(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列又は並列に接続された複数の電気化学電池を備えるバッテリであって、
各電気化学電池が一連の一次積層体を備え、前記一次積層体のそれぞれが、負極、正極、前記負極と前記正極の間に挿入された電解質、前記一次積層体の一方の側から延びる正集電体、及び前記一次積層体の反対側から延びる負集電体を含み、
各電気化学電池が、前記正集電体を互いに接続する集電端子、及び前記負集電体を互いに接続する集電端子を有し、
前記集電端子がそれぞれ、2つの隣接する電気化学電池を互いに電気的に接続するための折り曲げられた拡張アームを有し、前記折り曲げられた拡張アームが形状記憶特性を有し、
前記電気化学電池が、180℃未満の溶融温度Tfを有する溶接金属を用いて互いに溶接された、隣接する集電端子の前記折り曲げられた拡張アームによって互いに電気的に接続され、それにより、電気化学電池の温度が前記溶接金属の前記溶融温度Tfより高く上昇した場合には、溶接された接合部が融解し、前記集電端子の前記折り曲げられた拡張アームがスプリングバックして初期形状に戻り、それによって、前記溶接金属の前記溶融温度Tfより高い温度を有する前記電気化学電池と隣接する電気化学電池との間の電気的な接続を切断する、バッテリ。
【請求項２】
前記負極が、前記負極と前記負極の前記集電体の両方として機能するリチウムの金属薄片からなる請求項1に記載のバッテリ。
【請求項３】
前記集電端子の前記折り曲げられた拡張アームが、前記折り曲げられた拡張アームに前記形状記憶特性をもたらすように、最初に集電体が一緒に接続される表面とは反対の表面に向けて曲げられる請求項1に記載のバッテリ。
【請求項４】
前記溶接金属が、ビスマス及びビスマスベースの合金からなる群から選択される請求項1に記載のバッテリ。
【請求項５】
2つの隣接する集電端子の前記折り曲げられた拡張アームの間に位置決めされたバイアス手段をさらに備え、それによって、溶接された接続部が融解するとスプリングバックの力が高められるように、前記折り曲げられた拡張アームの前記形状記憶特性にさらに力を加える請求項1に記載のバッテリ。
【請求項６】
前記バイアス手段が、弾性のコード、弾性のチューブ及び弾性のスティックからなる群から選択される請求項5に記載のバッテリ。
【請求項７】
前記バイアス手段が、非導電性材料で作製される請求項6に記載のバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（相互参照）
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、2010年9月2日出願の米国特許出願第12/874,808号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、電気化学電池バッテリに関し、より詳細には、安全装置として機能する集電端子を有する電気化学電池バッテリ（electrochemical cell battery）に関する。
【背景技術】
【０００３】
自動車業界は、これまで数十年にわたり、実用的かつ安全な電気車両を商品化することを追求してきた。そうした車両の重要な要素が、そのバッテリである。1つ又は複数のバッテリは、必要なレベルのエネルギー及び適当な自律性を与え、かつ耐久性がなければならないだけでなく、過負荷、過放電、内部短絡及び外部短絡、ならびに過熱防止の安全装置を含むか備えていなければならない。
【０００４】
バッテリ用の安全装置は通常、バッテリの電圧、電流及び温度を監視し、問題が検出されるとバッテリを停止する、電子的な監視デバイスの形である。こうした電子システムは、通常の状況下では適切に作動するが、バッテリの電気化学電池において内部短絡が起こる状況では、バッテリの損傷を防止できないことがある。内部短絡はまれであるが、バッテリの温度を危険なレベルまで上昇させ、バッテリに永久的な損傷を引き起こす可能性があり、また内部短絡を受けるバッテリの近くの様々な構成要素の損傷を引き起こす恐れもある。
【０００５】
2003年4月15日に発行された特許文献１は、電気化学電池とバッテリポールの各接続部の間にヒューズを含むことによって、起こり得るそうした内部短絡の問題に対する1つの解決策を提供する。このヒューズのシステムは、他の電池から内部短絡を受ける特定の電気化学電池によって生成される過剰な電流を遮断し、それにより、内部短絡によって引き起こされる、その特定の電気化学電池の損傷を制限する。しかしながら、そのシステムは、それぞれのヒューズをそれぞれの電気化学電池に接続するのに多様なはんだを必要とする、複雑で扱いにくいものであり、また複数のヒューズを収容する追加の空間を必要とする。
【０００６】
したがって、従来技術より複雑ではないので扱いやすく、内部短絡を受けるバッテリにおける損傷を防止するように適合された安全装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第6,099,986号
【特許文献２】米国特許第7,541,112号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、従来技術に存在する不都合の少なくともいくつかを改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一態様において、本発明は、直列又は並列に接続された複数の電気化学電池を備えるバッテリを提供する。各電気化学電池は一連の一次積層体を備え、一次積層体のそれぞれが、負極、正極、負極と正極の間に挿入された電解質、一次積層体の一方の側から延びる正集電体、及び一次積層体の反対側から延びる負集電体を含む。各電気化学電池は、正集電体を互いに接続する集電端子、及び負集電体を互いに接続する集電端子を有する。集電端子はそれぞれ、2つの隣接する電気化学電池を互いに電気的に接続するための折り曲げられた拡張アームを有し、折り曲げられた拡張アームは形状記憶特性を有する。電気化学電池は、180℃未満の溶融温度Tfを有する溶接金属を用いて互いに溶接された、隣接する集電端子の折り曲げられた拡張アームによって互いに電気的に接続され、それにより、電気化学電池の温度が溶接金属の溶融温度Tfより高く上昇した場合には、溶接された接続部が融解し、集電端子の折り曲げられた拡張アームがスプリングバックして初期形状に戻り、それによって、溶接金属の溶融温度Tfより高い温度を有する電気化学電池と隣接する電気化学電池との間の電気的な接続を切断する。
【００１０】
他の態様において、バッテリは、折り曲げられた拡張アームの長さを延長する、2つの隣接する集電端子の折り曲げられた拡張アームの間に位置決めされたバイアス手段をさらに備え、それによって、溶接された接続部が融解するとスプリングバックの力が高められるように、折り曲げられた拡張アームの形状記憶特性にさらに力を加える。
【００１１】
本発明の実施形態はそれぞれ、前述の態様の少なくとも1つを有するが、必ずしも前述の態様のすべてを有するわけではない。前述の目的を達成しようとすることによって得られた本発明のいくつかの態様が、これらの目的を満たさないこともあり、かつ/又は本明細書に具体的に述べられていない他の目的を満たすこともあることを理解されたい。
【００１２】
本発明の実施形態に関する追加ならびに/又は代替の機能、態様及び利点は、以下の説明、添付図面及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１３】
本発明、ならびに本発明の他の態様及びさらなる機能をより適切に理解するために、添付図面と共に用いられる以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による集電端子によって直列に接続された、バッテリを形成する電気化学電池のスタックの一部の概略的な斜視図である。
【図２】図1に示す電気化学電池のスタックの一部の概略的な正面立面図である。
【図３】本発明の一実施形態による2つの集電端子の概略的な斜視図である。
【図４】図3に示す2つの集電端子の概略的な正面立面図である。
【図５】互いに電気的に接続される前の、2つの隣接する電気化学電池の積層体にクリンプされた図3及び4に示す2つの集電端子の概略的な正面立面図である。
【図６】互いに電気的に接続された、図5の2つの集電端子の概略的な正面立面図である。
【図７】中間にばね状の要素を有する、図3に示す2つの集電端子の概略的な正面立面図である。
【図８】互いに電気的に接続される前の、2つの隣接する電気化学電池の積層体にクリンプされた図7に示す2つの集電端子の概略的な正面立面図である。
【図９】互いに電気的に接続された、図8に示す2つの集電端子の概略的な正面立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図1を参照すると、バッテリを形成する電気化学電池20のスタックの例が示されている。各電気化学電池20は一連の一次積層体を備え、一次積層体のそれぞれが、シート状の負極、シート状の正極、及び負極と正極の間に挿入された電解質の薄膜を含む。さらに、シート状の集電体が、通常はシートの形のペースト状の材料である正極を支持する。この例において、負極はリチウム又はリチウム合金の金属シート又は薄片であり、どちらもカチオンの供給源及び集電体として機能する。しかしながら、負極は、活性負極材料とは異なる集電体のシートを備えることもできる。例えば負極は、好ましくは銅、ポリマー、電子伝導性フィラー及びインターカレーション材料で作製された集電体のシートを含む複合物とすることができる。
【００１６】
当業者に知られている任意のインターカレーション材料を用いることが可能であり、特に、炭素、活性炭、グラファイト、石油コークス、リチウム合金、ニッケル粉末、チタン酸リチウムなどからなる群から選択することができる。
【００１７】
正極のシートに関しては、それは通常、ポリマーの化合物、リチウム塩及び電気化学的に活性な材料を含む。適切な電気化学的に活性な材料の例には、LixVyOz、LiCOO2、LixMnyOz、LiNiO2、LiFePO4、VxOy、MnyOz、Fe(PO4)3及びLixTiyOzが含まれる。好ましい実施形態では、カソード24がLiFePO4を含むことが好ましい。
【００１８】
電解質の薄膜に関しては、電解質の薄膜は固体であり、かつリチウム塩と混合したポリマーで作製されることが好ましく、負極及び正極を物理的に分離し、イオン輸送膜としても機能する。
【００１９】
電極の活性材料とバッテリの端子(図示せず)との間で電子の流れを伝えるという主要な機能を果たす集電体のシートは、通常は銅、ニッケル又はアルミニウムのシートで構成される。好ましい実施形態において、正極の集電体は、薄い保護層で被覆されたアルミニウムのシート又は薄片を含む。保護層は、集電体のシートが正極材料と接触するとき、集電体のシートの劣化を防止する。
【００２０】
電気化学電池20の各積層体は、正極の集電体のシートが電気化学電池20の一方の側に延び、負極の集電体として機能するリチウムの金属薄片が、電気化学電池20の反対側に延びるように設計される。図1に示すように、電気化学電池20のすべての正極の集電体の拡張部は、電気化学電池20のすべての正極のすべての集電体を互いに電気的に接続するために、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、2009年6月2日発行の特許文献２に記載されるものと同様に組み立てられ、集電端子22によって互いにクリンプされる。電気化学電池20のすべての負極のリチウムの金属薄片の拡張部も、電気化学電池20のすべての負極のリチウムの金属薄片のすべての拡張部を互いに電気的に接続するために、同様に組み立てられ、集電端子23によって互いにクリンプされる。
【００２１】
図1に示すように、集電端子22及び23は、集電端子22及び23の電気的な接続部が高電流に適応することができるように、電気化学電池20の全長を延長し、それぞれ大きい表面積の正極の集電体及び負極のリチウム薄片の拡張部を電気的に接続する。
【００２２】
図1に示す電気化学電池20のスタックの前部を立面図として図示する図2を参照すると、電気化学電池20は、負の集電端子23が正の集電端子22に接続される形で、集電端子22及び23によって互いに直列に電気的に接続されており、それにより、追加される電気化学電池20それぞれを直列に接続することによって、電気化学電池20のスタックの電圧が高められる。
【００２３】
集電端子22及び23は、電気化学電池20のスタックを組み立て、互いに電気的に接続するとき、濃い線28によって図示されるように互いに溶接される、折り曲げられた拡張アーム26の機能を備える。図1に示すように、折り曲げられた拡張アームは、全長に沿って互いに溶接される。折り曲げられた拡張アーム26は、電気化学電池20のスタックを直列又は並列に電気的に接続するとき、2つの隣接する集電端子22及び23の折り曲げられたアーム26が、並べて位置決めされ、互いに溶接又ははんだ付けされて、適切な電気的接触を保証するように曲げられる。高電流負荷に適応させるために、2つの隣接する集電端子22及び23の折り曲げられた拡張アーム26は、全長に沿って互いに溶接され、それによって、隣接する集電端子22と23の間に大きい接触表面積がもたらされる。
【００２４】
図2に示すように、スタックの個々の電気化学電池20は、個々の電気化学電池20の間の直接的な接触及び起こり得る短絡を防止するために、ポリプロピレンなどのプラスチック材料からなる絶縁性の薄膜30によって分離される。
【００２５】
次に図3及び4を参照すると、集電端子22及び23は、互いから分岐する1対の間隔をおいて配置されたアーム32及び34を含み、それらの間に陥凹部38を形成する。陥凹部38は、集電体又はリチウム薄片の拡張部にクリンプされる前に、電気化学電池20の正極のすべての集電体、又は負極のリチウム薄片のすべての拡張部を、内部にぴったりと受け入れることができるように成形される。図示するように、集電端子22及び23の折り曲げられた拡張アーム26は、後方へアーム34の方に曲げられ、その結果、並べて位置決めされるとき、集電端子22及び23の折り曲げられたアーム26は互いから離れるように延びる。折り曲げられた拡張アーム26は、それらが互いに機械的に接続されていないとき、さらに重要なのは、機械的な接続が断たれた場合に、移動して互いから離れる傾向を有するような形状記憶特性を折り曲げられたアーム26にもたらすために、図3及び4に図示するように意図的に後方へ曲げられる。
【００２６】
図5を参照すると、集電端子22の対のアーム32及び34が、第1の電気化学電池20のすべての正極のすべての集電体にクリンプされ、集電端子23の対のアーム32及び34が、第1の電気化学電池20に隣接する第2の電気化学電池20のすべての負極のリチウムの金属薄片のすべての拡張部にクリンプされている。折り曲げられた拡張アーム26は、その初期形状により、後方へ曲げられ間隔をおいて配置された状態のままである。
【００２７】
図6を参照すると、隣接する集電端子22及び23の折り曲げられた拡張アーム26が合わせられ、濃い線28によって図示するように、拡張アーム26の縁部が互いに溶接されている。図1に示すように、拡張アーム26の縁部は、全長に沿って溶接される。折り曲げられた拡張アーム26は、ビスマス(Bi)又はビスマス-スズ(Bi-Sn)など、180℃以下の溶融温度Tfを有する特定の金属又は金属合金で溶接され、第1及び第2の電気化学電池20の集電端子22と23の間の電気的な接続をもたらす。
【００２８】
多数の電気化学電池20を有するバッテリにおいて内部短絡が生じた場合、バッテリの温度、具体的には内部短絡を受ける1つ又は複数の電気化学電池20の温度が、急速に危険なレベルまで上昇する。電気化学電池20の1つの温度が溶接金属の溶融温度Tf(180℃以下)に達すると、溶接金属が融解し、折り曲げられた拡張アーム26は、図5の点線の矢印Sによって示すように、スプリングバックして拡張アーム26の元の形状に戻り、分離し、それによって、隣接する電気化学電池間の電気的な接続を切断し、短絡を遮断し、理論的には短絡が遮断されない場合に生じる急速な温度上昇を防止する。折り曲げられた拡張アーム26の形状記憶と、2つの隣接する集電端子22及び23を溶接するために使用する金属の溶融温度Tfとを組み合わせることによって、バッテリに対して、内部短絡が生じた場合に1つ又は複数の電気化学電池20の電気的な分離を可能にする、安全機能が加えられる。
【００２９】
図7は、同じ集電端子22及び23が、集電端子22及び23の長さを延長する、2つの隣接する集電端子22及び23の折り曲げられた拡張アーム26の間に位置決めされた、非導電性のゴム、プラスチック又はポリマーで作製された弾性のコード、チューブ又はスティックの形のバイアス手段40によって補完された、本発明の第2の実施形態を示している。これまでに言及したように、折り曲げられた拡張アーム26は後方へ曲げられ、また互いに機械的に接続されていないとき、移動して互いから離れる傾向を有するような形状記憶特性を有する。バイアス手段40は、溶接金属が融解するとスプリングバックの力が高められるように、折り曲げられた拡張アーム26の形状記憶特性にさらに力を加える。バイアス手段40は、隣接する集電端子22及び23の折り曲げられた拡張アーム26が分離されたとき、拡張アーム26が再接続しないことも保証する。
【００３０】
図8に示すように、集電端子22の対のアーム32及び34は、第1の電気化学電池20のすべての正極のすべての集電体にクリンプされ、集電端子23の対のアーム32及び34は、第1の電気化学電池20に隣接する第2の電気化学電池20のすべての負極のリチウムの金属薄片のすべての拡張部にクリンプされる。折り曲げられた拡張アーム26は、その初期形状により、後方へ曲げられ間隔をおいて配置された状態のままである。図示するように、ゴムのようなコードの形のバイアス手段40が、2つの隣接する折り曲げられた拡張アーム26の間の空間に挿入される。図9を参照すると、隣接する集電端子22及び23の折り曲げられた拡張アーム26が合わせられ、濃い線28によって図示するように、拡張アーム26の縁部が互いに溶接されている。図1に示すように、拡張アーム26の縁部は、全長に沿って溶接される。図9に示すように、折り曲げられた拡張アーム26は合わせられ、濃い線28によって図示するように、拡張アーム26の縁部は互いに溶接される。折り曲げられた拡張アーム26は、ビスマス(Bi)及びビスマス-スズ合金(Bi-Sn)など、180℃以下の溶融温度Tfを有する特定の金属又は金属合金で溶接され、第1及び第2の電気化学電池20の集電端子22と23の間の電気的な接続をもたらし、またバイアス手段40が圧縮され、溶接された拡張アーム26の間に閉じ込められる。
【００３１】
多数の電気化学電池20を有するバッテリにおいて内部短絡が生じた場合、バッテリの温度、具体的には内部短絡を受ける1つ又は複数の電気化学電池20の温度が、急速に危険なレベルまで上昇する。電気化学電池20の1つの温度が溶接金属の溶融温度Tf(180℃以下)に達すると、溶接金属が融解し、折り曲げられた拡張アーム26は、折り曲げられた拡張アーム26の形状記憶特性によって、ならびに膨張してその元の形に戻る、折り曲げられた拡張アーム26の間で圧縮されたバイアス手段40の力によって外側へ押しやられ、図8の点線の矢印Sによって示すように、スプリングバックして元の形状に戻る。それによって、折り曲げられた拡張アーム26が分離され、隣接する電気化学電池間の電気的な接続及び短絡を遮断し、理論的には電気的な接続が遮断されない場合に生じる急速な温度上昇を防止する。バイアス手段40は、溶接金属が融解するとさらに力を加え、折り曲げられた拡張アーム26を分離する。溶接金属の溶融温度Tf、折り曲げられた拡張アーム26の形状記憶、及びバイアス手段40を組み合わせることによって、バッテリに対して、内部短絡が生じた場合に1つ又は複数の電気化学電池20の電気的な分離を可能にする、安全機能が加えられる。
【００３２】
当業者には、本発明の前述の実施形態に対する変更及び改善を明らかにすることができる。前述の説明は、限定ではなく例示のためのものである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されることが意図される。
【符号の説明】
【００３３】
20  電気化学電池
22  集電端子
23  集電端子
26  折り曲げられた拡張アーム
30  絶縁性の薄膜
32  アーム
34  アーム
38  陥凹部
40  バイアス手段
【図１】
0005894162.tif 000002
【図２】
0005894162.tif 000003
【図３】
0005894162.tif 000004
【図４】
0005894162.tif 000005
【図５】
0005894162.tif 000006
【図６】
0005894162.tif 000007
【図７】
0005894162.tif 000008
【図８】
0005894162.tif 000009
【図９】
0005894162.tif 000010