JP6204497B2 - 二次電池のガス抜き孔形成プロセスおよびガス抜き孔形成装置 - Google Patents
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Description
この発明は、ラミネートフィルム等の薄く軽量な外装用フィルムにより形成されたケーシングをもつ二次電池の製造プロセスおよび製造装置に関する。より詳しくは、コンディショニング工程等で発生するガスを抜く際の液漏れの防止に関する。
日本国特許庁が２００４年に発行した特開２００４−３４２５２０号は、ラミネートフィルム等の薄く軽量な外装用フィルムで構成されたケーシングを有する二次電池において、コンディショニング等で発生するガスのガス抜きと、ガス抜き後のケーシングの密閉性の確保とを目的とする二次電池の製造方法を提案している。
この従来技術は、外装用フィルムからなるケーシングの内部に蓄電要素を封入する封入工程と、ケーシング内部のガスを抜くガス抜き工程と、第２封止工程からなる。封入工程では治具により介装体を挟持し、ケーシングの所定位置に設定した未接合部を除いて外装用フィルムを接合する。ガス抜き工程では、治具により未接合部の厚みを所定厚み以下に拘束しながら、未接合部に針などでガス抜き孔を形成する。第２封止工程では、未接合部を接合してガス抜き孔を塞ぐ。
ところで、発生したガスによる内圧上昇で未接合部に大きな膨張や変形が生じると、未接合部を接合する際に元の形状に戻らない可能性がある。また、未接合部の膨張に伴い、未接合部の周辺に応力が集中することによって、接合部の一部が剥離する可能性もある。従来技術の上記のプロセスはこれらの問題が生じるのを防止する効果をもたらす。
従来技術では、ケーシング内に発生したガスを外部に放出するガス抜き工程において、未接合部にガス抜き孔を形成している。しかしながら、未接合部に電解液が残留している場合には、未接合部に残留している電解液がガス抜き孔からガスとともにケーシングの外側へと流出し、ケーシング内の電解液の量が減少してしまう、という問題があった。ケーシングから流出した電解液がケーシングの表面に付着すると、電解液の拭き取り工程が必要となるので、二次電池の生産コストが上昇する可能性がある。
この発明の目的は、したがって、ケーシングからのガス抜き時の液漏れを確実に防止することである。
以上の目的を達成するために、この発明は重ね合わせたフィルムの外周縁を接合して、外周縁に接合部を形成したケーシング内部に蓄電要素を収容する第１の封止プロセスと、ケーシングの外周縁の接合部と蓄電要素との間の部位にガス抜き孔を形成するガス抜き孔形成プロセスと、ガス抜き孔を通してケーシング内部のガスをケーシング外部へ排出するガス抜きプロセスと、ガス抜き孔を封止する第２の封止プロセスと、を有する二次電池の製造方法におけるガス抜き孔形成プロセスを提供する。ガス抜き孔形成プロセスは、ケーシングのガス抜き孔が形成される部位を含む領域を、蓄電要素から距離を置いた位置から蓄電要素に接近する方向に向かって順次、重ね合わされたフィルムが互いに密着するようにケ一シング表面の両側から押圧すると共に、蓄電要素に接近するに連れて押圧力が低下するように押圧した後に、押圧した領域にガス抜き孔を形成する。
この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以下の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
この発明の第１の実施形態による二次電池へのガス抜き孔形成プロセスとガス抜き孔形成装置とを説明する。
図面のＦＩＧ．１を参照すると、二次電池１００は、薄く軽量な外装用フィルムを張り合わせたケーシング１と、ケーシング１に収装された蓄電要素２を備える。
薄く軽量な外装用フィルムは、例えば三層構造を有する高分子−金属複合ラミネートフィルムであり、金属層および金属層の両面に配置される高分子樹脂層を有する。金属層は、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属箔から構成される。高分子樹脂層は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、アイオノマー、エチレンビニルアセテート等の熱溶着性樹脂フィルムから構成される。外装用フィルムは、熱溶着や超音波溶着により容易に接着できるとともに、気密性、水分非透過性に優れたものであることが望ましい。
外装用フィルムは、図に示すように、二次電池の蓄電要素２を収容した状態で、周縁３カ所の融着部Ａを熱溶着により接合した袋状をなす。この状態で、袋の内部に電解液を注液し、開口部Ｂを熱溶着により接合することでケーシング１が構成される。開口部Ｂの熱溶着による接合は、後述する第１封止工程による第１封止部Ｃ、第２封止工程及び本封止工程による第２封止部Ｄ及び本封止部Ｅの３段階でそれぞれ実施される。
二次電池の蓄電要素２として、リチウムイオン二次電池を例として、その概略を説明する。リチウムイオン二次電池の蓄電要素２は、正極及び負極を、セパレータを介して重畳したものである。即ち、蓄電要素２は、正極活物質層が塗布された集電体からなる正極板と、負極活物質層が塗布された集電体からなる負極板とを、セパレータを介して積層することで、構成される。リチウムイオン二次電池は、非水電池であり製造時に混入した水分と反応することでガスを発生する。また、電解液中に含まれる有機溶媒の蒸発や、電池製造後のコンディショニングにおける電極反応でもガスを発生する。
正極板は、例えば、アルミニウム箔よりなる集電体と、集電体のタブ領域を除いた両面領域に形成された正極活物質層とを備える。図には、タブ領域２Ａのみが蓄電要素２の外側に引き出された状態で示されている。正極活物質層は、例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４等のリチウム−遷移金属複合酸化物からなる正極活物質、導電助剤、及びバインダを含む。
負極板は、例えば、銅箔よりなる集電体と、集電体のタブ領域を除いた両面領域に形成された負極活物質層とを備える。図には、タブ領域２Ｂのみが蓄電要素２の外側に引き出された状態で示されている。負極活物質層は、負極活物質、導電助剤、バインダ等を含む。負極活物質は、例えば、ハードカーボン（難黒鉛化炭素材料）、黒鉛系炭素材料や、リチウム−遷移金属複合酸化物である。
セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミドから形成される。
液体電解質（電解液）は、有機溶媒、支持塩等を含む。有機溶媒は、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ）等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、テトラヒドロフラン等のエーテル類である。支持塩は、リチウム塩（ＬｉＰＦ６）等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等の有機酸陰イオン塩である。
各蓄電要素２のタブ領域２Ａは正極端子３Ａに接続される。各蓄電要素２のタブ領域２Ｂは負極端子３Ｂに接続される。正極端子３Ａと負極端子３Ｂはケーシング１の融着部Ａを貫通してケーシング１の外側に取り出される。
ＦＩＧＳ．２Ａ−２Ｄを参照して、この発明によるガス抜き孔形成方法及びガス抜き孔形成装置を適用する二次電池の製造プロセスを説明する。この二次電池の製造プロセスは、主な工程として封止工程と、コンディショニング工程と、ガス抜き・第２封止工程と、本封止・トリミング工程とを有し、必要に応じてその他の工程を含む。
ＦＩＧ．２Ａに示す封止工程は蓄電要素の挿入工程、電解液の注入工程、及び第１封止工程からなる。
蓄電要素の挿入工程では、２枚の略矩形形状の外装用フィルムもしくは二つ折りの外装用フィルムの間に、矩形形状の蓄電要素２を配置する。蓄電要素２の正極端子３Ａ及び負極端子３Ｂは、外装用フィルムの外側に達するように、位置決めされる。ＦＩＧ．１に示す外装用フィルムの周縁３カ所の融着部Ａを熱溶着により接合する。周縁の残りの１辺は開口部Ｂとして残される。これにより袋状のケーシング１が形成される。
電解液注入工程においては、開口部Ｂを経由してケーシング１の内側に電解液が注入される。電解液の注入方法は、特に限定されない。チューブやノズルを開口部Ｂに差し込んで電解液を直接注入するか、あるいはケーシング１を電解液に浸漬することでも電解液をケーシング１に注入可能である。
第１封止工程においては、電解液を注入するために使用した開口部Ｂを熱溶着により接合して、第１封止部Ｃを形成する。第１封止部Ｃは、ＦＩＧ．１に示すように、ケーシング１の周縁寄りに設定される。すなわち、蓄電要素２から遠い位置で接合される。ケーシング１の第１封止部Ｃと蓄電要素２との間のスペースは蓄電要素２に連通しており、このスペースがガス抜き部４として使用される。
ＦＩＧ．２Ｂに示すコンディショニング工程は、初充電工程と、電池特性を安定化させるためのエージング工程からなる。初充電工程では蓄電要素２から初期ガスが発生する。エージング工程でも、蓄電要素２から更にガスが発生する。二次電池の用途によっては、コンディショニング工程は初充電工程とエージング工程のいずれか一方のみで構成される。
初充電工程では、蓄電要素２の電池容量の所定割合、例えば満充電まで充電した場合に得られる電池電圧を、蓄電要素２が発生させるまで、蓄電要素２への充電を行なう。初充電の温度環境として、４５℃よりも低いとガスの発生が不十分となり、７０℃よりも高いと電池特性が劣化する可能性がある。そのため初充電を行なう温度環境としては４５℃から７０℃の範囲が好ましい。電池容量の所定割合は、必要に応じて設定される。
エージング工程は、蓄電要素２を充電した状態で所定期間保持する工程である。
ＦＩＧ．２Ｃに示すガス抜き・第２封止工程は、開孔工程と、ガス抜き工程と、第２封止工程からなる。開孔工程は大気圧のドライエア又は不活性ガス等のドライガスの雰囲気中において実施される。ガス抜き工程と第２封止工程は減圧した雰囲気中において実施される。
開孔工程では、前述のガス抜き部４に切り込みを入れて、ＦＩＧ．１に示すようにスリット状のガス抜き孔５を形成する。これによりガス抜き部４は外部と連通する。
ガス抜き工程では、雰囲気を減圧状態とすることにより、ケーシング１内の電解液中に溶け込んでいるガスを電解液から分離させ、ガス抜き孔５から外部に排出する。このガス抜き工程は、予め設定した所定時間が経過するまで継続して行なわれる。
ガス抜き工程の終了後は第２封止工程が行なわれる。ここでは、引き続き減圧雰囲気の中で、ケーシング１の第１封止部Ｃよりも蓄電要素２に近接した部位に、熱融着による接合を行ってＦＩＧ．１に示す第２封止部Ｄを形成する。
ＦＩＧ．２Ｄに示す本封止・トリミング工程では、第２封止工程を経た二次電池を、減圧雰囲気から取り出して、第１封止部 Ｃと第２封止部Ｄの間でケーシング１を第２封止部Ｄより広めに熱溶着により接合する。これによりＦＩＧ．１に示す本封止部Ｅが形成される。次に、ケーシング１の周縁部分の不要な領域を切断するトリミング工程が実施される。さらに、検査工程や充放電などの出荷調整工程が実施され、二次電池が完成する。
以上は一般的な二次電池の製造工程であるが、この発明の実施形態を適用する二次電池の製造方法もこのプロセスを踏襲する。
次にＦＩＧＳ．１５Ａ−１５Ｃを参照して、一般的な開孔工程を詳しく説明する。
ＦＩＧ．２Ｃのガス抜き・第２封止工程の中の開孔工程を行なう際は、ガス抜き部４内にガスとともに電解液が残留していることがある。ＦＩＧ．１５Ａにおいて、ガス抜き部４が膨らんでいるのはガスによるケーシング１の内圧上昇のためである。この状態でＦＩＧ．１５Ｂに示すようにカッタ１４でガス抜き部４を切開すると、ガス抜き部４からガスとともに電解液が飛び出して飛散することがある。こうした原因でケーシング１内の電解液の液量が減少すると、電池の寿命に影響しかねない。
ケーシング１の外部に飛散した電解液は、ＦＩＧ．１５Ｃに示すように、ケーシング１の表面に付着する。ケーシング１の表面に電解液が付着すると、新たに拭き取り工程を設ける必要が生じ、生産コストの増加につながる。また、電解液の拭き取り洩れが生じると、複数の二次電池１００の側面同士を接着して電池パックとして利用する場合に、接着剤の接着力を低下させる要因となる。
この実施形態においては、開孔工程における電解液のケーシング１の外側への飛散を防止するために、ＦＩＧＳ．３と４に示すガス抜き孔形成装置１０が使用される。ガス抜き孔形成装置１０は、ケーシング１のガス抜き部４の一面を支持する支持部材１１と、ガス抜き部４のもう一面に接するローラ１３と、ローラ１３を揺動自由なアーム１５を介して支持する移動体１２と、からなる挟持機構を備える。ガス抜き孔形成装置１０はまた、ガス抜き部４に切込みを入れてガス抜き孔５を形成するカッタ１４を備える。
ＦＩＧ．３を参照すると、支持部材１１と移動体１２は、ケーシング１のガス抜き部４から離れた待機位置と、互いに接近して、ガス抜き部４を挟み付ける作動位置と、の間で移動可能に構成される。以下の説明では、待機位置から作動位置への移動方向を前進と称し、作動位置から待機位置への移動方向を後退と称する。また、これらの方向と直交する水平方向、すなわち平面図であるＦＩＧ．４の横断方向、を横断方向と称する。
移動体１２はその横断方向の両端に、前後方向に延びてベース部材１７に摺動自在に案内される補助シャフト１８を一体に備える。また、ベース部材１７に固定されたシリンダ１９から突出して伸縮作動するロッド１９Ａの先端に結合する。この構造のもとで、移動体１２は、ロッド１９Ａの伸縮に応じて、補助シャフト１８に案内されつつ、待機位置と作動位置との間で移動する。支持部材１１も移動体１２と同様の図示されない支持構造のもとで、待機位置と作動位置との間で進退方向に移動する。
作動位置の支持部材１１は、ケーシング１のガス抜き部４の一方の面に接触して、ガス抜き部４を一方向から支持する。支持部材１１には、カッタ１４の切り刃を貫通させて支持部材１１の前面に突出させるための横方向のスリットからなる貫通孔１１Ａが形成される。貫通孔１１Ａは、電解液が付着しても溜まらない程度の幅とする。
カッタ１４は、待機位置では支持部材１１の後方に位置する一方、作動位置の支持部材１１の貫通孔１１Ａを貫通して、刃先を支持部材１１の前方へ突出可能に構成される。さらに、貫通孔１１Ａを貫通したカッタ１４は刃先を貫通孔１１Ａに沿って、横断方向に横移動可能に構成される。カッタ１４の厚さは、貫通孔１１Ａを通過する厚さとする。これにより、ケーシング１のガス抜き部４を支持部材１１が支持する範囲内において、ガス抜き部４にガス抜き孔５を形成することができる。
ローラ１３は、ケーシング１のガス抜き部４の他方の面に接触することでガス抜き部４を支持部材１１との間で挟み付ける。ローラ１３は、ＦＩＧ．３に示すように、アーム１５の先端に回転自在に支持される。アーム１５の基端は軸１２Ａを介して移動体１２に揺動自在に連結する。アーム１５の基端面には、基部を移動体１２に固定した板ばね１６の先端が面接触する。板ばね１６は、アーム１５の回動位置、すなわちローラ１３の上下方向の揺動角度位置が、ＦＩＧ．３に示す所定の初期位置に弾性的に保持されるように、アーム１５にばね荷重を加える。この初期位置では、アーム１５は最も上方へ回動した状態となり、ローラ１３は移動体１２からもっとも前方へ突出した状態となる。
初期位置におけるローラ１３の上下方向の揺動角度位置が、アーム１５の基端側の軸１２Ａの位置よりも下方に位置するよう、ローラ１３はアーム１５の中心軸からオフセットした位置に配置される。例えば、ＦＩＧ．３において、軸１２Ａを含む水平面に対して、図の下方へ２度ないし３度先端を下方へ回動した平面上にローラ１３が配置される。このようなオフセット位置に支持されたローラ１３は、移動体１２の作動位置への前進によりケーシング１のガス抜き部４に接触すると下方へ付勢される。そして、アーム１５の先端を下方へ回動させつつガス抜き部４をしごきながら下方へ転動する。アーム１５の先端が下方へ回動すると、板ばね１６のアーム１５の基端面への当接状態が、面接触状態から基端面の下方に形成された円弧部への点接触状態へと変化する。その結果軸１２Ａまわりのモーメントがアーム１５に作用し、これがアーム１５を初期位置に戻す復元力として作用する。
この実施形態は開孔工程を次のように実行する。
すなわち、支持部材１１、移動体１２及びカッタ１４が、いずれも待機位置にあるガス抜き孔形成装置１０に、ＦＩＧ．２Ｂに示すコンディショニング工程を終えた二次電池がセットされる。この状態で、ＦＩＧ．３に示すように、支持部材１１が待機位置から前進して作動位置にセットされる。支持部材１１は、ガス抜き部４の一方の面に接触してガス抜き部４を支持する。
コンディショニング工程を終えた二次電池のケーシング１は、コンディショ人のグ工程で発生したガスによる内圧上昇のため、ガス抜き部４がＦＩＧ．１５Ａに示すように若干膨らんでいる。また、ガス抜き部４には図に楕円で示すように電解液が残留している。なお、この膨らみ自体は開口作業のプロセスの説明とは直接関係ないので、ＦＩＧＳ．３，５−７のガス抜き孔形成装置の側面図には、膨らみのない状態のガス抜き部４が描かれている。
ＦＩＧ．５を参照すると、支持部材１１がガス抜き部４の一方の面を支持した状態で、ガス抜き孔形成装置１０は移動体１２を待機位置から作動位置に前進させる。移動体１２の前進に伴い、ローラ１３がまずガス抜き部４の蓄電要素２から離れた部分に当接する。ローラ１３は支持部材１１との間でケーシング１の若干膨らんだガス抜き部４を挟持する。
ＦＩＧ．６を参照すると、移動体１２がさらに前進すると、アーム１５の先端が下方へ回動し、ローラ１３は板ばね１６に抗しアーム１５を下方へ回動させつつガス抜き部４をしごきながら下方へ転動する。この結果、ＦＩＧ．６に示すように、先端のローラ１３はガス抜き部４の表面に沿って転動しつつ蓄電要素２に向けて図の下方へと移動する。このようにして、ローラ１３はケーシング１の若干膨らんだガス抜き部４を蓄電要素２に向かってしごくように作動する。
ＦＩＧ．７を参照すると、ローラ１３が最下端に到達すると、ガス抜き部４は支持部材１１とローラ１３とにより完全に押し潰され、ガス抜き部４内に残留していた電解液は、蓄電要素２内に滴下する。滴下した電解液は、蓄電要素２周辺の電解液と混合することで、ガスと電解液との気液分離が促進される。
ＦＩＧＳ．１０Ａ−１０Ｃを参照すると、この実施形態において、ローラ１３によるガス抜き部４のしごき動作中に、ガス抜き部４に加えられるローラ１３の押圧力は、蓄電要素２から離れた部位から蓄電要素２に接近するに連れて低下する。すなわち、移動体１２の前進による押付け力Ｆは軸１２Ａからアーム１５に伝達される段階でアーム１５に沿う方向の分力Ｆ１とアーム１５に直交する方向の分力Ｆ２とに分解される。このうち、アーム１５に沿う方向の分力Ｆ１がローラ１３に作用する。ローラ１３に分力Ｆ１が作用すると、ローラ１３は、分力Ｆ１を、ガス抜き部４を押圧する方向の押圧力としての分力Ｆ１Ａとローラ１３を下方へ付勢する分力Ｆ１Ｂとに分解し、後者により下方へと移動する。
ＦＩＧ．１０Ａに示すように、ガス抜き部４のうち蓄電要素２から離れた部位にローラ１３が接触する状態では、ローラ１３に作用する分力Ｆ１の大部分がガス抜き部４への押圧力Ｆ１Ａとなる。従って、ローラ１３は比較的大きな押圧力Ｆ１Ａでガス抜き部４を下方にむけてしごくことになる。その結果、ガス抜き部４に残留する電解液は混在するガスと共に蓄電要素２に向けて確実に送り出される。
ＦＩＧ．１０Ｂに示すように、ローラ１３が蓄電要素２に接近すると、移動体１２の前進方向への押圧力Ｆがアーム１５を介してローラ１３にもたらす分力Ｆ１は、アーム１５の平面方向に対する傾斜角度に比例して低下する。このため、ローラ１３がガス抜き部４に及ぼす押圧力である分力Ｆ１Ａもアーム１５の平面方向に対する傾斜角度に比例して徐々に低下する。このようにして、ローラ１３は蓄電要素２に接近するにつれて分力Ｆ１Ａを低下させつつガス抜き部４を下方に向けてしごくように移動する。この結果、ガス抜き部４に残留する電解液を混在するガスともに、ケーシング１の蓄電要素２側へと確実に戻すことができる。
ＦＩＧ．１０Ｃに示すように、ローラ１３が蓄電要素２にさらに接近すると、移動体１２の前進方向への押圧力Ｆがアーム１５を介してローラ１３に及ぼす分力Ｆ１は、アーム１５の平面方向に対する傾斜角度に比例してより一層低下する。このため、ローラ１３によるガス抜き部４への押圧力である分力Ｆ１Ａもアーム１５の平面方向に対する傾斜角度に比例してより一層低下する。このようにして、ローラ１３は蓄電要素２に近づくにつれて、ガス抜き部４への押圧力である分力Ｆ１Ａをより一層低下させる。
なお、アーム１５には板ばね１６による初期位置への戻しモーメントも作用している。この戻しモーメントはアーム１５を介してローラ１３をガス抜き部４に押付けるように作用する。しかしながら、この戻しモーメントは、アーム１５に作用する外力、すなわち例えば、移動体１２の作動位置への前進時に伴ってローラ１３に作用する力と比べて極く小さい。言い換えれば、板ばね１６のばね荷重は、移動体１２の前進による外力の作用から解放され、フリーになったアーム１５を初期位置に回動させることができる程度に設定される。このため、ローラ１３のガス抜き部４への押付け力である分力Ｆ１Ａは、板ばね１６による戻しモーメントを考慮することなく、上記のように設定することができる。
ＦＩＧ．１１を参照すると、蓄電要素２の近傍においてガス抜き部４にローラ１３を強く押し付けると、ガス抜き部４に連なって蓄電要素２を収容しているケーシング１の外装用フィルムに張力を及ぼして、ケーシング１内の蓄電要素２を変形させる可能性がある。一方、この実施形態によれば、蓄電要素２に接近するにつれて、ローラ１３がガス抜き部４に及ぼす押圧力である分力Ｆ１Ａが低下する。このため、ケーシング１の蓄電要素２の収容部分の外装用フィルムに張力を及ぼして、内側の蓄電要素２を変形させる不具合を未然に防止することができる。
ＦＩＧ．８を参照すると、ローラ１３がガス抜き部４のしごき動作を完了すると、カッタ１４が操作され、カッタ１４の刃先が支持部材１１の貫通孔１１Ａを貫通して作動位置へと押出され、刃先がケーシング１のガス抜き部４に切り込みを入れる。次いで、刃先は支持部材１１のスリット状の貫通孔１１Ａに沿って横断方向に移動してガス抜き部４を横断方向に切り裂いて、ＦＩＧ．９に示すようにガス抜き部４にガス抜き孔５を形成する。ガス抜き孔５を形成した後、カッタ１４は支持部材１１の後方に後退して待機位置に復帰する。支持部材１１と移動体１２も待機位置へと戻される。
以上のように、ガス抜き部４の外装用フィルムがローラ１３と支持部材１１により挟持され、下方の蓄電要素２に向けてしごかれるので、ガス抜き部４から電解液を完全に排除することができる。その状態でガス抜き孔５が形成される。したがって、ケーシング１内の蓄電要素２の周囲のガスは、支持部材１１と移動体１２が待機位置へと後退するのに応じて、ＦＩＧ．９に示すように、ガス抜き部４押し拡げて、ガス抜き孔５からケーシング１の外側へと排出される。また、ローラ１３のしごき動作により、ガス抜き部４から蓄電要素２の周囲に滴下した電解液は、蓄電要素２の周囲の電解液と混ざり合う。したがって、ガス抜き部４にガス抜き孔５を形成する際も、ガス抜き孔５をした後も、ガス抜き孔５から電解液が外部に流出することはない。
ＦＩＧ．１２を参照すると、発明者らはガス抜き部４にカッタ１４でガス抜き孔５を形成する作業に関して、この実施形態によるガス抜き孔形成装置１０を用いる二次電池の製造方法と、この実施形態によるガス抜き孔形成装置１０を用いない二次電池の製造方法とで、ケーシング１内の電解液の減少量を比較した。その結果、この実施形態によるガス抜き孔形成装置１０を用いない二次電池の製造方法では、ガス抜き孔５の形成と同時に電解液がガス抜き孔５から飛散し、電解液の減少量が比較的多いことが分かった。これに対して、ガス抜き孔形成装置１０がガス抜き部４の残留電解液を蓄電要素２側へとしごき落とした後にガス抜き孔５を形成するこの実施形態では、ガス抜き孔５の形成と同時にケーシング１の外側へ飛散する電解液の量が大幅に減少することが確認された。
なお、上記の実施形態では、カッタ１４によってガス抜き部４のみに切り込みを入れてガス抜き孔５を形成するケースを説明している。しかしながら、切り込みの範囲をガス抜き部４の外側にまで拡げて、ケーシングの１辺を全長に渡って切断することも可能である。
以上の説明では、ローラ１３が最下端に下降した後にカッタ１４がガス抜き部４に切り込みを入れることを想定している。しかし、ローラ１３が支持部材１１の貫通孔１１Ａを通過した後であれば、ローラ１３がガス抜き部４を蓄電要素２に向かって下方へしごいている最中であっても、カッタ１４によるガス抜き孔５の形成を開始することができる。
以上の第１実施形態においては、支持部材１１とローラ１３と移動体１２とアーム１５が挟持機構を構成する
ＦＩＧ．１３を参照して、この発明の第２実施形態による二次電池のガス抜き孔形成プロセスとガス抜き孔形成装置とを説明する。
第２の実施形態において、ガス抜き孔形成装置１０は、ケーシング１のガス抜き部４の両側にそれぞれ臨んで、一対のローラ１３Ａと１３Ｂと、ローラ１３Ａと１３Ｂを揺動支持する一対の移動体１２と、ガス抜き部４に切込みを入れてガス抜き孔５を形成するカッタ１４と、を備えている。その他の構成は、第１実施形態のガス抜き孔形成装置１０と同一である。
ガス抜き孔形成装置１０は、一対の移動体１２を作動位置に移動させて、一対の移動体１２によりケーシング１のガス抜き部４を挟持する。つまり、各移動体１２のローラ１３Ａと１３Ｂは、ガス抜き部４の外装用フィルム同士が密着するようにガス抜き部４を挟持し、ガス抜き部４を蓄電要素２に向かって下向きにしごく。これにより、ガス抜き部４は一対のローラ１３Ａと１３Ｂに押し潰され、ガス抜き部４内の残留電解液は、蓄電要素２の周囲に滴下する。滴下した電解液は、蓄電要素２周辺の電解液と混合することで、ガスと電解液との分離を促進する。
この実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ローラ１３Ａと１３Ｂによるガス抜き部４のしごき動作において、ガス抜き部４にローラ１３Ａと１３Ｂが及ぼす押圧力は、ローラ１３Ａ，１３Ｂが蓄電要素２に近づくにつれて低下する。言い換えれば、蓄電要素２から離れた部位でケーシング１に接触するローラ１３Ａと１３Ｂ比較的大きな押圧力でガス抜き部４を押圧し、ケーシング１のガス抜き部４を下方へ向けてしごくように動作する。したがって、ガス抜き部４に残留する電解液を混在するガスと共に確実に蓄電要素２の周囲に戻すことができる。
移動体１２の前進方向への押圧力のうちアーム１５を介してローラ１３Ａと１３Ｂに作用する分力は、アーム１５の平面方向に対する傾斜が大きくなるにつれて低下する。このため、ローラ１３Ａと１３Ｂがガス抜き部４に及ぼす押圧力も、アーム１５の平面方向に対する傾斜とともに徐々に低下する。従って、ローラ１３Ａと１３Ｂは蓄電要素２に接近するにつれて、ガス抜き部４に加える押圧力を低下させながらガス抜き部４を蓄電要素２に向かってしごきつつ変位する。この結果、ガス抜き部４に残留する電解液を混在するガスと共に確実に蓄電要素２の周囲に戻すことができる。
ローラ１３Ａと１３Ｂが蓄電要素２にさらに接近すると、移動体１２の前進方向への押圧力のうちアーム１５を介してローラ１３Ａと１３Ｂに作用する分力はより一層低下する。このため、ローラ１３Ａと１３Ｂによるガス抜き部４への押圧力もより一層低下する。蓄電要素２に隣接するガス抜き部４をローラ１３Ａと１３Ｂが強く押圧すると、ガス抜き部４に連なって蓄電要素２を収容している外装用フィルムが引っ張られ、内側の蓄電要素２を変形させる可能性がある。蓄電要素２の近傍でローラ１３Ａと１３Ｂの押し付け力がより一層低下することはこうした不具合を防止するうえで好ましい。
ローラ１３Ａと１３Ｂによるガス抜き部４のしごき動作の後、カッタ１４の刃先が前進し、ケーシング１のガス抜き部４に切り込みを入れる。次いで、刃先が横方向に移動してガス抜き部４を横断方向に切り裂いてガス抜き孔５を形成する。ガス抜き孔５の形成後、カッタ１４は待機位置へと後退する。一対の移動体１２もそれぞれ待機位置へと後退する。
以上のように、この実施形態においても、ガス抜き部４の外装用フィルムをローラ１３Ａと１３Ｂが挟持しながら変位することで、外装用フィルムが互いに互いに密着し、ガス抜き部４から電解液を確実に排除する。電解液を排除したガス抜き部４にガス抜き孔５が形成される。そのため、一対の移動体１２がそれぞれ待機位置へと後退すると、ケーシング１内のガスは、第１の実施形態と同様、ガス抜き部４を押し拡げ、ガス抜き孔５を介してケーシング１の外側に排出される。一方、ガス抜き部４の電解液は、ローラ１３Ａと１３Ｂのしごき動作により蓄電要素２の周囲の電解液と混じりあう。そのため、ガス抜き部４にガス抜き孔５を形成する際に、電解液がガス抜き部４及びガス抜き孔５を通して外部に排出される現象を抑制することができる。
以上の第２の実施形態では、一対の移動体１２と、一対のローラ１３Ａ，１３Ｂと、一対のアーム１５が挟持機構を構成する。
ＦＩＧＳ．１４Ａ−１４Ｃを参照して、この発明の第３の実施形態を説明する。
この実施形態では、ケーシング１のガス抜き部４を傾斜した表面を備える一対の弾性パッド２０で挟むことにより、ガス抜き部４に残留する電解液を蓄電要素２の周囲に押し戻す。
一対の弾性パッド２０はＦＩＧ．１４Ａに示すように、ケーシング１のガス抜き部４の両側にそれぞれ臨んで、対向する表面を傾斜させた、例えば、スポンジ体で構成される。この図は弾性パッド２０が、待機位置に保持した状態を示す。弾性パッド２０，２０は、ケーシング１の周縁で互いに接近し、蓄電要素２に近づくにつれて離間する傾斜面２０Ａ，２０Ａを備える。各弾性パッド２０の中央には、カッタ１４を貫通させるための横断方向のスリットによる貫通孔２０Ｂが形成される。その他の構成は、第１実施形態と同様である。
コンディショニング工程によりガスが発生した二次電池のケーシング１は、ガスによる内圧上昇によりガス抜き部４にも電解液が残留した状態となっている。ガス抜き孔形成装置１０は、ＦＩＧ．１４Ｂに示すように、一対の弾性パッド２０、２０を作動位置に前進させ、ケーシング１のガス抜き部４を挟持する。一対の弾性パッド２０，２０が前進するにつれて、対向する傾斜面２０Ａ，２０Ａはまず蓄電要素２から離れた位置でガス抜き部４を挟持し、蓄電要素２に向かって挟持範囲を拡大させていく。つまり、一対の弾性パッド２０，２０によるガス抜き部４のしごき動作が行なわれる。その結果、ガス抜き部４の膨らみが蓄電要素２に向かって順次押し潰され、ガス抜き部４に残留していた電解液が、蓄電要素２の周囲に滴下する。滴下した電解液は、蓄電要素２周辺の電解液と混ざり合うことで、ケーシング１内のガスと電解液との気液分離が促進される。
この実施形態においても、一対の弾性パッド２０，２０がガス抜き部４に及ぼす挟持力は、蓄電要素２に近づくにつれて低下する。このため、蓄電要素２から離れた部位に残留する電解液を強い挟持力のもとでガスとともに確実に蓄電要素２に向けて押し出すことができる。一方、蓄電要素２に近づくに連れて挟持力は低下するので、過大な挟持力によりガス抜き部４に連なって蓄電要素２を収容している外装用フィルムが引っ張られ、内側の蓄電要素２を変形する不具合を防止できる。
ガス抜き部４からこのようにして電解液とガスを排除した後、ＦＩＧ．１４Ｃに示すように、カッタ１４の刃先が前進して、ケーシング１のガス抜き部４に切り込みを入れる。次いで、カッタ１４の刃先を横断方向に移動してスリット状のガス抜き孔５を形成する。ガス抜き孔５を形成した後、カッタ１４は待機位置に後退する。次いで、一対の弾性パッド２０，２０も待機位置に後退する。
この実施形態においても、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、この実施形態によれば、第１及び第２の実施形態と比べてガス抜き孔形成装置１０の構成を単純化できる。また、ガス抜き部４を一対の弾性パッド２０、２０で両面から保持した状態で、ガス抜き部４にガス抜き孔５を形成するので、ガス抜き部４の位置が安定し、ガス抜き孔５の形成が容易になる。
以上の第３の実施形態では、一対の弾性パッド２０，２０が挟持機構を構成する。
以上の説明に関して２０１３年１２月１１日を出願日とする日本国における特願２０１３−２５５８４５号、の内容をここに引用により合体する。
以上、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。
以上のように、この発明によるガス抜き孔形成方法とガス抜き孔形成装置は二次電池の製造時における電解液の漏れを防止する。したがって、例えば自動車用の二次電池の製造工程を合理化するうえで好ましい効果をもたらす。
この発明の実施形態が包含する排他的性質あるいは特長は以下のようにクレームされる。
Claims (6)
- 重ね合わせたフィルムの外周縁を接合して、外周縁に接合部を形成したケーシング内部に発電要素を収容する第１の封止プロセスと、
前記ケーシングの外周縁の接合部と発電要素との間の部位にガス抜き孔を形成するガス抜き孔形成プロセスと、
前記ガス抜き孔を通して前記ケーシング内部のガスをケーシング外部へ排出するガス抜きプロセスと、
前記ガス抜き孔を封止する第２の封止プロセスと、を有する二次電池の製造方法における前記ガス抜き孔形成プロセスであって、
前記ケーシングのガス抜き孔が形成される部位を含む領域を、前記発電要素から距離を置いた位置から前記発電要素に接近する方向に向かって順次、重ね合わされた前記フィルムが互いに密着するように前記ケ一シング表面の両側から押圧すると共に、前記発電要素に接近するに連れて押圧力が低下するように押圧した後に、前記押圧した領域に前記ガス抜き孔を形成することを特徴とするガス抜き孔形成プロセス。 - 前記ガス抜き孔形成プロセスは、前記ケーシング表面の前記ガス抜き孔を形成する部位を含む領域の一方側表面を拘束パッドで支持し、他方側表面の前記発電要素から遠い側にローラを押し当てて前記押圧力を付与し、前記ローラを前記発電要素側に近い側に向かって転動させつつ、前記押圧力を前記発電要素に接近するに連れて低下させる、請求項１に記載のガス抜き孔形成プロセス。
- 前記ガス抜き孔形成プロセスは、前記ケーシングの前記発電要素から遠い部分の両表面を一対のローラにより挟んで前記押圧力を付与し、前記一対のローラを前記発電要素側に近い側に向かって転動させつつ、前記押圧力を前記発電要素に接近するに連れて低下させる、請求項１に記載のガス抜き孔形成プロセス。
- 重ね合わせたフィルムの外周縁を接合して、外周縁に接合部を形成したケーシング内部に発電要素を収容する第１の封止プロセスと、
前記ケーシングの外周縁の接合部と発電要素との間の部位にガス抜き孔を形成するガス抜き孔形成プロセスと、
前記ガス抜き孔を通して前記ケーシング内部のガスをケーシング外部へ排出するガス抜きプロセスと、
前記ガス抜き孔を封止する第２の封止プロセスと、を実行する二次電池の製造装置の前記ガス抜き孔形成プロセスに適用されるガス抜き孔の形成装置であって、
前記ケーシングのガス抜き孔が形成される部位を含む領域を、前記発電要素から距離を置いた位置から前記発電要素に接近する方向に向かって順次、重ね合わされた前記フィルムが互いに密着するように前記ケーシング表面の両側から押圧すると共に、前記発電要素に接近するに連れて押圧力が低下するように押圧する押圧装置と、前記押圧した領域に前記ガス抜き孔を形成するカッタとを備えることを特徴とするガス抜き孔の形成装置。 - 前記押圧装置は、前記ケーシング表面の前記ガス抜き孔を形成する部位を含む領域の一方側表面を支持する拘束パッドと、前記発電要素から遠い側から前記発電要素に近い側に向かって転動しながら前記ケーシングの他方側表面に押圧力を付与するローラとを備え、当該ローラの前記押圧力を前記発電要素に接近するに連れて低下させる請求項４に記載のガス抜き孔の形成装置。
- 前記押圧装置は、前記ケーシング両表面から当該ケーシングを挟んで押圧力を付与しながら、前記発電要素から遠い側から前記発電要素に近い側に向かって転動する一対のローラを備え、当該ローラの前記押圧力を前記発電要素に接近するに連れて低下させる、請求項４に記載のガス抜き孔の形成装置。
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