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KR20210028657A - 전고체 2차전지의 제조설비 - Google Patents

전고체 2차전지의 제조설비 Download PDF

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KR20210028657A
KR20210028657A KR1020217001948A KR20217001948A KR20210028657A KR 20210028657 A KR20210028657 A KR 20210028657A KR 1020217001948 A KR1020217001948 A KR 1020217001948A KR 20217001948 A KR20217001948 A KR 20217001948A KR 20210028657 A KR20210028657 A KR 20210028657A
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KR
South Korea
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powder
secondary battery
positive electrode
negative electrode
electrode layer
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Application number
KR1020217001948A
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Inventor
다케시 스기요
겐지 오카모토
히데유키 후쿠이
Original Assignee
히다치 조센 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

분체막을 적층하여 구성되는 분체 적층체(3)를 갖는 전고체 2차전지의 제조설비(100)이다. 제조설비(100)는, 복수 종의 분체재료(A, S)를 혼합하는 혼합장치(10)와, 혼합장치(10)에 의하여 혼합된 분체재료(AS)를 반송하는 반송장치(20)를 구비한다. 제조설비(100)는, 반송장치(20)에 의하여 반송된 분체재료(AS)로부터, 적어도 정전력을 사용하여 분체막을 형성하는 정전 성막장치(30)도 구비한다. 제조설비(100)는, 복수 종의 분체재료(A, S)로부터 분체 적층체(3)를 형성하는 과정이 건식이다.

Description

전고체 2차전지의 제조설비
본 발명은, 전고체 2차전지(全固體 2次電池)의 제조설비에 관한 것이다.
전고체 2차전지는, 가연성(可燃性)의 유기용매를 사용하지 않아도 되기 때문에 안전한 2차전지로서 알려져 있다. 가연성의 유기용매를 사용하지 않는 대신에, 전고체 2차전지는, 분체재료(粉體材料)로 이루어지는 분체 적층체(粉體 積層體)를 주요한 구성으로서 갖는다. 이 때문에, 전고체 2차전지는 안전성이 향상되는 반면, 분체재료로부터 유래하는 문제도 있다.
이러한 문제의 하나로서, 상기 분체 적층체를 형성할 때에, 그 이웃하는 층(層) 상호간에서 각각의 층의 분체재료가 혼합되어 버리는 경우가 있다. 이 문제를 해결하기 위하여, 건조된 층 상에 다른 층의 재료가 되는 슬러리(slurry)를 스프레이법(spray法)에 의하여 분출시킴으로써, 분체재료가 혼합되지 않도록 하여 당해 다른 층을 형성하는 방법이 제안되어 있다. 이러한 방법은, 예를 들면 일본국 공개특허 특개2012―252833호 공보(이하, 특허문헌이라고 부른다)에 개시되어 있다.
그런데 상기 특허문헌에 기재되어 있는 방법에서는, 용제에 분체재료를 녹여서 슬러리로 하는 습식(濕式)을 채용하고 있다. 습식의 방법에서는, 용제 등의 불순물을 완전히 분체 적층체로부터 제거할 수 없으면, 불순물이 분체 적층체에 잔존하게 된다. 또한 불순물을 제거한 부분이, 공극(空隙)으로서 분체 적층체에 잔존하는 경우도 있다. 이러한 불순물 및 공극은 전지로서 기능하지 않기 때문에, 분체 적층체에 불순물 및/또는 공극이 잔존하면, 당해 분체 적층체를 구비하는 전고체 2차전지에 있어서 전지성능이 저하되게 된다.
그래서 본 발명은, 전지성능을 향상시킬 수 있는 전고체 2차전지의 제조설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 제1발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 분체막을 적층하여 구성되는 분체 적층체를 갖는 전고체 2차전지의 제조설비로서,
복수 종의 분체재료를 혼합하는 혼합장치와,
혼합장치에 의하여 혼합된 분체재료를 반송하는 반송장치와,
반송장치에 의하여 반송된 분체재료로부터, 적어도 정전력을 사용하여 상기 분체막을 형성하는 정전 성막장치를
구비하고,
상기 복수 종의 분체재료로부터 상기 분체 적층체를 형성하는 과정이 건식인 것이다.
또한 제2발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 제1발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비에 있어서의 분체 적층체가, 정극층, 고체 전해질층 및 부극층을 갖는 것이고,
정전 성막장치가, 정극층을 형성하기 위한 정극용 정전 성막기와, 고체 전해질층을 형성하기 위한 전해질용 정전 성막기와, 부극층을 형성하기 위한 부극용 정전 성막기를 갖는 것이다.
또한 제3발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 제2발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비에 있어서의 반송장치가, 정극층을 형성하기 위한 분체재료를 정극용 정전 성막기로 반송하는 정극용 반송기와, 부극층을 형성하기 위한 분체재료를 부극용 정전 성막기로 반송하는 부극용 반송기를 갖고,
고체 전해질층을 형성하기 위한 분체재료를 전해질용 정전 성막기로 반송하는 전해질용 반송기를 더 구비하는 것이다.
게다가, 제4발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 제2 또는 제3발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비에 있어서의 고체 전해질층이, 황화물계 고체 전해질로 구성되는 층인 것이다.
또한 제5발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 제1 또는 제2발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비에 있어서의 정전 성막장치가, 분체재료가 충전되는 분체 충전부재와, 이 분체 충전부재에 충전된 분체재료를 정전력에 의하여 낙하시켜서 분체막으로 하는 직류전원을 갖는 것이다.
또한 제6발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 제1 또는 제2발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비에 있어서, 정전 성막장치에 의하여 형성된 분체막을 가압하는 가압장치와,
상기 가압장치에 의하여 가압된 분체막의 외주 단부를 절단하여 제거하는 절단제거장치를 더 구비하는 것이다.
또한 제7발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 제6발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비에 있어서, 가압장치에 의하여 가압되는 대상이, 정전 성막장치에 의하여 형성된 분체막과, 이 분체막을 재치한 집전체이고,
상기 집전체가, 적어도 상기 분체막이 재치되는 면을 조화한 것이고,
분체 적층체를 2개의 상기 집전체에 끼워서 구성되는 전극체에 가압하면서 충방전을 실시하는 가압 충방전장치를 더 구비하는 것이다.
또한 제8발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 제6발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비에 있어서, 절단제거장치가, 적층된 분체막의 외주 단부를 절단하여 제거함으로써 분체 적층체를 형성하는 것이고,
상기 절단제거장치가, 그 부극층 또는 정극층과 고체 전해질층의 계면의 면적이 정극층 또는 부극층과 고체 전해질층의 계면의 면적보다 커지게 되도록, 또한 절단된 면인 측면이 경사지도록, 형성되는 분체 적층체를 절단하는 것이다.
또한 제9발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 제6 또는 제8발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비에 있어서, 절단제거장치가, 분체막의 절단되는 위치로부터 내측의 강성이 당해 위치로부터 외측의 강성보다 높은 상태에서 절단하는 것이다.
또한 제10발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비는, 제6 또는 제8발명에 관한 전고체 2차전지의 제조설비에 있어서, 절단제거장치가, 분체막을 지지하는 다이와, 이 다이에 지지된 분체막을 100mm/sec 이하의 속도로 펀칭하는 펀치를 갖고,
상기 다이가, 상기 펀치가 삽입되는 내주벽에 대피면을 갖고,
상기 다이가, 상기 펀치에 의하여 펀칭되는 분체막의 변형이 허용되도록 당해 분체막을 지지하는 것이다.
상기 전고체 2차전지의 제조설비에 의하면, 형성되는 분체 적층체에는, 습식의 방법에 있어서의 용제 등의 불순물이 잔존하지 않고, 또한 불순물을 제거한 자국인 공극도 잔존하지 않기 때문에, 이 분체 적층체로부터 제조되는 전고체 2차전지의 전지성능을 향상시킬 수 있다.
도1은, 본 발명의 실시형태1 및 2에 관한 전고체 2차전지의 단면도이다.
도2는, 본 발명의 실시형태1에 관한 전고체 2차전지의 제조설비를 설명하기 위한 블록도이다.
도3은, 본 발명의 실시형태2에 관한 전고체 2차전지의 제조설비를 설명하기 위한 블록도이다.
도4는, 동 제조설비에 있어서의 정전 성막장치의 구체예1을 설명하기 위한 개략도이다.
도5는, 동 정전 성막장치의 구체예2로서, 특히 스크린판을 설명하기 위한 개략도이다.
도6은, 동 제조설비에 있어서의 절단제거장치의 구체예1을 설명하기 위한 개략도이다.
도7은, 동 제조설비에 있어서의 절단제거장치의 구체예2를 설명하기 위한 개략도이다.
도8은, 동 제조설비에 있어서의 절단제거장치의 구체예3을 설명하기 위한 개략도이다.
도9는, 동 제조설비에 있어서의 절단제거장치의 구체예4를 설명하기 위한 개략도이다.
도10은, 동 전고체 2차전지의 제조방법에 있어서의 분체막 형성공정의 구체예를 설명하기 위한 개략도이다.
도11은, 동 전고체 2차전지의 제조방법에 있어서의 분체막 형성공정의 구체예를 설명하기 위한 개략도이다.
도12는, 동 전고체 2차전지의 제조방법에 있어서의 분체막 형성공정의 구체예를 설명하기 위한 개략도이다.
도13은, 동 전고체 2차전지의 구체예를 설명하기 위한 개략도이다.
도14는, 동 전고체 2차전지의 구체예를 설명하기 위한 개략도이다.
도15는, 동 전고체 2차전지의 구체예를 설명하기 위한 개략도이다.
[실시형태1]
이하, 본 발명의 실시형태1에 관한 전고체 2차전지(全固體 2次電池)의 제조설비에 대하여, 도면에 의거하여 설명한다.
우선, 이 제조설비에 의하여 제조되는 전고체 2차전지의 구성에 대하여, 도1에 의거하여 간단하게 설명한다.
도1에 나타내는 바와 같이 이 전고체 2차전지(1)는, 분체막(粉體膜)을 적층하여 구성되는 분체 적층체(粉體 積層體)(3)를 갖는다. 구체적으로 설명하면, 상기 분체 적층체(3)는, 정극층(正極層)(5) 및 부극층(負極層)(7)과, 상기 정극층(5) 및 부극층(7)의 사이에 배치된 고체 전해질층(固體 電解質層)(6)을 구비한다. 상기 정극층(5), 부극층(7) 및 고체 전해질층(6)은, 각각 1매의 분체막으로 구성되어도 좋고, 각각 복수 매의 분체막을 적층하여 구성되어도 좋다. 또한 상기 전고체 2차전지(1)는, 상기 분체 적층체(3)를 그 두께방향으로 끼워 넣도록 배치된 정극 집전체(正極 集電體)(2) 및 부극 집전체(負極 集電體)(4)를 갖는다. 이하에서는, 정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)와, 이들 정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)에 끼워 넣어진 분체 적층체(3)로 이루어지는 것을 전극체(電極體)(2∼4)라고 부른다. 이 전극체(2∼4)는, 도시하지 않지만, 정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)의 사이이고 또한 상기 분체 적층체(3)의 외측방향에 배치된 절연부재(絶緣部材)를 구비하여도 좋다. 상기 전고체 2차전지(1)는, 필요에 따라 상기 전극체(2∼4)를 봉입(封入)하는 래미네이트 팩(laminate pack)(8) 또는 캔(can) 등의 외장(外裝)(8)을 갖는다. 상기 전극체(2∼4)는 외장에 봉입되면, 정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)는 상기 당해 외장(8)의 외측으로 전기적으로 접속된다.
다음에, 상기 전고체 2차전지(1)의 주요 구성부재의 재료에 대하여 설명한다.
정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)로서는, 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 스테인리스강, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 인듐(In), 리튬(Li), 주석(Sn), 이들의 합금 등으로 이루어지는 박판상체(薄板狀體) 및 박상체(箔狀體), 또는 각종 재료를 성막(成膜)한 것이 사용된다. 여기에서 박판상체 및 박상체는, 그 두께가 5μm∼100μm 범위 내의 것이다. 또한 정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)는, 분체로 구성되는 분체 적층체(3)와의 밀착성 향상의 관점으로부터, 그 표면에 조화처리(粗化處理)가 실시된 것이 바람직하다. 조화처리라는 것은, 에칭(etching) 등에 의하여 표면 거칠기를 크게 하는 처리이다. 또한 절연부재에는, PET필름 등의 고분자 재료로 이루어진 절연시트(絶緣sheet)가 사용된다.
또한 정극층(5) 및 부극층(7)은, 전자를 주고받기 위하여 입자 사이에 전자전도경로를 확보하는 정극 활물질(正極 活物質) 및 부극 활물질(負極 活物質)과, 이온 전도성을 갖는 고체 전해질을, 소정의 비율로 혼합한 혼합재(混合材)로 이루어지는 층이다. 이와 같이 정극 활물질 및 부극 활물질에 리튬이온 전도성을 갖는 고체 전해질을 혼합함으로써, 전자 전도성에 더하여 이온 전도성을 부여하고, 입자 사이에 이온전도경로를 확보할 수 있다.
정극층(5)에 적합한 정극 활물질로서는, 리튬이온의 삽입/이탈이 가능한 것이면 좋고, 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들면 리튬·니켈 복합산화물(LiNixM1―xO2), 코발트산리튬(LiCoO2), 니켈산리튬(LiNiO2), 리튬·니켈·코발트·알루미늄 복합산화물(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, NCA계 층상 산화물), 망간산리튬(스피넬형 망간산리튬 LiMn2O4 등), Li 과잉의 복합산화물(Li2MnO3―LiMO2) 등의 산화물 외에, 산화물 이외의 화합물도 들 수 있다. 산화물 이외의 화합물로서는, 예를 들면 올리빈계 화합물(LiMPO4), 황 함유 화합물(Li2S 등) 등을 들 수 있다. 또 상기 식 중에서 M은 전이금속을 나타낸다. 정극 활물질은, 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 고용량을 얻기 쉬운 관점으로부터는, Co, Ni 및 Mn으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 리튬 함유 산화물이 바람직하다. 리튬 함유 산화물은, Al 등의 전형금속원소를 더 포함하여도 좋다.
또한 상기 정극 활물질은, 레이트 특성(rate 特性)의 개선의 관점으로부터, 활물질의 표면을 코팅재(coating材)로 피복하여도 좋다. 코팅재로서는, 구체적으로는 Li4Ti5O12, LiTaO3, Li4NbO3, LiAlO2, Li2ZrO3, Li2WO4, Li2TiO3, Li2B4O7, Li3PO4, Li2MoO4, LiBO2나 알루미나(Al2O3), 탄소(C) 등을 들 수 있다.
한편, 부극층(7)에 적합한 부극 활물질로서는, 부극 활물질과 리튬이온 전도성 고체 전해질의 혼합합재(混合合材) 혹은 부극 활물질이 단독으로 사용된다. 부극 활물질로서는, 리튬이온을 삽입 및 탈리(脫離)시킬 수 있는 한, 특별하게 제한되지 않고, 전고체 전지에 사용되는 공지의 부극 활물질을 이용할 수 있다. 부극 활물질로서는, 예를 들면 리튬이온을 삽입 및 탈리시킬 수 있는 탄소질 재료 이외에, 리튬이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 금속이나 반금속(半金屬)의 단체(單體), 합금 또는 화합물 등을 들 수 있다. 탄소질 재료로서는, 흑연(천연흑연, 인조흑연 등), 하드카본, 비정질탄소 등을 예시할 수 있다. 금속이나 반금속의 단체, 합금으로서는, 리튬금속이나 합금, Si 단체 등을 들 수 있다. 화합물로서는, 예를 들면 산화물, 황화물, 질화물, 수화물(水化物), 실리사이드(리튬 실리사이드 등) 등을 들 수 있다. 산화물로서는, 티타늄산화물, 규소산화물 등을 들 수 있다. 부극 활물질은, 1종을 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 조합하여 사용하여도 좋다. 예를 들면 규소산화물과 탄소질 재료를 병용하여도 좋다.
고체 전해질은, 유기계의 폴리머 전해질(유기 고체 전해질이라고도 말한다), 무기계의 무기 고체 전해질 등으로 대별(大別)되지만, 고체 전해질로서 어느 것을 사용하여도 상관없다. 또한 무기 고체 전해질은, 산화물계의 재료 및 황화물계의 재료로 대별되지만, 어느 것을 사용하여도 상관없다. 또한 무기 고체 전해질에 있어서는, 결정성(結晶性) 또는 비정질(非晶質)의 것 중에서 적절하게 선택할 수 있다. 즉 고체 전해질은, 유기화합물, 무기화합물 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 재료로부터 적절하게 선택할 수 있다. 구체적으로는, 고체 전해질로서 사용할 수 있는 재료로서는, 예를 들면 리튬이온 전도성 고체 전해질이나, 이온 전도성이 다른 무기화합물보다 높다고 알려져 있는 황화물계 무기 고체 전해질이다. 고체 전해질로서 사용할 수 있는 재료로서는, 이 이외에 Li2―SiO2, Li2―SiO2―P2O5 등의 리튬 함유 금속산화물(금속은 1종 이상), LixPyO1―zN2 등의 리튬 함유 금속질화물, Li2S―P2S5계, Li2S―SiS2계, Li2S―B2S3계, Li2S―GeS2계, Li2S―SiS2―LiI계, Li2S―SiS2―Li3PO4계, Li2S―Ge2S2계, Li2S―GeS2―P2S5계, Li2S―GeS2―ZnS계 등의 리튬 함유 황화물계 글라스, 및 PEO(폴리에틸렌옥사이드), PVDF(폴리불화비닐리덴), 인산리튬(Li3PO4), 리튬티타늄산화물 등의 리튬 함유 전이금속산화물을 들 수 있다. 무기 고체 전해질로서는, 황화물(황화물계 무기 고체 전해질)이 바람직하다. 황화물로서는, 예를 들면 Li2S와, 주기율표 제13족 원소, 제14족 원소 및 제15족 원소로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 1종 또는 2종 이상의 황화물을 포함하는 것이 바람직하다. 주기율표 제13∼15족 원소로서는, 특별하게 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 P, Si, Ge, As, Sb, Al 등을 들 수 있고, P, Si, Ge가 바람직하고, 특히 P가 바람직하다. 또한 이들 원소(특히 P)와 Li를 포함하는 황화물도 바람직하다. 또한 고체 전해질층(6)에 적합한 고체 전해질은, 정극층(5) 및 부극층(7)에서 사용되는 고체 전해질과 동일 또는 다른 것이어도 좋다.
정극 활물질, 부극 활물질 및 고체 전해질로서는, 전술한 재료에 한정되지 않고, 전지의 분야에 있어서 일반적인 것도 사용할 수 있다.
이하, 상기 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)에 대하여, 도2에 의거하여 설명한다.
도2에 나타내는 바와 같이 이 제조설비(100)는, 복수 종(도2에서는 일례로서 2종)의 분체재료(A, S)를 혼합하는 혼합장치(10)와, 이 혼합장치(10)에 의하여 혼합된 분체재료(AS)를 반송하는 반송장치(20)와, 이 반송장치(20)에 의하여 반송된 분체재료(AS)로부터 상기 분체막을 형성하는 정전 성막장치(靜電 成膜裝置)(30)를 구비한다. 이 정전 성막장치(30)는, 형성된 상기 분체막을 적층함으로써, 즉 형성된 상기 분체막에 분체막을 더 형성함으로써 분체 적층체(3)도 형성한다. 상기 제조설비(100)는, 상기 복수 종의 분체재료(A, S)로부터 적어도 상기 분체 적층체(3)를 형성하는 과정까지가 건식(乾式)이다.
상기 혼합장치(10)에 의하여 혼합되는 분체재료(A, S)는, 도2에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 정극 활물질 또는 부극 활물질 등의 분체재료인 제1분체재료(A), 및 고체 전해질 등의 분체재료인 제2분체재료(S)이다. 이들 복수 종의 분체재료(A, S)는, 각각 입경(粒徑)의 편차가 적은 것이 바람직하기 때문에, 볼밀(ball mill) 등에 의한 처리 후에 분급조작(分級操作)에 의하여 소정 입경범위의 것을 추출 및 사용하여도 좋다.
상기 혼합장치(10)는, 예를 들면 볼밀 등에 의한 처리에 의하여, 상기 복수 종의 분체재료(A, S)가 균일하게 될 때까지 혼합한다. 어느 정도 균일하게 혼합되었는지는, 혼합도(混合度)에 의하여 파악된다. 여기에서 혼합도는, 예를 들면 혼합된 분체재료(AS)의 복수 장소에서의 색(色) 농도를 측정하고, 그 측정된 복수 장소에서의 색 농도의 분산 또는 표준편차에 의하여 판단된다. 복수 종의 분체재료(A, S)는 종마다 색 농도가 다르기 때문에, 혼합된 분체재료(AS)의 색 농도를 측정함으로써, 당해 혼합된 분체재료(AS)에 있어서의 특정의 분체재료(A, S)의 비율을 알 수 있다. 상기 혼합도는, 측정된 색 농도의 분산 또는 표준편차(즉, 편차)에 따른 값이기 때문에, 값이 작을수록 균일하게 혼합되어 있는 것을 나타낸다. 따라서 상기 혼합장치(10)에서는, 혼합도가 소정의 값 이하가 될 때까지 복수 종의 분체재료(A, S)를 혼합한다. 혼합된 분체재료(AS)도 입경의 편차가 적은 것이 바람직하기 때문에, 분급조작에 의하여 소정 입경범위의 것을 추출 및 사용하여도 좋다.
상기 반송장치(20)는, 혼합된 분체재료(AS)에 진동을 가하지 않도록 하여 당해 분체재료(AS)를 반송하는 것이 바람직하다. 일반적으로 입경 또는 밀도 등이 다른 복수 종의 분체재료(A, S)를 혼합한 것은, 진동이 가해지면 분체재료(A, S)의 종류별로 나누어져 버리는 경우가 있다. 이 때문에 상기 반송장치(20)는, 혼합된 분체재료(AS)에 진동을 주지 않음으로써, 당해 분체재료(AS)를 안정하게(균일하게 혼합된 상태 그대로) 반송하는 것이 가능하다. 구체적으로 설명하면, 상기 반송장치(20)는, 혼합된 분체재료(AS)에 대한 진동을 피하기 위하여, 예를 들면 정전 성막장치(30)에 의하여 형성되는 1매의 분체막에 필요한 분체재료(AS)별로 반송하는, 소분용의 용기(容器)를 갖는다.
상기 정전 성막장치(30)는, 상기 분체막을 형성하는 데에 적어도 정전력(靜電力)을 사용하는 것이다. 바꾸어 말하면, 상기 정전 성막장치(30)는, 상기 분체막을 형성하는 데에 정전력에 더하여 다른 힘(중력, 진동력 및/또는 가압력 등)을 병용하는 것이어도 좋다. 상기 정전 성막장치(30)는, 적어도 정전력을 사용함으로써 평탄하고 균일한 두께의 분체막을 형성하는 것이 가능하다. 이러한 상기 정전 성막장치(30)는, 도시하지 않지만, 예를 들면 분체재료(AS)가 충전되는 분체 충전부재(粉體 充塡部材)와, 분체재료(AS)가 충전된 분체 충전부재에 정전력에 의하여 낙하시켜서 분체막으로 하는 직류전원을 갖는다. 또한 상기 정전 성막장치(30)는, 소정 매수의 분체막을 형성할 때마다 당해 분체막의 형성에 사용된 기구를 청소하는 청소기구를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 분체막을 형성함으로써 상기 기구에 남은 분체재료(AS)가, 당해 기구에 의한 다음 분체막의 형성에 악영향을 주지 않는다. 도2에 나타내는 정전 성막장치(30)는, 형성된 상기 분체막을 적층함으로써, 즉 형성된 상기 분체막에 분체막을 더 형성함으로써 분체 적층체(3)도 형성하는 것으로서 설명하였지만, 분체 적층체(3)를 형성하지 않는 것이어도 좋다. 이 경우에 상기 제조설비(100)는, 정전 성막장치(30)에 의하여 형성된 복수의 분체막을 적층하여 분체 적층체(3)로 하기 위한 별도의 장치도 구비한다.
상기 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)는, 전술한 것 이외의 구성을 구비하여도 좋고, 어떤 구성을 구비하였다고 하더라도, 상기 복수 종의 분체재료(A, S)로부터 적어도 상기 분체 적층체(3)를 형성하는 과정까지가 모두 건식이다. 바꾸어 말하면, 복수 종의 분체재료(A, S)를 보관하는 장소에서부터, 상기 혼합장치(10), 반송장치(20) 및 정전 성막장치(30)를 포함하여, 상기 제조설비(100)가 구비하는 적어도 상기 분체 적층체(3)를 형성하는 과정까지에 관한 구성이 모두 건식이다. 여기에서 건식이라는 것은, 액체를 사용하지 않는 방식이다. 상기 제조설비(100)는 건식이기 때문에, 습식(濕式)의 경우와는 달리 용제 등의 액체를 사용하는 것은 아니어서, 용제를 사용하는 것에 의한 문제가 생기지 않는다. 즉 건식으로 형성된 분체 적층체(3)에는, 용제 등의 불순물이 잔존하지 않고, 또한 용제 등의 불순물을 제거한 자국인 공극(空隙)이 잔존하지 않는다. 상기 제조설비(100)는, 당연하지만 습식의 경우와는 달리 분체 적층체(3)를 건조시키는 장치가 불필요하게 된다.
다음에, 이 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)의 사용방법, 바꾸어 말하면, 이 제조설비(100)를 사용한 상기 전고체 2차전지(1)의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 혼합장치(10)에 의하여 복수 종의 분체재료(A, S)가 혼합된다. 즉 당해 혼합장치(10)는, 복수 종의 분체재료(A, S)를 혼합하는 혼합공정을 제공한다.
그리고 혼합장치(10)에 의하여 혼합된 분체재료(AS)를 당해 혼합장치(10)로부터 정전 성막장치(30)까지 반송장치(20)에 의하여 반송한다. 즉 반송장치(20)는, 혼합된 분체재료(AS)를 혼합장치(10)로부터 정전 성막장치(30)까지 반송하는 반송공정을 제공한다.
그 후에 정전 성막장치(30)에 의하여, 혼합된 분체재료(AS)로부터 적어도 정전력을 사용하여 분체막이 형성된다. 즉 정전 성막장치(30)는, 혼합된 분체재료(AS)로부터 적어도 정전력을 사용하여 분체막을 형성하는 정전 성막공정을 제공한다. 다음에 정전 성막장치(30) 또는 별도의 장치에 의하여, 형성된 분체막을 적층함으로써 분체 적층체(3)를 형성한다. 즉 정전 성막장치(30) 또는 별도의 장치는, 분체막의 적층에 의하여 분체 적층체(3)를 형성하는 분체 적층체 형성공정을 제공한다.
전술한 혼합공정, 반송공정, 정전 성막공정 및 분체 적층체 형성공정은, 모두 건식이다. 이 때문에, 이들 공정에 의하여 형성된 분체 적층체(3)에는 불순물이 잔존하지 않고, 또한 불순물을 제거한 자국의 공극도 잔존하지 않는다. 이 분체 적층체(3)는, 도1에 나타내는 정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)에 끼워 넣어짐으로써 전극체(2∼4)가 된다. 이 전극체(2∼4)는, 1층 그대로 또는 다수 적층됨과 아울러, 필요에 따라 래미네이트 팩(8) 또는 캔 등의 외장(8)에 봉입됨으로써, 전고체 2차전지(1)가 된다.
이와 같이 상기 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)에 의하면, 형성되는 분체 적층체(3)에는, 습식의 방법에 있어서의 용제 등의 불순물이 잔존하지 않고, 또한 불순물을 제거한 자국인 공극도 잔존하지 않기 때문에, 이 분체 적층체(3)로부터 제조되는 전고체 2차전지(1)의 전지성능을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)에 의하면, 분체 적층체(3)를 건조시키는 장치가 불필요하게 되기 때문에, 전체적으로 구성을 간소하게 할 수 있음과 아울러 전고체 2차전지(1)의 제조에 필요한 코스트(cost)를 저감시킬 수 있다.
[실시형태2]
이하, 상기 실시형태1을 더 구체적으로 나타낸 실시형태2에 관한 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)에 대하여 도면에 의거하여 설명한다. 이하, 상기 실시형태1에서 생략한 구성에 주목하여 설명함과 아울러, 상기 실시형태1과 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 붙이고 그에 대한 설명은 생략한다.
도3에 나타내는 바와 같이 본 실시형태2에 관한 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)는, 제1분체재료(A)가 정극 활물질 또는 부극 활물질의 분체재료이고, 제2분체재료(S)가 황화물계 고체 전해질의 분체재료이다.
혼합장치(10)에 의하여 혼합된 분체재료(AS)를 반송하는 반송장치(20)는, 정극층(5)을 형성하기 위한 분체재료(AS)를 반송하는 정극용 반송기(正極用 搬送機)(25)와, 부극층(7)을 형성하기 위한 분체재료(AS)를 반송하는 부극용 반송기(負極用 搬送機)(27)를 구비한다. 상기 제조설비(100)는, 상기 반송장치(20) 이외에 분체재료를 반송하는 것으로서, 제2분체재료(S)인 황화물계 고체 전해질의 분체재료(S)를 반송하는 전해질용 반송기(電解質用 搬送機)(60)를 구비한다. 정극용 반송기(25), 전해질용 반송기(60) 및 부극용 반송기(27)는, 모두 동일한 구성이어도 좋고, 다른 구성이어도 좋다.
정전 성막장치(30)는, 정극층(5)을 형성하기 위한 정극용 정전 성막기(正極用 靜電 成膜機)(35)와, 고체 전해질층(6)을 형성하기 위한 전해질용 정전 성막기(電解質用 靜電 成膜機)(36)와, 부극층(7)을 형성하기 위한 부극용 정전 성막기(負極用 靜電 成膜機)(37)를 갖는다. 상기 정전 성막장치(30)에 있어서, 상류측으로부터 정극용 정전 성막기(35), 전해질용 정전 성막기(36) 및 부극용 정전 성막기(37)의 순서로 배치된다. 즉 상기 정전 성막장치(30)는, 정극용 정전 성막기(35)에 의하여 정극층(5)을 형성하고, 전해질용 정전 성막기(36)에 의하여 당해 정극층(5) 상에 고체 전해질층(6)을 형성하고, 부극용 정전 성막기(37)에 의하여 당해 고체 전해질층(6) 상에 부극층(7)을 형성하는(즉, 분체 적층체(3)를 형성하는) 것이다. 정극용 정전 성막기(35), 전해질용 정전 성막기(36) 및 부극용 정전 성막기(37)는, 모두 동일한 구성이어도 좋고, 다른 구성이어도 좋다. 또 전해질용 정전 성막기(36)에 의하여 형성되는 고체 전해질층(6)은, 사용되는 재료가 황화물계 고체 전해질의 분체재료(S)이기 때문에, 황화물계 고체 전해질로 구성되는 층이다.
본 실시형태2에 관한 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)는, 정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)를 공급하는 집전체 공급장치(集電體 供給裝置)(40)를 구비한다. 이 집전체 공급장치(40)는, 정극용 정전 성막기(35)에 정극 집전체(2)를 공급함으로써, 당해 정극 집전체(2) 상에 정극층(5)을 형성시킨다. 또한 상기 집전체 공급장치(40)는, 후술하는 가압장치(50)에 부극 집전체(4)를 공급함으로써, 가압장치(50)에 의하여 가압되는 대상을 분체 적층체(3)가 아니라 전극체(2∼4)로 한다. 정극층(5), 고체 전해질층(6), 부극층(7)을 전층(全層)에 형성하기 전에, 임의의 타이밍에 이들의 분체막을 작은 압력으로 가압하여 당해 분체막을 고르게 하여 두어도 좋다. 또한 상기 집전체 공급장치(40)가 공급하는 정극 집전체(2) 및/또는 부극 집전체(4)는, 정극층(5) 및/또는 부극층(7)에 접촉하는 면이 조화(粗化)된 것이다. 정극 집전체(2) 및/또는 부극 집전체(4)의 면이 조화됨으로써, 이 면에 접촉하는 정극층(5) 및/또는 부극층(7)도 조화된다. 바꾸어 말하면, 정극 집전체(2) 및/또는 부극 집전체(4)의 면에 있어서의 거칠기가 정극층(5) 및/또는 부극층(7)으로 전사(轉寫)된다.
본 실시형태2에 관한 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)는, 전극체(2∼4)를 가압하는 가압장치(50)와, 가압장치(50)에 의하여 가압된 전극체(2∼4)의 외주 단부(外周 端部)를 절단하여 제거하는 절단제거장치(70)와, 외주 단부가 절단되어 제거된 전극체(2∼4)를 래미네이트 팩(8)에 봉입하는 래미네이트 장치(laminate 裝置)(80)를 더 구비한다. 경우에 따라서는, 적층장치 또는 적층 래미네이트 장치(積層 laminate 裝置)가 필요하게 된다.
상기 가압장치(50)는, 전극체(2∼4)를 그 두께방향으로 가압하는 것이다. 이 가압(이하, 본가압(本加壓)이라고도 부른다)에 의하여, 전극체(2∼4)의 분체 적층체(3)는 그 분체 상호간이 조밀하게 됨으로써, 전지성능의 향상으로 이어진다. 상기 가압장치(50)는, 도시하지 않지만, 상기 전극체(2∼4)를 가압하기 위한 가압체(加壓體)를 갖는다. 상기 가압장치(50)는, 본가압이 실시되기 전에, 당해 본가압보다 저압의 가압을 저진공(低眞空)의 환경하에서 실시하는 것이어도 좋다. 전극체(2∼4)에 대한 가압이 본가압만이면, 전극체(2∼4)의 분체 적층체(3)에 내재하는 기체가 본가압에 의하여 급격하게 압출됨으로써, 당해 분체 적층체(3)가 파괴되기 쉽다. 그러나 미리 전극체(2∼4)에 저압의 가압을 저진공의 환경하에서 실시하는(이하, 진공 예비가압이라고도 부른다) 것이라면, 분체 적층체(3)에 내재하는 기체가 미리 적절하게 배출되기 때문에, 그 후의 본가압에 의하여 당해 기체가 급격하게 압출되는 일이 없고, 결과로서 분체 적층체(3)가 파괴되기 어렵다. 이 진공 예비가압 및 본가압을 위한 상기 가압장치(50)의 조작은, 수동으로 하여도 좋고, 도시하지 않은 별도의 제어장치에 의하여 실시하여도 좋다. 별도의 제어장치에 의하여 실시하는 경우에 당해 제어장치는, 상기 가압장치(50)에서 진공 예비가압을 실행시키는 진공 예비가압부와, 당해 가압장치(50)에서 본가압을 실행시키는 본가압부(本加壓部)를 구비한다.
상기 절단제거장치(70)는, 전극체(2∼4) 중에서 전지성능을 저하시키기 쉬운 부분인 외주 단부를 절단하여 제거하고, 그 이외의 부분인 중앙부만을 전고체 2차전지(1)에 사용하도록 하는 것이다. 전극체(2∼4)의 분체 적층체(3)는, 분체재료를 가압함으로써 형성되는 것이기 때문에, 외주 단부에 붕괴 및/또는 단락(短絡) 등이 발생하기 쉽다. 분체 적층체(3)의 외주 단부에 붕괴 및/또는 단락 등이 발생하더라도, 당해 외주 단부가 상기 절단제거장치(70)에 의하여 절단되어 제거되기 때문에, 당해 붕괴 및/또는 단락에 의한 전지성능의 저하가 방지된다. 상기 절단제거장치(70)는, 예를 들면 전극체(2∼4)의 중앙부를 펀칭(punching)하는 방법, 또는 전극체(2∼4)의 외주 단부를 잘라내는 방법(초콜릿 브레이크법(chocolate break法) 등)이 채용된다. 전극체(2∼4)의 중앙부를 펀칭하는 방법을 채용한 절단제거장치(70)는, 도시하지 않지만, 전극체(2∼4)의 외주 단부를 지지하는 다이(die)와, 다이에 외주 단부가 지지된 전극체(2∼4)의 중앙부를 펀칭하는 펀치(punch)를 갖는다. 한편, 전극체(2∼4)의 외주 단부를 잘라내는 방법(구체적으로는, 초콜릿 브레이크법)을 채용한 절단제거장치(70)는, 전극체(2∼4)에 있어서의 잘라내고 싶은 부분의 내측 가장자리를 따라 분할홈(分割groove)을 형성하는 커터 칼날(cutter blade)과, 당해 분할홈이 형성된 전극체(2∼4)의 중앙부를 지지하는 지지판(支持板)과, 이 지지판에 지지된 전극체(2∼4)의 외주 단부를 굽힘 모멘트(bending moment)에 의하여 상기 분할홈을 따라 분할하는 분할기구를 갖는다.
상기 래미네이트 장치(80)는, 외주 단부가 절단되어 제거된 상기 전극체(2∼4)를 1층 그대로 또는 다수 적층하여, 래미네이트 팩(8)에 봉입하는 것이다. 또 다수 적층할 때에는, 필요에 따라 각 층 사이를 전기적으로 접속하는 집전체를 부여한다. 당해 래미네이트 장치(80)는, 고진공의 분위기하에서 전극체(2∼4)를 래미네이트 팩(8)에 봉입하기 위하여 진공펌프(眞空pump)를 가져도 좋다. 상기 전극체(2∼4)가 고진공의 분위기하에서 래미네이트 팩(8)에 봉입되면, 제조된 전고체 2차전지(1)의 전극체(2∼4)가 래미네이트 팩(8)의 내부와 외부의 압력차에 의하여 외부로부터 대기압을 상시(常時) 받기 때문에, 당해 전극체(2∼4)의 분체 적층체(3)에 있어서의 분체 상호간이 조밀한 채로 유지된다.
본 실시형태2에 관한 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)에 있어서의 전술한 혼합장치(10), 반송장치(20), 전해질용 반송기(60), 정전 성막장치(30), 집전체 공급장치(40), 가압장치(50), 절단제거장치(70) 및 래미네이트 장치(80)는, 모두 건식이고, 예를 들면 건조한 실내에 배치된다.
다음에, 이 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)의 사용방법, 바꾸어 말하면, 이 제조설비(100)를 사용한 상기 전고체 2차전지(1)의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 정극 활물질의 분체재료(제1분체재료(A)) 및 황화물 고체 전해질의 분체재료(제2분체재료(S))가 혼합장치(10)에 의하여 혼합된다. 이 혼합된 분체재료(AS)가, 정극용 반송기(25)에 의하여 정극용 정전 성막기(35)로 반송된다. 병행하여, 황화물계 고체 전해질의 분체재료(제2분체재료(S))가, 전해질용 반송기(60)에 의하여 전해질용 정전 성막기(36)로 반송된다. 한편, 부극 활물질의 분체재료(제1분체재료(A)) 및 황화물계 고체 전해질의 분체재료(제2분체재료(S))가 혼합장치(10)에 의하여 혼합된다. 이 혼합된 분체재료(AS)가, 부극용 반송기(27)에 의하여 부극용 정전 성막기(37)로 반송된다.
집전체 공급장치(40)로부터 공급된 정극 집전체(2) 상에, 정극층(5)이 정극용 정전 성막기(35)에 의하여 형성된다. 이 정극층(5) 상에, 전해질용 정전 성막기(36)에 의하여 고체 전해질층(6)이 형성된다. 이 고체 전해질층(6) 상에, 부극용 정전 성막기(37)에 의하여 부극층(7)이 형성됨으로써, 분체 적층체(3)가 형성된다.
집전체 공급장치(40)로부터 공급된 부극 집전체(4)를, 분체 적층체(3)의 부극층(7)에 가압장치(50)에 의하여 재치(載置)함으로써, 전극체(2∼4)가 형성된다. 그리고 이 가압장치(50)에 의하여, 전극체(2∼4)에 대한 본가압 또는 당해 본가압 전에 진공 예비가압도 실시된다. 즉 가압장치(50)는, 전극체(2∼4)에 본가압을 실시하는 본가압공정, 또는 진공 예비가압공정 및 본가압공정을 제공한다.
전지성능을 저하시키기 쉬운 부분인 전극체(2∼4)의 외주 단부가, 절단제거장치(70)에 의하여 절단되어 제거된다. 즉 절단제거장치(70)는, 전극체(2∼4)의 외주 단부를 절단하여 제거하는 절단제거공정을 제공한다.
래미네이트 장치(80)에 의하여, 외주 단부가 절단되어 제거된 상기 전극체(2∼4)가 1층 그대로 또는 다수 적층되어, 고진공의 분위기하에서 래미네이트 팩(8)에 봉입된다. 또 다수 적층할 때에는, 필요에 따라 각 층 사이를 전기적으로 접속하는 집전체를 부여한다. 즉 래미네이트 장치(80)는, 전극체(2∼4)를 고진공의 분위기하에서 래미네이트 팩(8)에 봉입하는 래미네이트 공정을 제공한다.
이와 같이 본 실시형태2에 관한 전고체 2차전지(1)의 제조설비(100)에 의하면, 상기 실시형태1에서 설명한 효과에 더하여, 가압장치(50)에 의한 본가압에 의하여 분체 적층체(3)의 분체 상호간이 조밀하게 됨으로써, 전지성능을 한층 더 향상시킬 수 있다. 특히, 본가압 전에 진공 예비가압이 실시됨으로써, 분체 적층체(3)가 붕괴되기 어렵게 되기 때문에, 전지성능을 보다 한층 더 향상시킬 수 있다.
또한 전극체(2∼4)의 전지성능을 저하시키기 쉬운 외주 단부가, 절단제거장치(70)에 의하여 절단되어 제거됨으로써, 전극체(2∼4)의 전지성능이 높은 중앙부를 전고체 2차전지에 사용하기 때문에, 전지성능을 보다 한층 더 향상시킬 수 있다.
또한 래미네이트 장치(80)에 의하여 전극체(2∼4)가 외부로부터 대기압을 상시 받기 때문에, 당해 전극체(2∼4)의 분체 적층체(3)에 있어서의 분체 상호간이 조밀한 채로 유지됨으로써, 전지성능을 보다 한층 더 향상시킬 수 있다.
그런데 상기 실시형태1 및 2에서는, 정극층(5)이 먼저 형성되고, 부극층(7)이 후에 형성되는 것으로서 설명하였지만, 부극층(7)이 먼저 형성되고, 정극층(5)이 후에 형성되어도 좋다. 즉 도1 및 도3에 있어서, 정극층(5), 정극용 반송기(25) 및 정극용 정전 성막기(35)와, 부극층(7), 부극용 반송기(27) 및 부극용 정전 성막기(37)를 교체한 구성이어도 좋다.
또한 상기 실시형태1에서는, 도1에 의거하여 전고체 2차전지(1)의 구성에 대하여 설명하였지만, 도1에 나타내는 구성에 한정되지 않고, 적어도 분체 적층체(3)를 갖고 있으면 좋다.
또한 상기 실시형태2에서는 설명하지 않았지만, 상기 제조설비(100)가, 전극체(2∼4)에 대하여 가압하면서 충방전(이하, 가압 충방전이라고 부른다)을 하는 가압 충방전장치(加壓 充放電裝置)를 구비하여도 좋다. 전극체(2∼4)(또는 이들 전극체(2∼4)의 적층체)가 가압 충방전됨으로써, 전극체(2∼4)의 분체 적층체(3)가 정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)로 가압된 채 팽창 및 수축되기 때문에, 이들 정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)의 조화된 면에 분체 적층체(3)가 충분히 부착되고, 결과로서 무가압상태(無加壓狀態)에서의 전지성능을 보다 한층 더 향상시킬 수 있다.
게다가, 상기 실시형태1 및 2에서는, 정전 성막장치(30) 및 분체 적층체 형성공정의 구체적인 구성을 설명하지 않았지만, 예를 들면 다음과 같은 구성이어도 좋다.
우선, 균일한 두께의 분체막을 형성할 수 있는 정전 성막장치(30)의 구체예1에 대하여 도4에 의거하여 설명한다.
[정전 성막장치(30)의 구체예1]
도4에 나타내는 바와 같이 이 정전 성막장치(30)는, 분체막을 형성하는 대상(O)과 비접촉이고 전기적으로 중립(中立)인 스크린판(screen版)(31)과, 마이너스(－)(또는 플러스(＋))로 대전(帶電)된 분체재료(AS)를 당해 스크린판(31)에 문질러 상기 대상(O)으로 떨어뜨리는 밀대(32)와, 상기 대상(O)을 재치하는 대좌(臺座)(33)와, 이 대좌(33)를 정으로 대전시키는 직류전원(34)을 갖는다.
상기 스크린판(31)은, 분체재료(AS)가 밀대(32)에 의하여 문질러지는 메시부(mesh部)(38)를 갖는다. 이 메시부(38)의 재질로는, 폴리에스테르, 나일론, 스테인리스, 폴리에틸렌 등을 채용하여도 좋고, 사용하는 분체재료(AS)에 따라 다른 재질을 채용하여도 좋다. 또 스크린판(31)에 재치되는 분체재료(AS)가 부로 대전되는 경우에 당해 스크린판(31)은, 당해 분체재료(AS)가 밀대(32)의 문지름에 의한 마찰에 의하여 정으로 대전되지 않도록, 대전열(帶電列)이 정측에 있는 재질(나일론 또는 레이온 등) 또는 금속을 채용하는 것이 바람직하다. 한편, 스크린판(31)에 재치되는 분체재료(AS)가 정으로 대전되는 경우에 당해 스크린판(31)은, 당해 분체재료(AS)가 밀대(32)의 문지름에 의한 마찰에 의하여 부로 대전되지 않도록, 대전열이 부측에 있는 재질(폴리에틸렌 또는 폴리에스테르 등) 또는 금속을 채용하는 것이 바람직하다.
상기 밀대(32)는, 스퀴지(squeegee) 또는 스펀지 등이다. 이러한 밀대(32)를 대신하여, 기체의 주입에 의하여 분체재료(AS)를 스크린판(31)으로부터 상기 대상(O)으로 떨어뜨리는 에어노즐(air nozzle)을 사용하여도 좋다.
스크린판(31)에 재치되는 분체재료(AS)의 부(또는 정)로의 대전에는, 도시하지 않지만, 전압을 부가한 부극판(負極板)(또는 정극판(正極板))에 당해 분체재료(AS)를 접촉시킨다. 이 접촉을 시킬 때에 부극판(또는 정극판)을 진동시킴으로써, 당해 분체재료(AS)를 구성하는 개개의 분체에까지 대전시킨다. 이와 같은 부극판(또는 정극판)을 접촉시키면서 진동시키는 방법 이외에, 마찰 또는 코로나 방전(corona 放電)에 의하여 상기 분체재료(AS)를 대전시켜도 좋다. 이에 따라, 상기 스크린판(31)에 재치되는 분체재료(AS)는, 스크린판(31)에 재치되기 전에 부(또는 정)로 대전되기 때문에, 스크린판(31)을 통하여 부로 대전되는 경우에 비하여 확실하게 부(또는 정)로 대전된다.
도4에 나타내는 바와 같이 스크린판(31)에 재치되는 분체재료(AS)가 부로 대전되는 경우에, 상기 대좌(33)는 정으로 대전되도록 직류전원(34)의 정극에 접속된다. 한편, 도시하지 않지만, 스크린판(31)에 재치되는 분체재료(AS)가 정으로 대전되는 경우에, 상기 대좌(33)는 부로 대전되도록 직류전원(34)의 부극에 접속된다.
이와 같이 정전 성막장치(30)의 구체예1에 의하면, 스크린판(31)에 재치되는 분체재료(AS)가 확실하게 부(또는 정)로 대전되기 때문에, 대좌(33)를 통하여 정(또는 부)으로 대전된 상기 대상(O)에 균일하게 스크린판(31)으로부터 낙하함으로써, 균일한 두께의 분체막을 형성할 수 있다.
상기 정전 성막장치(30)에 의하여 균일한 두께의 분체막이 형성되는 것을 검증하는 실험예1∼3 및 비교예는, 다음과 같다.
실험예1에서는, 도4에 나타내는 정전 성막장치(30)를 사용하였다. 이 정전 성막장치(30)의 스크린판(31)으로서, 메시부(38)(개구부(開口部))는 형상이 정사각형, 메시 수가 300/inch, 선지름이 30μm, 오프닝(opening)이 55μm인 것을 사용하였다. 스크린판(31)에 재치되는 분체재료로서, 실험용으로 17종의 중질 탄산칼슘을 사용하였다. 이 분체재료에 대한 부의 대전에는, ―200∼―100V 정도의 전압을 인가한 정극판을 진동시키면서 당해 분체재료를 접촉시켰다.
실험예2에서는, 실험예1에서의 대전의 극성을 반대로 하였다. 즉 분체재료를 정으로 대전시키고, 대좌(33)를 부로 대전시켰다. 이 이외에는, 실험예2는 실험예1과 동일하다.
실험예3에서는, 실험예1의 밀대(32) 대신에 에어노즐을 사용하였다. 이 이외에는, 실험예3은 실험예1과 동일하다.
비교예에서는, 도4에 나타내는 바와 같은 스크린판(31)에 재치하기 전에 분체재료를 대전시키지 않고, 부로 대전시킨 스크린판(31)에 당해 분체재료를 밀대(32)로 문지름으로써, 상기 대상(O)에 분체막을 형성하였다.
이렇게 하여 형성된 분체막의 두께에 관한 데이터는 다음의 표1과 같다. 또 표1은, 실험예1∼3 및 비교예 모두, 형성되는 분체막의 두께가 100μm가 되는 것을 목표로 한 후의 결과이다.
Figure pct00001
표1로부터 분명한 바와 같이 실험예1∼3에서는, 비교예에 비하여 균일한 두께의 분체막을 형성할 수 있었다.
다음에, 분체막에 있어서의 임의의 장소에서 원하는 두께로 할 수 있는 정전 성막장치(30)의 구체예2에 대하여 도5에 의거하여 설명한다.
[정전 성막장치(30)의 구체예2]
이 정전 성막장치(30)는, 도5에 나타내는 스크린판(31)과, 그 밖에 정전 성막에 필요한 공지의 구성을 갖는다. 물론, 이 공지의 구성 이외에도, 도4에 나타내는 구성이어도 좋다. 도5에 나타내는 상기 스크린판(31)은, 장소에 따라 애퍼처(aperture) 및/또는 개구율이 다른 메시부(38)(개구부)를 갖는다. 이 메시부(38)는, 사각형에 한정되지 않고, 다른 다각형 또는 원형으로 하여도 좋다. 상기 스크린판(31)은, 분체막을 형성하는 대상(O)에 대하여, 평행하게 배치되는 것에 한정되지 않고, 경사(10∼40°)져서 배치되어도 좋다. 상기 메시부(38)는, 도5에 나타내는 예에서라면, 외주의 장소(이하, 제1메시부(38A))에서 애퍼처 및 개구율이 크고, 이 제1메시부(38A)로 둘러싸인 장소(이하, 제2메시부(38B))에서 애퍼처 및 개구율이 작다. 이러한 메시부(38)를 갖는 스크린판(31)을 사용함으로써, 형성되는 분체막은, 애퍼처 및 개구율이 큰 제1메시부(38A)에 상당하는 장소에서 두껍고, 애퍼처 및 개구율이 작은 제2메시부(38B)에 상당하는 장소에서 얇아지게 된다.
실험예4로서, 상기 비교예에서의 구성에서 스크린판(31)만 도5에 나타내는 것을 사용하였다. 이 스크린판(31)은, 제1메시부(38A)에 있어서 애퍼처가 104μm, 개구율이 61.1%, 메시 수가 190/inch, 선지름이 29μm이고, 제2메시부(38B)에 있어서 애퍼처가 55μm, 개구율이 42.9%, 메시 수가 302/inch, 선지름이 29μm이다. 상기 스크린판(31)은 대상(O)으로부터 10mm의 거리에 평행하게 배치되고, 인가되는 전압은 5kV로 하였다. 이 전압을 인가한 상태에서 밀대(32)로 분체재료를 스크린판(31)으로부터 상기 대상(O)으로 떨어뜨림으로써 분체막을 형성하였다. 이 분체막의 두께는, 제1메시부(38A)에 상당하는 장소에서 600∼700μm이고, 제2메시부(38B)에 상당하는 장소에서 300∼400μm이었다.
이와 같이 장소에 따라 애퍼처 및/또는 개구율이 다른 메시부(38)를 갖는 스크린판(31)의 사용에 의하여, 분체막에 있어서의 임의의 장소에서 원하는 두께로 할 수 있다.
다음에, 분체막에 있어서의 임의의 장소에서 원하는 두께로 할 수 있는 분체 적층체 형성공정의 구체예에 대하여 도10∼도12에 의거하여 설명한다.
[분체 적층체 형성공정의 구체예]
이 분체 적층체 형성공정에서 형성되는 분체 적층체(3)는, 정극층(5)과 고체 전해질층(6)의 경계 및/또는 부극층(7)과 고체 전해질층(6)의 경계가, 도1에 나타내는 바와 같은 평탄한 것이 아니라, 예를 들면 도10∼도12에 나타내는 바와 같은 굴곡을 갖는 것으로 하여도 좋다. 단, 분체 적층체(3) 전체로서는 평탄하게 되도록 적층하는 것이 바람직하다. 또한 분체 적층체(3)의 단부(端部)에 있어서, 고체 전해질층(6)의 두께가 두꺼워지도록 하여 둔다. 이에 따라 분체 적층체(3)의 단부가 붕괴된 경우에도, 단부에서의 단락(短絡)이 발생하기 어렵게 된다. 또 상기 분체 적층체(3)는, 정극층(5) 및 부극층(7)의 외면(外面)(정극 집전체(2) 및 부극 집전체(4)에 접하는 면)이, 도10∼도12(부극 집전체(4)를 도시 생략)에 나타내는 바와 같이 평탄하다. 상기 굴곡은, 단파장(短波長)의 거칠기 성분이 아니라, 장파장(長波長)의 굴곡 성분에 의한 것이고, 거칠기 성분과 굴곡 성분을 구분하는 컷오프값(cut-off value)이 0.08∼2.50mm인 것이 바람직하다. 또한 상기 굴곡은, 정극층(5), 고체 전해질층(6) 및 부극층(7)의 각각이
(최대두께―최소두께)/평균두께 = 0.1∼2.0
을 충족하는 것이 바람직하다.
상기 분체 적층체(3)는, 그 단부에서, 도10∼도12에 나타내는 바와 같이 정극층(5) 및 부극층(7)의 두께가 얇고, 고체 전해질층(6)의 두께가 두꺼운 것이 바람직하다. 특히, 분체 적층체(3)가 평면에서 볼 때에 다각형 모양인 경우에 각각의 모서리에서, 정극층(5) 및 부극층(7)의 두께에 대하여 고체 전해질층(6)의 두께를 현저하게 두껍게 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 정극층(5)과 부극층(7)의 단부에 있어서의 단락이 일어나기 어렵게 된다. 즉 방지된다. 또한 상기 분체 적층체(3)는, 어느 장소에 있어서도, 도10∼도12에 나타내는 바와 같이 정극층(5)의 두께보다 부극층(7)의 두께가 두꺼운 것이 바람직하다. 특히, 정극층(5)의 두께에 대하여 부극층(7)의 두께를 1.05∼2.00의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 부극층(7)에 있어서의 Li의 석출 및 정극층(5)을 향한 성장이 저해되는 것에 의한 단락이 방지됨과 아울러, 전고체 2차전지(1)의 사이클 특성이 양호하게 된다.
상기 분체 적층체 형성공정은, 상기 굴곡을 갖는 분체 적층체(3)를 형성하는 방법이면, 어떤 방법이어도 좋다. 예를 들면 전술한 정전 성막장치(30)의 구체예2로서 설명한 것과 같이, 장소에 따라 애퍼처 및/또는 개구율이 다른 메시부(38)(개구부)를 사용함으로써, 굴곡을 갖는 분체 적층체(3)를 형성하는 방법 등이어도 좋다.
상기 분체 적층체 형성공정에서는, 정극층(5), 고체 전해질층(6) 및 부극층(7)이 형성될 때마다 각 층을 가압하여도 좋다. 이 경우에, 각 층의 굴곡을 어느 정도 남기면서, 또한 각 층이 전체적으로 가압되도록, 가압을 위한 가압장치(50)의 가압체에는, 바람직하게는 탄성을 갖는 재료가 채용된다.
또 도시하지 않지만, 분체 적층체(3)에 있어서, 단부에 접근할수록 고체 전해질층(6)의 두께가 두꺼워지게 됨과 아울러 정극층(5) 및 부극층(7)의 두께가 얇아지게 되어, 최단부(最端部)에 있어서는 고체 전해질층(6)만으로 하여도 좋다. 분체 적층체(3) 전체로서는 평탄하게 되도록 적층하는 것이 바람직하다.
다음에, 전극체(2∼4)의 외주 단부를 절단하여 제거하는 절단제거장치(70)의 구체예1∼4에 대하여 도6∼도9에 의거하여 설명한다.
[절단제거장치(70)의 구체예1]
도6에 나타내는 바와 같이 이 절단제거장치(70)는, 전술한 전극체(2∼4)(적어도 분체 적층체(3))의 중앙부를 펀칭하는 방법을 사용하기 위한 장치이고, 또한 펀칭에 의하여 전극체(2∼4)의 중앙부에 있어서의 측면(3s)을 경사지게 하는 장치이다. 구체적으로 설명하면, 상기 절단제거장치(70)는, 전극체(2∼4)의 외주 단부를 지지하는 경사측면 형성용 다이(71s)와, 이 경사측면 형성용 다이(71s)에 외주 단부가 지지된 전극체(2∼4)의 중앙부를 펀칭하는 경사측면 형성용 펀치(75s)를 갖는다.
상기 경사측면 형성용 다이(71s)는, 상기 전극체(2∼4)가 재치되는 대좌면(臺座面)(72)과, 상기 경사측면 형성용 펀치(75s)가 통과하는 공간부(73)를 갖는다. 또한 상기 경사측면 형성용 다이(71s)는, 상기 대좌면(72)에 재치된 전극체(2∼4)를 상측으로부터 누를 필요가 없다. 왜냐하면, 전극체(2∼4)의 주요한 구성인 분체 적층체(3)는, 1매의 분체막 또는 적층된 복수 매의 분체막으로 구성되는 취성재료(脆性材料)로서, 펀칭될 때 크게 변형되기 전에 갈라지기 때문이다. 이 때문에, 상기 경사측면 형성용 다이(71s)는, 전극체(2∼4)를 누르기 위한 프레싱판(pressing板)을 사용하지 않기 때문에, 펀칭되는 전극체(2∼4)의 변형이 허용되도록 당해 전극체(2∼4)를 지지하는 것이라고 말할 수 있다. 또한 상기 경사측면 형성용 다이(71s)는, 상기 프레싱판을 사용하여도 좋지만, 사용되는 프레싱판은, 펀칭에 의한 전극체(2∼4)의 변형이 허용되는 정도의 힘으로 당해 전극체(2∼4)를 지지한다.
상기 경사측면 형성용 펀치(75s)는, 선단(先端)(76)으로부터 내주면(77I)에 걸치는 칼날(blade)(78)을 갖는다. 이 칼날(78)은, 전극체(2∼4)를 펀칭에 의하여 절단하는 것이다. 상기 칼날(78)은, 전극체(2∼4)의 절단된 면인 측면(3s)을 경사지게 하기 위하여 선단(76)이 예리함과 아울러 상기 내주면(77I)에 접근할수록 두껍게 되어 있다. 상기 칼날(78)은, 선단(76)으로부터 내주면(77I)에 걸치는 내측 칼날(78)에 한정되지 않고, 선단(76)으로부터 내주면(77I) 및 외주면(77O)의 양방에 걸치는 양측 칼날이어도 좋다. 또한 상기 경사측면 형성용 다이(71s) 및 경사측면 형성용 펀치(75s)를 사용하는 방식이 아니라, 톰슨 칼날(Thomson blade)을 사용하는 톰슨 방식이어도 좋다.
이하, 상기 절단제거장치(70)의 사용방법에 대하여 설명한다.
우선, 상기 경사측면 형성용 다이(71s)에, 그 공간부(73)를 덮도록 전극체(2∼4)가 재치(지지의 일례)된다. 다음에, 상기 경사측면 형성용 펀치(75s)가 소정의 속도(V)로 내려가서 상기 공간부(73)를 통과함으로써, 전극체(2∼4)가 경사측면 형성용 펀치(75s)에 의하여 펀칭된다. 이 펀칭에 의하여, 전극체(2∼4)의 측면(3s)이 경사지도록 절단된다.
측면(3s)이 경사진 전극체(2∼4)는, 부극층(7)과 고체 전해질층(6)의 계면(界面)의 면적이, 정극층(5)과 고체 전해질층(6)의 계면의 면적보다 커지게 된다.
여기에서, 이와 같은 형상의 전극체(2∼4)로 하는 이유에 대하여 설명한다.
리튬이온 2차전지 등과 같이 리튬이온을 이용하는 전지에서는, 부극층과 대향(對向)하지 않는 잉여의 정극층이 있는 경우에, 잉여의 정극층 근방에 위치하는 부극층의 단부로부터 부유(浮遊) 상태의 금속리튬이 석출되고, 이에 따라 단락이 발생하기 쉬워지게 된다. 이 때문에, 리튬이온을 이용하는 전지에서는, 일반적으로 정극층보다 부극층의 면적이 커지게 되도록 구성된다.
그러나 이 구성에서는, 부극층에 있어서 정극층과 포개지지 않는 부분은 낭비가 된다. 또한 정극층의 면적보다 부극층의 면적이 크더라도, 정극층의 위치가 어긋나서 당해 정극층에 부극층과 대향하지 않는 부분이 생기면, 단락이 발생하기 쉬워지게 된다. 이 때문에, 정극층의 배치(얼라인먼트(alignment))의 오차까지 고려하여 부극층의 면적이 결정된다. 이것은, 부극층을 쓸데없이 크게 하는 것이 되고, 나아가서는 전지 사이즈의 대형화로 이어진다는 문제가 있다.
이에 대하여, 도6에 나타내는 바와 같이, 측면(3s)이 경사지고 또한 부극층(7)과 고체 전해질층(6)의 계면의 면적이 정극층(5)과 고체 전해질층(6)의 계면의 면적보다 큰 전극체(2∼4)에서는, 이러한 문제가 생기지 않는다. 또한 상기 전극체(2∼4)는 측면(3s)이 경사져 있기 때문에, 종래의 전고체 2차전지에서 일어날 수 있는, 정극층(5) 및 부극층(7)의 돌출된 부분이 붕괴되는 것에 의한 단락을 방지할 수 있다.
전극체(2∼4)의 경사진 측면(3s)은, 연속적으로 경사져 있으면 좋기 때문에, 평탄면에 한정되지 않고, 예를 들면 볼록면 또는 오목면으로서 만곡(彎曲)된 면 등의 곡면(曲面)이어도 좋다. 특히, 전극체(2∼4)의 경사진 측면(3s)이 만곡된 볼록면이면, 당해 전극체(2∼4)는 단부에서 붕괴되기 어렵게 된다. 또한 전극체(2∼4)는, 평면에서 볼 때 다각형과 같이 다수의 측면을 갖는 경우에, 경사진 측면(3s)의 수는 몇 개이어도 좋다.
상기 절단제거장치(70)는, 부극층(7)과 고체 전해질층(6)의 계면의 면적이 정극층(5)과 고체 전해질층(6)의 계면의 면적보다 커지게 되도록 절단하는 것으로서 설명하였지만, 정극층(5)과 고체 전해질층(6)의 계면의 면적이 부극층(7)과 고체 전해질층(6)의 계면의 면적보다 커지게 되도록 절단하는 것이어도 좋다.
[절단제거장치(70)의 구체예2]
이 절단제거장치(70)는, 형성되는 전극체(2∼4)의 형상은 전술한 구체예1과 동일하지만, 펀칭이 아니라 초콜릿 브레이크법을 채용하는 것이다.
상기 절단제거장치(70)는, 도7에 나타내는 바와 같이 전극체(2∼4)를 상하로부터 누르는 프레싱판(79)과, 이 전극체(2∼4)의 외주 단부를 파단(破斷)(절단의 일례)하기 위한 분할홈(3g)을 형성하는 분할홈 형성기구(도시를 생략함)와, 분할홈(3g)이 형성된 전극체(2∼4)의 단부에 하중(F)을 부하하는 하중부하부(荷重負荷部)(도시를 생략함)를 갖는다.
상기 프레싱판(79)은, 파단에 의한 전극체(2∼4)의 변형이 허용되는 정도의 힘으로 당해 전극체(2∼4)를 지지하는 것이다.
상기 분할홈 형성기구는, 전극체(2∼4)의 단부에 하중(F)이 부하되었을 때에, 파단의 기점(起點)이 되는 슬릿(slit)으로서의 분할홈(3g)을 형성하는 것이다. 이 때문에 상기 분할홈(3g)은, 파단에 의하여 형성되는 전극체(2∼4)의 측면(3s)이 경사지는 것과 같은 형상이 된다. 또한 상기 분할홈(3g)은, 정극 집전체(2)측에 형성되어도 좋고, 부극 집전체(4)측에 형성되어도 좋다. 상기 분할홈 형성기구는, 분할홈(3g)을 형성하는 것이라면 한정되지 않지만, 예를 들면 커터 칼날(cutter blade), 로터리 칼날(rotary blade)(롤러(roller)에 칼날이 형성된 것), 또는 분할홈(3g)의 형상에 맞는 볼록부를 갖는 가압틀 등이다.
상기 하중부하부는, 분할홈(3g)에 굽힘 모멘트 및/또는 전단응력(剪斷應力)을 발생시킴으로써, 당해 분할홈(3g)으로부터 파단이 개시되는 정도의 하중(F)을 부하(負荷)하는 것이다.
이하, 상기 절단제거장치(70)의 사용방법에 대하여 설명한다.
우선, 전극체(2∼4)를 상하로부터 프레싱판(79)으로 누른다. 다음에, 상기 전극체(2∼4)의 외주 단부를 파단(절단의 일례)하기 위한 분할홈(3g)을, 분할홈 형성기구에 의하여 형성한다. 그 후에, 분할홈(3g)이 형성된 전극체(2∼4)의 단부에 하중부하부로 하중을 부하함으로써, 전극체(2∼4)의 측면(3s)이 경사지도록 분할홈(3g)으로부터 외주 단부가 파단된다.
분할홈 형성기구에 의한 분할홈(3g)의 형성은, 전술한 순서 이외에, 예를 들면 다음 2개의 패턴의 순서가 있다. 제1패턴은, 분체 적층체(3)를 형성하기 전에, 미리 정극 집전체(2) 또는 부극 집전체(4)에 분할홈(3g)을 형성하는 순서이다. 제2패턴은, 분체 적층체(3)(또는 전극체(2∼4))를 형성한 후에, 당해 분체 적층체(3)(또는 전극체(2∼4))를 프레싱판(79)으로 누르지 않고, 당해 분체 적층체(3)(또는 전극체(2∼4))에 분할홈(3g)을 형성하는 순서이다.
[절단제거장치(70)의 구체예3]
도8에 나타내는 바와 같이 이 절단제거장치(70)는, 전술한 전극체(2∼4)(적어도 분체 적층체(3))의 중앙부를 펀칭하는 방법을 사용하기 위한 장치이지만, 반드시 펀칭에 의하여 전극체(2∼4)의 중앙부에 있어서의 측면(3s)을 경사지게 하는 장치는 아니다. 상기 절단제거장치(70)는, 펀칭에 의하여 형성되는 상기 측면(3s)의 거칠함도 방지하는 장치이다. 구체적으로 설명하면, 상기 절단제거장치(70)는, 전극체(2∼4)의 외주 단부를 지지하는 다이(71)와, 이 다이(71)에 외주 단부가 지지된 전극체(2∼4)의 중앙부를 펀칭하는 펀치(75)를 갖는다.
상기 다이(71)는, 상기 전극체(2∼4)가 재치되는 대좌면(72)과, 상기 펀치(75)가 통과하는 공간부(73)를 갖는다. 또한 상기 다이(71)는, 상기 공간부(73)에 면(面)하는 내주벽(內周壁)(74)을 갖는다. 이 내주벽(74)의 상단(上端)에는, 상기 펀치(75)에 의한 펀칭에 의하여 전극체(2∼4)의 외주 단부를 절단하는 칼날(74a)이 형성되어 있다. 상기 내주벽(74)은, 소정 높이(74h) 이상에서는 연직이지만, 소정 높이(74h) 미만에서는 하방으로 갈수록 공간부(73)를 넓히는 방향으로 각도(θ1)로 경사져 있다. 이 소정 높이(74h) 미만의 내주벽(74)이 대피면(待避面)(74e)이다. 펀치(75)에 의하여 펀칭되어 전극체(2∼4)에 형성되는 측면(3s)의 거칠함이 이 대피면(74e)에 의하여 방지된다. 상기 대피면(74e)은, 다이(71)의 수명을 연장시키기 위해서도, 내주벽(74)에 있어서의 중간부보다 하측에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 펀치(75)는, 펀칭하기 위한 추력(推力)을 저감시키기 위하여 전단각(shear angle)을 갖는 것이 바람직하다. 이 전단각은, 각도에 의하여 펀칭의 정밀도도 향상시킨다. 상기 전단각은, 상기 펀치(75)가 가져도 좋고, 상기 다이(71)가 가져도 좋고, 상기 펀치(75) 및 다이(71)의 양방이 가져도 좋다. 또한 상기 펀치(75)는, 상기 다이(71)의 내주벽(74)과의 클리어런스(clearance)(C)가 수∼수십μm 정도로 설정된다. 또한 상기 펀치(75)는, 펀칭속도(V)가 100mm/sec 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 펀칭속도(V)가 낮으면, 취약한 재료인 전극체(2∼4)의 펀칭에 의한 당해 전극체(2∼4)에 대한 충격이 작기 때문에, 펀칭에 의한 전극체(2∼4)의 붕괴가 방지되기 때문이다. 이 때문에 상기 펀칭속도는, 50mm/sec 이하가 한층 더 바람직하고, 25mm/sec 이하가 보다 한층 더 바람직하다. 상기 펀치(75) 및 다이(71)는(상기 경사측면 형성용 펀치(75s) 및 경사측면 형성용 다이(71s)도), 전극체(2∼4)의 펀칭에 의하여 단락이 일어나지 않도록, 적어도 전극체(2∼4)에 닿는 부분을 절연재(絶緣材)로 코팅(coating)하여 두는 것이 바람직하다.
이하, 상기 절단제거장치(70)의 사용방법에 대하여 설명한다.
우선, 상기 다이(71)에, 그 공간부(73)를 덮도록 전극체(2∼4)가 재치된다. 다음에, 상기 펀치(75)가 소정의 속도(V)로 내려가서 상기 공간부(73)를 통과함으로써, 전극체(2∼4)가 펀치(75)로 펀칭된다. 이 펀칭에 의하여 전극체(2∼4)의 외주 단부가 칼날(74a)에 의하여 절단되어, 당해 전극체(2∼4)의 중앙부가 공간부(73)로 하강한다. 이때에 전극체(2∼4)에 형성되는 측면(3s)의 거칠함이, 대피면(74e)에 의하여 방지된다.
그런데 전술한 절단제거장치(70)의 구체예1∼3은 모두, 전극체(2∼4)가 절단되는 위치로부터 내측의 강성(剛性)이 당해 위치로부터 외측의 강성보다 높은 상태에서, 절단하는 것이 바람직하다. 즉 상기 절단제거장치(70)의 구체예1∼3은 모두, 전극체(2∼4)의 중앙부의 강성이 절단되는 외주 단부의 강성보다 높은 상태에서, 당해 전극체(2∼4)를 절단하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 절단에 의한 변형이 강성이 낮은 외주 단부에 의하여 흡수되므로, 제품이 되는 중앙부에 대한 손상이나 불량이 방지되기 때문이다.
전극체(2∼4)와 같은 취성재료의 펀칭을 고정밀도로 하기 위해서는, 한 번의 펀칭에 의하여 전극체(2∼4)로부터 원하는 사이즈의 중앙부에서 얻는 것이 아니라, 전극체(2∼4)를 원하는 사이즈보다 약간 큰 범위에서 펀칭한 후에, 원하는 사이즈보다 약간 큰 범위의 전극체(2∼4)를 원하는 사이즈로 펀칭하는 것이 바람직하다. 이러한 복수 회의 펀칭은, 특히 외주 단부에 강성이 높은 부분이 있는 경우에, 우선 강성이 높은 부분을 펀칭에 의하여 제거함으로써, 다음에 펀칭할 범위의 강성이 외측의 강성보다 높은 상태로 할 수 있다.
[절단제거장치(70)의 구체예4]
도9에 나타내는 바와 같이 이 절단제거장치(70)는, 구체예3으로서 설명한 절단제거장치(70)와, 다이(71)의 내주벽(74)만이 다른 장치이다. 절단제거장치(70)의 구체예3은, 펀치(75)의 1회의 하강에 의하여 전극체(2∼4)를 1회 펀칭하는 것임에 대하여, 절단제거장치(70)의 구체예4는, 그 다이(71)의 내주벽(74)에 내경이 다른 복수의 칼날(74a)을 가짐으로써, 펀치(75)의 1회의 하강에 의하여 전극체(2∼4)를 복수 회 펀칭하는 것이다. 구체적으로 설명하면, 상기 절단제거장치(70)에 있어서의 다이(71)는, 도9에 나타내는 바와 같이 내주벽(74)의 상단(上端)에 형성된 상단 칼날(上段 blade)(74a)과, 이 상단 칼날(74a)보다 하방이며 내측에 형성된 중단 칼날(中段 blade)(74b)과, 이 중단 칼날(74b)보다 하방이며 내측에 형성된 하단 칼날(下段 blade)(74c)을 갖는다. 상기 내주벽(74)은, 상단 칼날(74a)에서부터 중단 칼날(74b)까지에 있어서, 하방으로 갈수록 공간부(73)를 넓히는 방향으로 약간 경사짐과 아울러, 중단 칼날(74b)의 높이에서 수평으로 되어 있다. 또한 상기 내주벽(74)은, 중단 칼날(74b)에서부터 하단 칼날(74c)까지에 있어서, 하방으로 갈수록 공간부(73)를 넓히는 방향으로 약간 경사짐과 아울러, 하단 칼날(74c)의 높이에서 수평으로 되어 있다. 상기 상단 칼날(74a), 중단 칼날(74b) 및 하단 칼날(74c)은, 필요에 따라 닮은꼴로 되어 있다. 하단 칼날(74c)은, 제품의 외형을 결정하기 때문에 제품의 원하는 외형에 따른 모양으로 되어 있는 것에 대하여, 상단 칼날(74a) 및 중단 칼날(74b)은, 그러한 모양으로 할 필요는 없다. 상기 내주벽(74)은, 하단 칼날(74c)에서부터 소정 높이(74h)까지는 연직이지만, 소정 높이(74h) 미만에서는, 하방으로 갈수록 공간부(73)를 넓히는 방향으로 각도(θ2)로 경사져 있다. 이 소정 높이(74h) 미만의 내주벽(74)이 대피면(74e)이다. 펀치(75)에 의하여 펀칭되어 전극체(2∼4)에 형성되는 측면(3s)의 거칠함이, 이 대피면(74e)에 의하여 방지된다.
이하, 상기 절단제거장치(70)의 사용방법에 대하여 설명한다.
우선, 상기 다이(71)에, 그 공간부(73)를 덮도록 전극체(2∼4)가 재치된다. 다음에, 상기 펀치(75)가 1회 내려가서 상기 공간부(73)를 통과함으로써, 전극체(2∼4)가 경사측면 형성용 펀치(75s)로 3회 펀칭된다. 구체적으로 설명하면, 상기 펀치(75)가 상단 칼날(74a)을 통과하여 하강함으로써, 전극체(2∼4)가 원하는 사이즈보다 2단계 큰 사이즈로 펀칭된다. 그리고 펀치(75)가 그대로 중단 칼날(74b)을 통과하여 하강함으로써, 원하는 사이즈보다 2단계 큰 사이즈의 전극체(2∼4)가 원하는 사이즈보다 1단계 큰 사이즈로 펀칭된다. 또한 펀치(75)가 그대로 하단 칼날(74c)을 통과하여 하강함으로써, 원하는 사이즈보다 1단계 큰 사이즈의 전극체(2∼4)가 원하는 사이즈로 펀칭된다. 원하는 사이즈의 전극체(2∼4)는, 하단 칼날(74c)보다 하방의 공간부(73)로 하강하지만, 형성되는 측면(3s)의 거칠함이 대피면(74e)에 의하여 방지된다.
그런데 절단제거장치(70)는, 전술한 구체예1∼4에 한정되지 않고, 전극체(2∼4)(적어도 분체 적층체(3))의 외주 단부를 절단하여 제거하는 것이면 좋다. 전극체(2∼4)를 절단하는 것은, 구체예1∼4에서 설명한 것에 한정되지 않고, 레이저, 톰슨 칼날, 시어링기(shearing machine), 재단기(裁斷機) 등과 같이 절단하는 기기이면 좋다.
본 발명에 관한 전고체 2차전지(1)는, 적어도 분체 적층체(3)를 갖는 것이면 좋지만, 예를 들면 기본성능을 저하시키지 않고 만일 내부에 수분이 유입되어도 황화수소를 외부로 누출시키지 않는 구조로 하여도 좋다. 이러한 구조를 갖는 전고체 2차전지(1)의 구체예에 대하여 도13∼도15에 의거하여 설명한다.
[전고체 2차전지(1)의 구체예1]
이 전고체 2차전지(1)는, 예를 들면 도13∼도15에 나타내는 바와 같이 황화수소 흡착제(9)를 갖는다. 당해 황화수소 흡착제(9)로서는, 활성탄, 제올라이트(zeolite), 촉매(산화아연) 및/또는 탈수제(脫水劑)(오산화이인 또는 실리카겔(silica gel) 등) 등이 사용된다. 또한 상기 황화수소 흡착제(9)로서는, 부직포, 글라스 페이퍼(glass paper) 또는 발포수지 등의 다공질체(多孔質體)에, 상기 촉매 및/또는 상기 탈수제를 배합한 것이 사용되어도 좋다. 여기에서 상기 황화수소 흡착제(9)는, 두께가 10∼수 백μm인 것이 바람직하다. 상기 황화수소 흡착제(9)는, 수 백μm보다 두꺼우면, 전극체(2∼4) 및 전고체 2차전지(1)의 외형치수 및 중량이 지나치게 커지게 됨으로써 낭비가 생기고, 10μm보다 얇으면, 황화수소를 흡착하는 효과가 작아지게 됨으로써 황화수소가 외부로 누출될 우려를 생기게 한다. 상기 황화수소 흡착제(9)가 흡착할 수 있는 황화수소의 양에 대해서는, 예를 들면 당해 황화수소 흡착제(9)로서 촉매(산화아연)가 사용되는 경우에, 반응식(H2S ＋ ZnO → ZnS ＋ H2O)에 의하여, 당해 산화아연이 81.4g이면, 이론상 흡착되는 황화수소는 34.1g(황은 32.1g)이 된다.
다음에, 상기 전고체 2차전지(1)의 도13∼도15에 나타내는 개개의 예에 대하여 설명한다.
도13에 나타내는 예에서, 전고체 2차전지(1)는, 개략적으로 전극체(2∼4)의 내부에 황화수소 흡착제(9)를 갖는다. 이 황화수소 흡착제(9)는, 평면에서 볼 때 □의 형상이고, 정극층(5)의 외주이며 고체 전해질층(6)의 내부에 대부분이 위치하고, 정극 집전체(2) 상에 배치된다. 도13에 나타내는 예도 동일하지만, 전술한 단락을 막기 위하여, 부극층(7)의 면적이 정극층(5)의 면적을 넘는 것이 바람직하고, 이 경우에 분체 적층체(3)의 단부에는 정극층(5)이 존재하지 않음으로써 중앙부보다 얇아지게 된다. 분체 적층체(3)의 단부가 중앙부보다 얇으면, 가압공정에서 분체 적층체(3)의 단부에 가압되는 힘이 중앙부에 비하여 작아져 버리기 때문에, 당해 단부에서의 구조붕괴가 생기기 쉬워지게 된다. 또한 부극층(7)의 면적과 정극층(5)의 면적이 동등하더라도, 고체 전해질층(6)의 면적이 부극층(7) 및 정극층(5)의 면적을 넘으면, 분체 적층체(3)의 단부가 중앙부보다 얇아지게 되기 때문에, 마찬가지로 당해 단부에서의 구조붕괴가 생기기 쉬워지게 된다. 그러나 도13에 나타내는 바와 같은 황화수소 흡착제(9)의 배치이면, 분체 적층체(3)의 단부가 중앙부보다 얇아지게 되는 것을 억제하기 때문에, 상기 단부에서의 구조붕괴가 방지된다. 물론, 부극층(7)의 면적이 정극층(5)의 면적을 넘음으로써 단락도 방지된다. 상기 황화수소 흡착제(9)는, 도13에 나타내는 위치에 한정되지 않고, 정극층(5)과 고체 전해질층(6)의 사이 또는 고체 전해질층(6)과 부극층(7)의 사이에 배치되어도 좋다. 또한 가압공정에서 분체 적층체(3)의 단부에 가압되는 힘이 중앙부에 비하여 지나치게 큰 경우 등 당해 단부가 구조파괴되는 경우, 또는 분체 적층체(3)의 중앙부의 두께가 단부에 비하여 얇아지게 되는 경우에, 상기 황화수소 흡착제(9)는 분체 적층체(3)의 중앙부에 배치되어도 좋다.
도14에 나타내는 예에서, 전고체 2차전지(1)는, 개략적으로 복수의 전극체(2∼4)를 적층시킨 것으로서, 이웃하는 전극체(2∼4)의 집전체(2, 4)가 동일한 극성임과 아울러 황화수소 흡착제(9)를 사이에 둔다. 도14에 나타내는 구조에서 황화수소 흡착제(9)가 없으면, 각 전극체(2∼4)의 위치의 어긋남, 및/또는 가압공정에 의한 각 전극체(2∼4)의 변형 및/혹은 만곡에 의하여, 복수의 전극체(2∼4)를 동극(同極)이 대향하도록 정밀하게 적층할 수 없는 경우가 있다. 그러나 도14에 나타내는 바와 같은 황화수소 흡착제(9)의 배치이면, 1개의 전극체(2∼4)마다 가압하는 것이 아니라, 사이에 황화수소 흡착제(9)가 배치된 2개(또는 그 이상)의 전극체(2∼4)마다 가압함으로써, 전술한 위치의 어긋남, 변형 및 만곡이 방지된다. 이 결과, 황화수소를 외부로 누출시키지 않을 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 전극체(2∼4)를 정밀하게 적층할 수 있다. 또 도14에 나타내는 황화수소 흡착제(9)에는, 이웃하는 전극체(2∼4) 상호간의 도전성(導電性)을 높이기 위하여, 도전성을 갖는 재질(활성탄 등)을 주재료로서 사용하는 것이 바람직하다. 상기 전고체 2차전지(1)는, 도14에 나타내는 예에 한정되지 않고, 이웃하는 전극체(2∼4)의 집전체(2, 4)가 다른 극성이어도 좋다. 상기 황화수소 흡착제(9)에는, 절연성을 갖는 재질(부직포, 글라스 페이퍼 또는 발포수지를 주재료로 한 것)을 사용하여도 좋다. 또한 상기 황화수소 흡착제(9)는, 도14에 나타내는 평면에서 볼 때 □의 형상에 한정되지 않고, 전체 면이 시트 모양의 것이어도 좋고, 전극체(2∼4)의 두께가 일정하지 않아 발생한 오목부를 보충하도록 배치되어도 좋다.
도15에 나타내는 예에서, 전고체 2차전지(1)는, 개략적으로 복수의 전극체(2∼4)를 적층시켜서 외장(8)에 봉입한 것으로서, 이웃하는 전극체(2∼4)의 집전체가 동일한 극성임과 아울러, 최상층 및 최하층의 집전체(2, 4)와 상기 외장(8)의 사이에 황화수소 흡착제(9)가 배치된다. 최상층 및 최하층의 집전체(2, 4)와 상기 외장(8)의 사이에는 잉여의 공간이 있기 때문에, 도15에서는 당해 공간을 이용하여 황화수소 흡착제(9)가 배치된다. 적층된 복수의 전극체(2∼4)를 외장(8)에 봉입한 후 당해 외장(8)의 외부로부터 가압하는 경우에, 황화수소 흡착제(9)는, 도15에 나타내는 평면에서 볼 때 □의 형상이어도 좋고, 전극체(2∼4)의 두께가 일정하지 않아 발생한 오목부를 보충하도록 배치되어도 좋다.
또 도13∼도15에 나타내는 전고체 2차전지(1)는, 예에 지나지 않기 때문에, 예를 들면 별도의 집전체를 구비하여도 좋고, 황화수소 흡착제(9)는 필수는 아니고, 분체 적층체(3)의 단부는 일치되어 있어도 좋고, 1개의 외장(8)에 적층하여 접속한 전극을 봉입하여도 좋다.
다음에, 사용 시에 있어서 가압이 불필요한 전고체 2차전지(1)에 대하여 설명한다.
[전고체 2차전지(1)의 구체예2]
이 전고체 2차전지(1)는, 방전 및 충전을 할 때에 충전 및 방전이 불필요하다. 이러한 전고체 2차전지(1)에서는, 다음의 (1) 및 (2)의 요건을 충족하는 것이 필수이고, 다음의 (3) 및/또는 (4)의 요건도 충족하는 것이 바람직하다.
<1> 정극층(5) 및/또는 부극층(7)의 표면이 조화되어 있다.
<2> 정극층(5) 및/또는 부극층(7)과, 정극 집전체(2) 및/또는 부극 집전체(4)를 접촉시킨 상태에서 가압 충방전을 한다.
<3> 정극 집전체(2) 및/또는 부극 집전체(4)의 표면을 조화시켜 두고, 정극층(5) 및/또는 부극층(7)을 가압성형할 때에 정극 집전체(2) 및/또는 부극 집전체(4)마다 가압함으로써, 정극 집전체(2) 및/또는 부극 집전체(4)의 조화를 정극층(5) 및/또는 부극층(7)의 표면에 전사(轉寫)한다.
<4> 정극층(5) 및/또는 부극층(7)의 표면의 조화는, Rz = 0.5∼10.0μm이고, 바람직하게는 Rz = 1.0∼5.0μm이다.
또한 상기 실시형태1 및 2는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 범위는, 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 의하여 나타내고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다. 상기 실시형태1 및 2에서 설명한 구성 중에서 「과제의 해결 수단」에서의 제1발명으로서 기재한 구성 이외에 있어서는, 임의의 구성으로서, 적절하게 삭제 및 변경할 수 있다.

Claims (10)

  1. 분체막(粉體膜)을 적층하여 구성되는 분체 적층체(粉體 積層體)를 갖는 전고체 2차전지(全固體 2次電池)의 제조설비로서,
    복수 종의 분체재료를 혼합하는 혼합장치와,
    혼합장치에 의하여 혼합된 분체재료를 반송하는 반송장치와,
    반송장치에 의하여 반송된 분체재료로부터, 적어도 정전력(靜電力)을 사용하여 상기 분체막을 형성하는 정전 성막장치(靜電 成膜裝置)를
    구비하고,
    상기 복수 종의 분체재료로부터 상기 분체 적층체를 형성하는 과정이 건식(乾式)인 것을
    특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
  2. 제1항에 있어서,
    분체 적층체가, 정극층(正極層), 고체 전해질층 및 부극층(負極層)을 갖는 것이고,
    정전 성막장치가, 정극층을 형성하기 위한 정극용 정전 성막기(正極用 靜電 成膜機)와, 고체 전해질층을 형성하기 위한 전해질용 정전 성막기와, 부극층을 형성하기 위한 부극용 정전 성막기를 갖는 것을
    특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
  3. 제2항에 있어서,
    반송장치가, 정극층을 형성하기 위한 분체재료를 정극용 정전 성막기로 반송하는 정극용 반송기와, 부극층을 형성하기 위한 분체재료를 부극용 정전 성막기로 반송하는 부극용 반송기를 갖고,
    고체 전해질층을 형성하기 위한 분체재료를 전해질용 정전 성막기로 반송하는 전해질용 반송기를 더 구비하는 것을
    특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    고체 전해질층이, 황화물계 고체 전해질로 구성되는 층인 것을 특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    정전 성막장치가, 분체재료가 충전되는 분체 충전부재(粉體 充塡部材)와, 이 분체 충전부재에 충전된 분체재료를 정전력에 의하여 낙하시켜서 분체막으로 하는 직류전원을 갖는 것을 특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    정전 성막장치에 의하여 형성된 분체막을 가압하는 가압장치(加壓裝置)와,
    상기 가압장치에 의하여 가압된 분체막의 외주 단부(外周 端部)를 절단하여 제거하는 절단제거장치(切斷除去裝置)를 더 구비하는 것을
    특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
  7. 제6항에 있어서,
    가압장치에 의하여 가압되는 대상이, 정전 성막장치에 의하여 형성된 분체막과, 이 분체막을 재치(載置)한 집전체(集電體)이고,
    상기 집전체가, 적어도 상기 분체막이 재치되는 면을 조화(粗化)한 것이고,
    분체 적층체를 2개의 상기 집전체에 끼워서 구성되는 전극체(電極體)에 가압하면서 충방전(充放電)을 실시하는 가압 충방전장치를 더 구비하는 것을
    특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
  8. 제6항에 있어서,
    절단제거장치가, 적층된 분체막의 외주 단부를 절단하여 제거함으로써 분체 적층체를 형성하는 것이고,
    상기 절단제거장치가, 그 부극층 또는 정극층과 고체 전해질층의 계면(界面)의 면적이 정극층 또는 부극층과 고체 전해질층의 계면의 면적보다 커지게 되도록, 또한 절단된 면인 측면이 경사지도록, 형성되는 분체 적층체를 절단하는 것을
    특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
  9. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    절단제거장치가, 분체막이 절단되는 위치로부터 내측의 강성(剛性)이 당해 위치로부터 외측의 강성보다 높은 상태에서 절단하는 것을 특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
  10. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    절단제거장치가, 분체막을 지지하는 다이(die)와, 이 다이에 지지된 분체막을 100mm/sec 이하의 속도로 펀칭(punching)하는 펀치(punch)를 갖고,
    상기 다이가, 상기 펀치가 삽입되는 내주벽에 대피면을 갖고,
    상기 다이가, 상기 펀치에 의하여 펀칭되는 분체막의 변형이 허용되도록 당해 분체막을 지지하는 것을
    특징으로 하는 전고체 2차전지의 제조설비.
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