JP6796264B2 - 密閉型電池の製造方法 - Google Patents

密閉型電池の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、密閉型電池の製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池およびその他の二次電池は、電気を駆動源とする車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末等の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車(EV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)等の車両の駆動用高出力電源として好ましく、今後も需要が拡大するものと期待されている。
このような二次電池の典型的な構造の一つとして、正極および負極を備えた電極体を、電池ケース内に密閉してなる密閉構造の電池(密閉型電池)がある。例えば、典型的には、金属製の角型(箱型)のケース本体部材に上記電極体を収容し、当該ケース本体部材の開口部を塞ぐように矩形状の蓋部材を溶接等によって封止し密閉することにより密閉型電池は構築され得る。この種の密閉型電池の製造方法に関する従来技術としては、特許文献1に開示されたものが挙げられる。
特開平10−269999号公報
ところで、この種の密閉型電池の製造方法として、まず上記蓋部材と上記電極体を用いて蓋−電極構築部材を構築し、かかる蓋−電極構築部材を上記ケース本体部材に収容することにより、密閉型電池を構築する方法がある。かかる方法が採用された場合において、上記蓋−電極構築部材を上記ケース本体部材に収容するときに、該蓋−電極構築部材における蓋部材と該ケース本体部材との間で位置ずれが発生する場合がある。かかる位置ずれが発生したまま上記蓋部材が上記ケース本体部材の開口部に挿入(収容)されると、部材同士の接触に起因する部材損耗等により異物が発生することがある。かかる異物の発生は、密閉型電池の安全性低下の要因となり得るため好ましくない。そのため、上記蓋−電極構築部材を上記ケース本体部材に収容する工程において、該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材の位置決めには高い精度が要求される。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高い精度で上記蓋−電極構築部材と上記ケース本体部材の相対位置を制御しながら、該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とを組み付けることにより、異物の発生が抑制され得る密閉型電池の製造方法を提供することを目的とする。
本発明によると、密閉型電池の製造方法が提供される。ここで開示される方法は、正極および負極を備える電極体と、該電極体を収容する有底直方体形状のケース本体部材と該ケース本体部材の開口を閉塞する矩形状の蓋部材とを有する電池ケースと、を備えた密閉型電池を製造する方法である。上記方法は、上記蓋部材と上記電極体とが予め一体化されて構築された蓋−電極構築部材を、上記ケース本体部材に収容して該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とを組み付ける組み付け工程を備えている。
上記組み付け工程において、所定の位置に配置された、上記ケース本体部材および上記蓋−電極構築部材のうちの一方の部材に対して他方の部材を鉛直方向の上方から下降させることにより両部材を組み付ける作業が実施され、ここで、上記下降させる方の部材の鉛直方向における上面の複数部位、または、上記所定の位置に配置された部材の鉛直方向における底面の複数部位のいずれかにおいて、上記両方の部材が接触したときの各部位に掛かる荷重をそれぞれ測定し、各部位において測定された荷重値に応じて、上記電池ケース本体部材と上記蓋部材との相対位置を修正しつつ上記組み付けが行われる。
かかる構成によると、例えば、上記蓋−電極構築部材に対して上記ケース本体部材を鉛直方向の上方から下降させることにより、該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とを組み付ける組み付け工程において、該ケース本体部材の鉛直方向における上面の複数部位、または、該蓋−電極構築部材の鉛直方向における底面の複数部位のいずれかにおいて、該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とが互いに接触した時の各部位に掛かる荷重が測定される。ここで、上記各部位において測定された荷重値のバラつきと、上記電池ケース本体部材と上記蓋部材との相対位置とは相関があることを本発明者らは見出した。このため、各部位において測定された荷重値の情報から、上記電池ケース本体部材と上記蓋部材との位置関係を算出することができ、かかる位置情報をもとに、上記蓋−電極構築部材または該ケース本体部材を移動させることにより、両部材の相対位置を修正しつつ、該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とを組み付けることができる。
上記ケース本体部材に対して上記蓋−電極構築部材を鉛直方向の上方から下降させることにより、該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とを組み付ける場合も同様に、該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とが互いに接触した時の上記各部位において測定された荷重値に応じて、該電池ケース本体部材と上記蓋部材との相対位置を修正しつつ、該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とを組み付けることができる。
かかる方法によると、高い精度で上記蓋−電極構築部材と上記ケース本体部材の相対位置を制御しながら、該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とを組み付けることができる。かかる組み付け工程を備える密閉型電池の製造方法によると、異物の発生(特に、サイズが大きい異物の発生)が抑制され得る。
本発明の製造方法が適用され得る一実施形態に係る密閉型電池の外形を示す斜視図である。 本発明の製造方法が適用され得る一実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す断面図である。 本発明の製造方法が適用され得る一実施形態に係る密閉型電池の電極体の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池の製造方法における、蓋−電極構築部材とケース本体部材とを組み付ける様子を、蓋−電極構築部材の電極体厚み方向から見た説明図である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池の製造方法における、蓋−電極構築部材とケース本体部材とを組み付ける様子を、鉛直方向における斜め上方から見た俯瞰図である。 図5のVI−VI線からケース本体部材を見た俯瞰図である。 複数部位において測定された荷重の平均値と、組み付け工程において発生する異物の大きさとの関係を示すグラフである。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。
ここに開示される製造方法は、電池ケースによりケースの内部が外部環境から遮断されている各種の密閉型電池の製造に適用することができる。典型的には、電池ケースによってケースの内部と外部との気体、液体および固体の流通が遮断されている各種の電池の製造に適用される。以下の説明では、まず、本発明に係る製造方法が適用され得る密閉型電池の構成を、リチウムイオン二次電池を例にして簡単に説明する。なお、本発明の製造方法の適用に係る密閉型電池をかかるリチウムイオン二次電池に限定する意図ではない。
図1は、ここに開示される製造方法が適用され得る一実施形態に係る密閉型電池(リチウムイオン二次電池)10の斜視図である。図2は、一実施形態に係るリチウムイオン二次電池10を模式的に示す断面図である。図3は、リチウムイオン二次電池10に用いられる電極体40の構成を示す模式図である。リチウムイオン二次電池10は、図2に示すように、電池ケース20と、電極体(本実施形態では、捲回電極体)40とを備えている。
電池ケース20は、ケース本体部材21と、蓋部材22とを備えている。ケース本体部材21は、リチウムイオン二次電池10の通常の使用状態における上面に相当する一面が開口した有底直方体形状を有している。蓋部材22は、ケース本体部材21の開口を塞ぐ部材である。蓋部材22は凡そ矩形のプレートで構成されている。かかる蓋部材22がケース本体部材21の開口周縁に溶接されることによって、略六面体形状の電池ケース20が構成される。電池ケース20は、例えば、軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成される。このような金属製材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等が挙げられる。
図1および図2に示す例では、蓋部材22に外部接続用の正極外部端子23および負極外部端子24が取り付けられている。蓋部材22には、安全弁30と、注液口32が形成されている。安全弁30は、電池ケース20の内圧が所定レベル(例えば、設定開弁圧0.3MPa〜1.0MPa程度)以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成されている。図2では、非水電解液80が注入された後で、注液口32が封止材33によって封止された状態が図示されている。
電極体40は、図3に示すように、帯状の正極(正極シート)50と、帯状の負極(負極シート)60と、帯状のセパレータ(セパレータシート)72、74とを備える。正極シート50は、帯状の正極集電体51と、正極集電体51上に設けられた正極活物質層53とを備えている。正極集電体51の幅方向片側には、縁部に沿って露出部52が設けられており、正極活物質層53は、正極集電体51に設けられた露出部52を除いて、正極集電体51の両面に形成されている。負極シート60は、帯状の負極集電体61と、負極集電体61上に設けられた負極活物質層63とを備えている。負極集電体61の幅方向片側には、縁部に沿って露出部62が設けられており、負極活物質層63は、負極集電体61に設けられた露出部62を除いて、負極集電体61の両面に形成されている。
図3に示すように、正極シート50と、セパレータ74と、負極シート60と、セパレータ72とが順に重ねられ、捲回軸WLの周りに捲回されて電極体40が構築される。捲回された電極体(捲回電極体)40は、捲回軸WLを含む一平面に沿って扁平に押し曲げられた形状を有する。
正極集電体51には、例えば、アルミニウム箔等を用いることができる。正極活物質層53は、典型的には正極活物質と導電材と結着剤(バインダ)等とを含む。正極活物質としては、例えば、層状構造やスピネル構造等のリチウム複合金属酸化物(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNiO、LiCoO、LiFeO、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等)を採用し得る。導電材としては、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラックやケッチェンブラック)等の炭素材料を採用し得る。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリエチレンオキサイド(PEO)等の各種のポリマー材料を採用し得る。
正極シート50は、例えば、正極活物質と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン)に分散させ、ペースト状(スラリー状)の組成物を調製し、該組成物の適当量を正極集電体51の表面に付与した後、乾燥することによって形成することができる。また、必要に応じて適当なプレス処理を施すことによって正極活物質層53の性状(例えば、平均厚み、密度、空孔率等)を調整し得る。
負極集電体61には、例えば、銅箔等を用いることができる。負極活物質層63は、典型的には、負極活物質と結着剤と増粘剤等とを含む。負極活物質としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、低結晶性カーボン(ハードカーボン、ソフトカーボン)等の炭素材料を用いることができる。結着剤としては、スチレンブタジエンゴム(SBR)等の各種ポリマー材料を採用し得る。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の各種のポリマー材料を採用し得る。
負極シート60は、例えば、負極活物質と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒(例えばイオン交換水)に分散させ、ペースト状(スラリー状)の組成物を調製し、次に、該組成物の適当量を負極集電体61の表面に付与した後、乾燥によって溶媒を除去することによって形成することができる。また、必要に応じて適当なプレス処理を施すことによって負極活物質層63の性状(例えば、平均厚み、密度、空孔率等)を調整し得る。
セパレータ72、74は、正極シート50(正極活物質層53)と負極シート60(負極活物質層63)とを絶縁する機能を有する部材である。セパレータ72、74としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から成る多孔性シート(フィルム)が用いられ得る。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。
図2に示すように、電極体40において、セパレータ72、74からはみ出た正負の露出部52、62の中間部分は寄せ集められ、電池ケース20の内部に配置された正負の内部端子43、44の先端部43a、44aと溶接されている。
図2に示す形態では、電池ケース20に、電極体40と電解液80が収容されている。電解液80は従来のリチウムイオン二次電池と同様のものを使用可能であり、典型的には有機溶媒(非水溶媒)中に、支持塩を含有させたものを用いることができる。非水溶媒としては、カーボネート類、例えば、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等を好適に採用し得る。支持塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO等を好適に用いることができる。
次いで、図4〜図6を参照しながら、本発明に係る密閉型電池10の製造方法について説明する。図4および図5は、それぞれ、蓋−電極構築部材90とケース本体部材21とを組み付ける様子を、蓋−電極構築部材90の電極体40厚み方向から見た説明図と、鉛直方向における斜め上方から見た俯瞰図である。なお、図5に示す蓋−電極構築部材90は、便宜上、電極体40の図示を省略している。図6は、図5のVI−VI線からケース本体部材21を見た俯瞰図である。
本発明に係る密閉型電池10の製造方法は、蓋部材22と電極体40とが一体化されて構築された蓋−電極構築部材90を、ケース本体部材21に収容して蓋−電極構築部材90とケース本体部材21とを組み付ける組み付け工程を含む。
まず、蓋−電極構築部材90の構築について説明する。蓋部材22、電極体40、正負の内部端子43、44および正負の外部端子23,24をそれぞれ用意する。そして、蓋部材22に内部端子43、44と外部端子23,24をそれぞれ固設する。さらに、このうちの正極内部端子43を電極体40の正極側の露出部52に溶接するとともに、負極内部端子44を電極体40の負極側の露出部62に溶接して、蓋−電極構築部材90を作製する。作製された蓋−電極構築部材90は、さらに袋状に形成された絶縁フィルムによって包装されてもよい。上記絶縁フィルムは、ケース本体部材21と電極体40とを電気的に絶縁させるために用いられる。
次いで、蓋−電極構築部材90をケース本体部材21に収容する。具体的には、図4に示すように、蓋−電極構築部材90に対してケース本体部材21を鉛直方向の上方から下降させることにより、蓋−電極構築部材90をケース本体部材21に収容することができる。
ここで、図5に示すように、ケース本体部材21の鉛直方向における上面82の複数部位には、各部位に掛かる荷重を測定するための荷重測定手段91、92、93、94が設置されている。または、蓋−電極構築部材90の鉛直方向における底面84の複数部位に、荷重測定手段が設置されていてもよい。図5に示す例では、ケース本体部材21の上面82の四隅近傍の4箇所に、上面82に掛かる荷重を測定するための4つの荷重測定手段91、92、93、94が設置されている。図5に示す各荷重測定手段91、92、93、94は相互に独立してケース本体部材21の上面82の各部位に掛かる荷重を測定することができる。荷重測定手段91、92、93、94が設置される箇所の数は、上述したいずれかの面において2以上であればよく、好ましくは4以上である。なお、荷重測定手段91、92、93、94としては、従来知られている磁歪式、歪ゲージ式、ジャイロ式等の種々の形式のロードセルを電池の形状に応じて使用することができる。かかる荷重の測定機構ならびに荷重検知信号の出入力機構自体は、従来技術の範囲であり、これ以上の詳細な説明は省略する。
ケース本体部材21の蓋−電極構築部材90に向けての移動は、ケース本体部材21の一部と蓋−電極構築部材90の一部とが互いに接触した時に一旦停止され得る。ケース本体部材21と蓋−電極構築部材90とが互いに接触したか否かの判断は、ケース本体部材21に設置された荷重測定手段91、92、93、94により測定された荷重値をもとに行うことができる。
ここで、ケース本体部材21と蓋−電極構築部材90とが接触した時におけるケース本体部材21に掛かる荷重が測定される。具体的には、ケース本体部材21の上面82の複数部位(図5の例では4箇所)に設置された荷重測定手段91、92、93、94により、各部位に掛かる荷重値(即ち荷重検知信号)が測定される。このとき、上記各部位において測定された荷重値のバラつきと、電池ケース本体部材21と蓋部材90との相対位置とは相関があることがわかっている。即ち、ケース本体部材21と蓋−電極構築部材90との接触点の分布が、上記各部位における荷重値の分布に反映される。このため、上記各部位において測定された荷重値の情報から、電池ケース本体部材21と蓋部材90との位置関係を算出することができる。そして、かかる位置情報をもとに、ケース本体部材21および/または蓋−電極構築部材90を移動させることにより、両部材21、90の相対位置を修正することができる。
以下の説明においては、図5および図6を参照しながら、蓋−電極構築部材90およびケース本体部材21の相対位置の修正方法の一実施例を示す。図5および図6に示す荷重測定手段91、92、93および94によって測定された荷重(単位:N)を、それぞれL1、L2、L3およびL4とする。このとき、まずL1とL3の平均値x(left)と、L2とL4の平均値x(right)を算出する。ここで、x(left)とx(right)とが以下の不等式(1)を満たす場合は、ケース本体部材21を、図6に示すx軸の負の方向に、所定の距離だけ移動させる。または、x(left)とx(right)とが以下の不等式(2)を満たす場合は、ケース本体部材21を、図6に示すx軸の正の方向に、所定の距離だけ移動させる。
x(left)>x(right) (1)
x(left)<x(right) (2)
次いで、L1とL2の平均値y(front)と、L3とL4の平均値y(rear)を算出する。ここで、y(front)とy(rear)とが以下の不等式(3)を満たす場合は、ケース本体部材21を、図6に示すy軸の負の方向に、所定の距離だけ移動させる。または、y(front)とy(rear)とが以下の不等式(4)を満たす場合は、ケース本体部材21を、図6に示すy軸の正の方向に、所定の距離だけ移動させる。
y(front)>y(rear) (3)
y(front)<y(rear) (4)
なお、上記の移動距離は、x(left)とx(right)との差の大きさ、またはy(front)とy(rear)の差の大きさに応じて決定することができる。
必要に応じて、さらに上記の荷重測定とケース本体部材21の移動を繰返し行うことができる。かかる工程を繰返し行うことにより、蓋−電極構築部材90およびケース本体部材21の位置決めがより高い精度で実現される。ここで、蓋−電極構築部材90およびケース本体部材21の相対位置がより高度に修正されるほど、複数部位で測定される各荷重値の平均値は減少する傾向がある。上記の荷重測定とケース本体部材21の移動は、複数部位で測定された各荷重値の平均値が予め定められた所定値未満となるまで繰り返すことができる。または、上記荷重測定とケース本体部材21の移動は、x(left)とx(right)との差およびy(front)とy(rear)の差のそれぞれが予め定められた所定値未満となるまで繰り返すことができる。
このようにして相対位置が修正された蓋−電極構築部材90とケース本体部材21について、ケース本体部材21を、蓋−電極構築部材90に向けて鉛直方向の下方にさらに移動させることにより、蓋−電極構築部材90がケース本体部材21に収容されて、蓋−電極構築部材90とケース本体部材21とを組み付ける工程が完了する。
図4〜図6では、蓋−電極構築部材90に対してケース本体部材21を鉛直方向の上方から下降させることにより両部材を組み付ける例を示したが、ここに開示される他の一実施例によると、ケース本体部材21に対して蓋−電極構築部材90を鉛直方向の上方から下降させることにより両部材を組み付けることができる。この場合は、蓋−電極構築部材90の鉛直方向における上面の複数部位、または、ケース本体部材21の鉛直方向における底面の複数部位のいずれかにおいて、両部材90、21が接触したときの各部位に掛かる荷重を測定するとよい。
図7は、上記したいずれかの面における複数部位で測定された荷重の平均値と、組み付け工程において発生する異物の大きさとの関係を表したグラフである。図7に示された結果から、上記荷重の平均値が小さいほど、発生する異物は小さくなる傾向があることがわかる。本発明に係る製造方法の一実施形態によると、上記荷重の平均値が所定値未満となるように、ケース本体部材21と蓋−電極構築部材90(蓋部材22)の位置が制御されつつ、ケース本体部材21と蓋−電極構築部材90との組み付けが行われ得る。このため、ここに開示された方法によると、組み付け工程における異物の発生が抑制され、特にサイズが大きい異物の発生が抑制され得る。
上記製造方法は、ここに開示される技術の目的を損なわない範囲において、蓋−電極構築部材90とケース本体部材21とを組み付ける組み付け工程以外の工程を含むことができる。例えば、上記製造方法は、蓋−電極構築部材90とケース本体部材21とを組み付ける組み付け工程の後に、蓋部材21に設けられた注液口32から電池ケース20内に電解液80を注液する工程等を含み得る。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
10 密閉型電池(リチウムイオン二次電池)
20 電池ケース
21 ケース本体部材
22 蓋部材
23 正極外部端子
24 負極外部端子
30 安全弁
32 注液口
33 封止材
40 電極体
43 正極内部端子
44 負極内部端子
50 正極シート(正極)
51 正極集電体
52 露出部
53 正極活物質層
60 負極シート(負極)
61 負極集電体
62 露出部
63 負極活物質層
72、74 セパレータ
80 電解液
82 上面
84 底面
90 蓋−電極構築部材
91 荷重測定手段
92 荷重測定手段
93 荷重測定手段
94 荷重測定手段
WL 捲回軸

Claims (1)

  1. 正極および負極を備える電極体と、
    前記電極体を収容する有底直方体形状のケース本体部材と該ケース本体部材の開口を閉塞する矩形状の蓋部材とを有する電池ケースと、
    を備えた密閉型電池を製造する方法であって、
    前記蓋部材と前記電極体とが予め一体化されて構築された蓋−電極構築部材を、前記ケース本体部材に収容して該蓋−電極構築部材と該ケース本体部材とを組み付ける組み付け工程を備えており、
    前記組み付け工程において、
    所定の位置に配置された、前記ケース本体部材および前記蓋−電極構築部材のうちの一方の部材に対して他方の部材を鉛直方向の上方から下降させることにより両部材を組み付ける作業が実施され、
    ここで、前記下降させる方の部材の鉛直方向における上面の複数部位、または、前記所定の位置に配置された部材の鉛直方向における底面の複数部位のいずれかにおいて、前記両方の部材が接触したときの各部位に掛かる荷重をそれぞれ測定し、各部位において測定された荷重値に応じて、前記電池ケース本体部材と前記蓋部材との相対位置を修正しつつ前記組み付けが行われることを特徴とする密閉型電池の製造方法。
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