JP6723371B2 - リチウムイオン電池用の低プロファイル圧力分離装置 - Google Patents

Description

政府の権利
本発明は、米国エネルギー省によって授与されたＤＥ−ＡＲ００００３９２に基づく政府の支援によってなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。

本出願は、以下の２つの米国仮特許出願の優先権の恩恵を主張する：（ｉ）２０１５年１２月１４日に出願されて出願番号６２／２６６，８１３が割り当てられ、「リチウムイオン電池のための電流遮断および通気（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ａｎｄ Ｖｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ）」と題された米国仮特許出願、および（ｉｉ）２０１６年９月１５日に出願されて出願番号６２／３９５，０５０が割り当てられ、「リチウムイオン電池のための電流通気／圧力分離装置システム（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｖｅｎｔ／Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｄｅｖｉｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ）」と題された米国仮特許出願。上記仮特許出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

加えて、本出願は、先の特許出願に記載されている特徴および機能に関連し、これらを利用する、リチウムイオン電池技術を対象とする。特に、本出願は、先の特許出願に記載されている特徴および機能に関連し、これらを利用する、リチウムイオン電池技術を対象とする。具体的には、本出願は、（ｉ）２０１３年１１月１日に出願されて出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０６４６５４が割り当てられ（２０１５年８月２７日に国際公開第２０１４／０５９３４８号パンフレットとして再公開され）、「リチウムイオン電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ）」と題されたＰＣＴ出願、および（ｉｉｉ）２０１５年５月２１日に出願されて出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０３１９４８が割り当てられ、「熱暴走保護を有するリチウムイオン電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ ｗｉｔｈ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）」と題されたＰＣＴ出願に開示される主題に関連する。上記ＰＣＴ出願およびその基礎となる仮特許出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、リチウムイオン電池に関し、より具体的には、安全性が向上して製造コストが削減されたマルチコアリチウムイオン電池に関する。

Ｌｉイオンセルは当初、ラップトップ、携帯電話、およびその他の携帯用電子機器の電池として配備された。近年、電池式電気自動車（ＢＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）、およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの大型用途、電車、ならびにグリッドストレージ（ＧＲＩＤ）、建築、採鉱、および林業用機器、フォークリフト、その他の駆動用途および鉛酸交換（ＬＡＲ）などその他の大型システムの増加は、排出量の低下ならびにガソリンおよび電気料金の低下、そして排出量の制限の必要性から、市場に参入している。１Ａｈから７Ａｈの容量の、たとえば１８６５０個から１８３７６５個のセルなど数千個の小型の円筒型および角柱型セルの使用から、１５Ａｈから１００Ａｈの容量を有する角柱型またはポリマーセルなど、数個から数百個の大型セルまで、今日これらの大型電池用途において広範なＬｉイオンセルが配備されている。これらのタイプのセルは、パナソニック、ソニー、サンヨー、ＡＴＬ、ＪＣＩ、ボストンパワー、ＳＤＩ、ＬＧ化学、ＳＫ、ＢＡＫ、ＢＹＤ、力神（Ｌｉｓｈｅｎ）、光宇（Ｃｏｓｌｉｇｈｔ）、およびその他のＬｉイオンセル製造会社などの企業によって製造されている。

一般的に、電気自動車では電力範囲の拡大を招き、グリッドストレージシステムではより長時間で費用対効果の高い配備につながる、ランタイムの延長を実現するために、業界はより高いエネルギー密度に行き着く必要がある。電気自動車、特にＢＥＶおよびＰＨＥＶの場合、エネルギー密度の増加は、より多くの容量が電池ボックスに収まるため、車両の走行範囲を拡大させる能力をもたらす。電池ボックス、配線、ＢＭＳエレクトロニクス、締め付け構造、冷却システム、およびその他の部品などの非活物質はｋＷｈあたりのコストが下がるので、エネルギー密度が高いほどｋＷｈあたりのコストを低下させる能力ももたらす。同様に、グリッドストレージなどその他の電池システムでも、特にピークシェービング用途（すなわち、料金が最も高いピーク時間に公益事業会社から購入するエネルギーの量を削減するのを支援する用途）でエネルギー密度を高める市場の需要がある。また、ｋＷｈあたり比較的少ない不動産および不活性部品が使用可能であるため、高エネルギー密度ではｋＷｈあたりのコストが低い。加えて、ニューヨーク、東京、上海、および北京の大都市圏など、人口密度の高い地域では、システムの規模は最小限に抑えられる必要がある。グリッドピーク電力削減戦略に寄与して、電気料金のおよび低効率で運転するピーク対応発電所（すなわち、電力需要が高いときにのみ稼働する発電所）の削減をもたらすため、商業用および住居用の建物および容器内に電池システムを適合させる必要がある。

これらのタイプの需要に対応するＬｉイオン電池は、他の電池および電力供給技術と比較して市場で競争力をつけるために、より安価になりエネルギー密度をより高めなければならない。しかしながら、Ｌｉイオンセルはより高密度にパッケージされているので、誤用によって１つのセルが故障すると、システム全体に暴走が伝播（カスケード）するようになるという危険性があり、破裂および火災の危険性を伴う。この誤用は、衝突および火災などの外部事象からも、充電回路故障による不慮の過充電または製造プロセスからの金属微粒子による内部短絡などの内部事象からも、起こり得る。

誤用による故障がカスケード暴走を招かない新規な解決策を見いだし、そしてこれによって高エネルギー密度および低コストのシステムを可能にする必要がある。信頼性の高い非カスケード性を有するセルは、少なくとも部分的に、高額なパッケージ構造の削減に基づいて、電池パックコストの削減を可能にする。

Ｌｉイオンセルでの上記のカスケード問題を緩和するために、これまでに多くの解決法が使用されてきた。
１．可燃性ガスを排出し、セル内の圧力上昇を解放するための通気構造。
２．機械的な錐台が、セル内圧を上昇させる可燃性ガスの発生／解放を生じる電気化学的電圧窓を超えて充電されたセルを分離する、高い内圧によってトリガされる過充電分離装置または圧力安全装置（電流遮断装置（ＣＩＤ）とも称される）。
３．膨張性コーティング、難燃剤を充填したプラスチック、またはセラミック構造など、距離または防火障壁によるセルの分離。
４．熱または煙によってトリガされる消火システム。

種々の通気技術が開示されている。大抵の方法は、制御されない容器位置における接合部の壊滅的な故障または壁の破裂さえも回避するために、制御されたやり方で容器内の過圧を解放するため金属筐体に開口部を生じさせる、金属蓋の切り込みに基づいている。種々の切り込み形状が使用および／または開示されている：たとえば、直線状の切り込み、犬の骨型の切り込み、またはほぼ完全な円形の切り込みである。このような切り込み線は、この目的のために、ダイヤフラム型構造を形成するためにゲージ部が機械的にまたは化学的に縮小されている容器表面の位置に、頻繁に配置される。

大きな開口部は通気炎のフラッシュバックを起こしやすく、これはセル全体を発火させる可能性がある。小さな通気開口部は、回避すべきさらなる危険性の一因となる。たとえば、部分的に開口した通気口から生じる高いガス速度は、散逸するＬｉイオンセル電解質の噴霧化をもたらし、高反応性ガスストリームを形成する。通気圧は一般に、１０から１５バールの範囲である。通気の間のフラッシュバックの危険性を低減し、これによりシステムの火災／破裂発の危険性を最小限に抑える必要がある。

上記で論じられた通気技術以外にも、Ｌｉイオン電池で使用するために多数の圧力分離設計が使用および／または開示されている。リチウムイオン電池セルが最大許容電圧を超えて充電されると、セルを損傷する可能性があり、場合によっては壊滅的な結果、たとえば電池破裂および／または火災につながる可能性のある熱暴走の可能性がある。先に開示された装置は一般的に、過充電時には通気構造が開口する前に電流経路を内部で遮断させる、反転ドームなどの圧力トリガ金属構造である。この電流経路遮断は電極構造のさらなる充電を防ぎ、ガス発生は停止される。

業界は、過充電状態からの悪影響の可能性を制御するためのヒューズに基づく技術を組み込んだ設計を評価した。しかしながら、従来技術による過充電安全装置に関連するヒューズは、リチウムイオン電池の筐体の内部に配置されていた。たとえば、Ｋｏｈｌｂｅｒｇｅｒの米国特許出願公開第２０１４／０２７２４９１号明細書を参照されたい。とりわけ、熱暴走および過充電状態からのその他の望ましくない悪影響を回避するには個々のコアにおける過充電遮断は有効ではないので、ヒューズの内部配置は、本明細書に開示されるタイプのマルチコア電池設計には不利である。

Ｌｉイオン電池にうまく機能するためのこれらの解決策のいくつかでは、ＣＨＢ（シクロヘキシルベンゼン）およびＢＰ（ビフェニル）などのいわゆるガス発生添加剤が添加されており、これは他の電解質成分よりも低い電圧でガスを発生させ、より高い充電状態での化学系の反応性向上によってセルが電気化学的に不安定になる前に、分離をトリガすることができる。

記載された圧力分離方法は、小型のセルに対して特によく機能するが、これらは一般的に、漏れの危険性を伴わずに高圧を切り抜けることが可能な容器構造を特徴とする。大型のＬｉイオンセルでは、圧力分離は、破裂による故障の危険性を制限するために低圧で動作する必要がある。

このような膨張はセルを早期に開口する可能性があるので、セル容器の膨張を制限する必要がある。たとえば封止箇所またはフィードスルー端子の周りの開口など、セルのいかなる尚早な開口も装置を故障させ、またガス漏れは火災の危険につながる。特に、セルが膨張すると、通気の機械的膨張疲労による早期の通気開口が生じる可能性がある。その結果、現在の設計において業界は、溶接された蓋など、角柱型の缶の最も低い領域の面に通気口を配置し、ここでは最も膨張が制限されており、通常このような蓋構造は非常に厚く、誤用の際にセル容器の内部に生じる比較的高い圧力のため、缶に溶接されている。このため、たとえば通気作用の方向柔軟性を許容するために、特定の用途で缶の面積の広い面に通気口を配置できるようにする解決策を見いだす必要がある。

本開示は、上記にまとめられた必要性および欠点を解決する有利な設計を提供する。開示された電池システムのさらなる特徴、機能、および利点は、特に添付図面、例、および実験データと合わせて読むと、以下の説明から明らかになるだろう。

とりわけ、（ｉ）電気化学的ユニットを受容するための基部、側壁、および上部または蓋を画定する容器またはアセンブリと、（ｉｉ）容器またはアセンブリに関連付けられた圧力分離装置と、を含む、リチウムイオン電池用の有利なケーシングが提供される。開示される圧力分離装置は、所定の圧力閾値を超える容器内の圧力の上昇に反応して、リチウムイオン電池に関連付けられた電気化学的ユニットを有利に電気的に隔離する。開示される容器はまた、容器内から圧力を解放するように機能する通気構造と、通気構造に近接して配置された火炎防止器と、を有利に含んでもよい。

本開示の例示的実施形態では、とりわけ、（ｉ）基部、側壁、および上部または蓋を画定する容器／アセンブリと、（ｉｉ）容器／アセンブリに関連付けられた偏向可能ドーム構造と、（ｉｉｉ）閾値圧力レベルを超える容器／アセンブリ内の圧力上昇に反応して、容器内に配置されたリチウムイオン電池部品を電気的に隔離するようになっている容器／アセンブリの外部に配置されたヒューズアセンブリと、を含むリチウムイオン電池用のケーシングが提供される。ヒューズアセンブリは、容器の外部に配置されたヒューズホルダ内に配置されたヒューズを含んでもよい。ヒューズホルダは、容器／アセンブリの側壁に対して実装されてもよい。開示されるケーシングは、容器の側壁に対してヒューズアセンブリに隣接して形成された通気構造、および／または通気構造に隣接して配置された火炎防止器を、さらに含んでもよい。

本開示の例示的実施形態では、偏向可能ドームはケーシングに直接実装される。より具体的には、偏向可能ドームは、ケーシング内（その基部、側壁、または上部／蓋）に形成された開口部の内部に実装され、当初はこれが実装されるケーシング面に対してケーシングによって画定された内部容積の中に向かって弓なりになっている。ケーシングの外面に対して実装されたヒューズアセンブリは、偏向可能ドームがケーシング内の圧力上昇によって作動したときにその間の電気的連通を容易にするために、偏向可能ドームの中心線に揃えられたハンマーまたはその他の構造的特徴部を、有利に含む。

偏向可能ドームは、それにより偏向可能ドームがドームの中心線およびその周りのより大きい厚さを、そしてその径方向外向きにより小さい厚さを画定する、厚さプロファイルを有利に含んでもよい。ドームの中心線およびその周りのより大きい厚さは、偏向可能ドームと開示されるハンマーまたはその他の構造的特徴部との間に、すなわち偏向可能ドームがケーシング内の上昇した圧力によって作動されるときに、好適な電気的連通経路を提供する。偏向可能ドームによって画定された厚肉の領域の径方向外側に存在する、より薄い厚さは、このような肉薄の領域からハンマーまたはその他の構造的特徴部まで弧を描く可能性を低減する。ドームは、最高の安全性を提供するために一旦作動されると、可能な限り低い圧力でさらにトリガされ、好ましくは迅速に移動すべきである。さらに注目すべきことに、偏向可能ドームの中心線およびその周りのより大きい厚さは、ヒューズアセンブリに関連付けられた変更可能ドームとハンマーまたはその他の構造的特徴部との間を電流が通る際の溶け落ちの可能性を、有利に低減する。

本開示で開示される圧力分離装置は、本発明の譲受人に譲渡されたＬａｍｐｅ−Ｏｎｎｅｒｕｄらの米国特許出願公開第２０１５／０２８０１８５号明細書に開示されているタイプのマルチコアリチウムイオン電池アセンブリを用いて、最も有利に実施される。前述の‘１８５公報の内容は参照により本明細書に組み込まれる。特に、複数のリチウムイオンコア（すなわち、電気化学的ユニット）は、支持部材によって画定された異なる空洞内に配置されるが、個別に封止されないことに留意されたい。むしろ、電気化学的ユニットの各々は開放しており、ケース／容器内に画定された共有雰囲気領域と連通している。その結果、単一の電気化学的ユニットに関連する可能性のあるいかなる圧力上昇も、共有雰囲気領域に変換され、圧力の上昇はこれにより緩和される。このようにして、共有雰囲気領域と有利に圧力連通している、本開示の圧力分離装置は、個々の電気化学的ユニットに実装されるのと比較して大きいサイズのため、‘１８５公報に開示されたように共有雰囲気領域を含まない従来のリチウムイオン電池システムと比較して、低い閾値圧力で動作することができる。

さらに、共有雰囲気領域はケーシングの広い領域に当接するので、‘１８５公報のマルチコアリチウムイオン電池設計は偏向可能ドームのサイズを有利に大きくさせ、偏向可能ドームは、ケーシング内の圧力上昇に効果的に応答するためにケーシングのこのような広い領域に形成された開口部を覆うサイズであってもよい。とりわけ圧力応答性を犠牲にせずに厚くできるので、より大きい偏向可能ドームが望ましい。

本開示の圧力分離装置が作動される圧力は、一般的にリチウムイオン電池の全体的な設計に依存する。しかしながら、開示される圧力分離装置を作動させるケーシング内の閾値圧力は一般的に１０ｐｓｉｇ以上であり、一般的に１０から４０ｐｓｉｇの範囲内である。通気構造も含む実施形態では、通気構造が通気するため、すなわちケーシングから加圧ガスを解放するために作動する圧力は、一般的に圧力分離装置が作動する圧力より少なくとも５ｐｓｉｇ高い。ケーシング自体の全体的な圧力定格、すなわちケーシングが破損する可能性のある圧力は一般的に、通気構造が作動する圧力より少なくとも５ｐｓｉｇ高い圧力に設定される。ケーシングの圧力定格は、故障が起こりやすい封止機構を含む界面溶接部およびその他の接合部／開口部に関して、特に重要である。

本開示の例示的な圧力分離装置において、ハンマーまたはその他の構造要素は、実装平面内のヒューズアセンブリに対して実装されており、実装平面に対して偏向可能ドームに向かって有利に延在する部分を含む。このようにして、偏向可能ドームに必要とされる移動距離は、圧力分離装置が作動されることが望ましいときに短縮される。ハンマーまたはその他の構造要素は一般的に、少なくとも２つの離間した位置でヒューズアセンブリの実装平面に対して固定的に実装される。たとえば、ハンマーまたはその他の構造装置は、略Ｕ字型の幾何形状を画定してもよく、これにより、ハンマーを偏向可能ドームにより近接させる。ハンマーまたはその他の構造のＵ字型の幾何形状の中心線は、一般的に偏向可能ドームの中心線に揃えられ、これにより、偏向可能ドームがケーシング内の圧力の上昇によって作動したときに、好適な接触領域を画定する。

例示的実施形態において、偏向可能ドームはケーシングによって画定された平面（たとえば、ケーシングの基部、側壁、または上部／蓋）の内側に実装され、ハンマーまたはその他の構造部材はケーシングによって画定された平面の外側に実装される。しかしながら、ハンマーまたはその他の構造要素は、ケーシングによって画定された平面を横断して延在し、これにより少なくとも部分的にこのような平面の内側に位置する幾何形状、たとえばＵ字型の幾何形状を画定する。ハンマーまたはその他の構造要素のＵ字型の幾何形状が具体的に考えられるものの、たとえば放物線形状、略平坦な接触領域を有する鋸歯形状など、代替的な幾何形状が採用されてもよい。

本開示の例示的実施形態において提供される通気構造に目を向けると、通気構造は切り込み線によって画定されてもよい。容器／アセンブリの内部の通気構造によって画定された領域を横断して延在するように、火炎防止器が容器／アセンブリに対して有利に実装されてもよい。例示的実施形態において、火炎防止器は、たとえば３０ＵＳメッシュなど、メッシュ構造の形態を取ってもよい。別の例示的実施形態では、火炎防止器は銅線から製造されてもよい。

本開示の通気構造は、約１０ｐｓｉから１４０ｐｓｉの間の通気圧に反応して通気するようになっていてもよい。容器の構造的限界圧力（Ｐ４）は、通気圧より少なくとも約１０パーセント高くてもよい。

開示されるリチウムイオン電池部品は、たとえば電池式電気自動車（ＢＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電車、グリッドストレージ（ＧＲＩＤ）、建築、採鉱、造園、および林業用機器、フォークリフト、鉛酸交換（ＬＡＲ）、ならびに通常複数のリチウムイオンセルを使用するその他の電池式装置およびシステムなど、様々な用途で使用されるように設計されている。

本開示のさらなる例示的実施形態では、とりわけ（ｉ）基部、側壁、および上部または蓋を画定する容器／アセンブリと、（ｉｉ）容器／アセンブリに対して画定された通気構造と、（ｉｉｉ）通気構造に重なるように容器／アセンブリに対して実装された火炎防止器であって、火炎防止器は、流出ガスストリームの温度を自然発火温度未満に低下させるような、および／またはそこを通る流出ガスストリームの放出に関連する背圧を実質的に回避するように流出ガスストリームが火炎防止器を比較的自由に通れるようにするような、構成および寸法になっている、火炎防止器と、を含むリチウムイオン電池用のケーシングが提供される。

開示される通気構造は、たとえばケーシングの基部、側壁のうちの１つ、または上部／蓋など、ケーシングの外面に対して圧力分離装置に隣接して形成または配置されてもよい。しかしながら、本開示の別の例示的実施形態では、通気構造および圧力分離装置は、ケーシングの種々の外面に対して実装されてもよい。したがって、たとえば通気構造は上部／蓋ケーシングに対して実装されてもよく、その一方で圧力分離装置は側壁に対して実装される（またはその逆）。通気構造および圧力分離装置の配置の柔軟性の向上は、上記で論じられた共有雰囲気領域を特徴とするＬａｍｐｅ−Ｏｎｎｅｒｕｄの‘１８５公報に開示されるタイプのリチウムイオン電池設計にとって容易になる。通気構造は、容器／アセンブリの上部カバーまたは蓋の外部表面に対して中心に位置してもよい。火炎防止器は、通気構造に隣接して配置されてもよい。

代替実施形態において、通気構造、または複数の通気口は、容器／アセンブリの上部カバーまたは蓋の外部表面の反対の表面上に、または望ましければケーシングのそのような別の表面上に、位置決めまたは配置されてもよい。

ヒューズアセンブリは、開示される偏向可能ドームとヒューズとの間に配置されたブレードアセンブリを含んでもよい。ヒューズアセンブリは、偏向可能ドームとヒューズとの間に配置された分離ハンマーを含んでもよい。分離ハンマーは、偏向可能ドームの偏向および電気的連通に反応して、ヒューズとの電気的連通を確立してもよい。

開示されるリチウムイオン電池は一般的に、容器／アセンブリ内に配置された複数のリチウムイオンコア部材、すなわち電気化学的ユニットを含む。１つ以上のリチウムイオンコア部材の近傍に、１つ以上の吸熱材料が配置されてもよい。容器によって画定された内部領域内に支持部材が配置されてもよく、支持部材は、複数のリチウムイオンコア部材が複数の空洞のうちの対応するものの中に配置されるように、複数の空洞を有利に画定してもよい。

支持部材は、運動エネルギー吸収材料を含んでもよい。運動エネルギー吸収材料は、発泡アルミニウム、セラミック、セラミック繊維、およびプラスチックのうちの１つで形成されてもよい。

リチウムイオンコア部材のうちの対応するものと空洞のうちの対応するものの表面との間に各々が配置された、複数の空洞ライナーが設けられてもよい。空洞ライナーは、ポリマーおよび金属箔積層パウチを画定してもよい。空洞ライナーは、リチウムイオンコア部材の各々と空洞の対応するものの表面との間に配置されてもよい。空洞ライナーは、プラスチックまたはアルミニウム材料で形成されてもよい。複数の空洞ライナーは、モノリシックライナー部材の一部として形成されてもよい。

電解質は一般的に、リチウムイオンコア部材の各々の中に収容されている。電解質は、難燃剤、ガス発生剤、および／またはレドックスシャトルを含んでもよい。

各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノードとカソードとの間に設けられたセパレータとを含む。電気コネクタが容器内に配置され、コア部材を容器の外部の電気端子と電気的に接続する。ヒューズは、容器の外部の電気端子に、またはこれに隣接して配置されてもよい。

電気コネクタは、２つのバスバーを含んでもよく、第１バスバーはコア部材のアノードをエンクロージャの外部の端子の正極端子部材と相互接続させ、第２バスバーはコア部材のカソードをエンクロージャの外部の端子の負極端子部材と相互接続させる。コア部材は、並列または直列に接続されてもよい。第１セットのコア部材は並列に接続されてもよく、第２セットのコア部材も並列に接続されてもよい。第１セットのコア部材は第２セットのコア部材と直列に接続されてもよい。

支持部材は、ハニカム構造を取ってもよい。容器は、壁に衝突する力によって圧縮したときにリチウムイオン電池の電気的短絡を生じる圧縮性要素を有する壁を含んでもよい。支持部材の中に画定された空洞およびこれらに対応するコア部材は、円筒型、楕円型、または角柱型の形状を取ってもよい。容器は内部領域に難燃性部材を含む、上記請求項のいずれかによるリチウムイオン電池。

開示されるリチウムイオン電池は、たとえば容器の外部に取り付けられた難燃性メッシュ材料など、難燃性部材を含んでもよい。

開示されるリチウムイオン電池は、たとえばセラミックマトリックス内に、１つ以上の吸熱材料を含んでもよい。吸熱材料は、無機ガス発生吸熱材料であってもよい。吸熱材料は、無機ガス発生吸熱材料であってもよい。吸熱材料は、近傍の１つ以上のリチウムイオンコア部材に関連付けられた上限正常動作温度以上の断熱特性を提供することができる。吸熱材料は、上限正常動作温度と、それを超えるとリチウムイオンコア部材が熱暴走しやすくなるさらに高い閾値温度との間で１つ以上の吸熱反応を受けるように選択されてもよい。吸熱材料に関連する吸熱反応は、ガスの発生をもたらす可能性がある。

吸熱材料はセラミックマトリックス内に含まれてもよく、セラミックマトリックスは、吸熱材料に関連する吸熱反応によって発生したガスを通気させるのに十分な気孔率を呈し、これによりそこから熱を除去する。たとえば、その内容が参照により本明細書に組み込まれる、Ｏｎｎｅｒｕｄらの国際公開第２０１５／１７９６２５号パンフレットを参照されたい。

開示されるリチウムイオン電池は、少なくとも部分的に吸熱材料に関連する吸熱反応に基づいて作動する、通気構造を含んでもよい。リチウムイオン電池は、ケーシングに関連する圧力分離装置を含んでもよい。圧力分離装置は、偏向可能ドームベースの作動機構を有利に含んでもよい。偏向可能ドームベースの作動機構は、溶け落ちを防止する構成および寸法になっていてもよい。溶け落ちは、（ｉ）ドームベース作動機構の質量を増加させること、（ｉｉ）ドームベース作動機構に材料（たとえば、箔）を追加すること、または（ｉｉｉ）これらの組み合わせによって防止することができる。

ドームベース作動機構の増加質量および／またはドームベース作動機構に追加される材料は、ドームベース作動機構を製造するために使用されたのと同じタイプの材料を使用してもよい。ドームベース作動機構の増加質量および／またはドームベース作動機構に追加される材料はまた、ドームベース作動機構を製造するために使用されたのとは（少なくとも部分的に）異なるタイプの材料を使用してもよい。

ドームベース作動機構の設計（たとえば、構造材、幾何形状、および／または厚さ／質量）は、少なくとも部分的に、ドームベース作動機構が目標トリガ圧力で反応する速度に基づいて、溶け落ちを回避するのに効果的である。

本開示のさらなる例示的実施形態において、（ｉ）基部、側壁、および上面を画定する容器と、（ｉｉ）容器に関連付けられた偏向可能ドーム構造と、（ｉｉｉ）容器に対して外側に配置された電気端子に、またはこれに隣接して配置されたヒューズを含む、ヒューズアセンブリと、を含むリチウムイオン電池が提供される。ヒューズは、閾値圧力レベルを超える容器内の圧力上昇に反応して、容器内に配置されたリチウムイオン電池部品を電気的に隔離するようになっていてもよい。ヒューズは、ヒューズホルダの中に配置されてもよい。開示されるリチウムイオン電池はまた、約１０ｐｓｉから１４０ｐｓｉの間の通気圧に反応して通気するようになっている通気構造を含んでもよい。

本開示のさらなる特徴、機能、および利点は、特に添付図面と併せて読むと、以下の詳細な説明から明らかとなる。

開示されるアセンブリ、システム、および方法を当業者が作成および使用するのを支援するために、以下の添付図面が参照される。

本開示による容器設計のためのフェールセーフ機構のシーケンスを示す概略図である。 本開示による正常動作中のマルチコアリチウムイオン電池に関連する例示的なモジュール回路の概略図である。 本開示による圧力分離装置（「ＰＤＤ」）の作動後の図２Ａのマルチコアリチウムイオン電池に関連する例示的なモジュール回路の概略図である。 ヒューズが電池ケーシング／カバーの外部に、その負極端子に関連付けられて配置されている、（通常な動作状態における）例示的なＰＤＤ設計の概略図である。 ＰＤＤが電池ケーシング内の過圧に反応して作動し、負極端子に関連付けられたヒューズが溶断した、図３の例示的なＰＤＤ設計の概略図である。 本開示による例示的なマルチコアリチウムイオン電池の分解図である。 本開示による図５の例示的なマルチコアリチウムイオン電池の組み立て図である。 本開示による安全機能に関連付けられた例示的なケーシングアセンブリの分解図である。 本開示による図６の例示的なケーシングアセンブリの組み立て図である。 本開示による例示的なマルチコアサブアセンブリの分解図である。 本開示による図７の例示的なマルチコアサブアセンブリの組み立て図である。 本開示による例示的なマルチコアリチウムイオン電池の分解図である。 本開示による図８の例示的なマルチコアリチウムイオン電池の組み立て図である。 本開示による例示的なマルチコアリチウムイオン電池の分解図である。 本開示による図９の例示的なマルチコアリチウムイオン電池の組み立て図である。 本開示による例示的なマルチコアリチウムイオン電池の分解図である。 本開示による図１０の例示的なマルチコアリチウムイオン電池の組み立て図である。 本開示によるさらなる例示的なマルチコアリチウムイオン電池の分解図である。 本開示による図１１の例示的なマルチコアリチウムイオン電池の組み立て図である。 本開示の例示的実施形態によるケーシング内の圧力上昇に反応する偏向可能ドームの進行を示す概略側面図である。 本開示の例示的実施形態によるケーシング内の圧力上昇に反応する偏向可能ドームの進行を示す概略側面図である。 本開示の例示的実施形態によるケーシング内の圧力上昇に反応する偏向可能ドームの進行を示す概略側面図である。 本開示による例示的な偏向可能ドームの側断面図である。 本開示による実験的試験の充電電流、セル電圧、およびセル表面温度のグラフである。 本開示による圧力分離装置を試験するために使用される試験治具の概略図である。 本開示による圧力分離装置アセンブリの試験中の電流および温度変化のグラフである。

上記の問題を克服し、大きな角柱型セルを含む、広範囲のサイズにわたる安全かつ信頼性の高い角柱型セルを実現するために、本開示は、フラッシュバックの危険性も通常使用時の厄介な故障も伴わず、効果的で信頼できるやり方で通気および圧力分離操作を実行する、有利な設計を提供する。本明細書に開示される設計は、組み合わせて使用されてもよく、および／また望ましい角柱型セルシステムを実現するために、全体としてまたは部分的に実施されてもよい。当業者には明らかなように、開示される設計は、広範な応用可能性を有し、電池式電気自動車（ＢＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電車、グリッドストレージ（ＧＲＩＤ）、建築、採鉱、および林業用機器、フォークリフト、鉛酸交換（ＬＡＲ）、ならびに通常複数のＬｉイオンセルを使用するその他の電池式装置およびシステムで使用されるように設計されたリチウムイオン電池システムを含む、多くの用途において著しい恩恵を提供する。

開示される設計／システムは主に、Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ（リチウムイオン電池）と題されるＰＣＴ出願（ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０６４６５４）およびＬｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ ｗｉｔｈ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ（熱暴走保護を有するリチウムイオン電池）と題されるＰＣＴ出願（ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０３１９４８）に記載されるような、個々のゼリーロールのアレイを使用するＬｉイオンセルの文脈において記載されているが、開示される設計および解決策はまた、１つまたは複数のセル（ＡＥＳＣ、ＬＧによって製造されるものなど）をパッケージする、または１つ以上の非分離平巻きまたは積層電極構造を有する標準的な角柱型セル（ＳＤＩ、ＡＴＬ、パナソニックによって製造されるものなど）をパッケージする、その他の角柱型およびその他の円筒型セルシステムにおいて配備されてもよいことは、当業者によって理解される。開示される設計／システムはまた、封止されたＬｉイオンセルのモジュールを封入するために使用されてもよい。したがって、開示される圧力分離装置および／または開示される通気構造は、電気化学的ユニットまたはゼリーロールが個別に封止されるかまたは個別に封止されないリチウムイオン電池に組み込まれてもよい。

まず、大きな角柱型Ｌｉイオンセル用の典型的な容器構造は、通常はアルミニウムから作られた長方形の金属容器であることに、留意されたい。これらの容器／ケーシングは一般的に、２つの主な要因によって膨張する。
１．循環している電極構造は、充電および放電の間にリチウムがアノードおよびカソード構造を挿入する際に、容器壁を膨張および収縮させる。この屈曲が大いに弾性的になるように、容器が外部圧力によって抑制されない限り、容器は永久に膨張する。このような膨張の結果、スタック圧力が低下し、電極構造が分離することさえあり、電極に対して圧力が外部から印加されない限り、サイクル寿命の低下および電極構造内の乾燥を招く。このような圧力は通常、モジュール構造を通じて印加され、低いエネルギー密度および比エネルギーで、または不可欠なスタック圧力支持を提供する非常に厚い壁を形成することによって、重量および体積を増加させることになる、重く厚いゲージ材料をもたらす。
２．通常使用中に、セル内でガス圧力が上昇すると、容器は永久に膨張する。このような圧力は通常５ｐｓｉｇ未満であり、これは上記の電極膨張から見た圧力壁よりもはるかに小さい。

角柱型セル容器が、上記のＰＣＴ出願に記載されるように、個々に封止されていない、すなわち共有雰囲気領域に開放している個々のゼリーロールを収容するとき、容器壁に対して圧力を印加するゼリーロールはないので、上記で最初に述べられた問題（容器壁膨張および収縮）は心配ない。しかしながら、内圧は依然として懸念される。

壁に圧力を印加する電極構造を角柱型容器が収容する場合には、容器は一般的に、膨張を制限するための機械的支援を必要とするが、そうでなければセルはパック内で移動してスタック圧力を喪失し、セルの早期故障を招くだろう。この本質的な設計問題を解決するために、本明細書に開示される設計革新がなければ、容器／ケーシングの壁厚を増加させる必要があるか、または外部圧力が印加される必要がある。明らかに、壁が薄い方が望ましく、これはとりわけ壁が薄いほど、容積が大きくなって電極に利用できる余裕が増えるからである。一般的に、壁が薄い方が、重量が低下して内部容積が大きくなり、エネルギー密度および比容量が増加するので、構造的安定性を失わずに可能な限り壁厚を小さくすることが望ましい。

通気構造が膨張している壁に実装されるかまたは別途これに対して画定される場合、通気は、通気構造の亀裂および劣化を伴う変形の危険性があり、これにより通気圧を低下させ、通気機能の全体的な信頼性に制御不能な悪影響を及ぼす。

圧力分離（および／または通気）のための操作圧力が高すぎる場合、容器／ケーシングが膨張するときの曲げ動作はシールを破損してシステム故障を引き起こす可能性があるので、缶または容器を機械的にまたはレーザー溶接を用いて効果的に封止する問題がある。

さらに、通気開口部が小さすぎる場合、シールまたは端子構造は容器／ケーシングの内部の圧力が上昇するにつれて漏れ始める可能性があり、このような圧力上昇は、内部短絡など特定のタイプの誤用の間は十分な速さで解放され得ないことも、見いだされた。

図１は、容器／ケーシング設計のフェールセーフ機構のシーケンスを示す（ｘ軸はシステム内の圧力を概略的に表す）。Ｐ１は電池の通常動作のための圧力を表し、Ｐ２は圧力分離装置（使用される場合）が作動される圧力を表し、Ｐ３は通気機構が作動する圧力を表し、Ｐ４は、缶／容器シール、端子フィードスルー、および／または容器のその他の部分が漏れ始めたときの圧力を表す（すなわち、容器／ケーシングの全体的な圧力定格）。ある要素の操作圧力の発生のための正規分布の領域が別の要素のための正規分布の領域に侵入する能力を伴わずに大量生産において、これらの圧力の間隔が実現可能であることは、安全な動作にとって不可欠である。

たとえば、過充電分離（すなわち、圧力分離装置）は、電池の動作を早期に無効化するので、電池の早期の短絡を引き起こすことはない（すなわち、Ｐ２はＰ１範囲内である）。同様に、その他の構造が漏れ始める前に通気が作動しない場合（すなわち、Ｐ３がＰ４範囲内である）、漏れ（またはその他のシステム故障）から生じる通気の方向は制御不可能であり、この結果として高温ガスまたは炎を隣接するセル内に吹き込み、カスケード故障を引き起こす可能性がある。

本明細書に開示されるタイプの電池システム内の通気構造を確立する際に、比較的多くの金属残留物が切り込み箇所に残留することによる通常使用中の厄介な故障の危険を冒すことなく、非常に低い圧力（図１のＰ３）で動作する通気機構を提供することが望ましい。Ｐ３のこの低圧は、ひいては機械的に封止された缶／容器の使用を可能にし、あるいは缶を封止するためにレーザー溶接が使用可能であるが、これはＰ４圧力もまたＰ３と重なる危険を冒すことなく低下させられるからである。したがって、Ｐ３を確実に低下させる能力は、電池システム設計および操作の全体的な改善につながる可能性がある。

また、通気の面積は、制御可能な流れ面積で確実な開口圧力を許容するために比較的大きくなければならず、迅速な圧力解放を可能にして電解質の噴霧化をなくす。広い通気面積は一般的に、安全性が向上した設計を作り出すであろう。

通気機構のみを含む（すなわち、圧力分離装置がない）本開示の例示的実施形態において、通気圧（Ｐ３）は約１０ｐｓｉｇか約１４０ｐｓｉｇ程度であり、容器の構造的限界圧力（Ｐ４）は通気圧より少なくとも約１０％高い。

圧力分離装置および通気機構の両方を含む例示的実施形態において、圧力分離装置が作動する圧力は一般的に、リチウムイオン電池の全体設計に依存する。しかしながら、開示される圧力分離装置を作動させるケーシング内の閾値圧力は一般的に１０ｐｓｉｇ以上であり、一般的に１０から４０ｐｓｉｇの範囲内である。通気機構も含む実施形態では、通気機構が作動して通気する、すなわちケーシングから加圧ガスを解放する圧力は一般的に、圧力分離装置が作動する圧力より少なくとも５ｐｓｉｇ高い。したがって、たとえば圧力分離装置が１５ｐｓｉｇで作動するように設定されている場合には、本開示の例示的実施形態において、２０ｐｓｉｇで通気するように独立した通気構造が選択されてもよい。注目すべきことに、ケーシング自体の全体的な圧力定格、すなわちケーシングが故障する可能性のある圧力は一般的に、通気構造が作動する圧力より少なくとも５ｐｓｉｇ高い圧力に設定されている。したがって、上記の例（１５ｐｓｉｇでの圧力分離装置の作動；２０ｐｓｉｇでの通気構造の作動）では、ケーシングは一般的に少なくとも２５ｐｓｉｇの内圧に耐えられるように設計されている。ケーシングの圧力定格は、故障が起こりやすい封止機構を含む界面溶接部およびその他の接合部／開口部に関して、特に重要である。

今日、いくつかの通気タイプの幾何形状が存在し、これらは特定の圧力で通気口を画定する切り込み線で途切れるように設計されている。直線通気口、「Ｙ」通気口、および放射通気口の主な懸念は、亀裂伝播がいつも同じ経路を選ぶとは限らないので、これらは一般的には完全に開放しないことである。丸みを帯びた通気口は、広い面積で素早く開放することができ、残留金属フラップが素早く曲げられて、容器の著しい圧力上昇なしにガスが放出されるので、一般的に好まれる。最適な通気設計は、通気事象があったときに、さらなるガス発生によって缶／容器内の上昇圧力を蓄積することなく全てのガスが迅速に放出可能であるという点で、効果的である。

たとえば、円形または略円形通気開口部では、約１．５インチの開口部直径は、本開示の電池に適切な通気機能を提供するが、特定の電池例の特徴／機能に基づいて、代替の直径開口が採用されてもよい。非円形通気開口部では、約０．４ｃｍ^２から約１２ｃｍ^２の間の全体的な通気面積が効果的に採用されてもよいが、やはり特定の電池例の特徴／機能に基づいて、代替の通気面積が提供されてもよい。

通気面積の増加により通気事象に関連する電解質の噴霧化を制限するものの、フラッシュバックの危険性がある。このようなフラッシュバックは、内部短絡など、誤用状態の間に故障しなかったセルの内部の絶縁された電極構造の電解質を発火させる可能性がある。この危険性を制限するために、マルチロール構造を収容するエンクロージャに火炎面が再侵入するのを防止するため、火炎防止器が通気口の近傍に有利に配置されてもよい。本開示の例示的実施形態において、火炎防止器は、通気構造の内部に、すなわち、通気構造を形成／画定し、および／または通気機能を開始する切り込み線によって定義される領域にわたって、および／またはこの近傍で、通気構造の内部に配置される。

個々のゼリーロールが故障した場合、大量のガスが発生し（〜１０リットル）、このガスは高温（〜２５０から３００℃）かつ可燃性である。通気が行われた後、マルチゼリーロールエンクロージャの外側でこのガスが発火する可能性がある。炎がセルに侵入する可能性を防止および／または低減するために、火炎防止器として機能するためのメッシュが通気領域の上に有利に載置／配置されてもよい。このメッシュは、流出ガスストリームの温度をその自然発火温度未満に低下させる働きをする。

メッシュは熱交換器の役割を果たすので、表面積が大きく開口部が小さい方が多くの熱を拒絶するが、メッシュの開口面積の減少により通気中にメッシュにかかる力を増加させる。０．０１２“ワイヤ径の３０ＵＳ標準メッシュは、試験対象の大型Ｌｉイオン電池のフラッシュバックを防止するのに効果的であることが見いだされた。その他のメッシュサイズも効果的に機能すると期待されるが、一般的な供給可能性およびＬｉイオン電池に対する効果的な防止器機能のため、３０メッシュが好ましい。３０メッシュは４０％の開放面積を有し、これは７０ｐｓｉの通気において、メッシュが通気面積の７０ｐｓｉ＊０．６＝４２ｌｂｆ／ｉｎ^２の瞬間的な力に耐えなければならないことを意味する。Ｌｉイオン用途で使用されるものなど、妥当な通気面積では、この負荷からメッシュ内の応力を計算するのが適当である。たとえば、２インチ径の通気口では、（従来の電池容器の側壁に適合可能なよりも大きい）、この通気でのメッシュの瞬間的な応力は概ね：
（（ｐｉ＊１ｉｎ^２）＊４２ｌｂｆ／ｉｎ^２）／（ｐｉ＊２ｉｎ＊０．０１２＊０．６＊０．７８５４）＝〜３７１４ｐｓｉ

銅の降伏強度は〜２０，０００ｐｓｉである。

例示的な圧力分離装置（ＰＤＤ）例
本開示の例示的例において、リチウムイオン電池、および特にマルチコアリチウムイオン電池の内圧状態によって作動され得る電流遮断アセンブリ、すなわち圧力分離装置が提供される。図２Ａから図２Ｂを参照すると、複数のマルチコアリチウムイオン電気化学的ユニット（ゼリーロール）を含む例示的な電池モジュールが、概略的に示されている。より具体的には、図２Ａから図２Ｂの概略図は３つの異なるマルチコアリチウムイオン電気化学的ユニットを含む。３つのマルチコアリチウムイオンユニットは図２Ａから図２Ｂに概略的に示されているものの、本開示は３つのマルチコアリチウムイオンユニットを含む例によって限定されるものでも、これに限定されるものでもない。

マルチコアリチウムイオン電気化学的ユニットの各々は圧力分離装置（ＰＤＤ）に関連付けられており、図２Ｂに概略的に示されるように、第２のユニットは、ＰＤＤの作動をトリガした過充電状態を経験している（円内の「Ｘ」によって概略的に示される通り）。第２のユニット用のＰＤＤの作動は、セルの外部短絡を招いており、溶断したヒューズに基づいて、電気化学的ユニットは回路全体から隔離される。以下に記載されるように、ヒューズは電池ケーシングの外部に有利に配置され、負極端子に関連付けられる。ＰＤＤの作動に反応して、電流は電池のケーシングを通って迂回させられる。

図３および図４を参照すると、本開示にしたがって圧力作動される例示的なＰＤＤアセンブリ１０の概略図が示されている。ＰＤＤアセンブリ１０は、リチウムイオン電池ケーシング（図示せず）のカバー１４に関連付けられた偏向可能／変形可能ドーム１６を含む。カバー１４はアルミニウムで有利に製造されるが、本開示の精神／範囲から逸脱することなく、他の材料が採用されてもよい（たとえば、ステンレス鋼）。可能／変形可能ドーム１６は、カバー１４に関連付けられている。偏向可能／変形可能ドーム１６は、カバー１４の残部よりも小さい断面のアルミニウムを含む、様々な材料から製造されることが可能である。したがって、偏向可能／変形可能ドーム１６は、カバー１４と一体に形成されてもよく、カバー１４内に画定された開口部に対して取付または接着されてもよく、たとえばこれに溶接されてもよい。

絶縁層１８は、カバー１４とＰＤＤ作動アーム２０との間に配置される。絶縁層１８は一般的に、たとえば直立銅端子２４およびバスバー２６をカバー１４から電気的に隔離するために、電極領域２２の中まで延在する。ヒューズ素子２８は、直立端子２４と端子素子２５との間の回路を完成させるように、電極領域２２に関連付けられている。

図３に示されるように、ドーム１６およびＰＤＤ作動アーム２０は、当初は互いに対して離間しており、これによりその間の電気的連通を防止している。ドーム１６に隣接して絶縁層１８内に間隙が設けられ、これにより、電池ケーシング内で閾値内圧に到達したときにドーム１６とＰＤＤ作動アーム２０との間の物理的接触および電気的連通を可能にする。例示的実施形態において、ＰＤＤ作動アーム２０は、その間の効果的な接触を保証するために、たとえば作動アーム２０の端部領域から延在するキノコ状のノブ３０など、ドーム１６の幾何形状と協働する幾何形状を画定してもよい。当業者には容易に明らかとなるように、代替的な協働幾何形状が採用されてもよい。

図４に示されるように、電池ケーシング内の内圧が特定のレベルを超えた場合、ドーム１６は上方に偏向してＰＤＤ作動アーム２０のノブ３０と接触し、これにより、バスバー２６、直立端子２４、ヒューズ２８、端子素子２５、作動アーム２０、およびカバー１４の間の電子回路を完成させる。この回路の完成はヒューズ２８の能力を超過して「溶断」し（図４に示される通り）、これによってそのケーシング（カバーを含む）を通って電池に関連する全ての電流を迂回させる。

適切なヒューズ直径は、オンダードンク（Ｏｎｄｅｒｄｏｎｋ）の方程式を用いて計算されてもよい。
Ｉ_ｆｕｓｅ＝Ａｒｅａ＊ＳＱＲＴ（ＬＯＧ（（Ｔ_ｍｅｌｔ−Ｔ_{ａｍｂｉｅｎｔ}）／（２３４−Ｔ_{ａｍｂｉｅｎｔ}）＋１）／Ｔｉｍｅ＊３３）
ここで、
Ｔ_ｍｅｌｔは摂氏で表したワイヤの溶融温度、
Ｔ_{ａｍｂｉｅｎｔ}は摂氏で表した周囲温度、
Ｔｉｍｅは秒単位の溶融時間、
Ｉ_ｆｕｓｅはアンペア単位の溶断電流、
Ａｒｅａはサーキュラーミル単位のワイヤ面積である（「サーキュラーミル」は、１０００分の１インチ（ミル）の二乗単位のワイヤの直径である。つまり、直径０．００１”の円の面積である）。

溶断電流が７００アンペアの電流と仮定すると、オンダードンクの方程式を適用すれば以下のワイヤ直径の結果が得られる。

このように、オンダードンクの方程式は、溶断電流が７００アンペアの電流と仮定して、５秒の溶融時間で図３および図４の例示的なアセンブリでは２．７３ｍｍのアルミニウムヒューズ直径が有効であることを示している。当業者には容易に明らかであるように、代替のヒューズ材料／直径が使用されてもよい。

図５から図１１を参照すると、本開示によるリチウムイオン電池例の概略図が示されている。最初に図５を参照すると、例示的なマルチコアリチウムイオン電池１００の分解図が示されている。例示的なリチウムイオン電池の組み立て図は、図５Ａに示されている。

電池１００は、以下のような部品を受容するための内部領域を画定する、外部缶またはケーシング１０２を含む。
・複数（２４）の開口部（たとえば、円形開口部）を画定する、アルミニウムバスバー１０４。
・ゼリーロール／ゼリーロールスリーブサブアセンブリを受容する構成および寸法になっている複数（２４）の離間した略円筒形の領域または空洞を画定する、筐体または支持構造１０６。
・対応するゼリーロールを受容し、筐体１０６によって画定された円筒形領域内に配置される構成および寸法になっている、複数（２４）のゼリーロールスリーブ１０８であって、ゼリーロールスリーブ１０８は、たとえばポリマーまたは金属など、様々な材料で製造されてもよく、ポリマーおよび金属箔積層箔パウチの形態を取ってもよい。
・ゼリーロール筐体１０８内に配置されるような構成および寸法になっている、複数（２４）のゼリーロール１１０、すなわち電気化学的ユニット。
・バスバー１０４とゼリーロール１１０との間に配置された、複数（２４）の略円形ゼリーロール裏当てシート１１１。
・筐体１０６によって画定された空洞内に配置されたゼリーロール１１０を覆うような構成および寸法になっている、複数（２４）のゼリーロールカバー１１２。
・ゼリーロール１１０の各々と電気的連通するように略Ｈ字型の幾何形状を画定する、銅バスバー１１４。
・電池アセンブリの上部カバーに対してバスバー１１４を絶縁するように、バスバー１１４の幾何形状にほぼ対応する幾何形状を画定する、バスバー絶縁体１１６。
・潜在的な振動を吸収してその間の相対運動を最小化するために、バスバー絶縁体１１６と上部カバーとの間に配置された、複数（６）の防振マット。
・上記の部品を包み込むために外部缶１０２と協働するような構成および寸法になっている、略矩形上部カバー１２０。
・ゼリーロールへの電解質導入を容易にするために上部カバー１２０に形成された開口部を塞ぐための、上部カバー１２０の外部に配置された複数（２４）の鋼球１２２。
・振動をさらに減衰してその間の運動を防止するために、外部缶１０２と筐体１０６の外壁との間に１つ以上の防振マット１２４が配置される。

注目すべきことに、外部缶／ケーシング１０２、バスバー１０４、筐体１０６、および上部カバー１２０の角は、サイズを最小化して製造／組立を容易にするために、それぞれの角において概ね丸みを帯びている。さらに注目すべきことに、筐体１０６内に配置されたゼリーロール１１０は、一般的に外部缶１０２内のヘッドスペースおよび上部カバー１２０を共有するマルチコアアセンブリを画定するが、横方向には互いに連通していない。したがって、いずれか１つ以上のゼリーロール１１０の動作に関連する圧力および／または温度のいかなる上昇も、共有されるヘッドスペース全体に広がり、必要に応じて以下に記載される安全機能によって対処される。しかしながら、筐体１０６によって画定された略円筒形の領域は横方向の観点からゼリーロール１１０を互いに隔離するので、第１のゼリーロール１１０に関連付けられた電解質は隣接するゼリーロール１１０と連通していない。スリーブ１０８は、隣接するゼリーロール１１０間のように、横方向の電解質隔離にさらに貢献する。

図５、図５Ａ、図６、図６Ａ、図７、図７Ａ、図８、および図８Ａ（まとめて図５から図８）をさらに参照すると、リチウムイオン電池１００に関連付けられた例示的な安全機能は、通気アセンブリ２００および圧力分離装置（ＰＤＤ）アセンブリ３００を含む。図５から図８の例示的な電池１００によれば、通気アセンブリ２００およびＰＤＤアセンブリ３００の動作部品は、外部缶１０２の上壁１２６に沿って実装／配置されている。しかしながら、本開示に基づいて当業者にとって明らかとなるように、本開示の精神／範囲から逸脱することなく、通気アセンブリ２００および／またはＰＤＤアセンブリ３００の一方または両方の（全体または一部の）別の配置が実現されてもよい。

最初に通気アセンブリ２００を参照すると、外部缶またはケーシング１０２の上壁１２６は開口部１２８を画定することがわかる。火炎防止器２０２および通気ディスク２０４は、開口部１２８を横切って実装されている。通気アダプタリング２０６によって、火炎防止器２０２および通気ディスク２０４の領域にシールが維持されている。上壁１２６に通気アダプタリング２０６を取り付けるために、たとえば溶接、接着剤、機械的実装構造など（これらの組み合わせを含む）、様々な実装機構が採用されてもよい。注目すべきことに、通気ディスク２０４は、必然的に上壁１２６に対して密封的に嵌合し、当該技術分野において周知のように、たとえば切り込み線および／または上壁１２６よりも薄い厚さによって、その場で形成されてもよい。

上述のように、個々のゼリーロール（または複数のゼリーロール）が故障した場合、大量のガスが発生する可能性があり（〜１０リットル）、このガスは高温（〜２５０から３００℃）かつ可燃性である。通気が行われた後、マルチゼリーロールエンクロージャの外側でこのガスが発火する可能性がある。火炎面がケーシングに侵入するのを防止するために、火炎防止器２０２として機能するためのメッシュが設けられてもよく、通気領域、すなわち開口部１２８の上に有利に載置または配置されてもよい。このメッシュは、流出ガスストリームの温度をその自然発火温度未満に低下させる働きをする。メッシュは熱交換器の役割を果たすので、表面積が大きく開口部が小さい方が多くの熱を拒絶するが、メッシュの開口面積の減少により通気中にメッシュにかかる力を増加させる。

電池１００の電気的態様を参照すると、図５および図６の分解図は、開示されるリチウムイオン電池のアノードとして機能し、外部缶またはケーシング１０２の上壁１２６に形成されたさらなる開口部１３０を通って上方に延在する構成および寸法になっている、直立銅端子１１５を示している。直立端子１１５は、ケーシング１０２の内部の銅バスバー１１４およびバスバーコネクタ１１７と電気的に連通しており、外部缶／ケーシング１０２の上方および外側に露出するようにバスバーコネクタ絶縁体１１９を通って延在する。直立銅端子１１５の上端部はヒューズホルダ３０２内に配置されており、これは外部缶／ケーシング１０２の上壁１２６に沿って実装された、略矩形の非導電性（たとえば、ポリマー）構造を画定することができる。直立端子１１５は、ヒューズ３０４によって端子接触面１２１と電気的に連通している。

ヒューズ３０４は、ヒューズホルダ３０２の中で、直立銅端子１１５および端子接触面１２１と電気的に連通している外部缶／ケーシング１０２の外側に配置される。ヒューズホルダ３０２および直立端子１１５に対してヒューズ３０４を固定するために端子ねじ３０６が設けられてもよく、ヒューズ部品はヒューズカバー３０８によってヒューズホルダ３０２内に電気的に隔離されている。

略Ｕ字型の端子３１０は、外部缶／ケーシング１０２の上壁１２６と電気的および実装的に接触している、離間したフランジ表面３１１を画定する。ケーシング１０２の中にあるアルミニウムバスバー１０４は外部缶／ケーシング１０２と電気的に連通しており、これによって端子３１０との電気的連通を確立する。端子３１０は、当業者には容易に明らかになるように、様々な幾何学的形態を取ることができる。端子３１０は通常、アルミニウムから製造され、開示されるリチウムイオン電池のためのカソードとして機能する。

したがって、アノード端子接触面１２１およびカソード端子３１０は、ケーシング１０２の上壁１２６上に並んで配置され、電気的接続に利用可能であり、これによって所望の用途への電池１００からのエネルギー供給を可能にする。

例示的なＰＤＤアセンブリ３００を参照すると、導電性ドーム３１２は、外部缶／ケーシング１０２の上壁１２６に画定されたさらなる開口部１３２に対して位置決めされる。ドーム３１２は、最初に外部缶／ケーシング１０２に対して内向きに曲げられ、こうして、その外向き／上向き偏向によって外部缶の中の圧力の上昇に反応するように位置決めされる。ドーム３１２は、上壁１２６に対して通常は溶接されているドームアダプタリング３１４によって、上壁１２６に対して実装されてもよい。例示的な例において、および製造しやすさのため、ドームアダプタリング３１４はドーム３１２の周囲に予め溶接されてもよく、こうしてドームアダプタリング３１４によって増加した表面積によって、上壁１２６に対するドーム３１２の実装に関する溶接作業を容易にする。

図５から図８に示される例示的実施形態において、非導電性（すなわち、絶縁性）ハンマーホルダ３１５がドーム３１２の上面と嵌合して配置され、これにより、以下に記載されるように、端子接触面１２１の下側からドーム３１２を電気的に絶縁する。

しかしながら、本明細書に記載されるように、本開示の代替例では非伝導性ハンマーホルダ３１５およびブレードアセンブリは省略されてもよいと考えられる。例示的なブレードのない例では、ドーム３１２の上向き／外向き偏向（外部缶／ケーシング１０２内の圧力上昇に基づく）がドーム３１２を端子接触面１２１の下側と直接接触させる可能性がある。この手法を選択する際には、ドーム３１２を流れる電流がドーム３１２の構造的完全性に悪影響を及ぼさないように注意を払わなければならない。これに関して、図５から図８の実施形態を参照して記載されるハンマーホルダ／ブレードアセンブリ例は、端子接触面１２１との直接接触からドームを電気的に隔離することによって、ドームの潜在的な構造損傷および／または故障を回避および／または最小化するための例示的な手法を提供する。

図５および図６をさらに参照すると、ハンマーホルダ３１５は、導電性ブレード３１７に画定された開口部を通り、ブレード３１７の反対側に配置された分離ハンマー３２０にスナップ接続するような構成および寸法になっている、上向き伸長部を含む。このようにして、ハンマーホルダ３１５および分離ハンマー３２０は、ブレード３１７に対して固定され、これと協調して動く。ブレード３１７は、ブレードクランプ３１８によってブレード基部３１６に対して実装され、サブアセンブリはたとえば溶接によって外部缶／ケーシング１０２の上壁１２６に対して固定される。注目すべきことに、導電性ブレード３１７は、外部缶／ケーシング１０２に対するドーム３１２、ハンマーホルダ３１５、および分離ハンマー３２０の上昇運動に適合するように伸長可能である。

使用時に、外部缶／ケーシング１０２および上部カバー１２０によって画定されたアセンブリ内の圧力の上昇に反応して、ドーム３１２は、外部缶／ケーシング１０２の上壁１２６に対して上向きに偏向することになる。十分な上向き偏向をすると、すなわち閾値レベルに到達する電池１００に関連する内圧に基づいて、分離ハンマー３２０は、ヒューズホルダ３０２内でヒューズ３０４と電気的に連通している端子接触面１２１の下側と接触する。ブレード３１７の「伸展」により、分離ハンマー３２０の上昇運動が許容される。（導電性の）分離ハンマー３２０との接触により、カバー１２６からブレード３１７、ハンマーヘッド３２０、端子接触面１２１、ヒューズ３０２、および直立端子１１５を通る回路を完成させる。この回路の完成によってヒューズ３０２は「溶断」し、これにより、外部缶１０２および上部カバー１２０によって画定されたアセンブリ内に配置されたマルチコア部品から回路を遮断する。電流は、外部缶１０２を通じて迂回させられる。注目すべきことに、偏向可能ドーム３１２を除くＰＤＤアセンブリ３００の全ての動作部品は、外部缶１０２および上部カバー１２０の外部に有利に配置される。

図９を参照すると、代替の例示的なマルチコアリチウムイオン電池４００の分解図が示されている。例示的なリチウムイオン電池の組み立て図は、図９Ａに示されている。図９は、図５から図８の実施形態を参照して最初に記載されたような通気アセンブリ２００およびＰＤＤアセンブリ３００に、代替位置を提供する。より具体的には、図９の実施形態において、通気アセンブリ２００およびＰＤＤアセンブリ３００は、電池４００の上部カバー４０４上に配置されている。電池４００は、以下のような部品を受容するための内部領域を画定する外部缶４０２を含む。
・複数（２４）の開口部（たとえば、円形開口部）を画定する、アルミニウムバスバー１０４。
・ゼリーロール／ゼリーロールスリーブサブアセンブリを受容し、隣り合わせの観点からゼリーロールを互いに隔離する構成および寸法になっている、複数（２４）の離間した略円筒形の領域を画定する、筐体または支持構造１０６。
・対応するゼリーロール（すなわち、電気化学的ユニット）を受容し、筐体１０６によって画定された円筒形の領域内に配置される構成および寸法になっている、複数（２４）のゼリーロールスリーブ１０８であって、ゼリーロールスリーブ１０８は、たとえばポリマーまたは金属など、様々な材料で製造されてもよく、ポリマーおよび金属箔積層箔パウチの形態を取ってもよく、潜在的な側方流動によって隣接する空洞との連通から個々のゼリーロール／電気化学的ユニットに関連付けられた電解質をさらに隔離する役割を果たす。
・ゼリーロール筐体１０８内に配置されるような構成および寸法になっている、複数（２４）のゼリーロール／電気化学的ユニット１１０。
・バスバー１０４とゼリーロール１１０との間に配置された、複数（２４）の略円形ゼリーロール裏当てシート（図示せず）。
・筐体１０６に内に配置されたゼリーロール１１０を覆うような構成および寸法になっている、複数（２４）のゼリーロールカバー１１２。
・ゼリーロール１１０の各々と電気的連通するように略Ｕ字型の幾何形状を画定する、銅バスバー４１０。
・電池アセンブリの上部カバーに対してバスバー４１０を絶縁するように、バスバー４１０の幾何形状にほぼ対応する幾何形状を画定する、バスバー絶縁体４１２。
・潜在的な振動を吸収してその間の相対運動を最小化するために、バスバー絶縁体４１２と上部カバーとの間に配置された、複数（６）の防振マット１１８。
・上記の部品を包み込むために外部缶４０２と協働し、通気アセンブリ２００およびＰＤＤアセンブリ３００を支持／収容するような構成および寸法になっている、略矩形上部カバーまたは蓋４０４。
・ゼリーロールへの電解質導入を容易にするために上部カバー４０４に形成された開口部を塞ぐための、上部カバー４０４の外部に配置された複数（２４）の鋼球１２２。
・振動をさらに減衰してその間の運動を防止するために、外部缶４０２と筐体１０６の外壁との間に配置された、１つ以上の防振マット１２４。

注目すべきことに、外部缶４０２、バスバー１０４、筐体１０６、および上部カバー４０４の角は、サイズを最小化して製造／組立を容易にするために、それぞれの角において概ね丸みを帯びている。さらに注目すべきことに、筐体１０６内に配置されたゼリーロール１１０は、一般的に外部缶４０２内のヘッドスペース／雰囲気領域および上部カバー４０４を共有するマルチコアアセンブリを画定するが、隣り合わせの観点からは互いに隔離されている。したがって、いずれか１つ以上のゼリーロール１１０の動作に関連する圧力および／または温度のいかなる上昇も、共有されるヘッドスペース／雰囲気領域全体に広がり、必要に応じて以下に記載される安全機能によって対処される。

図９をさらに参照すると、開示されるリチウムイオン電池４００に関連する安全機能は、通気アセンブリ２００および圧力分離装置（ＰＤＤ）アセンブリ３００を含む。図９の例示的な電池４００によれば、通気アセンブリ２００およびＰＤＤアセンブリ３００は、上部カバー４０４の表面４１６上に、またはこれに対して実装／配置される。

通気アセンブリ２００を参照すると、上部カバー４０４の表面４１６は開口部４１８を画定することがわかる。火炎防止器２０２および通気ディスク２０４は、開口部４１８に対して、すなわちこのような開口部を横切って実装されている。火炎防止器２０２および通気ディスク２０４は、通気アダプタリング２０６によって上部カバー４０４の表面４１６に対して実装されている。表面４１６に通気アダプタリング２０６を取り付けるために、たとえば溶接、接着剤、機械的実装構造など（これらの組み合わせを含む）、様々な実装機構が採用されてもよい。注目すべきことに、通気ディスク２０４は、必然的に表面４１６に対して密封的に嵌合し、当該技術分野において周知のように、たとえば切り込み線および／または表面４１６よりも薄い厚さによって、その場で形成されてもよい。

上述のように、個々のゼリーロールが故障した場合、大量のガスが発生する可能性があり（〜１０リットル）、このガスは高温（〜２５０から３００℃）かつ可燃性である。通気が行われた後、マルチゼリーロールエンクロージャの外側でこのガスが発火する可能性がある。火炎面が外部缶４０２および上部カバー４０４によって画定された内部容積に侵入するのを防止するために、火炎防止器２０２として機能するためのメッシュが設けられてもよく、通気領域、すなわち開口部４１８の上に有利に載置／配置されてもよい。このメッシュは有利なことに、流出ガスストリームの温度をその自然発火温度未満に低下させる働きをする。メッシュは熱交換器の役割を果たすので、表面積が大きい／開口部が小さい方が多くの熱を拒絶するが、メッシュの開口面積の減少により通気中にメッシュにかかる力を増加させる。

ＰＤＤアセンブリ３００に戻ると、図９の分解図は、リチウムイオン電池４００のアノードとして機能し、上部カバー４０４の表面４１６に形成されたさらなる開口部４２０を通って上方に延在する構成および寸法になっている、直立銅端子１１５を示す。直立端子１１５は、外部缶４０２および上部カバー４０４によって画定された内部容積の中に配置された銅バスバー４１０と電気的に連通しており、上部カバー４０４の上方に露出するようにバスバー絶縁体４１２および封止リング４２２を通って延在する。直立銅端子１１５の上端部はヒューズホルダ４０６内に配置されており、これは上部カバー４０４の表面４１６に実装された、半円形および正方形の、非導電性（たとえば、ポリマー）構造を画定することができる。

直立端子１１５は、ヒューズ３０４および端子接触表面３０５を含むかまたは画定する導電性要素３１３と、電気的に連通している。導電性要素３１３は、ヒューズホルダ４０６内に配置され、上部カバー４０４の外部に実装されている。ハンマーヘッドスクリュー４２８は、図９Ａに示されるように、ヒューズホルダ４０６に対して導電性要素３１３を固定し、略矩形端子接触表面を画定するために導電性要素３１３と協働する。露出した端子接触表面３０５以外の導電性要素３１３の導電性部分は、ヒューズカバー３０８によってヒューズホルダ４０６内で電気的に隔離されてもよい。導電性要素３１３はヒューズホルダ押えリング４２６上にあり、これはヒューズホルダ４０６の露出面の空洞内にある。

ＰＤＤアセンブリ３００をさらに参照すると、導電性ドーム３１２は、たとえば上部カバー４０４へのドーム３１２の周縁部の溶接によって、上部カバー４０４の表面４１６上に画定されたさらなる開口部４１４の中に配置され、これに対して実装される。ドーム３１２は、最初に上部カバー４０４に対して内向きに曲げられ、こうして、その外向き偏向によって外部缶４０２および上部カバー４０４によって画定されたケーシング内の圧力の上昇に反応するように位置決めされる。ドーム３１２は、外部缶４０２および上部カバー４０４によって画定されたアセンブリ内の圧力上昇、すなわち閾値圧力レベルを超える圧力上昇に基づいて、導電性要素３１３および／またはハンマーヘッド４２８の下側と直接接触させられる。

使用時に、外部缶４０２および上部カバー４０４によって画定されたアセンブリ内の圧力上昇に反応して、ドーム３１２は、上部カバー４０４の表面４１６によって画定された平面に対して上向きに偏向することになる。十分な上向き偏向をすると、すなわち閾値レベルに到達する電池４００に関連する内圧に基づいて、ドーム３１２は、導電性要素３１３および／またはハンマーヘッド４２８の下面と直接接触させられる。（導電性の）導電性要素／ハンマーヘッド４２８との接触により、上部カバー４０４からドーム３１２、ハンマーヘッド４２８、導電性要素３１３、ヒューズ３０４、および直立端子１１５を通る回路を完成させる。この回路の完成によってヒューズ３０４は「溶断」し、これにより、外部缶４０２および上部カバー４０４によって画定されたアセンブリ内に配置されたマルチコア部品から回路を遮断する。電流は、外部缶４０２および上部カバー４０４によって画定されたケーシングを通じて迂回させられる。注目すべきことに、ドーム３１２を除くＰＤＤアセンブリ３００の全ての動作部品は外部缶４０２／上部カバー４０４の外部に有利に配置され、ドーム３１２は上部カバー４０４によって画定された開口部４１８に対して有利に実装される。

実装フランジ３１１の略Ｕ字型の端子３１０は、表面４１６に対して、上部カバー４０４の対抗する角領域に実装される。端子３１０は通常、アルミニウムから製造され、電池４００のためのカソードとして機能する。端子３１０は、当業者には容易に明らかになるように、様々な幾何学的形態を取ることができる。

電池４００のマルチコア設計およびアセンブリは、その外部缶４０２および上部カバー４０４に対する通気アセンブリ２００およびＰＤＤアセンブリ３００の位置決めにおける柔軟性を可能にする。したがって、図５から図８に示されるように、通気およびＰＤＤアセンブリがいずれも外部缶１０２の上壁に対して実装される電池設計が提供されるが、その一方で図９では、通気およびＰＤＤアセンブリがいずれも、同様に外部缶４０２に対して実装された上部カバー４０４に対して実装される電池設計が提供される。位置決めの柔軟性は、少なくとも部分的に、電気化学的ユニット／ゼリーロールが個別に封止されておらず、代わりに開放／無封止であって共有ヘッドスペース／雰囲気領域と連通している、開示されるリチウムイオン電池のマルチコア設計によって、許容される。したがって、ケーシングの全内部容積は、その中に配置された電気化学的ユニット／ゼリーロールのいずれかの故障に起因する可能性のある内圧の上昇を経験し、通気アセンブリ／ＰＤＤアセンブリは、通気アセンブリ／ＰＤＤアセンブリがその中の共有雰囲気における圧力上昇を感知してこれに反応することができる場合にのみ、いずれか都合のよい箇所に配置されてもよい。加えて、通気アセンブリおよびＰＤＤアセンブリは、図１１および図１１Ａを参照して以下に記載されるように、ケーシングの同じ表面上に配置される必要はない。

図１０を参照すると、図９および図９Ａを参照して記載された電池アセンブリ４００と略類似の、さらなる例示的な電池アセンブリ５００が提供される。しかしながら、通気アセンブリ６００は、先の例示的実施形態を参照して記載された通気アセンブリ２００とは異なっている。

代替の通気アセンブリ６００を有する例示的なリチウムイオン電池の組み立て図は、図１０Ａに示されている。通気アセンブリ６００は、開口部６０２に対して軸方向に、上部カバー４０４の表面４１６の下に実装されている。図５、図６、および図９に示される通気アダプタリング２０６は省略されている。そして火炎防止器２０２および通気ディスク２０４は、たとえば溶接、接着剤、機械的実装構造など（これらの組み合わせを含む）など、その他の取付方法を通じて上部カバー４０４の表面４１６の下に取り付けられている。注目すべきことに、通気ディスク２０４は、必然的に表面４１６に対して密封的に嵌合し、当該技術分野において周知のように、たとえば切り込み線および／または表面４１６よりも薄い厚さによって、その場で形成されてもよい。通気アセンブリ６００の機能は、上述した通気アセンブリ２００の機能と何ら変わらない。

図１１および図１１Ａを参照すると、本開示によるさらなる例示的な電池７００が概略的に示されている。電池７００は、以下のような部品を受容するための内部領域を画定する、外部缶またはケーシング７０２を含む。
・複数（２４）の開口部（たとえば、円形開口部）を画定する、アルミニウムバスバー７０４。
・ゼリーロール／ゼリーロールスリーブサブアセンブリを受容する構成および寸法になっている複数（２４）の離間した略円筒形の領域または空洞を画定する、筐体または支持構造７０６。
・対応するゼリーロールを受容し、筐体７０６によって画定された円筒形領域内に配置される構成および寸法になっている、複数（２４）のゼリーロールスリーブ７０８であって、ゼリーロールスリーブ７０８は、たとえばポリマーまたは金属など、様々な材料で製造されてもよく、ポリマーおよび金属箔積層箔パウチの形態を取ってもよい。
・ゼリーロール筐体７０８内に配置されるような構成および寸法になっている、複数（２４）のゼリーロール７１０、すなわち電気化学的ユニット。
・筐体７０６によって画定された空洞内に配置されたゼリーロール７１０を覆うような構成および寸法になっている、複数（２４）のゼリーロールカバー７１２。
・ゼリーロール７１０の各々と電気的連通するように略Ｈ字型の幾何形状を画定する、銅バスバー７１４。
・電池アセンブリの上部カバーに対してバスバー７１４を絶縁するように、バスバー７１４の幾何形状にほぼ対応する幾何形状を画定する、バスバー絶縁体７１６。
・銅バスバー７１４の上下にさらなる耐熱絶縁を提供する、たとえばポリイミドテープなどの絶縁テープ７１３および７１５。
・上記の部品を包み込むために外部缶７０２と協働するような構成および寸法になっている、略矩形上部カバー７２０。
・筐体７０６から延在し、その間に支持／支柱を提供する上部カバー７２０と協働する、複数（３）の支持体または支柱７１１であって、支持体７１１は、たとえば螺合、溶接固定、対応する開口に対する単なる締まり嵌めなど、様々な方法で上部カバー７２０に対して固定されてもよく、上部カバー７２０に対する接続点の１つは図に７２３として透視的に示されている、支持体または支柱。
・ゼリーロールへの電解質導入を容易にするために上部カバー１２０に形成された開口部を塞ぐための、上部カバー７２０の外部に配置された複数（２４）の鋼球７２２。
・振動をさらに減衰してその間の運動を防止するために、外部缶７０２と筐体７０６の外壁との間に１つ以上の防振マット７２４が配置される。

外部缶／ケーシング７０２、バスバー７０４、筐体７０６、および上部カバー７２０の角は、サイズを最小化して製造／組立を容易にするために、それぞれの角において概ね丸みを帯びている。筐体７０６内に配置されたゼリーロール７１０は、一般的に外部缶７０２内のヘッドスペースおよび上部カバー７２０を共有するマルチコアアセンブリを画定するが、横方向には互いに連通していない。したがって、いずれか１つ以上のゼリーロール７１０の動作に関連する圧力および／または温度のいかなる上昇も、共有されるヘッドスペース全体に広がり、必要に応じて以下に記載される安全機能によって対処される。しかしながら、筐体７０６によって画定された略円筒形の領域は横方向の観点からゼリーロール７１０を互いに隔離するので、第１のゼリーロール７１０に関連付けられた電解質は隣接するゼリーロール７１０と連通しない。スリーブ７０８は、隣接するゼリーロール７１０間のように、横方向の電解質隔離にさらに貢献する。

開示されるリチウムイオン電池７００に関連する安全機能は、通気アセンブリ８００および圧力分離装置（ＰＤＤ）アセンブリ９００を含む。図５から図１０を参照して記載された例示的な電池設計とは異なり、通気アセンブリ８００およびＰＤＤアセンブリ９００の動作部品は、たとえば（図５から図８に示されるような）電池の外部缶１０２の上壁１２６上または（図１０に示されるような）電池の上部カバー４０４上など、電池ケーシングの同じ外表面に対して実装／配置されておらず、代わりに電池ケーシングの種々の外表面上に配備されている。

最初に通気アセンブリ８００を参照すると、上部カバー７２０は開口部７２８を画定する。火炎防止器８０２および通気ディスク８０４は、開口部７２８を横切って実装されている。たとえば通気アダプタリング（図示せず）によって、火炎防止器８０２および通気ディスク８０４の領域にシールが維持されている。上部カバー７２０に対して通気アセンブリ８００に関連する構造を取り付けるために、たとえば溶接、接着剤、機械的実装構造など（これらの組み合わせを含む）、様々な実装機構が採用されてもよい。注目すべきことに、通気ディスク８０４は、必然的に上部カバー７２０に対して密封的に嵌合し、当該技術分野において周知のように、たとえば切り込み線および／または上部カバー７２０よりも薄い厚さによって、その場で形成されてもよい。

個々のゼリーロール（または複数のゼリーロール）が故障した場合、大量のガスが発生する可能性があり（〜１０リットル）、このガスは高温（〜２５０から３００℃）かつ可燃性である。通気が行われた後、マルチゼリーロールエンクロージャの外側でこのガスが発火する可能性がある。火炎面がケーシングに侵入するのを防止するために、火炎防止器８０２として機能するためのメッシュが設けられてもよく、通気領域、すなわち開口部７２８の上に有利に載置または配置されてもよい。このメッシュは、流出ガスストリームの温度をその自然発火温度未満に低下させる働きをする。メッシュは熱交換器の役割を果たすので、表面積が大きく開口部が小さい方が多くの熱を拒絶するが、メッシュの開口面積の減少により通気中にメッシュにかかる力を増加させる。

開示されるリチウムイオン電池のアノードとして機能し、外部缶またはケーシング７０２の上壁７２６に形成された開口部７３０を通って上方に延在する構成および寸法になっている、直立銅端子７２５。直立端子７２５は、ケーシング７０２の内部の銅バスバー７１４およびバスバーコネクタ７１７と電気的に連通しており、外部缶／ケーシング７０２の上方および外側に露出するようにバスバーコネクタ絶縁体７１９を通って延在する。直立銅端子７２５の上端部はヒューズホルダ９０２内に配置されており、これは外部缶／ケーシング７０２の上壁７２６に沿って実装された、略矩形の非導電性（たとえば、ポリマー性）構造を画定することができる。直立端子７２５は、ヒューズ９０４によって端子接触面７２１と電気的に連通している。

ヒューズ９０４は、ヒューズホルダ９０２の中で、直立銅端子７２５および端子接触面７２１と電気的に連通している外部缶／ケーシング７０２の外側に配置される。ヒューズ部品は、ヒューズカバー９０８によってヒューズホルダ９０２内で電気的に隔離されてもよい。

略Ｕ字型の端子９１０は、外部缶／ケーシング７０２の上壁７２６と電気的および実装的に接触している、離間したフランジ表面９１１を画定する。例示的実施形態において、端子９１０は、端子９１０の位置決めを容易にするヒューズホルダ９０２の伸長部９０３の上方に配置される。従来のＯリング９０５は、上壁７２６に対するヒューズホルダ９０２の潜在的な振動／運動を減衰するために、伸長部９０３に形成された開口の中に受容されてもよい。Ｏリング９０５は、Ｏリングが上壁７２６の表面に嵌合してヒューズホルダ９０２と上壁７２６との間に安定した関係を確立するように、伸長部９０３に形成された開口９０７の中に受容されてもよい。

ケーシング７０２の中にあるアルミニウムバスバー７０４は外部缶／ケーシング７０２と電気的に連通しており、これによって端子９１０との電気的連通を確立する。端子９１０は、当業者には容易に明らかになるように、様々な幾何学的形態を取ることができる。端子９１０は通常、アルミニウムから製造され、開示されるリチウムイオン電池７００のためのカソードとして機能する。したがって、アノード端子接触面７２１およびカソード端子９１０は、ケーシング７０２の上壁７２６上に並んで配置され、電気的接続に利用可能であり、これによって所望の用途への電池７００からのエネルギー供給を可能にする。

例示的なＰＤＤアセンブリ９００を参照すると、導電性ドーム９１２は、外部缶／ケーシング７０２の上壁７２６に画定された第２の開口部７３２に対して位置決めされる。ドーム９１２は、その中央に断面厚が増加した領域を画定する。したがって、例示的実施形態において、導電性フィルムディスク９１３は、たとえば溶接またはその他の接着方法によってドーム９１２の中央領域に付着させられ、これにより、このような中央領域においてドーム９１２の断面寸法を増加させる。

ドーム９１２は、最初に外部缶／ケーシング７０２に対して内向きに曲げられ、こうして、その外向き／上向き偏向によって外部缶の中の圧力の上昇に反応するように位置決めされる。ドーム９１２は、通常はドーム９１２の周囲に溶接され、上壁７２６に対してドーム９１２の周囲に取り付けるために上壁７２６に対してさらに溶接されたドームアダプタリングによって、上壁７２６に対して実装されてもよい。封止Ｏリング９１５は、ヒューズホルダ９０２とドーム９１２との間の界面の領域に補強シールを提供するために含まれてもよい。

図１２Ａから図１２Ｃを参照して、例示的な具体的なドーム９１２およびハンマーヘッド９２８を含む、ＰＤＤ９００の付加的な特徴および機能が、本開示にしたがって記載される。ハンマーヘッド９２８は、外周フランジまたはヘッド領域９３０およびそこから延在するねじ付きシャンク９３２を画定する。ねじ付きシャンク９３２は、ヒューズホルダ９０２内に画定された開口９３４内に形成された対応するねじ溝に嵌合するようになっている。ヘッド領域９３０は、その略同一平面上面を画定するために、端子接触面７２１と協働する。駆動機構９３６は、開口９３２に対してハンマーヘッド９２８を螺合するように、たとえばスクリュードライバーなどの工具との相互作用を容易にするために、ヘッド領域９３０に画定される。一旦所定位置にねじ込まれると、ハンマーヘッド９２８はドーム９１２に対して望ましい位置にしっかりと保持され、これにより、電池ケーシング内の圧力条件がドーム９１２を作動させるときに、ドーム９１２とハンマーヘッド９２８との間の確実で厳格な電気的接触を保証する。

図１２Ａから図１２Ｃに示される組立状態において、ハンマーヘッド９２８の遠位面９３８は、ヒューズホルダ９０２の下側を超えて有利に延在する。ハンマーヘッド９２８の中心軸（図１２Ｂに破線「Ｘ」として示される）は、円形のドーム９１２の中心と実質的に一致している。図１２Ａの初期位置において、ドーム９１２はハンマーヘッド９２８の遠位面９３８から離れる方へ弓なりになっている。この相対的な配向は、缶７０２および上部カバー７２０によって囲まれた容積内の圧力が正常動作範囲内である、すなわちドーム９１２の偏向応答が開始されるような高レベルではない状態を、反映する。本開示によるリチウムイオン電池の正常動作条件に関連する圧力は、電池の電力／エネルギー容量、ケーシング内に配置されたゼリーロール／電気化学的ユニットの数、共有雰囲気領域の容積、電解質の組成（具体的には脱気剤のタイプおよびレベルを含む）を含む、多くの要因に応じて異なる。

電池容量が３０アンペア時以上である本開示の典型的なリチウムイオン電池例において、通常の条件下での動作圧力は、０から５ｐｓｉｇの間である。したがって、１０ｐｓｉｇから７０ｐｓｉｇの間の動作圧力がＰＤＤ作動に適切であると見なされ得るが、たとえば１０ｐｓｉｇから３０ｐｓｉｇの範囲の圧力など、より低い圧力範囲も、本開示の例示的な例において許容可能な圧力動作範囲と見なされてよい。本開示のＰＤＤは、たとえば２０ｐｓｉｇ±０．１ｐｓｉｇなど、電池のケーシング内の選択された圧力（または限定された圧力範囲）で応答するように設計されている。注目すべきことに、ＰＤＤ作動圧力は、少なくとも部分的に、電池ケーシング内の温度が、たとえば１１０℃から１２０℃を超えない内部温度など、許容可能なレベルを超えないことを保証するように、選択されてもよい。内部温度が約１１０℃から１２０℃を超えることが許される場合には、（たとえば、セパレータの収縮または破裂に基づく）ゼリーロール／電気化学的ユニットの内部短絡および／または熱暴走につながる可能性のある重大な問題が発生する可能性がある。本開示によれば、所定の圧力閾値における開示されるＰＤＤの作動は一般的に、熱暴走またはその他の潜在的に壊滅的な故障状態を防止するのに効果的である。

特に、本開示の例示的実施形態において、内圧がＰＤＤ閾値に到達したとき、ドームディスクが飛び出してハンマーヘッドに接触し、正極端子と負極端子との間に回路短絡を生じ、結果的にヒューズ故障を引き起こす。ヒューズが故障（すなわち「溶断」）した後、外部回路に接続している負極端子は容器内のゼリーロールから隔離され、負極端子はケースおよびハンマーヘッドを介して正極端子に接続されたままとなり、結果的に負極端子からケースに電流が直接流れる、すなわちゼリーロールを迂回するようになる。

本開示の例示的実施形態において、図１３の断面図に示されるように、ドーム９１２（導電性フィルムディスク９１３が追加される前）は、その外周に（ただし外周実装フランジ９４２の内側に）外周溝９４０を含むかまたは画定してもよい。溝９４０は、電池ケーシング内に配備される内圧へのドーム９１２の応答を容易にする。

（フィルムディスク９１３があってもなくても）中央領域厚さが約０．０１５から０．０２２インチになるようにドーム９１２がアルミニウムから製造される本開示の例示的実施形態において、（実装フランジ領域９４２を除く）ドーム９１２の直径は約１．１８インチ、溝９４０の内部のドーム９１２の直径は約１．０３インチ、ハンマーヘッド９２８の遠位面９３８の半径は約０．０６から０．０８インチ、および作動圧力は約２０から２５ｐｓｉｇ、フィルムディスク９１３（約０．４０４インチの直径）がドーム９１２の中央領域（図１３には示さず）に付着させられた後のその中心点における実装フランジ９４２の上面からドーム９１２の表面までの距離「Ｄ」は約０．１１５インチから約０．１２３インチである。

注目すべきことに、図１２Ａから図１２Ｃに示されるように、ハンマーヘッド９２８の遠位面９３８はヒューズホルダ９０２の下面によって画定された平面の下に延在し、これにより、このような遠位面９３８とドーム９１２の中央領域との間の間隙を閉鎖する。ハンマーヘッド９２８の遠位面９３８と（フィルムディスク９１３が付着した）ドーム９１２の中央領域との間の当初の距離「Ｙ」は、およそ０．０６３インチである。したがって、ヒューズホルダ９０２の下面に対するハンマーヘッド９２８の下向き伸長部は、ドーム９１２がハンマーヘッド９２８と接触してこれとともに電気回路を完成させるために必要とされる移動距離を短縮する。初期離間距離「Ｙ」は、電池に収容されるための動作圧力、ドーム９１２の設計パラメータ、およびＰＤＤ９００が作動する圧力のような要因に基づくＰＤＤ設計の詳細に応じて異なる。

所定の圧力閾値を満たすかまたはこれを超える圧力に電池ケーシング内で到達すると、図１２Ｂから図１２Ｃに概略的に示されるシーケンスが本開示の例示的実施形態にしたがって開始する。外部缶および上部カバーによって画定された電池ケーシング内の上昇圧力に反応したドーム９１２の反転進行を参照すると、ドーム９１２は、ハンマーヘッド９２８の遠位面９３８に対して上向きに偏向する。図１２Ｂに示されるように、十分な上方偏向をすると、すなわち電池に関連する内圧が閾値レベルに到達するのに基づいて、ドーム９１２の中央領域は、ハンマーヘッド９２８の遠位面９３８と直接的に物理的接触させられる。ドーム９１２およびハンマーヘッドを初期接触させるために必要とされる移動距離は、初期離間距離「Ｙ」に等しい。しかしながら、ハンマーヘッド９２８の遠位面９３８の全体にわたって一貫した連続的な広い面積の接触を保証するために、ドーム９１２は、たとえば図１２Ｃに示されるように、反転が完了したときに初期離間距離「Ｙ」より少なくとも約０．０２インチ長い最短移動距離を受けるような構成および寸法になっている。したがって、たとえば初期離間距離「Ｙ」が上述のように約０．０６３インチであれば、完全に反転したときのドーム９１２の最短移動距離は少なくとも約０．０８３インチとなる。この最短移動距離はこのように、初期離間距離「Ｙ」の少なくとも約１２０％から１４０％程度である。ドーム９１２の最短移動距離が初期離間距離「Ｙ」を超えるという事実によって確立される「干渉」は、電池からの確実な電流バイパスを可能にする短絡回路モードでの確実な電気接続を保証するのに役立ち、放電電流に関連する望ましくない温度上昇の可能性を最小化する。

図１２Ｃに示されるように、ドーム９１２の完全な反転はドーム９１２をハンマーヘッド９２８の遠位面９３８の周りで変形させ、これにより、ハンマーヘッド９２８に対するドーム９１２の一貫した連続的な広い面積の接触をさらに保証する。当業者にとって明らかとなるように、ドーム９１２とハンマーヘッド９２８との間のより完全で確実な電気的接触は、ドーム９１２の溶け落ちの可能性を低減するのみならず、電気化学的ユニットおよび／または電解質の温度上昇および熱暴走の可能性を増加させ得る断続的な接触による電気サージ／パルスの不都合な可能性も、低減する。フィルムディスク９１３またはドーム９１２の中央領域のその他の厚肉部の存在は、ドーム９１２とハンマーヘッド９２８との間の一貫した連続的な広い面積の接触をさらに強化する。

図１２Ａから図１２Ｃをさらに参照すると、支持構造７０６およびゼリーロール／電気化学的ユニット７１０に対するＰＤＤ９００の物理的近接性および関係性がわかる。図１２Ａから図１２Ｃに概略的に示されるように、ドーム７１２の位置決めおよび動作に必要とされる空間が明確に確立および維持されるように、支持構造７０６の側壁７４０はヒューズホルダ９０２の下側から所定の方法で離間している。したがって、最低限の空間がドーム７１２の収容に充てられる必要があり、これにより、ＰＤＤ動作を犠牲にすることなく電気化学的ユニット７１０の最大充填密度を可能にする。ドーム７１２がその中で動く容積は、支持構造７０６内に配置された無封止電気化学的ユニットのための共有雰囲気領域を構成する。ドーム７１２の位置決めおよび動作に利用可能な共有雰囲気領域および比較的広い空間の結果として、開示されるＰＤＤは、３０Ａｈ以上の容量を有する電池で、たとえば１０ｐｓｉｇなどの比較的低圧で、効率的かつ確実に動作することができる。

さらに、本開示のＰＤＤは、たとえば１０から４０ｐｓｉｇなど（または電池設計に応じてさらに高い）、第１の圧力で作動するように設計されてもよく、通気アセンブリは、ＰＤＤの作動圧力より少なくとも５から１０ｐｓｉｇ高い第２の圧力で作動（すなわち、圧力解放／通気）するように設計されてもよく、電池ケーシングの全体設計（すなわち、溶接、シール、接合部など）は、通気アセンブリの作動圧力より少なくとも５から１０ｐｓｉｇ高い故障定格圧力で設計されてもよい。このようにして、電池設計の安全応答のシーケンスは、電池設計および動作に関連する危険性を最小化するように確立されてもよい。

開示される電池システムの各々からわかるように、本開示のＰＤＤ部品および通気構造は、ケーシングの缶または蓋の中に直接形成された開口／開口部に対して実装された部品に基づく電池ケーシング内の条件と有利に相互作用し、これに反応する。たとえば、図５、図６、および図１１では、開示されるドームは缶自体に形成された開口部に対して実装されるが、その一方で図９および図１０では、開示されるドームは蓋に形成された開口部に対して実装される。同様に有利には、図５および図６では、通気口は缶に直接形成された開口部に対して実装され、図９から図１１では、開示される通気口は蓋に形成された開口部に対して実装される。

本開示のＰＤＤおよび／または通気構造を支持するために、中間構造または付属構造は必要とされない。実際には、本開示の実施形態にしたがって、電池の内部に対するただ１つの開口部、すなわちＣｕ端子を通すための開口部のみが必要とされる。開示される電池システムの単純さおよび製造／組立のしやすさは、開示される電池システムの製造可能性およびコストパラメータを改善する。さらにまた、開示される電池の缶および／または蓋に対するＰＤＤおよび通気アセンブリの直接実装は、開示される電池の低プロファイルをさらに強化する。低プロファイルとは、たとえば３０Ａｈ以上など、高容量電池システムを送達しながら、開示されるＰＤＤおよび通気安全構造／システムを収容するために必要とされる容積または空間が小さいことを意味する。

例示的な圧力分離装置におけるドームに対するアーク発生の緩和
ドームが作動したときにアーク発生によって穴を形成する可能性があるドームディスク溶け落ちの可能性を回避するために、本開示によれば２つの有利な設計オプションが開発されている：（ｉ）ドームディスクを厚くすること、および（ｉｉ）ディスクに追加箔を溶接すること、である。２つのオプションは、独立して実施されてもよく、あるいはこれらは組み合わせて実施されてもよい。

ドームディスクの厚肉化およびドームディスク上の追加箔の溶接（これにより、ドームディスクの領域内の質量を増加させる）はいずれも、８００ＡのＤＣ電流を印加したときにドームディスクの溶け落ち穴をなくすために示されている。これらの試験の結果は、下記の表１および表２に示されている。

Ａｌドームディスク上に異なる厚さのＡｌおよびＣｕ箔が溶接された、ドームディスク吹出圧力に対する追加溶接金属箔の厚さおよびタイプの影響を調査した。これらの調査に基づき、表２に示されるように、Ａｌ箔厚またはＣｕ箔厚は、ドーム吹出圧力に対して著しい影響を及ぼしていない。

追加金属箔は、アークが発生したときに犠牲層として有利に作用することができ、これにより、ドームディスクが溶け落ちるのを防止する。加えて、本明細書に開示されるオプションに関連する熱質量が大きく抵抗が低い方が、ハンマーとドームディスクとの間の接触領域における局所発熱を有利に低減する。箔が厚く導電性が高いほど、開示される設計はアークの溶け落ち防止においてより効果的であると期待される。

ドームが作動したとき、すなわち開示される圧力分離装置が起動したときに溶け落ちの危険性を緩和するための設計を実施する上で、種々の材料の選択および使用が有利に採用されてもよいことに、留意されたい。たとえば、より高い融点を呈する材料は、容易に溶け落ちにくいので有利である。また、選択された材料の導電性はドームトリガの設計および動作に貢献し、たとえばより高い導電性を呈する材料の方がドーム領域から電流をより効率的／迅速に散逸させる。これにより溶け落ちリスクを低減する。

実際、ドーム（またはその他のＰＤＤトリガ機構）が圧力分離条件に応答する速度は、潜在的な溶け落ちに対して設計が緩和すべき度合に影響を及ぼし、すなわちドーム／トリガが速く反応するほど、溶け落ち条件が生じにくくなる（およびその逆）。したがって、任意のＰＤＤ解放圧力（たとえば、４０ｐｓｉ）では、その圧力で応答するように設計されたドーム／トリガ機構は、その構造材、幾何形状、厚さ／質量などに基づいて、特定の速度で応答することが期待される。第２のＰＤＤ解放圧力（たとえば、９０ｐｓｉ）では、その圧力で応答するように設計された特定のドーム／トリガ機構は、その構造材、幾何形状、厚さ／質量などに基づいて、潜在的に異なる速度で応答することが期待される。本開示によれば、ドーム／トリガ機構の設計は、ＰＤＤ応答の期待される速度を考慮して溶け落ちを防止するように（たとえば、構造材、幾何形状、厚さ／質量などに基づいて）選択されてもよい。

実験結果
１．圧力分離装置を有するセルの過充電試験
ａ．試験手順
・図５の設計にしたがって製造されたリチウムイオン電池を利用して、２４個のゼリーロールを含む８０Ａｈのセルを、室温で１６Ａの定電流で４．２Ｖまでの１００％の充電状態（ＳＯＣ）まで充電し、その後４．２Ｖの定電圧充電、最後に４Ａに達する電流で終える。電圧および容量を記録する。
・過充電試験：３２Ａの定電流でセルを充電する。セルの中央に熱電対を配置する。セルのＳＯＣが２００％に到達したら、充電を終了する。
・過充電中の充電電流、セル電圧、およびセル表面温度変化が図１４にプロットされている。

ｂ．結果
・圧力分離装置は、約４．６３Ｖのシステム条件で作動した。
・ＰＤＤ作動後、充電電流はセルを迂回した。
・最高セル表面温度は３８℃であった。溶断ヒューズを除いて、セルは他の変化を示さなかった。したがって、ＰＤＤ装置はセルを損傷から保護するために効果的に機能した。

２．圧力分離装置アセンブリの試験
本開示による圧力分離装置を試験するために、図１５に示される試験セットアップを利用した。圧力分離装置アセンブリは、アルミニウム試験片に溶接された圧力ドーム、ハンマー、ヒューズ、およびヒューズホルダを含む。試験治具は、圧力ドームを適合させるためのアダプタを有する。圧力ドームアダプタを通じて所定の圧力が印加される。ハンマー接触領域の縁部付近の圧力ドームに熱電対が取り付けられる。電流クランプがアセンブリに接続され、９００アンペアの電流が印加される。

ユニットを作動するために２５ｐｓｉの圧力を印加する。試験中の電流および温度変化が図１６にプロットされている。圧力ドーム作動からおよそ０．６秒後にヒューズが溶断した。圧力ドームで測定された最高温度は、約８６℃である。したがって、圧力分離装置は、所望の通りに動作しており、本明細書に記載されたようなリチウム電池に対して実装されれば、セルを保護するのに有効であっただろう。

例示的なマルチコアリチウムイオン電池システム／アセンブリ
本開示の例示的例において、通気構造がマルチコアリチウムイオン電池容器の蓋に画定されている。通気圧に到達すると、切り込み線に沿った通気構造の略瞬間的破断が生じ、これにより、通気構造が金属フラップ、すなわち通気構造の非切り込み領域に対して偏向する際に、通気開口部から、そして３０メッシュ火炎防止器を通じて、圧力／ガスを解放する。

本開示による有利なマルチコアリチウムイオン電池構造は、このような電池のアレイの組み立てやすさおよび電力対エネルギー比をカスタマイズする能力など、より大きいサイズの電池の利点を提供しながら、製造コストの削減および安全性の改善を提供する。本明細書に開示される有利なシステムは、マルチコアセル構造およびマルチセル電池モジュールにおける適用性を有する。以下に記載されるＬｉイオン構造は、ほとんどの場合、ゼリーロールなどのアクティブコアおよび電解質を用いるその他の電気化学的ユニットにも使用可能であることは、当業者によって理解される。可能性のある代替例は、米国特許第８，２３３，２６７号明細書に記載されるものなどのウルトラキャパシタ、およびニッケル金属水素化物電池または巻回式鉛蓄電池システムを含む。

例示的実施形態において、そのアノードおよびカソード電極に由来する、正極および負極集電体に接続された複数のコアのアセンブリを含むリチウムイオン電池が提供される。リチウムイオン電池は、複数のゼリーロール、正極および負極集電体、ならびに金属ケースを含む。一実施形態において、ゼリーロールは、負極または正極バスバーに直接溶接された少なくとも１つの裸集電体領域を有し、これは複数のゼリーロールを電気的に接合している。別の実施形態では、ゼリーロールの裸集電体領域の少なくとも１つは、その接続にバスバーを使用せずに、周囲のケース構造に直接溶接される。この場合、ケースがバスバーとして機能する。これは、ケースすなわち金属缶にロールをまっすぐに溶接するか、または溶接されたゼリーロールを有する底部適合バスバーが同様に缶構造に溶接されたスリーブ構造を用いて、実現されることが可能である。裸アノード集電体は一般的にＣｕ箔であり、裸カソード集電体は一般的にＬｉイオン電池用のＡｌ箔である。裸電極が溶接された金属プレートは負極バスバー（またはＮＢＢ）と称され、ゼリーロール内のバーカソード接続されたバスバー端部は正極バスバー（またはＰＢＢ）と称される。一実施形態では、電解質充填用の開口部を許容するために、ＮＢＢの個々のゼリーロールの位置に対応するスリット開口部がある。これにより、ある場合には電解質がゼリーロール自体によって収容されることが可能となり、金属またはプラスチックライナーなどの部品を含む付加的な電解質は必要とされなくなる。別の例示的実施形態では、ＮＢＢおよびＰＢＢがゼリーロール内の裸アノードおよびカソード電流端にそれぞれ溶接された、シングルコア電気化学アセンブリが提供される。スリット開口部はＮＢＢに設けられてもよい。アセンブリは金属スリーブに挿入される。ＰＢＢは、金属ケースの底部として、金属スリーブの壁に溶接されてもよい。

本開示によれば、封止エンクロージャ内に設けられた支持部材を有する封止エンクロージャを有する、例示的なマルチコアリチウムイオン電池も記載される。支持部材は、複数の空洞と、複数の空洞のうちの対応するものの中に設けられた、複数のリチウムイオンコア部材とを含む。各々がリチウムイオンコア部材のうちの対応するものと空洞のうちの対応するものの表面との間に配置された、複数の空洞ライナーもある。支持部材は運動エネルギー吸収材料を含み、運動エネルギー吸収材料は発泡アルミニウム、セラミック、およびプラスチックのうちの１つで形成されている。プラスチックまたはアルミニウム材料で形成された空洞ライナーがあり、複数の空洞ライナーはモノリシックライナー部材の一部として形成されている。プラスチックライナーの代わりに、コア部材を収容するために開放した円筒形のスリーブまたは缶構造も使用されてよい。コアの各々に収容された電解質がさらに含まれており、電解質は、難燃剤、ガス発生剤、およびレドックスシャトルのうちの少なくとも１つを含む。各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノードとカソードとの間に設けられたセパレータとを含む。封止エンクロージャの外部の電気端子にコア部材を電気的に接続する前記エンクロージャ内の電気コネクタが、さらに含まれる。電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１バスバーはコア部材のアノードをエンクロージャの外部の端子の正極端子部材と相互接続させ、第２バスバーはコア部材のカソードをエンクロージャの外部の端子の負極端子部材と相互接続させる。

本開示の別の態様において、コア部材は並列に接続されているか、またはこれらは直列に接続されている。あるいは、第１セットのコア部材は並列に接続されて第２セットのコア部材は並列に接続され、第１セットのコア部材は第２セットのコア部材と直列に接続されている。支持部材は、ハニカム構造の形態である。運動エネルギー吸収材料は、圧縮性媒体を含む。エンクロージャは、壁に衝突する力によって圧縮したときにリチウムイオン電池の電気的短絡を生じる圧縮性要素を有する壁を含む。支持部材の中に画定された空洞およびこれらに対応するコア部材は、円筒型、楕円型、または角柱型の形状のうちの１つである。この空洞のうちの１つおよび対応するコア部材は、別の空洞およびこれに対応するコア部材とは異なる形状を有してもよい。

本開示の別の態様において、コア部材のうちの少なくとも１つは高出力特性を有し、コア部材のうちの少なくとも１つは高エネルギー特性を有する。コア部材のアノードは同じ材料で形成され、コア部材のカソードは同じ材料で形成される。各セパレータ部材はセラミックコーティングを含んでもよく、各アノードおよび各カソードはセラミックコーティングを含んでもよい。コア部材のうちの少なくとも１つは、別のコア部材のアノードおよびカソードの厚さとは異なる厚さのアノードおよびカソードのうちの１つを含む。少なくとも１つのカソードは、化合物ＡからＭ群の材料のうちの少なくとも２つを含む。各カソードは、表面改質剤を含む。各アノードは、Ｌｉ金属もしくは炭素または黒鉛のうちの１つを含む。各アノードはＳｉを含む。各コア部材は巻かれたアノード、カソード、およびセパレータ構造を含み、あるいは各コア部材は積層されたアノード、カソード、およびセパレータ構造を含む。

本開示の別の態様において、コア部材は実質的に同じ電気容量を有する。コア部材のうちの少なくとも１つは、別のコア部材とは異なる電気容量を有する。コア部材のうちの少なくとも１つは電力貯蔵のために最適化され、コア部材のうちの少なくとも１つはエネルギー貯蔵のために最適化されている。各アノードを第１バスバーに電気的に接続するためのタブ、および各カソードを第２バスバーに電気的に接続するためのタブがさらに含まれており、各タブは、所定の電流を超過したときに前記タブの各々を流れる電流を遮断する手段を含む。所定の電流を超過したときにヒューズ素子を流れる電流を遮断するために、第１バスバーは、第１バスバーへのアノード間の相互接続の各点の近くにヒューズ素子を含み、第２バスバーは、第２バスバーへのカソード間の相互接続の各点の近くにヒューズ素子を含む。各コア部材を包囲する保護スリーブがさらに含まれ、各保護スリーブは、その対応するコア部材を収容する空洞の外側に設けられている。

本開示のさらに別の態様において、コア部材の電気的監視および平衡化を可能にするように構成されたコア部材と電気的に相互接続された検知ワイヤが含まれる。封止エンクロージャは難燃性部材を含み、難燃性部材はエンクロージャの外側に取り付けられた難燃性メッシュ材料を含む。

別の実施形態では、封止エンクロージャを含むマルチコアリチウムイオン電池が記載される。封止エンクロージャ内に支持部材が設けられ、支持部材は複数の空洞を含み、支持部材は運動エネルギー吸収材料を含む。複数の空洞のうちの対応するものの中に設けられた、複数のリチウムイオンコア部材がある。各々がリチウムイオンコア部材のうちの対応するものと空洞のうちの対応するものの表面との間に配置された、複数の空洞ライナーが、さらに含まれる。空洞ライナーはプラスチックまたはアルミニウム材料（たとえば、ポリマーおよび金属箔積層パウチ）で形成されており、複数の空洞ライナーはモノリシックライナー部材の一部として形成されてもよい。運動エネルギー吸収材料は、発泡アルミニウム、セラミック、およびプラスチックのうちの１つで形成されている。

本開示の別の態様では、コアの各々の中に収容された電解質があり、電解質は、難燃剤、ガス発生剤、およびレドックスシャトルのうちの少なくとも１つを含む。各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノードとカソードとの間に設けられたセパレータとを含む。封止エンクロージャの外部の電気端子にコア部材を電気的に接続するエンクロージャ内の電気コネクタが、さらに含まれる。電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１バスバーはコア部材のアノードをエンクロージャの外部の端子の正極端子部材と相互接続させ、第２バスバーはコア部材のカソードをエンクロージャの外部の端子の負極端子部材と相互接続させる。コア部材は、並列に接続されてもよい。コア部材は、直列に接続されてもよい。第１セットのコア部材は並列に接続されてもよく、第２セットのコア部材は並列に接続されてもよく、第１セットのコア部材は第２セットのコア部材と直列に接続されてもよい。

別の態様において、支持部材はハニカム構造の形態である。運動エネルギー吸収材料は、圧縮性媒体を含む。リチウムエンクロージャは、壁に衝突する力によって圧縮したときにリチウムイオン電池の電気的短絡を生じる圧縮性要素を有する壁を含む。支持部材の中の空洞およびこれらに対応するコア部材は、円筒型、楕円型、または角柱型の形状のうちの１つである。空洞のうちの１つおよび対応するコア部材は、別の空洞およびこれに対応するコア部材とは異なる形状を有してもよい。コア部材のうちの少なくとも１つは高出力特性を有してもよく、コア部材のうちの少なくとも１つは高エネルギー特性を有してもよい。コア部材のアノードは同じ材料で形成されてもよく、コア部材のカソードは同じ材料で形成されてもよい。各セパレータ部材はセラミックコーティングを含んでもよい。各アノードおよび各カソードはセラミックコーティングを含んでもよい。コア部材のうちの少なくとも１つは、別のコア部材のアノードおよびカソードの厚さとは異なる厚さのアノードおよびカソードのうちの１つを含んでもよい。

さらに別の態様では、少なくとも１つのカソードは、化合物ＡからＭ群の材料のうちの少なくとも２つを含む。各カソードは、表面改質剤を含んでもよい。各アノードは、Ｌｉ金属、炭素、黒鉛、またはＳｉを含む。各コア部材は、巻かれたアノード、カソード、およびセパレータ構造を含んでもよい。各コア部材は、積層されたアノード、カソード、およびセパレータ構造を含んでもよい。コア部材は実質的に同じ電気容量を有してもよい。コア部材のうちの少なくとも１つは、別のコア部材とは異なる電気容量を有してもよい。コア部材のうちの少なくとも１つは電力貯蔵のために最適化されてもよく、コア部材のうちの少なくとも１つはエネルギー貯蔵のために最適化されてもよい。

本開示の別の態様では、各アノードを第１バスバーに電気的に接続するためのタブ、および各カソードを第２バスバーに電気的に接続するためのタブがさらに含まれており、各タブは、所定の電流を超過したときに前記タブの各々を流れる電流を遮断する手段／機構／構造を含む。所定の電流を超過したときにヒューズ素子を流れる電流を遮断するために、第１バスバーは、第１バスバーおよびヒューズ素子へのアノード間の相互接続の各点の近くに、および／または第２バスバーへのカソード間の相互接続の各点の近くに、ヒューズ素子を含んでもよい。各コア部材を包囲する保護スリーブがさらに含まれてもよく、各保護スリーブは、その対応するコア部材を収容する空洞の外側に設けられてもよい。

本開示の別の態様では、検知ワイヤは、コア部材の電気的監視および平衡化を可能にするように構成されたコア部材と電気的に相互接続されている。封止エンクロージャは難燃性部材を含んでもよく、難燃性部材はエンクロージャの外側に取り付けられた難燃性メッシュ材料を含んでもよい。

別の実施形態において、封止エンクロージャを含み、エンクロージャの内部にリチウムイオンセル領域および共有雰囲気領域を有する、マルチコアリチウムイオン電池が記載される。支持部材は封止エンクロージャのリチウムイオンセル領域内に設けられており、支持部材は複数の空洞を含み、各空洞は、共有雰囲気領域に対して開放された端部を有する。複数の空洞のうちの対応するものの中に設けられた、各々アノードおよびカソードを有する、複数のリチウムイオンコア部材が設けられ、アノードおよびカソードは、空洞の開放端部によって共有雰囲気領域に曝されており、アノードおよびカソードはその長さに沿って空洞によって実質的に包囲されている。支持部材は、運動エネルギー吸収材料を含んでもよい。運動エネルギー吸収材料は、発泡アルミニウム、セラミック、およびプラスチックのうちの１つで形成されている。

別の態様では、各々がリチウムイオンコア部材のうちの対応するものと空洞のうちの対応するものの表面との間に配置された、複数の空洞ライナーもある。空洞ライナーは、プラスチックまたはアルミニウム材料で形成されてもよい。複数の空洞ライナーは、モノリシックライナー部材の一部として形成されてもよい。電解質はコアの各々に収容されており、電解質は、難燃剤、ガス発生剤、およびレドックスシャトルのうちの少なくとも１つを含んでもよい。各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノードとカソードとの間に設けられたセパレータとを含む。封止エンクロージャの外部の電気端子にコア部材を電気的に接続する、エンクロージャ内の電気コネクタがある。電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１バスバーはコア部材のアノードをエンクロージャの外部の端子の正極端子部材と相互接続させ、第２バスバーはコア部材のカソードをエンクロージャの外部の端子の負極端子部材と相互接続させる。

さらに別の態様において、コア部材は並列に接続されているか、またはコア部材は直列に接続されている。あるいは、第１セットのコア部材は並列に接続されて第２セットのコア部材は並列に接続され、第１セットのコア部材は第２セットのコア部材と直列に接続されている。

別の態様では、リチウムイオン電池が記載されており、封止エンクロージャおよび封止エンクロージャ内に設けられた少なくとも１つのリチウムイオンコア部材を含む。リチウムイオンコア部材はアノードおよびカソードを含み、カソードは、化合物ＡからＭの群から選択される少なくとも２つの化合物を含む。１つのみのリチウムイオンコア部材があってもよい。封止エンクロージャはポリマーバッグであってもよく、封止エンクロージャは金属キャニスタであってもよい。各カソードは、化合物Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｌ、およびＭの群から選択される少なくとも２つの化合物を含んでもよく、表面改質剤をさらに含んでもよい。各カソードは、化合物Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、およびＬの群から選択される少なくとも２つの化合物を含んでもよい。電池は４．２Ｖを超える電圧まで充電されてもよい。各アノードは、炭素および黒鉛のうちの１つを含んでもよい。各アノードはＳｉを含んでもよい。

さらに別の態様では、封止エンクロージャおよび封止エンクロージャ内に設けられた少なくとも１つのリチウムイオンコア部材を含むリチウムイオン電池が記載されている。リチウムイオンコア部材は、アノードおよびカソードを含む。エンクロージャ内の電気コネクタは、少なくとも１つのコア部材を封止エンクロージャの外部の電気端子に電気的に接続し、電気コネクタは、所定の電流を超過したときに電気コネクタを流れる電流を遮断する手段／機構／構造を含む。電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１バスバーはコア部材のアノードをエンクロージャの外部の端子の正極端子部材と相互接続させ、第２バスバーはコア部材のカソードをエンクロージャの外部の端子の負極端子部材と相互接続させる。電気コネクタは、各アノードを第１バスバータブに電気的に接続するための、および／または各カソードを第２バスバーに電気的に接続するためのタブをさらに含んでもよく、各タブは、所定の電流を超過したときにタブの各々を流れる電流を遮断する手段／機構／構造を含む。所定の電流を超過したときにヒューズ素子を流れる電流を遮断するために、第１バスバーは、第１バスバーへのアノード間の相互接続の各点の近くにヒューズ素子を含んでもよく、第２バスバーは、第２バスバーへのカソード間の相互接続の各点の近くにヒューズ素子を含んでもよい。

本開示は、たとえば熱／温度条件を管理して潜在的熱暴走条件の可能性および／または規模を縮小することによって、とりわけ電池の安全性および／または安定性に寄与する有利な吸熱機能を提供する材料を含むリチウムイオン電池を、さらに提供する。本開示の例示的例において、吸熱材料／システムは、無機ガス発生吸熱材料を組み込んだセラミックマトリックスを含む。開示される吸熱材料／システムは、以下により詳細に記載されるように、様々な方法で様々なレベルでリチウム電池に組み込まれてもよい。

使用時に、開示される吸熱材料／システムは、温度がたとえば通常動作に関連する最大レベルなどの所定レベルを超過した場合に、吸熱材料／システムが熱暴走の可能性を防止および／または最小化する目的のための１つ以上の機能を提供する役割を果たすように、動作する。たとえば、開示される吸熱材料／システムは、以下の機能のうちの１つ以上を有利に提供してもよい：（ｉ）断熱（特に高温時）；（ｉｉ）エネルギー吸収；（ｉｉｉ）全体的にまたは部分的に、吸熱材料／システムに関連する吸熱反応から発生したガスの通気；（ｉｖ）電池構造内の全圧の上昇；（ｖ）吸熱材料／システムに関連する吸熱反応中に発生したガスの通気を介した電池システムからの吸収熱の除去；および／または（ｖｉ）有毒ガス（もしあれば）の希釈および（全体的または部分的な）電池システムからの安全な除去。吸熱反応に関連する通気ガスは、電解質ガスを希釈し、電解質ガスに関連する発火点および／または可燃性を先送りまたは除去する機会を提供することに、さらに留意されたい。

開示される吸熱材料／システムの断熱特性は、リチウムイオン電池システムへのその適用の異なる段階における特性の組み合わせにおいて、有利である。製造されたままの状態で、吸熱材料／システムは、わずかな温度上昇の間、または熱的事象の初期セグメントの間、断熱を提供する。これらの比較的低い温度では、断熱機能は、限られた伝導によって熱エネルギーを熱質量全体にゆっくりと拡散させながら、発熱を封じ込める役割を果たす。これらの低温では、吸熱材料／システム材料は、いかなる吸熱ガス発生反応も受けないように選択および／または設計される。これにより、全体として断熱材および／またはリチウムイオン電池に恒久的な損傷を与えることなく温度逸脱を許容するための窓を提供する。リチウムイオンタイプの蓄電装置では、逸脱または低レベル上昇に関連する一般的な範囲は６０℃から２００℃の間である。上記の温範囲の吸熱反応に抵抗する無機吸熱材料／システムの選択を通じて、所望の上昇した温度で第２の吸熱機能を開始するリチウムイオン電池が提供されてもよい。したがって、開示される吸熱材料／システムに関連する吸熱反応は、６０℃から２００℃をはるかに上回る温度範囲で最初に開始されることが、一般的に望ましい。本開示による使用のための例示的な吸熱材料／システムは、以下の表３に明示されるものを含むが、これらに限定されるものではない。

これらの吸熱材料は通常、ヒドロキシルまたは含水成分を、場合によりその他の炭酸塩または硫酸塩と組み合わせて、含有する。代替材料は、非含水炭酸塩、硫酸塩、およびリン酸塩を含む。一般的な例は、５０℃を超えると分解して炭酸ナトリウム、二酸化炭素および水を提供する、重炭酸ナトリウムであろう。リチウムイオン電池に関連する熱的事象が、選択された吸熱ガス発生材料の吸熱反応の活性温度を超える温度上昇をもたらす場合には、開示される吸熱材料／システム材料は熱エネルギーを有利に吸収し始め、これによりリチウムイオン電池システムに冷却ならびに断熱も提供する。可能なエネルギー吸収の量は一般的に、式に組み込まれる吸熱ガス発生材料の量およびタイプ、ならびにリチウムイオン電池内のエネルギー発生源に対する吸熱材料／システムの全体設計／配置に、依存する。吸収された熱が、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池の熱質量全体に残りの閉じ込められた熱を断熱材が伝導するのに十分となるように、断熱材と協調して作用するために、任意の用途向けの吸熱材料／システムの正確な追加量およびタイプが選択される。制御された方法で熱質量全体に熱を分配することによって、隣接するセルの温度は、臨界分解または発火温度未満に維持されることが可能である。しかしながら、断熱材を流れる熱が大きすぎる場合、すなわちエネルギー伝導が閾値レベルを超過する場合には、質量全体が蓄熱を散逸させる前に、隣接するセルは分解または発火温度に到達する。

これらのパラメータを念頭に置いて、本開示に関連する断熱材は、９００℃超にも達する可能性のある、リチウムイオン電池システムの一般的な熱的事象の全温度範囲にわたって過剰な収縮に対して熱的に安定するように、設計および／または選択される。この断熱関連要件は、低融点ガラス繊維、炭素繊維、または３００℃を超える温度で広範囲に収縮し、さらには発火さえするフィラーに基づく多くの断熱材料とは対照的である。現在開示されている材料は膨張圧力に耐える装置部品の設計を必要としないので、この断熱関連要件はまた、本明細書に開示される断熱機能を膨張性材料から際立たせる。したがって、相変化材料を用いるその他のエネルギー貯蔵断熱システムとは異なり、本開示の吸熱材料／システムは有機ではなく、したがって高温で酸素に曝されても燃焼しない。また、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池システムから熱を除去していかなる有毒ガスも希釈するという二重の目的を持つ、開示される吸熱材料／システムによるガスの発生は、熱暴走条件を制御および／または回避することにおいて、特に有利である。

例示的実施形態によれば、開示される吸熱材料／システムは望ましくは、これらが使用されるエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池に機械的強度および安定性を提供する。開示される吸熱材料／システムは、高気孔率、すなわち材料に対してわずかな圧縮性を許容する気孔率を有することができる。これは、部品が互いに圧入されて非常に緊密に保持されるパッケージとなるため、組立中に有益になり得る。これはひいては自動車、航空宇宙、および産業環境にとって望ましい、振動および衝撃に対する耐性を提供する。

注目すべきことに、吸収反応が開始するのに十分な規模の熱的事象が生じた場合、開示される吸熱材料／システムの機械的特性は一般的に変化する。たとえば、吸熱反応に関連するガスの発生は、当初の組立圧力を維持するための吸熱材料／システムの機械的能力を低下させる可能性がある。しかしながら、この規模の熱的事象を経験するエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池は、一般的にはもはや使用に適さなくなり、したがって、ほとんどの用途において機械的特性の変化が受け入れられる。本開示の例示的実施形態によれば、吸熱反応に関連するガスの発生は、多孔性の断熱マトリックスを残す。

開示される吸熱ガス発生吸熱材料／システムによって発生するガスは、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏおよび／またはこれらの組み合わせを含む（ただし、これらに限定されるものではない）。これらのガスの発生は、一連の後続および／または関連機能を提供する。第１に、それを超えるとエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池が制御不能な放電／熱暴走するおそれのある上限正常動作温度とより高い閾値温度との間でのガスの発生は、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池用の通気システムを強制的に開放させる手段として有利に機能することができる。

ガスの発生は、熱的事象の間に発生したいかなる毒性および／または腐食性蒸気も部分的に希釈するのに役立つ可能性がある。一旦通気システムが作動すると、放出されたガスは、通気システムを通じて装置を出る際に熱エネルギーを運び出すのにも役立つ。開示される吸熱材料／システムによるガスの発生は、通気システムを通じてエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池からいかなる有毒ガスも強制的に排出するのにも役立つ。加えて、熱暴走中に形成されたいかなるガスも希釈することによって、ガスの発火の可能性も低減される。

吸熱材料／システムは、様々な方法および様々なレベルで、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池システムの一部として組み込まれ、および／または実施されてもよい。たとえば、開示される吸熱材料／システムは、乾式加圧、真空成形、浸透および直接注入などのプロセスによって組み込まれてもよい。また、開示される吸熱材料／システムは、所望の温度／エネルギー制御機能を提供するように、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池内の１つ以上の箇所に配置されてもよい。

本開示による缶／容器に対して蓋を固定するための好適な機械的シールは、二重巻締めである。二重巻締めは、特定パターンの縁折りによって缶の側壁に上部または底部を接続する手段である。二重巻締めされた接合部は、著しい内圧に耐えて上部と側壁とを緊密に結合することができるが、接合部において必要とされる極端な曲げのため、巻締められる２つのフランジは十分に薄くなければならず、アルミニウムシートの場合、二重巻締めされた接合部は０．５ｍｍ未満の厚さで可能である。セルの動作圧力がより厚い蓋または缶を必要とする場合、二重巻締めを缶封止する可能な方法とするために、これらの部材の巻締めフランジが０．５ｍｍ以下の厚さまで減少されなければならないことを保証するように準備しなければならない。

封止機構の全体設計および容器構造の設計パラメータ（全体的な寸法、材料、厚さ、および機械的特性）へのその依存性は、特に内圧および外部負荷に対する機械的応答に影響を及ぼすので、相互依存性が高い。これはまた、通気および圧力分離構造にも影響する。低コスト二重巻締めなどの特定の封止機構は、通気圧が低いときにのみ使用できる。レーザー溶接などのその他の封止機構は、より堅牢であるが、容器が抑制されていないときはまだ圧力の限定に依存する。材料の特性および寸法は、クロージャの封止を行うために選択される方法に依存する。これらの相互依存性は複雑であり、設計空間におけるこれらの関係性は直感で理解できるものではない。本発明者らは、大型Ｌｉセルの機能性およびコストを最適化する際に、特定の構造が特に有用であることを見いだした。

１つの大きな目標は、セルの正常動作条件に曝されたときに容器寸法の全体的な成長を制限することである。この成長量は、容器の長さおよび幅、上部の厚さ、および上部クロージャの容器壁への接合方法に、大きく依存する（固定容器寸法での変位に対する厚さの影響の例については図８から図１０を参照）。矩形容器では、動作圧力での変形制限を満たすために、平面図での寸法（蓋の長さおよび幅）が大きいほど、蓋が厚くなければならない。圧力負荷を受ける矩形プレートの最大偏向を司る式（図７）より、偏向は、固定主要寸法の厚さに対して逆三乗の関係であり、さらに偏向は、プレートのリング寸法の公称５次関数である。これにより、容器寸法が変化するにつれて蓋の厚さを非常に速く成長させる。重量および体積が増加するので、これは望ましくない。さらに、境界での応力は厚さの２乗の逆数として減少し、これは、容器の最も重要な領域である封止接合部において応力を低減する利点を有することになる。蓋および／または壁における変位および応力は、蓋をバーにまたは対向する壁を互いに接続するいずれかの結合部材の形態の支持体の追加を通じて、壁または蓋の有効スパンを制限することによっても、低減されることが可能である。これらの結合点は、図１に示される式のａまたはｂ寸法を効果的に短縮し、こうして容器の変位対圧力プロファイルに良い影響を与える（図１１参照）。これらの結果は、容器壁に対する蓋の溶接の概念とは相性が良いが、蓋を容器に機械的に接合するための重要な設計課題となる。機械的接合プロセスは、蓋を容器に機械的に係止および封止する、必要な機械的変形を許容するために、容器壁および／または蓋を特定の厚さ未満に抑える必要がある。

機械的接合部（とりわけ二重巻締めおよびクリンプ）は、蓋および容器壁を、セルの動作圧力に耐えるために必要とされるよりもはるかに薄くする必要がある。これらの制約は、接合部の局所的な材料の厚さを変化させるための多数の機械的プロセス（たとえば、コイニング、機械加工、しごき加工など）を通じて緩和され得る。接合を容易にするために厚さが一旦減少すると、接合部で新たに生じた応力は分析および最適化されなければならない。圧力が動作圧力よりもはるかに高くなり得る過負荷の場合、これらの同じ問題がさらに対処および検討されなければならない。他の箇所で概説されたように、検討しなければならない４つの圧力形態があり、動作圧力限界は、その動作環境における容器の変形限界によって支配される。容器では、圧力が通常のセル動作限界を超えると、事象は異常であると見なされ、したがって新たな要件が容器に課される。一旦容器が動作圧力形態を出ると、容器膨張の限界は緩和されるが、容器壁接合部に対する蓋は、容器内に組み込まれた通気装置を通じて容器が内圧を解放する形態４に設定された値を超えた圧力を包含する必要がある。過圧事象では、接合部の応力が支配的な設計特徴となり、機械的方法で接合部を作るために必要とされる厚さの減少による強度変化とともに、レーザー溶接された蓋のＨＡＺにおける強度変化の可能性も考慮されなければならない。これら設計上のトレードオフは複雑かつ不明瞭であり、材料、製造プロセス、および接合方法の重要な理解を必要とし、これらは容器の製造中に互いに相互作用する。

例１．
圧力が解放されたときに引裂せず通気口から押し出されもしないことを確認するために、通気設計を用いて供給された３０メッシュの銅線メッシュを成功裏に試験した。これらの試験において、シートメタルの下側に対してメッシュを取り付けるために、アクリル系接着剤を使用した。発生したガスの自然発火温度およびその速度によって、火炎防止器メッシュの必要とされる穴サイズを決定した。

通気中の定常状態においてメッシュを横切る圧力降下が通気圧を超えた場合、通気口が開放していたとしても、ガス発生は容器を加圧し続ける。これは望ましくないが、そうはなりそうもない。このような状況での加圧がありそうもないという見解は、ｈｔｔｐ：／／ｎａｃａ．ｃｅｎｔｒａｌ．ｃｒａｎｆｉｅｌｄ．ａｃ．ｕｋ／ｒｅｐｏｒｔｓ／ａｒｃ／ｃｐ／０５３８．ｐｄｆの実験結果によって裏付けられており、これは、マッハ２から４の風速で風洞内のウールフィルタ要素を有する類似のメッシュを横切る実際の圧力降下が１ｐｓｉ未満であったことを示している。

開示される火炎防止器は、熱伝達機能を通じて自然発火温度未満まで、出てくるガスの温度を有利に低下させる。本開示の例示的例は顕著な熱吸収を実現するためにメッシュ（たとえば３０ＵＳメッシュ）を採用するが、熱伝達機能は、ファインメッシュ、連続気泡発泡体、曲がりくねった経路を描く細い管、十分に小さい直径の長くまっすぐな管、または有孔シートにガスを通すことによっても実現可能である。先の文に挙げられた全ての場合において、ガス温度が自然発火温度未満に低下する十分に導電性の高い材料で、ガス経路障害物が作成されなければならない。

黒鉛アノードおよびＮＭＣカソードで作られた２３個の個別のゼリーロールを使用して、８０Ａｈのセルの蓋に略円形開口部および銅３０メッシュを有する通気口を実装した。ゼリーロールにＮＣＡベースのカソードおよび９４Ａｈの容量を持たせたことを除き、同じように第２のセルを試験した。容器はアルミニウム３００３−０の金属製であった。４．２Ｖで得られる全容量まで両方のセルを充電した。ＮＲＥＬによって記載されるように、ゼリーロールのうちの１つに内部短絡を発生させた。使用された内部短絡装置すなわちＩＳＤは、ＩＳＤ箇所において５２℃の温度に到達したときにセルを短絡させるように設計されていた。これを実現するために、セルを７０℃超まで加熱した。セルを短絡すると、セルは通気して、ＩＳＤ装置を包含するゼリーロールは完全に溶断し、その一方で隣接するゼリーロールはカスケード暴走せず、システム内の別のゼリーロールへのフラッシュバックを防止する上で通気が効果的であることを示した。

本開示は例示的例を参照して記載されてきたが、本開示はこのような例示的例によって、あるいは例示的例に限定されるものではない。むしろ、本開示の精神または範囲を逸脱することなく、様々な修正、改良、および／または代替例が採用されてもよい。

Claims (30)

1. リチウムイオン電池用のケーシングであって、
   基部および側壁を画定する缶と、
   缶および蓋が内部容積を画定するように、缶に対して実装された蓋と、
   缶および蓋のうちの少なくとも１つに形成された開口部に対して実装された圧力分離装置と、
   缶または蓋の外側に実装されたヒューズと、
   を備え、
   圧力分離装置は、内部容積内に実装された偏向可能ドームおよび内部容積の外部に実装されたハンマーヘッドを含み、
   ハンマーヘッドは、内部容積内まで延在するように固定的に配置されており、
   内部容積内の圧力の上昇に応答して、偏向可能ドームとハンマーヘッドとは、互いに電気的接触され、
   偏向可能ドームとハンマーヘッドとの間の電気的接触は、ヒューズによる回路短絡をもたらし、電池端子の電気的な切り離しをする、
   リチウムイオン電池用のケーシング。
2. ハンマーヘッドがヒューズホルダに対して実装されており、前記ヒューズホルダはハンマーヘッドと電気的に連通しているヒューズを含む、請求項１に記載のケーシング。
3. 偏向可能ドームが、偏向可能ドームの周囲に対して増加した厚さの中央領域を含む、請求項１に記載のケーシング。
4. 中央領域の増加した厚さが、少なくとも部分的に、ドームに対して固定されたフィルムディスクに基づく、請求項３に記載のケーシング。
5. ドームは、ドームがハンマーヘッドから離間した第１の非反転位置、およびドームの少なくとも中央領域がハンマーヘッドと接触する反転位置を取るような構成および寸法になっている、請求項１に記載のケーシング。
6. 偏向可能ドームが、缶および蓋によって画定された内部容積内の１０ｐｓｉｇから４０ｐｓｉｇの間の所定の圧力に応答して非反転位置から反転位置に移動するように構成されている、請求項５に記載のケーシング。
7. 缶および蓋のうちの少なくとも１つに形成された開口部に対して実装された通気構造をさらに備える、請求項１に記載のケーシング。
8. 通気構造の近傍に実装された火炎防止器をさらに備える、請求項７に記載のケーシング。
9. 火炎防止器がメッシュ構造である、請求項８に記載のケーシング。
10. 火炎防止器が銅線から製造される、請求項８に記載のケーシング。
11. 内部容積内に配置されたリチウムイオン電池部品をさらに備え、リチウムイオン電池部品は、個々の電気化学的ユニットを受容するための空洞を画定する支持構造内に配置された複数の無封止電気化学的ユニットを備える、請求項１に記載のケーシング。
12. 無封止電気化学的ユニットが共有雰囲気領域と連通している、請求項１１に記載のケーシング。
13. 圧力分離装置のドームが共有雰囲気領域の中まで延在し、閾値圧力レベル以上の共有雰囲気領域内の圧力がドームを作動する、請求項１２に記載のケーシング。
14. リチウムイオン電池部品が、電池式電気自動車（ＢＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、グリッドストレージ（ＧＲＩＤ）、および鉛酸交換（ＬＡＲ）からなる群より選択される用途での使用に適合される、請求項１１に記載のケーシング。
15. リチウムイオン電池であって、
    空洞表面によって画定された複数の空洞を含む支持部材であって、複数の空洞の各々は空洞開口部を通じてリチウムイオンコア部材を受容するように構成されている、支持部材と、
    複数のリチウムイオンコア部材であって、複数のリチウムイオンコア部材の各々は、（ｉ）アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に設けられたセパレータと、電解質とを含み、（ｉｉ）支持部材の複数の空洞のうちの１つの中に配置されている、複数のリチウムイオンコア部材と、
    外表面と、内部容積と、共有雰囲気領域とを画定する密封封止エンクロージャであって、密封封止エンクロージャは支持部材を包囲して包み込む、密封封止エンクロージャと、
    を備え、
    リチウムイオンコア部材の各々は、電解質が収容されている空洞から漏れないように、その長さに沿って複数の空洞のうちの１つの空洞表面によって包囲されており、
    各イオンコア部材のアノード、カソード、および電解質は、支持部材の空洞内に配置されたときに空洞開口部を通じて共有雰囲気領域と連通し、
    密封封止エンクロージャは、共有雰囲気領域と連通し、外表面に形成された開口部に対して実装されている、圧力分離装置を含み、圧力分離装置は、
    ａ．内部容積内に実装された偏向可能ドームと、
    ｂ．内部容積の外部に実装されたハンマーヘッドと、
    ｃ．密封封止エンクロージャの外部に実装されたヒューズと、
    ｄ．密封封止エンクロージャに関して実装されている電池端子とを含み、
    内部容積内の圧力の上昇に応答して、偏向可能ドームとハンマーヘッドとは、互いに電気的接触され、
    偏向可能ドームとハンマーヘッドとの間の電気的接触は、ヒューズによる回路短絡をもたらし、電池端子の電気的な切り離しをする、
    リチウムイオン電池。
16. １つ以上のリチウムイオンコア部材の近傍に配置された１つ以上の吸熱材料をさらに備える、請求項１５に記載のリチウムイオン電池。
17. 支持部材が運動エネルギー吸収材料を含む、請求項１５に記載のリチウムイオン電池。
18. 運動エネルギー吸収材料が、発泡アルミニウム、セラミック、セラミック繊維、およびプラスチックのうちの１つで形成されている、請求項１７に記載のリチウムイオン電池。
19. リチウムイオンコア部材のうちの対応するものと空洞のうちの対応するものの表面との間に各々が配置された、複数の空洞ライナーをさらに備え、空洞ライナーはポリマーおよび金属箔積層パウチを画定する、請求項１５に記載のリチウムイオン電池。
20. リチウムイオンコア部材のうちの対応するものと空洞のうちの対応するものの表面との間に各々が配置された、複数の空洞ライナーをさらに備え、空洞ライナーはプラスチックまたはアルミニウム材料で形成されている、請求項１５に記載のリチウムイオン電池。
21. 複数の空洞ライナーがモノリシックライナー部材の一部として形成されている、請求項２０に記載のリチウムイオン電池。
22. 電解質は、難燃剤、ガス発生剤、およびレドックスシャトルのうちの少なくとも１つを備える、請求項１５に記載のリチウムイオン電池。
23. １つ以上の吸熱材料をさらに備え、１つ以上の吸熱材料のうちの少なくとも１つはセラミックマトリックス内に含まれる、請求項１５に記載のリチウムイオン電池。
24. ケーシング内に配置された電気化学的ユニットまたはゼリーロールが、（ｉ）個別に封止されているか、または（ｉｉ）個別に封止されていない、請求項１５に記載のリチウムイオン電池。
25. 偏向可能ドームが、溶け落ちを防止する構成および寸法になっている、請求項１５に記載のリチウムイオン電池。
26. 溶け落ちが、（ｉ）偏向可能ドームの質量を増加させること、（ｉｉ）偏向可能ドームに材料を追加すること、および（ｉｉｉ）これらの組み合わせ、のうちの１つ以上によって防止される、請求項２５に記載のリチウムイオン電池。
27. 偏向可能ドームの増加質量または偏向可能ドームに追加される材料が、偏向可能ドームを製造するのと同じ材料である、請求項２６に記載のリチウムイオン電池。
28. 偏向可能ドームの増加質量または偏向可能ドームに追加される材料が、少なくとも部分的に、偏向可能ドームを製造するために使用された材料とは異なるタイプの材料である、請求項２７に記載のリチウムイオン電池。
29. 偏向可能ドームが、少なくとも部分的に、偏向可能ドームが目標トリガ圧力に応答する速度に基づいて溶け落ちを防止する構成および寸法になっている、請求項２８に記載のリチウムイオン電池。
30. リチウムイオンコア部材の電気的接続が、（ｉ）リチウムイオンコア部材の並列接続、（ｉｉ）リチウムイオンコア部材の直列接続、および（ｉｉｉ）第１セットのリチウムイオンコア部材の並列接続、第２セットのリチウムイオンコア部材の並列接続、および第１セットのリチウムイオンコア部材と第２セットのリチウムイオンコア部材との直列接続、からなる群より選択される、請求項１５に記載のリチウムイオン電池。

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