(57)【要約】【課題】電極材と集電体との結着力を低下させることなく、電極材を乾燥させることができる電極材乾燥装置を提供する。【解決手段】副集電体５２を搬送する搬送部３５と、搬送中の副集電体５２に溶媒を含む電極材２０を塗布する塗布部４０と、副集電体５２に塗布された電極材２０を加熱する中間加熱部５０と、中間加熱部５０の飽和蒸気圧を検知する飽和蒸気圧検出手段５３と、中間加熱部５０により加熱した電極材２０を副集電体５２から主集電体１０に転写する転写部３６と、を備え、中間加熱部５０は副集電体５２に塗布された電極材２０を飽和蒸気気圧が１００mmＨｇ以上５００mmＨｇ以下となる温度に加熱する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
副集電体を搬送する搬送部と、
搬送中の前記副集電体に溶媒を含む電極材を塗布する塗布部と、
前記副集電体に塗布された前記電極材を加熱する中間加熱部と、
前記中間加熱部により加熱した前記電極材を前記副集電体から主集電体に転写する転写部と、
を備え、
前記中間加熱部は前記副集電体に塗布された前記電極材を、飽和蒸気気圧が１００mmＨｇ以上５００mmＨｇ以下の場合における温度に加熱することを特徴とする電極材乾燥装置。
【請求項２】
前記飽和蒸気圧が１００mmＨｇ以上５００mmＨｇ以下となる温度は、前記電極材に含まれる結着剤の結晶化温度より高く溶媒の沸点より低い温度であることを特徴とする請求項１に記載の電極材乾燥装置。
【請求項３】
前記溶媒がｎ−メチルピロリジノンであり、前記結着剤がポリフッ化ビニリデンであることを特徴とする請求項１または２に記載の電極材乾燥装置。
【請求項４】
前記溶媒が水であり、前記結着剤がスチレンブタジエンゴムであることを特徴とする請求項１に記載の電極材乾燥装置。
【請求項５】
前記中間加熱部は、前記副集電体を誘導加熱し、前記副集電体からの熱伝達により前記電極材を加熱することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の電極材乾燥装置。
【請求項６】
前記主集電体に転写した後の前記電極材を加熱して乾燥させる乾燥部を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の電極材乾燥装置。
【請求項７】
前記乾燥部での加熱温度は前記中間加熱部での加熱温度より低いことを特徴とする請求項６に記載の電極材乾燥装置。
【請求項８】
副集電体に溶媒を含む電極材を塗布する塗布工程と、
前記副集電体に塗布された前記電極材を飽和蒸気気圧が１００mmＨｇ以上５００mmＨｇ以下となる温度に加熱する中間加熱工程と、
前記中間加熱工程で乾燥させた前記電極材を前記副集電体から主集電体に転写する転写工程と、
を備えることを特徴とする電極材乾燥方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池用電極に用いられる電極材の乾燥装置及び乾燥方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車等に使用されるリチウムイオン二次電池（以下「リチウムイオン電池」という）は、正極集電体の両面に正極活物質等を有する正極と、負極集電体の両面に負極活物質を有する負極と、正極と負極の間に配置され電解液を含浸した電解質層と、から構成される。これらリチウムイオン電池の正極及び負極は、活物質粉末、結着剤及び導電剤等を溶媒に分散または溶解させて得られる電極材を、集電体となる金属箔上に塗布し、塗布された電極材を乾燥させた後、圧延等することで形成される。
【０００３】
電極材を乾燥させる方法として、特許文献１では誘導加熱が用いられている。誘導加熱によれば電極材の温度をより高めることができるので、乾燥に要する時間を短縮することができ、その結果、生産コストや設備コストを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３２７２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように乾燥時間を短縮するために誘導加熱によって電極材を高温で乾燥させると、結着剤が電極材の表面側に偏析し、その結果、集電体と電極材との結着力が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
この偏析が生じる理由は、一般的には、電極材の温度を高めると活物質層内で対流現象が顕著になって、結着剤を含んだ溶媒が電極材表面に運ばれ易くなり、表面側での結着剤濃度が高い状態で固定化されるためと説明されている。そして、このような結着剤の偏析は乾燥させる際の電極材の温度（乾燥温度）に依存し、乾燥温度が１００℃以下では問題にならないが、１４０℃を超えると顕著に発生することがわかっている。
【０００７】
そこで、本発明では集電体と電極材との結着力の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電極材乾燥装置は、副集電体を搬送する搬送部と、搬送中の副集電体に溶媒を含む電極材を塗布する塗布部と、塗布された電極材を加熱する中間加熱部と、飽和蒸気圧検出手段と、中間加熱部により加熱した電極材を副集電体から主集電体に転写する転写部とを備える。そして、中間加熱部は、副集電体に塗布された電極材を飽和蒸気気圧が１００mmＨｇ以上５００mmＨｇ以下となる温度に加熱する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、中間加熱部での加熱によって、副集電体に塗布された電極材の表面側に結着剤が偏析する。そして、中間加熱部を通過後に、転写部にて電極材を副集電体から主集電体に転写するので、電極材は結着剤が表面側に偏析した面で主集電体と結着することとなり、その結果、結着力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（Ａ）はリチウムイオン電池の斜視図、（Ｂ）はリチウムイオン電池の断面図である。
【図２】電極材乾燥装置を示す概略構成図である。
【図３】第１乾燥炉の概略構成図である。
【図４】飽和蒸気圧と溶媒温度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）を参照して、リチウムイオン電池１の構成について説明する。図１（Ａ）はリチウムイオン電池１の斜視図であり、図１（Ｂ）はリチウムイオン電池１の断面図である。
【００１３】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すリチウムイオン電池１は、発電要素２と、発電要素２を収容する外装ケース３とを備える。
【００１４】
発電要素２は、正極４、電解質層としてのセパレータ５、及び負極６を順次積層した積層体として構成される。正極４は板状の正極集電体４Ａの両面に正極活物質層４Ｂを有しており、負極６は板状の負極集電体６Ａの両面に負極活物質層６Ｂを有している。なお、発電要素２の最外層に配置される正極４においては、正極集電体４Ａの片面のみに正極活物質層４Ｂが形成される。
【００１５】
隣接する正極４、セパレータ５、及び負極６が一つの単位電池７を構成しており、リチウムイオン電池１は積層された複数の単位電池７をそれぞれ電気的に並列接続して構成される。
【００１６】
外装ケース３は、アルミニウム等の金属をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムのシート材からなる。外装ケース３は、発電要素２を収納した状態で、ケース外周部が熱融着によって接合される。この外装ケース３には、発電要素２からの電力を外部に取り出すため、外部端子としての正極タブ８及び負極タブ９が設けられる。
【００１７】
正極タブ８の一端は外装ケース３の外側にあり、正極タブ８の他端は外装ケース３の内部で各正極集電体４Ａの集合部に接続する。負極タブ９の一端は外装ケース３の外側にあり、負極タブ９の他端は外装ケース３の内部で各負極集電体６Ａの集合部に接続する。
【００１８】
図２を参照して、リチウムイオン電池１の正極４及び負極６の製造時に使用される電極材乾燥装置１００について説明する。図２は、本実施形態の電極材乾燥装置１００を示す概略構成図である。
【００１９】
電極材乾燥装置１００は、集電体としての主基材１０に活物質や溶媒等を含む電極材２０を塗布し、電極材２０に含まれる溶媒を蒸発させて電極材２０を乾燥させる装置である。
【００２０】
より詳細には、まず中間基材５２に電極材２０を塗布し、これを第１乾燥炉５０でゴム状になるまで乾燥させた後、製品となる主基材１０に電極材２０を転写し、第２乾燥炉５１で乾燥させるものである。
【００２１】
ゴム状の電極材２０とは、数パーセントから数十パーセントの溶剤分が残っている状態であって、中間基材５２から容易に剥離できる状態である。第１乾燥炉５０で完全に乾燥させると中間基材５２から主基材１０への転写効率が低下し、転写できないことがあるが、ゴム状であれば、中間基材５２から主基材１０への転写が容易になる。なお、さらに転写し易くするために、中間基材５２の表面にフッ素樹脂等のコーティングを施すことが望ましい。
【００２２】
主基材１０は、帯状の金属シートであって、正極集電体４Ａ又は負極集電体６Ａとなるものである。正極集電体４Ａとしては例えばアルミニウム箔が用いられ、負極集電体６Ａとしては例えば銅箔が用いられる。なお、集電体は、金属に限られるものではなく、シート状の導電性材料であればよい。中間基材５２も同様に帯状の金属シートである。
【００２３】
電極材２０は、正極活物質又は負極活物質と、導電助剤と、結着剤とに溶媒を添加したものであって、所定の粘度に調製したスラリー状の材料である。
【００２４】
本実施形態では、結着剤にＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、溶媒にＮＭＰ（ｎ−メチルピロリジノン）を用いる場合について説明する。
【００２５】
電極材乾燥装置１００は、無端状の中間基材５２が周回する中間部３５と、中間基材５２に電極材２０を塗布する塗布部４０と、塗布された電極材２０をゴム状になるまで乾燥させる第１乾燥炉５０と、主基材１０を搬送する搬送部３０と、中間基材５２に塗布した電極材２０を主基材１０へ転写する転写部３６と、主基材１０に転写された電極材２０を乾燥させる第２乾燥炉５１と、を備える。
【００２６】
中間部３５は、無端状に形成された中間基材５２が駆動ロール３７とサポートロール３９に掛け回されている。駆動ロール３７は駆動モータ３８によって回転駆動され、掛け回された中間基材５２を周回させる。
【００２７】
塗布部４０は、電極材２０を吐出するスリットダイ４１と、スリットダイ４１に電極材２０を供給する電極材供給部４２とを備える。スリットダイ４１は、先端部に形成されたスリット４１Ａを介して電極材２０を吐出し、搬送中の主基材１０の表面に電極材２０を塗布する（塗布工程）。電極材２０は、主基材１０の搬送方向に所定間隔をあけて、間欠的に塗布される。このように主基材１０には電極材２０の塗装部分と未塗装層部分とが交互に形成されるが、主基材１０の未塗装部分は電極同士を電気的に接続するタブ等として用いられる。
【００２８】
第１乾燥炉５０は、中間基材５２に塗布された電極材２０をゴム状になるまで乾燥させるものである。第１乾燥炉５０では、電極材２０に含まれる結着剤を電極材２０が表面側（中間基材５２との接触面とは反対側）に偏析し、かつ溶剤が突沸しないような温度ということで、結着剤の結晶化温度より高く溶媒の沸点より低い温度（例えば１００℃〜１８０℃）まで加熱する。ただし、偏析させるためには、より高い温度での乾燥が有効なので、突沸を防止できる範囲でできるだけ高い温度（例えば１３０℃〜１７０℃）に加熱することが望ましい。第１乾燥炉５０の具体的な加熱方法については後述する。
【００２９】
搬送部３０は、ロールトゥロール方式により長尺状の主基材１０を搬送する（搬送工程）。搬送部３０は、主基材１０を供給する供給ロール３１と、主基材１０を巻き取る巻取ロール３２と、主基材１０の下面を保持する複数のサポートロール３３とから構成される。供給ロール３１は、軸３１Ａに図示しない制動機構を備えており、主基材１０に所定の張力を付与しつつ主基材１０を送り出す。巻取ロール３２は、駆動モータ３４によって回転駆動され、供給ロール３１から送り出された主基材１０を巻き取る。
【００３０】
転写部３６は、第１乾燥炉５０で乾燥させることでゴム状かつ表面側に結着剤が偏析した状態となった電極材２０を、中間基材５２から製品となる主基材１０へ転写する部分である。
【００３１】
具体的には、中間部３５の駆動ロール３７と搬送部３０のサポートロール３３とを、中間基材５２に塗布された電極材２０が主基材１０に押圧されるよう近接させて配置する。転写部３６では、中間基材５２上の電極材２０は結着剤が表面側に偏析している。つまり、中間基材５２と電極材２０の結着度は低下して剥離し易くなっている。したがって、電極材２０は主基材１０に押圧されると中間基材５２から剥離して主基材１０へと転写される。転写された電極材２０は、主基材１０側に結着剤が偏析した状態になっているので、主基材１０との結着力を確保することができる。
【００３２】
なお、より確実に転写させるために、転写部３６のサポートロール３３を加熱するようにしてもよい。
【００３３】
第２乾燥炉５１は、主基材１０に転写された電極材２０を乾燥させるものである。第２乾燥炉５１で電極材２０が加熱されて結着剤が軟化すると、電極材２０が主基材１０と結着し易くなる。
【００３４】
第２乾燥炉５１に搬送される電極材２０は、第１乾燥炉５０での乾燥によってある程度溶剤が揮発し、主基材１０側への結着剤の偏析が十分に進んでいるので、溶剤が突沸しない温度であればよく、その他の制約は特にない。１２０〜１４０℃程度に設定すれば、効率的に乾燥させることができる。第２乾燥炉５１の具体的な加熱方法については後述する。
【００３５】
電極材乾燥装置１００は、コントローラ７０によって統括的に制御される。コントローラ７０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０には、電極材２０の塗装部分と未塗装部分とを検出するセンサ７１等からの信号が入力する。コントローラ７０は、これら信号に基づいて、塗布部４０の電極材供給部４２の動作や後述する加熱コイル６０に電圧を印加する高周波電源の出力等を制御する。
【００３６】
図３を参照して、第１乾燥炉５０の具体的な加熱方法について説明する。図３は、第１乾燥炉５０の概略構成図である。
【００３７】
第１乾燥炉５０は、誘導加熱により電極材２０を乾燥させるものであり、電極材２０が塗布される主基材１０の塗布面に対して直交する方向に磁界を発生させる加熱コイル６０を備える。加熱コイル６０に交流電流を印加することで主基材１０を誘導加熱し、主基材１０からの熱伝導によって主基材１０に塗布された電極材２０を乾燥（電極材２０の溶媒を蒸発）させる。
【００３８】
第１乾燥炉５０はその内部が外部から隔離されたチャンバ構造となっており、チャンバ内の蒸気圧を測定する蒸気圧センサ５３を備える。そして、電極材２０の加熱温度は飽和蒸気圧に基づいて制御する。具体的には、図４に示すような溶媒ＮＭＰの温度と飽和蒸気圧との関係を前提として、蒸気圧センサ５３の検出値に基づいて電極材２０の温度が上述したような温度（１３０℃〜１８０℃）になるよう、つまり飽和蒸気圧が１００ｍｍＨｇ〜５００ｍｍＨｇとなるように制御する。なお、温度センサにより直接温度管理をしても構わない。
【００３９】
誘導加熱によって直接加熱するのは主基材１０のみなので、熱風を用いる熱風乾燥炉に比べて電極材２０の突沸が発生しにくい。このため、熱風乾燥炉の場合には突沸防止等のために１５０℃程度までしか上げられない設定温度を、例えば１８０℃程度にすることができ、その結果、結着剤を偏析させ易くなる。
【００４０】
また、誘導加熱によれば、電極材２０は主基材１０側から加熱されるので、電極材２０内で対流が生じやすくなり、その結果、結着剤が電極材２０の表面側へ偏析しやすくなる。
【００４１】
さらに、熱風乾燥炉の場合には、電極材２０の急激な乾燥を防ぐために、乾燥開始から所定期間は乾燥温度を１２０℃以下に制限する等の対策が必要となり、その結果、乾燥時間が長時間化し、生産速度が低下する等といった問題がある。これに対して、誘導加熱の場合には上述したようにより高い温度で乾燥させることができるので、乾燥時間を短縮することができる。また、乾燥時間が短くなれば乾燥のために必要な工程長さも短くなるので、第１乾燥炉５０を熱風乾燥炉に比べて小さな設置面積で構成することができる。
【００４２】
なお、図３においては、サポートロール６１を駆動ロール３７とサポートロール３９とで三角形を形成するように第１乾燥炉５０内に配置し、サポートロール６１を挟むように２つの加熱コイル６０を配置することで、より小さな設置面積で乾燥工程長さを確保している。ただし、これはあくまでも一例であり、加熱コイル６０の配置等についてはこれに限られるわけではない。
【００４３】
なお、上述した誘導加熱に代えて、例えば特開２００４−７１４７２号公報等に記載されている赤外線加熱等の既知の加熱手段を用いてもよい。また、上記説明では乾燥時間の長期化等といった熱風乾燥炉の問題点について述べたが、これは第１乾燥炉５０として熱風乾燥炉を使用することを妨げるものでもない。
【００４４】
一方、第２乾燥炉５１は熱風乾燥炉である。これは、上述したように第２乾燥炉５１では１２０〜１４０℃に加熱すれば十分であること、及び過加熱を防止する観点からは熱風乾燥炉が有効であることによる。
【００４５】
なお、第１乾燥炉５０及び第２乾燥炉５１のいずれについても、水系溶媒の場合には上述した温度より低い温度でも同様の効果を得る事ができる。
【００４６】
ここで、上述したような構成の電極材乾燥装置１００による電極材２０の乾燥についてまとめる。
【００４７】
まず、塗布部４０において中間基材５２に電極材２０を塗布し、塗布した電極材２０を中間基材５２の周回路中に設けた第１乾燥炉５０にて、より高い温度でゴム状になるまで乾燥させる。これにより、中間基材５２上の電極材２０の表面側に結着剤を偏析させる。
【００４８】
そして、転写部３６にて主基材１０に電極材２０を押圧して、電極材２０を中間基材５２から主基材１０へ転写する。中間基材５２から転写された電極材２０は、主基材１０側に結着剤が偏析した状態となる。つまり、電極材２０が主基材１０に結着し易い状態となる。
【００４９】
その後、転写した電極材２０を第２乾燥炉５１で乾燥させて電極材２０と主基材１０との結着力を高め、巻取ロール３２に巻き取る。
【００５０】
なお、結着剤にＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）、溶媒にＮＭＰ（ｎ−メチルピロリジノン）を用いる場合について説明したが、他の結着剤及び溶媒を用いることもできる。例えば、結着剤としてＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）、溶媒として水を用いることができる。この場合、図４に示すように、飽和水蒸気圧が１００ｍｍＨｇ〜５００ｍｍＨｇとなる温度は５０℃〜８８℃である。この温度範囲であれば、溶媒としての水の蒸発速度が高まり、結着剤としてのＳＢＲの移動量が増加するので、結着剤が表面に偏析しやすくなる。
【００５１】
以上により本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
【００５２】
（１）電極材乾燥装置１００は、周回中の中間基材５２に溶媒を含む電極材２０を塗布する塗布部４０と、中間基材５２に塗布された電極材２０を加熱する第１乾燥炉５０と、第１乾燥炉５０により加熱した電極材２０を中間基材５２から主基材１０に転写する転写部３６を備える。そして、第１乾燥炉５０では飽和蒸気圧が１００mmＨｇ以上５００mmＨｇ以下の場合における温度まで電極材２０を加熱する。このため、主基材１０は電極材２０の第１乾燥炉５０での乾燥により結着剤が偏析した面と結着することとなり、より高い結着力が得られる。
【００５３】
（２）飽和蒸気圧が１００mmＨｇ以上５００mmＨｇ以下の場合における温度は、電極材２０に含まれる結着剤として用いるＰＶＤＦの結晶化温度より高く溶媒の沸点より低い温度なので、結着剤が偏析しやすく、より高い結着力が得られる。
【００５４】
（３）第１乾燥炉５０は交流印加によって中間基材５２を誘導加熱し、中間基材５２からの熱伝導により電極材２０を加熱するので、電極材２０は中間基材５２側から加熱されることになり、対流が生じやすくなる。その結果、結着剤が電極材２０の表面に偏析しやすくなる。
【００５５】
（４）主基材１０に転写した後の電極材２０を加熱して乾燥させる乾燥部第２乾燥炉５１を備えるので、主基材１０に転写された電極材２０の結着剤が軟化し、主基材１０との結着力が高まる。
【００５６】
（５）第２乾燥炉５１での加熱温度は第１乾燥炉５０での加熱温度より低いので、結着剤を偏析させた効果を維持できる。
【００５７】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５８】
１    リチウムイオン電池
２    発電要素
３    外装ケース
４    正極
５    セパレータ
６    負極
７    単位電池
８    正極タブ
９    負極タブ
１０  主基材（主集電体）
２０  電極材
３０  搬送部
３１  供給ロール
３２  巻取ロール
３３  サポートロール
３４  駆動モータ
３５  中間部
３６  転写部
３７  駆動ロール
３８  駆動モータ
３９  サポートロール
４０  塗布部
４１  スリットダイ
４２  電極材供給部
５０  第１乾燥炉（中間加熱部）
５１  第２乾燥炉（加熱部）
５２  中間基材（副集電体）
６０  加熱コイル
７０  コントローラ
１００  電極材乾燥装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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