JP2015065065A

JP2015065065A - 蓄電装置の製造方法

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Publication number: JP2015065065A
Application number: JP2013198716A
Authority: JP
Inventors: 俊雄小田切; Toshio Odagiri; 英明篠田; Hideaki Shinoda
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: JP6268866B2

Abstract

【課題】初期充電後のエージングを適切にケースを拘束して行うことができる蓄電装置の製造方法を提供する。
【解決手段】含浸工程では、角型二次電池のケース１１内に、金属箔の表面に活物質層を設けた電極が層状に積層した電極組立体１２を収容するとともにケース１１に電解液を注入した状態で放置して活物質層に電解液を浸み込ませる。初期充電工程では、含浸工程後にケース１１を電極の積層方向に加圧して拘束した状態で初期充電を行う。エージング工程では、初期充電工程後にケース１１を電極の積層方向に加圧して拘束した状態で放置する。初期充電工程とエージング工程との間でケース１１を電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットする。
【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電装置の製造方法に関するものである。

蓄電装置の製造において、電池を活性化させる際に治具でケースを拘束してケースの膨張を制限している（例えば、特許文献１）。具体的には、例えば、ケース内に電極組立体を収容するとともにケースに電解液を注入し含浸工程にて浸み込ませた後、ケースを拘束し、この状態で初期充電およびその後のエージングを行っている。

特許第４８２１１４１号公報

ところで、蓄電装置の製造において、活性化（初期充電、エージング）を行うべく初期充電前の未充電状態でケースを拘束し、初期充電、エージングを経ると初期充電による電極組立体の膨張にばらつきが生じてエージング時に必要以上の拘束力が加わることがある。

本発明の目的は、初期充電後のエージングを適切にケースを拘束して行うことができる蓄電装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置の製造方法では、角型蓄電装置のケース内に、金属箔の表面に活物質層を設けた電極が層状に積層した電極組立体を収容するとともにケースに電解液を注入した状態で放置して活物質層に電解液を浸み込ませる含浸工程と、含浸工程後にケースを電極の積層方向に加圧して拘束した状態で初期充電を行う初期充電工程と、初期充電工程後にケースを電極の積層方向に加圧して拘束した状態で放置するエージング工程と、を有する蓄電装置の製造方法であって、初期充電工程とエージング工程との間でケースを電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットすることを要旨とする。

これによれば、含浸工程において、角型蓄電装置のケース内に、金属箔の表面に活物質層を設けた電極が層状に積層した電極組立体を収容するとともにケースに電解液を注入した状態で放置されて活物質層に電解液が浸み込む。初期充電工程において、ケースを電極の積層方向に加圧して拘束した状態で初期充電が行われる。エージング工程において、ケースを電極の積層方向に加圧して拘束した状態で放置される。ここで、初期充電工程とエージング工程との間でケースを電極の積層方向に加圧して拘束する圧力がセットされる。これにより、初期充電工程において電極組立体が膨張する際にばらつきがあってもケースを拘束する圧力がセットされ、初期充電後のエージングを適切にケースを拘束して行うことができる。

上記蓄電装置の製造方法において、ケースを電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットする際に、圧力を解放した後にケースを電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットするとよい。

これによれば、ケースを拘束する圧力をセットする際に、圧力を解放した後にケースを拘束する圧力をセットすることにより、ケースに余分な荷重をかけないようにすることができる。

上記蓄電装置の製造方法において、角型蓄電装置のケースを複数並列に並べて同時に電極の積層方向に加圧して拘束するとよい。
これによれば、角型蓄電装置のケースを複数並列に並べて同時に拘束することができ、生産性に優れる。

本発明によれば、初期充電後のエージングを適切にケースを拘束して行うことができる。

（ａ）は実施形態における製造装置を模式的に示す平面図、（ｂ）は製造装置を模式的に示す正面図。二次電池を模式的に示す斜視図。（ａ）は製造装置を模式的に示す平面図、（ｂ）は製造装置を模式的に示す正面図。二次電池のケースの内部圧力の推移を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。

図２に示す蓄電装置としての二次電池１０が図１に示す製造装置２０に装着され、二次電池１０を拘束しつつ活性化（初期充電、エージング）等が行われる。二次電池１０の拘束は、図１に示す支持台２１上においてＸ方向に離間して配置された拘束板２２，２３間で挟持されることにより行われる。

図２に示すように、二次電池１０は、電極組立体１２と、電極組立体１２を収容する金属製（例えばアルミニウム製）のケース１１とを有する。二次電池１０は、リチウムイオン二次電池等であり、ケース１１が扁平な略矩形箱状である角型二次電池である。二次電池１０は、例えば、車両等に搭載される。

電極組立体１２は、リチウムイオンを脱挿入可能な活物質を含む活物質層を金属箔の表面に設けた矩形シート状の正極および負極を、間にセパレータを介在させた状態で交互に積層した積層型の電極組立体である。電極組立体１２は、正極および負極がＹ−Ｚ面に形成され、Ｘ方向に積層されている。よって、電極組立体１２における電極の積層方向（重なり方向）において図１に示すごとく加圧して拘束される。

また、図２のケース１１において上面１１ａには、電極組立体１２と電気的に接続され、電力を外部に取り出すための正極端子１３および負極端子１４が突設されている。つまり、ケース１１の上面１１ａが正極端子１３および負極端子１４が設けられた端子形成面である。

図１に示すように、製造装置２０は支持台２１を有している。支持台２１には、扁平な矩形板状をなす第１拘束板２２が支持台２１に対して垂直に立設された状態で固定されている。

また、製造装置２０の支持台２１には、Ｘ方向において第１拘束板２２に離間して、扁平な矩形板状をなす第２拘束板２３が支持台２１に対して垂直に立設された状態を維持したまま移動可能に支持されている。第１拘束板２２に対し第２拘束板２３が支持台２１上において対向する状態を保持したまま接離するように移動できるようになっている。

支持台２１上において第１拘束板２２と第２拘束板２３との間に二次電池１０が配置される。二次電池１０は、平板状の支持台２１上に、端子形成面である上面１１ａの反対面である下面を接触させた状態で載置される。そして、二次電池１０が第１拘束板２２と第２拘束板２３との間に挟持される。即ち、扁平な略矩形箱状である角型二次電池１０が、平板状の第１拘束板２２と平板状の第２拘束板２３とにより挟まれる。このとき、第１拘束板２２および第２拘束板２３は二次電池１０よりも大きく形成されており、第１拘束板２２と第２拘束板２３の対向面のうち、二次電池１０の全周において二次電池１０からはみ出ている。このはみ出た部位において筒状のカラー２４が複数配置されている。筒状のカラー２４はＸ方向に延びており、各カラー２４は所定の長さを有し、本実施形態においてはケース（缶）１１の厚さと同じ長さである。

そして、ボルト２５のねじ部が第１拘束板２２側から第１拘束板２２、筒状のカラー２４、第２拘束板２３を貫通して第２拘束板２３から突出している。ボルト２５のねじ部における第２拘束板２３から突出する部位にナット２６を螺入することができるようになっている。このナット２６の螺入により第１拘束板２２と第２拘束板２３との間において二次電池１０をカラー２４の所定の長さを保った状態で拘束できる。

また、支持台２１の上面における第２拘束板２３の背面側、即ち、反第１拘束板２２側には押圧装置３０が設けられている。押圧装置３０は、装置本体３１が支持台２１に固定されている。押圧装置３０の装置本体３１には水平方向に収縮可能なロッド３２が設けられている。ロッド３２は伸長動作させることにより第２拘束板２３を第１拘束板２２に接近させる方向に押圧することができ、これにより両拘束板２２，２３間で二次電池１０を押圧できるようになっている。

そして、図１に示したナット２６を外した状態において、図３に示すように押圧装置３０のロッド３２により第２拘束板２３を、第１拘束板２２に向かって押すことにより二次電池１０を所望の力で拘束することができるようになっている。なお、押圧装置３０は、ロッド３２を伸長させる際にセンサにより拘束力を測定できるようになっている。即ち、拘束板２２，２３間の二次電池１０に所望の拘束力を加えることができる。

次に、二次電池の製造方法について説明する。
図４には、二次電池１０を拘束しつつ活性化（初期充電、エージング）等を行う際のケース１１の内部圧力の推移、即ち、ケース１１の内部におけるＸ方向に膨らむ圧力（拘束方向とは反対向きの圧力）の推移を示す。図４において横軸に時間をとり、縦軸にケース１１の内部圧力（拘束方向とは反対向きのケース１１が膨らむ方向での圧力）をとっている。

図４の横軸において、注入・封止で始まり、ｔ１〜ｔ２での含浸工程、ｔ２〜ｔ３での初期充電工程、ｔ４〜ｔ５でのエージング工程、ｔ５〜ｔ６での冷却工程、ｔ６〜ｔ７でのガス抜き工程、ｔ７〜ｔ８での放電・充電工程が行われる。図４において実線（Ｌ１）にて本実施形態での圧力のプロファイルを示す。

以下、詳しく説明する。
角型二次電池１０のケース１１内に、金属箔の表面に活物質層を設けた電極が層状に重なる電極組立体１２を収容してケース（缶）１１を封止（封缶）する。封止は、上面が開口するケース本体に電極組立体１２を入れてケース本体の開口部を蓋してレーザ溶接等よって接合する。

さらに、ケース１１の上面１１ａにおける正極端子１３および負極端子１４の中間位置に設けた注液口（図示略）から電解液を注入して注液口を閉塞する。
この状態で図４のｔ１〜ｔ２での含浸工程において、所定時間（例えば２４時間）、放置して活物質層に電解液を浸み込ませて含浸させる。このとき、ケース（缶）１１と電極組立体１２との間には隙間がある。これは、ケース（缶）１１内に電極組立体１２を入れるためである。

含浸工程においては、電極組立体における正極板とセパレータの間、セパレータと負極板の間に電解液が早期に入り込むが、正負の電極における活物質粒子間に電解液が入り込むのに時間がかかる。

そして、含浸工程後において、図１に示すように、第１拘束板２２と第２拘束板２３との間に二次電池１０を配置する。また、ボルト２５のねじ部を第１拘束板２２、筒状のカラー２４、第２拘束板２３を貫通させるとともに、第２拘束板２３から突出する部位にナット２６を螺入する。これにより、第１拘束板２２と第２拘束板２３との間において二次電池１０をカラー２４の所定の長さを保った状態で拘束する。

このようにしてケース１１を拘束した状態で図４のｔ２〜ｔ３での初期充電工程において、所定時間（例えば３時間）、初期充電を行う。初期充電は、例えば２５℃程度の常温で行いエネルギーを持たせる。初期充電において、正極から負極にリチウムが動き、その時に負極がリチウムを吸って膨張する。このとき、例えば電極板がシワになっていた場合等においては充電されやすい場所とされにくい場所ができやすい。ケース１１を拘束することによりこのシワを小さくする又は無くすことができる。

初期充電の進行に伴い、図４に示すように、ケース１１の内圧が上昇していき、その結果、拘束力も上昇することになる。
初期充電工程後において、図１のナット２６を外す。これにより、二次電池１０のケース１１は拘束から解放される。そして、図３に示すように、押圧装置３０のロッド３２により第２拘束板２３を、第１拘束板２２に向かって押すことにより二次電池１０を所望の一定圧力（例えば０．５ＭＰａ）で拘束する。このとき、拘束板２２，２３にかかる圧力を検知してその圧力を目標値にする。よって、拘束板２２，２３間の二次電池１０に所望の拘束力が加えられる。

このようにしてケース１１を拘束した状態で図４のｔ４〜ｔ５でのエージング工程において、活物質に被膜を安定的に付けるべく、所定時間（例えば２０時間）、放置する。エージングはそれまでの常温から昇温させ高温にした状態で行い、強固で均一な被膜を活物質に付ける。

初期充電工程とエージング工程で被膜を付ける際に副生成物としてガスが発生する。
このようにして、初期充電工程とエージング工程との間で、ケース１１を拘束する圧力をセットしてケース１１を所定の圧力で拘束する。圧力を解放した後にケース１１を拘束する圧力をセットして所定の圧力とするので、初期充電後に拘束を開放し、圧力解放することで余分な荷重をかけないようにすることができる。

ケース内は、初期充電工程において電極組立体１２の膨張の際の膨張ばらつきにより、図４において１点鎖線（Ｌ１０）や２点鎖線（Ｌ１１）で示すようにケース内圧力の上昇の度合いがばらつく。具体的には、線Ｌ１０で示すように上昇率が低い場合や線Ｌ１１で示すように上昇率が高い場合がある。例えば、線Ｌ１０の場合、エージングを行う際のケース内圧（缶内圧）が低圧のＰ１０となる。また、線Ｌ１１の場合、エージングを行う際にケース内圧（缶内圧）が高圧のＰ１１となる。

このように、初期充電終了時にケース内圧（缶内圧）がばらついた状態で、初期充電終了後にそのまま図１に示した拘束状態を保持したままエージングを行うと、エージングが各々初期充電終了時の圧力（Ｐ１０，Ｐ１１）で開始される。線Ｌ１１の場合にはエージング時に異常にケース内圧が高くなってしまう。

しかし本実施形態ではケース１１の拘束力を一度解放した後にケース１１を拘束する圧力をセットすることによって所望の圧力にすることができ、エージング時に異常にケース内圧が高くなることが回避される。

図４のエージング後において、冷却を行って常温にする。その後、初期充電工程とエージング工程で発生したガスを抜く（ケース１１内のガスを抜く）。そして、ケース１１に栓をする（封栓する）。

その後、出荷検査として、放電および充電を行って、特性検査を行って特性をみて正しい特性が出ているかチェックする。
この充電・放電が終了すると、押圧装置３０のロッド３２による第２拘束板２３の押圧を止めてケース１１の拘束を外す。

以上のごとく、拘束荷重が高くなりすぎるとケース（缶）１１の変形のおそれが生じ、この荷重がかかる時間が長ければ長いほどケース（缶）１１の変形の可能性は高くなる。図１に示した拘束は、二次電池１０を２つの拘束板２２，２３間に挟んで拘束する時に２つの拘束板２２，２３間の距離を一定にしてケース１１を拘束する。一方、図３に示した拘束は、拘束板２２，２３にかかる圧力を検知してその圧力を目標値にする。

従来は、「初期充電」「放電・充電」の時は、二次電池１０に拘束圧力をかける必要があり、「初期充電」「放電・充電」の間ずっと二次電池に拘束圧力をかけ続けると、「初期充電」で二次電池が膨張するので、強い圧力がかかり、その状態が長く続くと二次電池が変形するおそれがある。

これに対し本実施形態では、「初期充電」で二次電池が膨張して拘束圧力が高くなった状態で一度拘束を解いて、適切な拘束圧力をかけることができる。
より詳しくは、初期充電を行うと正極から負極にリチウムが動いて負極が膨張するという現象が起き、圧力がなりゆきになる。これは、負極の膜厚、即ち、負極に塗る活物質層の厚さに公差分のばらつきがあり、これに起因して圧力がなりゆきになってしまう。このままの状態で次工程に進むと悪影響が出る。具体的には、初期充電の際に圧力ばらつきが大きいとエージングの効果が変わったり初期特性が変わってしまう。このように、ケース（缶）と電極組立体との間に公差ばらつきがあるので、初期充電後に膨張したときにもばらつきがある。本実施形態では一度拘束を外して定圧にすることによって同じ品質で出荷することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）蓄電装置としての二次電池１０の製造方法として、含浸工程と初期充電工程とエージング工程を有する。含浸工程では、角型二次電池のケース１１内に、金属箔の表面に活物質層を設けた電極が層状に積層した電極組立体１２を収容するとともにケース１１に電解液を注入した状態で放置して活物質層に電解液を浸み込ませる。初期充電工程では、含浸工程後にケース１１を電極の積層方向に加圧して拘束した状態で初期充電を行う。エージング工程では、初期充電工程後にケース１１を電極の積層方向に加圧して拘束した状態で放置する。ここで、初期充電工程とエージング工程との間で、ケース１１を電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットする。これにより、初期充電工程において電極組立体１２が膨張する際にばらつきがあってもケース１１を拘束する圧力がセットされる（ケース１１の内部圧力を所望の圧力にすることができる）。その結果、初期充電後のエージングを適切にケース１１を拘束して行うことができる。

（２）上記の（１）におけるケース１１を電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットする際に、圧力を解放した後にケース１１を電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットすることにより、ケース１１に余分な荷重をかけないようにすることができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・初期充電工程とエージング工程との間でケース１１を拘束する圧力をセットする際に、圧力を解放した後にケース１１を拘束する圧力をセットしたが、圧力を解放することなくケース１１を拘束する圧力をセットしてもよい。つまり、一度拘束を解かなくても単に拘束圧力を適切な値に変えてもよく、そうすることで、「初期充電」で膨張した分、二次電池に高い圧力が加わった状態を回避できる。

・リチウムイオン二次電池等の二次電池１０が並設された二次電池群を有する構成において、二次電池群を拘束するようにしてもよい。つまり、角型二次電池のケース１１を複数並列に並べて同時に電極の積層方向に加圧して拘束することにより、生産性に優れる。

・電極組立体は、帯状の正極および負極を間に帯状のセパレータを介在させた状態で捲回した捲回型の電極組立体としてもよい。
・角型蓄電装置は、拘束すべく面で押さえる部位を有するものであればよい。

・蓄電装置は、ニッケル水素二次電池や、電気二重層キャパシタなどであってもよい。

１０…二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、２１…支持台、２２…拘束板、２２…拘束板、２４…カラー、２５…ボルト、２６…ナット、３０…押圧装置、３２…ロッド。

Claims

角型蓄電装置のケース内に、金属箔の表面に活物質層を設けた電極が層状に積層した電極組立体を収容するとともに前記ケースに電解液を注入した状態で放置して前記活物質層に前記電解液を浸み込ませる含浸工程と、
前記含浸工程後に前記ケースを前記電極の積層方向に加圧して拘束した状態で初期充電を行う初期充電工程と、
前記初期充電工程後に前記ケースを前記電極の積層方向に加圧して拘束した状態で放置するエージング工程と、
を有する蓄電装置の製造方法であって、
前記初期充電工程と前記エージング工程との間で前記ケースを前記電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットすることを特徴とする蓄電装置の製造方法。
前記ケースを前記電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットする際に、圧力を解放した後にケースを前記電極の積層方向に加圧して拘束する圧力をセットすることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置の製造方法。
前記角型蓄電装置のケースを複数並列に並べて同時に前記電極の積層方向に加圧して拘束することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電装置の製造方法。