JP4403858B2 - 二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造方法及び製造装置に関する。より詳細には、二次電池或いは電気二重層キャパシタにおける外装体の封止に関連する製造方法及び製造装置に関する。

携帯電話、ノートパソコン等のIT機器に搭載される電源として二次電池が多く用いられ、またこれらのバックアップ電源等の用途に電気二重層キャパシタが用いられつつある。これらIT機器は、小型化と同時に様々な機能の付加が進められており、用いられる電源に対しても同時に小型化、薄型化、及び軽量化が求められている。当該要求に対応する電池或いはキャパシタの形態として、例えば、アルミラミネートの外装体を用いた電極積層型の電池が挙げられる。電極積層型の電池は、いわゆる巻回型の電池と比較して薄型化が容易であり、且つ金属缶が不要であることから低コスト化或いは軽量化も容易である。

図３に二次電池及び電気二重層キャパシタの具体的構成の概略を示す。これら二次電池等１は、正極３、セパレータ５、負極７を積層して得られる積層体及び積層体中に含浸される電解液を有している。正極３及び負極７は、各々略方形状の本体部分３ａ、７ａと当該本体部分から突出する外部端子接続部（タブ）３ｂ、７ｂとを有している。これら外部端子接続部は、それぞれ単一のリード１３に接続されている。セパレータ５及び各電極の本体部分からなる積層体本体を、例えばアルミラミネートからなる外装体１１中に収納し、シール部材９によりリード１３をシールすることにより、積層体本体を外装体１１内に封止している。また、外装体１１は、概略積層体本体の上下面に配置される二つに折り曲げられた構成体からなり、これら構成体を積層体本体の外周を囲む封止領域において接着、封止することで、積層体の収納を行っている。

二次電池は、積層体または巻回体を電解液に浸漬させた後、24時間以内にいわゆる初期充電を行わないと電池として十分な特性を得ることができないことが知られている。また、この初期充電を行った際に、電池内部においてガスが発生することも知られている。電気二重層キャパシタの場合前述した初期充電自体は必須ではないが、初回の充電時にやはり電池内部にガスが発生することが知られている。
通常、初期充電或いは初回の充電は封止が完了した状態で行う必要があるが、充電後にこの発生したガスを電池内部から取り除く工程が必要となる。
このガスは外装体を膨らませ、二次電池或いは電気二重層キャパシタの外形寸法が所定の寸法におさまらなくなったり、電極やセパレータが離間したりする不具合を引き起こす場合がある。また圧力が異常に高くなった場合には外装体を破裂させる恐れがある。

外装体が金属製の缶からなる二次電池においては、このガス抜きのために例えばリリース弁を外装体に付加する等の対策がとられている（特許文献１参照）。しかし、外装体がアルミラミネート材（樹脂、アルミ箔、樹脂の積層シート）からなる袋状の構造体からなる場合には、前述したリリース弁等の機械的構造物を付加することは困難と思われる。このため、例えば特許文献２には減圧環境にて外装体内部のガスを除去する方法が、また特許文献３には封止状態にある電池を再開封して内部のガスを排気した後に再度封止を行う方法が開示されている。また、本出願人は特許文献４に開示するように、外装体にガス抜き用の未接合部分を形成し、この部分を用いてガス抜きを行った後に当該未接合部分を封止する方法を提案している。

特開２０００−３５３５４７号公報 特開２００２−２１６８５１号公報 特開２０００−０６７９２５号公報 特開２０００−３５３４９７号公報

特許文献２乃至４に開示されるガス抜き方法においては、内部にガスが発生した二次電池等を減圧空間中に保持し、封止状態にある外装体の一部を二次電池等の外部空間に対して開放することによってガスを外部空間に放出させている。なお、ガス抜き後に、この開放部分を封止することなく二次電池等を減圧空間或いは環境から取り出した場合には、減圧状態にある外装体内部に大気及び大気中の水分が侵入してしまう。水分は電解液を劣化させる等の働きを有することからこのような事態の発生を極力防止する必要がある。このため、ガス抜き後に、減圧空間中において直ちに開放部分の封止を行う必要がある。

また、封止工程上、特許文献３に開示されるように、ダクト等を用いて開封部分から局所的にガスの排気を行うことが排気効率の上で好適と思われる。しかし、ガスが発生して内部が加圧状態にある電池を開封した場合、急激なガスの排出と共に電池内部に封入された過剰な電解液等が飛散する場合があることが知られている。この現象によって、ダクト等が細い場合には電解液等がダクト内部につまり、ガス及び電解液等を好適に排出することは困難になることが考えられる。このため、ある程度以上の広さを有する空間に対して電池の開封が行われると共に、当該空間内において、飛散した電解液等のふき取りを可能とする必要があると思われる。従って、特許文献４に開示する方法によって電池内部のガスを排出することが最も好適と思われる。

なお、特許文献３或いは４に開示する方法においては、電池の再封止作業が行われる。この再封止部分は最終製品たる電池等としての封止強度に直接関係することから、充分な溶着処理が行われると同時に、溶着強度を高める溶着後の冷却処理も同様に行われることが好ましい。先にも述べたように、開封状態の電池等は、その内部への水分の侵入等を防止する必要性から常に減圧空間中に保持される必要がある。従って、最封止のための溶着処理及び冷却処理を連続して行う場合、これら処理に用いる装置を減圧環境に配置する必要が生じる。

しかしながら、このような構成を構築した場合この減圧環境とされる空間は非常に大きなものとなり、当該空間を減圧環境にするために要する時間は非常に長くなると考えられる。また、このような減圧環境或いは空間を形成する構造体を充分な強度を伴わせて構成する場合、その材料選択、設計等において種々の制約が生じてしまい状況によっては当該構造体の構築自体が困難となることも考えられる。また、このような構造体が構築可能であった場合においても、限られた空間内に開封装置、再溶着用の装置、冷却装置等を配置することなり、これら装置のメンテナンス性は大きく損なわれると思われる。

本発明は、以上の状況に鑑みて案出されたものであり、二次電池或いは電気二重層キャパシタを製造する際に、外装体封止後に電池等内部に発生するガスの排出を容易にすると共に再封止に際して、外装体に対して充分な封止強度を与え得る製造装置及び製造方法の提供を目的としている。また、本発明は、比較的小型の減圧容器内部に配置する機構を最小限に抑えることにより当該製造装置のメンテナンス性を高めつつ、且つ得られる電池等の製品品質である封止強度、信頼性等の向上を可能とする製造装置及び製造方法の提供を目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造装置は、減圧容器内部に配置されて二次電池或いは電気二重層キャパシタの外装体に対してその内部に連通する開封部を形成して外装体内部のガスを排出するガス抜き装置と、減圧容器の内部に配置されて開封部を一時的に封止して封止部を形成する第一の封止装置と、減圧容器の外部に配置されて第一の封止後の封止部を再度封止する第二の封止装置と、ガス抜き装置、第一の封止装置、及び第二の封止装置の間で二次電池或いは電気二重層キャパシタを搬送する搬送装置とを有することを特徴としている。

なお、上述した製造装置においては、第二の封止後の封止部を冷却する冷却装置をさらに有し、搬送装置は二次電池或いは電気二重層キャパシタを冷却装置に対しても搬送することが好ましい。また、上述した製造装置において、二次電池或いは電気二重層キャパシタは軟質シートからなる外装体を有すると共に、外装体は封止形状を形成する溶着領域に外部とは連通しない未溶着領域を有し、ガス抜き装置は未溶着領域において開封部を形成することが好ましい。更に、上述の製造装置において、第一の封止装置は熱圧着或いは超音波圧着によって封止を行うことが好ましい。また、第二の封止装置についても、熱圧着或いは超音波圧着によって封止を行うことが好ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造方法は、減圧空間において二次電池或いは電気二重層キャパシタの外装体に開封部を形成することにより二次電池或いは電気二重層キャパシタ内部に存在するガスを減圧空間に排出させる工程と、減圧空間において、二次電池或いは電気二重層キャパシタを搬送した際にその封止状態が維持される程度の強度で開封部を一時的に仮封止して封止部を形成する工程と、仮封止後の二次電池或いは電気二重層キャパシタを大気中に取り出して封止部が所望の封止強度或いは密閉性を有するように再度封止を行う工程とを有することを特徴としている。

なお、上述した製造方法においては、再度封止を行った後に、封止部に対して冷却処理を施す工程をさらに有することが好ましい。また、上述した製造方法においては、二次電池或いは電気二重層キャパシタは軟質シートからなる外装体を有すると共に、外装体は封止形状を形成する溶着領域に外部とは連通しない未溶着領域を有し、開封部は未溶着領域に形成されることが好ましい。更に、上述した製造方法において、第一の封止工程は熱圧着或いは超音波圧着によって封止を行う工程であることが好ましい。また、第二の封止工程は熱圧着或いは超音波圧着によって封止を行う工程であることが好ましい。

本発明によれば、二次電池等の内部に発生したガスを、電池等内部からある程度の広さを有する空間に対して放出させることから、電解液等がこれに伴って飛散したとしても、ガス排出に影響を与えることがない。従って、ガスは容易且つ確実に排出されることとなる。また、電解液等がある程度の広さを有する減圧空間に飛散することから、その気化が容易且つ急速に進行して特にこれらをふき取る等の作業を行わなくとも、この飛散した電解液等を除去する効果も副次的に得られる。

また、本発明によれば、減圧空間内では、二次電池等を大気中に取り出した際にその内部に大気（より厳密には水分）が侵入しない程度の超音波溶着或いは加熱溶着等の仮溶着処理を施すこととしている。従って、減圧空間内に配置すべき装置は開封用の装置とこの仮溶着処理用の装置のみを配置するだけで良くなる。このような仮溶着処理用の装置は、完全な封止のための溶着処理用装置と異なり小型且つ簡易化が可能であることから、この減圧空間を最小限の大きさとすることが可能となる。この結果、従来技術において形成されていた減圧空間と比較して、より真空度の高い（水分等が除去された）空間においてガス抜き−再封止が行われることとなり、電解液等をより好適な状態に保つことが可能となる。

また、本発明によれば、減圧容器内部に配置すべき装置を必要最小限のものとすることが可能となる。従って、減圧容器における内容積を従来と比較して大幅に小さくすることが可能となり、容器内部の排気に要する時間の短縮が見込まれ、生産性、製造効率の向上が図られると共に、減圧容器の構築時における材料選択の幅、設計の自由度等が広がる。また、減圧容器内部に配置される装置も小型且つ簡便な形式のものとすることが可能となり、これら装置のメンテナンス性の向上も見込まれる。

また、本発明によれば、仮溶着処理を施した二次電池等に対して、大気中において再度完全な溶着処理を施すと共に、連続して冷却処理も施すこととしている。当該処理を二次電池等に施すことにより、最終製品としての封止強度、信頼性等を大きく向上させることが可能となる。なお、本発明に係る製造装置等においては、積層型の二次電池等を主たる対象として述べているが、本発明の適用対象はこれらに限られない。例えば、積層体を緩く巻回した後にこれを押し潰して略平板状として外装体に封入してなる巻回型の二次電池等、外装体に積層体を封入するタイプの電池等をも対象とすることが可能である。

本発明の実施の形態に関して、以下に図面を参照して説明する。図1に本発明に係る二次電池等の製造装置における、ガス抜き−再溶着装置の概略構成を示す。当該装置１００は、減圧容器１１０内に配置された開封ユニット１２０及び第一の封止装置である仮溶着ユニット１３０、第二の封止装置である再溶着ユニット１４０、冷却ユニット１５０及び二次電池等をこれら各装置の間で搬送する搬送装置１６０から構成される。減圧容器１１０には搬送装置１６０と共に二次電池１等を内部に収容する際に開放される第一のドア１１１、二次電池１等を排出する際に開放される第二のドア１１３、及び当該容器内部を減圧排気するための不図示の排気系を有する。なお、本図ではドアを開いて二次電池等が搬送され、ドアを閉じて密閉空間を作る構成としたが、チャンバー（減圧容器）を２分割して二次電池等を搬送し、前記分割面を合わせて閉じて密閉空間を作る構成としてもよい。

減圧容器１１０内部には、搬送装置１６０の上流から下流に向かって、開封ユニット１２０及び仮溶着ユニット１３０が配置されている。開封ユニット１２０は所定の位置で固定された二次電池１等上の所定の位置に対して、針状或いは刃状のツール１２１を押し当てることにより、当該所定位置に開封部を形成する。当該開封部より減圧容器１１０内部にその内部のガスを放出させることにより、二次電池１等内部からのガス排出を行う。開封が為された二次電池１上の所定位置は、完成品における溶着部分であって、且つガス抜き前に行われる溶着工程における未溶着部分に対応する。

未溶着部分を形成した具体例を図２に示す。なお、図２において図３に示す二次電池等における各部材と同様の部材に関しては同一の参照符号を用いて説明することとする。正極３、セパレータ５、負極７からなる積層体は、積層体の上下にそれぞれ配置された外装体１１の構成体を溶着領域１１ａにおいて張り合わせることにより外装体１１内部に封止される。溶着領域１１ａには、シール部材９も共に配置される。ガス抜き工程前の溶着段階においては、この溶着領域１１ａには、外装体１１の外部とは連通しない未溶着領域１１ｂが形成される。この未溶着領域１１ｂは、ガス抜き工程及び再溶着工程における利便性を考慮して任意の場所において任意の形状にて設けることが可能である。

ガス抜き終了後の二次電池１等は、搬送装置１６０により仮溶着ユニット１３０に運ばれる。仮溶着ユニット１３０では、開封部が存在する未溶着部分を再度溶着することにより再封止する。なお、この再封止は、再封止後の二次電池１等を搬送装置１６０によって減圧容器１１０から取り出して、再溶着ユニット１４０まで搬送する際に、開封部分より二次電池１等の内部に大気等が侵入することを防止できる封止強度を伴っていれば良い。すなわち、この仮溶着ユニット１３０は、溶着温度、溶着時の付加圧力等において、従来技術において用いられていた再溶着装置或いは後段の再溶着ユニット１４０と比較してより簡易的な方法で封止可能であれば良い。

仮溶着処理が終了した後、二次電池１等は減圧容器１１０から取り出され、再溶着ユニット１４０に向けて搬送される。再溶着ユニット１４０において、仮溶着が施された領域に、確実且つ充分な溶着強度を与えるように再度溶着処理が施される。この再溶着処理においては、充分な加熱及び圧力の付加が当該領域に対して施される。その後、二次電池１等は直ちに冷却ユニット１４０に搬送され、被溶着処理部が急冷却される。

この冷却工程を経ることにより、この被溶着処理部（１１ｂ）は、その他の溶着領域１１ａと同様の溶着強度を有することとなる。本実施の形態において、冷却ユニット１４０はこの被溶着処理部を二次電池等の上下方向より挟持可能な一対の金属ブロック１５１、１５２とから構成されている。これら金属ブロックは例えば水冷等によって所定の温度に保持されており、当該ブロックによって被溶着処理部を所定圧力で一定時間挟持することにより、より強固な溶着状態を得ることが可能となる。

なお、本実施の形態においては、開封ユニット１２０と仮溶着ユニット１３０とを各々独立した装置として減圧容器１１０内に配置することとしている。しかしながら、本発明によれば、仮溶着処理は、従来の再溶着処理と比較して簡易且つ軽微な処理で良いことから、仮溶着装置をより簡単な形式のものとすることも可能である。従って、未溶着部１１ｂに対して穴等を空ける開封ユニット１２０と、この未溶着部１１ｂを加熱した板等で押圧する仮溶着ユニット１３０とを一体化することも容易と思われる。

また、本実施の形態においては、第一の封止装置として仮溶着ユニット１３０を、また第二の封止装置として再溶着ユニット１４０を例示している。これら封止装置としては、熱圧着或いは超音波圧着により溶着工程を行うことが好ましい。しかしながら本発明はこれらの方法に限られず、公知の種々の方法を適用することが可能である。例えば、接着剤が塗布された更なるシートを開封部に貼り付けることとしても良く、樹脂等を開封部に付着させてこれを封止することとしても良い。

また、搬送装置１６０は、図中ベルトコンベア形式に描かれているが、本発明における搬送装置は当該形式に限定されない。具体的には、搬送ロボットによって、パレット上に並置された二次電池等を搬送する形式としても良い。当該形式とすることにより、減圧容器１１０の真空度をより向上させることが可能となり、さらに好適な環境下でのガス抜き及び再封止の処理を行うことが可能となる。また、本発明に係る装置を組み込み、更に外装体の折り曲げ装置、検査装置等を付加して二次電池等の製造装置を構築することとしても良い。

本発明の一実施形態に係るガス抜き−再溶着装置の構成を示す概念図である。 図１に示す装置においてガス抜き−再溶着の処理が施される二次電池等の溶着領域を示す二次電池等の平面図である。 二次電池或いは電気二重層キャパシタの概略構成を示す図である。

符号の説明

１：二次電池或いは電気二重層キャパシタ、 ３：正極、 ５：セパレータ、 ７：負極、 ９：シール部材、 １１：外装体、 １３：リード、 １００：ガス抜き−再溶着装置、 １１０：真空容器、 １２０：開封ユニット、 １２１：開封ツール、 １３０：仮溶着ユニット、 １４０：再溶着ユニット、 １５０：冷却ユニット、 １５１：冷却ブロック、 １６０：搬送装置

Claims (10)

1. 二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造装置であって、
   減圧容器内部に配置されて、前記二次電池或いは電気二重層キャパシタの外装体に開封部を形成し、外装体内部のガスを排出させるガス抜き装置と、
   前記減圧容器の内部に配置されて、前記開封部を一時的に封止して封止部を形成する第一の封止装置と、
   前記減圧容器の外部に配置されて、第一の封止後の前記封止部を再度封止する第二の封止装置と、
   前記ガス抜き装置、第一の封止装置、及び第二の封止装置の間で前記二次電池或いは電気二重層キャパシタを搬送する搬送装置とを有することを特徴とする二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造装置。
2. 第二の封止後の前記封止部を冷却する冷却装置をさらに有し、前記搬送装置は前記二次電池或いは電気二重層キャパシタを前記冷却装置に対しても搬送することを特徴とする請求項１記載の二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造装置。
3. 前記二次電池或いは電気二重層キャパシタは軟質シートからなる外装体を有すると共に、前記外装体は封止形状を形成する溶着領域に外部とは連通しない未溶着領域を有し、
   前記ガス抜き装置は、前記未溶着領域において前記開封部を形成することを特徴とする請求項１或いは２何れかに記載の二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造装置。
4. 前記第一の封止装置は熱圧着或いは超音波圧着によって封止を行うことを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載の二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造装置。
5. 前記第二の封止装置は熱圧着或いは超音波圧着によって封止を行うことを特徴とする請求項１乃至４何れかに記載の二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造装置。
6. 二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造方法であって、
   減圧空間において前記二次電池或いは電気二重層キャパシタの外装体に開封部を形成することにより前記二次電池或いは電気二重層キャパシタ内部に存在するガスを前記減圧空間に排出させる工程と、
   前記減圧空間において、前記二次電池或いは電気二重層キャパシタを搬送した際にその封止状態が維持できる程度の強度で前記開封部を一時的に仮封止する工程と、
   仮封止後の前記二次電池或いは電気二重層キャパシタを大気中に取り出して前記封止部が所望の密封性を有するように再度封止を行う工程とを有することを特徴とする二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造方法。
7. 再度封止を行った後に、前記封止部に対して冷却処理を施す工程をさらに有することを特徴とする請求項６記載の二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造方法。
8. 前記二次電池或いは電気二重層キャパシタは軟質シートからなる外装体を有すると共に、前記外装体は封止形状を形成する溶着領域に外部とは連通しない未溶着領域を有し、
   前記開封部は前記未溶着領域に形成されることを特徴とする請求項６或いは７何れかに記載の二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造方法。
9. 前記第一の封止工程は熱圧着或いは超音波圧着によって封止を行う工程であることを特徴とする請求項６乃至８何れかに記載の二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造方法。
10. 前記第二の封止工程は熱圧着或いは超音波圧着によって封止を行う工程であることを特徴とする請求項６乃至９何れかに記載の二次電池或いは電気二重層キャパシタの製造方法。
    

Images