JPWO2015087617A1 - 電池の電解液注液装置 - Google Patents
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Abstract
チャンバー（１４）内に電解液（２６）が残存していると、この電解液（２６）が注液の際に揮発する分、注液量が過剰となることを課題とする。減圧状態に密封されたチャンバー（１４）内に配置された電池（１）の内部に電解液を注液する注液ポンプ（１７）と、チャンバー（１４）内を減圧する真空ポンプ（１６）と、を有する。チャンバー（１４）内の圧力が所定の真空状態となるまでの真空到達時間を計測し、この真空到達時間が所定値よりも長くなると、電解液の注液量を減量補正する。
Description
本発明は、真空状態に密封されたチャンバー内で電池の内部に電解液を注液する電解液注液装置の改良に関する。
電池の内部に電解液を注入する装置として、減圧状態に密封された真空環境下のチャンバー内で電解液を注入する技術が知られている（特許文献１参照）。
このような真空状態での注液は、電解液が不可避的に揮発する。このため、注液ポンプによる電解液の注液量の設定に際しては、予め電解液が揮発する揮発量を勘案し、実際に電池内に必要な規定の注液量に揮発量を加算した形で注液量が設定される。
しかしながら、注液時には、電解液がチャンバー内に飛散することを完全に防止することができず、このため、注液の回数を重ねるに従って、チャンバー内に飛散した電解液がチャンバーの内壁面等に付着する形である程度残存してしまう。
なお、チャンバー内に残存する電解液は真空状態にしても完全には揮発しないので、チャンバー内を一旦所定の真空状態まで減圧したとしても、チャンバー内に残存する電解液を完全に除去することはできない。つまり、注液が繰り返し行われると、ある程度の電解液が不可避的にチャンバー内に残存することとなる。
このようにチャンバー内に残存する電解液が所定レベルに達すると、このチャンバー内に残存している電解液が減圧時や注液時に揮発することから、本来揮発すると見込んでいた注液中の電解液が揮発せずに、注液中の電解液の揮発量が減少し、ひいては電池内に注液される電解液の注液量が過剰となる。このように注液量が過剰となると、重量オーバーとなって不良品（ＮＧ品）となるなどの品質の低下を招いてしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、注液の繰り返しによって経時的にチャンバー内に所定レベルの電解液が残存しているような場合であっても、電解液の注液量を適正に保つことができる新規な電池の電解液注液装置を提供することを目的としている。
本発明に係る電池の電解液注液装置は、減圧状態に密封されたチャンバー内に配置された電池の内部に電解液を注液する注液ポンプと、上記チャンバー内を減圧する真空ポンプと、を有している。そして、この真空ポンプによりチャンバー内の圧力が所定の真空状態となるまでの真空到達時間を計測し、この真空到達時間に応じて、上記電解液の注液量を補正している。
チャンバー内に電解液が残存している場合、真空ポンプによりチャンバー内の圧力を大気圧近傍から所定の真空状態まで減圧する、いわゆる真空引きの間にも、この残留する電解液が揮発するため、真空状態となるまでの真空到達時間が長くなる。従って、この真空到達時間によって残存する電解液の有無を判断することができる。具体的には、真空到達時間が長くなると、チャンバー内に電解液が残存していると判断して、電解液の注液量を減量補正することによって、注液量を適正化することができる。
以上のように本発明によれば、注液の繰り返しによって経時的にチャンバー内に電解液が残存しているような場合であっても、電解液の注液量を適正に保つことができる。
以下、図示実施例により本発明を説明する。先ず、電解液が注入される電池の一例であるフィルム外装電池について、図１及び図２を参照して説明する。このフィルム外装電池１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、偏平な長方形の外観形状を有し、長手方向の一方の端縁に、導電性金属箔からなる一対の端子２，３を備えている。このフィルム外装電池１は、長方形をなす電極積層体４を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体５の内部に収容したものである。上記電極積層体４は、セパレータ８を介して交互に積層された複数の正極板６および負極板７から構成されている。複数の正極板６は正極端子２に接合されており、同様に、複数の負極板７は負極端子３に接合されている。正極板６は、アルミニウム箔等の金属箔からなる正極集電体６ａの両面に正極活物質層６ｂをコーティングしたものであり、同じく負極板７は、アルミニウム箔等の金属箔からなる負極集電体７ａの両面に負極活物質層７ｂをコーティングしたものである。
外装体５は、電極積層体４の下面側に配置される１枚のラミネートフィルムと上面側に配置される他の１枚のラミネートフィルムとの２枚構造をなし、これら２枚のラミネートフィルムの周囲の４辺を重ね合わせて、その周縁に沿って互いに熱融着される。長方形をなすフィルム外装電池１の短辺側に位置する一対の端子２，３は、ラミネートフィルムを熱融着する際に、ラミネートフィルムの接合面を通して外部へ引き出される。
なお、図示例では、同じ一方の端縁に一対の端子２，３が並んで配置されているが、一方の端縁に正極端子２を配置し、かつ他方の端縁に負極端子３を配置するようにすることも可能である。
上記のフィルム外装電池１の製造手順としては、以下の通りである。まず、積層工程において、正極板６、負極板７およびセパレータ８を順次積層し、かつ端子２，３をスポット溶接等により取り付けて電極積層体４を構成する。次に、この電極積層体４を外装体５となるラミネートフィルムで覆い、一辺を残して周囲の３辺を熱融着する。次に、開口する一辺を通して外装体５の内部に電解液を注液・充填し、その後、開口する一辺を熱融着して外装体５を密閉状態とする。これによりフィルム外装電池１が完成するので、次に、適宜なレベルまで充電を行い、この状態で、一定時間、エージングを行う。このエージングの完了後、電圧検査などのために再度充電を行い、出荷される。
なお、この種のフィルム外装電池１は、複数個を偏平な箱状のケーシング内に収容したバッテリモジュールとして使用される。この場合、バッテリモジュールのケーシング内で複数のフィルム外装電池１が積層された配置となり、例えば、ケーシングの一部またはケーシングとは別個の弾性部材によって、外装体５は、電極積層体４の積層方向（電極積層体４の主面と直交する方向）に多少押圧された状態となり得る。
電解液に用いられる有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）やメチルエチルカーボネート等の他エステル系溶媒の他、繃−ブチラクトン（繃−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒、更には他の溶媒を混合、調合した有機液体溶媒を用いることができる。
図３は、フィルム外装電池１の製造工程の一部である注液工程を簡略的に示す説明図である。
ステップＳ１１では、１枚のフィルム外装電池１（以下、「セル」とも呼ぶ）をストレージから自動的に取り出す。ステップＳ１２では、この１セルのシートチェック検査を行う。ステップＳ１３では、この１セルの重量を測定する。所定の重量範囲を満たしていないＮＧ品であれば、ステップＳ１３Ａへ進み、ＮＧ品として搬出し、この注液工程から除外する。
ステップＳ１４では、クランプ治具にセルをセットする。ステップＳ１５では、注液口となるフィルム外装電池１の一辺（上辺）をカッター等により開口して、クランプ治具に位置決め・ロックする。ステップＳ１６では、セルを保持した複数（この例では２４セル）のクランプ治具を注液用マガジンにセットする。ステップＳ１７では、注液用の後述するチャンバー１４に注液用マガジンを搬入する。
そしてステップＳ１８において、クランプ治具に保持された各セルに注液を行う。注液が終了すると、ステップＳ１９へ進み、チャンバー１４からマガジンを搬出する。ステップＳ２０では、マガジンから１つの治具を取り出す。ステップＳ２１では、取り出した治具に保持されている１セルの真空仮封止を行う。ステップＳ２２では、治具からセルを取り出す。ステップＳ２３では、セルの封止部分の厚みを測定する。ステップＳ２４では、セルの成形、つまりひずみやねじれの矯正を行う。ステップＳ２５では、上記のステップＳ１３と同様に、１セルの重量測定を再び行う。ステップＳ２３で測定した厚みとステップＳ２５で測定した重量とが所定範囲を満たしていないＮＧ品であれば、ステップＳ２５Ａへ進み、ＮＧ品として搬出し、この注液工程から除外する。ステップＳ２６では、ステップＳ２３及びステップＳ２５の検査を通過した正常品の複数のセル（この例では３２セル）を検査マガジンに挿入する。ステップＳ２７では、次の検査工程へマガジンを自動搬送する。
図４及び図５を参照して、注液用マガジン（図示省略）が収容配置されるチャンバー１４の内部は、定圧型の真空ポンプ１６によって減圧されて所定の真空状態に密閉され、この真空状態下のチャンバー１４内で、注液ポンプ１７の注液ノズル１８によりセル内に電解液が注液される。この例では、チャンバー１４内に配置される２４セルに対し、６本の注液ノズルにより４セットに分かれて注液が行われる。これら注液ポンプ１７及び真空ポンプ１６の動作は制御部２０によって制御される。
また、セルの内部に電解液が良好に浸透するように、個々のセルに対し、複数回（この実施例では７回）に分けて注液が行われる。前半の注液回は、主にセル内部のガスを抜く目的で、真空度が高く（つまり、圧力が低く）設定され、具体的には、２０ｈＰａ以下の高い真空度に設定される。一方、後半の注液回では、主にセル内部のガスが抜けた部分にも電解液を十分に浸透させる目的で、真空度が低く（つまり、圧力が高く）設定され、具体的には、２００ｈＰａ程度の低い真空度に設定される。
なお、注液時以外の状況のとき（例えば、注液するセルのセットの切換時）に、注液ノズル１８より滴下される電解液がフィルム外装電池１の表面等に付着することのないように、チャンバー１４内には、注液ノズル１８より滴下する電解液を受けるトレイ２１が支持されている。このトレイ２１は、中央部に注液ノズル１８が挿通するノズル開口部２２が開口形成されており、その内周縁と外周縁に、上方へ立ち上がるフランジ部２３，２４が折曲形成されている。これら両フランジ部２３，２４の間に、電解液を受ける溜め部２５が形成されている。このトレイ２１は、チャンバー１４内に昇降可能に支持されており、注液時以外のときには注液ノズル１８よりも下方に待機しており、注液時には上昇して、注液ノズル１８がノズル開口部２２を挿通する形となる。
注液される電解液の注液量は、基本的には、各セルに要求される規定の注液量に加えて、注液中にチャンバー１４内に揮発される揮発量を見越して、この揮発量を加えた値に設定される。つまり、注液量は、揮発量の分、規定の注液量よりも多めに設定される。但し、注入作業は繰り返し行われるため、図４に示すように、チャンバー１４の内壁面やトレイ２１の溜め部２５には、シャーベット状の電解液２６が不可避的に残存する。このようにチャンバー１４内に電解液２６が残存している状況では、減圧時や注液時にチャンバー１４内に残存する電解液２６が揮発するために、注液中の電解液の揮発量が相対的に減少し、ひいては電池内に注液される電解液の注液量が過剰となるおそれがある。
図６を参照して、破線Ｌ１はチャンバー１４内に電解液が残存していないクリーンな状況での減圧特性を示しており、破線Ｌ２はチャンバー１４内に所定レベルを超える電解液が残存している状況での減圧特性を示している。同図に示すように、電解液が残存している場合（特性Ｌ２）、電解液が残存していない場合（特性Ｌ１）に比して、チャンバー１４内に残存・露出している電解液の揮発を伴うために、圧力の低下が緩やかになり、圧力の低下が緩慢となる。この結果、真空ポンプ１６による減圧の開始時点ｔ０（大気圧近傍の状態）からチャンバー１４内の圧力が所定値Ｐｓ以下の真空状態トＰとなるまでの真空到達時間トＴが、電解液が残存している場合（トＴ２）、電解液が残存していない場合（トＴ１）よりも長くなる（トＴ２＞トＴ１）。
そこで本実施例では、真空到達時間トＴに基づいて、チャンバー１４内の電解液の残存状況を推定して、電解液の注液量を補正し、また警告を発するように構成している。図７は、このような本実施例の制御の流れを示すフローチャートである。本ルーチンは例えば上記の制御部２０により繰り返し実行される。
ステップＳ３１では、真空ポンプ１６による減圧の開始時点（大気圧近傍）ｔ０からチャンバー１４内の圧力が所定値Ｐａ以下となるまでの真空到達時間トＴを計測する。ステップＳ３２では、この真空到達時間トＴが、第１所定値トＴ１以上であるかを判定する。真空到達時間トＴが第１所定値トＴ１以上であれば、チャンバー１４内に所定レベルの電解液が残存していると判断して、ステップＳ３３へ進み、電解液の注液量の減量補正を行う。第１所定値トＴ１は、例えば、チャンバー１４内に電解液が残存していないクリーンな状況での真空到達時間に対して１割程度増加させた値として予め設定される。
ステップＳ３４では、真空到達時間トＴが、第２所定値トＴ２以上であるかを判定する。この第２所定値トＴ２は、第１所定値トＴ１よりも小さい値である。真空到達時間トＴが第２所定値トＴ２以上であれば、注液量を減量するほどではないが、チャンバー１４内にある程度の電解液が残存していると判断して、ステップＳ３５へ進み、チャンバー１４内に残存する電解液を清掃するように、作業者に警告を発する。この警告は、音声あるいはランプ等を用いて行われる。
なお、この実施例では、各セル毎に行われる７回の注液のうちで、最終回の注液による電解液の注液量を補正している。この理由は、最終回の注液では、各注液ポンプ１７の初期能力による誤差を吸収するように、各注液ポンプ１７毎に注液量が補正されており、各注液ポンプ１７毎に注液される電解液の注液量が異なるものとなっている。従って、このような注液ポンプ１７の個体差による補正が行われる最終回の注液の際に、上述した真空到達時間トＴによる電解液の注液量の補正をあわせて行うことで、この最終回を除く注液の際には、電解液の注液量を全ての注液ポンプ１７で同一の量に設定することができる。
以上のように本実施例では、真空到達時間トＴに応じて電解液の注液量を補正し、より具体的には、真空到達時間トＴが第１所定値トＴ１以上である場合に、注液量を減量補正している。これによって、注液の繰り返しによって経時的にチャンバー１４内に電解液が残存している場合であっても、電解液の注液量が過剰となることを抑制し、注液量を適正化することができる。
また、チャンバー１４内に電解液が残存していると、電解液が残存していない場合に比して、真空到達時間が長くかかり、作業時間が長くなる他、減圧によるセル内部のエア抜きが良好に行われ難くなる、という問題がある。本実施例では、真空到達時間トＴが第２所定値トＴ１以上である場合には、作業者に警告を発することによって、チャンバー１４内に電解液が残存していることを認知させ、チャンバー１４の清掃を促進することができる。
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。
例えば、上記実施例のように注液を複数回に分けて行い、その途中でチャンバー１４内の圧力を増加させている場合、この圧力の増加に要する時間を真空到達時間トＴとして用いることも可能である。この場合、真空到達時間トが短い場合に、チャンバー内の電解液が残存していると判断して、限界液の注液量の減量補正を行う。
また上記実施例では、複数回の注液のうちで、最終回の注液による電解液の注液量を補正しているが、これに限らず、複数回を含む任意の回の注液で補正を行うようにしても良い。
電解液に用いられる有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）やメチルエチルカーボネート等の他エステル系溶媒の他、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒、更には他の溶媒を混合、調合した有機液体溶媒を用いることができる。
図６を参照して、破線Ｌ１はチャンバー１４内に電解液が残存していないクリーンな状況での減圧特性を示しており、破線Ｌ２はチャンバー１４内に所定レベルを超える電解液が残存している状況での減圧特性を示している。同図に示すように、電解液が残存している場合（特性Ｌ２）、電解液が残存していない場合（特性Ｌ１）に比して、チャンバー１４内に残存・露出している電解液の揮発を伴うために、圧力の低下が緩やかになり、圧力の低下が緩慢となる。この結果、真空ポンプ１６による減圧の開始時点ｔ０（大気圧近傍の状態）からチャンバー１４内の圧力が所定値Ｐｓ以下の真空状態ΔＰとなるまでの真空到達時間ΔＴが、電解液が残存している場合（ΔＴ２）、電解液が残存していない場合（ΔＴ１）よりも長くなる（ΔＴ２＞ΔＴ１）。
そこで本実施例では、真空到達時間ΔＴに基づいて、チャンバー１４内の電解液の残存状況を推定して、電解液の注液量を補正し、また警告を発するように構成している。図７は、このような本実施例の制御の流れを示すフローチャートである。本ルーチンは例えば上記の制御部２０により繰り返し実行される。
ステップＳ３１では、真空ポンプ１６による減圧の開始時点（大気圧近傍）ｔ０からチャンバー１４内の圧力が所定値Ｐａ以下となるまでの真空到達時間ΔＴを計測する。ステップＳ３２では、この真空到達時間ΔＴが、第１所定値ΔＴ１以上であるかを判定する。真空到達時間ΔＴが第１所定値ΔＴ１以上であれば、チャンバー１４内に所定レベルの電解液が残存していると判断して、ステップＳ３３へ進み、電解液の注液量の減量補正を行う。第１所定値ΔＴ１は、例えば、チャンバー１４内に電解液が残存していないクリーンな状況での真空到達時間に対して１割程度増加させた値として予め設定される。
ステップＳ３４では、真空到達時間ΔＴが、第２所定値ΔＴ２以上であるかを判定する。この第２所定値ΔＴ２は、第１所定値ΔＴ１よりも小さい値である。真空到達時間ΔＴが第２所定値ΔＴ２以上であれば、注液量を減量するほどではないが、チャンバー１４内にある程度の電解液が残存していると判断して、ステップＳ３５へ進み、チャンバー１４内に残存する電解液を清掃するように、作業者に警告を発する。この警告は、音声あるいはランプ等を用いて行われる。
なお、この実施例では、各セル毎に行われる７回の注液のうちで、最終回の注液による電解液の注液量を補正している。この理由は、最終回の注液では、各注液ポンプ１７の初期能力による誤差を吸収するように、各注液ポンプ１７毎に注液量が補正されており、各注液ポンプ１７毎に注液される電解液の注液量が異なるものとなっている。従って、このような注液ポンプ１７の個体差による補正が行われる最終回の注液の際に、上述した真空到達時間ΔＴによる電解液の注液量の補正をあわせて行うことで、この最終回を除く注液の際には、電解液の注液量を全ての注液ポンプ１７で同一の量に設定することができる。
以上のように本実施例では、真空到達時間ΔＴに応じて電解液の注液量を補正し、より具体的には、真空到達時間ΔＴが第１所定値ΔＴ１以上である場合に、注液量を減量補正している。これによって、注液の繰り返しによって経時的にチャンバー１４内に電解液が残存している場合であっても、電解液の注液量が過剰となることを抑制し、注液量を適正化することができる。
また、チャンバー１４内に電解液が残存していると、電解液が残存していない場合に比して、真空到達時間が長くかかり、作業時間が長くなる他、減圧によるセル内部のエア抜きが良好に行われ難くなる、という問題がある。本実施例では、真空到達時間ΔＴが第２所定値ΔＴ１以上である場合には、作業者に警告を発することによって、チャンバー１４内に電解液が残存していることを認知させ、チャンバー１４の清掃を促進することができる。
例えば、上記実施例のように注液を複数回に分けて行い、その途中でチャンバー１４内の圧力を増加させている場合、この圧力の増加に要する時間を真空到達時間ΔＴとして用いることも可能である。この場合、真空到達時間ΔＴが短い場合に、チャンバー内の電解液が残存していると判断して、限界液の注液量の減量補正を行う。
Claims (4)
- 減圧状態に密封されたチャンバー内に配置された電池の内部に電解液を注液する注液ポンプと、
上記チャンバー内を減圧する真空ポンプと、
この真空ポンプによりチャンバー内の圧力が所定の真空状態となるまでの真空到達時間を計測する真空到達時間計測手段と、
上記真空到達時間に応じて、上記電解液の注液量を補正する注液量補正手段と、
を有する電池の電解液注液装置。 - 上記真空到達時間が、上記真空ポンプによる減圧を開始してからチャンバー内の圧力が所定値まで低下するのに要する時間であり、
上記注液量補正手段は、上記真空到達時間が長い場合に、上記注液量を減量補正する請求項１に記載の電池の電解液注液装置。 - 上記真空到達時間が、上記真空ポンプによる減圧を開始してからチャンバー内の圧力が所定値まで低下するのに要する時間であり、
上記真空到達時間が長い場合に、警告を発する警告手段を有する請求項１又は２に記載の電池の注液装置。 - 上記注液ポンプによる注液は複数回に分けて行われ、
上記注液量補正手段は、最終回の注液による電解液の注液量を補正する請求項１〜３のいずれかに記載の電池の注液装置。
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