JP2023062740A - リチウムイオン二次電池の初期充放電用コンテナおよび初期充放電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池の製造過程において、初期充放電を効率的に行うことを可能にする初期充放電用コンテナを提供する。
【解決手段】１つまたは複数の単セル１０１を積層方向に拘束して保持するセルホルダ２と、複数のセルホルダ２を収容する箱体であり、充放電装置を接続するための正極端子と負極端子とが設けられたコンテナ本体３と、を備え、セルホルダ２がコンテナ本体３に収容された状態で、単セル１０１の正極とコンテナ本体３の正極端子とが接続され、単セル１０１の負極とコンテナ本体３の負極端子とが接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の初期充放電用コンテナおよび初期充放電方法に関する。

リチウムイオン二次電池は、小型軽量でエネルギー密度が高い、自己放電量が少ない、などという利点を有するため、自動車用蓄電池や電気・電子機器用蓄電池などとして広く使用されている。また、近年、金属製の集電体に代って樹脂製の集電体を用いたリチウムイオン二次電池が開発されている（特許文献１参照。）。すなわち、樹脂製の正極集電体の表面に正極活物質層が形成された正極と、樹脂製の負極集電体の表面に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータを介して積層された積層体を単セル（シールセル）とする。そして、１つの単セルまたは積層した複数の単セルを外装体に収容、密封して、所望の電圧と容量を有するリチウムイオン二次電池とする。

また、このようなリチウムイオン二次電池の内部抵抗を低減できる、という電池の製造方法が知られている（特許文献２参照。）。この製造方法は、正極と負極とをセパレータを介して積層して単セルを形成する単セル形成工程と、１つの単セルまたは２つ以上積層された単セルを積層方向から加圧する面プレス工程と、面プレス工程の後に、１つの単セルまたは２つ以上積層された単セルを充電する初期（初回）充電工程と、を有する。このように、初期充電工程の前に単セルを加圧、成形することで、電池の内部抵抗を低減できるものである。

特開２０１７－０４５５３０号公報 特開２０１９－１８６００３号公報

ところで、初期充電工程において単セルごとに充電を行うと、各単セルをそれぞれ充電装置に接続したり充電電圧や充電時間などを管理したりしなければならず、多大な労力と時間とを要する。特に、集電体が樹脂製の場合に、単セルごとに外装体に収容、密封して初期充電を行うと、その後、単セルを外装体から取り出して積層などしなければならず、効率・生産性が悪い。

そこで本発明は、リチウムイオン二次電池の製造過程における初期充電や初期放電を効率的に行うことを可能にする、リチウムイオン二次電池の初期充放電用コンテナおよび初期充放電方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、正極集電体に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータを介して積層された単セルを１つまたは複数備えるリチウムイオン二次電池の製造過程において、初期充放電を行うための初期充放電用コンテナであって、１つまたは複数の前記単セルを積層方向に拘束して保持するセルホルダと、複数の前記セルホルダを収容する箱体であり、充放電装置を接続するための正極端子と負極端子とが設けられたコンテナ本体と、を備え、前記セルホルダが前記コンテナ本体に収容された状態で、前記単セルの正極と前記コンテナ本体の正極端子とが接続され、前記単セルの負極と前記コンテナ本体の負極端子とが接続される、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の初期充放電用コンテナにおいて、前記セルホルダおよび前記コンテナ本体の少なくとも一方に、空気中の水分による前記単セルへの影響を防止する低湿度管理手段を備える、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の初期充放電用コンテナにおいて、前記コンテナ本体にガイドが設けられ、前記セルホルダを前記ガイドに沿ってスライドさせることで前記コンテナ本体に収容可能となっている、ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３に記載の初期充放電用コンテナにおいて、前記セルホルダおよび前記コンテナ本体の少なくとも一方に、前記単セルから発生するガスを除去するガス除去手段を備える、ことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、正極集電体に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータを介して積層された単セルを１つまたは複数備えるリチウムイオン二次電池の製造過程において、初期充放電を行うための初期充放電方法であって、１つまたは複数の前記単セルを積層方向に拘束してセルホルダで保持し、充放電装置を接続するための正極端子と負極端子とが設けられたコンテナ本体に、複数の前記セルホルダを収容することで、前記単セルの正極と前記コンテナ本体の正極端子とを接続して、前記単セルの負極と前記コンテナ本体の負極端子とを接続し、前記コンテナ本体の正極端子と負極端子とに前記充放電装置を接続して、複数の前記単セルを充放電する、ことを特徴とする。

請求項１および請求書５に記載の発明によれば、単セルを保持した複数のセルホルダをコンテナ本体に収容すると、各単セルの正極がコンテナ本体の正極端子に接続され、各単セルの負極がコンテナ本体の負極端子に接続される。このため、コンテナ本体の正極端子と負極端子とに充放電装置を接続するだけで、各単セルを充放電装置に接続することができるとともに、充放電電圧や充放電時間などの管理も複数の単セルに対して同時に行うことが可能となる。このため、リチウムイオン二次電池の製造過程における初期充放電を効率的に行うことが可能となる。

一方、セルホルダで単セルを積層方向に拘束して保持するため、初期充放電中に単セルが変形するのを防止して、単セルの内部抵抗を低減することが可能となる。つまり、より適正な初期充放電が可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、低湿度管理手段によって空気中の水分による単セルへの影響が防止されるため、空気中の水分が接触・付着して単セルが性能低下したり劣化したりするのを防止することが可能となる。この結果、コンテナ本体に単セルを収容した後は、低湿度に管理された環境下（ドライクリーンルーム内）でなくても、初期充放電を行うことが可能となり、効率・生産性、柔軟性が向上するとともに、設備費や管理費を削減することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、セルホルダをガイドに沿ってスライドさせるだけで、セルホルダをコンテナ本体に収容可能なため、容易かつ迅速に複数のセルホルダつまり単セルをコンテナ本体に収容することが可能となる。この結果、初期充放電をより効率的に行うことが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、単セルから発生するガスがガス除去手段で除去されるため、ガスが滞留・充満することによる単セルへの悪影響を防止して、初期充放電をより適正に行うことが可能となる。

この発明の実施の形態に係る初期充放電用コンテナの使用方法を示す斜視図である。 この発明の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の単セルの構成を示す断面図である。 図１の初期充放電用コンテナのコンテナ本体内に複数のセルホルダを配置した状態を示す正面図である。 図３の状態からコンテナ本体のドアを閉めた状態を示す正面図である。 図１の初期充放電用コンテナに充放電装置を接続した状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の初期充放電手順を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１～図６は、この発明の実施の形態を示し、図１は、この発明の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の初期充放電用コンテナ（以下、「初期充放電用コンテナ１」という）の使用方法を示す斜視図である。この初期充放電用コンテナ１は、単セル１０１を１つまたは複数備えるリチウムイオン二次電池の製造過程において、単セル１０１に対して初期充放電を行うためのコンテナである。

ここで、単セル１０１は、図２に示すような構成となっている。すなわち、樹脂製の正極集電体１０２の表面に正極活物質層１０３が形成された正極１０１Ａと、樹脂製の負極集電体１０４の表面に負極活物質層１０５が形成された負極１０１Ｂとが、正極活物質層１０３と負極活物質層１０５とが対向するようにセパレータ１０６を介して積層されている。また、正極集電体１０２と負極集電体１０４とが所定の間隔で配置、保持されるように、正極集電体１０２と負極集電体１０４の端部がシール部材１０７によって支持され、全体が略四角い平盤形に形成されている。

このような単セル１０１が１つまたは複数、ラミネートなどの外装体に収容、密封されてリチウムイオン二次電池が構成されるが、本製造過程においては、外装体に収容されていないシールセルの状態で各単セル１０１に対して初期充電を行う。また、この実施の形態では、初期充電（化成充電）とそれに続く初期放電（初回放電容量確認）とを初期充放電として行う場合について説明する。つまり、初期充放電用コンテナ１を使用して単セル１０１を初期充電および初期放電する場合について説明するが、初期充電のみを行ったり、初期放電のみを行ったりしてもよい。つまり、本発明における初期充放電とは、初期充電のみ、初期放電のみ、あるいは、初期充電と初期放電の双方を行う場合を含む。ここで、初期放電は、主に負極１０１Ｂに強固なＳＥＩ（Solid Electrolyte Interface）膜を形成することを目的に行う充電であり、その充電電圧や充電電流などは、正極１０１Ａおよび負極１０１Ｂの材質や定格容量などに基づいて設定される。

初期充放電用コンテナ１は、主として、複数のセルホルダ２と、コンテナ本体３と、環境管理装置（低湿度管理手段、ガス除去手段）４と、を備える。

セルホルダ２は、１つまたは複数の単セル１０１を積層方向に拘束して保持するホルダであり、この実施の形態では、１つの単セル１０１を出し入れ自在に収容するように構成されているが、複数の単セル１０１を収容する構成にしてもよい。このセルホルダ２は、略長方形の第１の平面部２１１の外周縁に垂直に立ち上がる第１の側壁２１２が形成された第１のホルダ２１と、略長方形の第２の平面部２２１の外周縁に垂直に立ち上がる第２の側壁２２２が形成された第２のホルダ２２とが、ヒンジ機構によって開閉自在に連結されている。そして、第１のホルダ２１内に単セル１０１を配置して第２のホルダ２２を閉じることで、第１の平面部２１１と第２の平面部２２１とで単セル１０１を積層方向に拘束して、単セル１０１の全面を覆うように収容、保持する。また、ロック機構を備え、第２のホルダ２２を閉じてロックをオンすると閉じた状態が維持され、ロックを解除すると第２のホルダ２２を開けられるようになっている。

このようなセルホルダ２の内部空間は、単セル１０１を所定の圧力で拘束し、かつ、単セル１０１をほぼ隙間なく収容できるように設定されている。さらに、第２のホルダ２２が開いた状態で、コンベアやロボットアームなどの自動化設備を用いて単セル１０１を第１のホルダ２１内に配置できるように、セルホルダ２の形状や大きさが設定されている。

また、第１の平面部２１１の内面には、単セル１０１の負極１０１Ｂと接して導通する負極板（図示せず）が配設され、この負極板の一端部である負極単片２３が、前面側（コンテナ本体３に収容された際に前方に位置する面側）の第１の側壁２１２ａの一端側に配設されている。同様に、第２の平面部２２１の内面には、単セル１０１の正極１０１Ａと接して導通する正極板（図示せず）が配設され、この正極板の一端部である正極単片２４が、前面側の第２の側壁２２２ａの他端側に配設されている。そして、負極１０１Ｂが第１の平面部２１１に対向し正極１０１Ａが第２の平面部２２１に対向するように、単セル１０１をセルホルダ２に収容すると、単セル１０１の負極１０１Ｂが負極単片２３に電気体に導通し、正極１０１Ａが正極単片２４に電気体に導通する。また、このような収容状態（第２のホルダ２２を閉じた状態）では、セルホルダ２の前面の一端側に負極単片２３が配置され、前面の他端側に正極単片２４が配置される。

コンテナ本体３は、複数のセルホルダ２を出し入れ自在に収容する密閉式の箱体で、充放電装置２０１を接続するための正極端子３１と負極端子３２とが設けられたキャビネットである。すなわち、略立方体で、前面のドア３３がヒンジ機構によって開閉自在となっている。また、図１、図３に示すように、対向する両側壁の内面には、前面側から背面側に向かって延びるガイドプレート（ガイド）３４が、対向して上下方向に複数配設されている。このガイドプレート３４の上下方向の間隔は、ガイドプレート３４間にセルホルダ２を挿入、配置できるように設定されている。

これにより、セルホルダ２をガイドプレート３４に沿ってスライドさせることで、セルホルダ２をコンテナ本体３内に配置、収容できるようになっている。また、コンベアやロボットアームなどの自動化設備を用いてセルホルダ２をガイドプレート３４に沿ってスライドさせて、セルホルダ２をコンテナ本体３に対して出し入れできるように、ガイドプレート３４の形状や配設位置が設定されている。

このようにして、複数のセルホルダ２をコンテナ本体３内に配置した状態では、図３に示すように、コンテナ本体３の前面側の一端側に複数の負極単片２３が上下方向に並んで配置され、他端側に複数の正極単片２４が上下方向に並んで配置される。つまり、左右に分かれて負極単片２３群と正極単片２４群が配置される。一方、ドア３３の表面に負極端子３２と正極端子３１とが左右に配設され、ドア３３の内面に、正極端子３１と導通し上下方向に延びる正極プレート３１１と、負極端子３２と導通し上下方向に延びる負極プレート３２１とが配設されている。

そして、複数のセルホルダ２をコンテナ本体３内に配置してドア３３を閉じると、各正極単片２４が正極プレート３１１と接触、導通し、各負極単片２３が負極プレート３２１と接触、導通するように、セルホルダ２の収容位置、ドア３３の形状などが設定されている。これにより、複数のセルホルダ２がコンテナ本体３に収容された状態で（ドア３３を閉じた状態で）、各単セル１０１の正極１０１Ａとコンテナ本体３の正極端子３１とが、正極単片２４および正極プレート３１１を介して電気的に接続される。同様に、各単セル１０１の負極１０１Ｂとコンテナ本体３の負極端子３２とが、負極単片２３および負極プレート３２１を介して電気的に接続される。このように、この実施の形態では、複数の単セル１０１が並列に接続される。

また、コンテナ本体３の上部には環境管理装置４が配設されている。この環境管理装置４は、コンテナ本体３内の湿度を低く制御、管理することで、空気中の水分による単セル１０１への影響を防止する低湿度管理機能を備える。すなわち、ドライクリーンルームと同様に乾式除湿器や水分吸着剤などを備えたり、室内を減圧する真空ポンプを備えたりすることで、コンテナ本体３内を極めて低湿度（例えば、露点温度が－３０℃～－５０℃）な環境にするものである。

さらに、環境管理装置４は、単セル１０１から発生するガスを除去するガス除去機能を備える。すなわち、室内を減圧する真空ポンプを備えたり、単セル１０１から発生したガスを吸着させるガス吸着剤や、コンテナ本体３内の気圧が所定値以上になるとガスを外に排出する排気弁などを備えたりして、単セル１０１から発生したガスがコンテナ本体３内に滞留・充満しないようにするものである。

次に、このような構成の初期充放電用コンテナ１を使用した初期充放電方法などについて、図６のフローチャートに基づいて説明する。

まず、例えば、単セル１０１を積層方向から加圧、成形する面プレス工程や、充放電前のセル検査などの前工程（ステップＳ１）を経て単セル１０１を受け取ると、各単セル１０１をそれぞれセルホルダ２に収容することで積層方向に拘束して保持し、コンテナ本体３に複数のセルホルダ２を収容する（ステップＳ２）。これにより、上記のように、各単セル１０１の正極１０１Ａとコンテナ本体３の正極端子３１とが接続され、各単セル１０１の負極１０１Ｂとコンテナ本体３の負極端子３２とが接続される。このステップＳ２までは、極めて低湿度に管理された環境下（ドライクリーンルーム内）で作業を行う。

続いて、図５に示すように、コンテナ本体３の正極端子３１と負極端子３２とに充放電装置２０１を接続して、複数の単セル１０１に対して充放電検査を行う（ステップＳ３）。すなわち、ケーブル２０２を介して充放電装置２０１の正極プラグ２０１Ａとコンテナ本体３の正極端子３１とを接続し、充放電装置２０１の負極プラグ２０１Ｂとコンテナ本体３の負極端子３２とを接続することで、各単セル１０１を充放電装置２０１に並列に接続する。そして、充放電装置２０１を起動させることで、初期充電と初期放電とを連続的に行う。

ここで、この実施の形態では、充放電装置２０１に計測計および計測端子を備え、計測端子をパイロットの単セル１０１（代表するセル）に接続して電流、電圧および経過時間を計測、記憶する。そして、充電時に所定の電圧、電流に達して安定状態になると充電を終了し、続いて、放電時に所定の終止電圧に達した時点で放電を終了する。この充放電検査ステップＳ３は、上記のように、コンテナ本体３内が極めて低湿度に制御、管理されているため、湿度が管理されていない通常の環境・部屋にコンテナ本体３を移動して作業を行う。

そして、充放電検査が終了すると、コンテナ本体３をドライクリーンルーム内に移動させて、コンテナ本体３からセルホルダ２を取り出し、セルホルダ２から単セル１０１を取り出して単セル１０１への拘束を解除する（ステップＳ４）。続いて、充放電後のセル検査などの後工程に単セル１０１を引き渡すものである（ステップＳ５）。

以上のように、この初期充放電用コンテナ１および初期充放電方法によれば、単セル１０１を保持した複数のセルホルダ２をコンテナ本体３に収容すると、各単セル１０１の正極１０１Ａがコンテナ本体３の正極端子３１に接続され、各単セル１０１の負極１０１Ｂがコンテナ本体３の負極端子３２に接続される。このため、コンテナ本体３の正極端子３１と負極端子３２とに充放電装置２０１を接続するだけで、各単セル１０１を充放電装置２０１に接続することができるとともに、充放電電圧や充放電時間などの管理も複数の単セル１０１に対して同時に行うことが可能となる。このため、リチウムイオン二次電池の製造過程における初期充放電を効率的に行うことが可能となる。しかも、充放電装置２０１に対して複数のコンテナ本体３を接続することで、より多くの単セル１０１に対して初期充放電を同時に行うことが可能となる。

また、セルホルダ２をガイドプレート３４に沿ってスライドさせるだけで、セルホルダ２をコンテナ本体３に収容可能（出し入れ可能）なため、容易かつ迅速に複数のセルホルダ２つまり単セル１０１をコンテナ本体３に収容することが可能となる。この結果、初期充放電をより効率的に行うことが可能となる。

一方、セルホルダ２で単セル１０１を積層方向に拘束して保持するため、初期充放電中に単セル１０１が変形するのを防止して、単セル１０１の内部抵抗を低減することが可能となる。つまり、より適正な初期充放電が可能となる。

また、環境管理装置４の低湿度管理機能によって空気中の水分による単セル１０１への影響が防止されるため、空気中の水分が接触・付着して単セル１０１が性能低下したり劣化したりするのを防止することが可能となる。この結果、コンテナ本体３に単セル１０１を収容した後は、低湿度に管理された環境下（ドライクリーンルーム内）でなくても、初期充放電を行うことが可能となり、効率・生産性、柔軟性が向上するとともに、設備費や管理費を削減することが可能となる。

さらに、環境管理装置４のガス除去機能によって単セル１０１から発生するガスが除去されるため、ガスが滞留・充満することによる単セル１０１への悪影響を防止して、初期充放電をより適正に行うことが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、コンテナ本体３に環境管理装置４を備える場合について説明したが、セルホルダ２に低湿度管理機能やガス除去機能を設けてもよい。また、セルホルダ２の前面に負極単片２３と正極単片２４を設け、ドア３３を閉じた時点でコンテナ本体３の正極端子３１および負極端子３２と接続する場合について説明したが、セルホルダ２の背面などに負極単片２３と正極単片２４を設け、セルホルダ２をコンテナ本体３内に挿入、配置した時点で、コンテナ本体３の正極端子３１および負極端子３２と接続するようにしてもよい。

また、セルホルダ２が単セル１０１の全面を覆って収容、保持するようになっているが、単セル１０１の一部を開放して保持するようにしてもよい。さらに、充放電装置２０１が充電と放電を行える装置の場合について説明したが、充電のみ行える装置と放電のみ行える装置とを使い分けてもよい。

１ 初期充放電用コンテナ
２ セルホルダ
２３ 負極単片
２４ 正極単片
３ コンテナ本体
３１ 正極端子
３２ 負極端子
３４ ガイドプレート（ガイド）
４ 環境管理装置（低湿度管理手段、ガス除去手段）
１０１ 単セル
１０１Ａ 正極
１０１Ｂ 負極
１０２ 正極集電体
１０３ 正極活物質層
１０４ 負極集電体
１０５ 負極活物質層
１０６ セパレータ
１０７ シール部材
２０１ 充放電装置

Claims (5)

1. 正極集電体に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータを介して積層された単セルを１つまたは複数備えるリチウムイオン二次電池の製造過程において、初期充放電を行うための初期充放電用コンテナであって、
   １つまたは複数の前記単セルを積層方向に拘束して保持するセルホルダと、
   複数の前記セルホルダを収容する箱体であり、充放電装置を接続するための正極端子と負極端子とが設けられたコンテナ本体と、を備え、
   前記セルホルダが前記コンテナ本体に収容された状態で、前記単セルの正極と前記コンテナ本体の正極端子とが接続され、前記単セルの負極と前記コンテナ本体の負極端子とが接続される、
   ことを特徴とするリチウムイオン二次電池の初期充放電用コンテナ。
2. 前記セルホルダおよび前記コンテナ本体の少なくとも一方に、空気中の水分による前記単セルへの影響を防止する低湿度管理手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池の初期充放電用コンテナ。
3. 前記コンテナ本体にガイドが設けられ、前記セルホルダを前記ガイドに沿ってスライドさせることで前記コンテナ本体に収容可能となっている、
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池の初期充放電用コンテナ。
4. 前記セルホルダおよび前記コンテナ本体の少なくとも一方に、前記単セルから発生するガスを除去するガス除去手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池の初期充放電用コンテナ。
5. 正極集電体に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータを介して積層された単セルを１つまたは複数備えるリチウムイオン二次電池の製造過程において、初期充放電を行うための初期充放電方法であって、
   １つまたは複数の前記単セルを積層方向に拘束してセルホルダで保持し、
   充放電装置を接続するための正極端子と負極端子とが設けられたコンテナ本体に、複数の前記セルホルダを収容することで、前記単セルの正極と前記コンテナ本体の正極端子とを接続して、前記単セルの負極と前記コンテナ本体の負極端子とを接続し、
   前記コンテナ本体の正極端子と負極端子とに前記充放電装置を接続して、複数の前記単セルを充放電する、
   ことを特徴とするリチウムイオン二次電池の初期充放電方法。

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