JP-2026076653-A - エネルギーデバイスの品質管理システム、エネルギーデバイスの品質管理方法

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Abstract

【課題】複数の電極層と電解質層とで構成されるエネルギーデバイスの製造工程において、製造ラインの稼働率を大きく落とすことなく、エネルギーデバイスの性能に強く影響する中間製品の特徴量を効率的に取得し、出荷検査時のエネルギーデバイス性能品質を管理することが可能なエネルギーデバイスの品質管理システムを提供する。【解決手段】エネルギーデバイス製造工程における中間生成物の品質を判定するエネルギーデバイスの品質管理システムであって、中間生成物の材料に関する第１検査データを取得する装置と、中間生成物に関する特徴量である第２検査データを取得する装置と、第１、第２検査データを入力とし、過去に蓄積した相関データに基づいて、エネルギーデバイスの性能予測値を演算するデータ記憶・演算装置を備える、エネルギーデバイスの品質管理システムである。【選択図】図５

Inventors

川治純
小西宏明
鈴木千恵子
廣岡誠之
大南祐介

Assignees

株式会社日立ハイテク

Dates

Publication Date: 20260512
Application Date: 20241024

Claims (17)

エネルギーデバイス製造工程における中間生成物の品質を判定するエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記中間生成物の材料に関する第１検査データを取得する第１検査データ取得装置と、前記中間生成物に関する特徴量である第２検査データを取得する第２検査データ取得装置と、前記第１検査データおよび前記第２検査データを入力とし、過去に蓄積した相関データに基づいて、前記エネルギーデバイスの性能予測値を演算するデータ記憶・演算装置と、前記第１検査データ、前記第２検査データ、前記性能予測値を出力するデータ出力装置と、備え、前記中間生成物は、前記エネルギーデバイスの電極層あるいはキャリア伝導層として機能する機能性シート、および、前記機能性シートを構成する機能性材料と溶媒と結着材とが混合されたスラリーであり、前記データ記憶・演算装置は、前記機能性シートおよび前記スラリーの製造条件、構造情報、前記エネルギーデバイスの性能情報を蓄積した相関データベースを有し、前記第１検査データおよび前記第２検査データの少なくとも１つから取得した前記中間生成物の構造情報を前記相関データベースに入力することで、前記エネルギーデバイスの性能予測値を演算し、前記中間生成物の品質を判定することを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記第１検査データおよび前記第２検査データの少なくとも１つから取得した前記中間生成物の構造情報および前記中間生成物の製造情報を前記相関データベースに入力することで、前記エネルギーデバイスの性能予測値を演算し、前記中間生成物の品質を判定することを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記データ記憶・演算装置は、前記性能予測値の予測精度を演算し、前記データ出力装置は、前記予測精度を出力することを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記第１検査データは、前記機能性材料と前記溶媒と前記結着材とがそれぞれ占める組成比率、前記スラリーの粘度、前記スラリー内の電気伝導度、前記スラリーにおける前記機能性材料の分散度、前記スラリーの黒色度の少なくとも１つを含むエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記第１検査データは、前記スラリーの塗工および乾燥時の温度、塗工量、塗工後の前記機能性シートの黒色度の少なくとも１つを含むエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記第２検査データは、走査型電子顕微鏡、光学顕微鏡、分光測色計、前記走査型電子顕微鏡に付属したＸ線分光器のいずれかを用いた前記中間生成物の構造データあるいは元素データであることを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記第２検査データは、前記機能性シート面内に占める欠陥または割れの比率、前記機能性シートの面内または厚み方向における前記機能性材料および前記結着材の比率、前記機能性材料および前記結着材からなる凝集体サイズ、前記機能性材料粒子内部に発生するクラックの比率、前記機能性材料および前記結着材が存在しない空隙比率のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記第２検査データは、前記機能性シートの構造情報であり、前記構造情報は、製造後の前記機能性シートの一部をパンチング処理またはレーザーを用いた加工によって取り出し、検査用のホルダに固定した上で、走査型電子顕微鏡、光学顕微鏡、分光測色計、前記走査型電子顕微鏡に付属したＸ線分光器のいずれかを用いて取得されることを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項８に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記構造情報は、前記検査用のホルダに固定した前記機能性シートの一部についての、前記走査型電子顕微鏡の二次電子像に基づいた単位面積あたりの活物質間の欠陥の数、面積比率の情報、前記走査型電子顕微鏡の二次電子像に基づいた単位面積当たりの活物質内のクラック数あるいはクラック長の総計した情報、前記走査型電子顕微鏡の反射電子像に基づいた構成元素の原子量を反映したコントラストの異なる領域の大きさ、面積比率を定量化したことにより得た凝集体サイズ、前記機能性シートの面内または厚み方向における構成材料の比率、空隙比率の情報、の少なくともいずれかを含むことを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記データ記憶・演算装置は、前記中間生成物の製造情報と、前記中間生成物の構造情報と、前記エネルギーデバイスの性能情報とを関連付ける機能を有し、前記構造情報は、前記第１検査データおよび前記第２検査データの少なくとも１つを含み、前記製造情報と前記構造情報と前記性能情報との関連付けは、特定の製造条件を制御し異なる性状の前記スラリーと、異なる構造を有する前記機能性シートを作製し、前記スラリーから得た前記第１検査データと、前記機能性シートから得た前記第２検査データと、前記機能性シートから作製した前記エネルギーデバイスの前記性能情報の関係性を回帰分析により定式化したものであることを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１０に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記回帰分析により得られた相関関数の相関係数が所定の値以下となるまで、前記特定の製造条件のみを変更した前記機能性シートから得た前記構造情報と、前記機能性シートから作製した前記エネルギーデバイスの前記性能情報との関係性の回帰分析を繰り返し、前記データ記憶・演算装置における性能予測モデルを構築することを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記回帰分析で得られる前記エネルギーデバイスの性能との相関性の高い前記第２検査データの項目を抽出し、前記第２検査データの項目と相関性の高い前記第１検査データの項目を抽出し、前記第１検査データが規定の範囲外となったスラリーを用いて塗工される機能性シートの一部を抽出して前記第２検査データを取得することを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記エネルギーデバイスは、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、カリウムイオン二次電池、多価カチオンをキャリアとする二次電池のいずれかであることを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記機能性シートは、少なくとも、イオンを吸蔵・放出可能な活物質材料と、結着材とを含む電極合材シートであることを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１４に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記機能性シートは、二次電池のキャリアイオンを伝導可能な固体電解質を含むことを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
請求項１に記載のエネルギーデバイスの品質管理システムであって、前記エネルギーデバイスは、ペロブスカイト型結晶を含む太陽電池デバイス、酸化物からなる前記機能性シートを積層することで得られる電気二重層キャパシタのいずれかであることを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理システム。
エネルギーデバイス製造工程における中間生成物の品質を判定するエネルギーデバイスの品質管理方法であって、前記中間生成物は、前記エネルギーデバイスの電極層あるいはキャリア伝導層として機能する機能性シート、および、前記機能性シートを構成する機能性材料と溶媒と結着材とが混合されたスラリーであり、前記エネルギーデバイス製造工程は、前記機能性材料と前記溶媒と前記結着材との混合物を形成するスラリー工程と、前記スラリーを基材上に塗工乾燥させることで機能性シートを得るシート工程とを含み、かつ、前記混合物の性状および前記機能性シートに関する情報を取得する第１検査データ取得工程と、前記第１検査データ取得工程で取得した第１検査データと、前記機能性シートおよび前記スラリーの製造条件、構造情報、前記エネルギーデバイスの性能情報を蓄積した相関データベースとに基づいて前記機能性シートのうち抽出する領域を決定する工程と、前記抽出領域に該当する機能性シートの構造データを取得する第２検査データ取得工程とを含み、前記第１検査データおよび前記第２検査データの少なくとも１つから取得した前記中間生成物の構造情報を前記相関データベースに入力することで、演算装置が前記エネルギーデバイスの性能予測値を演算し、前記中間生成物の品質を判定することを特徴とするエネルギーデバイスの品質管理方法。

Description

本発明は、エネルギーデバイスの品質を管理する品質管理システムの構成とその方法に係り、特に、塗工シートを電極やキャリア伝導層に用いたエネルギーデバイスに適用して有効な技術に関する。ＣＯ２排出抑制のために、移動体等の駆動力として化石燃料フリーの二次電池やキャパシタを使用するニーズが高まっている。また、電力系統においても電力をまかなうエネルギー源として、化石燃料の代わりに、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギーの比率を高める必要があり、その出力変動抑制のための調整力として、二次電池或いはキャパシタを用いた電気エネルギー貯蔵システムのニーズが高まっている。また、太陽光発電のひとつの形態として、ペロブスカイト結晶を用いた太陽電池色素増感太陽電池へのニーズが高まっている。二次電池、キャパシタ、ペロブスカイト型太陽電池等のエネルギーデバイスは、電極層と、電極層にキャリア電荷を伝導するための電解質層の積層体からなる。これらのエネルギーデバイスは、脱炭素社会実現に必須として、その製造ニーズが高まっている。これらのエネルギーデバイス製造の課題として、製造に掛かるエネルギー効率の向上、資源効率の向上がある。そのため、製造したデバイスの歩留まりを上げる必要があるが、電極及びキャリアイオンの電解質層等の部材（中間製品）を構成する材料の性能ばらつきや制御が困難な条件による部材の品質不良等により、歩留まりを向上させることは難しい。以下では、エネルギーデバイス製造での課題を詳細に説明するため、二次電池の一つであるリチウムイオン電池を具体例として記載する。リチウムイオン電池の内部材のうち、歩留まりに強く影響を与えるものとして電極合材シートが挙げられる。これは、二次電池のうち、電荷を蓄える活物質と、活物質に電子を伝導させるための導電助剤と、これらを結着させる結着材（バインダ）を含むものであり、製造時の欠陥の有無や凝集体サイズや構成材料の分散状態によって電池性能に影響を及ぼすと考えられている。本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「全固体電池の検査を効率化する全固体電池の検査方法」が開示されている。また、特許文献２には、「バインダが低減された耐熱層を備える非水電解質二次電池の製造方法」が開示されている。また、特許文献３には、「限られた資源で多くの製品群を製造すること、または、製造上の歩留まりを改善することが可能な二次電池の製造方法」が開示されている。特開２０２４－４６２０６号公報特開２０１６－１５２０６６号公報特開２０２１－０５７２７２号公報本発明の対象となるエネルギーデバイスの一例である二次電池の平面（上面）方向の構造を模式的に示す図である。図１のＡ－Ａ’断面を示す図である。二次電池の電極合材シートの断面構造を模式的に示す図である。本発明に係る二次電池の製造工程とエネルギーデバイスの品質管理システムを模式的に示す図である。本発明に係る電極合材シートの製造工程及び検査工程を模式的に示す図である。本発明に係る電極合材シートの製造工程及び検査工程を示すフローチャートである。本発明に係る製造情報、構造情報及び性能情報の相関データベースの作製工程を示すフローチャートである。本発明に係る第２検査データである電極表面の走査型電子顕微鏡像による解析手順を模式的に示す図である。本発明に係る製造条件、構造情報、エネルギーデバイスの性能情報を蓄積した相関データベースにおける各項目の相関係数の一例を示す図である。以下、本発明を実施するための形態（以下においては「実施形態」と表記する）を、適宜、図面を参照しながら説明する。本発明のエネルギーデバイスの品質管理システムの対象となる二次電池やキャパシタ、太陽電池は、発電、蓄電に寄与する部材が機能性の無機材料や有機材料を含む機能性シートから構成され、該当の機能性材料を含むスラリーを塗工、乾燥することで得られる点で共通しており、以降で説明する品質管理システムの効果は同様である。ここで、機能性シートは、少なくとも、イオンを吸蔵・放出可能な活物質材料と、結着材とを含む電極合材シートである。本発明のエネルギーデバイスの品質管理システムを説明するにあたり、その一例である二次電池の品質管理システムの実施形態を説明し、その後、その他のエネルギーデバイスとして、太陽電池やキャパシタの実施形態について説明する。二次電池製造工程の品質管理システムを説明するにあたり、先ず、代表的な二次電池であるリチウムイオン電池の構造及び構成材料、リチウムイオン電池の製造工程を先に説明し、その後、本発明の実施形態である品質管理システムを説明する。なお、本発明の対象となる二次電池はリチウムイオン電池に限られるものではなく、あくまで一例として示すものである。リチウムイオン二次電池以外にも、ナトリウムイオン二次電池、カリウムイオン二次電池、多価カチオンをキャリアとする二次電池等にも適用可能である。＜リチウムイオン電池の構造及び構成材料＞図１及び図２を用いて、リチウムイオン電池の一形態の構造について説明する。図１は、二次電池であるリチウムイオン電池の一形態の平面（上面）方向の構造を模式的に示す図である。図１において、セル（電池セル、二次電池セル、二次電池、リチウムイオン電池に相当）１００は、電極占有部分１と、正極端子（タブ）２と、負極端子（タブ）３と、電解液４と、セパレータ５と、外装材６とを備えている。外装材６は、ラミネートフィルム、もしくは、それに類する素材で構成されている。図１では、複数のセパレータと電極が積層され、ラミネートフィルムで封止されたものを示しているが、積層体を巻回し円筒型の外装材に封入したものや、角型の外装材に封入したものも本発明の検査対象となる。図２は、図１のＡ－Ａ’断面を示す図であり、セル１００の蓄電要素（蓄電機構の構成要素）の断面の一例を模式的に示している。図２において、セル１００の蓄電要素は、正極１１と、負極１２と、セパレータ５とを備えている。なお、電池としての電解液４は、正極１１、負極１２、セパレータ５等の微孔に含浸されている。そのため、電解液４は、図２には表記されていない。また、図２において、蓄電要素は、正極１１と負極１２とがセパレータ５を挟んで交互に配置されている。セパレータ５は、例えば、ポリプロピレンが用いられる。但し、セパレータ５として、ポリプロピレン以外にも、ポリエチレン等のポリオレフィン製の微孔性フィルムや不織布等を用いることもできる。また、リチウムイオン電導性の固体電解質を用いた固体電解質シートをセパレータ５に適用することもできる。なお、図１及び図２は、リチウムイオン電池の断面の一例及びセルの蓄電要素の断面の一例について模式的に示す図であり、各構成部材の位置関係や大きさについては図示されたものに限定されるものではない。正極１１、負極１２は、それぞれ、適切な金属の集電箔に、適切な電極活物質、導電剤、結着剤などの混合体をシート状に形成したものである。本発明では、これらを「電極合材シート」と称する。本発明の検査対象の一つであるリチウムイオン電池セルでは、材質、形状、製造方法等に制限されることなく、任意の集電体を使用することができる。＜正極１１＞正極１１の集電箔１１２には、厚さが１０μｍ～１００μｍのアルミニウム箔、厚さが１０μｍ～１００μｍかつ孔径０．１ｍｍ～１０ｍｍのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等のいずれかが用いられる。また、材質も、アルミニウムの他に、ステンレス鋼、チタン等も適用可能である。正極１１の電極合材層１１１に用いられる電極活物質は、反応種を内部に含むものが望ましい。リチウムイオン電池の反応種は、リチウムイオンである。この場合、電極活物質は、リチウムイオンを可逆的に挿入脱離可能なリチウム含有化合物を含んでいる。正極１１の電極活物質の種類は、例えば、コバルト酸リチウム、マンガン置換コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、オリビン型リン酸鉄リチウム等のリン酸遷移金属リチウム、ＬｉｗＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ２（ここで、ｗ，ｘ，ｙ，ｚは０または正の値）が挙げられる。＜負極１２＞負極１２の集電箔１２２には、厚さが１０μｍ～１００μｍの銅箔、厚さが１０μｍ～１００μｍかつ孔径０．１ｍｍ～１０ｍｍの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等が用いられる。また、材質も、銅の他に、ステンレス鋼、チタン等も適用可能である。負極１２の電極合材層１２１に用いられる電極活物質は、リチウムイオンを可逆的に挿入脱離可能な物質を含んでいる。負極１２の電極活物質の種類は、例えば、天然黒鉛や、天然黒鉛に乾式のＣＶＤ法もしくは湿式のスプレー法によって被膜を形成した複合炭素質材料、エポキシやフェノール等の樹脂材料もしくは石油や石炭から得られるピッチ系材料を原料として焼成により製造される人造黒鉛、シリコン（Ｓｉ）、シリコンを混合した黒鉛、難黒鉛化炭素材、チタン酸リチウムＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等を用いることができる。また、上述の正極１１及び負極１２の活物質は、必要に応じて複数の材料を選択し、適用することもできる。図３は、二次電池であるリチウムイオン電池内の電極（電極合材シート）の断面構造を模式的に示す図である。（ａ）は単独の活物質Ａ（３１２）からなる電極、（ｂ）は二つの活物質Ａ（３１２）、活物質Ｂ（３１５）から構成される複合電極である。＜電解液＞蓄電要素（蓄電機構の構成要素）には、正極１１、負極１２、セパレータ５の他に、電解液４がある。リチウムイオン電池の場合、電解液４には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）、エチルプロピルカーボネート（ＥＰＣ）等の非プロトン性有機系溶媒等を用いることができる。或いは、上記の２種以上の混合有機化合物の溶媒に、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、ヨウ化リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ＬｉＢ（ＯＣＯＣＦ３）４、ＬｉＢ（ＯＣＯＣＦ２ＣＦ３）４、ＬｉＰＦ４（ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ２ＣＦ３）２等のリチウム塩を溶解した電解液が挙げられる。また、上記の２種以上の混合リチウム塩を溶解した電解液が挙げられる。上述の電解液４の構成溶媒は一般的に揮発性が高く、電解液４の揮発温度は２５℃未満であることが多い。これに加え、本発明の実施形態の一つでは、揮発温度を例えば１００℃以上まで高めたリチウムイオン伝導性の液体を用いることもできる。具体的には、イオン液体や溶媒和イオン液体を挙げることができる。さらに、電解液４の代わりにリチウムイオン伝導性の固体電解質を用いることもできる。＜リチウムイオン電池の製造工程＞図４の上段部は、リチウムイオン電池の製造工程の一例を模式的に示したものである。構成材料である電極活物質、導電助剤及び結着材（バインダ）を混合した後、電極合材シートとして形成する。この際、各材料を溶剤に分散させスラリー化したものをブレードコーターやダイコーター等を用いた集電箔上に塗工し乾燥することでシートを形成することが一般的であるが、溶剤に分散させることなく固体状の活物質、導電助剤、及び結着材をロール等で加圧することで混合し、その状態で集電箔上に分散させ加圧することで電極合材シートを形成することも可能である。また、電解液４を固体電解質に置き換えた固体電池向けの電極合材シートとして、上記材料に固体電解質を追加混合し形成したものを製造することもできる。集電箔上に形成した電極合材シートを所定の大きさに裁断し、セパレータ５や固体電解