JP2024058781A - 二次電池の漏れ検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ検査の精度を向上することができる二次電池の漏れ検査の方法を提供する。【解決手段】二次電池の漏れを検査する方法であって、注液口１１ａを封止した後に二次電池が６０℃以上に加熱された状態で漏れ検査を行う。【選択図】図２

Description

本開示は二次電池の漏れを検査する方法に関する。

特許文献１には、二次電池において液注入口を封止することが開示されている。また、特許文献２には、漏れ検査において検知ガス（Ｈｅ）を導入して封止し、外部を減圧することで漏れを検知することが開示されている。

特開２０１０－０２１１０４号公報 国際公開ＷＯ ２０１４／００３１７５

従来の漏れ検査ではその精度が不十分であることがあり、精度の向上が求められている。

そこで本開示は、漏れ検査の精度を向上することができる二次電池の漏れ検査の方法を提供することを課題する。

本願は、二次電池の漏れを検査する方法であって、注液口を封止した後に二次電池が６０℃以上に加熱された状態で漏れ検査を行う、二次電池の漏れ検査方法を開示する。

漏れ検査のための検知を注液口を囲う部材を用いて行うようにしてもよい。

加熱された状態が７５℃以上であってもよい。

本開示によれば漏れの検査の精度を高めることができる。

図１は二次電池１０の概要を説明する図である。 図２は漏れ検査方法Ｓ１０の流れを示す図である。 図３は温度測定位置を説明する図である。 図４は二次電池の製造方法Ｓ１００の流れを示す図である。

１．二次電池の構成
二次電池としては電解液を含む二次電池であれば特に限定されることはなく本開示の漏れ検知方法を適用することができるが、典型的に次のような構成を有するリチウムイオン二次電池が挙げられる。図１にその１つの形態例である二次電池１０を概念的に示した。

二次電池１０は、複数の単位セル１１が積層され、これらを２つの拘束板１２で挟み込むようにして固定されている。２つの拘束板１２は単位セル１１よりも大きくされており、単位セル１１からはみ出して対向するように配置された部位で、２つの拘束板１２を渡すように配置された不図示の棒状部材と棒状部材に配置されたボルトにより固定される。当該ボルトの締結力を調整することにより単位セル１１への押圧力を調整することができる。

１．１．単位セル
二次電池１０に具備される各単位セル１１には、単位蓄電要素が複数積層されてなり、その端部が端部部材により結束されてなる。単位蓄電要素は正極、負極、セパレータを有する。さらに、各単位セル１１にはその端面の一部に注液口１１ａを具備している。

［単位蓄電要素］
＜正極＞
正極は、正極集電体と正極活物質層とが積層されており、例えば矩形状の電極である。
正極集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、正極活物質層に電流を流し続けるための化学的に不活性な電気伝導体である。正極集電体を構成する材料としては、例えば、金属材料、導電性樹脂材料、導電性無機材料等を用いることができる。導電性樹脂材料としては、例えば、導電性高分子材料又は非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂等が挙げられる。集電体は、前述した金属材料又は導電性樹脂材料を含む１以上の層を含む複数層を備えてもよい。集電体の表面は、公知の保護層により被覆されてもよい。集電体の表面は、メッキ処理等の公知の方法により処理されてもよい。正極集電体は、例えば、箔状、シート状、フィルム状、メッシュ状等の形態に形成されていてもよい。正極集電体を金属箔とする場合、正極集電体として、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、チタン箔又はステンレス鋼箔等を用いることができる。集電体は、上記金属の合金箔又はクラッド箔であってもよい。

正極活物質層は、リチウムイオン等の電荷担体を吸蔵及び放出し得る正極活物質を含む。正極活物質としては、層状岩塩構造を有するリチウム複合金属酸化物、スピネル構造の金属酸化物、ポリアニオン系化合物など、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用可能なものを採用すればよい。また、２種以上の正極活物質を併用してもよい。

＜負極＞
負極は、負極集電体と負極活物質層とが積層されており、例えば矩形状の電極である。
負極集電体は正極集電体と同様に考えることができる。
負極活物質層は、リチウムイオンなどの電荷担体を吸蔵及び放出可能である単体、合金又は化合物であれば特に限定はなく使用可能である。例えば、負極活物質としてＬｉや、炭素、金属化合物、リチウムと合金化可能な元素もしくはその化合物等が挙げられる。炭素としては天然黒鉛、人造黒鉛、あるいはハードカーボン（難黒鉛化性炭素）やソフトカーボン（易黒鉛化性炭素）を挙げることができる。人造黒鉛としては、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ等が挙げられる。リチウムと合金化可能な元素の例としては、シリコン（ケイ素）及びスズが挙げられる。

＜セパレータ＞
セパレータは正極と負極との間に配置され、正極と負極とを隔離して両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオン等の電荷担体を通過させる部材である。セパレータはその一方の面に正極の正極活物質層が接するように積層され、他方の面に負極の負極活物質層が接するように積層される。
セパレータは、例えば、電解質を吸収保持するポリマーを含む多孔性シート又は不織布であってもよい。セパレータを構成する材料としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂の他、ポリアミド、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリアニリン、ポリエチレンテレフタラート、ポリスチレンセルロースなど、種々の樹脂材料が挙げられる。セパレータは、単層構造又は多層構造を有してもよい。多層構造は、例えば、接着層、耐熱層としてのセラミック層等を有してもよい。セパレータには電解質が含浸されている。

セパレータに含浸される電解質としては、例えば、非水溶媒と非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む液体電解質（電解液）などが挙げられる。
電解液は、非水溶媒と非水溶媒に溶解した電解質とを含んでいる。非水溶媒としては、環状カーボネート類、環状エステル類、鎖状カーボネート類、鎖状エステル類、エーテル類等の公知の溶媒を使用できる。また、これらの材料を単独、または二種以上組合せて用いてもよい。電解質としては、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＦＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２等の公知のリチウム塩を使用できる。

［注液口］
注液口１１ａは単位セル１１の端面に形成され、単位セル１１のセパレータに含浸される電解液の注入口となる。従って注液口１１ａから各セパレータには電解液が流れる流路が形成されている。ここで、電解液が流れる流路はセパレータ毎に設定されており独立している。従って具備されるセパレータの数の独立の流路があり、注液口１１ａも当該流路の数だけ設けられている。

２．漏れ検査方法
本開示の漏れ検査方法では、上記した二次電池１０に対して適用することができ、１つの例である漏れ検査方法Ｓ１０は減圧封止Ｓ１１、加熱Ｓ１２、及び、漏れ検査Ｓ１３の各工程を備えている。図２にその流れ（図２の左側）及び概念的な図（図２の右側）を示した。以下に各工程について説明する。

２．１．減圧封止
減圧封止Ｓ１１では、単位セル１１に電解液が注入された状態で単位セル１１の内部を減圧し、封止をする。
減圧の方法は特に限定されることはないが、注液口１１ａからの真空引きや製造中の二次電池を真空チャンバに入れること等を挙げることができる。
減圧された状態で注液口１１ａを封止する。封止の方法は特に限定されることはないが、例えば、注液口１１ａを形成する枠体１１ｂの端面に樹脂シート（ポチエチレンとポリエチレンテレフタレートとの積層シート）、金属板（アルミニウム）等の封止材１１ｃを溶着することで注液口１１ａを塞いで封止することができる。

２．２．加熱
加熱Ｓ１２では注液口１１ａが封止された状態で二次電池１０（単位セル１１）を加熱する。この加熱により単位セル１１の内部圧力（内圧）が上昇する。具体的にはこの加熱により単位セル１１内の電解液の蒸気圧や単位セル１１内に含まれる気体の膨張により内圧が上昇する。

二次電池の加熱方法は特に限定されることはないが二次電池を室温が調整された恒温室に配置して所定の時間の経過させる方法を挙げることができる。

加熱により達すべき具体的な温度は特に限定されることはなく単位セル１１の内圧が外部圧力に比べて高まれば漏れの検知精度を高めることはできるが、従来の漏れ検知方法に比べてその精度向上が特に顕著となる観点から単位セル１１が６０℃以上に達するように加熱することが好ましい。より好ましくは７５℃以上である。単位セル１１に含まれる電解質の種類等によって加熱による内圧上昇の程度は若干異なるが、発明者らの知見によれば、上記したような通常用いられる電解液であれば６０℃以上に達するように加熱することによって効果を奏するものとなる。
一方、加熱により達する温度の上限は特に限定されることはないが、温度を上げるほど内圧が高くなるため、温度を上げすぎると当該内圧に起因するシール破壊や単位セル１１の破裂が生じるのでこのようなシール破壊、破裂が生じない範囲とする。

ここで目的とする温度に至ったか否かについては、恒温室に入っていた時間と二次電池１０の単位セル１１の積層体うち最も積層方向端部に配置された集電板（正極集電板又は負極集電板）における温度分布との関係を予め調べておき、実際の二次電池の製造及び漏れ検査では恒温室の温度と恒温室に入っていた時間とで目的とする温度に至ったかを判定する。
ここで予め調べておく温度と時間との関係は、図３に示したように当該集電板１０ａの中央（ａ）、集電板１０ａの１つの隅部（ｂ）、集電板１０ａの矩形における長辺の中央（ｃ）、集電板１０ａの矩形における短辺の中央（ｄ）の各温度の全てが目的の温度に至るまでの時間とする。

２．３．漏れ検査
漏れ検査Ｓ１３では、加熱Ｓ１２で二次電池１０が加熱により昇温された状態で漏れの有無を検査する。漏れの有無の検査は公知の通りで行うことができるが、本形態では電解液成分を検知することが好ましい。これにより実際に漏れを防ぐ必要がある物質の漏れを直接に検知するため、必要な漏れ検査の精度を高めることができる。

特に、本開示では加熱Ｓ１２により単位セル１１の内圧を上昇させており、その状態で検査するため、漏れがあった場合には通常に比べて多くの電解液成分が流出することからその検出精度を高めることが可能となる。例えば、内圧を上昇させずに真空引きによる検知では漏れがある部位からの電解液成分の流出が少ないため精度を高めることが難しい。
ヘリウム等の不活性ガスをセル内に充填して内圧を上昇させる場合では、電解液成分に対して不活性ガスが漏れる割合が多くなり、電解液成分の検出精度を高めることが難しい。これらに比べて本開示によれば漏れがあった場合に電解液成分を多く流出させることができるため、必要な成分の漏れを検査精度を高めることができる。また、減圧封止後の検査にもかかわらず、減圧後にセル内にヘリウムを入れることで、単位セルの内圧が上昇してしまい、単位セルの内圧の規格を満足することができない。単位セルの内圧の規格ギリギリのレベルまで単位セル内にヘリウムを充填させても、ヘリウムの量が少なく、漏れ量が少なくなり、検知することが困難である。大気圧に対して、ヘリウムを充填したセル内圧の方が負圧になるため、ヘリウムがでてこない。減圧封止の仕様上、大気圧以下まで減圧しているため、ヘリウムを検出できない。これに対して電解液から発生するガスは、降温することで電解液に吸収されるため、必要な内圧を保証できる。

漏れ検査Ｓ１３で漏れの検査対象とする部位は特に限定されることはないが、注液口１１ａを検査対象とすることが好ましい。漏れが生じる場合の多くは注液口１１ａであることによる。二次電池全体を漏れ検査の対象とする場合には二次電池１０を所定の空間内に配置して空間内から気体を吸引してここに電解液成分が含まれるかを調べる。注液口１１ａを検査対象とする場合には図２に表したように注液口１１ａを覆うような部材２１を配置し、この部材２１内の気体を吸引してここに電解液成分が含まれるかを調べる。これによりさらに精度を高めることができる。

３．二次電池の製造方法
上記した漏れ検査方法は、二次電池の製造方法の工程の中の少なくとも１か所に組み込むことも可能である。図４に１つの形態例にかかる二次電池の製造方法Ｓ１００における各工程の流れを示した。図４からもわかるように、この二次電池の製造方法Ｓ１００には複数の工程に上記した漏れ検査方法Ｓ１０が組み込まれている。以下に各工程について説明する。

３．１．液注入
液注入Ｓ１０１では単位セル１１に電解液を注入する。液注入Ｓ１０１では、例えば、液注入前の二次電池がチャンバが入れられ、注液口１１ａに液供給管が接続される。液供給管に配置されたバルブを開いた真空引き管を介して真空ポンプによってチャンバ内の真空引きが行われ、バルブが閉じられてチャンバ内が減圧状態に保たれる。その状態で液供給管のバルブが開けられ、電解液がチャンバ内の二次電池（セル）へ送り込まれて電解液が単位セル１１に注入される。

３．２．漏れ検査方法
本形態では液注入Ｓ１０１の後に、上記した漏れ検査方法Ｓ１０に倣って漏れ検査方法Ｓ１０Ａによる漏れの検査が行われる。

３．３．初充電
漏れ検査方法Ｓ１０Ａによる検査に問題がなければ初充電Ｓ１０２が行われる。初充電の条件は特に限定されることなく公知の通りである。初充電Ｓ１０２では、充電によりガスが発生し、単位セル１１の内圧及び温度が上昇するが初充電Ｓ１０２はこれらが所定の許容範囲内に収まるように行うことができる。

３．４．漏れ検査方法
本形態では初充電Ｓ１０２の後に、上記した漏れ検査方法Ｓ１０に倣って漏れ検査方法Ｓ１０Ｂによる漏れ検査が行われる。ここで、当該漏れ検査方法Ｓ１０Ｂにおける減圧封止Ｓ１１における減圧は、上記のように初充電Ｓ１０２で単位セル１１の内圧が上昇しているため単位セル１１の内圧を低下させるガス抜きを兼ねて行うことができる。

３．５．高温エージング
漏れ検査方法Ｓ１０Ｂによる検査に問題がなければ高温エージングＳ１０３が行われる。高温エージングＳ１０３では、二次電池１０を例えば５０℃の高温で１５時間静置するような手順で慣らしを行う。

３．６．冷却
冷却Ｓ１０４では高温エージングＳ１０３で上昇させた温度を冷却する。

３．７．漏れ検査方法
本形態では冷却Ｓ１０４の後に、上記した漏れ検査方法Ｓ１０に倣って漏れ検査方法Ｓ１０Ｃによる漏れの検査が行われる。

３．８．効果等
本開示の漏れ検査方法Ｓ１０は、これを用いた二次電池の製造方法Ｓ１００において、上記のように封止をするごとに行うことができ、漏れ検査のための特別なガスを充填する必要もなく、加熱するのみで精度も高いため、効率よく二次電池の製造を行うことができる。

３．９．その他
二次電池の製造方法Ｓ１００で初充電Ｓ１０２の後に漏れ検査方法Ｓ１０Ｂを行うとき、減圧封止Ｓ１１を行うことを前提としたが、初充電Ｓ１０２ではセル内の温度が上昇しており、これに伴う内圧の上昇も起こっている。そこで、初充電Ｓ１０２の終了の時点での単位セル１１の温度が加熱Ｓ１２と同様の状態が得られていることを予め把握しておけば、漏れ検査方法Ｓ１０Ｂにおいて減圧封止Ｓ１１及び加熱Ｓ１２の工程を省略して漏れ検査Ｓ１３を行うこともできる。
同様に、二次電池の製造方法Ｓ１００で高温エージングＳ１０３において加熱Ｓ１２と同様の状態が得られることを予め把握しておくことで、高温エージングＳ１０３の後、冷却Ｓ１０４、減圧封止Ｓ１１、加熱Ｓ１２を行うことなく漏れ検査方法Ｓ１０Ｃの漏れ検査Ｓ１３を行うこともできる。

４．実施例
実施例では上記漏れ検査方法Ｓ１０に倣って漏れ検査を行う試験を行った。具体的には以下の通りである。

４．１．使用した二次電池（各例共通）
各例で適用した二次電池の仕様は次の通りである。
・電池容量：１４Ａｈ
・拘束圧：１００ｋＰａ（図１に倣って２つの拘束板で挟む。）
・正極目付：２２．３ｍｇ／ｃｍ^２
・負極目付：１１．４ｍｇ／ｃｍ^２
・電極面積：４３００ｍｍ^２
・残空間体積：拘束前４９ｍＬ、拘束後４６ｍＬ
・構造：正極、負極、セパレータから構成される捲回体と、封口体（フタ）を集電体で溶接したものを、アルミニウムのケースに封入し、封口体とケースを溶接して、電解液を注入し、封口体の注液口を溶接にて封止された構造体の電池である。

４．２．実施例１
実施例１では上記漏れ検査方法Ｓ１０に倣って各工程を行った。
＜減圧封止Ｓ１１＞
チャンバー内に単位セルを入れ、注液口に部分チャンバーを接続し、チャンバー内を減圧した。チャンバー減圧後、部分チャンバーにて、セル内部を減圧した。その後、注液口部に封止材を張り付け溶着し封止した。
なお、この減圧封止は試験のため、予めどの程度漏れが生じるかについて既知の漏れ状態とした。

＜加熱Ｓ１２＞
実施例１では６５℃の恒温室で加熱することにより二次電池の昇温を行った。

＜漏れ検査Ｓ１３＞
漏れ検査は、加熱Ｓ１２による加熱昇温状態で注液口部に部分チャンバーを接続し、減圧することで行った。その際、注液口部から漏れてくる電解液成分を検査した。規定以上の成分が検出された時点をＮＧとして漏れ検査結果とした。なお、チャンバー内に密封されたセルを入れチャンバー内を減圧してから実施すると、さらに感度は向上する。

４．３．実施例２
実施例２では実施例１に対して加熱Ｓ１２で恒温室を７５℃とした。

４．４．実施例３
実施例３では実施例１に対して加熱Ｓ１２で恒温室を６０℃とした。

４．５．比較例１
比較例１では単位セル内の減圧及び加熱することなく（２５℃）封止し、二次電池を減圧チャンバーに配置して減圧検査による漏れ検査を行った。なお、封止状態は実施例１と同様である。

４．６．評価及び結果
比較例１の漏れ検査の結果を検出感度１とし、実施例１、実施例２、実施例３のそれぞれの漏れ検出結果を比率で評価した。表１に結果を示す。

表１からわかるように減圧検査に対し、加熱の工程を含み、６０℃以上に加熱とすることにより検出感度、すなわち検出精度を減圧検査に対して高めることができた。

１０…二次電池、１１…単位セル、１１ａ…注液口、１１ｂ…枠体、１１ｃ…封止材、１２…拘束板、Ｓ１０…漏れ検査方法、Ｓ１１…減圧封止、Ｓ１２…加熱、Ｓ１３…漏れ検査

Claims (3)

1. 二次電池の漏れを検査する方法であって、
   注液口を封止した後に前記二次電池が６０℃以上に加熱された状態で漏れ検査を行う、
   二次電池の漏れ検査方法。
2. 前記漏れ検査のための検知を前記注液口を囲う部材を用いて行う、請求項１に記載の二次電池の漏れ検査方法。
3. 前記加熱された状態が７５℃以上である、請求項１又は２に記載の二次電池の漏れ検査方法。

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