。【解決手段】ａ）乾式の活性材料混合物を準備し、ｂ）予成形された電流収集体（１０）を準備し、ｃ）活性材料層を形成しつつ、前記乾式の活性材料混合物を前記電流収集体（１０）のうち少なくとも一部の領域へ塗布する。【選択図】図１
2014183053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極の製造方法であって、
ａ）乾式の活性材料混合物を準備するステップと、
ｂ）予成形された電流収集体（１０）を準備するステップと、
ｃ）活性材料層を形成しつつ、前記乾式の活性材料混合物を前記電流収集体（１０）のうち少なくとも一部の領域へ塗布するステップと
を含む
ことを特徴とする電極の製造方法。
【請求項２】
前駆手段、例えば前駆ガスを用いて前記ステップｃ）を行う、請求項１記載の電極の製造方法。
【請求項３】
前記活性材料混合物を前記電流収集体（１０）の表面に熱結合することにより、前記活性材料混合物を前記電流収集体（１０）へ固定する、請求項１又は２記載の電極の製造方法。
【請求項４】
マスク（１４）を使用して前記ステップｃ）を行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の電極の製造方法。
【請求項５】
前記電流収集体（１０）を切削又は打ち抜きにより予成形する、請求項１から４までのいずれか１項記載の電極の製造方法。
【請求項６】
前記電流収集体（１０）として電流収集体シートを用いる、請求項１から５までのいずれか１項記載の電極の製造方法。
【請求項７】
前記ステップｃ）の前に、電流消費体（１２）を前記電流収集体（１０）に取り付ける、請求項１から６までのいずれか１項記載の電極の製造方法。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項記載の電極の製造方法によって製造されることを特徴とする電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電極に関する。さらに本発明は電極の製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
電極、例えばリチウムイオンセル用のシート状電極を製造する際には、バッテリ材料はしばしば懸濁液もしくはスラリーの形態で電流収集体に塗布される。ここで、電流収集体は、大抵の場合、製造すべき電極に応じて選択される金属によって構成される。電流収集体はコーティング前にローラによって展開され、コーティング後に再び巻き付けられる。また、コーティングされた電流収集体シートの乾燥は、例えば対流乾燥もしくは赤外線乾燥によって、スラリーの溶剤を除去するために行われる。続いて、例えば乾燥時に生じたポーラスを調整するためにカレンダ加工等が行われ、さらに、電極の成形が行われる。
【０００３】
例えば、文献、独国公開第１０２０１００６２１４０号明細書及び独国公開第１０２０１００６３１４３号明細書から、バッテリ電極の製造方法が公知である。この方法では、まず、コレクタ基板が活性材料によってほぼ完全にコーティングされ、コーティングされた製品が続いてカレンダ加工される。さらに、こうした方法では、電流消費領域を形成し、電極をコレクタ基板からの切削もしくは打ち抜きによって成形するために、材料除去も行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国公開第１０２０１００６２１４０号明細書
【特許文献２】独国公開第１０２０１００６３１４３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、従来技術から公知の方法の利点を実質的に維持しつつ、より低コストのプロセスで製造を行え、従来技術から公知の方法の欠点を確実に回避できる、電極の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電極の製造方法を対象としており、この方法は、ａ）乾式の活性材料混合物を準備するステップと、ｂ）予成形された電流収集体を準備するステップと、ｃ）活性材料層を形成しつつ、乾式の活性材料混合物を電流収集体のうち少なくとも一部の領域へ塗布するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の方法の各ステップを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
上述した電極の製造方法により、従来技術から公知の方法の利点を実質的に維持しつつ、より低コストのプロセスで、従来技術から公知の方法の欠点を確実に回避することができる。
【０００９】
このために、本発明の電極の製造方法では、ステップａにおいて、乾式の活性材料混合物が準備される。活性材料混合物はこの場合、それ自体は公知のエネルギ蓄積体のための成分を含む。例示であって本発明を制限するものではないが、リチウムイオンバッテリ用の電極を製造するケースでは、アノード用の活性材料は例えばグラファイトを有利には９４重量％以上の濃度で含み、カソード用の活性材料は、例えばリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物ＮＣＭもしくはリチウムマンガン酸化物ＬＭＯなどのリチウム塩を有利には９３重量％以上の濃度で含む。活性材料は、特には、エネルギ蓄積体の活性の充電過程もしくは放電過程に関与する材料もしくは物質もしくはそれらの混合物である。ここで、活性材料混合物は、さらに、ポリビニリデンフルオリドＰＶＤＦなどのバインダを、上述した活性材料内に分散された状態で、有利には４重量％以下の濃度で含む。また、導電性炭素化合物、例えばカーボンブラックなどの導電性添加物を有利には２重量％以下の濃度で添加してもよい。
【００１０】
なお、活性材料混合物はステップａでは乾燥している。これは、特に上述したように、従来技術から公知の溶剤を含むスラリーとは異なって、活性材料およびその他の成分が、溶剤なしの物質もしくは固体として、例えば粉末として準備されることを意味する。特に活性材料混合物は液体を含まない。
【００１１】
さらに、ステップｂで、予成形された電流収集体が準備される。こうした電流収集体はそれ自体公知の材料から構成される。なお、電流収集体は、例えばカソードが製造されるケースではアルミニウムから形成され、アノードが製造されるケースでは銅から形成される。
【００１２】
なお、電流収集体はステップｂで既に予成形されている。予成形された電流収集体は本発明においては特に、電極材料もしくは活性材料混合物が塗布される前に所望の最終形状を有するという意味である。こうして、後からの切削もしくは打ち抜きその他の処理を省略できる。
【００１３】
さらに、ステップｃで、活性材料層を形成しつつ、乾式の活性材料混合物が電流収集体のうち少なくとも一部の領域へ塗布される。つまり、このステップで、活性材料混合物は、予成形された電流収集体又はその定義された領域へ塗布される。この塗布は基本的には電極の製造に適した手法で行われる。
【００１４】
したがって、上述した方法は、既に最終形状（最終的なジオメトリ）で構成されている電流収集体を用いて、そこに活性材料層もしくは電極材料層を形成しながら乾式の活性材料を設けることを基礎としている。このため、活性材料によってコーティングされた電流収集体が例えば切削もしくは打ち抜きによってさらに別の形状となってしまうことが阻止される。また、活性材料層の乾燥を省略できる。
【００１５】
ここで、上述した方法は、後の動作のためにコーティングされた電流収集体の形状を切削などによって定める際の欠点乃至危険を低減し、又は完全に防止できるという利点を有する。
【００１６】
詳しく云えば、上述した方法は、予成形された電流収集体を使用することによって、切削もしくは打ち抜きにより打ち抜きフレームの形成を省略でき、これがもたらす電極の後の動作又は電極の導電性への負の影響を阻止できる。さらに、成形時に活性材料層から溶出する粒子が後の動作において望ましくない位置でセル短絡を引き起こし、セルを損傷乃至破壊してしまうことも防止される。本発明によれば、特に、長寿命で確実な動作を行える電極が実現される。
【００１７】
さらに、電流収集体のコーティング後、活性材料層もしくはその一部の領域を除去するための打ち抜きによって発生する機械的負荷を受けず、また、例えばレーザー切削時に電極の縁領域に生じる変形、又は、レーザーからの大きなエネルギ入力に起因する材料乃至電極組成の変化のない、安定した電極が得られる。これらの影響は上述したように電極では望ましくないので、従来技術ではしばしばコーティングされた材料の廃棄物が生じていた。しかしこのような廃棄物は本発明に対して阻止される。これにより、特に、サプライチェーン内の高い材料コストによってバッテリコストのプロセスコストを低下させて、特に低コストの製造を達成できる。
【００１８】
なお、出力を低下させる負の影響なしに特に定められた製造方法を実行できることにより、高度に定義された出力データを形成することができる。
【００１９】
また、乾燥した、すなわち、固体状であって溶剤を用いない活性材料混合物を使用することにより、活性材料混合物を電流消費体へ塗布する際に、厳密に定義された所望のポーラスを活性材料混合物に形成することができる。この場合、ポーラスは、乾燥過程ひいては活性材料層からの溶剤除去過程に起因する変化を起こさない。したがって、一方ではポーラスを厳密に定義でき、他方では、例えばカレンダ加工によってポーラスを調整する別のステップを省略でき、特に簡単かつ低コストの方法を実行できる。後者の利点はさらに、溶剤の使用が省略されているために例えば溶剤の材料浸入がなく乾燥を省略してコストをいっそう低減できることによって、増幅される。
【００２０】
このように、特に簡単なプロセス監視でスマートなプロセスを制御可能であり、既存の保存技術を利用できるので、信頼性が高まる。
【００２１】
さらに、上述した方法によれば特に均質な活性材料層を形成できる。また、活性材料層を特に良好に電流収集体へ接着でき、これにより均質かつ定義された導電性を有する特に安定した電極を得ることができる。
【００２２】
まとめると、上述した方法により、定義された状態で特に低コストに、後の駆動を高品質に行える電極を形成することができる。
【００２３】
本発明の有利な実施形態によれば、ステップｃ）は、前駆手段、特に前駆ガスを用いて行われる。殊に、前駆手段によって、乾式の活性材料混合物を、特に簡単かつ定義された状態で、良好に制御可能なプロセス制御により、電流収集体へ塗布することができる。例えば、前駆手段として、アルゴンなどの不活性ガスである前駆ガスが使用される。この場合、特に前駆手段を使用する際のプロセスパラメータにより、塗布される活性材料層のポーラス形成を調整できる。可変のプロセスパラメータには例えば圧力、流速、活性材料混合物量に対する前駆手段量などが含まれる。適切なポーラスは例えば体積において電極の３０％より大きく及び／又は電極の５０％より小さい範囲を有する。ポーラスの大きさは例えば５μｍより小さい。
【００２４】
本発明の有利な別の実施形態によれば、活性材料混合物を電流収集体の表面に熱結合することにより、活性材料混合物が電流収集体へ固定される。このために、活性材料はバインダとともに溶融され、前駆ガスによって微細に分散されて、電流収集体へ適用される。活性材料の塗布後、活性材料は冷却されて凝固し、電流収集体の表面に特に安定に固定される。これに代えて、まず活性材料を電流収集体へ塗布し、そこでバインダを溶融させ、溶融物を冷却して活性材料を固定させてもよい。特にこの実施形態では、特に安定に活性材料を電流収集体へ塗布できるので、製造された電極は同様に特に長期間にわたって安定化され、こうした電極を備えたエネルギ蓄積体を損傷のおそれなく実現できる。なお、熱結合とは、本発明では、熱の印加による活性材料混合物の固定を意味する。
【００２５】
本発明の有利な別の実施形態によれば、ステップｃ）はマスクを使用して行われる。特に、電流収集体のうちコーティングすべきでない領域を、マスクを用いてマスキングもしくはカバーすることによって、活性材料層の正確に定義されたパターンを電流収集体へ適用することができる。したがって、例えば活性材料の設けられない、所望の、正確に定義された領域をコーティングに対して空けておくことができる。例えば、電流消費体もしくは他のコンタクト領域もしくは他の素子が設けられるべき領域に、活性材料を設けないでおくことができる。この実施形態では、上述した方法で、特に任意に選択可能な電極構造が形成され、本発明の方法の適用範囲をさらに拡張できる。マスクは例えば成形可能かつ切削可能な金属、例えばアルミニウムもしくは貴金属から形成される。
【００２６】
本発明の有利な別の実施形態によれば、電流収集体は切削又は打ち抜きにより予成形される。この実施形態では、特に定義されたジオメトリを有する高精度な電極構造が形成される。なお、上述の方法は技術的にほぼ成熟しており、電極の製造時に問題なく適用可能である。したがって、この成形法の利点は、上述した方法においても、活性材料によってコーティングされた電流収集体の成形時の欠点なしに維持される。
【００２７】
本発明の有利な別の実施形態によれば、電流収集体として電流収集シートが用いられる。電流収集体シートはここでは特に長さ及び幅に対して小さな厚さを有しており、ほぼシート状に形成されるので、特にフレキシブルである。シート状の電流収集体もしくは電流収集体シートには上述した方法が特に適している。なぜなら、成形時にシート状の電流収集体において電極構造の負の影響をつねに完全に回避することはできないからである。ゆえに、電流収集体シートには、瑕のない定義された構造を製造するため、特に丁寧な製造方法が要求される。本発明を限定するものではないが、例えばアルミニウムからカソードを製造するケース、乃至、銅からアノードを製造するケースでは、電流収集体シートの厚さは５μｍ以上及び／又は５０μｍ以下の範囲である。
【００２８】
電流収集体シートの厚さはここでは特に電極に所望される安定性もしくは活性材料層などに所望される安定性に応じて選定される。例えば活性材料層が充分な安定性を有する場合、電流収集体シートの厚さは相応に小さく選定される。対して、活性材料もしくは活性材料層そのものが充分な安定性を有さない場合、電流収集体の厚さを大きくすると有利である。
【００２９】
本発明の有利な別の実施形態によれば、ステップｃ）の前に、電流消費体が電流収集体に取り付けられる。この実施形態では、有利には電流収集体と同じ材料から形成される電流消費体を特に安定に固定できる。よって、固定に関しては、既存の活性材料を考慮する必要がなく、又は、電流消費体を電流収集体の成形時に形成することができる。電流消費体は、活性材料を適切な手段で塗布する際に、活性材料の存在によって保護される。例えば、有利な実施形態として上述したように、特に電流消費体が存在する場合にこれをマスクによってカバーすることにより、活性材料による電流消費体のコーティングを排除することができる。電流消費体は、電極へ通じる電流収集体に固定され、特に電極もしくは電流収集体と外部コンタクトとを電気的に接続する素子であってよい。さらに、電流収集体は電流消費体と一体に形成可能である。例えば電流消費体は電流を消費するリブとして構成される。
【００３０】
さらなる特徴及び利点は本発明の電極に関連する説明及び図面に明示されている。また、本発明の製造方法の特徴及び利点は本発明の電極に適用可能であり、逆に本発明の電極の特徴及び利点は本発明の製造方法にも適用可能である。本発明は、明細書及び／又は特許請求の範囲及び／又は図面に開示された個々の特徴の任意の組み合わせを含む。
【００３１】
本発明は、さらに、上述した電極の製造方法によって製造される電極に関連する。こうした電極は特に低コストに製造可能であり、特に定義された構造を有する。また、こうした電極は特に簡単に大量生産可能であるので、広汎な適用分野を有する。
【００３２】
さらなる特徴及び利点は本発明の方法に関連する説明及び図面に明示されている。また、本発明の電極の特徴及び利点は本発明の製造方法に適用可能であり、逆に本発明の製造方法の特徴及び利点は本発明の電極にも適用可能である。本発明は、明細書及び／又は特許請求の範囲及び／又は図面に開示された個々の特徴の任意の組み合わせを含む。
【実施例】
【００３３】
本発明の有利な実施態様及び利点を図示し、以下に説明する。図示されている各特徴は本発明を何らかの形で限定するものではないことに注意されたい。
【００３４】
図１には電極の製造方法のステップが示されている。特に、図１には、乾式の活性材料混合物をコーティングするための電流収集体１０の前処理が示されている。このようにして形成される電極は例えばリチウムイオンバッテリの構成要素であってよく、その応用としてはコンシューマエレクトロニクスや電気駆動自動車などが挙げられる。
【００３５】
図１には、例えば電流収集体シートである電流収集体１０が準備されることが示されている。電流収集体１０は、特に活性材料混合物が塗布される前に、例えば切削もしくは打ち抜きによって予成形することができる。さらに、電流消費体タブなどの電流消費体１２を電流収集体１０に取り付けてもよい。
【００３６】
電流消費体１２をコーティングに対して保護するために、電流収集体１０のコーティングすべき領域を露出させたうえで電流消費体１２をカバーするマスク１４が設けられる。このために、マスク１４は被覆領域１６と露出領域１８とを有する。このようにすれば、活性材料層を形成しつつ、電流収集体１０の露出領域１８に、準備された乾式の活性材料混合物を塗布できる。
【００３７】
この場合、特には前駆ガスなどの前駆手段を用いて塗布を行うことができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０  電流収集体、  １２  電流消費体、  １４  マスク、  １６  被覆領域、  １８  露出領域
【図１】
2014183053.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成26年3月19日(2014.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極の製造方法であって、
ａ）乾式の活性材料混合物を準備するステップと、
ｂ）予成形された電流収集体（１０）を準備するステップと、
ｃ）活性材料層を形成しつつ、前記乾式の活性材料混合物を前記電流収集体（１０）のうち少なくとも一部の領域へ塗布するステップと
を含む
ことを特徴とする電極の製造方法。
【請求項２】
前駆手段を用いて前記ステップｃ）を行う、請求項１記載の電極の製造方法。
【請求項３】
前記前駆手段は前駆ガスである、請求項２記載の電極の製造方法。
【請求項４】
前記活性材料混合物を前記電流収集体（１０）の表面に熱結合することにより、前記活性材料混合物を前記電流収集体（１０）へ固定する、請求項１から３までのいずれか１項記載の電極の製造方法。
【請求項５】
マスク（１４）を使用して前記ステップｃ）を行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の電極の製造方法。
【請求項６】
前記電流収集体（１０）を切削又は打ち抜きにより予成形する、請求項１から５までのいずれか１項記載の電極の製造方法。
【請求項７】
前記電流収集体（１０）として電流収集体シートを用いる、請求項１から６までのいずれか１項記載の電極の製造方法。
【請求項８】
前記ステップｃ）の前に、電流消費体（１２）を前記電流収集体（１０）に取り付ける、請求項１から７までのいずれか１項記載の電極の製造方法。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項記載の電極の製造方法によって製造されることを特徴とする電極。