(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液注入口を除いて密閉した電池缶内部に電解液を注入する電解液注入装置において、電解液注入口に気密に装着可能であり、電解液加熱手段を設けた電解液注入ノズルと、電解液注入ノズルを電解液注入口に装着した状態で電池缶内を排気する排気手段、電解液注入ノズルに電解液注入弁を介して結合し、電池缶内に注入する電解液を貯留する電解液ポット、電解液ポットに所定量の電解液を電解液供給弁を介して供給する電解液供給手段、および電解液ポット内の電解液を加圧しながら電池缶内に注入するための加圧気体供給手段を加圧弁を介して電解液ポットに結合したことを特徴とする電解液注入装置。
【請求項２】
加圧気体供給手段から加圧弁を介して電解液ポットに加圧気体を供給する際に、電池缶壁面を押圧し電池缶の変形を防止する押圧手段を有する請求項１記載の電解液注入装置。
【請求項３】
電解液注入ノズルには、遮蔽用気体の噴出口を有する請求項１または２のいずれかに記載の電解液注入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解液注入装置に関し、電池要素を収納した電池缶に蓋体を取り付けた後に、電池缶あるいは蓋体に設けた細孔から電解液を効率的に注入する電解液注入装置および電解液注入方法に関し、とくにリチウムイオン電池等の非水電解液電池への電解液の注入に好適な電解液注入装置および注入方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型の電子機器の電源として各種の電池が用いられており、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダ等の電源として、小型で大容量の密閉型電池であるリチウムイオン二次電池等の非水電解液二次電池が用いられている。これらの非水電解液電池としては、円筒型、および角型のものが用いられている。
小型の電子機器の電源として用いられているリチウムイオン電池は、正極集電体および負極集電体にそれぞれ活物質を塗布して製造した正極電極および負極電極をセパレータを介在させて積層したものを巻回した電池要素を電池缶内に収納して密閉して製造されている。
【０００３】
図５は、電池の組立工程を説明する図である。
図５（Ａ）に示すように、電池缶１内に電池要素を収納し、電池缶１の上部の開口部に電解液の注入口３、外部電極取り出し端子４、および電池内部の圧力上昇時に電池の破裂等を防止する圧力開放弁等を有した蓋体５をレーザー溶接等の方法によって取り付けた後に、図５（Ｂ）に示すように、蓋体５に設けた電解液注入口３に電解液注入装置６の注入ノズル７を気密に保持して取り付け、電解液注入装置６の排気手段１１を駆動し排気弁１２を開放して、電池缶内部の空気を所定の減圧度まで排気するとともに、所定量の電解液を電解液供給手段１５から電解液供給弁１６を通じて、電解液１３を電解液ポット１７に注液し、所定量の電解液の注液後に電解液供給弁１６を閉じる。
次いで、図５（Ｃ）に示すように、排気弁１２を閉じた後に、電解液注入弁１９を開放すると、電解液ポット１７内の電解液は、電池缶内の気圧と電解液ポットに設けた通気口２０に加わる大気圧による圧力差によって電池缶内に注入される。次いで、電池缶内に電解液を注入の後に電解液注入口に金属片を取り付けて注入口を溶接して封孔している。
【０００４】
電池缶内に収納される電池要素は、リチウムイオン二次電池の場合には、リチウムをドープおよび脱ドープすることができる炭素質材料等の負極材料を帯状の集電体上に塗布した負極電極と、コバルト酸リチウム、マンガン酸コバルトなどのリチウム遷移金属複合酸化物等の正極材料を帯状の集電体上に塗布した正極電極を、セパレータを介して積層したものを巻回して製造されている。
この様な電池要素を収納した電池缶内には、多数の小さな空孔が形成されているので、電池缶内部を排気した場合であっても、細部の空孔を完全に排気するには長時間を要し、また注入された非水電解液が電池要素に浸透するには時間を要し、短時間で電解液を注入することには困難があった。
【０００５】
また、特開平７−９９０５０号公報には、電解液を注入すべき電池をチャンバー内に設け、注入ノズルに取り付けた電池液溜部に所定量の電解液を充填した後に、チャンバー内部を減圧し、電解液あるいは電池要素内の空気等の気体を除去した後に、大気圧に戻し、さらに加圧して電解液を注入する装置が提案されている。
ところが、この装置は、電池要素を入れた電池缶の開口部を開放した状態で、注入すべき電解液の量に対応した集溜部を有する漏斗状の部材を取り付けて、電池缶内を排気するものであり、一部の電解液は排気前に電池缶内に注液され電池要素に浸透するので、電池要素中の空孔部からの排気は浸透した電解液の存在によって不充分なものとなり、また電池缶の開口部の上部に漏斗状の部材からなる集溜部に電解液が存在した状態で排気し、その後に大気圧として続いて加圧されるために、排気時に電池内部から漏斗状の集溜部を通過する際に生じた気泡が残存して電池内部へ送り込まれるという問題点があった。
【０００６】
また、この装置は電池缶の開口部に蓋体を取り付ける前に、電解液を注入する電池組立工程に適用する装置であって、電池缶の開口部に取り付けた蓋体に設けた小型の角型電池等の１ｍｍ以下の径の小さな電解液注入口からの粘性の大きな電解液を注入する方法には適用することができないものであった。
また、リチウムイオン電池において用いられている非水電解液は、ＬｉＰＦ6 等のリチウム塩をエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート系の溶剤を溶解させたものが用いられており、特にエチレンカーボネート、ポリプレンカーボネートをジエチルカーボネートに混合したものがひろく用いられている。
ところが、エチレンカーボネートは、融点３６．４℃の物質であるために、２０℃ないし２５℃の温度に保持された電解液注入工程において、エチレンカーボネートを含む電解液が電解液注入ノズルに付着する現象が起こる。
【０００７】
図６は、従来の電解液注入ノズルの一例を説明する図である。
電解液注入ノズル５１は、電解液の注入口５２を有し、電解液の注入口５２には、Ｏリング５３等の機密保持手段を有しているが、エチレンカーボネート等の作業環境での温度で固体状の物質が固形物５４として析出することが起こる。固形物５４がＯリング５３等に析出するとＯリングによって気密を保持することが困難となり、電解液を注入することができなくなる。
そこで、電解液注入工程においては、固形物の付着物の量が一定以上となると、ジエチルカーボネート等の溶剤を用いて洗浄することが必要となり、製造工程の稼働率を低下させる要因となっていた。
【０００８】
また、電解液を加熱すれば、粘度も低くなり有利な面があるが、電解液の加熱によって電解液の分解の危険性があり、また、電解液に用いられる有機溶剤には、揮発性の高いジエチルカーボネート等の有機溶剤もあり、加熱した電解液を注入することは安全性の面でも問題があった。また、注入工程でのジエチルカーボネートへの引火を防止するために、２０℃程度に保持することが行われているが、２０℃程度の温度では電解液の粘度が高く、電池缶への電解液の注入に長時間を有するという問題点もあった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電解液の注入ノズルへの固形物の析出によって、電解液の通路が塞がれたり、あるいは気密不良が生じることを防止し、また固形物を溶解除去するための洗浄の回数を減少させ、電解液注入工程の稼働率を高めるとともに、併せて電解液の注入時間を短縮することが可能な電解液注入装置を提供することを課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電解液注入口を除いて密閉した電池缶内部に電解液を注入する電解液注入装置において、電解液注入口に気密に装着可能であり、電解液加熱手段を設けた電解液注入ノズルと、電解液注入ノズルを電解液注入口に装着した状態で電池缶内を排気する排気手段、電解液注入ノズルに電解液注入弁を介して結合し、電池缶内に注入する電解液を貯留する電解液ポット、電解液ポットに所定量の電解液を電解液供給弁を介して供給する電解液供給手段、および電解液ポット内の電解液を加圧しながら電池缶内に注入するための加圧気体供給手段を加圧弁を介して電解液ポットに結合した電解液注入装置によって解決したものである。
また、加圧気体供給手段から加圧弁を介して電解液ポットに加圧気体を供給する際に、電池缶壁面を押圧し電池缶の変形を防止する押圧手段を有する前記の電解液注入装置である。
また、電解液注入ノズルには、遮蔽用気体の噴出口を有する前記の電解液注入装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、電解液を電池の注入口に注入するために用いられる電解液注入ノズルの内部、または外面に加熱手段を設けることによって、電解液の長時間の加熱による電解液の分解を防止した状態で、電解液注入ノズル内の電解液のみを加熱するものであり、電解液注入ノズル内の電解液を加熱し電解液の粘度を低下させて、電解液の注入を円滑に行うとともに、電解液注入ノズルに固形物質が形成されないようにすることができるので、電解液注入ノズルの洗浄回数を減少させることも可能とするものである。
【００１２】
以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の電解液注入装置を説明する参考図である。
電池缶１内に電池要素２を収納し、電池缶１の上部の開口部に、電解液の注入口３、外部電極取り出し端子４、および電池内部の圧力上昇時に電池の破裂等を防止する圧力開放弁等を有した蓋体５をレーザー溶接等の方法によって取り付けた電池缶１の蓋体５に設けた電解液注入口３に電解液注入装置６の電解液注入ノズル７がＯ−リング８等のガスケットによって気密を保持して取り付けられる。電解液注入ノズル７の内部には、加熱手段９が設けられており、温度調整手段１０によって所定の温度に温度調整されている。
【００１３】
電解液注入装置６の動作を説明すると、排気手段１１を駆動し排気弁１２を開放して、電池缶内部の空気を所定の減圧度まで排気するとともに、所定量の電解液１３を、電解液貯蔵手段１４から電解液供給手段１５によって電解液供給弁１６を通じて、電解液ポット１７に注液し、所定量の電解液の注液後に電解液供給弁１６を閉じる。次いで、排気弁１２を閉じた後に、電解液注入弁１８を開放すると電解液ポット１７内の電解液は電池缶内の気圧と電解液ポット１７に設けた通気口１９に加わる大気圧による圧力差によって電池缶１内に注入される。
【００１４】
以上の工程を繰り返し行うことによって、複数の電池缶に対して電解液を注入することができるが、電解液注入ノズル７が所定の温度に加熱されているので、電解液中のエチレンカーボネート等の常温以上の融点を有する物質も液体状態で存在しているので電解液注入ノズル部で固形物として析出することは非常に少なくなる。
【００１５】
図２は、本発明の電解液注入ノズルを説明する図であり、断面図である。
電解液注入ノズル７は、加熱手段９を有しており、電解液注入ノズル内の電解液を所定の温度に加熱することができる。加熱手段９としては、電気ヒータ、正特性サーミスタ（ＰＴＣ）等の電気式の加熱手段、熱媒体の供給による加熱手段等の各種の加熱手段が利用可能であるが、電気式の加熱手段は、通電電流の調整のみで温度調整が可能である。
【００１６】
また、電解液注入ノズル７には、電解液注入ノズルの温度を検出する温度検出手段２０を設けて温度調整手段にフィードバックすることによって、電解液注入ノズルの温度調整をより精度の高いものとすることができる。
さらに、遮蔽用気体噴出口２１を設けることによって加熱された電解液注入ノズルから揮発した引火性の大きなジエチルカーボネートに引火する危険も防止し、作業環境の安全性を高めることができる。
【００１７】
遮蔽用気体噴出口２１から噴出させる気体としては、窒素、二酸化炭素を用いることができる。特に二酸化炭素は、非水電解液の溶媒として用いるカーボネートへ溶解するので好ましく、しかも、二酸化炭素の溶解によって電池特性へ悪影響を及ぼす可能性もない。
【００１８】
電解液注入ノズルの加熱温度は、電解液中に含まれる非水溶媒のうちの最も融点が高い物質の融点よりも３〜１５℃高い温度に設定することが好ましい。例えば、融点が高く常温では固体であるエチレンカーボネートの場合には、４０℃〜５０℃とすることが好ましい。
本発明の電解液注入装置は、電池缶への電解液の注入時に電解液ポット内の気体を加圧する加圧気体供給手段を設けたことを特徴としたものである。
【００１９】
図３は、電解液供給時に加圧気体を供給する手段を設けた本発明の電解液注入装置を説明する図である。
電池缶１内に電池要素を収納し、電池缶１の上部の開口部に、電解液の注入口３、外部電極取り出し端子４、および電池内部の圧力上昇時に電池の破裂等を防止する圧力開放弁等を有した蓋体５をレーザー溶接等の方法によって取り付けた電池缶１の蓋体５に設けた電解液注入口３に電解液注入装置６の電解液注入ノズル７がＯ−リング８等のガスケットによって気密に保持して取り付けられる。電解液注入ノズル７の内部には、加熱手段９が設けられており、温度調整手段１０によって所定の温度に温度調整されている。
【００２０】
また、電解液注入装置には、電池缶内の排気用の排気手段１１、および注入ノズル７と排気手段１１を結合する排気弁１２を有している。
注入ノズル７には、所定量の電解液を貯留する電解液ポット１７が電解液注入弁１８を介して結合されており、電解液ポット１７には、電解液１３の貯蔵手段１４と結合した電解液供給手段１５が電解液供給弁１６を介して結合されている。
また、電解液ポット１７には、加圧気体供給手段２２が加圧弁２３を介して結合されている。
【００２１】
図３に示した電解液注入装置の動作について説明すると、電池缶１内に電池要素を収納し、電池缶１の上部の開口部に電解液注入口３を有した蓋体５をレーザー溶接等の方法によって取り付けた電池缶１を、電解液注入装置６の注入ノズル７を蓋体５に設けた電解液注入口３に気密に装着する。次いで、排気手段１１を作動させて注入ノズル７と排気手段１１を結合する排気弁１２を開放し、電池缶内を排気するとともに、電解液供給手段１５から電解液供給弁１６を介して、電池に応じた所定量の電解液を電解液ポット１７に注入する。
次いで、排気弁１１および電解液供給弁１６を閉じて、電解液注入弁１８を開放する。電解液は、電池缶内が減圧されているので、電池缶内と電解液ポット１７の圧力差によって電解液の電池缶内への注入が始まる。
【００２２】
電解液ポット１７内の電解液の注入が開始されると、加圧気体供給手段２２に結合した加圧弁２３が開放され、電解液ポット１７内の電解液が加圧されるので、電池缶１内へ速やかに注入することができる。
しかも、電解液注入ノズル７は、加熱手段８によって所定の温度に加熱されているので、電解液注入ノズル７の電解液通路および外面には、電解液中の成分から固形物が析出する量を減少させることができる。
【００２３】
また、図３に示した装置では、電解液ポット内の電解液を注入する際に、電池缶内部が加圧されるが、電池缶の大きさ、種類等によっては、電池缶の壁面が膨張して変形する等の現象が生じるので、電池缶の加圧時には電池缶の膨張による変形を抑制することが好ましい。
【００２４】
図４は、電池缶の変形を防止する手段を説明する図である。
電解液注入ノズル７から電解液の注入が始まった後に、加圧弁を開放して電解液ポット１７内の電解液を加圧するとともに、押圧手段２４によって電池缶の壁面２５を両側から押圧して電池缶１の壁面２５の変形を防止するものである。
電池缶の壁面を押圧する圧力は、電池缶内に注入する電解液の圧力に応じた圧力であり、加圧力と等しい圧力で押圧することが好ましい。
【００２５】
図３に示した電解液注入装置の運転条件は、電池活物質の種類、電池の形状、構造等によって任意に設定することができるが、電池缶内部の排気は、８〜１０Ｔｏｒｒ以下に５〜７秒間で排気した状態で、２秒間程度保持し、真空度が安定し、漏れ等がないことを確認した後に、排気弁を閉じて電解液の注入を開始し、電解液の注入開始後４〜１０秒後に、加圧弁を開放して加圧することが好ましい。  電解液の加圧に使用する気体は、電解液と反応したり電解液を変質させないものであれば任意のものを用いることができるが、水分を充分に除去した窒素、二酸化炭素によって加圧することが好ましい。加圧力は、１．２〜２Ｋｇ／ｃｍ2 とすることができる。
【００２６】
また、図３に示した電解液注入装置を用いて、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、およびＬｉＰＦ6 をそれぞれ３０重量％、５０重量％、２０重量％の組成の電解液２０℃の電解液を周囲温度２０℃において、電解液注入ヘッドを４５℃に加熱した状態で注液すると、縦４８ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ６ｍｍの電池に直径１ｍｍの電解液注入口から５０秒間で電解液を注入することができ、加熱しない場合の７０秒間に比べて短縮することができた。
また、２０００個の電池への電解液注入毎に電解液注入ノズルを洗浄することで良く、加熱しない場合に比べて洗浄回数を１０分の１に減少することができた。
【００２７】
【発明の効果】
電解液注入装置において、電解液注入ノズルのみを加熱するとともに、加圧気体供給手段を設けたので、電解液の劣化を招くことなく非水電解液の粘度を低下させて短い時間で電解液を注入することができ、また非水電解液中の常温で固体の有機溶媒の析出を防止することができ、電解液注入ノズルの洗浄回数を減少させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、参考例の電解液注入装置を説明する図である。
【図２】  図２は、本発明の電解液注入ノズルを説明する図である。
【図３】  図３は、電解液供給時に加圧気体を供給する手段を設けた本発明の電解液注入装置を説明する図である。
【図４】  図４は、電池缶の変形を防止する手段を説明する図である。
【図５】  図５は、電池の組立工程を説明する図である。
【図６】  図６は、従来の電解液注入ノズルの一例を説明する図である。
【符号の説明】
１…電池缶、２…電池要素、３…電解液の注入口、４…外部電極取り出し端子、５…蓋体、６…電解液注入装置、７…電解液注入ノズル、８…Ｏ−リング、９…加熱手段、１０…温度調整手段、１１…排気手段、１２…排気弁、１３…電解液、１４…電解液貯蔵手段、１５…電解液供給手段、１６…電解液供給弁、１７…電解液ポット、１８…電解液注入弁、１９…通気口、２０…温度検出手段、２１…遮蔽用気体噴出口、２２…加圧気体供給手段、２３…加圧弁、２４…押圧手段、２５…壁面、５１…電解液注入ノズル、５２…電解液の注入口、５３…Ｏリング、５４…固形物
【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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