CN105814714B - 电池的制造方法以及制造装置 - Google Patents

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Abstract

包括以下步骤：第一减压步骤，对注液用腔室内进行减压；注液步骤，在该注液用腔室内从电池的封装体上端的开口部注入电解液；第二减压步骤，对密封用腔室内进行减压；以及密封步骤，在该密封用腔室内将开口部密封。对通过第一减压步骤使注液用腔室内的压力成为规定的真空度为止的真空到达时间(ΔT)进行测量，当该真空到达时间(ΔT)超过第一阈值(ΔTs1)时，使减压速度降低并且延长减压时间。

Description

电池的制造方法以及制造装置
技术领域
本发明涉及一种向电池的内部注入电解液的电池的制造方法以及制造装置。
背景技术
众所周知的是，在制造在封装体的内部密封电极层叠体和电解液而成的锂电池等电池的情况下，为了提高电解液的浸透性而利用注液用真空泵将注液用腔室内减压为规定的真空状态，在该减压后的注液用腔室内，从电池的封装体的开口部注入电解液(参照专利文献1)。
在如上述那样在真空状态下注入电解液之后，为了进行电解液的浸渗而例如在大气压的状态下将该电池放置固定时间。之后，将电池移到密封用腔室，利用密封用真空泵将该密封用腔室内减压为规定的真空状态，由此使残留在封装体的内部的气体排出，之后通过热熔接等将开口部密封。
专利文献1：日本特开平9-35704号公报
发明内容
发明要解决的问题
在真空状态下的注液中，电解液不可避免地挥发。因此，在设定注液泵的电解液的注液量时，事先考虑电解液挥发的挥发量，以对电池内实际需要的规定的注液量加上挥发量的方式设定注液量。
然而，在注液时，无法完全防止电解液在注液用腔室内飞散，因此，随着注液的次数增加，注液用腔室内飞散的电解液以附着在注液用腔室的内壁面等的形式某种程度地残留。此外，即使设为真空状态，注液用腔室内残留的电解液也不完全挥发，因此即使暂时将注液用腔室内减压到规定的真空状态，也无法完全去除注液用腔室内残留的电解液。也就是说，当重复进行注液时，某种程度的电解液不可避免地残留在腔室内。
当这样残留在注液用腔室内的电解液增加时，在减压时该残留的电解液会挥发，因此即使实施规定时间的减压也达不到规定的真空度、即达到规定的真空度为止的真空到达时间变长，难以充分地进行减压。另外，与腔室内残留的电解液挥发的部分相应地，本来认为会挥发的注液中的电解液不挥发，注液中的电解液的挥发量减少，进而电解液的注液量过量。
因此，腔室内的减压容易变得不充分，电解液向封装体内部的浸渗也难以进行，成为剩余的电解液积存在封装体的上端的开口部附近的状态，且内部的气体的排出也难以充分地进行。当将这种状态的电池移到密封用腔室并进行密封用腔室的减压时，存在以下担忧：在封装体的上端的开口部附近积存的电解液急剧沸腾(突沸)或起沫而发生液体泄漏，电解液附着在封装体的表面等而招致品质的降低。另外，封装体的内部残留的气体的排出也不能充分进行。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种即使在由于重复注液而随时间经过在注液用腔室内残留有电解液的情况下、也能够抑制之后的密封时的电解液的液体泄漏并且能够促进残留在封装体的内部的气体的排出的新型的电池的制造方法以及制造装置。
用于解决问题的方案
本发明是涉及一种在封装体的内部密封电极层叠体和电解液而成的电池的制造的发明，包括以下步骤：
第一减压步骤，使用注液用真空泵来对注液用腔室内进行减压以使该注液用腔室内成为真空状态；
注液步骤，在减压后的所述注液用腔室内，从形成于所述电池的封装体的上端的开口部注入电解液；
第二减压步骤，使用密封用真空泵对配置有所述电池的密封用腔室内进行减压以使该密封用腔室内成为真空状态；以及
密封步骤，在减压后的所述密封用腔室内将所述开口部密封。
而且，对通过所述第一减压步骤使所述注液用腔室内的压力成为规定的真空度为止的真空到达时间进行测量，基于该真空到达时间来变更所述密封用真空泵的减压速度和减压时间中的至少一方。
在注液用腔室内残留有电解液的情况下，在利用注液用真空泵使注液用腔室内的压力从大气压附近减压到规定的真空状态的所谓抽真空的期间内，残留的电解液也会挥发，因此到成为真空状态为止的真空到达时间变长。因而，能够根据该真空到达时间来判断残留在注液用腔室内的电解液的状态。具体地说，真空到达时间越长，则能够判断为腔室内残留的电解液的量越多。
因而，对真空到达时间进行测量，并基于该真空到达时间来变更/校正密封用真空泵的减压速度和减压时间中的至少一方，由此即使在注液用腔室内残留有多的电解液的情况下，也能够抑制密封时的电解液的液体泄漏，并且能够促进残留在封装体的内部的气体的排出。
具体地说，在所述真空到达时间超过第一判定时间的情况下，判断为注液用腔室内残留有多的电解液，通过降低所述密封用真空泵的减压速度，能够抑制积存在封装体的上端的开口部附近的电解液突沸或起沫，从而能够抑制由此产生的电解液的液体泄漏。
通过在这样降低减压速度的同时延长密封用真空泵的减压时间，虽然使减压速度降低，但是能够提高电解液的浸渗性，进而能够促进残留在封装体的内部的气体的排出。
但是，当这样真空到达时间、减压时间变长时，生产时间变长，作业效率降低，因此优选的是，在真空到达时间超过是小于所述第一判定时间的值的第二判定时间的情况下发出警告，由此促使作业人员进行注液用腔室的清理。通过进行清理，能够减少成为生产效率降低的原因的残留在注液用腔室内的电解液。
发明的效果
如以上那样，根据本发明，即使在由于重复注液而随时间经过在注液用腔室内残留有电解液的情况下，也能够抑制之后的密封时的电解液的液体泄漏，并且提高电解液的浸渗性。
附图说明
图1是表示应用本发明所涉及的电解液注液装置的薄膜封装电池的立体图。
图2是表示所述薄膜封装电池的剖面图。
图3是表示注液步骤的过程的框图。
图4是表示本实施例的注液装置的整体结构的说明图。
图5同样是表示本实施例的注液装置的整体结构的说明图。
图6同样是表示本实施例的注液装置的整体结构的说明图。
图7是表示腔室减压时的压力与时间之间的关系的说明图。
图8是表示电解液的注液量的減量校正控制的过程的流程图。
图9是表示密封步骤中的减压时的压力的变化的说明图。
图10是用于说明减压时间的延长与浸渗性提高之间的关系的说明图。
具体实施方式
以下，通过图示实施例来说明本发明。首先，参照图1和图2来说明作为被注入电解液的电池的一例的薄膜封装电池。该薄膜封装电池1例如是锂离子二次电池，具有扁平的长方形的外观形状，在长度方向的一方的端缘具备由导电性金属箔形成的一对端子2、3。该薄膜封装电池1是将呈长方形的电极层叠体4和电解液一起收容在由层压膜形成的封装体5的内部而得到的电池。上述电极层叠体4由隔着分隔件8交替层叠的多个正极板6和负极板7构成。多个正极板6与正极端子2接合，同样地，多个负极板7与负极端子3接合。正极板6是在由铝箔等金属箔形成的正极集电体6a的两面涂布正极活性物质层6b而形成的，同样地，负极板7是在由铝箔等金属箔形成的负极集电体7a的两面涂布负极活性物质层7b而形成的。
封装体5呈配置在电极层叠体4的下面侧的一个层压膜和配置在电极层叠体4的上面侧的另一个层压膜的双层构造，使这两个层压膜的周围的四边重合，沿其周缘彼此热熔接。在对层压膜进行热熔接时，位于呈长方形的薄膜封装电池1的短边侧的一对端子2、3通过层压膜的接合面而被引出到外部。
此外，在图示例中，在相同一方的端缘排列配置了一对端子2、3，但是也能够形成为，在一方的端缘配置正极端子2且在另一方的端缘配置负极端子3。
作为上述的薄膜封装电池1的制造过程，如以下所述。首先，在层叠步骤中，将正极板6、负极板7以及分隔件8顺次层叠且通过点焊等安装端子2、3来构成电极层叠体4。接着，使用成为封装体5的层压膜覆盖该电极层叠体4，留出其中一边而将周围的三边热熔接。接着，通过开口的一边向封装体5的内部注入/填充电解液，之后，将开口的一边热熔接来将封装体5设为密闭状态。由此，薄膜封装电池1完成，因此，接下来进行充电直到达到适当的水平为止，在该状态下，进行固定时间的试运转。在该试运转完成之后，为了进行电压检查等而再次进行充电，出厂。
此外，将多个这种薄膜封装电池1收容在扁平的箱状壳体内，作为电池模块来使用。在该情况下，成为在电池模块的壳体内层叠有多个薄膜封装电池1的配置，封装体5例如通过壳体的一部分或与壳体之间独立的弹性构件而能够成为沿电极层叠体4的层叠方向(与电极层叠体4的主面正交的方向)稍微被按压的状态。
作为电解液中使用的有机液体溶剂，能够使用除了将碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯等其它酯类溶剂混合、调和之外、还将γ-丁内酯(γ-BL)、二乙氧基乙烷(DEE)等醚类溶剂以及其它溶剂混合、调和而成的有机液体溶剂。
图3是简略地表示作为薄膜封装电池1的制造步骤的一部分的注液步骤的说明图。
在步骤S11中，从存储单元中自动取出一个薄膜封装电池1(以下也称为“电池单元”)。在步骤S12中，进行该一个电池单元的片材检测检查。在步骤S13中，测定该一个电池单元的重量。如果是没有满足规定的重量范围的不合格品，则前进到步骤S13A，作为不合格品而搬出，将其从该注液步骤中排除。
在步骤S14中，对夹持治具设置电池单元。在步骤S15中，利用刀具等使成为注液口的薄膜封装电池1的一边(上边)开口，并定位/锁定于夹持治具。在步骤S16中，将保持电池单元的多个(在该例子中是24个电池单元)夹持治具设置在注液用料盒。在步骤S17中，向注液用腔室14搬入注液用料盒。然后，在步骤S18中，如后述那样对夹持治具所保持的各电池单元进行注液。也就是说，如图6所示那样使用注液用真空泵16将注液用腔室14内减压为真空状态(第一减压步骤)，在这样被减压为真空状态的注液用腔室14内，从设置于电池1的封装体5的上端的开口部5A注入电解液(注液步骤)。
当注液结束时，前进到步骤S19，从注液用腔室14搬出料盒，在大气压的状态下放置固定期间(例如几分钟左右)(浸渗步骤)。通过这样在真空状态下注入电解液，由于残留在电池1的电极层叠体4的内部的气体为大气压，因此内部的气体由于与外部的真空状态之间的压力差而膨胀，容易从封装体5的内部排出气体。另外，在电解液的注液之后，在大气压状态下将电池1放置固定期间，由此能够利用从真空状态恢复为大气压状态时的压力差来促进电解液向电极层叠体4的内部的浸渗。
在接下来的步骤S20中，从料盒取出一个治具。在步骤S21中，对取出的治具所保持的一个电池单元(电池)进行真空暂时密封(密封步骤)。在该真空暂时密封步骤中，如图4所示那样，在密封用腔室31内设置保持有一个电池1(电池单元)的治具32，利用密封用真空泵33对密封用腔室31内进行减压直到密封用腔室31内成为规定的真空状态。然后，针对被减压为真空状态的密封用腔室31内的电池单元，利用密封块34将其上端的开口部5A挟持，通过热熔接将开口部5A密封。上述的密封用真空泵33的动作、也就是密封用真空泵33的减压速度和减压时间被密封控制部35控制。
在步骤S22中，从密封用真空泵33取出治具32并且从该治具32取出电池单元。在步骤S23中，测定电池单元的密封部分的厚度。在步骤S24中，进行电池单元的整形、也就是进行变形或扭曲的矫正。在步骤S25中，与上述的步骤S13同样地，再次进行一个电池单元的重量测定。如果是步骤S23中测定出的厚度和步骤S25中测定出的重量没有满足规定范围的不合格品，则前进到步骤S25A，作为不合格品而搬出，将其从该注液步骤中排除。在步骤S26中，将通过了步骤S23和步骤S25的检查的正常品的多个电池单元(在该例子中是32个电池单元)插入到检查料盒。在步骤S27中，向下一检查步骤自动输送料盒。
参照图5和图6，收容配置有注液用料盒(省略图示)的注液用腔室14的内部通过恒压型的注液用真空泵16被进行减压从而被密封为规定的真空状态，在该真空状态下的注液用腔室14内，利用注液泵17的注液喷嘴18从形成于封装体5的上端的开口部5A注入电解液。在该例子中，针对配置在注液用腔室14内的24个电池单元，利用6个(在图中为了方便图示出3个)注液喷嘴18分为4组来进行注液。这些注液泵17和注液用真空泵16的动作被注液控制部20控制。
另外，为了使电解液良好地浸透到电池单元的内部而针对各个电池单元分多次(在该实施例中是7次)进行注液。注液次数的前半主要是以去除电池单元内部的气体为目的，真空度被设定得高(也就是说压力被设定得低)，具体地说，被设定为20hPa以下的高真空度。另一方面，在注液次数的后半中，主要以使电解液还充分浸透到电池单元内部的已去除了气体的部分为目的，真空度被设定得低(也就是说压力被设定得高)，具体地说，被设定为200hPa左右的低真空度。
此外，为了避免在注液时以外的状况时(例如切换进行注液的电池单元的组时)从注液喷嘴18滴下的电解液附着在薄膜封装电池1的表面等，在注液用腔室14内支承有用于接受从注液喷嘴18滴下的电解液的托盘21。该托盘21以开口方式形成有喷嘴开口部22，注液喷嘴18贯穿该喷嘴开口部22的中央部，在该托盘21的内周缘和外周缘曲折形成了向上方竖起的凸缘部23、24。在这两个凸缘部23、24之间形成有用于接受电解液的积存部25。该托盘21以可升降的方式被支承在注液用腔室14内，在注液以外时位于注液喷嘴18的下方待机，在注液时上升，注液喷嘴18贯穿喷嘴开口部22。
关于所注入的电解液的注液量，基本上除了各电池单元所要求的规定的注液量以外，还考虑注液过程中在注液用腔室14内挥发的挥发量，从而设定为加上该挥发量之后的值。也就是说，注液量被设定为比规定的注液量多出挥发量的值。但是，由于重复进行注入作业，因此如图5那样在注液用腔室14的内壁面、托盘21的积存部25不可避免地残留冰霜状的电解液26。在这样注液用腔室14内残留有电解液26的状况下，存在以下倾向：在减压时、注液时残留在注液用腔室14内的电解液26挥发，因此减压速度降低，并且注液中的电解液的挥发量相对减少，进而向电池内注入的电解液的注液量过量。因此，注液用腔室14内的减压容易变得不充分，封装体5内部的气体不被充分地排出，电解液向内部的浸渗也难以进行，容易成为剩余的电解液积存在上端的开口部5A附近的状态。当将这种状态的电池1移到密封用腔室31并进行减压时，存在以下担忧：积存在电池1的开口部5A附近的电解液急剧沸腾(突沸)而发生液体泄漏，电解液附着在电池1的表面等而导致品质的降低。
参照图7，虚线L1表示注液用腔室14内没有残留电解液的洁净状况下的减压特性，实线L2表示注液用腔室14内残留有超过规定水平的电解液的状况下的减压特性。如该图所示那样，残留有电解液的情况(特性L2)与没有残留电解液的情况(特性L1)相比，随着注液用腔室14内残留/露出的电解液的挥发而压力的降低变得平缓，压力的降低变得缓慢。其结果，关于从利用注液用真空泵16进行减压的开始时间点T0(大气压附近的状态)起直到注液用腔室14内的压力成为规定值Ps以下的真空状态ΔP为止的真空到达时间ΔT，残留有电解液的情况(ΔT2)比没有残留电解液的情况(ΔT1)长(ΔT2>ΔT1)。
而且，在本实施例中，基于真空到达时间ΔT来估计注液用腔室14内的电解液的残留状况，根据这样的电解液的残留状况来变更/校正密封时的减压速度和减压时间。
图8是表示这种本实施例的控制过程的流程图。例如通过上述的密封控制部35重复执行本例程。
在步骤S31中，对从利用注液用真空泵16进行减压的开始时间点(大气压附近)T0起直到注液用腔室14内的压力变为规定值Ps以下、也就是规定的真空度为止的真空到达时间ΔT进行测量。在步骤S32中，判定该真空到达时间ΔT是否超过了第一阈值ΔTs1。第一阈值ΔTs1例如被预先设定为相对于注液用腔室14内没有残留电解液的洁净状况下的真空到达时间增加了10％左右的值。
如果真空到达时间ΔT超过第一阈值ΔTs1，则判断为注液用腔室14内残留有规定水平的电解液而在密封时有可能发生电解液的液体泄漏，前进到步骤S33A、S33B，实施密封时的密封用真空泵33的减压速度和减压时间的变更/校正。
具体地说，在步骤S33A中，使密封用真空泵的减压速度降低。例如使密封用真空泵33的风扇、马达的驱动力降低。或者也可以是，在利用多个密封用真空泵33进行减压的情况下，通过停止几个密封用真空泵33的工作来使减压速度降低。
在步骤S33B中，延长密封用真空泵33的减压时间(从开始进行减压起到开始进行密封为止的时间)。例如如图9所示，使减压时间ΔT4增加到基准的减压时间ΔT3的大致2倍左右。
在步骤S34中，判断真空到达时间ΔT是否超过了第二阈值ΔTs2。该第二阈值ΔTs2为小于第一阈值ΔTs1的值。如果真空到达时间ΔT超过第二阈值ΔTs2，则前进到步骤S35，向作业人员发出警告以清理注液用腔室14内残留的电解液。该警告是使用声音或灯等进行的。
图9是表示密封步骤中的减压时的压力的变化的说明图。图中的细线L3表示真空到达时间ΔT为第一阈值ΔTs1以下而以基准的减压速度和减压时间实施减压的通常时的减压特性。另一方面，粗线L4表示真空到达时间ΔT超过第一阈值ΔTs1而将减压速度向降低侧校正并且对减压时间进行了延长校正的液体泄漏防止时的减压特性。
如该图所示，在液体泄漏防止时的特性L4中，由于使减压速度降低而压力的降低平缓。因此，能够充分地抑制在形成于封装体6的上端的开口部5A附近积存的电解液急剧沸腾、即所谓的突沸。
另外，浸渗性如图中以阴影区域α1、α2所示的那样，相当于在减压时间内对压力(真空度)进行积分所得到的面积的部分，如该图所示那样，延长减压时间以使得液体泄漏防止时与通常时相比面积变大(α2>α1)。因而，虽然使减压速度降低，但是能够提高浸渗性。
图10是用于说明减压时间的延长与浸渗性提高之间的关系的说明图。如图10所示，关于注液时所注入的电解液，并不是其全部立即浸入到电池1的内部，而是其大部分以如图中的标记40所示的那样暂时积存在电极层叠体4的上端、也就是开口部5A附近。积存在上端的电解液40并不是直接浸入到下方，而如图10的(B)所示那样经过空间比较具有余裕的两侧部分(参照图2)而流向下方，从而浸透到电极层叠体4的两侧和下侧，进而从下侧朝向上侧浸渗，之后，从四方向电极层叠体4的内部浸渗。
在此，在如上所述真空到达时间ΔT超过了第一阈值ΔTs1的情况下，无法良好地进行浸渗，封装体5的内部残留有气体41且其上端积存有电解液40。也就是说，成为残留气体41的上方被电解液40阻塞的状态，成为难以进行气体41与电解液的置换(浸渗)的状况。
当针对这样具有未浸渗部分的电池单元(电池)，在大气开放后的密封步骤中开始抽真空时，首先，电池单元周边被减压，从而与残留于内部的气体的大气压附近的压力之间产生压力差，由于该压力差和电解液与残留气体之间的重量差而如图10的(B)、(C)所示那样，电解液下沉、残留气体41逐渐上升。
此时，当减压速度快时，在残留气体41上升之前积存在电池单元的上端附近的电解液40突沸，发生液体泄漏并且无法良好地排出残留气体。这样，着眼于急剧的减压并非对残留气体41产生影响而是对电解液40产生影响这样的特性，在本实施例中，使减压速度降低来使压力的降低平滑并且延长减压时间，由此不会招致电解液的突沸、起沫，使残留气体41逐渐上升，最终使残留气体41从上端的开口部5A良好地排出。
但是，当真空到达时间、减压时间变长时，作业时间变长，生产效率降低。因此，在本实施例中，在真空到达时间ΔT超过小于第一阈值ΔTs1的第二阈值ΔTs2的时间点发出警告，来警告作业人员需要清理注液用腔室14。作业人员根据该警告进行注液用腔室14的清理，由此能够减少作为真空到达时间延迟的原因的残留在注液用腔室14内的电解液，能够抑制或消除具有未浸渗部分的电池单元的产生。

Claims (7)

1.一种电池的制造方法，其中，该电池是在封装体的内部密封电极层叠体和电解液而成，该电池的制造方法包括以下步骤：
第一减压步骤，使用注液用真空泵来对注液用腔室内进行减压以使该注液用腔室内成为真空状态；
注液步骤，在减压后的所述注液用腔室内，从形成于所述电池的封装体的上端的开口部注入电解液；
第二减压步骤，使用密封用真空泵来对配置有所述电池的密封用腔室内进行减压以使该密封用腔室内成为真空状态；以及
密封步骤，在减压后的所述密封用腔室内将所述开口部密封，
其中，对通过所述第一减压步骤使所述注液用腔室内的压力成为规定的真空度为止的真空到达时间进行测量，
基于该真空到达时间来变更所述密封用真空泵的减压速度和减压时间中的至少一方。
2.根据权利要求1所述的电池的制造方法，其特征在于，
在所述真空到达时间超过第一判定时间的情况下，降低所述密封用真空泵的减压速度。
3.根据权利要求1所述的电池的制造方法，其特征在于，
在所述真空到达时间超过第一判定时间的情况下，延长所述密封用真空泵的减压时间。
4.根据权利要求2或3所述的电池的制造方法，其特征在于，
在所述真空到达时间超过第二判定时间的情况下发出警告，其中，第二判定时间是小于所述第一判定时间的值。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的电池的制造方法，其特征在于，
在所述注液步骤与所述第二减压步骤之间还包括浸渗步骤，在该浸渗步骤中，通过在大气压的状态下将所述电池放置规定期间来使电解液浸渗到所述电池的内部。
6.根据权利要求4所述的电池的制造方法，其特征在于，
在所述注液步骤与所述第二减压步骤之间还包括浸渗步骤，在该浸渗步骤中，通过在大气压的状态下将所述电池放置规定期间来使电解液浸渗到所述电池的内部。
7.一种电池的制造装置，其中，该电池是在封装体的内部密封电极层叠体和电解液而成，该电池的制造装置具有：
注液用真空泵，其对注液用腔室内进行减压以使该注液用腔室内成为真空状态；
注液泵，其用于在减压后的所述注液用腔室内从形成于所述电池的封装体的上端的开口部注入电解液；
密封用真空泵，其对配置有所述电池的密封用腔室内进行减压以使该密封用腔室内成为真空状态；
密封单元，其用于在减压后的所述密封用腔室内将所述开口部密封；
测量单元，其对利用所述注液用真空泵使所述注液用腔室内的压力降低到规定的真空度为止的真空到达时间进行测量；以及
密封用控制部，其基于该真空到达时间来变更所述密封用真空泵的减压速度和减压时间中的至少一方。
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