JP6209900B2

JP6209900B2 - シート状電極の製造方法及び圧延装置の制御方法

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Publication number: JP6209900B2
Application number: JP2013172115A
Authority: JP
Inventors: 高木　寛; 寛高木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: JP2015041515A

Description

本発明は、シート状電極の製造方法及びシート状電極の製造に用いる圧延装置の制御方法に関するものである。

圧延ローラを用いてシート状電極の表面に活物質を圧延する場合において、圧延ローラの表面に付着した活物質によってシート状電極の表面が損傷する場合があるため、それを防止するために圧延ローラの清掃を行っている。例えば、ゴム製のブレードを用いて、像担持体面に付着したトナーを掻き落とすクリーニング装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平４−２４９２８５号公報

圧延ローラを用いてシート状電極の表面に活物質を圧延する場合において、圧延ローラの表面に付着した活物質によってシート状電極の表面が損傷すると、圧延の精度が低下する場合がある。この場合において、上記技術のようなブレードを用いて圧延ローラ表面をクリーニングすると、ブレードがゴム製であっても機能上固くせざるを得なくなるため、ブレードにより圧延ローラの表面が損傷して、電極部材の精密な膜厚制御が困難になる恐れがある、という問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、圧延の精度向上を図ることができるシート状電極の製造方法及び圧延装置の制御方法を提供することである。

本発明は、一対の圧延ローラの上流に設けられた一対の除去ローラによって、電極部材における塗工不良部位から活物質を取り除き、当該塗工不良部位が圧延ローラを通過する際に、当該圧延ローラを相互に離反する方向に移動させることによって上記課題を解決する。

本発明によれば、電極部材における塗工不良部位から活物質が除去ローラによって取り除かれると共に、塗工不良部位において圧延ローラが相互に離反する方向に移動するため、当該圧延ローラに活物質が付着するのを抑制し、圧延の精度向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態における圧延装置を示す全体概念図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は本実施形態における電極部材を示す図であり、図２（Ａ）は斜視図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のIIB―IIB線に沿った断面図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は図１のIII部の拡大図であり、図３（Ａ）は除去ローラが活物質の塗工不良部を取り除く前を示す図であり、図３（Ｂ）は除去ローラが活物質の塗工不良部を取り除いた後を示す図である。図４は、本発明の実施形態における圧延装置の圧延時におけるフローチャートである。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は図１のV部の拡大図であり、図５（Ａ）は活物質の塗工不良部位が圧延ローラを通過する前を示す図であり、図５（Ｂ）は活物質の塗工不良部位が圧延ローラを通過する際の図であり、図５（Ｃ）は活物質の塗工不良部位が圧延ローラを通過した後を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態における圧延装置１を示す全体概念図であり、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は本実施形態における電極部材１０を示す図であり、図３（Ａ）及び（Ｂ）は除去ローラ４１が活物質層１２の塗工不良部１２１（後述）を取り除く前後における図１のIII部の拡大図であり、図４は本実施形態における圧延装置１の圧延時におけるフローチャートであり、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は活物質層１２の塗工不良部位１０１（後述）が圧延ローラ６１、６２を通過する際における図１のV部の拡大図である。

本実施形態における圧延装置１は、図１に示すように、送出ローラ２と、予熱部３と、除去部４と、検出部５と、圧延部６と、巻取ローラ７と、制御部８と、を備えている。

電極部材１０は、リチウムイオン二次電池等の電極として用いられる部材であり、図２（Ａ）に示すように、集電体１１と、活物質層１２と、を有している。集電体１１は、長尺帯状を有しており、アルミニウム箔や銅箔等から形成されている。

活物質層１２は、電極活物質（正極活物質又は負極活物質）の粉末を、導電剤、増粘剤、及び結着剤を分散媒により分散させてペーストとしたものから構成されている。正極活物質としては、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、又はマンガン酸リチウム等を例示することができる。また、負極活物質としては、黒鉛やカーボン、リチウムアルミニウム合金、スズ酸化物等を例示することができる。

活物質層１２は、上記ペーストを集電体１１の両面に塗工した後、当該ペーストを乾燥させることにより形成されており、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、集電体１１の長手方向に所定間隔で形成されている。この活物質層１２の厚さＤは７０μｍ〜２００μｍであるが、当該活物質層１２の厚さは特に限定されない。

送出ローラ２は、図１に示すように、予熱部３の上流に設けられており、当該送出ローラ２には、電極活物質を分散させた上記ペーストを集電体１１の両面に塗工して乾燥した状態の電極部材１０が、ロール状に巻回されている。この送出ローラ２を図中反時計回りに回転させることで、当該電極部材１０が、予熱部３、除去部４、検出部５及び圧延部６に連続的に供給される。なお、本実施形態において、「上流側」及び「下流側」とは、圧延を行う際の電極部材１０の搬送方向を基準とする。

予熱部３は、活物質層１２の融点温度（例えば、８０℃〜１３０℃）付近の温度となるように圧延前の電極部材１０を加熱し、当該加熱によって除去ローラ４１、４２が塗工不良部（後述）を除去する精度を向上する機能を有しており、図１に示すように、第１の予熱ローラ３１及び第２の予熱ローラ３２を備えている。第１及び第２の予熱ローラ３１、３２の内部には、特に図示しない伝熱ヒーター及び温度センサが配置されており、当該第１及び第２の予熱ローラ３１、３２の表面の温度を一定に保つことが可能となっている。これら第１及び第２の予熱ローラ３１、３２が回転しながら電極部材１０は搬送され、当該予熱ローラ３１、３２の周面が電極部材１０と接触している間、当該電極部材１０は加熱される。

除去部４は、電極部材１０において、活物質層１２の塗工が充分でないために集電体１１から当該活物質層１２が剥がれやすくなっている部分（以下、塗工不良部位１０１とも称する。）から、活物質層１２において塗工不良となっている部分１２１（以下、塗工不良部１２１とも称する。）を予め取り除く機能を有している。この除去部４は、予熱部３と検出部５との間に設けられており、第１の除去ローラ４１及び第２の除去ローラ４２を有している。なお、本実施形態における第１及び第２の除去ローラ４１、４２が、本発明の一対の除去ローラの一例に相当する。

第１の除去ローラ４１は、図１及び図３（Ａ）に示すように、電極部材１０の搬送速度に沿って図中時計回りに回転しながら当該電極部材１０の上面と接触するように設けられている。一方、第２の除去ローラ４２は、電極部材１０の搬送速度に沿って図中反時計回りに回転しながら当該電極部材１０の下面と接触するように設けられている。これら第１及び第２の除去ローラ４１、４２は、電極部材１０を介して互いに対向するように配置されている。

また、特に図示しないが、第１及び第２の除去ローラ４１、４２は軸心位置調節機構を有しており、当該機構によってローラの回転軸心間の距離を調節することが可能となっている。そして、第１及び第２の除去ローラ４１、４２の軸心間距離を調節することにより、当該除去ローラ４１、４２の間を通過する電極部材１０に対して、上下方向から所定の押圧力を加えることが可能となっている。

この押圧力によって、電極部材１０の図１中上側に発生した塗工不良部１２１（図３（Ａ）参照）は、第１の除去ローラ４１の周面に付着し、当該電極部材１０から取り除かれる（図３（Ｂ）参照）。塗工不良部１２１が電極部材１０の図１中下側に発生した場合も、同様にして、当該塗工不良部１２１は、第２の除去ローラ４２の周面に付着し、電極部材１０から取り除かれる。なお、第１及び第２の除去ローラ４１、４２によるこの押圧力は、圧延ローラ６１、６３が電極部材１０を押圧する際の押圧力の４％〜８％であることが好ましく、４％〜５％であることがさらに好ましい。この場合に、電極部材１０から塗工不良部１２１を除去する精度が向上する。

第１及び第２の除去ローラ４１、４２の内部には、特に図示しない伝熱ヒーター及び温度センサが配置されており、当該第１及び第２の除去ローラ４１、４２の表面の温度を一定に保つことが可能となっている。これにより、当該除去ローラ４１、４２の温度は、第１及び第２の予熱ローラ３１、３２と同程度の温度（例えば、８０℃〜１３０℃）に保たれている。なお、第１及び第２の除去ローラ４１、４２の温度が、当該予熱ローラ３１、３２の温度よりも２０℃程度高くなるように設定してもよい。

これら第１及び第２の除去ローラ４１、４２の直径は、１５０ｍｍ〜２００ｍｍであることが好ましい。この場合において、電極部材１０が第１及び第２の除去ローラ４１、４２の間を通過する際に、当該除去ローラ４１、４２と電極部材１０との接触時間を長く確保することができると共に、除去ローラ４１、４２の表面の温度を均一に保ちやすくなる。これにより、電極部材１０を加熱する効率が向上して塗工不良部１２１が当該除去ローラ４１、４２の周面に付着しやすくなるため、当該塗工不良部１２１を除去する精度がより向上する。

また、第１及び第２の除去ローラ４１、４２の表面粗さ（Ｒｍａｘ）は、０．１ｓ〜０．５ｓが好ましい。この場合において、塗工不良部１２１が当該除去ローラ４１、４２の周面にさらに付着しやすくなり、塗工不良部１２１を除去する精度がより一層向上する。

第１の除去ローラ４１の図１中右側には、当該第１の除去ローラ４１と略同一の幅を有し、当該除去ローラ４１の軸方向に沿うように配置されたブレード４１１が設けられている。このブレード４１１の先端が第１の除去ローラ４１の周面に接触した状態で当該第１の除去ローラ４１が回転することにより、第１の除去ローラ４１の周面に付着した塗工不良部１２１を掻き取ることが可能となっている。そして、掻き取られた塗工不良部１２１は、回収部４１２に回収されるようになっている。なお、ブレード４１１及び回収部４１２を設ける位置は特に限定されない。

第２の除去ローラ４２の図１中左側には、同様に、当該第２の除去ローラ４２と略同一の幅を有し、当該除去ローラ４２の軸方向に沿うように配置されたブレード４２１が設けられている。そして、当該ブレード４２１の先端が第２の除去ローラ４２の周面に接触した状態で当該第２の除去ローラ４２が回転することにより、第２の除去ローラ４２の周面に付着した塗工不良部１２１を掻き取ることが可能となっている。掻き取られた当該塗工不良部１２１は、回収部４２２に回収される。なお、ブレード４２１及び回収部４２２を設ける位置は特に限定されない。

また、第１の除去ローラ４１の図１中上方には、カメラ４１３が設けられており、当該カメラ４１３によって第１の除去ローラ４１の周面に付着した塗工不良部１２１を撮像する。同様に、第２の除去ローラ４２の図１中下方にも、カメラ４２３が設けられており、当該カメラ４２３によって第２の除去ローラ４２の周面に付着した塗工不良部１２１を撮像する。これらのカメラ４１３、４２３は、例えばＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子等の撮像素子を備えたカメラであり、当該カメラ４１３、４２３による撮像データは制御部８に送出される。そして、当該制御部８において当該撮像データの画像処理を行い、塗工不良部１２１を検出する。なお、カメラ４１３、４２３に代えて、光センサ等により塗工不良部１２１を検出してもよい。また、カメラ４１３、４２３を設ける位置は特に限定されない。

検出部５は、電極部材１０の塗工不良部位１０１を検出する機能を有している。この検出部５は、図１に示すように、除去部４と圧延部６との間に設けられており、例えばＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子等の撮像素子を備えた第１のカメラ５１及び第２のカメラ５２を備えている。

第１のカメラ５１は、図１中上側に配置されており、電極部材１０の上面の撮像を行い、当該撮像データを制御部８に送出する。制御部８では、当該撮像データに基づいて、塗工不良部位１０１の検出を行う。具体的には、第１の除去ローラ４１によって取り除かれた塗工不良部１２１の痕跡（塗工不良部位１０１）は、集電体１１（アルミニウム、銅等）の色を有しているのに対し、その他の塗工部分（正常に活物質層１２が形成されている部分）の色は黒色又は薄い黒色を有している。第１のカメラ５１による撮像データについてＲＧＢ値やＨＳＶ値を用いた画像処理を行い、これらの色調の違いを認識することにより、塗工不良部位１０１の検出を行う。

第２のカメラ５２は、図１中下側に配置されており、第１のカメラ５１と同様にして電極部材１０の下面の撮像を行い、当該撮像データを制御部８に送出する。そして、制御部８において塗工不良部位１０１を検出する。

圧延部６は、電極部材１０の圧延を行う機能を有しており、電極部材１０を介して互いに対向するように配置された第１の圧延ローラ６１及び第２の圧延ローラ６２と、第１駆動機構６３と、第２駆動機構６４と、を備えている。第１駆動機構６３は、駆動部６３１及び支持部６３２から構成されており、第２駆動機構６４は、駆動部６４１及び支持部６４２から構成されている。

第１及び第２の圧延ローラ６１、６２の内部には、特に図示しない伝熱ヒーター及び温度センサが配置されており、当該第１及び第２の圧延ローラ６１、６２の表面の温度を一定に保つことが可能となっている。これにより、当該圧延ローラ６１、６２の温度は、第１及び第２の予熱ローラ３１、３２と同程度の温度（例えば、８０℃〜１３０℃）に保たれている。なお、第１及び第２の圧延ローラ６１、６２の温度が、当該予熱ローラ３１、３２の温度よりも２０℃程度高くなるように設定してもよい。

第１の圧延ローラ６１は、図１中上側に設けられており、その軸心は第１駆動機構６３の支持部６３２に支持されている。この第１駆動機構６３は、制御部８からの指令に応じて駆動部６３１に内蔵されるモータ等（不図示）により支持部６３２を上下に動かすことが可能となっている。この支持部６３２の上下動によって、第１の圧延ローラ６１は、第２の圧延ローラ６２に対して接近又は離反する方向に移動することが可能となっている。

第２の圧延ローラ６２は、図１中下側に設けられており、その軸心は第２駆動機構６４の支持部６４２に支持されている。この第２駆動機構６４も、制御部８からの指令に応じて駆動部６４１に内蔵されるモータ等（不図示）により支持部６４２を上下に動かすことが可能となっている。また、この支持部６４２の上下動によって、第２の圧延ローラ６２も、第１の圧延ローラ６１に対して接近又は離反する方向に移動することが可能となっている。

これら第１及び第２駆動機構６３、６４によって、第１及び第２の圧延ローラ６１、６２の間を通過する電極部材１０を所定の圧力で押圧し、圧延する。この際の押圧力は、電極部材１０の厚さ、又は、活物質層１２の種類や厚さによって適宜調節される。例えば、圧延後の電極部材１０の厚さが、圧延前の当該電極部材１０の厚さに対して６０％〜７０％となるように当該押圧力を設定してもよいが、特にこれに限定されない。なお、本実施形態における第１及び第２の圧延ローラ６１、６２が、本発明の一対の圧延ローラの一例に相当する。

巻取ローラ７は、圧延部６の下流側に設けられており、圧延後の電極部材１０をロール状に巻き取る。この巻取ローラ７を、図１中反時計回りに回転させることで、圧延済みの電極部材１０が連続的に回収される。なお、本実施形態では、圧延後の電極部材１０を自然冷却によって冷却しているが、圧延部６と巻取ローラ７との間に冷却機等を設けることにより圧延後の電極部材１０を冷却してもよい。

以上に説明した検出部５及び圧延部６は、制御部８によって制御されている。この制御部８は、ＲＯＭ等に格納されたプログラムをＣＰＵにより実行する機能を有しており、例えばコンピュータ等から構成される。以下、制御部８が行う制御について図４を参照しながら説明する。

送出ローラ２から送出された電極部材１０の活物質層１２は、予熱部３を通過する際に所定温度まで加熱され（Ｓ１０１）、次いで、除去部４によって塗工不良部１２１が除去される（Ｓ１０２）。

この際、第１又は第２の除去ローラ４１、４２の周面に塗工不良部１２１が付着していることがカメラ４１３、４２３による撮像データから確認されなければ（Ｓ１０３においてＮｏの場合）、制御部８は、第１及び第２の圧延ローラ６１、６２が互いに接近した状態（圧延している状態）となるように制御する（Ｓ１０４）。そして、圧延後の電極部材１０は巻取ローラ７に巻き取られる。

一方、第１又は第２の除去ローラ４１、４２の周面に塗工不良部１２１が付着していることがカメラ４１３、４２３による撮像データから確認された場合（Ｓ１０３においてＹｅｓの場合）、ブレード４１１又はブレード４２１により当該塗工不良部２１は掻き取られる（Ｓ１０５）。

次いで、制御部８は、検出部５の第１又は第２のカメラ５１、５２による撮像データによって、電極部材１０における当該塗工不良部１２１が剥がれた場所（塗工不良部位１０１）を検出すると（Ｓ１０６）、第１及び第２の圧延ローラ６１、６２が相互に離間する方向に移動するよう制御を行う（Ｓ１０７）。

この場合において制御部８は、例えば図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示すように、電極部材１０の一方面のみ（図の例では上面のみ）に塗工不良部位１０１がある場合、当該一方面の圧延ローラ（図５（Ｂ）において第１の圧延ローラ６１）のみを他方面の圧延ローラ（図５（Ｂ）において第２の圧延ローラ６２）から離間する方向に移動させるように制御してもよく、第１及び第２の圧延ローラ６１、６２の両方が相互に離間するように移動させるよう制御してもよい。なお、本実施形態では、図５（Ｂ）に示す例のように、塗工不良部位１０１が圧延ローラ６１、６２を通過する際、当該圧延ローラ（図５（Ｂ）の例では圧延ローラ６１）と電極部材１０とが非接触となるように当該圧延ローラを移動させる制御を行っているが、圧延ローラ６１、６２が電極部材１０に接触していてもよい。

次いで、制御部８は、検出部５の第１又は第２のカメラ５１、５２による撮像データによって塗工不良部位１０１が存在しないことを確認すると（Ｓ１０８においてＹｅｓの場合）、第１及び第２の圧延ローラ６１、６２が相互に接近した状態（圧延している状態）となるように制御する（Ｓ１０４）。

一方、検出部５の第１又は第２のカメラ５１、５２による撮像データによって、塗工不良部位１０１が存在することが確認されている間は（Ｓ１０８においてＮｏの場合）、第１及び第２の圧延ローラ６１、６２は相互に離間したままの状態となるように制御部８は制御する（Ｓ１０７）。その後、電極部材１０の搬送により塗工不良部位１０１が存在しなくなったことを当該カメラ５１、５２による撮像データから確認すると（Ｓ１０８においてＹｅｓとなった場合）、制御部８は、第１及び第２の圧延ローラ６１、６２を相互に接近した状態（圧延している状態）となるように制御する（Ｓ１０４）。

圧延装置１による電極部材１０の圧延が終了した後は、当該電極部材１０を成形して加熱炉（不図示）で加熱することにより、電極部材１０に存在する不均一な歪みを緩和させる。次いで、所望の形状となるように当該電極部材１０を裁断し、シート状電極部材が完成する。

次に、本実施形態の作用について説明する。

本実施形態では、除去部４により、電極部材１０において活物質層１２の形成が不十分な場所（塗工不良部位１０１）から塗工不良部１２１を予め取り除いている。また、塗工不良部位１０１が通過する際に、一対の圧延ローラ６１、６２を相互に離反する方向に移動させている。これにより、当該圧延ローラ６１、６２による圧延時において、塗工不良部１２１が当該圧延ローラ６１、６２の周面に付着し、新たに搬送される電極部材１０が当該付着物によって損傷されるのを抑制することができる。このため、圧延装置１による圧延の精度向上を図ることができる。

また、塗工不良部１２１の付着を取り除くために圧延ローラ６１、６２をクリーニングする必要が無いため、圧延の歩留まり向上を図ることができると共に、当該クリーニング時に生じうる当該圧延ローラ６１、６２の周面の損傷も抑制することができる。

また、本実施形態では、第１及び第２の除去ローラ４１、４２の上流側に、電極部材１０の活物質層１２を予熱する予熱部３が設けられている。これにより、除去ローラ４１、４２による塗工不良部１２１の除去の際、当該塗工不良部１２１が電極部材１０から除去されやすくなり、圧延装置１による圧延の精度をさらに向上することができる。

また、本実施形態における第１及び第２の除去ローラ４１、４２の直径は、１５０ｍｍ〜２００ｍｍとなっている。このため、電極部材１０が第１及び第２の除去ローラ４１、４２の間を通過する際に、当該除去ローラ４１、４２と電極部材１０との接触時間を長く確保することができると共に、除去ローラ４１、４２の表面の温度を均一に保ちやすくなる。これにより、電極部材１０を加熱する効率が向上し、塗工不良部１２１が当該除去ローラ４１、４２の周面に付着しやすくなるため、当該塗工不良部１２１を除去する精度がさらに向上する。

また、本実施形態では、電極部材１０の塗工不良部位１０１が圧延部６を通過する際に、圧延ローラ６１、６２と当該電極部材１０とが非接触となるように当該圧延ローラ６１、６２を移動させる。これにより、当該塗工不良部位１０１のエッジ１０２（図５（Ａ）〜図５（Ｃ）参照）が圧延ローラ６１、６２に接触することによる当該圧延ローラ６１、６２の周面の損傷を抑制することができ、圧延装置１による圧延精度の向上をより一層図ることができる。

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１・・・圧延装置
１０・・・電極部材
１０１・・・塗工不良部位
１１・・・集電体
１２・・・活物質層
１２１・・・塗工不良部
３・・・予熱部
４・・・除去部
４１・・・第１の除去ローラ
４２・・・第２の除去ローラ
５・・・検出部
６・・・圧延部
６１・・・第１の圧延ローラ
６２・・・第２の圧延ローラ
８・・・制御部

Claims

集電体と、前記集電体に塗工された活物質と、を有する電極部材を、一対の圧延ローラによって加熱しながら圧延するシート状電極の製造方法であって、
一対の除去ローラによって、前記電極部材における塗工不良部位から前記活物質を取り除き、
前記活物質を取り除いた後、前記塗工不良部位を検出し、
前記塗工不良部位を検出した後、前記塗工不良部位が前記圧延ローラを通過する際に、前記圧延ローラを相互に離反する方向に移動させるシート状電極の製造方法。
請求項１に記載のシート状電極の製造方法であって、
前記活物質を取り除く前に、前記電極部材を予熱するシート状電極の製造方法。
請求項１又は２に記載のシート状電極の製造方法であって、
前記塗工不良部位が前記圧延ローラを通過する際に、前記圧延ローラと前記電極部材とが非接触となる位置まで前記圧延ローラを移動させるシート状電極の製造方法。
集電体と、前記集電体に塗工された活物質と、を有する電極部材を加熱しながら圧延する一対の圧延ローラと、
前記圧延ローラの上流に設けられた一対の除去ローラと、
検出部と、
前記検出部からの情報に基づいて前記圧延ローラを制御する制御部と、を備える圧延装置の制御方法であって、
前記除去ローラによって、前記電極部材における塗工不良部位から前記活物質を取り除き、
前記活物質を取り除いた後、前記検出部によって、前記塗工不良部位を検出し、
前記塗工不良部位を検出した後、前記塗工不良部位が前記圧延ローラを通過する際に、前記制御部によって、前記圧延ローラを相互に離反する方向に移動させる圧延装置の制御方法。