JP2015022861A - 電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の生産効率を向上し、製造コストを低減する。
【解決手段】正極板４１及び負極板４２をセパレータ４３を介して積層した電池要素４と、電池要素４を電解液とともに収容する外装体５と、を有する電池１の製造方法である。外装体５に電池要素４と電解液とを収容して電池１を形成する電解液注液工程（ステップＳ１）と、電池１を充電する充電工程（ステップＳ２）と、充電後の電池１に対して電池要素４への電解液の含浸状態を検査する含浸状態検査工程（ステップＳ３）とを、電解液注液工程、充電工程、含浸状態検査工程の順に行う。
【選択図】図３

Description

この発明は、電池の製造方法に関する。

正極板、負極板及びセパレータを積層してなる電池要素を、電解液とともに外装体の内部に収容した構成を有する電池において、電解液の注液後（充電前）に電解液の含浸状態を測定することが知られている（例えば、特許文献１)。具体的には、電解液の注液後（充電前）の電池に超音波を照射し、電池を透過する超音波の透過度に基づいて電解液の含浸完了（含浸状態）を判定している。

特開２０１０−１８１２９０号公報

特許文献１に記載されている含浸状態検査は、充電を行う前のものである。しかし、充電によって新たに発生するガスもある。このガスによる気泡はその一部が電極間にとどまったままになることがある。このような含浸状態不良の電池は、最終段階の電池特性検査工程において電池特性の悪化（容量過小等）として検出されるまで製造ラインを流れつづけるので、生産効率の低下や製造コストの増加の要因のひとつとなる。

上記事情に鑑み、本発明は、電池の製造技術において、生産効率の向上と製造コストの低減に貢献する技術を提供することを目的とする。

本発明の電池の製造方法の一態様は、正極板及び負極板をセパレータを介して積層した電池要素と、前記電池要素を電解液とともに収容する外装体と、を有する電池の製造方法であって、外装体に電池要素と電解液とを収容して電池を構成し、電池を充電した後、正極板と負極板との間への電解液の含浸状態を検査することを特徴としている。本発明では、少なくとも電池を充電することで生じる気泡による電解液の含浸状態の不良を、その後の工程の前に検出することで、不良品を事前に発見して排除し、製造コストを低減することができる。

以上の発明によれば、電池の製造技術において、生産効率の向上と製造コストの低減に貢献することができる。

本発明を適用して製造される電池の一例を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１実施形態に係る電池の製造方法の流れを示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電池の製造方法の流れを示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る電池の製造方法の流れを示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の他例である電池の製造方法の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

まず、本発明の製造方法により製造される電池の構造について説明する。ここではリチウムイオン電池の例で説明する。図１は、電池１の斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図１に示すように、電池１は、扁平な直方体状の外観形状を有しており、長手方向の一方の端縁から一対の端子２，３が突出して設けられる。

図２に示すように、電池１は、正極板４１と負極板４２とをセパレータ４３を介して積層した電池要素４を電解液とともに外装体５の内部に収容したものである。具体的に説明すると、電池要素４は、３枚の負極板４２と、２枚の正極板４１と、各負極板４２と正極板４１との間に介装される４枚のセパレータ４３と、を有する。つまり、この例では、電池要素４の両面に負極板４２が位置している。ただし、電池要素４の最外層に正極板４１が位置する構成も可能である。なお、図１，２における各部の寸法は必ずしも正確なものではなく、説明のために誇張したものとなっている。

正極板４１は、矩形の正極集電体４１ａの両面に正極活物質層４１ｂ，４１ｃを形成したものである。正極集電体４１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金、銅箔、または、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成される。また、正極活物質層４１ｂ，４１ｃは、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ₂）、または、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）等のリチウム複合酸化物を含有する正極活物質と、バインダと、を混合したものを、正極集電体４１ａの主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成される。

負極板４２は、矩形の負極集電体４２ａの両面に負極活物質層４２ｂ，４２ｃを形成したものである。負極集電体４２ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、または、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成される。負極活物質層４２ｂ，４２ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、または黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質にバインダを混合したものを、負極集電体４２ａの主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成される。

負極集電体４２ａの長手方向の端縁の一部は、負極活物質層を具備しない延長部が延在しており、延長部の端部が負極端子３と接合される。また、図２には図示されていないが、同様に、正極集電体４１ａの長手方向の端縁の一部が、正極活物質層を具備しない延長部として延在しており、延長部の端部が正極端子２に接合される。

セパレータ４３は、正極板４１と負極板４２との間の短絡を防止し、電解液を保持する。セパレータ４３は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜である。なお、セパレータ４３としては、ポリオレフィン等の単層膜に限定されるものではなく、ポリエチレン膜間にポリプロピレン膜を挟持した三層構造のものや、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。

電解液は、リチウムイオン二次電池に一般的に利用される電解質、例えば、有機溶媒にリチウム塩が溶解した非水電解液を用いることができる。有機溶媒としては、例えば、ポリカーボーネート、エチレンカーボネート、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等の溶媒を一種または二種以上組み合わせた溶媒を用いることができる。また、リチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣ₄Ｆ₉ＳＯ₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃等のようなフッ素を構成元素とするリチウム塩を好ましく用いることができる。なお、電解液量の割合は、電極板４１，４２及びセパレータ４３の空孔体積の合計値に対して、１．１〜１．７であることが好ましい。

外装体５は、電池要素４を電解液とともに収容する。外装体５は、例えば、図２中に拡大図として示すように金属層５２（例えば、アルミニウム層等）の一方の面（外装体５の電池要素４を収容する側の面）を、熱融着可能な絶縁性の熱融着層５１で被覆し、他方の面（外装体５の外側の面）を、保護層５３で被覆した構成を有するラミネートフィルムにより形成される。熱融着層５１は、例えば、ポリプロピレン等の熱融着が可能な合成樹脂で形成される。また、保護層５３は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の耐久性に優れた合成樹脂で形成される。ラミネートフィルムの構成は、金属層５２の表面に合成樹脂層５１，５３を形成した構成に限定されるものではなく、例えば、外装体５の電池要素４を収容する側の面のみに合成樹脂層を備えた構成であってもよい。

外装体５は、例えば、図２の電池要素４の一方の主面に配置されるラミネートフィルムと他方の主面に配置されるラミネートフィルムとにより形成される。これら２枚のラミネートフィルムの周囲の４辺を重ね合わせ、且つ互いに熱融着して外装体５を構成する。なお、外装体５は、１枚のラミネートフィルムを二つ折りとした状態で、内側に電池要素４を配置し、ラミネートフィルムの周囲の３辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着して構成してもよい。

図１に示すように、電池１の短辺側に位置する一対の端子２，３は、外装体５を熱融着する際に、外装体５の接合面を通して外部へ引き出される。なお、図１では、同じ一方の端縁に一対の端子２，３が並んで配置されているが、一方の端縁に正極端子２を配置し、他方の端縁に負極端子３を配置する形態であってもよい。

（電池の製造方法）
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る電池１の製造方法の一例について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、外装体５に電池要素４と電解液とを収容して電池１を形成する電解液注液工程（ステップＳ１）を行う。具体的に説明すると、正極板４１と負極板４２とをセパレータ４３を介して交互に積層して電池要素４を形成し、この電池要素４の両面を１対のラミネートフィルムによって覆う。次に、ラミネートフィルムの３辺の周縁部同士を熱融着などの方法で互いに接合させる。その際、端子２，３の一部をラミネートフィルムの外側に突出した状態で熱融着させる。このとき、ラミネートフィルムの１辺は非接合のままにしておき、この非接合部から両ラミネートフィルム間（すなわち、外装体５内）に電解液を注液する。そして、電解液注液後に、外装体５の接合されていない１辺を熱融着などの方法によって互いに接合させて外装体５を封止する。最後の１辺の接合時には、周囲を減圧状態にすることが好ましい。

次に、電池１を初期充電する充電工程（ステップＳ２）を行う。

次に、充電後の電池１に対して電池要素４への電解液の含浸状態を検査する含浸状態検査工程（ステップＳ３）を行う。電解液の含浸状態の検査は、超音波による方法（例えば、特許文献１）や正極板４１及び負極板４２間の静電容量またはインピーダンスを測定する方法等により行う。電解液の含浸状態の検査で、電解液の含浸状態が不良と判定された電池（ステップＳ３でＮＧ）は、不良品として取り除かれ（ステップＳ４）、後の工程に供されない。含浸状態が不良と判定される電池は、例えば充電の途中で発生したガスの気泡が電池要素４中に残存している状態の電池である。一方、電解液の含浸状態が良好と判定された電池（ステップＳ３でＯＫ）は、熱融着された外装体５の一部を開封して外装体５内の気体をノズルで吸引する気体除去工程（ステップＳ５）を行う。その後、開封した外装体５を熱融着等の方法によって再度封止する（ステップＳ６）。このようにして製造された電池１は、電池１の特性（充放電容量等）を検査する電池検査工程（ステップＳ７）に供される。なお、ステップＳ５及び６は、熱融着された外装体５の一部を開封し、減圧雰囲気下でその開封箇所あるいはそれより内側の位置で外装体５を熱融着等の方法によって再度封止するようにしてもよい。

本実施形態では、電解液注液工程と充電工程とを行った後であって、気体除去工程の前に、含浸状態検査工程を行うことで、電解液の含浸状態が不良である製品を検知して取り除く。したがって、それらの取り除かれた製品に関しては、気体除去工程やラミネートフィルム（外装体５）を再封止する工程等を行わないため、生産効率の向上と製造コストの低減を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る電池の製造方法について、図４に示すフローチャートを参照して説明する。電池１の構成については図１，２と同様であるので説明を省略する。また、第２実施形態の説明では、第１実施形態と同様の工程については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

まず、電解液注液工程（ステップＳ１）を行い、外装体５に電池要素４と電解液とを収容し、外装体５を封止して電池１を構成する。電解液注液後の最後の１辺の接合時には、周囲を減圧状態にすることが好ましい。

次に、電池１を所定の時間充電する第一充電工程（ステップＳ１０）を行う。第一充電工程では、電池１が満充電に至らない充電（一次充電）を行う。「満充電に至らない」とは、満充電を１００％としたときに、例えば１％〜９０％までであることを指す。
次に本発明に従って含浸状態検査工程（ステップＳ３）を行う。含浸状態検査工程で電解液の含浸状態が良好であると判定された電池は、第二充電工程（ステップＳ１１）で満充電になるまで充電（二次充電）される。第二充電工程終了後、気体除去工程（ステップＳ５）を行い外装体５中の気体を除去した後、開封した外装体５を再度封止する（ステップＳ６）。このように製造された電池１は、電池検査工程（ステップＳ７）で電池特性が検査される。なお、ステップＳ５及び６は、熱融着された外装体５の一部を開封し、減圧雰囲気下でその開封箇所あるいはそれより内側の位置で外装体５を熱融着等の方法によって再度封止するようにしてもよい。
一方、含浸状態検査工程で不良と判定された電池、例えば充電の途中でガスの気泡が電池要素４中に残存していると判定された電池は、不良品として取り除かれる（ステップＳ４）。
本実施形態では、一次充電を行った後に含浸状態検査工程を行い、電解液の含浸状態が不良である電池を検知して取り除くことで、二次充電に供する電池を減らして良品のみとするので、第１実施形態に係る電池の製造方法の場合よりもさらに、製造コストを低減することができる。また、本実施形態では、含浸状態が良好な電池が二次充電に供されるため、二次充電による効果（十分な初期容量）を確実に得ることができる。

充電の途中で含浸状態検査を行うことのメリットを調べるため、実際に、リチウムイオン電池を図４のフローで第一充電を充電率５％及び５０％としてそれぞれ作製し、第二充電は充電率１００％まで行った場合と、図３のフロー（充電工程Ｓ２は充電率１００％まで行う）で作製した場合とで比較したところ、いずれも含浸状態検査工程での不良率に差が殆どなかった。言い換えると、図４のフローにおいて二次充電の後でも前でも同様な含浸状態不良排除ができるという結果になった。このことは、ガス発生の殆どは第一充電の段階（充電率５０％以下）において発生していることを示しており、発生ガスの電極間残存状態の不良選別としては、不良判定精度を落とさないまま、より効率のよいタイミングでの含浸状態検査が図４のフローであることがわかる。第一充電工程の充電率としては５０％前後（例えば３０〜７０％）でもよく、あるいは５％〜３０％に設定しても充電初期発生ガスの電極間残存不良の判別は可能である。
上記に派生した別の実施形態として、第一充電工程終了後であって含浸浸状態検査の前に、電池要素４をラミネートフィルムの上から電極板４１，４２の積層方向に加圧するプレス工程を行ってもよい。プレス工程を行うことで、電池要素４中の気泡を電池要素４の外部に排出することができる。電池要素４と外装体５の熱融着部の間の内部空間として、１〜１０ｍｍ程度のマージンを、少なくとも１辺に設けておくことで、電池要素４から排出された気泡を一時的にため込むことができる。このため込んだガスは、ステップＳ５、６で電池外部に排出されることになる。ここで、前記マージンは、外装体５を構成するラミネートフィルムのうち、電池要素４の端部から、外装体５の熱融着部までに位置する部分のことであり、電解液注液後の最終封止を減圧状態で行うことで、このマージンのラミネートフィルム同士は密着した状態になるので、前記ガスをここに移動させたときに、フィルム同士を離間させながら溜めることができ、ガス収容可能量を充分なものとすることができる。

プレス工程におけるプレス方法としては、金属板、樹脂板などの平板で電池を加圧する方法、あるいは電池をロールプレスする方法が好ましく用いられる。プレス工程の後で含浸状態検査を行うことで、プレスによって電池要素４中の気泡を電池要素４の外部に排出することが確実にできたかどうかを検査することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る電池の製造方法について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。電池１の構成については図１，２と同様であるので説明を省略する。

図５に示すように、含浸状態検査工程（ステップＳ３）において電解液の含浸状態が不良と判定されると（ステップＳ３でＮＧ）、電解液の含浸状態が不良と判定された電池１の電池要素４を電極板４１，４２の積層方向に加圧する再生工程（ステップＳ１２）を行う。再生工程を行うことで、電池要素４中の気泡を電池要素４の外部に排出することができる。そして、再生工程を行った後の電池１を再度含浸状態検査工程（ステップＳ３）に供する。この含浸状態検査工程で含浸状態が良好と判断されると（ステップＳ３でＯＫ）、気体除去工程（ステップＳ５）を行い外装体５中の気体を除去した後、開封した外装体５を再度封止する（ステップＳ６）。このように製造された電池１は、電池検査工程（ステップＳ７）で電池特性が検査される。なお、再度含浸状態検査工程を行った電池１の電解液の含浸状態の判定が不良であった場合、その電池は、再度再生工程に供される、若しくは、不良品として取り除かれる。

本実施形態では、電解液注液工程と充電工程とを行った後であって、気体除去工程の前に、含浸状態検査工程を行うことで、第１実施形態と同様に、生産効率の向上と製造コストの低減を図ることができる。

また、含浸状態検査工程で含浸状態が不良と判定された電池を再生工程に供することで、含浸状態が良好となるように修復（リペア）することができる。その結果、含浸状態が不良と判断される電池の数が減少するので、電池製造での歩留りが向上する。なお、含浸状態検査工程で含浸状態が不良と判断された電池であっても、再生工程と含浸状態検査工程を経て、含浸状態が良好と判断されると、電池要素４中の気泡が電池要素４の外部に確実排出されていることになり、他の合格品と同様に気体除去工程で確実に気泡が除去されることになり、また、含浸検査工程以降、同じ工程を行って電池が製造されるので、品質に差が生じない（リペアがきく）。また、従来の電池製造方法のように、気体除去工程後に電解液の含浸状態を検査すると、電極板間にガスの存在が確認され含浸状態がＮＧと判断することができても、再度気体を除去する工程を行うことができず、含浸状態がＮＧと判断された電池は廃却されることとなっていた。これに対して、本実施形態では、含浸状態がＮＧと判断された電池を修復する再生工程を行うことで、歩留りを向上させることができる。

また、電解液注液直後の含浸状態が不良である場合には、エージングを行うこと（含浸時間を制御すること）で染み込みを進めて電解液の含浸状態を良好にすることができるが、電池１の充電によって発生したガスは放置したとしても除去できない場合がある。つまり、電解液の含浸状態の不良については、電解液注液直後の含浸状態不良と充電後の含浸状態不良は違った課題がある。また、従来技術に係る電池の製造方法では、電解液の含浸状態を判定した後、不良と判定されたものの処置、特に合格基準を満たすようにするための追加工程を適用することについては考えられていなかった。これに対して、本実施形態では、電池１を充電した後に電解液の含浸状態が不良と判定された電池１を修復する再生工程を行うことで、従来は廃棄されていた電池１を修復して利用することができる。したがって、さらなる生産効率の向上と製造コストの低減を図ることができる。

以上、本発明の電池の製造方法について、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の電池の製造方法は、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能である。

例えば、実施形態では、正極板と負極板とを積層したリチウムイオン電池を例示して説明したが、電池の構成は実施形態に限定されるものではなく、巻回型のリチウムイオン電池や他の２次電池に適用することもできる。

また例えば、第２実施形態で第二充電工程は満充電まで行うことに限定されるものではなく、５０％、７０％。９０％などでもよい。

また、各実施形態の特徴は、個々に格別な効果を有する発明であるので、各実施形態の特徴となる工程を部分的に実施する、若しくは、組み合わせて実施することで、部分的な効果や組み合わせた効果を得ることができる。例えば、図６に示すように、第２実施形態に係る電池の製造方法に、第３実施形態に係る電池の製造方法の再生工程を組み合わせることで、第２実施形態の効果と第３実施形態の効果を得ることができる。

１…電池
２…正極端子
３…負極端子
４…電池要素
４１…正極板
４１ａ…正極集電体
４１ｂ，４１ｃ…正極活物質層
４２…負極板
４２ａ…負極集電体
４２ｂ，４２ｃ…負極活物質層
４３…セパレータ
５…外装体
５１…熱融着層
５２…金属層
５３…保護層

Claims (6)

1. 正極板及び負極板をセパレータを介して積層した電池要素と、前記電池要素を電解液とともに収容する外装体と、を有する電池の製造方法であって、
   前記外装体に前記電池要素と電解液とを収容して電池を構成する工程と、
   前記電池を充電する工程と、
   前記電池を充電した後に、前記正極板と前記負極板との間への前記電解液の含浸状態を検査する工程と、を含むことを特徴とする電池の製造方法。
2. 前記電解液の含浸状態を検査した後に、前記外装体内の気体を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の電池の製造方法。
3. 正極板及び負極板をセパレータを介して積層した電池要素と、前記電池要素を電解液とともに収容する外装体と、を有する電池の製造方法であって、
   前記外装体に前記電池要素と電解液とを収容して電池を構成する工程と、
   前記電池を満充電未満に充電する工程と、
   前記電池を満充電未満に充電した後に、前記正極板と前記負極板との間への前記電解液の含浸状態を検査する工程と、
   前記電解液の含浸状態を検査した後に、前記電池を満充電まで充電する工程と、を含む
   ことを特徴とする電池の製造方法。
4. 前記電池を満充電未満に充電する工程の後であって、前記電解液の含浸状態を検査する工程の前に、電池の電池要素を該電池要素の積層方向に加圧する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の電池の製造方法。
5. 前記電池を満充電まで充電する工程の後に、前記外装体内の気体を除去する工程を含む
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の電池の製造方法。
6. 前記電解液の含浸状態を検査する工程で、不良と判断された電池の電池要素を該電池要素の積層方向に加圧する工程と、
   前記電池要素を加圧した電池に対して、再度電解液の含浸状態を検査する工程と、を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電池の製造方法。

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