リチウムイオン電池の検査工程、充放電検査装置

リチウムイオン電池の検査工程、充放電検査装置

 

近年、Galaxy note7などのリチウムイオン電池の発火事故が急増しており、リチウムイオン電池の危険性が認識されるようになってきました。

 

ただ、リチウムイオン電池は高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などの採用されています。

 

そのため、課題(欠点・デメリット)はリチウムイオン電池の危険性(安全性が低いこと)のみといえ、正極活物質にリン酸鉄リチウムを使用したり、負極活物質にチタン酸リチウムを使用することなどにより安全性を高める工夫がされています。

 

ただ、どんなに安全性の高い材料を使用していたとしても、リチウムイオン電池に異物が混入するなど不良品であったら、破裂・発火に至るケースもあります。

 

そのため、リチウムイオン電池の組立時は、各工程で不良品の検査を行うことが重要です。

 

ここでは、リチウムイオン電池製造時の検査工程について解説していきます。

 

・リチウムイオン電池の電極製造時の検査工程

 

・リチウムイオン電池のエレメント製造時の検査工程

 

・リチウムイオン電池組立時の検査工程

 

・リチウムイオン電池の充電特性・放電特性検査・エージング工程検査

 

というテーマで解説していきます。

 

 

リチウムイオン電池の電極製造時の検査工程

 

リチウムイオン電池の組立を行う際はまず電極を作製します(※リチウムイオン電池の組立の製造工程はこちらで解説しています)。

 

電極を作製する際、まずは正極や負極を作成するための材料(正極材や負極材、導電助剤、バインダ−等)の混練を行い、スラリーを作成します。

 

できたスラリーを正極基材(Al箔)や負極基材(銅箔)に塗布し、コーターで乾燥させることでリチウムイオン電池の電極を作製します(負極活物質にチタン酸リチウムを使用する場合は負極基材にもアルミ箔を使用することができます)

 

この電極作製の製造工程での検査項目としては、以下の内容が挙げられます。

 

電極スラリーの粘度

 

電極スラリーを作製する際、電池メーカーではスラリーの粘度を測定することが一般的です。スラリーの粘度を測定することで、合剤電極の組成が間違っていたり、湿度が高いなどの電池に良くない環境(電池製造時の水分は厳禁)で作成した場合では、通常測定しているスラリーの粘度を大きく異なる場合があります。

 

スラリーの粘度が通常時と異なることから、スラリーの異常・不具合を検査することが出来ます。

 

塗布・乾燥後の電極のスジの目視検査

 

スラリーを塗布・乾燥後に電極にスジと呼ばれる電極がうまく塗工できていない部分ができる場合があります。

 

これはスラリーを電極箔に塗る際のダイヘッドなどの接触に不具合がある場合が主な原因です。

 

目視検査であったり、画像認識する検査装置を用いて、リチウムイオン電池の電極の不良品を検出します。

 

塗布・乾燥後の電極の剥離強度

 

電極の乾燥条件や合剤の配合比などに異常がある場合、電極の剥離強度(接着強度)が非常に悪くなる場合があります。剥離強度から電極の不具合を検出することが出来ます。

 

剥離強度の検査をリチウムイオン電池の組立ラインにおける検査工程に組み込んでいる場合もあります。
 
剥離強度を測定するまでもなく、電極の合剤がボロボロと落ちてくる場合もあり、目視のみでも電極が不良品であるかどうかも検査できる場合もあります。

 

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エレメント製造時の検査工程

リチウムイオン電池において、電極(正極・負極)を作成しましたら、正極・セパレータ・負極を組立てたエレメントという部材を作成します。エレメント作製時は水分厳禁であるために、ドライルームやグローブボックス内で作業を行うことが基本です。

 

エレメント製造する方法としては、捲回(けんかい)式と積層式とよばれる2種類の方法があります。

 

どちらの方法を用いてエレメントを作製したとしても検査する項目は同じであり、以下で確認していきます。

 

絶縁抵抗を測定し、検査する

 

絶縁抵抗器と呼ばれる装置にて、正極と負極の絶縁抵抗を測定します。言い換えますと、正極と負極が短絡(ショート)していないかどうかを検査します。

 

絶縁抵抗器にて、短絡が起きていると判断された場合は、エレメントを解体して再度組立直すか、そのまま廃棄するなどの方法をとります。

 

正極や負極の大きさのバランス(未対向部など)やセパレータとの組付位置によって、不良品の発生率が大きく変化します。

 

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リチウムイオン電池組立時の検査工程

 

リチウムイオン電池のエレメントを組立てた後は、ケースへ挿入、予備充電、ガス抜き、本封止を行います。
この工程により電気エネルギーを持たせ、電池となります。

 

使用するケースは、角型電池の場合は金属ケース、ラミネート電池の場合はアルミラミネートフィルム(ラミネート材)、18650であれば円筒型の薄い金属ケースを使用します。

 

リチウムイオン電池に電気エネルギーを持たせてからは絶縁抵抗計でショートチェックしますと、電池が爆発(破裂・発火)するおそれがあるため、使用しないでください。

 

X線やCTスキャンを行う

 

電池を組立てた後は、X線やCTにかけることで、内部に異物が混入していないかどうかを検出することが出来ます。

 

もし、電極やセパレータ内に異物が混入していた場合、内部短絡が発生するリスクが高まります。きちんと異

 

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リチウムイオン電池の充電特性・放電特性検査・エージング工程検査

 

リチウムイオン電池が完成した後には、本充電を行います。本充電を行うことで、負極(活物質に黒鉛使用の場合)のSEIを生成させます。

 

そのため、初回充電の際はその後行う充電条件とは異なり、より良好なSEIを生成するための温度条件や電圧などを制御している場合が多いです。

 

リチウムイオン電池の初回の充電特性のことを初回充電特性と呼ぶことがあります。使用する電極材(正極材や負極材の組み合わせ)によって充電上限電圧は異なりますが、充電方法としてはCCCV充電で充電することが一般的です。

 

その後、満充電状態から、基本的な条件(例えば25℃で1CでのCC放電(放電終止電圧まで))で放電する放電特性検査を行います。

 

リチウムイオン電池の放電特性を検査することで、容量内部抵抗、品質のばらつきなど各種パラメータを測定することが可能です。

 

放電特性検査後は補充電を行い(SOC10~30%といった若干の充電)、エージング検査に移ります。
リチウムイオン電池のエージング工程では、補充電を行った後の電圧の落ち方を比べ、不良品かどうかを検査します。

 

不良品の電池では電圧の経時変化が、他の大多数の問題ない電池よりも大きくなります。不良品では、長い目で見た際の、リチウムイオン電池の経年劣化も大きくなります。

 

そのため、初期の段階できちんと選別する必要があります。

 

これらの充電特性検査、放電特性検査、エージング工程検査などを行い、不良品でないと判断された品が出荷されます。

 

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