(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の正及び負接続に並列に結合された複数の薄膜電気化学セルであって、前記電気化学セルは、それぞれ端部に形成されたアノード接点及びカソード接点と、前記アノード接点及びカソード接点にそれぞれ配置された熱伝導器とを有し、前記複数の電気化学セル中の特定セルの平面が前記特定セルと隣接して配置されたセルの平面と熱的に接触するように配置され、前記複数の電気化学セルの各平面は、前記複数のセルの中の特定セルにおいて生じた短絡状態により生成される熱エネルギーが各セルと接続されている熱伝導器及び前記特定セルと隣接するセルへと導通されることにより前記特定セルの温度が破壊温度を越えるのを防止するようなエネルギー容量と接触面積との比率を有する複数の薄膜電気化学セルと、
それぞれが前記複数の電気化学セルの１つの熱伝導器と直列接続された複数のヒューズであって、前記特定のセルと結合したヒューズは、前記特定セルにおける短絡の発生時に前記特定セルによって容量的に生成される電流スパイクにより起動され、それによって、前記特定セルを前記共通の正及び負接続から電気的に遮断する複数のヒューズと、
を有するエネルギー蓄積ユニットのための現場熱管理システム。
【請求項２】
前記複数の電気化学セルは、付加的に圧力状態に維持されている請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ヒューズは約３００Ａ〜６００Ａの範囲のアンペア数を有する電流スパイクにより起動される請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ヒューズは約５０Ａの定格電流を有する請求項１〜３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記ヒューズは集積化パッケージとして作製される請求項１〜４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記破壊温度は前記特定セルの融解温度を表す請求項１〜５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記エネルギー容量と接触面積との比率は約０．００６Wh／cm２未満である請求項１〜６の何れか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数の電気化学セルのそれぞれは角柱形状を有する請求項１〜７の何れか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数の電気化学セルの各々は約１００cm２〜４００cm２の範囲の表面積と、約１０Wh〜４０Whの範囲のエネルギー容量を有する請求項１〜８の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数の電気化学セルの各々はリチウムを有し、前記破壊温度はリチウムの融解温度を表す請求項１〜９の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記特定セル及び前記隣接セルの前記平面は各々、前記特定セルにおいて生じた短絡状態により生成される熱エネルギーが前記隣接セルへと導通されることにより前記特定セルの温度が安全温度を越えるのを防止するようなエネルギー容量と接触面積との比率を有し、前記安全温度は前記破壊温度より低い請求項１〜１０の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記安全温度は１３０℃である請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記エネルギー容量と接触面積との比率は約０．００３４Wh／cm２〜約０．００３８Wh／cm２の範囲である請求項１〜１２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数の電気化学セルは約３mm〜１０mmの範囲で変化する厚みと、約０．００６Wh／cm２未満のエネルギー容量と接触面積との比率を有する請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数のヒューズの各々は、温度ヒューズを有している、請求項１〜１４の何れか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明はエネルギー蓄積装置に関し、より詳細には、短絡状態が生じたときにエネルギー蓄積セルを保護する装置および方法に関する。
【０００２】
従来の技術
新規且つ改定された電子的および電気機械的システムに対する要望に依り、エネルギー蓄積装置の製造業者は小容積パッケージで高エネルギー生成を行うバッテリ技術の開発を強いられている。例えば酸化鉛(lead acid) などを利用した従来のバッテリシステムは、高出力で低重量の用途には不適切なことが多い。他の公知のバッテリ技術は、消費者機器用途での使用では不安定もしくは危険すぎると思われる。
【０００３】
最近では多くの先進バッテリ技術が開発されているが、それは例えば金属水素化物（例えばＮｉ−ＭＨ）、リチウム・イオンおよびリチウム・ポリマ・セル技術などであり、多くの商用的用途および消費者用途に対して必要なレベルのエネルギー生成および安全度を提供すると思われる。しかしながら斯かる先進のエネルギー蓄積システムは相当の量の熱を生成するのが通常であり、もし適切に放散されなければ熱暴走状態(thermal runaway condition) となり最終的には、セル、並びに、セルにより給電されているシステムが破壊されてしまう。
【０００４】
故に、商用的および消費者用の装置およびシステムで使用するに適したバッテリシステムを設計する際に、先進のバッテリセルの熱的特性が理解され、適切に考慮されねばならない。従来において斯かるセルの外部となる熱伝達機構を提供する手法は、例えば、セルの内部からの熱を効果的に放散するには不適切なこともある。斯かる従来の手法はまた、一定の用途では高価過ぎたり、かさばり過ぎることもある。また、先進の高エネルギー電気化学セルが関連する場合には、短絡および熱暴走状態から帰着する結果の厳しさは、相当に大きくなる。
【０００５】
先進のバッテリ製造分野にては、高エネルギー出力を示すエネルギー蓄積システム、および、広範囲な用途において安全かつ確実に使用され得るエネルギー蓄積システムに対する要望が在る。また、短絡状態から帰着する熱暴走からエネルギー蓄積セルを保護する為の邪魔にならず安価な熱管理手法に対する要望も存在する。本発明は、これらの要望および他の要望を満足するものである。
【０００６】
発明の要約
本発明は、エネルギー蓄積装置に対する現場(in-situ) 熱管理システムに関する。上記エネルギー蓄積装置は、共通の正負接続に対して各々が並列に連結された複数のエネルギー蓄積セルを含んでいる。セル技術、寸法および熱的／電気的特性に依れば、エネルギー蓄積セルの各々は、特定セルの温度が破壊温度を超えるのを防止すべく、特定セルにおいて短絡により生成される熱エネルギーが隣接および近傍セルへと伝導されるようなエネルギー容量と接触面積との比率を有すべく構成される。一実施例において、多数のエネルギー蓄積セルの各々と直列にヒューズが連結される。そのヒューズは、セル内において短絡が生じたときに容量的に(capacitively)生成される電流スパイクにより起動されることにより、共通の正負接続から短絡セルを電気的に分離する。
【０００７】
発明の実施の形態
高エネルギー電気化学電池を利用したエネルギー蓄積システムの一実施例に依れば、システムは図１に示されたタイプの固体薄膜セルを含んでいる。斯かる薄膜電気化学セルは、例えば電気自動車に使用される様な、高電流高電圧エネルギー蓄積モジュールおよびバッテリを構成する用途に特に適している。
【０００８】
図１Ａには、アノード接点５６およびカソード接点５５がそれぞれ端部に形成された角柱状(prismatic) 電気化学セル５０の実施例が示されている。アノードおよびカソード接点５６、５５の各々には、熱伝導器５２がスポット溶接、またはそうでなければ取付けられている。通常熱伝導器５２は、アノード接点５６およびカソード接点５５の長さに沿って配置されると共に、電気化学セル５０に対して電流を導通する電気接続導線５４を含み、電流は選択的にアノードおよびカソード接点５６、５５に沿って収集および導通される。
【０００９】
図１Ｂに示された熱伝導器６３の実施例は、溶射金属(sprayed metal) アノードもしくはカソード接点６１の長さに沿って延在する銅製タブ５３を含んでいる。銅製タブ５３は弾性部材５９を含むが、上記セル５０と、隣接して配置された金属ハウジングの壁部などのヒートシンクとの間においては弾性部材５９を介して熱が伝導される。銅製タブ５３は多数の溶接箇所５１にて溶射金属接点６１にスポット溶接される。銅製タブ５３の端部６３には、可撓性の導電線５７が超音波溶接されている。電流は主としてセル５０の溶射金属接点６１に沿って導通されると共に、可撓性の導電線５７を介して外部接続へと連絡される。
【００１０】
図１Ｃに示された如く熱伝導器６３は、電気化学セルと、熱伝導性の電気抵抗材料もしくは要素との間で熱エネルギーを伝導する熱流束経路を提供する。尚、本明細書中で言及する熱伝導性の電気抵抗材料、要素もしくは構造とは、それ自体を通して相当の量の熱が導通されるのを許容するが、電気化学セルに対して電流を導通すべく提供された電流経路との比較においては電流に対して電気的に抵抗性を有する表面被覆／処理もしくは別体材料を指すことが理解される。例えばアノード酸化被覆は、十分な量の熱エネルギーが導通されるのを許容するが、セルのアノードおよびカソード接点または熱伝導器との比較においては電流に対して十分な抵抗を有し得る。更なる例として、熱伝導性ポリマ要素が、内部に充填された熱伝導性粒子の密度を熱伝導および電気伝導特性の間の所望のバランスを提供すべく選択するように採用され得る。
【００１１】
図１Ｃの多数セルの実施例において更に示されるように、熱伝導器６３は隣接セル間で熱を伝導する熱流束経路も提供する。例えばセル積層体内のセル７３において短絡が発生したとしても、短絡セル７３により生成された過剰熱Ｑgen は熱伝導器６３を介し、ハウジング表面７７上に提供された熱伝導性の電気抵抗材料を介して各隣接セル７２および非隣接セル７１へと導通される。また過剰熱Ｑgen は、物理的接触によっても短絡セル７３の隣接セル７２に導通される。熱伝導プレート７５は、セル積層体の端部に配置されたセル７４に対するヒートシンクの役割を果たす。
【００１２】
更に熱伝導器６３は、セル７３と、セル７３の近傍に配置された金属平面７７などの構造との間において、セル７３と構造７７との間における相対移動に応じて実質的に連続的な接触を提供するスプリング的特性を示す形状とされている。熱伝導器６３内には筒状弾性要素などの別体スプリング要素６９が保持され、熱伝導器６３のスプリング特性を増大して得る。熱伝導器６３は銅から形成されると共に、実質的にＣ形状、２重Ｃ形状、Ｚ形状、Ｏ形状、Ｓ形状、Ｖ形状またはフィンガ形状(finger-shaped) の断面を有し得る。
【００１３】
図１Ａに示された実施例において電気化学セル５０は、約１３５mmの長さＬ、約１４９mmの高さＨ、および、約５．４mmもしくは発泡コア要素を含むときは約５．８６mmの幅Ｗecを有すべく作製される。カソード接点５５およびアノード接点５６の幅Ｗc は夫々約３．７２mmである。斯かるセル５０は通常に、約３６．５Whの公称定格エネルギー、８０％の放電深度（ＤＯＤ）時における８７．０Ｗのピーク定格電力、およびフル充電時において１４．４Ahのセル容量を示す。図２は、図１Ａに示されたものと実質的に同一の構成を有する電気化学セルに対する電圧および容量の間の関係をグラフで示している。個々の電気化学セルは約２．０Ｖ乃至３．１Ｖの公称作動電圧を有することが理解される。
【００１４】
図１Ａ乃至図１Ｃに示された電気化学セルは、図３に示されたものと同様の構成を有し得る。この実施例において電気化学セル６０は平坦に巻かれた角柱形状を有すべく示されているが、これは、イオン搬送膜を構成する固体ポリマ電解質６６と、リチウム製金属アノード６４と、酸化バナジウム製カソード６８と、カソード電流コレクタ７０とを取り入れている。これらの膜要素は、ポリプロピレン膜などの絶縁膜をも含み得る薄膜積層角柱構造を形成すべく作製される。
【００１５】
図３に示されたセルは、２つのカソード膜６８の間に配置されて両面セル形状を形成する中央のカソード電流コレクタ７０を含んでいる。代替的に、単一のアノード／電解質／カソード要素の組合せと単一のカソードコレクタ７０を組合せる単一面セル形状が採用され得る。この形状においては、通常個々のアノード／電解質／カソード／コレクタ要素の組合せの間に絶縁膜が配置される。
【００１６】
上記アノードおよびカソード電流収集膜６４、７０の夫々の縁部６５、７９に沿って電流収集接点を形成すべく、公知のスパッタ金属被覆が採用される。上記金属溶射接点はアノードおよびカソード膜縁部６５、７９の長に沿い優れた電流収集を提供すると共に、良好な電気接触および熱伝導特性を示す。図１Ａ乃至図１Ｃおよび図３に示された電気化学セルは、米国特許第５，４２３，１１０号、第５，４１５，９５４号および第４，８９７，９１７号に開示された方法に従って作製され得る。
【００１７】
以下の表１においては、図１に示されたものと同様の構成を有すると共に約６０℃の温度に維持された電気化学セルに対する種々の熱的特性が示される。
【００１８】
【表１】
0004267812.tif 000002
【００１９】
所望の電圧および定格電流を達成すべく、多数の電気化学セルが並列および／または直列関係で選択的に相互連結され得る。例えば図４を参照すると、多数の別体の電気化学セル８０がグループ化されるとともに共通の正負電力バスもしくはラインに対して並列に接続されることにより、ひとつのセルパック８２を形成する。次に多数の電気化学セルパック８２が直列接続されてひとつのモジュール８４を形成する。更に多数の別体モジュール８４が直列接続されてひとつのバッテリ８６を構成する。
【００２０】
図４に示された実施例は、広範囲な高出力用途に対して所望の電力要件を達成する効果的手段を提供するモジュラーパッケージ化手法に従った電気化学セル８０の配置構成を示している。ここに示された実施例においては８個の電気化学セル８０がグループ化されると共に並列接続されてセルパック８２を形成する。また、モジュール８４は６個のセルパック８２をグループ化して直列接続することにより構成される。更にバッテリ８６は、直列接続された２４個のモジュール８４を構成するものとして示されている。
【００２１】
これらの構成が与えられると共に、電気化学セル８０の各々は図１に示されたセルと等しい寸法および特性を有するとすれば、別体セル８０の各々は約３６．５Whの合計エネルギー出力を提供する。セルパック８２の各々は約２９２Whの合計エネルギー出力を提供する一方、各モジュール８４は１．７５kWh の合計エネルギー出力を提供する。軸方向に４列で長手方向に６列で配向されて直列接続されたモジュール８４により構成されるバッテリ８６は、約４２kWh の合計エネルギー出力を提供する。セルパック８２、モジュール８４およびバッテリ８６を形成する電気化学セル８０の構成およびセル８０の相互連結は図４に示された配置構成から変更し得ることが理解される。
【００２２】
図５には、積層体形状に配置された多数の電気化学セルが示されている。特定のセル１１２は短絡を生じたものとして示されている。そのセル１１２は、短絡から帰着する高速のエネルギー放出の結果として熱を生成する。この１次元（ｘ軸）熱伝導モデルに依れば、セル１１２における短絡により生成された熱エネルギーはセル１１２を介して部分的に導通されてセル１１２の外側面１１５、１１７に至る。短絡セル１１２に対する直近の隣接セル１１０は、熱エネルギーがセル１１２の外側面１１５、１１７に導通されて隣接セル１１０内に放散するのを許容する。
【００２３】
同様にして、セル１１２の外側面１１７と熱的接触に在る外側面１１３を有する隣接セル１１４は、セル１１２により生成された熱を熱接触界面１１３、１１７を介して導通する。ここに示された実施例において隣接セル１１０、１１４は、セル１１２の外側面１１５、１１７と密接に熱的接触する外側面１１１、１１３を夫々含んでいる。隣接セル間には、発泡体もしくは金属製平坦スプリング要素などの挿入要素、または、熱伝導材料が配置され得ることを理解されたい。図５には示されていないが、短絡セル１１２により生成された熱はｙ方向およびｚ方向にも導通され、特に、図１Ｃに示された如き上記熱伝導器および熱伝導性電気抵抗材料を介して隣接および近傍セルにも導通されることを理解されたい。
【００２４】
上記セル１１２では短絡事象の直後において、生成熱の約５０％がｘ方向において隣接セル１１０、１１４へと放散する一方、残りの５０％は熱伝導器および熱伝導性電気抵抗材料を介して消散されると考えられる。セル積層体の各端部セルは、端部セル７４と密接に接触する図１Ｃの金属プレート７５の如く隣接配置されたヒートシンクの存在を必要とする。
【００２５】
当業者であれば、短絡セル１１２内におけるエネルギーの増大、および、短絡事象から生成したエネルギーが隣接セル１１０、１１４へと放散される速度は、フーリエの熱伝導法則を使用して特定され得ることを理解し得よう。短絡セル１１２から生成熱が隣接セル１１０、１１４へと導通されるプロセスを記述する上では、一般化された１次元熱伝導分析の簡単な説明が有用であろう。以下の説明は例示の為だけに提供されており、３次元の過渡的熱伝導特性を無視していることが理解される。
【００２６】
【外１】
0004267812.tif 000003
【００２７】
当業者であれば、図５のエネルギー蓄積システム内での短絡事象による温度の増大は、各セルの熱的特性およびエネルギー生成能力を理解することにより適切に管理され得ることが理解できる。本発明の原理に係る現場熱管理システムは、強制冷却装置もしくは強制対流装置などの外部の能動的熱管理機構を要さずに、短絡事象から帰着する過剰な熱エネルギーを放散すべく採用され得る。本明細書中に記述される現場熱管理方法は、エネルギー蓄積システムにおいて使用される特定セルの熱容量および熱放散特性を理解すると共に、各セルのエネルギー容量を適切に制限することにより実施され得る。
【００２８】
複数セル式エネルギー蓄積システムの設計に影響を与える重要な検討事項は、セル全体の性能が相当に低下するような特定のセル技術の材料が破壊もしくは劣化する温度に関係している。一例として、図１Ａ乃至図１Ｃおよび図３に示されたタイプの構成を有するセルは、リチウムの融点を表す約１８０℃の破壊温度を有している。本発明の原理に依り実施された現場熱管理機構を採用すれば、短絡状態の下であっても、セルの温度が破壊温度または破壊温度よりも低い安全温度に到達するのが防止される。
【００２９】
特定セルの熱放散特性は、セル技術、寸法および熱的／電気的特性などの多数の要因に依存する。これらの既知の要因を考慮することにより、セルの熱放散特性は変化して最適化され得る。セル１１２内における熱放散は、隣接セル１１０、１１４の接触表面に関する熱接触表面積の関数であることから、セル温度を破壊温度もしくは安全温度以下に維持するのに必要な単位接触面積当たりの最大エネルギー容量が決定され得る。一例として図６を参照すると、短絡状態で図１Ａ乃至図１Ｃおよび図３に示された構成を有するセルの最大温度と、セルに対する正規化エネルギー容量と接触面積との比率との間の関係がグラフで示されている。尚、図６のグラフは、特定の化学的性質および特定の幾何学形状ならびに熱的／電気的特性を有するセルを特定していることを理解されたい。
【００３０】
図６に示されたグラフを使用することにより、エネルギー容量と接触面積との比率が、短絡状態の下であっても最大セル温度が破壊温度または安全温度未満に留まるような範囲内に維持されるように、セルのエネルギー容量およびセルの物理的寸法が選択され得る。薄膜リチウム・ポリマ・セルに対して、約０．００５０Wh／cm2 未満のエネルギー容量と接触面積との比率によれば、セル内の短絡から帰着する最悪状態温度がセル内のリチウム要素の融点（即ち１８０℃）を超えないことが確かなものとされる。
【００３１】
もし、短絡セル最高温度が１３０℃などの安全温度を超えないことを確かなものとすべくセルを設計することが所望であれば、セルのエネルギー容量および接触面積は図６のグラフを使用して適切に選択すればよい。図６に示されたグラフと類似すると共に、短絡状態下における最大セル温度をエネルギー容量と接触面積との比率に対して特定するグラフが、本明細書中に記述された以外の技術を使用して構成されたエネルギー蓄積セルに対して導かれ得ることを理解されたい。例えば図１８は、図１Ａ乃至図１Ｃおよび図３に示されたのと類似の構成でありながらも異なるカソード酸化物を有するセルに対し、エネルギー容量と最大セル温度との間の関係を記述している。
【００３２】
図７乃至図９に示されたエネルギー蓄積セルの描写は、種々の形状を有するエネルギー蓄積セルに対して現場熱管理設計手法が採用され得ることを示すべく提供される。最悪状態セル温度がセル破壊温度を超えるのを防止する範囲内にエネルギー容量／接触面積の比率が留まるという制約の下で、例えば長さ（Ｌ）、高さ（Ｈ）、幅（ｗ）または半径（ｒ）は所定用途に対して必要に応じて変更され得る。
【００３３】
近接して配置された所定技術の多数の電気化学セルを含む熱的安定エネルギー蓄積モジュールおよび装置の適切な設計および製造を容易化すべく、最悪条件（即ち短絡）下においてセルにより達成される最大温度を、セルエネルギー容量／セル体積の比率、セルの伝導率、熱コンダクタンスおよびセル厚みなどの幾つかの変数の関数として表すのが有用である。以下の各式は、セルが図４、図１０および図１４に示されたようなエネルギー蓄積モジュール内にパッケージ化されたときにおける、所定技術による短絡セルの最大温度（Ｔmax ）を特定している。以下の式は、６０℃の初期作動温度における複数セル式モジュールの数値解析シミュレーションを用いて導かれたことを銘記されたい。更に、これらの式は図１８に関連するセル技術に基づいて導かれたことを銘記されたい。以下の各式を使用すれば、短絡セルにより生成された過剰熱を安全に放散するに必要な熱伝導器のコンダクタンス(conductance）を計算し得る。
【００３４】
以下の式〔３〕は、発泡コア要素を含まない薄膜電気化学セルの最大セル温度を、種々の操作パラメータの関数として数学的に特定している。式〔３〕で特定されたセルの各寸法は、０．１３５ｍ×０．１４９ｍ×０．０５４ｍとして与えられる。セルに対する最大セル温度は次式により与えられる：
Ｔmax ＝１／１．１・１／１．２・０．０３７７３８・（１／（ρcell・Ｃｐ
cell))0.3856・（Ｑ／ｋｃｅｌｌ）・(δ)0.6146 ・（Ｋ／Ｌ）-0.077                                                                〔３〕
式中、Ｔmax はモジュール内における短絡セルにより到達された最大温度（℃）、ρcellはセル密度（kg／ｍ3 ）、Ｃｐcellはセルの熱容量（Ｊ／kgK)、Ｑは単位体積当たりの１個のセルのエネルギー容量 (Wh／ｍ3 ) 、ｋｃｅｌｌはセル−セル軸心方向におけるセルの伝導率（Ｗ／mK) 、δはセル−セル軸心方向におけるセル厚み (mm) 、および、Ｋ／Ｌは熱伝導器のコンダクタンス（Ｗ／ｍ2 Ｋ）をそれぞれ表している。
【００３５】
上記の式〔３〕を使用し、与えられたセルの化学的性質および配置構成を有する所定セルに対する短絡セルの最大温度間の関係が、セルのエネルギー容量の関数として導かれ得る。セル厚みの関数としての最大セル温度間の関係もまた導かれ得る。一例として図１８乃至図１９を参照すると、エネルギー容量およびセル厚みの関数としての最大セル温度の関係が夫々記述されている。図１８乃至図１９で反映されたデータは次の変数を一定として導かれたものである：ｋｃｅｌｌ＝０．４Ｗ／mK、Ｋ／Ｌ＝４００Ｗ／ｍ2 Ｋ、ρcell・Ｃｐcell＝１２１８・１４３５Ｊ／ｍ3 Ｋ。
【００３６】
図１８からは、上記で特定されたタイプの薄膜電気化学セルは、セルの最大温度がリチウムの融点（即ち１８０℃）などの破壊温度を超えないことを確かなものとすべく、約３８Wh未満に制限されたエネルギー容量を有すべきことが理解され得る。セル技術の違いがあるが、図１８および図６に示された最大セル温度とエネルギー容量との関係の線形性は興味深い。図１９からは、セルの最大温度が１８０℃の破壊温度を超えないことを確かなものとすべく、セルの厚みは約８．５mmを超えてはならないことが理解され得る。
【００３７】
以下の式〔４〕は、幾つかのセルが約２mmに圧縮された発泡コア要素を含むという式〔３〕に関連する、同一のセル技術のエネルギー蓄積モジュールに対する最大セル温度を特定する。より詳細には式〔４〕は、ひとつ置きの電気化学セル内に圧縮発泡コア要素が提供されたモジュール設計に対する最大セル温度を特定する。この場合、斯かるモジュール形状に対する最大セル温度は次式により与えられる：
Ｔmax ＝０．０３７７３８・（１／（ρcell・Ｃｐcell))0.3856・（Ｑ／ｋｃ
ｅｌｌ）・（δ)0.6146 ・（Ｋ／Ｌ）-0.077    〔４〕
上記式〔３〕および〔４〕が定数（即ち、式〔３〕における定数１／１．１および１／１．２）においてのみ相違するのは興味深い処である。
【００３８】
式〔５〕は、式〔３〕および式〔４〕におけるのと同一の技術のセルを有するモジュールに対する最大セル温度を特定しており、各セルは上記式〔４〕に関する発泡コア要素よりも薄い発泡コア要素を取り入れている。より詳細には以下の式〔５〕は、約０．０４mm（１／３２インチ）厚みの発泡コア要素がセル積層体のひとつ置きのセル内に提供されることを仮定している。その発泡コア要素は、Ｐｏｒｏｎ  Ｓ２０００から作製されている。この配置構成を有するモジュールに対する最大セル温度は次式により与えられる：
Ｔmax ＝１／１．１・０．０３７７３８・（１／（ρcell・Ｃｐcell))0.3856
・（Ｑ／ｋｃｅｌｌ）・（δ)0.6146 ・（Ｋ／Ｌ）-0.077  〔５〕
上記ρcell・Ｃｐcellの項によれば、短絡事象の間において到達する最大セル温度Ｔmax に関するセル内の各構成要素の熱容量の効果を定量化すべく式〔３〕乃至式〔５〕を使用することが許容される。故にこれらの式は、異なる技術のエネルギー蓄積セルに対して、同様の状況下での最大セル温度を特定すべく使用され得る。
【００３９】
上記各式はまた、セル設計および構成における変更および改良の効果を特定する為にも採用され得る。上記式〔３〕乃至式〔５〕を導くべく使用された数値解析シミュレーションは、約３０乃至４０Whのエネルギー容量と約５．４乃至７．８mmのセル厚みδを有する電気化学セルと、約２００乃至６００Ｗ／ｍ2 Ｋのコンダクタンス値Ｋ／Ｌを有する熱伝導器を利用したセルの研究に関するものであることを銘記されたい。
【００４０】
一般に図１Ｃおよび図５に関して上述した現場熱管理手法は、グループ化されたセル内の単一のセルで発生した短絡温度上昇を管理すべく適用される。相当に多数の並列接続セルが積層体もしくは束として配置構成された用途においては、セル積層体内における熱暴走を防止すると共に特定セル内における短絡の発生時にセルを並列接続から遮断すべく、強化された現場短絡保護手法が実施され得る。
【００４１】
図１０に示されたエネルギー蓄積システムの実施例においてエネルギー蓄積装置１２０は、共通の正極および負極端子１２４、１２５に夫々並列接続された８個のエネルギー蓄積セルを含んでいる。セルＥＣ１は短絡として示されている。この構成を仮定して図１１を参照すると、セル材料の破壊温度を超えること無く、上述の現場熱管理方法を使用して８個のセルの積層体内のひとつの短絡セルのみが管理され得ることが理解できる。複数の短絡事象が発生するのを防止すべく、現場短絡保護装置がエネルギー蓄積システム内に取り入れられ得る。
【００４２】
図１０に示された如き本発明の一実施例に依れば、複数セル式エネルギー蓄積装置１２０内の夫々のセル１２２に対してヒューズ１２３が直列接続される。並列接続セル１２２のいずれかに短絡が発生した場合、短絡セル１２２を並列接続から電気的に分離すべく欠陥セル１２２のヒューズ１２３が飛ぶ。セル１２２における短絡の発生の間およびヒューズ１２３が飛んだ後に生成された熱は、前述の手法により欠陥セル１２２に隣接するセルに導通される。故に、最悪条件下でセルにより達成され得る最大温度は、セルの破壊温度よりも遙かに低い。より詳細には図１１のデータから、現場短絡保護装置が採用されればセル積層体内の短絡セルの温度は１３０℃の安全温度を決して超えないことが確認される。
【００４３】
図１２を参照すると、薄膜電気化学セル内において短絡が発生したときのセル電流に対する影響を特定するグラフが示されている。図１Ａ乃至図１Ｃおよび図３に示されたタイプの薄膜セル、並びに、他のタイプの高エネルギーセルは、セルの容量的特性に依り、セル電流の大きな短期間の増加を示す。例えば図１２で特定されたセルにおける電流は、約１００ミリ秒内で５００Ａを超える値にスパイクしている。電流のスパイクに続き、セル内の電流は１秒後に急速に約１５０Ａへと衰退し、その後は次第に衰退する。短絡事象から５秒後に、セル電流は約６０Ａの値に到達する。  高エネルギーセルにおける短絡事象の直後に発生する特性電流スパイクは、本発明の原理に従って実施される現場短絡保護装置により好適に利用され得る。例えば図１０に示された実施例においては、対応するエネルギー蓄積セル１２２に直列接続されたヒューズ１２３の各々は、セル１２２における短絡で生成される電流スパイクに応答して起動される如く設計される。通常ヒューズ１２３は、通常動作の間においてはヒューズが起動するのを防止するが、短絡状態に応じてヒューズを起動し得る定格電流を有している。ヒューズ１２３をトリガする機構として電流スパイクを利用すれば、セル１２２の最大作動電流レベルとヒューズ１２３の最小起動電流レベルとの間に大きな電流間隔が提供される。
【００４４】
一実施例に依れば、エネルギー蓄積装置の並列接続セルは、図１Ａ乃至図１Ｃおよび図３に関して先に記述されたものと同様の構造および挙動を有する。斯かる配置構成において、各セルと直列接続された各ヒューズは、約５０Ａの定格電流を有する。５０Ａヒューズをトリガするセルの容量的効果を利用することにより、ヒューズの偶発的起動は回避され、エネルギー蓄積装置に対する安全で信頼性のある短絡保護が提供される。
【００４５】
一定の用途においては、外部の導通手段または材料などによるエネルギー蓄積装置もしくはセルの偶発的短絡に対する保護が主な関心事となり得る。故に、上述した高速作動ヒューズよりも低速で起動されるヒューズを採用するのが望ましいこともある。例えば、セル内における短絡の発生の数百ミリ秒後もしくは数秒後に起動するヒューズが採用され得る。短絡の発生とヒューズが飛ぶ間の時間で過剰熱が生成されるが、上述の現場熱管理方法は斯かる過剰熱の安全な放散を提供する。
【００４６】
図１３には、集積化パッケージとして作製された短絡保護装置の実施例が示されている。集積化装置１３０は、８個のヒューズ（図示せず）が内部に取付けられた容器１３２を含む。各ヒューズの第１接点は、８個の端子１３４の対応する１つに直列接続されると共に、各ヒューズの第２接点は共通バス１４０に接続される。端子１３４の各々は、導線１３６および接点１３８を含んでいる。短絡保護装置１３０がセル配列に接続されたとき、接点１３８の各々は配列内の８個のセルの１つの対応接点に係合する。通常共通バス１４０は、モジュールなどの直列接続エネルギー蓄積装置を形成する対応するセル配列に接続された他の短絡保護装置１３０の１つ又はそれ以上の共通バスに連結される。
【００４７】
一実施例において、容器１３２は、１６．００mmの高さＨE 、７．４９mmの幅ＷE 、および、５０．８０mmの長さＬE を有している。端子１３４の導線部分１３６は、１２．７０mmの高さＨL 、１．２７mmの幅ＷL および５．００mmの長さＬL を有している。端子１３４の接点部分１３８は、１．２７mmの高さＨC 及び幅ＷC 、および１３．０３mmの長さＬC を有している。共通バス１４０は、６．３５mmの高さＨCB、１．２７mmの幅ＷCBおよび４９．０２mmの長さＬCBを有している。
【００４８】
図１４には、多数の電気化学セル１４４、相互連結ハードウェア並びに制御ハードウェアおよびソフトウェアを収納するエネルギー蓄積モジュール１４２の実施例の分解図が示されている。一実施例に依ればモジュール１４２は、相互連結ボード１４７を使用して相互連結された４８個の電気化学セル１４４を含む。通常相互連結ボード１４７上には、短絡保護回路１４８などの短絡保護回路が提供される。相互連結ボード１４７上に配設された６個の短絡保護用集積化パッケージ１４８の各々は、セル１４４の積層体の上方に相互連結ボード１４７を取付けるときには、対応する６個のセルパック１４３に電気的に連結される。
【００４９】
図１に関して上述したタイプの電気化学セルの体積は、カソード材料の格子構造に出入するリチウム・イオンの移動(migration) に依り、充電および放電サイクルの間に変化する。この移動は、充電および放電の夫々の間において、約５〜６％程度、合計セル体積を増加および減少される。グループ化されたセルの充電および放電サイクルから帰着するセル体積の変化に対処すべく、各セルを連続して圧縮状態に維持してセル積層体のセル間の連続的な密接接触を確かなものとすべく、圧力生成装置が採用される。セルの内部もしくは外部のいずれで生成されるかに拘わり無く、圧縮力は付与表面に渡り十分に均一に分散されることが好ましい。
【００５０】
図１４に示された電気化学セル１４４の積層体は、２本のバンド１４６および２枚の対向スラストプレート１４５を使用して一体的に結合される。４８個の電気化学セル１４４は、バンド１４６／スラストプレート１４５と、セル１４４の各々および／またはセル１４４の全てもしくは選択されたものの間に配置された発泡体もしくはスプリング型の要素とを使用することにより生成される継続的な圧縮力を受けている。セル１４４の各々の中心に提供された発泡体もしくはスプリング型のコア要素は各セル１４４間に圧力を均等に分散する役割を果たすが、このことは充電および放電サイクルの間にセル体積が変化するときに特に重要であることを銘記されたい。
【００５１】
図１５に示された実施例において金属ストラップ１９４は、セル積層体１９２に対して圧縮力を及ぼすための張力を生成する波状スプリング１９８を含む。図１５に示されたテンションスプリングは、多数のコイルスプリングもしくは弾性材料を使用して実施され得ると共に、金属および弾性スプリング材料の組合せも好適に採用され得ることが理解される。更に、セル積層体の外部となるテンションスプリング装置と組合せて、セル積層体内および／または個々のセル内に発泡体もしくは他のスプリング要素が結合され得ることが理解される。
【００５２】
図１６は、積層体または束として配置構成される多数の電気化学セルを拘束する上で特に有用なストラップ装置１８０の実施例を示している。その長さが実質的に延長不能であるストラップ装置とは対照的に、図１６に示されたストラップ装置は、セル積層体加圧システムの有効性を十分に増大する独特のクランプ１８２を取り入れている。ストラップ装置は、各々がＣ形状端部１８１を有する２つのバンド１８０を含む。バンド１８０のＣ形状端部１８１をクランプ１８２の対応Ｃ形状端部１８４に連結することにより、バンド１８０にクランプ１８２が取付けられる。各バンド１８０は、図１５に示された手法でセル積層体の回りに配設されるものとする。クランプ１８２は、十分な力を受けたときにクランプ１８２の接触表面１８８上に畳み込まれるべくクランプ１８２と一体的とされたヒンジ１８６を含んでいる。
【００５３】
ヒンジ１８６が接触表面１８８上に畳み込まれたとき、クランプ１８２のＣ形状両端部１８４は相互に引張られることにより、各バンド１８０のＣ形状端部に張力を生成する。クランプ１８２の起動によりバンド１８０に誘起された張力の大きさは、クランプ１８２と一体的な正弦波形状スプリング１８９により緩和される。正弦波形状スプリング１８９は、形状、厚みおよび材料に関し、セルの充電／放電サイクルの間にストラップ装置の膨張および収縮の所望量を提供すべく配置構成される。
【００５４】
本明細書中で上述した種々の実施例に対して、本発明の範囲もしくは精神から逸脱すること無く変更および付加が為され得ることは当然理解されよう。一例として短絡保護装置は、本明細書中で記述されたものでは無くＮＴＥエレクトロニクス社により製造されたモデルＮＴＥ８０９０などの温度起動ヒューズ(thermally activated fuse)を含み得る。通常温度起動ヒューズは、破壊温度より低い温度などの所定温度にて起動する。また温度起動ヒューズは、大きな起動信頼性を提供するために電流起動ヒューズと直列接続され得る。更に、本発明の原理は、リチウム・ポリマ電解質を利用するのでは無く、ニッケル金属水素化物（Ｎｉ−ＭＨ）、リチウム・イオン（Ｌｉイオン）および他の高エネルギーバッテリ技術などのバッテリ技術と共に使用され得る。したがって、本発明の範囲は上述した特定実施例に制限されるのでは無く、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  角柱形状を有すると共に本発明に係る熱伝導器を含む固体薄膜電気化学セルの実施例を示す図である。
【図１Ｂ】  角柱形状を有すると共に本発明に係る熱伝導器を含む固体薄膜電気化学セルの実施例を示す図である。
【図１Ｃ】  薄膜電気化学セルの積層体を含むと共に本発明の実施例に係る現場熱管理方法を採用したエネルギー蓄積モジュールの一部を示す図である。
【図２】  図１に示されたタイプの電気化学セルに対する電圧および容量の間の関係を示すグラフである。
【図３】  薄膜電気化学セルを構成する種々の膜層を示す図である。
【図４】  多数のエネルギー蓄積装置の構成を示す図である。
【図５】  ひとつのセルにおける短絡状態による温度上昇によってもたらされたエネルギー蓄積セルのグループ化を示す図である。
【図６】  短絡状態下のセルの最大温度とセルの標準的なエネルギー容量との間の関係を示すと共に、隣接配置されたセルのエネルギー容量と接触面積との比率を与えるグラフである。
【図７】  エネルギー容量と接触面積との比率を表す種々のセル形状を示す図である。
【図８】  エネルギー容量と接触面積との比率を表す種々のセル形状を示す図である。
【図９】  エネルギー容量と接触面積との比率を表す種々のセル形状を示す図である。
【図１０】  ひとつのセルが短絡状態となった多数セルエネルギー蓄積装置の実施例を示す図である。
【図１１】  ５種の異なる充電状態（ＳＯＣ）レベルにおけるセル積層体の最大温度と隣接短絡セルの個数との関係を個数の関数として示した図である。
【図１２】  セル内における短絡の発生時における電気化学セルに対する電流波形の特性を示す図である。
【図１３】  本発明に係る集積化短絡保護装置の実施例を示す図である。
【図１４】  相互連結された多数の薄膜電気化学セルを含むエネルギー蓄積モジュールの分解図である。
【図１５】  電気化学セルの積層体を圧縮状態に維持する圧力発生装置の実施例の断面図である。
【図１６】  充電および放電サイクルの間において電気化学セルの積層体を圧縮状態に維持する圧力発生装置で使用される張力生成クランプを含むバンドまたはストラップを示す図である。
【図１７】  図１６に示された張力生成クランプの斜視図である。
【図１８】  エネルギー蓄積モジュールの最大セル温度と、セルのエネルギー容量および厚みとの間の関係をグラフで示す図である。
【図１９】  エネルギー蓄積モジュールの最大セル温度と、セルのエネルギー容量および厚みとの間の関係をグラフで示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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