JP5742114B2 - 乾燥方法及び乾燥装置 - Google Patents

Description

この発明は、乾燥方法及び乾燥装置に関する。

乾燥対象物を迅速に乾燥させたいという要望がある。たとえば、リチウムイオン電池は、製造工程の途中で特に電極に水分が付着しやすい。電極に水分が付着した状態で電解液を注入しては、電解液が水分と反応して電極が劣化してしまう。しかしながら、電極に水分が付着しないように、製造環境を露点温度一定(露点温度：-25度以下）に管理することは、現実的には困難である。そこで電解液を注入する直前で電極を乾燥させて水分を除去することが現実的である。

特許文献１では、乾燥対象物を入れた槽内を減圧し、その後大気圧に戻している。このようにすれば、減圧による沸点降下を利用できるので、乾燥時間を短縮できる。

ＷＯ０１／０９５６８２

しかしながら、特許文献１では、水分の蒸発量は減圧レベルに依存する。減圧能力が限界に達すると一定圧となり、その時点で蒸発量が一定となり、乾燥能力が低下する。したがって、ある程度の減圧レベルでは、一定以上の蒸発量が得られず乾燥時間を十分に短縮できない。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、大がかりにならずに、乾燥時間を十分に短縮することができる乾燥方法及び乾燥装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、乾燥方法に関する。この乾燥方法は、所定温度に達するように、乾燥室に設置された乾燥対象物を加熱する加熱工程と、所定温度を維持するように、乾燥対象物の温度を調整する温度調整工程と、乾燥対象物が所定温度の状態で、乾燥対象物が設置された乾燥室の室内気圧を、大気圧よりも高い所定気圧まで上昇させる気圧上昇工程と、室内気圧を所定気圧から下降させる気圧下降工程と、を備える。気圧上昇工程は、乾燥対象物が所定温度に維持されているときに、室内気圧が所定気圧になるように気圧を上げる。

本発明によれば、乾燥室の圧力を大気圧よりも高圧にするので、水滴(水分)に内部エネルギーが溜まる。そして乾燥室の圧力を下げるので、その溜められた内部エネルギーが開放されて水分が蒸発しやすくなる。したがって乾燥時間が短縮される。

本発明による乾燥装置の第１実施形態に用いるリチウムイオン二次電池の概略図である。 本発明による乾燥装置の第１実施形態を示す概略構成図である。 第１実施形態の乾燥装置の作動を説明するタイムチャートである。 減圧時において、水分の離脱が促進されるメカニズムを説明する図である。 本実施形態による効果を説明する図である。 第２実施形態の乾燥装置の作動を説明するタイムチャートである。

以下では図面を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による乾燥装置の第１実施形態に用いるリチウムイオン二次電池の概略図である。図１(Ａ)はリチウムイオン二次電池の斜視図であり、図１(Ｂ)は図１(Ａ)のＢ−Ｂ断面図である。

リチウムイオン二次電池１００は、所定数積層されて電気的に並列接続された単位電池１１０と、外装パッケージ１２０と、を含む。

単位電池１１０は、セパレーター１１１と、正極１１２と、負極１１３と、を含む。

セパレーター１１１は、電解質層である。

正極１１２は、薄板の正極集電体１１２ａと、その両面に形成された正極層１１２ｂと、を有する。なお、最外層に配置される正極１１２は、正極集電体１１２ａの片面にのみ正極層１１２ｂが形成される。各正極集電体１１２ａは、ひとつに集合されて電気的に並列接続される。図(１)では、各正極集電体１１２ａは、左側でひとつに集合する。この集合部分が正極集電部である。

負極１１３は、薄板の負極集電体１１３ａと、その両面に形成された負極層１１３ｂと、を有する。なお、最外層に配置される負極１１３は、負極集電体１１３ａの片面にのみ負極層１１３ｂが形成される。各負極集電体１１３ａは、ひとつに集合されて電気的に並列接続される。図(１)では、各負極集電体１１３ａは、右側でひとつに集合する。この集合部分が負極集電部である。

外装パッケージ１２０は、積層された単位電池１１０を収容する。外装パッケージ１２０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で形成される。外装パッケージ１２０は、積層された単位電池１１０を収容した状態で、一辺が開口するように三辺が熱融着される。この一辺は、後工程で電解液が注液された後に熱融着される。外装パッケージ１２０は、単位電池１１０の電力を外部に取り出すための正極タブ１２２及び負極タブ１２３を備える。

正極タブ１２２は、一端が外装パッケージ１２０の内部で正極集電部に接続され、他端が外装パッケージ１２０の外に出る。

負極タブ１２３は、一端が外装パッケージ１２０の内部で負極集電部に接続され、他端が外装パッケージ１２０の外に出る。

図２は、本発明による乾燥装置の第１実施形態を示す概略構成図である。

乾燥装置１は、乾燥室１０と、温度調整機構２０と、気圧調整機構３０と、を含む。

乾燥室１０は、乾燥対象物を設置する。なお本実施形態では、乾燥対象物は、図１に示される、三辺が熱融着されているが一辺が開口したリチウムイオン二次電池１００である。乾燥室１０の内部気圧は、気圧センサー１１で検出される。

温度調整機構２０は、乾燥室１０に設けられるヒーターである。温度調整機構２０は、乾燥対象物であるリチウムイオン二次電池１００が所定温度に達し、その後、その所定温度を維持するように、リチウムイオン二次電池１００を加熱する。具体的には、温度調整機構２０は、正極タブ１２２及び負極タブ１２３を加熱する。温度調整機構２０が、正極タブ１２２及び負極タブ１２３を加熱すると、熱が図中の矢印のように、正極１１２及び負極１１３に伝わる。リチウムイオン二次電池１００が乾燥するほど、温度調整機構２０が供給する熱量は少なくなる。すなわち電池内部の残存水分量に応じて加熱量を調整する。なお所定温度とは、電池を構成する材料の中で耐熱温度が最も低い材料の耐熱温度を超えることのない、できるだけ高い温度が好ましい。また所定温度は、一定値に保持しなくてもよい。つまり残存水分の蒸発が妨げられない温度範囲であれば、温度を変動させてもよい。

気圧調整機構３０は、乾燥室１０の室内気圧を上昇／下降させる。気圧調整機構３０は、真空ポンプ３１と、圧力調整タンク３２と、三方弁３３と、を含む。

真空ポンプ３１は、三方弁３３を介して乾燥室１０に接続される。真空ポンプ３１は、乾燥室１０の空気を吸引して、乾燥室１０の気圧を下げる。

圧力調整タンク３２は、三方弁３３を介して乾燥室１０に接続される。圧力調整タンク３２は、圧縮空気を蓄える。圧力調整タンク３２は、圧縮空気を乾燥室１０に供給して、乾燥室１０の気圧を上げる。

三方弁３３は、乾燥室１０の連通先を、真空ポンプ３１又は圧力調整タンク３２に切り替える。

図３は、第１実施形態の乾燥装置の作動を説明するタイムチャートである。

まずはじめに、温度調整機構２０によって、乾燥室１０に設置されたリチウムイオン二次電池１００が目標温度になるように加熱する（加熱工程）。なお目標温度は、電池を構成する材料の中で耐熱温度が最も低い材料の耐熱温度を超えることのない、できるだけ高い温度が望ましい。その後は、その所定温度を維持するように、リチウムイオン二次電池１００を加熱する（温度調整工程）。

そして気圧調整機構３０を作動させて、乾燥室１０の室内気圧を、大気圧よりも高い所定気圧まで上げる（気圧調整工程）。具体的には、三方弁３３を切り替えて乾燥室１０と圧力調整タンク３２とを連通させる。これによって圧力調整タンク３２に蓄えられている圧縮空気が乾燥室１０に供給されて、乾燥室１０の気圧が上がる。

時刻ｔ１で、乾燥室１０の気圧が目標気圧に達したら、三方弁３３を切り替えて乾燥室１０と真空ポンプ３１とを連通させる。これによって真空ポンプ３１が乾燥室１０の空気を吸引して乾燥室１０の気圧が下がる（気圧調整工程）。

時刻ｔ２で、乾燥室１０の気圧が目標気圧に達したら、再び三方弁３３を切り替えて乾燥室１０と圧力調整タンク３２とを連通させる。

以下、順次繰り返す。

このようにすると、特に減圧時(たとえば時刻ｔ１〜ｔ２)において、水分の離脱が促進され、乾燥時間が短縮される。これについて図４を参照して説明する。

図４は、減圧時において、水分の離脱が促進されるメカニズムを説明する図であり、図４(Ａ)は通常圧力状態を示し、図４(Ｂ)は加圧状態を示し、図４(Ｃ)は減圧状態を示す。

図４(Ａ)に示すように、通常圧力状態の水滴の接触角をθ₀とする。

乾燥室１０の気圧を上げると、図４(Ｂ)に示すように、水滴の接触角は、θ₀よりも小さいθ₁になる。すなわち気圧が、実線矢印Ａ１のように水滴を押して、材料に付着させるように作用する。この状態では、破線矢印Ｂ１に示すように内部エネルギーが溜まることとなる。

続いて乾燥室１０の気圧を下げると、図４(Ｃ)に示すように、水滴の接触角は、θ₀よりも大きいθ₂になる。すなわち気圧が、水滴を押す力が弱まる。そしてこの状態では、破線矢印Ｂ２に示すように内部エネルギーが開放され、水滴が蒸発する。また気圧が下がることによって沸点降下も生じ、さらに水滴が蒸発しやすくなる。

図５は、本実施形態による効果を説明する図である。

比較形態として、乾燥室内の圧力を真空一定に保ち、温度調整機構２０でリチウムイオン二次電池１００を所定時間加熱した。この場合の水分減少率は、正極で８．８％、負極で７１．１％であった。

これに対して、本実施形態によれば、同じ時間で水分減少率は、正極で１４．８％、負極で９４．６％であった。正極・負極とも、乾燥室内の圧力を上下させる本実施形態のほうが、圧力を一定にする比較形態よりも乾燥しやすい、すなわち乾燥時間を短縮できた。

リチウムイオン電池の製造工程の途中で、特に電極に水分が付着しやすい。電極に水分が付着した状態で電解液を注入しては、電解液が水分と反応して電極が劣化してしまう。そこで電解液を注入する直前で電極を乾燥させて水分を除去する必要がある。しかしながら、電極は外装パッケージの内部にあるので、乾燥することが難しい。

また外装パッケージの内部部品に付着した水分を、蒸発・乾燥させるには、できる限り高温にすることが望ましい。ところが、電池は、異種材料が複雑に構成されているので、耐熱温度が低い材料を超えて高温にすることはできない。

このような理由で、外装パッケージの内部部品を迅速に乾燥することが困難であった。

これに対して、本実施形態では、電池を構成する材料の中で耐熱温度が最も低い材料の耐熱温度を超えないように、温度調整機構２０によって、乾燥室１０に設置されたリチウムイオン二次電池１００を加熱する。特に温度調整機構２０が、正極タブ１２２及び負極タブ１２３を加熱するので、外装パッケージの内部を加熱できる。したがって迅速に乾燥できる。

そして、気圧調整機構３０を作動させて、乾燥室１０の室内気圧を、大気圧よりも高い所定気圧まで上げた後に下げる。大気圧よりも高圧にするので、内部エネルギーが溜まる。そして室内気圧を下げるのでその溜められた内部エネルギーが開放されて水分が蒸発しやすくなる。特に大気圧よりも低くすれば、水の沸点が降下する。大気圧よりも低くすればするほど、沸点が降下して水が蒸発しやすくなる。これに加えて、材料表面に付着している水分の浮力が上昇して、水分離脱が助長される。したがって乾燥時間を短縮できる。

また上述の特許文献１のような方法では、水分の蒸発量は減圧レベルに依存する。減圧レベルを下げようとすると、ポンプの能力を上げたり、槽を厚くしなければならないなど、装置が大がかりになりコストが嵩む。減圧能力が限界に達すると一定圧となり、その時点で蒸発量が一定となり、乾燥能力が低下する。したがって、ある程度の減圧レベルでは、一定以上の蒸発量が得られず乾燥時間を十分に短縮できない。

これに対して本実施形態では、減圧レベルを大きく下げなくてもよいので、大がかりな装置にしなくてもよい。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の乾燥装置の作動を説明するタイムチャートである。

本実施形態では、乾燥室１０に設置されたリチウムイオン二次電池１００が目標温度に達するときに、乾燥室１０の室内気圧が目標気圧になるように気圧を上げる。

すなわち、本実施形態では、時刻ｔ１で乾燥室１０に設置されたリチウムイオン二次電池１００が目標温度に達するのに合わせて、乾燥室１０の室内気圧が目標気圧になるように気圧を上げる。

このようにすれば、乾燥時間をさらに短縮できる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、気圧調整機構は、上述のように例示したもの限られない。ポンプで加圧して気圧を高めてもよい。

また上記実施形態では、乾燥室の室内気圧が所定圧に達したか否かを圧力センサー１１で直接検出していたが、三方弁３３の切り替え時間に基づいて推定（間接的に検出）してもよい。

１ 乾燥装置
１０ 乾燥室
２０ 温度調整機構
３０ 気圧調整機構
３１ 真空ポンプ
３２ 圧力調整タンク
３３ 三方弁
１００ リチウムイオン二次電池
１１０ 単位電池
１１１ セパレーター
１１２ 正極（電極）
１１３ 負極（電極）
１２０ 外装パッケージ（外装材）
１２２ 正極タブ（端子）
１２３ 負極タブ（端子）

Claims (5)

1. 所定温度に達するように、乾燥室に設置された乾燥対象物を加熱する加熱工程と、
   前記所定温度を維持するように、前記乾燥対象物の温度を調整する温度調整工程と、
   前記乾燥対象物が前記所定温度の状態で、前記乾燥対象物が設置された乾燥室の室内気圧を、大気圧よりも高い所定気圧まで上昇させる気圧上昇工程と、
   前記室内気圧を前記所定気圧から下降させる気圧下降工程と、を備え、
   前記気圧上昇工程は、前記乾燥対象物が所定温度に維持されているときに、前記室内気圧が前記所定気圧になるように気圧を上げる、
   ことを特徴とする乾燥方法。
2. 請求項１に記載の乾燥方法において、
   前記気圧下降工程は、前記室内気圧を大気圧よりも低い気圧まで下降させる、
   ことを特徴とする乾燥方法。
3. 請求項１又は２に記載の乾燥方法において、
   前記気圧上昇工程及び前記気圧下降工程は、前記室内気圧を前記所定気圧まで上昇させてから下降させることを繰り返し実行する、
   ことを特徴とする乾燥方法。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の乾燥方法において、
   前記気圧下降工程は、前記室内気圧が前記所定気圧に達した時点で、当該室内気圧を下降させる、
   ことを特徴とする乾燥方法。
5. 乾燥対象物を設置する乾燥室と、
   前記乾燥室に設けられ、前記乾燥対象物が所定温度に達し、その後、その所定温度を維持するように前記乾燥対象物を加熱する温度調整機構と、
   前記乾燥対象物が前記所定温度の状態で、前記乾燥対象物が設置された乾燥室の室内気圧を大気圧よりも高い所定気圧まで上昇させて、その後、下降させる気圧調整機構と、を備え、
   前記乾燥対象物は、外装材と、その外装材の内部に設けられる電極とを含む発電要素であり、
   前記温度調整機構は、一端が前記外装材の内部で前記電極に接続されるとともに他端が前記外装材の外に出る端子を加熱するように構成される、
   ことを特徴とする乾燥装置。

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