JP2012109275A

JP2012109275A - 電気デバイス集合体

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Publication number: JP2012109275A
Application number: JP2012048366A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Shimamori; 忠島守
Original assignee: NEC Corp; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp; NEC Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2012-06-07
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: JPWO2007063877A1; JP5046956B2; WO2007063877A1; JP5438154B2

Abstract

【課題】電極タブとバスバーとの間の溶接不良が発生しにくく、また、溶接時に用いられる押さえジグの簡素化を図るのにも有利な電気デバイス集合体の製造方法を提供する。
【解決手段】組電池５０は、直列接続された複数の電池セル２０Ａ〜２０Ｄを有する。電池セル２０Ａからの電極タブ２５ａはバスバー４１の上面に接合され、電池セル２０Ｂからの電極タブ２５ｂはバスバーの側面に接合されている。まず、第１の溶接工程として、電池セル２０単体の状態で一方の電極タブ２５ａにバスバー４１が接合される。次いで第２の溶接工程として、バスバー付きの電池セルが重ね合わせられた状態で、電極タブ２５ｂとバスバー側面との接合が行われる。
【選択図】図６

Description

本発明は、電気的エネルギーを貯留および出力する電気デバイス（例えば電池やキャパシタ等）が複数集合した電気デバイス集合体に関し、特に、電気デバイス同士が電気的に接続された電気デバイス集合体に関する。

従来、薄型電池の一種として、ラミネートフィルム等からなる包装袋内に電池要素が電解液と共に収容されたフィルム外装電池が知られている。例えば電気自動車の駆動源にこの種の電池を利用する場合、複数のフィルム外装電池が利用されることもある。このように複数の電池が集合した電池は「組電池」とも呼ばれ、また、それぞれのフィルム外装電池は「電池セル」とも呼ばれる。

図１は、特開２００４−３１２２５号公報に開示された組電池の構成を示す斜視図である。図１に示すように、組電池１５０Ａは、４つの電池セルＣ１〜Ｃ４が４段に積層された構成となっており、電池セル同士は並列に接続されている。各電池セルの両端部からはシート状の電極タブ（リード端子）１２５が引き出されている。積層方向に互いに隣接した２つの電池セルＣ１、Ｃ２の関係を例に挙げて説明すると、一方の電池セルＣ１の電極タブ１２５と他方の電池セルＣ２の電極タブ１２５とは、導電性材料からなるバスバー１４１を介して互いに接続されている。

ところで特開２００４−３１２２５号公報には、バスバー１４１と電極タブ１２５とを接続するのに溶接等を利用することについては記載されているものの、その詳細については十分な記載がない。したがって、例えば図２に示すような構成において、バスバーと電極タブとを溶接合しようとする場合、次のような問題が生じ得る。

図２の組電池１５０Ｂでは、４つの電池セルＣ１〜Ｃ４同士が直列に接続されている。具体的には、電池セルＣ１の電極タブ１２５と電池セルＣ２の電極タブ１２５のそれぞれの先端側が互いに重ね合わせられ、その重ね合せ部がバスバー１４１の側面に溶接されている。図示しないが、同様にして、電池セルＣ２とＣ３とが電気的に接続されている。溶接としてはレーザ溶接等であってもよく、例えば矢印Ｂに示すような方向からレーザビームを照射してもよい。

しかしながら、このような方法で溶接接合を行うためには、２枚の電極タブ１２５とバスバー１４１とを互いに位置決めして保持する必要があり、この保持作業が比較的煩雑な工程となっていた。また、このような保持を行うためには、比較的複雑な構造の治具（押さえ用の治具）が必要になる。

以上、電池を例に挙げて従来の構成に係る製造上の問題点を説明したが、こうした問題は、電池に限らず他の電気デバイス（例えばコンデンサ等）においても同様に生じ得る。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、電極タブとバスバーとの間の溶接不良が発生しにくく、また、溶接時に用いられる押さえ治具の簡素化を図るのにも有利な電気デバイス集合体を提供することにある。

上記目的を実現するための本発明の電気デバイス集合体は、各電気デバイスから延在するシート状の電極タブ同士が電気的に接続されることで複数の前記電気デバイスが直列および／または並列に電気的接続され、かつ、前記電極タブ同士の電気的接続部のそれぞれには導電性材料からなるバスバーが取り付けられている電気デバイス集合体であって、前記各電気デバイスは少なくとも２つの前記電極タブを有し、前記少なくとも２つの電極タブのうちのいずれかである第１の電極タブは、前記電気デバイスから延在する延在部を少なくとも有し、前記少なくとも２つの電極タブのうちの、前記第１の電極タブとは異なる第２の電極タブは、前記電気デバイスから延在する第１の延在部、および該第１の延在部が延在する方向とは異なる方向に該第１の延在部から延在する第２の延在部を有し、重ね合わせられた複数の前記電気デバイスのうち、第１の前記電気デバイスの前記第１の電極タブの前記延在部が前記バスバーの第１の面に接合され、前記第１の電気デバイスに隣接する第２の電気デバイスの前記第２の電極タブの前記第２の延在部が、前記バスバーの、前記第１の面とは別の第２の面に接合されている。

上記本発明の電気デバイス集合体では、第１の電極タブと第２の電極タブとがバスバーに接続されることにより、互いに電気的に接続される。このような構成の電気デバイス集合体を製造するにあたり、本発明によれば、第１の溶接工程として、まず、バスバーと第１の電極タブとの接合が行われる。次いで第２の溶接工程として、バスバーと第２の電極タブとの接合が行われる。第１および第２の溶接工程のそれぞれでは、第１の電極タブとバスバー、および、第２の電極タブとバスバーといった２部材間の位置決めだけを行えばよい。つまり、従来の溶接工程のように、まだ互いに接合されていない状態の３つの部材（２枚の電極タブと１つのバスバー）を位置決めする必要がない。このため、３つの部材の位置決めが不正確になされることに起因した溶接不良の発生が抑制される。また、形成される溶接部の信頼性も向上することとなる。さらに言えば、本発明によれば、互いに接合されていない状態の３つの部材を位置決めする必要がないので、溶接時に用いられる押さえ治具の簡素化を図ることができる。

本発明によれば、上述したように、電極タブとバスバーとの間の溶接不良が発生しにくく、また、溶接時に用いられる押さえ治具の簡素化を図ることも可能である。

従来の組電池の構成を示す斜視図である。従来の方法で溶接する際に生じ得る問題点を説明するための図である。第１の実施形態に係る組電池の構成を示す平面図である。図３の組電池に使用される電池セルを単体の状態で示す斜視図である。溶接部の形態の一例を説明するための斜視図である。本発明の製造方法の一実施形態を説明するための図である。バスバーの他の構成例を示す平面図である。中空のバスバーに対して好適な治具の一例を示す平面図である。第２の実施形態の組電池の構成を示す平面図である。本発明の製造方法の他の一例を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図３は、本発明により製造される電気デバイス集合体の一実施形態である組電池の構成を示す図である。図４は、図３の組電池に使用される電池セルを単体の状態で示す斜視図である。

図３に示すように、本実施形態の組電池は、電池セル２０Ａ〜２０Ｄが集合したものであり４段重ねの構成となっている。各電池セルは電気的に直列に接続されており、これにより、電池セルの個数分の電圧が出力されるようになっている。

電池セル２０Ａ〜２０Ｄ（以下、単に電池セル２０とも言う）はいずれも同一の構造であり、図４に示すように、詳細には、枠体を有するフィルム外装電池である。電池セル２０は、外装フィルム２４によって形成された密閉空間内に、所定の起電力（例えば３．６Ｖ）を出力する薄型の電池要素２２が電解液と共に収容されている。外装フィルム２４は、２枚のフィルムを張り合わせた構造となっており、外装フィルム２４の外周部にはフィルム同士を熱シールした封止部２３が形成されている。長方形の外装フィルム２４の短辺側の２辺からは、正極用の電極タブ２５ａおよび負極用の電極タブ２５ｂが引き出されている。

電池要素２２は、表面に正極活物質が塗布されたシート状の正電極と、同じく表面に負極活物質が塗布されたシート状の負電極とがセパレータを介して交互に複数枚積層されたものであり、その厚さは例えば数ｍｍ程度である。

電極タブ２５ａ、２５ｂ（以下、単に電極タブ２５とも言う）はいずれも、厚みが例えば５０μｍ〜３００μｍのシート状の導電性部材である。正極用の電極タブ２５ａの材質は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金等である。負極用の電極タブ２５ｂの材質は、例えば銅または合金等である。

枠体２８は、外装フィルム２４の封止部２３を挟持するように設けられた一対の部材から構成されている。但し、枠体は、図４に示すような形状に限らず、他にも種々変更可能であり、例えば、外装フィルム２４全体を覆うケースのような形状であってもよい。

再び図３を参照する。バスバー４１は例えば銅材といった導電性材料からなる、矩形断面の棒状部材である。本実施形態では電池セル２０同士の電気的接続部ごとに１つずつバスバー４１が取り付けられている。このように取り付けられた各バスバー４１を電圧取出し用の端子として利用することで、電池セル２０ごとの電圧が検出可能となっている。

本実施形態の組電池５０は、図３に示すように、１つの電池セル（例えば２０Ａ）から引き出された電極タブ２５ａの一方の面がバスバー４１の上面４１ｕに接合されており、他の電池セル（例えば２０Ｂ）からの電極タブ２５ｂがバスバー４１の側面４１ｓに接合されている。この接合には例えばレーザ溶接を利用可能である。本実施形態では、レーザ溶接により形成された溶接部３７により電極タブ２５ａとバスバー上面とが接合され、同じくレーザ溶接により形成された溶接部３８により電極タブ２５ｂとバスバー側面とが接合されている。このような構成により、バスバー４１を介して、電極タブ２５ａ、２５ｂが電気的に接続される。

なお、溶接部３７は、例えば図５（ａ）に示すような複数の点状の溶接部３７Ａであってもよい。あるいは、溶接部３７は、図５（ｂ）に示すような線状の溶接部３７Ｂであってもよい。溶接部３８も同様である。また、図５に示すように、バスバー４１は、電極タブ２５の幅より長く形成されているものであってもよい。

次に、上記構成を有する本実施形態の組電池５０の製造方法について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態の製造方法を説明するための図であり、図６（ａ）〜図６（ｄ）までの４つの工程が示されている。

まず、図６（ａ）に示すように、従来公知の方法により作製された電池セル２０を所定個数用意する。電池セル２０は、一方の電極タブ２５ｂが他方の電極タブ２５ａよりも長く形成されている。これは、電極タブ２５ｂが、後述するように、その先端側が折り曲げられバスバー側面に接続されるためであり、これを実現するために、相対的に電極タブ２５ａよりも長くしておく必要があるためである。

次いで、図６（ｂ）に示すように、電極タブ２５ｂの先端側をバスバー４１の形状にあわせて、例えば直角に折り曲げる。また、他方の電極タブ２５ａに対してはレーザ溶接を施し、これにより電極タブ２５ａとバスバー上面とを接合する（第１の溶接工程）。この工程により、一方の電極タブ２５ｂが曲げられると共に他方の電極タブ２５ａにバスバー４１が溶接された電池セル２０が所定個数作成される。

この第１の溶接工程は、１枚の電極タブ２５ａとバスバー４１とを互いに位置決めし、密着させた状態で行われる。レーザビームＢ１は、例えば電極タブ２５ａに対して垂直（バスバー上面に対して垂直）に照射されるものであってもよく、これにより垂直方向に延在する溶接部３７が形成される。

このような溶接工程では、２枚の電極タブと１つのバスバーといった３つの部材を位置決めしなければならない溶接工程（図２参照）と比較して、溶接不良が生じにくい点で有利である。また、この溶接工程は、まっすぐに引き出された電極タブ２５ａ（曲げ加工などが行われていない初期状態の電極タブ２５ａ）とバスバーとを接合するものである。したがって、溶接時に電極タブ２５ａをバスバー上面に押し付けるための治具も簡単な構成で済む。これに対して、図２のように、曲げ加工が行われた電極タブの先端側とバスバーとを接合する場合、比較的複雑な構成の治具が必要となることがある。

次いで、図６（ｃ）に示すように、前記工程までで作製されたバスバー付きの電池セル２０Ａ〜２０Ｄを、向きを交互に反転させた状態で重ね合わせる。つまり、一の電池セル２０Ａのバスバー４１と、該電池セル２０Ａに隣接する電池セル２０Ｂの一方の電極タブ２５ｂとが対向するように、２つの電池セル２０Ａ、２０Ｂが重ね合わせられる。他の電池セル２０Ｃ、２０Ｄについてもこれと同様である。

このようにして４つの電池セルが重ね合わせられたら、次いで、図６（ｄ）に示すように電気的接続部ごとにレーザ溶接を順次行っていく（第２の溶接工程）。この段階では、電極タブ２５ａとバスバー４１との接合は既になされているため、１枚の電極タブ２５ｂとバスバー４１とを互いに位置決めするだけでよい。位置決めを行った後、レーザビームＢ２を例えば水平方向（バスバー側面に対して垂直方向）に照射することで、水平方向に延在する溶接部３８が形成される。これにより、電極タブ２５ｂとバスバー４１との間の接合がなされ、ひいてはバスバー４１を介して電極タブ２５ａ、２５ｂの相互接続が行われる。

その後、例えば、電池セル同士を最終的に固定するためのビス止め工程など、従来公知の幾つかの工程を経て、最終的な組電池５０が完成する。

以上説明した本実施形態の製造方法によれば、バスバー４１に２枚の電極タブ２５ａ、２５ｂが溶接される構成において、一方の電極タブ２５ａとバスバー４１とを接合する工程と、他方の電極タブ２５ｂとバスバー４１とを接合する工程とが別の溶接工程となっているため、次のような利点が得られる。すなわち、図２に示した従来の方法では、２枚の電極タブとバスバーとの計３つの部材を位置決め保持する必要があった。これに対し本実施形態の構成では、それぞれの溶接工程で、一方の電極タブ２５とバスバー４１、および、他方の電極タブ２５ｂとバスバー４１といった２部材間の位置決めだけを行えばよく、互いに接合されていない状態の３つの部材を位置決めする必要がない。よって、３つの部材の位置決めが不正確になされることに起因した溶接不良も発生しにくいものとなり、また、形成される溶接部の信頼性も向上する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の他にも種々変更可能である。例えば、上記に説明した製造手順では、図６（ｂ）の工程内で既に電極タブ２５ｂが折り曲げられていたが、この折曲げ工程は、図６（ｄ）の工程内で実施されてもよい。つまり、複数の電池セルを重ね合わせた後に、電極タブ２５ｂの先端側をバスバー側面に沿わせて折り曲げてもよい。

また、バスバー４１の形状も上記に限定されるものではなく、例えば図７（ａ）に示すような中空状のバスバー４２を用いてもよい。このように中空のバスバー４２を用いる場合、図８に示すような、先端先細りの挿入部８１を備えた治具８０を利用してバスバー４２を良好に保持することができるようになる。一対の治具８０を互いに近づけることで、挿入部８１の先端部がバスバー４２の空洞部内に入り込み、そこで係合することでバスバー４２が保持される。

また、中空のバスバー４２の場合、内部に冷却風を送ることも可能である。例えば、組電池として使用されている際にバスバー４２の内部に冷却風が送られるような構成とすれば、電極タブ２５ａ、２５ｂの温度上昇を抑えることも可能となる。あるいは、電極タブ２５ａ、２５ｂとバスバー４２とを溶接する際に冷却風を送るようにしてもよい。

バスバーは他にも、図７（ｂ）に示すようなＣ型断面のバスバー４３であってもよい。Ｃ型断面の開口部がどの方向に向けられるかにもよるが、図７（ｂ）のように、開口部が電極タブ２５ｂに面するようにバスバー４３が配置された場合、バスバーの内部に冷却風を通すことも可能となる。これにより、冷却風を送るという点に関し、中空状の上記バスバー４２と同様の作用効果が得られることとなる。

バスバーはさらに、図７（ｃ）に示すようなＬ字型断面のバスバー４４であってもよい。図７に示す３つのバスバー４２、４３、４４は、それぞれ、電極タブ２５ａが接合される上面４２ｕ、４３ｕ、４４ｕと、電極タブ２５ｂが接合される側面４２ｓ、４３ｓ、４４ｓとを有している点で共通している。

ところで、図３に示したような中実のバスバー４１を用いる場合と、図７（ａ）に示したような中空のバスバー４２を用いる場合とを比較すると、中空のバスバー４２を用いる方が効率的な溶接を実施できる点で好ましい。すなわち、中実のバスバー４１では、レーザビームの照射により生じた熱がバスバー４１内部に逃げやすいのに対して、中空のバスバー４２ではそうした熱の伝播が生じにくく、よって、レーザビームのエネルギーをより効率的に利用できるためである。レーザビームが照射される部位の板厚にもよるが、同様の効果は、バスバー４３、４４でも得ることが可能である。

（第２の実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の製造方法を適用可能な他の構成について説明する。上述した実施形態では、一方の電池セルの電極タブと、それに隣接する他方の電池セルの電極タブとが互いに接触しない構成であったが、本発明はそれに限定されるものではない。図９の組電池５１のように、電極タブ２５ａの先端側と、電極タブ２５ｂの先端側とが、互いに重なるようになっていてもよい。図９では、一例として、２枚の電極タブ２５ａ、２５ｂのうち正極側の電極タブ２５ａが相対的に内側に折り込まれ、バスバー４１の側面４１ｓに接するようになっているが、この逆であってもよい。溶接部３７により電極タブ２５ａがバスバー上面に接合され、溶接部３８’により電極タブ２５ａ、２５ｂがバスバー側面に接合されている。

次に、組電池５１の製造方法について図１０を参照して説明する。なお、図６を参照して説明した上記製造方法と同様の工程についてはその説明を一部省略する。

まず、図１０（ａ）に示すように、従来公知の方法により所定個数の電池セル２０’を用意する。図１０の電池セル２０’では、電極タブ２５ａ、２５ｂの長さがほぼ同じになっている。

次いで、図１０（ｂ）に示すように、電極タブ２５ｂを折り曲げると共に、レーザビームＢ１を照射して電極タブ２５ａとバスバー４１とを溶接する（第１の溶接工程）。この溶接は、電極タブ２５ａの先端側に余裕を持たせた状態、つまり先端側にいくらかの余剰部を残した状態で行われる。この余剰部はバスバー４１の側面に沿うようにして折り曲げられる。この折り曲げ工程は溶接の前後いずれに実施されてもよい。

次いで、図１０（ｂ）の工程で得られたバスバー付きの電池セルを、図１０（ｃ）に示すように重ね合わせ、折り曲げられた電極タブ２５ｂの先端側をバスバーの側面に向かって押し当てながらレーザビームＢ２を照射する（第２の溶接工程）。これにより、溶接部３８’（図９参照）が形成され、電極タブ同士の重ね合せ部がバスバーの側面に接合される。

以上説明したような本実施形態の製造方法では、電極タブ２５ａとバスバー４１との溶接と、電極タブ２５ｂとバスバー４１との溶接とが別工程で行われるものであるため、第１の実施形態同様の作用効果を得ることが可能である。

図１０（ｃ）の工程において、２枚の電極タブ２５ａ、２５ｂの先端側をバスバーの側面４１ｓに押し当てるようにしている点で、本実施形態の溶接方法と図２に示した溶接方法とは共通しているようにも思われるが、下記の点で両者は相違している。すなわち、図２の方法では、溶接を行う時点で２枚の電極タブ１２５およびバスバー１４１は未だ互いに接合されていない状態である。これに対して、本実施形態の方法では、溶接を行う時点で、バスバー４１と電極タブ２５ａとは既に溶接されている。したがってこの工程では、実質的には、バスバー４１と電極タブ２５ｂとの位置決めのみを行えばよい点で図２の方法と相違する。

なお、上記説明ではレーザ溶接を例に挙げて説明したが、本発明はそれに限らず、超音波溶接、抵抗溶接、スポット溶接、熱溶接、レーザ溶接、または電子ビーム溶接等を利用するものであってもよい。レーザビームＢ１、Ｂ２の照射方向は、バスバーの各面に対して垂直をなすものに限らず所定の角度をなすものであってもよい。上記説明では、まず、正極側の電極タブ２５ａとバスバーとの接合が行われ、次いで、負極側の電極タブ２５ｂとバスバーとの接合が行われる順となっていたが、この順は逆であってもよい。

本明細書における「電気デバイス」とは、上記実施形態で言えば電池セル２０がこれに相当する。電池セル２０の種類としては、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドニウム電池、リチウムメタル一次／二次電池、またはリチウムポリマー電池など特に限定されるものではなく、また、フィルム外装電池に限られるものでもない。例えば、外装フィルム２４（図５参照）の代わりに剛性のある缶などによって電池要素２２が密閉された電池セルを利用することも可能である。さらには「電気デバイス」は、電池に限らず例えばコンデンサとして機能するものであってもよい。

Claims

各電気デバイスから延在するシート状の電極タブ同士が電気的に接続されることで複数の前記電気デバイスが直列および／または並列に電気的接続され、かつ、前記電極タブ同士の電気的接続部のそれぞれには導電性材料からなるバスバーが取り付けられている電気デバイス集合体であって、
前記各電気デバイスは少なくとも２つの前記電極タブを有し、
前記少なくとも２つの電極タブのうちのいずれかである第１の電極タブは、前記電気デバイスから延在する延在部を少なくとも有し、
前記少なくとも２つの電極タブのうちの、前記第１の電極タブとは異なる第２の電極タブは、前記電気デバイスから延在する第１の延在部、および該第１の延在部が延在する方向とは異なる方向に該第１の延在部から延在する第２の延在部を有し、
重ね合わせられた複数の前記電気デバイスのうち、第１の前記電気デバイスの前記第１の電極タブの前記延在部が前記バスバーの第１の面に接合され、
前記第１の電気デバイスに隣接する第２の電気デバイスの前記第２の電極タブの前記第２の延在部が、前記バスバーの、前記第１の面とは別の第２の面に接合されている電気デバイス集合体。
各電気デバイスから延在するシート状の電極タブ同士が電気的に接続されることで複数の前記電気デバイスが直列および／または並列に電気的接続され、かつ、前記電極タブ同士の電気的接続部のそれぞれには導電性材料からなるバスバーが取り付けられている電気デバイス集合体であって、
前記各電気デバイスは少なくとも２つの前記電極タブを有し、
前記少なくとも２つの電極タブのうちのいずれかである第１の電極タブは、前記電気デバイスから延在する延在部を少なくとも有し、
前記少なくとも２つの電極タブのうちの、前記第１の電極タブとは異なる第２の電極タブは、前記電気デバイスから延在する第１の延在部、および該第１の延在部が延在する方向とは異なる方向に該第１の延在部から延在する第２の延在部を有し、
前記各電気デバイスは、前記第１の電極タブの前記延在部が、隣接する前記電気デバイスの前記第２の電極タブの前記第１の延在部と対向するように交互に積層され、
前記第１の電極タブの前記延在部が前記バスバーの第１の面に接合され、
前記第１の電極タブの前記延在部に対向する前記第１の延在部を有する前記第２の電極タブの前記第２の延在部が、前記バスバーの、前記第１の面とは別の第２の面に接合されている電気デバイス集合体。
少なくとも３つの前記電気デバイスが積層されており、
前記少なくとも３つの電気デバイスのうちの中間に配置された電気デバイスは、前記第１の電極タブの前記延在部が、該中間に配置された電気デバイスに隣接する２つの前記電気デバイスのそれぞれの前記第２の電極タブの前記第１の延在部と対向するように交互に積層されていることを特徴とする、請求項２に記載の電気デバイス集合体。
前記第１の電極タブは、第１の前記延在部が延在する方向とは異なる方向に該第１の延在部から延在する第２の延在部を有し、
前記第１の電極タブの前記第２の延在部と、前記第２の電極タブの前記第２の延在部とが、互いに重なって前記第２の面に接合されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気デバイス集合体。
前記バスバーは、断面形状がコ字型若しくはＬ字型の部材、又は中空形状を有する部材であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気デバイス集合体。