DE69403930T2

DE69403930T2 - Durchlochte Batterie

Info

Publication number: DE69403930T2
Application number: DE69403930T
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Sugeno; Kazunori Teramoto
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-04-15
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2014-04-15
Also published as: CA2121225C; DE69403930D1; JPH06349460A; US5501916A; EP0620610B1; EP0620610A1; CA2121225A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Batterie entsprechend des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Als Beispiel einer solchen herkömmlichen Batterie ist in der US-A-4,262,064 (oder der FR-A-53 670) eine Batterie mit einem durchgehenden Loch offenbart.
Batterien dieser Art speichern Wärme und ihre Temperatur steigt aufgrund der Reaktionswärme der Elektroden an. Diese entsteht durch das Aufladen/Entladen und die Joul'sche Wärme aufgrund des durch die Elektroden oder die Stromkollektoren fließenden Stroms.
Diese Erscheinung verursacht bei großen Batterien Probleme. Zur Bekämpfung eines solchen pHänomens kann der Fluß einer Kühlflüssigkeit durch das durchgehende Loch der Batterie oder durch einen Kühlflüssigkeitskanal (EP-A-0 044 753) vorgesehen werden. Jedoch nimmt die Energiedichte der gesamten elektrischen Quelle durch das Hinzufügen des Kühlsystems aufgrund des damit verbundenen Anstiegs des Volumens oder des Gewichts ab.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Batterie anzugeben, bei der das Problem des Temperaturanstiegs ohne eine Verringerung der Energiedichte oder der mechanischen Festigkeit überwunden wird.
Zur Lösung der obigen Aufgabe offenbart die Erfindung eine Batterie mit einem durchgehenden Loch in einem Mittelbereich des Batteriehauptkörpers, das durch den Batteriehauptkörper hindurch verläuft und zur Außenseite hin geöffnet ist, bei der in dem durchgehenden Loch mindestens eine dünne Metallplatte eingefügt und gesichert ist.
Nach der Erfindung ist nur das durchgehende Loch und wenigstens eine dünne Metallplatte, die in das durchgehende Loch eingefügt und gesichert ist, als Mittel zur Dissipation der Wärme ausgebildet, während eine komplexe Kühleinrichtung zur Wärmeabstrahlung nicht notwendig ist. Demzufolge wird die Energiedichte aufgrund des Gewlchts oder der Kapaztät der Kühleinrichtung nicht abgesenkt. Auch kann der Oberflächenbereich der Batterie beibehalten werden, ohne eine planare oder verlängerte Form der Batterie vorzusehen, wodurch sich die Batterie selbst nicht hinsichtlich Ihrer Festigkeit verschlechtert.
Weiter kann die Wärmeabstrahlung durch das Ausbilden von Kühlrippen zur Wärmeabstrahlung um das Öffnungsende des durchgehenden Lochs weiter verbessert werden, wodurch die während der Ladung/Entladung mit einem großen Strom erzeugte Wärme effizient abgeleitet werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer säulenförmigen Batterie nach der Erfindung, die aber die dünnen Metallplatten in dem durchgehenden Loch nicht zeigt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Inneren Aufbaus der in der Fig. 1 gezeigten säulenförmigen Batterie während des Herstellungsverfahrens.
Fig. 3 zeigt eine Aufsicht des Zustandes, in dem eine dünne Metallplatte in einem durchgehenden Loch eingefügt ist.
Fig. 4 zeigt eine Aufsicht des Zustandes, in dem zwei dünne Metallplatten in einem durchgehenden Loch eingefügt sind.
Fig. 5 zeigt eine Aufsicht des Zustandes, in dem vier dünne Metallplatten in einem durchgehenden Loch eingefügt sind.
Fig. 6 zeigt eine Aufsicht des Zustandes, in dem sechs dünne Metallplaten in einem durchgehenden Loch eingefügt sind.
Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht einer Dichtungsplatte mit einer Kühlrippe zur Wärmeableitung.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Batterie der Erfindung enthält ein durchgehendes Loch in der Mitte des Batteriehauptkörpers, das zur Außenseite hin geöffnet ist.
Im Besonderen ist das durchgehende Loch durch das Winden einer streifenförmigen positiven Elektrode und einer strelfenförmigen negativen Elektrode mit einer bestimmter Anzahl um einen zylinderischen Kern und das Einbauen der spiralförmigen Elektrode in einen Batterbehälter mit einer solchen Öffnung in der Mitte gebildet, daß eine Öffnung des zylindrischen Kerns im wesentlichen mit der mittleren Öffnung des Batteriebehälters zusammenfällt. Dabei liegt zwischen der positiven und der nagtiven Elektrode ein Trennglied, um eine spiralförmige Elektrode zu bilden
Bei der Batterie mit dem zuvor beschriebenen Aufbau kann der zylindrische Kern aus einem elektrischen Leiter gebildet sein und elektrisch gegen den Batteriebehälter isoliert sein, während er elektrisch mit der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode der spiralförmigen Elektrode verbunden ist, um als Batterieelektrode verwendet zu werden. Ähnlich kann der Batteriebehälter als entgegengesetzt gepolte Batterleelektrode verwendet werden.
In das durchgehende Loch sind eine oder mehrere dünne Metallplatten eingefügt und darin gesichert. Weiter können zusätzlich radiale Kühlkörper zur Wärmeableltung um das Öffnungsende des durchgehenden Lochs gebildet werden, um die Wärmeableltungseigenschaften weiter zu verbessern (siehe Fig. 3 bis 7).
Die Erfindung kann mit jeglichen Batterietypen verwendet werden. Jedoch wird sie vorzugsweise bei einer sekundären nicht wasserhaltigen Elektrolytbatterie eingesetzt.
Eine große sekundäre nicht wasserhaltige Elektrolytbatterie muß die Ladung/ Entladung mit einem großen Strom aushalten. Zum Beispiel ist eine sekundäre Llthlumbatterie mit einem nlchtwasserhaltlgen Lösungsmittel so aufgebaut, daß sie aufgrund verschiedener Verbesserungen große Ströme aushält, da die elektrische Leitfähigkeit des flüssigen Elektrolyts im Vergleich mit dem der wasserhaltigen Lösung extrem niedrig ist. Es wird Jedoch befürchtet, daß unter den Bedingungen einer Ladung/Aufladung mit größerem Strom beträchtliche Wärmemengen erzeugt werden können.
Im Besonderen ist die Ladung/Entladung der Batterie mit wasserhaltiger Lösung nur unter der Bedingung von 2 Cº bis 10 ºC möglich, wohingegen die verbesserte Lithiumbatterle nur unter der Bedingung von 2 ºC oder weniger verwendet werden kann. Wird die letzte Bedingung nicht berücksichtigt, so fällt die Spannung durch den Innenwiderstand so ab und die Wärmeerzeugung wird so stark, daß die gewünschte Batterleleistung nicht mehr aufrechterhalten werden kann.
Demzufolge ist es möglich, die Ladung/Entladung mit einem großen Strom zu ermöglichen, indem die Erfindung bei sekundären nichtwasserhaltigen Elektrolytbatterien eingesetzt wird.
Die sekundäre nichtwasserhaltige Elektrolytbatterie kann in Jeder gewünschten Weise aufgebaut sein. Zum Beispiel kann als Material für die aktive positive Elek- trode LiMIxMII1-xO&sub2; verwendet werden, wobei MI und MII jeweils ein aus der Gruppe Co, NI, Mn, Fe, Cr und V ausgewähltes Metall darstellen, während als Material für die aktive negative Elektrode ein Kohlenstoffmaterial verwendet werden kann, das Li dotieren und entdotleren kann. Zusätzlich können TiS&sub2;, MoS&sub2;, V&sub2;O&sub5; oder V&sub3;O&sub6; als Material für die aktive positive Elektrode verwendet werden, während Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung als aktives negatives Material eingesetzt werden kann. Weiter können als Material für die aktive positive Elektrode und als Material für die aktive negative Elektrode jeweils Schwefel und Natrium eingesetzt werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNSFORMEN

In bezug auf die Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer säulenförmigen Batterie der derzeitigen Ausführungsform Die Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des inneren Aufbaus der in der Fig. 1 gezeigten säulenförmigen Batterie.
In bezug auf die Fig. 1 und 2 wird der Aufbau einer Batterie nach der derzeitigen Ausführungsform erläutert.
Eine Batterie 1 nach der derzeitigen Ausführungsform weist eine durchgehendes Loch 2 in der Mitte auf, das zu der oberen und der unteren Oberfläche der Batterie geöffnet ist, wie es in der perspektivischen Darstellung der Fig. 1 dargestellt ist.
Die Batterie 1 besteht aus einem unteren negativen Elektrodengehäuse 3A, einem oberen negativen Elektrodengehäuse 3B, einem zylinderförmigen positiven Elektrodenkern 4 und einer spiralförmigen Elektrode 5 mit positiven und negativen Elektroden.
In bezug auf die Fig. 2 wird anschließend der innere Aufbau der Batterie 1 im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung der Batterie beschrieben.
In der Fig. 2 ist eine Batteriehälfte durch ein Referenzzeichen 1A angezeigt. Das untere negative Elektrodengehäuse 3A ist als Schale mit einer kreisförmigen Öffnung 6 Im Mittelbereich der Unterseite ausgebildet. Das obere negative Elektrodengehäuse 3B ist plan und hat eine kreisförmige Öffnung 11 in der Mitte, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist.
Der zylinderförmige positive Elektrodenkern 4 Ist geringfügig länger als die Tiefe des unteren negativen Elektrodengehäuses 3A und ist mit einem oberen Flansch 4A und einem unteren Flansch 4B versehen. Eine Mutterschraube 4C mit einer ungefähren Länge von 5 mm ist beginnend von dem Öffnungsende des inneren Umfangs des zylinderförmigen positiven Elektrodenkerns 4 des Flansches 4A mit einem Gewinde versehen.
Die spiralförmige Elektrode 5 ist gebildet, indem streifenförmige positive und negative Elektroden mit einem dazwischenliegenden Trennglied oft um den Umfang des zylinderförmigen positiven Elektrodenkerns 4 gewickelt werden, so daß sich die positive und die negative Elektrode einander mit dem dazwischenliegenden Trennglied gegenüberstehen.
Beim Zusammenbauen der aus den zuvor erwähnten Komponenten bestehenden Batteriehälfte 1A wird ein unterer Isolator 8 auf die Unterseite des unteren negativen Elektrodengehäuses 3A gesetzt.
Weiterhin wird in dem in der Fig. 2 gezeigten Zustand ein Draht 7 für die positive Elektrode an die spiralförmige Elektrode 5 angeschweißt. Die spiralförmige Elektrode 5 wird so an dem unteren negativen Elektrodengehäuse 3A befestigt, indem der Flansch 4B des mittig angeordneten zylinderförmigen positiven Elektrodenkerns 4 so in die Öffnung 6 des unteren negativen Elektrodengehäuses 3A eingepaßt wird, daß der Flansch 4B über die Unterseite des unteren negativen Elektrodengehäuses 3A nach unten hervorsteht. Der unten hervorstehende Flansch 4B wird mittels einer unteren Dichtung 9, die in der Fig. 2 bei P gezeigt ist, in die Öffnung 6 dichtgestemmt, um die eine Seite der Batteriehälfte abzudichten. Anschließend wird eine negative Elektrode mittels eines Drahtes 10 für die negative Elektrode an dem inneren Umfang des unteren negativen Elektrodengehäuses 3A angeschweißt.
Nachdem in das Innere des unteren negativen Elektroengehäuses 3A ein flüssiges Elektrolyt eingefüllt wurde, wird auf dem Gehäuse 3A ein oberer Isolator 12 angeordnet. Das obere negative Elektrodengehäuse 38 wird so auf dem oberen Isolator 12 plaziert, daß das obere Ende des zylinderförmigen positiven Elektrodenkerns 4 über eine Öffnung 11 des oberen negativen Elektrodengehäuses 38 hervorsteht. Das obere negative Elektrodengehäuse 38 und das untere negative Elekrodengehäuse 3A werden miteinander entlang ihrer äußeren Umfangsoberflächen verbunden. Schließlich wird der oben hervorstehende Flansch 4A des zylinderförmigen Elektrodenkerns 4 mit der Öffnung 11 des unteren negativen Elektrodengehäuses 38 dichtgepreßt, in der Fig. 2 bei Q, um die Abdichtung zu vervollständigen.
Im Unterschied zu einer herkömmlichen säulenförmigen Batterie weist die Batterie dieser Ausführungsform das zylindrische durchgehende Loch 2 auf, wodurch sie die gleiche Form wie ein Zylinder aufweist.
Um eine Probe 1 herzustellen, wurde eine Alumlniumplatte 61, die 1 mm dick, 16 mm breit und 200 mm lang ist, innerhalb des aufgewundenen Batteriekerns 4B befestigt, wie es in der Fig. 3 gezeigt ist.
Um Proben 2, 3 und 4 herzustellen, wurden zusätzlich zu der Aluminiumplatte 61 zwei, vier und sechs Aluminiumplatten 62, die jweils 1 mm dick, 7 mm breit und 200 mm lang sind, radial mit gleichen Winkelabständen befestigt, wie es in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt ist.
Als Vergleichsbeispiel 1 wurde eine Batterie hergestellt, bei der die Innenseite des aufgewundenen Batteriekerns 4B leer verblieb.
Diese Batterien wurden für den ersten Betrieb mit einem Strom von 5 A auf eine obere Spannung von 4,2 V aufgeladen und mit dem Strom von 10 A auf 2,5 V entladen. Vom zweiten Betrieb an wurde der Strom von 10 A verwendet und ein Zyklus einer vierstündigen Ladung mit der oberen Grenzspannung von 4,2 V und Entladung auf 2,5 V mit dem Strom von 10 A wurde 10 Mal wiederholt. Jetzt wurden die Batteriekapazät während der Entladung und die Temperatur innerhalb des aufgewundenen Batteriekerns 4B gemessen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 gezeigt. TABELLE 3
Anschließend wurden die Batterien mit dem Strom von 10 A für vier Stunden mit der oberen Grenzspannung von 4,2 V geladen und mit dem Strom von 50 A bis auf 2,5 V entladen. Jetzt wurden die Batteriekapazität während der Entladung und die Temperatur innerhalb des aufgewundenen Batteriekerns 4B gemessen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 4 gezeigt. TABELLE 4
Es kann aus den obigen Ergebnissen erkannt werden, daß es bei dem Einsatz eines hohl aufgewundenen Kerns in einer sekundären großen zylindrischen nichtwasserhaltigen Elektrolytbatterie effektiv ist, eine oder mehr dünne Wärmeableitungsplatten Innerhalb des Inneren des Kerns zu haben, um die Wärme bei Ladungen/Entladungen mit großem Strom effektiv abzuleiten.
Ein Teil der zuvor aufgeführten Ausführungsformen stellen die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, beispielhaft dar. Das folgende Beispiel demonstriert, wie eine Abdlchtplatte mit radialen Kühlrippen zur Wärmeableitung vorteilhaft zur Verbesserung der Wärmeableitung und Reduzierung der In der Batterie gespeicherten Wärme eingesetzt werden kann.
Die in diesem Beispiel verwendete Batterie hat den gleichen Aufbau wie die Batterie des vorigen Beispiels. Jedoch wurde eine Abdichtplatte mit Kühlrippen zur Wärmeableitung als Batteriedeckel verwendet, anstelle eine oder mehrere dünne Wärmeableitungsplatten innerhalb des Zylinders zu befestigen.
Eine z.B. aus Aluminium gebildete Abdichtplatte 71 enthält einen plattenförmigen Deckel 72, der als Batteriedeckel dient, eine Mittelöffnung 73, durch die der aufgewundene Batteriekern 4B verläuft und Kühlrippen 74 zur Wärmeabstrahlung, die radial um die Mittelöffnung 73 als Mitte angeordnet sind, wie es in der Fig. 7 gezeigt ist. Die Kühlrippen 74 zur Wärmeabstrahlung sind in der Mitte höher und werden zum Außenumfang hin niedriger.
In diesem Beispiel wurde anstelle des Batteriedeckels 47 die Abdichtplatte 71 mit einer Kopfschraube gesichert. Es wurden jeweils vier, sechs, acht und zwölf Kühlrippen 74 zur Hitzeverteilung eingesetzt.
Die Kühlrippen zur Hitzeverteilung der Abdichtplatte bieten den zusätzlichen Vorteil, daß sie als Verbindungspunkte zum Anschweißen von Drähten zur Verbindung der Batterie verwendet werden können. Werden mehrere der zuvor beschriebenen Batterien als Batteriesatz verwendet, bedeutet die Tatsache, daß die Kühlrippen zur Wärmeverteilung der Abdichtplatte als Struktur zur elektrischen Verbindung verwendet werden kann, daß die elektrische Verbindung der Batterien und das Unterdrücken der Hitzeentwicklung in den Batterien vereinfacht gleichzeitig realisiert werden kann. So können die Eigenschaften von den Batterien anhängender Steuerausrüstung durch die Unterdrückung einer beschleunigten Zerstörung der Lebensdauer der Batterie vor Verschlechterung bewahrt werden.
Wie aus der vorigen Beschreibung entnommen werden kann, hat die Batterie dieser Erfindung viele Vorteile, wie eine hervorragende Wärmeverteilung oder hohe Festigkeit und Energiedichte.
Vor allem kann durch das Vorsehen von dünnen Metallplatten im Inneren des durchgehenden Lochs eine Wärmeverteilung bei dem Laden und Entladen mit einem hohen Strom schnell erreicht werden, während die Herstellungsvorrichtung hinsichtlich ihres Gewlchts reduziert werden kann, da in der Vorrichtung kein separates Kühlsystem nötig ist.

Claims

1, Batterie (1) mit einem durchgehenden Loch (2) in einem Mittelbereich des Batteriehauptkörpers, das durch den Batteriehauptkörper hindurch verläuft und zur Außenseite hin geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem durchgehenden Loch (2) mindestens eine dünne Metallplatte (61, 62) eingefügt und gesichert ist.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wand des durchgehenden Lochs (2) als eine der Elektroden eingesetzt wird.

3. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitender Ring an die Innere Wand des geöffneten Endes des durchgehenden Lochs (2) angeschlossen ist, um eine elektrische Verbindung nach außen zu schaffen.

4. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Batterkörper enthält:

einen Batteriebehälter mit einer Öffnung im Mittelbereich, die das durchgehende Loch (2) bildet, und

eine spiralförmige Elektrode, die aus einer streifenförmigen positiven Elektrode und einer streifenförmigen negativen Elektrode besteht, die mit einem zwischen ihnen liegenden Trennglied einige Mal über einen Zylinder gewunden wurden, wobei die spiralförmige Elektrode so in den Batteriebehälter eingebaut ist, daß eine Öffnung des Zylinders im wesentlichen mit der in der Mitte vorhandenen Öffnung zusammenfällt, wobei der Batterbehälter abgedichtet wird, nachdem er mit einem flüssigen Elektrolyt aufgeladen wurde.

5. Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und elektrisch gegen den Batteriebehälter isoliert ist, wobei entweder die positive Elektrode oder die negative Elektrode der spiralförmigen Elektrode elektrisch mit dem Zylinder verbunden ist.

6. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Batterlebehälter zylinderförmig ist und sein offenes Ende mit einer Dichtungsplatte (47; 71) abgedichtet ist, und daß die andere Elektrode der spiralförmigen Elektrode elektrisch mit dem Batteriebehälter verbunden ist.