JP5381310B2

JP5381310B2 - 積層体への電解液浸潤装置及び浸潤方法

Info

Publication number: JP5381310B2
Application number: JP2009115716A
Authority: JP
Inventors: 大樹藤原; 孝一高田; 裕太本橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: JP2010267407A

Description

この発明は、電池、コンデンサ、キャパシタなどに使用する電解液を浸潤させた積層体、の製造に関する。

電池、コンデンサ、キャパシタなどの電気部品の主要な構成要素として、電解液を浸潤させた積層体が使用される。特許文献１の従来技術は、こうした積層体への電解液の次のような浸潤方法を提案している。

すなわち、積層体をケースに入れ、ケースを密閉して減圧する。減圧状態でケースに電解液を注入し、注入後にケースを減圧状態から昇圧させる。

この従来技術によれば、ケースを減圧することで、積層体の層間に滞留する空気が吸い出される。したがって、減圧状態で電解液をケースに注入すると、電解液は積層体に浸透しやすくなる。一方、ケースに注入された電解液の一部は積層体の周囲に液溜まりを形成する。この状態でケースを減圧状態から昇圧させると、液溜まりを形成している電解液がケース内部の昇圧に応じて積層体に浸潤する。この時、積層体の層間に少量の気泡が依然として残留していても、これらの気泡はケース内部の昇圧に応じて収縮し、積層体への電解液の浸潤の邪魔をしない。

特許３４６７１３５号公報

ケースは移動可能な土台に支持される。

ケースを例えば袋状のフィルム包装体で構成した場合、従来技術による浸潤方法を適用すると次のような問題が生じる。

すなわち、袋状のフィルム包装体は柔軟性を有するため、フィルム包装体を土台に支持した状態で減圧し、減圧状態で電解液をフィルム包装体に注入すると、液だまりが局部的に偏りがちである。その結果、積層体への浸潤が一様とならず、浸潤むらが生じやすい。

電解液の浸潤むらは、積層体を構成する正極と負局間にイオン伝導特性に劣る局部的領域を生じさせる。電池において、局部的にイオン伝導特性に劣る領域が存在することは、電池の電気的性能を低下させる要因となる。また、フィルム包装体は変形しやすいため、この浸潤むらはフィルム包装体の表面にしわを生じさせる要因となる。

この発明の目的は、袋状のフィルム包装体の中に収装した積層体への電解液の浸潤を均一かつ効率的に行なうことである。

以上の目的を達成するために、この発明は、開口部を有する袋状のフィルム包装体に積層体を収装し、電解液を前記フィルム包装体に注入して積層体に電解液を浸潤させる、積層体への電解液浸潤装置において、周囲の圧力低下に応じて膨張し、周囲の圧力上昇に応じて収縮する膨張収縮部材と、膨張収縮部材と前記フィルム包装体とを収容する密封容器と、膨張収縮部材と前記フィルム包装体とを相接する状態で保持する固定部材と、密封容器の圧力を減圧する減圧手段と、密封容器の圧力を減圧状態から昇圧させる昇圧手段と、密封容器の圧力が減圧状態から昇圧する過程で前記フィルム包装体に電解液を注入する注入手段と、を備えている。

また、この発明は、開口部を有する袋状のフィルム包装体に積層体を収装し、電解液を前記フィルム包装体に注入して積層体に電解液を浸潤させる、積層体への電解液浸潤方法において、周囲の圧力低下に応じて膨張し、周囲の圧力上昇に応じて収縮する膨張収縮部材と、前記フィルム包装体とを、密封容器に収容して、固定部材により相接する状態に保持し、密封容器の圧力を減圧する減圧処理と、密封容器の圧力を減圧状態から昇圧させる昇圧処理と、を実行し、昇圧処理において前記フィルム包装体に電解液を注入している。

この発明による積層体への電解液浸潤装置においては、減圧手段が密封容器の圧力を減圧すると膨張収縮部材が膨張し、フィルム包装体に収装された積層体に圧縮力を及ぼす。この圧縮力と密封容器の圧力の減圧とが相乗的に作用して、積層体内部に残留する気泡の放出を促進する。密封容器の圧力を減圧した後、昇圧手段が密封容器の圧力を減圧状態から昇圧させ、注入手段が前記フィルム包装体に電解液を注入する。膨張収縮部材が密封容器の圧力昇圧に応じて収縮するのに伴い、フィルム包装体に収装された積層体は圧縮力から解放される。この圧縮力からの解放と密封容器の圧力の昇圧とが相乗的に作用して、フィルム包装体に注入された電解液を気泡を放出した後の積層体にスムーズに浸潤させる。

このように、膨張収縮部材が積層体からの気泡の放出と、気泡放出後の積層体への電解液の浸潤とを促進することで、袋状のフィルム包装体の中の積層体へ電解液を均一かつ効率的に浸潤させることができる。

この発明による積層体への電解液浸潤方法においては、まず減圧処理により膨張収縮部材が膨張してフィルム包装体に収装された積層体に圧縮力を及ぼす。この圧縮力と密封容器の圧力の減圧とが相乗的に作用して、積層体内部に残留する気泡の放出を促進する。減圧処理後の昇圧処理により膨張収縮部材が収縮し、フィルム包装体に収装された積層体を圧縮力から解放する。この状態でフィルム包装体に電解液を注入すると、圧縮力からの解放と密封容器の圧力の昇圧とが相乗的に作用して、注入された電解液の積層体への浸潤を促進する。

この発明による積層体への電解液浸潤装置の概略構成図である。この発明による膨張収縮部材と固定部材がもたらす作用を説明する電解液浸潤装置要部の概略縦断面図である。

図１を参照すると、この発明による電解液浸潤装置を適用する積層体は、リチウムイオン電池のユニットセルを積層した積層体１で構成される。積層体１はあらかじめ上端を開口した袋状のフィルム包装体２に収装されている。フィルム包装体２はアルミニウムなどの金属層と熱溶着性の樹脂層とを接着剤層を介して重ね合わせて薄いフィルムに形成した、いわゆるラミネート材を用いて構成される。特に、アルミニウムなどの薄膜金属層の両面を薄い樹脂層で被覆したラミネート材は、酸やアルカリへの耐食性に優れ、軽量で柔軟な物理的特性を備える。

この発明による電解液浸潤装置はこうしたフィルム包装体２に収装された積層体１に電解液を均一かつ効率的に浸潤させるために次のような構成を備える。

すなわち、電解液浸潤装置は密封容器３と、固定部材として密封容器３の内側に立設した一対の壁部材５と、一対の壁部材５の内側においてフィルム包装体２の外側から積層体１に当接する一対の膨張収縮部材４と、を備える。

密封容器３は、積層体１を収装したフィルム包装体２を密封容器３に搬入し、密封容器３から搬出するための密閉可能な取り出し口を備えるものとする。

膨張収縮部材４は、伸縮性素材で構成された袋に圧縮性流体であるガスを封入し、密閉したものである。ガスには例えば空気を使用する。

一対の壁部材５は一定の間隔を保持することで、一対の膨張収縮部材４の膨張時に、一対の膨張収縮部材４をフィルム包装体２に向けて支持する機能を有する。

電解液浸潤装置は、密封容器３を減圧する減圧手段として真空ポンプ１２を備える。真空ポンプ１２は密封容器３にバルブ１１を介して接続される。バルブ１１を開いた状態で真空ポンプ１２を運転すると、密封容器３内の空気がバルブ１１を介して真空ポンプ１２により吸い出され、大気中に放出される。

一方、バルブ１１を開いた状態で真空ポンプ１２の運転を停止すると、外気がバルブ１１を介して密封容器３に流入し、密封容器３の圧力は減圧状態から大気圧へと昇圧する。このようにして、バルブ１１は密封容器３の圧力を減圧状態から昇圧させる昇圧手段として機能する。

電解液浸潤装置は、密封容器３の圧力が減圧状態から昇圧する過程でフィルム包装体２に電解液を注入する注入手段として、電解液を貯留する電解液タンク１４と、電解液タンク１４の電解液を送出するフィードポンプ１５と、フィードポンプ１５が送出する電解液をフィルム包装体２に供給する供給ライン１６とを備える。

バルブ１１を開き、真空ポンプ１２を運転すると、密封容器３内の圧力は減圧される。バルブ１１を閉じると、密封容器３内の圧力はバルブ１１を閉じた時点の圧力に維持される。また、真空ポンプ１２を運転せずにバルブ１１を開くと、密封容器３は大気に解放される。

フィルム包装体２は上端に開口部を有する。供給ライン１６は密封容器３に上方から侵入し、フィードポンプ１５の運転に応じてフィルム包装体２の開口部に電解液タンク１４の電解液を滴下する。

図２を参照して、この電解液浸潤装置が行なう積層体への電解液の浸潤操作を説明する。なお、図２では密封容器３の図示は省略されている。

図２（ａ）を参照すると、まず密封容器３の内側の一対の膨張収縮部材４の間に、フィルム包装体２に収装した積層体１をセットする。この状態ではフィルム包装体２内に電解液は注入されておらず、フィルム包装体２の内部は大気圧に解放されている。一対の膨張収縮部材４は大気圧下においては、フィルム包装体２内に圧縮力を加えないように配置間隔をあらかじめ設定しておく。

この状態で密封容器３を密封し、バルブ１１を開いた状態で真空ポンプ１２を運転する。

その結果、密封容器３内の空気が真空ポンプ１２により吸い出され、密封容器３内の圧力が大気圧から減圧される。

図２（ｂ）を参照すると、密封容器３内の圧力の減圧に伴って、空気を封入した一対の膨張収縮部材４の内圧が相対的に高まり、一対の膨張収縮部材４は図の矢印に示すように膨張する。各膨張収縮部材４は壁部材５によりフィルム包装体２に向けて支持されているので、一対の膨張収縮部材４はもっぱらフィルム包装体２に向かって膨張する。この処理を減圧処理と称する。

減圧処理においては、図に示すように、一対の膨張収縮部材４がフィルム包装体２の外側から積層体１の両端面に圧縮力を及ぼす。この圧縮力により積層体１内の層間などに滞留している空気が積層体１から追い出され、フィルム包装体２の開口部から外側へ放出される。密封容器３の減圧中は真空ポンプ１２が密封容器３内の空気を吸い出しているので、フィルム包装体２の開口部から外側へ放出された空気は最終的に密封容器３の外側へと排出される。

なお、説明の都合上、図には膨張収縮部材４が膨張している様子が誇張して描かれているが、膨張収縮部材４がフィルム包装体２に及ぼす圧縮力は一様にフィルム包装体２に作用する。圧縮力を一様にフィルム包装体２に作用させるために、一対の膨張収縮部材４は好ましくは積層体１の端面全体をカバー可能な寸法に形成される。また、一対の壁部材５は好ましくは一対の膨張収縮部材４を上回る寸法に形成される。

このようにして積層体１内の空気を排出して密封容器３内の圧力を十分に減圧した後、真空ポンプ１２の運転を停止する。真空ポンプ１２が運転を停止すると、密封容器３の外側の空気がバルブ１１を介して密封容器３に流入する。その結果、低下していた密封容器３内の圧力は再び大気圧に向けて上昇する。密封容器３の圧力が昇圧するのに応じて、フィルム包装体２内の内圧は相対的に低下し、一対の膨張収縮部材４は収縮する。その結果、一対の膨張収縮部材４がフィルム包装体２を介して積層体１の両端面に及ぼしている圧縮力が消滅する。この処理を昇圧処理と称する。

図２（ｃ）を参照すると、この昇圧処理において、フィルム包装体２への電解液の注入が行なわれる。すなわち、フィードポンプ１５が運転され、電解液タンク１４の電解液が供給ライン１６を介して密封容器３内に供給され、フィルム包装体２の開口部を介して積層体１の上に滴下する。密封容器３内の圧力を昇圧させ、フィルム包装体２を一対の膨張収縮部材４による圧縮力から解放した状態で、フィルム包装体２の開口部から電解液を滴下させるので、滴下した電解液は積層体１内にスムーズに浸透する。減圧行程において積層体１から空気が追い出されていることも電解液の積層体１内への浸潤を促進する。電解液の滴下はフィルム包装体２内の電解液の液位が図１に示すように積層体１の上端を上回るまで行なう。

昇圧処理が完了し、密封容器３内の圧力が昇圧により大気圧に戻った後は、再び真空ポンプ１２を運転して密封容器３内の圧力を大気圧から再び減圧する。

図２（ｄ）を参照すると、密封容器３内の減圧に伴って、一対の膨張収縮部材４が図２（ｂ）と同様に膨張し、フィルム包装体２を介して積層体１に圧縮力を及ぼす。その結果、積層体１の層間に依然として残留している気泡の排出が促進される。また、積層体１の下方のフィルム包装体２の底部が一対の膨張収縮部材４がもたらす圧縮力により圧縮変形する。

フィルム包装体２には昇圧処理期間中に注入された電解液が溜まっている。フィルム包装体２の底部の圧縮変形は、フィルム包装体２に溜まっている電解液を押し上げて、電解液の積層体１内への浸潤を促進する作用をもたらす。

また積層体１の各層に含浸むらがあると、各層を構成する部材にしわを生じさせる恐れがある。減圧処理におけるフィルム包装体２の膨張がフィルム包装体２内の積層体１に及ぼす圧縮力はこうしたしわを伸ばす作用をもたらす。

減圧処理の終了後は再び昇圧処理を実行する。ただし、２回目以降の昇圧処理においては原則的にフィルム包装体２への電解液の注入は行なわず、昇圧処理による密封容器３の圧力を昇圧させ、積層体１を膨張収縮部材４による圧縮力から解放することで、フィルム包装体２内に溜まった電解液を積層体１に浸潤させる。このようにして、減圧処理と昇圧処理を繰り返すことで、フィルム包装体２内の電解液の積層体１への浸潤は短時間のうちに完了する。

減圧処理と昇圧処理のそれぞれの所要時間、減圧行程と昇圧行程の繰り返しの回数、供給ライン１６からフィルム包装体２の開口部への電解液の供給量については、実験的に最適値へと設定することが望ましい。

以上のように、この電解液浸潤装置によれば、一対の膨張収縮部材４が積層体１からの気泡の放出と、気泡放出後の積層体１への電解液の浸潤とを促進するので、袋状のフィルム包装体の中の積層体１へ電解液を均一かつ効率的に浸潤させることができる。

なお、電解液浸潤機構にはバルブ１１の開閉、真空ポンプ１２の運転、フィードポンプ１５の運転を制御するために、マイクロコンピュータからなるコントローラを備えることが望ましい。これにより、フィルム包装体２内の積層体１への電解液の浸潤作業を高い効率のもとで自動的に行なうことが可能となる。

以上のこの発明を特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、請求の範囲に来記載された技術範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、上記の実施形態では、壁部材５を密封容器３の内側に配置しているが、密封容器３が高剛性を備えている場合には、壁部材５を密封容器３の壁面で構成することも可能である。すなわち、密封容器３の相対する壁面を固定部材として膨張収縮部材４を支持するのである。あるいは、密封容器３の相対する壁面を膨張収縮部材４に当接させ、当接部に対応する密封容器３の外周面に補強部材を設けることも可能である。

また、一対の膨張収縮部材４の代わりに単一の膨張収縮部材４を一方の壁部材５とフィルム包装体２の間に配置し、もう一方の壁部材５をフィルム包装体２に直接当接させることも可能である。この場合も、膨張収縮部材４が積層体１からの空気の放出と、空気放出後の積層体への電解液の浸潤とを促進するので、フィルム包装体２内の積層体１への電解液の浸潤作業を均一かつ効率良く行なうことができる。

１積層体
２フィルム包装体
３密封容器
４膨張収縮部材
５固定部材
１１バルブ
１２真空ポンプ
１４電解液タンク
１５フィードポンプ
１６供給ライン

Claims

開口部を有する袋状のフィルム包装体に積層体を収装し、電解液を前記フィルム包装体に注入して積層体に電解液を浸潤させる、積層体への電解液浸潤装置において、
周囲の圧力低下に応じて膨張し、周囲の圧力上昇に応じて収縮する膨張収縮部材と、
膨張収縮部材と前記フィルム包装体とを収容する密封容器と、
膨張収縮部材と前記フィルム包装体とを相接する状態で保持する固定部材と、
密封容器の圧力を減圧する減圧手段と、
密封容器の圧力を減圧状態から昇圧させる昇圧手段と、
密封容器の圧力が減圧状態から昇圧する過程で前記フィルム包装体に電解液を注入する注入手段と、
を備えることを特徴とする積層体への電解液浸潤装置。
減圧手段と昇圧手段とは、密封容器の圧力を減圧する減圧処理と、密封容器の圧力を減圧状態から昇圧させる昇圧処理とを交互に繰り返し実行するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の積層体への電解液浸潤装置。
注入手段は、初回の昇圧処理においてのみ前記フィルム包装体に電解液を注入するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の積層体への電解液浸潤装置。
注入手段は、前記フィルム包装体内の電解液の液位が積層体の上端を上回るまで、前記フィルム包装体に電解液を注入するように構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の積層体への電解液浸潤装置。
膨張収縮部材は、圧縮性流体を密封した伸縮可能な袋で構成され、前記フィルム包装体を介して積層体の端面全面に接触可能な寸法を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の積層体への電解液浸潤装置。
固定部材は所定の間隔で対峙する一対の壁状部材で構成され、前記フィルム包装体は一対の壁状部材の間に配置され、膨張収縮部材は一対の壁状部材の一方と前記フィルム包装体との間と、一対の壁状部材のもう一方と前記フィルム包装体との間にそれぞれ配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の積層体への電解液浸潤装置。
開口部を有する袋状のフィルム包装体に積層体を収装し、電解液を前記フィルム包装体に注入して積層体に電解液を浸潤させる、積層体への電解液浸潤方法において、
周囲の圧力低下に応じて膨張し、周囲の圧力上昇に応じて収縮する膨張収縮部材と、前記フィルム包装体とを、密封容器に収容して、固定部材により相接する状態に保持し、
密封容器の圧力を減圧する減圧処理と、密封容器の圧力を減圧状態から昇圧させる昇圧処理と、を実行し、
昇圧処理において前記フィルム包装体に電解液を注入する、ことを特徴とする積層体への電解液浸潤方法。
密封容器の圧力を減圧する減圧処理と、密封容器の圧力を減圧状態から昇圧させる昇圧処理とを交互に繰り返し実行することを特徴とする請求項７に記載の積層体への電解液浸潤方法。
初回の昇圧処理においてのみ前記フィルム包装体に電解液を注入することを特徴とする請求項８に記載の積層体への電解液浸潤方法。
前記フィルム包装体内の電解液の液位が積層体の上端を上回るまで、前記フィルム包装体に電解液を注入することを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の積層体への電解液浸潤方法。
膨張収縮部材は、圧縮性流体を密封した伸縮可能な袋で構成され、前記フィルム包装体を介して積層体の端面全面に接触可能な寸法を有することを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の積層体への電解液浸潤方法。
固定部材は所定の間隔で対峙する一対の壁状部材で構成され、前記フィルム包装体は一対の壁状部材の間に配置され、膨張収縮部材は一対の壁状部材の一方と前記フィルム包装体との間と、一対の壁状部材のもう一方と前記フィルム包装体との間にそれぞれ配置されることを特徴とする、請求項７から１１のいずれかに記載の積層体への電解液浸潤方法。