JP2023548078A - リチウムイオン電池の熱保護 - Google Patents

Abstract

リチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させる方法。本開示はまた、熱暴走を示すリチウムイオン電池によって発生する火災を消火するためのシステムを提供する。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年１０月２９日出願の米国特許仮出願第６３／１０７，０５２号に対する優先権を主張し、当該出願は参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
本開示は、炎の消火及び熱暴走の停止を含む熱的事象からのリチウムイオン電池の保護に関する。

ＦＭ－２００（商標）（ＨＦＣ－２２７ｅａ、１，１，１，２，３，３，３－ヘプタフルオロプロパン）及びＮｏｖｅｃ（商標）１２３０（ＦＫ－５－１－１２、ペルフルオロエチルイソプロピルケトン）などのガス浄化消火剤は、現在利用可能な方法及びシステムにおけるリチウムイオン電池（ＬＩＢ）火災に関連する熱暴走、特にカスケード熱暴走を停止させることができず、ＬＩＢに関連する液体電解質火災の消火のみに限定されることが、特殊消火業界内で一般に受け入れられている。例えば、Ｉｎｇｒａｍは、「Ｌｉｔｈｉｕｍ－Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ：Ａ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｆｉｒｅ Ｈａｚａｒｄ」（Ｄａｔａ Ｃｅｎｔｅｒ Ｊｏｕｒｎａｌ、２０１３年）に、「Ｇａｓｅｏｕｓ ａｇｅｎｔｓ ｗｉｌｌ ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈ ｆｌａｍｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｂｕｒｎｉｎｇ ｌｅａｋｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｂｕｔ ｈａｖｅ ｌｉｔｔｌｅ ｏｒ ｎｏ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｏｒ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ａ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ｗｉｔｈｉｎ Ｌｉ－ｉｏｎ ｃｅｌｌｓ」を開示している。より最近では、Ｉｎｇｒａｍは、２０１９年のＦｉｒｅ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎの年次総会で発表された「Ｆｉｒｅ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｆｏｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｆｉｒｅｓ」で「熱暴走は、いかなる抑制システムによっても制御することができない」と開示している。

米国特許出願公開第２０１０／００７８１８２号は、燃料電池、通常の電池、又は充電式電池などの電気的又は機械的エネルギーを生成及び貯蔵するためのデバイス、並びに火災回避のための方法を開示している。電気的又は機械的エネルギーを生成又は貯蔵する働きをするデバイスの少なくとも１つの要素は、封入体内に配置される。難燃性物質を貯蔵する容器は、封入体と接触している。複数のセルが存在する場合、システムは、他のセルへの損傷を防ぐために、セルを互いに分離しない。更に、このシステムは、裸火の存在下で作動させる方法を有していない。米国特許出願公開第２０１０／００７８１８２号は、炎の消火を記載しているが、熱暴走の停止に対処していない。

中国特許出願公開第２０６１６７６８１号は、自動車内のリチウムイオン電池を火災から保護するためのデバイスを開示しており、このデバイスは、電池を封入する電池ケース内に配置された火災検知／送達管の使用を伴う。消火剤は、ヘプタフルオロプロパンとすることができる。圧力信号センサは、電池ケース内の消火剤搬送・火災検知管に設置される。中国特許出願公開第２０６１６７６８１号は消火を記載しているが、熱暴走の停止に対処していない。

米国特許第７８２３６５０号は、火災などの危険の検知に応じて消火剤を送達するための危険制御システムを開示している。システムは、熱への曝露に応答して漏出するように構成される圧力管を使用してもよい。システムの要素は、（１）制御ユニットと、（２）消火剤と、（３）危険検知システムと、（４）危険領域と、（５）危険領域に消火剤を送達する送達システムと、を含む。危険検知システムは、圧力管内の圧力の変化などの危険の検知に応答して信号を生成する。米国特許第７８２３６５０号は、火災制御システムを記載しているが、いかにして火災を消火か、又は熱暴走を停止させるかに対処していない。

米国特許仮出願第６３／１０７，０５２号 米国特許出願公開第２０１０／００７８１８２号 中国特許出願公開第２０６１６７６８１号 米国特許第７８２３６５０号

リチウムイオン電池に関連する熱保護の必要性に対処する必要性が依然として存在しており、熱暴走の停止、炎の消火、並びに消火された火の再発火の防止を含む。本発明は、これらの要求を満たす。

本開示は、リチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させるための方法を提供する。本方法は、（ａ）筐体を提供するステップと、（ｂ）筐体内に配置されたデバイスを提供するステップであって、デバイスが、リチウムイオン電池を備え、リチウムイオン電池によって電力供給される、ステップと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源を提供するステップであって、供給源が容器及び二方制御弁を含み、容器が熱暴走停止剤を収容し、二方制御弁が容器の開口に取り付けられ、熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、ステップと、（ｄ）デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管を提供するステップであって、管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が二方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）管が筐体内に位置し、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）管がリチウムイオン電池に近接して配置される、ステップと、（ｅ）炎を発生させ熱暴走を開始させる熱刺激を提供するステップであって、感温管が破裂すると、感温管に開口（「熱刺激形成開口」）が形成され、感温管内の不活性ガス又は熱暴走停止剤が感温管の熱刺激形成開口を通って筐体内に放出され、その結果、感温管内の圧力が低下し、二方制御弁を作動させて熱暴走停止剤を貯蔵容器から二方制御弁を通って感温管に送達し、感温管の熱刺激形成開口から出て筐体内に送達するステップと、を含み、熱暴走停止剤の送達が、放出時間、熱暴走停止剤濃度、及び保持時間によって特徴付けられ、それによって炎を消火し、熱暴走を停止させ、炎の消火後の再発火を防止する。

また、リチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させる方法が提供され、当該方法は、（ａ）筐体を提供するステップと、（ｂ）筐体内に配置されたデバイスを提供するステップであって、デバイスが、リチウムイオン電池を備え、リチウムイオン電池によって電力供給される、ステップと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源を提供するステップであって、供給源が容器及び三方制御弁を含み、容器が熱暴走停止剤を収容し、三方制御弁が容器の開口に取り付けられ、熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、ステップと、（ｄ）デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管を提供するステップであって、管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が三方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）管が筐体内に位置し、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）管がリチウムイオン電池に近接して配置される、ステップと、（ｅ）一方の端部で三方制御弁と連通し、他方の端部でリチウムイオン電池に近接するノズルで終端するノズル接続管を提供するステップと、（ｆ）炎を発生させ熱暴走を開始させる熱刺激を提供するステップであって、感温管が破裂すると、感温管に開口（「熱刺激形成開口」）が形成され、感温管内の不活性ガス又は熱暴走停止剤が感温管の熱刺激形成開口を通って筐体内に放出され、その結果、感温管内の圧力が低下し、三方制御弁を作動させて熱暴走停止剤を貯蔵容器から三方制御弁を通ってノズル接続管に送達し、それにより、ノズルから筐体内へ熱暴走停止剤を放出する、ステップと、を含み、熱暴走停止剤の送達が、放出時間、熱暴走停止剤濃度、及び保持時間によって特徴付けられ、それによって炎を消火し、熱暴走を停止させ、炎の消火後の再発火を防止する。

筐体内の熱暴走停止剤の濃度、放出時間、及び保持時間は、既存のシステムに対して以下の利点を提供する。（１）いったん炎が発生すると炎を消火する、（２）単一セルリチウムイオン電池又は複数セルリチウムイオン電池又はリチウムイオン電池バンクにおいて発生する熱暴走を停止させる、（３）炎が消えた後に再発火が発生するのを防止する。

また、防火システムが提供され、当該防火システムは、（ａ）筐体と、（ｂ）筐体内に配置されたデバイスであって、リチウムイオン電池を備え、リチウムイオン電池によって電力供給される、デバイスと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源であって、容器及び二方制御弁を含み、容器が熱暴走停止剤を収容し、二方制御弁が容器の開口に取り付けられ、熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、熱暴走停止剤の供給源と、（ｄ）デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管であって、管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が二方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）管が筐体内に位置し、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）管がリチウムイオン電池に近接して配置され、管が閾値温度を感知すると破裂可能である、感温管と、を備える。

また、防火システムが提供され、当該防火システムは、（ａ）筐体と、（ｂ）筐体内に配置されたデバイスであって、リチウムイオン電池を備え、リチウムイオン電池によって電力供給される、デバイスと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源であって、容器及び三方制御弁を含み、容器が熱暴走停止剤を収容し、三方制御弁が容器の開口に取り付けられ、熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、熱暴走停止剤の供給源と、（ｄ）デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管であって、２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が三方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）感温管が筐体内に位置し、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）感温管がリチウムイオン電池に近接して配置され、感温管が閾値温度を感知すると破裂可能である、感温管と、（ｅ）一方の端部で三方制御弁と連通し、他方の端部でリチウムイオン電池に近接するノズルで終端するノズル接続管と、を備える。

他の特徴は、本開示に基づいて当業者には明らかであろう。

本開示は、消火剤が熱暴走を停止させることができず、いかなる抑制システムによっても熱暴走停止させることができないというリチウムイオン電池の問題に対処する。特定の熱暴走停止剤を選択し、リチウムイオン電池によって電力供給されるデバイス内で特定の放出時間にわたって特定の濃度及び保持時間でその薬剤を投与することによって、デバイス内の炎を消火する（初期消火）だけでなく、熱暴走を停止させ、炎の初期消火後の再発火を防止する。

本開示のＬＩＢ保護システムの一実施形態の図である。 本開示のＬＩＢ保護システムの一実施形態の図である。 本開示のＬＩＢ保護システムの第２の実施形態の図である。 本開示のＬＩＢ保護システムの第３の実施形態の図である。 本開示のＬＩＢ保護システムの第４の実施形態の図である。 典型的なリチウムイオン電池（ＬＩＢ）の図である。

炎を消火し、熱暴走を停止させるための方法
実施形態１
本開示の特定の実施形態では、デバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させるための方法が提供され、本方法は、（ａ）筐体を提供するステップと、（ｂ）筐体内に配置されたデバイスを提供するステップであって、デバイスが、リチウムイオン電池を備え、リチウムイオン電池によって電力供給される、ステップと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源を提供するステップであって、供給源が容器及び二方制御弁を含み、容器が熱暴走停止剤を収容し、二方制御弁が容器の開口に取り付けられ、熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、ステップと、（ｄ）デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管を提供するステップであって、管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が二方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）管が筐体内に位置し、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）管がリチウムイオン電池に近接して配置される、ステップと、（ｅ）炎を発生させ熱暴走を開始させる熱刺激を提供するステップであって、感温管が破裂すると、管に開口（熱刺激形成開口）が形成され、感温管内の不活性ガス又は熱暴走停止剤が感温管の熱刺激形成開口を通って筐体内に放出され、その結果、感温管内の圧力が低下し、二方制御弁を作動させて熱暴走停止剤を貯蔵容器から二方制御弁を通って感温管に送達し、感温管の熱刺激形成開口から出て筐体内に送達するステップと、を含み、熱暴走停止剤の送達が、放出時間、熱暴走停止剤濃度、及び保持時間によって特徴付けられ、それによって炎を消火し、熱暴走を停止させ、炎の消火後の再発火を防止する。

二方制御弁は、感温管とセンサ通信している。本実施形態では、感温管は、二方制御弁が作動されると、熱暴走停止剤が感温管に送達されるように、二方制御弁を通じて供給源と流体連通している。本実施形態では、感温管は、熱刺激を検知するとともに、熱暴走停止剤を筐体内に送達するように作用する。

実施形態１の１つの方法では、ステップ（ｄ）において、感温管は不活性ガスを収容する。実施形態１の別の方法では、ステップ（ｄ）において、感温管は熱暴走停止剤を収容する。

実施形態２
また、リチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を開口させる方法が提供され、当該方法は、（ａ）筐体を提供するステップと、（ｂ）筐体内に配置されたデバイスを提供するステップであって、デバイスが、リチウムイオン電池を備え、リチウムイオン電池によって電力供給される、ステップと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源を提供するステップであって、供給源が容器及び三方制御弁を含み、容器が熱暴走停止剤を収容し、三方制御弁が容器の開口に取り付けられ、熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、ステップと、（ｄ）デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管を提供するステップであって、感温管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が三方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）感温管が筐体内に配置され、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）感温管がリチウムイオン電池に近接して配置される、ステップと、（ｅ）一方の端部で三方制御弁と連通し、他方の端部でリチウムイオン電池に近接するノズルで終端するノズル接続管を提供するステップと、（ｆ）炎を発生させ熱暴走を開始させる熱刺激を提供するステップであって、感温管が破裂すると、感温管に開口（「熱刺激形成開口」）が形成され、感温管内の不活性ガス又は熱暴走停止剤が感温管の熱刺激形成開口を通って筐体内に放出され、その結果、感温管内の圧力が低下し、三方制御弁を作動させて熱暴走停止剤を貯蔵容器から三方制御弁を通ってノズル接続管に送達し、それにより、ノズルから筐体内へ熱暴走停止剤を放出する、ステップと、を含み、熱暴走停止剤の送達が、放出時間、熱暴走停止剤濃度、及び保持時間によって特徴付けられ、それによって炎を消火し、熱暴走を停止させ、炎の消火後の再発火を防止する。

三方制御弁は、感温管とセンサ通信している。本実施形態では、感温管は供給源と流体連通しており、三方制御弁が作動されると、熱暴走停止剤が、リチウムイオン電池に近接するノズルで終端するノズル接続管を通じて送達され、熱暴走停止剤をノズルを通じて筐体内に放出する。本実施形態では、感温管は熱刺激を検知するように作用し、ノズル接続管は熱暴走停止剤を筐体内に送達するように作用する。

実施形態２の１つの方法では、ステップ（ｄ）において、感温管は不活性ガスを収容する。実施形態２の代替方法では、ステップ（ｄ）において、感温管は熱暴走停止剤を収容する。

リチウムイオン電池のための防火システム
実施形態３
本開示の特定の実施形態では、防火システムが提供され、当該防火システムは、（ａ）筐体と、（ｂ）筐体内に配置されたデバイスであって、リチウムイオン電池を備え、リチウムイオン電池によって電力供給される、デバイスと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源であって、供給源が容器及び二方制御弁を含み、容器が熱暴走停止剤を収容し、二方制御弁が容器の開口に取り付けられ、熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、熱暴走停止剤の供給源と、（ｃ）デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管であって、管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が二方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）管が筐体内に配置され、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）感温管がリチウムイオン電池に近接して配置され、感温管が閾値温度を感知すると破裂可能である、感温管と、を備える。

本実施形態では、二方制御弁は、感温管とセンサ通信している。更に、本実施形態では、感温管は、二方制御弁が作動されたときに熱暴走停止剤が感温管に送達されるように、供給源と流体連通している。本実施形態では、感温管は、熱刺激を検知するとともに、熱暴走停止剤を筐体内に送達するように作用する。

実施形態３の１つの防火システムでは、構成要素（ｃ）の感温管は不活性ガスを収容する。実施形態３の代替防火システムにおいて、構成要素（ｃ）の感温管は、熱暴走停止剤を収容する。

実施形態４
また、防火システムが提供され、当該防火システムは、（ａ）筐体と、（ｂ）筐体内に配置されたデバイスであって、リチウムイオン電池を備え、リチウムイオン電池によって電力供給される、デバイスと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源であって、供給源が容器及び三方制御弁を含み、容器が熱暴走停止剤を収容し、三方制御弁が容器の開口に取り付けられ、熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、熱暴走停止剤の供給源と、（ｄ）デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管であって、管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が三方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）管が筐体内に配置され、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）感温管がリチウムイオン電池に近接して配置され、感温管が閾値温度を感知すると破裂可能である、感温管と、（ｅ）一方の端部で三方制御弁と連通し、他方の端部でリチウムイオン電池に近接するノズルで終端するノズル接続管と、を備える。

三方制御弁は、本実施形態では、感温管とセンサ通信している。更に、本実施形態では、三方制御弁は、三方制御弁が作動されると、熱暴走停止剤がノズル接続管に送達されるように、ノズル接続管と流体連通している。本実施形態では、感温管は、温度センサ及びアクチュエータ又は三方制御弁の作動（起動）デバイスの機能を果たすが、熱暴走停止剤の筐体内への送達管としての機能を果たさない。ノズル接続管は、本実施形態では送出管の機能を果たす。

実施形態４による１つの防火システムでは、構成要素（ｃ）の感温管は不活性ガスを収容する。実施形態４の代替防火システムにおいて、構成要素（ｃ）の感温管は、熱暴走停止剤を収容する。

特定の意味で本明細書において使用される用語を以下に提示する。

「センサ通信」とは、本明細書では、制御弁が、感温管によって生成された信号を受信することができ、その結果、制御弁を作動させて容器を開放し、容器から熱暴走停止剤を放出することを意味する。制御弁は、実施形態に応じて、二方制御弁又は三方制御弁である。信号は、例えば、空気圧式であってもよく、又は電子式であってもよい。

実施形態１及び３では、二方制御弁は、感温管とセンサ通信している。実施形態２及び４では、三方制御弁は、感温管とセンサ通信している。

本明細書で使用される場合、二方制御弁は、少なくとも２つのポートを有する制御弁である。したがって、当業者であれば、二方制御弁が３つ以上のポートを有してもよいことを理解するであろう。なお、実施形態１及び３において、二方制御弁とは、少なくとも３つのポートを有する制御弁を含むことを意味する。例えば、第３のポートを有する二方制御弁が使用されてもよく、この場合、第３のポートは、容器内容物のサンプルを取り出すための選択肢を提供する。

同様に、三方制御弁は、少なくとも３つのポートを有する制御弁である。したがって、三方制御弁が４つ以上のポートを有してもよいことは、当業者によって理解される。なお、実施形態２及び４では、三方制御弁とは、少なくとも４つのポートを有する制御弁を含むことを意味する。例えば、第４のポートを有する三方制御弁が使用されてもよく、この場合、第４のポートは、容器内容物のサンプルを取り出すための選択肢を提供する。

「流体連通」とは、流体が、容器から制御弁を通って、遮断されることなく、感温管又はノズル接続管のいずれかに流れることができることを意味する。

実施形態１及び３では、二方制御弁は、容器及び感温管と流体連通している。実施形態２及び４では、三方制御弁は、容器及びノズル接続管と流体連通している。

より具体的には、実施形態１では、ステップ（ｅ）における感温管の破裂は、熱暴走停止剤の容器から二方制御弁を通って感温管への流れ、及び筐体内への流れをもたらす。より具体的には、実施形態２では、ステップ（ｆ）における感温管の破裂は、熱暴走停止剤の容器から三方制御弁を通ってノズル接続管へ、及びリチウムイオン電池に近接するノズルを通って筐体内への流れをもたらす。

センサ通信及び流体通信は、供給源が筐体の内側に配置されるか外側に配置されるかに関係なく行われる。

デバイス
リチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスは、１つ又は複数のリチウムイオン電池によって電力供給される任意のデバイスである。本明細書に開示される方法及びシステムに適したリチウムイオン電池式デバイスの例としては、データロガー、電気通信機器、個人用電子機器、電動工具、エネルギー貯蔵システム、データセンター、電気自動車、及び電気自転車が挙げられる。個人用電子機器は、携帯電話、ラップトップコンピュータ、及びゲームシステムを含む。

電池
本明細書で使用される「電池」は、化学エネルギーが電気に変換され、電力源として使用される、少なくとも１つのセルを含む容器を意味する。「セル」は、電圧及び電流を生成するために使用される電解質によって分離された単一のアノード及びカソードを含む。「電池バンク」又は「電池パック」では、２つ以上の電池が、並列に、直列に、又は３つ以上の電池が存在する場合には両方の組み合わせで配置され得る。

リチウムイオン電池
本明細書で使用される「リチウムイオン電池」又は「ＬＩＢ」は、リチウムイオン化学作用を利用し、リチウム塩電解質を有する電解セルを含む電池を意味する。リチウムイオン電池は、単一セル電池若しくは複数セル電池、又は２つ以上のリチウムイオン電池を含む電池バンクであってもよい。

ＬＩＢは、アノードを含むアノードチャンバと、カソードを含むカソードチャンバと、アノードチャンバをカソードチャンバから分離する半透膜と、を備える。アノードは、固体電解質界面（ＳＥＩ）層で保護されたグラファイトから構成される。カソードは、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、又はＬｉＮｉＭｎＣｏＯ_２などのリチウム金属酸化物から構成される。アノードチャンバ及びカソードチャンバはそれぞれ液体電解質で満たされている。液体電解質は、典型的には、エチレンカーボネート又はジエチルカーボネートなどの可燃性有機カーボネートである。液体電解質は、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３などのリチウム塩を含む。

筐体
リチウムイオン電池式デバイスは、筐体内に配置される。筐体は、電池から発生した炎を筐体内に封じ込めるのに十分な温度及び圧力に耐える材料で構成される。筐体は、ＬＩＢ式デバイスと筐体を取り囲む領域との間に物理的障壁を形成する。

熱暴走停止剤の供給源
熱暴走停止剤の供給源が提供される。供給源は、通常動作中に熱暴走停止剤を貯蔵する貯蔵容器を含む。供給源は、容器に取り付けられた制御弁を更に備える。制御弁は、実施形態に応じて、二方制御弁又は三方制御弁とすることができる。

本明細書に開示される実施形態のうちのいずれにおいても、供給源は筐体内に配置され得る。

代替的に、本明細書に開示される実施形態のうちのいずれにおいても、供給源は筐体の外側に配置され得る。そのような実施形態では、筐体は、感温管と制御弁との間のセンサ通信を提供する開口を有する。本実施形態が実施形態１又は実施形態３である場合、筐体はまた、熱暴走停止剤を筐体内に送達するために、二方制御弁と感温管との間に流体連通を提供する開口を有する。本実施形態が実施形態２又は実施形態４である場合、筐体はまた、三方制御弁とノズル接続管との間の流体連通を提供する開口を有する。筐体内のセンサ通信及び流体連通のための開口は、熱刺激の場合に筐体の一体性を維持するために密封される。

制御弁
実施形態１及び実施形態３を含む特定の実施形態では、ＬＩＢ火災からの炎によって引き起こされる過剰な熱に起因して感温管が破裂すると、二方制御弁が、熱暴走停止剤を容器から感温管を通じて筐体内に放出することを可能にする。

二方制御弁は、感温管とセンサ通信している。二方制御弁は、感温管から信号を受信し、その信号によって作動することができる任意のタイプの弁とすることができる。信号は、熱刺激による破裂時に感温管内で生成される。作動時に、二方制御弁は、容器から弁を通り感温管への流体連通を開放し、熱暴走停止剤をリチウムイオン電池の近位に送達する。

そのような実施形態では、熱暴走停止剤は、感温管に形成された熱刺激形成開口を通じて筐体内に送達される。そのような実施形態では、二方制御弁は、感温管とセンサ通信するとともに流体連通する。

実施形態２及び実施形態４を含む特定の実施形態では、ＬＩＢ火災からの炎によって引き起こされる過剰な熱に起因して感温管が破裂すると、三方制御弁は、熱暴走停止剤が容器から弁を通ってノズル接続管へ、及び筐体内へ放出されることを可能にする。

三方制御弁は、感温管とセンサ通信している。三方制御弁は、感温管から信号を受信し、その信号によって作動することができる任意のタイプの弁とすることができる。信号は、熱刺激による破裂時に感温管内で生成される。作動時に、三方制御弁は、容器から弁を通るノズル接続管への流体連通を開放し、リチウムイオン電池に近接するノズルを通って熱暴走停止剤を送達する。

そのような実施形態では、熱暴走停止剤は、ノズル接続管を通じて筐体内に送達される。そのような実施形態では、三方制御弁は、感温管とセンサ通信し、ノズル接続管と流体連通している。

不活性ガス
本明細書で使用される不活性ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びそれらの混合物から選択されるガスを含む。任意選択的に、不活性ガスは、熱暴走停止剤を更に含む。

熱暴走停止剤
熱暴走停止剤は、筐体に送達されたときに少なくとも１７％ｖ／ｖ（体積／体積）のＨＦＣ－２２７ｅａの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａ（１，１，１，２，３，３，３－ヘプタフルオロプロパン又は単にＨＦＣ－２２７ｅａ）を含む。好ましい実施形態では、熱暴走停止剤は、筐体に送達されたときに少なくとも２０％ｖ／ｖのＨＦＣ－２２７ｅａの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む。

熱暴走停止剤は、１つ又は複数の不活性ガスを更に含み得る。不活性ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びこれらの混合物から選択され得る。

ＨＦＣ－２２７ｅａ／不活性ガス混合物の全圧は、７０°Ｆで１２０～６００ｐｓｉｇ（２１℃で０．８～４ＭＰａ）であることが好ましい。より高い圧力が使用されてもよく、上限は他の理由の中でも特に実用性に基づく。

熱暴走停止剤は、１つ又は複数のハロカーボンガスを更に含み得る。ハロカーボンガスは、ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ－１２５）、ヨードトリフルオロメタン（ＣＦ_３Ｉ）、トリフルオロメタン（ＣＦ_３Ｈ）、１，１，１，３，３，３－ヘキサフルオロエタン（ＨＦＣ－２３６ｆａ）、Ｅ－若しくはＺ－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（Ｅ－又はＺ－ＨＣＦＯ－１２３３ｚｄ）、Ｅ－若しくはＺ－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（Ｅ－若しくはＺ－ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）、Ｅ－若しくはＺ－１－クロロ－２，３，３，３－テトラフルオロプロペン（Ｅ若しくはＺ－１２２４ｙｄ）、又はペルフルオロエチルペルフルオロイソプロピルケトン（ＦＫ－５－１－１２、（ＣＦ_３）_２ＣＦＣ（Ｏ）ＣＦ_２ＣＦ_３）から選択され得る。

感温管
感温管は、筐体内に配置されている。感温管は圧力管であり、これは、管が所定の圧力で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容するか、又はそれらで充填されていることを意味する。感温管は、例えば、ルクセンブルクのＲｏｔａｒｅｘから市販されている。

感温管内の不活性ガス又は熱暴走停止剤に提供される所定の圧力は、異なる管破裂温度をもたらすように変化させてもよい。圧力が高いほど、より低い温度で管破裂がもたらされる一方、圧力が低いほど、より高い温度で管破裂がもたらされる。

「管破裂」とは、管内の不活性ガス又は熱暴走停止剤の圧力の上昇が、熱刺激の発生時に管の破裂を引き起こすことを意味する。換言すれば、感温管は、閾値温度を感知すると「破裂可能」である。

閾値温度は、感温管が破裂する温度である。閾値温度は、感温管内の不活性ガス又は熱暴走停止剤に対して提供される所定の圧力によって、及び感温管の特定の配合に基づいて決定される。すなわち、感温管の詳細な組成を変化させて、管破裂に対する異なる閾値温度を提供することができる。

本明細書において以下で更に説明されるように、熱刺激は、外部加熱源又は内部加熱源から筐体に加えられた熱の結果であり得る。

外部熱源は、筐体の外部に物理的に位置する高温エンジン又は外部炎などの任意の熱源である。

内部熱源は、ＬＩＢ自体であってもよく、機械的事象又は電気的事象又は欠陥事象に起因する過熱であってもよく、それが発生すると、筐体内で熱を発生させる。更なる情報を以下に提供する。

管が破裂すると、管は、予め内部に収容されていた不活性ガス又は熱暴走停止剤を放出する。更に、当業者であれば、管が破裂すると、感温管内の不活性ガス又は熱暴走停止剤が筐体内に放出されることを理解するであろう。

感温管は、熱刺激から放出される熱が管の破裂をもたらすように、筐体内のデバイス内のリチウムイオン電池に近接して配置される。

感温管が破裂すると、感温管に開口が形成され、通常動作中に感温管内に維持されていた不活性ガス又は熱暴走停止剤が筐体内に放出される。破裂はまた、例えば、感温管内の圧力損失から信号を生成し、この信号は制御弁に中継される。

実施形態１では、信号は、二方制御弁を作動させて、熱暴走停止剤を貯蔵容器から、二方制御弁を通じて、感温管内へ、及び感温管の熱刺激形成開口を通じて外へ放出し、炎の消火及び熱暴走の停止を提供し、炎の初期消火後の再発火を防止する。本実施形態では、感温管は、温度センサ、二方制御弁のアクチュエータ又は作動デバイス、及び熱暴走停止剤を筐体内に送達するための送達管の機能を果たす。

実施形態２では、管の破裂によって生成された信号は、三方制御弁に中継され、三方制御弁を作動させて、熱暴走停止剤を容器から三方制御弁を通じてノズル接続管に放出する。ノズル接続管は、感温管から分離されている。本実施形態では、ノズル接続管は、筐体の内側の三方制御弁から遠位の端部にノズルを有する。本実施形態では、感温管は、温度センサ及びアクチュエータ又は三方制御弁の作動デバイスの機能を果たすが、熱暴走停止剤の筐体内への送達管としての機能を果たさない。ノズル接続管は、本実施形態では送達管の機能を果たす。

通常動作条件
「通常動作条件」とは、本明細書では、リチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスが、感温管を破裂させない温度、圧力、及び環境要因の条件下で動作していることを意味する。

熱刺激
熱刺激は、ＬＩＢが発火してデバイス内に炎及び熱暴走をもたらすように、筐体内に発熱を引き起こす事象である。熱刺激は、機械的事象、熱的事象、電気的事象、又は欠陥事象であり得る。

典型的なＬＩＢ熱暴走事象の説明は、「Ｌｉｔｈｉｕｍ－Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｉｅｓ」、Ｊｏｈｎ Ｔ．Ｗａｒｎｅｒ［Ｅｌｓｅｖｉｅｒ ２０１９］の第３．９．３章に見出すことができる。正確な温度はセル設計及び化学的性質に依存するので、この説明において示される温度は正確な数ではないが、熱暴走に関与する事象の順序は、以下に説明するように、ＬＩＢの異なる設計について同様であることが当業者によって理解される。

熱暴走は、ＬＩＢセル内の温度が通常動作条件の温度を超えて上昇したときに発生し、その結果、制御されない温度上昇及び酸素発生に起因して自動的に継続する連鎖反応がセル内で開始される。

Ｗａｒｎｅｒによれば、セルの温度が約８０℃に達すると、アノード上の保護固体電解質界面（ＳＥＩ）層が分解し始め、リチウムと電解質溶媒との反応による発熱反応（熱を発生させる）で分解する。約１００℃～１２０℃で、電解質（典型的には、可燃性である有機炭酸塩）は、別の発熱反応で分解し始め、次に、セル内でＣＯ_２及び炭化水素などの様々なガスを発生させる。温度が１２０℃～１３０℃に近づくにつれて、アノードとカソードとの間のセパレータが溶融し、アノードとカソードとの間の接触を可能にし、内部短絡を引き起こし、より多くの熱を発生させる。温度が上昇し続けると、約１３０℃～１５０℃で、カソードは、電解質との別の発熱化学反応で分解し始め、酸素も発生させる。

カソードの絶縁破壊からの酸素の放出及び可燃性電解質との接触は、セル内に火災（炎）を発生させる。カソードの絶縁破壊はまた、かなりの量の熱を発生させ、セルを最終的な故障に向けて駆動し続け、セルにおける火災を更に増強させる高度な発熱反応である。

温度が１５０℃～１８０℃を超えて上昇すると、セルが発生した熱を急速に放散することができない場合、連鎖反応は自動継続するようになる可能性がある。この時点で、セルは、温度が上昇するにつれて「熱暴走」と呼ばれる状態にあり、酸素発生が火災を自動継続させる。ガスがセル内に蓄積し続ける場合、セルが破裂するか、又は安全弁を通じてガスを逃すことができる。セルは、この時点で、破裂するか、又は可燃性炭化水素ガス及びハイドロフルオロカーボン電解質を排出することができる。スパークの導入は、電解質及びガスを発火させ、炎、火災、及び潜在的に爆発を引き起こす可能性がある。

「機械的事象」とは、鋭利な物体又は鈍い物体による貫通、重量物による破砕、自動車衝突などのＬＩＢへの物理的損傷があることを意味する。

「熱的事象」とは、ＬＩＢがＬＩＢの劣化を引き起こす温度に曝露されることを意味する。温度の供給源は、ＬＩＢを内部から過熱させる緩い接続などの内部的なもの、又は近くの熱源、外部炎、若しくは環境制御領域内の環境制御の喪失などの外部的なものであり得る。

「電気的事象」とは、ＬＩＢが、短絡又は過充電などに起因して、ＬＩＢを通る電子の正常な流れを妨害又は遮断する問題を経験することを意味する。

「欠陥事象」とは、ＬＩＢの設計又は製造（例えば、不十分な品質管理、不十分な絶縁、緩い接続）が、通常動作中に短絡又は発熱からＬＩＢを保護することができない欠陥を導入したことを意味する。

機械的事象、熱的事象、電気的事象、又は欠陥事象のうちの２つ以上が結合されて、熱刺激を引き起こし得る。例えば、一実施形態では、短絡（電気的事象）は、ＬＩＢを過熱させ（熱的事象）、熱刺激としての結合事象をもたらし得る。別の実施形態では、ＬＩＢの穿孔又は貫通等の機械的事象は、熱刺激として急速な加熱（熱的事象）につながる短絡（電気的事象）を引き起こし得る。別の実施形態では、緩い接続（欠陥事象）は、熱刺激としての過熱（熱的事象）につながり得る。上述の実施形態は単なる例であり、網羅的であることを意図するものではない。

熱刺激が発生すると、感温管が破裂し、不活性ガス又は熱暴走停止剤を筐体内に放出し得る。

熱暴走停止剤は、指定された放出時間、薬剤濃度、及び保持時間で放出され、それによって炎及び熱暴走の両方を停止させ、炎の初期消火後の再発火を防止する。薬剤濃度、放出時間、及び保持時間の一般的に受け入れられている定義は、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｎｆｐａ．ｏｒｇ／ｃｏｄｅｓ－ａｎｄ－ｓｔａｎｄａｒｄｓ／ａｌｌ－ｃｏｄｅｓ－ａｎｄ－ｓｔａｎｄａｒｄｓ／ｌｉｓｔ－ｏｆ－ｃｏｄｅｓ－ａｎｄ－ｓｔａｎｄａｒｄｓ／ｄｅｔａｉｌ？ｃｏｄｅ＝２００１で入手可能なＣｌｅａｎ Ａｇｅｎｔ Ｆｉｒｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ＳｙｓｔｅｍｓのＮＦＰＡ２００１規格で提供されているように、当業者によって理解されている。

熱暴走停止剤は、指定された放出時間、薬剤濃度、及び保持時間で筐体内に放出され、それぞれ、存在する可能性がある炎を消火するだけでなく、熱暴走を停止させるのに十分である。熱暴走停止剤の放出はまた、保持時間が、再発火を防止するのに十分な温度まで筐体及びＬＩＢを冷却するのに十分であるように提供される。

好ましい実施形態では、熱暴走停止剤は、筐体に送達されたときに１７％～３０％ｖ／ｖの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む。別の実施形態では、熱暴走停止剤は、１８％～２８％ｖ／ｖの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む。別の実施形態では、熱暴走停止剤は、２０％～２３％ｖ／ｖの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む。

好ましい実施形態では、放出時間は、１８秒～１８０秒、又は２５～１２０秒、及び／又は４５～１２０秒の範囲である。「放出時間」とは、本明細書では、筐体内への薬剤送達の開始から、薬剤の９５％が筐体内に送達された時間までの時間を意味する。

好ましい実施形態では、保持時間は、１０～１５分、又は１５～３０分、又は３０～６０分の範囲である。「保持時間」とは、本明細書では、筐体内の薬剤濃度が所望の濃度のままである期間を意味する（時間とともに、薬剤は、筐体内の小さな開口、例えば、開孔、放熱孔などからゆっくりと漏出する可能性がある）。

一実施形態では、放出時間は少なくとも１８秒であり、熱暴走停止剤は、少なくとも１７％ｖ／ｖのＨＦＣ－２２７ｅａの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含み、炎を消火し、単一又は複数のセル構成における熱暴走を停止させ、再発火を防止するのに十分な冷却を提供する。より長い放出時間及びより高い濃度が使用されてもよく、上限は他の理由の中でも特に実用性に基づく。

図面の詳細な説明
図１ａ及び図１ｂは、本明細書に開示されるリチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させるための方法において使用される、本明細書に開示されるＬＩＢ保護システムの図である。筐体１０１は、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）式デバイス１０３内に位置するＬＩＢ１０２から発生するリチウムイオン電池火災を経験し得る危険領域である。ＬＩＢ防火システムは、熱暴走停止剤容器１０５と、熱暴走停止剤容器１０５及び感温管１０７に接続された二方制御弁１０６と、を含む熱暴走停止剤供給源１０４を含む。感温管１０７は、管端部シール１０８を介して密封された端部を有する。感温管１０７は、不活性ガス又は熱暴走停止剤で所望の圧力まで加圧される。ＬＩＢ式デバイス１０３から発生する炎１０９の場合、感最大熱（閾値温度）が検知された感温管１０７の部分が破裂して（図１ｂ参照）、熱刺激形成開口１１０を形成し、感温管１０７内から不活性ガス又は熱暴走停止剤を筐体１０１内へ放出し、同時に感温管１０７内の圧力降下をもたらし、それが制御弁１０６を作動させ、熱暴走停止剤を熱暴走停止剤貯蔵容器１０５から制御弁１０６を通って感温管１０７内へ送達し、熱刺激形成開口１１０（図１ｂを参照）から出て、感温管１０７へ、及び筐体１０１内へ送達する。筐体１０１への熱暴走停止剤の放出は、ＬＩＢ式デバイス１０３における炎の消火及び熱暴走の停止をもたらし、炎の初期消火後の再発火を防止する。

図１ｂは、図１ａと同じであるが、図１ｂでは、炎１０９に起因して感温管１０７が破裂しており、熱刺激形成開口１１０が見られる。

図１ａ及び図１ｂに示されるＬＩＢ防火システムにおいて、感温管１０７は、温度センサ（火災検知デバイスとも考えられる）、二方制御弁のアクチュエータ又は作動デバイス（システム起動デバイスとも考えられる）、及び熱暴走停止剤を筐体内に送達するための送達管の機能を果たす。

図２は、本明細書に開示されるリチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させるための方法において使用される、本明細書に開示されるＬＩＢ保護システムの図である。筐体２０１は、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）式デバイス２０３の内部に位置するＬＩＢ２０２から発生するＬＩＢ火災を経験し得る危険領域である。ＬＩＢ防火システムは、熱暴走停止剤容器２０５と、熱暴走停止剤容器２０５及び感温管２０７に接続された三方制御弁２０６と、を備える熱暴走停止剤供給源２０４を含み、感温管の端部は管端部シール２０８を介して密封されている。感温管２０７は、不活性ガス又は熱暴走停止剤で所望の圧力まで加圧される。ノズル接続管２１１は、三方制御弁２０６に接続し、送達ノズル２１２で終端する。ＬＩＢ式デバイス２０３で発生する火災の場合、最大熱（閾値温度）が検知される感温管２０７の部分が破裂し、感温管２０７内の不活性ガス又は熱暴走停止剤を筐体２０１内に放出し、同時に感温管２０７内の圧力低下をもたらし、これが三方制御弁２０６を作動させて、流れを感温管２０７からノズル接続管２１１に迂回させ、熱暴走停止剤を熱暴走停止剤貯蔵容器２０５から三方制御弁２０６を通じてノズル接続管２１１内に送達し、送達ノズル２１２から外に送達する。筐体２０１への熱暴走停止剤の放出は、ＬＩＢ式デバイス２０３における炎の消火及び熱暴走の停止をもたらし、炎の初期消火後の再発火を防止する。

図２に示されるＬＩＢ防火システムにおいて、感温管２０７は、温度センサ（火災検知デバイスとも考えられる）、制御弁２０６のアクチュエータ又は作動デバイス（システム起動デバイスとも考えられる）の機能を果たすが、熱暴走停止剤を筐体２０１内に送達するための送達管の機能を果たさない。ノズル接続管２１１は、送達ノズル２１２を有する送達管の機能を果たす。

図３は、本明細書に開示されるようなリチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させるための方法において使用される本明細書に開示されるＬＩＢ保護システムの図であり、熱暴走停止容器は、筐体の外側に位置するのではなく、筐体３０１の内側に位置する。筐体３０１は、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）式デバイス３０３の内部に位置するＬＩＢ３０２から発生するＬＩＢ火災を経験し得る危険領域である。ＬＩＢ防火システムは、熱暴走停止剤容器３０５と、熱暴走停止剤容器３０５及び感温管３０７に接続された二方制御弁３０６と、を備える熱暴走停止剤供給源３０４を含み、感温管の端部は管端部シール３０８を介して密封されている。感温管３０７は、不活性ガス又は熱暴走停止剤で所望の圧力まで加圧される。ＬＩＢ式デバイス３０３で火が発生した場合、最大熱（閾値温度）が検知される感温管３０７の部分が破裂し、開口を形成し、不活性ガス又は熱暴走停止剤を感温管３０７内から筐体３０１内に放出し、同時に感温管３０７内の圧力低下をもたらし、それが二方制御弁３０６を作動させて、熱暴走停止剤を熱暴走停止剤貯蔵容器３０５から二方制御弁３０６を通って感温管３０７内に、感温管の熱刺激で形成開口から出て筐体３０１内に送達する。筐体３０１への熱暴走停止剤の放出は、ＬＩＢ式デバイス３０３における炎の消火及び熱暴走の停止をもたらし、炎の初期消火後の再発火を防止する。

図３は、図１ａ及び１ｂと類似している。図３に示されるＬＩＢ防火システムにおいて、感温管３０７は、温度センサ（火災検知デバイスとも考えられる）、制御弁のアクチュエータ又は作動デバイス（システム起動デバイスとも考えられる）、及び熱暴走停止剤を筐体内に送達するための送達管の機能を果たす。

図４は、本明細書に開示されるようなリチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させるための方法において使用される本明細書に開示されるＬＩＢ保護システムの図であり、熱暴走停止容器は、筐体の外側に位置するのではなく、筐体４０１の内側に位置する。

筐体４０１は、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）式デバイス４０３の内部に位置するＬＩＢ４０２から発生するＬＩＢ火災を経験し得る危険領域である。ＬＩＢ防火システムは、熱暴走停止剤容器４０５と、熱暴走停止剤容器４０５及び感温管４０７に接続された三方制御弁４０６と、を備える熱暴走停止剤供給源４０４を含み、感温管の端部は管端部シール４０８を介して密封されている。感温管４０７は、不活性ガス又は熱暴走停止剤で所望の圧力まで加圧される。ノズル接続管４１１は、三方制御弁４０６に接続し、送達ノズル４１２で終端する。ＬＩＢ式デバイス４０３で発生する火災の場合、最大熱（閾値温度）が検知される感温管４０７の部分が破裂し、感温管４０７内の不活性ガス又は熱暴走停止剤を筐体４０１内に放出し、同時に感温管４０７内の圧力低下をもたらし、これが三方制御弁４０６を作動させて、流れを感温管４０７からノズル接続管４１１に迂回させ、熱暴走停止剤を熱暴走停止剤貯蔵容器４０５から三方制御弁４０６を通じてノズル接続管４１１内に送達し、送達ノズル４１２から外に送達する。筐体４０１への熱暴走停止剤の放出は、ＬＩＢ式デバイス４０３における炎の消火及び熱暴走の停止をもたらし、炎の初期消火後の再発火を防止する。

図４は図２と類似している。図４に示されるＬＩＢ防火システムにおいて、感温管４０７は、温度センサ（火災検知デバイスとも考えられる）、制御弁４０６のアクチュエータ又は作動デバイス（システム起動デバイスとも考えられる）の機能を果たすが、熱暴走停止剤を筐体４０１内に送達するための送達管の機能を果たさない。ノズル接続管４１１は、送達ノズル４１２を有する送達管の機能を果たす。

図５は、典型的なリチウムイオン電池（ＬＩＢ）の概略図である。ＬＩＢは、外側ケーシング５２０から構成され、ケーシング内で、アノード５２１がＬＩＢのアノードチャンバ５２２内に位置し、カソード５２３がＬＩＢのカソードチャンバ５２４内に位置する。アノードチャンバ５２２及びカソードチャンバ５２４は、半透膜セパレータ５２５によって分離される。アノード５２１は、アノード－負荷接続５２７を介して負荷５２６に接続され、カソード５２３は、カソード－負荷接続５２８を介して負荷５２６に接続される。アノード５２１は、固体電解質界面（ＳＥＩ）層５２９で保護される。アノードチャンバ５２２及びカソードチャンバ５２４は両方とも、図示されていない液体電解質で満たされている。

材料
６７００ｍＡｈリチウムイオンパワーパック及びアルミニウムケース３．２Ｖ直流ＬｉＦｅＰＯ_４リチウムイオンポリマー電池は、Ｄｕｒａｃｅｌｌ、Ｒａｖｐｏｗｅｒ、及びＴｅｎｅｒｇｙなどの複数の供給元から市販されている。Ｃｈｅｍｏｕｒｓ ＦＭ－２００（商標）消火剤（ＨＦＣ－２２７ｅａ）は、Ｔｈｅ Ｃｈｅｍｏｕｒｓ Ｃｏｍｐａｎｙ ＦＣ，ＬＬＣ（デラウェア州、ウィルミントン）から入手可能である。Ｒｏｔａｒｅｘ直接低圧バルブ、Ｒｏｔａｒｅｘ圧力スイッチ、Ｒｏｔａｒｅｘ ＦｉｒｅＤＥＴＥＣ感温管、及び終端アダプタは全て、ルクセンブルクのＲｏｔａｒｅｘ Ｓ．Ａ．から入手可能である。Ｈａｒｂｉｎ ＣｏｓｌｉｇｈｔモデルＧＹＦＰ４８７５Ｔデータロガーは、中国黒龍江省のＨａｒｂｉｎ Ｃｏｓｌｉｇｈｔ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．から入手可能である。

実施例１（比較例）。フリーバーン試験：機械的故障によるパワーパックの熱暴走の開始
プラスチックケース入りの６７００ｍＡｈリチウムイオンパワーパックにおいて、熱暴走を機械的損傷により開始させた。穿孔先端部を備えた重り付きプランジャを、観察窓閉回路テレビ（ＣＣＴＶ）を備えた１．１５ｍ^３鋼試験筐体内に配置されたパワーパック上にガイドパイプを通じて落とした。電池を穿孔すると、炎及び熱暴走が発生し、これは約１５分間続いた。

実施例２（比較例）。フリーバーン試験：機械的故障による３．２Ｖ ＤＣ ＬｉＦＥＰＯ４電池における熱暴走の開始。
実施例１の手順を繰り返して、アルミニウムケース入りの３．２Ｖ ＤＣ ＬｉＦｅＰＯ_４リチウムイオンポリマー電池において熱暴走を開始させた。電池を穿孔すると、炎及び熱暴走が発生し、これは約１５分間続いた。

実施例３。リチウムイオン電池の火災及び熱暴走の抑制：機械的損傷
試験筐体内に設置された保護システムを追加して、実施例２の手順を繰り返した。保護システムは、（１）２ｋｇのＣｈｅｍｏｕｒｓ ＦＭ－２００（商標）消火剤（１９．３％の濃度のＦＭ－２００の送達用）を含有する消火剤貯蔵容器、（２）貯蔵シリンダ上に配置されたＲｏｔａｒｅｘ直接低圧バルブ、（３）低圧バルブ上に配置されたＲｏｔａｒｅｘ圧スイッチ、（４）リチウムイオン電池の上方約６インチに配置された窒素ガスで１５バールに加圧されたある長さのＲｏｔａｒｅｘ ＦｉｒｅＤＥＴＥＣ感温管、及び（５）感温管の端部に固定されたＲｏｔａｒｅｘ終端ラインアダプタから構成した。重り付きプランジャデバイスによって電池を穿孔すると、炎によって実証されるように熱暴走が発生した。熱暴走の開始から２２秒で、システムは自動で始動し、ＦＭ－２００（商標）剤を放出し、全ての炎が２秒以内に消火された。放出時間は約２分であった。１５分の保持時間後に再発火は起こらず、試験筐体を開いて試験筐体の内容物を空気に曝露しても再発火は起こらなかった。

実施例４。リチウムイオン電池の火災及び熱暴走の抑制：過充電／過熱電池
直列に接続された１２個のアルミニウムケース入りの３．２Ｖ直流ＬｉＦｅＰＯ_４リチウムイオンポリマー電池からなる電池パックによって電力供給される、Ｈａｒｂｉｎ ＣｏｓｌｉｇｈｔモデルＧＹＦＰ４８７５Ｔデータロガー内で発生するリチウムイオン電池発火に対して、抑制試験を行った。データロガーを、観察窓及び保護システムを備えた１ｍ^３ ２ベイの屋外キャビネット（ＯＤＣ）内に配置した。保護システムは、（１）２ｋｇのＣｈｅｍｏｕｒｓ ＦＭ－２００（商標）消火剤（２１．６％ｖ／ｖのＦＭ－２００の送達用）を含有する消火剤貯蔵容器、（２）貯蔵シリンダ上に配置されたＲｏｔａｒｅｘ直接低圧バルブ、（３）低圧バルブ上に配置されたＲｏｔａｒｅｘ圧スイッチ、（４）リチウムイオン電池の上方約６インチに配置された窒素ガスで１５バールに加圧されたある長さのＲｏｔａｒｅｘ ＦｉｒｅＤＥＴＥＣ感熱管、及び（５）感温管の端部に固定されたＲｏｔａｒｅｘ終端ラインアダプタから構成した。１１個の電池を１００％充電状態まで充電し、１個の電池を３．４～３．６ボルト（１００～１１０Ａ）の印加によって過充電した。１１分間の過充電後、過充電されたセル上に配置されたヒータをオンにして、燃焼によって実証される熱暴走が始まるまで追加の加熱を行った。２分後、システムは自動で始動し、ＦＭ－２００（商標）剤を放出し（放出時間２分）、全ての炎が２０秒以内に消火された。１５分の保持時間後に再発火は起こらず、試験筐体を開いて試験筐体の内容物を空気に曝露しても再発火は起こらなかった。

Claims (49)

1. リチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させるための方法であって、（ａ）筐体を提供するステップと、（ｂ）前記筐体内に配置されたデバイスを提供するステップであって、前記デバイスが、リチウムイオン電池を備え、前記リチウムイオン電池によって電力供給される、ステップと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源を提供するステップであって、前記供給源が容器及び二方制御弁を含み、前記容器が前記熱暴走停止剤を収容し、前記二方制御弁が前記容器の開口に取り付けられ、前記熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、ステップと、（ｄ）デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管を提供するステップであって、前記管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が前記制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）前記管が前記筐体内に位置し、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）前記管が前記リチウムイオン電池に近接して配置される、ステップと、（ｅ）炎を発生させ熱暴走を開始させる熱刺激を提供するステップであって、前記感温管が破裂すると、前記感温管に開口が形成され、前記感温管内の前記不活性ガス又は熱暴走停止剤が前記感温管の前記熱刺激形成開口を通って前記筐体内に放出され、その結果、前記感温管内の圧力が低下し、前記制御弁を作動させて前記熱暴走停止剤を前記貯蔵容器から前記制御弁を通って前記感温管に送達し、前記感温管の前記熱刺激形成開口から出て前記筐体内に送達するステップと、を含み、前記熱暴走停止剤の前記送達が、放出時間、熱暴走停止剤濃度、及び保持時間によって特徴付けられ、それによって前記炎を消火し、熱暴走を停止させ、前記炎の消火後の再発火を防止する、方法。
2. 前記ステップ（ｄ）において、前記感温管が不活性ガスを収容する、請求項１に記載の方法。
3. 前記不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びそれらの混合物から選択される、請求項２に記載の方法。
4. 前記不活性ガスが、前記熱暴走停止剤を更に含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記ステップ（ｄ）において、前記感温管が熱暴走停止剤を収容する、請求項１に記載の方法。
6. 前記二方制御弁が、少なくとも３つのポートを有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記二方制御弁が、前記容器の内容物からサンプルを取り出すための選択肢を提供する第３のポートを有する、請求項６に記載の方法。
8. リチウムイオン電池によって電力供給されるデバイスにおいて炎を消火し、熱暴走を停止させるための方法であって、（ａ）筐体を提供するステップと、（ｂ）前記筐体内に配置されたデバイスを提供するステップであって、前記デバイスが、リチウムイオン電池を備え、前記リチウムイオン電池によって電力供給される、ステップと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源を提供するステップであって、前記供給源が容器及び三方制御弁を含み、前記容器が前記熱暴走停止剤を収容し、前記三方制御弁が前記容器の開口に取り付けられ、前記熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、ステップと、（ｄ）前記デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管を提供するステップであって、前記管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が前記三方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）前記管が前記筐体内に位置し、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）前記管が前記リチウムイオン電池に近接して配置される、ステップと、（ｅ）一方の端部で前記三方制御弁と連通し、他方の端部で前記リチウムイオン電池に近接するノズルで終端するノズル接続管を提供するステップと、（ｆ）炎を発生させ熱暴走を開始させる熱刺激を提供するステップであって、前記感温管が破裂すると、前記感温管に開口（「熱刺激形成開口」）が形成され、前記感温管内の前記不活性ガス又は熱暴走停止剤が前記感温管の前記熱刺激形成開口を通って前記筐体内に放出され、その結果、前記感温管内の圧力が低下し、前記三方制御弁を作動させて前記熱暴走停止剤を前記貯蔵容器から前記三方制御弁を通って前記ノズル接続管に送達し、それにより、前記ノズルから前記筐体内へ前記熱暴走停止剤を放出する、ステップと、を含み、前記熱暴走停止剤の前記送達が、放出時間、熱暴走停止剤濃度、及び保持時間によって特徴付けられ、それによって前記炎を消火し、熱暴走を停止させ、前記炎の消火後の再発火を防止する、方法。
9. ステップ（ｄ）において、前記感温管が不活性ガスを収容する、請求項８に記載の方法。
10. 前記不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びそれらの混合物から選択される、請求項９に記載の方法。
11. 前記不活性ガスが、前記熱暴走停止剤を更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. ステップ（ｄ）において、前記感温管が熱暴走停止剤を収容する、請求項８に記載の方法。
13. 前記三方制御弁が、少なくとも４つのポートを有する、請求項８～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記三方制御弁が、前記容器の内容物からサンプルを取り出すための選択肢を提供する第４のポートを有する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記デバイスが、データロガー、電気通信機器、個人用電子機器、電動工具、エネルギー貯蔵システム、データセンター、電気自動車、及び電気自転車から選択される、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記デバイスが、携帯電話、ラップトップコンピュータ、及びゲームシステムから選択される個人用電子機器である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記リチウムイオン電池が、アノードを含むアノードチャンバと、カソードを含むカソードチャンバと、前記アノードチャンバを前記カソードチャンバから分離する半透膜と、を含み、前記アノードが、固体電解質界面層で保護されたグラファイトから構成され、前記カソードが、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４又はＬｉＮｉＭｎＣｏＯ_２から選択されるリチウム金属酸化物から構成される、請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記アノードチャンバと前記カソードチャンバの各々が、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、又はＬｉＣＦ_３ＳＯ_３から選択されるリチウム塩を含有する、エチレンカーボネート又はジエチルカーボネートから選択される可燃性有機カーボネートである液体電解質で充填される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記熱暴走停止剤が、前記筐体に送達されたときに少なくとも１７％ｖ／ｖ（体積／体積）のＨＦＣ－２２７ｅａの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む、請求項１～１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記熱暴走停止剤が、前記筐体に送達されたときに少なくとも２０％ｖ／ｖのＨＦＣ－２２７ｅａの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記熱暴走停止剤が、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びそれらの混合物から選択される１つ又は複数の不活性ガスを含む、請求項１～２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記熱暴走停止剤が、１つ又は複数のハロカーボンガスを含む、請求項１～２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記ハロカーボンガスが、ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ－１２５）、ヨードトリフルオロメタン（ＣＦ_３Ｉ）、トリフルオロメタン（ＣＦ_３Ｈ）、１，１，１，３，３，３－ヘキサフルオロエタン（ＨＦＣ－２３６ｆａ）、Ｅ－若しくはＺ－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（Ｅ－若しくはＺ－ＨＣＦＯ－１２３３ｚｄ）、Ｅ－若しくはＺ－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（Ｅ－若しくはＺ－ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）、Ｅ－若しくはＺ－１－クロロ－２，３，３，３－テトラフルオロプロペン（Ｅ若しくはＺ－１２２４ｙｄ）、又はペルフルオロエチルペルフルオロイソプロピルケトン（ＦＫ－５－１－１２、（ＣＦ_３）_２ＣＦＣ（Ｏ）ＣＦ_２ＣＦ_３）から選択される、請求項２２に記載の方法。
24. 前記熱刺激が、外部供給源から前記筐体に加えられた熱の結果である、請求項１～２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記熱刺激が、内部供給源から前記筐体に加えられた熱の結果である、請求項１～２３のいずれか一項に記載の方法。
26. 前記内部供給源が、機械的事象又は電気的事象又は欠陥事象による前記ＬＩＢの過熱によるものである、請求項２５に記載の方法。
27. 機械的事象、熱的事象、電気的事象、又は欠陥事象のうちの２つ以上が結合されて、前記熱刺激を引き起こす、請求項２６に記載の方法。
28. 前記熱暴走停止剤が、前記筐体に送達されたときに１７％～３０％ｖ／ｖのＨＦＣ－２２７ｅａの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む、請求項１～２６のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記熱暴走停止剤が、前記筐体に送達されたときに１８％～２８％ｖ／ｖのＨＦＣ－２２７ｅａの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記熱暴走停止剤が、前記筐体に送達されたときに２０％～２３％ｖ／ｖのＨＦＣ－２２７ｅａの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む、請求項２８に記載の方法。
31. 前記放出時間が、１８秒～１８０秒の範囲である、請求項１～３０のいずれか一項に記載の方法。
32. 前記放出時間が、２５～１２０秒の範囲である、請求項３１に記載の方法。
33. 前記放出時間が、４５～１２０秒の範囲である、請求項３１に記載の方法。
34. 前記保持時間が、１０～１５分の範囲である、請求項１～３４のいずれか一項に記載の方法。
35. 前記保持時間が、１５～３０分の範囲である、請求項３４に記載の方法。
36. 前記保持時間が、３０～６０分の範囲である、請求項３４に記載の方法。
37. 前記放出時間が少なくとも１８秒であり、前記熱暴走停止剤が、少なくとも１７％ｖ／ｖのＨＦＣ－２２７ｅａの濃度を提供するのに十分な量のＨＦＣ－２２７ｅａを含む、請求項１～２８のいずれか一項に記載の方法。
38. 防火システムであって、（ａ）筐体と、（ｂ）前記筐体内に配置されたデバイスであって、リチウムイオン電池を備え、前記リチウムイオン電池によって電力供給される、デバイスと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源であって、容器及び二方制御弁を含み、前記容器が前記熱暴走停止剤を収容し、前記二方制御弁が前記容器の開口に取り付けられ、前記熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、熱暴走停止剤の供給源と、（ｄ）前記デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管であって、前記管が２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が二方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）前記管が前記筐体内に位置し、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）前記管が前記リチウムイオン電池に近接して配置され、前記管が前記閾値温度を感知すると破裂可能である、感温管と、を備える、防火システム。
39. 構成要素（ｃ）の感温管が、不活性ガスを収容する、請求項３８に記載の防火システム。
40. 前記不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びそれらの混合物から選択される、請求項３９に記載の方法。
41. 前記不活性ガスが、前記熱暴走停止剤を更に含む、請求項３９に記載の方法。
42. 構成要素（ｃ）の感温管が、熱暴走停止剤を収容する、請求項３８に記載の防火システム。
43. 防火システムであって、（ａ）筐体と、（ｂ）前記筐体内に配置されたデバイスであって、リチウムイオン電池を備え、前記リチウムイオン電池によって電力供給される、デバイスと、（ｃ）熱暴走停止剤の供給源であって、容器及び三方制御弁を含み、前記容器が前記熱暴走停止剤を収容し、前記三方制御弁が前記容器の開口に取り付けられ、前記熱暴走停止剤がＨＦＣ－２２７ｅａを含む、熱暴走停止剤の供給源と、（ｄ）前記デバイスの通常動作条件に適した所定の圧力及び温度で不活性ガス又は熱暴走停止剤を収容する感温管であって、２つの端部を有し、（ｉ）一方の端部が三方制御弁と連通し、他方の端部が覆われ、（ｉｉ）前記感温管が前記筐体内に位置し、閾値温度を検知するための温度センサを備え、（ｉｉｉ）前記感温管が前記リチウムイオン電池に近接して配置され、前記感温管が前記閾値温度を感知すると破裂可能である、感温管と、（ｅ）一方の端部で前記三方制御弁と連通し、他方の端部で前記リチウムイオン電池に近接するノズルで終端するノズル接続管と、を備える、防火システム。
44. 構成要素（ｃ）の感温管が、不活性ガスを収容する、請求項４３に記載の防火システム。
45. 前記不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びそれらの混合物から選択される、請求項４４に記載の方法。
46. 前記不活性ガスが、前記熱暴走停止剤を更に含む、請求項４４に記載の方法。
47. 構成要素（ｃ）の前記感温管が、熱暴走停止剤を収容する、請求項４３に記載の防火システム。
48. 前記デバイスが、データロガー、電気通信機器、個人用電子機器、電動工具、エネルギー貯蔵システム、データセンター、電気自動車、及び電気自転車から選択される、請求項３８～４７のいずれか一項に記載の防火システム。
49. 前記デバイスが、携帯電話、ラップトップコンピュータ、及びゲームシステムから選択される個人用電子機器である、請求項４８に記載の防火システム。

Images