JP5670854B2

JP5670854B2 - 二次電池の製造方法

Info

Publication number: JP5670854B2
Application number: JP2011215707A
Authority: JP
Inventors: 俊江草; 勝広佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: KR20130035181A; US20130081264A1; JP2013077404A; KR101317003B1; CN103035951A

Description

本発明の実施形態は、二次電池の製造方法に関する。

近年では、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯型通信機器などの電子機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されており、これらの電子機器の駆動用電源としては、急速充電が可能で体積エネルギー密度および重量エネルギー密度がともに高く、小型軽量でかつ高容量の充放電可能な電池としてリチウム二次電池に代表される非水電解液二次電池が主流になりつつある。利用される電子機器の多様化に伴い、高容量を求められるため、活物質の高密度化、正極板と負極板とセパレータの緊迫度が増し、それに伴い非水電解液の浸透する時間が長くなるようになった。

特開平０７−９９０５０号公報

そこで本発明では、より短時間で非水電解液を含浸させることが可能な二次電池の製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、実施形態の二次電池の製造方法は、電池ケースと、電池ケースの内部に収納され正負の電極板にセパレータを挟んだ電極板群とを有し、電極板群に非水電解液が含浸されている二次電池の製造方法であって、電池ケース内を、非水電解液に対するOstwald溶解度係数が２．０以上の気体へと置換する工程と、気体へと置換された電池ケース内を減圧する工程と、減圧された電池ケース内へと非水電解液を注液する工程とを含むことを特徴としている。

本発明の実施形態に係る二次電池の製造方法の手順を示す工程図。

以下、本発明の実施形態に係る二次電池の製造方法を、図面を参照して詳細に説明する。

本形態の二次電池の製造方法では、まず非水電解液を注液する前の電池セルを製造し、その後、非水電解液を注液して封口する。電池セルは、電池ケース内に電極板群を封入したものである。そこで、電池セルの製造について簡単に説明する。まず、電池ケースや電極板群をそれぞれ製造する。電極板群は、正負の電極板にセパレータを挟み、扁平形状に捲回したものである。なお、電極板群は扁平形状に限られることはなく、円筒形状のものや、平積みのものでもよい。

正負の電極板は、金属箔に活物質ペーストを塗布し、乾燥・圧延等によって製造される。また、セパレータは、絶縁性樹脂製のシートである。これらの電極板を、その間にセパレータを挟んで捲回し、電池ケースに入れる。そして、電池ケースの開口に封口板を取り付ける。この段階では、封口板には、注液口が開口されている。

次に、この状態の電池ケース内に、図１に示すような手順で、非水電解液を注液する。まず、電極板群が挿入されている電池ケース内を、例えば真空ポンプ等を用いて減圧状態にする（第１の工程Ｓ１）。

この際、減圧状態下のチャンバに電池ケースを入れて電池ケース内を減圧状態にする。なお、減圧状態にするために電池ケース内を直接減圧状態にしてもよい。また、減圧状態にする際には、正極板と負極板とセパレータとの間や、電池ケースと電極群との隙間の空気までを除去することが可能な程度の減圧状態にすることが望ましい。

次に、電池ケース内を、非水電解液に対するOstwald溶解度係数が２．０以上の気体に置換する（第２の工程Ｓ２）。また、本実施形態では、非水電解液に対するOstwald溶解度係数が２．８である二酸化炭素を注入し、置換する。なお、本実施形態では二酸化炭素を用いて置換しているが、これに限られることはなく、Ostwald溶解度係数が２．０以上の気体であり、電極群と非水電解液と化学反応を引き起こさない気体であればどのような気体を用いてもよい。

Ostwald溶解度係数が２．０以上の気体を用いている理由としては、非水電解液を電池ケース内に注液する際に、Ostwald溶解度係数が２．０以上の気体が正極板と負極板とセパレータとの間や、電池ケースと電極群との隙間にあると、非水電解液に溶け込むため、非水電解液が入りこみやすくなる（非水電解液の濡れ性が向上する）ためである。

二酸化炭素を注入し、置換する際には、電池ケースが入っているチャンバ内を二酸化炭素雰囲気下にすることにより電池ケース内を二酸化炭素に置換することができる。なお、電池ケース内に二酸化炭素を注入する際には、電池ケース内に直接注入し、置換してもよい。

また、二酸化炭素に置換にする際には、正極板と負極板とセパレータとの間や、電池ケースと電極群との隙間まで行き届かせることが望ましい。そのため、二酸化炭素が７５体積％以上、望ましくは９５体積％以上含む雰囲気へと置換するとよい。このように、二酸化炭素を７５体積％以上、望ましくは９５体積％以上含む雰囲気へと置換することにより、正極板と負極板とセパレータとの間や、電池ケースと電極群との隙間に、濡れ性を向上させるために必要な量の二酸化炭素を供給することができる。

更に、電池ケース内を二酸化炭素に置換した後、再度電池ケース内を減圧状態に戻し、再び電池ケース内を二酸化炭素に置換してもよく、これを複数回行ってもよい。これにより、正極板と負極板とセパレータとの間や、電池ケースと電極群との隙間まで、より行き届かせることが可能となる。

次に、電池ケース内を減圧状態にする（第３の工程Ｓ３）。この際、非水電解液の濡れ性向上に必要な二酸化炭素の量を保ちながら余剰の二酸化炭素を取り除く程度の減圧圧力でおこなうことが望ましい。そのため、減圧圧力を相対圧力として考えてＰ（ｋＰａ）とし、減圧の時間をｔ（分）としたとき、次式（１）を満たすように減圧を行うとよい。

Ｐ×ｔ≧―４００・・・（１）
これにより、非水電解液の濡れ性を確保しながらも、非水電解液に溶け込む二酸化炭素を極力減らすことが可能となる。

非水電解液に溶け込む二酸化炭素を極力減らす理由としては、電池セルが劣化する際に二酸化炭素が発生し、非水電解液へと溶け込むのだが、飽和溶解量を超えると二酸化炭素が気体となり、電池セルを膨張させてしまう。そのため、本形態のように非水電解液に溶け込む二酸化炭素を極力減らすことにより、セルが劣化する際に発生する二酸化炭素が非水電解液へと溶け込む量を増やすことができる。その結果、電池セルの膨張を抑制することが可能となる。

次に、電池ケース内へ非水電解液を注液する（第４の工程Ｓ４）。この際、非水電解液はチャンバ外から供給することになるため、電池ケース内の圧力と大気圧下にある非水電解液と間に圧力差が生じる。そのため、非水電解液はその差圧を利用して注液を行うこととなる。また、正極板と負極板とセパレータとの間や、電池ケースと電極群との隙間は二酸化炭素により濡れ性を向上させているため、より早く、隙間なく非水電解液を注液することが可能となる。更に、濡れ性の向上に必要な二酸化炭素の量以上の二酸化炭素を極力減らしているため、気体として存在する二酸化炭素を減らすことができ、気泡等の発生を抑制させて非水電解液を注液することが可能となる。

次に、非水電解液へと圧力を加え、電池ケース内を非水電解液で満たす（第５の工程Ｓ５）。非水電解液は、電池ケース内の圧力と非水電解液との差圧を利用して注液しているが、差圧だけでは電池ケース内全体に非水電解液を満たすには不十分であることがある。そのため、電池ケース内へと出来る限り速くの非水電解液を注液するために、圧力を加えて非水電解液を注液している。

非水電解液へと圧力を加える際には、０．０５〜０．５ＭＰａとなるように加圧するとよい。０．０５ＭＰａより低い圧力であると、非水電解液を満たすためには圧力が低すぎてしまい、効果を得にくい。また、０．５ＭＰａよりも高い圧力であると、正極板と負極板とセパレータとの間や、電池ケースと電極群との隙間に負荷がかかってしまうため、破損してしまう可能性がある。そのため、相対圧力が０．０５〜０．５ＭＰａとなるように圧力を加える。

本発明者らは，実験によって本形態の実施例１、２と比較例による注液を行い，その所要時間を比較した。

まず、セパレータとしてポリエチレン系のセパレータを、正極板及び負極板の代わりに用意したスライドガラスにより挟んだ電極板群を耐圧容器にセットする。使用する耐圧容器は、減圧することが出来、また耐圧容器内に非水電解液を注液することが可能である。そして、電極板群を耐圧容器の外から目視できるものを用いている。

実施例１は、本形態の注液工程に沿って注液を行ったものである。すなわち、まず電極群が挿入されている耐圧容器内を−０．１ＭＰａまで減圧した。次に、耐圧容器内を
Ostwald溶解度係数が２．８である二酸化炭素により置換し、大気圧状態にした。更に、減圧状態と二酸化炭素を注入して大気圧状態にすることを３回繰り返した。次に、耐圧容器内を−０．１ＭＰａまで減圧し、５分放置した。その後、大気圧状態にある非水電解液を耐圧容器内に注液し、０．１ＭＰａで加圧を行った。その結果、電極板群を６０ｍｍ含侵させるために約１０分を要した。

実施例２では、二酸化炭素による置換を行う工程（第２の工程）まで実施例１と同様の条件で行った。その後、減圧を行わずに非水電解液を注液し、注液後の加圧は行わなかった。その結果、電極板群を６０ｍｍ含侵させるために、実施例１に対して約２．５倍の時間を要した。

比較例では、二酸化炭素による置換を行わずに、非水電解液を注液した後、大気圧状態でおいた点以外は実施例１と同じ条件でおこなった。その結果、電極板群を６０ｍｍ含侵させるために、実施例１に対して約４倍の時間を要した。

したがって、本形態の実施例１と比較例とを比較すると、二酸化炭素により置換しているため短時間で注液工程を完了できることが確認できた。また、実施例１と実施例２とを比較すると、二酸化炭素に置換した後に減圧を行い、非水電解液を注液した後、加圧を行った方がより短時間で注液工程を完了できることが分かった。

以上詳細に説明したように、本形態の注液工程によれば、電池ケース内をOstwald溶解度係数が約２．０以上の気体に置換したのち、減圧状態にし、その後非水電解液を注液している。これにより、より短時間で非水電解液を注液することが可能となる。

更に、非水電解液を注液する前に減圧し、非水電解液を注液した後に非水電解液を加圧することで更に短時間で注液することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ｓ１…第1の工程
Ｓ２…第２の工程
Ｓ３…第３の工程
Ｓ４…第４の工程
Ｓ５…第５の工程

Claims

電池ケースと、前記電池ケースの内部に収納され正負の電極板にセパレータを挟んだ電
極板群とを有し、前記電極板群に非水電解液が含浸されている二次電池の製造方法であっ
て、
前記電池ケース内を、前記非水電解液に対するOstwald溶解度係数が２．０以上の気体
へと置換する工程と、
前記気体へと置換された前記電池ケース内を減圧する工程と、
減圧された前記電池ケース内へと前記非水電解液を注液する工程と、
を含むことを特徴とする二次電池の製造方法。
前記電池ケース内を減圧する際の減圧圧力は、前記減圧圧力を相対圧力Ｐとし、減圧を
行う時間をｔとしたとき、下式（１）を成立させる前記減圧圧力であることを特徴とする
請求項１記載の二次電池の製造方法。
Ｐ×ｔ≧―４００・・・（１）
前記非水電解液を注液した後、更に前記非水電解液を加圧する工程を含むことを特徴と
する請求項１又は請求項２に記載の二次電池の製造方法。
前記非水電解液を加圧する圧力は０．０５〜０．５ＭＰａであることを特徴とする請求
項３に記載の二次電池の製造方法。
前記電池ケース内に置換する前記気体は、７５体積％以上となるように置換することを
特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
前記気体は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の二次
電池の製造方法。