JP6326206B2 - フィルム外装電池の加圧方法 - Google Patents
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Description
この発明は、フィルムを外装体とした偏平なフィルム外装電池に関し、特に、内部の発電要素の絶縁状態の検査等のためにフィルム外装電池を加圧する加圧方法に関する。
特許文献１や特許文献２に記載されているように、ラミネートフィルムからなる外装体の内部に正極板と負極板とをセパレータを介して積層した発電要素を電解液とともに封入したフィルム外装電池が知られている。このようなフィルム外装電池は、電池内部の金属異物（コンタミネーション）を検出するスクリーニングが行われる。このスクリーニングでは、電池内部に金属異物が存在する場合に、この金属異物がセパレータを貫通することで金属異物の存在を検出し得るように、フィルム外装電池が加圧される。例えば、２つの可動プレートの間にフィルム外装電池を挟み、上記２つの可動プレートを互いに近づく方向に加圧することで、上記フィルム外装電池の加圧が行われる。
このようなフィルム外装電池の加圧の際には、電解液が電極積層体である発電要素に浸透するにしたがってフィルム外装電池の積層方向の厚みが薄くなっていく。従って、例えば可動プレート間の距離を一定にして加圧すると、徐々に加圧力が弱くなり、経時的に十分な加圧力を確保することができない。
そこで、大きな加圧力で可動プレートを連続的に加圧し続けることも考えられるが、この場合、過剰な加圧によってフィルム外装電池の損傷を招いたり、加圧設備の負担が大きくなってひずみ等を招くおそれがある。
本発明は、十分な加圧力を確保しつつ、フィルム外装電池の損傷や加圧設備のひずみ等を招くことのない新規なフィルム外装電池の加圧方法を提供することを目的としている。
この発明は、正極板と負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素がフィルムからなる外装体の内部に電解液とともに収容された偏平なフィルム外装電池を、２つの可動プレートの間に挟み、上記２つの可動プレートを互いに近づく方向に加圧することで、上記発電要素の絶縁状態の検査のために上記フィルム外装電池を加圧するフィルム外装電池の加圧方法に関する。上記可動プレートと上記フィルム外装電池が交互に積層された状態で、積層された複数の上記可動プレートおよび複数の上記フィルム外装電池からなる積層体の全体を駆動装置によって積層方向の両側から加圧する。上記駆動装置による上記積層体全体の加圧の際に、所定の時間間隔をあけて複数回に分けて段階的に加圧を行うとともに、上記複数回の加圧では、加圧力を段階的に大きくする。
加圧を所定の間隔をあけて段階的に大きくしていくことで、連続的に加圧力を加え続ける場合に比して、フィルム外装電池の損傷を招くことなく、また、加圧装置等の設備側の負担を軽減しつつ、比較的短い時間で、最終的な加圧力を十分に高い値に保持することが可能となる。
本発明のフィルム外装電池の加圧方法によれば、フィルム外装電池の損傷を招くことなく、また、加圧装置等の設備側の負担を軽減しつつ、最終的な加圧力を十分に高い値に保持することができる。
以下、図示実施例により本発明を説明する。初めに図１および図２に基づいて、本実施例の加圧・検査の対象となるフィルム外装電池１１の一例を説明する。フィルム外装電池１１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、図１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、導電性金属箔からなる一対のタブ状の端子１２，１３を備えている。
図２に示すように、フィルム外装電池１１は、長方形をなす発電要素１４を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体１５の内部に収容したものである。上記発電要素１４は、セパレータ１８を介して交互に積層された複数の正極板１６および負極板１７からなり、例えば、３枚の負極板１７と、２枚の正極板１６と、これらの間の４枚のセパレータ１８と、を含んでいる。つまり、この例では、発電要素１４の両面に負極板１７が位置している。但し、発電要素１４の最外層に正極板１６が位置する構成も可能である。なお、図２における各部の寸法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。
正極板１６は、長方形をなす正極集電体１６Ａの両面に正極活物質層１６Ｂ，１６Ｃを形成したものである。正極集電体１６Ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。また、正極活物質層１６Ｂ，１６Ｃは、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ2）、または、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）等のリチウム複合酸化物からなる正極活物質と、カーボンブラック等の導電助剤と、バインダと、を混合したものを、正極集電体１６Ａの主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。
負極板１７は、長方形をなす負極集電体１７Ａの両面に負極活物質層１７Ｂ，１７Ｃを形成したものである。負極集電体１７Ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。負極活物質層１７Ｂ，１７Ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、バインダを混合したものを、負極集電体１７Ａの主面に塗布し、乾燥及び圧延させることにより形成されている。
上記負極集電体１７Ａの長手方向の端縁の一部は、負極活物質層１７Ｂ，１７Ｃを具備しない延長部として延びており、その先端が負極端子１３に接合されている。また図２には示されていないが、同様に、上記正極集電体１６Ａの長手方向の端縁の一部が、正極活物質層１６Ｂ，１６Ｃを具備しない延長部として延びており、その先端が正極端子１２に接合されている。
上記セパレータ１８は、正極板１６と負極板１７との間の短絡を防止すると同時に電解質を保持する機能を有するものであって、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜からなり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能を有している。なお、セパレータ１８としては、ポリオレフィン等の単層膜に限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造のものや、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。
また、電解液としては、特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池に一般的に使用される電解質として、例えば、有機溶媒にリチウム塩が溶解した非水電解液を用いることができる。
上記のような構成の発電要素１４を電解液とともに収容する外装体１５は、図２に一部を拡大して示すように、熱融着層１５Ａと金属層１５Ｂと保護層１５Ｃとの三層構造を有するラミネートフィルムからなる。中間の金属層１５Ｂ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１５Ａ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１５Ｂの外側面を覆う保護層１５Ｃ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。なお、さらに多数の層を有するラミネートフィルムを用いることもできる。また、上記の例では金属層１５Ｂの両面に合成樹脂層をラミネートしているが、金属層１５Ｂの外側の合成樹脂層は必ずしも必須のものではなく、内側表面にのみ合成樹脂層を備えた構成であってもよい。
上記外装体１５は、一つの例では、図２の発電要素１４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１５を示している。また、他の一つの例では、外装体１５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発電要素１４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。
長方形をなすフィルム外装電池１１の短辺側に位置する一対の端子１２，１３は、ラミネートフィルムを熱融着する際に、ラミネートフィルムの接合面を通して外部へ引き出されている。なお、図示例では、同じ一方の端縁に一対の端子１２，１３が並んで配置されているが、一方の端縁に正極端子１２を配置し、かつ他方の端縁に負極端子１３を配置するようにすることも可能である。
上記のフィルム外装電池１１の製造手順としては、以下の通りである。まず、正極板１６、負極板１７およびセパレータ１８を順次積層し、かつ端子１２，１３をスポット溶接等により取り付けて発電要素１４を構成する。次に、この発電要素１４を外装体１５となるラミネートフィルムで覆い、比較的小さな充填口を残して周囲の４辺（上記の２つ折りの場合は３辺）を熱融着する。次に、上記充填口を通して外装体１５の内部に電解液を充填し、その後、充填口を熱融着して外装体１５を密閉状態とする。これによりフィルム外装電池１１が完成するので、次に、適宜なレベルまで充電を行い、この状態で、一定時間、エージングを行う。このエージングの完了後、電圧検査などのために再度充電を行い、出荷される。
なお、この種のフィルム外装電池１１は、複数個を偏平な箱状のケーシング内に収容したバッテリモジュールとして使用される。この場合、バッテリモジュールのケーシング内で複数のフィルム外装電池１１が積層された配置となり、例えば、ケーシングの一部またはケーシングとは別個の弾性部材によって、外装体１５は、発電要素１４の積層方向（発電要素１４の主面と直交する方向）に多少押圧された状態となり得る。
図３は、このフィルム外装電池１１の製造工程の一部を示している。電解液注入工程Ｓ１の後、電池収納搬送工程Ｓ２において、複数のフィルム外装電池１１を加圧装置２０（図４参照）に収納し、所定の加圧ステージ２１（図４参照）に搬送する。続く加圧工程Ｓ３において、後述するようにフィルム外装電池１１を加圧した後、スクリーニング工程Ｓ４において、フィルム外装電池１１の内部に金属異物（コンタミネーション）があるか否かを検出・診断する。
なお、この加圧工程Ｓ３やスクリーニング工程Ｓ４は、上述した製造工程の中で、電解液の充填および外装体１５の完全密閉（充填口の封止）の後の適宜な時期に実行される。例えば、フィルム外装電池１１としての出荷の直前に加圧工程Ｓ３やスクリーニング工程Ｓ４を設けてもよく、あるいは、外装体１５を完全密閉した直後に加圧工程Ｓ３やスクリーニング工程Ｓ４を設けてもよい。また、上記のエージング工程中に内部で異物が析出することがあるので、エージング工程の直後に加圧工程Ｓ３やスクリーニング工程Ｓ４を設けることも効果的である。
スクリーニング工程Ｓ４を行う理由について説明すると、電池製造工程において金属異物がフィルム外装電池１１の内部に紛れ込むと、この金属異物がセパレータ１８を突き破って貫通し、正極活物質と負極活物質とをショートさせる事態を生じるおそれがあり、この場合、所望の電圧を発生することができない。そこで、フィルム外装電池１１の内部に金属異物が紛れ込んでいるか否かを検出（診断）するスクリーニング工程Ｓ４が必要となる。金属異物によって正極活物質と負極活物質とがショートしたか否かは一対の端子１２，１３間の電圧をモニターすれば良い。すなわち、充電終了後に一定時間が経過しても、フィルム外装電池１１の発生する電圧の低下の程度が、予想される電圧低下の程度より大きく変化しなければ、金属異物は混入していないと診断することができる。逆に、充電終了後に一定時間が経過したときの電圧の低下の程度が、予想される電圧低下の程度を超えて大きく変化していれば、金属異物が混入していたと診断することができる。
また、このスクリーニング工程Ｓ４では、金属異物を確実に検出できるように、つまり金属異物がセパレータ１８を貫通するように、上記の加圧工程Ｓ３によってフィルム外装電池１１を積層方向に加圧し、この加圧状態のままで検査が行われる。
図４〜図６を参照して、上記の加圧工程Ｓ３及び加圧装置２０について説明する。図４に示すように、加圧工程Ｓ３では、多数のフィルム外装電池１１を収納した加圧装置２０がローラコンベア２２等により所定の加圧ステージ２１に搬送され、ナットランナ２３を用いて加圧が行われる。加圧終了後は再び上記のローラコンベア２２により次のスクリーニング工程Ｓ４を行うステージへと搬送される。
図５及び図６は加圧装置２０を示している。なお、可動プレート２５やフィルム外装電池１１の枚数は図５に示された枚数に限定されるものでない。この加圧装置２０は、無蓋箱状のハウジング２４と、複数の矩形板状をなす可動プレート２５と、を有している。ハウジング２４は、前壁２４Ａ，後壁２４Ｂ及び両者を繋ぐ底壁２４Ｃを有している。このハウジング２４内に複数の可動プレート２５が加圧方向Ｆに移動可能な状態で配置されている。これらの可動プレート２５の形状は同一である。可動プレート２５は、フィルム外装電池１１の発電要素１４の部分に加圧方向Ｆの両側から面圧を作用させるためのものである。
可動プレート２５がハウジング２４の底壁２４Ｃを引きずることがないように、各可動プレート２５には、加圧方向（水平方向）Ｆに摺動可能なスライド機構が設けられている。このスライド機構は、可動プレート２５の四隅に設けられたガイド孔２６と、このガイド孔２６を緩く貫通するロッド状のガイドロッド２７と、を有している。すなわち、各可動プレート２５の四隅にガイド孔２６を設け、各ガイド孔２６にそれぞれ棒状のガイドロッド２７を貫通させている。すべての可動プレート２５を貫通させた後に棒状のガイドロッド２７の両端をハウジング２４の前壁２４Ａと後壁２４Ｂに固定することで、全ての可動プレート２５は加圧方向Ｆに摺動可能となる。
なお、図６にも示すように、各可動プレート２５には、フィルム外装電池１１の下端を支持するように、断面Ｌ字状に折曲した底壁部２８が設けられている。
図５において最左端の可動プレート２５は、他の可動プレート２５よりも少し大きな面積で厚肉な加圧用の厚肉プレート２９となっている。この厚肉プレート２９には外周に雄ネジ３１を切った締付用ロッド３０の一端が固定されている。ハウジング２４の前壁２４Ａには締付用ロッド３０外周の雄ネジ３１と螺合する雌ネジが形成されたネジ孔３２が貫通形成されている。従って、上記のナットランナ２３（図４参照）により締付用ロッド３０の他端（図２で右端）を時計方向にあるいは反時計方向に回すことで、ネジ噛合い部分を介して締付用ロッド３０がハウジング２４の前壁２４Ａに対して加圧方向Ｆに移動し、厚肉プレート２９を加圧方向Ｆに移動させることができるようになっている。なお、厚肉プレート２９は加圧方向（水平方向）Ｆに直線運動をするだけで、締付用ロッド３０の回転は伝わらないようになっている。ナットランナ２３による加圧力（締付けトルク）や加圧時間は図示せぬ制御部によって管理・制御されている。
そして、この加圧工程Ｓ３では、隣り合う２つの可動プレート２５の間にフィルム外装電池１１を挟み、全体を加圧方向Ｆの両側から加圧することによって、各フィルム外装電池１１が加圧方向Ｆに加圧される。この場合、各フィルム外装電池１１は、その発電要素１４の部分に左右方向の両側から作用する面圧が、出来る限り均一な状態で保持されるようになっている。
図７は、加圧時間と加圧力との関係を示す説明図である。図中の符号Ｌ０が本実施例の特性を示し、符号Ｌ１が第１参考例の特性を示し、符号Ｌ２が第２参考例の特性を示している。図中の縦軸のトルクは、可動プレート２５によってフィルム外装電池１１を加圧方向（積層方向）Ｆに加圧する加圧力に相当し、具体的には、ナットランナ２３により可動プレート２５を締め込むための締付用ロッド３０の締め付けトルクである。この加圧力は、予め設定された下限値ＴＱｍｉｎと上限値ＴＱｍａｘとの間の範囲で行われる。下限値ＴＱｍｉｎは、金属異物がセパレータ１８を貫通するために必要な最低限の加圧力に相当し、予め実験により求められる値である。例えば、所定のトルクで加圧して終了後に電解液の浸透度を測定して求めることができる。上限値ＴＱｍａｘは、それ以上の加圧により電極が損傷するおそれのある値である。
第１参考例では、特性Ｌ１に示すように、加圧力が下限値ＴＱｍｉｎを超えた時点で加圧を終了している。この場合、上述したように加圧後には電解液が浸透するに従ってトルク（加圧力）が低下してしまうために、要求される下限値ＴＱｍｉｎを保持することができない。
第２参考例では、特性Ｌ２に示すように、上限値ＴＱｍａｘの近傍まで加圧し、かつ、その加圧力をほぼ連続的に加え続けている（例えば、１秒以下程度の短い時間で繰り返し加圧している）。この場合、下限値ＴＱｍｉｎを超える加圧力を保持することができるものの、高い加圧力を連続的に加えているために、フィルム外装電池１１及び加圧装置２０の耐久性・信頼性を考慮すると、加圧力をあまり長い時間加えることができず、加圧時間ΔＴ３が制限される。
このような第１，第２参考例に対し、本実施例では、加圧を所定の間隔（インターバル）ΔＴ１，ΔＴ２をあけて複数回に分けて行い、かつ、これら複数回の加圧の際に、加圧力を段階的に大きくしている。具体的には、この実施例では３回に分けて加圧を行い、１回目の加圧の加圧力が所定の第１トルク設定値ＴＱ１に達した時点ｔ１で加圧を一旦終了する。この加圧の終了時点ｔ１から所定の間隔ΔＴ１が経過した時点ｔ２で、２回目の加圧を開始し、その加圧力が所定の第２トルク設定値ＴＱ２に達した時点ｔ３で加圧を一旦終了する。この加圧の終了時点ｔ３から所定の間隔ΔＴ２が経過した時点で３回目の加圧を開始し、その加圧力が所定の第３トルク設定値ＴＱ３に達した時点ｔ４で加圧を終了する。
ここで、加圧力が段階的に大きくなるように、２回目の第２トルク設定値ＴＱ２は１回目の第１トルク設定値ＴＱ１よりも大きな値に設定されており、３回目の第３トルク設定値ＴＱ３は２回目の第２トルク設定値ＴＱ２よりも大きな値に設定されている。また、２回目の間隔ΔＴ２は１回目の間隔ΔＴ１よりも長い時間に設定されている。これらの間隔ΔＴ１，ΔＴ２は、１秒未満のような短い時間ではフィルム外装電池１１及び加圧装置２０等の設備側の負担を十分に軽減することができず、また、数十秒といった長い時間では加圧の効果が持続されず、加圧にかかるトータルの時間も長くなることから、適切な時間、具体的には２〜１０秒程度の時間に設定される。
このような本実施例によれば、所定の間隔ΔＴ１，ΔＴ２をあけて加圧を段階的に行うことで、第２参考例のように加圧をほぼ連続的に行う場合に比して、フィルム外装電池１１及び加圧装置２０等の設備側の負担を軽減しつつ、実質的な加圧時間ΔＴ０（１回目の加圧終了時点ｔ１から最後の加圧終了時点ｔ４までの時間）を十分に確保することで、最終的な加圧力を十分に高い値に保持することが可能となる。
つまり、フィルム外装電池１１の加圧においては、加圧するに従って電解液が浸透していき、厚さが薄くなっていくことから、最初から高い加圧力で加圧しても十分な効果は期待できず、逆にフィルム外装電池１１及び加圧装置２０側の負担を大きくする。これに対して本実施例のように加圧力を徐々に大きくすることで、最初の方の加圧では加圧力を抑制してフィルム外装電池１１及び装置側の負担を軽減しつつ、最後の方の加圧では加圧力を大きくして大きな加圧力を保持することができる。
更に、本実施例のように所定の間隔ΔＴ１，ΔＴ２をあけて段階的に加圧を行うことで、加圧後に電解液が徐々に浸透していく期間が確保されることとなり、連続的に加圧を行う場合と実質的に同様の加圧効果が得られる。つまり、適切な間隔ΔＴ１，ΔＴ２を設定することで、第２参考例のように連続的に加圧を行う場合とほぼ同様の加圧効果を確保しつつ、過度な加圧によるフィルム外装電池１１及び装置の負担を軽減することができる。言い換えると、第２参考例のように連続的に加圧を行う場合、加圧装置への負担が大きくなるために、加圧を行う期間ΔＴ３が制限されるものの、本実施例のように段階的・間欠的に加圧を行うことで、フィルム外装電池１１及び加圧装置への負担が軽減されることから、トータルの加圧時間ΔＴ０を十分に確保して、高い加圧力を保持することが可能となる。
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本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３回に分けて加圧を行っているが、２回もしくは４回以上にわけて加圧を行うようにしても良い。また、上記実施例では加圧を休止する間隔を段階的に長くしているが、同じ間隔としても良く、また、間隔を段階的に短くしていくようにしても良い。
１１…フィルム外装電池
１４…発電要素
１５…外装体
１６…正極板
１７…負極板
１８…セパレータ
２０…加圧装置
２３…ナットランナ
２５…可動プレート
１４…発電要素
１５…外装体
１６…正極板
１７…負極板
１８…セパレータ
２０…加圧装置
２３…ナットランナ
２５…可動プレート
Claims (4)
- 正極板と負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素がフィルムからなる外装体の内部に電解液とともに収容された偏平なフィルム外装電池を、２つの可動プレートの間に挟み、上記２つの可動プレートを互いに近づく方向に加圧することで、上記発電要素の絶縁状態の検査のために上記フィルム外装電池を加圧するフィルム外装電池の加圧方法において、
上記可動プレートと上記フィルム外装電池が交互に積層された状態で、積層された複数の上記可動プレートおよび複数の上記フィルム外装電池からなる積層体の全体を駆動装置によって積層方向の両側から加圧し、上記駆動装置による上記積層体全体の加圧の際に、所定の時間間隔をあけて複数回に分けて段階的に加圧を行うとともに、
上記複数回の加圧では、加圧力を段階的に大きくすることを特徴とするフィルム外装電池の加圧方法。 - 上記複数回の加圧における各回の加圧の加圧力は、予め設定された所定の下限値以上であることを特徴とする請求項１に記載のフィルム外装電池の加圧方法。
- 上記複数回の加圧における各回の加圧の加圧力は、正極板と負極板をセパレータを介して積層した積層方向に加えられることを特徴とする請求項１に記載のフィルム外装電池の加圧方法。
- 上記可動プレートは、矩形板状を呈し、上記可動プレートの４隅を貫通するガイドロッドによって支持され、締付用ロッドの回転に伴いフィルム外装電池に加圧力が加わるように上記ガイドロッドに沿って平行移動可能なものであって、
上記ガイドロッドは、上記積層体を収容するハウジングの前壁に固定され、
上記締付用ロッドは、上記ハウジングの上記前壁に形成されたネジ孔に螺合するネジ部が形成されたものであり、
上記駆動装置は、上記締付用ロッドを回転させて上記締付用ロッドの上記ネジ部を上記前壁のネジ孔に対して相対的に回転させることにより、上記締付用ロッドによって上記積層体全体を加圧するナットランナであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフィルム外装電池の加圧方法。
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