JP5644306B2 - 電解液注液方法および電解液注液装置 - Google Patents

電解液注液方法および電解液注液装置 Download PDF

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Description

本発明は、電解液注液方法および電解液注液装置に関する。
例えば、リチウムイオン二次電池の電解液は、外装ケース内部を真空にした状態で、外装ケース上部の非封止部に注液ノズルを挿入し、加圧注入され、そして、注液に利用された非封止部は、その後、熱封止(ヒートシール)される(例えば、特許文献1参照。)。
特開平9−199108号公報
しかし、外装ケース内部の圧力は注液温度に於ける飽和蒸気圧以下であるため、外装ケース内部に注入された電解液の液面は、沸騰状態となっており、電解液の注入に従って電解液の液面が上昇すると、電解液成分(揮発成分あるいは飛沫)が、非封止部の内側面に付着する虞があった。付着した電解液成分は、非封止部を熱封止する際に強度不良を引き起こしたり、外装ケースを構成するラミネートをトリミングする後工程において、トリミング刃に付着することで、バリ発生等の切断不良を引き起こす問題を有している。
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、電解液の注液に利用される非封止部の内側面に電解液成分の付着を抑制できる電解液注液方法および電解液注液装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の一様相は、外装ケースを構成しかつ外装ケース内部に連通している非封止部を有するラミネートを備えたラミネート型電池に、前記非封止部に挿入された注液ノズルから、電解液を注液するための電解液注液方法である。当該電解液注液方法においては、前記非封止部から離れている部位を外部から押さえ冶具で挟み込むことにより前記非封止部を前記外装ケース内部から隔離した状態で、前記外装ケース内部に位置している前記注液ノズルの先端から、前記電解液を前記外装ケース内部に注液し、注液完了後、前記注液ノズルを引き抜かれる。
上記目的を達成するための本発明の別の様相は、外装ケースを構成しかつ外装ケース内部に連通している非封止部を有するラミネートを備えたラミネート型電池に、前記非封止部に挿入された注液ノズルから、電解液を注液するための電解液注液装置である。当該電解液注液装置は、前記非封止部から離れている部位を外部から挟み込み、前記非封止部を前記外装ケース内部から隔離した状態とするための押さえ冶具と、前記押さえ冶具に押圧力を発生させるための押圧力発生手段と、を有する。
本発明の一様相に係る電解液注液方法および別の一様相に係る電解液注液装置によれば、非封止部を外装ケース内部から隔離した状態で電解液が外装ケース内部に注液されるため、例えば、外装ケース内部の圧力が注液温度に於ける飽和蒸気圧以下であり、外装ケース内部に注入された電解液の液面が沸騰状態となっている場合であっても、非封止部の内側面に電解液成分(揮発成分あるいは飛沫)が付着することが防止される。したがって、非封止部を熱封止する際に、従来のように付着した電解液成分によって、強度不良を引き起こしたり、外装ケースを構成するラミネートをトリミングする後工程において、トリミング刃に付着することで、バリ発生等の切断不良を引き起こす問題を解消することができる。
本発明の実施の形態に係る電解液注液装置を説明するための側面図である。 電解液が注液される電池を説明するための平面図である。 図1に示されるブロック部材とフレーム部材とからなる押え治具を説明するための斜視図である。 図1に示される駆動シリンダを説明するための斜視図である。 図1に示される押え治具の機能を説明するための平面図である。 図5の線VI−VIに関する断面図である。 本発明の実施の形態に係る電解液注液方法を説明するための平面図であり、電池外装ケースの非封止部に対する注液ノズルの取り付けを示している。 図7に続く、ブロック部材の配置および真空引きを説明するための平面図である。 図8の線IX−IXに関する断面図である。 図8に続く、フレーム部材の配置および加圧注液を説明するための平面図である。 図10の線XI−XIに関する断面図である。 図8に続く、ブロック部材の取り外しを説明するための平面図である。 図12の線XIII−XIIIに関する断面図である。 図12に続く、注液ノズルの取り外しを説明するための平面図である。 図12の線XV−XVに関する断面図である。 図14に続く、熱封止を説明するための平面図である。 図16の線XVII−XVIIに関する断面図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る電解液注液装置を説明するための側面図、図2は、電解液が注液される電池を説明するための平面図、図3は、図1に示されるブロック部材とフレーム部材とからなる押え治具を説明するための斜視図、図4は、図1に示される駆動シリンダを説明するための斜視図、図5は、図1に示される押え治具の機能を説明するための平面図、図6は、図5の線VI−VIに関する断面図である。
図1に示される注液装置100は、ラミネート型電池10に電解液30(図2)を注液するために使用され、固定治具120、押さえ冶具130、押圧力発生手段140、支持フレーム150および駆動機構160を有する。
ラミネート型電池10は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、図2に示されるように、外部からの衝撃や環境劣化を防止する外装ケースを構成するラミネート12と、外装ケース内部に配置される発電要素と、外装ケース内部から引き出されている電極タブ16,18と、を有する。
ラミネート12は、熱融着により接合されている外周部を有するシート(フィルム)材からなる。シート材は、軽量化および熱伝導性の観点から、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムからなる。なお、ラミネート12の外周部は、外装ケース内部に連通している非封止部13と、非封止部13の両側に位置するシール部14とを有する。非封止部13は、外装ケース内部に電解液30を注液するための開口部を構成している。
発電要素は、正極板と、負極板と、セパレータとを有する。正極板は、例えば、LiMnからなる正極活物質を有する。正極活物質は、LiMnに制限されないが、容量および出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物を適用することが好ましい。負極板は、例えば、ハードカーボン(難黒鉛化炭素材料)からなる負極活物質を有する。負極活物質は、黒鉛系炭素材料や、リチウム−遷移金属複合酸化物を利用することも可能であるが、カーボンおよびリチウム−遷移金属複合酸化物からなる負極活物質は、容量および出力特性の観点から好ましい。
セパレータは、例えば、多孔性(ポーラス)のPE(ポリエチレン)から形成される絶縁体であり、電解液30が浸透することによって、イオンの透過性および電気伝導性を呈する。セパレータの素材として、PP(ポリプロピレン)などの他のポリオレフィン、PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、不織布を、利用することが可能である。不織布は、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステルである。
電極タブ16,18は、高導電性部材からなり、外装ケース内部の発電要素と接続されており、発電要素から電流を引き出すために使用される。高導電性部材は、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス、これらの合金である。
電解液30は、注液ノズル110に連結される容器116に貯蔵されており、ラミネート12の非封止部13に注液ノズル110を挿入することにより、外装ケース内部に注液される。電解液30は、例えば、PC(プロピレンカーボネート)およびEC(エチレンカーボネート)からなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩(LiPF)を含んでいる。有機溶媒は、その他の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、テトラヒドロフラン等のエーテル類を適用することも可能である。リチウム塩は、その他の無機酸陰イオン塩、LiCFSO等の有機酸陰イオン塩を、適用することも可能である。
なお、注液ノズル110は、中空状の細管112と、細管112が中央部を貫通して固定される基部114と、を有する。細管112は、電解液容器116に加えて、切り換え弁手段119を介して真空源118とも連結されており、外装ケース内部を真空にするためにも使用される。真空源118は、例えば、真空ポンプである。また、電解液容器116は、貯蔵されている電解液30を加圧可能に構成されており、電解液30を加圧注液することが可能である。なお、電解液30は、脱泡することが好ましい。基部114は、略十字状の断面を有する先細形状であり、ラミネート12の非封止部13の外周と当接することで、ストッパとして機能する。したがって、細管112を非封止部13に挿入する際の位置決めが容易である。
固定治具120は、ラミネート型電池10を一時的に固定するために使用され、非封止部13が残留している外周部が露出するように、ラミネート型電池10が載置される。
押さえ冶具130は、非封止部13から離れている部位を外部から挟み込み、非封止部13を外装ケース内部から隔離した状態とするために使用され、ブロック部材132とフレーム部材134と、を有する。ブロック部材132は、略矩形であり、非封止部13の外周側に配置され、シール部14の領域に到達するサイズを有する。フレーム部材134は、円弧状であり、外装ケース内部側に配置され、非封止部13の内周側から離間した位置を延長し、その両端部がシール部14の領域に到達するサイズを有する。なお、注液ノズル110の細管112の先端は、フレーム部材134を越えて、外装ケース内部に到達するように設定されている。また、押さえ冶具130は、弾性体からなり、押さえ冶具自体が変形および復元することにより、注液ノズル110が介在している場合であっても、非封止部13と外装ケースとの隔離した状態の維持を容易に達成することが可能である。
押圧力発生手段140は、押さえ冶具130に押圧力を発生させるために使用され、図4に示されるように、ブロック部材132に押圧力を発生させるための第1駆動シリンダ142と、フレーム部材134に押圧力を発生させるための第2駆動シリンダ146と、を有しており、フレーム部材134およびブロック部材132を独立して駆動することが可能である。また、図3および図4に示されるように、ブロック部材132と第1駆動シリンダ142との間に押え部材144が配置され、フレーム部材134と第2駆動シリンダ146との間に押え部材148が配置されており、押圧力発生手段140は、押え部材144,148を介して押さえ冶具130(ブロック部材132とフレーム部材134)に押圧力を伝達される。したがって、押さえ冶具130が弾性体からなる場合であっても、押え部材144,148を介するため、押圧力を確実に伝達することが可能である。
支持フレーム150は、図1に示されるように、コ字状であり、第1駆動シリンダ142と第2駆動シリンダ146とが固定されている。支持フレーム150はコ字状であるため、ラミネート型電池10や注液ノズルとの干渉を容易に避けることが可能である。
駆動機構160は、固定治具120に対して支持フレーム150を近接離間自在に移動させるために使用される。例えば、支持フレーム150は、ラミネート型電池10を固定治具120に載置する際、固定治具120から離間した位置に配置されており、載置の完了後、駆動機構160は、固定治具120に対して支持フレーム150を近接させ、支持フレーム150を位置決めする。これにより、押え部材144,148を介し、支持フレーム150に固定された第1駆動シリンダ142および第2駆動シリンダ146に連結されているブロック部材132およびフレーム部材134は、非封止部13から離れている部位を外部から挟み込みことが可能となる。
以上のように構成される注液装置100においては、図5および図6に示されるように、非封止部13を外装ケース内部から隔離した状態で電解液30が外装ケース内部に注液されるため、例えば、外装ケース内部の圧力が注液温度に於ける飽和蒸気圧以下であり、外装ケース内部に注入された電解液30の液面が沸騰状態となっている場合であっても、非封止部13の内側面に電解液成分(揮発成分あるいは飛沫)が付着することが防止される。
また、外装ケース内部を密閉するために非封止部13を接着する際、電解液成分が残留していないため、接着強度不良を抑制することが可能である。また、ラミネートをトリミングする後工程において、残留している電解液成分がトリミング刃に付着することで引き起こされるバリ発生等の切断不良を、避けることが可能である。
次に、本発明の実施の形態に係る電解液注液方法を説明する。
図7は、電池外装ケースの非封止部に対する注液ノズルの取り付けを説明するための平面図、図8は、図7に続く、ブロック部材の配置および真空引きを説明するための平面図、図9は、図8の線IX−IXに関する断面図、図10は、図8に続く、フレーム部材の配置および加圧注液を説明するための平面図、図11は、図10の線XI−XIに関する断面図、図12は、図8に続く、ブロック部材の取り外しを説明するための平面図、図13は、図12の線XIII−XIIIに関する断面図、図14は、図12に続く、注液ノズルの取り外しを説明するための平面図、図15は、図12の線XV−XVに関する断面図、図16は、図14に続く、熱封止を説明するための平面図、図17は、図16の線XVII−XVIIに関する断面図である。
本電解液注液方法においては、概して、ラミネート12の非封止部13から離れている部位を外部から押さえ冶具130(ブロック部材132とフレーム部材134)で挟み込み、非封止部13を外装ケース内部から隔離した状態で、外装ケース内部に位置している注液ノズル110の先端から、電解液30を外装ケース内部に注液し、注液完了後、注液ノズル110が引き抜かれる。
したがって、非封止部13を外装ケース内部から隔離した状態で電解液30が外装ケース内部に注液されるため、例えば、外装ケース内部の圧力が注液温度に於ける飽和蒸気圧以下であり、外装ケース内部に注入された電解液30の液面が沸騰状態となっている場合であっても、非封止部13の内側面に電解液成分(揮発成分あるいは飛沫)が付着することが防止される。
詳述すると、まず、ラミネート型電池10が固定治具120に載置されると、注液ノズル110が、ラミネート12の非封止部13に挿入される(図7)。この際、注液ノズル110の基部114は、非封止部13の外周と当接することで位置決めされ、細管112の先端は、外装ケース内部に配置されることになる。そして、駆動機構160によって支持フレーム150を固定治具120に対して近接させ、支持フレーム150を位置決めする。これにより、押え部材144,148を介し、支持フレーム150に固定された第1駆動シリンダ142および第2駆動シリンダ146に連結されているブロック部材132およびフレーム部材134は、非封止部13から離れている部位を外部から挟み込みことが可能となる。
次に、ブロック部材132を非封止部13の外周側に配置して挟み込み、外装ケース内部を外部から隔離した状態で、外装ケース内部を真空引きする(図8および図9)。ブロック部材132は、シール部14の領域に到達しているため、非封止部13の外周側を押圧して密閉し、外装ケース内部を外気から隔離するため、外装ケース内部を容易に真空引きすることが可能である。
真空引きは、切り換え弁手段119を介して注液ノズル110に連通する真空源118を稼働させることによって実施される。隔離を引き起こすための押圧力は、ブロック部材132に連結されている第1駆動シリンダ142から、押え部材144を介して伝達される。ブロック部材132は、弾性体からなっているため、注液ノズル110(細管112および基部114)の形状に沿って変形するため、注液ノズル110が介在している場合であっても、密閉性を容易に確保することが可能である。
そして、外装ケース内部を外部から隔離した状態を継続し、フレーム部材134を非封止部13の内周側に配置して挟み込み、真空状態の外装ケース内部に電解液30を加圧注液する(図10および図11)。つまり、外装ケース内部を真空引きした後で、フレーム部材134を越えて外装ケース内部に到達している注液ノズル110の細管112の先端から、電解液30が外装ケース内部に加圧注液される。フレーム部材134は、円弧状であり、非封止部13の内周側から離間した位置を延長し、その両端部がシール部14の領域に到達しているため、非封止部13を押圧して密閉し、非封止部13の内側面を外装ケース内部から隔離するため、非封止部13の内側面に電解液成分(揮発成分あるいは飛沫)が付着することが確実に防止される。また、真空状態の外装ケース内部に電解液30を加圧注液することが容易であり、かつ、電解液30を高速注液することが可能である。
加圧注液は、切り換え弁手段119を使用し、注液ノズル110と電解液容器116とを連通し、電解液容器116に貯蔵されている加圧電解液30を導入することにより実施される。フレーム部材134による挟み込みを引き起こすための押圧力は、フレーム部材134に連結されている第2駆動シリンダ146から、押え部材148を介して伝達される。フレーム部材134は弾性体からなっているため、非封止部13から離れている部位を挟み込む際、注液ノズル110(細管112)の形状に沿って変形するため、注液ノズル110が介在している場合であっても、密閉性を容易に確保することが可能である。
加圧注液完了後、非封止部13の外周側に配置されているブロック部材132が取り外され、非封止部13の外周側の密閉状態が解除される(図12および図13)。この際、フレーム部材134は、非封止部13の内周側に依然として配置されているため、非封止部13の内側面は、外装ケース内部からの隔離が継続している。
次に、注液ノズル110を取り外す(図14および図15)。この際、注液ノズル110の細管112の先端は、フレーム部材134を越えて外装ケース内部に到達しているが、フレーム部材134は、弾性体からなるため、注液ノズル110を引き抜く際、フレーム部材134の形状が復元することで、密閉性が容易に維持される。
そして、非封止部13を熱封止し、外装ケース内部を密閉した後で、フレーム部材134を取り外す(図16および図17)。熱封止は、非封止部13およびシール部14の一部を含む部位の両側に、加熱した金属体170を外部から押し当てて挟み込み、ラミネート材料を溶融させて接着することによって実施される。この際、フレーム部材134は、非封止部13の内周側に依然として配置されているため、非封止部13の内側面は、外装ケース内部からの隔離が継続している。したがって、非封止部13を、電解液成分が確実に付着しない状態で熱封止することが可能である。また、熱封止は、非封止部13を効率的に接着することが可能であるため好ましい。
以上のように、本実施の形態に係る電解液注液装置および注液方法においては、非封止部を外装ケース内部から隔離した状態で電解液が外装ケース内部に注液されるため、例えば、外装ケース内部の圧力が注液温度に於ける飽和蒸気圧以下であり、外装ケース内部に注入された電解液の液面が沸騰状態となっている場合であっても、非封止部の内側面に電解液成分(揮発成分あるいは飛沫)が付着することが防止される。
また、押さえ冶具が弾性体からなる場合、押さえ冶具自体が変形および復元することにより、注液ノズルが介在している場合であっても、密閉性を容易に確保することが可能である。
非封止部を熱封止する場合、非封止部を効率的に接着することが可能である。
なお、実施の形態に係る電解液注液方法において、外装ケース内部を真空引きした後で、注液ノズルの先端から、電解液を外装ケース内部に加圧注液する場合、電解液を高速注液することが可能である。また、注液ノズルを非封止部に挿入し、注液ノズルの先端を外装ケース内部に配置した後で、ブロック部材を非封止部の外周側に配置して挟み込み、外装ケース内部を外部から隔離した状態で、外装ケース内部を真空引きし、フレーム部材を非封止部の内周側に配置して挟み込み、真空状態の外装ケース内部に電解液を加圧注液する場合、外装ケース内部を真空引きし、かつ、真空状態の外装ケース内部に電解液を加圧注液することが容易である。加圧注液完了後、ブロック部材および注液ノズルを順次取り外し、そして、非封止部を熱封止した後で、フレーム部材を取り外す場合、非封止部を、電解液成分が確実に付着しない状態で熱封止することが可能である。
また、実施の形態に係る電解液注液装置において、押圧力発生手段が、押え部材を介して押さえ冶具に押圧力を伝達する場合、押さえ冶具が弾性体からなる場合であっても、押圧力を確実に伝達することが可能である。押圧力発生手段が、ブロック部材に押圧力を発生させるための第1駆動シリンダと、フレーム部材に押圧力を発生させるための第2駆動シリンダと、を有する場合、フレーム部材およびブロック部材を独立して駆動することが可能である。第1駆動シリンダと第2駆動シリンダとが固定される支持フレームがコ字状である場合、ラミネート型電池や注液ノズルとの干渉を容易に避けることが可能である。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、熱封止は、外部加熱を利用する形態に限定されず、例えば、高周波や超音波によって熱を発生させて接合する内部発熱を利用することも可能である。
10 ラミネート型電池、
12 ラミネート、
13 非封止部、
14 シール部、
16,18 電極タブ、
30 電解液、
100 注液装置、
110 注液ノズル、
112 細管、
114 基部、
116 電解液容器、
118 真空源、
119 切り換え弁手段、
120 固定治具、
130 押さえ冶具、
132 ブロック部材、
134 フレーム部材、
140 押圧力発生手段、
142 第1駆動シリンダ、
144,148 押え部材、
146 第2駆動シリンダ、
150 支持フレーム、
160 駆動機構、
170 金属体。

Claims (11)

  1. 外装ケースを構成しかつ外装ケース内部に連通している非封止部を有するラミネートを備えたラミネート型電池に、前記非封止部に挿入された注液ノズルから、電解液を注液するための電解液注液方法であって、
    前記非封止部から離れている部位を外部から押さえ冶具で挟み込むことにより前記非封止部を前記外装ケース内部から隔離した状態で、
    前記外装ケース内部に位置している前記注液ノズルの先端から、前記電解液を前記外装ケース内部に注液し、注液完了後、前記注液ノズルを引き抜く
    ことを特徴とする電解液注液方法。
  2. 前記押さえ冶具は、弾性体からなっており、
    前記非封止部から離れている部位を挟み込む際、前記押さえ冶具は前記注液ノズルの形状に沿って変形させ、また、前記注液ノズルを引き抜く際、前記押さえ冶具の形状が復元することで、密閉性を維持する
    ことを特徴とする請求項1に記載の電解液注液方法。
  3. 前記注液ノズルを引き抜いた後で、前記非封止部を熱封止し、前記外装ケース内部を密閉することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電解液注液方法。
  4. 前記外装ケース内部を真空引きした後で、前記注液ノズルの先端から、前記電解液を前記外装ケース内部に加圧注液することを特徴とする請求項3に記載の電解液注液方法。
  5. 前記押さえ冶具は、前記非封止部の外周側に配置される略矩形のブロック部材と、前記非封止部の内周側に配置される突出状のフレーム部材と、を有しており、
    前記注液ノズルを前記非封止部に挿入し、前記注液ノズルの先端を前記外装ケース内部に配置した後で、前記ブロック部材を前記非封止部の外周側に配置して挟み込み、前記外装ケース内部を外部から隔離した状態で、前記外装ケース内部を真空引きし、前記フレーム部材を前記非封止部の内周側に配置して挟み込み、真空状態の前記外装ケース内部に前記電解液を加圧注液する
    ことを特徴とする請求項4に記載の電解液注液方法。
  6. 加圧注液完了後、前記ブロック部材および前記注液ノズルを順次取り外し、そして、前記非封止部を熱封止した後で、前記フレーム部材を取り外す
    ことを特徴とする請求項5に記載の電解液注液方法。
  7. 外装ケースを構成しかつ外装ケース内部に連通している非封止部を有するラミネートを備えたラミネート型電池に、前記非封止部に挿入された注液ノズルから、電解液を注液するための電解液注液装置であって、
    前記非封止部から離れている部位を外部から挟み込み、前記非封止部を前記外装ケース内部から隔離した状態とするための押さえ冶具と、
    前記押さえ冶具に押圧力を発生させるための押圧力発生手段と、
    を有することを特徴とする電解液注液装置。
  8. 前記押さえ冶具は、弾性体からなることを特徴とする請求項7に記載の電解液注液装置。
  9. 前記電解液注液装置は、前記押さえ冶具と前記押圧力発生手段との間に配置される押え部材をさらに有しており、
    前記押圧力発生手段は、前記押え部材を介して前記押さえ冶具に押圧力を伝達する
    ことを特徴とする請求項8に記載の電解液注液装置。
  10. 前記押さえ冶具は、前記非封止部の外周側に配置される略矩形のブロック部材と、外装ケース内部側に配置される突出状のフレーム部材と、を有し、
    前記押圧力発生手段は、前記ブロック部材に押圧力を発生させるための第1駆動シリンダと、前記フレーム部材に押圧力を発生させるための第2駆動シリンダと、を有する
    ことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の電解液注液装置。
  11. 前記第1駆動シリンダと前記第2駆動シリンダとが固定されるコ字状の支持フレームを、さらに有することを特徴とする請求項10に記載の電解液注液装置。
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