JP6642356B2 - 注液装置 - Google Patents

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本発明は、電池の製造過程において、注液孔を通じて電池ケース内に電解液を注液する注液装置に関する。
電池の製造過程において、注液孔を通じて電池ケース内に電解液を注液する注液装置が知られている。例えば特許文献1に、このような注液装置が開示されている(特許文献1の図4、請求項1等を参照)。特許文献1の注液装置は、注液ノズルを備え、この注液ノズルを注液孔を通じて電池ケース内に挿入して、電池ケース内に電解液を注入する。
特開2014−22073号公報
しかしながら、上述のような注液装置を用いて電池ケース内に規定量の電解液を注液する際に、電解液が注液孔を通じて電池外部に溢れ出ることがある。電池の電極体には体積バラツキや、電池ケース内に注液された電解液の電極体内への含浸速度にバラツキがある。このため、電解液の注液速度が速すぎると、電池によっては、電解液を規定量注液する前に、電解液が注液孔から電池外部に溢れ出る場合が生じるのである。
この問題に対し、規定量の電解液を複数回に分けて少量ずつ注液したり電解液の注液速度を遅くすれば、電解液が注液孔から電池外部に溢れ出ることを防止できる。しかし、電解液を複数回に分けて少量ずつ注液すると、電解液の電極体内への含浸にムラが生じ易く、電池反応ムラが生じて電池の耐久性能が悪くなるおそれがある。また、注液速度を遅くすると、注液に時間が掛かり、電池の生産性が悪くなる。
一方、注液ノズルを注液孔内に挿入すると共に、液量センサも注液孔内に挿入して、電解液の液面レベルを検知しながら電解液の注液を行うことにより、電解液が注液孔から溢れ出ることを防止することが考えられる。但し、注液ノズル及び液量センサを同時に注液孔内に挿入するには、注液孔の開口を大きくする必要がある。しかし、注液孔の開口を大きくすることは、電池ケースの寸法などとの関係で設計上困難であったり、封止部材による注液孔の封止が困難になるなどの理由から好ましくない。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、注液ノズルによる注液と、液量センサによる電解液の液面検知とを可能としつつ、必要な注液孔の開口の大きさを小さくした注液装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の一態様は、注液孔を有する電池ケース、及び、上記電池ケース内に収容された電極体を備える電池について、上記注液孔を通じて上記電池ケース内に電解液を注液する注液装置であって、上記注液孔を通じて上記電池ケース内に挿入され、上記電池ケース内に上記電解液を注液する筒状で金属製の注液ノズルと、上記注液孔を通じて上記電池ケース内に挿入され、上記注液ノズルと間隔をあけて配置される電極と、注液された上記電解液が上記注液ノズル及び上記電極に接触すると、上記注液ノズルと上記電極との間が導通することを利用して、注液された上記電解液の液面が上記注液ノズル及び上記電極の高さまで到達したことを検知する検知部と、を備える注液装置である。
上述の注液装置は、上述の注液ノズルを備えるので、電池内に電解液を注液できる。また、この注液装置は、注液ノズル及び電極に加えて上述の検知部を備え、これらによって液量センサが構成されるので、注液の際に電解液の液面を検知できる。しかも、この注液装置では、注液ノズルが液量センサの一方の電極を兼ねている。完全に別体とされた注液ノズル及び液量センサを注液孔内にそれぞれ挿入する場合には、注液ノズルと一対の電極とを注液孔内に挿入する必要がある。これに対して、この注液装置では、注液ノズルと1つの電極とを注液孔内に挿入すれば足りるので、必要な注液孔の開口の大きさを小さくできる。
なお、「注液ノズル」としては、白金、タンタル、ステンレス鋼など耐食性の高い材質からなる注液ノズルが好ましい。
「電極」としては、丸棒状などの棒状、細長い板状、円筒状などの筒状の電極が挙げられる。また、電極の径方向周囲に注液ノズルとの間を絶縁する絶縁パイプを設けてもよい。また、絶縁部材を介して電極と注液ノズルとを一体化させてもよい。また、例えば、後述する変形形態2のように(図7参照)、注液ノズルの径方向周囲に、円筒状の絶縁パイプを介して円筒状の電極を同軸に配置して一体化することもできる。また、「電極」としては、白金、タンタル、ステンレス鋼など耐食性の高い材質からなる注液ノズルが好ましい。
更に、上記の注液装置であって、前記検知部は、前記注液ノズルと前記電極との間に交流電圧を印加して、上記注液ノズルと上記電極との間の導通を検知する注液装置とするのが好ましい。
注液ノズルと電極との間に直流電圧を印加すると、注液された電解液が注液ノズル及び電極に接触したときに電解液が電気分解され、負極となる側の注液ノズルまたは電極の表面にLi金属等が析出する不具合が生じるおそれがある。これに対し、上述の注液装置では、注液ノズルと電極との間に交流電圧を印加しているので、注液された電解液が注液ノズル及び電極に接触したときに注液ノズルまたは電極の表面にLi金属等が析出する不具合を防止できる。
実施形態に係る電池の斜視図である。 実施形態に係る電池の縦断面図である。 実施形態に係る注液装置の説明図である。 実施形態に係る注液装置のうち、電池の注液孔内に挿入した注液ノズル及び電極の先端側部分を拡大して示す説明図である。 実施形態及び変形形態3に係る注液工程を示すフローチャートである。 変形形態1に係る注液装置のうち、注液ノズル及び電極の先端側部分を示す説明図である。 変形形態2に係る注液装置のうち、注液ノズル及び電極の先端側部分を示す説明図である。
(実施形態)
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図1及び図2に、本実施形態に係る電池1の斜視図及び縦断面図を示す。なお、以下では、電池1の電池厚み方向BH、電池横方向CH及び電池縦方向DHを、図1及び図2に示す方向と定めて説明する。この電池1は、ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、電気自動車等の車両などに搭載される角型で密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池1は、電池ケース10と、この内部に収容された電極体20と、電池ケース10に支持された正極端子部材50及び負極端子部材60等から構成される(図1及び図2参照)。また、電池ケース10内には、電解液15が収容されており、その一部は電極体20内に含浸され、一部は電池ケース10の底部に溜まっている。
このうち電池ケース10は、直方体箱状で金属(本実施形態ではアルミニウム)からなる。この電池ケース10は、上側のみが開口した有底角筒状のケース本体部材11と、このケース本体部材11の開口を閉塞する形態で溶接された矩形板状のケース蓋部材13とから構成される。ケース蓋部材13には、注液孔13hが設けられており、封止部材17によって気密に封止されている。注液孔13hは、後述するように、電解液15を電池ケース10内に注液する際に用いられる。
また、ケース蓋部材13には、アルミニウムからなる正極端子部材50がケース蓋部材13と絶縁された状態で固設されている。この正極端子部材50は、電池ケース10内で電極体20のうち正極板21に接続し導通する一方、ケース蓋部材13を貫通して電池外部まで延びている。また、ケース蓋部材13には、銅からなる負極端子部材60がケース蓋部材13と絶縁された状態で固設されている。この負極端子部材60は、電池ケース10内で電極体20のうち負極板31に接続し導通する一方、ケース蓋部材13を貫通して電池外部まで延びている。
電極体20は、扁平状をなし、横倒しにした状態で電池ケース10内に収容されている。電極体20と電池ケース10との間には、絶縁フィルムからなる袋状の絶縁フィルム包囲体19が配置されている。電極体20は、帯状の正極板21と帯状の負極板31とを、帯状の一対のセパレータ41,41を介して互いに重ね、軸線周りに捲回して扁平状に圧縮したものである。正極板21は、帯状のアルミニウム箔からなる正極集電箔の両主面の所定位置に、正極活物質層を帯状に設けてなる。この正極活物質層は、正極活物質、導電材及び結着剤からなる。また、負極板31は、帯状の銅箔からなる負極集電箔の両主面の所定位置に、負極活物質層を設けてなる。この負極活物質層は、負極活物質、結着剤及び増粘剤からなる。また、セパレータ41は、樹脂からなる多孔質膜であり、帯状でフィルム状をなす。
次いで、上記電池1の製造方法について説明する。まず、「組立工程」において、電池1を組み立てる。具体的には、正極板21及び負極板31を、一対のセパレータ41,41を介して互いに重ねて捲回し、扁平状に圧縮して電極体20を形成する。次に、ケース蓋部材13を用意し、これに正極端子部材50及び負極端子部材60を固設する(図1及び図2参照)。その後、正極端子部材50及び負極端子部材60を、電極体20の正極板21及び負極板31にそれぞれ溶接する。次に、電極体20に絶縁フィルム包囲体19を被せて、これらをケース本体部材11内に挿入すると共に、ケース本体部材11の開口をケース蓋部材13で塞ぐ。そして、ケース本体部材11とケース蓋部材13とを溶接して電池ケース10を形成する。
次に、「注液工程」を行い(図5参照)、ケース蓋部材13に設けられた注液孔13hを通じて電池ケース10内に電解液15を規定量注液し、電解液15を電極体20内に含浸させる。この注液工程は、図3及び図4に示す注液装置100を用いて行う。本実施形態の注液装置100は、注液ノズル110、電極120、検知装置(検知部)130、真空チャンバ140、大気開放バルブ147、電解液タンク150、注液バルブ155、制御装置160等から構成される。
このうち真空チャンバ140は、上側のみが開口した有底角筒状のチャンバ本体部材141と、このチャンバ本体部材141の開口を閉塞する矩形板状のチャンバ蓋部材143とから構成される。この真空チャンバ140の内部には、後述するように、電池1が収容される。真空チャンバ140には、真空ポンプ145が取り付けられており、この真空ポンプ145を作動させることで、真空チャンバ140内を減圧できる。また、真空チャンバ140には、大気開放バルブ147が取り付けられており、この大気開放バルブ147を開くことで、真空チャンバ140内を大気開放することができる。また、真空チャンバ140には、圧力センサ149が取り付けられており、この圧力センサ149により真空チャンバ140内の気圧を測定できる。また、真空チャンバ140のチャンバ蓋部材143には、注液ノズル110と電極120が所定の間隔KCを空けて固設されている。
注液ノズル110は、円筒状で金属(具体的にはステンレス鋼)からなる。この注液ノズル110の内部は、後述するように電解液15が流通し、注液ノズル110の先端部110sから電解液15が放出される。注液ノズル110は、その延出方向が真空チャンバ140のチャンバ鉛直方向FHと平行になるように、チャンバ蓋部材143に対して垂直に固設されている。
電極120は、丸棒状で金属(具体的にはステンレス鋼)からなる。この電極120は、その先端部120sを除いて、電極120の径方向周囲が絶縁パイプ121で覆われている。電極120及び絶縁パイプ121は、その延出方向がチャンバ鉛直方向FHと平行になり、注液ノズル110と平行となるように、チャンバ蓋部材143に対して垂直に固設されている。これにより、電極120の先端部120sと注液ノズル110とは、所定の間隔KCを空けて配置されている。
検知装置130は、配線131を介して注液ノズル110に、配線133を介して電極120にそれぞれ電気的に接続されており、これらによって液量センサ105を構成している。検知装置130は、後述するように、注液された電解液15が注液ノズル110及び電極120に接触すると、注液ノズル110と電極120との間が導通することを利用して、注液された電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達したことを検知する装置である。具体的には、検知装置130は、注液ノズル110と電極120との間に交流電圧を印加して、電解液15の接触時に注液ノズル110と電極120との間に流れる電流を検知することにより、注液された電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達したことを検知し、この検知信号を出力可能に構成されている。
電解液タンク150は、電解液15を貯留しておくタンクであり、液流通路151を介して注液ノズル110の基端部110tに繋がっている。液流通路151の途中には、流量計153及び注液バルブ155がそれぞれ配置されている。流量計153は、液流通路151を流れた電解液15の液量を測定できるので、注液ノズル110の先端部110sから放出されて電池ケース10内に注液された電解液15の液量を測定できる。また、注液バルブ155は、これを開くと、液流通路151内を電解液15が流通し、注液ノズル110に電解液15が供給されて、注液ノズル110の先端部110sから電解液15が放出される。一方、注液バルブ155を閉じると、液流通路151内の電解液15の流通が止まるため、注液ノズル110の先端部110sからの電解液15の放出(注液)も止まる。
制御装置160は、図示しないCPU、ROM及びRAMを含み、ROM等に記憶された所定の制御プログラムによって作動するマイクロコンピュータを有する。この制御装置160は、圧力センサ149、流量計153、検知装置130、真空ポンプ145、大気開放バルブ147及び注液バルブ155がそれぞれ接続しており、後述するように、圧力センサ149、流量計153及び検知装置130の各検知信号に基づいて、真空ポンプ145の作動、大気開放バルブ147の開閉及び注液バルブ155の開閉をそれぞれ制御する。
次に、この注液装置100を用いた注液工程における制御装置160の制御について、図5のフローチャートを参照しつつ説明する。注液工程に先立ち、前述の電池1を、真空チャンバ140のチャンバ本体部材141内の所定位置に、電池縦方向DHがチャンバ鉛直方向FHと平行になるように電池1を立てた状態で載置する。その後、チャンバ本体部材141の開口をチャンバ蓋部材143で閉塞すると共に、チャンバ蓋部材143に固設された注液ノズル110及び電極120を、電池1の注液孔13hを通じて電池ケース10内に挿入しておく(図3及び図4参照)。
そして、ステップS1において、制御装置160は、大気開放バルブ147を閉める。
その後、ステップS2に進み、真空ポンプ145を作動させて、真空チャンバ140内を減圧する。
次に、真空チャンバ140内が所定圧力まで減圧された後、ステップS3において、電解液15の電池ケース10内への注液を開始する。具体的には、制御装置160は、圧力センサ149により測定される真空チャンバ140内の気圧が所定圧力以下であると判断した場合に、注液バルブ155を開く。これにより、電解液タンク150に貯留された電解液15が液流通路151を通じて注液ノズル110に供給され、注液ノズル110の先端部110sから電池ケース10内に電解液15が放出される。
次に、ステップS4において、電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達しているか否かを判断する。具体的には、電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達すると、液量センサ105の検知装置130は、注液ノズル110と電極120との間に流れる電流を検知して、この検知信号を制御装置160に出力する。これにより、制御装置160は、電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達したと判断する。
ステップS4において、NO、即ち、電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達していないと判断された場合には、ステップS10に進み、電解液15の注液量が規定量に到達したか否かを判断する。具体的には、制御装置160は、流量計153で測定された液流通路151を流れた電解液15の流量が、即ち、電池1内に注入された電解液15の液量が、規定量に到達したか否かを判断する。このステップS10において、NO、即ち、電解液15の注液量が規定量に到達していないと判断された場合には、ステップS4に戻る。
一方、前述のステップS4において、YES、即ち、電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達したと判断された場合には、ステップS5に進み、電解液15の注液を一旦止める。具体的には、制御装置160は、注液バルブ155を閉じて、液流通路151内を流れる電解液15の流通を止め、電池ケース10内への電解液15の注液を止める。これにより、電解液15が注液孔13hから電池外部に溢れ出るのを防止できる。
ステップS5の後は、ステップS6に進み、制御装置160は、大気開放バルブ147を開けて、真空チャンバ140内の気圧を高める。これにより、注液された電解液15の電極体20への含浸が促進されるため、電解液15の液面15mは、徐々に低下していく。
次に、ステップS7に進み、ステップS4と同様にして、電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達しているか否かを判断する。ここで、YES、即ち、未だ電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さに到達した状態である場合には、このステップS7を繰り返して、電解液15の液面15mが、注液ノズル110及び電極120に接触しない高さに下がるまで待機する。
次に、ステップS7でNO、即ち、電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さに到達していないと判断された場合には、ステップS8に進み、大気開放バルブ147を閉じる。
その後、ステップS9に進み、前述のステップS3と同様にして、真空チャンバ140内が所定圧力まで減圧された後、電解液15の電池ケース10内への注液を再開する。その後は、前述のステップS10に進む。このように電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達した場合には、電解液15の注液を一旦停止し、電解液15の液面15mが下がってから注液を再開する。
そして、ステップS10において、YES、即ち、電解液15の注液量が規定量に到達したと判断された場合には、ステップS11に進み、電解液15の注液を終了する。具体的には、制御装置160は、注液バルブ155を閉じて、液流通路151内を流れる電解液15の流通を止め、注液ノズル110への電解液15の供給を止めて、電池ケース10内への電解液15の注液を終了する。このようにすることで、電解液15が注液孔13hから電池外部に溢れ出るのを防止しつつ、電解液15を規定量注液することができる。
ステップS11の後は、ステップS12に進み、制御装置160は、真空ポンプ145の作動を止める。
その後、ステップS13に進み、制御装置160は、大気開放バルブ147を開けて、真空チャンバ140内を大気圧に戻す。
その後は、チャンバ蓋部材143をチャンバ本体部材141から取り外すと共に、これに固設された注液ノズル110及び電極120を、電池1の注液孔13hから取り出す。その後、チャンバ本体部材141内から電池1を取り出す。かくして、注液工程が終了する。
注液工程を終えたら、「封止工程」において、封止部材17で注液孔13hを封止する。その後は、この電池1に初充電を行う。また、この電池1について各種検査を行う。かくして、電池1が完成する。
以上で説明したように、注液装置100は、注液ノズル110を備えるので、電池1内に電解液15を注液できる。また、注液装置100は、注液ノズル110及び電極120に加えて検知装置130を備え、これらによって液量センサ105が構成されるので、注液の際に電解液15の液面15mを検知できる。しかも、この注液装置100では、注液ノズル110が液量センサ105の一方の電極を兼ねている。完全に別体とされた注液ノズル及び液量センサを注液孔13h内にそれぞれ挿入する場合には、注液ノズルと一対の電極とを注液孔13h内に挿入する必要がある。これに対して、この注液装置100では、注液ノズル110と1つの電極120とを注液孔13h内に挿入すれば足りるので、必要な注液孔13hの開口の大きさを小さくできる。
更に、本実施形態の注液装置100は、注液ノズル110と電極120との間に交流電圧を印加しているので、注液された電解液15が注液ノズル110及び電極120に接触したときに注液ノズル110または電極120の表面にLi金属が析出する不具合を防止できる。
(変形形態1)
次いで、上記実施形態の第1の変形形態について説明する。実施形態の注液装置100では、電極120のうち、先端部120sの除いた部分の径方向周囲が、絶縁パイプ121で覆われていた(図4参照)。これに対し、本変形形態1の注液装置200は、実施形態と同様な丸棒状の電極220を有するが、この電極220は絶縁パイプで覆われていない点が異なる(図6)。本変形形態1においても、検知装置130は、注液ノズル110と電極220との間に交流電圧を印加して、電解液15の接触時に注液ノズル110と電極220との間に流れる電流を検知することにより、電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極220の高さまで到達したことを検知できる。また、その他、実施形態と同様な部分は、同様な作用効果を奏する。
(変形形態2)
次いで、上記実施形態の第2の変形形態について説明する。実施形態の注液装置100では、注液ノズル110と電極120とが別体とされていた(図4参照)。これに対し、本変形形態2の注液装置300は、注液ノズル110と電極320とが一体とされている点が異なる(図7)。具体的には、本変形形態3では、注液ノズル110は、その先端部110sを除いて、注液ノズル110の径方向周囲が絶縁パイプ321で覆われている。更に、この絶縁パイプ321の径方向周囲には、円筒状の電極320が注液ノズル110及び絶縁パイプ321と同軸に配置されており、これら注液ノズル110、絶縁パイプ321及び電極320が一体化されている。
このように注液ノズル110、絶縁パイプ321及び電極320を一体化することで、実施形態や変形形態1のように注液ノズル110と電極120,220とが別体である場合に比べて、注液ノズル110及び電極320の取り扱いが容易となる。また、本変形形態2においても、検知装置130は、注液ノズル110と電極320との間に交流電圧を印加して、電解液15の接触時に注液ノズル110と電極320との間に流れる電流を検知することにより、電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極320の高さまで到達したことを検知できる。また、その他、実施形態と同様な部分は、同様な作用効果を奏する。
(変形形態3)
次いで、上記実施形態の変形形態3について説明する。上記実施形態では、液量センサ105を利用して、注液バルブ155の開閉を制御すると共に、大気開放バルブ147の開閉をも制御することにより、電池ケース10内に電解液15を規定量注液した(図5参照)。これに対し、本変形形態では、液量センサ105を利用して注液バルブ155の開閉のみを制御し(大気開放バルブ147の開閉制御は行わずに)、電池ケース10内に電解液15を規定量注液する点が異なる。
具体的には、実施形態では(図5参照)、ステップS4で電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達したと判断された場合には、ステップS5で電解液15の注液を一旦止めた後、ステップS6で大気開放バルブ147を開けて、真空チャンバ140内の気圧を高めた。また、ステップS7を経てステップS8では、大気開放バルブ147を再び閉じて、真空チャンバ140内を再び減圧し、その後、ステップS9で注液バルブ155を開いて電解液15の注液を再開した。
これに対し、本変形形態3では(図5参照)、ステップS4で電解液15の液面15mが注液ノズル110及び電極120の高さまで到達したと判断された場合には、ステップS5で電解液15の注液を一旦止めるが、その後は、図5中に破線で示すステップS6を行わずに(真空チャンバ140内の気圧を高めずに減圧状態を維持して)、ステップS7に進む。また、大気開放バルブ147は閉じたままであるので、ステップS7の後は、図5中に破線で示すステップS8(大気開放バルブ147を閉じる)を行うことなく、ステップS9に進み、注液バルブ155を開いて電解液15の注液を再開する。
このようにしても、電解液15が注液孔13hから電池外部に溢れ出ることを防止しつつ、電池ケース10内に電解液15を規定量注液できる。また、その他、実施形態と同様な部分は、同様な作用効果を奏する。
以上において、本発明を実施形態及び変形形態1〜3に即して説明したが、本発明は上述の実施形態及び変形形態1〜3に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態等の検知装置130は、電解液15が接触したときに注液ノズル110と電極120,220,320との間に流れる電流を検知しているが、注液ノズル110と電極120,220,320との間の静電容量を検知してもよい。
また、実施形態等では、電解液タンク150と注液ノズルとの間を結ぶ液流通路151に流量計153を配置して、この流量計153で電解液15の電池ケース10内への注液量を測定したが、これに限られない。例えば、流量計153に代えて、チャンバ本体部材141内に重量計を設置し、この重量計の上に電池1を載置する。そして、この重量計で電解液15の電池ケース10内への注液量を測定することもできる。
1 電池
10 電池ケース
11 ケース本体部材
13 ケース蓋部材
13h 注液孔
15 電解液
15m (電解液の)液面
17 封止部材
20 電極体
100,200,300 注液装置
105 液量センサ
110 注液ノズル
120,220,320 電極
130 検知装置(検知部)
140 真空チャンバ
147 大気開放バルブ
150 電解液タンク
155 注液バルブ
160 制御装置
KC 間隔

Claims (1)

  1. 注液孔を有する電池ケース、及び、上記電池ケース内に収容された電極体を備える電池について、上記注液孔を通じて上記電池ケース内に電解液を注液する
    注液装置であって、
    上記注液孔を通じて上記電池ケース内に挿入され、上記電池ケース内に上記電解液を注液する筒状で金属製の注液ノズルと、
    上記注液孔を通じて上記電池ケース内に挿入され、上記注液ノズルと間隔をあけて配置される電極と、
    注液された上記電解液が上記注液ノズル及び上記電極に接触すると、上記注液ノズルと上記電極との間が導通することを利用して、注液された上記電解液の液面が上記注液ノズル及び上記電極の高さまで到達したことを検知する検知部と、を備える
    注液装置。
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