JP2018106930A - バッテリセルの製造方法および加圧マガジン - Google Patents

Abstract

【課題】加圧マガジンに充填されたバッテリセルの初充電中に、バッテリセルにかかる加圧力を一定に維持する。【解決手段】加圧マガジン２が、一対の固定プレート７の間に、内部に封入されるエアのエア圧力に応じて厚さ方向Ｐに膨張する複数のスペーサ３を有している。隣接した２つのスペーサ３の間に厚さ方向Ｐに薄肉な偏平形状をなす個々のバッテリセル１を配置した上で、バッテリセル１がスペーサ３により厚さ方向Ｐに加圧された状態で、バッテリセル１の初充電を行う。この初充電中に、バッテリセル１の膨張に対してスペーサ３内のエア圧力を一定に保つように、リリーフバルブ１３が、スペーサ３内のエアの一部を外部に逃がす。【選択図】図２

Description

本発明は、厚さ方向に薄肉な偏平形状をなすバッテリセルを厚さ方向に加圧しつつ初充電を行う、バッテリセルの製造方法および加圧マガジンに関する。

ラミネートフィルムからなる外装体の内部に発電要素等を収容してなる偏平な電池を製造する方法の一例として、特許文献１に記載のものが挙げられる。この電池の製造方法の１つの工程である初充電工程では、加圧装置の２枚の加圧板の間に厚さ方向に薄肉な偏平形状をなす電池を配置し、これらの加圧板によって電池の両面側から厚さ方向に電池を加圧した状態で、電池の初充電が行われる。

特開２０１５−６９８１０号公報

しかし、電池の初充電中は、電池が厚さ方向に膨張し、２枚の加圧板から電池に加わえられる加圧力が不必要に上昇する虞がある。

本発明では、流体圧式の加圧マガジンを用いて、隣接する２つのスペーサの間で各々のバッテリセルが加圧された状態で初充電を行い、この初充電中に、バッテリセルの膨張に対してスペーサ内の流体圧力を一定に保つように、スペーサ内の作動流体の一部を外部に逃がす。

従って、初充電中のバッテリセルの厚さ方向への膨張に伴って、スペーサが厚さ方向に適度に収縮する。

本発明によれば、初充電中にバッテリセルが厚さ方向に膨張しても、スペーサの収縮によって、一定の加圧力でバッテリセルを加圧した状態を維持することができる。

一実施例のバッテリセルの製造方法の要部を示す工程説明図である。 一実施例の加圧マガジンの側面図である。 逆止弁、リリーフバルブおよびエア圧センサの接続関係を示した説明図である。 加圧ステージおよび初充電ステージの説明図である。 充電率に対するバッテリセルの厚さの変化を示すグラフである。 初充電時の加圧マガジンを示す説明図である。 第２の実施例における電磁弁およびエア圧センサの接続関係を示した説明図である。 第２の実施例の初充電中のバッテリセルの加圧力制御を説明するフローチャートである。 放電時の加圧マガジンを示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について説明する。

図１は、一実施例のバッテリセル１の製造方法の要部を示した工程説明図である。バッテリセル１（図２参照）は、詳細には図示しないが、例えばリチウムイオン二次電池であり、偏平な長方形の外観形状を有しており、長手方向の一方の端縁に、導電性金属箔からなる薄板状の一対の端子を備えている。このバッテリセル１は、いわゆるフィルム外装電池として、長方形をなす発電要素（電極積層体）を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体の内部に収容したものである。発電要素は、セパレータを介して交互に積層された複数の正極および負極から構成されている。

ステップＳ１として示す工程は、発電要素を構成する電極積層工程である。ここでは、それぞれロール状に巻回されている正極、負極およびセパレータを、矩形のシート状に切断しながら順次積層することで、複数の正極および負極がセパレータを介して積層された発電要素つまり電極積層体を形成する。正極は、集電体となるアルミニウム箔の両面に正極活物質をバインダを含むスラリとして塗布し、乾燥かつ圧延して所定の厚みの活物質層を形成したものである。負極は、同様に、集電体となる銅箔の両面に負極活物質をバインダを含むスラリとして塗布し、乾燥かつ圧延して所定の厚みの活物質層を形成したものである。また、セパレータは、正極と負極との間の短絡を防止すると同時に電解液を保持する機能を有するものであって、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等の合成樹脂の微多孔性膜あるいは不織布からなる。

これらの正極、負極およびセパレータは、所定枚数積層された状態で、発電要素つまり電極積層体となる。複数の正極の集電体の端部は、互いに重ねられ、端子となる正極タブが超音波溶接される。同様に、複数の負極の集電体の端部は、互いに重ねられ、端子となる負極タブが超音波溶接される。

このように構成された発電要素は、次のステップＳ２として示す外装工程において、可撓性を有するフィルム状外装体の中に配置される。外装体は、例えば、アルミニウム箔の内側に合成樹脂製の熱融着層を、外側に合成樹脂製の保護層をそれぞれラミネートしてなる三層構造を有するラミネートフィルムからなる。一つの例では、外装体は、発電要素の下面側に配置される１枚のラミネートフィルムと上面側に配置される他の１枚のラミネートフィルムとの２枚構造をなし、これら２枚のラミネートフィルムの間に発電要素を配置した上で、周囲の四辺を一辺の注入口を残して重ね合わせ、かつ互いに熱融着してある。従って、外装体は、注入口が開いた袋状の構成となっている。

他の一つの例では、１枚の比較的大きなラミネートフィルムを二つ折りにし、２片の間に発電要素を挟み込んだ形に外装体が構成される。この場合は、三辺を一辺の注入口を残して熱融着することとなる。

なお、正極タブおよび負極タブは、注入口を具備する一辺を上方へ向けたときに側方へ向かう辺に位置し、ラミネートフィルムの接合面から外側へ引き出されている。

このように外装工程においてフィルム状外装体の中に発電要素が収容された状態に構成されたバッテリセル１は、次に、ステップＳ３として示す注液工程に搬送される。注液工程では、例えば減圧チャンバ内にバッテリセル１を立てた状態に配置し、所定の減圧下で外装体の注入口にディスペンサの注液ノズルを差し入れて、電解液の充填（注液）を行う。この注液は、時間間隔を空けて所定量ずつ複数回（例えば７回程度）に分けて行う。つまり、外装体の内部（発電要素の内部を含む）に残存する空気を除去するように減圧状態とした上で、複数回に分けて十分な時間間隔を空けて少量ずつ注入することで、効果的な気液置換を図っている。

注液が完了したら、バッテリセル１の姿勢をそのまま保った状態で、封止工程（ステップＳ４）として、注入口を熱融着により封止する。なお、ここでの封止はいわゆる仮封止であり、後述する充電後に、充電に伴って発生したガス抜きのために注入口（あるいはその近傍）が開封されるので、ガス抜き後に、最終的な封止を行うこととなる。封止後には、厚さ方向に薄肉な偏平形状をなすバッテリセル１が形成される。

ステップＳ４の封止工程の次に、ステップＳ５として示すマガジン装填工程において、ロボットハンド等により減圧チャンバからバッテリセル１を取り出して、バッテリセル１の正極タブおよび負極タブが横向きとなったまま、後述する加圧マガジン２に装填する。１つの加圧マガジン２には、複数個のバッテリセル１が該バッテリセル１の厚さ方向に沿って積層された形に収容される。

そして、ステップＳ６の初充電工程において、バッテリセル１の初充電を行う。この初充電は、複数の正極および負極を含む発電要素における電極間の間隔を一定に得るために、加圧マガジン２内において、バッテリセル１を厚さ方向Ｐに沿って適宜に加圧した状態で行う。

ステップＳ６の初充電工程の次に、ステップＳ７として示すエージング工程において、初充電後のバッテリセル１を所定の温度で一定期間放置する。このエージング工程は、加圧マガジン２内において、バッテリセル１を厚さ方向Ｐに沿って適宜に加圧した状態で行う。

そして、ステップＳ８の放電工程において、バッテリセル１の容量を測定するために、バッテリセル１の放電を行う。この放電は、バッテリセル１の収縮によりバッテリセル１のラミネートフィルムにしわが生じることを抑制するために、やはり加圧マガジン２内において、バッテリセル１を厚さ方向Ｐに沿って適宜に加圧した状態で行う。

次に、図２を参照することにより、加圧マガジン２について説明する。この加圧マガジン２は、複数のバッテリセル１を収容するハウジング４と、バッテリセル１の厚さ方向（図中の矢印Ｐ方向）に関して所定の等間隔置きにハウジング４に支持され、内部に封入される作動流体としてのエアのエア圧力（流体圧力）に応じて、バッテリセル１の厚さ方向Ｐに膨張する複数のスペーサ３と、を備えている。そして、複数のスペーサ３内にエア圧力を供給する流体圧力源として、ハウジング４の外部にエア機器５を備えている。

ハウジング４は、コンベアで搬送するための平坦な矩形の板状をなすベースプレート６と、このベースプレート６の長手方向の両端部に立設された一対の固定プレート７と、を有しており、これら一対の固定プレート７の間に、複数のスペーサ３が、所定の間隔置きに配置されている。

固定プレート７は、複数のバッテリセル１が加圧されたときにその全体の荷重を受けるもので、比較的に厚肉であり、ベースプレート６に強固に固定されている。

固定プレート７の四隅には、両固定プレート７の間に架け渡されたガイドシャフト８が固定されており、これら４本のガイドシャフト８によって各スペーサ３が厚さ方向Ｐに摺動可能に支持されている。このガイドシャフト８には、隣り合うスペーサ３間のピッチを一定とするように円筒状のブッシュ９が各スペーサ３の間に挿入されている。つまり、ガイドシャフト８上にブッシュ９とスペーサ３とが互いに接触する状態で交互に配置されており、その全体が両側の固定プレート７により挟持されている。これにより、一対の固定プレート７の間で複数のスペーサ３が等間隔置きに配置されている。

また、ハウジング４の側部には、圧力供給通路として、ガイドシャフト８と平行に延びたエア配管１０が配置されており、このエア配管１０によって、エア機器５から各スペーサ３にエアが供給されるようになっている。エア配管１０の基端には、スペーサ３に導入されたエアの逆流を防止する逆止弁１１が設けられており、逆止弁１１のエア入口２０（図３，４参照）に着脱可能に接続されるジョイント１２を介して、エア配管１０がエア機器５に接続される。

逆止弁１１は、図３に示すように、スペーサ３内のエアの一部を逃がすリリーフバルブ１３に並列に接続されている。リリーフバルブ１３は、所定の設定圧で機械的に開弁し、スペーサ３内のエアの一部を外部に逃がすように構成されている。また、図３に示すように、エア配管１０の逆止弁１１付近には、スペーサ３内のエア圧力（加圧力）を検出するエア圧センサ１４が設けられている。リリーフバルブ１３およびエア圧センサ１４は、図２には図示されていないが、加圧マガジン２に一体に設けられている。

上記のような加圧マガジン２は、例えばバッテリセル１への初充電、その後のエージングおよびバッテリセル１からの放電に際してのバッテリセル１の加圧のために用いられる。ハウジング４へのバッテリセル１の挿入は、個々のスペーサ３を収縮させたままの状態で行われる。図２に示すように、隣接する２つのスペーサ３の間にそれぞれバッテリセル１が挿入され、これにより、各スペーサ３は個々のバッテリセル１の間に位置した状態となる。スペーサ３が収縮することで２つのスペーサ３の間に十分に大きい隙間が確保されるので、ロボットハンド等によりバッテリセル１を容易に挿入することができる。

なお、本実施例の加圧マガジン２は、国際公開第２０１５／１４１６３１号に記載のものと基本的に同様の構成を有している。

図４は、加圧マガジン２を用いた初充電工程Ｓ６をより詳しく示した説明図である。複数のバッテリセル１を装填した状態の加圧マガジン２（図４の右側の加圧マガジン２）は、図示せぬコンベアおよびリフト機構を用いて、加圧ステージ１５に移送される。そして、この加圧ステージ１５において、加圧マガジン２に設けられた逆止弁１１のエア入口２０に、ジョイント１２を介してエア機器５が接続される。このエア機器５によって各スペーサ３に加圧エアを供給することにより、各スペーサ３が膨張する。これによって、隣り合う２つのスペーサ３の間に配置されたバッテリセル１が厚さ方向Ｐに加圧される。スペーサ３の内圧が所定の圧力となったら、エア機器５を停止し、ジョイント１２が、逆止弁１１から取り外される。ジョイント１２を取り外した後も、逆止弁１１によって所定の加圧状態が保持される。このスペーサ３内のエア圧力は、バッテリセル１が、バッテリセル１の発電要素のＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）被膜の形成に適した加圧力で加圧されるように設定されている。このエア圧力は、例えば約０．４９×１０^-2ＭＰａ（０．０５Ｋｇｆ／ｃｍ²）〜約２４．５×１０^-2ＭＰａ（２．５Ｋｇｆ／ｃｍ²）の範囲内の適当な圧力に設定されている。

ジョイント１２の取り外し後、加圧マガジン２は、図示せぬコンベアおよびリフト機構を用いて、図４に示すように、チャック機構１６を有した初充電ステージ１７に移送される。

このチャック機構１６は、図示せぬ駆動機構によって加圧マガジン２に向かって進退する基部１８と、この基部１８に取り付けられ、バッテリセル１の正極タブまたは負極タブを挟持するクリップ状の複数のチャック部１９と、を備えている。各々のチャック部１９は、図示せぬ充電ユニットに電気的に接続されている。

初充電ステージ１７では、各チャック部１９がバッテリセル１の正極タブまたは負極タブを挟持した状態で、図示せぬ充電ユニットにより、加圧マガジン２毎に複数のバッテリセル１の初充電が行われる。ここで、初充電が進行するにつれて、バッテリセル１は、厚さ方向Ｐに膨張する。つまり、初充電中におけるバッテリセル１の充電率（ＳＯＣ）の増加に伴って、バッテリセル１の厚さが大きくなる。初充電におけるバッテリセル１の充電率（ＳＯＣ）とバッテリセル１の厚さとの相関関係は、例えば、図５に示すグラフのようになる。

仮に、本実施例において加圧マガジン２がリリーフバルブ１３を具備していない場合は、初充電中におけるバッテリセル１の厚さ方向Ｐへの膨張に伴って、スペーサ３からバッテリセル１に加わる加圧力が不必要に上昇する虞がある。

よって、本実施例では、リリーフバルブ１３の機械的な開放により、図６に示すように初充電中のバッテリセル１の厚さ方向Ｐへの膨張に伴ってスペーサ３を厚さ方向Ｐに収縮させることで、バッテリセル１の膨張に対してスペーサ３内のエア圧力を一定に保つようにしてある。従って、初充電中にバッテリセル１が厚さ方向Ｐに膨張しても、スペーサ３によって一定の加圧力でバッテリセル１を加圧した状態を維持することができる。

なお、上記のように初充電中に一定の加圧力を維持することで、加圧マガジン２の固定プレート７にかかる荷重が過度に上昇しないから、固定プレート７の強度に過度に余裕を与えることがない。

次に、図７を参照することにより、第２の実施例のバッテリセル１の製造方法について説明する。第２の実施例に用いられる加圧マガジン２は、第１の実施例の加圧マガジン２（図２参照）のリリーフバルブ１３および逆止弁１１に代えて、電磁弁５１を備えている。さらに、この電磁弁５１と、エア圧センサ１４とが、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）５２に接続されている。電磁弁５１は、エア圧センサ１４によって検出されたエア圧力に基づいて開弁するように構成されている。

図８のフローチャートに示すように、ステップＳ１００において、バッテリセル１の初充電中に、エア圧センサ１４によってスペーサ３内のエア圧力つまりスペーサ３によるバッテリセル１への加圧力が検出される。そして、ステップＳ１０１において、ＰＬＣ５２が、エア圧センサ１４により検出された加圧力を取得する。次に、ステップＳ１０２において、加圧力の調整が必要であるか否かについて判断する。この判断は、取得された加圧力が、上述したＳＥＩ被膜の形成に適した加圧力（スペーサ３内のエア圧力）と一致するか否かによって行われる。加圧力の調整が必要でない、即ち取得された加圧力が上記加圧力（スペーサ３内のエア圧力）と一致する場合には、ステップＳ１００において、加圧力の検出を継続する。

一方、加圧力の調整が必要である、即ち取得された加圧力が上記加圧力（スペーサ３内のエア圧力）を越えている場合には、ステップＳ１０３において、加圧力の制御を指示し、そして、ステップＳ１０４において、加圧力を調整する。この調整は、加圧力が上記加圧力（スペーサ３内のエア圧力）と一致するように、エア配管１０に設けられた電磁弁５１を開弁することで行われる。

従って、第２の実施例においても、バッテリセル１の初充電中に、一定の加圧力でバッテリセル１を加圧した状態が維持される。

なお、第１および第２の実施例における初充電中のバッテリセル１の加圧は、負極にシリコンを含む比較的膨張し易い形式のバッテリセルに対して特に好適である。

次に、バッテリセル１の放電中のスペーサ３によるバッテリセル１への加圧力の制御について説明する。この放電中の加圧力の制御は、第１の実施例または第２の実施例の加圧マガジン２を用い、エア配管１０がエア機器５に接続された状態で行われる。

バッテリセル１の放電中は、放電が進行するにつれて、バッテリセル１が厚さ方向Ｐに収縮する。放電中にバッテリセル１が収縮すると、スペーサ３内のエア圧力が低下してバッテリセル１とスペーサ３との間に隙間が生じるため、バッテリセル１のラミネートフィルムにしわが発生する虞がある。

そこで、この実施例では、エア機器５からのエアの追加的な供給により、図９に示すように放電中のバッテリセル１の厚さ方向Ｐへの収縮に対しスペーサ３内のエア圧力を一定に保つことで、バッテリセル１とスペーサ３とが常に密着した状態でスペーサ３が一定の加圧力でバッテリセル１を加圧するようにしてある。具体的には、放電中のバッテリセル１の厚さ方向Ｐへの収縮に対してスペーサ３内のエア圧力を一定に保つように、バッテリセル１の収縮に伴ってエア機器５から逆止弁１１または電磁弁５１を介してスペーサ３内にエアを適宜供給するようにしている。このとき、放電中のエアの供給は、エア圧センサ１４で検出された圧力に基づいて行われる。

従って、本実施例では、バッテリセル１が厚さ方向Ｐに収縮する放電中に、スペーサ３が一定の加圧力でバッテリセル１を加圧することで、バッテリセル１のラミネートフィルムへのしわの発生が抑制される。

１・・・バッテリセル
２・・・加圧マガジン
３・・・スペーサ
４・・・ハウジング
５・・・エア機器
７・・・固定プレート
１１・・・逆止弁
１３・・・リリーフバルブ
１４・・・エア圧センサ
１６・・・チャック機構
５１・・・電磁弁
５２・・・プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）

Claims (5)

1. 厚さ方向に薄肉な偏平形状をなすバッテリセルを前記厚さ方向に加圧しつつ初充電を行う、バッテリセルの製造方法であって、
   前記バッテリセルの初充電は、内部に封入される作動流体の流体圧力に応じて前記厚さ方向に膨張する複数のスペーサを有した加圧マガジンを用いて、隣接する２つのスペーサの間に各々のバッテリセルを配置して行われ、
   前記初充電中に、前記バッテリセルの膨張に対して前記スペーサ内の流体圧力を一定に保つように、前記スペーサ内の作動流体の一部を外部に逃がすことを特徴とするバッテリセルの製造方法。
2. 前記作動流体の一部をリリーフバルブを介して逃がすことを特徴とする請求項１に記載のバッテリセルの製造方法。
3. 前記作動流体の一部を電磁弁を介して逃がすことを特徴とする請求項１に記載のバッテリセルの製造方法。
4. 前記初充電後に前記バッテリセルを前記厚さ方向に加圧しつつ放電を行い、この放電中に、前記バッテリセルの収縮に対して前記スペーサ内の流体圧力を一定に保つように、前記スペーサ内に作動流体を供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバッテリセルの製造方法。
5. フィルム状外装体の内部に発電要素が電解液とともに封入され、厚さ方向に薄肉な偏平形状をなす複数のバッテリセルを初充電中に前記厚さ方向に加圧するバッテリセルの加圧マガジンにおいて、
   内部に封入される作動流体の流体圧力に応じて前記厚さ方向に膨張し、個々のバッテリセルを挟む複数のスペーサと、
   設定圧で機械的に開弁するリリーフバルブと、
   を備え、
   前記リリーフバルブは、前記初充電中に、前記バッテリセルの膨張に応じて前記スペーサ内の作動流体の一部を外部に逃がすことを特徴とする加圧マガジン。

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