JP2019067517A - 積層型電池及びその製造方法 - Google Patents

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和司 松島
智輝 國川
Tomoteru Kunikawa
智輝 國川
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Abstract

【課題】性能の劣化を抑制しつつ、負極板と正極板とを容易に位置決め可能で、生産性向上が図れる積層型電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一の実施形態に係る積層型電池は、交互に積層された複数の負極板及び正極板を備える。負極板は、第1方向の一方の端部を負極集電部とする矩形状の負極集電体及び負極集電体の少なくとも一方の面に形成された負極活物質層を有する。正極板は、第1方向の他方の端部を正極集電部とする正極集電体及び正極集電体の少なくとも一方の面に形成された正極活物質層を有する。正極板の正極活物質層が形成された部分は、第1方向と直交する第2方向の幅が負極板の第2方向の幅よりも小さい矩形状であり、正極集電部は、第2方向の最も突出する端部間の幅が負極板の第2方向の幅と略同一である。また、正極集電部の第2方向の最も突出する端部は負極板の第1方向に延びる両辺の延長線上に位置している。【選択図】図1

Description

本発明は、積層型電池及びその製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池等の積層型電池が知られている。積層型電池は、交互に積層された複数の負極板及び正極板を有する。正極板には正極活物質層が形成される。負極板には負極活物質層が形成される。また、これら複数の負極板及び正極板の間には、電解質及びセパレータが設けられる。
正極板の幅は、負極板の幅よりも小さい場合がある。これは、正極板から放出されたリチウムイオン等を負極板で確実に受け取るためである。また、電極間の短絡を防止するためである。この場合、負極板及び正極板を積層する際に負極板と正極板との間で位置ずれが生じ、性能の劣化につながってしまう場合があった。
そこで、負極板と正極板とを積層する際にガイド等を使用して位置決めする技術が、従来より種々提案されている。特許文献1では、セパレータが負極板の両面に設けられた状態で切断される。そして、この負極板と正極板とが複数積層され、複数の可動壁を有するガイドによって位置決めされる。
また、特許文献2では、セパレータが負極板と同程度の幅を有し、正極板の両面に設けられている。そして、この正極板と負極板とが複数積層され、位置決め治具によって位置決めされる。
特開2012−129098号公報 特開2016−207448号公報
上述した従来の電極の積層方法では、負極板や正極板の位置合わせ時に、正極活物質層や負極活物質層の角部がガイドや位置決め治具に接触してしまう場合がある。この様な場合、電極がダメージを受けて性能の劣化につながってしまうおそれがある。
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、性能の劣化を抑制しつつ、負極板と正極板とを容易に位置決め可能で、生産性の向上が図れる積層型電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一の実施形態に係る積層型電池は、交互に積層された複数の負極板及び正極板を備える。負極板は、第1方向の一方の端部を負極集電部とする矩形状の負極集電体及びこの負極集電体の負極集電部を除く部分の少なくとも一方の面に形成された負極活物質層を有する。正極板は、上記第1方向の他方の端部を正極集電部とする正極集電体及びこの正極集電体の正極集電部を除く部分の少なくとも一方の面に形成された正極活物質層を有する。また、正極板の正極活物質層が形成された部分は、第1方向と直交する第2方向の幅が負極板の前記第2方向の幅よりも小さい矩形状であり、正極集電部は、第2方向の最も突出する端部間の幅が負極板の第2方向の幅と略同一である。また、積層方向から見て、正極活物質層は負極活物質層の内側に配置され、正極集電部の第2方向の最も突出する端部は負極板の第1方向に延びる両辺の延長線上に位置している。
尚、上記正極板は、正極集電部の端部の第2方向の幅がそれ以外の部分の幅よりも広くなるT字状に形成されても良い。
また、上記正極集電部は、端部に形成された第1部分と、この第1部分と上記正極活物質層が形成された部分とをつなぐ第2部分とを有していても良い。この第1部分の上記第2方向の幅は負極板の幅と略同一でも良く、第2部分の第2方向の幅は正極活物質層が形成された部分の幅と略同一でも良い。また、第1部分の第2部分側の辺と、負極板の正極集電部側の辺とは、離間していても良い。
また、上記積層型電池は、負極板及び正極板の間に設けられるセパレータを更に備えていても良い。このセパレータは、第2方向の幅が負極板の幅と略同一でも良い。
本発明の一の実施形態に係る積層型電池の製造方法においては、複数の負極板及び正極板を交互に積層する。この製造方法の第1の工程では、第1方向の一方の端部を負極集電部とする矩形状の負極集電体及びこの負極集電体の負極集電部を除く部分の少なくとも一方の面に形成された負極活物質層を有する負極板を製造する。第2の工程では、第1方向の他方の端部を正極集電部とする正極集電体及びこの正極集電体の正極集電部を除く部分の少なくとも一方の面に形成された正極活物質層を有し、正極活物質層が形成された部分の、第1方向と直交する第2方向の幅が負極板の第2方向の幅よりも小さい矩形状であり、正極集電部の、第2方向の最も突出する端部間の幅が負極板の第2方向の幅と略同一である正極板を製造する。第3の工程では、負極板の第2方向の幅と略同一の幅を有する矩形状の収容空間を形成する位置決め治具に、負極板と正極板とを交互に積層する。
尚、上記位置決め治具は、矩形状の収容部を有するマガジンであっても良い。
本発明によれば、性能の劣化を抑制しつつ、負極板と正極板とを容易に位置決め可能で、生産性の向上が図れる積層型電池及びその製造方法を提供することが可能となる。
本発明の第1の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の積層体を示す斜視図である。 同リチウムイオン二次電池の積層体を示す断面図である。 同積層体の負極板の平面形状を示す平面図である。 同積層体の正極板の平面形状を示す平面図である。 同積層体のセパレータの平面形状を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の製造方法を示す模式的な斜視図である。 同製造方法を説明するための断面図及び平面図である。 同製造方法を説明するための断面図及び平面図である。 同製造方法を説明するための断面図及び平面図である。 同製造方法を説明するための断面図及び平面図である。 同製造方法を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態に係る正極板の平面形状を示す平面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。尚、以下の実施形態は例示のために示すものであり、各構成の具体的な構造や材料等は適宜変更可能である。また、以下の説明において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する部分の説明を省略する。
[第1の実施形態]
[構造]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る積層型電池としてのリチウムイオン二次電池の積層体100を示す斜視図である。図2は、同じく断面図である。積層体100は、Z方向(積層方向)に交互に積層された複数の負極板110及び正極板120、並びに、これら複数の負極板110及び正極板120の間に設けられたセパレータ130を備える。この積層体100の両端の電極には図示しない端子用タブが接続されても良い。また、この積層体100は図示しないラミネートフィルムや筐体内に収容されても良い。
負極板110は、負極集電体111と、この負極集電体111の少なくとも一方の面、この例では両面に設けられた負極活物質層112と、を備える。負極集電体111のX方向(第1方向)の一方の端部は、負極集電部113となる。また、負極集電体111の負極集電部113以外の部分には、負極活物質層112が設けられる。負極集電体111は、例えば、銅(Cu)等からなる。負極活物質層112は、例えば、炭素粉末や黒鉛粉末等からなる炭素材料とポリフッ化ビニリデンのような結着剤とを溶媒に分散させてなる負極用スラリーを、負極集電体111の両面に塗工し、乾燥させることで得られる。塗工後は、必要に応じてプレスを行ってもよい。
正極板120は、正極集電体121と、この正極集電体121の少なくとも一方の面、この例では両面に設けられた正極活物質層122と、を備える。正極集電体121のX方向の他方の端部は、正極集電部123となる。また、正極集電体121の正極集電部123以外の部分には、正極活物質層122が設けられる。正極集電体121は、例えばアルミニウム箔等からなる。正極活物質層122は、例えば、正極活物質と、導電助剤と、バインダーとなる結着剤とを溶媒に分散させてなる正極用スラリーを、正極集電体121の両面に塗工し、乾燥させることで得られる。塗工後は、必要に応じてプレスを行ってもよい。また、正極活物質は、例えば、一般式LiMxOy(ただし、Mは金属であり、x及びyは金属Mと酸素Oの組成比である)で表される金属酸リチウム化合物である。金属酸リチウム化合物は、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等である。導電助剤は、例えば、アセチレンブラック等である。結着剤は、例えば、ポリフッ化ビニリデン等である。
セパレータ130は、負極板110と正極板120とが短絡しないように、これらを分離させる。そして、セパレータ130は、図示しない電解質を内部に保持し得る多数の孔を有した不織布等のシート材により形成されている。セパレータ130の材質は、例えば、ポリオレフィン系樹脂(ポリプロピレン、ポリエチレン等)やポリエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂等である。電解質は、例えば、六フッ化リン酸リチウム、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウムのようなリチウム塩等である。尚、電解質はゲル状のものであっても良いし、固体や液体であっても良い。電解質が液体の場合、電解質は、積層体100が収容されたラミネートフィルムなどの内部に収容される。
負極集電部113及び正極集電部123は、図1のように積層工程後に圧着処理されても良い。また、負極集電部113及び正極集電部123に、それぞれ図示しない端子用タブを接続しても良い。
図3は、負極板110の平面形状を示す平面図である。負極集電体111は、矩形状に形成されている。負極活物質層112のX方向の長さは、L110Xに設定されている。また、負極板110のX方向と直交するY方向(第2方向)の幅は、W110Yに設定されている。
図4は、正極板120の平面形状を示す平面図である。図中の点線は、負極板110が正極板120に積層された時の負極板110の位置及び大きさを参考までに示している。正極板120は、T字状に形成されている。より具体的には、正極板120の正極活物質層122が形成された部分は矩形状である。この部分のY方向の幅W120Y1は、負極板110の幅W110Yよりも小さい。また、この部分のX方向の長さL120Xは、負極活物質層112のX方向の長さL110Xよりも小さい。正極集電部123は、正極板120のY方向の端部に形成された第1部分P1と、この第1部分P1と正極活物質層122が形成された部分とをつなぐ第2部分P2と、を有する。これら第1部分P1及び第2部分P2は、いずれも矩形状である。そして、第1部分P1のY方向の幅W120Y2は、負極板110のY方向の幅W110Yと略同一である。また、第2部分P2のY方向の幅は、正極活物質層122が形成された部分のY方向の幅W120Y1と略同一である。
また、正極板120が負極板110と積層された状態では、正極活物質層122の正極集電部123側の端部122aのY方向の位置が、負極活物質層112の正極集電部123側の端部112a(図3参照)のY方向の位置と一致するか、またはそれよりも負極活物質層112のやや内側に位置する。これにより、正極活物質層122は、Z方向から見て負極活物質層112の内側に配置されることになる。
尚、本実施形態においては、第1部分P1のY方向の幅が、正極集電部123のその他の部分(第2部分P2)の幅よりも大きい。従って、正極集電部123のY方向の最も突出する端部123aは、第1部分P1のY方向の両端部である。本実施形態においては、この正極集電部123のY方向の最も突出する端部123aが、負極板110のX方向に延びるY方向の両辺110a(図3参照)の延長線上に位置している(図中の二点鎖線参照)。換言すれば、負極板110のY方向の辺110a及び正極集電部123のY方向の最も突出する端部123aは、Z方向から見て、一直線に並んでいる。
また、本実施形態において、正極集電部123の第1部分P1の第2部分P2側の辺123bが、Z方向から見て負極板110と重複せず、負極板110の正極集電部123側の端部112a(図3参照)と離間している。
図5は、セパレータ130の平面形状を示す平面図である。本実施形態において、セパレータ130のX方向の長さL130X及びY方向の幅W130Yは、負極活物質層112のX方向の長さL110X及びY方向の幅W110Yと略一致する。
[製造方法]
次に、図6〜図11を参照して、第1の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の製造方法の一例を説明する。図6は、この製造方法に使用可能な位置決め治具としてのマガジン200を使用した負極板110、正極板120及びセパレータ130の積層工程を示す斜視図である。図7〜図11は、この製造方法を説明するための断面図及び平面図である。
本実施形態に係る製造方法は、第1の工程と、第2の工程と、第3の工程と、を備える。第1の工程では、例えば、ロール状に巻回された銅箔の両面に負極用スラリーを塗工して乾燥させる。次に、この銅箔を切断して、負極板110とする。第2の工程では、例えば、ロール状に巻回されたアルミニウム箔の両面に正極用スラリーを塗工して乾燥させる。次に、このアルミニウム箔を切断して、正極120とする。第3の工程では、マガジン200の収容部210内に負極板110、正極板120及びセパレータを積層する。以下、第3の工程について説明する。
図6に示す通り、位置決め治具は、直方体状のマガジン200であり、直方体状の収容部210を備える。収容部210は、積層体100を内部で製造可能な所定深さを有する。収容部210は、底面211と4つの側面212,213,214,215を備える。収容部210のX方向の長さは、積層体100のX方向の長さと略一致する。また、収容部210のY方向の幅は、積層体100のY方向の幅、すなわち負極板110、セパレータ130及び正極板120の第1部分P1の幅と略一致する。本実施形態においては、このマガジン200内に負極板110、正極板120及びセパレータ130を、正極板120及び負極板110の一方、セパレータ130、正極板120及び負極板110の他方、セパレータ130の順で順次積層していくことにより、これら構成間での位置合わせを行いつつ積層体100を製造する。
図7(a)に示す通り、マガジン200の収容部210内の底面211に正極板120を載置する。この際、図7(b)に示す通り、正極板120の正極集電部123のX方向の端部をマガジン200の側面213に当接させる。これによって正極板120はX方向に位置決めされる。また、正極板120の第1部分P1のY方向の幅は、収容部210のY方向の幅と略一致する。従って、正極板120を収容部210に収容すると、正極集電部123のY方向の最も突出する端部123aがマガジン200のY方向の側面214,215に当接する。これによって正極板120はY方向に位置決めされる。更に、正極板120は、XY平面内における角度方向にも位置決めされる。
次に、図8(a)に示す通り、正極板120上に、セパレータ130を積層する。ここで、図8(b)に示す様に、セパレータ130のY方向の幅は、収容部210のY方向の幅と略一致する。従って、セパレータ130を収容部210に収容すると、セパレータ130のY方向における両端部130aがマガジン200のY方向の側面214,215に当接する。これによってセパレータ130はY方向に位置決めされる。更に、セパレータ130は、XY平面内における角度方向にも位置決めされる。
次に、図9(a)に示す通り、セパレータ130上に、負極板110を積層する。この際、図9(b)に示す通り、負極板110の負極集電部113側の端部をマガジン200のX方向の側面212に当接させる。これによって負極板110はX方向に位置決めされる。また、負極板110のY方向の幅は、収容部210のY方向の幅と略一致する。従って、負極板110を収容部210に収容すると、負極板110のY方向における両辺110aがマガジン200のY方向の側面214,215に当接する。これによって負極板110はY方向に位置決めされる。更に、負極板110はXY平面内における角度方向にも位置決めされる。
次に、図10(a)に示す通り、負極板110上に、セパレータ130を積層する。この工程においても、図10(b)に示す様に、セパレータ130はY方向及びXY平面内における角度方向に位置決めされる。
以下同様に、セパレータ130を介して正極板120と負極板110とを交互に積層することにより、図11に示す通り、積層体100が製造される。その後、この積層体100に必要に応じてプレス加工等を行い、マガジン200から取出す。また、積層体100に図示しない端子用タブ等を取り付ける。また、これらの構成をラミネートフィルムや筐体内に収容し、液体状の電解質等を注入する。これにより、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池が製造される。
[効果]
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の製造方法によれば、マガジン200の収容部210に負極板110、セパレータ130及び正極板120を順次収容するだけで積層時の位置合わせが出来るので、製造工程が簡便である。また、Y方向において、負極板110の幅W110Yと正極集電部123のY方向の最も突出する端部123a間の幅W120Y2とが略同一であるので、マガジン200の収容部210を、突出した角部が無い矩形状にすることが出来る。このため、積層工程において、負極活物質層112及び正極活物質層122の角部が、マガジン200の収容部210でダメージを受ける可能性を大幅に低減することが出来る。これにより、電極板のダメージや意図しない破片の混入による製品性能の劣化を防止することが出来る。
[その他の実施形態]
図12は、他の実施形態に係る積層型電池の正極板を示す平面図である。
図12(a)に示す第2の実施形態の正極板140は、正極集電体141に形成された正極活物質層142の正極集電部143側の端部142aが、Z方向から見て、負極活物質層112と重複する。また、正極集電体141の第1部分P1´の第2部分P2´側の辺143bも、Z方向から見て、負極活物質層112と重複する。
この実施形態においても、正極板140の位置合わせに関し、第1の実施形態と同様の効果を奏する。
図12(b)に示す第3の実施形態の正極板150は、正極集電体151の正極集電部153の形状が第1の実施形態と異なっている。この例では、正極集電部153が、正極板150のY方向の端部から正極活物質層122が形成される部分にかけて設けられた第1部分P1´´、第2部分P2´´、及び、第3部分P3´´を備える。これら第1部分P1´´、第2部分P2´´、及び、第3部分P3´´は、全て矩形状である。また、第2部分P2´´のY方向の幅は、負極板110のY方向の幅W110Yと略同一である。また、第1部分P1´´及び第3部分P3´´のY方向の幅は、正極活物質層122が形成された部分のY方向の幅と略同一である。尚、第2部分P2´´のY方向の最も突出する端部153aは、負極板110のX方向に延びるY方向の両辺の延長線上に位置している。
この実施形態によれば、第1の実施形態の正極集電部123の様に、角部での位置合わせは出来ない。ただし、正極板150の位置合わせに関しては、第1の実施形態と同様の効果を奏する。
図12(c)に示す第4の実施形態の正極板160は、正極集電体161の正極集電部163の形状が第1の実施形態と異なっている。この例では、正極集電部163が、正極板160のY方向の端部から正極活物質層142が形成される部分にかけて設けられた第1部分P1´´´、第2部分P2´´´、及び、第3部分P3´´´を備える。これら第1部分P1´´´、第2部分P2´´´、及び、第3部分P3´´´は、全て矩形状である。また、第1部分P1´´´及び第3部分P3´´´のY方向の最も突出する端部163aと、第2部分P2´´´のY方向の最も突出する端部163bとは、それぞれ、負極板110のX方向に延びるY方向の両辺の延長線上に位置している。
この実施形態においても、正極板160の位置合わせに関し、第1の実施形態と同様の効果を奏する。
尚、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、積層型電池として、リチウムイオン二次電池を例にしたが、他の同様の構造の電池にも適用可能である。
また、負極板及び正極板を積層する位置決め治具は、矩形状の収容空間を形成して負極板と正極板とを位置合わせするものであり、且つ、負極活物質層との当接部分に角部が形成されていないものであれば、例示したマガジン以外の位置決め治具を用いても良い。例えば、矩形状の凹みを収容部とするものであれば、その外形形状は任意である。また、例えば、負極活性物質との当接部分としてお互いに対向する一対の壁部を備えると共に、正極集電部や負極集電部との当接部分として一対のピン等を備えた位置決め治具を用いても良い。更に、その位置決め治具は、壁部同士の間隔及びピン同士の間隔を調整出来るものでも良い。これにより、収容部の幅等が調整可能な位置決め治具を構成することも考えられる。
100…積層体、110…負極板、120…正極板、130…セパレータ、111…負極集電体、112…負極活物質層、113…負極集電部、121…正極集電体、122…正極活物質層、123…正極集電部、200…マガジン、210…収容部、211…底面、212,213,214,215…側面。

Claims (6)

  1. 交互に積層された複数の負極板及び正極板を備え、
    前記負極板は、第1方向の一方の端部を負極集電部とする矩形状の負極集電体及びこの負極集電体の前記負極集電部を除く部分の少なくとも一方の面に形成された負極活物質層を有し、
    前記正極板は、前記第1方向の他方の端部を正極集電部とする正極集電体及びこの正極集電体の前記正極集電部を除く部分の少なくとも一方の面に形成された正極活物質層を有し、
    前記正極板の前記正極活物質層が形成された部分は、前記第1方向と直交する第2方向の幅が前記負極板の前記第2方向の幅よりも小さい矩形状であり、
    前記正極集電部は、前記第2方向の最も突出する端部間の幅が前記負極板の前記第2方向の幅と略同一であり、
    積層方向から見て、前記正極活物質層は前記負極活物質層の内側に配置され、前記正極集電部の前記第2方向の最も突出する端部は前記負極板の前記第1方向に延びる両辺の延長線上に位置している
    ことを特徴とする積層型電池。
  2. 前記正極板は、前記正極集電部の端部の前記第2方向の幅がそれ以外の部分の幅よりも広くなるT字状に形成されている
    請求項1記載の積層型電池。
  3. 前記正極集電部は、端部に形成された第1部分と、この第1部分と前記正極活物質層が形成された部分とをつなぐ第2部分とを有し、
    前記第1部分の前記第2方向の幅は前記負極板の幅と略同一であり、
    前記第2部分の前記第2方向の幅は前記正極活物質層が形成された部分の幅と略同一であり、
    前記第1部分の前記第2部分側の辺と、前記負極板の前記正極集電部側の辺とが離間している
    請求項1又は2記載の積層型電池。
  4. 前記負極板及び前記正極板の間に設けられるセパレータを更に備え、
    前記セパレータは、前記第2方向の幅が前記負極板の幅と略同一である
    請求項1〜3のいずれか1項記載の積層型電池。
  5. 複数の負極板及び正極板を交互に積層する積層型電池の製造方法であって、
    第1方向の一方の端部を負極集電部とする矩形状の負極集電体及びこの負極集電体の前記負極集電部を除く部分の少なくとも一方の面に形成された負極活物質層を有する前記負極板を製造する第1の工程と、
    前記第1方向の他方の端部を正極集電部とする正極集電体及びこの正極集電体の前記正極集電部を除く部分の少なくとも一方の面に形成された正極活物質層を有し、前記正極活物質層が形成された部分の、前記第1方向と直交する第2方向の幅が前記負極板の前記第2方向の幅よりも小さい矩形状であり、前記正極集電部の、前記第2方向の最も突出する端部間の幅が前記負極板の前記第2方向の幅と略同一である前記正極板を製造する第2の工程と、
    前記負極板の前記第2方向の幅と略同一の幅を有する矩形状の収容空間を形成する位置決め治具に、前記負極板と前記正極板とを交互に積層する第3の工程と
    を備えることを特徴とする積層型電池の製造方法。
  6. 前記位置決め治具は、矩形状の収容部を有するマガジンである
    請求項5記載の積層型電池の製造方法。
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