JP7217663B2 - リチウム電極の製造装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属箔上にリチウム金属層が積層されたリチウム電極の製造装置及びその製造方法に関する。

近年、携帯電話やスマートフォン等のモバイル機器の進展に伴い、これらの機器に搭載されるリチウムイオン二次電池が注目されている。このような、リチウムイオン二次電池はその製造工程において、リチウム金属を基材上に形成する工程が特に重要であり、これまでに種々の技術が提案されている。

例えば特許文献１に記載のように、集電体として用いられる銅箔の上にリチウム金属膜を成膜する巻取式成膜装置が知られている。一方、特許文献２に記載のように、合成樹脂製の基板に離型層及び補助層を介してリチウム金属層を成膜し、基板上の補助層及びリチウム金属層を集電体に転写する技術が知られている。

ＷＯ２０１８／１９３９９３号 特開２０１３－２０９７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、銅箔にリチウム金属膜を蒸着させる際の蒸着熱により銅箔に皺が発生しやすいという問題がある。また、特許文献２に記載の方法では、集電体に転写されるリチウム金属層の表面に補助層が付着しているため、リチウム層が補助層と反応して電気化学特性等のデバイス特性を劣化させるおそれがあるという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、リチウム金属層の劣化を抑制することができるリチウム電極の製造装置及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るリチウム電極の製造装置は、第１の成膜部と、第２の成膜部と、転写部とを具備する。
前記第１の成膜部は、合成樹脂製のベースフィルム上にリチウムを含む無機層を成膜する。
前記第２の成膜部は、前記無機層上にリチウム金属層を成膜する。
前記転写部は、前記リチウム金属層を金属箔上に転写する。

上記製造装置は、リチウムを含む無機離型層を介してリチウム金属層をベースフィルムに成膜するため、リチウム金属層の劣化を防ぎつつ、リチウム金属層を金属フィルム上に転写することができる。

前記製造装置は、真空チャンバと、搬送機構とをさらに具備してもよい。
前記真空チャンバは、前記第１の成膜部と、前記第２の成膜部とを有する。
前記搬送機構は、前記真空チャンバ内に設置され、前記ベースフィルムを前記第１の成膜部から前記第２の成膜部へ搬送する。
これにより、ベースフィルム上に無機離型層とリチウム金属層とを真空一貫で連続的に成膜することができるため、無機離型層の大気暴露を原因とするリチウム金属層の劣化を回避できる。

前記搬送機構は、巻き出しローラと、第１の巻き取りローラと、第２の巻き取りローラとを有してもよい。
前記巻き出しローラは、前記第１の成膜部へ前記ベースフィルムを巻き出す。
前記第１の巻き取りローラは、前記第２の成膜部に搬送された前記ベースフィルムを巻き取る。
前記第２の巻き取りローラは、前記ベースフィルムから前記リチウム金属層が転写された前記金属フィルムを巻き取る。
これにより、無機離型層及びリチウム金属層の成膜とリチウム金属の金属フィルムへの転写までの各工程を連続的に行うことができる。

本発明の一形態に係るリチウム電極の製造方法は、合成樹脂製のベースフィルム上に、リチウムを含む無機離型層を成膜することを含む。
前記無機離型層上に、リチウム金属層が成膜される。
前記ベースフィルムから金属フィルム上へ前記リチウム金属層が転写される。

前記製造方法は、さらに、真空チャンバ内で前記ベースフィルムを巻き出し、前記リチウム金属層が転写された前記金属フィルムを巻き取る工程を含んでもよい。

本発明によれば、リチウム金属層の劣化を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るリチウム電極の製造方法を説明する各工程の要部の概略断面図である。 本実施形態に係るリチウム電極の製造装置の一例を示す成膜装置の概略構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

［リチウム電極の製造方法］
図１（ａ）～（ｄ）は、本発明の一実施形態に係るリチウム電極の製造方法を説明する各工程の要部の概略断面図である。

本実施形態のリチウム電極の製造方法は、合成樹脂製のベースフィルムＦ上に無機離型層Ｄを成膜する工程（図１（ａ））と、無機離型層Ｄ上にリチウム金属層Ｌを成膜する工程（図１（ｂ））と、リチウム金属層Ｌに金属フィルムＭを接合する工程（図１（ｃ）と、リチウム金属層Ｌを金属フィルムＭに転写する工程（図１（ｄ））とを有する。

ベースフィルムＦは、例えば、ＯＰＰ（延伸ポリプロピレン）フィルム、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）フィルム、ＰＩ（ポリイミド）フィルム等の樹脂フィルムが用いられる。ベースフィルムＦの厚みは特に限定されず、例えば、数μｍ～１００μｍ程度である。ベースフィルムＦの幅や長さについても特に制限はなく、仕様や用途に応じて適宜決定可能である。

無機離型層Ｄは、リチウムを含む無機物で構成され、中でも、Ｌｉ_２ＣＯ_３、ＬｉＦ、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、Ｌｉ_３ＰＯ_４、ＬｉＰＯＮ等のリチウムを含む固体電解質材料が好ましい。無機離型層Ｄは、蒸着法、スパッタ法等の成膜方法によりベースフィルムＦの一方の面の全域に形成される。無機離型層Ｄの厚みは特に限定されず、例えば、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

リチウム金属層Ｌは、蒸着法、印刷法等の成膜方法により、無機離型層Ｄの表面の全域に形成される。リチウム金属層の厚みは特に限定されず、例えば、数μｍ～数十μｍである。

金属フィルムＭは、例えば、銅、ニッケル、チタン等の集電体として機能する金属材料で構成される。金属フィルムＭの厚みは特に限定されず、例えば数μｍ～数十μｍである。金属フィルムＭの幅や長さについても特に制限はなく、仕様や用途に応じて適宜決定可能である。

ベースフィルムＦから金属フィルムＭへのリチウム金属層Ｌの転写工程では、図１（ｃ）に示すように、ベースフィルムＦ上のリチウム金属層Ｌに金属フィルムＭが接合された後、図１（ｄ）に示すように、リチウム金属層Ｌを金属フィルムＦ上に転写する。このとき、金属フィルムＭとリチウム金属層Ｌとの間の密着力が無機離型層Ｄとリチウム金属層Ｍとの間の密着力よりも大きくすることで、リチウム金属層Ｌが無機離型層Ｄから剥離しやすくなる。これにより、金属フィルムＭ上にリチウム金属層Ｌが積層されたリチウム電極ＬＥが作製される。

無機離型層Ｄは、金属フィルムＭへ転写されたリチウム金属層Ｌの表面に残存していてもよい。無機離型層Ｄは、リチウムを含む無機材料で構成されているため、製造されたリチウム電極ＬＥの電極特性に悪影響を及ぼすことがない。また、無機離型層Ｄの少なくとも一部がリチウム金属層Ｌの表面を被覆することで、当該無機離型層をリチウム金属層Ｌの表面の酸化や水酸化等を抑える保護膜として機能させることができる。

本実施形態のリチウム電極の製造方法によれば、ベースフィルムＦ上に成膜したリチウム金属層Ｌを金属フィルムＭへ転写するようにしているため、銅箔等の金属フィルム上へリチウム金属層を直接成膜する場合と比較して、リチウム金属の蒸着熱による金属フィルムの皺を発生させることなく、金属フィルム上へリチウム金属層を安定に積層することができる。

また本実施形態によれば、ベースフィルムＦとリチウム金属層Ｌとの間に無機離型層Ｄを介在させているため、ベースフィルムＦから金属フィルムＭへのリチウム金属層Ｌの転写を容易に行うことができる。

特に無機離型層Ｄが樹脂成分を含まない無機材料で構成されているため、離型層中の樹脂成分との反応によるリチウム金属の変色、電気的特性の劣化を生じさせることなく、所望とする電気化学特性を有するリチウム金属層Ｌを安定に形成することができる。

さらに本実施形態によれば、無機離型層Ｄがリチウムを含む無機材料で構成されているため、金属フィルムＭへ転写されたリチウム金属層Ｌの表面に無機離型層Ｄの一部が残存する場合においても、リチウム金属層Ｌと電解液との間に高抵抗のＳＥＩ（Solid Electrolyte Interphase）を生じさせることなく、所望とするイオン伝導度を確保して、電池寿命及び出力特性に優れたリチウム電極を安定に製造することができる。

［リチウム電極の製造装置］
図２は、本実施形態に係るリチウム電極の製造装置の一例を示す成膜装置の概略構成図である。図２に示す成膜装置１００は、真空チャンバ１０と、搬送機構２０と、転写部３０とを備える。

真空チャンバ１０は、第１の成膜部１１と、第２の成膜部１２と、搬送室１３とを有する。第１の成膜部１１、第２の成膜部１２及び搬送室１３は、真空チャンバ１０の内部に設置された仕切壁１４を介して個々に区画される。第１の成膜部１１、第２の成膜部１２及び搬送室１３には、真空排気ライン１１１，１１２，１１３がそれぞれ接続されており、それぞれが所定の減圧雰囲気に排気され、あるいは維持される。

第１の成膜部１１は、仕切壁１４で区画された成膜室１４１と、成膜室１４１に設置された成膜源４１とを有する。成膜源４１は、ベースフィルムＦ上に無機離型層Ｄを成膜するための蒸発源である。成膜源４１は、後述する第１のメインローラ２２の周面の一部に対向する位置に配置される。

第２の成膜源１２は、仕切壁１４で区画された成膜室１４２と、成膜室１４２に設置された成膜源４２とを有する。成膜源４２は、ベースフィルムＦ上にリチウム金属層Ｌを成膜するための蒸発源である。成膜源４２は、後述する第２のメインローラ２３の周面の一部に対向する位置に配置される。

成膜源４１，４２は、真空蒸着用の蒸発源である。蒸発源の構成は特に限定されず、抵抗加熱式でもよいし、誘導加熱式でもよいし、電子ビーム加熱式であってもよい。成膜源４１，４２は、蒸発源に限られず、スパッタ成膜用のスパッタリングカソードであってもよい。

搬送機構２０は、巻き出しローラ２１と、第１のメインローラ２２と、第２のメインローラ２３と、第１の巻き取りローラ２４と、金属フィルム供給ローラ２５と、第２の巻き取りローラ２６と、複数のガイドローラＧｒ１～Ｇｒ５とを有する。巻き出しローラ２１、第１のメインローラ２２、第２のメインローラ２３、第１の巻き取りローラ２４、金属フィルム供給ローラ２５及び第２の巻き取りローラ２６は、所定の回転速度でそれぞれ図示する方向に回転可能に構成される。

巻き出しローラ２１は、所定幅の長尺のベースフィルムＦを第１の成膜部１１へ向けて巻き出す。巻き出しローラ２１から巻き出されたベースフィルムＦは、ガイドローラＧｒ１を介して第１のメインローラ２２の周面に架け渡され、成膜源４１との対向位置で無機離型層Ｄが成膜される。

第１のメインローラ２２は、無機離型層Ｄが成膜されたベースフィルムＦを第２の成膜部１２へ向けて搬送する。第１のメインローラ２２から搬送されたベースフィルムＦは、ガイドローラＧｒ２，Ｇｒ３を介して第２のメインローラ２３の周面に架け渡され、成膜源４２との対向位置で、無機離型層Ｄ上にリチウム金属層Ｌが成膜される。

第１のメインローラ２２及び第２のメインローラ２３は、ステンレス鋼、鉄、アルミニウム等の金属材料で構成され、その内部を循環する冷却水等の温調媒体によってベースフィルムＦを所定温度に維持することが可能に構成される。これにより、無機離型層Ｄ及び金属リチウム層Ｌの成膜時におけるベースフィルムＦの熱伸びや皺の発生が抑制される。

第１の巻き取りローラ２４は、第２の成膜部１２に搬送されたベースフィルムＦを巻き取る。第２のメインローラ２３から搬送されたベースフィルムＦは、ガイドローラＧｒ４及び転写部３０を介して第１の巻き取りローラ２４に巻き取られる。

金属フィルム供給ローラ２５は、ガイドローラＧｒ５を介して金属フィルムＭを転写部３０へ供給する。第２の巻き取りローラ２６は、転写部３０によって金属リチウム層Ｌが転写された金属フィルムＭを巻き取る。

転写部３０は、第２のメインローラ２３と第１の巻き取りローラ２４及び第２の巻き取りローラ２６との間に設置される。転写部３０は、第１の転写ローラ３１と第２の転写ローラ３２とを有する。第１の転写ローラ３１及び第２の転写ローラ３２は、第２のメインローラ２３から搬送されたベースフィルムＦと金属フィルム供給ローラ２５から供給された金属フィルムＭを所定圧力で挟持し、ベースフィルムＦ上のリチウム金属層Ｌへ金属フィルムＭを接合する。

転写部３０において金属フィルムＭへ転写されたリチウム金属層Ｌは、金属フィルムＭと一体化されたリチウム電極ＬＥとして第２の巻き取りローラ２６へ巻き取られる。また、リチウム金属層Ｌが剥離されたベースフィルムＦは、無機離型層Ｄとともに第１の巻き取りローラ２４へ巻き取られる。

以上のように、本実施形態の成膜装置１００によれば、ベースフィルムＦ上に無機離型層Ｄとリチウム金属層Ｌとを真空一貫で連続的に成膜することができるため、無機離型層Ｄの大気暴露を原因とするリチウム金属層Ｌの劣化を回避できる。また、リチウム金属層ＬのベースフィルムＦ上への成膜と金属フィルムＭへの転写とを真空一貫で連続的に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、ロール・ツー・ロール方式でリチウム金属層を成膜し、金属フィルムへ転写する処理を順次行ったが、これに限られず、複数の真空チャンバ間でリチウム金属層の成膜及び転写を行うようにしてもよい。

また、転写部３０は、金属フィルムＭとの密着力を高めるための処理をリチウム金属層Ｌの表面に付与する前処理部を有してもよい。前処理部としては、例えば、リチウム金属層Ｌの表面を活性化するためのプラズマ処理などが挙げられる。

１０…真空チャンバ
１１…第１の成膜部
１２…第２の成膜部
１３…搬送室
２０…搬送機構
２１…巻き出しローラ
２２…第１のメインローラ
２３…第２のメインローラ
２４…第１の巻き取りローラ
２５…金属フィルム供給ローラ
２６…第２の巻き取りローラ
３０…転写部
１００…成膜装置
Ｄ…無機離型層
Ｆ…ベースフィルム
Ｌ…リチウム金属層
Ｍ…金属フィルム
ＬＥ…リチウム電極

Claims (5)

1. 合成樹脂製のベースフィルム上にリチウムを含む無機離型層を成膜する第１の成膜部と、
   前記無機離型層上にリチウム金属層を成膜する第２の成膜部と、
   前記リチウム金属層を金属フィルム上に転写する転写部と
   を具備するリチウム電極の製造装置。
2. 請求項１に記載のリチウム電極の製造装置であって、
   前記第１の成膜部と、前記第２の成膜部とを有する真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に設置され、前記ベースフィルムを前記第１の成膜部から前記第２の成膜部へ搬送する搬送機構と、をさらに具備する
   リチウム電極の製造装置。
3. 請求項２に記載のリチウム電極の製造装置であって、
   前記搬送機構は、
   前記第１の成膜部へ前記ベースフィルムを巻き出す巻き出しローラと、
   前記第２の成膜部に搬送された前記ベースフィルムを巻き取る第１の巻き取りローラと、
   前記ベースフィルムから前記リチウム金属層が転写された前記金属フィルムを巻き取る第２の巻き取りローラと、を有する
   リチウム電極の製造装置。
4. 合成樹脂製のベースフィルム上に、リチウムを含む無機離型層を成膜し、
   前記無機離型層上に、リチウム金属層を成膜し、
   前記ベースフィルムから金属フィルム上へ前記リチウム金属層を転写する
   リチウム電極の製造方法。
5. 請求項４に記載のリチウム電極の製造方法であって、さらに、
   真空チャンバ内で前記ベースフィルムを巻き出し、
   前記リチウム金属層が転写された前記金属フィルムを巻き取る
   リチウム電極の製造方法。

Images