JP2019071383A - 蓄電モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】相互に接続される蓄電デバイスの正極端子同士または負極端子同士が配線基板のはんだ付け部を介して短絡することを防止できる蓄電モジュールを提供する。【解決手段】発電要素12が収容された外装体13の一辺から導出された一対の端子14,15を有する蓄電デバイス11と、積み重ねられた複数の前記蓄電デバイスの各端子を電気的に接続する基板21と、を備える蓄電モジュール1において、前記複数の蓄電デバイスは、各端子が同じ方向を向くするように積み重ねられ、前記基板は、前記蓄電デバイスの各端子に対面する主面にランド213が複数設けられ、前記蓄電デバイスの各端子は、前記ランドにはんだ付けされている。【選択図】 図6

Description

本発明は、二次電池やキャパシタなどの蓄電セルを複数接続してなる蓄電モジュールに関するものである。
電気化学的発電要素、当該電気化学的発電要素を封止する外装体、並びに発電要素から外装体外側へ導出された正極リード及び負極リードを有する扁平状の複数の電池セルと、当該複数の電池セルが積み重ねられた状態で各電池セルのリードが挿入されるスロット部と、このスロット部に挿入された各リードを直列接続及び/又は並列接続する配線パターンとが形成された配線基板と、を備える電池パックが知られている(例えば特許文献1参照)。
特許第5111099号公報
上記従来の電池パックでは、配線基板に設けられたスリットに電池セルのリードを挿入し、配線基板の表側で折り曲げて表側の面に設けられたランドにはんだ付けするため、外部に対してはんだ付けされたリードが露出する。そのため、導体(例えば金属ピンセット等)がはんだ付けされたリードに誤って接触することでリード同士が短絡するおそれがある。
本発明が解決しようとする課題は、相互に接続される蓄電デバイスの正極端子同士または負極端子同士が配線基板のはんだ付け部を介して短絡することを防止できる蓄電モジュールを提供することである。
本発明は、発電要素が収容された外装体の一辺から導出された一対の端子を有する蓄電デバイスと、積み重ねられた複数の前記蓄電デバイスの各端子を電気的に接続する基板と、を備える蓄電モジュールにおいて、
前記複数の蓄電デバイスは、各端子が同じ方向を向くするように積み重ねられ、
前記基板は、前記蓄電デバイスの各端子に対面する主面にランドが複数設けられ、
前記蓄電デバイスの各端子は、前記ランドにはんだ付けされている蓄電モジュールによって上記課題を解決する。
本発明において、前記蓄電デバイスの外装体は、前記発電要素の上部を収容する凹部が形成された上部外装部材と、前記発電要素の下部を収容する凹部が形成された下部外装部材とが合わせられてなり、
前記一対の端子は、前記上部外装部材と前記下部外装部材との合わせ面から導出されるように構成することができる。
本発明において、一つの前記ランドに対し、複数の端子がはんだ付けされるように構成することができる。
本発明において、前記端子の先端が折り曲げられて前記ランドにはんだ付けされるように構成することができる。
本発明によれば、蓄電デバイスの端子と基板との接続部分となるランドが、蓄電モジュールの内部側に位置することになるので、相互に接続される蓄電デバイスの端子同士が基板のはんだ付け部分を介して短絡することを防止できる。
本発明の一実施形態に係る蓄電モジュールを示す分解斜視図である。 図1の蓄電デバイスを示す平面図である。 図2のIII-III線に沿う断面図である。 図1の基板の裏面を示す正面図である 図1の基板の表面を示す正面図である。 図4のVI-VI線に沿う断面図である。 図1に示す蓄電モジュールの等価回路図である。 図1に示す蓄電モジュールの他例に係る等価回路図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る蓄電モジュール1を示す分解斜視図、図2は、図1の一つの蓄電デバイス11を示す平面図、図3は、図2のIII-III線に沿う断面図(負極端子15を含む断面図)である。本実施形態の蓄電モジュール1は、図1に示すように、複数(同図では9個)の蓄電デバイス11と、基板21と、固定プレート31,32とを備え、複数の蓄電デバイス11は、上下一対の固定プレート31,32により積み重ね方向に挟み込まれた状態で保持され、基板21は、四隅に形成されたネジ孔を通して固定プレート31,32にネジ止めされている。蓄電デバイス11は、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池、電気二重層コンデンサなど、電気化学的な充放電が可能な蓄電デバイスが適用できるが、以下においては、リチウムイオンキャパシタを例に本実施形態を説明する。
蓄電デバイス11(以下、リチウムイオンキャパシタ11ともいう。)は、発電要素12と、当該発電要素12が収容される外装体13と、当該外装体13の一辺から導出された一対の端子(正極端子14と負極端子15)とを有する扁平型蓄電デバイスである。
発電要素12は、電極積層体とも称され、アニオンを吸蔵および放出する正極層122が正極集電体123に設けられた正極部121と、リチウムイオンを吸蔵および放出する負極層125が負極集電体126に設けられた負極部124と、前記正極部122と前記負極部124との間に設けられたセパレータ127とが一対となり、これが一対又は複数対積層されたものである。図3に示す実施形態では、正極部122と負極部124とセパレータ127とが3対設けられた発電要素12を例示する。
正極部121は、図3に示すように、正極層122と正極集電体123とを有し、正極集電体123は、矩形状の薄板からなる本体部123aを有し、本体部123aの一部からリード部123b(図2参照)が導出されている。正極集電体123の本体部123aは、たとえばアルミニウムやステンレス等の導電性金属材料からなる、無孔の金属箔、多数の貫通孔を有するエキスパンドメタル・パンチングメタル・網・発泡体等 で構成されている。本体部123aに形成される多数の貫通孔は、電解液128やリチウムイオンの移動経路として機能する。 リード部123bは、無孔の帯状の薄板であり、上述の本体部123aと同様の材料から構成されている。このリード部123bは、他の正極部121と導通させて正極端子14に集約させる部材であり、本体部123aの一方の短辺から導出され、当該リード部123bの先端は、他の正極集電体14のリード部123bと共に正極端子14に接合されている。なお、図2に示す正極集電体123のリード部123bは、断面図の切断線の位置関係から図3には図示されていない。
正極層122は、正極集電体123の本体部123aの両面に設けられている。なお、最上段又は最下段に位置する正極部11については(図3に示す例では最上段に位置する正極部121については)、本体部123aの内側面のみに正極層122を設けてもよい。正極層122は、黒鉛や活性炭などの正極活物質、カーボンブラックなどの導電助剤、スチレンブラジエンゴムなどのバインダ、カルボキシルメチルセルロースなどの分散剤を溶媒中に分散させた塗料を、正極集電体123の本体部123aの主面に塗布し、これを乾燥させたのち、膜厚を均一にするためのプレス加工を施すことで形成される。正極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に担持可能であれば、黒鉛や活性炭に特に限定されない。
負極部124は、図3に示すように、負極層125と負極集電体126とを有し、負極集電体126は、矩形状の薄板からなる本体部126aを有し、本体部126aの一部からリード部126bが導出されている。負極集電体126の本体部126aは、たとえばアルミニウムやステンレス等の導電性金属材料からなる、無孔の金属箔、多数の貫通孔を有するエキスパンドメタル・パンチングメタル・網・発泡体等で構成されている。本体部126aに形成される多数の貫通孔は、電解液128やリチウムイオンの移動経路として機能する。リード部126bは、貫通孔を有しない帯状の薄板であり、上述の本体部126aと同様の材料から構成されている。このリード部126bは、他の負極部124と導通させて負極端子15に集約させる部材であり、本体部126aの一方の短辺から導出され、当該リード部126bの先端は、他の負極集電体126のリード部126bと共に負極端子15に接合されている。
負極層125は、負極集電体126の本体部126aの両面に設けられている。なお、最上段又は最下段に位置する負極部124については(図3に示す例では最下段に位置する負極部124については)、本体部126aの内側面のみに負極層125を設けてもよい。負極層125は、黒鉛や活性炭などの負極活物質、カーボンブラックなどの導電助剤、スチレンブラジエンゴムなどのバインダ、カルボキシルメチルセルロースなどの分散剤を溶媒中に分散させた塗料を、負極集電体126の本体部126aの主面に塗布し、これを乾燥させたのち、膜厚を均一にするためのプレス加工を施すことで形成される。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に担持可能であれば、黒鉛や活性炭に特に限定されない。なお、完成後のリチウムイオンキャパシタ11の充放電時に負極部124の端面にリチウムが析出するのを抑制するために、図3に示すように、負極部124の面積は、正極部121の面積よりも大きく設定されている。これにより、リチウムイオンは負極層125の主面にて吸蔵することができ、負極層125の端面にリチウムが析出するのを抑制することができる。
セパレータ127は、電解液128、正極活物質及び負極活物質等に対して耐久性があり、連通孔を有する一方で電子導電性は有しない多孔質体から構成されている。このセパレータ127は、たとえばセルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン等からなる不織布や微多孔膜から構成されている。セパレータ127には電解液が含浸されている。なお、発電要素12の内部における正極部121と負極部124との短絡を防止するために、図3に示すように、セパレータ127の面積は、正極部121の面積及び負極部124の面積よりも大きく設定されている。
電解液128は、たとえばリチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液を例示することができる。リチウム塩としては、特に限定されないが、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウムLiPF、テトラフルオロホウ酸リチウムLiBF、過塩素酸リチウムLiClO、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミドLiFSI、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドLiTFSIを用いることができる。また、非プロトン性有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどのカーボネートを用いることができる。なお、これら非プロトン性有機溶媒の二種以上を混合した混合液を用いてもよい。また溶媒は、市メチルカーボネイトDMC,ジエチルカーボネートDEC,エチルメチルカーボネートEMC,エチレンカーボネートEC,プロピレンカーボネートPCなどを用いることができる。
上述した発電要素12を電解液128とともに封止する外装体13は、発電要素12の上部を収容する凹部が形成された上部外装部材131と、発電要素12の下部を収容する凹部が形成された下部外装部材132とが合わせられてなり、全周が熱融着され、一対の正極端子14及び負極端子15は、これら上部外装部材131と下部外装部材132との合わせ面から導出されている。本実施形態の上部外装部材131と下部外装部材132は、略同一形状に形成され、また正極端子14及び負極端子15は、外装体13の一辺から対称に導出されている。したがって、複数のリチウムイオンキャパシタ11を、正極端子14及び負極端子15を同じ方向を向くように積み重ねる場合、交互に天地を逆にして積み重ねれば、正極端子14の下に負極端子15が位置し、その負極端子15の下に正極端子14が位置することになる。そのため、後述する図7に示す実施形態のように複数のリチウムイオンキャパシタ11を直列に接続する場合など、短絡してはならない端子同士が接近することなく、複数のリチウムイオンキャパシタ11を積み重ねることができる。
なお、本発明の蓄電モジュール1は、図3に示す上下対称のリチウムイオンキャパシタ11にのみ限定されず、後述する図9に示す実施形態のように複数のリチウムイオンキャパシタ11を並列に接続する場合のように、リチウムイオンキャパシタ11を交互に天地を逆にして積み重ねる必要がないときは、上部外装部材131又は下部外装部材132の一方のみが発電要素12の全体を収容する凹部が形成されたものとし、他方を平板状に形成した外装体13を有するリチウムイオンキャパシタ11であってもよい。
外装体13は、屈曲可能な程度の可撓性を有するラミネートフィルム等からなり、たとえばアルミニウム等から構成される金属箔と、当該金属箔の両面にそれぞれ積層された第1及び第2の樹脂フィルムとを備えた3層構造とされ、金属箔の内側に積層された第1の樹脂フィルムは、耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂材料から構成されている。一方、金属箔の外側に積層された第2の樹脂フィルムは、電気絶縁性に優れた樹脂材料から構成されている。
正極端子14は、アルミニウムなどの金属製帯状部材であり、外装体13の内部から外部に導出され、正極端子14と外装体13との間にはシーラント樹脂層141が介在している。この正極端子14の後端は、外装体13の内部において正極集電体123のリード部123bに接合されている。負極端子15は、例えば、ニッケルメッキ銅又はニッケルなどの金属製帯状部材であり、外装体13の内部から外部に導出され、負極端子15と外装体13との間にはシーラント樹脂層151が介在している。この負極端子15の後端は、外装体13の内部において負極集電体126のリード部126bに接合されている。本実施形態の正極端子14及び負極端子15は、外装体13の同じ短辺から、同一方向に、左右対称位置から導出されている。
このように構成されたリチウムイオンキャパシタ11にあっては、以下のように充放電の可逆動作が行われる。すなわち、初期段階(放電の第2段階)は、正極部121にリチウムイオンLiが吸蔵され、負極部124にもリチウムイオンLiが吸蔵された状態であり、セル電圧はたとえば2.2Vである。この初期段階から充電を開始すると、充電の第1段階においては、正極部121から電解液128中へリチウムイオンLiが放出され、電解液128から負極部124へリチウムイオンLiが吸蔵され、セル電圧はたとえば3Vになる。さらに充電を継続すると、充電の第2段階においては、電解液128から正極部121へヘキサフルオロリン酸イオンPF などのアニオンが吸蔵され、電解液128から負極部124へリチウムイオンLiが吸蔵され、セル電圧はたとえば3.8Vになる。こうした充電状態から放電を開始すると、放電の第1段階においては、正極部121から電解液128へヘキサフルオロリン酸イオンPF などのアニオンが放出され、負極部124から電解液128へリチウムイオンLiが放出され、セル電圧はたとえば3Vになる。さらに放電を継続すると、放電の第2段階においては、電解液128から正極部121へリチウムイオンLiが吸蔵され、負極部124から電解液128へリチウムイオンLiが放出され、セル電圧はたとえば2.2Vになる。こうした正極部121と負極部124におけるアニオンとカチオンの吸蔵・放出によって充放電の可逆動作が行われる。
なお、上述した構成のリチウムイオンキャパシタ11は、負極部124の電位を低くしてセル電圧を高くするために、製造にあたり、負極部124にリチウムイオンを予め吸蔵させるプレドープ処理が行われる。たとえば水平プレドープと称される処理においては、発電要素12の端面に、リチウム金属を付着させたリチウム電極を対向させ、負極部124をマイナス、リチウム電極をプラスにして、負極部124とリチウム電極との間に直流電圧を印加することにより行われる。
図1に戻り、基板21は、積み重ねられた複数のリチウムイオンキャパシタ11の正極端子14及び負極端子15を電気的に接続するための部材であり、ガラスエポキシ、紙フェノールその他、剛性を有する絶縁体からなる。図4は、本実施形態に係る基板21の裏面211を示す正面図、図5は、同じく基板21の表面212を示す正面図である。ここで、基板21の「表面212」とは、図1に示す蓄電モジュール1において、外側になる基板21の主面をいい、基板21の「裏面211」とは、その逆の主面、すなわち図1に示す蓄電モジュール1において、内側になる基板21の主面をいうものとする。
図4に示すように、本実施形態の基板21の裏面211には、図2に示すリチウムイオンキャパシタ11の正極端子14と負極端子15との間隔Wに相当する間隔Wにて、左右それぞれに複数のランド213が形成されている。具体的には、図4の右側に5つのランド213a,213b,213c,213d,213eが縦に整列して形成され、左側に5つのランド213f,213g,213h,213i,213jが縦に整列して形成されている。なお、右側の最上段のランド213aと、左側の最下段のランド213jは、その他のランド213に対して小さい面積とされている。また、右側に縦に整列して形成された5つのランドと、左側に縦に整列して形成されたランドとは、水平方向に対して互いに重なるように千鳥状に配列されている。これにより、リチウムイオンキャパシタ11を水平に積み重ねた場合に、正極端子14と負極端子15のそれぞれが、水平方向に対応する2つのランド、たとえばランド213bと213gに接続可能とされる。
本実施形態の基板21の裏面211には、右側の最上段のランド213aから配線パターン214が形成され、その先端にスルーホールからなる正極216が形成されている。同様に、左側の最下段のランド213jから配線パターン215が形成され、その先端にスルーホールからなる負極217が形成されている。正極216及び負極217は、図5に示すように、基板21の表面212に、外部負荷への接続端子として露出されている。なお、複数のランド213、配線パターン214,215は、絶縁体の表面に銅箔などを貼り付け、レジスト膜を形成したのちエッチングすることにより形成することができる。
図6は、図4のVI-VI線に沿う断面図であり、図4の右側に縦に整列して形成されたランド213a,213b,213c,213d,213eに対し、9個のリチウムイオンキャパシタ11の正極端子14と負極端子15を接続した状態を示す断面図である。なお同図において、リチウムイオンキャパシタ11を上から順に111〜119と称する。まず、本実施形態において、リチウムイオンキャパシタ11の正極端子14及び負極端子15は、ランド213に対してはんだ付けされている。また、図4に示す右側の最上段のランド213a及び左側の最下段のランド213jを除き、一つのランドに対して、複数(同図では2つ)の正極端子14又は負極端子15がはんだ付けされている。さらに、正極端子14及び負極端子15の先端が折り曲げられた状態で、ランド213にはんだ付けされている。
具体的には、図6に示すように、ランド213aにはリチウムイオンキャパシタ111の正極端子14がはんだ付けされ、ランド213bにはリチウムイオンキャパシタ112の負極端子15とリチウムイオンキャパシタ113の正極端子14がはんだ付けされ、ランド213cにはリチウムイオンキャパシタ114の負極端子15とリチウムイオンキャパシタ115の正極端子14がはんだ付けされ、ランド213dにはリチウムイオンキャパシタ116の負極端子15とリチウムイオンキャパシタ117の正極端子14がはんだ付けされ、ランド213eにはリチウムイオンキャパシタ118の負極端子15とリチウムイオンキャパシタ119の正極端子14がはんだ付けされている。また図示は省略するが、図4の左側のランド213f,213g,213h,213i,213jに対しては、ランド213fにはリチウムイオンキャパシタ111の負極端子15とリチウムイオンキャパシタ112の正極端子14がはんだ付けされ、ランド213gにはリチウムイオンキャパシタ113の負極端子15とリチウムイオンキャパシタ114の正極端子14がはんだ付けされ、ランド213hにはリチウムイオンキャパシタ115の負極端子15とリチウムイオンキャパシタ116の正極端子14がはんだ付けされ、ランド213iにはリチウムイオンキャパシタ117の負極端子15とリチウムイオンキャパシタ118の正極端子14がはんだ付けされ、ランド213jにはリチウムイオンキャパシタ119の負極端子15がはんだ付けされている。図7は、この構成を示す蓄電モジュール1の等価回路図である。
なお、図7に示すように、9個のリチウムイオンキャパシタ11を直列接続することで蓄電モジュール1の総電圧を高くすることができるが、これ以外にも、蓄電容量を大きくするために複数のリチウムイオンキャパシタ11を並列接続することもできる。図8は、図1に示す9個のリチウムイオンキャパシタ11を並列接続した蓄電モジュール1を示す等価回路図である。この場合、基板21の裏面211の左右に縦に延在する2つのランド213m,213nを形成し、ランド213mには各リチウムイオンキャパシタ11の正極端子14をはんだ付けし、ランド213nには各リチウムイオンキャパシタ11の負極端子15をはんだ付けする。またこの場合においても、正極端子14及び負極端子15の先端を折り曲げた状態で、ランド213にはんだ付けすることが好ましい。さらに、図7の直列接続と図8に示す並列接続を組み合わせ、電圧と容量を所望の値に設定することもできる。
以上のとおり、本実施形態の蓄電モジュール1によれば、複数の蓄電デバイス11の正極端子14及び負極端子15と、基板21とを、基板21の裏面211においてはんだ付けするため、正極端子14及び負極端子15が蓄電モジュール1の外部に露出することがない。したがって、外部において導体(例えば金属ピンセット等)がはんだ付け部分に誤って接触することで正極端子14及び負極端子15が予期なく短絡するのを防止することができる。
また本実施形態の蓄電モジュール1において、上下対称の蓄電デバイス11を用いることで、天地を逆に積み重ねることができるので、短絡してはならない正極端子14及び負極端子15の距離を保つことができる。
また本実施形態の蓄電モジュール1によれば、一つのランド213に複数の正極端子14及び/又は負極端子15を接続するので、はんだ付け作業を短時間で行うことができる。さらに本実施形態の蓄電モジュール1によれば、正極端子14及び負極端子15の先端を折り曲げてランド213にはんだ付けするので、電気的接触面積を確保することができるとともにはんだ付けの接着強度も確保することができる。
1…蓄電モジュール
11,111〜119…蓄電デバイス(リチウムイオンキャパシタ)
12…発電要素(電極積層体)
121…正極部
122…正極層
123…正極集電体
123a…本体部
123b…リード部
124…負極部
125…負極層
126…負極集電体
126a…本体部
126b…リード部
127…セパレータ
128…電解液
13…外装体
14…正極端子
141…シーラント樹脂層
15…負極端子
151…シーラント樹脂層
21…基板
211…裏面
212…表面
213…ランド
214,215…配線パターン
216…正極
217…負極
31,32…固定プレート

Claims (4)

  1. 発電要素が収容された外装体の一辺から導出された一対の端子を有する蓄電デバイスと、
    積み重ねられた複数の前記蓄電デバイスの各端子を電気的に接続する基板と、を備える蓄電モジュールにおいて、
    前記複数の蓄電デバイスは、各端子が同じ方向を向くように積み重ねられ、
    前記基板は、前記蓄電デバイスの各端子に対面する主面にランドが複数設けられ、
    前記蓄電デバイスの各端子は、前記ランドにはんだ付けされている蓄電モジュール。
  2. 前記蓄電デバイスの外装体は、前記発電要素の上部を収容する凹部が形成された上部外装部材と、前記発電要素の下部を収容する凹部が形成された下部外装部材とが合わせられてなり、
    前記一対の端子は、前記上部外装部材と前記下部外装部材との合わせ面から導出されている請求項1に記載の蓄電モジュール。
  3. 一つの前記ランドに対し、複数の端子がはんだ付けされている請求項1又は2に記載の蓄電もジュール。
  4. 前記端子の先端が折り曲げられて前記ランドにはんだ付けされている請求項1〜3のいずれか一項に記載の蓄電モジュール。
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