JP2008130453A - 双極型電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層体を均等にプレスし得る双極型電池の製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】集電体、集電体の一方の面に配置される正極、および集電体の他方の面に配置される負極を有する双極型電極と、電解質層とを、受け台１５６に交互に配置し、積層体１００を形成するための積層手段１５０、積層体１００が配置された受け台１５６を、搬送するための搬送手段、および、受け台１５６に配置されている積層体１００を、受け台１５６に配置された状態で、加熱プレスするためのプレス手段１７２を有する。
【選択図】図１５

Description

本発明は、双極型電池の製造方法および製造装置に関する。

近年、環境保護のため二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車およびハイブリッド電気自動車の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、その実用化の鍵を握るモータ駆動用電源として、双極型（バイポーラ型）電池に注目が集まっている。

双極型電池は、正極および負極が配置された集電体とセパレータ（電解質層）とが交互に配置された積層体からなり、積層体は、加圧される（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−２３２００３号公報

しかし、積層体を搬送して加圧のためのプレスプレートに配置するためには、積層体を形成するための装置から、積層体を取り外したり、プレスプレートに配置したりするためのハンドリングが必要である。積層体のハンドリングは、集電体およびセパレータにズレを生じさせ、積層体を歪ますことで、積層体の平面度を悪化させる虞がある。そのため、積層体を均等にプレスすることが困難である問題を有する。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、積層体を均等にプレスし得る双極型電池の製造方法および製造装置を、提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
集電体、前記集電体の一方の面に配置される正極、および前記集電体の他方の面に配置される負極を有する双極型電極と、電解質層とを、受け台に交互に配置し、積層体を形成するための積層工程、
前記積層体が配置された前記受け台を、搬送するための搬送工程、および、
前記受け台に配置されている前記積層体を、前記受け台に配置された状態で、加熱プレスするためのプレス工程
を有することを特徴とする双極型電池の製造方法である。

上記目的を達成するための請求項１０に記載の発明は、
集電体、前記集電体の一方の面に配置される正極、および前記集電体の他方の面に配置される負極を有する双極型電極と、電解質層とを、受け台に交互に配置し、積層体を形成するための積層手段、
前記積層体が配置された前記受け台を、搬送するための搬送手段、および、
前記受け台に配置されている前記積層体を、前記受け台に配置された状態で、加熱プレスするためのプレス手段
を有することを特徴とする双極型電池の製造装置である。

請求項１に記載の発明によれば、積層体は、積層体を形成するために使用された受け台に配置された状態で、搬送されかつ加熱プレスが施されるため、積層体の受け台から取り外しや、プレスのためのハンドリングが不要である。そのため、ハンドリングに基づくズレの発生を避けられるため、積層体は、均等にプレスされる。つまり、積層体を均等にプレスし得る双極型電池の製造方法を、提供することが可能である。

請求項１０に記載の発明によれば、積層体を、積層体を形成するために使用される受け台によって、積層手段からプレス手段に搬送し、かつ、受け台に配置された状態で、加熱プレスすることができる。そのため、積層体の受け台からの取り外しや、プレス手段に配置するためのハンドリングを、不要とすることが可能である。したがって、ハンドリングに基づくズレの発生を避けられるため、積層体を均等にプレスすることができる。つまり、積層体を均等にプレスし得る双極型電池の製造装置を、提供することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態１に係る双極型電池を説明するための断面図、図２は、実施の形態１に係る双極型電池を説明するための断面図、図３は、図１に示される双極型電池を利用する組電池を説明するための斜視図、図４は、図３に示される組電池が搭載されている車両の概略図である。

実施の形態１に係る双極型電池１１０は、電解液系であり、負極１１２、正極１１３、集電体１１１、セパレータ（電解質層）１２０、第１シール１１５および第２シール１１７を有する。集電体１１１は、正極１１３および負極１１２の間に配置されている。電解質層は、負極面に電解液を滲み込ますことで形成されている。第１シール１１５は、正極１１３の周囲を取り囲むように配置されている。セパレータ１２０は、正極１１３および第１シール１１５を覆うように配置されている。第２シール１１７は、第１シール１１５と位置合せされて、セパレータ１２０上に配置されている。

双極型電池１１０は、複数の単電池（電池要素）の積層体１００の形態で、外部からの衝撃や環境劣化を防止するための外装ケース１０４に収容される。積層体１００の最外層（最上位および最下位）には、端子プレート１０１，１０２が配置される。

端子プレート１０１，１０２は、高導電性部材からなり、積層体１００の最外層の電極投影面の全てを、少なくとも覆うように構成されている。したがって、最外層の電流取り出し部は、低抵抗化され、面方向の電流取り出しにおける低抵抗化を図ることで、電池の高出力化が可能になる。高導電性部材は、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス、これらの合金である。

端子プレート１０１，１０２は、外装ケース１０４の外部に延長しており、積層体１００から電流を引き出すための電極タブを兼用している。なお、独立した別体の電極タブを配置し、直接的あるいはリードを利用して、端子プレート１０１，１０２と接続することで、積層体１００から電流を引き出すことも可能である。また、積層体１００の最外層に位置する集電体１１１によって、端子プレート１０１，１０２を構成することも可能である。

外装ケース１０４は、軽量化および熱伝導性の観点から、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属（合金を含む）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなどのシート材からなり、その外周部の一部または全部が、熱融着により接合さることで形成される。

外装ケース１０４は、単独で使用することが可能であるが、例えば、組電池１３０の形態で利用することが可能である。組電池１３０は、外装ケース１０４を直列化および／又は並列化し、複数接続して構成されており、導電バー１３２，１３４を有する。導電バー１３２，１３４は、各外装ケース１０４の内部から延長する端子プレート１０１，１０２に接続されている。

外装ケース１０４を接続して構成する際に、適宜、直列あるいは並列化することで、容量および電圧を自由に調整することができる。接続方法は、例えば、超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、電子ビームである。

組電池１３０自体を、直列化および／又は並列化し、複数接続することで組電池モジュール（大型の組電池）１４０として提供することも可能である。

組電池モジュール１４０は、大出力を確保し得るため、例えば、車両１４５のモータ駆動用電源として搭載することが可能である。車両は、例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電車である。

組電池モジュール１４０は、例えば、内蔵する外装ケース１０４毎あるいは組電池１３０毎の充電制御を行うなど、非常にきめ細かい制御ができるため、１回の充電あたりの走行距離の延長、車載電池としての寿命の長期化などの性能の向上を図ることが可能である。

図５は、実施の形態１に係る双極型電池の製造方法を説明するための工程図である。

実施の形態１に係る双極型電池の製造方法は、電極形成工程、シール前駆体配置工程、電極セット工程、電解質層形成工程、真空導入工程、電極積層工程、プレス工程、真空解除工程、加圧保持工程およびケーシング工程を有する。

次に、図６〜図１８を参照し、各工程を順次説明する。

図６は、図５に示される電極形成工程に係る正極を説明するための正面図、図７は、図５に示される電極形成工程に係る負極を説明するための背面図、図８は、図６の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに関する断面図である。

電極形成工程においては、まず，正極スラリーが、調整される。正極スラリーは、正極活物質［８５重量％］、導電助剤［５重量％］およびバインダ［１０重量％］を有し、粘度調整溶媒を添加することで、所定の粘度にされる。

正極活物質は、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４である。導電助剤は、アセチレンブラックである。バインダは、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）である。粘度調整溶媒は、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）である。

正極スラリーは、ステンレススチール箔（厚さ２０μｍ）からなる集電体１１１の一方の面に塗布される。正極スラリーの塗膜は、例えば、真空オーブンを利用して、乾燥させられ、厚さ３０μｍの正極活物質層からなる正極１１３を形成する。この際、ＮＭＰは、揮発することで除去される。

次に、負極スラリーが、調整される。負極スラリーは、負極活物質［９０重量％］およびバインダ［１０重量％］を有し、粘度調整溶媒を添加することで、所定の粘度にされる。負極活物質は、ハードカーボンである。バインダおよび粘度調整溶媒は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰである。

負極スラリーは、集電体１１１の他方の面に、塗布される。負極スラリーの塗膜は、例えば、真空オーブンを利用して、乾燥させられ、厚さ３０μｍの負極活物質層からなる負極１１２を形成する。この際、ＮＭＰは、揮発することで除去される。

この結果、集電体１１１の一方の面および他方の面に、正極１１３および負極１１２がそれぞれ形成された双極型電極（電解質層が未形成の双極型電池１１０）が得られる。

双極型電池１１０は、３３０×２５０（ｍｍ）のサイズに切り取られる。正極１１３および負極１１２の外周部は、集電体１１１を露出させるために、２０ｍｍの幅で剥がし取られる。これにより、電極未配置部位が形成され、集電体１１１の面積（および長さ）は、正極１１３および負極１１２の面積（および長さ）より大きくなる。電極未配置部位の存在は、後述する第１シール前駆体１１４および第２シール前駆体１１６の配置およびクリップ機構１５３による把持を、容易とする。

正極活物質は、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４に制限されないが、容量および出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物を適用することが好ましい。導電助剤は、例えば、カーボンブラックやグラファイトを利用することも可能である。また、バインダおよび粘度調整溶媒は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰに限定されない。

集電体１１１の構成材料は、ステンレススチール箔に限定されず、例えば、アルミニウム箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材を利用することも可能である。

負極活物質は、ハードカーボン（難黒鉛化炭素材料）に制限されず、例えば、黒鉛系炭素材料や、リチウム−遷移金属複合酸化物を利用することも可能である。なお、カーボンおよびリチウム−遷移金属複合酸化物からなる負極活物質は、容量および出力特性の観点から好ましい。

正極１１３および負極１１２の厚さは、特に限定されず、電池の使用目的（例えば、出力重視、エネルギー重視）や、イオン伝導性を考慮して設定される。

図９は、図５に示されるシール前駆体配置工程の第１シール前駆体を説明するための正面図、図１０は、図９の線Ｘ−Ｘに関する断面図、図１１は、図５に示されるシール前駆体配置工程の第２シール前駆体を説明するための正面図、図１２は、図９の線ＸＩＩ−ＸＩＩに関する断面図である。

シール前駆体配置工程においては、まず、集電体１１１が露出している正極側外周部に、第１シール前駆体（１液性未硬化エポキシ樹脂）１１４が配置される。この際、外周部端面から約１０ｍｍ幅で、未配置部位が設けられる。第１シール前駆体１１４の配置は、例えば、ディスペンサを用いる塗布が適用される。

次に、セパレータ１２０が、集電体１１１の正極側面の全てを覆うように配置される。セパレータ１２０は、ポリエチレン製であり、その厚みおよびサイズは、１２μｍおよび３３５×２５５（ｍｍ）である。つまり、セパレータ１２０の面積（および長さ）は、集電体１１１の面積より大きい。したがって、積層された場合において、近接する集電体１１１の外周部同士が接触することが抑制され、絶縁性を向上させることが可能である。

その後、セパレータ１２０上に、第２シール前駆体（１液性未硬化エポキシ樹脂）１１６が配置される。この際、第２シール前駆体１１６は、第１シール前駆体１１４の配置部位と相対するように（重なるように）位置決めされる。第２シール前駆体１１６の配置は、例えば、ディスペンサを用いる塗布が適用される。

第１シール前駆体１１４および第２シール前駆体１１６の構成材料は、１液性未硬化エポキシ樹脂に限定されず、使用環境下において良好なシール効果を発揮するものを、用途に応じて適宜選択することができる。例えば、その他の熱硬化型樹脂（ポリプロピレンやポリエチレン等）や、熱可塑型樹脂を適用することが可能である。

セパレータ１２０の構成材料は、ポリエチレンに限定されず、ポリプロピレン等のその他のポリオレフィンや、ポリアミドや、ポリイミドなどの樹脂材料が適用することが可能である。

図１３は、図５に示される電極セット工程に係る保持機構のクリップ機構を説明するための概略図、図１４は、電極セット工程を説明するための断面図である。

電極セット工程においては、６枚の双極型電池１１０（１１０Ａ〜１１０Ｆ）が、負極面を上にした状態で、電極ストッカ（積層手段）１５０にセットされる。

なお、最上位および最下位に保持される双極型電池１１０Ａ，１１０Ｆの構成は、生産性や後工程などを考慮し、適宜設定される。実施の形態１においては、最上位に保持される双極型電池１１０Ａは、負極１１２を有せず、最下位に保持される双極型電池１１０Ｆは、負極１１２および集電体１１１のみを有し、正極１１３、第１シール前駆体１１４、第２シール前駆体１１６およびセパレータ１２０が、配置されていない。

電極ストッカ（積層手段）１５０は、保持機構、支持構造体１５４、受け台１５６および制御部（不図示）を有する。

保持機構は、双極型電池１１０の外周部の対向する２箇所を把持自在であるクリップ機構１５３を６個有しており、６枚の双極型電池１１０をセットすることが可能である。クリップ機構１５３によって把持される双極型電池１１０の部位は、外周部端面から約１０ｍｍ幅の範囲の領域に位置し、第１シール前駆体１１４および第２シール前駆体１１６が配置されていない未配置部位である。

クリップ機構１５３は、弾性力に基づいており、下方および上方アーム１９１，１９３、ガイドブロック１９５、可動ブロック１９７および駆動ロッド１９８を有する。

下方アーム１９１は、双極型電池１１０が載置される先端部、および、先端部から下方段差部１９２を介して延長する基部を有する。上方アーム１９３は、双極型電池１１０を押圧する先端部、先端部から第１上方傾斜部を介して延長する中間部、および、中間部から第２上方傾斜部１９４を介して延長する基部を有する。下方および上方アーム１９１、１９２は、例えば、バネからなる弾性部材（不図示）によって、互いに近接するように弾性的に付勢されている。

ガイドブロック１９５は、下方アーム１９１の基部に固定されており、また、貫通孔１９６を有する。可動ブロック１９７は、ガイドブロック１９５と下方アーム１９１の下方段差部１９２との間に配置され、例えば、バネからなる弾性部材（不図示）によって、ガイドブロック１９５に向かって弾性的に付勢されている。

駆動ロッド１９８は、往復動自在に配置されており、かつ、駆動ロッド１９８の径は、ガイドブロック１９５の貫通孔１９６を通過できるように設定されている。したがって、駆動ロッド１９８における貫通孔１９６から突出する先端部は、可動ブロック１９７を押圧し、下方アーム１９１の下方段差部１９２に向かって移動させる。

可動ブロック１９７は、上方アーム１９３の第２上方傾斜部１９４と当接しているため、可動ブロック１９７の移動は、上方アーム１９３の上昇を引き起こす。

つまり、駆動ロッド１９８を突出させると、下方および上方アーム１９１、１９２の先端部は離間するため、双極型電池１１０を配置、あるいは把持されている双極型電池１１０の取り外し（リリース）が可能である。一方、駆動ロッド１９８を後退させると、下方および上方アーム１９１、１９２の先端部が近接するため、双極型電池１１０を把持することが可能である。なお、クリップ機構１５３は、双極型電池１１０を把持自在であれば、上記構成に特に限定されない。

支持構造体１５４は、双極型電池１１０のセットの際の干渉を避けるため、フレーム形状であり、かつ、保持機構が取付けられている。保持機構は、双極型電池１１０が位置合せされかつ互いに接触しないように、双極型電池１１０の面方向（ＸＹ軸方向）に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）に、取り付けられる。

また、支持構造体１５４には、受け台１５６に向かって垂直な方向に移動するためのＺ軸移動手段（不図示）が配置されている。Ｚ軸移動手段は、支持構造体１５４を受け台１５６に対して相対移動させるため、設置スペースを有効利用することが可能である。特に、電極ストッカ１５０は、真空処理装置１６０（後述）の内部に配置されるため、真空処理装置１６０を小型化することにより、設備コストの低減を図ることが可能である。

Ｚ軸移動手段を支持構造体１５４に配置する場合、受け台１５６およびその周辺の構成を簡略化することが可能であるが、Ｚ軸移動手段を受け台１５６に配置し、受け台１５６を支持構造体１５４に対して相対移させることも可能である。この場合、支持構造体１５４が固定式となり、受け台１５６は、支持構造体１５４の内部を移動するため、支持構造体１５４のブレを抑制することが可能である。また、Ｚ軸移動手段を、クリップ機構１５３に配置することも可能である。

受け台１５６は、双極型電池１１０の積層体１００の形成、搬送およびプレスのために使用され、また、搬送手段（不図示）が配置されている。

積層体１００は、双極型電池１１０を順次載置し、つまり、集電体１１１の一方の面に配置される正極１１３、および集電体１１１の他方の面に配置される負極１１２を有する双極型電極と、電解質層を構成するセパレータ１２０とを、受け台に交互に配置することで、形成される。

搬送手段は、例えば、ベルトコンベヤであり、受け台１５６を次工程に移動させるために使用される。したがって、積層体１００を、受け台１５６に配置された状態で、次工程に搬送することが可能である。これにより、搬送の際に、積層体１００を受け台１５６から取り外すためのハンドリングが不要になり、ズレの発生が避けられる。搬送手段は、ベルトコンベヤに限定されず、また、受け台１５６と別体として構成することも可能である。

積層体１００の底面に対する受け台１５６の当接面の外周は、窪み部が取り囲んでおり、当該当接面の面積（および長さ）は、集電体１１１の面積（および長さ）より小さい。

制御部は、クリップ機構１５３に把持されている双極型電池１１０を、受け台１５６に順次積層するために使用され、例えば、クリップ機構１５３による双極型電池１１０の把持およびリリースの制御を実行する。

電解質層形成工程においては、最上位に保持される双極型電池１１０Ａを除いた、５枚の双極型電池１１０Ｂ〜１１０Ｆの負極１１２に、１ｍｌの電解液を、例えば、マイクロピペットを用いて、負極面にたらすことで、滲み込まされる。

電解液は、ＰＣ（プロピレンカーボネート）およびＥＣ（エチレンカーボネート）からなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩（ＬｉＰＦ_６）および少量の界面活性剤を含んでいる。なお、リチウム塩濃度は、１Ｍである。

有機溶媒は、ＰＣおよびＥＣに特に限定されず、例えば、その他の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、テトラヒドロフラン等のエーテル類を適用することが可能である。リチウム塩は、ＬｉＰＦ_６に特に限定されず、例えば、その他の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３等の有機酸陰イオン塩を、適用することが可能である。

図１５は、図５に示される真空導入工程〜真空解除工程に係る真空処理装置を説明するための概略図、図１６は、図５に示される電極積層工程を説明するための概略図、図１７は、図５に示されるプレス工程を説明するための断面図、図１８は、図５に示される加圧保持工程を説明するための断面図である。

真空処理装置１６０は、真空手段１６２、プレス手段１７２および制御部１７８を有する。

真空手段１６２は、真空チャンバ１６３、真空ポンプ１６４および配管系１６５を有する。真空チャンバ１６３は、着脱自在（開放自在）の蓋部と、電極ストッカ１５０およびプレス手段１７２が配置される固定式の基部を有する。真空ポンプ１６４は、例えば、遠心式であり、真空チャンバ１６３の内部を真空状態にするために使用される。配管系１６５は、真空ポンプ１６４と真空チャンバ１６３と連結するために使用され、リークバルブ（不図示）が配置されている。

プレス手段１７２は、基部プレート１７４、基部プレート１７４に対して近接離間自在に配置されるプレスプレート１７６、下部加熱手段１７５および上部加熱手段１７７を有する。

基部プレート１７４は、積層体１００が配置された状態で搬送される受け台１５６が、載置される。受け台１５６は、下部プレスプレートとして機能する。したがって、プレスの際に、積層体１００を受け台１５６から取り外すためのハンドリングが不要になり、ズレの発生が避けられる。

プレスプレート１７６は、受け台１５６と連携し、双極型電池１１０の積層体を押圧するために使用される。

積層体１００の上面に対するプレスプレート１７６の当接面の外周は、窪み部が取り囲んでおり、当接面の面積（および長さ）は、集電体１１１の面積（および長さ）より小さい。

下部加熱手段１７５および上部加熱手段１７７は、例えば、抵抗発熱体を有しており、基部プレート１７４およびプレスプレート１７６の内部に配置され、基部プレート１７４およびプレスプレート１７６の温度を上昇させるために使用される。

制御部１７８は、プレスプレート１７６の移動や押圧力、下部加熱手段１７５および上部加熱手段１７７の温度を制御することで、双極型電池１１０の積層体に対する適当な熱プレスを、真空下で実施するために使用される。

なお、下部加熱手段１７５および上部加熱手段１７７の一方を省略したり、下部加熱手段１７５および上部加熱手段１７７を、基部プレート１７４およびプレスプレート１７６の外部に配置したりすることも可能である。さらに、基部プレート１７４を適宜省略することも可能である。

次に、真空処理装置１６０が適用される真空導入工程〜真空解除工程を順次説明する。

真空導入工程においては、真空チャンバ１６３の蓋部が外され、双極型電池１１０を保持している電極ストッカ１５０が、真空チャンバ１６３の基部に配置される。そして、真空チャンバ１６３の蓋部が装着されて、真空チャンバ１６３が密閉されると、真空ポンプ１６４が稼働され、真空チャンバ１６３の内部が、真空状態にされる。

電極積層工程においては、真空下で、Ｚ軸移動手段によって電極ストッカ１５０の支持構造体１５４が、受け台１５６に向かって移動する。つまり、保持機構（クリップ機構１５３）および受け台１５６は、双極型電池１１０の面方向に対して垂直な方向に関し、Ｚ軸移動手段によって相対移動する。相対移動は、双極型電池１１０のブレを抑制するため、双極型電池１１０が精度良く積層される。

一方、支持構造体１５４のクリップ機構１５３に把持されている双極型電池１１０が、受け台１５６に接触するタイミングで、クリップ機構１５３の駆動ロッド１９８が制御され、双極型電池１１０の把持を解消する。

そして、受け台１５６に対する支持構造体１５４の移動を継続することで、双極型電池１１０Ｆ〜１１０Ａが、順次積層される（図１６参照）。

以上のように、双極型電池１１０のブレが抑制され、双極型電池を精度良く積層することができる。したがって、双極型電池１１０を構成する双極型電極および電解質層のずれの発生が抑制され、内部短絡の発生が避けられるため、不良品の発生を削減することが可能となる。

また、真空下での積層のため、電極および電解質層の積層界面に対する気泡の混入が抑制される。そのため、使用時のイオンの移動は、害されず、電池抵抗は増大しないため、高出力密度を達成することができる。つまり、気泡の混入が抑制された双極型電池が得られるため、使用時におけるイオンの移動は、害されず、電池抵抗は増大しないため、高出力密度を達成することができる。

積層体１００は、受け台１５６に配置された状態で、プレス工程に搬送される。これにより、搬送の際に、積層体１００を受け台１５６から取り外すためのハンドリングが不要になり、ズレの発生が避けられる。

プレス工程においては、電極ストッカ１５０の受け台１５６が基部プレート１７４に配置される（図１７参照）。この際、受け台１５６には、電極積層工程によって形成された双極型電池１１０の積層体１００が保持されている。

プレスプレート１７６が受け台１５６に向かって降下し、他方のプレスプレートとして機能する受け台１５６と連携することで、積層体１００を押圧し、１．０×１０^５Ｐａの面圧を付与する。

積層体１００は、形成後において、受け台１５６から取り外されておらず、ズレの発生が抑制されているため、積層体１００は、均等にプレスされる。なお、積層体１００は、集電体１１１の面積より小さい、プレスプレート１７６および受け台１５６の当接面によって、押圧される。

一方、下部加熱手段１７５および上部加熱手段１７７が稼働され、基部プレート１７４およびプレスプレート１７６を介して、受け台１５６および双極型電池１１０の積層体を加熱する。双極型電池１１０の積層体は、第１シール前駆体１１４および第２シール前駆体１１６を構成する１液性未硬化エポキシ樹脂の硬化温度である８０℃に昇温する。

電極積層工程における真空状態を保持した状態で、このプレス条件（面圧１．０×１０^５Ｐａかつ８０℃）で、１時間保持することで、第１シール前駆体１１４および第２シール前駆体１１６が硬化し、所定の厚みの第１シール１１５および第２シール１１７が形成され、積層体１００が得られる。

プレス圧は、１．０×１０^５Ｐａに限定されず、積層体１００の構成材料の強度等の物性を考慮し、例えば、１．０×１０^４Ｐａ〜１．０×１０^６Ｐａであることが好ましい。プレス温度は、８０℃に限定されず、電解液の耐熱性や、第１シール前駆体１１４（第１シール１１５）および第２シール前駆体１１６（第２シール１１７）の硬化温度などの物性を考慮し、例えば、６０℃〜１５０℃であることが好ましい。

なお、プレスが真空下で積層されるため、積層界面にパージガスが混入することを抑制することができる。また、プレス時における受け台１５６とプレスプレート１７６の間の距離を制御し、積層体１００の厚みを、所定の値に設定することで、体積減および電解質抵抗の低減を図ることができる。加熱プレスであるため、第１シール前駆体１１４および第２シール前駆体１１６の硬化が同時に実施されるため、製造工程の短縮を図ることができる。

真空解除工程においては、真空ポンプ１６４の稼働が停止され、リークバルブを開にすることで、真空チャンバ１６３の真空状態が解除される。プレスプレート１７６が上昇し、真空チャンバ１６３の蓋部が外される。基部プレート１７４に配置されている電極ストッカ１５０の受け台１５６が、積層体１００を保持した状態で、取り出される。また、受け台１５６以外の電極ストッカ１５０の部品も取り出される。

加圧保持工程においては、ケーシング工程に移送されるまで、加圧保持手段１８３によって、加熱プレスされた積層体１００の加圧状態が保持される（図１８参照）。

加圧保持手段１８３は、支持プレート１８４、押圧プレート１８５および錘１８６を有する。支持プレート１８４は、積層体１００が配置される。押圧プレート１８５は、積層体１００の上面に配置される。錘１８６は、押圧プレート１８５の上面に配置される。

したがって、錘１８６は、自重により、積層体１００の加圧状態を保持するための押圧力を発生させることが可能である。錘１８６の重量は、プレス圧や、積層体１００の構成材料の強度等の物性を考慮し、適宜設定される。

ケーシング工程においては、加圧状態が保持された積層体１００が、外装ケース１０４（図１および図２参照）に収容される。外装ケース１０４は、例えば、シート状の外装材の外周部を、接合することで形成される。外装材は、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属（合金を含む）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムであり、その接合は、例えば、ヒートシール、インパルスシール、超音波融着、高周波融着等の熱融着が適用される。

図１９は、実施の形態１に係る変形例１を説明するための概略図である。

プレス工程の時間を短縮するため、電極ストッカ１５０を予備昇温させるためのオーブン１８２を、配置することも可能である。この場合、オーブン１８２の加熱手段（不図示）によって、電極ストッカ１５０が保持している双極型電池１１０および受け台１５６が、加熱される。加熱手段は、特に限定されず、例えば、赤外線ハロゲンランプや、抵抗発熱体である。

なお、受け台１５６に加熱手段１８２を内蔵させることにより、当該加熱手段１８２によって受け台１５６および受け台１５６に載置される積層体１００を、加熱することも可能である。また、受け台１５６を、基部プレート１７４に配置し、下部加熱手段１７５によって加熱された後で、電極ストッカ１５０に組み込むことも可能である。

さらに、受け台１５６の配置前から、下部加熱手段１７５および上部加熱手段１７７を稼働させ、基部プレート１７４およびプレスプレート１７６を、予備昇温させることで、プレス工程の時間を短縮することも可能である。

図２０は、実施の形態１に係る変形例２を説明するための概略図である。

積層体１００は、受け台１５６およびプレスプレート１７６によって直接的に押圧する構成に限定されない。例えば、受け台１５６およびプレスプレート１７６に、シート状の弾性体１８９，１９０を配置することも可能である。

この場合、弾性体１８９，１９０は、積層体１００に相対するように位置し、積層体１００を押圧するための当接面を有し、かつ、当該当接面の面積（および長さ）は、集電体１１１の面積（および長さ）より小さくなるように、設定される。なお、受け台１５６およびプレスプレート１７６は、当接面を有しなくなるため、受け台１５６およびプレスプレート１７６の外周を取り囲むように配置される窪み部は不要となる。

図２１は、実施の形態１に係る変形例３を説明するための概略図である。

加圧保持手段１８３における押圧力は、錘１８６の自重を利用することに限定されず、クランプ機構１８７，１８８を利用することも可能である。クランプ機構１８７，１８８は、１対のアームを有し、その先端部によって、支持プレート１８４および押圧プレート１８５の外面を把持することで、押圧力を発生させることが可能である。アームの駆動は、例えば、ばね等の弾性部材による付勢や、締結部材によるねじ締めを、利用することができる。

図２２は、実施の形態１に係る変形例４を説明するための概略図である。

双極型電池１１０の相対移動の際における位置ズレを修正するための修正手段を、電極ストッカ１５０に配置することも可能である。修正手段は、支持構造体１５４に配置される位置センサ１５８、および、受け台１５６に配置されるＸＹ軸移動手段（不図示）を有する。

位置センサ１５８は、支持構造体１５４の上面における双極型電池１１０の４辺に対応する位置に配置され、２次元位置検出手段を構成する。したがって、位置センサ１５８は、双極型電池１１０の相対移動の際つまり受け台１５６に向かった双極型電池１１０の移動の際における位置ズレを検出することが可能である。２次元位置検出手段は、例えば、ＣＣＤ（固体撮像素子）イメージセンサを利用することも可能である。この場合、支持構造体１５４の上面における４隅の１つに配置することで、２次元位置検出手段を構成することができる。

ＸＹ軸移動手段は、双極型電池１１０の面方向に、受け台１５６を移動させるために使用される。

したがって、位置センサ１５８によって、双極型電池１１０の相対移動の際における位置ズレが検出される場合、ＸＹ軸移動手段を制御することで、受け台１５６の面方向の位置が調整されることで、積層精度をさらに向上させることが可能である。また、受け台１５６は、保持機構と無関係のため、受け台１５６の移動は、双極型電池１１０の位置に影響を及ぼさず、位置ズレの調整が容易である。

なお、ＸＹ軸移動手段は、受け台１５６に配置することに限定されず、保持機構に配置することで、受け台１５６およびその近傍の構造を簡素化することも可能である。また、Ｚ軸移動手段を、クリップ機構１５３に配置することも可能である。ＸＹ軸移動手段の一方の軸方向を、受け台１５６の次工程への移動方向と一致させることによって、ＸＹ軸移動手段を、受け台１５６の次工程への移動機構として、兼用することも可能である。

図２３は、実施の形態１に係る変形例５を説明するための概略図である。

電池の出力密度を向上させるため、プレス工程を、第１および第２プレス工程に２分割し、初充電で発生する気泡を取り除くための初充電工程を、挿入することも可能である。初充電条件は、例えば、正極の塗布重量から概算された容量ベースで、２１Ｖ−０．５Ｃで４時間である。

この場合、真空処理装置１６０に、充放電装置１８０を配置する。充放電装置１８０は、プレス手段１７２の基部プレート１７４とプレスプレート１７６を介し、積層体１００と電気的に接続可能に構成される。

第１プレス工程のプレス条件は、面圧１．０×１０^５Ｐａかつ常温の状態での６０秒間保持である。第２プレス工程のプレス条件は、面圧１．０×１０^５Ｐａかつ８０℃の状態での１時間保持である。第１プレス工程のプレス条件は、特に限定されず、第２プレス工程のプレス条件を考慮し、第１シール前駆体および第２シール前駆体が硬化しないように設定される。

以上のように、実施の形態１は、積層体を均等にプレスし得る電解液系双極型電池の製造方法を、提供することが可能である。

なお、電解質層（セパレータ）を別体として、双極型電極（電解質層が未配置の双極型電池）と交互に積層することも可能である。この場合、保持機構は、電解質層および双極型電極を交互に把持し、かつ、双極型電極および電解質層が、位置合せされかつ互いに接触しないように、双極型電極および電解質層の面方向に対して垂直な方向に、支持構造体１５４に取り付けられることとなる。

また、電極セット工程は、設置工程などを考慮すると、大気下で実施することが好ましいが、必要に応じて、真空下で実施することも可能である。

次に、実施の形態２を説明する。以下において、実施の形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

図２４は、実施の形態２に係る双極型電池の製造方法を説明するための工程図である。

実施の形態２に係る双極型電池は、ゲルポリマー電解質系であり、その製造方法は、電極形成工程、電解質層形成工程、シール前駆体形成工程、電極セット工程、真空導入工程、電極積層工程、プレス工程、真空解除工程、加圧保持工程およびケーシング工程を有する。

次に、各工程を順次説明する。図２５は、図２４に示されるシール前駆体配置工程を説明するための断面図、図２６は、図２４に示される電極セット工程を説明するための断面図ある。

電極形成工程においては、実施の形態１と同様に、集電体２１１の一方の面および他方の面に、正極２１３および負極２１２がそれぞれ形成された双極型電極（電解質層が未形成の双極型電池２１０）が得られる。

電解質層形成工程においては、電解質が、正極２１３および負極２１２の電極部に塗布される。

電解質は、電解液［９０重量％］およびホストポリマー［１０重量％］の有し、粘度調整溶媒を添加することで、塗布に適した粘度にされている。

電解液は、ＰＣ（プロピレンカーボネート）およびＥＣ（エチレンカーボネート）からなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩（ＬｉＰＦ_６）を含んでいる。リチウム塩濃度は、１Ｍである。

ホストポリマーは、ＨＦＰ（ヘキサフルオロプロピレン）コポリマーを１０％含むＰＶＤＦ−ＨＦＰ（ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体）である。粘度調製溶媒は、ＤＭＣ（ジメチルカーボネート）である。

電極部に塗布された電解質は、乾燥され、ＤＭＣを揮発させることで、正極２１３および負極２１２上に、ゲルポリマー電解質層２１８，２１９が形成される。

ホストポリマーは、ＰＶＤＦ−ＨＦＰに限定されず、その他のリチウムイオン伝導性を持たない高分子や、イオン伝導性を有する高分子（固体高分子電解質）を適用することも可能である。その他のリチウムイオン伝導性を持たない高分子は、例えば、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）である。イオン伝導性を有する高分子は、例えば、ＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）やＰＰＯ（ポリプロピレンオキシド）である。粘度調製溶媒は、ＤＭＣに限定されない。

シール前駆体形成工程にいては、実施の形態１と同様に、第１シール前駆体２１４、セパレータ２２０および第２シール前駆体２１６が配置される。

電極セット工程においては、保持機構（クリップ機構２５３）、支持構造体１５４、受け台１５６、位置センサ１５８および制御部（不図示）を有する電極ストッカ２５０を使用することで、実施の形態１と同様に、６枚の双極型電池２１０（２１０Ａ〜２１０Ｆ）が、負極面を上にした状態で、電極ストッカ２５０にセットされる。なお、最下位に保持される双極型電池２１０Ｆは、正極側のゲルポリマー電解質層２１８、第１シール前駆体２１４、第２シール前駆体２１６およびセパレータ２２０を有していない。

真空導入工程においては、真空手段、プレス手段および制御部を有する真空処理装置を使用することで、実施の形態１と同様に、双極型電池２１０を保持している電極ストッカが、真空チャンバの基部に配置されると、真空チャンバの内部が、真空状態に保持される。

電極積層工程においては、真空下で、保持機構（クリップ機構２５３）および受け台２５６は、双極型電池２１０の面方向に対して垂直な方向に関し、Ｚ軸移動手段によって相対移動する。相対移動は、双極型電池２１０のブレを抑制するため、双極型電池２１０が精度良く積層される。

一方、支持構造体２５４のクリップ機構２５３に把持されている双極型電池２１０が、受け台２５６に接触するタイミングで、クリップ機構２５３の駆動ロッドが制御され、双極型電池２１０の把持を解消する。

そして、受け台２５６に対する支持構造体２５４の移動を継続することで、双極型電池２１０Ｆ〜２１０Ａが、順次積層される。

なお、積層体２００は、受け台２５６に配置された状態で、プレス工程に搬送される。これにより、搬送の際に、積層体２００を受け台２５６から取り外すためのハンドリングが不要になり、ズレの発生が避けられる。

プレス工程においては、電極ストッカ２５０の受け台２５６が基部プレートに配置される。この際、受け台２５６には、電極積層工程によって形成された双極型電池２１０の積層体２００が保持されている。

積層体２００は、真空状態を保持した状態で、プレスプレートおよび受け台２５６によって加熱プレスされる。プレス条件は、面圧１．０×１０^５Ｐａかつ８０℃の状態での１時間保持である。これにより、第１シール前駆体および第２シール前駆体が硬化し、所定の厚みの第１シールおよび第２シールが形成される。また、ゲルポリマー電解質層２１８，２１９は、可塑化し、所定の厚みを有することなる。

積層体２００は、上述のように、形成後において、受け台２５６から取り外されておらず、ズレの発生が抑制されている。したがって、積層体２００は、均等にプレスされる。

また、加熱下でプレスされるため、第１シール前駆体２１４および第２シール前駆体２１６の硬化、ゲルポリマー電解質層２１８，２１９の完成が同時に実施されるため、製造工程の短縮を図ることができる。

真空解除工程においては、真空チャンバの真空状態が解除され、積層体２００が取り出される。

加圧保持工程においては、ケーシング工程に移送されるまで、加熱プレスされた積層体２００の加圧状態が保持される。

ケーシング工程においては、加圧状態が保持された積層体２００が、外装ケース１０４（図１および図２参照）に収容される。

以上のように、実施の形態２は、積層体を均等にプレスし得るゲルポリマー電解質系双極型電池の製造方法および製造装置を、提供することができる。

なお、ゲルポリマー電解質層２１８，２１９は、ポリマー骨格に電解液を保持した熱可塑型であるため、漏液が防止され、液絡を防ぎ信頼性の高い双極型電池を構成することが可能である。ゲルポリマー電解質は、熱可塑型に限定されず、熱硬化型を適用することも可能である。この場合も、加熱プレスにより電解質層を硬化させることで漏液が防止され、液絡を防ぐことが可能である。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、実施の形態１に係る変形例１〜５を、実施の形態２に適用することも可能である。

実施の形態１に係る双極型電池を説明するための斜視図である。 実施の形態１に係る双極型電池を説明するための断面図である。 図１に示される双極型電池を利用する組電池を説明するための斜視図である。 図３に示される組電池が搭載されている車両の概略図である。 実施の形態１に係る双極型電池の製造方法を説明するための工程図である。 図５に示される電極形成工程に係る正極を説明するための正面図である。 図５に示される電極形成工程に係る負極を説明するための背面図である。 図６の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに関する断面図である。 図５に示されるシール前駆体配置工程の第１シール前駆体を説明するための正面図である。 図９の線Ｘ−Ｘに関する断面図である。 図５に示されるシール前駆体配置工程の第２シール前駆体を説明するための正面図である。 図９の線ＸＩＩ−ＸＩＩに関する断面図である。 図５に示される電極セット工程に係る保持機構のクリップ機構を説明するための概略図である。 電極セット工程を説明するための断面図である。 図５に示される真空導入工程〜真空解除工程に係る真空処理装置を説明するための概略図である。 図５に示される電極積層工程を説明するための概略図である。 図５に示されるプレス工程を説明するための断面図である。 図５に示される加圧保持工程を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例１を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例２を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例３を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例４を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例５を説明するための概略図である。 実施の形態２に係る双極型電池の製造方法を説明するための工程図である。 図２４に示されるシール前駆体配置工程を説明するための断面図である。 図２４に示される電極セット工程を説明するための断面図である。

符号の説明

１００・・積層体、
１０１，１０２・・端子プレート、
１０４・・外装ケース、
１１０（１１０Ａ〜１１０Ｆ）・・双極型電池、
１１１・・集電体、
１１２・・負極、
１１３・・正極、
１１４・・第１シール前駆体、
１１５・・第１シール、
１１６・・第２シール前駆体、
１１７・・第２シール、
１２０・・セパレータ、
１３０・・組電池、
１３２，１３４・・導電バー、
１４０・・組電池モジュール、
１４５・・車両、
１５０・・電極ストッカ、
１５３・・クリップ機構、
１５４・・支持構造体、
１５６・・受け台、
１５８・・位置センサ、
１６０・・真空処理装置、
１６２・・真空手段、
１６３・・真空チャンバ、
１６４・・真空ポンプ、
１６５・・配管系、
１７２・・プレス手段、
１７４・・基部プレート、
１７５・・下部加熱手段、
１７６・・プレスプレート、
１７７・・上部加熱手段、
１７８・・制御部、
１８０・・充放電装置、
１８２・・オーブン、
１８３・・加圧保持手段、
１８４・・支持プレート、
１８５・・押圧プレート、
１８６・・錘、
１８７，１８８・・クランプ機構、
１８９，１９０・・弾性体、
１９１・・下方アーム、
１９２・・下方段差部、
１９３・・上方アーム、
１９４・・第２上方傾斜部、
１９５・・ガイドブロック、
１９６・・貫通孔、
１９７・・可動ブロック、
１９８・・駆動ロッド、
２００・・積層体、
２１０・・双極型電池、
２１０（２１０Ａ〜２１０Ｆ）・・双極型電池、
２１１・・集電体、
２１２・・負極、
２１３・・正極、
２１４・・第１シール前駆体、
２１６・・第２シール前駆体、
２１８，２１９・・ゲルポリマー電解質層、
２２０・・セパレータ、
２５０・・電極ストッカ、
２５３・・クリップ機構、
２５４・・支持構造体、
２５６・・受け台。

Claims (18)

1. 集電体、前記集電体の一方の面に配置される正極、および前記集電体の他方の面に配置される負極を有する双極型電極と、電解質層を、受け台に交互に配置し、積層体を形成するための積層工程、
   前記積層体が配置された前記受け台を、搬送するための搬送工程、および、
   前記受け台に配置されている前記積層体を、前記受け台に配置された状態で、加熱プレスするためのプレス工程
   を有することを特徴とする双極型電池の製造方法。
2. 前記プレス工程において、前記積層体は、前記受け台と、前記積層体に相対するプレスプレートとを近接させることによって、加圧され、また、前記受け台および／または前記プレスプレートを加熱することによって、昇温されることを特徴とする請求項１に記載の双極型電池の製造方法。
3. 前記集電体の面積は、前記正極および前記負極の面積より大きく、かつ、前記電解質層のセパレータの面積は、前記集電体の面積より大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の双極型電池の製造方法。
4. 前記受け台および前記プレスプレートは、前記積層体を押圧するための当接面を有し、前記当接面の面積は、前記集電体の面積より小さいことを特徴とする請求項３に記載の双極型電池の製造方法。
5. 前記受け台および前記プレスプレートに配置されるシート状の弾性体を有し、前記弾性体は、前記積層体に相対するように位置し、前記積層体を押圧するための当接面を有し、前記当接面の面積は、前記集電体の面積より小さいことを特徴とする請求項３に記載の双極型電池の製造方法。
6. 前記プレス工程に搬送される前に、前記受け台を加熱するための加熱工程を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の双極型電池の製造方法。
7. 前記搬送工程において、前記受け台は、前記受け台に配置される搬送手段によって搬送されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の双極型電池の製造方法。
8. 加熱プレスされた前記積層体の加圧状態を保持するための加圧保持工程、および、加圧状態が保持された前記積層体を、外装ケースに収容するためのケーシング工程を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の双極型電池の製造方法。
9. 前記積層工程において、真空下で前記積層体が形成され、前記プレス工程において、真空下で加熱プレスされることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の双極型電池の製造方法。
10. 集電体、前記集電体の一方の面に配置される正極、および前記集電体の他方の面に配置される負極を有する双極型電極と、電解質層とを、受け台に交互に配置し、積層体を形成するための積層手段、
    前記積層体が配置された前記受け台を、搬送するための搬送手段、および、
    前記受け台に配置されている前記積層体を、前記受け台に配置された状態で、加熱プレスするためのプレス手段
    を有することを特徴とする双極型電池の製造装置。
11. 前記プレス手段は、前記搬送手段によって搬送された前記受け台に対して近接離間自在に配置され、かつ前記積層体に相対するプレスプレート、および、前記受け台および／または前記プレスプレートを加熱するための加熱手段を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の双極型電池の製造装置。
12. 前記集電体の面積は、前記正極および前記負極の面積より大きく、かつ、前記セパレータの面積は、前記集電体の面積より大きいことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の双極型電池の製造装置。
13. 前記受け台および前記プレスプレートは、前記積層体を押圧するための当接面を有し、前記当接面の面積は、前記集電体の面積より小さいことを特徴とする請求項１２に記載の双極型電池の製造装置。
14. 前記受け台および前記プレスプレートに配置されるシート状の弾性体を有し、前記弾性体は、前記積層体に相対するように位置し、前記積層体を押圧するための当接面を有し、前記当接面の面積は、前記集電体の面積より小さいことを特徴とする請求項１２に記載の双極型電池の製造装置。
15. 前記プレス手段に搬送される前に、前記受け台を加熱するための加熱手段を有することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の双極型電池の製造装置。
16. 前記搬送手段は、前記受け台に配置されていることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の双極型電池の製造装置。
17. 前記プレス手段によって加熱プレスされた前記積層体の加圧状態を保持するための加圧保持手段を有することを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の双極型電池の製造装置。
18. 前記積層手段および前記プレス手段を、真空下で作動自在に保持するための真空手段を有することを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の双極型電池の製造装置。

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