JP6014993B2 - 電気デバイスの製造方法、製造装置及び電気デバイス - Google Patents

Description

この発明は電気デバイスの製造方法、製造装置及び電気デバイス、特に電気デバイスに電解液を注入する注液工程及び注液工程の後に電解液を発電要素の内部へと含浸させる含浸工程に関する。

電極及びセパレータを有する発電要素を外装材に収容した電気デバイスを、外装材の一部を開口させた状態で真空チャンバの内部に収納し、真空ポンプを作動させて真空チャンバの内部を大気圧より減圧した状態に保つ。そして、開口させたところから外装材の内部に電解液を注入し、注入した電解液を発電要素の内部へと含浸させるものがある（特許文献１参照）。

特開２００９−１８１８６２号公報

ところで、上記特許文献１の技術では、電気デバイスの外装材の内部に電解液を注入したとき、電気デバイスの鉛直上方からは電解液の浸透圧による、鉛直下方からは気体（酸素を含む空気）及び液体（電解液）の比重差による気体（空気）及び液体（電解液）の交換が生じる。しかしながら、気体に空気（酸素ガス）を使用しているので、気体（空気）及び液体（電解液）の交換に時間がかかっている。言い換えると、電解液が電気デバイスの全体に行き渡る速度（電解液の含浸速度）が遅いという問題がある。

そこで本発明は、電解液の含浸速度を速め得る電気デバイスの製造方法等を提供することを目的としている。

本発明では、電極及びセパレータを有する発電要素を外装材に収容した電気デバイスの製造方法において、前記外装材の一部を開口させた状態で外装材の内部に電解液を注入する注液工程と、この注液工程の後に電解液を前記発電要素の内部へと含浸させる含浸工程とを含んでいる。そして、 前記注液工程の前工程で電解液を電気デバイスの置かれる雰囲気ガスである第２ガスより比重の小さいガスである第１ガスでバブリングすることによって、電解液に第１ガスを溶存させる。

第２ガス（空気）と第１ガス（例えばヘリウムガス）との両ガスの比重差の分だけ電解液中からのガス（第１ガス）の抜け速度が早くなり、その分、セパレータへの含浸性が向上し、含浸工程に要する時間を短縮することができる。含浸工程に要する時間を短縮できると、生産性を向上することが可能となる。さらに、電解液を第１ガスでバブリングすることによって、注液工程の前工程で電解液に第１ガスを溶存させるので、簡易な方法によって注液工程の前工程で電解液に第２ガスより比重の小さいガスである第１ガスを溶存させることができる。

本発明の第１実施形態の電池の製造装置を説明するための全体図である。 図１のＸ−Ｘ線断面図である。 図２に示されるＡ部の拡大図である。 第１実施形態の注液前工程、注液工程、含浸工程、後工程を説明するためのフローチャートである。 比較例の電池の製造装置を説明するための全体図である。 比較例の注液前工程、注液工程、含浸工程、後工程を説明するためのフローチャートである。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の一実施形態の電池１（電気デバイス）の製造装置を説明するための全体図、図２は図１のＸ−Ｘ線断面図、図３は図２に示されるＡ部の拡大図である。

図１において、箱状の真空チャンバ１１の中央には、鉛直上方に開口するトレー１２がチャンバ底面１１ａより所定の高さだけ高い位置に配置されている。このトレー１２内に注液前工程で電池１を収納する。トレー１２は、略四角扁平状の電池１の外装材の内部に電解液を注入したとき電解液が電池１の外部に漏れ出ないように扁平状の電池１を両面から支持するためのものである。トレー１２の底面には図示しない孔が開けられ、チャンバ１１内のガスが自由に通過できるようになっている。

上記電池１の構成を概説する。ここでの電池１は双極型でないリチウムイオン二次電池である。電池１は双極型のリチウムイオン二次電池であってもかまわない。電池１は全体として略四角薄板状の発電要素２、電池外装材であるアルミラミネートフィルム７などからなっている。アルミラミネートフィルムは高分子−金属複合ラミネートフィルムの具体例である。ただし、本発明は電池外装材がアルミラミネートフィルムに限定されるものでない。

図３に示したように、発電要素２は負極３と正極４とを互い違いに配置して積層すると共に、負極３と正極４の間にセパレータ５を設けたものである。負極３は負極集電体３ａの両面に負極活物質層３ｂ、３ｃを、正極４は正極集電体４ａの両面に正極活物質層４ｂ、４ｃをそれぞれ配置したものである。セパレータ５は両電極３、４が接触することを防止する役目を有する他、電解液を保持することにより、電解質層を形成する。

このように発電要素２を形成した後には、２枚の矩形のアルミラミネートフィルム７を電池外装材として用いて発電要素２の両面を被覆する。これによって電池全体の形状は略四角扁平状となるので、熱融着により被覆したアルミラミネートフィルム７の三つの周縁部を接合した状態とする。１枚のアルミラミネートフィルム７を折り畳んで用いる場合には、熱融着により折り畳んだ辺に隣接する二つの周縁部を接合した状態とする。

そして、熱融着せずに残して置いた一つの周縁部から電解液を電池１の外装材（７）の内部に注入するため、熱融着せずに残しておいた一つの周縁部を鉛直上方に向けてトレー１２の内部に収納する。このように鉛直上方に外装材（７）の一つの周縁部が開口した電池１を収納した状態を図１、図２に示している。すなわち、図２にも示したように、発電要素２の左右の両面と底面とが外装材（７）に収容され、鉛直上方の外装材（７）の周縁部は開口している。

図１に示したように電池１について発電要素２のうちのセパレータ５が見えるようにその縦断面図を示している。なお、各電極（負極及び正極）と導通する強電タブ８、９を一方向（図１で左側）に取り付け、外装材（７）の周縁部に挟まれるようにして外装材（７）の外部に導出させている。

さて、外装材（７）の一つの周縁部を開口させた状態の電池１を真空チャンバ１１の内部に収納し、真空ポンプ１３を作動させて真空チャンバ１１の内部を大気圧より減圧した状態に保つ。そして、開口させたところから外装材（７）の内部に電解液を注入し、注入した電解液を発電要素２の内部へと含浸させるようにした従来の製造方法がある。

この従来の製造方法では、電池１の外装材（７）の内部に電解液を注入したとき、電池１の鉛直上方からは電解液の浸透圧による、鉛直下方からは気体（酸素を含む空気）及び液体（電解液）の比重差による交換が生じる。しかしながら、従来の製造方法では、気体に空気（酸素ガス）を使用しているので、気体（空気）及び液体（電解液）の交換に時間がかかっている。言い換えると、電解液が発電要素２の電極３、４及びセパレータ５の空孔（電池１の全体）に行き渡る速度（電解液の含浸速度）が遅いという問題がある。

そこで本発明の第１実施形態の電池１（電気デバイス）の製造方法では、外装材（７）の一部を開口させた状態で外装材（７）の内部に電解液を注入する注液工程と、この注液工程の後に電解液を発電要素２の内部へと含浸させる含浸工程とを含み、注液工程で電解液中に溶存させる第１ガスの比重は、電池１の置かれる雰囲気ガスである第２ガスの比重より小さいものとしている。

また、第１実施形態の電池１（電気デバイス）の製造装置としては、外装材（７）の一部を開口させた状態の電池１を収容（収納）すると共に、密閉状態とすることが可能な真空チャンバ１１（チャンバ）と、この真空チャンバ１１の内部のガスを真空チャンバ１１の外部に追い出し得る真空ポンプ１３（ポンプ）と、電解液を貯蔵する電解液タンク１５と、電池１の置かれる雰囲気ガスである第２ガスより比重の小さいガスを第１ガスとしてこの第１ガスを貯留する第１ガスボンベと、電解液タンク１５からの電解液を第１ガスボンベからの第１ガスでバブリングすることにより電解液に第１ガスを溶存させることが可能なバブリングタンク１７と、このバブリングタンク１７によりバブリングされた電解液を外装材（７）の一部を開口させた状態の電池１に供給する第１供給装置（２６、２７）とを備え、真空チャンバ１１を密閉状態に保ったまま真空ポンプ１３を作動させて真空チャンバ１１の内部を大気圧より低い減圧状態にすると共に、第１供給装置（２６、２７）を作動させてバブリングされた電解液を外装材（７）の一部を開口させた状態の電池１に供給する。

第１実施形態の電池１の製造装置としては、さらに、第１ガスボンベからの第１ガスを真空チャンバ１１の内部に供給する第２供給装置（３１、３３）を備え、バブリングされた電解液を外装材（７）の一部を開口させた状態の電池１に供給する前に、第２供給装置（３１、３３）を作動させて電池１の内部を第１ガスで置換する。

ここで、第１実施形態の製造方法や製造装置でいう「電池１の置かれる雰囲気ガスである第２ガス」とは、空気あるいは空気中の酸素ガスのことである。この第２ガスより比重の小さいガスである「第１ガス」としては、例えばヘリウムを選択する。「第１ガス」としては、空気あるいは空気中の酸素ガスより比重の小さい不活性ガスであればよく、ヘリウムガスでなくてもかまわない。
以下詳述する。

（電池の製造装置）
まず、第１実施形態の電池１の製造装置を説明する。前述したように、１１は外装材（７）の一部を開口させた状態の電池１（電気デバイス）を収納すると共に、密閉状態とすることが可能な真空チャンバである。１３はこの真空チャンバ１１の内部のガスを真空チャンバ１１の外部に追い出し得る真空ポンプである。

次に、従来の製造装置と異なる部分を説明する。図１において電解液タンク１５の内部の電解液２０を供給ポンプ１６よってバブリングタンク１７に供給する。バブリングタンク１７内には、鉛直上方から電解液２０中にまで届く直管１８を設けており、この直管１８にヘリウムガスボンベ２１（第１ガスボンベ）の内部のヘリウムガス（第１ガス）をヘリウムガス供給通路２２を介して供給する。

バブリングタンク１７は電解液２０中に溶存している酸素を取り去るためのものである。バブリングにより電解液中の酸素を取り去り、代わりにヘリウムガスを電解液中に溶存させることができるのは、次の理由による。すなわち、溶存酸素の量は、気体−液体間の平衡によって決まるのが原則である。いま、ヘリウムガスで電解液のバブリングを行うと、電解液中にヘリウムガスと電解液の気−液界面（泡の外周）がたくさん形成されることとなる。この状態では、酸素量はヘリウムガスと電解液の界面で平衡していない（つまり、電解液中には酸素が多く含まれているが、ヘリウムガス中には酸素が全く含まれていない）。従って、ヘリウムガスと電解液の界面において酸素量が平衡状態になろうとして、電解液から酸素が含まれていないヘリウムガスへと拡散する。こうしてヘリウムガスに取り込まれた酸素は浮力で上昇するヘリウムガスと共に上昇して電解液から除かれる。一方、ヘリウムガス量もヘリウムガスと電解液の界面で平衡していない（つまり、電解液中にはヘリウムガスが全く含まれていない）。従って、ヘリウムガスと電解液の界面においてヘリウムガス量が平衡状態になろうとして、ヘリウムガスがヘリウムガスの含まれていない電解液へと拡散する。こうしてヘリウムガスと電解液の界面でヘリウムガス量が平衡状態に達するまでヘリウムガスが電解液中に溶存してゆく。バブリングを継続することで、電解液中にヘリウムガスと電解液の気−液界面（泡の外周）が新たに形成され続ける。この新たな気−液界面においては酸素及びヘリウムガスが再び平衡状態になろうとする。この繰り返しによって、やがては電解液中の酸素がゼロとなり、代わりに電解液中に平衡状態のヘリウムガスが溶存した状態となる。このように、バブリングの前には電解液２０中に酸素が溶存していても、電解液２０をヘリウムガス２５によって所定時間バブリングした後にはヘリウムガス２５のみが電解液中に溶存することとなるのである。

電解液２０から離脱した酸素ガスを逃すため、バブリングタンク１７の鉛直上方にドレン開口部１９を設けている。ヘリウムガス供給通路２２には第１遮断弁２３と第１オリフィス２４を設け、第１遮断弁２３の開閉によりバブリングタンク１７へのヘリウムガスの供給・遮断を行い、第１オリフィス２４で供給するヘリウムガス流量を調整する。

上記第１供給装置は、供給ポンプ２６、第１ノズル２７から構成されている。ヘリウムガスにより電解液をバブリングした後には、供給ポンプ２６によって、ヘリウムガスを溶存させた電解液２０を第１ノズル２７に供給する。第１ノズル２７は、ヘリウムガスを溶存させた電解液２０の流量を調整するためのものである。鉛直上方に開口している外装材（７）の周縁部から外装材（７）の内部に入り込んだ位置に第１ノズル２７の鉛直下端を配置する。

第１ノズル２７から発電要素２の鉛直上方の面２ａに向けて流れ落ちる電解質は直ぐにこの面２ａから発電要素２の内部に浸透するのではない。すなわち、第１ノズル２７から外装材（７）の内部に供給される電解液の作動は次のようになる。ヘリウムガスを溶存させた電解液２０は、図１に示したように発電要素２の鉛直上方の面２ａを伝って左右に流れ、発電要素２の左右の面２ｂ、２ｃを伝って流れ下り、発電要素２の底面２ｄに回り込む。また、図２に示したように電解液２０は発電要素２の鉛直上方の面２ａを伝って左右に流れ、発電要素の左右の面２ｅ、２ｆを伝って流れ下り、発電要素２の底面２ｄに回り込む。所定量の電解液２０を供給した後には、発電要素２の外周が全て電解液２０で満たされた状態となり、発電要素の２０全周から電解液２０が発電要素２の内部へと浸透していく。ここで、電解液２０として供給すべき量は、電極（３、４）及びセパレータ５の有する全空孔を満たす量に余裕分を加えた量である。

上記第２供給装置は、分岐通路２２、第２ノズル３１、第２遮断弁３３、第２オリフィス３４から構成されている。すなわち、真空チャンバ１１の鉛直上方には真空チャンバ１１内に開口する第２ノズル３１を備える。第２ノズル３１には、ヘリウムガス供給通路２２から分岐する通路３２を介してヘリウムガスボンベ２１内のヘリウムガスを直接供給する。分岐通路３２には第２遮断弁３３と第２オリフィス３４を設け、第２遮断弁３３の開閉により真空チャンバ１１内へのヘリウムガスの供給・遮断を行い、第２オリフィス３４で供給するヘリウムガス流量を調整する。

（電池の製造方法）
次に、電池１の製造方法のうち、注液前工程、注液工程、含浸工程、後工程を、図４のフローチャートを参照して説明する。図４のフローは、これらの工程での各手順を示したものである。ここで、「注液前工程」とは、注液工程での作業の前に予め行っておくべき作業を行う工程（注液工程の前工程）のことをいう。「後工程」とは、含浸工程の後に後処理としての作業を行う工程のことをいう。ここでは、注液前工程にヘリウムガス置換工程（ガス置換工程）とヘリウムガス溶存工程（ガス溶存工程）を含ませている。

＜注液前工程＞
注液前工程での作業はステップ１〜６である。注液前工程の開始に際しては、真空ポンプ１３、２つの供給ポンプ１６、２６は作動停止状態に、２つの遮断弁２３、３３は全閉状態にしておく。

ステップ１では、電池１を、熱融着せずに残して置いた一つの周縁部を鉛直上方にして真空チャンバ１１内のトレー１３にセット（収納）する。ステップ２ではチャンバ１１を密閉状態とし、真空ポンプ１３を作動させて真空チャンバ１１内の真空引きを行う。

この真空引きによって真空チャンバ１１の内部が大気圧より低い所定の圧力（減圧状態）になった後、真空ポンプ１３の作動を停止する。この真空引きによって真空チャンバ１１内のほとんどの空気、つまり空気中の酸素ガスが取り去られる。

ステップ３は、注液前工程のうちのヘリウムガス置換工程（ガス置換工程）での作業を記載したものである。ステップ３では、第２遮断弁３３を開きヘリウムボンベ２１内のヘリウムガスを直接真空チャンバ１１内に導入する。電池１の内部を含めて真空チャンバ１１の内部がヘリウムガスで満たされ、ステップ４で真空チャンバ１１の内部が常圧（大気圧）に戻った後、第２遮断弁３３を全閉状態とする。ヘリウムガスは空気中の酸素ガスや窒素ガスより軽いので、ヘリウムガスの導入によって真空チャンバ１１内にわずかに残存していた酸素ガスや窒素ガスは鉛直下方に追いやられてチャンバ１１の底面１１ａに貯まる。この結果、電池１の置かれる雰囲気ガスは全てヘリウムガスとなる。このように、チャンバ１１内の空気をヘリウムガスで置換するのは、電池１の内部への酸素ガスの侵入を防止するためである。

ステップ５では、真空ポンプ１３により真空チャンバ１１内の真空引きを再度行う。この真空引きによって真空チャンバ１１内が大気圧より低い所定の圧力（減圧状態）になった後、真空ポンプ１３の作動を停止する。この真空引きによって真空チャンバ１１内のほとんどのヘリウムガスが取り去られ、わずかなヘリウムガスだけがチャンバ１１の内部に残存する。

ステップ６は、注液前工程のうちのヘリウムガス溶存工程（ガス溶存工程）での作業を記載したものである。ステップ６では、供給ポンプ１６を作動させて電解液タンク１５内の電解液２０をバブリングタンク１７に供給すると共に、第１遮断弁２３を開いてヘリウムガスボンベ２１内のヘリウムガスを導く。そして電解液２０をヘリウムガスでバブリングする。このバブリングによって電解液２０中に溶存していた酸素が全て離脱し、代わりにヘリウムガスが電解液２０中に溶存していく。バブリングは、電池１をトレー１２にセットした後の適当な時期に開始させればよい。

＜注液工程＞
注液工程での作業はステップ７である。ステップ７では、供給ポンプ２６を作動させ、第１ノズル２７を介して電池１の外装材（７）の内部にヘリウムガスを溶存させた電解液２０を所定量注入する。所定量、つまり電解液２０として供給すべき量は、電極（３、４）及びセパレータ５の有する全空孔を満たす量に余裕分を加えた量である。

電池１の外装材（７）の内部の発電要素２の外周を、ヘリウムガスを溶存させた電解液２０で満たした後、供給ポンプ２６の作動を停止する。このタイミングでヘリウムガスによるバブリングも不要となるので、供給ポンプ１６の作動を停止すると共に第１遮断弁２３を閉じる。ただし、電池１を真空チャンバ１１の内部に次々とセットして注液工程を行う場合には、ヘリウムガスによるバブリングを継続して行わせておけばよい。

＜含浸工程＞
含浸工程での作業はステップ８である。ステップ８では、注液の終了タイミングから所定時間が経過するまで待機する。電池１の外装材（７）の内部にヘリウムガスを溶存させた電解液２０を注入したとき、電池１の鉛直上方からは電解液２０の浸透圧による、鉛直下方からは気体（ヘリウムガス）及び液体（電解液）の比重差による交換が生じる。ここで、電池１の従来の製造方法の注液・含浸工程では、気体に空気（酸素ガス）を使用しているので、気体（空気）及び液体（電解液）の交換に時間がかかっている。このため、注液の終了タイミングから所定時間が経過すれば、発電要素２の内部の電極（３、４）及びセパレータ４の全ての空孔に電解液２０が含浸していなくても含浸工程を終了させていた。そして、熱融着せずに残して置いた一つの周縁部を接合することにより封止を行いその後の充電工程に進ませていた。このため、充電工程で未反応部が発生するという問題が生じている。本実施形態では、電解液２０に含まれる気体として空気（第２ガス）より比重の小さな気体であるヘリウムガス（第１ガス）を使用している。これによって、従来の製造方法における注液・含浸工程によるより気体及び液体の比重差が大きくなった分だけ気体及び液体の交換速度が速くなる。つまり、電解液２０が発電要素２の内部の電極（３、４）及びセパレータ４の全空孔（発電要素２全体）に行き渡る速度（電解液２０の含浸速度）が速くなる。このように、発電要素２の内部の電極（３、４）及びセパレータ４の全空孔に電解液を含浸させることができると、充電工程で、電解液２０が浸み込んでいない部位の容量ロスを低減できることとなった。

さらに詳述する。図１には、特にセパレータ５の部位においてセパレータ５の空孔に含浸している電解液２０からこの電解液に溶存させているヘリウムガスが、周囲の減圧状態のために気泡２５となり、気泡２５の有する浮力によって上昇するイメージを示している。電解液２０中に溶存しているヘリウムガスが気泡２５となって電解液２０より抜けていくときの式は、ストークスの式を用いて、
Ｖｓ＝Ｄｐ²（ρｐ−ρｆ）ｇ／１８η …（１）
ただし、Ｖｓ：気泡の上昇速度
Ｄｐ：気泡の直径
ρｐ：気体（気泡）の比重
ρｆ：電解液の比重
η：電解液の粘度
の式により表される。この（１）式によれば、電解液と気泡との比重差が大きいほど、気泡の上昇速度Ｖｓが大きいことを表している。この（１）式より、本発明者は、気泡として空気に代えて、空気（第２ガス）よりも比重の小さな気体であるヘリウムガス（第１ガス）を用いれば気泡の上昇速度を速めることができるのでないかと発想したのである。ここで、気体の標準状態（０℃、１ａｔｍ）で、空気中の酸素ガスの比重は１．１０５であるのに対して、ヘリウムガスは０．１３８と小さい。本実施形態によれば、気泡２５（ヘリウムガス）の比重が空気中の酸素ガスよりも小さいので、電解液との比重差が酸素ガスの場合より大きくなり、鉛直上方への気泡速度（上昇速度）を速めることができる。この結果、電解液２０の発電要素２全体への含浸を従来の製造方法における注液・含浸工程によるよりも早期に終了させることができる。

第１実施形態の製造方法における注液・含浸工程の効果を確かめるため、本発明者はヘリウムガスを溶存させた電解液２０の注入終了後に仮り封止（後述する）を行った電池１に対し、超音波診断装置を用いて超音波を照射してみた。その結果、電池１内部に気泡（ヘリウムガス）は存在していないことが判明している。気泡が存在すれば周囲の液体部分との屈折率が異なるので、超音波を照射した画像に現れる。ところが、超音波を照射した画像に気泡は見られなかったのである。ということは、電池容量を実質的に低下させてしまうこととなる気泡を電池１内部から全て取り去ることができたことを意味している。さらに述べると、バブリングによって電解液２０中から予め酸素を取り去っているので、気泡が存在しないということは、セパレータ５に酸素が存在しない（つまりセパレータ５に含まれる酸素分圧はゼロである）ことを意味している。

ヘリウムガスを溶存させた電解液２０の注入終了タイミングより電解液２０中からヘリウムガスが気泡２５となって全て抜けてしまうまで（つまり電解液２０が発電要素２の全てに行き渡るまで）の時間（含浸時間）は、実験により予め知り得る。この含浸時間は適合により定めておく。従って、ヘリウムガスを溶存させた電解液２０の注入終了タイミングから、この含浸時間が経過したタイミングで、電解液２０の含浸を終了したと判断させることができる。本実施形態によれば、電解液２０の含浸を終了したと判断し得るタイミングは、従来の製造方法における含浸工程によるより当然ながら早くなる。

このように、電解液２０の電池１全体への含浸を従来の製造方法における含浸工程によるより早期に終了させることができると、それ以降の操作を早めることができる。

＜後工程＞
後工程での作業はステップ９〜１２である。電解液２０の含浸を終了（完了）したタイミングでステップ９に進み、第２遮断弁３３を開いてヘリウムボンベ２１内のヘリウムガスを真空チャンバ１１内に導入する。電池１の内部を含めて真空チャンバ１１の内部がヘリウムガスで満たされ常圧（大気圧）に戻った後、第２遮断弁３３を全閉状態とする。このように電解液２０の含浸を終了した電池１を常圧の雰囲気ガスの状態に戻すに際しても、ヘリウムガス雰囲気下で行わせるのは、電解液２０の含浸を終了した電池１の外装材（７）の内部に空気（酸素ガス）が再び侵入することを防ぐためである。

ステップ１１では電解液２０の含浸を終了した電池１をトレー１２から真空チャンバ１１の外に取り出す。

ステップ１２では、電解液２０を注入するために開口していた一つの周縁部に、真空ポンプにつながるパイプの一端を入れると共に真空ポンプを作動させる。そして、電解液２０の鉛直上部に残る気体部分を真空引きしながら、熱融着により電解液２０を注入するために開口していた一つの周縁部を接合して電池１を仮封止する（密閉状態とする）。これで後工程を終了する。なお、電池１を真空チャンバ１１の外に取り出すことなく、仮封止するまでを真空チャンバ１１の内部で行わせてもかまわない。

＜充電工程＞
ステップ１３以降は初回充電工程での作業（操作）であり、これは従来の製造方法における初回充電工程での作業と同じである。すなわち、ステップ１３では、図示しない充電装置を用いて仮封止した電池１に対して初回の充電を行う。この充電により、電極３、４と電解液２０とが電気化学的に反応してガスが発生する。ステップ１４では、仮封止のため熱融着した周縁部の近傍の外装材（７）にガス抜き孔を開け、電池１の内部に発生したガスを抜き取る。ガス抜き後には再び電解液２０の鉛直上部に残る気体を真空引きしながらガス抜き孔より内周側の外装材（７）を熱融着により接合して電池１を本封止する（密閉状態とする）。仮封止のため熱融着した部分は切除して電池１を完成する。

このように、本実施形態によれば、空気（酸素ガス）に代えてヘリウムガスを溶存させた電解液２０を電池１の外装材（７）の内部に注入することで、電解液２０中に溶存するガスがヘリウムガスとなり、電解液２０中に溶存するガスが電解液２０中を抜ける速度が上記（１）式に従って速くなる。空気に対しヘリウムガスでは気泡抜けの速度が約３倍に向上する。このため、電解液２０の電極３、４及びセパレータ５への含浸性が向上するとともに、含浸工程に要する時間を短縮して電池１の生産性を向上することができる。

（電池の製造方法）
次に、注液する前の電池１の製造方法を具体的に説明する。

以下の材料を所定の比で混合して正極スラリーを作製した。正極活物質としてスピネルＬｉＭｎ₂Ｏ₄（８５ｗｔ％ or ９２ｗｔ％）、導電助剤としてアセチレンブラック（５ｗｔ％）、及びバインダーとしてポリフッ化ビニリデンＰＶＤＦ（１０ｗｔ％）もしくはスチレンブタジエンゴム（３ｗｔ％）を用い、スラリー粘度調整溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドンＮＭＰを塗布工程に最適な粘度となるまで添加し、正極スラリーを作製した。

上記正極スラリーをアルミ集電箔（厚さ２０μｍ）の両面に塗布し、乾燥させて正極４を成形した。正極電極厚みは片面で６０μｍになるようにプレスを行った。

以下の材料を所定の比で混合して負極スラリーを作製した。負極活物質としてハードカーボン（９０ｗｔ％ ）、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンＰＶＤＦ（１０ｗｔ％ ）を用い、スラリー粘度調整溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドンＮＭＰを塗布工程に最適な粘度となるまで添加し、負極スラリーを作製した。

上記負極スラリーをＣｕ集電箔（厚さ２０μｍ）の両面に塗布し、乾燥させて負極３を形成した。負極電極厚みは片面で５０μｍになるようにプレスを行った。

セパレータ５は厚み１５μｍとなるように微多孔ポリエチレンフィルムで作成した。

電解液は、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチレンカーボネイト（ＤＥＣ）を体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１ｍｏｌ／Ｌの濃度に溶解したものを用いた。

以上の正極４、セパレータ５、負極３を所定の大きさに切断した後、順に積層し、発電要素２を作成した。発電要素２はアルミラミネートフィルム７に収容し、収容したフィルムの四つの周縁部のうち一つの周縁部を残して熱融着により封止した。

このように形成した電池１を、電解液２０の注入のために残した一つの周縁部を鉛直上方にして真空チャンバ１１内のトレー１２に収納し、上記のようにして電解液２０を注入した。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態によれば、電極３、４及びセパレータ５を有する発電要素２を外装材（７）に収容した電池１（電気デバイス）の製造方法において、外装材（７）の一部を開口させた状態で外装材（７）の内部に電解液２０を注入する注液工程（図４のステップ７参照）と、この注液工程の後に電解液２０を発電要素２の内部へと含浸させる含浸工程（図４のステップ８参照）とを含み、注液工程で電解液２０中に溶存させたヘリウムガス（第１ガス）の比重は、電池１（電気デバイス）の置かれる雰囲気ガスである空気（第２ガス）の比重より小さいので、空気とヘリウムガスとの両ガスの比重差の分だけ電解液２０中からのガス（第１ガス）の抜け速度が早くなり、その分、セパレータ５への含浸性が向上し、含浸工程に要する時間を短縮することができる。含浸工程に要する時間を短縮できると、電池１の生産性を向上することが可能となる。

本実施形態によれば、電極３、４及びセパレータ５を有する発電要素２を外装材（７）に収容した電池１（電気デバイス）の製造方法において、外装材（７）の一部を開口させた状態で外装材（７）の内部に電解液２０を注入する注液工程（図４のステップ７参照）と、この注液工程の後に電解液を前記発電要素の内部へと含浸させる含浸工程（図４のステップ８参照）とを含み、注液前工程（注液工程の前工程）で電解液２０に電池１（電気デバイス）の置かれる雰囲気ガスである第２ガスより比重の小さいガス（つまりヘリウムガス）を第１ガスとしてこの第１ガスを溶存させるので（図４のステップ６参照）、空気（酸素ガス）より比重の小さい分だけ電解液２０中からのガス（第１ガス）の抜け速度が早くなり、その分電解液２０の特にセパレータ５への含浸性が向上し、含浸工程に要する時間を短縮することができる。

本実施形態によれば、電解液２０を空気より比重の小さいガスであるヘリウムガス（第１ガス）でバブリングすることによって、注液前工程（注液工程の前工程）で電解液２０に空気より比重の小さいガスであるヘリウムガス（第１ガス）を溶存させるので（図４のステップ６参照）、簡易な方法によって注液前工程（注液工程の前工程）で電解液２０に空気より比重の小さいガスであるヘリウムガスを溶存させることができる。

電池１（電気デバイス）の内部が空気（第２ガス）であれば、注液工程の後にも空気が電池１の内部に残存することが考え得るが、本実施形態によれば、電池１の内部を空気より比重の小さいガスであるヘリウムガス（第１ガス）で置換するガス置換工程を注液前工程（注液工程の前工程）に含むので（図４のステップ３参照）、注液工程の後に空気（第２ガス）が電池１内部に残存することを回避できる。

本実施形態によれば、注液工程において電池１の内部に存在するガスを、空気より軽い比重のガスであるヘリウムガス（第１ガス）とするので（図４のステップ２、３、４、５参照）、空気より軽い比重のヘリウムガスとした分だけ、電解液２０中からのヘリウムガス（第１ガス）の抜け速度が早くなり、その分電解液２０の特にセパレータ５への含浸性が向上し、注液工程に要する時間を短縮することができる。

ヘリウムガスは不活性ガスの中で最も比重の小さなガスである。本実施形態によれば、注液工程において電池１の内部に存在するガスをヘリウムガスとするので（図４のステップ２、３、４、５参照）、電解液２０中からのヘリウムガス（第１ガス）の抜け速度が最も早くなり、その分電解液２０の特にセパレータ５への含浸性が向上し、含浸工程に要する時間を最も短縮することができる。

本実施形態によれば、電極３、４及びセパレータ５を有する発電要素２を外装材（７）に収容した電池１（電気デバイス）の製造装置において、外装材（７）の一部を開口させた状態の電池１を収納すると共に、密閉状態とすることが可能な真空チャンバ１１（チャンバ）と、この真空チャンバ１１の内部のガスを真空チャンバ１１の外部に追い出し得る真空ポンプ１３（ポンプ）と、電解液を貯蔵する電解液タンク１５と、電池１の置かれる雰囲気ガスである空気（第２ガス）より比重の小さいガス（ヘリウムガス）を第１ガスとしてこの第１ガスを貯留する第１ガスボンベ（２１）と、電解液タンク１５からの電解液を第１ガスボンベ（２１）からの第１ガス（ヘリウムガス）でバブリングすることにより電解液に第１ガスを溶存させることが可能なバブリングタンク１７と、このバブリングタンク１７によりバブリングされた電解液２０を外装材（７）の一部を開口させた状態の電池１に供給する第１供給装置（２６、２７）とを備え、真空チャンバ１１を密閉状態に保ったまま真空ポンプ１３を作動させて真空チャンバ１１の内部を大気圧より低い減圧状態にすると共に、第１供給装置（２６、２７）を作動させてバブリングされた電解液２０を外装材（７）の一部を開口させた状態の電池１に供給するので、空気（第２ガス）より比重の小さい分だけ電解液２０中からのガス（第１ガス）の抜け速度が早くなり、その分、セパレータ５への含浸性が向上し、含浸工程に要する時間を短縮することができる。

本実施形態によれば、第２ガスボンベ（２１）からの第２ガス（ヘリウムガス）真空チャンバ１１の内部に供給する第２供給装置（３１、３２、３３、３４）を備え、バブリングされた電解液２０を外装材（７）の一部を開口させた状態の電池１に供給する前に、第２供給装置を作動させて電池１の内部を第１ガスで置換するので（図４のステップ３参照）、注液工程の後に空気（第２ガス）が電池１内部に残存することを回避できる。

図５は第１実施形態に対する比較例の電池１の製造装置を説明するための全体図、図６は比較例の注液前工程、注液工程、含浸工程、後工程を説明するためのフローチャートで、第１実施形態の図１、図４とそれぞれ置き換わるものである。図５において図１と同一部分には同一の符号を、図６において図４と同一部分には同一の番号を付している。

第１実施形態ではバブリングタンク１７で電解液２０にヘリウムガスを通過させることにより、電解液にヘリウムガスを溶存させ、このヘリウムガスを溶存させた電解液２０を電池１の内部に注入した。比較例は、図６に示したようにステップ２１で電解液タンク１５をあらかじめ真空引きすることにより電解液タンク１５内の電解液２０に溶存している酸素を取り去り、この酸素を取り去った電解液２０を電池１の外装材（７）の内部に注入するものである。

ステップ２１で電解液タンク１５を真空引きする目的は、電解液タンク１５の内部の電解液２０中に溶存している酸素を離脱させて取り去ることにある。例えば、電解液タンク１５を丈夫な材質で密閉タンク状に形成し、この電解液タンク１５の内部に電解液２０を貯溜させたとき、タンク１５内部の鉛直上方に気体部分が生じる。この部位の気体を真空ポンプ４１で真空引きすれば、電解液２０中に溶存している酸素を離脱させて取り去ることができる。酸素を取り去った後の電解液２０は、供給ポンプ２６により第１ノズル２７に供給する。

比較例によれば、電解液を貯蔵する電解液タンク１５を備え、この電解液タンク１５を注液前工程（注液工程の前工程）で真空引きするので（図６のステップ２１参照）、注液前工程で電解液２０を真空引きをしない場合よりセパレータ５に含まれる酸素を低減することができる。

実際には、比較例よりも第１実施形態のほうが好ましい。というのも、比較例によれば、電解液タンク１５の内部の電解液２０を第１ノズル２７へと供給する途中で電解液２０中に空気（酸素ガス）が再び溶存する可能性があるためである。一方、第１実施形態によれば、第１ノズル２７にヘリウムガスが溶存している電解液２０を供給する途中で、電解液２０中に空気中の酸素ガスが溶け込もうとしてもヘリウムガスに邪魔されて溶け込むことができない。

実施形態では、電池１がリチウムイオン二次電池である場合で説明したが、これに限られるものでない。例えば、電極及びセパレータを有するリチウムイオンキャパシタに電解液を注入する際にも本発明の適用がある。本発明では、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタを含む概念として「電気デバイス」を用いている。

１ 電池（電気デバイス）
７ アルミラミネートフィルム
１１ 真空チャンバ（チャンバ）
１３ 真空ポンプ（ポンプ）
１５ 電解液タンク
１７ バブリングタンク
２０ 電解液
２１ ヘリウムガスボンベ（第１ガスボンベ）
２５ 気泡
２６ 供給ポンプ（第１供給装置）
２７ 第１ノズル（第１供給装置）
３１ 第２ノズル（第２供給装置）
３２ 分岐通路（第２供給装置）
３３ 第２遮断弁（第２供給装置）

Claims (6)

1. 電極及びセパレータを有する発電要素を外装材に収容した電気デバイスの製造方法において、
   前記外装材の一部を開口させた状態で外装材の内部に電解液を注入する注液工程と、
   この注液工程の後に電解液を前記発電要素の内部へと含浸させる含浸工程と
   を含み、
   前記注液工程の前工程で電解液を電気デバイスの置かれる雰囲気ガスである第２ガスより比重の小さいガスである第１ガスでバブリングすることによって、電解液に第１ガスを溶存させることを特徴とする電気デバイスの製造方法。
2. 前記電気デバイスの内部を前記第１ガスで置換するガス置換工程を前記注液工程の前工程に含むことを特徴とする請求項１に記載の電気デバイスの製造方法。
3. 前記注液工程において電気デバイスの内部に存在するガスを、前記第１ガスとすることを特徴とする請求項１または２に記載の電気デバイスの製造方法。
4. 前記注液工程において電気デバイスの内部に存在する前記第１ガスをヘリウムガスとすることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の電気デバイスの製造方法。
5. 電極及びセパレータを有する発電要素を外装材に収容した電気デバイスの製造装置において、
   前記外装材の一部を開口させた状態の電気デバイスを収納すると共に、密閉状態とすることが可能なチャンバと、
   このチャンバの内部のガスをチャンバの外部に追い出し得るポンプと、
   電解液を貯蔵する電解液タンクと、
   電気デバイスの置かれる雰囲気ガスである第２ガスより比重の小さいガスを第１ガスとしてこの第１ガスを貯留する第１ガスボンベと、
   前記電解液タンクからの電解液を前記第１ガスボンベからの第１ガスでバブリングすることにより電解液に第１ガスを溶存させることが可能なバブリングタンクと、
   このバブリングタンクによりバブリングされた電解液を前記外装材の一部を開口させた状態の電気デバイスに供給する第１供給装置と
   を備え、
   前記チャンバを密閉状態に保ったまま前記ポンプを作動させて前記チャンバの内部を大気圧より低い減圧状態にすると共に、前記第１供給装置を作動させてバブリングされた電解液を前記外装材の一部を開口させた状態の電気デバイスに供給することを特徴とする電気デバイスの製造装置。
6. 前記第１ガスボンベからの第１ガスを前記チャンバの内部に供給する第２供給装置を備え、
   前記バブリングされた電解液を前記外装材の一部を開口させた状態の電気デバイスに供給する前に、前記第２供給装置を作動させて前記電気デバイスの内部を前記第１ガスで置換することを特徴とする請求項５に記載の電気デバイスの製造装置。
   
   

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