JP2002208439A - 熱伝導を改良するためのリチウム二次電池構造 - Google Patents
熱伝導を改良するためのリチウム二次電池構造Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱伝導を改良するためのリチウム二次電池の
構造を提供すること。 【解決手段】 電池は、陰極と、陽極と、前記電極間に
挟まれるセパレータと、前記セパレータを含浸して、前
記電極と液連絡する電解液と、前記電極、前記セパレー
タ及び前記電解液を収容するのに適当な金属パッケージ
とを含む。かつ前記電極の１つは、前記パッケージと熱
接触している。
構造を提供すること。 【解決手段】 電池は、陰極と、陽極と、前記電極間に
挟まれるセパレータと、前記セパレータを含浸して、前
記電極と液連絡する電解液と、前記電極、前記セパレー
タ及び前記電解液を収容するのに適当な金属パッケージ
とを含む。かつ前記電極の１つは、前記パッケージと熱
接触している。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
の構造に関する。
の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】リチウムイオン電池又はリチウム二次電
池は、公知である。参照：Linden,D.,Ed.,Handbook of
Batteries 2nd Edition,McGraw Hill Inc.,New York,NY
(1995),Chapter 36;Besenhard,J.O.Ed., Handbook of B
attery Material,Wiley-VCH Verlqag GmbH,New York,N
Y(1999)。これらの電池は、ポータブル電子装置、例え
ばラップトップコンピューター、セルラフォーン(cellu
lar phone)等々用の電源として公知である。これらの電
池は、優れた安全性をほこる一方、その安全性を継続す
る改良が努められている。
池は、公知である。参照：Linden,D.,Ed.,Handbook of
Batteries 2nd Edition,McGraw Hill Inc.,New York,NY
(1995),Chapter 36;Besenhard,J.O.Ed., Handbook of B
attery Material,Wiley-VCH Verlqag GmbH,New York,N
Y(1999)。これらの電池は、ポータブル電子装置、例え
ばラップトップコンピューター、セルラフォーン(cellu
lar phone)等々用の電源として公知である。これらの電
池は、優れた安全性をほこる一方、その安全性を継続す
る改良が努められている。
【０００３】安全性の問題は、例えば熱暴走の状況から
起きるセル破裂の恐れから生じる。セルの構成要素、電
解液及びリチウムを含有する電極は、金属缶に入れてシ
ールされている。熱暴走において、熱は、セル内に生じ
て、電解液及びリチウム電極の温度を、発火温度以上に
上昇させることもあった。参照：Hatchard,T.D.et al,
“Importance of Heat Transfer by Radiation in Li-i
on Batteries during Thermal Abuse”,Electrochemica
l and Solid State Letters,vol.3,no.7,305〜308頁(20
00)。これは、本明細書中に参考文献として組み入れ
る。
起きるセル破裂の恐れから生じる。セルの構成要素、電
解液及びリチウムを含有する電極は、金属缶に入れてシ
ールされている。熱暴走において、熱は、セル内に生じ
て、電解液及びリチウム電極の温度を、発火温度以上に
上昇させることもあった。参照：Hatchard,T.D.et al,
“Importance of Heat Transfer by Radiation in Li-i
on Batteries during Thermal Abuse”,Electrochemica
l and Solid State Letters,vol.3,no.7,305〜308頁(20
00)。これは、本明細書中に参考文献として組み入れ
る。
【０００４】熱暴走は、幾つかの異なる状況から起こり
得るが、ここで関心のあるのは、「濫用（abuse）」(又
は［熱濫用］)から起こるものである。濫用は、「くぎ
針入度」試験、「圧潰」試験及び「短絡」試験を含む幾
つかの標準試験により評価される。例えば、UL1642-Sta
ndard for Lithium Batteries(Underwriters Laborator
ies Inc.,第１版10/1985及び第２版11/1992)及び“Guid
eline for Safety Evaluation on Secondary Lithium C
ells”,Japan Storage Battery Association,Tokyo,Jap
an(1995)を参照。両方とも本明細書中に参考文献として
組み入れる。最初に記載した２つの試験では、セルは、
物理的に損傷して、陰極及び陽極の接触（短絡）をもた
らし、このことにより熱暴走が生じる。後者の試験で
は、アノード及びカソードは、外部的に電気結合をし
（短絡）、熱暴走を生じる。
得るが、ここで関心のあるのは、「濫用（abuse）」(又
は［熱濫用］)から起こるものである。濫用は、「くぎ
針入度」試験、「圧潰」試験及び「短絡」試験を含む幾
つかの標準試験により評価される。例えば、UL1642-Sta
ndard for Lithium Batteries(Underwriters Laborator
ies Inc.,第１版10/1985及び第２版11/1992)及び“Guid
eline for Safety Evaluation on Secondary Lithium C
ells”,Japan Storage Battery Association,Tokyo,Jap
an(1995)を参照。両方とも本明細書中に参考文献として
組み入れる。最初に記載した２つの試験では、セルは、
物理的に損傷して、陰極及び陽極の接触（短絡）をもた
らし、このことにより熱暴走が生じる。後者の試験で
は、アノード及びカソードは、外部的に電気結合をし
（短絡）、熱暴走を生じる。
【０００５】短絡された電池では、局在化された熱スポ
ットが、セル中に生じ始める。この熱は、セル内で進行
する化学反応（アノードとカソードとの間の、電解液を
介する反応）を促進し、熱上昇製造状態（熱製造は迅速
であり、例えば数秒である）を生み出すが、これは、電
圧逆結果（potential adverse consequence）を生じる
ので避けるべきである。電圧逆結果及びセルからの熱の
移動の重要性は公知である。Hatchard,Ibid参照。Hatch
ardでは、パッケージ（缶）の外面上のラベルを、缶か
らの熱移動を改善するのに使用する。ラベルは、缶の内
部温度を調整するのに使用される。
ットが、セル中に生じ始める。この熱は、セル内で進行
する化学反応（アノードとカソードとの間の、電解液を
介する反応）を促進し、熱上昇製造状態（熱製造は迅速
であり、例えば数秒である）を生み出すが、これは、電
圧逆結果（potential adverse consequence）を生じる
ので避けるべきである。電圧逆結果及びセルからの熱の
移動の重要性は公知である。Hatchard,Ibid参照。Hatch
ardでは、パッケージ（缶）の外面上のラベルを、缶か
らの熱移動を改善するのに使用する。ラベルは、缶の内
部温度を調整するのに使用される。
【０００６】慣用のリチウム二次電池（円筒状又は角柱
状）では、アノードとカソードとの間の微孔性のセパレ
ータ膜を、パッケージ（缶）に挿入する前に、巻かれた
アノード、カソード、セパレータの外面に、数回包囲す
る。セパレータのこれらの補足的な包装は、（熱的及び
電気的）絶縁体として作用する。電極は、電極活性混合
物及び集電装置からなる。陰極（アノード）用の集電装
置は、銅ホイルである。陽極（カソード）用の集電装置
は、アルミニウムホイルである。缶は、鉄を基礎とする
材料（例えば鋼）又はアルミニウムからできている。慣
用の円筒状セル、例えば１８６５０（直径１８ｍｍ、長
さ６５ｍｍ）において、缶の内面に最近接した電極は、
陰極（アノード）であり、これは、銅ホイル集電装置を
有し、鉄を基礎とする材料からできた缶ボデーは、電池
の負端子であり、缶の蓋は、正端子である。慣用の角柱
状セルでは、２つの構造が認められる。第１のもので
は、陰極（即ち銅集電装置）が、缶（即ち鉄を基礎とす
るもの）の内面に最近接している。第２のものでは、陽
極（即ちアルミニウム集電装置）が、缶（即ちアルミニ
ウム）の内面に最近接している。
状）では、アノードとカソードとの間の微孔性のセパレ
ータ膜を、パッケージ（缶）に挿入する前に、巻かれた
アノード、カソード、セパレータの外面に、数回包囲す
る。セパレータのこれらの補足的な包装は、（熱的及び
電気的）絶縁体として作用する。電極は、電極活性混合
物及び集電装置からなる。陰極（アノード）用の集電装
置は、銅ホイルである。陽極（カソード）用の集電装置
は、アルミニウムホイルである。缶は、鉄を基礎とする
材料（例えば鋼）又はアルミニウムからできている。慣
用の円筒状セル、例えば１８６５０（直径１８ｍｍ、長
さ６５ｍｍ）において、缶の内面に最近接した電極は、
陰極（アノード）であり、これは、銅ホイル集電装置を
有し、鉄を基礎とする材料からできた缶ボデーは、電池
の負端子であり、缶の蓋は、正端子である。慣用の角柱
状セルでは、２つの構造が認められる。第１のもので
は、陰極（即ち銅集電装置）が、缶（即ち鉄を基礎とす
るもの）の内面に最近接している。第２のものでは、陽
極（即ちアルミニウム集電装置）が、缶（即ちアルミニ
ウム）の内面に最近接している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、熱伝
導を改良するためのリチウム二次電池の構造を提供する
ことである。
導を改良するためのリチウム二次電池の構造を提供する
ことである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この課題は、以下の電池
により解決される。即ち、電池は、陰極と、陽極と、前
記電極間に挟まれるセパレータと、前記セパレータを含
浸して、前記電極と液連絡する電解液と、前記電極、前
記セパレータ及び前記電解液を収容するのに適当な金属
パッケージとを含む。２つの電極のうちの１つは、パッ
ケージと熱接触（thermal contact）している。
により解決される。即ち、電池は、陰極と、陽極と、前
記電極間に挟まれるセパレータと、前記セパレータを含
浸して、前記電極と液連絡する電解液と、前記電極、前
記セパレータ及び前記電解液を収容するのに適当な金属
パッケージとを含む。２つの電極のうちの１つは、パッ
ケージと熱接触（thermal contact）している。
【０００９】本発明を説明する好ましい態様を図に示
す。しかしながら、本発明は、図示された詳しい配置及
び手段に限定されるものではない。
す。しかしながら、本発明は、図示された詳しい配置及
び手段に限定されるものではない。
【００１０】明細書中に参照される電極、電解液及びセ
パレータに関しては、それぞれ慣用のデザイン又は構造
である。そのような情報は、当業者に公知である。例え
ば、Linden,D.,Ed.,Handbook of Batteries ,2nd Editi
on,McGraw Hill Inc.,New York,NY(1995),Clip 36及びB
esenhard,J.O.,Ed., Handbook of Battery Materials,
Wiley-VCH Verlqag GmbH (1999)、例えば§２．６、
２．７等々を参照。両方とも本明細書中に参考文献とし
て組み入れる。
パレータに関しては、それぞれ慣用のデザイン又は構造
である。そのような情報は、当業者に公知である。例え
ば、Linden,D.,Ed.,Handbook of Batteries ,2nd Editi
on,McGraw Hill Inc.,New York,NY(1995),Clip 36及びB
esenhard,J.O.,Ed., Handbook of Battery Materials,
Wiley-VCH Verlqag GmbH (1999)、例えば§２．６、
２．７等々を参照。両方とも本明細書中に参考文献とし
て組み入れる。
【００１１】本発明は、便宜上、円筒状セルに関して記
載しているが、これに限定されるものではなく、角柱状
セルにも適用することができる。
載しているが、これに限定されるものではなく、角柱状
セルにも適用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】図において同じ番号は同じ部材を
示す。図１に示す従来技術のセル１０は、蓋１４により
閉鎖された缶１２を有する。セパレータ１６は、「ゼリ
ーロール」の周りを包装し、缶１２の内面に接触する。
電池が巻かれると共に、セパレータ１６は、自身の上に
重なって、継ぎ目１８を形成し、これは、慣用のテープ
片（piece of tape）２０により留められている。
示す。図１に示す従来技術のセル１０は、蓋１４により
閉鎖された缶１２を有する。セパレータ１６は、「ゼリ
ーロール」の周りを包装し、缶１２の内面に接触する。
電池が巻かれると共に、セパレータ１６は、自身の上に
重なって、継ぎ目１８を形成し、これは、慣用のテープ
片（piece of tape）２０により留められている。
【００１３】図２で、本発明を説明する。セル３０は、
蓋１４でシールされた缶１２からなる。その上に、陰極
材料又は電極活性混合物（図示しないが、慣用のもの）
を、慣用の方法で広げた、金属シート３２、代表的には
銅ホイル（即ち集電装置）が、缶１２の内面と熱接触
（例えば直接の物理的接触）している。
蓋１４でシールされた缶１２からなる。その上に、陰極
材料又は電極活性混合物（図示しないが、慣用のもの）
を、慣用の方法で広げた、金属シート３２、代表的には
銅ホイル（即ち集電装置）が、缶１２の内面と熱接触
（例えば直接の物理的接触）している。
【００１４】図３において、本発明のセル３０は、部品
を分解して配列した状態で示されている。ゼリーロール
３６は、陰極３８が、セパレータ４０又は陽極４２より
長いことを除き、慣用の様式で製造される。ゼリーロー
ル３６が完全に巻かれたとき、陰極３８の銅集電装置３
２をはっきり見ることができる。このゼリーロール３６
を、缶１２中に挿入して、陰極３８の集電装置３２を缶
１２の内面に熱接触させる。タブ４４は、公知の方法
で、缶１２に溶接され、それによって、良好な電気接触
が得られ、同様にタブ４６は蓋１４に溶接されて、良好
な電気接触が得られる。角柱状セルでは、銅集電装置
（銅ホイル）が、缶と接触するか、又はアルミニウム集
電装置（アルミニウムホイル）が缶と接触することにな
る。
を分解して配列した状態で示されている。ゼリーロール
３６は、陰極３８が、セパレータ４０又は陽極４２より
長いことを除き、慣用の様式で製造される。ゼリーロー
ル３６が完全に巻かれたとき、陰極３８の銅集電装置３
２をはっきり見ることができる。このゼリーロール３６
を、缶１２中に挿入して、陰極３８の集電装置３２を缶
１２の内面に熱接触させる。タブ４４は、公知の方法
で、缶１２に溶接され、それによって、良好な電気接触
が得られ、同様にタブ４６は蓋１４に溶接されて、良好
な電気接触が得られる。角柱状セルでは、銅集電装置
（銅ホイル）が、缶と接触するか、又はアルミニウム集
電装置（アルミニウムホイル）が缶と接触することにな
る。
【００１５】集電装置３２（例えば銅ホイル）は、優れ
た熱導体なので、ゼリーロール３６の内側に発生した熱
は、金属缶１２の外面に効率良く移送される。
た熱導体なので、ゼリーロール３６の内側に発生した熱
は、金属缶１２の外面に効率良く移送される。
【００１６】熱移動における改良は、図４を参照する
と、よりよく理解できる。図４では、従来技術のセル及
び本発明のセルの性能（電圧及び温度）が説明される。
左手垂直軸は、時間（水平軸上、秒）の関数としての電
圧（ボルト）を示す。右手垂直軸は、時間（水平軸上、
秒）の関数としての温度（摂氏）を示す。
と、よりよく理解できる。図４では、従来技術のセル及
び本発明のセルの性能（電圧及び温度）が説明される。
左手垂直軸は、時間（水平軸上、秒）の関数としての電
圧（ボルト）を示す。右手垂直軸は、時間（水平軸上、
秒）の関数としての温度（摂氏）を示す。
【００１７】従来技術セルの性能は、線５０、５２及び
５４で図示される。線５０は、セルがくぎ針入（例え
ば、試験法UL1642）を受けた後の電圧を、時間の関数と
して図示する。線５２は、ゼリーロールの中心の温度を
時間の関数として図示する。線５４は、缶の外面の温度
を時間の関数として図示する。電圧５０が降下するにつ
れ、両方の温度線は、上昇するが、内部温度５２は、外
部温度５４に比べて、よりシャープに上昇することに注
意されたい。線５２と５４との差は、熱がセルから十分
に消散していないことを示している。図１では、セパレ
ータ１６、即ちプラスチック絶縁体が缶１２に接触して
いることを想起されたい。
５４で図示される。線５０は、セルがくぎ針入（例え
ば、試験法UL1642）を受けた後の電圧を、時間の関数と
して図示する。線５２は、ゼリーロールの中心の温度を
時間の関数として図示する。線５４は、缶の外面の温度
を時間の関数として図示する。電圧５０が降下するにつ
れ、両方の温度線は、上昇するが、内部温度５２は、外
部温度５４に比べて、よりシャープに上昇することに注
意されたい。線５２と５４との差は、熱がセルから十分
に消散していないことを示している。図１では、セパレ
ータ１６、即ちプラスチック絶縁体が缶１２に接触して
いることを想起されたい。
【００１８】本発明のセルの性能は、線６０、６２及び
６４で図示される。線６０は電圧であり、線６２は内部
温度であり、線６４は外部温度である。線６２と６４と
の間の差が、従来技術のセルで示された差よりも小さい
ことに注意されたい。本発明のセルの小さい温度差は、
集電装置が缶と熱接触している場合に、熱がセルからよ
り良好に消散していることを示す。
６４で図示される。線６０は電圧であり、線６２は内部
温度であり、線６４は外部温度である。線６２と６４と
の間の差が、従来技術のセルで示された差よりも小さい
ことに注意されたい。本発明のセルの小さい温度差は、
集電装置が缶と熱接触している場合に、熱がセルからよ
り良好に消散していることを示す。
【００１９】本発明は、その特徴から外れずに、別の構
造で実施することができる。従って、本発明の範囲は、
明細書よりも、クレームを参照すべきである。
造で実施することができる。従って、本発明の範囲は、
明細書よりも、クレームを参照すべきである。
【図１】従来技術のセルの縦断面図である。
【図２】本発明によるセルの縦断面図である。
【図３】本発明によるセルの分解部品の配列図である。
【図４】従来技術のセル及び本発明のセルの性能（電圧
及び温度）を時間の関数として図示したグラフである。
及び温度）を時間の関数として図示したグラフである。
１２ 缶 １４ 蓋 ３０ セル ３６ ゼリーロール ３８ 陰極 ４０ セパレータ ４２ 陽極 ４４、４６ タブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パンカイ・アローラ アメリカ合衆国ノースカロライナ州28210, シャーロット，ウォーターフォード・レイ クス・ドライヴ 7916，＃637 Ｆターム(参考） 5H029 AJ12 BJ22 BJ27 DJ02 DJ05 DJ07 EJ01
Claims (2)
- 【請求項１】 陰極と、陽極と、前記電極間に挟まれる
セパレータと、前記セパレータを含浸して、前記電極と
液連絡する電解液と、前記電極、前記セパレータ及び前
記電解液を収容するのに適当な金属パッケージとを含
み、かつ前記電極の１つが、前記パッケージと熱接触し
ている、リチウム二次電池。 - 【請求項２】 陰極と、陽極と、前記電極間に挟まれる
セパレータと、前記セパレータを含浸して、前記電極と
液連絡する電解液と、前記電極、前記セパレータ及び前
記電解液を収容するのに適当な金属パッケージとを有す
る、再充電可能なリチウム電池であって、前記電極の１
つが、前記パッケージと熱接触することを含む構造。
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