JP2020101392A

JP2020101392A - リチウムイオン電池の外観検査方法及びリチウムイオン電池の外観検査装置

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Publication number: JP2020101392A
Application number: JP2018238308A
Authority: JP
Inventors: 前田　篤志; Atsushi Maeda; 篤志前田; 啓史松尾; Hiroshi Matsuo; 中川　啓二; Keiji Nakagawa; 啓二中川
Original assignee: Ricoh Elemex Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Ricoh Elemex Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: JP7125233B2

Abstract

【課題】リチウムイオン電池の外部に付着した電解液の有無を容易に判別できるリチウムイオン電池の外観検査方法及びリチウムイオン電池の外観検査装置を提供すること。【解決手段】検査対象のリチウムイオン電池である電池１０に波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線を含む光を照射し、電池１０をカメラ３２で撮影する撮像工程と、カメラ３２で撮影された電池１０の画像に基づいて、光強度が所定値以下である所定面積以上の領域が有る場合に、電池１０に電解液１３が付着していると判定する判定工程とを含むリチウムイオン電池の外観検査方法及びリチウムイオン電池の外観検査装置である。【選択図】図２

Description

本発明は、光学的にリチウムイオン電池の外観を検査する方法に関する。さらに詳細には、リチウムイオン電池の外面への電解液の付着の有無を検査する検査方法及び検査装置に関するものである。

リチウムイオン電池等の二次電池の製造工程において、製造された電池の外観を検査することが行われている。例えば、特許文献１には、電池ケースにレーザ光を照射して電池ケースの３次元形状を計測し、電池ケースの外面の傷や歪みを検出し易い３次元画像を表示する技術が開示されている。

特開２０１５−０５９８１７号公報

リチウムイオン電池は、電池ケース内にリチウム塩を含む電解液を収容している。電解液が電池ケースの外部に付着していると腐食などの虞があるため、電解液の付着の有無を判定する外観検査が行われている。外観検査方法としては、例えば、検出紙による方法や目視検査による方法があるが、人員削減のために画像検査によって判別できることが望まれる。しかしながら、電解液が乾燥して析出したリチウム塩は白色であり、例えば、艶消しのアルミニウム材によって製造された電池ケースや電極端子との色の差が小さい。そのため、単にカメラ等で撮影した場合、撮影画像中でのリチウム塩と電池ケースとの光強度差が小さく、画像検査による安定した判定が難しい。

本発明は、前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、リチウムイオン電池の外部に付着した電解液の有無を容易に判別できるリチウムイオン電池の外観検査方法及びリチウムイオン電池の外観検査装置を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の一態様におけるリチウムイオン電池の外観検査方法は、リチウムイオン電池の外観を検査する外観検査方法であって、検査対象のリチウムイオン電池である被検体に波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線を含む光を照射し、前記被検体をカメラで撮影する撮像工程と、前記撮像工程にて撮影された前記被検体の画像に基づいて、光強度が所定値以下である所定面積以上の領域が有る場合に、前記被検体に電解液が付着していると判定する判定工程と、を含むことを特徴としている。

上述の一態様におけるリチウムイオン電池の外観検査方法では、被検体に近赤外線を含む光を照射して撮影する。リチウム塩はアルミニウムに比較して多くの近赤外線を吸収するため、リチウム塩の有る箇所の近赤外線の反射率は、リチウム塩の無い電池ケース等の近赤外線の反射率よりも小さい。そのため、近赤外線を含む光を照射して撮影した撮影画像では、リチウム塩の付着箇所は、他の箇所よりも光強度の小さい画像となる。そして、本態様では、光強度が所定値以下である所定面積以上の領域が有る場合に電解液が付着していると判定するので、ノイズによる誤判定を抑制できる。これにより、リチウムイオン電池の外部に付着した電解液の有無を容易に判別できる。

また、本発明の一態様におけるリチウムイオン電池の外観検査装置は、リチウムイオン電池の外観を検査するリチウムイオン電池の外観検査装置であって、波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線を含む光を照射する光源と、波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線を撮像可能なカメラと、を備え、検査対象のリチウムイオン電池である被検体に前記光源にて光を照射し、前記被検体を前記カメラで撮影した画像に基づいて、光強度が所定値以下である所定面積以上の領域が有る場合に、前記被検体に電解液が付着していると判定することを特徴としている。この一態様におけるリチウムイオン電池の外観検査装置によれば、リチウムイオン電池の外部に付着した電解液の有無を容易に判別できる。

本発明によれば、リチウムイオン電池の外部に付着した電解液の有無を容易に判別できるリチウムイオン電池の外観検査方法及びリチウムイオン電池の外観検査装置が提供される。

二次電池を示す説明図である。外観検査装置の例を示す説明図である。光の波長と反射率との関係を示すグラフである。電池ケースの蓋部材を検査した結果の例を示す説明図である。二次電池の製造工程を示す工程図である。

以下、本発明を具体化した第１の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は、製造後のリチウムイオン二次電池の外観を光学的に検査する外観検査方法に、本発明を適用したものである。

本形態の検査方法による検査の対象となる電池は、電池ケースの内部に電極体と非水電解液とが封入されている電池であり、具体的には、アルミニウム製の電池ケースと、リチウム塩を含む非水電解液と、を用いるリチウムイオン二次電池である。そして、本形態の検査は、外観検査であり、個々の電池に対して電池ケースの外側から行う、光学的検査である。

まず、検査の対象となる電池の一例について、図１を参照して説明する。電池１０は、図１に示すように、扁平角形の電池ケース１１を有し、その電池ケース１１の内部に、捲回型の電極体１２と、リチウム塩を含む電解液１３と、が封入されているものである。

電池ケース１１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等によって形成された金属製の容器であり、有底箱状のケース本体１１１に蓋部材１１２が固定されて密閉されている。蓋部材１１２には、図１に示すように、正負の電極端子２１、２２と、安全弁２３と、注液口２４と、が設けられている。

電極体１２は、例えば、帯状の正極板と帯状の負極板とがセパレータを介して重ねられ扁平に捲回されたものである。正極板は、例えば、アルミニウム箔に正極活物質層を形成したものであり、負極板は、例えば、銅箔に負極活物質層を形成したものである。負極板と正極板とはそれぞれ、電池ケース１１の内部で電極端子２１と電極端子２２とに接続されている。

電解液１３は、所定の溶媒に所定量のリチウム塩を含有させた非水電解液である。溶媒は、例えば、エチレンカーボネート等を含む有機溶媒であり、リチウム塩としては、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）が好適に用いられる。

電池ケース１１の外部に電解液１３が付着すると、電池ケース１１の腐食等の原因となり得る。電解液１３が付着している電池１０を検出するために、例えば、図２に示すように、外観検査装置１００を用いた画像検査を行う。図２に示す外観検査装置１００は、コンピュータ３０と、照明３１と、カメラ３２と、を備え、照明３１とカメラ３２とがコンピュータ３０にて制御される。具体的には、コンピュータ３０は、照明３１を制御して電池１０に光を照射させ、カメラ３２を制御して光が照射されている電池１０を撮影させる。そして、コンピュータ３０は、カメラ３２にて撮影された画像データに基づいて、検査対象の電池１０の良否を判定する。

カメラ３２で撮影された画像では、照明３１から照射された光が電池１０の外面にて反射した反射光の強度に応じて、場所による明暗や色差が現れる。反射光の強度や色に有意な差があれば、例えば、撮影した画像を自動で解析し、電解液１３が付着している電池１０を検出することができる。しかし、ヘキサフルオロリン酸リチウムは、乾燥すると白色であり、電池ケース１１の色と近いため、可視光による検査では有意な差が得られず、判別が難しい。

そこで、照明３１の波長を変化させて、電池ケース１１のうちの電解液１３の付着していない箇所と、電解液１３が付着している箇所と、のそれぞれにおける光の反射率を調べたところ、図３のような結果が得られた。図３（Ａ）は、電解液１３が付着していない箇所の反射率の変化であり、図３（Ｂ）は、電解液１３が付着している箇所の反射率の変化である。図３（Ａ）と（Ｂ）では、横軸を波長とし、縦軸を反射率としている。

図３（Ａ）に示すように、電解液１３が付着していない電池ケース１１では、波長を変化させても、反射率に大きい変化はなかった。一方、電解液１３が付着している箇所では、図３（Ｂ）に示すように、波長が図中のＬの範囲では、他の波長と比較して反射率が大きく低下した。波長がＬの範囲は波長が１３８１〜１４６０ｎｍの範囲の近赤外線領域であり、特に、波長が１４２６〜１４３５ｎｍの範囲の近赤外線領域で反射率の低下が顕著であった。これは、ＬｉＰＦ₆がこの範囲の近赤外線を吸収するからであると推測される。

本形態の検査方法では、波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲を含む近赤外線を検査対象の電池１０に照射し、電池１０からの反射光量を検出する。具体的には、図２に示した外観検査装置１００にて、照明３１を波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線、より好ましくは波長が１４２６〜１４３５ｎｍの範囲内の近赤外線を含む光を照射するものとし、カメラ３２を波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線、より好ましくは波長が１４２６〜１４３５ｎｍの範囲内の近赤外線を検出可能なものとする。このようにすると、撮影画像中で電解液１３が付着している箇所の画像は、他の箇所に比較して反射光の光量が少なく、光強度が小さい画像となる。

本形態の検査方法で蓋部材１１２の一部に電解液１３が付着している電池１０を撮影し、撮影画像中の蓋部材１１２の画像の１ライン（例えば、図２中のラインＳ）における光強度の例を図４に示す。図４では、横軸をラインＳ中の横方向の位置とし、縦軸を光強度（画像の階調）としている。この図は、階調８ｂｉｔのカメラ３２による撮影画像の例であり、光強度の範囲は０〜２５５階調で表される。

例えば、図４に示すように、電解液１３が付着している箇所Ｗの画像は、他の箇所よりも光強度が小さい。そして、電解液１３の付着の有無による光強度の強度差ｆは、安定検出の目途となる階調差の５０より大きい。そこで、電解液１３が付着していない領域の最小の階調と、電解液１３が付着している箇所Ｗの最小の階調とを実験から取得し、例えば、図４中に破線で示すように、それらの中間の階調Ｔを検出閾値として設定する。

そして、本形態では、前述した方法で撮影した画像の画像データをコンピュータ３０にて解析し、階調が検出閾値以下の画素が所定の閾値個数以上集まっている箇所が有るか否かを判断する。コンピュータ３０は、例えば、階調が検出閾値以下の画素が閾値個数以上集まっている領域が有ると判断した場合、検査対象の電池１０に電解液１３が付着していると判定する。検出閾値は、所定値の一例であり、閾値個数は、例えば、電解液１３の１滴の付着面積に対応する画素数であり、所定面積の一例である。

近赤外線を用いることで、撮影画像中のリチウム塩とアルミニウムとの階調差は大きく、自動化に適している。さらに、階調が小さい画素が閾値個数以上の領域が有るか否かに応じて電解液１３の付着の有無を判定するので、ノイズ等による誤判定の可能性は小さい。従って、本形態の検査方法によれば、電解液１３の付着の有無を自動で容易にかつ確実に検出できる。

次に、本形態の検査方法による検査工程を含む電池１０の製造工程について、図５を参照して説明する。この図の製造工程の開始前に、正極板と負極板とがそれぞれ製造され、電池ケース１１の各部材が用意されている。

そして、本製造工程では、まず、組立工程が行われる（工程１）。工程１では、正負の電極板とセパレータとで電極体１２を作成し、蓋部材１１２に取り付けられた電極端子２１、２２に電極体１２を接続する。さらに、電極体１２をケース本体１１１に収容して、ケース本体１１１に蓋部材１１２を固定する。

組立工程の後、注液・浸透工程が行われる（工程２）。工程２では、蓋部材１１２の注液口２４から、ケース本体１１１の内部へ電解液１３を注液し、注液された電解液１３を電極体１２の各電極板に浸透させる。さらに、注液口２４を封じ、電池１０の組み立てが完了する。

注液・浸透工程の後、拘束工程が行われる（工程３）。工程３では、電極体１２と電解液１３とが封入された電池ケース１１を、例えば、拘束治具によって外部から押圧された状態として拘束する。これにより、電池ケース１１内の電極体１２に適切な面圧が加えられる。

拘束工程の後、初回充電工程が行われる（工程４）。工程４では、拘束により面圧が加えられている状態で、所定の電圧となるまで電池１０を充電する。これにより、電池１０は満充電状態となる。

初回充電工程の後、高温エージング工程が行われる（工程５）。工程５では、満充電状態とされた電池１０を、充電装置から外して高温環境にて所定時間静置する。本形態では、例えば、６０℃の環境にて１日間エージング処理を行う。

高温エージング工程の後、自己放電工程が行われる（工程６）。工程６では、エージング処理された電池１０を常温環境へ移し、電極端子２１、２２を開放した状態のままでさらに放置する。これにより、電池１０は、自己放電する。本形態では、例えば、２５℃で３日間、自己放電させる。

自己放電工程の後、性能確認工程が行われる（工程７）。工程７では、自己放電後の電池１０を所定の手順で充放電し、電池容量と内部抵抗値とを測定する。この段階で、電池容量または内部抵抗値の少なくとも一方が許容範囲外であった電池１０は、不良品として除外される。

性能確認工程の後、外観検査工程が行われる（工程８）。工程８では、本形態の外観検査装置１００によって、電池１０の外面に照明３１によって近赤外線を照射しつつ、電池１０をカメラ３２で撮影する。つまり、例えば、図２に示したように、波長が１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線、より好ましくは１４２６〜１４３５ｎｍの範囲内の近赤外線を発光する照明３１によって、電池ケース１１に近赤外線を照射し、電池ケース１１で反射した近赤外線をカメラ３２で撮影する。工程８のうち、カメラ３２で撮影する工程が撮像工程の一例である。

さらに、本形態の外観検査装置１００のコンピュータ３０は、得られた画像から、階調が所定の検出閾値以下である画素を抽出し、抽出された画素が閾値個数以上連続する領域が有る場合に、その電池１０をＮＧ品と判定する。この工程が判定工程の一例である。階調が検出閾値以下の画素が無い電池１０や、検出閾値以下の画素が連続していない電池１０は、ＯＫ品であると判断して次工程に送る。

なお、電池１０と照明３１とカメラ３２との位置関係は、図２の例に限らない。つまり、照明３１は、電池１０のうちの検査対象となる箇所に光を照射できる位置にあればよい。また、カメラ３２は、照明３１によって照射された箇所からの反射光を撮影できる位置にあればよい。例えば、電池１０を覆い囲むようなドーム型照明を用いても良い。また、例えば、電池１０を覆い囲むように複数の方向から複数の照明３１にて照射しても良い。このようにすることで、照射箇所に陰影が発生し難く、特に、電池ケース１１の形状によって発生しがちな陰影による誤判定が抑止される。

また、カメラ３２の撮像階調は、８ｂｉｔに限らず、例えば、さらに高階調のものを使用しても良い。例えば、１０ｂｉｔや１２ｂｉｔのカメラを使用すれば、上述の例よりもさらに詳細に検出閾値をコントロール可能である。

以上詳細に説明したように、第１の形態の検査方法によれば、波長が１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線、より好ましくは１４２６〜１４３５ｎｍの範囲内の近赤外線を照射して、電池１０を撮影する。電解液１３が付着している箇所があると、その箇所からの近赤外線の反射光量が小さいことから、画像解析によって容易に判定できる。さらに、本形態では、組立直後ではなく、エージングや自己放電等の工程後に外観検査工程を行うことで、組立工程後の工程における電解液漏れが発生した場合にも検出できる。また、組立工程から時間が経過して付着した電解液１３が乾燥し、リチウム塩が析出している電池１０も確実に検出できる。さらに、外観検査を自動化できることから、省人化に寄与することができる。

次に、本発明を具体化した第２の形態について説明する。本形態は、検査対象や検査方法は、第１の形態とほぼ同様であり、判定方法が第１の形態とは異なる。第１の形態と同様の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

本形態では、第１の形態と同様に近赤外線を用いて電池１０を撮影する前、または撮影後に、近赤外線に代えて、例えば、可視光を用いて、検査対象の同じ電池１０を撮影する工程を追加する。つまり、照明３１と同様に可視光の光源を配置し、カメラ３２と同様に可視光を撮影できるカメラを配置して、同じ電池１０の可視光による撮影画像を取得する。前述したように、電解液１３のリチウム塩は可視光をほとんど吸収せず、可視光による撮影画像では、電解液１３の付着による光強度差はほとんど発生しない。なお、可視光に限らず、電解液１３による吸収率が小さい光源を用いればよい。

そして、本形態の判定工程では、コンピュータ３０にて、可視光による撮影画像と近赤外線による撮影画像とを比較し、近赤外線による撮影画像にのみ光強度差が大きく現れる箇所が有るか否かに基づいて、電解液１３の付着の有無を判定する。コンピュータ３０は、例えば、第１の形態と同様に、近赤外線による撮影画像中の光強度が小さい箇所、具体的には、階調が検出閾値以下の画素が所定の閾値個数以上集まっている箇所が有るか否かを判断し、有ると判断した場合、さらに、２枚の画像を、電池ケース１１の端の輪郭などを基準に位置合わせする。そして、上記の光強度が小さいと判断された箇所およびその周辺の画素について、可視光による撮影画像中の光強度と近赤外線による撮影画像中の光強度との差を取得する。これら２枚の画像中の光強度の差が、上記の箇所では周辺の画素に比較して有意に大きい場合、例えば、有意に大きいと判断できる所定の閾値を超えている場合に、この箇所に電解液１３が付着していると判定する。

なお、周辺の画像とは、例えば、光強度が小さいと判断された箇所に隣接する画素、光強度が小さいと判断された箇所からの距離が数ピクセル以内の箇所である。また、差の取得方法としては、ピクセルごとの光強度値の差に限らず、周辺画素の光強度値の平均値、標準偏差値、中央値等の統計量などを用いても良い。また、統計量を求めるために、撮影画像に対して、フィルタ処理等の前処理を適宜用いても良い。また、判定では、例えば、所定面積以上の範囲で差が有意に大きい場合にＮＧ判定とし、差が大きい範囲が所定面積に満たない場合はＯＫ判定としても良い。

本形態の検査方法によっても、第１の形態と同様に、電池ケース１１に付着した電解液１３の有無を、画像解析によって容易に判定できる。さらに、本形態では、可視光による撮影画像に基づいて、近赤外線による撮影画像中の光強度差が、撮像構成や電池１０の外形に起因するものか、電解液１３の付着によるものか、を判別する。これにより、電池１０の外形形状や撮像構成に起因して発生する光強度差の影響を抑制できることから、電解液１３の付着による光強度差をより精密に抽出でき、さらに詳細な判定が可能となる。

なお、本形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。従って、本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、検査対象の電池１０は、扁平角形のものに限らず、どのような形状のものであっても良い。また、電極体１２は、捲回型のものに限らず、積層型のものであっても良い。

また、コンピュータ３０は、カメラ３２にて撮影された画像データを取得できれば良く、照明３１やカメラ３２に接続されていなくても良い。

また、本形態では、ＬｉＰＦ₆を含む電解液１３を使用するとしたが、他のリチウム塩を含む電解液であっても良い。また、電解液に含まれる溶媒は、どんなものでも良い。

１０電池
１１電池ケース
３０コンピュータ
３１照明
３２カメラ
１００外観検査装置

Claims

リチウムイオン電池の外観を検査する外観検査方法であって、
検査対象のリチウムイオン電池である被検体に波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線を含む光を照射し、前記被検体をカメラで撮影する撮像工程と、
前記撮像工程にて撮影された前記被検体の画像に基づいて、光強度が所定値以下である所定面積以上の領域が有る場合に、前記被検体に電解液が付着していると判定する判定工程と、
を含むことを特徴とするリチウムイオン電池の外観検査方法。
リチウムイオン電池の外観を検査するリチウムイオン電池の外観検査装置であって、
波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線を含む光を照射する光源と、
波長１３８１〜１４６０ｎｍの範囲内の近赤外線を撮像可能なカメラと、
を備え、
検査対象のリチウムイオン電池である被検体に前記光源にて光を照射し、前記被検体を前記カメラで撮影した画像に基づいて、光強度が所定値以下である所定面積以上の領域が有る場合に、前記被検体に電解液が付着していると判定するリチウムイオン電池の外観検査装置。