JP6274034B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電装置に係り、詳しくはタブと導電部材との接合構造に特徴を有する蓄電装置に関する。
二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。一般に、容量の大きな蓄電装置は電極組立体を収納するケースを備え、そのケース内に電極組立体が収納されている。そして、蓄電装置からの電力の取り出しは、電極組立体の正極及び負極に接続された電極端子を通して行われている。
電極組立体には、例えば、複数の正極と複数の負極との間にセパレータを介在させた状態で積層した積層型の電極組立体がある。正極及び負極は、それぞれタブと呼ばれる金属箔の部分を有し、複数枚のタブが導電部材(リード)を介して正極端子あるいは負極端子に積層された状態で溶接されている。
従来、集電タブ(電極タブ)に応力がかからず、小型化できる積層型リチウムイオン電池及びその製造方法提案されている(特許文献1参照)。特許文献1の製造方法では、図7(a)に示すように、正極電極51及び負極電極52がセパレータを介して積層された電極組立体53の正極タブ54を正極リード55と溶接する場合、図7(b)に示すように、電極組立体53の正極タブ54の反突出側を固定した状態で、電極組立体53を正極タブ54が上方向に延びる状態に90度折り曲げる。そして、複数枚の正極タブ54の一方の外側に正極リード55を配置する。
この階段状となった正極タブ54を、図7(c)に示すように、正極リード55と溶接ヘッド56を用いて接続する。その後、図7(d)に示すように湾曲させた電極組立体53を平板状に戻す。次に正極タブ54を、この状態に保ち、図7(e)に示すように、正極リード55を下側に折り曲げる。次いで図7(f)に示すように、正極リード55の先端を元に戻すようにして、平板状の電極組立体53と平行となるようにし、正極タブ54を電極組立体53の端面に沿って曲げることにより、正極タブ54に引っ張り応力がかからず、歪のない状態で電極組立体53の組み立てを行う。負極タブと負極リードについても同様である。
特開2007−234466号公報
ところが、特許文献1の構成では、正極タブ54は先端が一致する状態に重ねられ、その重ねられた部分が、L字状に折り曲げられた正極リード55の基端側に溶接されている。正極リード55は、基端側が電極組立体53の正極タブ54の突出側端面と平行に配置されている。そのため、電極組立体53を電池のケースに収容した状態において、正極リード55の基端側端面と電極組立体53の端面との間に湾曲状態で存在する正極タブ54の屈曲部分がケースの内壁に接触することを防止するには、屈曲部分の湾曲状態を小さくする必要があり、電極組立体53の端面からの正極タブ54の突出量が大きくなる。また、正極タブ54を正極リード55へ溶接した後、正極リード55を折り曲げる必要がある。
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電極組立体の端面からのタブの突出量を小さくすることができ、正極導電部材及び負極導電部材の折り曲げ加工を不要にすることができる蓄電装置を提供することにある。
上記課題を解決する蓄電装置は、端部から突出した形状の正極タブを有する正極、及び端部から突出した形状の負極タブを有する負極が互いに絶縁された状態で積層された電極組立体と、前記電極組立体と電気を授受する正極端子及び負極端子と、前記正極タブと前記正極端子とを電気的に接続する正極導電部材と、前記負極タブと前記負極端子とを電気的に接続する負極導電部材と、を備える蓄電装置である。そして、前記正極タブ及び前記負極タブは、それぞれ積層された状態で折り曲げられた第1の折り曲げ部と、前記第1の折り曲げ部よりも前記正極タブ又は前記負極タブの先端側に配置された第2の折り曲げ部と、前記第1の折り曲げ部と前記第2の折り曲げ部との間に配置され、かつ前記電極組立体の積層方向に沿って延設された第1の延設部と、前記第2の折り曲げ部と前記正極タブの先端又は前記負極タブの先端との間に配置され、かつ前記電極組立体の積層方向に沿って延設された第2の延設部とを有し、前記第1の延設部と前記第2の延設部と前記正極導電部材又は前記負極導電部材とが重なる状態に配置され、前記第1の延設部と前記第2の延設部、及び前記正極導電部材又は前記負極導電部材とがそれぞれ接合されている。
この構成によれば、正極導電部材及び負極導電部材との接触面積を十分に確保するために、正極タブや負極タブの長さを長くした場合でも、正極タブや負極タブの先端部が正極導電部材又は前記負極導電部材からはみ出てケースの内面と接触する虞がない。また、正極タブや負極タブを折り曲げる際に正極導電部材や負極導電部材を折り曲げる必要がない。したがって、電極組立体の端面からの正極タブや負極タブの突出量を小さくすることができ、正極導電部材及び負極導電部材の折り曲げ加工を不要にすることができる。
前記正極タブ及び前記負極タブは、前記電極組立体の厚さ方向において最も外側になるいずれか一方の正極タブ及び負極タブが、他の正極タブ及び他の負極タブの前記第2の折り曲げ部より先端側の部分を覆う状態で、前記正極導電部材又は前記負極導電部材に接合されていることが好ましい。この構成によれば、正極タブ及び負極タブが溶接される際に、重ねられた状態の正極タブ及び負極タブの枚数が少なくなり、溶接に必要なエネルギーが少なくなる。
前記第2の延設部には、前記正極導電部材又は前記負極導電部材が配置される側とは反対側に、導電性を有する導電板が配置され、前記正極導電部材又は前記負極導電部材と、前記第1の延設部と、前記第2の延設部と、前記導電板とがそれぞれ溶接されていることが好ましい。この構成によれば、導電板を用いずに、複数枚の正極タブ及び負極タブを、正極導電部材又は負極導電部材と溶接する場合に比べて、正極タブ及び負極タブが溶接用の電極等に直接押圧されることによって傷つく虞がない。
本発明によれば、電極組立体の端面からのタブの突出量を小さくすることができ、正極導電部材及び負極導電部材の折り曲げ加工を不要にすることができる。
二次電池の断面図。 (a)は電極組立体の正極、負極及びセパレータの関係を示す概略斜視図、(b)、(c)は部分拡大図。 二次電池の部分断面図。 溶接手順を示す部分断面図。 溶接手順を示す部分断面図。 別の実施形態を示す部分断面図。 (a)〜(f)は従来技術の電極組立体の組立手順を示す側面図。
以下、本発明を積層型の電極組立体を備えた二次電池に具体化した一実施形態を図1〜図5にしたがって説明する。
図1に示すように、蓄電装置としての二次電池10は、有底箱状のケース本体11a及びその開口部を覆う蓋体11bとで構成された四角箱状のケース11内に、積層型の電極組立体12及び電解液(図示せず)が収容されている。
図2(a),(b),(c)及び図3に示すように、電極組立体12は、金属箔13の両面に正極活物質層14aを有する複数の矩形シート状の正極14と、金属箔13の両面に負極活物質層15aを有する複数の矩形シート状の負極15とが、両者の間にセパレータ16が介在する状態で積層されている。
セパレータ16は、正極14と負極15との間の電気的絶縁性を確保するため、正極タブ14b及び負極タブ15bを除いた正極14及び負極15の矩形部より大きな矩形状に形成されている。二次電池10がリチウムイオン二次電池の場合、正極14用の金属箔13はアルミニウム箔が好ましく、負極15用の金属箔13は銅箔が好ましい。
正極14は、金属箔13の一辺から延出された正極タブ14bを有する。正極タブ14bは、電極組立体12の一端面(図1において上端面)の左側寄りとなる位置に突設されている。
負極15は、金属箔13の一辺から延出された負極タブ15bを有する。負極15の金属箔13と、正極14の金属箔13とは同じ大きさに形成され、負極活物質層15aの面積は正極活物質層14aの面積より大きい。負極タブ15bは、電極組立体12の一端面(図1において上端面)の右側寄りとなる位置に突設されている。
図1に示すように、電極組立体12はケース11に収納された状態において、電極組立体12と電気を授受する正極端子21及び負極端子22が蓋体11bから突出する状態に形成されている。正極端子21及び負極端子22は、蓋体11bに形成された孔11cに取り付けられたリング状の絶縁部材23を貫通する状態で設けられている。正極端子21は正極導電部材24を介して正極タブ14bに電気的に接続され、負極端子22は負極導電部材25を介して負極タブ15bに電気的に接続されている。なお、ケース本体11aの内面及び蓋体11bの内面には、絶縁シート11dが取着されている。
すなわち、二次電池10は、端部から突出した形状の正極タブ14bを有する正極14、及び端部から突出した形状の負極タブ15bを有する負極15が互いに絶縁された状態で積層された電極組立体12と、電極組立体12と電気を授受する正極端子21及び負極端子22と、正極タブ14bと正極端子21とを電気的に接続する正極導電部材24と、負極タブ15bと負極端子22とを電気的に接続する負極導電部材25と、を備える蓄電装置である。
図3に示すように、正極タブ14bは、積層された状態で折り曲げられた第1の折り曲げ部17aと、第1の折り曲げ部17aの先端側に配置された第2の折り曲げ部17bと、第1の折り曲げ部17aと第2の折り曲げ部17bとの間に配置され、かつ電極組立体12の積層方向に沿って延設された第1の延設部18aと、第2の折り曲げ部17bと正極タブ14bの先端との間に配置され、かつ電極組立体12の積層方向に沿って延設された第2の延設部18bとを有する。そして、第1の延設部18aと第2の延設部18bと正極導電部材24とが重なる状態に配置され、第1の延設部18aと第2の延設部18b、及び正極導電部材24とがそれぞれ接合されている。
また、この実施形態では、第2の延設部18bには、正極導電部材24が配置される側とは反対側に、導電性を有する導電板としての保護板26が配置され、正極導電部材24と、第1の延設部18aと、第2の延設部18bと、保護板26とがそれぞれ溶接されている。なお、正極タブ14bの数は実際は数十枚程度であるが、便宜上5枚を図示して説明する。
負極タブ15bも正極タブ14bと同様に構成され、積層された状態で折り曲げられた第1の折り曲げ部と、第1の折り曲げ部の先端側に配置された第2の折り曲げ部と、第1の折り曲げ部と第2の折り曲げ部との間に配置され、かつ電極組立体12の積層方向に沿って延設された第1の延設部と、第2の折り曲げ部と負極タブ15bの先端との間に配置され、かつ電極組立体12の積層方向に沿って延設された第2の延設部を有する。そして、第1の延設部と第2の延設部と負極導電部材25とが重なる状態に配置され、第1の延設部と第2の延設部、及び負極導電部材25とがそれぞれ接合されている。また、この実施形態では、負極タブ15bの第2の延設部には、負極導電部材25が配置される側とは反対側に、導電性を有する導電板としての保護板26が配置され、負極導電部材25と、第1の延設部と、第2の延設部と、保護板26とがそれぞれ溶接されている。
次に前記の接合構造の形成手順の一例を説明する。
正極タブ14b、正極導電部材24及び保護板26を溶接する場合は、先ず、図4に示すように、正極タブ14bは、全ての正極タブ14bをタブ群の一端側(図4における右端側)に位置する正極タブ14b側に向かって集められる。正極タブ14bは、同じ長さに形成されているため、各正極タブ14bの先端の位置は一致せずに、先端部が順にずれた状態になる。
次に、正極タブ14bの積層部の基端側に、積層部を折り曲げるための余裕を残した状態で正極導電部材24を配置し、図示しない治具で正極タブ14b及び正極導電部材24を支持する。
次に、正極導電部材24から先端部がはみ出している正極タブ14bの先端側を、正極活物質層14a、及び負極活物質層15aを有する側に向かって(すなわち、図4の矢印方向に)折り曲げる。そして、図5に示すように、保護板26を正極タブ14bの積層部に重ねる。その結果、正極導電部材24から先端部がはみ出していた正極タブ14bは、先端部が保護板26の内側に位置するように折り曲げられて、全ての正極タブ14bの先端部が正極導電部材24と保護板26の間に配置された状態になる。この折り曲げられた部分は、第2の折り曲げ部17bとなる。
次に、一対の抵抗溶接用電極28により、正極導電部材24、正極タブ14b及び保護板26を挟持した状態で両抵抗溶接用電極28間に電圧が印加され、正極導電部材24、正極タブ14b及び保護板26が抵抗溶接により溶接されて、図5に示すように溶接部27で溶接された状態になる。
次に正極タブ14bを正極導電部材24及び保護板26が電極組立体12の端面と平行になるように、正極導電部材24及び保護板26に挟持されている箇所より基端側において折り曲げると、図3に示す状態になり、正極導電部材24、正極タブ14b及び保護板26の接合構造が完成する。このときに折り曲げられた部分が第1の折り曲げ部17aとなる。そのため、正極タブ14bや負極タブ15bを折り曲げる際に、正極導電部材24や負極導電部材25を折り曲げる必要がない。また、第1の折り曲げ部17aと第2の折り曲げ部17bとの間に配置され、かつ電極組立体12の積層方向に沿って延設された部分が第1の延設部18aとなり、第2の折り曲げ部17bと正極タブ14bの先端との間に配置され、かつ電極組立体12の積層方向に沿って延設された部分が第2の延設部18bとなる。
次に前記のように構成された二次電池10の作用を説明する。
正極タブ14bは、それぞれ積層された状態で折り曲げられた第1の折り曲げ部17aと、第1の折り曲げ部17aよりも正極タブ14bの先端側に配置された第2の折り曲げ部17bとを有する。正極タブ14bは、第1の延設部18aと、第2の延設部18bと、正極導電部材24とが重なる状態に配置され、第1の延設部18aと第2の延設部18b、及び正極導電部材24とがそれぞれ接合されている。したがって、正極導電部材24との接触面積を十分に確保するために、正極タブ14bの長さを長くした場合でも、正極タブ14bの先端部が正極導電部材24からはみ出てケース本体11aの内面と接触する虞がない。正極タブ14bの長さは、二度折り曲げられた状態において、その先端が電極組立体12の厚さ方向からはみ出さない長さであればよいため、設計の自由度が高くなる。負極タブ15bも正極タブ14bと同様の構成のため、同様の作用となる。
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)二次電池10は、端部から突出した形状の正極タブ14bを有する正極14、及び端部から突出した形状の負極タブ15bを有する負極15が互いに絶縁された状態で積層された電極組立体12と、電極組立体12と電気を授受する正極端子21及び負極端子22と、正極タブ14bと正極端子21とを電気的に接続する正極導電部材24と、負極タブ15bと負極端子22とを電気的に接続する負極導電部材25と、を備える蓄電装置である。そして、正極タブ14bは、積層された状態で折り曲げられた第1の折り曲げ部17aと、第1の折り曲げ部17aよりも正極タブ14bの先端側に配置された第2の折り曲げ部17bと、第1の折り曲げ部17aと第2の折り曲げ部17bとの間に配置され、かつ電極組立体12の積層方向に沿って延設された第1の延設部18aと、第2の折り曲げ部17bと正極タブ14bの先端との間に配置され、かつ電極組立体12の積層方向に沿って延設された第2の延設部18bとを有する。第1の延設部18aと第2の延設部18bと正極導電部材24とが重なる状態に配置され、第1の延設部18aと第2の延設部18b、及び正極導電部材24とがそれぞれ接合されている。負極タブ15bも同様の構成である。したがって、電極組立体12の端面からの正極タブ14b及び負極タブ15bの突出量を小さくすることができ、正極導電部材24及び負極導電部材25の折り曲げ加工を不要にすることができる。また、正極タブ14b及び負極タブ15bの長さの許容範囲が大きくなり、設計の自由度が高くなる。
(2)複数枚の正極タブ14b及び負極タブ15bは、正極導電部材24あるいは負極導電部材25と、保護板26に挟まれた状態で正極導電部材24あるいは負極導電部材25と保護板26とに接合されている。したがって、保護板26を用いずに、複数枚の正極タブ14b及び負極タブ15bを、正極導電部材24あるいは、負極導電部材25と接合する場合に比べて、折り曲げられた状態の複数枚の正極タブ14b及び負極タブ15bを抵抗溶接用電極28で挟持することが容易になる。また、正極タブ14b及び負極タブ15bが抵抗溶接用電極28に直接押圧されることによって傷つく虞もない。
(3)第2の延設部18bには、正極導電部材24が配置される側とは反対側に、導電性を有する保護板(導電板)26が配置され、正極導電部材24と、第1の延設部18aと、第2の延設部18bと、保護板26とがそれぞれ溶接されている。負極タブ15bも同様に、第2の延設部には、負極導電部材25が配置される側とは反対側に、導電性を有する保護板(導電板)26が配置され、負極導電部材25と、第1の延設部と、第2の延設部と、保護板26とがそれぞれ溶接されている。したがって、保護板26を用いずに、複数枚の正極タブ14b及び負極タブ15bを、正極導電部材24又は、負極導電部材25と溶接する場合に比べて、正極タブ14b及び負極タブ15bが抵抗溶接用電極28に直接押圧されることによって傷つく虞がない。
(4)正極タブ14bの接合構造の場合、正極導電部材24及び保護板26は、正極タブ14bと同じ材質であり、負極タブ15bの接合構造の場合、負極導電部材25及び保護板26は、負極タブ15bと同じ材質である。したがって、電食が防止される。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 正極タブ14b及び負極タブ15bの第2の折り曲げ部17bより先端側の第2の延設部18bは、必ずしも全ての正極タブ14b及び負極タブ15bにおいて、正極導電部材24あるいは負極導電部材25や保護板26に溶接される必要はない。例えば、図6に示すように、正極タブ14b及び負極タブ15bは、電極組立体12の厚さ方向において最も外側になるいずれか一方の正極タブ14b及び負極タブ15bが、他の正極タブ14b及び他の負極タブ15bの第2の折り曲げ部17bより先端側を覆う状態で、正極導電部材24あるいは負極導電部材25に溶接されていてもよい。この構成によれば、正極タブ14b及び負極タブ15bが溶接される際に、重ねられた状態の正極タブ14b及び負極タブ15bの枚数が少なくなり、溶接に必要なエネルギーが少なくなる。なお、図6は正極タブ14bが正極導電部材24及び保護板26に溶接されている状態を示す。
○ 正極タブ14b及び負極タブ15bのうち、外側の数枚の正極タブ14b及び負極タブ15bが、他の正極タブ14b及び他の負極タブ15bの第2の折り曲げ部17bより先端側を覆う状態で、正極導電部材24あるいは負極導電部材25に溶接されていてもよい。この場合も、正極タブ14b及び負極タブ15bが溶接される際に、重ねられた状態の正極タブ14b及び負極タブ15bの枚数が少なくなり、溶接に必要なエネルギーが少なくなる。
○ 正極タブ14b及び負極タブ15bは、正極導電部材24あるいは負極導電部材25に溶接される第2の折り曲げ部17bより先端側の部分の枚数を少なくするため、各正極タブ14b及び各負極タブ15bの長さが異なる構成としたり、正極タブ14b及び負極タブ15bを複数のグループに分けて、グループ毎に異なる長さとしたりしてもよい。
○ 保護板26は必須ではなく、保護板26を設けずに、複数の正極タブ14b及び負極タブ15bが正極導電部材24あるいは負極導電部材25に溶接された構成であってもよい。しかし、保護板26を設ける方が、正極タブ14b及び負極タブ15bと正極導電部材24あるいは負極導電部材25とを溶接する際に、溶接作業が容易になる。
○ 正極タブ14bあるいは負極タブ15bと溶接される正極導電部材24あるいは負極導電部材25及び保護板26は、正極タブ14bあるいは負極タブ15bと異なる材質であってもよい。
○ 電極組立体12は積層型の電極組立体に限らず、帯状の正極及び負極がセパレータを間に挟んだ積層状態で巻回された巻回型の電極組立体であってもよい。
○ 正極タブ14bあるいは負極タブ15bと、正極導電部材24あるいは負極導電部材25及び保護板との溶接は、抵抗溶接に限らず、他の溶接方法、例えば、超音波溶接であってもよい。
○ 電極、即ち正極14及び負極15は、金属箔13の少なくとも片面に活物質層を有していればよく、両面ではなく片面に活物質層を有する構成であってもよい。
○ 正極タブ14bあるいは負極タブ15bを金属箔13の一部を突設して形成する代わりに、金属箔13にタブとなる金属箔を溶接して形成してもよい。
○ 積層型の電極組立体12において、正極14及び負極15の間にセパレータ16が存在する構成として、シート状のセパレータ16を使用せずに、例えば、正極14及び負極15の一方を袋状のセパレータに収容して、そのセパレータと袋状のセパレータに収容されていない電極とを交互に積層してもよい。
○ 二次電池10は電解液が必須ではなく、例えば、セパレータ16が高分子電解質で形成されていてもよい。
○ 二次電池10は、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池、マグネシウム二次電池等の他の二次電池であってもよい。
○ 蓄電装置は、二次電池10に限らず、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のようなキャパシタであってもよい。
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
(1)請求項1に記載の発明において、複数枚の前記正極タブ及び前記負極タブは、前記正極導電部材あるいは負極導電部材及び保護板に挟まれた状態で前記正極導電部材あるいは負極導電部材及び前記保護板に溶接されている。
10…蓄電装置としての二次電池、12…電極組立体、14…正極、14b…正極タブ、15…負極、15b…負極タブ、17a…第1の折り曲げ部、17b…第2の折り曲げ部、18a…第1の延設部、18b…第2の延設部、21…正極端子、22…負極端子、24…正極導電部材、25…負極導電部材。

Claims (3)

  1. 端部から突出した形状の正極タブを有する正極、及び端部から突出した形状の負極タブを有する負極が互いに絶縁された状態で積層された電極組立体と、
    前記電極組立体と電気を授受する正極端子及び負極端子と、
    前記正極タブと前記正極端子とを電気的に接続する正極導電部材と、
    前記負極タブと前記負極端子とを電気的に接続する負極導電部材と、を備える蓄電装置であって、
    前記正極タブ及び前記負極タブは、
    それぞれ積層された状態で折り曲げられた第1の折り曲げ部と、
    前記第1の折り曲げ部よりも前記正極タブ又は前記負極タブの先端側に配置された第2の折り曲げ部と、
    前記第1の折り曲げ部と前記第2の折り曲げ部との間に配置され、かつ前記電極組立体の積層方向に沿って延設された第1の延設部と、
    前記第2の折り曲げ部と前記正極タブの先端又は前記負極タブの先端との間に配置され、かつ前記電極組立体の積層方向に沿って延設された第2の延設部とを有し、
    前記第1の延設部と前記第2の延設部と前記正極導電部材又は前記負極導電部材とが重なる状態に配置され、
    前記第1の延設部と前記第2の延設部、及び前記正極導電部材又は前記負極導電部材とがそれぞれ接合されていることを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記正極タブ及び前記負極タブは、前記電極組立体の厚さ方向において最も外側になるいずれか一方の正極タブ及び負極タブが、他の正極タブ及び他の負極タブの前記第2の折り曲げ部より先端側の部分を覆う状態で、前記正極導電部材又は前記負極導電部材に接合されている請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記第2の延設部には、前記正極導電部材又は前記負極導電部材が配置される側とは反対側に、導電性を有する導電板が配置され、
    前記正極導電部材又は前記負極導電部材と、前記第1の延設部と、前記第2の延設部と、前記導電板とがそれぞれ溶接されている請求項1又は請求項2に記載の蓄電装置。
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