JP2015149138A - 塗工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塗工時の電極ペーストの品質を向上した塗工装置を提供することを課題とする。
【解決手段】金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置であって、電極ペーストを貯留する貯留部と、電極ペーストを金属箔に塗工する塗工部と、貯留部と塗工部との間を接続し、電極ペーストの流路となる接続管と、接続管に設けられるフィルタとを備え、フィルタは、複数の貫通孔２４ａを有し、貫通孔２４ａの上流側に凸部２４ｃがそれぞれ形成されており、凸部２４ｃは、上流端及び下流端が開口した中空の凸部であり、側面にスリット２４ｇが形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置に関する。

リチウムイオン二次電池等の電池の電極の製造には、金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置が用いられる。塗工装置には、塗工前に電極ペーストを濾過するために、塗工部に繋がる接続管にフィルタが設けられているものがある。例えば、特許文献１には、電極ペーストの塗工装置において、電極ペーストを塗工部へ流通させる接続パイプにフィルタが設けられ、このフィルタが最大目開き部分から最小目開き部分までの助走距離が最小目開き部分における幅の１／２の寸法よりも長くなるような楕円の断面形状を有する線材を網目状に配置して形成されていることが開示されている。また、特許文献２には、電極ペーストの塗工装置ではないが、塗布液を塗布ヘッドへ給液する給液配管に金属製フィルタを設け、この金属製フィルタにはメッシュ状の多数の孔が形成されていることが開示されている。

特開２０１３−１４６６４４号公報 特開２０１１−２５１７７号公報

電極ペーストは、活物質、導電助剤、バインダ、溶剤等からなり、スラリー状である。電極ペーストには、活物質等の一次粒子が凝縮した粗大な二次粒子が含まれる場合がある。このような粗大な二次粒子を電極ペーストが含んでいると、フィルタの目詰まりを起こし易くなるので電極ペーストに高圧を付加するための装置や圧力隔壁が別途必要となって装置の構造が複雑なものとなったり、あるいは、フィルタを通過すると電極ペーストの塗工時にスジ等の原因となる。電極の表面にスジがあると、その電極を用いた電池では品質が低下する。そのため、塗工時、電極ペーストに粗大な二次粒子が含まれないようにする必要がある。しかし、上記の各特許文献のフィルタの場合、所定の径を有する孔を有しているが、この孔の径が二次粒子より大きいと二次粒子が通過し、塗工時に電極ペーストに粗大な二次粒子が含まれることになる。

そこで、本技術分野においては、塗工時の電極ペーストの品質を向上した塗工装置が要請されている。

本発明の一側面に係る塗工装置は、金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置であって、電極ペーストを貯留する貯留部と、電極ペーストを金属箔に塗工する塗工部と、貯留部と塗工部との間を接続し、電極ペーストの流路となる接続管と、接続管に設けられるフィルタとを備え、フィルタは、複数の貫通孔を有し、当該貫通孔の上流側に凸部がそれぞれ形成されており、凸部は、上流端及び下流端が開口した中空の凸部であり、側面にスリットが形成されている。

この塗工装置は、貯留部と塗工部とが接続管で接続されており、接続管を介して貯留部から塗工部に電極ペーストを供給する。電極ペーストは接続管を通って貯留部から塗工部まで流れるので、貯留部側が上流であり、塗工部側が下流である。さらに、塗工装置は、接続管の途中に電極ペーストを濾過するためにフィルタが設けられている。このフィルタは、複数の貫通孔を有している。各貫通孔の上流側には、凸部がそれぞれ形成されている。この凸部は、上流端及び下流端が開口した中空であり、この中空の部分が貫通孔に繋がっている。また、凸部は、その中空を形成する側面にスリットが形成されている。したがって、電極ペーストに含まれる一次粒子は、凸部の上流端の開口部や側面のスリットを通過し、下流側に流れていく。また、電極ペーストに二次粒子が含まれている場合、その二次粒子は、凸部の上流端の開口部や側面のスリットを通過できずにトラップされるか、あるいは、凸部の上流端やスリットで粉砕されて一次粒子に戻ってスリットを通過し、下流側に流れていく。このように、この塗工装置は、フィルタの各貫通孔の上流側にスリットが形成された凸部をそれぞれ設けることにより、フィルタを二次粒子の状態で通過することを防止でき、塗工時の電極ペーストの品質を向上できる。その結果、電極ペーストの塗工時に表面のスジ等が発生しない。

一形態の塗工装置では、凸部は、上流端側ほど径が小さい凸部である。凸部の上流端ほど径が小さいので、凸部の側面が上流側から下流側にかけて傾斜する。そのため、傾斜した側面には二次粒子が当たり易くなり、側面のスリットでより多くの二次粒子を粉砕あるいはトラップできる。

一形態の塗工装置では、スリットは、上流端が開口したスリットである。スリットの上流端が開口しているので、二次粒子を粉砕し易くなるとともに、電極ペーストがフィルタを通過する際の圧損も低減できる。

本発明によれば、フィルタを二次粒子の状態で通過することを防止でき、塗工時の電極ペーストの品質を向上できる。

本実施の形態に係る電極の製造ラインの一部を模式的に示す図である。 図１に示すフィルタの平面図である。 図２に示すフィルタの貫通孔周辺を拡大した側断面図である。 図３に示す凸部であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が斜視図である。 図１に示すフィルタによる作用を示す側断面図であり、（ａ）が電極ペーストに含まれる一次粒子に対する作用であり、（ｂ）が電極ペーストに含まれる二次粒子に対する作用である。

以下、図面を参照して、本発明に係る塗工装置の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施の形態では、本発明に係る塗工装置を、電池の電極の製造ラインに組み込まれる塗工工程で用いられる塗工装置に適用する。本実施の形態では、電極の製造ラインの中でも塗工工程及び乾燥工程について説明し、その他の電極の製造工程については説明を省略する。なお、製造される電極は、例えば、二次電池又は電気二重層キャパシタ等の蓄電装置に用いられる。二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。また、製造される電極は、一次電池に用いられてもよい。本実施の形態では、リチウムイオン二次電池に用いられる電極を製造する場合とする。

電極は、金属箔の表裏面の少なくとも一面に電極ペーストがそれぞれ塗工されて活物質層が形成されており、電極ペーストが塗工されていないタブも有している。金属箔は、例えば、銅箔、アルミニウム箔である。電極ペーストは、活物質、バインダ、溶剤等を含んでいる。活物質は、正極活物質及び負極活物質のいずれであってもよい。正極活物質としては、例えば、複合酸化物、金属リチウム、硫黄である。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。負極活物質は、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素である。バインダは、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂である。溶剤は、例えば、ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）、メタノール、メチルイソブチルケトン等の有機溶剤、水である。また、電極ペーストは、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）等の導電助剤を含んでいてもよい。また、電極ペーストは、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等の増粘剤を含んでいてもよい。

この電極ペーストに含まれる活物質、導電助剤等が一次粒子である。また、その一次粒子が分子間力、静電気力、液架橋による力などによって凝集して塊状になったものが二次粒子である。この粗大な二次粒子が電極ペーストに含まれて金属箔に塗工されると、電極の表面のスジ等の原因となる。電極の表面（活物質層の表面）にスジがあると、その電極を用いたリチウムイオン二次電池ではリチウム析出し易くなり、品質が低下する。

図１を参照して、本実施の形態に係る製造ライン１（特に、塗工工程２、乾燥工程３）について説明する。図１は、電極の製造ライン１の一部を模式的に示す図である。

製造ライン１では、帯状の金属箔Ｌに電極ペーストＰを塗工して、その塗工した電極ペーストＰを乾燥し、活物質層を形成する。特に、製造ライン１では、電極ペーストＰを塗工する前に電極ペーストＰをフィルタに通して、塗工時に電極ペーストＰに二次粒子が含まれないようにする。

図１に示すように、この塗工工程２、乾燥工程３における工程においては、ロール状に巻き取られている帯状の金属箔Ｌが巻出ロール４から送り出され、各工程を順次経由した後、巻取ロール５で金属箔Ｌに活物質層が形成された帯状電極がロール状に巻き取られる。この巻出ロール４と巻取ロール５及び複数の補助ロール６による搬送速度や巻出ロール４と巻取ロール５の作動／停止等は、製造ライン１の制御装置（図示せず）及び各ロールを駆動する駆動装置（図示せず）によって制御される。この搬送速度は、例えば、１０ｍ／ｍｉｎである。搬送中は、帯状の金属箔Ｌに所定のテンション（張力）がかかっている。

塗工工程２は、帯状の金属箔Ｌ上に活物質層を形成するための電極用の電極ペーストＰを塗工する工程である。塗工工程２は、ダイ方式の塗工装置２０を備える。塗工装置２０は、容器２１、接続管２２、ポンプ２３、フィルタ２４、ガン２５、塗工ロール２６から構成される。なお、本実施の形態では、容器２１が特許請求の範囲に記載の貯留部に相当し、接続管２２が特許請求の範囲に記載する接続管に相当し、フィルタ２４が特許請求の範囲に記載するフィルタに相当し、ガン２５が特許請求の範囲に記載する塗工部に相当する。

容器２１は、電極ペーストＰを貯蔵する容器である。容器２１には、投入口２１ａからそれぞれ投入された活物質、導電助剤、バインダ、溶剤等が攪拌翼２１ｂによって混練・攪拌された電極ペーストＰが貯蔵されている。接続管２２は、容器２１とガン２５との間を接続する管路であり、その途中にポンプ２３及びフィルタ２４が設けられている。接続管２２は、容器２１とガン２５との間の電極ペーストＰの流路となる。塗工装置２０では、電極ペーストＰが接続管２２を介して容器２１からガン２５まで電極ペーストＰが流れるので、容器２１側が上流側であり、ガン２５が下流側である。

ガン２５は、搬送中の帯状の金属箔Ｌに電極ペーストＰを塗工するガンである。ガン２５には、ポンプ２３によって容器２１から接続管２２を通して電極ペーストＰが供給される。この際、ガン２５には、フィルタ２４を通過した電極ペーストＰが供給される。塗工ロール２６は、ガン２５に対向して配置されており、搬送中の帯状の金属箔Ｌを支持している。ガン２５では、供給された電極ペーストＰが内部のマニホールド２５ａに一旦溜まり、マニホールド２５ａから先端のノズル２５ｂに電極ペーストＰが押し出され、ノズル２５ｂから塗工ロール２６に支持されている帯状の金属箔Ｌ上に電極ペーストＰを吐出する。塗工工程２でのポンプ２３等の制御は、図示しない制御装置によって行われる。なお、フィルタ２４については後で詳細に説明する。

乾燥工程３は、塗工工程２で帯状の金属箔Ｌ上に塗工された電極ペーストＰを乾燥し、電極ペーストＰ中の溶剤を除去する工程である。乾燥工程３は、乾燥炉３０を備える。乾燥炉３０内には、補助ロール６により案内される帯状の金属箔Ｌの経路に沿って、加熱手段が配置されている。電極ペーストＰが塗工された金属箔Ｌは、乾燥炉３０内を通過している間に加熱され、電極ペーストＰ中の溶剤が除去され、金属箔Ｌ上に活物質層が形成される。

図２〜図４を参照して、フィルタ２４について詳細に説明する。図２は、フィルタ２４の平面図である。図３は、フィルタ２４の貫通孔周辺を拡大した側断面図である。図４は、凸部であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が斜視図である。なお、図２は、下流側からフィルタ２４を見た場合の平面図である。また、図４は、上流側からフィルタ２４を見た場合の凸部の平面図と斜視図である。

フィルタ２４は、略円板状であり、接続管２２の内径に応じた径を有している。フィルタ２４には、多数の貫通孔２４ａが設けられている。貫通孔２４ａは、一次粒子より大きい径を有しており、電極ペーストＰに含まれる活物質等に応じて径が設定される。図３に示すように、フィルタ２４において、貫通孔２４ａの部分の厚さ（凸部２４ｃを除いた厚さ）は貫通孔２４ａ以外の肉厚部分２４ｂの厚さよりも薄い。このように、肉厚部分２４ｂを有するフィルタ２４とすることにより、フィルタ２４の厚さを十分に確保でき、フィルタ２４の強度は向上する。なお、本実施の形態では、貫通孔２４ａが特許請求の範囲に記載する貫通孔に相当する。

フィルタ２４の各貫通孔２４ａの上流側には、凸部２４ｃがそれぞれ形成されている。凸部２４ｃは、図４に示すように、略円錐台形状である。凸部２４ｃは、上流端２４ｄ及び下流端２４ｅが開口しており、中空である。凸部２４ｃは、下流端２４ｅの開口部が貫通孔２４ａに繋がっている。凸部２４ｃは、上流端２４ｄ側ほど径が小さく、上流端２４ｄ側から下流端２４ｅ側に傾斜している。上流端２４ｄの開口部は、一次粒子よりも大きい径かつ粗大な二次粒子よりも小さい径を有しており、電極ペーストＰに含まれる活物質等に応じて径が設定される。下流端２４ｅの開口部は、貫通孔２４ａの径と同程度の径である。凸部２４ｃの中空部分を形成する側面２４ｆには、複数（図４等に示す例では、４つ）のスリット２４ｇが形成されている。スリット２４ｇは、上流端２４ｄ側が開口している。したがって、凸部２４ｃの上流端２４ｄは、スリット２４ｇの部分で途切れた状態の端部となっている。スリット２４ｇは、一次粒子より大きい幅かつ粗大な二次粒子よりも小さい幅を有しており、電極ペーストＰに含まれる活物質等に応じて幅が設定される。上流端２４ｄの開口部の径やスリット２４ｇの幅は、最大でも、電極（ひいては、畜電池）の品質に影響を与えない小さい二次粒子程度とする。なお、本実施の形態では、凸部２４ｃが特許請求の範囲に記載する凸部に相当し、スリット２４ｇが特許請求の範囲に記載するスリットに相当する。

上記構成のフィルタ２４を製造する方法の一例を説明する。貫通孔２４ａとなる部分を薄くした凹状とし、それ以外の肉厚部分２４ｂとなる部分を厚くした円板状の部材を生成する。したがって、この円板状の部材は、一面側には多数の円形の凹部が形成され、他面側が平面である。この円板状の部材は、例えば、金属製とする。そして、プラスドライバ状の先端部を有する治具を用いて、その円板状の部材の各凹部に治具の先端部に差し込んでエンボス加工する。すると、治具の先端部で凹部を形成していた底面が破断され、他面側に盛り上がって凸部２４ｃを形成するとともに、治具のプラスドライバ状の４つの凸部分でスリット２４ｇがそれぞれ形成される。このような治具を用いてエンボス加工を行うことにより、スリット２４ｇ付きの凸部２４ｃを簡単に形成することができる。

図１〜図５を参照して、上記構成の製造ライン１における塗工工程２、乾燥工程３の作用について説明する。図５は、フィルタ２４による作用を示す側断面図であり、（ａ）が電極ペーストＰに含まれる一次粒子に対する作用であり、（ｂ）が電極ペーストＰに含まれる二次粒子に対する作用である。なお、図５では、符号Ｐ１で示す小さい黒丸を一次粒子とし、符号Ｐ２で示す小さい黒丸が凝集した塊状のものを二次粒子とする。

巻出ロール４と巻取ロール５が作動すると、巻出ロール４から金属箔Ｌが送り出され、所定のテンションがかけられた状態で金属箔Ｌが所定の搬送速度で巻出ロール４と巻取ロール５間で搬送される。金属箔Ｌの搬送を開始すると、塗工工程２の塗工装置２０、乾燥工程３の乾燥炉３０も稼働する。

塗工工程２では、ポンプ２３が作動し、容器２１から接続管２２を介してガン２５に電極ペーストＰを供給する。この際、電極ペーストＰは、フィルタ２４によって濾過される。特に、図５（ａ）に示すように、電極ペーストＰに含まれる一次粒子Ｐ１の場合、凸部２４ｃの上流端２４ｄの開口部の径や側面２４ｆのスリット２４ｇの幅が一次粒子よりも大きいので、一次粒子Ｐ１は上流端２４ｄの開口部やスリット２４ｇを通過でき、凸部２４ｃの中空部、下流端２４ｅの開口部、貫通孔２４ａを通って下流側に流れていく。一方、図５（ｂ）に示すように、電極ペーストＰに含まれる二次粒子Ｐ２の場合、二次粒子Ｐ２が上流端２４ｄの開口部の径やスリット２４ｇの幅はよりも大きいので、トラップされて、フィルタ２４を通過できない。あるいは、二次粒子Ｐ２が凸部２４ｃの上流端２４ｄの部分やスリット２４ｇの部分で粉砕され、一次粒子Ｐ１に戻る。そのため、粉砕された一次粒子Ｐ１は上流端２４ｄの開口部やスリット２４ｇを通過でき、凸部２４ｃの中空部、下流端２４ｅの開口部、貫通孔２４ａを通って下流側に流れていく。このように、電極ペーストＰに粗大な二次粒子Ｐ２が含まれる場合でも、粗大な二次粒子Ｐ２の状態でフィルタ２４を通過することはない。但し、電極（ひいては、畜電池）の品質に影響を与えない程度の小さい二次粒子がフィルタ２４を通過する場合がある。

ガン２５に電極ペーストＰ（粗大な二次粒子Ｐ２が含まれないもの）が供給されると、ガン２５では、電極ペーストＰがマニホールド２５ａに一旦溜まり、マニホールド２５ａからノズル２５ｂに電極ペーストＰを押し出し、ノズル２５ｂから塗工ロール２６で支持されている金属箔Ｌ上に電極ペーストＰを塗工する。

乾燥工程３では、乾燥炉３０内に電極ペーストＰが塗工された金属箔Ｌが入ると、乾燥炉３０内に配置された加熱手段が電極ペーストＰを加熱し、電極ペーストＰ中の溶剤を蒸発させ、電極ペーストＰが乾燥する。

この塗工装置２０（特に、フィルタ２４）によれば、フィルタ２４の各貫通孔２４ａの上流側にスリット２４ｇが形成された凸部２４ｃをそれぞれ設けることにより、フィルタ２４を二次粒子の状態で通過することを防止でき、塗工時の電極ペーストＰの品質を向上できる。その結果、電極ペーストＰの塗工時に表面のスジ等が発生しない。そのため、この電極を用いた電池は、信頼性及び電池特性を向上できるとともに、品質も向上する。また、二次粒子が粉砕されて低減するので、フィルタ２４での目詰まりも低減でき、ポンプ２３の出力を抑えることができる。

また、この塗工装置２０によれば、フィルタ２４の凸部２４ｃが上流端２４ｄ側ほど径が小さいので、凸部２４ｃの側面２４ｆが上流側から下流側にかけて傾斜し、その傾斜した側面２４ｆには二次粒子が当たり易くなり、スリット２４ｇでより多くの二次粒子を粉砕あるいはトラップできる。

また、この塗工装置２０によれば、フィルタ２４のスリット２４ｇの上流端側が開口しているので、二次粒子を粉砕し易くなるとともに、電極ペーストＰがフィルタ２４を通過する際の圧力損失も低減できる。したがって、ポンプ２３の出力を抑えることができる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、本実施の形態ではダイ方式の塗工装置に適用したが、コンマロール方式等の他の塗工方式の塗工装置にも適用可能である。各塗工方式に応じて、フィルタの形状を変える必要がある。

また、本実施の形態では貫通孔の部分が薄く、それ貫通孔以外の部分が厚い下流側の面に凹凸のあるフィルタとしたが、下流側の面に凹凸がない平面状のフィルタとしてもよい。

また、本実施の形態ではフィルタの凸部を円錐台状の凸部としたが、四角錐台状等の他の形状の凸部としてもよい。また、本実施の形態では上流端側ほど径が小さい凸部としたが、上流端側から下流端側まで径が一定の凸部としてもよい。

また、本実施の形態では凸部の側面のスリットを上流端側が開口したスリットとしたが、上流端側が開口していないスリットとしてもよい。また、本実施の形態ではスリットを４つとしたが、スリットは３つ以下でもよいし、あるいは、５つ以上でもよい。

１…製造ライン、２…塗工工程、３…乾燥工程、４…巻出ロール、５…巻取ロール、６…補助ロール、２０…塗工装置、２１…容器、２１ａ…投入口、２１ｂ…攪拌翼、２２…接続管、２３…ポンプ、２４…フィルタ、２４ａ…貫通孔、２４ｂ…肉厚部分、２４ｃ…凸部、２４ｄ…上流端、２４ｅ…下流端、２４ｆ…側面、２４ｇ…スリット、２５…ガン、２５ａ…マニホールド、２５ｂ…ノズル、２６…塗工ロール、３０…乾燥炉。

Claims (3)

1. 金属箔に電極ペーストを塗工する塗工装置であって、
   電極ペーストを貯留する貯留部と、
   電極ペーストを金属箔に塗工する塗工部と、
   前記貯留部と前記塗工部との間を接続し、電極ペーストの流路となる接続管と、
   前記接続管に設けられるフィルタと、
   を備え、
   前記フィルタは、複数の貫通孔を有し、当該貫通孔の上流側に凸部がそれぞれ形成されており、
   前記凸部は、上流端及び下流端が開口した中空の凸部であり、側面にスリットが形成されている、塗工装置。
2. 前記凸部は、上流端側ほど径が小さい凸部である、請求項１に記載の塗工装置。
3. 前記スリットは、上流端が開口したスリットである、請求項１又は請求項２に記載の塗工装置。

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