DE69636345T2

DE69636345T2 - Nichtwässrige batterie

Info

Publication number: DE69636345T2
Application number: DE69636345T
Authority: DE
Inventors: Masaya Machida-shi YAMASHITA
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2016-01-26
Also published as: US5925482A; CN1176023A; EP0872909A4; CN1148827C; EP0872909B1; CA2211615A1; DE69636345D1; EP0872909A1; WO1996023324A1; CA2211615C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine nichtwässrige Batterie. Insbesondere bezieht sie sich auf eine nichtwässrige Batterie, die eine spezielle Struktur aufweist, um Sicherheit zu gewährleisten.
Stand der Technik
"JP-05-314969 offenbart ein Verfahren der Herstellung einer Elektrolyt-Batterie, in der ein Stromkollektor der positiven Elektrode und ein aktives Material der positiven Elektrode auf einer Harzfolie vom Streifentyp übereinander geschichtet sind, wodurch ein Muster gebildet wird. Dann werden ein Teil des Kollektors und des aktiven Materials gleichzeitig entfernt oder ausgeschnitten, indem ein Laserstrahl eingestrahlt wird. Das Muster bildet eine positive Elektrodenplatte, die einen Stromkollektorbereich, einen großen Stromabschaltbereich und einen elektrochemischen Reaktionsbereich aufweist".
"USP-5,443,925 offenbart, dass die nichtwässrige Elektrolytbatterie dieser Erfindung mit einer spiralförmigen Elektrodeneinheit versehen wird, umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Separator, einen nichtwässrigen Elektrolyten und ein äußeres Gehäuse. Die Batteriespannung ist größer als oder gleich 3,5 V und geringer als oder gleich 5,0 V. Das Material des Stützgliedes der positiven Elektrode und des äußeren Gehäuses ist Aluminium. Wenigstens ein Teil des Materials des Stützgliedes der positiven Elektrode der äußersten Wicklung der spiralförmigen Elektrodeneinheit ist freigelegt. Dieses freigelegte Material des Stützgliedes der positiven Elektrode steht mechanisch und elektrisch mit dem äußeren Gehäuse in Kontakt".
Sekundäre Lithiumion-Batterien unter Verwendung einer nichtwässrigen Elektrolytlösung wurden vor kurzem als Stromquelle tragbarer elektronischer Geräte eingeführt, und zwar wegen ihrer hohen Spannung, hohen Kapazität, hohen Leistungsabgabe und ihres geringen Gewichts. Die sekundäre Lithiumion-Batterie weist im Allgemeinen ein Laminat von Elektrodenplatten auf, die durch Aufwickeln einer positiven Platte und einer negativen Platte in einer Spiralform über einer porösen Harz-Membran, die feine Poren hat und als Separator fungiert, hergestellt werden. Das Laminat von Elektrodenplatten ist in einem zylindrischen Batteriegehäuse aus Edelstahl angeordnet, das als negative Elektrode fungiert. Die positive Platte ist eine Aluminiumfolien-Kollektorplatte, auf der ein aktives Material der positiven Elektrode aufgetragen ist, das ein Lithium-enthaltendes Mischoxid (z.B. LiCoO₂) enthält. Die negative Elektrode ist eine Kupferfolien-Kollektorplatte, auf die ein aktives Material der negativen Elektrode, das Kohlenstoff enthält, aufgetragen ist.
Im Handel erhältliche sekundäre Lithiumion-Batterien schließen ein Laminat von Elektrodenplatten ein, die eine Struktur haben können, die erhalten wird, indem man eine positive Platte mit Filmen von aktivem Material, die auf beide Flächen einer Aluminiumfolie aufgetragen sind, eine negative Platte mit Filmen von aktivem Material auf beiden Flächen einer Kupferfolie und zwei Separatoren in der Reihenfolge negative Platte, ein Separator, positive Platte und der andere Separator übereinander legt, und die Schichten in einer Spiralform aufwickelt, um die negative Platte als äußere Schicht anzuordnen. Das Laminat von Elektrodenplatten kann alternativ dazu eine Struktur haben, die erhalten wird, indem man eine negative Platte mit Filmen von aktivem Material auf beiden Flächen einer Kupferfolie, einen Separator, zwei positive Platten mit einem Film von aktivem Material auf jeder Fläche der Aluminiumfolien (wobei zwei Aluminiumfolien übereinander gelegt sind, um die Filme von aktivem Material zur Außenseite hin freizulegen) und den anderen Separator in dieser Reihenfolge übereinander legt, und die Schichten in einer Spiralform aufwickelt, um die negative Platte als äußere Schicht anzuordnen.
Solche sekundären Lithiumion-Batterien haben herkömmlicherweise ein Sicherheitsventil, eine Temperatursicherung, ein PTC-Element und dergleichen, um die Sicherheit in dem Falle zu gewährleisten, dass eine Anomalität des Stromkreises oder eine falsche Verwendung einen Kurzschluss der positiven Elektrode und der negativen Elektrode in der Batterie verursacht und dadurch die Innentemperatur der Batterie ansteigt. Eine weitere Sicherheitsmaßnahme ist notwendig, um für eine Vielfalt von Arbeitsumgebungen und unerwarteten Unfällen Vorsorge zu treffen.
Eine abrupte Zunahme der Innentemperatur wird zuweilen beobachtet; z.B. in dem Fall, dass ein scharfes leitfähiges Teil, wie ein Nagel in einem Überladungszustand in das Batteriegehäuse eindringt, in dem Fall, dass eine anomale Wärme von außen an die Batterie angelegt wird, oder in dem Fall, dass die Batterie in der Stapelrichtung des Laminats der Elektrodenplatten gequetscht wird.
In diesen Fällen erfolgt offensichtlich ein Kurzschluss zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode in der Batterie. Der Grund der abrupten Zunahme der Innentemperatur wurde bisher jedoch nicht aufgeklärt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben den Grund für dieses Phänomen gefunden und vervollständigten die Erfindung.
In dem Fall, dass ein Nagel oder ein anderes scharfes leitfähiges Teil in die Batterie eindringt, wird die Spitze des Nagels eine negative Elektrode, wenn dasselbe das Batteriegehäuse durchdringt, das als negative Elektrode fungiert, und kommt mit der inneren positiven Platte in Kontakt. Dies verursacht einen Kurzschluss über den Nagel. In dem Fall, dass eine anomale Wärme von außen her an die Batterie angelegt wird, schmilzt zuerst der Separator, der aus einem organischen Material besteht, und verursacht dadurch, dass die positive Platte und die negative Elektrode, die durch den Separator voneinander getrennt sind, miteinander in Kontakt treten und einen Kurzschluss verursachen. In dem Fall, dass die Batterie in der Stapelrichtung des Laminats von Elektrodenplatten gequetscht wird, wird eine große Spannung an den Innenumfang des Laminats von Elektrodenplatten angelegt, die den Separator zerbricht, wodurch ein In-Kontakt-Treten der positiven Platte und der negativen Platte bewirkt wird und ein Kurzschluss verursacht wird.
Das Lithium-enthaltende Mischoxid (aktives Material der positiven Elektrode) hat einen relativ hohen Widerstand unter den Bestandteilen des Laminats von Elektrodenplatten im Zustand eines Kurzschlusses. Das Fließen eines kurzschließenden Stroms erhöht demgemäß die Temperatur des Lithium-enthaltenden Mischoxids. Die Wärme, die durch die erhöhte Temperatur verursacht wird, beschleunigt eine Zersetzungsreaktion des organischen Lösungsmittels, das in der Batterie eingeschlossen ist. Wenn ein Kurzschluss in der Batterie im Ladungszustand erfolgt, fällt das Lithium-enthaltende Mischoxid unter der Ladungsbedingung in einen instabilen Zustand, wobei ein gewisser Anteil an Lithiumionen freigesetzt wird, und somit wird es durch die Temperaturzunahme zersetzt, um aktiven Sauerstoff zu erzeugen. Der aktive Sauerstoff beschleunigt die Reaktionen auf der Aluminiumfolie mit dem darauf aufgebrachten Lithium-enthaltenden Mischoxid und in dem organischen Lösungsmittel.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine nichtwässrige Batterie bereitzustellen, die auf wirksame Weise einen Kurzschluss zwischen einem aktiven Material einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode verhindert, und zwar in dem Fall, dass eine anomale Wärme von außen her an die Batterie angelegt wird, in dem Fall, dass ein scharfes leitfähiges Teil, wie ein Nagel, in das Batteriegehäuse eindringt, und in dem Fall, dass die Batterie in der Stapelrichtung des Laminats von Elektrodenplatten gequetscht wird, und welche, selbst wenn ein Kurzschluss erfolgt, eine Temperaturzunahme des aktiven Materials der positiven Elektrode aufgrund des Kurzschlusses verhindert und somit die Sicherheit gewährleistet.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine nichtwässrige Batterie mit einem Elementarzellen-Laminat bereit, umfassend
eine nichtwässrige Batterie mit einem Elementarzellen-Laminat, umfassend
ein Batteriegehäuse (2), in dem Folgendes angeordnet ist:
eine positive Platte (11), die eine Kollektorfolie (11a) für eine positive Elektrode und ein aktives Material der positiven Elektrode (11b) nur auf einer einzigen Fläche der Kollektorfolie für diese positive Elektrode umfasst,
eine negative Platte (12), die eine Kollektorfolie (12a) für eine negative Elektrode und ein aktives Material der negativen Elektrode (12b) nur auf einer einzigen Fläche der Kollektorfolie für diese negative Elektrode umfasst,
Isolierfolien (14) und
ein Separator (13),
dadurch gekennzeichnet, dass
die einzige Fläche der positiven Platte (11) mit dem aktiven Material der positiven Elektrode (11b) und die einzige Fläche der negativen Platte (12) mit dem aktiven Material der negativen Elektrode (12b) so angeordnet sind, dass sie sich über den Separator gegenüberstehen,
die andere Fläche der positiven Platte (11) ohne das aktive Material der positiven Elektrode (11b) und die andere Fläche der negativen Platte (12) ohne das aktive Material der negativen Elektrode (12b) so angeordnet sind, dass sie sich über die Isolierfolien (14) gegenüberstehen,
und eine der Isolierfolien (14) als äußerste Schicht angeordnet ist.
Spezielle Beispiele schließen Folgendes ein: eine Struktur, die ein Laminat von Elektrodenplatten aufweist, das durch Aufwickeln einer Mehrzahl von Elementarzellen-Laminaten über Isolierfolien (spiralförmig gewickelter Typ) erhalten wird, eine Struktur, die ein Laminat von Elektrodenplatten aufweist, das durch Übereinanderlegen einer Mehrzahl von Elementarzellen-Laminaten über Isolierfolien erhalten wird (einfach gestapelter Typ), und eine Struktur, die ein Laminat von Elektrodenplatten aufweist, das durch Falten einer Mehrzahl von Elementarzellen-Laminaten, die übereinander gelegt sind, über Isolierfolien erhalten wird (zickzack-gefalteter Typ).
In der Struktur der nichtwässrigen Batterie der vorliegenden Erfindung sind die Fläche mit dem aktiven Material der positiven Elektrode und die Fläche mit dem aktiven Material der negativen Elektrode so angeordnet, dass sie sich über dem Separator gegenüberstehen, während die anderen Flächen der positiven Kollektorfolie und der negativen Kollektorfolie ohne die aktiven Materialien so angeordnet sind, dass sie sich über der Isolierfolie gegenüberstehen. Wenn ein Kurzschluss zwischen dem aktiven Material der positiven Elektrode und der negativen Elektrode aufgrund einer anomalen von außen angelegten Wärme, eines Quetschens der Batterie in der Stapelrichtung oder eines durchbohrten Nagels erfolgt, erfolgt auch ein Kurzschluss zwischen den Flächen der positiven Kollektorfolie und der negativen Kollektorfolie ohne die aktiven Materialien. Der Widerstand der Kollektorfolie ist geringer als der Widerstand des aktiven Materials der positiven Elektrode, so dass der elektrische Strom hauptsächlich durch die Kollektorfolie fließt, die den geringeren Widerstand hat, und zwar selbst in dem kurzgeschlossenen Anteil, und weniger elektrischer Strom durch das aktive Material der positiven Elektrode fließt. Diese Struktur verhindert auf wirksame Weise eine anomale Temperaturzunahme des aktiven Materials der positiven Elektrode im Zustand eines Kurzschlusses.
Das Batteriegehäuse kann aus Folgendem bestehen: einem Material, das als negative Elektrode fungiert, einem Material, das als positive Elektrode fungiert, oder aus einem nicht leitfähigen Material, das weder als negative Elektrode noch als positive Elektrode arbeitet, wie ein Harz. In dem Fall, dass das Batteriegehäuse aus einem nicht leitfähigen Material besteht, wie einem Harz, kann eine Außenelektrode auf dem Batteriegehäuse angeordnet sein. In dem Fall, dass das Batteriegehäuse als negative Elektrode arbeitet, wird es bevorzugt, dass die Fläche der positiven Platte ohne das aktive Material so angeordnet ist, dass sie dem Batteriegehäuse über der Isolierfolie gegenübersteht. In dieser Struktur wird die Spitze eines durchdrungenen Nagels eine negative Elektrode, wenn derselbe das Batteriegehäuse durchdringt, das als negative Elektrode fungiert, und tritt mit der inneren positiven Platte in Kontakt, um einen Kurzschluss zu verursachen. In dem Fall, dass ein Nagel nur mit einer geringen Tiefe in die Batterie eindringt, tritt die Spitze des Nagels jedoch mit der Kollektorfolie in Kontakt, bevor sie mit dem aktiven Material der positiven Elektrode in Kontakt tritt, so dass im Wesentlichen kein elektrischer Strom durch das aktive Material der positiven Elektrode fließt.
Die aktiven Materialien können vollständig oder teilweise auf die einzelnen Flächen der Kollektorfolien der positiven Platte und der negativen Platte aufgetragen werden. Die Struktur, bei der die aktiven Materialien auf die gesamten einzelnen Flächen aufgetragen sind, wird jedoch aufgrund der Einfachheit der Herstellung bevorzugt. Es ist notwendig, dass keine aktiven Materialien auf die anderen Flächen aufgetragen werden und die Kollektorfolien vollständig zur Außenseite freigelegt sind.
Zu den erhältlichen Kollektorfolien der positiven Elektrode gehören Metallfolien, wie Aluminium, Titan und Edelstahl, und eine Aluminiumfolie wird besonders bevorzugt. Die Dicke der Kollektorfolie der positiven Elektrode ist im Allgemeinen 5 μm bis 100 μm, vorzugsweise 8–50 μm, mehr bevorzugt 10–50 μm.
Zu den erhältlichen Kollektorfolien der negativen Elektrode gehören Metallfolien, wie Kupfer, Nickel und Edelstahl, und Kupfer- und Edelstahlfolien werden besonders bevorzugt. Die Dicke der Kollektorfolie der negativen Elektrode ist im Allgemeinen 6 μm bis 50 μm, vorzugsweise 8–25 μm.
Die Kollektorfolien der positiven Elektrode und der negativen Elektrode werden aus gestrecktem Metall oder gestanztem Metall hergestellt. Kohletuch, Kohlepapier und andere Metalläquivalente sind auch anwendbar.
Die Dicke der aktiven Materialschichten der positiven Elektrode und der negativen Elektrode ist vorzugsweise 30–300 μm, mehr bevorzugt 70–130 μm.
Das aktive Material der positiven Elektrode kann Folgendes sein: ein Mischoxid eines Alkalimetalls oder Erdalkalimetalls, wie Li, Na, oder Ca, und eines Übergangsmetalls, wie Co, Ni, Mn und Fe, oder ein Mischoxid eines Alkalimetalls oder eines Erdalkalimetalls, eines Übergangsmetalls und eines Nicht-Übergangsmetalls.
Das aktive Material der negativen Elektrode besteht aus Kohleteilchen, z.B. Koks, Graphit oder nichtkristalliner Kohlenstoff, und es kann in zerstoßener Form, in Form einer dünnen Schicht oder eine kugeligen Form vorliegen.
Der nichtwässrige Elektrolyt ist nicht eingeschränkt, ist aber z.B. eine organische Elektrolytlösung, die durch Lösen eines Elektrolyten, wie LiClO₄, LiBF₄, LiAsF₆ oder CF₃SO₃Li in einem organischen Lösungsmittel, wie z.B. einem Ether, einem Keton oder Carbonat, hergestellt wird. Stattdessen kann auch ein fester Elektrolyt verwendet werden.
Der Separator besteht aus einer porösen Membran mit feinen Poren, die keine elektronenleitfähige Funktion, sondern eine ionenleitfähige Funktion und eine hohe Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln hat. Beispiele schließen feine poröse Membranen von Polyolefinharzen ein, wie Polyethylen und Polypropylen, und gewebte Textilerzeugnisse und Faservliese von porösen Polyolefinfasern.
Die Isolierfolie kann aus der gleichen Membran wie derjenigen des Separators bestehen, die keine elektronenleitfähige Funktion, sondern eine ionenleitfähige Funktion hat. Die Isolierfolie ohne eine ionenleitfähige Funktion ist kostengünstig und hat eine höhere Festigkeit als diejenige der Isolierfolie mit einer ionenleitfähigen Funktion, so dass selbst eine extrem dünne Folie die erforderliche Festigkeit besitzen kann. Bevorzugte Beispiele sind demgemäß synthetische Polyolefinharzfolien, die weder eine ionenleitfähige Funktion noch eine elektronenleitfähige Funktion haben, aber eine hohe Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln haben, z.B. Polyethylen, Polypropylen und Ethylen-Propylen-Copolymere.
Verglichen mit der Isolierfolie, die die gleiche Dicke hat wie diejenige des Separators, kann die Isolierfolie, die eine geringere Dicke hat als diejenige des Separators, die Gesamtlänge der Elementarzellen-Laminate erhöhen, die in dem Batteriegehäuse einer fixierten Größe übereinander gelegt werden können. Es wird somit bevorzugt, dass die Isolierfolie eine geringere Dicke hat als diejenige des Separators.
Es wird auch bevorzugt, dass die Isolierfolie einen Schmelzpunkt hat, der niedriger ist als der Schmelzpunkt des Separators. In dem Fall, dass eine anomale Wärme von außen an die Batterie angelegt wird, ermöglicht diese Struktur, dass die Isolierfolie schmilzt, bevor der Separator schmilzt. Ein Kurzschluss erfolgt demgemäß zwischen der positiven Kollektorfolie und der negativen Kollektorfolie, die einander über der Isolierfolie gegenüberstehen, bevor ein Kurzschluss zwischen den aktiven Materialien der positiven Elektrode und der negativen Elektrode erfolgt, die einander über dem Separator gegenüberstehen.
Die Isolierfolie hat vorzugsweise einen Schmelzpunkt, der 5–150 °C niedriger ist als der Schmelzpunkt des Separators. Wenn der Schmelzpunktunterschied geringer als 5 °C ist, besteht die Möglichkeit, dass der Separator aufgrund der Temperaturverteilung, die im Allgemeinen in dem Batteriegehäuse vorliegt, zuerst schmilzt. Wenn andererseits der Unterschied größer als 150 °C ist, kann die Isolierfolie in dem Innentemperaturbereich der Batterie unter den normalen Arbeitsbedingungen (ca. –20–100 °C) schmelzen.
Die nichtwässrige Batterie vom spiralförmig gewickelten Typ wird z.B. hergestellt, indem man Schichten der Elementarzellen-Laminate und der Isolierfolien in einer Spiralform mit einer Wickelmaschine aufwickelt. Die nichtwässrige Batterie vom einfach gestapelten Typ wird z.B. hergestellt, indem man eine Mehrzahl von Elementarzellen-Laminaten übereinander und parallel zueinander quer über die Isolierfolien legt. Die nichtwässrige Batterie vom zickzack-gefalteten Typ wird z.B. hergestellt, indem man die Schichten der Elementarzellen-Laminate und der Isolierfolien in vorher bestimmten Breiten faltet, so dass sie parallel angeordnet sind.
In der nichtwässrigen Batterie vom spiralförmig gewickelten Typ ist die Fläche der positiven Platte ohne das aktive Material so angeordnet, dass sie dem Batteriegehäuse über die Isolierfolie gegenüberliegt, indem man die positive Platte des Elementarzellen-Laminats zur Außenseite hin freilegt und die Isolierfolie wenigstens auf dem äußersten Kreisumfang anordnet. In der nichtwässrigen Batterie vom einfach gestapelten Typ wird eine Mehrzahl von Elementarzellen-Laminaten übereinander gelegt, indem man die positive Platte und die negative Platte quer über die Isolierfolie einander gegenüberstellt, die Positionen der negativen Platten auf den Mittelpunkt der Stapelrichtung ausrichtet, die Isolierfolien wenigstens zwischen sowohl den Endflächen jedes Elementarzellen-Laminats als auch des Batteriegehäuses anordnet, und die Isolierfolien zwischen der obersten Fläche des Laminats von Elektrodenplatten und dem Batteriegehäuse und zwischen der untersten Fläche derselben und dem Batteriegehäuse gemäß den Anforderungen anordnet. In der nichtwässrigen Batterie vom zickzack-gefalteten Typ werden die Elementarzellen-Laminate auf solche Weise gefaltet, dass die positive Platte der Innenfläche des Batteriegehäuses gegenüberstehen kann, die parallel zur gefalteten Einheitsfläche vorliegt, und die Isolierfolie wenigstens zwischen der Innenfläche des Batteriegehäuses und der positiven Platte angeordnet wird, die der Innenfläche gegenübersteht.
Die Batterie vom spiralförmig gewickelten Typ der vorliegenden Erfindung kann einen zentralen Kern in dem Aufwickelzentrum des Laminats von Elektrodenplatten haben.
Bevorzugte Beispiele des zentralen Kerns schließen Folgendes ein: einen säulenförmigen Körper, der einen ausgeschnittenen Anteil auf der Umfangsfläche desselben aufweist; ein Stab-Glied, das einen kontinuierlichen Einschnitt hat, der sich in der Umfangsrichtung auf der Umfangsfläche desselben erstreckt, und eine zusammengerollte Feder. In dem Fall, dass die Batterie in der Stapelrichtung des Laminats der Elektrodenplatten (d.h. die Richtung, die die Achse schneidet) gequetscht ist, wird eine große Spannung auf den Innenumfang des Laminats von Elektrodenplatten ausgeübt, die den Separator zerbricht, wodurch verursacht wird, dass die positive Platte und die negative Platte miteinander in Kontakt treten und einen Kurzschluss verursachen. In diesem Moment wird der zentrale Kern auch gequetscht, um ein Öffnen der Ränder des ausgeschnittenen Anteils des säulenartigen Körpers nach außen hin zu bewirken, oder um zu verursachen, dass der Innenumfang des Laminats von Elektrodenplatten in den Einschnitt des Stab-Gliedes oder in den Zwischenraum zwischen den Drähten der zusammengerollten Feder gebohrt wird. Das Laminat von Elektrodenplatten wird demgemäß von der Seite des Innenumfangs her zerbrochen. Dies beschleunigt den Kurzschluss und dehnt den Bereich der Kurzschlüsse aus, so dass ein geringerer elektrischer Strom, der pro Volumeneinheit des aktiven Materials der positiven Elektrode fließt, eine Temperaturzunahme des aktiven Materials der positiven Elektrode verhindert.
Der säulenartige Körper ist ein Hohlrohr, dessen beide offenen Enden in der axialen Richtung vorliegen und das einen kreisförmigen oder anderen Querschnitt senkrecht zur Achsenrichtung aufweist. Die Dicke des säulenartigen Körpers ist nicht speziell eingeschränkt, sie wird aber durch die Fläche des ausgeschnittenen Anteils bestimmt, damit der säulenartige Körper eine vorherbestimmte Festigkeit in einem normalen Zustand beibehalten kann und gequetscht werden kann, wenn eine vorherbestimmte Presskraft in der Stapelrichtung angelegt wird.
Der ausgeschnittene Anteil stellt ein Durchgangsloch dar, das von dem Außenumfang zum Innenumfang des säulenartigen Körpers gebohrt ist. Der ausgeschnittene Anteil kann sich von einem Ende des säulenartigen Körpers zum anderen Ende in der axialen Richtung erstrecken, nur ein Ende erreichen oder keines der Enden erreichen. Es wird bevorzugt, dass der säulenartige Körper wenigstens zwei ausgeschnittene Anteile aufweist, die sich in der axialen Richtung desselben erstrecken. Die Struktur, die drei ausgeschnittene Anteile aufweist, die sich in der axialen Richtung des säulenartigen Körpers erstrecken, wird besonders bevorzugt, weil die Ränder wenigstens eines ausgeschnittenen Anteils sich nach außen öffnen, um die oben diskutierten Effekte in sicherer Weise auszuüben, selbst wenn die Quetschkraft in irgendeiner Stapelrichtung angelegt wird. In der Struktur, die zwei ausgeschnittene Anteile aufweist, wird es bevorzugt, diese ausgeschnittenen Anteile unsymmetrisch zur Achse des säulenartigen Körpers anzuordnen. Diese Struktur ermöglicht es, dass sich die Ränder wenigstens eines ausgeschnittenen Anteils nach außen hin öffnen und auf sichere Weise die oben diskutierten Effekte ausüben, selbst wenn die Quetschkraft in irgendeiner Stapelrichtung angelegt wird.
Der ausgeschnittene Anteil erstreckt sich vorzugsweise in der Richtung, die die axiale Richtung des säulenartigen Körpers schneidet. Der ausgeschnittene Anteil kann senkrecht oder im schiefen Winkel die axiale Richtung schneiden. Wenn der säulenartige Körper ein Zylinder ist, kann der ausgeschnittene Anteil entlang des Bogens des kreisförmigen Querschnitts gebildet werden oder in einer Spiralform auf der Umfangsfläche desselben gebildet werden. Diese Struktur ermöglicht es, dass sich die Ränder des ausgeschnittenen Anteils nach außen hin öffnen, und die oben diskutierten Effekte auf sichere Weise ausgeübt werden können, selbst wenn die Quetschkraft in irgendeiner Richtung, die die Achse schneidet, angelegt wird.
Der ausgeschnittene Anteil hat vorzugsweise wellenförmige Ränder. Die wellenförmigen Ränder schließen eine Unebenheit ein, die die Amplitude in Bezug auf die Referenzlinie hat, und sie können die Form dreieckiger Wellen, rechteckiger Wellen oder von Sinuswellen haben. Die Ränder des ausgeschnittenen Anteils, die gequetscht und nach außen hin geöffnet sind, bilden eine wellenartige Ausstülpung. Dies ermöglicht ein leichtes Zerbrechen des Laminats von Elektrodenplatten und ein gutes Verteilen der zerbrochenen Positionen.
Beispiele des Stab-Gliedes, der einen kontinuierlichen Einschnitt aufweist, der sich in der Umfangsrichtung auf der Umfangsfläche desselben erstreckt, schließen Stab-Glieder ein, die einen Einschnitt einer vorherbestimmten Breite haben, der in einer Spiralform auf der Umfangsoberfläche desselben ausgebildet ist, wie eine Schraubwelle, und Stab-Glieder, die eine Anzahl von Umfangskerben haben, die parallel zum kreisförmigen Querschnitt über die gesamte Länge derselben angeordnet sind.
Das Stab-Glied kann fest oder hohl sein. Die hohle Struktur wird jedoch bevorzugt, weil das Gas, das in dem Batteriegehäuse eingeschlossen ist, in dem Fall, dass der Innendruck zunimmt, aus dem Hohlraum zum Sicherheitsventil hin freigesetzt wird. In dem Fall des hohlen Stab-Gliedes sollte der Einschnitt von dem Außenumfang zum Innenumfang des Stab-Gliedes in einer Tiefe ausgebildet sein, die nicht durch den Innenumfang hindurchgeht.
Die größere Tiefe des Einschnittes erhöht den Einschnittgrad des Laminats von Elektrodenplatten, so dass der tiefere Einschnitt erwünscht ist.
Die zusammengerollte Feder, die für den zentralen Kern angewendet wird, hat vorzugsweise eine Ganghöhe, die größer ist als der Durchmesser der Drähte und behält einen Zwischenraum zwischen den benachbarten Drähten in einem nichtladenden Zustand bei. Es wird bevorzugt, dass der Zwischenraum zwischen den benachbarten Drähten der zusammengerollten Feder das Doppelte oder Dreifache des Durchmessers der Drähte beträgt.
Der Querschnitt der Drähte der zusammengerollten Feder ist nicht eingeschränkt, sondern kann jede Form aufweisen, z.B. kreisförmig, rhombenförmig oder polygonal. Ein Beispiel ist eine zusammengerollten Feder von Drähten, die einen Rhombus-Querschnitt haben, wobei ein gezahnter Einschnitt auf der äußeren Umfangsfläche ausgebildet ist. Selbst wenn die zusammengerollte Feder keinen Zwischenraum zwischen benachbarten Drähten in einem nichtladenden Zustand beibehält, ermöglicht es diese Struktur, dass der Innenumfang des Laminats von Elektrodenplatten leicht in den Einschnitt gebohrt wird, wenn eine Quetschkraft angelegt wird.
Das Material des zentralen Kerns ist nicht eingeschränkt, aber Edelstahl, der eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit hat, wird bevorzugt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine nichtwässrige Batterie, die ein Laminat von Elektrodenplatten vom spiralförmig gewickelten Typ aufweist, als erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;
2 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand der Batterie von 1 erläutert, wenn eine Quetschkraft angelegt wird;
3 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand der Batterie von 1 erläutert, wenn ein leitfähiges Teil in die Batterie gestochen wird;
4 ist eine Querschnittsansicht, die eine nichtwässrige Batterie, die ein Laminat von Elektrodenplatten vom spiralförmig gewickelten Typ aufweist, als zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine nichtwässrige Batterie, die ein Laminat von Elektrodenplatten vom spiralförmig gewickelten Typ aufweist, als dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;
6 zeigt die Funktionen eines zentralen Kerns 3a;
7 ist ein Aufriss, der einen dritten zentralen Kern 3b erläutert;
8 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie A-A von 7 gebildet wurde;
9 zeigt die Funktionen des zentralen Kerns 3b;
10 ist ein Aufriss, der einen vierten zentralen Kern 3c erläutert;
11 ist ein Aufriss, der einen fünften zentralen Kern 3d erläutert;
12 zeigt einen ausgeschnittenen Anteil des fünften zentralen Kerns 3d;
13 ist ein Aufriss, der einen sechsten zentralen Kern 3e erläutert;
14 ist eine perspektivische Ansicht, die einen siebten zentralen Kern 3f erläutert;
15 ist eine Querschnittsansicht, die eine nichtwässrige Batterie, die ein Laminat von Elektrodenplatten vom einfach gestapelten Typ aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, und
16 ist eine Querschnittsansicht, die eine nichtwässrige Batterie, die ein Laminat von Elektrodenplatten vom zickzack-gefalteten Typ aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
Beschreibung von Symbolen

1: Laminat von Elektrodenplatten;
3: zentraler Kern;
31: ausgeschnittener Anteil
33a bis 33c: Schlitze (ausgeschnittene Anteile)
34a bis 34c: Schlitze (ausgeschnittene Anteile)
35: ausgeschnittener Anteil
35b: wellenförmiger Bereich (ausgeschnittener Anteil)
37: ausgeschnittener Anteil
37b: paralleler Bereich (ausgeschnittener Anteil)
38: Einschnitt
5: leitfähiges Teil
11a: Kollektorfolie der positiven Elektrode
12: negative Platte
12b: aktives Material der negativen Elektrode
14: Isolierfolie
16: Lasche auf der negativen Elektrode
2: Batteriegehäuse
3a bis 3f: zentraler Kern
32: Schlitzöffnung (ausgeschnittener Anteil)
35a: paralleler Bereich (ausgeschnittener Anteil)
36: zugespitzter Bereich
37a: paralleler Bereich (ausgeschnittener Anteil)
37c: wellenförmiger Bereich (ausgeschnittener Anteil)
4: Elementarzellen-Laminat
11: positive Platte
11b: aktives Material der positiven Elektrode
12a: Kollektorfolie der negativen Elektrode
13: Separator
15: Lasche auf der positiven Elektrode

Beste Art zur Durchführung der Erfindung
Im Folgenden werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung basierend auf den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine nichtwässrige Batterie, die ein Laminat von Elektrodenplatten vom spiralförmig gewickelten Typ aufweist, als erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die Batterie ist eine sekundäre Lithiumion-Batterie, die ein Laminat von Elektrodenplatten 1 vom spiralförmig gewickelten Typ aufweist, die in einem zylindrischen Batteriegehäuse 2 untergebracht sind. Ein feiner zylindrischer zentraler Kern 3 ist in das Aufwickelzentrum des Laminats von Elektrodenplatten 1 eingefügt. Der zentrale Kern 3 fungiert als Strömungsweg, um das Gas in dem Batteriegehäuse 2 zum Sicherheitsventil in dem Fall zu leiten, dass der Innendruck des Batteriegehäuses 2 ansteigt, und er besteht z.B. aus Edelstahl.
Das Laminat von Elektrodenplatten 1 schließt Folgendes ein: eine positive Platte 11, die ein aktives Material der positiven Elektrode 11b aufweist, das LiCoO₂ enthält und nur auf eine einzige Fläche einer Aluminium-Kollektorfolie 11a aufgetragen wird, eine negative Elektrode 12, die ein aktives Material der negativen Elektrode 12b aufweist, das Kohleteilchen enthält und nur auf eine einzige Fläche einer Kupfer-Kollektorfolie 12a aufgetragen wird, einen Separator 13, der aus einer feinen porösen Polyethylen-Membran besteht und zwischen dem aktiven Material der positiven Elektrode 11b und dem aktiven Material der negativen Elektrode 12b angeordnet ist, und eine Isolierfolie 14, die aus der gleichen Membran besteht wie derjenigen des Separators 13 und zwischen der Kollektorfolie 11a der positiven Elektrode und der Kollektorfolie 12a der negativen Elektrode angeordnet ist.
Das Laminat der Elektrodenplatten 1 wird erhalten, indem man die Kollektorfolie 11a der positiven Elektrode, das aktive Material der positiven Elektrode 11b, den Separator 13, das aktive Material der negativen Elektrode 12b, die Kollektorfolie 12a der negativen Elektrode und die Isolierfolie 14 in dieser Reihenfolge übereinander legt, die Schichten mit der Isolierfolie 14, die innerhalb angeordnet ist (d.h. die Kollektorfolie 11a der positiven Elektrode ist außerhalb angeordnet) mit einer Wickelmaschine aufwickelt und weiterhin die Isolierfolie 14 als äußerste Schicht aufwickelt. Das Laminat der Elektrodenplatten 1 weist demgemäß von der Seite des Batteriegehäuses aus gesehen nach innen gerichtet Folgendes auf: die Schichten der Isolierfolie 14, die Kollektorfolie 11a der positiven Elektrode, das aktive Material 11b der positiven Elektrode, den Separator 13, das aktive Material der negativen Elektrode 12b, die Kollektorfolie 12a der negativen Elektrode, die Isolierfolie 14, die Kollektorfolie 11a der positiven Elektrode usw. einwärts von der Seite des Batteriegehäuses 2.
In dem Laminat der Elektrodenplatten 1 bilden die positive Elektrode 11 und die negative Elektrode 12 mit dem aktiven Material der positiven Elektrode 11a und dem aktiven Material der negativen Elektrode 12a, die so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberstehen und der Separator 13 dazwischen angeordnet ist, ein Elementarzellen-Laminat 4. Wenn die Zellenreaktionen in dem Elementarzellen-Laminat 4 fortschreiten, erfolgen keine Zellenreaktionen in dem Raum zwischen den Elementarzellen-Laminaten 4, wo die Isolierfolie 14 angeordnet ist (d.h. zwischen den Kollektorfolien 11a und 12a der positiven Elektrode und der negativen Elektrode).
In 2 empfangen in dem Fall, dass die Batterie in einer Stapelrichtung gequetscht wird, der innerste Separator 13 und die Isolierfolie 14 nahe am zentralen Kern 3 im Allgemeinen die größte Spannung. Ein Zerreißen erfolgt somit zuerst im Separator 13 und der Isolierfolie 14 und dasselbe breitet sich zum Außenumfang hin aus. Dies führt zu einem Kurzschluss zwischen dem aktiven Material der positiven Elektrode 11b und dem aktiven Material der negativen Elektrode 12b, z.B. an den Positionen B und C in 2. Im Wesentlichen zur gleichen Zeit erfolgt ein Kurzschluss zwischen den Kollektorfolien 11a und 12a der positiven Elektrode und der negativen Elektrode an den Positionen A und D. Durch diese Struktur wird es ermöglicht, dass der größte Teil des elektrischen Stroms durch die Kollektorfolien 11a und 12a fließt, selbst in den kurzgeschlossenen Anteilen, und auf sichere Weise innen entladen wird. Dies reduziert demgemäß das Fließen von elektrischem Strom durch das aktive Material der positiven Elektrode 11b, die das LiCoO₂ enthält, und verhindert eine Temperaturzunahme im LiCoO₂.
Selbst wenn ein Kurzschluss in einem ladenden Zustand erfolgt, hemmt diese Struktur auf wirksame Weise die Entwicklung von Sauerstoff, die durch die erhöhte Temperatur von LiCoO₂ verursacht wird, und Reaktionen von Aluminium (die Kollektorfolie der positiven Elektrode) und einem organischen Lösungsmittel (elektrolytisches Lösungsmittel) mit Sauerstoff, wodurch die Erzeugung einer großen Energie in der Batterie verhindert wird und die Sicherheit der Batterie gewährleistet wird.
In Bezug auf 3 durchläuft in dem Fall, dass ein scharfes leitfähiges Teil 5, wie ein Nagel, in das Batteriegehäuse 2 eindringt und in das Innere der Batterie eintritt, der Punkt des leitfähigen Teils 5, das zu einer negativen Elektrode geworden ist, wenn es das Batteriegehäuse 2 durchquert, nacheinander und in dieser Reihenfolge die Isolierfolie 14, die Kollektorfolie 11a der positiven Elektrode, das aktive Material der positiven Elektrode 11b, den Separator 13, das aktive Material der negativen Elektrode 12b, die Kollektorfolie 12a der negativen Elektrode, die Isolierfolie 14 usw. und kommt mit denselben in Kontakt. In diesem Moment erfolgt ein Kurzschluss zwischen dem aktiven Material der positiven Elektrode 11b und dem aktiven Material der negativen Elektrode 12b über das leitfähige Teil 5. Wie oben diskutiert wurde, erfolgt im Wesentlichen zur gleichen Zeit auch ein Kurzschluss zwischen den Kollektorfolien 11a und 12a der positiven Elektrode und der negativen Elektrode. Diese Struktur ermöglicht es, dass der größte Teil des elektrischen Stroms durch die Kollektorfolien 11a und 12a fließt, selbst in den kurzgeschlossenen Anteilen, und ein sicheres Entladen im Inneren erfolgt. Selbst wenn ein Kurzschluss in einem ladenden Zustand erfolgt, verhindert diese Struktur auf wirksame Weise die Erzeugung einer großen Energie innerhalb der Batterie und gewährt die Sicherheit der Batterie.
In dem Fall, das das leitfähige Teil 5, wie ein Nagel, in das Batteriegehäuse 2 eindringt, aber nicht den zentralen Kern 3 erreicht, kommt das leitfähige Teil 5 mit der Kollektorfolie 11a der positiven Elektrode in Kontakt, bevor es mit dem aktiven Material der positiven Elektrode 11b in Kontakt tritt. Selbst in kurzgeschlossenen Teilen fließt der größte Teil des elektrischen Stroms somit durch die Kollektorfolie 11a der positiven Elektrode, während im Wesentlichen kein elektrischer Strom durch das aktive Material der positiven Elektrode 11b fließt. Die Batterie weist die erwünschte Sicherheit auf, insbesondere wenn ein scharfes leitfähiges Teil 5, wie ein Nagel, in geringem Ausmaß in der Stapelrichtung eindringt.
In der ersten Ausführungsform besteht die Isolierfolie 14, die zwischen den Elementarzellen-Laminaten 4 (d.h. zwischen der Kollektorfolie 11a der positiven Elektrode und der Kollektorfolie 12a der negativen Elektrode) angeordnet ist, aus der gleichen Membran wie derjenigen des Separators 13. Diese Struktur gewährleistet die Sicherheit der Batterie, da keine Zellenreaktionen zwischen den Elementarzellen-Laminaten 4 stattfinden, eine Abnahme der elektrischen Kapazität ist aber unvermeidlich. In dem Fall, dass die positive Platte und die negative Platte der obigen Struktur und der konventionellen Struktur mit einer festen Länge aufgewickelt sind, hat die Batterie der ersten Ausführungsform nur die Hälfte der Kapazität der konventionellen Batterie. Da die aktiven Materialien nur auf die einzelnen Flächen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode aufgetragen sind, hat die Batterie der ersten Ausführungsform – selbst in dem Fall, dass die Wickellänge der positiven Elektrode und der negativen Elektrode der obigen Struktur größer ist als diejenige der konventionellen Struktur – nicht den Kapazitätsgrad wie diejenigen der konventionellen Batterie.
Wenn unter Bezugnahme auf 4 die Isolierfolie 14 aus einer Membran besteht, die eine geringere Dicke hat als diejenige des Separators 13, kann eine größere Länge der Elementarzellen-Laminate 4 in das Batteriegehäuse 2 einer festen Größe gewickelt werden. Diese Struktur erhöht wünschenswerterweise die elektrische Kapazität, während sie die Sicherheit der Batterie gewährleistet. Während beispielsweise die Membran des Separators 13 im Allgemeinen eine Dicke von 25 bis 35 μm hat, wird eine isolierende Membran einer Dicke von 12 μm (z.B. eine Polypropylenharz-Membran) für die Isolierfolie 14 verwendet. Dies erhöht die anfängliche Kapazität um etwa 8–10 %, wenn das Batteriegehäuse 2 einen Durchmesser von 18 mm und eine Höhe von 65 mm hat.
In der Batterie der ersten Ausführungsform stehen das Batteriegehäuse 2 und die positive Platte 11 einander über die Isolierfolie 14 gegenüber. Wenn die Isolierfolie 14 eine ionenleitfähige Funktion hat, kann das Laden und Entladen zwischen der positiven Platte 11 und dem Batteriegehäuse 2, das als negative Elektrode fungiert, erfolgen. Dies kann ein Abscheiden von metallischem Lithium auf dem Batteriegehäuse 2 im ladenden Zustand und ein Lösen des Materials des Batteriegehäuses 2 in dem Über-Entladungszustand zur Folge haben. Die Membran, die keine ionenleitfähige Funktion hat, z.B. eine Polypropylenharz-Membran, wird somit als Isolierfolie 14 verwendet. Dies verhindert auf wirksame Weise ein Abscheiden von metallischem Lithium auf dem Batteriegehäuse 2 im ladenden Zustand und ein Lösen des Materials des Batteriegehäuses 2 in dem Über-Entladungszustand.
Es wird bevorzugt, dass das Material der Isolierfolie 14 einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als denjenigen des Separators 13. In dem Fall, dass eine anomale Wärme von außen her an die Batterie angelegt wird, ermöglicht diese Struktur ein Schmelzen der Isolierfolie 14, bevor der Separator 13 schmilzt. Ein Kurzschluss zwischen den Kollektorfolien 11a und 12a der positiven Elektrode und der negativen Elektrode, die sich quer über die Isolierfolie 14 einander gegenüberstehen, erfolgt demgemäß vor einem Kurzschluss zwischen dem aktiven Material der positiven Elektrode 11b und dem aktiven Material der negativen Elektrode 12b, die sich über den Separator 13 einander gegenüberstehen. Dies ermöglicht es, dass der kurzschließende Strom nicht durch das aktive Material der positiven Elektrode 11b fließt, sondern nur durch die Kollektorfolien 11a und 12a fließt. Wenn der Schmelzpunkt der Isolierfolie 14 niedriger ist als der Schmelzpunkt des Separators 13, gewährleistet die Struktur der obigen Ausführungsform eine wünschenswerte Sicherheit in dem Fall, dass eine anomale Wärme von außen an die Batterie angelegt wird.
Die Batterie der ersten Ausführungsform schließt das Laminat der Elektrodenplatten 1 vom spiralförmig gewickelten Typ ein, das erhalten wird durch Übereinanderlegen des Elementarzellen-Laminats 4, das aus der negativen Platte 12, dem Separator 13 und der positiven Platte 11 besteht, und der Isolierfolie 14 in der obigen Weise und Aufwickeln der Schichten in einer Spiralform mit einer Aufwickelmaschine. Das Laminat der Elektrodenplatten in der Batterie der vorliegenden Erfindung kann jedoch vom einfach gestapelten Typ sein, wobei die Elementarzellen-Laminate 4 übereinander und parallel zueinander quer über die Isolierfolien 14 gelegt werden, wie in 15 gezeigt wird, oder vom zickzack-gefalteten Typ sein, wobei die Schichten der Elementarzellen-Laminate 4 und die Isolierfolien 14 zu vorher bestimmten Breiten gefaltet werden, um parallel zueinander angeordnet zu werden, wie in 16 gezeigt wird.
Obwohl die erste Ausführungsform die sekundäre Lithiumion-Batterie betrifft, ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch anwendbar auf andere nichtwässrige sekundäre Batterien und nichtwässrige primäre Batterien, die ein aktives Material einer relativ hohen Haltbarkeit aufweisen, um die Sicherheit solcher Batterien zu gewährleisten.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine andere nichtwässrige Batterie mit einem darin eingeführten zweiten zentralen Kern 3a anstelle des zentralen Kerns 3 der ersten in 1 gezeigten Ausführungsform erläutert. Der zentrale Kern 3a ist ein hohler zylindrischer Körper, der einen ausgeschnittenen Anteil 31 einer vorher bestimmten Breite (z.B. 0,3 mm in dem zylindrischen Körper eines Außendurchmessers von 4,0 mm und einer Dicke von 0,4 mm) aufweist, der sich in der axialen Richtung der Umfangsoberfläche desselben erstreckt. In dem Fall, dass die Batterie in einer Stapelrichtung gequetscht wird, wie durch die gestrichelte Linie in 6 gezeigt wird, wird der zentrale Kern 3a gequetscht, so dass sich die Ränder des ausgeschnittenen Anteils 31 nach außen hin öffnen und das Laminat der Elektrodenplatten 1 von der inneren Umfangsseite her zerbrechen. Dies beschleunigt den Kurzschluss zwischen den Kollektorfolien 11a und 12a der positiven Elektrode und der negativen Elektrode und weitet den Bereich von Kurzschlüssen aus.
7 ist ein Aufriss, der einen dritten zentralen Kern 3b erläutert, und 8 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie A-A von 7 gebildet wurde. 8 zeigt klar die Funktion des zentralen Kerns 3b.
Der zentrale Kern 3b besteht aus Edelstahl, z.B. SUS304. Wie in den 7 und 8 gezeigt wird, ist der zentrale Kern 3b ein hohler zylindrischer Körper, der eine Schlitzöffnung 32 einer vorher bestimmten Breite (z.B. 0,3 mm in dem zylindrischen Körper eines Außendurchmessers von 4,0 mm und einer Dicke von 0,4 mm) hat, die sich in der axialen Richtung auf der Umfangsoberfläche desselben erstreckt, wie der ausgeschnittene Anteil 31, sowie die Schlitze 33a bis 33c und 34a bis 34c der vorher bestimmten Breite, die sich in der axialen Richtung erstrecken, aber nicht die Endfläche des zylindrischen Körpers erreichen.
Die Schlitze 33a bis 33c sind hintereinander in vorher bestimmten Intervallen entlang einer geraden Linie parallel zur Achse angeordnet, während die Schlitze 34a bis 34c hintereinander in vorher bestimmten Intervallen entlang einer anderen geraden Linie parallel zur Achse angeordnet sind. Die Schlitzöffnung 32, die Schlitze 33a bis 33c und die Schlitze 34a bis 34c sind so angeordnet, dass sie den Umfang des kreisförmigen Querschnitts des zentralen Kerns 3b in drei gleiche Anteile aufteilen.
In dem Fall, dass die Batterie von 1 mit dem zentralen Kern 3b in einer Stapelrichtung gequetscht wird, wird der zentrale Kern 3b so gequetscht, dass sich die Ränder der Schlitzöffnung 32 und die Schlitze 33a bis 33c und die Schlitze 34a bis 34c nach außen hin öffnen und das Laminat der Elektrodenplatten 1 von der inneren Umfangsseite her zerbrechen. Dies beschleunigt den Kurzschluss und weitet den Bereich von Kurzschlüssen aus.
Insbesondere wenn die Quetschrichtung der Batterie mit einem der ausgeschnittenen Anteile des zentralen Kerns 3b (in diesem Beispiel der Schlitzöffnung 32) zusammenfällt, wie durch die gestrichelte Linie in 9 gezeigt wird, werden die Ränder der Schlitzöffnung 32 nach innen gepresst und zerbrechen nicht das Laminat der Elektrodenplatten 1, während die Ränder der Schlitze 33a bis 33c und der Schlitze 34a bis 34c sich nach außen hin öffnen. Diese Struktur ermöglicht es, dass das Laminat der Elektrodenplatten 1 auf sichere Weise zerbricht, und zwar unabhängig von der Quetschrichtung. Verglichen mit dem zentralen Kern 3a verursacht der zentrale Kern 3b eine größere Anzahl von Kurzschlüssen in der Umfangsrichtung des Laminats der Elektrodenplatten 1.
10 ist ein Aufriss, der einen vierten zentralen Kern 3c erläutert. Wie aus der Zeichnung klar ersichtlich ist, entspricht der zentrale Kern 3c dem zentralen Kern 3a mit dem ausgeschnittenen Anteil 31, der dreickig-gewellte Ränder, außer an beiden Enden, in der Längsrichtung aufweist. Ein ausgeschnittener Anteil 35 des zentralen Kerns 3c schließt parallele Bereiche 35a ein, die an beiden Enden in der Längsrichtung ausgebildet sind, und schließt einen zentralen wellenförmigen Bereich 35b ein. Der zentrale Kern 3c hat auch zugespitzte Bereiche 36 an beiden Enden in der Längsrichtung, um zu ermöglichen, dass der zentrale Kern 3c leicht in das Aufwickelzentrum des Laminats der Elektrodenplatten 1 eingefügt wird. Der Durchmesser jedes zugespitzten Bereichs 36 nimmt zum entsprechenden Ende hin ab.
Wenn der zentrale Kern 3c durch die Quetschkraft, die an das Laminat der Elektrodenplatten 1 angelegt wird, in einer Stapelrichtung gequetscht wird, bilden die Ränder des wellenförmigen Bereichs 35b, die nach außen hin geöffnet sind, eine gezahnte Ausstülpung. Dadurch wird es ermöglicht, dass das Laminat der Elektrodenplatten 1 leichter zerbrochen wird und die zerbrochenen Positionen besser verteilt werden als bei der Struktur der ersten Ausführungsform.
11 ist ein Aufriss, der einen fünften zentralen Kern 3d erläutert. Wie aus dieser Zeichnung klar ersichtlich ist, ist der zentrale Kern 3d ein zylindrischer Körper, der einen spiralförmigen ausgeschnittenen Anteil 37 aufweist, der auf der Umfangsfläche des zylindrischen Körpers ausgebildet ist, um sich in einer Richtung L1 zu erstrecken (tatsächlich in einer Spiralform), die eine axiale Richtung L0 des zylindrischen Körpers in einem schiefen Winkel schneidet und von einem Ende zum anderen Ende in der Längsrichtung verläuft. Der spiralförmige ausgeschnittene Anteil 37 schließt parallele Bereiche 37a und 37b ein, die an beiden Enden in der Längsrichtung ausgebildet sind, um parallel zur Richtung L1 vorzuliegen, und er schließt einen zentralen wellenförmigen Bereich 37c ein, der dreieckig-gewellte Ränder aufweist. Wie in 12 gezeigt wird, ist die Spirale des ausgeschnittenen Anteils 37 so geformt, dass sie um 90° zwischen einem Ende 37A und dem anderen Ende 37B in der Längsrichtung rotiert. Der zentrale Kern 3d hat auch zugespitzte Bereiche 36 an beiden Enden in der Längsrichtung, um zu ermöglichen, dass der zentrale Kern 3d leicht in das Aufwickelzentrum des Laminats der Elektrodenplatten 1 eingefügt wird. Der Durchmesser jedes zugespitzten Bereichs 36 nimmt zum entsprechenden Ende hin ab.
Wenn der zentrale Kern 3d durch die Quetschkraft, die auf das Laminat der Elektrodenplatten 1 angelegt wird, in einer Stapelrichtung gequetscht wird, werden die Ränder des ausgeschnittenen Anteils 37 nach außen hin geöffnet, und zwar unabhängig von der Quetschrichtung, die die Achse schneidet, wodurch es ermöglicht wird, dass das Laminat der Elektrodenplatten 1 auf sichere Weise zerbrochen wird. Die Ränder des wellenförmigen Bereichs 37c, die nach außen hin geöffnet werden, bilden eine gezahnte Ausstülpung. Dadurch wird es ermöglicht, dass das Laminat der Elektrodenplatten 1 leichter zerbrochen wird und die zerbrochenen Positionen besser verteilt werden. Verglichen mit der Struktur, die eine Mehrzahl von ausgeschnittenen Anteilen aufweist, welche in der Umfangsrichtung angeordnet sind und sich in der axialen Richtung erstrecken, ist diese Struktur dahingehend wirksam, dass die Quetschkraft in irgendeiner die Achse schneidenden Richtung angelegt wird, während die Öffnungsfläche auf der Umfangsoberfläche abnimmt. Der zentrale Kern mit einer geringeren Dicke kann demgemäß die erforderliche Festigkeit im gewöhnlichen Zustand beibehalten.
13 ist ein Aufriss, der einen sechsten zentralen Kern 3e erläutert. Der zentrale Kern 3e ist eine feste Schraubwelle, die einen Durchmesser von etwa 4 mm und eine Ganghöhe von 0,7 mm hat und einen spiralförmigen Einschnitt 31 aufweist, der auf der Umfangsfläche derselben ausgebildet ist. Die Tiefe des Einschnitts 31 ((Durchmesser des Gewindekopfes – Durchmesser des Gewindeunterteils)/2) ist etwa 0,5 mm.
Wenn die Batterie in einer Stapelrichtung gequetscht wird, wird die Innenumfangsseite des Laminats der Elektrodenplatten 1 in den Einschnitt 31 des zentralen Kerns 3d gebohrt und in beträchtlichem Maße zerbrochen.
14 ist eine perspektivische Ansicht, die einen siebten zentralen Kern 3f erläutert. Der zentrale Kern 3f ist eine zusammengerollte Feder aus Edelstahl, die aus Drähten von kreisförmigem Querschnitt besteht, wobei der Durchmesser der Drähte und die Ganghöhe 0,6 mm bzw. 1,6 mm sind. Es liegt ein Zwischenraum von 1,0 mm zwischen den benachbarten Drähten in einem nicht ladenden Zustand vor.
Wenn die Batterie in einer Stapelrichtung gequetscht wird, wird der Innenumfangsanteil des Laminats der Elektrodenplatten 1 gegen die Umfangsfläche der zusammengerollten Feder 3f gepresst. Die zusammengerollte Feder 3f wird gequetscht und dehnt sich in der axialen Richtung aus, um in dem Laminat der Elektrodenplatten 1 schräggestellt zu werden (d.h. die Mittelachse der zusammengerollten Feder 3f wird vom Aufwickelzentrum entfernt), während der Innenumfangsanteil des Laminats der Elektrodenplatten 1 in den Zwischenraum zwischen benachbarten Drähten gebohrt wird. Dies ermöglicht es, dass das Laminat der Elektrodenplatten 1 von der Innenumfangsseite her in beträchtlichem Maße zerbrochen wird.
Gebiet der industriellen Anwendungen
Wie oben diskutiert wurde, kann die nichtwässrige Batterie der vorliegenden Erfindung auf wirksame Weise einen abrupten Anstieg der Innentemperatur verhindern, selbst wenn ein Kurzschluss zwischen einem aktiven Material der positiven Elektrode und der negativen Elektrode aufgrund der äußeren Anwendung einer anomalen Wärme, eines Zerbrechens der Batterie in einer Stapelrichtung oder eines eingedrungenen Nagels in einem Überladungszustand erfolgt, wodurch die Sicherheit der Batterie gewährleistet ist.

Claims

Nichtwässrige Batterie mit einem Elementarzellen-Laminat, umfassend eine Batteriegehäuse (2), in dem Folgendes angeordnet ist: eine positive Platte (11), die eine Kollektorfolie (11a) für eine positive Elektrode und ein aktives Material der positiven Elektrode (11b) nur auf einer einzigen Fläche der Kollektorfolie für diese positive Elektrode umfasst, eine negative Platte (12), die eine Kollektorfolie (12a) für eine negative Elektrode und ein aktives Material der negativen Elektrode (12b) nur auf einer einzigen Fläche der Kollektorfolie für diese negative Elektrode umfasst, Isolierfolien (14) und ein Separator (13), dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Fläche der positiven Platte (11) mit dem aktiven Material der positiven Elektrode (11b) und die einzige Fläche der negativen Platte (12) mit dem aktiven Material der negativen Elektrode (12b) so angeordnet sind, dass sie sich über den Separator gegenüberstehe, die andere Fläche der positiven Platte (11) ohne das aktive Material der positiven Elektrode (11b) und die andere Fläche der negativen Platte (12) ohne das aktive Material der negativen Elektrode (12b) so angeordnet sind, dass sie sich über die Isolierfolien (14) gegenüberstehen, und eine der Isolierfolien (14) als äußerste Schicht angeordnet ist.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Platte so angeordnet ist, dass sie über die äußerste Isolierfolie dem Batteriegehäuse gegenüberliegt, das als negative Elektrode fungiert.
Nichtwässrige Batterie gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierfolien weder eine elektronenleitfähige Funktion noch eine ionenleitfähige Funktion haben.
Nichtwässrige Batterie gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierfolien eine geringere Membrandicke haben als die Membrandicke des Separators.
Nichtwässrige Batterie gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierfolien eine niedrigeren Schmelzpunkt haben als den Schmelzpunkt des Separators.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der positiven Platte das aktive Material der positiven Elektrode auf der gesamten einzigen Fläche der Kollektorfolie aufgetragen ist und bei der negativen Platte das aktive Material der negativen Elektrode auf der gesamten einzigen Fläche der Kollektorfolie aufgetragen ist.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Elementarzellen-Laminaten über eine Mehrzahl dieser Isolierfolien gewickelt und übereinander gelegt ist.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 7, wobei die nichtwässrige Batterie eine sekundäre Batterie ist.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Platte so angeordnet ist, dass sie über die äußerste Isolierfolie dem Batteriegehäuse gegenüberliegt, das als negative Elektrode fungiert.
Nichtwässrige Batterie gemäß den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierfolie eine geringere Membrandicke hat als die Membrandicke des Separators.
Nichtwässrige Batterie gemäß den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierfolie eine niedrigeren Schmelzpunkt hat als den Schmelzpunkt des Separators.
Nichtwässrige Batterie gemäß den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Kern in einem Aufwickelzentrum angeordnet ist.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kern einen säulenartigen Körper umfasst, der einen ausgeschnittenen Anteil aufweist, der auf einer Umfangsfläche desselben ausgebildet ist.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kern wenigstens zwei ausgeschnittene Anteile aufweist, die parallel zur Achse des säulenartigen Körpers ausgebildet sind.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgeschnittene Anteil in einer Richtung ausgebildet ist, die die axiale Richtung des säulenartigen Körpers schneidet.
Nichtwässrige Batterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 13, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgeschnittene Anteil wellenförmige Ränder hat.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kern ein Stab-Glied umfasst, das einen kontinuierlichen Einschnitt hat, der in einer Umfangsrichtung auf einer Umfangsfläche desselben ausgebildet ist.
Nichtwässrige Batterie gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kern eine zusammengerollte Feder umfasst.