JP2018106816A - 電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解液を電池ケース内に注液する注液工程に掛かる時間を短くできる電池の製造方法を提供すること。【解決手段】電池１の製造方法は、電解液１５を注液する注液工程Ｓ２を備える。この注液工程Ｓ２は、電池ケース１０内を減圧した状態で電解液１５の注液を開始し、電極体２０の少なくとも一部が電解液１５に浸漬された状態で注液を停止する第１注液工程Ｓ２１と、電池ケース１０内の気圧を高めて、電解液１５の液面１５ｍを低下させる液面下げ工程Ｓ２２と、電解液１５の注液を再開し、電解液１５を規定量または規定高さまで注液する第２注液工程Ｓ２３とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、電池ケースに設けられた注液孔を通じて電池ケース内に電解液を注液する注液工程を備える電池の製造方法に関する。

電池を製造するにあたっては、例えば、電池ケース内に電極体を収容した電池を組み立てた後、電池ケースに設けられた注液孔を通じて電池ケース内に電解液を注液することが行われている。なお、関連する従来技術として、特許文献１が挙げられる。

特開２０１５−２１９９６２号公報

特許文献１の電池の製造において、電解液を電池ケース内に注液する手法として、例えば、電池ケース内を大気圧よりも減圧した状態で、一度に規定量の電解液を注液した後に、電池ケース内を大気圧に戻して、電解液の電極体内への含浸を促進させる手法が考えられる。
しかしながら、電解液を注液している最中は、電解液の電極体への含浸速度が遅い。このため、電解液が注液孔から電池外部に溢れ出ないように、電解液の電極体への含浸速度に合わせて、電解液をゆっくり注液する必要がある。このため、注液時間が長く掛かって電池の生産コストが高くなる。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、電解液を電池ケース内に注液する注液工程に掛かる時間を短くできる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、注液孔を有する電池ケースと、上記電池ケース内に収容された電極体及び電解液と、を備える電池の製造方法であって、上記電池ケース内に上記注液孔を通じて上記電解液を注液する注液工程を備え、上記注液工程は、上記電池ケース内を大気圧よりも減圧した状態で、上記電池ケースに上記電解液の注液を開始し、上記電極体の少なくとも一部が上記電解液に浸漬された状態で、上記電解液の注液を停止する第１注液工程と、上記電池ケース内の気圧を、上記第１注液工程を行った際の気圧よりも高めて、上記電解液の液面を、上記第１注液工程の終了時における上記電解液の上記液面よりも低下させる液面下げ工程と、上記電解液の注液を再開し、上記電解液を規定量または規定高さまで注液する第２注液工程と、を有する電池の製造方法である。

一度に多量の電解液を注液しようとすると、前述のように、電解液が注液孔から電池外部に溢れ出ないように、電解液の電極体への含浸速度に合わせて、電解液をゆっくり注液しなければならないため、注液時間が長く掛かる。
これに対し、上述の製造方法では、第１注液工程において減圧状態で電解液を注液した後、液面下げ工程において、電池ケース内の気圧を高めて、電解液の電極体への含浸を促進させ、電解液の液面を下げる。その後、第２注液工程で電解液の注液を再開し、規定量または規定高さまで電解液を注液する。このように電解液の注液の途中に液面下げ工程を設けて、電解液の電極体への含浸を促進させ電解液の液面を下げることにより、第１注液工程及び第２注液工程における電解液の注液速度を、一度に電解液を注液する場合よりも速くでき、注液工程の時間を短くできる。

なお、「第１注液工程」において「電極体の少なくとも一部が電解液に浸漬された状態で電解液の注液を停止する」手法としては、例えば、後述するように、電解液の液面が、基準高さ（電極体の少なくとも一部が電解液に浸漬される基準高さ）に到達したときに、電解液の注液を停止する手法が挙げられる。また、電解液の注液量が、所定量（電極体の少なくとも一部が電解液に浸漬される所定量）に達したときに、電解液の注液を停止する手法も挙げられる。

「第２注液工程」は、電池ケース内を大気圧として電解液の注液を行ってもよいし、電池ケース内を大気圧よりも減圧した状態で電解液の注液を行ってもよい。また、第２注液工程で電池ケース内を減圧する場合には、第１注液工程と同じ気圧まで減圧してもよいし、第１注液工程の気圧よりも高い気圧或いは低い気圧まで減圧してもよい。

更に、上記の電池の製造方法であって、前記第１注液工程は、前記電解液の液面が、前記電極体の少なくとも一部が上記電解液に浸漬される基準高さに到達したときに、上記電解液の注液を停止する電池の製造方法とするのが好ましい。

電池の電極体には体積バラツキや、電池ケース内に注液された電解液の電極体内への含浸速度にバラツキがある。このため、前述のように、第１注液工程において、電解液の注液量が所定量に達したときに電解液の注液を停止する手法を採用した場合には、電解液を所定量注液したときに、電池によっては電解液の一部が注液孔から電池外部に溢れ出てしまう場合も考えられる。
これに対し、上述の電池の製造方法では、第１注液工程において、電解液の液面が基準高さに到達したときに電解液の注液を停止するので、電解液が注液孔から電池外部に溢れ出るのを確実に防止できる。

実施形態に係る電池の斜視図である。 実施形態に係る電池の縦断面図である。 実施形態に係る注液装置の説明図である。 実施形態に係る電池の製造方法を示すフローチャートである。 実施形態に係る注液工程の第１注液工程において、電解液の液面が第１基準高さまで上昇した様子を示す説明図である。 実施形態に係る注液工程の液面下げ工程において、電解液の液面が下降した様子を示す説明図である。 実施形態に係る注液工程の第２注液工程において、電解液を規定量注液した様子を示す説明図である。 実施形態に係る注液工程の液面調整工程において、電解液の液面が第２基準高さまで下降した様子を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１及び図２に、本実施形態に係る電池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、ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、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（図１及び図２参照）。また、電池ケース１０内には、電解液１５が収容されており、その一部は電極体２０内に含浸され、一部は電池ケース１０の底部に溜まっている。

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、注液孔１３ｈが設けられており、封止部材１７によって気密に封止されている。注液孔１３ｈは、後述するように、電解液１５を電池ケース１０内に注液する際に用いられる。

また、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のうち正極板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のうち負極板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１９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。この正極活物質層は、正極活物質、導電材及び結着剤からなる。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。この負極活物質層は、負極活物質、結着剤及び増粘剤からなる。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４参照）。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１９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。

次に、注液工程Ｓ２を行い、ケース蓋部材１３に設けられた注液孔１３ｈを通じて電池ケース１０内に電解液１５を規定量注液する。この注液工程Ｓ２は、図３に示す注液装置１００を用いて行う。この注液装置１００は、注液ノズル１１０、電極１２０、検知装置１３０、真空チャンバ１４０、大気開放バルブ１４７、電解液タンク１５０、注液バルブ１５５、制御装置１６０等から構成される。

このうち真空チャンバ１４０は、上側のみが開口した有底角筒状のチャンバ本体部材１４１と、このチャンバ本体部材１４１の開口を閉塞する矩形板状のチャンバ蓋部材１４３とから構成される。この真空チャンバ１４０の内部には、後述するように、電池１が収容される。真空チャンバ１４０には、真空ポンプ１４５が取り付けられており、この真空ポンプ１４５を作動させることで、真空チャンバ１４０内を減圧できる。また、真空チャンバ１４０には、大気開放バルブ１４７が取り付けられており、この大気開放バルブ１４７を開くことで、真空チャンバ１４０内を大気開放することができる。また、真空チャンバ１４０には、圧力センサ１４９が取り付けられており、この圧力センサ１４９により真空チャンバ１４０内の気圧を測定できる。また、真空チャンバ１４０のチャンバ蓋部材１４３には、注液ノズル１１０と電極１２０とが所定の間隔ＫＣ（図５参照）を空けて固設されている。

注液ノズル１１０は、円筒状で金属（具体的にはステンレス鋼）からなる。この注液ノズル１１０の内部は、電解液１５が流通し、注液ノズル１１０の先端部１１０ｓから電解液１５が放出される。注液ノズル１１０は、その延出方向が真空チャンバ１４０のチャンバ鉛直方向ＦＨと平行になるように、チャンバ蓋部材１４３に対して垂直に固設されている。
また、電極１２０は、丸棒状で金属（具体的にはステンレス鋼）からなる。この電極１２０は、その延出方向がチャンバ鉛直方向ＦＨと平行（注液ノズル１１０と平行）となり、かつ、電極１２０の先端部１２０ｓが注液ノズル１１０の先端部１１０ｓと同じ高さとなるように、チャンバ蓋部材１４３に対して垂直に固設されている。

検知装置１３０は、配線１３１を介して注液ノズル１１０に、配線１３３を介して電極１２０にそれぞれ電気的に接続されており、これらによって液量センサ１０５を構成している。検知装置１３０は、注液ノズル１１０と電極１２０との間に一定の電圧を印加して、注液ノズル１１０と電極１２０との間に流れる電流の大きさを測定することにより、注液された電解液１５の液面１５ｍの高さを測定し、この測定信号を出力可能に構成されている。

電解液タンク１５０は、電解液１５を貯留しておくタンクであり、液流通路１５１を介して注液ノズル１１０の基端部１１０ｔに繋がっている。液流通路１５１の途中には、流量計１５３及び注液バルブ１５５がそれぞれ配置されている。流量計１５３は、液流通路１５１を流れた電解液１５の液量を測定できるため、注液ノズル１１０の先端部１１０ｓから放出されて電池ケース１０内に注液された電解液１５の液量を測定できる。また、注液バルブ１５５は、これを開くと、液流通路１５１内を電解液１５が流通し、注液ノズル１１０に電解液１５が供給されて、注液ノズル１１０の先端部１１０ｓから電解液１５が放出される。一方、注液バルブ１５５を閉じると、液流通路１５１内の電解液１５の流通が止まるため、注液ノズル１１０の先端部１１０ｓからの電解液１５の放出（注液）も止まる。

制御装置１６０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを含み、ＲＯＭ等に記憶された所定の制御プログラムによって作動するマイクロコンピュータを有する。この制御装置１６０には、圧力センサ１４９、流量計１５３、検知装置１３０、真空ポンプ１４５、大気開放バルブ１４７及び注液バルブ１５５がそれぞれ接続しており、圧力センサ１４９、流量計１５３及び検知装置１３０の各信号に基づいて、真空ポンプ１４５の作動、大気開放バルブ１４７の開閉及び注液バルブ１５５の開閉をそれぞれ制御する。

注液工程Ｓ２に先立ち、前述の電池１を、真空チャンバ１４０のチャンバ本体部材１４１内の所定位置に、電池縦方向ＤＨがチャンバ鉛直方向ＦＨと平行になるように電池１を立てた状態で置く。その後、チャンバ本体部材１４１の開口をチャンバ蓋部材１４３で閉塞すると共に、チャンバ蓋部材１４３に固設された注液ノズル１１０及び電極１２０を、電池１の注液孔１３ｈを通じて電池ケース１０内に挿入しておく（図３参照）。

まず、注液工程Ｓ２のうち第１注液工程Ｓ２１において、電池ケース１０内を大気圧よりも減圧した状態で、電池ケース１０に電解液１５の注液を開始し、電解液１５の液面１５ｍが第１基準高さＬＡに到達したときに（図５参照）、電解液１５の注液を一旦停止する。なお、本実施形態では、第１基準高さＬＡは、電極体２０の上端２０ｐよりも高い位置に設定している。

具体的には、制御装置１６０により、大気開放バルブ１４７を閉めた後、真空ポンプ１４５を作動させて、真空チャンバ１４０内を減圧する。そして、圧力センサ１４９により測定される真空チャンバ１４０内の気圧が所定圧力まで下がったら、注液バルブ１５５を開く。これにより、電解液タンク１５０に貯留された電解液１５が液流通路１５１を通じて注液ノズル１１０に供給され、注液ノズル１１０の先端部１１０ｓから電池ケース１０内に電解液１５が放出される。

その後、注液された電解液１５の液面１５ｍが第１基準高さＬＡに到達したことが液量センサ１０５によって検知されると、制御装置１６０により注液バルブ１５５を閉じる。これにより、液流通路１５１内を流れる電解液１５の流通が止まり、電池ケース１０内への電解液１５の注液が止まる。本実施形態では、前述のように、第１基準高さＬＡを電極体２０の上端２０ｐよりも高い位置に設定しているので、この第１注液工程Ｓ２１の終了時には、電極体２０の全体が電解液１５中に浸漬される。
このように、電解液１５の液面１５ｍが第１基準高さＬＡに到達したときに、電解液１５の注液を一旦止めることによって、電解液１５が注液孔１３ｈから電池外部に溢れ出るのを確実に防止できる。

第１注液工程Ｓ２１の後は、液面下げ工程Ｓ２２において、電池ケース１０内の気圧を、第１注液工程Ｓ２１を行った際の気圧よりも高めて、電解液１５の液面１５ｍを、第１注液工程Ｓ２１の終了時における電解液１５の液面１５ｍ（具体的には第１基準高さＬＡ）よりも低下させる（図６参照）。
具体的には、制御装置１６０により大気開放バルブ１４７を開けて、真空チャンバ１４０内の気圧を高める。すると、注液された電解液１５の電極体２０への含浸が促進されるため、電解液１５の液面１５ｍは、第１基準高さＬＡから徐々に低下していく。本実施形態では、圧力センサ１４９により測定される真空チャンバ１４０内の気圧が所定圧力に上がるまで、この液面下げ工程Ｓ２２を行い、真空チャンバ１４０内の気圧が所定圧力となったら、液面下げ工程Ｓ２２を終了する。これにより、本実施形態では、電解液１５の液面１５ｍが、電極体２０の上端２０ｐよりも低い位置まで下がる。

次に、第２注液工程Ｓ２３において、電解液１５の注液を再開し、電解液１５を規定量注液する（図７参照）。
具体的には、制御装置１６０により注液バルブ１５５を開いて、大気圧下で、電解液１５の電池ケース１０内への注液を再開する。そして、流量計１５３で測定された液流通路１５１を流れた電解液１５の流量、即ち、電池ケース１０内に注入された電解液１５の液量が、規定量に到達したら、注液バルブ１５５を閉じて、電解液１５の電池ケース１０内への注液を終了する。このようにして、規定量の電解液１５が電池ケース１０内に注液される。

その後、液面調整工程Ｓ２４において、電解液１５の液面１５ｍが第２基準高さＬＢに下がるまで待つ（図８参照）。注液された電解液１５は徐々に電極体２０へ含浸するため、電解液１５の注液終了後（第２注液工程Ｓ２３後）は、時間の経過と共に電解液１５の液面１５ｍが徐々に低下していく。電解液１５の液面１５ｍが、第２基準高さＬＢに到達したら、この液面調整工程Ｓ２４を終了する。これにより、電池ケース１０内の上部に十分大きな空間ＧＣを確保できるため、後述するように、封止工程Ｓ３で溶接不良が生じるのを防止できる。
その後は、チャンバ蓋部材１４３をチャンバ本体部材１４１から取り外すと共に、これに固設された注液ノズル１１０及び電極１２０を、電池１の注液孔１３ｈから取り出す。その後、チャンバ本体部材１４１内から電池１を取り出す。かくして、注液工程Ｓ２が終了する。

次に、封止工程Ｓ３において、封止部材１７で注液孔１３ｈを封止する。具体的には、封止部材１７で電池外部から注液孔１３ｈを塞いだ状態で、レーザ溶接により封止部材１７を電池ケース１０に溶接して、注液孔１３ｈを封止する。その後は、この電池１に初充電を行う。また、この電池１について各種検査を行う。かくして、電池１が完成する。

ところで、液量センサ１０５を用いずに、電解液１５を電池ケース１０内に注液すると、電解液１５が電池ケース１０の注液孔１３ｈから電池外部に溢れ出てしまう場合のほか、電解液１５が溢れ出なくても、電解液１５の一部がケース蓋部材１３の内側面１３ｂ（図５中、下方の面）に付着する場合がある。また、液量センサ１０５を用いて上述のように注液工程Ｓ２を行った場合でも、第１基準高さＬＡをケース蓋部材１３の内側面１３ｂに近い位置に設定すると、電解液１５の一部がケース蓋部材１３の内側面１３ｂに付着する場合もある。

すると、封止工程Ｓ３で封止部材１７を溶接する際に、溶接で発生する熱によって、ケース蓋部材１３の内側面１３ｂのうち注液孔１３ｈの近傍に付着した電解液１５が気化して、電池ケース１０内の圧力が上昇する。その結果、封止部材１７と注液孔１３ｈとの間に形成された溶融池が、電池ケース１０内の圧力によって持ち上げられ、溶接不良を生じるおそれがある。

これに対し、本実施形態では、第１注液工程Ｓ２１において、電解液１５の液面１５ｍが第１基準高さＬＡに到達したら、電解液１５の注液を停止しているため、電解液１５がケース蓋部材１３の内側面１３ｂに付着するのを抑制できる。
更に、本実施形態では、液面調整工程Ｓ２４で電解液１５の液面１５ｍが第２基準高さＬＢまで下がるのを待って、電池ケース１０内の上部に十分大きな空間ＧＣを確保した後に、封止工程Ｓ３を行っている。これにより、電池ケース１０内の上部に大きな空間ＧＣが存在すれば、仮にケース蓋部材１３の内側面１３ｂに付着した電解液１５が封止工程Ｓ３で気化したとしても、電池ケース１０内の圧力が大きく上昇するのを防止し、前述の溶接不良が生じるのを防止できる。

以上で説明したように、電池１の製造方法では、注液工程Ｓ２は、第１注液工程Ｓ２１、液面下げ工程Ｓ２２及び第２注液工程Ｓ２３を有する。前述のように、一度に多量の電解液１５を電池ケース１０内に注液しようとすると、電解液１５が注液孔１３ｈから電池外部に溢れ出ないように、電解液１５の電極体２０への含浸速度に合わせて、電解液１５をゆっくり注液しなければならないため、注液時間が長く掛かる。

これに対し、前述の電池１の製造方法では、第１注液工程Ｓ２１において減圧状態で電解液１５を注液した後、液面下げ工程Ｓ２２において、電池ケース１０内の気圧を高めて、電解液１５の電極体２０への含浸を促進させ、電解液１５の液面１５ｍを下げる。その後、第２注液工程Ｓ２３で電解液１５の注液を再開し、電解液１５を規定量注液する。このように電解液１５の注液の途中に液面下げ工程Ｓ２２を設けて、電解液１５の電極体２０への含浸を促進させ電解液１５の液面１５ｍを下げることにより、第１注液工程Ｓ２１及び第２注液工程Ｓ２３における電解液１５の注液速度を、一度に規定量の電解液１５を注液する場合よりも速くでき、注液工程Ｓ２の時間を短くできる。

また、電池１の電極体２０には体積バラツキや、電池ケース１０内に注液された電解液１５の電極体２０内への含浸速度にバラツキがある。このため、例えば、第１注液工程Ｓ２１において、電解液１５の注液量が所定量に達したときに電解液１５の注液を停止する手法を採用した場合には、電解液１５を所定量注液したときに、電池１によっては電解液１５の一部が注液孔１３ｈから電池外部に溢れ出てしまう場合も考えられる。
これに対し、本実施形態の製造方法では、第１注液工程Ｓ２１において、電解液１５の液面１５ｍが第１基準高さＬＡに到達したときに電解液１５の注液を停止するので、電解液１５が注液孔１３ｈから電池外部に溢れ出るのを確実に防止できる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施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、実施形態では、第２注液工程Ｓ２３において、電解液１５を規定量注液して、電解液１５の注液を終了したが、これに限られない。例えば、前述の液量センサ１０５を利用して、電解液１５を規定高さまで注液するようにしてもよい。

１ 電池
１０ 電池ケース
１３ｈ 注液孔
１５ 電解液
１５ｍ （電解液の）液面
１７ 封止部材
２０ 電極体
１００ 注液装置
１０５ 液量センサ
１１０ 注液ノズル
１２０ 電極
ＬＡ 第１基準高さ
ＬＢ 第２基準高さ
Ｓ１ 組立工程
Ｓ２ 注液工程
Ｓ２１ 第１注液工程
Ｓ２２ 液面下げ工程
Ｓ２３ 第２注液工程
Ｓ２４ 液面調整工程
Ｓ３ 封止工程

Claims (1)

1. 注液孔を有する電池ケースと、上記電池ケース内に収容された電極体及び電解液と、を備える電池の製造方法であって、
   上記電池ケース内に上記注液孔を通じて上記電解液を注液する注液工程を備え、
   上記注液工程は、
   上記電池ケース内を大気圧よりも減圧した状態で、上記電池ケースに上記電解液の注液を開始し、上記電極体の少なくとも一部が上記電解液に浸漬された状態で、上記電解液の注液を停止する第１注液工程と、
   上記電池ケース内の気圧を、上記第１注液工程を行った際の気圧よりも高めて、上記電解液の液面を、上記第１注液工程の終了時における上記電解液の上記液面よりも低下させる液面下げ工程と、
   上記電解液の注液を再開し、上記電解液を規定量または規定高さまで注液する第２注液工程と、を有する
   電池の製造方法。

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