JP2019200955A - 蓄電モジュールの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄電モジュールの製造でのハンドリングをより容易にする。【解決手段】複数のバイポーラ電極14のそれぞれがセパレータ13を介して積層され、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間にセパレータ13を介して挟み込まれた電極積層体11のバイポーラ電極14間等に電解液が注液される蓄電モジュール4の製造方法において、搬送工程により、電極積層体11が注液場所100へ搬送され、搬送工程の後に、加圧工程により、電極積層体11における一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Z0になるまでの圧力が一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加えられ、注液工程により、バイポーラ電極14間等に電解液が注液される。重い拘束板により拘束された電極積層体11の搬送は不要となり、蓄電モジュール4の製造におけるハンドリングがより容易となる。【選択図】図4

Description

本発明は、蓄電モジュールの製造方法に関する。
特許文献1には、電極板に活物質を塗工した電極部を両面に有する複数のバイポーラ電極のそれぞれがセパレータを介して積層され、電極部を片面に有する一対の終端電極の間にセパレータを介して挟み込まれた積層体のバイポーラ電極間及び終端電極とバイポーラ電極との間に電解液が注液される蓄電モジュールが開示されている。
特開2018‐18715号公報
ところで、バイポーラ電極間及び終端電極とバイポーラ電極との間に電解液が注液される際に、積層体における一対の終端電極の間隔が規定寸法になるように拘束板により積層体が拘束され、終端電極に圧力が加えられる必要がある。そのため、電解液が注液される注液場所まで拘束板により拘束された積層体が搬送される。しかし、拘束板は約40kgもの重量があり、人力で拘束板により拘束された積層体を搬送することは困難である。そのため、蓄電モジュールの製造におけるハンドリングをより容易にすることが望まれている。
そこで本発明は、蓄電モジュールの製造におけるハンドリングがより容易となる蓄電モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、電極板に活物質を塗工した電極部を両面に有する複数のバイポーラ電極のそれぞれがセパレータを介して積層され、電極部を片面に有する一対の終端電極の間にセパレータを介して挟み込まれた積層体のバイポーラ電極間及び終端電極とバイポーラ電極との間に電解液が注液される蓄電モジュールの製造方法であって、積層体を注液場所へ搬送する搬送工程と、搬送工程の後に、積層体における一対の終端電極の間隔が規定寸法になるまでの圧力を一対の終端電極に加える加圧工程と、バイポーラ電極間及び終端電極とバイポーラ電極との間に電解液を注液する注液工程とを備えた蓄電モジュールの製造方法である。
この構成によれば、電極板に活物質を塗工した電極部を両面に有する複数のバイポーラ電極のそれぞれがセパレータを介して積層され、電極部を片面に有する一対の終端電極の間にセパレータを介して挟み込まれた積層体のバイポーラ電極間及び終端電極とバイポーラ電極との間に電解液が注液される蓄電モジュールの製造方法において、搬送工程により、積層体が注液場所へ搬送され、搬送工程の後に、加圧工程により、積層体における一対の終端電極の間隔が規定寸法になるまでの圧力が一対の終端電極に加えられ、注液工程により、バイポーラ電極間及び終端電極とバイポーラ電極との間に電解液が注液される。これにより、重い拘束板により拘束された積層体の搬送は不要となり、蓄電モジュールの製造におけるハンドリングがより容易となる。
この場合、加圧工程では、注液場所に設置されたチャンバの中に封入された積層体に対し、チャンバの中の気圧を増大させることにより、一対の終端電極の間隔が規定寸法になるまでの圧力を一対の終端電極に加えることが好適である。
この構成によれば、加圧工程では、注液場所に設置されたチャンバの中に封入された積層体に対し、チャンバの中の気圧を増大させることにより、一対の終端電極の間隔が規定寸法になるまでの圧力が一対の終端電極に加えられるため、容易に一対の終端電極の間隔が規定寸法になるまでの圧力を一対の終端電極に加えることができる。
また、加圧工程では、注液場所に設置されたプレス機により、一対の終端電極の間隔が規定寸法になるまでの圧力を一対の終端電極に加えることが好適である。
この構成によれば、加圧工程では、注液場所に設置されたプレス機により、一対の終端電極の間隔が規定寸法になるまでの圧力が一対の終端電極に加えられるため、容易に一対の終端電極の間隔が規定寸法になるまでの圧力を一対の終端電極に加えることができる。
本発明の蓄電モジュールの製造方法によれば、蓄電モジュールの製造におけるハンドリングがより容易となる。
第1実施形態に係る蓄電装置を示す概略断面図である。 図1の蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。 第1実施形態に係る蓄電モジュールの製造方法の搬送工程の概略を示す概略断面図である。 第1実施形態に係る蓄電モジュールの製造方法の加圧工程及び注液工程の概略を示す縦断面図である。 第2実施形態に係る蓄電モジュールの製造方法の加圧工程及び注液工程の概略を示す縦断面図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図1は、蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。図1に示される蓄電装置1は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。蓄電装置1は、複数の蓄電モジュール4を積層してなる蓄電モジュール積層体2と、蓄電モジュール積層体2に対して積層方向に拘束荷重を付加する拘束部材3とを備えて構成されている。
蓄電モジュール積層体2は、複数(本実施形態では3体)の蓄電モジュール4と、複数(本実施形態では4枚)の導電板5とによって構成されている。蓄電モジュール4は、例えば後述するバイポーラ電極を備えたバイポーラ電池であり、積層方向から見て矩形状をなしている。蓄電モジュール4は、例えばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等の二次電池、又は電気二重層キャパシタである。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。
積層方向に隣り合う蓄電モジュール4,4同士は、導電板5を介して電気的に接続されている。導電板5は、積層方向に隣り合う蓄電モジュール4,4間と、積層端に位置する蓄電モジュール4の外側と、にそれぞれ配置されている。積層端に位置する蓄電モジュール4の外側に配置された一方の導電板5には、正極端子6が接続されている。積層端に位置する蓄電モジュール4の外側に配置された他方の導電板5には、負極端子7が接続されている。正極端子6及び負極端子7は、例えば導電板5の縁部から積層方向に交差する方向に引き出されている。正極端子6及び負極端子7により、蓄電装置1の充放電が実施される。
各導電板5の内部には、空気等の冷媒を流通させる複数の流路5aが設けられている。各流路5aは、例えば積層方向と、正極端子6及び負極端子7の引き出し方向とにそれぞれ直交する方向に互いに平行に延在している。これらの流路5aに冷媒を流通させることで、導電板5は、蓄電モジュール4,4同士を電気的に接続する接続部材としての機能のほか、蓄電モジュール4で発生した熱を放熱する放熱板としての機能を併せ持つ。なお、図1の例では、積層方向から見た導電板5の面積は、蓄電モジュール4の面積よりも小さいが、放熱性の向上の観点から、導電板5の面積は、蓄電モジュール4の面積と同じであってもよく、蓄電モジュール4の面積よりも大きくてもよい。
拘束部材3は、蓄電モジュール積層体2を積層方向に挟む一対のエンドプレート8,8と、エンドプレート8,8同士を締結する締結ボルト9及びナット10とによって構成されている。エンドプレート8は、積層方向から見た蓄電モジュール4及び導電板5の面積よりも一回り大きい面積を有する矩形の金属板である。エンドプレート8の内側面(蓄電モジュール積層体2側の面)には、電気絶縁性を有するフィルムFが設けられている。フィルムFにより、エンドプレート8と導電板5との間が絶縁されている。
エンドプレート8の縁部には、蓄電モジュール積層体2よりも外側となる位置に挿通孔8aが設けられている。締結ボルト9は、一方のエンドプレート8の挿通孔8aから他方のエンドプレート8の挿通孔8aに向かって通され、他方のエンドプレート8の挿通孔8aから突出した締結ボルト9の先端部分には、ナット10が螺合されている。これにより、蓄電モジュール4及び導電板5がエンドプレート8,8によって挟持されて蓄電モジュール積層体2としてユニット化されると共に、蓄電モジュール積層体2に対して積層方向に拘束荷重が付加される。
次に、蓄電モジュール4の構成について更に詳細に説明する。図2に示すように、蓄電モジュール4は、電極積層体11と、電極積層体11を封止(シール)するシール部材12とを備えている。
電極積層体11は、セパレータ13を介して複数のバイポーラ電極14が積層され、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間にセパレータ13を介して挟み込まれた積層体である。この例では、電極積層体11の積層方向D1は蓄電モジュール積層体2の積層方向と一致している。バイポーラ電極14は、電極板15、電極板15の一方面15aに設けられた電極部である正極16、電極板15の他方面15bに設けられた電極部である負極17を含んでいる。正極16は、正極活物質が塗工されてなる正極活物質層である。負極17は、負極活物質が塗工されてなる負極活物質層である。電極積層体11において、一のバイポーラ電極14の正極16は、セパレータ13を挟んで積層方向D1に隣り合う一方のバイポーラ電極14の負極17と対向している。電極積層体11において、一のバイポーラ電極14の負極17は、セパレータ13を挟んで積層方向D1に隣り合う他方のバイポーラ電極14の正極16と対向している。
電極積層体11において、積層方向D1の一端には終端電極である負極終端電極18が配置され、積層方向D1の他端には終端電極である正極終端電極19が配置されている。負極終端電極18は、電極板15及び電極板15の他方面15bに設けられた電極部である負極17を含んでいる。負極終端電極18の負極17は、セパレータ13を介して積層方向D1の一端のバイポーラ電極14の正極16と対向している。負極終端電極18の電極板15の一方面15aには、蓄電モジュール4に隣接する一方の導電板5が接触する。正極終端電極19は、電極板15及び電極板15の一方面15aに設けられた電極部である正極16を含んでいる。正極終端電極19の電極板15の他方面15bには、蓄電モジュール4に隣接する他方の導電板5が接触する。正極終端電極19の正極16は、セパレータ13を介して積層方向D1の他端のバイポーラ電極14の負極17と対向している。
電極板15は、金属製であり、例えばニッケル又はニッケルメッキ鋼板からなる。電極板15は、例えばニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板15の外縁部15c(バイポーラ電極14の外縁部)は、矩形枠状をなし、正極活物質及び負極活物質が塗工されない未塗工領域となっている。正極16を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケルが挙げられる。負極17を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が挙げられる。本実施形態では、電極板15の他方面15bにおける負極17の形成領域は、電極板15の一方面15aにおける正極16の形成領域に対して一回り大きくなっている。
セパレータ13は、例えばシート状に形成されている。セパレータ13としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。セパレータ13は、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されたものであってもよい。なお、セパレータ13は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。
シール部材12は、例えば絶縁性の樹脂によって形成されている。シール部材12を構成する樹脂材料としては、例えばポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、又は変性ポリフェニレンエーテル(変性PPE)などが挙げられる。シール部材12は、電極積層体11を取り囲み、複数の電極板15の外縁部15cを保持するように構成されている。
シール部材12は、外縁部15cに設けられた枠状の1次シール21(樹脂枠)と、1次シール21の周囲に設けられ、電極積層体11を収容する筒状の2次シール22(樹脂筒)とを有している。1次シール21は所定の厚さ(積層方向D1の長さ)を有するフィルムである。1次シール21は、積層方向D1から見て、矩形枠状をなし、例えば超音波又は熱により、外縁部15cの全周にわたって連続的に溶着されている。1次シール21は、電極板15の一方面15a側の外縁部15cに設けられている。1次シール21は、外縁部15cを埋設した状態で、外縁部15cに設けられ、電極板15の端面を覆っている。1次シール21は、積層方向D1から見て、正極16及び負極17から離間して設けられている。積層方向D1で隣り合う1次シール21,21同士は、互いに当接している。
1次シール21は、第1部分21aと第2部分21bとを有している。第1部分21aは、一方面15a上に設けられ、積層方向D1から見て電極板15と重なっている。第2部分21bは、第1部分21aと一体的に形成され、積層方向D1から見て電極板15の外側に設けられている。第1部分21aの厚さは、第2部分21bの厚さよりも薄く、正極16の厚さと同等であるが、同等以上であってもよい。第1部分21aと第2部分21bとの間には、積層方向D1に延在する段差面21cが形成されている。
第1部分21aの上面には、セパレータ13の外縁部が配置されている。積層方向D1から見て、第1部分21aとセパレータ13の外縁部とは互いに重なっている。セパレータ13の外縁部は、セパレータ13の外縁に沿って並ぶ複数箇所において、例えば溶着により第1部分21aの上面に固定されている。セパレータ13の外縁は、段差面21cに当接していてもよいし、段差面21cから離間していてもよい。本実施形態では、段差面21cの高さ(積層方向D1の長さ)は、セパレータ13の厚さと負極17の厚さとの和と同等であるが、同等以上であってもよい。
2次シール22は、電極積層体11及び1次シール21を取り囲み、蓄電モジュール4の外壁(筐体)を構成している。2次シール22は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、積層方向D1において電極積層体11の全長にわたって延在している。2次シール22は、積層方向D1を軸方向として延在する矩形筒状をなしている。2次シール22は、積層方向D1に延在する1次シール21の外側面を覆っている。2次シール22は、1次シール21の外側面に接合され、1次シール21の外側面をシールしている。2次シール22は、例えば、射出成形時の熱によって1次シール21の外側面に溶着されている。2次シール22は、熱板溶着によって1次シール21の外側面に溶着されていてもよい。
積層方向D1で隣り合う電極板15,15の間には、当該電極板15とシール部材12とにより気密及び水密に仕切られた内部空間Vが形成されている。この内部空間Vには、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水溶液からなる電解液(不図示)が収容されている。電解液は、セパレータ13、正極16及び負極17内に含浸されている。電解液は強アルカリ性なので、シール部材12は、耐強アルカリ性を有する樹脂材料により構成されている。
1次シール21には、積層方向D1に交差(ここでは、直交)する方向に延び、各内部空間Vから2次シール22に連通する注液口部21pが設けられている。2次シール22には、積層方向D1に交差(ここでは、直交)する方向に延び、1次シール21の注液口部21pから蓄電モジュール4の外部に連通する注液口部22pが設けられている。注液口部21p,22pは、各内部空間Vに電解液を注入するための注液口として機能すると共に、電解液が注入された後は、圧力調整弁(不図示)の接続口として機能する。
以上より、蓄電モジュール4では、電極板15に活物質を塗工した正極16又は負極17を両面に有する複数のバイポーラ電極14のそれぞれがセパレータ13を介して積層され、正極16又は負極17を片面に有する一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間にセパレータ13を介して挟み込まれた電極積層体11のバイポーラ電極14間、負極終端電極18とバイポーラ電極14との間及び正極終端電極19とバイポーラ電極14との間に電解液が注液される。
蓄電モジュール4に隣接する一対の導電板5を介して拘束部材3により、電極積層体11における一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔がバイポーラ電極14間、負極終端電極18とバイポーラ電極14との間及び正極終端電極19とバイポーラ電極14との間に電解液が注液されているときの規定寸法Zになるまでの圧力が負極終端電極18の電極板15の一方面15aと正極終端電極19の電極板15の他方面15bとに加えられている。
なお、図2の例では、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔及び規定寸法Zは、互いに対向する負極終端電極18の電極板15の他方面15bと正極終端電極19の電極板15の一方面15aとの間の距離により測定されているが、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔及び規定寸法Zは、負極終端電極18の電極板15の一方面15aと正極終端電極19の電極板15の他方面15bとの距離等を基準として測定されてもよい。
以下、本実施形態の蓄電モジュール4の製造方法について説明する。図3に示すように、電極積層体11における一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔がバイポーラ電極14間、負極終端電極18とバイポーラ電極14との間及び正極終端電極19とバイポーラ電極14との間に電解液が注液されているときの規定寸法Zになるまでの圧力が負極終端電極18の電極板15の一方面15aと正極終端電極19の電極板15の他方面15bとに加えられていない状態で、電極積層体11をバイポーラ電極14間、負極終端電極18とバイポーラ電極14との間及び正極終端電極19とバイポーラ電極14との間に電解液が注液される注液場所100に搬送する搬送工程が行われる。搬送工程では、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔は規定寸法Zよりも大きい寸法Zである。注液場所100には、注液器50が設置されている。
搬送工程では、負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力を加える必要は無いため、重い拘束板を電極積層体11に取り付ける必要は無い。そのため、搬送工程における電極積層体11の搬送は、電極積層体11を任意のクランプ等により分離しないように固定しつつ、人力や台車等により行うことができる。
図4に示すように、搬送工程の後に、電極積層体11における一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力を一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加える加圧工程が行われる。加圧工程では、注液場所100に設置されたチャンバ41の中に封入された電極積層体11に対し、チャンバ41の中の気圧を増大させることにより、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力が一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加えられる。圧力は、負極終端電極18の電極板15の一方面15aと正極終端電極19の電極板15の他方面15bとに加えられる。
図4に示すように、バイポーラ電極14間、負極終端電極18とバイポーラ電極14との間及び正極終端電極19とバイポーラ電極14との間に電解液を注液する注液工程が行われる。図4の例では、注液器50はチャンバ41の外部に配置され、注液器50のノズルがチャンバ41の外部から注液口部21p,22pに挿入されている。しかし、注液器50はチャンバ41の内部に配置されていてもよい。また、注液工程は、加圧工程の後に行われてもよく、加圧工程と同時に行われてもよい。
図1に示すように、注液工程の後に、必要なシールが行われ、複数の蓄電モジュール4と複数の導電板5とが積層された蓄電モジュール積層体2に拘束部材3が取り付けられる。拘束部材3により、電極積層体11における一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力が負極終端電極18の電極板15の一方面15aと正極終端電極19の電極板15の他方面15bとに加えられ、蓄電装置1が製造される。
本実施形態によれば、電極板15に活物質を塗工した正極16又は負極17を両面に有する複数のバイポーラ電極14のそれぞれがセパレータ13を介して積層され、正極16又は負極17を片面に有する一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間にセパレータ13を介して挟み込まれた電極積層体11のバイポーラ電極14間、負極終端電極18とバイポーラ電極14との間及び正極終端電極19とバイポーラ電極14との間に電解液が注液される蓄電モジュール4の製造方法において、搬送工程により、電極積層体11が注液場所100へ搬送され、搬送工程の後に、加圧工程により、電極積層体11における一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力が一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加えられ、注液工程により、バイポーラ電極14間、負極終端電極18とバイポーラ電極14との間及び正極終端電極19とバイポーラ電極14との間に電解液が注液される。これにより、重い拘束板により拘束された電極積層体11の搬送は不要となり、蓄電モジュール4の製造におけるハンドリングがより容易となる。
また、本実施形態によれば、加圧工程では、注液場所100に設置されたチャンバ41の中に封入された電極積層体11に対し、チャンバ41の中の気圧を増大させることにより、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力が一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加えられるため、容易に一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力を一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加えることができる。
以下、本発明の第2実施形態について説明する。図5に示すように、本実施形態では、加圧工程では、注液場所100に設置されたプレス機42により、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力が一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加えられる。圧力は、負極終端電極18の電極板15の一方面15aと正極終端電極19の電極板15の他方面15bとに加えられる。
本実施形態によれば、加圧工程では、注液場所100に設置されたプレス機42により、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力が一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加えられるため、容易に一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力を一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加えることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。例えば、搬送工程では、拘束板が電極積層体11に取り付けられていない状態で電極積層体11が注液場所100に搬送され、加圧工程では、拘束板等により、一対の負極終端電極18と正極終端電極19との間隔が規定寸法Zになるまでの圧力が一対の負極終端電極18及び正極終端電極19に加えられてもよい。
1…蓄電装置、2…蓄電モジュール積層体、3…拘束部材、4…蓄電モジュール、5…導電板、5a…流路、6…正極端子、7…負極端子、8…エンドプレート、8a…挿通孔、9…締結ボルト、10…ナット、11…電極積層体、12…シール部材、13…セパレータ、14…バイポーラ電極、15…電極板、15a…一方面、15b…他方面、15c…外縁部、16…正極、17…負極、18…負極終端電極、19…正極終端電極、21…1次シール、21a…第1部分、21b…第2部分、21c…段差面、21p…注液口部、22…2次シール、22p…注液口部、41…チャンバ、42…プレス機、50…注液器、100…注液場所、F…フィルム、V…内部空間、Z…規定寸法、Z…寸法。

Claims (3)

  1. 電極板に活物質を塗工した電極部を両面に有する複数のバイポーラ電極のそれぞれがセパレータを介して積層され、前記電極部を片面に有する一対の終端電極の間に前記セパレータを介して挟み込まれた積層体の前記バイポーラ電極間及び前記終端電極と前記バイポーラ電極との間に電解液が注液される蓄電モジュールの製造方法であって、
    前記積層体を注液場所へ搬送する搬送工程と、
    前記搬送工程の後に、前記積層体における一対の前記終端電極の間隔が規定寸法になるまでの圧力を一対の前記終端電極に加える加圧工程と、
    前記バイポーラ電極間及び前記終端電極と前記バイポーラ電極との間に電解液を注液する注液工程と、を備えた蓄電モジュールの製造方法。
  2. 前記加圧工程では、前記注液場所に設置されたチャンバの中に封入された前記積層体に対し、前記チャンバの中の気圧を増大させることにより、一対の前記終端電極の間隔が前記規定寸法になるまでの圧力を一対の前記終端電極に加える、請求項1に記載の蓄電モジュールの製造方法。
  3. 前記加圧工程では、前記注液場所に設置されたプレス機により、一対の前記終端電極の間隔が前記規定寸法になるまでの圧力を一対の前記終端電極に加える、請求項1に記載の蓄電モジュールの製造方法。
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