急速に進化するエネルギー貯蔵分野において、バッテリー製造は現代技術の礎となり、電気自動車（EV）、再生可能エネルギー貯蔵、そして民生用電子機器におけるイノベーションを牽引しています。このプロセスにおいて重要でありながら、しばしば見落とされがちなのが、高性能電極材料の製造に不可欠な特殊装置であるバッテリーカレンダー機です。この記事では、バッテリーカレンダー機の動作原理、主要部品、用途、そして技術進歩を詳細に解説し、現代のバッテリー製造における不可欠な役割に光を当てます。
1. バッテリーカレンダー機？
電池カレンダー機は、ローリングミルまたはローラープレス機とも呼ばれ、電池製造工程において、集電体（銅箔やアルミ箔など）上の電極コーティングを圧縮・平滑化するために設計された機械装置です。カレンダー加工またはローリングと呼ばれるこの工程は、原料の電極材料を、正確な厚さと最適な物理的特性を備えた高密度で均一な層へと加工する上で重要なステップです。
リチウムイオン電池の製造において、電極は活物質（例えば、正極用コバルト酸リチウム、負極用グラファイト）、バインダー、導電助剤をスラリー状に混合したものから構成されます。このスラリーはまず集電体に塗布され、乾燥することで多孔質で凹凸のある層を形成します。この層はカレンダー加工によって圧縮され、以下の特性が得られます。
多孔性を低減し、密度を高めて、イオン伝導性とエネルギー密度を向上させます。
機械的な完全性を高め、充放電サイクル中の粒子の脱落を防止します。
バッテリーセル全体で一貫した電気化学的性能を実現するために重要な、均一な厚さを確保します。
2. カレンダー作成の原理
カレンダー処理は、電極製造ラインに統合された体系的なワークフローに従います。
2.1 材料の準備
スラリーコーティング：電極スラリーは、スロットダイコーティングやコンマコーティングなどの方法を用いて、移動する集電体箔に塗布されます。塗布された箔は、湿潤電極層を形成し、乾燥炉で溶媒（水、N-メチル-2-ピロリドンなど）を除去します。 NMP）。
乾燥電極：乾燥後の電極層は多孔質で粗面となり、厚さは50～200マイクロメートル（電池の種類によって異なります）です。密度は通常、理論上の最大値の30～50%であり、圧縮の余地が大きく残されています。
2.2 カレンダー加工
コアカレンダー機構には、反対方向に回転する 2 つ以上の精密に設計されたローラーが含まれます。
供給：乾燥した電極箔をローラー間の隙間に供給します。
圧縮：ローラーが回転すると、電極層は高圧（材質と設計に応じて10～100MPa）にさらされます。この圧力により、コーティング層の厚さが減少し、密度が高まります。
平滑化: ローラーの研磨された表面により電極が平らになり、ひび割れ、しわ、凹凸などの欠陥が除去されます。
出力: 均一な厚さと強化された密度を持つカレンダー加工された箔は、巻き取りリール上に巻き取られ、さらなる処理 (切断、セルの組み立てなど) が行われます。
2.3 主要なプロセスパラメータ
ローラーギャップ：ローラー間の距離は最終的な厚さを直接決定します。ミクロンレベルの精度が不可欠であり、1マイクロメートルの誤差でもバッテリーの性能に影響を与える可能性があります。
圧力制御：圧力を高くすると密度は高まりますが、集電体が損傷したり、コーティングが剥離したりするリスクがあります。最適な圧力は材料によって異なります（例えば、通常、カソードはアノードよりも高い圧力が必要です）。
ローラー速度と温度: ローラーの回転速度は生産量に影響し、温度制御 (加熱ローラーまたは冷却ローラー経由) は、特にポリマーや複合材料の場合、材料の可塑性に影響します。
3. 主要コンポーネントカレンダー機
現代のカレンダーシステムは、機械、電気、制御技術を統合した高度なシステムです。主な構成要素は以下の通りです。
3.1 ローラー
材質：ローラーは通常、耐摩耗性を高めるために高強度合金鋼（例：硬化工具鋼）または炭化タングステンで作られています。表面コーティング（例：クロムまたはセラミック）は、滑らかさを向上させ、材料の付着を防ぎます。
デザイン：
2 ロール構成: 最もシンプルな設計で、薄い電極の基本的なカレンダー加工に適しています。
3ロールまたは4ロール構成：高精度かつ重い荷重の加工に使用されます。3ロール機は、圧力を均等に分散させるために、クラスター型設計を採用していることが多いです。
ニップ幅: ローラーの使用可能な幅。範囲は 300 んん (実験室規模) から 2,000 んん (EV バッテリーの工業規模) まで。
3.2 駆動システム
モーター: サーボ モーターまたはギア駆動システムは正確な速度制御を提供し、多くの場合、一定の張力を維持するためにローラー間で同期されます。
トランスミッション: ギアボックスまたはベルトドライブがローラーに動力を伝達します。圧縮中に均一な圧力を維持するためには、トルク制御が重要です。
3.3 圧力制御システム
油圧または空気圧システム：油圧シリンダーは高圧用途（例：カソード）に一般的に使用され、安定した力の出力を提供します。空気圧システムは、より軽い負荷（例：アノード）に使用される場合があります。
ロード セルとフィードバック ループ: センサーはリアルタイムの圧力を測定し、閉ループ制御を介してローラー間隔を調整し、プロセスの安定性を確保します。
3.4 温度制御システム
加熱/冷却回路: ローラーの内部チャネルにより、熱油または熱水を循環させて必要な温度を維持できます (例: 可塑性を向上させるためにカソード材料の場合は 50 ～ 150°C)。
熱センサー: ローラーの表面温度を監視して過熱を防止します。過熱によって活性材料が劣化したり、コーティングの欠陥が生じたりするのを防ぎます。
4. 電池製造における応用
バッテリーカレンダーマシンは、さまざまなバッテリー技術に不可欠であり、特定の要件に合わせて適応されます。
4.1 リチウムイオン電池
正極：NMC（ニッケル・マンガン・コバルト酸化物）やLFP（リン酸鉄リチウム）などの材料は、エネルギー貯蔵量を最大化するために高密度圧縮が必要です。カレンダー加工により、EVに使用される大型セルの厚さが均一になります。
負極：グラファイトまたはシリコンベースの負極は、リチウムイオンの拡散を促進するために、多孔性を制御する必要があります。過度に圧縮するとサイクル寿命が短くなる可能性があるため、精度が極めて重要になります。
4.2 固体電池
固体電解質（リチウムガーネットや硫化物など）は液体電解質よりも硬いため、電極と電解質を密着させるためにカレンダー加工が必要です。固体層の割れを防ぐには、表面硬度が高く、圧力を正確に制御できる特殊なローラーが必要です。
5. 電池製造におけるカレンダー処理の利点
まず、電池カレンダー機は電極材料の性能を効果的に向上させることができます。圧力とローラー速度を精密に制御することで、電極材料の表面を滑らかにし、密度を均一にすることができます。これにより、活物質と集電体の接触面積が増加し、電池の内部抵抗が低減し、充放電効率とサイクル安定性が向上します。次に、電池カレンダー機は電池生産の安定性を確保するのに役立ちます。標準化されたカレンダー工程は、電極の厚さ公差を厳密に管理し、材料の厚さの不均一性による電池性能の差を低減し、製品の歩留まりを向上させ、大規模な工業生産の要求を満たすことができます。さらに、電池カレンダー機によるカレンダー処理により、電極の構造強度が向上し、製造工程における電極の損傷リスクが低減され、電池の寿命が延び、電池の安全性と信頼性を強力にサポートすることができます。
6.バッテリーカレンダー機の今後の開発動向
6.1 技術革新の観点から見ると、バッテリーカレンダー機は引き続きインテリジェント化と自動化へと進んでいきます。人工知能（人工知能）やIoT（モノのインターネット）技術を活用することで、リアルタイム監視と精密な制御が可能になります。例えば、センサーを通して設備の稼働データを収集し、アルゴリズムを用いて生産パラメータを自動最適化することで、生産効率と製品品質を向上させることができます。さらに、シリコン系アノードや固体電池材料といった新しいバッテリー材料の加工要件を満たすため、バッテリーカレンダー機は材料選定と構造設計の革新を続け、様々な材料の効率的な加工を実現します。
6.2 市場需要レベルでは、世界的な電気自動車産業の活発な発展と再生可能エネルギー貯蔵の需要増加がバッテリー生産規模の拡大を大いに促進し、バッテリーカレンダー装置の需要を押し上げています。メーカーは、大規模かつ継続的な生産オペレーションに対応するために、設備の生産能力と安定性に対するより高い要求を提示しています。
6.3 環境保護と持続可能な開発の概念は、バッテリーカレンダー機の方向性にも深く影響を与えています。一方では、設備自体のエネルギー消費量を削減し、省エネ技術と効率的な駆動システムを採用する必要があります。他方では、生産工程において廃棄物の発生を削減することで、バッテリーメーカーの環境保護目標の達成を支援し、業界全体のグリーン化を推進する必要があります。結論として、技術、市場、環境保護といった複数の要因に後押しされ、バッテリーカレンダー機は革新と進化を続け、将来的にはバッテリー製造分野においてより重要な役割を果たすことになるでしょう。
