(57)【要約】【課題】集電体上に設けられた活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータ部材を成形したセパレータ一体型の電池用電極を製造する技術および当該電池用電極を用いた電池を製造する技術を提供する。【解決手段】ライン状パターン５２１を負極集電体として機能する銅箔５１上で互いに平行に設けてなる凹凸形状の負極活物質層５２に対して銅箔５１の反対側にセパレータ部材５４を配置する。セパレータ部材５４に対して負極活物質層５２の反対側より型部材２１の線状突起部２１２を負極活物質層５２の凹部５２２に向けて相対移動させて負極活物質層５２の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータ部材５４を成形する。こうして、入れ子構造を有するセパレータ一体型の電池用電極５５が製造される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の線状凸部を集電体上で互いに平行に設けてなる凹凸形状の活物質層を準備する準備工程と、
前記活物質層に対して前記集電体の反対側にセパレータ部材を配置する配置工程と、
前記セパレータ部材に対して前記活物質層の反対側より線状突起部を前記活物質層の凹部に向けて相対的に移動させて前記活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状に前記セパレータ部材を成形する成形工程と
を備えることを特徴とする電池用電極の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電池用電極の製造方法であって、
前記準備工程は３個以上の前記線状凸部を設けて前記活物質層に複数の凹部を形成する工程であり、
前記成形工程は、外周面上に前記線状突起部を複数個有する円筒状または円柱状の型部材を軸心周りに回転させながら前記型部材に対して前記活物質層および前記セパレータ部材を相対的に移動させて前記複数の線状突起部をそれぞれ対応する凹部に進入させる工程である電池用電極の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の電池用電極の製造方法であって、
前記準備工程は３個以上の前記線状凸部を設けて前記活物質層に複数の凹部を形成する工程であり、
前記成形工程は、前記活物質層と対向する面上に前記線状突起部を複数個有する平板状の型部材を、前記活物質層および前記セパレータ部材に向けて相対移動させて前記複数の線状突起部をそれぞれ対応する凹部に一括して進入させる工程である電池用電極の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電池用電極の製造方法であって、
前記準備工程は、前記活物質層を構成する活物質材料をノズルから前記集電体の表面に棒状に吐出して前記線状凸部を塗布する工程である電池用電極の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電池用電極の製造方法であって、
前記準備工程は、第１の活物質材料をノズルから前記集電体の表面に供給して平坦な第１の層を形成し、前記第１の活物質材料と同極の第２の活物質材料をノズルから前記第１の層の表面に棒状に吐出して前記線状凸部を有する第２の層を形成する工程である電池用電極の製造方法。
【請求項６】
(a)以下の(a-1)工程〜(a-3)工程を有し、セパレータ一体型の電極を形成する電極形成工程と、
(a-1)複数の線状凸部を第１集電体上で互いに平行に設けてなる凹凸形状の第１活物質層を準備する工程、
(a-2)前記第１活物質層に対して前記第１集電体の反対側にセパレータ部材を配置する工程、および
(a-3)前記セパレータ部材に対して前記第１活物質層の反対側より線状突起部を前記第１活物質層の凹部に向けて相対的に移動させて前記第１活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状に前記セパレータ部材を成形する工程、
(b)前記第１活物質層と接する面と反対側の前記セパレータ部材の面上に第２活物質層を形成する活物質層形成工程と、
(c)前記セパレータ部材と接する面と反対側の前記第２活物質層の面上に第２集電体を形成する集電体形成工程と
を備えることを特徴とする電池の製造方法。
【請求項７】
複数の線状凸部を集電体上で互いに平行に形成してなる凹凸形状の活物質層に対して前記集電体の反対側にセパレータ部材を搬送する搬送部と、
線状突起部を有し、前記セパレータ部材に対して前記活物質層の反対側より前記線状突起部を前記活物質層の凹部に向けて相対的に移動させて前記活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状に前記セパレータ部材を成形する成形部と
を備えることを特徴とする電池用電極の製造装置。
【請求項８】
複数の線状凸部を第１集電体上で互いに平行に形成してなる凹凸形状の第１活物質層に対して前記第１集電体の反対側にセパレータ部材を搬送する搬送部と、
線状突起部を有し、前記セパレータ部材に対して前記第１活物質層の反対側より前記線状突起部を前記第１活物質層の凹部に向けて相対的に移動させて前記第１活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状に前記セパレータ部材を成形する成形部と、
前記第１活物質層と接する面と反対側の前記セパレータ部材の面上に第２活物質層を形成する層形成部と、
前記セパレータ部材と接する面と反対側の前記第２活物質層の面上に第２集電体を形成する集電体形成部と
を備えることを特徴とする電池の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、集電体上に設けられた活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータ部材を成形した電池用電極を製造する技術および当該電池用電極を用いた電池を製造する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１では、正極、セパレータおよび負極を重ね合わせて積層してなる平板状の電極群を含む積層型リチウムイオン二次電池が記載されている。正極は正極集電体および正極活物質層で構成され、負極は負極集電体および負極活物質層で構成されている。正極および負極は、セパレータを挟んで正極活物質層と負極活物質層とが対向するように、配置されている。このように構成された電極群は外装ケースの開口部から外装ケースの内部に挿入された後に外装ケース内に電解質が注入される。その後、外装ケースの内部を真空減圧しながら開口部が溶着される。こうして、リチウムイオン二次電池の製造が完了する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４６９５１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電流は正極活物質層および負極活物質層におけるリチウムイオンの挿入・脱離によって実現される。このため、電流の大きさは電解質と活物質との接触面積の影響を受ける。つまり、接触面積の増大が電流量の増大に寄与する。そこで、活物質層を凹凸形状に仕上げて接触面積を高めることが提案されている。この場合、問題となるのがセパレータの形状および成形である。すなわち、セパレータは一般的には平坦な形状を有しているが、次のような理由から活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータを加工する必要がある。その理由は以下の通りである。
【０００５】
従来より提案されている電池では、正極および負極のいずれもが櫛歯状の一連の平行凸部を有する構造を持ち、一定の隙間を保ちながら噛み合うように配置されている。したがって、当該電池では、正極および負極の隙間にセパレータを介在させる構造を採用する必要がある。しかも、電解質の内部抵抗やイオン移動距離の低減を実現するためには、セパレータを正極および負極の凹凸形状に対応した凹凸形状に仕上げる必要がある。そして、当該セパレータを介して正極および負極が互いに噛み合うことで、入れ子構造を有する三次元電池が得られる。なお、本明細書では、このような三次元電池を構成する電極を「入れ子構造の電極」と称する。
【０００６】
しかしながら、入れ子構造の電極を製造する製造技術はもちろんのこと、入れ子構造の電極を用いた電池の製造技術も未だ確立されていない。
【０００７】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、集電体上に設けられた活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータ部材を成形したセパレータ一体型の電池用電極を製造する技術および当該電池用電極を用いた電池を製造する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】
この発明にかかる電池用電極の製造方法は、上記目的を達成するため、複数の線状凸部を集電体上で互いに平行に設けてなる凹凸形状の活物質層を準備する準備工程と、活物質層に対して集電体の反対側にセパレータ部材を配置する配置工程と、セパレータ部材に対して活物質層の反対側より線状突起部を活物質層の凹部に向けて相対的に移動させて活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータ部材を成形する成形工程とを備えることを特徴としている。
【０００９】
また、この発明にかかる電池の製造方法は、上記目的を達成するため、(a)以下の(a-1)工程〜(a-3)工程を有し、セパレータ一体型の電極を形成する電極形成工程と、(a-1)複数の線状凸部を第１集電体上で互いに平行に設けてなる凹凸形状の第１活物質層を準備する工程、(a-2)第１活物質層に対して第１集電体の反対側にセパレータ部材を配置する工程、および(a-3)セパレータ部材に対して第１活物質層の反対側より線状突起部を第１活物質層の凹部に向けて相対的に移動させて第１活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータ部材を成形する工程、(b)第１活物質層と接する面と反対側のセパレータ部材の面上に第２活物質層を形成する活物質層形成工程と、(c)セパレータ部材と接する面と反対側の第２活物質層の面上に第２集電体を形成する集電体形成工程とを備えることを特徴としている。
【００１０】
また、この発明にかかる電池用電極の製造装置は、上記目的を達成するため、複数の線状凸部を集電体上で互いに平行に形成してなる凹凸形状の活物質層に対して集電体の反対側にセパレータ部材を搬送する搬送部と、線状突起部を有し、セパレータ部材に対して活物質層の反対側より線状突起部を活物質層の凹部に向けて相対的に移動させて活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータ部材を成形する成形部とを備えることを特徴としている。
【００１１】
さらに、この発明にかかる電池の製造装置は、上記目的を達成するため、複数の線状凸部を第１集電体上で互いに平行に形成してなる凹凸形状の第１活物質層に対して第１集電体の反対側にセパレータ部材を搬送する搬送部と、線状突起部を有し、セパレータ部材に対して第１活物質層の反対側より線状突起部を第１活物質層の凹部に向けて相対的に移動させて第１活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータ部材を成形する成形部と、第１活物質層と接する面と反対側のセパレータ部材の面上に第２活物質層を形成する層形成部と、セパレータ部材と接する面と反対側の第２活物質層の面上に第２集電体を形成する集電体形成部とを備えることを特徴としている。
【００１２】
このように構成された発明では、セパレータ部材が凹凸形状の活物質層に対して集電体の反対側に配置される。このセパレータ部材に対して活物質層の反対側より線状突起部が活物質層の凹部に向けて相対的に移動される。これにより、線状突起部がセパレータ部材の一部を活物質層の凹部に押し込んでセパレータ部材を活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状に成形する。その結果、入れ子構造の電極が得られる。
【００１３】
ここで、線状凸部が３個以上設けられる場合、活物質層には複数の凹部が存在する。この場合、線状突起部についても複数個設けてもよい。例えば、外周面上に線状突起部を複数個有する円筒状または円柱状の型部材を軸心周りに回転させながら型部材に対して活物質層およびセパレータ部材を相対的に移動させて複数の線状突起部をそれぞれ対応する凹部に進入させてもよい。これにより、活物質層の凹部にセパレータ部材を押し込む処理が型部材の回転動作に連動して順次行われ、成形効率が向上する。また、別の態様として、活物質層と対向する面上に線状突起部を複数個有する平板状の型部材を、活物質層およびセパレータ部材に向けて相対移動させて複数の線状突起部をそれぞれ対応する凹部に一括して進入させてもよい。この場合、複数の凹部に対してセパレータ部材が一括して押し込まれ、成形効率が向上する。
【００１４】
なお、活物質層については種々の態様で集電体上に設けることができるが、例えば活物質層を構成する活物質材料をノズルから集電体上に棒状に吐出して線状凸部を塗布するという態様を採用してもよい。また、第１の活物質材料をノズルから集電体の表面に供給して平坦な第１の層を形成し、第１の活物質材料と同極の第２の活物質材料をノズルから第１の層の表面に棒状に吐出して線状凸部を有する第２の層を形成するという態様を採用してもよい。これらの態様では、線状凸部が安定して形成されるため、電池としての性能がより安定したものとなる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、凹凸形状の活物質層に対して集電体の反対側にセパレータ部材を配置した後、当該セパレータ部材に対して活物質層の反対側より線状突起部を活物質層の凹部に向けて相対的に移動させてセパレータ部材を成形する。したがって、セパレータ部材を活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状に仕上げ、入れ子構造の電極を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明にかかる電池の製造装置の一実施形態である電池製造システムを示すブロック図である。
【図２】図１に示す電池製造システムを用いて電池を製造する製造方法を示すフローチャートである。
【図３】電池用電極の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】電池の製造工程を模式的に示す図である。
【図５】電池の製造工程を模式的に示す図である。
【図６】図１に示す電池製造システムに装備される電極製造装置の第１実施形態を示す図である。
【図７】図６に示す電極製造装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図８】図１に示す電池製造システムに装備される電極製造装置の第２実施形態を示す図である。
【図９】この発明にかかる電池の製造方法の他の実施形態を示す模式図である。
【図１０】この発明にかかる電池の製造方法の別の実施形態を示すフローチャートである。
【図１１】図１０に示す電池の製造方法を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１はこの発明にかかる電池の製造装置の一実施形態である電池製造システムを示すブロック図である。電池製造システム１は、電極製造装置２、層形成装置３、集電体形成装置４および注入・組立装置５を備え、次のようにして電池を製造する。なお、ここでは、リチウムイオン二次電池を製造する場合を例示して当該実施形態について説明する。
【００１８】
図２は図１に示す電池製造システムを用いて電池を製造する製造方法を示すフローチャートである。図３は電池用電極の製造方法を示すフローチャートである。図４および図５は電池の製造工程を模式的に示す図である。電極製造装置２の具体的な構成については後で詳述するが、電極製造装置２により電池用電極が製造される（ステップＳ１）。
【００１９】
電池用電極は、負極（負極集電体＋負極活物質層）に対してセパレータ部材を入れ子構造で設けたセパレータ電極複合体、つまりセパレータ一体型の電極であり、図３に示す以下のステップＳ１１〜Ｓ１５を実行することで製造される。すなわち、ステップＳ１１では、負極集電体として機能する金属箔、例えば銅箔５１が電極製造装置２に準備される。負極活物質材料を含む塗布液がいわゆるノズルディスペンス法により銅箔５１の表面に塗布され、塗布後の銅箔５１が乾燥炉を通過する。これにより、図４（ａ）に示すように、Ｙ方向に延設されるライン状パターン５２１が複数本、銅箔５１の表面に形成される。この実施形態では、複数のライン状パターン５２１は互いに平行であり、しかもＹ方向と直交する水平方向Ｘに等間隔となるように、配置されている。こうして、複数のライン状パターン５２１により凹凸形状の負極活物質層５２が銅箔５１の表面に形成され（ステップＳ１２）、銅箔５１および負極活物質層５２により負極５３が構成される。
【００２０】
次に、図４（ｂ）に示すように、負極活物質層５２上に平板状のセパレータ部材５４が配置される（ステップＳ１３）。つまり、負極活物質層５２に対して銅箔５１の反対側（同図中の（＋Ｚ）方向側）にセパレータ部材５４を位置させる。
【００２１】
これに続いて、電極製造装置２の成形部に装備される型部材２１によりセパレータ部材５４が成形される（ステップＳ１３〜Ｓ１５）。型部材２１は、図４（ｃ）に示すように、平板形状のベース部２１１と、ベース部２１１から負極活物質層５２を向いて突設される複数個の線状突起部２１２とを有しているが、そのサイズはこれに限定されるものではなく、任意である。この実施形態では、ベース部２１１は銅箔５１と同程度の平面サイズを有している。各線状突起部２１２はＹ方向に延びるライン形状を有している。これらの線状突起部２１２はベース部２１１の下面、つまりセパレータ部材５４を向いた面２１３でＸ方向に等間隔で形成されている。したがって、ＸＺ断面で型部材２１は凹凸形状を有している。型部材２１の凸部、つまり線状突起部２１２のＸ方向の幅は隣り合うライン状パターン５２１のＸ方向の間隔よりも狭くなっている。一方、型部材２１の凹部２１４、つまり隣り合う線状突起部２１２で挟まれる空間のＸ方向の間隔はライン状パターン５２１のＸ方向の幅よりも広くなっている。そして、線状突起部２１２（型部材２１の凸部）が負極活物質層５２の凹部５２２、つまり隣り合うライン状パターン５２１で挟まれる空間と対向するとともに、型部材２１の凹部２１４がライン状パターン５２１（負極活物質層５２の凸部）と対向した状態で、型部材２１はセパレータ部材５４の上方位置に配置される（ステップＳ１３）。
【００２２】
負極５３およびセパレータ部材５４に対する型部材２１の位置決めが完了すると、型部材２１が負極５３およびセパレータ部材５４に向かって相対移動する。すると、型部材２１の線状突起部２１２がセパレータ部材５４の上面に当接した後、当接部分を負極活物質層５２の凹部５２２に押し込んでいく。これによって、図４（ｄ）に示すように、セパレータ部材５４が型部材２１および負極５３に挟まれて変形し、負極活物質層５２の凹凸形状に追従した凹凸形状に成形される（ステップＳ１４）。その成形完了後に、型部材２１が負極５３およびセパレータ部材５４から退避する（ステップＳ１５）。こうして、図５（ａ）に示すように、セパレータ部材５４の凸部が負極活物質層５２の凹部５２２に入り込み、ライン状パターン５２１（負極活物質層５２の凸部）がセパレータ部材５４の凹部に入り込んだ入れ子構造を有するセパレータ一体型の電池用電極５５が製造される（ステップＳ１）。
【００２３】
図２に戻って電池の製造方法の説明を続ける。電極製造装置２により製造された電池用電極５５は、図示を省略する搬送装置によって層形成装置３に搬送される。層形成装置３では、電池用電極５５のセパレータ部材５４に正極活物質層５６が形成される（ステップＳ２）。すなわち、負極活物質層５２と接する面と反対側のセパレータ部材５４の面上に正極活物質材料を含む塗布液が塗布され、電池用電極５５の凹部に入り込んでＹ方向に延設されるライン状パターン５６１が複数本形成される。さらに、これらのライン状パターン５６１を電池用電極５５と反対側（図５中の（＋Ｚ）方向側）で相互に連結するとともに電池用電極５５の凸部を覆うように膜部５６２が形成される。こうしてセパレータ部材５４で分離した状態で、正極活物質層５６の凸部、つまりライン状パターン５６１がセパレータ部材５４を介して負極活物質層５２の凹部５２２に入り込むとともに正極活物質層５６の凹部（つまり互いに隣り合うライン状パターン５６１で挟まれる空間）に対して
ライン状パターン５２１（負極活物質層５２の凸部）が入り込んでいる。なお、正極活物質材料を含む塗布液を塗布して正極活物質層を形成する層形成装置３については、従来より多用されている塗布装置を用いることができる。
【００２４】
層形成装置３で製造された中間製品（銅箔５１＋負極活物質層５２＋セパレータ部材５４＋正極活物質層５６）が図示を省略する搬送装置により集電体形成装置４に搬送される。集電体形成装置４では、セパレータ部材５４と接する面と反対側の正極活物質層５６の面上に、正極集電体として機能する金属箔、例えばアルミニウム箔５７が形成される。こうして、負極５３（銅箔５１＋負極活物質層５２）、セパレータ部材５４および正極（正極活物質層５６＋アルミニウム箔５７）を重ね合わせて積層してなる平板状の電極群５８が形成される。ただし、電極群５８の内部では、上記したように入れ子構造が形成されている。
【００２５】
その後、電極群５８は注入・組立装置５に搬送され、注入・組立装置５により従来技術と同様にステップＳ４〜Ｓ６が実行されて電池の完成品が製造される。つまり、外装ケースの開口部から外装ケースの内部に挿入される（ステップＳ４）。それに続き、ケース開口部から外装ケース内に電解質が注入される（ステップＳ５）。その後、外装ケースの内部を真空減圧しながら、開口部が溶着される（ステップＳ６）。
【００２６】
ここで、各層を構成する材料としては、リチウムイオン電池の構成材料として公知のものを用いることが可能であり、正極活物質としては例えばＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）を主体とするものを、負極活物質としては例えばＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（ＬＴＯ）を主体としたものをそれぞれ用いることができる。また、セパレータ部材５４としては例えばポリエチレン（ＰＥ）製シートを、電解液としては有機電解液またはイオン液体などをそれぞれ用いることができる。なお、各機能層の材質についてはこれらに限定されず、これらの機能材料として一般に知られているものを用いることができる。例えば正極活物質としてはＬＭＯ（ＭとしてはＭｎ、Ｎｉ、Ｆｅなど）系材料を、負極活物質としてはＣ、ＳｉまたはＳｎなどを用いることができる。また、セパレータとしてはポリプロピレン（ＰＰ）、ポリオレフィン（ＰＯ）などの樹脂材料を用いることができる。また有機電解液としては、リチウム塩（例えばＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３など）と有機溶媒とを含むものを用いることができる。有機溶媒としては、エチレンカーボネイト（ＥＣ）、ジエチルカーボネイト（ＤＥＣ）、プロピレンカーボネイト（ＰＣ）、ジメチルカーボネイト（ＤＭＣ）およびエチルメチルカーボネイト（ＥＭＣ）など、もしくはこれらのいくつかを混合した混合溶媒を用いることができる。
【００２７】
以上のように、第１実施形態では、凹凸形状の負極活物質層５２に対して平板状のセパレータ部材５４を位置決めした状態で、型部材２１の線状突起部２１２によりセパレータ部材５４の一部を負極活物質層５２の凹部５２２に押し込んで負極活物質層５２の凹凸形状に追従した凹凸形状に成形している。したがって、入れ子構造を有する電池用電極５５を良好に形成することができる。
【００２８】
また、電池用電極５５を製造する方法としては、例えばセパレータ部材５４を凹凸形状に成形した後で当該セパレータ部材５４を負極５３に装着するという製造方法（以下「比較例」という）を採用することも考えられる。しかしながら、上記実施形態によれば、当該比較例に比べて少ない製造工程で入れ子構造を有する電池用電極５５を製造することができる。しかも、凹凸形状を有する負極活物質層５２を利用してセパレータ部材５４を成形するため、セパレータ部材５４をより高精度に負極活物質層５２の凹凸形状に追従させることができ、高品質な製品が得られる。
【００２９】
さらに、入れ子構造を有する電池用電極５５を用いて電池を製造しているため、電解質と活物質との接触面積が増大し、電池全体の体積に対する接触面積の割合が大きくなっている。このため、電流量を増大させることができ、高効率・高出力の電池が得られる。このように、上記方法により製造されるリチウムイオン二次電池は小型で高性能である。
【００３０】
次に、電極製造装置２の具体例について、図６および図７を参照しつつ説明する。図６は図１に示す電池製造システムに装備される電極製造装置の第１実施形態を示す図である。図７は図６に示す電極製造装置の電気的構成を示すブロック図である。電極製造装置２では、銅箔５１をロール状に巻き取った銅箔ロール５１１が巻出部２２のロール装着軸（図示省略）に対して着脱自在となっている。巻出部２２はロール装着軸に装着された銅箔ロール５１１から銅箔５１を連続シート（ウェブ）状にＹ方向に繰り出し、主搬送台２３に送り込む。主搬送台２３は、例えばベルトコンベア機構で構成されており、電極製造装置２全体を制御する制御部２７からの搬送指令に応じて銅箔５１の裏面を保持しながらＹ方向に搬送する。主搬送台２３による銅箔５１の搬送経路はＹ方向に延びており、当該搬送経路上には上流側（図６の左手側）から塗布部２４、乾燥炉２５および切断部２６が配置されている。
【００３１】
塗布部２４は、上記負極活物質材料を含む塗布液を吐出するための吐出口（図示省略）をＹ方向と直交する水平方向Ｘに沿って複数設けた吐出ノズル２４１を備えている。吐出ノズル２４１は主搬送台２３によりＹ方向に搬送されるシート状の銅箔５１の表面の上方位置に配置されている。制御部２７からの吐出指令に応じて吐出ノズル２４１の各吐出口から上記塗布液が銅箔５１の表面に吐出される。本実施形態では、主搬送台２３により銅箔５１がＹ方向に一定速度で搬送されながら吐出ノズル２４１から一定量の塗布液が各吐出口から棒状に連続吐出される。こうすることで、銅箔５１の表面上には塗布液がＹ方向に沿ったライン状に塗布される。吐出ノズル２４１には複数の吐出口が方向Ｘに等間隔で設けられている。このため、所望本数の塗布液ライン２４２が銅箔５１の表面に一括して形成される。
【００３２】
塗布部２４の搬送方向Ｙの下流側では乾燥炉２５が設けられている。乾燥炉２５の内部は制御部２７の温度指令に応じた温度に調整される。このため、塗布液ライン２４２を有する銅箔５１は乾燥炉２５を通過する間に乾燥処理を受け、塗布液ライン２４２はライン状パターン５２１となり、銅箔５１の表面に凹凸形状を有する負極活物質層５２が形成される（図４（ａ））。こうして形成された負極活物質層５２は乾燥処理により所望硬度を有することとなり、後述するようにセパレータ部材５４を成形する際にライン状パターン５２１は変形せず、凹凸形状を維持する。
【００３３】
乾燥炉２５を通過してきた銅箔５１は主搬送台２３により切断部２６に搬送される。切断部２６は一対のカッター部材を有している。図６では、上カッター部材２６１のみが図示されているが、制御部２７からの開閉指令に応じて両カッター部材が開閉駆動される。本実施形態では、ライン状パターン２５１を有するシート状の銅箔５１が開成状態の切断部２６を所定長さだけ通過する毎に、主搬送台２３による銅箔５１の搬送を一時的に停止するとともに当該停止中に両カッター部材が閉成駆動される。これによって、銅箔５１が適当な長さに切断され、電池に適したサイズの負極５３がシート状の銅箔５１から分離される。
【００３４】
切断部２６の搬送方向Ｙの下流側では、２台のシャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂが設けられている。各シャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂは負極５３（所定のＹ方向長さを有する銅箔５１＋負極活物質層５２）を保持可能となっている。これら２台のシャトル搬送台２８Ａ、２８ＢはＸ方向に並設されており、制御部２７からの第１スライド指令に応じて一体的に（−Ｘ）方向にスライド移動する。例えば図６では、シャトル搬送台２８Ｂが主搬送台２３による銅箔５１の搬送経路上に位置決めされて切断部２６を通過して搬送されてくるシート状銅箔５１を受け入れ、保持可能となっている。この状態では、もう一方のシャトル搬送台２８Ａは上記搬送経路から（−Ｘ）方向に外れた位置に位置決めされる。なお、構成理解を助けるために、このときのシャトル搬送台２８Ａの位置を「第１成形位置」と称し、シャトル搬送台２８Ｂの位置を「搬入位置」と称する。
【００３５】
逆に、制御部２７から第２スライド指令が出力されると、両シャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂが一体的に（＋Ｘ）方向にスライド移動する。これによってシャトル搬送台２８Ｂが上記搬送経路から（＋Ｘ）方向に外れた位置に位置決めされるとともに、シャトル搬送台２８Ａが第１成形位置から搬入位置に位置決めされる。なお、このときのシャトル搬送台２８Ｂの位置を「第２成形位置」と称する。
【００３６】
搬入位置の搬送方向Ｙの下流側では、セパレータ搬送部２９（図７）が設けられている。セパレータ搬送部２９は平板状のセパレータ部材５４をセパレータ供給部（図示省略）から１枚ずつ取り出し、搬入位置に位置しているシャトル搬送台に保持されている負極５３の上面に搬送する（図４（ｂ）参照）。例えば搬入位置にシャトル搬送台２８Ａが位置決めされている場合、当該シャトル搬送台２８Ａに保持される負極５３の上面にセパレータ部材５４が載置される。その後で第１スライド指令が制御部２７から与えられると、シャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂは一体的に（−Ｘ）方向にスライド移動する。これによって、当該セパレータ部材５４は負極５３上に載置された状態のままシャトル搬送台２８Ａにより第１成形位置に搬送される。逆に、搬入位置にシャトル搬送台２８Ｂが位置決めされている場合、当該シャトル搬送台２８Ｂに保持される負極５３の上面にセパレータ部材５４が載置される。その後で第２スライド指令が制御部２７から与えられると、シャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂは一体的に（＋Ｘ）方向にスライド移動する。これによって、当該セパレータ部材５４は負極５３上に載置された状態のままシャトル搬送台２８Ｂにより第２成形位置に搬送される。このように、本実施形態では、搬送位置に位置決めされる負極５３およびセパレータ部材５４は、２台のシャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂにより第１成形位置および第２成形位置に振り分け移動される。
【００３７】
第１成形位置には上記型部材２１を装備する第１成形部２１Ａが設けられる。一方、第２成形位置には上記型部材２１を装備する第２成形部２１Ｂが設けられる。第１成形部２１Ａおよび第２成形部２１Ｂは制御部２７からの成形指令に応じて型部材２１を昇降させ、セパレータ部材５４を負極活物質層５２の凹凸形状に追従した凹凸形状に成形する（図４（ｃ）、図４（ｄ）および図５（ａ）参照）。
【００３８】
以上のように、第１実施形態にかかる電極製造装置２により、入れ子構造を有する電池用電極５５を良好に形成することができる。また、負極活物質層５２を利用してセパレータ部材５４を成形するため、セパレータ部材５４を高精度に負極活物質層５２の凹凸形状に追従させることができ、高品質な製品が得られる。また、複数個の線状突起部２１２を有する型部材２１を用いてセパレータ部材５４の成形を行っているため、セパレータ部材５４が優れた効率で成形される。さらに、負極活物質層５２を構成する活物質材料を含む塗布液を吐出ノズル２４１から銅箔５１上に棒状に吐出して塗布しているため、ライン状パターン５２１が安定して形成され、その結果、電池としての性能がより安定したものとなる。
【００３９】
図８は図１に示す電池製造システムに装備される電極製造装置の第２実施形態を示す図である。第２実施形態（図８）が第１実施形態（図６）と大きく相違する点は、型部材２１の構成および成形動作である。すなわち、第２実施形態にかかる電極製造装置２では、各型部材２１は、円筒状あるいは円柱状のベース部２１１と、ベース部２１１の外周面から突設される複数の線状突起部２１２とで構成されている。ベース部２１１はＹ方向に延びる軸心２１５を回転中心として回転自在に設けられている。当該軸心２１５を中心として複数の線状突起部２１２が放射状に等角度間隔でベース部２１１の外周面から突設されている。その角度は負極活物質層５２のライン状パターン５２１の間隔に対応した値に設定されている。
【００４０】
ベース部２１１はモータ（図示省略）と接続されており、制御部２７からの回転指令に応じてモータが作動する。この回転動作によって、ベース部２１１がシャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂのスライド移動に同期して回転し、複数の線状突起部２１２がそれぞれ対応する負極活物質層５２の凹部５２２に向かって進入する。例えば一つの負極活物質層５２の凹部５２２に着目すると、当該凹部がベース部２１１の最下部に接近すると、当該凹部に対応する線状突起部２１２がベース部２１１の最下部に接近し、セパレータ部材５４の上面に当接する。さらに、ベース部２１１の回転およびシャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂのスライド移動の進行により、当該線状突起部２１２が当接部分を負極活物質層５２の凹部５２２に押し込んでセパレータ部材５４が部分的に成形される。その後、当該線状突起部２１２は凹部から離れるが、次の凹部がベース部２１１の最下部に接近し、次の線状突起部２１２によるセパレータ部材５４の部分成形が行われる。こうした動作がシャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂのスライド移動と並行して行われてセパレータ部材５４が成形される。なお、その他の構成および動作は基本的に第１実施形態にかかる電極製造装置２と同様である。
【００４１】
以上のように、第２実施形態にかかる電極製造装置２においても、第１実施形態と同様に、入れ子構造を有する電池用電極５５を良好に形成することができる。また、負極活物質層５２を利用してセパレータ部材５４を成形するため、セパレータ部材５４を高精度に負極活物質層５２の凹凸形状に追従させることができ、高品質な製品が得られる。また、シャトル搬送台２８Ａ、２８Ｂのスライド移動中にセパレータ部材５４が成形されるため、優れた成形効率が得られる。
【００４２】
これまでに説明したように、電池製造システム１が本発明の「電池の製造装置」の一例に相当し、電池製造システム１を構成する電極製造装置２、層形成装置３および集電体形成装置４がそれぞれ本発明の「電池用電極の製造装置」、「層形成部」、「集電体形成部」の一例に相当している。ライン状パターン５２１が本発明の「線状凸部」の一例に相当している。図１のステップＳ１が本発明の「電池用電極の製造方法」および「電極形成工程(a)」の一例に相当している。図１のステップＳ２およびＳ３がそれぞれ本発明の「活物質層形成工程(b)」および「集電体形成工程(c)」の一例に相当している。図２のステップＳ１１およびＳ１２が本発明の「準備工程」および「第１活物質層を準備する工程(a-1)」の一例に相当している。図２のステップＳ１３が本発明の「配置工程」および「セパレータ部材を配置する工程(a-2)」の一例に相当している。図２のステップＳ１４が本発明の「成形工程」および「セパレータ部材を成形する工程(a-3)」の一例に相当している。
【００４３】
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、上記実施形態では、電池用電極５５に対して正極活物質層５６およびアルミニウム箔５７を形成してリチウムイオン二次電池を製造しているが、図９に示すように正極活物質層５６の構造を一部変更してよい。
【００４４】
図９はこの発明にかかる電池の製造方法の他の実施形態を示す模式図である。この実施形態が先の実施形態（図５）と大きく相違する点は大きく２点である。第１点目は、電池用電極５５のセパレータ部材５４に正極活物質層５６を形成した後に、当該正極活物質層５６の膜部５６２を金型などの工具によって削り取る点である。また、第２点目は、図９（ｄ）に示すように削り取り処理によりライン状パターン５６１のみで構成される正極活物質層５６およびセパレータ部材５４の上面にアルミニウム箔５７を形成している点である。
【００４５】
図１０はこの発明にかかる電池の製造方法の別の実施形態を示すフローチャートである。また、図１１は図１０に示す電池の製造方法を模式的に示す図である。この実施形態が先の実施形態（図３〜図５）と大きく相違する点は電池用電極５５の製造態様である。より詳しくは、当該実施形態の電極製造装置２ではスリットコーター（図示省略）がノズルディスペンス方式の塗布部２４の上流側に配置されて当該塗布部２４による塗布前に負極活物質材料がいわゆるスリットコート法により銅箔５１の表面に塗布される。なお、その他の構成は基本的に同一である。したがって、以下においては相違点を中心に説明し、同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【００４６】
図１０に示すように、負極集電体として機能する金属箔、例えば銅箔５１が電極製造装置２に準備される。電極製造装置２では、負極活物質材料を含む塗布液がスリットコーターのスリット吐出口（図示省略）から吐出される。このスリット吐出口はＸ方向に銅箔５１の幅と同程度だけ開口しており、塗布液が銅箔５１の表面に供給される。これにより、図１１（ａ）に示すように、平坦な層（以下、「第１の層」という）５２３が銅箔５１の表面に形成される（ステップＳ１２１）。なお、第１の層５２３については、スリットコート方式以外の方式で形成してもよく、従来より周知の塗布方式を採用することができる。
【００４７】
第１の層５２３の形成に続いて、負極活物質材料を含む塗布液がノズルディスペンス法により第１の層５２３の表面に塗布されてラインアンドスペース状の第２の層５２１が形成される（ステップＳ１２２）。その後、２つの層５２１、５２３が積層形成された銅箔５１が乾燥炉を通過する。これにより、図１１（ｂ）に示すように、Ｙ方向に延設されるライン状パターン５２１が複数本、第１の層５２３の表面に形成される。このように、本実施形態では、２つの層５２１、５２３を積層形成して凹凸形状の負極活物質層５２Ａを銅箔５１上に形成し（ステップＳ１２Ａ）、銅箔５１および負極活物質層５２Ａにより負極５３Ａが構成される。
【００４８】
その後は、先の実施形態と同様に、負極活物質層５２上に平板状のセパレータ部材５４が配置された（ステップＳ１３）後に、型部材２１によりセパレータ部材５４が成形される（ステップＳ１４、Ｓ１５）。これによって、図１１（ｃ）に示すように、セパレータ部材５４の凸部が負極活物質層５２Ａの凹部５２２に入り込み、ライン状パターン５２１（負極活物質層５２の凸部）がセパレータ部材５４の凹部に入り込んだ入れ子構造を有するセパレータ一体型の電池用電極５５Ａが製造される。
【００４９】
その電池用電極５５Ａは、図示を省略する搬送装置によって層形成装置３に搬送されてる。そして、先の実施形態と同様に、正極活物質層５６の形成、正極集電体として機能するアルミニウム箔５７の形成が実行されて電極群５８Ａが形成される。こうして、電極群５８Ａの内部では、上記したように入れ子構造が形成されている。その後、電極群５８Ａは注入・組立装置５に搬送され、注入・組立装置５により三次元電池の完成品が製造される。
【００５０】
なお、図１０および図１１に示す実施形態において、図９に示す実施形態と同様に、正極活物質層５６の膜部を削り取ってライン状パターン５６１のみで構成される正極活物質層５６およびセパレータ部材５４の上面にアルミニウム箔５７を形成してもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では、負極５３と型部材２１によりセパレータ部材５４を成形し、電池用電極５５を製造しているが、正極と負極とを入れ替えてもよい。つまり、アルミニウム箔などの正極集電体上に凹凸形状の正極活物質層を形成した正極の上にセパレータ部材５４を配置し、型部材２１によりセパレータ部材５４を成形してもよい。そして、こうして得られる電池用電極に対して負極活物質層および負極集電体を形成してもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、銅箔５１上にライン状パターン５２１を形成して凹凸形状の負極活物質層５２を形成するために、ノズルディスペンス法を用いている。しかしながら、これ以外の周知の方法、例えばノズルスキャン法により銅箔などの集電体上にライン状パターンなどの線状凸部を複数本形成してもよい。
【００５３】
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電池または電池用電極を製造する場合においても、本発明の製造方法を好適に適用することが可能である。また、リチウムイオン電池に限らず、入れ子構造を有する三次元電池全般の製造、および当該電池に適した電池用電極の製造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】
【００５４】
本発明は、集電体上に設けられた活物質層の凹凸形状に追従した凹凸形状にセパレータ部材を成形した電池用電極を製造する技術および当該電池用電極を用いた電池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】
【００５５】
１…電池製造システム（電池の製造装置）
２…電極製造装置（電池用電極の製造装置）
３…層形成装置（層形成部）
４…集電体形成装置（集電体形成部）
２１…型部材
２１Ａ…第１成形部
２１Ｂ…第２成形部
５１…銅箔（負極集電体、第１集電体）
５２、５２Ａ…負極活物質層（第１活物質層）
５３、５３Ａ…負極
５４…セパレータ部材
５５、５５Ａ…電池用電極
５６…正極活物質層（第１活物質層）
５７…アルミニウム箔（正極集電体、第２集電体）
２１２…線状突起部
２１３…（活物質層と対向する）面
５２１…ライン状パターン（線状凸部、第２の層）
５２３…第１の層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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