JP2012138318A

JP2012138318A - 製造装置及び異物検出方法

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Publication number: JP2012138318A
Application number: JP2010291546A
Authority: JP
Inventors: Yasuko Aoki; 康子青木; Shigeya Tanaka; 成弥田中; Kenji Aiko; 健二愛甲; Masakazu Kanazawa; 政和金澤; Hiroshi Kawaguchi; 浩川口
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-19

Abstract

【課題】本発明は、上記の課題に鑑み、異なる部材を組み合わせて構成される構造物を製造する製造装置と構造体に含まれる金属異物を検出する異物検出方法を提供するものである。
【解決手段】本発明では、第一の部材を消磁する消磁手段と、第二の部材を消磁する消磁手段と、消磁後の第一の部材及び第二の部材を組み合わせる組立手段と、前記組立手段により組み合わせられた構造体の磁気を測定する磁気検出手段と、当該磁気検出手段からの信号に基づいて前記構造体に含まれる異物を検出することを特徴とする製造システムを提供する。また、本発明では、第一の部材を消磁するステップと、第二の部材を消磁するステップと、当該第一及び第二の部材を組み合わせて構造体を製造するステップと、当該構造体の磁気を測定するステップと、当該構造体の磁気の情報に基づいて構造体が有する異物を検出する検査方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、製造装置及び異物検出方法にかかり、特に複数積層されたシート体を組み合わせて構造体を作る製造装置と、構造体に入り込んだ金属異物を検出する異物検出方法に関する。

近年リチウムイオン電池が電気自動車等のさまざまな分野で実用化され、現在も研究開発が進んでいる。

リチウムイオン電池の製造プロセスは、（１）電極シートを製造するプロセス、（２）正極，負極，セパレータを組み合わせる組立プロセス、という大きく２つの工程と考えることができる。

（１）電極シートを製造するプロセスでは、正極，負極ともに独立に作成される。シート体はロール製造プロセスで製造される。具体的には、正極の場合、コバルト酸リチウム，導電材，バインダなどの活物質材料を混練し、集電体上に塗工，圧延処理し、ロール状の電極シートを製造する。負極も材料の違いはあるものの、同様にロール製造プロセスで製造する。

（２）組立プロセスでは、それぞれの正極，負極の電極シートを個々の電池セルに必要な大きさに切断した後、捲回又は積層，容器挿入，電解液注入、及び密封を行う。

このようにして組み立てられた電池セルは、全数の充放電検査を行い、最終検査を合格したものが完成品となる。

特開平９−５４１６７号公報特開２００９−２９４０６２号公報

ところで、電池製造においては、正極と負極間がなんらかの原因で短絡（ショート）すると、短絡電流が流れ、熱暴走により発火する恐れがある。

リチウムイオン電池の場合、コンタミネーションとして代表的なものは金属異物である。購入材料の混入防止のための受け入れ検査，製造装置自身が出す金属異物の対策，ダスト除去などのクリーン化などさまざまなことを実施して金属異物の混入を防止しているが、金属異物の完全な除去はできず、現状では最終テストで環境加速試験（エージング）を行い間接的に検査している。

現在、民生用の電池での不良率は１〜２ＰＰＭレベルであるといわれているが、自動車を含む産業機器では不良率をさらに１０分の１以下に、電力貯蔵では不良率をさらに１００分の１以下に低減して信頼性を上げることが求められている。このような状況では、リチウムイオン電池内部の金属異物を直接検査できれば、不良のリチウムイオン電池をエージングしなくとも取り除くことができ、大変有効である。

一般的に非破壊で内部を検査する従来技術としては、Ｘ線透過検出技術，金属探知検査技術，磁気検査技術などが挙げられる。

しかしながら、数十μｍオーダの微小な金属異物の検査となると、Ｘ線透過検出技術，金属探知検査では、小さくても数mmオーダが限界であり、それよりも微小なものを検出すると見落とし等により検査の信頼性が低いという問題があった。

一方、磁気検査技術は、微小な磁場変化を検出できる可能性を持つが、電池の組立て後の内部検査においては、正極，負極ともに磁性体であるため、複数の磁性体中の微小な金属異物の出す磁性を検出しなげばならず、高感度な検査に課題がある。

特許文献１では、２つの磁性体の内、特定の磁性体を除いて着磁状態を維持する磁性体を磁気により判別する方法が明示されている。

特許文献２では、磁性を有する検査材からなる試料の異物検査において、バックグランド信号の影響を受けにくい検査技術であり、検査材を着磁後、逆方向のキャンセル磁場を印加することで検査材の磁化を消失させ、異物の磁気信号を検出するものである。

しかしこれらの文献では、図２のような１つの電極シート体と磁性異物のような２つのものを検査する場合には適用できる可能性あるが、図３のような、複数の異なる電極シートが積層されている積層体を検査する場合、磁気検出する直前に特定の磁性をキャンセルするだけの方法では対応できず、積層体には適用できないという課題がある。

以上のような背景を踏まえ、電池の組み立て後、微小な金属異物を検出したいというニーズがある。

本発明は、上記の課題に鑑み、異なる部材を組み合わせて構成される構造物を製造する製造装置と構造体に含まれる金属異物を検出する異物検出方法を提供するものである。

より具体的には、正極シート体及び負極シート体から構成される積層構造体の製造装置、及び積層構造体に含まれるシート体以外の金属異物の磁性を検出することを特徴とする金属異物検出方法を提供するものである。

本発明では、第一の部材を消磁する消磁手段と、第二の部材を消磁する消磁手段と、消磁後の第一の部材及び第二の部材を組み合わせる組立手段と、前記組立手段により組み合わせられた構造体の磁気を測定する磁気検出手段と、当該磁気検出手段からの信号に基づいて前記構造体に含まれる異物を検出することを特徴とする製造システムを提供する。

また、本発明では、第一の部材を消磁するステップと、第二の部材を消磁するステップと、当該第一及び第二の部材を組み合わせて構造体を製造するステップと、当該構造体の磁気を測定するステップと、当該構造体の磁気の情報に基づいて構造体が有する異物を検出する検査方法を提供する。

本発明により、異なる部材から構成される構造物を製造する製造装置で、組み立て後の構造物に入り込んだ金属遺物を検出することができる。

より具体的な実施形態においては、正極シート体と負極シート体とセパレータを積層して構成する電池において、積層体が組み立てられた後に、磁気検出手段により金属異物を検出することが可能となる。

本発明に係る実施形態に関するシステムの全体図。一般的な２つの磁性体のＢＨ特性曲線を示す図。一般的な３つの磁性体のＢＨ特性曲線を示す図。本発明で説明する正極シート体，負極シート体の各々のＢＨ特性曲線を示す図。本発明に係る第２の実施形態に関するシステムの全体図。本発明に係る第３の実施形態に関するシステムの全体図。本発明に係る第４の実施形態に関するシステムの全体図。

まず本発明の説明に入る前に、リチウムイオン電池の構造について簡単に説明する。

リチウムイオン電池の代表的な構成では、負極に炭素、正極にコバルト酸リチウムなどのリチウム遷移金属酸化物、電解質に炭酸エチレンや炭酸ジエチルなどの有機溶媒＋ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）といったリチウム塩を使う。しかし一般には、負極，正極，電解質それぞれの材料は、リチウムイオンを移動し、かつ電荷の授受により充放電可能であればよいため、他にも多くの構成をとりうる。

正極の材料としては、代表としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）が挙げられるが、他にもＬｉＭｎ₂Ｏ₄，ＬｉＮｉＯ₂等がある。

負極の材料としては、ハードカーボン等が挙げられる。

電解質としては、非水溶液系電解質が使用され、リチウムイオン電池内の液状の電解質はＬｉＰＦ₆，ＬｉＢＦ₄或いはＬｉＣｌＯ₄のようなリチウム塩とエチレンカーボネートのような溶媒によって構成される。液体の電解質は正極と負極の間に満たされ充放電によってリチウムイオンが移動する。

そして、負極と正極の間にはイオンが移動できる多孔質の絶縁フィルム（セパレータ）をはさみ、正極と負極とセパレータが幾層にも重なるように積層され、リチウムイオン電池が完成する。積層体は必要に応じて巻かれることもある。

リチウム電池の製造工程において、正極，負極，セパレータの積層，タブ付け，外装、及び注液密封を行う。そして、当該各行程において異物が混入する可能性があることがわかった。

リチウムイオン電池の異物は、例えば電池内部の数十μｍオーダの金属異物が挙げられる。このような金属異物を検知する本発明について以下説明する。

一般的に、正極シート体，負極シート体は活物質材料を混練し集電体上に塗布，圧延され、スリッタで電池セルに必要な大きさに切断される。本実施例では、これらのプロセスにより、電池セルとして必要な正極シート体，負極シート体，セパレータに分離されたところから説明する。

図１は、本発明に係る第１の実施形態に関する装置の全体図である。

リチウムイオン電池の製造システム１００は、正極シート体１０６自身の磁気を消磁する消磁手段１０１，負極シート体１０７自身の磁気を消磁する消磁手段１０２，正極シート体１０６，負極シート体１０７，セパレータ１０８を電池構造に合わせて積層する積層組立手段１０３，正極シート体１０６，負極シート体１０７，セパレータ１０８を積層した積層構造体の磁性を検知する磁気検出手段１０４，積層構造体に金属異物が入っているかを判定する異常判定手段１０５、及び搬送手段１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１４１，１４２から構成される。

本実施例では、正極シート体，セパレータ，負極シート体を複数重ねて積層構造を製造するものであり、具体的には、セパレータ，正極シート体，セパレータ，負極シート体，セパレータ，正極シート体，…と繰り返し順番に積み重ねた積層構造体を製造するものである。

ステップ１
まず、金属異物を検出する前提として、正極シート体１０６を消磁する必要がある。正極シート体１０６を搬送手段１１１で消磁手段１０１に搬送し、消磁手段１０１により正極シート体１０６自身がもつ磁気をキャンセルする逆磁場を加える。消磁手段１０１から取り出された状態では、正極シート体１０６自身が消磁され、正極シート体１０６に付着している金属異物のみが磁化されている状態となる。

ステップ２
同様に、金属異物を検出する前提として、負極シート体１０７を消磁する必要がある。
負極シート体１０７を搬送手段１２１で消磁手段１０２に搬送し、消磁手段１０２により負極シート体１０７自身がもつ磁気をキャンセルする逆磁場を加える。消磁手段１０２から取り出された状態では、負極シート体１０７自身が消磁され、負極シート１０７に付着している金属異物のみが磁化されている状態となる。

ここで、消磁手段１０１及び１０２の消磁の原理を説明する。

図４は本発明で説明する正極シート体１０６，負極シート体１０７の各々のＢＨ特性曲線を示す図である。正極シート体１０６のＢＨ特性曲線３０１，負極シート体１０７のＢＨ特性曲線３０２，磁性異物のＢＨ特性曲線３３３を示す。

図４（１）は、正極シート体１０６のＢＨ曲線図を示したものである。正極シート体１０６と金属異物は、同じ磁性が外部から印加されても、磁性特性の差から異なる強度の残留磁化が残るものである。材料が異なる場合は明らかに残留磁化が異なるが、同一材料でも異物のような微小でかつ通常と異なる応力がかかっている場合は、磁性特性が異なる場合もある。

正極シート体１０６に逆磁場を加え、外部磁場を無くしたときに、正極シート体１０６の残留磁化が限りなくゼロに近づくように、逆磁場を加える。もし、磁性異物があると、負極シート体自身の残留磁場はゼロになり、金属異物は磁化が残る状態（残留磁化）を作ることができることになる。

なお、残留磁場０を安定につくるために、一度全体を飽和磁化までもっていく着磁を行い、飽和状態から逆磁場を加えることで安定に消磁できるようにしてもよい。

同様に、積層組立手段１０３の前段で、消磁手段１０２により負極シート体１０７自身がもつ磁性をキャンセルする逆磁場を加えることにより、負極シート体１０７を消磁するように働く。

図４（２）は、負極シート体１０７のＢＨ曲線図を示したものである。負極シート体と金属異物は、同じ磁性が外部から印加されても、磁性特性の差から異なる強度の磁化が残るもの（残留磁化）である。

負極シート体１０７に逆磁場を加え、外部磁場を無くしたときに、残留磁場が限りなくゼロに近づくように、逆磁場を加える。もし、金属異物があると、負極シート体自身の残留磁場はゼロになり、金属異物は磁化が残る状態（残留磁化）を作ることができることになる。

なお、残留磁場０を安定につくるために、一度全体を飽和磁場までもっていく着磁を行い、飽和状態から逆磁場を加えることで安定に消磁できるようにしてもよい。

このように、正極シート体１０６用の消磁手段１０１と負極シート体１０７用の消磁手段１０２は、それぞれのシート体がもつ磁性を独立に消磁することができる。

ステップ３
消磁された正極シート体１０６，負極シート体１０７、及びセパレータ１０８をそれぞれ搬送手段１１２，１２２，１３１で積層組立手段１０３に搬送し、例えば、セパレータ，正極シート体，セパレータ，負極シート体，セパレータ，正極シート体，…と繰り返し順番に積み重ねた積層構造体を製造する。ここで、積層組立手段１０３は組み立て中に強い磁場を印加しないように構成する必要がある。

なお、当該ステップである積層時に金属異物が積層構造体に混入してしまう可能性がある。

積層組立手段１０２において組立時に混入してしまう金属異物としてステンレス鋼（ＳＵＳ）がある。ステンレス鋼は、微小な金属異物となるときに通常と異なる応力がかかっており、マルテンサイト相が出現する。このような金属異物は通常磁気を有しており、本発明では、この現象を利用して、組立時に混入する金属異物を検出する。

ステップ４
積層組立手段１０３により、消磁された正極シート体１０６，負極シート体１０７，セパレータ１０８を搬送手段１４１で磁気検出手段１０４に搬送し、磁気検出手段１０４で積層構造体の磁気を検出する。

ここで検出できる磁気は、正極シート体に残っている金属異物の磁気か、負極シート体に残っている金属異物の磁気か、積層組み立て時に混入した金属異物の磁気と考えることができる。この方法により、リチウムイオン電池内部、特に積特に複数積層されたシート体に入り込んだ金属異物を検出することができる。

なお、本発明者の実験により、正極シート体，負極シート体の有する磁気を予め消磁しておけば、積層組立手段で混入してしまった金属異物のもつ微小な磁気も、積層構造体の状態で検出できることがわかった。

ステップ５
搬送手段１４１を通して磁場検出手段１０４で磁気検出を行い（ステップ４）、その出力信号である磁気検出信号１４３を異常判定手段１０５に送る。異常判定手段１０５は、積層構造体内部に金属異物が存在しているか否かを判定し、金属異物が存在している場合には、エラーを出力する。

ここで、異常判定手段１０５は、磁気検出信号１４３のＳＮ改善のためにデータ処理ソフト、積層構造体が異常か否かを判定する異常判定のための金属異物の個数の閾値等のデータを有する。また、異常判定手段１０５は、磁気検出手段１０４からの磁気検出信号１４３に基づいて、異常場所を示す異常分布を表示する表示手段や、複数の磁性異物の磁性面積や強度など特徴量ごとに分類する分類処理のためのプログラムを備えることができる。

図５は本発明に係る第２の実施形態に関する概略構成図である。本実施例の製造システム５００では、実施例１の積層組立手段１０３の後段に、積層後の電池の電極になるタブ付け手段５０１を備える。

実施例１との違いは、タブ付け手段５０１の後段に磁気検出手段１０４が設けられている点である。ここで重要な点は電池用タブの材料の磁気を事前に消磁しておくことである。これによって、検出できる磁気は、正極シート体１０６に残っている金属異物の磁気か、負極シート体１０７に残っている金属異物の磁気か、積層組み立て時に混入した金属異物の磁気か、タブ付け手段によって混入した金属異物の磁気と考えることができる。

図６は本発明に係る第３の実施形態に関する概略構成図である。本実施例の製造システム６００では、実施例２のタブ付け手段５０１の後段に外装手段６０１を備える。外装手段の代表的なものの一つとして、ラミネート外装が知られている。

実施例２との違いは、外装手段６０１の後段に磁気検出手段１０４が設けられている点である。ここで重要な点は、外装材料の磁気を事前に消磁しておく必要がある。

これによって、検出できる磁気は、正極シート体に残っている磁性異物の磁気か、負極シート体に残っている金属異物の磁気か、積層組み立て時に混入した金属異物の磁気か、タブ付け手段によって混入した金属異物の磁気か、外装手段によって混入した金属異物の磁気と考えることができる。

図７は本発明に係る第４の実施形態に関する概略構成図である。本実施例の製造システム７００では、実施例３の外装手段６０１の後段に注液・密封手段７０１を備える。

実施例３との違いは、注液・密封手段７０１の後段に磁気検出手段１０４が設けられている点である。

これによって、検出できる磁気は、正極シート体に残っている金属異物の磁気か、負極シート体に残っている金属異物の磁気か、積層組み立て時に混入した金属異物の磁気か、タブ付け手段によって混入した金属異物の磁気か、外装手段によって混入した金属異物の磁気か、電解液の注液・密封手段によって混入した金属異物の磁気と考えることができる。

なお、本発明の説明では、リチウムイオン電池の製造工程を実施例として説明したが、これに限られず、一般的に異なる部材を組み合わせて構成される構造物を製造する製造装置と構造体に含まれる金属異物を検出する異物検出方法として用いることができる。

１００第１の実施例のシステム構成図
１０１正極シート体自身の磁性を消磁する消磁手段
１０２負極シート体自身の磁性を消磁する消磁手段
１０３積層組立手段
１０４磁気検出手段
１０５異常判定手段
１０６正極シート体
１０７負極シート体
１０８セパレータ
１１１積層直前の電池サイズにスライスされた正極シート体の搬送手段
１１２消磁手段１０１によって消磁された正極シート体の搬送手段
１２１積層直前の電池サイズにスライスされた負極シート体の搬送手段
１２２消磁手段１０２によって消磁された負極シート体の搬送手段
１３１積層直前の電池サイズにスライスされたセパレータの搬送手段
１４１積層組立手段によって積層された積層構造体の搬送手段
１４２磁気検出手段によって測定が完了した積層構造体の搬送手段
１４３磁気検出信号
２０１一般的な磁性異物のＢＨ特性曲線
２０２一般的な電極シートのＢＨ特性曲線
３０１実施例で説明する正極シート体のＢＨ特性曲線
３０２実施例で説明する負極シート体のＢＨ特性曲線
３３３実施例で説明する金属異物のＢＨ特性曲線
５００第２の実施例のシステム構成図
５０１タブ付け手段
５１０タブ付け後の積層構造体の搬送手段
６００第３の実施例のシステム構成図
６０１外装手段
６１０外装後の積層構造体の搬送手段
７００第４の実施例のシステム構成図
７０１注液・密封手段
７１０電解液の注液・密封後の積層構造物の搬送手段

Claims

正極体を消磁する消磁手段と、
負極体を消磁する消磁手段と、
消磁後の正極体及び負極体を組み合わせる組立手段と、
前記組立手段により組み合わせられた構造体の磁気を測定する磁気検出手段と、当該磁気検出手段からの信号に基づいて前記構造体に含まれる異物を検出することを特徴とする電池製造システム。
請求項１の電池製造システムにおいて、
前記組立手段により組み合わせられた構造体にタブ付けを行うタブ付け手段を有し、前記磁気検出手段は、当該タブ付けが行われた構造体の磁気を測定することを特徴とする電池製造システム。
請求項２の電池製造システムにおいて、
前記タブ付けが行われた構造体を外装する外装手段を有し、前記磁気検出手段は、当該タブ付け及び外装された構造体の磁気を測定することを特徴とする電池製造システム。
請求項３の電池製造システムにおいて、
前記タブ付けが行われた構造体を外装する外装手段を有し、前記磁気検出手段は、当該タブ付け及び外装された構造体の磁気を測定することを特徴とする電池製造システム。
請求項４の電池製造システムにおいて、
前記タブ付け及び外装された構造体を注液及び密封する注液・密封手段を有し、前記磁気検出手段は、当該タブ付け，外装，注液及び密封された構造体の磁気を測定することを特徴とする電池製造システム。
第一の部材を消磁する消磁手段と、
第二の部材を消磁する消磁手段と、
消磁後の第一の部材及び第二の部材を組み合わせる組立手段と、
前記組立手段により組み合わせられた構造体の磁気を測定する磁気検出手段と、当該磁気検出手段からの信号に基づいて前記構造体に含まれる異物を検出することを特徴とする製造システム。
第一の部材を消磁するステップと、
第二の部材を消磁するステップと、
当該第一及び第二の部材を組み合わせて構造体を製造するステップと、
当該構造体の磁気を測定するステップと、
当該構造体の磁気の情報に基づいて構造体が有する異物を検出する検査方法。