電極乾燥方法、および電極乾燥装置
【課題】電極性能の低下を招くことなく、スラリー状態の電極層に含まれる溶媒を効率よく揮発させて、乾燥時間の短縮を図ることが可能な電極乾燥方法、および電極乾燥装置を提供する。
【解決手段】電極乾燥装置１０は、溶媒２１を含む電極スラリー２０を電極箔３０に塗布することによって形成された電極層４０を乾燥炉５０の中において乾燥させる。電極乾燥装置は、電極層内に残存する溶媒濃度と乾燥炉内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくする蒸発速度調整部材７０と、電極層を乾燥させる熱を付与するヒーター部８０と、を有している。
【解決手段】電極乾燥装置１０は、溶媒２１を含む電極スラリー２０を電極箔３０に塗布することによって形成された電極層４０を乾燥炉５０の中において乾燥させる。電極乾燥装置は、電極層内に残存する溶媒濃度と乾燥炉内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくする蒸発速度調整部材７０と、電極層を乾燥させる熱を付与するヒーター部８０と、を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極乾燥方法、および電極乾燥装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、蓄電密度が大きく、充放電を繰り返し行っても蓄電性能をよく保つことから、自動車や家電製品の電源として広く用いられている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池の電極形成過程においては、まず、正極のアルミニウム箔、負極の銅箔のような電極箔上に、溶媒を含むスラリー状態の電極スラリーを一定重量塗布することによって電極層を形成する。次に、電極乾燥装置の乾燥炉の中において、電極層に含まれる溶媒を揮発させて乾燥させ、電極層の固形分と電極箔とを固着させている。
【０００４】
電極乾燥工程においては、乾燥炉内において、電極箔の上下面から熱風を吹きつける方法が一般的である（例えば、特許文献１、および２を参照）。熱風による場合の乾燥条件の主なものとして、熱風の温度、熱風の吹き付け量、および乾燥時間がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２７２６１２
【特許文献２】特開２００６− ７３２３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電極乾燥装置には、電極の生産性を上げるために乾燥時間の短縮を図ることが要請されている。このような要請に対して、乾燥条件（熱風の場合における熱風の温度、および熱風の吹き付け量）を大きく変化させると、電極内部の微細構造に影響が及んでしまい、電極性能が低下することがある。電極性能の劣化を招かない範囲内において乾燥条件を変化させなければならないため、乾燥時間の短縮に対して効果的な対策をとることができない。
【０００７】
電極内部の微細構造に影響が及んでしまう理由は、乾燥温度を高温にしたり、熱風量を増加させたりすると、スラリー状態の電極層において、表面における溶媒の揮発速度と、深部からの溶媒の拡散速度との差が大きくなって、電極スラリー中のバインダーが偏析してしまうことに起因していると考えられる。このようなバインダーの偏析が生じると、電極箔と塗膜である電極層との間の十分な密着力を得ることができなくなる。強密着の塗膜が得られないと、初期における電池内の抵抗値のみならず、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も高くなり、電極性能の低下を招くことになる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、電極性能の低下を招くことなく、スラリー状態の電極層に含まれる溶媒を効率よく揮発させて、乾燥時間の短縮を図ることが可能な電極乾燥方法、および電極乾燥装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための電極乾燥方法は、溶媒を含む電極スラリーを集電体に塗布することによって形成された電極層を乾燥炉の中において乾燥させる方法である。そして、前記電極層内に残存する溶媒濃度と前記乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して前記電極層を乾燥させている。
【００１０】
また、上記目的を達成するための電極乾燥装置は、溶媒を含む電極スラリーを集電体に塗布することによって形成された電極層を乾燥炉の中において乾燥させる電極乾燥装置である。電極乾燥装置は、前記電極層内に残存する溶媒濃度と前記乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくする蒸発速度調整部材と、前記電極層を乾燥させる熱を付与するヒーター部と、を有している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電極層内に残存する溶媒濃度と乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して電極層を乾燥させているので、電極層を緩やかに乾燥させて、バインダーの偏析が生じることを防止することができる。バインダーの偏析を生じさせない条件にて電極層を乾燥させることから、集電体と電極層との密着性が向上し、初期における電池内の抵抗値はもちろんのこと、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も低くなり、電極性能の向上を図ることが可能となる。もって、電極性能の低下を招くことなく、スラリー状態の電極層に含まれる溶媒を効率よく揮発させて、乾燥時間の短縮を図ることが可能な電極乾燥方法、および電極乾燥装置を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る電極乾燥装置を示す概略構成図である。
【図２】実施形態の乾燥方式によって電極層を乾燥させている状態を示す模式図である。
【図３】対比例の乾燥方式によって電極層を乾燥させている状態を示す模式図である。
【図４】雰囲気における溶媒濃度を高めながら電極層を乾燥する実施形態と、雰囲気における溶媒濃度を高めることなく電極層を乾燥する対比例とのそれぞれにおける、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。
【００１４】
図１および図２に示すように、電極乾燥装置１０は、溶媒２１を含む電極スラリー２０を電極箔３０（集電体に相当する）に塗布することによって形成された電極層４０を乾燥炉５０の中において乾燥させる。この電極乾燥装置１０は、電極層４０が形成された電極箔３０を乾燥炉５０内において搬送する搬送部６０と、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって小さくする蒸発速度調整部材７０と、電極層４０を乾燥させる熱を付与するヒーター部８０と、を有している。ヒーター部８０は、熱源として熱風を用いている。そして、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して電極層４０を乾燥させている。以下、詳述する。
【００１５】
電極箔３０は、集電体として用いられる。電極箔３０は、適宜の材料、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、ステンレス鋼を用いることができる。具体的には、例えば、正極集電体にはアルミニウムなどの電極箔３０を用い、負極集電体には銅などの電極箔３０を用いることができる。電極箔３０の具体的な厚さについて特に制限はないが、例えば、アルミニウムの場合には２０μｍ、銅の場合には１０μ程度の薄膜である。
【００１６】
電極スラリー２０には、正極を形成するために用いる正極スラリーと、負極を形成するために用いる負極スラリーとがある。
【００１７】
正極スラリーは、例えば、正極活物質２２、導電助剤２４、およびバインダー２３を有し、溶媒２１を添加することで、所定の粘度にされる。正極活物質２２は、例えば、マンガン酸リチウムである。導電助剤２４は、例えば、アセチレンブラックである。バインダー２３は、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）である。溶媒２１は、例えば、ＮＭＰ（ノルマルメチルピロリドン）である。なお、正極活物質２２は、マンガン酸リチウムに特に限定されないが、容量および出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物を適用することが好ましい。導電助剤２４は、例えば、カーボンブラックやグラファイトを利用することも可能である。バインダー２３および溶媒２１は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰに限定されない。溶媒２１として水を用いることもできる。
【００１８】
負極スラリーは、例えば、負極活物質２２、導電助剤２４、およびバインダー２３を有し、溶媒２１を添加することで、所定の粘度にされる。負極活物質２２は、例えば、グラファイトである。導電助剤２４、バインダー２３、および溶媒２１は、例えば、アセチレンブラック、ＰＶＤＦ、およびＮＭＰである。なお、負極活物質２２は、グラファイトに特に限定されず、ハードカーボンや、リチウム−遷移金属複合酸化物を利用することも可能である。導電助剤２４は、例えば、カーボンブラックやグラファイトを利用することも可能である。バインダー２３および溶媒２１は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰに限定されない。溶媒２１として水を用いることもできる。
【００１９】
電極箔３０に正極スラリーを塗布することによって形成した正極の電極層４０および負極スラリーを塗布することによって形成した負極の電極層４０を、乾燥炉５０において乾燥し、正極および負極を形成する。このとき、電極スラリー２０に含まれる溶媒２１としてのＮＭＰは、揮発することによって電極スラリー２０から除去する。
【００２０】
電極乾燥装置１０の乾燥炉５０は、熱風通路および電極箔３０の搬送路を形成するケーシング９０を有している。乾燥炉５０内は、複数（図示例にあっては、６個）に区画した乾燥ゾーン５１〜５６から構成されている。乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、蒸発速度調整部材７０とヒーター部８０とを設けている。説明の便宜上、電極箔３０を搬送する方向の上流側から順に（図１において左側から順に）、第１の乾燥ゾーン５１、第２の乾燥ゾーン５２、第３の乾燥ゾーン５３、第４の乾燥ゾーン５４、第５の乾燥ゾーン５５、および第６の乾燥ゾーン５６という。ケーシング９０内に仕切り壁９１を設けることによって、第１〜第６のそれぞれの乾燥ゾーン５１〜５６を形成している。搬送部６０を配置するために、ケーシング９０の端面、および仕切り壁９１には開口部を設けている。第１〜第６の乾燥ゾーン５１〜５６のそれぞれには、搬送される電極箔３０の上方位置から熱風を供給するための上ノズル９２と、搬送される電極箔３０の下方位置から熱風を供給するための下ノズル９３と、乾燥ゾーン５１〜５６内を排気するための排気口９４とを設けている。上ノズル９２、下ノズル９３および排気口９４は、乾燥ゾーン５１〜５６内の熱風を撹拌し、熱風が通路内を均一に流れる位置に設定されている。
【００２１】
図示例の蒸発速度調整部材７０は、乾燥炉５０から排出された排気を雰囲気５７内に供給するための配管系１００を備えている。乾燥炉５０から排出された排気を再利用することによって、雰囲気５７における溶媒濃度を高めている。蒸発速度調整部材７０はまた、排気の温度を結露温度まで下げることなく雰囲気５７内に供給する。排気を再利用するため、低コストで量産を実現することもできる。
【００２２】
配管系１００には、各排気口９４と溶媒回収装置１１０とを接続する第１配管１０１、溶媒回収装置１１０の出口と乾燥ゾーン５１〜５６ごとに設けられた熱交換器１２０の入口とを接続する第２配管１０２と、熱交換器１０５の出口と上下のノズル９２、９３とを接続する第３配管１０３と、溶媒回収装置１１０をバイパスして排気を流下させるバイパス管１０４とを含んでいる。溶媒回収装置１１０は、溶媒回収器１１１と送風ファン１１２とを有し、過剰なＮＭＰを液体にして回収するとともに、回収した溶媒２１の一部を雰囲気５７内に供給する空気（給気）に再び混合する。バイパス管１０４には、熱媒体（例えば、蒸気や蒸気還流水）との間で熱交換を行って空気を加熱する熱交換器１０５と、バイパスさせる排気量を調整するためのバルブ１０６が設けられている。第１配管１０１には、溶媒回収装置１１０の入口側の排気温度を測定する温度センサー１０７を設け、第２配管１０２には、溶媒回収装置１１０の出口側の給気温度を測定する温度センサー１０８を設けている。出口側の温度センサー１０８は、バイパス管１０４が第２配管１０２に合流した後の位置において、給気温度を測定する。第２配管１０２には、給気の溶媒濃度を測定する濃度センサー１０９を設けている。溶媒回収装置１１０は、給気の溶媒濃度を定められた濃度とするように、給気に再び混合させる溶媒量を制御する。
【００２３】
排気の温度を結露温度まで下げることなく雰囲気５７内に供給するために、測定した給気温度に基づいて、バイパス管１０４を流下させる排気風量を制御する。溶媒回収装置１１０をバイパスして流下する排気は、溶媒回収装置１１０を通過した空気に比べて高温であることから、給気温度を高めて給気温度を一定に保つことができる。バイパス管１０４に設けた熱交換器１０５によってバイパス管１０４を流下する排気を加温することによって、給気温度がさらに低下した場合においても給気温度を一定に保つことができる。排気の温度を結露温度まで下げることなく雰囲気５７内に供給することによって、配管系１００における結露を防止するための特段の対策、例えば断熱材の配置などが不要となる。これにともなって、設備費の低減に寄与することができる。
【００２４】
第１〜第３の配管１０１〜１０３には、ダンパー類を設けていない。結露を防止するためである。
【００２５】
乾燥ゾーン５１〜５６ごとに設けられた熱交換器１２０は、熱媒体（例えば、蒸気や蒸気還流水）との間で熱交換を行って空気を加熱する。乾燥ゾーン５１〜５６ごとに雰囲気５７の温度を測定する温度センサー１２１を設けている。各熱交換器１２０によって給気を加温することによって、上下のノズル９２、９３から噴出す熱風温度を制御して、各乾燥ゾーン５１〜５６の温度を設定した温度に保つことができる。熱風の温度は、環境温度や電極スラリー２０の種類などによって種々異なることから特に限定されないが、例えば１００±４０℃である。
【００２６】
乾燥時において、各乾燥ゾーン５１〜５６の雰囲気５７中には、再利用する排気に含まれている溶媒２１と、電極層４０から揮発した溶媒２１とが含まれる。乾燥時の雰囲気５７の溶媒濃度は適宜設定可能であるが、強密着性の電極層４０を得るためには、例えば、１０００ＰＰＭ以下となるように制御することが好ましい。
【００２７】
電極層４０は、残留ＮＭＰが２００ｐｐｍ以下となるまで乾燥される。熱源に蒸気を使用するのは容易に入手可能な熱源であるからであるのと、溶媒２１にＮＭＰ（融点−２４℃、沸点２０４℃）を使用していることから、比較的低温度１００℃前後での連続乾燥が可能となるからである。
【００２８】
蒸発速度調整部材７０は、配管系１００、および溶媒回収装置１１０などによって構成されている。ヒーター部８０は、配管系１００、溶媒回収装置１１０、熱交換器１０５、１２０、および熱交換器１０５、１２０に供給する熱媒体の温度や流量を調整するための図示しない部材などによって構成されている。
【００２９】
搬送部６０は、電極スラリー２０を塗布する前の電極箔３０を供給する供給ロール６１と、電極層４０を乾燥させた後の電極箔３０を巻き取る巻取りロール６２と、供給ロール６１と巻取りロール６２との間に配置され電極箔３０の下面を保持する複数のサポートロール６３と、を有している。供給ロール６１には、電極箔３０を予め巻回してある。巻取りロール６２には、巻取りロール６２を回転駆動するモータＭを接続してある。モータＭを駆動して巻取りロール６２を回転駆動すると、電極箔３０は、供給ロール６１から繰り出され、乾燥炉５０内を搬送され、巻取りロール６２に巻き取られる。このようにして、搬送部６０は、長尺状の電極箔３０をロール・トゥ・ロール方式によって連続的に搬送する。
【００３０】
電極スラリー２０の塗布は、電極箔３０を搬送しつつ、塗布部９５によって行う。塗布部９５は、溶媒２１を含むスラリー状の電極スラリー２０を電極箔３０に塗布するコーター９６を有している。コーター９６は、電極箔３０に対向し、電極箔３０を搬送しながら間欠的に電極スラリー２０を塗布する。これにより、電極スラリー２０は、一定の間隔の隙間を空けて間欠的に配列する。コーター９６を使っての間欠塗工方式では、ロール・トゥ・ロール方式で供給される集電箔に、粘度１０，０００〜３００，０００ｃｐｓ程度（固形分６３．４±１０％）としたスラリーを、コーター９６塗工部分で片面（Ｗｅｔ膜厚１３０±１０μｍ、Ｄｒｙ膜厚８７±１０μｍ）程度の均一塗工を行い連続生産する方法が一般的である。
【００３１】
電極乾燥装置１０は、溶媒回収装置１１０、バイパス管１０４のバルブ１０６、ヒーター部８０、モータＭ、および塗布部９５の作動を制御するコントローラー１３０を有している。コントローラー１３０は、ＣＰＵおよびメモリを主体として構成され、動作を制御するためのプログラムがメモリに記憶されている。コントローラー１３０は、塗布部９５の作動を制御して、電極スラリー２０の塗布量、塗布厚さなどを調整し、ヒーター部８０の作動を制御して、給気の温度、風量などを調整する。コントローラー１３０はまた、モータＭの作動を制御して、電極箔３０の搬送速度を調整する。
【００３２】
本実施形態の作用を説明する前に、乾燥炉５０に供給する給気の温度や風量を大きく変化させたときに生じる不具合について説明する。
【００３３】
乾燥工程において変化する品質指標の一つとして、電極層４０と電極箔３０との間の密着性がある。一般的に、乾燥工程においては、下記の式（１）（２）（３）にしたがって、溶媒２１であるＮＭＰを緩やかに揮発させて電極層４０を緩やかに乾燥させることによって、密着性が向上することが知られている。
【００３４】
【数１】
【００３５】
図３は、乾燥炉５０に供給する給気の温度や風量を大きく変化させたときに生じる不具合を示す図である。
【００３６】
熱風を用いた乾燥炉５０において乾燥速度の向上を図る場合には、熱風温度を高くするとともに風量を増加し、電極層４０の表面と雰囲気５７との界面部分における溶媒２１（ＮＭＰ）の除去量を増加させている。このような対応の場合、乾燥が早くなって、電極層４０の表面近傍にバインダー２３（ＰＶＤＦ）が偏析してしまう。このため、電極箔３０に強く密着した塗膜つまり強密着の電極層４０を得ることができなくなる。
【００３７】
熱風温度を高くした場合にバインダー２３の偏析が生じる原因として、次のようなものを挙げることができる。すなわち、乾燥時においてはバインダー２３を溶媒２１に溶かしたものが電極層４０に含まれているので、電極層４０を高い温度の環境下にさらすと、電極層４０内において溶媒２１自体が対流を起こす。その結果、溶解しているバインダー２３が偏析してしまう。
【００３８】
また、風量を増加した場合にバインダー２３の偏析が生じる原因として、次のようなものを挙げることができる。すなわち、電極層４０の表面近傍における溶媒２１（ＮＭＰ）だけが優先的に揮発して表面近傍だけが先に乾き（表面先乾き）、この表面先乾き部分に生じた亀裂やホールなどによる毛細管現象によって、ＮＭＰを深部から表面に向けて吸い上げる。その結果、溶解しているバインダー２３が偏析してしまう。
【００３９】
乾燥時にバインダー２３の偏析を生じ得る乾燥条件では、表面粗さが大きく、密着力も弱いことから、電極箔３０と電極層４０との接触量あるいは接触面積が少なくなる。このため、初期における電池内の抵抗値のみならず、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も高くなり、電極性能の低下を招くことになる。
【００４０】
発生したバインダー２３の偏析を解消するために、乾燥後の電極をロールプレス機などによって圧縮する方法がある。しかしながら、乾燥が完了して電極層４０が固着した後に強制的に構造変化させることになるため、電極層４０の密着強度はさほど向上しない。しかも、低コストで量産を実現する観点から、乾燥工程の後に圧縮工程を付加することは避けることが望ましい。
【００４１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００４２】
モータＭを駆動して巻取りロール６２を回転駆動し、電極箔３０を、供給ロール６１から繰り出し、巻取りロール６２に巻き取る。コーター９６は、移動している電極箔３０の表面に間欠的に電極スラリー２０を塗布する。コントローラー１３０は、塗布部９５の作動を制御し、電極スラリー２０の塗布量、塗布厚さなどを調整している。ヒーター部８０は、熱風を、上下のノズル９２、９３から熱風通路内に供給する。電極箔３０の表面に溶媒２１を含む電極スラリー２０を塗布した後、乾燥炉５０内において、電極層４０に含まれる溶媒２１を揮発させる。電極箔３０を搬送しつつ、電極スラリー２０の塗布と、塗布した電極層４０の乾燥とを継続する。
【００４３】
電極層４０を乾燥炉５０の中において乾燥させるときには、蒸発速度調整部材７０は、配管系１００を介して、乾燥炉５０から排出された排気を雰囲気５７内に供給する。これにより、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差は、雰囲気５７における溶媒濃度が高められることによって小さくなる。さらに、ヒーター部８０は、電極層４０を乾燥させる熱を付与している。
【００４４】
このように雰囲気５７における溶媒濃度を高めつつ乾燥させると、乾燥速度の向上を図るために熱風温度を高くするとともに風量を増加しても、溶媒２１であるＮＭＰを緩やかに揮発させて電極層４０を緩やかに乾燥させることができる。電極層４０を緩やかに乾燥させるのではあるが、熱風温度を高くできるとともに風量を増加することができるので、全体として乾燥時間を短縮することができ、生産性を高めることができる。乾燥時間の短縮を図ることができることから、乾燥炉５０の長さを短くすることもできる。もって、電極の乾燥に要する投資を削減することが可能となる。
【００４５】
雰囲気５７における溶媒濃度は、電極層４０内に残存する溶媒濃度を越えない濃度に高める必要がある。電極層４０の乾燥が進行しない状態を回避するためである。
【００４６】
図２に示したように、電極層４０を緩やかに乾燥させるので、バインダー２３の偏析が生じることを防止することができる。バインダー２３の偏析を生じさせない条件にて電極層４０を乾燥させているので、電極箔３０と電極層４０との密着性が向上し、電極箔３０と電極層４０との接触量あるいは接触面積が十分大きくなる。このため、初期における電池内の抵抗値はもちろんのこと、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も低くなり、電極性能の向上を図ることが可能となる。
【００４７】
第１〜第６の乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、蒸発速度調整部材７０とヒーター部８０とを設けている。このため、第１〜第６の乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって濃度差を小さくしつつ、熱を付与して電極層４０を乾燥させることができる。複数の乾燥ゾーン５１〜５６に区画した場合にも、乾燥ゾーン５１〜５６ごとにバインダー２３の偏析が生じることを防止することができ、電極性能の向上を図った電極を製造することができる。
【００４８】
バインダー２３の偏析が生じないので、乾燥後の電極をロールプレス機などによって圧縮する必要がない。乾燥工程の後に圧縮工程を付加しなくてよいので、低コストで量産を実現することもできる。
【００４９】
図４は、雰囲気５７における溶媒濃度を高めながら電極層４０を乾燥する実施形態と、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることなく電極層４０を乾燥する対比例とのそれぞれにおける、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変化を示すグラフである。横軸は乾燥炉通過時間（秒）を示し、縦軸は炉内ＮＭＰ蒸気濃度を示している。なお、本実施形態の値は、雰囲気５７における溶媒濃度を高めた分を減算したものである。図において、実施形態は実線にて、対比例は破線にて示される。
【００５０】
第１の乾燥ゾーン５１は、予熱ゾーンであり、電極層４０から溶媒２１は揮発していない。
【００５１】
対比例においては、第２の乾燥ゾーン５２では、溶媒２１の揮発が急激に始まって、炉内ＮＭＰ蒸気濃度が急激に高くなる。第３、第４の乾燥ゾーン５３、５４では、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変動が大きい。そして、第５の乾燥ゾーン５５の出口部分では、電極層４０の乾燥がほぼ完了し、炉内ＮＭＰ蒸気濃度がゼロとなる。
【００５２】
実施形態においては、第２の乾燥ゾーン５２では、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変化は対比例に比べて緩やかであり、電極層４０の乾燥が緩やかに始まっていることがわかる。第３〜第５の乾燥ゾーン５３〜５５では、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変動が比較的小さく、溶媒濃度範囲Δｃの範囲内に収まっている。炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変動が対比例に比べて均一であり、電極層４０の乾燥が緩やかに進行していることがわかる。そして、第６の乾燥ゾーン５６の出口部分では、電極層４０の乾燥がほぼ完了し、炉内ＮＭＰ蒸気濃度がゼロとなる。
【００５３】
対比例における電極層４０の密着力は製品としてＮＧのレベルであったが、実施形態における電極層４０の密着力は製品としてＯＫのレベルを満足した。
【００５４】
対比例の乾燥条件では、雰囲気５７における溶媒濃度を高めていないため、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差が大きく、第５の乾燥ゾーン５５の出口部分で電極層４０の乾燥がほぼ完了するほど、乾燥速度が速くなっている。しかしながら、電極層４０の密着力は製品としての要求を満足することができなかった。
【００５５】
一方、実施形態の乾燥条件では、雰囲気５７における溶媒濃度を高めているため、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差が小さく、緩やかに電極層４０を乾燥させている。対比例に比べると乾燥速度は緩やかではあるが、熱風温度を高くできるとともに風量を増加することができるので、全体として乾燥時間を短縮することができる。しかも、電極層４０の密着力は製品としての要求を十分に満足することができた。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によれば、電極乾燥装置１０に蒸発速度調整部材７０とヒーター部８０とを設け、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して電極層４０を乾燥させている。このため、電極層４０を緩やかに乾燥させるので、バインダー２３の偏析が生じることを防止することができる。バインダー２３の偏析を生じさせない条件にて電極層４０を乾燥させているので、電極箔３０と電極層４０との密着性が向上し、初期における電池内の抵抗値はもちろんのこと、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も低くなり、電極性能の向上を図ることが可能となる。電極層４０を緩やかに乾燥させているが、炉内温度等を高く設定できるので、スラリー状態の電極層４０に含まれる溶媒２１を効率よく揮発させて、全体として乾燥時間を短縮することができる。
【００５７】
乾燥炉５０内を複数の乾燥ゾーン５１〜５６に区画し、乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、蒸発速度調整部材７０とヒーター部８０とを設け、乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって濃度差を小さくしつつ、熱を付与して電極層４０を乾燥させている。このため、複数の乾燥ゾーン５１〜５６に区画した場合にも、乾燥ゾーン５１〜５６ごとにバインダー２３の偏析が生じることを防止することができ、電極性能の向上を図った電極を製造することができる。
【００５８】
雰囲気５７における溶媒濃度を、電極層４０内に残存する溶媒濃度を越えない濃度に高めているので、電極層４０の乾燥が進行しない状態を回避することができる。
【００５９】
蒸発速度調整部材７０は、乾燥炉５０から排出された排気を雰囲気５７内に供給するための配管系１００を備え、雰囲気５７における溶媒濃度を、乾燥炉５０から排出された排気を再利用して高めている。排気を再利用するため、低コストで量産を実現することもできる。
【００６０】
蒸発速度調整部材７０は、排気の温度を結露温度まで下げることなく雰囲気５７内に供給している。このため、配管系１００における結露を防止するための特段の対策、例えば断熱材の配置などを講じる必要がなく、設備費の低減を図ることができる。
【００６１】
（改変例）
乾燥炉５０内を複数の乾燥ゾーン５１〜５６に区画した実施形態を示したが、乾燥ゾーンが一つだけの乾燥炉にも本発明を適用することはできる。各乾燥ゾーン５１〜５６の雰囲気５７に同じ溶媒濃度の給気を供給する実施形態を示したが、各乾燥ゾーン５１〜５６の雰囲気５７に異なる溶媒濃度の給気を供給するようにしてもよい。
【００６２】
雰囲気５７における溶媒濃度を、乾燥炉５０から排出された排気を再利用して高める実施形態を示したが、本発明は、この場合に限定されるものではない。例えば、ＮＭＰなどの溶媒２１を噴霧することによって、雰囲気５７における溶媒濃度を高めるようにしても良い。
【００６３】
また、溶媒用のキャリアガスとして、窒素等の不活性ガスを用いても良い。
【００６４】
ヒーター部８０の熱源として熱風を用いた実施形態を示したが、赤外線ヒーターを用いてもよい。また、熱源としての熱風や赤外線ヒーターを組み合わせて用いてもよい。
【００６５】
電極箔３０を連続して搬送する形態を図示したが、バッチ式で搬送する形態でもよい。
【００６６】
さらに、本発明は、電極スラリー２０を間欠的に塗布する場合に限られるものではなく、電極スラリー２０を連続塗布する場合にも適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 電極乾燥装置、
２０ 電極スラリー、
２１ 溶媒、
２２ 活物質、
２３ バインダー、
２４ 導電助剤、
３０ 電極箔（集電体）、
４０ 電極層、
５０ 乾燥炉、
５１〜５６ 乾燥ゾーン、
５７ 雰囲気、
６０ 搬送部、
７０ 蒸発速度調整部材、
８０ ヒーター部、
９０ ケーシング、
９１ 仕切り壁、
９２ 上ノズル、
９３ 下ノズル、
９４ 排気口、
９５ 塗布部、
９６ コーター、
１００ 配管系、
１０１ 第１配管、
１０２ 第２配管、
１０３ 第３配管、
１０４ バイパス管、
１０５ 熱交換器、
１０６ バルブ、
１０７、１０８ 温度センサー、
１０９ 濃度センサー、
１１０ 溶媒回収装置、
１１１ 溶媒回収器、
１１２ 送風ファン、
１２０ 熱交換器、
１２１ 温度センサー、
１３０ コントローラー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極乾燥方法、および電極乾燥装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、蓄電密度が大きく、充放電を繰り返し行っても蓄電性能をよく保つことから、自動車や家電製品の電源として広く用いられている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池の電極形成過程においては、まず、正極のアルミニウム箔、負極の銅箔のような電極箔上に、溶媒を含むスラリー状態の電極スラリーを一定重量塗布することによって電極層を形成する。次に、電極乾燥装置の乾燥炉の中において、電極層に含まれる溶媒を揮発させて乾燥させ、電極層の固形分と電極箔とを固着させている。
【０００４】
電極乾燥工程においては、乾燥炉内において、電極箔の上下面から熱風を吹きつける方法が一般的である（例えば、特許文献１、および２を参照）。熱風による場合の乾燥条件の主なものとして、熱風の温度、熱風の吹き付け量、および乾燥時間がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２７２６１２
【特許文献２】特開２００６− ７３２３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電極乾燥装置には、電極の生産性を上げるために乾燥時間の短縮を図ることが要請されている。このような要請に対して、乾燥条件（熱風の場合における熱風の温度、および熱風の吹き付け量）を大きく変化させると、電極内部の微細構造に影響が及んでしまい、電極性能が低下することがある。電極性能の劣化を招かない範囲内において乾燥条件を変化させなければならないため、乾燥時間の短縮に対して効果的な対策をとることができない。
【０００７】
電極内部の微細構造に影響が及んでしまう理由は、乾燥温度を高温にしたり、熱風量を増加させたりすると、スラリー状態の電極層において、表面における溶媒の揮発速度と、深部からの溶媒の拡散速度との差が大きくなって、電極スラリー中のバインダーが偏析してしまうことに起因していると考えられる。このようなバインダーの偏析が生じると、電極箔と塗膜である電極層との間の十分な密着力を得ることができなくなる。強密着の塗膜が得られないと、初期における電池内の抵抗値のみならず、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も高くなり、電極性能の低下を招くことになる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、電極性能の低下を招くことなく、スラリー状態の電極層に含まれる溶媒を効率よく揮発させて、乾燥時間の短縮を図ることが可能な電極乾燥方法、および電極乾燥装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための電極乾燥方法は、溶媒を含む電極スラリーを集電体に塗布することによって形成された電極層を乾燥炉の中において乾燥させる方法である。そして、前記電極層内に残存する溶媒濃度と前記乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して前記電極層を乾燥させている。
【００１０】
また、上記目的を達成するための電極乾燥装置は、溶媒を含む電極スラリーを集電体に塗布することによって形成された電極層を乾燥炉の中において乾燥させる電極乾燥装置である。電極乾燥装置は、前記電極層内に残存する溶媒濃度と前記乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくする蒸発速度調整部材と、前記電極層を乾燥させる熱を付与するヒーター部と、を有している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電極層内に残存する溶媒濃度と乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して電極層を乾燥させているので、電極層を緩やかに乾燥させて、バインダーの偏析が生じることを防止することができる。バインダーの偏析を生じさせない条件にて電極層を乾燥させることから、集電体と電極層との密着性が向上し、初期における電池内の抵抗値はもちろんのこと、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も低くなり、電極性能の向上を図ることが可能となる。もって、電極性能の低下を招くことなく、スラリー状態の電極層に含まれる溶媒を効率よく揮発させて、乾燥時間の短縮を図ることが可能な電極乾燥方法、および電極乾燥装置を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る電極乾燥装置を示す概略構成図である。
【図２】実施形態の乾燥方式によって電極層を乾燥させている状態を示す模式図である。
【図３】対比例の乾燥方式によって電極層を乾燥させている状態を示す模式図である。
【図４】雰囲気における溶媒濃度を高めながら電極層を乾燥する実施形態と、雰囲気における溶媒濃度を高めることなく電極層を乾燥する対比例とのそれぞれにおける、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。
【００１４】
図１および図２に示すように、電極乾燥装置１０は、溶媒２１を含む電極スラリー２０を電極箔３０（集電体に相当する）に塗布することによって形成された電極層４０を乾燥炉５０の中において乾燥させる。この電極乾燥装置１０は、電極層４０が形成された電極箔３０を乾燥炉５０内において搬送する搬送部６０と、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって小さくする蒸発速度調整部材７０と、電極層４０を乾燥させる熱を付与するヒーター部８０と、を有している。ヒーター部８０は、熱源として熱風を用いている。そして、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して電極層４０を乾燥させている。以下、詳述する。
【００１５】
電極箔３０は、集電体として用いられる。電極箔３０は、適宜の材料、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、ステンレス鋼を用いることができる。具体的には、例えば、正極集電体にはアルミニウムなどの電極箔３０を用い、負極集電体には銅などの電極箔３０を用いることができる。電極箔３０の具体的な厚さについて特に制限はないが、例えば、アルミニウムの場合には２０μｍ、銅の場合には１０μ程度の薄膜である。
【００１６】
電極スラリー２０には、正極を形成するために用いる正極スラリーと、負極を形成するために用いる負極スラリーとがある。
【００１７】
正極スラリーは、例えば、正極活物質２２、導電助剤２４、およびバインダー２３を有し、溶媒２１を添加することで、所定の粘度にされる。正極活物質２２は、例えば、マンガン酸リチウムである。導電助剤２４は、例えば、アセチレンブラックである。バインダー２３は、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）である。溶媒２１は、例えば、ＮＭＰ（ノルマルメチルピロリドン）である。なお、正極活物質２２は、マンガン酸リチウムに特に限定されないが、容量および出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物を適用することが好ましい。導電助剤２４は、例えば、カーボンブラックやグラファイトを利用することも可能である。バインダー２３および溶媒２１は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰに限定されない。溶媒２１として水を用いることもできる。
【００１８】
負極スラリーは、例えば、負極活物質２２、導電助剤２４、およびバインダー２３を有し、溶媒２１を添加することで、所定の粘度にされる。負極活物質２２は、例えば、グラファイトである。導電助剤２４、バインダー２３、および溶媒２１は、例えば、アセチレンブラック、ＰＶＤＦ、およびＮＭＰである。なお、負極活物質２２は、グラファイトに特に限定されず、ハードカーボンや、リチウム−遷移金属複合酸化物を利用することも可能である。導電助剤２４は、例えば、カーボンブラックやグラファイトを利用することも可能である。バインダー２３および溶媒２１は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰに限定されない。溶媒２１として水を用いることもできる。
【００１９】
電極箔３０に正極スラリーを塗布することによって形成した正極の電極層４０および負極スラリーを塗布することによって形成した負極の電極層４０を、乾燥炉５０において乾燥し、正極および負極を形成する。このとき、電極スラリー２０に含まれる溶媒２１としてのＮＭＰは、揮発することによって電極スラリー２０から除去する。
【００２０】
電極乾燥装置１０の乾燥炉５０は、熱風通路および電極箔３０の搬送路を形成するケーシング９０を有している。乾燥炉５０内は、複数（図示例にあっては、６個）に区画した乾燥ゾーン５１〜５６から構成されている。乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、蒸発速度調整部材７０とヒーター部８０とを設けている。説明の便宜上、電極箔３０を搬送する方向の上流側から順に（図１において左側から順に）、第１の乾燥ゾーン５１、第２の乾燥ゾーン５２、第３の乾燥ゾーン５３、第４の乾燥ゾーン５４、第５の乾燥ゾーン５５、および第６の乾燥ゾーン５６という。ケーシング９０内に仕切り壁９１を設けることによって、第１〜第６のそれぞれの乾燥ゾーン５１〜５６を形成している。搬送部６０を配置するために、ケーシング９０の端面、および仕切り壁９１には開口部を設けている。第１〜第６の乾燥ゾーン５１〜５６のそれぞれには、搬送される電極箔３０の上方位置から熱風を供給するための上ノズル９２と、搬送される電極箔３０の下方位置から熱風を供給するための下ノズル９３と、乾燥ゾーン５１〜５６内を排気するための排気口９４とを設けている。上ノズル９２、下ノズル９３および排気口９４は、乾燥ゾーン５１〜５６内の熱風を撹拌し、熱風が通路内を均一に流れる位置に設定されている。
【００２１】
図示例の蒸発速度調整部材７０は、乾燥炉５０から排出された排気を雰囲気５７内に供給するための配管系１００を備えている。乾燥炉５０から排出された排気を再利用することによって、雰囲気５７における溶媒濃度を高めている。蒸発速度調整部材７０はまた、排気の温度を結露温度まで下げることなく雰囲気５７内に供給する。排気を再利用するため、低コストで量産を実現することもできる。
【００２２】
配管系１００には、各排気口９４と溶媒回収装置１１０とを接続する第１配管１０１、溶媒回収装置１１０の出口と乾燥ゾーン５１〜５６ごとに設けられた熱交換器１２０の入口とを接続する第２配管１０２と、熱交換器１０５の出口と上下のノズル９２、９３とを接続する第３配管１０３と、溶媒回収装置１１０をバイパスして排気を流下させるバイパス管１０４とを含んでいる。溶媒回収装置１１０は、溶媒回収器１１１と送風ファン１１２とを有し、過剰なＮＭＰを液体にして回収するとともに、回収した溶媒２１の一部を雰囲気５７内に供給する空気（給気）に再び混合する。バイパス管１０４には、熱媒体（例えば、蒸気や蒸気還流水）との間で熱交換を行って空気を加熱する熱交換器１０５と、バイパスさせる排気量を調整するためのバルブ１０６が設けられている。第１配管１０１には、溶媒回収装置１１０の入口側の排気温度を測定する温度センサー１０７を設け、第２配管１０２には、溶媒回収装置１１０の出口側の給気温度を測定する温度センサー１０８を設けている。出口側の温度センサー１０８は、バイパス管１０４が第２配管１０２に合流した後の位置において、給気温度を測定する。第２配管１０２には、給気の溶媒濃度を測定する濃度センサー１０９を設けている。溶媒回収装置１１０は、給気の溶媒濃度を定められた濃度とするように、給気に再び混合させる溶媒量を制御する。
【００２３】
排気の温度を結露温度まで下げることなく雰囲気５７内に供給するために、測定した給気温度に基づいて、バイパス管１０４を流下させる排気風量を制御する。溶媒回収装置１１０をバイパスして流下する排気は、溶媒回収装置１１０を通過した空気に比べて高温であることから、給気温度を高めて給気温度を一定に保つことができる。バイパス管１０４に設けた熱交換器１０５によってバイパス管１０４を流下する排気を加温することによって、給気温度がさらに低下した場合においても給気温度を一定に保つことができる。排気の温度を結露温度まで下げることなく雰囲気５７内に供給することによって、配管系１００における結露を防止するための特段の対策、例えば断熱材の配置などが不要となる。これにともなって、設備費の低減に寄与することができる。
【００２４】
第１〜第３の配管１０１〜１０３には、ダンパー類を設けていない。結露を防止するためである。
【００２５】
乾燥ゾーン５１〜５６ごとに設けられた熱交換器１２０は、熱媒体（例えば、蒸気や蒸気還流水）との間で熱交換を行って空気を加熱する。乾燥ゾーン５１〜５６ごとに雰囲気５７の温度を測定する温度センサー１２１を設けている。各熱交換器１２０によって給気を加温することによって、上下のノズル９２、９３から噴出す熱風温度を制御して、各乾燥ゾーン５１〜５６の温度を設定した温度に保つことができる。熱風の温度は、環境温度や電極スラリー２０の種類などによって種々異なることから特に限定されないが、例えば１００±４０℃である。
【００２６】
乾燥時において、各乾燥ゾーン５１〜５６の雰囲気５７中には、再利用する排気に含まれている溶媒２１と、電極層４０から揮発した溶媒２１とが含まれる。乾燥時の雰囲気５７の溶媒濃度は適宜設定可能であるが、強密着性の電極層４０を得るためには、例えば、１０００ＰＰＭ以下となるように制御することが好ましい。
【００２７】
電極層４０は、残留ＮＭＰが２００ｐｐｍ以下となるまで乾燥される。熱源に蒸気を使用するのは容易に入手可能な熱源であるからであるのと、溶媒２１にＮＭＰ（融点−２４℃、沸点２０４℃）を使用していることから、比較的低温度１００℃前後での連続乾燥が可能となるからである。
【００２８】
蒸発速度調整部材７０は、配管系１００、および溶媒回収装置１１０などによって構成されている。ヒーター部８０は、配管系１００、溶媒回収装置１１０、熱交換器１０５、１２０、および熱交換器１０５、１２０に供給する熱媒体の温度や流量を調整するための図示しない部材などによって構成されている。
【００２９】
搬送部６０は、電極スラリー２０を塗布する前の電極箔３０を供給する供給ロール６１と、電極層４０を乾燥させた後の電極箔３０を巻き取る巻取りロール６２と、供給ロール６１と巻取りロール６２との間に配置され電極箔３０の下面を保持する複数のサポートロール６３と、を有している。供給ロール６１には、電極箔３０を予め巻回してある。巻取りロール６２には、巻取りロール６２を回転駆動するモータＭを接続してある。モータＭを駆動して巻取りロール６２を回転駆動すると、電極箔３０は、供給ロール６１から繰り出され、乾燥炉５０内を搬送され、巻取りロール６２に巻き取られる。このようにして、搬送部６０は、長尺状の電極箔３０をロール・トゥ・ロール方式によって連続的に搬送する。
【００３０】
電極スラリー２０の塗布は、電極箔３０を搬送しつつ、塗布部９５によって行う。塗布部９５は、溶媒２１を含むスラリー状の電極スラリー２０を電極箔３０に塗布するコーター９６を有している。コーター９６は、電極箔３０に対向し、電極箔３０を搬送しながら間欠的に電極スラリー２０を塗布する。これにより、電極スラリー２０は、一定の間隔の隙間を空けて間欠的に配列する。コーター９６を使っての間欠塗工方式では、ロール・トゥ・ロール方式で供給される集電箔に、粘度１０，０００〜３００，０００ｃｐｓ程度（固形分６３．４±１０％）としたスラリーを、コーター９６塗工部分で片面（Ｗｅｔ膜厚１３０±１０μｍ、Ｄｒｙ膜厚８７±１０μｍ）程度の均一塗工を行い連続生産する方法が一般的である。
【００３１】
電極乾燥装置１０は、溶媒回収装置１１０、バイパス管１０４のバルブ１０６、ヒーター部８０、モータＭ、および塗布部９５の作動を制御するコントローラー１３０を有している。コントローラー１３０は、ＣＰＵおよびメモリを主体として構成され、動作を制御するためのプログラムがメモリに記憶されている。コントローラー１３０は、塗布部９５の作動を制御して、電極スラリー２０の塗布量、塗布厚さなどを調整し、ヒーター部８０の作動を制御して、給気の温度、風量などを調整する。コントローラー１３０はまた、モータＭの作動を制御して、電極箔３０の搬送速度を調整する。
【００３２】
本実施形態の作用を説明する前に、乾燥炉５０に供給する給気の温度や風量を大きく変化させたときに生じる不具合について説明する。
【００３３】
乾燥工程において変化する品質指標の一つとして、電極層４０と電極箔３０との間の密着性がある。一般的に、乾燥工程においては、下記の式（１）（２）（３）にしたがって、溶媒２１であるＮＭＰを緩やかに揮発させて電極層４０を緩やかに乾燥させることによって、密着性が向上することが知られている。
【００３４】
【数１】
【００３５】
図３は、乾燥炉５０に供給する給気の温度や風量を大きく変化させたときに生じる不具合を示す図である。
【００３６】
熱風を用いた乾燥炉５０において乾燥速度の向上を図る場合には、熱風温度を高くするとともに風量を増加し、電極層４０の表面と雰囲気５７との界面部分における溶媒２１（ＮＭＰ）の除去量を増加させている。このような対応の場合、乾燥が早くなって、電極層４０の表面近傍にバインダー２３（ＰＶＤＦ）が偏析してしまう。このため、電極箔３０に強く密着した塗膜つまり強密着の電極層４０を得ることができなくなる。
【００３７】
熱風温度を高くした場合にバインダー２３の偏析が生じる原因として、次のようなものを挙げることができる。すなわち、乾燥時においてはバインダー２３を溶媒２１に溶かしたものが電極層４０に含まれているので、電極層４０を高い温度の環境下にさらすと、電極層４０内において溶媒２１自体が対流を起こす。その結果、溶解しているバインダー２３が偏析してしまう。
【００３８】
また、風量を増加した場合にバインダー２３の偏析が生じる原因として、次のようなものを挙げることができる。すなわち、電極層４０の表面近傍における溶媒２１（ＮＭＰ）だけが優先的に揮発して表面近傍だけが先に乾き（表面先乾き）、この表面先乾き部分に生じた亀裂やホールなどによる毛細管現象によって、ＮＭＰを深部から表面に向けて吸い上げる。その結果、溶解しているバインダー２３が偏析してしまう。
【００３９】
乾燥時にバインダー２３の偏析を生じ得る乾燥条件では、表面粗さが大きく、密着力も弱いことから、電極箔３０と電極層４０との接触量あるいは接触面積が少なくなる。このため、初期における電池内の抵抗値のみならず、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も高くなり、電極性能の低下を招くことになる。
【００４０】
発生したバインダー２３の偏析を解消するために、乾燥後の電極をロールプレス機などによって圧縮する方法がある。しかしながら、乾燥が完了して電極層４０が固着した後に強制的に構造変化させることになるため、電極層４０の密着強度はさほど向上しない。しかも、低コストで量産を実現する観点から、乾燥工程の後に圧縮工程を付加することは避けることが望ましい。
【００４１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００４２】
モータＭを駆動して巻取りロール６２を回転駆動し、電極箔３０を、供給ロール６１から繰り出し、巻取りロール６２に巻き取る。コーター９６は、移動している電極箔３０の表面に間欠的に電極スラリー２０を塗布する。コントローラー１３０は、塗布部９５の作動を制御し、電極スラリー２０の塗布量、塗布厚さなどを調整している。ヒーター部８０は、熱風を、上下のノズル９２、９３から熱風通路内に供給する。電極箔３０の表面に溶媒２１を含む電極スラリー２０を塗布した後、乾燥炉５０内において、電極層４０に含まれる溶媒２１を揮発させる。電極箔３０を搬送しつつ、電極スラリー２０の塗布と、塗布した電極層４０の乾燥とを継続する。
【００４３】
電極層４０を乾燥炉５０の中において乾燥させるときには、蒸発速度調整部材７０は、配管系１００を介して、乾燥炉５０から排出された排気を雰囲気５７内に供給する。これにより、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差は、雰囲気５７における溶媒濃度が高められることによって小さくなる。さらに、ヒーター部８０は、電極層４０を乾燥させる熱を付与している。
【００４４】
このように雰囲気５７における溶媒濃度を高めつつ乾燥させると、乾燥速度の向上を図るために熱風温度を高くするとともに風量を増加しても、溶媒２１であるＮＭＰを緩やかに揮発させて電極層４０を緩やかに乾燥させることができる。電極層４０を緩やかに乾燥させるのではあるが、熱風温度を高くできるとともに風量を増加することができるので、全体として乾燥時間を短縮することができ、生産性を高めることができる。乾燥時間の短縮を図ることができることから、乾燥炉５０の長さを短くすることもできる。もって、電極の乾燥に要する投資を削減することが可能となる。
【００４５】
雰囲気５７における溶媒濃度は、電極層４０内に残存する溶媒濃度を越えない濃度に高める必要がある。電極層４０の乾燥が進行しない状態を回避するためである。
【００４６】
図２に示したように、電極層４０を緩やかに乾燥させるので、バインダー２３の偏析が生じることを防止することができる。バインダー２３の偏析を生じさせない条件にて電極層４０を乾燥させているので、電極箔３０と電極層４０との密着性が向上し、電極箔３０と電極層４０との接触量あるいは接触面積が十分大きくなる。このため、初期における電池内の抵抗値はもちろんのこと、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も低くなり、電極性能の向上を図ることが可能となる。
【００４７】
第１〜第６の乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、蒸発速度調整部材７０とヒーター部８０とを設けている。このため、第１〜第６の乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって濃度差を小さくしつつ、熱を付与して電極層４０を乾燥させることができる。複数の乾燥ゾーン５１〜５６に区画した場合にも、乾燥ゾーン５１〜５６ごとにバインダー２３の偏析が生じることを防止することができ、電極性能の向上を図った電極を製造することができる。
【００４８】
バインダー２３の偏析が生じないので、乾燥後の電極をロールプレス機などによって圧縮する必要がない。乾燥工程の後に圧縮工程を付加しなくてよいので、低コストで量産を実現することもできる。
【００４９】
図４は、雰囲気５７における溶媒濃度を高めながら電極層４０を乾燥する実施形態と、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることなく電極層４０を乾燥する対比例とのそれぞれにおける、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変化を示すグラフである。横軸は乾燥炉通過時間（秒）を示し、縦軸は炉内ＮＭＰ蒸気濃度を示している。なお、本実施形態の値は、雰囲気５７における溶媒濃度を高めた分を減算したものである。図において、実施形態は実線にて、対比例は破線にて示される。
【００５０】
第１の乾燥ゾーン５１は、予熱ゾーンであり、電極層４０から溶媒２１は揮発していない。
【００５１】
対比例においては、第２の乾燥ゾーン５２では、溶媒２１の揮発が急激に始まって、炉内ＮＭＰ蒸気濃度が急激に高くなる。第３、第４の乾燥ゾーン５３、５４では、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変動が大きい。そして、第５の乾燥ゾーン５５の出口部分では、電極層４０の乾燥がほぼ完了し、炉内ＮＭＰ蒸気濃度がゼロとなる。
【００５２】
実施形態においては、第２の乾燥ゾーン５２では、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変化は対比例に比べて緩やかであり、電極層４０の乾燥が緩やかに始まっていることがわかる。第３〜第５の乾燥ゾーン５３〜５５では、炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変動が比較的小さく、溶媒濃度範囲Δｃの範囲内に収まっている。炉内ＮＭＰ蒸気濃度の変動が対比例に比べて均一であり、電極層４０の乾燥が緩やかに進行していることがわかる。そして、第６の乾燥ゾーン５６の出口部分では、電極層４０の乾燥がほぼ完了し、炉内ＮＭＰ蒸気濃度がゼロとなる。
【００５３】
対比例における電極層４０の密着力は製品としてＮＧのレベルであったが、実施形態における電極層４０の密着力は製品としてＯＫのレベルを満足した。
【００５４】
対比例の乾燥条件では、雰囲気５７における溶媒濃度を高めていないため、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差が大きく、第５の乾燥ゾーン５５の出口部分で電極層４０の乾燥がほぼ完了するほど、乾燥速度が速くなっている。しかしながら、電極層４０の密着力は製品としての要求を満足することができなかった。
【００５５】
一方、実施形態の乾燥条件では、雰囲気５７における溶媒濃度を高めているため、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差が小さく、緩やかに電極層４０を乾燥させている。対比例に比べると乾燥速度は緩やかではあるが、熱風温度を高くできるとともに風量を増加することができるので、全体として乾燥時間を短縮することができる。しかも、電極層４０の密着力は製品としての要求を十分に満足することができた。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によれば、電極乾燥装置１０に蒸発速度調整部材７０とヒーター部８０とを設け、電極層４０内に残存する溶媒濃度と乾燥炉５０内の雰囲気５７における溶媒濃度との濃度差を、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して電極層４０を乾燥させている。このため、電極層４０を緩やかに乾燥させるので、バインダー２３の偏析が生じることを防止することができる。バインダー２３の偏析を生じさせない条件にて電極層４０を乾燥させているので、電極箔３０と電極層４０との密着性が向上し、初期における電池内の抵抗値はもちろんのこと、充放電を繰り返した後の電池内の抵抗値も低くなり、電極性能の向上を図ることが可能となる。電極層４０を緩やかに乾燥させているが、炉内温度等を高く設定できるので、スラリー状態の電極層４０に含まれる溶媒２１を効率よく揮発させて、全体として乾燥時間を短縮することができる。
【００５７】
乾燥炉５０内を複数の乾燥ゾーン５１〜５６に区画し、乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、蒸発速度調整部材７０とヒーター部８０とを設け、乾燥ゾーン５１〜５６ごとに、雰囲気５７における溶媒濃度を高めることによって濃度差を小さくしつつ、熱を付与して電極層４０を乾燥させている。このため、複数の乾燥ゾーン５１〜５６に区画した場合にも、乾燥ゾーン５１〜５６ごとにバインダー２３の偏析が生じることを防止することができ、電極性能の向上を図った電極を製造することができる。
【００５８】
雰囲気５７における溶媒濃度を、電極層４０内に残存する溶媒濃度を越えない濃度に高めているので、電極層４０の乾燥が進行しない状態を回避することができる。
【００５９】
蒸発速度調整部材７０は、乾燥炉５０から排出された排気を雰囲気５７内に供給するための配管系１００を備え、雰囲気５７における溶媒濃度を、乾燥炉５０から排出された排気を再利用して高めている。排気を再利用するため、低コストで量産を実現することもできる。
【００６０】
蒸発速度調整部材７０は、排気の温度を結露温度まで下げることなく雰囲気５７内に供給している。このため、配管系１００における結露を防止するための特段の対策、例えば断熱材の配置などを講じる必要がなく、設備費の低減を図ることができる。
【００６１】
（改変例）
乾燥炉５０内を複数の乾燥ゾーン５１〜５６に区画した実施形態を示したが、乾燥ゾーンが一つだけの乾燥炉にも本発明を適用することはできる。各乾燥ゾーン５１〜５６の雰囲気５７に同じ溶媒濃度の給気を供給する実施形態を示したが、各乾燥ゾーン５１〜５６の雰囲気５７に異なる溶媒濃度の給気を供給するようにしてもよい。
【００６２】
雰囲気５７における溶媒濃度を、乾燥炉５０から排出された排気を再利用して高める実施形態を示したが、本発明は、この場合に限定されるものではない。例えば、ＮＭＰなどの溶媒２１を噴霧することによって、雰囲気５７における溶媒濃度を高めるようにしても良い。
【００６３】
また、溶媒用のキャリアガスとして、窒素等の不活性ガスを用いても良い。
【００６４】
ヒーター部８０の熱源として熱風を用いた実施形態を示したが、赤外線ヒーターを用いてもよい。また、熱源としての熱風や赤外線ヒーターを組み合わせて用いてもよい。
【００６５】
電極箔３０を連続して搬送する形態を図示したが、バッチ式で搬送する形態でもよい。
【００６６】
さらに、本発明は、電極スラリー２０を間欠的に塗布する場合に限られるものではなく、電極スラリー２０を連続塗布する場合にも適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 電極乾燥装置、
２０ 電極スラリー、
２１ 溶媒、
２２ 活物質、
２３ バインダー、
２４ 導電助剤、
３０ 電極箔（集電体）、
４０ 電極層、
５０ 乾燥炉、
５１〜５６ 乾燥ゾーン、
５７ 雰囲気、
６０ 搬送部、
７０ 蒸発速度調整部材、
８０ ヒーター部、
９０ ケーシング、
９１ 仕切り壁、
９２ 上ノズル、
９３ 下ノズル、
９４ 排気口、
９５ 塗布部、
９６ コーター、
１００ 配管系、
１０１ 第１配管、
１０２ 第２配管、
１０３ 第３配管、
１０４ バイパス管、
１０５ 熱交換器、
１０６ バルブ、
１０７、１０８ 温度センサー、
１０９ 濃度センサー、
１１０ 溶媒回収装置、
１１１ 溶媒回収器、
１１２ 送風ファン、
１２０ 熱交換器、
１２１ 温度センサー、
１３０ コントローラー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒を含む電極スラリーを集電体に塗布することによって形成された電極層を乾燥炉の中において乾燥させる方法であって、
前記電極層内に残存する溶媒濃度と前記乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して前記電極層を乾燥させる電極乾燥方法。
【請求項２】
前記乾燥炉内を複数に区画した乾燥ゾーンごとに、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって前記濃度差を小さくしつつ、熱を付与して前記電極層を乾燥させる請求項１記載の電極乾燥方法。
【請求項３】
前記雰囲気における溶媒濃度を、前記電極層内に残存する溶媒濃度を越えない濃度に高める請求項１または請求項２に記載の電極乾燥方法。
【請求項４】
前記雰囲気における溶媒濃度を、前記乾燥炉から排出された排気を再利用して高める請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電極乾燥方法。
【請求項５】
前記排気の温度を結露温度まで下げることなく前記雰囲気内に供給する請求項４に記載の電極乾燥方法。
【請求項６】
溶媒を含む電極スラリーを集電体に塗布することによって形成された電極層を乾燥炉の中において乾燥させる電極乾燥装置であって、
前記電極層内に残存する溶媒濃度と前記乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくする蒸発速度調整部材と、
前記電極層を乾燥させる熱を付与するヒーター部と、を有する電極乾燥装置。
【請求項７】
前記乾燥炉内は、複数に区画した乾燥ゾーンから構成され、前記乾燥ゾーンごとに、前記蒸発速度調整部材と前記ヒーター部とを設ける請求項６記載の電極乾燥装置。
【請求項８】
前記蒸発速度調整部材は、前記乾燥炉から排出された排気を前記雰囲気内に供給するための配管系を備える請求項６または請求項７に記載の電極乾燥装置。
【請求項９】
前記蒸発速度調整部材は、前記排気の温度を結露温度まで下げることなく前記雰囲気内に供給する請求項８に記載の電極乾燥装置。
【請求項１】
溶媒を含む電極スラリーを集電体に塗布することによって形成された電極層を乾燥炉の中において乾燥させる方法であって、
前記電極層内に残存する溶媒濃度と前記乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくしつつ、熱を付与して前記電極層を乾燥させる電極乾燥方法。
【請求項２】
前記乾燥炉内を複数に区画した乾燥ゾーンごとに、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって前記濃度差を小さくしつつ、熱を付与して前記電極層を乾燥させる請求項１記載の電極乾燥方法。
【請求項３】
前記雰囲気における溶媒濃度を、前記電極層内に残存する溶媒濃度を越えない濃度に高める請求項１または請求項２に記載の電極乾燥方法。
【請求項４】
前記雰囲気における溶媒濃度を、前記乾燥炉から排出された排気を再利用して高める請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電極乾燥方法。
【請求項５】
前記排気の温度を結露温度まで下げることなく前記雰囲気内に供給する請求項４に記載の電極乾燥方法。
【請求項６】
溶媒を含む電極スラリーを集電体に塗布することによって形成された電極層を乾燥炉の中において乾燥させる電極乾燥装置であって、
前記電極層内に残存する溶媒濃度と前記乾燥炉内の雰囲気における溶媒濃度との濃度差を、前記雰囲気における溶媒濃度を高めることによって小さくする蒸発速度調整部材と、
前記電極層を乾燥させる熱を付与するヒーター部と、を有する電極乾燥装置。
【請求項７】
前記乾燥炉内は、複数に区画した乾燥ゾーンから構成され、前記乾燥ゾーンごとに、前記蒸発速度調整部材と前記ヒーター部とを設ける請求項６記載の電極乾燥装置。
【請求項８】
前記蒸発速度調整部材は、前記乾燥炉から排出された排気を前記雰囲気内に供給するための配管系を備える請求項６または請求項７に記載の電極乾燥装置。
【請求項９】
前記蒸発速度調整部材は、前記排気の温度を結露温度まで下げることなく前記雰囲気内に供給する請求項８に記載の電極乾燥装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−８８０４８（Ｐ２０１３−８８０４８Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２９６２５（Ｐ２０１１−２２９６２５）
【出願日】平成２３年１０月１９日（２０１１．１０．１９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１９日（２０１１．１０．１９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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