JP6400027B2 - 内部相変化材料を有する電池および前記電池の作動方法 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第１１９条の下で２０１３年２月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／７６７，５６４号に基づく優先権を主張する。前記出願の内容全体はここに参照により援用する。
分野
本開示は、電池、より具体的には内部的にまたは外部的に発生される熱にさらされる電池に関する。
本開示は、電池、より具体的には内部的にまたは外部的に発生される熱にさらされる電池に関する。
背景
電池は、多くのシステムに内蔵される有用な貯蔵エネルギー源である。一般的には安全でありながら、電池内に貯蔵されるエネルギーの量と該電池の製造に使用される材料は、様々な筋書きにより安全性の問題が存在しうる。安全性は、内部プロセスの結果としてか、または電池の置かれる環境の結果として、電池が高められた温度にさらされるときに特に問題である。
電池は、多くのシステムに内蔵される有用な貯蔵エネルギー源である。一般的には安全でありながら、電池内に貯蔵されるエネルギーの量と該電池の製造に使用される材料は、様々な筋書きにより安全性の問題が存在しうる。安全性は、内部プロセスの結果としてか、または電池の置かれる環境の結果として、電池が高められた温度にさらされるときに特に問題である。
例としては、電池が充電または放電されるときに、該電池は一般的に、オーム性抵抗、物質移動抵抗および動的抵抗を含む有限の内部抵抗のため熱を発生する。発熱性二次反応が電池内で熱を発生することもある。この発熱は、それが大きく迅速であるときに安全性のリスクを招きうる。例えば、市販のＬｉイオンセルは、一般的に、内部セル温度がカソードの分解温度（約１８０〜２２０℃、充電の化学と状態とに依存して）を超えて上昇すると熱的暴走に陥る。しばしば、この臨界温度を上回る温度上昇を引き起こす事象は、より低い温度で惹起される。例えば、発熱的アノード皮膜分解は、約１２０℃で起こることがあり、それは、該電池温度を１８０℃を超えて上昇させるのに十分なエネルギーを提供する。
安全性の観点に加えて、高められた温度は、電池の作動特性に影響を及ぼす。より穏やかな温度（Ｌｉイオン電池の場合に、４０〜１００℃）で、電池の劣化は通常促進される。これは、殆どの有害な二次反応が熱的に活性化されるという事実によるものである（が、電池における全ての劣化機構が高温で促進されるわけではない）。従って、作動の間に、および／または高い周囲温度の場合には、そのサイクル寿命および／または暦寿命を高めるために、電池を冷却することが推奨される。市販の電池に関して、積極的な空冷、液体冷却、および高い熱伝導性を有する材料の使用を含む、数多くの冷却のコンセプトが存在する。
しかしながら、電池の外部冷却は、高められた熱の局所領域を妨げない。例えば、氷浴中に入れられ、次いで高い電流放電の間に内部的に加熱された電池は、氷が完全に融けるまで氷の融解温度で維持できるかもしれないが、電池の外部表面でしか維持できない。内部的には、電池の局所的な位置での温度は大幅により高いものであり、不均一な熱プロフィールを生成する。こうして電池の内部温度は、氷の融解温度を十分に上回って上昇しうる。
従って、必要とされていることは、高められた温度の有害な効果をほとんど受けない電池である。局所的な熱プロフィール変動を減らす電池に、更なる必要性が存在する。
要旨
一実施形態においては、電気化学的セルは、負極と、正極と、前記負極および前記正極の間に配置されたセパレーターと、該電気化学的セル内の相変化材料とを含む。
一実施形態においては、電気化学的セルは、負極と、正極と、前記負極および前記正極の間に配置されたセパレーターと、該電気化学的セル内の相変化材料とを含む。
もう一つの実施形態においては、電気化学的セルの作動方法は、負極と、正極と、前記負極および前記正極の間に配置されたセパレーターとを含む電気化学的セルで、該電気化学的セルの充電または放電によって熱を発生させることと、前記発生された熱を用いて、該電気化学的セル内の相変化材料の相を変化させることと、を含む。
前記の特徴および利点ならびにその他の点は、当業者には以下の詳細な説明と付属の図面を参照することでより明らかになるべきである。
詳細な説明
本開示の原理の理解を促す目的で、図面に図解される実施形態と以下に記載の明細書に記載される実施形態がここで参照される。本開示の範囲をそれにより制限することを意図するものではないと理解される。更に、本開示は、図解された実施形態に対する任意の変化および変更を含み、更に本開示に属する技術分野における当業者に通常想起されるであろう開示の原理の適用を含む。
本開示の原理の理解を促す目的で、図面に図解される実施形態と以下に記載の明細書に記載される実施形態がここで参照される。本開示の範囲をそれにより制限することを意図するものではないと理解される。更に、本開示は、図解された実施形態に対する任意の変化および変更を含み、更に本開示に属する技術分野における当業者に通常想起されるであろう開示の原理の適用を含む。
図１は、電気化学的セル（１００）の概略図を示している。該電気化学的セル（１００）は、負極（１０２）を含み、該電極は正極（１０４）から多孔質セパレーター（１０６）によって隔離されている。この実施形態における負極（１０２）は、集電体（１０８）、活物質（１１０）、不活性材料（１１２）、および相変化材料（１１４）を含む。前記負極（１０２）は、リチウム金属またはリチウム挿入化合物から形成されていてよい。
この実施形態における正極（１０４）は、集電体（１１８）、活物質（１２０）、不活性材料（１２２）、および相変化材料（１２４）を含む。不活性材料（１２２）は、多孔質マトリクスを形成することがあり、前記多孔質マトリクスは、導電性カーボンまたはニッケルフォームなどの導電性材料から形成された導電性マトリクスであるが、様々な選択的なマトリクス構造および材料を使用してよい。前記セパレーター（１０６）は、前記負極（１０２）が前記正極（１０４）と電気的に接続することを妨げる。
前記電気化学的セル（１００）は、電解質溶液（１１６）を含み、前記溶液は、正極（１０４）中に存在し、幾つかの実施形態においてはセパレーター（１０６）および負極（１０２）中に存在する。
金属がＬｉである場合には、前記電気化学的セル（１００）は、負極（１０２）中のリチウム金属をＬｉ+イオンと自由電子ｅ-とに電離しつつ放電する。Ｌｉ+イオンは、セパレーター（１０６）を通って矢印（１２０）によって示される方向で正極（１０４）に向かって移動する。
前記セルの放電（または充電）の時に、熱が発生することがある。熱は該セル（１００）に対して外部で発生されて、それが該セル（１００）中に伝わることもある。相変化材料（１１４／１２４）は、該材料が相Ａから相Ｂへと完全に変換されるまで、熱エネルギーを受け入れる（または放出する）ことによって一定の温度（転移温度）で系の温度を維持する。相変化材料（１１４／１２４）は、該セル全体にわたっての温度変動を最小限にするために該セル全体にわたって分布される。他の実施形態においては、前記相変化材料（１１４／１２４）は、表面温度を該相変化温度で維持するために電池の外部表面に配置される。例えば、氷浴中に入れられ、次いで高い電流放電の間に内部的に加熱された電池は、氷が完全に融けるまで氷の融解温度で維持できるかもしれないが、電池の外部表面でしか維持できない。電池の内部温度は、氷の融解温度を十分に上回って上昇しうる。
このように、該相変化材料（１１４／１２４）は、早期劣化または安全性を脅かすことがある電池内の過剰な温度を防ぐと同様に、電池全体にわたる温度の均一性を向上する。前記相変化材料は、種々の実施形態においては、アノード、カソード、セパレーター、または該セルの他の部分に導入される。
相変化材料（ＰＣＭ）の量は、それがセル加熱の間に十分な量の熱エネルギーを吸収できる程度であるが、該電池のエネルギー密度または電力密度を損なうほど多くないように選択される。相転移温度は、該セルを早期に劣化させるか、または安全性のリスクを招くのに要する温度を下回る温度であるように選択される。その温度は、同様に、該セルのレート特性（これはより高い温度で向上される）を制限せず、かつセル加熱から生ずる熱エネルギーの典型的な刺激の間にＰＣＭのその相を完全に変化させない、通常のセルの作動温度よりもかなり大きく上回るものである。それというのも、ＰＣＭが完全に相変化すると、該セルの温度は、相転移温度を超えて上昇しうるからである。従って、十分なＰＣＭをセル中に導入し、低すぎる転移温度を避けることによって完全な相転移を避けることが必須である。
前記ＰＣＭは、通常のセル作動の間に経験される電圧、電流、および温度で他のセル構成要素と反応しない不活性な成分であることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。該ＰＣＭと他の構成要素との間に生ずる全ての反応は、良好かつ可逆的（またはほぼ完全に可逆的）であることが望ましい。相変化それ自体が可逆的であることも（またはほぼ完全に可逆的であることも）望ましい。
電池の外部冷却（消極的または積極的のいずれでも）は、該電池から熱エネルギーを吸収するために、該ＰＣＭの完全な相変化を避けるために使用される。外部冷却は、内部相変化プロセスを逆転するために該電池を開回路にして使用することもできる。こうすることでＰＣＭは、次にかかるエネルギーが電池内で発生したら、より多くの熱エネルギーを吸収することが可能となる。
種々の実施形態で使用される幾つかの相変化材料を、以下の表に示す。
他の相変化材料は、以下のものを含む。
他のＰＣＭは、以下のものを含む。
他のＰＣＭは、以下のものを含む。
本開示を図面および前記説明において概説し、かつ詳細に説明するが、それは概説するものと見なされるべきであり、制限する性質があるものと見なされるべきではない。好ましい実施形態のみが表されており、本発明の趣旨の範囲内となるあらゆる変更、修正および更なる適用も保護されることが望まれると理解される。
１００ 電気化学的セル、 １０２ 負極、 １０４ 正極、 １０６ 多孔質セパレーター、 １０８ 集電体、 １１０ 活物質、 １１２ 不活性材料、 １１４ 相変化材料、 １１６ 電解質溶液、 １１８ 集電体、 １２０ 活物質、 １２２ 不活性材料、 １２４ 相変化材料
Claims (10)
- 電気化学的セルであって、
負極と、
正極と、
前記負極および前記正極の間に配置されたセパレーターと、
該電気化学的セル内の相変化材料と
を含み、前記相変化材料は、３８．２％ ネオペンチルグリコール（ＮＰＧ）／６１．８％ ＰＥ、 ３８．２％ ＮＰＧ／６１．８％ ＴＡＭ、９１％ ＮＰＧ／９％ ＰＥ、９１％ ＮＰＧ／９％ ＴＡＭ、ＮＰＧ、ジアミノペンタエリトリトール、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール、２−メチル−２−ニトロ−１，３−プロパンジオール、トリメチロールエタン、ペンタグリセリン、２−ヒドロキシメチル−２−メチル−１，３−プロパンジオール、モノアミノペンタエリトリトール、架橋ポリエチレンの１つである固体−固体相変化材料である、電気化学的セル。 - 前記相変化材料の第一の部分は、正極内に位置している、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 前記相変化材料の第二の部分は、負極内に位置している、請求項２に記載の電気化学的セル。
- 前記相変化材料の第三の部分は、セパレーター内に位置している、請求項３に記載の電気化学的セル。
- 前記負極は、リチウムの一形態を含む、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 電気化学的セルの作動方法であって、
負極と、正極と、前記負極および前記正極の間に配置されたセパレーターとを含む電気化学的セルで、該電気化学的セルの充電または放電によって熱を発生させることと、
前記発生された熱を用いて、該電気化学的セル内の相変化材料の相を変化させることと
を含み、前記相変化材料は、３８．２％ ネオペンチルグリコール（ＮＰＧ）／６１．８％ ＰＥ、 ３８．２％ ＮＰＧ／６１．８％ ＴＡＭ、９１％ ＮＰＧ／９％ ＰＥ、９１％ ＮＰＧ／９％ ＴＡＭ、ＮＰＧ、ジアミノペンタエリトリトール、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール、２−メチル−２−ニトロ−１，３−プロパンジオール、トリメチロールエタン、ペンタグリセリン、２−ヒドロキシメチル−２−メチル−１，３−プロパンジオール、モノアミノペンタエリトリトール、架橋ポリエチレンの１つである固体−固体相変化材料である、作動方法。 - 前記電気化学的セルでの熱の発生は、リチウムの一形態を含む方法による熱の発生を含む、請求項６に記載の方法。
- 更に、
電気化学的セルを開回路状態に置くことと、
電気化学的セルに外部冷却を適用することにより、開回路状態のままで相変化材料の相を変化させることと
を含む、請求項７に記載の方法。 - 発生された熱を、電気化学的セル内の相変化材料の相変化のために使用することは、該発生された熱を、電気化学的セルの負極内の相変化材料の第一の部分の相を変化させるために使用することを含む、請求項６に記載の方法。
- 発生された熱を、電気化学的セル内の相変化材料の相変化のために使用することは、該発生された熱を、電気化学的セルの正極内の相変化材料の第二の部分の相を変化させるために使用することを含む、請求項９に記載の方法。
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