JP2012028290A - Method and device for impregnating electrolyte - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池への電解液含浸方法及び電解液含浸装置に関するものである。 The present invention relates to an electrolytic solution impregnation method and an electrolytic solution impregnation apparatus for a secondary battery.
従来から二次電池の製造過程で電解液を効率よく注液するため、減圧した雰囲気中において、電解液を二次電池の外装部材内に注液して電池要素に浸透させる電解液注液方法が提案されている(特許文献1参照)。 Conventionally, in order to efficiently inject an electrolytic solution during the manufacturing process of a secondary battery, an electrolytic solution injection method in which the electrolytic solution is injected into the exterior member of the secondary battery and penetrates into the battery element in a reduced pressure atmosphere Has been proposed (see Patent Document 1).
これは、電池要素を収容して上部を開口させた外装部材を注液槽内にセットし、注液槽内の空気を排出して減圧した雰囲気中において、電解液を外装部材内に注液する。そして、注液槽内を減圧と加圧を繰返す方法により、電解液の含浸性を向上させることが記載されている。 This is because an exterior member containing a battery element and having an upper opening is set in the injection tank, and the electrolyte is injected into the exterior member in an atmosphere where the air in the injection tank is discharged and decompressed. To do. And it is described that the impregnation property of the electrolytic solution is improved by a method of repeatedly depressurizing and pressurizing the liquid filling tank.
しかしながら、上記従来例では、減圧及び加圧した雰囲気中で電解液を注液・含浸させるため、減圧装置、加圧装置及び密閉された注液槽等の複雑で大掛かりな設備が必要になる。 However, in the above-described conventional example, in order to inject and impregnate the electrolytic solution in a decompressed and pressurized atmosphere, complicated and large-scale facilities such as a decompressing device, a pressurizing device, and a sealed infusion tank are required.
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、より簡易な構成により、電解液の含浸性を向上させるに好適な電解液含浸方法及び電解液含浸装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an electrolytic solution impregnation method and an electrolytic solution impregnation apparatus suitable for improving the impregnation property of the electrolytic solution with a simpler configuration. .
本発明は、外装部材内に収容した、セパレータを介して積層された正極と負極とからなる電池要素に、注液された電解液を含浸させる電解液含浸方法である。そして、前記電池要素の正極・負極間に交流電圧または交流電流を印加することにより、電解液を含浸させることを特徴とする。 The present invention is an electrolytic solution impregnation method for impregnating a poured electrolytic solution into a battery element composed of a positive electrode and a negative electrode, which are housed in an exterior member and stacked via a separator. The battery element is impregnated with an electrolytic solution by applying an alternating voltage or an alternating current between the positive electrode and the negative electrode of the battery element.
したがって、本発明では、電池要素の正極・負極間に交流電圧または交流電流を印加することにより、電解液の電極間移動を促進させて、電解液の撹拌作用を発生させる。このため、電解液の毛細管作用に加えて前記電解液の撹拌作用により、セパレータおよび電極活物質中への電解液の浸透が促進され、電解液の含浸性を向上させることができる。 Therefore, in the present invention, by applying an alternating voltage or an alternating current between the positive electrode and the negative electrode of the battery element, the movement of the electrolytic solution between electrodes is promoted, and the stirring action of the electrolytic solution is generated. For this reason, the penetration of the electrolyte into the separator and the electrode active material is promoted by the stirring action of the electrolyte in addition to the capillary action of the electrolyte, and the impregnation of the electrolyte can be improved.
以下、本発明の電池の電解液含浸方法及び電解液含浸装置を各実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, an electrolytic solution impregnation method and an electrolytic solution impregnation apparatus for a battery according to the present invention will be described based on each embodiment.
(第1実施形態)
まず、二次電池の構成を、例えば、図1に示すリチウムイオン二次電池を一例として、その概要を説明する。図1は、本発明の適用例としてのリチウムイオン二次電池の断面図である。図1に示すように、リチウムイオン二次電池1は、電池要素2と、電池要素2を収容する外装部材3と、を備える。
(First embodiment)
First, an outline of the configuration of the secondary battery will be described by taking, for example, the lithium ion secondary battery shown in FIG. 1 as an example. FIG. 1 is a cross-sectional view of a lithium ion secondary battery as an application example of the present invention. As shown in FIG. 1, the lithium ion
電池要素2は、正極4、電解質層としてのセパレータ5、及び負極6を順次積層した積層体として構成される。正極4は板状の正極集電体4aの両面に正極層4bを有しており、負極6は板状の負極集電体6aの両面に負極層6bを有している。なお、電池要素2の最外層に配置される正極4においては、正極集電体4aの片面のみに正極層4bが形成される。
The
隣接する正極4、セパレータ5、及び負極6が一つの単電池7を構成しており、リチウムイオン電池1は積層された複数の単電池7をそれぞれ電気的に並列接続して構成される。
The adjacent
外装部材3は、アルミニウム等の金属をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムのシート材からなる。外装部材3は、電池要素2を収納した状態で、ケース外周部が熱融着によって接合される。この外装部材3には、電池要素2からの電力を外部に取り出すため、外部端子としての正極タブ8及び負極タブ9が設けられる。
The
正極タブ8の一端は外装部材3の外側にあり、正極タブ8の他端は外装部材3の内部で各正極集電体4aの集合部に接続する。負極タブ9の一端は外装部材3の外側にあり、負極タブ9の他端は外装部材3の内部で各負極集電体6aの集合部に接続する。
One end of the positive electrode tab 8 is on the outer side of the
前記外装部材3は、二次電池の組立時に、1枚のラミネートフィルムを折り返して、内部に電池要素2を収容し、正極タブ8及び負極タブ9を取出す2辺を熱融着により封止し、残る一辺は封止せずに上方へ開いた開口を備える袋状に形成する。前記上方に開いた開口は、外装部材3内に収容された電池要素2への電解液の注液口に使用され、注液完了後に封止する。
When the secondary battery is assembled, the
なお、本実施形態では1枚のラミネートフィルムを2つ折りにしたものを例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、2枚のラミネートフィルムを用いてもよい。この場合、3辺をまず熱融着してラミネートフィルムを袋状に形成する。また、本実施形態では、外装部材3として、ラミネートフィルムにより袋状としたものについて説明しているが、缶等による外装部材3であってもよい。
In addition, in this embodiment, what folds one laminate film is illustrated, However, This invention is not limited to this, You may use two laminate films. In this case, three sides are first heat-sealed to form a laminated film in a bag shape. In the present embodiment, the
電解液は、例えば、1mol/リットルのLiPF6,LiBF4等を支持塩とし、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートの混合溶媒(質量比50:50)を溶媒とするものが用いられる。 As the electrolytic solution, for example, one using 1 mol / liter of LiPF6, LiBF4 or the like as a supporting salt and using a mixed solvent of propylene carbonate and ethylene carbonate (mass ratio 50:50) as a solvent is used.
次に、本実施形態の電解液含浸装置の構成について、図2を参照して、説明する。 Next, the configuration of the electrolytic solution impregnation apparatus of the present embodiment will be described with reference to FIG.
この電解液含浸装置10は、リチウムイオン二次電池1の製造において、電池要素2を収容した外装部材3内に、電解液を注液し、注液された電解液を電池要素2へ含浸させる工程に使用される。外装部材3は、正極4、負極6を、セパレータ5を介在させて積層した電池要素2を収容した状態で、開いた開口を上方にして設置される。
In the production of the lithium ion
電解液含浸装置10は、電解液を外装部材3内へ注液する電解液供給ライン11と、注液された電解液の電池要素2への含浸を促進する交直両用電源装置15と、これらを制御する制御装置20とを備える。
The electrolytic solution impregnation device 10 includes an electrolytic solution supply line 11 for injecting the electrolytic solution into the
前記電解液供給ライン11は、電解液供給装置12と、注液ノズル13と、注液された液面レベルを測定するレベルセンサ14とを備える。そして、電解液供給装置12より供給された電解液を注液ノズル13により外装部材3内に注液し、レベルセンサ14により検出された液面レベルが設定値に達した段階で、注液ノズル13よりの注液を停止させる。また、電解液の電池要素2への浸透により液面レベルが低下した場合には、これをレベルセンサ14により検出して、注液ノズル13から追加注液を実施する。この追加注液は、電解液の電池要素2への含浸が完了するまで随時実施される。電解液供給装置12と注液ノズル13は、レベルセンサ14よりのレベル信号に応じて、制御装置20により、その動作が制御される。
The electrolytic solution supply line 11 includes an electrolytic
前記交直両用電源装置15は、二次電池の外装部材3から突出した正極タブ8及び負極タブ9を介して、二次電池1の電池要素2に対して、後述する予備充電、交流印加、及びSEI生成のための後充電を実施する。
The AC / DC
このため、交直両用電源装置15は、充電(直流)電圧電流及び交流電圧電流を発生する電源装置16と、発生している電圧及び電流を測定する電圧センサ17及び電流センサ18とを備える。電圧センサ17及び電流センサ18により検出した電圧・電流信号は制御装置20にフィードバック入力され、制御装置20はこれらの信号に基づいて電源装置16を制御する。
For this reason, the AC / DC
本実施形態の電解液含浸装置10による電解液含浸方法は、図3に示す工程により実施される。即ち、先ず注液工程S1により電池要素2を収容した外装部材3内に所定量の電解液を注液し、負極電位調整工程S2により負極6の電位を調整し、含浸工程S3により電解液の電池要素2内への含浸を促進させ、そしてSEI生成工程S4を経て、注液作業を終了する。
The electrolytic solution impregnation method by the electrolytic solution impregnation apparatus 10 of the present embodiment is performed by the steps shown in FIG. That is, first, a predetermined amount of electrolyte is injected into the
前記含浸工程S3においては、電源装置15により正極4・負極6に対して交流電圧を印加することにより電解液の電池要素2内への含浸を促進させ、交流調整手段21により含浸経過時間若しくは含浸進行状態に応じて印加する交流電圧を調整しつつ含浸を促進させる。そして、電池要素2内への電解液の含浸状態を判定し(終了判定・異常判定)、含浸が完了した二次電池についてはSEI生成工程S4により負極活物質に対して均一なSEI被膜を生成させて注液・含浸作業を終了する。また、電解液の含浸状態の判定において、含浸異常と判定した二次電池1については注液作業を中止する。
In the impregnation step S3, the alternating current voltage is applied to the
各工程について、以下に詳述する。先ず、注液工程S1においては、図2に示すように、電池要素2を収容して上部が開口した外装部材3を注液ノズル13の下方に設置し、レベルセンサ14を外装部材3内の所定位置に設置する。そして、外装部材3から露出した正極タブ8及び負極タブ9を、制御装置20により制御される交直両用電源装置を接続する。
Each step will be described in detail below. First, in the liquid injection step S1, as shown in FIG. 2, the
次いで、注液ノズル13を開放して、電解液20を外装部材3内に注液する。外装部材3内に注液された電解液20は、先ず、電池要素2の上部に注液される。そして、電池要素2の上部から両側面に流れ、次いで、外装部材3の底面に流れる。そして、外装部材3底面と電池要素2の下部との隙間空間が満たされる。
Next, the
次いで、外装部材3の互いに融着されている封止部と電池要素2の両側面との隙間空間に充填される。この両側面が電解液20で満たされるに連れて、電解液20は電池要素2の下部から電池要素2の内部に電解液の毛細管作用により浸透されると共に、電池要素2の両側面からも電池要素2の内部に毛細管作用により浸透される。以上の注液が継続されて、外装部材3の開放されている開口部に面している電池要素2の上面側に回り込んで充填され、注液量が所定の液面レベルに達した段階で注液が一旦停止される。
Subsequently, the gap space between the sealing portion of the
以後の注液は、電解液の電池要素2への浸透により液面レベルが低下した場合に、これをレベルセンサ14により検出して、注液ノズル13から追加注液を実施する。この追加注液は、電解液の電池要素2への含浸が完了するまで随時実施される。このため、電解液20が電池要素2内への浸透される浸透速度を超えて注液することがなく、注液した電解液20が外装部材3から溢れる不具合を防止できる。
Subsequent liquid injection, when the liquid level decreases due to penetration of the electrolytic solution into the
前記注液が電池要素2の上面側に回り込んで充填され、注液量が所定の液面レベルに達した段階で注液が一旦停止されると、負極電位調整工程S2が開始される。この負極電位調整工程S2は、次工程である交流電圧の印加時における負極電位の(約3.0Vを超える)上昇及び(約1.5Vを下回る)下がりすぎを防止して、負極集電板6aである銅の溶出及び負極活物質であるグラファイト若しくはハードカーボンへの不均一なSEI皮膜の生成を防止するために実施される。即ち、注液した直後に、負極集電板6aが銅である場合に、負極電位が高い(約3.0Vを超える)と銅が溶出する。また、負極活物質がグラファイト若しくはハードカーボンである場合に、注液した直後の電解液が均等に電池要素2に浸透していない時点で、負極電位を下げすぎる(約1.5Vを下回る)と、不均一なSEI皮膜が生成される。
When the liquid injection wraps around and fills the upper surface side of the
従って、この負極電位調整工程S2では、負極6の電位を上記範囲に調整することにより、後続する交流印加による含浸工程S3での負極集電板6aの溶出を防ぎ、均一なSEI皮膜を生成させ、電池要素2の安全性、耐久性を向上することを狙って実施する。
Therefore, in this negative electrode potential adjustment step S2, by adjusting the potential of the
この負極電位調整工程S2では、電源装置16より二次電池1の正極タブ8・負極タブ9間に直流の充電電流を加えて、負極電位を3.0V以下1.5V以上に低下させる。印加する充電電流は、正極4および負極6を組み立てて得られる電極組立物に対して、0.05×C(mA)以下の充電電流とする。ここで、Cは、負極理論容量(対極をリチウムとした場合に初回に充電される容量)を1時間で放電しきる電流値を表す。負極理論容量は、きわめて小さい電流値(0Vに到達するまで20時間程度要する電流値)で定電流充電を行い、終止電圧0Vに到達後、0.1mA以下の電流値になるまで充電して得られる容量である。
In this negative electrode potential adjustment step S2, a DC charging current is applied between the positive electrode tab 8 and the negative electrode tab 9 of the
負極集電板6aの電位は、参照電極がある場合には、参照電極の電位と比較し、参照電極がない場合には、正極タブ8と負極タブ9との電位差を電圧センサ17により検出して負極集電板6aの電位を推定する。そして、負極集電板6aの電位が1.5V以上3.0V未満の設定値、例えば、2.2Vに達した段階で、充電電流の印加を終了する。
The potential of the negative electrode current collector plate 6a is compared with the potential of the reference electrode when there is a reference electrode. When there is no reference electrode, the potential difference between the positive electrode tab 8 and the negative electrode tab 9 is detected by the
このように、交流電圧を印加する前に、予備充電し、負極6の電位を負極集電板6aの溶出電位とSEI生成電位の中間値(2.2V)付近に調整することにより、交流電圧の振幅をもっとも大きく印加することができ、電池要素2の劣化を防ぐと同時に、電解液の浸透性を促進できる。従って、二次電池1としての安全性、耐久性を損なうことなく、電解液浸透速度を促進することができ、生産コストを低減できる。
As described above, the AC voltage is precharged before the AC voltage is applied, and the AC voltage is adjusted by adjusting the potential of the
なお、負極集電板6aが銅でない場合や負極活物質がグラファイト若しくはハードカーボンでない場合には、この負極電位調整工程S2は省略することができる。 When the negative electrode current collector plate 6a is not copper or when the negative electrode active material is not graphite or hard carbon, this negative electrode potential adjusting step S2 can be omitted.
含浸工程S3では、電源装置16より二次電池の正極タブ8・負極タブ9間に交流を加えて、電解液の電池要素2への含浸を促進させる。正極タブ8・負極タブ9間に印加する交流としては、電圧を正負方向に変化させる交流電圧とする。なお、電流を正負方向に変化させる交流電流であってもよい。電解液に電圧を印加すると、Migration現象により、マイナスイオンとプラスイオンが反対の方向に動き、イオンの移動につれて、電解液も動く。
In the impregnation step S3, alternating current is applied between the positive electrode tab 8 and the negative electrode tab 9 of the secondary battery from the
図4は二次電池1の等価電気回路モデルである。即ち、二次電池1は電解質層を挟んで正極4・負極6が直列に配置されたモデルで近似でき、また、正極4・負極6の電極は、電極表面の活物質と電解液との間の電気二重層と反応抵抗を並列としたモデルで近似できる。
FIG. 4 is an equivalent electric circuit model of the
このため、直流電圧を正極4・負極6間に印加した場合、電極表面の活物質と電解液との間の電気二重層(キャパシタ)の抵抗は、周波数の逆数に比例するため、抵抗が非常に高くなる。即ち、直流の場合、周波数はゼロなので、キャパシタ抵抗は無限大となる。このため、直流電圧を印加すると、キャパシタ側には流れず、電極の充放電抵抗側に電流が流れて、活物質に対してリチウムイオンの出入りが生じる。従って、電解液が活物質の全体領域に含浸する以前の一部領域に含浸した状態で、充放電されると、一部領域への過充電状態を生じ、その一部領域が劣化する恐れがある。
For this reason, when a DC voltage is applied between the
このため、本実施形態においては、上記したように、正極タブ8と負極タブ9との間で、交流電圧を印加する。交流電圧の印加では、電気二重層側の抵抗は周波数に比例して低くなるので、電気二重層側に電流が流れる結果、電極の充放電抵抗側への電流を抑制できる。すると、マイナスイオンとプラスイオンの移動に連れて電解液のみが電極間で往復移動を生じ、活物質への充放電を抑制できる。即ち、交流電圧により電解液のみを往復させて動かすことができ、電解液の攪拌効果により電池要素2への浸透を促進することができる。また、交流電圧の印加により電池要素2にオーム発熱を生じ、電解液と電池要素2との親和性を高め、浸透をより促進する。このため、電解液の含浸時間を短縮化でき、引いては、生産途中の在庫が減り、量産コストを低減できる。
For this reason, in this embodiment, as described above, an alternating voltage is applied between the positive electrode tab 8 and the negative electrode tab 9. When an AC voltage is applied, the resistance on the electric double layer side decreases in proportion to the frequency, and as a result of the current flowing on the electric double layer side, the current to the charge / discharge resistance side of the electrode can be suppressed. Then, with the movement of negative ions and positive ions, only the electrolytic solution reciprocates between the electrodes, and charging / discharging of the active material can be suppressed. That is, only the electrolytic solution can be moved back and forth by the alternating voltage, and the penetration into the
印加する交流電圧としては、その周波数は10Hz〜10kHzの間で印加することが、活物質を過充電することなく、攪拌効果を増強するために望ましい。即ち、周波数が10Hzより低くなると、電気二重層の抵抗が大きくなり、活物質への充放電電流が大きくなるので、活物質の劣化をもたらす恐れがある。一方、周波数が10kHzより大きくなると、電気二重層の抵抗は無視でき活物質への充放電電流を小さく制限できるが、イオンの動く往復移動範囲が狭くなり、攪拌効果が小さくなる。また、大型の二次電池では、含浸が進んだ後期に、電池要素2のインピダンスがミリオームオーダーになり、高周波数によるリード線損失も大きくなる。
As the alternating voltage to be applied, it is desirable to apply the frequency between 10 Hz to 10 kHz in order to enhance the stirring effect without overcharging the active material. That is, when the frequency is lower than 10 Hz, the resistance of the electric double layer is increased and the charge / discharge current to the active material is increased, which may cause deterioration of the active material. On the other hand, when the frequency is higher than 10 kHz, the resistance of the electric double layer can be ignored and the charge / discharge current to the active material can be limited to a small value, but the reciprocating range in which ions move is narrowed and the stirring effect is reduced. In the case of a large secondary battery, the impedance of the
また、印加する交流電圧としては、交流電圧の印加初期には、図5及び図6に示すように、低い周波数を備えた振幅の大きい交流電圧とし、時間の経過に連れて交流電圧の周波数を上昇させつつその振幅を減少させる。これは、注液直後の交流電圧の印加初期には、先ず電極及びセパレータ5の大きな穴内に電解液を移動させる必要があり、このためには低い周波数の方が浸透効果は大きい。また、注液直後の交流電圧の印加初期には、電解液の含浸領域が小さいため、印加する交流電圧の振幅を大きくすることによって、電解液の移動範囲を大きくし、その浸透を促進させる。
In addition, as an alternating voltage to be applied, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, an alternating voltage with a low frequency and a large amplitude is provided at the initial stage of application of the alternating voltage, and the frequency of the alternating voltage is increased with time. Decrease the amplitude while increasing. This is because in the initial application of the AC voltage immediately after the injection, it is necessary to first move the electrolytic solution into the large holes of the electrode and the
しかしながら、電解液の含浸の進行に連れて、電極及びセパレータ5の小さな穴内に電解液を移動させる必要が生じ、このためには高い周波数の方が浸透効果は大きい。また、電解液の含浸の進行に連れて、電解液の移動抵抗が減少するので、それに合わせて、交流電圧の振幅を調整(低減)することによって、充電作用から電池要素2を保護し、電解液の浸透を促進する。
However, as the impregnation of the electrolytic solution proceeds, it is necessary to move the electrolytic solution into the small holes of the electrode and the
このために、この含浸工程S3には、交流電圧の周波数及び振幅を時間の経過に応じて調整する交流調整手段21を設けている。電解液の含浸の進行に応じて、印加する交流電圧の周波数を上昇させるよう調整する、言い換えれば、電解液が含浸する穴のサイズに応じて、周波数を選択することで、電解液の浸透を促進することができる。また、電解液の含浸の進行に応じて、印加する交流電圧の振幅を減少させるよう調整することにより、充電作用による電池要素2の劣化をさせることなく、電解液の浸透を促進することができる。
For this purpose, this impregnation step S3 is provided with AC adjusting means 21 that adjusts the frequency and amplitude of the AC voltage over time. As the impregnation of the electrolytic solution progresses, the frequency of the AC voltage to be applied is adjusted to increase, in other words, by selecting the frequency according to the size of the hole impregnated with the electrolytic solution, the penetration of the electrolytic solution is achieved. Can be promoted. Further, by adjusting so as to reduce the amplitude of the AC voltage to be applied in accordance with the progress of the impregnation of the electrolytic solution, the penetration of the electrolytic solution can be promoted without deteriorating the
また、交流電圧の印加により促進される電解液の浸透度合いは、交流電圧と交流電流との振幅の比、即ち交流抵抗である交流インピダンスZにより判定することができる。この交流インピダンスZは、交直両用電源装置16に設置されている電圧センサ17と電流センサ18との検出信号から、制御装置20により常に演算することができる。そして、交流インピダンスZは、図7に示すように、電解液の浸透度合いに応じて低下する。交流インピダンスZの低下が予め設定した所定値に収束した際に、電解液の浸透が完了したと判断する。
Further, the degree of penetration of the electrolyte promoted by the application of the AC voltage can be determined by the ratio of the amplitude of the AC voltage and the AC current, that is, the AC impedance Z that is the AC resistance. The AC impedance Z can always be calculated by the
このため、含浸工程S3では、含浸終了判定22により、交流インピダンスZを常時モニターしている。そして、含浸終了判定22により、交流インピダンスZが、予め設定した所定値に低下したか否かを常時判定し、電解液の含浸が完了したか否かを判断している。そして、演算した交流インピダンスZが予め設定した所定値に低下されていない場合には、交流調整手段21により、その経過時間から定まる調整強度の交流電圧により、交流電圧の印加を継続する。また、含浸終了判定22により、交流インピダンスZが予め設定した所定値に低下したと判断される場合には、含浸工程S3が完了したとして、交流電圧の印加を終了させて、次の工程であるSEI生成工程S4へ進む。
For this reason, in the impregnation step S3, the AC impedance Z is constantly monitored by the
なお、含浸工程S3に設けた含浸異常判定手段23は、前記含浸終了判定22により、予め設定した所定値に低下していない場合において、インピダンスZの履歴が異常であるか否かを判定し、履歴が異常である場合にはその電池要素2に対する含浸工程S3を中断させる。インピダンスZの履歴が異常であるか否かの判定は、インピダンスZが、図7の破線で示す上限線より上の領域にあり、時間の経過に連れて正常に低下されない場合と、図7の破線で示す下限線より下の領域にあり、時間の経過に連れて急激に低下される場合とがある。前記上限線及び下限線は、予め、いくつか電池要素2の含浸工程S3で、インピダンスZの値の時間変化を測定し、正常電池要素2の履歴パターンと不良電池要素2の履歴パターンを作成することにより、設定することができる。
The impregnation abnormality determining means 23 provided in the impregnation step S3 determines whether or not the history of the impedance Z is abnormal when the
このように履歴パターンが異常となるのは、異物の混入、組成の偏在、材料ロット間の差などの原因が想定できる。そして、電池要素2の品質と安全性を損なう可能性があるこれらの問題を、含浸異常判定手段23は、早期に発見する有効な手段である。このように、製造の早期の段階で、含浸に対する不良品を精度よく判断して見出し、製造ラインから排除することによって、製造電池の品質向上を図りつつ、製造コストを低減することができる。
Such abnormal history patterns can be assumed to be due to foreign matter contamination, uneven composition, differences between material lots, and the like. And the impregnation abnormality determination means 23 is an effective means for discovering these problems that may impair the quality and safety of the
SEI生成工程S4では、含浸完了を判断した電池要素2に対して、負極6の電位をSEI生成電位以下まで充電する。含浸完了を判断した電池要素2では、電解質層及び正負活物質層への電解液の均一な濡れが期待できる。このため、このSEI生成工程S4では、電源装置16より二次電池の正極タブ8・負極タブ9間に直流の充電電流を加えて、負極電位を1.5V以下に低下させる。印加する充電電流は、正極4および負極6を組み立てて得られる電極組立物に対して、0.05×C(mA)以下の充電電流とする。負極集電板6aの電位は、参照電極がある場合には、参照電極の電位と比較し、参照電極がない場合には、正極タブ8と負極タブ9との電位差を電圧センサ17により検出して負極集電板6aの電位を推定する。そして、負極集電板6aの電位が1.5V以下の設定値、例えば、1.0Vに達した段階で、充電電流の印加を終了する。
In the SEI generation step S4, the potential of the
このように、負極6の電位をSEI生成電位(1.5V)以下まで充電することにより、グラファイト若しくはハードカーボンからなる負極活物質に対して、より均一なSEI被膜を生成することができる。従って、電池要素2の安全性と耐久性を向上することができる。
Thus, by charging the potential of the
なお、負極活物質がグラファイト若しくはハードカーボンでない場合には、このSEI生成工程S4は省略することができる。 If the negative electrode active material is not graphite or hard carbon, this SEI generation step S4 can be omitted.
なお、上記実施形態において、電解液の浸透度合いのモニター信号として、電池要素2に通す交流電圧と交流電流の振幅の比であるインピダンスZを利用するものについて説明した。しかし、図示はしないが、電池要素2に通す交流電圧と交流電流の振幅の比であるインピダンスZと交流電圧と交流電流の位相の差を測定し、その値で電解液の浸透状況をモニタリングするようにしてもよい。このように、位相の情報を加えると、電解液の浸透状況の判断の精度をより高くすることができる。
In the above embodiment, the description has been given of using the impedance Z, which is the ratio of the amplitude of the alternating voltage passed through the
また、上記実施形態において、交流電圧の印加及び電解液の浸透状況のモニターの対象として、外装部材3内に収容されている電池要素2の全体に対して実施するものについて説明した。しかし、注液の方向、電池要素2の構造、積層数等によって、単電池7間の電解液の浸透にばらつきが生じることがあり、電池要素2全体への浸透は一番浸透が遅い単電池7に律速される。このような場合には、電池要素2内の単電池7または単電池グループの浸透状況をモニターし、浸透度合いの遅い単電池7または単電池グループに対して優先的に交流電圧を印加するようにしてもよい。
Moreover, in the said embodiment, what was implemented with respect to the
この場合には、図8に示すように、外装部材3内に挿入されている電池要素2の正極4・負極6を電気的に独立させて存在させて形成する。そして、単電池7の正極4・負極6と電源装置16とを選択的に切換え接続する切換え装置25を配置し、電解液の含浸工程S3の途中段階までは、全ての正極4と全ての負極6に同時に交流電圧を印加する。その後において、切換え装置25により各単電池7または単電池グループを選択して、電解液の浸透状況を、各単電池7または単電池グループ毎にモニターする。このようにして、浸透の遅い単電池7または単電池グループを特定する。そして、切換え装置25により浸透の遅い単電池7または単電池グループに切換えて、選択的に交流電圧を印加して電解液の浸透を促進させるようにする。
In this case, as shown in FIG. 8, the
なお、電気的に独立させて存在させて形成した電池要素2の正極4・負極6は、電池要素2全体への浸透完了後に、夫々集約して正極タブ8及び負極タブ9へ接続すればよい。このように、浸透の遅い部分を特定し、選択的に促進できるので、注液工程時間を短縮できる。
In addition, the
また、上記実施形態において、注液工程S1、負極電位調整工程S2及び含浸工程S3として、大気圧状態において実施するものについて説明した。しかし、図示しないが、これらの工程を減圧した真空槽内で実施するようにしてもよい。このように、減圧してから注液する、または、減圧と加圧を繰り返す注液方法と併用することにより、減圧状態での電解液・電池要素2内からの気泡が抜けることにより、電解液の浸透速度をさらに一層促進することができる。
Moreover, in the said embodiment, what was implemented in an atmospheric pressure state was demonstrated as liquid injection process S1, negative electrode potential adjustment process S2, and impregnation process S3. However, although not shown, these steps may be performed in a vacuum chamber with reduced pressure. Thus, by injecting after reducing pressure, or by using in combination with an injecting method that repeats depressurization and pressurization, bubbles from the inside of the electrolyte /
また、上記実施形態において、含浸工程S3として、常温状態において実施するものについて説明した。しかし、図示しないが、電池要素2の加熱手段と温度コントロール手段を設け、例えば、30〜50℃の間で加熱しながら、上記した含浸工程S3と併用するようにしてもよい。注液された電解液の温度が上がり、電解質層と正負活物質層への親和性を高め、浸透を促進でき、電解液の浸透速度をさらに一層促進することができる。
Moreover, in the said embodiment, what was implemented in a normal temperature state was demonstrated as impregnation process S3. However, although not shown, a heating means and a temperature control means for the
さらに、上記実施形態において、外装部材3は静止状態で保持されるものについて説明した。しかし、図示しないが、電池要素2に対して積層方向に押圧力を間歇的に付与するものであってもよい。このためには、電池要素2の積層方向両端から外装部材3を介して保持している保持具、若しくは、電池要素2の積層途中に、圧電材料を介在させ、この圧電材料にも交流電圧を印加する。圧電材料としては、水晶,セラミック,アルカリ金属塩,有機ポリマ等がある。また、電池要素2の積層途中に配置する場合には、例えば、セパレータ5、電解質層、電極、集電板等に上記圧電材料を含ませることで実現できる。交流電圧を印加された圧電材料は間歇的に厚みが伸縮変形し、機械的な振動を外装部材3外若しくは外装部材3内から電解液に付与する。このため、電解液の攪拌作用をもたらし、電解液の浸透速度をさらに促進することができる。
Furthermore, in the said embodiment, the
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be achieved.
(ア)外装部材3内に収容した、セパレータ5を介して積層された正極4と負極6とからなる電池要素2に、注液された電解液を含浸させる電解液含浸方法である。そして、前記電池要素2の正極4・負極6間に交流電圧または交流電流を印加するため、電解液の電極間移動が促進され、電解液の撹拌作用が発生する。このため、電解液の毛細管作用に加えて前記電解液の撹拌作用により、セパレータ5および電極活物質中への電解液の浸透が促進され、電解液の含浸性を向上させることができる。また、交流電圧または交流電流の印加により電池要素2にオーム発熱を生じ、電解液と電池要素2との親和性を高め、電解液の浸透をより促進することができる。
(A) An electrolytic solution impregnation method in which the injected electrolytic solution is impregnated into the
(イ)交流電圧または交流電流の周波数は、注液後の時間経過に連れて低い周波数から高い周波数へと調整される。このため、注液後の初期においての低い周波数による電解液の大きい移動により、電解液の電極とセパレータ5の比較的大きな穴内への浸透効果を促進する。そして、時間の経過に連れて周波数を上昇させて電解液の移動を小さくすることにより、徐々に電極とセパレータ5の小さな穴内への電解液の浸透を促進させることができる。
(A) The frequency of the alternating voltage or alternating current is adjusted from a low frequency to a high frequency as time passes after the injection. For this reason, the penetration | transfer effect to the inside of the comparatively large hole of the electrode of the electrolyte solution and the
(ウ)交流電圧または交流電流の振幅は、注液後の時間経過に連れて高い振幅から低い振幅へと調整される。このため、注液後の時間の経過に連れて電極とセパレータ5への電解液の浸透度が上昇してその移動抵抗が減少するので、それに合わせて、交流電圧または交流電流の振幅を減少させることによって、電池要素2への充電による劣化から保護しつつ、電解液の浸透を促進することができる。
(C) The amplitude of the alternating voltage or alternating current is adjusted from a high amplitude to a low amplitude as time passes after the injection. For this reason, with the passage of time after the injection, the degree of penetration of the electrolyte into the electrode and the
(エ)交流電圧または交流電流の印加は、交流電圧と交流電流とに基づくインピダンスZが予め設定した所定値に低下した場合には、電解液の含浸が完了したと判断して、終了させる。このように、電解液の浸透度を反映するインピダンスZの低下に基づいて電解液の含浸を停止させるため、電池要素2への電解液の含浸バラツキを抑制でき、電池要素2の品質を向上させることができる。
(D) When the impedance Z based on the AC voltage and the AC current is reduced to a predetermined value set in advance, it is determined that the impregnation with the electrolytic solution is completed, and the application of the AC voltage or AC current is terminated. Thus, since the impregnation of the electrolytic solution is stopped based on the decrease in the impedance Z that reflects the degree of penetration of the electrolytic solution, variations in the impregnation of the electrolytic solution into the
(オ)また、交流電圧または交流電流の印加は、交流電圧と交流電流とに基づくインピダンスZの変化履歴が予め設定した上限履歴及び下限履歴を超えて変化する場合には、中止される。このように、製造の早期の段階で、含浸に対する不良品を精度よく判断して見出し、製造ラインから排除することによって、製造電池の品質向上を図りつつ、製造コストを低減することができる。 (E) The application of the AC voltage or AC current is stopped when the change history of the impedance Z based on the AC voltage and the AC current changes beyond the preset upper limit history and lower limit history. In this way, at an early stage of production, defective products with respect to impregnation can be accurately determined and found, and excluded from the production line, so that the production cost can be reduced while improving the quality of the production battery.
(カ)電池要素2の負極集電板6aが銅であり且つ負極活物質がグラファイト若しくはハードカーボンである場合には、交流電圧または交流電流の印加前に、負極電位を負極集電板6aの溶出電位とSEI生成電位との間の電位となるよう予備充電する。この予備充電により、引続き実行される交流電圧または交流電流の印加時に、負極集電板6aの溶出が抑制でき、不均一なSEI皮膜の生成を防止でき、電池要素2の安全性、耐久性を向上することができる。また、負極電位を負極集電板6aの溶出電位とSEI生成電位との中間の電位となるよう予備充電すると、交流電圧または交流電流の振幅を最も大きく印加することができ、電池要素2の劣化を防ぐと同時に、電解液の浸透をより一層促進できる。
(F) When the negative electrode current collector plate 6a of the
(キ)電池要素2の負極活物質がグラファイト若しくはハードカーボンである場合には、交流電圧または交流電流の印加による含浸終了後に、負極6の電位をSEI生成電位以下の電位となるよう充電する。含浸完了を判断した電池要素2では、電解質層及び正負活物質層への電解液の均一な濡れが期待できる。このため、この時点では、グラファイト若しくはハードカーボンからなる負極活物質に対して、より均一なSEI被膜を生成することができる。従って、電池要素2の安全性と耐久性を向上することができる。
(G) When the negative electrode active material of the
(ク)交流電圧または交流電流は、10Hz〜10kHzの間の周波数に設定される。このため、低周波数側での活物質への充放電電流の上昇を抑制して、活物質の劣化を抑制できる一方、高周波数側でのイオンの動く往復移動範囲が狭くなり攪拌効果が小さくなる影響を抑制できる。 (H) The alternating voltage or alternating current is set to a frequency between 10 Hz and 10 kHz. For this reason, while suppressing an increase in the charge / discharge current to the active material on the low frequency side, the deterioration of the active material can be suppressed, while the reciprocating range in which ions move on the high frequency side is narrowed and the stirring effect is reduced. The influence can be suppressed.
(第2実施形態)
図9〜図10は、本発明を適用した電池の電解液含浸方法及び電解液含浸装置の第2実施形態を示し、図9は含浸工程における交流調整手段による交流周波数調整の特性図、図10は同じく含浸工程における交流調整手段による交流振幅調整の特性図である。本実施形態においては、含浸工程における交流調整手段による交流周波数調整及び交流振幅調整を検出したインピダンスに応じて実施する構成を第1実施形態に追加したものである。なお、第1実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Second Embodiment)
9 to 10 show a second embodiment of an electrolytic solution impregnation method and an electrolytic solution impregnation device for a battery to which the present invention is applied. FIG. 9 is a characteristic diagram of AC frequency adjustment by an AC adjustment means in the impregnation step. FIG. 6 is a characteristic diagram of AC amplitude adjustment by AC adjustment means in the impregnation step. In this embodiment, the structure implemented according to the impedance which detected the alternating current frequency adjustment and alternating current amplitude adjustment by the alternating current adjustment means in an impregnation process is added to 1st Embodiment. The same devices as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
本実施形態における電解液含浸装置10及び電解液含浸方法は、交流調整手段21による交流電圧または交流電流の調整を、含浸時間の経過により調整することに代えて、交流電圧と交流電流との振幅の比、即ち交流抵抗である交流インピダンスZに応じて調整するようにしたものである。その他の構成は、第1実施形態と同様であり、説明を省略する。 The electrolytic solution impregnation apparatus 10 and the electrolytic solution impregnation method according to the present embodiment replace the adjustment of the alternating voltage or alternating current by the alternating current adjusting means 21 with the passage of the impregnation time, and instead of adjusting the amplitude of the alternating voltage and the alternating current. The ratio is adjusted according to the AC impedance Z which is the AC resistance. Other configurations are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
本実施形態の電解液含浸装置10及び電解液含浸方法においては、図9に示すように、印加する交流電圧または交流電流の周波数は、演算された交流インピダンスZの低下に応じて増加される。このため、含浸初期においては、交流インピダンスZが大きいため、低い周波数の交流電圧または交流電流が選択され、電解液の含浸が進行するに連れて交流インピダンスZも低下するため、選択される交流電圧または交流電流の周波数が増加される。従って、電解液浸透度合いの指標である交流インピダンスZに応じて、交流電圧または交流電流の周波数を調整するため、電解液の浸透度合いに応じて高精度に交流電圧または交流電流の周波数を調整させることができる。 In the electrolytic solution impregnation apparatus 10 and the electrolytic solution impregnation method of the present embodiment, as shown in FIG. 9, the frequency of the applied alternating voltage or alternating current is increased according to the decrease in the calculated alternating current impedance Z. For this reason, in the initial stage of impregnation, since the AC impedance Z is large, a low frequency AC voltage or AC current is selected, and the AC impedance Z decreases as the impregnation of the electrolytic solution proceeds. Or the frequency of the alternating current is increased. Therefore, in order to adjust the frequency of the alternating voltage or the alternating current according to the alternating current impedance Z that is an index of the electrolyte penetration degree, the frequency of the alternating voltage or the alternating current is adjusted with high accuracy according to the penetration degree of the electrolyte. be able to.
また、図10に示すように、印加する交流電圧または交流電流の振幅は、演算された交流インピダンスZの低下に応じて低下される。このため、含浸初期においては、交流インピダンスZが大きいため、大きい振幅の交流電圧または交流電流が選択され、電解液の含浸が進行するに連れて交流インピダンスZも低下するため、選択される交流電圧または交流電流の振幅が低下される。従って、電解液浸透度合いの指標である交流インピダンスZに応じて、交流電圧または交流電流の振幅を調整するため、電解液の浸透度合いに応じて高精度に交流電圧または交流電流の振幅を調整させることができる。 Further, as shown in FIG. 10, the amplitude of the applied AC voltage or AC current is reduced in accordance with the decrease in the calculated AC impedance Z. For this reason, in the initial stage of impregnation, since the AC impedance Z is large, an AC voltage or AC current having a large amplitude is selected, and the AC impedance Z also decreases as the impregnation of the electrolytic solution proceeds. Or the amplitude of the alternating current is reduced. Therefore, in order to adjust the amplitude of the AC voltage or the AC current according to the AC impedance Z that is an index of the electrolyte penetration degree, the amplitude of the AC voltage or the AC current is adjusted with high accuracy according to the penetration degree of the electrolyte. be able to.
本実施形態においては、第1実施形態における効果(ア)、(エ)〜(ク)に加えて以下に記載した効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effects (a) and (e) to (ku) in the first embodiment, the following effects can be achieved.
(ケ)交流電圧または交流電流の周波数は、交流電圧と交流電流とに基づくインピダンスZの低下に連れて低い周波数から高い周波数へと調整される。このため、電解液の浸透度を反映するインピダンスZが高い注液後の初期における浸透度の低い状態においては、低い周波数による電解液の大きい移動により、電解液の電極とセパレータ5の比較的大きな穴内への浸透効果を促進する。そして、インピダンスZが低下して電解液の浸透度が高まるに連れて周波数を上昇させて電解液の移動を小さくすることにより、徐々に電極とセパレータ5の小さな穴内への電解液の浸透を促進させることができる。また、電解液浸透度合いの指標としてのインピダンスZに基づいて、交流電圧の周波数を調整するため、周波数の調整精度を高くできる。
(G) The frequency of the alternating voltage or alternating current is adjusted from a low frequency to a high frequency as the impedance Z based on the alternating voltage and alternating current decreases. For this reason, in the state of low permeability at the initial stage after the injection, which has a high impedance Z reflecting the permeability of the electrolyte, the electrolyte electrode and the
(コ)交流電圧または交流電流の振幅は、交流電圧と交流電流とに基づくインピダンスZの低下に連れて高い振幅から低い振幅へと調整される。このため、電解液の浸透度を反映するインピダンスZが低下され電解液の浸透度が上昇するに応じて、電解液の移動抵抗が減少するので、それに合わせて、交流電圧または交流電流の振幅を減少させることによって、電池要素2への充電による劣化から保護しつつ、電解液の浸透を促進することができる。また、電解液浸透度合いの指標としてのインピダンスZに基づいて、交流電圧または交流電流の振幅を調整するため、振幅の調整精度を高くできる。
(Ko) The amplitude of the alternating voltage or alternating current is adjusted from a high amplitude to a low amplitude as the impedance Z based on the alternating voltage and the alternating current decreases. For this reason, as the impedance Z reflecting the electrolyte penetration decreases and the electrolyte penetration increases, the electrolyte transfer resistance decreases. Accordingly, the amplitude of the AC voltage or AC current is adjusted accordingly. By reducing, the penetration of the electrolytic solution can be promoted while protecting the
1 二次電池、リチウムイオン二次電池
2 電池要素
3 外装部材
4 正極
5 セパレータ
6 負極
7 単電池
8 正極タブ
9 負極タブ
10 電解液含浸装置
11 電解液供給ライン
12 電解液供給装置
13 注液ノズル
14 レベルセンサ
15 交直両用電源装置
16 電源装置
17 電圧センサ
18 電流センサ
20 制御装置
21 交流調整手段
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記電池要素の正極・負極間に交流電圧または交流電流を印加することにより、電解液を含浸させることを特徴とする電解液含浸方法。 An electrolytic solution impregnation method for impregnating a poured electrolytic solution into a battery element composed of a positive electrode and a negative electrode, which are housed in an exterior member and stacked via a separator,
An electrolytic solution impregnation method comprising impregnating an electrolytic solution by applying an alternating voltage or an alternating current between a positive electrode and a negative electrode of the battery element.
前記電池要素の正極・負極間に、その周波数または振幅を変化させて交流電圧または交流電流を印加する電源装置を備えることを特徴とする電解液含浸装置。 An electrolytic solution impregnation apparatus for impregnating a poured electrolytic solution into a battery element composed of a positive electrode and a negative electrode, which are housed in an exterior member and stacked via a separator,
An electrolytic solution impregnation apparatus comprising: a power supply device that applies an alternating voltage or an alternating current by changing a frequency or an amplitude between a positive electrode and a negative electrode of the battery element.
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