JP2018170130A - 蓄電素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】極板が湾曲するのを抑制することができる電極体を備える蓄電素子を提供する。
【解決手段】積層された複数の極板を有する電極体を備える蓄電素子であって、前記複数の極板のうち最外層の極板は、基材、及び、前記基材の内面に配置された合材層を有し、前記電極体は、さらに、前記基材の外面に固定されたシート部材を有する。
【選択図】図6

Description

本発明は、積層された複数の極板を有する電極体を備える蓄電素子に関する。
積層された複数の極板を有する電極体を備え、当該極板に合材層が形成されている蓄電素子が広く知られている。例えば、特許文献1には、積層された複数の正極及び負極を有する発電要素(電極体)を備え、正極及び負極に活物質層(合材層)が形成された積層構造電池(蓄電素子)が開示されている。
特開2013−191389号公報
しかしながら、上記従来のような構成の蓄電素子では、極板を作製する際に極板が湾曲してしまうおそれがあるという問題がある。極板が湾曲してしまうと、極板を積層して電極体を構成する作業が困難になり、生産性が低下するおそれがある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、極板が湾曲するのを抑制することができる電極体を備える蓄電素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、積層された複数の極板を有する電極体を備える蓄電素子であって、前記複数の極板のうち最外層の極板は、基材、及び、前記基材の内面に配置された合材層を有し、前記電極体は、さらに、前記基材の外面に固定されたシート部材を有する。
本発明によれば、極板が湾曲するのを抑制することができる電極体を備える蓄電素子を提供することができる。
実施の形態に係る蓄電素子の外観を示す斜視図である。 実施の形態に係る蓄電素子を分解して各構成要素を示す分解斜視図である。 実施の形態に係る蓄電素子の内部構成を示す断面図である。 実施の形態に係る電極体の正極板、負極板及びセパレータが積層された構成を示す斜視図である。 実施の形態に係る電極体の正極板及び負極板の構成を示す平面図である。 実施の形態に係る電極体の正極板、負極板及びシート部材の構成を示す断面図である。 実施の形態の変形例1に係る電極体の最外層の負極板及びシート部材の構成を示す断面図である。 実施の形態の変形例2に係る電極体の正極板、最外層の負極板及びシート部材の構成を示す断面図である。 実施の形態の変形例3に係る電極体の正極板、最外層の負極板及びシート部材の構成を示す断面図である。 実施の形態の変形例4に係る最外層の負極板及びシート部材の構成を示す平面図である。 実施の形態の変形例4に係る最外層の負極板及びシート部材の構成を示す平面図である。 実施の形態の変形例5に係る電極体の正極板、負極板及びシート部材の構成を示す斜視図である。 実施の形態の変形例6に係る電極体の正極板、負極板及びシート部材の構成を示す斜視図である。
本願発明者は、上記特許文献1のような従来の蓄電素子においては、極板を作製する際に極板が湾曲してしまうことがある点に着目した。つまり、一般的に、極板を作製する際には、極板に合材層を形成する際に、極板が湾曲してしまう場合があることを見出した。極板が湾曲してしまうと、合材層の剥離が生じるなどの不都合がある。
この問題を解決するため、本発明の一態様に係る蓄電素子は、積層された複数の極板を有する電極体を備える蓄電素子であって、前記複数の極板のうち最外層の極板は、基材、及び、前記基材の内面に配置された合材層を有し、前記電極体は、さらに、前記基材の外面に固定されたシート部材を有する。
これによれば、蓄電素子において、電極体が有する複数の極板のうちの最外層の極板には、基材の内面に合材層が配置され、基材の外面にシート部材が固定されている。これにより、基材の内面の合材層が極板を湾曲させようとしても、基材の外面のシート部材が当該湾曲させる力に対抗して、当該極板が湾曲するのを抑制することができる。
また、前記最外層の極板は、前記シート部材が固定された状態で、曲げ試験において前記合材層側から荷重を加えた場合の応力に対する、前記シート部材側から荷重を加えた場合の応力の比率が、0.5以上2以下であることにしてもよい。
これによれば、シート部材が固定された最外層の極板は、曲げ試験において合材層側から荷重をかけた場合の応力に対する、前記シート部材側から荷重をかけた場合の応力の比率が、0.5以上2以下である。このため、当該最外層の極板において、合材層側に反ろうとする力とシート部材側に反ろうとする力が比較的釣り合っているので、当該極板が湾曲するのをより抑制することができる。
また、前記シート部材は、前記基材の端部から突出した第一突出部を有することにしてもよい。
ここで、極板が湾曲するのを抑制するためには、シート部材が、基材の端部まで覆っているのが好ましく、このためには、シート部材を基材の端部からはみ出すように大きめに形成しておくのが好ましい。このように、シート部材が基材の端部から突出していることで、シート部材が、基材の端部まで覆うことができているため、極板が湾曲するのを抑制することができる。
また、前記第一突出部は、前記基材の内面側に突出した第二突出部を有することにしてもよい。
これによれば、シート部材の端部が基材の内面側に突出することで、当該端部が外側に突出することなく、当該端部の強度を向上させることができる。このため、電極体の小型化を図りつつ、極板が湾曲するのをより抑制することができる。
また、前記シート部材は、端部が中央部よりも厚みが厚いことにしてもよい。
これによれば、シート部材は、端部が中央部よりも厚く形成されているため、極板が湾曲するのをより抑制することができる。
また、前記シート部材は、前記複数の極板のうち一方の最外層の極板の基材の外面に固定された第一シート部と、前記複数の極板のうち他方の最外層の極板の基材の外面に固定された第二シート部とを有し、前記第一シート部と前記第二シート部とは、一体に形成されていることにしてもよい。
これによれば、電極体の両外側の最外層の極板の基材の外面に、第一シート部と第二シート部とが固定されており、当該両外側の第一シート部と第二シート部とは一体に形成されている。このように、電極体の両外側の2つのシート部を一体化することで、部品点数を低減し、電極体の構成を簡素化することができる。
また、前記シート部材は、前記合材層よりも厚みが薄いことにしてもよい。
これによれば、シート部材は、合材層よりも厚みが薄いため、電極体の厚みが厚くなるのを抑制し、蓄電素子の小型化を図ることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態及びその変形例に係る蓄電素子について説明する。なお、以下で説明する実施の形態及びその変形例は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態及びその変形例で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態及びその変形例における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図において、寸法等は厳密に図示したものではない。
また、以下の説明及び図面中において、容器の長側面の対向方向、容器の短側面の短手方向、容器の厚さ方向、または、電極体の極板の積層方向をX軸方向と定義する。また、蓄電素子が有する一対の集電体の並び方向、一対の電極端子の並び方向、一対の電極体のタブ束の並び方向、電極体の短手方向、または、容器の短側面の対向方向をY軸方向と定義する。また、蓄電素子の容器本体と蓋との並び方向、容器の長側面の長手方向、容器の短側面の長手方向、電極体の長手方向、または、上下方向をZ軸方向と定義する。これらX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、互いに交差(本実施の形態では直交)する方向である。なお、使用態様によってはZ軸方向が上下方向にならない場合も考えられるが、以下では説明の便宜のため、Z軸方向を上下方向として説明する。また、以下の説明において、例えば、X軸方向プラス側とは、X軸の矢印方向側を示し、X軸方向マイナス側とは、X軸方向プラス側とは反対側を示す。Y軸方向やZ軸方向についても同様である。
(実施の形態)
まず、図1〜図3を用いて、本実施の形態における蓄電素子10の全般的な説明を行う。図1は、本実施の形態に係る蓄電素子10の外観を示す斜視図である。また、図2は、本実施の形態に係る蓄電素子10を分解して各構成要素を示す分解斜視図である。また、図3は、本実施の形態に係る蓄電素子10の内部構成を示す断面図である。なお、図3は、図1に示した蓄電素子10をIII−III線を含むXZ平面に平行な面で切断した場合の正極端子210まわりの構成を示す断面図である。
蓄電素子10は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる二次電池であり、具体的には、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池である。蓄電素子10は、例えば、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)またはプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)等の自動車用電源や、電子機器用電源、電力貯蔵用電源などに使用される。なお、蓄電素子10は、非水電解質二次電池には限定されず、非水電解質二次電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよく、さらに、使用者が充電をしなくても蓄えられている電気を使用できる一次電池であってもよい。
図1に示すように、蓄電素子10は、容器100と、正極端子210と、負極端子220と、正極上部ガスケット310と、負極上部ガスケット320とを備えている。また、図2に示すように、容器100内方には、正極下部ガスケット410、負極下部ガスケット420、正極集電体510、負極集電体520、及び電極体600が収容されている。また、容器100の内部には電解液(非水電解質)が封入されているが、図示は省略する。なお、容器100に封入される電解液としては、蓄電素子10の性能を損なうものでなければその種類に特に制限はなく、様々なものを選択することができる。
容器100は、矩形筒状で底を備える容器本体110と、容器本体110の開口を閉塞する板状部材である蓋体120とで構成されている。また、容器100は、電極体600等を内部に収容後、蓋体120と容器本体110とが溶接等されることにより、内部を密封することができるものとなっている。また、容器100は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などの溶接可能な金属で形成されている。なお、蓋体120には、容器100内部に電解液を注入するための注液部や、容器100の内圧が上昇したときに容器100内部のガスを排出するガス排出弁が配置されているが、これらの詳細な説明は省略する。
正極端子210は、正極集電体510を介して、電極体600の正極板に電気的に接続された電極端子である。負極端子220は、負極集電体520を介して、電極体600の負極板に電気的に接続された電極端子である。つまり、正極端子210及び負極端子220は、電極体600に蓄えられている電気を蓄電素子10の外部空間に導出し、また、電極体600に電気を蓄えるために蓄電素子10の内部空間に電気を導入するための金属製の電極端子である。図3に示すように、正極端子210及び負極端子220は、かしめなどによって正極集電体510及び負極集電体520に接続されている。なお、正極端子210及び負極端子220は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などで形成されている。
電極体600は、正極板(後述の正極板610)と負極板(後述の負極板620)とセパレータ(後述のセパレータ630)とを備え、電気を蓄えることができる蓄電要素(発電要素)である。具体的には、電極体600は、正極板610と負極板620との間にセパレータ630が挟み込まれるように層状に配置されて形成されている。これにより、電極体600において、正極板610のタブ612が積層され、負極板620のタブ622が積層される。
また、電極体600は、正極板610と負極板620とを固定する固定部材650をさらに備えている。固定部材650は、電極体600のY軸方向両側に1箇所ずつ配置されており、積層された正極板610と負極板620とを、正極板610と負極板620との積層方向(X軸方向)で挟んで固定する。具体的には、固定部材650は、電極体600のY軸方向のそれぞれの端部を囲うように当該端部にU字状に巻き付けられた絶縁テープである。
なお、固定部材650は、電極体600のY軸方向両側に複数箇所ずつ配置されていてもよい。また、固定部材650に用いられる絶縁テープは、絶縁性を有するテープであれば、材質は特に限定されない。また、固定部材650は、絶縁テープには限定されず、絶縁シート等によって正極板610と負極板620との絶縁性を確保できるのであれば、導電性のテープを用いてもよい。また、固定部材650は、テープではなく、例えば剛性のある板状部材等を用いてもよい。なお、電極体600の構成の詳細な説明については、後述する。
正極集電体510及び負極集電体520は、電極体600と容器100の蓋体120との間に配置され、電極体600と正極端子210及び負極端子220とを電気的に接続する側面視U字状の板状部材である。図3に示すように、正極集電体510は、電極体600の正極側の積層された複数のタブ612と溶接等により接合され、負極集電体520は、電極体600の負極側の積層された複数のタブ622と溶接等により接合されている。なお、正極集電体510は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などで形成され、負極集電体520は、銅または銅合金などで形成されている。
正極上部ガスケット310及び負極上部ガスケット320は、容器100の蓋体120と正極端子210及び負極端子220との間に配置された、絶縁性の封止部材である。正極上部ガスケット310及び負極上部ガスケット320は、それぞれ、正極端子210及び負極端子220の下部及び側部を覆うように形成されている。また、正極下部ガスケット410及び負極下部ガスケット420は、蓋体120と正極集電体510及び負極集電体520との間に配置された、平板状の絶縁性の封止部材である。これらのガスケットは、例えば、ポリカーボネート(PC)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、または、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)等によって形成されている。
次に、電極体600の構成について、詳細に説明する。図4は、本実施の形態に係る電極体600の正極板610、負極板620及びセパレータ630が積層された構成を示す斜視図である。
図4に示すように、電極体600は、正極板610と、負極板620と、セパレータ630とが積層されて形成されている。正極板610及び負極板620は、金属箔上に合材層が形成された、Z軸方向に長い平板状かつ矩形状の電極板である。また、セパレータ630は、例えば樹脂からなる微多孔性のシートである。負極板620は、正極板610よりも一回り大きな形状を有し、セパレータ630は、負極板620よりも一回り大きな形状を有している。なお、セパレータ630の素材としては、例えば不織布等でもよく、蓄電素子10の性能を損なうものでなければ、適宜公知の材料を使用できる。
ここで、複数の負極板620のうち、最外層以外の負極板620を負極板620Aとし、最外層の負極板620を負極板620B及び620Cとする。なお、負極板620Bは、最上層(X軸方向プラス側端部)の負極板620であり、負極板620Cは、最下層(X軸方向マイナス側端部)の負極板620である。つまり、負極板620B及び620Cは、電極体600が有する複数の極板(正極板610及び負極板620)のうち、最外層の極板である。また、正極板610及び負極板620Aは、電極体600が有する複数の極板のうち、最外層以外の極板である。
また、電極体600は、さらに、全ての正極板610と負極板620とセパレータ630とを挟む位置に、2枚のシート部材640(シート部材640A及び640B)を有している。つまり、最外層(最上層)の負極板620Bの外方(上方)にシート部材640Aが配置され、最外層(最下層)の負極板620Cの外方(下方)にシート部材640Bが配置されている。
具体的には、シート部材640Aは、負極板620Bの外面(上面)に固定される矩形状かつシート状の部材である。また、シート部材640Bは、負極板620Cの外面(下面)に固定される矩形状かつシート状の部材である。これらのシート部材640A及び640Bは、電気化学的にリチウムイオンと反応しないような材質で形成されているのが好ましく、絶縁性及び耐熱性を有する樹脂等の材質で形成されているのがさらに好ましい。例えば、シート部材640A及び640Bは、PC、PP、PEまたはPPS等によって形成されている。なお、シート部材640(シート部材640A及び640B)の構成の詳細な説明については、後述する。
次に、このような電極体600が有する正極板610、負極板620(負極板620A、620B、620C)、及びシート部材640の構成について、詳細に説明する。図5は、本実施の形態に係る電極体600の正極板610及び負極板620の構成を示す平面図である。また、図6は、本実施の形態に係る電極体600の正極板610、負極板620及びシート部材640の構成を示す断面図である。具体的には、図6は、図2に示した電極体600をVI−VI線を含むXY平面に平行な面で切断した場合の正極板610、負極板620及びシート部材640の構成を示す断面図である。
図5及び図6に示すように、正極板610は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる平板状かつ矩形状の集電箔である正極基材611を有している。また、負極板620(負極板620A、620B及び620C)は、銅または銅合金などからなる平板状かつ矩形状の集電箔である負極基材621を有している。負極基材621は、正極基材611よりも、一回り大きな形状を有している。なお、上記集電箔として、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al−Cd合金など、適宜公知の材料を用いることもできる。
また、正極基材611は、Z軸方向プラス側に突出する矩形状のタブ612を有している。また、負極基材621は、Z軸方向プラス側に突出する矩形状のタブ622を有している。そして、複数の正極板610と複数の負極板620とが積層されることにより、複数のタブ612が積層され且つ複数のタブ622が積層される。その結果、電極体600には、複数のタブ612からなる正極側のタブ束と、複数のタブ622からなる負極側のタブ束とが形成される。この正極側のタブ束及び負極側のタブ束は、正極集電体510及び負極集電体520と溶接等により接合されて、正極端子210及び負極端子220と電気的に接続される。
また、正極板610は、さらに、正極基材611の表面に配置された正極合材層613を有している。具体的には、正極板610は、正極基材611の外面及び内面(上下両面)に、正極合材層613をそれぞれ有している。そして、正極合材層613は、正極活物質と、導電助剤と、バインダとを含んでいる。
ここで、正極合材層613に用いられる正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、正極活物質として、LiMPO、LiMSiO、LiMBO(MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種または2種以上の遷移金属元素)等のポリアニオン化合物、チタン酸リチウム、LiMnやLiMn1.5Ni0.5等のスピネル型リチウムマンガン酸化物、LiMO(MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種または2種以上の遷移金属元素)等のリチウム遷移金属酸化物等を用いることができる。
また、正極合材層613に用いられる導電助剤の種類は特に制限されず、金属であっても非金属であってもよい。さらに、正極合材層613に用いられるバインダとしては、電極製造時に使用する溶媒や電解液に対して安定であり、また、充放電時の酸化還元反応に対して安定な材料であれば特にその種類は制限されない。
また、負極板620は、さらに、負極基材621の表面に形成された負極合材層623または624を有している。具体的には、最外層以外の負極板620Aは、負極基材621の外面及び内面(上下両面)に、負極合材層623をそれぞれ有している。また、最外層(最上層)の負極板620Bは、負極基材621の外面(上面)には負極合材層624を有することなく、負極基材621の内面(下面)に、負極合材層624を有している。また、最外層(最下層)の負極板620Cは、負極基材621の外面(下面)には負極合材層624を有することなく、負極基材621の内面(上面)に、負極合材層624を有している。つまり、負極合材層624は、負極基材621の内面に配置されている。
このように、負極板620Aは、負極基材621の外面及び内面の両面に負極合材層623を有する両面塗工極板であるのに対し、負極板620B及び620Cは、負極基材621の内面のみに負極合材層624を有する片面塗工極板である。ここで、最外層の負極板620B及び620Cの外面に合材を塗工した場合には、当該外面の合材によって、蓄電素子10のガスが発生して容器100が膨れたり、電解液を消費してしまったり、蓄電素子10の不可逆容量が増加してしまうという問題があった。このため、最外層の負極板620B及び620Cを内面のみの片面塗工極板にすることで、このような問題が発生するのを抑制することができている。
なお、負極合材層623及び624は、ともに、負極活物質と、導電助剤と、バインダとを含んでいる。この負極合材層623及び624に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、負極活物質として、リチウム金属、リチウム合金(リチウム−ケイ素、リチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−錫、リチウム−アルミニウム−錫、リチウム−ガリウム、及びウッド合金等のリチウム金属含有合金)の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えば黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)、ケイ素酸化物、金属酸化物、リチウム金属酸化物(LiTi12等)、ポリリン酸化合物、あるいは、一般にコンバージョン負極と呼ばれる、CoやFeP等の、遷移金属と第14族乃至第16族元素との化合物などが挙げられる。また、負極合材層623及び624に用いられる導電助剤及びバインダとしては、正極合材層613に用いられる導電助剤及びバインダと同様であるため、詳細な説明は省略する。
次に、シート部材640(シート部材640A及び640B)について、詳細に説明する。図6に示すように、シート部材640Aは、負極板620Bの負極基材621と同じ形状及び大きさを有しており、負極基材621の外面(上面)に、固定されている。例えば、シート部材640Aは、接着剤や両面テープ等での接着、または溶着(熱溶着)等によって負極基材621の外面に固定することができる。また、シート部材640Bは、負極板620Cの負極基材621と同じ形状及び大きさを有しており、負極基材621の外面(下面)に、固定されている。このシート部材640Bについても、シート部材640Aと同様の手法で、負極基材621の外面に固定することができる。
ここで、負極板620B及び620Cは、シート部材640A及び640Bが固定された状態で、曲げ試験において負極合材層624側から荷重を加えた場合の応力(F1)に対する、シート部材640A及び640B側から荷重を加えた場合の応力(F2)の比率が、0.5以上2以下である。このように構成することにより、負極板620B及び620Cを負極合材層624側に湾曲させようとする力と、負極板620B及び620Cをシート部材640A及び640B側に湾曲させようとする力が比較的釣り合っているので、どちらか一方に湾曲しにくくなる。なお、F1に対するF2の比率は、0.6以上1.8以下であってもよく、0.7以上1.4以下であってもよく、0.8以上1.2以下であってもよく、0.9以上1.1以下であってもよく、0.95以上1.05以下であってもよい。F1に対するF2の比率は1に近いほど好ましい。
なお、曲げ試験においては、2枚の支持板上に負極板を載置して、2枚の支持板の間の負極板の中央部に圧子で荷重を加えて、圧子に作用する力を測定する。具体的には、まず、長さ34mm、幅42mmの負極板と、厚さが4mm且つ先端が半径2mmの円弧状になっている支持板2枚と、該支持板と同じ構成の圧子とを準備する。そして、2枚の支持板を、厚さ方向中心基準で14mmの間隔で平行に配置し、1枚の負極板を2枚の支持板上に均等に乗せる。そして、負極板に対して、支持板とは逆側から、圧子を負極板の中央部(2枚の支持板の中間位置)に30mm/分の速度で極板が厚み方向に15mm変位するまで荷重を加え、このとき圧子に作用する力をフォースゲージにより測定する。その際の圧子に作用する力の最大値を曲げ試験における応力とする。なお、組み立てられた蓄電素子の極板については、次の手順で極板を準備する。まず、蓄電素子を乾燥雰囲気下で分解し極板を取り出す。次に、極板をジメチルカーボネートで洗浄後、2時間以上真空乾燥する。その後、極板を上述の所定の大きさ(長さ34mm、幅42mm)に切り取り、上述の曲げ試験を行う。
また、シート部材640A及び640Bは、負極板620B及び620Cの負極合材層624よりも、厚みが薄く(小さく)、かつ、剛性が高いのが好ましい。なお、負極板620Bの負極合材層624と負極板620Cの負極合材層624とが異なる素材で形成されており、厚みや剛性が異なる場合には、シート部材640Aは、負極板620Bの負極合材層624よりも、厚みが薄く、かつ、剛性が高ければよい。また、この場合、シート部材640Bは、負極板620Cの負極合材層624よりも、厚みが薄く、かつ、剛性が高ければよい。
また、負極板620Aの負極合材層623は、負極板620B及び620Cの負極合材層624と同等の厚み及び剛性を有している。このため、シート部材640A及び640Bは、負極板620Aの負極合材層623よりも、厚みが薄く、かつ、剛性が高いこととなる。同様に、シート部材640A及び640Bは、正極板610の正極合材層613よりも、厚みが薄く、かつ、剛性が高い。
なお、シート部材640または負極合材層624の厚みとは、シート部材640または負極合材層624のX軸方向の厚み(高さ)である。例えば、負極合材層624の厚みが120μm程度であるのに対し、シート部材640Aまたは640Bの厚みは115μm程度であり、負極合材層624よりも5μm程度小さい。また、この厚みが小さい(薄い)か否かは、蓄電素子を分解して極板をシート部材及び合材層が変質しない溶媒で洗浄し、当該シート部材及び合材層を乾燥後に、適宜公知の方法により厚みを測定して、当該厚みを比較することで、判断することができる。
ここで、シート部材640の厚みは、1000μm以下であってもよく、500μm以下が好ましく、300μm以下がさらに好ましく、200以下μmであることが特に好ましい。さらに、シート部材640の厚みは、150μmであることが好ましく、100μm以下であることがさらに好ましい。上記厚みであれば、電極体を薄く形成することができるため、蓄電素子のエネルギー密度を向上させることができる。また、シート部材640の厚みは、50μm以上であってもよく、70μm以上が好ましく、80μm以上がより好ましい。上記厚み以上であれば、剛性を高めることができる。上記の厚みの上限と下限とは、任意に組み合わせることができる。
また、剛性が高いとは、外力に対して強い状態を言い、例えば、曲げやねじりの力に対して寸法変化が小さい状態であるとして定義できる。つまり、例えば、シート部材640が負極合材層624よりも剛性が高いとは、シート部材640及び負極合材層624について同じ大きさの領域の中央部分を同じ力で押したときに、シート部材640の方が寸法変化(撓み量)が小さい場合をいう。または、同じ寸法変化を生じさせるために必要な力が、シート部材640の方が負極合材層624よりも大きい場合であるとも言える。なお、剛性の定義は、上記に限定されることなく、当業者であれば通常解釈できる範囲内の定義であればよい。
また、シート部材640A及び640Bが固定された負極板620B及び620Cは、以下のようにして作製することができる。まず、所定量の負極活物質と導電助剤とバインダとを混合、混練し、負極合材を作製する。そして、作製した負極合材を、負極基材621の内面上に塗布し乾燥した後、負極基材621の外面上にシート部材640を貼り付けるとともに、ロールプレスを行う。そして、負極合材を真空乾燥して水分を除去し、負極合材層624を形成する。なお、負極基材621に負極合材層を形成する前に、シート部材640を設けてもよい。
以上のように、本発明の実施の形態に係る蓄電素子10によれば、電極体600が有する複数の極板のうちの最外層の極板である負極板620B及び620Cには、負極基材621の内面に負極合材層624が配置され、負極基材621の外面にシート部材640が固定されている。これにより、負極基材621の内面の合材層をプレスした際に当該合材層が極板を湾曲させようとしても、負極基材621の外面のシート部材640が当該湾曲させる力に対抗して、負極板620B及び620Cが湾曲するのを抑制することができる。また、シート部材640が絶縁性を有していれば、シート部材640は、複数の極板を両側から覆う絶縁シートとしても機能することができる。
また、負極板620B及び620Cは、シート部材640A及び640Bが固定された状態で、曲げ試験において負極合材層624側から荷重を加えた場合の応力(F1)に対する、シート部材640A及び640B側から荷重を加えた場合の応力(F2)の比率が、0.5以上2以下である。このため、負極板620B及び620Cにおいて、負極合材層624側に反ろうとする力と、シート部材640A及び640B側に反ろうとする力が比較的釣り合っているので、負極板620B及び620Cが湾曲するのをより抑制することができる。
また、負極基材621の外面のシート部材640が、負極基材621の内面の負極合材層624よりも剛性が高い。このため、負極合材層624が負極板620B及び620Cを湾曲させようとしても、当該シート部材640が当該湾曲させる力に強く対抗することができるため、負極板620B及び620Cが湾曲するのをより抑制することができる。
また、シート部材640は、負極合材層624よりも厚みが薄いため、電極体600の厚みが厚くなるのを抑制し、蓄電素子10の小型化を図ることができる。
(変形例1)
次に、上記実施の形態の変形例1について、説明する。図7Aは、本実施の形態の変形例1に係る電極体601の最外層の負極板620B及びシート部材641の構成を示す断面図である。具体的には、図7Aは、図6における電極体600の最外層の負極板620B及びシート部材640(640A)の構成に対応する図である。
図7Aに示すように、電極体601は、上記実施の形態における電極体600のシート部材640に代えて、シート部材641を有している。その他の構成については、上記実施の形態と同様である。
ここで、シート部材641は、負極基材621の端部から突出した第一突出部641aを有している。第一突出部641aは、負極基材621の端部から負極基材621に沿う方向(図7AではY軸方向プラス側)に延設された部位である。つまり、シート部材641は、上記実施の形態におけるシート部材640の端部を負極基材621に沿う方向に延長することで、第一突出部641aを形成している。なお、第一突出部641aは、シート部材641の全周(4辺全て)に亘って形成されていてもよいし、当該全周のうちの一部(2辺や1辺、または1辺のうちの一部等)にのみ形成されていてもよい。
以上のように、本変形例に係る蓄電素子によれば、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。特に、本変形例では、シート部材641は第一突出部641aを有している。ここで、負極板620Bが湾曲するのを抑制するためには、シート部材641が、負極基材621の端部まで覆っているのが好ましく、このためには、シート部材641を負極基材621の端部からはみ出すように大きめに形成しておくのが好ましい。このように、シート部材641が負極基材621の端部から突出していることで、シート部材641が、負極基材621の端部まで覆うことができているため、負極板620Bが湾曲するのを抑制することができる。
(変形例2)
次に、上記実施の形態の変形例2について、説明する。図7Bは、本実施の形態の変形例2に係る電極体602の正極板610、最外層の負極板620B及びシート部材642の構成を示す断面図である。具体的には、図7Bは、図6における電極体600の正極板610、最外層の負極板620B及びシート部材640(640A)の構成に対応する図である。
図7Bに示すように、電極体602は、上記実施の形態における電極体600のシート部材640に代えて、シート部材642を有している。その他の構成については、上記実施の形態と同様である。
ここで、シート部材642は、負極基材621の端部から突出した第一突出部642aを有し、第一突出部642aは、負極基材621の内面側に突出した第二突出部642bを有している。つまり、第一突出部642aは、負極基材621の端部から負極基材621に沿う方向(図7BではY軸方向プラス側)に突出した部位であり、第二突出部642bは、負極基材621の内面側(図7BではX軸方向マイナス側)に突出した部位である。つまり、シート部材642は、上記変形例におけるシート部材641の第一突出部641aをX軸方向マイナス側に延設することで、第二突出部642bを形成している。
具体的には、第二突出部642bは、負極板620BのY軸方向プラス側の端部を覆うように配置されている。これにより、シート部材642は、端部(第二突出部642bの部分)が中央部よりも厚みが厚く(大きく)形成されている。なお、第一突出部642a及び第二突出部642bは、シート部材642の全周(4辺全て)に亘って形成されていてもよいし、当該全周のうちの一部(2辺や1辺、または1辺のうちの一部等)にのみ形成されていてもよい。
以上のように、本変形例に係る蓄電素子によれば、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。特に、シート部材642の端部が負極基材621の内面側に突出することで、当該端部が外側に突出することなく、当該端部の強度を向上させることができる。このため、電極体602の小型化を図りつつ、負極板620Bが湾曲するのをより抑制することができる。また、例えば第二突出部642bがシート部材642の全周に亘って形成されているような場合には、シート部材642の強度を一層向上させることができる。また、電極体602を固定部材650で固定する等の際に負極板620Bの端部には同図のF1のような力がかかるが、第二突出部642bが例えばシート部材642の全周に亘って形成されていれば、当該端部が折れ曲がるのを抑制することもできる。
(変形例3)
次に、上記実施の形態の変形例3について、説明する。図7Cは、本実施の形態の変形例3に係る電極体603の正極板610、最外層の負極板620B及びシート部材643の構成を示す断面図である。具体的には、図7Cは、図6における電極体600の正極板610、最外層の負極板620B及びシート部材640(640A)の構成に対応する図である。
図7Cに示すように、電極体603は、上記実施の形態における電極体600のシート部材640に代えて、シート部材643を有している。その他の構成については、上記実施の形態と同様である。
ここで、シート部材643は、端部が負極基材621から突出することなく、端部が中央部よりも厚みが厚く(大きく)形成されている。つまり、シート部材643は、上記実施の形態におけるシート部材640の端部を外方(X軸方向プラス側)に突出させることで、他の部位よりも肉厚の厚い厚肉部643aを形成している。なお、厚肉部643aは、シート部材643の全周(4辺全て)に亘って形成されていてもよいし、当該全周のうちの一部(2辺や1辺、または1辺のうちの一部等)にのみ形成されていてもよい。
以上のように、本変形例に係る蓄電素子によれば、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。特に、シート部材643は、端部が中央部よりも厚く形成されているため、負極板620Bが湾曲するのをより抑制することができる。また、電極体602を固定部材650で固定する等の際に負極板620Bの端部には同図のF2のような力がかかるが、厚肉部643aによって当該端部が折れ曲がるのを抑制することもできる。
(変形例4)
次に、上記実施の形態の変形例4について、説明する。図8A及び図8Bは、本実施の形態の変形例4に係る最外層の負極板620B及びシート部材644、645の構成を示す平面図である。具体的には、図8A及び図8Bは、最外層の負極板620Bにシート部材644、645が配置された構成をX軸方向プラス側から見た図である。なお、これらの図では、負極板620Bとシート部材644、645との区別を分かりやすくするため、負極板620Bを点線で示している。
図8Aに示すように、シート部材644は、負極板620Bの負極基材621の外周(4辺の外縁)に沿って、環状(O字形状)に形成されている。また、図8Bに示すように、シート部材645は、負極板620Bの負極基材621上に、X字形状に形成されている。また、シート部材をメッシュ状に形成してもよいし、その他、様々な形状を適用可能である。このように、シート部材は、様々な形状に形成することができるため、設計の自由度を向上させることができる。
(変形例5)
次に、上記実施の形態の変形例5について、説明する。図9は、本実施の形態の変形例5に係る電極体604の正極板610、負極板620及びシート部材646の構成を示す斜視図である。具体的には、図9の(a)は、電極体604を形成する前のシート部材646を展開した状態の図であり、図9の(b)は、電極体604を形成した後のシート部材646を折り畳んだ状態の図である。
図9の(a)に示すように、シート部材646は、第一シート部646aと第二シート部646bとを有しており、第一シート部646aと第二シート部646bとは、一体に形成されている。ここで、第一シート部646aは、電極体604を構成する複数の極板のうち一方の最外層の極板である負極板620Bの負極基材621の外面に固定された部位である。また、第二シート部646bは、当該複数の極板のうち他方の最外層の極板である負極板620Cの負極基材621の外面に固定された部位である。
つまり、シート部材646を展開した状態で、負極板620Bの外面に第一シート部646aを固定し、負極板620Cの外面に第二シート部646bを固定する。そして、負極板620C上に、正極板610、負極板620A及びセパレータ630を積層していく。そして、図9の(b)に示すように、シート部材646を折り畳むことで、積層した正極板610、負極板620A及びセパレータ630の上に、第一シート部646aが固定された負極板620Bを配置する。そして、固定部材650で第一シート部646aと第二シート部646bとを繋ぐことで、電極体604内で正極板610と負極板620とを固定する。
以上のように、本変形例に係る蓄電素子によれば、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。特に、電極体604の両外側の最外層の極板である負極板620B及び620Cの負極基材621の外面に、第一シート部646aと第二シート部646bとが固定されており、当該両外側の第一シート部646aと第二シート部646bとは一体に形成されている。このように、電極体604の両外側の2つのシート部を一体化することで、部品点数を低減し、電極体604の構成を簡素化することができる。また、シート部材646が絶縁性を有していれば、シート部材646は、複数の極板を覆う絶縁シートとしても機能することができる。
(変形例6)
次に、上記実施の形態の変形例6について、説明する。図10は、本実施の形態の変形例6に係る電極体605の正極板610、負極板620及びシート部材647の構成を示す斜視図である。具体的には、図10の(a)は、電極体605を形成する前のシート部材647を展開した状態の図であり、図10の(b)は、電極体605を形成した後のシート部材647を折り畳んだ状態の図である。
図10の(a)に示すように、シート部材647は、第一シート部647aと第二シート部647bとを有しており、第一シート部647aと第二シート部647bとは、一体に形成されている。つまり、本変形例におけるシート部材647は、上記変形例5におけるシート部材646と同様の構成を有しているが、第二シート部647bのY軸方向の長さが、第二シート部646bよりも長く形成されている。
これにより、図10の(b)に示すように、シート部材647を折り畳むことで、積層した正極板610、負極板620A及びセパレータ630の周囲に、シート部材647を巻き付ける。そして、第一シート部647aの端部と第二シート部647bの端部とを重ねて、当該端部同士を熱溶着または接着することで、電極体605内で正極板610と負極板620とを固定する。このように、第一シート部647aと第二シート部647bとが、端部同士が接続され一体化されて、袋状(O字形状)のシート部材647が形成される。
以上のように、本変形例に係る蓄電素子によれば、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。特に、第一シート部647aと第二シート部647bとの両端が接続されてシート部材647が袋状(O字形状)に形成されることで、絶縁テープ等でシート部材647の端部を繋ぐ必要がないため、部品点数を低減し、電極体605の構成を簡素化することができる。また、シート部材647が絶縁性を有していれば、シート部材647は、複数の極板の全周を覆う絶縁シートとしても機能することができ、部品点数の低減を図ることができる。
以上、本発明の実施の形態及びその変形例に係る蓄電素子について説明したが、本発明は、この実施の形態及びその変形例に限定されるものではない。つまり、今回開示された実施の形態及びその変形例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、上記実施の形態及びその変形例では、電極体の最外層の極板は、負極板620であることとした。しかし、電極体の最外層に正極板610を配置することにしてもよい。この場合、最外層の正極板が両面塗工極板であると、負極のリチウムイオン吸蔵能力が、正極のリチウムイオン供給能力に対して不足するため、金属リチウムの析出の恐れが相対的に高くなる。そのため、最外層の極板が正極板の場合でも、当該正極板は片面塗工極板であるのが好ましい。
また、上記実施の形態及びその変形例では、電極体の最外層の極板には、基材の内面のみに合材層が配置されていることとした。しかし、電極体の最外層の極板には、基材の外面に、少量の合材が塗布されていてもよい。
また、上記実施の形態及びその変形例では、最外層の極板は、シート部材が固定された状態で、曲げ試験において合材層側から荷重を加えた場合の応力(F1)に対する、シート部材側から荷重を加えた場合の応力(F2)の比率が、0.5以上2以下であることとした。しかし、F1に対するF2の比率は、0.5よりも多少小さくなってもよいし、2よりも多少大きくなってもよい。
また、上記実施の形態及びその変形例では、シート部材は、最外層の極板の合材層よりも剛性が高く、かつ、厚みが薄いこととした。しかし、シート部材は、最外層の極板の合材層よりも剛性が低く、かつ、厚みが薄いことにしてもよいし、最外層の極板の合材層よりも剛性が高く、かつ、厚みが厚いことにしてもよい。または、シート部材は、最外層の極板の合材層と同じ剛性であったり、最外層の極板の合材層と同じ厚みであることにしてもよい。または、シート部材は、最外層の極板の合材層よりも剛性が低く、かつ、厚みが厚いことにしてもよい。これによっても、シート部材が固定されることで、最外層の極板が湾曲するのを抑制することができる。
また、上記実施の形態及びその変形例では、正極板610及び負極板620は、Z軸方向に長い長方形状を有していることとした。しかし、正極板610及び負極板620の少なくとも一方は、Z軸方向に長い長方形状には限定されず、Z軸方向に長いその他の多角形状、長楕円形状、長円形状などでもよく、また、Y軸方向に長い形状でもかまわない。
また、上記実施の形態及びその変形例では、電極体は、正極板610と負極板620とを積層方向で挟んで固定する固定部材650を備えていることとした。しかし、電極体は固定部材650を備えておらず、正極板610と負極板620とは、ヒートプレス等によって積層方向に固定される構成でもかまわない。
また、上記実施の形態及びその変形例では、正極板610及び負極板620は、正極端子210及び負極端子220と接続される接続部として、矩形状のタブ612及びタブ622を有していることとした。しかし、タブ612及びタブ622の形状は特に限定されず、矩形状以外の多角形状や、半円形状、半長円形状、半楕円形状など、どのような形状でもかまわない。また、正極板610及び負極板620は、突出状のタブではなく、極板の端部全体を当該接続部として有していることにしてもよい。
また、上記実施の形態及びその変形例では、電極体の両外側の最外層の極板に、上記構成のシート部材が固定されていることとした。しかし、電極体の両外側の最外層の極板のうち、いずれかの極板には、上記構成のシート部材は固定されていないことにしてもかまわない。
なお、上記実施の形態及び上記変形例を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
また、本発明は、このような蓄電素子として実現することができるだけでなく、シート部材が固定された極板、または、当該極板を有する電極体としても実現することができる。
本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子等に適用できる。
10 蓄電素子
600、601、602、603、604、605 電極体
610 正極板
611 正極基材
613 正極合材層
620、620A、620B、620C 負極板
621 負極基材
623、624 負極合材層
640、640A、640B、641、642、643、644、645、646、647 シート部材
641a、642a 第一突出部
642b 第二突出部
643a 厚肉部
646a、647a 第一シート部
646b、647b 第二シート部

Claims (7)

  1. 積層された複数の極板を有する電極体を備える蓄電素子であって、
    前記複数の極板のうち最外層の極板は、基材、及び、前記基材の内面に配置された合材層を有し、
    前記電極体は、さらに、前記基材の外面に固定されたシート部材を有する
    蓄電素子。
  2. 前記最外層の極板は、前記シート部材が固定された状態で、曲げ試験において前記合材層側から荷重を加えた場合の応力に対する、前記シート部材側から荷重を加えた場合の応力の比率が、0.5以上2以下である
    請求項1に記載の蓄電素子。
  3. 前記シート部材は、前記基材の端部から突出した第一突出部を有する
    請求項1または2に記載の蓄電素子。
  4. 前記第一突出部は、前記基材の内面側に突出した第二突出部を有する
    請求項3に記載の蓄電素子。
  5. 前記シート部材は、端部が中央部よりも厚みが厚い
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  6. 前記シート部材は、
    前記複数の極板のうち一方の最外層の極板の基材の外面に固定された第一シート部と、
    前記複数の極板のうち他方の最外層の極板の基材の外面に固定された第二シート部とを有し、
    前記第一シート部と前記第二シート部とは、一体に形成されている
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  7. 前記シート部材は、前記合材層よりも厚みが薄い
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の蓄電素子。
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