WO2017208736A1 - 熱伝導シートおよびこれを用いた電池パック - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a heat conductive sheet and a battery pack using the same.
- Lithium ion secondary batteries have been installed in various devices, and their current capacity has been increasing. As the current capacity of lithium ion secondary batteries increases, the importance of heat countermeasures is increasing. Lithium ion secondary batteries are used as battery modules comprising a plurality of battery cells connected to each other. In such a battery module, the temperature difference between multiple battery cells becomes large, or if the temperature difference between the battery cells becomes large, the deterioration of the battery cells with high temperature tends to progress. It becomes. A thermal conductor can be arranged in the battery module to equalize the temperature. A graphite sheet is used as the heat conductor.
- Patent Document 1 A heat conductor similar to the above heat conductor is disclosed in Patent Document 1, for example.
- the heat conductive sheet includes first and second insulating sheets stacked on each other, and a graphite sheet provided between the first and second insulating sheets. The entire graphite sheet is sealed with the first and second insulating sheets.
- the graphite sheet is provided with a first slit.
- the first and second insulating sheets are provided with second slits penetrating the first and second insulating sheets in the first slits of the graphite sheet.
- This heat conductive sheet can be bonded to the heating element without leaving bubbles between the heating sheet and the graphite sheet even if the area of the graphite sheet is large.
- FIG. 1A is a plan view of a heat conductive sheet in the embodiment.
- 1B is a cross-sectional view of the heat conductive sheet shown in FIG. 1A taken along line 1B-1B.
- 1C is a cross-sectional view taken along line 1C-1C of the heat conductive sheet shown in FIG. 1A.
- FIG. 2 is a top perspective view of the battery pack using the heat conductive sheet in the embodiment.
- FIG. 3 is a top perspective view of the battery cells of the battery pack according to the embodiment.
- FIG. 4 is a top perspective view of the battery cell in the embodiment.
- FIG. 5 is a bottom perspective view of the battery cell in the embodiment.
- FIG. 1A is a plan view of the heat conductive sheet 11 in the embodiment.
- 1B is a cross-sectional view taken along line 1B-1B of the heat conductive sheet 11 shown in FIG. 1A.
- 1C is a cross-sectional view taken along line 1C-1C of the heat conductive sheet 11 shown in FIG. 1A.
- Insulating sheets 113 and 213 made of polyethylene terephthalate (hereinafter referred to as PET) having a thickness of about 10 ⁇ m are bonded to both surfaces of a graphite sheet 12 having a thickness of about 50 ⁇ m.
- An acrylic adhesive is provided on the surfaces 113a and 213a of the insulating sheets 113 and 213 facing the graphite sheet 12.
- the insulating sheets 113 and 213 have a larger area than the graphite sheet 12. In the portion where the graphite sheet 12 is not present, the insulating sheets 113 and 213 are bonded with an adhesive material, thereby sealing the entire graphite sheet 12. That is, the entire periphery of the insulating sheets 113 and 213 is bonded and bonded together.
- the graphite sheet 12 is provided with a slit 14 that is elongated in the stretching direction D14. In the embodiment, the width W14 of the slit 14 in the stretching direction D14 is about 2 mm. The periphery of the slit 14 is sealed with insulating sheets 113 and 213.
- the insulating sheets 113 and 213 are bonded and bonded together.
- the insulating sheets 113 and 213 are provided with slits 15 that extend through the insulating sheets 113 and 213 and extend in the extending direction D15 parallel to the surfaces 113a, 113b, 213a, and 213b.
- the width W15 of the slit 15 in the stretching direction D15 is about 0.1 mm. Since the entire periphery of the graphite sheet 12 is covered with the insulating sheets 113 and 213, graphite powder generated from the graphite sheet 12 does not come out of the insulating sheets 113 and 213.
- the extending direction D14 of the slit 14 is the same as the extending direction D15 of the slit 15, but may be different.
- the heat transfer body is adhered to the heating element with an adhesive material provided on the surface in contact with the heating element such as a battery cell.
- the graphite sheet is also small, so that it can be bonded without any problem.
- the graphite sheet When a heat conductor is bonded to a large heating element such as an in-vehicle battery cell, the graphite sheet also has a large area. When this is to be bonded to the battery cell, it becomes easy to leave bubbles between the adhesive material and the battery cell. If bubbles exist between the adhesive material and the battery cell, the air in the bubbles expands when the temperature of the battery cell rises, further expanding the bubble region. As a result, the difference between the maximum temperature and the minimum temperature in the temperature distribution in the battery cell may be large.
- the heat conductive sheet 11 in the embodiment has a large area, the air can be extracted from the slit 15 even if the heat conductive sheet 11 is bonded to a heating element such as a battery cell. Therefore, the heat conductive sheet 11 can be bonded to the heat generating element without leaving bubbles between the heat conductive sheet 11 and the heat generating element.
- the width W15 of the slit 15 may be very narrow as long as air can pass through. If the width W15 of the slit 15 becomes too wide, the heat uniformity is poor. Therefore, the width W15 is desirably 0.2 mm or less, and the slit 15 may be a cut having a width W15 of almost zero.
- the width W14 of the slit 14 is desirably 1.0 mm or more so that the slit 15 can be formed and the periphery of the slit 14 is sealed with the insulating sheets 113 and 213. If the width W14 of the slit 14 is too large, the soaking property is poor, so it is desirable that the width is not more than 2.0 mm.
- the heat conductive sheet 11 can be directly affixed on heat generating bodies, such as a battery cell. That is, the surface 113a of the insulating sheet 113 facing the graphite sheet 12 and the insulating sheet 213 may have adhesiveness, and the surface 113b on the opposite side of the surface 113a may also have adhesiveness. Furthermore, the surface 213a of the insulating sheet 213 facing the graphite sheet 12 and the insulating sheet 113 may have adhesiveness, and the surface 213b on the opposite side of the surface 213a may also have adhesiveness.
- the polyimide film is pyrolyzed, graphitized, and then tanned to obtain a flexible graphite sheet 12.
- slits 14 are formed in the graphite sheet 12 by punching with a mold or laser processing. Insulating sheets 113 and 213 are bonded to both surfaces of the graphite sheet 12. Thereafter, the slit 15 is formed in the insulating sheets 113 and 213 at the center of the slit 14.
- FIG. 2 is a top perspective view of the battery pack 21 using the heat conductive sheet 11 in the embodiment.
- the battery pack 21 includes a metal housing 22 and a plurality of battery cells 17 accommodated in the housing 22.
- the battery cell 17 is a prismatic lithium ion battery, and includes a battery cell main body 117 that functions as a battery and a terminal electrode 18 provided on the battery cell main body 117.
- the battery cell main body 117 has an upper surface 117a, a lower surface 117b, a side surface 117c connected to the upper surface 117a and the lower surface 117b, and a side surface 117d connected to the upper surface 117a and the lower surface 117b and opposite to the side surface 117c.
- the terminal electrode 18 is provided on the upper surface 117a.
- the heat conductive sheet 11 is bonded over the side surface 117c, the lower surface 117b, and the side surface 117d of the battery cell main body 117. With this configuration, the difference between the maximum temperature and the minimum temperature in the temperature distribution in the battery cell 17 can be reduced, and the temperature of the battery cell 17 can be lowered by releasing heat from the lower surface 117b to the housing 22. Can do.
- the slit 15 is elongated from one end of the graphite sheet 12 in a direction connecting the upper surface 117a and the lower surface 117b of the battery cell main body 117.
- the slit 15 extends in the up-down direction D1 that is a direction connecting the upper surface 117a and the lower surface 117b of the battery cell body 117, and specifically extends downward from the upper end 12t of the graphite sheet 12.
- the slit 14 extends in the up-down direction D1, and in detail, extends downward from the upper ends 113t, 213t of the insulating sheets 113, 213.
- the insulating sheets 213 of the heat conductive sheet 11 bonded to the battery cells 17 adjacent to each other among the plurality of battery cells 17 accommodated in the housing 22 are in contact with each other.
- the insulating sheets 213 of the heat conductive sheet 11 bonded to the battery cells 17 located at both ends of the plurality of battery cells 17 accommodated and arranged in the housing 22 abut on the housing 22. With this configuration, heat generated in the battery cells 17 is transmitted to the housing 22 via the heat conductive sheets 11 that are in contact with each other, and the plurality of battery cells 17 can be cooled to a uniform temperature.
- the heat conductor is adhered to the heating element with an adhesive material provided on a surface in contact with the heating element such as the battery cell 17.
- the graphite sheet is also small, so that it can be bonded without any problem.
- the graphite sheet When a heat conductor is bonded to a large heating element such as an in-vehicle battery cell, the graphite sheet also has a large area. When this is to be bonded to the battery cell, it becomes easy to leave bubbles between the adhesive material and the battery cell. If bubbles exist between the adhesive material and the battery cell, the air in the bubbles expands when the temperature of the battery cell rises, further expanding the bubble region. As a result, the difference between the maximum temperature and the minimum temperature in the temperature distribution in the battery cell may be large.
- the region near the terminal electrode 18 tends to generate the largest amount of heat. Therefore, it is desirable that the slit 14 extends downward from the upper surface 117a of the battery cell body 117. Heat generated in the battery cell 17 is transmitted from the upper surface 117a to the lower surface 117b of the battery cell main body 117 (battery cell 17), and the difference between the maximum temperature and the minimum temperature in the temperature distribution in the battery cell 17 is made smaller. Can do.
- the heat conductive sheet 11 and the battery cell 17 are bonded together, air can escape from the slit 15, and there is no air bubble in the region where the temperature near the terminal electrode 18 is high, and the heat conductive sheet 11 is in close contact with the battery cell 17. Can be made. Therefore, the heat conductive sheet 11 can effectively transmit the heat generated in the battery cells 17, and a highly reliable battery pack 21 can be obtained.
- terms indicating directions such as “upper surface”, “lower surface”, “upper end”, “up / down direction”, and “downward” are relative positions of the constituent members of the battery pack 21 such as the battery cell 17 and the heat conductive sheet 11. It indicates the relative direction determined only by the relationship, and does not indicate the absolute direction such as the vertical direction.
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Abstract
熱伝導シートは、互いに重ねられた第1と第2の絶縁シートと、第1と第2の絶縁シートの間に設けられたグラファイトシートとを備える。グラファイトシートは、第1と第2の絶縁シートで全体を封止されている。グラファイトシートには第1のスリットが設けられている。第1と第2の絶縁シートにはグラファイトシートの第1のスリット内において第1と第2の絶縁シートを貫通する第2のスリットが設けられている。
Description
本発明は、熱伝導シートおよびこれを用いた電池パックに関する。
各種機器にリチウムイオン二次電池が搭載されるようになり、その電流容量も大きくなってきている。リチウムイオン二次電池の電流容量が大きくなるとともに、熱対策の重要性が益々大きくなってきている。リチウムイオン二次電池は互いに接続された複数の電池セルよりなる電池モジュールとして使われている。このような電池モジュールでは、複数の電池セルの温度の差が大きくなる、あるいは電池セルの温度の差が大きくなると、温度の高い電池セルの劣化が進みやすくなるため、均熱化の対策が重要となる。電池モジュール内に熱伝導体を配置して均熱化することができる。この熱伝導体としてグラファイトシートが用いられる。
上記の熱伝導体に類似の熱伝導体が、例えば特許文献1に開示されている。
熱伝導シートは、互いに重ねられた第1と第2の絶縁シートと、第1と第2の絶縁シートの間に設けられたグラファイトシートとを備える。グラファイトシートは、第1と第2の絶縁シートで全体を封止されている。グラファイトシートには第1のスリットが設けられている。第1と第2の絶縁シートにはグラファイトシートの第1のスリット内において第1と第2の絶縁シートを貫通する第2のスリットが設けられている。
この熱伝導シートは、グラファイトシートの面積が大きくても、発熱体との間に気泡を残さずに発熱体に貼り合わせることができる。
図1Aは実施の形態における熱伝導シート11の平面図である。図1Bは図1Aに示す熱伝導シート11の線1B-1Bにおける断面図である。図1Cは図1Aに示す熱伝導シート11の線1C-1Cにおける断面図である。厚さ約50μmのグラファイトシート12の両面に、厚さ約10μmのポリエチレンテレフタレート(以下、PETと記す)からなる絶縁シート113、213が貼り合わされている。絶縁シート113、213のグラファイトシート12と対向する面113a、213aには、アクリル系の粘着材が設けられている。絶縁シート113、213はグラファイトシート12よりも大きな面積を有する。グラファイトシート12が無い部分は絶縁シート113、213が粘着材により接着されることにより、グラファイトシート12の全体を封止している。すなわち絶縁シート113、213の周囲の全体は互いに貼り合わされて接着されている。グラファイトシート12には延伸方向D14に細長く延びるスリット14が設けられている。実施の形態では、延伸方向D14におけるスリット14の幅W14は約2mmである。スリット14の周囲は絶縁シート113、213で封止されている。すなわち、スリット14内で絶縁シート113、213は互いに貼り合わされて接着している。スリット14内において絶縁シート113、213には絶縁シート113、213を貫通してかつ面113a、113b、213a、213bと平行な延伸方向D15に細長く延びるスリット15が設けられている。実施の形態では、延伸方向D15におけるスリット15の幅W15は約0.1mmである。グラファイトシート12の周囲は全て絶縁シート113、213で覆われているので、グラファイトシート12から発生するグラファイト粉等は絶縁シート113,213の外には出ない。実施の形態では、スリット14の延伸方向D14はスリット15の延伸方向D15と同じであるが、異なっていてもよい。
熱伝導体を用いる場合、効率的に熱を運ぶためには電池セル等の発熱体に接する面に設けられた粘着材で熱伝送体を発熱体に密着させることが望ましい。携帯電話のような小さな電子機器に用いる場合、グラファイトシートも小さいため、問題なく貼り合わせられる。車載用の電池セル等大きな発熱体に熱伝導体を貼り合わせる場合、グラファイトシートも大きい面積を有する。これを電池セルに貼り合わせようとすると、粘着材と電池セルとの間に気泡を残しやすくなる。粘着材と電池セルとの間に気泡が存在すると、電池セルの温度が上がったときに気泡の中の空気が膨張し、さらに気泡の領域を広げる。その結果として電池セル内の温度分布における最高温度と最低温度の差が大きくなる可能性がある。
実施の形態における熱伝導シート11が大きい面積を有する場合、熱伝導シート11を電池セル等の発熱体に貼り合わせても、スリット15から空気を抜くことができる。したがって、熱伝導シート11と発熱体との間に気泡を残さずに熱伝導シート11を発熱体に貼り合わせることができる。
スリット15の幅W15は、空気が通り抜けることができる限り、非常に狭くてもかなわない。スリット15の幅W15が広くなりすぎると、均熱性に劣るので、幅W15は0.2mm以下であることが望ましく、スリット15は幅W15がほぼゼロである切り込みであってもよい。
スリット14の幅W14は、スリット15が形成でき、スリット14の周囲を絶縁シート113、213で封止するために、1.0mm以上であることが望ましい。スリット14の幅W14が大きくなりすぎると均熱性に劣るので、2.0mm以下であることが望ましい。
絶縁シート113、213の少なくとも一方は、両面に粘着材が設けられた両面テープであることが望ましい。このようにすることにより、電池セル等の発熱体に熱伝導シート11を直接貼り合わせることができる。すなわち、グラファイトシート12と絶縁シート213とに対向する絶縁シート113の面113aは接着性を有していてもよく、面113aの反対側の面113bも接着性を有していてもよい。さらに、グラファイトシート12と絶縁シート113とに対向する絶縁シート213の面213aは接着性を有していてもよく、面213aの反対側の面213bも接着性を有していてもよい。
次に熱伝導シート11の製造方法について説明する。
まずポリイミドフィルムを熱分解し、グラファイト化した後、なめすことにより柔軟なグラファイトシート12を得る。次に金型による打ち抜き、あるいはレーザ加工によって、グラファイトシート12にスリット14を形成する。グラファイトシート12の両面に絶縁シート113、213を貼り合わせる。その後、スリット14の中央部の絶縁シート113,213の部分にスリット15を形成する。
図2は、実施の形態における熱伝導シート11を用いた電池パック21の上面斜視図である。電池パック21は、金属製の筐体22と、筐体22に収容された複数の電池セル17とを備える。
図3と図4は電池セル17の上面斜視図である。図5は電池セル17の下面斜視図である。電池セル17には熱伝導シート11が貼り合わせられている。実施の形態において、電池セル17は角型リチウムイオン電池であり、電池として機能する電池セル本体117と、電池セル本体117に設けられた端子電極18とを有する。電池セル本体117は、上面117aと、下面117bと、上面117aと下面117bとに繋がる側面117cと、上面117aと下面117bとに繋がりかつ側面117cの反対側の側面117dとを有する。端子電極18は上面117aに設けられている。熱伝導シート11は、電池セル本体117の側面117cと下面117bと側面117dとに亘って貼り合わされている。この構成により、電池セル17内の温度分布での最高温度と最低温度との差を小さくすることができ、下面117bから筐体22に熱を逃がすことにより、電池セル17全体の温度を下げることができる。
スリット15は、電池セル本体117の上面117aと下面117bとを結ぶ方向にグラファイトシート12の一端から細長く延びる。実施の形態では、スリット15は、電池セル本体117の上面117aと下面117bとを結ぶ方向である上下方向D1に細長く延び、詳細には、グラファイトシート12の上端12tから下方に細長く延びる。スリット14は上下方向D1に細長く延び、詳細には、絶縁シート113、213の上端113t、213tから下方に細長く延びる。
筐体22に収容された複数の電池セル17のうちの互いに隣り合う電池セル17に貼り合わされた熱伝導シート11の絶縁シート213は互いに当接している。筐体22に収容されて配列された複数の電池セル17の両端に位置する電池セル17に貼り合わされた熱伝導シート11の絶縁シート213は筐体22に当接する。この構成により、電池セル17で発生した熱は互いに当接する熱伝導シート11を介して筐体22に伝わり、複数の電池セル17を均一な温度に冷却することができる。
熱伝導体を用いる場合、効率的に熱を運ぶためには電池セル17等の発熱体に接する面に設けられた粘着材で熱伝導体を発熱体に密着させることが望ましい。携帯電話のような小さな電子機器に用いる場合、グラファイトシートも小さいため、問題なく貼り合わせられる。車載用の電池セル等大きな発熱体に熱伝導体を貼り合わせる場合、グラファイトシートも大きい面積を有する。これを電池セルに貼り合わせようとすると、粘着材と電池セルとの間に気泡を残しやすくなる。粘着材と電池セルとの間に気泡が存在すると、電池セルの温度が上がったときに気泡の中の空気が膨張し、さらに気泡の領域を広げる。その結果として電池セル内の温度分布における最高温度と最低温度の差が大きくなる可能性がある。
電池セル17が角型リチウムイオン電池である場合、端子電極18に近い領域が最も発熱量が大きくなりやすい。したがって、スリット14は電池セル本体117の上面117aから下方に延びることが望ましい。電池セル17で発生した熱は電池セル本体117(電池セル17)の上面117aから下面117bに向かって伝わり、電池セル17内の温度分布での最高温度と最低温度との差をより小さくすることができる。また、熱伝導シート11と電池セル17に貼り合わせる際に、スリット15から空気を逃がすことができ、端子電極18付近の温度が高くなる領域において気泡がなく熱伝導シート11を電池セル17に密着させることができる。したがって、熱伝導シート11は効果的に電池セル17で発生した熱を伝えることができ、信頼性の高い電池パック21を得ることができる。
実施の形態において、「上面」「下面」「上端」「上下方向」「下方」等の方向を示す用語は、電池セル17や熱伝導シート11等の電池パック21の構成部材の相対的な位置関係でのみ決まる相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。
11 熱伝導シート
12 グラファイトシート
14 スリット(第1のスリット)
15 スリット(第2のスリット)
17 電池セル
18 端子電極
21 電池パック
22 筐体
113 絶縁シート(第1の絶縁シート)
117 電池セル本体
213 絶縁シート(第2の絶縁シート)
D14 延伸方向
D15 延伸方向
12 グラファイトシート
14 スリット(第1のスリット)
15 スリット(第2のスリット)
17 電池セル
18 端子電極
21 電池パック
22 筐体
113 絶縁シート(第1の絶縁シート)
117 電池セル本体
213 絶縁シート(第2の絶縁シート)
D14 延伸方向
D15 延伸方向
Claims (13)
- 第1の絶縁シートと、
前記第1の絶縁シートに重ねられた第2の絶縁シートと、
前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートとの間に設けられて、前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートとで全体を封止されたグラファイトシートと、
を備え、
前記グラファイトシートには第1のスリットが設けられており、
前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートには前記グラファイトシートの前記第1のスリット内において前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートを貫通する第2のスリットが設けられている、熱伝導シート。 - 前記第1の絶縁シートは、前記グラファイトシートと前記第2の絶縁シートとに対向する接着性を有する第1の面と、前記第1の面の反対側の接着性を有する第2の面とを有する、請求項1に記載の熱伝導シート。
- 前記第2の絶縁シートは、前記グラファイトシートと前記第1の絶縁シートとに対向する接着性を有する第1の面と、前記第2の絶縁シートの前記第1の面の反対側の接着性を有する第2の面とを有する、請求項1または2に記載の熱伝導シート。
- 前記第1のスリットは延伸方向に細長く延び、
前記延伸方向に直角の方向における前記第1のスリットの幅は1.0mm以上、2.0mm以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の熱伝導シート。 - 前記第2のスリットは延伸方向に細長く延び、
前記第2のスリットの前記延伸方向における前記第2のスリットの幅は0.2mm以下である、請求項4に記載の熱伝導シート。 - 前記第2のスリットは前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートとを貫通する切り込みである、請求項5に記載の熱伝導シート。
- 電池セルと、
前記電池セルに貼り合わされた熱伝導シートと、
を備え、
前記電池セルは、
上面と、下面と、前記上面と前記下面とに繋がる側面とを有する電池セル本体と、
前記電池セル本体の前記上面に設けられた電極端子と、
を有し、
前記熱伝導シートは、
前記電池セル本体の前記側面に貼り合わされた第1の絶縁シートと、
前記第1の絶縁シートに重ねられた第2の絶縁シートと、
前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートとの間に設けられて、前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートとで全体を封止されたグラファイトシートと、
を有し、
前記グラファイトシートには第1のスリットが設けられており、
前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートには、前記グラファイトシートの前記第1のスリット内において前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートを貫通する第2のスリットが設けられている、電池パック。 - 前記第1のスリットは、前記電池セル本体の前記上面と前記下面とを結ぶ方向に細長く延びる、請求項7に記載の電池パック。
- 前記第1のスリットは前記グラファイトシートの一端から細長く延びる、請求項8に記載の電池パック。
- 複数の電池セルと、
前記複数の電池セルに貼り合わされた複数の熱伝導シートと、
を備え、
前記複数の電池セルのそれぞれの電池セルは、
上面と、下面と、前記上面と前記下面とに繋がる側面とを有する電池セル本体と、
前記電池セル本体の前記上面に設けられた電極端子と、
を有し、
前記それぞれの電池セルは前記複数の熱伝導シートのそれぞれの熱伝導シートに張り合わされており、
前記それぞれの熱伝導シートは、
前記それぞれの電池セルの前記電池セル本体の前記側面に貼り合わされた第1の絶縁シートと、
前記第1の絶縁シートに重ねられた第2の絶縁シートと、
前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートとの間に設けられて、前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートとで全体を封止されたグラファイトシートと、
を備え、
前記グラファイトシートには第1のスリットが設けられており、
前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートには、前記グラファイトシートの前記第1のスリット内において前記第1の絶縁シートと前記第2の絶縁シートを貫通する第2のスリットが設けられている、電池パック。 - 前記第1のスリットは、前記電池セル本体の前記上面と前記下面とを結ぶ方向に細長く延びる、請求項10に記載の電池パック。
- 前記第1のスリットは前記グラファイトシートの一端から細長く延びる、請求項11に記載の電池パック。
- 前記複数の電池セルと前記複数の複数の熱伝導シートとを収容する筐体をさらに備えた、請求項10から12のいずれか一項に記載の電池パック。
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