JPWO2013136445A1 - 電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

実施形態によれば、注液工程と、第１の封止工程と、少なくとも充電を含む工程と、ガス放出工程と、第２の封止工程とを含む電池の製造方法が提供される。注液工程では、電極を含む外装部材内に外装部材に開口された注液口を通して電解液が注液される。第１の封止工程では、注液口が封止される。ガス放出工程では、外装部材にガス抜き孔を開口し、外装部材内のガスをガス抜き孔から放出させる。第２の封止工程では、ガス抜き孔が封止される。

Description

本発明の実施形態は、電池の製造方法に関する。

近年、急速に普及しているハイブリッド電気自動車、プラグイン電気自動車等の電気自動車の電源には、充放電可能な直方体状の非水電解質電池、例えばリチウムイオン電池が主として用いられている。リチウムイオン電池は、正極及び負極を、セパレータを介して捲回または積層した電極群、及び非水電解質を、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、直方体状をなすケースに収納して構成される。

リチウムイオン電池のような非水電解質電池では、製造工程中に電池内に水分が混入することが避けられず、水が電気分解されて発生するガスによって電池ケースの内圧が上昇するという問題があった。

特開２００６−３３１８２８号公報 特開２００７−５９１４５号公報

本発明が解決しようとする課題は、外装部材の膨れを抑制することが可能な電池の製造方法を提供することである。

実施形態によれば、注液工程と、第１の封止工程と、少なくとも充電を含む工程と、ガス放出工程と、第２の封止工程とを含む電池の製造方法が提供される。注液工程では、電極を含む外装部材内に外装部材に開口された注液口を通して電解液が注液される。第１の封止工程では、注液口が封止される。ガス放出工程では、外装部材にガス抜き孔を開口し、外装部材内のガスをガス抜き孔から放出させる。第２の封止工程では、ガス抜き孔が封止される。

図１は、実施形態に係る電池の展開斜視図である。 図２は、図１に示す電池を下方から見た部分展開斜視図である。 図３は、図１に示す電池で用いられる電極群の部分展開斜視図である。 図４は、図１に示す電池の上面図である。 図５は、図１に示す電池についてのガス放出工程を示す断面図である。 図６は、図１に示す電池についての第２の封止工程を示す断面図である。 図７は、実施形態に係る方法で製造された電池の斜視図である。 図８は、実施形態に係る電池の上面図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施形態）
実施形態に係る電池の製造方法は、注液工程と、第１の封止工程と、少なくとも充電を含む工程と、ガス放出工程と、第２の封止工程とを含む。

注液工程と、第１の封止工程とを経た電池の一例を図１〜図４に示す。図１〜図４に示す電池は、充電を含む工程、ガス放出工程及び第２の封止工程を経て密閉型の角型非水電解質電池になるものである。電池は、外装部材１と、外装部材１内に収納された偏平型電極群２と、偏平型電極群２に含浸された非水電解液（図示しない）とを含む。外装部材１は、有底角筒型容器３と、容器３の開口部に例えば溶接によって固定された封口板４とを有する。

図３に示すように、偏平型電極群２は、正極５と負極６がその間にセパレータ７を介して偏平形状に捲回されたものである。正極５は、例えば金属箔からなる帯状の正極集電体と、正極集電体の長辺に平行な一端部からなる正極集電タブ５ａと、少なくとも正極集電タブ５ａの部分を除いて正極集電体に形成された正極活物質層５ｂとを含む。一方、負極６は、例えば金属箔からなる帯状の負極集電体と、負極集電体の長辺に平行な一端部からなる負極集電タブ６ａと、少なくとも負極集電タブ６ａの部分を除いて負極集電体に形成された負極活物質層６ｂとを含む。

このような正極５、セパレータ７及び負極６は、正極集電タブ５ａが電極群の捲回軸方向にセパレータ７から突出し、かつ負極集電タブ６ａがこれとは反対方向にセパレータ７から突出するよう、正極５及び負極６の位置をずらして捲回されている。このような捲回により、電極群２は、図３に示すように、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ５ａが突出し、かつ他方の端面から渦巻状に捲回された負極集電タブ６ａが突出している。

図１及び図２に示すように、正極リード８は、正極端子９と電気的に接続するための接続プレート８ａと、接続プレート８ａに開口された貫通孔８ｂと、接続プレート８ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部８ｃとを有する。正極リード８の集電部８ｃは、その間に電極群２の正極集電タブ５ａを挟み、溶接によって正極集電タブ５ａに電気的に接続されている。一方、負極リード１０は、負極端子１１と電気的に接続するための接続プレート１０ａと、接続プレート１０ａに開口された貫通孔１０ｂと、接続プレート１０ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部１０ｃとを有する。負極リード１０の集電部１０ｃは、その間に電極群２の負極集電タブ６ａを挟み、溶接によって負極集電タブ６ａに電気的に接続されている。正負極リード８，１０を正負極集電タブ５ａ，６ａに電気的に接続する方法は、特に限定されるものではないが、例えば超音波溶接やレーザ溶接等の溶接が挙げられる。

電極ガード１２は、正負極集電タブ５ａ，６ａの端面を覆う側板１２ａと、正負極集電タブ５ａ，６ａの最外周を覆うようにＵ字状に湾曲した側板１２ｂとを有する。電極ガード１２の上端は、そこから電極群２を収納するため、開放されている。電極群２の正極集電タブ５ａは、正極リード８の集電部８ｃが溶接された状態で電極ガード１２によって被覆される。正極リード８の接続プレート８ａは、電極ガード１２の上方に位置している。一方、電極群２の負極集電タブ６ａは、負極リード１０の集電部１０ｃが溶接された状態で電極ガード１２によって被覆される。負極リード１０の接続プレート１０ａは、電極ガード１２の上方に位置している。２つの電極ガード１２は、電極群２に絶縁テープ１３によって固定されている。

図１及び図２に示すように、封口板４は、矩形板状をしている。封口板４は、正負極端子９，１１を取り付けるための貫通孔４ａ，４ｂを有する。また、封口板４は、注液口と、板厚の薄い薄肉部１５とを有する。注液口は、そこを通して電解液が注液された後、第１の封止蓋１４によって封止される。第１の封止蓋１４は、円板状をしている。第１の封止蓋１４は、封口板４の表面に例えば溶接によって固定される。図４に、第１の封止蓋１４が取り付けられた封口板４の上面図を示す。図４において１５で示された部材は、薄肉部である。薄肉部１５は、封口板４の板厚よりも薄い円形領域に、十字形状の溝が形成されたものからなる。なお、十字形状の溝は無くても良い。また、封口板４の板厚よりも薄い領域の形状は、円形に限らず、例えば、三角形、四角形等の多角形、楕円等にすることができる。第１の封止蓋１４は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属から形成される。また、第１の封止蓋１４の形状は、円板状に限定されるものではなく、注液口の形状に応じて変更することができる。

図１及び図２に示すように、絶縁板１６は、一方の端部に正極リード８の接続プレート８ａが収納される凹部１６ａと、他方の端部に負極リード１０の接続プレート１０ａが収納される凹部１６ｂとを有する。凹部１６ａと凹部１６ｂとの間は、開口されており、封口板４の裏面が露出している。また、絶縁板１６の凹部１６ａ及び凹部１６ｂは、それぞれ、封口板４の貫通孔４ａ，４ｂと連通する貫通孔を有する。絶縁板１６は、封口板４の裏面に配置される。

正負極端子９，１１は、それぞれ、矩形板状の突起部９ａ，１１ａと、突起部９ａ，１１ａから延出された軸部９ｂ，１１ｂとを有する。また、絶縁ガスケット１７は、正負極端子９，１１の軸部９ｂ，１１ｂが挿入される貫通孔１７ａを有する。正極端子９の軸部９ｂは、絶縁ガスケット１７の貫通孔１７ａ、封口板４の貫通孔４ａ、絶縁板１６の貫通孔、正極リード８の接続プレート８ａの貫通孔８ｂに挿入され、これら部材にかしめ固定されている。これにより、正極端子９は、正極リード８を経由して正極集電タブ５ａと電気的に接続される。一方、負極端子１１の軸部１１ｂは、絶縁ガスケット１７の貫通孔１７ａ、封口板４の貫通孔４ｂ、絶縁板１６の貫通孔、負極リード１０の接続プレート１０ａの貫通孔１０ｂに挿入され、これら部材にかしめ固定されている。これにより、負極端子１１は、負極リード１０を経由して負極集電タブ６ａと電気的に接続される。

図１〜図４に示す電池は、例えば、以下の方法により作製される。電極群２を作製し、得られた電極群２を乾燥した後、電極群２の正負極集電タブ５ａ，６ａに正負極リード８，１０を溶接する。次いで、電極群２の正負極集電タブ５ａ，６ａに電極ガード１２を取り付け、電極ガード１２を電極群２に絶縁テープ１３によって固定する。次いで、正負極端子９，１１、封口板４、正負極リード８，１０をかしめ固定によって一体化した後、容器１の開口部に封口板４を溶接によって固定する。次いで、容器１内に残存する水分を封口板４の注液口から除去した後、電解液を注液口から注液する。次いで、注液口を第１の封止蓋１４で封止することにより第１の封止を行う。

第１の封止がなされた電池に、少なくとも充電を施す工程が行われる。この工程では、充電後、必要に応じて放電やエージングを施しても良い。また、充放電を複数回行っても良い。電池の外装部材内には乾燥工程で除去し切れない水分が存在する。この水分は、初充電か、それ以降の充電もしくはエージングで電気分解されるため、ガスを発生させる。このガスは、以下に説明するガス放出工程で除去される。

ガス放出工程を図５を参照して説明する。図５に示すように、薄肉部１５内の凹部にベローズ１８を挿入して圧着し、ベローズ１８内を吸引することで負圧にする。次いで、先端が鋭利な形状の作動ピン１９を破断部材としてベローズ１８内に挿入し、作動ピン１９で薄肉部１５を突き破ると、外装部材１内のガスが放出される。これにより、使用中の電池の膨れを小さくすることができる。放出されるガスには、非水電解液等が含まれる。このため、ガスを放出させる雰囲気を負圧にすることにより、ガスが広範囲に拡散するのを防止することが望ましい。なお、ベローズを用いる代わりに、グローブボックスなどの密閉空間内において作動ピン１９で薄肉部１５を突き破り、密閉空間内にガスを放出させた後、密閉空間内のガスを回収することによって、ガスが広範囲に拡散するのを防止することができる。

次いで、第２の封止工程が行なわれる。第２の封止工程を図６を参照して説明する。封口板４には、薄肉部１５が開放されて形成された開口部２０が存在する。円形の第２の封止蓋２１を封口板４の表面に配置し、第２の封止蓋２１で開口部２０を覆い、第２の封止蓋２１を封口板４に溶接で固定することによって第２の封止がなされる。第２の封止がなされた電池の斜視図を図７に示す。第２の封止蓋２１は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属から形成される。

第２の封止工程後、出荷前に、充放電サイクルを施しても良い。

なお、図４では、ガス抜き用薄肉部１５を１つ設けたが、ガス抜き用薄肉部１５の数は複数にすることができる。その一例を図８に示す。これにより、ガス抜きの回数も複数回とすることができ、例えば初充電時に製造工程中に電池内に混入する水分が十分にガス化しなかった場合でも、2回目充電、3回目充電時にガス化させてガス抜きを実施することができる。

ここで、正負極の活物質、セパレータ、非水電解液、容器、封口板及び電極ガードについて説明する。

正極活物質は、特に限定されるものではなく、種々の酸化物、例えば、リチウム含有コバルト酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ_２）、二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物（例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＭｎＯ_２）、リチウム含有ニッケル酸化物（例えば、ＬｉＮｉＯ_２）、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．２Ｏ_２）、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。

負極活物質は、特に限定されるものではなく、例えば、黒鉛質材料もしくは炭素質材料（例えば、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体など）、カルコゲン化合物（例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブなど）、軽金属（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム、リチウム合金など）、リチウムチタン酸化物（例えば、スピネル型のチタン酸リチウム）等を挙げることができる。

セパレータは、特に限定されるものではなく、例えば、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物などを用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー、セルロースなどをあげることができる。

非水電解液は、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより調製される。非水溶媒は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフランなどを挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質は、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ_６）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３）などのリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、０．２ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌとすることが望ましい。電解質の濃度が低すぎると十分なイオン導電性を得ることができない場合がある。一方、高すぎると溶媒に完全に溶解できない場合がある。

容器及び封口板の材料には、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）めっきした鉄、ステンレス（ＳＵＳ）などを用いることができる。正負極端子９，１１をアルミニウムもしくはアルミニウム合金から形成する場合、正負極リード８，１０には、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を使用することができる。

電極ガードに使用される樹脂としては、電解液に侵されにくい樹脂であればいかなる樹脂でも使用可能であるが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン酢酸ビニルアルコール共重合体、エチレン・アクリル酸共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、エチレン・メチルアクリレート共重合体、エチレンメタクリルアクリレート共重合体、エチレン・メチルメタクリル酸共重合体、アイオノマー、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレンなどを用いることができ、上記樹脂は、１種類を単独で使用してもよく、また、複数の種類を混合して使用してもよい。中でも、ポリプロピレンまたはポリエチレンを用いることが好ましい。

以上説明した実施形態の電池の製造方法は、充電を含む工程後、外装部材内のガスをガス抜き孔から放出させ、ガス抜き孔を封止する工程を含む。このため、外装部材内に乾燥工程で除去し切れない水分が存在し、初充電か、それ以降の充電もしくはエージングでガスが発生しても、使用中の電池の膨れを小さくすることができる。充電を含む工程中のガス発生量を少なくするためには、電極群中の水分量をできる限り少なくする必要がある。そのためには、乾燥工程での温度を高くするか、乾燥時間を長くすることが必要となるが、乾燥温度を高くしたり、乾燥を長時間行なうと、電極が熱により劣化する可能性が高くなる。実施形態によると、電極群中の水分量が多く、充電を含む工程中のガス発生量が多くても、ガス放出工程で放出させることができるため、使用中の電池膨れを少なくすることができる。よって、電極群を過酷な条件で乾燥させる必要がないため、電極の熱劣化を防止することができ、長寿命が得られる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…外装部材、２…電極群、３…容器、４…封口板、５…正極、５ａ…正極集電タブ、５ｂ…正極活物質含有層、６…負極、６ａ…負極集電タブ、６ｂ…負極活物質含有層、７…セパレータ、９…正極端子、１１…負極端子、１２…電極ガード、１３…絶縁テープ、14…第1の封止蓋、15…薄肉部、16…絶縁板、17…絶縁ガスケット、１８…ベローズ、１９…作動ピン、２１…第2の封止蓋。

Claims (4)

1. 電極を含む外装部材内に前記外装部材に開口された注液口を通して電解液を注液する工程と、
   前記注液口を封止する第１の封止工程と、
   少なくとも充電を含む工程と、
   前記外装部材にガス抜き孔を開口し、前記外装部材内のガスを前記ガス抜き孔から放出させる工程と、
   前記ガス抜き孔を封止する第２の封止工程と
   を含むことを特徴とする電池の製造方法。
2. 前記外装部材は、板厚の薄い薄肉部を有し、前記薄肉部を破断部材を用いて破断させることにより前記外装部材に前記ガス抜き孔を開口することを特徴とする請求項１記載の電池の製造方法。
3. 前記ガス抜き孔の開口を負圧雰囲気で行うことを特徴とする請求項２記載の電池の製造方法。
4. 前記破断部材は、針状の先端部を有することを特徴とする請求項２記載の電池の製造方法。

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