JP2015518638A - 防火剤を備えるバッテリーパック - Google Patents

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Abstract

１以上のバッテリーセル（２）、シェル（３）の少なくとも一部が前記１以上のバッテリーセル（２）とスペースで分離して、前記１以上のバッテリーセル（２）を包囲するシェル（３）、および前記シェル（３）と前記１以上のバッテリーセル（２）との間に設置される防火制御剤（４）、を含むバッテリーパック（１）。防火制御剤（４）が、前記シェル（３）および前記１以上のバッテリーセル（２）の間の前記スペース（５）を満たして、前記バッテリーパック（１）中の防火、抑制、および／または消火し得る熱膨張剤を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリーおよびバッテリーパックに関する。より具体的には、本発明は、防火制御剤（ｆｉｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ）を備えるバッテリーパックに関する。
バッテリーは、携帯電話やラップトップから電気自動車まで実に様々な電気デバイスに用いられる。より高い出力を得るため、バッテリーは積層され、典型的には直列または並列に接続した複数のセルから１０個超のセルを含むバッテリーパックを形成し得る。
バッテリーの充電および放電中に、バッテリーの温度は上昇し得る。熱がバッテリーから十分に放熱されない場合、そのバッテリーは発火しまたは爆発し得る。バッテリーが損傷を受けおよび／または変形する場合、発火または爆発の危険性はさらに高くなる。これは、とりわけ、現在、高出力のリチウムイオン（Ｌｉイオン）バッテリーを用いている電気自動車の分野で問題である。
Ｌｉイオンバッテリーの場合、そのバッテリーセルは、Ｌｉイオンバッテリータイプおよび電極（アノード、カソード）に依存する構成の材料で被覆した電流コレクタ（Ａｌ、Ｃｕ）からなる。Ｌｉイオンバッテリーセル内の電極の間の電解質は有機カーボネートである。電極は、さらに、イオンが透過し得るセパレーター膜で互いから分離している。通常、材料を極めて微細にして、すなわち、材料の粒径を小さくして、電極の活性な表面積を増加させるのが望ましい。しかしながら、バッテリーを用いていると、粒子が凝集し、すなわち、粒径が大きくなり始めることが知られている。最悪なことに、これは、セパレーター膜の破損や、そのセル内での短絡をもたらし得る。そのような状況は、例えば、セル中にときどき存在する不純物金属粒子がセパレーター膜を破損する可能性もある。内部での短絡の後に考えられ得る状況は、例えば、電解質として用いる有機カーボネートの発火、温度の急激な上昇に起因するバッテリーセル内の内部過圧、およびバッテリーセル中での温度のよりゆっくりとした上昇に起因してバッテリーセルが爆発、または融解し、その結果、有機カーボネートがバッテリーセルの外に漏出し得る。
それゆえ、バッテリーパックの防火は、安全性に影響を与える極めて重要なファクターである。機能する温度調節の一例として、ブロワーによるバッテリーの空冷や、外部の液体循環系による液体冷却が先行技術で用いられている。しかしながら、これらの手段は、Ｌｉイオンバッテリーの発火に対してあまり有効ではない。これらの温度調節は、自動車または電子デバイスに用いるバッテリーに望ましくない多くのスペースも必要とする。
先行技術の別の例における解決手段は、特許文献１に開示されており、エマージェンシーラインによってＬｉイオンバッテリーに接続されている消火剤貯蔵スペースの使用を教示する。このラインは、発火したときに、消火剤の導入を可能とする非常口を有する。この解決手段において、多くの利用に好適ではないかもしれないバッテリーに接続された外部圧力容器のためのスペースを作るのが必須である。
特許文献２に開示される手段などの他の公知の手段において、車のバッテリーの筐体は、その内部の電気化学セルの周りに自己封入バリア（ｓｅｌｆ−ｓｅａｌｉｎｇ ｂａｒｒｉｅｒ）を形成するイオノマーを含んでよい。しかしながら、バッテリーの変形した筐体は、その材料を筐体として用いることに関して、一定の製造の複雑さおよび制限を含む。特許文献３に示される、別の先行技術の解決手段において、筐体の壁はバッテリー内での発火を防止する消火剤または消火剤の添加剤で被覆され、または影響を受けている。
これらの両方の先行技術は、火がバッテリーから外に広がるのを防止する消火剤を用いることを含む。しかしながら、徐々に、温度が上がり、融解しまたは発火し、次いで爆発する可能性を有するバッテリーセルの問題はこれらの解決手段に示されていない。
独国特許出願公開第１０２００８０５９９４８号明細書 米国特許出願公開第２０１１０６４９９７号明細書 国際公開第２０１２０２２４７９号明細書
したがって、本発明の目的は、上記の問題を緩和することである。
本発明の第一態様は、１以上のバッテリーセル、シェルの少なくとも一部が１以上のバッテリーセルとスペースで分離して、１以上のバッテリーセルを包囲するシェル、およびシェルと上記１以上のバッテリーセルとの間に設置される防火制御剤、を含むバッテリーパックである。防火制御剤は、シェルおよび上記１以上のバッテリーセルの間のスペースに充填することで、バッテリーパック内を防火し、燃えにくくしおよび／または消火し得る熱膨張剤を含む。
上記バッテリーセルからスペースで分離されているシェルの少なくとも一部は、そのバッテリーセルとシェルの少なくとも一部の間にスペースがあることを意味し、防火制御剤はこのスペースに設置される。
防火制御剤は、バッテリーパック内を防火し、燃えにくくしまたは延焼を制限するために使用され得る物質である。
熱膨張剤は、例えば、バッテリーパックを過熱したとき、その周囲の温度の上昇を拡大する試薬を意味する。
本発明の利点は、バッテリーは添加剤を添加することを全く必要とせず、または例えば、外部貯蔵のような着脱可能な部分を必要としないことである。外側を覆う断熱材は、発火した場合に膨張するはるかに効率的な内部試薬によって置換される。本発明は受動的で安全な解決手段であるので、余分に役に立ついかなる部分も必要としない。
本発明の別の利点は、難燃剤中に一般的に用いられるＢｒ化合物または他の有毒な化合物を含有しないことである。
また、防火制御剤は、シェルとバッテリーセルとの間のスペースに設置され、多少のスペースは発火した時にそれが膨張し得るために残されているので、通常のバッテリーオペレーションモードにおいて、この残存するスペースの全体にわたって、空冷または液冷を提供することができる。
本発明のさらなる利点は、最も効率的な態様において、熱膨張剤は、バッテリーパック中で温度が上昇することに反応することである。このことは、バッテリーセルが現実に燃え、または融解して、試薬が膨張し始めることはないということを意味する。すなわち、バッテリーセルが過度に熱されている場合、熱膨張剤は、これに反応して膨張し得る。予防手段を提供し、難燃剤となることは、熱されている領域を外部の酸素から封じ、熱の移動を防ぐだろう。他方、それでもバッテリーセルが発火する場合、熱膨張剤は、燃えている内部のバッテリーを孤立させ、これにより、バッテリーセル内の火を消化する。バッテリーのシェルが壊れた場合、燃焼ガスが広がるのを効果的に防止し、クラックを塞ぐ。
本発明の一実施形態において、熱膨張剤は、熱膨張するグラファイトである。膨張するグラファイトは、外部の熱に反応して体積が増加するグラファイト、グラファイト塩またはグラファイトインターカレーション化合物を意味する。この材料の例は、ＧＫ（商標）（Ｇｒａｐｈｉｔ Ｋｒｏｐｈｆｍｕｈｌ ＡＧ（ドイツ）製）の膨張するグラファイトである。
本発明の一実施形態において、バッテリーパックの少なくとも１つのバッテリーセルは、リチウムイオンバッテリーセルである。これらのリチウムイオンバッテリーセルは、損傷を受けた場合に、上述の説明の理由で発火することが示されている。これらのリチウムイオンバッテリーセルは、多くの産業で最も広く使用されるバッテリーセルでもある。
本発明の一実施形態において、バッテリーパックは、電気自動車のバッテリーパックである。安全性は、電気自動車においてとりわけ重要なファクターであり、そのような自動車の高出力バッテリーパックが損傷を受ける状況は、自動車事故において容易に生じうる。
本発明の一実施形態において、バッテリーパックの防火制御剤は、シェルの内表面に塗布される。このことは、バッテリーパックの通常のオペレーションにおいてバッテリーセルのより良い冷却を可能とする。
本発明の一実施形態において、熱膨張剤は、実質的に、１以上のバッテリーセルを密封する。換言すれば、熱膨張剤を含む防火制御剤は、実質的にシェルの全内表面およびバッテリーセルの全表面を覆う。この実施形態において、熱膨張は、バッテリーセルの熱くなりまたは発火する領域に最も近い場所で必ず始まる。このことは、より高効率の熱管理を提供する。
上記の本発明の態様および実施形態は、任意に互いに組み合わせて用いてよいということを理解されたい。いくつかの態様および実施形態は、共に組み合わされ、本発明のさらなる実施形態を形成する。
本発明をさらに理解するため、本願明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を図示し、明細書と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。
本発明の一実施形態に係るバッテリーパックの断面図である。 熱膨張剤が、シェルおよびバッテリーセルの間のスペースを満たされた状態での図１のバッテリーパックである。
図１は、本発明に係るバッテリーパック１を示す。この実施形態において、バッテリーパック中に複数の個別のバッテリーセル２があり、バッテリーパックシェル３は、バッテリーセル２からスペースで分離され、防火制御剤４は、バッテリーパックシェル３の内表面に塗布される。図１に見られるように、防火制御剤４とバッテリーセル２との間に空洞スペース５が残っている。この図は、通常のオペレーションにおけるバッテリーパックを示す。スペース５は、バッテリーセルの空冷または液冷のために用いられ得る。防火制御剤４は熱で膨張するグラファイトを含む。これらの防火制御剤４の目的は、熱されたセル２を膨張させかつ密封して、当該環境から熱されたセルを分離して、セル２の発火または融解を防止することである。この方法により、有毒な燃焼ガスがバッテリーの外部に広がることも防止する。
図２を参照して、一実施形態において、バッテリーセル２の温度が事前に決定した臨界温度限界より高くなったとき、防火制御剤４の熱膨張剤は膨張しはじめ、バッテリーパック１内の空洞スペース５を満たす。このことは、バッテリーセル２を密閉して、発火するのを防止する。燃え始めたとき、燃えている領域への全ての空気の供給を防ぎ、これにより燃焼を緩やかにする。この実施例において、防火制御剤４が全体的に、バッテリーセル２を密封するので、有毒な燃焼ガスがバッテリーパック１の外部に広がるのも防止する。
本発明は、バッテリーパックの特定の型と組み合わせて記載されているが、本発明は、いかなる特定の型のバッテリーまたはバッテリーパックに限定されないと理解されるべきである。本発明は、いくつかの実施形態および実施例と関連して記載されているが、本発明は限定されず、むしろ、予想される請求項の範囲に属する種々の変更、および等価のアレンジメントを包含する。

Claims (6)

  1. １以上のバッテリーセル（２）、
    シェル（３）の少なくとも一部が前記１以上のバッテリーセル（２）とスペースで分離して、前記１以上のバッテリーセル（２）を包囲するシェル（３）、および
    前記シェル（３）と前記１以上のバッテリーセル（２）との間に設置される防火制御剤（４）、を含むバッテリーパック（１）であって、
    前記防火制御剤（４）が、前記シェル（３）および前記１以上のバッテリーセル（２）の間の前記スペース（５）を満たして、前記バッテリーパック（１）中での発火を防止し、抑制しおよび／または消し得る熱膨張剤を含む、バッテリーパック（１）。
  2. 前記熱膨張剤が熱膨張するグラファイトである、請求項１に記載のバッテリーパック。
  3. 前記少なくとも１つのバッテリーセル（２）がリチウムイオンバッテリーセルである、請求項１または２に記載のバッテリーパック。
  4. 前記バッテリーパック（１）が電気自動車のバッテリーパックである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  5. 前記防火制御剤（４）が、前記シェル（３）の内表面に塗布される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  6. 前記熱膨張剤が、前記１以上のバッテリーセル（２）を実質的に密封する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のバッテリーパック。

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