JP6756266B2 - 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、各極性の電極のタブと各極性の導電部材とが溶接により接合された溶接部を有する蓄電装置及び蓄電装置の製造方法に関する。
EV(Electric Vehicle)やPHV(Plug in Hybrid Vehicle)などの車両には、走行用モータへの供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。一般に、二次電池は、電極組立体を収容するケースを備え、そのケース内に電極組立体が収容されている。電極組立体として、例えば、複数の正極電極と複数の負極電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。正極電極及び負極電極は、それぞれタブを有する。そして、二次電池からの電力の取り出しは、電極組立体の正極電極及び負極電極のタブに導電部材を介して接続された電極端子を通して行われている。
例えば、特許文献1の二次電池において、電極組立体は、積層方向の一端側に寄せ集められた状態の複数のタブと導電部材とを、抵抗溶接によって接合した溶接部を備える。溶接部によって、各極のタブの一枚一枚は、導電部材と電気的に接続されている。
また、他の二次電池において、電極組立体は、積層方向の一端側に寄せ集められた状態の複数のタブを抵抗溶接によって接合したタブ群を備える。タブ群によって、タブ同士は電気的に接続されている。また、電極組立体は、タブ群と導電部材とを抵抗溶接によって接合した溶接部を備える。溶接部によって、タブ群は導電部材と電気的に接続されている。
特開2015−076282号公報
このようにタブ同士、又はタブと導電部材とが抵抗溶接により接合された溶接部を有する二次電池の製造では、溶接時の通電時間の短縮が望まれている。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、タブ同士、又はタブと導電部材とを、抵抗溶接する際の通電時間を短縮できる蓄電装置及び蓄電装置の製造方法を提供することにある。
上記問題点を解決するための蓄電装置は、複数の正極電極及び複数の負極電極を互いに絶縁した状態で積層した電極組立体と、前記電極組立体と電気を授受する各極性の端子と、前記電極組立体と前記端子とを電気的に接続する各極性の導電部材と、を備え、前記正極電極及び前記負極電極は、集電体と該集電体の片面又は両面に存在する活物質層とを有し、前記集電体は、前記活物質層によって覆われている被覆部と、前記集電体の一辺から突出するタブとを有し、同じ極性の複数の前記タブ同士、又は同じ極性の複数の前記タブと前記導電部材とを、前記正極電極及び前記負極電極の積層方向に沿って抵抗溶接した溶接部を備えた蓄電装置であって、少なくとも一方の極性の複数の前記タブのうち、少なくとも1のタブは、前記被覆部よりも厚みが薄い肉薄部を有し、前記溶接部は、前記タブにおいて前記肉薄部に位置することを要旨とする。
肉薄部に位置する溶接部を形成する際にタブの積層方向に沿って形成される通電経路の長さは、例えばタブにおいて被覆部と同じ厚みの部分に溶接部を形成する場合の通電経路の長さと比較して短くなる。よって、タブ同士、又はタブと導電部材とを、抵抗溶接する際の抵抗が小さくなり、通電時間を短縮できる。
また、蓄電装置について、前記肉薄部を有するタブは、前記正極電極のタブであるのが好ましい。
一般に、正極電極の集電体にはアルミニウム、負極電極の集電体には銅が用いられる。アルミニウムの電気抵抗率は、銅の電気抵抗率よりも大きいため、正極電極のタブを抵抗溶接する際の各タブの抵抗は、負極電極のタブを溶接する際の各タブの抵抗よりも大きくなりやすい。よって、正極電極のタブが肉薄部を有する構成とした方が、タブ同士、又はタブと導電部材とを、抵抗溶接する際の通電時間の短縮により効果的である。
また、蓄電装置について、前記肉薄部は、複数のタブが重なる重合領域に存在するのが好ましい。
重合領域にて、タブ同士、又はタブと導電部材とを、抵抗溶接すれば、通電時間を短縮しつつ、複数のタブ同士、又は複数のタブと導電部材とを、一度に溶接できる。よって、蓄電装置の生産効率が向上する。
また、蓄電装置について、前記肉薄部を有するタブは、前記溶接部よりも前記電極組立体側に前記肉薄部より厚い肉厚部を有するのが好ましい。
溶接部が形成される部分では、肉薄部によってタブの積層方向に沿った通電経路の長さを短くすることで、タブ同士、又はタブと導電部材とを、溶接する際の抵抗を小さくすることが好ましい。一方で、溶接部よりも電極組立体側の部分でタブの厚みを薄くすると、蓄電装置の使用時にタブにおいて電流が通過する断面積が小さくなり、抵抗が増加してしまう。そこで、溶接部よりも電極組立体側の部分を肉厚部とし、断面積が小さくならないようにすることで、蓄電装置の使用時の抵抗が大きくなることを抑制している。
上記問題点を解決するための蓄電装置の製造方法は、複数の正極電極及び複数の負極電極を互いに絶縁した状態で積層した電極組立体と、前記電極組立体と電気を授受する各極性の端子と、前記電極組立体と前記端子とを電気的に接続する各極性の導電部材と、を備え、前記正極電極及び前記負極電極は、集電体と該集電体の片面又は両面に存在する活物質層とを有し、前記集電体は、前記活物質層によって覆われている被覆部と、前記集電体の一辺から突出するタブとを有し、同じ極性の複数の前記タブ同士、又は同じ極性の複数の前記タブと前記導電部材とを、前記正極電極及び前記負極電極の積層方向に沿って抵抗溶接した溶接部を備えた蓄電装置の製造方法であって、少なくとも一方の極性の複数の前記タブのうち、少なくとも1のタブに設けられるとともに前記被覆部よりも厚みが薄い肉薄部と、前記タブ又は前記導電部材とを抵抗溶接することによって、前記溶接部を形成することを要旨とする。
これによれば、溶接部を形成する際にタブの積層方向に沿って形成される通電経路の長さは、例えばタブにおいて被覆部と同じ厚みの部分に溶接部を形成する場合の通電経路の長さと比較して短くなる。よって、タブ同士、又はタブと導電部材とを、抵抗溶接する際の抵抗が小さくなり、通電時間を短縮できる。
本発明によれば、タブ同士、又はタブと導電部材とを、抵抗溶接する際の通電時間を短縮できる。
実施形態の蓄電装置の分解斜視図。 実施形態の電極組立体の分解斜視図。 正極電極の断面図。 正極タブと正極導電部材との溶接工程を示す断面図。
以下、蓄電装置を二次電池に具体化した実施形態を図1〜図4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において、ケース11には電極組立体12が収容されている。ケース11は、直方体状のケース本体13と、矩形平板状の蓋14とを有する。ケース本体13は、その内側に収容部を有するとともに、収容部と連通する挿入口13aが開口している。蓋14は、挿入口13aを閉塞する。ケース11を構成するケース本体13と蓋14は、何れも金属製(例えば、ステンレスやアルミニウム)である。また、本実施形態の二次電池10は、その外観が角型をなす角型電池である。また、本実施形態の二次電池10は、リチウムイオン電池である。
図2に示すように、電極組立体12は、複数の正極電極20と、複数の負極電極30とが、電気伝導に係るイオン(リチウムイオン)が通過可能な多孔質膜で形成されたセパレータ40を介して交互に積層されて構成されている。
正極電極20は、矩形シート状の集電体としての正極金属箔(例えばアルミニウム箔)21と、正極金属箔21の両面に存在する活物質層としての正極活物質層22と、を有する。正極金属箔21は、正極活物質層22によって覆われた被覆部23と、正極活物質層22によって覆われず、正極金属箔21そのもので構成された矩形状のタブとしての正極タブ24とを含む。正極タブ24は、正極金属箔21の一対の長辺に沿う縁部のうちの一方の縁部21aの一部から突出している。縁部21aには、被覆部23の縁部が沿う状態にあり、正極タブ24は、被覆部23の一辺から突出した形状である。
負極電極30は、矩形シート状の集電体としての負極金属箔(例えば銅箔)31と、負極金属箔31の両面に存在する活物質層としての負極活物質層32と、を有する。負極金属箔31は、負極活物質層32によって覆われた被覆部33と、負極活物質層32によって覆われず、負極金属箔31そのもので構成された矩形状のタブとしての負極タブ34とを含む。負極タブ34は、負極金属箔31の一対の長辺に沿う縁部のうちの一方の縁部31aの一部から突出している。縁部31aには、被覆部33の縁部が沿う状態にあり、負極タブ34は、被覆部33の一辺から突出した形状である。以下、電極組立体12の積層方向における正極タブ24及び負極タブ34の寸法を、正極タブ24及び負極タブ34の厚みという。
正極電極20及び負極電極30は、正極タブ24が積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極タブ24と重ならない位置にて負極タブ34が積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。そして、正極タブ24は、電極組立体12の積層方向の一端側にて集められ(束ねられ)、他端側に向けて折り曲げられている。同様に、負極タブ34は、電極組立体12の積層方向の一端側にて集められ(束ねられ)、他端側に向けて折り曲げられている。
図3及び図4に示すように、正極電極20の正極タブ24は、被覆部23と同じ厚みの肉厚部25と、被覆部23及び肉厚部25の厚みよりも薄い肉薄部26とを有する。本実施形態の肉薄部26の厚みH1は、肉厚部25の厚みH2の半分である。また、本実施形態の肉薄部26は、正極タブ24を寄せ集めた際に全ての正極タブ24が重なる重合領域A(図4参照)と、重合領域Aよりも正極タブ24の突出方向先端側に存在する。よって、正極タブ24が電極組立体12の積層方向一端側で寄せ集められた状態で、積層方向一端側の正極タブ24において肉薄部26が存在する範囲は、積層方向他端側の正極タブ24において肉薄部26が存在する範囲よりも大きい。肉厚部25は、正極タブ24の重合領域Aよりも基端側(電極組立体12側)に存在する。
同様に、負極タブ34は、被覆部33と同じ厚みの肉厚部35と、被覆部33及び肉厚部35の厚みよりも薄い肉薄部36とを有する。本実施形態の肉薄部36の厚みは、肉厚部35の厚みの半分である。また、本実施形態の肉薄部36は、負極タブ34を寄せ集めた際に全ての負極タブ34が重なる重合領域と、重合領域よりも負極タブ34の突出方向先端側に存在する。よって、負極タブ34が電極組立体12の積層方向一端側で寄せ集められた状態で、積層方向一端側の負極タブ34において肉薄部36が存在する範囲は、積層方向他端側の負極タブ34において肉薄部36が存在する範囲よりも大きい。肉厚部35は、負極タブ34の重合領域よりも基端側(電極組立体12側)に存在する。
なお、肉薄部26,36は、帯状の正極電極材料及び負極電極材料において、正極活物質層22及び負極活物質層32によって覆われていない部分をプレス加工し、その後、正極電極20及び負極電極30の形状に切断することで形成される。よって、電極組立体12を積層方向に見た平面視において、全ての正極タブ24は同じ大きさであり、全ての負極タブ34は同じ大きさである。
図1に示すように、二次電池10は、電極組立体12から電気を取り出すための端子としての正極端子15と負極端子16とを備える。正極端子15及び負極端子16は、蓋14の貫通孔14aを貫通してケース11外に突出する。正極端子15及び負極端子16には、ケース11から絶縁するためのリング状の絶縁リング17がそれぞれ取り付けられている。正極端子15は、ケース11内に矩形板状の導電部材としての正極導電部材15aを有する。正極端子15は、正極導電部材15aと電気的に接続されている。負極端子16は、ケース11内に矩形板状の導電部材としての負極導電部材16aを有する。負極端子16は、負極導電部材16aと電気的に接続されている。
二次電池10は、全ての正極タブ24の肉薄部26と、正極導電部材15aとを抵抗溶接により接合した溶接部としての第1溶接部18を備える。第1溶接部18によって、正極タブ24の1枚1枚は、正極導電部材15aと電気的に接続されている。つまり、電極組立体12は、正極タブ24、第1溶接部18、及び正極導電部材15aを介して正極端子15と電気的に接続されている。二次電池10は、全ての負極タブ34の肉薄部36と、負極導電部材16aとを抵抗溶接により接合した溶接部としての第2溶接部19を備える。第2溶接部19によって、負極タブ34の1枚1枚は、負極導電部材16aと電気的に接続されている。つまり、電極組立体12は、負極タブ34、第2溶接部19、及び負極導電部材16aを介して負極端子16と電気的に接続されている。正極タブ24において、第1溶接部18は肉薄部26に位置し、肉厚部25は第1溶接部18よりも基端側(電極組立体12側)に存在する。また、負極タブ34において、第2溶接部19は肉薄部36に位置し、肉厚部35は第2溶接部19よりも基端側(電極組立体12側)に存在する。
以下、二次電池10の製造方法の一部である溶接工程について説明する。本実施形態の溶接工程は、正極タブ24と正極導電部材15aとを抵抗溶接によって接合する工程である。なお、負極タブ34と負極導電部材16aとの溶接工程については、正極タブ24と正極導電部材15aとの溶接工程と同様の方法で行われるため、説明及び図示を省略する。
図4に示すように、電極組立体12と正極導電部材15aとを支持台50上に配置する。正極導電部材15aは、全ての正極タブ24が積層方向一端側に寄せ集められた状態において電極組立体12の積層方向一端側の最外に存在する正極電極20aの正極タブ24と支持台50との間に配置される。また、全ての正極タブ24が積層方向一端側に寄せ集められると重合領域Aが形成される。重合領域Aは、肉薄部26のみで構成されている。よって、重合領域Aの厚みは、被覆部23と同じ厚みの正極タブ24で構成される場合よりも薄くなっている。
そして、重合領域Aと正極導電部材15aとを挟むように溶接電極61,62を配置する。一方の溶接電極61は正極導電部材15aと当接し、他方の溶接電極62は積層方向他端側の正極タブ24と当接する。この状態で、溶接電極61,62に電圧を印加すると、溶接電極61と溶接電極62とを結ぶ方向であり、正極タブ24の積層方向に延びる通電経路Rが形成される。全ての正極タブ24の肉薄部26と正極導電部材15aは、通電経路R上に存在する。これにより、重合領域Aにて、全ての正極タブ24と正極導電部材15aとが溶融して抵抗溶接され、第1溶接部18が形成される。
次に、本実施形態の作用について説明する。
正極タブ24の肉薄部26は、正極タブ24と正極導電部材15aとを抵抗溶接する際の通電経路R上に存在するため、通電経路Rの長さは短くなり、溶接時の抵抗が小さくなる。
次に、本実施形態の効果を記載する。
(1)正極電極20の正極タブ24は、被覆部23よりも厚みが薄い肉薄部26を有する。正極タブ24と正極導電部材15aとを抵抗溶接した第1溶接部18は、肉薄部26に位置する。よって、第1溶接部18を形成する際に正極タブ24の積層方向に沿って形成される通電経路Rの長さは、例えば正極タブ24において被覆部23と同じ厚みの部分に溶接部を形成する場合の通電経路の長さと比較して短くなる。その結果、正極タブ24と正極導電部材15aとを抵抗溶接する際の抵抗が小さくなり、通電時間を短縮できる。
同様に、負極電極30の負極タブ34は、被覆部33よりも厚みが薄い肉薄部36を有する。負極タブ34と負極導電部材16aとを抵抗溶接した第2溶接部19は、肉薄部36に位置する。よって、第2溶接部19を形成する際に負極タブ34の積層方向に沿って形成される通電経路の長さは、例えば負極タブ34において被覆部33と同じ厚みの部分に溶接部を形成する場合の通電経路の長さと比較して短くなる。その結果、負極タブ34と負極導電部材16aとを抵抗溶接する際の抵抗が小さくなり、通電時間を短縮できる。
(2)各正極タブ24は、全ての正極タブ24が重なる重合領域Aに肉薄部26が位置するように形成されている。正極タブ24の重合領域Aにて、正極タブ24と正極導電部材15aとを抵抗溶接することで、通電時間を短縮しつつ、全ての正極タブ24と正極導電部材15aとを一度に溶接できる。同様に、各負極タブ34は、全ての負極タブ34が重なる重合領域に肉薄部36が位置するように形成されている。負極タブ34の重合領域Aにて、負極タブ34と負極導電部材16aとを抵抗溶接することで、通電時間を短縮しつつ、全ての負極タブ34と負極導電部材16aとを一度に溶接できる。その結果、二次電池10の生産効率が向上する。
(3)第1溶接部18よりも基端側(電極組立体12側)の部分でも正極タブ24の厚みを薄くすると、二次電池10の使用時に正極タブ24において電流が通過する断面積が小さくなり、抵抗が増加してしまう。しかしながら、本実施形態の各正極タブ24は、第1溶接部18よりも基端側に被覆部23と同じ厚みの肉厚部25を有することで、断面積が小さくならないようにしている。また、第2溶接部19と同様に、第2溶接部19よりも基端側(電極組立体12側)の部分で負極タブ34の厚みを薄くすると、二次電池10の使用時に負極タブ34において電流が通過する断面積が小さくなり、抵抗が増加してしまう。しかしながら、本実施形態の各負極タブ34は、第2溶接部19よりも基端側に被覆部33と同じ厚みの肉厚部35を有することで、断面積が小さくならないようにしている。その結果、二次電池10の使用時における抵抗が大きくなることが抑制されている。
なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
○ 正極電極20は、正極金属箔21の片面に正極活物質層22が存在する構造でもよい。同様に、負極電極30は、負極金属箔31の片面に負極活物質層32が存在する構成でもよい。
○ 正極タブ24は、矩形状でなくてもよい。また、正極タブ24は、正極金属箔21の一対の短辺に沿う縁部のうちの一方の縁部の一部から突出していてもよい。同様に、負極タブ34は、矩形状でなくてもよい。また、負極タブ34は、負極金属箔31の一対の短辺に沿う縁部のうちの一方の縁部の一部から突出していてもよい。
○ 肉厚部25,35の厚みは、肉薄部26,36より厚くなる範囲で適宜変更してよい。
○ 肉薄部26,36の厚みは、被覆部23,33より薄くなる範囲で適宜変更してよい。肉薄部26,36の厚みを薄くすればするほど、通電経路の長さは短くなるため、抵抗溶接時の抵抗を小さくでき、通電時間を短縮できる。
○ 肉薄部26,36を有するタブは、正極タブ24のみ又は負極タブ34のみであってもよい。ただし、正極タブ24が肉薄部26を有する構成とした方が、抵抗溶接時の通電時間の短縮により効果的である。これは、正極金属箔21に用いられるアルミニウムの電気抵抗率は、負極金属箔31に用いられる銅の電気抵抗率よりも大きく、正極タブ24を抵抗溶接する際の各正極タブ24の抵抗が負極タブ34を抵抗溶接する際の各負極タブ34の抵抗よりも大きくなりやすいためである。
○ 肉薄部26を有する正極タブ24は、複数の正極タブ24のうちの一部であってもよい。同様に、肉薄部36を有する負極タブ34は、複数の負極タブ34のうちの一部であってもよい。
○ 上記実施形態では、肉薄部26は、正極タブ24の重合領域Aと、重合領域Aよりも先端側に存在していたが、重合領域Aにのみ存在してもよい。つまり、肉薄部26,36が存在する範囲は、後に第1及び第2溶接部18,19が位置する範囲であれば、適宜変更してよい。また、肉厚部25,35が存在せず、正極タブ24及び負極タブ34の全範囲に肉薄部26,36が存在する構成にしてもよい。
○ 上記実施形態では、正極導電部材15aに対して全ての正極タブ24を抵抗溶接していたが、正極導電部材15aに対して正極タブ24を1枚ずつ抵抗溶接してもよい。
○ 上記実施形態では、全ての正極タブ24と正極導電部材15aとを同時に溶接していたが、先に正極タブ24同士を溶接することで正極タブ24群を形成し、その後で正極タブ24群と正極導電部材15aとを溶接してもよい。また、正極タブ24同士を溶接する位置と、正極タブ24群と正極導電部材15aとを溶接する位置は、同じでもよいし異なっていてもよい。溶接する位置が異なる場合、肉薄部26は、正極タブ24同士を溶接する位置にのみ存在してもよいし、正極タブ24群と正極導電部材15aとを溶接する位置にのみ存在してもよいし、両方の位置に存在してもよい。
○ 正極タブ24及び負極タブ34を寄せ集める位置は、積層方向他端側や中央であってもよい。
○ 上記実施形態では、正極端子15と正極導電部材15aとは一体化されていたが、別構成にしてもよい。同様に、負極端子16と負極導電部材16aとは一体化されていたが、別構成にしてもよい。
○ 二次電池10は、リチウムイオン二次電池でもよいし、他の二次電池であってもよい。要は、正極用の活物質と負極用の活物質との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。
○ 蓄電装置は、例えばキャパシタなど、二次電池以外の蓄電装置にも適用可能である。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
(イ)蓄電装置は、二次電池である蓄電装置。
10…蓄電装置としての二次電池、12…電極組立体、15…端子としての正極端子、15a…導電部材としての正極導電部材、16…端子としての負極端子、16a…導電部材としての負極導電部材、18…溶接部としての第1溶接部、19…溶接部としての第2溶接部、20…正極電極、21…集電体としての正極金属箔、22…活物質層としての正極活物質層、23…被覆部、24…タブとしての正極タブ、25…肉厚部、26…肉薄部、30…負極電極、31…集電体としての負極金属箔、32…活物質層としての負極活物質層、33…被覆部、34…タブとしての負極タブ、35…肉厚部、36…肉薄部、A…重合領域。

Claims (5)

  1. 複数の正極電極及び複数の負極電極を互いに絶縁した状態で積層した電極組立体と、
    前記電極組立体と電気を授受する各極性の端子と、
    前記電極組立体と前記端子とを電気的に接続する各極性の導電部材と、
    を備え、
    前記正極電極及び前記負極電極は、集電体と該集電体の片面又は両面に存在する活物質層とを有し、
    前記集電体は、前記活物質層によって覆われている被覆部と、前記集電体の一辺から突出するタブとを有し、
    同じ極性の複数の前記タブ同士、又は同じ極性の複数の前記タブと前記導電部材とを、前記正極電極及び前記負極電極の積層方向に沿って抵抗溶接した溶接部を備えた蓄電装置であって、
    少なくとも一方の極性の複数の前記タブのうち、少なくとも1のタブは、前記被覆部よりも厚みが薄い肉薄部を有し、前記溶接部は、前記タブにおいて前記肉薄部に位置することを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記肉薄部を有するタブは、前記正極電極のタブである請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記肉薄部は、複数のタブが重なる重合領域に存在する請求項1又は請求項2に記載の蓄電装置。
  4. 前記肉薄部を有するタブは、前記溶接部よりも前記電極組立体側に前記肉薄部より厚い肉厚部を有する請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の蓄電装置。
  5. 複数の正極電極及び複数の負極電極を互いに絶縁した状態で積層した電極組立体と、前記電極組立体と電気を授受する各極性の端子と、前記電極組立体と前記端子とを電気的に接続する各極性の導電部材と、を備え、
    前記正極電極及び前記負極電極は、集電体と該集電体の片面又は両面に存在する活物質層とを有し、前記集電体は、前記活物質層によって覆われている被覆部と、前記集電体の一辺から突出するタブとを有し、同じ極性の複数の前記タブ同士、又は同じ極性の複数の前記タブと前記導電部材とを、前記正極電極及び前記負極電極の積層方向に沿って抵抗溶接した溶接部を備えた蓄電装置の製造方法であって、
    少なくとも一方の極性の複数の前記タブのうち、少なくとも1のタブに設けられるとともに前記被覆部よりも厚みが薄い肉薄部と、前記タブ又は前記導電部材とを抵抗溶接することによって、前記溶接部を形成することを特徴とする蓄電装置の製造方法。
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