JP7188090B2 - 電池の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は電池の製造方法に関する。

特開２０１４－２３８９４６号公報（特許文献１）は、ガス抜き工程を行う前の、初回充放電（エージング）工程での充放電条件を最適化することを開示している。

特開２０１４－２３８９４６号公報

電極間に気泡が挟まることがある。気泡は例えば初回充放電時、高温環境下での放置時、実使用時等に発生し得る。例えば容量検査、抵抗検査、電圧検査等により、気泡を検出することは困難である。気泡は自然に消滅し難く、電極間に長期間留まることになる。気泡の残留により種々の不都合が生じ得る。例えばリチウムイオン電池では、気泡の周縁でリチウム（Ｌｉ）が析出しやすくなる傾向がある。

本開示の目的は電極間に生じた気泡を取り除くことである。

以下、本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により特許請求の範囲が限定されるべきではない。

〔１〕本開示の電池の製造方法は以下の（Ａ）および（Ｂ）を含む。
（Ａ）電解液を含み、かつ電極間に気泡を含む第１電池を準備する。
（Ｂ）第１電池に振動を付与することにより第２電池を製造する。振動の周波数は２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下である。

本開示の電池の製造方法では、電極間に気泡を含む第１電池が準備される。第１電池は新品電池（未使用電池）であってもよいし、中古電池（使用済み電池）であってもよい。第１電池に特定の振動が付与されることにより、電極間に挟まった気泡が徐々に移動し、電極間から取り除かれることが期待される。電極間から気泡が取り除かれることにより、第２電池が製造される。

第２電池は、第１電池とは同一性を欠く新たな製品であると考えられる。第２電池は、第１電池に比して例えばＬｉ析出耐性が向上していてもよい。本開示のＬｉ析出耐性は、高負荷充電時にＬｉが析出し難いことを示す。

なお電極間に複数個の気泡が含まれている場合、少なくとも１個の気泡が取り除かれればよく、すべての気泡が取り除かれなくてもよい。

振動の周波数は２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下である。周波数が２５Ｈｚ未満であっても、気泡が移動する可能性はある。しかし気泡の移動に長時間を要するため不経済であると考えられる。周波数が４５Ｈｚを超えると、電池に含まれる部品が破損する可能性がある。

〔２〕気泡は、例えば第１電池の初回充放電時に発生したものであってもよい。初回充放電後の第１電池に振動が付与されることにより、初回充放電時に発生した気泡が電極間から取り除かれ得る。

〔３〕気泡は、例えば第１電池が高温環境下で放置されたことにより発生したものであってもよい。高温環境下で放置された後の第１電池に振動が付与されることにより、高温環境下で発生した気泡が電極間から取り除かれ得る。

〔４〕気泡は、例えば第１電池が使用されたことにより発生したものであってもよい。使用済み電池に振動が付与されることにより、使用により発生した気泡が電極間から取り除かれ得る。これにより例えば容量回復、抵抗低減等が期待される。

〔５〕振動の加速度は例えば５Ｇ以上１０Ｇ以下であってもよい。振動の加速度が５Ｇ以上であることにより気泡の移動が促進されることが期待される。振動の加速度が１０Ｇ以下であることにより、第１電池に含まれる各部品へのダメージが無視できる程度に小さくなると考えられる。

〔６〕振動の回数は例えば１８０万回以上であってもよい。振動の回数が１８０万回以上であることにより、気泡の移動が促進されることが期待される。

図１は本実施形態の電池の製造方法の概略を示すフローチャートである。 図２は本実施形態の第１電池の構成の一例を示す概略図である。 図３は本実施形態の電極群の構成の一例を示す概略断面図である。 図４は気泡を説明するための概略図である。 図５は加振機の一例を示す概略図である。

以下、本開示の実施形態（本明細書では「本実施形態」と記される）が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。例えば本実施形態ではリチウムイオン電池が説明される。ただし電極間に気泡が挟まり得る限り、電池は如何なる構成を備えていてもよい。

＜電池の製造方法＞
図１は本実施形態の電池の製造方法の概略を示すフローチャートである。
本実施形態の電池の製造方法は「（Ａ）電池の準備」および「（Ｂ）振動の付与」を含む。

《（Ａ）電池の準備》
図２は本実施形態の第１電池の構成の一例を示す概略図である。
本実施形態の電池の製造方法は、第１電池１００を準備することを含む。本実施形態の第１電池１００は振動が付与される前の電池を示す。

第１電池１００はリチウムイオン電池である。第１電池１００は未使用電池であってもよい。第１電池１００は使用済み電池であってもよい。本実施形態の「使用済み電池」は、実機（例えば電動車両、定置用蓄電システム等）に搭載された履歴を有する電池を示す。使用済み電池は市場から回収され得る。例えば電動車両の定期点検時等に使用済み電池が回収されてもよい。

第１電池１００はケース９０を含む。ケース９０は角形（直方体）である。ケース９０はアルミニウム（Ａｌ）合金製である。ただしこれらは一例に過ぎない。ケースは例えば円筒形等であってもよいし、例えばアルミラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。

ケース９０には外部端子９１が設けられている。ケース９０に、例えば注液孔、ガス排出弁、ＣＩＤ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｄｅｖｉｃｅ）等がさらに設けられていてもよい。ケース９０は密閉されている。ケース９０は電極群５０を収納している。電極群５０には集電板９２が溶接されている。集電板９２は電極群５０と外部端子９１とを電気的に接続している。

ケース９０は電解液（不図示）も収納している。すなわち第１電池１００は電解液を含む。本実施形態の電解液は溶媒およびリチウム塩を含む。溶媒は例えばカーボネート系有機溶媒等を含んでいてもよい。リチウム塩は例えばＬｉＰＦ₆等を含んでいてもよい。

図３は本実施形態の電極群の構成の一例を示す概略断面図である。
図３には図２のｙｚ平面に平行な断面が示されている。電極群５０は巻回型である。電極群５０は、正極、セパレータおよび負極がこの順で積層され、さらにこれらが渦巻状に巻回されることにより形成されている。電極群５０は扁平状に成形されていてもよい。

なお電極群は積層型であってもよい。積層型の電極群は、正極と負極とが交互にそれぞれ１枚以上積層されることにより形成される。正極と負極との各間にはセパレータがそれぞれ配置される。

図４は気泡を説明するための概略図である。
図４には図３の領域ＩＶの拡大図が示されている。図４では便宜上セパレータが図示されていない。正極１０と負極２０との間には気泡１が挟まっている。すなわち第１電池１００は電極間に気泡１を含む。

例えば第１電池１００の製造過程において、初回充放電時、電解液に含まれる添加剤等が分解することにより、気泡１が発生し得る。すなわち気泡１は、第１電池１００の初回充放電時に発生したものであってもよい。初回充放電後の第１電池１００に振動が付与されることにより、初回充放電時に発生した気泡１が電極間から取り除かれ得る。例えば初期充放電の実施後、２４時間以内に振動が付与されてもよい。気泡１が取り除かれることにより、Ｌｉ析出耐性の向上が期待される。

例えば第１電池１００の製造過程において、初回充放電後、第１電池１００に対してエージング処理が施される場合がある。エージング処理では、例えば第１電池１００が高温環境下で放置され得る。高温環境は例えば４０℃以上８０℃以下の温度環境であってもよい。エージング処理によっても、電解液が分解し、気泡１が発生し得る。すなわち気泡１は、第１電池１００が高温環境下で放置されることにより発生したものであってもよい。高温環境下で放置された後の第１電池１００に振動が付与されることにより、高温環境下で発生した気泡１が電極間から取り除かれ得る。例えば、高温環境下での放置後、２４時間以内に振動が付与されてもよい。気泡１が取り除かれることにより、Ｌｉ析出耐性の向上が期待される。

例えば第１電池１００の実使用中、高温環境および充放電サイクル等が複合した負荷が第１電池１００に加わると考えられる。これにより電解液が分解し、気泡１が発生することもある。すなわち気泡１は、第１電池１００が使用されることにより発生したものであってもよい。使用済み電池に振動が付与されることにより、使用により発生した気泡１が電極間から取り除かれ得る。これにより例えば容量回復、抵抗低減等が期待される。

《（Ｂ）振動の付与》
本実施形態の電池の製造方法は、第１電池１００に振動を付与することにより第２電池を製造することを含む。本実施形態の第２電池は振動が付与された後の電池を示す。

例えば常温環境下（２０±１５℃）で、第１電池１００に振動が付与されてもよい。第１電池１００が組電池用の単電池である場合、組電池と同条件となるように、例えば第１電池１００の周囲が拘束され、第１電池１００が加圧された状態で振動が付与されてもよい。第１電池１００が組電池に加工された後、組電池に振動が付与されてもよい。

図５は加振機の一例を示す概略図である。
例えば加振機２００により、第１電池１００に一定方向の振動が付与され得る。加振機２００は例えば加振台２０１を備える。加振台２０１に例えば固定用ブロック２０２が設置されている。

（振動の方向）
振動の方向に合わせて、固定用ブロック２０２に第１電池１００が固定される。図５の例では、第１電池１００にｚ軸方向の振動が付与される。ただし振動の方向は特に限定されるべきではない。一定方向である限り、例えばｘ軸方向の振動が付与されてもよいし、例えばｙ軸方向の振動が付与されてもよい。

（振動の周波数）
振動の周波数は２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下である。周波数が２５Ｈｚ未満であっても、気泡１が移動する可能性はある。しかし気泡１の移動に長時間を要するため不経済であると考えられる。周波数が４５Ｈｚを超えると、第１電池１００に含まれる部品が破損する可能性がある。

第１電池１００に含まれる部品の中に、２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下の共振周波数を有する部品がある場合、該共振周波数と一致しないように、振動の周波数が設定される。共振周波数の振動が当該部品に付与されると、当該部品へのダメージが大きくなる可能性があるためである。本実施形態の第１電池１００に含まれる各部品は、例えば４５Ｈｚを超える共振周波数を有していてもよい。本実施形態の振動の周波数の範囲は、２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下（ただし各部品の共振周波数は除く）であってもよい。

（振動の加速度）
振動の加速度は例えば１Ｇ以上であってもよい。振動の加速度は例えば５Ｇ以上であってもよい。振動の加速度が５Ｇ以上であることにより気泡１の移動が促進されることが期待される。振動の加速度は例えば１０Ｇ以下であってもよい。振動の加速度が１０Ｇ以下であることにより、第１電池１００に含まれる各部品へのダメージが無視できる程度に小さくなると考えられる。振動の加速度は例えば５Ｇ以上１０Ｇ以下であってもよい。

（振動の回数）
振動の回数は例えば３６万回以上であってもよい。振動の回数が多い程、気泡１の移動が促進されることが期待される。振動の回数は例えば１８０万回以上であってもよい。振動の回数に上限は特に設けられていない。振動の回数は例えば１１２５万回以下であってもよい。振動の回数が１１２５万回であっても、２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下の周波数であれば、電池性能等に実質的な影響が無いことが確認されている。振動の回数は例えば２００万回以下であってもよい。

（振動の時間）
振動の時間は、振動の周波数と振動の回数とにより決まる。例えば２５Ｈｚの周波数で１８０万回の振動が実施された場合、振動の時間は２０時間となる。振動の時間は、例えば４時間以上であってもよい。振動の時間は例えば１２．３時間以上であってもよい。振動の時間は、例えば２０時間以下であってもよい。

通常、第１電池１００の製造後、第１電池１００の出荷までの間に、各種の検査が実施され得る。例えば自己放電検査では、第１電池１００が所定時間にわたって放置されることにより、放置に伴う電圧降下量が測定される。第１電池１００の製造後、組電池への加工までの間に待機時間が設けられる場合もある。組電池の製造後、組電池の出荷までの間に待機時間が設けられる場合もある。本実施形態の振動の時間は、これらの検査時間、待機時間等を兼ねてもよい。これにより振動の時間が検査時間等に吸収され、製造時間の増加が抑制され得る。

以上より第２電池が製造される。第２電池は、例えば第１電池１００に比してＬｉ析出耐性が向上していてもよい。第２電池は、例えば第１電池１００に比して容量が増加していてもよい。第２電池は、例えば第１電池１００に比して抵抗が低減していてもよい。

以下、本開示の実施例（本明細書では「本実施例」と記される）が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。本実施例の使用済み電池および未使用電池はいずれもリチウムイオン電池である。

＜電池の製造＞
《実施例１》
使用済み電池が２個準備された。各使用済み電池は同一仕様を有し、かつ同一条件で使用されたものであった。各使用済み電池は電解液を含んでいた。各使用済み電池は電極間に気泡を含んでいた。１個の使用済み電池に下記表１の振動が付与された。振動が付与された使用済み電池と、振動が付与されなかった使用済み電池との間でＬｉ析出耐性が比較された。下記表１の評価の欄において「効果大」は、振動が付与された電池においてＬｉ析出がみられず、かつ振動が付与されなかった電池にＬｉ析出がみられたことを示す。

《実施例２》
未使用電池が２個準備された。各未使用電池は同一仕様を有していた。各未使用電池は初期充放電後の状態であった。各未使用電池は電解液を含んでいた。各未使用電池は電極間に気泡を含んでいた。実施例１と同様に、振動の付与とＬｉ析出耐性の評価とが実施された。

《実施例３》
下記表１に示されるように振動の回数が変更されることを除いては、実施例１と同様に、振動の付与とＬｉ析出耐性の評価とが実施された。下記表１の評価の欄において「効果あり」は、振動が付与された電池のＬｉ析出面積が、振動が付与されなかった電池のＬｉ析出面積に比して小さかったことを示す。

《実施例４》
下記表１に示されるように、振動の加速度、周波数および回数が変更されることを除いては、実施例２と同様に振動の付与とＬｉ析出耐性の評価とが実施された。

《比較例１》
２個の未使用電池が準備された。１個の未使用電池に下記表１の超音波振動が付与された。これを除いては実施例２と同様にＬｉ析出耐性の評価が実施された。下記表１の評価の欄において「効果みられず」は、振動が付与された電池と、振動が付与されなかった電池との間でＬｉ析出耐性に差がみられなかったことを示す。

《比較例２》
未使用電池が使用済み電池に変更されることを除いては、比較例１と同様に超音波振動の付与とＬｉ析出耐性の評価とが実施された。

《比較例３》
下記表１に示されるように、振動の加速度および回数が変更されることを除いては、実施例２と同様に振動の付与が実施された。比較例３では振動中に電極から活物質層が脱落した。振動の周波数が４５Ｈｚを超えているためと考えられる。

《比較例４》
下記表１に示されるように、振動の加速度および回数が変更されることを除いては、実施例２と同様に振動の付与が実施された。比較例４では振動中に集電板と電極群との溶接部が破断した。振動の周波数が４５Ｈｚを超えているためと考えられる。

＜結果＞
上記表１に示されるように、２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下の周波数の振動が電池に付与されることにより、Ｌｉ析出耐性が向上することが確認された（実施例１～４）。電極間に挟まれた気泡が取り除かれたためと考えられる。

振動の周波数が４５Ｈｚを超えると、電池に含まれる部品が破損した（比較例３および４）。

超音波振動では、Ｌｉ析出耐性に変化がみられなかった（比較例１および２）。超音波振動では、振動の周波数が非常に大きいため、電池に含まれる部品へのダメージが大きくなる可能性もある。

本実施形態および本実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１ 気泡、１０ 正極、２０ 負極、５０ 電極群、９０ ケース、９１ 外部端子、９２ 集電板、１００ 第１電池、２００ 加振機、２０１ 加振台、２０２ 固定用ブロック。

Claims (5)

1. 電解液を含み、かつ電極間に気泡を含む第１電池を準備すること、
   および、
   前記第１電池に振動を付与することにより第２電池を製造すること、
   を含み、
   前記振動の周波数は２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下であり、
   前記気泡は、前記第１電池が高温環境下で放置されたことにより発生したものである、
   電池の製造方法。
2. 電解液を含み、かつ電極間に気泡を含む第１電池を準備すること、
   および、
   前記第１電池に振動を付与することにより第２電池を製造すること、
   を含み、
   前記振動の周波数は２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下であり、
   前記気泡は、前記第１電池が使用されたことにより発生したものである、
   電池の製造方法。
3. 電解液を含み、かつ電極間に気泡を含む第１電池を準備すること、
   および、
   前記第１電池に振動を付与することにより第２電池を製造すること、
   を含み、
   前記振動の周波数は２５Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下であり、
   前記振動の回数は１８０万回以上である、
   電池の製造方法。
4. 前記気泡は、前記第１電池の初回充放電時に発生したものである、
   請求項３に記載の電池の製造方法。
5. 前記振動の加速度は５Ｇ以上１０Ｇ以下である、
   請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電池の製造方法。

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