DE60100516T2

DE60100516T2 - Batterie-Sicherheitsventil und Herstellverfahren dafür

Info

Publication number: DE60100516T2
Application number: DE60100516T
Authority: DE
Inventors: Takuma Sumoto-shi Morishita; Hironori Sumoto-shi Marubayashi; Shigeki Mihara-gun Fujii; Yosihiro Mihara-gun Tobita
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2021-03-10
Also published as: CN1191645C; EP1132983A1; EP1132983B1; CN1313642A; KR20010089144A; DE60100516D1; US20010027807A1; HK1040461A1; US6571816B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellen-Sicherheitsventil, bei dem in einem Öffnungsloch in einer Versiegelungsplatte zum Verschließen einer Zelle eine dünne Ventilplatte derart ausgebildet ist, dass diese Ventilplatte brechen kann, wenn der Innendruck der Zelle einen festgelegten Wert erreicht, so dass ein Gas in der Zelle aus der Zelle freigelassen wird, und ferner ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Kürzlich haben neben LiCoO₂ und anderen Lithium enthaltenden Mischoxiden, die als positives Elektrodenmaterial verwendet werden, nichtwässrige Elektrolytzellen, die als Material für die negative Elektrode solche Materialien wie etwa Lithium-Aluminium-Legierung und Kohlenstoffmaterialien verwenden, welche in der Lage sind, Lithiumionen zu interkalieren und zu deinterkalieren, Aufmerksamkeit in der Öffentlichkeit erregt, da sie in der Lage sind, die Kapazität zu verbessern.
Wenn solch eine nichtwässrige Elektrolytzelle falsch gehandhabt wird, beispielsweise ins Feuer geworfen, wieder aufgeladen oder unter nicht normalen Bedingungen entladen wird, kann eine große Menge Gas n der Zelle produziert werden. Wenn das Gas in der Zelle nicht schnell freigelassen wird, kann sie problematischer Weise platzen oder sich entzünden. Um solch ein Problem zu verhindern, ist solch eine Zelle mit einem Sicherheitsventil ausgestattet, um im Zeitpunk der Abnormität das Gas in der Zelle daraus schnell freizulassen. Als solch ein Sicherheitsventil sind die folgenden Ventile vorgeschlagen worden:

(1) ein Ventil, wie es in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 10-106524 beschrieben wird (siehe die 1 bis 4), bei dem in einem Öffnungsloch 21a in einem ringförmigen Basismaterial 21 ein Mantelmaterial 22 (mit einer Dicke von etwa 10% der des Basismaterials), das aus zwei Blättern eines auf Aluminium basierenden Materials gebildet ist und das eine Ventilplatte darstellt, geschweißt oder druckgeschweißt ist, um ein Sicherheitsventil 23 zu bilden, das wiederum an einer Versiegelungsplatte 24 montiert ist (eine, die ein so genanntes Mantelmaterial spezifiziertes Sicherheitsventil ist);
(2) ein Ventil, wie es in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 11-250885 beschrieben wird (siehe die 5 und 6), bei dem eine Bruchrille 26 im Umkreis der Mitte eine Öffnungsloches 25a in einer Versiegelungsplatte 25 ausgebildet ist; und
(3) ein Ventil, wie es in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 11-273640 beschrieben wird (siehe die 7 und 8), bei dem eine kuppelförmige dünne Platte 29 ausgebildet ist, die am unteren Ende eines Öffnungsloches 28a in einer Versiegelungsplatte 28 beginnt.

Diese herkömmlichen Sicherheitsventile weisen jedoch die folgenden Probleme auf.
Probleme des Sicherheitsventils vom Typ (1)
Dieses Sicherheitsventil 23 kann Unregelmäßigkeiten in der Stärke der Schweißung oder der Druckschweißung des Basismaterials 21 und des Mantelmaterials 22 aufweisen, die wiederum das Mantelmaterial 22 beschädigen, wenn das Sicherheitsventil 23 an der Versiegelungsplatte 24 montiert wird, wodurch das Auslaufen eines Elektrolyten oder die Zunahme der Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils verursacht wird.
Probleme des Sicherheitsventils vom Typ (2)
Dieses Sicherheitsventil kann, obwohl es die Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils vermindert, während des Aufbrechens des Sicherheitsventils Unregelmäßigkeiten in der offenen Fläche der Ventilplatte 27 aufweisen, so dass in dem Fall, dass die offene Fläche klein ist, die Menge des produzierten Gases größer sein als die Menge des freigelassenen Gases. Dies kann verhindern, dass das Sicherheitsventil selbst ausreichend funktioniert, wodurch die Zelle problematischer Weise zum Entzünden oder zum Platzen gebracht wird.
Probleme des Sicherheitsventils vom Typ (3)
Bei diesem Sicherheitsventil, obwohl es viel schnell erzeugtes Gas durch eine vergrößerte offene Fläche der Ventilplatte 29 freilassen kann, ist die dünne Ventilplatte 29 vom unteren Ende des Öffnungsloches 28a ausgebildet, so dass die Ventilplatte 29 durch eine Einspannvorrichtung etc. beschädigt werden kann, so dass Risse etc. hervorgerufen werden, wenn sie während des Zusammenbaus der Zellen Vibrationen oder Schlag ausgesetzt ist, wodurch ein Auslaufen des Elektrolyten verursacht wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Zellen-Sicherheitsventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, das eine ausreichende offene Fläche während des Betriebs des Sicherheitsventils sicherstellen kann, während die Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils vermindert wird.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Sicherheitsventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, das ein Auslaufen eines Elektrolyten verhindern kann.
Um die oben erwähnten Aufgaben zu lösen, ist bei einem Zellen-Sicherheitsventil gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung seine dünne Ventilplatte an einer plattenförmigen Versiegelungsplatte zum Versiegeln der Zellen derart ausgebildet, dass die Ventilplatte brechen kann, wenn der Innendruck der Zelle einen festgelegten Wert überschreitet, so dass das Gas in der Zelle nach Außen freigelassen wird, wobei die Ventilplatte einen daran ausgebildeten kuppelförmigen Kuppelabschnitt aufweist und zudem in seiner Mitte oder nahe seiner Mitte eine Bruchrille aufweist, um dessen Brechen zu erleichtern.
Da demgemäß die Ventilplatte in seiner Mitte oder nahe seiner Mitte die Bruchrille zum Erleichtern seines Brechens aufweist, wenn der Innendruck der Zelle abnormal ansteigt, bricht die Ventilplatte sicher, beginnend von der Bruchrille. Da die Ventilplatte darauf den kuppelförmigen Kuppelabschnitt ausgebildet aufweist, brechen zudem, nachdem die Ventilplatte demgemäß begonnen hat, von der Bruchrille aus beginnend aufzubrechen, durch die verstärkte Beanspruchung infolge des Gases auch die Ränder des Kuppelabschnitts auf. Deshalb kann die Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils vermindert werden, sogar mit einigen Unregelmäßigkeiten in der Dicke der Ventilplatte.
Ein zweiter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei der oben erwähnte Kuppelabschnitt einmal vorgesehen ist.
Ein dritter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei die oben erwähnte Bruchrille am Rand des oben erwähnten Kuppelabschnitts ausgebildet ist.
Die Bruchrille ist so am Rand des Kuppelabschnitts ausgebildet, dass das Aufbrechen der Ventilplatte weiter erleichtert wird, wodurch die Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils vermindert wird.
Ein vierter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei der oben erwähnte Kuppelabschnitt zweimal oder öfter vorgesehen ist.
Der Kuppelabschnitt ist entsprechend zweimal oder öfter vorgesehen, so dass während des Betriebs des Sicherheitsventils eine ausreichende offene Fläche sichergestellt wird.
Ein fünfter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem vierten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei die oben erwähnte Bruchrille am Rand des wenigstens einen der oben erwähnten zwei oder mehr Kuppelabschnitte ausgebildet ist.
Solch ein Aufbau ergibt beinahe die gleichen Funktionen und Wirkungen wie die nach dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung.
Ein sechster Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei die oben erwähnte Ventilplatte als Ganzes zwischen einer gedachten Ebene, die bündig mit der äußeren Oberfläche der oben erwähnten Versiegelungsplatte ist, und einer gedachten Ebene angeordnet ist, die bündig mit der inneren Oberfläche der oben erwähnten Versiegelungsplatte ist.
Bei einem solchen Aufbau kommt die Ventilplatte nicht direkt in Kontakt mit der Einspannvorrichtung etc., so dass die Einspannvorrichtung etc. während des Zusammenbaus der Zellen sogar im Fall von Vibrationen oder einer Belastung keine Beschädigung der Ventilplatte verursacht, wodurch ein Auslaufen des Elektrolyten verhindert wird.
Ein siebter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei sich der oben erwähnte Kuppelabschnitt in einer Richtung zur Außenseite der Zelle hin ausbeult, so dass eine Kuppelgestalt ausgebildet wird.
Solch ein Aufbau stellt weiter den Betrieb des Sicherheitsventils sicher.
Ein achter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei die Dicke der oben erwähnten Ventilplatte auf 0.1 bis 10% der der oben erwähnten Versiegelungsplatte eingestellt ist.
Die Dicke der Ventilplatte wird so eingestellt, weil eine Dicke der Ventilplatte von weniger als 0.1% der Dicke der Versiegelungsplatte derart dünn ist, dass ein Auslaufen des Elektrolyten verursacht wird, während eine Dicke der Ventilplatte von mehr als 10% der Dicke der Versiegelungsplatte derart dick ist, dass die Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils übermäßig zunimmt.
Ein neunter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei die Gestalt in der Ebene der oben erwähnten Ventilplatte ein regelmäßiger Kreis, eine Ellipse oder ein Viereck ist.
Unter einem regelmäßigen Kreis, einer Ellipse und einem Viereck, die als die Gestalt der Ventilplatte in der Ebene veranschaulicht wurden, ist eine Ellipse oder ein Viereck wünschenswert. Das ist deshalb so, weil im Gegensatz zu einer regelmäßigen Kreisgestalt der Ventilplatte, die eine gleichmäßige Belastung verursacht, die an ihren Rändern einwirkt, und es schwierig macht, zu brechen, was wiederum die Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils vergrößert, eine elliptische oder viereckige Gestalt der Ventilplatte eine größere Belastung verursacht, die an der längeren Seite einwirkt und sicher das Brechen der Ventilplatte verursacht, beginnend an der längeren Seite, wodurch die Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils verringert wird.
Ein zehnter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei die Ventilplatte und die Versiegelungsplatte in einem Stück geformt sind.
Solch ein Aufbau vermindert die Zahl der Komponenten des Sicherheitsventils und macht es möglich, die Kosten der Herstellung der Zellen zu verringern.
Ein elfter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Zellen-Sicherheitsventil gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei neben der oben erwähnten Bruchrille eine Bruchhilfsrille nahe dem Rand der oben erwähnten Ventilplatte ausgebildet ist.
Bei einem solchen Aufbau nimmt eine Verlagerung auch nahe der Brüche des Kuppelabschnitts zu, sowie der Innendruck der Zelle zunimmt, so dass insbesondere bei Zellen mit einer klein bemessenen Ventilplatte (Flachzellen) auch eine kleine Zunahme des Innendrucks der Zelle einen stabilen Betrieb sicherstellt. Des Weiteren kann bei der Herstellung der Ventilplatte seine Toleranzen gelockert werden, um die Qualitätskontrolle und die Einstellung der Metallform zu erleichtern, wodurch die Produktivität verbessert wird.
Um die oben erwähnten Aufgaben zu lösen, umfasst ein zwölfter Gesichtspunkt der Erfindung einen Ventilplatten-Formungs-Schritt der Formung der Ventilplatte durch Umform-Verarbeitung, wobei eine plattenförmige Versiegelungsplatte zum Versiegeln der Zellen mit einem kuppelförmigen Kuppelabschnitt versehen ist und eine Bruchrille in der Mitte oder nahe der Mitte der Ventilplatte ausgebildet ist, um dadurch das Aufbrechen der Ventilplatte zu erleichtern.
Durch solch ein Verfahren kann das Zellen-Sicherheitsventil gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gebildet werden, wenn die Komponenten der Versiegelungsplatte gearbeitet werden, wodurch die Produktivität verbessert wird.
Ein dreizehnter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Verfahren gemäß dem zwölften Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei während dem oben erwähnten Schritt zur Formung der Ventilplatte die Ventilplatte zwischen einer gedachten Ebene, die bündig mit der äußeren Oberfläche der oben erwähnten Versiegelungsplatte ist, und einer gedachten Ebene ausgebildet wird, die bündig mit der inneren Oberfläche der oben erwähnten Versiegelungsplatte ist.
Durch solch ein Verfahren kann das Zellen-Sicherheitsventil gemäß einem sechsten Gesichtspunkt der Erfindung davor geschützt werden, beschädigt zu werden, wenn es während der Herstellung in Kontakt mit Einspannvorrichtungen oder anderen Versiegelungselementen kommt.
Ein vierzehnter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Verfahren gemäß dem zwölften Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei während des oben erwähnten Schritts zur Formung der Ventilplatte der Kuppelabschnitt in der Art und Weise ausgebildet wird, dass er sich in einer Richtung zur Außenseite der Zellen hin ausbeult.
Durch solch ein Verfahren kann ein weiter sicher arbeitendes Ventil bei der Herstellung des Zellen-Sicherheitsventils gemäß einem siebten Gesichtspunkts der Erfindung gefertigt werden.
Ein fünfzehnter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Verfahren gemäß dem zwölften Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei während des oben erwähnten Schritts zur Formung der Ventilplatte neben der oben erwähnten Bruchrille eine Bruchhilfsrille nahe dem Rand der oben erwähnten Ventilplatte ausgebildet ist.
Durch solch ein Verfahren kann ein weiter sicher arbeitendes Ventil bei der Herstellung des Zellen-Sicherheitsventils gemäß dem elften Gesichtspunkts der Erfindung gefertigt werden.
Ein sechzehnter Gesichtspunkt der Erfindung ist durch das Verfahren gemäß dem zwölften Gesichtspunkt der Erfindung gekennzeichnet, wobei nach dem oben erwähnten Schritt der Formung der Ventilplatte ein Ausglüh-Schritt des Ausglühens der Ventilplatte enthalten ist.
Wenn eine dünne Ventilplatte durch Ziehen geformt wird, weist das Material für die Ventilplatte eine größere Härte auf, so dass mit der zunehmenden mechanischen Festigkeit des Materials selbst die Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils größer sein kann. Durch Ausglühen der Ventilplatte nach dem Schritt der Formung der Ventilplatte weist das Material der Ventilplatte jedoch eine geringere Härte auf, so dass mit der abnehmenden mechanischen Festigkeit des Materials selbst die Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils verringert wird.
1 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem Beispiel nach dem Stand der Technik in Zusammenhang steht.
2 ist eine Querschnittansicht, die entlang dem Pfeil A-A von 1 genommen wurde.
3 ist eine Draufsicht auf eine nichtwässrige Elektrolytzelle, die das Sicherheitsventil verwendet, das mit dem Beispiel nach dem Stand der Technik in Zusammenhang steht.
4 ist eine Querschnittansicht, die entlang dem Pfeil B-B von 3 genommen wurde.
5 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem anderen Beispiel nach dem Stand der Technik in Zusammenhang steht.
6 ist eine Querschnittansicht, die entlang dem Pfeil C-C von 5 genommen wurde.
7 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem weiteren anderen Beispiel nach dem Stand der Technik in Zusammenhang steht.
8 ist eine Querschnittansicht, die entlang dem Pfeil D-D von 7 genommen wurde.
9 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht.
10 ist eine Querschnittansicht, die entlang dem Pfeil E-E von 9 genommen wurde.
11 ist eine Draufsicht auf eine nichtwässrige Elektrolytzelle, die das Sicherheitsventil verwendet, das mit der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht.
12 ist eine Querschnittansicht, die entlang dem Pfeil F-F von 11 genommen wurde.
13 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht.
14 ist eine Illustration, die einen Betriebszustand des Sicherheitsventils von 13 zeigt, wenn der Innendruck einer damit ausgestatteten Zelle zugenommen hat.
15 ist eine vergrößerte Ansicht eines wichtigen Abschnitts von 14.
16 ist eine Draufsicht, die einen Abschnitt des Sicherheitsventils zeigt, das eine höhere Biegefestigkeit aufweist.
17 ist eine Illustration, die einen Betriebszustand des Sicherheitsventils von 16 zeigt, wenn der Innendruck einer damit ausgestatteten Zelle zugenommen hat.
18 ist eine vergrößerte Ansicht eines wichtigen Abschnitts von 17.
19 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem weiteren anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht.
20 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem weiteren anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht.
21 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem weiteren anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht.
22 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem weiteren anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht.
23 ist eine Draufsicht auf ein Sicherheitsventil, das mit einem weiteren anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht.
In Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 9 bis 23 beschrieben.
(erstes Ausführungsbeispiel)
(Beispiel 1)
Wie es in den 11 und 12 gezeigt ist, weist eine erfindungsgemäße nichtwässrige Elektrolytzelle ein rechteckiges Zellengehäuse 8 auf, das darin ein flaches spiralförmiges erzeugendes Material 7 beherbergt, das eine positive Elektrode mit einer aus einer Aluminiumlegierung gefertigten Folie umfasst, die eine Schicht aktiven Materials darauf ausgebildet aufweist, das hauptsächlich aus LiCoO₂ gefertigt ist, ferner eine negative Elektrode mit einer aus Kupfer gefertigten Folie, die eine Schicht aktiven Materials aufweist, das hauptsächlich aus darauf ausgebildetem Graphit gefertigt ist, und ferner einen Separator zum Trennen dieser beiden Elektroden. Im oben erwähnten Zellenbehälter 8 ist auch ein Elektrolyt untergebracht, wobei LiPF₆ mit einem Gehalt von 1 M (Mol/Liter) in einem Lösemittelgemisch gelöst ist, in dem Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) im Volumenverhältnis 4 : 6 miteinander vermischt sind. Des Weiteren ist im Öffnungsloch im oben erwähnten Zellenbehälter 8 eine Versiegelungsplatte 6 (Dicke: 1 mm) lasergeschweist, die aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, um die Zelle zu versiegeln.
Die oben erwähnte Versiegelungsplatte 6 wird durch ein Schichtungselement 16 zusammen mit einer Dichtung 11, einer Isolationsplatte 12 und einer Leitungsplatte 14 geschichtet, wobei auf dem Schichtungselement 16 Anschlusskappe 10 der negativen Elektrode befestigt ist. Zudem ist ein Dorn 15, der sich von der oben erwähnten negativen Elektrode erstreckt, mit der oben erwähnten Anschlusskappe 10 der negativen Elektrode über die Leitungsplatte 14 und das Schichtungselement 16 elektrisch verbunden, während die oben erwähnte positive Elektrode mit dem oben erwähnten Zellenbehälter 8 über einen nicht gezeigten Dorn der positiven Elektrode elektrisch verbunden ist.
Bei diesem Aufbau weisen die oben erwähnte Versiegelungsplatte 6 und die oben erwähnte Isolationsplatte 12 ein Öffnungsloch 17 auf, wobei in dem Öffnungsloch 17 ein Sicherheitsventil 9 (das wie die Versiegelungsplatte 6 aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist) vorgesehen ist, das eine dünne Ventilplatte (etwa 50 μm dick, was 5.0% der Dicke der Versiegelungsplatte 6 entspricht) umfasst und in einem Stück mit der oben erwähnten Versiegelungsplatte 6 ausgebildet ist. Dieses Sicherheitsventil 9 weist einen derartigen Aufbau auf, dass es bricht, wenn der Innendruck der Zelle einen festgelegten Wert übersteigt, um das Gas in der Zelle zum Äußeren der Zelle hin freizulassen. Die oben erwähnte Ventilplatte weist zwei Kuppelabschnitte 2 auf, die in einer Kuppelgestalt in einer Richtung zur Außenseite der Zelle hin ausgebeult sind, wobei am Rand dieser Kuppelabschnitte 2 Bruchrillen 4 in einer solchen Art und Weise ausgebildet sind, dass sie um die Mitte des Sicherheitsventils 9 aneinander grenzen, um das Aufbrechen der Ventilplatte zu erleichtern. Das Sicherheitsventil 9 als Ganzes ist zwischen einer gedachten Ebene 18a, die bündig mit einer äußere Oberfläche 6a der oben erwähnten Versiegelungsplatte 6 ist, und einer gedachten Ebene 18b ausgebildet, die bündig mit einer inneren Oberfläche 6b der oben erwähnten Versiegelungslatte 6 ist.
Die nichtwässrige Elektrolytzelle, die den oben erwähnten Aufbau aufweist, wurde wie folgt gefertigt.
Zuerst wurden 90 Gewichtsprozent LiCoO₂ als ein aktives Material der positiven Elektrode, 5 Gewichtsprozent Ruß als ein Leitungsmittel, weitere 5 Gewichtsprozent von Polyvinylidenfluorid als ein Bindemittel und N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) als ein Lösemittel vermischt, um eine Paste herzustellen, die dann auf beiden Oberflächen einer Aluminiumfolie aufgetragen wurde, die als der Kollektor der positiven Elektrode wirkt. Dann wurde das Lösemittel getrocknet und mit einer Walze auf eine festgelegte Dicke gepresst und dann in eine festgelegte Breite und Länge geschnitten, um anschließend einen aus einer Aluminiumlegierung gefertigten Kollektordorn der positiven Elektrode anzuschweißen.
Gleichzeitig mit diesem Schritt wurden 95 Gewichtsprozent Graphitpulver als das aktive Material der negativen Elektrode, 5 Gewichtsprozent von Polyvinylidenfluorid als ein Bindemittel und eine NMP-Lösung als ein Lösemittel miteinander vermischt, um eine Paste herzustellen, die dann auf beiden Oberflächen einer Kupferfolie aufgetragen, die als ein Kollektor der negativen Elektrode wirkt. Dann wurde das Lösemittel getrocknet und durch eine Walze auf eine festgelegte Dicke gepresst und in eine festgelegte Breite und Länge geschnitten, um anschließend einen aus Nickel gefertigten Kollektordorn der negativen Elektrode anzuschweißen.
Als nächstes wurden die oben erwähnte positive und negative Elektrode mit einem Separator gewickelt, der aus einem aus Polyethylen gefertigten mikroporösem dünnen Film dazwischen ausgebildet ist, um ein flaches spiralförmiges Erzeugungselement 7 zu bilden, das in den Zellenbehälter 8 eingesetzt wurde.
Gleichzeitig mit diesen Schritten wurde andererseits ein Abschnitt einer dünnen Platte an einer festgelegten Position an der Versiegelungsplatte durch Schmieden (eine Art von Umformbearbeitung) ausgebildet und dann einem Prägeprozess (eine andere Art von Umformbearbeitung) unterworfen, um eine Bruchrille 4 auszubilden, um dadurch den Kuppelabschnitt 2 bereitzustellen, wodurch ein Sicherheitsventil 9 ausgebildet wurde, das in einem Stück mit der Versiegelungsplatte 6 geformt wurde. Dann wurden die Versiegelungsplatte 6, die Dichtung 1, die Isolationsplatte 12 und die Leitungsplatte 14 durch das Schichtungselement 16 geschichtet.
Dann wurden der Zellenbehälter 8 und die Versiegelungsplatte 6 miteinander laserverschweist, um einen Elektrolyten in den Zellenbehälter 8 einzufüllen und die Anschlusskappe 10 der negativen Elektrode am Schichtungselement 16 zu befestigen, wodurch die nichtwässrige Elektrolytzelle gefertigt wird.
Die auf diese Weise hergestellte Zelle wird im Folgenden als eine erfindungsgemäße Zelle A1 bezeichnet.
(Beispiel 2)
Dieses Beispiel ist das gleiche wie das oben erwähnte Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass nachdem die Versiegelungsplatte 6 mit dem daran ausgebildeten Sicherheitsventil 9 gefertigt wurde, das Sicherheitsventil ausgeglüht wurde.
Die auf diese Weise hergestellte Zelle wird im Folgenden als eine erfindungsgemäße Zelle A2 bezeichnet.
(Beispiel 3)
Dieses Beispiel ist das gleiche wie das oben erwähnte Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Bruchrille 4 zum Erleichtern des Aufbrechens der Ventilplatte am Rand lediglich eines der beiden Kuppelabschnitte ausgebildet wurde.
Die auf diese Weise hergestellte Zelle wird im Folgenden als eine erfindungsgemäße Zelle A3 bezeichnet.
(Vergleichsbeispiel 1)
Dieses Vergleichsbeispiel verwendete ein derartiges Ventil wie es in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 10-106524 beschrieben wird (siehe die 1 bis 4).
Die auf diese Weise hergestellte Zelle wird im Folgenden als eine Vergleichszelle X1 bezeichnet.
(Vergleichsbeispiel 2)
Dieses Vergleichsbeispiel verwendete ein derartiges Ventil wie es in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 11-250885 beschrieben wird (siehe die 5 und 6).
Die auf diese Weise hergestellte Zelle wird im Folgenden als eine Vergleichszelle X2 bezeichnet.
(Vergleichsbeispiel 3)
Dieses Vergleichsbeispiel verwendete ein derartiges Ventil wie es in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 11-273640 beschrieben wird (siehe die 7 und 8).
Die auf diese Weise hergestellte Zelle wird im Folgenden als eine Vergleichszelle X3 bezeichnet.
(Experiment 1)
Die oben erwähnten erfindungsgemäßen Zellen A1 und A2 und die Vergleichszellen X1 bis X3 wurden einem Thermoschocktest ausgesetzt, der aus 100 Wiederholungszyklen eines Thermoschocks besteht, wobei jeder der Zyklen sie eine Stunde lang bei 70°C und dann eine weitere Stunde lang bei –30°C belässt, um anschließend die Zahl der Fälle des Auslaufens des Elektrolyten festzustellen, nachdem sie mit eine Brenner erwärmt wurden, und einen Test der Betriebsdruckdifferenz, der eine Differenz von Zelle zu Zelle des Arbeitsdrucks des Sicherheitsventils feststellt, wobei die Ergebnisse davon in der unteren Tabelle angegeben sind.
Tabelle 1
Wie aus der obigen Tabelle 1 ersehen werden kann, zeigte die Vergleichszelle X1 ein Auslaufen des Elektrolyten beim Thermoschocktest und eine Zunahme der Betriebsdruckdifferenz beim Test der Betriebsdruckdifferenz, die Vergleichszelle X2 zeigte ein Platzen und ein Entzünden der Zelle beim thermischen Test und die Vergleichszelle X3 zeigte ein Auslaufen des Elektrolyten. Im Gegensatz zu diesen zeigten die erfindungsgemäßen Zellen A1 und A2 weder ein Auslaufen des Elektrolyten beim Thermoschocktest noch ein Platzen noch ein Entzünden beim thermische Test, aber sie zeigten sogar eine Abnahme bei der Betriebsdruckdifferenz beim Test der Betriebsdruckdifferenz.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäßen Zellen A1 und A2 bezüglich verschiedener Punkte der Leistung des Sicherheitsventils 9 verbessert sind, verglichen mit den Vergleichszellen X1 bis X3.
Bei der erfindungsgemäßen Zelle A2 ist jedoch festgestellt worden, dass sie eine geringere Betriebsdruckdifferenz beim Test der Betriebsdruckdifferenz aufweist als die erfindungsgemäße Zelle A1. Damit ist jedoch ersichtlich, dass das Sicherheitsventil vorzugsweise einem Ausglühprozess unterworfen werden sollte, um die Differenz des Betriebsdrucks zu vermindern.
(Experiment 2)
Der Thermoschocktest und der Test der Betriebsdruckdifferenz wurden an Sicherheitsventilen unter fast den gleichen Bedingungen wie beim obigen erwähnten Experiment 1 durchgeführt, die einen Unterschied in den Werten der Dicke aufweisen, wobei deren Ergebnisse in der Tabelle 2 angegeben werden. Man beachte hier, dass bei diesem Experiment 2 die Dicke der Versiegelungsplatte bei 1.0 mm gehalten wurde und dass das Sicherheitsventil 9 nicht ausgeglüht wurde.
Tabelle 2
Wie aus der obigen Tabelle 2 ersehen werden kann, zeigte ein Sicherheitsventil mit einer Dicke von 0.5 μm (was 0.05% der Dicke der Versiegelungsplatte entspricht) ein Auslaufen des Elektrolyten beim Thermoschocktest, während ein Sicherheitsventil mit einer Dicke von 150 μm (was 15.0% der Dicke der Versiegelungsplatte entspricht) eine Zunahme der Betriebsdruckdifferenz beim Test der Betriebsdruckdifferenz zeigte. Demgegenüber zeigten die Sicherheitsventile mit Werten für die Dicken von 1 bis 100 μm (was 0.1 bis 10.0% der Dicke der Versiegelungsplatte entspricht) kein Auslaufen des Elektrolyten beim Thermoschocktest und sogar eine verringerte Betriebsdruckdifferenz beim Test der Betriebsdruckdifferenz.
Diese Ergebnisse zeigen, dass das Sicherheitsventil vorzugsweise eine Dicke von 0.1 bis 10.0% der Dicke der Versiegelungsplatte aufweist.
(Experiment 3)
Der Test der Betriebsdruckdifferenz wurde an den oben erwähnten erfindungsgemäßen Zellen A1 und A3 unter den gleichen Bedingungen wie beim oben erwähnten Experiment 1 ausgeführt, wobei dessen Ergebnisse unten in der Tabelle 3 angegeben werden. Man beachte hier, dass die Dicke der Versiegelungsplatte bei 1.0 mm gehalten wurde.
Tabelle 3
Wie aus der Tabelle 3 ersehen werden kann, zeigten die erfindungsgemäße Zelle A1 mit der Bruchrille 4, die am Rand beider Kuppelabschnitte 2 ausgebildet ist, eine Verminderung der Betriebsdruckdifferenz, wohingegen die erfindungsgemäße Zelle A3 mit der Bruchrille 4, die am Rand lediglich eines der beiden Kuppelabschnitte 2 ausgebildet ist, eine Zunahme der Betriebsdruckdifferenz zeigte.
Deshalb kann gesehen werden, dass die Bruchrille 4 vorzugsweise am Rand beide Kuppelabschnitte 2 ausgebildet sein sollte.
(zweites Ausführungsbeispiel)
Wie es in 13 gezeigt ist, hat dieses Ausführungsbeispiel den gleichen Aufbau wie das oben beschriebene erste Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, wie es in 13 gezeigt ist, dass zwei Bruchhilfsrillen 19 an Stellen (d. h. jene, die von den Kuppelabschnitten 2 abgetrennt sind) ausgebildet sind, bei denen die Bruchrille 4 nicht nahe dem Rand des Sicherheitsventils 9 ausgebildet ist.
Solch ein Aufbau hat die folgenden Wirkungen.
Das heißt, wenn die oben erwähnte Bruchrille 19 nicht ausgebildet ist, wie es in 16 gezeigt ist, weisen die Stellen (schraffierte Flächen in 16), die von den Kuppelabschnitten 2 abgetrennt sind, eine größere Biegefestigkeit auf, so dass, wenn der Innendruck der Zelle zunimmt, eine Verlagerung 52 (ein Durchbiegen des Sicherheitsventils 9) nahe der Kuppelabschnitte 2 zunimmt. Deshalb ist eine kleine Zunahme des Innendrucks für einen stabilen Betrieb nicht ausreichend, insbesondere für dünne Zellen (d. h. eine Zelle mit einem kleinen Sicherheitsventil 9). Des Weiteren ist die Toleranz für die Dicke der Bruchrille bei der Herstellung des Sicherheitsventils 9 zwingend, so dass die Qualitätskontrolle und das Einstellen der Metallform erschwert wird, wodurch die Produktivität vermindert wird.
Im Gegensatz dazu, wenn die zwei Bruchhilfsrillen 19 ausgebildet sind, wie es in 13 gezeigt ist, weisen die Stellen (d. h. diejenigen in 13, die den schraffierten Flächen von 16 entsprechen), die von den Kuppelabschnitten 2 abgetrennt sind, eine geringere Biegefestigkeit auf, so dass, wie es in den 14 und 15 gezeigt ist, wenn der Innendruck der Zelle zunimmt, eine Verlagerung 51 nahe der Kuppelabschnitte 2 zunimmt. Insbesondere für eine Zelle mit einem kleinen Sicherheitsventil 9 genügt deshalb sogar eine kleine Zunahme des Innendrucks für einen stabilen Betrieb. Des Weiteren kann die Toleranz für die Dicke der Bruchrillen 3 und 4 bei der Herstellung de Sicherheitsventils 9 nachsichtig behandelt werden, um die Qualitätskontrolle und das Einstellen der Metallform zu erleichtern, wodurch die Produktivität verbessert wird.
Die Bruchhilfsrillen 19 sind jedoch nicht auf einen solchen Aufbau beschränkt, der zwei Kuppelabschnitte 2 aufweist, sondern er kann drei Kuppelabschnitte 2 oder, wie es in 19 gezeigt ist, drei oder mehrere Kuppelabschnitte aufweisen. Sie können auch, wie es in 19 gezeigt ist, lediglich einen Kuppelabschnitt 2 aufweisen. In diesem Fall sind die Bruchhilfsrillen 19 auch an einer Stelle ausgebildet, wo die Bruchrille 4 nicht nahe dem Rand des Sicherheitsventils 9 ausgebildet ist.
(Andere Stücke)
Obwohl die oben erwähnten beiden Ausführungsbeispiele eine Ellipse als die Gestalt des Sicherheitsventils in der Ebene und einen regelmäßigen Kreis als die Gestalt der Kuppelabschnitte 2 in der Ebene verwenden, sind diese nicht beschränkt. Beispielsweise kann die Gestalt des Sicherheitsventils 9 in der Ebene, wie es in den 20 und 21 gezeigt ist, ein regelmäßiger Kreis und ein Viereck sein und die Kuppelabschnitte 2 können elliptisch sein oder, wie es in der 22 gezeigt ist, können beide elliptisch sein, obwohl die Gestalt des Sicherheitsventils 9 in der Ebene elliptisch ist, so dass sie über die Bruchrille 3 miteinander verbunden sind.
Auch dieser Aufbau ist nicht beschränkt, obwohl das Sicherheitsventil 9 und die Versiegelungsplatte 6 in einem Stück geformt sind, so dass das Gerüst 1 und die Ventilplatte des Sicherheitsventils 9, wie es in 23 gezeigt ist, miteinander vereint sein, so dass das Gerüst 1 und die Versiegelungsplatte 6 beim Aufbau durch Verwendung von Laserschweißen miteinander befestigt werden können.
Des Weiteren ist die Dicke der Ventilplatte des Sicherheitsventils 9 nicht auf 5.0% der Dicke der Versiegelungsplatte 6 beschränkt, sondern kann sich im Bereich von 0.1 bis 10% bewegen, um gute Ergebnisse zu erzielen.
Zusätzlich sind die Materialien der Versiegelungsplatte 6 und des Sicherheitsventils 9 nicht auf Aluminiumlegierung beschränkt, sondern können reines Aluminium sein, während die vorliegende Erfindung in der Anwendung natürlich nicht auf die oben erwähnten nichtwässrigen Elektrolytzellen beschränkt ist, sondern auf solche Zellen, die anfällige Materialien wie Aluminium etc. für die Versiegelungsplatte 6 oder das Sicherheitsventil 9 verwenden.
Wenn die vorliegende Erfindung auf die oben erwähnten nichtwässrigen Elektrolytzellen angewendet wird, können jedoch als die Materialien der positiven Elektrode solche Substanzen verwendet werden, wie neben dem oben erwähnten LiCoO₂ beispielsweise LiNiO₂, LiMn₂O₄ oder deren Mischsubtanzen, wie etwa Mischoxide, die Lithium enthalten, während als die Materialien der negativen Elektrode passender Weise solche Substanzen verwendet werden können, wie neben den oben erwähnten Kohlenstoffmaterialien Lithiummetalle, Lithiumlegierungen oder Metalloxide (Zinnoxide etc.). Des Weiteren ist das Lösemittel des Elektrolyten nicht auf die oben erwähnten Substanzen beschränkt, sondern es kann eine Mischung sein, die durch Vermischen in einem passenden Verhältnis solch einer Lösung erhalten wurde, die eine relativ hohe Dielektrzitätskonstante aufweist, wie Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Vinylencarbonat, oder γ-Butyrolacton, und solche Lösungen, die eine niedrige Viskosität und einen niedrigen Siedepunkt aufweisen, wie Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Methylethylcarbonat, Tetrahydrofuran, 1,2-Dimethoxyethan, 1,3-Dioxolan, 2-Methoxytetrahydrofuran, oder Dimethylether. Der Elektrolyt der Zelle kann neben dem oben erwähnten LiPF₆ auch LiAsF₆, LiClO₄,, LiBF₄, LiCF₃SO₃ etc. sein.

Claims

Zellen-Sicherheitsventil (9), das eine dünne Ventilplatte umfasst, die an einer plattenförmigen Versiegelungsplatte (6) zum Versiegeln einer Zelle ausgebildet ist, wobei die Ventilplatte bricht, wenn der Innendruck der Zelle einen vorbestimmten Wert übersteigt, so dass ein Gas in der Zelle aus der Zelle freigelassen wird, wobei: die Ventilplatte wenigstens einen kuppelförmigen Kuppelabschnitt (2) besitzt; und eine Bruchrille (4) am Rand des wenigstens einen Kuppelabschnitts ausgebildet ist, um das Brechen der Ventilplatte zu erleichtern, wobei ein Teil der Bruchrille in der Mitte der Ventilplatte oder nahe deren Mitte angeordnet ist.
Zellen-Sicherheitsventil (9), das eine dünne Ventilplatte umfasst, die an einer plattenförmigen Versiegelungsplatte (6) zum Versiegeln einer Zelle ausgebildet ist, wobei die Ventilplatte bricht, wenn der Innendruck der Zelle einen vorbestimmten Wert übersteigt, so dass ein Gas in der Zelle aus der Zelle freigelassen wird, wobei: die Ventilplatte wenigstens einen kuppelförmigen Kuppelabschnitt (2) besitzt; und eine Bruchrille (4) in der Mitte der Ventilplatte oder nahe deren Mitte, aber außerhalb des Kuppelabschnitts ausgebildet ist, um das Brechen der Ventilplatte zu erleichtern.
Zellen-Sicherheitsventil (9) nach Anspruch 2, wobei die Bruchrille (4) am Rand des wenigstens einen Kuppelabschnitts (2) ausgebildet ist.
Zellen-Sicherheitsventil (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ventilplatte als Ganzes zwischen einer imaginären Ebene (18a), die bündig mit der äußeren Oberfläche (6a) der Versiegelungsplatte (6) ist, und einer imaginären Ebene (18b) angeordnet ist, die bündig mit der inneren Oberfläche (6b) der Versiegelungsplatte (6) ist.
Zellen-Sicherheitsventil (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der Kuppelabschnitt (2) in einer Richtung zur Außenseite der Zelle hin ausbeult, um eine Kuppelgestalt auszubilden.
Zellen-Sicherheitsventil (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der Ventilplatte auf 0.1 bis 10% der Dicke der Versiegelungsplatte eingestellt wird.
Zellen-Sicherheitsventil (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ebene Gestalt der Ventilplatte eine regelmäßiger Kreis, eine Ellipse oder ein Viereck ist.
Zellen-Sicherheitsventil (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ventilplatte und die Versiegelungsplatte in einem Stück geformt werden.
Zellen-Sicherheitsventil (9) nach Anspruch 1, wobei neben der Bruchrille eine Bruchhilfsrille (19) nahe dem Rand der Ventilplatte ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Zellen-Sicherheitsventils, den Schritt des Formens einer dünnen Ventilplatte durch Umform-Verarbeitung umfassend, welche mit wenigstens einem kuppelförmigen Kuppelabschnitt (2) an einer plattenförmigen Versiegelungsplatte (6) zum Versiegeln der Zelle versehen ist und eine Bruchrille (4) besitzt, die ausgebildet wurde, um das Brechen der Ventilplatte am Rand des wenigstens einen Kuppelabschnitts (2) zu erleichtern, wobei ein Teil der Bruchrille (4) in der Mitte der Ventilplatte oder nahe deren Mitte angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Zellen-Sicherheitsventils, den Schritt des Formens einer dünnen Ventilplatte durch Umform-Verarbeitung umfassend, welche mit einem kuppelförmigen Kuppelabschnitt (2) an einer plattenförmigen Versiegelungsplatte (6) zum Versiegeln der Zelle versehen ist und eine Bruchrille (4) besitzt, die ausgebildet wurde, um das Brechen der Ventilplatte in der Mitte der Ventilplatte oder nahe deren Mitte, aber außerhalb des Kuppelabschnitts (2) zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei während des Schritts des Formens der Ventilplatte die Bruchrille (4) am Rand des wenigstens einen Kuppelabschnitts (2) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei während des Schritts des Formens der Ventilplatte die Ventilplatte zwischen einer imaginären Ebene (18a), die bündig mit der äußeren Oberfläche (6a) der Versiegelungsplatte (6) ist, und einer imaginären Ebene (18b) ausgebildet wird, die bündig mit der inneren Oberfläche (6b) der Versiegelungsplatte (6) ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei während des Schritts des Formens der Ventilplatte der Kuppelabschnitt (2) so ausgebildet wird, dass er sich in einer Richtung zur Außenseite der Zelle hin ausbeult.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei während des Schritts des Formens der Ventilplatte neben der Bruchrille (4) eine Bruchhilfsrille (19) nahe dem Rand der Ventilplatte ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, das darüber hinaus den Schritt des Ausglühens der Ventilplatte nach dem Schritt des Formens der Ventilplatte umfasst.