JP7407180B2 - 側部破裂の影響を低減するための積層物を有するバッテリーパックおよびその製造方法 - Google Patents

Description

［関連出願の参照］
本出願は、２０１８年６月１５日に出願された米国特許出願第１６／００９，２６８号の優先権および利益を主張するものである。上述の出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に電気化学セルを含むバッテリーパックに関し、より具体的には、個々のバッテリーセルを分離するための分離部材を含むバッテリーパック、およびそれを製造する方法に関する。

本節の記述は、本開示に関連する背景情報のみを提供するものであり、先行技術を構成するものではない。

電気自動車の技術が進化し続けるにつれて、このような車両のための改善されたバッテリーシステムおよびモジュールを提供する必要性がある。バッテリーモジュールまたはバッテリーパックは、電池ケーシング内に密に充填された複数の電気化学セルを含み得る。

密に充填されたバッテリーセルの構成は、バッテリーシステムが損傷したときにどのように反応するかに影響し得る。いくつかの構成では、一つのセルが衝撃によって損傷すると、熱暴走プロセスがセル内で発生し、急速に上昇する圧力が発生する可能性がある。状況によっては、圧力スパイクがセルの密封された内部体積を破裂させ、火災につながる可能性がある。バッテリーパック内の個々のセルが過熱または火災を引き起こすと、隣接するセルで同様の反応を引き起こす可能性がある。

熱暴走伝播を低減する一つの方法は、セル間にエアギャップを提供することである。空気は良好な絶縁体であり、一部の用途には適しているかもしれないが、改善の余地がある。例えば、いくつかの用途における熱暴走プロセス中、数リットルの可燃性ガスが数秒間にわたってセル内で生成され得、エアギャップは熱暴走伝播を防止するのにそれほど効果的ではない場合がある。

熱暴走伝播を低減する別の方法は、各セルに破裂ディスクを提供することである。圧力除去装置としての破裂ディスクは、特定の圧力に達したときにセルから内部圧力を解放するために、セルの端に提供される。しかしながら、セルが横で破裂するいくつかの構成では、セルの内部圧力は、隣接するセルに向かって横向きにブロートーチ現象をもたらし得、その結果、隣接するセルの熱暴走および側部破裂をもたらし得る。

とりわけ、バッテリーセルの熱暴走および側部破裂に関するこれらの問題は、本開示によって対処される。

一つの形態では、複数のバッテリーセルを分離するための分離部材が提供され、複数の第一の壁および第一の壁の厚さよりも大きい厚さを有する複数の第二の壁を含む。分離部材は、折り畳み（つぶれた）状態から拡張状態に拡張可能である。分離部材は、折り畳み状態のプレート構成を有し、拡張状態のユニットセルを含むハニカム構造を有する。複数の第一の壁および複数の第二の壁が、一緒に（共同して、連帯的に）ハニカム構造の複数のセルユニットを画定する。本開示のさまざまな代替形態において、複数の第一および第二の壁がそれぞれ、積層構造を含み、第一の壁がそれぞれ、第一の積層物を含み、第二の壁がそれぞれ、一対の第一の積層物と、その間の接着セクションとを含み、第一の積層物が、コア層およびコア層の両面上の一対の外側層を含み、コア層が、金属シート、紙シート、難燃性樹脂で織られた炭素繊維からなる群から選択され、外側層が、雲母、難燃性樹脂、誘電体材料からなる群から選択される材料から作製され、ハニカム構造のユニットセルのそれぞれは、六角形の断面を有し、第一の壁のうちの四つおよび第二の壁のうちの二つによって画定され、複数の第二の壁が、ハニカム構造において互いに平行であり、第一の壁の隣接する壁は、ハニカム構造の角度１２０°を画定する。

別の形態では、バッテリーセルの群を受容するための複数の空洞を画定する複数の壁を含む、バッテリーパック内の個々のバッテリーセルを熱暴走から保護するための構造が提供される。各群は、一つの空洞に配置される。複数の壁はそれぞれ、コア層およびコア層に対向する外側層を含む積層構造を含む。外側層は、低誘電率を有する難燃性材料を含む。本開示のさまざまな代替形態において、積層構造が、金属層と、金属層の両面上に配置された雲母層とを含み、積層構造が、難燃性材料によって含浸された紙シートと、紙シートの反対側の表面上の一対の難燃性コーティングとを含み、コア層が、難燃性樹脂によって織られた炭素繊維を含み、および外側層の対が、誘電性コーティングを含み、同じ群の全てのバッテリーセルが、共通の通気位置で正の端子を有して方向付けられる。

また別の形態では、複数の材料層を載せる（オーバーレイする）ステップと、複数の材料層の隣接するもの間に複数の接着セクションを塗布して積層構造を形成するステップとを含む、バッテリーパック内の複数のバッテリーセルを分離するための分離部材を製造する方法が提供される。各列の接着セクションは、所定の間隔で離間して、接着セクションの間に複数の空洞を画定する。分離部材は、折り畳み状態から拡張状態に拡張可能である。本開示のさまざまな代替形態において、分離部材が、折り畳み状態のプレート構成を有し、拡張状態の複数のセルユニットを含むハニカム構造を有し、積層構造が、複数の第一の壁と、第一の壁の厚さよりも大きい厚さを有する複数の第二の壁とを含み、第一の壁および第二の壁が、一緒にハニカム構造の複数のセルユニットを画定し、接着セクションと直接接触していない材料層の部分が、第一の壁を形成し、接着セクションと直接接触する材料層の隣接する二つの部分の一部が、第二の壁を形成し、方法は、接着セクションの両端で材料層を曲げて分離部材を拡張することをさらに含み、複数の空洞のそれぞれは、折り畳み状態で長方形断面を有し、拡張状態で六角形の断面を有し、材料層が各々、難燃性材料を含む第一の積層物を含み、第一の積層物が、コア層およびコア層の両面上の一対の外側層を含み、コア層が金属シート、紙シート、難燃性樹脂で織られた炭素繊維からなる群から選択され、第一の積層物が、コア層およびコア層の両面上の一対の外側層を含み、外側層が、雲母、難燃性樹脂、誘電体材料からなる群から選択される材料から作製される。

さらなる適用可能領域は、本明細書に提供される説明から明らかになるであろう。説明および特定の実施例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図するものではないことが理解されるべきである。

本開示は、詳細な説明および添付図面からより十分に理解されるであろう。

図１は、複数のバッテリーセルおよび本開示の教示に従って構成された個々のバッテリーセルを分離するための分離部材を含むバッテリーバックの概略上面図である。 図２は、本開示の教示に従って構成された分離部材の一部を形成する第一の積層物の断面図である。 図３は、本開示の教示に従って構成された分離部材の別の部分を形成する第二の積層物の断面図である。 図４は、本開示の教示に従って構成されたハニカム構成を有する分離部材のセルユニットの概略上面図である。 図５Ａは、折り畳み状態の分離部材を構成する第三の積層構造の概略断面図である。図５Ｂは、拡張状態にある分離部材の概略断面図である。

図６Ａは、複数のバッテリーセルおよび本開示の教示に従って構成された個々のバッテリーセルを分離するための分離部材を含むバッテリーパックの変形の概略上面図である。図６Ｂは、図６Ａの部分Ａの拡大図である。

対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。

以下の説明は、単に例示的であり、本開示、適用、または使用を限定することを意図するものではない。

図１を参照すると、本開示の教示に従って構成されたバッテリーパック１０は、複数のバッテリーセル１２と、複数のバッテリーセル１２を分離するための分離部材１４とを含む。複数のバッテリーセル１２は、アレイ状に形成されるように配置される。バッテリーセル１２のそれぞれは、円筒形の構成を有する。一例として、バッテリーセル１２は、バッテリーセル１２の交互に並ぶ列が互いに重なり合う、近接六角形のパックされたアレイを形成するように配置され得る。バッテリーセル１２は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の配置を有するようにパックされ得ることが理解される。バッテリーセル１２の各々は、正の端子および負の端子を含む。

分離部材１４は、一般にハニカム構造を有し、複数の第一の壁２２および複数の第二の壁２４を含み、複数の第一の壁および複数の第二の壁は、個々のバッテリーセル１２を受けいれるための複数の空洞２０を一緒に画定する。空洞２０のそれぞれは、実質的に六角形の形状を有し得る。複数の第一および第二の壁２２、２４は、実質的に同一平面上の端部を有する。複数の第二の壁２４は、第一の壁２２の厚さよりも大きい厚さを持つ。

例えば、各空洞２０は、四つの第一の壁２２および二つの第二の壁２４によって画定されてもよく、第二の壁２４は互いに対向し、互いに平行である。従って、分離部材１４のハニカム構造は、それぞれ第一および第二の壁２２、２４によって一緒に形成される複数のユニットセルを含む。第一の壁２２の隣接する二つは、第一の壁２２と第二の壁２４との間、および二つの隣接する第一の壁２２との間の約１２０°の角度を有する実質的なＹ形状を画定するために、一つの第二の壁２４によって接続される。分離部材１４のハニカム構造の第二の壁２４は、互いに整列しているか、または平行である。第一の壁２２のそれぞれは、第一の積層物２６（図２に示す）を含み、第二の壁２４のそれぞれは、第二の積層物２８（図３に示す）を含む。

図２および図３を参照すると、第一および第二の積層物２６および２８は、実質的に非導電性、非多孔性の積層構造であり、低誘電率を有する難燃性材料を含む。第一の積層物２６は、コア層３０と、コア層３０の両面上に一対の外側層３２とを含む。コア層３０は、第一の積層物２６の構造強度を提供する一方、外側層３２は、コア層３０を熱から保護する。

一例として、コア層３０は、鋼などの高融点および高強度を有する金属層であってもよく、外側層３２は、雲母などの高融点、低熱伝導率、および無視できる電気伝導率を有する材料を含んでもよい。鋼のコア層３０は、比較的脆弱な雲母が、火炎ジェットの圧力によって分離されないようにする。雲母の外側層３２は、コア層３０に損傷を引き起こすのに局所的な熱が不十分であることを確実にし、さらに熱事象の前後に電気的絶縁を維持する。さらに、第一の積層物２６はまた、平面方向に高い熱伝導性である、または平面方向に垂直な厚さ方向に非常に低い熱伝導性である、難燃性材料を含んでもよい。

あるいは、コア層３０は、難燃性材料で強くドープされた紙シートであってもよく、外側層３２は、その間の紙シートを完全に封止する難燃性材料のコーティングであり得る。紙シートは、第一の積層物２６の柔軟性および基礎強度を提供する。難燃性材料が紙シートを熱や火災から保護する。

あるいは、コア層３０は、難燃性樹脂で織られた炭素繊維であってもよく、外側層３２は誘電性コーティングであり得る。コア層３０の炭素繊維は、熱伝導性が高く、局所的な熱による積層物への損傷を回避するために、積層物の他の部分に局所的な熱を素早く分配することができる。炭素繊維の織り目は、積層物に必要な機械的強度を提供する。コア層３０の難燃性樹脂は、隣接するバッテリーセルに衝撃を与えるように、炎ジェットが織りの穴を貫通しないように、織りの中の全ての穴を覆っている。外側層３２の誘電性コーティングは、バッテリーセル１２と第一の積層物２６との間に電気短絡が発生するのを防止する。

第二の積層物２８は、一対の第一の積層物２６と、その間の接着セクション３４とを含む。接着セクション３４は、難燃性接着剤であり得る。従って、第二の積層物２８は、二つのコア層３０、コア層３０の両面上に二対の外側層３２、および中央内に接着セクション３４を含む。

図４を参照すると、分離部材１４のハニカム構造のユニットセルは、第一の積層物２６を有する四つの第一の壁２２と、第二の積層物２８を有する二つの第二の壁２４とによって画定される。バッテリーセル１２は、ユニットセルの空洞２０内に配置される。ユニットセルは、バッテリーセル１２と第一および第二の壁２２、２４のそれぞれとの間にエアギャップが形成されること、または形成されないことを可能にするように構成され得る。いずれの場合でも、熱暴走事象中に、バッテリーセルの端部および分離部材１４の端部に向かう通気経路を提供するために、空気空間が、六面空洞２０と円筒形バッテリーセル１２の角の間に設けられる。

特定のセル１２内で側部破裂が発生した場合、第一の積層物２６を有する第一の壁２２および第二の積層物２８を有する第二の壁２２は、ブロートーチ現象に耐えることができる。従って、特定のセル１２から排出される高温ガスは、最も低いインピーダンス経路、すなわち、セル１２のいずれかの端部に向かって導かれる。従って、通気されたガスは、熱暴走伝播の可能性を低減するために、隣接するセル１２から離れて方向付けられる。

図５Ａおよび５Ｂを参照して、図５Ａに示すように、分離部材１４は、（折り畳み状態で）実質的にプレート構成で第三の積層構造４０を形成し、図５Ｂに示すように、第三の積層構造４０を（拡張状態で）ハニカム構造に拡張することによって比較的容易に製造することができる。

より具体的には、分離部材１４を製造するために、複数の材料層４２が、別の上に配置され、複数の接着セクション３４によって分離および結合されて、第三の積層構造４０を形成する。図面では、材料層４２および接着セクション３４は縮尺通りに描かれず、接着セクション３４の厚さは、それらの位置および長さを示す目的で誇張される。材料層４２はそれぞれ、図２に示される、第一の積層物２６を有する。接着セクション３４は、図３に示される、第二の積層物２８に示されるのと同じ接着セクション３４である。

複数の接着セクション３４は、材料層４２の隣接するものの間に提供される。同じ材料層４２の間の（すなわち、同じ列または同じ層内の）複数の接着セクション３４は、所定の間隔で離間して、その間に複数の空洞４４を画定する。第三の積層構造４０が折り畳み状態であり、実質的にプレート構成を有するとき、複数の空洞４４は長方形の形状を有し、それぞれが接着セクション３４のそれぞれの長さの約三倍の長さを有する。

一列または一層の接着セクション３４および空洞４４は、一列の接着セクション３４の位置が隣接する列の接着セクション３４の位置に対して１８０度位相ずれであるように、隣接する列または層のものからオフセットされる。結果として、他の全ての列の接着セクション３４は、第三の積層構造４０の厚さ方向に沿って整列される。

接着セクション３４の間隔、接着セクション３４の長さ、および結果として一列の空洞４４の長さは、拡張状態で形成されるハニカム構造のユニットセルのサイズに基づいて選択される。前述のように、ハニカム構造のユニットセルはそれぞれ、四つの第一の壁２２および二つの第二の壁２４によって形成される。第三の積層構造４０の接着セクション３４の各々は、第一および第二の壁２２および２４の長さと実質的に等しい長さを有する。

図５Ｂを参照して、図５Ａの第三の積層構造４０を拡張することにより、ハニカム構造が形成される。拡張状態では、材料層４２は接着セクション３４の端部で曲げられ、それによって空洞４４が長方形形状から六角形形状に拡張する。接着セクション３４と直接接触していない材料層４２の部分は、拡張状態にある分離部材１４のハニカム構造の第一の壁２２となる。接着セクション３４と直接接触する材料層４２の部分は、拡張状態の分離部材１４のハニカム構造の第二の壁２４の一部となる。前述のように、第二の壁２４は、接着セクション３４によって接着された一対の第一の積層物２６を含む第二の積層物２８を持つ。第一の積層物２６の対は、同じ接着セクション３４と直接接触し、対向する隣接する材料層４２の部分である。材料層４２は、プレート構成からハニカム構成への第三の積層構造４０の曲げおよび拡張を容易にするために、積層される前に波打つことができる。

図６Ａおよび６Ｂを参照し、本開示の教示に従って構成されたバッテリーパック５０の変形は、複数のバッテリーセル１２および分離部材５２を含む。分離部材５２は、複数の空洞５６を画定する複数の壁５４を含む。複数のバッテリーセル１２は、複数の群を形成し、各群は空洞５６のそれぞれの一つに受容される。図６Ａは、三つのバッテリーセル１２が、群を形成するように配置され、長方形形状を有する空洞５６のうちの一つで受容されることを示す。空洞５６は任意の形状を有することができ、任意の数のバッテリーセル１２は本開示の範囲から逸脱することなく一つの群を形成することができることを理解されたい。複数の群内のバッテリーセル１２は、同じ方向または反対方向を指す正の端子５８を有するように配向され得る。

図６Ｂを参照すると、分離部材５２の複数の壁５４が、図２と関連して記述されるものに類似する積層構造を有することができる。一般に、積層構造は、低誘電率を有する難燃性材料を含む。一つの形態では、各壁５４は、例えば鋼などの、高融点および高強度を有する金属で作製されたコア層３０と、コア層３０の両面上に雲母で作製された外側層３２とを含み得る。別の形態では、コア層３０は、難燃性樹脂で高度にドープされた紙シートでもよく、外側層３２は難燃性樹脂を含んでもよい。さらに別の形態では、コア層３０は、難燃性樹脂で織られた炭素繊維であってもよく、外側層３２は誘電性コーティングである。

本開示の教示に従って構成された分離部材１４、５２は、積層構造を使用することによって、サイドスプリットを通した熱暴走伝播を効果的に低減することができる。円筒バッテリーセル１２の近接六角形のパックされたアレイの分離部材１４は、ハニカム構造を有し、まず積層構造を形成し、続いて積層構造をハニカム構造に拡張することによって比較的容易に製造することができ、それによって隣接するバッテリーセル１２の間に低コストのバリアを提供する。結果として得られるハニカム構造は軽量であり、側部破裂によって生じる熱暴走の影響を低減するために、バッテリーセル１２の保護を改善する。

図６Ａに示すもののように、比較的ゆるくパックされたバッテリーアレイの分離部材５２は、複数群のバッテリーセル１２の群を受けいれるための複数の空洞５６を画定する複数の壁５４を含む。各空洞５６は、バッテリーセル１２の一つの群を受ける。同じ群内の隣接するバッテリーセル間に仕切りまたはセパレーターは設けられていないが、バッテリーセル１２の一つの群における熱暴走事象は、熱暴走伝播を効果的に防止する積層構造を有する壁５４の存在により、別の群の電池に伝搬するのを防止する。

本明細書に別途明示的に示されない限り、機械的／熱的特性、組成パーセント、寸法および／または公差、またはその他の特性を示す全ての数値は、本開示の範囲を説明する際に「約」または「およそ」という用語によって修正されたものとして理解されるべきである。この修正は、産業慣行、製造技術、試験能力を含むさまざまな理由で望ましい。

本開示の説明は、単に例示的な性質のものであり、従って、本開示の内容から逸脱しない変形は、本開示の範囲内であることが意図される。かかる変形は、本開示の精神および範囲からの逸脱とはみなされない。

Claims (7)

1. 複数のバッテリーセルを分離するための分離部材であって、
   複数の第一の壁と、
   前記第一の壁の厚さよりも大きい厚さを有する複数の第二の壁と、を含み、
   前記複数の第二の壁がそれぞれ積層構造を含み、
   前記分離部材が折り畳み状態から拡張状態まで拡張可能であり、前記分離部材が、前記折り畳み状態でプレート構成を有し、前記プレート構成は、前記第二の壁に平行に配置された前記第一の壁を有し、前記拡張状態で、前記第二の壁に対して角度をなして配置された前記第一の壁を有する、複数のセルユニットを含むハニカム構造を有し、
   前記複数の第一の壁および前記複数の第二の壁が、一緒に前記ハニカム構造の前記複数のセルユニットを画定し、前記ハニカム構造で、前記第一の壁の端部のそれぞれが、前記第二の壁の一つの端部に結合されており、
   前記複数の第一の壁がそれぞれ第一の積層物を含み、前記第一の積層物が、コア層と、前記コア層の両面上の一対の外側層と、を含む、分離部材。
2. 前記複数の第二の壁がそれぞれ、一対の第一の積層物と、一対の前記第一の積層物の間の接着セクションとを、含む、請求項１に記載の分離部材。
3. 前記コア層が、金属シートと、紙シートと、難燃性樹脂によって織られた炭素繊維と、からなる群から選択される、請求項１に記載の分離部材。
4. 前記外側層が、雲母と、難燃性樹脂と、誘電体材料と、からなる群から選択される材料から作製される、請求項１に記載の分離部材。
5. 前記ハニカム構造の前記複数のセルユニットのそれぞれが、六角形の断面を有し、前記複数の第一の壁の四つおよび前記複数の第二の壁の二つによって画定される、請求項１に記載の分離部材。
6. 前記複数の第二の壁が、前記ハニカム構造において互いに平行である、請求項５に記載の分離部材。
7. 前記第一の壁の一つと前記第二の壁の一つが、前記ハニカム構造において１２０°の角度を画成する、請求項５に記載の分離部材。

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