JP5881794B2 - 電池内におけるセルの熱暴走の伝播の防止 - Google Patents
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Description
説明される実施形態は、一般的には電池に関し、特に、電池内における熱暴走の伝播を防止することに関する。
電池内のセルは、熱暴走と呼ばれる発熱プロセスの形で障害を起こし得る。セル内の熱暴走プロセスは、製造欠陥、セルの誤った取り扱いや乱用、また、セルの温度を上昇させ、または、外部ソースからの高温にセルを曝すどんな要因によっても引き起こされ得る。高温は、しばしば、セル内での反応速度の増大を引き起こし、それによって、それらの温度をさらに上昇させ、それゆえ、反応速度の更なる増大を引き起こす。この暴走プロセスの結果として、電池内のセルは、セルを取り囲む領域に大量の熱を放出する。
複数のセルは、電池をその意図される使用に対して効果的にするため、しばしば、より高い電圧に到達し、十分なエネルギーを保存することを必要とされる。電池のセルは、多くの場合、一緒に非常に密に収容されるので、セルのアセンブリの一部において、１つのセルが熱暴走を経験する場合、その障害を起こしたセルの高温は、近くのセルの熱暴走を誘発し得る。そのようなプロセスは、近くのセルが熱を放出することを引き起こし、電池内の残りのセル全体に熱暴走プロセスを伝播し得、電池の障害連鎖と大量のエネルギーの放出を引き起こし得る。
本発明の実施形態は、熱暴走を経験しているセルから遠くに熱を分散させるための電池の構成要素を可能にする。
一実施形態において、電池は、熱暴走を経験しているセルから遠くに熱を引き出す熱伝導体、および、熱暴露から他のセルを保護する熱絶縁体を含む。熱伝導体と熱絶縁体は、熱暴走を被っているセルから熱を引き出し、熱伝導体と接触する他のセル中に熱を分散する伝導経路を形成する。障害を起こしたセルから熱を引き出すことによって、周囲のセルの温度は、周囲のセルが熱暴走プロセスを被ることを防止するのに十分に低いままである。
熱暴走を被っているセルから遠くへ熱を引き出す伝導経路の構成は、異なり得る。一実施形態では、セルアセンブリの各側部に配置された１つのバスを有する、２つの熱バスが使用される。アセンブリ内の各セルは、隣接するセルに接続されるバスとは反対側のバスに直接接触する、すなわち、隣接するセルは、互い違いのバスと直接接触する。セルの間および周囲の領域は、絶縁材料を含む。
別の実施形態では、絶縁体は、各セルを囲み、単一の熱バスが暴走セルから熱を遠くに伝導し、他のセルのそれぞれの中に熱を分散する。そのような構成は、障害を起こしたセルから熱バスへの、および、熱バスから障害を起こしたセルの周囲のセルへの熱伝導速度を低下させる。
図面は、例示のみの目的のために、本発明の様々な実施形態を示す。当業者は、本明細書に例示された構造および方法の代替的な実施形態が、本明細書に記載された本発明の原理から逸脱することなく採用され得ると、以下の説明から容易に認識するであろう。
電池は、１つまたは複数の電気化学セルを収容するセルアセンブリを含む。各セルは、蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。電池は、高い電圧、および／または、より大きな容量が、電池によって出力され得るように、２個以上のセルを一緒に接続する電気接続を含む。化学エネルギーを電気エネルギーに変換するプロセスの間、セルは、熱を生成し得、十分に高い熱量は、セルが障害を起こし、熱暴走プロセスを誘発することを引き起こし得る。本発明の実施形態は、熱暴走を防止するために、電池のセルアセンブリ内のセルから遠くに熱を分散するためのメカニズムを提供する。
図１は、熱暴走プロセス中に、障害を起こしたセルから熱を分散し、熱暴走プロセスの伝播を回避するように構成された電池を示す。図示の電池１００は、多くのセルアセンブリ１０２を含み、各セルアセンブリは、多くのセル１０６、伝導体１０８および絶縁体１１０を含む。電池１００は、電池に接続された１つ以上の機器に電気信号を出力し、その結果、電池は、機器に電力を電気的に供給し得る。
各セル１０６は、蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。セル１０６は、化学エネルギーを電気エネルギーに不可逆的に変換する一次セルであり得、また、充電可能な二次セルであり得る。セルのタイプは、リチウム、リチウム−イオン、リチウム−硫黄、ニッケル−金属水素化物、ニッケル−カドミウム、アルカリを含み得るが、これらに限定されない。一実施形態において、セル１０６は、高分子電解質を含むリチウム−イオンセルであり、代替的な実施形態では、液体電解質が使用される。セルの機械的な外装は、袋、金属缶、もしくは、プラスチック、または、複合構造であり得る。セルの化学的性質は、電気エネルギーを生成することができる任意の組合せを含み得る。各セルは、異なる化学的性質のカソードとアノードを含む、電極を備え得る。カソードは、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケルマンガンコバルト、リチウムリン酸鉄を含み得るが、これらに限定されない。アノード材料は、炭素、ケイ素等を含み得るが、これらには限定されない。
熱伝導体１０８は、熱暴走プロセスを被っているセルから離れる方向に熱を伝導し、伝導体１０８と接触している残りのセルを横切って熱を拡散する。以下により詳細に記載されるように、熱伝導体１０８は、採用される構成に基づき、特定のセル１０６と接触してもしなくてもよい。熱伝導体１０８の材料は、金属の熱伝導率、金属の融点、セルの化学的性質の特性、セル内の電極の材料特性、重量、コスト、および、製造の容易さを含むが、これらに限定されない、いくつかの要因に基づいて選択され得る。熱伝導体１０８は、熱を伝導することができる様々な材料から構成され得る。一実施形態では、熱伝導体１０８は、熱暴走プロセス中に生成される可能性が高いピーク温度よりも高い融点を有する。例えば、熱暴走を被っているセルの最大予想温度が、１６０℃と予想されるなら、１６０℃よりも高い融点を有する導電材料が使用され得る。一実施形態では、熱伝導体１０８は、柔軟かつ耐腐食性であるが構造的強度を提供しない、商用グレードのアルミニウム１１００−Ｏを含む。他の実施形態では、熱伝導１０８の材料は、グラファイト、グラフェン、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、銅、アルミニウム合金、または銀を含み得るが、これらに限定されない。一実施形態では、熱伝導体１０８は、各セルアセンブリ１０２の端部で終端し、代替として、それは、別のセルアセンブリに関連付けられた追加の熱バスに接続し、または、熱交換器に接続する。
一実施形態において、２つのセル間の熱伝導体１０８の長さは、セル内の熱暴走を誘発する温度に応じて決定される。例えば、セル内の熱暴走が、より高い温度で誘発される場合、各セルは、暴走がそのセル内で誘発される前に、より高い温度に達し得るので、２つのセル間の熱伝導体１０８の長さは短くされ得る。対照的に、セルがより低い温度で熱暴走を経験する場合は、２つのセル間の熱伝導体１０８の長さは長くされ得る。
熱絶縁体１１０は、他のセルによって生成される熱からセル１０６を絶縁する。後述するように、セルの周囲の熱絶縁体１１０の構成は、相違し得る。加えて、熱絶縁体１１０に用いられる材料は、酸化アルミニウム繊維などのセラミック繊維を含み得る。他の実施形態において、シリカエーロゲル材料又はガラス繊維織物は、電池１００内の熱絶縁体１１０として使用され得る。
図２は、本発明の実施形態による、第１の構成において、熱暴走プロセス中、障害を起こしたセルから熱を分散するための熱伝導体と熱絶縁体の構成を示す。図２のセルアセンブリ２００は、セル２０６ａ〜２０６ｅ、２つの熱伝導体バス２０８ａおよび２０８ｂ、ならびに、熱絶縁体２１０を含む。
図２に示される実施形態において、各熱伝導体バス２０８ａ、２０８ｂは、セルアセンブリ２００に収容された一つおきのセル２０６と接触する。例えば、熱伝導体バス２０８ａは、セル２０６ｂおよび２０６ｄと接続し、接触する。同様に、熱伝熱伝導体バス２０８ｂは、セル２０６ａ、２０６ｃおよび２０６ｅと接続し、接触する。熱伝導体バス２０８とセル２０６との間の直接的な接触は、熱伝導体バス２０８が、熱暴走を経験しているセルから、より迅速に熱を伝導することを可能にする。各バス２０８ａ、２０８ｂを一つおきのセル２０６に接続することは、熱暴走を経験しているセルに隣接するセルから高温を遠ざけることに役立つ。例えば、もしセル２０６ｃが熱暴走を経験しているなら、熱伝導体バス２０８ｂは、セル２０６ｃからだけでなく、隣接するセル２０６ｂと２０６ｄからも、熱を遠くに伝導する。
図２に示される構成において、熱絶縁体２１０は、各セル２０６と熱伝導体バス２０８を絶縁する。絶縁体は、熱暴走を経験しているセルで発生した熱が、近くのセルへ熱分散することを防止する。例えば、セル２０６ａが、熱暴走を経験しているなら、熱絶縁体２１０は、セル２０６ｂに熱分散することを防止する。このように、熱絶縁体２１０は、２０６ａで発生したいっそう多くの熱が、熱伝導体バス２０８ｂによって提供される伝導経路に沿って、熱分散することを可能にする。
図３は、本発明の実施形態による、第２の構成において、熱暴走プロセス中、障害を起こしたセルから熱を分散するための熱伝導体と熱絶縁体の構成を示す。図３のセルアセンブリ３００は、セル３０６ａ〜３０６ｅ、一つの熱伝導体バス３０８、及び熱絶縁体３１０を含む。
図示の構成において、熱伝導体バス３０８は、セルアセンブリ３００内に収容されたセル３０６と直接接触しない。熱絶縁体３１０は、熱暴走事象中に障害を起こしたセル内で発生する熱が、障害を起こしたセルに近い箇所で、熱伝導体バス３０８に徐々に伝導され、その後、バス全体中に分散され、熱絶縁体３１０と追加のセルで吸収されるように、各セル３０６を絶縁する。熱バスや熱絶縁体を含む、システムのサーマルマス中に熱暴走の熱を分配することで、他のセルの温度は上昇するが、他のセルの熱暴走を誘発する臨界値よりも低いレベルまでである。臨界温度値は、当業者によって理解されるように、セルの化学的性質に依存する。このように、熱伝導体バス３０８の長さおよび材料と、熱絶縁体３１０の量および材料は、セルアセンブリ内の一つ以上のセルの臨界温度に基づいて選択される。図１を参照して説明したように、熱絶縁体および熱伝導体の長さおよび材料は、臨界温度に応じて変化させ得る。上記の構成において、セル３０６と熱伝導体バス３０８との間に直接の伝導経路は存在しない。しかしながら、そのような構成は、熱伝導体バス３０８で、熱伝導がより遅い速度で生ずることを可能にする。このような構成の利点は、単一の熱伝導体バス３０８が、障害を起こしていないセルの間でより均等に熱を分散することである。
図４は、図２に示される構成を有する一実施形態による、熱暴走を経験している第一のセルＴ１と、その隣接セルＴ２、Ｔ３、Ｔ４およびＴ５の間での経時温度変化を示すグラフである。図４の例において、各セルは、０．１３ｍｍ（０．００５インチ）の厚さのアルミニウム熱伝導体と、セル間の２．５４ｍｍ（０．１インチ）のセラミックの熱絶縁体とを備えた、７．８７ｍｍ（０．３１インチ）の厚さであった。０．１３ｍｍ（０．００５インチ）の厚さのアルミニウム熱伝導体が、０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）の厚さの熱バスに取り付けられた。グラフに示されるように、障害を起こしたセルＴ１は、摂氏４００度に近い温度を経験したが、その隣接セルは、１００度の温度にさえも到達しなかった。図４において、セルＴ２およびＴ３は、障害を起こしたセルＴ１に隣接し、セルＴ４およびＴ５は、セルＴ２およびＴ３に隣接するが、障害を起こしたセルＴ１には隣接しない。図４に示されるように、熱が、障害を起こしたセルＴｌからこれらのセルに分散するので、隣接セルＴ２およびＴ３は、摂氏１００度に近い温度を経験する。しかしながら、熱バスが、セルＴ２とＴ３から効果的に熱を分散し、これらのセルにおける熱暴走の伝播を防止する。加えて、セルＴ４およびＴ５は、障害を起こしたセルＴ１からさらに離れており、摂氏５０度に近い温度に達する。このように、熱バスは、障害を起こしたセルＴｌから、セルアセンブリ内のさらに離れたセルに、熱を効果的に分散する。
本発明の実施形態の上記した説明は、例示の目的のために提示されており、網羅的であること、または、開示されたまさにその形態に本発明を限定することは、意図されない。関連技術分野の当業者は、多くの修正および変形が、上記の開示に照らして可能であることを認識し得る。
本明細書のある部分は、情報に対する操作のアルゴリズムおよび記号表現の言葉で、本発明の実施形態を説明している。これらのアルゴリズム的な説明および表現は、他の当業者に彼らの仕事の内容を効果的に伝えるために、データ処理技術における当業者によって一般的に使用される。これらの動作は、機能的、計算的、または論理的に記載されるが、コンピュータプログラムまたは等価の電気回路、マイクロコード等によって実行されると理解される。さらに、また、一般性を失うことなく、モジュールとしてこれらの動作の配置に言及することは、時には便利であると証明されている。説明した動作およびそれらの関連したモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの任意の組合せで具体化され得る。
本明細書に記載のステップ、操作、またはプロセスのいずれも、１つまたは複数のハードウェアまたはソフトウェアモジュールを、単独で、または、他の装置と組み合わせて用いて、実施または実現され得る。一実施形態では、ソフトウェアモジュールは、説明されたステップ、操作、またはプロセスのいずれかまたはすべてを実行するために、コンピュータプロセッサによって実行され得るコンピュータプログラムコードを含むコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品を実装され得る。
本発明の実施形態は、また、本明細書の動作を実行するための装置に関係し得る。この装置は、必要な目的のために特別に構築されてもよいし、および／または、コンピュータに記憶されたコンピュータプログラムによって、選択的に活性化または再構成される、汎用目的のコンピューティング機器を含み得る。このようなコンピュータプログラムは、有形のコンピュータ可読記憶媒体または電子命令を格納するのに適した任意の種類の媒体に格納され得、コンピュータシステムバスに結合され得る。さらに、本明細書に言及された任意の計算システムは、単一のプロセッサを含み得、また、増大した計算能力のために複数のプロセッサ設計を採用するアーキテクチャであり得る。
本発明の実施形態は、また、搬送波に具現化されるコンピュータデータ信号に関連し得、コンピュータデータ信号は、本明細書に記載のコンピュータプログラム製品、または他のデータ組み合わせのどの実施形態をも含む。コンピュータデータ信号は、有形媒体または搬送波で提示され、変調又は他の方法で、有形である搬送波に符号化され、任意の適切な送信方法に従って送信される生成物である。
最後に、本明細書中で使用される言語は、主に、読みやすさと説明のために選択されており、それは本発明の主題の輪郭を描くか、境界を描くために選択されなかった可能性がある。したがって、本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるものではなく、むしろ、ここにおいて基礎づけられる出願に関して発行するいずれかの特許請求の範囲によって限定される。従って、本発明の実施形態の開示は、以下の特許請求の範囲に記載される、本発明の範囲の例示であって、限定するものではないことが意図される。
Claims (15)
- 第一の複数のフランジを有する第一の熱バスであって、上記第一の複数のフランジは、上記第一の熱バスから垂直に延びており、各々のフランジが、第一セットのセルの一つに接触している、上記第一の熱バスと、
第二の複数のフランジを有する第二の熱バスであって、上記第二の複数のフランジは、上記第一の熱バスに接触することなく、上記第二の熱バスから垂直に延びており、各々のフランジが、第二セットのセルの一つに接触しており、上記第二セットの複数のセルの各々は、上記第一セットのセルのセル間に置かれている、上記第二の熱バスと、
上記第一セットのセルおよび上記第二セットのセルからの隣接するセル間の直接的な物理的接触を防止する絶縁体と、
を含むことを特徴とする電池。 - 請求項１の電池であって、上記第一セットのセルおよび上記第二セットのセルは、高分子電解質を含むリチウムイオンセルであることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記第一セットのセルおよび上記第二セットのセルは、液体電解質を含むリチウムイオンセルであることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記第一の熱バスおよび上記第二の熱バスは、アルミニウムで構成されていることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記第一の熱バスおよび上記第二の熱バスは、グラファイトで構成されていることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記第一の熱バスおよび上記第二の熱バスは、グラフェンで構成されていることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記第一の熱バスおよび上記第二の熱バスは、炭素繊維で構成されていることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記第一の熱バスおよび上記第二の熱バスは、カーボンナノチューブを用いて構成されていることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記第一の熱バスおよび上記第二の熱バスは、銀で構成されていることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記複数の電池セルは、第一セルアセンブリ内に含まれ、上記電池は、さらに、第二セルアセンブリに含まれる第三セットのセルを含み、該第二セルアセンブリは、第三の熱バスにより、上記第一セルアセンブリに結合されることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記絶縁体はセラミック繊維を含むことを特徴とする電池。
- 請求項１１の電池であって、上記セラミック繊維は、酸化アルミニウム繊維であることを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記絶縁体は、シリカエーロゲル材料を含むことを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記絶縁体は、ガラス繊維織物を含むことを特徴とする電池。
- 請求項１の電池であって、上記第一の熱バスの上記第一の複数のフランジは、上記第二の熱バスに接触することなく上記第一の熱バスから垂直に延びることを特徴とする電池。
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