DE69935280T2

DE69935280T2 - Lithium Sekundärbatterie

Info

Publication number: DE69935280T2
Application number: DE69935280T
Authority: DE
Inventors: Kenshin Nagoya-city Kitoh
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2019-06-02
Also published as: DE69935280D1; US6753104B2; CA2273531A1; JPH11345630A; EP0962995B1; EP0962995A2; US20020015892A1; EP0962995A3; JP3497380B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lithiumsekundärbatterie, die einen guten Lade-Entlade-Zyklus bewahrt, und bei der die Sicherheit gewährleistet werden kann, indem die Elektrizität unterbrochen wird, wenn aufgrund eines Kurzschlusses usw. ein Überschussstrom auftrat, so dass die Batterie nicht explodieren oder entzündet werden kann, und sie betrifft insbesondere eine Lithiumsekundärbatterie, die zur Ansteuerung des Motors eines elektrischen Fahrzeugs usw. vorzugsweise verwendet werden kann.
In letzter Zeit wurde inmitten des dringlichen Wunsches zur Regulierung der Emission von Abgasen unter Einschluss von Kohlenstoffdioxid und anderen schädlichen Substanzen vor dem Hintergrund einer Kampagne zur Erhöhung des Umweltschutzes die Kampagne zur Promotion der Einführung eines elektrischen Fahrzeugs (EV) und eines hybridelektrischen Fahrzeugs (HEV) zum Ersatz von Automobilen unter Verwendung von fossilen Brennstoffen wie etwa ein Benzin betriebenes Fahrzeug in der Automobilindustrie aktiviert. Die als Schlüssel zum Umsetzen von derartigen EV sowie HEV in die praktische Verwendung agierende Lithiumsekundärbatterie als Motoransteuerungsbatterie muss nicht nur eine große Batteriekapazität sondern auch eine große Batterieausgabe aufweisen, welche sehr stark die Beschleunigungsleistungsfähigkeit sowie die Steigfähigkeit eines Fahrzeugs beeinflussen, wobei jedoch andererseits ein strenger Sicherheitsstandard unter dem Gesichtspunkt der Sicherstellung von Sicherheitsvorschriften etabliert wurde, da die Batterie mit hoher Energiedichte versehen ist.
Im Allgemeinen umfasst der interne Elektrodenkörper einer Lithiumsekundärbatterie eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen aus einer porösen Polymerschicht ausgebildeten Separator, wobei die positive Elektrode und die negative Elektrode um den Separator gewunden oder laminiert sind, so dass die positive Elektrode und die negative Elektrode nicht in direktem Kontakt miteinander gebracht werden. Beispielsweise ist gemäß 1 ein interner Elektrodenkörper 1 in gewundener Bauart durch Winden einer positiven Elektrode 2 und einer negativen Elektrode 3 mit einem Separator 4 dazwischen ausgebildet, und sowohl für die positive als auch für die negative Elektrode 2, 3 (die nachstehend als „Elektroden 2, 3'' in Bezug genommen sind) sind Streifen 5 bereitgestellt. Die Enden jedes Streifens 5, welche den mit den Elektroden 2, 3 verbundenen Enden gegenüber liegen, sind mit einem (nicht gezeigten) externen Anschluss oder einem mit dem externen Anschluss elektrisch verbundenen (nicht gezeigten) Anschluss zum Herausführen des elektrischen Stroms verbunden. Somit dient der Streifen 5 als zu dem externen Anschluss usw. leitende Führungslinie (ein Strompfad), wobei gleichzeitig eine Stromsammlung von den Elektroden 2, 3 durchgeführt wird.
Dazu ist in 2 eine Draufsicht der Elektroden 2, 3 gezeigt, wenn der interne Elektrodenkörper 1 aufgespreizt ist. Die Elektroden 2, 3 sind mit einem aktiven Elektrodenmaterial ausgebildet, das jeweils auf Metallfolien 15 aus Aluminium usw. für die positive Elektrode 2 und aus Kupfer für die negative Elektrode 3 jeweils als Stromsammelkörper beschichtet ist, womit eine aktive Elektrodenmaterialschicht 16 ausgebildet ist.
Der Streifen 5 ist auf einer Seite einer derartigen Metallfolie 15 bereitgestellt, und es wird vorzugsweise eine dünne Bandform verwendet, so dass der Abschnitt, an dem der Streifen 5 der Elektroden 2, 3 angebracht ist, in der Peripherierichtung nicht anschwillt, wenn der interne Elektrodenkörper 1 ausgebildet wird. Zudem werden sie vorzugsweise in ungefähr homogenem Abstand angeordnet, so dass ein Streifen 5 eine Stromansammlung von einer konstanten Fläche in den Elektroden 2, 3 durchführt. Im Übrigen ist im Allgemeinen das für den Streifen 5 zu verwendende Material dasselbe, wie das Material der Metallfolie 15, an dem der Streifen 5 angebracht ist.
Im Übrigen ist bezüglich einer Lithiumsekundärbatterie für ein EV oder HEV die Verwendung von Lithiumsekundärbatterien mit einer Spannung von etwa höchstens 4 V für eine einzelne Batterie nötig, wobei eine Vielzahl derartiger Einzelbatterien in Reihe geschaltet ist, da eine konstante Spannung zur Ansteuerung eines Motors erforderlich ist, wobei es jedoch den Fall gibt, bei dem die Entladung eines großen Stroms von nicht weniger als 100 A erforderlich ist, um die dabei erwünschte Beschleunigungsleistungsfähigkeit oder Steigfähigkeit zu erhalten. Bleibt man beispielsweise dabei, dass 200 V mit 100 A erforderlich sind, und 3,6 V eine Durchschnittsanschlussspannung zum Zeitpunkt der Entladung sind, müssen 56 Einheiten von Einzelbatterien in Reihe geschaltet werden, was zu einem Strom von 100 A führt, der zu diesem Zeitpunkt durch jede einzelne Batterie fließt.
Die interne Konfiguration einer Batterie muss so entworfen sein, dass auch für den Fall eines derart großen Stromflusses die Batterie normal arbeiten kann, während der Ausgabeverlust so wenig wie möglich unterdrückt wird. Daher wird es unter Beachtung des Strompfades von dem vorstehend beschriebenen internen Elektrodenkörper 1 und dem externen Anschluss als bevorzugt erachtet, dass der Widerstand der Elemente selbst der Elektroden 2, 3 sowie der Metallfolien 15 oder der Streifen 5 und der externen Anschlüsse usw., welche zusammen die Elektroden 2, 3 konfigurieren, klein ist.
Eine Beurteilung unter dem Gesichtspunkt der Sicherstellung der Batteriekapazität sowie der Sicherstellung der mechanischen Festigkeit der Elektroden erlaubt jedoch wenige Freiheitsgrade bei der Einstellung der die Elektroden 2, 3 konfigurierenden Quantität der aktiven Elektrodenmaterialschicht 16 und der Größen der Metallschichten 15, während bezüglich des Anschlusses 13 zum Herausführen des elektrischen Stroms, wobei normalerweise die Form der Batterien, deren Energiedichte und die Quantität des maximalen Entladestroms betrachtet wird, leichtgewichtige Niederwiderstandselemente mit Widerstandswerten von nicht mehr als einem vorbestimmten Wert innerhalb eines einstellbaren Bereiches verwendet werden.
Andererseits weist der Streifen 5 einen erlaubbaren Bereich für das Einstellen eines Widerstandswertes in Anbetracht der Möglichkeit zur freien Einstellung seiner Form auf, soweit die Form des Streifens 5 in dem Raum zwischen dem den internen Elektrodenkörper 1 darin einhäusenden Batteriegehäuses und dem internen Elektrodenkörper 1 aufzunehmen ist. Für den Streifen 5 werden Metallelemente verwendet, deren Widerstandswert im Allgemeinen kleiner ausgebildet wird, wobei dennoch der Anteil des Widerstandswertes des Streifens am gesamten internen Widerstand einer Lithiumsekundärbatterie nicht notwendigerweise gering ist, und nicht ignoriert werden kann.
Unter der Bedingung, dass eine Vielzahl der vorstehend beschriebenen Streifen 5 in der Form eines Folienbandes verwendet werden, führt ein Streifen 5 mit einer größeren Querschnittsfläche für einen kleineren Widerstandswert zu der Herbeiführung einer Situation, bei der die Energiedichte der Batterie verringert wird, da das Gesamtgewicht der Streifen 5 schwerer wird, obwohl eine effektive Verringerung im internen Widerstand und eine effektive Verringerung beim Ausgabeverlust erwartet wird.
Demgegenüber verringert ein Verkleinern der Querschnittsfläche der Streifen 5 das Gesamtgewicht der Streifen 5 und erhöht die Energiedichte der Batterie, andererseits treten derartige Probleme auf, dass der Widerstandswert der Streifen 5 ansteigt, die Streifen 5 aufgrund eines Anstiegs beim Ausgabeverlust, aufgrund eines Anstiegs beim internen Widerstand oder der durch Strom erzeugten Wärme schmelzen, und somit die Funktionen als Batterie verschwinden. Folglich ist sowohl unter dem Gesichtspunkt zur Vermeidung derartiger Probleme als auch einer guten Leistungsfähigkeit sowohl bei der Reduktion des Ausgabeverlustes als auch beim Anstieg der Energiedichte eine Querschnittsfläche von nicht weniger als einem bestimmten Wert für die Streifen 5 erforderlich.
Andererseits sind bezüglich der vorstehend beschriebenen Probleme zu befürchten, dass ein Unfall mit einer Explosion oder einer Entzündung auftreten kann, wenn zu einem Zeitpunkt ein großer Strom aufgrund eines externen Kurzschlusses usw. entladen wurde, da eine Lithiumsekundärbatterie eine höhere Energiedichte aufweist, und um eine derartige Situation im Voraus zu vermeiden, bestimmt die von der japanischen Batterievereinigung veröffentlichte „Richtlinie zur Sicherheitseinschätzung von Sekundärlithiumzellen" (nachstehend als SBA-Richtlinien in Bezug genommen), dass eine Lithiumsekundärbatterie über einen externen Kurzschlusstest nachweislich frei von Explosion oder Entzündung sein muss. Um einem derartigen Standard gerecht zu werden, werden bei einer Lithiumsekundärbatterie verschiedene Sicherheitsvorrichtungen wie etwa ein Strombegrenzungsmechanismus mit einem PTC-Element, ein Freigabemechanismus für den Innendruck der Batterie unter Einbeziehung von Sicherheitsventilen und Druckverbindungen usw. eingebaut oder vorgeschlagen.
Dabei wird bei verschiedenen elektrischen Anwendungen eine Stromschmelzsicherung verwendet, wurde aber bis heute noch nie als innerhalb einer Lithiumsekundärbatterie anzuordnender Stromabschaltmechanismus verwendet, da die Größe oder Form der Stromschmelzsicherung Beschränkungen unterworfen ist. Falls jedoch der Streifen 5 als Stromschmelzsicherung wirken kann, mit dem eine vorhandene Sicherheitsvorrichtung ersetzt oder ergänzt wird, kann von einem Anstieg der Sicherheit ausgegangen werden.
Wenn der Streifen 5 derart als Stromschmelzsicherung verwendet wird, muss der Stromabschaltwert so bestimmt werden, dass der Streifen 5 mit einem vorbestimmten Ausmaß an Überschussstrom geschmolzen wird, aber gemäß vorstehender Beschreibung gibt es natürlich eine Grenze in der strukturellen Form des Streifens 5. Für die Verwendung des Streifens 5 als Stromschmelzsicherung darf nämlich die Querschnittsfläche des Streifens 5 auf nicht mehr als einen vorbestimmten Wert eingestellt sein, aber gleichzeitig wird es in Anbetracht der Tatsache, dass das Ausmaß an Überschussstrom auch aufgrund des Ausmaßes des internen Widerstands einer einzelnen Batterie verschoben sein kann, als nötig betrachtet, die Querschnittsfläche des Streifens 5 gemäß dem Ausmaß des inneren Widerstands einer einzelnen Batterie einzustellen.
Die Druckschrift US 6 071 638 offenbart eine zylindrische Zelle mit einem Stromausgabeanschluss, der mit einer Elektrode durch leitende Blattelemente verbunden ist. Die Zelle mit spiralförmig gewundenen Elektroden umfasst einen Container, zwei Stromausgabeanschlüsse entgegengesetzter Polarität, die von dem Container getragen werden, wobei jede Stromausgabe ein zu dem Container externen Teil und einen internen Teil aufweist, sowie zwei um eine Längsachse spiralförmig gewundene Elektroden, eine von positiver Polarität und die andere von negativer Polarität, die mit einem entsprechenden Stromausgang elektrisch verbunden sind.
Ferner offenbart die Druckschrift EP 0 771 040 A2 eine Sekundärbatterie mit hoher Kapazität in Biskuitrollenbauart. Eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung weist positive und negative Elektroden mit jeweils einem mit einem aktiven Material auf seinen entgegengesetzten Oberflächen beschichteten netzartigen Kollektor und zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordneten Separatoren.
Darüber hinaus zeigt die Druckschrift US 4 734 341 einen elektrochemischen Generator mit einer Lithiumanode und einer flüssigen Kathode und namentlich Generatoren unter Verwendung der Paare Li/SO₂, Li/SOCl₂ und Li/SO₂Cl₂.
Die Druckschrift WO 96/30955 offenbart eine interne Wärmeschutzvorrichtung für Energiequellen, insbesondere Lithiumenergiequellen, in einer korrosiven oder verschmutzten Umgebung.
Schließlich offenbart die Druckschrift JP-A-08 050 920 eine Lithiumsekundärzelle, die eine Verbrennung und ein Zerreißen aufgrund eines internen Kurzschlusses vermeiden kann, und die noch immer verwendet werden kann, falls ein interner Kurzschluss stattfindet.
Die Erfindung wurde durch Betrachtung der vorstehend beschriebenen Probleme aus dem Stand der Technik erzielt, und ihr liegt zunächst die Aufgabe zugrunde, eine Lithiumsekundärbatterie mit einer tatsächlichen Reduktion beim Ausgabeverlust und einem Anstieg der Energiedichte, ferner eine Lithiumsekundärbatterie mit erhöhter Sicherheit, indem Streifen als Stromschmelzsicherung in die Batterie eingebaut werden, welche als Ersatz für eine konventionelle Sicherheitsvorrichtung oder gleichzeitig angeordnet wird, und zudem eine Lithiumsekundärbatterie bereitzustellen, die gleichzeitig diese Eigenschaften verwirklicht, nämlich eine Reduktion beim Ausgabeverlust und einen Anstieg bei der Energiedichte und die Gewährung von Sicherheit mit Streifen mit der Funktion als Stromschmelzsicherung.
Genauer wird erfindungsgemäß die vorstehende Aufgabe durch das erzielt, was im beigefügten unabhängigen Patentanspruch definiert ist. Vorteilhafte Abwandlungen sind in den beigefügten abhängigen Patentansprüchen angeführt.
1 zeigt eine Perspektivansicht der Struktur eines internen Elektrodenkörpers in gewundener Bauart.
2 zeigt eine Draufsicht des gespreizten Zustandes sowohl der positiven Elektrode als auch der negativen Elektrode bei einem internen Elektrodenkörper in gewundener Bauart.
3 zeigt eine Perspektivansicht von einem Ausführungsbeispiel für die Struktur eines internen Elektrodenkörpers in Laminationsbauart.
4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der Lithiumsekundärbatterie unter Verwendung eines internen Elektrodenkörpers in gewundener Bauart.
Die 5(a) und 5(b) zeigen vergrößerte Schnittansichten des Anbringungsteils für Streifen in Elektrodenplatten.
6 zeigt eine Draufsicht von einem Ausführungsbeispiel für die Form eines Streifens, der vorzugsweise bei einer erfindungsgemäßen Lithiumsekundärbatterie zu verwenden ist.
7 zeigt eine erläuternde Ansicht für ein Verfahren zur Druckanbringung von Streifen an einen Hohlniet.
8 zeigt eine beschreibende Ansicht für ein Verfahren zum Anziehen einer Schraube für Streifen.
9 zeigt eine beschreibende Ansicht für ein Verfahren zum Messen der Abweichung des Widerstands von Streifen.
Ein interner Elektrodenkörper einer erfindungsgemäßen Lithiumsekundärbatterie (nachstehend als „Batterie" in Bezug genommen) umfasst eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen aus einer porösen Polymerschicht ausgebildeten Separator, wobei die positive Elektrode und die negative Elektrode zur Konfiguration gewunden oder laminiert sind, so dass die positive Elektrode und die negative Elektrode über den Separator nicht unmittelbar in Kontakt miteinander gebracht sind. Insbesondere ist gemäß der bereits angeführten 1 ein interner Elektrodenkörper 1 in gewundener Bauart ausgebildet, in dem eine positive Elektrode 2 und eine negative Elektrode 3 über einen Separator 4 aufgewickelt sind, und Streifen 5 für die Elektroden 2, 3 bereitgestellt sind. Im Übrigen können diese Streifen 5 an die Elektroden 2, 3 mit Maßnahmen wie etwa Ultraschallschweißen usw. zu der Zeit an die Elektroden 2, 3 angebracht werden, wenn die Elektroden 2, 3 zusammen mit dem Separator 4 gewickelt werden.
Andererseits laminiert gemäß 3 der interne Elektrodenkörper 7 in laminierter Bauart die positive Elektrode 8 und die negative Elektrode 9 alternativ über den Separator 10, wobei die Streifen 6 mit der positiven bzw. der negativen Elektrode 8 und 9 (die nachstehend als „Elektroden 8, 9'' in Bezug genommen sind) verbunden sind. Ein derartiger interner Elektrodenkörper 1, 7 ist grundsätzlich mit einer Vielzahl von parallel verbundenen Elementbatterien konfiguriert, wobei eine Elementbatterie einander zugewandte positive Elektroden 2, 8 und negative Elektroden 3, 9 umfasst.
Die positiven Elektroden 2, 8 und die negativen Elektroden 3, 9 sind alle durch Ausbilden einer aktiven Elektrodenmaterialschicht erzeugt worden, wobei aktive Elektrodenmaterialien jeweils auf Metallfolien als Stromsammelkörper beschichtet werden. Dabei werden vorzugsweise Aluminiumfolien als Stromsammelkörper für positive Elektroden 2, 8 und Kupferfolien als Stromsammelkörper für negative Elektroden 3, 9 verwendet, aber es können auch Titanfolien als Stromsammelkörper für positive Elektroden 2, 8 und Nickelfolien als Elektrodensammelkörper für negative Elektroden 3, 9 verwendet werden.
Für eine Batterie mit einer der vorstehend angeführten Konfigurationen werden im Allgemeinen Lithiumübergangsmetallverbindungsoxide wie etwa Lithiumkobaltoxid (LiCoO₂), Lithiumnickeloxid (LiNiO₂), Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄) usw. als positive aktive Materialien verwendet. Im Übrigen ist es zur Verbesserung der Leitfähigkeit dieser positiven aktiven Materialien vorzuziehen, ein aktives Elektrodenmaterial mit einem Kohlenstoffpulver wie etwa Acetylenschwarz, Graphitpulver usw. zu mischen. Andererseits wird für das negative aktive Material ein amorphes Kohlenstoffmaterial wie etwa weicher Kohlenstoff oder harter Kohlenstoff oder Kohlenstoffpulver wie etwa künstliches Graphit und natürliches Graphit usw. verwendet. Diese aktiven Elektrodenmaterialien werden in eine wässrige Masse transformiert, auf den Stromsammelkörper beschichtet und festgeklebt, womit die Elektroden 2, 3, 8, 9 erzeugt werden.
Für die Separatoren 4, 10, ist die Verwendung von einer Dreischichtstruktur bevorzugt, bei der eine Polyethylenschicht mit Lithiumionendurchlässigkeit und mit Mikroporen zwischen porösen Polypropylenschichten mit Lithiumionendurchlässigkeit sandwichartig eingeschlossen ist. Dies dient auch als Sicherheitsmechanismus, wenn die Temperatur der internen Elektrodenkörper 1, 7 ansteigt, wobei die Polyethylenschicht bei etwa 130°C aufgeweicht wird, so dass die Mikroporen kollabieren, um die Bewegung von Lithiumionen zu unterdrücken, das heißt die Batteriereaktion. Da zudem die Polyethylenschicht zwischen den Polypropylenschichten mit einer höheren Aufweichtemperatur als die der Polyethylenschicht sandwichartig eingeschlossen ist, wird eine Vermeidung von direktem Kontakt zwischen den Elektroden (2, 3), (8, 9) ermöglicht.
Nachstehend ist die vorliegende Erfindung anhand des Beispielfalles einen internen Elektrodenkörpers 1 in gewickelter Bauart beschrieben. 4 zeigt eine Schnittansicht von einem Ausführungsbeispiel für die Batteriestruktur. Der interne Elektrodenkörper 1 wurde in ein Batteriegehäuse 11 eingefügt, wobei der Streifen 5 der positiven Elektrode 2 mit einem an einer positiven Anschlussplatte 12 angebrachten Hohlniet 13 verbunden ist, und der Streifen 5 der negativen Elektrode 3 mit einem auf einer negativen Anschlussplatte 14 angebrachten Hohlniet 13 verbunden ist, und zwar jeweils durch einen Druckanbringungsvorgang.
Ein Elektrolyt wurde in das Batteriegehäuse 11 injiziert, und für das Elektrolyt wird vorzugsweise eine Kohlensäureesterfamilie wie etwa Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC), und Dimethylcarbonat (DMC), sowie ein nicht wässriger organischer Elektrolyt, bei dem eine oder mehr Arten einer Lithiumfluoridkomplexverbindung wie etwa LiPF₆ und LiBF₄ usw. oder Lithiumhalide wie etwa LiClO₄ als Elektrolyt in einem einzelnen Lösungsmittel oder einer gemischten Lösung aus organischen Lösungsmitteln wie etwa Propylencarbonat (PC), γ-Butyrolaceton, Tetrahydrofuran, und Acetonitril usw. gelöst sind, verwendet. Ein derartiger Elektrolyt kann von einem offenen Ende nach Versiegelung des anderen Endes des Batteriegehäuses injiziert werden, wonach das offene Ende blockiert wird, so dass die Injektion durchgeführt werden kann.
Da im Übrigen im Allgemeinen ein Metallmaterial für das Batteriegehäuse 11 verwendet wird, wird vorzugsweise eine isolierende Schicht 17 auf der internen Wand des Batteriegehäuses 11 angeordnet, so dass eine Isolation für den internen Elektrodenkörper 1 und das Batteriegehäuse 11 sichergestellt wird. Aber die Funktion dieser isolierenden Schicht 17 kann durch den Separator 4 ersetzt werden.
Wenn zudem bei der in 4 gezeigten Batterie ein Metallmaterial für die positive Anschlussplatte 12 wie auch für die negative Anschlussplatte 14 verwendet wird, muss eine Isolation zwischen dem Batteriegehäuse 11 und dieser positiven Anschlussplatte 12 sowie der negativen Anschlussplatte 14 bereitgestellt werden, und daher wurde zur Vervollständigung der Batterieversiegelung ein Versiegelungselement 20 verwendet. Darüber hinaus wurden außerhalb der positiven Anschlussplatte 12 wie auch der negativen Anschlussplatte 13 jeweils externe Anschlüsse 18 bereitgestellt, und V-förmige Nuten 19 wurden ausgebildet, so dass die V-förmigen Nuten 19 als Sicherheitsventile (Druckfreigabeventile) wirken, wenn der Innendruck der Batterie ansteigt.
Innerhalb des Bereiches eines normalen Arbeitsstroms von einer derartigen Batterie müssen die Streifen 5 ihre Funktion als Strompfad ohne einen Schmelzvorgang ausüben. Im Hinblick auf Batterien für EV und HEV tritt es nicht selten auf, dass ein hoher Strom wie etwa 100 A als normal erforderlicher Strom fließt. Demzufolge soll erfindungsgemäß die Gesamtquerschnittsfläche der Streifen 5 nicht weniger als eine konstante Fläche gemäß der Qualität des für den Streifen 5 zu verwendenden Materials aufweisen, so dass zumindest eine Vielzahl an Streifen 5 zur Stromsammlung für die Verbindung mit den Elektroden 2, 3 jeweils nicht schmelzen sollen, selbst wenn ein derartiger großer Strom geflossen ist. Eine Differenz im Schmelzpunkt und im spezifischen Widerstand basierend auf der Qualität des Materials führt zu einer Differenz in der vorbestimmten Fläche basierend auf der Qualität des Materials.
Insbesondere beträgt bei einer Einheitsbatterie der Zusammenhang zwischen dem Material des Streifens und der Gesamtquerschnittsfläche des Streifens vorzugsweise nicht weniger als 0,009 cm² für Aluminium, nicht weniger als 0,005 cm² für Kupfer, und nicht weniger als 0,004 cm² für Nickel, wie es nachstehend anhand von Beispielen näher beschrieben ist. Falls eine derartige Querschnittsfläche sichergestellt wurde, kann ein Vorfall, dass der Streifen 5 schmilzt und die Funktion der Batterie unterbricht, selbst wenn ein Strom von 100 A fließt, ungeachtet des Widerstandswertes des internen Elektrodenkörpers vermieden werden. Wenn andererseits der Stromwert hoch ist, wird ein Spannungsabfall in Abhängigkeit von dem inneren Widerstand der Batterie (welcher nachstehend als „innerer Widerstand" in Bezug genommen ist) größer, aber in einem derartigen Fall kann die Spannung eines geschlossenen Stromkreises unter 3 V sinken, was regelmäßig ein Problem bei der praktischen Verwendung verursachen kann. Daher muss der innere Widerstand auf nicht mehr als 10 mΩ gedrückt werden, und zu diesem Zweck wird der Widerstandswert von allen Streifen vorzugsweise auf nicht mehr als 1 mΩ pro Einheitsbatterie begrenzt. Unter diesem Gesichtspunkt beträgt die Gesamtquerschnittsfläche der Streifen 5 vorzugsweise nicht weniger als 0,014 cm² für Aluminium, nicht weniger als 0,008 cm² für Kupfer und nicht weniger als 0,008 cm² für Nickel.
Zudem beträgt die Dicke eines Streifens 5 vorzugsweise nicht mehr als das Doppelte der Dicke einer aktiven Elektrodenmaterialschicht 16 in den Elektroden 2, 3, an die der Streifen 5 angeschweißt ist, und zudem vorzugsweise nicht mehr als die Dicke der aktiven Elektrodenmaterialschicht 16. Daher bezieht sich die Dicke der aktiven Elektrodenmaterialschicht 16 unter Bezugnahme auf 2 auf die Dicke der aktiven Elektrodenmaterialschicht 16 einer auf einer Seite der Metallfolie 15 ausgebildeten Einheitsschicht, das heißt eine einseitige Beschichtungsdicke.
Die 5(a) und 5(b) zeigen vergrößerte Schnittansichten von einem Ausführungsbeispiel für das Anbringungsteil der Streifen 5 in die Elektroden 2, 3 auf der positiven Seite von 4. Selbstverständlich kann dieselbe Idee auch auf Anordnungen für die negative Seite angewendet werden. Falls gemäß 5(a) die Dicke des Streifens 5 nicht mehr als das Doppelte der Dicke einer aktiven Elektrodenmaterialschicht 16 in der positiven Elektrode 2 beträgt, an die der Streifen 5 angebracht ist, werden die Metallfolie 15 sowie der Separator 4 unter Verwendung des in dem Endteil bereitgestellten Raums gebogen, wo keine aktiven Elektrodenmaterialschicht 16 ausgebildet wurde, womit das Risiko, dass die Streifen 5 die positive Elektrodenplatte 2 kontaktieren, geringer wird. Da zudem ein Zustand, bei dem das Teil mit dem angebrachten Streifen 5 in Richtung der Peripherie anschwillt, und sich der äußere Durchmesser des internen Elektrodenkörpers 1 teilweise ausweitet, vermieden werden kann, tritt kaum eine Unannehmlichkeit beim Einhäusen des internen Elektrodenkörpers in das Batteriegehäuse 11 auf. Wenn darüber hinaus gemäß 5b die Dicke eines Streifens 5 nicht mehr als die Dicke der aktiven Elektrodenmaterialschicht 16 beträgt, tritt weder ein Kurzschluss mit dem vorstehend beschriebenen Gegenpol noch ein Anschwellen am Anbringungsteil der Streifen 5 auf, und ist somit noch bevorzugter.
Falls im Übrigen die Gesamtquerschnittsfläche der Streifen 5 mit konstanter Länge der Streifen 5 größer wird, steigt der Gewichtsanteil der Streifen 5 an der Batterie, was somit im Hinblick auf die Energiedichte unvorteilhaft wird. Folglich wird bevorzugt, dass die Querschnittsfläche der Streifen 5 innerhalb des Bereiches bestimmt wird, bei dem die Streifen für die vorstehend beschriebenen vorbestimmten Stromwerte nicht schmelzen, und darüber hinaus die Dicke sowie das Gewicht der Streifen 5 beachtet wird.
Dabei werden bei einer in 4 gezeigten Batterie Sicherheitsventile unter Verwendung von V-förmigen Nuten 19 nur sowohl auf einer positiven wie auch einer negativen Anschlussplatte 12, 14 als Sicherheitsmechanismus gegen Überschussstrom wie etwa Kurzschlussstrom usw. bereitgestellt, aber es können selbstverständlich ansonsten Sicherheitsmechanismen gleichzeitig bereitgestellt werden, das heißt ein PTC-Element kann bereitgestellt werden, oder eine Druckverbindung kann zwischen dem Hohlniet 13 und dem externen Anschluss 18 bereitgestellt werden. Der Zeitpunkt, wenn diese Sicherheitsmechanismen arbeiten, tritt jedoch nur ein, wenn ein großer Strom bereits geflossen ist. Unter diesen Umständen kann darüber nachgedacht werden, dass eine Stromschmelzsicherung in einer Schaltung außerhalb einer Batterie als Mechanismus zum sofortigen Unterbrechen eines Stroms ungefähr zum selben Zeitpunkt wie das Auftreten eines großen Stromes angeordnet wird.
Die SBA-Richtlinien bestimmten jedoch, dass eine Lithiumsekundärbatterie frei von einer Explosion oder Entzündung sein soll, was durch einen externen Kurzschlusstest zu beweisen ist. Unter diesen Umständen erscheint eine Verbesserung bei der Sicherheit möglich, falls eine Stromschmelzsicherung in einer Batterie eingebaut ist, das heißt die Streifen 5, die mit dem internen Elektrodenkörper verbunden sind, können auch als Stromschmelzsicherung verwendet werden, wenn eine Anomalie im internen Elektrodenkörper als Quelle des Stromes auftrat.
Auf der Grundlage einer derartigen Theorie wirken erfindungsgemäß zumindest eine Vielzahl von Streifen 5 zur Stromsammlung für die Verbindung mit den Elektroden 2, 3 als Stromschmelzsicherungen, aber dabei beeinflusst der interne Widerstand stark den Stromwert, aufgrund dessen die Stromschmelzsicherung arbeitet. Selbst falls ein interner Kurzschluss oder ein externer Kurzschluss stattfindet, wird der Kurzschlussstrom nicht groß, wenn der interne Widerstand groß ist, während ein sehr viel größerer Überschussstrom fließt, wenn der interne Widerstand klein ist. Daher wird der schmelzende Stromwert einer Stromschmelzsicherung vorzugsweise gemäß dem internen Widerstand eingestellt. Obwohl dabei die Formen der Streifen 5 dieselben sein können, führt ein Unterschied im Material zu einem unterschiedlichen Schmelzpunkt und Widerstandswert, und somit wird dieser Stromunterbrechungswert vorzugsweise gemäß dem Material der Streifen 5 eingestellt, und kann durch die Gesamtquerschnittsfläche der Streifen 5 bestimmbar sein.
Bezüglich einer Stromschmelzsicherung beträgt dabei erfindungsgemäß der Zusammenhang zwischen dem Material für die Streifen 5 und einer Gesamtquerschnittsfläche der Streifen, wenn der interne Widerstand einer Einheitsbatterie zu R (mΩ) eingestellt ist, vorzugsweise nicht mehr als 0,36/R (cm²) für Aluminium, nicht mehr als 0,18/R (cm²) für Kupfer, und nicht mehr als 0,14/R (cm²) für Nickel, wie es bei den nachstehend beschriebenen Beispielen näher erläutert ist. Zudem ist es für eine Wirkung der Streifen 5 als Stromschmelzsicherungen, falls der externe Kurzschlusswiderstand etwa das einfache des internen Widerstands beträgt, vorzuziehen, nicht mehr als 0,18/R (cm²) für Aluminium, nicht mehr als 0,09/R (cm²) für Kupfer und nicht mehr als 0,07/R (cm²) für Nickel einzustellen. Durch Einstellen des Widerstandswertes für die Streifen 5 innerhalb eines derartigen Bereiches kann ein Strom unterbrochen werden, ohne dass ein Sicherheitsventil betätigt wird, nämlich ohne das Austreten von dem verdampften Gas wie etwa eines Elektrolyten usw. von innerhalb der Batterie.
Im Übrigen zeigt 6 ein Vergleichsbeispiel, bei dem schmale Teile 21 in den Streifen 5 bereitgestellt sind, was eine Wirkung der Streifen 5 als Stromschmelzsicherungen erleichtert. Dabei bezieht sich die Querschnittsfläche der Streifen 5 auf die Gesamtquerschnittsfläche der Teile, wo die Querschnittsfläche der schmalen Teile 21 am schmalsten wird.
Auch bei einer derartigen Batterie gemäß dem vorliegenden Vergleichsbeispiel, bei dem die Streifen 5 mit der Funktion als Stromschmelzsicherung bereitgestellt sind, beträgt der interne Widerstand vorzugsweise nicht mehr als 10 mΩ pro Einheitsbatterie. Der Grund hierfür ist eine Anforderung unter praktischen Gesichtspunkten, dass ein Spannungsabfall zum Zeitpunkt der normalen Verwendung vorzugsweise so gering wie möglich ausgebildet sein soll, und der Ausgabeverlust vorzugsweise so klein wie möglich sein soll.
Für den Erhalt einer Batterie mit den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Batterieeigenschaften, nämlich mit den niemals aufgrund eines großen Stromes unter den normalen Arbeitsbedingungen einer Batterie schmelzende Streifen 5, reicht es aus, wenn der Zusammenhang zwischen dem Material für die Streifen 5 und eine Gesamtquerschnittsfläche auf nicht weniger als 0,008 cm² und nicht mehr als 0,36/R cm² für Aluminium, nicht weniger als 0,005 cm² und nicht mehr als 0,18/R cm² für Kupfer, und nicht weniger als 0,004 cm² und nicht mehr als 0,14/R cm² für Nickel, und noch bevorzugter auf nicht weniger als 0,014 cm² und nicht mehr als 0,36/R cm² für Aluminium, nicht weniger als 0,008 cm² und nicht mehr als 0,18/R cm² für Kupfer, und nicht weniger als 0,008 cm² und nicht mehr als 0,14/R cm² für Nickel eingestellt wird.
Im Übrigen tritt ohne besondere Bezugnahme auf die vorliegende Erfindung bei einer Einheitsbatterie eine Differenz im Wert des durch jeden Streifen 5 fließenden Stromes auf, wenn sich jeder Streifen 5 bezüglich des Widerstandswertes unterscheidet, und ein großer Strom wird zunächst in einem Streifen 5 mit einem geringen Widerstandswert fließen, was zu einem Schmelzen des Streifens 5 führt, womit sich die Strompfade auf eine Konzentration der Ströme in die verbleibenden Streifen 5 reduzieren, wobei schließlich ein Schmelzen der Streifen 5 in einer Kettenreaktion auftritt. Zur Vermeidung eines derartigen Kettenschmelzens der Streifen 5 ist es vorzuziehen, dass eine Variation von jeweiligen Widerstandswerten der Streifen 5 so angeordnet wird, dass sie innerhalb von ± 20% eines Durchschnittswertes verbleibt.
Selbstverständlich ist beispielsweise eine mangelnde Varianz in der Form von jeweiligen Streifen 5 bevorzugt, so dass eine derartige Abweichung in den Widerstandswerten der Streifen 5 geringer wird, und wenn darüber hinaus ein Endteil gegenüber dem mit den Elektroden der Streifen 5 verbundenen Ende durch den Druckanbringungsvorgang durch Schweißen oder eine Lötöse verbunden wird, kann die Abweichung im Widerstand der Streifen 5 in einer Einheitsbatterie reduziert werden und bevorzugt sein. Bei einem derartigen Verbindungsverfahren wird davon ausgegangen, dass eine auf der Oberfläche eines aus Aluminium ausgebildeten Streifens (was nachstehend als „Al-Streifen" in Bezug genommen ist) ausgebildete Aluminiumoxidschicht und eine auf einem Streifen aus Kupfer (der nachstehend als „Cu-Streifen" in Bezug genommen ist) ausgebildete Kupferoxidschicht jeweils zur Reduktion des Kontaktwiderstands zwischen den Streifen 5 zerstört werden, und eine echte Verbindung durch die Metallteile der Streifen 5 wird erleichtert, womit eine Abweichung im Widerstandswert gesteuert werden kann.
Die Eigenschaften der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Lithiumsekundärbatterie werden vorzugsweise für eine Lithiumsekundärbatterie mit einer Batteriekapazität von nicht weniger als 5 Ah verwendet, und die Lithiumsekundärbatterie wird vorzugsweise für ein elektrisches Fahrzeug (EV) oder für ein hybridelektrisches Fahrzeug (HEV) verwendet.
Soweit wurde ein Fall unter Einbeziehung eines internen Elektrodenkörpers 1 in gewickelter Bauart als Beispiel für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, es ist jedoch offensichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Bedingungen ebenso auf einen Fall unter Einbeziehung eines internen Elektrodenkörpers 7 in Laminierungsbauart anwendbar sind.
Nachstehend ist die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben, aber es ist selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sowie die nachstehend angeführten Beispiele beschränkt ist.
Beispiel (Messung des Widerstandswertes sowie des Stromsicherheitswertes eines Streifens)
Zur Überprüfung des Materials eines Streifens, seiner Querschnittsfläche, und eines Stromwertes, bei dem der Streifen nicht schmilzt, wurde überprüft, ob ein Schmelzen auftritt oder nicht, wobei jeweilige Streifen aus verschiedenen Arten von Materialien einbezogen wurden, deren Breite 10 mm, deren Länge 50 mm und deren Dicke voneinander unterschiedlich ist, wobei beide Enden angeklemmt waren, und ein vorbestimmter Strom mittels einer Konstantstromquelle für 2 Minuten durchgeflossen wurde. Die Testbedingungen sowie die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Tabelle 1
Aus dem in Tabelle 1 gezeigten Ergebnis ist ersichtlich, dass wenn die Streifen aus Aluminium ausgebildet sind, vier Schichten mit einer Dicke von jeweils 20 μm (Gesamtquerschnittsfläche: 0,008 cm²) und ungefähr 1,7 Schichten mit jeweils 50 μm Dicke (Gesamtquerschnittsfläche 0,0085 cm²) erforderlich sind, so dass die Streifen bei 100 A nicht schmelzen. Folglich sollte ein Al-Streifen bei einem Strom von 100 A nicht schmelzen, falls er eine Gesamtquerschnittsfläche von nicht weniger als 0,009 cm² aufweist.
Gleichermaßen ist ersichtlich, dass wenn die Streifen aus Kupfer ausgebildet sind, vier Schichten mit jeweils 10 μm Dicke (Gesamtquerschnittsfläche: 0,004 cm²) und ungefähr 1,7 Schichten jeweils mit 30 μm Dicke (Gesamtquerschnittsfläche: 0,005 cm²) erforderlich sind. Folglich sollte ein Cu-Streifen bei einem Strom von 100 A nicht schmelzen, falls er eine Gesamtquerschnittsfläche von nicht weniger als 0,005 cm² aufweist. Im Übrigen wurden auch für Streifen aus Nickel (die nachstehend als „Ni-Streifen" in Bezug genommen sind) zu den vorstehend beschriebenen ähnliche Experimente ausgeführt, wobei herausgefunden wurde, dass eine bei einem Strom von 100 A nicht schmelzende Gesamtquerschnittsfläche nicht weniger als 0,004 cm² betrug.
Andererseits wurden die Widerstandswerte von einer Schicht eines Streifens gemessen, wobei die Durchschnittswerte bei 7 mΩ für einen Al-Streifen (Querschnittsfläche: 0,002 cm²) mit einer Dicke von 20 μm, 8 mΩ für einen Cu-Streifen (Querschnittsfläche: 0,001 cm²) mit einer Dicke von 10 μm und 8 mΩ für einen Ni-Streifen (Querschnittsfläche: 0,001 cm²) mit einer Dicke von 10 μm waren. Daher sind unter dem Gesichtspunkt einer Reduktion im inneren Widerstand zur Steuerung der Widerstandswerte der Streifen auf nicht mehr als 1 mΩ sieben Schichten eines Al-Streifens mit einer Dicke von 20 μm, das heißt von nicht weniger als 0,014 cm² Gesamtquerschnittsfläche, und acht Schichten von Cu-Streifen oder Ni-Streifen mit einer Dicke von 10 μm, das heißt nicht weniger als 0,008 cm² Gesamtquerschnittsfläche, ausreichend. Wenn Streifen mit einer Vielfalt an Dicken ohne eine Änderung der Materialien verwendet werden, funktioniert es gut, falls eine bestimmte Anzahl an zu verwendenden Streifen gemäß der Dicke eingestellt werden, so dass derartige vorbestimmte Gesamtquerschnittsflächen bereitgestellt werden.
Im Übrigen wird bei Batterien für EV oder HEV angenommen, dass ein Strom mit einem Wert in der Nähe von 200 A fließen sollte, aber es versteht sich, dass ungefähr 200 A Strom mit einer derartigen Gesamtquerschnittsfläche tolerierbar sein kann, die einen Widerstand der Streifen von nicht mehr als 1 mΩ bereitstellt, da die Gesamtquerschnittsfläche ungefähr das Doppelte der Gesamtquerschnittsfläche ist, die bei den vorstehend beschriebenen 100 A nicht schmelzen.
(Ausbildung einer Batterie und Strombeförderungstest)
Gemäß nachstehender Beschreibung wurde eine auf die Beispiele und Vergleichsbeispiele mit der in 4 gezeigten Konfiguration bezogene Batterie gemäß dem nachstehend angeführten Verfahren ausgebildet. Zunächst wurde eine Paste mit einem LiMn₂O₄-Pulverkörper als aktives positives Material ausgebildet, der Acetylenschwarz hinzugeführt wurde, um ihr Leitfähigkeit zu verleihen, und ferner wurden ein Bindemittel und ein Lösungsmittel damit gemischt. Mit dieser auf die beiden Seiten einer Aluminiumfolie mit einer Dicke von 25 μm geschichteten Paste wurde eine positive Elektrode 2 mit der Elektrodenform einer Ebene mit einer Länge in der Wicklungsrichtung von 3600 mm × einer Breite von 200 mm ausgebildet. Andererseits wurde eine Paste mit einem hochgraphithaltigen Kohlenstoffpulver als negatives aktives Material ausgebildet, die mit einem Bindemittel und einem Lösungsmittel gemischt wurde, und die Paste wurde auf die beiden Seiten einer Kupferfolie mit einer Dicke von 20 μm beschichtet, wodurch eine negative Elektrode 3 mit einer Elektrodenform einer Ebene mit einer Länge in der Wicklungsrichtung von 4000 mm × einer Breite von 200 mm ausgebildet wurde.
Nachfolgend wurden die somit ausgebildete positive Elektrode 2 und die negative Elektrode 3 mit einer Isolation durch 220 mm breite Separatoren 4 aus Polypropylen gewickelt, und gleichzeitig wurde die in Tabelle 2 angegebene Anzahl an Streifen jeweils für AlStreifen mit 10 mm Breite, 50 mm Länge und 20 μm Dicke und für Cu-Streifen mit 10 mm Breite, 50 mm Länge und 10 μm Dicke jeweils an die Elektroden 2, 3 durch Ultraschallschweißen angebracht, so dass sie in einer ungefähr geraden Linie entlang der Durchmesserrichtung des internen Elektrodenkörpers 1 angeordnet waren, und so dass jede der Elektroden 2, 3 in gleichem Abstand angeordnet war, wenn sie ausgespreizt waren, und ferner so dass eine der Elektroden an einem Ende des internen Elektrodenkörpers 1 ausgebildet war.
Tabelle 2
Danach wurde für die auf das Beispiel und das Vergleichsbeispiel 1 bezogenen Batterien der somit ausgebildete interne Elektrodenkörper 1 in das aus Aluminium ausgebildete Batteriegehäuse 11 eingepasst, Streifen 5 je an die positive Elektrode und die negative Elektrode gemäß 7 angeordnet, und die Streifen jeweils an Hohlnieten 13 als Stromherausführungsanschlüsse unter einem Druck von 1 Tonne/cm² durch Druck angebracht, eine aus Kupfer ausgebildete negative Anschlussplatte 14 auf der negativen Hohlniet 13 angebracht, und eine aus Aluminium ausgebildete positive Anschlussplatte 12 entsprechend auf der positiven Hohlniet 13 angebracht. Dann wurde die negative Seite des Batteriegehäuses 11 versiegelt, und danach wurde von der offenen Seite des positiven Anschlusses des Batteriegehäuses 11 der Elektrolyt, eine gemischte Lösung aus EC und DEC, wobei der Elektrolyt LiPF₆ mit einer Dichte von 1 Mol-% aufgelöst war, in das Gehäuse injiziert, und danach wurde die positive Seite dicht versiegelt.
Andererseits wurden für die auf das Vergleichsbeispiel 2 bezogenen Batterien gemäß 8 unter Verwendung eines Stromherausführungsanschlusses mit einem Abstandsbolzen 24 und einer Mutter 25 die Streifen 5 zwischen diesem Abstandsbolzen 24 und der Mutter 25 zur Fixierung sandwichartig angeordnet. Die übrigen Bedingungen wurden gleich zu denen für eine Batterie gemäß dem Beispiel eingestellt. Die Anfangskapazität einer dieser derart ausgebildeten Batterien bezüglich dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen betrug 25 Ah.
Im Übrigen wurde bei der Gelegenheit der Ausbildung von Batterien für das Beispiel und die Vergleichsbeispiele 1, 2 die Variation des Widerstandes (Widerstandsverteilung) der Streifen 5, die durch eine Differenz bei dem Verfahren zur Verbindung zwischen den Streifen 5 und den Stromherausführungselementen verursacht wird, im Voraus durch Messen der Spannung zu dem Zeitpunkt untersucht, wenn ein Strom von 1 A durch einen zu jedem Streifen 5 sowie zu einer Hohlniet 13 leitenden externen Anschluss 18 fließt, wie es in 9 für das Beispiel wie auch für das Vergleichsbeispiel 1 gezeigt ist. Zudem wurde für das Vergleichsbeispiel 2 zwischen den Streifen 5 und dem Abstandsbolzen 24 die Abweichung im Widerstand der Streifen 5 durch ein ähnliches Verfahren gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass bei dem Beispiel wie auch bei dem Vergleichsbeispiel 1 die Abweichung im Widerstand der Streifen 5 innerhalb eines Bereichs von nicht mehr als ± 20% eines Durchschnittswertes lagen, während im Falle des Vergleichsbeispieles 2 eine breitere Abweichung außerhalb des Bereiches von nicht mehr als ± 20% eines Durchschnittswertes vorlag.
Nachfolgend wurde ein Betriebstest bei einer Batterie durch Entladen von Strömen von 100 A sowie von 200 A in der ausgebildeten Batterie durchgeführt. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 2 niedergelegt. Bei der Batterie gemäß dem Beispiel wurde ein Schmelzen der Streifen 5 nicht beobachtet, sondern ein normaler Betrieb wurde bei einem Stromwert von 100 A wie auch von 200 A durchgeführt. Bei der Batterie gemäß Vergleichsbeispiel 1 wurde jedoch ein Schmelzen der Streifen 5 beobachtet, und selbst bei einer Entladung von 100 A wurde kein normaler Betrieb der Batterie durchgeführt. Andererseits trat bei der Batterie gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 kein Problem bei einer Entladung von 100 A auf, aber die Streifen schmolzen bei einer Entladung von 200 A.
Bezüglich der Batterie gemäß Vergleichsbeispiel 2 weisen die Streifen 5 dieselbe Querschnittsfläche wie bei dem Beispiel auf, aber es gibt einen Unterschied beim Verfahren zur Verbindung zwischen den Streifen und dem Stromherausführungsanschluss. Bei Aluminiumfolien und Kupferfolien gibt es eine Neigung zur Ausbildung einer Oxidationsschicht auf deren Oberflächen, und daher wird angenommen, dass eine Stromkonzentration bei einem bestimmten Streifen 5 stattfand, so dass ein Schmelzvorgang als Ergebnis einer Abweichung in den Widerstandswerten der Streifen 5 aufgrund von Unterschieden im Verbindungszustand der Streifen 5 auftrat, was durch eine oxidierte Schicht aufgrund eines geringeren Drucks bei der Druckanbringung gemäß Vergleichsbeispiel 2 im Vergleich zu dem Fall gemäß dem Beispiel beeinflusst wurde, und darüber hinaus führte die Reduktion der Strompfade aufgrund dieses Schmelzvorgangs zum Auftreten des Schmelzens der Streifen 5 in Kettenreaktion. Folglich versteht sich, dass eine bevorzugte Abweichung von jeweiligen Widerstandswerten der Streifen 5 innerhalb eines Bereiches von ± 20% des Durchschnittswertes liegt.
(Externer Kurzschlusstest)
Sodann wurden Batterien mit derselben Konfiguration wie die bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel mit einer ausreichend breiteren Querschnittsfläche der Streifen 5 ausgebildet, und ein externer Kurzschlusstest wurde durchgeführt. Dabei wurde der Widerstandswert der externen Kurzschlussschaltung (was nachstehend als „externer Schaltungswiderstand" in Bezug genommen ist) entsprechend dem internen Widerstand verändert. Folglich wurde bei einem externen Schaltungswiderstand von 1,5 × dem internen Widerstand das Sicherheitsventil nicht ausgelöst, ähnlich zu dem Fall einer normalen Entladung nach Kurzschluss. Wenn zudem der externe Schaltungswiderstand das Einfache des internen Widerstands betrug, wurde das Sicherheitsventil nach einem Kurzschluss ausgelöst, aber keine Explosion oder Entzündung der Batterien wurde beobachtet. Wenn demgegenüber der externe Schaltungswiderstand das 0,1-fache des internen Widerstands betrug, wurden trotz eines Auslösens des Sicherheitsventils nach dem Kurzschluss das Auftreten von Rissen in Abschnitten außerhalb des Sicherheitsventils beobachtet.
Bei diesem externen Kurzschlusstest ist das Verhalten einer Batterie gemäß dem externen Schaltungswiderstand unterschiedlich, weswegen es für die Durchführung einer kombinierten Verwendung eines Streifens als Stromschmelzsicherung vorzuziehen ist, den Wert für die Stromunterbrechung einer Stromschmelzsicherung speziell unter der Annahme eines externen Schaltungswiderstandes von nicht mehr als 0,1 × dem internen Widerstand zu entwerfen, wobei diese Testergebnisse beachtet werden. Wenn beispielsweise bei einer Batterie im voll geladenen Zustand bei einer Spannung von 4 V, einer Stromkapazität von 25 Ah und einem internen Widerstand von 5 mΩ ein Kurzschlussstrom von ungefähr 800 A fließen soll, reicht es daher gemäß den Ergebnissen des vorstehend angeführten Schmelztests für die Streifen aus, dass für Al-Streifen die Gesamtquerschnittsfläche auf nicht mehr als 0,064 cm² ausgebildet wird, was 8 mal so viel wie für den Stromwert von 100 A ist, und in ähnlicher Weise ist der Wert für Cu-Streifen nicht mehr als 0,040 cm² und für Ni-Streifen nicht mehr als 0,032 cm², so dass die Streifen bei einem Strom von 800 A schmelzen.
Sodann wurde demzufolge eine Batterie, deren Al-Streifen eine Gesamtquerschnittsfläche von 0,06 cm² und deren Cu-Streifen eine Gesamtquerschnittsfläche von 0,035 cm² betrug, sowie eine Batterie, deren Al-Streifen eine Gesamtquerschnittsfläche von 0,1 cm² und deren Cu-Streifen eine Gesamtquerschnittsfläche von 0,05 cm² aufwies, jeweils ausgebildet, und ein externer Kurzschlusstest wurde durchgeführt, wobei der externe Kurzschlusswiderstand auf das 0,1-fache des internen Widerstands eingestellt wurde. Als Ergebnis zeigte sich für die Batterie mit Al-Streifen mit einer Gesamtquerschnittsfläche von 0,06 cm², dass unmittelbar nach dem Kurzschluss die Al-Streifen und die Cu-Streifen schmolzen, und sowohl der Strom als auch die Spannung 0 anzeigten, aber für die andere Batterie mit Al-Streifen mit einer Gesamtquerschnittsfläche von 0,1 cm² wurde beobachtet, dass das Sicherheitsventil nach dem Kurzschluss ausgelöst wurde, und Risse an Abschnitten außerhalb dem Sicherheitsventil auftraten.
Danach wurden mittels eines zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Ausbildung einer Batterie ähnlichen Verfahrens verschiedene Batterien mit veränderter Fläche, Breite usw. der Elektroden und unterschiedlicher Batteriekapazität und internem Widerstand ausgebildet, wobei Al-Streifen, Cu-Streifen und Ni-Streifen verwendet wurden, und ein externer Kurzschlusstest wurde durchgeführt. Als Ergebnis zeigte sich, dass falls Al-Streifen mit nicht mehr als 0,36/R (cm²), wobei R (mΩ) den internen Widerstand angibt, bereitgestellt wurden, und diese als Stromschmelzsicherung wirken, wenn der externe Kurzschluss 0,1 × den internen Widerstand bereitstellt, und somit die SBA-Richtlinien erfüllt. In ähnlicher Weise zeigte sich, dass Cu-Streifen mit nicht mehr als 0,18/R (cm²) und Ni-Streifen mit nicht mehr als 0,14/R (cm²) ausreichen.
Darüber hinaus wird bevorzugt, dass die Batteriereaktion sicher unterbrochen wird, ohne dass das Sicherheitsventil im Falle eines externen Kurzschlusses ausgelöst wird, wenn der externe Schaltungswiderstand das Einfache des internen Widerstands beträgt. Folglich wurde ähnlich zu dem vorstehend angeführten externen Kurzschlusstest unter Verwendung einer Batterie mit einer Stromkapazität von 25 Ah und einem internen Widerstand von 5 mΩ eine Batterie mit Al-Streifen mit einer Gesamtquerschnittsfläche von 0,03 cm² kleiner als 0,18/R und eine Batterie mit Al-Streifen mit einer Gesamtquerschnittsfläche von 0,05 cm² größer als 0,18/R ausgebildet, um einen externen Kurzschlusstest durchzuführen. Als Ergebnis zeigte sich, dass bei der Batterie mit Al-Streifen mit einer Gesamtquerschnittsfläche von 0,03 cm² das Sicherheitsventil nicht nach dem Kurzschluss ausgelöst wurde, ähnlich zum Fall einer normalen Entladung, aber bei einer Batterie mit Al-Streifen mit einer Gesamtquerschnittsfläche von 0,05 cm² wurde das Sicherheitsventil nach dem Kurzschluss ausgelöst. Trotzdem fand selbst in diesem Fall keine Explosion oder Entzündung der Batterie in Abschnitten außerhalb des Sicherheitsventils statt. Als Folge aus Vorstehendem versteht sich, dass mit Al-Streifen mit einer Gesamtquerschnittsfläche von nicht mehr als 0,18/R cm² das Sicherheitsventil im Falle eines externen Kurzschlusses mit einem externen Kurzschlusswiderstand wie etwa dem Einfachen des internen Widerstands selbst dann nicht ausgelöst wird, und ein derartiger Streifen bevorzugt ist. In ähnlicher Weise wurde ersichtlich, dass eine Gesamtquerschnittsfläche von nicht mehr als 0,09/R cm² für Cu-Streifen und von nicht mehr als 0,07/R cm² für Ni-Streifen ausreicht.
Gemäß vorstehender Beschreibung ergibt sich mit einer erfindungsgemäßen Lithiumsekundärbatterie eine ausgezeichnete Wirkung, dass ohne ein Schmelzen der Streifen innerhalb eines Arbeitsstrombereiches liegt, weil die Gesamtquerschnittsfläche der Streifen innerhalb eines geeigneten Bereichs eingestellt ist, eine Reduktion beim Ausgabeverlust, sowie eine Verbesserung bei der Energiedichte, und andererseits ergibt sich eine ausgezeichnete Wirkung, dass die Sicherheit sowie die Verbesserung bei der Sicherheit durch Einbauen von Streifen als Stromschmelzsicherung in eine Batterie erzielt wird. Zudem kann die bemerkenswerte Wirkung erzielt werden, dass eine in der Zuverlässigkeit überlegene Batterie bereitgestellt wird, indem diese Eigenschaften gleichzeitig kombiniert bereitgestellt werden.
So beinhaltet nach vorstehender Beschreibung eine Lithiumsekundärbatterie einen internen Elektrodenkörper mit einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einem Separator. Die positive Elektrode und die negative Elektrode sind um den Separator gewickelt oder laminiert, so dass die positive Elektrode und die negative Elektrode nicht in unmittelbaren Kontakt miteinander gebracht werden. Zumindest eine Vielzahl von Streifen zur Stromsammlung wurden mit einer Gesamtquerschnittsfläche der Streifen von nicht weniger als einer konstanten Fläche gemäß der Qualität des für die Streifen zu verwendenden Materials bereitgestellt, so dass die mit sowohl der positiven als auch der negativen Elektrode zu verbindenden Streifen jeweils nicht schmelzen können, wenn zumindest ein Strom von 100 A durch die Lithiumsekundärbatterie geflossen ist. Die Lithiumsekundärbatterie bewahrt gute Ladungs-Entladungs-Zykluseigenschaften, und die Sicherheit kann mit unterbrochener Elektrizität sichergestellt werden, wenn ein Überschussstrom aufgrund eines externen Kurzschlusses usw. auftrat, so dass die Batterie nicht explodiert oder sich entzündet. Insbesondere kann die Lithiumsekundärbatterie vorzugsweise zur Ansteuerung eines Motors eines elektrischen Fahrzeugs usw. verwendet werden.

Claims

Lithiumsekundärbatterie, mit: einem internen Elektrodenkörper (1) mit einer positiven Elektrode (2), einer negativen Elektrode (3), und einem Separator, wobei die positive Elektrode (2) und die negative Elektrode (3) über den Separator gewickelt oder geschichtet sind, so dass die positive Elektrode (2) und die negative Elektrode (3) nicht in unmittelbarem Kontakt zueinander stehen; einem organischen Elektrolyten; und zumindest einer Vielzahl von Kontaktlaschen (5), die sowohl mit der positiven als auch der negativen Elektrode (2, 3) zur Stromsammlung zu verbinden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktlaschen (5) eine Gesamtquerschnittsfläche von nicht weniger als eine Konstantfläche gemäß der Qualität des für die Kontaktlaschen (5) zu verwendenden Materials aufweisen, wobei der Zusammenhang zwischen dem Material der Kontaktlaschen (5) und der Gesamtquerschnittsfläche der Kontaktlaschen (5) nicht weniger als 0,009 cm² für Aluminium, nicht weniger als 0,005 cm² für Kupfer, und nicht weniger als 0,004 cm² für Nickel beträgt, und wobei der Zusammenhang zwischen dem Material der Kontaktlaschen (5) und der Gesamtquerschnittsfläche der Kontaktlaschen (5), wenn der innere Widerstand einer Einheitsbatterie zu R (mΩ) gesetzt ist, nicht mehr als 0,36/R (cm²) für Aluminium, nicht mehr als 0,18/R (cm²) für Kupfer und nicht mehr als 0,14/R (cm²) für Nickel beträgt.
Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die Summe der Widerstandswerte der Kontaktlaschen (5) pro Einheitsbatterie nicht mehr als 1 mΩ beträgt.
Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die Kontaktlaschen (5) mit einem schmalen Abschnitt (21) versehen sind.
Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei der innere Widerstand nicht mehr als 2 mΩ pro Einheitsbatterie beträgt.
Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die Abweichung der jeweiligen Widerstandswerte der Kontaktlaschen (5) innerhalb ± 20% eines Durchschnittswerts bleibt.
Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei ein Endstück der Kontaktlasche auf der Seite ohne Verbindung mit den Elektroden durch Druckanbringung, Schweißen oder eine Lötöse verbunden ist.
Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die Batteriekapazität nicht weniger als 5 Ah beträgt.
Lithiumsekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Batterie zur Verwendung für ein elektrisches Fahrzeug oder ein hybridelektrisches Fahrzeug eingerichtet ist.
Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei der Zusammenhang zwischen dem Material der Kontaktlaschen (5) und der Gesamtquerschnittsfläche der Kontaktlaschen (5) nicht weniger als 0,014 cm² für Aluminium, nicht weniger als 0,008 cm² für Kupfer und nicht weniger als 0,008 cm² für Nickel beträgt.
Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die Dicke einer Kontaktlasche nicht mehr als die Dicke einer aktiven Materialschicht einer Elektrode beträgt, an die die Kontaktlaschen (5) geschweißt sind.
Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei, wenn der innere Widerstand einer Einheitsbatterie zu R (mΩ) gesetzt ist, der Zusammenhang zwischen dem Material der Kontaktlaschen (5) und der Gesamtquerschnittsfläche der Kontaktlaschen (5) nicht mehr als 0,18/R cm² für Aluminium, nicht mehr als 0,09/R cm² für Kupfer und nicht mehr als 0,07/R cm² für Nickel beträgt.