(57)【要約】【課題】  安価で且つ高品質な電極を短時間で製造する電極製造装置及び電極製造方法を提供する。【解決手段】  帯状の集電体Ｍの表面に活物質Ｐを結着して二次電池の電極を製造する電極製造装置１において、電極製造装置１が、帯状の集電体Ｍを移動させる移動機構２と、集電体Ｍの移動方向ｘと略直角となる横行方向ｙに往復動し且つ集電体Ｍの表面に活物質Ｐをインクジェット法で印刷するプリンタヘッド１０と、プリンタヘッド１０の近傍に設置された活物質硬化装置１１を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の集電体の表面に活物質を結着して二次電池の電極を製造する電極製造装置において、
前記電極製造装置が、帯状の前記集電体を移動させる移動機構と、
前記集電体の移動方向と略直角となる横行方向に往復動し且つ前記集電体の表面に前記活物質をインクジェット法で印刷するプリンタヘッドと、
前記プリンタヘッドの近傍に設置された活物質硬化装置を有することを特徴とする電極製造装置。
【請求項２】
前記活物質が、光重合開始剤を含んでおり、前記活物質硬化装置が紫外線照射装置で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電極製造装置。
【請求項３】
前記電極製造装置が、２つの前記プリンタヘッドを有しており、
前記プリンタヘッドが、前記集電体の表面及び裏面に前記活物質を印刷するように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電極製造装置。
【請求項４】
前記移動機構が、前記集電体を上方から下方、又は下方から上方に移動するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の電極製造装置。
【請求項５】
帯状の集電体の表面に活物質を被覆して二次電池の電極を製造する電極製造方法において、
前記集電体を移動機構により順次移動させる送りステップと、
前記集電体の移動方向と略直角となる横行方向に往復動するプリンタヘッドで、前記活物質を前記集電体の表面にインクジェット法で印刷する印刷ステップと、
前記プリンタヘッドの近傍に設置された活物質硬化装置で、前記集電体に印刷された前記活物質を硬化させる硬化ステップを有することを特徴とする電極製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に活物質を被覆された金属製電極を製造する電極製造装置及び電極製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、多くの場所で使用されているリチウムイオン電池等の二次電池は、正極及び負極となる金属製の電極を有している。この電極は、アルミニウム薄板や銅薄板等の集電体に、リチウム金属酸化物等の活物質を塗布（塗工ともいう）して構成されたものである。
【０００３】
図６に、二次電池の内部構造を示す模式図を示す。図６上方に示す二次電池７Ｘは、シート状にカットした２つの集電体（正極及び負極）ＭＸを対面させて配置する構造を有している。また、図６下方に示す二次電池７Ｙは、集電体を渦巻状に巻いた集電体ＭＹを配置する構造を有している。なお、８は、集電体ＭＸ、ＭＹにそれぞれ接続した端子を示している。
【０００４】
この二次電池の性能を向上するために、集電体に活物質を塗布後、ローラーで活物質に所定の圧力を付加する電極の製造方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。この製造方法により、活物質を適切な密度に調整し、二次電池の性能を向上することができていた。
【０００５】
しかしながら、上記の構成を有する電極は、いくつかの問題点を有している。第１に、電極の製造において、多くの時間が必要であるという問題を有している。これは、電極を製造する際に、活物質を塗布する工程及び活物質を乾燥する工程（乾燥工程又は焼成工程）の後に、更に活物質に圧力を付加する工程が必要となるためである。また、通常の電極を製造する工程は、乾燥工程等の後に、集電子を適切な大きさに切り分ける切断工程や、切断の際に剥がれる乾燥した活物質をレーザー等で処理する仕上げ工程等も必要となる。
【０００６】
第２に、電極の製造において、活物質の厚みの均質性を維持することが困難であるという問題を有している。これは、活物質に圧力を付加する工程を行った場合であっても、活物質を塗布する時点でその厚みにムラが生じてしまうためである。
【０００７】
第３に、電極の製造において、安価で且つ高品質な電極を提供することが困難であるという問題を有している。これは、電極の製造の速度を向上することが困難であり、生産性が向上しないためである。また、活物質の厚みを精密に制御することが困難なためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−０１４９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、安価で且つ高品質な電極を短時間で製造する電極製造装置及び電極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】
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明に係る電極製造装置は、帯状の集電体の表面に活物
質を結着して二次電池の電極を製造する電極製造装置において、前記電極製造装置が、帯状の前記集電体を移動させる移動機構と、前記集電体の移動方向と略直角となる横行方向に往復動し且つ前記集電体の表面に前記活物質をインクジェット法で印刷するプリンタヘッドと、前記プリンタヘッドの近傍に設置された活物質硬化装置を有することを特徴とする。
【００１１】
この構成により、電極製造装置は、二次電池の電極を安価で且つ大量に生産することができる。これは、電極の製造を連続して行うことができるためである。また、電極製造装置は、活物質の厚みを精密に制御することができる。これは、活物質をインクジェット法により印刷するためである。更に、電極の製造速度を飛躍的に向上することができる。これは、集電体に活物質を印刷した直後に活物質を硬化させることができ、後工程の作業を直ちに開始することができるためである。
【００１２】
上記の電極製造装置において、前記活物質が、光重合開始剤を含んでおり、前記活物質硬化装置が紫外線照射装置で構成されたことを特徴とする。この構成により、電極の長寿命化を実現することができる。これは、紫外線硬化により活物質と集電体の接着性を高めることができるためである。
【００１３】
上記の電極製造装置において、前記電極製造装置が、２つの前記プリンタヘッドを有しており、前記プリンタヘッドが、前記集電体の表面及び裏面に前記活物質を印刷するように構成されたことを特徴とする。この構成により、電極の製造速度を向上することができる。これは、集電体の両面に一度に活物質を印刷できるためである。
【００１４】
上記の電極製造装置において、前記移動機構が、前記集電体を上方から下方、又は下方から上方に移動するように構成されたことを特徴とする。この構成により、活物質硬化装置がプリンタヘッドから噴射された活物質で汚染されることを防止することができる。つまり、電極製造装置の長時間連続運転を実現することができる。
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明に係る電極製造方法は、帯状の集電体の表面に活物質を被覆して二次電池の電極を製造する電極製造方法において、前記集電体を移動機構により順次移動させる送りステップと、前記集電体の移動方向と略直角となる横行方向に往復動するプリンタヘッドで、前記活物質を前記集電体の表面にインクジェット法で印刷する印刷ステップと、前記プリンタヘッドの横行方向の前方及び後方にそれぞれ設置された活物質硬化装置で、前記集電体に印刷された前記活物質を硬化させる硬化ステップを有することを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る電極製造装置及び電極製造方法によれば、安価で且つ高品質な電極を短時間で製造する電極製造装置及び電極製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施の形態の電極製造装置の概略図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の電極製造装置のプリンタヘッド周辺の拡大図である。
【図３】本発明に係る異なる実施の形態の電極製造装置の概略図である。
【図４】本発明に係る異なる実施の形態の電極製造装置の概略図である。
【図５】本発明に係る異なる実施の形態の電極製造装置の概略図である。
【図６】従来の二次電池の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施の形態の電極製造装置について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明の実施の形態の電極製造装置１の概略を示す。電極製造装置１は、帯状の集電体Ｍを移動させる移動機構２と、集電体Ｍの移動方向ｘと略直角となる横行方向ｙに往復動し且つ集電体Ｍの表面に活物質をインクジェット法で印刷するプリンタヘッド１０と、プリンタヘッド１０の近傍に設置された活物質硬化装置１１を有している。
【００１９】
この移動機構２は、二次電池の電極を構成する例えばアルミ箔や銅箔等である集電体Ｍを、予め定めた時間間隔で予め定めた長さだけ移動させる。プリンタヘッド１０は、レール１２に沿って集電体Ｍの表面を移動しながら、集電体Ｍに活物質をインクジェット法で印刷していく。活物質硬化装置１１は、プリンタヘッド１０の横行方向ｘにおける前方及び後方に配置されており、プリンタヘッド１０と共に移動するように構成されている。この活物質硬化装置１１は、プリンタヘッド１０が噴射した直後の活物質を硬化させるための装置であり、活物質の物性に合わせて、具体的には、紫外線照射装置、送風機、又は温風器等で構成される。なお、ハッチングにより示したＰｓは、活物質硬化装置１１により硬化された活物質を示している。
【００２０】
次に、電極製造装置１の動作について説明する。まず、移動機構２が、帯状の集電体Ｍを移動方向ｘに沿って順次移動させる（送りステップ）。送られてきた集電体Ｍに対して、プリンタヘッド１０が、レール１２に沿って横行方向ｙに移動しながら、活物質を集電体Ｍに印刷していく（印刷ステップ）。プリンタヘッド１０の横行方向ｘにおける前方及び後方に設置された活物質硬化装置１１が、集電体Ｍに印刷された活物質を硬化させる（硬化ステップ）。その後、移動機構２が、再び集電体Ｍを移動させる。電極製造装置１は、以上を連続的に繰り返し、電極を製造する。
【００２１】
上記の構成により、電極製造装置１は以下の作用効果を得ることができる。第１に、電極製造装置１は、二次電池の電極を安価で且つ大量に生産することができる。これは、電極の製造を連続して行うことができるためである。
【００２２】
第２に、電極製造装置１は、集電体Ｍに結着される活物質の厚みを精密に制御することができる。これは、活物質をインクジェット法により印刷するためである。具体的には、活物質の厚み（膜厚）を６〜１００μｍの範囲で精密に制御することができる。また、インクジェット法の採用により、面積の大きい集電体Ｍに対しても、容易に活物質を印刷することができる。同様に、あらゆる形状の集電体Ｍに対して、任意の位置に無駄なく活物質を印刷することができる。具体的には例えば円形の集電体Mに、縁に未印刷部分が生じ
ないように活物質を印刷することができる（縁なし印刷）。更に、集電体Ｍが、非吸収体素材であっても、活物質を結着することができる。
【００２３】
第３に、電極の製造速度を飛躍的に向上することができる。これは、集電体Ｍに活物質を印刷した直後に活物質を硬化させることができ、後工程の作業を直ちに開始することができるためである。つまり、従来必要であった乾燥工程又は焼成工程が不要となるため、電極の製造時間を短縮することができる。また、活物質を結着した集電体を切断する切断工程及び切断部の仕上げを行う仕上げ工程を不要とすることができるため、電極の製造時間を短縮することができる。これは、インクジェット法の採用により、予め切断して適切な大きさとした集電体に対して、任意の場所に精密な印刷を行うことができるからである。つまり、二次電池の大きさに合わせて、例えば幅が１０〜３０ｃｍ（図１におけるｙ方向の長さ）となるように予め集電体Ｍを切断し、その後、活物質を印刷することができる。この印刷の際、集電体Ｍの縁部に未印刷部分が残らないように印刷することができる。更に、焼成工程、仕上げ工程等で必要としていた大型装置が不要となるため、電極製造装置の省スペース化及び低コスト化を実現することができる。
【００２４】
なお、集電体Ｍの移動方向ｘに対して、プリンタヘッド１０は、直角に横行するように構成することが望ましいが、本発明はこの構成に限定されない。例えばプリンタヘッド１０が、移動方向ｘに対して例えば４５度以上９０度未満の角度を有するように構成してもよい。
【００２５】
また、プリンタヘッド１０による印刷は、往復印刷及び片道印刷のいずれとしてもよい。往復印刷の場合は、活物質硬化装置１１をプリンタヘッド１０の横行方向ｙにおける前方及び後方に設置することが望ましい。更に、片道印刷の場合は、活物質硬化装置１１をプリンタヘッド１０の横行方向ｙにおける後方に設置することが望ましい。
【００２６】
加えて、図１には、集電体Ｍの表面のみ印刷する構成を示しているが、裏面も同時に印刷するように構成してもよい。この構成により、表面及び裏面を片面ずつ印刷する場合に比べ、製造速度を約２倍とすることができる。
【００２７】
図２に、電極製造装置１のプリンタヘッド１０周辺の拡大図を示す。電極製造装置１は、プリンタヘッド１０と、プリンタヘッド１０の近傍に設置した活物質硬化装置１１を有している。プリンタヘッド１０により集電体Ｍ上に印刷された活物質（未硬化）Ｐは、印刷された直後に、活物質硬化装置１１により硬化した活物質（硬化後）Ｐｓとなる。
【００２８】
次に、活物質（以下、カーボンインクという）Ｐについて説明する。このカーボンインクＰは、例えば、カーボンに、バインダ樹脂と光重合開始剤を混合したものを使用することができる。カーボンは、超音波分散によりナノ粒子化したカーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン等の炭素材料、又はこれらの炭素の複合体を採用することができる。また、バインダ樹脂は、水分散系スチレンーブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を採用することができる。更に、カーボンインクＰは、カーボンの含有率が３０〜９０ｗｔ％、光重合開始剤の含有率が１〜５ｗｔ％程度となるように混合することが望ましい。
【００２９】
このとき、カーボンインクの表面張力は、２２〜７２ｄｙｎ／ｃｍの範囲となるように調整し、このカーボンインクを１ドロップあたり６〜１００ｐＬ（ピコリットル）としてプリンタヘッド１０から噴射するように構成することが望ましい。また、集電体Ｍ上に形成されるカーボンインクＰの膜厚を、６μｍ〜１００μｍの範囲のいずれかの値で設定することが望ましい。ここで、１ピコリットルとは、１兆分の１リットルであり、１辺１００分の１ミリの立方体体積を示す。
【００３０】
なお、活物質硬化装置１１は、光重合開始剤を含むカーボンインクＰに対応させ、紫外線照射を採用する。
【００３１】
次に、電極製造装置１の動作について説明する。プリンタヘッド１０は、レール１２に沿って集電体Ｍの近傍を移動し、集電体Ｍに対してカーボンインク（未硬化）Ｐを噴射して印刷する。集電体Ｍに付着したカーボンインク（未硬化）Ｐは、プリンタヘッド１０の移動する横行方向ｙの後方に設置されている活物質硬化装置１１から紫外線の照射を受け、硬化したカーボンインクＰｓとなる。ここで、活物質硬化装置１１は、例えば３８５ｎｍから４０５ｎｍの紫外線を照射する紫外線照射装置を使用することが望ましい。
【００３２】
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、従来よりも表面積が広く且つ軽量の電極を製造することが可能となる。インクジェット法の採用により、活物質（硬化後）Ｐｓの膜厚を薄く且つ精密に制御することができるためである。
【００３３】
第２に、ＵＶ硬化するカーボンインクの採用により、更に活物質Ｐｓの膜厚を精密に制
御することができる。これは、カーボンインクの膜厚がＵＶ硬化前と硬化後でほとんど変化しないためである。
【００３４】
第３に、電極の長寿命化を実現することができる。これは、カーボンインクが、ＳＢＲ等のバインダ樹脂に加え、ＵＶ硬化する性質を有しているためである。このカーボンインクは、従来よりも活物質同士あるいは活物質と集電体の結着性を向上することができる。
【００３５】
なお、カーボンインクＰを熱硬化させるように構成してもよい。この場合は、カーボンインクに光重合開始剤の代わりに揮発性のある溶剤を添加する。また、活物質硬化装置１１は、送風機又は温風器を採用する。ただし、熱硬化するカーボンインクＰを採用した場合は、硬化後、揮発した溶剤の体積分だけ膜厚が減少する。そのため、ＵＶ硬化するカーボンインクＰを使用する場合にくらべ、膜厚の制御が若干困難となる。
【００３６】
また、プリンタヘッド１０は双方向印刷（往復印刷）が可能なように構成することができる。この構成により、単位時間当たりの電極の製造量を増加することができる。他方で、プリンタヘッド１０が一方向のみで印刷（片道印刷）するように構成してもよい。この場合、印刷の速度は低下するが、精度を向上することができる。更に、この場合は、プリンタヘッド１０の進行方向の後方に当たる側（図２左側の活物質硬化装置に位置）にのみ活物質硬化装置を設置すればよい。この構成により、電極製造装置のコストを抑制することができる。
【００３７】
図３及び図４に、本発明の異なる実施の形態の電極製造装置の概略を示す。電極製造装置１Ａは、集電体Ｍを上方から下方又は下方から上方に送るように構成した移動機構２Ａと、集電体Ｍの表面及び裏面の両面からカーボンインクの印刷をできるようにそれぞれ設置したプリンタヘッド１０及び活物質硬化装置１１を有している。
【００３８】
この電極製造装置１Ａは、集電体Ｍの表面及び裏面の両面に対して同時に活物質Ｐを結着し、硬化させていく。この構成により、片面ずつ活物質Ｐを結着する場合に比べ、電極の製造速度を約２倍とすることができる。また、集電体Ｍの移動方向を略鉛直方向ｚとした構成により、プリンタヘッド１０の汚染を防止することができる。プリンタヘッド１０から噴射したカーボンインクが、再びプリンタヘッド１０に付着する可能性を低減できるからである。特に、カーボンインクの１ドロップあたりの体積を多くした場合であっても、プリンタヘッド１０の汚染を防止することができる。このプリンタヘッド１０の汚染の防止により、電極製造装置の長時間連続運転を実現することができる。
【００３９】
図５に、本発明の異なる実施の形態の電極製造装置の概略を示す。電極製造装置１Ｂは、プリンタヘッド１０の進行方向ｙに対して側面にあたる位置に設置した活物質硬化装置１１Ｂを有している。この構成により、電極製造装置１Ｂは、プリンタヘッド１０がカーボンインクＰを噴射した後に、一定の時間的間隔をあけてから、活物質硬化装置によりカーボンインクを硬化させることができる。
【００４０】
例えばプリンタヘッド１０の進行方向ｙの後方側に設置した活物質硬化装置１１（図１参照）に加え、プリンタヘッド１０の進行方向ｙに対して側面にあたる位置に設置した活物質硬化装置１１Ｂ（図５参照）を設置する構成としてもよい。この構成により、プリンタヘッド１０によりカーボンインクの噴射する時間に比べ、活物質硬化装置によりカーボンインクを硬化する時間が長い場合であっても、効率的に電極を製造することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１     電極製造装置
２     移動機構
１０   プリンタヘッド
１１   活物質硬化装置
１２   レール
Ｍ     集電体
Ｐ     活物質（未硬化）、カーボンインク
Ｐｓ   活物質（硬化後）
【図１】
2013157174.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013157174.tif 000007
【図６】
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