DE69901244T2

DE69901244T2 - Vorrichtung zur kontrollierten zerstörung einer elektrochemischen zelle

Info

Publication number: DE69901244T2
Application number: DE69901244T
Authority: DE
Inventors: Harry Vourlis
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 1998-05-08
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2019-04-24
Also published as: WO1999059213A1; CN1143402C; JP2002515637A; HK1031045A1; CA2329520A1; EP1080505B1; US6054233A; DE69901244D1; ATE216134T1; AU3663899A; TW441143B; JP4084926B2; EP1080505A1; CN1299522A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Konstruktion von elektrochemischen Zellen, und insbesondere elektrochemische Zellen, die einen Zerstörungsmechanismus enthalten, der einen inneren Kurzschluß herbeiführt, wenn die Zelle einem inneren oder äußeren Fehlgebrauch ausgesetzt wird. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Konstruktion einer elektrochemischen Li-Ionen-Zelle mit einer Konstruktion mit spiralförmig gewickelter Elektrode.
Li-Ionen-Hochenergiezellen haben wegen ihrer Wiederaufladeeigenschaften in den letzten Jahren viel Beachtung gefunden. haben Durch den gestiegenen Umsatz von Mobiltelefonen, tragbaren Computern und Camcordern, in denen nachladbare Batteriesätze verwendet werden, haben sich die Märkte für derartige Batterien ständig erweitert. Die bei solchen Geräten verwendeten Batteriesätze weisen typischerweise ein Kunststoffgehäuse, mehrere zusammengeschaltete elektrochemische Zellen und eine in dem Kunststoffgehäuse montierte Ladungssteuerungsschaltung auf.
Li-Ionen-Zellen weisen typischerweise ein zylinderförmiges Zellengehäuse aus elektrisch leitendem Material mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende auf. Eine spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe (oder "Geleerollen"-Baugruppe), die durch Aufwickeln abwechselnder Schichten einer negativen Elektrode, eines Trennelements und einer positiven Elektrode auf einen Dorn gebildet wird, wird in das offene Ende des zylinderförmigen Zellengehäuses eingesetzt. Anschließend wird ein Elektrolyt in das Zellengehäuse eingebracht, und dann wird das Zellengehäuse abgedichtet, indem eine Deckelbaugruppe in das offene Ende des Zellengehäuses eingesetzt wird, wobei die Deckelbaugruppe mit einer der Elektroden, typischerweise der positiven Elektrode, verbunden wird. Die Deckelbaugruppe weist eine Dichtung und einen leitfähigen Deckel auf, der durch die Dichtung von den Wänden des zylinderförmigen Zellengehäuses elektrisch isoliert ist.
Wegen der hohen Spannungen, auf welche diese elektrochemischen Li-Ionen-Zellen wiederaufgeladen werden können, läßt ein etwaiger Kurzschluß, der innerhalb der spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe entsteht, innerhalb der Zelle zwischen der positiven und der negativen Elektrode relativ hohe elektrische Ströme fließen. Ein solcher Strom erzeugt eine große Wärmemenge, die dazu führen kann, daß die Zellentemperatur die kritische Temperatur übersteigt, bei der chemische Reaktionen auftreten können, und führt damit zu überhöhten Temperaturen, einem zu hohen Innendruck, Entlüftung, starker Rauchentwicklung, einem Nachgeben der Klemmverbindung und/oder einem Zerfall der Zelle.
Wegen der möglicherweise gefährlichen Reaktionen, die durch einen inneren Kurzschluß entstehen, ist Sicherheit bei der Auslegung und Konstruktion von Li-Ionen-Batterien von größter Bedeutung. Um die Sicherheit von Li-Ionen-Zellen zu beurteilen, sind standardisierte Tests entwickelt worden, zu denen ein Quetschtest, ein Nageltest, ein Überladungstest und ein thermischer Fehlgebrauchstest gehören. Wenn während jedes dieser Tests ein Brand oder eine Explosion entsteht, wird dies als Versagen gewertet.
Zur Überwindung der instabilen Reaktionen einer Li-Ionen-Zelle, die bei dem Quetschtest auftreten können, sind viele verschiedene Herangehensweisen entwickelt worden. Beispiele derartiger Verfahren sind unter anderem die Dotierung von Kathoden und Anoden mit überschüssigen Bindemitteln (Isolatoren) und das Passivieren der Elektroden durch elektrochemische Passivierungsverfahren, wie z. B. durch Warmformen. Solche Verfahren führen jedoch typischerweise zu einer schlechteren Leistung der Zellen in Bereichen wie z. B. der Kapazität, der Leistungsabnahmerate, der Entladefähigkeit und der Zykluslebensdauer.
JP-A-10-116 633 offenbart eine Konstruktion einer spiralförmig gewickelten Li-Ionen-Zelle, in der eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Pulver in einem Bindemittel zwischen dem Trennelement und einem oder beiden Elektrodenblechen vorgesehen ist. Das elektrisch leitende Pulver soll das Trennelement durchdringen und einen Kurzschluß zwischen den Elektrodenblechen erzeugen, wenn die Zelle unter einer äußeren Kraft deformiert wird. Alternativ werden anstelle der Schicht aus elektrisch leitendem Pulver/Bindemittel ein oder beide Elektrodenbleche mit Höckern und Vertiefungen versehen, die durch Aufbringen von Streifen oder durch Auftrag eines Metallpulvers auf die Oberfläche des Elektrodenblechs ausgebildet werden. Das Aufbringen der Schicht aus elektrisch leitendem Pulver/Bindemittel, Streifen oder einer Metallpulverschicht auf die Oberfläche eines Elektrodenblechs führt jedoch zu einem zusätzlichen und schwierigen Beschichtungsschritt im Herstellungsprozeß der Zelle. Außerdem kann wegen der verwendeten feinkörnigen Metallpulver der Mechanismus eine zu große Kraft erfordern, um unter Fehlgebrauchsbedingungen, die eine innere Kraft erzeugen, einen wirksamen Kurzschluß herbeizuführen.
Daher wäre es wünschenswert, eine Zellenkonstruktion bereitstellen zu können, die zumindest einige der obigen Nachteile vermeidet, die mit bekannten Zellenkonstruktionen verbunden sind. Ferner wäre es wünschenswert, eine verbesserte Li-Ionen-Zellenkonstruktion bereitstellen zu können, welche die obigen Sicherheitstests besteht, ohne daß dadurch die Leistungseigenschaften der Zelle beeinträchtigt werden.
Nach einem ersten Aspekt bietet die vorliegende Erfindung eine elektrochemische Zelle, die aufweist:
ein Zellengehäuse;
eine Elektrodenbaugruppe mit großem Oberflächeninhalt, die abwechselnde Schichten aus einer ersten Elektrode, einem Trennelement und einer zweiten Elektrode mit zur ersten Elektrode entgegengesetzter Polarität aufweist; und
einen Zerstörungsmechanismus zum Erzeugen eines inneren Kurzschlusses zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, wenn eine übermäßige Kraft auf den Zerstörungsmechanismus einwirkt, wobei der Zerstörungsmechanismus einen oder mehrere Grate aufweist, die von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode hin vorstehen, um beim Angreifen der übermäßigen Kraft das Trennelement zu durchdringen und einen elektrischen Kontakt mit der zweiten Elektrode herzustellen.
Vorteilhafterweise enthält die Zellenkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung einen Zerstörungssteuerungsmechanismus, der die Art und Weise steuert, wie die Zelle zerstört wird, um einen möglichen Brand oder eine Explosion zu vermeiden, wenn die Zelle Bedingungen ausgesetzt ist, die sie sonst zerstören würden. Darüberhinaus beeinträchtigt der Zerstörungssteuerungsmechanismus nicht die Leistungseigenschaften der Zelle und steuert die Zerstörung der Zelle noch sicherer, wenn sie einer zerstörenden Kraft oder Umgebung ausgesetzt ist. Ein weiterer Vorteil der Zellenkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß der Zerstörungsmechanismus im Herstellungsprozeß keinen zusätzlichen Beschichtungsschritt erfordert und durch einfache Modifikationen an vorhandenen Ausrüstungen leicht in Zellen eingebaut werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Zerstörungsmechanismus als Reaktion auf an der Zelle angreifende innere oder äußere Kräfte oder auf beide einen wirksamen Kurzschluß herbeiführen kann.
Die erfindungsgemäß konstruierte elektrochemische Zelle weist auf ein Zellengehäuse und eine Elektrodenbaugruppe mit großem Oberflächeninhalt, die abwechselnd gestapelte oder gewickelte Lagen einer positiven Elektrode, eines Trennelements und einer negativen Elektrode einschließt. Die elektrochemische Zelle weist ferner einen Zerstörungsmechanismus auf, der vorzugsweise in der Nähe einer Innenfläche des Zellengehäuses vorgesehen ist, um einen Abschnitt des Trennelements zu durchstoßen und einen inneren Kurzschluß zu erzeugen, vorzugsweise zwischen den äußersten Lagen der positiven und der negativen Elektrode der Elektrodenbaugruppe, wenn eine übermäßige Kraft auf den Zerstörungsmechanismus einwirkt.
Durch Anordnen des Zerstörungsmechanismus an einer geeigneten Stelle innerhalb des Zellengehäuses kann ein innerer Kurzschluß herbeigeführt werden, bevor irgendwelche anderen inneren Kurzschlüsse innerhalb der Zelle entstehen, wenn auf die Außenfläche des Zellengehäuses eine übermäßige Kraft ausgeübt wird. Diese Stelle liegt vorzugsweise in einem Bereich dicht am Zellengehäuse, um die innen erzeugte Wärme wirksamer aus der Zelle nach außen abzuleiten. Um die Wahrscheinlichkeit weiter zu erhöhen, daß ein erster innerer Kurzschluß an der gewünschten Stelle herbeigeführt werden kann, kann ein Kernstift in die zentrale Öffnung in einer spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe eingesetzt werden.
Der Zerstörungsmechanismus weist einen oder mehrere Grate auf, die vorzugsweise am äußersten Rand der beiden Elektroden ausgebildet sind und von einer Elektrode zur anderen Elektrode vorstehen, so daß sie die dazwischenliegende Trennelementschicht durchdringen und einen inneren Kurzschluß herbeiführen, wenn auf die Grate eine übermäßige Kraft ausgeübt wird. Die Grate werden aus einer leitfähigen Folie, einem Streifen oder Blech ausgebildet, wie z. B. von einem leitfähigen Metallstreifen, der mit dem aktiven Elektrodenmaterial beschichtet ist, vorzugsweise von einem blankem Bereich davon, oder von einer leitfähigen Lasche aus, die sich in elektrischem Kontakt mit diesem beschichtetem Streifen befindet. Die Grate können dann von dem leitfähigen Material des Streifens oder der Lasche aus gebildet werden, indem z. B. der Streifen oder die Lasche durchgestanzt oder im Falle einer leitfähigen Lasche die Lasche an den Streifen angeheftet wird. Man wird erkennen, daß jedes geeignete Mittel angewandt werden kann, um einen von dem leitfähigen Streifen oder der Lasche ausgehenden Vorsprung zu erzeugen, der ausreichend scharf ist oder ausreichend vorsteht, um unter Einwirkung einer übermäßigen Kraft mit der gegenüberliegenden Elektrode in Kontakt zu kommen und einen Kurzschluß herbeizuführen. Daher bilden die Grate einen integrierenden Teil des leitfähigen Streifens oder der Lasche einer Elektrode. Nach Wunsch können Grate an oder in einer oder beiden Elektroden ausgebildet werden.
Die Grate werden vorzugsweise durch Anheften einer leitfähigen Lasche an einen blanken Abschnitt des leitfähigen Folienstreifens ausgebildet, der einen Teil der äußersten Elektrode (vorzugsweise der negativen. Elektrode) bildet. Um die Wahrscheinlichkeit weiter zu erhöhen, daß der erste innere Kurzschluß auftritt, wenn die Grate das Trennelement durchdringen, kann der unter den Graten liegende Abschnitt der Elektrode (vorzugsweise der positiven Elektrode) aus blanker leitfähiger Folie ausgebildet werden, um für eine bessere elektrische Kopplung zu sorgen, falls die Grate das Trennelement durchdringen. Was noch wichtiger ist, indem man die Zerstörung der Zelle so steuert, daß der erste innere Kurzschluß durch elektrische Kopplung der inerten blanken leitfähigen Folien der positiven und negativen Elektroden herbeigeführt wird, tritt der Kurzschluß in einem Bereich auf, wo der Widerstand am niedrigsten ist und wo keine aktiven Materialien vorhanden sind, die miteinander reagieren könnten, und auf diese Weise ist die entwickelte Wärme am niedrigsten.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnungen besser verständlich. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß konstruierten elektrochemischen Zelle;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer teilweise zusammengebauten, spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe, die gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 3 eine Teilschnittansicht einer spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe, die gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 4 eine Teilschnittansicht einer spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe, die gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 5 eine Teilschnittansicht einer spiralförmigen Vergleichs-Elektrodenbaugruppe;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, die zeigt, auf welche Weise ein Quetschtest sowohl an Vergleichszellen als auch an erfindungsgemäß konstruierten Zellen ausgeführt wurde;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer teilweise zusammengebauten, spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe, die gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer teilweise zusammengebauten, spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe, die gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 9 eine Schnittansicht einer prismenförmigen elektrochemischen Zelle, die nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist; und
Fig. 10 eine Teilschnittansicht einer prismenförmigen elektrochemischen Zelle, die nach einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäß konstruierte elektrochemische Zelle 5. Die Zelle 5 weist ein Zellengehäuse 10 mit einem geschlossenen Ende 12 und einem offenen Ende 14 auf. Das Zellengehäuse 10 kann eine zylinderförmige oder prismatische Form haben und besteht aus einem starren, elektrisch leitenden Material. Das Zellengehäuse 10 kann ferner eine Hohlkehle 16 aufweisen, d. h. eine Vertiefung, die rund um den äußeren Umfang des Zellengefäßes 10 in der Nähe seines offenen Endes 14 ausgebildet ist. Die Hohlkehle 16 wird vorgesehen, um eine Deckelbaugruppe 20 mechanisch zu unterstützen, die in das offene Ende des Zellengehäuses 10 eingesetzt wird. Die Deckelbaugruppe 20 wird vorgesehen, um die Zelle abzudichten und einen elektrischen Kontakt bereitzustellen, der von den Wänden des Zellengehäuses 10 elektrisch isoliert ist. Auf diese Weise können das geschlossene Ende 12 des Gehäuses 10 und der durch den Deckel 18 der Deckelbaugruppe 20 definierte Kontaktanschluß als Kontaktanschlüsse von entgegengesetzter Polarität dienen. Die Deckelbaugruppe 20 kann für diesen Typ der elektrochemischen Zelle auf irgendeine herkömmliche Weise ausgebildet werden.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, weist die elektrochemische Zelle 5 ferner eine spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe 30 auf, die aus wechselnden Lagen einer negativen Elektrode, eines ersten Trennelements, einer positiven Elektrode und eines zweiten Trennelements besteht. Diese Lagen können durch Aufwickeln von geeigneten Materialstreifen auf einen Dorn ausgebildet werden. Die spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe 30 kann unter Anwendung irgendeines herkömmlichen Verfahrens auf eine solche spiralförmige Weise gewickelt werden. Nach dem Wickeln der spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe 30 wird diese in das Zellengehäuse 10 eingesetzt. Wahlweise kann dann ein Kernstift 40 in die Mitte der spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe 30 eingesetzt werden, und dann wird eine Elektrolytlösung in das offene Ende 14 des Zellengehäuses 10 eingefüllt. Als nächstes wird die Deckelbaugruppe 20 im offenen Ende 14 angebracht und durch Anquetschen der Enden des Zellengehäuses 10 über den Rändern der Deckelbaugruppe 20 fixiert. Die Deckelbaugruppe 20 wird mit Hilfe einer leitfähigen Leiste 66 elektrisch mit der positiven Elektrode verbunden.
Die Zeichnungen zeigen zwar eine spiralförmig gewickelte Elektrodenstruktur als Elektrodenbaugruppe, aber man wird erkennen, daß die vorliegende Erfindung in irgendeiner anderen Elektrodenstruktur mit großem Oberflächeninhalt realisiert werden kann. Zum Beispiel kann die Elektrodenstruktur aus gestapelten oder gefalteten, abwechselnden Elektrodenlagen geformt werden. Man wird ferner erkennen, daß die gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung konstruierte elektrochemische Zelle eine Primärzelle oder eine (wiederaufladbare) Sekundärzelle sein kann.
Nach der allgemeinen Beschreibung der Konstruktion einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle wird nachstehend anhand der Fig. 2 und 3 eine bevorzugte spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe 30 ausführlicher beschrieben. Die spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe 30 wird vorzugsweise durch spiralförmiges Aufwickeln von vier langgestreckten Materialstreifen auf einen Dorn ausgebildet. Die vier Materialstreifen sind eine negative Elektrode 50, eine positive Elektrode 60 und erste und zweite Trennelementschichten 70 und 72. Die Trennelementschichten 70 und 72 sind zwischen der negativen und der positiven Elektrode 50 und 60 angeordnet, um jeden körperlichen Kontakt dazwischen zu verhindern. Die Trennelementschichten 70 und 72 haben vorzugsweise eine größere Breite als die negativen und positiven Elektroden 50 und 60, um jeden körperlichen Kontakt der Elektroden mit den Innenwänden des Zellengehäuses 10 oder irgendeinem Teil der Deckelbaugruppe 20 zu verhindern.
Um den elektrischen Anschluß der entsprechenden Elektrode entweder an die Deckelbaugruppe 20 oder an das Zellengehäuse 10 zu ermöglichen, werden an der negativen bzw. der positiven Elektrode 50 bzw. 60 leitfähige Laschen 56 bzw. 66 so angebracht, daß sie sich von entgegengesetzten Enden der spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe 30 nach außen erstrecken. Vorzugsweise ist die positive leitfähige Lasche 66 mit dem elektrischen Kontaktanschluß der Deckelbaugruppe 20 gekoppelt, während die negative leitfähige Lasche 56 körperlich und elektrisch mit dem geschlossenen Ende 12 des Zellengehäuses 10 in Kontakt ist.
Die negative Elektrode 50 wird vorzugsweise ausgebildet, indem beide Seiten eines leitfähigen Folienstreifens mit einem Gemisch beschichtet werden, das ein aktives Material der negativen Elektrode, wie z. B. lithiumeinlagerungsfähigen Kohlenstoff, sowie ein Bindemittel enthält. Außerdem kann ein leitfähiges Mittel zugesetzt werden. Vorzugsweise wird die leitfähige Folie, welche die negative Elektrode 50 bildet, auf ihrer gesamten Länge auf beiden Seiten mit diesem Gemisch beschichtet, mit Ausnahme eines inerten Bereichs 54 am hinteren Ende der negativen Elektrode 50 (d. h. an dem Ende, das dem beim Wickeln dem Dorn zugeführten Ende entgegengesetzt ist). An diesem inerten, blanken Bereich 54 der negativen Elektrode 50 wird die negative leitfähige Lasche 56 befestigt. Die leitfähige Lasche 56 wird vorzugsweise durch Schweißen an der freiliegenden bzw. blanken Folie befestigt. Aus Gründen, die weiter unten ausführlicher erläutert werden, werden die leitfähige Lasche 56 und der blanke inerte Bereich 54 dann einem Heftverfahren unterworfen, bei dem sowohl durch die leitfähige Lasche 56 als auch durch die Folie 54 Löcher gebohrt werden, um mehrere Grate 58 zu erzeugen, die von der Oberfläche der Folie 54 nach außen vorstehen.
Wie die negative Elektrode 50, wird auch die positive Elektrode 60 ausgebildet, indem ein Gemisch, das ein aktives Material 62 enthält, wie z. B. lithiiertes Metalloxid (z. B. LiCoO&sub2;, LiMn&sub2;O&sub4; oder LiNiO&sub2;), auf beide Seiten eines leitfähigen Folienstreifens auf seiner gesamten Länge aufgetragen wird, mit Ausnahme eines Bereichs, an dem eine leitfähige Lasche 66 befestigt wird. In diesem Falle befindet sich die blanke leitfähige Folie, an der die leitfähige Lasche 66 befestigt wird, am vorderen Ende der positiven Elektrode 60. Vorzugsweise wird die leitfähige Lasche 66 an das blanke Vorderende der positiven Elektrode 60 angeschweißt und nicht wie die leitfähige Lasche 56 an die negative Elektrode 50 angeheftet.
Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsform weist die positive Elektrode 60 ferner einen zweiten blanken Bereich 64 auf, der an ihrem hinteren Ende vorgesehen ist. Durch Bereitstellen des blanken Bereichs 64 am hinteren Ende der positiven Elektrode 60 ist der Abschnitt der positiven Elektrode 60, der den Graten 58 am nächsten liegt, ein inerter Bereich und bietet daher den geringsten Widerstand, falls die Grate 58 die Trennelementschicht 72 durchdringen und mit dem blanken Bereich 64 in Kontakt kommen und dadurch einen inneren Kurzschluß herbeiführen. Obwohl bestimmte Vorteile der vorliegenden Erfindung erzielt werden können, ohne den blanken Bereich 64 bereitzustellen, so daß die Grate 58, wenn sie die Trennelementschicht 72 durchdringen, mit einem aktiven Abschnitt der positiven Elektrode in Kontakt kommen würden (wie in der zweiten Ausführungsform in Fig. 4 dargestellt) ist der Widerstand, den die Grate 58 bieten, die mit einem aktiven Abschnitt der positiven Elektrode 60 in Kontakt kommen, viel größer, als wenn die Grate 58 direkt mit der leitfähigen Folie in Kontakt kommen. Ferner ist durch Bereitstellen des blanken Bereichs 64 der Bereich der Elektrode 60, mit dem die Grate 58 in Kontakt kommen würden, frei von etwaigen elektrochemisch aktiven Materialien, die reagieren könnten. Wegen dieses niedrigeren Widerstands und der Abwesenheit von aktiven Materialien im Kontaktbereich ist die Wärmeentwicklung bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten ersten Ausführungsform wahrscheinlich geringer als bei der Verbindung, die durch einen Kurzschluß in der in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsform verursacht würde.
Es ist jedoch zu beachten, daß zwar der Widerstand, der durch den Kontakt der Grate 58 mit einem aktiven Abschnitt der positiven Elektrode 60 in der zweiten Ausführungsform geboten wird, höher ist als der bei der ersten Ausführungsform, daß aber nichtsdestoweniger der Widerstand viel niedriger ist, als es der Fall wäre, wenn aktive Abschnitte sowohl der positiven als auch der negativen Elektrode durch Aufplatzen der Trennelementschichten 70 und 72 direkt miteinander in Kontakt kämen. Daher ist bei einer elektrochemischen Zelle, die gemäß der zweiten Ausführungsform konstruiert ist, die Wahrscheinlichkeit, daß durch einen inneren Kurzschluß eine instabile Reaktion ausgelöst wird, geringer als bei den herkömmlichen Konstruktionen.
Grate 58, wie z. B. die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten, werden vorgesehen, um als Mittel zur Steuerung der unvermeidlichen Zerstörung der Zelle zu dienen. Solche Grate sind vorzugsweise so ausgerichtet, daß sie, wenn ein Druck auf die Grate ausgeübt wird, mindestens eine Lage des Trennelementmaterials durchdringen und dadurch einen inneren Kurzschluß herbeiführen. Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, kann ein solcher Druck durch Anwendung einer äußeren Kraft auf das Zellengehäuse ausgeübt werden, oder durch Anwendung einer inneren Kraft. Vorausgesetzt, daß die Kraft, die erforderlich ist, damit die Grate 58 eine Trennelementschicht durchdringen, kleiner ist als die Kraft, die erforderlich wäre, um das Auftreten eines inneren Kurzschlusses an irgendeiner anderen Stelle innerhalb der Zelle zu verursachen, werden die Grate 58 die Ursache des ersten inneren Kurzschlusses innerhalb der Zelle sein. Durch Ausbilden eines derartigen Zerstörungssteuerungsmechanismus an der Stelle innerhalb der Zelle, die für das Auftreten des ersten Kurzschlusses am günstigsten ist, können die schädlichen Auswirkungen von Kurzschlüssen, die an anderen Stellen innerhalb der Zelle auftreten, wesentlich verringert werden.
Indem Grate 58 an einer Stelle vorgesehen werden, wo ein innerer Kurzschluß zwischen den äußersten Lagen der positiven und negativen Elektroden in der spiralförmig gewickelten Elektrode herbeigeführt werden soll, kann das Zellengehäuse 10 als Wärmesenke benutzt werden, um die beim Auftreten eines solchen Kurzschlusses entwickelte Wärme schneller abzuleiten. Da die Wärmemenge, die durch einen solchen inneren Kurzschluß entwickelt werden kann, ausreicht, um eine spontane Verbrennung des flüssigen Elektrolyten zu verursachen, ist es entscheidend, daß die intern entwickelte Wärme so schnell wie möglich aus dem Inneren der Zelle abgeführt wird, um zu verhindern, daß die Zelle explodiert und in Brand gerät.
Außerdem ist es wünschenswert, die Grate 58 auf einem Abschnitt einer der Elektroden anzuordnen, der nicht mit einem aktiven Material beschichtet ist. Durch Ausbildung von Graten 58 auf einem solchen inerten Bereich 54 einer Elektrode 50 ist der Widerstand am Ort des entstehenden Kurzschlusses viel niedriger als in dem Falle, wo aktive Bereiche 52 und 62 der negativen und der positiven Elektrode in Kontakt miteinander kommen würden. Ein niedriger Widerstand an der Stelle des kontrollierten Kurzschlusses ist wünschenswert, weil er die Energie vermindert, die am Ort jedes anderen, unter Umständen auftretenden inneren Kurzschlusses freigesetzt wird, da alle inneren Ströme gewöhnlich auf dem Weg des geringsten Widerstands fließen.
Wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt, können in dem inerten Bereich 54 zwei (oder mehr) Reihen von Graten 58 ausgebildet werden. Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform sind zwei Reihen von je 6 Stichen vorgesehen, während in Fig. 8 zwei Reihen von je 12 Stichen vorgesehen sind. Die Grate 58 einer derartigen zweiten Reihe können durch Anheften einer zweiten Lasche an die Elektrode ausgebildet werden. Eine solche zweite Lasche kann so konstruiert sein, daß sie eine kleinere Länge als die Lasche 56 aufweist, um nicht als elektrisches Verbindungsglied zur Deckelbaugruppe oder zum Zellengehäuse zu wirken. Durch Ausbilden von zwei Gratreihen 58 können die Gratreihen 58 um einen ausreichenden Abstand gegeneinander versetzt werden, um in einem Winkel von 90º zueinander angeordnet zu sein, wenn die Elektrodenbaugruppe voll aufgewickelt ist. Auf diese Weise erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, daß die Grate den ersten von allen inneren Kurzschlüssen herbeiführen, besonders in den Fällen, wo die an der Zelle angreifende Kraft sonst in einem Winkel von 90º zu der Position einer einzelnen Gratreihe angreift.
Zur Überprüfung der Vorteile, die durch die Realisierung des Zerstörungssteuerungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Li-Ionen-Batterie erzielt werden, wurden 10 verschiedene Batteriechargen konstruiert und anschließend durch Ausführung des standardisierten Quetschtests an jeder der konstruierten Zellen zerstört. Die Ergebnisse des Quetschtests sind in der untenstehenden Tabelle 1 dargestellt: TABELLE 1 AUSFÄLLE BEIM QUETSCHTEST IN PROZENT
Die Chargen 1 und 2 wurden als Kontrolchargen konstruiert. Jede Kontrollzelle hatte positive Elektroden von 490,2 mm Länge und negative Elektroden von 546,1 mm Länge. Die positiven Elektroden (vorzugsweise mit leitfähigen Aluminiumfolienstreifen) wurden mit LiCoO&sub2; beschichtet, während die negativen Elektroden (vorzugsweise mit leitfähigen Kupferfolienstreifen) mit mesomorphen Kohlefasern beschichtet wurden. Die Elektroden und Trennelementschichten wurden auf einen Dorn aufgewickelt, um spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppen zu formen, die im Zellengehäuse der Größe 18650 (4/3A) eingesetzt wurden. Es wurde Elektrolyt eingefüllt, und die Zellen wurden abgedichtet und anschließend auf 4,1 V aufgeladen. Dann wurde, wie in Fig. 6 dargestellt, jede Zelle auf eine kräftige Metallunterlage 7 aufgesetzt und durch Einwirkung einer abwärtsgerichteten Kraft mit Hilfe eines Quetschstabes 9 gequetscht, bis ein Kurzschluß festgestellt wurde, durch den die Zellenspannung von 4,1 V auf 0,1 V oder weniger abfiel.
Wenn an der gequetschten Zelle eine starke Rauchentwicklung, ein Brand, ein Nachgeben der Klemmverbindung oder ein Zerfall der Zelle auftrat, wurde die Zelle als durch den Quetschtest durchgefallen angesehen. Andernfalls bestand die Zelle den Test. Die Kontrollcharge 2 unterschied sich von der Kontrollcharge 1 darin, daß bei den Zellen der Charge 2 ein Kernstift in die Mitte der spiralförmig gewickelten Elektrode eingesetzt wurde. Die für die Kontrollzellen sowie für die erfindungsgemäß konstruierten Zellen verwendeten Kernstifte waren Röhren aus rostfreiem Stahl von 3,175 mm Durchmesser, 55,245 mm Länge und einer Wanddicke von 0,508 mm.
Die Chargen 3 bzw. 4 unterschieden sich von den Kontrollchargen 1 bzw. 2 darin, daß durch Anheften einer leitfähigen Lasche mit einer Breite von 3,175 mm an das hintere Ende der negativen Elektrode eine Reihe von Graten ausgebildet wurde. Jede Lasche wies 6 Stiche in Abständen von 6,35 mm auf. Die Chargen 5 bzw. 6 unterschieden sich von den Chargen 3 bzw. 4 darin, daß die positive Elektrode eine Gesamtlänge von 520,5 mm hatte, wovon 25-30 mm am hinteren Ende der positiven Elektrode nicht mit dem aktiven Materialgemisch der positiven Elektrode beschichtet wurden. Die Chargen 7 und 8 unterschieden sich von den Chargen 3 und 4 darin, daß durch Anheften einer einzelnen, 6,350 mm breiten leitfähigen Lasche an die negative Elektrode zwei Gratreihen bereitgestellt wurden, wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Die Chargen 9 und 10 unterscheiden sich von der Charge 7 darin, daß die beiden Gratreihen durch Anheften jeder von zwei leitfähigen Laschen im Abstand von 10,7 mm an die negative Elektrode ausgebildet werden, und ferner darin, daß am hinteren Ende der positiven Elektrode ein inerter Bereich vorgesehen ist. Die Chargen 9 und 10 unterscheiden sich voneinander darin, daß die Charge 9 sechs Stiche pro Reihe und die Charge 10 zwölf Stiche pro Reihe aufweist.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, wird durch die Bereitstellung von Graten in der Nähe des hinteren Endes der negativen Elektrode gewöhnlich die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß die Zelle den Quetschtest besteht. Wie durch die Ergebnisse bezüglich der Charge 5 nachgewiesen, tritt die deutlichste Verbesserung auf, wenn ein inerter Bereich am hinteren Ende der positiven Elektrode vorgesehen wird, um mit den Graten an der negativen Elektrode in Kontakt zu kommen. Indem außerdem ein Kernstift (Charge 6) vorgesehen wird, bestehen nur etwa 3,8% der konstruierten Zellen den Quetschtest nicht. Wie gleichfalls aus Tabelle 1 ersichtlich, fiel keine der Testbatterien durch, wenn zwei Heftreihen und ein inerter Bereich am hinteren Ende der positiven Elektrode vorgesehen wurden. Bei einer solchen Konstruktion wäre daher der Einbau eines Kernstifts zur weiteren Leistungsverbesserung in einem Quetschtest nicht erforderlich.
Neben den verbesserten Ergebnissen für Zellen, die einem Quetschtest unterworfen werden, erhöht die vorliegende Erfindung auch die Wahrscheinlichkeit, daß solche elektrochemischen Zellen sowohl den Überladungs-Fehlgebrauchstest als auch den thermischen Fehlgebrauchstest bestehen. Wenn eine elektrochemische Zelle aufgeladen oder steigenden Umgebungstemperaturen ausgesetzt wird, dehnt sich die spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe innerhalb des Zellengehäuses aus. Eine solche Ausdehnung führt zu einer intern erzeugten Kraft, welche die äußersten Lagen der spiralförmig gewickelten Elektrode gegen die Innenwände des Zellengehäuses drückt und dadurch verursacht, daß die am hinteren Ende der negativen Elektrode vorgesehen Grate die benachbarte Trennelementschicht durchdringen und vor dem Auftreten etwaiger instabiler Reaktionen einen Kurzschluß herbeiführen. Zur Überprüfung der verbesserten Ergebnisse während des thermischen Fehlgebrauchstests und des Überladungs-Fehlgebrauchstest wurden weitere elektrochemische Zellen mit einem Negativ-Positiv-Kapazitätsverhältnis von mehr als 0,8 : 1 erzeugt, wobei die gleiche Konfiguration wie für die oben diskutierte Charge 5 angewandt wurde.
Einige von diesen Zellen wurden 150 Minuten lang mit einer Rate von 1C überladen (1,35 A Gleichstrom). Der Test wurde bei 21ºC durchgeführt. Während der Überladung wird der erwartete Kurzschluß durch eine gleichmäßige Kraft erzeugt, die durch die gleichmäßige Ausdehnung der Elektroden entsteht und dazu führt, daß die Grate die benachbarte Trennelementschicht durchdringen und dadurch den Kurzschluß mit niedrigem Widerstand zwischen den inerten Bereichen der positiven und der negativen Elektrode herbeiführen. Die Zellen, die diesem Test ausgesetzt wurden, wiesen Außenhauttemperaturen auf, die innerhalb von 112 Minuten Aufladung annähernd 130-160ºC betrugen. An diesem Punkt trat bei den Zellen der erwartete Kurzschluß auf, und die Zellenspannung fiel plötzlich von etwa 5 V oder mehr auf 1,5 V ab. Die Druckentlüftung an jeder Zelle wurde aktiviert und erzeugte einen vorübergehenden Druckabfall, eine intermittierende Erholung der Zellenspannung (auf etwa 4,5 V) und schließlich einen permanenten Kurzschluß, aber ohne Brand oder Zerfall.
Für den thermischen Fehlgebrauchstest wurden einige von den erfindungsgemäß konstruierten Zellen in einen Ofen eingebracht, während die Ofentemperatur innerhalb einer Zeitspanne von 25 Minuten schrittweise auf 150ºC erhöht wurde. Zu diesem Zeitpunkt betrugen die Zellenspannungen und -temperaturen etwa 3,8 V bzw. 125ºC. Innerhalb von etwa 5 Minuten bei 150ºC entwickelten die Zellen einen plötzlichen Kurzschluß, und die Zellenspannungen fielen auf 0 ab. An den Zellen ausgeführte Zerlegungen zeigten, daß diese Kurzschlüsse wieder durch die erfindungsgemäßen Zerstörungsteuerungsmechanismen herbeigeführt wurden, wodurch die Grate am hinteren Ende der negativen Elektrode die benachbarte Trennelementschicht durchdrangen und einen Kurzschluß zu einem inerten Bereich am hinteren Ende der positiven Elektrode herbeiführten. Die Druckentlüftung jeder Zelle wurde aktiviert, aber wieder entstand kein Brand und kein Zerfall der exponierten Zellen.
Um zu bestätigen, daß das Vorhandensein des Zerstörungssteuerungsmechanismus die Zellenleistung nicht beeinträchtigte, wurden Zellen von jeder Charge herkömmlichen Leistungstests ausgesetzt. Diese Tests zeigten, daß weder die Zykluslebensdauer der Zelle, noch die Leistungsabnahmerate oder die Kapazität beeinträchtigt wurden.
Der in der vorliegenden Patentanmeldung offenbarte Zerstörungssteuerungsmechanismus wird zwar mit Hilfe von Graten 58 realisiert, die als Ergebnis des Anheftens einer leitfähigen Lasche 56 an einen inerten Abschnitt 54 einer Elektrode 50 ausgebildet werden, aber der Fachmann wird erkennen, daß ein Zerstörungssteuerungsmechanismus auf viele verschiedene Arten realisiert werden kann. Zum Beispiel kann die hintere Kante einer (oder beider) Elektroden so geschnitten werden, daß sie zahlreiche, entlang ihrer Kante ausgebildete Grate aufweist. Ferner kann eine Naht im Zellengehäuse 10 so ausgebildet werden, daß sie eine scharfe Kante oder mehrere Grate aufweist, die von den Innenwänden des Gehäuses nach innen vorstehen. Ein weiteres Verfahren wäre die Bereitstellung einer oder mehrerer, mit Graten versehener Kanten an der leitfähigen Lasche 56.
Wie in den Fig. 9 und 10 dargestellt, kann der Zerstörungssteuerungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Zelle von prismenförmiger Konstruktion realisiert werden. Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform weist eine prismatische Zelle 100 ein Gehäuse 110 auf, in dem eine spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe 130 angeordnet ist. Die Elektrodenbaugruppe 130 weist eine leitfähige Lasche 156 auf, die an ein vorderes Ende einer negativen Elektrode 152 angeheftet ist, um Grate 158 auszubilden. Die positive Elektrode weist einen inerten Bereich 164 auf, der an ihrem vorderen Ende gegenüber den Graten 158 ausgebildet ist, und eine an ihrem hinteren Ende ausgebildete leitfähige Lasche 166. Bei dieser Konstruktion würde eine übermäßige Kraft, die an der Elektrodenbaugruppe 130 angreift, dazu führen, daß die Grate 158 eine Trennelementschicht (nicht dargestellt) durchdringen und in elektrischen Kontakt mit dem inerten Bereich 164 kommen, um einen Kurzschluß herbeizuführen.
Bei der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform weist eine prismenförmige Zelle 200 ein Gehäuse 210 auf, in dem eine spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe 230 angeordnet ist. Ebenso wie die prismenförmige Zelle 100 weist die prismenförmige Zelle 200 eine leitfähige Lasche 266 an der positiven Elektrode und eine leitfähige Lasche 256b an der negativen Elektrode auf. Die prismatische Zelle 200 unterscheidet sich von der prismatischen Zelle 100 darin, daß die Grate 258 an einer zweiten Lasche 256a vorgesehen sind, die an das hintere Ende der negativen Elektrode 252 angeheftet ist, und daß das hintere Ende, statt dem vorderen Ende, der positiven Elektrode einen inerten Bereich 264 für gegenüberliegende Grate 258 aufweist. Indem die Grate 258 näher an den Wänden des Gehäuses 210 angeordnet werden, wird etwaige Wärme, die von einem durch die Grate verursachten Kurzschluß entwickelt wird, leichter aus der Zelle nach außen abgeleitet. Als Alternative kann der inerte Bereich 264 weggelassen werden, so daß die Grate 258 eine Trennelementschicht (nicht dargestellt) durchdringen können, um in elektrischen Kontakt mit dem Gehäuse 210 zu kommen, wobei sich das Gehäuse 210 in elektrischem Kontakt mit der positiven Elektrode befindet.

Claims

1. Elektrochemische Zelle, die aufweist:

ein Zellengehäuse;

eine Elektrodenbaugruppe mit großem Oberflächeninhalt, die abwechselnde Schichten aus einer ersten Elektrode, einem Trennelement und einer zweiten Elektrode mit zur ersten Elektrode entgegengesetzter Polarität aufweist; und

einen Zerstörungsmechanismus zum Erzeugen eines inneren Kurzschlusses zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, wenn eine übermäßige Kraft auf den Zerstörungsmechanismus einwirkt, wobei der Zerstörungsmechanismus einen oder mehrere Grate aufweist, die von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode hin vorstehen, um beim Angreifen der übermäßigen Kraft das Trennelement zu durchdringen und einen elektrischen Kontakt mit der zweiten Elektrode herzustellen.

2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Zerstörungsmechanismus in unmittelbarer Nähe einer Innenfläche des Zellengehäuses vorgesehen ist, um einen inneren Kurzschluß zwischen den äußersten Schichten der ersten und der zweiten Elektrode herzustellen.

3. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Grate in unmittelbarer Nähe eines Endes der ersten Elektrode angebracht sind.

4. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zerstörungsmechanismus so angeordnet ist, daß er bei Einwirkung einer übermäßigen Kraft auf die Außenfläche des Zellengehäuses einen inneren Kurzschluß erzeugt, bevor irgendwelche anderen inneren Kurzschlüsse innerhalb der Zelle entstehen.

5. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Grate durch Anheften eines leitfähigen Dorns an ein Ende der ersten Elektrode ausgebildet werden.

6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei die erste Elektrode einen leitfähigen Streifen aufweist, der bis auf einen blanken Abschnitt mit aktivem Material beschichtet ist, und wobei der leitfähige Dorn an den blanken Abschnitt angeheftet wird, um die Grate zu bilden.

7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei der angeheftete leitfähige Dorn zwischen den äußersten Schichten der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist.

8. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Grate nach innen gewandt sind.

9. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zerstörungsmechanismus als Reaktion auf eine Stauchkraft, die an einer Außenfläche des Zellengehäuses angreift, das Auftreten des ersten inneren Kurzschlusses zwischen den äußersten Elektrodenschichten in unmittelbarer Nähe der Innenfläche des Zellengehäuses verursacht.

10. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Elektrode jeweils einen langgestreckten leitfähigen Streifen aufweisen, der mit einem aktiven Material beschichtet ist, wobei sowohl die erste als auch der zweite Elektrode ein erstes, nicht mit aktivem Material beschichtetes, blankes Ende aufweisen, an dem der leitfähige Dorn befestigt ist, wobei die zweite Elektrode einen zweiten blanken Abschnitt aufweist, der unmittelbar an ein Ende der zweiten Elektrode anschließt, daß dem ersten blanken Ende gegenüberliegt, wobei sich der zweite blanke Abschnitt der zweiten Elektrode in einem Bereich befindet, der unter dem ersten blanken Ende der ersten Elektrode liegt, wobei die erste Elektrode Grate aufweist, die zum zweiten blanken Abschnitt der zweiten Elektrode hin vorstehen, um unter Einwirkung einer ausreichenden Kraft das Trennelement zu durchdringen und einen elektrischen Kontakt mit dem zweiten blanken Abschnitt der zweiten Elektrode herzustellen.

11. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, wobei die Grate an der ersten Elektrode und der zweite blanke Abschnitt der zweiten Elektrode an den äußersten Schichten der Elektrodenbaugruppe angeordnet sind.

12. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenbaugruppe eine spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe ist, in der die erste Elektrode, das Trennelement und die zweite Elektrode in abwechselnden Schichten gewickelt sind.

13. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, die ferner einen Kernstift aufweist, der in den Kern der spiralförmig gewickelten Elektrodenbaugruppe eingesetzt ist.

14. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Zellengehäuse und die Elektrodenbaugruppe zylinderförmig oder prismatisch sind.

15. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Zelle eine Primärzelle oder eine wiederaufladbare Zelle ist.

16. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode die negative Elektrode und die zweite Elektrode die positive Elektrode ist.

17. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 16, wobei die positive Elektrode ein mit Lithium versetztes Metalloxid und die negative Elektrode einen Kohlenstoff aufweist, der Lithium einlagern kann.