JP5950170B2 - 電池製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は電池製造方法に関する。
電池製造方法として、例えば、特開2009−026569号公報(JP-A-2009-26569)には、リーク検査ガス雰囲気の密閉容器内で、密閉型電池を作成することが開示されている。これにより、電池ケース内を凡そリーク検査ガス雰囲気とすることができ、密閉型電池の気密検査精度が良くなることが記載されている。
また、特開2010−244898号公報(JP-A-2010-244898)には、電池ケース(筐体)に、捲回体や集電体の電池要素を収容し、リーク検査(気密検査)を行い、蓋体に安全弁を形成し、電解液を注液し、注液孔を封止部材によって封止する手順が開示されている。ここで、気密検査は、電解液の注液工程の前に行なわれている。また、リーク検査は、注液孔からヘリウムガスを圧送し、電池ケースの周囲でヘリウムガスが検出されるか否かによって、確認する手法が開示されている。
特開2009−026569号公報(JP-A-2009-26569) 特開2010−244898号公報(JP-A-2010-244898)
電池のリーク検査方法では、電池ケース内にリーク検査ガス(例えば、ヘリウムガス)が封入される。この際、電池ケース内にリーク検査ガスを入れる工程を簡素化したい。また、リーク検査精度を向上させるには、電池ケース内に封入されたリーク検査ガスの濃度を高くしたい。かかる点を鑑み、新規な電池製造方法および電池のリーク検査方法を提案する。
ここで提案される電池製造方法は、以下の工程A〜工程Dを含んでいる。工程Aは、電極体が収容された電池ケースを用意する工程である。工程Bは、工程Aで用意された電池ケース内を減圧する工程である。工程Cは、工程Bで減圧された電池ケースに電解液とリーク検査ガスとを入れる工程である。工程Dは、工程Cで電解液とリーク検査ガスとが入れられた電池ケースを封止する工程である。かかる電池製造方法によれば、電池ケース300内に、リーク検査ガスGrの濃度が高い電池を提供できる。工程Bで減圧された電池ケースに電解液とリーク検査ガスとを入れる工程Cを有し、別途リーク検査ガスGrのみを電池ケースに入れる工程を要しない。このため、作業工程を簡素化できる。
この場合、工程Cは、例えば、電池ケースの外をリーク検査ガス雰囲気とした状態で、工程Bで減圧された電池ケースに電解液を注入してもよい。また、工程Aは、電極体が収容された電池ケースを乾燥させる工程を含んでいてもよい。この場合、電池に含まれる水分を少なくでき、水素ガスの発生を抑えることができる。また、少なくとも工程Bから工程Cは、気密性を有する気密容器に、電池ケースを入れて行なってもよい。
また、工程Bでは、電池ケースの注液孔に、電解液が入れられたポットを連通させ、電解液の液面よりも上でポットを開放した状態において、当該気密容器内を減圧する工程を含み、さらに、工程Cにおいて、気密容器内をリーク検査ガス雰囲気にしてもよい。この場合、特に、電解液は、例えば、非水電解液であってもよい。
また、工程Aの後で工程Bの前に、工程Aで用意された電池ケース内を減圧し、当該減圧された電池ケースにリーク検査ガスを充填する工程を含んでいてもよい。ここで、工程Aの後で工程Bの前に、工程Aで用意された電池ケース内を減圧する工程では、電解液の蒸気圧よりも低い圧力に減圧してもよい。また、工程Cにおいて、リーク検査ガスを加圧した状態で電池ケースに入れてもよい。
また、工程Cの後で工程Dの前に、電池ケース内を減圧し、当該減圧された前記電池ケースにリーク検査ガスを入れる再充填工程を含んでいてもよい。また、再充填工程では、当該リーク検査ガスを加圧した状態で電池ケースに入れてもよい。
また、リーク検査ガスがヘリウムガスであってもよい。また、上述した電池製造方法では、さらに、工程Dで封止された電池ケースからリーク検査ガスが漏れているか否かを検査する工程Eを含んでいてもよい。
また、ここで提案される電池製造方法によれば、例えば、電池ケースと、電池ケース内に収容された電極体と、電池ケース内に注入された非水電解液とを備えた電池を構築できる。この際、電池ケース内のガス雰囲気中、リーク検査ガスが5%(体積比)以上であり、水素ガスが0.1%(体積比)以下である電池を製造できる。つまり、ここで提案される電池製造方法では、電池ケース内に含まれる水分が少ないので、電池ケース内のガス雰囲気中、リーク検査ガスの濃度が高く、水素ガスの濃度が低い電池を製造できる。
図1は、電池の構成例を示す図である。 図2は、セル乾燥工程の一例を示す図である。 図3は、かかる減圧工程(工程B)の一例を示す図である。 図4は、工程Cの一例を示す図である。 図5は、かかるリーク検査工程の一例を示す図である。 図6は、予備充填工程の一例を示す図である。 図7は、電池製造方法について、他の形態を示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係る電池製造方法および電池のリーク検査方法を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的に描かれており、必ずしも実物を反映していない。各図面は、一例を示すのみであり、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。また、同じ作用を奏する部材または部位には、適宜に同じ符号を付している。
図1は、電池製造方法および電池のリーク検査方法が適用されうる電池の構成例を示している。
《電池100》
ここで、電池100は、図1に示すように、電極体200と、電池ケース300とを備えている。この実施形態では、電極体200は、捲回電極体である。この捲回電極体200は、正極シート220と、負極シート240と、セパレータ262、264とを備えている。
《正極シート220》
正極シート220は、帯状の導電性シート(例えば、金属箔)と、導電性シートに保持された正極活物質層223とを備えている。この実施形態では、正極活物質層223は、帯状の導電性シートの幅方向片側の端部の所定領域(未塗工部222)を除いて、帯状の導電性シートの両面に保持されている。正極活物質層223には、正極活物質が含まれている。
《負極シート240》
負極シート240は、帯状の導電性シート(例えば、金属箔)と、導電性シートに保持された負極活物質層243とを備えている。この実施形態では、負極活物質層243は、帯状の導電性シートの幅方向片側の端部の所定領域(未塗工部242)を除いて、帯状の導電性シートの両面に保持されている。
正極シート220と、負極シート240とは、長手方向を揃え、未塗工部222、242をそれぞれ幅方向の反対側に向けてはみ出させ、正極活物質層223と負極活物質層243との間に、セパレータ262、264を介在させた状態で重ねられている。そして、このように重ねられた、正極シート220と、負極シート240と、セパレータ262、264とが、正極シート220の幅方向に定められた捲回軸周りに捲回されている。
《電池ケース300》
この実施形態では、電池ケース300は、ケース本体320と、蓋体340とを備えている。ケース本体320は、上面が開口した扁平な矩形の角型の形状を有している。蓋体340は、ケース本体320の上面の開口に応じた横長の板状部材である。蓋体340には、中央部に安全弁360が取り付けられており、安全弁360の横に注液孔350が形成されており、さらに両側部に電極端子420、440が取り付けられている。電極端子420、440は、蓋体340に対して絶縁された状態で貫通し、蓋体340に固定されている。
捲回電極体200は、正極シート220の未塗工部222を、正極の電極端子420に取り付け、負極シート240の未塗工部242を負極の電極端子440に取り付けられており、扁平に押し曲げた状態で、電池ケース300に収容されている。なお、図示例において、注液孔350は、実際よりも大きく描かれている。この実施形態では、注液孔350は、直径が1.6mm程度の小さな穴であり、蓋体340を貫通している。また、安全弁360は、電池ケース300内の圧力が予め定められた圧力よりも高くなったときに開放される弁であり、閉じた状態で蓋体340に設けられている。
以下、電池のリーク検査を中心に電池製造方法を説明する。
電池製造方法は、電池ケース用意工程(工程A)と、減圧工程(工程B)(図3参照)と、電解液およびリーク検査ガスを電池ケースに入れる工程(工程C)(図4参照)と、封止工程(工程D)とを備えている。
《電池ケース用意工程》
電池ケース用意工程(工程A)は、電極体200が収容された電池ケース300を用意する工程である。ここで用意される電池ケース300は、例えば、図1のように、電池ケース300の予め定められた位置に電極体200が配置され、蓋体340が閉じられているとよい。また、この段階では、電池ケース300に電解液は実質的に注液されていない。つまり、ここでは、注液孔350が開いた状態で、電解液354が注液される前の電池100を用意する。
《セル乾燥工程》
この実施形態では、電池ケース用意工程(工程A)は、電極体200が収容された電池ケース300を乾燥させる工程(セル乾燥工程)が含まれている。図2は、セル乾燥工程の一例を示す図である。当該セル乾燥工程では、例えば、図2に示すように、電極体200が収容された電池ケース300を、乾燥雰囲気に管理された乾燥炉510に置く。この場合、電池ケース300の注液孔350が開口している。電池ケース300内の水分は、当該注液孔350を通じて、電池ケース300の外に排出される。この際、捲回電極体200内部に残留する水分も凡そ電池ケース300の外に排出されうる。
かかるセル乾燥工程では、例えば、温度が90℃〜110℃で、露点60°以下に調整した乾燥炉に、電極体200が収容された電池ケース300を2時間以上放置すると良い。なお、かかるセル乾燥工程の条件は、セルの大きさや構造、また、どの程度、セルを乾燥させるかなどによって、適当な条件を適宜に定めることができる。
《減圧工程》
減圧工程(工程B)は、電池ケース用意工程(工程A)で用意された電池ケース300内を減圧する。ここで、「減圧」は、例えば、大気圧を基準とし、電池ケース300内を大気圧よりも低い圧力にする。図3は、かかる減圧工程(工程B)の一例を示す図である。例えば、図3に示すように、真空ポンプ521と、リーク検査ガスGrのタンク541とが、それぞれ開閉弁522、542を介して接続された気密容器520を用意する。また、気密容器520には、リーク検査ガスGrを検出する検出器530を備えていてもよい。
電池ケース300は、かかる気密性を有する気密容器520に置かれる。減圧工程(工程B)では、開閉弁542を閉じた状態で開閉弁522を開き、気密容器520を真空ポンプ521に繋げて、気密容器520を減圧(真空引き)する。この際、注液孔350を通じて、気密容器520内に配置された電池ケース300内も減圧される。これにより、電池ケース300内の残留空気や水分が排出される。
かかる工程Bでは、例えば、大気圧を基準に−30kPa以下、好ましくは−50kPa以下、より好ましくは−60kPa以下、さらに好ましくは−70kPa以下に、気密容器520を減圧するとよい。これにより、後述する注液工程(工程C)において、電池ケース300内に電解液354を引き込むのに十分な圧力差を、電池ケース300内と、電池ケース300外とに生じさせることができる。また、電池ケース300内の空気や水分を凡そ排出できる。
また、減圧の程度が大きくなればなるほど(電池ケース300内の気圧が小さくなればなるほど)、電池ケース300内の空気や水分をより多く排出することができる。また、後述するが、この実施形態では、減圧工程で減圧される気密容器520内に非水電解液が含まれる。この場合、気密容器520内は、非水電解液が沸騰しない程度に減圧されるとよい。例えば、非水電解液が、大気圧を基準として−93kPa程度で沸騰する場合には、減圧工程(工程B)において、大気圧を基準として−70kPa以下から−90kPa程度(非水電解液が沸騰しない程度)まで気密容器520を減圧するとよい。例えば、非水電解液が沸騰する蒸気圧よりも、2kPaから5kPa程度(好ましくは3kPa)高い圧力まで減圧するとよい。
この実施形態では、図3に示すように、気密容器520内において、予め定められた量の電解液354が入ったポット356が、電池ケース300の注液孔350に連通されている。ポット356は、電解液354の液面よりも上で開放されている。この実施形態では、ポット356は、電解液354の液面よりも上の上部空間(例えば、ポット356の天井面やポット356の上部側面)に開口を有しており、気密容器520内に開放されている。また、シール材としてゴム製のリングが注液孔350の周りを囲むように取り付けられている。ポット356の下部の注ぎ口は、当該リング状のシール材(図示省略)に押し当てられて、漏れがない状態で電池ケース300の注液孔350に連通している。
図3に示すように、この実施形態では、電池ケース300の注液孔350の上に注ぎ口を押し付けたポット356に電解液354が入っている。注液孔350の直径は凡そ1.6mmの小さな穴である。さらに、注液孔350には、ゴム製のリングが取り付けられ、ポット356の注ぎ口が押し当てられるため、注液孔350は実際の開口よりも小さな穴になっている。
また、この実施形態では、電解液354は非水電解液である。例えば、リチウムイオン二次電池に用いられるような、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば、体積比1:1程度の混合溶媒)にLiPFを約1mol/リットルの濃度で含有させた電解液が用いられる。なお、電解液354としては、これに限らず、種々の非水電解液が用いられうる。
このような非水電解液は、水に比べて格段に表面張力が高い。これに対して、注液孔350は上述のように十分に小さい。このため、電解液354は、表面張力によって注液孔350から電池ケース300内にほとんど垂れ落ちず、ポット356内に維持される。
この実施形態では、減圧工程(工程B)では、電池ケース300の注液孔350に、電解液354が入ったポット356を連通させた状態で、気密容器520内が減圧される。気密容器520内が減圧されると、電池ケース300内の空気が、注液孔350を通じて排出される。この際、電池ケース300内の空気は、ポット356内の電解液354中では気泡になって気密容器520に排出される。
このように、この実施形態では、注液孔350は、減圧工程(工程B)において、電池ケース300内の空気を排出でき、かつ、電解液354が電池ケース300にほとんど垂れ落ちずにポット356内に維持される程度の大きさであるとよい。
また、かかる減圧工程によって、電池ケース300内が減圧される。また、減圧工程では、電池ケース300内の気圧が下がる。このため、電池ケース300内に残留する水分の一部は水蒸気となって排出される。このように、減圧工程には、電池ケース300内に残留する水分を排出する作用もある。
なお、この実施形態では、電池ケース用意工程(工程A)において、電極体200が収容された電池ケース300を乾燥させる工程(セル乾燥工程)が含まれている。かかるセル乾燥工程では、電解液が注入される前の電池ケース300を、乾燥させる。このため、減圧工程前において、電池ケース300内に残留する水分はほとんどない。その上、減圧工程では、電池ケース300内が蒸気圧よりも十分に低い圧力まで減圧される。このため、セル乾燥工程後に電池ケース300内に残留する水分の一部は、減圧工程において電池ケース300内で気化し、水蒸気となって空気と一緒に排出される。このように、この実施形態では、セル乾燥工程によって、減圧工程前に、電極体200が収容された電池ケース300を乾燥させている。このため、減圧工程後には、電池ケース300内の水分が、極めて少ない状態になる。
上述したように減圧工程には、電池ケース300内の水分を排出する作用がある。上述したセル乾燥工程がない場合においても、減圧工程によって、電池ケース300内の水分がほとんどない状態にできる。減圧工程前に、セル乾燥工程を行い、電池ケース300内の水分を除去しておくことによって、電池ケース300内の水分がより確実に除去される。
減圧工程において、電池ケース300中に残留した水分が水蒸気となって、電解液中を通過する際に水分が電解液中に溶け込む可能性がある。このようなことを考慮すると、減圧工程前に、セル乾燥工程を行い、電池ケース300内の水分を除去しておくとよい。上述したように、減圧工程前に、セル乾燥工程を行うことによって、減圧工程前に、電池ケース300内の水分がほとんど除去される。この場合、減圧工程において電解液中を通過する際に、電解液中に溶け込む水分ほとんどなくなる。このため、減圧工程前に、セル乾燥工程を実施することによって、電池ケース300内に含まれる水分が極めて少ない電池を製造できる。
この実施形態では、減圧工程(工程B)において、電池ケース300内(気密容器520内)が予め定められた負圧状態で、真空ポンプ521の開閉弁522を閉じる。また、この実施形態では、図3に示すように、減圧工程(工程B)において、気密容器520内に、電解液354が存在している。このため、真空ポンプ521による減圧の程度は、電解液354が揮発しない程度とし、減圧時の温度での電解液354の蒸気圧よりも高い圧力にするとよい。
この実施形態では、電解液354は非水電解液である。例えば、リチウムイオン二次電池に用いられるような、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば、体積比1:1程度の混合溶媒)にLiPFを約1mol/リットルの濃度で含有させた電解液が用いられている場合には、凡そ20℃の温度環境では、大気圧を基準として、凡そ−93kPa程度で、電解液が沸騰しうる。このため、減圧工程(工程B)では、大気圧を基準として、凡そ−70kPa以下、より好ましくは−90kPa程度(電解液が沸騰しない程度の圧力)まで減圧することができる。
《電解液354およびリーク検査ガスGrを電池ケース300に入れる工程》
次に、電解液354およびリーク検査ガスGrを電池ケース300に入れる工程(工程C)を説明する。図4は、かかる工程Cの一例を示す図である。図4に示すように、かかる工程Cでは、電解液354を電池ケース300に注入する際に、電池ケース300内にリーク検査ガスGrが入る。
かかる工程Cでは、電池ケース300の外をリーク検査ガスGr雰囲気とした状態で、工程Bで減圧された電池ケース300に電解液354を注入するとよい。これにより、電池ケース300に電解液354が注入される際に、リーク検査ガスGrが電池ケース300内に入る。
例えば、この実施形態では、減圧工程(工程B)において、電池ケース300は、気密容器520内に配置されている。ここでは、気密容器520では、電解液354が入れられたポット356が、電池ケース300の注液孔350に連通されている。電解液354は、表面張力によって注液孔350から電池ケース300内に垂れ落ちず、ポット356内に維持されている。気密容器520および電池ケース300内は減圧されている。つまり、それぞれ減圧された電池ケース300内の空間と気密容器520内の空間とが、ポット356に入れられた電解液354によって隔てられている。
この状態において、工程Cでは、気密容器520にリーク検査ガスGrが入れられ、気密容器520内がリーク検査ガス雰囲気にされる。つまり、図3に示すように、真空ポンプ521の開閉弁522を閉じ、リーク検査ガスGrのタンク541の開閉弁542を開けることによって、タンク541内のリーク検査ガスGrが気密容器520内に入れられる。これにより、気密容器520内がリーク検査ガスGr雰囲気になる。なお、この実施形態では、気密容器520内のリーク検査ガスGr雰囲気の気圧は、大気圧と凡そ同じレベルにされる。
この際、気密容器520内のリーク検査ガスGr雰囲気の圧力が高くなると、気密容器520内(電池ケース300外)と電池ケース300内とに圧力差が生じる。そして、気密容器520内(電池ケース300外)と電池ケース300内との圧力差がある程度大きくなると、電解液354をポット356内に維持できなくなる。このため、気密容器520内にリーク検査ガスGrが入れられると、ポット356内の電解液354は、注液孔350を通じて電池ケース300内に一気に入る。また、ポット356内の電解液354が電池ケース300内に入ると、電池ケース300内の空間と気密容器520内(電池ケース300外)の空間とが注液孔350を通じて繋がる。このため、気密容器520内のリーク検査ガスGrが電池ケース300内に入る。このように、この実施形態では、ポット356内の電解液354は、工程Cにおいて、電池ケース300内に注入されるので、予め電池ケース300内に注入されるべき量の電解液354をポット356に入れておくとよい。
《リーク検査ガスGr》
この実施形態では、リーク検査ガスGrとして、市販のヘリウムガス(99.9%(体積比))が用いられている。なお、リーク検査ガスGrとしては、ヘリウムガスの他、水素、ハロゲン、フレオンなどを用いることができる。
このうち、ヘリウムガスは、人体や地球環境に凡そ悪影響を及ぼさず、不燃性で安全である。また、ヘリウムガスは、分子直径が小さく、かつ、質量も小さいので、電池ケース300に微細な孔がある場合には、容易に漏れ出る。また、ヘリウムガスは、通常の大気中や金属には微量しか存在しない。このため、リーク検査において検出された場合に、電池ケース300から漏れ出たガスとして認定しやすい。また、ヘリウムガスは、通常の環境では、液化し難いので、電池ケース300の孔を塞ぎにくい。また、ヘリウムガスは、化学的に不活性ガス(安定したガス)なので、金属を錆びさせにくい。このような理由により、ヘリウムガスは、当該電池におけるリーク検査ガスGrとして優位である。
《封止工程》
封止工程(工程D)は、工程Cで電解液354とリーク検査ガスGrとが入れられた電池ケース300を封止する工程である。かかる封止工程では、工程Cで電解液354とリーク検査ガスGrが入れられた電池ケース300の注液孔350を封止する。
かかる封止工程は、例えば、注液孔350に封止キャップ352(図1参照)を被せて、封止キャップの周囲をレーザ溶接するとよい。かかる封止は、気密容器520内を、リーク検査ガスGr雰囲気に保ったまま、注液孔350に封止キャップ352を被せた状態で、仮押さえする。そして、注液孔350に封止キャップ352を被せた電池ケース300を、気密容器520から取り出し、すぐにレーザ溶接機にセットして、レーザ溶接を行うとよい。
また、かかる封止工程は、気密容器520から電池ケース300を取り出し、すぐに注液孔350に封止キャップ352を被せ、レーザ溶接機にセットして、封止キャップ352を電池ケース300に溶接してもよい。この実施形態では、当該封止工程での封止を、電池ケース300の最終的な封止としている。
《リーク検査工程(工程E)》
この実施形態では、電池ケース300内にリーク検査ガスGrが充填されている。このため、リーク検査工程では、上記封止工程で封止された電池ケース300からリーク検査ガスGrが漏れているか否かを検査するとよい。図5は、かかるリーク検査工程の一例を示す図である。
リーク検査は、図5に示すように、封止キャップ352を溶接し、注液孔350を封止した後の電池ケース300が用いられる。例えば、図5に示すように、電池ケース300を、気密容器520に入れ、気密容器520を適当に減圧し、気密容器520内に取り付けた検出器530によって、気密容器520内で、リーク検査ガスGrが検出されるか否かを検査する。ここで、リーク検査ガスGrとしてヘリウムガスが用いられている場合には、例えば、ヘリウムガスセンサを検出器530として用いてヘリウムガスを検出するとよい。
《電池製造方法》
この電池製造方法によれば、電池ケース300に電解液354を注入する工程において、電池ケース300にリーク検査ガスGrを入れ、電池ケース300を封止する。これにより、電池ケース300内に、リーク検査ガスGr(例えば、ヘリウムガス)が充填された電池を製造することができる。そして、このように電池ケース300内にリーク検査ガスGrが充填された状態で封止された電池100は、上述したように電池ケース300からのリーク検査ガスGrの漏れを検査するリーク検査を行なうことができる。
また、上述したように、減圧工程(工程B)と、電解液354およびリーク検査ガスGrを電池ケース300に入れる工程(工程C)は、気密性を有する気密容器520に、電池ケース300を入れて行なってもよい。この際、減圧工程(工程B)では、電池ケース300の注液孔350に、電解液354が入れられたポット356を連通させた状態で、電池ケース300を気密容器520に収容してもよい。また、電解液354の液面よりも上でポット356を開放された状態において、当該気密容器520内を減圧する。この際、気密容器520内を十分に減圧し、電池ケース300内についても減圧する。その後、電解液354およびリーク検査ガスGrを電池ケース300に入れる工程(工程C)として、気密容器520内をリーク検査ガスGr雰囲気とする。これにより、電池ケース300内に、電解液354が入るとともに、リーク検査ガスGrが入る。
この実施形態では、気密容器520内で減圧した電池ケース300を、リーク検査ガスGr雰囲気に開放し、電池ケース300に電解液354を一気に入れるとともに、リーク検査ガスGrを入れる。この場合には、電池ケース300に電解液354を注入する工程とは別に、電池ケース300にリーク検査ガスGrを入れる工程が不要になる。このため、作業効率が向上する。さらに、電解液354の注液とリーク検査ガスGrの注入とで、別途の設備を設ける必要がなく、製造コストや製造設備も安価に構築され得る。
さらに、リーク検査の精度を高めるには、電池ケース300内に封入されるリーク検査ガスGrの濃度を高くするとよい。以下、電池ケース300内に封入されるリーク検査ガスGrの濃度を高める方法を説明する。
《高濃度封入1:加圧充填》
電池ケース300内にリーク検査ガスGrを高濃度に封入する手法として、例えば、上記の工程C(電解液354およびリーク検査ガスGrを電池ケース300に入れる工程)において、電池ケース300に入れるリーク検査ガスGrの濃度を高くするとよい。つまり、上記実施形態では、気密容器520にリーク検査ガスGrを入れる際に、リーク検査ガスGrの圧力を大気圧のレベルとしていた。ここで、気密容器520にリーク検査ガスGrを入れる際に、大気圧よりも高いレベルまで、リーク検査ガスGrの圧力を高くするとよい。この際、電池ケース300内のリーク検査ガスGrの圧力は、気密容器520内のリーク検査ガスGrの圧力に応じて高くなる。このように、リーク検査ガスGrを加圧して充填することにより、電池ケース300内にリーク検査ガスGrを高濃度に封入することができる。
例えば、気密容器520内のリーク検査ガスGr雰囲気の圧力を、大気圧を基準として0.1MPa以上(例えば、0.3MPa程度)に高くするとよい。ここで、気密容器520に入れるリーク検査ガスGrの圧力を高くすると、電池ケース300内にリーク検査ガスGrを高濃度に封入することができるので、リーク検査の精度を高くできる。他方、気密容器520に入れるリーク検査ガスGrの圧力をあまりに高くしすぎると、封止のタイミングによっては、電池ケース300の内圧が高くなる。このため、電池ケース300の剛性や、注液孔350の封止構造や、安全弁の設計などの見直しが必要になる。また、リーク検査ガスGrの雰囲気を加圧するための設備コストも高くなる。このような観点において、気密容器520に入れるリーク検査ガスGrの圧力は、適当に加圧される程度でよい。気密容器520に入れるリーク検査ガスGrの圧力は、例えば、大気圧を基準として、凡そ0.1MPa以上、好ましくは凡そ0.2MPa以上に加圧されているとよい。また、気密容器520に入れるリーク検査ガスGrの加圧の程度は、例えば、大気圧を基準として凡そ0.5MPa程度までにするとよい。
《高濃度封入2:予備充填》
さらに、リーク検査ガスGrの濃度を高くする方法として、電池ケース用意工程(工程A)の後で、かつ、減圧工程(工程B)の前に、工程Aで用意された電池ケース300を減圧し、当該減圧された電池ケース300にリーク検査ガスGrを充填(予備充填)してもよい。
図6は、かかる予備充填工程の一例を示す図である。かかる予備充填工程は、図6に示すように、工程Aで用意された電池ケース300を、そのまま気密容器520に入れ、真空ポンプ521の開閉弁522を開き、気密容器520内を減圧する。この際、気密容器520内に電解液354が含まれないので、電解液354の蒸気圧よりも低い圧力まで気密容器520内を減圧できる。電解液354の蒸気圧よりも低い圧力(例えば、−100kPa)まで気密容器520内を減圧することにより、電池ケース300内の空気や水分をより多く排出でき、電池ケース300内に残留する空気や水分を極めて少ない状態にできる。さらに、かかる予備充填工程では、電池ケース300内を減圧すればするほど、電池ケース300内に残留する空気や水分を極めて少ない状態にできる。つまり、かかる予備充填工程では、後工程の減圧工程(工程B)よりも低い圧力に、気密容器520内を減圧することができる。
かかる予備充填工程では、かかる減圧の後で、真空ポンプ521の開閉弁522を閉める。次に、真空ポンプ521の開閉弁542を開け、気密容器520内にリーク検査ガスGrを入れる。これにより、電池ケース300内にリーク検査ガスGrを予備的に入れることができ、上述した減圧工程(工程B)の前に、電池ケース300内をリーク検査ガスGr雰囲気にすることができる。
その後の減圧工程(工程B)は、上述した通りであり、例えば、図3に示すように、気密容器520内において、電池ケース300の注液孔350に、電解液354を入れたポットを連通させ、真空ポンプ521にて気密容器520内を減圧するとよい。なお、この際、気密容器520内に電解液354が存在するため、当該電解液354が揮発しない程度に減圧するとよい。
このように、予備充填工程では、電池ケース300は予め減圧される。この際、気密容器520内に電解液354が入っていないので、電池ケース300をより低い圧力まで減圧できる。電池ケース300内の残留空気や水分をより効果的に除去できる。また、かかる予備充填工程では、減圧工程(工程B)の前に、電池ケース300を予め減圧し、リーク検査ガスGrを入れる。この場合、減圧工程(工程B)の前において、電池ケース300内がリーク検査ガスGr雰囲気であり、その分、上記工程Bから工程Dを経て封止された電池内のリーク検査ガスGrの濃度が高くなる。これにより、リーク検査の精度が向上する。
さらに、かかる予備充填工程を行なう場合にも、電解液354およびリーク検査ガスGrを電池ケース300に入れる工程(工程C)において、リーク検査ガスGrを加圧して封入してもよい。これにより、電池内のリーク検査ガスGrの濃度がさらに高くなり、リーク検査の精度がさらに向上する。
《高濃度封入3:放置、浸透、再充填》
また、工程Cの後で封止工程(工程D)の前に、工程Cで電池ケース300内に入れた電解液354が電極体200に十分に浸透するまで放置してもよい。その後、電池ケース300内を減圧し、再度、電池ケース300内にリーク検査ガスGrを封入してもよい(再充填工程)。ここで、電解液354が電極体200に十分に浸透するまで放置する時間は、例えば、3分以上、より好ましくは5分以上、さらに好ましくは10分以上、さらには15分以上とする。また、かかる放置では、注液時に入れたリーク検査ガスGrが注液孔350から漏れる。リーク検査ガスGrが注液孔350から漏れるのを防ぐため、注液孔350は、気密性を有するフィルムを張るなどして仮封止をしてもよい。
この場合、電池ケース300内に入れた電解液354が十分に電極体200に浸透するまで放置してから、一端、電池ケース300内を減圧する。この際、電池ケース300内に電解液354が浸透する際に生じるガス(例えば、電池ケース300内で電解液354が揮発することにより生じるガス)を除去できる。さらに、電池ケース300内の電極体200に電解液354が浸透した状態で減圧し、その後に、再度、電池ケース300内にリーク検査ガスGrを入れる(再充填工程)。このように電解液が浸透した後の再充填工程により、電池ケース300に含まれるリーク検査ガスGrの量が増える。これにより、電池内のリーク検査ガスGrの濃度がさらに高くなり、リーク検査の精度が向上する。
この場合、再充填工程、つまり、再度、電池ケース300内にリーク検査ガスGrを入れる工程において、リーク検査ガスGrを加圧して封入してもよい。これにより、電池ケース300内のリーク検査ガスGrの濃度がさらに高くなりリーク検査の精度がさらに向上する。
以上のように、電池ケース300内にリーク検査ガスGrを封入する種々の方法を例示した。本発明者は、上記の種々の方法で、電池ケース300に封入されるリーク検査ガスGrの濃度を評価した。
《評価試験》
ここで、本発明者は、図1に示すような角型の電池について、捲回電極体200を扁平に押し曲げて収容した電池ケース300を用意した。用意された電池ケース300に対して、上述した種々の電池製造方法によって、電池ケース300内に電解液354とリーク検査ガスGrを封入して電池を構築した。そして、各電池について、電池ケース300に封入されるリーク検査ガスGrの濃度を測定した。
この評価試験では、電池ケース300に封入されたリーク検査ガスGrの濃度が高いほど、当該電池を構築する際に採用された電池製造方法が、リーク検査に対して有利な手法であるとして評価した。なお、比較例および各サンプルについて、電池ケース300内にリーク検査ガスGrを入れる手法を除いて、共通化した。例えば、電池の構造は同じとした。ここでは、リーク検査ガスGrとしてヘリウムガスを用いた。
《比較例》
上述した種々の電池製造方法に対して比較のため、リーク検査ガスGrに代えて、電池ケース300内に空気を封入した電池(比較例)を用意した。
ここでは、図3に示すように、電池ケース300の注液孔350に、電解液354が入れられたポット356を連通させ、電解液354の液面よりも上でポット356を開放した状態で、気密容器520内に置き、気密容器520を減圧する。これにより、電池ケース300内を減圧し、その後、気密容器520を大気開放することにより、電池ケース300内に電解液354と空気を入れる。これにより、電池ケース300内に空気が封入された電池100(図1参照)が用意される。当然ながら、かかる電池100では、電池ケース300内に含まれるヘリウムガスは少ない。
また、ここでは、電池ケース300を封止する際に、気密容器520から電池ケース300を取り出し、封止を完了させるまでの手順を共通にし、さらに気密容器520から電池ケース300を封止するまでの時間を100秒とした。
《封入ヘリウムガスの濃度》
ここで、電池ケース300内のヘリウムガスの濃度は、市販のヘリウム濃度測定器(例えば、ヤマハファインテック株式会社製のHeliScent YHS-300を用いることができる。ここでは、封止された電池100の安全弁360に貫通孔を開け、迅速にヘリウム濃度測定器の測定ヘッドを貫通孔に押し付け、ヘリウム濃度を測定した。
《比較例のヘリウムガス濃度》
比較例として、電池ケース300内に空気が封入された電池100では、ヘリウムガスの濃度は、凡そ0.0005%(体積比)であった。
《サンプル1》
サンプル1は、図3に示すように、気密容器520内において、セル乾燥工程後の電池ケース300の注液孔350に、電解液354が入れられたポット356を連通させる。そして、この状態で、当該気密容器520内を減圧し、その後、気密容器520内をヘリウムガス雰囲気とする。これにより、電池ケース300内に電解液354とヘリウムガスを封入した。サンプル1は、電池ケース300内に電解液354を注入する際の気密容器520の雰囲気を大気圧と同程度の圧力のヘリウムガス雰囲気とした。その余は、比較例と同じ条件で製造した。かかるサンプル1のヘリウムガスの濃度は、凡そ13%(体積比)であった。このように、上述した電池製造方法によれば、電池ケース300内のヘリウムガス(リーク検査ガスGr)の濃度を大幅に高くできる。
《サンプル2:高濃度封入1(加圧充填)》
サンプル2は、気密容器520内をヘリウムガス雰囲気とする際に、大気圧に対して0.3MPa加圧した。これにより、電池ケース300内に加圧したヘリウムガスを封入した。その余は、サンプル1と同じ条件とした。かかるサンプル2のヘリウムガスの濃度は、凡そ18%(体積比)であった。このように、電解液354を注入する工程において、ヘリウムガス(リーク検査ガスGr)を加圧して、気密容器520に入れることによって、電池ケース300内のヘリウムガスの濃度をさらに高くできる。
《サンプル3:高濃度封入2(予備充填)》
サンプル3は、セル乾燥工程を含む電池ケース用意工程(工程A)の後で、かつ、減圧工程(工程B)の前に、工程Aで用意された電池ケース300内を減圧し、当該減圧された電池ケース300にリーク検査ガスGrを充填(予備充填)した。ここでは、かかる予備充填工程において、工程Aで用意された電池ケース300内を減圧する際に、図5に示すように、大気圧を基準として−100kPaまで気密容器520内を減圧した。その後、気密容器520に大気圧と同程度の圧力のヘリウムガス雰囲気とし、電池ケース300内にヘリウムガスを充填した。
そして、サンプル1のように、気密容器520内において、電池ケース300の注液孔350に、電解液354が入れられたポット356を連通させる。そして、この状態で、当該気密容器520内を減圧し、その後、気密容器520内を大気圧と同程度の圧力のヘリウムガス雰囲気とする。これにより、電池ケース300内に電解液354とヘリウムガスを封入した。
かかるサンプル3は、上記予備充填工程を含むことを除き、その余は、サンプル1と凡そ同じ条件で製造した。かかるサンプル3のヘリウムガスの濃度は、凡そ22%(体積比)であった。このように、上記予備充填工程を付加することによって、電池ケース300内の雰囲気がヘリウムガスに置換されるので、電池ケース300内のヘリウムガスの濃度をさらに高くできる。
《サンプル4:高濃度封入3(放置、浸透、再充填)》
サンプル4は、サンプル1と同じ条件で、電解液354とヘリウムガスを電池ケース300に注入した(図3参照)。その後、電池ケース300を3分から15分程度(ここでは、10分)放置した。さらに気密容器520を大気圧に対して−90kPaまで減圧することによって、電池ケース300を減圧する。そして、気密容器520内を再び、大気圧と同程度の圧力のヘリウムガス雰囲気として、電池ケース300に大気圧と同程度の圧力でヘリウムガスを封入する。
かかるサンプル4は、サンプル1に比べて、電解液354を注入した後に、電池ケース300を放置し、その後、減圧し、再度ヘリウムガスを封入する、再充填工程を付加した点で、相違している。かかるサンプル4のヘリウムガスの濃度は、凡そ25%(体積比)であった。このように、再充填工程を付加することによって、電池ケース300内のヘリウムガスの濃度をさらに高くできる。
このように、上述した電池製造方法によれば、何れも電池ケース300内のヘリウムガス(リーク検査ガスGr)の濃度を高くできる。上述した電池製造方法では、注液から封止までの時間が長くなればなるほど、大気よりも軽いヘリウムガスは、電池ケース300から抜ける傾向がある。実際の量産ラインでは、注液から封止までの時間が、実験室レベルよりも長くなることが予想される。この場合、注液から封止までの時間が、例えば、5分程度と長い場合でも、電池ケース300内のリーク検査ガスGrの濃度は、リーク検査に必要な程度に維持されていることが望ましい。
上述した電池製造方法では、注液から封止までの時間が、5分程度と長い場合でも、電池ケース300内に5%(体積比)以上維持することができ、リーク検査に必要なリーク検査ガスGrの濃度を維持することができる。なお、かかる目安は、注液孔350の大きさや、リーク検査ガスGrの種類などによっても変わってくる。注液から封止までの時間は、短くできるのであれば、短い方がよい。また、注液から封止までの間に、リーク検査ガスGrが電池ケース300から漏れるので、上述したようにリーク検査ガスGrをより高濃度で電池ケース300に充填できる電池製造方法が、リーク検査の精度を向上させる上で望ましい。
また、上述した電池製造方法で製造される電池は、例えば、密閉型の電池ケース300と、電池ケース300内に収容された電極体200と、電池ケース300内に注入された非水電解液354とを備えている。例えば、かかる形態の電池としては、リチウムイオン二次電池のように高出力の電池を構成することができる。このような高出力の電池では、充放電時に高い電圧が生じる。このため、電池内に水分が残留していると、水が電気分解されることにより、水素ガスが発生しうる。
上述したように、この電池製造方法によれば、セル乾燥工程や減圧工程(工程B)において、電池ケース300内の水分が除去されるとともに、その後、電池ケース300内に大気に曝されずに、電解液354とリーク検査ガスGrが注入される。さらに、その後、露点を管理しつつ注液孔350を封止するとよい。これにより、電池ケース300内に含まれる水分を極めて少ない状態にできる。
つまり、この電池製造方法によって製造された電池は、電池ケース300内のガス雰囲気中のリーク検査ガスGrの濃度が高いだけでなく、例えば、電池ケース300内の水素ガスの濃度を極めて低く抑えることができる。このため、電池ケース300内のガス雰囲気中、リーク検査ガスGrの濃度が高く、水素ガスの濃度が極めて低い電池を構築することができる。例えば、電池ケース300内のガス雰囲気中、リーク検査ガスGrが3%(体積比)以上、より好ましくは5%(体積比)以上であり、水素ガスが0.5%(体積比)以下、さらには0.1%(体積比)以下である電池を提供し得る。さらに、水素ガスについては、0.05%(体積比)以下に発生を低く抑えることができる。特に、上述したセル乾燥工程を含むような場合には、水素ガスの発生を極めて低く抑えることができる。この場合、リーク検査ガスGrとしては、不活性ガスであるヘリウムガスを用いるとよい。リーク検査ガスGrとしてヘリウムガスを用いる場合には、電池反応を安定させることができ、経年的な電池性能の維持に寄与することができる。
以上、本発明の一実施形態に係る電池製造方法およびリーク検査方法を例示したが、本発明は上述した実施形態に限定されない。
例えば、電池ケース300の形状は、角型に限定されず、円筒形状など他の形状でもよい。また、例えば、図7に示すように、電池ケース300Aをラミネートフィルムで構成したラミネート型の電池100Aで構成してもよい。また、電極体200は、捲回電極体に限定されない。例えば、正極シート220と負極シート240とをセパレータを介在させつつ、交互に積層した、積層型の電極体でもよい。また、かかる電池製造方法が適用できる電池100としては、リチウムイオン二次電池のような種々の二次電池が例示できる。
また、上述した実施形態では、電解液354の注液工程は、気密容器520内で行っている。ここで提案される電池製造方法は、必ずしも気密容器520を用いなくてもよい。
例えば、図7に示すように、ラミネート型の電池100では、電池ケース300Aがラミネートフィルムで構成されている。この場合、電池ケース300Aに電解液354を注入する注液孔350Aを設けておく。また、電解液354を入れたポット356Aと、当該ポット356Aの電解液354よりも上の上部空間Sに接続された真空ポンプ521と、同じく、ポット356Aの上部空間Sに接続されたリーク検査ガスGrのタンク541とを用意する。電池ケース300Aの注液孔350は、気密を有する配管540によって、ポット356Aの底部に設けられた流通孔358に接続する。この際、ポット356A内の電解液354が、電池ケース300Aよりも低い位置になるように配置する。この場合、ポット356は、気密性を有する容器を採用するとよい。
この場合、工程Aで用意された電池ケース300Aを減圧する工程Bでは、真空ポンプ521の開閉弁522を開き、電池ケース300A内の空気を排出するとよい。この場合、電池ケース300A内の空気は、配管540およびポット356内を通じて排出される。かかる減圧工程(工程B)において、適当に減圧されたときに、真空ポンプ521の開閉弁522は閉じられる。次に、当該減圧された電池ケース300Aに、電解液354とリーク検査ガスGrを入れる工程Cでは、リーク検査ガスGrのタンク541の開閉弁542が開かれ、ポット356Aの上部空間にリーク検査ガスGrが供給される。この際、ポット356Aの上部空間Sと、減圧された電池ケース300A内の空間との圧力差により、電解液354が配管540を通じて、注液孔350から電池ケース300Aに入る。さらに、電解液354が入るとともに、リーク検査ガスGrが電池ケース300A内に供給される。
このように、ここで提案される電池製造方法は、ラミネート型の電池にも適用でき、また、必ずしも気密容器520を必要としない。また、ここで提案される電池製造方法は、上述した実施例に限定されず、種々の変更が可能である。
100、100A 電池
200 捲回電極体
200 電極体
220 正極シート
222 未塗工部
223 正極活物質層
240 負極シート
242 未塗工部
243 負極活物質層
262 セパレータ
300、300A 電池ケース
320 ケース本体
340 蓋体
350、350A 注液孔
352 封止キャップ
354 電解液(非水電解液)
356、356A ポット
358 流通孔
360 安全弁
420 電極端子
440 電極端子
510 乾燥炉
520 気密容器
521 真空ポンプ
522 開閉弁
530 検出器
540 配管
541 タンク
542 開閉弁
Gr リーク検査ガス
S 上部空間

Claims (15)

  1. 電極体が収容された電池ケースを用意する工程Aと、
    前記工程Aで用意された前記電池ケース内を減圧する工程Bと、
    前記工程Bで減圧された前記電池ケースに、電解液とリーク検査ガスとを入れる工程Cと、
    前記工程Cで前記電解液と前記リーク検査ガスとが入れられた前記電池ケースを封止する工程Dと、
    を含む電池製造方法。
  2. 前記工程Cでは、前記電池ケースの外を前記リーク検査ガス雰囲気とした状態で、工程Bで減圧された前記電池ケースに前記電解液を注入する、請求項1に記載された電池製造方法。
  3. 前記工程Aは、前記電極体が収容された前記電池ケース内を乾燥させるセル乾燥工程を含む、請求項1または2に記載された電池製造方法。
  4. 少なくとも前記工程Bから工程Cは、気密性を有する気密容器に、前記電池ケースを入れて行なう、請求項1から3までの何れか一項に記載された電池製造方法。
  5. 前記工程Bでは、
    前記電池ケースの注液孔に、電解液が入れられたポットを連通させ、
    前記電解液の液面よりも上で前記ポットを開放した状態において、
    当該気密容器内を減圧する工程
    を含み、
    さらに、前記工程Cにおいて、前記気密容器内を前記リーク検査ガス雰囲気にする、
    請求項4に記載された電池製造方法。
  6. 前記電解液は、非水電解液である、請求項1から5までの何れか一項に記載された電池製造方法。
  7. 前記工程Aの後で前記工程Bの前に、前記工程Aで用意された前記電池ケース内を大気圧よりも低い圧力に減圧し、当該減圧された電池ケースにリーク検査ガスを充填する予備充填工程を含む、
    請求項1から6までの何れか一項に記載された電池製造方法。
  8. 前記予備充填工程で、前記工程Aで用意された前記電池ケース内を減圧する際に、前記電解液の蒸気圧よりも低い圧力に減圧する、請求項1から7までの何れか一項に記載された電池製造方法。
  9. 前記工程Cにおいて、前記リーク検査ガスを加圧した状態で電池ケースに入れる、請求項1から8までの何れか一項に記載された、電池製造方法。
  10. 前記工程Cの後で前記工程Dの前に、
    前記電池ケース内を減圧し、当該減圧された前記電池ケースにリーク検査ガスを入れる再充填工程と
    を含む、請求項1から9までの何れか一項に記載された電池製造方法。
  11. 前記工程C後、前記再充填工程において前記電池ケース内を減圧するまでに、少なくとも3分以上、電池ケースを放置する、請求項10に記載された電池製造方法。
  12. 前記工程Cの後で前記工程Dの前において、
    前記再充填工程では、当該リーク検査ガスを加圧した状態で前記電池ケースに入れる、請求項10または11に記載された電池製造方法。
  13. 前記リーク検査ガスがヘリウムガスである、請求項1から12までの何れか一項に記載された電池製造方法。
  14. 請求項1から13までの何れか一項に記載された電池製造方法において、
    さらに、前記工程Dで封止された前記電池ケースから前記リーク検査ガスが漏れているか否かを検査する工程Eを含む、電池製造方法。
  15. 電極体が収容された電池ケースを用意する工程Aと、
    前記工程Aで用意された前記電池ケース内を減圧する工程Bと、
    前記工程Bで減圧された前記電池ケースに、電解液とリーク検査ガスとを入れる工程Cと、
    前記工程Cで前記電解液と前記リーク検査ガスとが入れられた前記電池ケースを封止する工程Dと、
    前記工程Dで封止された前記電池ケースから前記リーク検査ガスが漏れているか否かを検査する工程Eと
    を含む、電池のリーク検査方法。
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