(57)【要約】      （修正有）【課題】電池セルの加熱を抑える方法の提供。【解決手段】電池セル１０の内部及び／又は外部から接触可能な２つの電池セル端子１１、１２と、少なくとも１つのセパレータとを含む電気化学部分２０とを備える電池セルで、セパレータは、所定温度に達した場合に、電気化学部分で生成可能なイオンに対して少なくとも部分的に非透過性になる電池セル。電池セルは急速放電ユニット３０を含み、急速放電ユニットは電池セル端子の間で接続可能で、接続された状態で所定の抵抗値を有し、所定の抵抗値は、急速放電ユニットが接続された場合にセパレータが所定の温度に達するが、所定の第１時間以内は、電池セルの内部に短絡経路が生ぜず、所定の第２時間以内に短絡経路が生じた場合は、セパレータは所定の温度に達する電池セル。第１時間及び第２時間は、夫々急速放電ユニットが接続された場合に開始し、夫々所定の温度に達して終了する電池セル。【選択図】図１
2017126555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セル（１０）であって、該電池セル（１０）の内部及び／又は外部から接触可能な２つの電池セル端子（１１，１２）と、例えばジェリーロールとして形成された電気化学部分（２０）とを備え、該電気化学部分（２０）が複数の電極及び少なくとも１つのセパレータを含み、少なくとも１つのセパレータが、所定温度に達した場合に、前記電気化学部分（２０）において生成可能なイオンに対して少なくとも部分的に非透過性になる電池セル（１０）において、
前記電池セル端子（１１，１２）の間で接続可能であり、所定の抵抗値を有する急速放電ユニット（３０）を備え、
該急速放電ユニット（３０）が接続されており、所定の第１時間以内に前記電池セル（１０）の内部に短絡経路が生じていない場合及び／又は所定の第２時間以内に短絡経路が生じた場合に、少なくとも１つのセパレータが所定の温度に達するように、前記所定の抵抗値が選択され、
第１時間及び第２時間が、それぞれ前記急速放電ユニット（３０）が接続された場合に始まり、それぞれ所定の温度に達した場合に終わることを特徴とする電池セル（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の電池セル（１０）において、
前記短絡経路が生じていない場合には、前記急速放電ユニット（３０）を流れる放電電流によって可変の第３時間以内に熱に変換される第１電気エネルギー量が第１エネルギー限界値未満となるように、前記所定の抵抗値が選択され、
第３時間が第１時間と同時に始まり、第１時間の継続時間以上の最大継続時間を有する電池セル（１０）。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電池セル（１０）において、
所定の第４時間以内に前記急速放電ユニット（３０）を前記電池セル端子（１１１，１２）の間で接続するように構成された制御ユニットを備え、
前記第４時間が、前記電池セル（１０）の内部で短絡経路が生じているか、生じる恐れがあるか、又は前記電池セル（１０）の臨界的挙動が間もなく生じる危険性が高いことが予想される危険な状況が検出された直後に始まり、前記急速放電ユニット（３０）の接続時に終わる電池セル（１０）。
【請求項４】
請求項３に記載の電池セル（１０）において、
前記危険な状況が、前記電池セル（１０）の安全テスト中又は前記電池セル（１０）の作動時に生じ得る電池セル（１０）。
【請求項５】
請求項４に記載の電池（１０）において、
前記安全テスト中に、釘によって前記電池（１０）を貫通することによって前記電池（１０）の内部に短絡経路が生成される電池（１０）。
【請求項６】
請求項３から５までのいずれか一項に記載の電池セル（１０）において、
短絡経路が生じている場合に前記第４時間の継続時間（ｔ１）が時間限界値未満であり、所定の抵抗値が抵抗限界値未満である場合に、短絡経路を流れる放電電流（Ｉ２）によって可変の第５時間以内に熱に変換される第２電気エネルギー量（Ｅ２）と、前記急速放電ユニット（３０）を流れる放電電流（Ｉ３）によって第５時間以内に熱に変換される第３電気エネルギー量（Ｅ３）とが、それぞれエネルギー限界値（ＧＥ２）未満となり、及び／又は前記第２エネルギー量（Ｅ２）及び前記第３エネルギー量（Ｅ３）の合計（Ｅ２３）が第３エネルギー限界値（ＧＥ３）未満となるように、前記電気化学部分（２０）が形成され、好ましくは電池セル（１０）が寸法決めされており、
第５時間が第２時間と同時に始まり、第２時間の継続時間（ｔ２）以上の最大継続時間を有する電池セル（１０）
【請求項７】
請求項６に記載の電池セル（１０）において、
前記第２エネルギー限界値（ＧＥ２）が第３エネルギー限界値（ＧＥ３）未満であり、及び／又は第３エネルギー限界値（ＧＥ３）が、第１エネルギー限界値以下である電池セル（１０）。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか一項に記載の電池セル（１０）を急速放電する方法において、
電池セル（１０）の内部で短絡経路が生じているか、生じる恐れがあるか、又は電池セル（１０）の臨界的挙動が間もなく生じる危険性が高いことが予想される危険な状況を検出し、
危険な状況が生じた場合に前記電池セル（１０）の内部及び／又は外部から接触可能な２つの電池セル端子（１１，１２）の間で急速放電ユニット（３０）を接続し、好ましくは所定の第４時間以内に接続を行うことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１から７までのいずれか一項に記載の少なくとも１つの電池セル（１０）を備える電池を有する電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池セルの内部及び／又は外部から接触可能な２つの電池セル端子と、例えばジェリーロールとして形成された電気化学部分とを備え、電気化学部分が、複数の電極及び少なくとも１つのセパレータを含む電池セルに関する。この場合、少なくとも１つのセパレータは所定温度に達した場合に、電気化学部分において生成可能なイオンに対して少なくとも部分的に非透過性になる。さらに本発明は、このような電池セルのための急速放電方法に関する。さらに本発明は、このような電池セルのための急速放電方法に関する。本発明は、このような少なくとも１つの電池セルを備える電池の電池システムにも関する。
【背景技術】
【０００２】
電池セルは、エラーが生じた場合、又は過度に負荷が加えられた結果、臨界的挙動又は危険な挙動をとる場合があることが知られている。このような挙動は、電池の内部に生じた発熱反応によってトリガされる電池セルの熱暴走、電池セルのガス放出、電池セル内の発火、及び／又は電池セルの爆発さえをも含む。電気化学的なエネルギー蓄積器として形成された電池セルは、例えばジェリーロールの形式で形成された電気化学部分を含む。
【発明の概要】
【０００３】
本発明によれば、電池セルは、電池セルの内部及び／又は外部から接触可能な２つの電池セル端子と、例えばジェリーロールとして形成された電気化学部分とを備える。この場合、電気化学部分は複数の電極及び少なくとも１つのセパレータを含む。少なくとも１つのセパレータは所定温度に達した場合に、電気化学部分において生成可能なイオンに対して少なくとも部分的に非透過性になる。本発明による電池セルは急速放電ユニットを備え、急速放電ユニットは電池セル端子の間で接続可能であり、所定の抵抗値を有する。所定の抵抗値は、急速放電ユニットが接続された場合に少なくとも１つのセパレータが所定の温度に達するように選択される。この場合、所定の第１時間以内に電池セルの内部に短絡経路が生じていない場合に、少なくとも１つのセパレータは所定の温度に達する。さらに、所定の第２時間以内に短絡経路が生じた場合には少なくとも１つのセパレータは所定の温度に達する。第１及び第２時間は、それぞれ急速放電ユニットが接続された場合に始まり、それぞれ所定の温度に達した場合に終わる。
【０００４】
従属請求項は、本発明の好ましい実施形態を示す。
【０００５】
好ましくは、第１時間の継続時間は第２時間の継続時間に等しい。
【０００６】
好ましくは、上記電池セルでは、急速放電ユニットを流れる放電電流が高い電流値によって電池セル全体の加熱をもたらし、この加熱は、第１又は第２時間以内に少なくとも１つのセパレータの少なくとも部分的な停止をもたらす。この場合、急速放電ユニットを流れる放電電流の電流値の高さは、所定の抵抗値の選択によって決定される。少なくとも１つのセパレータの少なくとも部分的な停止は、例えば電池セルの内部に短絡経路が生じているか、又は生じ得る危険な状況、したがって電池セルが臨界的挙動又は危険な挙動をとる恐れのある危険な状況で開始される。このような挙動は電池セルの熱暴走を含むこともある。この場合、セパレータは第１又は第２時間以内に所定の温度に達し、これにより電気化学部分で生成可能なイオンに対して少なくとも部分的に非透過性になることにより、少なくとも１つのセパレータの少なくとも部分的な停止が達成される。このように、危険な状況が生じた場合には、電池セルによって生成された放電電流の電流値、ひいては電池セルのさらなる加熱を抑えることができる。したがって、危険な状況において、電池セルの臨界的挙動又は危険な挙動、特に電池セルの熱暴走の発生を防止することができる。例えば少なくとも１つのセパレータが所定の温度に達し、総面積の８５％に相当する部分面積内で上記イオンに対して非透過性になった場合には、電池セルによって生成される放電電流の電流値は、電池セル容量が約４０Ａｈの場合には一般に１００Ａ以下となる。少なくとも１つのセパレータが所定の温度に達し、総面積内で上記イオンに対して非透過性になった場合には、電池セルによって生成される放電電流の電流値は０Ａに低減される。いずれの場合にも電気化学部分の電極は、少なくとも１つのセパレータによって互いに電気絶縁される。
【０００７】
電池セルの内部及び／又は外部から接触可能な２つの電池セル端子を含む上記電池セルでは、２つの電池セル端子が電池セルの電池セルケーシングの部分として形成されていてもよい。さらに、急速放電ユニットは、電池セルケーシングの内部又は外部に配置されていてもよいし、電池セルケーシングの一部として形成されていてもよい。
【０００８】
本発明の好ましい第１実施形態によれば、短絡経路が生じていない場合には第１電気エネルギー量が第１エネルギー限界値未満となるように、所定の抵抗値が選択される。この場合、第１エネルギー量は、短絡経路が生じていない場合に急速放電ユニットを流れる放電電流によって可変の第３時間以内に熱に変換されるエネルギー量と一致する。第３時間は、第１時間と同時に始まり、第１時間の継続時間以上の最大継続時間を有する。
【０００９】
上記電池セルにおいては、好ましくは、第１エネルギー限界値は、第１エネルギー量が第１エネルギー限界値未満となった場合にのみ、電池セルの熱暴走をトリガする電池全体の過熱が生じ得るように選択される。
【００１０】
上記電池セルの場合、少なくとも１つのセパレータは、好ましくは少なくとも１つのセラミック層を備える。
【００１１】
好ましい第１実施形態及び／又は第１実施形態の種々の構成と組み合わることもできる本発明の好ましい第２実施形態によれば、上記電池セルは制御ユニットを含む。制御ユニットは、所定の第４時間以内に急速放電ユニットを接続するように構成されている。この場合、第４時間は、電池セルの内部で短絡経路が生じているか、生じる恐れがあるか、又は電池セルの臨界的挙動が間もなく生じる危険性が高いこと予想される危険な状況が検出された直後に始まる。さらに、第４時間は、急速放電ユニットの接続時に終わる。
【００１２】
上記電池セルでは、急速放電ユニットが接続された場合及び／又は短絡経路が生じた場合に、電池セルによって生成可能な放電電流が、それぞれの電池セルによって生成可能な最大放電電流に等しい。
【００１３】
短絡経路が生じた場合に急速放電ユニットが接続される上記電池セルの利点は、急速放電ユニットを介して延在する急速放電経路が生成され、この急速放電経路が短絡経路に並行に接続されていることである。この場合、電池セルによって生成される放電電流は短絡経路と急速放電経路との間で分割され、したがって完全に短絡経路を通って流れるわけではない。このことは、短絡経路が生じており、急速放電ユニットが接続されている場合には、電池セルによって生成される放電電流は、急速放電ユニットを流れる放電電流及び短絡経路を流れる放電電流の合計に等しいことを意味する。したがって、急速放電ユニットの接続により、短絡経路を流れる放電電流の電流値が低減され、ひいては短絡経路を含む電池セル部分の過熱も防止される。同時に、急速放電ユニットを流れる放電電流は電池セル全体の加熱をもたらし、この加熱により、少なくとも１つのセパレータ及び電池セルも所定の第２時間以内に少なくとも部分的に停止される。
【００１４】
上述の危険な状況は、例えば事故又は異常に激しい機械的衝撃により上記電池セルが損傷されることにより引き起こされることもある。このような衝撃は、電池セルの落下、衝突、又は激突によって引き起こされる場合がある。上述の危険な状況は、さらに上記電池セルに過剰に負荷が加えられることによって生じることもあり、又は、例えばそれぞれの電池セルの内部の短絡によって電池セル内で引き起こされた電気的なエラーによって生じることもある。
【００１５】
１つ以上の上記実施形態及び／又は実施形態の種々の構成と組み合わせることもできる本発明の好ましい第３実施形態によれば、上述の危険な状況は、上記電池セルの安全テスト中又は作動時に生じ得る。
【００１６】
１つ以上の上記実施形態及び／又は実施形態の種々の構成と組み合わせることもできる本発明の好ましい第４実施形態によれば、安全テスト中に釘によりそれぞれの電池セルを貫通することにより上記電池セルの内部に短絡経路が生成される。
【００１７】
１つ以上の上記実施形態及び／又は実施形態の種々の構成と組み合わせることもできる本発明の好ましい第５実施形態によれば、第２及び第３電気エネルギー量がそれぞれ第２エネルギー限界値未満となるように、電気化学部分を構成し、好ましくは上記電池セルが寸法決めすることができる。代替的又は付加的に、第２及び第３エネルギー量の合計は第３エネルギー限界値未満である。短絡経路が生じている場合に第４時間の継続時間が時間限界値未満であり、所定の抵抗値が抵抗限界値未満である場合には、第２及び第３エネルギー量及び／又は第２及び第３エネルギー量の合計は、それぞれ対応するエネルギー限界値未満となる。第２エネルギー量は、短絡経路が生じている場合に、短絡経路を流れる放電電流によって可変の第５時間以内に熱に変換されるエネルギー量と一致する。第３エネルギー量は、短絡経路が生じている場合に、急速放電ユニットを流れる放電電流によって第５時間以内に熱に変換されるエネルギー量と一致する。第５時間は、第２時間と同時に始まり、第２時間の継続時間以上の最大継続時間を有する。
【００１８】
１つ以上の上記実施形態及び／又は実施形態の種々の構成と組み合わせることもできる本発明の好ましい第６実施形態によれば、第２エネルギー限界値は第３エネルギー限界値よりも小さい。代替的又は付加的には、第３エネルギー限界値は第１エネルギー限界値以下である。
【００１９】
上記電池セルでは、第２エネルギー限界値は、好ましくは、第２及び／又は第３エネルギー量が第２エネルギー限界値を超えた場合にのみ、電池セルの熱暴走をトリガする、短絡経路を含む電池セル部分の過熱が生じ得るように選択される。上記電池セルでは、さらに第３エネルギー限界値は、好ましくは、第２及び第３エネルギー量が第３エネルギー限界値を超えた場合にのみ、電池セルの熱暴走をトリガする電池セル全体の過熱が生じ得るように選択される。
【００２０】
第１エネルギー量が第１エネルギー限界値未満となる上記電池セルの利点は、電池セルの熱暴走をトリガするそれぞれの電池セル全体の過熱が防止されることである。この場合、このような過熱によって生じ得る少なくとも１つのセパレータの収縮又は溶解、したがって少なくとも１つのセパレータの収縮又は溶解によってそれぞれの電池セルの内部に生じ得る短絡も防止される。第２及び第３エネルギー量の合計が第３エネルギー限界値未満である上記電池セルについても同じ利点が得られる。
【００２１】
第２及び第３エネルギー量がそれぞれ第２エネルギー限界値未満である上記電池セルの利点は、それぞれの電池セルの熱暴走をトリガする、短絡経路を含む電池セル部分の過熱が防止される。
【００２２】
上記電池セルは、好ましくは角柱状の電池セル、パウチ電池セル、ボタン電池セル、又は他の機械的構成の電池セルである。上記電池セルは、さらに好ましくは、リチウムイオン電池セル及び／又は自動車分野及び／又は定置のエネルギー蓄積器で使用するための電池セルである。
【００２３】
上記電池セルにおいて、それぞれの電池セルによって供給可能な最大放電電流の電流値及び／又は接続された急速放電ユニットを流れる放電電流の電流値は、例として４０Ａｈの電池セル容量について５・１０３Ａ〜１０・１０３Ａにわたる値範囲内である。
【００２４】
上記電池セルが、例として４０Ａｈの電池セル容量を備えるリチウムイオン電池セルである場合には、急速放電ユニットの所定の抵抗値は、１・１０−４Ω又は１・１０−３Ω以下であってもよいし、１・１０−４Ωから１・１０−３Ωまでにわたる値範囲であってもよい。
【００２５】
上記電池セルが、自動車分野及び／又は定置のエネルギー蓄積器で使用するための円柱状の電池セルであり、例えば４０Ａｈの電池セル容量を有する場合には、少なくとも１つのセパレータが所定の温度に達する第１及び／又は第２時間の継続時間は、２０ｓから３０ｓまでにわたる値範囲内であってもよい。このような場合には、第１及び／又は第２時間の継続時間は、好ましくは３０ｓの値であってもよい。
【００２６】
上記電池セルが、第４時間の継続時間が時間限界値未満である４０Ａｈの例示的な電池セル容量を備える場合には、時間限界値は、２５０・１０−３ｓ以下であってもよい。この場合、第４時間の継続時間は、例えば１００・１０−３ｓの値をとってもよい。
【００２７】
好ましくは、上記電池セルによって生成可能な最大放電電流の電流値及び／又は短絡経路を流れる放電電流の電流値は、それぞれ電池セル化学及び／又は電池セル寸法に依存している。
【００２８】
好ましくは、第１及び／又は第２時間の継続時間、及び／又は第４時間を制限するための時間限界値は、電池セル寸法及び／又は少なくとも１つの上記放電電流及び／又は少なくとも１つのセパレータの特性に依存している。
【００２９】
本発明の一態様は、さらに上記電池セルを急速放電する方法に関し、この方法では第１及び第２ステップが実施される。第１ステップは、電池セルの内部で短絡経路が生じているか、生じる恐れがあるか、又はそれぞれの電池セルの臨界的挙動が間もなく生じる危険性が高いことが予想される上記危険な状況を検出することを含む。第２ステップは、危険な状況が生じた場合に電池セルの内部及び／又は外部から接触可能な両方の電池セル端子の間で急速放電ユニットを接続することを含む。この場合、急速放電ユニットは、電池セルケーシングの内部及び外部に配置されていてもよく、２つの電池セル端子に電気接続されてもよい。好ましくは、接続は、所定の第４時間以内に行われる。
【００３０】
本発明の別の態様は、少なくとも１つの上記電池セルを備える電池を有する電池システムに関する。
【００３１】
次に本発明の実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。同じ構成要素及びパラメータについてはそれぞれ同じ符号を用いる。それぞれの構成要素及びそれぞれのパラメータはそれぞれ一回のみ説明し、これらの構成要素又はパラメータに繰返し言及しているそれぞれの説明部分がどの図面に関係していようとも、繰返しの際には既知のものとして扱う。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】急速放電ユニット及び短絡経路を備える本発明の第１実施形態による電池セルを示す図である。
【図２】電池セルによって生成可能な最大放電電流に等しい第１放電電流の時間に依存した波形、短絡経路を流れる第２放電電流の時間に依存した波形、急速放電ユニットを流れる第３放電電流の時間に依存した波形を示す図である。
【図３】第２放電電流により熱に変換される第２エネルギー量の時間に依存した波形、第３放電電流によって熱に変換される第３エネルギー量の時間に依存した波形、並びに第２エネルギー量及び第３エネルギー量の合計の時間に依存した波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、本発明の第１実施形態による電池セル１０を示す。電池セル１０は、第１の電池セル端子１１及び第２の電池セル端子１２を含む。２つの電池セル端子１１，１２は、電池セル１０の内部及び外部から接触可能である。さらに電池セル１０は、例えば、ジェリーロールとして形成された電気化学部分２０を含み、この電気化学部分２０は、シート状の２つの電極（個別に示さない）を含む。電気化学部分２０は、電池セル１０の開路電圧Ｕ０を供給し、内部抵抗２１を有する。第１の電池セル端子１１は２つの電極のうちの第１電極に接続されている。第１の電池セル端子１１と第１電極との間の接続部は第１抵抗１５を有する。第２の電池セル端子１２は２つの電極のうちの第２電極に接続されている。第２の電池セル端子１２と第２電極との間の接続部は第２抵抗１６を有している。
【００３４】
さらに電池セル１０はセパレータ（個別に示さない）を含み、セパレータは所定の温度に達した場合に、電気化学部分２０において生成可能なイオンに対して非透過性になる。したがってセパレータが所定の温度に達した場合には、セパレータは少なくとも部分的に停止され、これにより電池セルによって生成される放電電流の電流値が低減される。さらに電池セル１０は急速放電ユニット３０を含み、急速放電ユニット３０は、図１の概略図では第３抵抗３１及び制御可能なスイッチ３２の組合せとして示されている。この場合、第３抵抗３１の抵抗値は、作動されている急速放電ユニット３０の所定の抵抗値に対応する。さらにスイッチ３２は急速放電ユニット３０の作動状態を示す。スイッチ３２が開かれている場合には、急速放電ユニット３０は電池セル端子１１，１２の間で接続されておらず、したがって作動されていない。スイッチ３２が閉じられている場合には、急速放電ユニット３０は２つの電池セル端子１１，１２の間で接続されており、したがって作動されている。電池セル１０は、スイッチ３２を制御する、すなわち、開閉するように構成された制御ユニット（図示しない）を含む。急速放電ユニット３０の接続により、急速放電ユニット３０及び電池セル端子１１，１２と電極との間の接続部を介して延在する急速放電経路が生成される。急速放電経路の抵抗値は、急速放電ユニット３０の少なくとも１つの第３抵抗３１の所定の抵抗値と、電池セル端子１１，１２と電極との間の接続部の第１及び第２抵抗１５，１６の抵抗値とに依存している。急速放電ユニット３０が電池セル１０の電池セルケーシング１７の外部に配置されている上記実施形態に対して代替的に、急速放電ユニット３０が電池セルケーシング１７の内部に配置され、電気化学部分２０に接続されていてもよいし、又は電池セルケーシング１７の一部として形成されていてもよい。
【００３５】
第１実施形態によれば、電池セル１０は安全テストによって引き起こされる危険な状況にさらされ、このような危険な状況で短絡経路が電池セル１０の内部に生成される。短絡経路は、例えば、安全テスト中に釘によって電池セル１０が貫通されることによって生成される。短絡経路の抵抗値は、一般にシート状の電極の抵抗値に強く依存しており、釘の抵抗値に弱く依存している。
【００３６】
この場合、急速放電ユニット３０が接続されており、所定の第１時間以内に短絡経路が生じていない場合及び所定の第２時間以内に短絡経路が生じた場合にセパレータが所定の温度に達するように、所定の抵抗値が選択される。第１及び第２時間は、それぞれ急速放電ユニット３０が接続された場合に始まり、それぞれ所定の温度に達した場合に終了する。
【００３７】
さらに、少なくとも１つの抵抗３１の所定の抵抗値は、短絡経路が生じておらず、急速放電ユニット３０が接続されている場合に第１電気エネルギー量が第１エネルギー限界値未満となるように選択される。第１エネルギー量は、短絡経路が生じておらず、急速放電ユニット３０が接続されている場合に、急速放電ユニット３０を流れる放電電流によって可変の第３時間以内に熱に変換されるエネルギー量と一致している。第３時間は、第１時間と同時に始まり、第１時間の継続時間以上の最大継続時間を有する。この場合、第１エネルギー限界値は、第１エネルギー量が第１エネルギー限界値を超えた場合にのみ、電池セル１０の熱暴走をトリガする電池全体の過熱が生じるように選択される。
【００３８】
例えば釘による電池セル１０の貫通によって、又は電池セルのエラー又は電池セルの損傷によって短絡経路が生成され、急速放電ユニット３０が接続されない場合には、短絡経路を含む電池セル部分の局所加熱が生じる。このような局所加熱は、短絡経路を流れる放電電流によって引き起こされる。局所加熱は、セパレータが少なくとも部分的に停止されているにもかかわらず、電池セル部分の局所的な過熱をもたらす場合があり、これにより電池セル部分の温度は臨界温度限界値を超える。臨界温度限界値の超過は電池セル１０の熱暴走をトリガする場合がある。
【００３９】
第１実施形態によれば、制御ユニットは、所定の第４時間以内にスイッチ３２を閉じることにより急速放電ユニット３０を接続するように構成されている。この場合、第４時間は、釘によって電池セル１０が貫通された直後、又は他の電池セル損傷もしくは電池内部の短絡が検出された直後に始まる。さらに第４時間は、急速放電ユニット３０が接続された場合に終わる。
【００４０】
図１では、短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合に電池セル１０によって生成された第１放電電流がＩ１によって示されている。さらに、短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合に短絡経路を流れる第２放電電流がＩ２によって示されている。短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合に急速放電ユニット３０を流れる第３放電電流もＩ３によって示されている。この場合、第１放電電流Ｉ１は、第２放電電流Ｉ２及び第３放電電流Ｉ３の合計に等しい。
【００４１】
第１実施形態によれば、第２及び第３電気エネルギー量がそれぞれ第２エネルギー限界値未満となるように、電気化学部分２０は形成され、好ましくは、電池セルは寸法決めされている。さらに、第２及び第３エネルギー限界値の合計が第３エネルギー限界値未満となるように、電気化学部分２０は形成され、好ましくは、電池セル１０は寸法決めされている。短絡経路が生じたており、第４時間の継続時間が時間限界値未満となり、少なくとも１つの抵抗３１の所定の抵抗値が抵抗限界値未満となった場合に、第２及び第３エネルギー量並びに第２及び第３エネルギー量の合計は、それぞれ対応するエネルギー限界値未満となる。第２エネルギー量は、短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合に、短絡経路を流れる第２放電電流Ｉ２によって、可変の第５時間以内に熱に変換されるエネルギー量と一致する。第３エネルギー量は、短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合に、急速放電ユニット３０を流れる第３放電電流Ｉ３によって第５時間以内に熱に変換されるエネルギー量と一致する。第５時間は、第２時間と同時に始まり、第２時間の継続時間以上の最大継続時間を有する。さらに第２エネルギー限界値は、第２エネルギー量及び／又は第３エネルギー量が第２エネルギー限界値を超えた場合にのみ、電池セル１０の熱暴走をトリガする、短絡経路を含む電池セル部分の局所的な過熱が生じるように選択される。さらに第３エネルギー限界値は、第２及び第３エネルギー量の合計が第３エネルギー限界値を超えた場合にのみ、電池セルの熱暴走をトリガする電池セル１０全体の過熱が生じ得るように選択される。
【００４２】
第１エネルギー限界値、第２エネルギー限界値、及び第３エネルギー限界値は、それぞれ電池セル１０の電池セル化学に依存している。
【００４３】
次に電圧に基づいた第１計算モデル及び電流に基づいた第２計算モデルを用いて電池セル１０の作動形式を説明する。
【００４４】
第１計算モデルによれば、開路電圧Ｕ０は、電池セル１０の充電状態に依存している。さらに電気化学部分２０の内部抵抗２１は、時間に依存した抵抗値を有している。
【００４５】
第２計算モデルによれば、電池セル１０によって最大限に生成可能な、最大放電電流とも呼ぶ放電電流は、時間に依存した電流値を有し、この電流値は、さらに電池セル化学、及び好ましくは電池セル１０の電池セル寸法にも依存している。さらに電気化学部分２０の内部抵抗２１は、時間に依存した抵抗値を有し、この抵抗値は、さらに最大放電電流の電流値に依存している。
【００４６】
それぞれの計算モデルにしたがって、短絡経路が生じていない場合に急速放電ユニット３０を接続することにより、急速放電ユニット３０を流れる第３放電電流Ｉ３が生じる。これにより、電池セル端子１１，１２と電極との間のそれぞれの接続部を介した電圧降下が生じる。さらに、これにより、電気化学部分２０によって２つの電池セル端子１１，１２の間に開路電圧Ｕ０とは異なる端子電圧が印可される。
【００４７】
第１計算モデルによれば、短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合に、急速放電ユニット３０を流れる第３放電電流Ｉ３の高い電流値は、電気化学部分２０の内部抵抗２１によって降下する第１電圧Ｕ１の高い電圧値をもたらす。さらにこのことは、短絡経路を介して降下する第２電圧Ｕ２の電圧値の低下をもたらす。これにより、さらに第２放電電流Ｉ２の電流値が低減され、主に第２放電電流Ｉ２によって引き起こされる、短絡経路を含む電池セル部分の局所加熱も低減される。図１には、短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合に、急速放電ユニット３０を介して降下する第３電圧がＵ３により示されている。
【００４８】
第２計算モデルによれば、短絡経路が生じておらず、急速放電ユニット３０が接続されている場合に、急速放電ユニット３０を流れる放電電流は最大放電電流に等しい。この場合、既に定義した第１エネルギー量は、急速放電ユニット３０を流れる最大放電電流によって可変の第３時間以内に熱に変換される電気エネルギー量と一致している。
【００４９】
第２計算モデルによれば、短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合には、第１放電電流Ｉ１は最大放電電流に等しい。短絡経路が生じている場合に急速放電ユニット３０を接続することにより、急速放電ユニット３０を介して延在する急速放電経路は短絡経路に対して並行に接続される。急速放電ユニット３０が短絡経路に対して並行に接続されている場合には、最大放電電流は、短絡経路を流れる第２放電電流Ｉ２及び急速放電ユニット３０を流れる第３放電電流Ｉ３の合計に等しい。さらに、短絡経路と急速放電経路との間の最大放電電流は、両方の経路の抵抗値の間の比率に依存して分割される。第２計算モデルによれば、短絡経路が生じている場合に急速放電ユニット３０を接続することにより、第３放電電流Ｉ３の高い電流値が得られる。さらに、これにより第２放電電流Ｉ２の電流値が低減され、主に第２放電電流Ｉ２によって引き起こされる、短絡経路を含む電池セル部分の局所加熱が低減される。この局所加熱が臨界温度限界値未満の電池セル部分の温度をもたらす場合には、電池セル１０の熱暴走を防止することができる。
【００５０】
図２は、既に定義した第１放電電流Ｉ１の波形、短絡経路を流れる既に定義した第２放電電流Ｉ２の波形、及び急速放電ユニット３０を流れる既に定義した第３放電電流Ｉ３の波形を、それぞれ既に定義した可変の第５時間に依存して示す。この場合、急速放電ユニットの接続後には、第１放電電流Ｉ１は最大放電電流ＩＭに等しく、最大放電電流ＩＭは第２放電電流Ｉ２及び第３放電電流Ｉ３の合計に等しい。図３では、既に定義した第４時間の継続時間がｔ１により示されている。図３は、既に定義した第２エネルギー量Ｅ２の波形、既に定義した第３エネルギー量Ｅ３の波形、並びに第２エネルギー量Ｅ２及び第３エネルギー量Ｅ３の合計Ｅ２３の波形を、それぞれ可変の第５時間に依存して示す。図３に示した波形は、図２に示した波形が生じた場合に生じる。図２及び図３に示した波形は、それぞれ第２計算モデルを使用した場合に測定される。図２及び図３に示した波形は、第４時間の継続時間ｔ１が既に定義した時間限界値未満であり、少なくとも１つの第３抵抗３１の所定の抵抗が既に定義した抵抗限界値未満である場合に生じる。さらに図２は第２放電電流Ｉ２の波形を示す。図２からわかるように、第２放電電流Ｉ２は、急速放電ユニット３０の接続前には高い電流値を有し、急速放電ユニット３０の接続直後には遥かに小さい電流値をとる。さらに図２からわかるように、第１、第２、及び第３放電電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３はそれぞれ第２時間の終了後には急速にほぼ０Ａの電流値をとる。図３は、既に定義した第２エネルギー限界値ＧＥ２及び既に定義した第３エネルギー限界値ＧＥ３を示す。図３からわかるように、第２エネルギー量Ｅ２及び第３エネルギー量Ｅ３はいずれも第２時間内のいずれの時点でも第２エネルギー限界値ＧＥ２未満である。図２及び図３には、ｔ２によって第２時間の継続時間が示されている。さらに図３からわかるように、第２エネルギー量Ｅ２及び第３エネルギー量Ｅ３の合計Ｅ２３は、第２時間以内のいずれの時点でも第３エネルギー限界値ＧＥ３未満である。したがって、電池セル１０の熱暴走が防止される。図２では、ＩＷによって示された軸が電流値を示す。図３では、ＥＷによって示された軸がエネルギー量を示す。図２及び図３では、ｔによって示された軸が時間を示す。
【００５１】
急速放電ユニット３０がなく、時間限界値及び／又は抵抗限界値を超えた場合には、それぞれ第２時間以内に第２エネルギー量Ｅ２が第２エネルギー限界値ＧＥ２を超える。さらに電池セル特性が不適切に選択された場合には、時間限界値及び抵抗限界値未満であっても、第２時間以内に第３エネルギー量Ｅ３、及び好ましくは第２エネルギー量Ｅ２も第２エネルギー限界値ＧＥ２を超える。電池セル特性は、電池セル化学、及び好ましくは電池セル寸法を含む。電池セル特性が不適切に選択された場合には時間限界値及び抵抗限界値未満であっても、第２時間以内に第２エネルギー量Ｅ２及び第３エネルギー量Ｅ３の合計Ｅ２３が第３エネルギー限界値ＧＥ３を超える。この場合、最大放電電流ＩＭの電流値が上述の電池セル特性に依存していることが考慮される。さらに、第２放電電流Ｉ２の波形及び第３放電電流Ｉ３の波形の勾配、したがって第２エネルギー量Ｅ２の波形及び第３エネルギー量Ｅ３の波形の勾配も、それぞれ電池セル化学に依存していることが考慮される。したがって、第２エネルギー量Ｅ２及び第３エネルギー量Ｅ３がそれぞれ第２エネルギー限界値ＧＥ２未満となり、第２エネルギー量Ｅ２及び第３エネルギー量Ｅ３の合計Ｅ２３が第３エネルギー限界値ＧＥ３未満となるように、電池セル化学を適切に選択することによって上記勾配を調節することができる。それぞれの勾配は、この場合、経時的なそれぞれの波形の一次導関数として理解される。
【００５２】
図３に関連して既に挙げた全ての超過は、第２時間以内に、すなわちセパレータが少なくとも部分的に停止される前に生じ、したがってそれぞれ電池セルの熱暴走をトリガする。
【００５３】
次に、第２計算モデルの使用時に電池セルの熱暴走がトリガされる可能性を低減する要因を挙げる。
【００５４】
上記可能性の低減は、最大放電電流ＩＭの電流値に影響を及ぼすことによって得られる。電池セル１０の電気化学部分２０で使用される電解質及び活物質を適切に選択することによって、このような影響を及ぼすことができる。さらに、電池セル寸法を適切に選択し、最大放電電流ＩＭの電流値を制限するために適した活性層を電気化学部分２０において使用することによって、このような影響を及ぼすこともできる。
【００５５】
さらに、短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合に、短絡経路を流れる第２放電電流Ｉ２の電流値の低減及び／又は冷却によって、上記可能性を低減することができる。短絡経路の抵抗値を高めることによって、特にシート状の電極の抵抗値を高めることによって、上記可能性の低減を達成することができる。
【００５６】
さらに、短絡経路が生じており、急速放電ユニット３０が接続されている場合に、急速放電電流経路を流れる第３放電電流Ｉ３の電流値を高めることによって上記可能性を低減することもできる。急速放電経路の抵抗値、特に電池セル端子１１，１２と電極との間の接続部の第１及び第２抵抗１５，１６の抵抗値を低減することによって電流値を高めることができる。
【００５７】
第１エネルギー限界値、第２エネルギー限界値ＧＥ２、及び第３エネルギー限界値ＧＥ３に影響を及ぼすことによって上記可能性を低減することもできる。電気化学部分２０において使用される活物質及びセパレータの変更によってこのような影響を及ぼすこともできる。
【００５８】
上記書面による開示の他に、本発明のさらなる開示のために図１〜図３の図面を補足的に参照されたい。
【符号の説明】
【００５９】
１０  電池セル
１１  電池セル端子
１２  電池セル端子
１５  第１抵抗
１６  第２抵抗
１７  電池セルケーシング
２０  電気化学部分
２１  内部抵抗
３０  急速放電ユニット
３１  抵抗
３１  第３抵抗
３２  スイッチ
Ｅ２  第２エネルギー量
Ｅ３  第３エネルギー量
Ｅ２３  合計
ＧＥ２  第２エネルギー限界値
ＧＥ３  第３エネルギー限界値
Ｉ１  第１放電電流
Ｉ２  第２放電電流
Ｉ３  第３放電電流
ＩＭ  最大放電電流
Ｕ０  開路電圧
Ｕ１  第１電圧
Ｕ２  第２電圧
ｔ１，ｔ２  継続時間
【図１】
2017126555.tif 000003
【図２】
2017126555.tif 000004
【図３】
2017126555.tif 000005
【外国語明細書】
2017126555000001.pdf