JP6037428B2 - 二次電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の製造方法および製造装置に関し、特に電気伝導性を有する液体の供給時に用いられる製造方法および製造装置に関する。

二次電池の構造には、正極板と負極板との間にイオン透過膜を挟み込んだ電池要素をフィルム外装材で封止した構造がある。このような構造は、巻回構造に比べ放熱性が高く電流を取り出しやすいため、近年、採用が進んでいる。

図７は、本発明に関連する二次電池の構造を示す図である。図７（ａ）は、本発明に関連する二次電池の分解斜視図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す二次電池の電池要素の構造を示す断面図である。図７（ｂ）に示すように電池要素２では、正極板２ａと負極板２ｃとの間にイオン透過膜２ｂが挟み込まれている。負極板２ｃには負極端子３（図７（ａ）参照）が接続されている。一方、正極板２ａには正極端子４（図７（ａ）参照）が接続されている。図７（ａ）に示すように、電池要素２はフィルム外装材５の内部空間５ａに収容される。このとき負極端子３および正極端子４はフィルム外装材５から露出している。フィルム外装材５は、図８に示すように、上部開口５ｂを有する袋状の状態となっている。この状態で電気伝導性を有する液体（例えば、電解液）が上部開口５ｂから供給される。供給された液体は、電池要素２に浸み込んでいく。以下、電気伝導性を有する液体が電池要素２に浸み込んでいく過程について図９（ａ）〜図９（ｄ）を参照しながら説明する。

図９（ａ）は、ノズル１１が電気伝導性を有する液体を電池要素２の上部に向けて供給し始めた状態を示す。このとき、一対の板状部材１１２が二次電池１を挟み込んでいる。電池要素２における電気伝導性を有する液体の浸み込み領域２１は電池要素２の上部から横方向に広がる（図９（ｂ）参照）。その後、浸み込み領域２１は、電池要素２の側部に広がり（図９（ｃ）参照）、最終的に電池要素２の下部まで広がる（図９（ｄ）参照）。このような過程で電気伝導性を有する液体が電池要素２に浸み込む場合、浸み込み領域２１では、電池要素２のイオン透過膜が膨張して体積が増大する。一方、非浸み込み領域２２では、イオン透過膜は膨張しない。このことにより、イオン透過膜には、浸み込み領域２１と非浸み込み領域２２との境界に皺が生じる。浸み込み領域２１は、上述したように電池要素２の周囲から広がるので、非浸み込み領域２２が電池要素２の中央部に残る場合がある（図９（ｄ）参照）。この場合、イオン透過膜の皺も残ってしまう。そのため、電極間の距離が不均一になって特性不良が生じる可能性がある。他に、イオン透過膜の皺に残存した気泡が特性不良の原因になる可能性がある。そこで、電気伝導性を有する液体の供給時にイオン透過膜の皺を発生させないようにした方法が特許文献１に提案されている。

図１０は、特許文献１に提案された電気伝導性を有する液体の供給方法を示す斜視図である。図１０に示す供給方法では、フィルム外装材５の上部開口５ｂを大きく開いた状態で、ノズル１１が電気伝導性を有する液体６を電池要素２とフィルム外装材５との隙間に供給する。液体６は、電池要素２の上部に触れることなくフィルム外装材５の下部に溜まる。そのため、電池要素２における液体６の浸み込み領域は、電池要素２の下部から徐々に上方向に広がっていく。これにより、液体６の非浸み込み領域が電池要素２の中央部に発生する事態を回避できるので、電気伝導性を有する液体の供給時にイオン透過膜の皺を発生させないようにすることが可能となる。

特開２００５−９３２６１号公報

図１０に示す供給方法では、液体６が電池要素２の下部から徐々に広がっていくので、液体６が電池要素２に浸み込むのに多くの時間を要する。さらに、図１０に示す供給方法では、液体６が電池要素２に浸み込む速度（液面の上昇速度）は、中心側よりも両端側の方が速い。そのため、図１１（ａ）に示すように、液体６の浸み込み領域２１は、電池要素２の両端側から顕著に進行する。すると、図１１（ｂ）に示すように、電池要素２の上部において、浸み込み領域２１に挟み込まれた非浸み込み領域２２が発生する可能性がある。非浸み込み領域２２は、上述したように、イオン透過膜の皺の発生要因になる。

そこで、本発明は、イオン透過膜の皺の発生を抑制し、かつ、電気伝導性を有する液体が電池要素へ浸み込む時間を短縮することが可能な二次電池の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の二次電池の製造方法は、正極板と負極板との間にイオン透過膜が挟み込まれた電池要素を、上部開口を有する袋状のフィルム外装材に収容し、前記上部開口から前記電池要素と前記フィルム外装材との隙間に電気伝導性を有する液体を供給する液体供給工程と、前記電池要素が収容され、かつ、前記液体が供給された前記フィルム外装材を萎ませるように押圧する押圧工程であって、前記フィルム外装材が押圧される範囲が前記フィルム外装材の下部から前記上部開口に向かって広がるように押圧する押圧工程と、を有する。

上記目的を達成するために本発明の二次電池の製造装置は、正極板と負極板との間にイオン透過膜が挟み込まれた電池要素を収納し、かつ、電気伝導性を有する液体が溜まった内部空間と、前記内部空間に連通する上部開口とを有する袋状のフィルム外装材を挟み込めるように互いに対向配置された一対の板状部材であって、各板状部材が前記フィルム外装材を萎ませるように押圧する押圧面を有する一対の板状部材と、前記フィルム外装材における前記押圧面によって押圧される範囲が前記フィルム外装材の下部から前記上部開口に向かって広がるように前記フィルム外装材または前記一対の板状部材を移動させる駆動機構と、を有する。

本発明によれば、イオン透過膜の皺の発生を抑制し、かつ、電気伝導性を有する液体が電池要素に浸み込む時間を短縮することが可能となる。

本発明の製造装置の一実施形態を示す斜視図である。 電気伝導性を有する液体が電池要素に浸み込んでいく過程を示す図である。 二次電池を段階的に下降させる形態を示す図である。 板状部材の押圧面に突起が形成された形態を示す図である。 本発明の製造装置の他の実施形態を示す図である。 板状部材の押圧面の中央部が凸状に突起した形態を示す図である。 本発明に関連する二次電池の構造を示す図である。 図７に示す二次電池の外観図である。 電気伝導性を有する液体が電池要素に浸み込んでいく過程を示す図である。 特許文献１に提案された電気伝導性を有する液体の供給方法を示す斜視図である。 電池要素において電気伝導性を有する液体の浸み込み領域に挟まれた非浸み込み領域が発生した状態を示す図である。

（実施形態１）
図１は、本発明の二次電池の製造装置の一実施形態を示す斜視図である。図１に示す製造装置１００ａは、二次電池１のフィルム外装材５を挟み込めるように対向配置された一対の板状部材１１２を有する。各板状部材１１２は、フィルム外装材５を押圧する押圧面１１２ａを有する。本実施形態では、一対の板状部材１１２は所定の位置に固定され、フィルム外装材５は駆動機構１１０によって、押圧面１１２ａの上部から下部に向かって下降させられる。以下、駆動機構１１０の構成について図１を参照して詳しく説明する。駆動機構１１０は、支持板１１１と、サーボモータ１０１と、ガイド１０２と、ボールネジ１０３と、移動テーブル１０４と、フタ１０５と、を有する。支持板１１１は、板状部材１１２の間でフィルム外装材５をその下部側から支持している。駆動機構１１０では、サーボモータ１０１が始動すると、ボールネジ１０３は、回転しながらフタ１０５を下方に押さえつける。これにより、フタ１０５が固定された移動テーブル１０４が、ガイド１０２に沿って下降する。移動テーブル１０４には、支持板１１１も固定されている。そのため、移動テーブル１０４の下降に伴って支持板１１１も下降する。

以下に、上述した製造装置１００ａを用いて二次電池を製造する方法について説明する。図２は、電気伝導性を有する液体が電池要素に浸み込んでいく過程を示す図である。

図２（ａ）は、フィルム外装材５に電気伝導性を有する液体６が供給された直後の状態を示す正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に対応する側面図である。図２（ｂ）に示すように、フィルム外装材５の内部空間５ａには、電池要素２が収容され、液体６が溜まっている。液体６は、電池要素２の上部に接触しないように、上部開口５ｂから電池要素２とフィルム外装材５との隙間に供給される（図１０参照）。電池要素２を収容し、かつ液体６が溜まったフィルム外装材５は、支持板１１１の上に取り付けられる。図２（ｃ）は、二次電池１が支持板１１１に取り付けられた状態を示す正面図であり、図２（ｄ）は、図２（ｃ）に対応する側面図である。図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、フィルム外装材５の下部が、板状部材１１２の押圧面１１２ａに押圧されると、フィルム外装材５が萎んで液体６の液面が上昇し、電池要素２における液体６の浸み込み領域２１が電池要素２の下部側および側部側から徐々に広がっていく。図２（ａ）に示す状態のままだと、液体６が電池要素２に接触している領域が小さいため、液体６が電池要素２に浸み込むのに多くの時間を要する。そこで、本実施形態では、上述した支持板１１１が下降する。図２（ｅ）は、支持板１１１が下降した状態を示す正面図であり、図２（ｆ）は、図２（ｅ）に対応する側面図である。支持板１１１が下降すると、フィルム外装材５における押圧面１１２ａによって押圧される範囲がフィルム外装材５の下部から上部開口５ｂに向かって広がっていく。これに伴って、フィルム外装材５がさらに萎んで液体６の液面が上昇するので、電池要素２の下部側から中央部側への液体６の浸み込みが促進される。これにより、液体６が電池要素２に浸み込む時間が短縮される。さらに、押圧範囲の広がりによって、イオン透過膜２ｂの皺の原因となる電池要素２内に閉じ込められた気泡が、液体６の浸み込み過程で電池要素２の上部から抜ける。そのため、非浸み込み領域２２が浸み込み領域２１に挟み込まれる事態を回避できるので、イオン透過膜の皺の発生および気泡の残存を防ぐことが可能となる。支持板１１１の下降後、フィルム外装材５の上部開口５ｂは封止される。

本実施形態では、支持板１１１を一気に下降させると、液体６が電池要素２に浸み込む時間がより一層短縮される。しかし、支持板１１１の下降速度が大きいと、液体６の液面が急激に上昇して電池要素２の上面が濡れる（電池要素２の上面からの液体６の浸み込みが発生する）おそれがある。そこで、図３に示すように、支持板１１１を段階的に下降させる形態であってもよい。図３（ａ）に示す位置に支持板１１１が下降したとき、フィルム外装材５における板状部材１１２の押圧範囲は、電池要素２の下側の１／４部分に相当する部分となっている。その後、図３（ｂ）に示す位置に支持板１１１が下降したとき、フィルム外装材５における板状部材１１２の押圧範囲は、電池要素２の下側半分に相当する部分に広がっている。その後、図３（ｃ）に示す位置に支持板１１１が下降したとき、フィルム外装材５における板状部材１１２の押圧範囲は、電池要素２の下側の３／４部分に相当する部分に広がっている。その後、図３（ｄ）に示す位置に支持板１１１が下降したとき、フィルム外装材５における板状部材１１２の押圧範囲は、電池要素２全体に相当する部分に広がっている。

本実施形態では、各板状部材１１２を所定の位置に固定し、支持板１１１（フィルム外装材５）が下降する形態であったが、他に、所定の位置でフィルム外装材５を支持板１１１に固定し、駆動機構が一対の板状部材１１２をフィルム外装材５の下部から上部開口５ｂに向かって連続的または段階的に上昇させる形態であってもよい。

本実施形態では、押圧面１１２ａは矩形であったが、例えば図４（ａ）に示す押圧面１１３のように、下端部１１３ｂから上端部１１３ａに向かって先細りした形状であってもよい。下端部１１３ｂの長さは、同等の長さであることが望ましい。図４では、板状部材１１２の一方に押圧面１１３が形成されているが（図４（ｂ）参照）、板状部材１１２の少なくとも一方に押圧面１１３が形成されていればよい。板状部材１１２の少なくとも一方に押圧面１１３が形成されると、支持板１１１が下降しているときに、フィルム外装材５および電池要素２は、突起１１３により中央側（内側）が両端側（外側）よりも強く押圧される。そのため、電池要素２の中央部に残存する気泡が突起１１３により外側に押し出されるので、電池要素２の中央部の隙間が小さくなり、毛管現象効果により液体６の浸み込みが促進される。その結果、押圧面１１２ａで押圧する場合に比べて非浸み込み領域２２が発生する可能性がより低くなる。すなわち、イオン透過膜の皺の発生及び気泡の残存が防止する効果がより一層向上する。
（実施形態２）
図５は、本発明の製造装置の他の実施形態を示す図である。図５（ａ）は、製造装置の全体構成を示す斜視図である。図５（ｂ）〜図５（ｄ）は、図５（ａ）に示す製造装置を用いて液体６を電池要素２に浸み込ませる過程を示す図である。図５（ａ）に示す製造装置１００ｂでは、互いに対向配置された一対の板状部材１２０を有する。各板状部材１２０は、フィルム外装材５を押圧する押圧面１２０ａと、押圧面１２０ａの下部に設けられた軸１２０ｂと、を有する。各軸１２０ｂには駆動機構１２１が連結されている。本実施形態では、駆動機構１２１はサーボモータとする。本実施形態では、所定の角度に開いた押圧面１２０ａ同士の間にフィルム外装材５が配置される（図５（ｂ）参照）。フィルム外装材５には、実施形態１と同様に、電池要素２が収容され、液体６が溜まっている。駆動機構１２１が、各板状部材１２０を、軸１２０ｂを中心に各押圧面１２０ａが互いに近付く方向に回転移動させると（図５（ｃ）、（ｄ）参照）、実施形態１と同様に、フィルム外装材５が萎んでフィルム外装材５と電池要素２との隙間が狭まる。そのため、フィルム外装材５内で液体６の液面が急速に上昇する。したがって、実施形態１と同様に、液体６が電池要素２に浸み込む時間を短縮し、イオン透過膜の皺の発生および気泡の残存を防ぐことが可能となる。本実施形態では、実施形態１の製造装置１００ａに比べて駆動機構の構成が簡易になる。そのため、装置の小型化が可能となる。

本実施形態の板状部材１２０では、押圧面１２０ａが平面形状であったが、例えば図６に示す板状部材１３０のように、フィルム外装材５の中央部を押圧する押圧面１３０ａが凸状になっていてもよい。すなわち、押圧面１３０ａと、押圧面１３０ａの対面との間の厚みが、中央部が最も厚く、中央部から離れるにつれて薄くなる形状であってもよい。図６では、両方の板状部材１３０に押圧面１３０ａが形成されているが、板状部材１３０の少なくとも一方に押圧面１３０ａが形成されていればよい。このような板状部材１３０を用いると、フィルム外装材５および電池要素２は、押圧面１３０の凸部分により中央側（内側）が両端側（外側）よりも強く押圧される。そのため、電池要素２の中央部の隙間が小さくなり、毛管現象効果により液体６の浸み込みが促進される。その結果、板状部材１２０を用いるよりも非浸み込み領域２２が発生する可能性がより低くなる。すなわち、イオン透過膜の皺が発生及び気泡の残存を防止する効果がより一層向上する。

１ 二次電池
２ 電池要素
３ 負極端子
４ 正極端子
５ フィルム外装材
５ａ 内部空間
５ｂ 上部開口
６ 液体
１１ ノズル
２１ 浸み込み領域
２２ 非浸み込み領域
１００ａ、１００ｂ 製造装置
１０１ サーボモータ
１０２ ガイド
１０３ ボールネジ
１０４ 移動テーブル
１０５ フタ
１１０、１２１ 駆動機構
１１１ 支持板
１１２、１２０、１３０ 板状部材
１１２ａ、１１３、１２０ａ、１３０ａ 押圧面
１１３ａ 上端部
１１３ｂ 下端部
１２０ｂ 軸

Claims (10)

1. 正極板と負極板との間にイオン透過膜が挟み込まれた電池要素を、上部開口を有する袋状のフィルム外装材に収容し、前記上部開口から前記電池要素と前記フィルム外装材との隙間に電気伝導性を有する液体を供給する液体供給工程と、
   前記電池要素が収容され、かつ、前記液体が供給された前記フィルム外装材を萎ませるように押圧する押圧工程であって、前記フィルム外装材が押圧される範囲が前記フィルム外装材の下部から前記上部開口に向かって広がるように押圧する押圧工程と、
   を有する二次電池の製造方法。
2. 前記押圧工程は、所定の位置で互いに対向配置された一対の板状部材の間に前記フィルム外装材の前記下部を挟み込み、その後、一対の板状部材の間で前記フィルム外装材を下降させる工程を有する、請求項１に記載の二次電池の製造方法。
3. 前記押圧工程は、所定の位置に固定された前記フィルム外装材の前記下部を、互いに対向配置された一対の板状部材の間に挟み込み、その後、前記フィルム外装材を挟みながら前記一対の板状部材を上昇させる工程を有する、請求項１に記載の二次電池の製造方法。
4. 前記押圧工程において、前記フィルム外装材を段階的に下降させる、請求項２に記載の二次電池の製造方法。
5. 前記押圧工程において、前記一対の板状部材を段階的に上昇させる、請求項３に記載の二次電池の製造方法。
6. 前記押圧工程は、互いに対向配置された一対の板状部材の間に前記フィルム外装材を配置し、その後、各板状部材を、各板状部材の下部に設けられた軸を中心に互いに近付く方向に回転させる工程を有する、請求項１に記載の二次電池の製造方法。
7. 正極板と負極板との間にイオン透過膜が挟み込まれた電池要素を収納し、かつ、電気伝導性を有する液体が溜まった内部空間と、前記内部空間に連通する上部開口とを有する袋状のフィルム外装材を挟み込めるように互いに対向配置された一対の板状部材であって、各板状部材が前記フィルム外装材を萎ませるように押圧する押圧面を有する一対の板状部材と、
   前記フィルム外装材における前記押圧面によって押圧される範囲が前記フィルム外装材の下部から前記上部開口に向かって広がるように前記フィルム外装材または前記一対の板状部材を移動させる駆動機構と、
   を有する、二次電池の製造装置。
8. 前記一対の板状部材の少なくとも一方の押圧面は、下端部から上端部に向かって先細りした形状となっており、
   前記駆動機構は、前記押圧面の前記上端部が前記フィルム外装材の前記下部を押圧した状態から前記フィルム外装材を下降させるかまたは前記状態から前記一対の板状部材を上昇させる、請求項７に記載の二次電池の製造装置。
9. 前記一対の板状部材は、前記押圧面の下部に設けられた軸を有し、
   前記駆動機構は、前記一対の板状部材を、前記軸を中心に各押圧面が互いに近付く方向に回転移動させる、請求項７に記載の二次電池の製造装置。
10. 前記一対の板状部材の少なくとも一方の押圧面は、中央部が凸状になっている、請求項９に記載の二次電池の製造装置。

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