CN109792033A - 膜封装电池的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种膜封装电池的制造方法，该膜封装电池呈扁平形状，将隔着分隔件层叠多个正极以及负极而成的发电元件与电解液一起收纳于具有挠性的膜状封装体之中。该制造方法包括：注液工序(S3)，在该注液工序中，将电解液向收纳发电元件并且以保留注入口的方式构成为袋状的膜状封装体充填；密封工序(S4)，在该密封工序中，在电解液的充填后将注入口密封；以及抽吸工序(S6)。在该抽吸工序中，在密封后连续多次地进行自膜状封装体的外侧沿着厚度方向对发电元件加压并且加压释放的加压、加压释放。由于抽吸工序，电解液的浸渍工序(S7)所需的时间变短。

Description

膜封装电池的制造方法
技术领域
本发明涉及一种膜封装电池的制造方法，特别是，涉及电解液的充填后的处理的改良，该膜封装电池呈扁平形状，将发电元件与电解液一起收纳于具有挠性的膜状封装体之中。
背景技术
例如作为锂离子二次电池，公知一种将多个正极以及负极隔着分隔件层叠而成的发电元件与电解液一起收纳于具有挠性的膜状封装体之中的呈扁平形状的膜封装电池。在该种膜封装电池中，如专利文献1所公开的那样，在保留注入口而构成为袋状的膜状封装体中收纳发电元件，向注入口插入注液喷嘴，在例如减压腔内来进行电解液向膜状封装体内的充填(其也被称为注液)。
而且，在注液后将注入口密封的基础上，作为浸渍工序放置规定时间，等待电解液向发电元件的各部分物理地浸透。
在此，正极和负极是在作为集电体的金属箔的表面设有活性物质层而成的，但是由于在活性物质存在微细的细孔，因此对于电解液向该细孔浸透花费较长的时间。因此，浸渍工序变为长时间，生产效率较低。越是为了得到高容量的电池而使发电元件高密度化，该问题越显著。
专利文献1公开了包含加减压工序的技术，在该加减压工序中，为了促进电解液的浸渍，在减压腔内向膜状封装体内充填电解液后，使注入口保持开放的状态，将减压腔内的压力提高到大气压，并且再次返回减压状态。但是，该操作的意图是将电解液自层叠了电极的发电元件的周围向各电极的中央部压入，对于为了使电解液向活性物质的微细的细孔浸透来说仍有改善的余地。
专利文献1：日本特开2013-140782号公报
发明内容
本发明的膜封装电池的制造方法包括：
注液工序，在该注液工序中，向收纳发电元件并且以保留注入口的方式构成为袋状的膜状封装体经由所述注入口充填电解液；
密封工序，在该密封工序中，在电解液的充填后将所述注入口密封；以及
抽吸工序，在该抽吸工序中，在密封后连续多次进行自膜状封装体的外侧沿着厚度方向对所述发电元件加压并且加压释放的加压、加压释放。
在所述的抽吸工序中沿着厚度方向对发电元件加压时，发电元件中的正极以及负极的活性物质层沿着厚度方向被按压，活性物质内的细孔被压扁。此时，细孔内残存的空气被压出。而且，伴随着加压释放，沿着厚度方向被按压了的活性物质层被释放，压扁了的细孔复原。此时，在细孔内产生负压，周围的电解液被吸入细孔内。因此，通过连续多次进行加压、加压释放，使电解液向活性物质的浸透快速地进行，能够缩短浸渍所需的时间。
附图说明
图1是表示一实施例的制造方法的主要部分的工序说明图。
图2是具有螺旋式加压机构的加压盒的立体图。
图3是表示装入了单电池的状态的加压盒的一部分的剖视图。
图4是抽吸台的说明图。
图5是表示抽吸工序中的压力变化分布的特性图。
图6是将浸渍所需的时间以实施例与比较例对比来表示的特性图。
图7是表示自注液结束到抽吸工序的经过时间与优选的最大压力的关系的特性图。
图8是具有流体袋型加压机构的加压盒的侧面图。
图9是将空气袋分割为3份的加压盒的变形例的动作的说明图。
具体实施方式
以下，基于附图详细地说明本发明的一实施例。
图1是表示一实施例的电池制造方法的主要部分的工序说明图。在该实施例中，作为膜封装电池的一例，以构成电动汽车、混合动力汽车等车辆驱动用电源组的呈扁平形状的膜封装型锂离子二次电池为对象。一实施例的膜封装电池具有与专利文献1(日本特开2013-140782号公报)、日本特开2015-37047号公报等所述的膜封装电池基本相同的结构，将多个构成为矩形的片状的正极以及负极隔着分隔件层叠而构成发电元件(其也被称为电极层叠体)，将该发电元件与电解液一起收纳于由层压膜形成的袋状的封装体之中。另外，在以下的实施例的说明中，无论制造工序如何，将在膜状封装体之中收纳发电元件后的电池仅称为“单电池”。
作为步骤S1表示的工序是构成发电元件的电极层叠工序。在此，通过分别将卷绕成卷状的正极、负极以及分隔件一边切断为矩形的片状一边依次层叠，形成将多个正极以及负极隔着分隔件层叠的发电元件也就是电极层叠体。正极是将正极活性物质作为含有粘结剂的浆料来涂布在作为集电体的铝箔的两面，干燥并且压延而形成规定的厚度的活性物质层而成的。同样地，负极是将负极活性物质作为含有粘结剂的浆料来涂布在作为集电体的铜箔的两面，干燥并且压延而形成规定的厚度的活性物质层而成的。最终形成的正极和负极的活性物质层具有粒子间的间隙等许多微细的细孔。另外分隔件在防止正极与负极之间的短路的同时具有保持电解液的功能，并由例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等合成树脂的微多孔性膜或者无纺布形成。
上述的正极、负极以及分隔件在层叠了规定张数的状态下利用带固定，成为发电元件也就是电极层叠体。多个正极的集电体的端部互相重叠，将作为端子的正极片超声波焊接。同样地，多个负极的集电体的端部互相重叠，将作为端子的负极片超声波焊接。
在接下来的作为步骤S2表示的封装工序中，如此构成的发电元件配置于具有挠性的膜状封装体之中。封装体由层压膜形成，该层压膜具有在例如铝箔的内侧层压合成树脂制的热熔接层、在铝箔的外侧层压合成树脂制的保护层而成的三层构造。在一个例子中，封装体成为配置于发电元件的下表面侧的1张层压膜和配置于上表面侧的另1张层压膜的两张构造，在将发电元件配置于该两张层压膜之间的基础上，将周围的四边以保留一边的注入口的方式重叠，并且相互热熔接。因此，封装体成为注入口开放的袋状的结构。
在另一个例子中，将1张比较大的层压膜对折，封装体构成为在两片之间夹入发电元件的形态。在该情况下，将三边以保留一边的注入口的方式热熔接。
另外，在将具有注入口的一边朝向上方时，正极片和负极片位于朝向侧方的边，并自层压膜的接合面向外侧引出。
如此在封装工序中以发电元件收纳于膜状封装体之中的状态构成的单电池接着向作为步骤S3表示的注液工序输送。在注液工序中，例如将单电池以立起的状态配置在减压腔内，在规定的减压下向封装体的注入口插入分配器的注液喷嘴来进行电解液的充填(注液)。空开时间间隔地每规定量地分为多次(例如7次左右)来进行该注液。换言之，在以除去残留在封装体的内部(包含发电元件的内部)的空气的方式设为减压状态的基础上，通过分为多次空开充分的时间间隔地每次少量注入，从而谋求有效的气液置换。
若注液完成，则在保持单电池的姿势不变的状态下，作为密封工序(步骤S4)将注入口利用热熔接密封。另外，在此的密封是所谓的临时密封，由于在后述的充电后为了将伴随着充电而产生的气体排出而将注入口(或者其附近)开封，因此在气体排出后进行最终的密封。
在步骤S4的密封工序之后，在作为步骤S5表示的盒装入工序中，利用机械手等将单电池自减压腔取出，装入加压盒。在1个加压盒中，多个单电池以沿着该单电池的厚度方向层叠的方式收纳。
而且，在作为接下来的步骤S6表示的抽吸工序中，利用加压盒的加压机构，连续多次进行沿着厚度方向自单电池的外侧对封装体内部的发电元件加压并且加压释放的加压、加压释放。后述该抽吸工序以及加压盒的详情。
在抽吸工序结束后，保持将单电池收纳于加压盒的状态进行作为步骤S7表示的浸渍工序。在此，为了等待电解液向发电元件的充分的浸透，放置规定时间(例如数小时乃至数十小时)。由于利用抽吸工序促进对活性物质的浸透，因此该浸渍工序的处理时间与不具有抽吸工序的情况相比设定得相对较短。
在浸渍工序(步骤S7)后，在步骤S8的工序中进行首次充电。为了恒定地得到包含多个正极和负极的发电元件的电极间的间隔，该首次充电还在加压盒内中以将单电池沿着厚度方向适当加压的状态来进行。
若首次充电工序(步骤S8)完成，则利用机械手等将单电池自加压盒取出，替换为不具有加压机构的通常的盒(步骤S9)。而且，进入图外的熟化工序等下个工序。
图2和图3示出了加压盒的一例。该加压盒11具有：以能够由输送机输送的方式呈平坦的矩形的板状的基板13、以及在该基板13的前后两端竖立设置的一对固定板14、15，多个间隔件12以隔开大致等间隔的方式配置在该一对固定板14、15之间。固定板14、15在将多个单电池加压时受到其整体的载荷，因此较厚壁，并牢固地固定于基板13。
在固定板14、15的四角固定有架设在两固定板14、15之间的引导轴16，利用上述4根引导轴16，各间隔件12被支承为能够沿着厚度方向滑动。间隔件12由金属等具有刚性的矩形的板形成，与单电池1相接触的两面分别成为平坦面。如图3所示，注液完成了的单电池1分别装入相邻的两个间隔件12之间。此外，在多个间隔件12的列的端部，配置有同样地利用引导轴16支承为能够滑动的较厚壁的加压板17，该加压板17与一侧的固定板14相对。
该加压盒11具有螺旋式加压机构，具有螺纹的螺杆18螺纹结合于固定板14的螺纹孔19，并且螺杆18的顶端能够旋转地连结于加压板17。
因此，通过紧固螺杆18，加压板17沿着引导轴16移动，收纳于间隔件12之间的多个单电池1同时被加压。
利用上述那样的加压盒11进行前述的注液后的抽吸工序。具体来说，如图4所示，将利用机械手等装入了单电池1的加压盒11利用辊式输送机等输送机21以及未图示的升降机构向具有拧紧机23的抽吸台22输送。而且，在抽吸台22利用拧紧机23重复进行螺杆18的正转驱动、反转驱动，并重复进行沿着单电池1的厚度方向的加压和加压释放。
图5示出了抽吸工序中的单电池1的压力变化分布的一例。在该例中，以每分钟6次的速度在5分钟共计30次连续地重复进行直至规定的最大压力Pmax的加压和加压释放。换言之，包含30次的加压和30次的加压释放。最大压力Pmax例如是0.5kgf/cm2。作为加压、加压释放的重复的速度，优选至少每分钟5次，优选进行至少10次(例如在2分钟共计10次)的加压、加压释放。此外，优选在各次之间不空开间隔，如图5所示连续地进行。
如此通过在电解液的注液后附加抽吸工序，进行电解液向活性物质的微细的细孔的浸透。换言之，通过在两张间隔件12之间将单电池1沿着厚度方向加压，将封装体之中的发电元件进而正极和负极的活性物质层沿着厚度方向按压。由此，活性物质内的细孔被压扁，在细孔内残留的空气被压出。而且，利用紧接着加压的加压释放，沿着厚度方向被按压了的活性物质层被急剧地释放，被压扁的细孔复原。因此，在细孔内负压产生，周围的电解液被吸入细孔内。因此，通过连续多次进行加压、加压释放，电解液向活性物质的浸透快速地进行，能够缩短浸渍工序所需的时间。换言之，利用抽吸工序，有效地实现微细的细孔处的气液置换。
图6是将如所述那样附加了抽吸工序的情况所需的浸渍时间与不附加抽吸工序的比较例的浸渍时间对比的特性图。横轴是从完成注液而将注入口密封起算的经过时间。纵轴的浸渍度是由单电池1的阻抗变化求出的电解液向活性物质的浸透程度。对于实施例和比较例的任一者，伴随着时间经过而进行浸渍，但是由于在电气上求出的浸渍度在某个时刻饱和，之后基本上不变化，因此在该时刻视为电解液的随时间进行的浸渍结束。在比较例中，在时间t2的时刻浸渍结束。对此，在具有抽吸工序的实施例中，在更早的时间t1的时刻浸渍结束。若将时间t2设为“100％”，则时间t1是大致80％，因此，能够得到利用抽吸工序而浸渍时间缩短20％左右的实验结果。
如所述实施例那样，通过使用加压盒11来实行抽吸工序，能够同时处理多个单电池1，与逐个地进行加压、加压释放的情况相比较，容易缩短循环时间。此外，由于利用具有能够包含发电元件的大小的两张平行的间隔件12对单电池1加压，因此发电元件进而活性物质层在整个表面上被均匀地加压，在活性物质层的整个表面可靠地谋求浸渍促进。
另外，如图1的例所示，在保持将单电池1收纳于相同加压盒11不变而进行抽吸工序(步骤S6)、浸渍工序(步骤S7)以及首次充电工序(步骤S8)的情况下，实质上没有伴随着抽吸工序的附加而向加压盒11的装入(步骤S5)的循环时间的增加，能够利用相同加压盒11高效地进行抽吸工序和首次充电工序。
如图1的例所示，在浸渍工序(步骤S7)之前并在刚将注入口密封之后实行抽吸工序是有效的，但是也能够在浸渍工序的中途，也就是在自注液经过了一定的时间的时刻进行。在该情况下，为了得到由加压、加压释放带来的浸渍促进作用，期望的是将加压时的最大压力Pmax设定得更高。图7示出了自注液结束的经过时间(横轴)与优选的最大压力Pmax之间的相互关系。例如，若是刚注液结束之后，则前述的0.5kgf/cm2左右的压力是最适当的，但是在自注液结束经过了两小时的阶段，1.7kgf/cm2左右的压力是最适当的。
图8示出了在抽吸工序使用的加压盒的不同的例子。图8所示的加压盒31具有流体袋型加压机构，包括：呈平坦的矩形的板状的基板33、以及在该基板33的前后两端竖立设置的一对固定板34、35，多个袋状间隔件32以隔开大致等间隔的方式配置在该一对固定板34、35之间。固定板34、35在对多个单电池加压时受到其整体的载荷，因此较厚壁，并牢固地固定于基板33。
在固定板34、35的四角固定有架设在两固定板34、35之间的引导轴36，利用上述4根引导轴36，各间隔件32被支承为能够沿着厚度方向滑动。在引导轴36，圆筒状的套筒37以使得相邻的间隔件32之间的间距恒定的方式插入各间隔件32之间。
间隔件32呈根据作为被封入内部的工作流体的空气的压力而沿着单电池1的厚度方向膨胀的袋状，借助与引导轴36平行地延伸的空气配管38分别与能够调整空气压力的外部的空气设备39连接。另外，空气设备39设置于执行抽吸工序的抽吸台(参照图4)，并借助接头40能够拆装地与空气配管38连接。详细来说，间隔件32将两张具有挠性的片状构件的周缘部相互接合而构成为袋状，周缘部利用具有刚性的矩形的框架支承。此外，在片状构件中，构成与单电池1相接触的区域的矩形的面的刚性形成得相对较高。
在所述的加压盒31中，以袋状间隔件32收缩的状态将单电池1装入各间隔件32之间。而且，通过在抽吸台利用空气设备39的泵机构以及阀机构重复进行加压空气向袋状间隔件32的供给以及压力释放，从而能够达成与上述的图5同样的抽吸。
该加压盒31同样也能够利用于步骤S8的首次充电工序。
另外，作为使间隔件32膨胀的流体，也能够使用空气以外的气体或者液体。
图9示出了图8所示的流体袋型的加压盒31的变形例。在该实施例中，支承于引导轴36的间隔件32分割为3个空气袋32a、32b、32c而构成，该空气袋32a、32b、32c支承于具有刚性的框架32d。第1空气袋32a与以铅垂姿势装入的单电池1的下部相对应，第2空气袋32b与单电池1的中间部相对应，第3空气袋32c与单电池1的上部相对应。这3个空气袋32a、32b、32c借助单独的空气配管(未图示)与空气设备连接，能够单独地膨胀、收缩。
根据该实施例，在上述的抽吸工序中的加压之际，通过自单电池1的下部按照顺序加压，能够在促进浸渍的同时使气泡集中在单电池1的上部。换言之，如图9所示，(a)在第1段階使第1空气袋32a膨胀，(b)在第2段階使第2空气袋32b膨胀，(c)在第3段階使第3空气袋32c膨胀。由此，在图中示意性地示出的单电池1内的气泡41被向上方挤压，集中在封装体的上部。在注液时气泡41易于残留在单电池1的中央部，由于该气泡41的残留，有电解液的浸渍在单电池1中央部变慢的倾斜，但是在该实施例中，由于气泡41被强制地向封装体的上方压出，因此单电池1中央部处的浸渍的迟缓被抑制。另外，该气泡与伴随着首次充电而产生的气体一起在之后的气体排出工序被排出。

Claims (8)

1.一种膜封装电池的制造方法，所述膜封装电池呈扁平形状，将隔着分隔件层叠多个正极以及负极而成的发电元件与电解液一起收纳于具有挠性的膜状封装体之中，其中，
所述膜封装电池的制造方法包括：
注液工序，在该注液工序中，向收纳所述发电元件并且以保留注入口的方式构成为袋状的膜状封装体经由所述注入口充填电解液；
密封工序，在该密封工序中，在电解液的充填后将所述注入口密封；以及
抽吸工序，在该抽吸工序中，在密封后连续多次进行自膜状封装体的外侧沿着厚度方向对所述发电元件加压并且加压释放的加压、加压释放。
2.根据权利要求1所述的膜封装电池的制造方法，其中，
使用加压盒来进行所述抽吸工序，该加压盒能够借助间隔件对以层叠状态收纳的多个膜封装电池一齐加压。
3.根据权利要求2所述的膜封装电池的制造方法，其中，
所述加压盒具有螺旋式加压机构，作为所述抽吸工序，使用拧紧机重复进行紧固用螺杆的正转、反转。
4.根据权利要求2所述的膜封装电池的制造方法，其中，
所述加压盒具有袋状的间隔件由于流体压而膨胀的流体袋型加压机构，作为所述抽吸工序，重复进行所述袋状间隔件的膨胀、收缩。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的膜封装电池的制造方法，其中，
在所述抽吸工序中，连续进行至少10次所述加压、加压释放。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的膜封装电池的制造方法，其中，
在所述抽吸工序中，以至少每1分钟5次的速度连续进行所述的加压、加压释放。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的膜封装电池的制造方法，其中，
在等待电解液向发电元件的浸透的规定时间的浸渍工序之前进行所述抽吸工序。
8.根据权利要求2～4中任一项所述的膜封装电池的制造方法，其中，
所述膜封装电池的制造方法还包括在电解液的浸渍后进行向膜封装电池的首次充电的首次充电工序，
在该首次充电工序中，以将膜封装电池收纳于在抽吸工序使用的加压盒的状态进行首次充电。
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