(57)【要約】【課題】精度よくパターニングされた膜厚均一な絶縁体膜を表面に有する電極を形成できる電極形成装置を提供することである。【解決手段】実施形態の電極形成装置は、電極基材表面に絶縁体の膜を形成する塗布部（１１）、および前記絶縁体の膜の所定の領域を除去するパターニング部（１６）を具備する。前記パターニング部（１６）は、前記膜の除去予定領域に、前記絶縁体を透過する第一の波長のレーザ光を照射して、前記除去予定領域を前記電極基材から剥離する剥離部（１３）と、前記膜の除去予定領域を、その周囲から切断する切断部（１５）とを含むことを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極基材表面に絶縁体の膜を形成する塗布部、および
前記絶縁体の膜の所定の領域を除去するパターニング部を具備し、
前記パターニング部は、
前記膜の除去予定領域に、前記絶縁体を透過する第一の波長のレーザ光を照射して、前記除去予定領域を前記電極基材から剥離する剥離部と、
前記膜の除去予定領域を、その周囲から切断する切断部と
を含むことを特徴とする電極形成装置。
【請求項２】
前記切断部は、前記絶縁体が吸収する第二の波長のレーザ光を照射するレーザ発信機を具備する請求項１に記載の電極形成装置。
【請求項３】
前記剥離部は、前記第一の波長のレーザ光の焦点を絶縁体膜と前記電極基材との界面に調整する第一の制御部を具備することを特徴とする請求項１または２に記載の電極形成装置。
【請求項４】
前記切断部は、前記第二の波長のレーザ光の焦点を絶縁体膜の表面に調整する第二の制御部を具備することを特徴とする請求項２または３に記載の電極形成装置。
【請求項５】
前記電極基材を搬送するロールツーロールの搬送機構をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電極形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電極形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｌｉ二次電池においては、正極と負極との接触を回避するための絶縁体膜として、多孔質の高分子膜（セパレータ）が用いられている。従来のセパレータは、正極および負極とは別個の部材として準備され、正極と負極とでセパレータを挟持した積層体を捲回または積層して電池が製造される。こうして用いられるセパレータは自立膜であるため、ある程度の厚さが要求される。しかしながら、セパレータの厚さは捲き数（または積層数）の制約につながり、電池の容量が制限されてしまう。
【０００３】
セパレータの厚さを低減して電池の容量アップを図るために、電極基材の表面に塗布法によりセパレータを直接形成することが提案されている。場合によっては、電極上のセパレータはパターニングが必要とされ、例えば、エレクトロスピニングでセパレータ膜を形成する際に電場を制御して、セパレータ膜をパターニングすることが提案されている。しかしながら、電場制御を行なった場合には、電場干渉をうけるためにパターニング精度が悪いのに加えて、膜厚の均一性が損なわれる。具体的には、電場を印加しない部分にも数μｍ（実測で３μｍ）以下のナノ繊維の薄膜が形成されてしまう。
【０００４】
優れた性能のＬｉ二次電池を得るためには、電極表面のセパレータ膜は高い精度でパターニングされることが望まれる。しかしながら、精度よくパターニングされたセパレータ膜を、均一な膜厚で電極基材の表面に形成することは、未だ実現されていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２４９９６６号公報
【特許文献２】特開２００６−２８３２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、精度よくパターニングされた膜厚均一な絶縁体膜を表面に有する電極を形成できる電極形成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】
実施形態によれば、電極形成装置は、電極基材表面に絶縁体の膜を形成する塗布部、および前記絶縁体の膜の所定の領域を除去するパターニング部を具備する。前記パターニング部は、前記膜の除去予定領域に、前記絶縁体を透過する第一の波長のレーザ光を照射して、前記除去予定領域を前記電極基材から剥離する剥離部と、前記膜の除去予定領域を、その周囲から切断する切断部とを含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態にかかる電極形成装置の構成を表わす概念図。
【図２】絶縁体膜が形成された電極基材を示す模式図。
【図３】剥離部を説明する概略図。
【図４】切断部を説明する概略図。
【図５】実施形態の形成装置により得られた電極の一例を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
図１は、一実施形態にかかる電極形成装置の構成を表わす概略図である。図示する形成装置１０は、電極基材（図示せず）上に絶縁体膜（セパレータ膜）を塗布法により形成する塗布部１１と、電極基材上の絶縁体膜の所定の領域を除去するパターニング部１６とを具備する。パターニング部１６は、絶縁体膜の所定の領域（除去予定領域）を下地の電極基材から剥離する剥離部１３と、絶縁体膜の除去予定領域を周囲から切断する切断部１５とを含む。図示する電極形成装置１０においては、電極基材は、搬送ベルト１７、巻き出しロール１８および巻き取りロール１９を含むロールツーロールの搬送機構によって搬送される。具体的には、搬送ベルト１７は巻き出しロール１８と巻き取りロール１９とによって駆動されて、塗布部１１、剥離部１３、および切断部１５に順に達するように、矢印Ａ方向に電極基材を搬送する。
【００１１】
パターニング部１６においては、電極基材の移動方向に沿って剥離部１３と切断部１５とが設けられているが、これに限定されない。図示する例とは逆に、電極基材の移動方向に沿って設けられた切断部１５と剥離部１３とによって、パターニング部１６を構成してもよい。
【００１２】
塗布部１１においては、図２に示すように電極基材２１上に絶縁体膜２３が形成される。電極基材２１は、１〜２００μｍ程度の厚さの導電性箔であり、その材質は、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、および導電性ステンレス等から選択することができる。
【００１３】
電極基材２１上に形成される絶縁体膜２３は、実質的に電子伝導性のない構造体であり、有機材料および無機材料のいずれを含んでいてもよい。薄膜化を図るために、本実施形態の装置において電極基材２１上に形成される絶縁体膜２３の厚さは、２０μｍ以下程度とすることが望まれる。
【００１４】
有機材料を含む絶縁体膜は、例えば繊維状の構造体であり、繊維の材質は、例えば、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等から選択することができる。こうした有機材料を用いた場合には、１μｍ以上の厚さの絶縁体膜２３を作製することができる。
【００１５】
有機材料を含む絶縁体膜は、例えばエレクトロスピニング等の紡糸膜形成手法により形成することができる。具体的には、上述したような有機材料を有機溶媒に溶解した溶液を原料として用いて、電界の力によって繊維を形成するエレクトロスピニング装置により、電極基材２５上に紡糸膜を作製する。有機溶媒は、例えばジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、アセトン、エタノール、およびメタノール等から選択することができる。
【００１６】
無機材料を含む絶縁体膜２３は、例えばアルミナ等の金属酸化物の微粒子を含む樹脂を、例えば、ブレード印刷、スプレー塗布等の任意の方法により電極基材２１上に印刷して形成することができる。印刷法を採用した場合には、例えば１〜１００μｍ程度の厚さの絶縁体膜２３を形成することができる。
【００１７】
剥離部１３においては、絶縁体膜２３の所定の領域（除去予定領域）に所定の波長の剥離用レーザを照射して、除去予定領域の絶縁体膜を下地の電極基材２１から剥離する。図３を参照して、剥離部１３について説明する。図３（ａ）に示されるように、電極基材２１上に形成された絶縁体膜２３の除去予定領域に剥離用レーザ光Ｌ１が照射される。剥離用レーザＬ１としては、絶縁体膜２３を透過する波長を有するレーザ光が選択される。絶縁体膜２３を透過した剥離用レーザ光Ｌ１のエネルギーは、絶縁体膜２３と電極基材２１との界面にエネルギーが集中する。その結果、電極基材２１からの放射熱によって、図３（ｂ）に示されるように、除去予定領域Ｂにおける絶縁体膜２３ａが電極基材２１から剥離する。
【００１８】
剥離用レーザＬ１の使用波長は、絶縁体膜２３の材質に応じて適宜選択することができる。一般的に有機化合物は、波長の長い光ほど透過率が大きい。例えば４００ｎｍ以下の波長の光透過率は１０％以下であり、８００ｎｍ以上の波長の光の透過率は８０％以上であること知られている。なお、上述したＰＡＩおよびＰＶｄＦは、波長３６５ｎｍ以下の波長の吸光度が０．１以上である。
【００１９】
したがって、例えばエレクトロスピニングで形成された紡糸膜（有機材料）を含む絶縁体膜の場合には、この絶縁体膜を透過しやすい波長８００ｎｍ以上のＩＲレーザが剥離用レーザとして用いられる。より具体的には、例えば波長１０６０ｎｍの半導体レーザ等が挙げられる。
【００２０】
このように、有機材料を含む絶縁体膜に照射される剥離用レーザの波長は、１２００ｎｍ以下とすることが好ましい。なお、絶縁体膜の所定の領域を剥離するためにＩＲレーザが用いられる場合には、この絶縁体膜が形成される電極基材は、高い融点を有することが望まれる。例えば、ＡｕおよびＡｇ等からなる電極基材２１が挙げられる。
【００２１】
一方、無機材料からなる絶縁体膜の場合には、波長の短い光ほど透過率が大きいことから、波長３８０ｎｍ以下のＵＶレーザを剥離用レーザとして用いることが好ましい。このように、絶縁体膜の材質に応じて適切な波長の光を照射することによって、絶縁体膜２３の除去予定領域を電極基材２１から剥離することができる。
【００２２】
剥離用レーザを照射する際の方向および角度は特に限定されず、電極基材２１と絶縁体膜２３との界面で焦点を結ぶように剥離用レーザＬ１が照射されればよい。照射されるレーザは、点型およびバー型のいずれでもよいが、バー型で剥離用レーザを照射した場合には、絶縁体膜の除去予定領域をより効率よく剥離することができる。
【００２３】
剥離用レーザ光Ｌ１の焦点を、絶縁体膜２３と電極基材２１との界面に調整する制御部を設けた場合には、絶縁体膜と電極基材との界面に効率よくエネルギーを集中させて、絶縁体膜の除去予定領域を電極基材２１から剥離することができる。
【００２４】
電極基材２１から剥離された絶縁体膜２３の除去予定領域は、切断部１５において、周囲から切断される。切断部１５においては、例えば境界にガイドを沿わせ、外力を与えて除去予定領域を引き剥がすことによって、せん断力を与えて除去予定領域を周囲から切断することができる。絶縁体膜の材質が吸収する波長のレーザ（切断用レーザ）を除去予定領域に照射した場合には、効率よく熱切断することが可能となる。
【００２５】
図４を参照して、レーザを用いた切断部１５について説明する。図４（ａ）に示されるように、電極基材２１上に形成された絶縁体膜２３の除去予定領域に、切断用レーザ光Ｌ２が照射される。切断用レーザ光Ｌ２は、絶縁体膜２３の材質が吸収する波長であり、このレーザ光のエネルギーは絶縁体膜２３表面に集中する。これによって、図４（ｂ）に示されるように、絶縁体膜２３の除去予定領域Ｂが周囲から切断されて除去される。
【００２６】
切断用レーザＬ２の使用波長は、絶縁体膜２３の材質に応じて適宜選択することができる。例えば、エレクトロスピニングで形成された有機材料からなる紡糸膜は波長３８０ｎｍ以下の紫外光を吸収しやすいので、ＵＶレーザを用いることが好ましい。有機材料を含む絶縁体膜の切断に用いるレーザは、例えば、ＫｒＦレーザ、ＹＡＧレーザ、および第三高調波レーザなどから選択することができる。なお、波長が３６５ｎｍ以下のＵＶレーザを用いた場合には、例えば切断効率が向上するといった効果が得られる。一方、無機材料からなる絶縁体膜の場合には、８００ｎｍ以上のＩＲレーザを用いることが好ましい。
【００２７】
切断用レーザを照射する際の方向および角度は特に限定されず、絶縁体膜２３の表面で焦点を結ぶように切断用レーザＬ２が照射されればよい。照射されるレーザは、点型およびバー型のいずれでもよいが、点型で切断用レーザを照射した場合には、絶縁体膜の除去予定領域を高い精度で切断することができる。
【００２８】
切断用レーザ光Ｌ２の焦点を、絶縁体膜２３の表面に調整する制御部を設けることによって、絶縁体膜の表面に効率よくエネルギーを集中させて、絶縁体膜２３の除去予定領域を周囲から切断して除去することができる。
【００２９】
剥離部１３および切断部１５のいずれにおいても、電極基材２１の材質、絶縁体膜２３の材質および厚さ等を考慮して、レーザ出力を調節することが望まれる。例えば、ＡｕはＡｌより融点が高いので、電極基材２１としてＡｕを用いた場合には、Ａｌを用いた場合よりレーザ出力を高めて絶縁体膜２３の剥離および切断を行なってもよい。
【００３０】
ＡｌやＣｕといった融点の低い金属が電極基材２１として用いられる場合には、レーザ出力を調整して抑えることが求められる。一度のレーザ照射を行なっても絶縁体膜の除去予定領域を剥離または切断できない場合には、複数回繰り返してレーザを照射して目的を達成することができる。
【００３１】
剥離用レーザの出力は、最大でも１Ｊ／ｃｍ2以下であれば、絶縁体膜２３の除去予定領域を電極基材２１から剥離することができる。また、切断用レーザの出力は、最大でも１Ｊ／ｃｍ2以下であれば、絶縁体膜２３の除去予定領域を周囲から切断することができる。
【００３２】
本実施形態の電極形成装置においては、塗布部１１の下流に乾燥部（図示せず）およびプレス部（図示せず）を設けることもできる。乾燥部では、例えば温風や乾燥風（ドライエア）によって電極基材上の絶縁体膜を乾燥し、プレス部では、例えばロールプレスによって乾燥後の絶縁体膜を加圧する。これによって、電極基材上に形成された絶縁体膜の安定性が高められる。
【００３３】
乾燥部およびプレス部は、塗布部１１の下流であれば、任意の場所に設けることができる。例えば、パターニング部１６の後に乾燥部を設けた場合には、より高い精度で絶縁体膜の除去予定領域を剥離／切断して除去することができる。
【００３４】
本実施形態の形成装置を用いることによって、図５に示されるように、パターニングされた絶縁体膜２３’が電極基材２１上に得られる。本実施形態においては、パターニングされた絶縁体膜２３’と電極基材２１とを合わせて電極２５と称する。図示するように、電極２５においては、絶縁体膜２３が除去されて電極基材表面２１ａが露出している。この電極基材表面２１ａには、絶縁体膜は実質的に存在しない。電極基材表面２１ａにおいては、絶縁体膜はＳＥＭ観察によって確認されない程度であり、高い精度でのパターニングが可能である。
【００３５】
しかも、パターニングされた絶縁体膜２３’においては、膜厚の均一性は何等損なわれることはない。具体的には、レーザ顕微鏡による観察の結果、パターニングされた絶縁膜２３’の膜厚ばらつきは、狙い膜厚１０μｍに対して±５％以内であるので、均一性が優れていることが確認される。
【００３６】
＜実施例＞
以下に、電極形成装置の具体例を示す。
【００３７】
本実施例の電極形成装置を用いて、Ａｌ製の電極基材の上にパターニングされた絶縁体膜を形成する。用いた電極形成装置は、基本的には、図１に示したように、塗布部１１、剥離部１３、および切断部１５を有する。塗布部１１としては、電界の力によって繊維を形成するエレクトロスピニング装置を用いる。
【００３８】
ポリアミドイミド（ＰＡＩ）を１３．１３質量％の濃度でジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）に溶解して、絶縁体膜の原料溶液を調製した。塗布部においては、この原料溶液を用いて、エレクトロスピニング装置により電極基材上に紡糸膜を作製する。印加電圧４０ｋＶ、液供給量１．３７５ｍＬ／ｈの紡糸条件で成膜して、電極基材上に一様な膜（絶縁体膜）を形成した。得られた絶縁体膜の膜厚は２０μｍであった。
【００３９】
絶縁体膜の所定の領域は、剥離部１３において剥離用レーザを照射し、切断部１５において切断用レーザを照射することによって除去する。剥離部１３においては、剥離用レーザとして１０４０ｎｍの赤外線レーザを用いる。この剥離用レーザを、絶縁体膜の除去予定領域に０．２Ｊ／ｃｍ2で照射して下地の電極基材から剥離した。
【００４０】
切断部１５においては、切断用レーザとして、３５４ｎｍの第三高調波レーザを用いた。この切断用レーザを、絶縁体膜の除去予定領域に０．５Ｊ／ｃｍ2の出力で照射して、周囲から切断して除去した。
【００４１】
こうして、絶縁体膜がパターニングされて電極基材の表面の一部が露出し、図５に示したような電極２５が得られた。ＳＥＭ観察の結果、露出した電極基材の表面２１ａには絶縁体膜の存在は確認されず、実質的に除去されていた。また、パターニングされた絶縁体膜２３’の膜厚は、均一であることがレーザ顕微鏡により確認された。
【００４２】
パターニング精度が悪い絶縁体膜を有する電極、あるいは膜厚の均一性が低い絶縁体膜を表面に有する電極を用いてＬｉ二次電池が作製された場合には、溶接後の電極抵抗が増加してしまう。上述したように、実施例の装置を用いて形成された電極は、精度よくパターニングされた均一な膜厚の絶縁体膜を表面に有している。こうした電極を用いることによって、溶接後の電極抵抗が低減されたＬｉ二次電池が作製される。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１０…電極形成装置；  １１…塗布部；  １３…剥離部；  １５…切断部
１６…パターニング部；  １７…搬送ベルト；  １８…巻き出しロール
１９…巻き取りロール；  ２１…電極基材；  ２３…絶縁体膜
Ｌ１…剥離用レーザ光；  ２３ａ…剥離した絶縁体膜；  Ｌ２…切断用レーザ光
２３’…パターニングされた絶縁体膜；  ２１ａ…電極基材表面；  ２５…電極
Ａ…進行方向；  Ｂ…除去予定領域。
【図１】
2015015147.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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