DE69636796T2

DE69636796T2 - Zylindrische Sekundärbatterie

Info

Publication number: DE69636796T2
Application number: DE69636796T
Authority: DE
Inventors: Yosuke Shinagawa-ku Kita; c/o Sony Energytec Inc. Tatuo Koriyama Shimizu; Satoshi Shinagawa-ku Iwatsu; c/o Sony Energytec Inc. Hideya Koriyama Takahashi; Kiyoshi Shinagawa-ku Katayama
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2007-10-11
Also published as: EP0771040A2; EP0948066A3; EP0771040A3; DE69637795D1; US5849431A; DE69636796T8; EP0948066B1; KR100417560B1; DE69636796D1; KR970018813A; EP0948066A2; EP0771040B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sekundärbatterie des „Jelly-roll" („Biskuitrollen")-Typs zur Verwendung als eine Hochkapazitätsbatterie zur Energieversorgung für ein elektrisches Fahrzeug oder dergleichen.
Beschreibung des verwandten Sachstandes
Zylindrische Sekundärbatterien, typischerweise zum Gebrauch als eine Energiequelle für elektrische Fahrzeuge, weisen eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die eine netzähnliche positive Elektrode und eine netzähnliche negative Elektrode aufweist, die voneinander durch Separatoren getrennt und in Schichten um einen Kern herum gewickelt sind, und ein zylindrisches Gehäuse auf, das die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung aufnimmt. Die netzähnliche positive Elektrode weist einen Kollektor auf, dessen Startende mit dem Kern verbunden ist, der beispielsweise aus Aluminium ausgeführt sein kann, und dient als ein positiver Anschluss oder eine Anode. Die netzähnliche negative Elektrode weist einen Kollektor auf, dessen Anschlussende mit dem zylindrischen Gehäuse verbunden ist, das beispielsweise aus Edelstahl ausgeführt sein kann, und als ein negativer Anschluss oder eine Kathode dient.
Da die Start- und Abschlussenden der Kollektoren der positiven und negativen Elektroden mit der jeweiligen Anode und Kathode verbunden sind, ist es erforderlich, dass Elektronen an den Enden der positiven und negativen Elektroden lange Distanzen zu gegenüberliegenden Enden laufen, mit dem Ergebnis, dass die zylindrische Sekundärbatterie einen relativ hohen Innenwider stand aufweist. Wenn die zylindrischen Sekundärbatterien in den Abmessungen größer sind, dann ist, da die positiven und negativen Elektroden länger sind, der Innenwiderstand der zylindrischen Sekundärbatterien größer.
Eine Lösung wäre es, die Querschnittsfläche jeder der positiven und negativen Elektroden zu vergrößern, um dadurch den Innenwiderstand zu verringern. Jedoch führt die vergrößerte Querschnittsfläche jeder der positiven und negativen Elektroden zu einer Zunahme in der Dicke jeder der positiven und negativen Elektroden.
Gemäß einer weiteren Lösung sind Leiter an den Kollektoren, die aus einer Metallfolie ausgeführt werden können, der positiven und negativen Elektroden in jeweiligen entgegengesetzten Richtungen senkrecht zu der Richtung angebracht, in welcher die positiven und negativen Elektroden gewickelt sind. Jedoch neigen die Leiter, insofern die zylindrischen Sekundärbatterien zur Verwendung als eine Energieversorgung für elektrische Fahrzeuge in den Abmessungen groß sind und die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung schwer ist und einer Vibration unterworfen ist, dazu, bei Gebrauch abzubrechen.
Wenn eine zylindrische Sekundärbatterie, die einen nichtwässrigen Elektrolyten enthält, einen Fehler beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses zwischen Elektroden erleidet, wird der nichtwässrige Elektrolyt in ein Gas von der Jouleschen Wärme verdampft, die durch den Kurzschluss erzeugt wird. Das erzeugte Gas kann axial eher als spiralförmig entlang der positiven und negativen Elektroden entweichen, weil der Spiraldurchgang entlang der positiven und negativen Elektroden lang ist und einen größeren Widerstand gegenüber der Strömung des Gases darstellt.
Zylindrische Sekundärbatterien geringer Abmessungen, die auf 1 ~ 5 Ah bemessen sind, weisen eine relativ kleine Anzahl von Leiter auf, und die Leiter weisen eine relativ kleine Querschnittsfläche auf, weil Ströme, die durch die Leiter fließen, relativ klein sind.
In größeren zylindrischen Sekundärbatterien ist jedoch ein bemessener Strom, der durch diese Leiter fließt, größer, und die Joulesche Wärme, die von den Leitern erzeugt wird, ist proportional zu dem Quadrat des Stroms. Deswegen ist es erforderlich, dass die Anzahl und die Querschnittsfläche der Leiter, die verwendet werden, in einer Weise größer sind, die mit der Menge der erzeugten Jouleschen Wärme einhergeht (die proportional zu dem Quadrat des Stroms ist).
Wenn die Leiter als eine Erweiterung von Folienkollektoren der positiven und negativen Elektroden gebildet sind, dann muss die Anzahl von Leitern, die in Sekundärbatterien verwendet werden, die auf 20 Ah oder mehr bemessen sind, erhöht werden, weil die Folienkollektoren selbst relativ dünn sind, z.B. 10 bis 40 μm dünn.
Anoden- und Kathodenzapfen oder Anschlusszapfen, die mit den Leitern zum Übertragen des Stroms verbunden sind, sind durch die vielen Leiter umgeben, was dazu führt, dass Auslässe für ein Gas nicht bereitgestellt werden, das in der Sekundärbatterie erzeugt werden kann.
1 der zugehörigen Zeichnungen zeigt eine zylindrische Sekundärbatterie, die eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung von netzähnlichen positiven und negativen Elektroden aufweist, die voneinander durch Separatoren getrennt sind. Wenn die veranschaulichte zylindrische Sekundärbatterie beispielsweise auf 5 Ah oder weniger zur Verwendung als eine Energieversorgung für eine audio-visuelle elektronische Vorrichtung bemessen ist, dann kann, da der bemessene Strom relativ klein ist, die Sekundärbatterie mit externen Leitern über eine relativ kleine Kontaktfläche verbunden werden. Folglich ist kein mechanisch stabiler Aufbau zum Koppeln der Sekundärbatterie mit den externen Leitern erforderlich. Statt dessen ist es üblich, die externen Leiter zu der Sekundärbatterie mit Leitern in der Form von Federn, z.B. Blatt- oder gerollten Federn zu verbinden, die elastisch in Kontakt mit der Anode und der Kathode der Sekundärbatterie gehalten werden. Alternativ sind Anschlussstücke zur Verbindung mit den externen Leitern an die Anode und die Kathode der Sekundärbatterie punktgeschweißt, wie in 2 der zugehörigen Zeichnungen gezeigt.
Leiter oder Verteilerschienen zur Verbindung mit Sekundärbatterien, die eine große Speicherkapazität aufweisen, zur Verwendung als eine Energieversorgung für beispielsweise elektrische Fahrzeuge, müssen dick sein, um große Ströme zu tragen. Wenn die Flächen der Leiter oder Verteilerschienen, die in Kontakt mit den Anschlüssen der Sekundärbatterien gehalten werden, nicht ausreichend starr und groß sind, neigen sie dazu, einen Kontaktfehler zu erleiden, und erzeugen Wärme in einem Bereich, wo der elektrische Widerstand hoch ist. Eine weit verbreitet verwendete Weise eines sicheren Verbindens der Leiter oder Verteilerschienen mit den Sekundärbatterien ist es, Bolzen einzusetzen, um die Leiter oder Verteilerschienen an den Anschlüssen der Sekundärbatterien zu befestigen. Eine spezielle Lösung dieses Typs ist in der GB 107 485 beschrieben, wo ein Schraubengewindezapfen mit dem positiven Element einer galvanischen Zelle verbunden ist und mit einer Flügelmutter zusammenwirkt, die, wenn sie auf den Zapfen geschraubt wird, gleichzeitig eine elastische Dichtplatte komprimiert, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung der Zelle zu bewirken.
Jedoch ist, wenn die Bolzen angezogen werden, Vorsicht angebracht, um die Dichtungen der Sekundärbatterien vor einer Beschädigung aufgrund von angelegten Anziehmomenten zu schützen. Überdies wird, wenn die Anschlusszapfen gemeinsam mit den Bolzen gedreht werden, dann ein Strukturkörper der Sekundärbatterie verdreht, was zu einem internen Kurzschluss führt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist deswegen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sekundärbatterie bereitzustellen, die einen relativ kleinen Innenwiderstand aufweist, während sie gleichzeitig relativ dünne Kollektoren der positiven und negativen Elektroden aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sekundärbatterie bereitzustellen, bei der verhindert wird, dass Leiter brechen, auch wenn die Sekundärbatterie in der Abmessung groß ist.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sekundärbatterie bereitzustellen, die eine Einrichtung zum schnellen und sanften Leiten eines Gases, das in der Sekundärbatterie erzeugt wird, zu einem Einlass eines Gasfreigabeventils aufweist.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sekundärbatterie bereitzustellen, die verhindert, dass sich Anschlusszapfen gemeinsam mit Bolzen drehen, die verwendet werden, um Leiter oder Verteilerschienen zu befestigen, um dadurch zu verhindern, dass sich Leiter bewegen oder beschädigt werden, wenn externe Leiter mit der Sekundärbatterie verbunden werden, und um auch Dichtungen der Sekundärbatterie vor einer Beschädigung zu schützen.
Um diese Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine zylindrische Sekundärbatterie nach Anspruch 1 bereit. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Eine zylindrische Sekundärbatterie umfasst eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die positive und negative Elektroden, die jeweils einen netzähnlichen Kollektor einschließen, der mit einem aktiven Material an gegenüberliegenden Oberflächen davon beschichtet ist, und Separatoren aufweist, die zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet sind, wobei eine Mehrzahl rechteckiger Leiter von gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren in Richtungen senkrecht zu einer Richtung verlaufen, in welcher die positiven und negativen Elektroden und Separatoren gewickelt sind, positive und negative Anschlüsse, die mit den rechteckigen Leitern verbunden sind, die aus den jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren verlaufen, ein zylindrisches Gehäuse, das die spiralförmig gewickelte Elekt rodenanordnung, die rechteckigen Leiter und die positiven und negativen Anschlusselemente aufnimmt, und ein Paar von Deckeln, die an den jeweiligen gegenüberliegenden Enden des zylindrisches Gehäuses angebracht sind, wobei die positiven und negativen Anschlusselemente jeweils an den Deckeln befestigt sind.
Es ist auch eine zylindrische Sekundärbatterie bereitgestellt, umfassend eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die positive und negative Elektroden, die jeweils einen netzähnlichen Kollektor einschließen, der mit einem aktiven Material an gegenüberliegenden Oberflächen davon beschichtet ist, und Separatoren aufweist, die zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet sind, eine Mehrzahl von Leitern, die von gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren in Richtungen senkrecht zu einer Richtung verlaufen, in welcher die positiven und negativen Elektroden und die Separateren gewickelt sind, wobei die rechteckigen Leiter einen losen Abschnitt aufweisen, positive und negative Anschlusselemente, die mit den Leitern verbunden sind, die von den jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren verlaufen, ein zylindrisches Gehäuse, das die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die Leiter und die positiven und negativen Anschlusselemente aufnimmt, und ein Paar von Deckeln, die an den jeweiligen gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Gehäuses angebracht sind, wobei die positiven und negativen Anschlusselemente jeweils an den Deckeln befestigt sind.
Ferner ist eine zylindrische Sekundärbatterie bereitgestellt, umfassend eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die positive und negative Elektroden, die jeweils ein beschichtetes aktives Material einschließen, Separatoren, die zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet sind, und einen Kern aufweist, wobei die positiven und negativen Elektroden und die Separatoren um den Kern gewickelt sind, eine Mehrzahl von Leitern, die von den unbeschichteten Bereichen der positiven und negativen Elektroden entlang voller Längen davon verlaufen, wobei die positiven und negativen An schlusselemente jeweilige Platten aufweisen, die jeweils Gasfreigabelöcher aufweisen, wobei die Leiter an äußere Umfangsflächen der Platten im Wesentlichen vollständig daran entlang geschweißt sind, und wobei Isoliermanschetten den Kern von den Platten isolieren und Gasfreigabelöcher angrenzend an die Gasfreigabelöcher aufweisen, die in den Platten definiert sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine zylindrische Sekundärbatterie bereitgestellt, umfassend ein Anschlusselement, das eine Platte und einen Zapfen aufweist, der axial aus der Platte vorsteht, wobei die Platte ein exzentrisches Loch darin definiert aufweist, wobei der Zapfen eine Außengewindefläche und ein zentrales Innengewindeloch aufweist, einen Deckel, der zwischen der Platte und einer Mutter befestigt ist, die über die Außengewindefläche geschraubt ist, einen Bolzen, der in das zentrale Innengewindeloch geschraubt ist, um einen Leiter zwischen einem Kopf des Bolzens und einem Ende des Zapfens einzuklemmen, einen Stopperstift, der einen Endabschnitt, der an dem Deckel angebracht ist, und einen gegenüberliegenden Endabschnitt, der in das exzentrische Loch in der Platte eingepasst ist, aufweist, und eine Isoliermanschette, die über den gegenüberliegenden Endabschnitt des Stopperstifts eingepasst ist, um den Deckel elektrisch von der Platte zu isolieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ferner eine zylindrische Sekundärbatterie bereitgestellt, umfassend eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die positive und negative Elektroden, die jeweils einen netzähnlichen Kollektor einschließen, der mit einem aktiven Material auf gegenüberliegenden Flächen davon beschichtet ist, und Separatoren, die zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet sind, aufweist, eine Mehrzahl von Leitern, die von gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren in Richtungen senkrecht zu einer Richtung verlaufen, in welcher die positiven und negativen Elektroden und die Separatoren gewickelt sind, positive und negative Anschlusselemente, die mit den Leitern verbunden sind, die von den jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren verlaufen, ein zylindrisches Gehäuse, das die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die Leiter und die positiven und negativen Anschlusselemente aufnimmt, ein Paar von Deckeln, die an jeweiligen gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Gehäuses angebracht sind, wobei die positiven und negativen Anschlusselemente jeweils an den Deckeln befestigt sind, wobei jedes der positiven und negativen Anschlusselemente eine Platte und einen Zapfen aufweist, der axial von der Platte vorsteht, wobei die Platte ein exzentrisches Loch darin definiert aufweist, wobei der Zapfen eine Außengewindefläche und ein zentrales Innengewindeloch aufweist, wobei jeder der Deckel zwischen der Platte und einer Mutter befestigt ist, die über die Außengewindefläche geschraubt ist, einen Bolzen, der in das zentrale Innengewindeloch geschraubt ist, um einen Leiter zwischen einem Kopf des Bolzens und einem Ende des Zapfens einzuklemmen, einen Stopperstift, der einen Endabschnitt an jedem der Deckel und einen gegenüberliegenden Endabschnitt eingepasst in das exzentrische Loch in der Platte aufweist, und eine Isoliermanschette, die über den gegenüberliegenden Endabschnitt des Stopperstifts eingepasst ist, um den Deckel elektrisch von der Platte zu isolieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine teilweise perspektivische Ansicht eines Innenaufbaus einer herkömmlichen Sekundärbatterie;
2 eine explosionsartige perspektivische Ansicht einer weiteren herkömmlichen Sekundärbatterie;
3 eine Längsquerschnittsansicht einer zylindrischen Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform, die zweckmäßig zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht der zylindrischen Sekundärbatterie, die in 3 gezeigt ist;
5 eine teilweise perspektivische Ansicht, die zeigt, wie die positiven und negativen Elektroden und die Separatoren um einen Kern der zylindrischen Sekundärbatterie gewickelt sind, die in 3 gezeigt ist;
6A und 6B eine teilweise ebene Ansicht der positiven und negativen Elektroden der zylindrischen Sekundärbatterie, die in 3 gezeigt ist;
7 eine teilweise Querschnittsansicht, die einen Prozess zum Verbinden von Leitern mit einer Anschlussplatte zeigt;
8 eine teilweise Querschnittsansicht, die einen weiteren Prozess zum Verbinden von Leitern mit einer Anschlussplatte zeigt;
9A und 9B teilweise Querschnittsansichten, die noch einen weiteren Prozess zum Verbinden von Leitern mit einer Anschlussplatte zeigen;
10A und 10B teilweise Querschnittsansichten, die noch einen weiteren Prozess zum Verbinden von Leitern mit einer Anschlussplatte zeigen;
11 eine vergrößerte Seitenaufsicht von einem Ende der zylindrischen Sekundärbatterie, die in 3 gezeigt ist;
12 eine Längsquerschnittsansicht einer zylindrischen Sekundärbatterie gemäß einer weiteren Ausführungsform, die zweckmäßig zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist;
13 eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht der zylindrischen Sekundärbatterie, die in 12 gezeigt ist;
14 eine vergrößerte Seitenaufsicht von einem Ende der zylindrischen Sekundärbatterie, die in 12 gezeigt ist;
15 eine vergrößerte explosionsartige perspektivische Ansicht von einem Ende der zylindrischen Sekundärbatterie, die in 12 gezeigt ist;
16 eine Seitenaufsicht einer spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung der zylindrischen Sekundärbatterie, die in 12 gezeigt ist;
17 eine Längsquerschnittsansicht einer zylindrischen Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18 eine vergrößerte teilweise Querschnittsansicht der zylindrischen Sekundärbatterie, die in 17 gezeigt ist; und
19 eine vergrößerte explosionsartige perspektivische Ansicht von einem Ende der zylindrischen Sekundärbatterie, die in 17 gezeigt ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Gleiche oder entsprechende Teile sind durch gleiche oder entsprechende Bezugszeichen durchgehend durch die Ansichten bezeichnet.
3 zeigt eine zylindrische Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform, die zweckmäßig zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist, wobei diese als eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie ausgeführt ist, die auch als eine nichtwässrige Sekundärbatterie des „Jelly-roll" („Biskuitrollen")-Typs bezeichnet werden kann.
Wie in 3 gezeigt, umfasst die zylindrische Sekundärbatterie ein zylindrisches Gehäuse 17 und eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung 35, die in dem zylindrischen Gehäuse 17 untergebracht ist. Wie in den 4 und 5 gezeigt, umfasst die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung 35 eine netzähnliche positive Elektrode 13 und eine netzähnliche negative Elektrode 14, die voneinander durch Separatoren 30 ge trennt sind und in Schichten um einen Kern 31 herum gewickelt sind.
Die negative Elektrode 14 wird wie folgt gefertigt:
Ein aktives Material der negativen Elektrode 14 wird aus einem Startmaterial eines Petroleumgitters hergestellt. 10 bis 20% einer Funktionsgruppe, die Sauerstoff einschließt, werden in das Petroleumgitter eingeführt, d.h. das Petroleumgitter ist durch Sauerstoff quervernetzt. Danach wird das Sauerstoffquervernetzte Petroleumgitter bei 100000 in einer inaktiven Gasströmung erwärmt, wodurch ein Kohlenstoffmaterial erzeugt wird, dessen Eigenschaften nahe jenen an Glaskohlenstoff sind. Das Kohlenstoffmaterial wird dann in ein Kohlenstoffmaterialpulver zerstoßen, dessen Partikel einen mittleren Durchmesser von 20 μm aufweisen.
90 Gewichtsteile des Kohlenstoffmaterialpulvers und 10 Gewichtsteile eines Binders aus Polyvinyliden-Fluorid (PVDF) werden miteinander gemischt, und die resultierende Mischung wird in einem Lösungsmittel aus N-Methylpyrrolidon dispergiert, was ein Brei-ähnliches aktives Material für die negative Elektrode 14 erzeugt. Wie in 6B gezeigt, wird das Brei-ähnliche aktive Material, das mit 14b bezeichnet ist, gleichförmig auf beide Oberflächen eines negativen Elektrodenkollektors 14a beschichtet, der eine netzähnliche Kupferfolie umfasst, die eine Dicke von 10 μm aufweist, wodurch ein negativer Elektrodenrohling erzeugt wird der eine Dicke von 180 μm aufweist. Der negative Elektrodenrohling wird dann in die negative Elektrode 14 geschnitten, was einen nicht beschichteten Bereich auf einer Seite zur Verwendung als die Leiter zurücklässt. Die somit gefertigte negative Elektrode weist eine Breite von 383 mm einschließlich eines beschichteten Bereichs, der eine Breite von 348 mm aufweist, und eines nicht beschichteten Bereichs, der eine Breite von 35 mm aufweist, und eine Länge von 6940 mm auf.
Die positive Elektrode 13 wird wie folgt gefertigt:
91 Gewichtsteile eines Pulvers aus LiCoO₂, das einen mittleren Durchmesser von 15 μm aufweist, 6 Gewichtsteile eines elektrischen Leiters aus Graphit und 3 Gewichtsteile eines Binders aus Polyvinyliden-Fluorid werden miteinander gemischt, und die resultierende Mischung wird in einem Lösungsmittel aus N-Methylpyrrolidon dispergiert, was ein Brei-ähnliches aktives Material für die positive Elektrode 13 erzeugt. Wie in 6A gezeigt, wird das Brei-ähnliche aktive Material, das mit 13b bezeichnet ist, gleichförmig auf beide Oberflächen eines positiven Elektrodenkollektors 14a beschichtet, der eine netzähnliche Aluminiumfolie umfasst die eine Dicke von 20 μm aufweist, wodurch ein positiver Elektrodenrohling erzeugt wird, der eine Dicke von 150 μm aufweist. Der positive Elektrodenrohling wird dann in die positive Elektrode 13 geschnitten, was einen nicht beschichteten Bereich auf einer Seite zur Verwendung als Leiter zurücklässt. Die somit gefertigte positive Elektrode weist eine Breite von 379 mm einschließlich eines beschichteten Bereichs, der eine Breite von 344 mm aufweist, und eines nicht beschichteten Bereichs, der eine Breite von 35 mm aufweist, und eine Länge von 7150 mm auf.
Nachdem die aktiven Materialien 13b, 14b auf die positiven und negativen Kollektoren 13a, 14a jeweils beschichtet worden sind, sollten die positiven und negativen Elektroden 13, 14 nicht transversal darüber geschnitten werden, um zu verhindern, dass die beschichteten aktiven Materialien 13b, 14b von den positiven und den negativen Elektroden 13a, 14a abplatzen, und um somit das Auftreten eines internen Kurzschlusses zu verhindern, der andernfalls herbeigeführt würde, wenn die beschichteten aktiven Materialien 13b, 14b abplatzen würden.
Dann werden die nicht beschichteten Bereiche der positiven und negativen Elektroden 13, 14 vollständig entlang ihrer Gesamtlänge in rechteckige Zähne geschnitten, die jeweils eine Breite von 10 mm und eine Länge von 30 mm aufweisen und in einer Teilung oder einem Intervall von 15 mm beabstandet sind. Die Zähne dienen als rechteckige Leiter 11, die transversal von einer Seite der positiven und negativen Elektroden 13, 14 verlaufen. Es ist erforderlich, dass die rechteckigen Leiter 11 jeweils länger als die Abstände von entsprechenden Seiten der positiven und negativen Elektroden 13, 14 zu einem positiven Anschlusselement (Anode) 20 und einem negativen Anschlusselement (Kathode) 21 (siehe 3) sind. Die Breite der rechteckigen Leiter 11 ist derart ausgewählt, dass es der Gesamtquerschnittsbereich der rechteckigen Leiter 11 zulassen wird, dass ein maximaler Strom dort hindurch durchfließt. Die Breite der rechteckigen Leiter 11 sollte vorzugsweise 10 mm oder weniger betragen, im Hinblick darauf, dass sie gebogen werden. Jeder der rechteckigen Leiter 11 weist ein proximales Ende auf, das runde Ecken aufweist, die jeweils einen Krümmungsradius von beispielsweise 1 mm aufweisen, um die rechteckigen Leiter 11 gegenüber einem Abreißen beständig zu machen.
Wie in 5 gezeigt, sind die positive Elektrode 13, ein Separator 30, die negative Elektrode 14 und ein weiterer Separator 30 aufeinander folgend in der genannten Reihenfolge überlagert und um den Kern 31 gewickelt, wodurch die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung 35 erzeugt wird. Die rechteckigen Leiter 11 der positiven und negativen Elektroden 13, 14 sind axial gegenüberliegend zueinander orientiert, derart, dass die rechteckigen Leiter 11 der positiven Elektrode 13 an einem Ende der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung 35 positioniert sein werden und die rechteckigen Leiter 11 der negativen Elektrode 14 an dem gegenüberliegenden Ende der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung 35 positioniert sein werden.
Jeder der Separatoren 30 umfasst einen Bogen aus Polyethylen, der eine Dicke von 38 μm und eine Größe von 353 × 7600 mm aufweist und mit winzigen Löchern perforiert ist.
Der Kern 31 umfasst einen Hohlzylinder aus reinem Aluminium, der beispielsweise einen Außendurchmesser von 17 mm, einen Innendurchmesser von 14 mm und eine Länge von 354 mm aufweist.
Die rechteckigen Leiter 11, die an beiden axialen Enden des Kerns 31 verlaufen, lassen es zu, dass ein Strom, der von den Elektrodenkollektoren 13a, 13a erzeugt wird, gut aus der Sekundärbatterie extrahiert wird. Die rechteckigen Leiter 11, die relativ schlank sind, sind zur Verbindung mit den positiven und negativen Anschlusselementen 20, 21 leicht deformierbar.
Wie in 3 gezeigt, umfassen die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 jeweilige Platten 20a, 21a und jeweilige zylindrische Zapfen 20b, 21b, die axial nach außen von jeweiligen zentralen Abschnitten der Platten 20a, 21a vorstehen.
Nachdem die positiven und negativen Elektroden 13, 14 und die Separatoren 30 um den Kern 31 gewickelt worden sind, werden die rechteckigen Leiter 11 in im Wesentlichen gleichen Intervallen gegen äußere Umfangsflächen der Platten 20a, 21a der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 durch jeweilige Halter 33 gedrückt, wie in 4 gezeigt. Obwohl nur das positive Anschlusselement 20 und die rechteckigen Leiter 11, die dort gegen den Halter 33 gedrückt werden, in 4 gezeigt sind, werden die rechteckigen Leiter 11 gegen das negative Anschlusselement 21 durch den Halter 33 auf die gleiche Weise, wie in 4 gezeigt, gedrückt.
Das positive Anschlusselement 20 ist aus reinem Aluminium (Al050) ausgeführt, und das negative Anschlusselement 21 ist aus reinem Kupfer (Cl100) ausgeführt. Der Halter 33 an dem positiven Anschlusselement 20 ist aus reinem Aluminium (Al050) ausgeführt, und der Halter 33 an dem negativen Anschlusselement 21 ist aus reinem Kupfer (Cl100) ausgeführt.
Nachdem die rechteckigen Leiter 11 gegen die äußeren Umfangsflächen der Platten 20a, 21a der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 durch die rechteckigen Halter 33 gedrückt worden sind, werden die äußeren Enden der rechteckigen Leiter 11 entlang äußerer Endflächen der Platten 20a, 21b abgeschnitten. Danach wird, wie in 7 gezeigt, ein Laserstrahl, der zu den äußeren Flächen der Platten 20a, 21a emittiert wird, an die Enden der rechteckigen Leiter 11 angelegt, die gegen die äußeren Umfangsflächen der Platten 20a, 21a durch die Halter 33 angedrückt sind, wodurch die rechteckigen Leiter 11 an die äußeren Umfangsflächen der Platten 20a, 21a geschweißt werden.
Da die rechteckigen Leiter 11, die von den Elektrodenkollektoren 13a, 13a verlaufen, mit den positiven und negativen Anschlusselementen 20, 12 durch ein Schweißen über einen breiten Bereich über den äußeren Umfangsflächen der Platten 20a, 21a geschweißt sind, ist der Innenwiderstand über der Verbindung zwischen den rechteckigen Leitern 11 und den positiven und negativen Anschlusselementen 20, 12 klein und leidet nicht unter Variationen zwischen unterschiedlichen Sekundärbatterien. Weil die rechteckigen Leiter 11 und die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 12 miteinander über einen breiten Bereich verbunden sind, weist die Sekundärbatterie eine ausgezeichnete Fähigkeit auf, große Ströme zu entladen.
Die rechteckigen Leiter 11 sind in gleichförmige Intervalle um die Platten 20a, 21a der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 herum positioniert. Deswegen ist der Abstand von den positiven und negativen Elektrodenkollektoren 13a, 14a zu den positiven und negativen Anschlusselementen 20, 21 relativ klein, was zu einem relativ kleinen Innenwiderstand führt. Deswegen ist es, auch wenn die Sekundärbatterie von relativ großen Abmessungen und somit einer relativ großen Speicherkapazität ist, nicht erforderlich, dass die positiven und negativen Elektrodenkollektoren 13a, 14a in der Dicke relativ groß sind. Folglich können die positiven und negativen Elektrodenkollektoren 13a, 14a in den Abmessungen relativ klein sein.
Die rechteckigen Leiter 11 können an die äußeren Umfangsflächen der Platten 20a, 21a mittels Ultraschall geschweißt werden. Spezifisch sind, wie in 8 gezeigt, die rechteckigen Leiter 11 in im Wesentlichen gleichen Intervallen gegenüber den äußeren Umfangsflächen der Platten 20a, 21a positioniert, und dann wird ein plattenförmiges Horn eines Ultraschallschweißgeräts gegen die Enden der rechteckigen Leiter 11 auf den äußeren Umfangsflächen der Platten 20a, 21a gehalten und betrieben, um die rechteckigen Leiter 11 an die äußeren Umfangflächen der Platten 20a, 21a mittels Ultraschall zu schweißen.
Die rechteckigen Leiter 11 werden gegen die Platten 20, 21 gedrückt, derart, dass die Abschnitte davon, die zwischen den positiven und negativen Elektroden 13, 14 und den Platten 20, 21 verlaufen, in einer Lücke A (siehe 4) zwischen den positiven Elektroden 13, 14 und den Platten 20, 21 gelockert oder gelöst sind.
Um einen lockeren oder losen Abschnitt in den rechteckigen Leitern 11 in der Lücke A bereitzustellen, kann eine Lehre 40 (siehe 9A) radial nach innen gegen die rechteckigen Leiter 11 gedrückt werden. Danach können die rechteckigen Leiter 11 an die äußeren Umfangsflächen der Platten 20a, 21a geschweißt werden, wie in 9B gezeigt.
Alternativ können die rechteckigen Leiter 11, die relativ lang sind, zuerst an die äußeren Umfangsflächen der Platten 20a, 21a geschweißt werden, wie in 10A gezeigt, und dann können die rechteckigen Leiter 11 durch einen Stift 40 radial nach innen gelockert oder gelöst werden, der gegen die rechteckigen Leiter 11 gedrückt wird, wie in 10B gezeigt.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, werden die somit verschweißte spiralförmig gewickelte Elektrodeanordnung 35, das positive Anschlusselement 20 und das negative Anschlusselement 21 mit Sicherungsringen 51, Dichtungen 8, Keramikabschlüssen 6, Deckeln 1, Ringen 50 und Keramikscheiben 5 zusammengesetzt, die danach durch Muttern 7, die über die Zapfen 20b, 21b geschraubt werden, befestigt werden.
Danach wird die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung 35, zusammengesetzt aus den obigen, verschiedenen Komponenten, mit einer bis drei Schichten eines Isolationsbogens aus Polyamid, der darumgewickelt wird, bedeckt. Nachdem der Isolationsbogen aus Polyamid positionsmäßig durch ein Klebeband gehalten ist, wird die gesamte Anordnung in das zylindrische Gehäuse 17 platziert.
Zu diesem Zeitpunkt wird, wie in 4 gezeigt, der Deckel 1 auf ein Ende des zylindrischen Gehäuses 17 gedrückt und durch einen Laserstrahl daran geschweißt. Spezifisch wird der Laserstrahl, der zu einer Außenfläche des Deckels 1 emittiert wird, der an das zylindrische Gehäuse 17 angedrückt ist, an die äußere Kante des Deckels 1 angelegt, um den Deckel 1 zu schweißen und abzudichten.
Da der Deckel 1 an das zylindrische Gehäuse 17 durch einen Laserstrahl geschweißt wird, ist die vollständige Sekundärbatterie von einem vollständig abgedichteten Aufbau.
Das zylindrische Gehäuse 17 ist aus Edelstahl (SUS304) ausgeführt und weist eine Wanddicke auf, die von 0,3 bis 0,5 mm reicht. Der Deckel 1 ist auch aus Edelstahl (SUS304) ausgeführt und weist eine Dicke von 3 mm auf.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, weisen die zylindrischen Zapfen 20b, 21b ihre Außenflächen 15 mit einem M14-Außengewinde auf. Wenn die Muttern 7 über die äußeren Außengewindeflächen 15 geschraubt werden, werden die Deckel 1 zwischen den Keramikscheiben 5 und den Keramikabschlüssen 6 eingeklemmt, was die positiven und negativen Abschlusselemente 20, 21 an den Deckeln 1 sichert. Die Dichtungen 8, die aus Fluorplastik ausgeführt sind, sind zwischen den Platten 20a, 21a und den Deckeln 1 eingebettet, um zu verhindern, dass der nicht-wässrige Elektrolyt aus dem zylindrischen Gehäuse 17 leckt.
Die zylindrischen Zapfen 20b, 21b weisen jeweilige darin definierte, zentrale axiale Löcher auf, die Innenflächen 16 mit einem M6-Innengewinde aufweisen. Die Innengewindeflächen 16 werden verwendet, um die Sekundärbatterie mit externen Drähten zu verbinden. Spezifisch werden Bolzen 17 in die Innengewindeflächen 16 geschraubt, um Verteilerschienen oder Leiter zwischen den äußeren Enden der zylindrischen Zapfen 20b, 21b und den Köpfen der Bolzen 17 zu verbinden.
Der Kern 31 und die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 sind voneinander elektrisch durch Isoliermanschetten 12 aus Polypropylen (PP) isoliert.
Wie in den 4 und 11 gezeigt, umfasst jede der Keramikscheiben 5 eine kreisförmige Platte, die ein kreisförmiges Loch zentral darin definiert aufweist, und wird zwischen der Mutter 7 und dem Deckel 1 ergriffen. Die Keramikscheiben 5 sind aus Aluminium (Al₂O₃) ausgeführt. Weil die Keramikscheiben 5 aus Aluminium ausgeführt sind, dienen sie dazu, die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 von den Deckeln 1 elektrisch zu isolieren.
Insoweit die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 an den jeweiligen Deckeln 1 durch festgezogene Muttern 7 befestigt werden, ist es erforderlich, dass die Keramikscheiben 5 steif genug sind, um die Anziehkräfte, d.h. die Kompressionskräfte, von den Muttern 7 auszuhalten. Die Keramikscheiben 5 aus Aluminium sind in der Lage, die Kompressionskräfte von den Muttern 7 auszuhalten. Die Keramikscheiben 5 aus Aluminium können die starken Anziehkräfte, solange ihre Form unverändert bleibt, über eine lange Zeitperiode, nachdem sie befestigt sind, aushalten. Die Keramikscheiben 5 aus Aluminium können die starken Anziehkräfte in einem weiten Bereich von Temperaturen auch aushalten, weil sich ihre Steifheit nicht ändert, ungeachtet von Umgebungstemperaturänderungen. Da die Keramikscheiben 5 aus Aluminium eine sehr hohe Steifigkeit aufweisen, können sie durch die Muttern stark angezogen werden. Folglich können die Muttern mit starken Anziehkräften angezogen werden, sie werden durch Vibrationen mit der Zeit, wenn die Sekundärbatterie in einem elektrischen Fahrzeug verwendet wird, nicht gelockert werden, und stellen somit eine ausreichende Dichtfähigkeit bereit, um zu verhindern, dass der nicht-wässrige Elektrolyt aus der Sekundärbatterie leckt.
Die Ringe 50 sind axial zwischen den Keramikscheiben 5 und den Keramikabschlüssen 6 und radial zwischen den Deckeln 1 und den Zapfen 20b, 21b positioniert. Die Ringe 50 weisen eine recht eckige Querschnittsform auf und sind aus einem Polymermaterial, wie etwa Polypropylen oder dergleichen, ausgeführt. Wenn die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 an den Deckeln 1 durch die Muttern 7 befestigt sind, dienen die Ringe 50 dazu, die zentrale Achse der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 in Ausrichtung zu der Längsachse der Sekundärbatterie zu halten.
Die Keramikabschlüsse 6 sind zwischen den Innenflächen der Deckel 1 und den Platten 20a, 21a eingebettet. Wie die Keramikscheiben 5 umfasst jeder der Keramikabschlüsse 6 eine kreisförmige Platte, die ein Loch zentral darin definiert aufweist, und sie ist aus Aluminium (Al₂O₃) ausgeführt. Die Keramikabschlüsse 6 dienen dazu, die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 von den Deckeln 1 zu isolieren. Die Keramikabschlüsse 6 sind in der Lage, Kompressionskräfte von den Muttern 7 in ausreichendem Maße auszuhalten, und können starke Anziehkräfte aufrechterhalten, da ihre Form über eine lange Zeitperiode unverändert bleibt, nachdem sie angezogen sind. Die Keramikabschlüsse 6 aus Aluminium können auch die starken Anziehkräfte in einem breiten Bereich von Temperaturen halten, weil sich ihre Steifheit ungeachtet von Umgebungstemperatur-Änderungen nicht ändert. Da die Keramikabschlüsse 6 aus Aluminium von sehr hoher Steifigkeit sind, können sie durch die Muttern 7 stark angezogen werden. Folglich können die Muttern 7 mit hohen Anziehkräften angezogen werden, werden durch Vibrationen mit der Zeit nicht gelockert, auch wenn die Sekundärbatterie an einem elektrischen Fahrzeug verwendet wird, und stellen somit eine ausreichende Dichtfähigkeit bereit, um zu verhindern, dass der nicht-wässrige Elektrolyt aus der Sekundärbatterie leckt.
Die Keramikabschlüsse 6 wiesen ihre äußeren Umfangsdimensionen derart gewählt auf, dass die Dichtungen 8 nicht elastisch über ein bestimmtes Maß hin deformiert werden. Deswegen wird verhindert, dass die Dichtungen 8 ungebührlich elastisch deformiert werden, und es wird somit zugelassen, hohe Abstoßungskräfte in den axialen Richtungen der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 auszuüben. Folglich lassen es die Ke ramikabschlüsse 6 zu, dass die Dichtungen 8 eine ausreichende Dichtfähigkeit aufweisen.
Die Sicherungsringe 51, die aus Polypropylen ausgeführt sind, sind jeweils an den Platten 20a, 21a radial nach außen von den Dichtungen 8 in Kontakt damit angebracht. Die Sicherungsringe 51 verhindern es, dass die Dichtungen 8 ungebührlich deformiert werden, wenn die Dichtungen 8 durch den nicht-wässrigen Elektrolyten, der in dem zylindrischen Gehäuse 17 enthalten ist, kontaktiert werden und anschwellen. Deswegen verhindern die Sicherungsringe 51 auch, dass die Dichtungen 8 ihre Abstoßungskräfte in den axialen Richtungen der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 verringern.
Wie in den 3, 4 und 11 gezeigt, sind Gasfreigabeventile 9 an den jeweiligen Deckeln 1 an einer exzentrischen Position darauf angebracht. Spezifisch sind die Gasfreigabeventile 9 in exzentrische Löcher geschraubt, die in den jeweiligen Deckeln 1 definiert sind. Die Gasfreigabeventile dienen dazu, ein Gas aus dem zylindrischen Gehäuse 17 freizugeben, wenn ein Druckaufbau in dem zylindrischen Gehäuse 17 einen vorbestimmten Druckpegel überschreitet.
Jedes der Gasfreigabeventile 9 umfasst einen Ventilkörper, der normalerweise durch eine Feder in eine Richtung gedrückt wird, um das exzentrische Loch in dem Deckel 1 zum Dichten des Innenraums in dem zylindrischen Gehäuse zu schließen. Wenn der Druck eines Gases in dem zylindrischen Gehäuse 17 über den vorbestimmten Druckpegel aus einem bestimmten Grund zunimmt, werden die Ventilkörper der Gasfreigabeventile 9 nach außen unter dem Druckaufbau gegen die Vorspannung der Federn versetzt, wodurch die exzentrischen Löcher geöffnet werden. Deswegen wird das Gas in dem zylindrischen Gehäuse 17 durch die exzentrischen Löcher und Löcher, die in Seitenwänden der Gasfreigabeventile 9 definiert sind, aus dem zylindrischen Gehäuse 17 entladen. Folglich verhindern die Gasfreigabeventile 9, dass der Druck des Gases über den vorbestimmten Druckpegel innerhalb des zylindrischen Gehäuses 17 ansteigt.
Die Deckel 1 weisen jeweilige Elektrolyt-Einlassanschlüsse 32 auf, die an exzentrischen Positionen darauf definiert sind, die diametral gegenüberliegend zu dem Gasfreigabeventil 9 sind. Nachdem die Sekundärbatterie zusammengesetzt worden ist, wird ein nicht-wässriger Elektrolyt durch die Elektrolyt-Einlassanschlüsse 32 in das zylindrische Gehäuse 17 eingeführt. Nachdem der nicht-wässrige Elektrolyt eingeführt worden ist, werden die Elektrolyt-Einlassanschlüsse 32 durch jeweilige Blindstopfen 4 geschlossen, die in die Elektrolyt-Einlassanschlüsse 32 geschraubt werden, wodurch das zylindrische Gehäuse 17 abgedichtet wird. Metalldichtungen 2 sind um die jeweiligen Blindstopfen 4 herum zwischen den Köpfen der Blindstopfen 4 und den Außenflächen der Deckel 1 angeordnet. Jede der Metalldichtungen 2 weist eine rechteckige Querschnittsform auf und ist aus reinem Aluminium ausgeführt. Die Deckel 1 und die Köpfe der Blindstopfen 4, die in Kontakt mit den Metalldichtungen 2 gehalten werden, sind aus Edelstahl (SUS304) ausgeführt.
Es ist bestätigt worden, dass dann, wenn Edelstahl und reines Aluminium in Kontakt miteinander und auch mit einem nichtwässrigen Elektrolyten einer Lithiumionen-Sekundärbatterie gehalten werden, das Reinaluminium korrodiert wird.
Die Metalldichtungen 2 des Reinaluminiums sind in der Lage, Gase und Wasser effektiver gegen einen Durchlass dorthin durch zu blockieren und auch die Lebensdauer der Sekundärbatterie länger als andere Dichtungen aus Gummi oder einem Polymermaterial auszuführen. Da Reinaluminium haltbarer als Gummi oder ein Polymermaterial ist, können die Dichtungen 2 für eine längere Zeitperiode, möglicherweise semipermanent, als andere Dichtungen aus Gummi oder einem Polymermaterial verwendet werden. Dementsprechend ist es nicht notwendig, die Metalldichtungen 2 zu ersetzen, während die Sekundärbatterie in Gebrauch ist.
Metalldichtungen 3, die mit den Gasfreigabeventilen 9 verwendet werden, können auch aus Reinaluminium ausgeführt werden.
Ein Prozess zum Einführen eines nicht-wässrigen Elektrolyten in das zylindrische Gehäuse 17 wird unten stehend beschrieben werden.
Der nicht-wässrige Elektrolyt, der in das zylindrische Gehäuse 17 einzuführen ist, umfasst ein gemischtes Lösungsmittel aus Propylenkarbonat und Diethylkarbonat und LiPF₆, das in dem gemischten Lösungsmittel in einem Verhältnis von 1 mol/l gelöst ist.
Ein Anschluss zum Einführen eines nicht-wässrigen Elektrolyten ist in einen der Elektrolyt-Einlassanschlüsse 32 gebohrt. Der Anschluss wird mit einem Elektrolyttank über eine Röhre verbunden. Ein Raum oberhalb des Pegels des nichtwässrigen Elektrolyten, der in dem Elektrolyttank enthalten ist, wird über ein Richt-Steuerventil mit einer Vakuumpumpe verbunden, die auch mit dem zylindrischen Gehäuse 17 verbunden ist.
Wenn die Vakuumpumpe betrieben wird, wird das zylindrische Gehäuse 17 evakuiert, um darin einen negativen Druck, verglichen mit dem Atmosphärendruck, zu entwickeln. Dann wird das Richt-Steuerventil betätigt, um den Raum oberhalb des Pegels des nicht-wässrigen Elektrolyten in dem Elektrolyttank gegenüber der Atmosphäre zu entlüften. Da der Druck in dem Elektrolyttank höher als der Druck in dem zylindrischen Gehäuse 17 wird, wird der nicht-wässrige Elektrolyt in dem Elektrolyttank durch die Röhre und den Anschluss in das zylindrische Gehäuse 17 gedrückt.
Der obige Zyklus wird wiederholt, bis das zylindrische Gehäuse 17 mit dem nicht-wässrigen Elektrolyten von dem Elektrolyttank aufgefüllt ist.
Nachdem das zylindrische Gehäuse 17 mit dem nicht-wässrigen Elektrolyten aufgefüllt worden ist, wird der Blindstopfen 4 in den Elektrolyt-Einlassanschluss 32 durch die Metalldichtung 2 geschraubt, wodurch das zylindrische Gehäuse 17 abgedichtet wird.
Wie in 11 gezeigt, weist der Deckel 11, der mit dem positiven Anschlusselement 20 kombiniert ist, ein Kreuzzeichen 18 auf, das anzeigt, dass der Zapfen 20b mit dem positiven Anschlusselement 20 oder der Anode der Sekundärbatterie verbunden ist. Der Deckel 11, der mit dem negativen Anschlusselement 21 kombiniert ist, kann auch ein Strichzeichen (nicht gezeigt) aufweisen, das anzeigt, dass der Zapfen 21b mit dem negativen Anschlusselement 21 oder der Kathode der Sekundärbatterie verbunden ist.
Die 12 bis 16 zeigen eine Sekundärbatterie gemäß einer weiteren Ausführungsform, die zweckmäßig zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist.
Jene Teile der zylindrischen Sekundärbatterie, die in den 12 bis 16 gezeigt ist, die identisch mit jenen der zylindrischen Sekundärbatterie sind, die in den 3 bis 11 gezeigt ist, sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet und werden im Detail unten stehend nicht beschrieben werden.
Die zylindrische Sekundärbatterie, die in den 12 bis 16 gezeigt ist, unterscheidet sich von der zylindrischen Sekundärbatterie, die in den 3 bis 11 gezeigt ist, dahingehend, dass jede der Platten 20a, 20b ein kreisförmiges Muster von Gasfreigabelöchern 23 aufweist, die darin definiert sind und axial dort hindurch verlaufen. Jede der Platten 20a, 20b weist einen Durchmesser von 54 mm und eine Dicke von 3,5 mm auf. Jedes der Gasfreigabelöcher 23 weist einen Durchmesser von 6 mm auf. Die Gasfreigabelöcher 23 sind auf einem Kreis positioniert, der 44 mm von dem Zentrum der Platten 20a, 21a beabstandet ist. In der veranschaulichten Ausführungsform weist jede der Platten 20a, 21a acht Gasfreigabelöcher 23 auf, die winkelmäßig beabstandet in gleichen Umfangsintervallen sind (siehe 15).
Jede der Isoliermanschetten 12, die zwischen der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung 35 und den positiven und negativen Anschlusselementen 20, 21 angeordnet sind, weist auch Gasfreigabelöcher 24 (siehe 15) auf, die zu den jeweili gen Gasfreigabelöchern 23 in den Platten 20a, 21a zum Durchleiten von einem Gas dorthin durch ausgerichtet sind, das zwischen den Isoliermanschetten 12 und der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung 35 vorhanden sein kann. Jedes der Gasfreigabelöcher 24 weist einen Durchmesser von 6 mm auf. Die Gasfreigabelöcher 24 sind auf einem Kreis positioniert, der 44 mm beabstandet von der Mitte der Isoliermanschetten 12 ist. In der veranschaulichten Ausführungsform weist jede der Isoliermanschetten 12 acht Gasfreigabeventile 24 auf, die winkelmäßig in gleichen Umfangsintervallen beabstandet sind (siehe 15). Die Freigabelöcher 23, 24 sind axial zueinander über Kontaktierungsflächen der Platten 20a, 21a und der Isoliermanschetten 12 ausgerichtet.
Ein Gas, das in dem zylindrischen Gehäuse 17 erzeugt wird, wird durch die Gasfreigabelöcher 23, 24 aus dem zylindrischen Gehäuse 17 wie folgt entladen:
Wenn die Sekundärbatterie eine Fehlfunktion aufgrund eines Kurzschlusses in einem Bereich 26 (siehe 12) zwischen den positiven und negativen Elektroden 13, 14 erleidet, dann wird der nicht-wässrige Elektrolyt in dem zylindrischen Gehäuse 17 in ein Gas aufgrund der Jouleschen Wärme verdampft, die durch den Kurzschluss erzeugt wird. Das erzeugte Gas kann bevorzugt axial, eher als spiralförmig, entlang der positiven und negativen Elektroden 13, 14 entweichen, wie durch die Pfeile in der 12 angezeigt, weil der Spiraldurchgang entlang der positiven und negativen Elektroden 13, 14 lang ist und gegenüber der Strömung des Gases einen größeren Widerstand darstellt.
Das Gas, das in dem Bereich 26 erzeugt wird, strömt axial in die Richtungen, die durch die Pfeile angezeigt sind, zu den Enden der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung 35.
Es sind 50 oder mehr Leiter 11 vorhanden, die an die äußere Umfangsfläche jeder der Platten 20a, 21a geschweißt sind. Da die Leiter 11 dünn und flexibel sind, biegen sie sich auf einen Druckaufbau aufgrund des Gases hin, das in dem zylindri schen Gehäuse 17 erzeugt wird, und würden andernfalls verhindern, dass das Gas radial nach außen zwischen den Leitern 11 um die äußeren Kanten der Platten 20a, 21a strömt.
In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Leiter 11 in radial ausgerichtete Sätze gruppiert, die umfangsmäßig beabstandet sind, und sind an die Platten 20a, 21a geschweißt, die radiale Gasfreigaberäume 25 belassen, wie in 16 gezeigt. Um die Leiter 11 in jene radial ausgerichteten Sätze, die umfangsmäßig beabstandet sind, auszurichten, müssen die Beabstandungen zwischen den Leitern 11 in Abhängigkeit von den Radien der Schichten der positiven und negativen Elektroden 13, 14 ausgerichtet werden und können aufgrund möglicher Dicken-Unregelmäßigkeiten der positiven und negativen Elektroden 13, 14 nicht genau gesteuert werden.
Zusätzlich zu den Gasfreigaberäumen 25 stellen die Gasfreigabelöcher 23, 24, die in den Platten 20a, 21a und den Isoliermanschetten 12 definiert sind, einen effektiven Gasströmungsdurchlass zum Freigeben des Gases bereit, das in dem zylindrischen Gehäuse 12 erzeugt wird.
Wie in 12 gezeigt, strömt das Gas, das die Enden der spiralförmig gewickelten Kälteelektrodenanordnung 35 erreicht hat, in Räume, die zwischen der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung 35 und den Isoliermanschetten 12 definiert sind. Das Gas strömt dann im Wesentlichen gleichförmig durch die Gasfreigabedurchgänge 24 in den Isoliermanschetten 12 und dann durch die Gasfreigabedurchgänge 23 in den Platten 20a, 21a.
Das Gas, das von den Gasfreigabedurchgängen 23 entladen wird, tritt dann in Räume ein, die zwischen den Platten 20a, 21a und den Deckeln 1 definiert sind. Die Räume, die zwischen den Platten 20a, 21a und den Deckeln 1 definiert sind, und die Räume, die zwischen dem zylindrischen Gehäuse 17 und den Haltern 33 definiert sind, sind aneinander angrenzend und bilden verbunden zylindrische Räume aus. Deswegen kann sich das entladene Gas in den zylindrischen Räumen 3 bewegen. Das Gas, das in den zylindrischen Räumen strömt, kann somit Einlässe der Gasfreigabeventile 9 erreichen, die an einem der Deckel 1 angebracht sind.
Das Gas, das in die Gasfreigabeventile 9 eintritt, öffnet die Ventilkörper davon unter dem Druck des Gases und wird über die Gasfreigabeventile 9 von dem zylindrischen Gehäuse 17 freigegeben.
Wie in den 14 und 15 gezeigt, ist ein Stopperstift 41, der an jedem der Deckel 1 befestigt ist, in eines der Gasfreigabelöcher 23 eingepasst, die in jeder der Platten 20a, 21a definiert sind. Der Stopper 41 ist aus Edelstahl (SUS304) ausgeführt.
Wenn die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 an dem zylindrischen Gehäuse 17 durch ein Drehen der Muttern 7 befestigt werden, wenn die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 frei bezüglich der Deckel 1 drehbar wären, würden dann die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 im Einklang mit den Muttern 7 auf ein Drehen derselben hin verdreht werden. Wenn die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 verdreht würden, dann würden die Keramikscheiben 5, die Ringe 50, die Keramikabschlüsse 6 und die Sicherungsringe 51 auch verdreht werden.
Wenn die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 verdreht würden, dann würden die Dichtungen 8 entgegengesetzten Reibungskräften von den Innenflächen der Deckel 1 und den Außenflächen der Platten 20a, 21a unterworfen. Deswegen würden die entgegengesetzten Kontaktflächen der Dichtungen 8 durch diese entgegengesetzten Reibungskräfte zerrissen, und die Dichtungen 8 würden ihre ursprüngliche Dichtfähigkeit verlieren.
Wenn die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 verdreht würden, dann würden sie den rechteckigen Leitern 11 eine Last auferlegen, die dazu führt, die rechteckigen Leiter 11 zu verdrehen, bis die rechteckigen Leiter 11 beschädigt würden.
Wenn die Bolzen 19 in die Innengewindeflächen 16 geschraubt und angezogen werden, um Verteilerschienen oder Leiter zwischen den äußeren Enden der zylindrischen Zapfen 20b, 21b und den Köpfen der Bolzen 19 einzuklemmen, würden, wenn die Muttern 7 nicht ausreichend angezogen würden, dann die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 verdreht werden. Eine derartige Verdrehung der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 würde die obigen Probleme auch herbeiführen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der Stopperstift 41, der an jedem der Deckel 1 angebracht ist, in eines der Gasfreigabelöcher 23 und ein entsprechendes der Gasfreigabelöcher 24 eingepasst.
Der Stopperstift verhindert, dass sich die Platten 20a, 21a verdrehen, wenn die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 einem Drehmoment durch das Anziehen der Muttern 7 oder der Bolzen 19 unterworfen werden. Deswegen werden die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 nicht verdreht, wenn die Muttern 7 oder die Bolzen 19 angezogen werden.
Die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21, die Isolationsmanschetten 12 und die zugeordneten Komponenten werden wie folgt zusammengesetzt.
Wie in 15 gezeigt, wird ein Höcker auf der Innenfläche jedes der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 in eine Aussparung in der Außenfläche der Isoliermanschette 12 eingepasst, was die Isolationsmanschetten 12 an den positiven und negativen Anschlusselementen 20, 21 befestigt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Gasfreigabelöcher 23 in den Platten 20a, 21a in einer axialen Ausrichtung mit den jeweiligen Gasfreigabelöchern 24 in den Isoliermanschetten gehalten. Dann wird der Sicherungsring 51 in eine ringförmige Nut 26 eingepasst, die in der Außenfläche jedes der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 definiert ist. Danach wird die Dichtung 8 innerhalb des Sicherungsrings 51 in Kontakt mit der Außenfläche jeder der Platten 20a, 21a platziert. Der Keramikab schluss 6 wird in der Dichtung 8 in Kontakt mit der Außenfläche jeder der Platten 20a, 21a platziert.
Der Stopperstift 21 wird in ein Loch, das an einer exzentrischen Position in jedem der Deckel 1 definiert ist, eingepasst und daran geschweißt. Eine Isoliermanschette 22, die aus Polypropylen ausgeführt ist, wird dann über den Stopperstift 21 eingepasst.
Der Deckel 1 wird auf jeder der Platten 20a, 21a mit dem Sicherungsring 51, der Dichtung 8 und dem Keramikabschluss 6, der daran angebracht ist, platziert. Gleichzeitig wird der Stopperstift 21, der von der Isolationsmanschette 22 umgeben ist, in eines der Gasfreigabelöcher 23 eingepasst, die in jeder der Platten 20a, 21a definiert sind.
Dann wird der Ring 50 zwischen dem Deckel 1 und der Außengewindefläche 15 jedes der Zapfen 20b, 21b platziert. Die Keramikscheibe 5 wird auf dem Deckel 1 platziert, und schließlich wird die Mutter 7 über die Außengewindefläche 15 jedes der Zapfen 20b, 21b geschraubt.
In der in den 12 bis 16 gezeigten Ausführungsform können die Gasfreigabelöcher 23, 24 das Gas, das in der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung 35 produziert wird, schnell und sanft zu den Gasfreigabeventilen 9 leiten.
Weil die Gasfreigabelöcher 23, 24 bereitgestellt sind, ist es nicht erforderlich, dass die rechteckigen Leiter 11 strikt in radial ausgerichtete Sätze gruppiert sind, die umfangsmäßig beabstandet sind, sondern sie können vielmehr zufällig beabstandet sein. Dementsprechend können die positiven und negativen Anschlusselemente 13, 14 mit einer größeren Produktivität ohne eine strikte Dimensionssteuerung gefertigt werden.
Überdies stellen die Gasfreigabelöcher 23 in den Platten 20a, 21a eine Verringerung des Volumens und somit des Gewichts der positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 dar, was zu einer Verringerung in dem Gesamtgewicht der Sekundärbatterie führt.
Die Gasfreigabelöcher 23, 24 stellen einen zusätzlichen Durchlass zum Einführen des nicht-wässrigen Elektrolyten in das zylindrische Gehäuse 17 dar.
Die 17 bis 19 zeigen eine zylindrische Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die zylindrische Sekundärbatterie, die in den 17 bis 19 gezeigt ist, unterscheidet sich von der zylindrischen Sekundärbatterie, die in den 3 bis 11 gezeigt ist dahingehend, dass ein Stopperstift 41 an jedem der Deckel 1 angebracht und in ein Loch 25' eingepasst ist, das in jeder der Scheiben 20a, 21a definiert ist, um zu verhindern, dass sich die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 verdrehen, wenn die Muttern 7 oder die Bolzen 19 gedreht werden.
Spezifisch ist, wie in 18 gezeigt, der Stopperstift 41 von einer gestuften zylindrischen Form, die einen Abschnitt eines kleineren Durchmessers und einen Abschnitt eines größeren Durchmessers aufweist. Der Abschnitt des kleineren Durchmessers des Stopperstifts 41 wird in ein Loch 43, das in dem Deckel 1 definiert ist, eingepasst und weist sein äußeres Ende 44 angeschweißt an die äußere Umfangskante des Lochs 43 auf.
Eine Isoliermanschette 22 ist über dem Abschnitt des größeren Durchmessers des Stopperstifts 41 zum elektrischen Isolieren des Deckels 1 von den Platten 20a, 21a eingepasst.
Der Stopperstift 41 ist aus Edelstahl (SUS304) ausgeführt, und die Isolationsmanschette ist aus Polypropylen ausgeführt.
Die Isolationsmanschette 22, die über dem Abschnitt des größeren Durchmessers des Stopperstifts 41 eingepasst ist, wird in ein Loch 25' eingepasst, das in den Platten 20a, 21a an einer exzentrischen Position davon positioniert ist.
Der Stopperstift 41 verhindert es, dass sich die Platten 20a, 21a verdrehen, wenn die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 einem Drehmoment durch ein Anziehen der Muttern 7 oder der Bolzen 19 unterworfen werden. Deswegen werden die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21 nicht verdreht, wenn die Muttern 7 oder die Bolzen 19 angezogen werden.
Die positiven und negativen Anschlusselemente 20, 21, die Isolationsmanschetten 12 und die zugeordneten Komponenten, die in 19 gezeigt sind, werden im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie in 15 gezeigt zusammengesetzt.
Eine zylindrische Sekundärbatterie umfasst eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die positive und negative Elektroden, die jeweils einen netzähnlichen Kollektor einschließen, der mit einem aktiven Material auf gegenüberliegenden Flächen davon beschichtet ist, und Separatoren aufweisen, die zwischen den positiven und negativen Elektroden bereitgestellt sind, eine Mehrzahl von rechteckigen Leitern, die von gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren in Richtungen senkrecht zu einer Richtung verlaufen, in welcher die positiven und negativen Elektroden und die Separatoren gewickelt sind, positive und negative Anschlusselemente, die mit den rechteckigen Leitern verbunden sind, die von den jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren verlaufen, ein zylindrisches Gehäuse, das die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die rechteckigen Leiter und die positiven und negativen Anschlusselemente aufnimmt, und ein Paar von Deckeln, die an jeweiligen gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Gehäuses angebracht sind, wobei die positiven und negativen Anschlusselemente jeweils an den Deckeln befestigt sind. Die zylindrische Sekundärbatterie umfasst ferner ein Gasfreigabeventil, das an zumindest einem der Deckel angebracht ist, zum Entladen eines Drucks aus dem zylindrischen Gehäuse, wenn ein Druckaufbau in dem zylindrischen Gehäuse einen vorbestimmten Druckpegel überschreitet. Jedes der positiven und negativen Anschlusselemente weist eine Platte auf, wobei die rechteckigen Leiter mit der Platte verbunden sind. Die positiven und negativen Anschlusselemente werden mit den rechteckigen Leitern durch Laserstrahlschweißen oder durch Ultraschallschweißen verbunden.
Eine zylindrische Sekundärbatterie umfasst ferner spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die positive und negative Elektroden, die jeweils einen netzähnlichen Kollektor einschließen, der mit einem aktiven Material an gegenüberliegenden Flächen davon beschichtet ist, und Separatoren aufweist, die zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet sind, eine Mehrzahl von Leitern, die von gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren in Richtungen senkrecht zu einer Richtung verlaufen, in welcher die positiven und negativen Elektroden und die Separatoren gewickelt sind, wobei die rechteckigen Leiter einen losen Abschnitt aufweisen, positive und negative Anschlusselemente, die mit den Leitern verbunden sind, die aus den jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren verlaufen, ein zylindrisches Gehäuse, das die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die Leiter und die positiven und negativen Anschlusselemente aufnimmt, und ein Paar von Deckeln, die an jeweiligen gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Gehäuses angebracht sind, wobei die positiven und negativen Anschlusselemente jeweils an den Deckeln befestigt sind. Die Leiter umfassen eine Mehrzahl rechteckiger Leiter, die in einem vorbestimmten Intervall beabstandet sind. Ein Gasfreigabeventil ist an zumindest einem der Deckel angebracht, um einen Druck aus dem zylindrischen Gehäuse zu entladen, wenn ein Druckaufbau in dem zylindrischen Gehäuse einen vorbestimmten Druckpegel überschreitet.
Eine zylindrische Sekundärbatterie umfasst ferner eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, die positive und negative Elektroden, die ein beschichtetes aktives Material einschließen, Separatoren, die zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet sind, und einen Kern aufweist, wobei die positiven und negativen Elektroden und die Separatoren um den Kern gewickelt sind, eine Mehrzahl von Leitern, die von unbeschichteten Bereichen der positiven und negativen Elektroden entlang voller Längen davon verlaufen, positive und negative Anschlusselemente, die jeweilige Platten aufweisen, die jeweils Gasfreigabelöcher aufweisen, wobei die Leiter an äußerer Umfangsflächen der Platten im Wesentlichen vollständig entlang daran geschweißt sind, und Isolationsmanschetten, die den Kern von den Platten elektrisch isolieren und Gasfreigabelöcher aufweisen, die angrenzend an die Gasfreigabelöcher sind, die in den Platten definiert sind. Die Leiter umfassen rechteckige Leiter. Die Gasfreigabelöcher sind in jeder der Platten um eine zentrale Achse davon in gleichmäßig winkelmäßig beabstandeten Intervallen definiert. Ferner ist ein Gasfreigabeventil an zumindest einem der Deckel angebracht, um einen Druck aus dem zylindrischen Gehäuse zu entladen, wenn ein Druckaufbau in dem zylindrischen Gehäuse einen vorbestimmten Pegel überschreitet. Die Leiter weisen einen vorbestimmten losen Abschnitt auf.

Claims

Zylindrische Sekundärbatterie, umfassend: ein Anschlusselement, das eine Platte (20a, 21a) und einen Zapfen (20b, 21b) aufweist, der axial aus der Platte (20a, 21a) vorsteht, wobei die Platte ein exzentrisches Loch (25') darin definiert aufweist, wobei der Zapfen (20b, 21b) eine Außengewindefläche und ein zentrales Innengewindeloch aufweist, einen Deckel (1), der zwischen der Platte und einer Mutter (7) befestigt ist, die über die Außengewindefläche geschraubt ist; einen Bolzen (19), der in das zentrale Innengewindeloch geschraubt ist, um einen Leiter zwischen einem Kopf des Bolzens (19) und einem Ende des Zapfens (20b, 21b) einzuklemmen; einen Stopperstift (41), der einen Endabschnitt, der an dem Deckel (1) angebracht ist, und einen gegenüberliegenden Endabschnitt, der in das exzentrische Loch (25) in der Platte (20a, 21a) eingepasst ist, aufweist; und eine Isoliermanschette (22), die über den gegenüberliegenden Endabschnitt des Stopperstifts (41) eingepasst ist, um den Deckel (1) von der Platte (20a, 21a) elektrisch zu isolieren.
Zylindrische Sekundärbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung (35), die positive und negative Elektroden (13, 14), die jeweils einen netzähnlichen Kollektor (14a) einschließen, der mit einem aktiven Material an gegenüberliegenden Flächen davon beschichtet ist, und Separatoren (30) aufweist, die zwi schen den positiven und negativen Elektroden (13, 14) angeordnet sind; eine Mehrzahl von Leitungen (11), die aus gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren in Richtungen senkrecht zu einer Richtung verlaufen, in welcher die positiven und negativen Elektroden (13, 14) und die Separatoren (30) gewickelt sind; positive und negative Anschlusselemente (20, 21), die mit den Leitungen (11) verbunden sind, die aus den jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der netzähnlichen Kollektoren verlaufen; ein zylindrisches Gehäuse (17), das die spiralförmig gewundene Elektrodenanordnung (46), die Leiter (11) und die positiven und negativen Anschlusselemente (20, 21) aufnimmt; ein Paar von Deckeln (1), die jeweils dem Deckel entsprechen und an jeweiligen gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Gehäuses (17) angebracht sind, wobei die positiven und negativen Anschlusselemente (20, 21) jeweils an den Deckeln (1) befestigt sind; und wobei jedes der positiven und negativen Anschlusselemente (20, 21) eine Platte (20a, 21a) und einen Zapfen (20b, 21b) aufweist, der axial aus der Platte (20a, 21a) vorsteht, wobei die Platte (20a, 21a) ein exzentrisches Loch (25) darin definiert aufweist, wobei der Zapfen (20b, 21b) eine Außengewindefläche und ein zentrales Innengewindeloch aufweist.
Zylindrische Sekundärbatterie nach Anspruch 2, wobei die Leitungen (11) rechteckige Leitungen umfassen.
Zylindrische Sekundärbatterie nach Anspruch 2 oder 3, weiter umfassend ein Gasfreigabeventil (9), das an zumindest einem der Deckel (1) angebracht ist, zum Ablassen eines Drucks aus dem zylindrischen Gehäuse (17), wenn ein Druckaufbau in dem zylindrischen Gehäuse (17) einen vorbestimmten Druckpegel überschreitet.
Zylindrische Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Leitungen (11) einen vorbestimmten losen Abschnitt aufweisen.