JP5128433B2 - バッテリー内の中心ガスパイプの終端部とバッテリー缶の底部との間の間隔の設定 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、バッテリー破損のリスクを低減するために、充電式バッテリーのガス管の端部（終端）とバッテリー缶底部との間に十分なスペースを設けることに関する。

リチウムイオンバッテリーのような充電式バッテリーは、ノートパソコンや無線電話に含まれるさまざまなエレクトロニクスに広く用いられている。リチウムイオンバッテリーは、低コストである利点を有する一方で、高いエネルギー蓄積能力を有する。

それにも拘わらず、市場は、現存するバッテリーにより大きな電力蓄積能力を備えることを要求しており、この圧力が高まるにつれて、セルの爆発、破裂や放出のような安全性事故が増加しつつある。

本発明者は、所謂「ジェリーロール」構造において形成されたバッテリー電極からのパイプを通じてのガスの不十分な放出が爆発を含むセルの破損の原因であることを発見し、更に、この不十分な放出が、パイプの終端がセル缶底部にあまりにも近接していることに起因することを見出した。

結果的に、バッテリーは１又は２以上のバッテリーセルを備えている。バッテリーのセルは、ガスを放出することができる開放端を規定するガス放出パイプを有している。セルは、バッテリーセル構造の内部でパイプを保持する。

不十分なガスの放出からバッテリー破損の危険を低減するために、パイプの端部とバッテリー缶の間で少なくとも最小の間隔でギャップが設定されている。

一つの実施態様では、フランジがパイプの上端部で嵌め合わされ、パイプ軸に実質的に垂直な方向に配向している。このフランジは、セル構造の上に載置されている。

上記のフランジは、パイプと一体化して形成することもでき、また分離して形成することもできる。他の実施態様においては、フランジは、セル構造と一体化してパイプの底部と係合する。

このセル構造は、パイプと同心的に構成された少なくとも一つの電極を含んでいる。このパイプを円筒状に形成し、缶と同軸とすることもできる。さらに、以下に記載するように、少なくともパイプの直径の所定比率であるギャップが設定される。

典型的には、この比率は、１未満であり、せいぜい約３分の１である。実際に、この比率を４分の１とすることができる。パイプの底部周縁は、波型形状にすることができ、また、多重パイプを使用することもできる。

他の態様においては、一つの方法は、底部内側表面を持つ缶内にセル構造を配置することを含んでいる。このセル構造は空洞を形成し、さらにこの方法は、空洞内の縦方向にパイプを配置することを含んでいる。

このパイプは開放端を有し、そしてこの方法は、さらに第１の領域と第１の領域に直交する第２の領域との間に少なくとも所定の関係を設定することを含んでおり、この関係は、十分なガスがパイプに入るために適当なスペースが存在することを確保する。

もう一つの態様においては、一つの方法が、放出パイプの底部開放端が少なくとも所定の間隔だけ事前に選択したセル構造から離間した配置を保持することにより、不十分なガス放出からバッテリー破損の可能性を低減する。

一つの態様において、装置は、コンピューター、自動車及び又は他のシステムのような電力が供給されるシステムを含んでおり、バッテリーはその電力電気部品のシステムに電気的に接続されている。

バッテリーは、１又はそれ以上のバッテリーセルを有している。バッテリーのセルは、ガスの通過が可能な開放端を規定するガス放出パイプを有している。セル缶は、バッテリーセル構造内でパイプを保持している。

不十分なガス放出からバッテリー破損の危険を低減するために、少なくとも最小間隔のギャップが、パイプの底部とバッテリー缶との間に設定される。

本発明の詳細は、その構造と動作の双方に関して、同様の部分には同様の参照数字を付した以下の添付図面を参照して最も良く理解することができる。

セル缶内で発生するガスをパイプの底部開放端内へ放出し、上部開放端から外へ放出する。このようにして、爆発や他のセルの破損の危険を低減する。

最初に図１を参照すると、バッテリー１０は、以下に述べる１又はそれ以上のバッテリーセルを内臓しており、このバッテリーは、プロセッサー１４や画像表示部１６等の内部部品に電力を供給するために、例えば、ノート型コンピューター、無線電話、電気自動車システム等だがこれに限らない電子機器１２に取り外し可能に嵌め合わされている。

通常は、バッテリー１０は、電子機器１２のバッテリーウエル（差し込み穴）又はレセプタクル１８に嵌め込まれる。このバッテリー１０は、再充電可能であり、またリチウムイオンバッテリーであってもよい。

図２は、バッテリー１０のセル２０が、密閉された底部２４を有する内部が空洞のプラスチック又は金属の外側の缶２２を含むことを示している。
この缶２２は、バッテリーセル構造を保持し、図示された本実施例に限定されないが、このセル構造は、図示されるように同心円筒内に形成された１又はそれ以上のバッテリー電極２６を含んでいる。

上記の電極は、図示されるように、缶２２の軸に同心状であり、一般に円筒状の中心軸系空洞２８からなる空洞は、電極２６によって設けられた円環内に形成されている。

空洞ガス放出パイプ３０は、軸方向の空洞２８内に配置され、好ましくはその中心に配置される。明確にするために、パイプ３０と電極２６との間のスペースが示されているが、実際の典型例ではパイプ３０と電極２６との間の半径方向には小さいスペースか、スペースは存在しないことが理解されよう。

このパイプ３０は、円筒状である必要はない。典型的には、電極２６及びパイプ３０の双方とも円筒状ではあるが、例えば、パイプが楕円状、長方形状、角柱状又は他の非円形の横断面を有することもでき、電極２６の横断面についても同様である。

同様に、このパイプ３０は、典型的には内側の体積内部を完全に取り囲んでいるが、例えば、パイプが金属の圧延部材で形成される場合のようなある実施態様では、小さな軸方向のギャップがパイプの壁面を通じて伸びている。

このパイプは、缶２２の底部２４に対向する底部開放端３２と上部開放端を有しており、セル内のガス圧を解放するために、セル缶内で発生するガスをパイプの底部開放端３２内へ放出し、上部開放端から外へ放出する。このようにして、爆発や他のセルの破損の危険を低減する。

図示された円筒状の実施態様においては、パイプ３０は、内径“ｄ”を規定し、本発明の原理に従って、パイプの底部開放端３２は、缶２２の底部内表面から少なくとも所定の間隔、即ち、ギャップ“ｇ”だけ離間されている。この間隔を設定することにより、バッテリーガスをパイプに放出するために十分な領域が存在する。

大概の場合は、パイプの底部端部３２から缶２２までの軸方向の寸法におけるこの間隔（パイプ３０に軸によって規定される寸法）は、十分なガスがパイプに入り込むために存在する適当な空間を確保する２つの相互に直交する面積の間の関係を形成するために設定されている。

一つの面積は、パイプの横断面積であり、この領域は、少なくとも一つの横断寸法パラメーター、円筒状パイプにおいては直径“ｄ”、又は楕円状パイプにおいては長軸及び／又は短軸に依存する結果となる。

他の面積は、缶２２まで伸びるパイプの底部３２の真下の容積を包囲する面積であり、即ち、この容積は、パイプの底部から缶に至るまでのパイプ壁面の仮想の突起部分によって包囲されている。このように、この後者の面積は、少なくとも一つの軸方向寸法パラメーターに依存している。

円筒状パイプの場合には、軸方向寸法パラメーターは、ギャップ“ｓ”であり、この後者の面積は、パイプの横断寸法におけるパラメーターにも同様に依存している。

例えば、パイプが円筒状であるときには、第１の（横断する）面積はπｄ^２／４で、一方、第２の面積はπｄｓで与えられ、円筒状の場合には、これらの面積比の逆数はｓ／ｄを乗じた定数まで低減する。この関係は、ｓ／ｄ ＞Ｃ（ここでＣは、十分なガス放出を確保する経験的に決定された定数である。）のように与えられた“ｄ”に対して“ｓ”を決定することによって設定される。

説明のために、パイプ３０は円筒状であると仮定されている。図３は、ブロック３４でパイプ３０の内径が決定され、次にブロック３６で最小ギャップ間隔“ｇ”が決定されることを示している。ブロック３８では放出パイプ３０は、以下の開示に従って、パイプ３０の底部３２が、缶２２の底部内側表面から少なくとも間隔“ｇ”が確保されるようにセル２０に嵌め込まれている。

一つの実施態様では、ギャップ“ｇ”は、少なくともパイプ３０の直径“ｄ”の所定比率であるように設定される。典型的には、この比率は１未満であり、せいぜい約３分の１である。

実際には、この比率を４分の１とすることができる。“ｄ”と“ｇ”との関係は、例えば、放出されるガスの粘性や圧縮率及びセルの形状に基づいて変動し、例えば、Ｘ線によって複数のセルのパイプ間隔を観察し、セル破損の発生に対する種々の間隔を相互に関連付けることによって経験的に決定することができる。

最小ギャップ“ｇ”を設定し、それを維持することを保つために、各種の制限的でない手法を採用することが可能である。図４−６は、そのような３つの手法を図示している。図４では、パイプ３０の上部開放端３９で、あるいはその近傍でフランジ４０が嵌め込まれている。このフランジ４０は、図示されるように、パイプ３０の軸に直交しており、例えば、電極２６又は他のセル構造の上部に載置可能なゴムワッシャーとすることができる。

パイプ３０の長さは、フランジ４０がセル構造上に載置されるようにパイプの上部に嵌め込まれているときに、パイプの底部３２が図２に示される缶の底部から少なくとも“ｇ”の所定間隔だけ離間されるように設定される。

即ち、図５に示されるように、例えば、パイプ３０ａの上端部を穴の縁を形成するように圧延するか又は折り返すことによって、フランジ４２はパイプの上部又はその近傍でパイプ３０ａと一体的に形成される。さらに、図６に示されるように、フランジ４４は、パイプ３０ｂの底部又はその近傍に嵌め込まれるか形成される。

図６の実施態様では、フランジ４４は、例えば、ジェリーロールの内径で“ジェリーロール”の底部に嵌め込まれており、フランジ４４は、少なくともパイプ３０ｂの底部と缶との間の所定の最小間隔“ｇ”を設定する垂直方向の外側スカート４６を備えることができる。

図７は、図示されるように非線形底部周縁の輪郭を示す波型底部１０２を有するパイプ１００を示しており、この部分は、バッテリー缶の底部１０４上に載置されている。非線形周縁により、パイプの円筒状壁面は、軸方向寸法において累積する開放面積“Ｓ”の輪郭を示している。

パイプの横断面積に対する累積的な軸方向開放面積“Ｓ”の比率は、十分なガスがパイプへ放出されることを確保するために、少なくとも所定の比率となるように設定される。

図８は、パイプの集合体２００が、パイプの底部と缶の底部との間に設定されるそれぞれの軸方向開放面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を備えた複数のパイプ２０２、２０４、２０６を有することができることを示している。それぞれのパイプの横断面積に対する軸方向面積Ｓの比率は、ガスがパイプに放出されるのに十分なスペースを確保するように上記のように経験的に設定される。

バッテリー内の中心ガスパイプの終端部とバッテリー缶の底部との間に特定のスペースを設定することは、本明細書中で示され、詳細に記載されているが、本発明によって包含される発明の要旨は、請求の範囲によってのみに限定されることは当然である。

ノートパソコンや無線電話に含まれるさまざまなエレクトロニクスに広く用いられているリチウムイオンバッテリーのような充電式バッテリーに使用することができる。

本発明の原理に基づくバッテリーが用いられるが、これに限定されないシステムのブロックダイアグラムを示す。 明確にするために、一部が切り取られたバッテリーセルの概略側面図を示す。 本発明に係わるが、これに限定されない論理のフローチャートを示す。 パイプ間隔がどのようにセル内で設定されるかについての例示を示す。 パイプ間隔がどのようにセル内で設定されるかについての例示を示す。 パイプ間隔がどのようにセル内で設定されるかについての例示を示す。 一つのパイプ構造を示す。 他のパイプ構造の一つを示す。

符号の説明

２０ セル
２２ プラスチック又は金属缶
２４、１０４ 密閉底部
２６ バッテリー電極
２８ 円筒状の中心軸系空洞
３０、３０ａ、３０ｂ、１００、２０２、２０４、２０６ ガス放出パイプ
３２ 底部開放端
３９ 上部開放端
４０、４２、４４ フランジ
４６ スカート
１０２ 波型底部
２００ パイプの集合体
ｄ 内径
ｇ ギャップ
Ｓ 開放面積
ｓ１、ｓ２、ｓ３ 軸方向開放面積

Claims (18)

1. ガスの通過が可能な底部開放端と上部開放端を有する少なくとも一つのガス放出パイプを有する少なくとも一つのバッテリーセルと、バッテリーセル構造内で前記パイプを保持する少なくとも一つのセル缶とを備え、前記ガス放出パイプの前記底部開放端は、不十分なガスの放出からバッテリー破損の危険を低減するために、前記セル缶の底部内表面から所定のギャップだけ離間され、前記ギャップは少なくとも前記パイプの横断寸法パラメーターの所定比率に設定され、前記比率は放出されるガスの粘性や圧縮率及びセルの形状に基づき決定されるバッテリー。
2. 前記パイプの先端部分に嵌め合わされ、前記パイプの軸に実質的に垂直に配向したフランジを備え、前記フランジが、前記セル構造の少なくとも一部に載置されている請求項１記載のバッテリー。
3. 前記フランジは、前記パイプと一体に形成されている請求項２記載のバッテリー。
4. 前記セル構造は、前記パイプと同心状に構成されている少なくとも一つの電極を含む請求項１乃至請求項３何れか１項記載のバッテリー。
5. 前記パイプは円筒状であり、前記缶と同軸状に配置されている請求項１乃至請求項４何れか１項記載のバッテリー。
6. 前記比率は１未満である請求項１乃至請求項５何れか１項記載のバッテリー。
7. 前記横断寸法パラメーターは直径であり、前記比率は４分の１である請求項６記載のバッテリー。
8. 前記底部周縁は、波型形状である請求項１乃至請求項７何れか１項記載のバッテリー。
9. 複数のパイプを備えた請求項１乃至請求項７何れか１項記載のバッテリー。
10. 電力が供給されるシステムと、その電気部品に電力を供給するために前記システムに電気的に接続されたバッテリーであって、ガスの通過が可能な底部開放端と上部開放端を有する少なくとも一つのガス放出パイプを有する少なくとも一つのバッテリーセルと、バッテリーセル構造内で前記パイプを保持する少なくとも一つのセル缶とを備え、前記ガス放出パイプの前記底部開放端は、不十分なガスの放出からバッテリー破損の危険を低減するために、前記セル缶の底部内表面から所定のギャップだけ離間され、前記ギャップは少なくとも前記パイプの横断寸法パラメーターの所定比率に設定され、前記比率は放出されるガスの粘性や圧縮率及びセルの形状に基づき決定されるバッテリーを備えた装置。
11. 前記パイプの先端部分に嵌め合わされ、前記パイプの軸に実質的に垂直に配向したフランジを備え、前記フランジが少なくとも前記セル構造の一部に載置されている請求項１０載の装置。
12. 前記フランジは、前記パイプと一体に形成されている請求項１１記載の装置。
13. 前記セル構造は、前記パイプと同心状に構成されている少なくとも一つの電極を含む請求項１０乃至請求項１２何れか１項記載の装置。
14. 前記パイプは円筒状で、前記缶と同軸上に配置されている請求項１０乃至請求項１３何れか１項記載の装置。
15. 前記比率は１未満である請求項１０乃至請求項１４何れか１項記載の装置。
16. 前記横断寸法パラメーターは直径であり、前記比率は４分の１である請求項１５記載の装置。
17. 前記底部周縁は、波型形状である請求項１０乃至請求項１６何れか１項記載の装置。
18. 複数のパイプを備えた請求項１０乃至請求項１６何れか１項記載の装置。

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