JP2017106867A - 二次電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】短絡が生じている電池を短絡検査工程で正確に検出可能であり、かつ放電工程の後、短絡検査工程を終えるまでの時間を短くできる二次電池の製造方法を提供すること。【解決手段】二次電池1の製造方法は、第1SOCまで二次電池1に初充電する初充電工程S2と、35〜85℃の第1温度T1下で二次電池1を放置する第1エージング工程S3と、第2SOCまで二次電池1を強制放電させる放電工程S4と、電池電圧の上昇が治まるまでの所定時間taにわたり、35〜85℃の第2温度T2下で二次電池1を放置する第2エージング工程S5と、第2温度T2よりも低い第3温度T3下でかつ端子開放した状態で二次電池1を放置し、電圧降下量αの多寡に基づいて、内部短絡の有無を判定する短絡検査工程S6とを備える。【選択図】図3

Description

本発明は、短絡検査工程を備える二次電池の製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池などの二次電池(以下、単に電池ともいう)の製造過程において、電池に初充電し、高温で放置しエージングした後に、電池に内部短絡(以下、単に短絡ともいう)が生じているか否かの短絡検査を行う検査手法が知られている。従来、この短絡検査は、例えば特許文献1に開示された方法により行っていた(特許文献1の図5等を参照)。即ち、組み立てた電池に第1SOC(例えばSOC100%)まで初充電した後(初充電工程)、所定温度(例えば60℃)下で所定期間(例えば12日間)放置しエージングする(エージング工程)。その後、この電池を第2SOC(例えばSOC0%)まで強制放電させる(放電工程)。
その後、短絡検査工程を行う。具体的には、上記の初充電工程、エージング工程及び放電工程のいずれの工程よりも低い温度下で、所定期間(例えば8日間)電池を放置して自己放電させ(端子開放した状態で放電させ)、この自己放電前後にそれぞれ測定した電池電圧から自己放電による電圧降下量を求める。そして、この電圧降下量が、基準となる基準電圧降下量よりも大きい場合に、その電池に短絡が生じていると判定する。
特開2011−69775号公報
しかしながら、放電工程後には、電池電圧のいわゆる跳ね返り現象(電池電圧が再上昇する現象)が生じるため、放電工程後に直ちに短絡検査工程を行うと、短絡検査工程を行っている間に電池電圧の跳ね返り現象が生じる。跳ね返り現象による電池電圧の上昇は、個々の電池によってバラツキがあるため、短絡検査工程で測定する電圧降下量のバラツキも大きくなる。このため、短絡が生じている電池と正常な電池とを正確に区別するのが難しくなる。
なお、電池電圧の跳ね返り現象は、強制放電時に電極板内で不均一となった伝導イオンの濃度分布が(例えばリチウムイオン二次電池においては、強制放電時に負極板内でリチウムイオンの濃度分布が不均一になる)、強制放電後に均一な状態に戻ろうとするために生じると考えられる。
この問題を解決するには、放電工程を行った後、電池電圧の跳ね返り現象が治まるまで(電池電圧の再上昇が治まるまで)端子開放した状態で電池を放置してから、短絡検査工程を行うようにすれば良い。しかし、その分、放電工程の後、短絡検査工程を終えるまでの時間が長く掛かる。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、短絡が生じている電池を短絡検査工程で正確に検出可能であり、かつ、放電工程の後、短絡検査工程を終えるまでの時間を短くできる二次電池の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の一態様は、第1SOCまで二次電池に初充電する初充電工程と、上記初充電工程の後、35〜85℃の第1温度下で上記二次電池を放置する第1エージング工程と、上記第1エージング工程の後、上記第1SOCよりも低い第2SOCまで上記二次電池を強制放電させる放電工程と、上記放電工程の後、電池電圧の上昇が治まるまでの所定時間にわたり、35〜85℃の第2温度下で上記二次電池を放置する第2エージング工程と、上記第2エージング工程の後、上記第2温度よりも低い第3温度下で、かつ、端子開放した状態で上記二次電池を放置し、上記放置前後の電池電圧の電圧降下量の多寡に基づいて、上記二次電池の内部短絡の有無を判定する短絡検査工程と、を備える二次電池の製造方法である。
上述の二次電池の製造方法によれば、放電工程の後、短絡検査工程の前に、第2エージング工程を行って、電池電圧の上昇が治まるまでの所定時間にわたり、電池を放置するので、電池電圧の跳ね返り現象により電圧降下量がばらつき、短絡が生じている電池と正常な電池とを正確に区別できなくなるのを防止できる。よって、短絡が生じている電池を短絡検査工程で正確に検出できる。
加えて、第2エージング工程は高温(35〜85℃)で行うので、室温等で第2エージング工程を行う場合よりも、第2エージング工程の時間を短くできる。電池を高温にすると、電極板内での伝導イオンの拡散性が良くなるため、強制放電時に電極板内で不均一になった伝導イオンの濃度分布が、均一な状態に戻るまでの時間が短くなる。このため、電池電圧の跳ね返り現象が治まるまで(電池電圧の再上昇が治まるまで)の時間が短くなるからと考えられる。従って、上述の二次電池の製造方法によれば、放電工程の後、短絡検査工程を終えるまでの時間を短くできる。
なお、第2エージング工程を行う第2温度を85℃以下としているのは、85℃を越えると、電解液の分解が進んで多くのガスが発生したり、電池の寿命が短くなり易いからである。
なお、短絡検査工程において「放置前後の電池電圧の電圧降下量の多寡に基づいて、二次電池の内部短絡の有無を判定」する具体的な手法としては、例えば、検査した電池の電圧降下量が、予め決めておいた基準電圧降下量よりも大きい場合に、その電池に短絡が生じていると判定する方法が挙げられる。また、検査した電池の電圧降下量を、同じ製造ロットの複数の電池から求めた電圧降下量の平均値や度数分布と比較して、その電池に短絡が生じているか否かを判定する方法も挙げられる。
初充電工程における「第1SOC」は、例えばSOC10%〜SOC100%の範囲内の値にするのが好ましい。第1SOCの値が低いほど、電池のエージングが進み難くなるため、第1エージング工程の第1温度を高く、また、放置時間を長くする必要がある。一方、第1SOCの値が高いほど、初充電工程に掛かる時間が長くなる。従って、これらを考慮して第1SOCの値を設定するのが好ましい。
また、初充電工程を行う「温度」は、0〜85℃の範囲内とするのが好ましい。例えば室温下で初充電工程を行うと、電池を加熱または冷却しなくて済み、生産コストを低減できる。
「第1エージング工程」における放置時間は、例えば8〜48時間とするのが好ましい。この放置時間は、初充電工程における第1SOCの値や第1エージング工程を行う第1温度などを考慮して設定するのが好ましい。
また、第1エージング工程における「放置」は、電池を端子開放した状態で行ってもよいし、電池に電源を接続し定電圧に維持した状態で行ってもよい。
放電工程における「第2SOC」は、例えばSOC5%以下の値にするのが好ましい。第2SOCをSOC5%以下の低い値とすると、短絡を生じている電池で測定される電圧降下量が大きくなるので、短絡が生じている電池と正常な電池とをより正確に区別できる。
また、放電工程を行う「温度」は、0〜85℃の範囲内とするのが好ましい。例えば室温下で放電工程を行うと、電池を加熱または冷却しなくて済み、生産コストを低減できる。また、第1エージング工程、放電工程、及び第2エージング工程を、同じ温度環境下で行うようにすると良い。温度変化のために、電池を移動させる等を行う必要がなくなり、各工程の内容をシンプルにできる利点がある。
第2エージング工程における「放置」は、電池を端子開放した状態で行ってもよいし、電池に電源を接続し定電圧に維持した状態で行ってもよい。
更に、上記の二次電池の製造方法であって、前記第3温度は、0〜15℃の範囲内の温度である二次電池の製造方法とするのが好ましい。
短絡検査工程を行う第3温度を15℃以下とすると、短絡検査工程を行っている間に電池のエージングが進行することによる電圧変動を抑制できるので、電池が短絡している場合に生じる電圧降下量を精度良く測定できる。一方、第3温度を0℃以上とすると、電池を冷却するための設備や生産コストを抑制できる。
実施形態に係る二次電池の斜視図である。 実施形態に係る二次電池の縦断面図である。 実施形態に係る二次電池の製造工程を示すフローチャートである。 第2エージング工程おける第2温度T2と、電池電圧の上昇が治まるまでの時間taとの関係を示すグラフである。 第2エージング工程における第2温度を変更した場合の、放置時間tbと二次電池の厚みBaとの関係を示すグラフである。
(実施形態)
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図1及び図2に、本実施形態に係る二次電池(以下、単に「電池」ともいう)1の斜視図及び縦断面図を示す。なお、以下では、電池1の電池厚み方向BH、電池横方向CH及び電池縦方向DHを、図1及び図2に示す方向と定めて説明する。
この電池1は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両などに搭載される角型で密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池1は、電池ケース10と、この内部に収容された電極体20と、電池ケース10に支持された正極端子部材50及び負極端子部材60等から構成される。また、電池ケース10内には、非水電解液19が収容されており、その一部は電極体20内に含浸されている。
このうち電池ケース10は、直方体箱状で金属(本実施形態ではアルミニウム)からなる。この電池ケース10は、上側のみが開口した有底角筒状のケース本体部材11と、このケース本体部材11の開口を閉塞する形態で溶接された矩形板状のケース蓋部材13とから構成される。ケース蓋部材13には、アルミニウムからなる正極端子部材50がケース蓋部材13と絶縁された状態で固設されている。この正極端子部材50は、電池ケース10内で電極体20の正極板21に接続し導通する一方、ケース蓋部材13を貫通して電池外部まで延びている。また、ケース蓋部材13には、銅からなる負極端子部材60がケース蓋部材13と絶縁された状態で固設されている。この負極端子部材60は、電池ケース10内で電極体20の負極板31に接続し導通する一方、ケース蓋部材13を貫通して電池外部まで延びている。
電極体20は、扁平状をなし、横倒しにした状態で電池ケース10内に収容されている。電極体20と電池ケース10との間には、絶縁フィルムからなる袋状の絶縁フィルム包囲体17が配置されている。電極体20は、帯状の正極板21と帯状の負極板31とを、帯状の一対のセパレータ41,41を介して互いに重ね、軸線周りに捲回して扁平状に圧縮したものである。正極板21は、帯状のアルミニウム箔からなる正極集電箔の両主面の所定位置に、正極活物質層を帯状に設けてなる。また、負極板31は、帯状の銅箔からなる負極集電箔の両主面の所定位置に、負極活物質層を設けてなる。また、セパレータ41は、樹脂からなる多孔質膜であり、帯状でフィルム状をなす。
次いで、上記電池1の製造方法について説明する(図3参照)。まず、「組立工程S1」において、電池1を組み立てる。具体的には、正極板21及び負極板31を、一対のセパレータ41,41を介して互いに重ねて捲回し、扁平状に圧縮して電極体20を形成する。次に、ケース蓋部材13を用意し、これに正極端子部材50及び負極端子部材60を固設する(図1及び図2参照)。その後、正極端子部材50及び負極端子部材60を、電極体20の正極板21及び負極板31にそれぞれ溶接する。次に、電極体20に絶縁フィルム包囲体17を被せて、これらをケース本体部材11内に挿入すると共に、ケース本体部材11の開口をケース蓋部材13で塞ぐ。そして、ケース本体部材11とケース蓋部材13とを溶接して電池ケース10を形成する。その後、非水電解液19を、注液孔13hから電池ケース10内に注液して電極体20内に含浸させる。その後、注液孔13hを封止する。
次に、「初充電工程S2」において、この電池1にSOC0%〜SOC100%の範囲内の第1SOC(本実施形態ではSOC85%)まで初充電する。具体的には、室温下において、定電流定電圧充電(CCCV充電)により、SOC85%まで電池1に初充電する。
次に、「第1エージング工程S3」において、この電池1を、35〜85℃の範囲内の第1温度T1(本実施形態ではT1=63℃)下で放置しエージングする。具体的には、電池1を端子開放した状態で加熱室内に収容し、加熱室内の温度をT1=63℃として、8〜48時間(本実施形態では20時間)電池1を放置する。その後、第1エージング工程S3を終えた電池1を加熱室から取り出す。
次に、「放電工程S4」において、この電池1を、第1SOC(本実施形態ではSOC85%)よりも低く、SOC5%以下の第2SOC(本実施形態ではSOC0%)まで強制放電させる。具体的には、室温下において、定電流定電圧放電(CCCV放電)により、SOC0%まで電池1を強制放電させる。
次に、「第2エージング工程S5」において、この電池1を、電池電圧の上昇が治まるまでの所定時間ta(本実施形態ではta=0.5日間)にわたり、35〜85℃の範囲内の第2温度T2(本実施形態ではT2=63℃)下で放置しエージングする。具体的には、電池1を端子開放した状態で加熱室内に収容し、加熱室内の温度をT2=63℃として、所定時間ta=0.5日間、電池1を放置する。その後、第2エージング工程S5を終えた電池1を加熱室から取り出す。
次に、「短絡検査工程S6」において、第2温度T2(本実施形態ではT2=63℃)よりも低く、0〜15℃の範囲内の第3温度T3(本実施形態ではT3=5℃)下で、かつ、端子開放した状態で電池1を放置し、この放置前後の電池電圧の電圧降下量αの多寡に基づいて、電池1の内部短絡の有無を判定する。具体的には、まず、電池1を端子開放した状態で冷却室内に収容し、冷却室内の温度をT3=5℃とする。そして、電池温度が5℃になるまでの所定時間(本実施形態では8時間)が経過した後に、「第1電圧測定工程S61」において、放置前の電池電圧V1を測定する。その後、「放置工程S62」において、この電池1を所定時間(本実施形態では12.0日間)放置し自己放電させる。その後、「第2電圧測定工程S63」において、放置後の電池電圧V2を測定する。第2電圧測定工程S63を終えた電池1は冷却室から取り出す。
次に、「判定工程S64」において、放置前の電池電圧V1と放置後の電池電圧V2から、放電前後の電圧降下量α(=V1−V2)を算出し、この電圧降下量αを予め決めておいた基準電圧降下量βと比較する。測定された電圧降下量αが基準電圧降下量βより大きい場合(α>β)には、その電池1に短絡が生じている(不良品)と判定し、その電池1を排除する。一方、測定された電圧降下量αが基準電圧降下量β以下の場合(α≦β)には、その電池1を良品と判定する。かくして、電池1が完成する。
(変形形態)
次いで、上述の実施形態の変形形態について説明する。上述の実施形態では、放電工程S4を室温下で行った。これに対し、本変形形態では、放電工程S4を第1エージング工程S3及び第2エージング工程S5と同じ高温下で行う点が異なる。それ以外は、実施形態の製造方法と同様である。
具体的には、本変形形態では、第1エージング工程S3を終えた電池1を加熱室から取り出さずに加熱室に入れた状態で、かつ、加熱室内の温度を第1エージング工程S3の第1温度T1と同じ63℃に維持して、電池1を第2SOC(本変形形態ではSOC0%)まで強制放電させる(放電工程S4)。その後は、この電池1をそのまま加熱室内に収容した状態で、実施形態と同様に第2エージング工程S5を行う(加熱室内の温度をT2=63℃に維持して電池1を放置する)。更に、実施形態と同様、第3温度T3=5℃下で、短絡検査工程S6を行う。
本変形形態では、このように放電工程S4を、第1エージング工程S3及び第2エージング工程S5と同じ温度(本変形形態ではT1=T2=63℃)下で行い、環境温度を変動させないので、第1エージング工程S3から第2エージング工程S5までの間、電池1を加熱室から出し入れする必要が無く、各工程の内容をシンプルにできる利点がある。
(試験結果)
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験の結果について説明する。前述の電池1の製造方法において、「第2エージング工程S5」の第2温度T2を変更して、電池電圧の上昇が治まるまでの時間ta(日数)を調査した。具体的には、図4に示すように、第2エージング工程S5を行う第2温度T2を20℃、40℃、60℃、80℃または100℃として、電池電圧の上昇が治まるまでの時間taをそれぞれ調査した。各第2温度T2において、それぞれ4個(n=4)の電池について調査した。
図4から明らかなように、第2エージング工程S5を行う第2温度T2が高いほど、電池電圧の上昇が治まるまでの時間taが短くなることが判る。特に、第2温度T2を35℃以上とすると、電池電圧の上昇が治まるまでの時間taが特に短くなり、1.2日以下となることが判る。
また、第2温度T2が低いと、例えば第2温度T2を20℃とすると、電池電圧の上昇が治まるまでの時間taが長くなる。このため、第2エージング工程S5において放置する所定時間taは、バラツキも考慮して例えば3.0日程度とする必要がある。これに対し、第2温度T2を35℃以上とすると、電池電圧の上昇が治まるまでの時間taが短くなる。このため、第2エージング工程S5における放置の所定時間taは、例えば第2温度T2を35℃とした場合には、前述のように1.2日とすることができる。従って、第2温度T2を35℃とすると、第2温度T2を20℃とする場合に比べて、第2エージング工程S5における放置の所定時間taを約1.8日も短くでき、その分だけ早く短絡検査工程S6に移行できる。
この結果から、第2エージング工程S5の第2温度T2は、35℃以上とするのが好ましいと考えられる。
次に、前述の電池1の製造方法において、「第2エージング工程S5」の第2温度T2及び放置時間tb(hr)を変更して、電池1の厚みBa(電池ケース10の電池厚み方向BHの最大寸法)(mm)をそれぞれ測定した。具体的には、図5に示すように、第2エージング工程S5を行う第2温度T2を60℃、80℃、100℃または120℃とし、放置時間tbを1時間、4時間または9時間として、電池1の厚みBaをそれぞれ測定した。なお、第2エージング工程S5を始める前の電池1の厚みBaは、Ba=13mmである。
図5から明らかなように、第2エージング工程S5を行う第2温度T2が60℃または80℃では、9時間放置しても電池1の厚みBaが殆ど変化しないことが判る。
これに対し、第2温度T2を100℃とすると、放置時間tbが経過すると共に電池1の厚みBaが徐々に厚くなることが判る。
また、第2温度T2を120℃とすると、第2温度T2を100℃とした場合よりも急速に、放置時間tbの経過と共に電池1の厚みBaが厚くなることが判る。但し、放置時間tbが約5時間を経過した後は、それ以上厚くならないことが判る。
その理由は、以下であると考えられる。即ち、第2温度T2が60℃または80℃では、電池温度が十分に低いために、電池1の非水電解液19中の支持塩が分解し難い。このため、電池ケース10内でガスが発生し難いので、電池ケース10が膨張し難い。従って、電池1の厚みBaが殆ど変化しなかったと考えられる。
一方、第2温度T2が100℃または120℃では、電池温度が高すぎるために、非水電解液19中の支持塩が熱で徐々に分解する。特に、第2温度T2を120℃とすると、支持塩の分解が急速に進む。支持塩が分解すると、電池ケース10内でガスが発生し、ガスの発生量に応じて電池ケース10が膨張する。このため、電池1の厚みBaが厚くなったと考えられる。
この結果から、第2エージング工程S5の第2温度T2は、85℃以下とするのが好ましいと考えられる。
以上で説明したように、実施形態及び変形形態の電池1の製造方法によれば、放電工程S4の後、短絡検査工程S6の前に、第2エージング工程S5を行って、電池電圧の上昇が治まるまでの所定時間taにわたり、電池1を放置するので、電池電圧の跳ね返り現象により電圧降下量αがばらつき、短絡が生じている電池1と正常な電池1とを正確に区別できなくなるのを防止できる。よって、短絡が生じている電池1を短絡検査工程S6で正確に検出できる。
加えて、第2エージング工程S5は高温(35〜85℃)で行うので、室温等で第2エージング工程S5を行う場合よりも、第2エージング工程S5の時間を短くできる。電池1を高温にすると、負極板31内でのリチウムイオンの拡散性が良くなるため、強制放電時に負極板31内で不均一になったリチウムイオンの濃度分布が、均一な状態に戻るまでの時間が短くなる。このため、電池電圧の跳ね返り現象が治まるまで(電池電圧の再上昇が治まるまで)の時間が短くなるからと考えられる。従って、上述の電池1の製造方法によれば、放電工程S4の後、短絡検査工程S6を終えるまでの時間を短くできる。
また、第2エージング工程S5を行う第2温度T2を85℃以下としているので、非水電解液19の分解が進んでガスが発生したり、電池の寿命が短くなるのを抑制できる。
更に実施形態及び変形形態では、短絡検査工程S6を行う第3温度T3を0〜15℃の範囲内の温度としている。第3温度T3を15℃以下とすると、短絡検査工程S6を行っている間に電池1のエージングが進行することによる電圧変動を抑制できるので、電池1が短絡している場合に生じる電圧降下量αを精度良く測定できる。一方、第3温度T3を0℃以上とすると、電池1を冷却するための設備や生産コストを抑制できる。
以上において、本発明を実施形態及び変形形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態及び変形形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態及び変形形態では、個々の電池について単独の状態で、初充電工程S2から短絡検査工程S6までを行っているが、これに限られない。例えば、初充電工程S2後に複数の電池1を拘束して組電池を作製し、この組電池の状態で、その後の第1エージング工程S3から短絡検査工程S6までを行ってもよい。
1 電池
10 電池ケース
20 電極体
50 正極端子部材
60 負極端子部材
S1 組立工程
S2 初充電工程
S3 第1エージング工程
S4 放電工程
S5 第2エージング工程
S6 短絡検査工程

Claims (1)

  1. 第1SOCまで二次電池に初充電する初充電工程と、
    上記初充電工程の後、35〜85℃の第1温度下で上記二次電池を放置する第1エージング工程と、
    上記第1エージング工程の後、上記第1SOCよりも低い第2SOCまで上記二次電池を強制放電させる放電工程と、
    上記放電工程の後、電池電圧の上昇が治まるまでの所定時間にわたり、35〜85℃の第2温度下で上記二次電池を放置する第2エージング工程と、
    上記第2エージング工程の後、上記第2温度よりも低い第3温度下で、かつ、端子開放した状態で上記二次電池を放置し、上記放置前後の電池電圧の電圧降下量の多寡に基づいて、上記二次電池の内部短絡の有無を判定する短絡検査工程と、を備える
    二次電池の製造方法。
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