CN102834951A - 电解液注入装置和电解液注入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供电解液注入装置以及电解液注入方法。本发明的目的在于，更可靠地缩短向电池外壳内注入电解液所需要的时间。本发明涉及电解液注入装置，其用于向电池外壳内注入电解液，其包括：密闭的减压室；注液喷嘴，其配置在减压室内，用于向电池外壳内注入电解液；曝气槽，其用于使想要向注液喷嘴供给的电解液暴露在减压室内的压力下。
Description
技术领域
本发明涉及向电池外壳内注入电解液。
背景技术
日本国专利厅于1997年发行的JP09－102443A公开了如下的电解液注入方法：为了将电解液高效地注入到电池外壳内，通过在减压后的环境中将电解液注入到电池外壳内，促进了电解液向电极组的间隙中的渗透。
在减压后的环境中，溶解在电解液内的气体的体积急剧地膨胀而易于产生气泡。因此，需要缓慢地进行电解液的注入，以便所产生的气泡不会使电解液从电池外壳溢出。
即，在该现有技术中，即使促进了电解液向电极组的间隙中的渗透，也未必能够缩短注液时间。
发明内容
因而，本发明的目的在于更可靠地缩短向电池外壳内注入电解液的所需时间。
为了达成上述目的，本发明的电解液注入装置包括：密闭的减压室；注液喷嘴，其配置在减压室内，用于向电池外壳内注入电解液。电解液注入装置还具有曝气槽，该曝气槽用于使想要供给至注液喷嘴的电解液暴露在减压室内的压力下。
在说明书的以下记载中对本发明的详细内容以及其他的特征、优点进行说明，并且以附图进行表示。
附图说明
图1是本发明的电解液注入装置的概略结构图。
图2是锂离子二次电池的分解立体图。
图3是电池主体的立体图。
图4是锂离子二次电池的侧视图。
图5是电解液注入装置所具有的曝气槽的概略纵剖视图。
图6是电解液注入装置所具有的脱气模块的概略纵剖视图。
图7是说明脱气模块的脱气工艺的脱气管的局部纵剖视图。
图8A－图8G是说明利用电解液注入装置进行的电解液注入动作的时序图。
图9是表示本发明的其他实施例的电解液注入装置的概略结构图。
具体实施方式
参照图1，电解液注入装置1用于向被保持于保持工具3的锂离子二次电池10的电池外壳12内注入电解液20。
电解液注入装置1包括由密闭容器形成的减压室2、用于对减压室2内进行减压的减压管线5、用于使减压室2内从减压状态恢复成大气压的大气导入管线6以及用于将电解液20供给至减压室2的电解液供给管线8。另外，电解液注入装置1在减压室2内具有注液机构4，该注液机构4用于将自电解液供给管线8供给的电解液20减压并注入到电池外壳12内。而且，电解液注入装置1在减压室2的外侧具有控制装置7，该控制装置7用于对减压管线5、大气导入管线6、电解液供给管线8以及注液机构4进行控制。
参照图2，锂离子二次电池10包括：电池主体11，其设有正极集电部103a和负极集电部103b；电池外壳12，其由层压膜构成，用于收容电池主体11；正极极耳（anode tab）104a，其与正极集电部103a电连接；负极极耳（cathode tab）104b，其与负极集电部103b电连接。
参照图3，电池主体11由单体电池的层叠体构成，该单体电池的层叠体是隔着隔离膜将正极板和负极板层叠而成的。在以下的说明中，将电池主体11的在单体电池的层叠方向上的端面称为层叠端面11a，将电池主体11的除了层叠端面11a之外的外周面称为层叠侧面11b。
再次参照图2，正极板由通过涂布形成了正极电极的铝箔构成。负极板由利用涂布形成了负极电极的铜箔构成。从单体电池的层叠区域引出到外侧的、未涂布有电极材料的金属膜片43分别与各单体电池的正极板及负极板连接。
正极集电部103a是通过对所有的单体电池的正极板的金属膜片43一并进行超声波焊接而构成的。正极极耳104a也被超声波焊接于正极集电部103a。
负极集电部103b是通过对所有的单体电池的负极板的金属膜片43一并进行超声波焊接而构成的。负极极耳104b也被超声波焊接于负极集电部103b。
锂离子二次电池10借助正极极耳104a及负极极耳104b自各单体电池放电及向各单体电池蓄电。
电池外壳12由两片层压膜构成。层压膜由金属层、保护层以及具有热熔接性的热熔接性树脂层的层叠体构成。以热熔接性树脂层面对电池主体11的状态使用层压膜。热熔接性树脂层使用聚丙烯（PP）。
在一侧的层压膜上预先形成有用于收容电池主体11的凹部12e。电池外壳12是通过在将电池主体11收容在凹部12e内的状态下使两片层压膜粘合并使4边热熔接而构成的。其中，在将电池主体11收容在凹部12e内的状态下，首先热熔接3边，在从剩余的1边的开口部向电池外壳12内注入电解液之后，热熔接剩余的1边。
也可以代替在层压膜上形成凹部12e，而以包裹电池主体11的方式粘合两片扁平的层压膜，利用因层压膜的变形而产生的空间来收容电池主体11。
参照图4说明电池外壳12的其他的结构。
在此，将1片层压膜对折而包裹电池主体11。在该状态下，电池外壳12的底边12b为层压膜的折叠边。在其他的3边中的图的左右的两边12c、12d上设置将相接的层压膜热熔接而成的熔接部12f，从而形成袋状的电池外壳12。电池外壳12的相当于图的上端的剩余的1边12a为开口状态。
向电池外壳12内注入电解液20是从边12a的开口部朝向电池外壳12内进行的。在注入电解液20之后，热熔接边12a，密闭电池外壳12。
电池外壳12的材料不限定于层压膜。也能够将电池外壳12设为金属制的。
再次参照图1，电解液20例如由如下的电解液构成：将1摩尔／升的六氟化磷酸锂（LiPF6）或四氟化硼酸锂（LiBF4）作为支持电解质，将以50比50的质量比混合的碳酸丙烯脂（propylene carbonate）和碳酸乙烯脂（ethylene carbonate）作为混合溶剂。
减压室2具有门21。设置门21的目的在于，将收容有电池主体11的电池外壳12与保持工具3一起输入到减压室2内，将完成了电解液的注入后的电池外壳12与保持工具3一起从减压室2输出。为了避免误解而进行说明，图中所示的附图标记21的矩形并不是覆盖电池外壳12的容器，而是表示在电池外壳12的背后的减压室2的壁面上设置的门。在门21的外侧设有电池外壳12的输入路径以及输出路径。在减压室2内是大气压的状态下开闭门21。封闭状态的门21将减压室2内保持成密封状态。
在将电池外壳12保持于保持工具3的状态下向减压室2输入电池外壳12、在减压室2内注液以及从减压室2内输出电池外壳12。保持工具3对电池外壳12的覆盖电池主体11的层叠端面11a的两个面进行夹持，以使边12a的开口部朝上的状态保持电池外壳12。
减压管线5包括由电动马达5c驱动的真空泵5b和使真空泵5b与减压室2连接起来的阀5a。减压管线5通过在打开了阀5a的状态下运转真空泵5b而对减压室2内进行减压。
大气导入管线6具有使减压室2与大气连接起来的阀6a。大气导入管线6通过打开阀6a而向减压后的减压室2内导入大气，使减压室2的内压从真空状态上升至大气压状态。另外，也可以使阀6a与干燥空气或非活性气体的积存槽连接来取代使该阀6a与大气连接。
电解液供给管线8包括用于积存电解液20的积存槽41、用于对积存槽41的电解液20进行加压而供给至减压室2内的供给泵43以及用于驱动供给泵43的电动马达42。
设在减压室2内的注液机构4具有曝气槽44、脱气模块45以及注液喷嘴46。
参照图5，曝气槽44通过将从供给泵43供给至减压室2的电解液20暴露在减压室2内的环境下而从电解液20进行排气。因此，曝气槽44具有供来自供给泵43的电解液20流入的流入部44b和形成在减压室2的上端的开口部44a。从供给泵43供给的电解液20暂时积存在曝气槽44内。由此，曝气槽44的内侧分离成电解液20的液面的下方的液相和液面的上方的气相。在曝气槽44的面对液相的位置形成有与脱气模块45连通的流出部44c。
从流入部44b流入到曝气槽44内的电解液20借助曝气槽44内的液面而暴露在被从开口部44a引导至曝气槽44的液面上方的储液槽2内的环境下。由此，使液压降低，直到电解液20的压力与减压室2内的环境的压力相等为止。换言之，在减压室2是大气压的情况下，曝气槽44内的电解液20也成为大气压，在减压室2是负压的情况下，曝气槽44内的电解液20也成为负压。
曝气槽44的容量优选设定为能够积存被注入到电池外壳12内的电解液量的程度。例如，在每次将电池外壳12输入到减压室2内时均从供给泵43向曝气槽44供给电解液20。
再次参照图1，脱气模块45与曝气槽44内的流出部44c连接，对于在曝气槽44内进行了排气和压力调整的电解液20，进一步使用气体透过膜进行气液分离。
参照图6，脱气模块45具有与曝气槽44的流出部44c连通的入口室45a、出口室45b以及将入口室45a与出口室45b连接起来的多个脱气管45c。脱气模块45还具有用于收容多个脱气管45c的气密腔室45e和用于将气密腔室45e与减压室2内的气氛气体连接起来的单向阀45d。单向阀45d容许空气从气密腔室45e向减压室2流出，而阻止空气从减压室2向气密腔室45e流入。利用单向阀45d将气密腔室45e内的压力保持成始终与减压室2内的压力相同或在减压室2内的压力以下。另外，在利用大气导入管线6使减压室2的压力上升至大气压的情况下，气密腔室45e也保持减压状态。
脱气管45c由树脂制的中空纤维的气体透过膜构成。由中空纤维构成的气体透过膜为非多孔性，且具有使尺寸较小且运动性较高的气体分子透过的性质。
参照图7，从入口室45a通过配置在始终被减压的气密腔室45e内的脱气管45c朝向出口室45b的电解液使液体中所含有的尺寸较小且运动性较高的溶解气体分子从液体朝向脱气管45c的壁面扩散。扩散的气体分子基于菲克定律（Fick law）集中到气体透过膜的内周面付近。上述气体分子基于亨利定律（Henry law）被吸收到气体透过膜内，并在气体透过膜中移动而被排出到气体透过膜之外。
再次参照图1，注液喷嘴46与被保持工具3保持在减压室2的规定位置的电池外壳12的开口部相对地配置在该开口部的上方。注液喷嘴46借助电磁阀46a与脱气模块45的出口室45b连接。注液喷嘴46响应电磁阀46a的励磁而将从脱气模块45供给的排气后的电解液20从开口部注入到电池外壳12的内侧。
利用设在减压室2的外侧的控制器7并借助信号电路来对减压管线5的阀5a的开闭与电动马达5c的运转、大气导入管线6的阀6a的开闭、电解液供给管线8的电动马达42的运转以及注液喷嘴46所具有的电磁阀46a的开闭进行控制。控制器7由具有中央运算装置（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）以及输入输出接口（I／O接口）的微机构成。也能够由多台微机构成控制器7。
接着，参照图8A－图8G说明利用电解液注入装置1向电池外壳12内注入电解液20的注入工艺。
在从时刻t0至时刻t1的待机期间中，如图8G所示，打开大气导入管线6的阀6a，减压室2内被释放成大气压。如图8B所示，打开门21，如图8E与8F所示，使电解液供给管线8的供给泵43和减压管线5的真空泵5b停止运转。
在时刻t1，开始利用电解液注入装置1向电池外壳12内注液的作业。控制器7通过使电解液供给管线8的电动马达42运转而如图8E所示那样使供给泵43运转，将积存槽41内的电解液20向曝气槽44供给。
在时刻t2，如图8A所示，将保持于保持工具3的电池外壳12从门21输入至减压室2内。在时刻t3，如图8B所示，封闭门21。
在时刻t4，如图8E所示，控制器7停止从电解液供给管线8向曝气槽44供给电解液20。通过使供给至曝气槽44的电解液20在曝气槽44内暴露在减压室2的环境下，使该电解液20从在积存槽41内的大气压上加上供给泵43的加压量而成加压状态向大气压减压，其结果，溶解在电解液20内的气体分子的一部分如图5所示那样膨胀，形成为气泡而自电解液20分离。
再次参照图8A－图8G，在时刻t5，如图8G所示，控制器7封闭大气导入管线6的阀6a。同时打开减压管线5的阀5a，使电动马达5c开始运转。其结果，如图8F所示，真空泵5b开始运转。与此相伴，如图8C所示，减压室2内的压力从大气压起被减压。
在时刻t6，当减压室2内的压力降低至规定真空压力时，控制器7停止电动马达5c的运转，如图8F所示，停止真空泵5b的运转。另外，关闭减压管线5的阀5a。之后，减压室2保持成真空压力。脱气模块45以及电池外壳12的内部也维持成真空压力。
通过在曝气槽44内将电解液20暴露在真空压力之下，进一步对电解液20进行减压。其结果，电解液20所含有的溶解气体分子的密度降低，成为易于在液体中移动的状态。在该环境中，使气体分子的体积膨胀而成为气泡，迅速地在液体中上升而到达电解液20的液面，并被放出到曝气槽44的上部空间。这样，通过对减压室2进行减压，促进曝气槽44内的电解液20的气液分离。
在时刻t6，控制器7在停止真空泵5b的运转的同时打开电磁阀46a，如图8D所示，开始从注液喷嘴46向电池外壳12内注入电解液20。随着注液喷嘴46开始注入电解液20，充分地放出了溶解气体分子的曝气槽44内的电解液20经由脱气模块45被供给至注液喷嘴46。通过使电解液20通过脱气模块45，进一步使残存在液体中的溶解气体分子分离。因而，将电解液20以几乎完全除去了气体分子的状态供给至注液喷嘴46。
注入到电池外壳12内的电解液20首先从图4所示的电池主体11的上方的空间流入到左右的两边12c、12d与电池主体11之间的空间内，进而填充至电池主体11与电池外壳12的底边12b之间的间隙。这样，注入到电池外壳12内的电解液20从电池主体11的周围渗透至电池主体11的内部。
注入到电池外壳12内的电解液20几乎完全除去了气体分子。另外，预先在曝气槽44内将电解液20的压力调整成与减压室2的真空压力相等。
因而，在注入到电池外壳12内的电解液20中，存在于液体中的溶解气体分子急剧地膨胀，不会产生造成液体飞散这种不良情况，电解液20迅速地渗透至电池主体11的内部。
控制器7使注液喷嘴46的注液速度与电解液20向电池主体11渗透的速度同步。因此，当完成恒定量的注液时，经过规定时间，控制器7关闭电磁阀46a，在经过规定时间之后再次打开电磁阀46a，从而间歇地进行注液。其结果，如图8C所示，电池外壳12内的电解液20的量阶段性地增加。这样的控制在防止电解液20的注入超过向电池主体11渗透的速度而防止电解液20从电池外壳12溢出这一点上是优选。
在时刻t7，如图8D所示，电池外壳12内的电解液20的量达到规定量。通过将降低了压力的电解液20注入到电池外壳12内，并且预先除去了电解液20内的溶解气体分子，能够缩短从时刻t6至时刻t7的期间，该时刻t6是由注液喷嘴46注入开始电解液20的时刻，该时刻t7是由注液喷嘴46停止注入电解液20的时刻。
在时刻t7，控制器7关闭电磁阀46a，并且如图8G所示，打开大气导入管线6的阀6a，开始向减压室2导入大气。
其结果，如图8C所示，减压室2内的压力向大气压上升。即使减压室2内的压力上升，电池外壳12内的电池主体11的内部的压力也不会立即上升。该压力梯度使电解液20加速向电池主体11内部渗透，在短时间内完成向电池主体11填充电解液20的作业。
在时刻t8，当减压室2内的压力到达大气压时，如图8B所示，打开门21。在时刻t9，如图8A所示，将电池外壳12在保持于保持工具3的状态下从门21向减压室2之外输出。之后，在减压室2内再次开始向其他的电池外壳12内注入电解液20的工艺。
通过对从减压室2输出的电池外壳12的开口部进行热熔接而密封该电池外壳12，从而完成组装成锂离子二次电池。
如上所述，采用该电解液注入装置1，曝气槽44将电解液20暴露在减压室2内的环境下，从而对电解液20进行减压。其结果，电解液20内的溶解气体分子的密度降低而成为易于在液体中移动的状态。气体分子的体积膨胀而成为气泡，在液体中迅速上升而到达电解液20的液面，并被排出到曝气槽44的上部空间。这样，通过设置用于将电解液20暴露在减压室2的环境下的曝气槽44，促进了电解液20的气液分离，提高了脱气效率。其结果，能够缩短向电池外壳12内注液的时间。
另外，通过与使用了气体透过膜的脱气模块45组合，能够期待完全对电解液20进行脱气。
其结果，在从注液喷嘴46向电池外壳12内注入电解液20时，能够防止残存在电解液20内的气体的体积急剧地膨胀而导致液体飞散、或者所产生的气泡使电解液从电池容器溢出这样的不良情况，能够改善向电池外壳12内注入电解液20的效率。
在以上说明的实施例中，通过预先将规定量的电解液20积存在减压室2内的曝气槽44内，并将积存在曝气槽44内的电解液20暴露在减压中的减压室2的环境下，使溶解在电解液20内的气体分子分离。对于此情况，也能够在从供给泵43向曝气槽44供给电解液20的同时利用注液喷嘴46向电池外壳12内注入电解液20。
在该情况下，在关闭减压室2的门21的时刻t4或开始减压的时刻t5使供给泵43运转，开始从积存槽41向曝气槽44供给电解液20。如图8E的虚线A所示，与注液喷嘴46的注液量大致同步的流量持续地从积存槽41向曝气槽44供给电解液20，直到由注液喷嘴46完成注液为止。
处于对积存槽41内的大气压增加了由供给泵43提供的供给压的加压状态下的电解液20由于在曝气槽44内暴露在减压室2的减压环境下而被减压，与此相伴，电解液20中的溶解气体分子膨胀并形成为气泡而被分离。因而，对于电解液20内的残存气体分子的分离，能够获得与以上说明的实施例相同的理想的效果。
参照图9说明本发明的其他的实施例。
该实施例的电解液注入装置1在减压室2内具有1组曝气槽44、脱气模块45以及与该脱气模块45并列连接的多个注液喷嘴46。保持工具30将与注液喷嘴46相同数量的电池外壳12以在水平方向上重叠的状态保持。上述的设备全部收容在图1所示的减压室2的内侧。减压室2的外侧的结构与第1实施例相同。
这样，通过在减压室2内设置多个注液喷嘴46，能够同时向多个电池外壳12注入电解液20，进一步改善了作业效率。也可以将多个与第1实施方式相同的保持工具3排列来取代保持工具30。而且，也能够使用与第1实施方式相同的单一的注液喷嘴46依次向多个电池外壳12注入电解液20。
关于以上的说明，引用以2010年4月7日为申请日的日本特愿2010－88696号的内容而并入本说明书中。
以上，通过几个特定的实施例说明了本发明，但是本发明并不限定于上述的各实施例。对于本领域技术人员来说，能够在权利要求书的保护范围内对上述的实施例施加各种修改或变更。
例如，以上说明的各实施例是将本发明应用于对锂离子二次电池注入电解液的电解液注入装置的实施例，但是本发明也能够应用于对双电层电容器、电解电容器注入电解液的电解液注入装置。
另外，曝气槽44并非一定需要配置在减压室2内。通过使曝气槽44的开口部44a经由配管与减压室2连通，也能够将曝气槽44配置在减压室2的外侧。
产业上的可利用性
如上所述，由于本发明对于改善向电池外壳内注入电解液的作业效率带来了理想的效果，因此能够应用于各种电池的制造。
发明的实施例所包含的排他的性质或特点如权利要求书所述。
Claims (7)
1.一种电解液注入装置，其用于向电池外壳内注入电解液，其中，
该电解液注入装置包括：
密闭的减压室；
注液喷嘴，其用于向配置在减压室内的电池外壳注入电解液；
曝气槽，其用于使想要供给至注液喷嘴的电解液暴露在减压室内的压力下。
2.根据权利要求1所述的电解液注入装置，其中，
该电解液注入装置还具有使用气体透过膜来分离气液的脱气模块，该脱气模块位于曝气槽与注液喷嘴之间。
3.根据权利要求2所述的电解液注入装置，其中，
曝气槽包括：流入部，其用于使电解液流入；开口部，其以面对电解液的液面的上方的气相的方式形成，与减压室内的气氛气体连通；流出部，其以面对电解液的液相的方式形成，与脱气模块连通。
4.根据权利要求3所述的电解液注入装置，其中，
该电解液注入装置将曝气槽配置在减压室内，并且还具有配置在减压室的外侧的、用于将电解液供给至流入部的供给泵。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电解液注入装置，其中，
减压室具有用于输入/输出电池外壳的门。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电解液注入装置，其中，
该电解液注入装置具有多个注液喷嘴。
7.一种电解液注入方法，其用于向电池外壳内注入电解液，其中，
封闭减压室，
在曝气槽中将电解液暴露在减压室内的压力下，
利用注液喷嘴将曝气槽中的电解液注入到被配置在减压室内的电池外壳内。
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