JP6398040B2 - 含浸検査装置および含浸検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池電極への電解液の含浸具合を検査する含浸検査装置および含浸検査方法に関する。

電池は、電極や電解液といった構成要素をケース内に封入することによって製造される。

例えばリチウムイオン二次電池であれば、正極と負極との間にセパレータを挟んで発電要素を構成し、この発電要素をケース内に配置した後に、電解液をケース内に注液する。注液した電解液が正極や負極の全体に浸み込んで、正極や負極への電解液の含浸が完了した後に、次の製造工程に移行する。

電極に電解液を含浸させる含浸時間は、例えば、事前にテストを行うことで決定される。事前のテストでは、まず、含浸時間を電極ごとに変化させて、各電極を解体して含浸が完了しているか否かを目視で判別する。次に、解体して含浸が完了していると判別できた電極における含浸時間に、所定のマージン時間を加算して、加算結果を最終的な含浸時間として設定する。

ここで、電極に電解液が含浸する速度は、含浸させる際の電極や電解液の温度によって変化するとともに、電極や電解液の性状によっても変化する。このため、上述のように事前のテストで含浸時間を一律に設定すると、電極への電解液の含浸が完了していないにもかかわらず次の製造工程に移行してしまう可能性がある。この場合、電池容量が変化してしまい、電池としての品質が低下してしまうおそれがある。そこで、上述のマージン時間を長めに設定することになる。

しかし、電極への電解液の含浸が完了している状態は、過放電の状態に等しい。このため、この後の製造工程において仮充電を行う工程があるものの、上述のようにマージン時間を長めに設定すると、電極への電解液の含浸が完了しても、次の製造工程に移行するのが遅れ、過放電の状態が続いてしまう可能性がある。この場合にも、電池としての品質が低下してしまうおそれがある。

そこで、電極のインピーダンスを測定することで、電極への電解液の含浸が完了したか否かを判別する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この手法によれば、電極への電解液の含浸具合を、電極ごとに確認することができる。このため、含浸時間を一律に設定する必要がなくなるとともに、上述のマージン時間も不要になる。したがって、電池としての品質の低下を抑制することができる。

特開２００４−３１１３４３号公報

しかし、電極への電解液の含浸が完了していなくても、ある程度含浸が進んでいくと、電極内での導通が確立する。このため、ある程度含浸が進んだ段階での電極のインピーダンスと、電極への電解液の含浸が完了した段階での電極のインピーダンスと、の間には、ほとんど差異がなくなる。

このため、特許文献１に示されている手法では、電極への電解液の含浸具合を正確に求めることは困難であり、電極への電解液の含浸が完了していないにもかかわらず次の製造工程に移行してしまう可能性があった。このため、上述のマージン時間のように、含浸時間を長めに設定する必要があったので、過放電の状態が続いてしまう可能性が依然としてあり、電池としての品質が低下するおそれが依然としてあった。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、電池電極への電解液の含浸具合を正確に求めることを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

（１）本発明は、電池電極である正極と負極との間にセパレータを挟んで構成された発電要素と電解液とをケース内に有する電池の製造方法であって、前記ケース内に前記発電要素を入れた後に電解液を注入する第１のステップと、電解液を含浸させた前記電池電極に向って超音波を出力する第２のステップと、前記第２のステップにより超音波を出力する位置と前記電池電極を挟んで対向する位置において、当該第２のステップにより出力された超音波を受信する第３のステップと、前記第２のステップにより出力された超音波に対する、前記第３のステップにより受信された超音波の減衰率を求める第４のステップと、前記減衰率の経時変化から、減衰率の単位時間当たりの変化量を求める第５のステップと、前記減衰率の単位時間当たりの変化量が所定の閾値以下となったか否かを判断し、当該閾値以下になったと判断した場合には充電工程を含む以降の工程へ移行する第６のステップと、を含むことを特徴とする電池の製造方法を提案している。

（２）本発明は、（１）の電池の製造方法について、前記所定の閾値は、減衰率の単位時間当たりの変化量が０であることを特徴とする電池の製造方法を提案している。

（３）本発明は、電池電極である正極と負極との間にセパレータを挟んで構成された発電要素と電解液とをケース内に有する電池の製造方法であって、前記ケース内に前記発電要素を入れた後に電解液を注入する第１のステップと、電解液を含浸させた前記電池電極に向って超音波を出力する第２のステップと、前記第２のステップにより超音波を出力する位置と前記電池電極を挟んで対向する位置において、当該第２のステップにより出力された超音波を受信する第３のステップと、前記第２のステップにより出力された超音波に対する、前記第３のステップにより受信された超音波の減衰率を求める第４のステップと、前記減衰率の経時変化から、減衰率の単位時間当たりの変化量を求める第５のステップと、複数の前記減衰率の単位時間当たりの変化量から、単位時間当たりの変化量の変化率を求める第７ステップと、前記変化率が所定の閾値以下となった場合には充電工程を含む以降の工程へ移行する第８ステップを含むことを特徴とする電池の製造方法を提案している。

（４）本発明は、（３）の電池の製造方法について、前記所定の閾値は、減衰率の単位時間当たりの変化量の変化率が０．０１％であることを特徴とする電池の製造方法を提案している。

（５）本発明は、（１）から（４）の電池の製造方法について、前記第２のステップにおいて、前記電池電極の中心に向って超音波を出力することを特徴とする電池の製造方法を提案している。

（６）本発明は、（１）から（４）の電池の製造方法について、前記第２のステップにおいて、前記電池電極の複数の点のそれぞれに向って超音波を出力し、前記第３のステップにおいて、前記第２のステップにより前記電池電極の複数の点に向って出力された超音波のそれぞれを受信することを特徴とする電池の製造方法を提案している。

この発明によれば、電解液の注入後のケース内に納められている電池電極に対して、上述した効果と同様の効果を奏することができる。

本発明によれば、電池電極への電解液の含浸具合を正確に求めることができる。

本発明の一実施形態に係る含浸検査装置のブロック図である。 本発明の一実施形態に係る含浸検査装置が備える超音波出力部および超音波受信部と、発電要素と、の関係を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る含浸検査装置が備える超音波出力部および超音波受信部と、発電要素と、の関係を示す模式図である。 超音波が減衰する様子を示す模式図である。 超音波の減衰率と含浸具合との関係を示す図である。 本発明の変形例に係る含浸検査装置が備える超音波出力部および超音波受信部と、発電要素と、の関係を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて、詳細に説明する。なお、以下の実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素などとの置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組み合わせを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下の実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る含浸検査装置１のブロック図である。含浸検査装置１は、電池電極１００（図２参照）への電解液の含浸具合を検査するものであり、超音波出力部１１、超音波受信部１２、および含浸具合判定部１３を備える。

図２は、超音波出力部１１と、超音波受信部１２と、電池電極１００と、の関係を示す模式図である。なお、本実施形態では、電池電極１００は、リチウムイオン二次電池の１つの正極または負極であり、平板状に形成されているものとする。

超音波出力部１１は、電池電極１００と正対する向きおよび位置に設けられる。また、超音波受信部１２は、電池電極１００を挟んで超音波出力部１１と対向する位置に設けられる。

図１に戻って、超音波出力部１１は、電池電極１００に向って超音波を出力する。ここで、上述のように、電池電極１００は平板状に形成され、超音波出力部１１は電池電極１００と正対する向きおよび位置に設けられる。このため、超音波出力部１１から出力された超音波は、電池電極１００の表面に直交する方向から、電池電極１００に当たることになる。なお、超音波出力部１１が出力する超音波の周波数の上限は、４ＭＨｚであり、下限は、０．５ＭＨｚであるものとする。

超音波受信部１２は、超音波出力部１１により出力された超音波を、電池電極１００を挟んで超音波出力部１１と対向する位置で受信する。

図３は、電池電極１００のどの位置に向って、超音波出力部１１が超音波を出力するのかを示す模式図である。超音波出力部１１は、電池電極１００のうち電解液の含浸が最も遅くなる部分に向って、超音波を出力する。ここで、平板状に形成された電池電極１００において、電解液の含浸が最も遅くなる部分とは、電池電極１００の中心、すなわち電池電極１００の重心のことである。

図４は、電池電極１００において、超音波が減衰する様子を示す模式図である。電池電極１００への電解液の含浸が進むに従って、電池電極１００内に存在している気泡の量が減少し、超音波は、気泡に当たると反射して減衰する。このため、超音波の減衰率は、電池電極１００内に存在している気泡の量に応じて変化する。

図５は、超音波の減衰率と含浸時間との関係を示す図である。図５において、縦軸は、超音波の減衰率を示し、横軸は、電池電極１００への電解液の含浸を開始してからの時間である含浸時間を示す。

電池電極１００への電解液の含浸を開始すると、超音波の減衰率は、まず低下し、その後上昇し、最終的には、横ばいになってほとんど変化しなくなる。すなわち、超音波の減衰率の単位時間当たりの変化量は、電池電極１００への電解液の含浸を開始した直後では大きいが、時間が経過すると小さくなる。

ここで、電池電極１００への電解液の含浸を開始してから暫くの間は、電池電極１００への電解液の含浸が進行するので、電池電極１００内に存在している気泡の量が減少し続ける。このため、超音波の減衰率の単位時間当たりの変化量は、電池電極１００への電解液の含浸を開始した直後では大きくなる。

一方、電池電極１００への電解液の含浸が完了すると、電池電極１００内に存在している気泡の量は、ゼロとなり、変化しなくなる。このため、超音波の減衰率の単位時間当たりの変化量は、電池電極１００への電解液の含浸を開始してから時間が経過して、電池電極１００への電解液の含浸が完了すると、ゼロになる。

図１に戻って、含浸具合判定部１３は、超音波出力部１１により出力された超音波に対する、超音波受信部１２により受信された超音波の減衰率の、単位時間当たりの変化量を求め、求めた超音波の減衰率の単位時間当たりの変化量に応じて、電池電極１００への電解液の含浸具合を求める。具体的には、超音波の減衰率の単位時間当たりの変化量が、予め定められた閾値（例えば、ゼロ）以下であれば、電池電極１００への電解液の含浸が完了していると判定する。また、単位時間当たりの変化量の変化率が０．０１％以下であれば、電池電極１００への電解液の含浸が完了していると判定してもよい。

なお、上述の超音波の減衰率の単位時間当たりの変化量を求めるに際しては、ノイズなどの影響を抑えるために、必要に応じて平均化処理を行ったり、単位時間を長めに設定したりしてもよい。単位時間の設定は、含浸が完了するまでの時間に応じて行うことができ、例えば、含浸が完了するまでの時間の平均値を求め、求めた平均値を５０や１００で除算した値を上述の単位時間として設定してもよい。単位時間を長く設定するに従って、求めた変化量の精度が高くなるが、変化量を求めるのに必要な時間が長くなる。

以上の含浸検査装置１によれば、以下の効果を奏することができる。

含浸検査装置１は、超音波出力部１１により、電池電極１００に向って超音波を出力し、超音波受信部１２により、この超音波を受信し、含浸具合判定部１３により、電池電極１００に向って出力された超音波の減衰率の単位時間当たりの変化量に応じて含浸具合を求める。このため、超音波の減衰率から、電池電極１００への電解液の含浸具合を正確に求めることができる。

また、含浸検査装置１は、含浸具合判定部１３により、超音波の減衰率の単位時間当たりの変化量が閾値以下であれば、電池電極１００への電解液の含浸が完了していると判定する。このため、閾値を設定することで、電池電極１００への電解液の含浸具合を正確に求めることができる。

また、含浸検査装置１は、超音波出力部１１により、電池電極１００の中心に向って超音波を出力する。このため、電池電極１００のうち含浸の完了が最も遅くなる部分について、電解液の含浸具合を求めることができるので、電解液の含浸が完了していない部分が電池電極１００に存在しないようにすることができる。

以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計なども含まれる。

例えば、上述の実施形態では、含浸具合判定部１３は、電池電極１００への電解液の含浸具合を、超音波の減衰率の単位時間当たりの変化量に応じて求めるものとした。しかし、これに限らず、例えば超音波の減衰率の値そのものに応じて求めるものとしてもよい。

また、上述の実施形態では、超音波出力部１１は、電池電極１００の中心の１点に向って超音波を出力し、超音波受信部１２は、超音波出力部１１により電池電極１００の中心の１点に向って出力された超音波を受信するものとした。しかし、これに限らず、超音波出力部１１は、電池電極１００の複数の点のそれぞれに向って超音波を出力し、超音波受信部１２は、超音波出力部１１により電池電極１００の複数の点に向って出力された超音波のそれぞれを受信するものとしてもよい。これによれば、電池電極１００の複数の点のそれぞれにおける超音波の減衰率を求めて、これら複数の超音波の減衰率のそれぞれの単位時間当たりの変化量から、電池電極１００のどの部分で含浸がどれくらい進んでいるのかを求めることができる。このため、電池電極１００の全体において、あとどれくらいの時間で含浸が完了するのかを推定することができる。

また、上述の実施形態では、含浸具合を検査する対象を、１つの平板状の正極または負極で構成される電池電極１００とした。しかし、これに限らず、例えば図６に示す発電要素２００のように、平板状の正極２０１と、平板状の負極２０２と、セパレータ２０３と、を積層させたものであってもよく、さらに発電要素２００はケース（例えば、ラミネートで形成されたケース）に収容されているものであってもよい。この場合、超音波出力部１１は、正極２０１および負極２０２のうち電解液の含浸が最も遅くなる部分に向って、正極２０１と負極２０２とセパレータ２０３とが積層されている方向から、超音波を出力するものとする。正極２０１および負極２０２のうち電解液の含浸が最も遅くなる部分としては、例えばこれら正極２０１および負極２０２のうち真ん中に挟まれているもの重心を、適用することができる。ただし、正極２０１や負極２０２とケースとを絶縁するために、正極２０１や負極２０２には、シュリンクフィルムが被せられており、このシュリンクフィルムによって、正極２０１や負極２０２に電解液が浸み込むことのできる場所が制限される場合がある。このため、正極２０１および負極２０２のうち電解液の含浸が最も遅くなる部分は、適宜変わるので、超音波出力部１１がどこに向って超音波を出力するのかを適宜設定することが好ましい。

また、上述の実施形態では、含浸具合を検査する対象を、１つの平板状の正極または負極で構成される電池電極１００とした。しかし、これに限らず、例えば、正極と負極とセパレータとを積層させた発電要素を巻き回したものであってもよく、さらにこの発電要素はケース（例えば、ラミネートで形成されたケース）に収容されているものであってもよい。この場合、超音波出力部１１は、正極および負極のうち電解液の含浸が最も遅くなる部分に向って、正極と負極とセパレータとが積層されている方向から、超音波を出力するものとする。

また、上述の実施形態では、含浸具合を検査する対象を、１つの平板状の正極または負極で構成される電池電極１００としたが、全ての電池電極１００を検査してもよいし、全ての電池電極１００の中から１つ以上を適宜抽出して検査してもよい。また、全ての発電要素を検査してもよいし、全ての発電要素の中から１つ以上を適宜抽出して検査してもよい。

また、本発明は、電池の製造方法へ適用してもよい。例えば、ケースの開口部から発電要素をケース内に収めて開口部を蓋で閉じた後、蓋に設けられている電解液の注入口より電解液をケース内に注入する。その後に、本発明の検査方法同様に、電解液を含浸させた電池電極に向って超音波を出力する。超音波を出力する位置と電池電極を挟んで対向する位置において出力された超音波を受信する。その後、出力された超音波に対する、受信された超音波の減衰率を求め、求めた減衰率に応じて電池電極への電解液の含浸具合を求める。求めた含浸具合が所定の閾値内となったか否かを検査装置に設けた判別手段（ＣＰＵ等）にて判断し、この閾値内と判断した場合には充電工程を含む以降の工程へ移行する。このようにすることで、含浸完了後に速やかに次工程への移行を自動ですることができる。

１；含浸検査装置
１１；超音波出力部
１２；超音波受信部
１３；含浸具合判定部
１００；電池電極
２００；発電要素
２０１；正極
２０２；負極
２０３；セパレータ

Claims (6)

1. 電池電極である正極と負極との間にセパレータを挟んで構成された発電要素と電解液とをケース内に有する電池の製造方法であって、
   前記ケース内に前記発電要素を入れた後に電解液を注入する第１のステップと、
   電解液を含浸させた前記電池電極に向って超音波を出力する第２のステップと、
   前記第２のステップにより超音波を出力する位置と前記電池電極を挟んで対向する位置において、当該第２のステップにより出力された超音波を受信する第３のステップと、
   前記第２のステップにより出力された超音波に対する、前記第３のステップにより受信された超音波の減衰率を求める第４のステップと、
   前記減衰率の経時変化から、減衰率の単位時間当たりの変化量を求める第５のステップと、
   前記減衰率の単位時間当たりの変化量が所定の閾値以下となったか否かを判断し、当該閾値以下になったと判断した場合には充電工程を含む以降の工程へ移行する第６のステップと、
   を含むことを特徴とする電池の製造方法。
2. 前記所定の閾値は、減衰率の単位時間当たりの変化量が０であることを特徴とする請求項１に記載の電池の製造方法。
3. 電池電極である正極と負極との間にセパレータを挟んで構成された発電要素と電解液とをケース内に有する電池の製造方法であって、
   前記ケース内に前記発電要素を入れた後に電解液を注入する第１のステップと、
   電解液を含浸させた前記電池電極に向って超音波を出力する第２のステップと、
   前記第２のステップにより超音波を出力する位置と前記電池電極を挟んで対向する位置において、当該第２のステップにより出力された超音波を受信する第３のステップと、
   前記第２のステップにより出力された超音波に対する、前記第３のステップにより受信された超音波の減衰率を求める第４のステップと、
   前記減衰率の経時変化から、減衰率の単位時間当たりの変化量を求める第５のステップと、
   複数の前記減衰率の単位時間当たりの変化量から、単位時間当たりの変化量の変化率を求める第７ステップと、
   前記変化率が所定の閾値以下となった場合には充電工程を含む以降の工程へ移行する第８ステップを含むことを特徴とする電池の製造方法。
4. 前記所定の閾値は、減衰率の単位時間当たりの変化量の変化率が０．０１％であることを特徴とする請求項３に記載の電池の製造方法。
5. 前記第２のステップにおいて、前記電池電極の中心に向って超音波を出力することを特徴とする請求項１〜４に記載の電池の製造方法。
6. 前記第２のステップにおいて、前記電池電極の複数の点のそれぞれに向って超音波を出力し、
   前記第３のステップにおいて、前記第２のステップにより前記電池電極の複数の点に向って出力された超音波のそれぞれを受信することを特徴とする請求項１〜４に記載の電池の製造方法。

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