電池の製造や実験室規模のセルの組み立てに携わったことがある方なら、密閉がプロセスの中で最も勝敗を左右するステップの 1 つであることをご存じでしょう。誤解を招くと、将来的には漏れや性能の低下、さらには安全上の問題が発生する可能性があります。精密バッテリーラボ機器のサプライヤーとして、私は何年もかけてさまざまなシール技術がどのように機能するかをチームに指導してきました。ダウンストロークシール機は、特にシール全体に一貫した均一な圧力を必要とする角形電池やパウチ電池にとって、その信頼性が際立っています。ただし、これを効果的に使用するには、その段階的なプロセス フローを理解する必要があります。近道や当て推量は必要ありません。
生セルの準備からシール後の検査まで、ダウンストローク シール機がどのように動作するのか、そしてそれがより広範なバッテリー組立ラインにどのように適合するのかを正確に説明しましょう。高品質のセルを構築する場合、真空中では封止が行われないため（冗談です）、これと組み合わせる関連機器も接続します。
プレシールセットアップ: セルをダウンストロークに向けて準備する
ダウンストローク シーリング マシンがセルに触れる前に、良好なシールの準備を整える重要な手順がいくつかあります。ほとんどのチームは、ここにリンクできるプレシーリング マシンから始めます。プレシール機。プレシーラーを使用する理由最終シールの前に、セルの端から余分な電解質、空気、または破片を除去する必要があるため、これらのいずれかが最終シールに弱点を作る可能性があります。
ちょっと待ってください、電解液について言えば、リチウムイオン電池やソリッドステート電池を組み立てている場合は、ほぼ確実にデュアルチャンバー電解液充填機を使用して、まずセルコアに正確な量の電解液を注入します。デュアルチャンバー電解質充填機。この機械は、電解液がオーバーフローすることなく均一に分配されることを保証します。シールの端に電解液が多すぎると、シールプロセス中に腐食や浸出を引き起こす可能性があるため、これが重要です。
セルが充填されると、プレシール機に移動し、セルの開口部に軽い一時的な圧着を適用します (通常、最終シール圧力の 50 ～ 100%)。これにより、セルのケーシングがしっかりと保持され、内部の空気の大部分が排出され、完全シールが適用されたときに電解液がこぼれるのが防止されます。プレシーラーは永久的な気密シールを作成しません。それがダウンストロークユニットの仕事です。
ステップ 1: セルのロードと位置合わせ
ここで、メイン イベントであるダウンストローク シーリング マシン自体の操作に移ります。詳細については、こちらをご覧ください。ダウンストロークシール機。そのプロセス フローの最初のステップは、自動化されたセルのロードです。最新のダウンストロークシーラーのほとんどは、プレシールされたセルをプレシールステーションから機械のワークホルダーに移送するピックアンドプレース機構を使用しており、手作業での取り扱いが不要なため、汚染のリスクが軽減され、一貫した位置決めが保証されます。
ここでの調整は交渉の余地がありません。ワークホルダーには、セル サイズのわずかな変動を調整する高精度ガイドとセンサーが装備されています。0.5 mm の位置ずれでもシール全体に不均一な圧力が発生する可能性があるため、これは非常に重要です。角形電池の場合、ガイドはケースの側端にロックされます。パウチセルの場合、作業者はシールを破る可能性のあるシワを避けるためにフレキシブルパウチを平らに保ちます。一部の高精度モデル (非常に厳しい公差に対応する高精度シーリング機も提供しています) にはマシン ビジョンが追加されており、リアルタイムで位置合わせを確認し、次のステップに進む前にオフになっているセルにフラグを立てます。
ステップ 2: 圧力の適用とシール
セルがしっかりと位置合わせされると、ダウンストローク機構が作動します。ねじりや回転運動で圧力を加えるロータリー シール機とは異なり、ダウンストローク マシンはシールの全周に均等に加えられる直線的な垂直 (下向き) 力を使用します。これが「ダウンストローク」機械と呼ばれる理由です。そのシーリング ヘッドはセルの上部ケーシングの端に合わせてまっすぐ下に移動します。
ここでの圧力はセルの種類に基づいて調整されます。小型の実験室規模のパウチセルの場合、圧力は 2 ～ 5 トンになる可能性がありますが、より大型の角柱状の自動車用セルの場合、最大 10 トンに達する可能性があります。重要なのは、圧力がシール全体にわたって均一であることです。ある場所に他の場所よりも圧力がかかると、薄く弱い部分ができて漏れが発生する可能性があります。ダウンストローク設計では、シーリングヘッド全体が同時に力を加える単一の剛性プレート (または、凹凸のあるエッジに合わせてわずかに調整されるセグメント化されたプレート) であるため、回転機械が長方形のセルのエッジに沿って持つことが多い圧力ギャップが排除されます。
ほとんどのダウンストロークシーラーは、圧力に加えて、ケーシングの材質に応じて熱または超音波エネルギーを組み込むことができます。たとえば、アルミニウム製のケーシングでは、サーマル シーリングがよく使用されます。シーリング ヘッドは 150 ～ 200 °C に加熱され、ケーシングの端が溶けます。冷却して固化して気密接合が形成されると、ダウンストロークの圧力によってケーシングが固定されます。ポリマーケーシングの場合、超音波ダウンストロークシーラーは高周波振動を使用して材料を溶かし、次に下向きの圧力を加えて融着させます。どちらの場合も、ヘッドを解放する前にシールが完全に形成されていることを確認するために、圧力は設定された滞留時間 (通常は 10 ～ 30 秒) の間保持されます。
ステップ 3: 空気とガスの排出 (ハーメチックシールにとって重要)
基本的なシールプロセスの説明で多くの人が見逃しているステップがあります。ダウンストローク中、機械は最終シールが完了する前にセル内に残っている空気やガスも排出します。事前のシール手順でほとんどの空気は取り除かれますが、小さなポケットが残る可能性があり、これによりセル容量が減少したり、充電中に膨張が発生したりする可能性があります。
ダウンストロークシーラーには、多くの場合、ワークホルダーに接続された真空ポートが装備されています。シーリングヘッドが下降すると、シールの端に沿った小さな溝が真空ラインに接続し、シールが完全に閉じる前にセルから最後の空気を抜き取ります。不活性ガスを充填する必要があるセル（一部の固体セルなど）の場合、機械はこのステップ中にガスパージに切り替え、密閉する前に空気を窒素またはアルゴンに置き換えることもできます。これが、ダウンストロークシーラーが高性能セルに好まれる大きな理由です。ダウンストロークシーラーは、歩留まりを損なう隠れたエアポケットを排除します。
ステップ 4: シールの冷却と硬化
圧力と滞留時間が完了すると、シーリング ヘッドは後退しますが、それで終わりではありません。新しいシールはまだ熱いので (熱または超音波方法を使用している場合)、最大の強度に達するには冷却して硬化する必要があります。一部のダウンストローク マシンには冷却システムが組み込まれています。シーリング ヘッドには冷水または圧縮空気用のチャネルがあるため、ヘッドが圧力を加えて滞留すると、シール領域から熱も奪われます。冷却機能が組み込まれていないセルの場合、ワークホルダーには、硬化を促進するためにヘッドが後退した後さらに 5 ～ 10 秒間所定の位置に留まる冷却プレートが付いている場合があります。
この冷却ステップを省略することは、ラボの操作でよくある間違いです。セルの移動が早すぎると、シールが展性があり変形する可能性があり、後でセルを取り扱うときに隙間が生じる可能性があります。シールを次のステーションに移動する前に、シールを室温から 10°C 以内に冷却することを常にお勧めします。
ステップ 5: シール後の検査と品質チェック
セルは密閉されたので、密閉状態で欠陥がないことを確認するための品質検査に合格する必要があります。多くのダウンストローク シーリング マシンは、水平レーザー溶接キャッピング マシンと連携して動作します。このマシンは次のとおりです。横型レーザー溶接キャッピング機、最終的なトップシールまたはキャップ溶接を行うために、最初に、最初のダウンストロークシールが良好であることを確認する必要があります。
一般的な検査方法には次のようなものがあります。
- 圧力減衰試験: セルをチャンバー内に置き、内部に空気圧を加えます。圧力が 10 秒以上低下した場合は、シールに漏れがあることを意味します。
- 目視検査: マシンビジョンカメラは、シールの周囲に沿った不均一なエッジ、亀裂、または不完全な融合をチェックします。
- 超音波検査：高周波の音波がシールで反射し、隙間があれば異常として現れます。
セルが検査に合格しない場合、例外なく自動的に拒否されます。 0.1% のリーク率でもセルのバッチにとっては大惨事となる可能性があるため、このステップは交渉の余地がありません。優れたダウンストロークシーラーは、加えられた圧力、滞留時間、温度、検査結果など、すべてのセルのデータも記録します。これは、研究や製造における品質管理にとって、特に研究室からパイロットラインにスケールアップする場合に重要です。
ダウンストローク シーリングがバッテリー組立ライン全体に適合する場所
よく質問されるのは、ロータリー シーラーやクリンプ シーラーなどの他のタイプではなく、なぜダウンストローク シーラーを選ぶのですか?という質問です。研究室規模の少量生産の場合、ダウンストローク シーラーは比類のない均一性と柔軟性を提供します。これらは、バッチ変更ごとにカスタム ツールを必要とせずに、ほぼすべての種類のセル (パウチ型セル、角型セル、さらには小さな円筒型セルも含む) で動作します。これは、さまざまな細胞形式や材料をテストしている研究チームにとって大きなプラスとなります。
ただし、前述したように、適切な機器と組み合わせることが重要です。のデュアルチャンバー電解質充填機シールの端に余分な電解液が付着しないようにします。プレシール機シールを正しく設定し、横型レーザー溶接キャッピング機必要に応じて、最終的な上部溶接を処理します。さらなる精度が必要な用途には、高精度シール機ダウンストローク設計を次のレベルに引き上げ、ミリメートル未満のアライメントと最小 0.1 トンの圧力制御を実現します。
ダウンストロークシーリングで避けるべきよくある間違い
何百もの研究室や小規模メーカーと協力した後、シール不良につながるいくつかの間違いを見てきました。まず、マシンを定期的に校正していないこと。ダウンストロークの圧力は時間の経過とともに変動する可能性があるため、100 サイクルごとに圧力計で確認することが必須です。第二に、バッチ間でシーリングヘッドをクリーニングしないことです。ヘッド上のほこり、残留電解液、または金属の削りくずにより、シールに小さな隆起が生じ、漏れが発生する可能性があります。第三に、滞在時間を急ぐことです。生産速度を上げるために滞留時間を短くすると、シールが完全に融合せず、テスト中に欠陥が生じる弱点が生じます。
ダウンストローク シーリングに慣れていない場合は、テスト セルの小さなバッチから始めて、特定のセル タイプに合わせて圧力、滞留時間、位置合わせを調整します。ほとんどのマシンには一連の標準パラメータが付属していますが、セルの材質とサイズはそれぞれ少しずつ異なるため、テストが重要です。
ダウンストロークシーリングをラインに組み込む準備はできていますか?
封止はバッテリー組み立てにおいて最も重要なステップの 1 つであり、封止を正しく行うことは、ニーズに合わせて正確で信頼性が高く、柔軟な機器を選択することを意味します。新しい実験室規模のラインをセットアップする場合でも、パイロット生産にスケールアップする場合でも、ダウンストローク シーリング マシンは、欠陥を最小限に抑え、信頼性の高いセル パフォーマンスを得るために必要な一貫性を提供します。
ダウンストロークシーラーを現在の機器に統合する方法についてご質問がある場合、特定のセルタイプのパラメータを調整する際にサポートが必要な場合、または当社のバッテリーラボ機器の全製品について詳しく知りたい場合は、お気軽にお問い合わせください。当社は世界中のチームと協力して、小規模の研究開発ラボから中規模の生産施設に至るまで、ニーズに正確に適合するカスタマイズされた組立ラインを設計します。ダウンストロークシーリングマシンがセルの歩留まりとパフォーマンスをどのように向上させることができるかについて話しましょう。
参考文献
- MA ラーマンら。 「リチウムイオン電池の封止技術: 方法、材料、品質管理のレビュー」。ジャーナル オブ パワー ソース、vol. 482、2020、p. 129015。
- 国際電気標準会議 (IEC)。 「ポータブル用途向けの二次電池 – 安全要件」。 IEC 62133-2:2017。
- スミス、J.ら。 「角形リチウムイオン電池のダウンストロークシールのプロセス最適化」。電池製造ジャーナル、vol. 12、いいえ。 3、2021、145-152ページ。