JP2017208182A - 電解液注入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解液注入工程のサイクルタイムを長くすることなく、ディスペンサ５における電解液の析出物の堆積等による経時的な注入量ばらつきを適切に補正する。【解決手段】セル１の注入口を封止した後に重量を測定し、電解液重量が下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲外であるセル１が同じディスペンサ５で４個連続して発生した場合（Ｓ１，Ｓ１１）は、ばらつきのパターンを第２のパターンとし、そうでない場合は第１のパターンとする。第１のパターンでは、範囲内の４個のセル１の平均値ＡＶＥＯＫと目標重量ＷＴＴＡＲＧとの差分ΔＷＴ１を補正値として、以後の注入工程に反映させる（Ｓ４〜Ｓ６）。第２のパターンでは、範囲外の４個のセル１の平均値ＡＶＥＮＧと目標重量ＷＴＴＡＲＧとの比較的大きな差分ΔＷＴ２を補正値として、以後の注入工程に反映させる（Ｓ１３，Ｓ１４）。【選択図】図４

Description

この発明は、ディスペンサによって所定量の電解液を電池容器内に注入する電解液注入方法に関し、特に、ディスペンサの経時的な特性の変化に対する補正の技術に関する。

電池の性能を安定的に得るためには、電池容器内に注入される電解液の重量（換言すれば液量）を正しく管理する必要がある。ディスペンサによって電解液を所定量に計量しつつ電池容器内に注入する場合、ディスペンサの各部（配管やノズルなど）に電解液の成分ないし反応物が析出して付着するなどの要因で、経時的に注入量の精度が低下する。

特許文献１には、電池容器内への電解液の注入工程において、大容量ポンプと精密ポンプとを併用し、大容量ポンプによって目標注入量の８０パーセント程度まで注入した後に、電池容器の重量を測定して大容量ポンプによる実際の注入量を求め、この測定した注入量と目標注入量との差分だけ精密ポンプにより追加的に注入を行うようにした電解液注入方法が開示されている。つまり、大容量ポンプによる注入量の誤差が精密ポンプによる注入量に実質的にフィードバックされる形となっている。

特開２００５−１９７０８７号公報

しかしながら、特許文献１のように注入工程の途中で電池容器の重量の測定を行って最終的な注入量を調整する方法では、サイクルタイムが長くなり、好ましくない。

この発明に係る電解液注入方法は、同じディスペンサにより注入がなされた複数個の電池の電解液重量のデータに基づいて、当該ディスペンサの注入量ばらつきのパターンを判別し、このばらつきのパターンに対応して予め定めた補正処理を以後の注入工程で実行するようにした。

この発明によれば、サイクルタイムが長くならずにディスペンサの経時的な特性変化に対処することができる。

この発明の一実施例が適用される電解液注入装置の構成を示す説明図。 １つの電池容器に対する注入工程のプロファイルを示す説明図。 この発明に係る電解液注入方法の処理の流れの概略を示すフローチャート。 各ディスペンサのデータ処理の詳細を示すフローチャート。 単調増加もしくは単調減少のパターンを示す特性図。 急降下型のパターンを示す特性図。 スパイク型のパターンを示す特性図。 異常なパターンの例を示す特性図。 異常なパターンの他の例を示す特性図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、一実施例の電解液注入方法が適用される電解液注入装置の構成を示している。この実施例では、電池として、シート状の正極、負極およびセパレータを複数積層してなる発電要素を、ラミネートフィルムからなる袋状の電池容器内に電解液とともに収容してなる公知のフィルム外装型リチウムイオン二次電池（特開２０１１−２２２２２１号公報等参照）が注入対象となっている。すなわち、注入工程よりも前の工程において、発電要素を内側に配置した２枚のラミネートフィルムの四辺を、一辺の注入口を残した形で溶着することによって、発電要素を収容した略四角形の偏平な電池容器が構成されており、図１に示す注入装置を用いた注入工程において、電解液の注入が行われる。そして、電解液の注入後に、開口していた注入口を溶着することで、電池容器が密閉される。なお、以下の実施例の説明では、電解液注入の対象となる電池ないし電池容器を、電解液注入の前後ならびに注入口の封止の前後に拘わらず、単に「セル」と呼ぶこととする。

図１に示すように、電解液注入工程においては、複数個のセル１がマガジン２に並べて収容され、マガジン２単位で搬送される。電解液注入装置は、真空ポンプ４が接続された減圧用の密閉されたチャンバ３を備えており、１つのマガジン２が１つのチャンバ３に収容されて、減圧下で各セル１への電解液の注入がなされる。チャンバ３は、複数個、例えば６個のディスペンサ５を備えており、各々のディスペンサ５に、電解液タンク６から供給通路７を介して電解液が供給される。

ディスペンサ５は、詳細には図示しないが、サーボモータの回転によってボールねじ機構を介して進退するプランジャを備え、このプランジャによって押し出された電解液がノズル先端から吐出される構成となっている。従って、サーボモータの回転量により制御されるプランジャの進退量によって電解液が計量され、その計量された量の電解液がセル１へと注入される。

ここで、１つのマガジン２に収容されているセル１の個数は、１つのチャンバ３に対し設けられているディスペンサ５の数（例えば６個）の整数倍であり、例えば、２４個のセル１が各マガジン２に収容されている。従って、マガジン２がチャンバ３内で僅かに移動することで、１つのディスペンサ５が、互いに隣接する４個のセル１への注入を担っている。さらに詳しくは、図２に示すように、各セル１への電解液の注入は、チャンバ３内の圧力を規定の真空圧まで減圧した条件下で、少量ずつ複数ステップ例えば９ステップに分割して行われる。各ステップでは、図示するように、電解液の注入後に、電解液の各部への浸透を待つための待機時間が存在し、この待機時間の間に次のセル１への電解液の注入がなされる。つまり、４個のセル１を賄う１つのディスペンサ５の動作としては、最初に第１のセル１に第１ステップの注入を行った後、第２のセル１、第３のセル１、第４のセル１へと順次に第１ステップの注入を行い、次に、第１のセル１に戻って第２ステップの注入を行う。そして、第２のセル１、第３のセル１、第４のセル１へと順次に第２ステップの注入を行ったら、再び第１のセル１に戻って第３ステップの注入を行う。このようにして、９回に分けて第１のセル１から第４のセル１までの全てのセル１への電解液の注入が完了したら、チャンバ３内の圧力が大気圧に戻され、マガジン２がチャンバ３から取り出される。そして、各々のセル１は、マガジン２から個々に取り出された後に、封止工程へと送られ、注入口の溶着による仮封止が行われる。

本実施例の電解液注入方法においては、注入口の仮封止の後に、個々のセル１の重量を測定し、注入前後の重量変化からセル１に実際に注入された電解液重量つまり注入量を求める。そして、この実際の注入量に基づいて、各ディスペンサ５の経時的な注入量ばらつきのパターンを判別し、このばらつきのパターンに対応してディスペンサ５の補正処理を以後の注入工程で実行する。なお、注入前のセル１の重量は、注入工程の直前で実際に個々に測定してもよく、あるいは、注入前のセル１の重量が規定値にあるものとみなして個々の測定を省略するようにしてもよい。

図３は、補正処理を含む実施例の電解液注入方法の概略を示しており、ステップＡとして示すディスペンサ５による電解液注入の後に、ステップＢとして示す個々のセル１の重量測定を行う。この重量測定により得られる注入量に相当する電解液重量のデータを演算処理し（ステップＣ）、対応するディスペンサ５に必要な補正処理を決定する（ステップＤ）。そして、この補正処理を、以後の電解液注入（ステップＡ）にフィードバックして反映させる。

図４は、各ディスペンサ５毎に行われるデータ処理の流れを示すフローチャートであり、以下、これを詳細に説明する。

このフローチャートは、対応するディスペンサ５が注入したセル１の重量測定の毎に実行されるものであり、ステップ１で、今回測定したセル１の電解液重量が、所定の下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲内にあるか否かを判定する。この下限値ＭＩＮおよび上限値ＭＡＸは、一実施例では、製品としての許容値に対応している。つまり下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲内であれば良品であり、範囲外のセル１は不良品とみなされる。

今回測定したセル１の電解液重量が下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲内にあれば、ステップ２，３の工程能力指数Ｃｐの判定を経てステップ４へ進む。ステップ２，３については後述する。

ステップ４では、対応するディスペンサ５によって注入がなされた直前４個のセル１の電解液重量の平均値ＡＶＥＯＫを求める。ここでは、電解液重量が下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲外であったセル１のデータは、平均値の演算対象から除外される。従って、平均値ＡＶＥＯＫは、良品４個のセル１の電解液重量の平均値である。なお、「４個」は一例に過ぎず、適当な複数個であれば足りる。

平均値ＡＶＥＯＫを求めた後、ステップ５において、平均値ＡＶＥＯＫが所定の下限値ＡＶＥＭＩＮ〜上限値ＡＶＥＭＡＸの範囲内にあるか否かを判定する。ここで、平均値ＡＶＥＯＫについての下限値ＡＶＥＭＩＮ〜上限値ＡＶＥＭＡＸは、個々のセル１の良品判定の際の下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲内に設定される。つまり、ＡＶＥＭＩＮ＞ＭＩＮ、ＡＶＥＭＡＸ＜ＭＡＸ、である。ステップ５でＹＥＳであれば、ステップ６へ進み、平均値ＡＶＥＯＫと電解液重量（注入量）の目標値つまり目標重量ＷＴＴＡＲＧとの差分（乖離値）ΔＷＴ１を求め、この差分ΔＷＴ１を対応するディスペンサ５の補正値として設定する。この補正値は、以後の当該ディスペンサ５の電解液注入量に加算される。詳しくは、図２で示した９ステップに分割した注入工程の中で、最終の第９ステップでの注入量に上記の補正値が加算される。従って、第１〜第８ステップでは、電解液の浸透のために設定された待機時間等を考慮したものとして予め定められた所定量の電解液の注入がそれぞれなされ、その後の最終ステップにおいて、個々のディスペンサ５のばらつきに対応した過不足の補正がなされる。なお、一実施例では、下限値ＭＩＮおよび上限値ＭＡＸは、目標重量ＷＴＴＡＲＧが中央値となるように設定され、同様に、平均値ＡＶＥＯＫについての下限値ＡＶＥＭＩＮおよび上限値ＡＶＥＭＡＸも、目標重量ＷＴＴＡＲＧが中央値となるように設定される。

平均値ＡＶＥＯＫが所定の下限値ＡＶＥＭＩＮおよび上限値ＡＶＥＭＡＸの範囲外であった場合には、ステップ７において平均値ＡＶＥＯＫが下限値ＡＶＥＭＩＮ未満であるか否かを判定する。ＹＥＳであれば、当該ディスペンサ５の補正値として、正の所定値例えば「＋１ｇ」を設定し、ＮＯであれば、当該ディスペンサの補正値として、負の所定値例えば「−１ｇ」を設定する。これらの所定値「＋１ｇ」および「−１ｇ」は、平均値ＡＶＥＯＫが下限値ＡＶＥＭＩＮないし上限値ＡＶＥＭＡＸを越えたときの補正値の上限および下限に相当し、例えば、平均値ＡＶＥＯＫについての下限値ＡＶＥＭＩＮおよび上限値ＡＶＥＭＡＸと目標重量ＷＴＴＡＲＧと差分に等しい。換言すれば、平均値ＡＶＥＯＫと目標重量ＷＴＴＡＲＧとの差分が大きい場合に、制御の発散を防ぐために、ステップ５，７，８，９の処理によって補正値の大きさ（絶対値）がある大きさに制限される。

上記のステップ４〜９の処理は、対応するディスペンサ５の注入量ばらつきのパターンが、図５に示すような単調増加もしくは単調減少のパターンであるものとして、注入量を目標重量ＷＴＴＡＲＧに近付けるように補正を行うものである。すなわち、図５に示すように実際の注入量（電解液重量）が僅かずつ徐々に増加もしくは減少する単調増加もしくは単調減少は、主に、ディスペンサ５の各部に電解液の成分ないし反応物が析出して徐々に付着していくことで生じるものと考えられる。ディスペンサ５は、定期的に析出物の清掃除去がなされるが、単調増加もしくは単調減少の特性に対し、目標重量ＷＴＴＡＲＧとの差分を加算することで、以後の注入量（電解液重量）が、目標重量ＷＴＴＡＲＧにより近付くこととなる。なお、上記の単調増加もしくは単調減少のパターンが、請求項における「第１のパターン」に相当する。

一方、ステップ１において、今回測定したセル１の電解液重量が下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲内になければ、ステップ１からステップ１１へ進み、このステップ１１において、このような下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲外のセル１が同一のディスペンサ５について４個連続して発生したか否かを判定する。このステップ１１でＹＥＳの場合は、ディスペンサ５の注入量ばらつきのパターンが、図６に示すような急降下型のパターン（請求項における「第２のパターン」に相当する）であるものと判別し、ステップ１２以降へ進む。急降下型のパターンは、例えば、電解液からの析出物による通路の目詰まりなどによって注入量（電解液重量）が良品である許容範囲から下限値ＭＩＮ未満へと急激に低下したパターンである。なお、このパターンでは、一旦低下した注入量（電解液重量）は、回復することがない。

ステップ１２では、今回測定したセル１の電解液重量を、第２の下限値ＭＩＮ２（但しＭＩＮ２＜ＭＩＮ）および第２の上限値ＭＡＸ２（但しＭＡＸ２＞ＭＡＸ）と比較する。今回測定したセル１の電解液重量が第２の下限値ＭＩＮ２〜第２の上限値ＭＡＸ２の範囲内であれば、ステップ１３へ進み、ステップ１１で既に判定したように同一のディスペンサ５について４個連続して発生した下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲外のセル１の電解液重量の平均値ＡＶＥＮＧを算出する。つまり、同一のディスペンサ５による不良品である４個のセル１についての平均値ＡＶＥＮＧを求める。なお、「４個」は一例に過ぎず、適当な複数個であれば足りる。

次にステップ１４へ進み、平均値ＡＶＥＮＧと電解液重量（注入量）の目標値つまり目標重量ＷＴＴＡＲＧとの差分（乖離値）ΔＷＴ２を求め、この差分ΔＷＴ２を対応するディスペンサ５の補正値として設定する。この補正値は、以後の当該ディスペンサ５の電解液注入量に加算される。詳しくは、ステップ６等での補正と同様に、図２で示した９ステップに分割した注入工程の中で、最終の第９ステップでの注入量に上記の補正値が加算される。ここで、過度の補正による制御の発散を回避するために、差分ΔＷＴ２に相当する補正値を、適当な上限、下限（例えば±２ｇ）で制限するようにしてもよい。なお、第２の下限値ＭＩＮ２および第２の上限値ＭＡＸ２は、一実施例においては、目標重量ＷＴＴＡＲＧを中央値とするように設定される。この急降下型のパターン（第２のパターン）の際に与えられる補正値は、単調増加もしくは単調減少のパターン（第１のパターン）の際に与えられる補正値よりも大きなものとなる。

このように平均値ＡＶＥＮＧと目標重量ＷＴＴＡＲＧとの差分ΔＷＴ２に応じた比較的大きな補正値を与えることで、図６に示すように急降下していた注入量（電解液重量）が、以後の注入では、許容範囲（下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸ）内に入るようになる。なお、平均値ＡＶＥＮＧ算出の基礎となった各セル１は、いわゆる不良品であるから、マーキング等によって後工程にて排除される。

以上の第２のパターン（急降下型のパターン）に対し、ステップ１２において、今回測定したセル１の電解液重量が第２の下限値ＭＩＮ２〜第２の上限値ＭＡＸ２の範囲外であった場合には、ステップ１２からステップ１５へ進み、対応するディスペンサ５を休止する。つまり、これは、注入量が極端に少ないかあるいは極端に多いことを意味し、ディスペンサ５の故障等が想定されるため、第２のパターンのような補正処理は行わずに、ディスペンサ５を休止する。

一方、ステップ１１においてＮＯであった場合は、ステップ１１からステップ１６へ進み、単に警告表示を行う。これは、今回測定したセル１が下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲外（ステップ１）であったものの、４個連続しては発生しなかったことを意味する。この場合は、図７に示すスパイク型のパターンであると判別する。つまり、ディスペンサ５における析出物の経時的な堆積とは無関係に、何らかの要因ないし外乱によって単発的に注入量の不良が発生しているものと想定される。このような単発的な注入量の不良は補正が困難であるので、ディスペンサ５の注入量の補正は行わない。そして、誤った補正を回避するために、このときのセル１の電解液重量のデータは、ステップ４の平均値ＡＶＥＯＫの算出あるいはステップ１３の平均値ＡＶＥＮＧの算出の基礎には加えられない。従って、何らかの外乱によって発生した注入量の過不足は、以後のディスペンサ５の注入量に不必要に反映せず、不必要な補正によりディスペンサ５の特性が目標重量ＷＴＴＡＲＧから離れてしまうことがない。

ステップ１でセル１の電解液重量が所定の下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲内であった場合に、ステップ１から進むステップ２では、対応するディスペンサ５が注入した過去２８個のセル１（下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲内のセル１と範囲外のセル１の双方を含む）の電解液重量のデータから、工程能力指数Ｃｐを演算する。工程能力指数Ｃｐは、下記式から求められる上限側の工程能力指数Ｃｐｕと下限側の工程能力指数Ｃｐｌのいずれか小さい方の値となる。なお、σは標準偏差、「平均値」は２８個のデータの平均値である。

Ｃｐｕ＝（上限値ＭＡＸ−平均値）／３・σ
Ｃｐｌ＝（下限値ＭＩＮ−平均値）／３・σ
この工程能力指数Ｃｐは、直近２８個のデータを用いて、逐次算出される。

そして、次のステップ３において、算出した工程能力指数Ｃｐが所定の閾値（例えば１．０）以上であるか否かを判定する。工程能力指数Ｃｐが所定の閾値以上であれば、前述したステップ４以降へ進む。

工程能力指数Ｃｐが所定の閾値未満である場合は、ステップ１０へ進み、注入量の補正は行わずに、対応するディスペンサ５を休止する。図８および図９は、異常な注入量ばらつきパターンの２つの典型例を示している。図８は、全体的には減少（増加の場合もある）の傾向を示しつつ下限値ＭＩＮ〜上限値ＭＡＸの範囲外となるセル１が不定期に発生するミックス型のパターンであり、図９は、注入量が繰り返し激しく変化する連続スパイク型のパターンである。これらのようなパターンでは、ばらつきが大きく、適切な補正も困難であるので、補正せずにディスペンサ５を休止する。図８あるいは図９のようなパターンは、ある程度の個数のデータに基づいて工程能力指数Ｃｐを求めることにより、判別することができる。なお、「２８個」は一例に過ぎず、工程能力指数Ｃｐの信頼性を確保し得る適当な個数であれば足りる。

以上のように、上記実施例によれば、ラミネートフィルムからなる電池容器の注入口を封止（一実施例では仮封止）した後に計測した電解液重量のデータに基づき、ディスペンサ５の注入量ばらつきのパターンを判別し、各々のパターンに対応した補正処理を以後の注入工程で実行するようにしたので、電解液注入工程のサイクルタイムが長くなることがない。そして、電解液からの析出物の堆積等による経時的な注入量の精度低下に適切に対処することができ、電解液の過不足による不良発生を抑制することができる。

なお、上記実施例では、複数のディスペンサ５を用いてマガジン２内の多数のセル１に電解液を注入する電解液注入装置を例にして本発明を説明したが、本発明は、これに限らず、例えば、単一のディスペンサを具備する注入装置においても同様に適用が可能である。また、上記実施例のようなフィルム外装型リチウムイオン二次電池に限らず、缶型の電池などにも広く適用することができる。

１…セル
２…マガジン
３…チャンバ
５…ディスペンサ

Claims (8)

1. ディスペンサによって所定量の電解液を電池容器内に注入する電解液注入方法であって、
   注入前後の電池容器の重量変化から注入された電解液重量を求め、
   同じディスペンサにより注入がなされた複数個の電池の電解液重量のデータに基づいて、当該ディスペンサの注入量ばらつきのパターンを判別し、
   このばらつきのパターンに対応して予め定めた補正処理を以後の注入工程で実行する、ことを特徴とする電解液注入方法。
2. 所定数の電池の電解液重量が連続して所定の下限値ＭＩＮから上限値ＭＡＸの範囲外であったか否かを判別し、否である場合は第１のパターンとし、所定数の電池の電解液重量が連続して上記範囲外であった場合は第２のパターンとする、ことを特徴とする請求項１に記載の電解液注入方法。
3. 上記第１のパターンに対しては、上記範囲内にあった複数個の電池の平均値と目標重量との差分を求め、この差分を当該ディスペンサの補正値として以後の注入工程における電解液注入量に加算する、ことを特徴とする請求項２に記載の電解液注入方法。
4. 上記補正値に所定の上限および下限が設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載の電解液注入方法。
5. 上記第２のパターンに対しては、第２の下限値ＭＩＮ２（但しＭＩＮ２＜ＭＩＮ）を下回る電池あるいは第２の上限値ＭＡＸ２（但しＭＡＸ２＞ＭＡＸ）を上回る電池が含まれないことを条件として、上記範囲外である所定数の電池の平均値と目標重量との差分を求め、この差分を当該ディスペンサの補正値として以後の注入工程における電解液注入量に加算する、ことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の電解液注入方法。
6. 第２の下限値ＭＩＮ２を下回る電池あるいは第２の上限値ＭＡＸ２を上回る電池が含まれるときは、当該ディスペンサを休止する、ことを特徴とする請求項５に記載の電解液注入方法。
7. さらに、同じディスペンサによる複数個の電池の電解液重量のデータから工程能力指数Ｃｐを求め、この工程能力指数Ｃｐが所定値を下回るときは、当該ディスペンサを休止する、ことを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の電解液注入方法。
8. 電池容器内への電解液の注入を複数ステップに分割して行い、最終ステップの注入量に上記補正値を加算する、ことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の電解液注入方法。

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