JP6033283B2 - リチウム二次電池セルアレイ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［説明］
本発明は、円筒状設計のリチウム二次電池セルアレイであって、請求項１に従って、巻回心棒と、陰極、陽極、及びセパレータからなる電池セル構造を形成する箔状被覆帯と接触帯とを含む巻回パッケージとを有し、さらに、電極キャップを備える外部電気的接続手段を有している円筒状設計のリチウム二次電池セルアレイに関する。

ＤＥ ６９６ ３６ ７９６ Ｔ２は、既知の電極キャップを備え、巻回体の各箔を帯のように外部へ案内するようにして接触が確立されている円筒形二次電池を開示している。この場合、このような帯を複数取り扱わなければならず、これが圧縮や材料破壊といった機械的な問題につながる可能性がある。もしくは、箔状巻回体から引き出された数本の帯には制約があり、このために通電容量が少なくなってしまう。

ＤＥ ６９９ ００ １０５ Ｔ２は、非水電解質を有する巻回構造形式の二次電池を既に開示している。ここでは、セパレータを有する細長い正負極は、正極が外側の層を形成するようにして積層されている。

ＤＥ ６９９ １３ ５７０ Ｔ２では、示されているリチウム二次電池セルは、渦巻状円筒として設計されている。さらに、複数の電極接触ピンによって接触されたコネクタアセンブリが存在しているので、収容電極部によって発生された電力が外部デバイスに供給され得る。さらに、カバーが、アセンブリ全体のために設けられており、ガス通気プラグを有している。しかしながら、接触するために用いられる電極接触ピンは、巻回体内で特定の間隔をおいて所望の場所に確実に接触するようにしてあるものの、実際に電流を流すには材料の断面の小領域しか使用できない。これは、対応するリチウム二次電池セルの充電及び放電の双方の間において電力が制限されてしまうことを意味する。

包括的なＤＥ １０ ２００７ ０００ ４２８ Ａ１は、リチウムイオン電池セルの巻回心棒を前提としている。巻回心棒上には、陰極、陽極、及びセパレータからなる三重積層体がある。さらに、いわゆる電極プラグが存在し、この三重積層体が巻回心棒に巻回されて所望の巻回体を形成する。そして、巻回心棒の端部には電極キャップが挿入される。ＤＥ １０ ２００７ ０００ ４２８ Ａ１に係る電極キャップの頂部の直径は、巻回体の直径よりも小さい。一実施形態では、電極キャップを巻回心棒に締め付ける前にワッシャーが装着され、その後この構造が巻回体と電極キャップとの間に配置される。このワッシャーは、巻回体の最大直径に達することが可能な直径を有し、また、例えば陰極側には銅で陽極側にはアルミニウムといった対応する電極の材料からなる。さらなる実施形態では、ワッシャーは星形、十字形、または輻形として実現可能である。これにより、電極接触部に振動に強い固定を施すことが可能になる。ワッシャーと箔巻回体との接触は、溶接によって行われているが、これは非常に複雑な技術工程である。

非水電解質を用いた二次電池の観点における従来技術に関しては、ＤＥ ６９８ ２９ ５４４ Ｔ２が参照され、リチウム電池セルから材料を回収する方法に関しては、ＤＥ ６９４ ２０ ４３８ Ｔ２が参照される。

ＤＥ １０ ２００７ ０３２ ５２０ Ａ１に係るリチウムポリマー電池セルに基づいて、積み重ね可能なエネルギー貯蔵物内に冷却換気が行われている。管状巻回心棒により、冷却用空気がデバイス内を通過する。この中にある電極キャップは、巻回心棒の下部及び上部へとねじ込まれるネジ管として設計されている。この電極キャップは冷却換気を行う。

上記に鑑み、本発明の目的は、円筒状設計で、巻回心棒と、陰極、陽極、及びセパレータからなる電池セル構造を形成する箔状被覆帯と接触帯とを備える巻回パッケージとを有する、より高性能なリチウム二次電池セルアレイを提供することである。特定されるリチウム二次電池セルアレイは、大電流設計であるべきで、これにより複数の電池セルの結合が、対応する直列回路によって実現される。同時に、対応する電池セルを簡単な手段で集中冷却することも可能となるはずであり、これにより充電プロセスが短縮され得る。

本発明の目的は、特許の請求項１の教示に係る特徴を組み合わせることよって達成される。これにより、下位クレームは、少なくとも実用的かつ有利なさらなる実施形態を含む。

したがって、巻回心棒と巻回パッケージとを有する円筒状設計のリチウム二次電池セルアレイが想定される。ここで、巻回パッケージは、陰極、陽極、及びセパレータからなる電池セル構造を形成する箔状被覆帯と接触帯とを備えている。さらに、電極キャップを有する電気的接続手段も存在する。

本発明によれば、巻回心棒は、絶縁材、具体的にはセラミック材を備えている。ここでは、例えば貫通孔として設計された、長手方向に延びる貫通チャネルを有している。
巻回心棒は、各端部で内側電極キャップに接続されている。よって、電極キャップも同様に貫通チャネルを有している。

さらに、いずれの場合においても、少なくとも縁領域において周縁で巻回パッケージを囲む貫通路を有する外側電極キャップが設けられている。この外側電極キャップは、締め付けリングや締め付け鍔という形で設計されている。

１つ以上の径方向に配置された圧入接続手段は、各々が外側電極キャップと内側電極キャップとの間で作用し、巻回パッケージを固定して、接触帯と外側電極キャップとの間の電気的接触を実現する。

貫通チャネルと貫通路との擬似機械的直列接続を介して、電池セル冷却液をリチウム二次電池セルアレイに容易に供給できる。これにより、巻回芯によって生じた熱が放散され、効果的な冷却が達成される。

この構造全体は、絶縁性の管状外側ハウジングで囲まれている。一実施形態では、このハウジングは弁構造を保持し、電解液を入れ替え、かつ／または、相当する液体を供給する。

好適な実施形態において、巻回心棒は、中空円筒、具体的にはセラミック製中空円筒として設計されており、その端部はそれぞれ内側電極キャップの一部分を保持している。本明細書では、内側電極キャップは、中空円筒の内径に一致する直径縮小領域を備えており、これにより、例えば接着結合、具体的には接着剤を用いた接着結合によって内側電極キャップの締め付けを達成する。

圧入接続手段は、適切な凹部において径方向に巻回体を貫くネジまたはボルトとして設計可能であり、ネジまたはボルトの内端は、相当する内側電極キャップのそれぞれのネジ穴によって保持される。

一代替形態では、締め付けリングは、外側電極キャップ上を摺動する圧入接続手段として機能する。締め付けリングは、固定装置、具体的にはサークリップによって固定可能である。圧入接続手段を締め付けリングとする実施形態の場合、外側電極キャップは、チャック状突出部の領域がわずかに円錐形である。外側電極キャップ及び巻回体における径方向に配置された圧入接続手段の最初の変形例にある皿ネジ用の穴も、内側電極キャップ内の対応するネジ穴も必要としない。締め付けリングによってかかる圧力によって、適切な接触が確保されるとともに、内部抵抗は確実に無視できる程度になる。

上述より、内側電極キャップは巻回芯の少なくとも一部を形成し、縁部側で巻回パッケージの端部を支えていることになる。
外側電極キャップは、貫通路の領域では雌ネジ構造を示し、直列電池セルアレイの中空円筒状接続部を受け入れるか、または、電気端子または中間タップを固定する。

本発明のさらなる実施形態では、巻回パッケージは、銅箔帯及びアルミニウム箔帯からなる。ここで、これらの箔帯にはリチウムと例えばカーボンブラック等の導電性粒子とからなる層が設けられていて、縁領域は長手方向において空いた状態である。

この空いた縁領域には、それぞれの帯が巻かれた状態で互いに上下に重なる切目または孔が存在する。さらに、箔帯の間には不織布層が挿入されており、これにより電解質を保持するとともに、巻回体内の空いた縁領域に位置する導電性挿入帯を形成している。挿入帯もまた、それぞれの位置が箔帯の切目または孔と一致する切目または孔を有している。

これまでに述べた手法によって、圧入接続手段を用いる導電性挿入帯を用いて、箔帯が広範囲にわたって接触するようになる。
箔帯及び導電性挿入帯の縁領域にあるスロット状凹部によって、電解液または再循環電解質が供給可能になり、スロット状凹部もまた完成した巻回体において互いに上下に重なるように設計されている。

本発明に係る方法で巻回体の設計を簡素化することは、以下に説明するように実現可能である。上記で説明したように、巻回体は、６つの異なる構成要素、すなわち、銅被覆箔、アルミニウム被覆箔、各金属の挿入帯が１つづつ、及び２つの不織布層で構成されている。挿入帯は、それぞれの金属被覆箔の個々の層の間の空間を埋めることにより外部への低電気抵抗での電気の伝達を保証することがその役割であり、この点に置いて上記の金属箔がグラデーション、具体的には階段状の巻き取りを有する場合には必要とされない。各段の高さは、各段の間にある相補的な金属箔と不織布層との厚さまたは高さに起因する元の空間が埋まるように定められる。これにより、電気を外部へ望むように伝達することが、所望の方法で実現可能になるとともに、複合された巻回体はわずか４つの構成要素で構成されることになる。

この点について要約すると、本発明は、巻回型リチウム電池セルの設計を改良したものを示しており、ここに提示された本発明に係る電極キャップは先行技術に対して大幅な改良である。この手法で設計された電池セルは、複数の電池セルの結合が、追加の容積を大きくとることなく簡単な接続部配列によって可能であるので、特に大電流に対応できる。同様に、個々の加熱や直列接続された電池セルの冷却もまた、電極キャップを通過する非導電液を介する簡単な手段によって可能である。電池セルの分解を必要とせずに交換可能な水性電解質手段を用いることにより、耐用年数が伸びる。実用耐用年数が終わると、電池セルは簡単に分解でき、それぞれの原料を簡単にリサイクルできる。

本発明によれば、提示されたリチウム二次電池セルアレイを直列接続するために、専用のヒューズ素子も設けられる。リチウム二次電池セルはエネルギー密度が高いために、電子モビリティー分野での用途が運命づけられている。相当する必要電圧を達成するために、複数のリチウム二次電池セルが直列に接続される。例えば乗物による事故で生じ得るような強い機械的な力を印加された場合には、電池セルに蓄積されたエネルギーが無制御で放出されてしまう短絡が、使用している電池の種類に関係なく起こる可能性がある。電池セルの直列接続によって、電池セルのうちの少なくともいくつかは望まない無制御の放電の影響を受けてしまう。以下に説明するヒューズ素子を用いることによって、短絡の場合に無制御の放電が１つの電池セルのみに限定され得るか、理想的には完全に防止され得る。

本発明に係るヒューズ素子は、上述のような電池セルの設計に基づいている。本明細書では、各電池セルは雄ネジを有する接続端子を有しており、接続端子は軸方向に導出され、必要に応じて芯を冷却するための軸方向中心フィードスルーを有する。リチウム電池セルには、連続する電池セルを直列接続していることにより、銅とアルミニウム電極との間で遷移を生じさせる必要があるという特有の問題がある。水分浸透が起こった場合、これらの金属の直接接続のせいで電解質の影響が穏やかに及ぼされていく可能性があり、それが今度は接触部の破壊につながる。ここで説明しているヒューズ素子は、この問題も防止する。

本明細書で提示されたヒューズ素子は、２つの金属性円板、すなわち、１つは銅円板で１つはアルミニウム円板を備えており、その大きさ及び寸法は接続される電池セルに適合させてきた。

両円板とも、雌ネジが好ましくは中央にあるフィードスルーを有している。このフィードスルーは、各電池セルの雄ネジが接続された状態の軸方向接続端子に対応する。
両円板とも、同心に対向している、すなわち、同一平面上にフィードスルーを有し、電気的に非導電性の弾性材料を利用して機械的に接続されている。この接続に用いられる弾性円板も中央フィードスルーを有し、これにより、接続された各電池セルにおいて上述の芯冷却を可能にしている。弾性円板の外径は上記の金属円板の直径よりも小さい。

金属円板の空き領域、すなわち、弾性円板の外側の領域には、複数のフィードスルーが周縁に存在し、複数のフィードスルーの各々もまた互いに同心、すなわち同一平面上にある。本発明に係る同一平面フィードスルーには止めピンが差し込まれていて、所定の位置に固定されている。止めピンは、銅の部分とアルミニウムの部分とで構成されている複合材からなる。対応する複合材は互いに固定されている。止めピンの直径は、止めピンが上述のフィードスルーに差し込んで押し込まれることが可能な寸法となっている。

止めピンには中央部にくぼみがあってもよく、これにより、所望の開放特性を実現するとともに必要なアークを供給するように電流集中を形成してもよい。
止めピンの開放電流は電流集中によって決定可能である。さらに、ヒューズ素子全体の開放電流は、使用されている止めピンの数によって変化可能である。円板内におけるフィードスルーの数も、それぞれの意図された目的に応じて調整可能である。よって、止めピンに特定の段階的な開放電流を与えることが可能であり、その組み合わせの結果、所望の全開放電流が得られる。

したがって、本発明に係るヒューズ素子は、直列に接続された２つのリチウム電池セルの軸方向接続端子の非腐食接続を可能にする。開放電流は、使用される止めピンの数と個々の止めピンの選択とによって精細に調節できる。これにより、接続されたリチウム電池セルの芯の常時冷却が保証され続けられる。ヒューズ素子の寸法及び形状は、接続される電池セルに対して個別に適合可能である。例えば六角形の形状であれば、アセンブリを簡素化できる。作動したヒューズ素子は、新たな止めピンを差し込むことで再利用できる。選択された円板の直径が接続される電池セルの直径よりの大きい場合、止めピンはヒューズ素子を取り外す必要なしに交換可能である。ヒューズ素子を、接続される電池セルの間に直接取り付けることにより、外部ヒューズと比較して、配線断面積の理由で必要とされるかなりの量の配線作業を省ける。また、これにより、不必要な接触抵抗が生じ得る接触部品が少なくなる。さらに、必要な空間が小さくなる。このように、連続アレイ内で個々の電池セルにヒューズを取り付けることが可能である。

一実施形態に基づき、かつ各図を用いて、以下において本発明をより詳細に説明する。

巻回パッケージの最近の設計における、部分的に被覆された箔状帯の略図である。 導電性挿入帯の略図である。 巻回構造の斜視図である。 巻回心棒または巻回芯と内側電極キャップとが巻回芯にまだ挿入されていない状態での、電池セル構造の端側部の部分断面図である。 外側電極キャップと、外側電極キャップの対応する凹部にはまだ挿入されていないコネクタとの断面図、及び、第１実施形態に従って締め付け頂部または締め付けリングとして設計された外側電極キャップの端部の、巻回パッケージの方を向いた状態の断面図である。 明示された内側電極キャップ、外側電極キャップ及びコネクタを有するリチウム二次電池セルアレイの銅側端部の断面図であって、巻回パッケージを固定して接触させる圧入接続を形成するためのネジがまだ挿入されていない状態の断面図である。 プラスチック管製外側ハウジング、電解質弁のための凹部、及び、巻回体内、ひいては電池セルアレイ内に液状電解質を均等に浸透させ、効果的に侵入させるための可視スロット状領域を有する箔巻回体の断面図である。 チャック状突出部の領域が円錐形状で、圧入接続手段として締め付けリングを有する、本発明の第２実施形態に係る外側電極キャップの断面図である。 複数のリチウム二次電池セルを軸方向に直列接続するための本発明に係るヒューズ素子の斜視図である。

リチウム二次電池セルアレイの巻回パッケージは、図４に示すように設計された銅箔帯とアルミニウム箔帯とで構成されている。本明細書では、箔１のうち下部２のみに、リチウム及びカーボンブラック３が両面に被覆されている。長手方向４における側縁帯は、被覆されないままである。この空いた側縁領域には、孔５の列とスロット状切目６の列とがある。

孔及びスロットは、パンチングによって形成することができる。このパンチング工程は、下部の被覆前に行われるので、技術的な処理が簡素化される。
孔５とスロット６との間の隙間は、箔巻回体の完成品において、例えば６つの径方向貫通孔と同数のオフセットスロットとが形成されるように定められる。

巻回体の直径は層が増えるごとに大きくなるので、孔５とスロット６との間の隙間は内側から外側になるにつれて（図１では左から右へ）大きくなる。確認される隙間は、それぞれの箔の厚さに基づいて簡単に寸法を定めることができ、また技術的にも実現できる。

巻回パッケージはまた、図２に示すように、挿入帯７を備えている。挿入帯は導電材からなり、挿入帯もまた孔８の列を有する。挿入帯７は、各被覆箔からなる２つの層の間にある空間を埋めるので、対応する材料の厚さに注意しなければならない。

挿入帯７内の孔８は、箔内の対応する孔と一致されている。箔内のスロット６の代わりに、挿入帯７は、巻回体内のスロット６と一致されている凹部９を有している。図２では下向きの挿入帯７の舌部１０は凹部によって形成されているが、箔の隣接層にあるスロットの間にある空間を埋めており、いわばスペーサを形成している。

箔巻回体の設計を図３に基づいて説明する。
巻回体は、好ましくはセラミック材製の管１１として設計されている芯を有しており（図４参照）、管１１の一端は内側電極キャップ１２を保持している。内側電極キャップは、巻回体の管１１と接着結合、具体的には接着剤１３によって接続可能である（図４参照）。

箔１４は、図３に示すように互いに重なるように配置されているので、側縁帯はそれぞれの側面に配置されている。被覆領域３は互いに重なって位置し、その間にある不織布層１５によって隔てられている。そして、上側の箔の上にはさらなる不織布層が配置されている。この結果、巻回体内では、銅箔、不織布、アルミニウム箔、不織布、銅箔、不織布、アルミニウム箔、不織布などという順序を繰り返して配置されている。

挿入帯７は両側に配置されているので、挿入帯の厚さはアルミニウム被覆箔及び／または銅被覆箔及び対応する不織布層の全体の厚さに相当する。対応する孔５とスロット６とは、全体的な構成においてそれぞれが互いに重なって配置されている。さらに、この構成は挿入帯７の孔８に対してもあてはまる。図３はまた、電池セルの陰極と陽極とを形成する導電部材に関する材料データも示している。

巻回体のそれぞれの側部の接触は、図４，５，６に示すように、専用の電極キャップを利用して行われる。
本明細書では、内側電極キャップ１２は、テーパー部を介してセラミック管１１の対応する端部に、好ましくは接着結合１３によって接続されている。本明細書では、内側電極キャップは巻回体の一部を構成している。さらに、内側電極キャップ１２は径方向の穿孔２０を有している。これらの穿孔２０は雌ネジを有する。各箔の孔５，８、及び挿入帯は、内側電極キャップ１２の穿孔及び穴２０と一致している。

その後、銅またはアルミニウムのいずれかで作られた外側電極キャップ２１を、完成した巻回体にその両側から押し入れる。巻回体を貫通し、内側電極キャップ１２の穿孔２０へと延在する圧入接続手段として、ネジを外側電極キャップ２１にある径方向の穿孔２２を介して挿入可能である。外側電極キャップ２１の鍔状延長部２３は、巻回体の外側端部を囲み（図６参照）、圧入接続手段として穿孔２２に挿入されたネジを利用して固定される。

外側電極キャップは部分２３内に長手方向のスロットを有するので、外側電極キャップは締め付けリングまたはチャックとして機能する。巻回体内の個々の箔の層の間の空間が上述の挿入帯で埋められているために、主な機械的負荷は全く加わらずにこの箔の圧入接続は行われる。同時に、巻回した箔の最大接触可能面を用いて、挿入帯によって外側電極キャップの広い断面と電気的に接続する。チャック状のスロットは、図５において参照符号２４で識別される。外側電極キャップ２１にある周方向溝２６は封止リングを保持する。外側電極キャップ２１の内部通路領域２８内の溝２７も同様の目的で機能する。

通路領域２８には雌ネジ２９も存在し、雌ネジ２９は接続部３１の雄ネジ３０と相補関係にある。接続部３１は導電性であり、例えばＶ２Ａなどといったステンレス鋼材からなる。

接続部３１はまた、鍔部３２を有していてもよく、鍔部３２は間隔リング３３に対する当たり止めを形成している。図５に係る実施形態では、接続部３１は両側に雄ネジ部３０を有している。これにより、複数のリチウム二次電池セルアレイの幾何学的な直列接続が可能になり、接続部によって形成された長手方向チャネルを介して、気体状または液体状の冷却媒体を案内している。

図６及び図７から分かるように、全体構成のうちの外側ハウジングは、対応する中空円筒状設計のプラスチック管４０からなる。対応する封止リングはワッシャー及びネジ切りリングによって固定されていて、管形状の外側ハウジング４０の端領域を封止することによって、水性電解質を交換するときの流体による短絡を防ぐ。巻回箔内にある既設スロットの領域において、外側ハウジング４０は弁４２のための凹部４１を有している。弁４２は、生じ得るいかなる過度の圧力からも保護するように機能することができ、または、使用する任意の水性電解質の充填または交換ができるようにしてもよい。この弁は、外側からハウジング４０内へネジ止めされており、封止リングによって封止されている。凹部４１の真下には周方向空間がある（図６及び図７も参照）。この周方向空間４３を用いて、箔巻回体４５の全てのスロット４４に対して電解質を均等に分配する（特に図７を参照）。

図５に示されている外側電極キャップ２１は、対応する箔巻回体４５を締め付けて接触するために用いられている。外側電極キャップ２１は、封止リングによって周囲のプラスチック管から密封されている（図６参照）。

図中の軸方向フィードスルーによって、冷媒の通過だけでなく、接続部３１とのネジ接続も可能になる。
フィードスルー内に更にＯリングを設けることにより、内側電極キャップ１２及び接続部３１に対する封止が形成される。外側電極キャップ２１内の補助的な径方向ネジ穴４６を用いて、接続部３１のネジを内部で固定するグラブネジを保持するとともに、外側ハウジング４０及び対応するプラスチック管とのねじれを防止する。この場合、各ネジの長さは、外側電極キャップ２１をわずかに越えて突き出るように定められる。外側ハウジング４０内には複数の孔があり、これらの孔を通じて上述のネジが挿入可能であり、これらの孔は、アセンブリ後にシール材で封止される。

本明細書に示すように、接続部３１は例えばステンレス鋼材でできている。接続部３１の周方向鍔部３２が外側電極キャップ２１の凹部４７に収まることにより、同一平面が形成される。必要に応じてここで広範囲に接触させることもできるし、また、接続部３１を、取り付けられている間隔リング３３を介してさらなる電池セルの外側電極キャップにボルト止めすることによって、説明されている直列接続を実現できる。直列接続では、対応するＯリングによって、そのときに対向しているプラスチック管が封止される。電池セルの直列接続において、導電性接続部３１を用いて、電池セル同士も端部もどちらも接続可能である。

図６は、アセンブリされた電池セルの結果物を断面図で示したものである。これは電池セルの銅側から見た図を示している。
電池セルは、まず所望の長さ及び幅の銅帯とアルミニウム帯とを作成し、両帯に必要な孔とスロットとを設けることによって製造される。その後、両帯を適宜に被覆可能である。不織布片と挿入帯とを合わせることも行われる。

巻回芯としてのセラミック管を、２つの内側電極キャップに嵌め込む。内側及び外側電極キャップは、単純な回転部品として製造可能である。
金属被覆箔を、不織布層及び挿入帯と一緒に管に巻回させることにより、両側部で孔同士も穿孔同士も合致する。このようにして製造された巻回体を、この後に外側ハウジングに押し込む。

封止リングとして、Ｏリングを巻回体の周囲に配置する。これにより、対応するワッシャーが所定の位置に収まり、ネジ切りリングが所定の位置にネジ止めされる。
この場合に、アセンブリの補助手段として、ネジ切りリング内の溝またはスロットを用いてもよい。

その後、必要な弁を外側ハウジング内に挿入し、かつ／または、プラスチック管と外側電極キャップとを所定の位置に押し込む。皿ネジを、対応する穴を介して内側電極キャップに挿入し、内側電極キャップにネジ止めすることもできる。そして、接続部を所定の位置に配置して固定する。電解質を水溶液の形態で供給しなければならない場合、設けられた弁を介して、電解質を充填可能である。

説明してきた箔は、電気エネルギーを吸収するものであるが、電気エネルギーを片側のみから受け、同じ側でこの電気エネルギーを放出する。箔を巻回させる側の長さは、均等な箔を有する大きな全体断面を生成するには一般的には１メートル程度である。本明細書で提示された構成において明白なことは、電流の伝達に利用可能な最大断面を完全に使用することである。箔は、箔の傷つきやすい薄い材料に著しい機械的負荷がかかることもなく、挿入帯を介して片側全体に沿って接触する。

先行技術から既知であるような接触に関する課題は排除されている。挿入帯の舌部は箔帯の被覆領域の直前まで達しているので、箔帯の内部抵抗が減少する。
外側電極キャップとの接続は、挿入帯の幅を有する箔巻回体の全周縁付近で行われているので、外側電極キャップとの接続もまた広範囲となる。ネジ止めされる接続部を有する外側電極キャップは、あらゆる直径の外部導線への伝達が可能な、とても広くて平らな接触面を有している。したがって、接続領域において損失も不要な加熱も発生することなく、かなりの大電流が流れることができる。

冷却面での有利な点は、電池セルが接続部から始まって外側及び内側電極キャップを通り、セラミック管へと続く軸方向フィードスルーを有していることである。フィードスルーは、対応する封止リングによって電池セルの内側から完全に密封されている。このことは、非導電性のものも、他のいかなる冷媒も電池セル内に供給することができ、内部から電池セルを冷却することを意味し、高電圧充電の場合には、大量の熱エネルギーが電池セル内部で発生するため、高電圧充電中に特に有利である。

複数の電池セルを直列に接続して連続体を構成する場合、説明したように、この特別な設計は、冷媒に対する軸方向フィードスルーもまた連続であることを意味する。これは、必要な労力が個々の電池セルを冷却するために必要な程度にすぎないことを意味する。

電解質は、リチウム電池セルにおいて最も重くストレスがかかる要素である。水性電解質を使用する場合、水性電解質を交換することで電池セルの耐用年数を延ばすことができる。本明細書で提示された電池セル構成により、電解質の交換を非常に簡単に行うことができる。プラスチック管において説明した弁、不織布層と挿入帯の舌部との間の周方向空間、及び箔内のスロットのおかげで、外部から供給された電解質が巻回体の断面全体に達し、断面全体にある不織布材の全部分に供給されることができる。すでにある電解質はそれに応じて反対側で吸い出される。箔巻回体とプラスチック管との間の封止によって、電解質が巻回体を越えて流れ出すのを防止しているので、流体による短絡が生じる可能性はない。

例えば大容量蓄電池用に必要であるような、より高い出力を有する電池セルの温度は、必要に応じて一定の電解質循環によって維持されることもできる。この場合、このような循環は、軸方向フィードスルーを介して前述の冷却処置と組み合わせられ得る。

動作中の電解質の移動は、周辺の技術に特別な要求をする。循環に関わる電池セル外部の全要素は、絶縁材で製造されなければならない。
高い蓄電容量が達成される場合、巻回体の幅だけでなく巻回体の直径も大きくすることができる。したがって、対応したスケーリングを行うことが可能である。

冷媒による軸方向フィードスルーを介した冷却は、直径が増すにつれて効率が低くなるので、電解質循環によって冷却を補うことは、この冷却が巻回体全体に浸透するので特に有利である。できる限り均等な浸透を実現させるために、説明されたスロットに加えて、外部から中心へ案内するスロットを図７に従ってさらに設けることもできる。ここで、この新たなスロットは外部から中心に向かって途中までしか延在していない。図７は、巻回体に電解質が均等に浸透するのを保証するために、巻回体の直径が増すにつれてさらなるスロット４４がどのように配置されることになるのかを図内に示したものである。弁凹部４１から始まり、電解質は流動抵抗が低い比較的大きな断面を有する周方向空間４３に入る。ここから、このスロット配置のために、電解質は巻回体の全ての層にあるスロットを通過するとともに、個々の層の間にある短い距離に広がりさえすればよい。したがって、小さな断面を有する領域を通る電解質の流路は、実際には巻回体の幅のみによって決定される。

接続部３１によって、複数の電池セルが直接的に直列接続することが可能になり、その結果全体の電圧を上げることができる。これにより、単一の電池セルの直径を有し、長さが何倍にもなる細長い円筒が作成される。電圧が同じで容量を上げるためには、各電池セルを並列に接続することも可能である。これは簡単な要素によって実施可能で、そのためには隣接する電池セルの接続部に対応する凹部を備える導電帯が用いられる。導電帯の厚さはそれに応じて選択され得る。この種の導電帯を２つの電池セルの直列接続に用いることもできる。例えば、この種の導電帯によって、全部で４つの電池セルの配置で、２つをそれぞれ並列、２つを直列に接続することができ、その結果、１つの電池セルと比較して、容量が２倍となり、それに応じて電圧も高くなる。

同様の手法で中間タップも実現可能である。直列接続の電池セル同士の間には、ケーブル突起を上述と同様の方法で挿入することができる。対応する穴状凹部を有する帯を挿入することもできる。この帯は電池セル外部に向かう角度で曲げられていて、円筒の端部のうちの１つにねじ込まれた電池セルの円筒に並列に絶縁を実施できる。複数のタップを、このような帯を有する円筒の周りにランダムに配置することができるし、あるいは、増大する距離とある角度をなして曲げられることもできる。両方の場合において、わずかな労力で、直列に接続された電池セルの端部のうちの一方に束ねられた全接続を収容することができる。これらのタップを、並列に変更された電池セルに対しても同じように使用することもできる。

本発明に係る電池セルは、特別な技術工程を用いずに上述の方法で製造できる。溶接も他のいかなる分離不可能な接続も存在しない。したがって、このようにしてアセンブリされた電池セルはとても簡単に分解可能である。このことは、リサイクル中に著しく有利な点をもたらす。

図８の図示にしたがって、外側電極キャップを止め付けるときにより一層の簡素化を実現することができる。
図８に従う参照符号に関し、図５の説明を参照する。内側電極キャップを有するセラミック管を内部に含む巻回体に外側電極キャップを締め付けることを、穿孔２２を用いて皿ネジによって固定できる（図５参照）代わりに、図８に従って締め付けリング１００を用いて実現することもできる。

この目的のために、外側電極キャップは、チャック状突出部２３の領域がわずかに円錐形の設計になっている。締め付けリング１００は、例えばＶ４Ａ鋼製であり、外側電極キャップの上に配置され、外側電極キャップの対応する凹部で把持する例えば青銅製のサークリップ１０１によって固定される。

また、この手段が用いられる場合、他の手段では形成しなければならない孔がもはや必要ではなくなるので、箔や挿入帯の製造が簡素化される。
本発明に係る複数のリチウム二次電池セルを直列接続するためのヒューズ素子を、図９を用いてより詳細に説明する。

図９に基づく実施形態に従ったヒューズ素子は、銅円板１１０とアルミニウム円板２２０とを有しており、両円盤の大きさ及び形状は接続される電池セルに適合されている。
円板１１０と円板２２０との間の中央には、雌ネジを有するフィードスルー３００があり、フィードスルー３００は、軸方向接続端子と、接続される電池セルの雄ネジとに通じる。

両円板１１０，２２０は、同一平面のフィードスルーを用いて対向していて、電気的に非伝導の円板、具体的にはゴム円板４００によって機械的に接続されている。
ゴム円板４００はまた、中央フィードスルーを有していて、接続された電池セルを常時芯冷却することができる。

ゴム円板は、外側において円板１１０，２２０よりも小さい直径を有している。
ゴム円板４００の外側になる円板１１０，２２０の周縁領域には複数のフィードスルー５００があり、フィードスルー５００のそれぞれが２つの円板１１０，２２０の間で同一平面上にある。止めピン７００をこれら同一平面フィードスルー５００に差し込んで、円板１１０，２２０の外縁部から径方向に通ってフィードスルー５００に達するネジ穴６００に差し込んだ例えばグラブネジで、所定の位置に固定する。

止めピン７００は、銅部８００及びアルミニウム部９００からなる複合要素を備えている。対応する材料は、当業者には既知の手法によって密接に結合している。
止めピン７００の直径は、止めピン７００をフィードスルー５００に簡単に挿入し、押し込むことが可能なように定められる。好適な実施形態では、止めピン７００は真ん中にテーパー１０００を有することで、所望の開放特性が得られる。

円板１１０，２２０は、接続される電池セルのそれぞれの軸方向接続端子に、銅製の円板１１０が一方の電池セルの銅製端子に、アルミニウム製の円板２２０が他方の電池セルのアルミニウム製端子に接続されるようにネジ止めされている。

各電池セルは機械的に安定しているが、電池セル同士の間にあるゴム円板４００を通じて弾性接触もあり、ゴム円板４００は両円板にしっかりと密着されている。
電池セル同士の電気的接続は、挿入される止めピン７００のみで形成されている。金属の銅とアルミニウムとの間の接触は止めピン７００内部のこの強固な接続のみによって行われているので、水分は全く浸透できず、したがって、あらゆる種類の腐食が原理的には阻止される。

それぞれの止めピン７００の開放電流は、関連するテーパー１０００によって簡単に決定できる。さらに、ヒューズ素子７００全体の開放電流は、挿入されたヒューズ素子７００の数によって段階的に変化させることができる。フィードスルー５００の数は、対応する使用目的及び電流の流れに応じて適合可能である。

Claims (11)

1. 巻回心棒と、
   複数の箔状被覆帯と複数の導電性挿入帯とを含み、前記箔状被覆帯と前記導電性挿入帯とによって形成される陰極、陽極、及びセパレータからなる電池セル構造を備える巻回パッケージと
   を備え、電極キャップを備える外部電気的接続手段を有する円筒状設計のリチウム二次電池セルアレイであって、
   前記巻回心棒は、絶縁材を備えているとともに、長手方向に延在する貫通チャネルを有し、
   前記巻回心棒は、各端で内側電極キャップに接続され、
   前記電極キャップも同様に貫通チャネルを有し、
   さらに、外側電極キャップの各々は、少なくとも縁領域において周縁で前記巻回パッケージを囲む貫通路を有し、
   各々が前記外側電極キャップと前記内側電極キャップとの間で動作している、径方向に配置された複数の圧入接続手段が、前記巻回パッケージを固定するとともに前記導電性挿入帯と前記外側電極キャップとの間で電気的接触を実現し、
   前記箔状被覆帯は、縁領域が長手方向において空いたままにされて、層が設けられ、
   前記箔状被覆帯の各々が巻かれた状態で切目または孔が互いに上下に重なるように、前記箔状被覆帯の各々の前記長手方向における一端から他端に向かうにつれて間隔が大きくなる複数の切目または複数の孔が前記縁領域に設けられ、さらに、前記箔状被覆帯の間には不織布層が挿入されて、電解質を保持し、前記導電性挿入帯は、前記巻回パッケージ内の前記縁領域に位置して、隣接する箔状被覆帯の間にある空間を埋め、
   前記導電性挿入帯もまた、それぞれの位置が前記箔状被覆帯の前記切目または孔と一致する複数の切目または複数の孔を有する
   ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
2. 請求項１に記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
   前記貫通チャネルと貫通路との機械的直列接続を介して、電池セル冷媒を供給可能である
   ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
3. 請求項１または請求項２に記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
   管状の絶縁外側ハウジングで囲まれている
   ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
   前記巻回心棒は、端部がそれぞれの内側電極キャップの一部分を保持している中空円筒として設計されている
   ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
5. 請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
   前記圧入接続手段は、凹部において径方向に前記巻回パッケージを貫くネジまたはボルトとして設計され、
   前記ネジまたはボルトの内端は、前記対応する内側電極キャップにおけるそれぞれのネジ穴によって保持されている
   ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
6. 請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
   前記内側電極キャップは、巻回芯または前記巻回心棒の少なくとも一部を形成している
   ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
7. 請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
   前記外側電極キャップは、貫通路の領域では雌ネジを示し、電池セルの直列アレイのための中空円筒状接続部を受け入れるか、あるいは、電気端子または中間タップを固定する
   ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
8. 請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
   前記箔状被覆帯の各々は、銅箔帯またはアルミニウム箔帯からなり、
   前記箔状被覆帯の各々に設けられた前記層は、リチウムと導電性粒子とからなる層である
   ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
9. 請求項８に記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
   前記導電性挿入帯によって、前記箔状被覆帯の面接触がなされる
   ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
10. 請求項８または請求項９に記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
    前記箔状被覆帯及び前記導電性挿入帯の縁領域にあるスロット状凹部によって、電解液または再循環電解質の供給が可能になり、
    前記スロット状凹部は、完成した前記巻回パッケージにおいて互いに上下に重なるように設計されている
    ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。
11. 請求項１０に記載のリチウム二次電池セルアレイであって、
    前記電解液または前記再循環電解質の供給により、前記リチウム二次電池セルアレイの温度の維持が可能になる
    ことを特徴とするリチウム二次電池セルアレイ。