(57)【要約】【課題】本願発明の目的は、熱暴走の影響を制限し、単一の熱暴走事象が、バッテリパック内のセル全体に伝播する危険を制限する手段を提供することである。【解決手段】複数のバッテリ内での熱暴走の伝播を阻止する手段が提供され、この手段は、バッテリケーシング、または少なくともその一部分を被覆する１対の膨張性材料層からなる。【選択図】図３
2011023355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルケースを備えるバッテリと、
前記セルケースの外面を被覆し、第１の膨張性材料からなる第１の層と、
前記第１の膨張性材料の前記第１の層を被覆し、第２の膨張性材料からなる第２の層と、
を備え、
前記第１の膨張性材料が、前記第２の膨張性材料と異なる膨張性材料からなり、前記第１の膨脹材料および前記第２の膨張性材料が、異なる材料特性を有する、バッテリアセンブリ。
【請求項２】
前記セルケースの前記外面が、セルケース側壁およびセルケース底面からなり、前記セルケース底面が、前記第１の層および前記第２の層によって被覆されていない、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項３】
前記セルケースの前記外面の一部分が、前記第１の層および前記第２の層によって被覆されていない、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項４】
前記第１の膨張性材料に対応する第１の熱容量が、前記第２の膨張性材料に対応する第２の熱容量よりも大きい、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項５】
前記第１の膨張性材料に対応する第１の膨張開始温度が、前記第２の膨張性材料に対応する第２の膨張開始温度よりも高い、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項６】
前記第１の膨張開始温度が、２００℃〜３００℃の範囲であり、前記第２の膨張開始温度が、１００℃〜２００℃の範囲である、請求項５に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項７】
前記第１の膨張性材料に対応する第１の熱伝導率が、前記第２の膨張性材料に対応する第２の熱伝導率よりも高い、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項８】
前記セルケースが、セルケース底部によって閉じた第１の端部と、中央開口部分からなる第２の端部とを有し、
前記バッテリが、
前記セルケース内に収容され、第１の電極が前記セルケースに電気的に接続された電極アセンブリと、
前記セルケースに取り付けられ、前記第２の端部の前記中央開口部分を閉じるキャップアセンブリと
をさらに備え、
前記キャップアセンブリが、前記セルケースと電気的に絶縁され、かつ前記電極アセンブリの第２の電極に電気的に接続されたバッテリ端子をさらに備える、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項９】
前記第１の膨張性材料の前記第１の層が、前記セルケース底部を被覆し、前記第２の膨張性材料の前記第２の層が、前記セルケース底部を被覆している前記第１の層を被覆する、請求項８に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項１０】
前記第１の膨張性材料の前記第１の層が、前記キャップアセンブリを部分的に被覆し、前記第２の膨張性材料の前記第２の層が、前記キャップアセンブリを部分的に被覆している前記第１の層を被覆し、前記第１の膨張性材料が、導電性ではない、請求項８に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項１１】
前記バッテリが、１８６５０フォームファクタを有する、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
【請求項１２】
前記第１の膨張性材料および前記第２の膨張性材料が、黒鉛ベースの膨張性材料、熱可塑性エラストマー、セラミックベースの膨張性材料、蛭石／鉱物繊維ベースの膨張性材料、およびポリリン酸アンモニウムベースの膨張性材料からなる膨張性材料の群から選択される、請求項１に記載のバッテリアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にバッテリに関し、より具体的には、セルの熱暴走の影響を最小限に抑える手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリは、一次バッテリと二次バッテリに大別することができる。一次バッテリは、使い捨てバッテリとも呼ばれ、消耗するまで使用し、その後は、１つまたは複数の新しいバッテリと単に取り替えられるものである。二次バッテリは、より一般には充電式バッテリと呼ばれ、繰り返し再充電し、再利用することができ、したがって、使い捨てバッテリに比べて経済的で環境に優しく、使いやすいという利点が得られる。
【０００３】
充電式バッテリは、使い捨てバッテリに優るいくつかの利点をもたらすものの、この種のバッテリには欠点がないわけではない。一般に、充電式バッテリに伴う欠点の大部分は、使用されるバッテリ化学組成（ｂａｔｔｅｒｙ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）によるものであり、これらの化学組成は、一次バッテリで使用される化学組成よりも安定でない傾向がある。こうした比較的不安定な化学組成のため、二次セルには、製造時に特殊な処理がしばしば必要となる。さらに、リチウムイオンセルなどの二次セルでは、一次セルよりも熱暴走が生じやすい傾向があり、熱暴走は、内部反応速度が、放出できる熱量よりも多くの熱が発生する点まで増大すると生じ、その結果、反応速度および発熱がともにさらに増大することになる。最終的には、発熱量が、バッテリだけでなく、そのバッテリの付近にある物質をも燃焼させてしまうほど大きくなる。熱暴走は、セル内の短絡、セルの不適切な使用、物理的濫用、製造欠陥、またはセルの極端な外部温度への露出によって引き起こされることがある。
【０００４】
熱暴走は、単一の事象によって重大な財物損壊が生じる可能性があり、場合によっては、身体的危害、または人命損失に至ることがあるため、大きな懸案事項である。バッテリに熱暴走が生じると、典型的にはそのバッテリは大量の煙を発し、液体電解質の火炎が噴射し、そのセルの付近にある物質を燃焼し破壊するほどの熱が生じる。熱暴走が生じたセルが、バッテリパックに典型的であるように、１つまたは複数の追加のセルによって取り囲まれている場合、単一の熱暴走事象によって、複数のセルの熱暴走が急速に生じ、その結果遙かに広範な副次的損害が生じる可能性がある。この現象が単一のセルに生じているか、または複数のセルに生じているかに関わらず、初期の発火が直ちに消火されない場合、その後の燃焼によって、財物損壊の範囲が大幅に広がることになり得る。例えば、無人のラップトップ内のバッテリの熱暴走によって、そのラップトップが破壊するだけでなく、その周囲環境、例えば家、事務所、自動車、研究所などが少なくとも部分的に破壊することになり得る。そのラップトップが、飛行機内、例えば貨物室または手荷物庫内に持ち込まれていた場合、熱暴走に続き発生する煙および発火によって、緊急着陸、またはより重大な状況では不時着に至る。同様に、ハイブリッド車または電気自動車のバッテリパック内の１つまたは複数のバッテリの熱暴走によって、その自動車が破壊するだけでなく、その車両が運転中である場合には、自動車事故につながる恐れがあり、またはその車両が駐車中である場合には、その周囲環境が破壊する恐れがある。
【０００５】
この問題を解決する一手法は、熱暴走の危険を低減させることによる。例えば、バッテリが、保管中および／または取扱い中に短絡するのを防止するために、例えば、バッテリ端子を絶縁し、特別に設計されたバッテリ用保管容器を使用することによって、バッテリを確実に適切に保管する予防措置を取ることができる。熱暴走問題を克服する別の手法は、新しいセル化学組成を開発すること、および／または既存のセル化学組成を改変することである。例えば、高い充電電位により耐性のある複合カソードを開発する研究が現在行われている。また、より安定した不活性化層を電極上に形成する電解質添加剤を開発する研究も行われている。こうした研究によって、セル化学組成、およびセル設計が改善され得るものの、現時点では、こうした研究では、熱暴走の可能性の減少が見込まれるだけで、その可能性が排除されることはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１２／３８６，６８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、熱暴走の影響を制限し、単一の熱暴走事象が、バッテリパック内のセル全体に伝播する危険を制限する手段が求められている。本発明は、かかる手段を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、複数のバッテリ内での熱暴走の伝播を阻止する手段を提供する。
【０００９】
本発明の少なくとも一実施形態では、バッテリと、バッテリのセルケースの側壁を被覆する第１の膨張性材料の第１の層と、第１の膨張性材料の層を被覆する第２の膨張性材料の第２の層とからなるバッテリアセンブリが提供される。セルケースの底面もやはり、第１の膨張性材料の層で被覆し、次いで、第２の膨張性材料の層でさらに被覆することができる。セルケースの一部分は、例えば、セルと、隣接する冷却導管との間の熱的連通を促進するために、被覆せずに残すことができる。
【００１０】
一構成では、第１の膨張性材料は、第２の膨張性材料よりも高い熱容量を有する。一構成では、第１の膨張性材料は、第２の膨張性材料のＳＥＴ温度（例えば、１００℃〜２００℃の範囲でよい）よりも高いＳＥＴ温度（例えば、２００℃〜３００℃の範囲でよい）を有する。一構成では、第１の膨張性材料は、第２の膨張性材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。第１の膨張性材料および第２の膨張性材料は、黒鉛ベースの膨張性材料、熱可塑性エラストマー、セラミックベースの膨張性材料、蛭石／鉱物繊維ベースの膨張性材料、およびポリリン酸塩アンモニウムベースの膨張性材料からなることができる。バッテリには、１８６５０フォームファクタを使用することができる。
【００１１】
バッテリのセルケースは、セルケース底部によって閉じた第１の端部と、中央開口部分からなる第２の端部とをさらに備え、このバッテリは、セルケース内に収容され、第１の電極がセルケースに電気的に接続された電極アセンブリをさらに備えることができ、このバッテリは、中央開口部分を閉じるキャップアセンブリをさらに備えることができ、このキャップアセンブリのバッテリ端子は、セルケースと電気的に絶縁され、かつ電極アセンブリの第２の電極に電気的に接続されている。第１の膨張性の層は、キャップアセンブリを被覆することができ、第２の膨張性材料の層は、アセンブリを被覆している第１の層を被覆することができ、第１の膨張性材料は、導電性ではない。
【００１２】
本明細書の以下の部分、および図面を参照することによって、本発明の性質および利点のさらなる理解が得られよう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】１８６５０フォームファクタを使用したセルの簡略断面図である。
【図２】図１に示すセルが、従来技術による手法に従って耐障害性を向上させるように改変された図である。
【図３】バッテリケーシングの外面に付着させた膨張性材料のコーティングを使用した、本発明の好ましい実施形態を示す図である。
【図４】キャップアセンブリの一部分に付着させた膨張性材料を含む、図３に示す構成の改変形態を示す図である。
【図５】被覆していない一連のセル間での熱暴走事象の伝播を示すグラフである。
【図６】膨張性材料で被覆した一連のセル間での熱暴走事象の非伝播を示すグラフである。
【図７】熱エネルギーを吸収し、それによって熱暴走の発生を遅延させる、膨張性材料の能力を示すグラフである。
【図８】１対の膨張性層を使用した代替実施形態を示す図である。
【図９】膨張性層がセルケースの一部分だけを被覆し、それによって、セルと、隣接する冷却導管との間の熱的連通の向上を実現する、図３に示す構成の改変形態を示す図である。
【図１０】図９に示す実施形態の上面図である。
【図１１】セルケーシング内面と、電極ジェリーロールとの間に配設された膨張性材料層を使用した代替実施形態を示す図である。
【図１２】バッテリパックの内面と、バッテリパック内に収容された構成要素の外面とが、膨張性材料で被覆されている、例示的なバッテリパックを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の本文では、用語「バッテリ」、「セル」、および「バッテリセル」は、互いに置換え可能に使用することができ、それだけに限られるものではないが、リチウムイオン（例えば、リン酸鉄リチウム、リチウムコバルト酸化物、他のリチウム金属酸化物など）、リチウムイオンポリマー、ニッケル水素（ｎｉｃｋｅｌ  ｍｅｔａｌ  ｈｙｄｒｉｄｅ）、ニッケルカドミウム、ニッケル水素（ｎｉｃｋｅｌ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ）、ニッケル亜鉛、銀亜鉛、または他のバッテリ種類／構成を含めた、様々な異なるセル化学組成および構成の任意のものを指すことがある。本明細書で使用する用語「バッテリパック」は、一体成形型または組立型ハウジング内に収容された複数のバッテリの個々を指し、これらの個々のバッテリは、特定の用途に所望される電圧および容量を実現するように電気的に相互接続される。複数の図で使用する同一の要素符号は、同じ構成要素、または同じ機能の構成要素を指すことを理解されたい。さらに、添付の図は、単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではなく、また、これらの図は、原寸に比例していると考えるべきではない。
【００１５】
以下の明細書全体を通して、１８６５０フォームファクタ（１８６５０  ｆｏｒｍ−ｆａｃｔｏｒ）を使用したセルに関して、本発明を説明する。しかし、本発明はまた、本発明の機能性を保持しながらも、他のセル設計、形状、化学組成、フォームファクタ、および構成にも応用することができることを理解されたい。例えば、本願は、角柱セル、およびポーチセル（ｐｏｕｃｈ  ｃｅｌｌ）にも等しく応用することができる。
【００１６】
図１は、従来のバッテリ１００、例えば１８６５０フォームファクタを使用したリチウムイオンバッテリの簡略断面図である。バッテリ１００は、円筒形ケース１０１、電極アセンブリ１０３、およびキャップアセンブリ１０５を含む。ケース１０１は、典型的には、バッテリ材料、例えば、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、ニッケルめっき鋼などの金属製である。典型的には、セルケーシング１０１は、底面１０２がケースと一体化し、したがって下側に継目のないセルケーシングが得られるように製造される。セルケース１０１の開放端は、キャップアセンブリ１０５によって封止され、アセンブリ１０５は、バッテリ端子１０７、例えば正極端子と、絶縁体１０９とを含み、絶縁体１０９は、端子１０７がケース１０１と電気的接触させるのを防止している。図示してはいないが、典型的なキャップアセンブリはまた、内部正温度係数（ＰＴＣ）電流制限装置、電流遮断装置（ＣＩＤ）、および排気機構を含み、この排気機構は、高圧で破断し、セル内容物が排出される経路となるように設計される。さらに、キャップアセンブリ１０５は、選択された設計／構成に依存して、他の封止部および要素を含むことができる。
【００１７】
電極アセンブリ１０３は、アノードシート、カソードシート、および間に配設されたセパレータからなり、これらが螺旋状パターンに一体に巻回され、これはしばしば「ジェリーロール（ｊｅｌｌｙｒｏｌｌ）」と呼ばれている。アノード電極タブ１１１が、この巻回電極アセンブリのアノード電極を負極端子に接続し、カソードタブ１１３が、この巻回電極アセンブリのカソード電極を正極端子に接続している。例示の実施形態では、負極端子はケース１０１であり、正極端子は端子１０７である。ほとんどの構成では、バッテリ１００はまた、１対の絶縁体１１５／１１７を含む。ケース１０１は、内部要素、例えば封止部、電極アセンブリなどを定位置に保持するのに役立つように設計された圧着部分１１９を含む。
【００１８】
図１に示すセルなどの従来のセルでは、様々な異なる濫用操作／充電状態および／または製造欠陥によって、セルが熱暴走を始めることがあり、この状態では、内部で発生する熱量が、有効に放出され得る熱量よりも大きくなる。その結果、大量の熱エネルギーが急速に放出され、セル全体が９００℃以上の温度まで加熱し、局所的なホットスポットが形成されることになり、こうしたホットスポットでは、温度が１５００℃を超えることがある。このエネルギー放出には、ガスの放出が伴い、その結果セル内のガス圧が増大することになる。
【００１９】
熱暴走の影響を抑制するために、従来のセルは、典型的には、キャップアセンブリ内に排気要素を含むものである。この排気要素の目的は、熱暴走事象中に発生するガスを幾分制御する形で放出し、それによってセルの内部ガス圧がその所定の動作範囲を超えるのを防止することである。
【００２０】
セルの排気要素によって、過剰な内部圧力は防止されるものの、この要素は、熱暴走事象の熱に関する面についてはほとんど効果を持たないことがある。例えば、セル１００の位置１２１で局所的なホットスポットが生じた場合、このスポットから放出される熱エネルギーは、単層のケーシング壁１０１に隣接する領域１２３が、その溶融点を上回るまで加熱するのに十分となることがある。領域１２３の温度がその溶融点を越えるほど上昇しない場合でも、領域１２３の温度は、内部セル圧力の増大と相まって、ケーシング壁のこの位置に急速に穴を開けることがある。一旦穴が開くと、上昇した内部セル圧力によって、高温ガスがさらにこの位置に送り込まれることになり、この位置、および隣接する位置でセルがさらに損壊することになる。
【００２１】
セルに熱暴走が生じ、所期の排気要素を用いて、制御された形で排気が行われる場合でも、排気孔の寸法、セル壁の材料特性、およびセル壁に沿って破断した排気孔へと一気に流れ込む高温ガス流のため、セル壁になおも穴が開く可能性があることに留意されたい。セル壁が一旦損壊する、すなわち穴が開くと、かかるホットスポットの位置が予測不可能であるため、また、セル壁にかかる穴がどのように生じ、隣接するセルにどのように影響を及ぼすかが予測不可能であるため、副次的損害が急速に拡大する可能性がある。例えば、そのセルが、バッテリパックを構成する大型セルアレイのうちの１つである場合、セル穴から流出する高温ガスの噴射によって、隣接するセルがその臨界温度を上回るまで加熱され、その隣接するセルが熱暴走し始める恐れがある。したがって、熱暴走中に１つのセルの壁に穴が開くことによって、バッテリパック全体にわたって拡大し得る連鎖反応が生じる可能性があることが理解されよう。さらに、第１のセルのセル穴から流出する高温熱ガスの噴射によって、隣接するセルが熱暴走し始めなくとも、その隣接するセルの状態に影響を及ぼすことがあり、例えばその隣接するセル壁が脆弱化し、それによってその隣接するセルが後に故障しやすくなることがある。
【００２２】
先に述べたように、セル穴は、局所的な過渡ホットスポットのため生じ、このホットスポットでは、集中した熱事象から生じた高温加圧ガスがセルの内面付近を流れる。セルの過渡ホットスポットによって、セル壁に穴が開くか、または、単に消散し、セルケーシングが無傷のまま残るか否かは、いくつかの要因に依存する。これらの要因は、２つのグループ、すなわち熱事象の特性に基づくものと、セルケーシングの物理的品質に基づくものとに区分することができる。第１のグループ内の要因には、ホットスポットの寸法および温度、ならびに熱事象の継続時間、およびその事象によって発生するガス量が含まれる。第２のグループ内の要因には、壁厚、ならびに温度、熱容量、および熱伝導率の関数として得られるケーシング降伏強度が含まれる。
【００２３】
図２は、セルの耐障害性を改善する従来の手法を例示し、ここで障害とは、熱的に誘発される壁穴として定義される。図示のように、セル２００では、ケーシング２０１の厚さがかなり増大しており、それによってセルの耐障害性が、セル重量を犠牲にして改善されている。セル質量が問題とならない、ほんの少数のセルだけが使用される、多くの消費者用途（ｃｏｎｓｕｍｅｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）では、熱暴走中に壁穴が開くことを防止するこの従来の手法は、大いに有効である。遺憾ながら、バッテリパックに数百、さらには数千ものセルが含まれ得る用途、例えば電気自動車のバッテリパックでは、性能が質量に直結するため、質量が増大するこの手法はさほど魅力的でない。例えば、従来の手法によって、セルあたり４グラムしか増加しない場合でも、１０，０００個のセルを有するバッテリパックでは、この質量増大によって４０ｋｇ増加することになる。したがって、これらの用途では、セルの耐障害性を改善するこの従来の手法は、受け入れられるものではない。
【００２４】
大型バッテリパック内のバッテリに課される重量制約、ならびに熱暴走中の壁穴の発生および成長に寄与する諸要因の認識に加えて、本発明の発明者らは、セルが一旦熱暴走し始めると、そのセルはもはや実用可能でないことを認識している。したがって、現時点での第１の目標は、隣接するセルに影響を及ぼし、熱暴走事象の連鎖発生に至る可能性を有する熱暴走事象の危険を低減させることである。これらの設計パラメータおよび目標を認識して、本発明の目的は、熱暴走したセルに隣接するセルに対する熱暴走の影響を最小限に抑え、それによって熱暴走伝播を防止することである。
【００２５】
図３は、セルケースの外面が、膨張性材料の層３０１で被覆された本発明の好ましい実施形態を例示している。好ましくは、図示のように、セルケース１０１の側壁および底面ともに層３０１によって被覆する。あるいは、セルケース１０１の側壁だけを層３０１によって被覆する。層３０１は、被覆すべき表面に膨張性材料の溶液を塗布することによって、セルを膨張性材料の溶液に浸漬させることによって、またはその他の手段によって、付着させることができる。例示の図では、セル上面３０３は、被覆されていない。しかし、この膨張性材料によってバッテリの端子間、この設計では、セルケーシングおよび端子３０５からなる端子間で短絡が生じない限り、この表面も被覆することができることを理解されたい。バッテリの短絡は、非導電性の膨張性材料を使用することによって防止することができる。あるいは、図４に示すように、膨張性材料の付着によるセル端子間の短絡を防止するために、電気絶縁体４０１を配置してもよい。
【００２６】
熱暴走中、バッテリの外面が加熱し、この加熱過程によって、典型的には１つまたは複数の過渡ホットスポット（例えば、図１のスポット１２１）が生じる。この過程中、膨張性層３０１は、吸熱化学反応によって過剰な熱を吸収する。膨張性材料活性化温度、この温度は材料の膨張開始温度または「ＳＥＴ」とも呼ばれ、この温度に達すると、層３０１は膨張し始めることになる。典型的には、材料膨張は、過渡ホットスポット付近で開始し、バッテリ全体がＳＥＴ温度を超えて加熱する間続く。膨張後、膨張性材料層３０１は硬化して、一般にチャー（ｃｈａｒ）と呼ばれるものになる。
【００２７】
本発明者らは、上述のようにセルに直接付着させた膨張性材料を使用する、または以下で詳細に説明する構成で使用することによって、熱暴走事象の伝播に対して著しい耐性が得られることを見出した。一般に、膨張性材料は、セルが過熱し始めたときに、いくつかの機能を実施する。第一に、セルを取り囲む膨張性材料は、熱事象中に発生する熱エネルギーを吸収し、セルが熱平衡に達する十分な時間を与えることによって、過渡ホットスポット（例えば、図１のスポット１２１）によりセルケーシングに穴が開くのを防止するのに役立つ。第２に、一旦ＳＥＴ温度に達すると、膨張性材料は膨張し、熱暴走セルと、隣接するセルとの間の熱バリアとなる。第３に、膨張性材料が硬化してチャーになると、例えば、流出ガスまたは火炎が、隣接するセルに直接当たるのを阻止することによって、熱暴走セルを封じ込めるのに役立つ。第４に、いくつかの用途では、膨張性材料を用いて、熱暴走セルによって発生した過剰な熱を、冷却導管などの除熱手段に送り込むことができる。
【００２８】
外側セルケーシングに膨張性コーティングを付着させる効果を判定するために設計された一試験では、２つのグループでセルを直列に配置した。第１のグループのセルは非処理とし、第２のグループのセルにはそれぞれ、セルケーシング外面に膨張性材料を付着させた。セル間の間隔は、両試験とも同じとした。各試験で、各グループの第１のセルは、熱暴走事象に陥った。非処理セルに関するこの試験の結果を図５に示し、この図は、第１のセルが熱暴走してから３〜４分以内に、直列に配置された次のセルが熱暴走し始めたことを示している。一方、図６に示すように、膨張性材料被覆セルでは、熱暴走事象が、隣接するセル間で伝播しなかった。さらに、図５は、過渡ホットスポットがセル内の異なる位置で形成されるため、非被覆セルに複数の熱スパイクがしばしば生じることになることを示し、これらの過渡ホットスポットが隣接するセルに影響を及ぼすことは明らかである。しかし、膨張性材料で被覆したセルでは、膨張性材料によって形成された熱バリアによって、隣接するセルが複数の熱ピークに曝されることが阻止されている。そうではなく、膨張性材料で被覆したセルグループの隣接するセルが呈する外面温度は、一度だけピークに達し、その後、熱平衡に達するまで熱エネルギーが徐々に消散している。図５および図６に示す監視温度の差は、セルケーシングと熱電対との間の熱バリアとなる膨張性コーティングによるものであることに留意されたい。
【００２９】
上記のように、膨張性コーティングの利点の１つは、熱事象中に発生する熱エネルギーを幾分吸収するその能力にある。このエネルギーを幾分吸収することによって、熱暴走の開始を防止する、または少なくとも遅延させることができる。図７は、膨張性コーティングのこの一面を例示している。具体的には、６個のセルを熱暴走状態にし、そのうち２個のセル（すなわち曲線７０１および曲線７０２）は膨張性材料で被覆せず、４個のセル（すなわち曲線７０３〜７０６）は膨張性材料で被覆した。各セルに同じ条件を適用したところ、被覆セルでは熱暴走が最低でも１００秒遅延した。
【００３０】
本発明の膨張性層、例えば層３０１は、様々な任意の膨張性材料、例えば、黒鉛ベースの膨張性材料（例えば、高分子結合剤の膨張性黒鉛）、熱可塑性エラストマー、セラミックベースの膨張性材料、蛭石／鉱物繊維ベースの膨張性材料、およびポリリン酸アンモニウムベースの膨張性材料で製造することができる。好ましくは、選択される膨張性材料は、１００℃〜３００℃の範囲、より好ましくは２００℃〜３００℃の範囲のＳＥＴ温度を有する。あるいは、選択される膨張性材料は、１００℃〜２００℃の範囲、または７５℃〜１５０℃の範囲のＳＥＴ温度を有してもよい。好ましくは、選択される膨張性材料は、生物学的に不活性であり、したがって、膨張性材料で被覆したセルが、空気流が限られた用途に使用される場合でも、層の活性化が非毒性事象となることが保証される。さらに、選択される膨張性材料は、非導電性材料からなることが好ましい。
【００３１】
図８は、図３および図４に示す実施形態の軽微な改変形態を例示する。この改変構成では、セルケーシング１０１は、１対の膨張性材料層８０１および８０３内に収容されており、これら２つの膨張性材料層は、異なる材料特性を有する。好ましい構成では、ケーシング１０１に隣接する層８０１は、外側膨張性材料層８０３よりも高い熱容量を有する。したがって、内側膨張性層８０１は、過剰な熱エネルギーを急速に吸収し、したがって、セルが熱平衡を維持するのに役立ち、ホットスポットの形成を防止する。セルが加熱し続けるとすると、熱エネルギーが内側膨脹性層８０１を通過するため、外側膨脹性層８０３が過剰な熱エネルギーを吸収する。この２層手法を使用することによって、熱エネルギーが、熱事象が生じているセルから、隣接するセルに伝導することがさらに遅延し、それによって、熱暴走事象がバッテリパック全体にわたって伝播することに対するさらなる耐性が得られる。代替構成では、内側膨脹性層８０１は、外側膨張性材料層８０３よりも低い熱容量を有する。
【００３２】
２つの膨張性層間で、他の材料特性を変動させてもよいことが理解されよう。例えば、かかる一実施形態では、内側膨脹性層８０１は、外側膨脹性層８０３よりも高いＳＥＴ温度を有するように設計される。その結果、熱事象（例えば熱暴走）の発生中、外側膨張性層８０３が急速に膨張し始め、熱事象が生じているセルと、隣接するセルとの間の熱バリアとなる。この間、内側膨脹性層８０１は、熱エネルギーを吸収するが、膨張はしない。その後、セル温度が内側膨脹性層８０１のより高いＳＥＴ温度に達すると、この内側膨脹性層８０１も膨張し始める。しかし、内側膨脹性層８０１の膨張は、先に膨張した外側膨脹性層８０３によって幾分制約され、外側膨脹性層８０３のＳＥＴ温度によって、外側膨脹性層８０３が既にチャーに変わっている場合、特に制約を受けることになる。典型的には、内側膨脹性層８０１および外側膨脹性層８０３のＳＥＴ温度は、セルの化学組成、セルのフォームファクタ（例えば、１８６５０円筒形対大型セル（１８６５０  ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  ｖｅｒｓｕｓ  ｌａｒｇｅ  ｆｏｒｍａｔ  ｃｅｌｌ））、セル間隔などを考慮に入れ、特定の用途に合わせて最適化される。例示的な構成では、内側膨脹性層８０１は、２００℃〜３００℃の範囲のＳＥＴ温度を有し、外側膨脹性層８０３は、１００℃〜２００℃の範囲のＳＥＴ温度を有する。
【００３３】
２層構成を使用した別の例示的な実施形態では、膨張性層間で熱伝導率が異なり、好ましくは、外側膨張性層８０３が、内側膨脹性層８０１よりも低い熱伝導率を有する形である。この構成の利点の１つは、内側膨張性層８０１を、セルから放出される熱に対して最適性能となるように設計することができ、一方、外側膨張性層８０３は、セル間で最適な断熱を実現するように設計することができ、したがって、隣接するセル間での熱エネルギーの伝播さらに阻止することができる点である。さらに別の実施形態では、外側膨脹性層８０３が、セル間で最適な断熱を実現するように設計され、したがって、熱伝導率が低い膨張性材料からなり、内側膨脹性層８０１は、その難燃特性を最適化するように選択される。膨張性材料の他の組合せも使用できることが理解されよう。
【００３４】
内側膨脹性層８０１および外側膨脹性層８０３は、セル上面３０３を被覆せずに示されているが、図４に関して先に述べたように、膨張性材料が導電性でないか、または膨張性材料の付着のために、セルが短絡しないように保証する予防措置が取られる限り、膨張性材料によって、セルの上部を被覆してもよいことを理解されたい。
【００３５】
ある用途、例えば電気自動車では、能動冷却システムを用いてバッテリパック内のバッテリを冷却する。この能動冷却システムは、例えば、バッテリパック内のバッテリに近接して、または接触して取り付けられた１つまたは複数の導管からなることができる。こうした導管中に冷却剤をポンプ供給することによって、バッテリ／バッテリパックから熱を放出させる。かかる用途では、本発明者らは、セルケースの、冷却導管に近接した、または接触した部分には、膨張性材料を付着させずに残すことが好ましいことを見出した。セルのこの部分を被覆せずに残すことによって、バッテリから熱がより効果的に放出される。先に説明した実施形態、例えば、図３、図４、および図８に示す実施形態のいずれも、膨張性材料の１つの層または複数の層が、セルケース１０１の、冷却導管に近接、または接触した部分を完全には被覆しないように改変できることを理解されたい。本発明のこの態様を、図９および図１０に例示し、これらの図は、冷却導管９０１を考慮して図３に示す実施形態を改変した断面図および上面図である。これらの図では、冷却導管９０１は、３つの冷却剤流動チャネル９０３を含む。膨張性層３０１は、セルケース１０１の、冷却導管９０１に近接、または接触した部分が膨張性材料によって被覆されずに残るように構成される。本発明の他の実施形態も同様に改変できることが理解されよう。
【００３６】
先に説明した実施形態の改変形態では、膨張性材料層１１０１が、セルケーシング１０１の内壁面と、電極アセンブリの外面との間に配設される（図１１）。膨張性材料層１１０１は、過剰な熱エネルギーを吸収し、それによって熱エネルギーが電極アセンブリ内、例えば過渡ホットスポットから、外側セルケーシング１０１に伝導するのを最小限に抑える。膨張性材料層１１０１が熱エネルギーを吸収し、そのＳＥＴ温度に達した後は、層１１０１は、セルケーシングによって許容される範囲まで膨張する。セルケーシング１０１によって膨張性材料層１１０１に課される制約のため、好ましくは、膨張性材料層１１０１は、そのＳＥＴ温度に達すると膨張する範囲を最小限に抑えながらも、最適な難燃特性を有するように選択される。好ましくは、膨張性材料層１１０１は、そのＳＥＴ温度に達すると、２５パーセント未満で膨張するか、あるいは、そのＳＥＴ温度に達すると、５０パーセント未満で膨張するか、あるいは、そのＳＥＴ温度に達すると、１００パーセント未満で膨張する。
【００３７】
膨張性材料層１１０１は、ケース１０１の内面を選択された膨張性材料で被覆することによって形成され、この被覆／堆積ステップは、電極アセンブリをセルケーシング内に組み込む前に実施する。あるいは、電極アセンブリの外面を、例えば選択された膨張性材料を用いた浸漬工程によって被覆してもよく、この被覆ステップは、電極アセンブリをセルケーシング内に組み込む前に実施する。あるいは、膨張性材料をキャリア基板に付着させ、次いで、電極アセンブリをセルケーシング内に組み込む前に、そのキャリア基板を電極アセンブリの外面に巻き付ける。あるいは、膨張性材料をスリーブの形の副次的キャリア基板に付着させ、次いでこの膨張性材料で被覆したスリーブを、最終組立ての前にセルケース内に挿入してもよい。
【００３８】
本発明の代替実施形態では、セルの外面を被覆することに加えて、バッテリパック内の他の全ての構成要素および表面も膨張性材料で被覆する。様々な電気構成要素（例えばセル、相互接続部など）を被覆前に電気的に絶縁することが可能であるが、好ましくは、こうした実施形態には非導電性の膨張性材料を使用し、それによってこの絶縁ステップをなくし、製造を簡単にすることができる。
【００３９】
例示的なバッテリパック１２００を図１２に示す。このバッテリパックのさらなる説明が、同時係属中の２００９年４月２２日出願の米国特許出願第１２／３８６，６８４号に記載されており、その全開示をあらゆる意図で本明細書に組み込む。本発明は、他のバッテリパックにも等しく応用することができ、バッテリパック１２００は、単に本発明を例示するものにすぎないことが理解されよう。特に、バッテリパックは、収容すべきセルの数、セルの寸法および形状、セルをバッテリパック内に取り付ける方式、バッテリパックを定位置に取り付ける、または保持する方式、パック内で使用するセル相互接続部の種類、ならびにバッテリパックと、そのバッテリパックを使用しようとするアプリケーションとの間で使用する相互接続部の種類、使用するセル冷却法の種類（例えば液体など）、および封止済対未封止バッテリパックなどの要因に依存して、様々な形のうち任意の形を取ることができることが理解されよう。本発明者らは、バッテリパックの構成に関わらず、バッテリパック、例えばバッテリパック１０００の内側を膨張性材料で被覆することによって、このような処理を行わないバッテリパックに優るいくつかの利点が得られることを見出した。被覆工程の間、いかなる露出表面も膨張性材料で被覆されることが理解されよう。これらの表面には、バッテリパック内壁だけでなく、セルの露出表面、冷却構成要素、およびバッテリパック内に収容された他のいかなる構成要素も含まれ得る。先に述べたように、セルのいくつかの表面は、冷却導管が近接しているために被覆せずに残しておくことができる。バッテリパックの内側全体を被覆することによって、例えば、あるセルに熱暴走が生じたため、バッテリパック内でどのような発火が生じても、典型的にはそのバッテリパック内で封じ込められる。その結果、副次的損害が大幅に減少する。さらに、本発明者らは、バッテリパックの内側を完全に被覆することによって、パックのセル内で熱暴走が伝播する危険がさらに低減することを見出した。
【００４０】
少なくとも一実施形態では、膨張性材料で被覆する前にバッテリパックを完全に組み立てる。したがって、例えば、被覆前に、セルをパック内に組み込み、冷却システムを取り付け、バッテリ相互接続部を結合させる。この工程順序によって、冷却導管とセル表面など、互いに接触すべき、または互いに近接すべき必要のある構成要素同士が、膨張性材料によって分離されることが確実になくなる。パックの組立て後、例えば吹付作業を用いて、または好ましい場合には、バッテリパックに膨張性材料の溶液を充填し、次いで余分な膨張性材料を廃棄することによって、バッテリパックの内面、ならびにパック内に配置された様々な構成要素の露出した外面を被覆する。余分な膨張性材料の廃棄は、単にバッテリパックを裏返し、被覆表面から余分な材料を滴下させ、バッテリパックから排出させることによって行うことができる。被覆および余分な材料の除去後、膨張性材料を乾燥させる。
【００４１】
先に説明した実施形態の改変形態では、バッテリパックの外面を、内面とともに膨張性材料で被覆する。バッテリの内面および外面の両面を被覆することによって、製造が簡単になり、その理由は、パックを組み立てた後、パック全体を適切な材料のタンク内に単に浸漬させ、その後取り出すだけでよく、それによって余分な材料が乾燥前に表面から滴下することになるからである。
【００４２】
当業者には理解されるように、本発明は、その趣旨または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形で実施することができる。したがって、本明細書に記載の開示および説明は、例示の目的であり、以下の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を限定するものではない。
【符号の説明】
【００４３】
１００  バッテリ
１０１  円筒形ケース
１０２  底面
１０３  電極アセンブリ
１０５  キャップアセンブリ
１０７  バッテリ端子
１０９  絶縁体
１１１  アノード電極タブ
１１３  カソードタブ
１１５、１１７  絶縁体
１１９  圧着部分
１２１  ホットスポット
１２３  隣接領域
２００  セル
２０１  ケーシング
３０１  膨張性材料層
３０３  セル上面
３０５  端子
４０１  電気絶縁体
８０１、８０３  膨張性材料層
９０１  冷却導管
９０３  冷却剤流動チャネル
１１０１  膨張性材料層
１２００  バッテリパック
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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