DE112012005691B4

DE112012005691B4 - Abgedichtete Lithiumsekundärbatterie

Info

Publication number: DE112012005691B4
Application number: DE112012005691.4T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI K Morita Masahiro; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI Mitsuhashi Toshihiko; c/o PANASONIC CORPORATION Ohara Keisuke; c/o PANASONIC CORPORATION Yokoyama Yuji; c/o PANASONIC CORPORATION Fukumoto Yusuke; c/o PANASONIC CORPORATION Hashimoto Tatsuya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: KR101674779B1; JP5854292B2; US9559383B2; DE112012005691T5; US20140342200A1; CN104054207B; KR20140116924A; CN104054207A; JPWO2013108365A1; WO2013108365A1

Abstract

Abgedichtete Lithiumsekundärbatterie (100), in welcher eine Elektrodenanordnung (80), die mit einer positiven Elektrode (10) und einer negativen Elektrode (20) bereitgestellt ist, und ein Elektrolyt innerhalb eines vorgegebenen Batteriegehäuses (50) untergebracht sind, wobeider Elektrolyt eine Verbindung, die fähig ist zum Unterdrücken von Viskositätsabnahmen des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs in einem Temperaturbereich bis zu 100°C, und eine aromatische Verbindung, die fähig ist zum Erzeugen von Wasserstoffgas, wenn eine vorgegebene Batteriespannung überschritten wird, enthält; undwobei das Batteriegehäuse (50) eine Stromunterbrechungsvorrichtung (30) beinhaltet, die aktiviert wird, wenn der Druck innerhalb des Batteriegehäuses (50) als ein Ergebnis des Erzeugens des Wasserstoffgases ansteigt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine abgedichtete Lithiumsekundärbatterie (typischerweise eine abgedichtete Lithiumionensekundärbatterie). Spezifischer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine abgedichtete Lithiumsekundärbatterie, die mit einer Stromunterbrechungsvorrichtung bereitgestellt ist, die durch Innendruckanstiege aktiviert wird.
Technischer Hintergrund
Lithiumsekundärbatterien, wie etwa Lithiumionenbatterien, rühmen sich mit geringerer Größe, leichterem Gewicht und höherer Energiedichte als existierende Batterien. Demgemäß werden Lithiumsekundärbatterien bevorzugt als sogenannte portable Stromquellen in PCs oder mobilen Endgeräten und als elektrische Stromquellen zum Fahren in Fahrzeugen verwendet.
Abgedichtete Lithiumsekundärbatterien sind eine Form solcher Batterien. Eine solche Batterie weist typischerweise eine Konstruktion auf, bei der eine Elektrodenanordnung, die positive und negative Elektroden umfasst, die jeweils mit einer Mischungsschicht bereitgestellt sind, die ein Aktivmaterial umfasst, innerhalb eines Batteriegehäuses zusammen mit einem Elektrolyt (typischerweise eine Elektrolytlösung) untergebracht ist, wonach ein Deckelkörper aufgesetzt wird, um das Batteriegehäuse zu verschließen (abzudichten). Die abgedichtete Lithiumsekundärbatterie wird gewöhnlich in einem Zustand verwendet, wo die Spannung so beschränkt wird, dass sie innerhalb eines vorgegebenen Bereichs (zum Beispiel 3,0 bis 4,2 V) liegt. Allerdings kann die vorgegebene Spannung unter einigen Beispielen überschritten werden, und Überladen kann auftreten, falls mehr Strom als gewöhnlich zu der Batterie zugeführt wird, zum Beispiel durch eine Fehlfunktion.
Stromunterbrechungsvorrichtungen (current interrupt device CID), die einen Ladestrom unterbrechen, wenn der Druck innerhalb eines Batteriegehäuses gleich zu oder höher als ein vorgegebener Wert wird, sind eine weithin bekannte Überladungsgegenmaßnahmentechnik. Gewöhnlich wird ein nichtwässriges Lösungsmittel oder dergleichen in einem Elektrolyt elektrolysiert und erzeugt ein Gas, wenn die Batterie in einen Überladungszustand gebracht wird. Auf der Grundlage dieser Gaserzeugung schaltet die Stromunterbrechungsvorrichtung den Ladestromkreis der Batterie ab, sodass verhindert werden kann, dass das Überladen weiter voranschreitet.
Das vorherige Inkorporieren einer Verbindung (hiernach bezeichnet als „Überladungsinhibitor“), die ein Oxidationspotenzial aufweist, das niedriger ist als das des nichtwässrigen Lösungsmittels des Elektrolyts (d.h. eine niedrigere Spannung, bei welcher eine oxidative Zersetzungsreaktion startet), in den Elektrolyt, ist ein bekanntes Verfahren, von dem Gebrauch gemacht wird, wenn solch eine Stromunterbrechungsvorrichtung verwendet wird. Wenn die Batterie in einen Überladungszustand eintritt, unterzieht sich solch ein Überladungsinhibitor rasch einer oxidativen Zersetzung und erzeugt als ein Ergebnis Wasserstoffionen (H⁺) an einer Positivelektrodenoberfläche. Die Wasserstoffionen diffundieren in den Elektrolyt und werden an der negativen Elektrode reduziert, was Wasserstoffgas (H₂) zur Folge hat. Der Innendruck der Batterie steigt wegen des erzeugten Wasserstoffgases an, und als ein Ergebnis kann die Stromunterbrechungsvorrichtung rasch aktiviert werden. Als einen Fall solch eines Stands der Technik offenbart zum Beispiel Patentdokument 1 das Merkmal des Verwendens von Cyclohexylbenzol (CHB) und/oder Biphenyl (BP) als einen Überladungsinhibitor.
US 2010 / 255 382 A1 stellt eine Sekundärbatterie bereit, die einen Separator mit einer anorganischen Schicht, in der aktive Stellen anorganischer Teilchen in nichtreaktive Stellen modifiziert sind, umfasst und deren Elektrolyt einen Überladungsinhibitor enthalten kann.
Zitateliste
Patentliteratur

Patentdokument 1: JP 2006 - 324 235 A
Patentdokument 2: JP 2001 - 85 057 A

Zusammenfassung der Erfindung
Allerdings nimmt in solchen Lithiumsekundärbatterien die Viskosität des Elektrolyts ab, und die aromatische Verbindung, die der Überladungsinhibitor ist, unterzieht sich vorzugsweise Redox-Shuttle-Reaktionen, wenn die Temperatur der Umgebung, in welcher die Batterie verwendet wird, und/oder der Umgebung, in welcher die Batterie gelagert wird, ansteigt (zum Beispiel von 50°C auf 70°C). Die Zersetzungsreaktion der aromatischen Verbindung, die zum Erzeugen des Gases notwendig ist, wird als ein Ergebnis inhibiert. In großen (oder Großkapazitäts-) Batterien, die in elektrischen Stromspeicherquellen zum Fahren in Fahrzeugen oder dergleichen verwendet werden, ist insbesondere eine große Gasmenge zum Aktivieren der Stromunterbrechungsvorrichtung notwendig, da das räumliche Volumen der Batterie vergleichsweise groß ist. In einer Hochtemperaturumgebung kann die Aktivierung der Stromunterbrechungsvorrichtung allerdings verzögert werden, da der Druck in dem Batteriegehäuse durch eine unzureichende Gaserzeugungsmenge nicht rasch ansteigt.
Angesichts des Obigen ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine abgedichtete Lithiumsekundärbatterie bereitzustellen, die eine Stromunterbrechungsvorrichtung umfasst, die als ein Ergebnis eines Druckanstiegs innerhalb eines Batteriegehäuses aktiviert wird, sodass die Batterie sich besserer Zuverlässigkeit rühmt (typischerweise Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen), während eine hohe Batterieleistungsfähigkeit erhalten bleibt.
Um das obige Ziel zu erreichen, wird eine abgedichtete Lithiumsekundärbatterie bereitgestellt, in welcher eine Elektrodenanordnung, die eine positive Elektrode und eine negative Elektrode umfasst, und ein Elektrolyt innerhalb eines vorgegebenen Batteriegehäuses untergebracht sind. Der Elektrolyt umfasst eine Verbindung, die fähig ist zum Unterdrücken von Viskositätsabnahmen des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs in einem Temperaturbereich bis zu 100°C, und eine aromatische Verbindung, die fähig ist zum Erzeugen von Wasserstoffgas, wenn eine vorgegebene Batteriespannung überschritten wird. Das Batteriegehäuse ist mit einer Stromunterbrechungsvorrichtung bereitgestellt, die aktiviert wird, wenn der Druck innerhalb des Batteriegehäuses als ein Ergebnis des Erzeugens des Wasserstoffgases ansteigt.
Redox-Shuttle-Reaktionen der aromatischen Verbindung, die der Überladungsinhibitor ist, werden dadurch selbst in einem Temperaturbereich inhibiert (typischerweise bis zu 100°C, zum Beispiel von 25°C auf 100°C), der höher als Raumtemperatur ist, in einem Fall, wo der Elektrolyt eine Verbindung (hiernach als „Viskositätsmodifizierer“ bezeichnet) umfasst, die fähig ist zum Unterdrücken von Viskositätsabnahmen des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs. Demgemäß zersetzt sich die aromatische Verbindung, die der Überladungsinhibitor ist, in geeigneter Weise, und eine gewünschte Gasmenge kann stabiler als unter konventionellen Beispielen selbst in einer Hochtemperaturumgebung (zum Beispiel 50°C bis 70°C) erzeugt werden. Der Druck innerhalb des Batteriegehäuses kann durch das erzeugte Gas ansteigen. Als ein Ergebnis kann die Stromunterbrechungsvorrichtung zuverlässiger aktiviert werden. Die Zuverlässigkeit (Sicherheit über einen weiten Temperaturbereich (typischerweise bis zu 100°C, zum Beispiel von 0°C bis 70°C)) der abgedichteten Lithiumsekundärbatterie, die hier offenbart ist, kann daher verglichen zu denen konventioneller Beispiele erhöht werden.
Patentdokument 2 offenbart eine Lithiumsekundärbatterie, die das „Curdlan“ umfasst, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Durch Gelbildung des Elektrolyten ist der Zweck in diesem Beispiel des konventionellen Stands der Technik, die Zersetzungsreaktion des Elektrolyts zu unterdrücken und die Beschädigung der Batterie durch den Ausstoß von Zersetzungsgas zu verhindern. Demgemäß wird die Technologie in Patentdokument 2 für Zwecke verwendet, die sich von denen unterscheiden, die das Problem und das Ziel der vorliegenden Erfindung betreffen (spezifischer das Erzeugen eines Gases in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen und eine zuverlässigere Aktivierung einer Stromunterbrechungsvorrichtung). Ferner offenbart Patentdokument 2 nicht, oder schlägt nicht vor, die Stromunterbrechungsvorrichtung oder den Überladungsinhibitor, die Konstitutionselemente der vorliegenden Erfindung sind. Überdies können das Problem und das Ziel der vorliegenden Erfindung basierend auf dem konventionellen Stand der Technik alleine nicht gelöst/erlangt werden, wie die unteren Testergebnisse zeigen.
In einem bevorzugten Aspekt der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie kann die Batterie zum Beispiel zumindest ein Polysaccharid als die Verbindung umfassen, die fähig ist zum Unterdrücken von Viskositätsabnahmen des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs.
Der Effekt der vorliegenden Erfindung (Erhöhen der Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) kann effektiv hervorgebracht werden, falls die Batterie ein Polysaccharid als den Viskositätsmodifizierer umfasst. Ferner weisen Polysaccharide exzellente biologische Abbaubarkeit auf, bis zu dem Ausmaß, dass sie zur Verwendung als Nährstoffadditive veränderbar sind. Demgemäß werden Polysaccharide auch unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit und des Umweltschutzes bevorzugt verwendet.
In einem bevorzugten Aspekt der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie kann die Batterie zum Beispiel zumindest Curdlan als das Polysaccharid umfassen.
Der Effekt der vorliegenden Erfindung kann zu einem noch höheren Grad hervorgebracht werden, falls die Batterie Curdlan als das Polysaccharid umfasst.
In einem bevorzugten Aspekt der der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie, kann der Elektrolyt zum Beispiel ein Verhältnis (V₆₀/V₂₅) der Viskosität bei 25°C (V₂₅) und der Viskosität bei 60°C (V₆₀) im Bereich von 0,8 bis 10 zeigen, wie unter Verwendung eines Rheometers unter einer Bedingung einer Scherrate von 100s^-1 gemessen.
Redox-Shuttle-Reaktionen der aromatischen Verbindung, die der Überladungsinhibitor ist, können selbst in einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden, falls die Viskosität des Elektrolyts innerhalb des obigen Bereichs liegt. Die Zersetzungsreaktion der obigen aromatischen Verbindung wird als ein Ergebnis gefördert, und es wird möglich, Wasserstoffgas stabil in einer Menge zu erhalten, die notwendig ist zum zuverlässigen Aktivieren der Stromunterbrechungsvorrichtung. Daher kann der Effekt der vorliegenden Erfindung (d.h. Erhöhen der Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) effektiver hervorgebracht werden.
In einem bevorzugten Aspekt der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie kann die Zugabemenge der Verbindung, die fähig ist zum Unterdrücken der Viskositätsabnahmen des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs, zum Beispiel in dem Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-% bezüglich 100 Massen-% des Elektrolyten sein.
Falls die Zugabemenge des Viskositätsmodifizierers innerhalb des obigen Bereichs liegt, zersetzt sich die aromatische Verbindung, die der Überladungsinhibitor ist, selbst in einer Hochtemperaturumgebung in geeigneter Weise, und daher kann die notwendige Gasmenge zum zuverlässigen Aktivieren der Stromabschaltvorrichtung erzeugt werden. Die Zersetzungsreaktion wird zu einem höheren Grad als in herkömmlichen Beispielen begünstigt und demgemäß kann die Zugabemenge der Verbindung gering gehalten werden. Es wird daher möglich, zu einem höheren Grad den Effekt der vorliegenden Erfindung (nämlich das Erhöhen der Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) mit exzellenter Batterieleistungsfähigkeit (zum Beispiel Hochausgabeleistungsdichte) zu kombinieren.
In einem bevorzugten Aspekt der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie kann die Batterie zum Beispiel Cyclohexylbenzol und/oder Biphenyl als die aromatische Verbindung umfassen.
Cyclohexylbenzol und Biphenyl weisen ein Oxidationspotenzial auf, das von ungefähr 4,5 V bis ungefähr 4,6 V reicht. Demgemäß unterziehen sich Cyclohexylbenzol und Biphenyl während des Überladens rasch der oxidativen Zersetzung und erzeugen Wasserstoffgas in Batterien, in denen ein Bereich von ungefähr 4,1 V bis 4,2 V als die Obergrenzenladespannung eingestellt ist. Die Stromunterbrechungsvorrichtung kann als ein Ergebnis noch rascher aktiviert werden.
In einem bevorzugten Aspekt der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie kann eine Zugabemenge der aromatischen Verbindung zum Beispiel in dem Bereich von 0,5 Massen-% bis 5 Massen-% bezüglich 100 Massen-% des Elektrolyts sein.
In der hier offenbarten Technologie kann Wasserstoffgas stabiler als in konventionellen Beispielen selbst in einer Hochtemperaturumgebung (zum Beispiel bei 50°C bis 70°C) erzeugt werden. Demgemäß kann die Stromunterbrechungsvorrichtung zuverlässiger aktiviert werden. Daher kann die Zugabemenge des Überladungsinhibitors verglichen mit der in konventionellen Beispielen reduziert werden, und als ein Ergebnis wird es möglich, zu einem höheren Grad den Effekt der vorliegenden Erfindung (nämlich eine erhöhte Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) mit exzellenter Batterieleistungsfähigkeit (zum Beispiel reduzierter Batteriewiderstand) zu kombinieren.
Die vorliegende Erfindung stellt eine zusammengesetzte Batterie bereit, die eine Kombination einer Mehrzahl an hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterien (Zellen) ist. Die hier offenbarte abgedichtete Lithiumsekundärbatterie weist eine erhöhte Zuverlässigkeit auf (typischerweise Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) und kann demgemäß in geeigneter Weise als eine zusammengesetzte Batterie verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Fahrzeug bereit, das die obige zusammengesetzte Batterie als eine elektrische Stromquelle zum Fahren umfasst.
Als ein charakterisierendes Merkmal zeigt die hier offenbarte abgedichtete Lithiumsekundärbatterie zu einem höheren Grad sowohl die erhöhte Zuverlässigkeit (Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) als auch überlegene Batterieleistungsfähigkeit (zum Beispiel reduzierter Batteriewiderstand) auf. Daher kann die abgedichtete Lithiumsekundärbatterie in Anwendungen verwendet werden, die hohe Energiedichte und Ausgabedichte benötigen, und in Anwendungen, bei denen die Temperatur der Umgebung, in welcher die Batterie verwendet wird oder lagert, zu einer höheren Temperatur ansteigen kann. Demgemäß kann die abgedichtete Lithiumsekundärbatterie zum Beispiel in geeigneter Weise als eine Antriebsstromquelle (elektrische Stromquelle zum Fahren) zum Betreiben eines Motors verwendet werden, der in einem Fahrzeug montiert ist (typischerweise ein elektrischer Motor, wie der von einem Plug-in-Hybridfahrzeug (PHV), einem Hybridautomobil (HV) oder einem elektrischen Fahrzeug (EV)).
Figurenliste

1 ist ein perspektivisches Ansichtsdiagramm, das schematisch die äußere Form einer abgedichteten Lithiumsekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
2 ist ein Diagramm, das schematisch die Querschnittsstruktur der abgedichteten Lithiumsekundärbatterie, die in 1 illustriert ist, entlang der Linie II-II illustriert;
3 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration einer gewickelten Elektrodenanordnung einer abgedichteten Lithiumsekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
4 ist ein perspektivisches Ansichtsdiagramm, das schematisch eine abgedichtete Batterie illustriert, die eine Kombination einer Mehrzahl an abgedichteten Lithiumsekundärbatterien (Zellen) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 ist ein Seitenansichtsdiagramm, das ein Fahrzeug (Automobil) illustriert, das mit einer zusammengesetzten Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ist; und
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Elektrolytviskosität (mPa · sek) und Temperatur (°C) illustriert.

Beschreibung von Ausführungsformen
Der Begriff „Lithiumsekundärbatterie““ in der vorliegenden Beschreibung bezeichnet eine Sekundärbatterie, in welcher Lithiumionen als Elektrolytionen verwendet werden, sodass Laden und Entladen durch Bewegung der Ladung realisiert werden, die mit Lithiumionen assoziiert ist, zwischen positiven und negativen Elektroden. Gewöhnlich sind Speicherelemente, die als Lithiumionenbatterien (oder Lithiumionensekundärbatterien), Lithiumpolymerbatterien und Lithiumionenkondensatoren bezeichnet werden, typische Beispiele, die die hier offenbarten Lithiumsekundärbatterien umfassen. In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff „Aktivmaterial“ eine Substanz (Verbindung), die im elektrischen Speichern auf der Positivelektrodenseite oder der Negativelektrodenseite involviert ist. Das heißt, dass das Aktivmaterial eine Substanz bezeichnet, die im Speichern und Freisetzen von Elektronen während des Ladens und Entladens der Batterie involviert ist.
In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff „Überladungszustand“ einen Zustand, in welchem die Ladungstiefe (SOC, state of charge, Ladungszustand) 100% überschritten hat. Ferner bezeichnet SOC einen Ladungszustand derart, dass in einem Betriebsspannungsbereich, der das reversible Laden und Entladen ermöglicht, 100% ein Ladungszustand ist, bei welchem die Spannung der Obergrenze des Bereichs erhalten wird, als 100% genommen wird, und ein Ladungszustand, bei welchem die Spannung der Untergrenze der Spannung erhalten ist (d.h. ein unterladener Zustand), als 0% genommen wird.
Ausführungsformen der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie werden als nächstes erklärt. Jegliche Merkmale, die sich von den spezifisch in der vorliegenden Erfindung erklärten Merkmalen unterscheiden und welche zum Ausführen der vorliegenden Erfindung notwendig sind, können als Umstände von Designangelegenheiten für einen Fachmann auf der Basis von konventionellen Techniken auf dem technischen Gebiet der Erfindung angesehen werden. Eine abgedichtete Lithiumsekundärbatterie, die solch eine Struktur aufweist, kann auf der Grundlage der Offenbarung in der vorliegenden Beschreibung und auf der Grundlage von Fachwissen auf dem fraglichen technischen Gebiet realisiert werden.
Als die positive Elektrode der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie wird eine positive Elektrode verwendet, die konfiguriert wird durch Bilden einer Positivelektrodenmischungsschicht (auch bezeichnet als Positivelektrodenaktivmaterialschicht), durch Aufbringen einer aufschlämmungs-artigen (beinhaltet pastenähnliche und tintenähnliche Formen) Zusammensetzung (hiernach „Positivelektrodenmischungsaufschlämmung“), die durch Mischen eines Positivelektrodenaktivmaterials, eines leitfähigen Materials, eines Bindemittels (Bindemittel) usw. in einem geeigneten Lösungsmittel angefertigt wird, auf einen Positivelektrodenstromabnehmer.
Das Verfahren zum Anfertigen der Positivelektrodenmischungsaufschlämmung kann zum Beispiel das Kneten des obigen Positivelektrodenaktivmaterials, des leitfähigen Materials und des Bindemittels zur gleichen Zeit oder schrittweise über mehrere Zeiten involvieren. Obwohl nicht besonders darauf beschränkt, kann die Feststoffkonzentration (NV) der Positivelektrodenmischungsaufschlämmung auf einen Bereich von ungefähr 50% bis 75% (bevorzugt 55% bis 65%, stärker bevorzugt 55% bis 60%) eingestellt werden. Das Verfahren, von dem kann zum Bilden der Positivelektrodenmischungsschicht Gebrauch gemacht werden, ist bevorzugt ein Verfahren, das das Beschichten einer geeigneten Menge der Positivelektrodenmischungsaufschlämmung auf eine Seite oder beide Seiten des Positivelektrodenstromabnehmers unter Verwendung einer herkömmlich bekannten Beschichtungsvorrichtung involviert (zum Beispiel Schlitzbeschichter, Düsenbeschichter, ein Kommabeschichter, eine Gravurstreichmaschine oder dergleichen), gefolgt von Trocknen.
Beispiele des Materials des Positivelektrodenstromabnehmers beinhalten zum Beispiel Aluminium, Nickel, Titanium, Edelstahl und dergleichen. Die Form des Stromabnehmers kann in Abhängigkeit von zum Beispiel der Form der zu konstruierenden Batterie variieren. Demgemäß ist die Form des Stromabnehmers nicht besonders beschränkt und ein stabähnlicher Körper, ein plattenähnlicher Körper, ein folienähnlicher Körper oder ein netzähnlicher Körper können hier angenommen werden. Ein folienähnlicher Körper wird hauptsächlich in einer Batterie verwendet, die mit der unten beschriebenen gewickelten Elektrodenanordnung bereitgestellt wird. Die Dicke des folienähnlichen Stromabnehmers ist nicht besonders beschränkt, aber bevorzugt kann bezüglich der Abwägung zwischen der Kapazitätsdichte der Batterie und der Stromabnehmerfestigkeit ein Stromabnehmer verwendet werden, der eine Dicke im Bereich von ungefähr 5 µm bis 50 µm (stärker bevorzugt von ungefähr 8 µm bis 30 µm) aufweist.
Hier können ohne bestimmte Beschränkungen eine oder zwei oder mehr Arten verschiedener Positivelektrodenaktivmaterialien verwendet werden, die konventionell in Lithiumsekundärbatterien verwendet werden. Beispiele davon beinhalten zum Beispiel Oxide (Lithiumübergangsmetalloxide), die Lithium und Übergangsmetallelemente als Konstitutionsmetallelemente umfassen, wie etwa Lithiumnickeloxide (zum Beispiel LiNiO₂), Lithiumkobaltoxide (zum Beispiel LiCoO₂) und Lithiummanganoxide (zum Beispiel LiMn₂O₄) sowie Phosphate, die Lithium und ein Übergangsmetallelement als Konstitutionsmetallelemente umfassen, zum Beispiel Lithiummanganphosphat (LiMnPO₄), Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) oder dergleichen. Unter den zuvor Genannten wird bevorzugt ein Positivelektrodenaktivmaterial (typischerweise ein Positivelektrodenaktivmaterial, das im Wesentlichen ein Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Komplexoxid umfasst) verwendet, das als eine Hauptkomponente ein Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Komplexoxid (zum Beispiel LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂) einer geschichteten Struktur aufweist und durch die allgemeine Formel LiNiCoMnO₂ dargestellt wird, da solch ein Positivelektrodenaktivmaterial sich einer exzellenten thermischen Stabilität und hoher Energiedichte rühmt. Obwohl nicht besonders darauf beschränkt, ist das Verhältnis des Positivelektrodenaktivmaterials in der Positivelektrodenmischungsschicht als Ganzes typischerweise ungefähr 50 Massen-% oder mehr (typischerweise von 70 Massen-% bis 99 Massen-%) und reicht bevorzugt von ungefähr 80 Massen-% bis 99 Massen-%.
Der Begriff Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Komplexoxid umfasst anders als Oxide, die Li, Ni, Co und Mn als Konstitutionsmetallelemente aufweisen, auch Oxide, die zumindest ein Metallelement umfassen, das sich von Li, Ni, Co und Mn unterscheidet (Übergangmetallelement und/oder typische Metallelemente, die sich von Li, Ni, Co und Mn unterscheiden). Solche Metallelemente können eines oder zwei oder mehr Elemente aus Magnesium (Mg), Kalzium (Ca), Strontium (Sr), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Vanadium (V), Niob (Nb), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Eisen (Fe), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Platin (Pt), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Bor (B), Aluminium (AI), Gallium (Ga), Indium (In), Zinn (Sn), Lanthan (La) und Cer (Ce) sein. Dasselbe gilt für Lithiumnickeloxide, Lithiumkobaltoxide und Lithiummanganoxide. Die Menge solcher substitutionalen Konstitutionselemente ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel 0,1 Massen-% oder mehr (typischerweise 0,2 Massen-% oder mehr, zum Beispiel 0,3 Massen-% oder mehr) und 1,0 Massen-% oder weniger (typischerweise 0,8 Massen-% oder weniger, zum Beispiel 0,7 Massen-% oder weniger) bezüglich 100 Massenprozent der Gesamtheit der Substitutionselemente plus Ni, Co und Mn sein.
Zum Beispiel kann ein Lithiumübergangsmetalloxidpulver, das gemäß konventionell bekannten Verfahren hergestellt wird, wie es ist als solch ein Lithiumübergangsmetalloxid (welches typischerweise in partikulärer Form ist) verwendet werden. Die Teilchengröße des Pulvers ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel von ungefähr 1 µm bis 25 µm (bevorzugt von 2 µm bis 10 µm) reichen. In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff „Teilchengröße“ die Teilchengröße (D₅₀ Teilchengröße, Mediangröße), die zu einem Kumulativwert von 50% von der Feinteilchenseite in einer volumenbasierten Teilchengrößenverteilung korrespondiert, die auf der Grundlage einer Teilchengrößenverteilungsmessung gemäß eines gewöhnlichen Laserbeugungs-Lichtstreuungsverfahrens gemessen wird.
Als das Lösungsmittel kann ohne eine bestimmte Beschränkung eines oder zwei oder mehr Lösungsmittel verwendet werden, die konventionell in Lithiumsekundärbatterien verwendet werden. Solche Lösungsmittel werden grob in wässrige und organische Lösungsmittel unterteilt. Beispiele von organischen Lösungsmitteln beinhalten zum Beispiel Amide, Alkohole, Ketone, Ester, Amine, Ether, Nitrile, cyclische Ether, aromatische Kohlenwasserstoffe und dergleichen. Spezifischere Beispiele beinhalten zum Beispiel N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), N,N-Dimethylformamid (DMF), N,N-Dimethylacetamid, 2-Propanol, Ethanol, Methanol, Aceton, Methylethylketon, Methylpropenoat, Cyclohexanon, Methylacetat, Ethylacetat, Methylacrylat, Diethyltriamin, N,N-Dimethylaminopropylamin, Acetonitril, Ethylenoxid, Tetrahydrofuran (THF), Dioxan, Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol, Dimethylsulfoxid (DMSO), Dichlormethan, Trichlormethan, Dichlorethan und dergleichen. Hierbei kann N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) in geeigneter Weise verwendet werden. Bevorzugt ist das wässrige Lösungsmittel Wasser oder ein gemischtes Lösungsmittel, das Wasser als einen Hauptbestandteil aufweist. Als das Lösungsmittel, das sich von Wasser unterscheidet, und das das gemischte Lösungsmittel ausmacht, kann eine oder zwei oder mehr Arten an Lösungsmittel verwendet werden, die geeignet aus organischen Lösungsmitteln (zum Beispiel niedere Alkohole, niedere Ketone oder dergleichen) ausgewählt sind, die homogen mit Wasser gemischt werden können. Zum Beispiel wird bevorzugt ein wässriges Lösungsmittel verwendet, wo Wasser ungefähr 80 Massen-% oder mehr (stärker bevorzugt ungefähr 90 Massen-% oder mehr, noch stärker bevorzugt ungefähr 95 Massen- % oder mehr) des wässrigen Lösungsmittels ausmacht. In einem besonders bevorzugten Beispiel umfasst das wässrige Lösungsmittel hauptsächlich Wasser (zum Beispiel ist das wässrige Lösungsmittel Wasser).
Eine, zwei oder mehr Arten von verschiedenen leitfähigen Materialien, die konventionell in Lithiumsekundärbatterien verwendet werden, können ohne bestimmte Beschränkung als das leitfähige Material verwendet werden. Zum Beispiel können hier eine oder zwei oder mehr Arten ausgewählt aus Kohlenstoffmaterialien verwendet werden, wie etwa Ruß (carbon black) (zum Beispiel Acetylenruß (acetylene black), Brennovenruß (furnace black), Ketjenblack, Channel-Black, Flammenschwarz (lamp black), thermischer Ruß (thermal black) oder dergleichen), Koks, Graphit (natürlicher Graphit und modifizierte Produkte davon, synthetischer Graphit) und Kohlenstofffasern (PANbasierte Kohlenstofffasern, Pech-basierte Kohlenstofffasern). Alternativ können hier metallische Fasern (zum Beispiel von AI oder SUS), leitfähige Metallpulver (zum Beispiel von Ag, Ni, Cu oder dergleichen), Metalloxide (zum Beispiel ZnO, SnO₂ oder dergleichen) oder synthetische Fasern, die mit einem Metall oberflächenbeschichtet sind, verwendet werden. Bevorzugte leitfähige Materialien unter den zuvor Genannten beinhalten Ruß (typischerweise Acetylenruß) mit einer geringen Teilchengröße und einer großen spezifischen Oberfläche. Obwohl nicht besonders darauf beschränkt, kann das Verhältnis des leitfähigen Materials in der Positivelektrodenmischungsschicht als Ganzes zum Beispiel in dem Bereich von ungefähr 0,1 Massen-% bis 15 Massen-%, bevorzugt von ungefähr 1 Massen-% bis 10 Massen-% (stärker bevorzugt von 2 Massen-% bis 6 Massen-%) eingestellt werden.
Das Bindemittel ist eine Verbindung, die in dem zuvor genannten Lösungsmittel homogen gelöst oder dispergiert werden kann. Hier kann ohne bestimmte Beschränkungen eine oder zwei oder mehr Arten verwendet werden, die konventionell in Lithiumsekundärbatterien verwendet werden. Ein Polymermaterial, das sich in einem organischen Lösungsmittel dispergiert oder löst, kann bevorzugt in einem Fall verwendet werden, wo zum Beispiel die Positivelektrodenmischungsschicht unter Verwendung einer lösungsmittelbasierten Flüssigzusammensetzung (lösungsmittelbasierte Zusammensetzung, bei der die Hauptkomponente eines Dispersionsmediums ein organisches Lösungsmittel ist) gebildet wird. Spezifische Beispiele solch eines Polymermaterials beinhalten zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenchlorid (PVdC), Polyethylenoxid (PEO) und dergleichen. Alternativ kann in einem Fall, wo die Positivelektrodenmischungsschicht unter Verwendung einer wässrigen Lösungszusammensetzung gebildet wird, bevorzugt ein Polymermaterial verwendet werden, das sich in Wasser löst oder dispergiert. Beispiele solcher Polymermaterialien beinhalten zum Beispiel zellulosehaltige Polymere, Fluorharze, Vinylacetat-Copolymere, Gummis und dergleichen. Spezifischere Beispiele beinhalten zum Beispiel Carboxymethylcellulose (CMC), Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), Polyvinylalkohol (PVA), Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere (FEP), Styrolbutadiengummi (SBR), Acrylsäure-modifizierte SBR-Harze (SBR-Latex) und dergleichen. Obwohl nicht besonders darauf beschränkt, kann das Verhältnis des Bindemittels in der Positivelektrodenmischungsschicht als Ganzes zum Beispiel bevorzugt auf den Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-% (bevorzugt von 1 Massen-% bis 5 Massen-%) eingestellt werden.
Verschiedene Additive oder dergleichen (zum Beispiel anorganische Verbindungen, die während des Überladens Gas erzeugen, oder Materialien, die als Dispersionsmittel fungieren können) können zu der hier angefertigten Positivelektrodenmischungsaufschlämmung zugegeben werden, solange der Effekt der vorliegenden Erfindung dadurch nicht beeinträchtigt wird. Beispiele von anorganischen Verbindungen, die während des Überladens Gas erzeugten, beinhalten zum Beispiel Carbonate, Oxalate und Nitrate. Zum Beispiel kann hier bevorzugt Lithiumcarbonat oder Lithiumoxalat verwendet werden. Beispiele des Dispersionsmittels beinhalten zum Beispiel Polymerverbindungen mit hydrophoben Ketten und hydrophilen Gruppen (zum Beispiel in der Form von Alkalisalzen, typischerweise Natriumsalze), anionische Verbindungen mit Sulfaten, Sulfonaten, Phosphaten oder dergleichen, und kationische Verbindungen, wie etwa Amine oder dergleichen. Spezifischere Beispiele beinhalten zum Beispiel Carboxymethylcellulose (CMC), Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Butyral, Polyvinylalkohol, modifizierten Polyvinylalkohol, Polyethylenoxide, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylsäure, Polycarbonsäuren und dergleichen.
Danach wird die Positivelektrodenmischungsschicht durch Gebrauchmachen von einer geeigneten Trocknungsvorrichtung getrocknet, um das Lösungsmittel zu entfernen, das in der Positivelektrodenmischungsaufschlämmung umfasst ist. Beispiele von geeigneten Verfahren, die hier angewandt werden können, beinhalten zum Beispiel natürliches Trocknen, Heißlufttrocknen, Niedrigfeuchtigkeitslufttrocknen, Vakuumtrocknen, Infrarottrocknen, Ferninfrarotstrahlentrocknen, Elektronenstrahltrocknen und dergleichen, einzeln oder in Kombination.
Nach dem Trockenen der Positivelektrodenmischungsaufschlämmung kann die Dicke und/oder Dichte der Positivelektrodenmischungsschicht durch Ausführen einer Pressbehandlung wie geeignet eingestellt werden (zum Beispiel beruhend auf verschiedenen konventionell bekannten Pressverfahren, wie etwa Walzenpressen oder Plattenpressen). Die Kapazität pro Volumeneinheit kann abnehmen, falls die Dichte der Positivelektrodenmischungsschicht, die auf dem Positivelektrodenstromabnehmer gebildet wird, sehr niedrig ist. Falls die Dichte der Positivelektrodenmischungsschicht extrem hoch ist, gibt es eine Tendenz, dass sich der innere Widerstand erhöht, insbesondere während eines Hochstromladens- und -entladens und während des Ladens und Entladens bei niedriger Temperatur. Demgemäß kann die Dichte der Positivelektrodenmischungsschicht auf zum Beispiel 2,0 g/cm³ oder höher (typischerweise 2,5 g/cm³ oder höher), und 4,2 g/cm³ oder niedriger (typischerweise 4,0 g/cm³ oder niedriger) eingestellt werden.
Als die negative Elektrode der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie wird eine negative Elektrode verwendet, die konfiguriert wird durch Bilden einer Negativelektrodenmischungsschicht (auch bezeichnet als Negativelektrodenaktivmaterialschicht), durch Aufbringen einer aufschlämmungs-artigen (beinhaltet pastenähnliche und tintenähnliche Formen) Zusammensetzung (hiernach „Negativelektrodenmischungsaufschlämmung“), die durch Mischen eines Negativelektrodenaktivmaterials, eines Bindemittels usw. in einem geeigneten Lösungsmittel angefertigt wird, auf einen Negativelektrodenstromabnehmer. Wie in dem Fall der oben beschriebenen positiven Elektrode, kann als ein Verfahren zum Bilden der Negativelektrodenmischungsschicht bevorzugt ein Verfahren verwendet werden, das das Beschichten einer oder beider Seiten eines Negativelektrodenstromabnehmers mit einer geeigneten Menge der Negativelektrodenmischungsaufschlämmung involviert, gefolgt durch Trocknen.
Beispiele des Materials des Negativelektrodenstromabnehmers beinhalten zum Beispiel Kupfer, Nickel, Titan, Edelstahl und dergleichen. Die Form des Negativelektrodenstromabnehmers ist nicht besonders beschränkt und von einem stabähnlichen Körper, einem plattenähnlichen Körper, einem folienähnlichen Körper oder einem netzähnlichen Körper kann hier in Gebrauch gemacht werden. Ein folienähnlicher Körper wird hauptsächlich in einer Batterie verwendet, die mit der oben beschriebenen gewickelten Elektrodenanordnung bereitgestellt wird. Die Dicke des folienähnlichen Stromabnehmers ist nicht besonders beschränkt, aber es kann bezüglich der Abwägung zwischen der Kapazitätsdichte der Batterie und der Stromabnehmerfestigkeit bevorzugt ein Stromabnehmer mit einer Dicke verwendet werden, die von ungefähr 5 µm bis 50 µm (stärker bevorzugt von ungefähr 8 µm bis 30 µm) reicht.
Ein, zwei oder mehr Arten von verschiedenen Negativelektrodenaktivmaterialien, die konventionell in Lithiumsekundärbatterien verwendet werden, können hier ohne bestimmte Beschränkungen verwendet werden. Zum Beispiel können bevorzugt verwendet werden: Graphit, wie etwa natürlicher Graphit und modifizierte Produkte davon, oder synthetischer Graphit, der aus Petroleum oder kohlebasierten Materialien produziert wird; ein Kohlenstoffmaterial (von niedriger Kristallinität), das zumindest teilweise eine Graphitstruktur (geschichtete Struktur) aufweist, wie etwa Hartkohlenstoff (schwer graphitisierbarer Kohlenstoff), Leichtkohlenstoff (einfach graphitisierbarer Kohlenstoff), Kohlenstoffnanoröhren und dergleichen; ein Metalloxid, wie etwa ein Lithiumtitanatkomplexoxid; oder eine Legierung von Zinn (Sn) oder Silizium (Si) mit Lithium. Unter den zuvor Genannten kann hier bevorzugt ein graphitisches Kohlenstoffmaterial (typischerweise Graphit) verwendet werden, das eine große Kapazität erlangt. Das Verhältnis des Negativelektrodenaktivmaterials in der Negativelektrodenmischungsschicht als Ganzes ist nicht besonders beschränkt, aber ein geeignetes Verhältnis wird gewöhnlich eingestellt auf ungefähr 50 Massen-% oder mehr, bevorzugt von ungefähr 90 Massen-% bis 99 Massen-% (zum Beispiel von ungefähr 95 Massen- % bis 99 Massen-%).
Als das Bindemittel kann bevorzugt ein geeignetes Bindemittel unter den Polymermaterialien ausgewählt werden, die oben als das Bindemittel für die Positivelektrodenmischungsschicht exemplifiziert wurden. Spezifische Beispiele beinhalten zum Beispiel Styrolbutadiengummi (SBR), Polyvinylidenfluoride (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE) und dergleichen. Es ist ausreichend, dass das Verhältnis des Bindemittels in der Negativelektrodenmischungsschicht als Ganzes geeignet gemäß der Art und der Menge des Negativelektrodenaktivmaterials ausgewählt wird. Zum Beispiel kann das Verhältnis des Bindemittels auf einen Bereich von 1 Massen-% bis 10 Massen-% (bevorzugt 2 Massen-% bis 5 Massen-%) eingestellt werden.
Zusätzlich können, wie geeignet, verschiedene Additive (zum Beispiel eine anorganische Verbindung, die während des Überladens Gas erzeugt, oder ein Polymermaterial, das als ein Dispersionsmittel fungiert) und oben beschriebene leitfähige Materialien verwendet werden.
Nach dem Trocken der Negativelektrodenmischungsaufschlämmung können die Dichte und Dicke der Negativelektrodenmischungsschicht durch Ausführen, wie geeignet, einer Pressbehandlung eingestellt werden (zum Beispiel beruhend auf verschiedenen konventionell bekannten Pressverfahren, wie etwa Walzenpressen oder Plattenpressen), wie in dem Fall der positiven Elektrode. Die Dichte der Negativelektrodenmischungsschicht kann zum Beispiel auf 1,1 g/cm³ oder höher (typischerweise 1,2 g/cm³ oder höher, zum Beispiel 1,3 g/cm³ oder höher) und 1,5 g/cm³ oder niedriger (typischerweise 1,49 g/cm³ oder niedriger) eingestellt werden.
Eine Elektrodenanordnung wird durch Stapeln der obigen positiven Elektrode und der negativen Elektrode hergestellt. Die Form der Elektrodenanordnung ist nicht besonders beschränkt, aber es kann zum Beispiel eine gewickelte Elektrodenanordnung verwendet werden, die durch Stapeln einer verlängerten positiven Elektrode, wobei eine positive Elektrodenmischungsschicht einer vorgegebenen Breite auf einem verlängerten Positivelektrodenstromabnehmer entlang der longitudinalen Richtung des Stromabnehmers gebildet ist, und einer verlängerten negativen Elektrode, wobei eine Negativelektrodenmischungsschicht einer vorgegebenen Breite auf einem verlängerten Negativelektrodenstromabnehmer entlang der longitudinalen Richtung des Stromabnehmers gebildet ist, und durch Wickeln des resultierenden Stapels in der longitudinalen Richtung erhalten wird. Die Wärmeableitung ist in solch einer Elektrodenanordnung vergleichbar gering (typischerweise bei einem Zentralabschnitt der Elektrodenanordnung). Demgemäß gibt es Bedenken, dass die Erzeugung von Gasen unterdrückt werden könnte, die zum Aktivieren der Stromunterbrechungsvorrichtung beim Überladen notwendig ist (d.h. zum Hervorrufen eines Innendruckanstiegs innerhalb des Batteriegehäuses). In der hier offenbarten Batterie kann allerdings eine gewünschte Gasmenge stabil in einem weiten Bereich von Temperaturbedingungen erzeugt werden. Demgemäß ist es möglich, die Stromunterbrechungsvorrichtung zu erlangen, die zuverlässiger ist als in dem obigen Beispiel.
Die Elektrodenanordnung, der Elektrolyt und der Überladungsinhibitor werden in einem geeigneten Batteriegehäuse untergebracht, um eine abgedichtete Lithiumsekundärbatterie zu konstruieren. Das Gehäuse ist mit einem Sicherheitsmechanismus in der Form einer Stromunterbrechungsvorrichtung ausgestattet (ein Mechanismus, der das Unterbrechen des Stroms in Erwiderung auf einen Innendruckanstieg in dem Gehäuse, der von der Erzeugung des obigen Gases während des Überladens der Batterie stammt, ermöglicht).
In einer typischen Konfiguration der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie ist ein Separator zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode eingefügt. Verschiedene poröse Sheets, die identisch sind zu solchen, die in konventionellen Lithiumsekundärbatterien verwendet werden, können hier als der Separator verwendet werden. Beispiele beinhalten zum Beispiel poröse Harzsheets (Filme, Faservliesstoffe und dergleichen), die ein Polyolefinharz umfassen, das hergestellt ist aus einem Harz, wie etwa Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyester, Cellulose, Polyamid oder dergleichen. Das poröse Harzsheet kann eine Einschichtstruktur oder eine Mehrschichtstruktur mit zwei oder mehr Schichten aufweisen (zum Beipiel eine Dreischichtstruktur, in welcher eine PP-Schicht auf beiden Seiten einer PE-Schicht bereitgestellt ist). Der obige Elektrolyt kann auch als der Separator in einer abgedichteten Lithiumsekundärbatterie (Lithiumpolymerbatterie) dienen, die einen Festzustandselektrolyt verwendet.
Es kann in dem Batteriegehäuse von Materialien und Formen, die in konventionellen Lithiumsekundärbatterien verwendet werden, Gebrauch gemacht werden. Beispiele des Materials des Gehäuses beinhalten zum Beispiel ein vergleichsweise leichtgewichtiges metallisches Material, wie etwa Aluminium oder Stahl, oder ein Harzmaterial, wie etwa PPS, ein Polyimidharz oder dergleichen. Die Form (äußere Form des Behälters) ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel zylindrischer, quadratischer, parallelepipeder, münzenähnlicher oder beutelähnlicher Form sein.
Eine, zwei oder mehr Arten von nichtwässrigem Elektrolyt, der in konventionellen Lithiumsekundärbatterien verwendet wird, kann hier ohne bestimmte Beschränkungen als der Elektrolyt verwendet werden. Der nichtwässrige Elektrolyt weist typischerweise eine Zusammensetzung auf, in der ein Trägersalz (Lithiumsalz) in einem geeigneten nichtwässrigen Lösungsmittel inkorporiert ist, aber der Elektrolyt kann ein Elektrolyt vom Festphasenzustand sein (typischerweise ein sogenannter Gelelektrolyt), bei welchen ein Polymer zu einem flüssigen Elektrolyt zugegeben ist.
Beispiele des nichtwässrigen Lösungsmittels, das verwendet werden kann, beinhalten zum Beispiel aprotische Lösungsmittel, wie etwa Carbonate, Ester, Ether, Nitrile, Sulfone, Lactone und dergleichen. Spezifische Beispiele beinhalten zum Beispiel Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, Dioxan, 1,3-Dioxolan, Diethylenglycoldimethylether, Ethylenglycoldimethylether, Acetonitril, Propionitril, Nitromethan, N,N-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Sulfolan, γ-Butyroiacton und dergleichen. Zum Beispiel wird bevorzugt ein nichtwässriges Lösungsmittel, das ein Carbonat als einen Hauptbestandteil aufweist, verwendet, da dies die Bildung eines Beschichtungsfilms (SEI: solid electrolyte interphase, Festelektrolytinterphase) auf der Negativelektrodenaktivmaterialoberfläche ermöglicht. Unter den zuvor Genannten kann zum Beispiel bevorzugt EC verwendet werden, welches eine hohe relative Dielektrizitätskonstante aufweist, oder DMC und EMC, welche ein hohes Standardoxidationspotential aufweisen (spezifisch ein weites Potentialfenster). Zum Beispiel wird bevorzugt ein nichtwässriges Lösungsmittel verwendet, das ein oder zwei oder mehr Carbonate umfasst, sodass das Gesamtvolumen der Carbonate 60 Volumen-% oder mehr (stärker bevorzugt 75 Volumen-% oder mehr, noch stärker bevorzugt 90 Volumen-% oder mehr und im Wesentlichen 100 Volumen-%) des Volumens des nichtwässrigen Lösungsmittels als Ganzes ausmacht.
Beispiele des Trägersalzes beinhalten zum Beispiel LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄, LiN(SO₂CF₃)₂, LiN(SO₂C₂F₅)₂, LiCF₃SO₃, LiC₄F₉SO₃, LiC(SO₂CF₃)₃, LiClO₄ und dergleichen. Unter den zuvor Genannten ist LiPF₆ besonders bevorzugt zu verwenden. Die Konzentration des Elektrolyts ist nicht besonders beschränkt, aber die Menge an Lithiumionen, die in dem Elektrolyt umfasst ist, neigt dazu unzureichend zu werden, und die Ionenleitfähigkeit neigt dazu abzunehmen, wenn die Konzentration des Elektrolyts exzessiv niedrig ist. Die Viskosität des nichtwässrigen Elektrolyts neigt dazu sich zu erhöhen, und die Ionenleitfähigkeit neigt dazu sich zu verringern, falls die Konzentration des Trägerelektrolyts exzessiv hoch ist. Demgemäß wird bevorzugt ein nichtwässriger Elektrolyt verwendet, der den Elektrolyt bei einer Konzentration von ungefähr 0,1 mol/l bis 5 mol/l (bevorzugt ungefähr 0,8 mol/l bis 1,5 mol/l) enthält.
Eine Verbindung (Viskositätsmodifizierer), die fähig ist zum Unterdrücken von Viskositätsabnahmen des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs bei einem Temperaturbereich bis zu 100°C, und eine aromatische Verbindung, die fähig ist zum Erzeugen von Wasserstoffgas, wenn eine vorgegebene Batteriespannung überschritten wird, werden zu dem Elektrolyt der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie zuzugeben. Falls der Elektrolyt einen Viskositätsmodifizierer umfasst, können die Viskositätsabnahmen des Elektrolyts innerhalb eines Temperaturbereichs unterdrückt werden, der höher ist als Raumtemperatur (typischerweise 20°C oder höher). Demgemäß zersetzt sich die aromatische Verbindung, die der Überladungsinhibitor ist, in geeigneter Weise, und eine gewünschte Gasmenge kann stabiler als in konventionellen Beispielen selbst in einer Hochtemperaturumgebung (typischerweise 50°C bis 100°C, zum Beispiel 50°C bis 70°C) erzeugt werden. Der Druck innerhalb des Batteriegehäuses kann als ein Ergebnis der Gaserzeugung ansteigen. Demgemäß kann in der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterie die Stromunterbrechungsvorrichtung zuverlässiger in einer Temperaturumgebung (typischerweise bis zu 100°C, zum Beispiel 0°C bis 70°C) aktiviert werden, die weiter als konventionelle ist.
Bevorzugt reicht ein Verhältnis (V₆₀/V₂₅) der Viskosität bei 25°C (V₂₅) und der Viskosität bei 60°C (V₆₀) des Elektrolyts von 0,8 bis 10. Die Redox-Shuttle-Reaktion der aromatischen Verbindung, die der Überladungsinhibitor ist, kann selbst in einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden, falls die Viskosität des Elektrolyts innerhalb des obigen Bereichs liegt. Als ein Ergebnis zersetzt sich die aromatische Verbindung in geeigneter Weise und Wasserstoffgas kann stabil in der Menge erhalten werden, die zum zuverlässigen Aktivieren der Stromunterbrechungsvorrichtung notwendig ist. Daher kann der Effekt der vorliegenden Erfindung (d.h. Erhöhen der Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) effektiver hervorgebracht werden.
Falls nicht anders bemerkt, bezeichnet der Begriff „Viskosität“ in der vorliegenden Erfindung die Viskosität (mPa·sec), die unter einer Bedingung einer Scherrate von 100 s^-1 unter Verwendung eines herkömmlichen Rheometers gemessen wird. Das Verfahren zum Messen der Viskosität wird im Detail in den unten beschriebenen Beispielen erklärt.
Eine, zwei oder mehr Verbindungen, die sich in dem verwendeten Elektrolyt homogen lösen oder dispergieren, und die derart sind, dass sich die Viskosität der Verbindung als ein Ergebnis einer Erhöhung der Umgebungstemperatur erhöht (beinhaltend Fälle der Gel-Bildung) können hier geeignet als die Verbindung (Viskositätsmodifizierer) verwendet werden, die die Viskositätsabnahme des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs unterdrückt. Solch eine Verbindung ist nicht besonders beschränkt, und hierbei kann ein Polymer (natürliches Polymer), das in Übereinstimmung mit bekannten Verfahren von natürlichen Quellen erhalten wird, oder eine Verbindung, die von der Prozessierung (typischerweise durch physikalische oder chemische Modifikation) des obigen Polymers resultiert, verwendet werden. Unter den zuvor Genannten kann bevorzugt eine Polymerverbindung (hiernach bezeichnet als Polysaccharid) verwendet werden, wobei eine Mehrzahl (zum Beispiel 10 oder mehr) von Monosacchariden (Monosaccharide und Derivate davon) mittels glykosidischer Verbindung verbunden sind. Der Effekt der vorliegenden Erfindung (Erhöhen der Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) kann geeignet hervorgerufen werden, während die überlegene Batterieleistungsfähigkeit sichergestellt wird (zum Beispiel hohe Ausgabedichte), falls der Elektrolyt ein Polysaccharid umfasst. Ferner weisen Polysaccharide exzellente Bioabbaubarkeit auf, in dem Ausmaß, dass sie als Nährstoffadditive verwendet werden können. Demgemäß sind Polysaccharide auch unter dem Gesichtspunkt von Sicherheit und Umweltschutz bevorzugt. Spezifischere Beispiele beinhalten zum Beispiel Curdlan, Stärke, Dextrin, Glucomannan, Agarose, Carrageenan, Guargummi, Johannesbrotkernmehl, Tragantgummi, Quittensamengummi, Xanthangummi, Gummiarabikum, Pullulan, Agar, Konjac-Mannan und dergleichen. Unter den zuvor genannten wird bevorzugt Curdlan (1,3-Glucan) mit glykosidischen Bindungen an den C1- und C3-Positionen von D-Glucose verwendet. Der Viskositätsmodifizierer, der in dem Elektrolyt umfasst ist, kann zum Beispiel unter Verwendung von herkömmlicher Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) qualitativ und quantitativ analysiert werden.
Die Zugabemenge des Viskositätsmodifizierers ist nicht besonders beschränkt; hier kann der Viskositätsmodifizierer in einer Menge von 0,1 Massen-% oder mehr (zum Beispiel 1 Massen-% oder mehr) und 10 Massen-% oder weniger (typischerweise weniger als 10 Massen-%, bevorzugt 5 Massen-% oder weniger) bezüglich 100 Massen-% des Elektrolyts verwendet werden. Falls der obige Bereich erfüllt ist, zersetzt sich die aromatische Verbindung, die der Überladungsinhibitor ist, in geeigneter Weise selbst in einer Hochtemperaturumgebung, und es kann zuverlässig die notwendige Gasmenge zum Aktivieren der Stromunterbrechungsvorrichtung erzeugt werden. Daher wird es möglich, den Effekt der vorliegenden Erfindung (nämlich das Erhöhen der Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) zu einem hohen Grad mit exzellenter Batterieleistungsfähigkeit zu kombinieren.
Das Molekulargewicht der Polymerverbindung ist nicht besonders beschränkt, aber gewöhnlich ist die Viskosität unzureichend und die Dispersion instabil, falls das gewichtsgemittelte Molekulargewicht (Mw) der verwendeten Polymerverbindung exzessiv niedrig ist. Falls das Molekulargewicht der verwendeten Polymerverbindung extrem groß ist, wird, im Gegensatz dazu, die Lithiumionenmigration, die die Batteriereaktionen begleitet, behindert, und die Batterieleistungsfähigkeit kann als ein Ergebnis beeinträchtigt werden (typischerweise erhöht sich der Batteriewiderstand). Demgemäß kann der Wert des gewichtsgemittelten Molekulargewichts (Mw) in einem Bereich von 10.000 bis 500.000 (bevorzugt von 50.000 bis 300.000) eingestellt werden, der unter Verwendung des Ausdrucks (1) auf der Basis einer Molekulargewichtsverteilung, die durch GPC (Gelpermeationschromatographie)-RI (Brechungsindex; refractive index; Differenzialbrechungsindexdetektor) erhalten wird, berechnet wird. $Mw = \sum (M_{i} \times W_{i}) /W = \sum (M_{i} \times H_{i}) / \sum H_{i}$

wobei M_i: Molekulargewicht der i-ten eluierten Komponente
W_i: Gewicht der i-ten eluierten Komponente
W: Gesamtgewicht der Komponente
H_i: Peakhöhe der i-ten eluierten Komponente
Als die aromatische Verbindung kann hier ohne irgendeine Beschränkung eine, zwei oder mehr Substanzen verwendet werden, die in konventionellen Lithiumsekundärbatterien verwendet werden, solange die Substanz ein Oxidationspotenzial gleich zu oder höher als die Betriebsspannung der Lithiumsekundärbatterie aufweist und Gas erzeugt, wenn sie sich in einem Überladungszustand zersetzt. Spezifisch wird in einem Fall, wo zum Beispiel eine Batterie verwendet wird, die innerhalb des Bereichs von 3,0 V bis 4,1 V betrieben wird, bevorzugt eine Verbindung verwendet, die ein hohes Oxidationspotenzial einer Betriebsobergrenzenspannung +0,1 V (typischerweise +0,2 V, zum Beispiel +0,3 V) aufweist. Stärker bevorzugt werden zwei oder mehr Verbindungen gemischt, die ungleiche Oxidationspotenziale aufweisen.
Spezifische Beispiele beinhalten zum Beispiel Biphenylverbindungen, Alkylbiphenylverbindungen, Cycloalkylbenzolverbindungen, Alkylbenzolverbindungen, Organophosphorverbindungen, Fluor-substituierte aromatische Verbindungen, Carbonatverbindungen, cyclische Karbamatverbindungen, alicyclische Kohlenwasserstoffe und dergleichen. Spezifischere Beispiele beinhalten zum Beispiel Biphenyl (BP), Cyclohexylbenzol (CHB), trans-Butylcyclohexylbenzol, Cyclopentylbenzol, t-Butylbenzol, t-Aminobenzol, Terphenyl, 2-Fluorbiphenyl, 3-Fluorbiphenyl, 4-Fluorbiphenyl, 4,4'-Difluorbiphenyl, o-Cyclohexylfluorbenzol, p-Cyclohexylfluorbenzol, tris-(t-Butylphenyl) Phosphat, Phenylfluorid, 4-Fluorphenylacetat, Diphenylcarbonat, Methylphenylcarbonat, bis-tert-Butylphenylcarbonat, Diphenylether, Dibenzofuran und dergleichen. In einer Batterie, wo zum Beispiel 4,1 V bis 4,2 V als die Obergrenzenladespannung eingestellt wird, kann bevorzugt eine aromatische Verbindung verwendet werden, die ein vergleichsweise niedriges Oxidationspotenzial von ungefähr 4,5 bis 4,6 V aufweist, zum Beispiel Cyclohexylbenzol (CHB) oder Biphenyl (BP); stärker bevorzugt wird hier eine Mischung der vorhergehenden zwei verwendet.
Die Menge an aromatischer Verbindung, die zu dem Elektrolyt zugegeben wird, nicht besonders beschränkt, falls allerdings die Zugabemenge exzessiv niedrig ist, gibt es die Möglichkeit, dass die Gasmenge, die während des Überladens erzeugt wird, gering ist, und daher kann die Stromunterbrechungsvorrichtung nicht korrekt betrieben werden. Die Batterieleistungsfähigkeit kann beeinträchtigt werden (zum Beispiel erhöhter Batteriewiderstand oder verschlechterte Zykluscharakteristik), falls, mit einer Betonung auf Sicherheit, eine exzessive Menge der aromatischen Verbindung zugegeben wird. Daher kann die Zugabemenge der aromatischen Verbindung bezüglich 100 Massen-% des Elektrolyts zum Beispiel auf ungefähr 0,1 Massen-% oder mehr (typischerweise 0,5 Massen-% oder mehr, zum Beispiel 1 Massen-% oder mehr) und 5 Massen-% oder weniger (typischerweise 4 Massen-% oder weniger, zum Beispiel 3 Massen-% oder weniger und bevorzugt 2 Massen-% oder weniger) eingestellt werden. In der hier offenbarten Technologie kann Wasserstoffgas stabiler als in konventionellen Beispielen selbst in einer Hochtemperaturumgebung (zum Beispiel bei 50°C bis 70°C) erzeugt werden. Demgemäß kann die Stromunterbrechungsvorrichtung zuverlässiger betrieben werden. Daher kann die Zugabemenge des Überladungsinhibitors niedriger als in konventionellen Beispielen gemacht werden, und als ein Ergebnis wird es möglich, zu einem höheren Grad exzellente Batterieleistungsfähigkeit (zum Beispiel reduzierten Batteriewiderstand) mit dem Effekt der vorliegenden Erfindung (nämlich das Erhöhen der Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) zu kombinieren.
Die Stromunterbrechungsvorrichtung ist nicht besonders beschränkt, solange der Strom in Erwiderung auf einen Druckanstieg innerhalb des Batteriegehäuses (d.h. ein Anstieg des Innendrucks löst den Betrieb der Stromunterbrechungsvorrichtung aus) abgeschaltet werden kann. Hier kann in geeigneter Weise ein Mechanismus, der identisch zu irgendeinem herkömmlich bekannten Mechanismus ist, als die Stromunterbrechungsvorrichtung verwendet werden, die in dieser Art von Batterien bereitgestellt wird. Als ein Beispiel kann hier bevorzugt eine Konfiguration verwendet werden, wie etwa die eine, die in 2 illustriert ist und unten beschrieben wird. Wenn der Innendruck des Batteriegehäuses in dieser Konfiguration ansteigt, deformiert sich ein Bauteil, das einen Leitungspfad von einem Elektrodenanschluss zu der Elektrodenanordnung ausmacht, und bewegt sich von einem anderen Bauteil weg, und als ein Ergebnis wird der Leitungspfad unterbrochen.
Obwohl es nicht beabsichtigt ist in irgendeiner Weise besonders beschränkend zu wirken, illustrieren 1 bis 3 ein Beispiel einer abgedichteten Lithiumsekundärbatterie (Zelle) einer Form, bei der eine flache gewickelte Elektrodenanordnung (gewickelte Elektrodenanordnung) und ein nichtwässriger Elektrolyt in einem parallelepiped-geformten (Box-geformten) Behälter untergebracht sind, als die schematische Konfiguration einer abgedichteten Lithium-Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In den unteren Zeichnungen sind Bauteile und Abschnitte, die identische Effekte hervorbringen, mit identischen Bezugzeichen bezeichnet, und ein Wiederholen der Erklärung davon wird ausgelassen oder vereinfacht. Die dimensionalen Verhältnisse (Länge, Breite, Dicke usw.) in den Figuren reflektieren nicht die tatsächlichen dimensionalen Verhältnisse.
1 ist ein perspektivisches Ansichtsdiagramm, das schematisch die äußere Form einer abgedichteten Lithiumsekundärbatterie 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. 2 ist ein Diagramm, das schematisch die Querschnittsstruktur der abgedichteten Lithiumsekundärbatterie, die in 1 illustriert ist, entlang der Linie II-II illustriert.
Wie in 1 und 2 illustriert, umfasst die abgedichtete Lithiumsekundärbatterie 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine gewickelte Elektrodenanordnung 80 und ein Hartgehäuse (Außenbehälter) 50. Das Hartgehäuse 50 umfasst einen Hartgehäusehauptkörper 52 mit einer parallelepipeden Form (Box-Form), der am oberen Ende geöffnet ist, und einen Deckelkörper 54, der die Öffnung des Hartgehäusehauptkörpers 52 verschließt. Ein Positivelektrodenanschluss 70, der elektrisch mit einem Positivelektrodensheet der gewickelten Elektrodenanordnung 80 verbunden ist, und ein Negativelektrodenanschluss 72, der elektrisch mit einem Negativelektrodensheet der Elektrodenanordnung verbunden ist, sind an der oberen Seite (d.h. dem Deckelkörper 54) des Hartgehäuses 50 bereitgestellt. Ein Sicherheitsventil 55 zum Ausstoßen von Gas, das innerhalb des Batteriegehäuses erzeugt wird, nach Außen, wird in der gleichen Art und Weise wie in Hartgehäusen von konventionellen angedichteten Lithiumsekundärbatterien in dem Deckelkörper 54 bereitgestellt. Das Sicherheitsventil 55 ist typischerweise so eingestellt, dass es bei einem Druck gleich zu oder höher als dem Druck, bei welchem die Stromunterbrechungsvorrichtung 30 aktiviert wird, öffnet.
Ein verlängertes Positivelektrodensheet 10 und ein verlängertes Negativelektrodensheet 20 und die Elektrodenanordnung (gewickelte Elektrodenanordnung) 80 einer flachen gewickelten Form werden mittels eingefügter verlängerter Separatoren 40A und 40B und zusammen mit dem nichtwässrigen Elektrolyt, der nicht gezeigt ist, innerhalb des Batteriegehäuses 50 untergebracht. Das Positivelektrodensheet 10 wird in solch einer Art und Weise gebildet, dass eine Positivelektrodenmischungsschicht 14 bei einem ersten Randabschnitt entlang der longitudinalen Richtung des Positivelektrodensheets 10 nicht bereitgestellt wird (oder entfernt wird) und der Positivelektrodenstromabnehmer 12 exponiert wird. In ähnlicher Weise wird das gewickelte Negativelektrodensheet 20 in solch einer Art und Weise gebildet, dass eine Negativelektrodenmischungsschicht 24 bei einem ersten Randabschnitt entlang der longitudinalen Richtung des Negativelektrodensheets 20 nicht bereitgestellt wird (oder entfernt wird) und ein Negativelektrodenstromabnehmer 22 exponiert wird. Eine Positivelektrodenstromabnehmerplatte 74 wird bei dem exponierten Rand des Positivelektrodenstromabnehmers 12 bereitgestellt, und eine Negativelektrodenstromabnehmerplatte 76 wird bei dem exponierten Randabschnitt des Negativelektrodenstromabnehmers 22 bereitgestellt. Der Positivelektrodenanschluss 70 und der Negativelektrodenanschluss 72 werden elektrisch verbunden.
Die Stromunterbrechungsvorrichtung 30, die als ein Ergebnis eines Innendruckanstiegs des Batteriegehäuses aktiviert wird, wird innerhalb des Batteriegehäuses 50 bereitgestellt. Die Form der Stromunterbrechungsvorrichtung 30 ist nicht besonders beschränkt, solange die Stromunterbrechungsvorrichtung 30 in solch einer Art und Weise konfiguriert ist, dass ein Leitungspfad von zumindest einer der Elektrodenanschlüsse zu der Elektrodenanordnung 80 (zum Beispiel Ladungspfad) unterbrochen wird, falls der Innendruck des Batteriegehäuses 50 ansteigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Stromunterbrechungsvorrichtung 30, welche zwischen der Elektrodenanordnung 80 und dem Positivelektrodenanschluss 70, die an dem Deckelkörper 54 fixiert sind, bereitgestellt ist, in solch einer Art und Weise konfiguriert, dass der Leitungspfad von dem Positivelektrodenanschluss 70 zu der Elektrodenanordnung 80 unterbrochen wird, falls der Innendruck des Batteriegehäuses 50 ansteigt.
Spezifischer kann die Stromunterbrechungsvorrichtung 30 zum Beispiel ein erstes Bauteil 32 und ein zweites Bauteil 34 umfassen. Die Stromunterbrechungsvorrichtung 30 ist in solch einer Art und Weise konfiguriert, dass sich zumindest eines aus dem ersten Bauteil 32 und dem zweiten Bauteil 34 deformiert und sich von dem anderen Bauteil wegbewegt, sodass als ein Ergebnis der Leitungspfad unterbrochen wird, falls der Innendruck des Batteriegehäuses 50 ansteigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das erste Bauteil 32 eine deformierende Metallplatte, und das zweite Bauteil 34 ist eine Verbindungsmetallplatte, die mit der Deformationsmetallplatte 32 verbunden ist. Die Deformationsmetallplatte (erstes Bauteil) 32 weist bei einem Zentralabschnitt davon eine nach unten gekurvte Bogenform auf, sodass der periphere Randabschnitt mit der Unterseite des Positivelektrodenanschlusses 70 über einen Sammelanschlussleiter 35 verbunden ist. Das vordere Ende des gekurvten Abschnitts 33 der Deformationsmetallplatte 32 ist mit der Oberseite der Verbindungsmetallplatte 34 verbunden. Die Unterseite (Rückseite) der Verbindungsmetallplatte 34 ist mit der Positivelektrodenstromabnehmerplatte 74 verbunden; die Positivelektrodenstromabnehmerplatte 74 ist mit der positiven Elektrode 10 der Elektrodenanordnung 80 verbunden. Daher wird ein Leitungspfad von dem Positivelektrodenanschluss 70 zu der Elektrodenanordnung 80 gebildet.
Die Stromunterbrechungsvorrichtung umfasst ein isolierendes Gehäuse 38, das aus Plastik oder dergleichen gebildet ist. Das isolierende Gehäuse 38, das bereitgestellt ist, sodass es die Deformationsmetallplatte 32 umgibt, dichtet die Oberseite der letzteren hermetisch ab. Der Innendruck des Batteriegehäuses 50 wirkt nicht auf die Oberseite des hermetisch abgedichteten gekurvten Abschnitts 33. Das isolierende Gehäuse 38 weist eine Öffnung auf, durch welche der gekurvte Abschnitt 33 der Deformationsmetallplatte 32 eingeführt wird. Die Unterseite des gekurvten Abschnitts 33 ist zu dem Inneren des Batteriegehäuses 50 durch diese Öffnung exponiert. Der Innendruck des Batteriegehäuses 50 wirkt auf die Unterseite des gekurvten Abschnitts 33, der zu dem Inneren des Batteriegehäuses 50 exponiert ist. Wenn der Innendruck des Batteriegehäuses 50 ansteigt, wirkt der Innendruck auf die Unterseite des gekurvten Abschnitts 33 der Deformationsmetallplatte 32 in der so konfigurierten Stromunterbrechungsvorrichtung 30, und der gekurvte Abschnitt 33, der nach unten gekurvt ist, wird nach oben gestoßen. Das nach-oben-Gestoßene des gekurvten Abschnitts 33 erhöht sich, wenn der Innendruck des Batteriegehäuses 50 ansteigt. Wenn der Innendruck des Batteriegehäuses 50 einen eingestellten Druck übersteigt, dreht sich der gekurvte Abschnitt 33 vertikal um und deformiert sich, um nach oben gekurvt zu werden. Eine Verbindung 36 zwischen der Deformationsmetallplatte 32 und der Verbindungsmetallplatte 34 wird durch die Deformation des gekurvten Abschnitts 33 unterbrochen. Als ein Ergebnis wird der Leitungspfad von dem Positivelektrodenanschluss 70 zu der Elektrodenanordnung 80 abgeschnitten und der Überladungsstrom wird unterbrochen.
Die Stromunterbrechungsvorrichtung 30 ist nicht darauf beschränkt, um auf der Seite des Positivelektrodenanschlusses 70 bereitgestellt zu werden und kann auf der Seite des Negativelektrodenanschlusses 72 bereitgestellt werden. Die Stromunterbrechungsvorrichtung ist nicht darauf beschränkt, dass sie mechanisch durch Deformation der oben beschriebenen Deformationsmetallplatte 32 unterbrochen wird und es kann zum Beispiel ein externer Stromkreis als die Stromunterbrechungsvorrichtung bereitgestellt werden, sodass der Ladungsstrom unterbrochen wird, wenn der Innendruck des Batteriegehäuses 50, wie durch einen Sensor detektiert, einen eingestellten Druck übersteigt.
3 ist ein Diagramm, das schematisch eine verlängerte Sheetstruktur (Elektrodensheet) bei einem Zustand vor dem Zusammensetzen der gewickelten Elektrodenanordnung 80 illustriert. Das Positivelektrodensheet 10, in welchem die Positivelektrodenmischungsschicht 14 auf einer oder beiden Seiten (typischerweise beiden Seiten) des verlängerten Positivelektrodenstromabnehmers 12 in der longitudinalen Richtung gebildet wird, und das Negativelektrodensheet 20, in welchem die Negativelektrodenmischungsschicht 14 auf einer Seite oder beiden Seiten (typischerweise beiden Seiten) des verlängerten Negativelektrodenstromabnehmers 22 in der longitudinalen Richtung gebildet wird, werden miteinander durch die verlängerten Separatoren 40A und 40B gestapelt, und das Ganze wird in der longitudinalen Richtung gewickelt, um eine gewickelte Elektrodenanordnung herzustellen. Die gewickelte Elektrodenanordnung wird von den Seiten gequetscht, um als ein Ergebnis die flache gewickelte Elektrodenanordnung 80 zu ergeben. Unter Lithiumsekundärbatterien zeigen Batterien, die mit einer gewickelten Elektrodenanordnung bereitgestellt werden, hohe Kapazität auf; demgemäß ist verbesserte Zuverlässigkeit (zum Beispiel Sicherheitsmaßnahmen im Fall von Fehlfunktionen oder dergleichen) ein besonders wichtiger Aspekt. Die hier offenbarte Technologie ermöglicht das Erhöhen der Sicherheit solch einer Batterie (zum Beispiel Sicherheit beim Auftreten von Überladen oder inneren Kurzschlüssen) bezüglich der in konventionellen Batterien.
4 illustriert ein Beispiel einer zusammengesetzten Batterie 200, die mit einer Mehrzahl der abgedichteten Lithiumsekundärbatterien (Zellen) 100 (typischerweise eine zusammengesetzte Batterie, die durch das Verbinden einer Mehrzahl von Zellen in Serie und/oder parallel resultiert) bereitgestellt ist. In dieser zusammengesetzten Batterie 200 sind eine Mehrzahl (typischerweise 10 oder mehr, bevorzugt von ungefähr 10 bis 30, zum Beispiel 20) abgedichteter Lithiumsekundärbatterien (Zellen) 100 zueinander invertiert in solch einer Art und Weise angeordnet, dass die entsprechenden Positivelektrodenanschlüsse 70 und Negativelektrodenanschlüsse 72 alternierend in der Richtung (Stapelrichtung) angeordnet sind, in welcher die weiten Oberflächen des Hartgehäuses 50 einander gegenüberliegen. Kühlplatten 110 einer vorgegebenen Form sind zwischen die so angeordneten Zellen 100 gesandwicht. Die Kühlplatten 110 fungieren als Wärmeabführbauteile zum effizienten Abführen von Wärme, die in den Zellen 100 während der Verwendung erzeugt wird. Bevorzugt weisen die Kühlplatten 110 eine Form auf, die es einem Kühlungsfluid (typischerweise Luft) ermöglicht, innerhalb der Zellen 100 eingeführt zu werden (zum Beispiel eine Form, sodass die Oberfläche davon mit einer Mehrzahl an parallelen Kerben bereitgestellt ist, die sich senkrecht von einer Seite einer rechtwinkligen Kühlplatte zu einer gegenüberliegenden Seite der Letzteren erstrecken). Hier sind Kühlplatten bevorzugt, die aus einem Metall hergestellt sind, das gute thermische Leitfähigkeit aufweist, oder die aus einem leichtgewichtigen und harten synthetischen Harz, wie etwa Polypropylen, hergestellt sind.
Ein Paar an Endplatten (Begrenzungsplatten) 120 ist an beiden Enden der Zellen 100 und der Kühlplatten 110 bereitgestellt. Eine oder eine Mehrzahl an sheetähnlichen Abstandsbauteilen 150, als Längeneinstellmittel, können zwischen den Kühlplatten 110 und den Endplatten 120 gesandwicht werden. Die so angeordneten Zellen 100, Kühlplatten 110 und Abstandsbauteile 150 werden in solch einer Art und Weise begrenzt, dass ein vorgegebener Begrenzungsdruck in der Stapelrichtung, durch ein Begrenzungsband 130 zum Festziehen angelegt wird, das in solch einer Art und Weise angebracht ist, um über beide Endplatten gespannt zu sein. Spezifischer sind die Randabschnitte des Begrenzungsbands 130 zu den Endplatten 120 mittels Schrauben 155 befestigt und fixiert; als ein Ergebnis sind die Zellen usw. in solch einer Art und Weise begrenzt, dass der vorgegebene Begrenzungsdruck in der Anordnungsrichtung der Zellen angelegt wird. Als ein Ergebnis wirkt der Begrenzungsdruck auch auf die gewickelte Elektrodenanordnung 80, die innerhalb des Hartgehäuses 50 jeder Zelle 100 untergebracht ist.
Ein Positivelektrodenanschluss 70 und ein anderer Negativelektrodenanschluss 72 von entsprechend benachbarten Zellen 100 sind mittels eines Verbindungsbauteils (Sammelleiter) 140 elektrisch verbunden. Dadurch kann die zusammengesetzte Batterie 200 einer gewünschten Spannung durch Verbinden der Zellen 100 in Serie konstruiert werden.
Die hier offenbarte abgedichtete Lithiumsekundärbatterie kann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden, aber das charakterisierende Merkmal der abgedichteten Lithiumsekundärbatterie ist, dass die Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen (zum Beispiel 50 bis 70°C) erhöht ist. Daher kann die abgedichtete Lithiumsekundärbatterie in Anwendungen verwendet werden, die hohe Energiedichte und Ausgabedichte benötigen und in Anwendungen, bei denen die Temperatur der Umgebung, in welcher die Batterie verwendet wird oder lagert, auf eine hohe Temperatur ansteigen kann. Daher kann die zusammengesetzte Batterie 200, die aus dem Verbinden einer Mehrzahl der hier offenbarten abgedichteten Lithiumsekundärbatterien resultiert, in geeigneter Weise als eine Antriebsstromquelle (elektrische Stromquelle zum Fahren) eines Motors, der in einem Fahrzeug 1, wie etwa einem Automobil, installiert ist, das zum Beispiel in 5 illustriert ist, verwendet werden. Die Art des Fahrzeugs 1 ist nicht besonders beschränkt und kann ein Plug-in-Hybridfahrzeug (PHV), ein Hybridfahrzeug (HV) oder ein elektrisches Fahrzeug (EV) sein. Hier wird die zusammengesetzte Batterie 200 verwendet, aber es ist nicht notwendig zu sagen, dass die Zelle 100 auch alleine verwendet werden kann.
In den unteren Beispielen werden die Batterien gemäß dem hier offenbarten Verfahren bezüglich der Unterschiede in der Sicherheit evaluiert. Allerdings ist es nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf oder durch irgendeines der Merkmale, das in den spezifischen Beispielen illustriert ist, zu beschränken.
Konstruktion einer abgedichteten Lithiumsekundärbatteriekonstruktion
Beispiel 1
Um eine Positivelektrodenmischungsaufschlämmung anzufertigen, werden LiCoO₂-Pulver als ein Positivelektrodenaktivmaterialpulver, Acetylenruß als ein leitfähiges Material und Polyvinylidenfluorid (PVdF) als ein Bindemittel in einen Kneter (Planetmischer) gefüllt, um ein Massenverhältnis der vorhergehenden Materialien von ungefähr 93:4:3 zu ergeben, und das Ganze wurde geknetet, während die Viskosität mit N-Methylpyrrolidon (NMP) auf eine Feststoffkonzentration (NV) von ungefähr 50 Massen-% eingestellt wird. Die Aufschlämmung wurde mit einer Breite von 58,0 mm auf eine verlängerte Aluminiumfolie (15 µm Dicke und 78 mm Weite; 1085 von Sumitomo Light Metal Industries) als einen Positivelektrodenstromabnehmer beschichtet, und wurde getrocknet, um dadurch eine Positivelektrodenmischungsschicht zu bilden. Die resultierende positive Elektrode wurde walzengepresst, um eine sheetähnliche positive Elektrode (Positivelektrodensheet) herzustellen.
Als Nächstes wurde eine Negativelektrodenmischungsaufschlämmung angefertigt durch Befüllen von natürlichem Graphit als ein Negativelektrodenaktivmaterial, Styrolbutadiengummi (SBR) als ein Bindemittel und Carboxymethylcellulose (CMC) als ein Dispersionsmittel in einen Kneter (Planetmischer) zu einem Massenverhältnis der vorhergehenden Materialien von ungefähr 98:1:1 und Kneten des Ganzen, während die Viskosität mit entionisiertem Wasser auf eine Feststoffkonzentration (NV) von ungefähr 45 Massen-% eingestellt wird. Die Aufschlämmung wurde über eine Breite von 60,9 mm auf eine verlängerte Kupferfolie (20 µm Dicke und 80,9 mm Breite) als ein Negativelektrodenstromabnehmer beschichtet und das Ganze wurde getrocknet, um dadurch eine Negativelektrodenmischungsschicht zu bilden. Die resultierende negative Elektrode wurde walzengepresst, um eine sheetähnliche Positivelektrode (Negativelektrodensheet) herzustellen.
Das Positivelektrodensheet und das Negativelektrodensheet, die so hergestellt wurden, wurden mit zwei eingefügten sheetähnlichen Separatoren (die hier verwendeten Separatoren hatten eine Einschichtstruktur von Polyethylen (PE) und waren 63,0 mm weit) gestapelt und der erhaltene Stapel wurde gewickelt. Die resultierende gewickelte Elektrodenanordnung wurde von den Seiten gequetscht, um als ein Ergebnis eine flache gewickelte Elektrodenanordnung herzustellen. Ein Positivelektrodenanschluss, der aus Aluminium hergestellt ist, wurde durch Schweißen mit einem Randabschnitt (Stromabnehmer-exponierter Abschnitt) des Positivelektrodenstromabnehmers der Elektrodenanordnung verbunden und ein Negativelektrodenanschluss, der aus Kupfer hergestellt ist, wurde durch Schweißen mit einem Randabschnitt (Stromabnehmer-exponierter Abschnitt) des Negativelektrodenstromabnehmers verbunden.
Die gewickelte Elektrodenanordnung wurde in einem rechtwinkligen Batteriegehäuse (75 mm lang, 120 mm weit und 15 mm hoch) untergebracht, eine Stromunterbrechungsvorrichtung (CID) wurde in der Nähe der Öffnung des Batteriegehäuses angeordnet und ein Deckelkörper wurde angefügt und durch Schweißen abgedichtet. Dann wurden 120 ml eines angefertigten nichtwässrigen Elektrolyts durch eine Injektionsöffnung des Batteriegehäuses injiziert (der nichtwässrige Elektrolyt, der hier verwendet wird, enthält eine Lösung, die resultiert vom Lösen von LiPF₆ als ein Elektrolyt zu einer Konzentration von ungefähr 1,0 Mol/l in ein gemischtes Lösungsmittel, das Ethylencarbonat (EC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Diethylcarbonat (DEC) bei einem Volumenverhältnis von EC:EMC:DEC = 3:5:2 umfasst, plus Curdlan (Handelsnahme „Curdlan NS“, von Kirin Kyowa Foods Company) als ein Viskositätsmodifizierer und Biphenyl (BP) als ein Überladungsinhibitor, zu einer Konzentration von 0,1 Massen-% bzw. 3,0 Massen-%, gefolgt durch Verbinden durch Laserschweißen, um dadurch fünf abgedichtete Lithiumsekundärbatterien (Beispiel 1) mit einer bewerteten Kapazität von 4 Ah zu konstruieren.
Beispiel 2
In Beispiel 2 wurden abgedichtete Lithiumsekundärbatterien (Beispiel 2) in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 konstruiert, aber wobei Curdlan in den Elektrolyt bei einer Konzentration von 1,0 Massen-% inkorporiert war.
Beispiel 3
In Beispiel 3 wurden abgedichtete Lithiumsekundärbatterien (Beispiel 3) in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 konstruiert, aber wobei Curdlan in den Elektrolyt bei einer Konzentration von 5,0 Massen-% inkorporiert war.
Beispiel 4
In Beispiel 4 wurden abgedichtete Lithiumsekundärbatterien (Beispiel 4) in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 konstruiert, aber wobei Curdlan in dem Elektrolyt bei einer Konzentration von 10 Massen-% inkorporiert war.
Vergleichsbeispiel 1
In Vergleichsbeispiel 1 wurden abgedichtete Lithiumsekundärbatterien (Vergleichsbeispiel 1) in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 konstruiert, aber wobei kein Curdlan verwendet wurde.
Vergleichsbeispiel 2
In Vergleichsbeispiel 2 wurden abgedichtete Lithiumsekundärbatterien (Vergleichsbeispiel 2) in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 4 konstruiert, aber wobei kein Biphenyl verwendet wurde.
Vergleichsbeispiel 3
In Vergleichsbeispiel 3 wurden abgedichtete Lithiumsekundärbatterien (Vergleichsbeispiel 3) in der gleichen Art und Weise wie in Vergleichsbeispiel 2 konstruiert, aber wobei Curdlan in dem Elektrolyt bei einer Konzentration von 20 Massen-% inkorporiert war.
Die Merkmale der konstruierten Batterien sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1

Tabelle 1

	Additiv im Elektrolyt
	Viskositätsmodifizierer (Curdlan)	Überladungsinhibitor (Biphenyl)
Beispiel 1	0.1 Gewichts-%	3 Gewichts-%
Beispiel 2	1 Gewichts-%	3 Gewichts-%
Beispiel 3	5 Gewichts-%	3 Gewichts-%
Beispiel 4	10 Gewichts-%	3 Gewichts-%
Vergleichsbeispiel 1	-	3 Gewichts-%
Vergleichsbeispiel 2	10 Gewichts-%	-
Vergleichsbeispiel 3	20 Gewichts-%	-

Die konstruierten Batterien (Beispiele 1 bis 4 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3) wurden einer Konditionierungsbehandlung in einer Temperaturumgebung bei 25°C unterzogen (die Behandlung involvierte hier eine Initiallade- und Entladebehandlung oder zweifaches Wiederholen einer Operation des Ladens der Batterie bei Konstantstrom auf 4,1 V bei einer 0,2C-Laderate und einer Operation, die durch Entladen der Batterie bei Konstantstrom runter auf 3,0 V bei einer 0,2C-Entladerate erhalten wird); danach wurden die Batterien einer Alterungsbehandlung unterzogen (welche das Laden bei Konstantstrom auf 4,1 V bei einer 0,2C-Laderate und Belassen (Stehenlassen) für 48 Stunden involviert).
Messung von Initialkapazität
Nach der Alterungsbehandlung wurde jede Batterie in einer Umgebung bei 25°C einer Operation zum Laden bei Konstantstrom (CC-Laden) auf 4,1 V bei einer 1C-Laderate, mit einer 5-Minuten-Pause, und einer Operation des Entladens (CC-Entladen) bei Konstantstrom runter auf 3,0 V bei einer 1C-Entladerate, mit einer 5-Minuten-Pause, unterzogen. Die Entladekapazität zum Zeitpunkt des CC-Entladens wurde als die Initialkapazität genommen. Die so erhaltenen Werte von Initialkapazität sind in entsprechenden Zeilen von Tabelle 2 in der Form von Werten (Relativwerten) angegeben, die durch Teilen der Initialkapazität der Batterie von Vergleichsbeispiel 1 normalisiert sind. Danach wurde jede Batterie bei einem Konstantstrom runter auf 3,0 V bei einer 1C-Entladerate entladen und wurde bei Konstantspannung entladen, bis der Entladestrom 0,1 C war (CC-CV-Entladen).
Überladungstest
Jede Batterie, die der obigen Initialkapazitätsmessung unterzogen wurde, wurde dann für fünf Stunden oder länger in einem Konstanttemperaturbad stehengelassen, das zu einer vorgegebenen Umgebungstemperatur (0°C, 20°C, 40°C, 60°C), wie in Tabelle 2 gegeben, eingestellt war. Jede Batterie wurde bei 1C Konstantstrom geladen, bis der SOC der Batterie 160% war (hier wurde der 1C-Stromwert berechnet, indem das Gesamte der Entladekapazität zum Zeitpunkt des CC-Entladens und die Entladekapazität zum Zeitpunkt des obigen CC-CV-Entladens als 100% genommen wird. Es wurde ferner überprüft, ob der Sicherheitsmechanismus (CID-Operation oder Stromunterbrechung) normal oder nicht normal funktionierte.
Die erhalten Messergebnisse sind in den korrespondierenden Zeilen in Tabelle 2 angegeben. Die Spalte „Anzahl an Zellen, die sicher gestoppt wurden“ in Tabelle 2 bezeichnet die Anzahl an Batterien unter den entsprechenden fünf konstruierten Batterien (N=5), wo der Sicherheitsmechanismus (CID-Operation oder Stromunterbrechung) normal funktioniert, indem die Batterie keine Veränderung in der Erscheinung zeigt (spezifischer zeigt zum Beispiel keine Batterieerhitzung oder eine Gehäusedeformation, die mit einem scharfen Temperaturanstieg assoziiert ist).
Tabelle 2

Tabelle 2

	Anzahl der Zellen, die sicher gestoppt wurden (N=5)				Batteriekapazität (Relativwert)
	0°C	20°C	40°C	60°C	Batteriekapazität (Relativwert)
Beispiel 1	5	5	5	4	98.7
Beispiel 2	5	5	5	5	95.9
Beispiel 3	5	5	5	5	95.5
Beispiel 4	5	5	5	5	83.0
Vergleichsbeispiel 1	5	5	2	0	100
Vergleichsbeispiel 2	0	0	0	0	84.2
Vergleichsbeispiel 3	0	0	0	1	67.2

Wie in Tabelle 2 gezeigt, arbeitete im Vergleichsbeispiel 1 (herkömmlicher Stand der Technik) die CID in einer Raumtemperaturumgebung (spezifischer, 0°C und 20°C) normal, aber die Operation der CID wurde instabil, wenn die Umgebungstemperatur anstieg und die CID versagte in einer Umgebung bei 60°C komplett zu arbeiten. Dies mag dem Faktum zugeschrieben werden, dass, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, bevorzugt Redox-Shuttle-Reaktionen der aromatischen Verbindung auftreten und die Zersetzungsreaktion der aromatischen Verbindung inhibiert ist (d.h. die Gaserzeugungsmenge verringert sich), sodass der Innendruck nicht genug anstieg, um die Stromunterbrechungsvorrichtung zu aktivieren.
In Beispielen 1 bis 4 gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitete die CID in allen Temperaturbereichen (0°C bis 70°C) stabil und zeigte verglichen mit Vergleichsbeispiel 1 eine erhöhte Sicherheit zum Zeitpunkt des Überladens. Es wird angenommen, dass die zugrundeliegende Ursache ist, dass hier Viskositätsabnahmen des Elektrolyts bei dem Temperaturanstieg eingedämmt sind und als ein Ergebnis die Redox-Shuttle-Reaktionen der aromatischen Verbindung, die der Überladungsinhibitor ist, auch in einer Hochtemperaturumgebung inhibiert werden. Demgemäß zersetzt sich die aromatische Verbindung in geeigneter Weise, und Wasserstoffgas kann stabil in der Menge erhalten werden, die zum zuverlässigen Aktivieren der Stromunterbrechungsvorrichtung benötigt wird. Dieses Ergebnis illustriert den Unterschied in dem Effekt, der durch die vorliegende Erfindung hervorgerufen wird, und dem Stand der Technik. Spezifisch wurde herausgefunden, dass die vorliegende Erfindung größere Batteriezuverlässigkeit (Sicherheit) in einem weiteren Bereich von Temperaturumgebungen verglichen mit konventionellen Beispielen ermöglicht. In Beispielen 1 bis 3 (spezifischer, wo das Zugabeverhältnis von Viskositätsmodifizierer von 0,1 Massen-% bis 5,0 Massen- % reichte) war die Batteriekapazitätsabnahme gering. Daher wurde der Effekt der vorliegenden Erfindung (Erhöhung der Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) zu einem hohen Grad mit überlegener Batterieleistungsfähigkeit (zum Beispiel hohe Ausgabedichte) kombiniert.
In der Batterie von Vergleichsbeispiel 2 (Stand der Technik) arbeitete die CID nicht, da kein Überladungsinhibitor zugegeben wurde; ferner arbeitete der Sicherheitsmechanismus des Stromunterbrechens aufgrund von Gelbildung des Elektrolyten (erhöhter Ladungstransferwiderstand) nicht in allen Temperaturbereichen. In der Batterie von Vergleichsbeispiel 3, in dem die Zugabemenge an Curdlan erhöht wurde, arbeitete der Sicherheitsmechanismus durch Stromsperren spärlich, bei einem sehr niedrigen Verhältnis und nicht stabil. Ferner erhöhte sich der Batteriewiderstand und die irreversible Kapazität, die von Nebenreaktionen hervorrührt, erhöhte sich auch; demgemäß war die Batteriekapazität signifikant reduziert. Es wird daher angenommen, dass eine signifikant größere Menge an Curdlan in den Elektrolyt inkorporiert werden muss, um Überladungssicherheit durch Zugeben nur des Viskositätsmodifizierers (d.h. ohne Zugabe des Überladungsinhibitors) zu erhöhen. Es wird angenommen, dass solch eine Zugabe in noch schlechterer Batterieleistung resultiert.
Viskositätsmessung
Viskositätsveränderungen des Elektrolyten mit ansteigender Temperatur wurden beurteilt. Spezifischer wurden Lösungen hergestellt durch Zugeben von 0 Massen-%, 0,1 Massen-% und 1 Massen-% an Curdlan, als ein Viskositätsmodifizierer, zu dem hier verwendeten Elektrolyt (Elektrolyt, wobei LiPF₆ als der Elektrolyt bei einer Konzentration von ungefähr 1,0 Mol/l in einem gemischten Lösungsmittel gelöst war, das Ethylencarbonat (EC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Diethylcarbonat (DEC) bei einem Volumenverhältnis von 3:5:2 umfasst). Die Viskositätsveränderungen in den Lösungen durch Verändern der Umgebungstemperatur wurden gemessen. Die Viskosität wurde unter Verwendung eines Rheometers (von TA Instruments) bei einer Scherrate von 100 sec^-1 gemessen. Die Ergebnisse sind in 6 illustriert.
Wie in 6 gezeigt, nimmt die Viskosität des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Anstiegs in der Umgebungstemperatur in einem Fall signifikant ab, wo kein Viskositätsmodifizierer zugegeben war („0 Massen-%“ in 6). Andererseits wurden Viskositätsabnahmen des Elektrolyten als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs in solchen Fällen eingegrenzt, wo Curdlan als ein Viskositätsmodifizierer zugegeben war („0,1 Massen-%“ und „1 Massen-%“ in 6). Diese Ergebnisse stützen die charakterisierenden Teile der vorliegenden Erfindung.
Industrielle Anwendbarkeit
Als ein charakterisierendes Merkmal kombiniert die hier offenbarte abgedichtete Lithiumsekundärbatterie zu einem hohen Grad erhöhte Zuverlässigkeit (Sicherheit in einem weiten Bereich von Temperaturumgebungen) mit überlegener Batterieleistungsfähigkeit (zum Beispiel reduziertem Batteriewiderstand). Demgemäß kann die abgedichtete Lithiumsekundärbatterie besonders geeignet in Anwendungen, die hohe Energiedichte und/oder hohe Ausgabeleistung benötigen, und/oder Anwendungen, bei denen die Temperatur der Umgebung, in welcher die Batterie verwendet wird oder lagert, zu einer hohen Temperatur ansteigen kann (zum Beispiel Antriebsstromquelle (elektrische Stromquelle zum Fahren) von Motoren, die in Fahrzeugen, wie etwa Automobilen, montiert sind) verwendet werden. Die Art des Fahrzeugs ist nicht besonders beschränkt und das Fahrzeug kann typischerweise ein Plug-in-Hybridfahrzeug (PHV), ein Hybridfahrzeug (HV) oder ein elektrisches Fahrzeug (EV) sein.
Bezugszeichenliste

1: Automobil (Fahrzeug)
10: Positivelektrodensheet (positive Elektrode)
12: Positivelektrodenstromabnehmer
14: Positivelektrodenmischungsschicht
20: Negativelektrodensheet (negative Elektrode)
22: Negativelektrodenstromabnehmer
24: Negativelektrodenmischungsschicht
30: Stromunterbrechungsvorrichtung
32: Deformationsmetallplatte (erstes Bauteil)
33: gekurvter Abschnitt
34: Verbindungsmetallplatte (zweites Bauteil)
35: Sammelanschlussleiter
36: Verbindung
38: isolierendes Gehäuse
40A, 40B: Separatorsheet
50: Hartgehäuse
52: Gehäusehauptkörper
54: Deckelkörper
55: Sicherheitsventil
70: Positivelektrodenanschluss
72: Negativelektrodenanschluss
74: Positivelektrodenstromabnehmerplatte
76: Negativelektrodenstromabnehmerplatte
80: gewickelte Elektrodenanordnung
90: Flachplatte
100: abgedichtete Lithiumsekundärbatterie
110: Kühlplatte
120: Endplatte
130: Begrenzungsband
140: Verbindungsbauteil
150: Abstandsbauteil
155: Schraube
200: zusammengesetzte Batterie

Claims

Abgedichtete Lithiumsekundärbatterie (100), in welcher eine Elektrodenanordnung (80), die mit einer positiven Elektrode (10) und einer negativen Elektrode (20) bereitgestellt ist, und ein Elektrolyt innerhalb eines vorgegebenen Batteriegehäuses (50) untergebracht sind, wobei der Elektrolyt eine Verbindung, die fähig ist zum Unterdrücken von Viskositätsabnahmen des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs in einem Temperaturbereich bis zu 100°C, und eine aromatische Verbindung, die fähig ist zum Erzeugen von Wasserstoffgas, wenn eine vorgegebene Batteriespannung überschritten wird, enthält; und wobei das Batteriegehäuse (50) eine Stromunterbrechungsvorrichtung (30) beinhaltet, die aktiviert wird, wenn der Druck innerhalb des Batteriegehäuses (50) als ein Ergebnis des Erzeugens des Wasserstoffgases ansteigt.
Abgedichtete Lithiumsekundärbatterie (100) nach Anspruch 1, die zumindest ein Polysaccharid als die Verbindung umfasst, die fähig ist zum Unterdrücken von Viskositätsabnahmen des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs.
Abgedichtete Lithiumsekundärbatterie (100) nach Anspruch 2, die zumindest Curdlan als das Polysaccharid enthält.
Abgedichtete Lithiumsekundärbatterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Elektrolyt ein Verhältnis (V₆₀/V₂₅) der Viskosität bei 25°C (V₂₅) und der Viskosität bei 60°C (V₆₀) im Bereich von 0,8 bis 10 aufweist, wie unter Verwendung eines Rheometers unter einer Bedingung einer Scherrate von 100s^-1 gemessen.
Abgedichtete Lithiumsekundärbatterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Zugabemenge der Verbindung, die fähig ist zum Unterdrücken der Viskositätsabnahmen des Elektrolyts als ein Ergebnis eines Temperaturanstiegs, in dem Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-% bezüglich 100 Massen-% des Elektrolyts ist.
Abgedichtete Lithiumsekundärbatterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die Cyclohexylbenzol und/oder Biphenyl als die aromatische Verbindung umfasst.
Abgedichtete Lithiumsekundärbatterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Zugabemenge der aromatischen Verbindung in dem Bereich von 0,5 Massen-% bis 5 Massen-% bezüglich 100 Massen-% des Elektrolyts ist.
Zusammengesetzte Batterie (200), welche eine Kombination einer Mehrzahl an abgedichteten Lithiumsekundärbatterien (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.
Fahrzeug (1), das die zusammengesetzte Batterie (200) nach Anspruch 8 als eine elektrische Stromquelle zum Fahren umfasst.