JP2005538850A - アルカリ金属又はその合金の薄層化プロセス及び薄層化装置 - Google Patents

Abstract

リチウム又はリチウム合金のシートを薄いリチウム又はリチウム合金のフィルムにする薄層化プロセスによって、電気化学的電池用のリチウム又はリチウム合金製のアノードを製造するための装置及び方法を提供する。本方法及び装置は、一対の加工ローラーの向き合った表面によって画成される輪郭を調節して加工ローラーの熱膨張を補償し、又はリチウム又はリチウム合金のシートの不均等な厚さを補償し、フィルムの形状及び輪郭を制御する。

Description

本発明は、全体として、リチウム金属ポリマー電池に関し、更に詳細には、アルカリ金属又はその合金のシートを薄層化（ラミネート）し、好ましくはポリマー電解質とともに電気化学的電池のアノードとして使用することができる薄いフィルムにするプロセス及び装置に関する。

固体ポリマー電解質及び薄いフィルム状のアノード及びカソードの積層体から製造された充電式バッテリーは、従来の液体電解質バッテリーを上回る多くの利点を備えている。これらの利点には、バッテリーが全体として軽量であり、出力密度が高く、比エネルギーが高く、使用寿命が長く、有毒な液体が環境に漏れる危険がないために環境に優しい、ということが含まれる。

固体ポリマーバッテリーの構成要素には、正極、負極、及びこれらの電極間に挟まれた固体ポリマー電解質等の導イオン性絶縁体が含まれる。アノード又は負極は、通常は、アルカリ金属や合金、代表的にはリチウム金属やリチウム−アルミニウム合金等の軽金属のフィルムでできている。複合カソード又は正極は、通常は、遷移金属酸化物等の活性材料、導電性充填材、通常は炭素粒子、導イオン性ポリマー電解質、及び通常は薄いアルミニウムシートである電流コレクタを含む。薄い複合カソードフィルムは、通常は、電流コレクタにコーティングを施すことによって得られる。

厚さが７５μｍ以下で幅が例えば１０ｃｍ以上と広幅の帯状をなした長さが数百ｍの薄いリチウムフィルムを迅速に且つ信頼性のある方法で製造する上で、化学反応性、展性、低い機械的強度、接触するだけでそれ自体が急速に溶接し、多くの固体、例えば通常の金属に強固に付着するといった、この金属の極端な物理的及び化学的性質に起因する重要な技術的困難に直面する。

この困難は、特定の金属及び化学製品の供給者が、厚さが４０μｍ及びそれ以下の十分な表面及び長さの、適切な表面仕上げが施してあり且つ適当な化学的性質を備えた薄いリチウムフィルムをリチウム電池で使用する場合の困難性によって確認される。

現在、７５μｍ及びそれ以上のシートを連続的に製造するためには、冷間押出しを使用する。これらの厚さは、全体として、液体電解質を使用するリチウム電池の製造に適合する。厚さをこれ以上薄くするため、押出しによって得られたフィルムを、その後、硬質材料製のローラー間で薄層化する。これらのプロセスは、３０μｍ乃至７５μｍの限られた量のシートの製造について説明されており、商業的に使用される。

米国特許第３，７２１，１１３号には、多数の連続した積層体が、硬質プラスチック製のフィルムによって保護された鋼製ローラー間を通過するプロセスが記載されている。これらのフィルムはリチウムに対して非反応性であり、３０μｍ乃至４０μｍの薄いフィルムを提供する上で必要とされる。米国特許第４，８２４，７４６号には、溶融リチウムをプラスチック製支持体上にコーティングすることに基づく別のプロセスが記載されている。

大規模な製造プロセスでは、ポリマー電解質電池を製造するために稠密なリチウムを１５μｍ乃至４０μｍの厚さに効率的に薄層化する上で多くの困難がある。第１に、薄層化済みのリチウム金属は、多くの場合、接触した薄層化ローラーと反応し、及び／又は変形し、付着する。この問題点は、米国特許第５，８３７，４０１号、米国特許第５，５２８，９２０号、及び米国特許第６，０１９，８０１号に記載されているように潤滑剤を使用することにより解決された。潤滑剤は、薄い薄層化済みのリチウムフィルムが薄層化ローラーと反応したりこれらのローラーに過度に付着したりしないようにし、結果的に得られた電気化学的電池の電気化学性に影響しない添加剤を含む。第２に、リチウム又はその合金が極めて脆性であるため、薄層化ローラーを出るリチウムフィルムに極めて小さい引張力しか及ぼすことができない。例えば、リチウムのフィルムは、その弾性の下限である５７９．１３ｋＰａ以上の引張力で切れてしまう。従って、リチウムフィルムが切れたり破れたりしないように引張力を精密に監視し且つ制御しなければならず、従って、費用のかかる製造中断を行わなければならない。

第３に、５μｍ乃至５０μｍの厚さに関し、リチウム又はその合金のフィルムをその全幅に亘って一定の厚さに薄層化するのは困難である。従来の薄層化プロセスでは、薄層化したリチウムフィルムの幅に亘り、厚さのばらつきが生じ、これにより薄層化作業中にリチウムフィルムが切れてしまい、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルムを電気化学的電池について不適切なものにしてしまう。

かくして、リチウム又はリチウム合金の薄いフィルムを一回通過させるだけで薄層化するように構成された、従来技術の制限がなく且つ一定の厚さのフィルムを提供する方法及び装置が必要とされている。

本発明の目的は、リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化し、制御された厚さの薄いフィルムにする方法を提供することである。

本発明の別の目的は、リチウム又はリチウム合金の制御された厚さの薄いフィルムを製造するように構成された薄層化装置を提供することである。

実施化され且つ広範に説明したように、本発明は、リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化して薄いフィルムにする方法を提供する。この方法は、
リチウム又はリチウム合金のシートに薄層化潤滑剤を塗布する工程と、
リチウム又はリチウム合金のシートを、潤滑剤とともに、一対の加工ローラーの向き合った表面間に通し、リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する工程と、
前記一対の加工ローラーの前記向き合った表面によって画成された輪郭を調節し、前記薄層化が行われた厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムの形状及び輪郭を制御する工程と、
前記リチウム又はリチウム合金のフィルムに張力を加えることによって、前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを前記一対の加工ローラーの間から取り出す工程を含む。

好ましい実施形態では、一対の加工ローラーの端部に力を加え、各加工ローラーを湾曲させることにより、これらのローラーの向き合った表面が画成する輪郭を変更する。有利には、加工ローラーは、これらのローラーを曲げ易くする凸状円筒形形状を有する。

実施化され且つ広範に説明したように、本発明は、更に、リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化して薄いフィルムにするための装置を提供する。この装置は、
リチウム又はリチウム合金のシートを供給する供給ローラーと、
薄層化潤滑剤分配ユニットと、
リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する薄層化面を画成する一対の加工ローラーと、
一対の加工ローラーの向き合った表面によって画成された薄層化面の輪郭を調節するための調節手段と、
厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを巻き取るための巻取りローラーを含み、この巻取りローラーは所定の張力が加わった前記フィルムを巻き取るための駆動手段に連結されている。

好ましい実施形態では、加工ローラーは、これらの加工ローラーの各々が湾曲することにより、これらの加工ローラーの向き合った表面によって画成される薄層化面の輪郭を変化させるように加工ローラーの端部分に力を加える支持部材に取り付けられている。

本発明及びその他の利点は、以下の説明及び添付図面により更によく理解されるであろうし、明らかになるであろう。

発明を実施するための形態

図１を参照すると、この図には、押出しによって予備成形した約１２５μｍ乃至２５０μｍのリチウム又はリチウム合金のシート１４から、約２０μｍ乃至４０μｍのリチウム又はリチウム合金のフィルム１２を製造するように構成された薄層化装置１０が概略的に示してある。薄層化装置１０は、主フレーム１６、一対の薄層化ローラー１８ａ及び１８ｂ、薄層化ローラー１８ａと隣接しており且つ接触した第１バックアップローラー２０ａ、薄層化ローラー１８ｂと隣接しており且つ接触した第２バックアップローラー２０ｂ、及び二つの薄層化潤滑剤分配ユニット２２ａ及び２２ｂを含む。薄層化ローラー即ち加工ローラー１８ａ及び１８ｂ並びにバックアップローラー２０ａ及び２０ｂは、以下に更に詳細に説明するように、支持フレーム５０及び５２に取り付けられる（図３参照）。

リチウム又はリチウム合金製の押出しシート１４が巻き付けられたロール２４が供給ローラー２６に配置されている。このローラーは、リチウムシート１４の張力を薄層化ローラー１８ａ及び１８ｂに到達する前に制御するように構成された駆動モータ制御ユニット（図示せず）を含む。約１２５μｍ乃至２５０μｍのリチウムシート１４は、一連の自由ローラー２８を通って蛇行し、移動するリチウムシート１４の正確な速度を計測する第１エンコーダローラー４１に至り、次いで、薄層化装置１０に進入するリチウムシート１４に作用する張力を正確に計測するように構成されたロードセルが設けられた第１張力ローラー４３を通過する。張力ローラー４３のロードセルは、リチウムシート１４に及ぼされた張力を自動的に調節するため、ロール２４の駆動モータの制御ユニットに電子的に接続されていてもよい。次いで、リチウムシート１４を直線化装置３０に供給する。この装置は、密に配置した一連のローラー３２を通してリチウムシート１４を迅速に巻き流すことによりリチウムシート１４の横方向ずれをなくし、リチウムシート１４がジグザグ状に移動しないようにし、これによってリチウムシート１４を薄層化ローラー１８ａ及び１８ｂの中央部分に真っ直ぐに、薄層化プロセスにとって致命的な横方向波打ち移動を生じさせることなく供給するようにする。従って、リチウムシート１４は薄層化ローラー１８ａ及び１８ｂにこれらのローラー間の固定された位置に供給される。

薄層化装置１０の入口では、潤滑剤分配ユニット２２ａ及び２２ｂが適量のリチウム適合性薄層化潤滑剤を薄層化領域から上流の各加工ローラー１８ａ及び１８ｂの加工面上に放出する。リチウムシート１４は、適正に潤滑された加工ローラー１８ａ及び１８ｂに積層され、これによって、加工ローラーへの薄層化フィルム１２の望ましからぬ付着が起こらないようにする。潤滑剤は、米国特許第５，８３７，４０１号及び米国特許第６，０１９，８０１号に完全に記載されている。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。潤滑剤は、好ましくは、トルエン、ヘキサン及びポリオキシエチレンジステアリン酸を基材とし、薄層化済みのリチウムフィルム１２がローラー１８ａ及び１８ｂのいずれかに過度に付着しないように、各ローラー１８ａ及び１８ｂ上で十分な量で使用される。

リチウムシート１４は二つの加工ローラー１８ａと１８ｂとの間を通過し、ここで厚さが約１２５μｍ乃至２５０μｍから約２０μｍ乃至４０μｍまで減少される。バックアップローラー２０ａ及び２０ｂが加工ローラー１８ａ及び１８ｂに圧力を加え、これらのローラーがリチウムシート１４に、その厚さを減少させて約２０μｍ乃至４０μｍのリチウムフィルム１２にするのに十分な圧力を及ぼす。薄層化圧力（ラミネーション圧力）は、リチウムフィルム１２の形状及び厚さに影響を及ぼす望ましからぬ湾曲が加工ローラー１８ａ及び１８ｂで生じないようにするため、加工ローラー１８ａ及び１８ｂに直接加えられるのでなくバックアップローラー２０ａ及び２０ｂを通して加えられる。勿論、加工ローラー１８ａ及び１８ｂの表面粗さは、高品質の薄いリチウムフィルム１２を製造するため、最少でなければならない。バックアップローラー２０ａ及び２０ｂによって加工ローラー１８ａ及び１８ｂに加えられた圧力は、各ローラー１８ａ及び１８ｂの表面上に均等に分配され、これによって加工ローラー１８ａ及び１８ｂの形状に影響が及ぼされないようにする。しかしながら、加工ローラー１８ａ及び１８ｂが十分な剛性を備えている場合には、リチウムシート１４の厚さを減少させてこれをリチウムフィルム１２にするために加工ローラー１８ａ及び１８ｂによって、バックアップローラーを使用せずに、必要な圧力を加える必要がある。同様に、加工ローラー１８ａ及び１８ｂに均等な圧力を加えるため、複数のバックアップローラーを使用してもよい。例えば、二対のバックアップローラーを加工ローラー１８ａ及び１８ｂの両側に位置決めしてもよい。

上述したように、加工ローラー１８ａ及び１８ｂ上に分配された薄層化潤滑剤により、薄層化済みのリチウムフィルム１２が薄層化ローラー１８ａ及び１８ｂを真っ直ぐに出るように、リチウムフィルム１２が加工ローラーに付着しないようにする。潤滑剤を使用することにより、リチウムに付着してしまうために通常は適切でない材料でできた加工ローラーをリチウムと重ねることができる。潤滑剤によりこの制限がなくなる。薄層化ローラー即ち加工ローラーは、従来、ポリアセタール樹脂、リチウムと適合性の、即ちリチウムと反応しない硬質プラスチック材料で形成されていたが、大規模な生産においてはポリアセタール製ローラーは急速に磨耗してしまい、磨耗したローラーの交換及び廃棄を頻繁に行う必要があり、そのため、費用が膨大に膨れ上がり、薄層化体製造プロセスを不可能にしてしまう。従って、大規模な生産では、加工ローラーは、好ましくは、鋼やステンレス鋼製の円筒体やセラミックローラー等の丈夫な硬質材料で形成される。鋼やステンレス鋼製の円筒体は、硬度を追加するため、クロム又はクロムモリブデンの薄いコーティングを備えている。

薄層化済みのリチウムフィルム１２を、リチウムフィルム１２の表面の均等性を計測し、フィルム上の何らかの穴やフィルムの縁部に沿った亀裂を検出する反射光システム３６を通して引っ張る。光学システムは、リチウムフィルム１２の厚さの計測にも使用することができる。被駆動巻取りローラー３８によってリチウムフィルム１２に制御された張力を加え、リチウムフィルム１２を適切に巻き取る。薄層化済みのリチウムフィルム１２は制御された張力の作用下で一連のローラーを通って蛇行する。一連のローラーのうちの第１ローラーは、薄層化装置１０を出る薄層化済みのリチウムフィルム１２に作用する張力を正確に計測するように構成されたロードセルを備えた第２張力ローラー４５である。張力ローラー４５のロードセルは、リチウムシート１２に及ぼされる張力を自動的に調節する巻取りローラー３８の駆動モータの制御ユニットに電子的に接続されていてもよい。次いで、リチウムフィルム１２は、移動するリチウムフィルム１２の正確な速度を計測する第２エンコーダローラー４７を通過する。リチウムフィルム１２は、次いで、一連の自由ローラー３４を通過し、巻取りローラー３８に至る。

ポリプロピレンフィルム９０等の薄い絶縁体フィルムもまた、巻取りローラー３８に巻き取られ、リチウムフィルム１２の層をこれらの層が互いに付着しないように分離する。絶縁フィルム９０は、巻取りローラー３８によってロール９２から引っ張られるが、絶縁フィルム９０は、先ず最初に、絶縁フィルム９０に作用する張力を正確に計測するように構成されたロードセルを備えた張力ローラー９４を通過する。張力のこの計測値は、巻取りローラー３８がリチウムフィルム１２に及ぼす張力を制御する上で必要である。これは、巻取りローラー３８によって及ぼされた張力がリチウムフィルム１２と絶縁フィルム９０との間で分割されるためである。

第１及び第２のエンコーダローラー４１及び４７は、夫々、薄層化装置１０に入るリチウムシート１４の速度及び薄層化装置１０を出る薄層化済みのリチウムフィルム１２の速度を計測する。リチウムシート１４の入口速度と薄層化済みのリチウムフィルム１２の出口速度との間の関係は、最初のリチウムシート１４のリチウムフィルム１２への厚さの減少と正比例し、薄層化済みのリチウムフィルム１２の厚さは、最初のリチウムシート１４の厚さが分かっている場合には、簡単な数式によって演繹できる。薄層化済みのリチウムフィルム１２の厚さは、好ましくは、第１及び第２のエンコーダローラー４１及び４７の間の速度差によって制御され且つ確認される。

薄層化プロセスは、リチウムフィルム１２を電気化学的電池で使用する上で不適にするリチウムフィルム１２と水粒子との望ましからぬ化学反応が起こらないように、好ましくは、相対湿度が１％以下の無水雰囲気内で行われる。

図２ａ及び図２ｂは、リチウムシート１４を直線化装置３０に通す方法を示す。薄層化前にリチウムシート１４を上ローラー１０１と下ローラー１０３との間に供給する。次いで、薄層化装置を始動させ、リチウムが移動を開始し、上ローラー１０１をゆっくりと各下ローラー１０３間の自由空間内に移動し、これによってリチウムシート１４を密に並べた一連のローラーに通し、これによりリチウムシート１４が横方向に変移したりジグザグに移動したりしないようにし、これにより、リチウムシート１４を薄層化ローラー１８ａ及び１８ｂの中央部分に横方向波打ち移動を生じさせることなく真っ直ぐに供給する。上ローラー１０１及び下ローラー１０３は、クロムめっきしたステンレス鋼、又は硬質プラスチック、アセタール及びデルリン（デルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）は登録商標である）で形成されていてもよい。

図３及び図４は、夫々、薄層化装置１０の一実施形態の概略側面図及び正面図であり、薄層化済みのリチウムフィルム１２の厚さ及び形状を制御可能にする薄層化装置１０の主要構成要素、特定的にはバックアップローラー２０ａ及び２０ｂ及び加工ローラー１８ａ及び１８ｂのマウント及びこれらの調節手段を示す。例示の薄層化装置１０は、薄層化済みのリチウムフィルムの形状及び厚さを制御するように構成された薄層化装置の多くの様々な可能な構成の一例に過ぎないということは理解されるべきである。例えば、支持部材及びフレームは様々な構成をとってもよい。同様に、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な液圧システム構成を薄層化装置１０で使用してもよい。

図３及び図４を参照すると、バックアップローラー２０ａ及び２０ｂは、各々、支持フレーム５０及び５２の夫々のベアリングに取り付けられている。支持フレーム５２は、摺動チャンネル又は当該技術分野で周知のベアリング等の任意の適当な手段によって主フレーム１６の垂直部材に摺動自在に取り付けられているが、支持フレーム５０は主フレーム１６の垂直部材に固定的に取り付けられている。従って、支持フレーム５２は、垂直方向に自由に移動することができる。加工ローラー１８ａ及び１８ｂは、各々、電動モータ又は液圧モータ（図示せず）によって駆動される。加工ローラーは、更に、摩擦バックアップローラー２０ａ及び２０ｂによっても駆動される。一対の液圧ピストン−シリンダ６６を主フレーム１６の上水平部材に取り付け且つ支持フレーム５２に連結するが、支持フレーム５０は固定されている。ピストン−シリンダ６６は、支持フレーム５２の上下移動を制御し、加工ローラー１８ａ及び１８ｂに圧力Ｐを加える。これらの加工ローラー１８ａ及び１８ｂは、夫々、支持部材５４及び５６に取り付けられている。これらの支持部材は自由に浮動し、支持フレーム５０及び５２と作動的にリンクしている。支持部材５４の端部分５８及び５９は、一対の液圧式ピストン−シリンダアッセンブリ６０及び６１を介して支持フレーム５０に作動的に連結されており、支持部材５６の端部分６２及び６３は、一対の液圧式ピストン−シリンダアッセンブリ６４及び６５を介して支持フレーム５２に作動的に連結されている。

作動にあたり、薄層化速度（ラミネーション速度）は、加工ローラー１８ａ及び１８ｂの速度によって設定され、リチウムフィルム１２の厚さを所望の厚さに減少させるのに必要な圧力Ｐは、ピストン−シリンダ６６内への流体の量を制御する液圧バルブによって調節され、バックアップローラー２０ｂがこの圧力Ｐを加工ローラー１８ｂに伝達する。所望の圧力Ｐが設定された後、図５ａ乃至図５ｃ及び図６ａ乃至図６ｃを参照して更に詳細に説明するように、薄層化済みのリチウムフィルムの最終形状を各ピストン−シリンダアッセンブリ６０、６１、６４及び６５への流体圧力を調整することによって微調節し、これによって各ピストン−シリンダアッセンブリ６０、６１、６４及び６５によって支持部材５４及び５６に及ぼされる力を調節する。本発明の目的について、ピストン−シリンダアッセンブリの代わりに、十分な力を発生することができる電気式アクチュエータ等の任意の種類のアクチュエータを使用することができる。

薄層化プロセス中、薄層化面のところで摩擦によって発生した熱が加工ローラー１８ａ及び１８ｂに伝達され、これらの加工ローラー１８ａ及び１８ｂを僅かに膨張させる。加工ローラーが薄層化ゾーンで数ミクロン膨張するだけでリチウムフィルム１２の厚さは不均等になってしまう。これは、電気化学的薄膜電池にとって不適である。この問題点を解決し、リチウムフィルム１２の厚さを均等にするため、膨張した加工ローラー１８ａ及び１８ｂの接触面６７は、加工ローラー１８ａ及び１８ｂを曲げることによって調節され、これにより接触面６７を真っ直ぐにし、厚さが均等なリチウムフィルム１２を製造する。

図５ａは、加工ローラー１８ａ及び１８ｂが直線状の円筒体である第１の実施形態による、加工ローラー１８ａ及び１８ｂ及びバックアップローラー２０ａ及び２０ｂの中立位置での概略正面図である。バックアップローラー２０ａ及び２０ｂは、リチウムフィルム１２の厚さを所望の厚さまで減少させるのに十分な圧力Ｐを加工ローラー１８ａ及び１８ｂに加えるが、この際、加工ローラー１８ａ及び１８ｂの支持部材５４及び５６には横方向力は加えられず、完全に平らであり且つ均等のままであり、これらの向き合った表面もまた同様の平らで均等な薄層化面７０を画成する。

図５ｂでは、バックアップローラー２０ａ及び２０ｂは、リチウムフィルム１２の厚さを所望の厚さに減少させるのに十分な圧力Ｐを加工ローラー１８ａ及び１８ｂに加える。しかしながら、加工ローラー１８ａ及び１８ｂの中央部分は、薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって発生した熱により膨張している。加工ローラー１８ａ及び１８ｂを変形させたこの熱膨張を補償するため、内向きの横方向力Ｆｘを支持部材５４及び５６に加え、これにより加工ローラー１８ａ及び１８ｂを外方に僅かに曲げ、薄層化面７０の中央部分を外方に僅かに開放し、これを直線状にする。図５ｂでは、円筒体１８ａ及び１８ｂの外部分が外方に曲がっているように示してある。そのため、薄層化面７０は、横方向力Ｆｘを加工ローラー１８ａ及び１８ｂに加えることによって曲げられて直線状にされる。薄層化面７０の中央部分の輪郭は直線状に曲げ戻され、その結果、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム１２はその全幅に亘って均等な厚さを備えている。

薄層化が行われるリチウムシート１４の縁部の厚さがその中央部の厚さよりも厚い場合がある。全幅に亘って厚さが均等なリチウムフィルム１２を積層するためには、加工ローラー１８ａ及び１８ｂによって更に大きな圧力をリチウムシート１４の外側縁部に加えなければならない。これを行うため、支持部材５４及び５６に同じ横方向力Ｆｘを加えることによって、加工ローラー１８ａ及び１８ｂの外縁部を内方に僅かに湾曲し、リチウムシート１４の縁部にその中央部分に加えられるよりも多くの圧力を加え、薄層化済みのリチウムフィルム１２の厚さをその全幅に亘って均等にする。薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって加工ローラー１８ａ及び１８ｂの中央部分に熱が発生するため、加工ローラー１８ａ及び１８ｂの中央部分が僅かに膨張する。加工ローラー１８ａ及び１８ｂの中央部分の直径を増大するこの熱膨張を補償するため、横方向力Ｆｘを比例して減少させ、薄層化面７０を直線状に維持し、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム１２の厚さをその全幅に亘って均等にする。

薄層化が行われるリチウムシート１４の中央部分がその縁部よりも厚い場合がある。全幅に亘って厚さが均等なリチウムフィルム１２を薄層化するため、加工ローラー１８ａ及び１８ｂによって更に多くの圧力をリチウムシート１４の中央部分に加えなければならない。これを行うため、図５ｃに示すように、加工ローラー１８ａ及び１８ｂの支持部材５４及び５６に外向きの横方向力Ｆｙを加える。横方向力Ｆｙは、加工ローラー１８ａ及び１８ｂの中央部分を僅かに湾曲し、薄層化面７０の中央部分を互いに向かって内方に押圧し、これによって更に多くの圧力をリチウムシート１４の中央部分に加え、全幅に亘って厚さが均等なリチウムフィルム１２を薄層化する。

稀には、薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって加工ローラー１８ａ及び１８ｂの外側部分に発生した熱によりこれらの加工ローラーが膨張し、薄層化面７０の中央部分に小さな隙間ができる場合がある。この熱膨張を補償するため、加工ローラー１８ａ及び１８ｂの支持部材５４及び５６に外向きの横方向力Ｆｙを加える。横方向力Ｆｙにより加工ローラー１８ａ及び１８ｂの中央部分を内方に僅かに曲げ、薄層化面７０の中央部分を互いに押し付けて薄層化面７０を直線状にする。図５ｃでは、円筒体１８ａ及び１８ｂの外部分は、薄層化面７０が湾曲して直線状になるように内方に湾曲した状態で示してある。結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム１２がその全幅に亘って厚さが均等であるように、薄層化面７０の中央部分の輪郭を曲げ戻して直線状にする。

図５ｂ及び図５ｃに示す加工ローラー１８ａ及び１８ｂの形状は明瞭化を図るために大幅に誇張してあるが、湾曲した輪郭は、実際には裸眼で視認できるものではなく、完全に直線状の輪郭からのずれは０μｍ乃至１０μｍ程度である。

図６ａ、図６ｂ及び図６ｃは、加工ローラー１９ａ及び１９ｂが湾曲した円筒体である、第２の実施形態による加工ローラー１９ａ及び１９ｂ及びバックアップローラー２０ａ及び２０ｂの概略正面図である。加工ローラー１９ａ及び１９ｂは僅かに凸状の輪郭を有し、これらのローラーの向き合った表面８０は、薄層化されたリチウムフィルム１２の幅よりも数ｍｍ広幅の薄層化セグメント８２を画成する。湾曲した設計により、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの端部分はその他の部分よりも僅かに大きく離間されており、これにより、加工ローラー１９ａ及び１９ｂを内方及び外方に曲げるのを容易にする。

図６ａは、中立位置の加工ローラー１９ａ及び１９ｂを示す。バックアップローラー２０ａ及び２０ｂは、リチウムフィルム１２の厚さを所望の厚さまで減少するのに十分な圧力Ｐを加工ローラー１９ａ及び１９ｂに加え、この際、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの支持部材５４及び５６には横方向力は加えられない。従って、薄層化セグメント８２は完全に平らであり且つ均等のままである。

図６ｂでは、バックアップローラー２０ａ及び２０ｂは、リチウムフィルム１２の厚さを所望の厚さまで減少させるのに十分な圧力Ｐを加工ローラー１９ａ及び１９ｂに加えている。しかしながら、薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって発生した熱による熱膨張により、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの中央部分が膨張する。加工ローラー１９ａ及び１９ｂを変形させるこの熱膨張を補償するため、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの支持部材５４及び５６に内向きの横方向力Ｆｘを加える。横方向力Ｆｘにより加工ローラー１９ａ及び１９ｂが外方に僅かに湾曲し、これにより薄層化セグメント８２の中央部分を図６ｂに示すように平らにする。加工ローラー１９ａ及び１９ｂの外側部分を内方に湾曲し、薄層化セグメント８２を真っ直ぐにする。従って、結果的に得られた薄層化リチウムフィルム１２は、平らであり且つ均等な厚さを有する。加工ローラー１９ａ及び１９ｂは凸状輪郭を備えているため、自由ゾーン８４が形成され、これにより湾曲が容易になる。自由ゾーンでは、加工ローラー１９ａ及び１９ｂは自由に移動でき、これにより薄層化セグメント８２の中央部分を所望の通りに湾曲させることができる。

以上に説明したように、薄層化が行われるリチウムシート１４の縁部が中央部分よりも厚い場合がある。全幅に亘って厚さが均等なリチウムフィルム１２を薄層化するためには、加工ローラー１９ａ及び１９ｂによってリチウムシート１４の外側縁部に、及び従って薄層化セグメント８２の外縁部に更に大きな圧力を加えなければならない。これを行うため、支持部材５４及び５６に同じ横方向力Ｆｘを加え、これによって加工ローラー１９ａ及び１９ｂの外縁部を内方に僅かに曲げ、リチウムシート１４の縁部にその中央部分よりも大きな圧力を加え、薄層化済みのリチウムフィルム１２の厚さを全幅に亘って均等にする。薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって加工ローラー１９ａ及び１９ｂの中央部分に熱が発生するため、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの中央部分が僅かに膨張する。加工ローラー１９ａ及び１９ｂの中央部分の直径を僅かに増大するこの熱膨張を補償するため、横方向力Ｆｘを比例して減少させ、薄層化セグメント８２を直線状に維持し、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム１２の厚さをその全幅に亘って均等にする。

この場合も、図５ｃを参照して以上に説明したように、薄層化が行われるリチウムシート１４の中央部分が縁部よりも厚い場合がある。厚さが全幅に亘って均等なリチウムフィルム１２を薄層化するため、加工ローラー１９ａ及び１９ｂによってリチウムシート１４の中央部分に及び従って薄層化セグメント８２の中央部分に更に大きな圧力を加えなければならない。これを行うため、図６ｃに示すように、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの支持部材５４及び５６に外向きの横方向力Ｆｙを加える。横方向力Ｆｙにより、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの中央部分が僅かに湾曲し、薄層化セグメント８２の中央部分を内方に押圧し、これによってリチウムシート１４の中央部分に更に大きな圧力を加え、厚さが全幅に亘って均等なリチウムフィルム１２を薄層化する。

稀には、薄層化面とリチウムシートとの摩擦によって発生した熱により、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの向き合った表面８０の外側部分が膨張し、薄層化セグメント８２の中央部分に小さな隙間を形成する場合がある。この熱膨張を補償するため、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの支持部材５４及び５６に外向きの横方向力Ｆｙを加える。横方向力Ｆｙにより加工ローラー１９ａ及び１９ｂの中央部分が内方に僅かに湾曲し、薄層化セグメント８２の中央部分を内方に押圧し、薄層化セグメント８２を直線状にする。図６ｃでは、円筒体１９ａ及び１９ｂの外部分が内方に湾曲し、薄層化セグメント８２が直線状に再形成された状態で示してある。薄層化セグメント８２の中央部分の輪郭が曲げ戻されて直線状になっており、結果的に得られた薄層化済みのリチウムフィルム１２は平らであり、厚さがその全幅に亘って均等である。

加工ローラー１９ａ及び１９ｂは、凸状の輪郭を備えているため、加工ローラー１９ａ及び１９ｂの端部分間及び加工ローラー１９ａ及び１９ｂ及びバックアップローラー２０ａ及び２０ｂの端部分間に自由ゾーン８４及び８５が形成され、これにより容易に湾曲させることができる。加工ローラー１９ａ及び１９ｂの端部分が自由に移動して薄層化セグメント８２の中央部分を所望の通りに湾曲させることができる。

勿論、図５ｂ、図５ｃ、図６ｂ及び図６ｃには対称的に調節する場合のみが示してあるが、支持部材５４及び５６が互いに独立しているため、調節を他の態様で行ってもよい。例えば、加工ローラーの一方の側部が他方の側部よりも大きく膨張した場合には、左側又は右側の支持部材の力Ｆｘ又はＦｙを反対側の支持部材の力Ｆｘ又はＦｙよりも大きくし、多様に微調節を行うことができる。

薄層化面８０の薄層化セグメント８２の形状の調節と反射光システム３６等の適切な計測装置の正確な計測値とを組み合わせることにより、薄層化装置１０は、厚さが５μｍ乃至６０μｍの品質に優れた、全長及び全幅に亘ってほぼ一定の厚さの薄層化済みのリチウムフィルム１２を製造することができる。

上述したように、加工ローラー１８ａ及び１８ｂ又は１９ａ及び１９ｂが十分に剛性である場合には、リチウムシート１４の厚さを減少させてリチウムフィルム１２にするのに必要な圧力を、図３ａに示すバックアップローラーを使用せずに、加工ローラーによって直接加えてもよい。加工ローラーの中央部分に発生した熱は、以上に説明したのと同様の方法で横方向力Ｆｘを調節し、結果的に得られる薄層化済みのリチウムフィルム１２が平らであり且つその全幅に亘って厚さが均等であるようにこれらの加工ローラーを直線状に曲げ戻すことによって加工ローラーの中央部分の輪郭を制御することにより補償される。

薄層化済みのリチウムフィルム１２の輪郭及び厚さの調節は、バックアップローラー２０ａ及び２０ｂによって加えられる圧力及び支持部材５４及び５６に加えられる圧力をオペレータが現場で微調整して薄層化面７０又は薄層化セグメント８２の形状を調節してもよいし、計測の読み及びバックアップローラー及び加工ローラーの様々な圧力及び力を制御するアクチュエータ（電気式又は液圧式）をコンピュータにリンクすることによってこの作業を電子的に行ってもよい。コンピュータは、当該技術分野で周知のようにこの目的のために特別に書かれたプログラムによって、これらのパラメータを即座に調節する。

本発明を特定の実施形態と関連して説明したが、本発明の範疇内でこの他の変形及び変更が考えられる。従って、本発明は以上の説明に限定されず、特許請求の範囲によって定義される。

リチウム又はリチウム合金のシートを本発明の一実施形態に従って積層し、薄いフィルムにするための装置の概略側断面図である。 図１の薄層化装置に供給されたリチウムシートの横方向移動を制御するように構成された直線化装置を示す図である。 図１の薄層化装置に供給されたリチウムシートの横方向移動を制御するように構成された直線化装置を示す図である。 薄層化されたリチウム又はリチウム合金のフィルムの厚さ及び形状を制御することを可能にする、図１に示す薄層化装置の一実施形態の主要構成要素を示す概略側面図である。 図１に示す薄層化装置の第２の実施形態を示す概略側面図である。 図３に示す薄層化装置の主要構成要素の概略正面図である。 加工ローラー及びその調節手段の第１の実施形態の概略正面図である。 加工ローラー及びその調節手段の第１の実施形態の概略正面図である。 加工ローラー及びその調節手段の第１の実施形態の概略正面図である。 加工ローラー及びその調節手段の第２の実施形態の概略正面図である。 加工ローラー及びその調節手段の第２の実施形態の概略正面図である。 加工ローラー及びその調節手段の第２の実施形態の概略正面図である。

Claims (21)

1. リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化して薄いフィルムにする方法において、
   前記リチウム又はリチウム合金のシートを一対の加工ローラーの向き合った表面間に通し、前記リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する工程と、
   前記一対の加工ローラーの向き合った表面が画成する輪郭を調節し、前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムの形状及び輪郭を制御する工程と、
   前記リチウム又はリチウム合金のフィルムに所与の張力を加えることによって、前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを前記一対の加工ローラーの間から取り出す工程とを含む、方法。
2. 前記一対の加工ローラーの各々を湾曲させることによって前記向き合った表面が画成される輪郭を変更するように、前記一対の加工ローラーの端部分に力を加える、請求項１に記載の方法。
3. 前記加工ローラーは、これらの加工ローラーを湾曲し易くするように構成された凸状の円筒形形状を有する、請求項２に記載の方法。
4. 少なくとも一つのバックアップローラーによって、前記リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させるのに十分な圧力を前記加工ローラーに均等に加える、請求項２に記載の方法。
5. 液圧ピストン−シリンダアッセンブリによって圧力及び力を発生させる、請求項４に記載の方法。
6. 圧力及び力の調節は、液圧流体の不足を調節するように構成された液圧式制御バルブによって行われる、請求項５に記載の方法。
7. 電気式アクチュエータによって圧力及び力を発生させる、請求項４に記載の方法。
8. 前記リチウム又はリチウム合金のシートを前記一対の加工ローラー間に通す前記工程の前に、前記リチウムシートを密に並んだ一連のローラーを通して迅速に巻き流し、前記リチウムシートの横方向ずれをなくすことにより、前記リチウムシートを前記加工ローラーの中央部分に横方向波打ち移動を生じさせることなく真っ直ぐに供給する、請求項１に記載の方法。
9. 前記加工ローラーはステンレス鋼製である、請求項１に記載の方法。
10. 前記加工ローラーにはクロムコーティングが施してある、請求項９に記載の方法。
11. 前記加工ローラーは、プラスチック、アセタール又はデルリン（登録商標）で形成されている、請求項１に記載の方法。
12. 薄層化潤滑剤を前記リチウム又はリチウム合金のシートに塗布する、請求項１に記載の方法。
13. リチウム又はリチウム合金のシートを薄層化して薄いフィルムにするための装置において、
    リチウム又はリチウム合金のシートを供給するローラーと、
    薄層化潤滑剤分配ユニットと、
    前記リチウム又はリチウム合金のシートの厚さを減少させ、厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを形成する薄層化面を画成する一対の加工ローラーと、
    前記一対の加工ローラーが画成する前記薄層化面の輪郭を調節するための調節手段と、
    前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムを巻き取るための巻取りロールであって、所定張力が作用した前記フィルムを巻き取るよう、駆動手段に連結された巻取りロールとを含む、装置。
14. 前記加工ローラーは支持部材に取り付けられており、前記支持部材は、前記加工ローラーの各々を湾曲させることによって前記薄層化面の輪郭を変化させ、薄層化された前記厚さが減少したリチウム又はリチウム合金のフィルムの形状及び輪郭を制御するように前記加工ローラーに力を加えるように構成されている、請求項１３に記載の装置。
15. 少なくとも一対のバックアップローラーを更に含み、これらのバックアップローラーの各々は、前記一対の加工ローラーの一方と隣接しており且つ接触しており、隣接した加工ローラーに圧力を加えるように構成されている、請求項１４に記載の装置。
16. 前記加工ローラーを湾曲させるのに必要な力を発生させる液圧式ピストン−シリンダを更に含む、請求項１４に記載の装置。
17. 前記液圧式ピストン−シリンダは、前記バックアップローラーが取り付けられた支持フレームに取り付けられている、請求項１４に記載の装置。
18. 前記加工ローラーは、これらの加工ローラーを湾曲し易くするように構成された凸状の円筒形形状を有する、請求項１４に記載の装置。
19. 圧力及び力の調節は、液圧流体の不足を調節するように構成された液圧式制御バルブによって行われる、請求項１６に記載の装置。
20. 前記リチウム又はリチウム合金のシートが横方向にずれないようにすることによって前記リチウム又はリチウム合金のシートを横方向波打ち移動を生じさせることなく前記薄層化面に真っ直ぐに供給する密に並んだ一連のローラーを備えた直線化装置を更に含む、請求項１３に記載の装置。
21. 前記リチウム又はリチウム合金のフィルムの層をこれらの層が互いに付着しないように分離するための、巻取りローラーに巻き付けられた絶縁体製の薄いフィルムを更に含む、請求項１３に記載の装置。

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