(57)【要約】【課題】リチウムを真空雰囲気で蒸着するので工程が簡単になり、蒸着速度と蒸着の均一性を改善することのできる、ロールツーロール工程を用いた電極製造装置及び電極製造方法を提供する。【解決手段】本電極製造装置は、電極物質を走行させる巻出ロール及び巻取ロールと、巻出ロールと巻取ロールとの間に配置されて電極物質をその周面に沿って走行させ、電極物質を冷却する冷却ユニットを備えた成膜ロールと、リチウム源を収容し、収容されたリチウム源が成膜ロール上に位置する電極物質にリチウム薄膜を形成するように取り付けられた蒸発部とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極物質を走行させる巻出ロール及び巻取ロールと、
前記巻出ロールと前記巻取ロールとの間に配置されて前記電極物質をその周面に沿って走行させ、前記電極物質を冷却する冷却ユニットを備えた成膜ロールと、
リチウム源を収容し、前記収容されたリチウム源が前記成膜ロール上に位置する前記電極物質にリチウム薄膜を蒸着により形成するように取り付けられた蒸発部と
を含む、ロールツーロール（ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ）工程を用いた電極製造装置。
【請求項２】
前記巻出ロール、前記成膜ロール、及び前記巻取ロールが、ワンワインディングラン（ｏｎｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｒｕｎ）方式で駆動される、請求項１に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造装置。
【請求項３】
前記蒸発部から前記成膜ロールに向かうリチウム源が真空雰囲気で蒸着される、請求項１または２に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造装置。
【請求項４】
蒸着された前記リチウム薄膜の厚さを測定する測定部と、
前記測定された厚さに応じてリチウム蒸着量を制御する制御部と
をさらに含む、請求項１から３の何れか１項に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記測定された厚さに応じて、リチウム蒸着速度とリチウム蒸着量の少なくとも一方を調節する、請求項４に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造装置。
【請求項６】
前記冷却ユニットが水冷方式で冷却する、請求項１から５の何れか１項に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造装置。
【請求項７】
前記巻取ロールの後に配置され、前記電極物質を電解液に沈殿させて前記リチウム薄膜からリチウムイオンを前記電極物質にドープするドープ装置をさらに含む、請求項１から６の何れか１項に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造装置。
【請求項８】
巻出ロールから電極物質を巻き出して供給する段階と、
前記巻出ロールから供給された電極物質を成膜ロールの周面に沿って走行させながら前記電極物質上にリチウム薄膜を蒸着により形成し、冷却する段階と、
前記電極物質を巻取ロールに巻き取って収容する段階と
を含む、ロールツーロール（ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ）工程を用いた電極製造方法。
【請求項９】
前記巻出ロール、前記成膜ロール、及び前記巻取ロールが、ワンワインディングラン（ｏｎｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｒｕｎ）方式で駆動される、請求項８に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造方法。
【請求項１０】
前記電極物質上に形成されたリチウム薄膜が、真空雰囲気で蒸着される、請求項８または９に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造方法。
【請求項１１】
蒸着された前記リチウム薄膜の厚さを測定する段階と、
前記測定された厚さに応じてリチウム蒸着量を制御する段階と
をさらに含む、請求項８から１０の何れか１項に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造方法。
【請求項１２】
前記制御する段階は、
前記測定された厚さに応じて、リチウム蒸着速度とリチウム蒸着量の少なくとも一方を調節する、請求項１１に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造方法。
【請求項１３】
前記リチウム薄膜が形成された電極物質を水冷方式で冷却する、請求項８から１２の何れか１項に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造方法。
【請求項１４】
前記電極物質を冷却した後、前記電極物質を電解液に沈殿させてリチウムイオンをドープする段階をさらに含む、請求項８から１３の何れか１項に記載のロールツーロール工程を用いた電極製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極製造装置及び電極製造方法に関し、より詳細には、ロールツーロール工程を用いたエネルギー貯蔵装置の電極製造装置及び電極製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車（ＥＶ）やエンジンとモータを併用したハイブリッド車（ＨＥＶ）が開発されることにより、燃費改善のための新しい方法として、エネルギー容量と出力を満たす新しいエネルギー貯蔵装置が開発されている。特に、近年電気自動車やハイブリッド車用エネルギー貯蔵装置として言及されているものとして、２次電池（Ｎｉ−ＭＨバッテリ、リチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ）など）と電気化学キャパシタ（スーパーキャパシタ）がある。
【０００３】
ＬｉＢなどの２次電池は、エネルギー密度の高い代表的なエネルギー貯蔵装置であるが、スーパーキャパシタに比べて出力特性が限られている。これに対して、スーパーキャパシタは、高出力貯蔵装置であるが、ＬｉＢに比べてエネルギー密度が低いという限界がある。このような各欠点を克服するために、リチウムプレドープ（Ｌｉ ｐｒｅ−ｄｏｐｉｎｇ）技術が考案された。リチウムイオンキャパシタ（Ｌｉ ｉｏｎ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ＬｉＣ）というスーパーキャパシタが既に商用化されており、このＬｉＣは、既存の電気二重層キャパシタ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ＥＤＬＣ）タイプのスーパーキャパシタよりもエネルギー密度を３〜４倍向上させている。
【０００４】
ＬｉＣにおいて最も重要なのはリチウムをプレドープする方法である。リチウムプレドープによりリチウムイオンのドープが均一になるのでキャパシタのエネルギー密度が向上し、リチウムプレドープにより別途のリチウム電極が必要ないのでセルの厚さが薄くなって小型化が可能になる。また、リチウムドープ工程が簡単になるのでセル量産性及び価格競争力が向上する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、製造工程が簡素化されるとともに、リチウムイオンを電極物質に均一にドープすることにより、エネルギー密度が大きく減少することなく、出力特性が向上した２次電池又はエネルギー密度特性が向上したスーパーキャパシタのような、セルの性能が最適化されたエネルギー貯蔵装置を製造することのできる電極製造方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、製造工程が簡素化されるとともに、リチウムイオンを電極物質に均一にドープすることにより、エネルギー密度が大きく減少することなく、出力特性が向上した２次電池又はエネルギー密度特性が向上したスーパーキャパシタのような、セルの性能が最適化されたエネルギー貯蔵装置を製造することのできる電極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】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一実施形態による電極製造装置は、電極物質を走行させる巻出ロール及び巻取ロールと、前記巻出ロールと前記巻取ロールとの間に配置されて前記電極物質をその周面に沿って走行させ、前記電極物質を冷却する冷却ユニットを備えた成膜ロールと、リチウム源を収容し、前記収容されたリチウム源が前記成膜ロール上に位置する前記電極物質にリチウム薄膜を形成するように取り付けられた蒸発部とを含む。
【０００８】
また、前記巻出ロール、前記成膜ロール、及び前記巻取ロールは、ワンワインディングラン（ｏｎｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｒｕｎ）方式で駆動されることが好ましい。
【０００９】
また、前記蒸発部から前記成膜ロールに向かうリチウム源が真空雰囲気で蒸着されることが好ましい。
【００１０】
また、前記電極製造装置は、前記蒸着されたリチウム薄膜の厚さを測定する測定部と、前記測定された厚さに応じてリチウム蒸着量を制御する制御部とをさらに含むことが好ましい。
【００１１】
また、前記制御部は、前記測定された厚さに応じて、リチウム蒸着速度とリチウム蒸着量の少なくとも一方を調節することが好ましい。
【００１２】
また、前記冷却ユニットは水冷方式で冷却することが好ましい。
【００１３】
また、前記電極製造装置は、前記巻取ロールの後に配置され、前記電極物質を電解液に沈殿させて前記リチウム薄膜からリチウムイオンを前記電極物質にドープするドープ装置をさらに含むことが好ましい。
【００１４】
一方、上記目的を達成するための本発明の一実施形態による電極製造方法は、巻出ロールから電極物質を巻き出して供給する段階と、前記巻出ロールから供給された電極物質を成膜ロールの周面に沿って走行させながら前記電極物質上にリチウム薄膜を形成し、冷却する段階と、前記電極物質を巻取ロールに巻き取って収容する段階とを含む。
【００１５】
また、前記巻出ロール、前記成膜ロール、及び前記巻取ロールは、ワンワインディングラン方式で駆動されることが好ましい。
【００１６】
また、前記電極物質上に形成されたリチウム薄膜は、真空雰囲気で蒸着されることが好ましい。
【００１７】
また、前記電極製造方法は、前記蒸着されたリチウム薄膜の厚さを測定する段階と、前記測定された厚さに応じてリチウム蒸着量を制御する段階とをさらに含むことが好ましい。
【００１８】
また、前記制御する段階は、前記測定された厚さに応じて、リチウム蒸着速度とリチウム蒸着量の少なくとも一方を調節することが好ましい。
【００１９】
また、前記リチウム薄膜が形成された電極物質を水冷方式で冷却することが好ましい。
【００２０】
また、前記電極製造方法は、前記電極物質を冷却した後、前記電極物質を電解液に沈殿させてリチウムイオンをドープする段階をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明による電極製造装置及び電極製造方法によれば、従来のリチウムプレドープ技術とは異なり、リチウムを真空雰囲気で蒸着するので工程が簡単になり、蒸着速度と蒸着の均一性を改善することができる。
【００２２】
本発明により製造されたワインディングタイプのセルは、リチウムが均一に所望の程度にドープされており、セルの性能が最適化される。これにより、エネルギー密度が大きく減少することなく、出力特性が向上した２次電池又はエネルギー密度特性及び高出力サイクル特性が向上したスーパーキャパシタを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態による電極製造装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す実施形態を用いた薄膜パターン形成過程を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による電極製造方法を概略的に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるように、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明するにあたって、関連の公知機能又は構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にする場合は、その詳細な説明を省略する。
【００２５】
なお、類似の機能及び作用を果たす部分には図面全体にわたって同一の符号を付す。
【００２６】
また、明細書全体にわたって、ある構成要素を「含む」というのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含むことがあることを意味する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態による電極製造装置の構成を示す概略図である。
【００２８】
図１を参照すると、本実施形態による電極製造装置は、リチウム薄膜形成装置１とドープ装置２とから構成される。
【００２９】
本実施形態によるリチウム薄膜形成装置１は、真空チャンバ１０と、真空チャンバ１０の内部に取り付けられた電極物質Ｅを走行させるように構成された巻出ロール３１０及び巻取ロール３３０と、前記巻出ロール３１０と前記巻取ロール３３０との間に配置された成膜ロール３２０とを含む。
【００３０】
前記電極物質Ｅは前記成膜ロール３２０の周面に沿って走行し、前記成膜ロール３２０の周面上に位置する電極物質Ｅ領域は蒸着される部分となる。前記成膜ロール３２０は、その内部に冷却液が流れる冷却ユニットを備えてもよい。
【００３１】
前記電極物質Ｅは、前記成膜ロール３２０の周面を、電極物質Ｅそれ自体で走行することもでき、電極物質Ｅが導電性シート１２１に形成された状態で走行することもできる。
【００３２】
前記導電性シート１２１は、活物質層１２３に電気的信号を伝達し、蓄積された電荷を集めて外部に送る役割を果たすもので、導電性ポリマー、ステンレス、銅、ニッケルなどからなる。
【００３３】
前記巻出ロール３１０、前記巻取ロール３３０、前記巻出ロール３１０と前記巻取ロール３３０との間に配置された成膜ロール３２０により、前記電極物質Ｅをロールツーロール（ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ）方式で加工することができる。「ロールツーロール方式」とは、フィルム状の物質を回転ロールにそのまま巻いて加工する方式をいい、これは加工時間、人力、及びコストを最大限減らすことのできる方式である。
【００３４】
よって、他のリチウム薄膜形成装置１を電極物質Ｅのリチウムが蒸着されない他の面が蒸着源を向くように対称に配置して、他の面にもリチウムが蒸着されるようにしてもよい。このような方式で電極物質の両面にリチウムを蒸着できるので、既存の方式より量産性及び経済性が向上する。
【００３５】
また、前記巻出ロール３１０、巻取ロール３３０、及び成膜ロール３２０は、ワンワインディングラン方式で駆動される。「ワンワインディングラン方式」とは、フィルム状の物質が複数の回転ロールに巻かれた場合、複数の回転ロールのいずれか１つを駆動させることにより、全ての回転ロールを共に駆動させる方式をいう。本発明によれば、前記巻取ロール３３０が駆動されることにより、前記巻出ロール３１０と前記成膜ロール３２０は別途の動力源がなくても共に駆動される。
【００３６】
前記リチウム薄膜形成装置１は、前記真空チャンバ１０内の、電極物質Ｅのリチウムが蒸着される面側に、リチウムを蒸発させる蒸発部を備える。蒸発部は、内にリチウムを収容するリチウム源３４０を含む。蒸発部は、図１には示していないが、電子ビームのように、電極物質Ｅの表面に薄膜が形成されるようにリチウムを蒸発させる手段を含んでもよい。所望の蒸着領域を除いた他の電極物質Ｅ上に薄膜が蒸着されることを防止するために、遮断膜３００を含んでもよい。
【００３７】
前記巻出ロール３１０及び巻取ロール３３０により電極物質Ｅが前記成膜ロール３２０の表面上に位置すると、前記リチウム源３４０から蒸発したリチウム源（矢印）が前記電極物質Ｅに向かって進むようにシャッタ３７０を開放し、蒸着が完了した後に前記電極物質Ｅを移動させるときは、蒸発したリチウム源が前記成膜ロール３２０に向かって進まないようにシャッタ３７０を閉鎖する。
【００３８】
前記リチウム薄膜形成装置１は、リチウム蒸着量を測定する測定部３５０を含んでもよい。実質的にリチウムドープのために必要なリチウム量は非常に少ない。従って、リチウム蒸着量を調節するために、リチウム蒸着量を測定する測定部３５０と、測定された蒸着量に応じてリチウム蒸着量を調節する制御部（図示せず）とをさらに含んでもよい。
【００３９】
前記制御部は、リチウム蒸着量を調節するために、リチウム蒸着速度及び／又はリチウム蒸着量を調節することができる。例えば、巻取ロール３３０の回転時間及び／又は熱源の温度及び／又はシャッタ３７０などを調節することにより、リチウム蒸着量を調節することができる。
【００４０】
薄膜蒸着が完了すると、前記電極物質Ｅを走行させて他の領域を蒸着領域に位置させる。このような走行のために、薄膜蒸着後、前記電極物質Ｅには動力源により張力が巻取ロール方向にかかる。
【００４１】
本実施形態によるドープ装置２は、電解液が充填されたドープチャンバ２０を含む。
【００４２】
前記リチウム薄膜形成装置１と前記ドープ装置２との間には、前記電極物質Ｅを切断又はストライピングする手段などを含んでもよい。
【００４３】
前記ドープチャンバ２０でリチウム薄膜が形成された前記電極物質Ｅを電解液に沈殿させることにより、前記電極物質Ｅにリチウムイオンをドープすることができる。
【００４４】
従来、リチウムイオンキャパシタにおいては、リチウムイオンのドープのために電気めっき法（ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ）を用いる。電気めっき法の場合、前記電極物質により製造された第１電極、絶縁体のセパレータ、及び第２電極が積層された単位セルとリチウム電極を共に電解液に沈殿させ、所定の電力を供給することにより、リチウムイオンを前記電極物質にドープする。
【００４５】
しかし、本発明によれば、第２電極、セパレータ、及びリチウム電極を共に沈殿させる必要がない。そして、リチウム薄膜層が電極物質Ｅ上に形成されているため、リチウムイオンが電解液中で拡散により非常に速い速度で電極物質Ｅに均一にドープされる。つまり、電力を供給するのではなく、電極物質Ｅを電解液に沈殿させることにより、リチウムイオンのドープを行うことができる。
【００４６】
図２の（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態による電極製造過程を概略的に示すものであり、図１に示すリチウムイオン形成装置１での電極物質Ｅの走行、リチウム薄膜形成過程及びリチウムイオンドープ過程を説明するための成膜ロール３２０の蒸着領域を詳細に示す工程断面図である。
【００４７】
図２の（ａ）に示すように、前記成膜ロール３２０の表面にある導電性シート１２１には、活物質層１２３が形成されている。
【００４８】
前記活物質層１２３としては、リチウムイオンを可逆的に担持可能な物質を使用してもよいが、これに限定されるものではない。例えば、グラファイト、ハードカーボン、コークスなどの炭素材料、ポリアセン系物質などを使用することができる。
【００４９】
また、前記活物質層１２３は、導電性材料を混合して極を形成することができ、前記導電性材料としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、グラファイト、金属粉末などがあるが、これらに限定されるものではない。
【００５０】
前記活物質層１２３の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば１０〜１００ｍに形成される。
【００５１】
前記活物質層１２３は、前記導電性シート１２１に形成することができる。本発明によるリチウムイオン形成装置１においては、前記導電性シート１２１に前記活物質層１２３が形成された状態で前記巻取ロール３３０に巻き取られて提供される。
【００５２】
図２の（ｂ）に示すように、前述の状態で前記電極物質Ｅ上に蒸着工程を行ってリチウム薄膜１４０を形成する。前記蒸着工程は、図１に示すシャッタ３７０を開放することにより行うことができる。前記リチウム薄膜１４０は、本発明によれば真空蒸着法により形成される。
【００５３】
図２の（ｃ）に示すように、リチウムイオンは、電解液中で拡散により電極物質Ｅにドープされる。別途の電力を供給する必要がなく、電解液に沈殿させることにより行うことができる。
【００５４】
前記リチウム薄膜１４０が蒸着により金属薄膜タイプの導電性シート１２１全体にわたって均一に塗布されているため、全表面積にわたってリチウムドープを均一に行うことができる。リチウムが均一にドープされているため、エネルギー密度、高出力サイクル特性、寿命などが向上したスーパーキャパシタを製造することができる。
【００５５】
図３は、本発明の一実施形態による電極製造方法を概略的に示すフローチャートである。
【００５６】
本発明の一実施形態によれば、電極物質を巻出ロールから巻き出して供給する（Ｓ４１０）。前記電極物質Ｅは、電極物質それ自体であってもよく、導電性シートに形成された状態であってもよい。
【００５７】
前記巻出ロールから供給された電極物質を前記成膜ロールの周面に沿って走行させながら前記電極物質上にリチウム薄膜を形成し、冷却する（Ｓ４２０）。前記冷却は水冷方式で行ってもよい。また、前記リチウム薄膜は、真空蒸着法により形成してもよく、可能な限り前記電極物質全体にわたって均一に形成する。
【００５８】
そして、前記電極物質を前記巻取ロールに巻き取って収容する（Ｓ４３０）。前記巻取ロールに動力源が連結されており、前記巻出ロール及び成膜ロールの回転速度を調節することができ、前記巻取ロールの回転速度に応じて前記リチウム薄膜の蒸着を調節することができる。
【００５９】
さらに、別途の電力を供給するのではなく、前記リチウム薄膜が形成された電極物質を電解液に沈殿させることにより、リチウムイオンをドープしてエネルギー貯蔵装置の電極を製造することができる。
【００６０】
なお、本発明の一実施形態によるエネルギー貯蔵装置としては、リチウムイオンキャパシタを想定しているが、これは単なる例示に過ぎず、他のエネルギー貯蔵装置にも本発明の技術思想を適用することができる。
【図１】
2011258913.tif 000003
【図２】
2011258913.tif 000004
【図３】
2011258913.tif 000005