JP2009026473A - 電池の製造方法および電池の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】品種の切り替え時間を大幅に短縮し、信頼性の高い電池を量産することが可能な、電池の製造方法および電池の製造装置に提供することにある。
【解決手段】電池の構成要素である、正極材４、負極材２、セパレータ３、封口板１、および電池ケース６をそれぞれ供給する供給工程と、正極材４、負極材２、およびセパレータ３を、電解液と共に電池ケース６内に収容するとともに、前記電池ケース６を封口板１で封口することにより、電池を組み立てる組立工程とが、低湿度に制御された作業室２０内で実行される。そして、電池の各構成要素は、電池の品種に応じて、作業室２０に連結し、かつ低湿度に制御された予備室Ｕ１１〜Ｕ１５を介して、一定の環境下で作業室２０内に供給された電池の各構成要素と交換することによって、品種の切り替えを行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、多品種の電池の製造に対応可能な電池の製造方法および電池の製造装置に関する。

近年では、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯型通信機器などの電子機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されており、これらの電子機器のメモリーバックアップ用電源として信頼性も高く、メンテナンスも容易であることから、リチウム一次電池が各種用途に幅広く使用されている。また、小型でエネルギー密度の大きなリチウムイオン二次電池は、高出力用の電源等にも広く使用されている。

ところで、リチウムは水に対して極めて反応性が高いため、電池の製造工程において、電池内に水分が混入すると、様々な不都合が生じる。例えば、リチウム一次電池の負極材にリチウム金属を使用した場合、電池内に水分が含まれると、リチウム金属の表面に酸化膜が形成されることによって、負極材の内部抵抗が増加し、電池特性が劣化する等の問題が生じる。また、水と反応してガスを発生させる性質を有するため、電池内に水が混入してガスが発生すると、電池内部の圧力が上昇し、電池ケースが膨れる等の問題が生じるおそれがある。

さらに、リチウムイオン二次電池の正極材の活物質に、リチウム含有金属複合酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ_２等）を使用した場合、水と反応することで活物質の量が減ることによって、電池容量が劣化する等の問題が生じる。

加えて、リチウムイオン二次電池では、水系の電解液を用いることができず、Ｌｉイオンが溶解した非水電解液（例えば、ＬｉＰＦ_６等）が用いられるが、電解液中に水分が存在すると、フッ化水素（ＨＦ）が発生し、このＨＦが集電体等の金属材料を腐食させる等の問題が生じ、さらに、水と反応してガスを発生させ、電池内部の圧力が上昇し電池ケースが膨れる等の問題が生じるおそれがある（例えば、特許文献１〜３を参照）。

また、リチウム金属以外の材料でも、電池を構成する部材が水と反応する性質を有している場合には、電池の製造工程において、電池内に水分が混入することにより、種々の不都合が生じる。例えば、アルカリ乾電池の場合、電解液を注液する前に正極材に水分が多く含有されていると電解液の含浸性の悪化が発生し、負極材との反応が低下し寿命に大きな問題が生じるおそれがあり、また、リチウム電池でも同様に電池を密閉する絶縁ガスケットが水分により膨潤していまい、封口性能が低下する。

そのため、従来の電池の製造工程においては、電池内への水分の混入に起因して、電池の性能や品質が劣化しないようにするために、正極材、負極材、セパレータなどの電池内部の構成要素を、予め減圧乾燥などの手段により水分を除去し、その後、これらの構成要素を低湿度の環境下に移送して、その低湿度の環境下で、組立工程や電解液の注入工程、電池容器の封口工程を行っていた（例えば、特許文献４、５を参照）。
特開平８―３２１２８７号公報 特開２０００―２９４２０３号公報 特開２００１−１１８５７８号公報 特開２００４−３４９０１１号公報 特開平１１−１３５１５２号公報

電池の製造工程において、製造する電池の品種が切り替わると、製造ラインに供給する電池の各構成要素（電池ケース、正極材、負極材、セパレータ、封口板等）も、品種毎に変更する必要がある。特に、量産工程では、電池の各構成要素を、製造ラインの各工程において、連続的に供給する必要があるため、各工程毎に、各構成要素の供給手段がユニット化されている。従って、品種が切り替わった場合、品種毎に各構成要素の供給ユニットを変更する必要がある。

しかしながら、上述した特許文献１〜５に示される従来技術では、低湿度の環境下で、電池の組立工程等を行う製造ラインにおいては、品種毎に各構成要素の供給ユニットを変更する際に、低湿度に制御された環境を一旦破る必要がある。そして、供給ユニットを変更した後、再び、組立工程等を行う製造ラインの環境を、所定の湿度以下になるまで、減圧乾燥しなければならない。それ故、多品種の電池を製造する量産工程においては、品種の切り替え毎に、製造ラインの環境を減圧乾燥する時間を要し、トータルの製造時間が長くなってしまうという問題がある。加えて、製造ラインの一定の低湿度に制御された環境が変動し、これにより、安定した性能や信頼性を有する電池の製造を維持することが難しくなるという問題もある。

本発明は、上記従来の課題を鑑みてなされたもので、低湿度の環境を保持しながらも、品種の切り替え時間を大幅に短縮し、信頼性の高い電池を量産することが可能な、電池の製造方法および電池の製造装置を提供すること目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、電池の構成要素を供給する供給工程、および各構成要素を組み立てる組立工程を、低湿度に制御された作業室内で実行し、電池の品種に応じて、電池の各構成要素を、作業室に連結し、かつ低湿度に制御された予備室を介して、作業室内に供給された電池の各構成要素と交換する方法を採用する。

すなわち、本発明に係わる電池の製造方法は、電池の構成要素を組立ラインに供給する供給工程と、組立ラインに供給された電池の構成要素を組み立てる組立工程とを含み、供給工程および組立工程は、低湿度に制御された作業室内で実行され、電池の各構成要素は、電池の品種に応じて、作業室に連結し、かつ低湿度に制御された予備室を介して、作業室内に供給された電池の各構成要素と交換されることを特徴とする。

また、本発明に係わる電池の製造装置は、電池の構成要素を組立ラインに供給する供給手段と、組立ラインに供給された電池の構成要素を組み立てる組立手段とを備え、供給手段および組立手段は、低湿度に制御された作業室内に配置されるとともに、作業室に連結して、低湿度に制御された予備室をさらに備え、電池の構成要素の各供給手段は、電池の品種に応じて、予備室を介して、作業室内に配置された供給手段と交換されることを特徴とする。

本発明によれば、電池の構成要素の供給工程と構成要素の組立工程とが実行される作業室を、一定の低湿度下に維持した状態で、電池の品種に応じて、電池の構成要素を交換することができるため、品種の切り替え時間を大幅に短縮するとともに、安定した性能と高い信頼性を有する電池を量産することが可能な、電池の製造方法および電池の製造装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

（第１の実施形態）
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態における電池の製造方法を模式的に示した工程図である。以下、図１（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、本実施形態における電池の製造方法について説明する。なお、本実施形態では、コイン形リチウム一次電池を例に説明するが、他の電池にも勿論適用し得る。

まず、図１（ａ）に示すように、樹脂でできたガスケット５を具備した封口板１に、金属リチウム（負極活物質に相当）からなる負極材２を外力で押さえつけて貼り付ける。次に、図１（ｂ）に示すように、円形状に成形されたセパレータ３を、封口板１に挿入する。その後、図１（ｃ）に示すように、正極活物質からなる正極材４を、封口板１に挿入する。最後に、図１（ｄ）に示すように、電解液（不図示）を注液した後、封口板１と電池ケース６とを封口かしめて、コイン形リチウム一次電池を完成する。

なお、上記の製造工程において、電池の構成要素である、封口板１、負極材２、セパレータ３、正極材４、および電池ケース６を供給する工程、並びに、これら供給された電池の各構成要素を、上記の工程に従って電池を組み立てる工程は、低湿度に制御された作業室内で実行される。また、製造する電池の品種を切り替える場合には、電池の各構成要素を、電池の品種に応じて、作業室に連結し、かつ低湿度に制御された予備室を介して、作業室内に供給された電池の各構成要素と交換する。

このようにすることによって、電池の構成要素の供給工程と構成要素の組立工程とが実行される作業室を、一定の低湿度下に維持した状態で、電池の構成要素を交換することができるため、品種の切り替え時間を大幅に短縮し、信頼性の高い電池を量産することが可能となる。

また、電池の量産工程では、電池の各構成要素を連続的に供給しながら、各構成要素を順次組み立てることによって、電池が製造されることから、電池の各構成要素は、構成要素を複数個保持した供給ユニットから連続的に供給されることが好ましい。この場合、電池の各構成要素は、供給ユニット毎に、作業室内に供給された電池の各構成要素と交換される。

ここで、予備室を介した電池の各構成要素（切り替え部品）の交換、及び作業室内の湿度の制御は、以下のような手順で行うことができる。

すなわち、各予備室は、作業室と連結する部位、及び外部（工場）から予備室内に切り替え部品を搬入する部位に、それぞれ第１の開閉部及び第２の開閉部を設けておき、まず、第１の開閉部を閉じた状態で第２の開閉部を開けて、切り替え部品を予備室に搬入する。次に、第２の開閉部を閉じて、予備室内を作業室内と同じ露点になるまで作業室内の湿度を下げる。このとき、予備室は作業室よりも容積が小さいので、短時間に所定の湿度まで下げることができる。次に、予備室が所定の湿度に下がった後、第１の開閉部を開けて、切り替え部品を作業室内の部品と交換する。その後、第１の開閉部を閉じた状態で、第２の開閉部を開けて交換部品を外部に搬出する。この間、作業室内の湿度は一定に維持されるため、作業室内の作業を中断することなく継続して行うことができる。そのため、安定した環境下で生産でき、安定した品質の電池を製造することができる。

なお、本実施形態において、電池の構成要素の供給工程および組立工程、並びに、電池の構成要素の交換は、共に低湿度下において行われるが、例えば、露点が−２５℃以下の温度に制御することで、空気中の飽和水蒸気量を許容する容量が拡大でき、空気が乾いているので、低湿度の空気中に含まれる水分が材料や電池構成部品に付着することがない点で好ましい。しかし、これに限定されず、製造する電池の種類や安全性の基準等に応じて適宜決めることができる。

また、「作業室」は、必ずしも一つの区切られた室である必要はなく、実質的に、供給工程および組立工程が低湿度下で実行されれば、複数の作業室に分かれていてもよい。

また、電池の構成要素の組立工程は、本実施形態に示した順番に限定されず、電池の種類等によって、適宜変更しうる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態における電池の製造装置の構成を模式的に示した概念図で、図３は、本製造装置において実行される電池の製造工程を示した工程フロー図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態で説明したコイン形リチウム一次電池を製造工程に対応した製造装置を例に説明するが、他の電池（リチウムイオン二次電池、アルカリ乾電池等）の製造工程に対応して、その構成は適宜変更し得る。

図２に示すように、本実施形態における電池の製造装置は、電池の構成要素である、封口板１、負極材２、セパレータ３、正極材４、および電池ケース６をそれぞれ供給する供給手段１１ａ〜１５ａ、および、これら供給手段により供給された電池の各構成要素を組み立てる組立手段Ｓ１〜Ｓ５を備えている。そして、これら供給手段１１ａ〜１５ａおよび組立手段Ｓ１〜Ｓ５は、低湿度に制御された作業室２０内に配置されている。また、この作業室２０に連結して、低湿度に制御された予備室Ｕ１１〜Ｕ１５をさらに備えている。なお、供給手段１１ａ〜１５ａは、電池の各構成要素１〜５を複数個保持するとともに、各構成要素を連続的に供給することが可能な供給ユニットを構成している。

図２に示した電池の製造装置は、図３に示した工程フロー図に従って作業が行われる。以下、図２および図３を参照しながら、本製造装置を用いて、コイン形リチウム一次電池を製造する工程を説明する。

まず、樹脂でできたガスケット５を具備した封口板１を、供給手段１１ａから組立ラインに供給する。この供給手段１１ａは、例えば、図４に示すようなパーツ・フィーダを用いることにより、一列に整列した封口板１を連続的に供給することができる。

次に、供給手段１２ａから負極材２を、組立ラインの負極材圧着手段Ｓ１に供給して、負極材２を封口板１に貼り付ける（図１（ａ）を参照）。ここで、負極材２の供給手段１２ａは、例えば、フープ状の負極板またはシートを打ち抜くことによって、連続的に供給することができる。

次に、供給手段１３ａからセパレータ３を、組立ラインのセパレータ挿入手段Ｓ２に供給して、セパレータ３を封口板１に挿入する（図１（ｂ）を参照）。ここで、セパレータ３の供給手段１３ａは、例えば、図５に示すような構成からなる。フープ状のセパレータ１６を、打抜治具３０で円形状に打ち抜いた後、ポンチ３１で円筒形のセパレータ３に成形する。

次に、供給手段１４ａから正極材４を、組立ラインの正極材挿入手段Ｓ３に供給して、正極材４を封口板１に挿入した後（図１（ｃ）を参照）、注液手段Ｓ４で電解液を注液する。ここで、正極材４の供給手段１４ａも、図４に示したようなパーツ・フィーダを用いることができる。

次に、供給手段１５ａから組立ラインに電池ケース６を供給し、封口かしめ手段Ｓ５で、電解液が注液された封口板１と電池ケース６とを封口かしめて、コイン形リチウム一次電池を完成する（図１（ｄ）を参照）。

次に、製造する電池の品種を切り替える場合の本製造装置の動作について説明する。上述したように、低湿度に制御された予備室Ｕ１１〜Ｕ１５が、作業室２０に連結して設置されている。そして、他の品種に対応する電池の構成要素の各供給手段１１ｂ〜１５ｂは、各々に対応して設けられた予備室Ｕ１１〜Ｕ１５を介して、作業室２０内に配置された各供給手段１１ａ〜１５ａと交換される。

なお、各予備室Ｕ１１〜Ｕ１５は、作業室２０と連結する部位において開閉部２１を備えており、各予備室Ｕ１１〜Ｕ１５に配備された供給手段１１ｂ〜１５ｂは、予備室Ｕ１１〜Ｕ１５が所定の低湿度に制御された後、開閉部２１を開けて、作業室２０内に配置された各供給手段１１ａ〜１５ａと交換される。

このような動作により、電池の構成要素の各供給手段１１ａ〜１５ａと、各構成要素の組立手段Ｓ１〜Ｓ５が配置された作業室２０を、一定の低湿度下に維持した状態で、予備室Ｕ１１〜Ｕ１５を介して、電池の各構成要素を交換することができるため、品種の切り替え時間を大幅に短縮し、信頼性の高い電池を量産することが可能となる。

なお、「作業室」は、必ずしも一つの区切られた室である必要はなく、実質的に、供給工程および組立工程が低湿度下で実行されれば、複数の作業室に分かれていてもよい。

また、「供給ユニット」は、図４、図５に示した構成に限定されず、電池の種類に対応した組立工程に応じて適宜その構成は変更し得る。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記の実施形態においては、金属リチウムを負極材とするリチウム一次電池について説明したが、活物質がリチウムを含む材料からなる電池、例えば、リチウム含有金属複合酸化物を正極活物資とするリチウムイオン二次電池にも適用することができる。さらに、水分を含むことで膨潤するＰＰ（ポリプロピレン）を使用した絶縁ガスケットを使用した電池にも適用することができる。また、正極材料に二酸化マンガンと黒鉛を用いたアルカリ乾電池等にも適用可能である。

以上説明したように、本発明は、電池内への水分の混入を防ぎ、電池の構成要素を低湿度の環境下で組立工程や電解液の注入工程、電池ケースの封口工程を行うことが可能となり、低湿度の環境を保持しながらも、多品種の電池の製造に対応可能な、製造時間が短縮された信頼性の高い電池の製造に有用である。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態における電池の製造方法を示した工程断面図 本発明の第２の実施形態における電池の製造装置の構成を模式的に示した概念図 本発明の第２の実施形態における電池の製造装置において実行される電池の製造工程を示した工程フロー図 本発明の第２の実施形態における一供給手段を示した模式図 本発明の第２の実施形態における一供給手段を示した模式図

符号の説明

１ 封口板
２ 負極材
３ セパレータ
４ 正極材
５ ガスケット
６ 電池ケース
１１ａ，１１ｂ 封口板の供給手段
１２ａ，１２ｂ 負極材の供給手段
１３ａ，１３ｂ セパレータの供給手段
１４ａ，１４ｂ 正極材の供給手段
１５ａ，１５ｂ 電池ケースの供給手段
２０ 作業室
２１ 開閉部
３０ 打抜治具
３１ ポンチ
Ｓ１ 負極材圧着手段
Ｓ２ セパレータ挿入手段
Ｓ３ 正極材挿入手段
Ｓ４ 注液手段
Ｓ５ 封口かしめ手段
Ｕ１１〜Ｕ１５ 予備室

Claims (11)

1. 電池の構成要素を組立ラインに供給する供給工程と、前記組立ラインに供給された前記電池の構成要素を組み立てる組立工程とを含む電池の製造方法であって、
   前記供給工程および前記組立工程は、低湿度に制御された作業室内で実行され、
   前記電池の各構成要素は、電池の品種に応じて、前記作業室に連結し、かつ低湿度に制御された予備室を介して、前記作業室内に供給された電池の各構成要素と交換される、電池の製造方法。
2. 前記電池の構成要素は、正極材、負極材、セパレータ、封口板、および電池ケースを含み、
   前記組立工程は、前記正極材、負極材、およびセパレータを、電解液と共に前記電池ケース内に収容し、前記電池ケースを前記封口板で封口することにより、電池を組み立てる工程からなる、請求項１に記載の電池の製造方法。
3. 前記電池の各構成要素は、前記構成要素を複数個保持した供給ユニットから連続的に供給され、
   前記電池の各構成要素は、前記供給ユニット毎に、前記作業室内に供給された電池の各構成要素と交換される、請求項１に記載の電池の製造方法。
4. 前記予備室は、前記作業室と連結する部位において開閉部を備えており、
   前記予備室に配備された前記供給ユニットは、前記予備室が所定の低湿度に制御された後、前記開閉部を開けて、前記作業室内に配置された供給ユニットと交換される、請求項３に記載の電池の製造方法。
5. 前記作業室および前記予備室は、露点が−２５℃以下の低湿度に制御されている、請求項１に記載の電池の製造方法。
6. 前記電池は、リチウム一次電池であって、負極材が金属リチウムからなる、請求項１に記載の電池の製造方法。
7. 前記電池は、リチウムイオン二次電池であって、正極材の活物質がリチウム含有金属複合酸化物からなる、請求項１に記載の電池の製造方法。
8. 前記電池は、アルカリ乾電池である、請求項１に記載の電池の製造方法。
9. 電池の構成要素を組立ラインに供給する供給手段と、前記組立ラインに供給された前記電池の構成要素を組み立てる組立手段とを備えた電池の製造装置であって、
   前記供給手段および前記組立手段は、低湿度に制御された作業室内に配置されるとともに、前記作業室に連結して、低湿度に制御された予備室をさらに備え、
   前記電池の構成要素の各供給手段は、電池の品種に応じて、前記予備室を介して、前記作業室内に配置された供給手段と交換される、電池の製造装置。
10. 前記予備室は、前記作業室と連結する部位において開閉部を備えており、
    前記予備室に配備された前記供給手段は、前記予備室が所定の低湿度に制御された後、前記開閉部を開けて、前記作業室内に配置された各供給手段と交換される、請求項９に記載の電池の製造装置。
11. 前記供給手段は、電池の各構成要素を複数個保持するとともに、前記構成要素を連続的に供給することが可能な供給ユニットを構成している、請求項９に記載の電池の製造装置。

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