JP2017183010A - 電池用極板の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基材上に平坦度の高い塗膜層を形成することができる電池用極板の製造装置を提供する。【解決手段】幅方向に長くスラリーを溜める空間からなるマニホールド１１と、当該幅方向に広いスリット１２を経由してマニホールド１１と繋がり、スラリー３を基材２に対して吐出する吐出口１８とが形成されたダイ１０と、前記幅方向に関してマニホールド１１の中央部近傍に連通する流入部１６を介してマニホールド１１にスラリー３を供給する供給手段２０と、外力を加えることによりダイ１０の吐出口１８近傍を変形させて吐出口１８の一部の間隙を調節する間隙調節機構６と、を備え、間隙調節機構６による力点と吐出口１８の間には、ダイ１０よりも変形しにくい材料により構成された拡張部材７が設けられ、拡張部材７は前記幅方向に関して吐出口１８よりも短い寸法である。【選択図】図１

Description

本発明は、基材に活物質を含むスラリーを塗工して電池用極板を製造するための製造装置に関する。

例えば、特許文献１のように、電池用極板は、ロールツーロールで送られる基材に、活物質、バインダー、導電助剤及び溶媒を含むスラリーが塗工され、製造される。このようにして製造された電池用極板において、基材上に形成される活物質を含む層の厚さは、電池の充放電量に直接影響を与えることから、特に高容量型の電池（バッテリ）の場合、基材に塗工するスラリーの膜厚管理は非常に重要となる。つまり、スラリーは、基材の幅方向及び送り方向に沿って均一な厚さで塗工される必要がある。

このようなスラリーを基材に塗工するために、図８に示すように、ダイ９０には幅方向に長いマニホールド（液溜め部）９１と、このマニホールド９１に繋がるスリット９２とが形成されており、スラリー９３は、マニホールド９１に供給され、マニホールド９１からスリット９２を通じて基材に対して吐出される。スリット９２は、基材の幅方向に沿って均一な量でスラリーが吐出されるように、マニホールド９１と連結されている側と反対側の端部であり、開放端である吐出口９４が略均一な間隙（隙間寸法）で形成されている。

ただし、マニホールド９１内においてマニホールド９１へのスラリーの供給口に近い部分ではスラリー９３の流量は大きくなりやすい。したがって、吐出口９４の間隙が幅方向に完全に均一であった場合、図９（ａ）に示すように基材９５に塗工されるスラリー９３による塗膜層の形状は、幅方向に関して上記供給口の位置（図９（ａ）では幅方向中央）の膜厚が大きい形状となる。そのため、吐出口９４の間隙を幅方向に関して微妙に差を持たせるように調節することによってスラリー９３の膜厚が平坦になるようにする手段が用いられる。吐出口９４の間隙を調節する手法として、たとえば図７に示すようにダイ９０に調節ボルト９６を設け、調節ボルト９６を押し込んでダイ９０を変形させることによって吐出口９４を変形させ、吐出口９４の間隙を調節する手法が知られている。

特開平１１−２３３１０２号公報

しかし、図８に示すような従来の電池用極板の製造装置では、基材に塗工されたスラリーの塗膜層の膜厚が幅方向にわたって均一になりにくいという問題があった。具体的には、ダイ９０の幅方向に関して調節ボルト９６によって吐出口９４の間隙を調節できる範囲は限られており、たとえば幅方向中央部のみに調節ボルト９６を設けた場合は吐出口９４の中央部分しか間隙を狭めることができず、そのためスラリー９３による塗膜層の形状は図９（ｂ）に示すように中央部のみが凹んだ状態となり、塗膜層の平坦度は決して高くならない。そのため、塗膜層を平坦にするためにはダイ９０の幅方向に複数の調節ボルト９６を並べてそれぞれを調節する必要が生じ、調節に困難をともなっていた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、基材上に平坦度の高い塗膜層を形成することを目的とする。

本発明の電池用極板の製造装置は、幅方向に長くスラリーを溜める空間からなるマニホールドと、当該幅方向に広いスリットを経由して当該マニホールドと繋がり、スラリーを基材に対して吐出する吐出口とが形成されたダイと、前記幅方向に関して前記マニホールドの中央部近傍に連通する流入部を介して前記マニホールドにスラリーを供給する供給手段と、外力を加えることにより前記ダイの前記吐出口近傍を変形させて前記吐出口の一部の間隙を調節する間隙調節機構と、を備え、前記間隙調節機構による力点と前記吐出口の間には、前記ダイよりも変形しにくい材料により構成された拡張部材が設けられ、当該拡張部材は前記幅方向に関して前記吐出口よりも短い寸法であることを特徴とする。

本発明によれば、ダイよりも変形しにくい材料により構成され、幅方向に関して吐出口よりも短い寸法の拡張部材が設けられていることにより、平坦度が高い塗膜層を形成することができる。具体的には、幅方向に関して拡張部材がある部分では間隙調節機構を動作させることによる吐出口の変形がなだらかになり、また、拡張部材の端部近傍の拡張部材が無い部分でも、材質的に変形しやすくなるため吐出口の変形が促進され、幅方向に関して吐出口の間隙が調節できる部分の幅が拡張されて高低差の少ない塗膜層を形成することが可能である。

また、前記力点は、前記幅方向に関して前記ダイの中央部近傍にのみ設けられていることが望ましい。

この場合、幅方向中央部に設けられた少数の間隙調節機構によって幅広く吐出口の間隙を調節することができるため、容易に高い平坦度を実現することができる。

また、前記間隙調節機構は、ねじ込み量を調節することによって前記ダイに加える荷重を調節する調節ボルトであると良い。

この場合、簡易な構成で間隙調節機構を構成することができる。

また、前記間隙調節機構には、温度調節機構が接続されていても良い。

この場合、間隙調節機構を経てダイの温度を局所的に調節することによって、熱膨張効果により平坦度の高い塗膜層を形成することができる吐出口の間隙状態に変形させることができる。

本発明によれば、基材上に平坦度の高い塗膜層を形成することが可能となる。

本発明の一実施形態における電池用極板の製造装置を表す概略図である。 本実施形態のダイの断面図である。 本実施形態のダイの断面図である。 本発明の電池用極板の製造装置によって得られる塗膜層の形状および比較例である。 本発明の他の実施形態におけるダイを表す断面図である。 本発明の他の実施形態におけるダイを表す断面図である。 本発明の他の実施形態における電池用極板の製造装置を表す概略図である。 従来の電池用極板の製造装置を表す概略図である。 従来の電池用極板の製造装置によって得られる塗膜層の形状を表す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、電池用極板の製造装置の概略構成を示す説明図である。この製造装置１は、ロールツーロールで送られる金属箔からなる基材２に、活物質、バインダー、導電助剤及び溶媒を含むスラリー３を塗工するための装置である。この製造装置によれば、塗工したスラリー３を乾燥させることで基材２上に活物質を含む層が形成され、この基材２が所定形状に切断され電池用極板となる。基材２上に形成される活物質を含む層の厚さは、電池の充放電量に直接影響を与えることから、基材２に塗工するスラリー３によって形成される塗膜層の膜厚管理は非常に重要であり、この製造装置１によれば、以下の実施形態において説明するように、スラリー３の塗膜層は、基材２の送り方向に沿って平坦度が高い形状（均一な塗膜量）で塗工される。なお、基材２の幅方向は、基材２の送り方向に直交する方向であり、図１におけるＹ軸方向がこれに相当する。

製造装置１は、基材２の幅方向に沿って長く構成されたダイ１０と、このダイ１０にスラリー３を供給する供給手段２０とを備えている。ダイ１０において、その長手方向（図１におけるＹ軸方向）を幅方向という。この製造装置１では、ダイ１０に対向するローラ５が設置されており、ダイ１０の幅方向とローラ５の回転中心線の方向とは平行である。基材２は、このローラ５に案内され、基材２とダイ１０との間隔（後述の吐出口１８とローラ５との間の隙間）が一定に保たれ、この状態でスラリー３の塗工が行われる。

本実施形態のダイ１０は、先細り形状である第一リップ１３ａを有する第一分割体１３と、先細り形状である第二リップ１４ａを有する第二分割体１４とを、これらの間にシム板１５を挟んで、組み合わせた構成からなる。

図２は、図１のａ矢視の断面図である。ダイ１０は、その内部に、幅方向に長い空間からなるマニホールド１１と、このマニホールド１１と繋がるスリット１２とが形成され、また、第一リップ１３ａと第二リップ１４ａとの間には、スリット１２の解放端である吐出口１８が形成されている。すなわち、マニホールド１１と吐出口１８とは、スリット１２を経由して繋がっている。

この構成により、供給手段２０により供給されたスラリー３は、先ずマニホールド１１に溜められ、次に、スリット１２を経由して吐出口１８から吐出される。

スリット１２は、マニホールド１１と同様に幅方向に長く形成されており、スリット１２の幅方向寸法は、シム板１５の内寸Ｗによって決定され、スリット１２の幅方向寸法と略同一の幅方向寸法のスラリー３を、基材２上に塗工することができる。スリット１２の隙間寸法（高さ寸法）は、例えば０．４〜１．５ｍｍである。本実施形態では、スリット１２の隙間方向が上下方向であり、幅方向が水平方向となる姿勢でダイ１０は設置されている。つまり、マニホールド１１とスリット１２とが水平方向に並んで配置される姿勢でダイ１０は設置されている。したがって、マニホールド１１に溜められているスラリー３をスリット１２および吐出口１８を通じて基材２へと流す方向は水平方向となる。

なお、シム板１５の厚さを変更することにより、マニホールド１１内部の圧力（塗工圧力）を調整することができ、この調整によって、様々な特性を有するスラリー３で均一な膜厚の塗工を行うことが可能となる。

また、ダイ１０の幅方向の中央部であり、スリット１２の中心線上にあたる部分には、流入部１６が設けられており、この流入部１６は、ダイ１０の外部からマニホールド１１へ繋がる貫通孔（流入口）からなる。供給手段２０は、この流入部１６に一端部が接続されているパイプ２１と、スラリー３を貯留しているタンク２２と、このタンク２２内のスラリー３を、パイプ２１を通じてダイ１０へ供給するためのポンプ２３とを有している。以上より、供給手段２０は、マニホールド１１に流入部１６からスラリー３を供給することができる。なお、本実施形態では、図１に示すように、流入部１６は、マニホールド１１の底部１７と繋がっており、この底部１７からスラリー３を流入させる構成としている。

そして、マニホールド１１は、供給手段２０から供給されたスラリー３を溜めることができ、マニホールド１１に溜められているスラリー３を、スリット１２を通って吐出口１８からロールツーロールで送られる基材２に対して吐出し、この基材２に対してスラリー３を連続的に塗工することができる。スリット１２の隙間寸法はその幅方向に略一定であり、基材２上に塗工されるスラリー３の厚さは幅方向に略一定となる。

また、ダイ１０には圧力センサ（図示せず）が設けられており、この圧力センサは、マニホールド１１のスラリー３の内圧を計測する。そして、この計測結果に基づいて供給手段２０によるスラリー３の供給が制御され、マニホールド１１のスラリー３の内圧を一定に保つ。マニホールド１１で内圧が一定とされるスラリー３は、スリット１２から幅方向全長にわたって略均等の量で吐出され、また、前記圧力センサの計測結果に基づいて、スリット１２から吐出されるスラリー３の量が変動しないように制御され、基材２上に塗工されるスラリー３の送り方向の厚さを一定とする。また、図示しないが、パイプ２１の途中にはスラリー３用のフィルタが設けられている。

また、ダイ１０は、吐出口１８の一部の間隙を調節する間隙調節機構として、調節ボルト６を幅方向の中央部に備えている。

ダイ１０は一部に幅方向にわたって切り欠き部１９を有し、この切り欠き部１９に直交するように調節ボルト６が通るねじ穴が設けられている。調節ボルト６の先端部は、ねじ穴を通って切り欠き部１９から突き出て、切り欠き部１９の反対側の面と当接している。

ここで調節ボルト６をねじ込むことによって調節ボルト６の先端部が移動し、その際調節ボルト６と切り欠き部１９の当接点が力点となってダイ１０（図１では第一リップ１３ａの近傍）に荷重を加えて変形させる。これによって第一リップ１３ａの位置が変化し、第一リップ１３ａと第二リップ１４ａの間隔が変化する。すなわち、吐出口１８の間隙が変化する。したがって、調節ボルト６を回して調節ボルト６のねじ込み量を調節することにより、吐出口１８の一部の間隙を調節することができる。

このように吐出口１８の間隙を部分的に調節することにより、吐出口１８から吐出されるスラリー３の流量の分布をダイ１０の幅方向（Ｙ軸方向）にわたって調節することができ、基材２に形成されるスラリー３の塗工膜の形状を調節することができる。

ここで、仮に吐出口１８の間隙がダイ１０の幅方向にわたって完全に均一であった場合、図９（ａ）に示すように中央部が厚い形状になるおそれがある。これはマニホールド１１の端部において、吐出口１８からのスラリー３の吐出量が流入部１６の近傍よりも少なくなるからであり、その理由は、マニホールド１１の端部には幅方向端面を構成する壁が存在していることから、流入部１６から供給され幅方向両側へ広がるスラリー３は端部において圧力が低くなり、それにしたがって流速が低下するためである。特に、スラリー３は粘度（粘性）が高いため、端部において流速が低下しやすい。

これに対し、間隙調節機構（調節ボルト６）によって吐出口１８の一部の間隙を調節し、具体的にはダイ１０の幅方向中央部の吐出口１８の間隙を狭くすることによって、幅方向中央部のスラリー３の流量を抑制して膜厚が厚くなるのを抑え、塗工膜の形状を平坦に近づけることができる。

なお、本実施形態の製造装置１のダイ１０から吐出されるスラリー３として、粘度が数千から数万ｃＰ（剪断速度＝１の場合）のものを採用することができる。

また、本発明では、間隙調節機構である調節ボルト６による力点と吐出口１８との間には、拡張部材７が設けられている。

図３は、図１のｂ矢視の断面図である。拡張部材７は、ダイ１０、特に調節ボルト６が設けられている第一分割体１３を構成する材料よりも変形しにくい（たとえば、ヤング率が大きい）材料から構成されており、ダイ１０の幅方向（Ｙ軸方向）に関して吐出口１８の寸法よりも短い。この拡張部材７は、ダイ１０の幅方向に関して第一分割体１３の略中央に配置されており、拡張部材７の両端は吐出口１８の両端よりも内寄りに位置している。また、本実施形態では、拡張部材７は第一分割体１３の中に埋め込まれた形態を有している。

次に、本発明の製造装置１によって基材２上に形成されたスラリー３の塗膜層の形状を図４に示す。図４（ａ）は本発明による塗膜層を示しており、図４（ｂ）は比較例である。

本発明において、調節ボルト６によって第一分割体１３に外力が加えられて第一分割体１３が変形する際、その変形は拡張部材７を経由して第一リップ１３ａに及ぶ。前述の通り拡張部材７は第一分割体１３よりも変形しにくい材料により構成されているため、拡張部材７が設けられている部位においては仮に第一分割体１３が拡張部材７を備えていない場合と比較すると第一リップ１３ａの変形量は小さく、ダイ１０の幅方向にわたって変形量のプロファイルはなだらかになる。

ここで、拡張部材７は吐出口１８よりも寸法は短く、拡張部材７の両端は吐出口１８の両端よりも内寄りに位置しているため、拡張部材７の端部から吐出口１８の端部までの部位では拡張部材７が存在しない。そのため、その部位は拡張部材７があるダイ１０の中央部分よりも変形しやすく、たとえ図３に示すようにダイ１０の幅方向に関してダイ１０の中央部近傍にのみ調節ボルト６による力点が設けられている場合であっても、特に拡張部材７の端部近傍では力点から離れた箇所であるにも関わらず第一リップ１３ａの変形を生じさせることが可能となる。

したがって、ダイ１０の幅方向に関してダイ１０の中央部近傍にのみ調節ボルト６による力点が設けられている場合であっても、調節ボルト６によるダイ１０の幅方向に関する吐出口１８の間隙の調節領域は広く（すなわち拡張され）、また、調節量のプロファイルも幅方向にわたってなだらかにできるため、図４（ａ）に示すように基材２上のスラリー３による塗工膜は平坦度の高いものとなる。

一方、仮に第一分割体１３全体を拡張部材７の材料で構成した場合の塗工膜の形状を図４（ｂ）に示すが、図９（ｂ）に示した形状と比較すると第一リップ１３ａの変形量は小さくなるため塗工膜の平坦度は高くなるものの、本発明と比較すると中央部から離れた箇所（吐出口１８の端部近傍）での変形は生じないため、吐出口１８の間隙の調節が及ぶ幅ｗ２は図４（ａ）に示す本発明における吐出口１８の間隙の調節が及ぶ幅ｗ１よりも狭く、塗工膜表面の高低差ｄ２は図４（ａ）に示す本発明における塗工膜表面の高低差ｄ１よりも大きくなり、塗膜層の平坦度は本発明には及ばない。

ここで、本発明において調節ボルト６によるダイ１０の幅方向に関する吐出口１８の間隙の調節領域をできる限り広くとる、すなわち拡張部材７の端部近傍で拡張部材７が無い部分でも吐出口１８をしっかり変形させるためには、たとえば第一分割体１３の材料がステンレスであり、拡張部材７の材料がタングステンカーバイドであった場合に、ダイ１０の幅方向において拡張部材７の寸法は吐出口１８の寸法の０．３倍以上０．７倍以下程度であることが望ましい。

また、本実施形態において調節ボルト６に図示しない温度調節機構が接続されていても良い。この場合、間隙調節機構である調節ボルト６を経てダイ１０の温度を局所的に調節することによって、熱膨張効果により平坦度の高い塗膜層を形成することができる吐出口の間隙状態に変形させることができる。

また、図３に示す実施形態では調節ボルト６による力点はダイ１０の中央に１つのみ設けているが、図５に示すように複数設けても構わない。

次に、本発明のさらに別の実施形態を図６、図７に示す。

図６の実施形態では、拡張部材７は第一分割体１３の内部ではなく、切り欠き部１９の表面と調節ボルト６の先端部との間に配置されている。このような場合であっても間隙調節機構（調節ボルト６）による力点と吐出口１８の間に拡張部材７が設けられる形態を為し、上記と同様に調節ボルト６によるダイ１０の幅方向に関する吐出口１８の間隙の調節領域を拡張し、また、調節量のプロファイルも幅方向にわたってなだらかにして、図４（ａ）に示すように平坦度の高い塗工膜を形成することができる。

図７の実施形態では、スラリー３の流れる方向（図１におけるＸ軸方向）におけるスリット１２の途中には、容積がマニホールド１１より小さい第２のマニホールド３０が設けられており、第２のマニホールド３０には、マニホールド１１から吐出口１８へ流されるスラリー３を吐出口１８以外からダイ１０の外部へ流出させる調整部３１がダイ１０の幅方向にわたって１個もしくは複数個設けられている。

調整部３１にはバルブ３２が設けられており、バルブ６１により調整部３１から流出するスラリー３の流量を調整することにより、吐出口１８からのスラリー３の流量がダイ１０の幅方向にわたって均一になるようにしている。この流量調整機構と調節ボルト６とで塗工膜の形状をより平坦にするようにしても良い。

また、この実施形態において製造装置１は、基材２上へ塗工したスラリー３の膜厚を測定するセンサ３６（図７参照）を備えていても良い。このセンサ３６は非接触式であり、基材２上のスラリー３の膜厚を、幅方向の全長にわたって計測する。計測結果は、製造装置１が備えている制御装置（コンピュータ）３７に出力される。制御装置３７はセンサ３６からの計測結果に基づくフィードバック制御を行い、バルブ３２の開度を調整する。つまり、スラリー３の膜厚の計測結果に応じて、制御装置３７は、バルブ３２に対して制御信号を出力し、バルブ３２の開度を調整すると良い。

以上の電池用極板の製造装置により、基材上に平坦度の高い塗膜層を形成することが可能となる。

なお、本発明の製造装置１は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、間隙調節機構は調節ボルト以外の機構を用いても構わない。たとえば、ピエゾ素子などを間隙調節機構に採用しても良い。

また、上記の説明ではダイ１０は第一分割体１３と第二分割体１４とを組み合わせて構成しているが、それに限らず１つの部材でダイを構成しても良いし、３つ以上の部材を組み合わせてダイを構成しても良い。

また、本発明の製造装置１は、塗工する液体が粘度の高いスラリーである場合に有効であり、粘度の高いスラリーを塗工して製品（例えば、光学フィルム）を製造する場合に適用してもよい。

１ 製造装置
２ 基材
３ スラリー
５ ローラ
６ 調節ボルト（間隙調節機構）
７ 拡張部材
１０ ダイ
１１ マニホールド
１２ スリット
１３ 第一分割体
１３ａ 第一リップ
１４ 第二分割体
１４ａ 第二リップ
１５ シム板
１６ 流入部
１７ 底部
１８ 吐出口
１９ 切り欠き部
２０ 供給手段
２１ パイプ
２２ タンク
２３ ポンプ
３０ 第２のマニホールド
３１ 調整部
３２ バルブ
３６ センサ
３７ 制御装置

Claims (4)

1. 幅方向に長くスラリーを溜める空間からなるマニホールドと、当該幅方向に広いスリットを経由して当該マニホールドと繋がり、スラリーを基材に対して吐出する吐出口とが形成されたダイと、
   前記幅方向に関して前記マニホールドの中央部近傍に連通する流入部を介して前記マニホールドにスラリーを供給する供給手段と、
   外力を加えることにより前記ダイの前記吐出口近傍を変形させて前記吐出口の一部の間隙を調節する間隙調節機構と、
   を備え、
   前記間隙調節機構による力点と前記吐出口の間には、前記ダイよりも変形しにくい材料により構成された拡張部材が設けられ、当該拡張部材は前記幅方向に関して前記吐出口よりも短い寸法であることを特徴とする、電池用極板の製造装置。
2. 前記力点は、前記幅方向に関して前記ダイの中央部近傍にのみ設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の電池用極板の製造装置。
3. 前記間隙調節機構は、ねじ込み量を調節することによって前記ダイに加える荷重を調節する調節ボルトであること特徴とする、請求項１または２に記載の電池用極板の製造装置。
4. 前記間隙調節機構には、温度調節機構が接続されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の電池用極板の製造装置。

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