(57)【要約】【課題】高容量化につれて、活物質の高密度化、正極板と負極板とセパレータの緊迫度の上昇に伴い、低下する非水電解液注液工程の生産性向上と電池品質の向上に寄与する注液方法を提供することを目的とする。【解決手段】第一工程では、電極群１６が挿入された電池容器１５を収納したチャンバ１０内を真空ポンプ１を使って一定時間減圧し、次に第二工程では、気体注入用開閉弁６を開放してチャンバ１０内にガスボンベ３から非水電解液に溶解し得る気体を注入し、一定時間後に減圧用開閉弁４を閉じ、さらに一定時間後に気体注入用開放弁６を閉じ、次に第三工程では、電池容器１０に注液ポンプ７と注液ノズル８を使って非水電解液を注液後、次に第四工程では、真空ポンプ１を用いて減圧し一定時間経過して、大気圧に戻して電池容器１５を次工程へ送る非水電解液二次電池の製造方法である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤層を形成した帯状の正極板と負極集電体に少なくとも負極活物質を含む負極合剤層を形成した帯状の負極板とをこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回してなる電極群を金属製の電池容器内に挿入し、前記電池容器内に非水電解液を注液した後、封口体で前記電池容器の開口部を封口する非水電解液二次電池の製造方法であって、前記電池容器内を減圧する第一の工程と、次いで前記電池容器内を前記非水電解液に溶解し得る気体に置換する第二の工程と、次いで前記電池容器内に前記非水電解液を注液する第三の工程と、さらに前記電池容器内の残存する前記非水電解液に溶解し得る気体を除去する第四の工程からなることを特徴とする非水電解液二次電池の製造方法。
【請求項２】
前記電池容器内を非水電解液に溶解し得る気体として、二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１に記載の非水電解液二次電池の製造方法。
【請求項３】
前記第三の工程において、電極群を収納した電池容器内に非水電解液を注液した後、前記電池容器内を加圧することを特徴とする請求項１に記載の非水電解液二次電池の製造方法。
【請求項４】
前記第四の工程での電池容器内の残存する非水電解液に溶解し得る気体を除去する方法として、前記電池容器内を減圧することを特徴とする請求項１に記載の非水電解液二次電池の製造方法。
【請求項５】
前記第四の工程として、減圧後に電池容器内を加圧することを特徴とする請求項１に記載の非水電解液二次電池の製造方法。
【請求項６】
正極板および負極板をこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回してなる電極群が挿入された電池容器を収納するチャンバを有し、前記電池容器内とチャンバの気体を排出するチャンバに接続され減圧を行う減圧部と、前記減圧部を開閉する減圧用開閉弁と、前記電池容器内とチャンバの気体を置換する前記チャンバに接続されたガスボンベと、前記ガスボンベから置換する気体の注入を開閉する気体注入用開閉弁と、前記電池容器内とチャンバ内を加圧するチャンバに接続された加圧部と、前記加圧部を開閉する加圧用開閉弁と、前記電池容器内に非水電解液を定量供給する注液ポンプと、前記注液ポンプからの前記非水電解液を電池容器内へ注液する注液ノズルとで構成したことを特徴とする非水電解液二次電池の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高出力および高容量化を図ることができる非水電解液二次電池に非水電解液を効率よく能率的に注液することができる非水電解液二次電池の製造方法およびその製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯型通信機器などの電子機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されており、これらの電子機器の駆動用電源としては、急速充電が可能で体積エネルギー密度および重量エネルギー密度がともに高く、小型軽量でかつ高容量の充放電可能な電池としてリチウム二次電池に代表される非水電解液二次電池が主流になりつつある。利用される電子機器の多様化に伴い、高容量を求められるため、活物質の高密度化、正極板と負極板とセパレータの緊迫度が増し、それに伴い非水電解液の浸透する時間が長くなるようになった。
【０００３】
生産性向上のため図８に示すように、チャンバ１０１内に電極群１０７が挿入された電池容器１０６を収納し、電池容器１０６の上部に所定量の非水電解液を集留できる漏斗状の液溜め容器１０２を装着する。注液ポンプ１０３を用いて、液溜め容器１０２に非水電解液を供給して一旦集留させ、真空ポンプ１０４を駆動してチャンバ１０１内を真空の雰囲気にして電池容器内１０６および非水電解液中の空気を除去する。さらにチャンバ１０１内を一旦大気に開放してから、加圧ポンプ１０５を用いて加圧し、非水電解液の上下部における圧力差を利用して非水電解液を浸透させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７―９９０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１の従来技術では、高容量化に伴い電極群を構成している正極板と負極板とこれらの間に介在するセパレータとの緊迫度の増加や活物質の高密度化が進むことにより、非水電解液の浸透する時間が長くなり、真空状態を維持する時間を延ばすことで非水電解液の浸透を促進させることになる。その結果、非水電解液の揮発量が増え非水電解液量のバラツキが発生し、電池容量のバラツキが増えるという課題を有していた。
【０００５】
本発明は上記従来の課題を鑑みてなされたもので、電池容器内を減圧し、電池容器内を非水電解液に溶解し得る気体に置換した後に非水電解液を注液し、電池容器内の残存する非水電解液に溶解し得る気体を除去する非水電解液二次電池の製造方法およびその製造装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記のような目的を達成するために本発明の非水電解液二次電池の製造方法では、正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤層を形成した帯状の正極板と負極集電体に少なくとも負極活物質を含む負極合剤層を形成した帯状の負極板とこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回してなる電極群を金属製の電池容器に挿入し、電池容器内に非水電解液を注液した後に封口体で電池容器の開口部を封口する非水電解液二次電池の製造方法であって、電池容器内の減圧する第一の工程と、次いで電池容器内を非水電解液に溶解し得る気体に置換する第二の工程と、次いで電池容器内に非水電解液を注液する第三の工程と、さらに電池容器内の残存する非水電解液に溶解し得る気体を除去する第四の工
程からなることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電池容器内を減圧し非水電解液に溶解し得る気体に置換した後、電池容器内に非水電解液を注液し電池容器内の残存する非水電解液に溶解し得る気体を除去することにより、規定量の非水電解液を注液および浸透させるための真空状態に維持する時間および浸透させる時間を短縮することができ、非水電解液の揮発量が増えることによって生じる非水電解液量のバラツキを抑制し、品質および生産性の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１の発明においては、正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤層を形成した帯状の正極板と負極集電体に少なくとも負極活物質を含む負極合剤層を形成した帯状の負極板とをこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回してなる電極群を金属製の電池容器内に挿入し、電池容器内に非水電解液を注液する非水電解液二次電池の製造方法であって、電池容器内の減圧する第一の工程と、次いで電池容器内を非水電解液に溶解し得る気体に置換する第二の工程と、次いで電池容器内に非水電解液を注液する第三の工程と、さらに電池容器内の残存する非水電解液に溶解し得る気体を除去する第四の工程からなることにより、非水電解液を大気中もしくは減圧状態で長時間の放置することがなくなり、非水電解液の蒸発による注液量のバラツキや非水電解液の成分変化を抑えて、非水電解液の高い注液精度と成分維持を確保した注液が可能となる。
【０００９】
本発明の第２の発明においては、電池容器内を非水電解液に溶解し得る気体として二酸化炭素を用いることにより、電極群に非水電解液が浸透することを促進し浸透時間を短縮することができ、また非水電解液に溶存した二酸化炭素が皮膜を形成することで極板表面の反応ムラを抑えることが可能となり、電池特性を向上することが可能となる。
【００１０】
本発明の第３の発明においては、第三の工程において、電極群を収納した電池容器内に非水電解液を注液した後、電池容器内を加圧することにより、非水電解液を正極合材層および負極合材層の深部まで浸透させることができ、電池容量のバラツキを抑制することが可能となる。
【００１１】
本発明の第４の発明においては、第四の工程において、電池容器内の残存する非水電解液に溶解する気体を除去する方法として、電池容器内を減圧することにより、非水電解液中に含まれる水分を除去することで充電時のガス発生を抑えることが可能となる。
【００１２】
本発明の第５の発明においては、第四の工程において、減圧後に電池容器内を空気で加圧することにより、非水電解液を正極合材層および負極合材層の深部まで、より浸透させることができ、電池容量のバラツキを抑制することが可能となる。
【００１３】
本発明の第６の発明においては、正極板および負極板をこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回してなる電極群が挿入された電池容器を収納するチャンバを有し、電池容器内とチャンバの気体を排出するチャンバに接続され減圧を行う減圧部と、減圧部を開閉する減圧用開閉弁と、電池容器内とチャンバの気体を置換するチャンバに接続されたガスボンベと、ガスボンベから置換する気体の注入を開閉する気体注入用開閉弁と、電池容器内とチャンバ内を加圧するチャンバに接続された加圧部と、加圧部を開閉する加圧用開閉弁と、電池容器内に非水電解液を定量供給する注液ポンプと、注液ポンプからの非水電解液を電池容器内へ注液する注液ノズルとで構成したことを特徴とする非水電解液二次電池の製造装置による一連の工程により、注液時間を短縮し、その結果非水電解液の損失量とバラツキを低減することで生産性と品質が向上し、非水電解液の浸透性が向上することで電池特性が向上する注液が可能となる。
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下に示される一実施の形態については、本発明を詳細説明するために掲げた製造装置を示するものであって、本発明は円筒状の非水電解液二次電池の構造および製造装置を特定するものではない。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態である非水電解液二次電池の製造方法における注液工程のフローチャートである。図１に示すように、第一工程では、電極群が挿入された電池容器を収納したチャンバ内を真空ポンプを使って一定時間減圧する。次に第二工程では、気体注入用開閉弁を開放してチャンバ内の非水電解液に溶解し得る気体を注入し、一定時間後に減圧用開閉弁を閉じ、さらに一定時間後に気体注入用開閉弁を閉じる。
【００１６】
次に第三工程では、電池容器内に注液ポンプとノズルを使って、非水電解液を注液する。次に第四工程では、真空ポンプを用いて減圧もしくは加圧ポンプを用いて加圧する。一定時間経過後、大気圧に戻して電池容器を取り出し、次工程である浸透待ち工程へ送る。
【００１７】
図２は、本発明の非水電解液二次電池（以下、二次電池と称する）の製造装置の模式図である。図２において、減圧するための真空ポンプ１と、加圧するための加圧ポンプ２と、非水電解液に溶解し得る気体が入ったガスボンベ３が、電極群１６が挿入された電池容器１５を収納したチャンバ１０に接続されている。
【００１８】
またチャンバ１０に接続された真空ポンプ１との間には真空を開閉する減圧用開閉弁４が接続され、加圧ポンプ２には加圧用開閉弁５、ガスボンベ３には気体注入用開閉弁６がそれぞれ接続されている。さらに非水電解液を送液するための注液ポンプ７に非水電解液をチャンバ１０内に収納された電池容器１５に注液する注液ノズル８が接続され、注液ポンプ７は非水電解液が貯蔵されている非水電解液タンク９に接続されている。
【００１９】
図７は電極群１６が挿入された金属製の電池容器１５を示す。電極群１６には集電するためのリード１７の片方端が接合され、リード１７の電極群１６と接合した反対端には電池容器１５を密閉状態にするための封口板１８が接合されている。
【００２０】
次に、非水電解液を電池容器１５に注液する順を図２を用いて説明する。まず、第一の工程ではチャンバ１０内に電極群１６が挿入された電池容器１５を収納し、真空ポンプ１を駆動するとともに、減圧用開閉弁４を開放する。一定時間開放して、チャンバ１０内および電池容器１５内部の空気を除去する。その際、電池容器１５内の電極群１６内の渦巻状に巻回した正極板と負極板とセパレータとの間や電池容器１５と電極群１６との隙間の空気までを除去することが望ましい。
【００２１】
次いで第二の工程では、気体注入用開閉弁６を開放し、第一工程で空気が除去されたチャンバ１０および電池容器１５内部に非水電解液に二酸化炭素からなる溶解し得る気体を注入する。一定時間経過後、減圧用開閉弁４を閉じ、非水電解液に溶解し得る気体をさらにチャンバ１０および電池容器１５内部に注入し、一定時間経過後、気体注入用開閉弁６を閉じる。この際も、電池容器１５内の電極群１６内の渦巻状に巻回した正極板と負極板とセパレータとの間や電池容器１５と電極群１６との隙間にまで、非水電解液に溶解し得る気体を挿入できる時間を確保することが望ましい。
【００２２】
その後、第三の工程では注液ポンプ７で非水電解液タンク９から注液ノズル８を介して非水電解液を電池容器１５に注液する。その後に、加圧用開閉弁５を開放して、チャンバ１０内および電池容器１５内を加圧ポンプ２で加圧する。そのことにより電極群１６内への非水電解液の浸透をさらに促進させることが可能となる。
【００２３】
さらに第四の工程では、真空ポンプ１を駆動するとともに減圧用開閉弁４を開放してチャンバ１０および電池容器１５内の残存する非水電解液に溶解し得る気体を除去し、一定時間経過後に、真空ポンプ１を停止し、減圧用開閉弁４を閉じて一連の工程を終了する。または第四の工程では、減圧後さらに、加圧ポンプ２を駆動して、加圧用開閉弁５を開放し、一定時間経過後に加圧ポンプ２を停止し、加圧用開閉弁５を閉じて一連の工程を終了する。なお、非水電解液に溶解可能な気体であれば二酸化炭素に限定されない。
【００２４】
次に以下、本発明の実施例に関わる非水電解液二次電池の製造方法およびその製造装置について図を参照しながら詳細に説明する。以下本発明の実施例について詳細に説明するが、これらは本発明を何ら限定するものではない。
【実施例１】
【００２５】
図７に示されるように、直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの一般的なリチウムイオン二次電池を用いた。また非水電解液に溶解し得る気体として、二酸化炭素を用い、あらかじめ電極群１６を挿入した電池容器１５の重量を未注液の状態で測定しておく。
【００２６】
図２に示す製造装置を用い、まず、第一の工程で、チャンバ１０内に電極群１６を挿入した電池容器１５を収納し、図３の電池容器１５内とチャンバ１０内の圧力の状態図に示すように、減圧用開閉弁４を開放して、真空ポンプ１を使って真空度−１００ｋＰａで６０秒間減圧する。ついで第二の工程で、気体注入用開閉弁６を開放して５０Ｋｐａで二酸化炭素の注入を開始し、５秒経過後、減圧用開閉弁４を閉じた。
【００２７】
さらに６０秒経過後、気体注入用開閉弁６を閉じた。第三の工程で、電池容器１５に注液ポンプ７で非水電解タンク９から注液ノズル８を介して５．２ｇの非水電解液を注液した。次に、第四の工程で減圧用開閉弁４を開放し、真空ポンプ１を使って、−９０Ｋｐａに減圧し、６０秒後に真空ポンプ１を停止し大気圧に戻して、減圧用開閉弁４を閉じた。その後、非水電解液が電極群１６内へ浸透する時間と浸透完了直後の重量を測定した電池容器１５を実施例１とした。
【実施例２】
【００２８】
本発明の実施例２として、第三の工程までは実施例１と同様にして非水電解液を注液した。その後に、図４の電池容器１５内とチャンバ１０内の圧力の状態図に示すように、  第四の工程で加圧用開閉弁５を開放し、加圧ポンプ２を使って空気を注入して５０ｋＰａに加圧し、６０秒後に加圧ポンプ２を停止し大気圧に戻して、加圧用開閉弁５を閉じた。その後、非水電解液が電極群１６内へ浸透する時間と浸透完了直後の重量を測定した電池容器１５を実施例２とした。
【実施例３】
【００２９】
本発明の実施例３として、第二の工程までは、実施例１と同様にして二酸化炭素を注入した。次いで、図５の電池容器１５内とチャンバ１０内の圧力の状態図に示すように、第三の工程で、電池容器１５に注液ポンプ７で非水電解液タンク９から注液ノズル８を介して５．２ｇの非水電解液を注液した後に、加圧用開閉弁５を開放し加圧ポンプ２を使って電池容器１５内を５０ｋＰａの加圧し、１０秒後に加圧ポンプ２を停止し、加圧用開閉弁５を閉じて大気圧に戻した。
【００３０】
さらに、第四の工程で減圧用開閉弁４を開放し、真空ポンプ１を使って、−９０Ｋｐａに減圧し、６０秒後に真空ポンプ１を停止し大気圧に戻して、減圧開閉弁４を閉じた。その後、非水電解液が電極群１６内へ浸透する時間と浸透完了直後の重量を測定した電池容器１５を実施例３とした。
【実施例４】
【００３１】
本発明の実施例４として、第三の工程までは、実施例３と同様にして非水電解液を注液した。その後に、図６の電池容器１５内とチャンバ１０内の圧力の状態図に示すように、第四の工程で減圧用開閉弁４を開放し、真空ポンプ１を使って、−９０Ｋｐａに減圧し、６０秒後に真空ポンプ１を停止し大気圧に戻して、減圧開閉弁４を閉じ、さらに加圧用開閉弁５を開放し、加圧ポンプ２を使って空気を注入して５０ｋＰａに加圧し、６０秒後に加圧ポンプ２を停止し大気圧に戻して、加圧用開閉弁５を閉じた。その後、非水電解液が電極群１６内へ浸透する時間と浸透完了直後の重量を測定した電池容器１５を実施例４とした。
【００３２】
（比較例）
図８に示すような注液装置を用いて注液を行った。あらかじめ電極群１０７が挿入された電池容器１０６の重量を未注液の状態で測定しておく。チャンバ１０１内に電極群１０７が挿入された電池容器１０６を収納し、電池容器１０６の上部の装着された漏斗状の液溜め容器１０２に非水電解液５．２ｇを注液ポンプ１０３を用いて、集留させる。減圧加圧切替三方弁１０８を減圧側に閉じ、真空ポンプ１０４を駆動してチャンバ１０１内を−９０ｋＰａに減圧する。
【００３３】
１２０秒経過後に真空ポンプ１０４を停止して減圧加圧切替三方弁１０８を大気開放側に開き、チャンバ１０１内を一旦大気圧に戻す。その後、減圧加圧切替三方弁１０８を加圧側に閉じ加圧ポンプ１０５を用いて５０ｋＰａに加圧し、６０秒後に、加圧ポンプ１０５を停止して減圧加圧切替三方弁１０８を大気開放側に開き、チャンバ１０１内を大気圧に戻す。その後、非水電解液が電極群１０７内へ浸透する時間と浸透完了直後の重量を測定した電池容器１０６を比較例とした。
【００３４】
上記実施例１から４および比較例の非水電解液注液時間における精度、注液時に装置に付着または揮発により損失した非水電解液の量を比較するために、下記の評価を行った。その結果を（表１）に示す。
【００３５】
（表１）に示した注液時間、非水電解液の損失量、注液量のバラツキは下記のとおり計測した。注液時間は電池容器内の電極群に浸透した時間を測定した。注液精度は、非水電解液の注液済みとなった電池容器の重量と非水電解液未注液の状態となった電池容器の重量に非水電解液の重量の５．２ｇを加えた重量との差を注液された量とし、注液した非水電解液量との比率を表した。
【００３６】
実施した３０個の電池容器で各例の比較をした。また、非水電解液の損失量は、非水電解液の注液済みとなった電池容器の重量と非水電解液未注液の状態となった電池容器の重量に非水電解液の重量の５．２ｇを加えた重量との差を注液されたとし、各例で比較を行った。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
（表１）の結果より、本発明の注液方法での実施例１から実施例４は、比較例に比べ、注液時間が短縮でき、かつ損失量および注液量バラツキも低減できた。特に実施例３においては、第三の工程で注液後の加圧を追加することで、実施例１の効果に加えて、非水電解液の浸透を促進することが可能である。
【００３９】
また実施例４においても、第四の工程で減圧後の加圧を追加することで、実施例３の効果に加えて、非水電解液の浸透を促進することが可能である。比較例は、非水電解液の上下の圧力差のみで非水電解液を電池容器内に浸透させているが、電池容器内の空気を完全に除去していないために空気と非水電解液の置換が進みにくく、自然置換による浸透を待たなければならない。
【００４０】
その結果、浸透終了までの時間がかかり、それに伴い揮発による非水電解液の損失量が増え、注液量がばらつく原因となっている。それに比べ、本発明の方法では、電池容器内の空気を除去するだけでなく、非水電解液に溶解し得る気体である二酸化炭素に置換することで、より非水電解液が電池容器内に浸透し、浸透終了までの時間も短縮でき、その結果として損失量と注液量のバラツキが低減でき、品質および生産性の向上が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、電極群が挿入された電池容器内を非水電解液に溶解し得る気体に置換することにより、電池容器内の気体と非水電解液の置換がより促進されるため、注液時間の短縮が図れ、その結果、非水電解液の損失量と注液量バラツキを抑えることができ、生産性と品質の向上および製造コストの削減に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態を示す工程のフローチャート
【図２】本発明の実施の形態を示す製造装置の模式図
【図３】本発明の実施例１における電池容器内とチャンバ内の圧力の状態図
【図４】本発明の実施例２における電池容器内とチャンバ内の圧力の状態図
【図５】本発明の実施例３における電池容器内とチャンバ内の圧力の状態図
【図６】本発明の実施例４における電池容器内とチャンバ内の圧力の状態図
【図７】本発明の電池容器内に電極群が挿入された模式図
【図８】従来技術の注液装置の模式図
【符号の説明】
【００４３】
１  真空ポンプ
２  加圧ポンプ
３  ガスボンベ
４  減圧用開閉弁
５  加圧用開閉弁
６  気体注入用開閉弁
７  注液ポンプ
８  注液ノズル
９  非水電解液タンク
１０  チャンバ
１５  電池容器
１６  電極群
１７  リード
１８  封口板
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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