JP5581916B2 - 双極型二次電池の製造装置と製造方法、及び、ガス排出装置 - Google Patents

Description

本発明は、双極型二次電池、双極型二次電池の製造装置と製造方法、及び、ガス排出装置に関する。

双極型二次電池は、複数の単電池から構成される。単電池に含まれる電解質(電解液)が漏れないように、単電池をシールで密封している。このような双極型二次電池が特許文献１に記載されている。

特開平９−２３２００３号公報

しかし、従来技術の双極型二次電池では、一度電解液を注液して組み立てられた後、シール構造があるためガスの排気ができない。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、二次電池の内部から容易にガスを排出することを目的とする。

本発明のある態様に係るガス排出装置は、外装部材に収容された、双極型二次電池を製造するための部品からガスを排出する。前記部品は、積層したセパレータ、負極、正極、及び、集電体からなり且つ積層方向に沿った側面においてシールされた積層体を備える。さらに、前記部品は、前記積層体の内部と前記積層体の外部とを連通する連通フィルムチューブを備える。連通フィルムチューブは、通路を形成する袋状の柔軟なフィルムから構成される。ガス排出装置は、前記外装部材の外部のガスを排出することにより、前記外装部材の外部を第一の所定圧力に調整する第一圧力調整部を備える。さらに、ガス排出装置は、前記積層体の内部から前記連通フィルムチューブを介してガスを排出することにより、前記積層体の内部を第二の所定圧力に調整する第二圧力調整部を備える。

本発明によれば、連通フィルムチューブを介して、双極型二次電池の内部から容易にガスを排出できる。

双極型二次電池の単セルの構造を示す概略断面図である。 （ａ）積層方向に見た連通部材の端面図である。（ｂ）連通部材の概略断面図である。 （ａ）袋部の一例を示す端面図である。（ｂ）袋部の他の例を示す端面図である。 圧力調整工程における電池製造装置の概略図である。 圧力調整工程における二次電池の単セルの様子を示す図である。 圧力調整工程における袋部の膨張の様子を示す図である。 注液工程における電池製造装置の概略図である。 電解液排出工程における電池製造装置の概略図である。 電解液排出後の二次電池の単セルの様子を示す図である。

以下では図面を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。

図１を参照して、実施形態に係る双極型二次電池とガス排出装置について説明する。

図１は、実施形態に係る積層型非水系の双極型二次電池１００の単セル１（単電池）の構造を示す概略図である。二次電池１００は、単セル１が積層された積層体（電池本体）２からなる（図４参照）。例えば、二次電池１００は、リチウムイオン電池である。二次電池１００は、外装部材９に収容、密封される。外装部材９は、例えば、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースである。

単セル１は、積層されたセパレータ３、正極４、負極５、集電体（集電箔）６からなる。正極４と負極５は、セパレータ３を挟んで対向する。集電体６は、一方の側で正極４に接続し、他方の側で負極５に電気的に接続する。集電体６の一方の側に正極４が設けられ、他方の側に負極５が設けられるため、二次電池１００は双極型二次電池である。

セパレータ３は、電解液(流動性のある電解質)を保持する。例えば、セパレータ３は、ポリアミド製不織布、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ポリイミド不織布、ポリエステル不織布、アラミド不織布などの不織布である。

正極４に含まれる正極活物質は、特にリチウム−遷移金属複合酸化物が好ましい。具体的には、例えば、ＬｉＣｏＯ２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物，ＬｉＮｉＯ２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ２Ｏ４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などである。

負極５は、負極活物質を含む。負極５は、具体的には、カーボン、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物金属、チタン酸化物、リチウム−チタン複合酸化物などである。

集電体６は、例えば、主成分である金属粉末にバインダー(樹脂)及び溶剤を混ぜた金属ペーストが、加熱されて成形された部材である。金属粉末は、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などである。

単セル１は、シール部材８を有する。シール部材８は、電池の使用状態で、セパレータ３に含浸した電解液が電池外部に漏れることを防止する。シール部材８は、単セル１の積層方向に沿った四方の側面において、隣接する集電体６の間をシールする。シール部材８は、例えば、樹脂である。

また、単セル１は、積層方向に沿った一つの側面において、図２（ａ）（ｂ）のような袋状の連通部材１０を備える。図２（ａ）は、積層方向に見た連通部材１０の端面図を示す。図２（ｂ）は、中心線に沿った連通部材１０の断面図を積層方向内で示す。

連通部材１０は、筒部１２と、筒部１２に接続する袋部１４（連通フィルムチューブ）からなる。袋部１４は、熱融着や接着剤などによって、三方がシールされている。袋部１４の一端（図２（ａ）の右側）は、シールされておらず、積層体２の単セル１に接続する。連通部材１０は、シール部材８と外装部材９を貫通して、積層体２の外部及び外装部材９の外部と連通している。

筒部１２と袋部１４とは、熱融着されていることが望ましいが、接着剤等によって接着されていてもよい。筒部１２と袋部１４の材料は、絶縁性の樹脂材料又はゴム材料が望ましい。特に、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリプロピレン（PP）、ポリエチレン（PE）、ポリイミド（PI）などは、耐久性、耐溶媒性に優れており、筒部１２と袋部１４の材料として望ましい。

筒部１２は、細すぎると強度、圧力損失の面で望ましくない。このため、筒部１２は、外径０．５ｍｍ以上（好ましくは１ｍｍ以上）であり、内径は０．２ｍｍ以上（好ましくは０．５ｍｍ以上）である。筒部１２は、ガスや電解液を通すことができる形状である。例えば、筒部１２は、円筒状、チューブ状又は袋状である。

図１のように、袋部１４は、その先端が接着部材１６を介して集電体６に接合する。なお、接着部材１６は、電解液の液漏れを防止するシール部材８としても機能する。従って、袋部１４は、その先端がシール部材８を貫通した状態で設けられている。

本実施形態において、接着部材１６は、樹脂製の接着材料からなる。なお、接着材料の概念には、接着剤の他、粘着剤、熱融着剤（熱融着により接着するもの）も含まれる。接着材料は、アクリル系の粘着材、シリコーン系の粘着材や、イミド系の熱硬化型接着剤、ポリエステル系の熱融着剤などである。

袋部（連通フィルムチューブ）１４は、通路を形成する袋状の柔軟なフィルムから形成される。袋部１４の通路は、単セル１（又は積層体２）の内部と外部の圧力に応じて開閉する。袋部１４は、膨張した場合に、単セル１（又は積層体２）の内部と外部とを連通する。ここで、単セル１（又は積層体２）の内部は、集電体６及びシール部材８で囲まれた領域である。単セル１の内部の圧力が、単セル１の外部の圧力より大きい場合に、袋部１４は膨らんで開いた状態になる。一方、単セル１の内部の圧力が、外部の圧力以下の場合に、袋部１４は閉じた状態になる。袋部１４は、図３（ａ）（ｂ）のように台形または半円形（或いはなだらかな形状）のような膨らみやすい形が望ましい。

次に、図４を参照して、電池製造装置３０について説明する。電池製造装置３０は、単セル１の内部からガスを排出するためのガス排出装置４０、単セル１に電解液を注液するための注液装置５０を備える。なお、電池製造装置３０は、二次電池１００の製造時に用いられてもよいし、電池使用後のメンテナンス（保守）時やリサイクル（再利用）時に用いられてもよい。メンテナンス時やリサイクル時において、電池使用中に単セル１に溜まったガスが排出され、又、電解液が入れ替えられるため、新たに電池が製造されることになる。

電池製造装置３０は、電池用容器３２、中間容器３４、ポンプ３６、吐出器３８、第一の三方バルブ４１、第二の三方バルブ４２、第一の流路４４、第二の流路４６、第三の流路４８を備える。電池用容器３２と中間容器３４は、真空引き（又は減圧）された場合に、内部を真空状態（又は減圧状態）に保つことができる容器である。電池用容器３２は第一の真空容器と、中間容器３４は第二の真空容器と呼ばれてもよい。電池用容器３２の内部に、二次電池１００が設置される。中間容器３４は、二次電池１００から排出された電解液を溜めることができる。

ポンプ３６は、電池用容器３２の内部と二次電池１００（即ち、積層体２）の内部を減圧することができる真空ポンプである。吐出器３８は、二次電池１００に注入する電解液を吐出できる。第一の流路４４は、電池用容器３２と中間容器３４とを接続する。第二の流路４６は、電池用容器３２内に置かれた二次電池１００の連通部材１０と中間容器３４とを接続する。このため、第二の流路４６は、電池用容器３２の側面を貫通する。第三の流路４８は、ポンプ３６と中間容器３４とを接続する。

第一の三方バルブ４１は第一の流路４４に設けられる。第一の三方バルブ４１は、電池用容器３２を、電池用容器３２の外部（即ち、外気側）と中間容器３４のどちらに接続するか選択する。第二の三方バルブ４２は第二の流路４６に設けられる。第二の三方バルブ４２は、二次電池１００及び連通部材１０の内部を、吐出器３８と中間容器３４のどちらに接続するか選択する。

従って、ポンプ３６は、第一の流路４４（及び第一の三方バルブ４１）、中間容器３４、及び、第三の流路４８を介して、電池用容器３２に接続して減圧できる。電池用容器３２外部の常圧（大気圧約１００ｋＰa）の外気が、第一の三方バルブ４１を介して、電池用容器３２に導入できる。ポンプ３６は、連通部材１０、第二の流路４６（及び第二の三方バルブ４２）、中間容器３４、及び、第三の流路４８を介して、二次電池１００の内部に接続でき減圧できる。吐出器３８は、連通部材１０、第二の流路４６の一部、及び、第二の三方バルブ４２を介して、二次電池１００（即ち、積層体２）の内部に接続してこれに電解液を注入できる。

ポンプ３６と電池用容器３２等は、第一圧力調整部を構成する。ポンプ３６と連通部材１０等は、第二圧力調整部を構成する。第一圧力調整部は、外装部材９の外部のガスを排出することにより、外装部材９の外部を第一の所定圧力に調整する。また、第二圧力調整部は、積層体２の内部から袋部１４（連通フィルムチューブ）を介してガスを排出することにより、積層体２の内部を第二の所定圧力に調整する。

なお、ポンプ３６、吐出器３８、第一の三方バルブ４１、第二の三方バルブ４２は、手動で操作されてもよいし、図示しない制御装置（コントローラ）からの指令信号により操作されてもよい。

次に、図４−１０を参照して、二次電池１００（即ち、積層体２）の内部からガスを排出するためのガス排出方法、電解液を注液するための注液方法を説明する。

図４のように、二次電池１００の内部からのガス排出が開始する場合に、第一の三方バルブ４１において、外気側のポートは閉じ、電池用容器３２側のポートと中間容器３４側のポートは開く。第二の三方バルブ４２において、吐出器側のポートは閉じ、二次電池１００側のポートと中間容器３４側のポートは開く。これにより、ポンプ３６が、中間容器３４を介して、電池用容器３２と二次電池１００の内部に連通する。その後、第一圧力調整工程として、ポンプ３６は、電池用容器３２の内部（外装部材９の外部）の圧力を第一の所定圧力まで減圧する。第二圧力調整工程として、ポンプ３６は、二次電池１００（積層体２）の内部の圧力を第二の所定圧力まで減圧する。

なお、電池用容器３２内部の排気と二次電池１００の内部の排気が、同一の中間容器３４を通じて行われるため、電池外部（外装部材９の外部）の圧力が、電池内部の圧力より高くなることが防止できる。第一と第二の所定圧力は、真空圧力（０ｋＰａ近傍）であるが、二次電池１００の内部にガスや電解液等が存在しているため、電池外部の第一の所定圧力は、電池内部の第二の所定圧力以下となる。

電池外部の第一の所定圧力が、電池内部の第二の所定圧力以下であるため、二次電池１００のセル内部のガスが膨張し、また、二次電池１００の外装部材９が膨らむ。そして、図５のように、袋部１４も膨れ、シール部１０ａの密着性が低下し開口し始める。なお、積層体２と外装部材９の間にガス等が存在して袋部１４が圧迫されないよう、外装部材９は、二次電池１００の外部の減圧により積層体２と外装部材９の間のガス等が抜ける隙間を有してよい。

さらに、図６のように、袋部１４が大きく膨張する。これにより、排気や注液に必要な隙間を確保できる。また、袋部１４が開口したとき、電池内部の圧力を減少することで電池内部からガスを排出できる。

なお、積層方向に隣り合う袋部１４どうしが接触して袋部１４の膨張が抑制されないように、袋部１４（及び接着部材１６）が隣り合うセルの間でずれた位置に設置されても良い。

所定時間排気した後、注液工程として、図７のように電池外部を減圧したまま、吐出器３８が電解液を吐出する。この場合、第二の三方バルブ４２において、ポンプ側のポートが閉じ、吐出器３８側のポートと二次電池１００側のポートは開く。第一の三方バルブ４１の状態は維持される。これにより、二次電池１００内に電解液を浸漬させることができる。

電解液の注入後、電解液排出工程として、図８のように電池外部（即ち、電池用容器３２の内部）の圧力を増加することで、二次電池１００が圧縮され、余剰な電解液が排出される。余剰な電解液が排出されるため、二次電池１００の重量密度を向上できる。また、電極間距離が縮まるため、抵抗損失を抑制することができる。

電池外部の圧力を増加するために、第一の三方バルブ４１において、外気側のポートと電池用容器３２側のポートは開き、中間容器３４側のポートは閉じる。第二の三方バルブ４２において、吐出器側のポートは閉じ、二次電池１００側のポートと中間容器３４側のポートは開く。余剰な電解液は、中間容器３４に排出される。

図９のように、二次電池１００の内部（セパレータ３の周りなど）には、適切に電解液が保持される。その後、さらに電池外部の圧力を常圧まで増加すれば、連通部材１０は、シール部１０ａにおいて密着しシール性が保てる。なお、二次電池１００の使用中において、連通部材１０に栓をするなどして、電解液が漏れることを防止してもよい。

−作用・効果−
実施形態によると、袋部１４（連通フィルムチューブ）は、通路を形成する袋状の柔軟なフィルムから構成され、積層体２の内部と積層体２の外部とを連通する。このため、袋部１４（連通フィルムチューブ）を介して、二次電池の内部から容易にガスを排出できる。また、従来、双極型二次電池は各セルの厚みが１００〜２００μｍ程度と非常に小さく、圧損が高いため電解液の各セルへの注入が困難であったが、上記袋部１４により二次電池の積層体２へ容易に電解液を注入できる。

ガス排出装置４０（又は電池製造装置３０）は、第一圧力調整工程において、外装部材９の外部のガスを排出することにより、外装部材９の外部を第一の所定圧力に調整する第一圧力調整部を備える。また、ガス排出装置４０は、第二圧力調整工程において、積層体２の内部から袋部１４（連通フィルムチューブ）を介してガスを排出することにより、積層体２の内部を第二の所定圧力に調整する第二圧力調整部と、を備える。これにより、電池外部（外装部材９の外部）の圧力と電池内部（積層体２の内部）の圧力を調整でき、袋部１４内の通路がこれらの圧力に応じて開閉する。従って、二次電池のメンテナンス時など必要に応じて、積層体２の内部のガスを容易に排出でき、また、積層体２の内部に電解液を容易に注入できる。

袋部１４（連通フィルムチューブ）が台形状または半円形状の形状を有するため、袋部１４が膨張し易くなり、ガス排出と電解液の注入に要する時間が短縮できる。また、連結部材１０の面積が減るため重量が削減できる。さらに、袋部１４に皺が発生しないため、繰返し膨張と収縮を繰り返しても、袋部１４の劣化が防止できる。

第一の所定圧力は第二の所定圧力以下であれば、積層体２の内部に連通する袋部１４は膨張でき、袋部１４内に広い通路が形成できる。

注液装置５０は、注液工程において、袋部１４を介して、電解液を積層体２の内部に注入するため、電解液が容易に注入できる。また、電解液の注入が密封状態で行え、二次電池１００が真空容器中に置かれても、電解液の溶媒の揮発が抑制できる。

注液工程の後の電解液排出工程において、積層体の内部を常圧に戻すことによって、余剰な電解液は積層体の内部から排出される。これにより、セル内の電解液の量を適正化でき、セルの性能低下や重量増加を防止できる。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１ 単セル
２ 積層体
３ セパレータ
４ 負極
５ 正極
６ 集電体
８ シール部材
１０ 連通部材
１２ 筒部
１４ 袋部（連通フィルムチューブ）
１６ 接着部材
３０ 電池製造装置
３２ 電池用容器
３４ 中間容器
３６ ポンプ
３８ 吐出器
４０ ガス排出装置
５０ 注液装置
１００ 二次電池

Claims (8)

1. 外装部材に収容された、双極型二次電池を製造するための部品であって、
   積層したセパレータ、負極、正極、及び、集電体からなり、且つ、積層方向に沿った側面においてシールされた積層体と、
   通路を形成する袋状の柔軟なフィルムから構成され、前記積層体の内部と前記積層体の外部とを連通する連通フィルムチューブと、
   を備える前記部品からガスを排出するガス排出装置であって、
   前記外装部材の外部のガスを排出することにより、前記外装部材の外部を第一の所定圧力に調整する第一圧力調整部と、
   前記積層体の内部から前記連通フィルムチューブを介してガスを排出することにより、前記積層体の内部を第二の所定圧力に調整する第二圧力調整部と、を備えることを特徴とするガス排出装置。
2. 前記連通フィルムチューブが台形状または半円形状の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のガス排出装置。
3. 前記第一の所定圧力は、前記第二の所定圧力以下であることを特徴とする請求項１に記載のガス排出装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載のガス排出装置を備えることを特徴とする、双極型二次電池の製造装置。
5. 前記連通フィルムチューブを介して、電解液を前記積層体の内部に注入する注液装置を備えることを特徴とする請求項４に記載の製造装置。
6. 積層したセパレータ、負極、正極、及び、集電体からなり且つ積層方向に沿った側面においてシールされた積層体を備え、外装部材に収容された双極型二次電池の製造方法であって、
   前記外装部材の外部のガスを排出することにより、前記外装部材の外部を第一の所定圧力に調整する第一圧力調整工程と、
   前記積層体の内部から連通フィルムチューブを介してガスを排出することにより、前記積層体の内部を第二の所定圧力に調整する第二圧力調整工程と、を含み、
   前記連通フィルムチューブは、通路を形成する袋状の柔軟なフィルムから形成され、前記積層体に接合されて前記積層体の内部と前記積層体の外部とを連通することを特徴とする製造方法。
7. 前記第一圧力調整工程と第二圧力調整工程の後、前記連通フィルムチューブを介して、電解液を前記積層体の内部に注入する注液工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
8. 前記注液工程の後、前記積層体の内部を常圧に戻すことによって、余剰な電解液を前記積層体の内部から排出する電解液排出工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の製造方法。

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