JP2010062163A - 二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】内部の気体を排気する及び/又は内部に電解液を注入するためのバルブを有する管を少なくとも1本備えた電池容器の内部に、正極と負極をセパレータにて電気的に絶縁してなる電池素子を封入する封入工程と、前記管を介して前記電池容器の内部の気体を減圧下で排気すると共に、前記電池容器の内部を加熱乾燥する水分除去工程と、前記管を介して前記電池容器内に電解液を注入する注液工程と、前記管を封止する管封止工程とを有し、注液工程において、電解液を収容するタンク、該タンクに接続された定量ポンプおよび該定量ポンプに接続された排気装置を備えた注液装置の前記定量ポンプを前記管に接続した後に、前記管のバルブと注液装置の間の気体を排気することを特徴とする二次電池の製造方法。
【選択図】図7
Description
さらに、正極材料としてリチウム酸コバルト(LiCoO2)、リチウム酸ニッケル (LiNiO2)、これらの固溶体(Li(Co1-XNiX)O2)、あるいはスピネル型構造を有するLiMn2O4等を、また負極材料としては黒鉛等の炭素材料を、また液体の有機化合物を溶媒とし、リチウム化合物を溶質とした電解液を用いたリチウム二次電池は、ニッケル‐カドミウム電池やニッケル水素電池よりも出力電圧が高く、高エネルギー密度であるため主力になりつつある。
また、電池容器内に電池要素を挿入し乾燥させた後に封口を行ない、その後に注液栓より注液を行なうことにより、二次電池を製造する方法(特許文献4参照)や、電池容器に電解液注入管を固定し、電池容器内に電池要素を封入した後に電解液を注入し、しかるのちに注入管を封止する技術(特許文献5参照)が知られている。
前記管を介して前記電池容器の内部の気体を減圧下で排気すると共に、前記電池容器の内部を加熱乾燥する水分除去工程と、
前記管を介して前記電池容器内に電解液を注入する注液工程と、
前記管を封止する管封止工程とを有し、
注液工程において、電解液を収容するタンク、該タンクに接続された定量ポンプおよび該定量ポンプに接続された排気装置を備えた注液装置の前記定量ポンプを前記管に接続した後に、前記管のバルブと注液装置の間の気体を排気する二次電池の製造方法が提供される。
図1は本発明の実施の形態1の二次電池の製造方法における封入工程後の電池容器を示す斜視図であり、図2は同実施の形態1における水分除去工程を示す模式図であり、図3は同実施の形態1における注液工程を示す模式図であり、図4は同実施の形態1における正極板を示す正面図であり、図5は同実施の形態1における負極板を示す正面図である。なお、本実施の形態1では、リチウム二次電池の場合を説明する。
また、封入板11には、電池容器1の内部の気体を排気可能で、かつ電池容器1の内部に電解液を注入可能な排気・注液管2が設けられており、この排気・注液管2は封入板11を介して電池容器1の内部に連通している。
また、排気・注液管2の太さは特に限定されないが、速やかに電池容器1の内部の気体を排気したり、速やかに電解液を注入するために、管の内径は0.1mm以上であることが好ましい。なお、管の内径の上限としては接続する電池容器1の外形寸法である。
また、排気・注液管2の肉厚としては、特に限定されないが、薄すぎると管の材質によってはピンホールやクラックなどにより、電池容器1の内部に気体が浸入したり、電解液が流出したり、あるいは減圧に耐え切れずに管がつぶれてしまうので、管の内径の1/10以上の厚みを有することが好ましい。また、管の肉厚が厚すぎると最終工程での管の封止が困難になるので、管の内径の10倍程度までが好ましい。
図4に示した正極板9は、正極活物質が塗布された平板状の本体部9aと、本体部9aの端部に設けられた正極活物質が塗布されていない端子片部9bとからなる。また、図5に示した負極板10は、負極活物質が塗布された平板状の本体部10aと、本体部10aの端部に設けられた負極活物質が塗布されていない端子片部10bとからなる。
先ず、このようにして作成した正極板9と負極板10の間にセパレータを挟んで積層することにより電池要素を形成する。
その後、電池要素を複数重ね合わせてなる積層体を容器本体1a内に挿入し、正極板9及び負極板10を電池容器1の正極側外部導電端子及び封入板11の負極側外部導電端子11aに接続する。その後、各電池要素を外気より遮断するために、容器本体1aの開口部に封入板11を嵌め込み、溶接して密閉する。なお、円筒型や扁平型の電池を作成する場合は、短冊状に電池要素を形成し、それを巻き取って円筒型や扁平型の電池容器内に封入してもよい。また、円筒型の電池の場合、封口の方法は容器本体の開口部に樹脂製のパッキンを有する蓋を嵌め込み、容器本体をかしめることによって密封を行なうことができる。これらの方法以外に、接着剤で密封したり、ガスケットなどを介してボルトなどで固定することも可能である。
続いて、図2に示すように、上述のようにして組立てた電池容器1の排気・注液管2を、排気装置に取り付ける。図2において、4は排気装置であるロータリーポンプ、5は電池容器1を加熱するための加熱装置としてのヒーターである。
次に、排気装置4を作動させ、バルブ3を開放し、電池容器1の内部を減圧させて乾燥を行なう。排気装置としては、ロータリーポンプ以外にターボ分子ポンプや拡散ポンプ等を使用しても良い。また高真空度を達成するために、バルブと排気装置の間に液体窒素などの冷媒を用いたトラップ等を使用しても良い。また、生産性を良くするために、一つの排気装置4に複数個の電池容器1を接続して減圧することも可能である。この減圧乾燥に際しては、電池容器1の内部の圧力が大気圧の2/3以上であると乾燥に時間を要するため、大気圧の2/3未満であることが好ましい。これ以下であれば圧力が0になるまで減圧を行なっても良い。さらに、より水分を効率よく効果的に除去するために、電池容器1を加熱することが好ましい。加熱の方法は特に限定されないが、図2に示したヒーターで電池容器1を外部から加熱したり、熱風を電池容器1にさらしたり、赤外線で加熱したりする等の方法が挙げられる。このときの加熱温度(電池容器1の表面温度)は、電池容器1の内部のセパレータや樹脂製のガスケットなどの融点以下あるいはガラス転移点以下であることが好ましく、具体的には150℃以下である。加熱に要する時間は特に制限は無いが、生産性を考慮して1〜24時間が好ましい。
その後、バルブ3を閉鎖し、電池容器1の内部の減圧状態を保ったまま排気装置4から排気・注液管2を取り外す。この時点で、電池容器1の温度が注入する電解液の沸点以下であれば、注液工程に移るが、電池容器1の温度が注入する電解液の沸点よりも高ければ、注液工程の前に冷却工程に移る。
電池容器1の温度が高い状態で電解液を注入すると沸騰する危険があるので、冷却工程では、少なくとも注入する電解液の沸点以下の温度まで冷却することが好ましい。冷却の方法としては、特に限定されるものではなく、自然冷却、送風や冷風による冷却等を適宜選択することができる。
次に、図3に示すように、電池容器1の排気・注液管2を注液装置6に接続する。注液装置6としては、任意の流量を吐出する定量ポンプ7と、定量ポンプ7に接続された電解液が収納されたタンク8とから構成することができる。バルブ3と注液装置6の間の気体はわずかながらではあるが、水分を含む通常の空気が存在する。よって排気・注液管2と注液装置6を接続した後に、真空ポンプ等でこの水分を含んだ空気を外部に排気することが好ましい。これにより、電池容器1内に水分をわずかでも浸入させることがなくなる。その後、バルブ3を開放し、定量ポンプ7を作動させて、排気・注液管2より電池容器1の内部に電解液を注入する。このとき、電池容器1の内部は減圧状態にあるので電解液は速やかに染み込んで注入される。
その後、排気・注液管2のバルブ3を閉鎖し、注液装置6より電池容器1を取り外す。そして、電池の充放電により初期にガス等が発生しない場合には、管封止工程に移るが、電池の充放電により初期にガス等が発生する場合には、管封止工程の前にガス抜き工程に移る。
ガス抜き工程では、バルブ3を閉じた状態で電池の充電又は放電を行ない、その後バルブ3を開いて電池容器1の内部のガスを外部に放出する。この際、電池容器1内のガスが抜けた後に、外部の空気が電池容器1内に流入しないよう速やかにバルブ3を閉じる。これにより、電池容器1内を正常な圧力に保持することができる。
その後、バルブ3を取り付けたまま電池を使用することも可能であるが、バルブ3を取り除く場合は次の管封止工程に移る。
管封止工程では、バルブ3を閉じた状態で、電池容器1とバルブ3の間を封止する。封止の方法は特に限定されないが、例えば、管を機械的に内部の空洞が無くなるまで押しつぶし、その押しつぶし部分を加熱により溶解して切断する、あるいは押しつぶし部分を超音波により溶接し、その後溶接部分を切断しても良い。
このような二次電池の製造方法においては、電池要素を電池容器1の内部に封入した後は、一切外気に触れることなく電池要素を電池容器1内で乾燥し、管から電解液を注入し、管を液密に封止して二次電池を製造することができるので、製造工程上での水分の浸入の可能性が無く、安定した高品質の二次電池を得ることができる。また、低湿度雰囲気下での作業を行なう必要が無いので、安価に二次電池を提供することができる。
図6は本発明の実施の形態2の二次電池の製造方法における封入工程の電池容器を示す斜視図であり、図7は同実施の形態2における注液工程を示す模式図である。
封入工程では、実施の形態1と同様に、電池要素を複数重ね合わせてなる積層体を容器本体13a内に挿入し、正極板及び負極板を封入板14の正極側外部導電端子及び負極側外部導電端子19に接続する。その後、容器本体13aの開口部に封入板14を嵌め込み密閉する。なお、電池容器13及び排気管15・注液管17が金属製で、かつ排気管15・注液管17が電池容器13に溶接により接続されている場合には、これらの排気管15・注液管17が電池の端子を兼ねることもできる。
水分除去工程では、注液管17のバルブ18を閉じ、排気管15を図示しない排気装置に接続する。そして、排気装置を作動させ、排気管15のバルブ16を開放し、電池容器13の内部を減圧し乾燥する。この際、電池容器13を加熱することが好ましく、それにより水分の除去を効率よく効果的に行うことができる。また、減圧に際しては、排気管15と共に注液管17からも同時に効率よく排気を行なっても良い。
その後、バルブ16を閉鎖し、電池容器13の内部の減圧状態を保ったまま排気装置から排気管15を取り外す。この時点で、電池容器1の温度が注入する電解液の沸点以下であれば、注液工程に移るが、電池容器1の温度が注入する電解液の沸点よりも高ければ、注液工程の前に冷却工程に移る。
(水分除去工程3)
上記水分除去工程2の代わりに、以下に説明する水分除去工程3を行なってもよい。
水分除去工程3では、注液管17のバルブ18および排気管15のバルブ16を開放し、注液管17を図示しない乾燥気体供給装置に接続する。そして、乾燥気体供給装置から電池容器13の内部に、乾燥した気体を送り込み容器内部を乾燥する。この際、電池容器13を加熱することが好ましく、それにより水分の除去を効率よく効果的に行うことができる。あるいは電池容器13の内部に供給する気体を予め加熱してもよい。電池容器13の内部に供給される気体の水分量としては湿度が0.1%以下である事が好ましい。気体としては空気や窒素などが挙げられる。
その後、バルブ16およびバルブ18を閉鎖し、注液管17を乾燥気体供給装置から取り外す。この時点で、電池容器13の温度が注入する電解液の沸点以下であれば、注液工程に移るが、電池容器13の温度が注入する電解液の沸点よりも高ければ、注液工程の前に冷却工程に移る。
冷却工程では、実施の形態1と同様に、少なくとも注入する電解液の沸点以下の温度まで冷却することが好ましい。
次に、図7に示すように、電池容器13の注液管17を注液装置20に接続する。注液装置20としては、任意の流量を吐出する定量ポンプ21と、定量ポンプ21に接続された電解液が収納されたタンク22と、定量ポンプ21に接続された排気装置であるロータリーポンプ23とから構成することができる。注液管17と注液装置20を接続した後に、バルブ18と定量ポンプ21との間の空気をロータリーポンプ23で外部に排気する。その後、バルブ18を開放し、定量ポンプ21を作動させて、注液管17より電池容器13の内部に電解液を注入する。このとき、電池容器13の内部は減圧状態にあるので電解液は速やかに染み込んで注入される。また、電池容器13の形状や大きさにより電解液の注入に時間がかかることが予想される場合は、注液管17と共に排気管15からも同時に注液を行うようにしてもよい。
なお、以前の冷却工程の間に、バルブ15又はバルブ18を開放して電池容器13の内部に水分を含まない気体(例えば水分を含まない窒素)を導入してもよく、この場合、注液工程では電池容器13の内部が減圧状態ではないので、排気管15のバルブ16を開放して電池容器13内の気体を排気しながら注液を行なう。
その後、注液管17のバルブ18(及び排気管15のバルブ3)を閉鎖し、注液装置20より電池容器13を取り外す。そして、電池の充放電により初期にガス等が発生しない場合には、管封止工程に移るが、電池の充放電により初期にガス等が発生する場合には、管封止工程の前にガス抜き工程に移る。
ガス抜き工程では、両方のバルブ15、18を閉じた状態で電池の充電又は放電を行ない、その後一方のバルブを開いて電池容器13の内部のガスを外部に放出する。この際、電池容器13内のガスが抜けた後に、外部の空気が電池容器13内に流入しないよう速やかにバルブを閉じる。
その後、バルブ15、18を取り付けたまま電池を使用することも可能であるが、バルブ15、18を取り除く場合は次の管封止工程に移る。
管封止工程では、各バルブ15、18を閉じた状態で、電池容器13とバルブ15、18の間を封止する。封止の方法は実施の形態1と同様にして行うことができる。
その後、チャンバー内部に空気を導入し、電池容器を取り出した。取り出した電池容器に実施例で用いたものと同じ封入板を嵌め込み、接合部分をレーザー溶接し電池を密封した。その後、注液管の先端を注液装置に接続し、注液管と排気管の各バルブを開け、電解液を25cm3電池容器内に注入した。電解液の注入後、注液管と排気管の各バルブを閉鎖し、電池容器を注液装置から取り外した。そして、実施例と同様に、排気管15及び注液管17を溶接により管の内部の空洞をつぶし、溶接部分を切断して各バルブを切り離した。
また、表2に実施例と比較例の電池内部の電解液の水分量を調べた結果を示す。水分量は、実施例および比較例の手順で電池を組み立てた後、電池を大気中に3時間放置した後に、電池内部より電解液を取り出して測定を行なった。電池内部の電解液を取り出す作業は、水分が0.1%以下の乾燥アルゴン雰囲気下で行なった。水分量の測定はカールフィッシャー法にて行った。
4 排気装置
15 排気管
17 注液管
1、13 電池容器
9 正極板
10 負極板
Claims (7)
- 内部の気体を排気する及び/又は内部に電解液を注入するためのバルブを有する管を少なくとも1本備えた電池容器の内部に、正極と負極をセパレータにて電気的に絶縁してなる電池素子を封入する封入工程と、
前記管を介して前記電池容器の内部の気体を減圧下で排気すると共に、前記電池容器の内部を加熱乾燥する水分除去工程と、
前記管を介して前記電池容器内に電解液を注入する注液工程と、
前記管を封止する管封止工程とを有し、
注液工程において、電解液を収容するタンク、該タンクに接続された定量ポンプおよび該定量ポンプに接続された排気装置を備えた注液装置の前記定量ポンプを前記管に接続した後に、前記管のバルブと注液装置の間の気体を排気することを特徴とする二次電池の製造方法。 - 注液工程において、水分除去工程後の前記電池容器内の減圧状態を保持したまま電解液を注入する請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 水分除去工程と注液工程の間に、前記電池容器を少なくとも前記電解液の沸点以下の温度まで冷却させる冷却工程を含む請求項1または2に記載の二次電池の製造方法。
- 注液工程と管封止工程の間に、充電又は放電を行って前記電池容器内部のガスを前記管から外部に放出するガス抜き工程を含む請求項1〜3の何れか1つに記載の二次電池の製造方法。
- 前記電池容器は、バルブを有する排気用の管と、バルブを有する注液用の管の少なくとも2本を備え、
水分除去工程において、前記排気用の管と前記注液用の管の両方を用いて前記電池容器の排気を行う請求項1〜4の何れか1つに記載の二次電池の製造方法。 - 前記電池容器は、バルブを有する排気用の管と、バルブを有する注液用の管の少なくとも2本を備え、
水分除去工程において、乾燥した気体を前記注液用の管から前記電池容器内部に注入し、前記排気用の管から排気を行う請求項1〜4の何れか1つに記載の二次電池の製造方法。 - 前記電池容器は、バルブを有する排気用の管と、バルブを有する注液用の管の少なくとも2本を備え、
注液工程において、前記注液用の管と前記排気用の管の両方を用いて前記電解液を前記電池容器内に注入する請求項1〜6の何れか1つに記載の二次電池の製造方法。
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