JP2010525552A

JP2010525552A - 溶接点接続部を持つ電気化学単電池及びエネルギー貯蔵装置

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Publication number: JP2010525552A
Application number: JP2010507818A
Authority: JP
Inventors: ペーテルビルケ，; ミヒアエルケレル，; 一博高橋; 英男矢部; 聖子阿部; 和典小澤
Original assignee: Enax Inc
Current assignee: Enax Inc
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2010-07-22
Also published as: CN101682020A; KR20100017261A; EP2143159A1; WO2008128770A1; US20100273043A1

Abstract

本発明は、隔離膜により隔離される平らな電極膜（Ａ１〜Ａｎ，Ｋ１〜Ｋｎ）の積層体として設けられる１対の電極（Ａ，Ｋ）を持つ電気化学単電池（２）に関し、各電極（Ａ，Ｋ）の電極膜（Ａ１〜Ａｎ，Ｋ１〜Ｋｎ）が、内部電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）を介して互いに電気接続され、異なる電極（Ａ，Ｋ）の内部電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）が、電極膜（Ａ１〜Ａｎ，Ｋ１〜Ｋｎ）の電極材料のない区域において、電気化学単電池（２）の両側に設けられ、各内部電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）が、それぞれの電極（Ａ，Ｋ）の電極材料のない区域にある所定数の溶接点（５．１〜５．ｚ）を介して、それぞれの電極膜（Ａ１〜Ａｎ，Ｋ１〜Ｋｎ）と接続され、各電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）が所定数の開口（６．１〜６．ｍ）を持ち、これらの開口において結合素子が、それぞれの電極（Ａ，Ｋ）のために、内部電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）を外部電極導体（７．Ａ，７．Ｋ）に結合するようになっている。
【選択図】図２

Description

優先権主張

この出願は、２００７年４月２４日に出願されたドイツ連邦共和国出願だい１０２００７０１９６２５．５号及び２００７年５月１０日に出願された第１０２００７０２２４３６．４号の優先権を主張し、その内容はこの出願に加入されている。

本発明は、電気化学単電池及び複数のこのような電気化学単電池を含むエネルギー貯蔵装置及びこれを使用する電気自動車又はハイブリッド電気自動車に関する。エネルギー貯蔵装置（電池パックとも称される）は複数の平らな電気化学単電池（電池単電池とも称される）を含み、これらの電気化学単電池の各々は、外部端子を介して電気化学単電池を互いに電気接続する１対の電極を持っている。

応用例えば電気自動車、ハイブリッド自動車、電気工具等のための高い入力−出力電源のような要求を満足するため、新しいエネルギー貯蔵装置例えば鉛蓄電池、リチウム−イオン電池、ニッケル金属水素化物電池、ニッケル−カドミウム電池及び電気二重層コンデンサ等が開発されている。

これらの新しいエネルギー貯蔵装置は、駆動電動機及び車載電気システムに給電する。エネルギー貯蔵装置の充−放電過程を制御するため、充−放電過程、制動エネルギーから電気エネルギーへの変換（回生制動）等を管理する制御器が統合されているので、エネルギー貯蔵装置は自動車の作動中に充電を行うことができる。

エネルギー貯蔵装置又は各電気化学単電池は、４００Ａの電流及び極端な条件例えば高い温度に対しては５００Ａまでの電池で１００Ｖ〜４５０Ｖの最大電圧範囲のような良好な特性を示さねばならない。連続電流は８０Ａ〜１００Ａ又は応用に応じてもっと大きい範囲にある。

このような極端な条件のために、エネルギー貯蔵装置の電気化学単電池の接続部は極端に応力をかけられる。

通常接続はクリンプ、ねじ又は溶接点を介して行われる。接続部の構成中に電気化学単電池は、熱応力及び機械的応力を通してしばしば損傷される。

従って本発明の目的は、極端な条件の下例えば自動車において大きい振動及び高い温度の下で、１５年まで高い信頼性を持つ電気化学単電池及びエネルギー貯蔵装置を提供することである。更にエネルギー供給装置の良好な電流容量（良好な通電容量で、接続抵抗が単電池内部抵抗より小さい）、及び熱的及び機械的応力に対する高い抵抗力を示すようにする。

この目的を達するため、電気化学単電池は、高い電流容量、及び電極接続部の新しい接続形式を介して良好な電流及び熱分布を持っている。更に隔離体は新しい接続形式に基いて正確に固定される。

本発明の重要な局面によれば、電気化学単電池が、少なくとも１つの隔離膜により隔離される平らな電極膜の積層体として設けられる１対の電極を持ち、各電極の電極膜が、内部電極導体を介して互いに電気接続され、異なる電極の内部電極導体が、電極膜の電極材料のない区域において、電気化学単電池の両側に設けられ、各内部電極導体が、それぞれの電極の電極材料のない区域にある所定数の溶接点を介して、それぞれの電極膜と接続され、各電極導体が所定数の開口を持ち、これらの開口において結合素子が、それぞれの電極のために、内部電極導体を外部電極導体に結合するようになっている。

内部電極導体をそれぞれの電極用の外部電極導体と接続するため、開口に設けられる結合素子を持つ内部電極導体に、各電極の内部電極膜を互いに接続する溶接点を組合わせて設けることにより、良好な電流容量及び良好な電流分布及び熱分布が可能になる。

外部電極導体が導体棒として設けられているのがよい。可能な実施形態では、外部電極導体が少なくとも銅から成っている。更に外部電極導体で保護層が被覆された少なくとも銅から成っている。腐食に対してよく保護するため、保護層が錫又はニッケルまたは合金例えばアルミニウムマンガン又はアルミニウム銅の合金から成っている。その代りに、外部電極導体が、処理された表面例えば電子ビームで処理された表面を持つ少なくとも銅から成っている。

本発明の別の局面によれば、各外部電極導体が少なくとも１ｍｍの厚さを持っている。この厚さは、特別な応用例えば電気化学単電池の大きさに基いて変化することができる。単電池が大きいほど、外部電極導体の厚さが大きい。例えば厚さは約１ｍｍ〜約３ｍｍの範囲になければならない。これにより、必要な導体断面が新しい導体厚さによって与えられるので、付加的な有効電極表面が同じ単電池外表面によって与えられる。更にこのような導体厚さにより、内部単電池と外部単電池との間の移行面を減少することが可能であり、それによりこの移行面の密封性が増大する。

内部電極導体と外部電極導体との所定の固定結合のため結合素子が、鋲、クリンプ、ボルト又は内部電極導体特に内部電極膜に統合される膨出部又はこぶであり、これらの膨出部又はこぶは特に超音波溶接を介して溶接される。

本発明の別の局面として、溶接点の数が開口の数又は結合素子の数より大きい。これにより多数の固定点による内部電極膜の所定の固定が可能になり、隔離膜が固定される電極膜の間に確実に固定される。溶接点の数と開口又は結合素子の数との関係は、２．０〜３．０の範囲にあるのがよい。例えば６つの溶接点が規定されていると、３つの開口又は結合素子で充分である。更に開口又は結合素子は、溶接点の間になるべく対称に設けられ、例えば２つの溶接点と１つの開口又は結合素子が交互に設けられる。

電気化学単電池を他の電気化学単電池と接続するために、外部電極導体がそれぞれの外部端子と接続される。

本発明の別の局面として、エネルギー貯蔵装置が、いわゆるぽかよけ（接触素子が互いん誤接触しないように設計されているようなフェイルセーフ接触）を介して、電気化学単電池の所定のフェイルセーフ接続部を備えている。

本発明の重要な局面によれば、エネルギー貯蔵装置が複数の平らな電気化学単電池を含み、各電気化学単電池が、外部端子を介して電気化学単電池を互いに電気接続する１対の電極を含み、各電気化学単電池が、１対の外部端子としてまっすぐな外部端子と曲がった外部端子を含み、１つの電気化学単電池のまっすぐな外部端子が隣接する電気化学単電池の曲がった外部端子と接続されるように、これらの電気化学単電池が互いに接続されている。

外部端子のこのような設計により、電気化学単電池が誤接続しないようにすることができる。更にこの設計は、１つのパック例えば電池パックまたはエネルギー貯蔵パックに電気化学単電池を効果的に空間を節約して設けるのを可能にし、このパックにおいて平らな電気化学単電池が互いに積層される。このような積層配置は、積層体を複数の単電池のモジュールに簡単かつ効果的に分割するのを可能にする。

大電流容量で信頼性のある永久接続のために、各外部端子は少なくとも１つの膨出部を持っている。

本発明の別の局面によれば、各外部端子が少なくとも１ｍｍの厚さを持っている。この厚さは、例えばエネルギー貯蔵装置の大きさ特に単一の電気化学単電池の大きさの応用に基いて変化可能である。装置又は単電池が大きいほど、外部端子の厚さは大きい。例えば厚さは約１ｍｍ〜約３ｍｍの範囲になければならない。これにより、必要な端子断面が新しい端子厚さによって与えられるので、同じ単電池外面により付加的な有効電極表面が与えられる。更にこのような端子厚さは、内部単電池と外部単電池との間の移行表面の減少を可能にし、それによりこの移行面における密封性が増大する。

本発明の可能な実施形態では、各外部端子が少なくとも銅から成っている。別の可能な実施形態では、各外部端子が、保護層で被覆される少なくとも銅から成っている。保護層は例えば錫又はニッケル又は合金例えばアルミニウムマンガン又はアルミニウム銅の合金から成っている。

応用に応じて、電気化学単電池は直列、並列又は直並列に接続される。

本発明は、電気自動車、ハイブリッド電気自動車特に並列ハイブリッド電気自動車、直列ハイブリッド電気自動車又は直並列ハイブリッド電気自動車において使用可能である。更に本発明は風エネルギー又は他の生産されるエネルギー例えば太陽エネルギーのためにも使用可能である。

本発明が、図示される以下の実施例を参照して更に説明される。しかしこれらの実施例が革新的な教示の多くの有利な使用の例にすぎないことを理解すべきである。

各単電池の外部端子対を介して互いに接続される複数の電気化学単電池を持つエネルギー貯蔵装置を示す。電気化学単電池を示す。

本発明は、電気化学単電池及び複数のこれらの単電池を含むエネルギー貯蔵装置に関する。本発明は、種々の応用のために、例えばハイブリッド電気自動車において使用可能であり、ハイブリッド電気自動車は駆動電動機及び内燃機関を持ち、駆動電動機はエネルギー貯蔵装置から供給される電力により駆動される。その代りに、エネルギー貯蔵装置は、エネルギー貯蔵装置から供給される電力により駆動される駆動電動機を持つ電気自動車においても使用可能である。更にエネルギー供給装置は、風又は太陽のエネルギーを貯蔵するために使用可能であり、そのため装置は風又は太陽エネルギープラントに統合されている。

図１は、複数の平らな電気化学単電池２（電池単電池又は単一単電池又は角柱単電池とも称される）を持つエネルギー貯蔵装置１（電池パックとも称される）を示す。

各電気化学単電池２は１対の電極Ａ及びＫを持ち、１つの電極Ｋが陰極又は正の電極であり、他の電極Ａが陽極又は負の電極である。

電気化学単電池２を互いに電気接続するため、各単電池２の電極Ａ及びＫが外部端子３．Ａ及び３．Ｋに接続されている。応用に応じて、電気化学単電池２は、外部端子３．Ａ及び３．Ｋを介して直列、並列又は直並列に接続可能である。

図１による実施例は、直列接続される電気化学単電池２を示している。

電気化学単電池２の１つが図２に詳細に示されている。

各電気化学単電池２は、例えば電極Ａ及びＫとして複数の内部電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎを含む平らな単電池であり、異なる電極膜Ａ１〜ＡｎとＫｌ〜Ｋｎが図示しない隔離膜により隔離されている。この隔離膜は、例えば非水電解質でゆすぐ。電極Ａ，Ｋ用隔離膜の代わりに隔離板が使用可能である。

単電池２の種類例えばリチウムイオン電池に応じて、電極膜Ａ１〜Ａｎ，Ｋｌ〜Ｋｎは２つの異なるグループに分割される。電極膜の１つのグループＡ１〜Ａｎは例えば金属リチウムの陰極Ｋを表わし、電極膜の他のグループＫｌ〜Ｋｎはリチウム黒鉛の陽極Ａを表わす。

各電気化学単電池２の外部端子３．Ａ，３．Ｋをそれぞれの電極Ａ，Ｋと接続するため、単電池２は内部電極導体４．Ａ，４．Ｋを持っている。詳細には、それぞれの電極Ａ及びＫの内部電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎは、内部電極導体４．Ａ及び４．Ｋを介して互いに電気接続され、異なる電極Ａ及びＫの内部電極導体４．Ａ及び４．Ｋが、それぞれの電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎの電極材料なし区域において、電気化学単電池２の両側に設けられている。

各電極Ａ及びＫの内部電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎの固定接続のため、各内部電極導体４．Ａ及び４．Ｋは、それぞれの電極Ａ及びＫのそれぞれの電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎの電極材料なし区域に、所定数の溶接点５．１〜５．ｚを備えている。内部電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎのこのような固定接続は、電極膜Ａ１〜ＡｎとＫｌ〜Ｋｎとの間に設けられる隔離膜の固定接続も可能にする。

更に各内部電極導体４．Ａ及び４．Ｋは、内部電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎを通る所定数の開口６．１〜６．ｎを持ち、これらの開口において、内部電極導体４．Ａ及び４．Ｋ特に内部電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎをそれぞれの電極Ａ及びＫ用の外部電極導体７．Ａ及び７．Ｋ（隠された導体のための破線）と接続するようになっている。

外部電極導体７．Ａ，７．Ｋは、例えば導体棒として設けられている。外部電極導体７．Ａ，７．Ｋは少なくとも銅から成っているのがよい。更に外部電極導体７．Ａ，７．Ｋは、例えば錫又はニッケル又は合金例えばアルミニウムマンガン又はアルミニウム銅から成る保護層で被覆される少なくとも銅から成っている。

その代わりに外部電極導体７．Ａ，７．Ｋが、処理された表面例えば電子ビームで処理された表面を持つ少なくとも銅から成っていてもよい。更に各外部電極導体７．Ａ，７．Ｋは少なくとも１ｍｍの厚さを持っている。この厚さは特別な応用例えば電気化学単電池２の大きさに基いて変化可能である。単電池２が大きいほど、外部電極導体７．Ａ，７．Ｋの厚さが大きい。例えば厚さは約１ｍｍ〜約３ｍｍの範囲になければならない。

可能な実施例として、開口６．１〜６．ｍに設けられる結合素子は、選択的に溶接可能な鋲、クリンプ又はボルトであってもよい。その代りに結合素子は、溶接されて内部電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎに統合される膨出部又はこぶによって与えられる。

好ましい実施例では、それぞれの内部電極導体４．Ａ及び４．Ｋにあって接続される内部電極膜Ａ１〜Ａｎ及びＫｌ〜Ｋｎの溶接点５．１〜５．ｚの数は、それぞれの内部電極導体４．Ａ及び４．Ｋにある開口６．１〜６．ｍ又は結合素子の数より大きい。溶接点５．１〜５．ｚの数と、開口６．１〜６．ｍ又は結合素子の数との関係は、２．０〜３．０の範囲にある。

図２に示すように、各外部電極導体７．Ａ，７．Ｋは、それぞれの外部端子３．Ａ，３．Ｋと接続されている。

更に隔離膜を持つ電極膜Ａ１〜Ａｎ，Ｋｌ〜Ｋｎの装置はケーシング４により包囲されている。ケーシング４は、単電池２を他の単電池に対して隔離する膜ケーシングまたは板ケーシングとして設けることができる。

単電池２は少なくとも電気的に互いに絶縁されているのがよい。更に単電池２は、使用される材料に応じて互いに熱的に絶縁可能である。その代りに、ケーシング表面を介して、単電池２を電気接続することができる。他の実施例では、電気絶縁のため、材料例えば樹脂を単電池２の間に満たすことができる。

エネルギー貯蔵装置１全体を、図示しないケーシング例えば板ケーシング又は膜ケーシング（ソフトパックとも称される）により包囲することもできる。

その代りに、温度センサのようなセンサ素子を外部端子３．Ａ，３．Ｋに直接統合することができる。これにより非常に効果的な温度測定が可能である。

特にエネルギー貯蔵装置１の大きさに応じて、各外部端子３．Ａ，３．Ｋの厚さを１ｍｍ〜３ｍｍの範囲で変えることができる。１つの実施例では、各外部端子３．Ａ，３．Ｋは少なくとも１ｍｍの厚さを持つことができる。その代りに外部端子３．Ａ，３．Ｋは利用可能な空間及び必要な小形化及び密封性に応じて上述した範囲内で異なる厚さを持つことができる。

更にそれぞれの単電池２からの電流分配が効率的に行われるように、外部端子３．Ａ，３．Ｋを異なるように形成することができる。例えば各外部端子３．Ａ，３．Ｋの接続端部は、円錐の形状をとることができる。各外部端子３．Ａ，３．Ｋの接続端部は、端子３．Ａ，３．Ｋをそれぞれの外部電極導体７．Ａ，７．Ｋと接続する端部である。

各外部端子３．Ａ，３．Ｋは少なくとも銅からなっているのがよい。各外部端子３．Ａ，３．Ｋは同じ材料から成っている。これは同じ溶接温度を可能にする。更に各外部端子３．Ａ，３．Ｋは、保護層で被覆される少なくとも銅から成っているのがよい。保護層は耐食性の錫又はニッケルから成っているのがよい。保護層は非常に薄い。例えば保護層は数μｍの厚さを持っている。

１エネルギー貯蔵装置
２電気化学単電池
３．Ａ陽極の外部端子
３．Ｋ陰極の外部端子
４．Ａ内部電極導体（陽極導体）
４．Ｋ内部電極導体（陰極導体）
５．１〜５．ｚ溶接点
６．１〜６．ｍ開口
７．Ａ外部電極導体（陽極導体）
７．Ｋ外部電極導体（陰極導体）
Ａ陽極
Ｋ陰極

Claims

隔離膜により隔離される平らな電極膜（Ａ１〜Ａｎ，Ｋ１〜Ｋｎ）の積層体として設けられる１対の電極（Ａ，Ｋ）を持つ電気化学単電池（２）であって、
各電極（Ａ，Ｋ）の電極膜（Ａ１〜Ａｎ，Ｋ１〜Ｋｎ）が、内部電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）を介して互いに電気接続され、
異なる電極（Ａ，Ｋ）の内部電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）が、電極膜（Ａ１〜Ａｎ，Ｋ１〜Ｋｎ）の電極材料のない区域において、電気化学単電池（２）の両側に設けられ、
各内部電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）が、それぞれの電極（Ａ，Ｋ）の電極材料のない区域にある所定数の溶接点（５．１〜５．ｚ）を介して、それぞれの電極膜（Ａ１〜Ａｎ，Ｋ１〜Ｋｎ）と接続され、
各電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）が所定数の開口（６．１〜６．ｍ）を持ち、これらの開口において結合素子が、それぞれの電極（Ａ，Ｋ）のために、内部電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）を外部電極導体（７．Ａ，７．Ｋ）に結合するようになっている、
電気化学単電池。
外部電極導体（７．Ａ，７．Ｋ）が導体棒として設計されている、請求項１に記載の電気化学単電池。
外部電極導体（７．Ａ，７．Ｋ）が少なくとも銅から成っている、請求項１に記載の電気化学単電池。
外部電極導体（７．Ａ，７．Ｋ）が保護層を持つ少なくとも銅から成っている、請求項１に記載の電気化学単電池。
保護層が錫又はニッケルまたは合金例えばアルミニウムマンガン又はアルミニウム銅の合金から成っている請求項４に記載の電気化学単電池。
外部電極導体（７．Ａ，７．Ｋ）が、処理された表面例えば電子ビームで処理された表面を持つ少なくとも銅から成っている、請求項１に記載の電気化学単電池。
結合素子が、内部電極導体（４．Ａ，４．Ｋ）に統合される鋲、クリンプ、ボルト又は膨出部又はこぶである、請求項１に記載の電気化学単電池。
溶接点（５．１〜５．ｚ）の数が開口（６．１〜６．ｍ）の数より大きい、請求項１に記載の電気化学単電池。
溶接点（５．１〜５．ｚ）の数と開口（６．１〜６．ｍ）の数との関係が２．０〜３．０の範囲にある、請求項１に記載の電気化学単電池。
外部電極導体（７．Ａ，７．Ｋ）がそれぞれの外部端子（３．Ａ，３．Ｋ）と接続されている、請求項１に記載の電気化学単電池。
請求項１に記載の複数の平らな電気化学単電池（２）を持つエネルギー貯蔵装置。
各単電池（２）が、外部端子（３．Ａ，３．Ｋ）を介して電気化学単電池（２）を互いに電気接続する１対の電極（Ａ，Ｋ）を持っている、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵装置。
電気化学単電池（２）が直列接続されている、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵装置。
電気化学単電地（２）が並列接続されている、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵装置。
電気化学単電地（２）が直並列接続さている、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵装置。
請求項１１に記載のエネルギー貯蔵装置から供給される電力により駆動される駆動電動機を持つ電気自動車。
駆動電動機及び内燃機関を持つハイブリッド電気自動車であって、駆動電動機が、請求項１１に記載のエネルギー供給装置から供給される電力により駆動される、ハイブリッド電気自動車。