JP2020068124A - 蓄電素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】電極体が損傷するのを抑制することができる蓄電素子を提供する。【解決手段】電極体700と、電極体700の第一方向側に配置されるスペーサ800と、容器100とを備える蓄電素子10であって、容器100は、スペーサ800の第一方向側に配置される短側壁部111と、短側壁部111に隣接し、かつ、第一方向と交差する第二方向で互いに対向する長側壁部113及び114と、を有し、電極体700は、第一方向及び第二方向と交差する第三方向から見て、第一方向側に突出するように湾曲した電極体湾曲面711を有し、スペーサ800は、短側壁部111と、長側壁部113及び長側壁部114の少なくとも一方とに当接して配置されるとともに、第三方向から見て、電極体湾曲面711のうちの長側壁部113に対向する位置から長側壁部114に対向する位置までに亘って、連続して電極体湾曲面711に当接して配置される。【選択図】図6

Description

本発明は、電極体と、電極体の側方に配置されるスペーサと、電極体及びスペーサを収容する容器とを備える蓄電素子に関する。
従来、電極体と、電極体の側方に配置されるスペーサと、電極体及びスペーサを収容する容器とを備える蓄電素子が広く知られている。例えば、特許文献1には、電池ケース(容器)内に、電極組立体(電極体)と電池ケースとに接触する緩衝シート(スペーサ)を設けることで、緩衝シートが電極組立体を緩衝して、電極組立体に激しい衝撃が伝わることを防止する二次電池(蓄電素子)が開示されている。
特開2011−82162号公報
しかしながら、上記従来の蓄電素子では、電極体が損傷するおそれがある。つまり、本願発明者は、上記特許文献1に開示された蓄電素子は、巻回型の電極体を備えているが、巻回型の電極体は外面に湾曲面が設けられるため、電極体が膨張すると、当該湾曲面の端部(湾曲面と平坦面との境界部分)に応力が集中し、当該湾曲面の端部が損傷しやすいことを見出した。しかし、上記特許文献1に開示された蓄電素子のように、電極体と容器との間に緩衝シートを配置するだけでは、当該湾曲面の端部が損傷するのを抑制することができない。
本発明は、上記課題に新たに着目してなされたものであり、電極体が損傷するのを抑制することができ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、電極体と、前記電極体の第一方向側に配置されるスペーサと、前記電極体及び前記スペーサを収容する容器とを備える蓄電素子であって、前記容器は、前記スペーサの前記第一方向側に配置される第一壁部と、前記第一壁部に隣接し、かつ、前記第一方向と交差する第二方向で互いに対向する第二壁部及び第三壁部と、を有し、前記電極体は、前記第一方向及び前記第二方向と交差する第三方向から見て、前記第一方向側に突出するように湾曲した湾曲面を有し、前記スペーサは、前記第一壁部と、前記第二壁部及び前記第三壁部の少なくとも一方とに当接して配置されるとともに、前記第三方向から見て、前記湾曲面のうちの前記第二壁部に対向する位置から前記第三壁部に対向する位置までに亘って、連続して前記湾曲面に当接して配置される。
これによれば、蓄電素子において、スペーサは、容器の第一壁部と、第二壁部及び第三壁部の少なくとも一方とに当接して配置されるとともに、第三方向から見て、電極体の湾曲面のうちの第二壁部に対向する位置から第三壁部に対向する位置までに亘って当接して配置されている。このように、電極体の湾曲面が、スペーサに、第二壁部に対向する位置から第三壁部に対向する位置までに亘って連続して当接しているため、電極体が膨張した場合に、スペーサの比較的広い面で当該湾曲面を押さえて、応力を分散させることができる。これにより、電極体の湾曲面の端部に応力が集中して当該湾曲面の端部が損傷するのを抑制することができるため、電極体が損傷するのを抑制することができる。
また、前記スペーサは、前記第三方向において、前記湾曲面に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して前記湾曲面に当接して配置されることにしてもよい。
これによれば、スペーサは、第三方向において、電極体の湾曲面に対向する部分の一端から他端までに亘って、当該湾曲面に当接して配置されている。このように、スペーサが、当該湾曲面に対向する部分の一端から他端までに亘って当該湾曲面に連続して当接していることで、スペーサのさらに広い面で当該湾曲面を押さえて、応力を分散させることができる。これにより、電極体の湾曲面の端部に応力が集中して当該湾曲面の端部が損傷するのをさらに抑制することができるため、電極体が損傷するのをさらに抑制することができる。
また、前記電極体は、前記第一方向における長さが、前記第三方向における長さよりも長いことにしてもよい。
これによれば、電極体は、第一方向(湾曲面の突出方向)における長さが、第三方向における長さよりも長く形成されている。このように、電極体において、第一方向における長さが長いことで、第一方向に向けて大きな応力が生じるため、スペーサによって第一方向に向く当該応力を分散させることによる効果は大きい。これにより、電極体が膨張して、第一方向に大きな応力が生じても、スペーサによって当該応力を分散させることができるため、電極体が損傷するのを抑制することができる。
また、前記電極体は、前記湾曲面を有する本体部と、前記本体部の一部から前記第三方向に突出して配置され集電体に接続されるタブ部と、を有することにしてもよい。
これによれば、電極体は、本体部に湾曲面が形成されて、本体部から突出するタブ部に集電体が接続される構成を有している。ここで、例えば、電極体の湾曲面の端部が活物質層非形成部となって集電体が接続される構成の電極体の場合、当該湾曲面が凹んだりして変形しやすいため、当該湾曲面にスペーサを密着させるのが困難である。このため、電極体の本体部に湾曲面が形成されて、電極体のタブ部に集電体が接続される構成にすることで、電極体に集電体が接続されても湾曲面が変形しにくく、当該湾曲面をスペーサに密着して当接させやすい。これにより、スペーサで湾曲面を押さえやすいため、湾曲面の端部に応力が集中するのを抑制して、当該端部が損傷するのを抑制することができ、電極体が損傷するのを抑制することができる。
また、前記スペーサは、前記第三方向から見て、前記湾曲面の50%以上90%以下の領域に連続して当接して配置されることにしてもよい。
これによれば、スペーサは、第三方向から見て、電極体の湾曲面の50%以上90%以下の領域に連続して当接して配置される。このように、スペーサを、電極体の湾曲面の50%以上の領域に当接して配置することで、スペーサの比較的広い面で当該湾曲面を押さえることができるため、電極体が膨張しても、応力を分散させることができる。また、スペーサの当該湾曲面との接触領域を大きくし過ぎると、スペーサの先端が尖ってしまい電極体を損傷させるおそれがあるため、スペーサを、電極体の湾曲面の90%以下の領域に当接するように形成する。これらにより、電極体が損傷するのを抑制することができる。
また、前記スペーサは、前記湾曲面との当接部分から前記第一方向とは反対方向に延設される延設部を有することにしてもよい。
これによれば、スペーサは、電極体の湾曲面との当接部分から第一方向(湾曲面の突出方向)とは反対方向に延設される延設部を有しているため、電極体が膨張した場合でも、電極体からの応力を延設部で受けることができる。これにより、電極体からの応力を延設部にも分散させることができるため、電極体が損傷するのを抑制することができる。
また、前記スペーサには、前記第三方向に貫通した電解液の通液路が形成されていることにしてもよい。
これによれば、スペーサに、第三方向に貫通した電解液の通液路を形成する。つまり、スペーサを、容器の3つの壁部と電極体の湾曲面とに当接させて配置すると、電解液がスペーサを通過できずに、電解液の通液性が悪くなるおそれがあるため、スペーサに、電解液の通液路を形成する。これにより、電解液の通液性を向上させることができる。
また、前記通液路は、前記第三方向から見て、前記湾曲面から放射状に延びる複数の貫通孔を有することにしてもよい。
これによれば、スペーサに形成した電解液の通液路は、電極体の湾曲面から放射状に延びる複数の貫通孔を有している。つまり、スペーサに電解液の通液路を形成すると、当該通液路の部分においては、電極体が膨張した際の応力をスペーサで十分に受けることができなくなるおそれがある。特に、電極体が膨張した際の応力は湾曲面から放射状に広がるため、当該通液路として、電極体の湾曲面に沿うなど湾曲面から放射状でない方向に延びる貫通孔を形成すると、当該応力を十分に受けることができなくなる領域が大きくなる。これに対し、当該湾曲面から放射状に延びる複数の貫通孔を形成することで、当該応力に対する強度を高めることができる。このため、当該通液路として、湾曲面から放射状に延びる複数の貫通孔を形成する。これにより、電極体が膨張しても、スペーサで応力を受けて当該応力を分散させることができるため、電解液の通液性を向上させつつ、電極体が損傷するのを抑制することができる。
なお、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、当該蓄電素子が備えるスペーサとしても実現することができる。
本発明に係る蓄電素子によれば、電極体が損傷するのを抑制することができる。
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。 実施の形態に係る電極体の構成を示す斜視図である。 実施の形態に係るスペーサの構成を示す斜視図及び断面図である。 実施の形態に係るスペーサと電極体と容器の容器本体との位置関係を示す斜視図である。 実施の形態に係るスペーサと電極体と容器の容器本体との位置関係を示す断面図である。 実施の形態に係るスペーサと電極体と容器の容器本体との位置関係を示す断面図である。 実施の形態の変形例に係るスペーサの構成を示す斜視図及び断面図である。
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、製造工程、製造工程の順序等は、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、蓄電素子が有する一対(正極側及び負極側)の電極端子の並び方向、一対の集電体の並び方向、電極体が有する一対のタブ部の並び方向、一対のスペーサの並び方向、または、容器の短側面の対向方向をX軸方向と定義する。容器の長側面の対向方向、容器の短側面の短手方向、または、容器の厚さ方向をY軸方向と定義する。電極端子と集電体と電極体との並び方向、蓄電素子の容器本体と蓋体との並び方向、容器の短側面の長手方向、電極体の巻回軸方向、スペーサの延設方向、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軸プラス方向とは、X軸の矢印方向を示し、X軸マイナス方向とは、X軸プラス方向とは反対方向を示す。Y軸方向及びZ軸方向についても同様である。さらに、以下では、X軸方向(またはX軸マイナス方向)を第一方向とも呼び、Y軸方向を第二方向とも呼び、Z軸方向(またはZ軸プラス方向)を第三方向とも呼ぶこととする。
(実施の形態)
[1 蓄電素子10の全般的な説明]
まず、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。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。
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等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)若しくはプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)等の自動車、自動二輪車、ウォータークラフト、スノーモービル、農業機械、建設機械、または、電車、モノレール若しくはリニアモーターカー等の電気鉄道用の鉄道車両等の移動体の駆動用またはエンジン始動用のバッテリ等として用いられる。
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い。また、蓄電素子10は、二次電池ではなく、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。また、本実施の形態では、直方体形状(角形)の蓄電素子10を図示しているが、蓄電素子10の形状は、直方体形状には限定されず、直方体形状以外の多角柱形状、長円柱形状等であってもよいし、ラミネート型の蓄電素子とすることもできる。
図1に示すように、蓄電素子10は、容器100と、一対(正極側及び負極側)の電極端子200と、一対(正極側及び負極側)の上部ガスケット300とを備えている。また、図2に示すように、容器100の内方には、一対(正極側及び負極側)の下部ガスケット400と、一対(正極側及び負極側)の集電体500と、緩衝シート600と、電極体700と、一対(正極側及び負極側)のスペーサ800とが収容されている。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、省略して図示している。当該電解液としては、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。また、上記の構成要素の他、電極体700の上方に配置されるスペーサ、または、電極体700等を包み込む絶縁フィルム等が配置されていてもよい。
容器100は、開口が形成された容器本体110と、容器本体110の当該開口を閉塞する蓋体120とを有する直方体形状(箱形)のケースである。このような構成により、容器100は、電極体700等を容器本体110の内部に収容後、容器本体110と蓋体120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構造となっている。なお、容器本体110及び蓋体120の材質は特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、メッキ鋼板など溶接可能な金属であるのが好ましい。
容器本体110は、容器100の本体部を構成する矩形筒状で底を備える部材であり、Z軸プラス方向側に開口が形成されている。つまり、容器本体110は、X軸方向両側の側面に一対の短側壁部111、112を有し、Y軸方向両側の側面に一対の長側壁部113、114を有し、Z軸マイナス方向側に底壁部115を有している。短側壁部111、112は、容器100の短側面を形成する矩形状かつ平板状の壁部であり、長側壁部113、114は、容器100の長側面を形成する矩形状かつ平板状の壁部であり、底壁部115は、容器100の底面を形成する矩形状かつ平板状の壁部である。なお、短側壁部111または112は、第一壁部の一例であり、長側壁部113及び114は、第一壁部に隣接し、かつ、Y軸方向(第二方向)で互いに対向する第二壁部及び第三壁部の一例である。
蓋体120は、容器100の蓋部を構成する矩形状の板状部材であり、容器本体110のZ軸プラス方向側にX軸方向に延設されて配置されている。また、蓋体120には、容器100内部に電解液を注入するための円形状の貫通孔である注液口121が形成され、蓋体120の注液口121の位置には、注液口121を塞ぐ注液栓130が配置されている。さらに、蓋体120には、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122が配置されている。
電極体700は、正極板と負極板とセパレータとを備え、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700は、正極板と負極板との間にセパレータが挟み込まれるように層状に配置されたものが巻回されて形成されている。これにより、正極板の複数のタブが積層されて正極側のタブ部720が形成され、負極板の複数のタブが積層されて負極側のタブ部730が形成されている。つまり、電極体700は、電極体本体部710と、電極体本体部710の一部からZ軸プラス方向(第三方向)に突出してY軸プラス方向に延びるタブ部720及び730とを有している。なお、本実施の形態では、電極体700の断面形状として長円形状を図示しているが、楕円形状などでもよい。この電極体700の構成の詳細な説明については、後述する。
電極端子200は、集電体500を介して、電極体700に電気的に接続される電極端子である。電極端子200は、かしめ等によって、集電体500に接続され、かつ、蓋体120に取り付けられている。具体的には、電極端子200は、下方(Z軸マイナス方向)に延びる軸部201(リベット部)を有している。そして、軸部201が、上部ガスケット300の貫通孔301と、蓋体120の貫通孔123と、下部ガスケット400の貫通孔401と、集電体500の貫通孔501とに挿入されて、かしめられる。これにより、電極端子200は、上部ガスケット300、下部ガスケット400及び集電体500とともに、蓋体120に固定される。なお、電極端子200は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または銅合金等の金属等の導電部材で形成されている。
集電体500は、電極体700と電極端子200とを電気的に接続する矩形状かつ平板状の部材である。具体的には、正極側の集電体500は、電極体700の正極側のタブ部720と溶接等により接続(接合)されるとともに、上述の通り、正極側の電極端子200とかしめ等により接合される。負極側についても同様である。集電体500は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または銅合金等の金属等の導電部材で形成されている。なお、集電体500と電極端子200とを接続(接合)する手法は、かしめ接合には限定されず、超音波接合、レーザ溶接、抵抗溶接等の溶接、または、ねじ締結等のかしめ以外の機械的接合等が用いられてもよい。また、集電体500とタブ部720、730とを接続(接合)する手法は、超音波接合、レーザ溶接、抵抗溶接等、どのような溶接が用いられてもよいし、かしめ接合やねじ締結等の機械的接合等が用いられてもよい。
スペーサ800は、電極体700のX軸方向(第一方向)の両側面と容器100の内面との間に、Z軸方向に延設されて配置され、容器100内における電極体700の位置を規制する柱状のサイドスペーサである。スペーサ800は、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエーテルサルフォン(PES)、及び、それらの複合材料等の樹脂等によって形成されている。このスペーサ800の構成の詳細な説明については、後述する。
上部ガスケット300は、容器100の蓋体120と電極端子200との間に配置された、平板状の絶縁性の封止部材である。下部ガスケット400は、蓋体120と集電体500との間に配置された、平板状の絶縁性の封止部材である。なお、上部ガスケット300及び下部ガスケット400は、例えばスペーサ800と同様に、PP、PE、PPS等の絶縁性を有する素材によって形成されている。緩衝シート600は、発泡ポリエチレン等の、柔軟性の高い多孔質の素材で形成されており、電極体700を保護する緩衝材として機能する部材である。
[2 電極体700の構成の説明]
次に、電極体700の構成について、詳細に説明する。図3は、本実施の形態に係る電極体700の構成を示す斜視図である。具体的には、図3の(a)は、図2に示した電極体700の巻回状態を一部展開した状態での構成を示し、図3の(b)は、巻回後の電極体700を拡大して示している。
図3の(a)に示すように、電極体700は、正極板740及び負極板750と、セパレータ760a及び760bとが交互に積層されかつ巻回されることで形成されている。つまり、電極体700は、正極板740と、セパレータ760aと、負極板750と、セパレータ760bとがこの順に積層され、巻回されることで形成されている。
正極板740は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる長尺帯状の金属箔である正極基材層の表面に、正極活物質層が形成された極板(電極板)である。負極板750は、銅または銅合金などからなる長尺帯状の金属箔である負極基材層の表面に、負極活物質層が形成された極板(電極板)である。なお、正極活物質層に用いられる正極活物質、及び、負極活物質層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正極活物質及び負極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。セパレータ760a及び760bは、樹脂からなる微多孔性のシートである。なお、セパレータ760a及び760bの素材としては、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、正極板740は、巻回軸方向の一端において外方に突出する複数の矩形状のタブ741を有している。負極板750も同様に、巻回軸方向の一端において外方に突出する複数の矩形状のタブ751を有している。これら、複数のタブ741及び複数のタブ751は、活物質層が形成されず(活物質が塗工されず)基材層が露出した部分(活物質層非形成部または活物質未塗工部)である。なお、タブ741及び751の形状は、特に限定されず、例えば、矩形状以外の多角形状、半円形状、半長円形状、半楕円形状等であってもよく、また、全てのタブが同じ形状を有していなくてもよい。また、巻回軸とは、正極板740及び負極板750等を巻回する際の中心軸となる仮想的な軸であり、本実施の形態では、電極体700の中心を通る、Z軸方向に平行な直線である。
そして、複数のタブ741と複数のタブ751とは、巻回軸方向の同一側の端(図3では、Z軸プラス方向側の端)に配置され、正極板740及び負極板750が積層されることにより、電極体700の所定の位置で積層される。その結果、図3の(b)に示すように、電極体700には、複数のタブ741が積層されることで形成されたタブ部720と、複数のタブ751が積層されることで形成されたタブ部730とが形成される。タブ部720及び730は、例えば積層方向(図3ではY軸方向)の中央に向かって寄せ集められて、集電体500と溶接等により接合される。
ここで、タブ部720及び730は、集電体500と接合される際には、図3の(b)に示すように、Y軸プラス方向に折り曲げられる。具体的には、タブ部720及び730は、電極体本体部710の一部からZ軸プラス方向に突出した状態で集電体500と接合され、接合後に、Y軸プラス方向に折り曲げられて、Y軸プラス方向に延設された状態となる。このため、当該接合後においては、タブ部720及び730は、電極体本体部710の一部からZ軸プラス方向に突出してY軸プラス方向に延びる複数のタブ741、751がZ軸方向に積層された部位となる。なお、タブ部720及び730は、集電体500との接合後においても折り曲げられない構成でもよい。
電極体本体部710は、電極体700の本体を構成する部位であり、具体的には、電極体700のうちのタブ部720及び730以外(タブ741及び751以外)の部位である。つまり、電極体本体部710は、正極板740及び負極板750の活物質層が形成(活物質が塗工)された部分とセパレータ760a、760bとが巻回されて形成された長円筒形状の部位(活物質層形成部または活物質塗工部)である。これにより、電極体本体部710は、X軸方向両側に一対の電極体湾曲面711及び712を有し、Y軸方向両側に一対の電極体平坦面713及び714を有することとなる。
電極体湾曲面711は、Z軸方向から見てX軸マイナス方向側に突出するように半円の円弧形状に湾曲し、Z軸方向に延設された湾曲面であり、容器100の容器本体110の短側壁部111と、長側壁部113及び114のX軸マイナス方向側の端部とに対向して配置される。電極体湾曲面712は、Z軸方向から見てX軸プラス方向側に突出するように半円の円弧形状に湾曲し、Z軸方向に延設された湾曲面であり、容器本体110の短側壁部112と、長側壁部113及び114のX軸プラス方向側の端部とに対向して配置される。電極体平坦面713は、Y軸プラス方向に向いたXZ平面に平行に広がる矩形状の平坦面であり、容器本体110の長側壁部113に対向して配置される。電極体平坦面714は、Y軸マイナス方向に向いたXZ平面に平行に広がる矩形状の平坦面であり、容器本体110の長側壁部114に対向して配置される。
また、電極体700は、X軸方向(第一方向)における長さが、Z軸方向(第三方向)における長さよりも長くなるように形成されている。つまり、電極体湾曲面711及び712の間の距離(最大距離)が、電極体湾曲面711、712のZ軸方向の長さよりも長く形成されている。この場合、電極体平坦面713、714のX軸方向の長さは、電極体平坦面713、714のZ軸方向の長さよりも短く形成されていてもよいが当該Z軸方向の長さよりも長く形成されているのが好ましい。
[3 スペーサ800の構成の説明]
次に、スペーサ800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スペーサ800の構成を示す斜視図及び断面図である。具体的には、図4の(a)は、図2に示したX軸マイナス方向側のスペーサ800を拡大して示す拡大斜視図であり、図4の(b)は、図4の(a)のスペーサ800をIVb−IVb断面で切断した場合の構成を示す断面図である。なお、図2において、X軸プラス方向側のスペーサ800とX軸マイナス方向側のスペーサ800とは、同様の構成を有しているため、X軸プラス方向側のスペーサ800についての説明は、省略する。
図4の(a)に示すように、スペーサ800は、スペーサ本体部810と、スペーサ端部820とを有している。スペーサ本体部810は、X軸プラス方向側の面がX軸マイナス方向に向けて湾曲状に凹んだ形状を有するZ軸方向に延設された柱状の部位であり、電極体700のX軸マイナス方向側に配置される。スペーサ端部820は、スペーサ800のZ軸プラス方向側の端部に位置する矩形状かつ板状の壁部であり、電極体700のX軸マイナス方向側の端部のZ軸プラス方向側に配置される。
ここで、図4の(b)に示すように、スペーサ本体部810は、スペーサ湾曲面811と、スペーサ第一面812と、スペーサ第二面813と、スペーサ第三面814と、スペーサ角部815とを有している。
スペーサ湾曲面811は、スペーサ本体部810のX軸プラス方向側の側面であって、Z軸方向から見てX軸マイナス方向側に突出するように半円の円弧形状に湾曲し、Z軸方向に延設された湾曲面である。スペーサ第一面812は、スペーサ本体部810のX軸マイナス方向側の側面であって、YZ平面に平行かつZ軸方向に延設された平坦面(平面)である。スペーサ第二面813は、スペーサ本体部810のY軸プラス方向側の側面であって、XZ平面に平行かつZ軸方向に延設された平坦面(平面)である。スペーサ第三面814は、スペーサ本体部810のY軸マイナス方向側の側面であって、XZ平面に平行かつZ軸方向に延設された平坦面(平面)である。
スペーサ角部815は、スペーサ第一面812とスペーサ第二面813との間、及び、スペーサ第一面812とスペーサ第三面814との間に配置されるスペーサ本体部810の角部である。本実施の形態では、スペーサ角部815は、丸まった(湾曲した)形状を有している。
次に、スペーサ800の蓄電素子10内での配置位置(具体的には、スペーサ800と電極体700と容器100の容器本体110との位置関係)について、詳細に説明する。なお、図2において、X軸プラス方向側のスペーサ800周囲の構成と、X軸マイナス方向側のスペーサ800周囲の構成とは、同様の構成を有している。このため、以下では、X軸マイナス方向側のスペーサ800周囲の構成について説明し、X軸プラス方向側のスペーサ800周囲の構成については、説明を省略する。
図5は、本実施の形態に係るスペーサ800と電極体700と容器100の容器本体110との位置関係を示す斜視図である。具体的には、図5は、図1に示された蓄電素子10においてスペーサ800、電極体700及び容器本体110以外の構成要素を非表示にして示す斜視図である。図6及び図7は、本実施の形態に係るスペーサ800と電極体700と容器100の容器本体110との位置関係を示す断面図である。具体的には、図6は、図5に示された構成をVI−VI断面で切断した場合の構成を示す断面図であり、図7は、図5に示された構成をVII−VII断面で切断した場合の構成を示す断面図である。
これらの図(特に図6)に示すように、スペーサ800のスペーサ本体部810は、電極体700の電極体本体部710のX軸マイナス方向側(第一方向側)に配置されている。また、短側壁部111(第一壁部)は、スペーサ800のスペーサ本体部810のX軸マイナス方向側(第一方向側)に配置されている。また、長側壁部113(第二壁部)及び長側壁部114(第三壁部)は、短側壁部111(第一壁部)に隣接し、かつ、Y軸方向(第二方向)で互いに対向して配置されている。そして、スペーサ800は、短側壁部111(第一壁部)、長側壁部113(第二壁部)及び長側壁部114(第三壁部)に当接して配置されている。さらに、電極体本体部710の電極体湾曲面711は、Z軸方向(第三方向)から見て、X軸マイナス方向側(第一方向側)に突出するように湾曲した形状を有している。
なお、スペーサ800は、短側壁部111(第一壁部)と、長側壁部113(第二壁部)及び長側壁部114(第三壁部)の少なくとも一方とに当接して配置されていればよい。つまり、スペーサ800は、長側壁部113または長側壁部114に当接していなくてもよい。例えば、スペーサ800は、蓄電素子10の製造時には、長側壁部113に当接しておらず、電極体700が膨張することで、長側壁部113に当接することにしてもよい。長側壁部114についても同様である。
そして、スペーサ湾曲面811は、電極体湾曲面711に対向し、かつ、電極体湾曲面711に当接して配置されている。具体的には、スペーサ湾曲面811は、Z軸方向(第三方向)から見て、電極体湾曲面711のうちの長側壁部113(第二壁部)に対向する位置から長側壁部114(第三壁部)に対向する位置までに亘って、連続して電極体湾曲面711に当接して配置されている。つまり、スペーサ湾曲面811は、長側壁部113に対向する位置P1から、長側壁部114に対向する位置P2までに亘って、連続して電極体湾曲面711に当接して配置されている。
ここで、スペーサ湾曲面811は、Z軸方向(第三方向)から見て、電極体湾曲面711の1/2(50%)以上の領域に連続して当接して配置されているのが好ましく、2/3以上の領域に連続して当接して配置されているのがより好ましく、3/4以上の領域に連続して当接して配置されているのがさらに好ましい。電極体700が膨張した場合に生じる応力をスペーサ800が分散して受けるためには、スペーサ湾曲面811が電極体湾曲面711の広い領域に当接して配置されるのが好ましいからである。
また、スペーサ湾曲面811は、Z軸方向(第三方向)から見て、電極体湾曲面711の90%以下の領域に連続して当接して配置されているのが好ましく、85%以下の領域に連続して当接して配置されているのがより好ましく、80%以下の領域に連続して当接して配置されているのがさらに好ましい。スペーサ湾曲面811が電極体湾曲面711の多くの領域に当接するようにスペーサ湾曲面811の端部を延ばし過ぎると、スペーサ本体部810の端部が尖った形状になり、電極体700を損傷させるおそれがある。このため、スペーサ湾曲面811は、電極体湾曲面711の広すぎない領域に当接するように形成されるのが好ましいからである。
このような構成により、スペーサ800は、電極体湾曲面711との当接部分よりもX軸プラス方向側においては、X軸プラス方向に向かうに従って電極体700から遠ざかる形状を有している。つまり、スペーサ800は、電極体湾曲面711との当接部分からX軸プラス方向(第一方向とは反対方向)に延設されるスペーサ延設部816、817を有している。
スペーサ延設部816は、長側壁部113と電極体湾曲面711との間に配置され、長側壁部113に当接するとともに、X軸プラス方向に向かうに従って電極体湾曲面711から徐々に離間する部位である。つまり、スペーサ延設部816は、Y軸プラス方向側の面はXZ平面に平行に延び、Y軸マイナス方向側の面はXZ平面に対してY軸方向に傾斜した、XY平面における断面形状が略三角形状の部位である。スペーサ延設部817は、長側壁部114と電極体湾曲面711との間に配置され、長側壁部114に当接するとともに、X軸プラス方向に向かうに従って電極体湾曲面711から徐々に離間する部位である。つまり、スペーサ延設部817は、Y軸マイナス方向側の面はXZ平面に平行に延び、Y軸プラス方向側の面はXZ平面に対してY軸方向に傾斜した、XY平面における断面形状が略三角形状の部位である。
また、図7に示すように、スペーサ湾曲面811は、Z軸方向(第三方向)において、電極体湾曲面711に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して電極体湾曲面711に当接して配置されている。つまり、スペーサ湾曲面811は、Z軸方向において、電極体湾曲面711と同じ長さであるため、スペーサ湾曲面811のZ軸方向における一端から他端までの全部が、電極体湾曲面711のZ軸方向における一端から他端までの全部と当接して配置される。なお、スペーサ湾曲面811が、Z軸方向において、電極体湾曲面711よりも短い場合には、スペーサ湾曲面811のZ軸方向における一端から他端までの全部と、電極体湾曲面711のZ軸方向における一端から他端までの一部とが、当接することになる。また、スペーサ湾曲面811が、Z軸方向において、電極体湾曲面711よりも長い場合には、スペーサ湾曲面811のZ軸方向における一端から他端までの一部と、電極体湾曲面711のZ軸方向における一端から他端までの全部とが、当接することになる。
スペーサ第一面812は、容器100の容器本体110の短側壁部111に対向し、かつ、短側壁部111に当接して配置されている。本実施の形態では、スペーサ第一面812は、全面が短側壁部111に当接して配置されている。つまり、スペーサ第一面812は、Y軸方向において、短側壁部111に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して短側壁部111に当接して配置されている。さらに、スペーサ第一面812は、Z軸方向において、短側壁部111に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して短側壁部111に当接して配置されている。
スペーサ第二面813は、容器本体110の長側壁部113に対向し、かつ、長側壁部113に当接して配置されている。本実施の形態では、スペーサ第二面813は、全面が長側壁部113に当接して配置されている。つまり、スペーサ第二面813は、X軸方向において、長側壁部113に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して長側壁部113に当接して配置されている。さらに、スペーサ第二面813は、Z軸方向において、長側壁部113に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して長側壁部113に当接して配置されている。
スペーサ第三面814は、容器本体110の長側壁部114に対向し、かつ、長側壁部114に当接して配置されている。本実施の形態では、スペーサ第三面814は、全面が長側壁部114に当接して配置されている。つまり、スペーサ第三面814は、X軸方向において、長側壁部114に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して長側壁部114に当接して配置されている。さらに、スペーサ第三面814は、Z軸方向において、長側壁部114に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して長側壁部114に当接して配置されている。
スペーサ角部815は、容器100の容器本体110の角部である容器角部116(図6参照)に対向して配置されている。本実施の形態では、スペーサ角部815は、容器角部116に当接していない。つまり、スペーサ角部815は、Z軸方向において、容器角部116に対向する部分の一端から他端までに亘って、容器角部116に当接していない。なお、スペーサ角部815は、角面等に面取りした形状または凹んだ形状等、どのような形状を有していてもよい。また、スペーサ角部815は、全部または一部が、容器角部116に当接して配置されていてもよい。
また、スペーサ端部820は、電極体700のX軸マイナス方向側の端部のZ軸プラス方向側に当接して配置されている。
[4 効果の説明]
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、スペーサ800は、容器100の第一壁部(短側壁部111または112)と第二壁部及び第三壁部(長側壁部113及び114)の少なくとも一方とに当接して配置されている。また、スペーサ800は、第三方向(Z軸方向)から見て、電極体700の湾曲面(電極体湾曲面711または712)のうちの第二壁部に対向する位置から第三壁部に対向する位置までに亘って当接して配置されている。このように、電極体700の湾曲面が、スペーサ800に、第二壁部に対向する位置から第三壁部に対向する位置までに亘って連続して当接しているため、電極体700が膨張した場合に、スペーサ800の比較的広い面で当該湾曲面を押さえて、応力を分散させることができる。これにより、電極体700の湾曲面の端部(電極体湾曲面711または712と電極体平坦面713または714との境界部分)に応力が集中して当該湾曲面の端部が損傷するのを抑制することができるため、電極体700が損傷するのを抑制することができる。
また、スペーサ800は、第三方向において、電極体700の湾曲面に対向する部分の一端から他端までに亘って、当該湾曲面に当接して配置されている。このように、スペーサ800が、当該湾曲面に対向する部分の一端から他端までに亘って当該湾曲面に連続して当接していることで、スペーサ800のさらに広い面で当該湾曲面を押さえて、応力を分散させることができる。これにより、電極体700の湾曲面の端部に応力が集中して当該湾曲面の端部が損傷するのをさらに抑制することができるため、電極体700が損傷するのをさらに抑制することができる。
また、電極体700は、第一方向(X軸方向、湾曲面の突出方向)における長さが、第三方向における長さよりも長く形成されている。具体的には、電極体湾曲面711及び712の間の距離(最大距離)が、電極体湾曲面711、712のZ軸方向の長さよりも長く形成されている。このように、電極体700において、第一方向における長さが長いことで、第一方向に向けて大きな応力が生じるため、スペーサ800によって第一方向に向く当該応力を分散させることによる効果は大きい。特に、電極体平坦面713、714のX軸方向の長さがZ軸方向の長さよりも長く形成されている場合には、第一方向に向けてより大きな応力が生じるため、スペーサ800によって第一方向に向く当該応力を分散させることによる効果はより大きい。これにより、電極体700が膨張して、第一方向に大きな応力が生じても、スペーサ800によって当該応力を分散させることができるため、電極体700が損傷するのを抑制することができる。
また、電極体700は、電極体本体部710に湾曲面が形成されて、電極体本体部710から突出するタブ部720、730に集電体500が接続される構成を有している。ここで、例えば、電極体の湾曲面の端部が活物質層非形成部となって集電体500が接続される構成の電極体(いわゆる縦巻きの電極体)の場合、当該湾曲面が凹んだりして変形しやすいため、当該湾曲面にスペーサ800を密着させるのが困難である。このため、電極体700の電極体本体部710に湾曲面が形成されて、電極体700のタブ部720、730に集電体500が接続される構成(いわゆる横巻きの電極体)にする。この構成により、電極体700に集電体500が接続されても湾曲面が変形しにくく、当該湾曲面をスペーサ800に密着して当接させやすい。これにより、スペーサ800で湾曲面を押さえやすいため、湾曲面の端部に応力が集中するのを抑制して、当該端部が損傷するのを抑制することができ、電極体700が損傷するのを抑制することができる。
また、スペーサ800は、第三方向から見て、電極体700の湾曲面の50%以上90%以下の領域に連続して当接して配置される。このように、スペーサ800を、電極体700の湾曲面の50%以上の領域に当接して配置することで、スペーサ800の比較的広い面で当該湾曲面を押さえることができるため、電極体700が膨張しても、応力を分散させることができる。また、スペーサ800の当該湾曲面との接触領域を大きくし過ぎると、スペーサ800の先端が尖ってしまい電極体700を損傷させるおそれがあるため、スペーサ800を、電極体700の湾曲面の90%以下の領域に当接するように形成する。これらにより、電極体700が損傷するのを抑制することができる。
また、スペーサ800は、電極体700の湾曲面との当接部分から第一方向(湾曲面の突出方向)とは反対方向に延設されるスペーサ延設部816、817を有しているため、電極体700が膨張した場合でも、電極体700からの応力をスペーサ延設部816、817で受けることができる。これにより、電極体700からの応力をスペーサ延設部816、817にも分散させることができるため、電極体700が損傷するのを抑制することができる。
[5 変形例の説明]
(変形例)
次に、上記実施の形態の変形例について、説明する。図8は、本実施の形態の変形例に係るスペーサ801の構成を示す斜視図及び断面図である。具体的には、図8は、図4に対応する図である。
図8に示すように、本変形例におけるスペーサ801は、上記実施の形態におけるスペーサ800に、通液路830が形成されたものである。その他の構成については、上記実施の形態と同様である。
通液路830は、Z軸方向(第三方向)に貫通した電解液の通液路であり、Z軸方向から見て、スペーサ湾曲面811から放射状に延びる複数の貫通孔831を有している。言い換えれば、通液路830は、Z軸方向(第三方向)から見て、電極体湾曲面711から放射状に延びる複数の貫通孔831を有している。
貫通孔831は、スペーサ801のスペーサ端部820とスペーサ本体部810とを、Z軸方向に貫通している。つまり、貫通孔831は、スペーサ本体部810のスペーサ湾曲面811、スペーサ第一面812、スペーサ第二面813、スペーサ第三面814及びスペーサ角部815に開口部を形成することなく、スペーサ801を貫通している。
なお、本変形例では、通液路830は、10個の貫通孔831を有しているが、貫通孔831の個数は限定されず、10個以外の複数個または1個であってもよい。貫通孔831の配置位置についても、特に限定されず、本変形例のように略均等の間隔で配置されていてもよいし、不規則に配置されていてもよい。貫通孔831の大きさ及び形状についても、特に限定されない。
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、スペーサ801に、第三方向(Z軸方向)に貫通した電解液の通液路830を形成する。つまり、スペーサ801を、容器100の3つの壁部と電極体700の湾曲面とに当接させて配置すると、電解液がスペーサ801を通過できずに、電解液の通液性が悪くなるおそれがあるため、スペーサ801に、電解液の通液路830を形成する。これにより、電解液の通液性を向上させることができる。つまり、通液路830内に電解液を流入させることで、電解液が容器100内を移動しやすくなったり、通液路830内に余剰の電解液を溜めておいたりすることができる。
また、スペーサ801に形成した電解液の通液路830は、電極体700の湾曲面から放射状に延びる複数の貫通孔831を有している。つまり、スペーサ801に電解液の通液路830を形成すると、通液路830の部分においては、電極体700が膨張した際の応力をスペーサ801で十分に受けることができなくなるおそれがある。特に、電極体700が膨張した際の応力は湾曲面から放射状に広がるため、通液路830として、電極体700の湾曲面に沿うなど湾曲面から放射状でない方向に延びる貫通孔を形成すると、当該応力を十分に受けることができなくなる領域が大きくなる。これに対し、当該湾曲面から放射状に延びる複数の貫通孔831を形成することで、当該応力に対する強度を高めることができる。このため、通液路830として、湾曲面から放射状に延びる複数の貫通孔831を形成する。これにより、電極体700が膨張しても、スペーサ801で応力を受けて当該応力を分散させることができるため、電解液の通液性を向上させつつ、電極体700が損傷するのを抑制することができる。
(その他の変形例)
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り、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。
例えば、上記実施の形態及びその変形例では、スペーサ湾曲面811は、Z軸方向において、電極体湾曲面711に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して電極体湾曲面711に当接して配置されていることとした。しかし、スペーサ湾曲面811は、Z軸方向において、電極体湾曲面711に対向する部分の一部が、電極体湾曲面711に当接して配置されていないことにしてもよい。ただし、スペーサ湾曲面811は、電極体湾曲面711のZ軸方向における中央部分には、当接して配置されているのが好ましい。
また、上記実施の形態及びその変形例では、スペーサ第一面812は、全面が短側壁部111に当接して配置されていることとした。しかし、スペーサ第一面812は、Y軸方向において、短側壁部111に対向する部分の一部が、短側壁部111に当接して配置されていないことにしてもよい。ただし、スペーサ第一面812は、短側壁部111のY軸方向における中央部分には、当接して配置されているのが好ましい。また、スペーサ第一面812は、Z軸方向において、短側壁部111に対向する部分の一部が、短側壁部111に当接して配置されていないことにしてもよい。ただし、スペーサ第一面812は、短側壁部111のZ軸方向における中央部分には、当接して配置されているのが好ましい。スペーサ第二面813についても同様に、X軸方向において長側壁部113に対向する部分の一部、または、Z軸方向において長側壁部113に対向する部分の一部が、長側壁部113に当接して配置されていないことにしてもよい。ただし、スペーサ第二面813は、長側壁部113のZ軸方向における中央部分には、当接して配置されているのが好ましい。スペーサ第三面814についても同様である。
また、上記実施の形態及びその変形例では、電極体湾曲面711は、Z軸方向から見てX軸方向に突出する半円の円弧形状に湾曲した形状を有していることとした。しかし、電極体湾曲面711は、半円以外の円弧形状、または、長円もしくは楕円の一部等、種々の形状を取り得る。この場合、スペーサ湾曲面811も、電極体湾曲面711に対応する形状となる。
また、上記実施の形態及びその変形例では、電極体700は、X軸方向における長さがZ軸方向における長さよりも長くなるように形成されていることとした。しかし、電極体700は、X軸方向における長さとZ軸方向における長さとが同じ長さ、または、X軸方向における長さがZ軸方向における長さよりも短くなるように形成され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700は、Z軸方向の巻回軸を有し、極板が巻回されて形成された、いわゆる横巻きの巻回型電極体であることとした。しかし、電極体700は、電極体湾曲面711を有する形状であればその構成は特に限定されず、例えば、X軸方向の巻回軸を有するいわゆる縦巻きの巻回型電極体であってもよいし、極板を蛇腹状に折り畳んだ蛇腹型の電極体、または、複数枚の平板状極板を積層したスタック型の電極体を湾曲させて湾曲面を形成したものであってもよい。
また、上記実施の形態及びその変形例では、正極側及び負極側の両方が、上記構成を有していることとした。しかし、正極側または負極側が上記構成を有していないことにしてもよい。
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、当該蓄電素子が備えるスペーサ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
100 容器
110 容器本体
111、112 短側壁部
113、114 長側壁部
500 集電体
700 電極体
710 電極体本体部
711、712 電極体湾曲面
713、714 電極体平坦面
720、730 タブ部
740 正極板
741、751 タブ
750 負極板
760a、760b セパレータ
800、801 スペーサ
810 スペーサ本体部
811 スペーサ湾曲面
812 スペーサ第一面
813 スペーサ第二面
814 スペーサ第三面
816、817 スペーサ延設部
830 通液路
831 貫通孔

Claims (8)

  1. 電極体と、前記電極体の第一方向側に配置されるスペーサと、前記電極体及び前記スペーサを収容する容器とを備える蓄電素子であって、
    前記容器は、前記スペーサの前記第一方向側に配置される第一壁部と、前記第一壁部に隣接し、かつ、前記第一方向と交差する第二方向で互いに対向する第二壁部及び第三壁部と、を有し、
    前記電極体は、前記第一方向及び前記第二方向と交差する第三方向から見て、前記第一方向側に突出するように湾曲した湾曲面を有し、
    前記スペーサは、
    前記第一壁部と、前記第二壁部及び前記第三壁部の少なくとも一方とに当接して配置されるとともに、
    前記第三方向から見て、前記湾曲面のうちの前記第二壁部に対向する位置から前記第三壁部に対向する位置までに亘って、連続して前記湾曲面に当接して配置される
    蓄電素子。
  2. 前記スペーサは、前記第三方向において、前記湾曲面に対向する部分の一端から他端までに亘って、連続して前記湾曲面に当接して配置される
    請求項1に記載の蓄電素子。
  3. 前記電極体は、前記第一方向における長さが、前記第三方向における長さよりも長い
    請求項1または2に記載の蓄電素子。
  4. 前記電極体は、前記湾曲面を有する本体部と、前記本体部の一部から前記第三方向に突出して配置され集電体に接続されるタブ部と、を有する
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  5. 前記スペーサは、前記第三方向から見て、前記湾曲面の50%以上90%以下の領域に連続して当接して配置される
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  6. 前記スペーサは、前記湾曲面との当接部分から前記第一方向とは反対方向に延設される延設部を有する
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  7. 前記スペーサには、前記第三方向に貫通した電解液の通液路が形成されている
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  8. 前記通液路は、前記第三方向から見て、前記湾曲面から放射状に延びる複数の貫通孔を有する
    請求項7に記載の蓄電素子。
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