JP2012504932A - バッテリ用電子電流遮断デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2008年10月2日に提出された米国仮特許出願第61/102,323号の優先権を主張し、この出願は参照により及びあらゆる目的のためにその全体が本明細書に組み込まれる。
リチウムベースのセルは、過放電、暴走温度、又は短絡の状態にあるとき、容易に損傷を受ける。1つのセルが提供する出力電力よりもはるかに大きな出力電力を必要とするデバイスでは、多数のリチウムセルを直列及び/又は並列に接続させて大電流の充電及び放電を達成するバッテリ組立部を形成する場合に、過剰な温度がリチウムベースのセル爆発を引き起こすこともある。そのような用途において、リチウムセルは過放電により引き起こされる損傷を容易に受けやすく、バッテリがそのように損傷される場合には、費用がはるかに高くなる。また、バッテリの爆発が起こった場合、より強烈になる。どんな可能な短絡の状態であっても特に危険である。典型的なリチウムイオンセルは、短絡の状態でも30アンペアを生み出すことができ、これはバッテリ全体を破壊することができる。従って、安全装置が、リチウムセルの動作中にリチウムセルの電圧及び温度を検出し、かつ異常な事象が発生したときに放電電流を即座に遮断することが望ましい。そのような安全機構を有する装置が非動作条件に置かれる場合、前記装置は最小の漏れ電流をも保証しなければならない。
或る観点では、本発明は、リチウムイオンセル組立部内部に配置される保護回路を提供し、前記リチウムイオン組立部は、前記保護回路と電気的通信状態にあるリチウムイオンセルを含む。回路は、リチウムイオンセルを充電するための充電デバイスに、及び/又は、リチウムイオンセル組立部からの放電電流により駆動される負荷デバイスに接続するための第1の接続端子及び第2の接続端子;
リチウムイオンセルと第1端子又は第2端子との間の第1回路ループを伝導する又は遮断するために、リチウムイオンセルと第1端子との間に結合される第1保護モジュール;
リチウムイオンセルと第1端子又は第2端子との間の第2回路ループを伝導する又は遮断するために、第1保護モジュールと第1端子との間に結合される第2保護モジュール;
第1保護モジュール、第2保護モジュール、リチウムイオンセル、第1端子、及び第2端子と結合する集積回路モジュールであって、リチウムイオンセルのパラメータをモニタリングし、第1及び第2保護モジュールを制御して、リチウムイオンセルと第1及び第2端子との間の第1回路ループ、第2回路ループ、あるいは両方を伝導する又は遮断する前記集積回路モジュール;
集積回路に結合される熱センサであって、セルの温度を検出するためにリチウムイオンセルと接触している前記熱センサ;
リチウムイオンセルの電流を測定し制御するために、第2保護モジュールと第1端子との間に結合される抵抗器;
を含む。
以下の説明は、例示的な実施態様だけについてなされたものであって、本発明の範囲、適用性、又は構成を限定することを決して意図するものではない。むしろ、以下の説明は、本発明の例示的な実施態様を実現するための好都合な例示を提供する。添付の特許請求の範囲に示される本発明の範囲を逸脱することなく、説明される実施態様に対して、説明される要素の機能及び構成での種々の変更を行うことができる。
R1−X−(Li+)R2(R3)m, (I)
(式中、下付き文字mは、0又は1であり、但し、m=0のときには、R1及びR2が水素以外であり、m=1のときには、R1、R2、及びR3の1つのみが水素であるものとする)
で表されるリチウム化合物及び媒質を含む。
LixMO2
を有する酸化物であり、式中、Mは、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Mg、Ti、V、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、層状結晶構造を有する遷移金属イオンであり、値xは、約0.01〜約1、好ましくは約0.5〜約1、より好ましくは約0.9〜1であることができる。更にいくつかの別の実施態様では、活物質は、実験式:
Li1+xM2−yO4
を有する酸化物であり、式中、Mは、Mn、Co、Ni、Al、Mg、Ti、V、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、スピネル結晶構造を有する遷移金属イオンであり、値xは、約−0.11〜0.33、好ましくは約0〜約0.1であることができ、値yは、約0〜0.33、好ましくは0〜約0.1であることができる。更にいくつかの別の実施態様では、活物質は、酸化バナジウム、例えばLiV2O5、LiV6O13、LixV2O5、LixV6O13である(式中、xは、0<x<1である)か、又は、その組成が当分野で公知のような不定比の、無秩序の、非晶質の、過剰リチオ化(overlithiated)、またはリチオ化不十分の(underlithiated)形態であるという点で修飾されたそれらの化合物である。適当な正極活化合物は、5%未満の二価又は三価の金属カチオン、例えば、Fe2+、Ti2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Cu2+、Mg2+、Cr3+、Fe3+、Al3+、Ni3+、Co3+、又はMn3+などをドープすることにより更に修飾されることができる。いくつかの別の実施態様では、正極組成に適した正極活物質は、かんらん石構造を有するリチウム挿入化合物、例えば、LixMXO4を含み、ここで、Mは、Fe、Mn、Co、Ni、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される遷移金属イオンであり、Xは、P、V、S、Si、及びそれらの組み合わせからなる群から選択され、値xの値は、約0〜2であることができる。いくつかの別の実施態様では、NASICON構造を有する活物質、例えば、YxM2(XO4)3であり、ここで、Yは、Li又はNa、あるいはそれらの組み合わせであり、Mは、Fe、V、Nb、Ti、Co、Ni、Al、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される遷移金属イオンであり、Xは、P、S、Si、及びそれらの組み合わせの群から選択され、値xは、0〜3である。これらの材料の例は、J.B.Goodenoughによる「Lithium Ion Batteries」(Wiley-VCH press、Edited by M.Wasihara and O.Yamamoto)において開示されている。電極材料の粒子サイズは、好ましくは1nm〜100μm、より好ましくは10nm〜100μm、更により好ましくは1μm〜100μmの間である。
Claims (21)
- リチウムイオンセル組立部内に配置される保護回路であって、
前記リチウムイオンセル組立部は、保護回路と電気的通信状態にあるリチウムイオンセルを含み、そして、前記保護回路が:
前記リチウムイオンセルを充電するための充電デバイスに、及び/又は、前記リチウムイオンセル組立部からの放電電流により駆動される負荷デバイスに接続するための第1の接続端子及び第2の接続端子と;
前記リチウムイオンセルと前記第1端子又は前記第2端子との間の第1回路ループを伝導する又は遮断するために、前記リチウムイオンセルと前記第1端子との間に結合される第1保護モジュールと;
前記リチウムイオンセルと前記第1端子又は前記第2端子との間の第2回路ループを伝導する又は遮断するために、前記第1保護モジュールと前記第1端子との間に結合される第2保護モジュールと;
前記第1保護モジュール、前記第2保護モジュール、前記リチウムイオンセル、前記第1端子、及び前記第2端子と結合する集積回路モジュールであって、前記リチウムイオンセルのパラメータをモニタリングし、前記第1保護モジュール及び前記第2保護モジュールを制御して、前記リチウムイオンセルと前記第1端子及び前記第2端子との間の前記第1回路ループ、前記第2回路ループ、あるいは両方を伝導するか又は遮断するための、前記集積回路モジュールと;
前記集積回路に結合される熱センサであって、前記セルの温度を検出するために前記リチウムイオンセルと接触している前記熱センサと;
前記リチウムイオンセルの電流を測定し制御するために、前記第2保護モジュールと前記第1端子との間に結合される抵抗器と;
を含む、前記保護回路。 - 第1保護モジュールがスイッチを含み、前記スイッチは、集積回路モジュールに結合しており、そして、リチウムイオンセルの温度が所定温度を超えるか又は温度の変化の割合が所定の値から逸脱するときに、リチウムイオンセルと第1端子との間の第1回路ループを遮断する、請求項1に記載の保護回路。
- 第1保護モジュールがスイッチを含み、前記スイッチは、集積回路モジュールに結合しており、そして、集積回路の動作電流が所定電流よりも大きいか又は短絡があるときに、リチウムイオンセルと第1端子との間の第1回路ループを遮断する、請求項1に記載の保護回路。
- 第1保護モジュールがスイッチを含み、前記スイッチは、集積回路モジュールに結合しており、そして、リチウムイオンセルの電圧が所定電圧よりも大きい又は小さいときに、リチウムイオンセルと第1端子との間の第1回路ループを遮断する、請求項1に記載の保護回路。
- 第2保護モジュールがヒューズを含み、前記ヒューズは、集積回路モジュールに結合しており、そして、集積回路の動作電流が所定電流よりも大きいか又は短絡があるときに、リチウムイオンセルと第1端子との間の第2回路ループを遮断する、請求項1に記載の保護回路。
- 集積回路が予めプログラムされている、請求項1に記載の保護回路。
- 前記リチウムイオンセルが集電体及び電解質を含む、請求項1に記載の保護回路。
- 電解質溶液が、LiPF6、LiBF4、LiClO4からなる群から選択される塩、及び、式:
(RaSO2)N−Li+(SO2Ra)
(式中、各Raは、独立してC1〜8ペルフルオロアルキル基又はペルフルオロアリール基であるものとする)
を有する化合物を含む、請求項7に記載の保護回路。 - 電解質溶液が、CF3SO2N−(Li+)SO2CF3、CF3CF2SO2N−(Li+)SO2CF3、CF3CF2SO2N−(Li+)SO2CF2CF3、CF3SO2N−(Li+)SO2CF2OCF3、CF3OCF2SO2N−(Li+)SO2CF2OCF3、C6F5SO2N−(Li+)SO2CF3、C6F5SO2N−(Li+)SO2C6F5、又はCF3SO2N−(Li+)SO2PhCF3から選択される塩を含む、請求項8に記載の保護回路。
- 集電体が、金属箔及びカーボンシートからなる群から選択され、前記カーボンシートは、グラファイトシート、炭素繊維シート、炭素発泡体、カーボンナノチューブフィルム、又はそれらの混合物から選択される、請求項7に記載の保護回路。
- リチウムイオンセルと、保護回路とを含むリチウムイオンセル組立部であって、
前記リチウムイオンセルが前記保護回路と電気的通信状態にある、前記リチウムイオンセル組立部。 - 保護回路が、スイッチを備えている第1保護モジュールを含む、請求項11に記載のリチウムイオンセル組立部。
- 保護回路が、ヒューズを備えている第2保護モジュールを含む、請求項11に記載のリチウムイオンセル組立部。
- 保護回路が、熱電対を備えている熱センサを含む、請求項11に記載のリチウムイオンセル組立部。
- リチウムイオンセルがカーボンシート集電体を含む、請求項11に記載のリチウムイオンセル組立部。
- 1つ又は複数のリチウムイオンセル組立部を含むリチウムイオンバッテリであって、各リチウムイオン組立部が、保護回路と電気的通信状態にあるリチウムイオンセルを含む、前記リチウムイオンバッテリ。
- 保護回路が、スイッチを備えている第1保護モジュールを含む、請求項16に記載のバッテリ。
- 保護回路が、ヒューズを備えている第2保護モジュールを含む、請求項16に記載のバッテリ。
- 保護回路が、熱電対を備えている熱センサを含む、請求項16に記載のバッテリ。
- リチウムイオンセルがカーボンシート集電体を含む、請求項16に記載のバッテリ。
- リチウムイオンセルを保護するための、リチウムイオンセル組立部内に配置される保護回路の使用であって、前記リチウムイオンセル組立部が前記保護回路と電気的通信状態にある、前記使用。
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