(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電時に非水電解液に溶解したリチウムイオンをインサーションによって負極に取り込む非水電解質二次電池の製造方法において、
正負極をセパレータを介して重ね合わせることにより電池エレメントを形成する電池エレメント形成工程と、
この電池エレメントを金属リチウムと共に非水電解液中に浸けて、この電池エレメントの負極と金属リチウムとを電気的に接続し予備充電を行う予備充電工程と、
予備充電を終えた電池エレメントを電池ケースに収納するケース収納工程とを備えたことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
【請求項２】
前記予備充電工程が、電池エレメントの負極と金属リチウムとの間に電圧を印加することにより予備充電を行う工程であることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
【請求項３】
前記予備充電工程が、減圧した密閉容器内の非水電解液中で予備充電を行う工程であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電時に非水電解液に溶解したリチウムイオンをインサーションによって負極に取り込む非水電解質二次電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非水電解質二次電池の負極は、一次電池の場合と同様に金属リチウムを用いるのが理想である。しかし、金属リチウムを負極に用いると、充電時に正極から非水電解液に溶解したリチウムイオンが負極の表面に樹枝状に結晶して析出し、セパレータを貫通して正極との間に内部短絡を起こすおそれが生じる。そこで、微細な層状等の構造を有するグラファイト等を負極として用いて、非水電解液に溶解したリチウムイオンをインサーションによってこの負極に取り込むことにより、充電時に樹枝状結晶が析出することがないようにした非水電解質二次電池が実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記非水電解質二次電池は、最初の充電時に正極のリチウムが負極の表面で被膜となって消費されるので、その後の充放電時の可逆反応で利用できるリチウムが減少し電池容量が少なくなるという問題があった。例えば、正極にリチウムコバルト複合酸化物を用い負極にグラファイトを用いた電池の場合には、負極で１５％程度のリチウムが消費されるので、正極のリチウムは、全体の８５％程度しか充放電に利用することができない。また、最初の充電時には、負極での表面反応によりガスが発生するので、特に角形の電池ケースを用いる場合や柔軟なラミネートフィルム等を電池ケースとして用いる場合には、このガスを密封前に外部に放出しておかなければ、電池ケースがガス圧で膨らむという問題も生じていた。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、電池エレメントを電池ケースに組み込む前に金属リチウムによる予備充電を行うことにより、正極のリチウムを無駄なく充放電に利用できるようにし、ガスが電池ケース内に溜まることもない非水電解質二次電池の製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、上記課題を解決するために、充電時に非水電解液に溶解したリチウムイオンをインサーションによって負極に取り込む非水電解質二次電池の製造方法において、正負極をセパレータを介して重ね合わせることにより電池エレメントを形成する電池エレメント形成工程と、この電池エレメントを金属リチウムと共に非水電解液中に浸けて、この電池エレメントの負極と金属リチウムとを電気的に接続し予備充電を行う予備充電工程と、予備充電を終えた電池エレメントを電池ケースに収納するケース収納工程とを備えたことを特徴とする（請求項１）。
【０００６】
請求項１の手段によれば、非水電解液中で電池エレメントの負極と金属リチウムとを電気的に接続するので、この金属リチウムからリチウムイオンが非水電解液中に溶解して負極に移動し予備充電が行われる。従って、この負極の表面反応で消費されるリチウムを事前に金属リチウムから供給できるので、後の充放電時に正極のリチウムが無駄なく利用できるようになる。また、電池エレメントは、この予備充電の後に電池ケースに収納されるので、負極の表面反応時に発生するガスが電池ケース内に溜まるようなこともなくなる。
【０００７】
なお、負極を単独で予備充電すると、表面に形成される被膜によって負極活物質が膨張するので、正極やセパレータと重ね合わせて巻回等を行うことができなくなる。このため、本発明は、電池エレメントを形成した後に、予備充電を行う必要が生じる。
【０００８】
また、前記の予備充電工程が、電池エレメントの負極と金属リチウムとの間に電圧を印加することにより予備充電を行う工程であることを特徴とする（請求項２）。
【０００９】
請求項２の手段によれば、非水電解液中で電池エレメントの負極と金属リチウムとの間に電圧を印加するので、予備充電を確実かつ迅速に行うことができるようになる。また、負極に表面反応のために供給するリチウムの量は、多すぎてもよくないので、この印加電圧を適当な定電圧に調整すれば、リチウムを自動的に適量だけ供給することができるようになる。
【００１０】
さらに、前記の予備充電工程が、減圧した密閉容器内の非水電解液中で予備充電を行う工程であることを特徴とする（請求項３）。
【００１１】
請求項３の手段によれば、減圧した密閉容器内で予備充電を行うので、負極で発生したガスが非水電解液中に溶け込んだり電池エレメント内の電極間等に留まるようなことがなくなり、確実なガス抜きを行うことができるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１〜図４は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は電池エレメントを形成する工程を示す斜視図、図２は電池エレメントを仮ケースに収納する工程を示す斜視図、図３は電池エレメントを予備充電する工程を示す斜視図、図４は電池エレメントを電池ケースに収納する工程を示す斜視図である。
【００１４】
本実施形態では、巻回形の電池エレメント１を用いた非水電解質二次電池の製造方法について説明する。電池エレメント１は、図１に示すように、負極２と正極３をセパレータ４を介して長円状に巻回することにより形成される（電池エレメント形成工程）。この電池エレメント１は、必要に応じて、巻きが解けないようにテープ等で止めておく。充電時に非水電解液に溶解したリチウムイオンをインサーションによって取り込む負極２は、帯状の銅箔の表面にグラファイト等の負極活物質を塗布したものであり、正極３は、帯状のアルミニウム箔の表面にリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）等の正極活物質を塗布したものである。ただし、負極２は、巻回した最外周部の外向き面が負極活物質を塗布されずに銅箔を露出させ、正極３は、巻回の後端部が正極活物質を塗布されずにアルミニウム箔を露出させている。セパレータ４は、帯状の微多孔性樹脂フィルムを用いる。
【００１５】
上記電池エレメント１は、図２に示すように、銅板のパンチングメタルを底のない箱状に形成した仮ケース５に挿入される。電池エレメント１は、長円の短径の幅よりもわずかに狭い仮ケース５内に押し込まれて、巻きの弾性によりこの仮ケース５内に保持される。また、この仮ケース５の銅板には、電池エレメント１の負極２の最外周部に露出した銅箔が圧接されるので、これらの間が電気的に接続される。
【００１６】
仮ケース５に収納された電池エレメント１は、図３に示すように、真空チャンバ６内に満たした非水電解液７中に浸けられる。仮ケース５のパンチングの孔は、この非水電解液７が電池エレメント１に流通し易くするためのものである。真空チャンバ６は、上部のバルブ８を介して、密閉した内部を真空引きし減圧するようになっている。また、下部のバルブ９は、非水電解液７の交換時に使用する。この真空チャンバ６内に満たされた非水電解液７中には、金属リチウム１０も浸けられている。そして、これら非水電解液７中の仮ケース５と金属リチウム１０は、リード線を介して定電圧電源１１に接続されている。定電圧電源１１は、仮ケース５を介した電池エレメント１の負極２と金属リチウム１０との間に０．６Ｖ程度の定電圧を印加する電源である。
【００１７】
定電圧電源１１が定電圧を印加すると、金属リチウム１０からリチウムイオンが非水電解液７中に溶解して負極２に移動し予備充電が行われる（予備充電工程）。すると、負極２では、このリチウムイオンによって表面反応が発生し被膜が形成されてリチウムを消費する。ただし、このようにして負極２がリチウムを取り込むと、金属リチウム１０とのポテンシャルの差が減少するので、予備充電が自動的に終了する。負極２の表面反応のために供給するリチウムの量が多すぎると、後の充電時にこの負極２に樹枝状結晶が析出するおそれが生じるので、リチウムが適当な量だけ供給されるように定電圧電源１１の定電圧を調整する。ただし、負極２へのリチウムの供給量は予め分かっているので、電流の積分値（電荷量）が所定値を超えたら回路を遮断するようにしたり、定電流を供給しておいて時間で制御するようにしてもよい。また、このように供給するリチウムの量を制御する場合には、電池エレメント１の負極２と金属リチウム１０とを単に電気的に接続するだけでもよい。
【００１８】
上記予備充電の際には、負極２での表面反応によりガスが発生する。ただし、そのままでは、このガスが非水電解液７から外部に全て放出されずに、非水電解液７に溶け込んだり電池エレメント１の電極間等に気泡となって留まるおそれがある。しかし、本実施形態では、真空チャンバ６内を減圧しているので、ここで発生したガスのほとんどを非水電解液７から外部に放出させることができる。
【００１９】
予備充電が完了すると、非水電解液７中から仮ケース５を取り出し、振動を加える等して電池エレメント１に付着した非水電解液７を振り払う。そして、図４に示すように、電池エレメント１を仮ケース５から押し出すと共に、この電池エレメント１を実際の電池ケース１２に収納する（ケース収納工程）。電池ケース１２は、ステンレス鋼板等を箱状にしたものであり、電池エレメント１の負極２の銅箔が圧接することにより負極端子となる。また、電池エレメント１の正極３は、巻回の後端部を図示しない電池蓋の正極端子に接続する。そして、この電池ケース１２に非水電解液を注入し、開口部に電池蓋を嵌めてレーザ溶接により密閉することにより、角形の非水電解質二次電池が完成する。
【００２０】
以上説明したように、本実施形態によれば、電池エレメント１の負極２を電池ケース１２に収納する前に予備充電して金属リチウム１０からリチウムを供給するので、実際の充放電の使用時に利用される正極３のリチウムが無駄に消費されるようなことがなくなり、電池容量を増加させることができる。この予備充電は、負極２が消費するリチウムを供給するためだけのものであるため、定電圧電源１１が供給する電流もわずかなものとなる。従って、容量の少ない定電圧電源１１を用いても、真空チャンバ６内に一度に多数の電池エレメント１を浸けてまとめて予備充電を行うことが可能となるので、生産性を高めることができる。なお、負極２は、この予備充電で供給されたリチウムにより負極活物質が膨張するので、先に正極３やセパレータ４と共に巻回して電池エレメント１を形成しておく必要がある。
【００２１】
また、上記予備充電時に発生するガスを真空チャンバ６内の減圧によって確実に抜くことができるので、角形の電池ケース１２がガス圧によって膨らむようなことがなくなる。しかも、角形の電池ケース１２に代えて、柔軟なアルミラミネートシート等を電池ケースとして用いた場合にも、同様にガス圧による膨らみを防止することができる。ただし、ガスによる圧力上昇を防止するためだけであれば、真空チャンバ６内を大気圧にしておけばよいが、このように減圧すれば、非水電解液７に溶け込んだガスや電池エレメント１の電極間等に微細な気泡となって留まるガスも確実に除去することができるようになる。
【００２２】
なお、上記実施形態では、巻回形の電池エレメント１について説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。また、負極２や正極３及びセパレータ４の構成も、本実施形態の構成に限定されない。さらに、上記実施形態では、電池エレメント１を仮ケース５に収納して予備充電を行ったが、他の保持具に入れたり、電池エレメント１だけを非水電解液７に浸けるようにすることもできる。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の充電時に非水電解液に溶解したリチウムイオンをインサーションによって負極に取り込む非水電解質二次電池の製造方法によれば、負極の表面反応で消費されるリチウムを事前の予備充電によって金属リチウムから供給するので、後の充放電時に正極のリチウムを無駄なく利用できるようにし、電池容量を増加させることができる。また、電池エレメントを電池ケースに収納する前にこの予備充電を行うので、負極の表面反応時に発生するガスを外部に放出することができるようになり、電池ケースがガス圧によって膨らむようなこともなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示すものであって、電池エレメントを形成する工程を示す斜視図である。
【図２】  本発明の一実施形態を示すものであって、電池エレメントを仮ケースに収納する工程を示す斜視図である。
【図３】  本発明の一実施形態を示すものであって、電池エレメントを予備充電する工程を示す斜視図である。
【図４】  本発明の一実施形態を示すものであって、電池エレメントを電池ケースに収納する工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  電池エレメント
２  負極
３  正極
４  セパレータ
６  真空チャンバ
７  非水電解液
１０  金属リチウム
１１  定電圧電源
１２  電池ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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