(57)【要約】【課題】高強度および改良された熱的性質の組み合わせによって、熱現象中にセル壁の完全性を維持するのを助けることができるセル構造を提供する。【解決手段】高降伏強度素材の一つ以上の層からなる事前成形スリーブ(３０１)あるいは事前成形二次カン(４０１)が事前成形バッテリーケース(１０１)の周囲に配置される方法および装置が提供され、事前成形スリーブ／二次カンは、熱暴走現象中にバッテリーケーシングに生じる孔を経てバッテリー内から高温高圧ガスが流出するのを抑止する。【選択図】図３
2011023338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーアセンブリであって、
バッテリーと、
事前成形スリーブと、を具備してなり、
前記バッテリーは、
外側側壁面と、第１の端部および第２の端部と、を有する事前成形セルケースであって、前記第１の端部はセルケース底部から構成されており、かつ、前記第２の端部はキャップアセンブリ保持リップおよび中央開口部から構成されている事前成形セルケースと、
前記事前成形セルケース内に収容された電極アセンブリであって、この電極アセンブリの第１の電極は前記事前成形セルケースに対して電気的に接続されている電極アセンブリと、
前記事前成形セルケースに対して取り付けられたキャップアセンブリであって、このキャップアセンブリは前記第２の端部の前記中央開口部を閉塞し、前記キャップアセンブリはさらに、前記事前成形セルケースから電気的に絶縁されかつ前記電極アセンブリの第２の電極に対して電気的に接続されたバッテリーターミナルを具備してなるキャップアセンブリと、
を具備してなり、
前記事前成形スリーブは前記事前成形セルケースの周囲にかつそれと接触状態で配置され、前記事前成形スリーブは前記事前成形セルケースとは別個に形成され、前記事前成形スリーブの内面は前記事前成形セルケースの前記外側側壁面に近接しており、前記事前成形スリーブは高降伏強度素材から形成され、前記事前成形スリーブは、熱暴走現象中に、前記セルケースの前記外側側壁面に生じた孔を経て、前記バッテリー内から高温高圧ガスが漏れ出すのを抑止するようになっていることを特徴とするバッテリーアセンブリ。
【請求項２】
前記バッテリーは、前記事前成形セルケースの周囲に前記事前成形スリーブを配置するのに先立って、事前組み立てされることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項３】
前記事前成形スリーブは、前記事前成形セルケースの周囲に圧力嵌めされることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項４】
前記事前成形スリーブは、前記高降伏強度素材の単一の層から構成されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項５】
前記事前成形スリーブは複数の層から構成され、前記複数の層のそれぞれは前記高降伏強度素材から構成されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項６】
前記事前成形スリーブは複数の層から構成され、前記複数の層は少なくとも二つの異なる前記高降伏強度素材から構成されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項７】
前記事前成形スリーブは事前成形二次カンの一部を具備してなり、前記事前成形二次カンはさらに、前記高降伏強度素材からなる底部を具備してなり、前記事前成形二次カンの前記底部は前記セルケース底部を覆うと共にそれに近接していることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項８】
前記高降伏強度素材は、エンジニアリングスチール、高強度構造用スチール、メッキスチール、ステンレススチール、チタニウム、チタニウム合金およびニッケル合金からなる素材群から選択されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項９】
前記高降伏強度素材は、少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項１０】
前記高降伏強度素材は、１０００℃の温度で、少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項１１】
前記高降伏強度素材は、少なくとも５００ＭＰａの降伏強度を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項１２】
前記事前成形セルケースの前記外側側壁面のケース接触領域は、前記事前成形スリーブによって覆われないままであり、前記ケース接触領域は、前記事前成形セルケースの前記第２の端部の端面に近接していることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項１３】
前記事前成形セルケースの前記外側側壁面のケース接触領域は、前記事前成形スリーブによって覆われないままであり、前記ケース接触領域は、前記事前成形セルケースの前記第１の端部の端面に近接していることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のバッテリーアセンブリ。
【請求項１４】
熱暴走中に前記バッテリーに対応するバッテリーケースの外面に生じる孔を経てバッテリー内から高温高圧のガスが流出するのを抑止するための方法であって、
前記バッテリーケースの形成後に前記バッテリーケースの前記外面の周囲に事前成形スリーブを取り付けるステップを具備し、
さらに、前記事前成形スリーブ用の高降伏強度素材を選択するステップを具備し、
前記高降伏強度素材は少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有し、
前記取り付けステップは、前記バッテリーケースの形成後であって、かつ、前記熱暴走現象に先立って実施されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記バッテリーケースの前記外面の周囲に前記事前成形スリーブを取り付けるステップの完了後、底部内面がセルケース底部に隣接するよう前記事前成形スリーブは事前成形二次カンの形態であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記取り付けステップは前記バッテリーの組み立て後に実施されることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、バッテリーに関し、さらに詳しくは、熱暴走中のセル壁の完全性を維持するための手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリーは、大まかに、一次および二次バッテリーに分類できる。(使い捨て式バッテリーとも呼ばれる)一次バッテリーは消耗するまで使用され、その後、それらは単に一つ以上の新しいバッテリーと交換される。(より一般的には充電式バッテリーと呼ばれる)二次バッテリーは、繰り返し充電して、再使用することができ、したがって、使い捨て式バッテリーに比べて、経済的で、環境にやさしく、そして使いやすいという利点を提供する。
【０００３】
充電式バッテリーは使い捨て式バッテリーに対して、数多くの利点を提供するが、このタイプのバッテリーは欠点がないわけではない。概して、充電式バッテリーに関連する不都合のほとんどは、使用されているバッテリーの化学的性質に起因するが、これは、その化学的組成が一次セルにおいて使用されるものよりも安定性が低いからである。こうした相対的に不安定な化学的性質に起因して、二次セルはたいてい、製造中、特殊な扱いが必要になる。さらに、リチウムイオンセルなどの二次セルは一次セルよりも熱暴走を生じやすく、熱暴走は、除去できるよりも多くの熱が発生するポイントまで内部反応速度が増大したときに起こり、反応速度および熱発生量のさらなる増大につながる。最終的に、発生する熱量は、バッテリーだけでなくバッテリー付近の物質を燃焼に至らせるのに十分なほど大きなものとなる。熱暴走は、セル内の短絡、不適切なセルの使用、物理的乱用、製造欠陥、あるいはセルが極度の外部温度に曝されることによって引き起こされることがある。
【０００４】
熱暴走は重大な事柄である。というのは、単一の出来事が甚大な特性障害に、そしてある状況では、人体への危害あるいは人命の損失につながることがあるからである。バッテリーが熱暴走を起こした際、それは、通常、大量の煙、発炎液状電解質のジェット、そしてセル近傍の物質の燃焼および分解が生じるのに十分な熱を放出する。熱暴走を起こしているセルが、バッテリーパックにおいては典型的であるように、一つ以上のさらなるセルによって取り囲まれている場合、ただ一つの熱暴走現象が多数のセルの熱暴走につながることがあり、これは、さらに広範な二次的損害につながることがある。こうした現象を生じるのが単一のセルであるか複数のセルであるかにかかわらず、初期火災を直ちに消火できない場合、特性障害の程度を著しく拡大する後続火災が生じ得る。たとえば、無人のラップトップ内のバッテリーの熱暴走は、おそらく、ラップトップの破壊だけでなく、少なくともその周囲環境、たとえば家、オフィス、車、実験室などの少なくとも部分的な破壊を生じるであろう。ラップトップが航空機、たとえば貨物倉あるいは荷物室内に搭載されている場合、結果として生じる煙および火災は、緊急着陸に、あるいはさらに悲惨な状況下では不時着につながることがある。同様に、ハイブリッドあるいは電気自動車のバッテリーパック内の一つ以上のバッテリーの熱暴走は、車を損傷させるだけでなく、車が運行されている場合には車の残骸化に、あるいは駐車されている場合には、その周囲の破壊につながることがある。
【０００５】
この問題を克服するための一つの解決策は、熱暴走のリスクを低減することである。たとえば、バッテリーが貯蔵および／または取り扱い中にショートする避けるために、たとえばバッテリーターミナルを絶縁しかつ特殊構造のバッテリー貯蔵コンテナを使用することによって、バッテリーが適切に貯蔵されることを保証するための予防処置を施すことができる。熱暴走問題を克服するためのその他の解決策は、新しいセルの化学的組成を開発しかつ／または既存のセルの化学的組成を改変することである。たとえば、高い充電電位に対してより抵抗性がある複合陰極を開発するための研究が、目下、進行中である。電極上により安定な不活性化層を形成する電解質添加物を開発するための研究もまた進行中である。この研究は改善されたセルの化学的性質およびセル構造をもたらすであろうが、目下、この研究は、熱暴走の可能性の排除ではなく、その低減が期待されているに過ぎない。
【０００６】
図１は、従来型のバッテリー１００、たとえば18650フォームファクターを採用するリチウムイオンバッテリーの概略断面図である。バッテリー１００は、円筒形ケース１０１と、電極アセンブリ１０３と、キャップアセンブリ１０５とを備えている。ケース１０１は、通常、それがバッテリー物質、たとえば電解質、電極アセンブリなどと反応しないように選択された、ニッケルメッキスチールなどの金属から形成される。通常、ケース１０１は、底面１０２がケースと一体化されて、シームレスな下側セルケーシングが実現されるように製造される。セルケース１０１の開放端部はキャップアセンブリ１０５によって封止されるが、このアセンブリ１０５は、バッテリーターミナル１０７、たとえば陽極ターミナルと、インシュレータ１０９とを含んでおり、このインシュレータ１０９はターミナル１０７がケース１０１と電気的に接触するのを阻止する。図示していないが、典型的なキャップアセンブリはまた、内部正温度係数(ＰＴＣ)電流制限デバイス、電流遮断デバイス(ＣＩＤ)および通気機構を含み、通気機構は、高圧で壊れ、セル内容物が流出するための経路を提供するよう構成されている。さらに、キャップアセンブリ１０５は、選択された設計／形態に依存して、その他のシールおよび要素を含んでいてもよい。
【０００７】
電極アセンブリ１０３は、たいてい「ジェリーロール」と呼ばれる螺旋パターンで一つに巻回された、陽極シート、陰極シート、および介在セパレータからなる。陽電極タブ１１１は巻回電極アセンブリの陽電極を陰極ターミナルに接続し、一方、陰極タブ１１３は巻回電極アセンブリの陰電極を陽極ターミナルに接続する。図示する実施形態では、陰極ターミナルはケース１０１であり、かつ、陽極ターミナルはターミナル１０７である。大半の形態では、バッテリー１００はまた一対のインシュレータ１１５／１１７を備える。ケース１０１は、内部要素、たとえばシール、電極アセンブリなどを適所で保持するのを助けるよう設計されたカシメ部１１９を備える。
【０００８】
図１に示すセルなどの、従来のセルにおいては、さまざまな異なる粗雑な運用／充電状況および／または製造欠陥によってセルが熱暴走に突入することがあるが、この場合、内部に生じる熱は、効果的に除去できるより大きなものである。その結果、大量の熱エネルギーが急激に放出され、これはセル全体を９００℃以上の温度まで加熱し、温度が１５００℃を超えることがある局所高温スポットを発生させる。このエネルギー放出に伴うのがガスの放出であり、セル内のガス圧力を増大させる。
【０００９】
熱暴走の影響と闘うために、従来型のセルは、通常、キャップアセンブリ内に通気要素を備える。この通気要素の目的は、熱暴走現象中に生じるガスを、ある程度制御された様式で放出し、これによってセルの内部ガス圧がその所定の運用範囲を超えるのを阻止することである。
【００１０】
セルの通気要素は過大な内圧を阻止し得るが、この要素は熱暴走現象の熱的な面に関しては、わずかな効果しか発揮しない。たとえば、局所高温スポットがセル１００内で位置１２１において生じたとき、このスポットにおいて放出される熱エネルギーは、その融点を上回るまで単一層ケーシング壁１０１の隣接領域１２３を加熱するのに十分なものである。たとえ、領域１２３の温度がその融点を超えて増大しなくても、領域１２３の温度と増大する内部セル圧との協働作用によって、この位置において、急速に、ケーシング壁には孔があく。いったん孔があくと、増大した内部セル圧によって、さらなる高温ガスが、この位置に送り込まれ、この位置および隣接位置において、セルをさらに損傷させる。
【００１１】
セルが熱暴走を生じ、そして意図された通気要素を用いて制御された様式で排気する場合でも、通気孔のサイズ、セル壁の材料特性、そしてそれが破損した通気孔に向かって集中する際にセル壁に沿って移動する高温ガスの流れによって、セル壁は、やはり、孔があくことがあることに留意されたい。いったんセル壁が損傷すると、すなわち孔があくと、そうした高温スポットの予測不可能な位置、ならびにそうしたセル壁の孔が成長して隣接セルに影響を与える予測不可能な様式に起因して、二次的損傷は急激に拡大することがある。たとえば、セルがバッテリーパックを構成する大規模なセル列の一つである場合、セル孔から漏れ出す高温ガスのジェットが、隣接するセルをその臨界温度以上に加熱し、隣接するセルを熱暴走状態に突入させる。したがって、熱暴走中に一つのセルの壁の孔がバッテリーパックの全体にわたって広がり得るカスケード反応を生じることがあることは明らかである。さらに、第１のセルからセル孔を漏れ出す高温ガスのジェットが隣接セルにおける熱暴走を引き起こさない場合でさえ、それは依然として、たとえば隣接セル壁を弱めることで、隣接セルの健全性に影響を及ぼすことがあり、これによって隣接セルは将来的に損傷をより受けやすいものとなる。
【００１２】
上述したように、セル孔は、集中熱現象による高温高圧のガスがセルの内面付近を流動している局所的な一過性の高温スポットに起因する。セルの一過性高温スポットがセル壁に孔をあけるか、あるいは単に消散してセルケーシングを無傷なままとするかは、さまざまな因子に依存する。上記因子は二つのグループに、すなわち熱現象の性質に基づくものと、セルケーシングの物理的特性に基づくものとに分けることができる。第１グループ内の因子は、熱現象の持続時間および当該現象によって生じるガスの量だけでなく、高温スポットのサイズおよび温度を含む。第２グループ内の因子は、温度の関数としてのケーシングの降伏強度、熱容量および熱伝導率だけでなく、壁厚を含む。
【００１３】
図２は、セルの破壊抵抗性を改善するための、ある従来の解決策を示しているが、ここでは損傷は熱的に誘発される壁の穴あきと規定される。図示のとおり、セル２００においてケーシング２０１の厚みは著しく増大させられており、これによってセルの破壊抵抗性はセル重量を犠牲にして改善される。
【００１４】
特許文献１には、セルケーシングの設計に対する代替策が開示されている。この特許は、ケースの変形を抑えることができる、軽量、高剛性なセルケーシングを提供することを提案しており、開示されたセルケーシングは、クラッド素材を深絞りすることによって形成される。好ましくは、クラッド素材は、アルミニウムシートと鉄シートを一つに拡散接合することによって形成されるが、アルミニウムシートが低重量をもたらし、そして鉄シートが高剛性をもたらす。少なくともある実施形態においては、深絞り製造ステップ中に使用されるクラッド素材はまた、鉄シートの内面上のニッケルの層と、鉄シートの外面上であって鉄およびアルミニウムシート間に介在させられたニッケルの第２の層とを含み、ニッケル層は腐食抵抗性をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第6,127,064号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述しかつ従来公知の技術は、高強度バッテリーケーシングを実現するために使用可能であるが、一般に、こうした技術は、所望の壁強度を実現するために、かなりの壁厚みを、したがって過大な重量を必要とする。さらに言えば、こうした技術は、壁強度および剛性を改善するが、それらは、必ずしも、熱現象(たとえば熱暴走)中の壁の熱的性質を改善しない。したがって、必要とされているのは、高強度および改良された熱的性質の組み合わせによって、熱現象中にセル壁の完全性を維持するのを助けることができるセル構造である。本発明はそうしたセル構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、熱暴走現象中にバッテリーケーシングに生じる孔を経てバッテリー内からの高温高圧ガスが流出するのを抑止するための方法および装置を提供する。
【００１８】
本発明の少なくとも一つの実施形態においては、バッテリーと、事前成形バッテリーセルケースの周囲に配置された事前成形スリーブとからなるバッテリーアセンブリが提供されるが、この事前成形スリーブが、熱暴走現象中にバッテリーセルケースの外面に生じる孔を経てバッテリー内から高温高圧ガスが漏れ出すのを抑止する。事前成形スリーブは、高降伏強度素材の単一の層から構成されてもよく、少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有する素材の単一の層から構成されてもよく、１０００℃の温度で少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有する素材の単一の層から構成されてもよく、かつ／または少なくとも５００ＭＰａの降伏強度を有する素材の単一の層から構成されてもよい。事前成形スリーブは複数の層から構成されてもよく、複数の層のそれぞれは高降伏強度素材から構成され、複数の層のそれぞれは少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有する素材から構成され、複数の層のそれぞれは１０００℃の温度で少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有する素材から構成され、かつ／または複数の層のそれぞれは少なくとも５００ＭＰａの降伏強度を有する素材から構成される。事前成形スリーブは、少なくとも二つの異なる高降伏強度素材からなる複数の層から構成されてもよく、少なくとも二つの異なる高降伏強度素材のそれぞれは少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有し、少なくとも二つの異なる高降伏強度素材のそれぞれは１０００℃の温度で少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有し、かつ／または少なくとも二つの異なる高降伏強度素材のそれぞれは少なくとも５００ＭＰａの降伏強度を有する。代表的な高降伏強度素材としては、エンジニアリングスチール、高強度構造用スチール、メッキスチール、ステンレススチール、チタニウム、チタニウム合金およびニッケル合金が挙げられる。
【００１９】
本発明の少なくとも一つの実施形態においては、バッテリーと、事前成形バッテリーセルケースの周囲に配置された事前成形二次カンとからなるバッテリーアセンブリが提供されるが、この事前成形二次カンが、熱暴走現象中にバッテリーセルケースの外面に生じる孔を経てバッテリー内から高温高圧ガスが漏れ出すのを抑止する。事前成形二次カンは、高降伏強度素材の単一の層から構成されてもよく、少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有する素材の単一の層から構成されてもよく、１０００℃の温度で少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有する素材の単一の層から構成されてもよく、かつ／または少なくとも５００ＭＰａの降伏強度を有する素材の単一の層から構成されてもよい。事前成形二次カンは複数の層から構成されてもよく、複数の層のそれぞれは高降伏強度素材から構成され、複数の層のそれぞれは少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有する素材から構成され、複数の層のそれぞれは１０００℃の温度で少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有する素材から構成され、かつ／または複数の層のそれぞれは少なくとも５００ＭＰａの降伏強度を有する素材から構成される。事前成形二次カンは、少なくとも二つの異なる高降伏強度素材からなる複数の層から構成されてもよく、少なくとも二つの異なる高降伏強度素材のそれぞれは少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有し、少なくとも二つの異なる高降伏強度素材のそれぞれは１０００℃の温度で少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有し、かつ／または少なくとも二つの異なる高降伏強度素材のそれぞれは少なくとも５００ＭＰａの降伏強度を有する。代表的な高降伏強度素材としては、エンジニアリングスチール、高強度構造用スチール、メッキスチール、ステンレススチール、チタニウム、チタニウム合金およびニッケル合金が挙げられる。
【００２０】
本発明の少なくとも一つの実施形態では、熱暴走現象中にバッテリーケースの外面に生じる孔を経てバッテリー内から高温高圧のガスが流出するのを抑止するための方法が提供されるが、当該方法は、バッテリーケースの形成後にバッテリーケースの外面の周囲に事前成形スリーブを取り付けるステップを具備し、当該方法はさらに、事前成形スリーブ用の高降伏強度素材を選択するステップを具備し、この高降伏強度素材は少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有し、取り付けステップは、バッテリーケースの形成後であって、かつ、熱暴走現象に先立って実施される。さらに、取り付けステップはバッテリーの組み立て後に実施されてもよい。
【００２１】
本発明の少なくとも一つの実施形態では、熱暴走現象中にバッテリーケースの外面に生じる孔を経てバッテリー内から高温高圧のガスが流出するのを抑止するための方法が提供されるが、当該方法は、バッテリーケースの形成後にバッテリーケースの外面の周囲に事前成形二次カンを取り付けるステップを具備し、当該方法はさらに、事前成形二次カン用の高降伏強度素材を選択するステップを具備し、この高降伏強度素材は少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を有し、取り付けステップは、バッテリーケースの形成後であって、かつ、熱暴走現象に先立って実施される。さらに、取り付けステップはバッテリーの組み立て後に実施されてもよい。
【００２２】
本発明の特性および利点のさらなる理解は、本明細書の以下の記載および図面からもたらされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】18650フォームファクターを用いたセルの概略断面図である。
【図２】従来の解決策に基づいて破壊抵抗性を向上させるべく改変された、図１のセルを示す図である。
【図３】高降伏強度スリーブを用いた本発明の好ましい実施形態を示す図である。
【図４】高降伏強度二次カンを用いた本発明の好ましい実施形態を示す図である。
【図５】図３に示す実施形態の変形例を示しており、この変形形態は多層スリーブを使用している。
【図６】図４に示す実施形態の変形例を示しており、この変形形態は多層二次カンを使用している。
【図７】図３に示す実施形態の変形例を示しており、この変形形態は上側および下側電気接触領域を含んでいる。
【図８】図４に示す実施形態の変形例を示しており、この変形形態は上側電気接触領域を含んでいる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、「バッテリー」、「セル」および「バッテリーセル」との用語は互換的に使用可能であり、しかも、これに限定されるわけではないが、リチウムイオン(たとえばリチウム鉄リン酸塩、リチウムコバルト酸化物、その他のリチウム金属酸化物など)、リチウムイオンポリマー、ニッケル金属水素化物、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、ニッケル亜鉛、銀亜鉛、あるいはその他のバッテリータイプ／形態を含む、さまざまな異なるセル化学組成および形態のいずれかを意味する。本明細書で用いている「バッテリーパック」との用語は、単一部品あるいは複数部品ハウジング内に収容された複数の個々のバッテリーを意味し、この個々のバッテリーは所望の電圧および特定の用途のための性能を実現するために電気的に相互接続される。「組み立てられたバッテリー」および「組み立てられたセル」との用語は互換的に使用可能であり、かつ、電気的に機能するセルを形成するために製造および組み立てステップが完了したセルを意味する。「製造されたセルケーシング」および「形成されたセルケーシング」との用語は互換的に使用可能であり、かつ、形成／製造ステップが完了すると共に内部バッテリーコンポーネント(たとえば、電極、電解質、スペーサ、キャップアセンブリなど)を封入する準備が整ったセルケーシングを意味する。各図において使用している同一の参照数字は同じコンポーネントを、あるいは同等の機能のコンポーネントを指している。さらに図面は本発明の範囲を限定することではなく、単に例示することを目的とするものであり、一定の率で拡縮したものであると解釈すべきではない。
【００２５】
本明細書を通じて、本発明について、18650フォームファクターを用いたセルに関して説明する。だが、本発明はまた、本発明の機能を維持しながら、他のセル構造、形状、化学的性質、フォームファクターおよび形態にも適用可能であることを理解されたい。たとえばプリズムおよびパウチセルにも同様に適用可能である。
【００２６】
本発明者は、大型のバッテリーパック内のバッテリーに課された重量制限、ならびに熱暴走中の壁の孔の発生および拡大の一因となる因子を認識した。さらに本発明者は、いったんセルが熱暴走状態に突入すると、それはもはや存続可能ではなく、したがって、この時点においてセルケーシングの主たる目的は、熱暴走現象によって生じる高温の漏出ガスに関する方向および経路を制御することであることを認識した。こうした設計パラメータの認識に関連して、本発明の目的は、漏出ガスが隣接セルに悪影響を与え得るセルの側からの高温高圧ガスを最小限に抑える(完全に排除しない場合)ことである。壁の孔を経て高温のガスが流出することを可能とするのではなく、本発明は、両端面から、あるいはある実施形態ではセル端面の一方のみから、このガスを強制的にセルから排出する。
【００２７】
図３は、本発明の第１の好ましい実施形態を示している。この実施形態においては、図１に示すような従来型のセルは、外側ケーシング壁１０１の上に縦方向に事前成形スリーブ３０１を配置することによって改変されている。好ましくは、事前成形スリーブ３０１は、セルの組み立てが完了した後に、ただしセルの意図された用途、たとえばバッテリーパック内へのセルの封入に先立って付加される。これに代えて、事前成形スリーブ３０１は、セルケーシングの製造の後に別個の製造ステップで、ただしセル組み立てに先立って付加されてもよい。図示するように、この実施形態では、スリーブ３０１はセルケースの側壁３０３のみを覆っており、ケーシングの底面３０５は覆っていない。図４はこの実施形態の変更例を示しており、このものでは、事前成形二次カン４０１がセルケーシングの上に縦方向に配置され、これによって側壁４０１およびセル底面３０５の両方を覆っている。図３に示す実施形態と同様、事前成形二次カン４０１は、セルが組み立てられた後あるいはセルケーシング１０１の形成／製造後に、ただしバッテリー組み立てに先立って付加される。
【００２８】
スリーブが図３に示すようにセルに付加されるか、あるいは二次カンが図４に示すようにセルに付加されるかに関係なく、好ましくは、スリーブ３０１の内面またはカン４０１の内面とセルケーシングの外面との間には極小クリアランスが存在する。少なくともある実施形態においては、スリーブあるいは二次カンは、たとえば油圧プレス嵌めシステムを用いて、セルケーシングに対してプレス嵌めあるいは圧力嵌めされる。
【００２９】
本発明者は、熱暴走現象の間、図３および図４に示すスリーブあるいは二次カンを備えたセルの挙動は、従来型のセルが本発明に基づいて製造されたセルと同じ組成および厚みを有する素材から製造される場合でさえ、従来型セルとは全く異なることを見出した。挙動の違いは、主として、スリーブと組み立てられたセルのセルケーシングとの、あるいは二次カンと組み立てられたセルのセルケーシングとの間に生じる熱接触抵抗に起因する。たとえば、厚さ０.１３ミリメーターの単一のステンレススチール壁を備えた18650セルの熱抵抗は８.１５６×１０−６Ｃｍ２／Ｗである。これに対して、二つの壁が０.１３ミリメーターの組み合わせ厚みを有し、かつ、外壁がセル組み立て後に付加された事前成形スリーブの形態である二重ステンレススチール壁を備えた18650セルの熱抵抗は２.０８２×１０−４Ｃｍ２／Ｗである。したがって、全てのその他の因子が同一であるならば、スリーブを付加することは約２５倍だけ熱抵抗を増大させる。この結果、この形態に関しては、１７００Ｋの内部温度を有するセルは、スリーブを持たない従来形態が１５００Ｗ超であるのに対して、約６０Ｗの熱エネルギーしか熱伝導によって伝達しない。
【００３０】
バッテリーケーシングの設計に関する従来知識は、所望のセル特性、壁強度、腐食抵抗性、少ない重量といった特性などを実現するために、ケース製造中に、ケーシングの構成および／または厚みを変更することであった。こうした目的は、ケース構造によって達成可能であるが、本発明者は、こうした改良では、本発明の目的(すなわち熱現象中の孔あきに対するセルケーシングの抵抗性を増大させること、ならびに隣接セルへの熱現象の伝播に対する抵抗性を増大させること)が十分に達成されないことを見出した。
【００３１】
別個のスリーブ／二次カンの使用は、単にケーシング１０１の壁厚を増大させかつ／または壁をさまざまな素材からなる複数の層から構成するという従来の解決策に対して、数多くの利点を提供し得る。まず第一に、セル壁を経て高温高圧のガスが漏れ出すリスクを格段に低減すると共にこの漏れ出したガスをセル端部へと向きを変えるという目的はいずれも、従来の解決策を用いて同じ性能を実現するために必要とされるであろうよりも著しく少ない重量をセルに付加しながら実現される。第二に、スリーブ３０１(あるいはカン４０１)はセル組み立てが完了した後に、あるいは少なくともセルケース製造後に付加されるので、この解決策は、ほとんどいかなる製造業者のセルと共に使用できる。なぜなら、それはセル製造プロセスに影響を与えないからである。第三に、ケーシング１０１のために選択される素材はセル内容物(たとえば電解質および電極アセンブリ)と無反応であるべきであるが、そうした素材の制約はスリーブ３０１あるいはカン４０１に課されない。したがって、スリーブ３０１あるいはカン４０１のために使用される素材は、セル側壁からの高温高圧ガスの漏れ出しを最小限に抑えるかあるいはそれを排除するために、その能力に基づいて選択できる。
【００３２】
好ましくは、スリーブ３０１あるいはカン４０１の破壊抵抗性は、高温で高い降伏強度を示す素材からスリーブを製造することによってさらに高められる。好ましくは、スリーブ３０１あるいはカン４０１の降伏強度は、室温で少なくとも２５０ＭＰａ、より好ましくは１０００℃の温度で少なくとも２５０ＭＰａ、より一層好ましくは室温で少なくとも５００ＭＰａ、そしてさらにより一層好ましくは１０００℃の温度で少なくとも５００ＭＰａである。
【００３３】
上述したようなケースとスリーブあるいはカンとの間の熱接触抵抗を仮定すれば、そしてスリーブ／カンが好ましくは高降伏強度素材から構成されると仮定すれば、通常は、ケーシング１０１のみに熱暴走中に孔があき、外部スリーブ３０１(あるいはカン４０１)は無傷のまま残る。この結果、隣接するセルは、高温高圧ガス流にさらされない。さらに、この状況では、そしてケース１０１の外面とスリーブ３０１あるいはカン４０１の内面との間の最小クリアランスを仮定すれば、スリーブ３０１あるいはカン４０１はケース壁の孔の急速な拡大を阻止し、これによってケース壁の孔を経て漏れ出すガスの両を最小限に抑える。この効果は、増大する内圧によって熱暴走中にわずかに広がるセルケース寸法によって促進され、これによって、セル外面とスリーブまたはカンの内面との間の接触がさらに改善される。したがって、高温ガスがケース壁孔を経て漏れることは、ほとんどなく(もし存在する場合)、そしてまさに漏れ出したものは、スリーブ３０１によって両セル端部へと、あるいはカン４０１によって上側セル端部へと方向が変えられるが、ここでは、隣接セルへのその影響が最小限に抑えられる。スリーブ付きセルからの実質的に低減された熱伝導と組み合わされた、変質セルからの高温高圧ガスの流動の抑止によって、隣接セルへと熱暴走を生じているセルから伝達される熱エネルギーがかなりの程度低減され、これによってバッテリーパックの全体にわたって、ただ一つの熱現象が伝播する可能性が低減される。
【００３４】
スリーブ３０１あるいはカン４０１の製造に使用するのに適した、さまざまな素材が存在することは明らかである。代表的素材としては、エンジニアリングおよび高強度構造用スチール、メッキスチール、ステンレススチール、チタニウム、チタニウム合金およびニッケル合金が挙げられる。スリーブ３０１／カン４０１を製造するための好ましい技術は、選択された素材だけでなく、スリーブあるいはカンがそのために使用されることになるセルの形状にも依存する。たとえば、セルが18650フォームファクターを有する場合、スリーブ／カンは円筒形状とされる。スリーブ３０１およびカン４０１は、これに限定されるわけではないが、(ｉ)スリーブの絞り加工、(ii)セルの周囲に所望の素材からなるストリップあるいはシートを巻き付け、縁部を一つに溶接あるいは機械的に結合すること、(iii)所望の素材からなるストリップまたはシートを所望の形状へと曲げ加工し、そして溶接すること、あるいは(iv)所望の素材からなるストリップまたはシートを所望の形状へと曲げ加工し、そして機械的な相互連結によって二つの縁部を互いに結合することを含む、さまざまな技術のいずれかを用いて製造できる。スリーブあるいはカンは本来の場所へと結合可能である。
【００３５】
図５および図６は、図３および図４に示す実施形態の変形例をそれぞれ示しており、このものでは、スリーブ５０１あるいはカン６０１は複数の層５０３〜５０５から形成されている。好ましくは図示のとおり三つの層が使用されるが、より少ない数のあるいはより多い数の層が、これら実施形態においては使用可能であることは明らかである。好ましくは、上記層の全ては、高温で高い降伏強度を、より好ましくは室温で少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を、より一層好ましくは１０００℃の温度で少なくとも２５０ＭＰａの降伏強度を、より一層好ましくは室温で少なくとも５００ＭＰａの降伏強度を、そしてさらにより一層好ましくは１０００℃の温度で少なくとも５００ＭＰａの降伏強度を示す素材から構成される。複数の層は同一の素材から、あるいは一つ以上の異なる素材からなっていてもよい。代表的な素材としては、さまざまなエンジニアリングおよび高強度構造用スチール、メッキスチール、ステンレススチール、チタニウムおよびチタニウム合金、そしてニッケル合金が挙げられる。
【００３６】
スリーブを使用する図３および図５に示す実施形態においては、18650フォームファクターセルにおけるように、底部露出面３０５において、セルの端子の一方であると仮定すれば、通常、電気的接触はセルケーシングに対してなされる。これに代えて、スリーブを構成する素材が導電性を有し、かつ、外側セル側壁とスリーブとの間に電気絶縁体(たとえば結合物質)が介在させられていないと仮定すれば、接触はスリーブを介してなされるであろう。これに代えて、そして図７の代表的実施形態に示すように、セル側壁３０３の上側領域７０１および／または下側領域７０３はスリーブ３０１(あるいはスリーブ５０１)によって覆われないまま残されてもよく、これによって当該領域を介したセルに対する電気的接触が可能となる。好ましくは、領域７０１および／または領域７０３は、セルケーシングの個々の端部から測って５ミリメーター未満の、より好ましくは２ないし４ミリメーターの、より一層好ましくは２ないし３ミリメーターの幅を備えた、図示するようなセルケースの外周を取り囲むように延在するリングの形態である。
【００３７】
二次カンを使用する図４および図６に示す実施形態では、二次カンを構成する材質が導電性を有し、かつ、外側セルケーシングとカンの内面とに間に電気的絶縁体(たとえば結合物質)が介在させられていないと仮定すれば、セルケーシングに対する電気的接触は二次カンを介してなされてもよい。これに代えて、そして図８の代表的実施形態に示すように、セル側壁３０３の上側領域８０１はカンによって覆われずに残され、これによって、当該領域を介したセルに対する電気的接触が可能となる。好ましくは、領域８０１は、セルケーシングの上端から測って５ミリメーター未満の、より好ましくは２ないし４ミリメーターの、より一層好ましくは２ないし３ミリメーターの幅を備えた、図示するようなセルケースの外周を取り囲むように延在するリングの形態である。好ましくは、領域８０１はカシメ部８０３の上に位置させられるが、これは、それが電極アセンブリ１０３の上に存在するのでカシメ部８０３の上方の領域は高温スポットの生成の影響を受け難いからである。
【００３８】
当業者には明らかであるように、本発明は、その趣旨あるいは本質的な特徴から逸脱することなく、その他の特定の形態で具現化することができる。したがって、本明細書における開示および説明は、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲の限定ではなく、例証である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１  セルケーシング
３０１  事前成形スリーブ
３０３  側壁
３０５  底部露出面
４０１  事前成形二次カン
５０１  スリーブ
５０３〜５０５  層
６０１  カン
７０１  上側領域
７０３  下側領域
８０１  上側領域
８０３  カシメ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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