(57)【要約】【課題】電解液注液孔の直径が１．５ｍｍ以上の二次電池に適応できる二次電池の製造方法及び二次電池の製造装置を提供する。【解決手段】電解液注液孔２６が設けられた蓋板１６を含む電池ケース１２と、前記電解液注液孔２６を封止している封止部材２８と、を備えた二次電池１０の製造方法であって、前記電解液注液孔２６は、前記蓋板１６の前記電池ケース１２外面側に向けて拡径するテーパ面３４を有し、前記電解液注液孔２６から前記電池ケース１２に電解液が注入された後に、前記電解液注液孔２６に前記封止部材２８が配置されたセル１３を準備する準備工程と、前記封止部材２８に接触させたホーン６４から、圧入荷重と、圧入方向に平行な周波数２０ｋＨｚ以上の超音波振動とを付与しながら、前記封止部材２８を前記電解液注液孔２６に圧入する圧入工程と、を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液注液孔が設けられた蓋板を含む電池ケースと、前記電解液注液孔を封止している封止部材と、を備えた二次電池の製造方法であって、
前記電解液注液孔は、前記蓋板の前記電池ケース外面側に向けて拡径するテーパ面を有し、
前記電解液注液孔から前記電池ケースに電解液が注入された後に、前記電解液注液孔に前記封止部材が配置されたセルを準備する準備工程と、
前記封止部材に接触させたホーンから、圧入荷重と、圧入方向に平行な周波数２０ｋＨｚ以上の超音波振動とを付与しながら、前記封止部材を前記電解液注液孔に圧入する圧入工程と、
を備える二次電池の製造方法。
【請求項２】
前記電解液注液孔は、前記電池ケース内面側の内径が１．５ｍｍ以上である、請求項１記載の二次電池の製造方法。
【請求項３】
前記封止部材は球体である、請求項１又は２記載の二次電池の製造方法。
【請求項４】
前記蓋板の材料は金属であり、前記封止部材の材料は前記蓋板の材料の金属よりも硬度が低い金属である、請求項１〜３のいずれか１項記載の二次電池の製造方法。
【請求項５】
前記圧入工程は、前記ホーンの出力値の時間変化を示す出力値波形、および／または前記ホーンの沈み込み量の時間変化を示す沈み込み量波形に基づいて、前記封止部材の圧入状態の良否を判定することを含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の二次電池の製造方法。
【請求項６】
電池ケースの蓋板に設けられた電解液注液孔に配置された封止部材に接触し、圧入荷重と、圧入方向に平行な周波数２０ｋＨｚ以上の超音波振動とを付与しながら、前記封止部材を前記電解液注液孔に圧入するホーンと、
前記ホーンの出力値の時間変化を示す出力値波形、および／または前記ホーンの沈み込み量の時間変化を示す沈み込み量波形に基づいて、前記封止部材の圧入状態の良否を判定する判定部と、
を備える、二次電池の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池ケースの上面部を構成している蓋板に形成された電解液注液孔が封止部材で封止された二次電池の製造方法及び二次電池の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池ケースの上面部を構成している蓋板には、電池ケースの内部に電解液を注入するための電解液注液孔が形成されている。その電解液注液孔から電池ケースの内部に電解液が注入され、注入後、電解液注液孔は封止される。封止する方法は、アルミ板と一体化されたゴム材を電解液注液孔に挿入して仮封止した後、アルミ板と蓋板とをレーザーによってシーム溶接することによって行われていた。しかしながら、電解液注液孔の周囲の蓋板には電解液が付着しているため、レーザー溶接時にスパッタが発生しやすく、溶接部分にピンホールが形成されることによって密閉不良が生じるという問題があった。
【０００３】
かかる問題に対して、例えば特許文献１には、電解液注液孔の上部にテーパ面を形成して、その電解液注液孔に封止部材としての金属球を加圧し押入して電解液注液孔を金属球で封止するという方法が開示されている。この方法では、金属球が変形しつつ電解液注液孔のテーパ面に挿入され、変形した金属球によって電解液注液孔を封止することから、溶接工程が不要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二次電池内部は充放電等によってガスが発生し、内部圧力が上昇するため、内部圧力を超える封止後の耐圧が必要である。すなわち、蓋板が挿入された封止部材を保持する保持力は少なくとも内部圧力（２ＭＰａ程度）を超える必要がある。
【０００６】
上記特許文献１の方法では、蓋板が変形しない範囲の小さい圧入荷重（１５０Ｎ以下）で封止部材を電解液注液孔に挿入する必要がある。電解液注液孔の内径が１ｍｍ程度の小型二次電池の場合、蓋板が変形しない範囲の荷重でも、上記内部圧力を超える保持力が得られる。仮に電解液注液孔の内径が２倍になると、保持力は単純計算で４倍必要となり、蓋板が変形しない範囲の荷重で封止部材を電解液注液孔に挿入しても、必要な保持力が得られない。より大きい保持力を得るには、挿入時の荷重を大きくする必要があるが、荷重を大きくし過ぎると蓋板が変形してしまう。したがって上記特許文献１の方法は、車載用二次電池のような電解液注液孔の内径が１．５ｍｍ以上の大型二次電池へ適応することが困難である、という問題があった。
【０００７】
本発明は、電解液注液孔の内径が１．５ｍｍ以上の二次電池に適応できる二次電池の製造方法及び二次電池の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る二次電池の製造方法は、電解液注液孔が設けられた蓋板を含む電池ケースと、前記電解液注液孔を封止している封止部材と、を備えた二次電池の製造方法であって、前記電解液注液孔は、前記蓋板の前記電池ケース外面側に向けて拡径するテーパ面を有し、前記電解液注液孔から前記電池ケースに電解液が注入された後に、前記電解液注液孔に前記封止部材が配置されたセルを準備する準備工程と、前記封止部材に接触させたホーンから、圧入荷重と、圧入方向に平行な周波数２０ｋＨｚ以上の超音波振動とを付与しながら、前記封止部材を前記電解液注液孔に圧入する圧入工程と、を備える。
【０００９】
本発明に係る二次電池の製造装置は、電池ケースの蓋板に設けられた電解液注液孔に配置された封止部材に接触し、圧入荷重と、圧入方向に平行な周波数２０ｋＨｚ以上の超音波振動とを付与しながら、前記封止部材を前記電解液注液孔に圧入するホーンと、前記ホーンの出力値の時間変化を示す出力値波形、および／または前記ホーンの沈み込み量の時間変化を示す沈み込み量波形に基づいて、前記封止部材の圧入状態の良否を判定する判定部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、封止部材に圧入方向の超音波振動を与えることにより、圧入時の抵抗が少なくなり、蓋板が変形しない範囲の小さい圧入荷重で封止部材をスムーズに電解液注液孔に圧入することができる。また超音波振動が与えられていることによって電解液注液孔表面と封止部材が面接触し、極めて高い保持力を確保することができる。したがって本実施形態の二次電池の製造方法及び二次電池の製造装置は、電解液注液孔の内径が１．５ｍｍ以上の二次電池に適応することできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の二次電池の製造方法及び二次電池の製造装置が適応される二次電池を示す斜視図である。
【図２】上記二次電池の封止部の部分断面図である。
【図３】圧入前の上記二次電池の電解液注液孔と封止部材を示す部分断面図である。
【図４】本実施形態の二次電池の製造装置を示すブロック図である。
【図５】本実施形態の超音波圧入装置を示す概略図である。
【図６】本実施形態の二次電池の製造方法の説明に用いる概略図である。
【図７】本実施形態の二次電池の製造方法の説明に用いる良品の監視結果の一例を示すグラフである。
【図８】本実施形態の二次電池の製造方法の説明に用いる不良品の監視結果の一例を示すグラフである。
【図９】本実施形態の二次電池の製造方法を用いて作製されたサンプルの断面写真である。
【図１０】従来の製造方法で作製されたサンプルの断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
１．全体構成
（二次電池の構成）
まず、本実施形態に係る二次電池の製造方法及び二次電池の製造装置が適応される二次電池の構成について説明する。図１に示す二次電池１０は、二次電池の製造方法及び二次電池の製造装置が適応される二次電池の一例であり、直方体状の電池ケース１２と、図示しないが、電池ケース１２内部に収容された電極組立体及び電解液とを備える。電池ケース１２は、一端に開口を有するケース本体１４と、開口を閉塞する蓋板１６とを有する。電池ケース１２の材質としては、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属が用いられる。ケース本体１４は、有底の角筒形状である。蓋板１６は、矩形の板状部材であり、正極端子１８、負極端子２０、安全弁２２、及び封止部２４が設けられている。
【００１３】
正極端子１８は蓋板１６を厚さ方向に貫通しており、一端が外側に突出し、他端が電池ケース１２内において電極組立体の正極板に連結されている。同様に、負極端子２０は蓋板１６を厚さ方向に貫通しており、一端が外側に突出し、他端が電池ケース１２内において電極組立体の負極板に連結されている。安全弁２２は、電池ケース１２の内部が所定圧力に達した場合、破断し開弁する。
【００１４】
封止部２４は、図２に示すように、電解液注液孔２６に封止部材２８を圧入して形成される。封止部材２８は、上部が平坦であり、蓋板１６の厚さ方向に長さを有する周方向の領域において電解液注液孔２６表面と面接触しており、下部が球状である。封止部材２８は、電解液注液孔２６の後述するテーパ面からストレート面にわたる広い領域で、電解液注液孔２６表面と接触している。封止部材２８の上部は、蓋板１６の上面側から突出しており、下部は、蓋板１６の下面側から突出している。なお、封止部２４は、封止部材２８が蓋板１６の上面側から突出していなくてもよい。また、封止部材２８が蓋板１６の下面側から突出していなくてもよい。電解液注液孔２６表面と封止部材２８の接合面３０は、境界が目視では見分けがつかないほど、一体化されている。電解液注液孔２６と封止部材２８は、界面において原子レベルで一体化して結合しているのが好ましい。
【００１５】
電解液注液孔２６は、蓋板１６を厚さ方向に貫通する、最小径が１．５ｍｍ以上の貫通穴である。以下、本明細書において、「電解液注液孔２６の内径」とは、電解液注液孔２６における最小径のことである。図３に示す電解液注液孔２６は、蓋板１６の内面側の内径Ｒ１が１．５ｍｍ以上の貫通穴であり、前記蓋板１６の外部表面側に向けて拡径するテーパ面３４を有する。テーパ面３４は、蓋板１６の外部表面に連続する外側テーパ面３５と、外側テーパ面３５の内部表面側に設けられた中間テーパ面３６とを有する。電解液注液孔２６は、中間テーパ面３６の内部表面側に、ストレート面３２を有する。中間テーパ面３６は、外側テーパ面３５とストレート面３２の間に形成されている。ストレート面３２は、蓋板１６の内部表面に連続しており、軸方向に平行な内周面を有し、内径Ｒ１が１．５ｍｍ以上である。ストレート面３２の中心軸とのなす角（テーパ角）は、外側テーパ面３５の方が、中間テーパ面３６より大きい。外側テーパ面３５と蓋板１６の外部表面が接する周面の直径Ｒ２は、封止部材２８の直径Ｒ３以上の大きさであり、封止部材２８の直径Ｒ３の１．１〜１．１５倍であるのが好ましい。外側テーパ面３５は適宜省略してもよく、例えば、中間テーパ面３６とストレート面３２とで構成してもよく、中間テーパ面３６のみで構成してもよい。
【００１６】
封止部材２８は、蓋板１６と同種又は異種の材料で形成された球体であり、直径Ｒ３はストレート面３２の内径Ｒ１よりも大きい範囲で適宜選択される。封止部材２８の材質は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属であり、蓋板１６の材料の金属より硬度が低い方が好ましい。封止部材２８の形状は、球に限定されず、円柱形状、テーパーピン形状、リベット形状でもよい。球体は、部品コストも安価であり、圧入時のハンドリングも容易で、斜め圧入等の圧入不良も発生しにくいことから、封止部材２８として最も好ましい。封止部材２８は、電解液注液孔２６の内径Ｒ１より、０．１〜１．０ｍｍ大きく形成されており、例えば、電界液注液孔２６の内径Ｒ１が２ｍｍの場合、封止部材の直径Ｒ３は、２．１〜３．０ｍｍであるのが好ましい。封止部材２８は、球体又は円柱形状の場合、直径が電解液注液孔２６の内径Ｒ１より、０．１〜１．０ｍｍ大きく形成されている。封止部材２８は、テーパ−ピン形状、又はリベット形状の場合、電解液注液孔２６に接する側面の直径が電解液注液孔２６の内径Ｒ１より、０．１〜１．０ｍｍ大きく形成されている。
【００１７】
例えば、蓋板１６と一体に形成されている正極端子１８及び負極端子２０の他端に、電極組立体の正極タブ及び負極タブをそれぞれ溶接し、開口からケース本体１４の内部に収容し、ケース本体１４の開口に蓋板１６を取り付け溶接した後、蓋板１６に設けられた電解液注液孔２６から電解液を注入する。この電池ケース１２内に電解液が注入された構成を、本明細書ではセルと呼ぶ。当該セルの蓋板１６における電解液注液孔２６を封止部材２８で封止することによって、上記二次電池１０を得ることができる。
【００１８】
（製造装置の構成）
製造装置４０は、図４に示すように、制御装置４２と、超音波圧入装置４４とを備える。制御装置４２は、演算処理部４６、記憶部４８、入力部５０、表示部５２を有する。演算処理部４６は、駆動制御部５４を有する。また演算処理部４６は、判定部５６を有してもよい。超音波圧入装置４４は、加圧部５８と、超音波付与部６０とを有する。超音波付与部６０は、超音波発振器６６と、コンバーター６８と、ブースター７０とを有する。
【００１９】
演算処理部４６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えており、記憶部４８に記憶された各種プログラムにしたがって、製造装置４０全体を統括的に制御する。駆動制御部５４は、超音波圧入装置４４の動作を制御する。超音波圧入装置４４は、駆動制御部５４から超音波圧入装置４４の動作を開始させるための制御信号が出力されると、加圧部５８及び超音波発振器６６を動作させる。なお、駆動制御部５４は、制御装置４２と別の構成としてもよく、例えば、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）を用いることもできる。
【００２０】
判定部５６は、超音波圧入装置４４から取り込まれた監視データに基づき監視処理を実行する。監視処理の詳細については後述する。判定部５６は、監視処理の結果を示すデータを表示部５２へ出力する。
【００２１】
記憶部４８は、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random access memory）を備える。ＲＯＭには、ＣＰＵによって実行される駆動制御処理や監視処理等の各種プログラムや、これらのプログラムの実行に必要なデータを格納する。ＲＯＭに格納された各種プログラムやデータはＲＡＭにロードされて実行される。記憶部４８は、例えば、監視処理プログラムの実行時に必要なデータとして、良品下限出力値、良品上限出力値、良品下限沈み込み量、及び良品上限沈み込み量を予め格納している。
【００２２】
記憶部４８は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）等の磁気メモリ、又は光ディスクなどの光メモリを用いてもよい。又は制御装置４２に着脱可能な記録媒体に各種プログラムやデータを格納することとしてもよい。
【００２３】
入力部５０は、データの入力が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、タッチパネル、キーボード等である。作業者は、入力部５０を用いて、文字、数字、記号等を入力することができる。入力部５０は、ユーザにより操作されると、その操作に対応する信号を生成する。そして、生成された信号は、ユーザの指示として、演算処理部４６に出力される。
【００２４】
表示部５２は、判定部５６で処理された監視結果のデータを表示する。表示部５２は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ、又は有機エレクトロ・ルミネッセンス（ＥＬ）ディスプレイ等のディスプレイを有し、判定部５６から出力されたデータにしたがって監視処理の結果を表示する。
【００２５】
図５に示すように、超音波圧入装置４４は、基台１のＸＹ平面に直交するＺ軸に延びる架台６２に取り付けられている。超音波圧入装置４４は、Ｚ軸方向を圧入方向とし、蓋板１６に設けられた電解液注液孔２６に配置された封止部材２８に接触し、圧入荷重と、圧入方向に平行な周波数２０ｋＨｚ以上の超音波振動とを付与しながら、前記封止部材２８を前記電解液注液孔２６に圧入するホーン６４を備える。ホーン６４は円柱形状の部材であり、先端は、平坦であってもよいし複数の凸部が形成されていてもよい。ホーン６４の基端は、ケース６９の先端に、連結されている。基台１上にはホルダー７８が設けられている。ホルダー７８は、圧入工程におけるセル１３の位置決めをすると共に、セル１３の転倒を防止する。ホルダー７８は、少なくとも電池ケース１２の底面側の四隅を保持する。
【００２６】
加圧部５８は、油圧シリンダやエアシリンダ等の流体圧シリンダ、またはモータ等を用いることができ、圧入軸７１から所定の圧入荷重をホーン６４へ付与する。圧入軸７１は、ケース６９の基端に連結されている。加圧部５８には、ロードセル７２が設けられている。ロードセル７２は、封止部材２８を電解液注液孔２６へ圧入する際に、ホーン６４へ付与された荷重を検出し、荷重に比例したアナログ信号を出力する。ロードセル７２は、例えば圧入軸７１とケース６９の間に設けることができる。圧入軸７１からケース６９に付与される荷重をロードセル７２が検出することによって、封止部材２８に加えられた圧入荷重を測定することができる。また、ロードセル７２は、基台１上に設置してもよい。基台１上に設置されたロードセルの上にセル１３を載置し、セル１３に加えられた荷重をロードセルが検出することによって、封止部材２８に加えられた圧入荷重を測定することができる。
【００２７】
加圧部５８には、リニアスケール（リニアエンコーダともいう）７４が設けられており、封止部材２８を電解液注液孔２６へ圧入する際に、圧入軸７１のＺ軸方向の変位を検出し、変位に比例したアナログ信号を出力する。リニアスケール７４が圧入軸７１のＺ軸方向の変位を検出することによって、ホーン６４の沈み込み量を測定することができる。リニアスケール７４に換えて、レーザー変位計などの位置センサを用いてもよい。
【００２８】
超音波付与部６０は、圧入方向であるＺ軸に平行な超音波振動を、ホーン６４へ付与する。超音波発振器６６は、２０ｋＨｚ以上の電気信号を生成する。超音波発振器６６は、封止部材２８を電解液注液孔２６へ圧入する際に、ホーン６４へ付与された超音波の周波数に比例したアナログ信号、及びホーン６４へ付与された超音波の出力値に比例したアナログ信号を出力する。
【００２９】
加圧部５８及び超音波発振器６６から出力された各種アナログ信号は、Ａ／Ｄ変換機７６によってデジタル信号に変換され、監視データとしてそれぞれ制御装置４２へ出力される。
【００３０】
コンバーター６８及びブースター７０は、ケース６９内に設けられている。ケース６９は、円筒状の部材であり、基端が圧入軸７１の先端に連結され、先端がホーン６４の基端に連結されている。すなわち、圧入軸７１は、ケース６９を介してホーン６４に連結されている。コンバーター６８は、超音波発振器６６に電気的に連結された圧電素子で構成され、超音波発振器６６から電気信号が供給されると、厚さが変化することによって、電気エネルギーを振動エネルギーに変換する。コンバーター６８は、厚さ方向、すなわち振動方向が、Ｚ軸に平行になるように配置され、ブースター７０のＺ軸の上側に連結されている。ブースター７０は、コンバーター６８の振動エネルギーを増幅する。ブースター７０は、Ｚ軸の下側が、ホーン６４の基端に連結されており、増幅した振動エネルギーをホーン６４へ伝達する。このようにしてホーン６４は、Ｚ軸に平行に振動する。
【００３１】
２．製造方法
次に、上記製造装置４０を用いた二次電池１０の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、電解液が注入された後に、電解液注液孔２６に封止部材２８が配置されたセル１３を準備する準備工程と、封止部材２８を前記電解液注液孔２６に圧入する圧入工程とを備えるが、上記準備工程は、従来と同じ方法を採用することができるので、説明を省略する。
【００３２】
電解液注液孔２６に封止部材２８が配置されたセル１３は、蓋板１６をＺ軸方向上向きとして、ＸＹ平面に平行な基台１上に配置され、ホルダー７８で固定されている。蓋板１６の表面はＸＹ平面に平行であって、電解液注液孔２６の中心軸はＺ軸に平行に配置される（図６）。ホーン６４の中心軸を電解液注液孔２６の中心軸に合わせ、ホーン６４の先端を封止部材２８に接触させる。この状態でホーン６４は、所定の圧入荷重で封止部材２８をＺ軸方向へ押し付けつつ、Ｚ軸に平行に振動する超音波振動を封止部材２８に付与しながら、封止部材２８を電解液注液孔２６に圧入する。圧入荷重は、６０Ｎ以上１５０Ｎ未満が好ましい。圧入荷重は、１３０Ｎ以下がより好ましく、１１０Ｎ以下がさらに好ましい。超音波振動の周波数は、２０ｋＨｚ以上である。超音波振動の周波数は、８０ｋＨｚ以下であるのが好ましい。超音波振動は、圧入時間が０．１〜１．０秒程度、振幅が５μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。
【００３３】
ホーン６４によって押された封止部材２８は、Ｚ軸方向へ移動し、外側テーパ面３５、中間テーパ面３６に接触することによって変形しながら、さらに電解液注液孔２６内へ進入し、ストレート面３２へ押し込まれる。圧入時間が経過すると、駆動制御部５４は、圧入動作を停止する制御信号を超音波圧入装置４４へ出力する。圧入動作を停止する制御信号が駆動制御部５４から出力されると、超音波圧入装置４４は、加圧部５８を駆動して、ホーン６４を封止部材２８から離れる方向へ移動させ、超音波発振器６６を停止させる。以上のようにして、電解液注液孔２６に封止部材２８が圧入され、蓋板１６と封止部材２８が一体化された封止部２４が形成される。駆動制御部５４は、後述する監視データに基づき、沈み込み量が一定値を超えたタイミングで、圧入動作を停止する制御信号を超音波圧入装置４４へ出力することとしてもよい。
【００３４】
判定部５６は、記憶部４８から、ホーン出力値における良品下限出力値と良品上限出力値、及び、沈み込み量における良品下限沈み込み量と良品上限沈み込み量を読み出し、超音波圧入装置４４から取り込んだ監視データに基づき監視処理を実行し、監視結果のデータを表示部５２に表示させる（図７）。
【００３５】
図７は、横軸が時間（ｍｓｅｃ）、縦軸は、圧入荷重（Ｎ）、ホーン振幅（％）、ホーン出力値（％）、沈み込み量（μｍ）を表し、各波形は良品の監視結果を示す。ホーン振幅は、予め設定したホーン振幅である５０μｍを１００とした値であり、ホーン出力値は、予め設定したホーン出力値である４００Ｗを１００とした値である。本図において、ホーン出力値の波形を出力値波形、沈み込み量の波形を沈み込み量波形と呼ぶ。圧入状態が正常な場合、圧入開始後、圧入荷重、ホーン振幅、及びホーン出力値は、安定して一定範囲内を維持する。また沈み込み量は、封止部材２８が変形しながらテーパ面３４を経て電解液注液孔２６内を進入していくので、時間経過とともに増加し、ストレート面３２に達した段階で、一定値以下にとどまる。
【００３６】
圧入状態の異常は、主に、封止部材２８の寸法や、電解液注液孔２６の内径に起因して起こるため、圧入開始直後より、圧入開始後、所定時間が経過した後の監視データに、異常が表れやすい。
【００３７】
本実施形態の場合、判定部５６は、圧入工程の後半の所定の範囲であるｔ１〜ｔ２におけるホーン出力値が、良品下限出力値ｇ１以上、良品上限出力値ｇ２以下の範囲（以下、「許容出力値領域」とも呼ぶ）である場合、良品であると判定する。良品下限出力値ｇ１と、良品上限出力値ｇ２とは、予め上記方法によって、複数のサンプルを作製し、良品の出力値波形を得、当該良品出力値波形から設定された基準出力値に基づき設定することができる。基準出力値は、良品出力値波形のｔ１〜ｔ２における複数の測定値を、複数のサンプル全体で平均した値としてもよい。良品下限出力値ｇ１と、良品上限出力値ｇ２とは、基準出力値に対し、例えば±２０〜４０％の範囲の値とすることができる。
【００３８】
また判定部５６は、圧入工程の後半の所定の範囲であるｔ３〜ｔ４における沈み込み量が、良品下限沈み込み量ｇ３以上、良品上限沈み込み量ｇ４以下の範囲（以下、「許容沈み込み量領域」とも呼ぶ）である場合、良品であると判定する。ｔ３、ｔ４は、上記ｔ１、ｔ２と異なっていてもよいし、同じでもよい。良品下限沈み込み量ｇ３と、良品上限沈み込み量ｇ４とは、ホーン出力値の場合と同様、予め得られた良品沈み込み量波形から設定された基準沈み込み量に基づき設定することができる。基準沈み込み量は、良品沈み込み量波形のｔ３〜ｔ４における複数の測定値を、複数のサンプル全体で平均した値としてもよい。良品下限沈み込み量ｇ３と、良品上限沈み込み量ｇ４とは、基準沈み込み量に対し、例えば±２０〜４０％の範囲の値とすることができる。
【００３９】
図７に示すグラフの圧入の開始から終了までの所定の範囲であるｔ１〜ｔ２において、ホーン６４の出力値の時間変化を示す出力値波形は、良品下限出力値ｇ１以上、良品上限出力値ｇ２以下である。したがって判定部５６は、上記範囲における出力値波形が許容出力値領域内であるから、当該出力値波形に基づく二次電池１０の圧入状態を良品と判定する。
【００４０】
また、圧入の開始から終了までの所定の範囲であるｔ３〜ｔ４において、ホーン６４の沈み込み量の時間変化を示す沈み込み量波形は、良品下限沈み込み量ｇ３以上、良品上限沈み込み量ｇ４以下である。したがって判定部５６は、上記範囲における沈み込み量波形が許容沈み込み量領域内であるから、当該沈み込み量波形に基づく二次電池１０の圧入状態を良品と判定する。
【００４１】
一方、図８は、不良品の監視結果を示すグラフである。図８の圧入の開始から終了までの所定の範囲であるｔ１〜ｔ２において、ホーン６４の出力値の時間変化を示す出力値波形は、良品下限出力値ｇ１未満である。出力値波形が良品下限出力値ｇ１未満となったのは、封止部材２８が小さすぎ、又は電解液注液孔２６が大きすぎたため、封止部材２８が抵抗なく電解液注液孔２６へ圧入され、出力値が低下したことによると考えられる。したがって判定部５６は、上記範囲における出力値波形が許容出力値領域外であるから、当該出力値波形に基づく二次電池１０の圧入状態を不良品と判定する。
【００４２】
また、圧入の開始から終了までの所定の範囲であるｔ３〜ｔ４において、ホーン６４の沈み込み量の時間変化を示す沈み込み量波形は、良品上限沈み込み量ｇ４を超えている。沈み込み量波形が良品上限沈み込み量ｇ４を超えたのは、上記したとおり、封止部材２８が小さすぎ、又は電解液注液孔２６が大きすぎたため、封止部材２８が電解液注液孔２６へ深く進入し、沈み込み量が大きくなったことによると考えられる。したがって判定部５６は、上記範囲における沈み込み量波形が許容沈み込み量領域外であるから、当該沈み込み量波形に基づく二次電池１０の圧入状態を不良品と判定する。
【００４３】
上記のとおり、ホーン出力値と沈み込み量は、互いに連動して変化するので、判定部５６は、出力値波形及び沈み込み量波形のいずれか一方の監視結果に基づき、二次電池１０の圧入状態の良否を判定することができる。判定部５６は、出力値波形及び沈み込み量波形の両方の監視結果に基づき二次電池１０の圧入状態の良否を判定してもよい。また判定部５６が、監視データに基づき、出力値波形が許容出力値領域を超えたと判定した場合、または沈み込み量波形が許容沈み込み量領域を超えたと判定した場合、駆動制御部５４は、圧入動作を停止する制御信号を超音波圧入装置４４へ出力し、圧入動作を直ちに停止させてもよい。
【００４４】
ホーン出力値について、上記許容出力値領域内に、接合状態が良好といえる安定出力値領域を設定してもよい。安定出力値領域は、良品下限出力値ｇ１より大きい警告下限出力値と、良品上限出力値ｇ２より小さい警告上限出力値の間の領域とする。警告下限出力値と警告上限出力値は、例えば、基準出力値に対し、±１０〜１５％の範囲の値とすることができる。判定部５６は、出力値波形が、安定出力値領域内である場合、接合状態が良好と判定し、安定出力値領域を超え許容出力値領域内である場合、信頼性が劣るものの使用には問題がないと判定し、許容出力値領域を超える場合、接合状態が不良と判定する。
【００４５】
また沈み込み量について、ホーン出力値と同様に、許容沈み込み量領域内に、圧入状態が良好といえる安定沈み込み量領域を設定してもよい。安定沈み込み量領域は、良品下限沈み込み量ｇ３より大きい警告下限沈み込み量と、良品上限沈み込み量ｇ４より小さい警告上限沈み込み量との間の領域とする。警告下限沈み込み量と警告上限沈み込み量は、例えば、基準沈み込み量に対し、±１０〜１５％の範囲の値とすることができる。判定部５６は、沈み込み量波形が、安定沈み込み量領域内である場合、接合状態が良好と判定し、安定沈み込み量領域を超え許容沈み込み量領域内である場合、信頼性が劣るものの使用には問題がないと判定し、許容沈み込み量領域を超える場合、接合状態が不良と判定する。
【００４６】
出力値波形が安定出力値領域を超え許容出力値領域内である場合、又は沈み込み量波形が安定沈み込み量領域を超え許容沈み込み量領域内である場合、判定部５６は、信頼性が低いと判定して、表示部５２に警告表示を表示させ、ユーザに対し警告してもよい。
【００４７】
また出力値波形及び前記沈み込み量波形を、圧入開始から圧入終了までの時間毎の複数の区間に分割し、前記複数の区間のそれぞれについて、前記許容出力値領域、前記許容沈み込み量領域、前記安定出力値領域、前記安定沈み込み量領域を設定してもよい。
【００４８】
３．作用及び効果
本実施形態の二次電池１０の製造方法は、封止部材２８に圧入方向へ振動する超音波振動を付与しながら、封止部材２８を電解液注液孔２６に圧入する。封止部材２８に圧入方向の超音波振動を与えることにより、圧入時の抵抗が少なくなり、蓋板１６が変形しない範囲の小さい圧入荷重で封止部材２８をスムーズに電解液注液孔２６に圧入することができる。電解液注液孔２６の形状に沿って封止部材２８が変形し、超音波振動が与えられていることによって電解液注液孔２６表面と封止部材２８が面接触し、極めて高い保持力を確保することができる。したがって本実施形態の二次電池１０の製造方法は、電解液注液孔２６の内径が１．５ｍｍ以上の二次電池１０に適応することできる。
【００４９】
封止部材２８は、蓋板１６を構成する金属より、硬度が小さい金属で形成することによって、電解液注液孔２６の形状に沿って容易に変形するので、封止部材２８と電解液注液孔２６の接合面が均一になり、高い保持力をより安定的に得ることができる。
【００５０】
判定部５６が、ホーン出力値と沈み込み量を監視して、圧入状態の良否を判定することによって、製造時の圧入状態を全数確認し、封止部２４の圧入状態を保証することができる。
【００５１】
図９は、封止部材２８に圧入方向の超音波振動を付与しながら、封止部材２８を電解液注液孔２６に圧入したサンプルの封止部２４の断面写真である。サンプルは、蓋板１６の厚さが１．４ｍｍ、電解液注液孔２６の内径が３ｍｍ、テーパ面と蓋板１６の外部表面が接する周面の直径が３．６ｍｍ、球体からなる封止部材２８の直径が３．２ｍｍである。上記サンプルにおいて、圧入荷重１１０Ｎとし、圧入方向の超音波振動（周波数４０ｋＨｚ、振幅２５μｍ、荷重１００Ｎ）を付与して封止部材２８を電解液注液孔２６に圧入した。球体からなる封止部材２８は、蓋板１６が変形しない範囲の小さい圧入荷重にも関わらず、ホーン６４に押された上部が平坦状に変形した状態で、蓋板１６の上面側から突出している。また封止部材２８は、蓋板１６のテーパ面からストレート面にわたる領域で電解液注液孔２６表面と面接触していることが認められる。電解液注液孔２６表面と封止部材２８は一体化しており、図９において電解液注液孔２６表面と封止部材２８の境界は確認することができない。封止部材２８の下部は、球状であって、蓋板１６の下面側から突出している。このように形成された封止部２４は、封止部材２８と電解液注液孔２６表面との接触面積が広いので、より高い保持力を発揮することができる。
【００５２】
図１０は、超音波振動を付与しない以外は、図９と同じサンプル、条件にて封止部材２８を電解液注液孔２６に圧入したサンプルの封止部１００の断面写真である。封止部材２８は、圧入後もほとんど変形せずに球体の形状を保っており、ストレート面３２とテーパ面３４との境界において、電解液注液孔２６と線接触していることが認められる。封止部材２８の下部は、蓋板１６の下面側から突出していない。図１０において、封止部材２８と電解液注液孔２６が接触している境界は、確認することができる。この封止部１００は、封止部材２８と電解液注液孔２６表面との接触面積が極めて小さいので、保持力も小さい。
【００５３】
封止部材２８に圧入方向の超音波振動を付与しながら封止部材２８を電解液注液孔２６に圧入した封止部２４（図９）は、封止部材２８が電解液注液孔２６表面と面接触していることによって、図１０の封止部１００に比べ２００倍の耐圧圧力を得ることができる。
【００５４】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、上記製造方法では、電解液が注入された後に、電解液注液孔２６に封止部材２８が配置されたセル１３を準備する準備工程を備える場合について説明したが、本発明はこれに限らず、電解液が注入されたセル１３を準備する準備工程と、前記セル１３の電解液注液孔２６に封止部材２８を配置する配置工程とを備えることとしてもよい。
【００５５】
４．実施例
複数の試料を作製し、効果を確認した。試料の蓋板の厚さは１．４ｍｍ、封止部材は球体とした。電解液注液孔の内径Ｒ１、テーパ面と蓋板の外部表面が接する周面の直径Ｒ２、封止部材の直径Ｒ３、圧入荷重は、表１に示す通りである。なお、封止部材の直径Ｒ３は、電解液注液孔の内径が３ｍｍの場合３．２ｍｍ、電解液注液孔の内径が２ｍｍの場合２．２ｍｍ、電解液注液孔の内径が１ｍｍの場合１．１５ｍｍとした。実施例１と比較例２１以外の、実施例１〜６と比較例１〜２１の超音波振動は、周波数４０ｋＨｚ、振幅２５μｍとした。実施例１〜６は、圧入方向に平行に振動する超音波振動を付与し、比較例２１は圧入方向に直交する方向に振動する超音波振動を付与した。比較例１〜２０は超音波振動を付与しなかった。実際に蓋板に上述したような電解液注液孔を形成し、その電解液注液孔に封止部材を圧入した後の耐圧圧力を測定し、封止部の保持力を評価した。試験は、蓋板単体で行った。耐圧試験には、水圧式ベント圧測定機を使用した。
【００５６】
表１に示す通り、実施例１は電解液注液孔の内径が２ｍｍの試料、実施例２〜６は電解液注液孔の内径が３ｍｍの試料である。実施例１〜６は、圧入方向の超音波振動を付与しながら封止部材を電解液注液孔に圧入したことによって、蓋板が変形しない十分に小さい圧入荷重であっても、内径２ｍｍ以上の電解液注液孔を有する二次電池において、約２５ＭＰａ以上の大きい耐圧圧力が得られることが確認できた。実施例１は、電解液注液孔の内径が小さい分、実施例２〜６に比べ圧入荷重が小さくてすみ、さらに、実施例２〜６と同程度の耐圧圧力が得られた。
【００５７】
一方、比較例１〜５は、超音波振動を付与していないことを除いて、実施例２〜６と同じ条件であり、耐圧圧力が実施例２〜６の１／２００であった。このことから、圧入方向の超音波振動を付与することによって、耐圧圧力が２００倍に向上することが確認できた。
【００５８】
比較例６〜２０は、電解液注液孔の内径が互いに異なる例である。圧入荷重を同じ１５０Ｎにした場合、電解液注液孔の内径が大きいほど耐圧圧力が小さくなり、内径２ｍｍ以上では、耐圧圧力が２ＭＰａ未満となる。このことから、超音波振動を付与せずに封止部材を電解液注液孔に圧入する従来の方法は、所定の内部圧力を得ることができないため、内径２ｍｍ以上の電解液注液孔には適応できないことが分かる。
【００５９】
比較例６〜１０は、従来の二次電池の構成、及び製造方法に対応し、電解液注液孔の内径が１ｍｍ、圧入荷重１５０Ｎで圧入した例であり、耐圧圧力は平均で７．６ＭＰａであった。実施例１〜６は、比較例６〜１０と比べても、３倍以上の耐圧圧力が得られる。このことから、圧入方向の超音波振動を付与することによって、電解液注液孔の内径が１ｍｍの従来の二次電池と比べ、より小さい圧入荷重で、より大きい耐圧圧力を備えた、電解液注液孔の内径が２ｍｍ以上の二次電池を製造できることが確認できた。
【００６０】
比較例２１は、圧入方向に直交する方向（図５におけるＸＹ方向）に振動する超音波振動を付与しながら、封止部材を電解液注液孔に圧入した例である。比較例２１は、実施例１〜６と同等の耐圧圧力（２５ＭＰａ）が得られるものの、圧入荷重が１５７Ｎであり、圧入に際して実施例１と比べて、より大きい圧入荷重が必要であることが分かる。
【００６１】
以上より、本実施形態の二次電池の製造方法は、封止部材に圧入方向の超音波振動を付与しながら、封止部材を電解液注液孔に圧入することによって、より小さい圧入荷重で封止部材を圧入できると共に、より大きい耐圧圧力を有する、電解液注液孔の内径が２ｍｍ以上の二次電池を製造することができる。
【００６２】
【表１】
2020107555.tif 000003
【符号の説明】
【００６３】
１０    二次電池
１２    電池ケース
１３    セル
１６    蓋板
２６    電解液注液孔
２８    封止部材
４０    製造装置
５６    判定部
５８    加圧部
６０    超音波付与部
６４    ホーン
【図１】
2020107555.tif 000004
【図２】
2020107555.tif 000005
【図３】
2020107555.tif 000006
【図４】
2020107555.tif 000007
【図５】
2020107555.tif 000008
【図６】
2020107555.tif 000009
【図７】
2020107555.tif 000010
【図８】
2020107555.tif 000011
【図９】
2020107555.tif 000012
【図１０】
2020107555.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月8日(2019.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液注液孔が設けられた蓋板を含む電池ケースと、前記電解液注液孔を封止している封止部材と、を備えた二次電池の製造方法であって、
前記電解液注液孔は、前記蓋板の前記電池ケース外面側に向けて拡径するテーパ面を有し、前記電池ケース内面側の内径が１．５ｍｍ以上であり、
前記電解液注液孔から前記電池ケースに電解液が注入された後に、前記電解液注液孔に前記封止部材が配置されたセルを準備する準備工程と、
前記封止部材に接触させたホーンから、１５０Ｎ未満の圧入荷重と、圧入方向に平行な周波数２０ｋＨｚ以上の超音波振動とを付与しながら、前記封止部材を前記電解液注液孔に圧入する圧入工程と、
を備える二次電池の製造方法。
【請求項２】
電解液注液孔が設けられた蓋板を含む電池ケースと、前記電解液注液孔を封止している封止部材と、を備えた二次電池の製造方法であって、
前記電解液注液孔は、前記蓋板の前記電池ケース外面側に向けて拡径するテーパ面を有し、
前記電解液注液孔から前記電池ケースに電解液が注入された後に、前記電解液注液孔に前記封止部材が配置されたセルを準備する準備工程と、
前記封止部材に接触させたホーンから、圧入荷重と、圧入方向に平行な周波数２０ｋＨｚ以上の超音波振動とを付与しながら、前記封止部材を前記電解液注液孔に圧入する圧入工程と、
を備え、
前記圧入工程は、前記ホーンの出力値の時間変化を示す出力値波形、および／または前記ホーンの沈み込み量の時間変化を示す沈み込み量波形に基づいて、前記封止部材の圧入状態の良否を判定することを含む、
二次電池の製造方法。
【請求項３】
前記封止部材は球体である、請求項１又は２記載の二次電池の製造方法。
【請求項４】
前記蓋板の材料は金属であり、前記封止部材の材料は前記蓋板の材料の金属よりも硬度が低い金属である、請求項１〜３のいずれか１項記載の二次電池の製造方法。
【請求項５】
電池ケースの蓋板に設けられた電解液注液孔に配置された封止部材に接触し、圧入荷重と、圧入方向に平行な周波数２０ｋＨｚ以上の超音波振動とを付与しながら、前記封止部材を前記電解液注液孔に圧入するホーンと、
前記ホーンの出力値の時間変化を示す出力値波形、および／または前記ホーンの沈み込み量の時間変化を示す沈み込み量波形に基づいて、前記封止部材の圧入状態の良否を判定する判定部と、
を備える、二次電池の製造装置。