DE69829711T2

DE69829711T2 - Lithium Sekundärbatterie

Info

Publication number: DE69829711T2
Application number: DE69829711T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nagoya-city Aichi-pref. Nemoto; Teruhisa Kanie-cho Kurokawa; Kenshin Midori-ku Kitoh
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-07-29
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: US6344292B1; DE69829711D1; EP0895297A1; EP0895297B1; CA2243212C; CA2243212A1; US20020081483A1

Description

Hintergrund der Erfindung und Beschreibung der verwandten Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lithium-Sekundärbatterie, die leicht hergestellt werden kann, einen geringen Innenwiderstand aufweist und in Hinblick auf die Betriebssicherheit hochwertig ist.
Das Augenmerk wurde dabei auf die Realisierung einer praktischen Verwendung einer Lithium-Sekundärbatterie als Sekundärbatterie gelegt, die klein ist, eine große Energiedichte aufweist, aufgeladen und entladen werden kann und als Energiequelle für eine elektrische Vorrichtung wie eine tragbare Kommunikationsvorrichtung und einen PC von der Größe eines Notebooks verwendet werden kann, wobei in den letzten Jahren die elektrische Vorrichtung schnell in ihrer Größe verkleinert wurde. Darüber beschäftigte man sich auf der Grundlage des internationalen Umweltschutzes mit Maßnahmen zur Einsparung von Ressourcen und Energie, und das ist einer der Gründe, warum man auf die Verwendung der Lithium-Sekundärbatterie als Antriebsbatterie für einen Motor eines Elektrofahrzeugs hofft, das auf eine positive Einführung auf den Markt der Automobilindustrie überprüft wird, oder auf die Verwendung als ein Mittel zur Verwendung von elektrischer Energie durch die Speicherung von elektrischer Energie in der Nacht. Somit wird sehr stark erwünscht, eine Lithium-Sekundärbatterie mit großer Kapazität, die für diese Anwendungsmöglichkeiten geeignet ist, bald in praktischen Gebrauch nehmen zu können.
In der Lithium-Sekundärbatterie wird ein Lithium-Übergangsmetallverbindungsoxid oder dergleichen als positiv aktive Masse verwendet, während ein Kohlenstoffmaterial wie Kohlenstoff oder Graphit als negativ aktive Masse verwendet wird. Beim Aufladen werden Lithiumionen in der positiv aktiven Masse durch einen Elektrolyten, der durch die Auflösung eines Lithiumionen-Elektrolyten in einem organischen Lösungsmittel erhalten wird, zur negativ aktiven Masse transferiert und durch diese gefangen. Bei der Entladung erfolgt eine umgekehrte Batteriereaktion.
Ebenso ist die Lithium-Sekundärbatterie eine Sekundärbatterie, die aufgeladen und entladen werden kann und die Eigenschaften aufweist, dass ihre Spannung höher als die Spannung einer herkömmlichen Mangan-Batterie ist und dass ihre Energiedichte hoch ist. Somit ist die Lithium-Sekundärbatterie mit einem Sicherheitsmechanismus versehen, um Unfälle wie das Bersten der Batterie aufgrund des Anstiegs der Batterietemperatur durch Anomalien zum Zeitpunkt des Auf- oder Entladens, z.B. die zu große Entladung aufgrund eines Kurzschlusses eines Ausgangsanschlusses, der schnellen Aufladung oder Überladung aufgrund der Fehlfunktion einer Ladevorrichtung, der Verwendung einer falsch gepolten Anschlussspannung durch die fehlerhafte Verwendung eines Benützers oder dergleichen zu vermeiden.
In einer kleinen Batterie ist z.B., wie dies in 13 dargestellt ist, ein Ende einer positiven Zuleitung 11 mit einer positiven Elektrode (nicht dargestellt) verbunden, und das andere Ende dieser ist mit einem Innenanschluss 13 mit einem Verbindungsloch 12 verbunden. Der Innenanschluss 13 ist elektrisch mit einer Druckschalterplatte 15 mit einer Berstnut 14 durch den Kontakt B verbunden. Die Druckschalterplatte 15 ist mit einem Ausgangsanschluss 17 durch ein PTC-Element 16 verbunden. Der Innenanschluss 13 und die Druckschalterplatte 15 sind voneinander durch eine Isolationsschicht 18 getrennt, so dass die elektrische Leitfähigkeit verloren geht, wenn der Kontakt B durch den Anstieg des Innendrucks der Batterie getrennt wird. Die Bezugsziffer 19 bezeichnet ein Batteriegehäuse.
In der Batterie mit einem solchen Sicherheitsmechanismus wird, in dem Fall; dass die Temperatur der Batterie selbst aufgrund des Auftretens von Anomalien bei der Verwendung der Batterie erhöht wird, wenn das PTC-Element 16 eine vorbestimmte Temperatur erreicht, der Widerstand dieser abrupt erhöht, so dass kaum ein Stromfluss entsteht. Dadurch ergibt sich, dass die Batteriereaktion beschränkt und der Temperaturanstieg unterdrückt wird.
Hier wird im Allgemeinen als diese Art eines PTC-Elements 16 ein Gemisch aus leitfähigen Teilchen und Polymer verwendet. Das Gemisch weist solche Eigenschaften auf, dass das Gemisch bei Raumtemperatur einen geringen Widerstand aufweist, da die leitfähigen Teilchen einen Strompfad bilden, während bei einer Temperatur, die höher als eine gewisse Temperatur ist, das Gemisch einen Widerstand erreicht, der beinahe so hoch ist, wie der eines Isolators, da die Molekularstruktur des Polymers geändert wird, so dass der durch die leitfähigen Teilchen gebildete Strompfad in Stücke geteilt wird, und wenn die Temperatur wieder absinkt, kehrt das Polymer in seine Ausgangsstruktur zurück, so dass der Strompfad der leitfähigen Teilchen erneut gebildet wird und der Widerstand wieder auf einen geringen Widerstandswert zurückgebracht wird.
Erhöht sich der Innendruck der Batterie, obwohl ein Strom durch das PTC-Element 16 beschränkt wird, und übersteigt der Innendruck die Schweißfestigkeit des Kontakts B zwischen der Druckschalterplatte 15 und dem Innenanschluss 13, so trennt der Kontakt B, so dass die Verbindung zwischen einem inneren Elektrodenkörper und dem Ausgangsanschluss 17 vollständig unterbrochen wird und es zu keiner Batteriereaktion kommt. Wird der Innendruck aber trotzdem erhöht, so birst die Berstnust 14, so dass der Innendruck der Batterie an den Atmosphärendruck abgegeben wird, d.h. es wird eine solche Struktur angenommen, dass der Druckabgabemechanismus wirksam wird.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen verschiedenen Sicherheitsmechanismen ist etwa ein solcher Sicherheitsmechanismus bereitgestellt, dass bei Verwendung einer. porösen makromolekularen Folie, so etwa Polyethylen mit einem niedrigen Erweichungspunkt, als Trennschicht zum Trennen der positiven Elektrode von der negativen Elektrode im inneren Elektrodenkörper, wenn die Batterietemperatur erhöht wird, die Trennfolie aufgeweicht wird und in der Folie ausgebildete Mikroporen kollabiert werden, so dass die Bewegung der Lithiumionen blockiert und die Batteriereaktion unterdrückt wird.
Demgemäß ist auch in einer Lithium-Sekundärbatterie mit einer großen Kapazität vorstellbar, dass solche verschiedenen Sicherheitsmechanismen, wie sie in einer kleinen Lithium-Sekundärbatterie, wie sie oben beschrieben ist, installiert sind, unverzichtbar installiert werden müssen.
Da die Widerstandsfähigkeit des oben angeführten PTC-Elements aus den leitfähigen Teilchen und dem Polymer bei Raumtemperatur etwa 1 Ω·cm beträgt, wird der Innendruck der Batterie groß, wodurch ein Ausgangsverlust entsteht, und das PTC-Element kann bewirken, dass die Entladungseigenschaften verringert und die Lebensdauer der Batterie verkürzt werden. Insbesondere wenn ein solches PTC-Element in einer Batterie mit großer Kapazität installiert ist, wird wahrscheinlich die Stromkonzentration im Inneren des PTC-Elements aufgrund der Vergrößerung einer Fläche des PTC-Elements auftreten, wodurch die Erzeugung von Hitze bewirkt wird, so dass die Installation in einer Batterie mit großer Kapazität schwierig ist. Zusätzlich dazu ist ein solches PTC-Element im Allgemeinen teuer, und es wird kein großes Element hergestellt, so dass ein Stromregelement, das billiger ist, eine große Batterie handhaben kann und einen niedrigen Widerstand aufweist, stark erwünscht wird.
Gemäß der Battery Association of Japan, wird als mechanischer Test (Test einer fehlerhaften Verwendung) für eine Sicherheitsbewertungsrichtlinie einer Lithium-Sekundärbatterie festgelegt, dass selbst dann, wenn ein anormaler Abgabestrom aufgrund eines inneren Kurzschlusses der Elektroden abrupt fließt, der dadurch hervorgerufen wird, dass ein Nagel (Metallstab) in eine Oberfläche (Laminierungsoberfläche) getrieben wird, so dass der Nagel vertikal in die Elektrodenplatten einer Lithium-Sekundärbatterie, die in ihrer Ladekapazität vollständig aufgeladen ist, eindringt, wobei die Elektrodenplatten miteinander auf der Oberfläche überlappen, die Batterie nicht birst, nicht in Brand gerät und die Sicherheit gewährleistet werden kann (ein solcher Test wird hierin nachfolgend als Nageleindring-Test bezeichnet).
Als Ergebnis des vorangegangenen Nageleindring-Tests, der von den Erfindern der vorliegenden Erfindung für eine kleine Lithium-Sekundärbatterie (Batteriekapazität 1,5 Ah oder weniger) ausgeführt wurde, bestätigte sich, dass die Sicherheit für eine Batterie ausreichend gewährleistet werden kann, in welcher ein Druckabgabemechanismus an einer Elektrodenseite an nur einem Ende bereitgestellt ist.
Im Fall, dass der Nageleindring-Test für die nachfolgend beschriebene Lithium-Sekundärbatterie durchgeführt wird, welche eine gewundene Zylinderform und eine große Kapazität aufweist, wobei ein innerer Elektrodenkörper verwendet wird und eine luftdichte Struktur hergestellt wurde, worin ein Druckabgabemechanismus an einem Ende und kein Druckabgabemechanismus am anderen Ende bereitgestellt ist, bestätigte sich, dass der Druckabgabemechanismus am Ende der Batterie, wo der Druckabgabemechanismus bereitgestellt war, normal betätigt wurde, und dass eine Berstnut barst, so dass der innere Druck der Batterie an den Atmosphärendruck abgegeben wurde und eine geringe Menge Dampf eines Elektrolyten ausfloss. Im Gegensatz dazu wurde bestätigt, dass das Ende, an welchem der Druckabgabemechanismus nicht bereitgestellt ist, birst, so dass nicht nur Teilstücke des Batteriegehäuses und Elektrolytendampf sondern auch Teilmaterialien der positiven oder negativen Elektroden verstreut wurden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung gingen davon aus, dass das Ergebnis des Nageleindring-Tests für die Lithium-Sekundärbatterie mit der großen Kapazität dadurch verursacht wurde, dass ein Überstrom am Kurzschluss unvergleichbar größer war als jener einer kleinen Batterie, und Verdampfung oder Zersetzung des Elektrolyten aufgrund des Temperaturanstiegs der Batterie so rasch voranschritten, dass der Innendruck der Batterie erhöht wurde. Andererseits erfüllte die kleine Lithium-Sekundärbatterie, in welcher der Druckabgabemechanismus an nur einem Abschnitt bereitgestellt ist, den Nageleindring-Test. Aus diesen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die Struktur und der Installationszustand eines Druckabgabemechanismus, der fehlerfrei arbeitet, mit der Batteriekapazität in Zusammenhang steht.
Die Beziehung zwischen der Batteriekapazität und der Öffnungsfläche während des Betriebs des Druckabgabemechanismus wurde aber nicht geklärt, d.h. wenn die Öffnungsfläche beim Betrieb des Druckabgabemechanismus klein ist, erfolgt auf dem Weg zur Druckabgabe des Innendrucks eine Verstopfung, so dass die Druckabgabe nicht ausreichend ausgeführt werden kann, und es wird befürchtet, dass ein Zwischenfall wie ein Bersten oder Entzünden der Batterie erfolgt. Andererseits gibt es, wenn die Öffnungsfläche groß ist, wenngleich die Gefahr einer Verstopfung eliminiert werden kann, die Befürchtung, dass die Bestandteile des inneren Elektrodenkörpers herausspringen, oder dass es zu einem Entzünden oder Bersten kommt, wenn der innere Elektrodenkörper im Zustand des inneren Kurzschlusses herausspringt. Die Bedingungen zur Vermeidung eines solchen Auftretens wurden aber nicht geklärt.
Somit gibt es oftmals Fälle, in welchen das Batteriegehäuse selbst groß wird, da ein unnotwendig großer Druckabgabemechanismus für die Batteriekapazität angeordnet ist, oder eine solche Konfigurationsbeschränkung auferlegt ist, dass, obwohl es erwünscht ist, dass eine Batterie mit dünner und langer Zylinderform ausgebildet wird, eine flache Plattenstruktur angenommen werden muss, während die Batteriekapazität gleich bleibt, da ein großer Druckabgabemechanismus angeordnet werden muss.
Danach schlossen die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Struktur, Betriebsbedingung und Installationsposition eines Druckabgabemechanismus für eine Lithium-Sekundärbatterie mit großer Kapazität, die hohe Sicherheit und geringen Widerstand bietet und einen großen Druck, der im Inneren der Batterie aufgrund eines Elektroden-Kurzschlusses und dergleichen erzeugt wird, an den Atmosphärendruck abgeben kann, in ihrer Überlegungen ein, und als Ergebnis dieser Überlegungen wurde diese Erfindung erreicht.
EP-A-771040 beschreibt eine nichtwässrige Lithium-Sekundärbatterie mit einer spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung mit positiven und negativen Elektroden sowie Trennschichten zwischen den Elektroden. Die Trennschichten sind Schichten aus Polyethylen, die durch winzigkleine Löcher perforiert ist. Die Anordnung befindet sich in einem Gehäuse, das an jedem Ende ein Gasabgabeventil aufweist, das einen Ventilkörper in der geschlossenen Position federvorgespannt aufweist.
EP-A-855752 (veröffentlicht am 29. Juli 1998) beschreibt eine wiederaufladbare Lithium-Batterie mit einer porösen Trennschicht, die aus einem nicht-gewobenen Gewebe oder einer Membran mit einer Mikroporenstruktur aus Glas oder Polymer zwischen den Elektroden besteht. Darin ist ebenfalls ein Sicherheitsventil für das Batteriegehäuse offenbart, das z.B. eine Bruchfolie ist.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Lithium-Sekundärbatterie bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 dargelegt ist.
Eine solche Struktur der Lithium-Sekundärbatterie wird vorzugsweise für den Fall angenommen, dass ein zylinderförmiges Batteriegehäuse verwendet wird. Zumindest ein Druckabgabemechanismus ist geeignet in jedem der Endabschnitte des Batteriegehäuses bereitgestellt.
Weiters ist gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung eine Lithium-Sekundärbatterie bereitgestellt, wie sie in Anspruch 6 dargelegt ist.
Der Druckabgabemechanismus ist vorzugsweise an jedem des zumindest einem Paars der einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Batteriegehäuses bereitgestellt.
Es wird bevorzugt, dass der Betriebsdruck des jeweiligen Druckabgabemechanismus 2 bis 10 kg/cm² beträgt, und dass die Differenz zwischen den Betriebsdrücken der jeweiligen Druckabgabemechanismen 8 kg/cm² oder weniger beträgt.
In den Lithium-Sekundärbatterien der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise der Druckabgabemechanismus mit einer solchen Struktur installiert, dass eine Metallfolie bersten gelassen wird, oder ein Nutabschnitt in einer Metallplatte ausgebildet und der Nutabschnitt bersten gelassen wird, so dass der Innendruck der Batterie an den Außendruck abgegeben wird. Darüber hinaus wird bevorzugt, dass Aluminium für die Metallfolie oder Metallplatte, die auf diese Weise verwendet werden, verwendet wird, wenn diese am positiven Ende installiert sind, und Kupfer oder Nickel, wenn sie an der negativen Seite installiert sind. Darüber hinaus wird bevorzugt, dass eine Öffnungsfläche eine solchen Druckabgabemechanismus 0,1 cm² oder mehr beträgt.
Eine solche Strukturbedingung der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise für eine Batterie mit einer Batteriekapazität von 5 Ah oder mehr angenommen und kann vorzugsweise für ein elektrisches Fahrzeug oder eine elektrisches Hybridfahrzeug verwendet werden.
Wie bereits zuvor beschrieben wurde, birst oder explodiert gemäß der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung die gesamte Batterie nicht und es kann hervorragende Sicherheit erreicht werden, selbst wenn die Batterietemperatur durch Überladung aufgrund eines äußeren Kurzschlusses oder dergleichen erhöht wird, ganz zu schweigen von einem inneren Kurzschluss, so dass der Innendruck der Batterie ansteigt, da der Druckabgabemechanismus in einer geeigneten Form für die Batteriekapazität und an einer geeigneten Stelle angeordnet ist. Darüber hinaus ist, selbst in dem Fall, dass der Druckabgabemechanismus auch als Strompfad fungiert, da der Druckabgabemechanismus aus Metallmaterialelementen besteht, der innere Widerstand der Batterie gering und die Batterie in Hinblick auf Lade- und Entladeeigenschaften überlegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Druckabgabemechanismus, der für die Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung ausgelegt wurde.
3 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Druckabgabemechanismus, der für die Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung angenommen wurde.
4 ist eine beispielhafte Ansicht einer Probe für einen Betriebstest des Druckabgabemechanismus, der in der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurde, und der Struktur einer Vorrichtung für den Betriebstest.
5 ist ein Diagramm der Ergebnisse eines Betriebstests, der unter Verwendung einer Metallfolie für den Druckabgabemechanismus durchgeführt wurde.
6 ist eine beispielhafte Ansicht der Struktur einer Probe für einen Betriebstest eines weiteren Druckabgabemechanismus, der in der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung angenommen wurde.
7 ist ein Diagramm der Ergebnisse eines Betriebstests, der unter Verwendung einer V-förmigen Nut für den Druckabgabemechanismus durchgeführt wurde.
8 ist eine Perspektive eines Beispiels einer Struktur eines inneren Elektrodenkörpers vom Wicklungstyp, der für die Lithium-Sekundärbatterie verwendet wird.
9 ist eine Perspektive eines Beispiels einer Struktur eines inneren Elektrodenkörpers vom Laminierungstyp, der für die Lithium-Sekundärbatterie verwendet wird.
10(a) und 10(b) sind Ansichten, die jeweils einen Durchführungsmodus für die Anordnung eines Druckabgabemechanismus aufgrund einer Metallfolie zeigen.
11(a) und 11(b) sind Ansichten, die jeweils einen Durchführungsmodus für die Anordnung des Druckabgabemechanismus aufgrund einer V-förmigen Nut zeigen.
12(a)–12(d) sind Ansichten, die jeweils einen Durchführungsmodus für die Positionierung des Ausgangsanschlusses und des Druckabgabemechanismus zeigen.
13 ist eine Schnittansicht eines Sicherheitsmechanismus einer herkömmlichen kleinen Lithium-Sekundärbatterie.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend sind bevorzugte Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist aber anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.
Eine Struktur einer Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung ist in eine Lithium-Sekundärbatterie vom Wicklungs- und eine Lithium-Sekundärbatterie vom Laminierungstyp unterteilt. Eine Lithium-Sekundärbatterie vom Wicklungstyp weist eine solche Struktur auf, dass, wie dies in der perspektivischen Ansicht in 8 dargestellt ist, ein Batteriegehäuse einen inneren Elektrodenkörper 1 enthält, der dadurch gebildet wird, dass eine positive Elektrode 2 und eine negative Elektrode 3 durch eine Trennfolie 4 aus porösem Polymer so gewickelt werden, dass die positive Elektrode 2 und die negative Elektrode 3 nicht in direkten Kontakt miteinander gebracht werden. Im Fall eines solchen Wicklungstyps kann die Anzahl an Zuleitungen 5 von den jeweiligen Elektrodenplatten 2 und 3 zumindest eins sein. Selbst in dem Fall, dass der Elektrizitätssammelwiderstand von den jeweiligen Elektrodenplatten 2 und 3 erwünschterweise klein gemacht wird, ist es ausreichend, nur die Anzahl an Zuleitungen zu erhöhen. Somit weist der Wicklungstyp den Vorteil auf, dass der Zusammenbau der Batterie leicht ist.
1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung, die einen inneren Elektrodenkörper 1 verwendet. Ähnlich wie 8 ist eine positive Elektrode 60 von einer negativen Elektrode 61 durch eine Trennfolie 62 isoliert, und diese sind gewickelt, um so einen inneren Elektrodenkörper 90 zu bilden. Es werden gleichzeitig die positive Elektrode 60 und die negative Elektrode 61 gewickelt, während die Positionen in die vertikale Richtung so verschoben werden, dass die Verbindung zu den Zuleitungen für die Elektrizitätssammlung leicht wird. Der auf diese Weise gebildete innere Elektrodenkörper 90 wird in ein zylindrisches Batteriegehäuse 63 aus Aluminium eingesetzt. Dabei wird die Innenfläche des Batteriegehäuses 63 mit einer Polypropylenschicht 64 beschichtet, um einen direkten Kontakt mit den jeweiligen Elektrodenplatten 61 und 62 zu verhindern.
Hier wird als positive Elektrode 60 vorzugsweise eine mit Lithiumkobaltoxid (LiCoO₂), Lithiumnickeloxid (LiNiO₂) oder Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄) als positiv aktive Masse, die mit Kohlepulver vermischt wird, um die Leitfähigkeit zu verbessern, beschichtete Aluminiumfolie verwendet. Entsprechend Zweck, Verwendungsbedingung, Kosten und dergleichen der Batterie wird bestimmt, welche positiv aktive Masse unter solchen positiv aktiven Massen verwendet werden soll. Als Kohlepulver können Acetylenschwarz, Graphitpulver oder dergleichen verwendet werden.
Weiters wird bevorzugt, ein Material mit hohem Reinheitsgrad für die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Aluminiumelemente zu verwenden, so z.B. für die Aluminiumfolie, aus der die positive Elektrode 60 besteht, und für das Batteriege häuse 63, um zu verhindern, dass die Batterieleistung aufgrund von Korrosion durch eine elektrochemische Reaktion der Batterie verringert wird.
Andererseits wird für die negative Elektrode 61 vorzugsweise eine mit einem amorphen Kohlematerial wie weicher oder harter Kohle oder Kohlenpulver wie natürlichem Graphit oder stark graphitisiertem Kohlenstoffmaterial als negativ aktive Masse beschichtete Kupferfolie verwendet. Hier wird ähnlich wie bei den anderen für die positive Elektrode verwendeten Aluminiumelementen vorzugsweise ein hochgradig reines Material für die als negative Elektrode 61 verwendete Kupferfolie und für die anderen in der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung verwendeten Kupferelemente verwendet, um somit gegen Korrosion aufgrund einer elektrochemischen Reaktion beständig zu sein.
Obwohl es sich erübrigt festzustellen, dass das obig angeführte Kohlenstoffmaterial, das für die negative Elektrode verwendet wird, die Eigenschaften aufweist, dass es Lithiumionen ab- und desorbiert, ist bekannt, dass ein Teil der auf das Kohlenstoffmaterial zu Beginn der Ladereaktion der Batterie absorbierten Lithiumionen zum sogenannten toten Lithium wird, das auf dem Kohlenstoffmaterial absorbiert gehalten wird und nicht zu den nachfolgenden Lade- und Entladereaktionen beiträgt, so dass die Kapazität der Batterie verringert wird. Somit wird vorzugsweise ein Material ausgewählt, in welchem die Menge an totem Lithium gering ist.
Als Material für die Trennschicht 62 wird vorzugsweise ein dreischichtiges Strukturmaterial verwendet, in welchem eine Polyethylenfolie mit einer Durchlässigkeit gegenüber Lithiumionen, die Mikroporen umfasst, zwischen den porösen Polypropylenfolien mit Durchlässigkeit gegenüber Lithiumionen in einer Sandwich-Anordnung angeordnet ist. Dies dient auch als Sicherheitsmechanismus, in welchem, wenn die Temperatur des inneren Elektrodenkörpers 90 erhöht wird, die Polyethylenfolie auf etwa 130°C erweicht wird, so dass die Mikroporen kollabieren, um somit die Bewegung der Lithiumionen, d.h. die Batteriereaktion, zu unterdrücken. Ist die Polyethylenfolie in einer Sandwich-Anordnung zwischen den Polypropylenfolien mit einer höheren Erweichungstemperatur als die Polyethylenfolie angeordnet, so ist es möglich, den Kontakt/die Schweißung zwischen der Trennfolie 62 und den positiven und negativen Elektroden 60, 61 zu verhindern.
Als Elektrolyt, der im inneren Elektrodenkörper 90 imprägniert und im Batteriegehäuse 63 eingefüllt ist, wird vorzugsweise ein nichtwässriger organischer Elektrolyt verwendet, der ein einzelnes Lösungsmittel oder ein Lösungsmittelgemisch aus organischen Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, γ-Butyrolacton, Diethylencarbonat, Tetrahydrofuran und Acetonitril sowie eine oder mehrere Arten von LiPF₆, LiClO₄, LiBF₄ und Lithiumhalid als im Lösungsmittel gelösten Elektrolyten umfasst. Weiters ist es auch möglich, einen makromolekularen Festelektrolyten oder dergleichen zu verwenden, der durch Gelierung oder Verfestigung des auf diese Wiese ausgebildeten Elektrolyten gebildet wird.
Als nächstes ist die Struktur einer negativen Seite im oberen Abschnitt der Batterie in 1 beschrieben. Die negative Elektrode 61 ist mit Zuleitungen 65 vorzugsweise an mehreren Stellen mittels Widerstandsschweißen, Ultraschallschweißen oder dergleichen verbunden. Indem die Elektrizitätssammlung von den zahlreichen Abschnitten auf diese Weise durchgeführt wird, ist es, im Vergleich zu dem Fall, in welchem die Elektrizitätssammlung von nur einem Abschnitt durchgeführt wird, möglich, den Widerstand der Elektrizitätssammlung von der gewickelten negativen Elektrode 61 zu verringern, und somit wird es möglich, die Leistung der Batterie zu verbessern.
Ein solches Mittel spielt eine wichtige Rolle bei der Verringerung des Widerstands der Elektrizitätssammlung, da die Fläche einer Elektrodenplatte entsprechend dem Anstieg der Batteriekapazität groß gemacht wird. Übrigens wird als Material für die Zuleitung 65 vorzugsweise Kupfer verwendet, das hinsichtlich Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber Elektrolyten wie der negativen Elektrode 61 überlegen ist.
Die auf diese Weise bereitgestellten Zuleitungen 65 sind an einer Kupferniete 66 zusammengefasst und damit so elektrisch verbunden, dass die Elektrizitätssammlung durchgeführt wird. Diese Kupferniete 66 ist mit einem negativen Innenanschluss 67 aus Kupfer mittels Schweißung oder dergleichen verbunden. Es wird eine Vorrichtung hergestellt, so dass die negative innere Anschlussplatte 67 nicht in die Richtung des inneren Elektrodenkörpers 90 durch einen auf dem Batteriegehäuse 63 vorgesehenen zusammengedrückten Abschnitt 91 nach unten rutscht. Die Zuleitungen 65 können mithilfe einer Schraube anstelle der Kupferniete 66 befestigt werden.
Ein erster Dichtungsring 69 ist auf dem negativen Innenanschluss 67 gestapelt, eine Metallfolie 70 ist auf dem ersten Dichtungsring 69 aufgebracht, und ein zweiter Dichtungsring 71 befindet sich in überlappender Anordnung auf der Metallfolie 70, so dass die Metallfolie in einer Sandwich-Anordnung zwischen dem ersten Dichtungsring 69 und dem zweiten Dichtungsring 71 angeordnet ist, und es ist ein Druckabgabeloch 72 in der Mitte der Metallfolie ausgebildet. Der negative Innenanschluss 67 ist mit einem Durchgangsloch 68 versehen, so dass der Innendruck der Batterie an die Metallfolie 70 angelegt wird.
Das Druckabgabeloch 72 birst, um so den Innendruck an den Atmosphärendruck abzugeben, wenn der Innendruck der Batterie erhöht wird. Der Betriebsdruck dieser wird durch die Lochdurchmesser des ersten und des zweiten Dichtungsrings 69, 71 und die Dicke und Festigkeit der Metallfolie 70 bestimmt. Obwohl vorzugsweise Kupfer, das vorzugsweise als Material für die negative Elektrode verwendet wird, für das Material der Metallfolie 70 in Hinblick auf die Reaktionsfähigkeit des Elektrolyten verwendet wird, kann auch eine Nickelfolie verwendet werden.
Eine Isolierplatte 73 ist auf dem zweiten Dichtungsring 71 angeordnet, und das obere Ende des Batteriegehäuses 63 wird gebogen, damit es gestemmt werden kann, so dass der negative Innenanschluss 67 und dergleichen in der Batterie befestigt werden. Die Isolierplatte 73 ist mit einem Durchgangsloch 74 versehen, um den Innendruck der Batterie beim Bersten der Metallfolie 70 am Druckabgabeloch 72 an den Atmosphärendruck abzugeben. Ein hartes Isolierharz wie Bakelit wird vorzugsweise für das Material der Isolierplatte 73 verwendet. Anstelle der Verwendung des zweiten Dichtungsrings 71 kann die Isolierplatte 73 so modifiziert werden, dass sie die Funktion des zweiten Dichtungsrings 71 übernimmt, so dass die Metallfolie 70 in einer Sandwich-Anordnung zwischen dem ersten Dichtungsring 69 und der Isolierplatte 73 angeordnet ist.
Um den negativen Innenanschluss 67 vom Batteriegehäuse 63 zu isolieren, wird ein Wärmeschrumpfrohr 75 zwischen dem negativen Innenanschluss 67 und dem Batteriegehäuse 63 eingesetzt. Darüber hinaus ist, wie dies später beschrieben ist, da das Batteriegehäuse 63 auch als Strompfad auf der positiven Seiten dient, ein positiver Ausgangsanschluss 76 zwischen dem Batteriegehäuse 63 und dem Wärmeschrumpfrohr 75 an der gebogenen Position des oberen Endes des Batteriegehäuses 63 eingesetzt und befestigt. Ein Leiterelement 77 zum Verbinden des negativen Innenanschlusses 67 mit dem Außenraum ist als Teil des Außenumfangs der Isolierplatte 73 angeordnet und so zusammengebaut und befestigt, dass es nicht mit dem positiven Ausgangsanschluss 76 in Kontakt kommt, wodurch die negative Seite des Batteriegehäuses 63 abgedichtet wird (luftdicht gemacht wird).
Wird ein Elastomerharz wie Ethylenpropylen-Gummi für das Wärmeschrumpfrohr verwendet, so werden solche Wirkungen erzielt, dass die Haftung exzellent und die Dichtung vollständiger werden. Als positiven Ausgangsanschluss 76 ist dasselbe Material wie das Elektrodenmaterial, so etwa Aluminium oder Kupfer, das am leichtesten handhabbare Material. Die Form des positiven Ausgangsanschlusses ist vorzugsweise eine solche flache Ringform, die mit dem Dichtungsabschnitt des Batteriegehäuses 63 in gleichmäßigen Kontakt gebracht wird, und ein Anschluss für die Verbindung mit einer Belastung steht von einem Teil dieser vor. Ein Ende des Leiterelements 77, das vom negativen Innenanschluss 67 vorsteht, ist elektrisch mit dem negativen Ausgangsanschluss 78 verbunden und so an der Isolierplatte 73 mittels Schraube 79 oder dergleichen befestigt.
Als nächstes ist die Struktur einer positiven Seite im unteren Abschnitt der 1 beschrieben. Die positive Elektrode 60 und die Zuleitungen 80 sind miteinander an zahlreichen Abschnitten durch Widerstandsschweißen, Ultraschallschweißen oder dergleichen verbunden. Der Grund, warum die Elektrizitätssammlung von zahlreichen Abschnitten auf diese Weise durchgeführt wird, ist derselbe, warum die Elektrizitätssammlung an der negativen Elektrode 61 durchgeführt wird. Als Material für die Zuleitungen 80 wird vorzugsweise ein Aluminium verwendet, das mit dem Material der positiven Elektrode 60 identisch ist.
Diese an der positiven Elektrode 60 befestigten Zuleitungen 80 sind mit einer Aluminiumniete 81 verbunden, und es erfolgt eine Elektrizitätssammlung. Die Niete 81 wird durch Schweißen in eine positive Innenanschlussplatte 82 aus Aluminium integriert.
Die positive Innenanschlussplatte 82 wird durch einen Stemmabschnitt 84, der auf dem Batteriegehäuse 63 bereitgestellt ist, durch ein isolierendes Wärmeschrumpfrohr 83 positioniert, um somit zu verhindern, dass die positive Innenanschlussplatte mit der Innenfläche des Batteriegehäuses 63 in direkten Kontakt kommt. Ein Teil der positiven Innenanschlussplatte und eine Aluminiumbatteriekappe 85 als Boden der Batterie bilden durch Schweißen den Kontakt A. Weiters ist die positive Innenanschlussplatte 82 mit einem Kommunikationsloch 86 versehen, so dass der Innendruck der Batterie durch die Batteriekappe 85 abgefühlt wird.
Darüber hinaus wird die Batteriekappe 85 mechanisch durch Verstemmen mit der Seite des Batteriegehäuses 63 durch ein auflösendes Polypropylen 87 als Dichtungsmaterial in einer solchen Weise in Presskontakt gebracht, dass die Batteriekappe mit einem Teil der Innenfläche des Batteriegehäuses 63 elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise wird ein Strompfad von der positiven Elektrode 60 zum positiven Ausgangsanschluss 76 gebildet.
Es wird durch ein Verfahren wie eine Materialentnahme eine V-förmige Nut 88 in der Batteriekappe 85 ausgebildet, und die Dicke der Batteriekappe 85 ist an diesem Abschnitt dünn und die mechanische Festigkeit geschwächt. Weiters kann, obwohl ein Polypropylen-Ring 89 zwischen der positiven Innenanschlussplatte 82 und der Batteriekappe 85 eingesetzt ist, um die positive Innenanschlussplatte 82 zu stabilisieren, der Ring entsprechend der Form der positiven Innenanschlussplatte 82 weggelassen werden.
Die Reihenfolge der Abdichtung des Batteriegehäuses 63 an der positiven Elektrode und der negativen Elektrode, die schließlich bei den Zusammenbauschritten der Batterie mit der oben erwähnten Struktur durchgeführt wurden, ist nicht von Belang. Da das Batteriegehäuse 63 einen Strompfad bildet, wird vorzugsweise eine solche Isolierbehandlung durchgeführt, dass die Außenfläche des Batteriegehäuses 63 mit einer isolierenden Kunststofffolie eingewickelt wird, oder dass die Batterie selbst in einem isolierenden Behältnis enthalten ist.
Als nächstes sind der Grund, warum der oben beschriebene Druckabgabemechanismus der Lithium-Sekundärbatterie bereitgestellt ist, sowie der Betriebsmodus dieses beschrieben.
Im Fall, dass die Temperatur einer Batterie durch Ursachen wie die Erzeugung eines Überstroms aufgrund eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden erhöht wird, wird durch die Verdampfung oder Zersetzung eines Elektrolyts Gas erzeugt. Dabei dringt das Gas nicht in die positive Elektrode 60 und die negative Elektrode 61, aus denen der innere Elektrodenkörper 90 besteht (gewickelter Abschnitt), ein, und der innere Elektrodenkörper 90 ist im Batteriegehäuse 63 in einem solchen Zustand enthalten, dass der innere Elektrodenkörper mit der Wand des Batteriegehäuses 63 in Presskontakt gebracht wird. Somit wird das erzeugte Gas dazu gebracht, von der Endfläche des inneren Elektrodenkörpers 90 in die Wicklungsachsenrichtung nach außen abgegeben zu werden. Demgemäß wird der Gasdruck direkt an das Ende des Batteriegehäuses 63 angelegt.
In einem solchen Zustand wird z.B., selbst wenn der Druckabgabemechanismus an der Seite des Zylinders des Batteriegehäuses parallel zur Wicklungsfläche des inneren Elektrodenkörpers 90 bereitgestellt ist, da das Batteriegehäuse 63 und der innere Elektrodenkörper 90 in engen Kontakt miteinander gebracht werden und es somit für das Gas schwierig ist, hier durchzudringen, kein ausreichender Gasdruck an den Druckabgabemechanismus angelegt, so dass der Mechanismus oftmals nicht funktioniert. Demgemäß wird vorzugsweise der Druckabgabemechanismus am Ende des Batteriegehäuses 63, an welches der Gasdruck direkt angelegt wird, bereitgestellt.
Darüber hinaus kann, da der Abstand zwischen den beiden Enden des Batteriegehäuses 63 verlängert ist, um somit die Kapazität einer Batterie groß zu machen, das in der Mitte des inneren Elektrodenkörpers 90 erzeugte Gas nur schwer vom inneren Elektrodenkörper 90 nach außen abgegeben werden. Somit wird im Fall, dass der Druckabgabemechanismus nur an einem Ende des Batteriegehäuses angeordnet ist, selbst wenn der Druckabgabemechanismus im Betrieb ist, am anderen Ende des Batteriegehäuses 63, wo der Druckabgabemechanismus nicht angeordnet ist, wenn die Verstopfung des Druckabgabemechanismus durch den Bestandteil des inneren Elektrodenkörpers 90 verursacht wird, die Dekompression verzögert, während der Druck im Zwischenraum erhöht wird, und wenn die Dekompressionsgeschwindigkeit niedriger. als die Anstiegsgeschwindigkeit des Drucks ist, wird die Möglichkeit des Berstens immer wahrscheinlicher.
Demgemäß wird in der vorliegenden Erfindung zur Verhinderung eines solchen Unfalls eine solche Batteriestruktur angenommen, dass der Druckabgabemechanismus an beiden Enden des Batteriegehäuses in die Wicklungsachsenrichtung angeordnet ist, wenn der innere Elektrodenkörper 90 ein Wicklungstyp ist, wie er in der Ausführungsform der 1 dargestellt ist, so dass das erzeugte Gas beinahe gleichmäßig an die Enden des Batteriegehäuses 63 abgegeben wird. Auf der Grundlage eines solchen Grunds für die Anordnung des Druckabgabemechanismus ist die vorliegende Erfindung insbesondere dann wirksam, wenn ein zylinderförmiges Batteriegehäuse verwendet wird.
In der in 1 dargestellten Lithium-Sekundärbatterie wird in dem Fall, dass eine abrupte Überstrom-Entladung durch einen Kurzschluss zwischen den Ausgangsanschlüssen 76 und 78 bewirkt wird, oder durch einen inneren Kurzschluss, der dem Nageleindring-Test ähnelt, so dass die Batterietemperatur erhöht und der Innendruck der Batterie entsprechend dem Temperaturanstieg erhöht wird, der Innendruck der Batterie an der Seite der positiven Elektrode durch die Batteriekappe 85 abgefühlt, und der Kontakt A wird getrennt, wenn der Innendruck der Batterie die Schweißfestigkeit des Kontakts A überschreitet. Daraus ergibt sich, dass der Strom vollständig abgeschnitten wird, wenn der Strom zu einem äußeren Schaltkreis geflossen ist.
Im Anschluss daran wird im Fall, dass beim Kurzschluss zwischen den Ausgangsanschlüssen 76 und 78 der Innendruck der Batterie erhöht wird, obwohl der Kontakt A getrennt wird, um den Strompfad abzutrennen, so dass die Batteriereaktion unterdrückt wird, oder in dem Fall, dass die Entladung aufgrund des inneren Kurzschlusses fortgesetzt wird, wenn der Innendruck höher als die mechanische Festigkeit der V-förmigen Nut 88 ist, die in der Batteriekappe 85 ausgebildet ist, an der positiven Seite die V-förmige Nut 88 bersten, so dass der Innendruck der Batterie abgegeben wird, und es können dadurch Unfälle wie das Bersten der Batterie selbst verhindert werden.
Andererseits wird an der negativen Seite der Innendruck der Batterie durch die Metallfolie 70 durch das im negativen Innenanschluss 67 ausgebildete Durchgangsloch 68 entsprechend dem Anstieg des Innendrucks der Batterie abgefühlt, und wenn der Innendruck der Batterie einen vorbestimmten Wert überschreitet, birst die Metallfolie, so dass der Innendruck der Batterie durch das in der Isolierplatte 73 vorgesehene Durchgangsloch 74 an den Atmosphärendruck abgegeben.
Zu diesem Zeitpunkt ist es, selbst wenn die Druckabgabemechanismen mit jeweils unterschiedlichen Strukturen an beiden Enden des Batteriegehäuses 63 angeordnet sind, wie dies in 1 dargestellt ist, ausreichend, wenn sie bei beinahe gleichen Drücken betrieben werden. Darüber hinaus ist es auch akzeptabel, dass z.B. der Druckabgabemechanismus wie jener an der positiven Seite an der negativen Seite so angeordnet ist, dass die ähnlichen Druckabgabemechanismen an beiden Enden angeordnet sind. Vorzugsweise wird der Betriebsdruck mit 2 bis 10 kg/cm² für die nachfolgend beschriebenen Beispiele festgelegt.
Der Grund dafür ist wie folgt: Beträgt der Betriebsdruck weniger als 2 kg/cm², so arbeitet, da der Innendruck einer Batterie durch den Temperaturanstieg einer Batterie selbst in einem normalen Gebrauchszustand hoch wird, der Druckabgabemechanismus nicht notwendigerweise, wodurch die Batterie nicht mehr verwendet werden kann. Andererseits ergibt sich, wenn der Betriebsdruck mehr als 10 kg/cm² beträgt, die Möglichkeit, dass durch Beschädigung der Kontaktabschnitte wie eines Verstemmabschnitts des positiven und negativen Elektrodenabschnitts vor dem Betrieb des Druckabgabemechanismus ein Bersten der Batterie verursacht wird. Somit ist ein Druck außerhalb des obigen Bereichs nicht bevorzugt. Darüber hinaus bezeichnet der Betriebsdruck eine Druckdifferenz zwischen dem Innen- und Außenraum der Batterie.
Zusätzlich dazu wird vorzugsweise die Differenz der Betriebsdrücke der gegenüberliegenden Druckabgabemechanismen mit 8 kg/cm² oder weniger festgelegt, um dadurch Sicherheit garantieren zu können, indem ein solcher Unfall verhindert wird, dass, selbst wenn ein Druckabgabemechanismus im Betrieb ist, der andere nicht im Betrieb ist, so dass die Batterie birst.
Darüber hinaus wird, wie in der vorangegangenen Lithium-Sekundärbatterie, wenn die Druckabgabemechanismen an beiden Enden angeordnet sind, bevorzugt, die Batterie so zu konfigurieren, dass ein Verhältnis von 0,05 ≤ S/C ≤ 2 erhalten wird, wenn die Batteriekapazität C (Ah) und die Gesamtfläche des Öffnungsabschnitts, wo der Druckabgabemechanismus betrieben wird, S (cm²) sind.
Für den Fall, dass S/C weniger als 0,05 beträgt, d.h. für den Fall, dass die Fläche des Öffnungsabschnitts bei Betrieb des Druckabgabemechanismus in Bezug auf die Batteriekapazität klein ist, gibt es die Möglichkeit, dass der Öffnungsabschnitt durch die Elemente, aus denen der inneren Elektrodenkörper besteht, oder dergleichen bei Abgabe des Innendrucks verstopft wird, so dass die Druckabgabe nicht ausreichend durchgeführt wird und es zu Unfällen wie dem Bersten oder Entzünden einer Batterie kommt. Somit ist dieser Fall nicht bevorzugt.
Andererseits besteht für den Fall, das S/C größer als 2 ist, d.h. für den Fall, dass der Öffnungsabschnitt bei Betrieb des Druckabgabemechanismus in Bezug auf die Batteriekapazität groß ist, obwohl die Gefahr der Verstopfung gebannt ist, die Befürchtung, dass ein Teil des inneren Elektrodenkörpers oder Komponenten der Batterie aus dem Öffnungsabschnitt herausspringen, oder brennbare Materialien rund um die Batterie zünden oder brennen, wenn ein Teil des Elektrodenkörpers bei einem Kurzschluss herausspringt. Somit ist dieser Fall nicht bevorzugt. Darüber hinaus gibt es den Nachteil, dass das Batteriegehäuse für die Batteriekapazität unnötig groß sein muss. Weiters kann, da eine solche Beschränkung der Konfiguration, dass die Stirnfläche des Batteriegehäuses groß sein muss, der unerwünschte Fall eintreten, dass ein Montageraum für die Batterie ausgespart werden muss.
Obwohl ein Druckabgabemechanismus in jedem der Endabschnitte des Batteriegehäuses 63 in der in 1 dargestellten Lithium-Sekundärbatterie angeordnet ist, können mehr als ein Druckabgabemechanismus in jedem der Endabschnitte des Batteriegehäuses 63 angeordnet werden. So ist z.B. 10(a) ein Grundriss der Anordnung der Metallfolie 70 in 1, betrachtet aus der Richtung der Verlängerung der Wicklungsachse des inneren Elektrodenkörpers 90. Zusätzlich zu einer solchen Struktur kann gleiche Sicherheit wie im Fall der Verwendung der Metallfolie 70 so lange gewährleistet werden, so lange die Fläche der Öffnungsabschnitte innerhalb des Bereichs liegt, der 0,05 ≤ S/C ≤ 2 entspricht, selbst wenn mehr als eine Metallfolie 42 angeordnet sind, wie dies in 10(b) dargestellt ist.
Eine Vielzahl von Druckabgabemechanismen ist auf dieselbe Weise wie im Fall der Verwendung der V-förmigen Nut 88 bereitgestellt. In diesem Fall kann eine erforderliche Druckabgabefläche dadurch sichergestellt werden, dass der Druckabgabemechanismus aufgrund einer Vielzahl von V-förmigen Nuten 43, wie in 11(b) dargestellt, anstelle der Ausbildung einer V-förmigen Nut 88 in der Form eines Kreises, wie in 11(a) dargestellt, angeordnet wird.
Darüber hinaus weist ein Druckabgabemechanismus, in welchem eine V-förmige Nut 88 verwendet wird, die auf einer Endfläche einer Batterie ausgebildet ist, das Risiko eines Bruchs auf. Nicht nur in 11(a) sondern auch in 11(b) kann der Druckabgabemechanismus brechen, wenn die mit einer V-förmigen Nut 88 versehene Endfläche der Batterie gegen ein Hindernis geschlagen wird. Ist ein Ausgangsanschluss 44 innerhalb des Druckabgabemechanismus mit der V-förmigen Nut 88 angeordnet, so wird die V-förmige Nut 88 durch eine von außen wirkende Kraft, die an den Ausgangsanschluss 44 angelegt wird, wenn die Batterien miteinander verbunden werden, gebrochen, wodurch sich das Risiko des Bruchs des Druckabgabemechanismus erhöht.
Somit kann das Risiko des Bruchs der V-förmigen Nut 43 durch äußere Kräfte, die an den Ausgangsanschluss 44 angelegt werden, dadurch verringert werden, dass der Ausgangsanschluss 44 an einer anderen Stelle als der, an welcher die V-förmige Nut 88 ausgebildet ist, angeordnet wird, wie dies in 12(b) dargestellt ist. Zusätzlich zur 12(a) dient dies, wie in den 12(c) und 12(d) dargestellt, auch dazu, das Brechen des Druckabgabemechanismus zu verhindern, der die V-förmige(n) Nut(en) 88 oder 43 verwendet, um die Position des Ausgangsanschlusses 44 an einen Umfangsabschnitt zu verschieben, sollte der Ausgangsanschluss in der/den V-förmigen Nut(en) 88 oder 43 angeordnet sein.
Wie oben beschrieben wurde, wird, obwohl das Bestimmungsverhältnis der Öffnungsflächen der angeordneten Druckabgabemechanismen nicht spezifisch beschränkt ist, wie dies ebenfalls oben ausgeführt wurde, vorzugsweise die Öffnungsfläche des Druckabgabemechanismus mit 0,1 cm² oder mehr festgelegt, um die gegenüberliegenden Druckabgabemechanismen abgegrenzt zu betreiben und die Sicherheit dadurch zu gewährleisten, dass die Differenz der Betriebsdrücke der gegenüberliegenden Druckabgabemechanismen nicht mehr als 8 kg/cm² betragen; und dass der Betriebsdruck vorzugsweise nicht mehr als 10 kg/cm² beträgt.
Es wurde die Lithium-Sekundärbatterie, die den inneren Elektrodenkörper vom Wicklungstyp verwendet, beschrieben. Es erübrigt sich festzustellen, dass ein solcher Druckabgabemechanismus an die Lithium-Sekundärbatterie, die einen inneren Elektrodenkörper vom Laminierungstyp umfasst, angewendet werden kann. Wie in der Perspektive der 9 dargestellt, ist ein innerer Elektrodenkörper 7 vom Laminierungstyp ein solcher, dass eine positive Elektrode 8 und eine negative Elektrode 9 jeweils aufeinander durch eine Trennschicht 10 laminiert sind. Obwohl die Fläche der positiven Elektrode 8 oder dergleichen pro Stück nicht groß ist, kann die Gesamtelektrodenfläche durch das Laminieren einer Vielzahl von Platten groß ausgeführt werden. Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass die Form des ausgebildeten inneren Elektrodenkörpers 7 willkürlich in ein rechteckiges Parallelepiped, eine Scheibe oder einen Zylinder durch die Form der Elektrodenplatten 8 und 9 sowie die Anzahl der laminierten Platten konfiguriert werden kann. Da aber eine Zuleitung 6 für die jeweiligen Elektrodenplatten 8 und 9 erforderlich ist, wird das Innere der Batterie so kompliziert, dass der Laminierungstyp gegenüber dem Wicklungstyp in Hinblick auf den Zusammenbau der Batterie unterlegen ist. Darüber hinaus ist es, wenn ein solcher innere Elektrodenkörper 7 vom Laminierungstyp verwendet wird, möglich, anstelle der Trennschicht 10 einen Festelektrolyt aus einem organischen oder anorganischen Material mit den Funktionen sowohl der Trennschicht 10 als auch des Elektrolyten zu verwenden.
Im Fall der Lithium-Sekundärbatterie, die einen solchen inneren Elektrodenkörper vom Laminierungstyp verwendet, ist ein Druckabgabemechanismus an der Seite der Elektrodenplatte angeordnet, d.h. an der Seite des Batteriegehäuses, die der Seite der Laminierungsfläche des inneren Elektrodenkörpers in die Außenumfangsrichtung entspricht. Der Grund für diese Konfiguration ist derselbe wie im Fall der Lithium-Sekundärbatterie, die einen inneren Elektrodenkörper vom Wicklungstyp verwendet, wobei der Druckabgabemechanismus am Endabschnitt in die Wicklungsachsenrichtung angeordnet ist, d.h. der Endabschnitt des Batteriegehäuses der Seite der Elektrodenplatte entspricht.
Zu diesem Zeitpunkt wird, wenn die Kapazität der Batterie dieselbe ist, im Allgemeinen bevorzugt, dass das Volumen klein ist, und es wird auch bevorzugt, die Struktur so zu konfigurieren, dass eine serielle und parallele Verbindung der Batterien leicht ist. Somit werden vorzugsweise ein Druckabgabemechanismus und ein Ausgangsanschluss jeweils an den Seitenabschnitten, die einander in Bezug auf die Mitte einer flachen Oberfläche einer Elektrodenplatte gegenüberliegen, angeordnet. Wenn z.B. der innere Elektrodenkörper die Form eines Parallelepipeds aufweist, kann ein solches Beispiel gezeigt werden, dass sowohl der Ausgangsanschluss als auch der Druckabgabemechanismus auf jedem eines Paars der gegenüberliegenden Seiten eines rechteckigen, Parallelepiped-förmigen Batteriegehäuses angeordnet sind, und dass kein überflüssiger Raum am anderen Paar der Seiten in einem solchen Ausmaß vorhanden ist, dass sich der innere Elektrodenkörper mit dem Batteriegehäuse in Kontakt befindet.
In Bezug auf den angeordneten Druckabgabemechanismus wird selbst in der Lithium-Sekundärbatterie, die den inneren Elektrodenkörper vom Laminierungstyp verwendet, ähnlich wie in der vorangegangenen Lithium-Sekundärbatterie, die den inneren Elektrodenkörper vom Wicklungstyp verwendet, die Batterie vorzugsweise so konfiguriert, dass, wenn die Batteriekapazität C (Ah) und die Gesamtfläche der Öffnungsabschnitte, wenn die Druckabgabemechanismen in Betrieb sind, S (cm²) sind, das Verhältnis 0,05 ≤ S/C ≤ 2 bestimmt wird. Dies geht darauf zurück, dass, selbst wenn die Struktur des inneren Elektrodenkörpers ein Laminierungstyp ist, es im Betrieb der Batterie zwischen dem inneren Elektrodenkörper vom Laminierungstyp und jenem vom Wicklungstyp keinen wesentlichen Unterschied gibt.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf den Fall, dass die Druckabgabemechanismen an zwei Abschnitten angeordnet sind, d.h. in beiden Endabschnitten, wenn ein innerer Elektrodenkörper vom Wicklungstyp verwendet wird, oder in jeder der zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen in der Laminatseite, wenn ein innerer Elektrodenkörper vom Laminierungstyp verwendet wird. Es erübrigt sich aber zu sagen, dass mehrere Druckabgabemechanismen angeordnet werden können, so lange die Bedingungen der angeordneten Position und der Form erfüllt sind. Da die Bereitstellung vieler Druckabgabemechanismen aber zu einer Verkomplizierung der Batteriestruktur sowie zu einer Erhöhung der Kosten der Teile sowie der Herstellungskosten führt, werden vorzugsweise die Form und die angeordnete Anzahl dieser auf ein Minimum innerhalb des Bereichs gedrückt, innerhalb welchen die Sicherheit der Batterie gewährleistet werden kann.
Andererseits ist es, selbst in einer Lithium-Sekundärbatterie, in welcher der Druckabgabemechanismus an nur einem Abschnitt angeordnet ist, wie dies aus den Ergebnissen des vorangegangenen Nageleindring-Tests der kleinen Lithium-Sekundärbatterie ersichtlich ist, möglich, wenn die Bedingung der Bereitstellung in Bezug auf die Batteriekapazität geeignet festgelegt wird, die Sicherheit zu gewährleisten. In diesem Fall wird eine solche Konfiguration ausgeführt, dass das Verhältnis von 0,5 ≤ S/C ≤ 2 festgelegt wird, wenn die Batteriekapazität C (Ah) und die Gesamtfläche des Öffnungsabschnitts, wenn der Druckabgabemechanismus in Betrieb ist, S (cm²) sind. Obwohl die Struktur eines inneren Elektrodenkörpers in diesem Fall vom Wicklungstyp oder vom Laminierungstyp sein kann, ist die Position des angeordneten Druckabgabemechanismus das Ende oder die Seite des Batteriegehäuses, das/die der Seite der Elektrodenplatte entspricht.
Ein innerer Elektrodenkörper, der für eine Lithium-Sekundärbatterie verwendet wird, die diese Beziehung erfüllt, kann ein Elektrodenkörper vom Wicklungs- oder vom Laminierungstyp sein. Wird ein innerer Elektrodenkörper vom Wicklungstyp verwendet, so wird der Druckabgabemechanismus in zumindest einem Abschnitt an einem Ende des Batteriegehäuses in die Wicklungsachsenrichtung angeordnet. Wird ein innerer Elektrodenkörper vom Laminierungstyp verwendet, so wird insgesamt zumindest ein Druckabgabemechanismus an einer Seitenoberfläche des Batteriegehäuses normal auf eine flache Plattenfläche der Elektrodenplatte oder auf jede von zumindest zwei Oberflächen des Batteriegehäuses, die einander nicht gegenüberliegen, angeordnet.
In diesem Fall beträgt der niedrigere Wert von S/C 0,5, was größer als in dem Fall ist, dass die Druckabgabemechanismen an zwei Abschnitten angeordnet sind, und ebenso wenn die Öffnungsfläche des Druckabgabemechanismus in Bezug auf die Batteriekapazität groß ausgeführt ist, wird die Abgabe des Innendrucks leicht. Daraus ergibt sich, dass es möglich ist, die Druckbelastung auf das Ende, wo der Druckabgabemechanismus nicht angeordnet ist, zu verringern, und es wird möglich, ein Bersten oder Entzünden der Batterie zu verhindern. Diese Bedingung ist auch eine solche, dass die Öffnungsfläche des Druckabgabemechanismus die Form der Batterie beschränkt, d.h. entsprechend der Batteriekapazität, entsprechend S/C, wird eine Minimalfläche einer Endfläche oder eine Seite eines Batteriegehäuses, die notwendig ist, um den Druckabgabemechanismus mit einer gewissen Öffnungsfläche anzuordnen, bestimmt, und als Ergebnis dessen wird die Länge der Elektrodenplatte in die Wicklungsachsenrichtung im inneren Elektrodenkörper vom Wicklungstyp bestimmt, und es wird die Fläche der flachen Oberfläche der Elektrodenplatte im inneren Elektrodenkörper vom Laminierungstyp bestimmt.
Z.B. im Fall der Herstellung einer Batterie, die einen inneren Elektrodenkörper vom Wicklungstyp und eine Kapazität C umfasst, in welcher die Druckabgabemechanismen an zwei Abschnitten angeordnet sind, wird, da eine minimale Öffnungsfläche S 0,05C ist, und dies auf beide Enden aufgeteilt werden kann, die Fläche an einem Ende, die für ein Batteriegehäuse erforderlich ist, 0,025C. Andererseits wird in dem Fall, dass die Batterie gebildet wird, während. der Druckabgabemechanismus an einem Abschnitt ausgebildet ist, eine minimale Öffnungsfläche 0,5C. In diesem Fall erfordert die Fläche an einem Ende die Fläche von 0,5C. Natürlich wird es in dem Fall, obwohl die Fläche eines Endes des Batteriegehäuses nicht vollständig mit der Öffnungsfläche des Druckabgabemechanismus übereinstimmt, in dem Fall, dass der Druckabgabemechanismus an nur einem Abschnitt angeordnet ist, notwendig, die Endfläche etwa 20mal größer zu machen als in dem Fall, wenn die Druckabgabemechanismen an zwei Abschnitten angeordnet werden. Da hier die Batteriekapazität gleich ist, ist es in dem Fall, dass die Druckabgabemechanismen an zwei Abschnitten angeordnet sind, möglich, eine Batterie vom Säulentyp zu erzeugen, die in die Wicklungsachsenrichtung lang ist. Im Gegensatz dazu ist, da es möglich ist, die Länge in die Wicklungsachsenrichtung durch Vergrößerung der Fläche an einem Ende zu verkürzen, die Konfigurationsfreiheit für die Form hoch. Anderseits kann in dem Fall, dass der Druckabgabemechanismus an nur einem Abschnitt angeordnet ist, die Batterie eine dünne Batterie mit einem langen Durchmesser sein, indem die Länge in eine Wicklungsachsenrichtung verkürzt und die Anzahl der Wicklungen erhöht wird.
In Bezug auf die vorangegangene Lithium-Sekundärbatterie können zusätzlich zu den in 1 dargestellten Druckabgabemechanismen verschiedene Druckabgabemechanismen angewendet werden. 2 ist eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Druckabgabemechanismus, der in der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Die Verbindung zwischen einer Elektrodenplatte (nicht dargestellt) und Zuleitungen 21 sowie die Verbindung der Zuleitungen 21 und der Niete 22 sind dieselben wie jene der in 1 dargestellten Lithium-Sekundärbatterie.
Ein Innenanschluss 23 umfasst eine Seitenwand und ist in einen Zylinder geformt, dessen Boden mit einem Durchgangsloch 24 versehen ist. Ein erster Dichtungsring 25 ist an den inneren Bodenabschnitt des Innenanschlusses 23 angepasst, eine Metallfolie 26 ist überlappend mit dem ersten Dichtungsring 25 angeordnet, und ein zweiter Dichtungsring 27 ist überlappend mit der Metallfolie 26 angeordnet, so dass die Metallfolie 26 zwischen dem ersten Dichtungsring 25 und dem zweiten Dichtungsring 27 befestigt und in Sandwich-Anordnung angebracht ist. Auf diese Weise wird ein Druckabgabeloch 28 in der Mitte der Metallfolie 26 ausgebildet und dient als Druckabgabemechanismus innerhalb der Batterie. Das Material der Metallfolie 26 wird vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer und Nickel entsprechend dazu ausgewählt, ob es für eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode verwendet wird.
Weiters ist ein Ausgangsanschluss 29 in Ringform mit einer Vorstehung überlappend auf dem zweiten Dichtungsring 27 angebracht, und der Ausgangsanschluss 29 ist elektrisch mit dem oberen Abschnitt einer Außenumfangswand des Innenanschlusses 23 auf eine solche Weise verbunden, dass die vertikale Position durch einen Metalldraht oder dergleichen eingestellt werden kann. Darüber hinaus wird der obere Endabschnitt eines Batteriegehäuses 30 gebogen und so einer Verstemmung unterworfen, dass der Innenanschluss 23, die in dessen Inneres eingepasste Elemente und der Ausgangsanschluss 29 in der Batterie befestigt werden.
Gleichzeitig wird ein Wärmeschrumpfrohr 31 als Isolator zwischen dem Innenanschluss 23 und dem Batteriegehäuse 30 eingesetzt, so dass der Innenanschluss nicht mit dem Batteriegehäuse 30 in Kontakt kommt. Für den Fall, dass die Ausgangsanschlüsse der positiven und negativen Elektroden an einem Ende des Batteriegehäuses angeordnet sind, wird das Batteriegehäuse 30 zu einem Strompfad einer Elektrode, und wie bei der Struktur der negativen Elektrode in 1, wird der andere Ausgangsanschluss zwischen dem Batteriegehäuse 30 und dem Wärmeschrumpfrohr 31 an einer gebogenen Position des oberen Endes des Batteriegehäuses 30 eingesetzt und befestigt.
3 zeigt noch eine weitere Ausführungsform eines Druckabgabemechanismus, der in der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Die Zuleitungen 32, deren anderes Ende mit dem inneren Elektrodenkörper (nicht dargestellt) verbunden ist, sind mit einer Niete 33 verbunden, und die Niete 33 ist mit einer Anschlussplatte 34 durch eine Schweißnaht oder dergleichen verbunden. Eine V-förmige Nut 35 als Berstnut ist in der Anschlussplatte 34 wie der im Ende der positiven Elektrode in 1 verwendeten Batteriekappe 85 ausgebildet und dient als Druckabgabemechanismus für den Innendruck der Batterie.
Ein Ausgangsanschluss 37 ist auf der Anschlussplatte durch einen Isolierring 36 aus Polypropylen oder dergleichen angeordnet, und das Verstemmen eines Batteriegehäuses 39 wird ausgeführt, während dieses nicht mit dem Batteriegehäuse 39 durch ein isolierendes Wärmeschrumpfrohr 38 in Kontakt kommt. Weiters ist ein Anschlussabschnitt 40 außen an der Anschlussplatte 34 angeordnet, und eine Temperatursicherung und/oder Stromsicherung 41 ist mit dem Ausgangsanschluss 37 verbunden, um einen Strompfad vom inneren Elektrodenkörper zum Ausgangsanschluss 37 zu bilden.
In einem solchen Druckabgabemechanismus wird in dem Fall, dass die Temperatur der Batterie erhöht wird oder ein Überstrom fließt, die Temperatursicherung und/oder Stromsicherung 41 zuerst getrennt, um den Strom zu unterbrechen, und wenn der Innendruck der Batterie weiter erhöht wird, wird die V-förmige Nut 35 bersten gelassen, um den Innendruck der Batterie an den Atmosphärendruck abzugeben.
Obwohl die Strukturbedingungen und der Druckabgabemechanismus der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, erübrigt es sich festzuhalten, dass derselbe Druckabgabemechanismus auch für beide Elektrodenabschnitte einer Batterie angenommen werden kann, oder ein Druckabgabemechanismus mit einer anderen Struktur willkürlich ausgewählt werden kann. Darüber hinaus kann ein Ausgangsanschluss für jede der positiven und negativen Elektroden an jedem Ende der Batterie angeordnet werden, während positive und negative Elektroden konzentrisch an einem Ende der Batterie angeordnet werden.
Die Strukturbedingungen der auf diese Weise hergestellten Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise auf eine Batterie mit einer großen Kapazität von 5 Ah oder mehr angewendet, und eine solche Batterie mit einer großen Kapazität wird vorzugsweise als Batterie für einen EV und einen HEV verwendet. Es erübrigt sich aber festzustellen, dass die vorliegende Erfindung auch für die Struktur einer kleinen Batterie verwendet werden kann.
Beispiele
Hierin ist nachfolgend eine Beschreibung der Beispiele 1 und 2 mit Bezug auf einen Druckabgabemechanismus, der auf eine Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung angewendet ist, sowie des Beispiels 3 mit Bezug auf eine Beziehung zwischen der Batteriekapazität und der Öffnungsfläche eines Druckabgabemechanismus gegeben.
Erstens ist 4 eine beispielhafte Ansicht für eine Vorrichtung 50 zum Durchführen eines Betriebstests (Druckwiderstandtest) eines an die Lithium-Sekundärbatterie der nachfolgenden Beispiele 1 und 2 der vorliegenden Erfindung angewandten Druckabgabemechanismus. Als eine Probe 98 ist eine Probe dargestellt, welche die Struktur des in 2 dargestellten Druckabgabemechanismus aufweist. Es wurde aber als Probe 98 eine verwendet, in welcher der innere Elektrodenkörper und die Elektrodenanschlüsse entfernt waren.
Ein zusammengedrückter Abschnitt 51 zum Befestigen der Probe 98 ist in einem Batteriegehäuse 30 ausgebildet. Indem eine Befestigungsvorrichtung 52 verwendet wird, ist das Batteriegehäuse 30 luftdicht befestigt, während das Batteriegehäuse gegen eine Probenhalterung 55 durch einen Abstandshalter 57 wie eine Platte aus Siliziumgummi gedrückt wird. Ein Druckeinlassrohr 59 ist in der Mitte der Probenhalterung 55 angeordnet und mit einer Hydraulikpumpe durch ein Verbindungsrohr 56 verbunden. Auf diese Weise birst, wenn die Hydraulikpumpe 53 betrieben wird, um das Innere des Batteriegehäuses 30 unter Druck zu setzen, die Metallfolie 26 bei einem bestimmten Druck, so dass der Innendruck an den Atmosphärendruck abgegeben wird. Indem der maximale Hydraulikdruck vor dem Abgeben des Drucks mithilfe eines Geräts zum Messen des Wasserdrucks bestätigt wird, kann der Betriebsdruck des Druckabgabemechanismus bekannt sein.
In dem Fall, dass Wasser aus der Probe 98 in dem Zustand austritt, wenn ein hydraulischer Druck an die Probe angelegt wird, kann das Wasserauslecken als ein flüssiges Austreten eines Elektrolytens in einer tatsächlichen Batterie angesehen werden. Somit kann die Beziehung zwischen der Strukturfestigkeit jedes Abschnitts in der Struktur der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung und des Betriebs des Druckabgabemechanismus bekannt sein.
(Beispiel 1)
Wie in 4 dargestellt ist, weist die Probe 98 eine solche Konstruktion auf, dass ein Aluminiumrohr mit einem Außendurchmesser von 50 mmϕ und einer Dicke von 1 mm als Batteriegehäuse 30 verwendet wird, Nitrilgummi-Ringe mit einer Dicke von 2 mm als erste und zweite Dichtungsringe 25 und 27 verwendet werden, ein Aluminium-Druckring 58 mit einer Dicke von 1 mm anstelle des Ausgangsanschlusses 29 in 2 verwendet wird, und ein Rohr mit einer Dicke von 2 mm als Wärmeschrumpfrohr 31 verwendet wird. Ein innerer Elektrodenkörper und Elektrodenanschlüsse sind in der Probe nicht vorgesehen. Der Durchmesser des Druckabgabelochs 24 beträgt 5 mmϕ. Zusätzlich dazu sind Größen (Einheit: mm) eines Verstemmungsraums und der dergleichen der Probe 98 in 4 dargestellt. In 4 ist zur Erläuterung der Struktur der Probe 98 nicht der Maßstab jedes Abschnitts der Probe 98 konstant.
Eine Kupferfolie und eine Aluminiumfolie wurden als Metallfolie 26 verwendet, und während der Durchmesser C des Dichtungsrings und die Dicke der Metallfolie 26 geändert wurden, wurde der Druck im Inneren der Probe 98 erhöht. Danach wurde der Betriebsdruck des Druckabgabemechanismus, d.h. der Berstdruck der Metallfolie 26, gemessen. Das Testergebnis ist in Tabelle 1 und in 5 dargestellt.
[Tabelle 1]
(Anmerkung) Dichtungszustand: Zustand des Schadens oder der Undichtigkeit am Dichtungsabschnitt bei Betrieb des Sicherheitsmechanismus.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass dann, wenn der Betriebsdruck des Druckabgabemechanismus 10 kg/cm² überschritt, der durch Verbiegung und Verstemmen des Batteriegehäuses 30 gebildete Dichtungsabschnitt am Ende der Batterie deformiert wurde, so dass es zum Auslecken von Wasser kam, wenn eine Kupferfolie verwendet wurde und wenn die Dicke der Kupferfolie 10 μm betrug und der Durchmesser C des Dichtungsrings nicht größer als 2,5 mmϕ war, wenn die Dicke der Kupferfolie 30 μm betrug und der Durchmesser C des Dichtungsrings nicht größer als 15 mmϕ war, oder wenn die Dicke der Kupferfolie 50 μm betrug und der Durchmesser C des Dichtungsrings nicht größer als 25 mmϕ war, oder wenn eine Aluminiumfolie verwendet wurde und die Dicke der Aluminiumfolie 20 μm betrug und der Durchmesser C des Dichtungsrings nicht größer als 5 mmϕ war, oder wenn die Dicke der Aluminiumfolie 50 μm betrug und der Durchmesser C des Dichtungsrings nicht größer als 10 mmϕ war. Unter anderen Bedingungen wurde der Druckabgabemechanismus normal betrieben, um den Innendruck der Probe 98 abzugeben, und es konnte kein Auslecken einer Flüssigkeit aus dem Dichtungsabschnitt beobachtet werden.
Auf der Grundlage dieses Ergebnisses kam man zu der Schlussfolgerung, dass der Berstdruck der Metallfolie 26 vorzugsweise mit 10 kg/cm² oder weniger festgelegt wurde, wobei es zu keiner Deformierung und zu keinem Wasserauslecken am Dichtungsabschnitt kommt, und um den inneren Druck der Testprobe 98 rasch abzugeben, wurde der Durchmesser C des Dichtungsrings vorzugsweise mit 10 mm oder mehr bestimmt. Da dieser Test übrigens in einem solchen Zustand durchgeführt wurde, dass die Außenatmosphäre der Testprobe sich im Zustand eines Atmosphärendrucks befindet, bedeutet der Berstdruck, d.h. der Betriebsdruck des Druckabgabemechanismus, einen Differentialdruck zwischen dem Inneren der Batterie und dem Außenraum.
Der Berstdruck der Metallfolie 26 kann entsprechend der Beziehung zwischen der Dicke der Metallfolie 26, dem Durchmesser C des Dichtungsrings beim Bersten der Metallfolie sowie dem Betriebsdruck (Berstdruck der Metallfolie) geeignet festgelegt werden, wie dies in 5 veranschaulicht wird. Aus verschiedenen in 5 dargestellten Kurven kann man möglicherweise den rauen Berstdruck einer Metallfolie mit einer anderen Dicke als jener der in diesem Test verwendeten Metallfolie 26 erwarten. In einer tatsächlichen Lithium-Sekundärbatterie wird bei normalem Verwendungszustand oder bei der Herstellung der Batterie, da der Druck im Inneren der Batterie auf etwa 1,5 kg/cm² erhöht ist, der Berstdruck vorzugsweise so eingestellt, dass der Berstdruck der Metallfolie 6 nicht 2 kg/cm² oder weniger wird.
(Beispiel 2)
6 zeigt die Struktur einer Testprobe 99, die durch die Entfernung des inneren Elektrodenkörpers und von Elementen wie einem Elektrodenanschluss vom in 3 dargestellten Druckabgabemechanismus erhalten wurde. Ein Batteriegehäuse 39 ist dasselbe wie das in der in 4 dargestellten Testprobe 98 verwendete Batteriegehäuse 30. Ein Isolierring 36 aus Nitrilgummi mit einer Dicke von 2 mm und ein Aluminium-Druckring 58 mit einer Dicke von 2 mm sind überlappend auf einer Anschlussplatte 34 mit einer Dicke von 0,5 mm und einer ringförmigen, V-förmigen Nut 35 mit einem Durchmesser D angebracht, wobei die Außenumfangsabschnitte dieser von einem Wärmeschrumpfrohr 38 mit einer Dicke von 2 mm umgeben und am Inneren des Batteriegehäuses 39 durch Verstemmen befestigt sind. Indem die auf diese Weise hergestellte Testprobe 99 auf dieselbe Weise wie im Beispiel 1 verwendet wurde, wurde der Betriebsdruck des Druckabgabemechanismus, d.h. der Berstdruck der V-förmigen Nut 35, gemessen. Das Testergebnis ist in 2 und in 7 dargestellt.
[Tabelle 2]
(Anmerkung) Dichtungszustand: Zustand des Schadens oder der Undichtigkeit am Dichtungsabschnitt bei Betrieb des Sicherheitsmechanismus.
Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass dann, wenn der Betriebsdruck des Druckabgabemechanismus 10 kg/cm² überschritt, der durch Verbiegung und Verstemmen des Batteriegehäuses 39 gebildete Dichtungsabschnitt am Ende der Batterie deformiert wurde, so dass es zum Auslecken von Wasser kam, wenn die Anschlussplatte 34 aus Kupfer verwendet wurde und wenn die Dicke der V-förmigen Nut 35 0,05 mm betrug und der Durchmesser D der V-förmigen Nut 15 mm oder weniger war, wenn die Dicke der V-förmigen Nut 35 0,08 mm betrug und der Durchmesser D der V-förmigen Nut 20 mm oder weniger war, oder wenn die Dicke der V-förmigen Nut 35 0,10 mm betrug und der Durchmesser D der V-förmigen Nut 30 mm oder weniger war, oder wenn die Anschlussplatte 34 aus Aluminium verwendet wurde und wenn die Dicke der V-förmigen Nut 35 0,08 mm betrug und der Durchmesser D der V-förmigen Nut 10 mm oder weniger war, wenn die Dicke der V-förmigen Nut 35 0,10 mm betrug und der Durchmesser D der V-förmigen Nut 15 mm oder weniger war, oder wenn die Dicke der V-förmigen Nut 35 0,15 mm betrug und der Durchmesser D der V-förmigen Nut 20 mm oder weniger war.
Auf der Grundlage dieses Ergebnisses kam man zu der Schlussfolgerung, dass der Berstdruck der V-förmigen Nut 35 vorzugsweise mit 10 kg/cm² oder weniger festgelegt wurde, wobei es zu keiner Deformierung und zu keinem Wasserauslecken am Dichtungsabschnitt kommt, und um den inneren Druck der Testprobe 99 rasch abzugeben, wird der Durchmesser der V-förmigen Nut vorzugsweise mit 10 mm oder mehr festgelegt.
Der Berstdruck einer solchen V-förmigen Nut 35 kann entsprechend der Beziehung zwischen der Dicke der V-förmigen Nut 35, dem Durchmesser D der V-förmigen Nut sowie dem Betriebsdruck geeignet festgelegt werden, wie dies in 7 veranschaulicht wird. In Bezug auf andere Bedingungen als jene, die in diesem Test festgelegt wurden, ist es möglich, einen rauen Berstdruck der V-förmigen Nut 35 aus 7 zu erwarten. Wie bereits zuvor beschrieben wurde, wird in einer tatsächlichen Lithium-Sekundärbatterie, da der Druck im Inneren der Batterie im normalen Verwendungszustand auf etwa 1,5 kg/cm² erhöht ist, im Fall der Verwendung der V-förmigen Nut 35 der Berstdruck vorzugsweise so eingestellt, dass der Berstdruck nicht 2 kg/cm² oder weniger wird.
(Beispiel 3)
Batterien mit Druckabgabe an beiden Enden, welche die in 1 dargestellten Druckabgabemechanismen an beiden Enden des Batteriegehäuses umfassen, wurden hergestellt, während gleichzeitig die Werte von S/C geändert wurden. Darüber hinaus wurden Batterien mit Druckabgabe an nur einem Ende hergestellt, während die Werte von S/C geändert wurden. In der Batterie mit Druckabgabe an einem Ende ist der Druckabgabemechanismus, der die Metallfolie in der in 1 dargestellten Batteriestruktur verwendet, an nur einem Ende des Batteriegehäuses angeordnet, und die V-förmige Nut ist nicht am anderen Ende ausgebildet, so dass der Druckabgabemechanismus am anderen Ende nicht angeordnet ist. Danach wurden die Betriebszustände der Druckabgabemechanismen untersucht, indem die Batterien durch einen konstanten Strom aufgeladen wurden und der Nageleindring-Test durchgeführt wurde.
Hier war die positive Elektrode aus einer Aluminiumfolie ausgebildet, die mit einem Gemisch beschichtet war, in welchem Kohlepulver (Acetylen-Schwarz) zur Verbesserung der Leitfähigkeit dem Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄) als positiv aktive Masse zugegeben war. Die negative Elektrode war aus einer mit Graphitpulver beschichteten Kupferfolie gebildet. Als Trennschicht zum Trennen der positiven von der negativen Elektrode wurde eine mikroskopisch kleine poröse Trennschicht aus Polypropylen verwendet. Der Elektrolyt wurde durch Lösen eines LiPF₆-Elektrolytens in einem Lösungsgemisch aus Ethylencarbonat (EC) und Diethylcarbonat (DEC) hergestellt. Als Batteriegehäuse wurde ein zylindrisches Aluminiumelement mit einer Dicke von 1 mm verwendet.
Gleichzeitig wurden die Länge des Zylinders (Länge der Elektrodenplatte in die Wicklungsachsenrichtung) und die Fläche des Zylinderendes entsprechend den Anforderungen eingestellt, so dass die Batteriekapazität insgesamt 25 Ah wurde. In der Batterie mit Druckabgabe an beiden Enden waren die Fläche des Öffnungsabschnitts der Druckabgabemechanismen der jeweiligen Enden identisch festgelegt, so dass sie gleich waren. Das Testergebnis ist in Tabelle 3 dargestellt.
[Tabelle 3]
Aus dem Testergebnis der Tabelle 3 ist ersichtlich, dass in der Batterie mit Druckabgabe an beiden Enden einer solcher Zustand beobachtet wurde, dass in einigen Batterien mit einem S/C-Wert von weniger als 0,05 Elektrodenmaterialien und dergleichen im Öffnungsabschnitt des Druckabgabemechanismus sich anhäuften, so dass das Batteriegehäuse barst, und obwohl das Batteriegehäuse nicht stark barst, so wurde dennoch ein Riss an einem anderen Abschnitt als dem Öffnungsabschnitt des Druckabgabemechanismus ausgebildet und Gas trat aus diesem Riss aus. Andererseits kam es, wenn der S/C-Wert größer als 2 war, zu keinem Problem wäh rend des Betriebs des Druckabgabemechanismus, und da ein Nagel in den inneren Elektrodenkörper eindringen gelassen wurde, sprang ein Teil des inneren Elektrodenkörpers nicht aus dem Öffnungsabschnitt heraus. In dem Fall aber, dass ein externer Kurzschluss auftritt, besteht die Möglichkeit, dass ein Teil des inneren Elektrodenkörpers aus dem Öffnungsabschnitt herausspringt. Wird der S/C-Wert vergrößert, so wird auch der Zylinder der Batterie groß. Somit wird, wenn die Batterie auf einem elektrischen Fahrzeug montiert ist, der tote Raum für die Anordnung groß, was nicht bevorzugt ist.
Andererseits wurde in der Batterie mit Druckabgabe an nur einem Ende im Fall, dass der Wert von S/C weniger als 0,5 betrug, beobachtet, dass das Batteriegehäuse an einem Abschnitt des Endes, wo der Druckabgabemechanismus angeordnet war, anders als beim Druckabgabemechanismus, barst, oder an dem Ende, wo der Druckabgabemechanismus nicht angeordnet war, und dass Dampf, von dem angenommen wurde, dass er ein Produkt aus der Verdampfung des Elektrolyten ist, und der Elektrolyt austraten. In dem Fall, dass der Wert von S/C größer als 2 ist, wurde, ähnlich wie im Fall der Batterie mit Druckabgabe an beiden Enden, beobachtet, dass der innere Elektrodenkörper sich leicht zur Seite des Öffnungsabschnitts bewegte, wenngleich sich aus dem Betrieb des Druckabgabemechanismus kein Problem ergab. Dies lässt die Möglichkeit vermuten, dass ein Teil des inneren Elektrodenkörpers aus dem Öffnungsabschnitt des Druckabgabemechanismus herausspringt.
Wie bereits zuvor beschrieben wurde, wird entsprechend der Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung selbst in dem Fall, dass der Innendruck der Batterie durch eine Ursache wie einen externen und/oder internen Kurzschluss der Batterie erhöht wird, da der Druckabgabemechanismus, der bei einem geeigneten Innendruck der Batterie arbeitet und in einer geeigneten Form festgelegt ist, am Ende des Batteriegehäuses oder an einer geeigneten Position der Seite des Batteriegehäuses angeordnet ist, der Innendruck der Batterie sicher abgegeben. Demgemäß kommt es zu keinem solchen Fall, dass die Batterie birst oder ein Teil des inneren Elektrodenkörpers herausspringt, und die Lithium-Sekundärbatterie weist den Effekt auf, dass sie über exzellente Sicherheit verfügt. Zusätzlich dazu wird, da die Struktur der Batterie einfach ist, die Herstellung dieser einfach, und es können die Herstellungskosten verringert werden. Da Metall als Element für den Stromtrennmechanismus verwendet wird, weist die Lithium-Sekundärbatterie den Vorteil auf, dass die Eigenschaften der Aufladung/Entladung exzellent sind, ohne dass dadurch der innere Widerstand der Batterie erhöht wird.

Claims

Lithium-Sekundärbatterie, umfassend: ein Batteriegehäuse (63); einen inneren Elektrodenkörper (7; 90), der im Batteriegehäuse enthalten ist und positive Elektrodenschichten (8; 60), negative Elektrodenschichten (9; 61) und aus einem porösen Polymer hergestellte Trennschichten (10; 62) umfasst, wobei die positiven und die negativen Elektrodenschichten entweder den Aufbau (a) einer Wicklung mit den Trennschichten oder den Aufbau (b) einer Laminierung mit den Trennschichten als flache Schichtenfolge aufweisen, sodass die positiven Elektrodenschichten und die negativen Elektrodenschichten nicht in direkten Kontakt zueinander gebracht sind; einen nichtwässrigen Elektrolyten mit zumindest einem im Batteriegehäuse enthaltenen organischen Lösungsmittel; und ein Druckabgabemittel (28; 35; 43; 72; 88), das im Fall des Aufbaus (a) aus zumindest einem Druckabgabemechanismus besteht, der an jedem der zwei Endabschnitte des Batteriegehäuses in der axialen Wicklungsrichtung der positiven und negativen Elektrodenschichten angeordnet ist, oder im Fall des Aufbaus (b) aus zumindest einem Druckabgabemechanismus besteht, der an einer Seitenoberfläche des Batteriegehäuses, die senkrecht zu den ebenen Oberflächen der positiven und negativen Elektrodenschichten steht, angeordnet ist; worin, wenn die Batteriekapazität C (Ah) ist und die Gesamtfläche der Öffnungsabschnitte, an denen der Druckabgabemechanismus oder die -mechanismen wirken, S (cm²) ist, die Gleichung 0,05 ≤ S/C ≤ 2 erfüllt ist.
Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, worin im Fall (a) das Batteriegehäuse zylindrisch ist.
Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, worin im Fall (b) ein Druckabgabemechanismus an jeder von zumindest einem Paar an gegenüberliegenden Seiten des Batteriegehäuses angeordnet ist.
Lithium-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Betriebsdruck des Druckabgabemechanismus 2 bis 10 kg/cm² beträgt.
Lithium-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Vielzahl an Druckabgabemechanismen, worin die Differenz der Betriebsdrücke der Druckabgabemechanismen 8 kg/cm² oder weniger beträgt.
Lithium-Sekundärbatterie, umfassend: ein Batteriegehäuse (63); einen inneren Elektrodenkörper (7; 90), der im Batteriegehäuse enthalten ist und positive Elektrodenschichten (8; 60), negative Elektrodenschichten (9; 61) und aus einem porösen Polymer hergestellte Trennschichten (10; 62) umfasst, wobei die positiven und die negativen Elektrodenschichten entweder den Aufbau (a) einer Wicklung mit den Trennschichten oder den Aufbau (b) einer Laminierung mit den Trennschichten als flache Schichtenfolge aufweisen, sodass die positiven Elektrodenschichten und die negativen Elektrodenschichten nicht in direkten Kontakt zueinander gebracht sind; einen nichtwässrigen Elektrolyten mit zumindest einem im Batteriegehäuse enthaltenen organischen Lösungsmittel; und ein Druckabgabemittel (28; 35; 43; 72; 88), das im Fall des Aufbaus (a) aus zumindest einem Druckabgabemechanismes besteht, der an einem Endabschnitt des Batteriegehäuses in der axialen Wicklungsrichtung der positiven und negativen Elektrodenschichten angeordnet ist, oder im Fall des Aufbaus (b) aus zumindest einem Druckabgabemechanismus besteht, der an einer Seitenoberfläche des Batteriegehäuses, die senkrecht zu den ebenen Oberflächen der positiven und negativen Elektrodenschichten steht, oder an jeder von zumindest einem Paar an nicht gegenüberliegenden Seitenflächen des Batteriegehäuses angeordnet ist; worin, wenn die Gesamtfläche der Öffnungsabschnitte, an denen der Druckabgabemechanismus oder die -mechanismen wirken, S (cm²) ist und die Kapazität der Lithiumbatterie C (Ah) ist, die Gleichung 0,5 ≤ S/C ≤ 2 erfüllt ist.
Lithium-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Druckabgabemechanismus eine Metallfolie umfasst, die zur Abgabe des Innendrucks der Batterie nach außen birst.
Lithium-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Druckabgabemechanismus einen in einer Metallplatte angeordneten Nutabschnitt umfasst, wobei der Nutabschnitt bersten gelassen wird, sodass der Innendruck der Batterie nach außen abgeben wird.
Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 7, worin die an der positiven Seite angeordnete Metallfolie aus Aluminium hergestellt ist und die an der negativen Seite angeordnete Metallfolie aus Kupfer oder Nickel hergestellt ist.
Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 8, worin die an der positiven Seite angeordnete Metallplatte aus Aluminium hergestellt ist und die an der negativen Seite angeordnete Metallplatte aus Kupfer oder Nickel hergestellt ist.
Lithium-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Fläche einer Öffnung des oder eines jeden der Druckabgabemechanismen nicht weniger als 0,1 cm² beträgt.
Lithium-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin die Batteriekapazität nicht weniger als 5 Ah beträgt.
Lithium-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Verwendung für ein elektrisches Fahrzeug oder ein elektrisches Hybridfahrzeug.