JP2015138713A - 恒温装置、及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解液を活物質に効率良く浸透させることができる恒温装置及び蓄電装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】恒温装置１０は、二次電池５０を活性化する際に使用される。恒温装置１０は、電解液を有する二次電池５０の収納空間Ｓを有し、収納空間Ｓの温度を一定に保持する恒温槽１１と、恒温槽１１内で二次電池５０を上下反転させる反転装置６０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置を収容する恒温槽を有する恒温装置、及び蓄電装置の製造方法に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。一般に、容量の大きな二次電池（蓄電装置）はケースを備え、そのケース内に電極組立体及び電解液が収容されている。電極組立体は、金属箔に負極用の活物質を塗布した負極電極と、金属箔に正極用の活物質を塗布した正極電極との間をセパレータで絶縁し、層状に積層したものである。

二次電池の製造は、ケース内に電極組立体を収納した後、ケースに設けられた注液口から電解液をケース内に注入した後、注液口を封止する。そして、電解液を各極の活物質に浸透させる工程を行った後、二次電池の安定化、活性化等を図るエージングを行う。エージング工程は、二次電池を所定のエージング温度にまで昇温させて行われる。エージング温度は室温より高い温度に設定される場合が多く、一定のエージング温度に保持した恒温槽内で行われる（例えば、特許文献１）。

特開２０１３−１６４２９７号公報

ところで、このような二次電池の製造において、電解液を各極の活物質に浸透させる工程を経ても、エージング工程までに電解液を活物質及びセパレータに十分浸透させることができず、そのまま二次電池の製造が完了してしまうことがある。この場合、多孔性である活物質及びセパレータの一部の領域では、孔内に電解液が存在しない状態となる。二次電池では、電解液中のイオンが、セパレータの微小孔を通過して、正極と負極の活物質の間を往復することによって充放電が行われる。このため、電解液を活物質に浸透させることができないと、正極と負極の電極との間を往復できるイオンの量が減少し、二次電池の性能（例えば、作動電圧や電気容量）が低下してしまう。

本発明は、電解液を活物質に効率良く浸透させることができる恒温装置及び蓄電装置の製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するための恒温装置は、電解液を有する蓄電装置の収納空間を有し、前記収納空間の温度を一定に保持する恒温槽と、前記恒温槽内で前記蓄電装置を上下反転させる反転装置と、を有することを要旨とする。

これによれば、例えば、ケース内に電解液と、活物質を備える電極組立体とを収納した蓄電装置を製造する場合、まず、ケース内に電極組立体を収納し、その後、ケース内に電解液が注入され、各活物質に電解液を浸透させる。次いで、蓄電装置が恒温装置に収納され、エージング工程が行われる。このエージング工程の最中に、反転装置によって蓄電装置を上下反転させることができる。このため、エージング工程中に、反転装置によって蓄電装置の上下反転が行われると、電極組立体の上下両部及び左右両側部が電解液に浸かる状態となり、電解液を電極組立体の上下左右全体から浸透させていくことができる。したがって、電解液を活物質に効率良く浸透させることができ、エージング工程までに活物質中に電解液が浸透していない領域があったとしても、エージング工程が完了するまでに電解液を活物質に浸透させることができる。

また、恒温装置について、熱源と、前記熱源で温度調節された熱媒体を前記収納空間に供給する供給口とを有するとともに、前記恒温槽内で上下方向に延びる回転中心の周囲で前記蓄電装置を周回させる回転装置と、を有していてもよい。

これによれば、回転装置によって蓄電装置を周回させると、複数の蓄電装置を順番に供給口と対向する位置に移動させることができる。このため、熱媒体による蓄電装置の温度調節を複数の蓄電装置で順番に行うことができ、複数の蓄電装置の温度分布を均一にすることができる。

上記問題点を解決するための蓄電装置の製造方法は、ケース内に電解液、及び活物質を備える電極組立体を有する蓄電装置の製造方法であって、前記ケース内に前記電極組立体を収納する収納工程と、前記ケース内に前記電解液を注入し、該電解液を前記活物質に浸透させる浸透工程と、前記蓄電装置を活性化させるエージング工程と、を含み、前記エージング工程中に前記蓄電装置を上下反転させることを要旨とする。

これによれば、エージング工程では、蓄電装置を上下反転させる。このため、電極組立体の上下両部及び左右両側部が電解液に浸かる状態となり、電解液を電極組立体の上下左右全体から浸透させていくことができる。よって、エージング工程の時間を利用して電解液を活物質に浸透させることができ、電解液が活物質に浸透しないまま蓄電装置が製造されてしまうことを回避できる。

また、蓄電装置の製造方法について、前記エージング工程は、収納空間の温度を一定に保持する恒温装置内で行われてもよい。
これによれば、蓄電装置の温度を一定に保持しながらエージング工程を行うことができ、エージング工程を安定した状態で行うことができる。

本発明によれば、電解液を活物質に効率良く浸透させることができる。

恒温装置を示す斜視図。 恒温装置内を示す正面図。 拘束治具を示す分解斜視図。 （ａ）はエージング工程中の二次電池内を示す断面図、（ｂ）は上下反転した状態の二次電池内を示す断面図。 恒温装置の別例を示す図。 恒温装置の別例を示す斜視図。

以下、恒温装置及び蓄電装置の製造方法を、二次電池用の恒温装置、及び二次電池の製造方法に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
まず、蓄電装置としての二次電池５０について説明する。

図４（ａ）に示すように、二次電池５０はケース５１を備え、このケース５１には電極組立体５２、及び電解液が収容され、二次電池５０を電解液を有している。ケース５１は、有底筒状のケース本体５４と、当該ケース本体５４に電極組立体５２を挿入する開口部を閉塞する平板状の蓋体５５とからなる。ケース本体５４と蓋体５５は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。また、この実施形態の二次電池５０は、ケース本体５４が有底四角筒状であり、蓋体５５が矩形平板状であることから、その外観が角型をなす角型電池である。また、この実施形態の二次電池５０は、リチウムイオン電池である。

電極組立体５２は、正極電極、負極電極、及び正極電極と負極電極を絶縁するセパレータを有する。正極電極は、正極金属箔（アルミニウム箔）の両面に正極用の活物質を塗布して構成される。負極電極は、負極金属箔（銅箔）の両面に負極用の活物質を塗布して構成される。そして、電極組立体５２は、複数の正極電極と複数の負極電極を交互に積層するとともに、両電極の間にセパレータを介在した積層構造とされている。また、電極組立体５２には、正極端子５６と負極端子５７が電気的に接続されている。これらの正極端子５６と負極端子５７の各一部分は、蓋体５５からケース５１外に露出している。ケース５１の蓋体５５には、ケース５１内に電解液を注入するための注液口５８が穿設されており、その注液口５８は封止部材５９によって閉塞されている。

二次電池５０において、蓋体５５の外面に沿い、かつ正極端子５６と負極端子５７が対向する方向に沿った方向を、二次電池５０の長手方向とする。
また、図１に示すように、ケース本体５４の側面のうち、最も面積の大きい偏平面５４ａに沿い、かつ長手方向に直交する方向を、二次電池５０の短手方向とする。

次に、二次電池５０のエージング工程で使用される恒温装置１０について説明する。
図１に示すように、恒温装置１０は、複数の二次電池５０を収納する恒温槽１１を備える。恒温槽１１は、側面に開口部１２ａを有する四角箱状の本体部１２と、本体部１２の開口部１２ａを開閉可能とする扉１４とを有する。本体部１２は、四角形状の底壁１３ａと、底壁１３ａの三つの縁部から立設された側壁１３ｂと、三つの側壁１３ｂの上端に設置された天板１３ｃとを有する。恒温槽１１は、本体部１２と扉１４によって囲まれた収納空間Ｓを有する。

図２に示すように、恒温槽１１は、天板１３ｃを厚み方向に貫通する供給口１５を有するとともに、供給口１５に第１端部１６ａが接続された供給管１６を有する。供給管１６の第２端部１６ｂには、熱源１７が接続されている。熱源１７によって加熱された熱媒体としての空気は、供給管１６から供給口１５を介して収納空間Ｓに供給される。熱源１７によって加熱された空気が収納空間Ｓに供給されると、収納空間Ｓは所定のエージング温度、例えば６０度に温度調節され、かつエージング温度に保持される。なお、図示しないが、恒温装置１０は、二次電池５０の充放電を行うために、二次電池５０の電極に接続される接続コードを備える。

恒温装置１０は、収納空間Ｓ内で二次電池５０を周回させる回転装置６１を備える。回転装置６１は、天板１３ｃと底壁１３ａに取着された軸受１８を有するとともに、両方の軸受１８に回転可能に支持された第１回転軸１９を有する。また、回転装置６１は、天板１３ｃに設置された第１モータ２７を有する。第１回転軸１９は第１モータ２７に連結され、第１モータ２７によって第１回転軸１９が回転する。

図１に示すように、回転装置６１は、第１回転軸１９の軸方向に沿った中央部に、円環状の軸支部材２０を有し、軸支部材２０は第１回転軸１９と一体回転する。回転装置６１は、軸支部材２０に支持された第２回転軸２２を複数備え、複数の第２回転軸２２は軸支部材２０の周方向へ等間隔おきに配置されている。また、回転装置６１は、二次電池５０を拘束する拘束治具２３を備え、拘束治具２３は各第２回転軸２２の先端部２２ｂに設置されている。

図１及び図３に示すように、拘束治具２３は、第１の拘束板２４と、第２の拘束板２５と、一対の拘束板２４，２５の間隔を保持する保持部材２６と、ナット２８とを備える。第１の拘束板２４は矩形状であり、第２回転軸２２の先端部２２ｂに固定され、第２回転軸２２と一体回転する。また、第１の拘束板２４は、長手方向の両側に挿通孔２４ａを備える。

第２の拘束板２５は矩形状であり、長手方向の両側に挿通孔２５ａを備える。保持部材２６は、挿通孔２４ａ，２５ａに挿通されるボルトである。第１の拘束板２４において、長手方向に沿った挿通孔２４ａ間の長さは、二次電池５０の長手方向に沿った長さより長く、第２の拘束板２５において、長手方向に沿った挿通孔２５ａ間の長さは、二次電池５０の長手方向に沿った長さより長い。

そして、本実施形態では、回転装置６１は、軸受１８と、第１回転軸１９と、第１モータ２７と、軸支部材２０と、第２回転軸２２と、拘束治具２３とを含む。回転装置６１では、第１モータ２７によって第１回転軸１９を回転させることで、二次電池５０を、恒温槽１１内で上下方向に延びる第１回転軸１９の周囲で周回させる。

図１に示すように、恒温装置１０は、拘束治具２３で拘束された二次電池５０を上下反転させる反転装置６０を備える。反転装置６０は、第２回転軸２２を個別に回転させる第２モータ２１を備え、第２モータ２１は軸支部材２０の周方向に等間隔おきに配置されている。第２モータ２１は、第２回転軸２２の基端部２２ａに連結されている。よって、反転装置６０は、第２モータ２１と、第２回転軸２２と、拘束治具２３とを含む。

次に、二次電池５０の製造方法を恒温装置１０の作用とともに説明する。
まず、ケース本体５４の開口部から電極組立体５２をケース本体５４内に挿入し、ケース本体５４に蓋体５５を接合して、ケース本体５４の開口部を閉塞する。すると、ケース５１に電極組立体５２を収納する工程が完了する。次に、注液口５８からケース５１内へ電解液５３を注入し、電解液５３を活物質に浸透させる浸透工程を行う。その後、注液口５８を封止部材５９で封止する。

浸透工程においては、予め、ケース５１内部を減圧し、電極組立体５２内部、つまり、多孔質の活物質及びセパレータの孔内に電解液５３が浸透しやすい状態とする。しかしながら、電極組立体５２は積層方向に加圧され、電解液５３が浸透し難い状態にあるため、浸透工程においても、電極組立体５２の一部に電解液５３が浸透しない領域が発生することがある。図４（ａ）に示すように、二次電池５０は、蓋体５５が上部に位置しており、ドットハッチングで示す浸透しなかった電解液５３はケース本体５４の底部側に溜まる。

次に、二次電池５０を活性化させるエージング工程を恒温装置１０で行う。
まず、二次電池５０を拘束治具２３によって拘束する。具体的には、第１の拘束板２４と第２の拘束板２５の間に二次電池５０を配置する。このとき、二次電池５０は、電極組立体５２の積層方向に沿って第１の拘束板２４と第２の拘束板２５が並ぶようにする。次に、第２の拘束板２５の両挿通孔２５ａに保持部材２６を挿通するとともに、各保持部材２６を第１の拘束板２４の各挿通孔２４ａに挿通し、第１の拘束板２４を貫通した保持部材２６にナット２８を螺合する。その結果、第１の拘束板２４と第２の拘束板２５で二次電池５０が積層方向において挟持される。

次に、二次電池５０の正極及び負極の電極に接続コードの先端端子を接続する。電極に接続コードを接続した後、常温で二次電池５０の充電を行う。その後、二次電池５０から接続コードを取り外す。

次に、熱源１７によって加熱された空気が供給管１６及び供給口１５を介して収納空間Ｓに供給され、収納空間Ｓが予め設定されたエージング温度になるように収納空間Ｓの温度調節を行い、収納空間Ｓの温度をエージング温度に保持する。

そして、恒温装置１０では、第１モータ２７を駆動させるとともに、各第２モータ２１を駆動させる。すると、第１回転軸１９が回転することによって、複数の二次電池５０が、第１回転軸１９を回転中心として収納空間Ｓ内の水平面上で周回する。このとき、供給口１５から供給された空気に対し、水平面上で周回する二次電池５０が順番に接触していく。また、各第２回転軸２２が回転することによって、各二次電池５０が第２回転軸２２を回転中心として上下を交互に反転させるように回転する。

すると、浸透工程では、図４（ａ）に示すように、浸透しなかった電解液５３がケース本体５４の底部側に溜まっていても、図４（ｂ）に示すように、二次電池５０が回転して上下反転すると、浸透しなかった電解液５３は蓋体５５側に溜まる。このため、電極組立体５２において、上下反転する前、電解液５３に浸かっていなかった正極端子５６及び負極端子５７側の上部は、反転後に下部となり、電解液５３に浸かる。さらに、上下反転する途中では、反転前に上下方向に延びていた電極組立体５２の左右両側部が電解液５３に浸かる。よって、第２回転軸２２の回転に伴い、二次電池５０の上下反転が繰り返されると、電極組立体５２は上下左右全体が電解液５３に浸かる状態になる。

そして、二次電池５０の温度が、エージング温度にまで昇温すると、二次電池５０を所定時間放置してエージング工程が行われる。エージング工程が完了すると、二次電池５０が恒温装置１０から取り出され、封止部材５９が注液口５８から抜かれるとともに、エージング工程で発生したガスが注液口５８からケース５１外へ放出される。ガスを放出させる工程の後、注液口５８が別の封止部材５９で封止される。その後、二次電池５０の自己放電が行われ、二次電池５０が完成する。

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）恒温装置１０は反転装置６０を備える。この反転装置６０により、二次電池５０を繰り返し上下反転させることができる。その結果、電極組立体５２の上下左右を電解液５３に繰り返して浸けることができ、電解液５３を電極組立体５２の上下左右から各活物質に浸透させていくことができる。よって、例えば、浸透工程だけで、電極組立体５２の下部側から活物質に電解液５３を浸透させていく場合と比べて、電解液５３を活物質に効率良く浸透させることができる。よって、恒温装置１０を用いることで、エージング工程までに各活物質中に電解液５３が浸透していない領域があったとしても、エージング工程が完了するまでに電解液５３を各活物質に浸透させることができる。また、エージング工程の時間を電解液５３の浸透時間として有効利用することができ、エージング工程が完了するまでに電解液５３を活物質に浸透させることができる。

（２）恒温装置１０は、複数の二次電池５０を水平面上で周回させる回転装置６１を備える。また、恒温装置１０は、加熱された空気の供給口１５を備える。そして、回転装置６１により、供給口１５に対向する二次電池５０を順番に変えることができる。このため、複数の二次電池５０の温度分布をほぼ均一にすることができる。

（３）反転装置６０は、二次電池５０を拘束する拘束治具２３を備える。そして、エージング工程において、拘束治具２３により、ケース５１を電極組立体５２の積層方向に加圧して拘束することができる。このため、電極組立体５２の積層方向への膨張を抑えながらエージング工程を行うこうとができる。

（４）恒温装置１０は、反転装置６０を備えることで、活物質への電解液５３の浸透を促進させる機能を有する。よって、恒温装置１０は、収納空間Ｓの温度を一定に保持する機能に加え、電解液５３の浸透を促進させる機能も有することとなり、多機能な恒温装置１０とすることができる。

（５）二次電池５０を活性化させるエージング工程を恒温装置１０の恒温槽１１内で行った。このため、二次電池５０の温度を一定に保持した安定した状態で二次電池５０を上下反転させることができ、より効率良く二次電池５０を活性化させることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図５に示すように、恒温装置１０は、恒温槽１１内に、反転装置としての可動棚３０を複数有する構成であってもよい。複数の可動棚３０は、恒温槽１１内を水平に横断する第１の回転軸Ｌ１を回転中心として周回する。各可動棚３０には複数の二次電池５０を固定することができる。各可動棚３０は、第２の回転軸Ｌ２を回転中心として自転可能である。そして、各可動棚３０が第１の回転軸Ｌ１を回転中心として周回するとともに、周回中は、可動棚３０が自転することで二次電池５０が上下反転する。

○ 図６に示すように、恒温装置１０において、恒温槽１１内に回転装置としてのターンテーブル６２を配置する。そして、恒温槽１１内で上下方向に延びる回転中心Ｍの周囲でターンテーブル６２を回転させ、二次電池５０を周回させてもよい。また、ターンテーブル６２に複数の回転板６３を回転可能に支持させ、回転板６３に二次電池５０を固定可能とする。そして、ターンテーブル６２上で、回転板６３を回転させて二次電池５０を上下反転させてもよい。よって、回転板６３が反転装置となる。

○ 恒温装置１０において、反転装置は、二次電池５０を回転させて上下反転させるものでなくてもよい。例えば、二次電池５０を時計回りに反転させた後、半時計回りで二次電池５０を反転させてもよい。

○ 恒温装置１０は、回転装置は無くてもよく、反転装置だけを有する構成であってもよい。
○ 熱媒体を液体とし、恒温槽１１の壁面に沿わせた配管内に加熱された液体を循環させて、収納空間Ｓの温度を一定に保持する構成としてもよい。

○ 恒温装置１０の製造方法において、エージング工程は、恒温装置１０内で行わず、恒温装置１０の外で二次電池５０を上下反転させて行ってもよい。
○ 正極電極及び負極電極は、金属箔の片面に活物質が存在する構造でもよい。

○ 二次電池５０は、リチウムイオン二次電池でもよいし、他の二次電池であってもよい。要は、正極用の活物質と負極用の活物質との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。また、蓄電装置としてキャパシタでもよい。

○ 電極組立体５２は、積層型に限らず、帯状の正極電極と帯状の負極電極を捲回して層状に積層した捲回型であってもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。

（イ）前記蓄電装置は二次電池である恒温装置。

Ｓ…収納空間、１０…恒温装置、１１…恒温槽、１５…供給口、１７…熱源、５０…蓄電装置としての二次電池、５１…ケース、５２…電極組立体、５３…電解液、６０…反転装置、６１…回転装置。

Claims (4)

1. 電解液を有する蓄電装置の収納空間を有し、前記収納空間の温度を一定に保持する恒温槽と、
   前記恒温槽内で前記蓄電装置を上下反転させる反転装置と、を有する恒温装置。
2. 熱源と、前記熱源で温度調節された熱媒体を前記収納空間に供給する供給口とを有するとともに、前記恒温槽内で上下方向に延びる回転中心の周囲で前記蓄電装置を周回させる回転装置と、を有する請求項１に記載の恒温装置。
3. ケース内に電解液、及び活物質を備える電極組立体を有する蓄電装置の製造方法であって、
   前記ケース内に前記電極組立体を収納する収納工程と、
   前記ケース内に前記電解液を注入し、該電解液を前記活物質に浸透させる浸透工程と、
   前記蓄電装置を活性化させるエージング工程と、を含み、
   前記エージング工程中に前記蓄電装置を上下反転させることを特徴とする蓄電装置の製造方法。
4. 前記エージング工程は、収納空間の温度を一定に保持する恒温装置内で行われる請求項３に記載の蓄電装置の製造方法。