(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記電池を充電する工程の後に行った最初の含浸状態を検査する工程で良好と判断された電池、及び、該最初の含浸状態を検査する工程で不良と判断された電池に対して行われた再度の含浸状態を検査する工程で良好と判断された電池の外装体内の気体を除去する工程を含む請求項5に記載の電池の製造方法。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0010】
まず、本発明の製造方法により製造される電池の構造について説明する。ここではリチウムイオン電池の例で説明する。
図1は、電池1の斜視図であり、
図2は、
図1のA−A断面図である。
図1に示すように、電池1は、扁平な直方体状の外観形状を有しており、長手方向の一方の端縁から一対の端子2,3が突出して設けられる。
【0011】
図2に示すように、電池1は、正極板41と負極板42とをセパレータ43を介して積層した電池要素4を電解液とともに外装体5の内部に収容したものである。具体的に説明すると、電池要素4は、3枚の負極板42と、2枚の正極板41と、各負極板42と正極板41との間に介装される4枚のセパレータ43と、を有する。つまり、この例では、電池要素4の両面に負極板42が位置している。ただし、電池要素4の最外層に正極板41が位置する構成も可能である。なお、
図1,2における各部の寸法は必ずしも正確なものではなく、説明のために誇張したものとなっている。
【0012】
正極板41は、矩形の正極集電体41aの両面に正極活物質層41b,41cを形成したものである。正極集電体41aは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金、銅箔、または、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成される。また、正極活物質層41b,41cは、例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO
2)、マンガン酸リチウム(LiMnO
2)、または、コバルト酸リチウム(LiCoO
2)等のリチウム複合酸化物を含有する正極活物質と、バインダと、を混合したものを、正極集電体41aの主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成される。
【0013】
負極板42は、矩形の負極集電体42aの両面に負極活物質層42b,42cを形成したものである。負極集電体42aは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、または、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成される。負極活物質層42b,42cは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、または黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質にバインダを混合したものを、負極集電体42aの主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成される。
【0014】
負極集電体42aの長手方向の端縁の一部は、負極活物質層を具備しない延長部が延在しており、延長部の端部が負極端子3と接合される。また、
図2には図示されていないが、同様に、正極集電体41aの長手方向の端縁の一部が、正極活物質層を具備しない延長部として延在しており、延長部の端部が正極端子2に接合される。
【0015】
セパレータ43は、正極板41と負極板42との間の短絡を防止し、電解液を保持する。セパレータ43は、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜である。なお、セパレータ43としては、ポリオレフィン等の単層膜に限定されるものではなく、ポリエチレン膜間にポリプロピレン膜を挟持した三層構造のものや、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。
【0016】
電解液は、リチウムイオン二次電池に一般的に利用される電解質、例えば、有機溶媒にリチウム塩が溶解した非水電解液を用いることができる。有機溶媒としては、例えば、ポリカーボーネート、エチレンカーボネート、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等の溶媒を一種または二種以上組み合わせた溶媒を用いることができる。また、リチウム塩としては、例えば、LiPF
6、LiBF
4、LiAsF
6、LiCF
3SO
3、LiC
4F
9SO
3、LiN(CF
3SO
2)
2、LiC(CF
3SO
2)
3等のようなフッ素を構成元素とするリチウム塩を好ましく用いることができる。なお、電解液量の割合は、電極板41,42及びセパレータ43の空孔体積の合計値に対して、1.1〜1.7であることが好ましい。
【0017】
外装体5は、電池要素4を電解液とともに収容する。外装体5は、例えば、
図2中に拡大図として示すように金属層52(例えば、アルミニウム層等)の一方の面(外装体5の電池要素4を収容する側の面)を、熱融着可能な絶縁性の熱融着層51で被覆し、他方の面(外装体5の外側の面)を、保護層53で被覆した構成を有するラミネートフィルムにより形成される。熱融着層51は、例えば、ポリプロピレン等の熱融着が可能な合成樹脂で形成される。また、保護層53は、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の耐久性に優れた合成樹脂で形成される。ラミネートフィルムの構成は、金属層52の表面に合成樹脂層51,53を形成した構成に限定されるものではなく、例えば、外装体5の電池要素4を収容する側の面のみに合成樹脂層を備えた構成であってもよい。
【0018】
外装体5は、例えば、
図2の電池要素4の一方の主面に配置されるラミネートフィルムと他方の主面に配置されるラミネートフィルムとにより形成される。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、且つ互いに熱融着して外装体5を構成する。なお、外装体5は、1枚のラミネートフィルムを二つ折りとした状態で、内側に電池要素4を配置し、ラミネートフィルムの周囲の3辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着して構成してもよい。
【0019】
図1に示すように、電池1の短辺側に位置する一対の端子2,3は、外装体5を熱融着する際に、外装体5の接合面を通して外部へ引き出される。なお、
図1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、他方の端縁に負極端子3を配置する形態であってもよい。
【0020】
(電池の製造方法)
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に係る電池1の製造方法の一例について、
図3に示すフローチャートを参照して説明する。
【0021】
まず、外装体5に電池要素4と電解液とを収容して電池1を形成する電解液注液工程(ステップS1)を行う。具体的に説明すると、正極板41と負極板42とをセパレータ43を介して交互に積層して電池要素4を形成し、この電池要素4の両面を1対のラミネートフィルムによって覆う。次に、ラミネートフィルムの3辺の周縁部同士を熱融着などの方法で互いに接合させる。その際、端子2,3の一部をラミネートフィルムの外側に突出した状態で熱融着させる。このとき、ラミネートフィルムの1辺は非接合のままにしておき、この非接合部から両ラミネートフィルム間(すなわち、外装体5内)に電解液を注液する。そして、電解液注液後に、外装体5の接合されていない1辺を熱融着などの方法によって互いに接合させて外装体5を封止する。最後の1辺の接合時には、周囲を減圧状態にすることが好ましい。
【0022】
次に、電池1を初期充電する充電工程(ステップS2)を行う。
【0023】
次に、充電後の電池1に対して電池要素4への電解液の含浸状態を検査する含浸状態検査工程(ステップS3)を行う。電解液の含浸状態の検査は、超音波による方法(例えば、特許文献1)や正極板41及び負極板42間の静電容量またはインピーダンスを測定する方法等により行う。電解液の含浸状態の検査で、電解液の含浸状態が不良と判定された電池(ステップS3でNG)は、不良品として取り除かれ(ステップS4)、後の工程に供されない。含浸状態が不良と判定される電池は、例えば充電の途中で発生したガスの気泡が電池要素4中に残存している状態の電池である。一方、電解液の含浸状態が良好と判定された電池(ステップS3でOK)は、熱融着された外装体5の一部を開封して外装体5内の気体をノズルで吸引する気体除去工程(ステップS5)を行う。その後、開封した外装体5を熱融着等の方法によって再度封止する(ステップS6)。このようにして製造された電池1は、電池1の特性(充放電容量等)を検査する電池検査工程(ステップS7)に供される。なお、ステップS5及び6は、熱融着された外装体5の一部を開封し、減圧雰囲気下でその開封箇所あるいはそれより内側の位置で外装体5を熱融着等の方法によって再度封止するようにしてもよい。
【0024】
本実施形態では、電解液注液工程と充電工程とを行った後であって、気体除去工程の前に、含浸状態検査工程を行うことで、電解液の含浸状態が不良である製品を検知して取り除く。したがって、それらの取り除かれた製品に関しては、気体除去工程やラミネートフィルム(外装体5)を再封止する工程等を行わないため、生産効率の向上と製造コストの低減を図ることができる。
【0025】
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る電池の製造方法について、
図4に示すフローチャートを参照して説明する。電池1の構成については
図1,2と同様であるので説明を省略する。また、第2実施形態の説明では、第1実施形態と同様の工程については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0026】
まず、電解液注液工程(ステップS1)を行い、外装体5に電池要素4と電解液とを収容し、外装体5を封止して電池1を構成する。電解液注液後の最後の1辺の接合時には、周囲を減圧状態にすることが好ましい。
【0027】
次に、電池1を所定の時間充電する第一充電工程(ステップS10)を行う。第一充電工程では、電池1が満充電に至らない充電(一次充電)を行う。「満充電に至らない」とは、満充電を100%としたときに、例えば1%〜90%までであることを指す。
次に本発明に従って含浸状態検査工程(ステップS3)を行う。含浸状態検査工程で電解液の含浸状態が良好であると判定された電池は、第二充電工程(ステップS11)で満充電になるまで充電(二次充電)される。第二充電工程終了後、気体除去工程(ステップS5)を行い外装体5中の気体を除去した後、開封した外装体5を再度封止する(ステップS6)。このように製造された電池1は、電池検査工程(ステップS7)で電池特性が検査される。なお、ステップS5及び6は、熱融着された外装体5の一部を開封し、減圧雰囲気下でその開封箇所あるいはそれより内側の位置で外装体5を熱融着等の方法によって再度封止するようにしてもよい。
一方、含浸状態検査工程で不良と判定された電池、例えば充電の途中でガスの気泡が電池要素4中に残存していると判定された電池は、不良品として取り除かれる(ステップS4)。
本実施形態では、一次充電を行った後に含浸状態検査工程を行い、電解液の含浸状態が不良である電池を検知して取り除くことで、二次充電に供する電池を減らして良品のみとするので、第1実施形態に係る電池の製造方法の場合よりもさらに、製造コストを低減することができる。また、本実施形態では、含浸状態が良好な電池が二次充電に供されるため、二次充電による効果(十分な初期容量)を確実に得ることができる。
【0028】
充電の途中で含浸状態検査を行うことのメリットを調べるため、実際に、リチウムイオン電池を
図4のフローで第一充電を充電率5%及び50%としてそれぞれ作製し、第二充電は充電率100%まで行った場合と、
図3のフロー(充電工程S2は充電率100%まで行う)で作製した場合とで比較したところ、いずれも含浸状態検査工程での不良率に差が殆どなかった。言い換えると、
図4のフローにおいて二次充電の後でも前でも同様な含浸状態不良排除ができるという結果になった。このことは、ガス発生の殆どは第一充電の段階(充電率50%以下)において発生していることを示しており、発生ガスの電極間残存状態の不良選別としては、不良判定精度を落とさないまま、より効率のよいタイミングでの含浸状態検査が
図4のフローであることがわかる。第一充電工程の充電率としては50%前後(例えば30〜70%)でもよく、あるいは5%〜30%に設定しても充電初期発生ガスの電極間残存不良の判別は可能である。
上記に派生した別の実施形態として、第一充電工程終了後であって含浸浸状態検査の前に、電池要素4をラミネートフィルムの上から電極板41,42の積層方向に加圧するプレス工程を行ってもよい。プレス工程を行うことで、電池要素4中の気泡を電池要素4の外部に排出することができる。電池要素4と外装体5の熱融着部の間の内部空間として、1〜10mm程度のマージンを、少なくとも1辺に設けておくことで、電池要素4から排出された気泡を一時的にため込むことができる。このため込んだガスは、ステップS5、6で電池外部に排出されることになる。ここで、前記マージンは、外装体5を構成するラミネートフィルムのうち、電池要素4の端部から、外装体5の熱融着部までに位置する部分のことであり、電解液注液後の最終封止を減圧状態で行うことで、このマージンのラミネートフィルム同士は密着した状態になるので、前記ガスをここに移動させたときに、フィルム同士を離間させながら溜めることができ、ガス収容可能量を充分なものとすることができる。
【0029】
プレス工程におけるプレス方法としては、金属板、樹脂板などの平板で電池を加圧する方法、あるいは電池をロールプレスする方法が好ましく用いられる。プレス工程の後で含浸状態検査を行うことで、プレスによって電池要素4中の気泡を電池要素4の外部に排出することが確実にできたかどうかを検査することができる。
【0030】
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態に係る電池の製造方法について、
図5に示すフローチャートを参照して説明する。電池1の構成については
図1,2と同様であるので説明を省略する。
【0031】
図5に示すように、含浸状態検査工程(ステップS3)において電解液の含浸状態が不良と判定されると(ステップS3でNG)、電解液の含浸状態が不良と判定された電池1の電池要素4を電極板41,42の積層方向に加圧する再生工程(ステップS12)を行う。再生工程を行うことで、電池要素4中の気泡を電池要素4の外部に排出することができる。そして、再生工程を行った後の電池1を再度含浸状態検査工程(ステップS3)に供する。この含浸状態検査工程で含浸状態が良好と判断されると(ステップS3でOK)、気体除去工程(ステップS5)を行い外装体5中の気体を除去した後、開封した外装体5を再度封止する(ステップS6)。このように製造された電池1は、電池検査工程(ステップS7)で電池特性が検査される。なお、再度含浸状態検査工程を行った電池1の電解液の含浸状態の判定が不良であった場合、その電池は、再度再生工程に供される、若しくは、不良品として取り除かれる。
【0032】
本実施形態では、電解液注液工程と充電工程とを行った後であって、気体除去工程の前に、含浸状態検査工程を行うことで、第1実施形態と同様に、生産効率の向上と製造コストの低減を図ることができる。
【0033】
また、含浸状態検査工程で含浸状態が不良と判定された電池を再生工程に供することで、含浸状態が良好となるように修復(リペア)することができる。その結果、含浸状態が不良と判断される電池の数が減少するので、電池製造での歩留りが向上する。なお、含浸状態検査工程で含浸状態が不良と判断された電池であっても、再生工程と含浸状態検査工程を経て、含浸状態が良好と判断されると、電池要素4中の気泡が電池要素4の外部に確実排出されていることになり、他の合格品と同様に気体除去工程で確実に気泡が除去されることになり、また、含浸検査工程以降、同じ工程を行って電池が製造されるので、品質に差が生じない(リペアがきく)。また、従来の電池製造方法のように、気体除去工程後に電解液の含浸状態を検査すると、電極板間にガスの存在が確認され含浸状態がNGと判断することができても、再度気体を除去する工程を行うことができず、含浸状態がNGと判断された電池は廃却されることとなっていた。これに対して、本実施形態では、含浸状態がNGと判断された電池を修復する再生工程を行うことで、歩留りを向上させることができる。
【0034】
また、電解液注液直後の含浸状態が不良である場合には、エージングを行うこと(含浸時間を制御すること)で染み込みを進めて電解液の含浸状態を良好にすることができるが、電池1の充電によって発生したガスは放置したとしても除去できない場合がある。つまり、電解液の含浸状態の不良については、電解液注液直後の含浸状態不良と充電後の含浸状態不良は違った課題がある。また、従来技術に係る電池の製造方法では、電解液の含浸状態を判定した後、不良と判定されたものの処置、特に合格基準を満たすようにするための追加工程を適用することについては考えられていなかった。これに対して、本実施形態では、電池1を充電した後に電解液の含浸状態が不良と判定された電池1を修復する再生工程を行うことで、従来は廃棄されていた電池1を修復して利用することができる。したがって、さらなる生産効率の向上と製造コストの低減を図ることができる。
【0035】
以上、本発明の電池の製造方法について、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の電池の製造方法は、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能である。
【0036】
例えば、実施形態では、正極板と負極板とを積層したリチウムイオン電池を例示して説明したが、電池の構成は実施形態に限定されるものではなく、巻回型のリチウムイオン電池や他の2次電池に適用することもできる。
【0037】
また例えば、第2実施形態で第二充電工程は満充電まで行うことに限定されるものではなく、50%、70%。90%などでもよい。
【0038】
また、各実施形態の特徴は、個々に格別な効果を有する発明であるので、各実施形態の特徴となる工程を部分的に実施する、若しくは、組み合わせて実施することで、部分的な効果や組み合わせた効果を得ることができる。例えば、
図6に示すように、第2実施形態に係る電池の製造方法に、第3実施形態に係る電池の製造方法の再生工程を組み合わせることで、第2実施形態の効果と第3実施形態の効果を得ることができる。