JP2009295553A - 双極型電池の製造方法、および双極型電池の製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】気泡の混入を抑制し、電池性能の優れた双極型電池を得る。
【解決手段】双極型電池の製造装置200は、サブアッシーユニット108が連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体107を形成する手段230を有する。サブアッシーユニット連続体は、長尺形状を有するセパレータ121の表面121aに、電解質124、125を塗布した電極113、112を重ねてセパレータが伸びる方向に沿って複数個の双極型電極110を設けることによって形成する。製造装置は、サブアッシーユニット連続体を巻き付けて、支持面240a〜240dのそれぞれにサブアッシーユニットを複数積層する回転自在な積層治具240と、セパレータの裏面121bを押圧することによって残留するガスをサブアッシーユニットの外部に排出する押圧部材250と、積層されたサブアッシーユニットを支持面ごとに分離する分離部材260と、を有する。
【選択図】図11

Description

本発明は、双極型電池の製造方法、および双極型電池の製造装置に関する。
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)電池に注目が集まっている。
双極型電池は、1つの集電体の一面に正極を設けつつ他面に負極を設けた双極型電極を、電解質層を介して複数積層した構造を有している。例えば特許文献1は、前述の双極型電極を電解質が含浸されたセパレータを介して複数積層した構造を開示している。
この双極型電極を積層する際には、正極と負極を有する集電体、電解質層を設けるのであるが、積層した部位の微妙な隙間によりガス(気泡)が残留することがある。ここで、電解質層は、電解質が浸透しかつ正極と負極を区分けするセパレータの層、および正極または負極とセパレータとの間の電解質の層を含んでいる。
そのため、積層作業は慎重に行う必要があり、また慎重に行っても十分に除去しきれずに残ってしまうことがある。このように積層した部位に気泡が残ると、その部位ではイオン透過および電子の移動ができないデッドスペースが発生し、出力低下の要因にもなる。このように気泡の混入が出力密度を向上させる際の課題となっている。
特開平11−204136号公報
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、気泡の混入を抑制でき、電池性能の優れた双極型電池を得るための、生産性を向上し得る双極型電池の製造方法、および双極型電池の製造装置を提供することを目的とする。また、電池性能の優れた双極型電池を得るために用いられる双極型電池用のサブアッシーユニット連続体を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明に係る双極型電池の製造方法は、まず、集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成された双極型電極を準備し、前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方の電極に電解質を塗布する。次いで、長尺形状を有するとともに通気性を有したポーラス状のセパレータの一方の面に、前記電解質を塗布した電極を重ねて前記セパレータが伸びる方向に沿って複数個の前記双極型電極を設ける。これによって、前記双極型電極に前記電解質を介して前記セパレータを設けてなるサブアッシーユニットが連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体を形成する。次いで、複数の支持面が形成された回転自在な積層治具に前記サブアッシーユニット連続体を巻き付けるとともに、前記セパレータの他方の面を押圧部材によって押圧することによって、残留するガスを前記サブアッシーユニットの外部に排出して、前記支持面のそれぞれに前記サブアッシーユニットを複数積層する。そして、前記セパレータを切断して、積層された前記サブアッシーユニットを前記支持面ごとに分離することによって、前記サブアッシーユニットを複数積層してなるアッシーユニットを形成する。
上記目的を達成する本発明に係る双極型電池の製造装置は、集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成された双極型電極に電解質を介して通気性を有したポーラス状のセパレータを設けてなるサブアッシーユニットを複数積層してアッシーユニットを形成する。この製造装置は、長尺形状を有する前記セパレータの一方の面に、前記電解質を塗布した電極を重ねて前記セパレータが伸びる方向に沿って複数個の前記双極型電極を設けることによって、前記サブアッシーユニットが連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体を形成する手段と、
複数の支持面が形成された回転自在な積層治具であって、前記サブアッシーユニット連続体を巻き付けて、前記支持面のそれぞれに前記サブアッシーユニットを複数積層する積層治具と、
前記積層治具に設けられ、前記セパレータの他方の面を押圧することによって、残留するガスを前記サブアッシーユニットの外部に排出する押圧部材と、
前記セパレータを切断して、積層された前記サブアッシーユニットを前記支持面ごとに分離することによって、前記サブアッシーユニットを複数積層してなるアッシーユニットを形成する分離部材と、を有する。
上記目的を達成する本発明に係る双極型電池用のサブアッシーユニット連続体は、集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成された双極型電極に電解質を介して通気性を有したポーラス状のセパレータを設けてなるサブアッシーユニットを複数積層して双極型電池のアッシーユニットを形成するために用いられ、前記サブアッシーユニットが連続的に接続された形態を有する。この双極型電池用のサブアッシーユニット連続体は、長尺形状を有する前記セパレータの一方の面に、前記電解質を介して、前記セパレータが伸びる方向に沿って複数個の前記双極型電極を設けてなる。
本発明によれば、サブアッシーユニットを積層するときには、残留するガスがサブアッシーユニットの外部に排出されるため、気泡の混入を抑制でき、電池性能の優れた双極型電池を得るための、生産性を向上し得る双極型電池の製造方法、および双極型電池の製造装置を提供することが可能である。また、電池性能の優れた双極型電池を得るために用いて好適な双極型電池用のサブアッシーユニット連続体を提供することが可能である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、図面には各構成要素が誇張して示されている。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る双極型電池10を示す斜視図、図2は、双極型電池10の要部を示す断面図、図3(A)は、双極型電極110を示す断面図、図3(B)は、単電池層110aの説明に供する断面図、図4は、アッシーユニット109、電解質層120および充填部20を説明するための断面図、図5(A)(B)は、サブアッシーユニット108を説明するための断面図、図6は、充填部20が隙間部21を含んでいる、サブアッシーユニット連続体107の要部を示す平面図、図7は、隙間部21を閉塞した状態を示す平面図、図8(A)(B)は、サブアッシーユニット108あるいはアッシーユニット109にガス30が混入する様子を示す断面図である。図9は、図1に示される双極型電池10を利用する組電池130を説明するための斜視図、図10は、図9に示される組電池130が搭載されている車両138の概略図である。
双極型電池10は、概説すれば、双極型電極110と、積層される双極型電極110の間に介在され、電解質124、125が浸透するよう通気性を有したポーラス状のセパレータ121を含む電解質層120と、を有している(図3(A)(B)、および図4参照)。サブアッシーユニット108は、双極型電極110に電解質124、125を介してセパレータ121を設けたものである(図5(A)(B)参照)。アッシーユニット109は、サブアッシーユニット108を複数積層したものである(図4参照)。この双極型電池10においては、アッシーユニット109を形成するに際して、サブアッシーユニット108が連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体107を用いている(後述する図11参照)。サブアッシーユニット連続体107は、長尺形状を有するセパレータ121の一方の面に、電解質124、125を介して、セパレータ121が伸びる方向に沿って複数個の双極型電極110を設けてある。このサブアッシーユニット連続体107を、複数の支持面240a〜240dが形成された回転自在な積層治具240に巻き付けることによって、支持面240a〜240dのそれぞれにサブアッシーユニット108を複数積層する。そして、セパレータ121を切断して、積層されたサブアッシーユニット108を支持面240a〜240dごとに分離することによって、サブアッシーユニット108を複数積層してなるアッシーユニット109を形成している。以下、詳述する。
図1および図2を参照して、双極型電池10は、電池要素100を外装ケース104に収納し、外部からの衝撃や環境劣化を防止している。
図3(A)を参照して、双極型電極110は、集電体111の一方の面に正極活物質層を設けて正極113を形成し、他方の面に負極活物質層を設けて負極112を形成している。図3(B)を参照して、隣接する一対の集電体111、111の間に挟まれる、正極113、電解質層120、および負極112によって単電池層110aを構成している。単電池層110aの積層数は、要求される電圧に応じて定める。
集電体111は、電子を通す一方、イオンを遮断することから、イオン隔壁とも指称される。電解質層120は、イオン透過層とも指称される。図4に示すように、電解質層120は、正極113とセパレータ121との間でイオンを伝導する電解質を含んだ第1の層124と、正極113と負極112とを区分けするポーラス状のセパレータ121内に電解質を浸透させることによって形成される第2の層123と、負極112とセパレータ121との間でイオンを伝導する電解質を含んだ第3の層125と、を有している。電解質は、例えば、高分子ゲル電解質(ゲルポリマー系電解質)である。
第1、第2、第3の層124、123、125は、正極113および負極112のうちの少なくとも一方の電極に電解質を塗布することによって形成する。正極113および負極112の両方の電極に電解質を塗布して第1の層124および第3の層125を形成した場合には、電解質をセパレータ121の両側から浸透させて、第2の層123を形成する。一方の電極、例えば、正極113にのみ電解質を塗布して第1の層124を形成した場合には、塗布した電解質をセパレータ121を通して負極112の表面に露出するように浸透させて、第2の層123および第3の層125を形成する。この場合には、正極113に塗布する電解質の量は、正極113に担持させる量、セパレータ121内に浸透させる量、およびセパレータ121を通して負極112にまで浸透させる量を加えた量である。なお、符号124は、第1の層を形成するために塗布する電解質を示す符号としても用い、符号125は、第3の層を形成するために塗布する電解質を示す符号としても用いている。
図2を再び参照して、電池要素100は、最上位の双極型電極110の上に負極端子プレート102を配置し、最下位の双極型電極110の下に正極端子プレート101を配置している。端子プレート101、102は、高導電性部材からなり、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している。面方向の電流取り出しにおける低抵抗化を図ることができ、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。なお、電池要素100の最上位および最下位は、双極型電極110でなくてもよい。正極活物質層または負極活物質層のみを片面に配置した末端極を積層してもよい。
図4をも参照して、充填部20において、充填材料114は、セパレータ121同士の間の空間に配置している。電解質層120に含まれる電解質が染み出すと、単電池層110a同士が電気的に接続されてしまい、電池として十分に機能しなくなる。これを液絡と称する。電解質層120が液体状または半固体のゲル状の電解質を含む場合、液絡が生じることを防止するために、充填材料114には、電解質の漏れを防止するシール材を用いる。電解質層が液絡を生じさせない全固体高分子電解質を含む場合であっても、隣り合う集電体111同士が接触して短絡しないようにする観点から、充填部20を設けている。
実施形態では、電解質として、高分子ゲル電解質または電解液を用いている。したがって、充填材料114にはシール材を用いている。シール材114は、1液性未硬化エポキシ樹脂であるが、特に制限されない。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。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好ましい。なお、図2および図4における符号115は、シール材114によって形成されるシール層を示している。
図5(A)(B)を参照して、サブアッシーユニット108は、双極型電極110に電解質124、125を介してセパレータ121を設けたものである。双極型電池10のアッシーユニット109は、サブアッシーユニット108を複数積層したものである(図4参照)。
図8(A)(B)に、サブアッシーユニット108あるいはアッシーユニット109にガス30が混入する状態が示される。図8(A)は、サブアッシーユニット108を形成するときに、双極型電極110とセパレータ121との間にガス30が混入した状態を示している。図8(B)は、サブアッシーユニット108を積層するときに、サブアッシーユニット108同士の間、および充填材料114によって囲まれる内部空間31にガス30が混入した状態を示している。
前述したように、混入したガス30が気泡となって残ると電池の出力低下の要因にもなることから、サブアッシーユニット108を積層するときのガス30の残留を抑制することが重要である。
そこで、本実施形態の双極型電池10にあっては、充填部20の一部に排気部32を設け、サブアッシーユニット連続体107を積層治具に巻き付けるときに充填材料114によって囲まれる内部空間31に残留するガス30を内部空間31の外部に排出している。排気部32を設ける位置、大きさ、個数などは、排気機能を十分に達成する範囲で、適宜選択可能である。
図6および図7を参照して、実施形態の充填部20は、サブアッシーユニット連続体107を積層治具240に巻き付けてサブアッシーユニット108を積層するときには内部空間31と外部とを連通するとともにサブアッシーユニット108を積層した方向(以下、「積層方向」とも言う)に充填部20を押圧することによって閉塞される隙間部21を含んでいる。そして、実施形態の排気部32は、上記の隙間部21から構成している。排気部32の排気機能は、充填部20を押圧し、隙間部21を閉塞することによって停止する。
空気が泡状となったガス30が混入しても(図8(A)(B)参照)、内部空間31に残留するガス30を、隙間部21からなる排気部32を通って内部空間31の外部に排出する。充填部20を積層方向に押圧して隙間部21が閉塞されるまでの間に、内部空間31に残留するガス30の排気がさらに促進する。隙間部21が閉塞されるまで充填部20を積層方向に押圧すると(図7)、排気部32の排気機能が停止する。このように、排気部32の排気機能によって、サブアッシーユニット108を積層するときのガス30の残留を抑制できる。
双極型電池10の構成は、特に説明したものを除き、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられている公知の材料を用いればよく、特に限定されるものではない。以下に、この双極型電池10に使用することのできる集電体111、負極活物質層、正極活物質層、セパレータ121等について参考までに説明する。
集電体111は、例えば、ステンレススチール箔である。しかし、これに特に限定されず、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112の負極活物質は、例えば、ハードカーボン(難黒鉛化炭素材料)である。しかし、これに特に限定されず、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。特に、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の正極活物質は、例えば、LiMnである。しかし、これに特に限定されない。なお、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。
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する。
シール層115を構成するシール材114は、例えば、1液性未硬化エポキシ樹脂である。しかし、これに特に限定されず、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も可能である。なお、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好ましい。
電解質層120の一部であるセパレータ121の素材は、例えば、電解質を浸透し得る通気性を有するポーラス状のPE(ポリエチレン)である。しかし、これに特に限定されず、PP(ポリプロピレン)などの他のポリオレフィン、PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、不織布を、利用することも可能である。不織布は、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステルである。
電解質のホストポリマーは、例えば、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。しかし、これに特に限定されず、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。
ホストポリマーに保持される電解液は、例えば、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)を含んでいる。有機溶媒は、PCおよびECに特に限定されず、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に特に限定されず、その他の無機酸陰イオン塩、LiCFSO等の有機酸陰イオン塩を、適用することが可能である。
図1および図2に示したように、電池要素100は、単電池層110aの積層体の形態で、外装ケース104に収容する。電池要素100の最外層に位置する集電体111には、高導電性部材からなる端子リード101、102を接続する。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、電池要素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と接続することにより、電池要素100から電流を引き出すことも可能である。
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る。シート材の外周部の一部または全部を熱融着により接合することによって、外装ケース104は電池要素100を封止する。
図9を参照して、双極型電池10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、双極型電池10を直列化および/または並列化し、複数接続することによって構成している。組電池130は、導電バー132、134を有する。導電バー132、134は、双極型電池10の内部から延長する端子プレート101、102に接続している。
双極型電池10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によって、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、レーザ溶接、リベット、かしめ、電子ビームである。
図10を参照して、組電池130自体を、直列化および/又は並列化し、複数接続することによって組電池モジュール(大型の組電池)136として提供することも可能である。
組電池モジュール136は、大出力を確保し得るため、例えば、車両138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136は、例えば、内蔵する双極型電池10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。
次に、双極型電池10の製造装置200について説明する。
図11は、双極型電池10の製造装置200の要部を示す概略構成図、図12は、積層治具240および押圧部材250を示す概略構成図、図13、図14は、積層治具240および押圧部材250の動作を説明するための説明図である。
第1の実施形態に係る双極型電池10の製造装置200は、双極型電極110に電解質124、125を介してセパレータ121を設けてなるサブアッシーユニット108を複数積層してアッシーユニット109を形成する。
図11および図12を参照して、製造装置200は、概説すれば、双極型電極110を準備する準備部210と、正極113および負極112に電解質124、125を塗布する塗工部220と、サブアッシーユニット108が連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体107を形成する連続体形成部230(サブアッシーユニット連続体107を形成する手段に相当する)と、サブアッシーユニット連続体107を巻き付ける回転自在な積層治具240と、積層治具240に設けられセパレータ121を押圧して残留するガスをサブアッシーユニット108の外部に排出する押圧部材250と、積層治具240に巻き付けたセパレータ121を切断する分離部材260と、を有する。連続体形成部230は、長尺形状を有するセパレータ121の表面121a(一方の面に相当する)に、電解質124、125を塗布した電極113、112を重ねてセパレータ121が伸びる方向に沿って複数個の双極型電極110を設けることによって、サブアッシーユニット連続体107を形成する。積層治具240は、複数の支持面240a〜240dが形成され、サブアッシーユニット連続体107を巻き付けて、支持面240a〜240dのそれぞれにサブアッシーユニット108を複数積層する。押圧部材250は、セパレータ121の裏面121b(他方の面に相当する)を押圧することによってガス30を排出する。分離部材260は、セパレータ121を切断して、積層されたサブアッシーユニット108を支持面240a〜240dごとに分離することによって、サブアッシーユニット108を複数積層してなるアッシーユニット109を形成する。連続体形成部230にはさらに、充填材料としてのシール材114を配置する塗布部材270(充填手段に相当する)を設けている。第1の実施形態では、積層治具240および押圧部材250は、サブアッシーユニット連続体107における一つのサブアッシーユニット108を、セパレータ121の裏面121bを押圧部材250によって押圧しながら支持面240a〜240dに積層している(図13、図14参照)。以下、詳述する。
準備部210および塗工部220は、複数列(図示例では2列)にわたって設けている。同じ作業の工程を複数並べることにより、作業の効率を上げるためである。説明の便宜上、図11において左手側に示される準備部210および塗工部220を第1の準備部210および第1の塗工部220と言い、右手側に示される準備部210および塗工部220を第2の準備部210および第2の塗工部220と言う。
第1の準備部210および第2の準備部210は、電極ロール211と、電極ロール211から繰り出した電極素材212を定められた長さに切断する電極切断刃213と、を有する。電極ロール211は、集電体111の一方の面に正極113を形成し、他方の面に負極112を形成してある。電極ロール211から繰り出した電極素材212を切断することによって、1個の双極型電極110を得る。第2の準備部210は、得られた双極型電極110を表裏反転するテーブル214を有する。第1の準備部210は、例えば正極113を上にして、双極型電極110を第1の塗工部220に搬出し、第2の準備部210は、負極112を上にして、双極型電極110を第2の塗工部220に搬出する。
第1の塗工部220は、搬送されてきた双極型電極110の上面側の正極113に高分子ゲル電解質124を塗工する塗工機221と、双極型電極110を表裏反転するテーブル222と、表裏反転されたた双極型電極110の上面側の負極112に高分子ゲル電解質125を塗工する塗工機223と、を有する。第2の塗工部220は、搬送されてきた双極型電極110の上面側の負極112に高分子ゲル電解質125を塗工する塗工機223と、双極型電極110を表裏反転するテーブル222と、表裏反転されたた双極型電極110の上面側の正極113に高分子ゲル電解質124を塗工する塗工機221と、を有する。第1の塗工部220から搬出される双極型電極110は下面が正極113となり、第2の塗工部220から搬出される双極型電極110は下面が負極112となる。
連続体形成部230は、長尺形状を有するセパレータ121を巻回してなるセパレータロール231と、セパレータ121の搬送をガイドする複数のガイドローラ232(図12を参照)とを有する。セパレータロール231から繰り出したセパレータ121の先端は、積層治具240に止め付けている。積層治具240を回転することによって、セパレータ121を、セパレータロール231から順次繰り出し、略水平に搬送する。セパレータ121を繰り出すときには、セパレータロール231に回転を止める方向に作用するブレーキ力を付与する。搬送されるセパレータ121に適切なテンションを付与し、弛みが生じないようにするためである。
セパレータ121の搬送経路の上流位置に、電解質124、125を塗工した双極型電極110をセパレータ121の表面121aに配置するためのセット部233を設けている。セット部233は、2点鎖線によって囲まれている。セット部233は、双極型電極110をセパレータ121の表面121aに載置するロボット(図示せず)を有する。ロボットは、第1の塗工部220から搬出される双極型電極110を、セパレータ121の表面121aに、電解質124を塗布した正極113を重ねて載置する。ロボットはさらに、第2の塗工部220から搬出される双極型電極110を、セパレータ121の表面121aに、電解質125を塗布した負極112を重ねて載置する。セット部233における双極型電極110の配置が終了すると、積層治具240を回転してセパレータ121を搬送する。
セット部233における双極型電極110の配置とセパレータ121の搬送とを繰り返すことによって、セパレータ121の表面121aに、電解質124、125を塗布した電極113、112を重ねてセパレータ121が伸びる方向に沿って複数個の双極型電極110を設ける。これによって、サブアッシーユニット108が連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体107を形成する。
ロボットは、双極型電極110を載置する位置を微調整することができる。積層治具240にサブアッシーユニット連続体107を巻き付けたとき、複数のサブアッシーユニット108をずれることなく積層するためである。サブアッシーユニット連続体107の巻き付けを継続すると、巻き径が増加する。したがって、ロボットは、巻き径の増加に合わせて、双極型電極110間のピッチを増加して、双極型電極110を載置する。ロボットは、セパレータ121に付与するテンション、雰囲気の温度、湿度などによってセパレータ121の伸びが異なることを考慮して、載置位置を微調整する。さらに、積層治具240上に積層されたサブアッシーユニット108のズレ量を光学的なセンサによって検出し、検出したズレ量に基づいて載置位置の調整をフィードバック制御することが好ましい。積層したサブアッシーユニット108相互間のずれ量をより小さくできるからでる。
塗布部材270は、セパレータ121の搬送経路の途中に設けている。塗布部材270は、シール材114の塗布および塗布停止が自在な塗布ヘッドから構成している。塗布部材270は、図示しない塗布ロボットに取り付けている。塗布ロボットは、所望の移動軌跡に沿って、塗布部材270を移動する。塗布部材270は、それぞれのサブアッシーユニット108における双極型電極110の周囲を取り囲むように充填材料を配置した充填部を形成する。塗布部材270はさらに、サブアッシーユニット連続体107を積層治具240に巻き付けるときにシール材114によって囲まれる内部空間31に残留するガス30を内部空間31の外部に排出するための排気部32を形成する。この排気部32の排気機能は、排気部32を介してガス30を外部に排出した後に停止する。
より具体的には、塗布部材270は、シール材114を隙間部21を隔てて塗布し、隙間部21から排気部32を形成する(図6参照)。隙間部21は、シール材114が配置されていない切欠き形状を有する。排気部32の排気機能は、サブアッシーユニット108を積層治具240に複数積層するときに、押圧部材250がセパレータ121の裏面121bを押圧することによって、充填部20を押圧して隙間部21を閉塞して、停止する(図7参照)。
隙間部21は、セパレータ121の搬送方向に見て、それぞれのサブアッシーユニット108における双極型電極110よりも下流側位置に設けることが好ましい。一つのサブアッシーユニット108に関して、押圧部材250による押圧が終了する部分に隙間部21を設定することによって、残留するガス30をサブアッシーユニット108の外部に排出し易くなるからである。
積層治具240は、多角柱形状を有し、複数の支持面240a〜240dを有している。図示する積層治具240は、断面が正方形をなす四角柱形状を有し、4つの支持面240a〜240dを有している(図12参照)。積層治具240は、回転軸241に、モータMなどの回転駆動源を接続している。積層治具240を単位角度回転することによって、1つのサブアッシーユニット108を、1つの支持面240a〜240dに配置する。4つの支持面240a〜240dを有しているので、単位角度は90度である。押圧部材250は、ローラ形状を有している。ローラ形状であるので、セパレータ121に過度の力を加えることなく、ガス30を押し出して排出することができる。
なお、説明の便宜上、4つの支持面240a〜240dをそれぞれ、第1の支持面240a、第2の支持面240b、第3の支持面240c、第4の支持面240dという。図12および図13(A)は、第1の支持面240aにサブアッシーユニット108を配置する前の状態を示している。
図12を参照して、第1の実施形態にあっては、積層治具240は、回転に伴って回転軸241をセパレータ121の搬送面に対して直交する方向つまり上下に昇降せる昇降ガイド機構242を有する。製造装置200はさらに、押圧部材250による加圧力を一定に保持する圧力調整部材251と、押圧部材250による加圧力を支持面240a〜240dの法線方向に作用させる姿勢調整部材252と、を有する。圧力調整部材251によって、押圧部材250による加圧力を一定に保持しながら、セパレータ121を押圧する。加圧力を一定に保持することによって、セパレータ121にシワなどが生じることを防止しつつ、電極112、113の厚みや、シール材114の厚みを均一にすることができる。姿勢調整部材252によって、押圧部材250による加圧力を支持面240a〜240dの法線方向に作用させながら、セパレータ121を押圧する。法線方向に加圧することによって、支持面240a〜240dの面方向にサブアッシーユニット108がずれることを防止することができる。
圧力調整部材251は、例えば、空気圧などの流体圧によって作動する流体圧シリンダから構成している。流体圧シリンダのピストン251aにロッド251bを設けている。ロッド251bの先端に、押圧部材250を回転自在に取り付けている。
姿勢調整部材252は、例えば、流体圧シリンダを保持するとともに積層治具240の回転および上下動に追従して流体圧シリンダの初期位置(図12に示される位置)からの傾斜角度を変更する。これによって、支持面240a〜240dの法線方向に押圧部材250の加圧力を付与する。
積層治具240の回転軸241と押圧部材250の回転軸との間の距離L1は、積層治具240の回転および上下動に拘らず一定である。
図13および図14は、サブアッシーユニット連続体107における一つのサブアッシーユニット108を、積層治具240の支持面240a〜240dの1つに配置する様子を示している。図示するように、積層治具240および押圧部材250は、一つのサブアッシーユニット108を、セパレータ121の裏面121bを押圧部材250によって押圧しながら支持面240a〜240dに配置する。具体的には、積層治具240が回転を始めると、積層治具240の回転に伴って、押圧部材250は、第1の支持面240aに配置するサブアッシーユニット108を押圧する。積層治具240が単位角度だけ回転すると、第1の支持面240aに配置されたサブアッシーユニット108は、押圧部材250による押圧動作が完了する(図14(C))。
積層治具240が回転するとき、昇降ガイド機構242は、白抜き矢印にて示すように、積層治具240の回転軸241を昇降している。圧力調整部材251は、押圧部材250がセパレータ121の裏面121bを押圧する加圧力を一定に保持している。また、姿勢調整部材252は、押圧部材250がセパレータ121の裏面121bを押圧する加圧力の方向を支持面240a〜240dの法線方向に保持している。
押圧部材250によってセパレータ121の裏面121bを押圧することによって、加圧初期においては、シール材114によって囲まれる内部空間31に残留するガス30を、隙間部21を介して、サブアッシーユニット108の外部に排出する。加圧が進行することにより、隙間部21の近傍に位置するシール材114が、隙間部21に向かって流動し、隙間部21を被覆する。これにより、隙間部21が閉塞して、排気機能が停止する。
積層治具240は、支持面240a〜240dのそれぞれにサブアッシーユニット108を例えば12層積層するまで、サブアッシーユニット連続体107を巻き付ける。サブアッシーユニット連続体107を積層治具240に巻き付けることによって、積層治具240の角部の近傍はセパレータ121のみが積層された状態となる。
分離部材260は、セパレータ121を切断する例えばセパレータ切断刃から構成する。セパレータ121を切断することによって、4つの支持面240a〜240dのそれぞれに積層されたサブアッシーユニット108を、支持面240a〜240dごとに分離する。これによって、サブアッシーユニット108を複数積層してなるアッシーユニット109を、4個、同時に得ることができる。
図15は、吸引部材253を含んだ押圧部材250であるサクションローラ254を示す断面図である。
セパレータ121は通気性を備えているので、押圧部材250によって押圧力を加えるだけで、セパレータ121を通してガス30を排出することができる。但し、セパレータ121の通気性を利用することによって、ガス30の排出を一層促進することができる。すなわち、押圧部材250は、双極型電極110とセパレータ121の表面121aとの間に残留するガス30を、セパレータ121の裏面121bから吸引することによって排出する吸引部材253を含むことが好ましい。サブアッシーユニット108を複数積層するとき、セパレータ121の裏面121bを押圧部材250によって押圧することによって、残留するガス30をサブアッシーユニット108の外部に押し出すようにして排出するのに加えて、双極型電極110とセパレータ121の表面121aとの間に残留するガス30を吸引して排出することができるからである。
サクションローラ254は、図15に示すように、多数の空気孔255が形成された中空ローラから構成する。サクションローラ254は、ベアリング256を介してフレーム257に回転自在に保持してある。サクションローラ254の内部は、空気吸引チューブ257を介して、吸引部材253としての吸引装置に連通している。吸引装置を作動しつつサクションローラ254を移動することにより、双極型電極110とセパレータ121の表面121aとの間に残留するガス30は、通気性を有するセパレータ121を通って、サクションローラ254によって吸引される。
図11を再び参照して、連続体形成部230は、さらに、双極型電極110とセパレータ121の表面121aとの間に残留するガス30を、セパレータ121の裏面121bから吸引することによって排出するガス抜き部材280を含むことが好ましい。サブアッシーユニット連続体107を積層治具240に巻き付ける前に、双極型電極110とセパレータ121の表面121aとの間に残留するガス30を予め吸引排出しておくことによって、サブアッシーユニット連続体107を積層治具240に巻き付けるときにサクションローラ254によって吸引排出すべきガス30の量が減少する。サブアッシーユニット108を積層したときに残存するガス30の量が可及的に減少する結果、ガス30の混入を一層抑制した双極型電池10を得ることができ、電池抵抗が増大せず、高出力密度を達成することができる。
ガス抜き部材280は、ローラ形状を有している。ローラ形状のガス抜き部材280として、上述したサクションローラ254を用いることができる。サクションローラ254は、セパレータ121の搬送をガイドするガイドローラとしても機能する。なお、ガス抜き部材280は、ローラ形状に限られず、ノズル形状を有していてもよい。
次に、双極型電池10の製造方法について説明する。
図16は、実施形態に係る双極型電池10の製造方法を説明するための全体工程図である。
実施形態に係る双極型電池10の製造方法は、サブアッシーユニット108が連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体107を形成するサブアッシーユニット連続体形成工程、サブアッシーユニット108を複数積層して一体化されたアッシーユニット109を形成するアッシーユニット形成工程、および、アッシーユニット109を外装ケース104に収容するためのケーシング工程を有する。
図17は、図16に示されるサブアッシーユニット連続体形成工程を説明するための工程図、図18は、図17に示される電極形成工程を説明するための平面図、図19は、図17に示される電極形成工程を説明するための断面図、図20は、図17に示される電解質配置工程を説明するための断面図、図21は、図17に示されるセパレータ上への配置工程を説明するための断面図、図22は、図17に示されるシール材配置(排気部形成)工程を説明するための平面図、図23は、図17に示されるシール材配置(排気部形成)工程を説明するための断面図である。
サブアッシーユニット連続体形成工程は、電極形成工程、電解質配置工程、セパレータ上への配置工程、およびシール材配置(排気部形成)工程を有する。
電極形成工程においては、まず、正極スラリーを調整する。正極スラリーは、例えば、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によって、所定の粘度にする。正極活物質は、LiMn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からなる集電体111の一方の面に塗布する。
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。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。
次に、負極スラリーを調整する。負極スラリーは、例えば、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によって、所定の粘度にする。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の他方の面に塗布する。
正極スラリーの塗膜および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し、正極活物質層からなる正極113および負極活物質層からなる負極112を形成する(図18および図19参照)。この際、NMPは、揮発することによって除去する。
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する。
電解質配置工程においては、電解質124、125を、正極113および負極112の電極部にそれぞれ塗布する(図20参照)。
電解質124、125は、例えば、電解液[90重量%]およびホストポリマー[10重量%]を有し、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)を含んでいる。リチウム塩濃度は、例えば、1Mである。
ホストポリマーは、例えば、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。粘度調製溶媒は、DMCに限定されない。
なお、高分子ゲル電解質は、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10を構成することが可能である。また、高分子ゲル電解質は、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、加熱下での加圧により、電解質層120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。
セパレータ上への配置工程においては、第1の塗工部220から搬出される双極型電極110を、セパレータ121の表面121aに、電解質124を塗布した正極113を重ねて載置する。さらに、第2の塗工部220から搬出される双極型電極110を、セパレータ121の表面121aに、電解質125を塗布した負極112を重ねて載置する(図21参照)。セパレータ121は、ポーラス状のPEである。双極型電極110の配置が終了すると、積層治具240を回転してセパレータ121を搬送する。
双極型電極110の配置とセパレータ121の搬送とを繰り返すことによって、セパレータ121の表面121aに、電解質124、125を塗布した電極113、112を重ねてセパレータ121が伸びる方向に沿って複数個の双極型電極110を設ける。これによって、サブアッシーユニット108が連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体107を形成する(図11参照)。
シール材配置(排気部形成)工程においては、塗布部材270は、シール材114を隙間部21を隔てて塗布し、隙間部21から排気部32を形成する。シール材114は、それぞれのサブアッシーユニット108における双極型電極110の周囲を不連続に延長しており、シール材114が配置されていない切欠き状の隙間部21を形成する(図22および図23参照)。隙間部21は、セパレータ121の搬送方向に見て、それぞれのサブアッシーユニット108における双極型電極110よりも下流側位置に設ける。シール材114は、1液性未硬化エポキシ樹脂からなる充填材料である。
図24は、図16に示されるアッシーユニット形成工程を説明するための工程図、図25は、図24に示されるサブアッシーユニット連続体巻き付け工程を説明するための概略図、図26は、図24に示されるセパレータ切断工程を説明するための概略図、図27は、図24に示されるプレス工程を説明するための概略図、図28は、図24に示されるシール層形成工程を説明するための概略図、図29は、図24に示される界面形成工程を説明するための概略図、図30は、図24に示される初充電工程を説明するための概略図である。
アッシーユニット形成工程は、サブアッシーユニット連続体巻き付け工程、セパレータ切断工程、プレス工程、シール層形成工程、界面形成工程、初充電工程および気泡排出工程を有する。
サブアッシーユニット連続体巻き付け工程においては、積層治具240を回転駆動することによって、サブアッシーユニット連続体107を積層治具240に巻き付ける(図25)。このとき、セパレータ121の裏面121bを押圧部材250によって押圧することによって、残留するガス30をサブアッシーユニット108の外部に排出して、支持面240a〜240dのそれぞれにサブアッシーユニット108を複数積層する。
第1の実施形態にあっては、積層治具240および押圧部材250は、サブアッシーユニット連続体107における一つのサブアッシーユニット108を、セパレータ121の裏面121bを押圧部材250によって押圧しながら支持面240a〜240dに積層する(図13および図14参照)。このとき、昇降ガイド機構242は、積層治具240の回転軸241を昇降せている。圧力調整部材251は、押圧部材250がセパレータ121の裏面121bを押圧する加圧力を一定に保持している。これにより、セパレータ121にシワなどが生じることを防止しつつ、電極112、113の厚みや、シール材114の厚みを均一にする。また、姿勢調整部材252は、押圧部材250がセパレータ121の裏面121bを押圧する加圧力の方向を支持面240a〜240dの法線方向に保持している。法線方向に加圧することによって、支持面240a〜240dの面方向にサブアッシーユニット108がずれることを防止する。
押圧部材250によってセパレータ121の裏面121bを押圧することによって、加圧初期においては、シール材114によって囲まれる内部空間31に残留するガス30を、隙間部21を介して、サブアッシーユニット108の外部に排出する。加圧が進行することにより、隙間部21の近傍に位置するシール材114が、隙間部21に向かって流動し、隙間部21を被覆する。これにより、隙間部21が閉塞して、排気機能が停止する。つまり、充填部20を押圧して隙間部21を閉塞する処理によって、排気部32の機能を停止する。
このように、隙間部21が閉塞されるまでの間に、内部空間31に残留するガス30を隙間部21を通してサブアッシーユニット108の外部に排出することが可能であるため、電極部に気泡が残留することを一層抑制できる。したがって、イオン透過および電子の移動ができないデッドスペースの発生を抑制できる。電池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。
押圧部材250としてサクションローラ254を用いている。サブアッシーユニット108を複数積層するとき、セパレータ121の裏面121bをサクションローラ254によって押圧することによって、残留するガス30をサブアッシーユニット108の外部に押し出すようにして排出するのに加えて、双極型電極110とセパレータ121の表面121aとの間に残留するガス30を吸引して排出する。したがって、イオン透過および電子の移動ができないデッドスペースの発生を一層抑制できる。
積層治具240は、1つの支持面240a〜240dにサブアッシーユニット108を例えば12層積層するまで、サブアッシーユニット連続体107を巻き付ける。サブアッシーユニット連続体107を積層治具240に巻き付けることによって、積層治具240の角部の近傍はセパレータ121のみが積層された状態となる。
セパレータ切断工程においては、分離部材260によって、セパレータ121を切断する。セパレータ121を切断することによって、4つの支持面240a〜240dのそれぞれに積層されたサブアッシーユニット108を、支持面240a〜240dごとに分離する。これによって、サブアッシーユニット108を複数積層してなるアッシーユニット109を、4個、同時に得る(図26)。
プレス工程においては、アッシーユニット109を真空処理装置160の内部に配置し、真空下で、アッシーユニット109を加圧する(図27)。真空度は、例えば、0.2〜0.5×10Paである。
真空処理装置160は、真空手段162と、プレス手段170と、制御部178とを有する。
真空手段162は、真空チャンバ163と、真空ポンプ164と、配管系165とを有する。真空チャンバ163は、着脱自在(開放自在)の蓋部と、プレス手段170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する。配管系165は、真空ポンプ164と真空チャンバ163とを連結する。
プレス手段170は、基部プレート171と、基部プレート171に対して近接離間自在に配置されるプレスプレート173とを有する。制御部178は、プレスプレート173の移動や押圧力を制御する。基部プレート171およびプレスプレート173に、シート状の弾性体を配置することも可能である。
プレス手段170は、真空状態を保持した状態で、プレスプレート173および基部プレート171によって、アッシーユニット109を、双極型電極110を積層した方向に加圧する。アッシーユニット109を均一に加圧することよって、隙間部21の閉塞を確実なものとすることができる。さらに、真空下で加圧することにより、電極および電解質層120の積層界面に対する気泡の混入をさらに抑制する。加圧条件は、例えば、1〜2×10Paである。
シール層形成工程においては、アッシーユニット109をオーブン190に配置し、加熱する(図28)。シール材114が熱硬化し、シール層115を形成する。加熱条件は、例えば、80℃である。アッシーユニット109の加熱方法は、オーブンを使用する形態に、特に限定されない。
シール材114は、熱可塑性樹脂を適用することも可能である。この場合、シール材114は、加熱することによって塑性変形し、シール層115を形成することとなる。
界面形成工程においては、アッシーユニット109を、プレス手段180に配置し、加熱下で加圧する(図29)。セパレータ121に、電解質124、125を浸透させ、ゲル界面を形成する。加熱温度および加圧条件は、例えば、80℃および1〜2×10Paである。これにより、サブアッシーユニット108を積層して一体化したアッシーユニット109を得る。
プレス手段180は、基部プレート181と、基部プレート181に対して近接離間自在に配置されるプレスプレート183と、下部加熱手段185と、上部加熱手段187と、制御部188とを有する。下部加熱手段185および上部加熱手段187は、例えば、抵抗発熱体を有しており、基部プレート181およびプレスプレート183の内部に配置する。下部加熱手段185および上部加熱手段187は、基部プレート181およびプレスプレート183の温度を上昇させるために使用する。制御部188は、プレスプレート183の移動や押圧力、下部加熱手段185および上部加熱手段187の温度を制御する。
下部加熱手段185および上部加熱手段187の一方を省略したり、下部加熱手段185および上部加熱手段187を、基部プレート181およびプレスプレート183の外部に配置したりすることも可能である。基部プレート181およびプレスプレート183に、シート状の弾性体を配置することも可能である。
初充電工程においては、アッシーユニット109に電気的に接続された充放電装置192によって、初回充電を行う(図30)。初回充電により、電池内には気泡が発生する。初充電条件は、例えば、正極113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。
気泡排出工程においては、例えば、ローラによってアッシーユニット109の表面を押圧してしごくことにより、発生した気泡を外周部に移動し、電極部分から取り除く。これにより、電池の出力密度を向上させることができる。この工程を経たアッシーユニット109が、電池要素100を構成する。
ケーシング工程においては、電池要素100を、外装ケース104に収容する。これにより、双極型電池10の製造が完了する(図1および図2参照)。外装ケース104は、電池要素100を2枚のシート状の外装材の間に配置し、外装材の外周部を接合することによって形成する。外装材は、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、その接合には、熱融着を適用する。
以上のように、第1の実施形態は、気泡混入が抑制された双極型電池10を得るための双極型電池10の製造方法、およびその製造装置200を提供することができる。また、サブアッシーユニット連続体107を積層治具240に巻き付けるという作業によって、サブアッシーユニット108を複数積層してアッシーユニット109を形成することができる。したがって、アッシーユニット109を形成し易くなり、双極型電池10の生産性を向上することができる。
さらに、第1の実施形態は、双極型電極110に電解質124、125を介して通気性を有したポーラス状のセパレータ121を設けてなるサブアッシーユニット108を複数積層して双極型電池のアッシーユニット109を形成するために用いられ、サブアッシーユニット108が連続的に接続された形態を有する双極型電池用のサブアッシーユニット連続体107を提供することができる(図11参照)。このサブアッシーユニット連続体107は、長尺形状を有するセパレータ121の一方の面に、電解質124、125を介して、セパレータ121が伸びる方向に沿って複数個の双極型電極110を設けている。このような双極型電池用のサブアッシーユニット連続体107によれば、上述したように、積層治具240に巻き付けるという作業によって、サブアッシーユニット108を複数積層してアッシーユニット109を形成することができる。したがって、アッシーユニット109を形成し易くなり、双極型電池の生産性を向上することができる。
双極型電池用のサブアッシーユニット連続体107は、サブアッシーユニット108を複数積層したブロックが複数個形成されるように巻回されている(図25参照)。ブロックの数(図示例では4個)だけ、アッシーユニット109を形成することができる。
双極型電池用のサブアッシーユニット連続体107は、セパレータ121を切断することによって、ブロックごとに分離自在である(図26参照)。ブロックごとに分離できるので、複数個のアッシーユニット109を迅速に形成することができる。
なお、プレス工程および界面形成工程における面圧は、1〜2×10Paに限定されず、電池要素100の構成材料の強度等の物性を考慮し、適宜設定することが可能である。シール層形成工程における加熱温度は、80℃に限定されず、電解液の耐熱性や、シール材114(シール層115)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。
(排気部32の変形例)
図31(A)(B)は、排気部32の変形例を示す平面図である。
変形例に係る排気部32は、隙間部21に供給する材料を蓄えた材料溜め22、23を備える点において、第1の実施形態と相違する。
変形例の充填部20は、隙間部21を閉塞するために隙間部21に供給する材料を蓄えた材料溜め22、23を、隙間部21に臨んで配置してある。図31(A)の材料溜め22は、矩形形状を有し、シール材114の塗布端部から若干寸法だけ離れて、隙間部21に向かい合うように配置してある。一方、図31(B)の材料溜め23は、略円形状を有し、シール材114の塗布端部に連続し、隙間部21を形成するように配置してある。いずれの形状の材料溜めにあっても、シール材114の配置量が増加することによって、シール材114の流動性が向上する。後者の形状の材料溜めの場合には、隙間部21の幅が一定ではなく、隙間部21の幅が狭くなった部位が存在するため、隙間部21をより容易に閉塞させることが可能である。材料溜め22、23は、シール材配置(排気部形成)工程において形成する。
押圧部材250によってセパレータ121の裏面121bを押圧するときに、隙間部21に臨んで配置した材料溜め22、23に蓄えられた材料は、隙間部21に向けて供給され、隙間部21を閉塞する。隙間部21を閉塞することによって排気部32の排気機能が停止する点は第1の実施形態と同様である。
第1の実施形態では、シール材114を途中で途切れるように配置し、塗布端部同士の間を、隙間部21としている。但し、隙間部21は、押圧部材250によってセパレータ121の裏面121bを押圧することによって閉塞される限りにおいて、適宜の形状を採用することができる。例えば、途中で途切れることがないように配置したシール材114の一部に、厚み方向の高さが他の部位よりも低い部位を形成し、この高さが低い部位を隙間部としてもよい。
排気部32は、隙間部21から形成する場合に限定されない。排気部32の他の変形例として、次のようにしてもよい。
熱硬化性のシール材を、双極型電極110の周囲を取り囲むように配置して充填部を形成する。熱硬化性のシール材として、一般的な、エポキシ樹脂を使用することができる。充填部の一部分に未硬化部を残して、他の部分を硬化する。未硬化部の材料自体や、未硬化部とセパレータ121との間などには、微小な隙間が存在している。したがって、未硬化部を排気部32として使用することできる。排気部32の排気機能は、未硬化部のシール材を熱硬化させることによって停止する。未硬化部のシール材を熱硬化させる処理は、例えば、初期充電により発生したガス30を排気部32を介して外部に排出した後に、実施することができる。このようにすれば、初期充電により発生したガス30が電池内に残留することをさらに抑制できる。したがって、ガス30の混入が一層抑制され、電池の出力密度を向上させた双極型電池10が得られる。
排気部32のさらに他の変形例として、次のようにしてもよい。
接着処理の前には粘着性のないホットメルト接着機能を有する充填材料を、双極型電極110の周囲を取り囲む充填部の一部分に配置する。充填部の他の部分には、熱可塑性樹脂あるいは熱可塑性接着剤から形成したシール材を配置する。ホットメルト接着機能を有する充填材料として、一般的なホットメルト接着剤を使用することができる。ホットメルト接着剤は、熱可塑性樹脂を主成分とし、有機溶剤を含まない固形接着剤であり、ポリエステル系、変性オレフィン系など種々ある。ホットメルト接着剤は、加熱溶融して塗布し、冷却により固化し、部材同士の接着処理が完了する。ホットメルト接着剤は、接着処理の前には粘着性を有していないことから、ホットメルト接着剤の材料自体や、ホットメルト接着剤とセパレータ121との間などには、微小な隙間が存在している。したがって、ホットメルト接着剤を塗布した部位を排気部32として使用することできる。排気部32の排気機能は、ホットメルト接着剤を加熱溶融し、さらに硬化させることによって停止する。ホットメルト接着剤を硬化させる処理は、例えば、プレス工程において実施することができる。
(第2の実施形態)
図32は、第2の実施形態に係る積層治具240および押圧部材290を示す概略構成図、図33、図34は、積層治具240および押圧部材290の動作を説明するための説明図である。なお、第1の実施形態における部材と共通する部材については同じ符号を付し、その説明は一部省略する。
第2の実施形態では、積層治具240および押圧部材290は、サブアッシーユニット連続体107における一つのサブアッシーユニット108を、支持面240a〜240dに積層した後に、セパレータ121の裏面121bを押圧部材290によって押圧している(図33、図34参照)。この点で、サブアッシーユニット連続体107における一つのサブアッシーユニット108を、セパレータ121の裏面121bを押圧部材290によって押圧しながら支持面240a〜240dに積層している第1の実施形態(図13、図14参照)と相違している。
積層治具240は、第1の実施形態と同様に、四角柱形状を有し、4つの支持面240a〜240dを有している(図32参照)。積層治具240は、回転軸241に、モータなどの回転駆動源を接続している。積層治具240を単位角度回転することによって、1つのサブアッシーユニット108を、1つの支持面240a〜240dに配置する。4つの支持面240a〜240dを有しているので、単位角度は90度である。2個の押圧部材290を設けている。押圧部材290のそれぞれは、ローラ形状を有している。
なお、説明の便宜上、4つの支持面240a〜240dをそれぞれ、第1の支持面240a、第2の支持面240b、第3の支持面240c、第4の支持面240dという。図32および図33(A)は、積層治具240が回転し、第1の支持面240aおよび第2の支持面240bのそれぞれにサブアッシーユニット108を配置した状態を示している。また、2個の押圧部材290をそれぞれ、第1の押圧部材291、第2の押圧部材292という。2個の押圧部材290は、積層治具240を単位角度回転するときに、隣り合う支持面240a〜240dに配置されたサブアッシーユニット108を押圧することができるように配置してある。支持面240a〜240dの1つに関してみれば、積層治具240を単位角度回転することによって、まず、積層治具240の回転方向に沿う上流側(ガイドローラ232に近い側)に位置する第1の押圧部材291がサブアッシーユニット108を押圧する。引き続いて、積層治具240を単位角度さらに回転することによって、積層治具240の回転方向に沿う下流側(ガイドローラ232から遠い側)に位置する第2の押圧部材292がサブアッシーユニット108を押圧する。このように、1つのサブアッシーユニット108は、第1と第2の押圧部材291、292によって、2回の押圧動作を受ける。
第2の実施形態にあっては、第1の実施形態と異なり、積層治具240の回転軸241は高さ位置が固定され、上下に昇降しない。そのため、製造装置200は、昇降ガイド機構242を備えていない。製造装置200は、第1の実施形態と同様に、圧力調整部材251と、姿勢調整部材252と、を有する。
積層治具240の回転軸241とガイドローラ232の回転軸との間の距離L2は、積層治具240の回転に拘らず一定である。
図33および図34は、サブアッシーユニット連続体107における1つのサブアッシーユニット108を、積層治具240の支持面240a〜240dの1つに配置する様子を示している。図示するように、積層治具240および押圧部材290は、一つのサブアッシーユニット108を、支持面240a〜240dに積層した後に、セパレータ121の裏面121bを押圧部材290によって押圧する。具体的には、積層治具240が回転を始めると、積層治具240の回転に伴って、第1の押圧部材291は、第2の支持面240bに配置されたサブアッシーユニット108を押圧し、第2の押圧部材292は、第1の支持面240aに配置されたサブアッシーユニット108を押圧する。積層治具240が単位角度だけ回転すると、第1の支持面240aに配置されたサブアッシーユニット108は、第2の押圧部材292による2回目の押圧動作が完了し、第2の支持面240bに配置されたサブアッシーユニット108は、第1の押圧部材291による1回目の押圧動作が完了する(図34(C))。
積層治具240が回転するとき、圧力調整部材251は、第1と第2の押圧部材291、292がセパレータ121の裏面121bを押圧する加圧力を一定に保持している。また、姿勢調整部材252は、第1と第2の押圧部材291、292がセパレータ121の裏面121bを押圧する加圧力の方向を支持面240a〜240dの法線方向に保持している。
第1の押圧部材291によってセパレータ121の裏面121bを押圧することによって、加圧初期においては、シール材114によって囲まれる内部空間31に残留するガス30を、隙間部21を介して、サブアッシーユニット108の外部に排出する。加圧が進行することにより、隙間部21の近傍に位置するシール材114が、隙間部21に向かって流動し、隙間部21を被覆する。これにより、隙間部21が閉塞して、排気機能が停止する。
第2の押圧部材292による2回目の押圧動作によっても、内部空間31に残留するガス30を押し出すことができる。このガス30は、分離部材260によって切断される部位に存することになるので、電池10内に残存することはない。また、2回目の押圧動作によって、積層されたサブアッシーユニット108の厚み、ひいてはアッシーユニット109の厚みをより均一にすることができる。
(その他の改変例)
積層治具240は、複数の支持面240a〜240dを有していればよく、4つの支持面240a〜240dを設けた四角柱形状に限られるものではない。例えば、断面が長方形をなす四角柱形状の長辺を含む2面を支持面とした積層治具や、三角柱形状の3面を支持面とした積層治具240でもよい。
第1の実施形態に係る双極型電池を示す斜視図である。 双極型電池の要部を示す断面図である。 図3(A)は、双極型電極を示す断面図、図3(B)は、単電池層の説明に供する断面図である。 アッシーユニット、電解質層および充填部を説明するための断面図である。 図5(A)(B)は、サブアッシーユニットを説明するための断面図である。 充填部が隙間部を含んでいる、サブアッシーユニット連続体の要部を示す平面図である。 隙間部を閉塞した状態を示す平面図である。 図8(A)(B)は、サブアッシーユニットあるいはアッシーユニットにガスが混入する様子を示す断面図であるである。 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9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。 双極型電池の製造装置の要部を示す概略構成図である。 積層治具および押圧部材を示す概略構成図である。 積層治具および押圧部材の動作を説明するための説明図である。 積層治具および押圧部材の動作を説明するための説明図である。 吸引部材を含んだ押圧部材であるサクションローラを示す断面図である。 実施形態に係る双極型電池の製造方法を説明するための全体工程図である。 図16に示されるサブアッシーユニット連続体形成工程を説明するための工程図である。 図17に示される電極形成工程を説明するための平面図である。 図17に示される電極形成工程を説明するための断面図である。 図17に示される電解質配置工程を説明するための断面図である。 図17に示されるセパレータ上への配置工程を説明するための断面図である。 図17に示されるシール材配置(排気部形成)工程を説明するための平面図である。 図17に示されるシール材配置(排気部形成)工程を説明するための断面図である。 図16に示されるアッシーユニット形成工程を説明するための工程図である。 図24に示されるサブアッシーユニット連続体巻き付け工程を説明するための概略図である。 図24に示されるセパレータ切断工程を説明するための概略図である。 図24に示されるプレス工程を説明するための概略図である。 図24に示されるシール層形成工程を説明するための概略図である。 図24に示される界面形成工程を説明するための概略図である。 図24に示される初充電工程を説明するための概略図である。 図31(A)(B)は、排気部の変形例を示す平面図である。 第2の実施形態に係る積層治具および押圧部材を示す概略構成図である。 積層治具および押圧部材の動作を説明するための説明図である。 積層治具および押圧部材の動作を説明するための説明図である。
符号の説明
10 双極型電池、
20 充填部、
21 隙間部、
22、23 材料溜め、
30 ガス、
31 内部空間、
32 排気部、
100 電池要素、
104 外装ケース、
107 サブアッシーユニット連続体
108 サブアッシーユニット、
109 アッシーユニット、
110 双極型電極、
110a 単電池層、
111 集電体、
112 負極、
113 正極、
114 シール材(充填材料)、
115 シール層、
120 電解質層、
121 セパレータ、
121a セパレータの表面(一方の面)
121b セパレータの裏面(他方の面)
123 第2の層
124 第1の層、電解質、
125 第3の層、電解質、
130 組電池、
132、134 導電バー、
136 組電池モジュール、
138 車両、
200 製造装置、
210 準備部、
211 電極ロール、
220 塗工部、
221、223 塗工機、
230 連続体形成部(サブアッシーユニット連続体を形成する手段)、
231 セパレータロール、
232 ガイドローラ、
233 セット部、
240 積層治具、
240a〜240d 支持面、
241 積層治具の回転軸、
242 昇降ガイド機構、
250 押圧部材、
251 圧力調整部材、
252 姿勢調整部材、
253 吸引装置(吸引部材)、
254 サクションローラ、
260 分離部材、
270 塗布部材(充填手段)、
280 ガス抜き部材、
290 押圧部材、
291 第1の押圧部材、
292 第2の押圧部材。

Claims (25)

  1. 集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成された双極型電極を準備し、
    前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方の電極に電解質を塗布し、
    長尺形状を有するとともに通気性を有したポーラス状のセパレータの一方の面に、前記電解質を塗布した電極を重ねて前記セパレータが伸びる方向に沿って複数個の前記双極型電極を設けることによって、前記双極型電極に前記電解質を介して前記セパレータを設けてなるサブアッシーユニットが連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体を形成し、
    複数の支持面が形成された回転自在な積層治具に前記サブアッシーユニット連続体を巻き付けるとともに、前記セパレータの他方の面を押圧部材によって押圧することによって、残留するガスを前記サブアッシーユニットの外部に排出して、前記支持面のそれぞれに前記サブアッシーユニットを複数積層し、
    前記セパレータを切断して、積層された前記サブアッシーユニットを前記支持面ごとに分離することによって、前記サブアッシーユニットを複数積層してなるアッシーユニットを形成する双極型電池の製造方法。
  2. 前記サブアッシーユニット連続体における一つの前記サブアッシーユニットを、前記セパレータの他方の面を前記押圧部材によって押圧しながら前記支持面に積層する、または、
    前記サブアッシーユニット連続体における一つの前記サブアッシーユニットを、前記支持面に積層した後に、前記セパレータの他方の面を前記押圧部材によって押圧する請求項1に記載の双極型電池の製造方法。
  3. 前記押圧部材による加圧力を一定に保持しながら、前記セパレータを押圧する請求項1または請求項2に記載の双極型電池の製造方法。
  4. 前記押圧部材による加圧力を前記支持面の法線方向に作用させながら、前記セパレータを押圧する請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の双極型電池の製造方法。
  5. 前記サブアッシーユニット連続体を前記積層治具に巻き付ける前に、それぞれの前記サブアッシーユニットにおける前記双極型電極の周囲を取り囲むように充填材料を配置した充填部に、前記サブアッシーユニット連続体を前記積層治具に巻き付けるときに前記充填材料によって囲まれる内部空間に残留するガスを前記内部空間の外部に排出するための排気部を形成し、
    前記排気部を介して前記ガスを外部に排出した後に、前記排気部の排気機能を停止する処理を実施する請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の双極型電池の製造方法。
  6. 前記充填材料を隙間部を隔てて塗布することによって、前記隙間部から前記排気部を形成し、
    前記セパレータの他方の面を前記押圧部材によって押圧することによって、前記充填部を押圧して前記隙間部を閉塞し、前記排気部の排気機能を停止する請求項5に記載の双極型電池の製造方法。
  7. 前記電解質は、液体状またはゲル状の電解質を含み、
    前記充填材料は、前記電解質の漏れを防止するシール材である請求項5または請求項6に記載の双極型電池の製造方法。
  8. 前記押圧部材は、吸引部材を含み、前記双極型電極と前記セパレータの前記一方の面との間に残留するガスを、前記セパレータの他方の面から前記吸引部材によって吸引することによって排出する請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の双極型電池の製造方法。
  9. 前記押圧部材は、ローラ形状を有している請求項1〜請求項8のいずれか1つに記載の双極型電池の製造方法。
  10. 前記サブアッシーユニット連続体を前記積層治具に巻き付ける前に、前記双極型電極と前記セパレータの前記一方の面との間に残留するガスを、前記セパレータの他方の面からガス抜き部材によって吸引することによって排出する請求項1〜請求項9のいずれか1つに記載の双極型電池の製造方法。
  11. 前記ガス抜き部材は、ローラ形状を有している請求項10に記載の双極型電池の製造方法。
  12. 集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成された双極型電極に電解質を介して通気性を有したポーラス状のセパレータを設けてなるサブアッシーユニットを複数積層してアッシーユニットを形成する、双極型電池の製造装置であって、
    長尺形状を有する前記セパレータの一方の面に、前記電解質を塗布した電極を重ねて前記セパレータが伸びる方向に沿って複数個の前記双極型電極を設けることによって、前記サブアッシーユニットが連続的に接続された形態を有するサブアッシーユニット連続体を形成する手段と、
    複数の支持面が形成された回転自在な積層治具であって、前記サブアッシーユニット連続体を巻き付けて、前記支持面のそれぞれに前記サブアッシーユニットを複数積層する積層治具と、
    前記積層治具に設けられ、前記セパレータの他方の面を押圧することによって、残留するガスを前記サブアッシーユニットの外部に排出する押圧部材と、
    前記セパレータを切断して、積層された前記サブアッシーユニットを前記支持面ごとに分離することによって、前記サブアッシーユニットを複数積層してなるアッシーユニットを形成する分離部材と、を有する双極型電池の製造装置。
  13. 前記積層治具および前記押圧部材は、
    前記サブアッシーユニット連続体における一つの前記サブアッシーユニットを、前記セパレータの他方の面を前記押圧部材によって押圧しながら前記支持面に積層する、または、
    前記サブアッシーユニット連続体における一つの前記サブアッシーユニットを、前記支持面に積層した後に、前記セパレータの他方の面を前記押圧部材によって押圧する請求項12に記載の双極型電池の製造装置。
  14. 前記押圧部材による加圧力を一定に保持する圧力調整部材をさらに有する請求項12または請求項13に記載の双極型電池の製造装置。
  15. 前記押圧部材による加圧力を前記支持面の法線方向に作用させる姿勢調整部材をさらに有する請求項12〜請求項14のいずれか1つに記載の双極型電池の製造装置。
  16. 前記サブアッシーユニット連続体を形成する手段は、
    それぞれの前記サブアッシーユニットにおける前記双極型電極の周囲を取り囲むように充填材料を配置した充填部に、前記サブアッシーユニット連続体を前記積層治具に巻き付けるときに前記充填材料によって囲まれる内部空間に残留するガスを前記内部空間の外部に排出するための排気部を形成する充填手段を含む請求項12〜請求項15のいずれか1つに記載の双極型電池の製造装置。
  17. 前記充填手段は、前記充填材料を隙間部を隔てて塗布することによって、前記隙間部から前記排気部を形成する請求項16に記載の双極型電池の製造装置。
  18. 前記電解質は、液体状またはゲル状の電解質を含み、
    前記充填材料は、前記電解質の漏れを防止するシール材である請求項16または請求項17に記載の双極型電池の製造装置。
  19. 前記押圧部材は、前記双極型電極と前記セパレータの前記一方の面との間に残留するガスを、前記セパレータの他方の面から吸引することによって排出する吸引部材を含む請求項12〜請求項18のいずれか1つに記載の双極型電池の製造装置。
  20. 前記押圧部材は、ローラ形状を有している請求項12〜請求項19のいずれか1つに記載の双極型電池の製造装置。
  21. 前記サブアッシーユニット連続体を形成する手段は、
    前記双極型電極と前記セパレータの前記一方の面との間に残留するガスを、前記セパレータの他方の面から吸引することによって排出するガス抜き部材を含む請求項12〜請求項20のいずれか1つに記載の双極型電池の製造装置。
  22. 前記ガス抜き部材は、ローラ形状を有している請求項21に記載の双極型電池の製造装置。
  23. 集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成された双極型電極に電解質を介して通気性を有したポーラス状のセパレータを設けてなるサブアッシーユニットを複数積層して双極型電池のアッシーユニットを形成するために用いられ、前記サブアッシーユニットが連続的に接続された形態を有する、双極型電池用のサブアッシーユニット連続体であって、
    長尺形状を有する前記セパレータの一方の面に、前記電解質を介して、前記セパレータが伸びる方向に沿って複数個の前記双極型電極を設けてなる双極型電池用のサブアッシーユニット連続体。
  24. 前記サブアッシーユニットを複数積層したブロックが複数個形成されるように巻回されている請求項23に記載の双極型電池用のサブアッシーユニット連続体。
  25. 前記セパレータを切断することによって前記ブロックごとに分離自在である請求項24に記載の双極型電池用のサブアッシーユニット連続体。
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