JP2013502035A - 安全性が改善された円柱形の二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
これらのうち好ましいのは、鎖状カーボネート化合物、環状カーボネート化合物、又はそれらの組み合わせから成るカーボネート系溶媒である。
上蓋310は、上向きの中央突出部を有しており、ひいては、外部回路への連結によりカソード端子として機能する。
円筒缶200内に存在する圧縮ガスを排出するための複数のガス排出口312が、前記突起部の外周部に沿って形成されている。
この開いている領域は非ノッチ領域330であり、当該非ノッチ領域330は、ノッチが形成された領域が高圧ガスによって切断されるにも関わらず第一ノッチの全部が分離することを阻止する。
2つの非ノッチ領域340は第二ノッチ326の両側の開いた端部に配置されている。
非ノッチ領域340は、切断により第二ノッチ326が分離することを阻止している。
第二ノッチ326の分離をより確実に阻止するために、好ましくは非ノッチ領域340が、非ノッチ領域330に対応しない領域に配置されており、より好ましくは、図示するように、非ノッチ領域340が第一ノッチ324の非ノッチ領域330の中心線に基づいて約±90度の角度で形成されていると共に、2つの非ノッチ領域340が互いに向かい合うように配置され得る。
複数の貫通孔610は、電流遮断デバイス600の総面積の30%の大きさを持っており、電池内部に存在する高圧ガスの排出量を増加しており、これにより、確実な電流遮断を発揮することができる。
複数の貫通孔610は、約120度の角度で互いに離間されていると共に、その形状および大きさが共に同じであり、それらの間の間隔は、実質的に均一である。
当該構造に基づき、電流遮断デバイス600は、ガス排出を最大限に高めると共に高い機械的強度を維持する。
したがって、内部圧力が所定の水準以上になった場合に、貫通孔610を通過する高圧ガスが直線的な通路を通じて第一ノッチ324を押圧して第一ノッチ324の切断を促進し、それにより、迅速なガス排出が可能になる。
図示の便宜上、電流遮断デバイス用のガスケットは開口部の形状だけを表すように簡潔に示されている。
すなわち、電流遮断デバイス用のガスケット700の形状は、電流遮断デバイス600における開口が形成されていない領域の外周部の形状と実質的に一致している。
図2と共にそれらの図面を参照すると、プレート型の絶縁部材800は、その中央に、ガス排出及び電極端子の接続を可能にする穿孔された開口部820が設けられていると共に、開口部820の周りに配置された1つ以上の貫通孔810が設けられている。
プレート型の絶縁部材800の貫通孔810は、電流遮断デバイス600の貫通孔610に一致する形状、大きさ、及び位置で形成され、且つ、プレート型の絶縁部材800の総面積の30%の大きさを持つことができる。
円柱形の二次電池は、下記の方法で作製される。
LiCoO2を含有するカソード活物質がアルミニウム製の集電体に塗布されると共に、カソードを作製するためにカソードタップが上向きに突出するように前記集電体の端部に接着される。
人造黒鉛を含有するアノード活物質が銅製の集電体に塗布されると共に、アノードを作製するためにアノードタップが上向きに突出するように前記集電体(the anode collector)の端部に接着される。
リチウム二次電池用の電解質は、1.0MのLiPF6を含有する電解質としての非水溶媒に、添加剤としてのフルオロエチレンカーボネートを電解質の総重量の11重量%だけ添加し、エチレンカーボネート(EC)/プロピレンカーボネート(PC)/ジメチルカーボネート(DMC)=30/5/65(体積比)の割合で構成することによって調製される。
ジェリー・ロールを製造するために、項目1−1で得られたカソードとアノードとの間にセパレータが介在しているシート型のラミネートが、中心ピンの内側に挿入された後、350g/cm2の圧力で巻かれる。
それにより製造されたジェリー・ロールは、円筒形のケース内に収納され、リード線に接続されると共に、1−2の項目で調合された電解質がそこに注入される。
図7に示すように、直径8.0mm及び幅0.06mmの第一ノッチは、直径16mm及び幅0.3mmのアルミニウム製の板材のうちの30度の角度をもつ円弧以外の領域に形成されており、下向きに突出した深さ0.65mmの凹部が設けられた安全ベントが製造される。
次に、電流遮断デバイスを製造するために、前記板材の中央に直径1.53mm及び高さ0.20mmの突起部が形成されると共に、幅0.6mm及び円周長さ2.61mmの3つの貫通孔が中央の突起部の中心から1.5mmの距離をおいて穿孔され、さらに、貫通孔を接続する各ブリッジ部に幅約70μmのノッチが形成される。
電池は、安全ベントの製造工程において第一ノッチの幅が0.1mmであると共に第二ノッチの幅が0.06mmであることを除いて実施例1と同様の方法で作製されている。
電池は、安全ベントの製造工程において第一ノッチの幅が7mmであると共に第二ノッチの幅が0.06mmであることを除いて実施例1と同様の方法で作製されている。
電池は、電解質の調製工程において電解質の総重量の20重量%の量のフルオロエチレンカーボネートが含有されていることを除いて実施例1と同様の方法で作製されている。
電池は、電解質の調製工程において電解質の総重量の30重量%の量のフルオロエチレンカーボネートが含有されていることを除いて実施例1と同様の方法で作製されている。
電池は、電解質の調製において、体積比が8:92であるプロピレンカーボネート(PC)とメチルプロピオネート(MP)とからなる非水溶媒が用いられていることを除いて実施例4と同様の方法で作製されている。
電池は、電解質の調製において、体積比が8:92であるプロピレンカーボネート(PC)とメチルプロピオネート(MP)とからなる非水溶媒が用いられていることを除いて実施例4と同様の方法で作製されている。
パウチ型の単セルは、電解質の調製において添加剤が添加されないことを除いて実施例1と同様の方法で作製されている。
電池は、電解質の調製工程において電解質の総重量の5重量%の量のフルオロエチレンカーボネートが含有されていることを除いて実施例1と同様の方法で作製されている。
電池は、電流遮断デバイスの総面積が電流遮断デバイスの総面積の18%であることを除いて実施例1と同様の方法で作製されている。
実施例1、4、及び5及び比較例1及び2において作製された電池が用意され、そのカソード界面抵抗が測定された。
実験結果を図18に示す。
フルオロエチレンカーボネートが電解質に添加された実施例1の電池は、添加剤が添加されていない電池(比較例1)及び添加剤を5重量%含有する電池(比較例2)と比較して相対的増加を示したことが分かる。
特に、添加剤を20重量%含有する電池(実施例4)と添加剤を30重量%含有する電池(実施例5)は、カソード界面抵抗において大幅増加を示したことが分かる。
実施例1、及び4から7、並びに比較例1及び2において作製された各電池がそれぞれ2つずつ用意され、完全に充電された電池に外部短絡が引き起こされ、その回路電流が測定される。
このようにして得られた実験結果は、表1に示されている。
この性質は、実施例4及び5とは異なる非水電解質組成を有する実施例6及び7にも同様に示されている。
実施例1、及び4から7において作製された電池を、熱安定性に関して比較例1及び2の電池と比較した。こうして得られた結果を下記の表2に示す。
熱安定性は、これらの値を比較することにより評価した。
したがって、ガス発生が1度に集中することが抑制されることが分かる。
特に、20重量%の電解質添加剤を含有する実施例4の電池、及び30重量%の電解質添加剤を含有する実施例5の電池は、それぞれ、実施例1の電池と比べて相当に低い比熱容量を示しており、これは、実施例4及び5の電池が優れた安定性を示すことを意味している。
発熱がかなり減少するこの現象は、PC及びMPからなる非水溶媒を用いている実施例6及び7に示されている。
すなわち、フルオロエチレンカーボネートが添加されるものの、その量が10重量%未満である場合、添加によって得られる効果は相当に低い。
実施例1及び3、並びに比較例3において作製された電池は釘刺し試験(nail test)が行われた。
こうして得られた結果を下記の表3に示す。
さらに、実施例2及び3に示すように、第二ノッチが切断され、且つガスが安全ベントから円滑に排出されない場合、電池は爆発しないが変形し得る。
さらに、安全ベントの切断部分が電池の内側に配置された第二ノッチの場合には、ノッチの直径が拡大されるが、切断後の安全ベントの傾いた内側のノッチによって、ガス排出に対する抵抗が不利に発生する可能性があることが認められた。
200・・・円筒缶
110・・・ジェリー・ロール
800・・・絶縁部材
300・・・キャップアッセンブリ
310・・・上蓋
350・・・PTC素子
320・・・安全ベント
400・・・気密用ガスケット
600・・・電流遮断デバイス
700・・・電流遮断デバイス用ガスケット
312・・・ガス排出口
322・・・凹部
324・・・第一ノッチ
326・・・第二ノッチ
330・・・非ノッチ領域
340・・・非ノッチ領域
620・・・突起部
420・・・カソードリード
640・・・ブリッジ部
630・・・貫通孔
650・・・ノッチ
610・・・貫通孔
710・・・中央開口部
820・・・開口部
810・・・貫通孔
Claims (22)
- カソード/セパレータ/アノードを巻くことによって作製された電極アッセンブリ(ジェリー・ロール)と電解質とが円筒缶の内側に設けられた円柱形の電池であって、
前記円筒缶の開口した上部に取り付けられたキャップアッセンブリが、
前記電池の高圧ガスによって切断可能な所定のノッチを備えた安全ベントと、
前記安全ベントの底部に溶接された、電流を遮断する電流遮断デバイスと、
前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる電流遮断デバイス用ガスケットと、
を備えており、
前記電流遮断デバイスがガスを排出させるための2つ以上の貫通孔を備えており、前記貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の20から50%の大きさを持っている、円柱形の電池。 - 前記電流遮断デバイスは、その中央に、上向きに突出していると共に前記安全ベントの凹部の前記底部に溶接された突起部が設けられ、且つ、前記突起部以外の領域の前記底部を介して前記ジェリー・ロールの前記カソードに接続されたカソードリードが電気的に接続される構造と、前記突起部の中心に基づいて同心状に形成された3から5つの貫通孔と隣接する貫通孔に接続するノッチとが設けられたブリッジ部と、を有する、請求項1に記載の円柱形の電池。
- 前記貫通孔は、前記電流遮断デバイスの総面積の30から40%の面積を有する、請求項1に記載の円柱形の電池。
- 前記貫通孔は、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて放射状に対称な位置で円弧形状に形成されている、請求項1に記載の円柱形の電池。
- 前記3つの貫通孔が、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて50から80度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されている、請求項2に記載の円柱形の電池。
- 前記3つの貫通孔が、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて40から55度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されている、請求項2に記載の円柱形の電池。
- 前記安全ベントは、下向きの凹部状の中央部を有しており、前記凹部を構成する上側の屈曲部に第一ノッチが設けられ、前記凹部を構成する下側の屈曲部に第二ノッチが設けられ、
上側領域に設けられた前記第一ノッチが、その一方側が開いている開曲線状になっている、請求項1に記載の円柱形の電池。 - 前記第二ノッチは、互いに向かい合う両端が開いている開曲線構造を有している、請求項7に記載の円柱形の電池。
- 前記第一ノッチは、前記貫通孔の中心線を接続する仮想線の大きさと等しい大きさを有する、請求項7に記載の円柱形の電池。
- 前記第一ノッチの前記開いている領域は、前記第一ノッチが切断されたときに前記凹部が完全に切断されることを防止するために、前記安全ベントの中心に対して20から50度の角度に対応する円弧状の長さを有している、請求項7に記載の円柱形の電池。
- 前記第二ノッチにおいて開いている前記両端は、前記第一ノッチの前記開いている領域と対応していない領域に形成されている、請求項8に記載の円柱形の電池。
- 前記キャップアッセンブリは、電流遮断デバイスと、電流遮断デバイス用ガスケットと、安全ベントと、PTC素子と、1つ以上のガス排出口が形成された上蓋と、からなる積層構造を有しており、前記積層構造の外周部にガスケットが取り付けられている、請求項1に記載の円柱形の電池。
- 前記ガスケットには、その中央に開口部が設けられており、該開口部は、前記電流遮断デバイスの前記貫通孔に連通されている、請求項1に記載の円柱形の電池。
- 前記電流遮断デバイスの前記貫通孔、前記電流遮断デバイス用ガスケットの前記中央開口部、及び前記安全ベントの前記ノッチは、それらが互いに直線的に連通するように形成されている、請求項13に記載の円柱形の電池。
- 熱安定性を向上させるために添加剤(電解質添加剤)を含む電解質を備える、請求項1に記載の円柱形の電池。
- 前記電解質添加剤は、ガスを発生させるために150℃以上の温度で温度上昇を伴う連続的な電解質分解を生じさせる、請求項15に記載の円柱形の電池。
- 前記電解質添加剤は、150から250℃で一次電解質分解を生じさせ、250から300℃で二次電解質分解を生じさせる材料である、請求項16に記載の円柱形の電池。
- 前記電解質添加剤は、フルオロエチレンカーボネート(FEC)である、請求項16に記載の円柱形の電池。
- 前記電解質添加剤は、電解質の総重量に基づいて11から40重量%の量が含まれている、請求項15に記載の円柱形の電池。
- 前記電解質添加剤は、電解質の総重量に基づいて15から35重量%の量が含まれている、請求項15に記載の円柱形の電池。
- 電極アッセンブリと電解質とが円筒缶内に設けられた電池におけるキャップアッセンブリであって、前記円筒缶の開口している上端部に取り付けられたキャップアッセンブリにおいて、
前記電池の電解質は、前記電解質の重量に基づいて150℃以上の温度で温度上昇を伴う連続的な電解質分解を経てガスを発生させる添加剤を11から40重量%含んでおり、
プレート型の絶縁部材がジェリー・ロールの上端部に取り付けられており、前記絶縁部材の中央には、ガスを排出させることができると共に電極端子に接続させることができる穿孔された開口部と、前記開口部の周りに配置された1つ以上の貫通孔と、が設けられており、前記プレート型の絶縁部材の前記貫通孔は、前記プレート型の絶縁部材の総面積の20から50%の大きさを有する、キャップアッセンブリ。 - 前記プレート型の絶縁部材の前記貫通孔は、電流遮断デバイス用ガスケットの中央開口部及び電流遮断デバイスの貫通孔と直線的に連通するような位置にある、請求項21に記載のキャップアッセンブリ。
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