JP2019046577A - 蓄電装置及び袋状セパレータの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電極組立体の製造時に、接触により正極電極を移動させる場合において、袋状セパレータの変形による移動量不足を抑制できる蓄電装置及び袋状セパレータの製造方法を提供すること。【解決手段】二次電池10において、電極組立体14は、負極電極31と、正極電極21を収納した袋状セパレータ27とを積み重ねて形成されている。袋状セパレータ27は、一対のセパレータ部材28を熱溶着して形成されている。袋状セパレータ27の溶着部のうち、正極タブ22bの突出した第1端縁27aに沿う部分に、その他の端縁に沿う溶着部よりも硬い高収縮溶着部としての第1溶着部29aを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、負極電極と袋状セパレータが交互に積層された電極組立体をケース内に備える蓄電装置及び袋状セパレータの製造方法に関する。
EV(Electric Vehicle)やPHV(Plug in Hybrid Vehicle)などの車両には、走行用モータへの供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。二次電池としては、積層型の電極組立体を備えたものが知られている。積層型の電極組立体は、シート状の正極電極と負極電極を、両者の間をセパレータで絶縁した状態で多数積層して構成されている。正極電極は、正極の金属箔の両面に正極活物質層を有し、負極電極は、負極の金属箔の両面に負極活物質層を有する。
また、正極電極は、外部との接続のために金属箔の露出した未塗工部を有し、代表的には、金属箔の一端縁から突出した形状の正極タブを有する。この正極タブに正極端子が導電部材を介して電気的に接続されている。負極電極も同様に、金属箔の一端縁から突出した形状の負極タブを有する。この負極タブに負極端子が導電部材を介して電気的に接続されている。これら正極端子及び負極端子は、一部がケースの蓋体を貫通してケースの外へ突出している。
また、二次電池では、正極活物質層と負極活物質層との間に、位置ずれなどにより、正極活物質層と負極活物質層とが対向していない部位が生じると、容量の低下を招く。さらに、リチウムイオン電池では、充電時のリチウムイオンの集中によって発生する負極活物質層の表面への金属リチウムの析出を抑制するために、正極活物質層の面積に比べて負極活物質層の面積を大きくしている。これらのため、電極組立体の製造時、正極活物質層に対し、セパレータを介して負極活物質層が精度良く対向するように位置合わせをしている。
ところで、電極組立体の積層構造は、正極電極、負極電極、及びセパレータを、順に積み重ねていく製造工程を経るため、積み重ね工程の数が多くなり、生産のタクトタイムが長く、生産性がよくないという課題があった。そこで、正極電極を袋状セパレータの内部に予め収納し、袋状セパレータと負極電極を積み重ねることで生産性を高める方法が知られている。
また、電極組立体の製造方法としては、例えば、特許文献1が挙げられ、特許文献1では、正極電極、セパレータ、及び負極電極を積層した電極組立体を落下させながら、電極組立体を包囲している複数の整列部材を電極組立体に向けて移動させる。そして、電極組立体の側面を整列部材で押すことによって、正極電極、セパレータ、及び負極電極の位置合わせを行っている。なお、特許文献1には、セパレータとして、独立したシート状のものの他に、一方の電極(一般的には正極)を包み込む形態のものが示唆されている。
特開2017−76489号公報
しかしながら、特許文献1に開示の方法では、例えば、整列部材がタブに接触することがある。このような場合、タブは薄い金属箔よりなるため、タブが変形し、電極等の移動量が不十分となることがある。このため、整列部材をタブではなく、一方の電極を包み込んだセパレータに接触させてセパレータを押す方法がある。しかし、この場合も、セパレータが変形する虞がある。特に、整列部材について、例えば、ピストン状のアクチュエータを用いて接触部分を小型化すると、このようなセパレータの変形がより顕著になり、セパレータの変形によって電極の移動量が不十分となることがある。
本発明の目的は、電極組立体の製造時に、接触により正極電極を移動させる場合において、袋状セパレータの変形による移動量不足を抑制できる蓄電装置及び袋状セパレータの製造方法を提供することにある。
上記問題点を解決するための蓄電装置は、矩形シート状の負極集電体の表面に矩形状の負極活物質層を有する負極電極と、対峙する矩形シート状のセパレータ部材の端縁を熱溶着した溶着部を備える袋状セパレータに収納され、矩形シート状の正極集電体の表面に正極活物質層を有する正極電極とが、前記正極活物質層に対し、前記袋状セパレータを介して前記負極活物質層が対向する状態で交互に積み重ねられた積層構造を有する電極組立体を内部に備える蓄電装置であって、前記負極電極及び前記袋状セパレータについて、前記負極集電体及び前記袋状セパレータの一端縁の対辺を他端縁とし、前記一端縁と他端縁を最短距離で結ぶ直線の延びる方向を高さ方向とした場合、前記負極電極の前記一端縁と前記袋状セパレータの前記一端縁が前記高さ方向に揃う部分を有し、前記袋状セパレータは、前記一端縁及び前記他端縁のうち少なくとも一方に、その他の端縁に沿う溶着部よりも硬い高収縮溶着部を備えることを要旨とする。
これによれば、電極組立体において、負極電極と、正極電極を収納した袋状セパレータの一端縁とが高さ方向に揃った状態では、正極活物質層に対し、袋状セパレータを介して負極活物質層が対向する。このような電極組立体の製造時、負極電極における一端縁と袋状セパレータの一端縁とを高さ方向に揃えるため、袋状セパレータの高収縮溶着部と、この高収縮溶着部に沿う負極電極の端縁に位置決め部材を当接させる。高収縮溶着部は、袋状セパレータにおける他の端縁に沿う溶着部より硬いため、位置決め部材が高収縮溶着部に当接しても、袋状セパレータにおいて高収縮溶着部付近の折れ曲がりや屈曲といった変形を抑制できる。その結果、位置決め部材を袋状セパレータに当接させて正極電極を移動させる場合において、袋状セパレータの変形による移動量不足を抑制できる。
また、蓄電装置について、前記袋状セパレータの一端縁の長さの中間を通過し、かつ前記高さ方向に延びる直線を中心線とすると、前記高収縮溶着部は、前記中心線に対し線対称となる位置にあってもよい。
これによれば、電極組立体の製造時、負極電極における一端縁と袋状セパレータの一端縁とを高さ方向に揃える際、中心線の両側の高収縮溶着部を位置決め部材で押圧できる。このため、例えば、片方の高収縮溶着部のみを押圧したときのように袋状セパレータが回転してしまうことがない。
また、蓄電装置について、前記セパレータ部材は、多孔質の樹脂材料製であり、前記高収縮溶着部は、他の溶着部よりも孔が少なく、密度が高い。
これによれば、セパレータ部材に高収縮溶着部を形成しやすく、高収縮溶着部の剛性も高くすることができる。
また、上記問題点を解決するための袋状セパレータの製造方法は、矩形シート状の負極集電体の表面に矩形状の負極活物質層を有する負極電極と、対峙する矩形シート状のセパレータ部材の端縁を熱溶着した溶着部を備える袋状セパレータに収納され、矩形シート状の正極集電体の表面に正極活物質層を有する正極電極とが、前記正極活物質層に対し、前記袋状セパレータを介して前記負極活物質層が対向する状態で交互に積み重ねられた積層構造を有する電極組立体を内部に備える蓄電装置における前記袋状セパレータの製造方法であって、前記セパレータ部材の材料である帯状セパレータ材料を2枚重ねるとともに、それら帯状セパレータ材料の間に、前記正極電極の一端縁及び、該一端縁の対辺となる他端縁が前記帯状セパレータ材料の長手方向に延びるように前記正極電極を配置する配置工程と、配置された前記帯状セパレータ材料における前記正極電極の四つの端縁を囲む位置を熱溶着する溶着工程と、を有し、前記溶着工程では、前記正極電極の前記一端縁に沿う前記袋状セパレータの一端縁、及び前記正極電極の他端縁に沿う前記袋状セパレータの他端縁のうちの少なくとも一方を形成するために熱溶着する端縁に、その他の端縁と比較して単位面積当たりに多くの熱量を加えることを要旨とする。
これによれば、袋状セパレータの一端縁及び他端縁の少なくとも一方は、その他の端縁と比較して熱収縮量が多く、硬くなる。このため、負極電極における一端縁と袋状セパレータの一端縁とを高さ方向に揃えるため、袋状セパレータの一端縁及び他端縁の少なくとも一方に位置決め部材を当接させたとき、袋状セパレータの一端縁及び他端縁付近の折れ曲がりや屈曲といった変形を抑制できる。その結果、位置決め部材を袋状セパレータに当接させて正極電極を移動させる場合において、袋状セパレータの変形による移動量不足を抑制できる。
また、袋状セパレータの製造方法について、前記溶着工程は、前記正極電極の四つの端縁を囲む位置を熱溶着する第1溶着工程と、前記袋状セパレータの前記一端縁及び前記他端縁の少なくとも一方のみに熱を加える第2溶着工程と、よりなるものでもよい。
これによれば、第1溶着工程の後に第2溶着工程を行うことにより、袋状セパレータの一端縁及び他端縁の少なくとも一方の熱収縮量を、その他の端縁より多くし、硬くできる。
また、袋状セパレータの製造方法について、前記溶着工程は、前記袋状セパレータの前記一端縁及び前記他端縁の少なくとも一方の熱溶着時の温度を、他の端縁の熱溶着時の温度より高くして行ってもよい。
これによれば、袋状セパレータの一端縁及び他端縁の少なくとも一方の熱収縮量を、その他の端縁より多くし、硬くできる。
本発明によれば、電極組立体の製造時に、接触により正極電極を移動させる場合において、袋状セパレータの変形による移動量不足を抑制できる。
実施形態の二次電池を示す断面図。 電極組立体の構成要素を示す分解斜視図。 袋状セパレータの製造装置を示す斜視図。 (a)は第1ヒータローラを示す斜視図、(b)は第2ヒータローラを示す斜視図、(c)は第3ヒータローラを示す斜視図。 袋状セパレータの製造を示す平面図。 (a)は位置決め治具に袋状セパレータ及び負極電極を収容した状態を示す図、(b)は位置決め部材により押圧した状態を示す図、(c)は位置決めが完了した状態を示す図。 袋状セパレータの製造装置の別例を示す斜視図。
以下、蓄電装置及び袋状セパレータの製造方法を二次電池及び二次電池が備える袋状セパレータに具体化した一実施形態を図1〜図6にしたがって説明する。
図1に示すように、二次電池10は、外郭を構成する金属製のケース11を備える。ケース11は、一面に開口部12aを備える有底直方体状のケース本体12と、ケース本体12の開口部12aを塞ぐ蓋体13とを備える。ケース11には、電極組立体14及び電解質としての電解液(図示略)が収容されている。二次電池10はリチウムイオン電池である。蓋体13には、電極組立体14の正極電極と電気的に接続された正極端子43と、負極電極と電気的に接続された負極端子46とが取り付けられている。
図2に示すように、電極組立体14は、複数の正極電極21と、複数の負極電極31とが、両者の間に樹脂製の袋状セパレータ27が介在する状態で交互に積み重ねた積層構造を有する。正極電極21は、正極集電体としての正極金属箔(本実施形態ではアルミニウム箔)22と、その正極金属箔22の両面に設けられた矩形状の正極活物質層23と、を有する。正極金属箔22は、矩形シート状の正極金属箔本体22aと、後述するが、正極金属箔本体22aより一部が延び、突出するように形成された正極タブ22bよりなる。正極活物質層23は、正極金属箔本体22aの両面に同じ平面形状及び同じ厚みで存在し、かつ正極金属箔本体22aを挟んで互いに対向している。
正極電極21は、長手方向に延びる一端縁に第1端縁21aを備え、第1端縁21aの対辺となる他端縁に第2端縁21bを備える。第1端縁21aは、正極金属箔本体22a及び正極活物質層23の一方の長縁部に存在し、第2端縁21bは正極金属箔本体22a及び正極活物質層23の他方の長縁部に存在する。正極電極21は、第1端縁21aの一部から突出した正極タブ22bを備える。また、正極電極21は、第1端縁21aと第2端縁21bを繋ぐ一対の端縁に、正極金属箔本体22a及び正極活物質層23の端縁で形成された第3端縁21cを有する。
負極電極31は、負極集電体としての負極金属箔(本実施形態では銅箔)32と、その負極金属箔32の両面に設けられた矩形状の負極活物質層33とを有する。負極金属箔32は、矩形シート状の負極金属箔本体32aと、後述するが、負極金属箔本体32aより一部が延び、突出するように形成された負極タブ32bよりなる。負極活物質層33は、負極金属箔本体32aの両面に同じ平面形状及び同じ厚みで存在し、かつ負極金属箔本体32aを挟んで互いに対向している。
負極電極31は、長手方向に延びる一端縁に第1端縁31aを備え、第1端縁31aの対辺となる他端縁に第2端縁31bを備える。第1端縁31aは、負極金属箔本体32a及び負極活物質層33の一方の長縁部に存在し、第2端縁31bは負極金属箔本体32a及び負極活物質層33における他方の長縁部に存在する。負極電極31は、第1端縁31aの一部から突出した負極タブ32bを備える。また、負極電極31は、第1端縁31aと第2端縁31bを繋ぐ一対の端縁に、負極金属箔本体32a及び負極活物質層33の端縁で形成された第3端縁31cを備える。
正極電極21及び負極電極31において、負極活物質層33の隣り合う2辺の各辺の長さ(長手方向の長さ及び短手方向の長さ)は、正極活物質層23の隣り合う2辺の各辺の長さ(長手方向の長さ及び短手方向の長さ)よりも長く設定されている。つまり、負極活物質層33は、正極活物質層23の全面を覆うことが可能な大きさに設定されている。
正極電極21は、袋状セパレータ27に収納されている。袋状セパレータ27は、対峙する一対のセパレータ部材28の四つの端縁が溶着されて形成されている。一対のセパレータ部材28は同じ大きさであり、かつ正極電極21の外形より大きい矩形シート状である。一対のセパレータ部材28は、正極電極21を挟む状態において、正極電極21の第1端縁21a、第2端縁21b及び第3端縁21cからはみ出すはみ出し部28aを備える。そして、袋状セパレータ27は、一対のセパレータ部材28の四つの端縁に沿うはみ出し部28a同士を熱溶着して形成されるとともに、はみ出し部28aで囲まれた部分に収納部28bを備える。なお、本実施形態におけるセパレータ部材28は、ポリプロピレン(PP)よりなる多孔質の樹脂シートである。セパレータ部材28の材質については、ポリエチレン(PE)等でもよい。
袋状セパレータ27は、正極電極21の第1端縁21aに沿って延びる一端縁に第1端縁27aを備え、第1端縁27aの対辺となり、正極電極21の第2端縁21bに沿って延びる他端縁に第2端縁27bを備える。また、袋状セパレータ27は、第1端縁27aと第2端縁27bを繋ぎ、かつ正極電極21の第3端縁21cに沿って延びる端縁に第3端縁27cを備える。袋状セパレータ27の第1端縁27aの一部から、正極電極21の正極タブ22bが突出している。
また、各セパレータ部材28は、はみ出し部28aのうち、正極タブ22bに対峙した部分にタブ対向部30を備える。各タブ対向部30は、袋状セパレータ27の第1端縁27aにおけるその他の部位よりも、正極タブ22bに沿って突出している。タブ対向部30は、正極タブ22bの一部を覆っている。
袋状セパレータ27は、四つの端縁である第1〜第3端縁27a〜27cに沿って溶着部を備える。溶着部としては、第1端縁27aに沿う部位のうち、タブ対向部30を除いた部位に第1溶着部29aを備え、第1溶着部29aは、第1端縁27aに沿うはみ出し部28aを熱溶着して形成されている。また、溶着部としては、第2端縁27bに沿うはみ出し部28aを溶着して形成された第2溶着部29bを備えるとともに、各第3端縁27cに沿うはみ出し部28aを熱溶着して形成された第3溶着部29cを備える。
袋状セパレータ27の表面に沿った第1〜第3溶着部29a〜29cの短手方向の寸法H3は全て同じである。第1〜第3溶着部29a〜29cは、セパレータ部材28の材料である帯状セパレータ材料51(図3参照)を熱溶着して形成される。第1溶着部29aは、その製造時、第2溶着部29b及び第3溶着部29cに比べて、単位面積当たりに多くの熱量が加えられる。このため、第1溶着部29aは、第2溶着部29b及び第3溶着部29cと比べて熱収縮量が多くなり、孔が少なく、樹脂密度が高い。その結果、第1溶着部29aは、第2溶着部29b及び第3溶着部29cと比べて硬く、剛性が高い高収縮状態になっている。本実施形態では、第1溶着部29aが高収縮溶着部を構成している。
袋状セパレータ27と負極電極31を交互に積層して電極組立体14を製造する際、電極組立体14の高さ合わせのために第1溶着部29aは位置決め部材64(図6(b)参照)によって押圧される。
図1に示すように、袋状セパレータ27の第1端縁27aの長さの中間を通過し、かつ高さ方向に延びる直線を中心線Mとする。第1溶着部29aは、タブ対向部30を挟んだ両側に位置するが、第1溶着部29aのうち短い方の部分を中心線Mに対し線対称とした位置には、第1溶着部29aの長い方の部分が存在する。
また、図2に示すように、袋状セパレータ27の第1端縁27aにおけるタブ対向部30を除いた部分と、袋状セパレータ27の第2端縁27bとを最短距離で結ぶ直線Lの延びる方向を高さ方向とし、負極電極31の第1端縁31aと第2端縁31bとを最短距離で結ぶ直線Lの延びる方向を高さ方向とする。袋状セパレータ27の高さ方向への寸法H1と、負極電極31の高さ方向への寸法H2とは同じである。
ここで、第1溶着部29aを形成する位置について説明する。第1溶着部29aを袋状セパレータ27の高さ方向に沿って第2溶着部29bに近付けるほど、収納部28bの高さ方向への寸法が短くなる結果、収納できる正極電極21が小さくなってしまう。正極電極21が小さくなると、正極活物質層23の面積も小さくなり、二次電池10の容量が減って好ましくない。このため、第1溶着部29aの位置が第2溶着部29bに近くなりすぎないように、第1溶着部29aを形成する位置が設定されている。
図5に示すように、帯状セパレータ材料51の短手方向への寸法を幅Wとする。第1溶着部29aにおいて、第2溶着部29b寄りの縁を溶着縁Uとすると、第1溶着部29aの溶着縁Uが以下に説明する位置に位置するように、第1溶着部29aは形成される。
帯状セパレータ材料51の幅Wから、第1溶着部29aの設計上の寸法H3と負極電極31の寸法H2との和を引いた値(W−(H2+H3))より、第1溶着部29aの溶着縁Uが第2溶着部29bに近付かないように第1溶着部29aは形成される。
一方、第1端縁27aを袋状セパレータ27の高さ方向に沿って第2溶着部29bから離すほど、電極組立体14の製造時に袋状セパレータ27の第1端縁27aに負極電極31の第1端縁31aを一致させたとき、負極電極31の第2端縁31bが、正極電極21の第2端縁21bよりも第1端縁21a側に位置してしまう。すると、正極活物質層23に負極活物質層33が対向しない箇所が生じやすくなり好ましくない。このため、第1端縁27aを含む第1溶着部29aの位置が第2溶着部29bから離れすぎないように、第1溶着部29aを形成する位置が設定されている。第1溶着部29aは、帯状セパレータ材料51の長縁から第2溶着部29bの寸法H3離れた位置までに形成される。
また、袋状セパレータ27の第1端縁27aに沿う方向を長手方向とし、負極電極31の第2端縁31bに沿う方向を長手方向とすると、袋状セパレータ27の長手方向への寸法と、負極電極31の長手方向への寸法とは同じである。
正極電極21を収納した袋状セパレータ27と、負極電極31とは、正極タブ22bが積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極タブ22bと重ならない位置にて負極タブ32bが積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。二次電池10は、電極組立体14において、負極電極31の第1端縁31aと袋状セパレータ27の第1端縁27aとが高さ方向に揃った部分を有し、負極電極31の第2端縁31bと袋状セパレータ27の第2端縁27bとが高さ方向に揃った部分を有する。ただし、タブ対向部30については、負極電極31の第1端縁31aから突出している。
図1又は図2に示すように、電極組立体14において、負極電極31の第3端縁31cと袋状セパレータ27の第3端縁27cとは長手方向に揃っている。そして、各端縁が一致した状態では、正極活物質層23の全面に対し、袋状セパレータ27のセパレータ部材28を介して負極活物質層33が対向している。
電極組立体14において、正極タブ22b及び負極タブ32bは、電極組立体14における積層方向の一端から他端までの範囲内で集められた(束ねられた)状態で折り曲げられている。正極タブ22bには正極端子43が電気的に接続され、負極タブ32bには負極端子46が電気的に接続されている。
次に、袋状セパレータ27の製造方法について説明する。
図3に示すように、袋状セパレータ27の製造方法は、まず、セパレータ部材28の材料である帯状セパレータ材料51を2枚重ねるとともに、それら帯状セパレータ材料51の間に、正極電極21の第1端縁21a及び第2端縁21bが帯状セパレータ材料51の長手方向に延びるように正極電極21を配置する配置工程を有する。
袋状セパレータ27の製造方法は、配置工程の後に行う溶着工程を有し、溶着工程は、第1溶着工程と第2溶着工程を含む。第1溶着工程は、帯状セパレータ材料51における正極電極21の第1〜第3端縁21a〜21cを囲む位置を、正極タブ22bを避けて熱溶着する工程である。
第1溶着工程の後に行う第2溶着工程は、帯状セパレータ材料51において、袋状セパレータ27の第1端縁27aを形成するために熱溶着された部分のみを、第1溶着工程における加熱温度と同温、又はより高温で熱溶着する工程である。さらに、袋状セパレータ27の製造方法は、第1溶着工程及び第2溶着工程を経た帯状セパレータ材料51を長手方向において正極電極21の寸法に合わせて切断して個片の袋状セパレータ27を製造する切断工程を有する。
次に、配置工程、溶着工程(第1溶着工程と第2溶着工程)及び切断工程を行う製造装置50について説明する。
製造装置50は、帯状セパレータ材料51を供給する供給装置52を備える。供給装置52は、帯状セパレータ材料51を巻装した第1供給リール52a及び第2供給リール52bを備える。第1供給リール52aは、第2供給リール52bより下側に位置している。第1供給リール52a及び第2供給リール52bには、帯状セパレータ材料51の長手方向が、各供給リール52a,52bの周方向に延びる状態で巻装されている。第1供給リール52a及び第2供給リール52bは、それぞれの軸心まわりで回転できるように図示しない駆動装置によって支持されている。
第1供給リール52aと第2供給リール52bは、帯状セパレータ材料51の長手方向及び短手方向に直交する厚み方向の面同士が対向するように帯状セパレータ材料51を供給する。第1供給リール52aから供給された帯状セパレータ材料51と第2供給リール52bから供給された帯状セパレータ材料51の間には、図示しない電極搬送装置によって正極電極21が搬送され、配置工程が行われる。
製造装置50は、第1供給リール52a及び第2供給リール52bより下流に一対のニップローラ53を備える。一対のニップローラ53は、一対の帯状セパレータ材料51を挟んで対向配置されている。一対のニップローラ53は、軸心まわりで回転できるように図示しない駆動装置によって支持されている。一対のニップローラ53の間には、正極電極21を挟んだ一対の帯状セパレータ材料51が通される。
供給装置52とニップローラ53が駆動することで、正極電極21を挟んだ一対の帯状セパレータ材料51が搬送方向X1に沿って搬送される。また、帯状セパレータ材料51の面に沿う方向のうち、搬送方向X1と直交する方向を帯状セパレータ材料51の短手方向X2とする。
製造装置50は、第1溶着工程を行う第1ヒータローラ70及び第2ヒータローラ71を備えるとともに、第2溶着工程を行う第3ヒータローラ74を備える。
第1ヒータローラ70は、帯状セパレータ材料51を挟んで互いに対向する一対のローラ70a,70bを含む。ローラ70a,70bは、軸心まわりで回転できるように図示しない駆動装置によって支持されている。第1ヒータローラ70は、搬送されている一対の帯状セパレータ材料51を短手方向X2の全体に亘って溶着する。
図4(a)に示すように、第1ヒータローラ70の一方のローラ70aは、軸心の延びる方向に長手が延びるヒータ部70cを外周面に備える。ヒータ部70cは、円柱状をなすローラ70aの外周面に対し、一定量だけ突出している(図示略)。一方のローラ70aは、全体が加熱される。第1ヒータローラ70は、帯状セパレータ材料51における正極電極21の第1〜第3端縁21a〜21cを囲む位置のうち、第3端縁21cに沿う位置を熱溶着する。
そして、第1溶着工程では、加熱されたローラ70a全体のうちのヒータ部70cと、他方のローラ70bの外周面との間に一対の帯状セパレータ材料51を挟みながら第1ヒータローラ70が回転する。これにより、ローラ70aの外周の長さに応じた間隔で一対の帯状セパレータ材料51が溶着される。なお、他方のローラ70bもヒータ部70cを備え、両方のローラ70a,70bで一対の帯状セパレータ材料51を加熱してもよい。
図5に示すように、第1ヒータローラ70のヒータ部70cにより、帯状セパレータ材料51同士が熱溶着され、帯状セパレータ材料51には、長手方向に互いに離間して交互に配列され、かつ正極電極21の第3端縁21cに沿う第1溶着領域R1が形成される。なお、第1溶着領域R1は、帯状セパレータ材料51の長手方向に僅かに収縮するが、図示はしない。また、帯状セパレータ材料51の長手方向に沿った第1溶着領域R1の寸法は、袋状セパレータ27における第3溶着部29cの2倍である。
図3又は図4(b)に示すように、第2ヒータローラ71は、帯状セパレータ材料51を挟んで互いに対向する一対のローラ71a,71bを含む。ローラ71a,71bは、軸心まわりで回転できるように図示しない駆動装置によって支持されている。
第2ヒータローラ71は、搬送されている一対の帯状セパレータ材料51を長手方向に沿って溶着する。一方のローラ71aは、軸心の延びる方向の一端側に、ローラ71aの周方向に延びる第1ヒータ部71cを備え、軸心の延びる方向の他端側に、ローラ71aの周方向に延びる第2ヒータ部71dを備える。
第1ヒータ部71cは、ローラ71aの周方向の全体に亘って存在し、円環状である。一方、第2ヒータ部71dは、周方向の一部が欠落したタブ用凹部71eを備える。第1ヒータ部71cと第2ヒータ部71dとでは、ローラ71aの軸心の延びる方向への寸法が、第2ヒータ部71dの方が長い。
第1ヒータ部71c及び第2ヒータ部71dは、円柱状をなすローラ71aの外周面に対し、一定量だけ突出している(図示略)。一方のローラ71aは、全体が加熱される。第2ヒータローラ71は、帯状セパレータ材料51における正極電極21の第1〜第3端縁21a〜21cを囲む位置のうち、第1端縁21a及び第2端縁21bに沿う位置を熱溶着する。
そして、第1溶着工程では、加熱された第1ヒータ部71c及び第2ヒータ部71dと、他方のローラ71bの外周面との間に一対の帯状セパレータ材料51を挟みながら第2ヒータローラ71が回転する。これにより、ローラ71aの外周の長さに応じて一対の帯状セパレータ材料51の両方の長縁部が溶着される。なお、他方のローラ71bも第1ヒータ部71c及び第2ヒータ部71dを備え、両方のローラ71a,71bで一対の帯状セパレータ材料51を加熱してもよい。
第1ヒータ部71cにより、帯状セパレータ材料51の一方の長縁部に沿い、かつ一対の第1溶着領域R1を繋ぐ第2溶着領域R2が形成される。また、第2ヒータ部71dにより、帯状セパレータ材料51の他方の長縁部に沿い、かつ一対の第1溶着領域R1を繋ぐ部位が溶着され、一次溶着部Kが形成される。また、一次溶着部Kにおいて、タブ用凹部71eに対応した部位は溶着されず、溶着されない部位には正極タブ22bが位置している。
第1ヒータ部71c及び第2ヒータ部71dは、第1ヒータローラ70のヒータ部70cと同じ温度に加熱される。このため、第1溶着領域R1、第2溶着領域R2及び一次溶着部Kは、同じ条件で熱溶着される。そして、帯状セパレータ材料51の短手方向X2に沿った寸法では、一次溶着部Kの方が第2溶着領域R2より長い。
図3又は図4(c)に示すように、第3ヒータローラ74は、帯状セパレータ材料51を挟んで互いに対向する一対のローラ74a,74bを含む。ローラ74a,74bは、軸心まわりで回転できるように図示しない駆動装置によって支持されている。
第3ヒータローラ74は、搬送されている一対の帯状セパレータ材料51を長手方向に沿って溶着する。一方のローラ74aは、軸心の延びる方向の一端側に、ローラ74aの周方向に延びるヒータ部74cを備える。ヒータ部74cは、円柱状をなすローラ74aの外周面に対し、一定量だけ突出している(図示略)。一方のローラ74aは、全体が加熱される。ヒータ部74cは、周方向の一部が欠落したタブ用凹部74eを備える。
第3ヒータローラ74のヒータ部74c及びタブ用凹部74eは、第2ヒータローラ71の第2ヒータ部71d及びタブ用凹部71eと同じ形状であり、周方向への長さが同じである。よって、ヒータ部74cは、第2ヒータローラ71によって形成された一次溶着部Kを加熱し、熱溶着させる。また、第3ヒータローラ74のヒータ部74cの温度は、第2ヒータローラ71の第1ヒータ部71cの温度と同温、又は高温に設定される。
そして、第2溶着工程では、加熱されたヒータ部74cと、他方のローラ74bの外周面との間に一対の帯状セパレータ材料51を挟みながら第3ヒータローラ74が回転する。これにより、ローラ74aの外周の長さに応じて一対の帯状セパレータ材料51における一次溶着部Kが再び加熱される。その結果、一次溶着部Kには、その他の溶着部である第1溶着領域R1及び第2溶着領域R2と比較して、単位面積当たりに多くの熱量が加えられることとなる。なお、他方のローラ74bもヒータ部74cを備え、両方のローラ74a,74bで一対の帯状セパレータ材料51を加熱してもよい。
図5に示すように、第3ヒータローラ74のヒータ部74cにより、一次溶着部Kはさらに熱収縮する。そして、ヒータ部74cによる再加熱によって第3溶着領域R3が形成される。一次溶着部Kが熱収縮することにより、帯状セパレータ材料51の短手方向に沿った第3溶着領域R3の寸法は第2溶着領域R2の寸法と同じになる。
図3に示すように、製造装置50は、第1ヒータローラ70、第2ヒータローラ71及び第3ヒータローラ74によって正極電極21を囲む部位が溶着された帯状セパレータ材料51を長手方向に沿って等間隔おきに切断する切断装置90を備える。切断装置90は切断工程を行う。
切断装置90は、短手方向X2に沿って延在する切断刃91を備える。切断刃91は、予め定めた周期で往復動作することにより、帯状セパレータ材料51を予め定めた間隔で切断する。切断刃91は、第1溶着領域R1において、帯状セパレータ材料51の長手方向に沿った中間位置を切断する。帯状セパレータ材料51が第1溶着領域R1で切断されることで、袋状セパレータ27が得られる。すなわち、第1溶着領域R1から第3溶着部29cが形成され、第2溶着領域R2から第2溶着部29bが形成される。さらに、第3溶着領域R3から第1溶着部29aが形成される。製造装置50は、袋状セパレータ27を搬送する搬送装置92を備えており、切断刃91による切断によって製造された袋状セパレータ27は搬送装置92によって搬送される。
次に、電極組立体14の製造方法を作用とともに説明する。
図6(a)に示すように、正極電極21を収納した袋状セパレータ27と負極電極31とを積み重ねる。このとき、袋状セパレータ27及び負極電極31は、位置決め治具60を用いて製造される。位置決め治具60は平面視矩形状の基台61を備える。位置決め治具60は基台61の上面61aから立設された平面視コ字状のガイド62を備える。ガイド62は、位置合わせ時、袋状セパレータ27の第2端縁27b及び負極電極31の第2端縁31bに沿う第1ガイド面62aを備える。また、ガイド62は、位置合わせ時、袋状セパレータ27の一対の第3端縁27c及び負極電極31の第3端縁31cに沿う第2ガイド面62bを備える。
ガイド62の第1ガイド面62aにより、袋状セパレータ27及び負極電極31の高さ方向への移動が規制され、第2ガイド面62bにより、袋状セパレータ27及び負極電極31の長手方向への移動が規制される。
そして、位置決め治具60を用いて袋状セパレータ27を位置合わせしながら積み重ねる際、袋状セパレータ27の一対の第3端縁27cを第2ガイド面62bに沿わせ、袋状セパレータ27の長手方向への移動を規制する。また、負極電極31の一対の第3端縁31cを第2ガイド面62bに沿わせ、負極電極31の長手方向への移動を規制する。
次に、図6(b)に示すように、袋状セパレータ27の第1端縁27aに位置する第1溶着部29a(高収縮溶着部)のうち、正極タブ22bを挟む両側の第1溶着部29aに位置決め部材64を当接させ、位置決め部材64により、袋状セパレータ27を第1ガイド面62aに向けて押圧する。また、負極電極31の第1端縁31aに位置決め部材64を当接させ、位置決め部材64により、負極電極31を第1ガイド面62aに向けて押圧する。すると、袋状セパレータ27及び負極電極31が第1ガイド面62aに向けて移動し、第2端縁27b,31bが第1ガイド面62aに当接する。
その結果、図6(c)に示すように、袋状セパレータ27及び負極電極31の高さ方向への移動が規制され、袋状セパレータ27の第2端縁27bと、負極電極31の第2端縁31bが高さ方向に揃う状態に位置合わせされる。また、袋状セパレータ27の第1端縁27aと、負極電極31の第1端縁31aが高さ方向に揃う状態に位置合わせされる。その結果、袋状セパレータ27と負極電極31の四つの端縁が一致する状態となる。そして、所定枚数の袋状セパレータ27と負極電極31が積み重ねられると電極組立体14が製造される。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)袋状セパレータ27は、第1端縁27aに高収縮溶着部としての第1溶着部29aを備える。第1溶着部29aは、袋状セパレータ27の第2溶着部29b及び第3溶着部29cと比べて硬い。この第1溶着部29aにより、袋状セパレータ27の第1端縁27aを補強できるため、第1端縁27aに位置決め部材64が当接したときの、袋状セパレータ27の第1端縁27a付近の変形を抑制できる。その結果として、位置決め部材64を袋状セパレータ27に当接させて正極電極21を移動させる場合において、袋状セパレータ27の変形による移動量不足を抑制できる。このため、袋状セパレータ27の第1端縁27aと負極電極31の第1端縁31aとを一致させやすく、正極活物質層23の全面を負極活物質層33に対向させた状態で電極組立体14を製造できる。
(2)高収縮溶着部としての第1溶着部29aは、正極タブ22bを挟んだ両側に位置し、袋状セパレータ27の中心線Mに対し、線対称となる位置に存在する。このため、袋状セパレータ27を挟んだ両側の第1溶着部29aに位置決め部材64を当接させて押圧しても、袋状セパレータ27が回転することを抑制できる。
(3)第1溶着部29aの溶着縁Uの位置を、帯状セパレータ材料51の幅Wから、第1溶着部29aの寸法H3と負極電極31の寸法H2との和を引いた値より、第2溶着部29bに近付かないように設定した。このようにすることで、第1溶着部29aが第2溶着部29bに近付きすぎないようにし、袋状セパレータ27に収納できる正極電極21が小さくなることを抑制し、二次電池10の容量が減ることを抑制する。
(4)第1溶着部29aは、帯状セパレータ材料51の長縁から第2溶着部29bの寸法H3離れた位置までに形成される。このため、袋状セパレータ27の第1端縁27aと負極電極31の第1端縁31aとを高さ方向に揃えたとき、正極活物質層23に対し、負極活物質層33が対向した状態を維持できる。
(5)袋状セパレータ27は、正極タブ22bと対向する位置にタブ対向部30を備える。負極電極31の第1端縁31aと、袋状セパレータ27の第1端縁27aとを一致させた状態であっても、タブ対向部30により、正極タブ22bと負極電極31とが短絡することを抑止できる。
(6)袋状セパレータ27の高さ方向への寸法H1と、負極電極31の高さ方向への寸法H2とは同じである。このため、負極電極31の第2端縁31bと、袋状セパレータ27の第2端縁27bを高さ方向に揃えた状態で、負極電極31の第1端縁31aと、袋状セパレータ27の第1端縁27aとが揃っているか否かを確認することで、負極電極31と袋状セパレータ27の高さ方向へのズレの有無を検出できる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図7に示すように、製造装置50において、帯状セパレータ材料51の両方の長縁部を溶着するヒータローラを1つだけとしてもよい。この場合のヒータローラ80は、帯状セパレータ材料51を挟んで互いに対向する一対のローラ80a,80bを含む。ローラ80a,80bは、軸心まわりで回転できるように図示しない駆動装置によって支持されている。
ヒータローラ80は、搬送されている一対の帯状セパレータ材料51を長手方向に沿って溶着する。一方のローラ80aは、軸心の延びる方向の一端側に、ローラ80aの周方向に延びる低温ヒータ部80cを備え、軸心の延びる方向の他端側に、ローラ80aの周方向に延びる高温ヒータ部80dを備える。さらに、一方のローラ80aは、軸心の延びる方向における低温ヒータ部80cと低温ヒータ部80cの間に断熱部80fを備える。
低温ヒータ部80c及び高温ヒータ部80dは、円柱状をなす断熱部80fの外周面に対し、一定量だけ突出している(図示略)。低温ヒータ部80c及び高温ヒータ部80dは、内部に加熱部(図示しない)を備え、個別に温度調節可能である。断熱部80fは、低温ヒータ部80cと低温ヒータ部80cとを断熱する。高温ヒータ部80dは、周方向の一部が欠落したタブ用凹部80eを備える。低温ヒータ部80cと高温ヒータ部80dとでは、ローラ80aの軸心の延びる方向への寸法が、高温ヒータ部80dの方が長い。
ヒータローラ80を備えた製造装置50を用いた袋状セパレータ27の製造方法では、まず、第1ヒータローラ70において、両方のローラ70a,70bのヒータ部70cの間に一対の帯状セパレータ材料51を挟みながら第1ヒータローラ70が回転する。これにより、ローラ70aの外周の長さに応じた間隔で一対の帯状セパレータ材料51が溶着され、第1溶着領域R1が形成される。
次に、ヒータローラ80において、両方の80a,80bの低温ヒータ部80cと高温ヒータ部80dの間に一対の帯状セパレータ材料51を挟みながらヒータローラ80が回転する。これにより、ローラ80aの外周の長さに応じて一対の帯状セパレータ材料51の両方の長縁部が溶着される。
このとき、低温ヒータ部80cにより、帯状セパレータ材料51の一方の長縁部に沿い、かつ一対の第1溶着領域R1を繋ぐ第2溶着領域R2が形成される。また、高温ヒータ部80dにより、帯状セパレータ材料51の他方の長縁部に沿い、かつ一対の第1溶着領域R1を繋ぐ部位が溶着される。帯状セパレータ材料51の他方の長縁部は、第2溶着領域R2及び第1溶着領域R1と比較すると、単位面積当たりに多くの熱量が加えられる。その結果、高収縮溶着部が形成される。
○ 袋状セパレータ27の第1溶着部29aは、袋状セパレータ27の第1端縁27aのうち、タブ対向部30を除いた場所にあれば、1箇所でもよい。
○ 袋状セパレータ27の長手方向への寸法と、負極電極31の長手方向への寸法とは異なっていてもよい。
○ 第1溶着部29aは、袋状セパレータ27の中心線Mに対し、線対称となる位置になくてもよい。
○ 製造装置50において、熱収縮量を考慮して、第2ヒータローラ71のローラ71aにおける第2ヒータ部71dの寸法を、第1ヒータ部71cの寸法より長くしたが、第2ヒータ部71dと第1ヒータ部71cの寸法を同じにしてもよい。この場合、第3ヒータローラ74のヒータ部74cで一次溶着部Kを加熱して得られる第3溶着領域R3の寸法は、第2溶着領域R2より短くなる。
○ 実施形態では、袋状セパレータ27の第1溶着部29aのみを高収縮溶着部としたが、第1溶着部29aの対辺となる第2溶着部29bにおいても、溶着時の単位面積当たりに加える熱量を、第3溶着部29cとなる部分よりも多くして高収縮溶着部としてもよい。
このように構成した場合、位置決め部材64により、袋状セパレータ27を第1ガイド面62aに向けて押圧し、袋状セパレータ27の第2端縁27bが第1ガイド面62aに当接したとき、第2端縁27bの変形を抑制できる。
また、第1溶着部29a及び第2溶着部29bを高収縮溶着部とした袋状セパレータ27を備える二次電池10においては、袋状セパレータ27の第1端縁27aと、負極電極31の第1端縁31aが高さ方向に揃う状態に位置合わせする際、第1溶着部29a及び第2溶着部29bの両方に位置決め部材64を当接させてもよい。
○ 実施形態では、袋状セパレータ27の第1溶着部29aを高収縮溶着部としたが、第1溶着部29aは高収縮溶着部とせず、第2溶着部29bのみを高収縮溶着部としてもよい。
第2溶着部29bを高収縮溶着部とした袋状セパレータ27を備える二次電池10においては、袋状セパレータ27の第1端縁27aと、負極電極31の第1端縁31aが高さ方向に揃う状態に位置合わせする際、第2溶着部29bに位置決め部材64を接触させてもよい。その結果として、位置決め部材64を袋状セパレータ27に接触させて正極電極21を移動させる場合に、袋状セパレータ27の変形による移動量不足を抑制できる。
○ 二次電池10は、ニッケル水素電池でもよいし、他の二次電池であってもよい。要は、正極用の活物質と負極用の活物質との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。
○ 正極電極21及び負極電極31は、第1端縁21a,31aの延びる方向が長手となる矩形状であったが、第3端縁21c,31cの延びる方向が長手となる矩形状であってもよい。この場合は、正極電極21及び負極電極31の形状に合わせて、ケース11の形状も変更される。
○ 正極電極21及び負極電極31において、集電体は、活物質層が担持できるものであれば、金属箔に限定されるものではない。例えば、織物状や網状のシートを用いてもよい。
○ 蓄電装置は、電極組立体をラミネートフィルムで包んだラミネートセルであってもよい。
○ 蓄電装置は、例えばキャパシタなど、二次電池以外の蓄電装置にも適用可能である。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
(1)前記蓄電装置は二次電池である。
(2)前記高収縮溶着部は、その他の溶着部よりも熱収縮量が多い。
L…直線、M…中心線、10…蓄電装置としての二次電池、11…ケース、14…電極組立体、21…正極電極、21a…一端縁としての第1端縁、21b…他端縁としての第2端縁、22…正極集電体としての正極金属箔、23…正極活物質層、27…袋状セパレータ、27a…一端縁としての第1端縁、27b…他端縁としての第2端縁、28…セパレータ部材、29a…高収縮溶着部としての第1溶着部、29b…第2溶着部、29c…第3溶着部、31…負極電極、31a…一端縁としての第1端縁、31b…他端縁としての第2端縁、32…負極集電体としての負極金属箔、33…負極活物質層、51…帯状セパレータ材料。

Claims (6)

  1. 矩形シート状の負極集電体の表面に矩形状の負極活物質層を有する負極電極と、
    対峙する矩形シート状のセパレータ部材の端縁を熱溶着した溶着部を備える袋状セパレータに収納され、矩形シート状の正極集電体の表面に正極活物質層を有する正極電極とが、
    前記正極活物質層に対し、前記袋状セパレータを介して前記負極活物質層が対向する状態で交互に積み重ねられた積層構造を有する電極組立体を内部に備える蓄電装置であって、
    前記負極電極及び前記袋状セパレータについて、前記負極集電体及び前記袋状セパレータの一端縁の対辺を他端縁とし、前記一端縁と他端縁を最短距離で結ぶ直線の延びる方向を高さ方向とした場合、前記負極電極の前記一端縁と前記袋状セパレータの前記一端縁が前記高さ方向に揃う部分を有し、
    前記袋状セパレータは、前記一端縁及び前記他端縁のうち少なくとも一方に、その他の端縁に沿う溶着部よりも硬い高収縮溶着部を備えることを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記袋状セパレータの一端縁の長さの中間を通過し、かつ前記高さ方向に延びる直線を中心線とすると、前記高収縮溶着部は、前記中心線に対し線対称となる位置にある請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記セパレータ部材は、多孔質の樹脂材料製であり、前記高収縮溶着部は、他の溶着部よりも孔が少なく、密度が高い請求項1又は請求項2に記載の蓄電装置。
  4. 矩形シート状の負極集電体の表面に矩形状の負極活物質層を有する負極電極と、
    対峙する矩形シート状のセパレータ部材の端縁を熱溶着した溶着部を備える袋状セパレータに収納され、矩形シート状の正極集電体の表面に正極活物質層を有する正極電極とが、
    前記正極活物質層に対し、前記袋状セパレータを介して前記負極活物質層が対向する状態で交互に積み重ねられた積層構造を有する電極組立体を内部に備える蓄電装置における前記袋状セパレータの製造方法であって、
    前記セパレータ部材の材料である帯状セパレータ材料を2枚重ねるとともに、それら帯状セパレータ材料の間に、前記正極電極の一端縁及び、該一端縁の対辺となる他端縁が前記帯状セパレータ材料の長手方向に延びるように前記正極電極を配置する配置工程と、
    配置された前記帯状セパレータ材料における前記正極電極の四つの端縁を囲む位置を熱溶着する溶着工程と、を有し、
    前記溶着工程では、前記正極電極の前記一端縁に沿う前記袋状セパレータの一端縁、及び前記正極電極の他端縁に沿う前記袋状セパレータの他端縁のうちの少なくとも一方を形成するために熱溶着する端縁に、その他の端縁と比較して単位面積当たりに多くの熱量を加えることを特徴とする袋状セパレータの製造方法。
  5. 前記溶着工程は、前記正極電極の四つの端縁を囲む位置を熱溶着する第1溶着工程と、前記袋状セパレータの前記一端縁及び前記他端縁の少なくとも一方のみに熱を加える第2溶着工程と、よりなる請求項4に記載の袋状セパレータの製造方法。
  6. 前記溶着工程は、前記袋状セパレータの前記一端縁及び前記他端縁の少なくとも一方の熱溶着時の温度を、他の端縁の熱溶着時の温度より高くして行う請求項4又は請求項5に記載の袋状セパレータの製造方法。
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