(57)【要約】  容器又は組立体内に配置された複数の電気化学ユニットを有するリチウムイオンバッテリを提供する。電気化学ユニットのアノード及びカソードとの電気的接続を確立するために、多層バスバーが設けられる。バスバーの設計に基づいて、容器又は組立体内の電気化学ユニットを再設計又は再配置することなく、バッテリによって所望の電圧及び容量を供給できる。複数のバスバーを交換可能に容器／組立体に導入して、異なる電圧及び／又は容量を送達するリチウムイオンバッテリを実現できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部及び側壁を画定する缶と、
前記缶に取り付けられた蓋であって、前記缶及び蓋が内部容積を画定するように、前記缶に対して取り付けられた蓋と、
複数の電気化学ユニットと、
バスバーとを備え、
前記バスバーは、アノード部分、カソード部分、及び絶縁性中間層を有する多層組立体を画定し、
前記バスバーは、前記複数の電気化学ユニットへの電気的接続に基づいて、選択されたリチウムイオンバッテリ構成を提供するリチウムイオンバッテリ。
【請求項２】
前記バスバーは、前記電気化学ユニットのそれぞれの前記アノード及び前記カソードに対する電気接続のための電気接続点を画定する請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３】
前記バスバーは、前記電気化学ユニットのそれぞれの前記アノード接続部を前記カソード接続部から電気的に絶縁するように構成されている請求項２に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項４】
前記バスバーは、複数のバスバー設計から選択され、前記複数のバスバー設計のそれぞれは、異なる電圧、異なる容量、又は異なる電圧と異なる容量の組み合わせを提供する請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項５】
前記バスバーは、前記電気化学ユニットの幾つかを電気的に並列構成に配置し、前記電気化学ユニットの幾つかを直列構成に配置するのに有効である請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項６】
バッテリ管理システムを更に備える請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項７】
圧力遮断デバイス組立体を更に備える請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項８】
通気組立体を更に備える請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項９】
前記通気組立体は、前記缶及び前記蓋の少なくとも一方に形成された開口に対して取り付けられている請求項８に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１０】
前記通気組立体の近傍に取り付けられたフレームアレスタを更に備える請求項８に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１１】
前記フレームアレスタは、メッシュ構造である請求項１０に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１２】
前記フレームアレスタは、３０ＵＳメッシュである請求項１１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１３】
前記フレームアレスタは、銅線で作成されている請求項１０に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１４】
前記電気化学ユニットは、個々の電気化学ユニットを受容するためのキャビティを画定する支持構造内に配置されている請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１５】
前記電気化学ユニットは、密封されておらず、共有雰囲気領域と連通している請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１６】
前記電気化学ユニットは、電解質を導入するための開口を画定する請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１７】
前記電気化学ユニットに前記電解質が供給された後、前記開口に導入されるプラグを更に備える請求項１６に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１８】
前記多層バスバーの前記アノード部分及びカソード部分は、導電性材料から形成されている請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１９】
前記導電性材料は、金属材料、導電性ポリマ材料、及びこれらの組み合わせから選択される請求項１８に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２０】
前記導電性材料は、アルミニウム、銅、及びニッケルから選択される請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２１】
前記絶縁性中間層は、非導電性ポリマ、セラミック、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される非導電性材料から形成されている請求項１８に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２２】
前記絶縁性中間層は、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリテトラフルオロエチレンから選択される絶縁材料から形成されている請求項１８に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２３】
底部及び側壁を画定する缶と、
前記缶に取り付けられた蓋であって、前記缶及び蓋が内部容積を画定するように、前記缶に対して取り付けられた蓋と、
複数の電気化学ユニットと、
バスバーとを備え、
前記バスバーは、アノード部分、カソード部分、及び絶縁性中間層を有する多層組立体を画定し、
前記バスバーは、前記複数の電気化学ユニットを（全体的に又は部分的に）直列に接続するリチウムイオンバッテリ。
【請求項２４】
底部及び側壁を画定する缶と、
前記缶に取り付けられた蓋であって、前記缶及び蓋が内部容積を画定するように、前記缶に対して取り付けられた蓋と、
複数の電気化学ユニットと、
前記複数の電気化学ユニット間の直列電気接続を（少なくとも部分的に）提供するバスバーと、
前記内部容積内に配置されたバッテリ管理システム（ＢＭＳ）とを備え、
前記内部容積は、前記複数の電気化学ユニットが連通している共有雰囲気又は領域を画定し、
前記バッテリ管理システム（ＢＭＳ）は、前記共有雰囲気又は領域内に配置されているリチウムイオンバッテリ。
【請求項２５】
前記電気化学ユニットのそれぞれは、開いており又は密封されておらず、前記電気化学ユニットが前記内部容積内に画定された前記共有雰囲気又は領域と直接連通している請求項２４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２６】
前記バッテリ管理システム（ＢＭＳ）は、外部ＢＭＳコネクタと電気的に接続される請求項２４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２７】
キャビティ表面によって画定される複数のキャビティを有する支持部材であって、前記複数のキャビティのそれぞれは、キャビティ開口を通してリチウムイオンコア部材を受容するように構成されている支持部材と、
それぞれがアノード、カソード、前記アノードと前記カソードとの間に位置するセパレータ、及び電解質を有する複数のリチウムイオンコア部材と、
前記支持部材を取り囲み、閉じる密閉筐体とを備え、
前記複数のリチウムイオンコア部材のそれぞれは、電解質の導入を可能にする開口を有し、前記電解質の導入後にプラグを受容するように構成され、
前記複数のリチウムイオンコア部材のそれぞれは、前記支持部材の前記複数のキャビティのうちの１つに配置され、
前記リチウムイオンコア部材のそれぞれは、その長さに沿って前記複数のキャビティのうちの１つのキャビティ表面によって囲まれており、電解質が収容されている前記キャビティから電解質が漏出することが防止されており、
前記密閉筐体は、（ｉ）前記キャビティのそれぞれが開口し、（ｉｉ）前記イオンコア部材のそれぞれの前記アノード、カソード、及び電解質が、前記支持部材のキャビティ内に配置されたときにキャビティ開口を通して直接露出される共有雰囲気領域を画定するマルチコアリチウムイオンバッテリ。
【請求項２８】
前記プラグは、前記リチウムイオンコア部材内の１つ又は複数の所定の条件に基づいて破損するように構成されている請求項２７に記載のマルチコアリチウムイオンバッテリ。
【請求項２９】
前記１つ又は複数の所定の条件は、圧力条件、温度条件、又は圧力条件と温度条件の組み合わせからなる群から選択される請求項２８に記載のマルチコアリチウムイオンバッテリ。
【請求項３０】
前記プラグは、ワックスから形成されている請求項２７に記載のマルチコアリチウムイオンバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の権利
本発明は、米国エネルギ省によって授与されたＤＥ−ＡＲ００００３９２の下で、政府の支援を受けて達成された。政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
関連出願との相互参照
本出願は、２０１７年９月２２日に出願された、米国仮出願番号６２／５６１，９２７号、発明の名称「Lithium Ion Battery with Modular Bus Bar Assemblies」に対する優先権の利益を主張する。前述の仮出願の内容は、参照により本明細書に援用される。
【０００３】
また、本出願は、以下の特許出願全体を参照により援用する。（ｉ）米国特許第９，６８５，６４４号、発明の名称「Lithium Ion Battery」、（ｉｉ）米国特許公開番号第２０１７／０２１４１０３号、発明の名称「Lithium Ion Battery with Thermal Runaway Protection」、及び（ｉｉｉ）ＰＣＴ公開番号ＷＯ２０１７／１０６３４９号、発明の名称「Low Profile Pressure Disconnect Device for Lithium Ion Batteries」。
【０００４】
技術分野
本開示は、リチウムイオンバッテリに関し、詳しくは、安全性が改善され及び製造コストが低減されたマルチコアリチウムイオンバッテリに関する。より詳しくは、本開示は、様々なバスバー組立体に適応するように設計され、直列及び並列ジェリーロール（jelly roll）構成を提供し、これによって、基礎となるバッテリ設計及びレイアウトを変更することなく、電圧又は容量を増加させることができるリチウムイオンバッテリに関する。
【背景技術】
【０００５】
リチウムイオンセルは、当初、ノートパソコン、携帯電話、その他のポータブル電子機器のバッテリとして導入された。排出物の低減、ガソリン及び電力コストの低減、並びに排出物の制限の必要性のために、バッテリ式電気自動車（battery electric vehicle：ＢＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle：ＰＨＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle：ＨＥＶ）、電車等のより大きな用途が増加し、並びにグリッドストレージ（grid storage：ＧＲＩＤ）、建設、鉱山及び林業設備、フォークリフト、他の駆動用途及び鉛酸置換（lead acid replacement：ＬＡＲ）等の他のより大きな形式のシステムが市場に参入している。今日、これらのより大きなバッテリ用途には、様々な種類のＬｉイオンセルが採用されており、その範囲は、容量が１Ａｈから７Ａｈまでの１８６５０セル及び１８３７６５セル等の小さな円筒状及び角柱状セルの数千個の使用、並びに容量が１５Ａｈから１００Ａｈに及ぶ角柱状セル又はポリマセル等のより大きなセルの数個から数百個の使用にまで及んでいる。これらのタイプのセルは、パナソニック、ソニー、サンヨー、ＡＴＬ、ＪＣＩ、Ｂｏｓｔｏｎ−Ｐｏｗｅｒ、ＳＤＩ、ＬＧ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ、ＳＫ、ＢＡＫ、ＢＹＤ、Ｌｉｓｈｅｎ、Ｃｏｓｌｉｇｈｔ、及び他のリチウムイオンセルメーカーによって製造されている。
【０００６】
通常、工業的には、エネルギ密度を高めて駆動を行い、走行時間を長くする必要があり、これにより、電気自動車は、電気使用範囲が広がり、グリッドストレージシステムは、使用時間が長くなり、費用効果が高くなる。電気自動車、特にＢＥＶ及びＰＨＥＶの場合には、エネルギ密度を高めると、バッテリボックスにより多くの容量を収容できるため、車両の走行距離を増加させることができる。また、エネルギ密度を高めることにより、バッテリボックス、配線、ＢＭＳ電子機器、固定構造、冷却システム、及び他の構成要素を有する非能動部品のｋＷｈ当たりのコストがより安価になるため、ｋＷｈ当たりのコストも低減される。同様に、グリッドストレージ等の他のバッテリシステムでは、特に、ピークシェービングアプリケーション（すなわち、料金が最も高いピーク時に電力会社から購入するエネルギ量を削減することを支援するアプリケーション）のために、市場は、エネルギ密度を高めることを求めている。また、エネルギ密度を高めると、ｋＷｈあたりの土地面積及び使用されないコンポーネントが比較的少なくなるため、ｋＷｈあたりのコストが低減される。更に、ニューヨーク、東京、上海、北京等の大都市圏では、システムのサイズを最小限に抑える必要がある。グリッドピーク電力低減ストラテジーに貢献し、電力コストを低減し、運転効率が低い尖頭負荷発電所（peaker plants：すなわち、電力需要が高い場合にのみ稼働する発電所）を低減するために、商用及び住宅用の建物及び容器にバッテリシステムを適合させる必要がある。
【０００７】
これらのタイプの需要を満たすリチウムイオンバッテリが他のバッテリ及び電力供給技術に対して市場で競争力を持つためには、このコストを低減し、エネルギ密度を向上させる必要がある。しかしながら、Ｌｉイオンセルは、高密度にパッケージされるため、誤用（abuse）のために１つのセルが故障すると、システム全体に伝播する（カスケード）暴走を引き起こす可能性があり、これは、爆発及び火災のリスクを伴う。この誤用は、衝突や火災等の外部事象から生じることがあり、また、充電電子機器の故障による不注意な過充電や、製造プロセスからの金属微粒子による内部短絡のような内部事象から生じることもある。
【０００８】
誤用による故障がカスケード暴走に至らず、これによって、エネルギ密度がより高く、コストがより低いシステムを可能にする新しい解決策を見出す必要がある。信頼性が高い非カスケード属性を有するセルは、高コストなパッケージング構造を低減することによって、少なくとも部分的に、バッテリパックのコストを低減できる。
【０００９】
また、リチウムイオンバッテリ分野においても、製造効率及びコスト効率を向上させる必要がある。例えば、製品要件を満たすために電圧を高める必要がある特定の産業用途もあれば、エネルギ容量を大きくする必要がある他の産業用途もある。基礎となるリチウムイオン部品は、高電圧用途／大容量用途の設計において同様であってもよいが、（電圧を高めるために）全体又は一部のセルを直列に又は（エネルギ容量を増やすために）全体又は一部のセルを並列に配列できるようにするためには、通常、個別のバッテリ設計が必要であり、これに伴って、個別に実装するための製造／在庫コストが上昇し、効率が低下する。
【００１０】
本開示は、上述した要求及び課題に対処する有利な設計を提供する。開示されるバッテリシステムの更なる特徴、機能、及び利点は、特に、添付の図、実施例、及び実験データを参照する以下の説明によって明らかになる。
【発明の概要】
【００１１】
特に、（ｉ）電気化学ユニットを受容するための底部、側壁、及び頂部又は蓋を画定する容器又は組立体、（ｉｉ）容器又は組立体内に配置された複数の電気化学ユニット、（ｉｉｉ）容器又は組立体内に配置され、各電気化学ユニットのアノード及びカソードと電気的に接続されるバスバーを有する、リチウムイオンバッテリ用の有利なケーシングを提供する。例示的な実施形態では、電気化学ユニットは「密封されておらず（unsealed）」、すなわち、共有雰囲気（shared atmosphere）と連通している。代替的な実施形態では、電気化学ユニットは、個々に密封してもよく、又は電気化学ユニット内の状態が共有雰囲気への排気及び／又は熱の放出を必要とする場合に開放される封止機能を提供する要素又は領域を有していてもよい。
【００１２】
本開示のバスバー組立体は、包括的に、非導電性要素（又はコーティング）によって分離される第１及び第２の導電性構造を有する積層構造を画定する。バスバーは、電気化学ユニットのアノードを筐体外部の負端子部材に相互接続し、電気化学ユニットのカソードを筐体外部の正端子部材に相互接続するように好適に機能する。
【００１３】
バスバーの導電性側面は、様々な導電性材料、例えば、金属材料、導電性ポリマ材料、及びこれらの組み合わせから実現できる。最も一般的な導電性バスバー材料は、アルミニウム、銅、及びニッケルである。実際、開示されるバスバーの導電性側面は、アルミニウム及び銅から作成することが好ましく、これは、これらの金属材料の導電性が高く、コストが低いためである。導電層の間に配置される絶縁材料は、通常、既知の非導電／絶縁材料、例えば、非導電性ポリマ、セラミック、及びこれらの組み合わせから選択される。例示的な絶縁材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリテトラフルオロエチレン（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（商標）材料）が挙げられる。
【００１４】
バスバー組立体は、所望の数の電気化学ユニットを並列構成に配置し、所望の数の電気化学ユニットを直列構成に配置するように設計される。例えば、３０個の電気化学ユニットを有するリチウムイオンバッテリの場合、バスバー組立体は、１０Ｓ−３Ｐ構成、すなわち、直列に１０個、並列に３個のセルを画定するものであってもよい。第２のバスバー組立体は、容器又は組立体内の同じ電気化学ユニット配置について１Ｓ−３０Ｐ構成を画定するものであってもよい。したがって、多数のバスバー組立体設計を提供することによって、リチウムバッテリ設計／レイアウトについてこれ以外を変更することなく、多数の電圧／容量オプションを提供できるという利点がある。したがって、電圧／容量に関する製造上の判断は、リチウムイオンバッテリの組み立て後、バスバーを容器／組立品に導入する時点までに行うことができる。多数のバスバー設計を在庫として保管し、必要に応じて使用することによって、所望の電圧／容量特性を有するリチウムイオンバッテリを提供できる。
【００１５】
また、開示されるリチウムイオンバッテリは、容器又は組立体に関連する圧力遮断デバイスを有していてもよい。開示される圧力遮断デバイスは、所定の圧力閾値を超える容器内の圧力の上昇に応答して、リチウムイオンバッテリに関連する電気化学ユニットを電気的に有利に分離する。また、開示される容器は、容器内から圧力を解放するように機能する通気構造と、通気構造に近接して配置されたフレームアレスタとを有利に有することができる。
【００１６】
本開示の例示的な実施形態では、リチウムイオンバッテリのケーシングが提供され、このケーシングは、特に、（ｉ）底部、側壁、及び頂部又は蓋を画定する容器／組立体と、（ｉｉ）容器／組立体に関連する可撓ドーム（deflectable dome）構造体と、（ｉｉｉ）容器／組立体の外部に配置され、閾値圧力レベルを超える容器／組立体内の圧力上昇に応答して、容器内に配置されたリチウムイオンバッテリ構成要素を電気的に絶縁するように構成されたヒューズ組立体とを有する。ヒューズ組立体は、容器の外部に配置されたヒューズホルダ内に配置されたヒューズを有することができる。ヒューズホルダは、容器／組立体の側壁に対して取り付けてもよい。開示されるケーシングは、更に、容器の側壁に対してヒューズ組立体に隣接して形成された通気構造及び／又はこの通気構造に隣接して配置されたフレームアレスタを有していてもよい。
【００１７】
本開示の例示的な実施形態では、可撓ドームは、ケーシングに直接取り付けられる。具体的には、可撓ドームは、ケーシング（底部、側壁、又はその頂部／蓋のいずれか）に形成された開口の内部に取り付けられ、初期的には、これが取り付けられたケーシング面に対してケーシングによって画定される内部容積内に湾曲される。ケーシングの外面に対して取り付けられるヒューズ組立体は、好ましくは、ケーシング内の圧力上昇によって可撓ドームが作動すると、可撓ドームの中心線と整列してこれらの間の電気的接続を実現するハンマ又は他の構造的特徴を有する。
【００１８】
可撓ドームは、好ましくは、可撓ドームがドームの中心線及びその周囲で厚い厚さを画定し、その半径方向外側で薄い厚さを画定する厚さ輪郭を有していてもよい。ドームの中心線及びその周囲を厚くすることによって、ケーシング内の圧力が上昇して可撓ドームが作動すると、可撓ドームと、開示されるハンマ又は他の構造的特徴との間に好ましい電気的接続路が実現する。可撓ドームによって画定されるより厚い領域の半径方向外側に存在する厚さを薄くすることによって、このような薄い領域からハンマ又は他の構造的特徴へのアーク放電が発生する可能性が低減される。更に、ドームは、可能な限り低い圧力でトリガされる必要があり、最も高い安全性を提供するために、一旦作動されると迅速に移動することが好ましい。更に、可撓ドームの中心線及びその周囲を厚くすることによって、可撓ドームとハンマ又はヒューズ組立体に関連する他の構造的特徴との間を電流が通過する際の焼損の可能性を有利に減少させることができる。
【００１９】
本開示の例示的な実施形態では、複数のリチウムイオンコア（すなわち、電気化学ユニット）は、支持部材によって画定される個別のキャビティ内に配置されるが、個々には封止されない。すなわち、電気化学ユニットのそれぞれは開放されており、ケース／容器内に画定された共有雰囲気領域と連通している。この結果、単一の電気化学ユニットに関連する可能性がある何らかの圧力上昇は、共有雰囲気領域に伝えられ、これによって圧力の上昇が緩和される。このように、（共有雰囲気領域と好適に圧力連通する）本開示の圧力遮断デバイスは、個々の電気化学ユニットに搭載した場合よりサイズが大きくなり、共有雰囲気領域を有しない従来のリチウムイオンバッテリシステムと比較して、より低い閾値圧力で動作させることができる。
【００２０】
本開示の圧力遮断デバイスが作動される圧力は、包括的には、リチウムイオンバッテリの全体設計に依存する。なお、開示される圧力遮断デバイスを作動させるケーシング内の閾値圧力は、１０ｐｓｉｇ以上であり、通常は１０〜４０ｐｓｉｇの範囲である。通気構造も有する実施形態では、通気構造が通気するように作動される圧力、すなわち、ケーシングから加圧ガスを放出する圧力は、通常、圧力遮断デバイスが作動される圧力より少なくとも５ｐｓｉｇ大きい。ケーシング自体の全体的な圧力定格、すなわち、ケーシングが破損し得る圧力は、通常、通気構造が作動される圧力よりも少なくとも５ｐｓｉｇ大きい圧力に設定される。ケーシングの圧力定格は、破損が起こりやすい密封機構を有する界面溶接及び他の接合／開口に関して特に重要である。
【００２１】
本開示の例示的な圧力遮断デバイスでは、ハンマ又は他の構造要素は、取り付け面内でヒューズ組立体に対して取り付けられ、取り付け面に対して可撓ドームに向かって有利に延びる部分を有する。これにより、圧力遮断デバイスを作動させることが望ましい場合に可撓ドームに必要な移動距離が減少する。ハンマ又は他の構造要素は、通常、少なくとも２つの間隔をあけた位置で、ヒューズ組立体の装着面に対して固定して装着される。例えば、ハンマ又は他の構造デバイスは、実質的にＵ字状の幾何学的形状を画定し、これによって、ハンマを可撓ドームに近接させることができる。ハンマ又は他の構造体のＵ字状の幾何学的形状の中心線は、通常、可撓ドームの中心線と位置合わせされ、これによって、可撓ドームがケーシング内の圧力の上昇によって作動されるときの好ましい接触領域が画定される。
【００２２】
例示的な実施形態では、可撓ドームは、ケーシングによって画定される平面（例えば、ケーシングの底部、側壁、又は頂部／蓋）の内部に取り付けられ、ハンマ又は他の構造部材は、ケーシングによって画定される平面の外部に取り付けられる。但し、ハンマ又は他の構造要素は、ケーシングによって画定される平面を横切って延在し、これによって少なくとも部分的にそのような平面の内側に配置される幾何学的形状、例えば、Ｕ字状の幾何学的形状を画定する。ハンマ又は他の構造要素の形状は、具体的には、Ｕ字状の形状が想到されるが、他の形状、例えば放物線形状、実質的に平坦化された接触領域を有する鋸歯状形状等も採用できる。
【００２３】
本開示の例示的な実施形態が提供する通気構造は、スコアライン（score line）によって画定してもよい。フレームアレスタは、容器／組立体の内部の通気構造によって画定される領域を横切って延在するように、容器／組立体に対して有利に取り付けることができる。例示的な実施形態では、フレームアレスタは、メッシュ構造、例えば３０ＵＳメッシュの形態を有していてもよい。他の例示的な実施形態では、フレームアレスタは、銅ワイヤから形成してもよい。
【００２４】
本開示の通気構造は、約１０ｐｓｉと１４０ｐｓｉとの間の通気圧力に応答して通気するように構成してもよい。容器の構造的限界圧力（Ｐ４）は、通気圧力よりも少なくとも約１０％大きくしてもよい。
【００２５】
支持部材は、運動エネルギ吸収材料を有することができる。運動エネルギ吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミック、セラミック繊維、プラスチックのいずれかによって形成してもよい。
【００２６】
複数のキャビティライナを設けてもよく、各キャビティライナは、対応するリチウムイオンコア部材と対応するキャビティの表面との間に配置される。キャビティライナは、ポリマ及び金属箔積層パウチを画定できる。各リチウムイオンコア部材とキャビティの対応する１つの表面との間にキャビティライナを配置してもよい。キャビティライナは、プラスチック又はアルミニウム材料で形成してもよい。複数のキャビティライナをモノリシックライナ部材の一部として形成してもよい。
【００２７】
電解質は、通常、各リチウムイオンコア部材内に収容される。電解質は、難燃剤、ガス発生剤、及び／又は酸化還元シャトルを有することができる。
【００２８】
各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノード及びカソードの間に配置されたセパレータとを有する。電気コネクタは、容器内に配置され、コア部材を容器外部の電気端子に電気的に接続する。ヒューズは、容器の外部の電気端子に配置してもよく、電気端子に隣接して配置してもよい。
【００２９】
開示されるリチウムイオンバッテリ構成要素は、例えば、バッテリ式電気自動車（battery electric vehicle：ＢＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle：ＰＨＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle：ＨＥＶ）、電車、グリッドストレージ（grid storage：ＧＲＩＤ）、建設、採掘及び林業設備、フォークリフト、鉛酸置換（lead acid replacement：ＬＡＲ）、電動自転車（electronic bicycle：ebikes）、ポータブル設備（例えば、医療機器、庭、庭園、造園用具／設備、手工具等）、及び通常複数のリチウムイオンセルを使用する他のバッテリ対応デバイス及びシステムにおいて、様々な用途で使用されるように設計できる。
【００３０】
支持部材は、ハニカム構造の形態を有していてもよい。容器は、圧縮性要素を有する壁を有することができ、圧縮性要素は、壁に衝撃を与える力によって圧縮されると、リチウムイオンバッテリを電気的に短絡させる。支持部材及びこれらの対応するコア部材に画定されるキャビティは、円筒形、直方体形、又は角柱形であってもよい。上述のリチウムイオンバッテリにおいて、容器は、内部領域に難燃性部材を有していていてもよい。
【００３１】
開示されるリチウムイオンバッテリは、容器の外部に取り付けられた難燃性部材、例えば、難燃性メッシュ材料を有していてもよい。
【００３２】
開示されるリチウムイオンバッテリは、例えば、セラミックマトリックス内に１つ又は複数の吸熱材料を有していてもよい。吸熱材料は、無機ガス発生吸熱材料であってもよい。吸熱材料は、近接する１つ又は複数のリチウムイオンコア部材に関連する正常動作上限温度で及びこれを超える温度で断熱特性を提供できる。吸熱材料は、正常動作上限温度と、それを超えるとリチウムイオンコア部材が熱暴走を起こしやすくなるさらに高い閾値温度との間で１つ又は複数の吸熱反応を起こすように選択できる。吸熱材料に関連する吸熱反応は、ガスを発生させてもよい。
【００３３】
吸熱材料は、セラミックマトリックス内に含まれてもよく、セラミックマトリックスは、吸熱材料に付随する吸熱反応によって生成されたガスを通気し、これによって熱を除去するために十分な空隙率を有していてもよい。例えば、上で参照により本願に援用したＯｎｎｅｒｕｄらによる米国特許第２０１７／０２１４１０３号も参考となる。熱暴走に対する保護を提供するために、代替となる材料、例えば、ＦｒｙｅＷｒａｐ（登録商標）ＬｉＢ性能材料（Ｕｎｉｆｒａｘ  ＩＬＣ社、トナワンダ、ニューヨーク州）及びＯｕｔｌａｓｔ（登録商標）ＬＨＳ（商標）材料（Ｏｕｔｌａｓｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＬＬＣ社、ゴールデン、コロラド州）を使用してもよい。
【００３４】
開示されるリチウムイオンバッテリは、少なくとも部分的に吸熱材料に関連する吸熱反応によって作動される通気構造を有することができる。リチウムイオンバッテリは、ケーシングに関連する圧力遮断デバイスを有することができる。圧力遮断デバイスは、可撓ドームベースの作動機構を有利に有することができる。可撓ドームベースの作動機構は、溶落ち（burn through）を防止するように構成及び寸法決めしてもよい。溶落ちは、（ｉ）ドームベースの作動機構の質量を増加させること、（ｉｉ）ドームベースの作動機構に材料（例えば、箔）を追加すること、又は（ｉｉｉ）これらの組み合わせによって防止できる。
【００３５】
ドームベースの作動機構の質量増加及び／又はドームベースの作動機構に追加される材料は、ドームベースの作動機構を製造するために使用されるものと同じ種類の材料を使用してもよい。ドームベースの作動機構の質量増加及び／又はドームベースの作動機構に追加される材料は、（少なくとも部分的に）ドームベースの作動機構を製造するために使用される材料とは異なる種類の材料を使用してもよい。
【００３６】
ドームベースの作動機構の設計（例えば、材料構造、形状、及び／又は厚さ／質量）は、少なくとも部分的に、ドームベースの作動機構が目標トリガ圧力で応答する速度に基づいて、溶け落ちを回避するのに有効な設計としてもよい。
【００３７】
本開示の更なる例示的な実施形態では、（ｉ）底部、側壁、及び頂面を画定する容器と、（ｉｉ）容器に関連する可撓ドーム構造体と、（ｉｉｉ）容器の外部に配置された電気端子に又はこれに隣接して配置されたヒューズを有するヒューズ組立体とを有するリチウムイオンバッテリを提供する。ヒューズは、閾値圧力レベルを超える容器内の圧力上昇に応答して、容器内に配置されたリチウムイオンバッテリ構成要素を電気的に絶縁するように構成してもよい。ヒューズは、ヒューズホルダ内に配置してもよい。また、開示されるリチウムイオンバッテリは、約１０ｐｓｉと１４０ｐｓｉとの間の通気圧力に応答して通気するように構成された通気構造を有することができる。
【００３８】
本開示の更なる特徴、機能及び利点は、特に添付の図面を参照する以下の詳細な説明によって明らかとなる。
【００３９】
添付の図面は、開示される組立体、システム、及び方法を当業者が製造及び使用する際の参考となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本開示に基づく第１の例示的なバスバーを有する例示的なマルチコアリチウムイオンバッテリの分解斜視図である。
【図２】本開示に基づく図１の（蓋が取り除かれた）例示的なマルチコアリチウムイオンバッテリの上面図である。
【図３】本開示に基づく図１及び図２の組み立てられた例示的なマルチコアリチウムイオンバッテリの斜視図である。
【図４】本開示に基づく第２の例示的なバスバーを有する代替の例示的なマルチコアリチウムイオンバッテリの分解斜視図である。
【図５】本開示に基づく、図４の（蓋が取り除かれた）の代替の例示的なマルチコアリチウムイオンバッテリの上面図である。
【図６】本開示に基づく図４及び図５の組み立てられた例示的なマルチコアリチウムイオンバッテリの斜視図である。
【図７】本開示に基づく例示的な電気化学ユニットの上面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本開示は、上記の課題を解決し、大きなプリズム型セルを有する様々なサイズに亘って安全で信頼性の高いプリズム型セルを実現するために、特に製造効率及びコストの面で有利な設計を提供する。開示される設計を組み合わせて及び／又は全体又は部分的に実施することによって、所望の角柱状セルシステムを実現できる。当業者にとって明らかなように、開示される設計は、広範囲の適用可能性を有し、リチウムイオン電池システムを有する多数の実際の用途において重要な利点を提供するものであり、リチウムイオン電池システムは、バッテリ式電気自動車（battery electric vehicle：ＢＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle：ＰＨＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle：ＨＥＶ）、電車、グリッドストレージ（grid storage：ＧＲＩＤ）、建設、採掘及び林業設備、フォークリフト、鉛酸置換（lead acid replacement：ＬＡＲ）、電動自転車（electronic bicycle：ebikes）、ポータブル設備（例えば、医療機器、庭、庭園、造園用具／設備、手工具等）、及び通常複数のリチウムイオンセルを使用する他のバッテリ支持デバイス及びシステム等において使用されるように設計される。一例として、携帯機器の一般的な分野では、開示される設計は、高い電圧、例えば４８Ｖを供給し、反復的な始動／停止動作に適応する構成で使用できる直列電気化学ユニット（例えば、１０Ｓシステム）を有する。開示されるバスバー組立体によれば、バッテリ容器又は組立体内の電気化学ユニットを再設計及び／又は再配置する必要なく、リチウムイオンバッテリの所望の電圧／容量パラメータを選択できる。
【００４２】
なお、以下では、主に、参照により本明細書に援用される特許出願に記載されているような個別のジェリーロールのアレイを使用するＬｉイオンバッテリに関連付けて、本開示の設計／システムを説明するが、当業者にとって明らかなように、開示される設計及びソリューションは、（例えば、ＡＥＳＣ及びＬＧが製造する）１つ又は複数のセルをパッケージするバッテリシステム、又は（ＳＤＩ、ＡＴＬ、及びパナソニック等が製造する）１つ又は複数の分離されていない平坦な巻線又は積層電極構造を有する標準プリズムセルをパッケージするバッテリシステム等の他のプリズム型及び他の円筒型バッテリシステムにも適用できる。開示される設計／システムは、密閉されたリチウムイオンセルのモジュールを封入するためにも使用できる。
【００４３】
図１〜図３は、本開示に基づく第１の例示的リチウムイオンバッテリの具体例の概略図である。まず、図１を参照すると、ここには、例示的なマルチコアリチウムイオンバッテリ１００の分解図が示されている。図２は、（蓋が取り除かれた）リチウムイオンバッテリ１００の上面図であり、図３は、例示的なリチウムイオンバッテリの組立図である。
【００４４】
バッテリ１００は、以下の構成要素を受容するための内部領域を画定する外装缶又はケーシング１０２を有する。
・ジェリーロール／ジェリーロールスリーブサブアセンブリを受容するように構成及び寸法決めされた複数（３０個）の離間した実質的に円筒形の領域又はキャビティを画定するハウジング又は支持体１０６
・複数（３０個）のジェリーロール１１０、すなわち、支持体１０６内に画定された円筒領域内に配置されるように構成及び寸法決めされた電気化学ユニット
・外装缶１０２と協働して前述の構成要素を内部に収容するように構成及び寸法決めされた実質的に長方形の頂部カバー１２０
・端子接触を実現するフランジ部分１１６ａ、１１６ｂを有する一体型バスバー１１６
・バスバー１１６及び外部ＢＭＳコネクタ１２１と電気的に接続されるバッテリ管理システム（battery management system：ＢＭＳ）１１９
・外装缶１０２に対して取り付けられた通気組立体２００
・外装缶１０２の外部に取り付けられたアノード端子３０８及びカソード端子３１０
【００４５】
なお、支持体１０６内に配置されたジェリーロール１１０は、通常、外装缶１０２及び頂部カバー１２０内でヘッドスペースを共有するが、互いに左右に連通しないマルチコア組立体を画定する。したがって、ジェリーロール１１０のいずれか１つ又は複数の動作に関連する圧力及び／又は温度の上昇は、共有ヘッドスペース全体に広がり、必要に応じて、開示されるバッテリシステムに関連する安全機能によって対処される。但し、ハウジング１０６によって画定される実質的に円筒形の領域は、包括的に、隣り合うジェリーロール１１０を互いに分離するように設計されているため、第１のジェリーロール１１０に関連する電解質は、通常、隣接するジェリーロール１１０とは連通していない。ジェリーロール１１０を包囲し、支持体１０６のキャビティ内に嵌合するスリーブを設けてもよく、スリーブは、隣接するジェリーロール１１０間のような横方向の電解質分離に更に寄与できる。
【００４６】
なお、本開示のバスバー組立体に特に注目すると、開示されるバスバーのアノード部分及びカソード部分は、単一の組立体として一体化されている。アノード部分及びカソード部分は、中間絶縁要素によって互いに電気的に絶縁されている。図２の上面図に示すように、例示的なバスバー１１６は、個々の電気化学ユニットのアノード及びカソードへの電気的接続のための電気的接続／溶接点を有する。したがって、図２に概略的に示すように、実質的に円形の接続／溶接点４０２は、バスバー１１６に沿って間隔をあけて配置され、各電気化学ユニット１１０上に画定された中央に位置する電気接続点／領域、例えばニッケル接続領域４０４（図７参照）への電気接続を実現する。
【００４７】
バスバー１１６は、好ましくは、適切な導電性部分、すなわちバスバー１１６のアノード部分又はカソード部分が電気化学ユニット１１０の電気接続領域と電気的に接続されるように設計される。ここに示す例示的な実施形態では、ニッケル接続領域４０４は、電気化学ユニット１１０のカソードに対応し、接続／溶接点４０２において、バスバー１１６のカソード部分と電気的に接続されている（バスバー１１６のアノード部分から電気的に絶縁されている）。バスバー１１６のカソード部分は、好ましくは、銅から形成できる。
【００４８】
また、図２に概略的に示すように、実質的に楕円形の接続／溶接点４０６は、バスバー１１６に沿って間隔をあけて配置され、これにより、各電気化学ユニット１１０上に画定されるフランジ状の電気接続領域、例えば、アルミニウム接続領域４０８（図７参照）への電気接続が実現される。ここに示す例示的な実施形態では、アルミニウムフランジ領域４０８は、電気化学ユニット１１０のアノードに対応し、楕円形の溶接領域４０６において、バスバー１１６のアノード部分と電気的に接続されている（バスバー１１６のカソード部分から電気的に絶縁されている）。バスバー１１６のアノード部分は、好ましくは、アルミニウムから形成できる。
【００４９】
なお、バスバー１１６を画定する接続領域に関連する円形／楕円形の形状は、例示的なものであり、本開示はこのような形状に限定されない。すなわち、電気化学ユニットに対するバスバー１１６の電気的接続のための接続領域は、実質的に任意の幾何学的形状を有することができ、カソード接続及びアノード接続の両方について同一であってもよいことは、当業者にとって明らかである。ここで、重要な点は、カソード部分とアノード部分との間に電気的絶縁が存在するようにバスバーが形成され、電気化学ユニットのカソード部分／アノード部分に対する電気的接続の完全性が離散的に維持される、すなわち、バスバーのアノード部分は、電気化学ユニットのアノード部分のみと電気的に接続され、バスバーのカソード部分は、電気化学ユニットのカソード部分のみと電気的に接続されるという事実である。
【００５０】
上述のように、バスバーの導電性側面は、様々な導電性材料、例えば、金属材料、導電性ポリマ材料、及びこれらの組み合わせから実現できる。最も一般的な導電性バスバー材料は、アルミニウム、銅、及びニッケルである。開示されるバスバーの導電性側面は、アルミニウム及び銅から作成することが好ましく、これは、これらの金属材料の導電性が高く、コストが低いためである。導電層の間に配置される絶縁材料は、通常、既知の非導電／絶縁材料、例えば、非導電性ポリマ、セラミック、及びこれらの組み合わせから選択される。例示的な絶縁材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリテトラフルオロエチレン（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（商標）材料）が挙げられる。
【００５１】
特定のリチウムイオンバッテリ実現のためのバスバーは、通常、様々なパラメータに基づいて選択される。例えば、リチウムイオンバッテリが達成するべき容量／電圧に基づいて、本出願に従って個々の電気化学ユニットを互いにどのように電気的に接続するかが決定される。更に、例えば、電気化学ユニットの設計及び導電性／抵抗パラメータの観点から、耐食性を考慮することで材料を選択してもよい。更に、バスバーの設計は、バッテリの全体的なサイズ及び容量に影響を受けることがあり、例えば、適用可能な電流密度等に対して信頼性のある安全な動作を確実に提供できるように、バスバーのサイズ／寸法を適切に決定してもよい。
【００５２】
例示的なバスバー１１６は、図２に示すように、直列特性と並列特性とを組み合わせたバッテリ構成、具体的には、１０Ｓ−３Ｐ構成をサポートし、提供する。したがって、バッテリ１００がバスバー１１６と共に実装されると、電気化学ユニットの直列構成によって電圧が高められ、並列構成によって容量が大きくなる。
【００５３】
なお、ＢＭＳシステム１１９は、バッテリ１００内の電気的状態を管理するために設けられている。本開示によれば、ＢＭＳシステム１１９は、好ましくは、缶又はケーシング１０２内に配置され、電気化学ユニット「上」に画定された共有雰囲気領域１２３、すなわち、各電気化学ユニットが内部条件に基づいて適宜通気できる共有容積又は共有領域内に配置される。また、通気組立体２００及びＰＤＤ組立体３００は、包括的に、共有雰囲気領域１２３と連通しており、これにより、リチウムイオンバッテリ１００の安全な動作が実現されている。ＢＭＳシステム１１９は、プロセッサ／処理システムへの接続を実現する外部ＢＭＳコネクタ１２１と電気的に接続され、このプロセッサ／処理システムは、当分野で周知のように、リチウムイオンバッテリ１００の内部の状態を反映するデータを受信し、このようなデータ及びプロセッサ／処理システムによって動作される制御ソフトウェアに基づいて制御信号を提供し、内部に配置された電気化学ユニット１１０の直列接続を考慮してリチウムイオンバッテリ１００の動作を包括的に管理できる。
【００５４】
図４〜図６に示すリチウムイオンバッテリ５００は、以下の２点を除いて、図１〜図３を参照して上述したリチウムイオンバッテリ１００と同一である。（ｉ）リチウムイオンバッテリ５００は、バスバー１１６とは異なる設計を特徴とするバスバー５１６を有し、（ｉｉ）リチウムイオンバッテリ５００は、ＢＭＳシステムを有しない。このリチウムイオンバッテリの構成は、１Ｓ−３０Ｐ構成に対応しており、このようなバッテリ構成では、通常、ＢＭＳシステムが不要であるため、ＢＭＳシステムを省略できる。
【００５５】
図５に示すように、バスバー５１６は、電気化学ユニットのカソード及びアノードに接続するための電気接続点を有する。バスバー１１６と同様に、実質的に円形の接続点６０２は、バスバー５１６に沿って離間して配置され、電気化学ユニット１１０上に画定された中央に位置する電気接続点／領域、例えば、ニッケル接続領域４０４（図７参照）との電気接続を実現し、楕円形の接続点／溶接点６０６は、バスバー５１６に沿って離間して配置され、各電気化学ユニット１１０上に画定されたフランジ状の電気接続領域、例えば、アルミニウム接続領域４０８（図７参照）との電気接続を実現する。バスバー１１６と同様に、図５のバスバー５１６は、カソード部分とアノード部分とを有する多層積層構造である。したがって、リチウムイオンバッテリ１００の設計と同様に、リチウムイオンバッテリ５００においても電気的接続は、個別に行われる。但し、バスバー５１６における電気的接続の方式は、バスバー１１６の方式とは基本的に異なり、バスバー５１６及びリチウムイオンバッテリ１００によって完全に並列な構成が実現されている。
【００５６】
図１〜図３と、図４〜図６との比較から明らかなように、単にバスバー１１６をバスバー５１６に置換することによって、基本的に異なるリチウムイオンバッテリを実現できる。更なるリチウムイオンバッテリのバリエーション、すなわち、異なる直列／並列構成を実現する他のバスバー構成を設計／実装することもでき、この際、（ＢＭＳシステムを設けるか否かを除いて）バッテリの内部構成要素の再設計又は交換は不要である。アノード接続部及びカソード接続部の両方を電気化学ユニットの同じ端部（すなわち、図１及び図４における「頂部」）に配置することによって、単一のバスバーを使用して、アノード／カソード接続部の両方を形成でき、これによって、確立されたリチウムイオンバッテリのフォームファクタ内で、バスバーの相互交換性が実現される。
【００５７】
本開示の例示的な実施形態によれば、個別のバッテリ構成／特性を提供する複数のバスバー構成が設計され、製造され、在庫として保管される。その後、特に、開示される外装缶、内部支持体、及び複数の電気化学ユニットを有するリチウムイオンバッテリサブアセンブリを製造できる。上記のサブアセンブリは、バスバー設計のそれぞれと協働し、複数の選択肢の中から所望のバスバーを選択することによって、所望の電圧／容量を供給するリチウムイオンバッテリを製造できる。
【００５８】
図７に示すように、電気化学ユニット１１０は、電解質を電気化学ユニットに導入する際に使用するための開口又は孔４１０を有することができる。充填孔４１０は、バスバーをその上に配置した後に電解液を充填できるように配置することもできるが、例示的な実施形態では、バスバーを配置して電気化学ユニットと電気的に接続する前に電解液を充填している。例示的な実施形態では、電気化学ユニット内が真空にされ、電解質は、少なくとも部分的に、電気化学ユニット内の真空条件に基づいて、充填孔４１０を通して吸引される。電解質の導入後に充填孔４１０にプラグを導入してもよく、このようなプラグは、電気化学ユニット内の所定の条件、例えば、所定の圧力、所定の温度、又はこれらの組み合わせに基づいて破損するように構成してもよい。プラグは、種々の材料、例えばワックスから形成できる。
【００５９】
なお、図７の例示的な電気化学ユニット１１０は、包括的に、実質的に密閉された電気化学ユニット／ジェリーロールとして示しているが、本開示は、特に、缶内に配置された場合に、電気化学ユニット／ジェリーロールのそれぞれが缶内に画定された共有雰囲気／領域と連通するように、密閉されておらず、開放された電気化学ユニット／ジェリーロールを有するリチウムイオンバッテリを意図している。この点に関しては、米国特許第９，６８５，６４４号、発明の名称「Lithium Ion Battery」及び電気化学ユニット／ジェリーロールが連通している「共有雰囲気（shared atmosphere）」に関する説明が参考になる。上述のように、‘６４４特許は、参照により本出願に援用される。
【００６０】
以下、図１〜図３のリチウムイオンバッテリ１００を参照して、開示されるリチウムイオンバッテリに関連する例示的な安全のための特徴を説明し、これらは、通気組立体２００及び圧力遮断デバイス（pressure disconnect device：ＰＤＤ）組立体３００を有する。図４〜図６には、対応する安全のための特徴が示されており、これらが変形例のリチウムイオンバッテリ５００に組み込まれることは、当業者にとって明らかである。例示的なバッテリ１００では、通気組立体２００及びＰＤＤ組立体３００の動作構成要素は、外装缶１０２の壁に沿って、装着／位置決めされている。但し、本開示に基づいて、本開示の思想／範囲から逸脱することなく、通気組立体２００及び／又はＰＤＤ組立体３００の一方又は両方を（全体的又は部分的に）この他の位置に設けてもよいことは、当業者にとって明らかである。開示される通気組立体及びＰＤＤ組立体の（以下に説明する以外の）更なる特徴、機能、及び利点は、上述のように本出願に援用されるＰＣＴ公開番号ＷＯ２０１７／１０６３４９号、発明の名称「Low Profile Pressure Disconnect Device for Lithium Ion Batteries」に開示されている。
【００６１】
外装缶又はケーシング１０２の壁は、包括的に開口を画定する。この開口を横切るようにフレームアレスタ２０２及び通気ディスク２０４が取り付けられる。フレームアレスタ２０２及び通気ディスク２０４の領域内では、例えば、通気アダプタリングによって、密封が維持される。通気アダプタリングは、例えば、溶接、接着剤、機械的取付け構造等の様々な取付け機構（及びこれらの組み合せ）を用いて、側壁に固定することができる。なお、通気ディスク２０４は、側壁に対して密閉的に係合する必要があり、当分野で知られているように、例えば、スコアライン及び／又は上側の壁に対して薄くされた厚さによって、当該箇所に形成してもよい。
【００６２】
個々のジェリーロール（複数のジェリーロール）が破損すると、大量のガス（〜１０リットル）が発生する可能性があり、このガスは、高温（２５０〜３００℃）であり、可燃性である。このガスは、通気が行われた後に複数のジェリーロールの筐体の外側で発火する可能性がある。火炎フロントがケーシングに侵入することを防止するために、フレームアレスタ２０２として機能するようにメッシュを設けてもよく、メッシュは、通気領域上に有利に配置又は位置決めしてもよい。このメッシュは、流出するガス流の温度をその発火温度以下に低下させるように機能する。メッシュは、熱交換器として機能するため、表面積が大きく開口が小さいほど多くの熱を逃がすことができるが、メッシュの開口を小さくすると、通気中にメッシュに加わる圧力が大きくなる。
【００６３】
バッテリ１００の電気的側面について説明すると、直立するように設けられた銅端子は、通常、開示されるリチウムイオンバッテリのためのアノードとして機能し、外装缶又はケーシング１０２の壁に形成された開口を通って上方に延びるように構成及び寸法決めされる。この直立端子は、バスバー１１６の銅部分及びケーシング１０２の内部のフランジ部分１１６ａと電気的に接続される。直立する銅端子の上端は、外装缶／ケーシング１０２の壁に沿って取り付けられた実質的に矩形の非導電性（例えば、ポリマ）構造を画定するヒューズホルダ３０２内に位置決めされる。直立端子は、ヒューズ３０４を介して端子接触面と電気的に接続される。
【００６４】
ヒューズ３０４は、ヒューズホルダ３０２内に配置され、直立した銅端子と電気的に接続されて、外装缶／ケーシング１０２の外部に配置される。端子ねじを用いてヒューズ３０４をヒューズホルダ３０２に対して固定し、直立端子とヒューズ部品をヒューズカバーによってヒューズホルダ３０２内で電気的に分離できる。
【００６５】
実質的にＵ字状の端子３１０は、離間したフランジ表面を画定し、これらのフランジ表面は、外装缶／ケーシング１０２の壁に接触し、電気的に接続されるように取り付けられる。ケーシング１０２の内部にあるバスバー１１６のアルミニウム製バスバー部分は、外装缶／ケーシング１０２と電気的に接続され、これによって端子３１０と電気的に接続される。端子３１０は、様々な幾何学的形状に構成できることは、当業者にとって明らかである。端子３１０は、典型的には、アルミニウムから形成され、開示されるリチウムイオンバッテリのカソードとして機能する。
【００６６】
したがって、アノード端子接触面３０８及びカソード端子３１０は、ケーシング１０２の壁上に並んで配置され、電気的接続に利用可能であり、これによって、バッテリ１００から所望の用途にエネルギを供給できる。
【００６７】
例示的なＰＤＤ組立体３００では、外装缶／ケーシング１０２の壁に画定された更なる開口に対して導電性ドームが位置決めされる。ドームは、初期的に、外装缶／ケーシング１０２に対して内側に撓ませられ、これにより、外装缶内の圧力の増加に対し、外装缶の外方／上方への撓みによって応答するように位置決めされる。ドームは、通常、壁に対して溶接されたドームアダプターリングによって、壁に対して取り付けてもよい。例示的な実施形態では、製造を容易にするために、ドームアダプターリングをドームの周辺部に予め溶接してもよく、これによって、ドームアダプターリングによって表面積が増大するため、壁に対するドームの取り付けに関連する溶接作業が容易になる。
【００６８】
使用時には及び外装缶／ケーシング１０２及び頂部カバー１２０によって画定される組立体内の圧力の上昇に応答して、ドームは、外装缶／ケーシング１０２の壁に対して上方に撓む。十分に上方に撓むと、すなわち、バッテリ１００に関連する内圧が閾値レベルに達すると、切断ハンマが、ヒューズホルダ３０２内のヒューズ３０４と電気的に接続された端子接触面の下側に接触する。（導電性の）切断ハンマの接触によって回路が閉じると、ヒューズ３０２が「溶断され」、これによって、外装缶１０２及び頂部カバー１２０によって画定される組立体内に位置決めされるマルチコア構成要素から回路が切断される。電流は、外装缶１０２を通してバイパスされる。なお、ＰＤＤ組立体３００の全ての動作可能な構成要素は、可撓ドーム３１２を除いて、外装缶１０２及び頂部カバー１２０の外側に配置することが好ましい。
【００６９】
本開示のＰＰＤ構造及び／又は通気構造を支持するために中間構造又は付属構造を用いる必要はない。実際、本開示の実施形態によれば、バッテリの内部に対して１つの追加の開口、すなわちＣｕ端子の通路を収容する開口のみを設ければよい。開示されるバッテリシステムは、単純で製造／組立が容易であるため、製造可能性及びコストパラメータが改善される。更に、開示されるバッテリの缶及び／又は蓋に対するＰＤＤ及び通気組立体の直接的な取り付けにより、開示されるバッテリは、更に薄型（low profile）に形成できる。薄型とは、例えば、３０Ａｈ以上の大容量バッテリシステムを提供しながら、開示されるＰＤＤ及び通気安全構造／システムを収容するのに必要な容積又は空間が減少したことを意味する。
【００７０】
例示的なマルチコアリチウムイオンバッテリシステム／組立体
本開示の例示的な実施形態では、マルチコアリチウムイオンバッテリ容器の蓋内に通気構造が画定される。通気圧力に達すると、スコアラインに沿って通気構造が実質的に瞬間的に破壊され、これにより、通気構造が金属フラップ、すなわち通気構造のスコアリングされていない領域に対して撓むにつれて、通気開口から及び３０メッシュのフレームアレスタを通して、圧力／ガスが解放される。
【００７１】
本開示に基づく有利なマルチコアリチウムイオンバッテリ構造は、バッテリのアレイの組み立てが容易になり、電力対エネルギ比の調整が可能であるといったより大きなサイズのバッテリの利点を提供しながら、製造コストを低減し、安全性を向上させる。開示される有利なシステムは、マルチコアセル構造及びマルチセルバッテリモジュールに適用可能である。以下に説明するＬｉイオン構造は、殆どの場合、ジェリーロール等のアクティブコア及び電解質を使用する他の電気化学ユニットにも使用できることは、当業者にとって明らかである。可能性のある代替例は、米国特許第８，２３３，２６７号に記載されているようなウルトラキャパシタ、及びニッケル水素電池又は巻き鉛蓄電池システムを含む。
【００７２】
本開示によれば、例示的なマルチコアリチウムイオンバッテリは、密閉筐体と、密閉筐体内に配置された支持部材とを有するとも説明される。支持部材は、複数のキャビティと、複数のキャビティのうちの対応するキャビティ内に配置された複数のリチウムイオンコア部材とを有する。また、複数のキャビティライナが設けられ、各キャビティライナは、対応するリチウムイオンコア部材と対応するキャビティの表面との間に配置される。支持部材は、運動エネルギ吸収材料を有し、運動エネルギ吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミック、プラスチックのいずれかによって形成される。キャビティライナは、プラスチック又はアルミニウム材料で形成され、複数のキャビティライナは、モノリシックライナ部材の一部として形成される。プラスチックライナに代えて、開口したアルミニウム製円筒状スリーブ又は缶構造を用いてコア部材を収容してもよい。更に、各コア内には、電解質が設けられ、電解質は、難燃剤、ガス発生剤、及び酸化還元シャトルのうちの少なくとも１つを含む。各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノード及びカソードの間に配置されたセパレータとを有する。更に、筐体内には、コア部材を密閉筐体の外部の電気端子に電気的に接続する電気コネクタが含まれる。
【００７３】
本開示の別の側面では、コア部材は、並列に接続され又は直列に接続される。あるいは、コア部材の第１の組が並列に接続され、コア部材の第２の組が並列に接続され、コア部材の第１の組とコア部材の第２の組とが直列に接続される。支持部材は、ハニカム構造の形態を有する。運動エネルギ吸収材料は、圧縮性媒体を有する。筐体は、圧縮性要素を有する壁を有し、圧縮性要素は、壁に衝突する力によって圧縮されると、リチウムイオンバッテリを電気的に短絡させる。支持部材内のキャビティ及びこれらの対応するコア部材は、円筒形、直方体形、及び角柱形のいずれかである。キャビティ及び対応するコア部材のうちの少なくとも１つは、他のキャビティ及び対応するコア部材とは異なる形状であってもよい。
【００７４】
本開示の別の側面では、コア部材の少なくとも１つは、高出力特性を有し、コア部材の少なくとも１つは、高エネルギ特性を有する。コア部材のアノードは、同じ材料で形成され、コア部材のカソードは、同じ材料で形成される。各セパレータ部材は、セラミックコーティングを有することができ、各アノード及び各カソードは、セラミックコーティングを有することができる。コア部材の少なくとも１つは、他のコア部材のアノード及びカソードの厚さとは異なる厚さのアノード及びカソードのうちの１つを有する。少なくとも１つのカソードは、化合物Ａ〜Ｍ群の材料のうちの少なくとも２つを含む。各カソードは、表面改質剤を有する。各アノードは、Ｌｉ金属、又は炭素若しくはグラファイトのうちの１つを有する。各アノードは、Ｓｉを含む。各コア部材は、圧延されたアノード、カソード、及びセパレータ構造を有し、又は各コア部材は、積層されたアノード、カソード、及びセパレータ構造を有する。
【００７５】
本開示の別の側面では、コア部材は、実質的に同じ電気容量を有する。コア部材の少なくとも１つは、他のコア部材と比較して異なる電気容量を有する。コア部材の少なくとも１つは、電力貯蔵のために最適化され、コア部材の少なくとも１つは、エネルギ貯蔵のために最適化される。
【００７６】
本開示の更に別の側面は、コア部材の電気的監視及び平衡化を可能にするように構成されたコア部材と電気的に相互接続された検知ワイヤを有する。密閉筐体は、難燃性部材を有し、この難燃性部材は、筐体の外部に固着された難燃性メッシュ材料を有する。
【００７７】
別の実施形態として、密閉筐体を有するマルチコアリチウムイオンバッテリを説明する。支持部材は、密閉筐体内に配置され、支持部材は、複数のキャビティを有し、更に、支持部材は、運動エネルギ吸収材料を有する。複数のキャビティのうちの対応するキャビティ内に配置された複数のリチウムイオンコア部材を設ける。更に、複数のキャビティライナを設け、各キャビティライナは、対応するリチウムイオンコア部材と対応するキャビティの表面との間に配置される。キャビティライナは、プラスチック又はアルミニウム材料（例えば、ポリマ及び金属箔積層パウチ）から形成され、複数のキャビティライナは、モノリシックライナ部材の一部として形成してもよい。運動エネルギ吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミック、プラスチックのいずれかから形成される。
【００７８】
本開示の別の側面では、各コア内に電解質が収容され、電解質は、難燃剤、ガス発生剤、及び酸化還元シャトルのうちの少なくとも１つを有する。各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノード及びカソードの間に配置されたセパレータとを有する。更に、筐体内には、コア部材を密閉筐体の外部の電気端子に電気的に接続する電気コネクタが含まれる。コア部材は、並列に接続してもよい。コア部材は、直列に接続してもよい。コア部材の第１の組を並列に接続し、コア部材の第２の組を並列に接続し、コア部材の第１の組とコア部材の第２の組とを直列に接続してもよい。
【００７９】
別の側面では、支持部材は、ハニカム構造の形態を有していてもよい。運動エネルギ吸収材料は、圧縮性媒体を含む。リチウム筐体は、圧縮性要素を有する壁を有し、圧縮性要素は、壁に衝突する力によって圧縮されると、リチウムイオンバッテリを電気的に短絡させる。支持部材内のキャビティ及びこれらの対応するコア部材は、円筒形、直方体形、及び角柱形のいずれかである。キャビティ及び対応するコア部材のうちの少なくとも１つは、他のキャビティ及び対応するコア部材と比較して異なる形状を有してもよい。コア部材の少なくとも１つは、高出力特性を有してもよく、コア部材の少なくとも１つは、高エネルギ特性を有してもよい。コア部材のアノードは、同じ材料で形成してもよく、コア部材のカソードは、同じ材料で形成してもよい。各セパレータ部材は、セラミックコーティングを有することができる。各アノード及び各カソードは、セラミックコーティングを有していてもよい。コア部材の少なくとも１つは、他のコア部材のアノード及びカソードの厚さと比較して異なる厚さのアノード及びカソードのうちの１つを有していてもよい。
【００８０】
更に別の側面では、少なくとも１つのカソードは、化合物Ａ〜Ｍ群の材料のうちの少なくとも２つを含む。各カソードは、表面改質剤を含むことができる。各アノードは、Ｌｉ金属、炭素、グラファイト、又はＳｉを含む。各コア部材は、圧延されたアノード、カソード、及びセパレータ構造体を有することができる。各コア部材は、積層されたアノード、カソード及びセパレータ構造体を有することができる。コア部材は、実質的に同じ電気容量を有していてもよい。コア部材の少なくとも１つが他のコア部材と比較して異なる電気容量を有してもよい。コア部材の少なくとも１つは、電力貯蔵のために最適化してもよく、コア部材の少なくとも１つは、エネルギ貯蔵のために最適化してもよい。
【００８１】
本開示の別の実施形態では、検知ワイヤがコア部材と電気的に相互接続され、コア部材の電気的な監視及び平衡化を可能にする。密閉筐体は、難燃性部材を有することができ、難燃性部材は、筐体の外部に固定された難燃性メッシュ材料を有することができる。
【００８２】
別の実施形態として、密閉筐体を有し、筐体の内部にリチウムイオンバッテリ領域及び共有雰囲気領域を有するマルチコアリチウムイオンバッテリを説明する。支持部材は、密閉筐体のリチウムイオンバッテリ領域内に配置され、支持部材は、複数のキャビティを有し、各キャビティは、共有雰囲気領域に対して開口した端部を有する。それぞれがアノード及びカソードを有する複数のリチウムイオンコア部材は、複数のキャビティの対応する１つ内に配置され、アノード及びカソードは、キャビティの開口端を介して共有雰囲気領域に露出され、アノード及びカソードは、これらの長さに沿って実質的にキャビティによって囲まれる。支持部材は、運動エネルギ吸収材料を有することができる。運動エネルギ吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミック、プラスチックのいずれかから形成される。
【００８３】
別の側面では、複数のキャビティライナが設けられ、各キャビティライナは、対応するリチウムイオンコア部材と対応するキャビティの表面との間に配置される。キャビティライナは、プラスチック又はアルミニウム材料で形成してもよい。複数のキャビティライナは、モノリシックライナ部材の一部として形成してもよい。各コア内に電解質を設けてもよく、電解質は、難燃剤、ガス発生剤、及び酸化還元シャトルのうちの少なくとも１つを含むことができる。各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノード及びカソードの間に配置されたセパレータとを有する。筐体内には、コア部材を密閉筐体の外部の電気端子に電気的に接続する電気コネクタが含まれる。
【００８４】
更に別の側面では、コア部材は、並列に接続されるか、又はコア部材は、直列に接続される。あるいは、コア部材の第１の組が並列に接続され、コア部材の第２の組が並列に接続され、コア部材の第１の組とコア部材の第２の組とが直列に接続される。
【００８５】
別の実施形態として、密閉筐体と、密閉筐体内に配置された少なくとも１つのリチウムイオンコア部材とを有するリチウムイオンバッテリを説明する。リチウムイオンコア部材は、アノード及びカソードを有し、カソードは、化合物Ａ〜Ｍの群から選択される少なくとも２つの化合物を含む。リチウムイオンコア部材は、１つのみであってもよい。密閉筐体は、ポリマバッグであってもよく又は密閉筐体は、金属キャニスタであってもよい。各カソードは、化合物Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｌ、及びＭの群から選択される少なくとも２つの化合物を含むことができ、更に表面改質剤を含むことができる。各カソードは、化合物Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、及びＬの群から選択される少なくとも２つの化合物を含むことができる。バッテリは、４．２Ｖより高い電圧に充電してもよい。各アノードは、炭素及びグラファイトのうちの１つを含むことができる。各アノードは、Ｓｉを含むことができる。
【００８６】
更に別の実施形態として、密閉筐体と、密閉筐体内に配置された少なくとも１つのリチウムイオンコア部材とを有するリチウムイオンバッテリを説明する。リチウムイオンコア部材は、アノード及びカソードを有する。筐体内の電気コネクタは、少なくとも１つのコア部材を密閉筐体の外部の電気端子に電気的に接続し、電気コネクタは、所定の電流を超えたときに、電気コネクタを通る電流の流れを遮断するための手段／機構／構造を有する。
【００８７】
更に、本開示は、特に、例えば、熱／温度条件を管理し、潜在的な熱暴走条件の可能性及び／又は規模を減少させることによって、バッテリの安全性及び／又は安定性に寄与する有利な吸熱機能を提供する材料を有するリチウムイオンバッテリを提供する。本開示の例示的な実施形態では、吸熱材料／システムは、無機ガス発生吸熱材料を組み込んだセラミックマトリックスを有する。開示される吸熱材料／システムは、以下により詳細に説明するように、様々な手法及び様々なレベルでリチウムバッテリに組み込むことができる。
【００８８】
開示される吸熱材料／システムは、使用時において、温度が所定のレベル、例えば、通常動作に関連する最大レベルを超えて上昇した場合に、吸熱材料／システムが熱暴走の可能性を防止及び／又は最小化するための１つ又は複数の機能を提供するように動作する。例えば、開示される吸熱材料／システムは、好ましくは、以下の機能のうちの１つ又は複数を提供できる。（ｉ）（特に高温における）断熱、（ｉｉ）エネルギ吸収、（ｉｉｉ）吸熱材料／システムに関連する吸熱反応によって生成されるガスの全部又は一部の排気、（ｉｖ）バッテリ構造内の全圧力の昇圧、（ｖ）吸熱材料／システムに関連する吸熱反応中に生成されたガスの通気によるバッテリシステムからの吸収熱の除去、及び／又は（ｖｉ）（存在する場合）毒性ガスの希釈及びバッテリシステムからのこれらの安全な（全体的又は部分的）排出。更に、吸熱反応に関連する通気ガスは、電解質ガスを希釈して、電解質ガスに関連する発火点を遠ざけ及び／又は可燃性を除去する機会を提供する。
【００８９】
開示される吸熱材料／システムの断熱特性の組み合わせは、これらがリチウムイオンバッテリシステムに適用される様々な段階において有利である。製造時には、吸熱材料／システムは、僅かな温度上昇の間又は熱事象の最初のセグメントの間に断熱を提供する。これらの比較的低い温度では、断熱機能は、発熱を抑制するのに役立つと共に、限定的な伝導によって、熱質量全体に熱エネルギを徐々に拡散させることを可能にする。これらの低い温度では、吸熱材料／システム材料は、吸熱ガス発生反応を生じさせないように選択及び／又は設計される。これにより、断熱及び／又はリチウムイオンバッテリ全体に永久的な損傷を与えることなく、温度の変動を許容する窓が提供される。リチウムイオン型貯蔵デバイスの場合、エクスカーション（excursions）又は低レベル上昇に関連する一般的な範囲は、６０〜２００℃である。上記の温度範囲で吸熱反応を防御する無機吸熱材料／システムを選択することにより、所望の高温で第２の吸熱機能を開始するリチウムイオンバッテリを提供できる。すなわち、本開示によれば、開示される吸熱材料／システムに関連する吸熱反応は、通常、６０〜２００℃を有意に超える温度範囲で最初に開始されることが望ましい。本開示に基づく使用のための例示的な吸熱材料／システムは、以下の表３に記載するものを含むが、これらに限定されない。
【００９０】
【表１】
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【００９１】
これらの吸熱材料は、通常、ヒドロキシル又は含水成分を含有し、他の炭酸塩又は硫酸塩と組み合わされることもある。代替となる材料としては、非含水炭酸塩、硫酸塩、及びリン酸塩等が挙げられる。一般的な例としては、５０℃以上で分解して炭酸ナトリウム、二酸化炭素、及び水を生じる炭酸水素ナトリウムがある。リチウムイオンバッテリに関連する熱事象によって、選択された吸熱ガス発生材料の吸熱反応のための作動温度を超える温度上昇が生じる場合、開示される吸熱材料／システム材料は、熱エネルギの吸収を有利に開始し、これによって、冷却及び断熱の両方をリチウムイオンバッテリシステムに提供する。可能なエネルギ吸収量は、通常、式に組み込まれる吸熱ガス発生材料の量及びタイプ、並びにリチウムイオンバッテリ内のエネルギ発生源に対する吸熱材料／システムの全体的な設計／配置に依存する。所与の用途のための吸熱材料／システムの正確な追加量及び種類は、これらが断熱材料と協働して、吸収された熱が、断熱材料が残りの取り込まれた熱をエネルギ貯蔵デバイス／リチウムイオンバッテリの熱質量全体に伝導するのに十分となるように選択される。制御された手法で熱を全体の熱質量に分配することにより、隣接するセルの温度を臨界分解温度又は発火温度以下に保つことができる。但し、断熱材料を流れる熱流が大きすぎる場合、すなわち、エネルギ伝導が閾値レベルを超える場合には、質量全体が蓄積された熱を放散する前に、隣接するセルが分解温度又は発火温度に達する。
【００９２】
これらのパラメータを考慮して、本開示に関連する断熱材料は、９００℃を超える温度に到達することもあるリチウムイオンバッテリシステムの典型的な熱事象の全温度範囲に亘って、過剰な収縮に対して熱的に安定するように設計及び／又は選択される。この断熱に関連する要件は、低融点ガラス繊維、炭素繊維、又は充填材をベースとする多くの断熱材料とは対照をなすものであり、これらは、３００℃を超える温度で広範囲に収縮し、発火することさえある。また、開示される材料は、膨張圧力に耐えるためのデバイス構成要素の設計を必要としないため、この断熱に関連する要件によって、開示される断熱機能は、膨張性材料から区別される。すなわち、相変化材料を使用する他のエネルギ貯蔵断熱システムとは異なり、本開示の吸熱材料／システムは、有機的ではなく、したがって、高温で酸素に曝されたときに燃焼しない。更に、開示される吸熱材料／システムによるガスの発生は、エネルギ貯蔵デバイス／リチウムイオンバッテリシステムから熱を除去し、毒性ガスを希釈するという二重の目的を有し、熱暴走条件を制御及び／又は回避する上で特に有利である。
【００９３】
例示的な実施形態によれば、開示される吸熱材料／システムは、これらが使用されるエネルギ貯蔵デバイス／リチウムイオンバッテリに機械的強度及び安定性を提供することが望ましい。開示される吸熱材料／システムは、高い空隙率、すなわち、材料を僅かに圧縮可能にする空隙率を有していてもよい。これにより、部品を圧入できる、非常に緊密に保持されたパッケージが実現されるため、組み立て時に有利である。また、これにより、自動車、航空宇宙、及び産業環境に望まれる振動及び衝撃耐性が得られる。
【００９４】
なお、開示される吸熱材料／システムの機械的特性は、通常、吸熱反応が開始されるのに十分な規模の熱事象が発生した場合に変化する。例えば、吸熱反応に関連するガスの発生によって、吸熱材料／システムが初期の集合圧力を維持する機械的能力が低下する可能性がある。しかしながら、この規模の熱事象を経験するエネルギ貯蔵デバイス／リチウムイオンバッテリは、通常、使用に適合する（fit-for-service）ものではなく、したがって、機械的特性の変化は、殆どの用途に受け入れられる。本開示の例示的な実施形態によれば、吸熱反応に関連して発生したガスは、多孔質絶縁マトリクスの背後に残る。
【００９５】
開示される吸熱ガス発生吸熱材料／システムによって生成されるガスは、（以下に限定されるものではないが）ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及び／又はこれらの組み合わせを含む。これらのガスの発生は、一連の後続する及び／又は関連する機能を提供する。まず、エネルギ貯蔵デバイス／リチウムイオンバッテリが制御されない放電／熱暴走を起こしやすい上限となる正常動作温度と、これより高い閾値温度との間で発生するガスは、エネルギ貯蔵デバイス／リチウムイオンバッテリのための通気システムを強制的に開く手段として有利に機能できる。
【００９６】
ガスの生成は、熱事象の間に生成されるあらゆる有毒及び／又は腐食性蒸気を部分的に希釈するのに役立つこともある。一旦排気システムが作動すると、放出されたガスは、排気システムを通ってデバイスから出るときに熱エネルギを放出する働きも担う。また、開示される吸熱材料／システムによるガスの発生は、あらゆる有毒ガスをエネルギ貯蔵デバイス／リチウムイオンバッテリから通気システムを介して押し出すのに役立つ。更に、熱暴走中に形成されるガスを希釈することによって、ガスの発火の可能性が低減される。
【００９７】
吸熱材料／システムは、エネルギ貯蔵デバイス／リチウムイオンバッテリシステムの一部として、様々な手法及び様々なレベルで組み込まれ、及び／又は実装できる。例えば、開示される吸熱材料／システムは、乾式プレス、真空成形、浸透、及び直接注入等のプロセスによって組み込むことができる。更に、開示される吸熱材料／システムは、所望の温度／エネルギ制御機能を提供するように、エネルギ貯蔵デバイス／リチウムイオンバッテリ内の１つ又は複数の場所に配置できる。
【００９８】
本開示に基づく缶／容器に対して蓋を固定するための好ましい機械的密封は、二重巻締（double seam）である。二重巻締は、特定の縁折りパターンによって缶の側壁に頂部又は底部を接続する手段である。二重巻締接合は、大きな内圧に耐えることができ、頂部と側壁を密接に結びつけることができるが、接合で必要とされる極度の屈曲のため、共に巻締される２つのフランジは、十分に薄い必要があり、アルミニウムシートでは、二重巻締接合は、０．５ｍｍ未満の厚さで可能である。バッテリの動作圧力がより厚い蓋又は缶を必要とする場合、これらのより厚い部材の巻締フランジの厚さを０．５ｍｍ以下に低減して、二重巻締によって缶を密封できることを確実にするための対策が必要である。
【００９９】
密封機構の全体設計とその容器構造の設計パラメータ（全体寸法、材料の厚さ、機械的特性）への依存性は、内圧、特に外部荷重への機械的応答に影響するため、高度に相互依存性を有する。これはまた、排気及び圧力遮断構造にも影響を与える。低コストの二重巻締のような密封機構は、通気圧力が低い場合にのみ使用できる。レーザ溶接のような他の密封機構は、より堅牢であるが、容器が拘束されていない場合には、依然として限界圧力に依存する。材料の特性と寸法は、筐体の密封を行うために選択された方法に依存する。これらの相互依存性は複雑であり、設計空間における関係性は直感的ではない。本発明者らは、大型Ｌｉイオンバッテリの機能性及びコストを最適化する際に、特定の構造が特に有用であることを見出した。
【０１００】
１つの大きな目標は、セルの正常動作条件に晒された際の容器寸法の全体的な膨張を制限することである。この膨張量は、容器の長さと幅、頂部の厚さ、及び容器壁への頂部閉鎖部の接合方法に大きく依存する（固定コンテナ寸法の変位に対する厚みの影響の例については、図８から図１０を参照）。直方体容器の場合、動作圧力での変形限界を満たすためには、平面図寸法（蓋の長さと幅）が大きいほど、蓋を厚くする必要がある。圧力荷重を受ける長方形プレートの最大撓みの支配方程式（図７）から、撓みは、固定境界寸法の厚さの逆三次関係（inverse cubic relation）であり、更に撓みは、名目上、プレートのリング寸法（ling dimension）の５次関数である。このため、容器の寸法が変化すると蓋の厚さが急速に増大する。これは、重量と体積が増加するため望ましくない。更に、境界における応力は、厚さの２乗の逆数として減少し、これは、容器の密封接合の最も重要な領域における応力を減少させる利点を有する。蓋及び／又は壁内の変位及び応力は、蓋を底部に接続する又は対向する壁を互いに接続する接続部材のいずれかの形態の支持体を追加することによって、壁又は蓋の有効スパンを制限することによっても低減できる。これらの接続点は、図１の式のａ又はｂの寸法を効果的に短縮し、その結果、容器の変位対圧力輪郭に肯定的な影響を与える（図１１参照）。これらの結果は、蓋を容器壁に溶接する場合には当て嵌まるが、蓋を容器に機械的に接合する場合には重要な設計上の課題となる。機械的接合プロセスでは、蓋を容器に機械的にロック及び密封するために必要な機械的変形を可能にするために、容器壁及び／又は蓋を一定の厚さ未満に保つ必要がある。
【０１０１】
機械的接合（二重巻締、圧着等）は、蓋及び容器壁を、バッテリの動作圧力に耐えるために必要とされる厚さより遥かに薄くすることを要求する場合がある。これらの制限は、接合部の局所的な材料の厚さを変更する多数の機械的プロセス（例えば、圧印加工、機械加工、しごき加工等）によって緩和できる。肉厚を薄くして接合が容易になると、接合部において新しく生じた応力を解析して最適化する必要がある。圧力が動作圧力よりも遥かに高くなる過負荷の場合にも、これらと同じ課題を検討し、対処する必要がある。他で概説したように、考慮すべき４つの圧力領域があり、動作圧力限界は、その操作環境における容器の変形限界によって支配される。容器については、一旦圧力が正常なセル動作限界を超えると、異常な事象が生じたとみなされ、したがって、新しい要求が容器に課される。一旦、容器が動作圧力領域から逸脱すると、容器膨張の限界は、緩和されるが、この場合、蓋と容器壁との接合は、容器に組み込まれた通気デバイスを通して容器が内圧を解放する領域４で設定された値を超える圧力を閉じ込めることが要求される。過圧事象下では、接合の応力が支配的設計特徴となり、レーザ溶接蓋のＨＡＺにおける強度変化の可能性と、機械的手法で接合を行うために必要な厚さ減少による強度変化とを考慮しなければならない。これらの設計上のトレードオフは、複雑で明白ではなく、材料、製造プロセス及び接合法についての十分な理解を必要とし、これらは、容器の製造中に相互作用する。
【０１０２】
別の例では、開示されるハウジング及び／又はカバーの少なくとも一部は、断熱鉱物材料（例えば、ＡＦＢ（登録商標）材料、Ｃａｖｉｔｙｒｏｃｋ（登録商標）材料、ＣｏｍｆｏｒｔＢａｔｔ（登録商標）材料、及びＦａｂｒｏｃｋ（商標）（Ｒｏｃｋｗｏｏｌ  Ｇｒｏｕｐ社、ヘデフセン、デンマーク）材料、Ｐｒｏｍａｆｏｕｒ（登録商標）材料、Ｍｉｃｒｏｔｈｅｒｍ（登録商標）材料（Ｐｒｏｍａｔ  Ｉｎｃ社、ティッセルト、ベルギー）、及び／又はＭｏｒｇａｎＴｈｅｒｍａｌＣｅｒａｍｉｃｓ社（ビルケンヘッド、イギリス）のカルシウム−マグネシウム−ケイ酸塩ウール製品等）から製造できる。断熱鉱物材料は、複合材料として使用でき、繊維及び／又は粉末マトリックスを有する。鉱物マトリックス材料は、アルカリ土類ケイ酸塩ウール、玄武岩繊維、アスベスト、火山ガラス繊維、ガラス繊維、セルラーガラス、及びこれらの任意の組み合わせを含む群から選択できる。鉱物材料は、必要ではないが、結合材料を含んでもよい。開示される構築材料は、ポリマ材料であってもよく、ナイロン、ポリ塩化ビニル（polyvinyl chloride：ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（polyvinyl alcohol：ＰＶＡ）、アクリルポリマ、及びこれらの任意の組み合わせを含む群から選択してもよい。鉱物材料は、必須ではないが、アルミナ三水和物（Alumina trihydrate：ＡＴＨ）等の難燃性補助剤を更に有することができる。鉱物材料は、ロール、シート、及びボードのような種々の媒体で製造でき、剛性を有していても、可撓性を有していてもよい。例えば、材料は、圧縮されたコンパクトなブロック／ボードであってもよく、又はスポンジ状で圧縮可能な複数の織り合わされた繊維であってもよい。また、開示されるハウジング及び／又はカバーの内壁の少なくとも一部に鉱物材料を用いて、ハウジング及び／又はカバーの内部絶縁体を提供してもよい。
【０１０３】
例示的な実施形態を参照して本開示を説明したが、本開示は、これらの例示的な実施形態に限定されない。すなわち、本開示の思想又は範囲から逸脱することなく、様々な修正、改良、及び／又は代替の実装を採用できる。
【図１】
2020534661.tif 000004
【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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【国際調査報告】
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