JP6292024B2 - フィルム外装電池の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、リチウムイオン二次電池等として用いられるフィルム外装電池の製造方法に関する。
例えばリチウムイオン二次電池として、シート状の正極および負極をセパレータとともに積層してなる偏平な電極積層体を、可撓性を有するフィルム状外装体内に電解液とともに収容したフィルム外装電池が知られている。
特許文献１には、熱融着可能なラミネートフィルムからなる外装体の内部に電極積層体を電解液とともに収容して外装体を封止し、満充電まで充電した後に、外装体内部に生じたガスを除去するために、外装体の周縁の一部を開封する技術が開示されている。このガス除去のための開封は、例えば、減圧下において行われる。そして、ガス除去後に、開封した外装体の開口部が再度封止される。
上記のようなガス除去のための開封作業を大気中で行うと、特に湿度が高い場合に、大気中に含まれる水分がフィルム外装電池内に侵入する虞があり、好ましくない。
この発明は、偏平形状をなす電極積層体を、可撓性フィルムからなる外装体の内部に電解液とともに収容して、上記外装体の開口縁を封止する封止工程と、
封止後に上記外装体の内部に生じたガスを除去するために、上記外装体の周縁の一部に設けられたガス溜まり部に開口部を形成する開封工程と、
ガス除去後に上記開口部を封止する再封止工程と、
を備えてなるフィルム外装電池の製造方法を前提としている。
封止後に上記外装体の内部に生じたガスを除去するために、上記外装体の周縁の一部に設けられたガス溜まり部に開口部を形成する開封工程と、
ガス除去後に上記開口部を封止する再封止工程と、
を備えてなるフィルム外装電池の製造方法を前提としている。
本発明では、上記開封工程は、上記開口部の形成を、乾燥気体を吹き付けながら行う。
このように乾燥気体を局部的に吹き付けながら開封を行うことで、周囲の湿度の高い空気が排除され、開口部を通した電池内部への水分の侵入が抑制される。乾燥気体としては、例えば乾燥エアを用いることができるが、そのほか、窒素ガスやアルゴンガスなど適宜な乾燥した気体を用いることができる。
この発明によれば、周囲の湿度が高い場合でも、開封に伴って電池内部へ水分が侵入する可能性が低くなり、水分による電池の品質低下を抑制することができる。また、本発明では、局部的に乾燥気体の吹き付けを行うので、開封工程を行う広い空間全体の湿度をワークの入れ替えのたびに低下させる方法に比べて、生産効率の低下を招来することがない。
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
初めに図１１および図１２に基づいて、この発明が適用されるフィルム外装電池１（以下、セル１という。）の一例を簡単に説明する。セル１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、図１１に示すように、偏平な長方形の外観形状を有し、長手方向の一方の端縁に、正極端子２および負極端子３を備えている。
図１２に示すように、セル１は、発電要素となる電極積層体４を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体５の内部に収容したものである。電極積層体４は、それぞれシート状をなす複数の正極６および負極７をセパレータ８を介して交互に積層した偏平な積層構造を有する。正極６は、例えばアルミニウム箔からなる正極集電体６ａの両面に正極活物質層６ｂを塗布して構成され、負極７は、例えば銅箔からなる負極集電体７ａの両面に負極活物質層７ｂを塗布して構成されている。なお、図における各部の寸法や正極６，負極７の数は必ずしも正確なものではなく、説明のために誇張したものとなっている。
負極集電体７ａの長手方向の端縁の一部は、負極活物質層７ｂを具備しない端子接続部として延びており、その先端に負極端子３の一端部が接続されている。また図１２には示されていないが、負極端子３に並んで配置された正極端子２も同様の接続構造を有している。
上記の電極積層体４を電解液とともに収容する外装体５は、例えば、図１２に一部を拡大して示すように、熱融着層５ａと金属層５ｂと保護層５ｃとの三層構造の可撓性を有するラミネートフィルムからなる。中間の金属層５ｂは、例えばアルミニウム箔からなり、その内側面を覆う熱融着層５ａは、熱融着が可能な合成樹脂例えばポリプロピレン（ＰＰ）からなり、金属層５ｂの外側面を覆う保護層５ｃは耐久性に優れた合成樹脂例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる。
外装体５は、一つの例では、図１２の電極積層体４の下面側に配置される１枚のラミネートフィルムと上面側に配置される他の１枚のラミネートフィルムとの２枚構造をなし、これら２枚のラミネートフィルムの周囲の４辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着した構成となっている。図示例は、このような２枚構造の外装体５を示している。また、他の一つの例では、外装体５は１枚の比較的大きなラミネートフィルムからなり、２つ折りとした状態で内側に電極積層体４を配置した上で、周囲の３辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着した構成となっている。
図１は、上記のセル１の基本的な製造工程を示した工程説明図である。積層工程２１は、それぞれ略矩形のシート状に切断した正極６、負極７およびセパレータ８を、治具の上に
交互に積み重ねていく工程である。所定の枚数積層した状態でテープ等で固定した後、正極端子２および負極端子３を超音波溶接等により接合することによって、電極積層体４が構成される。
交互に積み重ねていく工程である。所定の枚数積層した状態でテープ等で固定した後、正極端子２および負極端子３を超音波溶接等により接合することによって、電極積層体４が構成される。
この電極積層体４は、次の外装工程２２において、ラミネートフィルムからなる外装体５の中に収容される。具体的には、２枚のラミネートフィルムによって電極積層体４を挟み込み、かつ注液口となる１辺を残して残りの３辺を熱融着することにより、外装体５を袋状に形成する。例えば、図２において符号３１で示す３辺の熱融着部が、この段階で熱融着される。
次の注液工程２３では、注液口となる１辺を上方に向けた姿勢とした上で、袋状をなす外装体５の内部に電解液を注液する。この注液は、例えば、減圧した環境下で行われる。そして、注液完了後に、封止工程２４において、注液口として開口していた１辺の熱融着を行う。図２において熱融着部３２として示す１辺の開口縁が、この封止工程２４において封止される。このとき、熱融着部３２は、図２に符号３２Ａとして示すように、中央の一部が外側（注液姿勢では上方）へ張り出した形にレイアウトされており、これにより、セル１の１辺に、袋状のガス溜まり部３３が積極的に形成されている。なお、局部的なガス溜まり部を積極的に設けずに、熱融着部３２を他の辺の熱融着部３１と同様に直線状とし、電極積層体４の周囲に全周に亘って残存する空間をガス溜まり部として利用した構成であってもよい。
封止工程２４により外装体５が密閉状態となったセル１は、次のプレ充電工程２５において、所定のレベルまで充電される。電極積層体４への電解液の注液ならびに最初の充電に伴う化学反応によって外装体５の内部でガスが発生することがあり、このガスは、注液工程２３で電極積層体４に残存していた空気等とともに外装体５の中に溜まるので、次の開封・ガス抜き工程２６で、ガスの除去を行う。具体的には、図２に示すように、ガス溜まり部３３が上方となった姿勢でもって、ガス溜まり部３３の部分の外装体５にスリット状の開口部３４を形成し、この開口部３４を通してガスの除去を行う。本発明では、このときに、大気中に水蒸気となって含まれている水分が開口部３４からセル１内部に侵入することがないように、乾燥エアを吹き付けながら、開封・ガス抜きを行う。この開封・ガス抜き工程２６については、後に詳細に説明する。
ガス抜きが完了したら、再封止工程２７として、開口部３４の封止を行う。具体的には、図３に熱融着部３５として示すように、電極積層体４と開口部３４との間を遮断するように、当初の熱融着部３２と部分的に重複して、外装体５の１辺を直線状に熱融着する。これにより、外装体５は再び密閉状態となり、セル１が完成する。
その後、初充電工程２８における初充電およびエージング工程２９における適当なエージングを経て、セル１は出荷される。
次に、本発明の要部である上記の開封・ガス抜き工程２６および再封止工程２７について説明する。
以下の一実施例では、開封・ガス抜き工程２６および再封止工程２７は、図４，図５に示すような減圧チャンバ４１の内部で行われる。この減圧チャンバ４１は、プレ充電工程２５を経たセル１を１個ずつ処理するように構成したものであって、全体として細長い直方体形状をなし、長手方向の一端に、セル１の搬入・搬出のためのドア４２を備えているとともに、内部の空間内に、ガス抜きステージ４３と再封止ステージ４４とが長手方向に並んで設けられている。ワークとなるセル１は、図示するようにガス溜まり部３３を上方とした直立姿勢でもって、図示せぬ搬送機構を備えた治具によって保持され、ガス抜きステージ４３から再封止ステージ４４へと移動する。なお、治具へのセル１の着脱は、ドア４２を開いた状態で作業者によって行われ、その後の処理は、所定のシーケンスに従って自動的に行われる。
ガス抜きステージ４３は、セル１のガス溜まり部３３に対応する高さ位置に、ガス抜きヘッド４５を備えている。このガス抜きヘッド４５は、図６，図７にも示すように、セル１の外装体５の上縁部分を両側から挟持するように対向して配置された第１ヘッド部４５Ａおよび第２ヘッド部４５Ｂからなり、両者が外装体５を介して突き合わされた状態では、ガス抜きヘッド４５内部に比較的小さな空間４６が形成されるようになっている。第１ヘッド部４５Ａおよび第２ヘッド部４５Ｂは、駆動機構４７によって図４のＸ方向に沿って開閉動作する。また、ガス抜きヘッド４５の内部には、前述したガス抜き用の開口部３４を形成するための穿孔刃４８が配置されている。この穿孔刃４８は、駆動機構４９によって、ガス抜きヘッド４５とは別個に図４のＸ方向に進退動作する。
ガス抜きヘッド４５内部の空間４６は、各ヘッド部４５Ａ，４５Ｂにそれぞれ設けられた減圧通路５０に連通している。さらに、ガス抜きヘッド４５内部の空間４６に乾燥エアを供給する乾燥エア通路５１が第１ヘッド部４５Ａに設けられている。
また、減圧チャンバ４１内部の空間全体の減圧を行うための減圧通路５２が減圧チャンバ４１の適宜位置に接続されている。同様に、減圧チャンバ４１内部の空間全体に乾燥エアを供給するための乾燥エア通路５３が減圧チャンバ４１の適宜位置に接続されている。
ガス抜きヘッド４５用の減圧通路５０および減圧チャンバ４１用の減圧通路５２は、それぞれ別個の弁（図示せず）を介して真空ポンプ等の負圧源（図示せず）に接続されている。同様に、ガス抜きヘッド４５用の乾燥エア通路５１および減圧チャンバ４１用の乾燥エア通路５３は、それぞれ別個の弁（図示せず）を介して、適宜な乾燥エア源（図示せず）に接続されている。後述するように、両者の減圧は互いに異なるタイミングで行われ、また両者への乾燥エアの供給は互いに異なるタイミングで行われる。
再封止ステージ４４は、図３に示した再封止用の熱融着部３３に対応する高さ位置に、ヒータヘッド５６を備えている。このヒータヘッド５６は、図８にも示すように、セル１の外装体５の上縁部分を両側から挟持するように対向して配置された棒状の第１ヒータヘッド部５６Ａおよび第２ヒータヘッド部５６Ｂからなる。これらのヒータヘッド部５６Ａ，５６Ｂは、各々、電熱ヒータを内蔵しており、駆動機構５７によって図４のＸ方向に開閉動作する。
図９は、減圧チャンバ４１内で行われる処理の流れを図示したもので、工程Ａでは、開位置にあるガス抜きヘッド４５の間にワークとなるセル１が搬入され、ドア４２が閉じられる。次に、ガス抜きヘッド４５が互いに閉じ、セル１の外装体５上縁を挟持する（工程Ｂ）。そして、穿孔刃４８が前進することで、外装体５のガス溜まり部３３部分に前述したスリット状の開口部３４を形成する（工程Ｃ）。ここで、穿孔刃４８による開封は、ガス抜きヘッド４５内部の空間４６に乾燥エア通路５１を介して乾燥エアを供給しつつ行う。つまり、開口部３４が形成されるガス溜まり部３３付近に乾燥エアを吹き付けながら、穿孔刃４８による切り込みを行う。このように乾燥エアを吹き付けながら開封を行うことで、大気中の水蒸気としてセル１内に水分が侵入することが抑制される。特に、容積の小さなガス抜きヘッド４５内部の空間４６に乾燥エアを供給することで、開口部３４付近の湿度を確実かつ速やかに低下させることができる。なお、開口部３４の形成に先だって、減圧チャンバ４１の空間全体に対しても乾燥エア通路５３を介して乾燥エアが供給される。但し、減圧チャンバ４１用の容積が比較的大きいことから、全体的な湿度の低下はガス抜きヘッド４５内部に比べて緩慢である。
工程Ｃの開封の後、工程Ｄでは、ガス抜きヘッド４５内部の空間４６を減圧し、セル１内からのガス抜きを行う。開口部３４を囲む空間４６が減圧されることで、外装体５のガス溜まり部３３に集まっていたガスは速やかに除去され、減圧通路５０を通して外部へ排出される。また、このガス抜きヘッド４５内部の減圧よりも僅かに早くに減圧チャンバ４１全体の減圧が開始される。これにより、減圧チャンバ４１内部に残存していた湿度の高い空気がガス抜きヘッド４５内部へ流れ込むことがない。
減圧によるガス抜きの後、ガス抜きヘッド４５が解放され、セル１は、ガス抜きステージ４３から再封止ステージ４４へ搬送される。そして、工程Ｅとして示すように、ヒータヘッド５６が外装体５の上縁部分を両側から挟持し、前述したように開口部３４の封止を行う。
図１０は、減圧チャンバ４１の各部の動作をより具体的に示したタイミングチャートであり、（ａ）減圧チャンバ４１への乾燥エアの供給・停止、（ｂ）ガス抜きヘッド４５内部への乾燥エアの供給・停止、（ｃ）ガス抜きヘッド４５の開閉、（ｄ）穿孔刃４８の進退、（ｅ）減圧チャンバ４１の圧力変化、（ｆ）ガス抜きヘッド４５内部の圧力変化、（ｇ）搬送機構による治具の位置、（ｈ）ヒータヘッド５６の開閉、をそれぞれ示している。
図示するように、穿孔刃４８による開口部３４の形成は、ガス抜きヘッド４５内部に乾燥エアを供給しつつ行う。また、ガス抜きヘッド４５内部の減圧開始に先だって減圧チャンバ４１内の減圧が開始され、圧力低下の間、ガス抜きヘッド４５内部の圧力よりも減圧チャンバ４１内の圧力の方が低く保たれている。従って、湿度の高い減圧チャンバ４１内の空気がガス抜きヘッド４５内部へと流入することがない。同様に、ガス抜きヘッド４５内部への乾燥エアの供給時間が、減圧チャンバ４１内への乾燥エアの供給時間よりも長く設定されており、減圧チャンバ４１内への乾燥エアの供給停止よりも遅れてガス抜きヘッド４５内部への乾燥エアの供給が停止するので、減圧チャンバ４１内からガス抜きヘッド４５内部への湿度の高い空気の移動がより確実に抑制される。
以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、減圧チャンバ４１内でセル１を１個ずつ処理する例を説明したが、多数のセル１を順次処理するように自動化したラインにおいても本発明を適用することが可能である。また乾燥エアに代えて窒素ガスやアルゴンガス等を用いることもできる。
１…セル
５…外装体
２１…積層工程
２２…外装工程
２３…注液工程
２４…封止工程
２５…プレ充電工程
２６…開封・ガス抜き工程
２７…再封止工程
２８…初充電工程
２９…エージング工程
４１…減圧チャンバ
４３…ガス抜きステージ
４４…再封止ステージ
４５…ガス抜きヘッド
５６…ヒータヘッド
５…外装体
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５６…ヒータヘッド
Claims (6)
- 偏平形状をなす電極積層体を、可撓性フィルムからなる外装体の内部に電解液とともに収容して、上記外装体の開口縁を封止する封止工程と、
封止後に上記外装体の内部に生じたガスを除去するために、上記外装体の周縁の一部に設けられたガス溜まり部に開口部を形成する開封工程と、
ガス除去後に上記開口部を封止する再封止工程と、
を備えてなるフィルム外装電池の製造方法であって、
上記開封工程は、上記開口部の形成を、該開口部が形成される部位に局部的に乾燥気体を吹き付けながら行う、ことを特徴とするフィルム外装電池の製造方法。 - 偏平形状をなす電極積層体を、可撓性フィルムからなる外装体の内部に電解液とともに収容して、上記外装体の開口縁を封止する封止工程と、
封止後に上記外装体の内部に生じたガスを除去するために、上記外装体の周縁の一部に設けられたガス溜まり部に開口部を形成する開封工程と、
ガス除去後に上記開口部を封止する再封止工程と、
を備え、
上記開封工程は、上記開口部の形成を、乾燥気体を吹き付けながら行う、フィルム外装電池の製造方法であって、
上記開封工程は、上記ガス溜まり部を両側からガス抜きヘッドで挟持し、該ガス抜きヘッドの内部で穿孔刃を進退させることにより開口部を形成するものであり、
上記ガス抜きヘッドの内部空間に上記乾燥気体の供給を行う、ことを特徴とするフィルム外装電池の製造方法。 - 偏平形状をなす電極積層体を、可撓性フィルムからなる外装体の内部に電解液とともに収容して、上記外装体の開口縁を封止する封止工程と、
封止後に上記外装体の内部に生じたガスを除去するために、上記外装体の周縁の一部に設けられたガス溜まり部に開口部を形成する開封工程と、
ガス除去後に上記開口部を封止する再封止工程と、
を備え、
上記開封工程は、上記開口部の形成を、乾燥気体を吹き付けながら行う、フィルム外装電池の製造方法であって、
上記開封工程および上記再封止工程を、フィルム外装電池全体をチャンバ内に収容した状態で行うとともに、
上記チャンバ内で、別個にフィルム外装電池へ向けて乾燥気体の供給を行う、ことを特徴とするフィルム外装電池の製造方法。 - 上記開口部を通したガス除去のために、上記チャンバ内の空間および上記開口部近傍の局部的な空間を各々減圧する減圧工程をさらに備え、この減圧工程では、上記開口部近傍の空間の減圧よりも上記チャンバ内の空間の減圧を先に開始する、ことを特徴とする請求項３に記載のフィルム外装電池の製造方法。
- 上記開封工程および上記再封止工程において、上記チャンバ内への乾燥気体の供給時間に比べて上記ガス溜まり部への乾燥気体の供給時間を長く設定する、ことを特徴とする請求項３に記載のフィルム外装電池の製造方法。
- 上記封止工程と上記開封工程との間に、さらに充電工程を備える、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフィルム外装電池の製造方法。
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