JP6365045B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電装置に係り、詳しくは正極及び負極が絶縁された層状の構造を成す電極組立体が、その厚さ方向の少なくとも片側面にシート状のスペーサを配置した状態でケース内に収容された蓄電装置に関する。
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。例えば、EV(Electric Vehicle)やPHV(Plug-in Hybrid Vehicle)などの車両に搭載される蓄電装置としては、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池などがよく知られている。そして、蓄電装置は、金属箔に活物質を含有するスラリー状の活物質合剤が塗工されて形成された活物質層を有するシート状の正極及びシート状の負極が、間にセパレータが存在する状態で層をなすように積層あるいは巻回された電極組立体を備えている。
ところで、自動車等の車両に搭載される組電池は、搭載スペースが制限されることに加えて振動が発生する状態での使用が前提となることから、組電池を構成する多数の単電池を配列し且つ拘束した状態(即ち各単電池を相互に固定した状態)の組電池が構築される。従来、組電池を構成する各単電池の拘束状態における配列方向の厚みを均一化し、正確な形状・サイズの組電池を製造し得る方法が提案されている(特許文献1参照)。
この製造方法では、図8に示すように、単電池の容器40の内面と容器40内に収容される巻回電極体(巻回型電極組立体)41との隙間が、巻回電極体41の巻回度合や状態により不揃いになるが、隙間の大きさに合わせて適切な枚数の薄いシート状の絶縁性隙間充填材(スペーサ)42を挿入することによって、隙間を塞いでいる。また、電極体は巻回電極体に限らず積層型電極体であってもよいとしている。
ところで、電極組立体は、積層型であっても捲回型であっても、正極及び負極の一部が、各々電極組立体、具体的にはその矩形部より突出している。例えば、積層型のリチウムイオン電池の場合、正極は、矩形状にて正極活物質層が形成された正極本体と、正極活物質層が形成されていないタブよりなる。負極は、矩形状にて負極活物質層が形成された負極本体と、負極活物質層が形成されていないタブよりなる。リチウム析出を抑制する為に、正極本体の大きさ(面積)は、負極本体より小さく設定されるが、タブが突出していることで、正極の位置は検出できる。具体的には、図9に記すように、製造工程において、上方に配置した検出装置(カメラ)45で外形を検出しながら、正極46及び負極47を間にセパレータ48が介在する状態で、交互に積層テーブル49上に積層する。正極本体の外形は、負極の内側になる為、精度の良い認識が困難だが、突出している正極のタブの外形を検出することで、正極の位置を精度良く把握できる。
特開2008−108457号公報
電極組立体の側面にスペーサを配置する場合、その位置精度は重要である。蓄電装置は、充放電にて電極組立体が膨張する。膨張時、スペーサに位置ずれがあると、電極組立体に加わる荷重がばらつき、電池性能に悪影響を及ぼす。特にリチウムイオン電池の場合、このような荷重のばらつきは、電極組立体内部のリチウム析出の一因となる。よって、製造工程において、スペーサの位置ずれを精度良く検出できることが必要である。しかしながら、スペーサには外形による検出に適した部位が無く、検出精度が悪い。特にスペーサを電極組立体の本体より小さく設定した場合には、位置ずれの検出は難しくなる。
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、電極組立体に対しスペーサが適切な位置に配置された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、正極及び負極が絶縁された層状の構造を成す電極組立体と、その厚さ方向の少なくとも片側面に配置されたシート状のスペーサと、がケース内に収容された蓄電装置である。前記スペーサは、矩形状に形成されるとともに一辺の少なくとも片側端部に突起を有し、前記電極組立体の片側面に配置された状態で、前記突起が前記電極組立体の周縁より突出している。ここで、「矩形状」とは、対向する2つの辺同士が完全に平行な矩形だけでなく、2つの辺同士が多少平行からずれている四角形も含む。
シート状のスペーサは、一辺の少なくとも片側端部に突起が形成され、この突起が電極組立体の周縁より突出している。したがって、電極組立体に重ねられた状態であっても、スペーサの位置の検出が容易であり、したがって、電極組立体との位置ずれを検知できる。スペーサの位置ずれを検知することで、スペーサの位置ずれに起因する、電極組立体への不均等な荷重の付加を防止することができる。また、電極組立体に対しスペーサが適切な位置に配置された蓄電装置を提供することができる。
前記スペーサは、矩形状に形成されるとともに一辺の少なくとも片側端部に突起を有し、前記突起が形成された辺と対向する辺には、前記突起と同じ形状の切り欠き部が形成されている。そのため、スペーサをロール状に巻かれた原料シートから切り出す際に、突起の部分と、突起と同じ形状の切り欠き部とが同時に切断されてスペーサが形成されるため、端材が出ない。また、電極組立体とスペーサとが、絶縁フィルムを介してケース内に収容される場合にも、突起の部分は絶縁フィルムと当接しない位置に配置されるため、絶縁フィルムを損傷しない。したがって、この発明の蓄電装置は、スペーサの製造時に端材が出ることなく、かつスペーサの角が絶縁フィルムを損傷することを防止することができる。
前記電極組立体は、積層型の電極組立体であり、前記スペーサは前記突起を除いた部分の面積が、前記正極の面積以上、前記負極の面積未満とされていることが好ましい。電極組立体が積層型の場合、リチウムイオン電池等において、正極の面積が負極の面積よりも小さく設定されている。スペーサを正極を覆うことができる大きさで、負極よりも小さく設定することで、材料となる樹脂シートを節約することができる。
前記スペーサは、前記突起が両側に形成されていることが好ましい。突起を両側に形成した場合は、突起が片側のみ形成された場合と比較し、高い精度でスペーサの位置を検出することができる。
前記突起は、直角部が前記辺の端部に位置する直角三角形状に形成されていることが好ましい。この形状の突起は、突起に二辺の直線を有する為、スペーサの位置検出精度にて、有利である。
前記スペーサは、複数枚配置されていることが好ましい。電極組立体とケース内面との隙間の大きさは一定ではないため、一枚のスペーサで隙間を満たすためには、厚さの異なる多数のスペーサを準備しておくことが必要になる。しかし、複数枚のスペーサで隙間を満たす場合は、異なる大きさの隙間でも、同じ厚さのスペーサの枚数を調整して対処することができ、厚さの異なるスペーサの種類が少なくてよい。
本発明によれば、電極組立体に対しスペーサが適切な位置に配置された蓄電装置を提供することができる。
(a)は二次電池の構成を示す分解斜視図、(b)は正極及びセパレータと負極を模式的に示す斜視図。 電極組立体にスペーサを重ねた状態の正極、負極、セパレータ、スペーサの関係を示す模式正面図。 スペーサの切断方法を示す模式図。 スペーサの位置合わせ方法を示す模式図。 スペーサの絶縁フィルムに対する作用を説明する模式図。 別の実施形態のスペーサの正面図。 別の実施形態のスペーサの正面図。 従来技術における単電池の拘束状態でのスペーサの存在を示す模式断面図。 積層装置を模式的に示す図。
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(a)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が収容されている。ケース本体11a及び蓋体11bは、何れも金属製(例えば、ステンレス製やアルミニウム製)である。なお、図示しないが、電極組立体12は角部が面取りされている。
図1(b)に示すように、電極組立体12は、集電体としての金属箔13の両面に活物質層14aを有する複数の正極14と、金属箔13の両面に活物質層15aを有する複数の負極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。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及び負極15は、活物質層14a,15aが形成された部分が矩形状に形成され、活物質が塗布されていない活物質非塗布部14b,15bが活物質層14a,15aの上側に設けられている。活物質非塗布部14bからは正極タブ14cが、活物質非塗布部15bからは負極タブ15cが突出形成されている。正極タブ14cは正極14の右側上部に形成され、負極タブ15cは負極15の左側上部に形成されている。
セパレータ16は樹脂製で袋状に形成され、正極14は、正極タブ14cが袋の上部から突出する状態でセパレータ16に収容されている。
図2に示すように、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14c及び負極タブ15c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。正極14は、正極タブ14cを除いた部分が、負極15の負極タブ15cを除いた部分より小さく形成されている。負極15は、セパレータ16と同じ幅で、幅方向と直交する方向の長さがセパレータ16より短い。なお、図2において、スペーサ26は電極組立体12の手前に配置されている。
図1(a)に示すように、正極端子21は、板状の導電部材21aを介して正極タブ14cに溶接され、正極タブ14cは先端側が電極組立体12の上端面に沿って延びるように折り曲げられた状態で導電部材21aに溶接されている。この実施形態では、導電部材21aは、矩形状に形成されるとともに、正極タブ14cの延びる方向と直交する方向に延びる状態で、一端側において正極タブ14cに溶接されている。
同様に、負極端子22は、板状の導電部材22aを介して負極タブ15cに溶接され、負極タブ15cは先端側が電極組立体12の上端面に沿って延びるように折り曲げられた状態で導電部材22aに溶接されている。
図1(a)に示すように、電極組立体12はケース11に収容された状態において、正極端子21及び負極端子22が、蓋体11bに形成された孔11cに取り付けられるリング状の絶縁部材23を貫通する状態で、蓋体11bから突出する状態に形成されている。
図1(a)に示すように、ケース11内には、ケース本体11a内に収容された電極組立体12がケース11内での移動する(がたつく)ことを防止するため、電極組立体12の厚み方向(正極14及び負極15の積層方向)における電極組立体12の表面とケース本体11a内面との隙間を埋める状態で、厚み調整用のスペーサ26が収容される。
スペーサ26は、樹脂製(例えば、ポリプロピレン製)である。スペーサ26は、矩形状に形成されるとともに、一辺の両側端部に突起27を有し、突起27が形成された辺26aと対向する辺26bには、突起27と同じ形状の切り欠き部28が形成されている。「矩形状」とは、対向する2つの辺同士が完全に平行な矩形だけでなく、2つの辺同士が多少平行からずれている四角形も含む。突起27は、直角部が辺26aの端部に位置する直角三角形状に形成されている。スペーサ26は、隙間の大きさ及びスペーサ26の厚さによって必要な枚数が異なるが、例えば、電極組立体12の製造誤差が1mmの場合、5〜10枚の最大枚数にて1mmとなるように設定される。
スペーサ26を製造する場合は、図3に示すように、原料シートとしての帯状の樹脂フィルム31がコイル状に巻かれたリール(図示せずぬ)から樹脂フィルム31を間欠的に繰り出し、樹脂フィルム31の停止状態において、切断手段により樹脂フィルム31を切断する。切断手段は、例えば、切断刃を切断すべきラインLに沿って移動して切断するものや、切断すべきラインLの形状を有する切断刃を樹脂フィルム31に対して垂直に移動させて切断するものが使用される。スペーサ26をロール状に巻かれた原料シートから切り出す際に、突起27の部分と、突起27と同じ形状の切り欠き部28とが同時に切断されてスペーサ26が形成されるため、端材が出ない。
次に二次電池10の製造工程における積層工程を説明する。積層工程では、矩形シート状の正極14及び矩形シート状の負極15が間にセパレータ16が存在する状態で積層し、図示しないテープで固定して、積層型の電極組立体12を形成する。さらに、電極組立体の片側面にスペーサを配置して、相互に固定する。より詳細には、図1(a)に示すように、電極組立体12の厚さ方向の片側面にシート状の厚み調整用のスペーサ26を複数枚積層した状態に配置した後、図示しないテープでスペーサ26を電極組立体12に固定する。
前述したスペーサ26及び電極組立体12は、後工程にて、電極組立体12及びスペーサ26を図示しない絶縁フィルムでくるみ、その状態で電極組立体12とスペーサ26とがケース本体11a内に挿入される。その後、ケース本体11aの開口が蓋体11bにより閉塞された後、蓋体11bは、例えば、溶接によりケース本体11aに固定される。
複数枚積層した状態でスペーサ26を電極組立体12に固定する場合、位置合わせされた状態の複数枚のスペーサ26を使用する必要がある。スペーサ26の位置合わせの方法としては、複数枚のスペーサ26を一緒に位置合わせし、テープ等で固定した後、電極組立体12に固定する方法と、スペーサ26を1枚毎に電極組立体12に載せる方法とがある。
複数枚のスペーサ26を一緒に位置合わせする方法では、例えば、図4に示すように、スペーサ26の突起27が形成された辺26aと対向する位置に配置された位置決め装置33と、切り欠き部28が形成された辺26bと対向する位置に配置された位置決め装置34とを用いて行われる。位置決め装置33は、突起27の斜面と、辺26aの一部とに当接可能な形状の一対の係合部33a,33bを備えている。両係合部33a,33bは、辺26aと直交する方向に同時に往復移動可能に構成されている。位置決め装置34は、切り欠き部28の斜面と、辺26bの一部とに当接可能な形状の一対の係合部34a,34bを備えている。両係合部34a,34bは、辺26bと直交する方向に同時に往復移動可能に構成されている。この方法では、スペーサ26の大きさに関係なく位置合わせを行うことができる。また、スペーサ26が矩形状の場合は、スペーサ26の辺26a,26bと直交する方向に移動する係合部と、辺26a,26bと平行な方向に移動する係合部とが必要になるため位置決め装置の配設スペースが広くなるが、スペーサ26が突起27及び切り欠き部28を有する場合は、位置決め装置の配設スペースを狭くすることができる。
複数枚のスペーサ26を一緒に位置合わせした場合でも、スペーサ26を1枚毎に電極組立体12に載せる場合でも、スペーサ26が矩形状の場合は、スペーサ26が電極組立体12より小さな場合、位置合わせ時の位置の検出や把持(保持)が難しい。
しかし、スペーサ26は正極14を覆う大きさがあればよいため、スペーサ26は位置合わせができれば、電極組立体12より小さく形成することで重量の軽減、コスト低減に寄与する。スペーサ26が突起27を有する場合は、スペーサ26の突起27を除く部分の大きさが電極組立体12の大きさより小さくても、突起27の一部が電極組立体12の外側に突出する大きさのスペーサ26であれば位置合わせを行うことができる。
例えば、図2に示すように、スペーサ26を幅方向の長さが正極14の幅方向の長さより長く、かつ負極15の幅方向の長さより短く形成し、幅方向と直交する方向の長さを負極15の幅方向と直交する方向の長さと同じに形成する。即ち、スペーサ26は、突起27を除いた部分の面積が、正極14の面積以上、負極15の面積未満とされている。この場合、電極組立体12に対するスペーサ26の位置合わせの基準位置を電極組立体12のタブ突出面12aと反対側の面にして、スペーサ26の辺26bを基準位置に合わせた状態で、電極組立体12のタブ突出面12aから突出した状態の2つの突起27を用いて幅方向及び傾きの位置合わせを行う。
前記のように構成された二次電池10は、製造時に、電極組立体12にスペーサ26が固定され、かつ電極組立体12及びスペーサ26が図示しない絶縁フィルムにくるまれた状態でケース11のケース本体11a内に挿入される。図5に示すように、挿入は、電極組立体12のタブ突出面12aと反対側の面がケース本体11aの底部近くに達するまで行われる。そのため、スペーサ26が面取りのない矩形状の場合は、スペーサ26の角が絶縁フィルムを介してケース本体11aの内面に当たり、絶縁フィルムが破壊される場合がある。しかし、この実施形態ではスペーサ26はケース本体11aの内面と対向する側の辺26bの両端部に切り欠き部28が形成されているため、絶縁フィルムが破壊されることが防止される。
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)スペーサ26は、矩形状に形成されるとともに一辺の両端部に突起27を有し、電極組立体12の片側面に配置された状態で、突起27が電極組立体12の周縁より突出した状態で配置されている。電極組立体12の周縁より突出する突起27を形成することで、製造工程において、電極組立体12に対するスペーサ26の位置ずれを精度良く検出でき、スペーサの位置ずれの無い二次電池を提供することができる。
(2)蓄電装置としての二次電池10は、正極14及び負極15が絶縁された層状の構造を成す電極組立体12が、その厚さ方向の少なくとも片側面にシート状の厚み調整用のスペーサ26が配置された状態でケース11内に収容されている。スペーサ26は、矩形状に形成されるとともに一辺の両端部に突起27を有し、突起27が形成された辺26aと対向する辺26bには、突起27と同じ形状の切り欠き部28が形成されている。したがって、厚み調整用のスペーサ26の製造時に端材が出ることなく、かつスペーサ26が電極組立体12とともに絶縁フィルムにくるまれた状態でケース11に収容されても、スペーサ26の角が絶縁フィルムを損傷することを防止することができる。
(3)電極組立体12は、積層型の電極組立体であり、スペーサ26は突起27を除いた部分の面積が、正極14の面積以上、負極15の面積未満とされている。電極組立体12が積層型の場合、リチウムイオン電池等において、正極14の面積が負極15の面積よりも小さく設定されている。スペーサ26を正極14を覆うことができる大きさで、負極15よりも小さく設定することで、材料となる樹脂シートを節約することができる。
(4)スペーサ26は、突起27が両側に形成されている。突起27を両側に形成した場合は、スペーサ26の位置や傾きを精度良く検出でき、電極組立体12に対するスペーサ26の位置ずれを精度良く検出することができる。
(5)突起27は、直角部が辺26aの端部に位置する直角三角形状に形成されている。この形状の突起27は、二辺の直線部を有する為、検出精度が良く、特に突起が一つの場合には有利である。
(6)スペーサ26は、複数枚配置されている。電極組立体12とケース11内面との隙間の大きさは一定ではないため、一枚のスペーサ26で隙間を満たすためには、厚さの異なる多数のスペーサ26を準備しておくことが必要になる。しかし、複数枚のスペーサ26で隙間を満たす場合は、異なる大きさの隙間でも、同じ厚さのスペーサ26の枚数を調整して対処することができ、厚さの異なるスペーサ26の種類が少なくてよい。
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。
○ 図6に示すように、スペーサ26に形成される突起27の形状を切り欠き部28の形状が円弧状(R面)となる形状に形成してもよい。
○ 突起27の形状は、切り欠き部28の形状がC面やR面となる形状に限らない。例えば、突起27が矩形状で、切り欠き部28は矩形状に切り欠かれた形状であってもよい。
○ 二次電池10において、突起27は電極組立体の厚み方向に折り曲げられていてもよい。突起27は、積層工程において、スペーサ26の位置を検出できればよく、電極組立体にテープにて固定された後は、例えば折り曲げることができる。
○ スペーサ26は、矩形状に形成されるとともに一辺の少なくとも片側端部に突起27を有し、突起27が形成された辺26aと対向する辺26bには、突起27と同じ形状の切り欠き部28が形成されていればよく、図7に示すように、突起27及び切り欠き部28が両辺26a,26bの片側に形成されていてもよい。但し、突起27及び切り欠き部28が片側に形成された構成の場合、スペーサ26の大きさに制限があり、スペーサ26は切り欠き部28が形成されない側の角が電極組立体12の内側に位置し、かつ切り欠き部28が形成された状態で切り欠き部28が正極14に掛からない必要がある。そのため、正極14と負極15との大きさの比は、図2の場合に比べて負極15の割合が大きくなる。
○ スペーサ26は電極組立体12の厚さ方向の両側の面に配置されてもよい。
○ 電極組立体12とケース11内面との間に配置されるスペーサ26は1枚であってもよい。
○ セパレータ16は袋状に限らず、シート状のセパレータ16を使用してもよい。
○ 正極14及び負極15は、活物質層14a,15aが金属箔(集電体)13の両面に形成された構成に限らず、片面に形成された構成であってもよい。
○ 正極タブ14c及び負極タブ15cは、正極14あるいは負極15の活物質非塗布部14b,15bから突出して一体に形成された構造に限らない。例えば、活物質非塗布部14b,15bに対して、別に形成された金属箔製のタブを溶接して形成され構造であってもよい。
○ 正極14及び負極15の活物質層の形成方法は、塗布には限定されない。例えば、正極本体(矩形部)に活物質・バインダ・導電助剤などの混合粉体を積層し、加圧・加熱により活物質層を形成するなど、他の製造方法にて、形成されていてもよい。
○ 電極組立体12は積層型に限らず、巻回型の電極組立体12であってもよい。
○ 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。
10…蓄電装置としての二次電池、11…ケース、12…電極組立体、14…正極、15…負極、16…セパレータ、26…スペーサ、26a,26b…辺、27…突起、28…切り欠き部。

Claims (7)

  1. 正極及び負極が絶縁された層状の構造を成す電極組立体と、その厚さ方向の少なくとも片側面に配置されたシート状のスペーサと、がケース内に収容された蓄電装置であって、
    前記スペーサは、矩形状に形成されるとともに一辺の少なくとも片側端部に突起を有し、前記電極組立体の片側面に配置された状態で、前記突起が前記電極組立体の周縁より突出しており、
    前記スペーサは、前記電極組立体の厚さ方向の少なくとも片側面と前記ケースの内面との隙間に複数枚配置されていることを特徴とする蓄電装置。
  2. 正極及び負極が絶縁された層状の構造を成す電極組立体と、その厚さ方向の少なくとも片側面に配置されたシート状のスペーサと、がケース内に収容された蓄電装置であって、
    前記スペーサは、矩形状に形成されるとともに一辺の少なくとも片側端部に突起を有し、前記電極組立体の片側面に配置された状態で、前記突起が前記電極組立体の周縁より突出しており、
    前記正極は、前記負極と同じ幅で構成された袋状のセパレータに収容されており、
    前記電極組立体は積層型であり、前記スペーサは、前記突起を除いた部分の面積が、前記正極の面積以上、前記負極の面積未満とされていることを特徴とする蓄電装置。
  3. 前記スペーサの前記突起が形成された辺と対向する辺には、前記突起と同じ形状の切り欠き部が形成されている請求項1又は2に記載の蓄電装置。
  4. 前記電極組立体は積層型であり、前記スペーサは、前記突起を除いた部分の面積が、前記正極の面積以上、前記負極の面積未満とされている請求項1に記載の蓄電装置。
  5. 前記スペーサは、前記突起が両側に形成されている請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  6. 前記突起は、直角部が前記辺の端部に位置する直角三角形状に形成されている請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  7. 前記スペーサは、複数枚配置されている請求項に記載の蓄電装置。
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