JP2016519392A - バッテリ用のバッテリセル並びにバッテリセルの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ケーシング（１２０）内に配置されている、バッテリ用のバッテリセル（１００）に関する。バッテリセルは、第１の端子を備えている巻体（１１０；２１０）を有している。更にバッテリセルは、第１の端子（１４０）から電気的に絶縁されている、巻体（１１０；２１０）の第２の端子（１５０）と、ケーシングと、の間に接触エレメント（１６０）を有している。接触エレメントは、導電体且つ熱伝導体として、又は電気絶縁体且つ熱伝導体として、ケーシングに巻体を接続するために構成されており、且つ、第１の端子の横断面積（１９５）よりも大きい横断面積（１９０）、及び／又は、巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に巻体から接触エレメントを介してケーシングに伝導するように構成されている横断面積（１９０）を有している。

Description

本発明は、バッテリ用のバッテリセル並びにバッテリセルの製造方法に関する。

電気化学セルを直列に接続することによって、例えば電気自動車を駆動させるための、大容量の高電圧エネルギ蓄積器が形成される。エネルギ密度が高いという理由から、目下のところ、リチウムイオンバッテリが優れた方策である。リチウムイオン電池の欠点は、過放電又は深放電の際にリチウムイオン電池が発火及び／又は爆発する可能性があるということである。安全性が脅かされる状態は、典型的には内部短絡によって生じる。内部短絡が生じた際に、１３０℃から１７０℃の限界温度を超えると、一般的に英語では「Thermal Runaway」と称される発熱反応、つまり熱暴走が起こる。その際に、活物質及び電解質が酸化される。一般的な熱出力はｋＷ範囲にあるのに対し、発熱反応は、通常の場合、３０秒未満（ｔ＜３０ｓ）の時間で完全に終了する。その結果、反応熱によって、他のセルが「点火」される可能性がある。更に、バッテリセルにおいては、２００℃を超える温度（Ｔ＞２００℃）に達する温度上昇の他に、発煙又は発火が生じる虞があり、また特殊なケースではバッテリセルが爆発する虞もある。上述の「熱暴走」を回避するために講じられる種々の安全措置が公知である。つまり、動作時にセル電圧を必ず監視することが規定されている。更には、バッテリセルに例えば、所定の温度を超えるとイオン及び電流の流れを遮断する溶融セパレータを設けることができる。既知のあらゆる安全メカニズム及び装置を列記することはここでは省略する。

一般的な知識水準によれば、内部短絡が生じた後に講じられる措置はいずれも、熱暴走の阻止を定量的に保証するものではないという点で共通している。

［発明の概要］
この背景のもとで、本発明によれば、各独立請求項に記載されている、バッテリ用のバッテリセル並びにバッテリセルの製造方法が提供される。有利な実施の形態は、各従属請求項及び下記の説明より明らかになる。

バッテリセルの巻体の発熱反応の、隣接する巻体への伝播は、相応の時間内に相応の量の熱がバッテリセルの巻体から排出され、その結果、隣接する巻体の温度が所定の限界温度を上回らず、従って安全性が脅かされる状態にはならない場合に回避することができる。

ケーシング内に配置されている、バッテリ用のバッテリセルは、
第１の端子を備えている巻体、及び、
第１の端子から電気的に絶縁されている、巻体の第２の端子と、ケーシングと、の間の接触エレメント、
を有しており、その際、接触エレメントは、導電体且つ熱伝導体として、又は電気絶縁体且つ熱伝導体として、ケーシングに巻体を接続するために構成されており、且つ、第１の端子の横断面積よりも大きい横断面積、及び／又は、巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に巻体から接触エレメントを介してケーシングに伝導するように構成されている横断面積を有している。

更に本発明においては、ケーシング内に配置されている、バッテリ用のバッテリセルを製造するための方法が提供され、この方法は以下のステップを備えている：
第１の端子を備えている巻体を準備するステップ；
第１の端子から電気的に絶縁されている、巻体の第２の端子と、ケーシングと、の間に接触エレメントを配置するステップ。但し、接触エレメントは、導電体且つ熱伝導体として、ケーシングに巻体を接続するために構成されており、且つ、第１の端子の横断面積よりも大きい横断面積、及び／又は、巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に巻体から接触エレメントを介してケーシングに伝導するように構成されている横断面積を有している。

車両はバッテリを有することができる。車両は、自動車、特に乗用車又は商用車であると考えられる。バッテリは二次電池であると解される。バッテリは少なくとも一つのバッテリセルを有することができる。一つのバッテリに複数のバッテリセルが使用されている場合には、それらのバッテリセルを並列又は直列に接続することができる。バッテリセルは、電極材料として、特にカソード材料として例えばＮＣＭ又はマンガンスピネルを用いることによって達成することができるような高エネルギ密度を有している、リチウムイオンバッテリセルであると考えられる。更に、少なくとも一つのバッテリセルは少なくとも一つの巻体を有することができる。バッテリセルは巻体内に電極を有することができる。機能的な構造はサンドウィッチ構造に類似するものであると考えられる。つまり、正の電流導体、カソード、セパレータ、アノード及び負の電流導体を積層化することができる。これにより得られるパケットを、セルの所望の構造形態に応じて、巻成することができるか、又は積層することができるか、又はパケットに対して同等の処理を行うことができる。電流導体は、外部に対して接続されるべき、セルの極端子を形成する。アノード及びカソードはセパレータによって電気的に絶縁されている。セパレータは多孔質であり、イオンが溶解している電解質を通過させることができる。つまり、アノードとカソードはイオン伝導部を介して接続されており、このことからリチウムイオン電池の名称が付けられている。荷電された電極の電位差によって、セルの極における負荷に電流が流される。それとは逆に、充電電圧が印加されると、イオン流は反転され、アノードとカソードとの間の電位差が再び大きくなる。この電位差、更にはセルのクランプ電圧は、蓄積されている電荷、それと共に電極内に運び込まれたイオンの数に依存する。上記の構成により得られるパケットが巻成される場合には、その巻成されたものを巻体と称することができる。バッテリセルは複数の巻体を有することができる。安全エレメントは、短絡時及び／又は過充電時及び／又は深放電時に、及び／又は、バッテリセル及び／又はバッテリが危険な温度に達した際に、巻体を分離させることができる。つまり、安全性に関する所定の判定基準は、閾値を上回る及び／又は下回ることを意味していると考えられる。このために、例えば、温度、電流強度又は電圧強度を監視し、相応の閾値と比較することができる。巻体の分離とは、巻体の端子と、バッテリセルの端子コンタクトとの間の電気的な接続を遮断することと解される。巻体の第１の端子及び巻体の第２の端子は異なる極性を有することができる。巻体の端子、即ち第１の端子及び／又は第２の端子を金属製にすることができる。第２の端子は、接触エレメントを介して、バッテリセルのケーシングと接続されている。接触エレメントは第２の端子の一部であってもよい。また、接触エレメントはケーシングの一部であってもよい。接触エレメント及び／又は第２の端子を介して、所定の熱流束で、熱を巻体からケーシングに伝導することができる。ケーシングを、ヒートシンクとしての機能を有するように、及び／又は、熱エネルギを周囲に放出できるように形成することができる。バッテリセルのケーシングは、所定の熱流束で、熱をバッテリのケーシングに更に伝導することができる。

特に有利には、本発明の一つの実施の形態では、熱伝導性ではあるが、しかしながら電気絶縁性である、所定の横断面積を有する接触エレメントが、第１の端子に付加的に設けられており、第１の端子は、巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に巻体から接触エレメントを介してケーシングに伝導するように構成されており、また第２の端子は第１の端子から電気的に絶縁されている。本発明のその種の実施の形態は、巻体内に生じた熱を非常に迅速に排出することができるという利点を提供する。

本発明の一つの特別な実施の形態によれば、巻体に配置されている安全エレメントが設けられており、この安全エレメントは、安全性に関する所定の判定基準が満たされると、巻体の第１の端子をバッテリセルから電気的に分離するように構成されている。本発明のその種の実施の形態では、障害時に、特に、安全性に関する判定基準が満たされた際に、電圧源が第１の端子から電気的に分離されることが保証され、その結果、例えば短絡を阻止することができることから、バッテリセルが非常に安全であるという利点が提供される。

更に、少なくとも一つのバッテリセルは、少なくとも一つの第２の巻体を有することができる。少なくとも二つの巻体を、電気的に相互に並列に接続することができる。

一つの実施の形態においては、少なくとも一つのバッテリセルを、角柱状のバッテリセルとして構成することができる、及び／又は、巻体を角柱状の巻体として構成することができる。バッテリセルの電極及びセパレータを角柱状に巻成することができる。バッテリセルの少なくとも一つの巻体を角柱状に巻成することができる。これによって、巻体の利点を角柱状の構造形態と組み合わせることができる。

一つの実施の形態によれば、巻体の第１の端子を第１の材料から形成し、巻体の第２の端子を第１の材料とは異なる第２の材料から形成することができる。巻体パケット又は巻体では、電極間においてイオン流が生じる。

更に、巻体の第２の端子及びバッテリセルのケーシングは、同じ材料特性を有することができ、特に少なくとも部分的に同じ材料から形成することができる。第２の端子及びケーシングを同じ材料から作製することもできる。第２の端子の材料とケーシングの材料は、電気的及び／又は熱的に同じ特性を有することができる。つまり、第２の端子とケーシングとの間の接触エレメントを同じ材料から形成することができる。同じ材料を使用することによって、接触エレメントを介する第２の端子からケーシングまでの一貫した又は等しい熱伝導性を生じさせることができる。

バッテリセルのケーシング、またそれと同時に又はそれに択一的に、少なくとも一つの巻体の第２の端子がアルミニウム又はアルミニウム合金を有しており、且つ、それと同時に又はそれに択一的に、少なくとも一つの巻体の第１の端子が銅又は銅合金を有している場合にも好適である。アルミニウムは適切な熱伝導率を有することができる。

更に好適には、本発明の一つの実施の形態において、所定の時間内に接触エレメントを介して伝導可能な熱の熱流束は、少なくとも許容範囲内において、バッテリセルの含有物質の酸化時に放出されるエネルギに相当する。バッテリセルの少なくとも一つの巻体は所定のエネルギ蓄積容量を有することができる。巻体に蓄積されるエネルギ容量は、特に通常動作時に、電気エネルギとして引き出すことができる。巻体の定格容量とは、定格電圧において蓄積される電気エネルギであると解される。発熱反応によって放出される巻体のエネルギは、バッテリセル又は巻体の定格容量よりも小さいと考えられる。発熱反応時のエネルギの放出は所定の期間内に終了すると考えられる。その期間又は所定の時間は、１０秒から３０秒の期間であると考えられる。熱流速は、巻体の定格容量に応じた熱量に相当すると考えられる。この量の熱を、３０秒よりも短い時間で巻体からバッテリセルのケーシングに伝導できると考えられる。熱伝導は、巻体の材料、接触エレメント又はバッテリセルのケーシングの熱伝率、並びに、接触エレメント又は第２の端子の横断面積による影響を受けると考えられる。

更に、第２の端子は第１の端子の横断面積よりも大きい横断面積を有することができる。第２の端子を介して、熱エネルギをバッテリセルのケーシングに伝達させることができる。横断面積が比較的大きい場合には、同じ時間で、比較的小さい横断面積よりも多くの量の熱を伝導することができる。第２の端子を介して、第１の端子よりも多くの量の熱を巻体から更に伝導することができ、従って、端子の比較的大きい横断面積を設けることは有利であると考えられる。

更に、安全エレメントを溶融セパレータとして構成することができる。安全エレメントは、安全機構又は安全装置であると解することができる。

一つの実施の形態によれば、バッテリセルの第１の端子コンタクトは、少なくとも一つの巻体の第１の端子と電気的に接続することができる、及び／又は、バッテリセルの第２の端子コンタクトをケーシング及び／又は少なくとも一つの巻体の第２の端子と電気的に接続することができる。その際に、第１の端子コンタクトと第２の端子コンタクトを相互に電気的に絶縁させることができる。

更に、バッテリセルのケーシングを、又はバッテリセルのケーシングの少なくとも一つの側面を、バッテリセルの冷却面又はヒートシンクとして構成することができる。少なくとも一つの巻体の発熱反応時に、所定量の熱を巻体からケーシングに伝導させることができる。ケーシングの少なくとも一つの側面が冷却面又はヒートシンクとして構成されている場合には、所定量の熱を、ケーシングから周囲へ、又は任意の冷媒へ、特に周囲空気へと放出することができる。

また、少なくとも一つの別の巻体がケーシング内に配置されており、その別の巻体が少なくとも一つの巻体に電気的に並列に接続されている場合にも好適である。つまりその場合には、少なくとも一つの別の巻体の第１の端子が、少なくとも一つの巻体の第１の端子と電気的に接続されている。少なくとも一つの別の巻体の第２の端子は、少なくとも一つの巻体の第２の端子と電気的に接続されている。バッテリセルの出力を高めるために、二つ以上の巻体をバッテリセル内に組み込むことができる。複数の巻体を相互に並列に接続することができる。複数の巻体を相互に直列に接続することもできる。並列接続及び直列接続が組み合わされた接続形態も実現することができる。巻体を並列に接続する場合、各巻体を安全エレメントによって保護することができる。つまり、一つの巻体に障害が発生しても、残りのバッテリセルは依然として電気エネルギを供給することができる。

バッテリの出力を高めるために、二つ以上のバッテリセルをバッテリ内に組み込むことができる。複数のバッテリセルを相互に並列に接続することができる。複数のバッテリセルを相互に直列に接続することもできる。直列に接続されたバッテリセルを、バッテリセル列と称することができる。並列接続及び直列接続が組み合わされた接続形態も実現することができる。バッテリセルを並列に接続する場合、各バッテリセル、又は、並列に配置されている各バッテリセル列を安全エレメントによって保護することができる。つまり、一つのバッテリセル又は一つのバッテリセル列に障害が発生しても、残りのバッテリは依然として電気エネルギを供給することができる。

バッテリセルは、ＡＳＩＬ規格に準拠する安全なバッテリセルであると考えられる。ここでＡＳＩＬとは、「Automotive Safety Integrity Level」の略称であり、自動車における安全性に関連するシステムのための安全性要求基準を規定している。

上記において説明したバッテリセルの一つの態様は、いわゆる「熱暴走」を阻止することができる、一つ又は複数の巻体を備えている、角柱状の大型セルに関するセル設計である。これによって、取り扱いが困難とみなされる高エネルギ密度の電極材料、例えばＮＣＭも、自動車の用途に使用することができる。更に、機能的な安全性についての判定基準に応じてバッテリセルを評価することもできる。つまり、ＡＳＩＬ Ｄによれば、特に一つのバッテリセル又は一つの巻体の単独の障害によって、バッテリ又は車両バッテリに障害が発生することは許されない。

換言すれば、バッテリセルは、巻体の第２の端子とバッテリセルのケーシングと間の面状の熱的な結合部を有することができる。第２の端子とは、バッテリセルの、特に角柱状のリチウムイオン電池の巻体の正のアルミニウム電流導体であると考えられる。巻体の大きさを熱的な適合部に適合させることができる。例えばスイッチとして形成されている安全エレメントは電流を遮断することができる。これによって更なるエネルギ供給が遮断され、その結果、内部短絡が生じた後でも、もはやそれが出力に影響を及ぼすことはない。この場合、温度を１３０℃未満（Ｔ＜１３０℃）に維持するために、熱は排出されるべきである。

本発明の一つの実施の形態によれば、公知の電極材料を用いている自動車に関して、エネルギ密度を３０％まで高め、２００Ｗｈ／ｋｇを達成することができる。更には、監視エレクトロニクスに障害が発生した場合であっても確実に動作することができる、本質的に安全なバッテリセル及びバッテリモジュールを導入することができる。つまり、バッテリセルはＡＳＩＬ Ｄに準拠するものであるといえる。有利には、上記において説明したバッテリは高い性能を提供するので、障害が発生した場合であっても更なる動作が実現される。

以下では、添付の図面に基づき、本発明を例示的に詳細に説明する。

本発明の一つの実施例によるバッテリセルの概略図を示す。 本発明の一つの実施例による別のバッテリセルの概略図を示す。 本発明の一つの実施例による、４つのセル巻体を備えている、角柱状のバッテリセルの概略図を示す。 本発明の一つの実施例による、４つのセル巻体を備えている、角柱状のバッテリセルの概略図を示す。 本発明の一つの実施例による、４つのセル巻体を備えており、そのうちの一つに内部短絡が生じている、角柱状のバッテリセルの概略図を示す。 本発明の一つの実施例による、図４に示したバッテリセルについてシミュレートされた温度経過を示す。 本発明の一つの実施例による、図４に示したバッテリセルについてシミュレートされた温度経過を示す。 本発明の一つの実施例による、図４に示したバッテリセルについてシミュレートされた温度経過を示す。 本発明の一つの実施例による、図４に示したバッテリセルについてシミュレートされた温度経過を示す。 本発明の一つの実施例による、図４に示したバッテリセルについてシミュレートされた温度経過を示す。 方法に関する本発明の一つの実施例のフローチャートを示す。

本発明の種々の有利な実施例に関する以下の説明において、複数の図面に示されており且つ同様の機能を有する構成要素に対しては、同一又は類似の参照番号を使用する。また、それらの構成要素について繰り返しの説明は行わない。

図１ａには、本発明の一つの実施例によるバッテリセル１００が概略的に示されている。このバッテリセル１００は、車両バッテリセル用のバッテリセルであると考えられる。バッテリセル１００は巻体１１０を有しており、この巻体１１０はケーシング１２０内に配置されている。安全エレメント１３０は、巻体１１０の第１の端子１４０に配置されている。巻体１１０は第２の端子１５０を有している。第２の端子１５０は、接触エレメント１６０を介してケーシング１２０に接続されている。バッテリセル１００は、第１の端子コンタクト１７０並びに第２の端子コンタクト１８０を有している。それらの端子コンタクト１７０及び１８０を、バッテリセルの極と称することもできる。第１の端子コンタクト１７０は、安全エレメント１３０を介して、巻体１１０の第１の端子１４０と接続されている。安全エレメント１３０が作動すると、バッテリセル１００の第１の端子コンタクト１７０と第１の端子１４０との間の電気的な接続を遮断することができる。巻体１１０の第２の端子１５０は、接触エレメント１６０を介して、バッテリセル１００のケーシング１２０と電気的且つ熱的に接続されている。更に、第２の端子１５０は、接触エレメント１６０を介して、バッテリセル１００の第２の端子コンタクト１８０に電気的に接続されている。第１の端子コンタクト１７０及び第２の端子コンタクト１８０は相互に絶縁されている。

接触エレメント１６０が電気絶縁体であっても、端子１５０と極１８０が電気的に接続されることが望ましく、また、第１の端子１４０も第１の端子コンタクト１７０に電気的に接続されることが望ましい。

バッテリセル１００が動作可能状態であるとき、第１の端子コンタクト１７０と第２の端子コンタクト１８０は異なる極性を有している。第２の端子１５０及び接触エレメント１６０によって形成されている、巻体１１０とケーシング１２０との間の接続部は、横断面積１９０を有している。接続部の長さにわたり横断面積が変化する場合、横断面積１９０とは、巻体１１０とケーシング１２０との間の接続部の最小横断面積であると解される。バッテリセル１００の第１の端子コンタクト１７０と巻体１１０との間の接続部は、少なくとも、第１の端子１４０並びに安全エレメント１３０を含んでいる。後者の接続部は横断面積１９５を有しており、この横断面積１９５は、巻体１１０と第１の端子１７０との間の接続部の最小横断面積であると解される。

一つの実施例においては、バッテリセル１００は、角柱状に巻成されることにより形成された少なくとも一つの巻体１１０を有することができる。図示していない一つの別の実施例においては、バッテリセル１００は複数の巻体１１０を有することができる。つまり、バッテリセル１００は少なくとも二つの巻体１１０を有することができる。その場合、各巻体１１０に安全エレメント１３０を一つずつ設けることができる。一つの実施例において、複数の巻体１１０が一つのバッテリセル１００に配置されている場合には、それらの巻体１００を相互に並列に接続することができる、及び／又は、択一的には相互に直列に接続することができる。

更には、接触エレメント１６１が巻体１１０の第１の端子１４０とケーシング１２０との間に配置されているバッテリセル１００の変形形態も考えられる。その種の変形形態は、本発明の一つの実施例として図１Ｂに概略的に示されている。この図１Ｂでは、接触エレメント１６１が、巻体１１０をケーシング１２０に接続するための導電体且つ熱伝導体として、又は、熱伝導体且つ電気絶縁体として形成されている。従って接触エレメント１６１は、熱伝導性ではあるが、しかしながら電気絶縁性である、横断面積１９１を有する接触エレメント１６１として形成されており、その場合、第１の端子１４０は、巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に巻体１１０から接触エレメント１６１を介してケーシング１２０に伝導させるように構成されており、また、第２の端子１５０は第１の端子１４０から電気的に絶縁されている。

図２には、本発明の一つの実施例による、４つの巻体１１０；２１０を備えている、角柱状のバッテリセル１００が概略的に示されている。このバッテリセル１００は、図１について説明したようなバッテリセル１００であると考えられる。また、上記において既に説明したように、巻体１１０；２１０をセル巻体１１０；２１０と称することもできる。図２には、並列に配置されている４つの巻体１１０；２１０が示されており、それらの巻体１１０；２１０はそれぞれ接触エレメント１６０を介してケーシング１２０と接続されている。一つの実施例において、ケーシング１２０はアルミニウムケーシングであると考えられる。図面において、左から２番目に配置されている、参照番号２１０が付された巻体には短絡が生じている。図４及び図５ａから図５ｅには、短絡時の所定の時間にわたる温度経過が詳細に示されている。参照符号「Ａ」が付されている二つの矢印において図２を上から見た図が、続く図３に示されている。一つの実施例において、ケーシング１２０はアルミニウムケーシングであると考えられる。

図３には、本発明の一つの実施例による、４つの巻体１１０；２１０を備えている、角柱状のバッテリセル１００を上から見た図が概略的に示されている。このバッテリセル１００は、図１に示したバッテリセル１００であると考えられる。図３に示された図は、図２において参照符号「Ａ」が付されている矢印においてバッテリセル１００を上から見た図であると考えられる。ケーシング１２０には、並列に配置されている４つの巻体１１０；２１０が配置されている。一方の端部において、巻体１１０；２１０は接触エレメント１６０を介してそれぞれケーシング１２０と接続されており、また４つの接触エレメント１６０間には、電解質を含んでいない空間３６０がそれぞれ設けられている。巻体１１０；２１０の、接触エレメント１６０と接続されている端部とは反対側においては、巻体が絶縁導体３７０を介して相互に接続されている。図１に示した実施例によれば、また図３には図示していないが、絶縁導体３７０と巻体１１０；２１０との間には、安全エレメントがそれぞれ一つずつ配置されている。絶縁導体３７０は第１の端子コンタクト１７０と接続されている。この実施例において、第１の端子コンタクト１７０はケーシング上面に配置されている。またケーシング上面には、その主延在方向の他方の端部に第２の端子コンタクト１８０も配置されており、この第２の端子コンタクト１８０はケーシング１２０に電気的に接続されている。第１の端子コンタクト１７０と第２の端子コンタクト１８０は相互に絶縁されている。この実施例においては、絶縁導体３７０を銅から作製することができる。絶縁導体３７０及び第１の端子コンタクト１７０は、ケーシングに対して電気的に絶縁されており、例えばプラスチックフィルム及び／又はプラスチックシールによって電気的に絶縁されている。一つの実施例においては、ケーシング１２０及び接触エレメント１６０が、若しくは、ケーシング１２０又は接触エレメント１６０が、アルミニウム又はアルミニウム合金から作製されている。

換言すれば、図３はバッテリセル１００の平面図を示している。一つの実施例においては、熱をより良く排出するために、第２の端子１５０であるカソードのアルミニウム導体及び／又は接触エレメント１６０のケーシング１２０との接続面が大きくされている。これに対して、第１の端子１４０であるアノードの銅導体は、（例えばプラスチックフィルムによって）ケーシングから電気的に絶縁されている。

自動車バッテリシステム用の大型セルを、相互に並列に配置されている複数のセル巻体から形成することができる。それらのセル巻体は一つの実施例において並列に接続されている。上記において説明したバッテリセルの一つの態様では、問題のある巻体に短絡が生じた場合には、この並列回路を例えば溶融式安全装置によって遮断することができる。一つの実施例においては、短絡時に温度を１３０℃未満（Ｔ＜１３０℃）に維持するために、排熱が十分に大きくなるように、巻体の容量が設計されている。完全に充電されたセルから発熱反応によって放出されるエネルギＥ_runawayは、ｋＷｈの単位の定格容量Ｅ_nennよりも小さい、即ち、
Ｅ_runaway＜Ｅ_nenn
ということを想定して、期待すべき熱量を控えめに見積もることができる。

更には、「Thermal Abuse Modeling of Li-Ion Cells and Propagation in Modules」、第４回International Symposium an Large Lithium-Ion Battery Technology and Application，AABC 2008を基礎として、エネルギの放出は１０秒より長く且つ３０秒より短い期間（１０ｓ＜ｔ＜３０ｓ）内で終了すると想定することができる。従って、上記において説明した実施例については以下のことが当てはまる：
ｋＷｈの単位で表される単一の巻体の定格容量に応じた量の熱は、問題のある巻体の温度が１３０℃未満に維持されるように、３０秒未満の時間（ｔ＜３０ｓ）で排出できなければならない。

これについての一つの観点は、ｋＷｈの単位で表される巻体容量、並びに、巻体からケーシング及び周囲環境への熱伝達である。つまり、一つの実施例においては、正の電極のアルミニウム電流導体が、同様にアルミニウムから成る、カソード電位にあるケーシングに面状に接続されている。アルミニウム導体シートに沿った熱伝導は非常に高く（１００Ｗ／ｍ／Ｋを上回る）、また巻体を平面状に広がる。巻体間の熱伝導率又は半径方向における熱伝導率はむしろ低い（５Ｗ／ｍ／Ｋ未満）。理論上は、銅導体フィルムをケーシングに接続することによって、排熱を更に改善することも可能である。しかしながらそのような改善は、アルミニウム及び銅の標準電位に基づき、この実施例では不可能である。

図示していない別の実施例においては、過充電時の電圧バッファのための添加物を有している電解質が使用される。

図４には、本発明の一つの実施例による、４つのセル巻体１１０；２１０を備えており、そのうちの一つのセル巻体２１０に内部短絡が生じている、角柱状のバッテリセル１００が概略的に示されている。ここに図示されているバッテリセル１００は、図１から図３について説明したものと同じバッテリセル１００であると考えられる。図４には、並列に配置されている４つの巻体１１０；２１０，２１０が示されており、巻体２１０には短絡が生じている。二つの矢印４１０，４２０は、隣接して配置されている二つの巻体１１０；２１０間の熱伝導率（矢印４１０）と、短絡が生じている巻体２１０とケーシングとの間の熱伝導率（矢印４２０）をワット毎メートル毎ケルビンの単位（Ｗ／ｍ／Ｋ）で表している。巻体１１０；２１０，２１０における温度経過は、図５ａから図５ｄに示されている。更に、図５ｅには、巻体１１０；２１０，２１０を包囲しているケーシングにおける温度経過が示されている。

図５ａから図５ｅには、本発明の一つの実施例による、図４に示したバッテリセルについてシミュレートされた温度経過が示されている。デカルト座標系において、横軸には時間が秒単位で表されており、また縦軸には温度が摂氏単位で表されている。記録の開始時に、巻体１１０；２１０は３５℃の動作温度を有している。短絡が生じている巻体２１０は、約２００℃の温度に加熱されている。

図４には、４つの巻体１１０；２１０，２１０を備えており、そのうちの一つは内部短絡が生じている巻体（２１０）である、３５℃の動作温度のバッテリセル１００が概略的に示されており、それらの巻体１１０；２１０，２１０並びにケーシングにおけるシミュレートされた温度経過は、図４の横に記載されている図５ａから図５ｅに示されている。ここで、図５ａから５ｅでは、内部短絡が生じている巻体（２１０）に隣接する巻体１１０；２１０は「点火」されないこと、つまり、それらの隣接する巻体は１３０℃未満の温度（Ｔ＜１３０℃）に維持されることが見て取れる。

図５ａ，図５ｃ及び図５ｄには、類似する温度経過が示されている。記録が開始されてから約１５０秒後には、温度が上昇して約８０℃にまで達している。その後、温度は１，０００秒以内に、起点温度は上回るが許容範囲内にある値にまで低下し、その後は漸次的に起点温度にいっそう近付いていく。

図５ｂには、短絡が生じている巻体の温度経過が示されている。記録の開始時の温度は約２００℃であり、また続く２５０秒以内に約８０℃の値まで低下し、その後の３，０００秒の経過において漸次的に３５℃の動作温度に近付いていく。

図５ｅには、バッテリセルのケーシングの温度が示されている。記録の開始時に、ケーシングの温度は約３５℃の動作温度にあり、続く約１５０秒の時間内に４４℃の最大値にまで上昇する。最大値に達した後には、温度は緩慢に再び初期の動作温度にまで低下していく。ここでは温度が、最大値に達してから１，５００秒で比較的迅速に、動作温度を超えた辺りの値にまで低下し、つまり、動作温度より高い許容範囲内の値にまで低下し、続く１，５００秒で漸次的に動作温度に近付いていく。ここでは、動作温度より高い温度の許容範囲は５℃である。

図４、またそれに属する図５ａ〜５ｅに示した温度経過曲線からは、巻体１１０；２１０においては温度が１３０℃を超えて上昇しておらず、従って巻体１１０；２１０は、短絡が生じている巻体２１０の巻き添えになることはない。

図６には、本発明の一つの実施例のフローチャートが、少なくとも一つの巻体を備えている、車両用のバッテリのためのバッテリセルを製造するための方法６００として示されている。バッテリセルはケーシング内に配置されている。この方法は、巻体に配置されている安全エレメントを準備するステップ６１０を備えている。安全エレメントは、安全性に関する所定の判定基準が満たされると、巻体の第１の端子をバッテリセルから電気的に分離するように構成されている。更に、この方法６００は、第１の端子から電気的に絶縁されている、巻体の第２の端子と、ケーシングとの間に接触エレメントを配置するステップ６２０を備えている。接触エレメントは、巻体をケーシングに接続するための、導電体且つ熱伝導体として形成されており、且つ、第１の端子の横断面積よりも大きい横断面積を有している、及び／又は、巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に巻体から接触エレメントを介してケーシングに伝達するように構成されている。更に、この方法６００は、巻体の第１の端子とケーシングとの間に接触エレメントを配置するステップ６３０を備えている。接触エレメントは、導電体且つ熱伝導体として、又は熱伝導体且つ電気絶縁体として、巻体をケーシングに接続するために構成されている。

図面に示した上述の実施例は例示的なものとして選択されたに過ぎない。種々の実施例を完全に、又は個々の特徴に関して相互に組み合わせることができる。また、一つの実施例を別の実施例の特徴によって補完することもできる。

更には、本発明による方法のステップを繰り返し実施すること、並びに上述した順序とは異なる順序で実施することも可能である。

一つの実施例において、第１の特徴と第２の特徴とが「及び／又は」の語句で結ばれている場合、これは、その実施例がある実施の形態では第１の特徴も第２の特徴も有しており、また別の実施の形態では第１の特徴のみ、又は第２の特徴のみを有していると解される。

更に本発明においては、ケーシング内に配置されている、バッテリ用のバッテリセルを製造するための方法が提供され、この方法は以下のステップを備えている：
第１の端子を備えている巻体を準備するステップ；
第１の端子から電気的に絶縁されている、巻体の第２の端子と、ケーシングと、の間に接触エレメントを配置するステップ。但し、接触エレメントは、導電体且つ熱伝導体として、又は電気絶縁体且つ熱伝導体として、ケーシングに巻体を接続するために構成されており、且つ、第１の端子の横断面積よりも大きい横断面積、及び／又は、巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に巻体から接触エレメントを介してケーシングに伝導するように構成されている横断面積を有している。

換言すれば、バッテリセルは、巻体の第２の端子とバッテリセルのケーシングと間の面状の熱的な結合部を有することができる。第２の端子とは、バッテリセルの、特に角柱状のリチウムイオン電池の巻体の正のアルミニウム電流導体であると考えられる。巻体の大きさを熱的な結合部に適合させることができる。例えばスイッチとして形成されている安全エレメントは電流を遮断することができる。これによって更なるエネルギ供給が遮断され、その結果、内部短絡が生じた後でも、もはやそれが出力に影響を及ぼすことはない。この場合、温度を１３０℃未満（Ｔ＜１３０℃）に維持するために、熱は排出されるべきである。

図３には、本発明の一つの実施例による、４つの巻体１１０；２１０を備えている、角柱状のバッテリセル１００を上から見た図が概略的に示されている。このバッテリセル１００は、図１に示したバッテリセル１００であると考えられる。図３に示された図は、図２において参照符号「Ａ」が付されている矢印においてバッテリセル１００を上から見た図であると考えられる。ケーシング１２０には、並列に配置されている４つの巻体１１０；２１０が配置されている。一方の端部において、巻体１１０；２１０は接触エレメント１６０を介してそれぞれケーシング１２０と接続されており、また４つの接触エレメント１６０間には、電解質を含んでいない空間３６０がそれぞれ設けられている。巻体１１０；２１０の、接触エレメント１６０と接続されている端部とは反対側においては、巻体が絶縁導体３７０を介して相互に接続されている。図３に示した実施例によれば、また図３には図示していないが、絶縁導体３７０と巻体１１０；２１０との間には、安全エレメントがそれぞれ一つずつ配置されている。絶縁導体３７０は第１の端子コンタクト１７０と接続されている。この実施例において、第１の端子コンタクト１７０はケーシング上面に配置されている。またケーシング上面には、その主延在方向の他方の端部に第２の端子コンタクト１８０も配置されており、この第２の端子コンタクト１８０はケーシング１２０に電気的に接続されている。第１の端子コンタクト１７０と第２の端子コンタクト１８０は相互に絶縁されている。この実施例においては、絶縁導体３７０を銅から作製することができる。絶縁導体３７０及び第１の端子コンタクト１７０は、ケーシングに対して電気的に絶縁されており、例えばプラスチックフィルム及び／又はプラスチックシールによって電気的に絶縁されている。一つの実施例においては、ケーシング１２０及び接触エレメント１６０が、若しくは、ケーシング１２０又は接触エレメント１６０が、アルミニウム又はアルミニウム合金から作製されている。

図４には、本発明の一つの実施例による、４つのセル巻体１１０；２１０を備えており、そのうちの一つのセル巻体２１０に内部短絡が生じている、角柱状のバッテリセル１００が概略的に示されている。ここに図示されているバッテリセル１００は、図１から図３について説明したものと同じバッテリセル１００であると考えられる。図４には、並列に配置されている４つの巻体１１０；２１０が示されており、巻体２１０には短絡が生じている。二つの矢印４１０，４２０は、隣接して配置されている二つの巻体１１０；２１０間の熱伝導率（矢印４１０）と、短絡が生じている巻体２１０とケーシングとの間の熱伝導率（矢印４２０）をワット毎メートル毎ケルビンの単位（Ｗ／ｍ／Ｋ）で表している。巻体１１０；２１０における温度経過は、図５ａから図５ｄに示されている。更に、図５ｅには、巻体１１０；２１０を包囲しているケーシングにおける温度経過が示されている。

図４には、４つの巻体１１０；２１０を備えており、そのうちの一つは内部短絡が生じている巻体（２１０）である、３５℃の動作温度のバッテリセル１００が概略的に示されており、それらの巻体１１０；２１０並びにケーシングにおけるシミュレートされた温度経過は、図４の横に記載されている図５ａから図５ｅに示されている。ここで、図５ａから５ｅでは、内部短絡が生じている巻体（２１０）に隣接する巻体１１０；２１０は「点火」されないこと、つまり、それらの隣接する巻体は１３０℃未満の温度（Ｔ＜１３０℃）に維持されることが見て取れる。

図４、またそれに属する図５ａ〜５ｅに示した温度経過曲線からは、巻体１１０；２１０においては温度が１３０℃を超えて上昇しておらず、従って巻体１１０は、短絡が生じている巻体２１０の巻き添えになることはない。

Claims (13)

1. ケーシング（１２０）内に配置されている、バッテリ用のバッテリセル（１００）において、
   前記バッテリセル（１００）は、
   第１の端子（１４０）を備えている巻体（１１０；２１０）、及び、
   前記第１の端子（１４０）から電気的に絶縁されている、前記巻体（１１０；２１０）の第２の端子（１５０）と、前記ケーシング（１２０）と、の間の接触エレメント（１６０）、
   を有しており、
   前記接触エレメント（１６０）は、導電体且つ熱伝導体として、又は電気絶縁体且つ熱伝導体として、前記ケーシング（１２０）に前記巻体（１１０；２１０）を接続するために構成されており、且つ、前記第１の端子（１４０）の横断面積（１９５）よりも大きい横断面積（１９０）、及び／又は、前記巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に前記巻体（１１０；２１０）から前記接触エレメント（１６０）を介して前記ケーシング（１２０）に伝導するように構成されている横断面積（１９０）を有している、
   ことを特徴とする、バッテリセル（１００）。
2. 前記バッテリセル（１００）は、付加的又は択一的に、前記第１の端子（１４０）において、横断面積（１９１）を備えている、熱伝導性且つ導電性の接触エレメント（１６１）、又は熱伝導性ではあるが、しかしながら電気絶縁性である接触エレメント（１６１）を有しており、
   前記第１の端子（１４０）は、前記巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に前記巻体（１１０；２１０）から前記接触エレメント（１６１）を介して前記ケーシング（１２０）に伝導させるように構成されており、
   前記第２の端子（１５０）は、前記第１の端子（１４０）から電気的に絶縁されている、請求項１に記載のバッテリセル（１００）。
3. 前記巻体（１１０；２１０）に配置されている安全エレメント（１３０）が設けられており、該安全エレメント（１３０）は、安全性に関する所定の判定基準が満たされると、前記巻体（１１０；２１０）の第１の端子（１４０）を、前記バッテリセル（１００）から電気的に分離するように構成されている、請求項１又は２に記載のバッテリセル（１００）。
4. 少なくとも一つの前記バッテリセル（１００）は、少なくとも一つの第２の巻体（１１０；２１０）を有している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のバッテリセル（１００）。
5. 前記巻体（１１０；２１０）の前記第１の端子（１４０）は、第１の材料から形成されており、
   前記巻体（１１０；２１０）の前記第２の端子（１５０）は、前記第１の材料とは異なる第２の材料から形成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバッテリセル（１００）。
6. 前記巻体（１１０；２１０）の前記第２の端子（１５０）及び前記バッテリセル（１００）の前記ケーシング（１２０）は、同じ材料特性を有しており、特に少なくとも部分的に同じ材料から形成されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のバッテリセル（１００）。
7. 所定の時間内に前記接触エレメント（１６０）を介して伝導可能な熱の熱流束は、少なくとも許容範囲内において、前記バッテリセルの含有物質の酸化時に放出されるエネルギに相当する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のバッテリセル（１００）。
8. 前記第２の端子（１５０）は前記第１の端子（１４０）の横断面積よりも大きい横断面積（１９０）を有している、請求項１乃至７のいずれ一項に記載のバッテリセル（１００）。
9. 前記バッテリセル（１００）の第１の端子コンタクト（１７０）は、少なくとも一つの前記巻体（１１０；２１０）の前記第１の端子（１４０）と電気的に接続されており、及び／又は、前記バッテリセル（１００）の第２の端子コンタクト（１８０）は、前記ケーシング（１２０）及び／又は少なくとも一つの前記巻体（１１０；２１０）の前記第２の端子（１５０）と電気的に接続されており、
   前記第１の端子コンタクト（１７０）と前記第２の端子コンタクト（１８０）は相互に電気的に絶縁されている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のバッテリセル（１００）。
10. 前記ケーシング（１２０）、又は前記ケーシング（１２０）の少なくとも一つの側面は、前記バッテリセル（１００）の冷却面又はヒートシンクとして構成されている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のバッテリセル（１００）。
11. 少なくとも一つの前記巻体（１１０；２１０）に電気的に並列に接続されている、少なくとも一つの別の巻体（１１０；２１０）が前記ケーシング（１２０）内に配置されており、
    特に、前記少なくとも一つの別の巻体（１１０；２１０）の第１の端子（１４０）は、少なくとも一つの前記巻体（１１０；２１０）の前記第１の端子（１４０）と電気的に接続されており、且つ、前記少なくとも一つの別の巻体（１１０；２１０）の第２の端子（１５０）は、少なくとも一つの前記巻体（１１０；２１０）の前記第２の端子（１５０）と電気的に接続されている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のバッテリセル（１００）。
12. ケーシング（１２０）内に配置されている、バッテリ用のバッテリセル（１００）を製造するための方法（６００）において、
    該方法（６００）は、以下のステップを備えている、即ち、
    第１の端子（１４０）を備えている巻体（１１０；２１０）を準備するステップ（６１０）、及び、
    前記第１の端子（１４０）から電気的に絶縁されている、前記巻体（１１０；２１０）の第２の端子（１５０）と、前記ケーシング（１２０）と、の間に接触エレメント（１６０）を配置するステップ（６２０）、
    を備えており、
    前記接触エレメント（１６０）は、導電体且つ熱伝導体として、又は電気絶縁体且つ熱伝導体として、前記ケーシング（１２０）に前記巻体（１１０；２１０）を接続するために構成されており、且つ、前記第１の端子（１４０）の横断面積（１９５）よりも大きい横断面積（１９０）、及び／又は、前記巻体のエネルギ蓄積密度に依存する熱流束で、熱を所定の時間内に前記巻体（１１０；２１０）から前記接触エレメント（１６０）を介して前記ケーシング（１２０）に伝導するように構成されている横断面積（１９０）を有している、
    ことを特徴とする、バッテリ用のバッテリセル（１００）を製造するための方法（６００）。
13. 前記巻体（１１０；２１０）の第１の端子（１４０）と、前記ケーシング（１２０）との間に接触エレメント（１６１）を配置するステップ（６３０）を更に備えており、
    前記接触エレメント（１６１）は、導電体且つ熱伝導体として、又は熱伝導体且つ電気絶縁体として、前記ケーシング（１２０）に前記巻体（１１０；２１０）を接続するために構成されている、請求項１２に記載の方法（６００）。

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