JP6248751B2 - 蓄電装置の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、正極と負極及びセパレータを有する電極組立体を備える蓄電装置を製造する過程において電極組立体に対して短絡検査を行う蓄電装置の検査方法に関する。

蓄電装置は、正極と負極とがセパレータを介して積層された電極組立体等がケースに収容されて構成される。この電極組立体の正極とセパレータとの間又は負極とセパレータとの間に異物が入った場合、異物によってセパレータが伸び、破断する可能性がある。セパレータが破断すると、電極組立体で内部短絡する。そこで、ケースに収容する前に電極組立体（積層体）に対して短絡検査を行い、内部短絡（ひいては、異物）を検出している。特許文献１には、正極板と負極板をセパレータを介して積層した極板群を電槽に挿入する前に、極板群を加圧しながら短絡検査を行う電池の短絡検査方法について開示されている。

特開２００１−２３６９８５号公報

蓄電装置には、電極とセパレータとの間に異物が入ってもセパレータが破断し難くなるように、伸びの許容量が大きいセパレータを用いる場合がある。このようなセパレータを用いると、ある程度のサイズの異物が入っていても、セパレータが破断しない。この場合、電極組立体では内部短絡せず、短絡検査で短絡（ひいては、異物）を検出できない。また、伸びの許容量が大きいセパレータを用いない場合でも、小さいサイズの異物が入ると、セパレータが破断しない可能性がある。この場合も、電極組立体では内部短絡せず、短絡検査で短絡を検出できない。上記の特許文献１に開示の短絡検査方法でも、このような場合には短絡を検出できない。

そこで、本技術分野においては、電極とセパレータとの間に入った異物の検出精度を向上させることができる蓄電装置の検査方法が要請されている。

本発明の一側面に係る蓄電装置の検査方法は、正極と負極及び正極と負極との間にセパレータを有する電極組立体を備える蓄電装置を製造する過程において電極組立体に対して短絡検査を行う検査方法であって、電極組立体の温度を所定温度以下に温度調整する温度調整工程と、温度調整工程での温度調整中に、電極組立体の短絡検査を行う短絡検査工程とを含む。

この蓄電装置の電極組立体は、電極としての正極と負極を備えており、正極と負極との間にセパレータが配置されている。セパレータは、用いられる材料によってガラス転移温度が決まっており、ガラス転移温度以下になるとガラス状態になる。そこで、電極組立体に対して短絡検査を行う場合、電極組立体の温度を所定温度以下に温度調整して、短絡検査を行う。この所定温度は、電極組立体のセパレータのガラス転移温度よりも低い温度とする。電極組立体（ひいては、セパレータ）の温度を所定温度以下に温度調整することにより、セパレータがガラス状態に変わり、セパレータの伸びが抑えられる（セパレータの伸びの許容量が小さくなる）。そのため、正極又は負極とセパレータとの間に小さいサイズの異物が入っている場合でも、その異物によってセパレータが破断し易くなる。セパレータが破断すると、正極と負極とが直接又は導電性の異物を介して短絡し、短絡検査によって短絡（ひいては、異物）を検出できる。このように、この蓄電装置の検査方法は、電極組立体（ひいては、セパレータ）の温度を所定温度以下に温度調整して短絡検査を行うことにより、電極とセパレータとの間に入った異物の検出精度を向上させることができる。

なお、検査対象の電極組立体は、各電極のタブ同士が溶接されていない状態でもよいし、あるいは、各電極のタブ同士が溶接されている状態でもよい。また、検査対象の電極組立体は、積層体でもよいし、あるいは、捲回体でもよい。

一実施形態の蓄電装置の検査方法では、所定温度はセパレータのガラス転移温度に基づいて設定されるとよい。セパレータのガラス転移温度に基づいて所定温度を設定することにより、その所定温度以下に温度調整したときにセパレータをガラス状態に確実に転移させることができかつ必要以上に温度を下げなくてもよいので、最適な所定温度を設定できる。

本発明によれば、電極とセパレータとの間に入った異物の検出精度を向上させることができる。

一実施形態に係る蓄電装置の検査方法に用いられる短絡検査システムの構成を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る蓄電装置の検査方法を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

一実施形態に係る蓄電装置の検査方法は、蓄電装置を製造する過程において積層工程で積層された電極組立体（積層体）に対して短絡検査を行う検査工程に適用される。この検査工程では、短絡検査システムが用いられる。蓄電装置は、二次電池又は電気二重層キャパシタ等の蓄電装置である。二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。本実施の形態では、蓄電装置としてリチウムイオン二次電池に適用した場合とする。

図１を参照して、一実施形態に係る蓄電装置の検査方法（検査工程）について説明する。図１は、一実施形態に係る蓄電装置の検査方法に用いられる短絡検査システムの構成を模式的に示す図である。

検査工程について説明する前に、蓄電装置の構成について説明しておく。蓄電装置は、角型の蓄電装置である。蓄電装置は、電極組立体及び電解液等がケースに収容されている。ここでは、検査対象となる電極組立体についてのみ詳細に説明する。電極組立体は、正極、負極及びセパレータを備えており、正極と負極とがセパレータを介して積層されている積層体である。

正極は、金属箔と、金属箔の少なくとも一面に形成された正極活物質層からなる。正極は、金属箔の端部に正極活物質層が形成されていないタブを有する。タブは、正極の上縁部に延び、導電部材を介して正極端子に接続されている。金属箔は、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔である。正極活物質層は、正極活物質、バインダを含んでいる。正極活物質層は、導電助剤を含んでいてもよい。正極活物質は、例えば、複合酸化物、金属リチウム、硫黄である。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。バインダは、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂などである。導電助剤は、例えば、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）である。

負極は、金属箔と、金属箔の少なくとも一面に形成された負極活物質層からなる。負極は、金属箔の端部に負極活物質層が形成されていないタブを有する。タブは、負極の上縁部に延び、導電部材を介して負極端子に接続されている。金属箔は、例えば、銅箔、銅合金箔である。負極活物質層は、負極活物質、バインダを含んでいる。負極活物質層は、導電助剤を含んでいてもよい。負極活物質は、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素である。バインダ、導電助剤は、例えば、正極で例示した同様のバインダ、導電助剤の中のものを適用できる。なお、バインダは正極での例示に加え、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、アルコキシシリル基含有樹脂なども適用できる。

セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータは、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布である。セパレータは、これらの用いられる材料によってガラス転移温度が決まっており、ガラス転移温度以下になるとガラス状態になる。

積層工程では、所定枚数のシート状の正極とシート状の負極とをセパレータを介して積層する。特に、セパレータの積層については、シート状のセパレータを１枚ずつ積層してもよいし、あるいは、２枚のシート状を溶着した袋状のセパレータによって一方の電極（例えば、正極）のタブ以外の部分を包んだ状態で積層してもよい。この積層工程の後に、積層工程で積層された電極組立体（積層体）に対する検査工程が行われる。なお、検査工程では、各電極のタブ同士が溶接されていない状態の電極組立体に対して行う。

それでは、検査工程について説明する。検査工程では、図１に示す短絡検査システム１を用いて、電極組立体（積層体）Ｓを加圧（荷重を付加）して短絡検査を行う。この加圧状態の短絡検査は、従来の周知の短絡検査と同様のものである。特に、検査工程では、異物が入っているかを高精度に検出するために（異物によってセパレータを破断し易くするために）、電極組立体Ｓを所定温度以下まで温度調整して短絡検査を行う。そのために、短絡検査システム１は、テスタ２、加圧部材３、荷重発生装置４、恒温槽５を備えている。

テスタ２は、抵抗値を測定するテスタである。テスタ２は、従来の周知の短絡検査に用いられるテスタが適用される。テスタ２では、正極の測定用端子２ａに電極組立体Ｓの正極のタブＴｐが接続され、負極の測定用端子２ｂに電極組立体Ｓの負極のタブＴｎが接続されると、正極のタブＴｐと負極のタブＴｎ間に所定の電圧（例えば、数Ｖ）を印加し、正極のタブＴｐと負極のタブＴｎ間の抵抗値を測定する。正極と負極とが短絡していない場合、測定される抵抗値は無限大の抵抗値になる。一方、内部短絡している場合、測定される抵抗値が非常に低い値（例えば、数ｋΩ）になる。そこで、この抵抗値の差を検出可能な抵抗値（例えば、数１０ＭΩ、数ＭΩ、数１０００ｋΩ、数１００ｋΩ）を閾値として予め設定しておく。テスタ２では、測定した抵抗値が閾値以下か否かを判定し、閾値以下の場合には内部短絡を示す情報を提供（例えば、ランプ点灯）する。なお、テスタ２は、閾値以下か否かの判定まで行うものでなく、抵抗値の測定までを行うものでもよい。この場合、テスタ２で測定された抵抗値から、人が判定する。

加圧部材３は、電極組立体Ｓに対して荷重発生装置４で発生させた荷重を付加（加圧）する部材である。加圧部材３は、従来の周知の短絡検査に用いられる加圧部材が適用される。加圧部材３は、例えば、所定の厚さを有する平板状であり、電極組立体Ｓの積層方向の側面に対して荷重を付加できる十分な大きさを有している。加圧部材３は、電極組立体Ｓの積層方向の各側面に接するように配置される。なお、図１に示すように加圧部材３を電極組立体Ｓの積層方向の対向する両側面にそれぞれ配置してもよい、あるいは、電極組立体Ｓの積層方向の一方の側面側を台に載置し、加圧部材３を他方の側面にのみ配置してもよい。

荷重発生装置４は、加圧用の荷重を発生させる装置である。荷重発生装置４は、従来の周知の短絡検査に用いられる荷重発生装置が適用される。荷重発生装置４には、加圧部材３が取り付けられている。荷重発生装置４では、短絡検査中、所定の加重（例えば、数ｋＮ、数１０ｋＮ）を発生する。この荷重は、加圧部材３を介して電極組立体Ｓに付加される。なお、図１に示すように荷重発生装置４を電極組立体Ｓの積層方向の対向する両側面にそれぞれ設け、両側面から荷重を付加するようにしてもよい、あるいは、荷重発生装置４を電極組立体Ｓの積層方向の一方の側面にのみ設けて、一方の側面からのみ荷重を付加するようにしてもよい。

なお、電極組立体Ｓに加圧（荷重を付加）しながら短絡検査を行うのは、例えば、出荷後に蓄電装置にかかる可能性のある最大の荷重を出荷前に付加しておくため、電極組立体の層間の空気を抜いて電極組立体をケースに収納可能とするためである。荷重発生装置４で発生させる所定の荷重は、この最大の荷重等に基づいて設定される。

恒温槽５は、槽内を一定の温度に維持することができる槽である。恒温槽５は、従来の周知の恒温槽を適用する。恒温槽５は、略矩形状であり、内部が空間となっている。恒温槽５は、加圧部材３と荷重発生装置４によって加圧される電極組立体Ｓが十分に収容可能な大きさを有している。恒温槽５では、短絡検査中、槽内の温度を設定温度に温度調整する。以下に、この短絡検査を行う際の設定温度について説明する。

上記したようにセパレータにはガラス転移温度があり、ガラス転移温度以下になるとガラス状態になる。恒温槽５の槽内の温度（ひいては、電極組立体Ｓの温度）を温度調整することによって、セパレータをガラス転移温度以下になると、セパレータがガラス状態になる。ガラス状態になると、セパレータの伸びが抑えられる（セパレータの伸びの許容量が小さくなる）。セパレータの伸びが抑えられると、正極又は負極とセパレータとの間に異物が入っている場合に、小さいサイズの異物でもセパレータが破断し易くなる。セパレータが破断すると、正極と負極とが直接又は異物を介して短絡し、テスタ２による測定で短絡を検出できる。そこで、恒温槽５の設定温度を、電極組立体Ｓで用いられているセパレータのガラス転移温度に基づいて設定する。特に、セパレータの温度をガラス転移温度以下まで確実に低下させるために、ガラス転移温度よりも一定温度低い温度を設定温度とする。例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）の場合、ガラス転移温度が０℃近辺であるので、設定温度を−２０℃程度とする。この設定温度に恒温槽５の槽内の温度を調整することによって、電極組立体Ｓの温度（ひいては、セパレータの温度）がガラス転移温度以下まで低下する。

この短絡検査システム１を用いた検査工程について説明する。積層工程が終了すると、恒温槽５内に電極組立体Ｓが入れられ、電極組立体Ｓの積層方向の各側面に加圧部材３を配置させる。そして、テスタ２の正極の測定用端子２ａが電極組立体Ｓの正極のタブＴｐに接続され、負極の測定用端子２ｂが電極組立体Ｓの負極のタブＴｎに接続される。

荷重発生装置４では、所定の荷重を発生する。すると、その荷重が加圧部材３を介して電極組立体Ｓの側面から付加され、電極組立体Ｓが加圧された状態になる。恒温槽５では、槽内の温度を設定温度に温度調整し、その温度を維持する（温度調整工程）。これによって、電極組立体Ｓの温度が低下し、セパレータの温度が低下する。セパレータの温度がガラス転移温度以下になると、セパレータはガラス状態になり、セパレータの伸びの許容量が小さくなる。常温での伸びの許容量が大きいセパレータが用いられている場合でも、セパレータはガラス状態になっているので、セパレータの伸びの許容量は小さい。

加圧中かつ低温中に、テスタ２では、測定用端子２ａ，２ｂ間（すなわち、正極のタブＴｐと負極のタブＴｎとの間）に所定の電圧を印加し、正極のタブＴｐと負極のタブＴｎとの間の抵抗値を測定し、短絡しているか否かを判定する（短絡検査工程）。テスタ２で測定された抵抗値が閾値以上の場合には短絡していないと判定され、テスタ２で測定された抵抗値が閾値未満の場合には短絡している（ひいては、正極又は負極とセパレータとの間に異物が入っている）と判定される。

正極又は負極とセパレータとの間に小さいサイズの異物が入っており、その異物によってセパレータの伸び量が少ない場合でも、セパレータがガラス状態となっているので（セパレータの伸びの許容量が小さいので）、セパレータが破断する可能性が高い。セパレータが破断すると、正極と負極とが短絡するので、小さいサイズの異物でも検出できる。この検査工程で検出可能な異物の最小サイズとしては、例えば、１００〜数１００μｍである。

なお、正極と負極との活物質層の硬さが異なっていると、異物が入った場合にセパレータの伸びが大きくなって破断する可能性がある。例えば、正極のほうが負極よりも活物質層が硬い蓄電装置の場合、活物質層が硬いほうの正極とセパレータとの間に異物が入ると、正極側の硬い活物質層は異物によって凹み難いので、負極側の軟らかい活物質層が異物によって大きく凹み、セパレータの伸び量が大きくなる。一方、活物質層が軟らかいほうの負極とセパレータとの間に異物が入ると、負極側の軟らかい活物質層は異物によって凹み易いので、正極側の硬い活物質層が異物によって殆ど凹まず、セパレータの伸び量が小さい。つまり、活物質層が硬いほうの正極とセパレータとの間に異物が入った場合よりも、活物質層が軟らかいほうの負極とセパレータとの間に異物が入った場合のほうが、セパレータの伸び量が小さい。このように、活物質層が軟らかいほうの電極とセパレータとの間に異物が入り、セパレータの伸び量が小さくなる場合でも、セパレータをガラス状態にして短絡検査を行うので、異物を検出できる。

この短絡検査システム１を用いた検査工程（検査方法）によれば、電極組立体（ひいては、セパレータ）の温度を所定温度以下に温度調整（低温化）して短絡検査を行うことにより、セパレータをガラス状態にして短絡検査でき、電極とセパレータとの間に入った異物の検出精度を向上させることができる。特に、従来の短絡検査で検出不能な小さいサイズの異物が入っている場合でも、その小さいサイズの異物でもセパレータが破断し、異物を検出可能である。また、常温での伸びの許容量が大きいセパレータを用いている場合でも、ガラス状態で伸びの許容量が小さくなるので、異物を検出可能である。

また、この検査工程（検査方法）によれば、セパレータのガラス転移温度に基づいて恒温槽５の設定温度を決めることにより、その設定温度以下に温度調整するとセパレータをガラス状態に確実に転移させることができかつ必要以上に温度を下げなくてもよいので、最適な設定温度を設定できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、上記実施形態では角型の蓄電装置（リチウムイオン二次電池）に適用したが、円筒型（捲回体）等の他の形状の蓄電装置にも適用可能である。また、リチウムイオン二次電池以外の蓄電装置にも適用可能である。

また、上記実施形態では加圧部材と荷重発生装置を用いて電極組立体を加圧（荷重を付加）しながら短絡検査を行う構成としたが、電極組立体を加圧しない状態で短絡検査を行ってもよい。

また、上記実施形態では電極組立体（特に、セパレータ）の温度を所定温度以下に温度調整するために恒温槽を利用する構成としたが、他の温度調整手段を用いて電極組立体（セパレータ）の温度を所定温度以下に温度調整してもよい。

また、上記実施形態では各電極のタブ同士が溶接されていない状態の電極組立体（積層体）に対して短絡検査を行う構成としたが、各電極のタブ同士が溶接されている状態の電極組立体に対して短絡検査を行ってもよい。

１…短絡検査システム、２…テスタ、２ａ，２ｂ…測定用端子、３…加圧部材、４…荷重発生装置、５…恒温槽。

Claims (1)

1. 正極と負極及び前記正極と前記負極との間にセパレータを有する電極組立体を備える蓄電装置を製造する過程において前記電極組立体に対して短絡検査を行う検査方法であって、
   前記電極組立体の温度を前記セパレータのガラス転移温度以下に温度調整する温度調整工程と、
   前記温度調整工程での温度調整中に、前記電極組立体の短絡検査を行う短絡検査工程と、
   を含む、蓄電装置の検査方法。

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