電池(例えば、リチウムイオン電池)を含むエネルギー貯蔵アセンブリは、2つの故障メカニズムがあり、これらは共に大量の熱エネルギーを開放する。電池セル/モジュール(例えばゼリーロール)に衝撃があると、エネルギー貯蔵セルに穴が開いて、大量の熱エネルギーが開放され得る。また、エネルギー貯蔵装置の化学的構成成分が劣化して、熱暴走現象において高い割合の熱エネルギーを開放する(これは、このエネルギー貯蔵アセンブリ(例えば電池パック)中の他のエネルギー貯蔵装置における熱暴走の連鎖反応をトリガし得る)。
概して、本開示は、エネルギー貯蔵アセンブリ(例えば、充電式セル、リチウムイオンコア部材、及び/又は電池セル)の故障モードを低減、防止、及び/又は除去するために電池アセンブリと共に使用可能な保護装置に対する(つまり、例えば、充電の不具合、エネルギー貯蔵装置の欠陥、衝撃現象、及び/又は熱現象によって開始される圧力増加からの保護)種々の実施形態に関する。
より具体的には、本開示は、以下の様々なコンポーネント(components)で構成されたエネルギー貯蔵アセンブリの種々の実施形態に関するもので、前記コンポーネントとして、封止された(sealed)(例えば、溶接又はフォーミング加工によって封止された)ハウジング/容器;エネルギー貯蔵アセンブリをそのコンポーネントを流れる電流から電気的に切断するためのハウジングを有する電流遮断装置;所定の圧力時にハウジング内の加圧ガスを通気する(vent)よう構成されたベントコンポーネント/デバイスがあり、ハウジングの中に封止された内缶の外周側壁の間に配置されたエネルギー吸収材料(例えば、熱剤(thermal agent)と称されることもある)が、(1)エネルギー貯蔵アセンブリの内側が所定の圧力に達したときに電気的に切断し、(2)エネルギー貯蔵アセンブリの内側が所定の圧力に達したときに通気し、(3)衝撃現象(つまり、衝突、落下等)からのエネルギー(運動エネルギー)を吸収して、圧力現象又は熱現象を低減、防止、及び/又は除去し、及び/又は(4)電池セル及び/又は電池が存在する製品形態/装置における隣接するセルへの火災損害を低減、防止、及び/又は除去するために、熱エネルギーを吸収及び/又は火炎を消す/阻止するように構成される。
幾つかの実施形態では、本開示は、複数のエネルギー貯蔵装置(例えば、封止された又は封止されていない電池セル)を収容する封止されたハウジング/筐体と共に使用される場合において、所定のレベルを上回る圧力増加を防止するよう構成された保護装置(例えば、電流遮断装置及び/又はベント/ベント領域)に対する種々の実施形態に関する。
一実施形態で、エネルギー貯蔵アセンブリは、溶接部を有する封止されたハウジングと、外缶の中及び封止された内缶の外周側壁の間に配置された熱剤とを含み、(a)封止されたハウジング(つまり、材料、材料の厚み、電流遮断装置、及び/又はベント)、及び又は他の構成(例えば、アセンブリ内に存在する仕切り壁及び/又はエネルギー吸収材料又は火炎防止材料)のうちの少なくとも1つが、防止装置と協働作用して、防止装置が次の(1)~(4)と協働作用することができるように設計及び/又は構成される。前記(1)~(4)は、(1)エネルギー貯蔵アセンブリを、電気的に繋がっている他のエネルギー貯蔵アセンブリ及び/又は製品形態/装置から電気的に切断すること、(2)所定の圧力(例えば、電池欠陥、充電問題/過充電、衝撃現象及び/又は熱現象)に達するときに通気すること、(3)衝撃現象(衝突、落下等)からのエネルギーを吸収して圧力現象又は熱現象を低減、防止、及び/又は除去すること、及び/又は(4)保護装置に圧力現象中に火炎を吸収及び/又は消す/阻止して、モジュール(製品形態又は装置に電力を供給するよう構成された複数のエネルギー貯蔵アセンブリ)及び/又はエネルギー貯蔵アセンブリが電気的に連通/接触する製品形態/装置内の隣接するエネルギー貯蔵アセンブリへの火災損害を低減、防止、及び/又は除去すること、である。
一態様では、封止された(例えば、密封封止された)容器と、ベントデバイスと、電流遮断装置とを具える装置が提供される。容器は、複数のエネルギー貯蔵装置(例えば充電式電池、例えばリチウムイオンコア部材)を収納するよう構成され、該容器は電気的連通(electrical communication)(例えば、容器の内側の位置から容器の外側の位置へ)が可能になるよう構成される。ベントデバイスは、基板の一部分に沿って形成され、基板の縁部に隣接して周方向に延在する環状カウンターシンク(circular countersink)を含み、該カウンターシンクと、中央パネルと、外縁部とを画定する。基板の外表面上でカウンターシンク内部にスコアが形成される。容器内の圧力が所定の値を超えるとき、カウンターシンクはスコア領域に沿ってスコアが破断されるように構成され、カウンターシンクによって飛び移り座屈現象(snap-through buckling event)がトリガされ、容器の通気が行われる。電流遮断装置は、環状カウンターシンクを有するドームで構成されたアクチュエータを含み、ドームは容器上に配置され(positioned)て、容器の内部圧力が該ドームの内表面に作用するようにドームが容器の内部に内側に向かって延在するよう構成される。電流遮断装置は、第1の端部を介して第1の端子(first terminal)と容器の少なくとも一方に取り付けられ、第2の端部においてドームの外表面に取り付けられ、第1の端子と電気的に繋がるように構成された可撓性部材と、その第2の端部で当該可撓性部材をドームの外表面に取り付けて、該可撓性部材をドーム上に保持するよう構成された接続部材(例えば、リベット)と、ヒューズ要素(例えば、横断面の厚みが低減された金属部材を含む)と、を具える。ヒューズ要素は第2の端子(second terminal)と電気的に繋がっており、さらに、ヒューズ要素はアクチュエータから所定の距離(例えば、ドームの変位距離より大きくなく、ヒューズ要素と可撓性部材との間の電気アーク発生を防止するのに十分な距離よりも小さくない)に配置されており、ドームは、容器の内部圧力が所定の値を超えることで開始される飛び移り座屈現象を受けるよう特に設計されており、飛び移り座屈現象(例えば、ドームの反転、ドームの変位)は、可撓性部材をヒューズ要素と電気的に連通する位置に移動させて、容器内に電気短絡を開始させる。
一態様では、容器(例えば、金属容器)と、電流遮断装置とを具える装置が提供される。容器は、本体とフォーミング加工(例えば、ダブルシーム)を介して封止されたカバーとを含み、容器は、複数のエネルギー貯蔵装置(例えば充電式電池、例えばリチウムイオンコア部材)を収納するよう構成され、複数のエネルギー貯蔵装置と容器上又は容器の外部に位置し、対極する第1の端子及び第2の端子を含む2つの端子との間で電気的連通を可能にするよう構成される(例えば、端子が容器の一部であって、対極端子間に適当な電気的絶縁を有する場合)。電流遮断装置は、環状カウンターシンクを有するドームで構成されたアクチュエータを含み、ドームは容器上に配置され(positioned)て、容器の内部圧力が該ドームの内表面に作用するようにドームが容器の内部に内側に向かって延在するよう構成される。電流遮断装置は、第1の端部を介して第1の端子と容器の少なくとも一方に取り付けられ、第2の端部においてドームの外表面に取り付けられ、第1の端子と電気的に繋がるように構成された可撓性部材と、その第2の端部で当該可撓性部材をドームの外表面に取り付けて、該可撓性部材をドーム上に保持するよう構成された接続部材(例えば、リベット)と、ヒューズ要素(例えば、横断面の厚みが低減された金属部材を含む)と、を具える。ヒューズ要素は第2の端子と電気的に連通しており、さらに、ヒューズ要素はアクチュエータから所定の距離(例えば、ドームの変位距離より大きくなく、ヒューズ要素と可撓性部材との間の電気アーク発生を防止するのに十分な距離より小さくない)に配置されており、ドームは、容器の内部圧力が所定の値を超えることで開始される飛び移り座屈現象を受けるよう特に設計されており、飛び移り座屈現象(例えば、ドームの反転、ドームの変位)により、可撓性部材を移動させて、ヒューズ要素と電気的に連通して、容器内で電気短絡を開始させる(例えば、ヒューズ要素を溶かすことにより)。
一態様では、封止された(例えば、密封封止された)容器と、該容器の一部分に沿って形成されたベントデバイスとを具える装置が提供される。容器は、複数のエネルギー貯蔵装置(例えば充電式電池、例えばリチウムイオンコア部材)を収納するよう構成され、該容器は電気的連通(例えば、容器の内側の位置から容器の外側の位置へ)が可能になるよう構成される。ベントデバイスは、2つのほぼ対向する表面を有し、第1の表面が容器の内部と繋がるよう構成され、第2の表面が容器の外側にある基板を含み、基板の周方向に延在する環状カウンターシンクが中央パネルを画定し、基板の外表面上でカウンターシンク内部にスコアが形成される。容器内の圧力が所定の値を超えるとき、カウンターシンクはスコア領域に沿ってスコアが破断されるように構成され、カウンターシンクによって飛び移り座屈現象がトリガされ、容器の通気が行われる。
幾つかの実施形態で、スコアはカウンターシンクの一部に沿って延在して、スコア部分と非スコア部分(ヒンジ又はフラップ)を画定するよう構成される。
幾つかの実施形態では、ベントデバイスは基板の第1の表面上に座屈イニシエータで構成される。
幾つかの実施形態では、座屈イニシエータはカウンターシンク上に構成される。
幾つかの実施形態では、座屈イニシエータはスコアを有するカウンターシンク領域と交差するように構成される。
幾つかの実施形態では、ベントデバイスは容器に密封封止される。
幾つかの実施形態では、ベントデバイスは溶接操作を介して容器に取り付けられる。
幾つかの実施形態では、ベントデバイスは容器に一体化される。
幾つかの実施形態では、容器は複数のリチウムイオン電池/リチウムイオンコア部材を保持するよう構成される。
幾つかの実施形態では、容器は支持体(support matrix)を保持するよう構成され、この支持体は複数のリチウムイオン電池を収納し、互いに離間した関係で電池を維持するよう構成される。
幾つかの実施形態では、支持体は、エネルギー吸収材料(例えば、運動エネルギー及び/又は熱エネルギー)のうちの少なくとも1つを含む。
幾つかの実施形態で、支持体は火炎防止材料(flame arresting material)を含む。
幾つかの実施形態では、装置は、リチウムイオン電池を端子に接続してリチウムイオン電池と端子との間の電気的連通(例えば、製品形態/装置又は金属容器の外部充電源への)を促進するよう構成された対応する電気接続体(例えば、正極バスバー及び負極バスバー、配線/タブ又は個々のリチウムイオン電池と端子との間の電気的接続)をさらに備える。
一態様では、金属容器を含む装置が提供され、該金属容器は本体を含み、該本体は、底部と、基部に接続されかつ基部から上方に延在して、周囲リム/周縁部を有する開放上端部及び閉鎖下端部を画定する少なくとも1つの周囲側壁とを含む。また、金属容器は、開放上端部内に配置(例えば嵌合)され、かつ本体の周囲リム/周縁部と協働作用するよう構成された周縁部を有するカバーと、該カバーと周囲リム/周縁部との間に形成され、フォーミング加工を介して密封封止されたシールとを含む。金属容器は、容器の本体とカバーの少なくとも一方に電気端子(例えば、正極端子及び負極端子)が配備される。金属容器は、さらに、複数のリチウムイオン電池/リチウムイオンコア部材と、複数のリチウムイオン電池を収納しかつ電池を互いに離間した関係で維持するように構成された支持体と(支持体はエネルギー吸収材料(例えば運動エネルギー及び/又は熱エネルギー)と火炎防止材料の少なくとも1つを含む)、リチウムイオン電池を端子に接続し、リチウムイオン電池と端子との間の電気的連通(例えば、製品形態/装置、又は金属容器の外部充電源へ)を促進するよう構成された対応する電気接続体(例えば、正極バスバーと負極バスバー、配線タブ又は個々のリチウムイオン電池と端子との間の電気的接続)とを保持するよう構成される。
一態様では、金属容器を含む装置が提供され、該金属容器は本体を含み、該本体は、底部と、基部に接続されかつ基部から上方に延在して、周囲リム/周縁部を有する開放上端部及び閉鎖下端部を画定する少なくとも1つの周囲側壁とを含む。また、金属容器は、開放上端部内に配置(例えば嵌合)され、かつ本体の周囲リム/周縁部と協働作用するよう構成された周縁部を有するカバーと、該カバーと周囲リム/周縁部との間に形成され、ダブルシームのフォーミング加工を介して密封封止されたシールとを含む。金属容器は、容器の本体とカバーの少なくとも一方に電気端子(例えば、正極端子及び負極端子)が配備される。金属容器は、さらに、複数のリチウムイオン電池/リチウムイオンコア部材と、複数のリチウムイオン電池を収納しかつ電池を互いに離間した関係で維持するように構成された支持体と(支持体はエネルギー吸収材料(例えば運動エネルギー及び/又は熱エネルギー)と火炎防止材料の少なくとも1つを含む)、リチウムイオン電池を端子に接続し、リチウムイオン電池と端子との間の電気的連通(例えば、製品形態/装置、又は金属容器の外部充電源へ)を促進するよう構成された対応する電気接続体(例えば、正極バスバーと負極バスバー、配線タブ又は個々のリチウムイオン電池と端子との間の電気的接続)とを保持するよう構成される。
一態様では、密封封止された金属容器と、電流遮断装置とを含む装置が提供される。金属容器は、複数の電池(例えば、リチウムイオンコア部材)を収納するよう構成され、正極端子と負極端子で構成され、正極端子と負極端子は金属容器(及びその中の内容物)との間で電流が電気的に繋がるよう構成される。電流遮断装置は少なくとも一方の端子に取り付けられ、金属容器は他方の端子に取り付けられ、電流遮断装置及びその夫々の端子取付部は、容器及びその夫々の端子取付部から電気的に絶縁されている。
幾つかの実施形態では、容器は本体を含み、該本体は、底部と、基部に接続されかつ基部から上方に延在して、周囲リム/周縁部を有する開放上端部及び閉鎖下端部を画定する少なくとも1つの周囲側壁とを含む。また、金属容器は、カバーと周囲リム/周縁部との間に配置され、かつ本体の周囲リム/周縁部と協働作用するよう構成された周縁部を有するカバーと、ダブルシームのフォーミング加工によって形成された密封封止部を含むシールとを含む。
幾つかの実施形態において、金属容器は、複数のリチウムイオン電池/リチウムイオンコア部材と、複数のリチウムイオン電池を収納して電池を互いに離間した関係で維持するよう構成された支持体(支持体は、エネルギー吸収材料(例えば運動エネルギー及び/又は熱エネルギー)と火炎防止材料のうちの少なくとも1つを含む)と、リチウムイオン電池を端子に接続してリチウムイオン電池と端子の間の電気的連通(例えば、製品形態/デバイスへの、又は金属容器の外部充電源への)を促進するよう構成された対応する電気接続(例えば、正極バスバー及び負極バスバー、配線/タブ又は個々のリチウムイオン電池と端子との間の電気接続)とを保持するよう構成される。
一態様では、装置(例えば、電流遮断装置)にはアクチュエータが配備され、該アクチュエータは、封止された容器の壁に取り付けられたドームを含み、該ドームは、封止された容器の内部に延在する第1の位置に形成され、周方向カウンターシンクが配備されており、封止された容器の内部容積が所定の閾値に達するか又は超える場合に、例えば、第2の位置に飛び移り現象を生ずるよう構成される。第2の位置は、飛び移り座屈により、ドームが、封止された容器の外側に向けて恒久的に変位する位置(例えばドームの変位)であり、ドームの極性とは反対の極性を有するヒューズと接触する。また、アクチュエータは、2つのほぼ対向する端部を有する可撓性部材/脚部を具え、第1の端部は密封封止された容器の分極部分(polarized portion)、例えば、負極部又は正極部)と電気的に接続され、第2の端部は、アクチュエータの構成要素として取り付けられ(例えば、機械的取り付け、固着、糊付け、ろう付け、及びそれらの組合せ)、圧力が増加した時に作動(変位)する。
幾つかの実施形態において、可撓性部材がリベットを介してドームに取り付けられる。
一態様において提供される装置は、a)エネルギー貯蔵装置を収納するよう構成された封止された容器と、b)該容器と電気的連通が可能に取り付けられた少なくとも1つの電流遮断装置とを含む。a)の容器は、容器の内側から容器の外側への電気的連通が促進されるように2つの端子(極性が反対の第1の端子と第2の端子)が配備され、容器は第1の端子から電気的に絶縁されている。容器の少なくとも一部分は少なくとも第2の端子のコンポーネントであるか、又は第2の端子に電気的に接続されている。b)の電流遮断装置は、i)飛び移り座屈を促進するために周方向カウンターシンクが形成されたドームを含むアクチュエータと、ii)2つの端部を有する可撓性部材であって、第1の端部が、第2の端子と容器のうちの少なくとも一方に取り付けるよう構成され、第2の端部が、接触部材を有し、ドームの表面に、ドームの表面から、第1の端子に面する方向に延在するよう構成された可撓性部材とを具えている。アクチュエータは、封止された容器内部の圧力が所定の値より大きくなると、変位(例えばドーム変位、例えば飛び移り座屈)を生じて、接触部材を、第1の端子内に配置されたヒューズ(例えば、材料の厚みを薄くしたブリッジ)と接触し、これによって容器(例えば、容器内のエネルギー貯蔵装置を含む)に流入する電流及び容器から流出する電流を遮断する。
幾つかの実施形態では、第1の端子が負極端子であり、第2の端子が正極端子である。
幾つかの実施形態では、アクチュエータのドームが容器に取り付けられる(例えば、封止される)。
一態様において提供される装置(例えばヒューズ)は、アクチュエータを含む。該アクチュエータは、第1の極性を有する他のコンポーネント及び第2の極性を有する部材と電気的に繋がるよう構成され、第1の極性と第2の極性は反対の極性(例えば、正極と負極)である。アクチュエータは周方向カウンターシンクが形成されたドームを含み、該ドームは第1の位置と第2の位置を有し、第1の位置は前記部材から離れて延在するよう構成されて電気アークを防止するために部材からの距離を有しており、第2の位置は変位された位置にあって部材と接触して電気短絡を生じさせる(例えば、2つの対向して分極しているコンポーネントを接触させる)ためのドームを含み、ヒューズは加圧現象を介して作動し、ドームの飛び移り座屈の開始により、ドームを第1の位置から第2の位置に変位させる。
一態様において提供される装置(例えばヒューズ)は、アクチュエータを含む。該アクチュエータは、第1の極性を有する他のコンポーネント及び第2の極性を有する部材と電気的に繋がるよう構成され、第1の極性と第2の極性は反対の極性(例えば、正極と負極)である。アクチュエータは周方向カウンターシンクが形成されたドームを含み、該ドームは第1の位置と第2の位置を有し、第1の位置は前記部材から離れて延在するよう構成されて電気アークを防止するために部材からの距離を有しており、第2の位置は変位された位置にあって部材と接触して電気短絡を生じさせる(例えば、2つの対向して分極しているコンポーネントを接触させる)ためのドームを含み、ヒューズは加圧現象を介して作動し、ドームの飛び移り座屈の開始により、ドームを第1の位置から第2の位置に変位させる。
一態様において提供される方法は、所定の圧力P1を超えない内部圧力で動作するよう構成される封止されたエネルギー貯蔵アセンブリを作動させるステップと、エネルギー貯蔵装置の内部圧力がP1を超える場合にエネルギー貯蔵アセンブリへの電流を遮断するステップ(動作圧力を超える内部圧力はP2と定義される)と、エネルギー貯蔵アセンブリの内部圧力がP3として定義される閾値通気圧力を超える場合にエネルギー貯蔵アセンブリの内部圧力を通気するステップを含む。
幾つかの実施形態では、遮断するステップは、エネルギー貯蔵アセンブリを、製品形態又は他のエネルギー貯蔵アセンブリのうちの少なくとも1つとの電気的接続から電気的に切断するステップをさらに含み、電気的切断は、電流遮断装置を介して行われる。
幾つかの実施形態では、通気するステップは、スコアが形成されたベントに近接して構成されたドームの飛び移り座屈現象を介してスコアが形成されたベントの穿孔を伝播させることをさらに含む。
幾つかの実施形態では、本方法は、P4として定義されるハウジングの故障圧力をエネルギー貯蔵装置の内部圧力が超える場合に、エネルギー貯蔵アセンブリの壁と蓋との間の位置を介してエネルギー貯蔵アセンブリを通気することをさらに含む。
幾つかの実施形態では、カバーはフォーミング加工を介して本体に封止される。
幾つかの実施形態では、カバーは溶接作業を介して本体に封止される。
一態様において提供される方法は、フォーミング加工によってハウジングを形成し、電流遮断装置をハウジングの一部分に取り付け、ベントをハウジングの一部分に形成し、支持体をハウジング内に挿入し、リチウムイオン貯蔵装置を支持体の中に配備し、リチウムイオン貯蔵装置をハウジングに取り付けてハウジングとリチウムイオン貯蔵装置との間の電気的連通を可能にし、そして、ハウジングを封止してリチウムイオン貯蔵装置、支持体、及び電解質をその中に封入することを含む。
一実施形態では、封止することは、フォーミング加工によって蓋とハウジングを封止することを含む。
一実施形態において、リチウムイオン貯蔵装置は、リチウムイオン貯蔵装置それぞれを支持体の中に配置し、リチウムイオン貯蔵装置に電解質をプライミングすることをさらに含む。本明細書で使用される場合、「エネルギー貯蔵装置」とは、エネルギーを貯蔵して後に有用な処理を実行するデバイスを意味する。エネルギー貯蔵装置の非限定的な例には、電池、一次電池、鉛蓄電池、二次(充電式)電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンコア部材、及びその組合せが含まれる。
本明細書で使用される「エネルギー貯蔵アセンブリ」は、エネルギー貯蔵装置を組み立てるための1又は複数のエネルギー貯蔵装置と関連するコンポーネントを意味する。エネルギー貯蔵装置の非限定的な例は、電池アセンブリ(例えば、複数のリチウムイオンコア部材を収納する)である。
本明細書で使用される「電池セル」と、電気機器において電力を供給するよう構成された個々の電気化学セル(例えば、電極及び電解質を含む)を指す。幾つかの実施形態では、電池セルはリチウムイオン電池セルである。幾つかの実施形態では、電池セルはリチウムイオンコア部材である。例えば、本開示の電池アセンブリは、利用可能な/産出されるアンペア時間の観点で定量化され得るが、アンペア時間(Ah)は電荷の単位であり、1時間中に流れる1アンペアの定電流によって伝達される電荷、すなわち3600クーロンに等しい。幾つかの実施形態では、本開示の電池アセンブリは25Ah用~200Ah用に構成される。
本明細書で使用される「電池アセンブリ」とは、1又は複数の製品形態/装置に電気的に繋がり、電気を提供するよう構成される複数の電池セル(例えば、リチウムイオンコア部材)を意味する。幾つかの実施形態では、電池アセンブリは、電気配線(及び関連する対応接続部)及び製品形態又は製品装置内/上に嵌合するよう構成されたハウジングを含む。
本明細書で使用される「充電式電池」とは、(貯蔵電池を)繰り返し充電可能なことを意味する。幾つかの実施形態では、充電式電池は、充電可能であり、負荷に放電し、何度も充電可能なタイプの電気電池である。
本明細書で使用される「ダブルシーム加工(double seaming)」とは、2つのコンポーネントをフォーミング加工を用いて互いに取り付けることを意味し、縁部を折り曲げた特定のパターンがこの2つのコンポーネント(例えば、缶の上部又は底部から側壁へ)を互いに保持する。幾つかの実施形態では、ダブルシームジョイント部は、大きな内部圧力に耐えることができ、上部と側壁を共に密接に結びつけて密封封止する。幾つかの実施形態では、フランジは、2つのコンポーネントがシビアな角度で屈曲して、ダブルシームを形成して閉鎖することができる十分な厚みを有する。幾つかの実施形態では、ダブルシーム加工は、シートである基板(例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ポリマー、及びそれらの組合せ)で実施される。幾つかの実施形態では、各シートのダブルシームにおける厚みは0.5mm以下である。幾つかの実施形態では、各シートのダブルシームにおける厚みは0.75mm以下である。幾つかの実施形態では、各シートのダブルシームにおける厚みは1mm以下である。幾つかの実施形態では、各シートのダブルシームにおける厚みは1.5mm以下である。また、加工装置、ツール設計及び加工速度を変えることにより、さらに厚みのあるシート/基板でもダブルシームの形成が可能であることに留意されたい。
幾つかの実施形態では、ダブルシームのフランジ/リップは、フランジを局部的に薄くするために、コイニング、機械加工、しごき加工が施され、該フランジにフォーミング加工(例えば、ダブルシーム又はクリンプ)を施して、蓋/カバーを封止することができる。
本明細書で使用される「ベント」とは、空気、気体、及び/又は液体を通過させる(例えば、密閉された空間を出入りする)ために開口することが可能な物体又は装置に形成される領域を意味する。
幾つかの実施形態では、ベント領域は所定の圧力で通気を形成するよう構成される。幾つかの実施形態では、ベントは可燃性ガスを排出するよう構成され、及び/又は電池アセンブリ内に蓄積した圧力を開放するよう構成される。
幾つかの実施形態では、ベント領域はスコアとスコア開始部位とを含む。幾つかの実施形態では、ベント領域は基板上にスコアを含み、該スコアは、ベント開始現象が発生する(例えば、圧力増加)したとき、基板に沿って基板を裂開/破断するのに十分な残厚を有するよう構成される。幾つかの実施形態では、ベントにはスコアが形成される。
幾つかの実施形態では、ベント領域の基板はハウジング(例えば、蓋及び/又は本体)に取り付けられるよう構成される。幾つかの実施形態では、ベントは、基板は基板の少なくとも一部分の全体/周囲の所定の経路に沿って裂開/分離して開口するよう構成される。幾つかの実施形態では、ベントは、過圧現象時、基板に開口が生じるように構成される。また、ベントは、ハウジングの略平坦部分に沿って配置される(例えば、ハウジング及び/又は端子領域のジョイント部から離間して配置される)。
幾つかの実施形態では、ベントは、加圧現象時、オフガスの通気を促進するのに十分にサイズに形成される。
幾つかの実施形態では、ベントは、寸法不安定性(例えば、通常の動作圧力中、及び/又は通常の使用形態での製品の移動中に予期せぬ通気現象を生じさせる)の原因とならない十分なサイズに形成される。
幾つかの実施形態では、ベントは、通気現象における可燃性オフガスの逆流(これは装置が発火する結果となり得る)を防止するよう十分なサイズに形成される。
幾つかの実施形態では、ベントは、ガスの通気が、ガス流の噴霧及び発火の速度よりも遅い速度で行われるようにする(例えば、高反応性ガス流の生成を防止する)のに十分なサイズ(例えば、ベントが行われるために開放されるのに十分な大きさと幅)に形成される。
幾つかの実施形態では、ベントは高圧で通気するよう構成される。幾つかの実施形態では、ベントは、製品の通常の使用形態では無傷状態が保持される。幾つかの実施形態では、ベントは、通気を促進して、通気中の逆流リスクを低減、防止及び/又は除去することを促進するよう構成される。
幾つかの実施形態では、基板は、所定の圧力で圧力を開放及び通気するよう構成されたベントを具える。
幾つかの実施形態では、ベントは、ベントパネル(vent panel)を含み、該ベントパネルは、例えば、ベント領域/ベントパネルの厚みが本体及び/又はカバーと比較して薄くなった領域であり、ベント領域/ベントパネル位置は、厚みが薄くなった領域で、裂開/断裂する。
幾つかの実施形態では、ベントはスコアを含む。
本明細書で使用される「スコア」とは、表面内に切り込みが形成された切込線又はスクラッチが形成されたノッチを意味する。幾つかの実施形態では、ベントは、破断/通気を生じさせる所定の開始/伝播部位を特定するためのスコアを含む。幾つかの実施形態では、スコアはスコアパターンであり、例えば、通気時に、基板は、スコアパターンにおいて所定通りに破断/切断、穿孔、裂開、及び/又は断裂する。
幾つかの実施形態では、スコア領域は、基板上で幾何学的形状に形成される。
幾つかの実施形態では、スコア領域は、幾何学的形状で通気する(スコア線が破損する)よう構成される。
幾つかの実施形態では、スコアは直線状のスコアとして形成される。
幾つかの実施形態では、スコアは犬の骨形状のスコアとして形成される。
幾つかの実施形態では、スコアは円形のスコアとして形成される。
幾つかの実施形態では、スコアは半円形のスコアとして形成される。
一実施形態では、スコア線は基板に沿った所定の長さに延在するよう形成された丸い線を含む。
一実施形態では、スコア線は基板の一部に沿って/周囲に延在するよう形成された円周方向線を含む。
一実施形態では、スコア線は基板の外縁部/領域に沿って所定長さに延在するよう形成された外周線を含む。
一実施形態では、スコア線は基板に沿って所定長さに延在するよう形成された弓状線を含む。
一実施形態では、スコア線は基板に沿って所定長さに延在するよう形成された放射状ベントを含む。
幾つかの実施形態において、開口又は圧力を開放するために、スコアを形成することにより、所定経路に沿った材料の厚みが減少し、この経路に沿って材料の強度が低下する。幾つかの実施形態では、スコア形成工程中、スコアナイフの真下に位置する金属(基板)はスコアツール(例えばナイフ)の方向に圧縮力を受ける。
本明細書で使用される「残留スコア(score residual)」とは、表面をスコアした後に残る金属の部分を意味する。幾つかの実施形態では、残留スコアは、シート厚みの約0.3~0.5である。幾つかの実施形態では、残留スコアの厚みは、0.003''以上である。
本明細書で使用される「カウンターシンク(countersink)」とは、コンポーネント(例えば、ベント領域又はドームアクチュエータ)上の隆起部(例えば、隆起したリッジ又は溝)を意味する。幾つかの実施形態では、カウンターシンクは歪み(例えば通気現象中のスコアにおいて、また、例えば電流遮断現象中のドームアクチュエータにおいて)を生成する開始部位として機能するよう構成される。幾つかの実施形態では、カウンターシンクはベントに沿ったスコアを通して(例えば、実質的に通して、又は一部を通して、又は全てを通して)通気の開始部位を伝播するよう構成される。
幾つかの実施形態では、スコアはカウンターシンク内に配置される。
幾つかの実施形態では、スコアはカウンターシンクを横断するように配置される。
特定の機構又は理論によって拘束されるものではないが、カウンターシンクの深さが増加すると、カウンターシンクにおけるスコア上の応力が増加して、飛び移りが開始する(つまり、飛び移り座屈現象が開始する)と考えられる。特定の機構又は理論に拘束されるものではないが、カウンターシンクの反転圧力はカウンターシンクの深さ、カウンターシンクの半径、カウンターシンクの直径、材料強度及びシート厚みの関数と考えられる。最小のカウンターシンクの深さを有する最小の厚みのシートでは、これは、固定の降伏強度に対するカウンターシンクの直径とカウンターシンクの半径の関数としての、カウンターシンク反転圧力のプロットである。
本明細書で使用される「座屈イニシエータ(buckling initiator)」とは、圧力又は歪みの下で、ベントの特定の位置(例えば、スコア線、例えばベントのカウンターシンクに位置するスコア線)において座屈(曲がる/折れる)を生じる/開始するよう構成された領域を意味する。幾つかの実施形態では、座屈イニシエータは、スコア線に沿って位置する適切な位置において、そしてヒンジから所定の距離において通気を生じさせる。幾つかの実施形態では、座屈イニシエータは、スコア、エンボス加工、スタンピング、スクラッチ、エッチング、又はその組合せにより加工される。
本明細書で使用される「ヒンジ」とは、可動ジョイント部又は機構を意味する。幾つかの実施形態では、ベントはスコアとヒンジで構成され、スコアが開くとヒンジがベント領域上にベント蓋/フラップを生成するように維持される。
幾つかの実施形態では、ヒンジはスコア経路に隣接して(交差して)位置する。幾つかの実施形態では、ヒンジはカウンターシンク内に配備される。
幾つかの実施形態では、カウンターシンクは座屈イニシエータで構成される。幾つかの実施形態では、パネルが座屈イニシエータで構成される。幾つかの実施形態では、パネル半径は座屈イニシエータで構成される。
本明細書で使用される「フレームアレスタ(flame arrestor)」は、可燃性を低減、除去、又は排除するための材料又は物体を意味する。幾つかの実施形態では、フレームアレスタは排出ガスの温度を下げてガス流点火温度を下回るようにするよう構成される。 幾つかの実施形態では、フレームアレスタは火炎面がマルチロール構造を含有する筐体に再び入ることを防止するよう構成される。
フレームアレスタの幾つかの非制限的な例には、微細格子、連続気泡発泡体、蛇行性経路を描く細管、直径が十分に小さい長尺な直管、有孔シート、又はその組合せが含まれる。 幾つかの実施形態では、ガス経路障害物が十分に伝導性の(例えば熱伝導性)材料から製造され、ガス温度が発火点を下回るよう下げられる。フレームアレスタ材料の非制限的な例は、銅である。
幾つかの実施形態では、ベントはフレームアレスタを有するよう構成される。
幾つかの実施形態では、フレームアレスタは、通気時に火炎が筐体/ハウジングに再び入るのを防止するよう構成される。個々のリチウムイオンコア部材(例えばゼリーロール)の故障時には、大量のガスが生成され(自動車用途に構成された電池アセンブリの場合、約10リットル)、このガスは熱く(約250-300℃)、可燃性がある。幾つかの実施形態では、火炎面がエネルギー貯蔵アセンブリに入ることを防止し、及び/又はガス流がその発火点に達するのを防止するために、銅メッシュのフレームアレスタがベント上に置かれる。フレームアレスタの非制限的な例は、30メッシュ、0.012''線径の銅材料である。
本明細書で使用される「電流遮断装置(current interrupt device)」とは、電池アセンブリを通じて及び/又は電池アセンブリから、隣接する電池アセンブリ又は製品形態/装置への電流又は電気的連通を遮断するよう構成された装置を意味する。
幾つかの実施形態では、電流遮断装置は、例えば、過充電現象(例えば、電気化学的電圧窓を超えてセルを充電する)、機械的破断(例えば、釘の進入)及び/又は内部が高圧の場合において、電池アセンブリを、製品形態及び/又は他の電池アセンブリとの電気的接続を切断するよう構成される。
本明細書で使用される「支持体(support)」とは、別の物体又は装置を所定の位置に保持するよう構成されたコンポーネントである。幾つかの実施形態では、支持体は、所定の位置/距離が維持されるように、ハウジング内の所定の位置に複数のエネルギー貯蔵装置のそれぞれを保持するよう構成される。幾つかの実施形態では、支持体は防火壁、相変化材料、プラスチック(例えば、防火壁を充填された)、及び/又は膨張性材料/コーティングを含む。消火材料は、反応して消火材料を開放する(例えば、CO2を放出したり、近接する領域(例えばセル内)から酸素種を取り除くよう反応する)よう構成される。
本明細書で使用される「エネルギー吸収コンポーネント(energy absorbing component)」は、エネルギー(例えば運動エネルギー又は熱エネルギー)を吸収するよう構成された材料又は装置を意味する。非制限的な例として、エネルギー吸収コンポーネントには、相変化物質(例えば、熱吸収層は100℃以上で分解して熱を吸収する)、無機材料、セラミック材料、カーボネート材料及び化合物、ハイドレート材料及び化合物、重炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、金属酸化物、水酸化アルミニウム(別名ATH)、酸化アルミニウム、シリコンの酸化物又は窒化物、アルミニウム、チタニウム、ジルコニア、亜鉛、マグネシウム又は酸化物又は窒化物の任意の組合せ(例えば、シリコン酸化物、チタニウム酸化物)、炭化ケイ素、金属窒化物材料(例えば、熱エネルギーを吸収するよう構成された)、水酸化化合物又は物質、ヒドロゲル、共通炭酸塩セラミック、耐熱ガラス、アルミナ、カーボン、羊毛繊維、ガラス繊維、ドーソナイト、コンクリート、アブレーション物質、膨張性樹脂、変性エポキシ樹脂、及び/又は上記物質のいずれかに含侵したポリマー、及びそれらの組合せが含まれる。
本明細書で使用される「運動エネルギー吸収コンポーネント」とは、運動エネルギー(例えば、衝撃現象、落下現象又は衝突)を吸収するよう構成された材料又は装置を意味する。
本明細書で使用される場合、「熱エネルギー吸収コンポーネント」とは、熱エネルギー(例えば、温度逸脱、発熱反応、突然の火災、又はそれらの組合せ)を吸収するよう構成された材料又は装置を意味する。
本明細書で使用される「熱剤(thermal agent)」とは、熱エネルギー及び/又は火災を、吸収及び/又は低減/消火するよう構成される少なくとも1つの材料(例えば、化学物質)を指す。
幾つかの実施形態では、熱剤は外缶の内壁と内缶の外壁の間に配備される。幾つかの実施形態では、熱剤は内缶の外壁と仕切り壁との間に配備される。幾つかの実施形態では、熱剤は、外缶の開放容積の少なくとも1%~100%を含む。
幾つかの実施形態では、熱剤は、外缶の開放容積の少なくとも5vol.%、少なくとも10vol.%、少なくとも15vol.%、少なくとも20vol.%、少なくとも30vol.%、少なくとも40vol.%、少なくとも45vol.%、少なくとも50vol.%、少なくとも55vol.%、少なくとも60vol.%、少なくとも65vol.%、少なくとも70vol.%、少なくとも75vol.%、少なくとも80vol.%、少なくとも85vol.%、少なくとも90vol.%、少なくとも95vool.%、又は100vol.%を含む。
幾つかの実施形態では、熱剤は、外缶の開放容積の5vol.%以下、10vol.%以下、15vol.%以下、20vol.%以下、30vol.%以下、40vol.%以下、45vol.%以下、50vol.%以下、55vol.%以下、60vol.%以下、65vol.%以下、70vol.%以下、75vol.%以下、80vol.%以下、85vol.%以下、90vol.%以下、95vol.%以下、又は100vol.%を含む。
幾つかの実施形態では、熱剤はエネルギー吸収材料である。
幾つかの実施形態では、熱剤は、熱ゾーン、電池パック、及び/又は電池セル/モジュールの近接において消火剤(例えば、水蒸気、二酸化炭素)を劣化/分解及び放出する、又は燃焼源(周囲酸素、電解質の可燃性成分、及び/又は電極)を吸収するよう構成される。熱剤の幾つかの非制限的な例には、市販の耐火材料、ヒドロゲル及びそれらの組合せが含まれる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵アセンブリは、エネルギー貯蔵アセンブリが相当量の膨張(例えば、内部圧力での拡張操作中に基板材料のクリープを通して封止されたハウジングの、結果として基板材料の強度の不足となる体積膨張及び/又は永久膨張として定量化される)を受けないように構成される。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵アセンブリは、アセンブリがある量の膨張を受けることができるように(例えば、個々のエネルギー貯蔵装置における電極構造が充電及び放電中にサイクルできるように)構成される。
幾つかの実施形態では、意図しない通気によるセルの早期故障、及び/又はエネルギー貯蔵装置のコンポーネント(例えば、電極)と電解質の不十分な被覆によってエネルギー貯蔵システムの効率が不足する結果となることを低減、防止、及び/又は除去するために、エネルギー貯蔵アセンブリの膨張が軽減される。
幾つかの実施形態では、壁の厚さは、エネルギー貯蔵アセンブリの膨張を1%未満に制限する(例えば、通常動作中)と同時にエネルギー貯蔵装置(例えば、電池)の動作を促進するように構成される。この構成では、薄い壁は内部容積を大きくし、エネルギー密度及び/又は比容量の増大に寄与する。
一実施例において、エネルギー貯蔵アセンブリは、複数の異なる安全機構(fail safe mechanisms)が配備される。一実施形態では、エネルギー貯蔵アセンブリは、電池アセンブリの内部(例えば、ハウジング内)の圧力上昇時に、電池アセンブリが、エネルギー貯蔵装置のさらなる加圧及び/又は不安定性/可燃性を低減、防止及び/又は除去するために一連の安全機構が作用するように構成される。
動作中、エネルギー貯蔵アセンブリは、許容圧力範囲内で動作するよう構成され、圧力範囲の上限は、P1で定義される。
動作中に、エネルギー貯蔵アセンブリがP1に達するか、又はP1を超えてP2に達する場合、エネルギー貯蔵アセンブリに配備された電流遮断装置は、電池アセンブリが製品形態及び/又はこの製品形態と電気的に連通している他の電池アセンブリとの電気的な接続が遮断するよう構成される。
動作中かつ電流遮断装置がエネルギー貯蔵アセンブリからの電流を遮断した後に、圧力
が増加して電池アセンブリがP3に達するか又はP3を超えた場合、電池アセンブリのベント領域が裂開して、圧力(エネルギー貯蔵アセンブリ内に保持されるガスを含む)を開放し、ガスがエネルギー貯蔵アセンブリから出て行くよう構成される。
動作中及びベントがエネルギー貯蔵アセンブリからガスを排出した後に、圧力が増加し続けてP4に達するか又はP4を超えた場合、ハウジング(例えば容器本体)は、圧力に屈して/通気して圧力を、(例えば、本体に蓋が取り付けられた領域、本体が接合された部位を有する領域、及び/又は蓋が不連続な領域)で開放する。
幾つかの実施形態では、種々の安全機構は、P1<P2<P3<P4となるように構成され、こうした圧力閾値は操作の階層が達成されるように離間される。この実施形態で、P1は通常の動作圧力(例えば、3psi)、P2は電流遮断の圧力(例えば20psi)、P3は通気圧力(例えば、40psi)、そしてP4はボックス故障圧力(例えば50psi)である。
非制限的な例として、圧力解除の実施形態では、電流切断によって時期尚早の通気が開始し、その開始によって、時期尚早の通気が生じて、本来の通気能力を妨げるため、電気的連通は終了するが、ハウジングの封止状態が維持される。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵アセンブリは、複数のリチウムイオンセル(例えば、充電式電池)を含む電池アセンブリである。幾つかの実施形態では、電池アセンブリは、1つ又は複数のポリマーセル(AESC、LG製など)における角柱形及び/又は円筒形のセルシステムパッケージを含む。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵アセンブリは、1つ以上の非分離の扁平形状巻回型又は積層型電極構造(SDI、ATL及びPanasonic製など)を有する標準パッケージの角柱形セルを含む。
幾つかの実施形態では、電池アセンブリは1つ又は複数の封止されたリチウムイオンセルのモジュールを含む。
幾つかの実施形態では、電池セルは、複数の電池、電気配線及び接続、及びセル及びセルへの電気配線/接続を、電池パックが支持する装置/製品とは別に収納するよう構成された容器(例えば剛性容器)を含む。幾つかの実施形態では、電池セルコンポーネントは、封止部(フォーミング加工又は溶接による)で構成された外缶/ハウジング内に存在する。
幾つかの実施形態では、電池セルは、電気配線と接続、及び少なくとも1つの保護装置と電気的に繋がるよう構成された複数の電池を含む。
本明細書で使用される「保護装置(protection apparatus)」とは、少なくとも1つのエネルギー貯蔵装置を収納する封止された缶を指し、保護装置は、衝撃現象及び/又は熱現象(例えばこれらのタイプの現象に関連する圧力を含む)のうちの少なくとも1つから少なくとも1つの電池を保護するよう構成される。
幾つかの実施形態では、保護装置は、複数の電池(それぞれが内部スリーブ内に収納される)を実質的に封入するように構成されるハウジング、電流遮断装置、ベント、仕切り壁、又はそれらの組合せを含む。
幾つかの実施形態では、外缶形態の保護装置は、仕切り壁が隣接する内缶(電池を収納する)の間を延在するように、外缶の内部にわたって延在する複数の仕切り壁を含む。幾つかの実施形態では、仕切り壁は外缶に剛性(機械的強度)を提供する(例えば、衝撃現象時において)。
本明細書で使用される「ハウジング」とは、エネルギー貯蔵装置及び他のエネルギー貯蔵アセンブリのコンポーネントを封入して保護するケーシングを意味する。
本明細書で使用される「本体(body)」とは、複数のセルを保持するよう構成されたハウジングの側壁及び/又は底部のことを言う。
本明細書で使用される「カバー」とは、本体の上、真上、又は周囲に存在するトップのことを言う。幾つかの実施形態では、カバーは本体(例えば、本体の上縁部)に機械的に取り付けられる。
幾つかの実施形態では、カバーは、特定のエネルギー貯蔵装置のコンポーネント(つまり、複数の電池、電気配線/接続)をハウジング(カバーと本体)内に封入するために、本体の開放上端部に嵌合するよう構成される。
幾つかの実施形態では、カバーは本体の上部周囲リップ/開口(例えば、側壁)に封止される。幾つかの実施形態では、カバーは本体に機械的に取り付けられる。幾つかの実施形態では、カバーは側壁にクリンプされる。
取付け装置/コンポーネントの幾つかの非制限的な例には、溶接、クリンプ、封止(のり、接着剤、ろう接による)、機械的締結、及びそれらの組合せが含まれる。
幾つかの実施形態で、本体は、底部と少なくとも1つの側壁とを含む。幾つかの実施形態では、底部は本体の下側部分に沿って構成され、周囲側壁(又は複数の側壁)が底部の周囲に形成され、底部から上方に延在して、本体の上側部分に沿って開口した上端部を生じる(例えば、複数のセルを保持することができる容器を形成する)。
幾つかの実施形態では、保護装置(例えば、容器又はハウジング)は、容器内及び/又は影響を受ける電池/リチウムイオンコアに近接する領域に熱現象を保持することができるよう構成され、損傷を受けたアセンブリは、電池パック及び/又は製品形態から取り外し可能である(損傷していないコンポーネントと交換/置換できる)。
幾つかの実施形態では、保護装置コンポーネント、本体、側壁、カバー及び/又は仕切り壁(外缶のみ)のうちの少なくとも1つが、衝撃現象(例えば、短期間の高圧)からの力を吸収するよう構成される。衝撃現象の非制限的な例には、衝突現象(車両内で利用される電池パック)、落下現象(例えば、民生用電子機器、電力ツール等)などが含まれる。
幾つかの実施形態では、保護装置コンポーネント(内缶又は外缶)、本体、側壁、カバー、仕切り壁(外缶のみ)、熱剤及び/又はフレームアレスタのうちの少なくとも1つは、熱現象からの熱エネルギーを吸収するよう構成される。熱現象の非制限的な例には、熱暴走、セル破壊、過熱、過充電、短絡回路、発火、又はそれらの組合せを含む(例えば、上記のように、これらの熱現象のうちの1つ以上が衝突現象を介してトリガされる)。
幾つかの実施形態では、保護装置コンポーネント、ベント領域、スコア、及び/又は電流遮断装置のうちの少なくとも1つは、増加する圧力(例えば、衝撃現象及び/又は熱現象を介して開始される)に応答して、(1)電池/他の電池と電気的に連通した電池、電池セル、及び/又は製品形態/装置を電気的に切断し、及び/又は電池又は電池セルからガスを開放するために、開放/裂開(例えば、ベント、スコア)によって上昇する圧力を移動させるか、又は電流を(ドームアクチュエータを介して)遮断する。
幾つかの実施形態では、内缶(例えば、カバー、本体)の断面の厚みは、150~500ミクロン(例えば、200~230ミクロン)である。幾つかの実施形態では、外缶(例えば、カバー、本体)の断面の厚みは、150~500ミクロン(例えば、200~230ミクロン)である。幾つかの実施形態では、外缶の断面の厚みは、380~500ミクロンである。幾つかの実施形態では、缶の蓋の断面の厚みは、500~750ミクロンである。幾つかの実施形態では、蓋の厚みは2000ミクロンであり、本体の厚みは1500ミクロンである。
本明細書で使用される「基板(substrate)」とは、ハウジング内の壁の一部分である材料の層のことを言う。基板材料の幾つかの非制限的な例には、アルミニウム合金、アルミニウム、3XXXシリーズアルミニウム合金(例えば、3003、3004、3014)、5XXXシリーズアルミニウム合金、6XXXシリーズアルミニウム合金(例えば、6061)、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ポリマー、及びそれらの組合せが含まれる。
幾つかの実施形態では、ハウジング(例えば、封止された筐体、圧力ベント、及び/又は電流遮断装置)及び/又はエネルギー貯蔵アセンブリの支持体は、衝撃現象中の(例えば、リチウムイオン電池セルを含む製品形態又は装置の衝突又は落下)エネルギー貯蔵アセンブリに付与される質量荷重を低減するよう構成される。幾つかの実施形態では、ハウジング及び/又は支持体は、衝撃現象に応答して変形するよう構成される。幾つかの実施形態では、ハウジング及び/又は支持体は、衝撃現象に応答してエネルギーを吸収するよう構成される。幾つかの実施形態では、ベント領域は、圧力現象に応答して制御されてハウジング(例えば、ベント、カウンターシンク、スコア、フレームアレスタ)から圧力(加圧ガス)を開放するように構成される。
幾つかの実施形態では、保護装置が配備された電池アセンブリ(例えば、リチウムイオンセル)が提供される。電池セルは、保護装置内に保持された複数の電池を含み、保護装置は内缶と外缶を含み、保護装置は変形を受けて、圧力を開放し(例えばガス)、及び/又は衝撃現象に関連付けられたエネルギーを吸収し、及び/又は熱エネルギーを吸収する(例えば、熱現象から電池及び/又は電池セルを保護するために)よう構成される。
幾つかの実施形態では、電池アセンブリが提供され、該電池アセンブリは、複数の電池(例えばリチウムイオン電池)を含み、各電池は、電気接続体を有する。電気バスワークは、容器の内側(バスワークにおける)から容器の外側へ延在するよう構成された出口ポートを含み、バスワークと出口ポートは各電池の電気接続体と電気的に接続され、電流がセルから出口ポートを介して流れるよう構成されている。また、保護装置を具え、該保護装置はその内部で複数の電池を保持し、衝撃現象中の質量負荷を吸収して、そのような力を低減、防止、又は除去して、保護装置内に保持された電池に到達しないようにしている。
幾つかの実施形態では、電池装置が提供される。電池装置は、複数のリチウムイオン電池を含み、各リチウムイオン電池は保護装置(内缶)内に封止される。保護装置は、金属本体(例えば、アルミニウム又は銅合金)(本体は底部と開放上端部を有する周囲側壁を含む)と、本体の開放上端部に嵌合するように構成されたカバーと、本体の上端部とカバーの周縁部との間にフォーミング加工で形成されるシール(forming seal)とを具え、該シールは、電解質とガスを内缶の内壁内に封入する。
幾つかの実施形態では、カバーはフォーミング加工により本体に封止される(例えば、電池の上端部に)。
カバーを本体に封止する(例えば、電池を封入する)フォーミング加工の非制限的な例には、ダブルシーム(例えば、封止部を生成するよう構成されたポリマーを含む)、クラウン(例えばスナップオン式)、キャップ(例えば、本体の上端部における螺合のネジキャップ)、圧入、クリンプ、取付け部に縁形成、溶接、ロールオン、ピルファープルーフねじ、EMFボンディング、接着剤、機械的締結、及びその組合せが含まれる。
溶接の非制限的な例には、超音波溶接、レーザ溶接、摩擦溶接、EMFボンディング、又はその組合せが含まれる。
幾つかの実施形態では、保護装置は内缶から、ベントからガスを通気するよう構成され(ベント及び/又はスコアパターンを介して)、ベントは内缶の圧力が所定の圧力に達する(又は超える)ときに開くよう構成される。
幾つかの実施形態では、ベントは、熱現象中にガス放散を介してガスを逃がすのに十分なサイズに形成される。幾つかの実施形態では、ベントは圧力が(圧力現象中に)外缶の圧力制限を超えない(ボックスが破裂しない)ように構成される(サイズ及び位置)。
幾つかの実施形態では、外缶の本体は少なくとも1つのベント(vent)が配備される。幾つかの実施形態では、外缶のカバーは少なくとも1つのベントが配備される。幾つかの実施形態では、外缶の底部は少なくとも1つのベントが配備される。
幾つかの実施形態では、ベントはスコアパターンを含み、スコアは、所定の閾値圧力でスコアに沿って基板から離れて裂開/破断して圧力を開放する(そして熱現象、火災、及び/又は爆発を防止する)よう構成される。
幾つかの実施形態では、スコアは内缶の側壁に形成/配置される。幾つかの実施形態では、スコアは内缶のカバー上に形成/配置される。幾つかの実施形態では、スコアは内缶の底部上に形成/配置される。幾つかの実施形態では、スコアは外缶(容器)の側壁に形成/配置される。幾つかの実施形態では、スコアは外缶の底部に形成/配置される。幾つかの実施形態では、スコアは外缶のカバーに形成/配置される。幾つかの実施形態では、スコアは、缶が形成された後、組み立てる前に(例えば、電解質の挿入前及び/又は電気接点の取付け前)基板(例えば、内缶又は外缶)に形成される。
幾つかの実施形態では、ベント領域はフレームアレスタが配備される。幾つかの実施形態では、フレームアレスタはベント領域上に嵌合され、圧力現象時に、ベント領域が開いて(ベント領域又はスコアパターンにおいて)高温ガス(例えば、水素ガス)がベントを通して、そしてフレームアレスタを通して内缶を出るよう導かれる。幾つかの実施形態では、フレームアレスタは熱伝導性の熱交換器材料(例えば銅)を含む。幾つかの実施形態では、フレームアレスタはメッシュを含む。
幾つかの実施形態では、フレームアレスタはガス流の温度を低下/減少させる(圧力現象/ガス噴出しに伴う火炎現象において)、及び/又は火炎が電池に戻って伝播することを防止するよう構成される。
幾つかの実施形態では、(変位装置を介して)圧力現象時(例えば、熱現象及び/又は衝撃現象を介して開始された)時に電池を電気的に遮断するために、保護装置(例えば、内缶)には、電流遮断装置が配備される。
幾つかの実施形態では、変位装置はドームである。幾つかの実施形態では、変位装置は、平面(例えば、所定の閾値圧力で缶の内部から外方に曲がる/延在するよう構成される)である。いずれの構成(例えば、ドーム又は平面/底面)においても、変位装置は(変位時に)、内缶の底部と電極との間の溶接部を切り離す(disconnect)よう(例えば、圧力現象に応じて電池を電気的に遮断するために)に構成される。幾つかの実施形態では、ドームアクチュエータはカウンターシンクが配備される。
幾つかの実施形態では、内缶(スリーブ)の本体は衝撃押出しされる。幾つかの実施形態では、内缶の本体は絞りしごき加工される。幾つかの実施形態では、外缶の本体は衝撃押出しされる。幾つかの実施形態では、外缶のカバーは絞りしごき加工される。
幾つかの実施形態では、内缶の内側又は外缶又はカバー(内缶又は外缶の)の内側に耐電解質材料(例えばプラスチックフィルム)が配備される。幾つかの実施形態では、カバーはシーリングコンパウンドの層を介して本体の上端部に封止するよう構成され(例えば、電気絶縁)、これは、封止を可能/促進するが、2つの部分が電気的に接触するのを防止する。
幾つかの実施形態では、保護装置(例えば、外缶)は、仕切り壁が電池セル内の2つ以上の電池の間のセパレータとして機能するように、側壁の一方側から他方の側壁に延在するよう構成された複数のスロット付き仕切り壁を含む。
幾つかの実施形態では、仕切り壁の少なくとも幾つかは所定の位置にスロット(例えば垂直スロット)を含み、スロットは壁を貫通して壁の長さの少なくとも一部に沿って延在する。スロットを備えた仕切りは、仕切りが電池セル内の隣接する電池を互いに区分するように、互いに嵌合されて仕切りのフレームワークを生成する。
幾つかの実施形態では、仕切り壁は熱交換器として機能し、電池/内缶からの熱を除去/剥奪し、電池から熱を逃がして隣接する電池における熱現象の可能性を低減するよう構成される。
幾つかの実施形態では、仕切り壁は、垂直方向スティフナ(stiffeners)及び/又はx及びy方向を(例えば、衝撃現象/衝突時に)強化するように構成された表面機構(surface features)が配備される。幾つかの実施形態では、仕切り壁は、溶接を介して外缶(容器)の内壁に取り付けられる。
幾つかの実施形態で提供される方法は、次のステップを含む。該ステップは、金属基板を圧延して、缶本体を形成するステップを有する。このステップで形成される缶本体は、底部と、底部を囲んで底部から上方に延在する周囲側壁と、底部から略対向する方向に開放上端部とを有する。さらに方法は、電気接点/電極(例えば、アルミニウム接点)を缶底部に溶接するステップ(例えば、溶接工ホーンを用いて)と、耐電部材(プラスチック)を本体の開放上端部に配置する(例えば、本体の内壁、カバーの内部側壁(電池に近接する)をカバーするために)ステップと、電気接点を電池の中にネジ込むステップと、フォーミング加工により、電子接点の近傍位置に孔を有するカバーを本体の上端部に封止するステップと、カバーの孔を介して電解質を電池内に挿入するステップと、充電/放電サイクルを介して電池をプライミング(priming)するステップと、電解質(及び/又はあらゆるオフガス)を缶内に保持するために、電池から延在する電気接点とカバーの孔との間/周囲で、缶を(グロメットを介して)シールするステップと、電気配線(例えば、銅接続)をバスバーに取り付けるステップと、を含む。
幾つかの実施形態では、カバーが缶の側壁に接触する場合、孔周囲のスペーサグロメットを利用して、電気接続を上部から電気的に絶縁して分離する。
幾つかの実施形態では、内缶のカバーは、0.006''~0.009''の範囲の厚み(ただし、円筒体の直径次第で厚くなり得る)を有し得る。
幾つかの実施形態では、スコアパターンは、残留スコア(例えば、スコア線の下に残っていう金属の厚み)を含む。幾つかの実施形態では、残留スコアは、シート厚み(例えば、250ミクロン~400ミクロン)に基づいて75ミクロン以上190ミクロン以下である。
幾つかの実施形態では、基板(例えば、内缶のカバー、内缶の本体、外缶のカバー、外缶の本体)は、金属材料(例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金)を含む。
幾つかの実施形態では、基板(例えば、内缶のカバー、内缶の本体、外缶のカバー、外缶の本体)は、アルミニウム及び/又はアルミニウム合金を含む。基板のアルミニウム合金の幾つかの非制限的な例には、1XXXシリーズアルミニウム合金(例えば、1100)、3XXXシリーズアルミニウム合金(例えば、3003、3104、3150)、5XXXシリーズアルミニウム合金(例えば、5182)、及びその組合せが含まれる。
幾つかの実施形態では、カバーは缶本体から電気的に隔離/絶縁される。
幾つかの実施形態では、電池セルの外缶(容器)は、ダブルシーム、溶接、ヘム、シール、及び/又はそれらの組合せのうちの少なくとも1つを介して封止される。
幾つかの実施形態では、保護装置は、内缶の内容物が所定の閾値圧力に達したときに電気的に切断する(装置を切断)よう構成される。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵アセンブリは、衝突現象を受けるのに十分な剛性及び強度を有するコンポーネントで構成されており、内部エネルギー貯蔵装置を衝撃現象から保護する(例えば、電池が衝撃現象による圧力又は力を経験することを防止する)よう構成される。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、衝撃現象を受けるのに十分な剛性と強度を有して、内部電池を衝撃現象から保護する(例えば、衝撃現象から大量の力を吸収して結果として1つ以上の電池にかかる力が衝突現象の力の小部分となるよう)コンポーネントから構成される。
幾つかの実施形態では、装置は、衝突現象時にエネルギーを吸収し、内部に保持されるエネルギー貯蔵装置を保護するために(例えば、衝撃力が個々の電池に達するのを低減、防止、又は除去する)高い剛性及び強度で構成され、こうした構成は、熱剤/熱管理材料(こうした熱管理材料は、電池セル(又は個々の電池コンポーネント)が所定の閾値温度(例えば、熱現象を示す)に達する時に熱現象を低減、防止、及び/又は除去するよう構成される)に対して開放容積(例えば隙間)を提供するのに十分に設計される。
耐衝突性の基準の1つは、吸収エネルギー(EA)の量であり、距離あたりの力で定量化される(例えば、kNxm)。
耐衝突性の別の基準は、変形(又は衝突)の長さあたりの吸収エネルギーの量である、平均荷重(Pmean)であり、エネルギー(kNで測定された)を吸収するのに必要な変形(又は衝撃)のEA/長さとして定量化される。
幾つかの実施形態では、装置は50kN以上300kN以下の平均荷重を含むように構成される。幾つかの実施形態では、装置は90kN以上200kN以下の平均荷重を含むように構成される。
幾つかの実施形態では、装置は、少なくとも50kN、少なくとも100kN、少なくとも150kN、少なくとも200kN、少なくとも250kN、又は少なくとも300kNの平均荷重を含む。幾つかの実施形態では、装置は、50kN以下、100kN以下、150kN以下、200kN以下、250kN以下、又は300kN以下の平均荷重を含む。
幾つかの実施形態では、保護装置は、閾値平均荷重を促進すると同時に、エネルギー密度を最大化するよう構成される(例えば、衝撃現象/衝突の場合に)。
本明細書で使用される「エネルギー密度」とは、エネルギーシステムの単位体積あたりの、所与のエネルギーシステム(又は空間領域)に貯蔵されるエネルギーの量(例えば、有用な、抽出可能なエネルギー)のことを言う。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置はエネルギー密度を最大化するよう構成され、十分に設計される。保護装置は、電池セルが占める合計体積/空間を最小化すると同時に、衝撃現象及び/又は熱現象からの保護を促進するよう構成される。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、ラップトップで利用されることができる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、携帯電話で利用されることができる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、携帯電子機器で利用されることができる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、プラグインハイブリッド車両(PHEV)で利用されることができる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、電気自動車(BEV)で利用されることができる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、ハイブリッド電気自動車(HEV)で利用されることができる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、電力を電力貯蔵構成において貯蔵するためにグリッド貯蔵システムにおいて利用されることができる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、鉛蓄電池交換モードで利用されることができる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、自動車用スタータ、携帯型民生用電子機器、軽車両(電動車椅子、ゴルフカート、電動自転車、及び電動フォークリフト)、ツール、及び無停電電源装置で使用されることができる。
この保護装置(例えばハウジング)が利用される用途の非制限的な例には、電気自動車、ハイブリット車両、自動車装置/製品(例えば、自動車、バス、トラック、ゴルフカート、電動アシスト自転車などの電動車両)、産業、携帯型電子機器(例えば、模型航空機、ドローン、懐中電灯)、民生用電子機器(例えば、コンピューティング装置、携帯電話、タブレット、ラップトップ、電子タバコ、カメラ、カムコーダー、ゲームコンソール)、通信装置/製品、構造物及び家庭用改良機器(例えば、電力ツール、ハンドヘルド装置、ガーデニング機器、修景装置)、医療機器/装置(例えば、車いす)、航空機器/装置、軍事用途/装置、及びそれらの組合せを含む分野において、リチウムイオン電池(例えば、充電式リチウムイオン電池)が含まれる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置はパワーグリッド貯蔵システムにおいて(例えば、ピークカットアプリケーションを促進するために)利用されることができる。
幾つかの実施形態では、エネルギー貯蔵装置は、円筒形セルを含む本発明の電池アセンブリにおいて利用される。
幾つかの実施形態では、電池セルアセンブリは市販の封止されたリチウムイオン電池を利用する。こうした市販の封止された電池の非制限的な例には、18650及び183765を含む円筒形及び/又は角柱形電池が含まれる。任意の製造者又は販売者に拘束されることを望まないが、幾つかの市販のリチウムイオン電池は、限定されるものではないが、Panasonic、Sony、Sanyo、ATL、JCI、Boston-Power、SDI、LG Chemical、SK、BAK、BYD、Lishen、Coslight及びその他を含む1つ以上の事業体から入手可能である。
幾つかの実施形態では、電池セルアセンブリ(例えば、円筒形及び/又は角柱形)は、1Ah~7Ahの容量用に構成される。
幾つかの実施形態では、電池セルアセンブリ(例えば、又は角柱形及び/又はポリマー)は、15Ah~100Ah、又は最大約150Ahの容量用に構成される。
幾つかの実施形態では、電池セルアセンブリは、高いエネルギー密度を促進するよう構成される(例えば、より長い作動時間を促進する、及び/又は電池アセンブリ及び/又は電池セルの構成要素である非活性材料のkWhあたりのコストを低減するよう構成される)。
幾つかの実施形態では、電池アセンブリは、電池アセンブリを互いに及び/又は製品形態と電気的に接続させるための配線で構成される。
幾つかの実施形態では、電池アセンブリは、電池アセンブリを電池管理システム電子装置、締結構造、及び/又は冷却システムと電気的に連通させるための配線で構成される。
本明細書において以上で記載した本発明の種々の態様は、組み合わされて保護装置、保
護装置を含む電池パック、及びこれを電池パック(例えば、リチウムイオン電池パック)を用いる種々の製品形態/装置と共に用いる製造方法をもたらし得る。
本発明のこれら及び他の態様、利点、及び新規の特徴は、以下の記載によって部分的に記載され、以下の記載及び図面から当業者に明らかであり、又は、本発明を実践することで理解され得る。
図1は、保護装置がエネルギー貯蔵アセンブリ(例えば、電池アセンブリ)に配備される本開示の一実施形態を示す。
図1に示されるように、製品形態/装置10は、エネルギー貯蔵装置102を含み、該エネルギー貯蔵装置は、電気配線/接点12を介して製品/形態装置10に電力(例えば、電流)を提供することができる。エネルギー貯蔵アセンブリ100は、製品形態/装置10に又はその内部に嵌合するよう構成される。エネルギー貯蔵装置102は、製品形態/装置10(又は製品形態/装置10内の他のエネルギー貯蔵アセンブリ)と電気的に接続/連通するよう構成される。図1に示すように、エネルギー貯蔵アセンブリ100は、複数の個々のエネルギー貯蔵装置102(例えば、電池、セル、リチウムイオン部材)と、対応する電気接続(例えば、電気接点/タブはエネルギー貯蔵装置、端子、バスワーク、ヒューズ等を形成する)を保持するハウジング116とを具える。幾つかの実施形態では、保護装置200は、電流遮断装置210及び/又はベント220)のうちの少なくとも1つとして構成される。
図2は、図1の代替的実施形態であり、コンポーネントは同様であって対応しているが、保護装置がベント/ベントデバイス220を含む。
図3は、図1の代替的実施形態であり、コンポーネントは同様であって対応しているが、保護装置が電流遮断装置210、ベント/ベントデバイス220を含む。
図4は、図1の代替的実施形態であり、コンポーネントは同様であって対応しているが、保護装置が電流遮断装置210、ベント/ベントデバイス220とベントデバイス220を含む。
図5は、本開示によるエネルギー貯蔵装置の実施形態の斜視側面図である。
図6は、本開示のエネルギー貯蔵装置の代替的実施形態を示しており、ハウジングの蓋/カバーはフォーミング加工(例えば、図示のダブルシーム)を介してハウジングの本体に取り付けられている。
図7は、本開示のエネルギー貯蔵装置の代替的実施形態を示しており、ハウジングの蓋/カバーはダブルシームによってハウジングの本体に取り付けられている。
図8は、本開示のエネルギー貯蔵装置の代替的実施形態を示しており、ハウジングの蓋/カバーはフォーミング加工(例えば、スナップオン式キャップを介した機械的取り付け)を介してハウジングの本体に取り付けられている。
図9は、本開示による実施形態であり、エネルギー貯蔵装置のハウジングの封入/封止構成の幾つかの代替的実施形態を示す。図9に示される種々の実施形態は、ダブルシーム(例えば、略平坦な底部を有する本体を備えた)、ダブルシーム(略ドーム状の底部を有する本体を備えた)、段壁にレーザ溶接された蓋(例えば、蓋を支持するために本体の上部リップにノッチが形成された)、スクリーン蓋(例えば、本体に予め形成されたねじ、締まりばめ、又は、他のコンポーネント(蓋又は本体)の対応する内部側壁に結合する隆起したリッジ又は隆起したねじ山(蓋又は本体に)を介してシールを配置することによって形成されるねじを有する)、クラウン蓋クリンプ、クリンプ蓋(例えば、本体に蓋をロール成形)又は缶上のクリンプ(例えば、蓋の上に本体をロール成形)を含む。
図10は、本開示によるカソードバスバーと支持部材の平面図である。
図10は、本開示による、カソードバスバー(例えば、エネルギー貯蔵装置の下部領域に嵌合/保持されるのに十分なサイズを有する)を通るビア(vias)164を有するカソードバスバー108の平面図である。また、本開示による支持体120の代替の実施形態を示す。図10に示すように、支持体120は、交差する構成/相互接続された構成を有する一連のスラット/垂直壁として構成される。
図11は、本開示による支持体構造(support structure)の実施形態の斜視図である。
図12は、本開示に基づいて、エネルギー貯蔵アセンブリの電気配線/接続/バスワークに取り付けられるよう構成されたエネルギー貯蔵装置のアレイの実施形態を一部破断して示す斜視図である。
図13は、本開示に基づいて、支持体内に保持されるエネルギー貯蔵装置のアレイの実施形態の斜視図であり、エネルギー貯蔵デバイスは電気接続/導電タブ及びカバー/キャップを含む。
図14は、本開示に基づいて、支持体内に保持されるエネルギー貯蔵装置のアレイの実施形態の斜視図であり、エネルギー貯蔵装置は、カバー/キャップ、バスバー、及び支持側壁及び電流コレクタバー/バスバーに沿って位置する絶縁シートを含む。
図15は、本開示に基づいて、支持体内に保持されるエネルギー貯蔵装置のアレイの実施形態の斜視図であり、エネルギー貯蔵装置は、導電タブ、カバー/キャップ、バスバー、及びバスバーと電気接触するよう構成された端子を含む。
図16は、本開示に基づいて、支持体内に保持されるエネルギー貯蔵装置のアレイの実施形態の平面図であり、エネルギー貯蔵装置は、導電タブ、カバー/キャップ、バスバー、バスバー上の絶縁シートを含み、上記コンポーネントは、ハウジング内に保持され、ハウジングは電流遮断装置と端子が配備される。
図17は、図16の実施形態の斜視図であり(ハウジングと電流遮断コンポーネントは取り除かれている)、絶縁部に隣接して、支持体上に配備された端子接点を示している。
図18は、本開示の実施形態の斜視図であり、図中、ハウジングはその側壁上に電流遮断装置(図示するドームアクチュエータ)と圧力ベント/ベントコンポーネントを構成しており、ハウジングは、本開示に基づいて、アレイ内に構成されて支持体内に配置される複数のエネルギー貯蔵装置を保持するよう構成される。
図19は、図18の対応するコンポーネントを有する類似の図であるが、エネルギー貯蔵装置は、個々のコア部材を保持するよう構成されるスリーブの上端部に配置されるカバーを有する個々の封止されていないリチウムイオンコア部材に対応することに留意されたい。
図20は、本開示に基づくエネルギー貯蔵アセンブリの実施形態の分解図である。
図21は、本開示に基づく実施形態であって、ベントパネル/ベントコンポーネントにおいて利用可能なスコアパターンの種々の実施形態を示す。
図22は、本開示に基づく実施形態であって、カウンターシンクと座屈イニシエータを備えた円周方向パターンのスコアを有するベントの一実施形態の平面図である。
図23は、本開示に基づく実施形態であって、カウンターシンクと座屈イニシエータを備えた(例えば、スコア線の交差線「x」に位置する)x形状パターンのスコアを有するベントの一実施形態の平面図である。
図24は、本開示に基づく実施形態であって、円周方向パターンのスコアとヒンジを含み、両方ともカウンターシンクと座屈イニシエータが配備されたベントの一実施形態の平面図である。
図25は、本開示に基づいて、カウンターシンクを有するベントデバイスの実施形態の側面図である。
図26A、26Bは、本開示に基づく実施形態であって、前(26A)対後(26B)における圧力ベントの実施形態を示しており、結果としての開口/ベントのサイズ、変形の程度、及び結果としてのベントデバイス上にベントフラップを保持するヒンジを示す。
図27は、本開示に基づく実施形態であって、エネルギー貯蔵アセンブリの実施形態の一部を破断して示す斜視側面図と、フレームアレスタの実施形態の拡大図である。
図28は、本開示に基づく実施形態であって、エネルギー貯蔵アセンブリの一部を切り欠いて示す斜視図であり、電流遮断装置の切り欠き側面図を示す。
図29は、本開示に基づく実施形態であって、エネルギー貯蔵アセンブリの一部を切り欠いて示す斜視図であり、電流遮断装置及び圧力ベントの切り欠き側面図を示す。
図30は、本開示に基づく電流遮断装置の実施形態であり、端子、絶縁コンポーネント、及びそれらの構成を含む「外側」を示す図である。
図31は、本開示に基づく図30の電流遮断装置の実施形態であり、ドームアクチュエータ、端子、絶縁コンポーネント、及びそれらの構成の「内側」を示す図である。
図32は、本開示に基づく図31の電流遮断装置の実施形態において、ドームアクチュエータを取り除いた図であり、ヒューズを短絡させるために前方に移動する(ドームアクチュエータを介して)コンポーネントを示す。
図33は、電流遮断装置の「前」位置(作動、飛び移り座屈及びヒューズ短絡前)の実施形態を一部切り欠いて示す側面図である。
図34は、電流遮断装置の「後」位置(作動、飛び移り座屈及びヒューズ短絡後)の実施形態を一部切り欠いて示す側面図である。
図35は、本開示のレーザシーム溶接ハウジングの実施形態をコンピュータモデリングしたものを一部切り欠いて示す斜視図であり、ハウジングの壁厚は0.5mmである。ハウジング上部を変化するグレースケールで示すが、厚みが0.5mmであるアルミニウム合金溶接ハウジングのz方向(垂直方向)の相対変位は、3PSIの内部加圧(例えば、動作圧力)を受ける。
図36は、本開示のレーザシーム溶接ハウジングの実施形態をコンピュータモモデリングしたものを一部切り欠いて示す斜視図であり、ハウジングの壁厚は0.75mmである。ハウジング上部を変化するグレースケールで示すが、厚みが0.75mmであるアルミニウム合金溶接ハウジングのz方向(垂直方向)の相対変位は、3PSIの内部加圧(例えば、動作圧力)を受ける。図36のハウジングは、図35のハウジングよりもz方向の変位は小さい。
図37は、本開示のレーザシーム溶接ハウジングの実施形態をコンピュータモデリングしたものを一部切り欠いて示す斜視図であり、ハウジングの壁厚は1mmである。ハウジング上部を変化するグレースケールで示すが、厚みが1mmであるアルミニウム合金溶接ハウジングのz方向(垂直方向)の相対変位は、3PSIの内部加圧(例えば、動作圧力)を受ける。図37のハウジングは、図36及び図35のハウジングよりz方向の変位は小さい。
図38は、本開示のレーザシーム溶接ハウジングの実施形態をコンピュータモデリングしたものを一部切り欠いて示す斜視図であり、ハウジングの壁厚は1.5mmである。ハウジング上部を変化するグレースケールで示すが、厚みが1.5mmであるアルミニウム合金溶接ハウジングのz方向(垂直方向)の相対変位は、3PSIの内部加圧(例えば、動作圧力)を受ける。図38のハウジングは、図37、36及び35のハウジングよりもz方向の変位は小さい。
図39は、本開示のレーザシーム溶接されたハウジングの実施形態をコンピュータモデリングしたものを一部切り欠いて示す斜視図であり、垂直方向の剛性を備えたハウジングはz方向に延在し、3PSI(例えば、動作圧力)におけるz方向の変位の低減を促進するためにハウジングの側壁に取り付けられるよう構成される。
図40は、これらのコンピュータモデリングテストに基づいて、正規化されたボックス体積に対する正規化された圧力性能のグラフである。図40に示すように、ボックスの正規化された体積が増加すると、正規化された圧力性能が直接及び/又は比例関数関係的に(近直線的相関)低減する。
図41は、本開示の圧力ベントの種々の実施形態に基づくもので、ベント開放領域と全圧力領域との比を角度θの関数として示すプロットである。
図42は、本開示の圧力ベントの種々の実施形態に基づくもので、スコア長さとベント開放領域との比を角度θの関数として示すプロットである。
図43は、本開示の圧力ベントの種々の実施形態に基づくもので、ヒンジ長さとベント開領域との比を角度θの関数として示すプロットである。
図44は、本開示の圧力ベントの種々の実施形態に基づくもので、ヒンジ長さとスコア長さ領域との比がθの関数であるプロットである。
図45は、本明細書の実施例に従ってモデル化されたベントのパラメトリック図である。
図46は、本明細書の実施例におけるコンピュータモデリングされた2つのベントに対する変位の関数として内部圧力を示すグラフである。
図47A及び47Bは、本開示に基づく実施形態であって、圧力現象に対するエネルギー貯蔵アセンブリの応答の実施形態のコンピュータモデルの断面図に対応する。
図48は、本開示に基づく実施形態であって、圧力現象に対するエネルギー貯蔵アセンブリの応答の実施形態のコンピュータモデルの断面図に対応する。
図49は、図48で生じている現象のグラフであり、このグラフは、現象を圧力(psi)の関数としての変位(インチ)として示している。
図50は、典型的なスコアナイフ形状をパラメトリック形式で示す。
図51は、本明細書の実施例における通気テストにおいて、異なる3つの通気の伝播モードの写真である。
図52Aは、本開示に基づくエネルギー貯蔵アセンブリの実施形態を一部切り欠いて示す概略図であり、エネルギー貯蔵装置は個々の封止されていないリチウムイオンコア部材を含むエネルギー貯蔵装置内に配備/保持される。
図52Bは、本開示に基づくエネルギー貯蔵アセンブリの実施形態を一部切り欠いて示す概略図であり、エネルギー貯蔵装置内に配備/保持されるエネルギー貯蔵装置は、封止された又は封止されていないエネルギー貯蔵装置を含む。
図53Aは、本開示に基づくエネルギー貯蔵アセンブリの実施形態を一部切り欠いて示す概略図であり、エネルギー貯蔵装置内に配備/保持されるエネルギー貯蔵装置は、個々の封止されていないリチウムイオンコア部材を含む。
図53Bは、本開示に基づくエネルギー貯蔵アセンブリの実施形態を一部切り欠いて示す概略図であり、エネルギー貯蔵装置内に配備/保持されるエネルギー貯蔵装置は、個々の封止された又は封止されていないエネルギー貯蔵装置を含む。
図54は、図34~図40におけるコンピュータモデリングを介して評価されたハウジングにおけるz方向の変位を説明するために、対応する等式と組み合わされた矩形変位の概略図である。
図55は、本明細書の実施例に関連するドームアクチュエータ(電流遮断装置のコンポーネント)の実施形態のパラメトリックレンダリングを示す。
図56は、本明細書の実施例におけるコンピュータモデリングされたドーム変位に対する変位の関数としての内部圧力を示すチャートである。
次に、本開示による種々の実施例を参照しながら、1つ以上の実施形態、及び/又は添付図面をより詳細に参照する。
本開示の1又は複数の実施形態で、電池アセンブリは、誤用による故障がカスケード的な暴走につながらないように構成される。
本開示の1又は複数の態様において、エネルギー貯蔵アセンブリは、1つ以上の(例えば複数の)エネルギー貯蔵装置を収納する封止された筐体、ドームアクチュエータを備えた電流遮断装置、及び/又はフラットパネル型アクチュエータを備えた圧力ベントで構成され、パネルは隆起した円周方向溝(例えばカウンターシンク)、カウンターシンクの少なくとも一部に沿って位置するするスコアで構成され、スコアはカウンターシンク基板の厚みの少なくとも一部に延在するよう構成され、座屈イニシエータはカウンターシンク及び/又はスコアに近接して(例えば、直交及び/又は交差して)配置される。特定の機構又は理論によって拘束されることを望まないが、材料の特性と寸法は、筐体/ハウジングの封止に影響を及ぼすために選択された方法と、筐体/ハウジング内に構成される機構の関係に関する相互依存性に依存する。以下のパラグラフでは、本開示の仮定の実施例(例えば、アセンブリ及び使用方法)、コンピュータモデリングテスト、及び種々の特徴及び/又はコンポーネントについて取得された実験データを含む実施例について記載する。
<仮定の実施例(prophetic example)1:ハウジングの製造方法>
この構成では、ハウジング/筐体の本体が、フォーミング加工(例えば、絞りしごき加工)によって形成され、該本体の基部に、該基部を囲んで上方に延在する周囲側壁が形成され、内部に空間が形成される。この内部空間は、複数のエネルギー貯蔵装置を収容するのに十分なサイズである。
側壁に沿った位置(例えば、エネルギー貯蔵装置の電極リード、端子接点及び/又は電気配線から十分な距離を有する位置)において、電流遮断装置の取付け部を収容するために、ハウジング側壁の一部が取り除かれる。電流遮断装置は、ハウジングに取り付けられ(例えば、溶接、締結、接合、及び/又は固着)、ハウジングの内部環境が所定の圧力に達する/所定の圧力を超える場合に電気接点を遮断するよう構成される。電流遮断装置は、ハウジングがエネルギー貯蔵装置を収納するための封止された筐体を維持することができるようにハウジングの側壁に配備される。
一実施形態において、側壁の沿った位置(例えば、エネルギー貯蔵装置の電極リード、端子接点及び/又は電気配線から十分な距離を有する位置)において、圧力ベントを収容するために、ハウジング側壁の一部が取り除かれる。ハウジング内の封止状態を維持するために、圧力ベントは開口に取り付けられる。
別の実施形態では、十分な厚みを有する側壁に沿った位置において、ベントにはスコアが形成され(例えば、カウンターシンクと座屈イニシエータを備える)、スコアを有するベントは、スコア領域に所定の圧力が作用したときに開くように、側壁に局部的に薄い部分が形成される。
別の実施形態では、側壁の沿った位置(例えば、エネルギー貯蔵デバイスの電極リード、端子接点及び/又は電気配線から十分な距離を有する位置)において、ハウジング側壁の一部は局部的に薄く形成される。スコアを有するベントの側壁が局部的に薄く形成されると、ベントは、スコア領域に所定の圧力が作用したときに開くようになる。
代替の実施形態では、電流遮断装置と圧力ベントの少なくとも一方が、ハウジングのカバー/蓋に配備される(側壁に対向して)。
<仮定の実施例2:Li-イオンコア部材のアセンブリ方法(例えば、ゼリーロール)>
この構成では、個々のエネルギー貯蔵装置は、ハウジング内に保持され、フォーミング加工(例えば、ダブルシーム)を介して封止される。この例では、ゼリーロールがハウジング内に置かれ、電解質がゼリーロール内に挿入されて、リチウムイオンコア部材を製造するために、充電/放電サイクルを終える。リチウムイオンコア部材がプライミング(例えば、電気貯蔵、充電、及び放電操作のために構成される)されると、ハウジングの蓋がハウジング本体の開放上端部に配置され、ハウジングの上端部上の外周リップ(例えばフランジ)にオーバーラップして、対応するフランジ/リップが蓋/カバーの外周上に配置される。フォーミング加工を通して、対応するフランジが接合されてダブルシーム(例えば、層間に位置して密封封止を助けるシーリングコンパウンドを有する)が形成される。
<仮定の実施例3:ワイヤヒューズを用いてアセンブリする方法>
この構成において、個々のエネルギー貯蔵装置はそれぞれスリーブに保持され、複数のエネルギー貯蔵装置は、エネルギー貯蔵装置の周囲を封止(例えば、密閉封止)するよう構成されたより大きなハウジング/筐体にセットされる。
内缶と端部は、エネルギー貯蔵装置から出て行くために、電気接点/配線(例えば、銅リード)用の中心孔を有する内縁部と共に製造される。その後、本体とカバー(又は端部)を含む外缶(例えば、ハウジング/筐体)が製造される。
エネルギー貯蔵装置は、内缶に搭載され、溶接部(例えば、超音波溶接又はレーザ溶接)が缶の底部に隣接して配置される(例えば、溶接部がエネルギー貯蔵装置と容器との間に構成されるアルミニウム接点である場合)。電気接点/配線を上部の中心孔に挿通した後、非封止の絶縁スペーサ(例えばグロメット)を孔に挿入して電子配線/接点(銅)が金属端部(例えばアルミニウム端部)に接触することを防止する。
耐電解質基板/シート(例えばプラスチック)はその後、耐電解質基板/シートが缶の上部のフランジ上(つまり、缶の本体の上部と上端部との間)に延在するように、エネルギー貯蔵装置の上部に配置される。
缶の上部(耐電解質シートを含む)は、フォーミング加工(例えば、ダブルシーム)を介して缶の上端部に封止される。この実施形態では、装置は、シーリングコンパウンドが電解質(電池の)から保護されるよう構成される。幾つかの実施形態では、シーリングコンパウンドは、電解質に対して耐性であるので、耐電解質シートは省略される(必要としない)。
缶は、底部の開放された発泡体(foam)層の中に、各缶の底部が発泡体に対して下部が曝露されるように配置される。缶の底部をシート(例えば、アルミニウムシート)に、各溶接(例えば、超音波溶接)してバスバーとして機能させる。ここでの溶接は、缶を囲むように行われる(例えば、缶の外側上に環状形として形成される)。缶の真下はバスの孔である。絶縁シート(第1の絶縁シート)をバスの下に配置し、絶縁シートは缶の下に孔を含む。薄い導電材料(例えば、シート、ワイヤ、複数のワイヤ等)を絶縁シートの真下に配置するが、導電材料はセルのシャントオフリレーの片側に電気的に接続される。この実施形態では、薄い導電材料は、リレー接点(例えば、圧力現象時)として機能するよう構成される。別の絶縁シート(第2の絶縁シート)を配置する。ここで、シートは容器の底部全体及び発泡体層の片側上の少なくとも部分的に上方に延在するよう構成される。
封止された缶、発泡体、バス(例えば、アルミニウムバス)、絶縁シート(第1のシート)、リレー接点部材、及び絶縁シート(第2のシート)を容器(例えば、外缶)内に配置する。各電池の電気接続部から第2のバスワーク(例えば、銅バスワーク)まで、電気接点を配置する。封止された全ての缶の中心孔に電解質を挿入する(例えば、電池の中に)。複数のセルのそれぞれについて、バスワーク(例えば、電極端部に位置するアルミニウムバスワーク及びバスワーク)への電気接点を配置する。
充電及び放電サイクルを介して電池製造を行う。内缶の蓋のビアを封止する(例えばシーリンググロメット)。バスをセル接点に接続してリレーを加え、リレーを銅バスとリレー接点部材に接続し、外缶を封止する(例えば、フォーミング加工、例えばダブルシームを介して)。
<仮定の実施例4: エネルギー貯蔵アセンブリの使用方法>
エネルギー貯蔵装置は、封止されたハウジングが配備され(例えば、金属基板、アルミニウム合金からなる)る。複数のエネルギー貯蔵装置をハウジング(例えば、本体とカバー)内に封入し、エネルギー貯蔵装置と製品形態/装置との間で電気的連通を可能にする。エネルギー貯蔵装置は、図示かつ記載するように、電流遮断装置と、図示かつ記載するように圧力ベントとで構成される。
エネルギー貯蔵装置の動作中(例えば、充電、放電、充電の貯蔵/維持)、エネルギー貯蔵アセンブリは、エネルギー貯蔵装置及び他の内部機構(例えば、電気接続、バスワーク、支持体等)を動作圧力(P1、例えば範囲)で保持するよう構成される。動作中、エネルギー貯蔵装置は、製品形態/装置及び/又は他のエネルギー貯蔵装置と電気的接触/通信するよう構成されることができる。あるいは、動作中に、エネルギー貯蔵装置は、充電、放電、又は部分的に充電され、一定期間貯蔵されることもできる。
動作中、エネルギー貯蔵アセンブリの内部圧力が動作圧力を超える圧力P2に達する場合/とき、エネルギー貯蔵装置に配備された電流遮断装置は、エネルギー貯蔵装置の電流を遮断するよう構成される(例えば、1つ以上のエネルギー貯蔵装置が他のエネルギー貯蔵装置及び/又は製品形態/装置と電気的に繋がることがないようにする)。
動作中、エネルギー貯蔵アセンブリがP2を超える内部圧力P3に達する場合/とき、ハウジング内に配備された圧力ベントが開いて加圧ガスをハウジングの内側から開放する。
<仮定の実施例5: 電池アセンブリの使用方法>
電池アセンブリを動作圧力(P1、例えば0~5PSIの範囲)で動作させ(例えば、充電、放電)る。この電池アセンブリは、製品形態及び他の電池アセンブリのうちの少なくとも1つと電気的に繋がるよう構成されており、電池アセンブリの内部圧力が動作圧力を超えるP2(例えば、15~25PSIの範囲)に達するときに、製品形態及び他の電池アセンブリのうちの少なくとも1つの電気的連通を切断し(例えば、切断は電流遮断装置によって達成される)、電池アセンブリの内部圧力がP2を超える圧力P3(例えば、35~45PSIの範囲)に達するときに、電池アセンブリのハウジング内に形成されたベントを介して電池アセンブリを通気し(例えば、通気は電池アセンブリのハウジング上に位置するベント領域の環状カウンターシンク内に位置する半円形スコアベントを介して行われ、電池アセンブリは複数のリチウムイオンコア部材を収納するよう構成されている)、圧力がP4に達し(例えば、50~60PSIの範囲)、P4がP3(例えば、ボックスが構造的完全性を維持しつつ耐えることができる上限圧力)よりも大きいとき、ベント構造(例えば、閉塞された筐体、溶接シーム、又は蓋の本体への取付け部)を介して電池アセンブリを通気する。
<実施例6: 封止されたハウジングの加圧条件下での変位>
加圧がどのように封止されたハウジングに影響するかを理解するために、幾つかのコンピュータモデルを生成して、動作圧力(例えば、最大3PSI)における封止されたハウジングの変位を調べた。図35~図40を参照すると、シーム溶接されたハウジング構造について、厚みが異なる(例えば、0.5mm、0.75mm、1mm、及び1.5mm)ハウジングを準備し、変位を理解するために動作圧力(例えば、3PSI)の一般的範囲の上限に向けてモデルした。図34~図39は、変化する変位がグレースケールで示されており、図40は、正規化されたボックスの体積に対する正規化された性能圧力の関係を示す。壁の厚みが増大すると、z方向で観察される変位量が低下する。
特定の機構又は理論によって拘束されることを望まないが、z方向の増大量は、ハウジングの長さと幅、上部の厚み、及び容器壁への上部閉塞体の接合方法の関数であると考えられる。
特定の機構又は理論に拘束されることを望まないが、矩形容器について、平面寸法(蓋の長さ及び幅)が大きくなると、動作圧力における変位制限を満たすために蓋(又は本体)はより厚く、又は幾何学的に剛性となる必要があると考えられる(例えば、図54に記載される方程式に基づき)。図54に図示するように、圧力荷重を受ける矩形プレートの最大撓みについて、撓みは固定された境界寸法の厚みの3乗の逆数である。さらに、撓みは、名目上、プレートの長さ寸法の3次関数である。
さらに、境界における応力は、厚みの2乗の逆数であり、これは、容器のシーリングジョイント部/領域における応力を低減するという利点がある。
特定の機構又は理論に拘束されることなく、変位は、垂直方向の補強リブ/垂直方向に構成された支持体を利用して図54の式におけるa寸法又はb寸法を短くし、容器/ハウジングの圧力プロファイルに対する変位に確実に影響を及ぼすことで、低減することができる。(図40を参照)
<実施例7: 封止されたハウジング/筐体を高圧で測定された変位>
高圧(例えば、>3~50PSI)に比べて通常の動作圧力(例えば、0~3PSI)における密封封止されたボックスの膨張をより理解するために、異なる壁厚を有する電池アセンブリのハウジングにおいて一組の実験を行った。ボックスにおける内部圧力の関数として変位を測定した。2つの異なる壁厚を評価したが、ハウジングは0.8mmの厚み(試験#1の「缶1~缶4」)、又は1.5mmの厚み(試験#2の「缶5~缶8」)を含んでいた。あるいは、ハウジングは、同一の設計基準を共有しており、これは、基部厚みが1.5mm、蓋厚みが2mm、そしてボックスの基部寸法が175.2mm x 118.69mm x 56.06mmであった。ハウジングは、3003-H14アルミニウムで作成された。製造したハウジング上のレーザ溶接密封封止部を、製造した本体の「缶全体のヘリウム漏れ試験」を介して評価したところ、全てのハウジングが合格であった。缶には、完全に封止された窒素ガス入口を装備した(窒素ガスを封止されたハウジングに入れて内部圧力を高めるために)。
加圧前に、ハウジングそれぞれの形状を測定した。その後、ハウジングを、ドロップ表示器を装備したステンレス鋼ケージ内に2軸の固定位置に位置付けて保持した。ドロップ表示器は、増加圧力の関数としてZ軸変位を測定するために、ハウジングの上部と接触させた。底部プレートが1.5mm、上部プレートが2mmであるため、試験中のサイズ膨張による不均衡な形状によるあらゆる潜在的な寄与を最小とするために、ハウジングを底部プレートを上方に向けて配置した。
試験中、ハウジングを3psi(P1)まで加圧して、2分間この圧力を保持し、その後、2分間10psiで加圧した。この順序、加圧と2分間の保持を、実験の上限である50PSIに達するまで5PSIの増加で続けた。50PSIの上限は、蓋試験計画に基づいた。ドロップ表示器からの示度を記録するために、ケージの前面に配置されたカメラを介して測定値を取得した。
任意の特定の機構又は理論によって拘束されることを望まないが、3PSIにおいて、複数の活性((例えば、充電、放電、動作)リチウムイオン電池を収納する電池アセンブリに対して考えられる典型的な内部動作圧力の上限についても追跡した。
3PSIにおいて、0.8mmの壁厚を有する4つ全ての缶における最大変位は1.016mmであった。壁の薄い缶の3PSIにおける最小変位は0.457mmであった。壁の薄い缶の3PSIにおける平均変位は0.9335mmであった。
缶#1について、3PSIにおける変位は1.016mmであり、上限50PSIにおける合計変位は12.167mmであった。缶#2について、3PSIにおける変位は1.397mmであり、上限50PSIにおける合計変位は15.570mmであった。缶#3について、3PSIにおける変位は0.864mmであり、上限50PSIにおける合計変位は14.605mmであった。缶#4について、3PSIにおける変位は0.457mmであり、上限25PSI(溶接問題によるものと考えられる早期故障前)における合計変位は9.017mmであった。
上限50PSIにおいて、3つの缶(#1~3)の最大の全体変位は15.570mmであり、最小変位は12.167mm、平均変位は14.114mmであった。0.8mmの厚みを有する4つの缶/ハウジングのうちの3つが50PSIの加圧に耐えた。上記の通り、1つのハウジング、缶#4が溶接問題のために早期に故障した。したがって、十分なシーリングを有する/厚みが0.8mmである壁を備え適切に溶接された本体を有する電池アセンブリは、長時間(つまり、2分)における50PSIの加圧において構造的に健全である/加圧に耐えることが観察された。
3PSIにおいて、1.5mmの壁厚を有する4つ全ての缶における最大変位は0.813mmであった。壁の厚い缶の3PSIにおける最小変位は0.457mmであった。壁の薄い缶の3PSIにおける平均変位は0.6415mmであった。増加加圧における変位の結果を以下の表2に示す。
缶#5について、3PSIにおける変位は0.457mmであり、上限50PSIにおける合計変位は10.414mmであった。缶#6について、3PSIにおける変位は0.813mmであり、上限50PSIにおける合計変位は11.582mmであった。缶#7について、3PSIにおける変位は0.737mmであり、上限50PSIにおける合計変位は10.795mmであった。缶#8について、3PSIにおける変位は0.559mmであり、上限50PSIにおける合計変位は10.668mmであった。
50PSIの上限において、4つの缶(#5~8)の最大の全体変位は11.582mm、最小変位は10.414mm、そして平均変位は10.865mmであった。1.5mmの壁厚を有する4つの缶/ハウジング全てが50PSIの加圧に耐えた。したがって、十分なシーリングを有する/厚みが1.5mmである壁を備え適切に溶接された本体を有する電池アセンブリは、長時間(つまり、2分)における50PSIの加圧において構造的に健全である/加圧に耐えることが観察された。
3PSIにおいて、側壁の厚みを0.8mmから1.5mmに増加すると、最大変位が19.98%低下し、最小変位は同一のまま、平均変位が31.28%低下することが観察された。
50PSIにおいて、側壁の厚みを0.8mmから1.5mmに増加すると、最大変位が25.61%低下し、最小変位が14.41%低下し、そして平均変位が23.02%低下することが観察された。
増加加圧結果(例えば、表1及び2のデータ)の評価において、側壁の厚みを0.8mmから1.5mmに増加することで、平均増加値が21.27%低下することが観察さ
れた。
<実施例8: 平らなスコアが形成されたアルミニウム合金ベントの通気テスト>
一連の座屈実験を平らなシート(カウンターシンクがなく、バッキングイニシエータがない)上で行った。平らな円形シート上で9回の通気テストを行ったが、各シートは、ヒンジを画定する非スコア領域を有する円周方向/楕円形スコアで構成した。スコアをパネル(カウンターシンクなし)上に直接載置した。31.75mmの丸いディスクサンプルを、所望の残留スコアを満たすようにストロークを制御したシングルアクション機械プレスで生成した。AA3104材料をスコアベントに対して使用した。材料の厚みは250ミクロン、残留スコアは50ミクロンであった(38~60ミクロンの範囲)。
溶接された状態をシミュレートするために、ワッシャを使用し、スコアが形成されたディスクを平らなプレートにクランプすることによって、サンプルを試験した(例えば加圧)。通気が生じるまで、ワッシャ(ディスクそれぞれの表面上の)上の孔を通して作動するよう構成された加圧機器を介してサンプルを加圧した。実験は、(最初は)90~100PSIで通気を提供するよう設計され、通気開始を低圧に下げるためにファクタを変更したところ、この一組の実験において、通気が開始する圧力は70PSI以上であった。テストの結果を下記表3に示す。
9回の試験を行ったが、それぞれの試験において、ベントは圧力を65psi以上に保持した。全てのケースにおいて、スコアベント上及びスコアベントに沿って通気を観察した。平均通気圧力は75.6psiであった。残厚の変更は必ずしも通気圧力と直接的関係(例えば、有意な制御を提供する)を有するわけではなかった。いずれの理論の機構にも拘束されないが、これは、スコア(ベント)をパネル上に直接配置したことと、パネル直径が比較的小さいため(以後のテストと比べて)であったと考えられる。
9回の試験のうちの1回については、銅メッシュフレームアレスタをベントの内側に配置したことに留意されたい。通気圧力(約70psi)では、フレームアレスタはそのまま、例えば、その位置から移動したり、ベントを吹き抜けることはなかった。
特定の機構又は理論に拘束されることを望まないが、座屈圧力は、シェル/ディスクの直径及び/又は他のコンポーネント(例えば、パネルの深さ、カウンターシンク、材料の強度、材料選択等)に関連すると考えられる。特定の機構又は理論に拘束されることを望まないが、通気圧力を満たすために必要な残留スコアは、スコア設計と材料の厚み及び強度との関数である考えられる。
<実施例9: カウンターシンクを有するスコアベントによる圧力通気>
スコア構造と、加圧及び結その結果としての圧力ベントの通気に対する制御を評価するために、一連の実験を異なるスコア特徴を有する幾つかのシェルに対して行った。設計パラメータそれぞれについて、ベント構成変更の性能/影響を適切に比較するのに十分なサンプルサイズを有するよう、5回以上で最大10回の試験を、異なる各構成について行った。ベント構成及びその結果としてのシェル/ディスクにおける通気伝播の影響をよりよく理解するために、実施例8で利用されたのと同じ加圧機器をこれらのテストでも利用した。
スコア形状の構成の評価では、y形状スコア、直線スコア、及び円周方向スコアの3つの形状を評価した。
スコア位置の構成の評価では、円周方向のスコアをカウンターシンク内と直接パネル上とに載置した。
スコア位置の構成(つまり、ハウジングの内側又は外側に位置する)の評価では、スコアをパネルの内側と外側とに載置した。
スコアとヒンジの比の構成の評価では、種々の試験を終えてからカウンターシンク内の円周方向スコアを有するヒンジサイズを評価した。
スコア開始部位の構成の評価では、円周方向のスコアを、座屈イニシエータ有り及び座屈なしで評価した。このテストでは、座屈イニシエータを用いる場合、座屈起動装置をヒンジに対向して配置し(例えば、ヒンジから180度)、蓋の表/シェル外側に設定されたスコアとして構成した(例えば、ハウジングの外側/外方に面した部分として構成する)。
これらのテストそれぞれにおいて、材料の種類/組成、強度、及び厚みを、圧力ベントが約85~90psiの範囲で通気するよう構成されるように選択した。各試験において、スコアを同一のスコアナイフ、スコア手順、及び同一の残厚で構成し、各サンプルについて、結果としての「通気現象」(例えば、開始部位、伝搬等)を加圧後に評価し得るように通気の設計を行なった。
通気するための種々の構成を設計したが、構成の多くは繰り返し及び連続しては通気しなかったことに留意されたい。一部の例では、ベントは、ベントに十分な開口を生成して加圧ガスを開口を通過するよう導くのに十分には伝播しなかった。別の例では、ベントはベントシェル/サンプルに伝播し、エネルギー貯蔵装置と組み合わされて使用された場合、裂開したベント基板は、隣接するエネルギー貯蔵装置、電気部品、又は製品形態又は装置の感応性コンポーネントに近接して鋭い縁部を生成する。一部の例では、ベントが伝播し過ぎ、サンプルから完全に取り外されたベント基板/シェルの独立した部分となる(例えば、これは、エネルギー貯蔵装置の動作状態中の推進を生じ得る)。一部の例では、ベントはスコア線で開始するが、スコアから逸脱し、代わりにベントの非スコア部に伝播する(例えば、サイズが異なる結果としてのベントを生成する)。
結果の評価において、スコア(及びヒンジ)が隆起した円周方向溝(例えば、カウンターシンク)内に配置された円周方向形状スコア(非スコア部分は残した)は、一貫して繰り返し可能で、精密かつ正確なベントを生成するよう構成されていると判定した。具体的には、この構成は、(1)一貫したベントサイズ、(2)一貫した通気路(例えば、スコア線に沿っており、経路から逸脱しないし、ヒンジ内に伝播しない)、(3)スコアの高速通気(伝播の終了時に、座屈イニシエータにおけるベントの開始からベントの終了までで測定される短時間)、及び(4)結果としての取り付け領域(例えば、シェル/基板の外縁部)に影響を及ぼさない、という結果をもたらした。さらに、ベント構成に座屈イニシエータを含めることにより、スコアライン上の所定の位置におけるベント部位の起動を促進して(例えば、加圧時のパネル応力の高まりを受けるための部位としてのその構成を介して)、ヒンジがそのままとなり(例えば、通気フラップがベント基板上に保持される)、スコアが規定した/設計した経路(例えばスコア線)に沿って伝播して、高速の通気を達成するのに十分にサイズのベントであることが分かった。
これらに試験に基づき、ヒンジを備え、カウンターシンク内に位置する円周方向スコアの評価を実施した(例えば、実施例10)。
<実施例10: 円周方向カウンターシンクのコンピュータモデリングテスト>
有限要素モデルを生成して、ディスク/ベント構造の性能及び通気特徴における、直径、材料強度、ベント厚み、及び残厚の影響及び関係性について判定した。より具体的には、ベント特徴における変数及びその座屈圧力への影響を評価するために、溶接された端部を有する円周方向カウンターシンク(スコアなし)を備え、加圧を受けるベント基板(例えば、AA3003 H14)においてコンピュータモデリングテストを実施した(スコアがないため通気なし)。
この実施例において、特定のファクタ(例えば、材料の直径、厚み、及び強度)を変更することで、ベントを約40PSIの閾値で座屈するように設計した。これらのパラメトリック調査の目的は、半径、半径深さ、及びカウンターシンクの深さがベントの性能上に有する影響を理解することであった。図45を参照すると、このモデリングシリーズにおいて、R1(例えば、半径、又はパネル半径)、H1(例えば、パネル深さ、又は半径深さ)、及びH2(例えば、カウンターシンクの深さ)を、座屈圧力における影響を理解するために変更した。この一連のFEM分析において、D1、D2、D3、R2、R3、R4及びT1(図45に図示)は、一定に維持した。具体的には、D1及びD2は同一(D1-D2=0)、1.1275''であり、D3は1.3000''、R2=R3、0.0250''であり、R4は0.200''、T1は0.0100''であった。R1、H1及びH2(インチ)の変化及び結果としての座屈圧力(psi)について以下の表4に記載する。
表4を参照すると、カウンターシンクの深さの変更は、約7psiの座屈圧力の差となり、半径の深さ又はパネルの半径の変更による座屈圧力の変化は小さかったことがわかる。
図46を参照すると、このベント座屈テストからの2つの比較実施例が、ベント中心線変位(インチ)による内部圧力(psi)として示される。ベント座屈テスト#2では、パネル半径は0.0450インチ、パネルの深さは0.0500インチ、カウンターシンクの深さは0.0600インチ、そして座屈圧力は30.2psiであった。ベント座屈テスト#12では、パネル半径は0.0450インチ、パネルの深さは0.0700インチ、カウンターシンクの深さは0.0800インチ、そして座屈圧力は39.9psiであった。この比較例では、両サンプルとも座屈したが、テスト#12は飛び移り座屈を呈したことからより良好に実施された。
特定の論理又は機構に拘束されないが、飛び移り座屈はスコア線を断絶/穿孔するのに必要な歪みエネルギーを提供すると考えられる。例えば、ID#2では、測定した性能の第1の部分(例えば、一般的に、材料の可塑性によると考えられる)についてはID12と近似するが、約20PSIでは両試験は異なる経路に沿って向けられる。ID#2に関しては、サンプルは変位が増加するとさらなる加圧を受けるため、変位が続く間圧力レベルは外れる。一方、ID#12は、~40psiで限られた変位0.075を有する初期塑性を受ける(ID#2と比較すると、ID#2は0.16インチで40psiに達する)。
<実施例11: ベント変化についてのコンピュータモデリングテスト>
図41~図44は、スコアベント部と非スコアヒンジ部を装備された円周方向カウンターシンクを有するベント構成のコンピュータモデリングデータを示す。これらのプロットはこの特定の構成を示しており、ベント圧力領域(A1+A2)に対するベント開口領域(A2)の比、ベント開口領域(A2)に対するベントスコアの長さ(L)の比、ベント開口領域(A2)に対するヒンジの長さ(c)の比、及びスコアの長さ(L)に対するヒンジの長さ(c)の比の間の関係性を以下に提供する。図に示すように、プロットは、90~120度の角度(θ)を提供する。また、プロットに提供されるように、この特定の構成について、スコアの長さに対するヒンジの長さの比は、約0.2~0.65の間で変化する。
<実施例12: 電流遮断装置のドーム(アクチュエータ)におけるコンピュータモデリング>
有限要素モデルを生成して、電流遮断装置のドームコンポーネント(アクチュエータ)の性能及び変位/飛び移り性能特徴について、直径、材料強度、ベント厚み、及び残厚の影響及び関係性を判定した。この一連のFEMモデルについて、ドーム作動を、電流遮断装置の他のコンポーネントが存在しない状態において評価した。
図55を参照すると、この一組のFEM実験では、D1、R1、R2及びH1を変更した場合の座屈圧力への影響を理解するために、これらのテスト中、D2、D3、D4、D5、R3、R4及びR5は一定に維持した。また、D2-D3=0であり、D2及びD3は1.1275インチ、D4は1.2175インチ、D5は1.3000インチ、R3=R4で0.0250インチ、R5は0.200インチ、H2は0.0600インチ、そしてT1は0.0100インチであった。以下の表は、23回の試験においてD1、R1、R2及びH1を変更したときの座屈圧力における影響を示す。ドーム座屈についての表5を以下に示すが、表5は、D1、R1、R2及びH1パラメータの間の変化とその結果の座屈圧力を提供している。
パラメータ(例えば、パネルの深さ、カウンターシンクの深さ)の変更は、ドームアクチュエータが電気的用途で利用され、これらの機器の内部機関が一定の公差を必要とする仮定に基づく。特定の機構又は論理に拘束されないが、材料の間のアークを防止するために、作動前のドームの端部と、ドームが形成するコンポーネントが作動した(最終の)位置における接点との間の、製品形態内の最小距離は、少なくとも4mmであると考えられる。(少なくとも、ドームと通電する接点のうちの一方)
図56を参照すると、ドームアクチュエータの飛び移り座屈の一例を示すグラフが提供されるが、このグラフは、ID#19の圧力(psi)の関数としてドーム変位(インチ)を示す。図56に示すように、圧力が20psiに向かって増加するにつれ、ドームの中心においては大きな動き(変位)はない。20psiの閾値に達すると、飛び移り座屈が生じ、0.16インチのほぼ瞬間的な変位(例えば、大気中の音速と類似の速度で)が生じる。ドームアクチュエータが完全に反転すると、さらなる明らかな変位は生じないが、ドーム(例えば、その作動位置にある)は、圧力が増加し続けるならば、ハウジング134の圧力の保持/密封封止を維持し続ける。
<実施例13: 加圧を受けるエネルギー貯蔵装置についてのコンピュータモデリング>
エネルギー貯蔵装置のコンポーネントにおいて増大する圧力を評価するために、エネルギー貯蔵装置の全体についてコンピュータモデリングを実施した。エネルギー貯蔵装置は、例えば、ハウジング(例えば、ハウジングの材料、強度、厚み、形成)、電流遮断装置(例えば、ドーム作動、ヒューズ切断)、及び圧力ベント(例えば、圧力の維持、座屈開始、スコア伝播、ベントのサイズ)を含む。
図47A及び図47Bは、それぞれ、本開示によるエネルギー貯蔵装置のハウジングを、コンピュータモデリングされる「前」及び「後」の切り欠き側線図である。
図47A及び図47Bに図示するように、側壁134は、カウンターシンクとスコアと共に、電流遮断装置240のドーム(アクチュエータ)242及びベント220を収納するよう構成される。
図47Aに示すように、ハウジング内の動作圧力の標準範囲内の動作位置に応じて、(1)ドーム242はその凹部にあり、(2)ベントはその元の(例えば、非穿孔又は非通気)位置にある。これに対して、図47Bは、図47Aと同一であるが異なる圧力状態の図を示す(例えば、ドームアクチュエータ及びスコアベントの圧力上限を超える)。図47Bに示すように、ドームは飛び移り座屈を受け、ベントは座屈開始のスコア穿孔を受け、その結果、ベントデバイス/コンポーネントにベントの伝搬がもたらされる。
図48を参照すると、エネルギー貯蔵装置の一実施形態における、異なる(増加する)圧力での加圧現象が図示される。図49を参照すると、貯蔵装置の構成(例えば、図48の(1)~(4))は、プロット上の現象として示され、ドームアクチュエータの中心線とベントの変位(インチ)を圧力(psi)の関数として示す。
図49を参照すると、(1)は、エネルギー貯蔵装置の実施形態の通常の動作圧力(例えば、0~5psi)を僅かに上回る逸脱に対応する。図48の(1)に図示するように、ドームとベントデバイスは僅かに移動した。
図49を参照すると、(2)は、通常動作圧力(例えば、CID内)又は圧力ベントを僅かに上回って逸脱する、通常の動作圧力(例えば、約15-17psi)を十分に上回り、ドームアクチュエータ作動/CID作動)及び/又は圧力ベント)の任意の動作前の圧力に対応する。図48の(2)に図示するように、ドームとベントデバイスは共にさらに移動した。
図49を参照すると、(3)は、圧力ベントがそのままである間にドームアクチュエータが反転(例えば、飛び移り座屈)を受ける圧力閾値に対応する。図48の(3)に図示するように、ドームが反転/作動し、ベントデバイスはさらに移動した。
図49を参照すると、(4)は、圧力弁が開く(例えば、スコア線に沿って開口を伝播させる座屈現象を介して)圧力閾値に対応する。図48の(4)に図示するように、ドーム(反転/作動位置)が再び移動してベントデバイスが開いた。
<実施例14: フレームアレスタテスト>
実施例8で簡単に説明したように、フレームアレスタをスコアベントシェルアセンブリに応じてテストし、約70psiで通気するよう加圧した。フレームアレスタはベントの基部に固着された30メッシュの銅線とした。通気時、フレームアレスタを所定の位置に維持した。この試験において、通気ガスは可燃性がなく、腐食種を含まなかったことに留意されたい。フレームアレスタの評価において、フレームアレスタは、ベントが圧力を受けて開いたときにベントを裂開したり、ベントを吹き抜けることはなかった。しかし、選択されたメッシュは、代わりに行なった天然ガス及びプロパン両方を用いたフレームアレスタとしての試験には成功した。
<実施例15: スコアナイフのコンピュータモデリング>
図50は、典型的なスコアナイフ形状をパラメトリック形式で示す。図50に示すように、開力又は圧力は残留スコアに直接関係する。本開示の1つ以上の実施形態において、ベントコンポーネント上に特に構成されたスコア部分を提供して所定の閾値を上回る加圧時に通気を提供するために、スコアナイフ(及び/又はスコアプロセス)を変えてもよい。
残留スコアは、所望の用途を達成するのに適切な量の材料を提供するよう構成される。残留が多すぎると、開力又は圧力が高くなり得る。深さが浅すぎると、印加された圧力に耐えるのに必要なベントの強度が小さくなり得る(そして、早期に通気し得る)。
スコアナイフの抜き勾配は、結果としてのスコアにおける所望の用途を達成するのに適切な角度を提供するよう構成される。例えば、抜き勾配が小さすぎると、ナイフの下にひびが形成され、ベントコンポーネント内の結果としてのスコアにおけるリークにつながり得る。抜き勾配が大きすぎると、形成負荷が高まり、スコアラインの画定が不良となり得る。
本開示の1つ以上の実施形態において、図50に示すように、スコアはのみのような形状(例えば、鋭角ではなく半径を有する)を有するスコアナイフによって生成される。
<参照符号>
製品形態/装置10
電気配線及び接続12
積層シェルフ154(例えば、電池アセンブリを隣接させて/互いに垂直に積層して配置するために)
エネルギー貯蔵アセンブリ(例えば、マルチコアアレイ、エネルギー貯蔵装置)100
エネルギー貯蔵装置(例えば、リチウムコア部材、リチウムイオンセル、平坦積層部材、エネルギー貯蔵部材)102
導電タブ(カソード)104
導電タブ(アノード)106
カソードバスバー108
開口(例えば、コア部材スリーブがカソードバスバー内に嵌合、位置するように構成された)164
アノードバスバー110
負極端子112
陽極端子114
ハウジング/容器(例えば、マルチコア筐体)116
支持体120
円筒形空洞(例えば、支持体内に位置する)122
開口126
共有環境128
電池セル/リチウムイオンコア領域118
スリーブ(リチウムイオンコア部材/電池セルを保持するための)121
封止されたスリーブ/スリーブ上の封止部(リチウムイオンコア部材を封入するための)103
開口126
電池セル上部キャップ170
電池セル底部キャップ172
モノシリック空洞ライナー
基板130
カバー/蓋132
本体134
底部136
側壁138
取り付け装置(例えば、カバーを本体に取り付ける)140
シーム(例えば、フォーミング加工により形成される)144
溶接部142
取り付け領域(例えば、本体の上部リップ)148
機械的取り付け(例えば、のり、ボンド、接着剤、ねじ、スナップ)
本体への取り付け領域(例えば、フォーミング加工を介した、局部的に薄い上部リム/上部リップ)160
カバーへの取り付け領域(例えば、フォーミング加工を介した、局部的に薄い外周縁部)162
カバーシーラント(例えば、フォーミング加工を介した封止筐体/クロージャの生成を支援する)156
カバー内の孔/ビア部分(例えば、電池を保持するよう構成され、電池の電解質充填とカバーから上方に延在する電気接続/配線を可能にするよう構成された)152
カバー内の孔用プラグ(例えば、金属ボール、プラグ、ガスケット、又はシール)162
フレームアレスタ260
ベント領域222(例えば、ベントとベント取り付けコンポーネント、あるいは、通気のために構成された容器本体内の局部的に薄い領域)
ベント220
スコア/スコアパターン/スコア線224
カウンターシンク226
座屈イニシエータ228
ベントパネル230
ベントリム232
ヒンジ234
ベント取り付けコンポーネント236
溶接部238
ガスケット/ボンド/のり239
電流遮断装置240
可撓性部材(例えば、ストリップレバー/脚部)244
レバー/脚部/可撓性ストリップ用の接続部材248
ヒューズ250
ヒューズ上のブリッジ254
短絡回路/ヒューズの断絶252
ヒューズ絶縁体ホルダ246
ヒューズ絶縁体258
ヒューズホルダ256
リベット168
絶縁体封止リング166
振動シート212
絶縁シート210
変位装置(例えば、ドーム)242
仕切り壁(例えば、ハウジング内に構成された電池セル間の)300
エネルギー吸収材料130
本発明の種々の実施形態を詳細に説明するが、これらの実施形態の修正及び改変に当業者が想到することは明らかである。ただし、こうした修正及び改変は、本発明の趣旨及び範囲内であることは明確に理解される。