JP2013534358A - 少なくとも１つの圧力軽減装置を有する電気化学セル - Google Patents

Abstract

電気化学セルは、電極スタック（１０）と、前記電極スタック（１０）に接続された少なくとも１つの電流導体（１２、１４）と、前記電極スタック（１０）を少なくとも部分的に包囲するカバー（２０、２２）と、を有する。前記少なくとも１つの電流導体（１２、１４）は、少なくとも部分的に前記カバー（２０、２２）から突出して延在しており、前記カバー（２０、２２）には、少なくとも１つの圧力軽減装置（２６、２８、３０）が設けられている。前記少なくとも１つの圧力軽減装置（２６、２８、３０）が、前記少なくとも１つの電流導体（１２、１４）から可能な限り離れて、及び、電気化学セルが組み立てられた状態において可能な限り、前記カバー（２０、２２）の下側領域に配置されているので、電子機器及び電気化学セルの周囲を保護するために有利である。

Description

本発明は、バッテリアセンブリのための電気化学セル、特に少なくとも１つの圧力軽減装置を有する電気化学セルに関する。

電気化学エネルギー貯蔵装置としては、バッテリ（一次貯蔵装置）及び蓄電池（二次貯蔵装置）等が知られている。これらは、１つ又は複数の貯蔵セルから構成されており、当該貯蔵セル内では、電荷電流を印加した場合に、カソードとアノードとの間における、電解質内又は電解質間での電気化学充電反応において、電気エネルギーが化学エネルギーに変換されて貯蔵されると共に、電力負荷が接続された場合に、電気化学放電反応において、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。一次貯蔵装置は、一般的に一回のみ充電され、放電後に廃棄されるが、二次貯蔵装置は複数サイクル（数１００サイクルから１０，０００サイクルを超えるまで）の充放電を行うことが可能である。このとき注意すべきことに、特に自動車分野においては、蓄電池もバッテリと表記される。

本発明は、自動車の駆動部に電力を供給するためのリチウムイオンバッテリに関連して記載されている。しかしながら、本発明を、電気化学セル及びバッテリの化学物質及び構造とは関係なく、また、電力の供給を受ける駆動部の種類にも関係なく、利用できることを指摘しておく。

先行技術からは、少なくとも部分的にカバーによって覆われた電極スタックを有する電気化学セルが知られている。このカバーは、一方では、化学物質が電極スタックから周囲に流出することを防止し、他方では、セルの構成要素を、周囲との望ましくない相互作用から、例えば水又は水蒸気に対して防護するためのものである。

このような電気化学セル又は貯蔵装置は、例えば過充電又はショートの際に、高い負荷若しくは過負荷が生じた場合、故障の場合、又は通常動作にあっても外部から激しく加熱された場合に、過熱状態に陥る可能性がある。このような過熱状態は、セルの内圧を上昇させ、その結果、セル及びハウジングの破裂、発火、又は爆発が生じ得る。特に、リチウムバッテリ又はリチウムイオンバッテリの領域には、大きな危険が存在する。なぜなら、これらのバッテリは、流出し得る液状で可燃性の有機電解質を含んでいるからである。

特許文献１からは、平型のリチウムイオンバッテリが知られている。当該バッテリは、バースト領域の形態で側方に圧力軽減装置を有するハウジングフレームを備えており、それによって、危機的な過圧状態において、圧力とガスとを、側方から外側に向かって誘導することが可能である。

さらに、圧力軽減装置が、電流導体の近く、又は、側方においてセルのカバーの密封継ぎ目に取り付けられている電気化学セルが知られており、当該圧力軽減装置は、密封継ぎ目の局所的脆弱化として、例えば低い融点を有する挿入要素を用いて形成されている。これに関しては、例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５又は特許文献６が参照される。

独国特許出願公開第１０２００７０６３１９３号明細書 韓国公開特許第１０２００９００７６３４３号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１４８１７３号明細書 米国特許第７１２２２７６号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１１２４３６号明細書 国際公開第２００９／０７８６０４号パンフレット

本発明の課題は、必要に応じて、セルの内圧を確実に軽減できるような、改良された電気化学セルを提供することにある。

本発明によると、本課題は、独立請求項の教示によって解決される。本発明の好ましいさらなる構成は、下位請求項の対象である。

本発明によると、電極スタックと、電極スタックに接続された少なくとも１つの電流導体と、電極スタックを少なくとも部分的に包囲するカバーと、を有する電気化学セルが設けられている。このとき、少なくとも１つの電流導体は、少なくとも部分的に、カバーから突出して延在しており、このカバーには、少なくとも１つの圧力軽減装置が設けられている。有利には、少なくとも１つの電流導体は、カバーの第１の領域において、カバーから突出して延在しており、少なくとも１つの圧力軽減装置は、カバーの第１の領域に背向する第２の領域に配置されている。

本発明によると、電極スタックと、電極スタックに接続された少なくとも１つの電流導体と、電極スタックを少なくとも部分的に包囲するカバーと、を有する電気化学セルも設けられている。このとき、少なくとも１つの電流導体は、少なくとも部分的に、カバーから突出して延在しており、このカバーには、少なくとも１つの圧力軽減装置が設けられている。有利には、少なくとも１つの圧力軽減装置が、電気化学セルが組み立てられた状態において、カバーの下側領域に配置されている。

本発明によると、さらに、少なくとも１つの前記電気化学セルを有する電気化学エネルギー貯蔵装置又はバッテリアセンブリが設けられている。

本発明によると、少なくとも１つの電流導体は、カバーの第１の領域において、カバーから突出して延在しており、少なくとも１つの圧力軽減装置は、カバーの第１の領域に背向する第２の領域に配置されており、及び／又は、少なくとも１つの圧力軽減装置は、電気化学セルが組み立てられた状態において、カバーの下側領域に配置されている。言い換えると、少なくとも１つの圧力軽減装置は、可能な限り電流導体から離れて、及び／又は、セルの下側領域に配置されている。

特に自動車分野におけるリチウムイオンバッテリの場合、ハウジング内で、セルの電流導体の領域に、さらにバッテリマネジメントシステム及び／又はさらなる電子部品が収納されており、バッテリはしばしば自動車において、客室の下側又は座席の下側に取り付けられているという問題が存在する。ここでは、一般的に、電流導体がセルの上側領域においてセルのカバーから突出するように、セルはバッテリ内に取り付けられ、バッテリは自動車に取り付けられるということを考慮すべきである。

この関連において、本発明に係る電気化学セルによって、セルの内部で圧力及び／又は温度が上昇した場合に、少なくとも１つの圧力軽減装置による減圧及び材料の排出（「ベント」とも言う）が、電流導体及びバッテリマネジメントシステムの領域においても、客室の方向においても行われないという利点が得られる。このようにして、電気化学セル内部において、危機的な圧力又は温度状態が生じた場合の、バッテリの動作安全性及び乗客の安全性が高められる。このとき、特に、電流導体の領域におけるショートが、導電性を有するベントガス又は電解質によって防止される。

本発明において「電気化学エネルギー貯蔵装置」とは、そこから電気エネルギーを取り出すことができるあらゆる種類のエネルギー貯蔵装置であると理解され、このエネルギー貯蔵装置の内部では、電気化学反応が生じている。この概念には、あらゆる種類のエネルギー貯蔵装置が、特に一次バッテリ及び二次バッテリが含まれる。電気化学エネルギー貯蔵装置は、少なくとも１つの電気化学セルを、好ましくは複数の電気化学セルを有している。これら複数の電気化学セルは、比較的大きな電荷量を貯蔵するために、並列に接続されても良いし、又は、所望の動作電圧を得るために、直列に接続されても良いし、又は、並列接続と直列接続との組み合わせを形成しても良い。

本発明において、「電気化学セル」又は「電気化学エネルギー貯蔵セル」とは、電気エネルギーの放出に用いられる装置であると理解される。このとき、エネルギーは、化学形態において貯蔵される。再充電可能な二次バッテリの場合、セルは、電気エネルギーを受容し、化学エネルギーに変換し、貯蔵するように構成される。電気化学セルの形状（すなわち、特に大きさ及びジオメトリ）は、利用可能な空間に応じて選択される。好ましくは、電気化学セルは、略角柱状又は円柱状に形成されている。

この関連において、「電極スタック」とは、少なくとも２つの電極と、その間に配置された電解質とから成る構造であると理解される。電解質は、部分的にセパレータによって受容され得る。セパレータは、電極間を分離する。好ましくは、電極スタックは、電極及びセパレータの複数の層を有しており、極性が同じ電極はそれぞれ、好ましくは電気的に互いに接続、特に並列に接続されている。電極は、例えば板状又はホイル様に形成されており、好ましくは、互いに対して略平行に配置されている（角柱状エネルギー貯蔵セル）。電極スタックは巻き上げられ、略円柱状の形状を有していても良い（円柱状エネルギー貯蔵セル）。「電極スタック」という概念は、このような電極巻線も含むべきものである。この電極スタックは、リチウム又はその他のアルカリ金属を、イオン形態においても有することができる。

本発明において「電流導体」とは、セルへ、又は、セルから、電気エネルギーを輸送するために用いられる、電気化学セルの導電性を有する構成要素であると理解される。一般的に、電気化学セルは２種類の電流導体を有しており、これらの電流導体は、それぞれ両方の電極の内１つ又は電極群―アノード又はカソード―と、セルの内部において導電的に接続されている。言い換えれば、セルの電極スタックの各電極は、固有の電流導体を有しているか、又は、電極スタックの同じ極性の電極は、共通の電流導体に接続されている。電流導体の形状は、電気化学セル又はその電極スタックの形状に合わせられる。

「カバー」という概念は、電極スタックから周囲に化学物質が流出するのを防止し、電極スタックの構成要素を、有害な外的影響から守るのに適した、あらゆる種類の装置を含むべきものである。カバーは、１つ若しくは複数の成形部品から、及び／又は、ホイル様に形成され得る。さらに、カバーは、単層又は複層に構成可能である。加えて、カバーを、略剛性の材料から形成しても良いし、弾性の材料から形成しても良い。カバーは、好ましくは、気密かつ電気的に絶縁された材料又は複合層から形成される。カバーは、電極スタックを、好ましくは可能な限り隙間及びエアクッションを生じずに取り囲んでおり、それによって、カバーと電気化学セル内部との間の良好な熱伝導が可能になる。

本発明において「圧力軽減装置」とは、電気化学セルの内部で圧力及び／又は温度が上昇した場合に（例えば過負荷等が原因で）、セルから材料を排出して、又は、排出せずに、減圧を可能にするのに適した、あらゆる種類の装置であると理解される。本発明は、特別な種類の圧力軽減装置に限定されるものではなく、発明は、この少なくとも１つの任意の種類の圧力軽減装置の位置決めを行うためのものであることが明確に指摘される。１つの電気化学セルに、２つ以上の圧力軽減装置が設けられている場合、これらは同じ種類でも良いし、互いに異なっていても良い。

カバー又は電気化学セルの「第１の領域」、「第２の領域」及び「下側領域」は、カバー又はセルのそれぞれの縁側部分の他に、この縁側部分に隣接する部分も、向かい側の縁側部分の方向において含んでいる。前記領域内部での、少なくとも１つの圧力軽減装置の正確な位置決めの選択は、特に達成されるべき目標を通じて、すなわち、電流導体の領域にでもなく客室の方向にでもない圧力の誘導を通じて行われる。

以下に、本発明の好ましいさらなる構成について記載する。

有利には、少なくとも１つの電流導体は、カバーの第１の半分において、カバーから突出して延在しており、少なくとも１つの圧力軽減装置は、カバーの第２の半分に配置されている。好ましくは、少なくとも１つの電流導体は、カバーの上側３分の１又は４分の１において、カバーから突出して延在しており、少なくとも１つの圧力軽減装置は、カバーの下側３分の１又は４分の１に配置されている。

有利な一実施形態において、少なくとも１つの電流導体は、カバーの第１の小幅面（特に上側小幅面）において、カバーから突出して延在しており、少なくとも１つの圧力軽減装置は、カバーの第１の小幅面と向かい合う第２の小幅面（特に下側小幅面）に配置されている。

本発明のさらなる有利な一実施形態において、少なくとも１つの電流導体は、カバーの第１の小幅面（特に上側小幅面）において、カバーから突出して延在しており、少なくとも１つの圧力軽減装置は、カバーの第１の小幅面に対して略横に延在する第３の小幅面に配置されており、それによって側方での圧力の導出が可能になる。

本発明のさらなる有利な一実施形態において、少なくとも１つの圧力軽減装置は、カバーの主要面に配置されている。

２つ以上の圧力軽減装置の場合は、上述の３つの有利な実施形態を自由に選んで組み合わせても良い。例えば、好ましくは圧力軽減装置が、下側小幅面と、側方小幅面の内の１つ又は両方に設けられる。同じく好ましくは、下側小幅面に２つ以上の圧力軽減装置が設けられる。

圧力軽減装置は、好ましくは、カバーの密封継ぎ目の領域に配置されている。同じく、圧力軽減装置は、好ましくは、カバー自身の材料又は材料構造内に設けられている。

有利には、少なくとも１つの圧力軽減装置は、受動的圧力軽減装置として構成されている。

同じく有利には、電気化学セルには、少なくとも１つの測定装置が設けられており、この場合は、少なくとも１つの圧力軽減装置は、能動的な圧力軽減装置として構成されている。測定装置は任意の種類のもので良い。この関連において測定装置は、圧力軽減プロセスの必要性を認識するための、一般的な構成を有している。好ましくは、測定装置は、電気化学セル内部における圧力及び／又は温度、特に圧力の増大及び／又は温度の上昇を把握するように構成されている。

本発明に係る電気化学セルにおいて使用可能な圧力軽減装置の適切な例として挙げられるのは、バースト装置（例えばバーストディスク、安全膜及びホイル、定格破断箇所）、カバー及び／又は密封継ぎ目の局所的脆弱化（例えば材料若しくは材料構造の脆弱化による、又は、材料若しくは材料構造への添加要素の導入による、又は、特別な成形による）、圧力安全弁、カバー及び／又は密封継ぎ目を局所的に破壊するための装置（例えば切断手段、穿孔手段、引裂手段）等である。

本発明のさらなる利点、特徴及び適用可能性は、以下の図を用いた好適な実施形態の説明から明らかになる。

本発明に係る電気化学セルの概略的分解図であり、圧力軽減装置の位置決めに関する様々な可能性を示している。

図１は、電極スタック１０を有する電気化学セルの分解図であり、当該電極スタックは、電極の複数の層と、その間に配置されたセパレータと、を有している。この電極スタック１０とは、２つの電流導体１２及び１４が、同じ極性の電極の各電極束１６又は１８を介して（機械的かつ導電的に）接続されている。

この電極スタック１０は、両側をホイル様カバー２０、２２によって包囲されており、両方のカバーホイル２０及び２２は、電極スタック１０又はセルの小幅面３６〜４２において、密封継ぎ目２４によって、流体密封の状態で互いに接続されている。両方の電流導体１２及び１４は、密封継ぎ目２４を通って、上側小幅面２６において、カバー２０、２２から突出しているので、これらの電流導体はセルの外側で接触可能であり、バッテリの極と接続可能である。

図１において電気化学セルは、概ねバッテリ内、最終的には例えば自動車内にも取り付けられる配置で示されている。したがって、電気化学セル又はカバー２０、２２は、上側半分３２と、下側半分３４と、上側の第１の小幅面３６と、下側の第２の小幅面３８と、２つの側方の第３の小幅面４０及び４２と、２つの主要面４４と、を有している。

このように構成された電気化学セルのカバー２０、２２には、少なくとも１つの圧力軽減装置２６〜３０が設けられている。好ましくは、カバー２０、２２には、１つ、２つ、３つ又は４つの圧力軽減装置２６〜３０が設けられている。

例えば、カバー２０、２２の下側小幅面３８において、密封継ぎ目２４の領域に、１つ、２つ又は３つの圧力軽減装置（druckentlastungsvorrichtung）２６が設けられている。

別の選択肢として、又は、追加的に、カバー２０、２２の１つ又は両方の側方小幅面４０、４２では、その下側領域３４において、密封継ぎ目２４の領域に、それぞれ１つ又は２つの圧力軽減装置２８を設けても良い。

さらに別の選択肢として、又は、追加的に、１つ又は複数の圧力軽減装置３０を、カバー２０、２２の１つ又は両方の主要面４４において、下側領域３４に設けても良い。

１０ 電極スタック
１２、１４ 電流導体
１６、１８ 電極束
２０、２２ カバー
２４ 密封継ぎ目
２６、２８、３０ 圧力軽減装置
３２ 第１の半分（上側半分）
３４ 第２の半分（下側半分）
３６ 第１の小幅面（上側小幅面）
３８ 第２の小幅面（下側小幅面）
４０、４２ 第３の小幅面（側方小幅面）
４４ 主要面

Claims (11)

1. 電極スタック（１０）と、前記電極スタック（１０）に接続された少なくとも１つの電流導体（１２、１４）と、前記電極スタック（１０）を少なくとも部分的に包囲するカバー（２０、２２）と、を備え、前記少なくとも１つの電流導体（１２、１４）は、少なくとも部分的に前記カバー（２０、２２）から突出して延在しており、前記カバー（２０、２２）には、少なくとも１つの圧力軽減装置（２６、２８、３０）が設けられている電気化学セルにおいて、
   前記少なくとも１つの電流導体（１２、１４）は、前記カバー（２０、２２）の第１の領域（３２）において、前記カバーから突出して延在しており、前記少なくとも１つの圧力軽減装置（２６、２８、３０）は、前記カバー（２０、２２）の前記第１の領域（３２）に背向する第２の領域（３４）に配置されていることを特徴とする電気化学セル。
2. 前記電気化学セルが組み立てられた状態において、前記カバー（２０、２２）の前記第２の領域（３４）は、前記カバー（２０、２２）の前記第１の領域（３２）に対して下側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
3. 電極スタック（１０）と、前記電極スタック（１０）に接続された少なくとも１つの電流導体（１２、１４）と、前記電極スタック（１０）を少なくとも部分的に包囲するカバー（２０、２２）と、を備え、前記少なくとも１つの電流導体（１２、１４）は、少なくとも部分的に前記カバー（２０、２２）から突出して延在しており、前記カバー（２０、２２）には、少なくとも１つの圧力軽減装置（２６、２８、３０）が設けられている電気化学セルにおいて、
   前記少なくとも１つの圧力軽減装置（２６、２８、３０）は、前記電気化学セルが組み立てられた状態において、前記カバー（２０、２２）の下側領域（３４）に配置されていることを特徴とする電気化学セル。
4. 前記少なくとも１つの電流導体（１２、１４）は、前記カバー（２０、２２）の第１の領域（３２）において、前記カバーから突出して延在しており、前記少なくとも１つの圧力軽減装置（２６、２８、３０）は、前記カバー（２０、２２）の前記第１の領域（３２）に背向する第２の領域（３４）に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電気化学セル。
5. 前記少なくとも１つの電流導体（１２、１４）は、前記カバー（２０、２２）の第１の半分（３２）において、前記カバーから突出して延在しており、前記少なくとも１つの圧力軽減装置（２６、２８、３０）は、前記カバー（２０、２２）の第２の半分（３４）に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電気化学セル。
6. 前記少なくとも１つの電流導体（１２、１４）は、前記カバー（２０、２２）の第１の小幅面（３６）において、前記カバーから突出して延在しており、少なくとも１つの圧力軽減装置（２６）は、前記カバー（２０、２２）の前記第１の小幅面（３６）と向かい合う第２の小幅面（３８）に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
7. 前記少なくとも１つの電流導体（１２、１４）は、前記カバー（２０、２２）の第１の小幅面（３６）において、前記カバーから突出して延在しており、少なくとも１つの圧力軽減装置（２８）は、前記カバー（２０、２２）の前記第１の小幅面（３６）に対して略横に延在する第３の小幅面（４０、４２）に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
8. 少なくとも１つの圧力軽減装置（３０）が、前記カバー（２０、２２）の主要面（４４）に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
9. 前記圧力軽減装置（２６、２８、３０）が、受動的圧力軽減装置として構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電気化学セル。
10. 前記電気化学セルには少なくとも１つの測定装置が設けられており、前記少なくとも１つの圧力軽減装置（２６、２８、３０）は、能動的圧力軽減装置として構成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電気化学セル。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の少なくとも１つの電気化学セルを有する電気化学エネルギー貯蔵装置。

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