JP7124695B2

JP7124695B2 - 正極の製造装置

Info

Publication number: JP7124695B2
Application number: JP2018245493A
Authority: JP
Inventors: 勝志榎原; 拓男柳; 佑樹寺倉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2022-08-24
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: JP2020107500A

Description

本願は正極の製造装置を開示するものである。

従来から、正極シートと負極シートとをセパレータを介して捲回して構成されるリチウムイオン二次電池が知られており、このような捲回型リチウムイオン二次電池は車載用電源や携帯端末等の電源として利用されている。

捲回型リチウムイオン二次電池に用いられる正極シートは、正極箔の表面に正極材等を塗工して構成されており、正極材等が塗工された塗工部と、正極材等が塗工されていない未塗工部を備えている。負極シートも同様に、負極箔の表面に負極材等を塗工して構成されており、負極材等が塗工された塗工部と、負極材等が塗工されていない未塗工部を備えている。

特許文献１には捲回電極体を備えた非水電解液二次電池が開示されており、正極シートの未塗工部にカーボン層を塗工することが記載されている。特許文献１では、このように未塗工部にカーボン層を塗工することにより、正極合材層の未塗工部と負極合材層との短絡を防止している。特許文献２には扁平捲回式二次電池が開示されており、電極の金属箔の未塗工部に貫通孔を設けることが記載されている。特許文献２では貫通孔を金属箔の未塗工部に設けることにより、電極をプレスすることによって生じる未塗工部の折れ曲がり等を防止している。

特開２０１３－９３２３８号公報特開２０１５－４６２９７号公報

特許文献１に記載の発明は、上述のように正極の未塗工部にカーボン層を塗工し、これにより正極の未塗工部と負極との接触による短絡を防止している。このように捲回型二次電池においては、短絡耐性向上のために、正極材の端部へ端部材（絶縁材）が塗布されることが知られている。正極材に対する端部材の厚みは、十分な導電の遮断効果を奏すればよいため、薄くても問題はない。

しかしながら、今後のエネルギー密度向上のため、あるいは全固体電池において界面抵抗削減のために、電極に更なる高線圧プレスを行うことが求められており、正極材の厚みに比して端部材の厚みが薄い状態、すなわち、端部に段差を有した状態では、高線圧プレス時に端部段差部に応力が集中し、電極割れが発生する虞があった。
一方で、正極材の厚みと端部材の厚みとを同等にした場合は、正極製造時に正極材と端部材とが混濁する虞がある。正極材と端部材とが混濁すると、その領域は電池として作用しない場合があるため、エネルギー密度が低下する虞がある。よって、このような混濁が生じる装置を用いて、間欠塗工を行うこと困難であった。

そこで、本願は高線圧プレスを行っても電極割れが抑制され、かつ、正極材と端部材との混濁が抑制される正極の製造装置を提供することを課題とする。

上記問題を解決するために、本発明者が装置の構成について鋭意検討した結果、以下の３点を知見した。
（１）端部材吐出口を正極材吐出口よりも正極箔の搬送方向の下流側に設ける。これにより、サックバック吸込時の逆流を抑制し、間欠塗工時にも２種液が混濁することを抑制することができる。
（２）幅方向において、正極材吐出口と端部材吐出口との間に間隔を設ける。これにより、塗工時に正極材と端部材とがウェットな状態で合流、接触することができるため、これらの厚みを同等にすることができる。
（３）正極材流路と端部材流路との間には間仕切りが形成されている。これにより、正極箔に塗工される直前まで、正極材と端部材との接触を抑制することができる。

以上の知見に基づき、本願は上記課題を解決するための一つの手段として、正極箔を搬送しながら正極材及び端部材を該正極箔に塗工する正極の製造装置において、正極材を流通する少なくとも１つの正極材流路と、端部材を流通する少なくとも１つの端部材流路と、を有し、正極材流路は該正極材流路の出口であり、正極材を吐出する正極材吐出口を備え、端部材流路は該端部材流路の出口であり、端部材を吐出する端部材吐出口を備え、端部材吐出口は正極箔に塗工された正極材の端部に端部材を塗工することが可能な位置に配置されており、端部材吐出口は正極材吐出口よりも正極箔の搬送方向の下流側に設けられており、幅方向において、正極材吐出口と端部材吐出口との間には間隔が設けられており、正極材流路と端部材流路との間には間仕切りが形成されている、正極の製造装置を開示する。

本願が開示する正極の製造装置によれば、高線圧プレスを行っても電極割れが抑制され、かつ、正極材と端部材との混濁が抑制される正極を製造することができる。

製造装置１０の概略図である。ダイ２０の先端の概略図である。ダイ２０内部に配置するシムシートＡ～Ｃのそれぞれの平面図である。（ａ）は、正極材および端部材の塗布時の正極の様子である。（ｂ）は、塗布停止時において、サックバックによる正極材の吸い込みを行ったときの正極の様子である。（ａ）は、塗工された端部材の厚みＴ_２が、基準となる正極材の厚みＴ_１の１００％±１０％以内の範囲に含まれる状態の一例である。（ｂ）は、塗工された端部材の厚みＴ_２が、基準となる正極材の厚みＴ_１の１００％±１０％を超えている状態の一例である。

［正極の製造装置］
本開示の正極の製造装置は、正極箔を搬送しながら正極材及び端部材を該正極箔に塗工する正極の製造装置であり、例えば捲回型リチウムイオン二次電池に含まれるシート状の正極を製造するのに用いられる。図１に本開示の正極の製造装置の一実施形態である正極の製造装置１０（以下において、「製造装置１０」ということがある。）を示した。

図１に示したとおり、製造装置１０はシート状の正極箔１を搬送する不図示のロールとダイ２０とを備えている。また、ダイ２０は正極材を供給する不図示の正極材用ポンプと端部材を供給する端部材用ポンプ３０を備えている。ここで、図１に示した矢印はロールの回転方向であり、正極箔は矢印の方向に搬送される。

図２はダイ２０の先端部の概略図であり、図１のＩＩの方向からダイ２０の先端部を観察した図である。また、図３はダイ２０内部に配置するシムシートＡ～Ｃのそれぞれの平面図である。図２に記載されているとおり、ダイ２０の内部にはシムシートＡ～Ｃの積層体が配置されている。

なお、図２における紙面左右方向は製造装置１０（ダイ２０）の幅方向であるため、本明細書において単に「幅方向」ということがある。また、図２における紙面下側から上側に向かう方向は正極箔１の搬送方向であるため、本明細書において単に「搬送方向」ということがある。

ダイ２０は正極材を流通する正極材流路２１と、端部材を流通する端部材流路２２と、を有している。また、正極材流路２１は該正極材流路２１の出口であり、正極材を吐出する正極材吐出口２１ａを備えている。端部材流路２２は該端部材流路２２の出口であり、端部材を吐出する端部材吐出口２２ａを備えている。
さらに、端部材吐出口２２ａは、幅方向において、正極箔１に塗工された正極材の端部に端部材を塗工することが可能な位置に配置されている。
これら正極材流路２１、端部材流路２２、正極材吐出口２１ａ、端部材吐出口２２ａは、ダイ２０の内部に配置されるシムシートＡ～Ｃによって形成されている。

また、製造装置１０において、ダイ２０は２つの正極材吐出口２１ａ、及び３つの端部材吐出口２２ａを備えている。ただし、本開示の正極の製造装置においては、正極材吐出口及び端部材吐出口の個数は特に限定されず、少なくとも１つで良い。

正極材吐出口２１ａの幅方向の長さは５０ｍｍ～６０ｍｍであることが好ましく、５５ｍｍ～５７ｍｍであることがより好ましく、５６±０．１ｍｍであることがより好ましい。正極材吐出口２１ａの搬送方向の長さは０．２ｍｍ～０．６ｍｍであることが好ましい。また、端部材吐出口２２ａの幅方向の長さは１．２ｍｍ～２．８ｍｍであることが好ましい。端部材吐出口２２ａの搬送方向の長さは０．１ｍｍ～０．６ｍｍであることが好ましい。ただし、これらの長さは特に限定されるものではなく、目的とする正極のサイズに応じて適宜設定することができる。

正極材、端部材の材料は特に限定されないが、捲回型二次電池や捲回型リチウムイオン二次電池の正極に用いられる正極材及び端部材の公知の樹脂ペーストを用いることが好ましい。

ここで、正極材及び端部材がそれぞれのポンプからダイ２０に供給され、正極箔に塗工されるまでの一連の流れを説明する。
まず、正極材について説明する。正極材は正極材用ポンプからダイ２０に供給され、ダイ２０内部の正極材流路２１を通り、出口である正極材吐出口２１ａから吐出され、正極箔１に塗工される。次に、端部材について説明する。端部材は端部材用ポンプ３０から供給され、ダイ２０内部の端部材流路２２を通り、該端部材流路２２の出口である端部材吐出口２２ａから吐出され、正極箔１に塗工される。この際、端部材は正極箔１に塗工された正極材の端部に塗工される。
このようにして正極材及び端部材は正極箔１に塗工され、正極が製造されるが、製造装置１０には後述の工夫が施されており、それにより高線圧プレスを行っても電極割れが抑制され、かつ、正極材と端部材との混濁が抑制される正極を製造可能としている。以下、製造装置１０において施された工夫について説明する。

第１に、端部材吐出口２２ａは、搬送方向において、正極材吐出口２１ａよりも搬送方向の下流側に設けられている。これにより、サックバックによる吸い込み時における正極材および端部材の２種液の混濁を抑制することができる。これについて、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。

図４（ａ）は正極材および端部材の塗布時の正極の様子であり、図４（ｂ）は塗布停止時において、サックバックによる正極材の吸い込みを行ったときの正極の様子である。図４（ａ）、（ｂ）においては、紙面下側から上側に向かう方向が搬送方向であり、紙面左右方向が幅方向である。また、図４（ａ）、（ｂ）において示した正極材吐出口２１ａ及び端部材吐出口２２ａは、正極箔１の平面上における塗工時のそれぞれの位置を示している。

図４（ａ）に示したように、正極材等のペーストを正極箔１に塗工すると、塗工されたペーストは塗工された位置よりも若干広がりをもって塗工される。そして、図４（ｂ）に示したように、塗工停止時には、サックバックによって塗布された正極材が正極材吐出口２１ａからダイ２０に吸い込まれる。
このとき、例えば端部材吐出口２２ａと正極材吐出口２１ａとが搬送方向において同じ位置にあり、幅方向において、整列しているような装置の場合、塗工された端部材は正極材吐出口２１ａの近くに存在するため、サックバックによって正極材と一緒にダイ２０に吸い込まれ、正極材と端部材とが混濁する問題が生じる。
一方で、製造装置１０では端部材吐出口２２ａが正極材吐出口２１ａよりも搬送方向の下流側に配置されているため、塗工された端部材は正極材吐出口２１ａよりも下流側に位置し、サックバックによって正極材と一緒に吸い込まれることが抑制される。よって、製造装置１０によれば、サックバックによる吸い込み時における、正極材および端部材の２種液の混濁を抑制することができる。
なお、端部材吐出口２２ａにおいてもサックバックを生じるが、塗布された電極の搬送方向の寸法において、正極材よりも端部材の方が長いため、特に悪影響がない。

なお、正極材吐出口２１ａの下流側の端部から端部材吐出口２２ａの上流側の端部までの搬送方向の長さＨは、上記の効果を奏する範囲であれば特に限定されないが、－０．２ｍｍ～０．２ｍｍであることがよい。好ましくは、０ｍｍより大きく０．２ｍｍ以下である。なお、ここでは搬送方向の上流側から下流側に向かう方向が正である。

第２に、幅方向において、正極材吐出口２１ａと端部材吐出口２２ａとの間に間隔を設ける、すなわち、正極材吐出口２１ａと端部材吐出口２２ａとが重ならないように配置する。これにより、塗工時に正極材と端部材とがウェットな状態で合流、接触することができるため、これらの厚みを同等にすることができる。

ここで、正極材及び端部材の厚みが同等であるとは、塗工された正極材と端部材とが重なっていない位置における正極材の厚みを１００％としたとき、塗工された端部材の厚みが１００％±１０％以内であることを言う。端部材の厚みとは、正極材と端部材とが重なっていない位置における端部材の厚み、及び、正極材と端部材とが重なっている位置の厚みの両方を含む。
具体的な状態を図５（ａ）、（ｂ）に示した。図５（ａ）は塗工された端部材の厚みＴ_２が基準となる正極材の厚みＴ_１の１００％±１０％以内の範囲に含まれる状態の一例である。図５（ｂ）は塗工された端部材の厚みＴ_２が基準となる正極材の厚みＴ_１の１００％±１０％を超えている状態の一例である。
このように、製造装置１０によれば、製造される正極において、正極材と端部材との厚みを同等にすることができる。

なお、幅方向における正極吐出口２１ａと端部材吐出口２２ａとの間に設けられた間隔の長さＷ（図２）は、上記の効果を奏する範囲であれば特に限定されないが、０．４ｍｍ～１．２ｍｍであることが好ましい。また、乾燥収縮率が同等である正極材と端部材とを用いるが好ましく、これにより塗工された正極材及び端部材の厚みがさらに同等になる。

第３に、正極材流路２１ａと端部材流路２２ａとの間には間仕切りが形成されている。ダイ２０における間仕切りとはシムシートＢのことである。これにより、正極箔に塗工される直前まで、正極材と端部材との混濁を抑制することができる。具体的には、幅方向における塗工された正極材と端部材との重なり（図５（ａ）のＸ）が２０μｍ以下にすることができる。

以上より、本開示の正極の製造装置の一実施形態である正極の製造装置１０について説明した。
上記において説明したとおり、本開示の正極の製造装置によれば、製造される正極は正極材と端部材との厚みが同等であるため、正極材と端部材との間に大きな段差はない。そのため、正極に対して高線圧プレスを行ったとしても、電極割れが抑制される。また、本開示の製造装置によれば、正極材と端部材との混濁が抑制することができる。従って、本開示の正極の製造装置によって製造された正極を用いることにより、エネルギー密度が向上した捲回型二次電池を製造することができる。

なお、本開示の正極の製造装置に用いられる塗工方式は、特に限定されないが、間欠塗工によって正極を製造することが好ましい。また、本開示の正極の製造装置は、負極の製造装置としても使用することができる。この場合、正極材に替えて負極材を用い、負極箔に対して塗工する。負極材としては公知の負極材を用いることができる。

１正極箔
１０正極の製造装置
２０ダイ
２１正極材流路
２１ａ正極材吐出口
２２端部材流路
２２ａ端部材吐出口

Claims

正極箔を搬送しながら正極材及び端部材を該正極箔に塗工する正極の製造装置において、
前記正極材を流通する少なくとも１つの正極材流路と、前記端部材を流通する少なくとも１つの端部材流路と、を有し、
前記正極材流路は該正極材流路の出口であり、前記正極材を吐出する正極材吐出口を備え、
前記端部材流路は該端部材流路の出口であり、前記端部材を吐出する端部材吐出口を備え、
前記端部材吐出口は前記正極箔に塗工された前記正極材の端部に前記端部材を塗工することが可能な位置に配置されており、
前記端部材吐出口は前記正極材吐出口よりも前記正極箔の搬送方向の下流側に設けられており、
幅方向において、前記正極材吐出口と前記端部材吐出口との間には間隔が設けられており、
前記正極材流路と前記端部材流路との間には間仕切りが形成されており、
前記正極材吐出口と前記端部材吐出口とは、前記正極材吐出口から吐出された前記正極材と前記端部材吐出口から吐出された前記端部材とが重なるように構成されている、
正極の製造装置。