JP7004203B2 - 蓄電池用電解液注液装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池用電解液注液装置に関する。

近年、リチウムイオン二次電池等の蓄電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。

リチウムイオン二次電池のような蓄電池は、一般的に、電池ケースに、電極体と電解液とが収容された構成を有する。電池ケースが扁平角型の場合（すなわち、角型蓄電池の場合）、電解液の注液口は、蓄電池の上部にある電池ケース蓋体に設けられる。このとき、感圧型安全機構やその他の部品も電池ケース蓋体に設置されることから、電解液の注液口は、任意の場所に配置することができず、電池ケース蓋体の中央から外れた位置に設けられる。このような構成において、蓄電池を製造する際の電解液の電池ケース内への注入は、例えば特許文献１に記載のように、吐出口を有する注液ノズルを備えた電解液注液装置を用いて、１つの吐出口から蓄電池の幅狭側側面に向かって電解液を吐出することにより行われる。

特開２０１４－０２２０７３号公報

しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、上記従来技術のように、吐出口を有する注液ノズルを備えた電解液注液装置を用いて、１つの吐出口から蓄電池の幅狭側側面に向かって電解液を吐出する場合、注液時間に改善の余地があることを見出した。

上記事情に鑑み、本発明は、扁平角型の蓄電池の注液口に注液ノズルを挿入して電解液を注液する装置であって、電解液の注液を短時間で行うことが可能な装置を提供することを目的とする。

ここに開示される蓄電池用電解液注液装置は、扁平角型の蓄電池の注液口に注液ノズルを挿入して電解液を注液する装置である。前記注液ノズルは、前記扁平角型の蓄電池の注液口に挿入された際に、前記蓄電池の第１の幅狭側側面に対向するように構成された第１の吐出口と、前記蓄電池の第１の幅狭側側面に対向するように構成された第２の吐出口とを有し、かつ前記第１の吐出口と前記第２の吐出口とでは、その開口面積が、前記吐出口と、前記吐出口と対向する前記幅狭側側面との距離が長い方が大きいように構成されている。
このような構成によれば、電池ケース内において電解液が多く必要な方向により多くの電解液を吐出して供給することができ、電池ケース内の電解液の液回りを早くすることができる。したがって、このような構成によれば、電解液の注液を短時間で行うことが可能な蓄電池用電解液注液装置が提供される。

本発明の一実施形態に係るに係る蓄電池用電解液注液装置の全体構成を説明するための概念図である。 本発明の一実施形態に係る蓄電池用電解液注液装置によって電解液の注液が行われる蓄電池の一例の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る蓄電池用電解液注液装置の注液ノズルが蓄電池の注液口に挿入された状態を示す断面模式図である。 図３の丸枠ＩＶ内の拡大図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない蓄電池用電解液注液装置の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電池用電解液注液装置の全体構成を説明する概念図である。
本明細書において「蓄電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池、二次電池等を含む概念である。「二次電池」とは、リチウムイオン二次電池、金属リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（いわゆる化学電池）のほか、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（いわゆる物理電池）をも包含する概念である。

注液装置１００は、注液ノズル１０と、電解液タンク２０とを備える。注液ノズル１０と電解液タンク２０とは、注液通路３０により接続されている。注液通路３０には、注液通路３０を開閉するための注液バルブ３２が設けられている。電解液（図示せず）は、電解液タンク２０に収容され、注液時には注液バルブ３２が開かれて注液ノズル１０より吐出される。

注液装置１００は、蓄電池２００を収容可能な収容チャンバ４０を備えている。収容チャンバ４０は、開閉可能なように、チャンバ蓋体４２とチャンバ本体４４とから構成されている。収容チャンバ４０は、チャンバ蓋体４２とチャンバ本体４４とを閉じた場合に、気密性が確保できるように構成されている。これにより、密閉状態で収容チャンバ４０内を高真空状態に減圧することが可能となっている。なお、収容チャンバ４０の構成は、蓄電池２００を収容可能であって、かつ減圧可能な限り、これに限られない。

収容チャンバ４０には、注液通路３０が取り付けられている。収容チャンバ４０にはまた、排気通路５０が取り付けられている。排気通路５０には、排気バルブ５２が設けられている。
収容チャンバ４０には、真空ポンプ６０が接続されている。収容チャンバ４０と真空ポンプ６０との間には、真空バルブ６２が設けられている。注液装置１００は、この真空ポンプ６０によって収容チャンバ４０内を減圧状態にすることができるように構成されている。
収容チャンバ４０には、加圧装置７０が接続されている。収容チャンバ４０と加圧装置７０との間には、加圧バルブ７２が設けられている。注液装置１００は、この加圧装置７０によって収容チャンバ４０内に不活性ガス（例、希ガス等）が供給されて、収容チャンバ４０内を大気圧または加圧状態にすることができるように構成されている。
なお、真空ポンプ６０および加圧装置７０はそれぞれ、排気通路５０に接続させてもよい。

収容チャンバ４０内には、固定台（図示せず）が設けられており、この固定台に蓄電池２００が配置される。本実施形態では、蓄電池２００は、例えば、リチウムイオン二次電池である。しかしながら蓄電池２００は、電解液を使用するものであればその種類には特に制限はなく、リチウムイオン二次電池以外の蓄電池であってよい。

図２に、蓄電池２００の斜視図を示す。蓄電池２００は、図２に示すように、扁平角型である。図１および図２に示すように、蓄電池２００は、電池ケース２１０と、電池ケース２１０の内部に収容された電極体２２０とを備える。ここでは、蓄電池２００は、電解液を収容していない段階にある。電池ケース２１０は、ケース蓋体２１２とケース本体２１４とから構成されている。ケース蓋体２１２には、安全弁２３０および注液口２４０が設けられている。安全弁２３０は、電池ケース２１０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定されている感圧式安全機構である。安全弁２３０を正確に動作させるために、安全弁２３０は、ケース蓋体２１２の中央に設けられている。一方、注液口２４０は、安全弁２３０の隣に配置されており、よって中央から外れた位置に設けられている。ここでは、注液口２４０は、封止されていない状態にある。またケース蓋体２１２には、正極端子２５０と負極端子２６０とが取り付けられており、これらはそれぞれ、電池ケース２１０内に収容されている電極体２２０と電気的に接続されている。

図２に示すように、電池ケース２１０は、４つの側面を有する。４つの側面は、蓄電池２００が扁平角型であるために、互いに対向する幅が狭い一対の面（面積の狭い面）と、互いに対向する幅が広い一対の面（面積の広い面）とから構成されている。すなわち、電池ケース２１０は、面積の狭い、第１の幅狭側側面２１４ａおよび第２の幅狭側側面２１４ｂ、ならびに面積の広い、第１の幅広側側面２１４ｃおよび第２の幅広側側面２１４ｄの４つの側面を有する。

注液ノズル１０は円筒形状をしており、注液ノズル１０のノズル径は、注液口２４０の開口径よりも小さい。注液装置１００は、注液ノズル１０をケース蓋体２１２よりも低い位置に下降させることにより、注液ノズル１０を蓄電池２００の注液口２４０内に挿入可能なように構成されている。図３および図４に、注液装置１００の注液ノズル１０が蓄電池２００の注液口２４０に挿入された状態を示す。

図示されるように、注液ノズル１０はその先端に、第１の吐出口１２と第２の吐出口１４とを有する。第１の吐出口１２と第２の吐出口１４とは互いに対向している。また、第１の吐出口１２は、注液ノズル１０が蓄電池２００の注液口２４０に挿入された際に、蓄電池２００の第１の幅狭側側面２１４ａに対向するように構成されている。第２の吐出口１４は、注液ノズル１０が蓄電池２００の注液口２４０に挿入された際に、蓄電池２００の第２の幅狭側側面２１４ｂに対向するように構成されている。そのため、注液ノズル１０が蓄電池２００の注液口２４０に挿入されている図４では、第１の吐出口１２および第２の吐出口１４は、第１の幅狭側側面２１４ａおよび第２の幅狭側側面２１４ｂとそれぞれ対向している。

ここで、第１の吐出口１２と第２の吐出口１４とは、異なる開口面積を有している。具体的には、第１の吐出口１２と第２の吐出口１４とでは、その開口面積が、注液ノズル１０が蓄電池２００の注液口２４０に挿入された際の当該吐出口と、当該吐出口と対向する当該幅狭側側面との距離が長い方が大きいように構成されている。すなわち、図示例では、注液ノズル１０が蓄電池２００の注液口２４０に挿入された際の第１の吐出口と、これと対向する第１の幅狭側側面２１４ａとの距離は、注液ノズル１０が蓄電池２００の注液口２４０に挿入された際の第２の吐出口と、これと対向する第２の幅狭側側面２１４ｂとの距離よりも長い。そのため、第１の吐出口１２の開口面積は、第２の吐出口１４の開口面積よりも大きくなっている。

ここで、注液ノズル１０が蓄電池２００の注液口２４０に挿入された際に、第１の吐出口１２から第１の幅狭側側面２１４ａまでにおける、ケース蓋体２１２の下面と電極体２２０の上端との間の空間の体積をＶａ、第２の吐出口１４から第２の幅狭側側面２１４ｂまでにおける、ケース蓋体２１２の下面と電極体２２０の上端との間の空間の体積をＶｂとする。図３より明らかなように、体積Ｖａは体積Ｖｂよりも大きい。このため、第１の吐出口１２から第１の幅狭側側面２１４ａまでにおける、ケース蓋体２１２の下面と電極体２２０の上端との間の空間には、より多くの電解液を供給することが望ましい。よって、このような構成によれば、電池ケース２１０内において電解液が多く必要な方向により多くの電解液を吐出して供給することができ、電池ケース２１０内の電解液の液回りを早くすることができる。したがって、このような構成によれば、電解液の注液を短時間で行うことができる。加えて、電解液の電極体２２０への浸透の程度のばらつきを抑制することができる。

第２の吐出口１４の開口面積に対する第１の吐出口１２の開口面積の比（第１の吐出口１２の開口面積／第２の吐出口１４の開口面積）は、特に限定されないが、体積Ｖａ／体積Ｖｂで表される比と同程度（例えば、体積Ｖａ／体積Ｖｂで表される比±２０％の範囲内）であることが好ましく、体積Ｖａ／体積Ｖｂで表される比に等しいことが好ましい。このとき、電解液の注入を特に短時間で行うことが可能である。

注液ノズル１０は、好ましくは、図４に示す注液ノズル１０の先端とケース蓋体２１２の下面との距離ｈ１が、８ｍｍ以上１５ｍｍ以下になるように設計および／または制御される。また、好ましくは、第１の吐出口１２の中心および第２の吐出口の中心が、注液ノズル１０の先端から同じ距離に位置しており、注液ノズル１０の先端から第１の吐出口１２の中心および第２の吐出口１４の中心までの距離ｈ２が、１ｍｍ以上５ｍｍ以下になるように設計および／または制御される。

注液ノズル１０の第１の吐出口１２（すなわち、本実施形態では、開口面積が大きい方の吐出口）の開口径は、電解液を吐出できる限り特に制限されないが、好ましくは１．０ｍｍ以下である。一方、注液ノズル１０の第２の吐出口１４（すなわち、本実施形態では、開口面積が大きい方の吐出口）の開口径は、電解液を吐出できる限り特に制限されないが、好ましくは０．０５ｍｍ以上である。

以上のようにして、扁平角型の蓄電池の注液口にノズルを挿入して電解液を注液する装置が構成される。このような蓄電池用電解液注液装置によれば、電解液を蓄電池に短時間で注入することができる。高容量の蓄電池では、デッドスペースが小さく、電極体への電解液の浸透量も少ないことから、この電解液の注液時間の短縮効果は、高容量の蓄電池に対して特に大きい。
よって、このような蓄電池用電解液注液装置によれば、蓄電池の生産性を向上させることができる。

そこで別の側面から、ここに開示される蓄電池の製造方法は、電解液が未注入かつ注液口が未封止の扁平角型の蓄電池の電池ケース内に、当該電池ケースの注液口に挿入された電解液注液装置の注液ノズルから電解液を吐出する工程（注液工程）と、当該注液口を封止する工程（封止工程）とを包含する。当該注液ノズルは、当該蓄電池の注液口に挿入された際に、当該蓄電池の第１の幅狭側側面に対向するように構成されている第１の吐出口と、当該蓄電池の第１の幅狭側側面に対向するように構成されている第２の吐出口とを有する。また、当該第１の吐出口と当該第２の吐出口とでは、その開口面積が、当該注液ノズルが当該蓄電池の注液口に挿入された際の当該吐出口と、当該吐出口と対向する当該幅狭側側面との距離が長い方が大きいように構成されている。

以下、図面を参照しながら上記の製造方法について説明する。
注液工程では、図１に示すように、電解液が注入されておらず、かつ注液口が封止されていない蓄電池２００を準備する。この蓄電池２００を、注液装置１００の収容チャンバ４０内の固定台に配置し、チャンバ蓋体４２とチャンバ本体４４とを閉じて、収容チャンバ４０を密閉する。また、注液装置１００の注液ノズル１０を、蓄電池２００の注液口２４０に垂直方向に挿入する。

次に、真空ポンプ６０を作動させ、真空バルブ６２を開いて収容チャンバ４０内を－９５ＭＰａ～－８５ＭＰａの減圧状態に置く。このとき、排気バルブ５２および加圧バルブ７２は閉じた状態にある。
注液装置１００の注液ノズル１０は、上述のように、蓄電池２００の注液口２４０に挿入された際に、蓄電池２００の第１の幅狭側側面２１４ａに対向するように構成されている第１の吐出口１２と、蓄電池２００の第２の幅狭側側面２１４ｂに対向するように構成されている第２の吐出口１４とを有する。ここで、第１の吐出口と、これと対向する第１の幅狭側側面２１４ａとの距離が、第２の吐出口と、これと対向する第２の幅狭側側面２１４ｂとの距離よりも長いため、第１の吐出口１２の開口面積は、第２の吐出口１４の開口面積よりも大きくなっている。この第１の吐出口１２から第１の幅狭側側面２１４ａに向けて、かつ第２の吐出口１４から第２の幅狭側側面２１４ｂに向けて、電解液を電池ケース２１０内に供給する。第１の吐出口１２の方が開口面積が大きいため、電池ケース２１０内の第１の幅狭側側面２１４ａの方が、多量の電解液が供給される。
その後、真空バルブ６２を閉じて、加圧バルブ７２を開き、加圧装置７０から収容チャンバ４０に不活性ガスを供給する。こうして、収容チャンバ４０内を大気圧に戻す。あるいは、電解液の蓄電池２００の電極体２２０への含浸が促進されるように、加圧装置７０から不活性ガスを供給して収容チャンバ４０内を加圧した後、排気バルブ５２を開いて収容チャンバ４０内の圧力を大気圧に戻してもよい。
なお、上記では注液工程は減圧下で行っているが、公知方法に従い、大気圧下で行うこともできる。

続いて、封止工程を行う。封止工程は、レーザ溶接等により注液口２４０に注液蓋体（図示せず）を溶接することにより、行うことができる。これにより、蓄電池２００が得られる。

次に、実施例として本発明者らが実際に検討した結果について説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

本発明者らは、上記の注液装置１００と同様の注液ノズルの先端に２つの吐出口（第１の吐出口および第２の吐出口）を有する装置を作製した。この２つの吐出口は、それぞれ電解液が注入される電池の、対向する一対の幅狭側側面と対向しており、２つの吐出口の中心は、ノズルの先端から同じ高さに位置するようにした。第１の吐出口と、これと対向する幅狭側側面との距離は、第２の吐出口と、これと対向する幅狭側側面との距離よりも長くした。第１の吐出口は、直径がαｍｍの円形に開口させ、第２の吐出口は、直径がβｍｍの円形に開口させた。なお、第１の吐出口の口径（直径）αと第２の吐出口の口径（直径）βが異なる種々の注液ノズルを用意した。
電池を－９５ＭＰａ～－８５ＭＰａの減圧状態に置いて、注液ノズルから電解液１０１ｇを注入し、注液時間を求めた。また、第１の吐出口の直径αと第２の吐出口の直径βが異なる注液ノズルを用いて同様の操作を行って、注液時間を求めた。また、比較のため、第２の吐出口を設けずに、第１の吐出口（直径α＝０．３ｍｍ）のみを設けた注液ノズルを用いた場合の注液時間を求めた。なお、これらの検討において、電解液の溢れは発生しなかった。
結果を以下の表に示す。

表１より、第１の吐出口の直径αを第２の吐出口の直径βよりも大きくすることにより、注液時間を短縮できることがわかる。したがって、本実施形態に係る蓄電池用電解液注液装置によれば、電解液の注液を短時間で行うことが可能であることがわかる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０ 注液ノズル
１２ 第１の吐出口
１４ 第２の吐出口
１４ａ 第１の幅狭側側面
１４ｂ 第２の幅狭側側面
２０ 電解液タンク
３０ 注液通路
３２ 注液バルブ
４０ 収容チャンバ
４２ チャンバ蓋体
４４ チャンバ本体
５０ 排気通路
５２ 排気バルブ
６０ 真空ポンプ
６２ 真空バルブ
７０ 加圧装置
７２ 加圧バルブ
１００ 蓄電池用電解液注液装置

Claims (1)

1. 扁平角型の蓄電池の注液口に注液ノズルを挿入して電解液を注液する装置であって、
   前記注液ノズルは、前記扁平角型の蓄電池の注液口に挿入された際に、前記蓄電池の第１の幅狭側側面に対向するように構成された第１の吐出口と、前記蓄電池の第２の幅狭側側面に対向するように構成された第２の吐出口とを有し、かつ前記第１の吐出口と前記第２の吐出口とでは、その開口面積が、前記吐出口と、前記吐出口と対向する前記幅狭側側面との距離が長い方が大きいように構成されている、
   装置。

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