JP6422448B2 - 電池セルセパレータを含む充電式電池 - Google Patents

Description

リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池（ＬＩＢ）は、モバイルコンピューティングデバイスや、ある自動車や航空機には望ましい。リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池及びニッケルカドミウム電池などの充電式電池よりも軽量で、エネルギー密度が高い。リチウムイオン電池には、メモリ劣化がない。

しかしながら、あるリチウムイオン電池には、熱暴走を含む長期にわたる問題がある。本明細書で使用されるように、熱暴走は、温度上昇が、効率低下につながり得る更なる温度上昇を引き起こす状況を意味する。例えば、発熱化学反応から生じる熱は、化学反応の速度を増加させ得る。複合システムの設計者は、様々な方法でそのような非効率性に対処し得る。

本明細書の実施形態によれば、充電式電池は、複数の個別の密閉された電池セルと、電池セルの対向する表面の間に熱バリア（ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒｓ）をつくり出すための、電池セルの間の誘電体セパレータとを備える。誘電体セパレータは、繊維複合体でつくられる。

本明細書の別の実施形態によれば、充電式電池は、誘電体セパレータの格子と、格子によって形成される空間に存在する電池セルのアレイとを備える。誘電体セパレータは、電池セルの間での熱暴走の伝播を防止するように構成される。誘電体セパレータは、フェノール樹脂マトリックスの繊維から成る。

本明細書の別の実施形態によれば、熱暴走が充電式電池セルのアレイに伝播するのを防止するための装置は、格子を形成するために連結可能である複数の誘電体セパレータを備える。格子は、電池セルが存在するための空間を形成する。誘電体セパレータは、フェノール樹脂マトリックスの繊維から成る。

本開示の態様によれば、複数の個別の密閉された電池セルと、電池セルの対向する表面の間に熱バリアをつくり出すための、電池セルの間の誘電体セパレータであって、繊維複合体でつくられる誘電体セパレータとを備える充電式電池が提供される。

ある実施形態では、各電池セルは、第１及び第２の電極と、電極用のケースと、ケース内部に密閉される電解質とを含む。

ある実施形態では、繊維複合体は、フェノール樹脂マトリックスに繊維を含む。

ある実施形態では、繊維複合体は、ガラス繊維フェノールを含む。

ある実施形態では、繊維複合体は、繊維玄武岩を含む。

ある実施形態では、セパレータは、少なくとも電池セルの対向する表面と同じくらい大きい。

ある実施形態では、各電池セルは、ポリイミド薄膜で巻かれている。

ある実施形態では、電池セルは、角柱状であり、電池セルは、アレイ状に配置され、誘電体セパレータは、格子を形成する。

ある実施形態では、誘電体セパレータは、連結可能である。

ある実施形態では、電池セルは、リチウムイオン電池セルであり、電池は、旅客ビークル用に構成される。

本開示の態様によれば、充電式電池であって、誘電体セパレータの格子と、格子によって形成される空間に存在する電池セルのアレイとを備え、誘電体セパレータは、電池セルの間での熱暴走の伝播を防止するように構成され、フェノール樹脂マトリックスの繊維から成る、充電式電池が提供される。

ある実施形態では、セパレータは、ガラス繊維フェノールから成る。

ある実施形態では、誘電体セパレータは、連結可能である。

ある実施形態では、電池セルは、リチウムイオン電池セルであり、電池は、旅客ビークル用に構成される。

本開示の態様によれば、熱暴走が充電式電池セルのアレイに伝播するのを防止するための装置であって、格子を形成するために連結可能である複数の誘電体セパレータを備え、格子は、電池セルが存在するための空間を形成し、誘電体セパレータは、フェノール樹脂マトリックスの繊維から成る、装置が提供される。

ある実施形態では、誘電体セパレータは、ガラス繊維フェノールから成る。

ある実施形態では、誘電体セパレータは、角柱状のリチウムイオン電池セルのアレイ用に構成される。

これらの特徴及び機能は、種々の実施形態において単独で達成することができるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。実施形態のさらなる詳細は、下記の説明及び図面を参照することによって理解することができる。

充電式電池セルの図である。 誘電体セパレータによって分離される二つの充電式電池セルの図である。 ポリイミド薄膜で巻かれた電池セルの図である。 複数の電池セルを含む充電式電池の図である。 充電式電池用の誘電体セパレータの格子の図である。 格子に組み立てられるように構成される複数の誘電体セパレータの図である。 格子に組み立てられるように構成される複数の誘電体セパレータの図である。

ここで図１を参照するが、図１は、充電式電池セル１１０を示す。電池セル１１０は、陽極１２０及び陰極１３０と、陽極１２０及び陰極１３０用のケース１４０と、ケース１４０内部に密閉される電解質（図示されず）を含む。

電池セル１１０は、任意の特定の化学的性質（ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）に限定されない。例は、リチウムイオン、金属カドミウム、及びニッケル水素を含むが、これらに限定されない。電池の化学的性質次第で、電池セル１１０は、熱暴走の影響を受けやすくなり得る。

電池セル１１０は、そのケース１４０の側面に通気口（図示されず）、及びその通気口を覆う破裂板１５０を有する。破裂板１５０は、ケース１４０に抵抗溶接されるステンレス鋼膜であり得る。破裂板１５０は、所定の内部セル圧力（熱暴走で生じ得る）で開き、通気口の覆いを取り除くように設計される。通気口の覆いがいったん取り除かれると、ケース１４０内部からの材料が、通気口を通して吐き出され得る。

電池セル１１０は、任意の特定の形状に限定されない。例えば、電池セル１１０は、角柱状又は円筒状であり得る。図１は、角柱状である電池セル１１０を示す。

ここで、誘電体セパレータ２１０によって分離される二つの電池セル１１０を示す図２を参照する。誘電体セパレータ２１０は、電池セル１１０の対向する表面の間に熱バリアをつくり出す。誘電体セパレータ２１０の主な目的は、熱暴走が電池セル１１０の一つから電池セル１１０の他のセルに伝播するのを防ぐことである。二次的目的は、意図していない電流経路が電池セル１１０の間に生じるのを防ぐことである。誘電体セパレータ２１０は、断熱を提供し、電池セル１１０の間に最小限の間隔を維持する。

誘電体セパレータ２１０は、少なくとも対向する各電池セル表面全体を覆い得る。図２は、電池セル１１０と同一の高さ及び幅を有する誘電体セパレータ２１０を示す。

誘電体セパレータ２１０の厚さ及び構成は、熱暴走が伝播するのを防ぐように選択される。熱暴走中に華氏９００度の温度に到達する電池セル１１０の例を考える。誘電体セパレータ２１０は、この温度を上回る断熱及び電気絶縁を提供するように設計される。

選択される材料は、繊維がマトリックスに埋め込まれる繊維複合体であり得る。繊維及びマトリックスは、熱暴走の高温に耐えることができる。このような繊維の例は、石英繊維、セラミック繊維、及び炭化ケイ素繊維を含むが、これらに限定されない。そのようなマトリックスの例は、フェノール樹脂マトリックスである。

いくつかの実施形態では、誘電体セパレータ２１０は、ガラス繊維フェノールから成る。ガラス繊維フェノールは、樹脂に繊維ガラス強化繊維のプライを含む。誘電体セパレータ２１０は、薄板として形成され得る。プライは、製造中の歪みを防ぐために対称であり得る。

いくつかの実施形態では、誘電体セパレータは、玄武岩の極細繊維でつくられる繊維玄武岩から成る。繊維玄武岩は、鉱質の斜長石、輝石、及び橄欖石から成り得る（Ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｂａｓａｌｔｓ ｍａｙ ｂｅ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅｒａｌｓ ｐｌａｇｉｏｃｌａｓｅ， ｐｙｒｏｘｅｎｅ， ａｎｄ ｏｌｉｖｉｎｅ）。

ここで、図３を参照する。各電池セル１１０のケース１４０のエッジは、ポリイミド薄膜３１０で巻かれ得る。ポリイミド薄膜の例は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）テープである。ポリイミド薄膜３１０は、長期にわたる湿気進入にさらされる充電式電池に有益である。例えば、航空機において、電池は、長期にわたる湿気侵入にさらされることがある。ポリイミド薄膜３１０は、湿気が、隣接する電池セル１１０の表面の間で電流を伝導するのを防ぐ。

充電式電池は、複数の電池セル１１０と、電池セル１１０の対向する表面の間に誘電体セパレータ２１０とを含み得る。充電式電池は、電池セル１１０の任意の特定の配置に限定されない。しかしながら、誘電体セパレータ２１０によって、強力なリチウムイオン電池セル１１０は、密なアレイ状に配置することができる。このような配置の例が、図４に示される。

ここで図４を参照するが、図４は、複数の電池セル１１０と、電池セル１１０を収容するためのシャーシ４２０とを含む充電式電池４１０を示す。シャーシ４２０は、金属フレーム４３０と、下部固定板４４０と、上部固定板４５０とを含む。下部固定板４４０は、フレーム４３０の底に位置付けられる。

シャーシ４２０は、誘電体セパレータ２１０の格子４６０を更に含む。格子４６０は、開口のアレイを形成する。各電池セル１１０は、開口の一つに存在する。格子は、電池セル１１０のうちの任意の二つの対向する表面が、誘電体セパレータ２１０によって分離されることを保証する。

ここで図５を参照するが、図５は、電池セル１１０の４×２のアレイに対する誘電体セパレータ２１０の格子４６０の例を示す。格子４６０は、下部固定板４４０上のフレーム４３０に配置される（フレーム４３０は、格子４６０と区別するために破線で示される）。フレーム４３０内部に収容されると、図５の格子４６０は、八つの開口５１０（電池セル１１０毎に一つの開口５１０）を形成する。

ここで再び図４を参照する。電池セル１１０がそれらの開口に配置されると、上部固定板４５０が電池セル１１０上方に位置付けられ、フレーム４３０に留められ、電池セル１１０がフレーム４３０内部で動かないようにする。下部固定板４４０及び上部固定板４５０は、ケース１４０間の短絡を回避するために、非導電材料で構成され得る。電池セル１１０の最上部から垂直に延びるアノードスタッド及びカソードスタッドは、銅ブスバーと接続され、直列接続を形成する（第ｎ番目のセルのアノードは、第ｎ＋１番目のセルのカソードに接続される）。

電池４１０の容量及び電力は、電池４１０が対象とするプラットフォームの種類によって決定される。いくつかの実施形態では、電池４１０は、リチウムイオン電池セル１１０を含み得、電池４１０は、旅客ビークル（例えば、航空機、自動車、トラック、バス、電車、又はボート）用に構成され得る。

格子４６０は、単一構造であり得る。別の方法では、格子４６０は、複数の個別の誘電体セパレータから組み立てられ得る。

ここで図６Ａを参照するが、図６Ａは、格子に組み立てることができる二つの誘電体セパレータ６１０を示す。各セパレータ６１０は、他のセパレータ６１０との連結用のスロット６２０を含む。二つのセパレータ６１０を連結するために、それらのスロット６２０が整列され、セパレータが一体化される。

ここで図６Ｂを参照するが、図６Ｂは、スロット６２０が噛合した状態で一体的に組み立てられた二つのセパレータ６１０を示す。有利には、セパレータ６１０は、留め具又は接着剤を使用せずに連結される。

より大きな格子は、複数のスロットを有するセパレータ６１０を利用し得る。図５の格子４６０は、例えば、三つのスロットを有する縦のセパレータと、一つのスロットを有する三つの横のセパレータとによって形成され得る。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
複数の個別の密閉された電池セルと、
前記電池セルの対向する表面の間に熱バリアをつくり出すための、前記電池セルの間の誘電体セパレータであって、繊維複合体でつくられる誘電体セパレータと
を備える、充電式電池。
（態様２）
各電池セルは、第１及び第２の電極と、前記電極用のケースと、前記ケース内部に密閉される電解質とを含む、態様１に記載の電池。
（態様３）
前記繊維複合体は、フェノール樹脂マトリックスに繊維を含む、態様１に記載の電池。
（態様４）
前記繊維複合体は、ガラス繊維フェノールを含む、態様１に記載の電池。
（態様５）
前記繊維複合体は、繊維玄武岩を含む、態様１に記載の電池。
（態様６）
前記セパレータは、少なくとも前記電池セルの対向する表面と同じくらい大きい、態様１に記載の電池。
（態様７）
各電池セルは、ポリイミド薄膜で巻かれている、態様１に記載の電池。
（態様８）
前記電池セルは、角柱状であり、前記電池セルは、アレイ状に配置され、前記誘電体セパレータは、格子を形成する、態様１に記載の電池。
（態様９）
前記誘電体セパレータは、連結可能である、態様８に記載の電池。
（態様１０）
前記電池セルは、リチウムイオン電池セルであり、前記電池は、旅客ビークル用に構成される、態様８に記載の電池。
（態様１１）
誘電体セパレータの格子と、
前記格子によって形成される空間に存在する電池セルのアレイとを備える充電式電池であって、
前記誘電体セパレータは、前記電池セルの間での熱暴走の伝播を防止するように構成され、フェノール樹脂マトリックスの繊維から成る、充電式電池。
（態様１２）
前記セパレータは、ガラス繊維フェノールから成る、態様１１に記載の電池。
（態様１３）
前記誘電体セパレータは、連結可能である、態様１１に記載の電池。
（態様１４）
前記電池セルは、リチウムイオン電池セルであり、前記電池は、旅客ビークル用に構成される、態様１１に記載の電池。
（態様１５）
熱暴走が充電式電池セルのアレイに伝播するのを防止するための装置であって、格子を形成するために連結可能である複数の誘電体セパレータを備え、前記格子は、前記電池セルが存在するための空間を形成し、前記誘電体セパレータは、フェノール樹脂マトリックスの繊維から成る、装置。
（態様１６）
前記誘電体セパレータは、ガラス繊維フェノールから成る、態様１５に記載の装置。
（態様１７）
前記誘電体セパレータは、角柱状のリチウムイオン電池セルのアレイ用に構成される、態様１５に記載の装置。

Claims (10)

1. 複数の個別の密閉された電池セル（１１０）と、
   金属フレーム（４３０）、下部非導電固定板（４４０）、および前記電池セル（１１０）を固定するための上部非導電固定板（４５０）を備えるシャーシ（４２０）であって、前記下部非導電固定板（４４０）は前記金属フレーム（４３０）の底に配置されている、シャーシ（４２０）と、
   前記電池セル（１１０）の対向する表面の間に熱バリアをつくり出すための、前記個別の密閉された電池セルの間の誘電体セパレータ（２１０、６１０）の格子（４６０）であって、前記誘電体セパレータ（２１０、６１０）は繊維複合体でつくられ、前記格子（４６０）は開口のアレイを形成し、前記複数の電池セル（１１０）の各々は前記開口のアレイの１つに存在する、誘電体セパレータ（２１０、６１０）の格子（４６０）と
   を備える、充電式電池。
2. 各電池セル（１１０）は、第１及び第２の電極（１２０、１３０）と、前記電極用のケース（１４０）と、前記ケース（１４０）内部に密閉される電解質とを含む、請求項１に記載の電池。
3. 前記繊維複合体は、フェノール樹脂マトリックスに繊維を含む、請求項１または２に記載の電池。
4. 前記繊維複合体は、ガラス繊維フェノールを含む、請求項１または２に記載の電池。
5. 前記繊維複合体は、繊維玄武岩を含む、請求項１または２に記載の電池。
6. 前記誘電体セパレータ（２１０、６１０）は、前記電池セル（１１０）の対向する表面と少なくとも同じ大きさを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の電池。
7. 各電池セル（１１０）は、ポリイミド薄膜（３１０）で巻かれている、請求項１から６のいずれか１項に記載の電池。
8. 前記電池セル（１１０）は、角柱状であり、前記電池セル（１１０）は、アレイ状に配置される、請求項１から７のいずれか１項に記載の電池。
9. 前記誘電体セパレータ（２１０、６１０）は、連結可能である、請求項８に記載の電池。
10. 前記電池セルは、リチウムイオン電池セルであり、前記電池は、旅客ビークル用に構成される、請求項８に記載の電池。
    
    

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