JP5472740B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電素子を有する蓄電装置に関し、詳しくは、蓄電素子の状態を検出可能な蓄電装置に関する。
ハイブリッド車や電気自動車に搭載される走行駆動用の二次電池には、従来ニッケル水素電池が用いられ、複数のセル(単電池とも言う)を数10個程度直列に接続して組電池を構成し、出力電圧を高めることが一般的に行われてきた。このような組電池では、充放電を繰り返して反復使用するために良好な特性を維持することが必要とされ、各セルの過充電や過放電を判定することが重要となっている。このため、各セルのセル電圧が許容電圧範囲にあるか否かを監視し、加えて電池温度や充放電時の電流値も検出する状態検出装置を設けることが一般的になっている。
二次電池の温度測定は、電池の表面に温度センサを取り付けるか、端子に温度センサを取り付けるかのいずれかの方法が多く用いられていたが、表面に温度センサを取り付ける場合には、積層した二次電池間の平均的な温度を検出したり(セルの温度を正確に検出できない)、電池自体が損傷してしまったり、その対策でセルの間に介層材を介在させると体積効率が悪化するという問題があった。
また、端子に温度センサをつける場合には、そのために余分に長い端子が必要となり、体積効率の悪化や、更に急速充電時は、端子が発熱するためセル温度を検出できないという問題があった。
さらに、二次電池(バッテリ)にセルバランサ回路などを接続する際には、セル間の接続時に、正負極端子からセルバランサ回路用リード線を引き出したり、セル間をバスバー接続した後、バスバーからリード線を引き出していたため回路などの制御系の取り付けも容易ではなかった。加えて正負極端子からリード線を取り出すため、電極端子を短くすることが出来ず、内部抵抗を低下させる事が出来ないという問題があった。
このような問題点に対して、特許文献1〜3が開示されている。
特許文献1には、充放電用正負極端子が発電要素体から引き出された二次電池において、充放電用正負極端子とは別に、正極体または負極体の未塗布部に、充放電用正負極端子と別の場所に、第3の端子を直接接続することが記載されている。
しかしながら、この第3の端子は、未塗布部に追加して接続される(後から接続される)ものであり、二次電池の製作工程で工程数が増加するという問題があった。さらに、第3の端子もラミシール溶着する構造であることを開示しており、溶接接続工数の増加によるコストの増加,部品点数の増加によるコストの増加,ラミシール部のタブ溶着部位が追加される事で、水分透過、電解液漏洩の信頼性の低下,未塗布部に第3の端子用のスペースを追加することで、デッドスペースが増加する,という問題があった。特に、使用セル数が多い高容量電池モジュールにおいては、セルのコスト増加はバッテリ全体のコストアップの要因になり、また長寿命が求められる車両用途では、信頼性低下に繋がってしまうという問題があった。
このような問題に対し、特許文献2〜3が開示されている。特許文献2〜3には、発電要素に接続された電極タブと、電極タブの一部として形成され、電極タブと同一方向にのびる電圧検出用の端子部と、を有する電池が記載されている。
しかしながら、これらの電池では、端子部と電極タブとが同じ方向に伸びており、制御配線との接続に用いることができるスペースが限られ、製造時の工程数の増加を招いていた。
特許4228177号 特開2005−116441号公報 特開2007−27085号公報
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、モジュール構築が容易であり、蓄電要素の状態の検出を検出できる蓄電装置を、部品点数増加を防ぎかつ信頼性の低下を抑えた状態で得ることを課題とする。
上記課題を解決するために本発明者等は、蓄電装置の電極端子の構成について検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明の蓄電装置は、正極端子、負極端子を有する蓄電要素と、正極端子及び負極端子が突出した状態で蓄電要素を封入する外層部材と、を有する蓄電装置であって、正極端子及び負極端子の少なくとも一方は、外層部材から突出する方向に伸び蓄電要素の電力が流れる電極部と、外層部材の外部で電極部ののびる方向と交差する方向であって、電極部の広がる方向と平行な方向に折り曲げられた折り曲げ部と、を有することを特徴とする。
本発明の蓄電装置は、正極端子及び負極端子の少なくとも一方は、電力が流れる電極部ののびる方向と交差する方向に折り曲げられた折り曲げ部を有している。この電極部を介して蓄電素子の状態を検出することができる。そして、折り曲げ部が電極部に対して交差する方向に折り曲げられており、折り曲げ部に接続する配線等の接続場所の自由度が向上し、構造、配線の簡素化が可能となっている。
つまり、低抵抗でモジュール構築が容易となる蓄電要素の状態の検出を検出できる蓄電装置を、部品点数増加を防ぎ、かつ信頼性の低下を抑えた状態で得られた。
実施例の組電池の構成を示した図である。 実施例の組電池を構成する単電池の構成を示した図である。 実施例の組電池を構成する単電池の構成を示した図である。 実施例の組電池を構成する単電池の構成を示した図である。 実施例の単電池の電極端子の構成を示した図である。 実施例の単電池の電極端子の構成を示した図である。 実施例の変形形態の単電池の構成を示した図である。 実施例の変形形態の単電池の構成を示した図である。 実施例の変形形態の単電池の構成を示した図である。
本発明の蓄電素子は、正極端子、負極端子を有する蓄電要素と、正極端子及び負極端子が突出した状態で蓄電要素を封入する外層部材と、を有する。
そして、正極端子及び負極端子の少なくとも一方は、外層部材から突出する方向に伸び蓄電要素の電力が流れる電極部と、外層部材の外部で電極部ののびる方向と交差する方向に折り曲げられた折り曲げ部と、を有する。
正極端子及び負極端子の少なくとも一方の電極部は、通常の蓄電装置において、蓄電素子に充放電される電力が流れる。本発明で、電極部は、外層部材の外部では、外層部材から突出する方向に伸びている。なお、電極部の外層部材から突出する方向に伸びている状態は、少なくとも折り曲げ部が折り曲げられている部分の近傍で、外層部材から突出する方向に伸びていれば良く、折り曲げ部が折り曲げられている部分よりも先で折り曲げられていてもよい。
正極端子及び負極端子の少なくとも一方の折り曲げ部は、外層部材の外部で電極部ののびる方向と交差する方向に折り曲げられている。これにより、折り曲げ部は、電極部と同一方向に伸びなくなる。この結果、折り曲げ部に接続する配線等の接続場所の自由度が向上し、構造、配線の簡素化が可能となる。
折り曲げ部の折り曲げられる方向は、特に限定されるものではないが、電極部に対して当接しない方向であることが好ましく、電極部ののびる方向に直交する方向であることがより好ましい。
本発明において、折り曲げ部は、正極端子及び負極端子の少なくとも一方に形成すればよく、正極端子及び負極端子の両端子に形成してもよい。
折り曲げ部は、折り曲げ起点を有することが好ましい。折り曲げ起点を有することで、折り曲げ部を電極部に対して交差する方向に折り曲げるときに、簡単に折り曲げることができる。さらに、折り曲げ起点を有することで、折り曲げ部の折り曲げられる方向を、予め決められた所定の方向にすることができる。
折り曲げ起点は、折り曲げ部を折り曲げるときに、折り曲げの起点となる形態で有れば限定されるものではなく、板状の電極端子に形成された屈曲部をあげることができる。
電極部と折り曲げ部は、正極端子及び負極端子の少なくとも一方に形成された切れ込みにより分けられることが好ましい。切れ込みにより電極部と折り曲げ部を分けることで、折り曲げ部を電極部に対して折り曲げ可能となる。
折り曲げ部は、蓄電要素の状態を検出する状態検出装置に接続されることが好ましい。状態検出装置に接続することで、蓄電要素の状態を検出することができる。また、本発明の蓄電装置では、折り曲げ部が電極部に対して折り曲げられており、接続場所の自由度が向上しており、状態検出装置自身の設置位置の自由度も高くなっている。この結果、状態検出装置を含めた体格の粗大化が抑えられる。
状態検出装置は、折り曲げ部を介して蓄電要素の状態を検出できる装置で有れば限定されるものではなく、蓄電要素の温度を検出する温度計、蓄電要素の充放電量を検出する充放電量検出装置、等の装置をあげることができる。
蓄電装置は、蓄電要素をラミネートフィルムで封入してなることが好ましい。すなわち、外層部材が、蓄電要素を封入するラミネートフィルムにより形成されたケースであることが好ましい。本発明では、折り曲げ部の折り曲げが外層部材の外部(ラミネートフィルムの封止部の外部)で折り曲げられている。つまり、ラミネートフィルムの封止箇所を増加させない構成となっている。このことから、本発明の蓄電装置は、製造に要するコストの上昇及び信頼性の低下が抑えられたものとなっている。
正極端子及び負極端子の少なくとも一方は、その表面に活物質層が形成された集電体よりなることが好ましい。すなわち、集電体が電極端子を兼ねることで、集電体と電極端子との接合部における内部抵抗の増加を抑えることができる。集電体は、その形態が限定されるものではないが、薄板状であることがより好ましい。
本発明の蓄電装置は、蓄電要素が電極端子を介して充放電可能な蓄電装置で有れば限定されるものではなく、二次電池やキャパシタであることが好ましい。そして、本発明の蓄電装置は、蓄電要素の状態を検出することに効果を発揮するものであり、蓄電要素の状態の検出が重要になる非水電解液二次電池であることがより好ましい。
非水電解液二次電池は、その種類が限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池であることがより好ましい。
本発明の蓄電装置は、複数の蓄電要素を有することが好ましい。すなわち、二次電池である場合には、複数の単電池を組み合わせた組電池とすることが好ましい。
本発明の蓄電装置が複数の蓄電要素を有するときに、少なくとも一つの蓄電要素に接続された電極端子が折り曲げ部を有していればよい。すなわち、全ての蓄電要素に接続された電極端子が折り曲げ部を有していても、有していなくても、いずれでもよい。好ましくは、全ての蓄電要素に接続された電極端子が折り曲げ部を有していればよい。
本発明の蓄電装置は、正極及び負極と、電解液と、を有する非水電解液電池であることが好ましく、リチウムイオン二次電池であることがより好ましい。そして、正極及び負極は、活物質、結着材、導電材その他の材料から必要に応じて選択される添加材を混合した電極合材層を、集電体の表面に形成してなることが好ましい。
本発明の蓄電装置において、正極または負極の活物質としては、従来の二次電池において活物質として用いられている化合物と混合して用いることができる。
このような化合物としては、たとえば、リチウムイオン二次電池の正極活物質であるリチウム含有遷移金属酸化物をあげることができる。リチウム含有遷移金属酸化物は、Liイオン(Li)を脱挿入できる材料であり、層状構造またはスピネル構造のリチウム−金属複合酸化物を挙げることができる。具体的には、Li1−ZNiO、Li1−ZMnO、Li1−ZMn、Li1−ZCoOなどの金属酸化物系材料をあげることができる。さらに、Li1−ZβPOとしては、LiFePOをあげることができ、それらを1種以上含む化合物をあげることができる。なお、Zは0〜1の数を示す。また、各々の金属酸化物系材料は、Li、Mg、Al、又はCo、Ti、Nb、Cr等の遷移金属を添加または置換した材料等であってもよい。さらに、これらのリチウム−金属複合酸化物を単独で用いるばかりでなくこれらを複数種類混合して用いてもよい。
結着材は、高分子材料から形成されることが望ましく、二次電池内の雰囲気において化学的・物理的に安定な材料であることが望ましい。この結着材としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、カルボキシルメチルセルロース(CMC)をあげることができる。
導電材としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、非晶質炭素等などが例示できる。また、導電性高分子ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセンなどをあげることができる。
集電体の表面に電極合材層を形成する方法としては、活物質、結着材、導電材を有する電極合材を適当な分散媒中に分散または溶解させた後、集電体の表面に塗布・乾燥する方法をあげることができる。
本発明の蓄電装置がリチウムイオン二次電池であるときには、負極が有する活物質としては、リチウムイオンを充電時には吸蔵し且つ放電時には放出する化合物を用いることができる。この負極活物質は、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料、構成のものを用いることができる。例えば、リチウム金属、グラファイト又は非晶質炭素等の炭素材料等、ケイ素、スズなどを含有する合金材料、LiTi12、Nb等の酸化物材料をあげることができる。
電解液は、特に限定されるものではなく、有機溶媒などの溶媒に支持塩を溶解させたもの、自身が液体状であるイオン液体、そのイオン液体に対して更に支持塩を溶解させたものをあげることができる。
有機溶媒としては、通常のリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる有機溶媒をあげることができる。例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等をあげることができる。特に、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、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等及びそれらの混合溶媒を用いることが好ましい。これらの有機溶媒のうち、特に、カーボネート類、エーテル類からなる群より選ばれた一種以上の非水溶媒が、支持塩の溶解性、誘電率および粘度において優れ、かつ電池の充放電効率も高いため、好ましい。
イオン液体は、通常リチウム二次電池の電解液に用いられるイオン液体であれば特に限定されるものではない。例えば、イオン液体のカチオン成分としては、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムや、ジメチルエチルメトキシアンモニウムカチオン等をあげることができ、アニオン成分としは、BF−、N(SOCF−等をあげることができる。
リチウムイオン二次電池において、電解液に用いられる支持塩としては、特に限定されるものではなく、例えば、LiPF、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiSbF、LiSCN、LiClO、LiAlCl、NaClO、NaBF、NaI、これらの誘導体等の塩化合物をあげることができる。これらの中でも、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiN(FSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiCFSOの誘導体、LiN(CFSOの誘導体及びLiC(CFSOの誘導体からなる群から選ばれる1種以上の塩を用いることが、電気特性の観点から、好ましい。
リチウムイオン二次電池においては、正極と負極との間には電気的な絶縁作用とイオン伝導作用とを両立する部材であるセパレータを介装することが好ましい。支持電解質が液状である場合にはセパレータは、液状の支持電解質を保持する役割をも果たす。セパレータとしては、多孔質合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔質膜をあげることができる。更に、セパレータは、正極及び負極の間の絶縁を担保する目的で、正極及び負極よりも更に大きい形態を採用することが好ましい。
本発明の蓄電装置は、上記の要素以外に、その他必要に応じた要素とからなることが好ましい。
本発明の蓄電装置は、その製造方法は限定されるものではないが、例えば、以下のように形成される。
まず、薄板状の集電体(正極集電体、負極集電体)の表面に、正極活物質層,負極活物質層をそれぞれ形成して正極及び負極を製造する。このとき、集電体には、活物質層が形成されない未塗布部が形成される。
製造された正極、負極を、電解液およびセパレータを介した状態で積層させ、ラミネートフィルムで封止する(外層部材で封止する)。このとき、正極及び負極の未塗布部が、ラミネートフィルムの外部に突出した状態であり、突出した未塗布部が正極端子、負極端子状態となる。正極端子と負極端子は、互いに離反する方向に突出していることが好ましい。
ラミネートフィルムの外部に突出した正極端子及び負極端子の少なくとも一方に切れ込みを入れ、電極部と折り曲げ部とを分ける。そして、折り曲げ部の基端部に、折り曲げ起点を形成する。
その後、折り曲げ起点で折り曲げ部を折り曲げる。折り曲げ部は、電極部ののびる方向に直交する方向に折り曲げることが好ましい。
必要に応じて、複数の封止された蓄電要素を組み合わせ、本発明の蓄電装置が形成される。
以下、実施例を用いて本発明の蓄電装置を説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
(実施例)
本発明の実施例として、図1にその構成を示した組電池(非水電解液電池)を製造した。なお、図1は構成を示す概略図であり、負極端子4の折り曲げ部41の構造を有しているが、図1では省略した。
本実施例の組電池1は、複数の単電池2をバスバー8で電極端子3,4を接続して構成される。
単電池2は、図2にその構成を示したように、背向する方向に突出した正極端子3、負極端子4を有する正極及び負極を備える蓄電要素と、蓄電要素を封入したケース(外層部材)5と、を有する。
本実施例の組電池1は、以下に示したように製造された。
まず、正極活物質、導電材、溶剤及び結着材を均一になるまで混合し、スラリー状の正極合剤を調製した。そして、アルミニウム箔よりなる正極集電体上に塗布,乾燥して正極が製造された。
負極活物質を溶剤及び結着材に加え、均一になるまで混合し、スラリー状の負極合剤を調製した。そして、銅箔よりなる負極集電体上に塗布,乾燥して負極が製造された。
製造された正極及び負極は、電極合剤が塗布されない(活物質層が形成されない)未塗布部を、少なくとも一つの端部に有している。
正極及び負極は、活物質層が重なるように、多孔質樹脂よりなるセパレータを介して複数層積層させた(積層体を巻回してもよい)。そして、積層体を、非水電解液とともにラミネートフィルムで封止した。積層体を封入したラミネートフィルムにより、単電池2の蓄電要素を封入したケース5が形成された。このとき、正極及び負極の未塗布部がケース5の外部に突出し、それぞれ正極端子3,負極端子4となった。正極端子3と負極端子4は、互いに離反する方向に突出していた。つまり、正極と負極のそれぞれの未塗布部が互いに離反する方向に突出した状態で積層体が形成された。
次に、正極端子3及び負極端子4のケース5から突出した先端部に、切れ込み6を入れた。この切れ込み6は、正極端子3及び負極端子4の先端部に、各端子の幅方向の一方から他方側に向かって形成された。この切れ込み6の長さは、特に限定されるものではなく、折り曲げられた(折り返された)ときに、正極端子3及び負極端子4の幅方向の端部から突出する形態で有ることが好ましい。
切れ込み6により、図3に示したように、正極端子3及び負極端子4の基端側の電極部30,40と、突出する方向の先端側に位置する折り曲げ部31,41と、が区画された。
折り曲げ部31,41は、図4〜6に示したように、基端側(正極端子3及び負極端子4の幅方向であって、切れ込み6の深さ方向の先端部近傍,図4の上方側)に、折り曲げ起点32,42が形成されている。折り曲げ起点32,42は、折り曲げ部31,41が折り返される起点となるように、山折り状(谷折り状)に曲成されてなる折り目よりなる。
次に、折り曲げ部31,41は、折り曲げ起点32,42を起点にして折り返された。折り返された折り曲げ部31,41は、正極端子3及び負極端子4の(電極部30,40の)幅方向の端部から突出した。つまり、電極端子3,4の電極部30,40ののびる方向の延長線上に、折り曲げ部31,41が位置しなくなった。
以上により、単電池2が製造された。
つづいて、製造された単電池2を複数組み合わせて組電池1を形成した。
それぞれの単電池2の正極端子3及び負極端子4は、別の単電池2の負極端子4及び正極端子3にバスバー8を用いて接続した。また、それぞれの単電池2は、正極端子3の折り曲げ部31及び負極端子4の折り曲げ部41が同一方向に突出する状態で組み付けられた。そして、折り曲げ部31,41のそれぞれの先端部が、組電池ケース7のケース蓋70方向に突出する状態で、ケース7に組み付けられた。
本実施例の組電池1は、ケース蓋70方向に突出した折り曲げ部31,41は、温度測定装置(図示せず)に接続された。また、ケース内で、正極端子3の電極部30及び負極端子4の電極部40は、それぞれ組電池1の正極端子及び負極端子(図示せず)に電気的に接続された。
本実施例の組電池1は、折り曲げ部31,41を上方に向け、折り曲げ部31,41が温度測定装置に接続する部分をケース蓋に設け、ケース蓋の組付けと同時に接続する構造をとることで、構造の簡素化が可能となった。
また、本実施例の組電池1は、折り曲げ部31,41を(図1での)上方に向けて折り曲げ、折り曲げ部31,41が温度測定装置に接続する部分をケース蓋70に設けており、単電池2の正極端子3(の電極部30)及び負極端子4(の電極部40)がのびる方向の延長線上に、温度測定装置が接続する部分が位置しない構成となっている。すなわち、温度測定装置が接続する部分が電極端子3,4に接続される部分と干渉を生じなくなっており、体格の粗大化が抑えられたものとなっている。
さらに、本実施例の組電池1は、単電池2を形成するときに、ラミネートフィルムの封止箇所を増加させない構成となっている。このことから、本実施例の組電池1は、製造に要するコストの上昇及び信頼性の低下が抑えられたものとなっている。
(実施例の変形形態)
本形態は、電極端子3,4の切れ込み6の形態が異なること以外は実施例と同様な構成である。
本形態は、図6に示したように、切れ込み6が、電極端子3,4ののびる方向に沿って形成されている。そして、図7に示したように、折り曲げ部31,41を電極端子3,4の電極部30,40から離反する方向に折り曲げることで、実施例と同様の単電池2が得られ、組電池1が形成できる。
本形態においても、上記の実施例と同様な効果を発揮した。
(その他の変形形態)
上記の各形態においては、全ての単電池2の電極端子3,4に折り曲げ部31,41を形成していたが、全ての電極端子3,4に折り曲げ部31,41を形成しない形態であってもよい。
たとえば、正極端子3のみに折り曲げ部31を形成する形態であっても、負極端子4のみに折り曲げ部41を形成する形態であっても、いずれでもよい。
また、全ての単電池2に折り曲げ部31,41を形成しなくても、組み合わせたときに一つおきの単電池2に折り曲げ部31,41を形成する形態でもよい。このとき、折り曲げ部31のみであっても、折り曲げ部41のみであってもよい。
1:組電池
2:単電池
3:正極端子 30:電極部
31:折り曲げ部 32:折り曲げ起点
4:負極端子 40:電極部
41:折り曲げ部 42:折り曲げ起点
5:ケース
6:切れ込み
7:組電池ケース 70:ケース蓋
8:バスバー

Claims (7)

  1. 正極端子、負極端子を有する蓄電要素と、該正極端子及び該負極端子が突出した状態で該蓄電要素を封入する外層部材と、
    を有する蓄電装置であって、
    該正極端子及び該負極端子の少なくとも一方は、該外層部材から突出する方向に伸び該蓄電要素の電力が流れる電極部と、該外層部材の外部で該電極部ののびる方向と交差する方向であって、該電極部の広がる方向と平行な方向に折り曲げられた折り曲げ部と、を有することを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記折り曲げ部は、折り曲げ起点を有する請求項1記載の蓄電装置。
  3. 前記電極部と前記折り曲げ部は、前記正極端子及び前記負極端子の少なくとも一方に形成された切れ込みにより分けられる請求項1〜2のいずれかに記載の蓄電装置。
  4. 前記折り曲げ部は、前記蓄電要素の状態を検出する状態検出装置に接続される請求項1〜3のいずれかに記載の蓄電装置。
  5. 前記蓄電装置は、前記蓄電要素をラミネートフィルムで封入してなる請求項1〜4のいずれかに記載の蓄電装置。
  6. 前記正極端子及び前記負極端子の少なくとも一方は、その表面に活物質層が形成された集電体よりなる請求項1〜5のいずれかに記載の蓄電装置。
  7. 非水電解液二次電池である請求項1〜6のいずれかに記載の蓄電装置。
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