JP2012033275A - 電池積層体の製造方法、電池積層体の製造装置および電池積層体 - Google Patents

電池積層体の製造方法、電池積層体の製造装置および電池積層体 Download PDF

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Abstract

【課題】正極シート、セパレータシートおよび負極シートに積層された積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなる電池積層体の生産性を高め得る製造方法、製造装置および電池積層体を提供する。
【解決手段】セパレータシート2、正極シート3、負極シート4をこれらが延設する方向に沿って互いに並走させることにより積層シート7を得る。次に、一次元方向に延びる複数の線状可動体51,52からなる線状可動体群5を積層シート7に向けて押しつけることにより積層シート7を変形させ、つづら折り形状をなす1次蛇行体を得る。次に、1次蛇行体の正極シート3同士及び負極シート4同士を互いに接近させるように、1次蛇行体を加圧体6で加圧させ、且つ、線状可動体51,52を1次蛇行体から離脱させることにより、厚み方向においてセパレータシート2を正極シート3および負極シート4で挟んだ構造を有する2次蛇行体を得る。
【選択図】図1

Description

本発明は電池積層体の製造方法、電池積層体の製造装置および電池積層体に関する。電池は、電子の吸着および脱離を伴うキャパシタ等の物理電池、あるいは、酸化還元反応を伴う化学電池に適用できる。
特許文献1には、正極シートを袋状のセパレータに配置すると共に負極シートを袋状のセパレータに配置した状態で、正極シート、セパレータおよび負極シートを順に積層させた構造のリチウムイオン電池が開示されている。さらに、特許文献1には、正極シート、セパレータおよび負極シートを順に積層させたシートをロール形状に巻回させた構造のリチウムイオン電池が開示されている。
特許文献2には、負極板をセパレータで挟み込み、上限のセパレータを自動で熱溶着、切断し、余剰のセパレータを除去し、正極および負極を交互に積層させる製造装置が開示されている。
特許文献3には、正極シートおよび負極シートとセパレータを介して順に積層させていくとき、セパレータをジグザク状に曲成させつつ正極シートおよび負極シートをセパレータを介して積層させる積層装置が開示されている。
特開9−274935号公報 特開2007−329112号公報 特許第4351737号公報
上記した特許文献1〜3に係る技術では、電池積層体の生産性は必ずしも充分ではなかった。さらに正極シート、セパレータおよび負極シートを順に積層させたシートをロール形状に巻回させた構造のリチウムイオン電池では、使用時においてロール形状の内部に熱がこもり、性能が低下する不具合があった。
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、厚み方向に正極シート、セパレータシートおよび負極シートに積層された構造をもつ積層シートがつづら折り状(ジグザク状)に曲成された蛇行体からなる電池積層体が簡便に得られ、生産性が優れ、熱こもりの不具合を抑えるのに有利に電池積層体の製造方法、電池積層体の製造装置および電池積層体を提供することを課題とする。
(1)本発明に係る電池積層体の製造方法は、(i)セパレータシートと、セパレータシートの厚み方向においてセパレータシートを挟むように設けられた正極シートおよび負極シートとを、これが延設する方向に沿って互いに並走させることにより積層シートを得る並走工程と、(ii)積層シートの表面に沿った一次元方向に延びる複数の線状可動体からなる線状可動体群を、セパレータシートの厚み方向に沿って積層シートに向けて押しつけることにより積層シートを変形させ、つづら折り形状をなす1次蛇行体を得る蛇行工程と、(iii)1次蛇行体のうち互いに対面する正極シート同士を互いに接近させると共に、1次蛇行体のうち互いに対面する負極シート同士を互いに接近させるように、つづら折り形状をなす1次蛇行体を1次蛇行体の積層方向に加圧体で加圧させ、且つ、線状可動体を1次蛇行体から離脱させることにより、厚み方向においてセパレータシートを正極シート層および負極シート層で挟んだ構造を有するつづら折り形状をなす2次蛇行体を得る加圧工程と、(iv)加圧体と2次蛇行体とを分離させる分離工程とを順に実施することを特徴とする。
本発明に係る電池積層体の製造方法によれば、厚み方向に正極シート、セパレータシートおよび負極シートに積層された構造をもつ積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなる電池積層体が得られる。積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなるため、電池としての出力を確保しつつ、コンパクト化を図り得る。電池積層体は、積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなる。このため、積層シートをロール形状に巻回した構造に比較して、熱こもりの不具合を抑えるのに有利となる。
(2)本発明に係る電池積層体の製造装置は、本発明に係る電池積層体の製造方法を実施できる装置であり、(i)セパレータシートと、セパレータシートの厚み方向においてセパレータシートを挟むように設けられた正極シートおよび負極シートとを、これらが延設する方向に沿って互いに並走させることにより積層シートを形成する積層シート形成要素と、(ii)積層シートの表面に沿った一次元方向に延びる複数の線状可動体を備え、セパレータシートの厚み方向に沿って積層シートに向けて線状可動体を押しつけることにより積層シートを変形させ、つづら折り形状をなす1次蛇行体を得る線状可動体群と、(iii)つづら折り形状をなす1次蛇行体のうち互いに対面する正極シート同士を互いに接近させると共に、つづら折り形状をなす1次蛇行体のうち互いに対面する負極シート同士を互いに接近させるように、1次蛇行体を加圧させる加圧体とを具備することを特徴とする。
本発明に係る電池積層体の製造装置によれば、厚み方向に正極シート、セパレータシートおよび負極シートに積層された積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなる電池積層体が得られる。電池積層体は、積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなるため、電池としての出力を確保しつつ、コンパクト化を図り得る。電池積層体は、積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなる。このため、積層シートをロール形状に巻回した構造に比較して、熱こもりの不具合を抑えるのに有利となる。
(3)本発明に係る電池積層体は、厚み方向に正極シート、セパレータシートおよび負極シートに順に積層された構造をもつ積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなることを特徴とする。積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなるため、電池としての出力を確保しつつ、コンパクト化を図り得る。電池積層体は、積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなる。このため、積層シートをロール形状に巻回した構造に比較して、熱こもりの不具合を抑えるのに有利となる。
本発明によれば、厚み方向に正極シート、セパレータシートおよび負極シートに積層された積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなる電池積層体が簡便に得られる。従って電池積層体の生産性が良好となる。電池積層体は、積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなる。このため、積層シートをロール形状に巻回した構造に比較して、熱こもりの不具合を抑えるのに有利となる。
実施形態1に係り、製造装置の概念を示す概念図である。 実施形態1に係り、第1線状可動体をもつ駆動装置の概念を示す概念図である。 実施形態1に係り、第2線状可動体をもつ駆動装置の概念を示す概念図である。 実施形態1に係り、製造装置の第1線状可動体および第2線状可動体で1次蛇行体を形成する概念を示す概念図である。 実施形態1に係り、製造装置の第1加圧体で1次蛇行体を加圧している第1加圧工程の概念を示す概念図である。 実施形態1に係り、製造装置の第1加圧体および第2加圧体で1次蛇行体を加圧している第2加圧工程の概念を示す概念図である。 実施形態1に係り、製造装置で製造された2次蛇行体の概念を示す概念図である。 実施形態1に係り、製造装置で製造された2次蛇行体に正極タブ端子および負極タブ端子の概念を示す概念図である。 実施形態2に係り、製造装置で第1蛇行体を形成している概念を示す概念図である。 実施形態2に係り、製造装置で形成した第1蛇行体を第1加圧体で加圧する概念を示す概念図である。 実施形態2に係り、製造装置で形成した第1蛇行体を第1加圧体および第2加圧体で加圧する概念を示す概念図である。 実施形態3に係り、正極シートの概念を示す概念図である。 実施形態3に係り、負極シートの概念を示す概念図である。 実施形態4に係り、積層シートの概念を示す概念図である。 実施形態5に係り、正極シート、セパレータシート、負極シートとの配置関係を示す概念図である。 実施形態5に係り、正極シート、セパレータシート、負極シートをつづら折り形状に曲成している状態を示す断面図である。 実施形態5に係り、正極タブ端子および負極タブ端子を組み付けた状態を模式的に示す図である。 実施形態6に係り、正極シート、セパレータシート、負極シートとの配置関係を示す概念図である。 実施形態6に係り、正極シート、セパレータシート、負極シートをつづら折り形状に曲成している状態を示す断面図である。 実施形態6に係り、正極タブ端子および負極タブ端子を組み付けた状態を模式的に示す図である。
本発明に係る電池積層体の製造方法によれば、好ましくは、加圧工程は、(i)1次蛇行体を加圧する第1加圧体を用いると共に、線状可動体が取り付けられた1次蛇行体を用い、1次蛇行体の正極シート同士を互いに接近させると共に、1次蛇行体の負極シート同士を互いに接近させるように、つづら折り形状をなす1次蛇行体に線状可動体を取り付けた状態で、1次蛇行体を第1加圧体で加圧させる1次加圧工程と、(ii)線状可動体を1次蛇行体から離脱させる離脱工程と、(iii)その後、1次蛇行体を加圧する第2加圧体と、線状可動体が離脱された1次蛇行体とを用い、1次蛇行体の正極シート同士を互いに接近させると共に、1次蛇行体の負極シート同士を互いに接近させつつ、つづら折り形状をなす1次蛇行体の外縁部を1次蛇行体の積層方向において第2加圧体で加圧させることにより、厚み方向においてセパレータシートを正極シート層および負極シート層で挟んだ構造を有するつづら折り形状をなす2次蛇行体を得る2次加圧工程とを順に実施することができる。
本発明に係る電池積層体の製造装置によれば、好ましくは、加圧体は、(i)線状可動体が取り付けられたつづら折り形状をなす1次蛇行体に線状可動体を取り付け状態において、1次蛇行体の正極シート同士を互いに接近させると共に1次蛇行体の負極シート同士を互いに接近させるように、1次蛇行体を1次蛇行体の積層方向において加圧させる第1加圧体と、(ii)線状可動体が1次蛇行体から離脱された状態で、つづら折り形状をなす1次蛇行体の外縁部を加圧させる第2加圧体とを有する。
本発明に係る製造方法、製造装置および電池積層体の好ましい形態によれば、正極シートは、第1金属シートと、露出する第1導電部を形成するように第1金属シートの表裏に積層された正極活物質層とを有しており、負極シートは、第2金属シートと、露出する第2導電部を形成するように第2金属シートの表裏に積層された負極活物質層とを有する。この場合、好ましくは、セパレータシートは、2次蛇行体の積層方向と交差する方向において、正極シートの正極活物質層の端面から外方に突出する第1絶縁突出部をもつ。好ましくは、セパレータシートは、2次蛇行体の積層方向と交差する方向において、負極シートの負極活物質層の端面から外方に突出する第2絶縁突出部をもつ。この場合、正極シートおよび負極シートの電気的な短絡が抑制される。第1導電部は、第1導電部を延伸変形させ得る延伸部を有することが好ましい。第2導電部は、第2導電部を延伸変形させ得る第2延伸部を有することが好ましい。第1延伸部および第2延伸部のうち一方または双方を形成できる。
(実施形態1)
図1は実施形態1の概念を示す。本実施形態で製造される電池積層体は、電子の吸着および脱離を伴うキャパシタ等の物理電池、あるいは、酸化還元反応を伴う化学電池に適用できる。本実施形態に係る電池積層体の製造装置は、図1に示すように、主として、積層シート形成要素1と、一次元方向(図1の紙面垂直方向)に延びる複数の第1線状可動体51,第2線状可動体52を備える線状可動体群5と、加圧体6とを備える。図1に示すように、積層シート形成要素1は、シート状をなす電気絶縁性をもつセパレータシート2を巻回するセパレータシート巻回体20と、正極シート3を巻回する正極シート巻回体30と、負極シート4を巻回する負極シート巻回体40とを有する。セパレータシート巻回体20は軸線20aまわりで回転する。正極シート巻回体30は軸線30a回りで回転する。負極シート巻回体40は軸線40a回りで回転する。
図1に示すように、線状可動体群5は、一次元方向(横方向,図1の紙面垂直方向)に沿って延びる複数の第1線状可動体51と、一次元方向(横方向,図1の紙面垂直方向)に延びる複数の第2線状可動体52とを備えている。複数の第1線状可動体51は線状、軸状または棒状のいずれかをなしており、上下方向(矢印Y1,Y2方向)において互いに並行とされている。複数の第1線状可動体51は、線状、軸状または棒状のいずれかをなしており、他の一次元方向である矢印X10方向および矢印X11方向(横方向)に沿って移動できる。すなわち、各第1線状可動体51は矢印X10方向に沿って第2線状可動体52に向けて連動して移動できる。複数の第2線状可動体52は線状、軸状または棒状のいずれかをなしており、上下方向(矢印Y1,Y2方向)において互いに並行とされている。複数の第2線状可動体52は、他の1次元方向である矢印X20方向および矢印X21方向(横方向)に沿って移動できる。すなわち、各第2線状可動体52は矢印X20方向に沿って第1線状可動体51に向けて連動して移動できる。
図2に示すように、各第1線状可動体51は、第1駆動源510により矢印Z10および矢印Z11方向(第1線状可動体51の延びる方向)に沿って移動可能とされている。第2線状可動体52は、第2駆動源520により矢印Z20および矢印Z21方向(第2線状可動体52の延びる方向)に沿って移動可能とされている。ここで、図1から理解できるように、第1線状可動体51が矢印X10方向(横方向)に向けて移動すると共に第2線状可動体52が矢印X20方向に向けて移動すると、第1線状可動体51および第2線状可動体52は、互いに接近する方向に移動し、セパレータシート2の厚み方向、つまり積層シート7の厚み方向(矢印t方向)に沿って積層シート7に向けて押しつけられる。これにより積層シート7をつづら折り形状に変形させることができる(図3参照)。結果として、つづら折り形状をなす図3に示す1次蛇行体71が得られる。
図1に示すように、加圧体6は線状可動体群5の上方に配置されている。加圧体6は、下向きの平坦な第1加圧面61sをもつ第1加圧体61と、下向きの平坦な第2加圧面62sをもつ第2加圧体62とを備える。第1加圧体61は第2加圧体62の凹部63に出没可能に収容されている。第1加圧体61と第2加圧体62との間には、複数または単数の付勢部材64が配置されている。付勢部材64は例えばばねで形成されているが、発泡体としても良い。通常時には、付勢部材64は、第1加圧体61の第1加圧面61sを第2加圧体62の第2加圧面62sからΔE浮上させている。第1線状可動体51が取り付けられたつづら折り形状をなす1次蛇行体71に第1線状可動体51を取り付けた状態において、第1加圧体61の第1加圧面61sは、1次蛇行体71の上面71uを下方向(矢印Y2方向)に加圧させるものである。複数の線状可動体51,52が1次蛇行体71から離脱された状態で、第2加圧体62の第2加圧面62sは、つづら折り形状をなす1次蛇行体71の上面71uのうち主として外縁部710(図5,図6参照)を加圧させるものである。
次に製造方法について説明する。まず、並走工程では、図1に示すように、セパレータシート2を多重に巻回するセパレータシート巻回体20と、正極シート3を多重に巻回する正極シート巻回体30と、負極シート4を多重に巻回する負極シート巻回体40とが、加圧体6と干渉しない位置に設置されている。セパレータシート巻回体20、正極シート巻回体30、負極シート巻回体40がそれぞれ同方向(巻き戻し方向)に回転すると、セパレータシート2、正極シート3、負極シート4は巻き戻され、それぞれ下方向(矢印Y2方向,並走方向)に並走される。この場合、セパレータシート巻回体20、正極シート巻回体30、負極シート巻回体40自体が回転源を有しており、回転源の回転によりセパレータシート巻回体20、正極シート巻回体30、負極シート巻回体40が軸線20a,30a,40aの回りで回転することにしても良い。あるいは、セパレータシート巻回体20に巻回されているセパレータシート2、正極シート巻回体30に巻回されている正極シート3、負極シート巻回体40に巻回されている負極シート4の各先端を、図略の引張部材により下方(矢印Y2方向)にそれぞれ引っ張ることにより、セパレータシート巻回体20、正極シート巻回体30、負極シート巻回体40が従動回転することにしても良い。
そして、図1に示すように、セパレータシート2と、セパレータシート2の厚み方向においてセパレータシート2を挟むように設けられた正極シート3および負極シート4を、これらが延設する方向(矢印L方向)に沿って互いに並走させる。これにより積層シート7を得る。これにより厚み方向において正極シート3、セパレータシート2および負極シート4がこの順に積層されたシート状の積層シート7を形成する(図1参照)。セパレータシート2、負極シート4および正極シート3をほぼ並行となるように並走させた状態で、積層シート7は下方(矢印Y2方向)に所定速度で移動する。
次に蛇行工程を実施する。蛇行工程では、複数の第1線状可動体51および第2線状可動体52を、積層シート7の厚み方向(矢印t方向)に沿って、つまり、セパレータシート2の厚み方向に沿って、積層シート7に向けて押しつける。これにより図4に示すように、積層シート7をつづら折り形状(ジグザグ形状)に変形させ、つづら折り形状をなす1次蛇行体71を得る。具体的には、蛇行工程では、図4に示すように、各第1線状可動体51がこれの原位置から矢印X10方向に向けて水平方向に沿って移動すると共に、各第2線状可動体52がこれの原位置から矢印X20方向に向けて水平方向に沿って移動する。この結果、各第1線状可動体51および各第2線状可動体52は、積層シート7の厚み方向(矢印t方向)に沿って、つまり、セパレータシート2の厚み方向に沿って積層シート7に向けて押しつけられる。これにより積層シート7を複数の第1曲成部73,複数の第2曲成部74(図4参照)で曲成させ、つづら折り形状に変形させる。この場合、積層シート7を重力を利用してつづら折り形状に変形させることができる。
結果として、つづら折り形状(ジグザグ形状)をなす1次蛇行体71(図4参照)を得る。図4から理解できるように、つづら折り形状は、S字形状および逆S字形状が交互に繰り返された形状を意味する。換言すると、つづら折り形状は、C字形状および逆C字形状が交互に繰り返された形状を意味する。図4に示すように、つづら折り形状をなす1次蛇行体71は、複数の第1線状可動体51で形成された複数の第1曲成部73を備えると共に、複数の第2線状可動体52で形成された複数の第2曲成部74を備える。曲成部73,74は、第1蛇行体71において互いに反対方向に位置する。
次に加圧工程を実施する。加圧工程では、つづら折り形状をなす1次蛇行体71を加圧体6で加圧させ、且つ、線状可動体51,52を1次蛇行体71から抜き取り離脱させる。1次蛇行体71は、セパレータシート2をこれの厚み方向に正極シート3および負極シート4で挟んだ3層構造を有する。加圧工程は、線状可動体51,52が1次蛇行体71に取り付けられている状態で実行される第1加圧工程と、線状可動体51,52が1次蛇行体71から抜き取られた状態で実行される第2加圧工程とを有する。具体的には第1加圧工程では、1次蛇行体71を加圧する第1加圧体61を用いると共に、第1線状可動体51および第2線状可動体52が取り付けられたつづら折り形状をなす1次蛇行体71を用いる。
そして第1加圧工程では、図5に示すように、加圧体6を第1次蛇行体71に上側から下方(矢印Y2方向)に向けて接近(接近は接触形態も含む)させる。これにより、つづら折り形状をなす1次蛇行体71に第1線状可動体51および第2線状可動体52が取り付けられた状態で、つづら折り形状をなす1次蛇行体71のうち露出面である上面71uの中央領域71ucを、第1加圧体61の第1加圧面61sで上側から下方向(矢印Y2方向)に向けて加圧させる。そして、図5に示すように、つづら折り形状をなす1次蛇行体71のシート同士を積層させつつ互いに接近させる。すなわち、第1加圧工程では、図5に示すように、第1加圧体61の第1加圧面61sは、1次蛇行体71の上面71uの中央領域71uc(第1線状可動体51および第2線状可動体52が存在する部分を除く)を加圧させているものの、第2加圧体62の第2加圧面62sは、第1加圧体61の第1加圧面61sよりもΔE退避している。このため、加圧体6は、1次蛇行体71の上面71uおよび第1線状可動体51および第2線状可動体52を加圧させていない。このため、第1線状可動体51同士は下方(矢印Y2方向)に強く加圧されていない。同様に、第2線状可動体52同士は矢印Y2方向に強く加圧されていない。この結果、つづら折り形状をなす1次蛇行体71の上面71uの中央領域71ucのうち、第1線状可動体51および第2線状可動体52が存在する部分(セパレータシート2,正極シート3,負極シート4)が損傷することが抑制される。このように第1加圧工程では、線状可動体51,52が1次蛇行体71に取り付けられているため、1次蛇行体71を第1加圧体61で圧縮方向に加圧させたとしても、1次蛇行体71のつづら折り形状が大きく損なわれることが抑制される利点が得られる。ひいては1次蛇行体71の形状精度、ひいては2次蛇行体72の形状精度が得られる。
第1加圧工程を実施した後、離脱工程を実施する。離脱工程では、第1線状可動体51を、図1および図4の紙面垂直方向(図2における矢印Z11方向,横方向)に移動させることにより、第1線状可動体51を1次蛇行体71から離脱させる。同様に、第2線状可動体52を、図1および図4の紙面垂直方向(図3における矢印Z21方向)に移動させることにより、第2線状可動体52を1次蛇行体71から離脱させる。ここで、第1線状可動体51および第2線状可動体52は1次元方向(矢印Z10,Z20方向)に延設された線状、軸状または棒状をなしている。このため、第1線状可動体51および第2線状可動体52の離脱は容易である。なお、第1線状可動体51および第2線状可動体52がフッ素樹脂膜等の固体潤滑膜を有する場合には、第1線状可動体51および第2線状可動体52の離脱は一層容易である。
離脱工程を実施した後に第2加圧工程を実施する。第2加圧工程では、図6に示すように、1次蛇行体71を加圧する第2加圧体62を用いると共に、線状可動体51,52が離脱された1次蛇行体71を用いる。そして図6に示すように、つづら折り形状をなす1次蛇行体71の上面71uの中央領域71ucを第1加圧体61の第1加圧面61sで加圧させつつ、つづら折り形状をなす1次蛇行体71の上面71uの外縁部710を第2加圧体62の第2加圧面62sで加圧させる。このようしてセパレータシート2の厚み方向において、セパレータシート2を正極シート3および負極シート4で挟んだ3層積層構造を有するつづら折り形状をなす2次蛇行体72を得る2次加圧工程を実施する。2次蛇行体72は、正極シート3,セパレータシート2,負極シート4を挟んだ積層シート7をつづら折り形状(ジグザグ形状)に連続的に曲成させたものである。
図7は2次蛇行体72の概念を模式的に示す。図7から理解できるように、1次蛇行体71のうち互いに対面する正極シート3同士を互いに接近または接触させると共に、1次蛇行体71のうち互いに対面する負極シート4同士を互いに接近または接触させる。これにより電池積層体を形成するための2次蛇行体72のコンパクト化を図り得る。
その後、分離工程を実施する。分離工程では、加圧体6を上方(矢印Y1方向,2次蛇行体72から離間させる方向)に移動させ、加圧体6と2次蛇行体72とを互いに分離させる。このようなつづら折り形状をなす2次蛇行体72が得られる。図7は2次蛇行体72を示す。図7に示すように、このようなつづら折り形状をなす2次蛇行体72は、複数の第1曲成部73および複数の第2曲成部74を互いに反対側に有する。2次蛇行体72では、正極シート3、セパレータシート2および負極シート4が積層された状態において、S字形状および逆S字形状として交互に繰り返されたジグザグ形状となっている。換言すると、図7から理解できるように、正極シート3、セパレータシート2および負極シート4が、C字形状および逆C字形状が交互に繰り返されたジグザグ形状となっている。この場合、図7に示すように、2次蛇行体72のうち互いに対向する正極シート3同士を互いに接近させると共に、1次蛇行体71のうち互いに対向する負極シート4同士を互いに接近させている。第1曲成部73では正極シート3が曲げ外周を形成し、負極シート4が曲げ内周を形成する。第2曲成部74では負極シート4が曲げ外周を形成し、正極シート3が曲げ内周を形成する。従って、図7から理解できるように、正極シート3は曲げ外周および曲げ内周を交互に形成する。負極シート4は曲げ外周および曲げ内周を交互に形成する。曲げ内周は圧縮を発生させる。曲げ外周は引張を発生させる。このように曲げ内周および曲げ外周が交互に存在するため、正極シート3の過剰な引っ張りおよび圧縮は抑制される。負極シート4はセパレータシート2は正極シート3および負極シート4で挟まれているため、中立線に位置することになる。
図7に示すように、矢印W3方向(つづら折り形状の積層方向)に沿って、正極シート3a、セパレータシート2a、負極シート4a、更に、負極シート4b、セパレータシート2b、正極シート3b、正極シート3c、セパレータシート2c、負極シート4c、更に、負極シート4d、セパレータシート2d、正極シート3d、更に、正極シート3e、セパレータシート2e、負極シート4eが順に配置されている。ここで負極シート4a、4bは互いに対面する。正極シート3d,3eは互いに対面する。
図8は、つづら折り形状をなす2次蛇行体72に正極タブ端子75および負極タブ端子76を溶接等で取り付けた状態の電池積層体を示す。図8に示すように、つづら折り形状をなす2次蛇行体72の正極シート3には、導電性をもつ正極タブ端子75(正極端子)が接続されている。つづら折り形状をなす2次蛇行体72の負極シート4には、導電性をもつ負極タブ端子76(負極端子)が接続されている。矢印W3方向はつづら折り形状の積層方向を示す。矢印W5方向はタブ端子75,76を結ぶ方向を示す。矢印W4方向は矢印W3,W5方向と交差する方向を示し、曲成部73と曲成部74とを繋ぐ方向を示す(図7参照)。
このような本実施形態に係る電池積層体は、電解液等の電解質材料とともに容器(図略)に装入されて、電子の吸着および脱離を伴うキャパシタ等の物理電池、あるいは、酸化還元反応を伴う化学電池に適用できる。
(実施形態2)
図9〜図11は実施形態2に係る製造装置の要部を示す。本実施形態は前記した実施形態1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図1〜図8を準用できる。本実施形態においても、図9〜図11に示すように、各第1線状可動体51は線状または棒状をなしており、第1駆動源510(第1流体圧シリンダ装置)により矢印Z10方向および矢印Z11方向(横方向)に沿って移動可能とされている。各第2線状可動体52は線状または棒状をなしており、第2駆動源520(第2流体圧シリンダ装置)により矢印Z20方向および矢印Z21方向(横方向)に沿って移動可能とされている。更に、図9〜図11に示すように、第1線状可動体51を有する第1駆動源510は、それぞれ第1昇降用装置81に一体的に接続されている。各第1昇降用装置81は、高さ方向(矢印Y1,Y2方向)に延びる第1案内軸810に沿って移動して矢印Y1,Y2方向に沿ってそれぞれ昇降可能とされている。同様に、第2線状可動体52を有する第2駆動源520はそれぞれ第2昇降用装置82に接続されている。各第2昇降用装置82は、高さ方向(矢印Y1,Y2方向)に延びる第2案内軸820に沿って移動して矢印Y1,Y2方向に沿ってそれぞれ昇降可能とされている。
さらに、図9〜図11に示すように、第1線状可動体51を矢印X10方向および矢印X11方向に移動させるための第1前後移動用移動装置91が設けられている。第1前後移動用移動装置91は、横方向(矢印X10方向)に沿って延びる前後用第1移動軸910に沿ってつまり矢印X10方向および矢印X11方向に沿って移動可能とされている。第1前後移動用移動装置91が前後用第1移動軸910に沿ってつまり矢印X10方向および矢印X11方向に沿って移動すると、全部の第1昇降用装置81および全部の第1線状可動体51は、矢印X10方向および矢印X11方向に沿って連動して移動することができる。
同様に、図9〜図11に示すように、第2線状可動体52を矢印X20方向および矢印X21方向に移動させるための第2前後移動用移動装置92が設けられている。第2前後移動用移動装置92は、前後用第2移動軸920に沿ってつまり矢印X20方向および矢印X21方向に沿って移動可能とされている。第2前後移動用移動装置92が前後用第2移動軸920に沿ってつまり矢印X20方向および矢印X21方向に沿って移動すると、全部の第2昇降用装置82および全部の第1線状可動体51は、矢印X20方向および矢印X21方向に沿って移動することができる。第1前後移動用移動装置91および第2前後移動用移動装置92は、1次蛇行体71を挟む位置に設けられている。
蛇行工程では、第1昇降用装置81は昇降用第1案内軸810に沿って高さ方向(矢印Y1,Y2方向)に移動し、図9に示すように、第1昇降用装置81同士の間隔は広げられている。同様に、第2昇降用装置82は昇降用第2案内軸820に沿って高さ方向(矢印Y1,Y2方向)に移動し、第1昇降用装置81同士の間隔は広げられている。
さらに蛇行工程では、第1駆動源510(第1流体圧シリンダ装置)の駆動により各第1線状可動体51を矢印Z10方向に向けて移動させている。同様に、第2駆動源520(第2流体圧シリンダ装置)の駆動により各第2線状可動体52を矢印Z20方向に向けて移動させている。
上記したように蛇行工程では、第1前後移動用移動装置91が作動して矢印X10方向に移動し、ひいては各第1線状可動体51が矢印X10方向に連動して移動する。第2前後移動用移動装置92が作動して矢印X20方向に移動し、ひいては各第2線状可動体52が矢印X20方向に連動して移動する。これにより積層シート7がつづら折り形状に変形される。この結果、つづら折り形状(ジグザク形状)をなす1次蛇行体71が形成される。
上記した蛇行工程では、図9から理解できるように、第1線状可動体51を矢印X10方向に向けて移動させた後、第2線状可動体52を矢印X20方向に向けて移動させることにしても良い。あるいは、第2線状可動体52を矢印X20方向に向けて移動させた後、第1線状可動体51を矢印X10方向に向けて移動させることにしても良い。あるいは、第2線状可動体52を矢印X20方向に向けて移動させると同時に、第1線状可動体51を矢印X10方向に向けて移動させることにしても良い。
図10は第1加圧工程を示す。第1加圧工程では、複数の第1昇降用装置81が第1案内軸810に沿って矢印Y2方向に下降し、複数の第1昇降用装置81同士の間隔が狭くなる。同様に、複数の第2昇降用装置82が第2案内軸820に沿って矢印Y2方向に下降し、複数の第2昇降用装置82同士の間隔が狭くなる。図10に示すように、第1加圧体61が矢印Y2方向に下降して1次蛇行体71の上面71uを下方(矢印Y2方向)に加圧する。
第1加圧工程を実施した後、離脱工程を実施する。離脱工程では、図11に示すように第1駆動源510により第1線状可動体51を矢印Z11方向に移動させることにより、第1線状可動体51を1次蛇行体71から離脱させる。同様に、第2駆動源520により第2線状可動体52を矢印Z21方向に移動させることにより、第2線状可動体52を1次蛇行体71から離脱させる。ここで、第1線状可動体51および第2線状可動体52は1次元方向(矢印Z11,Z21方向)に延設された線状または棒状をなしているため、第1線状可動体51および第2線状可動体52の離脱は容易である。
離脱工程を実施した後に第2加圧工程を実施する。第2加圧工程では、図11に示すように、つづら折り形状をなす1次蛇行体71の上面71uの中央域を第1加圧体61の第1加圧面61sで加圧させつつ、つづら折り形状をなす1次蛇行体71の上面71uの外縁部710を第2加圧体62の第2加圧面62sで加圧させる。このようにしてつづら折り形状をなす2次蛇行体72(図11参照)を得る。このような第2実施形態で製造された2次蛇行体72は電池積層体を形成する。電池積層体は、実施形態1と同様に、電子の吸着および脱離を伴うキャパシタ等の物理電池、あるいは、酸化還元反応を伴う化学電池に適用できる。
(実施形態3)
図12および図13は実施形態3を示す。本実施形態は前記した実施形態1,2と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図1〜図11を準用できる。第3実施形態で製造された電池積層体は、電子の吸着および脱離を伴うキャパシタ等の物理電池に適用できる。図12は正極シート3の断面を示す。正極シート3は、正極用貫通孔を有するアルミニウムまたはアルミニウム合金(金属)で形成された導電シートとして機能する第1金属シート311と、第1金属シート311の一面に積層された第1活性炭層312(第1正極活物質層)と、第1金属シート311の他面に積層された第2活性炭層313(第2正極活物質層)とを有する。正極用貫通孔314は、電解液を通過させて電解液が存在しない領域を減少させるために第1金属シート311に設けられている。図13は負極シート4の断面を示す。負極シート4は、銅または銅合金等の金属で形成された導電シートとして機能する第2金属シート411と、第2金属シート411の一面に積層された第1黒鉛層412(第1負極活物質層)と、第2金属シートの他面に積層された第2黒鉛層413(第2負極活物質層)とを有する。負極用貫通孔414は、電解液を通過させて電解液が存在しない領域を減少させるために第2金属シート411に設けられている。なお、第1黒鉛層412および第2黒鉛層413に代えて活性炭層を採用しても良い。
(実施形態4)
図14は実施形態4を示す。本実施形態は前記した実施形態1,2と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図1〜図11を準用できる。第4実施形態で製造された電池積層体は、酸化還元反応を伴う化学電池(1次電池または2次電池)に適用でき、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等に適用できる。図14に示すように、正極シート3、セパレータシート2、負極シート4の順に積層されている。正極シート3の正極活物質としてはリチウム含有二酸化マンガン、コバルト酸リチウム、スピネルマンガン酸化物等が例示される。セパレータシート2としては電気絶縁性をもつ不織布、織布等で形成できる。負極シート4の負極活物質としては金属リチウム、リチウム−アルミニウム、リチウム−ニッケル等のリチウム合金、ニッケル水酸化物が例示される。
(実施形態5)
図15〜図17は実施形態5を示す。本実施形態は前記した実施形態1,2と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図1〜図6を準用できる。図15は正極シート3、セパレータシート2、負極シート4の配置関係を示す。正極シート3は、アルミニウムまたはアルミニウム合金(金属)等の金属で形成された第1金属シート341と、第1金属シート341の一面341fに被覆された第1正極活物質層342と、第1金属シート341の他面341sに被覆された第2正極活物質層343とを有する。第1金属シート341のうち第1導電部345(Mで示す範囲)には、第1正極活物質層342および第2正極活物質層343が被覆されていない。正極活物質層342,343は端面346m,346nをもつ。第1金属シート341には貫通孔が形成されていても、形成されていなくても良い。
図15に示すように、負極シート4は、銅または銅合金等の金属で形成された第2金属シート441と、第2金属シート441の一面441fに被覆された第1負極活物質層442と、第2金属シート441の他面441sに被覆された第2負極活物質層443とを有する。第2負極活物質層443は端面446m,446nをもつ。第2金属シート441のうち第2導電部445(Nで示す範囲)には、第1負極活物質層442および第2負極活物質層443が被覆されていない。第2金属シート441には貫通孔が形成されていても、形成されていなくても良い。セパレータシート2は、電解液を透過させると共に電気絶縁性をもつ構造または材料で形成されている。図15に示すように、セパレータシート2の一端2fは、矢印W5方向において、正極シート3のうち第1正極活物質層342および第2正極活物質層343の端面346mよりもΔC1ぶん外方に突出し、絶縁突出部2p(第1絶縁突出部)を形成する。セパレータシート2の他端2sは、矢印W5方向において、負極シート4のうち第1負極活物質層442および第2負極活物質層443の端面446mよりもΔC2ぶん外方に突出し、絶縁突出部2p(第2絶縁突出部)を形成する。これにより正極シート3、セパレータシート2および負極シート4からなる積層シート7がつづら折り形状(ジグザグ形状)に組み付けられた組付時において、正極シート3と負極シート4との間における電気的な短絡が抑制される。なお矢印W5方向は、矢印W3,W4方向と直交する方向を示す。
図16は、正極シート3、セパレータシート2および負極シート4がつづら折り形状(ジグザグ形状)に曲成されてある程度、組み付けられた組付状態を示す。図16は、図7において矢印W5方向に沿って切断した断面の概念図を模式的に示す。図16に示すように、矢印W3方向(積層方向)に沿って、正極シート3a、セパレータシート2a、負極シート4aが配置され、更に、負極シート4b、セパレータシート2b、正極シート3bが配置され、更に正極シート3c、セパレータシート2c、負極シート4cが配置され、更に負極シート4d、セパレータシート2d、正極シート3dが配置され、正極シート3e、セパレータシート2e、負極シート4eが順に配置されている。ここで、正極シート3b,3cが互いに対面する。負極シート4c,4dが互いに対面する。正極シート3d,3eが対面する。
図16から理解できるように、正極シート3のうち第1正極活物質層342および第2正極活物質層343は、基本的には範囲KAの範囲内に設定される。負極シート3のうち第1負極活物質層442および第2負極活物質層443は、基本的には範囲KAの範囲内に設定される。組付状態を示す図16から理解できるように、セパレータシート2の一端2fおよび他端2sは、矢印W5方向において、範囲KAよりも外方に突出して絶縁突出部2pを形成する。この結果、正極シート3、セパレータシート2および負極シート4がつづら折り形状(ジグザグ形状)に組み付けられる組付時において、正極シート3と負極シート4との間における電気的な短絡は、セパレータシート2の絶縁突出部2pにより抑制される。
更に、図16に示すように、正極シート3の第1金属シート341の複数の第1導電部345は、矢印W5方向において外方に突出する。同様に、負極シート4の第2金属シート441の複数の第2導電部445は、矢印W5方向において外方に突出する。このため、前記した加圧工程において、第1金属シート341の第1導電部345同士をこれらの厚み方向(矢印t1方向)に加圧して加圧部分500を形成し、加圧部分500において複数の第1導電部345同士を密接または接合させる。このとき、この加圧分500に正極タブ端子75(正極端子)を結合させる。同様に、第2金属シート441の複数の第2導電部445同士をこれらの厚み方向(矢印t2方向)に加圧して加圧部分520を形成し、加圧部分520において複数の第2導電部445同士を密接または接合させる。このとき、この加圧部分520に負極タブ端子76(負極端子)を結合させる。結合は溶接または半田付けが例示される。この状態においても、正極シート3、セパレータシート2および負極シート4がつづら折り形状(ジグザグ形状)に組み付けられる組付時において、正極シート3と負極シート4との間における電気的な短絡は、セパレータシート2の絶縁突出部2pにより抑制される。
(実施形態6)
図18〜図20は実施形態6を示す。本実施形態は前記した実施形態1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図1〜図6を準用できる。図18は図15に相当する。図19は図16に相当する。図20は図17に相当する。図18および図19に示すように、正極シート3の第1金属シート341のうち第1導電部345には、断面で波形状の延伸部349が形成されている。負極シート4の第2金属シート441のうち第2導電部445には、断面で波形状の延伸部449が形成されている。図19は、正極シート3、セパレータシート2および負極シート4がつづら折り形状(ジグザグ形状)に曲成されてある程度、組み付けられた組付状態を示す。図19に示すように、正極シート3の第1金属シート341の複数の第1導電部345は、外方に突出しつつ、第1延伸部349をもつ。同様に、負極シート4の第2金属シート441の複数の第2導電部445は、外方に突出しつつ、第2延伸部449をもつ。このため、前記した加圧工程において、第1金属シート341の第1導電部345同士をこれらの厚み方向(矢印t1方向)に加圧して加圧部分500を形成する。加圧部分500において複数の第1導電部345同士を密接または接合させる。このとき、第1導電部345において延伸部349の伸びが期待できる。このため、変形される第1導電部345が正極活物質層342,343に過剰な応力を与えることが低減される。よって、正極活物質層342,343に過剰な負荷応力が作用することが抑制され、正極活物質層342,343の保護性および耐久性が向上される。この場合、前述同様に、この加圧部分500に正極タブ端子75(正極端子)を結合させる。
同様に、第2金属シート441の複数の第2導電部445同士をこれらの厚み方向(矢印t2方向)に加圧して加圧部分520を形成し、加圧部分520において複数の第2導電部445同士を密接または接合させる。このとき本実施形態によれば、第2導電部445が変形されるとき、延伸部449の伸びが期待できる。このため、変形される第2導電部445が負極活物質層442,443に過剰な応力を与えることが低減される。よって、このため、負極活物質層442,443に過剰な負荷応力が作用することが抑制され、負極活物質層442,443の保護性および耐久性が向上される。この加圧部分520に負極タブ端子76(負極端子)を結合させる。結合は溶接または半田付けが例示される。延伸部349,449は断面で山部が1個の1波形状とされているが、山部が2個の2波形状でも良く、更には、断面で蛇腹形状でも良く、要するに長さが延び得る形状または構造であれば良い。勿論、延伸部349,449は必須できなく、必要に応じて形成すれば良いものである。
(その他)本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。つづら折り形状の折り回数は特に限定されるものではなく、適宜設定できる。図1に示す形態では、積層シート7は下方向(矢印Y2方向)に下降するが、これに限らず、横方向に沿って搬送される形態としても良い。この場合には、線状可動体51,52は上下方向に沿って移動することにより積層シート7をつづら折り形状(ジグザグ形状)とさせ、加圧体6は横方向に沿って移動する。付勢部材64はばねに限らず、発泡体としても良い。第1加圧体61および第2加圧体62は互いに分離されていても良い。。
本発明は電池に適用できる。電池は、電子の吸着および脱離を伴うキャパシタ等の物理電池と、酸化還元反応を伴う化学電池とに利用することができる。
1は積層シート形成要素、2はセパレータシート、20はセパレータ巻回体、3は正極シート、30は正極シート巻回体、4は負極シート、40は負極シート巻回体、5は線状可動体群、51は第1線状可動体、52は第2線状可動体、6は加圧体、61は第1加圧体、62は第2加圧体、63は凹部、64は付勢部材、7は積層シート、71は1次蛇行体、710は外縁部、72は2次蛇行体、73は第1曲成部、74は第2曲成部、75は正極タグ端子、76は負極タグ端子を示す。

Claims (7)

  1. セパレータシートと、前記セパレータシートの厚み方向において前記セパレータシートを挟むように設けられた正極シートおよび負極シートとを、これらが延設する方向に沿って互いに並走させることにより積層シートを得る並走工程と、
    前記積層シートの表面に沿った一次元方向に延びる複数の線状可動体からなる線状可動体群を、前記セパレータシートの厚み方向に沿って前記積層シートに向けて押しつけることにより前記積層シートを変形させ、つづら折り形状をなす1次蛇行体を得る蛇行工程と、
    前記1次蛇行体のうち互いに対向する前記正極シート同士を互いに接近させると共に、前記1次蛇行体のうち互いに対向する前記負極シート同士を互いに接近させるように、つづら折り形状をなす前記1次蛇行体を前記1次蛇行体の積層方向に加圧体で加圧させ、且つ、前記線状可動体を前記1次蛇行体から離脱させることにより、厚み方向において前記セパレータシートを前記正極シートおよび前記負極シートで挟んだ構造を有するつづら折り形状をなす2次蛇行体を得る加圧工程と、
    前記加圧体と前記2次蛇行体とを分離させる分離工程とを順に実施することを特徴とする電池積層体の製造方法。
  2. 請求項1において、前記加圧工程は、
    前記1次蛇行体を加圧する第1加圧体を用いると共に、前記線状可動体が取り付けられた前記1次蛇行体を用い、前記1次蛇行体のうち互いに対向する前記正極シート同士を互いに接近させると共に、前記1次蛇行体のうち互いに対向する前記負極シート同士を互いに接近させるように、つづら折り形状をなす前記1次蛇行体に前記線状可動体を取り付けた状態で、前記1次蛇行体を前記第1加圧体で加圧させる1次加圧工程と、
    前記線状可動体を前記1次蛇行体から離脱させる離脱工程と、
    その後、前記1次蛇行体を加圧する第2加圧体を用いると共に、前記線状可動体が離脱された前記1次蛇行体を用い、前記1次蛇行体のうち互いに対面する前記正極シート同士を互いに接近させると共に、前記1次蛇行体のうち互いに対面する前記負極シート同士を互いに接近させつつ、つづら折り形状をなす前記1次蛇行体の外縁部を前記第2加圧体で前記2次蛇行体の積層方向に加圧させることにより、厚み方向において前記セパレータシートを前記正極シートおよび前記負極シートで挟んだ構造を有するつづら折り形状をなす2次蛇行体を得る2次加圧工程とを順に実施することを特徴とする電池積層体の製造方法。
  3. 請求項1または2において、前記正極シートは、第1金属シートと、露出する第1導電部を形成するように前記第1金属シートの表裏に積層された正極活物質層とを有しており、
    前記負極シートは、前記第2金属シートと、露出する第2導電部を形成するように前記第2金属シートの表裏に積層された負極活物質層とを有しており、
    前記セパレータシートは、前記2次蛇行体の積層方向と交差する方向において、前記正極シートの前記正極活物質層の端面から外方に突出する第1絶縁突出部をもち、前記負極シートの前記負極活物質層の端面から外方に突出する第2絶縁突出部をもつことを特徴とする電池積層体の製造方法。
  4. セパレータシートと、前記セパレータシートの厚み方向において前記セパレータシートを挟むように設けられた正極シートおよび負極シートとを、これらが延設する方向に沿って互いに並走させることにより積層シートを形成する積層シート形成要素と、
    前記積層シートの表面に沿った一次元方向に延びる複数の線状可動体を備え、前記セパレータシートの厚み方向に沿って前記積層シートに向けて前記線状可動体を押しつけることにより前記積層シートを変形させ、つづら折り形状をなす1次蛇行体を得る線状可動体群と、
    つづら折り形状をなす前記1次蛇行体のうち互いに対面する前記正極シート同士を互いに接近させると共に、つづら折り形状をなす前記1次蛇行体のうち互いに対面する前記負極シート同士を互いに接近させるように、前記1次蛇行体を加圧させる加圧体とを具備することを特徴とする電池積層体の製造装置。
  5. 請求項4において、前記加圧体は、
    前記線状可動体が取り付けられたつづら折り形状をなす前記1次蛇行体に前記線状可動体を取り付けた状態において、前記1次蛇行体のうち互いに対面する前記正極シート同士を互いに接近させると共に前記1次蛇行体のうち互いに対面する前記負極シート同士を互いに接近させるように、前記1次蛇行体を前記1次蛇行体の積層方向において加圧させる第1加圧体と、
    前記線状可動体が前記1次蛇行体から離脱された状態で、つづら折り形状をなす前記1次蛇行体の外縁部を加圧させる第2加圧体とを有することを特徴とする電池積層体の製造装置。
  6. 厚み方向に正極シート、セパレータシートおよび負極シートがこの順に積層された構造の積層シートがつづら折り状に曲成された蛇行体からなることを特徴とする電池積層体。
  7. 請求項6において、前記正極シートは、第1金属シートと、露出する第1導電部を形成するように前記第1金属シートの表裏に積層された正極活物質層とを有しており、
    前記負極シートは、前記第2金属シートと、露出する第2導電部を形成するように前記第2金属シートの表裏に積層された負極活物質層とを有しており、
    前記セパレータシートは、前記蛇行体の積層方向と交差する方向において、前記正極シートの前記正極活物質層の端面から外方に突出する第1絶縁突出部をもち、前記負極シートの前記負極活物質層の端面から外方に突出する第2絶縁突出部をもつことを特徴とする電池積層体の製造方法。
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