(57)【要約】【課題】パッキン劣化を低減し、かつパッキンへの電解液付着ロスを低減した密閉構造での減圧・加圧注液を可能とし、電解液の溢れがなく、封口板溶接による電解液引火の危険も無い、安全で量産安定性に優れた高速注液含浸工法を提供すること。【解決手段】正極板、負極板及びセパレータから成る極板群を、電池ケースに挿入した後に電解液を注液し、その後封口板で封口する電池の製造方法において、電池ケースに挿入されている極板群から引き出されたリードの先端には封口板が接続されている状態で、電池ケースと封口板との隙間に対し、注液経路が掘り込み形成されているパッキンを含む複数のパッキンを挿入して、前記複数のパッキンを互いに押し当てて密閉するとともに、前記封口板と前記電池ケースで、前記複数のパッキンを挟み込んで密閉し、前記注液経路から電解液を注液する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板、負極板及びセパレータから成る極板群を、電池ケースに挿入した後に電解液を注液し、その後封口板で封口する電池の製造方法において、前記電池ケースに挿入されている前記極板群から引き出されたリードの先端には封口板が接続されている状態で、前記電池ケースと前記封口板との隙間に対し、注液経路が掘り込み形成されているパッキンを含む複数のパッキンを挿入して、前記複数のパッキンを互いに押し当てて密閉するとともに、前記封口板と前記電池ケースで、前記複数のパッキンを挟み込んで密閉し、前記注液経路から電解液を注液することを特徴とする電池の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する方法で前記電池ケース内部を密閉し、前記電池ケース内部を減圧状態にしてから注液し、その後加圧してから大気開放することを特徴とする電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極・負極及びセパレータからなる極板群を電池ケース内に収容し、電解液を注液する電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、リチウムイオン電池などの電池は、電池ケース内に極板群を収納した後、電解液を注液し、電池ケースの開口部及び／または注液口を封口する工程を経て製造される。
【０００３】
極板群は、正極板と負極板の間にセパレータを介在させ、緊密に積層または積層状態で捲回したものであるため、電解液を注液しても、極板群のわずかな隙間に電解液が浸透しにくく、含浸するのに長時間を要していた。
【０００４】
旧来では、少しでも速く電解液を極板群に含浸させる方法として、電池ケースの開口部に真空ポンプやコンプレッサーからの配管を接続し、電池ケース内を減圧状態としてから電解液を注液する方法や、電解液を注液してから電池ケース内部を減圧または加圧して電解液の極板群への含浸速度を速める方法がとられていた。
【０００５】
電池ケース内部を減圧したり、注液後に減圧・加圧操作を実施したりする場合は、電池ケースを含む空間を密閉する必要があり、例えば、第１の従来技術の製造方法のように、電池ケースの外側に密閉チャンバ部を配置して、内部の圧力を調整しながら注液・含浸させる方法が取られることがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、この製造方法では、極板群の巻きの緊密度によっては、注液してからの液面にバラツキが生じ、減圧・加圧・大気開放の操作の時に、電池ケースから電解液が溢れ出ることがあり、注液量バラツキが起こるという問題と、溢れ出た電解液で電池ケース及び／または封口板が汚れてしまうという問題があった。
【０００７】
一方、密閉チャンバを電池の外に配置するのではなく、極板群と電池ケースに対して、電池ケースの淵をキャップで密閉して注入室を構成し、減圧・加圧操作を施して注液する方法も取られている（例えば、特許文献２参照）。
この場合は、極板群の巻きの緊密度が変わって液面にバラツキが生じたとしても、注入室を開放するまでに液面が電池ケースの淵より下になるまで含浸が進めばよく、減圧・加圧・大気開放操作時に電解液が溢れる心配は少ない。
【０００８】
しかしながら、この製造方法では、電池ケースの淵を直接密閉するため、極板群から引き出したリードに封口板を予め溶接しておくことができない。また、リードが電解液で濡れてしまうため、注液含浸終了後、封口板をリードに溶接する際、電解液が引火する危険があって好ましくないという課題を有していた。
【０００９】
上記２通りの製造方法の課題を解決する方法として、極板群から引き出されたリードにテーパ部を設けておき、リードを複数の軟質なゴム蓋１７で挟み込んで密閉空間を構成し、圧力制御しながら注液する方法も提案されている（例えば、特許文献３）。
【００１０】
この場合は、図５に示す、電池ケース４とゴム蓋１７、リード周りの密閉状態が保たれていれば、注液・減圧・加圧操作の時に電解液が電池ケース４から溢れ出る心配はない上、封口板は注液前に溶接されているため、溶接時の電解液引火の危険もない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２１７５６７号公報
【特許文献２】特許第３８２７７５３号公報
【特許文献３】特開２００３−２０３６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、この特許文献３に示す製造方法には、以下の２点の課題がある。
【００１３】
１点目の課題は、鋭利なリードを軟質のゴム蓋で挟むため、ゴム蓋が損傷しやすく、量産時に密閉された状態を保つためには頻繁にゴム蓋を交換しなければならず、稼動ロスと消耗品ロスが増加してしまうという点である。
【００１４】
２点目の課題は、ゴム蓋１７ａ、１７ｂが電池ケース４の開口部を塞ぐ構成となっているため、電解液がゴム蓋１７ａ、１７ｂの電池ケース側に全面的に付着し、その結果、開口時の液飛散による汚れの発生、電解液ロスの発生、そして注液量バラツキが起こるという点である。
【００１５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、リードに封口板の接続された極板群であっても、鋭利なリードを挟むことなく電池ケースを密閉し、かつ、ゴム蓋への電解液付着量を低減して、液飛散、電解液ロスを抑制した構成で圧力操作を伴う注液含浸を実現し、高速含浸でき、量産安定性に優れた注液含浸工法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の電池の製造方法は、正極板、負極板及びセパレータから成る極板群を、電池ケースに挿入した後に電解液を注液し、その後封口板で封口する電池の製造方法において、前記電池ケースに挿入されている前記極板群から引き出されたリードの先端には封口板が接続されている状態で、前記電池ケースと前記封口板との隙間に対し、注液経路が掘り込み形成されているパッキンを含む複数のパッキンを挿入して、前記複数のパッキンを互いに押し当てて密閉するとともに、前記封口板と前記電池ケースで、前記複数のパッキンを挟み込んで密閉し、前記注液経路から電解液を注液することを特徴とする。
【００１７】
本構成によって、電池ケース内部は、封口板、複数のパッキン、及び電池ケースの淵で密閉が保たれることとなり、鋭利なリードを挟み込んでいないので、パッキンの磨耗は少なく、量産性に優れる。また、電解液が触れる面積の違いから、注液時に、極板群に対向する封口板の面に付着する電解液量と比べて、パッキンに付着する電解液量は少なく、したがって、開封時の液飛散、電解液ロス、注液量バラツキが低減される。なお、極板群に対向する封口板の面に電解液が付着しても、そのまま、後工程で封口されたときに、電池ケースの内側となるので問題はない。
【００１８】
また、前記のように密閉状態を構成した上で、電池ケース内部を減圧状態にしてから電解液を注液し、その後加圧状態にして電解液を極板群に浸透させてから大気開放するようにして注液含浸させることにより、電解液を高速で含浸させることができ、望ましい。
【００１９】
この含浸高速化は、減圧操作によって極板群の隙間及び極板表面に付着する気体分子を抜き取って電解液が入りやすい状態を作っておき、そこへ注液することで電解液が速く隙間や極板表面に流れるという効果と、さらにその後の加圧によって多孔質な極板の内部へ電解液の分子を押し込み、極板表面への電解液の接触を促進して浸透しやすくするという
効果による。
【００２０】
なお、減圧時の注液や、注液後の加圧操作、その後の大気開放時に電解液から気泡が発生したり電解液が飛び跳ねたりする場合があるが、本発明の密閉構造により、極板群に対向する封口板の面やパッキンの内側に電解液が付着したとしても電池ケースの外に溢れることはない。
【００２１】
また、上述の通り、電解液が触れる面積の違いから、極板群に対向する封口板の面に付着する電解液量と比べて、パッキンに付着する電解液量は少ないため、減圧や加圧を伴う注液工程において密閉空間で電解液が飛び跳ねたとしても、電解液のパッキンへの付着ロスは少ない。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明の電池の製造方法によれば、パッキン劣化を低減し、かつ、パッキンへの電解液付着を低減した密閉構造を可能とし、電解液の溢れはなく、稼動ロス、消耗品ロス、電解液ロスが少なく、注液量バラツキも少ない高速注液含浸を実現することができる。また、封口板を先に溶接した状態での注液含浸であり、溶接時の引火の危険性もなく、結果として、安全で生産性の高い電池生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における電池の製造方法のフロー図
【図２】本発明の実施の形態１における電池の断面模式図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における注液ノズルの構造を示した斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態１における注液ノズルの上面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１における手順を示す密閉前断面模式図、（ｂ）本発明の実施の形態１における手順を示す密閉後断面模式図、（ｃ）本発明の実施の形態１における手順を示す注液後断面模式図
【図５】（Ａ）従来の電解液注液装置の説明図、（Ｂ）図５（Ａ）のＡ−Ａ断面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電池の製造方法のフロー図である。
電池ケースに入っている極板群から引き出されたリード線に対し、封口板を溶接する工程Ｓ００１の後、重量を測定する工程Ｓ００２があり、その後電解液を注液する工程Ｓ００３を経て再度重量を測定する工程Ｓ００４があり、その後封口板を挿入する工程Ｓ００５へと流れていくよう工程を設計している。電池に充填される電解液の重量を把握するために重量測定工程Ｓ００２とＳ００４を設けているが、注液吐出量から注液重量を把握することで注液重量の精度が確保できる場合や、注液中に重量変化を同時測定するような場合は不要である。
【００２６】
封口板をリードに溶接する工程Ｓ００１が注液工程Ｓ００３よりも後になれば、電解液で濡れたリード線をふき取る作業が必要となる上、溶接の際に火花が電解液に引火する危険があるが、本構成の工程フローのように、先に溶接しておくと電解液発火に関する安全上の問題はない。
【００２７】
次に、本実施形態で用いた電池を図２に模式的に示す。
【００２８】
本発明の実施形態では、外径１８ｍｍ、長さ６５ｍｍの円筒形リチウムイオン二次電池
を用いた。正極板１０１と負極板１０２に対し、セパレータ１０３を交互に巻きこんで捲回して作成した極板群１０９が円筒形の電池ケース１０４に収納されている。負極板１０２に溶接された負極リード１０５は、電池ケース１０４内部の底周辺で電池ケース１０４に溶接されている。正極板１０１に溶接された正極リード１０６は、電池ケース１０４の開口部から上に突き出し、封口板の金属部１０８ｂに溶接されている。封口板の金属部１０８ｂの周囲は、封口板のガスケット部１０８ａで囲まれるように構成されている。なお、封口板１０８は電池ケース１０４よりやや小さい外径を有している。
【００２９】
極板群１０９の上部にはポリプロピレン樹脂からなる上部絶縁板１０７ａを配置し、正極リード１０６が突き出せるように穴が設けてある。また、極板群１０９の下部には同様にポリプロピレン製の底部絶縁板１０７ｂを設けてある。なお、図２中の極板群１０９については右側半分のみ断面を記載している。
【００３０】
正極板１０１はアルミニウム箔の両面に正極活物質であるマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）と結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を含む正極材料を塗工して作製したものである。なお、材料供給量・コストの面ではコバルト系のものより、ＬｉＭｎ２Ｏ４などのマンガン系が適しているが、本発明は他の系でも同様に適用可能である。負極板１０２は銅箔の両面に負極活物質である人造黒鉛と結着剤であるスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）を含む負極材料を塗工して作製したものである。正極リード１０６はアルミニウム製で、負極リード１０５はニッケル製である。
【００３１】
次に、本実施形態で使用した注液ノズルについて図３を用いて説明する。
【００３２】
図３（ａ）は、注液ノズルの構造を示した斜視図である。注液ノズルは、ステンレス製の保持部材１１１にエチレンプロピレンジエンゴム（以下ＥＰＤＭゴム）をライニングしたラインニング部１１０とそれに相対するステンレス製保持部材１１６とＥＰＤＭゴムライニング部１１５からなる。保持部材１１１とラインニング部１１０の厚みはともに５ｍｍであり、保持部材１１１とラインニング部１１０を貫通するように中央部分に直径３ｍｍの穴が掘り込み形成されており、その先に筒状の接続部１１３が設けられ、チューブ１１４とつながっている。保持部材１１１と筒状の接続分１１３、及びチューブ１１４は密閉状態で接続されている。なお、ライニング部１１０及び１１５のライニングゴム厚みは３．５ｍｍである。
【００３３】
図３（ｂ）は、注液ノズルの保持部材１１１と１１６をそれぞれのライニング部１１０と１１５を相対接触するように配置し、ゴムの押し込み量が０．５ｍｍとなるまで押し込んだ場合の上面図である。本実施形態では、このように保持部材１１１と１１６を図示しないクリップで挟みこんで、このような状態となるまで力を加える。なお、図に示すとおり、ライニング部が接触する部分には、Φ１３ｍｍの空間が構成される設計となっている。
【００３４】
次に、本実施形態の手順について図４を用いて説明する。図４は本実施形態の手順を示す断面模式図であるが、状態を分かりやすくするために一部の図を割愛している。
【００３５】
まず、図４（ａ）に示すように電池ケース１０４と封口板１０８の隙間に、注液ノズルの保持部材１１１、１１６を、それぞれのライニング部１１０、１１５を相対するように差し込む。このとき、ライニング部１１０と１１５は接触し、ゴムの押し込み量がそれぞれ０．５ｍｍとなるよう、図示しないクランプによって保持部材１１１と１１６を挟み込むようにする。電池ケース１０４と封口板１０８の隙間は７ｍｍほどあり、厚みが５ｍｍのライニング部を挿入することが可能である。
【００３６】
次に図４（ｂ）に示すように、封口板１０８の上に押さえ装置１１７を接触させて力を加え、封口板のガスケット部１０８ｂがライニング部１１０、１１５に接触し、封口板１０８を押し下げる。このとき、ライニング部１１０、１１５は封口板のガスケット部１０８ｂと電池ケース１０４の開口部の淵１１８に挟まれ、ライニング部１１０、１１５の厚みが０．５ｍｍほど押さえられるようにして、電池ケース１０４の内部空間を密閉するように構成する。
【００３７】
チューブ１１４の先には、図示しない減圧装置、注液ポンプ、加圧装置が配置され、図示しない弁で切り替えられるようになっている。電池ケース１０４の内部空間を、チューブ１１４を通して減圧してから、弁を切り替えて電解液をチューブ１１４から注液し、電池ケース１０４の内部に導入する。
【００３８】
注液後は、チューブ１１４の先の弁を切替え、加圧装置から供給されるエアによる高い圧力を、チューブ１１４を通して電池ケース１０４の電解液の液面に加え、含浸を加速する。
【００３９】
なお、電解液は、溶質として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を用い、溶媒としてエチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）の混合溶媒を用い、この溶媒に溶質を溶解したものを用いた。
【００４０】
減圧、注液、加圧のプロセス中は、押さえ装置１１７は封口板１０８を押圧し続ける構成としている。
【００４１】
注液後、図４（ｃ）に示すように、押さえ装置１１７を引き上げ、封口板１０８を持ち上げる。押さえ装置１１７は磁力を帯びており、鉄系素材である封口板の金属部１０８ａは押さえ装置の上昇に従って引き上げられる。その後、注液のノズルである保持部材１１１と１１６を水平方向に引き抜き、封口板１０８を電池ケース１０４に挿入する封口板挿入工程へと送る。
【００４２】
本実施形態では、注液前の減圧を大気圧から−９０ｋＰａの真空状態とし、注液後の加圧を０．５ＭＰａの加圧状態としたが、減圧、注液、加圧のプロセスを通して電解液が漏れることはなく、短時間で注液含浸することができた。
【００４３】
なお、圧力設定値や加圧減圧の回数といったプロセス条件は、必ずしも上記条件でなくても、同様の装置構成とすることにより本発明は実施可能である。
【００４４】
注液中、封口板１０８およびライニング部１１０、１１５の電池ケース１０４の内部空間に面している部分は電解液によって濡れることになるが、封口板１０８の電池ケース１０４に面する側は、電池の内部となる部分であって、電解液を拭き取る必要はない。注液ノズルのライニング部１１０、１１５については、連続生産するためには、適宜付着した電解液をエアブローなどで除去する必要があるが、微量であり、生産に大きな支障をきたすものではない。また、電解液が正極リード１０６に付着していても、すでに封口板１０８が溶接済みであるため、電解液を拭き取る必要はない。
【００４５】
以上のようにして、本発明によれば、封口板１０８と電池ケース１０４の間に注液ノズルを挟みこむような構成によって、封口板溶接後の電池に対しても電解液の飛散が少ない密閉型の減圧・加圧注液を実現でき、生産性を悪化させる電解液拭き取り作業などを排除し、効率的に注液含浸することが可能となる。
【００４６】
この発明は、円筒形のリチウムイオン二次電池だけに限らず、電解液を注液する工程を
有する電池であれば、角型など他の形状や、ニッケル水素電池など他の材質の電池でも同様に展開可能である。また、ケースに入れた極板群に注液し、後に封口する工程を有する他の部品、例えばコンデンサなどでも同様に展開可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の電池の製造方法によれば、パッキン劣化を低減し、かつパッキンへの電解液付着ロスを低減した密閉構造での減圧・加圧注液を可能とし、電解液の溢れがなく、封口板溶接による電解液引火の危険も無い、安全で量産安定性に優れた高速注液含浸工法を提供することが可能であり、注液工程を有するあらゆる電池やコンデンサの製造において生産性向上を果たすことが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１１０、１１５  注液ノズルのライニング部
１１１、１１６  注液ノズルの保持部材
１１４    チューブ
１１７    押さえ装置
１１８    電池ケース開口部の淵
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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