JP6193236B2 - 電池パックの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、複数の扁平形二次電池を積層してなる電池パックの製造方法に関し、とくに、扁平形二次電池の注液をスムーズにしながら、扁平形二次電池を加圧状態に固定できる電池パックの製造方法に関する。
直方体形状の外装ケースの内部に、発電要素として、電極体と電解液が封入される扁平形二次電池が開発されている（特許文献１参照）。
扁平形二次電池は、充放電によって電極体が膨張する。具体的には、扁平形二次電池を充電することで電極体が膨張し、扁平形二次電池を放電することで電極体が収縮する。また、繰り返し充放電されることによっても、電極体の活物質層が膨張する性質がある。電極体が膨張すると、電極体を構成する正極と負極との極板間の距離が離れるため、電池性能が劣化するおそれがある。
扁平形二次電池は、充放電によって電極体が膨張する。具体的には、扁平形二次電池を充電することで電極体が膨張し、扁平形二次電池を放電することで電極体が収縮する。また、繰り返し充放電されることによっても、電極体の活物質層が膨張する性質がある。電極体が膨張すると、電極体を構成する正極と負極との極板間の距離が離れるため、電池性能が劣化するおそれがある。
この種の二次電池を用いた高出力や高容量の電源装置として、複数の扁平形二次電池を積層している電池パックが開発されている（特許文献２参照）。
この電池パックは、容積効率が高く、容積に対するエネルギー密度を大きくできる。具体的には、積層している扁平形二次電池を直列に接続することで出力電圧を高め、並列に接続することで容量を大きくすることができる。この電池パックは、複数の扁平形二次電池を、絶縁材を介して積層して電池積層体とし、この電池積層体の両端にエンドプレートを配置して、一対のエンドプレートをバインドバーで連結して、複数の扁平形二次電池を積層状態に固定している。上述の通り、扁平形二次電池は、充放電や電池の劣化によって膨張するので、この電池パックは、エンドプレートとバインドバーを介して、電池積層体の変形や膨張を防止している。
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特許文献１の扁平形二次電池は、渦巻き電極体を扁平状にプレス成形する工程でのプレス圧を強くすることによって電極体の膨張を抑制できるようになっている。渦巻き電極体が強い圧力で加圧されて、正極と負極とセパレータとが圧密状態となるからである。しかしながら、圧密状態に加圧された扁平状の電極体は、これを扁平状の外装ケースに入れて電解液を注液すると、極めて時間がかかる欠点がある。正極と負極とセパレータの微細な隙間に電解液が侵入し難くなるからである。注液に時間がかかることは、製造工程のタクトタイムを長くして製造能率を低下し、製造コストを高くする。
本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、外装缶に電解液を速やかに注液しながら、電極体の膨張による電気特性の低下をも防止できる電池パックの製造方法を提供することにある。
本発明の電池パックの製造方法は、正極１１Ａと負極１１Ｂとをセパレータ１１Ｃを挟む状態で渦巻き状に巻回して渦巻き電極体１１Ｕとする巻回工程と、巻回工程で得られる渦巻き電極体１１Ｕをプレス成形して扁平状の電極体１１とするプレス成形工程と、このプレス成形工程で得られる扁平状の電極体１１を、扁平状の外装缶１２ａに挿入して電解液を注液する電解液の注液工程と、電解液の注液された外装缶１２ａを気密に密閉する密閉工程と、密閉工程で得られる複数の扁平形二次電池１を積層して電池積層体９として、電池積層体９を積層方向に所定の圧縮圧で加圧して、電池積層体９を構成する扁平形二次電池１を圧縮して加圧状態に固定する圧縮工程とからなる。さらに、電池パックの製造方法は、プレス成形工程で渦巻き電極体１１Ｕをプレス成形するプレス圧を、プレス成形された電極体１１が外装缶１２ａに挿入可能で、かつ、注液工程で外装缶１２ａに注液される電解液が電極体１１を膨潤した際に、電極体１１が外装缶１２ａの内側の面を押圧するまで膨張可能な圧力に設定し、圧縮工程で、扁平形二次電池１の外装缶１２ａを圧縮して、膨潤された電極体１１を、外装缶１２ａを介して圧縮する。
以上の方法は、扁平形二次電池の外装缶に電解液を速やかに注液しながら、電極体の膨張による電気特性の低下を有効に防止できる電池パックを製造できる。外装缶に電解液を速やかに注液できるのは、注液工程において、プレス成形工程で渦巻き電極体をプレス成形するプレス圧を、注液される電解液が電極体を膨潤させた際に、電極体が外装缶の内側の面を押圧するまで膨張可能な低い圧力に設定しているからである。電解液で膨潤する電極体は、加圧して注液される電解液を正極と負極の間に速やかに浸透させる。ただ、この電極体は、充放電されて膨張しやすいので、圧縮工程においては、扁平形二次電池の外装缶を圧縮して、膨潤された電極体を圧縮する。圧縮されて加圧状態に保持される扁平形二次電池は、電極体の膨張が抑制されて、電極体の膨張による電気特性の低下を防止できる。
本発明の電池パックの製造方法は、プレス成形工程のプレス圧を、圧縮工程の圧縮圧よりも低くすることができる。
以上の方法は、プレス成形工程における渦巻き電極体のプレス圧を、圧縮工程における扁平形二次電池の圧縮圧よりも低くするので、プレス成形工程において電極体が圧密状態とならず、注液工程においては電解液をより速やかに電極体に浸透できる特徴がある。
以上の方法は、プレス成形工程における渦巻き電極体のプレス圧を、圧縮工程における扁平形二次電池の圧縮圧よりも低くするので、プレス成形工程において電極体が圧密状態とならず、注液工程においては電解液をより速やかに電極体に浸透できる特徴がある。
本発明の電池パックの製造方法は、扁平形二次電池１が、内圧上昇で電流を遮断する電流遮断器１８を内蔵し、注液工程において、電流遮断器１８が電流を遮断する動作圧力よりも低い圧力に電解液を加圧して注液することができる。
以上の方法は、電流遮断器を動作させることなく、電解液を速やかに電極体に浸透できる。
以上の方法は、電流遮断器を動作させることなく、電解液を速やかに電極体に浸透できる。
本発明の電池パックの製造方法は、注液工程において、外装缶１２ａを減圧して電解液を加圧注液することができる。
以上の方法は、注液工程において、より速やかに電極体に電解液を浸透できる。それは、外装缶を減圧して空隙が減圧された状態にある電極体に、加圧された電解液を浸透させるからである。
以上の方法は、注液工程において、より速やかに電極体に電解液を浸透できる。それは、外装缶を減圧して空隙が減圧された状態にある電極体に、加圧された電解液を浸透させるからである。
本発明の電池パックの製造方法は、注液工程において、外装缶１２ａ内を減圧する工程と、電解液を加圧して注液する工程とを繰り返して電解液を注入することができる。
以上の方法は、注液工程において、より速やかに電解液を電極端子に浸透できる。また、電解液を速やかに浸透できることから、注液工程において電解液の圧力を低くできるので、電流遮断器を動作させることなく、電解液を注液できる。
以上の方法は、注液工程において、より速やかに電解液を電極端子に浸透できる。また、電解液を速やかに浸透できることから、注液工程において電解液の圧力を低くできるので、電流遮断器を動作させることなく、電解液を注液できる。
本発明の電池パックの製造方法は、注液工程の前工程で、外装缶１２ａの開口部に注入穴３３のある封口板１２ｂを固定し、注液工程において注入穴３３から電解液を注液し、密閉工程において注入穴３３を気密に密閉することができる。
以上の方法は、注入穴から電解液を注液するので、簡単な機構で、注入穴を閉塞する状態として、外装缶内に加圧された電解液を注液できる。
以上の方法は、注入穴から電解液を注液するので、簡単な機構で、注入穴を閉塞する状態として、外装缶内に加圧された電解液を注液できる。
本発明の電池パックの製造方法は、圧縮工程において、電池積層体９の両端にエンドプレート４を配置し、このエンドプレート４をバインドバー５で連結して電池積層体９の扁平形二次電池１を圧縮して加圧状態に固定することができる。
以上の方法は、バインドバーをエンドプレートに連結する状態で、扁平形二次電池の圧縮圧を最適値にコントロールして、扁平形二次電池を圧縮して加圧状態に固定できる。
以上の方法は、バインドバーをエンドプレートに連結する状態で、扁平形二次電池の圧縮圧を最適値にコントロールして、扁平形二次電池を圧縮して加圧状態に固定できる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電池パックの製造方法を例示するものであって、本発明は電池パックの製造方法を以下の方法に特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。
図１〜図３の電池パック１００は、扁平形二次電池１と絶縁材２とを交互に積層している電池積層体９と、この電池積層体９を積層方向の両端に配置しているエンドプレート４と、両方のエンドプレート４に連結されて、電池積層体９を所定の圧縮圧で押圧して加圧状態に固定しているバインドバー５とを備える。
扁平形二次電池１は、図４に示すように、正極１１Ａと負極１１Ｂをセパレータ１１Ｃを介して積層し、これを巻回して図５と図６に示す渦巻き電極体１１Ｕとし（巻回工程）、この電極体１１を所定のプレス圧でプレス成形して扁平状の電極体１１とし（プレス成形工程）、扁平状の電極体１１を、図７に示すように、扁平状の外装缶１２ａに挿入して電解液を注液し（注液工程）、電解液の注液された外装缶１２ａを気密に密閉して（密閉工程）製造される。
正極１１Ａと負極１１Ｂは、芯体３１の表面に活物質３２と導電材および結着材を付着して製作される。電解液は、外装缶１２ａの開口部に封口板１２ｂを溶接して固定した後、封口板１２ｂの注入穴３３から充填される。注入穴３３は、電解液を充填した後、気密に閉塞される。ただ、扁平形二次電池１は、電解液を充填した後、外装缶１２ａの開口部を封口板１２ｂで密閉することもできる。
以上の扁平形二次電池１は、非水電解質二次電池が適している。非水電解質二次電池には、リチウムイオン電池が適している。扁平形二次電池１をリチウムイオン電池の非水電解質二次電池とする電池パックは、電池積層体９の容積と重量に対する充電容量を大きくできる。ただ、本発明は、扁平形二次電池を非水系電解液電池のリチウムイオン電池には特定せず、リチウムイオン電池でない非水系電解液電池や、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池など充電できる全ての二次電池とすることができる。
図８〜図１０は、リチウムイオン電池の扁平形二次電池１を示している。これらの図の扁平形二次電池１は、外装缶１２ａの開口部に封口板１２ｂを溶接して、封口板１２ｂで外装缶１２ａの開口部を気密に密閉している。外装缶１２ａは、底を閉塞して、対向する両面を扁平状の幅広平面１２Ａとする筒状で、図において上方を開口している。この形状の外装缶１２ａは、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属板をプレス加工して製作される。
封口板１２ｂは、正負の電極端子１５を絶縁して両端部に固定している。正負の電極端子１５は、集電体１４を介して、外装缶１２ａの内部に配置する電極体１１の正負の電極の芯体３１に接続される。さらに、封口板１２ｂは、内圧が設定圧力まで上昇すると開弁する安全弁３４を設けている。封口板１２ｂは、その外形を、外装缶１２ａ開口部の内形にほぼ等しくして、外装缶１２ａの開口部に挿入され、外装缶１２ａとの境界にレーザー光線が照射されて、外装缶１２ａの開口部を気密に密閉する。
図４〜図６の電極体１１は、正極１１Ａと負極１１Ｂとをセパレータ１１Ｃを挟んで巻回して渦巻き電極体１１Ｕとし、この渦巻き電極体１１Ｕをプレス機の加圧プレート４０で両面からプレス加工して、所定の厚さで対向面を平面状とする扁平状に成形される。渦巻き電極体１１Ｕを扁平状にプレス加工するプレス圧は、渦巻き電極体１１Ｕの寸法が外装缶１２ａに挿入できる程度まで縮圧でき、かつ、注液される電解液を内部に速やかに浸透させて膨潤する圧力に設定される。渦巻き電極体１１Ｕをプレス成形するプレス圧が強すぎると、正極１１Ａと負極１１Ｂとが高密度な圧密状態となって電解液を速やかに浸透できず、浸透される電解液によって電極体１１が膨潤しなくなる。ただ、プレス圧が低すぎると、外装缶１２ａにスムーズに挿入できる厚さにプレス成形できなくなくなる。したがって、渦巻き電極体１１Ｕのプレス圧は、電極体１１が外装缶１２ａに挿入されて注液される電解液で膨潤した際に、電極体１１が外装缶１２ａの内側の面を押圧するまで膨張可能な圧力、たとえば１ＭＰａ未満、好ましくは０．５ＭＰａ未満であって、渦巻き電極体１１Ｕを外装缶１２ａに挿入できる厚さにプレス成形できる圧力に設定される。
図４の電極体１１は、芯体３１の片側に正極活物質３２Ａ又は負極活物質３２Ｂの塗布されない芯体露出部３１ｙを設けて、片側部を除く領域に正極活物質３２Ａや負極活物質３２Ｂを付着している。芯体３１は、導電性のある金属箔である。正極１１Ａと負極１１Ｂは、芯体露出部１１ｙを互いに反対側の側部に配置し、かつ正極活物質３２Ａと負極活物質３２Ｂとを塗布している領域を対向させて、その間にセパレータ１１Ｃを挟んで渦巻き状に巻回される。巻回された渦巻き電極体１１Ｕは、図５に示すように、プレス機の加圧プレート４０でもって、扁平状にプレス成形される。
以上のようにプレス成形して製作される扁平状の電極体１１は、両側部を芯体露出領域１１Ｙとして、芯体露出領域１１Ｙの間に活物質塗布領域１１Ｘができる。電極体１１の両側の芯体露出領域１１Ｙは、一方に正極１１Ａの芯体３１を露出させて、他方に負極１１Ｂの芯体３１を露出させる。正極１１Ａの芯体露出部１１ｙは、セパレータ１１Ｃを介することなく互いに積層されて、正極１１Ａ側の集電体１４に接続され、負極１１Ｂの芯体露出部１１ｙもセパレータ１１Ｃを介することなく積層されて負極１１Ｂ側の集電体１４に接続される。正極１１Ａ側の集電体１４と、負極１１Ｂ側の集電体１４は封口板１２ｂに固定している正極１１Ａと負極１１Ｂの電極端子１５に溶接などの方法で接続される。
以上のように扁平状にプレス成形された電極体１１は、渦巻き状に巻回された巻き軸ｍを封口板１２ｂと平行とする姿勢で外装缶１２ａに収納されて、両側の芯体露出領域１１Ｙを外装缶１２ａの両側、すなわち、扁平状外装缶１２ａの幅広平面１２Ａの両側に配置させる。プレス成形された扁平状の電極体１１を外装缶１２ａに挿入して、封口板１２ｂが外装缶１２ａの開口部に配設される。封口板１２ｂが集電体１４を介して電極体１１に連結されるからである。この状態で、電極体１１は、封口板１２ｂの内面から離れて配置されるので、電極体１１と封口板１２ｂとの間には所定の隙間が設けられる。外装缶１２ａの開口部に配置された封口板１２ｂは、レーザー溶接などの方法で外装缶１２ａの開口部に溶接される。その後、封口板１２ｂの注入穴３３から外装缶１２ａに電解液が充填されて、注入穴３３は気密に閉塞される。
以上の扁平形二次電池１は、外装缶１２ａの幅広平面１２Ａの両側部と上下部とを、電極体１１の活物質塗布領域１１Ｘに接触しない活物質非接触領域１２Ｙとし、幅広平面１２Ａの両側部と上下部を除く領域を、電極体１１の活物質塗布領域１１Ｘに接触する活物質接触領域１２Ｘとする。外装缶１２ａの幅広平面１２Ａの両側部は、電極体１１の芯体露出領域１１Ｙと対向して、活物質塗布領域１１Ｘに接触しない活物質非接触領域１２Ｙとなり、幅広平面１２Ａの上部は、その内面に電極体１１がなく、また電極体１１が巻回された湾曲部となって活物質塗布領域１１Ｘに接触せず、幅広平面１２Ａの下部は、電極体１１が巻回された湾曲部となって、活物質塗布領域１１Ｘに接触しない活物質非接触領域１２Ｙとなる。
電極体１１に使用される正極１１Ａと負極１１Ｂは、図４に示すように、細長い帯状の芯体３１に正極活物質３２Ａや負極活物質３２Ｂを塗布している。リチウムイオン電池の正極活物質３２Ａは、リチウムイオンの吸蔵・放出可能なリチウム遷移金属複合酸化物が使用可能である。リチウムイオンの吸蔵・放出可能なリチウム遷移金属複合酸化物としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、リチウムニッケルマンガン複合酸化物（ＬｉＮｉ１−ｘＭｎｘＯ２（０＜ｘ＜１））、リチウムニッケルコバルト複合酸化物ＬｉＮｉ１−ｘＣｏｘＯ２（０＜ｘ＜１）、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ+ｙ+ｚ＝1）等のリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。また、上記のリチウム遷移金属複合酸化物にＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｂ、Ｍｇ、またはＭｏなどを添加したものが使用できる。例えば、Ｌｉ１＋ａＮｉｘＣｏｙＭｎｚＭｂＯ２（Ｍ＝Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｏから選択される少なくとも一種の元素、０≦ａ≦０．２、０．２≦ｘ≦０．５、０．２≦ｙ≦０．５、０．２≦ｚ≦０．４、０≦ｂ≦０．０２、ａ＋ｂ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。正極１１Ａの充填密度は、２．５〜２．９ｇ／ｃｍ３とすることが好ましく、２．５〜２．８ｇ／ｃｍ３とすることがより好ましい。ここで、正極１１Ａの充填密度とは、正極活物質３２Ａを含む正極活物質合剤層の充填密度を意味し、正極芯体３１Ａは含まない。
正極１１Ａは、好ましくは、以下のようにして製作される。
Ｌｉ２ＣＯ３と（Ｎｉ０．３５Ｃｏ０．３５Ｍｎ０．３）３Ｏ４とを、Ｌｉと（Ｎｉ０．３５Ｃｏ０．３５Ｍｎ０．３）とのモル比が１：１となるように混合した。次いで、この混合物を空気雰囲気中にて９００℃で２０時間焼成し、ＬｉＮｉ０．３５Ｃｏ０．３５Ｍｎ０．３Ｏ２で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得て、正極活物質３２Ａとする。以上のようにして得られた正極活物質３２Ａ、導電剤として薄片化黒鉛およびカーボンブラック、結着材としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを、リチウム遷移金属複合酸化物：薄片化黒鉛：カーボンブラック：ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）の質量比が８８：７：２：３となるように混練し、正極スラリーを作製する。作製した正極スラリーを正極芯体３１Ａとしてアルミニウム合金箔（厚さ１５μｍ）の一方の面に塗布した後、乾燥させてスラリー作製時に溶媒として使用したＮＭＰを除去し正極活物質合剤層を形成する。同様の方法により、アルミニウム合金箔のもう一方の面にも正極活物質合剤層を形成する。その後、圧延ロールを用いて圧延して、所定寸法に切断して正極１１Ａとする。
Ｌｉ２ＣＯ３と（Ｎｉ０．３５Ｃｏ０．３５Ｍｎ０．３）３Ｏ４とを、Ｌｉと（Ｎｉ０．３５Ｃｏ０．３５Ｍｎ０．３）とのモル比が１：１となるように混合した。次いで、この混合物を空気雰囲気中にて９００℃で２０時間焼成し、ＬｉＮｉ０．３５Ｃｏ０．３５Ｍｎ０．３Ｏ２で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得て、正極活物質３２Ａとする。以上のようにして得られた正極活物質３２Ａ、導電剤として薄片化黒鉛およびカーボンブラック、結着材としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを、リチウム遷移金属複合酸化物：薄片化黒鉛：カーボンブラック：ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）の質量比が８８：７：２：３となるように混練し、正極スラリーを作製する。作製した正極スラリーを正極芯体３１Ａとしてアルミニウム合金箔（厚さ１５μｍ）の一方の面に塗布した後、乾燥させてスラリー作製時に溶媒として使用したＮＭＰを除去し正極活物質合剤層を形成する。同様の方法により、アルミニウム合金箔のもう一方の面にも正極活物質合剤層を形成する。その後、圧延ロールを用いて圧延して、所定寸法に切断して正極１１Ａとする。
リチウムイオン電池の負極活物質３２Ｂは、リチウムイオンの吸蔵・放出可能な炭素材料を用いる。リチウムイオンの吸蔵・放出可能な炭素材料としては、黒鉛、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、繊維状炭素、コークス、およびカーボンブラックなどが使用できるが、特に黒鉛が適している。
負極１１Ｂは、好ましくは以下のようにして製作する。
負極活物質３２Ｂとしての人造黒鉛と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）と、結着材としてのスチレン−ブタジエン−ラバー（ＳＢＲ）を水と共に混練して負極スラリーを作製する。ここで、負極活物質３２Ｂ：カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）：スチレン−ブタジエン−ラバー（ＳＢＲ）の質量比は９８：１：１となるように混合する。ついで、作製した負極スラリーを負極芯体３１Ｂとしての銅箔（厚さが１０μｍ）の一方の面に塗布した後、乾燥させてスラリー作製時に溶媒として使用した水を除去し負極活物質合剤層を形成する。同様の方法により、銅箔のもう一方の面にも負極活物質合剤層を形成した。その後、圧延ローラーを用いて圧延する。
負極活物質３２Ｂとしての人造黒鉛と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）と、結着材としてのスチレン−ブタジエン−ラバー（ＳＢＲ）を水と共に混練して負極スラリーを作製する。ここで、負極活物質３２Ｂ：カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）：スチレン−ブタジエン−ラバー（ＳＢＲ）の質量比は９８：１：１となるように混合する。ついで、作製した負極スラリーを負極芯体３１Ｂとしての銅箔（厚さが１０μｍ）の一方の面に塗布した後、乾燥させてスラリー作製時に溶媒として使用した水を除去し負極活物質合剤層を形成する。同様の方法により、銅箔のもう一方の面にも負極活物質合剤層を形成した。その後、圧延ローラーを用いて圧延する。
セパレータ１１Ｃは、熱可塑性樹脂フィルムの微多孔膜が使用される。このセパレータ１１Ｃは、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン製の微多孔膜が適している。また、ポリプロピレン（ＰＰ）とポリエチレン（ＰＥ）の３層構造（ＰＰ/ＰＥ/ＰＰ、あるいはＰＥ/ＰＰ/ＰＥ）を有するセパレータ１１Ｃも使用できる。
リチウムイオン電池の電解液は、非水電解質を構成する非水溶媒（有機溶媒）としては、非水電解質二次電池において一般的に使用されているカーボネート類、ラクトン類、エーテル類、エステル類などを使用することができ、これら溶媒の２種類以上を混合して用いることもできる。これらの中ではカーボネート類、ラクトン類、エーテル類、ケトン類、エステル類などが好ましく、カーボネート類がさらに好適に用いられる。
例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネートを用いることができる。とくに、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒を用いることが好ましい。また、ビニレンカーボネート（ＶＣ）などの不飽和環状炭酸エステルを非水電解質に添加することもできる。
非水電解質の溶質としては、非水電解質二次電池において一般に溶質として用いられるリチウム塩を用いることができる。このようなリチウム塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＣ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）３、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌＯ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０、Ｌｉ２Ｂ１２Ｃｌ１２、ＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２、ＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）Ｆ２、ＬｉＰ（Ｃ２Ｏ４）３、ＬｉＰ（Ｃ２Ｏ４）２Ｆ２、ＬｉＰ（Ｃ２Ｏ４）Ｆ４など及びそれらの混合物が例示される。これらの中でも、ＬｉＰＦ６（ヘキサフルオロリン酸リチウム）が好ましく用いられる。非水溶媒に対する溶質の溶解量は、０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌとするのが好ましい。
さらに、図９に示す扁平形二次電池１は、外装缶１２ａ内の内圧が設定値まで上昇すると電流を遮断する電流遮断器１８を内蔵している。電流遮断器１８は、電池の内圧が設定値以下においてはオン状態、設定値よりも高くなるとオフ状態に切り換えられて電流を遮断する。図９の扁平形二次電池１は、封口板１２ｂの内側に配設されて、正極端子１５Ａと集電体１４との間に接続される。図９の扁平形二次電池１は、封口板１２ｂに安全弁３４も設けている。安全弁３４は、電池の内圧が上昇して外装缶１２ａが破損するのを防止するために、電池の内圧が設定値まで上昇すると開弁して、内部のガスや電解液を排出する。電流遮断器１８が電流を遮断する設定圧は、安全弁３４が開弁する設定圧よりも低く設定される。この扁平形二次電池１は、異常な状態で充放電されて内圧が上昇すると、先に電流遮断器１８がオフ状態に切り換えられて電流を遮断し、その後、さらに内圧が上昇すると安全弁３４が開弁して外装缶１２ａの破損を防止する。
扁平形二次電池１は、外装缶１２ａに扁平状の電極体１１を挿入した後、電解液３０を注液する。電解液３０は、外装缶１２ａの開口部を閉塞している封口板１２ｂの注入穴３３から注入される。図１１は、注液装置５０の一例を示している。この注液装置５０は、ノズル６０の先端を封口板１２ｂの注入穴３３に気密に連結して注液する。注液装置５０は、より速やかに電解液３０を電極体１１に浸透させるために、外装缶１２ａの内部を減圧して空気を排出した後、電解液３０を加圧して注入する。したがって、図１１の注液装置５０は、外装ケース１２内を減圧する減圧機構５１と、電解液３０を加圧して注入する加圧注入機構５２とを備えている。さらに、図の注液装置５０は、電解液３０を注入した後、外装缶１２ａの内部に不活性ガスの窒素ガスを充填するガス充填機構５３も備えている。
減圧機構５１は、真空ポンプ５４で減圧される減圧タンク５５と、この減圧タンク５５とノズル６０との間に連結している減圧弁６１とを備えている。この減圧機構５１は、ノズル６０を封口板１２ｂの注入穴３３に連結する状態で、減圧弁６１を開弁して外装缶１２ａ内の空気を排気する。
加圧注入機構５２は、電解液３０を加圧して注液する供給シリンダ５６と、この供給シリンダ５６を逆止弁６４を介してノズル６０に連結する注液弁６２と、供給シリンダ５６のピストン５６Ａを往復運動させるアクチュエータのシリンダ５７と、逆止弁６５を介して供給シリンダ５６に連結している電解液３０の貯留タンク５８とを備えている。この加圧注入機構５２は、ノズル６０を封口板１２ｂの注入穴３３に連結する状態で注液弁６２を開弁し、アクチュエータのシリンダ５７で供給シリンダ５６のピストン５６Ａを押し出して、電解液３０を外装缶１２ａ内に加圧して注入する。電解液３０を加圧して外装缶１２ａに注入する圧力は、アクチュエータのシリンダ５７が供給シリンダ５６のピストン５６Ａを押圧する応力でコントロールする。
ガス充填機構５３は、窒素ガスを加圧して充填しているガスタンク５９と、このガスタンク５９とノズル６０との間に連結しているガスの供給弁６３とを備え、ガスの供給弁６３を開いて窒素ガスを外装缶１２ａの内部に注入する。
以上の注液装置５０は、ノズル６０を封口板１２ｂの注入穴３３に連結する状態で、減圧弁６１を開いて外装缶１２ａの内部の空気を強制的に排気する。この状態で、加圧注入機構５２の注液弁６２と、ガス充填機構５３のガスの供給弁６３は閉じた状態に保持される。外装缶１２ａ内の空気を排気して減圧した後、減圧弁６１を閉じ、ガスの供給弁６３を閉じた状態に保持して、注液弁６２を開いて電解液３０を加圧して注入する。アクチュエータのシリンダ５７を所定ストローク移動して、定量の電解液３０を注入した後、アクチュエータのシリンダ５７を停止して注液弁６２を閉じ、減圧弁６１を閉じた状態として、ガスの供給弁６３を開いて外装缶１２ａに不活性ガスの窒素ガスを充填する。その後、ガスの供給弁６３を閉じ、注液弁６２と減圧弁６１を閉じる状態に保持して、ノズル６０を封口板１２ｂの注入穴３３から引き離す。その後、封口板１２ｂの注入穴３３が気密に密閉されて、完成された扁平形二次電池１となる。
電解液３０は、減圧と加圧注液とを複数回繰り返して、外装缶１２ａ内に注液することもできる。この方法は、外装缶１２ａ内を減圧した後、所定の電解液３０を注液し、その後、再び外装缶１２ａの内部を減圧して電解液３０を注入する。減圧と注液とを複数回に繰り返して注液する方法は、より速やかに電解液３０を電極体１１に浸透して注液できる。
以上の扁平形二次電池１は、以下の工程で製造方法される。
（巻回工程）
正極１１Ａと負極１１Ｂとをセパレータ１１Ｃを挟む状態で渦巻き状に巻回して渦巻き状に巻回して、図５と図６に示す渦巻き電極体１１Ｕとする。
（プレス成形工程）
図５と図６に示すように、巻回工程で得られる渦巻き電極体１１Ｕを、所定のプレス圧でプレス成形して扁平状の電極体１１とする。さらに、このプレス成形工程では、渦巻き電極体を加熱状態で加圧して扁平状に成形することもできる。
（注液工程）
以上のプレス成形工程で得られる扁平状の電極体１１を、図７に示すように、扁平状の外装缶１２ａに挿入し、外装缶１２ａの開口部を封口板１２ｂで閉塞した後、封口板１２ｂの注入穴３３から電解液３０を注液する。
（密閉工程）
外装缶１２ａの内部に注液して、電解液３０で電極体１１を膨潤させた状態で、封口板１２ｂの注入穴３３を気密に密閉する。
（巻回工程）
正極１１Ａと負極１１Ｂとをセパレータ１１Ｃを挟む状態で渦巻き状に巻回して渦巻き状に巻回して、図５と図６に示す渦巻き電極体１１Ｕとする。
（プレス成形工程）
図５と図６に示すように、巻回工程で得られる渦巻き電極体１１Ｕを、所定のプレス圧でプレス成形して扁平状の電極体１１とする。さらに、このプレス成形工程では、渦巻き電極体を加熱状態で加圧して扁平状に成形することもできる。
（注液工程）
以上のプレス成形工程で得られる扁平状の電極体１１を、図７に示すように、扁平状の外装缶１２ａに挿入し、外装缶１２ａの開口部を封口板１２ｂで閉塞した後、封口板１２ｂの注入穴３３から電解液３０を注液する。
（密閉工程）
外装缶１２ａの内部に注液して、電解液３０で電極体１１を膨潤させた状態で、封口板１２ｂの注入穴３３を気密に密閉する。
以上の方法で製造された扁平形二次電池１は、絶縁材２を挟んで積層されて電池積層体９となる。電池積層体９の両端面にエンドプレート４を配置している。エンドプレート４はバインドバー５に連結されて、図３の概略断面図に示すように、電池積層体９を両端面から加圧して、各扁平形二次電池１を圧縮して積層方向に加圧する状態で固定する。バインドバー５は、両端部をエンドプレート４に連結して、電池積層体９の各扁平形二次電池１を所定の圧縮圧（Ｐ２）で加圧状態に固定する。
エンドプレート４は、扁平形二次電池１の外形にほぼ等しく、あるいはこれよりもわずかに大きく、四隅部にバインドバー５を連結して変形しない四角形の板状である。このエンドプレート４は、四隅部にバインドバー５を連結して、扁平形二次電池１に面接触状態として、面接触部分を均一な圧縮圧（Ｐ２）で加圧する。電池積層体９は、両端部にエンドプレート４を配置し、エンドプレート４をプレス機で加圧して、扁平形二次電池１を圧縮し、積層方向に加圧する状態に保持し、この状態で四隅部にバインドバー５を連結して、扁平形二次電池１を所定の圧縮圧（Ｐ２）に保持して固定する。バインドバー５を連結した後、プレス機の加圧状態を解除する。
バインドバー５は、横断面形状をＬ字状とする金属板で、両端には、エンドプレート４の外側面に接触する端部プレート５Ａを設けている。端部プレート５Ａは、バインドバー５のＬ字状端面に連結されて、エンドプレート４の外側面に接触する。このバインドバー５は、端部プレート５Ａをエンドプレート４の外側面を配置して、エンドプレート４に連結される。このバインドバー５は、端部プレート５Ａをエンドプレート４に連結して、エンドプレート４でもって扁平形二次電池１を加圧状態に固定する。さらに、バインドバー５のエンドプレート４の外周面にネジ止めなどの方法で固定される。以上の電池パック１００は、バインドバー５の両端を一対のエンドプレート４に連結して、エンドプレート４で電池積層体９を挟んで、各扁平形二次電池１を所定の圧縮圧（Ｐ２）で圧縮して、積層方向に加圧して固定する。扁平形二次電池１の圧縮圧（Ｐ２）は、扁平形二次電池１の外装缶１２ａを圧縮して、膨潤された電極体１１を圧縮する圧力に設定される。
圧縮圧（Ｐ２）は、扁平形二次電池１の両面に作用する単位面積当たりの押圧力である。したがって、圧縮圧（Ｐ２）は、［エンドプレート４が電池積層体９を積層方向に加圧する押圧力］／［扁平形二次電池１の扁平部の面積］で演算される。この圧縮圧（Ｐ２）は、好ましくは、渦巻き電極体１１Ｕのプレス圧（Ｐ１）よりも大きく、例えばプレス圧（Ｐ１）の１．２倍以上、好ましくは１．５倍以上、さらに好ましくは２倍以上の圧力に設定される。圧縮圧（Ｐ２）が弱すぎると、扁平形二次電池１の膨張を効果的に抑制できず、反対に強すぎると扁平形二次電池１の外装ケース１２を損傷する弊害が発生する。したがって、圧縮圧（Ｐ２）は、扁平形二次電池１の種類や大きさ、さらに外装缶１２ａの材質、形状、肉厚、大きさ、電極体１１の膨潤状態等の物性を考慮して前述の範囲で最適値に設定される。
扁平形二次電池１の間に挟着される絶縁材２は、絶縁性のプラスチックを成形して製作される。図１２の正面図に示す絶縁材２は、外形を扁平形二次電池１の外形にほぼ等しい扁平状として、四隅のコーナー部には、扁平形二次電池１を内側に入れて定位置に配置するガイド壁２２を設けている。ガイド壁２２はＬ字状で、内側に扁平形二次電池１のコーナー部を配置して、扁平形二次電池１を定位置に配置する。
絶縁材２は、外装缶１２ａの対向する幅広平面１２Ａの全面を均一に圧縮し、あるいは、幅広平面１２Ａの中央部を外周部よりも強く押圧して、膨潤した電極体１１を圧縮する。図１２の絶縁材２は、両側部と上下部を除く中央部（図においてクロスハッチングで表示）に、外装缶１２ａの幅広平面１２Ａの中央部を外周部よりも強く押圧する押圧部２Ｘを設けている。この絶縁材２は、押圧部２Ｘでもって外装缶１２ａの中央部を強く押圧して、膨潤した電極体１１を効果的に圧縮する。
さらに、図１３〜図１５に示す絶縁材２は、両面に積層される扁平形二次電池１との間に、複数列の冷却隙間６を設けている。この絶縁材２は、冷却機構（図示せず）でもって、冷却隙間６に冷却空気を強制送風して扁平形二次電池１を強制冷却することができる。図の両面に冷却隙間６を設けるために、絶縁材２は、両面に交互に複数列の冷却溝２１を設けて、冷却溝２１の底板２８を反対側の扁平形二次電池１の外装缶１２ａに密着させて、幅広平面１２Ａを押圧する。この絶縁材２は、冷却隙間６に冷却空気を強制送風して、扁平形二次電池１を強制冷却するが、絶縁材は、必ずしも冷却隙間を設ける必要はなく、押圧部を平面状ないしほぼ平面状として、外装缶の幅広平面を押圧することもできる。
以上の電池パックは、以下の工程で組み立てられる。
（１）複数の扁平形二次電池１の間に絶縁材２を挟んで電池積層体９とする。
（２）電池積層体９の両端にエンドプレート４を配置し、エンドプレート４をプレス機で押圧して、エンドプレート４でもって、電池積層体９を所定の圧力で加圧し、扁平形二次電池１を圧縮して加圧状態に保持する。
この状態において、絶縁材２が外装缶１２ａの内側の面を押圧して、電解液３０で膨潤された電極体１１を、外装缶１２ａを介して圧縮する。
（３）電池積層体９をエンドプレート４で加圧する状態で、一対のエンドプレート４にバインドバー５を連結して、扁平形二次電池１を圧縮して加圧する状態に固定する。
（４）電池積層体９を加圧状態として、扁平形二次電池１の電極端子１５にバスバー１３が接続される。バスバー１３は、扁平形二次電池１を直列に接続し、あるいは直列と並列に接続する。バスバー１３は、電極端子１５に溶接され、あるいはネジ止めされて、電極端子１５に接続される。
（１）複数の扁平形二次電池１の間に絶縁材２を挟んで電池積層体９とする。
（２）電池積層体９の両端にエンドプレート４を配置し、エンドプレート４をプレス機で押圧して、エンドプレート４でもって、電池積層体９を所定の圧力で加圧し、扁平形二次電池１を圧縮して加圧状態に保持する。
この状態において、絶縁材２が外装缶１２ａの内側の面を押圧して、電解液３０で膨潤された電極体１１を、外装缶１２ａを介して圧縮する。
（３）電池積層体９をエンドプレート４で加圧する状態で、一対のエンドプレート４にバインドバー５を連結して、扁平形二次電池１を圧縮して加圧する状態に固定する。
（４）電池積層体９を加圧状態として、扁平形二次電池１の電極端子１５にバスバー１３が接続される。バスバー１３は、扁平形二次電池１を直列に接続し、あるいは直列と並列に接続する。バスバー１３は、電極端子１５に溶接され、あるいはネジ止めされて、電極端子１５に接続される。
本発明に係る電池パックの製造方法は、ＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等に搭載される電池パックの製造方法として好適に利用できる。また、コンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用等に使用される電池パックの製造方法としても利用できる。
１００…電池パック
１…扁平形二次電池
２…絶縁材 ２Ｘ…押圧部
４…エンドプレート
５…バインドバー ５Ａ…端部プレート
６…冷却隙間
９…電池積層体
１１…電極体 １１Ａ…正極
１１Ｂ…負極
１１Ｃ…セパレータ
１１Ｘ…活物質塗布領域
１１Ｙ…芯体露出領域
１１Ｕ…渦巻き電極体
１２…外装ケース １２ａ…外装缶
１２ｂ…封口板
１２Ａ…幅広平面
１２Ｘ…活物質接触領域
１２Ｙ…活物質非接触領域
１３…バスバー
１４…集電体
１５…電極端子 １５Ａ…正極端子
１８…電流遮断器
２１…冷却溝
２２…ガイド壁
２８…底板
３０…電解液
３１…芯体 ３１Ａ…正極芯体
３１Ｂ…負極芯体
３１ｙ…芯体露出部
３２…活物質 ３２Ａ…正極活物質
３２Ｂ…負極活物質
３３…注入穴
３４…安全弁
４０…加圧プレート
５０…注液装置
５１…減圧機構
５２…加圧注入機構
５３…ガス充填機構
５４…真空ポンプ
５５…減圧タンク
５６…供給シリンダ ５６Ａ…ピストン
５７…アクチュエータのシリンダ
５８…貯留タンク
５９…ガスタンク
６０…ノズル
６１…減圧弁
６２…注液弁
６３…供給弁
６４…逆止弁
６５…逆止弁
ｍ…巻き軸
１…扁平形二次電池
２…絶縁材 ２Ｘ…押圧部
４…エンドプレート
５…バインドバー ５Ａ…端部プレート
６…冷却隙間
９…電池積層体
１１…電極体 １１Ａ…正極
１１Ｂ…負極
１１Ｃ…セパレータ
１１Ｘ…活物質塗布領域
１１Ｙ…芯体露出領域
１１Ｕ…渦巻き電極体
１２…外装ケース １２ａ…外装缶
１２ｂ…封口板
１２Ａ…幅広平面
１２Ｘ…活物質接触領域
１２Ｙ…活物質非接触領域
１３…バスバー
１４…集電体
１５…電極端子 １５Ａ…正極端子
１８…電流遮断器
２１…冷却溝
２２…ガイド壁
２８…底板
３０…電解液
３１…芯体 ３１Ａ…正極芯体
３１Ｂ…負極芯体
３１ｙ…芯体露出部
３２…活物質 ３２Ａ…正極活物質
３２Ｂ…負極活物質
３３…注入穴
３４…安全弁
４０…加圧プレート
５０…注液装置
５１…減圧機構
５２…加圧注入機構
５３…ガス充填機構
５４…真空ポンプ
５５…減圧タンク
５６…供給シリンダ ５６Ａ…ピストン
５７…アクチュエータのシリンダ
５８…貯留タンク
５９…ガスタンク
６０…ノズル
６１…減圧弁
６２…注液弁
６３…供給弁
６４…逆止弁
６５…逆止弁
ｍ…巻き軸
Claims (7)
- 正極と負極とをセパレータを挟む状態で渦巻き状に巻回して渦巻き電極体とする巻回工程と、
巻回工程で得られる渦巻き電極体をプレス成形して扁平状の電極体とするプレス成形工程と、
このプレス成形工程で得られる扁平状の電極体を、扁平状の外装缶に挿入して電解液を注液する電解液の注液工程と、
電解液の注液された外装缶を気密に密閉する密閉工程と、
密閉工程で得られる複数の扁平形二次電池を積層して電池積層体として、電池積層体を積層方向に所定の圧縮圧で加圧して、電池積層体を構成する扁平形二次電池を圧縮して加圧状態に固定する圧縮工程とからなり、
前記プレス成形工程で、渦巻き電極体をプレス成形するプレス圧を、プレス成形された電極体が前記外装缶に挿入可能で、かつ、前記注液工程で外装缶に注液される電解液が電極体を膨潤した際に、該電極体が前記外装缶の内側の面を押圧するまで膨張可能な圧力に設定し、
前記圧縮工程で、前記扁平形二次電池の外装缶を圧縮して、膨潤された電極体を、外装缶を介して圧縮することを特徴とする電池パックの製造方法。 - 前記プレス成形工程のプレス圧を、圧縮工程の圧縮圧よりも低くすることを特徴とする請求項１に記載される電池パックの製造方法。
- 前記扁平形二次電池が、内圧上昇で電流を遮断する電流遮断器を内蔵し、前記注液工程において、前記電流遮断器が電流を遮断する動作圧力よりも低い圧力に電解液を加圧して注液する請求項１又は２に記載される電池パックの製造方法。
- 前記注液工程において、前記外装缶を減圧して電解液を加圧注液する請求項１ないし３のいずれかに記載される電池パックの製造方法。
- 前記注液工程において、前記外装缶内を減圧する工程と、電解液を加圧して注液する工程とを繰り返して電解液を注入する請求項４に記載される電池パックの製造方法。
- 前記注液工程の前工程で、外装缶の開口部に注入穴のある封口板を固定し、注液工程において注入穴から電解液を注液し、密閉工程において注入穴を気密に密閉する請求項１ないし５のいずれかに記載される電池パックの製造方法。
- 前記圧縮工程において、電池積層体の両端にエンドプレートを配置し、このエンドプレートをバインドバーで連結して電池積層体の扁平形二次電池を圧縮して加圧状態に固定する請求項１ないし６のいずれかに記載される電池パックの製造方法。
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