JP5921274B2 - 電池の製造装置及び電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電池の製造装置及び電池の製造方法に関する。

リチウムイオン電池など密閉型二次電池が携帯用電子機器等に広く利用されている。密閉型二次電池は、例えば、上端が開口した金属製の容器と、この容器の開口を閉塞するように溶接される金属製の封口蓋を備える電池セルを備え、封口蓋を容器に溶接する前に、容器内に電池要素を配置し、その後、封口蓋を容器に溶接して、密閉型の電池セルを形成する。次いで、注液孔を通して注液ノズルによって電解液を電池セル内に注入する。そして、電解液の注入後に注液孔を封止体で封止する。

二次電池の製造装置として、弾性体で形成された注液ノズル、真空圧源及び開閉バルブ、電解液供給装置を備えるものが知られている。この製造装置では、まず注液ノズルをセルの注液孔に当接させ、外部と封止する。次に、ノズルと真空圧源間のバルブを開きセル内を減圧し、所定の時間あるいは真空圧力に到達した後、バルブを閉じる。さらに、電解液供給装置を作動させ、所定量の電解液をノズル越しにセル内へ注入する。

一方、注液ノズルの上部にホッパと呼ばれる容器を用いる方法では、ホッパをセルに載せ、注液ノズルを注液孔に当接させる。ホッパに必要量の電解液を注入し、これを減圧チャンバに入れて減圧すると、電解液越しにセル内部が減圧される。その後、チャンバを大気圧に戻すと、ホッパ内の電解液が大気圧で押されてセル内に注入される。

特開平１１−７３９４２号公報

実施形態では、注液や含浸の時間をさらに短縮できる電池の製造装置及び電池の製造方法を提供する。

一実施形態にかかる電池の製造装置は、電池セル内に前記電池セルの空隙の容積に対応する量の電解液を供給する電解液供給部と、前記電池セルを収容するチャンバと、前記電解液供給部から、前記電池セル内の空隙の容積に対応する量のうちの一定量の電解液を、前記電池セル内に注液するために、前記電池セル内の圧力を、前記電解液供給部側の圧力よりも低くして、圧力差を発生させる第１圧力調整部と、前記チャンバ内において、前記電解液供給部から、前記一定量の電解液を注液すると同時に又は前記一定量の電解液を注液した後に、前記電解液供給部から、前記電池セル内の空隙の容積に対応する量のうちの残りの量の電解液を、前記電池セル内に注液するために、前記電池セル外の圧力を、前記電池セル内の圧力よりも低くして、前記電池セル内の容積を増加させる第２圧力調整部と、を備える。

第１実施形態にかかる密閉型二次電池を一部切欠して示す斜視図。 同密閉型二次電池の製造装置を示す説明図。 同密閉型二次電池の製造方法を示す説明図。 同密閉型二次電池の製造方法を示す説明図。 他の実施形態にかかる密閉型二次電池の製造方法を示す説明図。 同密閉型二次電池の製造方法を示す説明図。

[第１実施形態]
以下第１実施形態にかかる密閉型二次電池１０（電池）の製造装置２０及び製造方法について、図１乃至図４を参照して説明する。図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する三方向をそれぞれ示している。各図においては適宜構成を拡大、縮小、または省略して概略的に示す。

図１は本実施形態にかかる密閉型二次電池１０を一部切欠して示す斜視図である。図１に示すように、密閉型二次電池１０は、アルミニウム等の金属で形成された扁平な箱型形状の電池セル１１を備えている。電池セル１１の内部に形成される収容部に電解液とともにコイル１３を収容している。

電池セル１１は、上端が開口した容器１１Ａと、この容器１１Ａの開口部を封口する矩形板状の封口蓋１１Ｂとを有している。封口蓋１１Ｂは、容器１１Ａの開口部端面上に載置されて全周溶接され、容器１１Ａの開口部を封止している。これにより、容器１１Ａと封口蓋１１Ｂとが隙間無く一体化して、密閉型の電池セル１１を形成している。

封口蓋１１Ｂの長手方向両端部には、正極端子１４と負極端子１５がそれぞれ封口蓋１１Ｂから突出するように設けられている。正極端子１４と負極端子１５は、コイル１３の正極及び負極にそれぞれ接続されている。正極端子１４と負極端子１５の間には、ガスが発生し電池内部の圧力が上がった際に、破けるように薄く構成された防爆弁が形成されている。

封口蓋１１Ｂの中央部には、電解液を注入するための注液孔１７が貫通して形成されている。注液孔１７は、電池セル１１の収容部内と電池セル１１の外部において連通しており、例えば、円形に形成されている。注液孔１７は、封口蓋１１Ｂに固定された封止体１９によって封止される。

封止体１９は、例えば、アルミニウム等により円板状に形成されている。封止体１９は、例えば、レーザ溶接によって封口蓋１１Ｂに溶接されている。

コイル１３（電極体）は、例えば、正極板、及び負極板を、その間に絶縁性のセパレータを介在させて渦巻状に捲回し、さらに、径方向に圧縮することにより、扁平形状に形成されている。

以下に、本実施形態にかかる密閉型二次電池の製造装置２０及び製造方法について図２乃至図４を参照して説明する。

密閉型電池１０は、例えば、容器１１Ａ内にコイル１３を収容し、封口蓋１１Ｂを容器１１Ａに溶接して容器１１Ａの開口を塞ぎ、注液孔１７から電解液を注液した後、注液孔１７を塞ぐように封止体１９を溶接することで製造される。

図２は、本実施形態にかかる二次電池の製造装置２０を示す説明図である。図２において減圧チャンバ２１を一部切欠して示している。製造装置２０は、電池セル１１内に電解液を注液するための注液装置であって、電池セル１１を収納する減圧チャンバ２１と、電解液を供給する電解液供給部２２とを備えている。

減圧チャンバ２１は、上部開口の矩形の箱状に構成されたケース２３と、ケース２３の開口を塞ぐカバー２４とを備えて構成され、減圧チャンバ２１内に、電池セル１１を収納可能に構成されている。減圧チャンバ２１は、各電池セル１１の注液孔１７周辺を外部に開口する開口部２４ａを有している。ここでは、一例として、６つの電池セル１１を並列して収容する。カバー２４の各電池セル１１の注液孔１７に対応する位置に、開口部２４ａが形成されている。

ケース２３の開口縁とカバー２４との間には、密閉用の弾性シール材２５が設けられており、減圧チャンバ２１が密閉可能になっている。さらに、開口部２４ａの周囲には弾性材からなるＯリング２６が設けられている。このＯリング２６に電池セル１１が圧接されて配置されることで、開口部２４ａと注液孔１７の周りの全周囲が気密に封止される。ここでは、図２に示すように、減圧チャンバ２１の下部には、電池セル１１を上方に付勢して開口部２４ａの周りを密閉するばねなどの付勢機構２８が設けることができる。この付勢機構２８によって、電池セル１１がＯリング２６に押し付けられ、電池セル１１の注液孔１７の全周囲が気密に封止されることになる。

尚、ここでは、ばねなどの付勢機構を設けずに、所定の寸法管理に基づき、弾性体であるOリング２６を潰すように圧接させて、電池セル１１を配置することも可能である。この場合も、電池セル１１の注液孔１７の周りの全周囲が気密に封止される。

減圧チャンバ２１には、第２の減圧部としての減圧装置２７が接続されている。減圧装置２７は、例えば、真空ポンプ等の吸引機構を有して構成され、減圧チャンバ２１内の気体を吸引することにより、減圧チャンバ２１内の圧力を調整する。

電解液供給部２２は、電解液を保持可能な供給タンクを有して構成され、バルブ等の開閉機構を介して注液ノズル２２ａに連通している。供給タンクは大気解放されている。電界液供給部２２は、注液ノズル２２ａを通じて所定量の電解液を電池セル１１内に供給する機能を有している。

注液ノズル２２ａは、開口部２４ａを通って、電池セル１１の注液孔１７内に当接し、封止されている。この注液ノズル２２ａは、電解液を供給する供給部２２に加え、第１の減圧部としての減圧装置２９にも接続されている。

減圧装置２９は、例えば、真空ポンプ等の吸引機構を有して構成され、注液ノズル２２ａを介して電池セル１１内に連通している。この減圧装置２９によって注液ノズル２２ａ及び注液孔１７を介して電池セル１１内の気体を吸引することにより、電池セル１１内の圧力を調整する。すなわち、この実施形態では、減圧装置２９が第１圧力調整部として機能し、減圧装置２７が第２圧力調整部として機能する。

この二次電池の製造装置２０を用いた注液工程及び含浸工程について図３及び図４を参照して説明する。図２及び図３に示すように、製造装置２０の減圧チャンバ２１内にコイル１３を収容する電池セル１１が配置されている。さらに電池セル１１の注液孔１７には注液ノズル２２ａが当接され、電解液を供給する供給部２２及び減圧装置２９が連通している。このとき、付勢機構２８により電池セル１１がＯリング２６に圧接されることにより、注液孔１７の周囲が気密に封止されている。

この状態で、まず図３の＜ａ＞に示すように、注液ノズル２２を経由して減圧装置２９により電池セル１１内の圧力を減圧し、電池セル１１内の圧力を供給タンク３３の圧力よりも低くして、圧力差を発生させる（所謂セル内減圧する。）。この実施形態では供給部２２の圧力Ｐ０は大気圧であって、電池セル１１内の圧力は負圧（−Ｐ１）に設定する。

次に、バルブを開いて、図３の＜ｂ＞に示すように、供給部２２により注液ノズル２２ａを通じて所定量の電解液を供給する（所謂注液を行う）。すると、圧力差によって、電解液供給部２２からの注液が促進され、電池セル１１内の空隙１１ａの容積に対応する一定量の電解液が数秒で注入される。なお、この時点では、コイルへ１３の含浸は進んでいないため、図３の＜ｂ＞に示すように、電解液の必要量と空隙１１ａ内容積に対応する一定量との差分として必要量のうち一部の電解液は供給部２２に留まった状態となる。そして、注液によって電池セル１１内の圧力は供給部２２と同等の大気圧となる。

次に、図３の＜ｃ＞に示すように、減圧装置２７により減圧チャンバ２１内を減圧することにより、減圧チャンバ２１内において電池セル１１外の圧力を、電池セル１１内の圧力よりも低くして、圧力差により電池セル１１を膨張させて容積を増加させる（所謂チャンバ減圧する。）。

このとき、上述のように電池セル１１内の圧力は大気圧となっているので、減圧チャンバ２１内において電池セル１１外の圧力を負圧（−Ｐ２）とすることで、圧力差が発生する。

減圧チャンバ２１内の圧力は、電池セル１１の容積と、電池セル１１の弾性変形特性と、電解液の含浸量に基づいて決定され、電池セル１１の変形許容範囲内であって、電池セル内空隙容積分が必要な含浸量を上回るように設定されることが望ましい。このように減圧圧力を必要な範囲に制御することで、必要かつ十分なセルの膨脹量を得ることが可能となる。

この減圧により電池セル１１内との圧力差で電池セル１１が膨脹し、電池セル１１内の空隙部１１ａの容積が増大する。すなわち電池セル１１内外の圧力差を生じさせて電池セル１１の電解液の収容量を増大させ、一定量を超える量の残りの電解液を注液可能にする。これにより、コイル１３に含浸されるべき所定量の電解液が、コイル１３の外側であって電池セル１１内の空隙部分１１ａに収容できる状態となる。それにつれて、前述の注液ノズル２２内に滞留した電解液が電池セル１１内に注入されていく。

注入が完了した後、図３の＜ｄ＞に示すように、注液ポジションから減圧チャンバ２１を移載し、図３の＜ｅ＞に示すように、注液孔１７に封止体１９を挿入して電池セル１１を封止する。

そして、封止後に図４の＜ｆ＞に示すように、減圧チャンバ２１から電池セル１１を取り出す。

さらに、図４の＜ｇ＞に示すように、電池セル１１を加圧装置３０に入れて全体を加圧することにより、セル１１内の電解液をコイル１３内に含浸させる（所謂加圧含浸させる。）。ここでは例えば加圧装置で所定の圧をかけて作用させることで、電池セル１１内の圧力を上げる。この加圧によって電池セル１１内の空隙部にある電解液のコイル１３へ含浸が促進される。

その後、図４の＜ｈ＞に示すように、電池セル１１を加圧装置３０から取り出し、図４の＜ｉ＞に示すように所定時間放置することにより電解液をコイル１３に完全に含浸させる（所謂放置含浸させる。）。このとき、膨張していた電池セル１１は電解液が含浸するにつれて空隙部１１ａの容積が小さくなりながら元の形状に戻る。

本実施形態にかかる二次電池の製造方法及び製造装置によれば、含浸速度の遅い材料を用いた場合でも極短時間にセル内に電解液を注入することができるため、多数の注液装置を備える必要がなく、生産性の高い製造ラインを構築することができる。

例えば、注液装置とセルを接続したままで注液装置内においてコイルに電解液を含浸させながら注液を行う装置及び方法では、各セルの注液及び含浸処理に数十時間程度を要することになるが、上記実施形態によれば、圧力調整により高速で注液を行い、さらに電池セルを膨張させることによって、含浸が完了する前にセル内の空隙部の容積を増大させて必要量を注入することができる。

このため、電解液の注液処理時間は、例えば数十秒あるいは数秒で完了させることができ、注液及び封止完了後に含浸を行うことができるため、処理時間及び生産タクトを大幅に短縮できる。

特にプラスチック系のセパレータや高粘度電解液が用いられた場合、注液、含浸に長時間を要するため、いずれも生産性が低下することが課題となるが、本実施形態にかかる電池の製造装置及び製造方法によれば電解液の注液及び含浸を高速で行うことができ、生産性を向上できる。また、セル１１内外の圧力を調整するだけで実現可能であるため、装置構成や処理手順が単純化できる。

なお、上記実施形態では必要量の注液が完了した後封止体１９で封止してから含浸を行う場合を例示したが、これに限られるものではない。例えば図５及び図６に示す他の実施形態においては、まず図５の＜ａ＞から図５の＜ｄ＞に示すように、上記第１実施形態と同様に電解液の注液とセル容積の増加を行った後、図５の＜ｅ＞に示すように注液孔に着脱可能な仮封止栓４０を挿入して仮封止する。仮封止栓４０としては弾性体で構成されるプラグを用いる。

そして、上記第１実施形態と同様に図６の＜ｆ＞〜図６の＜ｉ＞に示すように加圧含浸及び放置含浸を行った後に、図６の＜ｊ＞に示すように仮封止栓４０を取り除く。さらに、図６の＜ｋ＞に示すように注液孔１７に封止体１９を搭載し、図６の＜ｌ＞に示すようにレーザ溶接を行い、注液孔１７を封止する。

この実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果が得られる。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、その他の様々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。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］ 電池セル内に電解液を供給する電解液供給部と、
前記電池セルを収容するチャンバと、
前記電池セル内の圧力を、前記電解液供給部側の圧力よりも低くする第１圧力調整部と、
前記チャンバ内において、前記電池セル外の圧力を、前記電池セル内の圧力よりも低くして、前記電池セル内の容積を増加させる第２圧力調整部と、を備えたことを特徴とする電池の製造装置。
［２］ 前記電池セルは内部にコイルが配置される収容部を形成し、前記収容部に連通する注液孔を備え、
前記チャンバは前記注液孔に対応する開口部を有し、
前記電解液供給部は、前記注液孔から前記電池セル内に連通する注液ノズルを備え、
前記第１圧力調整部は、前記電池セル内に接続された第１の減圧部であり、
前記第２圧力調整手段は、前記チャンバ内に接続された第２の減圧部であることを特徴とする［１］記載の電池の製造装置。
［３］ 前記注液孔及び前記開口部の周囲が気密封止可能に構成され、
前記第１の減圧部は、前記開口部及び前記注液孔を通じて、前記電池セル内に連通する前記注液ノズルに接続されることを特徴とする［２］に記載の電池の製造装置。
［４］ コイルを収容する電池セル内に、前記電池セルに形成された注液孔に電解液を供給する電解液供給部を接続し、前記電池セル内の圧力を前記電解液供給部側の圧力よりも低くした状態で、前記電池セル内に前記電解液を注液する工程と、
前記電池セル外の圧力を、前記電池セル内の圧力よりも低くして、前記電池セル内の容積を増加させる工程と、を有することを特徴とする電池の製造方法。
［５］ 前記電池セル内の容積を増加させる工程は、前記電池セル内に前記電解液を注液する工程と同時か、または、その後に行うことを特徴とする［４］に記載の電池の製造方法。
［６］ 前記電池セルを収容するとともに、減圧可能な減圧チャンバ内において、前記電池セル内に前記電解液を注液する工程、及び前記電池セル内の容積を増加させる工程を行うことを特徴とする［４］または［５］記載の電池の製造方法。
［７］ 前記電池セル内に前記電解液を注液する工程において、前記電池セル内を減圧することにより、前記電解液供給部と電池セル内とに圧力差を生じさせ、前記電解液供給部からの注液を促進させて、一定量の電解液を注液させた後、
前記減圧チャンバ内を減圧することにより、前記電池セル内の容積を増加させて、電池
セルの電解液の収容量を増加させることを特徴とする［６］に記載の電池の製造方法。
［８］ 前記減圧チャンバ内の圧力は、前記電池セルの変形特性と、前記電池セル内に注液する電解液の量と、に基づいて決定されることを特徴とする請求項７に記載の電池の製造方法。
［９］ 前記電池セル内に電解液を注液する工程と、前記電池セル内の容積を増加させる工程とを行った後に、
前記注液孔に着脱可能な第１の封止体で、前記電池セルを封止すること、
前記第１の封止体で封止された状態で、前記電池セルにおいて前記電解液を含浸させること、
及び前記電解液を含浸させた後に、前記第１の封止栓を取り除き、前記注液孔を第２の封止体で封止すること、を有すること特徴とする［４］に記載の電池の製造方法。
［１０］ 前記電解液が注液された前記電池セルを加圧して、前記電解液を前記コイルに含浸させることを特徴とする［４］乃至［９］のいずれか記載の電池の製造方法。

１０…密閉型二次電池（電池）、１１…電池セル、１１Ａ…容器、１１Ｂ…封口蓋、１３…コイル、１４…正極端子、１５…負極端子、１７…注液孔、１９…封止体、２０…製造装置、２１…減圧チャンバ、２２…電解液供給部、２２ａ…注液ノズル、２２ｂ…供給タンク、２３…ケース、２４…カバー、２４ａ…開口部、２５…弾性シール材、２６…Ｏリング、２７…減圧装置（第２の減圧部）、２８…付勢機構、２９…減圧装置（第１の減圧部）。

Claims (8)

1. 電池セル内に前記電池セルの空隙の容積に対応する量の電解液を供給する電解液供給部と、
   前記電池セルを収容するチャンバと、
   前記電解液供給部から、前記電池セル内の空隙の容積に対応する量のうちの一定量の電解液を、前記電池セル内に注液するために、前記電池セル内の圧力を、前記電解液供給部側の圧力よりも低くして、圧力差を発生させる第１圧力調整部と、
   前記チャンバ内において、前記電解液供給部から、前記一定量の電解液を注液すると同時に又は前記一定量の電解液を注液した後に、前記電解液供給部から、前記電池セル内の空隙の容積に対応する量のうちの残りの量の電解液を、前記電池セル内に注液するために、前記電池セル外の圧力を、前記電池セル内の圧力よりも低くして、前記電池セル内の容積を増加させる第２圧力調整部と、を備えたことを特徴とする電池の製造装置。
2. 前記電池セルは内部にコイルが配置される収容部を有し、前記収容部に連通する注液孔を備え、
   前記チャンバは前記注液孔に対応する開口部を有し、
   前記電解液供給部は、前記注液孔から前記電池セル内に連通する注液ノズルを備え、
   前記第１圧力調整部は、前記電池セル内に接続された第１の減圧部であり、
   前記第２圧力調整部は、前記チャンバ内に接続された第２の減圧部であることを特徴とする請求項１記載の電池の製造装置。
3. 前記注液孔及び前記開口部の周囲が気密封止可能に構成され、
   前記第１の減圧部は、前記開口部及び前記注液孔を通じて、前記電池セル内に連通する前記注液ノズルに接続されることを特徴とする請求項２に記載の電池の製造装置。
4. コイルを収容する電池セル内に、前記電池セルに形成された注液孔に電解液を供給する電解液供給部を接続し、前記電池セル内の圧力を前記電解液供給部側の圧力よりも低くした状態で、前記電池セル内に、前記電池セルの空隙の容積に対応する量のうちの一定量の前記電解液を注液する工程と、
   前記電解液を注液すると同時に又は前記電解液の注液後に、前記電池セル外の圧力を、前記電池セル内の圧力よりも低くして、前記電池セル内の容積を増加させ、前記電池セルの空隙の容積に対応する量のうちの残りの量の電解液を、前記電池セル内に注液する工程と、
   前記電池セル内に、前記一定量の電解液を注液する工程、及び、前記電池セル内の容積を増加させ、前記残りの量の電解液を注液する工程を行った後に、前記電池セルを封止する工程と、を有することを特徴とする電池の製造方法。
5. 前記電池セルを収容するとともに、減圧可能な減圧チャンバ内において、前記電池セル内に、前記一定量の電解液を注液する工程、及び、前記電池セル内の容積を増加させ、前記残りの量の電解液を注液する工程を行うことを特徴とする請求項４記載の電池の製造方法。
6. 前記減圧チャンバ内の圧力は、前記電池セルの容積と、前記電池セルの弾性変形特性と、前記電解液の含浸量と、に基づいて決定されることを特徴とする請求項５に記載の電池の製造方法。
7. 前記電池セルを封止する工程は、
   前記注液孔に着脱可能な第１の封止体で、前記電池セルを封止する工程であり、さらに、
   前記第１の封止体で封止された状態で、前記電池セルにおいて前記電解液を含浸させる工程、
   及び前記電解液を含浸させる工程の後に、前記第１の封止体を取り除き、前記注液孔を第２の封止体で封止する工程、を有すること特徴とする請求項４に記載の電池の製造方法。
8. 前記電池セルを封止する工程を行った後に、前記電池セルを加圧して、前記電解液を前記コイルに含浸させることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか記載の電池の製造方法。

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