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JP7765442B2 - 非水電解液二次電池の極間距離の評価方法及び非水電解液二次電池の製造方法 - Google Patents
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JP7765442B2 - 非水電解液二次電池の極間距離の評価方法及び非水電解液二次電池の製造方法 - Google Patents

非水電解液二次電池の極間距離の評価方法及び非水電解液二次電池の製造方法

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Description

本開示技術は、非水電解液二次電池の電極体における極間距離の評価方法及び当該極間距離の評価方法を用いて製造する非水電解液二次電池の製造方法に関する。
例えば、特許文献1には、正極、負極、およびセパレータを有する電極体と、非水電解液と、前記電極体および前記非水電解液を収容する電池ケースと、を備えるリチウムイオン二次電池が開示されている。このようなリチウムイオン二次電池では、大電流で長時間充電した場合等に、負極側に金属リチウム(デンドライト)が析出し、電極体の短絡や劣化に繋がる恐れがあることが知られている。
上記金属リチウムの析出が生じる要因は、種々考えられるが、電極体の極間距離が部分的に広いことが、その要因の一つであることが分かっている。すなわち、極間距離が部分的に広いと、その極間距離の変化点で局所的に過充電状態が生じ、負極付近に過剰に集まったリチウムイオンが負極側の電子を受取り、金属リチウムとして負極側に析出しやすくなる。
特開2019-67699号公報
しかしながら、この金属リチウムの析出に関与する電極体の極間距離は、例えばCT(コンピュータ断層撮影)画像解析によっても測定可能であるが、複数の断面を測定する必要があるので、測定時間及び解析時間が長くなり、生産性が求められる製造工程において全数測定が困難であるという問題があった。また、電極体の極間距離は、例えば金属箔の状態や活物質層の塗工状態等によって、電極内部においてバラツキが生じ得るので、外観からの測定が難しいという問題があった。なお、デンドライト析出の問題は、リチウムイオン二次電池に限らず、ナトリウムイオン二次電池等を含む非水電解液二次電池に共通する問題であった。
本開示技術は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、リチウムイオン二次電池等を含む非水電解液二次電池の製造段階において、電極体の極間距離の適否を短時間で簡単に評価し得る非水電解液二次電池の極間距離の評価方法、及び当該極間距離の評価方法を用いた非水電解液二次電池の製造方法を提供することを課題とする。
(1)上記課題を解決するための本開示技術の一態様は、正極体と負極体とがセパレータを挟んで積層された電極体と、前記電極体の極間に浸透した非水電解液と、前記非水電解液であって前記電極体の極間に浸透していない余剰電解液と、をケース内に収容した非水電解液二次電池の製造段階において、
前記ケース内に前記余剰電解液が残るように前記非水電解液を注入する電解液注入工程と、前記ケース内の前記余剰電解液を前記電極体の極間に強制的に浸透させる電解液強制浸透工程と、前記電解液注入工程後で、前記電解液強制浸透工程前に、前記ケース内の前記余剰電解液の液量を計測する第1液量計測工程と、前記電解液強制浸透工程後に、前記ケース内の前記余剰電解液の液量を計測する第2液量計測工程と、前記第1液量計測工程で計測した液量から前記第2液量計測工程で計測した液量を差し引いた前記余剰電解液の液変化量が、所定の基準値以下の場合に、前記電極体の極間距離が適正と評価する評価工程と、を備えた非水電解液二次電池の極間距離の評価方法である。
(2)(1)に記載された非水電解液二次電池の極間距離の評価方法において、前記第2液量計測工程は、前記電解液強制浸透工程後であって、前記非水電解液二次電池に対する常温下で複数回充放電を行うコンディショニング工程及び高温下に所定時間放置するエージング工程の後に行うことが好ましい。
(3)上記課題を解決するための本開示技術の他の態様は、(1)又は(2)に記載された非水電解液二次電池の極間距離の評価方法を用いた非水電解液二次電池の製造方法である。
本実施形態の一態様に係る非水電解液二次電池の概略断面図である。 図1に示す電極体の正極体と負極体とを、セパレータを挟んで積層して巻回する巻回途中の状態を表す模式的斜視図である。 図1に示すA部の本実施例における電極体の積層状態を表す模式的断面図である。 図1に示すA部の比較例における電極体の積層状態を表す模式的断面図である。 図1に示す非水電解液二次電池のケース内の余剰電解液の液量を計測する計測装置及び極間距離の評価装置の概略断面図である。 図5に示す計測装置の変形例であって、非水電解液二次電池を傾斜した状態で余剰電解液の液量を計測する場合の概略断面図である。 図1に示す非水電解液二次電池の極間距離の評価方法における手順を表すフローチャート図である。 図1に示す非水電解液二次電池の製造方法における手順を表すフローチャート図である。
<本非水電解液二次電池の説明>
次に、上記開示技術の実施形態に係る極間距離の評価方法の対象となる非水電解液二次電池の構成について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図1に、本実施形態の一態様に係る非水電解液二次電池の概略断面図を示す。図2に、図1に示す電極体の正極体と負極体とを、セパレータを挟んで積層して巻回する巻回途中の状態を表す模式的斜視図を示す。図3に、図1に示すA部の本実施例における電極体の積層状態を表す模式的断面図を示す。図4に、図1に示すA部の比較例における電極体の積層状態を表す模式的断面図を示す。
本非水電解液二次電池10の一態様(本実施例)は、図1~図3に示すように、正極体11と負極体12とがセパレータ13を挟んで積層された電極体1と、電極体1の極間DKに浸透した非水電解液2と、同じ非水電解液2であって電極体1の極間DKに浸透していない余剰電解液2Yと、をケース3内に収容した非水電解液二次電池10(10B)である。この非水電解液二次電池10(10B)は、その種類(例えば、リチウムイオン二次電池、ナトリウム二次電池等)を限定するものではない。
図1に示すように、ケース3は、例えば、アルミ合金製であって、開口部313を有するケース本体31と、開口部313を封口するケース蓋体32とで構成されている。ここでは、ケース本体31は、長方形状の底板311と、底板311の外周縁から垂直状に起立する側板312とを有し、一体成形で形成されている。ケース蓋体32は、長方形状の板体に形成され、その中央付近に電解液2を注入する注入口321と安全弁322とが形成されている。なお、ケース本体31とケース蓋体32は、上記形状に限る必要はなく、各種形状にしても良い。
また、ケース蓋体32の長手方向の両端部には、端子挿通孔323が形成され、当該端子挿通孔323に嵌装された絶縁部材5を介して正負の集電端子4(41、42)が結合されている。正極集電端子41の上端部には、正極の外部接続部411が形成され、その下端部には、電極体1の正極体11と電気的に接続される内部接続部412が形成されている。負極集電端子42の上端部には、負極の外部接続部421が形成され、その下端部には、電極体1の負極体12と電気的に接続される内部接続部422が形成されている。
また、図2、図3に示すように、電極体1は、正極体11と負極体12とがセパレータ13を挟んで積層され、偏平状に圧着した状態で巻回されている。電極体1は、巻回型の電極体に限らず、例えば、シート積層型の電極体でも良い。正極体11は、集電箔(例えば、アルミ箔)111の一端部(非塗工部)を除き、その両面に正極活物質層112が略一定の厚さで塗工されている。負極体12は、集電箔(例えば、銅箔)121の一端部(非塗工部)を除き、その両面に負極活物質層122が略一定の厚さで塗工されている。なお、正極体11の非塗工部は、正極集電端子41の内部接続部412と接続され、負極体12の非塗工部は、負極集電端子42の内部接続部422と接続されている。
ここで、電極体1の極間距離DLは、正極体11の集電箔111と負極体12の集電箔121との離間距離を意味し、図3は、正極体11とセパレータ13と負極体12とが適正な極間距離DL1で積層された状態を示す。そして、電解液2は、正極活物質層112とセパレータ13と負極活物質層122との僅かな隙間、各活物質層112,122の活物質同士の微細隙間、及びセパレータ13の細孔に浸透されている。なお、セパレータ13は、図示しない電荷担体(例えば、リチウムイオン等)が通過可能に塗布された接着材を介して正極活物質層112及び負極活物質層122と接着されている。
図3に示すように、正極体11とセパレータ13と負極体12とが適正な極間距離DL1で積層されている場合、正極体11と負極体12との間の内部抵抗が略一定となり、充放電時に流れる電流が均一化されて、局部的な過充電が生じにくい。そのため、非水電解液二次電池(例えば、リチウムイオン二次電池)において、デンドライト(例えば、金属リチウム)が負極体12の表面に析出しにくい。
これに対して、図4に示す比較例の非水電解液二次電池10Bの電極体1Bのように、正極体11とセパレータ13と負極体12Bとが部分的に広い極間距離DL2で積層されている場合、広い極間距離DL2の領域では、正極体11と負極体12Bとの間の内部抵抗が高くなり、充放電時に流れる電流が減少する。一方で、極間距離DL2の距離変化点の凸領域HPにおいて、局部的な過充電が生じやすく、デンドライト(例えば、金属リチウム)が負極体12Bの凸領域HPに析出しやすい。この部分的に広い極間距離DL2の領域は、電極体1Bの負極集電箔121Bの変形、負極活物質層122Bの塗工厚さのバラツキ等によって、電極体1Bの製造段階で生じ得る。したがって、デンドライト(例えば、金属リチウム)の析出耐性の高い高品質の非水電解液二次電池10を提供するためには、非水電解液二次電池10の製造段階で、相対的に広い極間距離DLの領域が多いか否かを評価することが重要となる。
なお、非水電解液二次電池10、10Bは、その種類(例えば、リチウムイオン二次電池、ナトリウム二次電池等)を限定するものではないが、正極活物質層112とセパレータ13と負極活物質層122と電解液2は、非水電解液二次電池10の種類に応じて異なり、それぞれ公知のものを用いることができる。
<本非水電解液二次電池の極間距離の評価方法>
以下に、非水電解液二次電池の製造段階において、上記デンドライト析出に関与する電極体の極間距離の適否を、短時間で簡単に評価し得る非水電解液二次電池の極間距離の評価方法を、図1~図7を参照しつつ説明する。図5に、図1に示す非水電解液二次電池のケース内の余剰電解液の液量を計測する計測装置及び極間距離の評価装置の概略断面図を示す。図6に、図5に示す計測装置の変形例であって、非水電解液二次電池を傾斜した状態で余剰電解液の液量を計測する場合の概略断面図を示す。図7に、図1に示す非水電解液二次電池の極間距離の評価方法における手順を表すフローチャート図を示す。
図1~図7に示すように、本非水電解液二次電池10(10B)の極間距離DLの評価方法SSは、正極体11と負極体12とがセパレータ13を挟んで積層された電極体1と、電極体1の極間DKに浸透した非水電解液2と、非水電解液2であって電極体1の極間DKに浸透していない余剰電解液2Yと、をケース3内に収容した非水電解液二次電池10の製造段階において、下記工程を備えている。
すなわち、非水電解液二次電池10の極間距離DLの評価方法SSは、(a)ケース3内に余剰電解液2Yが残るように非水電解液2を注入する電解液注入工程S1と、(b)ケース3内の余剰電解液2Yを電極体1の極間DKに強制的に浸透させる電解液強制浸透工程S3と、(c)電解液注入工程S1後で、電解液強制浸透工程S3前に、ケース3内の余剰電解液2Yの液量L0を計測する第1液量計測工程S2と、(d)電解液強制浸透工程S3後に、ケース3内の余剰電解液2Yの液量L1を計測する第2液量計測工程S4と、(e)第1液量計測工程S2で計測した液量L0から第2液量計測工程S4で計測した液量L1を差し引いた余剰電解液2Yの液変化量ΔLが、所定の基準値KJ以下の場合に、電極体1の極間距離DLが適正と評価する評価工程S5と、を備えている。
(a)電解液注入工程S1では、図示しない電解液吐出ノズルを、ケース蓋体32の注入口321から、ケース3内に収納された電極体1の上端部とケース蓋体32との間に挿入し、当該電解液吐出ノズルから必要量の非水電解液2をケース3内に注入する。この段階では、注入した非水電解液2の内、一部は電極体1の外周側の極間DKに浸透するが、電極体1の内周側の極間DKには浸透しにくく、電極体1の極間DKに浸透しない余剰電解液2Yがケース3内に残っている。
(b)電解液強制浸透工程S3では、ケース3内の余剰電解液2Yを電極体1の極間DKに強制的に浸透させる。このとき、ケース3内の余剰電解液2Yは、電極体1の内周側に広い極間距離DLの領域が多く存在するほど、多く減少する。したがって、ケース3内の余剰電解液2Yの液変化量ΔLが大きい程、電極体1の極間距離DLが内周側に広い領域が多く存在し、デンドライト(例えば、リチウム金属)析出耐性が低いことになる。なお、余剰電解液2Yを電極体1の極間DKに強制的に浸透させる方法は、特に限定されないが、例えば、ケース3の内圧を増減し、圧力差によって浸透させる方法、又はケース3を振動させて、慣性力によって浸透させる方法等が含まれる。
(c)第1液量計測工程S2では、電解液注入工程S1後で、電解液強制浸透工程S3前に、ケース3内の余剰電解液2Yの液量L0を計測する。また、(d)第2液量計測工程S4では、電解液強制浸透工程S3後に、ケース3内の余剰電解液2Yの液量L1を計測する。この液量L0、L1の計測は、CT画像解析と異なり、非水電解液二次電池10の製造段階で、製造ラインのタクト時間(例えば、十数秒)に合うように、短時間で簡単に計測することができる。
第1液量計測工程S2及び第2液量計測工程S4に用いる計測装置6は、例えば、図5に示すように、透視線照射装置61と、透視画像計測装置62と、計測する非水電解液二次電池10(10B)を載置するテーブル装置63と、を備えている。ここで、透視線照射装置61は、非水電解液二次電池10(10B)の内部を透視可能な透視線64を照射する装置(例えば、X線照射装置)である。透視画像計測装置62は、透視線64の透視画像に基づいて計測する、余剰電解液2Yのケース本体31の底板311に対する液面高さH1、H2等と、余剰電解液2Yの液面下に存在する電極体1の体積R1、R2と、から下記数式(1)、数式(2)によって、余剰電解液2Yの液量L0、L1を計測する装置である。
L0=H1×D1×D2-R1・・・・数式(1)
L1=H2×D1×D2-R2・・・・数式(2)
なお、D1は、ケース本体31の底板311の長手方向長さであり、D2は、ケース本体31の底板311の短手方向長さであり、R1は、第1液量計測工程S2で計測する余剰電解液2Yの液面下に存在する電極体1の体積であり、R2は、第2液量計測工程S4で計測する余剰電解液2Yの液面下に存在する電極体1の体積である。
(e)評価工程S5では、第1液量計測工程S2で計測した液量L0から第2液量計測工程S4で計測した液量L1を差し引いた余剰電解液2Yの液変化量ΔLが、所定の基準値KJ以下の場合に、電極体1の極間距離DLが適正と評価する。この評価工程S5に用いる評価装置7は、計測装置6(透視画像計測装置62)と接続されている。評価装置7は、例えば、第1液量計測工程S2で計測した余剰電解液2Yの液量L0と、第2液量計測工程S4で計測した余剰電解液2Yの液量L1と、の差分(L0-L1)から余剰電解液2Yの液変化量ΔLを求める演算回路71と、所定の基準値KJを入力し、入力した基準値KJを記憶する入力・記憶回路72と、液変化量ΔLと基準値KJとを比較して電極体1の極間距離DLの適正、不適正を判定する判定回路73と、を備えている。
なお、基準値KJは、非水電解液二次電池10の種類、形態、電池容量等に応じて、デンドライト(例えば、リチウム金属)析出耐性が良好となる液変化量の値を設定する。例えば、後述するコンディショニング工程S6後の放電容量に対する、ハイレート充放電試験後の放電容量の比率(容量維持率)が90%以上である場合に、デンドライト(例えば、リチウム金属)析出耐性は良好であることが分かっている。したがって、例えば、上記容量維持率が90%以上となる場合の液変化量ΔLの値を基準値KJとして、設定できる。
また、ケース3内の余剰電解液2Yの液量が少ない場合、図6に示すように、非水電解液二次電池10(10B)の余剰電解液2Yが1つのケース角部314に集まるように、ケース3を傾斜した状態で余剰電解液2Yの液量を計測することが、好ましい。この場合、ケース3の底板311を載置するテーブル装置63Bの載置面を、上方へV字状に開く傾斜面(例えば、傾斜角θ=45°)として形成する。そして、当該傾斜面にケース3の底板311及び側板312を載置した状態で、図5に示す透視線照射装置61が、図面の法線方向から透視線64を照射し、透視画像計測装置62が透視線64の透視画像に基づいて計測する。この場合、下記数式(3)、数式(4)によって、余剰電解液2Yの液量L0、L1を正確に計測することができる。
L0=1/2×H1×W1×D2-T1・・・・数式(3)
L1=1/2×H2×W2×D2-T2・・・・数式(4)
なお、W1は、第1液量計測工程S2で計測する余剰電解液2Yの液面長さであり、W2は、第2液量計測工程S4で計測する余剰電解液2Yの液面長さであり、T1は、第1液量計測工程S2で計測する余剰電解液2Yの液面下に存在する電極体1の体積であり、T2は、第2液量計測工程S4で計測する余剰電解液2Yの液面下に存在する電極体1の体積である。また、D2は、ケース本体31の底板311の短手方向長さである。
また、図7に示すように、本非水電解液二次電池10の極間距離DLの評価方法SSにおいて、第2液量計測工程S4は、電解液強制浸透工程S3後であって、非水電解液二次電池10に対する常温下で複数回充放電を行うコンディショニング工程S6及び高温下に所定時間放置するエージング工程S7の後に行うことが、好ましい。コンディショニング工程S6では、常温下で複数回充放電を繰り返すことによって、負極体12の表面近傍に電解液2に由来する保護被膜12H(図3参照)を形成できる。また、エージング工程S7では、高温下に所定時間放置し、金属異物の溶解や保護被膜12Hの安定化を行うことができる。この場合、コンディショニング工程S6及びエージング工程S7にて生じる電極体1の膨張収縮及び保護被膜12Hの形成等によって、ケース3内の余剰電解液2Yが僅かに減少するため、より正確な余剰電解液2Yの液変化量ΔLに基づいて、電極体1の極間距離DLの適正、不適正を判定できる。
<極間距離の評価方法を用いた非水電解液二次電池の製造方法>
次に、上述した極間距離の評価方法を用いた非水電解液二次電池の製造方法について、図8を参照して説明する。図8に、図1に示す非水電解液二次電池の製造方法における手順を表すフローチャート図を示す。
本非水電解液二次電池10の製造方法は、上述した非水電解液二次電池10の極間距離DLの評価方法SSを用いている。すなわち、本非水電解液二次電池10の製造方法は、図8に示すように、電池組立工程Q1と、電解液注入工程S1と、第1液量計測工程S2と、電解液強制浸透工程S3と、初期充電工程Q2と、コンディショニング工程S6と、エージング工程S7と、第2液量計測工程S4と、評価工程S5と、外観検査工程Q3と、を順に施工する。
ここで、電池組立工程Q1は、正極体11と負極体12とがセパレータ13を挟んで積層された電極体1をケース本体31内に収納し、ケース蓋体32を封口する工程である。この段階では、電解液2の注入口321は、開放されている。また、初期充電工程Q2は、電極体1を外部電源に接続して初回の充電を行い、電解液等の一部や電池内部に含まれる水分が分解することによって発生するガスをケース外に逃がす工程である。また、外観検査工程Q3は、外観上の傷等を検査して、出荷の可否を決める工程である。
そして、評価工程S5にて、電極体1の極間距離DLが適正と評価された非水電解液二次電池10が外観検査工程Q3に送られ、外観検査合格(OK)の場合に出荷される。これに対して、評価工程S5にて、電極体1の極間距離DLが不適正と評価された非水電解液二次電池10は、出荷停止となる。また、評価工程S5にて、電極体1の極間距離DLが適正と評価された非水電解液二次電池10でも、外観検査工程Q3にて外観検査不合格(NG)の場合には、出荷停止される。
以上のように、本非水電解液二次電池10の製造方法は、非水電解液二次電池10の製造工程において、非水電解液二次電池10の極間距離DLの評価方法SSを用いたので、すべての非水電解液二次電池10に対してデンドライト析出に関与する電極体1の極間距離DLの適否を評価できる。したがって、デンドライト析出耐性の優れた高品質な非水電解液二次電池を安定して提供することができる。
<変形例>
以上、詳細に説明した本実施形態は、単なる例示にすぎず、本開示技術を何ら限定するものではない。したがって、本開示技術は、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。
1 電極体
2 非水電解液
2Y 余剰電解液
3 ケース
10、10B 非水電解液二次電池
11 正極体
12 負極体
13 セパレータ
DK 極間
DL 極間距離
KJ 基準値
L0、L1 液量
ΔL 液変化量
S1 電解液注入工程
S2 第1液量計測工程
S3 電解液強制浸透工程
S4 第2液量計測工程
S5 評価工程
S6 コンディショニング工程
S7 エージング工程

Claims (3)

  1. 正極体と負極体とがセパレータを挟んで積層された電極体と、前記電極体の極間に浸透した非水電解液と、前記非水電解液であって前記電極体の前記極間に浸透していない余剰電解液と、をケース内に収容した非水電解液二次電池の製造段階において、
    前記ケース内に前記余剰電解液が残るように前記非水電解液を注入する電解液注入工程と、
    前記ケース内の前記余剰電解液を前記電極体の前記極間に強制的に浸透させる電解液強制浸透工程と、
    前記電解液注入工程後で、前記電解液強制浸透工程前に、前記ケース内の前記余剰電解液の液量を計測する第1液量計測工程と、
    前記電解液強制浸透工程後に、前記ケース内の前記余剰電解液の液量を計測する第2液量計測工程と、
    前記第1液量計測工程で計測した前記液量から前記第2液量計測工程で計測した前記液量を差し引いた前記余剰電解液の液変化量が、所定の基準値以下の場合に、前記電極体の極間距離が適正と評価する評価工程と、を備え
    前記所定の基準値は、デンドライト析出耐性が良好となる前記液変化量の値である
    非水電解液二次電池の極間距離の評価方法。
  2. 請求項1に記載された非水電解液二次電池の極間距離の評価方法において、
    前記第2液量計測工程は、前記電解液強制浸透工程後であって、前記非水電解液二次電池に対する常温下で複数回充放電を行うコンディショニング工程及び金属異物の溶解や前記コンディショニング工程にて前記負極体の表面近傍に前記電解液に由来して形成される保護被膜の安定化を行うことができるエージング工程の後に行う
    非水電解液二次電池の極間距離の評価方法。
  3. 請求項1又は請求項2に記載された非水電解液二次電池の極間距離の評価方法を用いた
    非水電解液二次電池の製造方法。
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