JP7172891B2 - 二次電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，二次電池を製造する方法に関する。さらに詳細には，組み立てた二次電池の電池容量の検査も合わせ行うようにした二次電池の製造方法に関するものである。

リチウムイオン二次電池などの二次電池において電池容量は，その性能を評価する主要な指標である。このため二次電池を製造するに際して，電池容量の検査をも行うようにしている例がある。そのための検査工程として使用できる技術の一例が特許文献１に記載されている。同文献の検査技術では，初期電圧から放電終了電圧まで二次電池を放電させる放電工程を行うこととしている。その際の放電電流と放電時間とにより電池容量を算出し，これに基づき二次電池の良否を判定する。

特開2014-185927号公報

しかしながら前記した従来の技術には，次のような問題点があった。検査工程での所要時間とエネルギーロスが大きいのである。その理由は，放電時間が電池容量の算出のためのパラメータの一つとなっていることにある。ある程度放電時間を長く取らないと算出精度が低くなってしまうからである。このため所要時間を短縮しにくいのである。また，放電するということは，初期充電で二次電池に投入したエネルギーをそのまま捨てるに等しいことである。このためエネルギーロスも大きいのである。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，検査工程を含みつつもその所要時間が短くエネルギーロスが小さい二次電池の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様における二次電池の製造方法は，二次電池を組み立てる組立工程と，組み立てた二次電池を充電する充電工程と，充電した二次電池の電池容量を検査する検査工程とを行うことにより二次電池を製造する方法である。ここにおいて検査工程では，二次電池と外部電源とにより閉回路を構成する回路構成工程と，二次電池および外部電源により閉回路に電圧を印加した状態での閉回路の電流値を，１分以上４分以内の時間にわたって反復的に取得する電流値取得工程と，取得した電流値の時間当たりの変化量があらかじめ定めた適正範囲内にあるか否かを判定する判定工程とを行う。

上記態様における二次電池の製造方法では，組み立てられそして充電された二次電池に対して，電池容量の合否を検査する検査工程を行う。検査工程では，検査対象の二次電池とそれとは別の外部電源とにより構成した閉回路の電流値を取得する。その電流値の時間当たりの変化量に基づいて判定を行う。外部電源により二次電池に電圧を印加している状態で回路電流を取得するので，二次電池の放電が抑制され，電流値の変化量が安定する。このため，エネルギーロスが抑制され，また短時間での判定が可能である。電池容量が規格外であると判定された二次電池は排除すればよいので，良品の二次電池のみを製造できる。

本構成によれば，検査工程を含みつつもその所要時間が短くエネルギーロスが小さい二次電池の製造方法が提供されている。

実施の形態により製造される電池の内部構成を示す断面図である。 実施の形態に係る電池の製造方法を示すフローチャートである。 容量検査工程の内容を示すフローチャートである。 実施の形態に係る容量検査工程で使用する回路を示す回路図である。 電流値の時間当たりの変化量の変遷を示すグラフである。

以下，本発明を具体化した実施の形態について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，図１に示す電池１を製造する方法として本発明を具体化したものである。図１の電池１は，扁平角型の電池ケース１０に電極捲回体２０を収納したものである。電極捲回体２０は，中央の発電部４１およびその両サイドの正極接続部２１，負極接続部３１からなっている。電池ケース１０には電極捲回体２０の他に電解液１９も収納されている。収納されている電解液１９の一部は電極捲回体２０の中に含浸されている。電池ケース１０のうちの蓋部分１３には，正極端子５１および負極端子６１が設けられている。電池ケース１０の内部では，正極端子５１と正極接続部２１とが正極集電部材５０により接続されており，負極端子６１と負極接続部３１とが負極集電部材６０により接続されている。

電池１は，リチウムイオン二次電池その他の二次電池である。本形態では，図２に示す手順により電池１を製造する。図２の手順には，組付工程，初充電工程，高温エージング工程，冷却工程，短絡検査工程，容量検査工程，の各工程が含まれている。これらのうち高温エージング工程，冷却工程，短絡検査工程は，実施しないよりも実施した方がより好ましいが，本発明として必須実施事項ではない。

組付工程は，上記の電極捲回体２０を作製して電池ケース１０に収納し，電池１とする工程である。正極端子５１や負極端子６１等の取り付け，電解液１９の注入もこの工程の中に含まれる。初充電工程は，組み付けが済んだ電池１を初めて充電する工程である。高温エージング工程は，初充電後の電池１を所定時間（１０～３０時間程度）にわたり高温（５０～１００℃程度）に維持する工程である。高温エージング工程は，内部短絡による不良率を顕在化して検査の精度を上げるために行われる。冷却工程は，高温エージング工程後の電池１の温度を常温まで低下させる工程である。短絡検査工程は，電池１のうち内部短絡不良のものを検出して排除する工程である。短絡検査工程は，例えば特開２０１９－２１５１０号公報の［００３４］に記載されている方法により実施することができる。

容量検査工程について説明する。この工程では，電池１の電池容量が適正な範囲内にあるか否かを個別に判定し，適正範囲内でない不良品の電池１があれば排除する。この工程は，図３に示す手順で実施される。図３に示されるように容量検査工程では，回路構成とも電流値取得と，判定とを行う。

回路構成の工程では，図４に示す回路を構成する。図４の回路は，電池１の他に電源装置２と，抵抗３と，抵抗４と，電流計５とを有している。図４中の電源装置２は，電池１に対して外部から電圧を掛ける役割を果たすものである。図４中では，電源装置２のプラス端子が電池１の正極端子５１に，電源装置２のマイナス端子が電池１の負極端子６１に，それぞれ接続されている。これにより，電源装置２が電池１に対して逆方向の外部電圧を掛けるようにしている。

電池１と電源装置２とを結ぶ配線上に，抵抗３と電流計５とが配置されている。電流計５は，電池１と電源装置２とにより構成される閉回路に流れる回路電流を計測するものである。電流計５や抵抗３とは別に抵抗４が，正極端子５１と負極端子６１との間に配置されている。図４の回路では，抵抗４の抵抗値Ｒ４よりも抵抗３の抵抗値Ｒ３の方が大きい設定となっている。

図４中では電池１を，内部容量ＣＩと内部抵抗ＲＩと短絡抵抗ＲＳとによるモデルで表している。内部容量ＣＩに対して，内部抵抗ＲＩは直列に配置され短絡抵抗ＲＳは並列に配置されている。内部容量ＣＩは電池容量を静電容量として表したモデルである。内部抵抗ＲＩは充放電に伴う電池１自身による損失を表したモデルである。短絡抵抗ＲＳは電池１の自己放電を表したモデルである。前述の短絡検査工程は，短絡抵抗ＲＳが過小である電池１を不良品として排除するための検査である。

図４の回路を組んだら，電流値の取得を行う。取得する電流値はむろん，電流計５の読み値である。この回路電流値の取得を行う際の電源装置２の出力電圧は，電池１の開放電圧とほぼ同じくらいとする。本形態では電流値の取得を，１分間程度にわたって反復的に行う。

取得した電流値に基づいて電池容量の判定を行う。判定の指標となるのは，電流値そのものではなくその変化量である。回路電流の変化量，特に時間当たりの変化量は，電池１の電池容量を適切に反映するからである。図４の回路を組んでいる状態では，電池１は緩やかに放電する（あるいは充電される）状況にある。このため電池電圧が徐々に変化して行きそれが回路電流の変化として現れるからである。電流値の変化は，電池容量が小さいほど速く，電池容量が大きいほど遅いこととなる。したがって，電流値の変化量に適正範囲を設定しておけばよい。取得した電流値の変化量がその適正範囲内にあれば電池１の電池容量は規格内であると判断でき，適正範囲外であれば電池１の電池容量は規格外であると判断できる。よって，電流値の変化量が適正範囲内にあるか否かを判定すればよい。

この判定について，図５のグラフを用いてさらに説明する。図５のグラフの縦軸は，電流値の時間当たりの変化量［μＡ／秒］である。横軸は，電流値の取得開始からの経過時間［秒］である。図５のグラフは，良品の電池１（電池容量が定格どおりのもの）および不良品の電池１（電池容量が定格から外れているもの）についての以下の条件下でのものである。

［電池１について］
電池種：リチウムイオン二次電池
正極活物質：三元系リチウム塩
負極活物質：カーボン
電解液１９の電解質：六フッ化リン酸リチウム
電解液１９の溶媒：混合溶媒（エチレンカーボネート，ジメチルカーボネート，エチルメチルカーボネート）
定格電池容量：３.８Ａｈ（アンペアアワー）
電池電圧：３.９Ｖ（電流値取得の開始時）

［回路について］
抵抗値Ｒ３：１ｋΩ
抵抗値Ｒ４：１０Ω

上記の条件で，図４の回路における電源装置２の出力電圧を３．９５Ｖとして測定を開始したところ，電流計５の読み値は３０ｍＡ程度となり，その後徐々に増加した。電流値の取得間隔は１０秒とした。

図５から分かるように，良品，不良品それぞれ，電流値取得の初期からほぼ一定の時間当たり変化量を示している。ただし良品の時間当たり変化量と不良品の時間当たり変化量との間には４μＡ／秒程度の有意な差がある。このため良品と不良品とを明瞭に区別することができる。図５の例における不良品は良品よりも低い時間当たり変化量を示している。これは不良品の電池容量が定格に対して過大であることを意味する。電池容量が過小であるような不良品であれば良品よりも高い時間当たり変化量が示されることとなる。もちろんこれも，図５中に示した電池容量が過大である不良品と同様に明瞭に区別可能である。

図５において良品，不良品いずれも値が安定しているということは，判定のために特に長時間掛ける必要はないということである。このため，図５中では４分程度の経過時間における変化量をプロットしているが，実際には１分程度で十分である。その後は電流値の取得を打ち切ってもよい。このため，容量検査工程での電池１の放電量は１．５μＡｈ程度に留まる。これは，従来技術では数１０分程度の時間を掛けて数Ａｈ程度も放電させながら検査をしていたことと比べて，大幅な短時間化および省エネルギー化ができたことになる。

ここで抵抗３は，電源装置２の出力電圧のばらつきの影響を緩和して検査ノイズを低減する役割を果たしている。回路電流をＩｃ，電源装置２の出力電圧をＶｍ，電池１の電圧をＶcell，で表すと，回路電流Ｉｃは下の（１）式で与えられる。これより，抵抗値Ｒ３が大きいほど，電圧Ｖｍの揺らぎに起因する回路電流Ｉｃのばらつき，すなわち検査ノイズが小さいのである。前述の抵抗値Ｒ３の設定は，この観点から定めたものである。
Ｉｃ ＝ （Ｖｍ－Ｖcell）／Ｒ３ ……（１）

本形態での上記のような回路電流の変化量に基づく電池容量の判定は，図４に示されるもののうち電池１と電流計５と抵抗３だけでも原理的には可能である。しかしそれだけでは，上記のように短い所要時間および高い省エネルギー性を得つつ，なおかつ高い判定精度をも得ることはできない。これら３者だけの場合，電池１を単純に放電させながら回路電流を測定することになる。この場合には放電量の抑制は抵抗３のみにより行われることになるので，判定時間の短縮および省エネルギー化と，判定精度との両立が困難なためである。本形態では電源装置２で電池１に電圧を印加しつつ電流値を測定するので，両立が可能となっている。

本形態ではまた抵抗４が設けられていることによっても，検査時間の短縮が図られている。本形態では前述のように回路電流の変化量で判定を行うので，迅速な判定のためには変化量がある程度大きく現れた方が有利である。回路電流の変化は，検査開始後の電池電圧Ｖcellの変化（低下）によって起こる。回路電流の変化量をΔＩｃ，電池電圧の変化量をΔＶcell，で表すと，回路電流の変化量ΔＩｃは下の（２）式で与えられる。
ΔＩｃ ＝ （Ｖｍ－ΔＶcell）／Ｒ３ ……（２）

ここで抵抗値Ｒ３は固定値であり，出力電圧Ｖｍは電池電圧Ｖcellの初期値にほぼ等しいので，電流変化量ΔＩｃは電池電圧の変化量ΔＶcellとほぼ比例することになる。電圧変化量ΔＶcellが大きい方が電流変化量ΔＩｃも大きく，迅速な判定のためには有利である。電圧変化量ΔＶcellを大きくするには，抵抗４としてその抵抗値が小さいものを用いることで電池１をある程度放電させればよい。このため抵抗値Ｒ４は小さい方がよい。特に，抵抗値Ｒ４が抵抗値Ｒ３よりも小さいことが望ましい。前述の抵抗値Ｒ４の設定は，この観点から定めたものである。なお，抵抗値Ｒ４が小さいことは，検査時における電池１の放電量，すなわちエネルギーロスを大きくする方向の要因である。しかし上記のようにして検査時間が短時間で済むことにより，実質のエネルギーロスはさほど大きくならない。

以上詳細に説明したように本実施の形態によれば，組み立てて充電した電池１に対して，外部電源である電源装置２とともに閉回路を構成して容量検査工程を行うこととしている。容量検査工程では，電池１に電圧を印加しつつ取得した電流値の時間当たりの変化量を判定指標として電池１の電池容量を判定する。かくして，検査工程を含みつつもその所要時間が短くエネルギーロスが小さい二次電池の製造方法が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，対象とする二次電池の種類は，図５のグラフについての説明の中で挙げたリチウムイオン二次電池に限らず他の種類であってもよい。また，図４の回路中の抵抗４，すなわち電池１の両極端子間に，電池１から見て電源装置２と並列の位置に配置された抵抗素子は必須事項ではない。さらに抵抗３，すなわち電池１と電源装置２とにより構成される閉回路上に配置された抵抗素子も省略可能である。抵抗３を省略する場合には，電源装置２の出力電圧を極めて高精度に制御すればよい。

１ 電池
２ 電源装置
５ 電流計

Claims (1)

1. 二次電池を組み立てる組立工程と，
   組み立てた二次電池を充電する充電工程と，
   充電した二次電池の電池容量を検査する検査工程とを行うことにより二次電池を製造するとともに，
   前記検査工程では，
   前記二次電池と外部電源とにより閉回路を構成する回路構成工程と，
   前記二次電池および前記外部電源により前記閉回路に電圧を印加した状態での前記閉回路の電流値を，１分以上４分以内の時間にわたって反復的に取得する電流値取得工程と，
   取得した電流値の時間当たりの変化量があらかじめ定めた適正範囲内にあるか否かを判定する判定工程とを行う
   二次電池の製造方法。

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