JP5697231B2 - 真空中重量管理を使用した電解液注入装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電池製造工程において高精度・高速度で所定量の電解液を電池電層内に注入
する電解液注入装置に関する。
する電解液注入装置に関する。
リチウムイオン二次電池の製造においては、電池容器に収められた積層体（シート状の
電極とセパレータを交互に重ねた構造）の隙間に決められた量の電解液を均等に注入する
ことが、電池特性や寿命の向上につながる。ところが高密度に積層された積層体の小さな
隙間に電解液を浸透させるのは容易でなく、一度に注入できる電解液の量も僅かで、所定
量の電解液を注入するのに長時間を要する。従って、高い製造品質と生産性に優れた電池
を製造するためには高精度・高速度な注液技術が必要になる。
電極とセパレータを交互に重ねた構造）の隙間に決められた量の電解液を均等に注入する
ことが、電池特性や寿命の向上につながる。ところが高密度に積層された積層体の小さな
隙間に電解液を浸透させるのは容易でなく、一度に注入できる電解液の量も僅かで、所定
量の電解液を注入するのに長時間を要する。従って、高い製造品質と生産性に優れた電池
を製造するためには高精度・高速度な注液技術が必要になる。
そのため特許文献１には定量ポンプを用いて真空減圧下の容器に高精度・高速度で注液
する方法が示されている。すなわち、図６に示すように、まず、第1のバルブ１０１を閉
じ、第２及び第３のバルブ１０２、１０３を開放する。そして、大気雰囲気下に置かれた
液体タンク１０４内にある液体を定量ポンプ１０５で一定量だけバッファータンク１０６
に送液する。次に、第２及び第３のバルブ１０２、１０３を閉じてバッファータンク１０
６を外界から遮断する。そして、第１のバルブ１０１を開放する。すると、バッファータ
ンク１０６に閉じ込められた空気の圧力によりバッファータンク１０６内に貯められた液
体が吐出部１０７を経由して減圧チャンバ１０８内にある容器１０９に注液される
する方法が示されている。すなわち、図６に示すように、まず、第1のバルブ１０１を閉
じ、第２及び第３のバルブ１０２、１０３を開放する。そして、大気雰囲気下に置かれた
液体タンク１０４内にある液体を定量ポンプ１０５で一定量だけバッファータンク１０６
に送液する。次に、第２及び第３のバルブ１０２、１０３を閉じてバッファータンク１０
６を外界から遮断する。そして、第１のバルブ１０１を開放する。すると、バッファータ
ンク１０６に閉じ込められた空気の圧力によりバッファータンク１０６内に貯められた液
体が吐出部１０７を経由して減圧チャンバ１０８内にある容器１０９に注液される
上記構成では、大気圧下で一度バッファータンク１０６へ注液し、その後、バッファー
タンク１０６内の液体を全て減圧チャンバ１０８内の容器１０９に注液する。そのため容
器１０９への注液量は定量ポンプ１０５の吐出精度に正確に依存するから高い注液精度が
得られる。しかしながら上記構成は定量ポンプによる容積計量である為、電解液に空気が
混在している場合、注液精度に大きく影響を及ぼす。これを改善する為、容積計量ではな
く重量管理で注液を行う。
タンク１０６内の液体を全て減圧チャンバ１０８内の容器１０９に注液する。そのため容
器１０９への注液量は定量ポンプ１０５の吐出精度に正確に依存するから高い注液精度が
得られる。しかしながら上記構成は定量ポンプによる容積計量である為、電解液に空気が
混在している場合、注液精度に大きく影響を及ぼす。これを改善する為、容積計量ではな
く重量管理で注液を行う。
重量管理で注液を行なう際、注液を比較的高速な速度Ａで行い、注液量が目標に達した
時点で注液を停止すると、図７に示すように、急激な速度変化に追従できず、注液量が目
標の注液量を通り越すオーバシュートを引き起こし、高精度での注液が困難になる。
時点で注液を停止すると、図７に示すように、急激な速度変化に追従できず、注液量が目
標の注液量を通り越すオーバシュートを引き起こし、高精度での注液が困難になる。
反対に注液を比較的低速な速度Ｘで行うと、図８に示すように、注液停止時の速度変化
が小さく応答速度の追従性がよくなるので、指令と同時に注液が停止し、高精度での注液
が可能になる。しかしながら、図９に示すように、注液開始直後から速度Ｘで注液する場
合の注液時間ＴＸが、注液開始直後から速度Ａで注液する場合の注液時間ＴＡに比べ、必
要以上に長くなる。その結果、高速度での注液が困難になる。
が小さく応答速度の追従性がよくなるので、指令と同時に注液が停止し、高精度での注液
が可能になる。しかしながら、図９に示すように、注液開始直後から速度Ｘで注液する場
合の注液時間ＴＸが、注液開始直後から速度Ａで注液する場合の注液時間ＴＡに比べ、必
要以上に長くなる。その結果、高速度での注液が困難になる。
解決しようとする問題点は以上のような点であり、本発明は、真空環境下で注液速度と
注液精度の双方を満足するため、注液速度可変なダイレクト注液を採用し併せて重量管理
を行うようにした電解液注入装置を提供することを目的になされたものである。
注液精度の双方を満足するため、注液速度可変なダイレクト注液を採用し併せて重量管理
を行うようにした電解液注入装置を提供することを目的になされたものである。
そのため本発明は、大気圧下に設置して電解液を注液する定量吐出ポンプと、真空圧下
に設置して前記電解液を受液する電池容器と、前記定量吐出ポンプの注液停止時の引き込
み負圧を阻止する負圧阻止手段と、前記電池容器の受液重量をリアルタイムで測定する重
量測定手段と、測定した受液重量をフィードバックして前記定量吐出ポンプの注液速度を
制御する注液速度制御手段とを備えて真空環境下でのダイレクト注液を可能にした構成に
おいて、前記電解液の注液工程を高速注液工程と精密注液工程に区分し、高速注液工程で
は最高注液速度Ａで注液し、受液重量が最終目標秤量Ｎに近い変曲点での目標秤量ｎに達
したら次の精密注液工程に移行し、精密注液工程では速度Ａが最低注液速度Ｘ（＜速度Ａ
）になるまで段階的に減速し、受液重量が最終目標秤量Ｎに達したら速度Ｘを０に減速し
て注液を停止することを最も主要な特徴とする。
に設置して前記電解液を受液する電池容器と、前記定量吐出ポンプの注液停止時の引き込
み負圧を阻止する負圧阻止手段と、前記電池容器の受液重量をリアルタイムで測定する重
量測定手段と、測定した受液重量をフィードバックして前記定量吐出ポンプの注液速度を
制御する注液速度制御手段とを備えて真空環境下でのダイレクト注液を可能にした構成に
おいて、前記電解液の注液工程を高速注液工程と精密注液工程に区分し、高速注液工程で
は最高注液速度Ａで注液し、受液重量が最終目標秤量Ｎに近い変曲点での目標秤量ｎに達
したら次の精密注液工程に移行し、精密注液工程では速度Ａが最低注液速度Ｘ（＜速度Ａ
）になるまで段階的に減速し、受液重量が最終目標秤量Ｎに達したら速度Ｘを０に減速し
て注液を停止することを最も主要な特徴とする。
本発明は、受液重量が最終目標秤量Ｎに近い変曲点での目標秤量ｎに達するまで最高注
液速度Ａで注液する。そのため注液の大部分が最高注液速度Ａで行われ、高い注液速度で
ダイレクト注液が可能になる。また、目標秤量ｎに達したら速度Ａが最低注液速度Ｘにな
るまで段階的に減速し、受液重量が最終目標秤量Ｎに達したら速度Ｘを０に減速して注液
を停止する。そのため注液停止が最低注液速度Ｘで行われ、注液停止時の速度変化が小さ
く応答速度の追従性がよくなるので最後の液吹きを防止でき、高い注液精度でダイレクト
注液が可能になる。
液速度Ａで注液する。そのため注液の大部分が最高注液速度Ａで行われ、高い注液速度で
ダイレクト注液が可能になる。また、目標秤量ｎに達したら速度Ａが最低注液速度Ｘにな
るまで段階的に減速し、受液重量が最終目標秤量Ｎに達したら速度Ｘを０に減速して注液
を停止する。そのため注液停止が最低注液速度Ｘで行われ、注液停止時の速度変化が小さ
く応答速度の追従性がよくなるので最後の液吹きを防止でき、高い注液精度でダイレクト
注液が可能になる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本発明を実施した電解液注入装置の構成図を示す。
電解液注入装置は、真空チャンバ１に定量吐出ポンプ２と真空ポンプ３を接続して真空
引きした電池容器４内に電解液ａをダイレクトに滴下する構成で、定量吐出ポンプ２は真
空チャンバ１の前面扉５を貫通して注液管６を垂下し、注液管６の出口に負圧阻止手段と
してのチェック弁７を設けて着脱可能にニードル８を取り付ける。ニードル８の先端は真
空チャンバ１内に収容した電池容器４の開口部に臨ませる。
電解液注入装置は、真空チャンバ１に定量吐出ポンプ２と真空ポンプ３を接続して真空
引きした電池容器４内に電解液ａをダイレクトに滴下する構成で、定量吐出ポンプ２は真
空チャンバ１の前面扉５を貫通して注液管６を垂下し、注液管６の出口に負圧阻止手段と
してのチェック弁７を設けて着脱可能にニードル８を取り付ける。ニードル８の先端は真
空チャンバ１内に収容した電池容器４の開口部に臨ませる。
電池容器４は、重量測定手段としての電子天びん９の上に載置して吐出した電解液ａの
重量を測定する。その際、真空度による浮力換算を行って真空中での重量を測定する。
真空ポンプ３は真空チャンバ１の側壁を貫通して吸気管１０を接続し、吸気管１０の途
中に真空を開閉する開閉弁１１を設ける。真空チャンバ１は、図示しない大気開放ポート
を開いて大気開放し、前面扉５を閉じて密閉する。また、前面扉５を開いて中の電池容器
４を出し入れする。前面扉５の開閉は手動・自動のいずれで行ってもよい。
重量を測定する。その際、真空度による浮力換算を行って真空中での重量を測定する。
真空ポンプ３は真空チャンバ１の側壁を貫通して吸気管１０を接続し、吸気管１０の途
中に真空を開閉する開閉弁１１を設ける。真空チャンバ１は、図示しない大気開放ポート
を開いて大気開放し、前面扉５を閉じて密閉する。また、前面扉５を開いて中の電池容器
４を出し入れする。前面扉５の開閉は手動・自動のいずれで行ってもよい。
定量吐出ポンプ２は、中空のシリンジ１２内に往復動可能なプランジャ１３を挿嵌し、
変換機１４でモータ１５の回転を直線運動に変換してプランジャ１３を押し出し、シリン
ジ１２内に採取した電解液ａをｍｇ単位の精度で定量吐出する。電解液ａの注液速度は、
単位時間当たり吐出量を設定して決定し、吐出量はプランジャ１３の押し出し量を設定し
て決定する。
変換機１４でモータ１５の回転を直線運動に変換してプランジャ１３を押し出し、シリン
ジ１２内に採取した電解液ａをｍｇ単位の精度で定量吐出する。電解液ａの注液速度は、
単位時間当たり吐出量を設定して決定し、吐出量はプランジャ１３の押し出し量を設定し
て決定する。
モータ１５と電子天びん９はコントローラ１６を介してパソコン１７に接続し、電子天
びん９を用いて電池容器４の受液重量をリアルタイムで測定する。受液重量の測定結果は
コントローラ１６を介してモータ１５にフィードバックし、プランジャ１３の押し出し量
を決定してパソコン１７からの指令に従って定量吐出ポンプ２の注液速度を制御する。
びん９を用いて電池容器４の受液重量をリアルタイムで測定する。受液重量の測定結果は
コントローラ１６を介してモータ１５にフィードバックし、プランジャ１３の押し出し量
を決定してパソコン１７からの指令に従って定量吐出ポンプ２の注液速度を制御する。
チェック弁７は、定量吐出ポンプ２の吐出圧力がクラッキング圧力（通しはじめの圧力
）を超えると開弁し、定量吐出ポンプ２を停止すると吐出圧力が消滅して直ちに閉弁する
。
そのため注液時以外は常に閉じた状態になり、注液を停止しても引き込み負圧がブロッ
クされるので負圧の影響を受けることなく大気圧下と同じ精度で定量吐出が可能になる。
）を超えると開弁し、定量吐出ポンプ２を停止すると吐出圧力が消滅して直ちに閉弁する
。
そのため注液時以外は常に閉じた状態になり、注液を停止しても引き込み負圧がブロッ
クされるので負圧の影響を受けることなく大気圧下と同じ精度で定量吐出が可能になる。
図２に、本発明を実施した電解液注入処理のタイムチャートを示す。
タイムチャートは、注液工程を高速注液工程（１０１）と精密注液工程（１０２）に区
分し、高速注液工程（１０１）では最高注液速度Ａで注液し、受液重量が最終目標秤量Ｎ
に近い変曲点での目標秤量ｎに達したら次の精密注液工程（１０２）に移行する。精密注
液工程（１０２）では、図３に示すように、速度Ａが最低注液速度Ｘ（＜速度Ａ）になる
までオーバシュート・ハンチングを引き起こさない範囲の速度差で段階的に減速し、受液
重量が最終目標秤量Ｎに達したら速度Ｘを０に減速して注液を停止する。
タイムチャートは、注液工程を高速注液工程（１０１）と精密注液工程（１０２）に区
分し、高速注液工程（１０１）では最高注液速度Ａで注液し、受液重量が最終目標秤量Ｎ
に近い変曲点での目標秤量ｎに達したら次の精密注液工程（１０２）に移行する。精密注
液工程（１０２）では、図３に示すように、速度Ａが最低注液速度Ｘ（＜速度Ａ）になる
までオーバシュート・ハンチングを引き起こさない範囲の速度差で段階的に減速し、受液
重量が最終目標秤量Ｎに達したら速度Ｘを０に減速して注液を停止する。
このとき速度Ａ＝電解液ａが電池容器４の積層体へ浸透する速度と同じ注液速度、速度
Ｘ＝指令に対する応答遅れがなく直ちに注液が停止できる注液速度とする。また、変曲点
での目標秤量ｎ＝最終目標秤量Ｎ−精密注液工程における受液重量Ｗとし、可変要素であ
る精密注液工程における受液重量Ｗはあらかじめ実測によって求める。
Ｘ＝指令に対する応答遅れがなく直ちに注液が停止できる注液速度とする。また、変曲点
での目標秤量ｎ＝最終目標秤量Ｎ−精密注液工程における受液重量Ｗとし、可変要素であ
る精密注液工程における受液重量Ｗはあらかじめ実測によって求める。
精密注液工程における受液重量Ｗは、多めに設定すると変曲点での目標秤量ｎの値が低
くなり、早めに注液速度の遅い精密注液工程（１０２）に移行するので全体の注液速度が
低下する。反対に少なめに設定すると変曲点での目標秤量ｎの値が高くなり、速度Ｘにな
る前に受液重量が最終目標秤量Ｎに達してしまい、速度Ｘより高い注液速度で注液を停止
することになるので注液停止時の速度変化が大きく、応答遅れが発生して注液精度が低下
する。
くなり、早めに注液速度の遅い精密注液工程（１０２）に移行するので全体の注液速度が
低下する。反対に少なめに設定すると変曲点での目標秤量ｎの値が高くなり、速度Ｘにな
る前に受液重量が最終目標秤量Ｎに達してしまい、速度Ｘより高い注液速度で注液を停止
することになるので注液停止時の速度変化が大きく、応答遅れが発生して注液精度が低下
する。
図４に、本発明を実施した電解液注入処理のフローチャートを示す。
フローチャートは、まず、注液開始速度をＡ、最終注液速度をＸに設定する（２０１）
。
次に、変曲点での目標秤量をｎ、最終目標秤量をＮに設定する（２０２）。
その後、高速注液工程に入り、速度Ａで注液を開始する（２０３）。
高速注液工程では、現在秤量（注液量）が目標秤量ｎに達したかどうか判定し（２０４
）、達したら、精密注液工程１に移る。達してなかったら、２０３に戻って速度Ａで注液
を継続する。
フローチャートは、まず、注液開始速度をＡ、最終注液速度をＸに設定する（２０１）
。
次に、変曲点での目標秤量をｎ、最終目標秤量をＮに設定する（２０２）。
その後、高速注液工程に入り、速度Ａで注液を開始する（２０３）。
高速注液工程では、現在秤量（注液量）が目標秤量ｎに達したかどうか判定し（２０４
）、達したら、精密注液工程１に移る。達してなかったら、２０３に戻って速度Ａで注液
を継続する。
精密注液工程１では、まず、指令速度を所定の速度差で１段階減速する（２０５）。次
に、減速後の指令速度が速度Ｘと等しくなったかどうか判定し（２０６）、等しくなった
ら、精密注液工程２に移る。等しくなってなければ、減速後の指令速度で注液を開始する
（２０７）。
に、減速後の指令速度が速度Ｘと等しくなったかどうか判定し（２０６）、等しくなった
ら、精密注液工程２に移る。等しくなってなければ、減速後の指令速度で注液を開始する
（２０７）。
減速後の指令速度による注液は、図５に示すように、実際の速度（応答速度）が目標の
速度（指令速度）に追いつく（一致する）までの時間（応答遅れ時間）ｔ１＋追いついた
（一致した）後の余裕分を含む一定時間ｔ２をかけて行う。そのため次に、現在速度が減
速後の指令速度に追いついた（一致した）かどうか判定し（２０８）、追いついて（一致
して）いれば、次に、一定時間経過したかどうか判定する（２０９）。追いついて（一致
して）なければ、２０７に戻って減速後の指令速度で注液を継続する。２０９において、
一定時間経過していれば２０５に戻って更に指令速度を所定の速度差で１段階減速する。
一定時間経過してなければ、２０７に戻って減速後の指令速度で注液を継続する。
速度（指令速度）に追いつく（一致する）までの時間（応答遅れ時間）ｔ１＋追いついた
（一致した）後の余裕分を含む一定時間ｔ２をかけて行う。そのため次に、現在速度が減
速後の指令速度に追いついた（一致した）かどうか判定し（２０８）、追いついて（一致
して）いれば、次に、一定時間経過したかどうか判定する（２０９）。追いついて（一致
して）なければ、２０７に戻って減速後の指令速度で注液を継続する。２０９において、
一定時間経過していれば２０５に戻って更に指令速度を所定の速度差で１段階減速する。
一定時間経過してなければ、２０７に戻って減速後の指令速度で注液を継続する。
精密注液工程２では、まず、速度Ｘで注液を開始する（２１０）。次に、現在秤量（注
液量）が最終目標秤量Ｎに達したかどうか判定し（２１１）、達したら、注液を停止する
（２１２）。達してなかったら、２１０に戻って速度Ｘで注液を継続する。
液量）が最終目標秤量Ｎに達したかどうか判定し（２１１）、達したら、注液を停止する
（２１２）。達してなかったら、２１０に戻って速度Ｘで注液を継続する。
１ 真空チャンバ
２ 定量吐出ポンプ
３ 真空ポンプ
４ 電池容器
５ 前面扉
６ 注液管
７ チェック弁
８ ニードル
９ 電子天びん
１０ 吸気管
１１ 開閉弁
１２ シリンジ
１３ プランジャ
１４ 変換機
１５ モータ
１６ コントローラ
１７ パソコン
１０１ 第1のバルブ
１０２ 第２のバルブ
１０３ 第３のバルブ
１０４ 液体タンク
１０５ 定量ポンプ
１０６ バッファータンク
１０７ 吐出部
１０８ 減圧チャンバ
１０９ 容器
ａ 電解液
２ 定量吐出ポンプ
３ 真空ポンプ
４ 電池容器
５ 前面扉
６ 注液管
７ チェック弁
８ ニードル
９ 電子天びん
１０ 吸気管
１１ 開閉弁
１２ シリンジ
１３ プランジャ
１４ 変換機
１５ モータ
１６ コントローラ
１７ パソコン
１０１ 第1のバルブ
１０２ 第２のバルブ
１０３ 第３のバルブ
１０４ 液体タンク
１０５ 定量ポンプ
１０６ バッファータンク
１０７ 吐出部
１０８ 減圧チャンバ
１０９ 容器
ａ 電解液
Claims (5)
- 大気圧下に設置して電解液を注液する定量吐出ポンプと、
真空圧下に設置して前記電解液を受液する電池容器と、
前記定量吐出ポンプの注液停止時の引き込み負圧を阻止する負圧阻止手段と、
前記電池容器の受液重量をリアルタイムで測定する重量測定手段と、
測定した受液重量をフィードバックして前記定量吐出ポンプの注液速度を制御する注液
速度制御手段と、
を備えて真空環境下でのダイレクト注液を可能にした構成において、
前記電解液の注液工程を高速注液工程と精密注液工程に区分し、
高速注液工程では最高注液速度Ａで注液し、
受液重量が最終目標秤量Ｎに近い変曲点での目標秤量ｎに達したら次の精密注液工程に
移行し、
精密注液工程では速度Ａが最低注液速度Ｘ（＜速度Ａ）になるまで段階的に減速し、
受液重量が最終目標秤量Ｎに達したら速度Ｘを０に減速して注液を停止することを特徴
とする真空中重量管理を使用した電解液注入装置。 - 前記速度Ａを電解液が電池容器の積層体へ浸透する速度と同じ注液速度に設定したこと
を特徴とする請求項１記載の真空中重量管理を使用した電解液注入装置。 - 前記速度Ｘを指令に対する応答遅れがなく直ちに注液が停止できる注液速度に設定した
ことを特徴とする請求項１記載の真空中重量管理を使用した電解液注入装置。 - 前記精密注液工程においてはオーバシュート・ハンチングを引き起こさない範囲の速度
差で段階的に減速することを特徴とする請求項１記載の真空中重量管理を使用した電解液
注入装置。 - 前記変曲点での目標秤量ｎは最終目標秤量Ｎから精密注液工程における受液重量Ｗを差
し引いたものであり、受液重量Ｗはあらかじめ実測によって求めたものであることを特徴
とする請求項１記載の真空中重量管理を使用した電解液注入装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010180307A JP5697231B2 (ja) | 2010-08-11 | 2010-08-11 | 真空中重量管理を使用した電解液注入装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010180307A JP5697231B2 (ja) | 2010-08-11 | 2010-08-11 | 真空中重量管理を使用した電解液注入装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012038685A JP2012038685A (ja) | 2012-02-23 |
| JP5697231B2 true JP5697231B2 (ja) | 2015-04-08 |
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ID=45850447
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010180307A Active JP5697231B2 (ja) | 2010-08-11 | 2010-08-11 | 真空中重量管理を使用した電解液注入装置 |
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