JP4391016B2

JP4391016B2 - 電気化学的電池用電流遮断器

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Publication number: JP4391016B2
Application number: JP2000508150A
Authority: JP
Inventors: ウイリアム、ティー．マクヒュー; ルシアン、ピー．フォンテーン; ビエト、エイチ．ブー; ジェーン、エイ．ブラシ; レイノルド、キャンテーブ
Original assignee: ザジレットカンパニー
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1998-08-19
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2018-08-19
Also published as: ZA987501B; EP1018175A1; AR014109A1; CN1268254A; AU8914298A; CA2301085A1; ZA987495B; TW434926B; US5998051A; WO1999010941A1; BR9811338B1; US6083639A; JP2001514436A; EP1018175B1; AR013946A1; DE69829491D1; ATE291778T1; BR9811338A; DE69829491T2

Description

【０００１】
本発明は、その温度の過度の増大に際して電流が当該電池を通過することを安全に防止する電気化学的電池用電流遮断器に関する。本発明は、同様に、その中の気体圧力の過度の上昇に際して電池を安全に作動停止する電池用圧力感応電流遮断器に関する。
【０００２】
電気化学的電池、特に、例えば内部のリチウム又はリチウムイオンが活物質であるようなエネルギー密度の高い電池は、当該電池によって電源供給されるデバイス又は周囲環境に損傷を与える原因となり得る漏洩又は破壊の危険にさらされる。可充電電池の場合には、電池の内部温度上昇は過充電に起因することがあり得る。望ましくない温度上昇は、しばしば対応する内部気体圧力の増加を伴う。これは、外部短絡状態の場合に起こりやすい。さらに、内部気体圧力は電池が過度に放電された場合にも増加することがあり得る。電池のコストや、サイズ、質量を増大することなしに、安全装置を電池に付属させることが望ましい。
【０００３】
この種の電池、詳細には活物質としてリチウム又はリチウムイオンを利用する可充電電池は、しばしば対応する圧力上昇を伴う電池の内部温度上昇に起因する漏洩又は破壊にさらされる。これは、過充電のような酷使状態又は過放電中に起こることのある短絡状態によって引き起こされやすい。さらに、これらの電池は、電解質溶媒が外部外へ漏出すること及び外部環境から湿気が内部へ侵入することを防止するために気密に密封されることも重要である。
【０００４】
上述のように、この種の電池が充電されると、自己加熱が起きる。余りに急速に充電するか又は過充電することは温度増大に通ずる。電池の化学的性質および構造によって変化するある一点を温度が超過すると、望ましくなく、かつ抑制できない熱的暴走状態が始まる。更に、過熱に起因して内部圧力が上昇し、電解質が電池から突然放出されることがあり得る。この状態が起きる以前に、制御あれた換気を開始することが望ましい。
【０００５】
例えば直方体状電池又はセルラ電話用小型円筒形電池のような幾つかの可充電電池は非常に薄い場合がある。この種の電池は小型なので、信頼度の高い電流遮断安全装置を組み込むことは困難であった。しかし、セルラ電話を正常に使用する際には電池が消費者に近接しているので、この種の安全装置の必要性は非常に大きい。
【０００６】
従来の電池設計は、電池の陽極活物質及び陰極活物質と適当なセパレート物質及び電解質が円筒形ケース内に挿入された後で、端部の開いた円筒形ケーシングに挿入されるエンドキャップはめ込み部を用いる。エンドキャップは陽極物質又は陰極物質の１つと電気接触し、エンドキャップの露出した部分は一方の電池端子を形成する。電池ケーシングの一部はもう一方の端子を形成する。
【０００７】
本発明は、単一セル内に集積され、一次または二次（充電可能な）電池に有利に適用される１つ又は幾つかの電流遮断アセンブリを扱う。本発明のエンドキャップアセンブリの特定用は、電池が過熱すること、および高温度に曝した場合に電池内の圧力が上昇すること、過度または不適当な充電または放電を実施すること、または、電池が短絡することの危険性を克服するために、例えば、リチウムイオン、水素化ニッケル金属、ニッケルカドミウム、または、他の充電可能な電池のような可充電電池用に使用することである。
【０００８】
本発明は、一態様において、薄い直方体状電池又は直径の小さい円筒形電池用の電流遮断メカニズムに向けられる。小さな熱感応電流遮断アセンブリが電池内に配置される。電流遮断アセンブリは、個別に製造され、電池組立て期間中に個別ユニットとして電池内に挿入可能であることを利点とする独立型密封デバイスであることが好ましい。電池内部が過熱して所定温度を超過したとき、独立アセンブリ内の熱感応電流遮断メカニズムは、電流を中断し、電流が電池を通って流れることを防止するように動作する。電流遮断メカニズムは、好ましくは曲面を有する形状記憶金属合金で構成されたフレキシブルディスクであることが望ましい熱感応部材を含む。電池の正常動作に際して、形状記憶合金ディスクは、一方の電池電極と、その電極が接続されている端子との間に電気通路の一部を形成することが好ましい。電池内温度が所定値に達すると形状記憶ディスクが偏向し、電極と端子の間の電気通路を遮断して、電池を作動停止（シャットダウン）する。ダイオード、好ましくはツェナーダイオードが、電流遮断アセンブリ内にの中に形状記憶ディスクへ近接して配置されるのがよい。ツェナーダイオードは、電池端子に並列に電気的に接続される。電池が不注意に過充電されるか、長期充電されるか、又は、過度の電圧で充電されたときは、ダイオードを加熱し、ひいては、形状記憶ディスクを偏向させて電気通路を遮断し、それによって電池を作動停止とする。
【０００９】
本発明の別の一態様において、電流遮断アセンブリは、熱感応電流遮断メカニズム及び圧力作動電流遮断メカニズムの両方で構成される独立ユニットである。電流遮断アセンブリは、電池の端子として機能する露出されたエンドキャッププレートを有する。アセンブリが電池に適用され、その電池が正常作動している場合には、エンドキャッププレートは電池電極（陽極又は陰極）と電気的に導通している。電流遮断メカニズムは、望ましくは湾曲ディスクの形をした形状記憶金属合金、又は、バイメタルで構成され、柔軟な導電性部材と物理的に導通していても差し支えない熱感応フレキシブル部材を有する。熱感応部材とフレキシブル導電部材の間の物理的導通は、これら２つのエレメントの間に配置された非導電性可動ロッドによって達成されてもよい。電池が正常作動しているときは、フレキシブル導電部材は、電池電極の１つとエンドキャップ（端子）との間の電気通路の一部を形成する。電池内温度が所定値に達すると、熱感応部材が偏向し、非導電性可動ロッドによってフレキシブル導電部材を押圧してこれを偏向させ、その結果として電極と端子の間の電気通路を遮断する。さらに、アセンブリは、好ましくは圧力作動金属ダイアフラム含む圧力作動電流遮断メカニズムを含むことが望ましい。ダイアフラムは、電流遮断アセンブリハウジングの一部を形成し、電池内圧力が所定レベルを超過すると偏向することが好ましい。ダイアフラムの偏向は、電池電極と、対応する端子との間の電気通路の遮断を引き起こし、それにより、電池を作動停止する。
【００１０】
他の一態様において、電池は、上記２つのタイプの独立構造の電流遮断アセンブリの両方を含むこともあり得る。すなわち、一方は熱感応電流遮断メカニズムを含み、もう一方は熱感応電流遮断メカニズム機構と圧力作動電流遮断メカニズムの両方を含む。これは、多重独立電流遮断安全機能を電池に付与する。例えば、電池の直径又は全体の太さは約５ないし２０ｍｍの間である場合のように、電池の直径が両方の電流遮断アセンブリを収納するに充分な大きさである場合には、この種の設計は有利に使用できる。この種の一実施形態において、熱感応電流遮断メカニズムのみを有する電流遮断アセンブリは、電池の最も熱い部分に近接するように、完全に電池内部に有利に配置可能である。ダイオード、好ましくはツェナーダイオードは、一方又は両方のこの種の独立構造型電流断アセンブリ内に含まれ、電池端子と並列に電気接続されることが可能である。
【００１１】
好ましい一実施形態において、本発明の熱感応電流遮断器アセンブリ２２０は、図１に示すように電池２１５内に完全に内部配置可能である。電池２１５は、図１に示すように平行六面体に整形されたケーシング２２５を有する直方体状電池であるが、その代りに直径の小さい円筒形電池であっても差し支えない。電池２１５が直方体状電池である場合には、一般に全厚さが約３ないし１０ｍｍであって非常に薄い。一般に直方体状電池は非常に薄く、全厚さは約３ないし６ｍｍである。電池２１５が直径の小さい円筒形電池である場合には、直径は一般に約３ないし１０ｍｍである。ここに示す電流アセンブリ２２０は、例えば厚さ約３ないし１５ｍｍの直方体状電池、又は、直径約３ないし１５ｍｍの円筒形電池のような比較的大きい寸法の電池内に集積配置されることもあり得る。ただし、アセンブリ２２０は、薄い直方体状又は細い円筒形電池として特定の用途に用いられる。電池２１５は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル金属水素化物電池、又は、ニッケルカドミウム電池のような一次又は充電可能な電池であることも可能であるが、リチウムイオン電池のような充電可能な電池として有利である。リチウムイオン充電可能電池は、電池の放電に際して、リチウムイオンを陰極から陽極へ転移し、電池の充電に際して、リチウムイオンを陽極から陰極へ転移することによって特徴付けられる。この場合、陽極としては、一般にリチウムコバルト酸化物（Ｌｉ_ＸＣｏＯ_２）、又は、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉ_ＸＯ_２）、又は、コバルト置換リチウムニッケル酸化物（ＬｉＣＯ_ＸＮｉ_ＹＯ_２）、又は、スピネル型水晶状構造（Ｌｉ_ＸＭｎ_２Ｏ_４）のリチウムマンガン酸化物が用いられる。リチウムイオン電池は、一般に、陰極として、炭素又は錫酸化物材料を使用する。陰極は、電池の放電期間中は陰極を構成し、充電期間中は陽極を構成するが、陽極は、電池の放電期間中は陽極を構成し、充電期間中は陰極を構成する。この種の電池用電解質は、非水溶性溶媒の混合物に溶解したリチウム塩で構成される。この場合の塩はＬｉＰＦ_６であり、溶媒としては、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）、及び、これらの混合物が有利に用いられる。図１に示す特定の一実施形態において、電池２１５は、対面する平らな本体面２０５（ａ）と２０５（ｂ）、平らな側面２０８（ａ）と２０８（ｂ）、及び、平らな端面２０９（ａ）と２０９（ｂ）で形成されるケーシング２２５を有する直方体状のリチウムイオン電池である。正端子２４５及び負端子２４６は、同一側面２０８（ａ）から露出し、電源供給しようとするデバイスへ接続するためにアクセス可能である。電極スタック２３５は、図に示すように、１枚の陽極材料２１１、１枚の陰極材料２１３、及び、これらの間に配置された従来型の多孔性分離材料２１２で構成される。スタック２３５は、従来型のゼリーロール様に巻かれ、次に、巻かれた材料は、電池内に緻密に適合するように、平らにされる。
【００１２】
本発明の熱感応電流遮断アセンブリ２２０は、図１に示すように、リチウムイオン直方体状電池２１５内に集積される。この種の実施形態において、電流遮断アセンブリは、完全に電池内部に配置され、一方の端部において陽極２１１に、もう一方の端部において正端子２４５に電気的に接続される。従って、正常な作動状態においては、陽極２１１と正端子２４５との間に電気通路が存在する。電流遮断アセンブリ２２０の好ましい一実施形態を図２に示す。アセンブリ２２０は、金属製ケーシング２８０、金属製エンドキャップ２３０、形状記憶合金であることが好ましい電流遮断ディスク２５０、及び、キャップ２３０の内部表面と接触する金属接点プレート２９５を有する独立構造型密封ユニットである。図２に示すように、エンドキャップ２３０は、その表面が外側に膨らむような凹状である。ケーシング２８０は、図３に示すように開口端とわずかに膨らんだ本体を有するカップ型円形構造である。アセンブリ２２０は、ディスク２５０の周辺縁とエンドキャップ２３０の周辺エッジ縁２３０（ａ）との間に、絶縁リング２９０を備える。アセンブリ２２０の各構成要素の好ましい構造を図３に示す。電流遮断ディスク２５０の厚さはその直径又は平均幅に比較して小さく、円形又は円筒形であることが好ましいが、他の形状、例えば卵形又は長円形又は薄い平行六面体又は薄く細長いスラブの形又は平行でなくても差し支えない１対又は複数対の対面する縁をもつプレートであっても差し支えない。この種の構造は、厚さがその長さの約３０％未満かつその平均幅の約３０％未満であることが好ましい。従って、ここで使用する、詳細には熱感応部材２５０，３５０，３５２と関連して使用するディスクという用語はこのような他の形状が含まれることを意味する。卵形又は長円形のディスクの場合は、平均幅という用語はその主面の最小直径を意味するものとする。
【００１３】
ディスク２５０の厚さは１ｍｍ未満であることが望ましく、約０．０５ないし０．５ｍｍの間であることが好ましい。図３に最もよく示される電流遮断ディスク２５０の好ましい実施形態は外側縁２５８及び中空中心部分２５７を有する。柔軟で弾性のあるフレキシブル部分２５５は周辺縁２５８から中空部分２５７に内側に向かって突出している。フレキシブル部分２５５は、その端部２５５（ｂ）が正極２１１と正端子２４５の間の電気通路を完成する接触プレート２９５に対して第１位置に置かれるようにその表面内でわずかに上向きに曲げる２５５（ａ）ことにより図３のように有利に形成される。正常作動中は、電流は、正極２１１からコネクタタブ２８７（ａ）とケーシング２８０を経て電流遮断ディスク２５０及び柔軟部分２５５を通り接触プラグ２９５とアセンブリエンドキャップ２３０及びコネクタタブ２８７（ｂ）を経て正端子２４５まで流れる。図１から分かるように、電流遮断ディスク２５０は、抵抗を最小化するために電流がディスク２５０の厚さ、従って柔軟部分２５５の厚さを貫いて流れるようにアセンブリ内に配置される。電池２１５内の温度が所定値を越えると、端部２５５（ｂ）は下向きに第２位置に向かって偏向し、接触プレート２９５との接触を遮断し、それによって、電極２１１と端子２４５の間の電気通路を遮断し、電池を作動停止（シャットダウン）する。
【００１４】
図３において、電流遮断アセンブリ２２０は、ケーシングの底部表面上に配置されるように電流遮断ディスク２５０をケーシング２８０の開口端に挿入することによって容易に組み立てられるように設計されている。ツェナーダイオード６００の正の面６２０は接触プラグ２９５の内部表面へ接続される。次に、絶縁リング２９０がディスク２５０上に挿入され、金属接触プラグ２９５は堅固なディスク様プラグの形で、形状記憶合金製であることが好ましい突き出た弾性部材２５５上に位置するまで、絶縁リングに設けられた小孔２９０（ａ）を経て挿入される。絶縁グロメット２７５はエンドキャップ２３０上に挿入され、エンドキャップ２３０の内部表面が接触プラグ２９５の上面に接触するように、これら２つの部品は金属接触プラグ２９５上に配置される。次に、ケーシング２８０の周辺縁及び絶縁グロメット２７５の周辺縁は、エンドキャップ２３０の周辺縁２３０（ａ）上でクリンプされる。クリンプに際しては半径方向の圧力が加えれるので、エンドキャップ２３０の周辺縁２３０（ａ）は、絶縁グロメット２７５の周辺縁２７５（ａ）の内部表面にに噛み込み、エンドキャップ２３０とケーシング２８０の間に堅固な密封を形成する。
【００１５】
熱電流遮断アセンブリの他の一実施形態、すなわち、アセンブリ３２０を図６及び７に示す。電流遮断器のこの実施形態は、図４に示すように直方体状電池の端部から、又は、図５に示すように円筒形電池の端部から突き出るように設計されている。この種の実施例形態において、直方体状電池の全体の厚さは少なくとも６ｍｍであることが有利であり、一般に約６ないし２０ｍｍの間であれば、アセンブリ３２０を収容するために十分な厚さである。図５に示すように、電池が円筒形である場合には、アセンブリ３２０を収容するために、少なくともサイズＡＡＡの電池と同じ大きさの直径であることが望ましい。従って、アセンブリ３２０は、ＡＡＡ、ＡＡ、Ａ、Ｃ、又は、Ｄサイズの円筒形電池の端部から突き出るか、又は、例えば、電池の直径が約５ないし２０ｍｍの間であるように都合よく決定されてもよい。この方法を用いると、アセンブリ３２０の突出部分、すなわちエンドキャップ３２５は一方の電池端子を都合よく形成することになる。
【００１６】
電流遮断アセンブリ３２０のエンドキャップ３２５は、図６に示すようにアセンブリ３２０の上側部分を形成する逆カップ形とアセンブリの下側部分を形成するカップ形本体３７０の形状であることが望ましい。エンドキャップ３２５及び本体３７０は電導性物質で形成される。カップ形本体３７０のベース３７２は、電池内圧力が所定値を越えると上方へ（エンドキャップ３２５の方へ）偏向するように設計された圧力作動ダイアフラムを形成することが好ましい。形状記憶合金又はバイメタルによって有利に構成されるフレキシブル熱感応部材３５０又は３５２はカップ３７０底部内の圧力ダイアフラム３７２へ近接して配置される。熱感応部材は、図７に示すような曲面をもったディスク３５０又は３５２のように円盤形であることが好ましい場合もあり得る。ただし、形状記憶合金又はバイメタル合成材が用いられる場合には、どちらの構造であっても差し支えなく、形状記憶合金が用いられる場合には細長いスラブ又は平行六面体構造３５２が好ましく、バイメタル合成材が用いられる場合には、円形ディスク３５０構造であることが好ましい。ディスク３５０（又はディスク３５２）は、実質的にエンドキャップ３２５表面に平行な平面内に所在するようにアセンブリ３２０内に配置されることが望ましい。電気絶縁ロッド又はプラグ３４０は、フレキシブル熱感応部材３５０の最上表面上に配置することができる。アセンブリ３２０は、本体３７０の棚部分３７４上に都合よく配置できる金属支持リング３６０を含むことが望ましいアセンブリ３２０は、周辺縁３３２からディスク３３０の中空部分３３３内に伸延する柔軟で弾性のある部材３３４で構成されるフレキシブルな電導性金属ディスク３３０を含むことが望ましい。絶縁リング３３５は、ディスク３３０の周辺縁３３２と金属支持リング３６０の縁３６２との間に配置される。フレキシブルな導電性ディスク３３０は、エンドキャップ３２５の周辺縁３２７と絶縁リング３３５の間にはさまれる。絶縁グロメット３７５は、エンドキャップ３２５の周辺縁３２７及びカップ形下側本体３７０の周辺縁３７７を囲み、グロメット３７５はディスク３３０及び絶縁リング３３５も囲む。ケーシング３８０は結果的に絶縁グロメット３７５を囲む。
【００１７】
図７において、電流遮断アセンブリ３２０は、グロメットの外側表面がケーシング３８０の内部壁に接触するように先ず絶縁グロメット３７５をケーシング３８０に挿入することによって組み立て可能である。熱感応部材３５０又は３５２をカップ形本体３７０へ挿入し、次に、カップ形本体３７０の棚部分３７４へ金属支持リング３６０を挿入することによってサブアセンブリが組み立てられる。プラスチック製可動のロッド３４０は、部材３５０に位置するように支持リング３６０の中心小孔３６３を通って挿入される。絶縁リング３３５は、支持リング３６０上に配置されて、その周辺縁３６２に接触する。次に、ディスク３３０は、ディスク３３０の周辺縁３３２が絶縁リング３３５上に位置するように絶縁リング３３５上に配置される。ツェナーダイオード７００の正の面７２０はエンドキャップ３２５の内部表面へ接続される。次に、エンドキャップ３２５の周辺縁３２７がディスク３３０の周辺縁３３２上に載るようにエンドキャップ３２５がディスク３３０上に配置される。次に、サブアセンブリは、その中に含まれる絶縁グロメット３７５と共に、ケーシング３８０に挿入される。次に、ケーシング３８０の端部３８０（ａ）及びグロメット３７５の端部３７５（ａ）が、サブアセンブリ及びその構成要素が堅固かつ恒久的に所定場所に保持され、グロメット３７５及び周りのケーシング３８０によって密封されるように、エンドキャップ３２５の周辺縁３２７上でクリンプされる。
【００１８】
アセンブリ３２０は、図８に示すように、例えば、リチウムイオン円筒形電池のような充電可能な円筒形電池４００に挿入可能である。アセンブリ３２０のエンドキャップ３２５は、電池の端部から突出し、一般に正の端子である電池端子を形成する。同様に、図４に示すように、アセンブリ３２０は、例えば直方体状リチウムイオン電池５００のように、充電可能な直方体状電池に挿入可能である。この種の用途において、エンドキャップ３２５は電池の端部から突出し、一般に正の端子である電池端子の１つを形成する。円筒形又は直方体状電池が用いられるいずれの場合にも、電池は、随意に追加電流遮断アセンブリ、すなわち、上述の電流遮断アセンブリ２２０を含むことができる。２つを別々に収納することにより、独立構造型電流遮断アセンブリは、相互に独立して自己作動化する２つの熱感応電流遮断システムを電池に提供する。
【００１９】
内部に両方の電流遮断アセンブリ２２０及び３２０を含む電池４００を図８に示す。図８に示す両方の電流遮断アセンブリ２２０及び３２０は、「オン」位置、即ち、電極２１１から端子エンドキャップ３２５へ電流が正常に流れることを可能にする位置に在る。電池４００がこの種の作動モードにある場合には、電池電極の１つ、例えば電極２１１と電池端子３２５の間に電気通路が存在する。正常作動状態において、電流は電極２１１から接続タブ２８７（ａ）、アセンブリ２２０のケーシング２８０、接触プラグ２９５、エンドキャップ２３０、次に、コネクタタブ２８７（ｂ）へ流れる。電流はコネクタタブ２８７（ｂ）からアセンブリ３２０の下側本体３７０へ流れる。次に、電流は、本体３７０から支持リング３６０、ディスク３３０の弾性アーム３３４、ディスク３３０から端子エンドキャップ３２５へ流れる。万一電池内部温度が所定値に達した場合には、熱感応弾性部材２５５が下方に向かって曲がり、それによって、部材２５５と接触プラグ２９５の間の電気接続を遮断する。これは、電極２１１と端子エンドキャップ３２５の間の電気通路の遮断を実施し、電池を作動停止する。同様に、電池の内部温度が別の所定値に達すると、アセンブリ３２０の熱感応部材３５０（又は３５２）は図６に示す位置に向かって上向きに曲がる。部材３５０の上向き運動はプラスチック製ロッド３４０を、ディスク３３０のフレキシブルかつ弾性あるアーム３３４に対して上向きに動かす。これは、弾性アーム３３４に支持リング３６０との接触を遮断させ、それによって電極２１１と端子エンドキャップ３２５の間の電気通路を切断する。電池の内部温度が極めて迅速に上昇した場合には、アセンブリ２２０の熱感応部材２５５とアセンブリ３２０の熱感応部材３５０（又は３５２）の両方が作動化され、電極２１１と端子エンドキャップ３２５の間の電気通路を２つの場所で無理なく同時に遮断する。これは、確実に電池を即時作動停止させて、安全性を強化し、２つの熱感応部材のうちの１つが動作不良であっても電池は作動停止する。
【００２０】
その代りに、電池内の気体圧力が上昇して所定値を超過すると、アセンブリ３２０のダイアフラム３７２が上向きに曲がり、プラスチック製ロッド３４０を弾性アーム３３４に対して上向きに動かし、弾性アーム３３４に支持リング３６０との接触を遮断させる。これは、結果的に、電極２１１と端子エンドキャップ３２５の間の電気通路遮断を実施し、それによって電池を作動停止する。ダイアフラム３７２は電池内部の圧力だけに感応し、必然的に、電池の内部温度とは無関係に作動化される。従って、電池内の気体圧力が電池温度に関係なく所定値に達した場合に、電池が作動停止することを圧力作動ダイアフラム３７２が保証する。
【００２１】
図２及び３に示す電流遮断アセンブリの一実施形態において、内側へ伸延している弾性部材２５５を備えた熱感応ディスク２５０又はディスク３５０又は図６及び図７に示すディスク３５２は形状記憶合金から成ることが望ましい。形状記憶合金は、例えばニッケル・チタン（Ｎｉ−Ｔｉ）、銅・亜鉛・アルミニウム（Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ）、及び、銅・アルミニウム・ニッケル（Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ）のような公知の記憶合金グループの中から選択可能である。ただし、形状記憶合金ディスク２５０、又は、ディスク３５０又は３５２として最も望ましい合金はニッケル・チタン合金であることが判明した。好ましいニッケル・チタン記憶合金は、ＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌｓ社からＮＩＴＩＮＯＬ合金の商標で入手可能である。ディスク２５０、又は、ディスク３５０又は３５２の弾性部材２５５はリセット可能記憶合金、即ち、加熱すると変形するが、周囲温度まで冷却すると、外力をかけることなしに、元の形状に戻る合金であっても差し支えない。ただし、形状記憶合金は周囲温度ではリセット可能でないこと、すなわち、その活性化温度まで加熱されると不可逆的に変形することが望ましい。これは、一旦、電池内部が過度の加熱状態を引き起こすと、その電池は再び作動可能にならないことを保証する。従って、ディスク２５０、３５９、又は、３５２は、一旦、作動化されるとリセット不可能なＮＩＴＩＮＯＬ合金を用いて作られることが好ましい。好ましい記憶ディスク２５０は、これから内向きにフレキシブルな部材２５５が突き出た円形周辺縁２５８を備えたＮＩＴＩＮＯＬ合金の単体として便利に作成可能である。フレキシブル部材２５５は、折り曲げ線２５５（ａ）によって内側脚２５５（ｃ）から分離された上向きに折れた外側脚２５５（ｄ）を用いて作成された矩形であることが便利である（図２及び３）。弾性部材２５５は、幅が約２ないし５ｍｍ、長さが３ないし８ｍｍ、厚さが約０．０５ないし０．５ｍｍであることが望ましい。温度が約６０°Ｃないし１２０°Ｃである場合に、脚２５５（ｄ）は、折り曲げ線２５５（ａ）に沿って下方に向かって曲がり、部材２５５と接触プラグ２９５の間の接触の遮断を引き起こす。ディスク２５０の直径は約５ないし１５ｍｍの間であることが望ましい。
【００２２】
この種の活性化効果を達成するために、記憶ディスク２５０及び弾性部材２５５の厚さは、前記部材の抵抗が約５ミリオーム未満であれうような表面部分を備えた約０．０５ないし０．５ｍｍの範囲内にあることが有利であることが判明した。前記形状は、正常作動中にその厚さを貫いて電流が流れる場合に、ディスク２５０の全抵抗を減少させるために厚さを減少させ、良好な接触部分をもつことを可能にするので、ディスク２５０のための前述の形状、すなわちフレキシブル部分２５５がそこから内向きに突き出した円形周辺縁を備えた中空ディスクであることが望ましい。形状記憶部材２５５は約８％を超過する変形歪みを持たないことが望ましい。曲げ角度は約１０ないし３０度であることが望ましい。即ち、端部２５５（ｂ）はディスクの平面から約１０ないし３０度の角度で上向きに曲げられる。これは、活性化温度に達すると、記憶部材２５５が接触プラグ２９５から遠のく方向に偏向し、平らになることを可能にする。リチウムイオン電池用に使用する場合には、記憶ディスクに関する前述の好ましい設計では、電池の連続作動状態における電流ドレーンが最大５アンペアであるような全抵抗５ミリオームが結果として得られる。
【００２３】
図６及び７に示す電流アセンブリ実施形態において、熱感応部材は、曲がった円形ディスク３５０の形、又は、薄い曲がった細長いスラブ形にディスク、又は、平行六面体３５２の形で、形状記憶合金、上述したように好ましくはＮＩＴＩＮＯＬ合金によって有利に作ることができる。（ディスク３５２が薄く細長いスラブの形である場合には、卵形であるか、或いは、１つ又は複数対の平行でない対面する縁を持つ形状であり得る。）ディスク３５０又は３５２は、望ましくは約６０℃ないし１２０℃の所定温度に曝した場合、不可逆変形するように作成されることが好ましい。電池の内部温度が所定値を越えた場合には、ディスク又はスラブの湾曲は反転するか、又は、平らになり、プラスチックロッド３４０にディスク３３０の弾性アーム３３４を押圧させる。これは、結果として、上述したように電流を遮断するために、ディスク３３０と金属支持リング３６０との間の電気接触の遮断を引き起こす。熱感応ディスク３５０又は３５２は、その代りに、バイメタル構成、即ち、熱膨張係数の異なる類似しない金属の２つの層による構成であっても差し支えない。バイメタル構成が用いられる場合には、バイメタルディスク３５０又はスラブ３５２の最上層（エンドキャップ３２５に最も近い層）は、好ましくはニッケル・クロム合金のような高熱膨張金属で構成されても差し支えなく、下に在る層又は底部層は好ましくはニッケル・鉄合金のような低熱膨張金属で構成されても差し支えない。他の適当なバイメタル合成はニッケルとチタンである。この種の実施形態において、ディスク３５０（又は、ディスク３５２）は、電池温度が少なくとも６０℃まで上昇した場合に作動化し、一般に、約６０℃ないし１２０℃の電池温度で作動化可能である。ディスク３５０又は３５２は、−２０℃以下の温度を除き、リセットされることのないように、高熱膨張金属層及び低熱膨張金属層を選定することも可能であり、従って、ほとんどの用途において、この種デバイスは単一作動サーモスタットデバイスとして使用される。
【００２４】
電流遮断アセンブリ２２０（図２及び３）において、ケーシング２８０は、強度と耐腐食性を強化するために、アルミニウム、ステンレス鋼、又は、チタンで形成してもよい。ケーシング２８０の肉厚は約０．１ｍｍないし０．５ｍｍであることが望ましい。ケーシング２８０、及び、従ってアセンブリ２２０の直径は約３ないし１５ｍｍであることが望ましく、一般に、直径は約３ないし８ｍｍのあり、深さは約１ないし１０ｍｍであり、一般に、約１ないし３ｍｍである。この種の全寸法であるアセンブリ２２０は、電池容量を著しく減少させるか、又は、電流遮断機能を損なうことなしに、全厚さが約３ないし６ｍｍである非常に薄い直方体状電池に挿入可能である。
【００２５】
内部絶縁リング２９０は、圧縮強度及び温度安定性が比較的高い耐食性サーモプラスチック材料から成ることが望ましい。絶縁リング２９０用の好ましい物質はＣｅｌａｎｅｓｅＣｏ．から商標ＶＥＣＴＲＡポリマとして入手可能な液晶ポリマ、又は、商標ＶＡＬＯＸポリマとしてＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＰｌａｓｔｉｃｓ社から入手可能なポリエステルである。接触プラグ２９５は、エンドキャップ２３０の下面に容易に溶接可能な冷間圧延鋼又はステンレス鋼で形成されることが望ましい。接触プラグ２９５は、その接触抵抗を小さくするために、銀のような貴金属でめっきしても差し支えない。エンドキャップ２３０は、強度及び耐食の観点から必要な組合わせを提供するためにステンレス鋼、アルミニウム、又は、チタンで形成されることが望ましく、全直径は約３ないし１５ｍｍの間、一般に約４ないし８ｍｍの間であり、全深さは約１ｍｍ以下、一般に約０．１ないし１ｍｍの間であることが望ましい。絶縁グロメット２７５は、厚さが約０．１ないし０．５ｍｍの間、全直径が約３ないし１５ｍｍの間、好ましくは約４ないし８ｍｍの間であることが望ましい。グロメット２７５は、電解質に対して不活性であり、ケーシング２８０とアセンブリ２２０の内部構成要素との間に良好な密封性を提供するに充分な弾性を備えた、例えば高密度ポリプロピレンのような耐久性も弾性もある耐食サーモプラスチック材料で形成しても差し支えない。
【００２６】
電流遮断アセンブリ３２０（図６及び７）において、ケーシング３８０は、強度と耐食性の観点から、ステンレス鋼、又は、ニッケルめっきした冷間圧延鋼によって形成されても差し支えない。ケーシング３８０の肉厚は約０．１ｍｍないし０．５ｍｍの間であることが望ましい。ケーシング３８０、ひいてはアセンブリ３２０は、直径又は全幅が約４ないし１５ｍｍ、一般に約４ないし８ｍｍの間であり、深さが約１ないし１０ｍｍ、一般に約３ないし６ｍｍの間であることが好ましい。この種の全寸法のアセンブリ３２０は、全厚さが約６ないし２０ｍｍの直方体状電池、又は、直径が約５ないし２０ｍｍの円筒形電池に、電池容量又は電流遮断機能を著しく低下させることなく挿入できる。エンドキャップ３２５は、一般に、全直径が約４ないし１５ｍｍであり、全深さが約０．１ないし１ｍｍである。エンドキャップ３２５は、十分な強度及び耐食性を提供するために、ステンレス鋼又はニッケルめっき冷間圧延鋼で形成しても差し支えない。フレキシブル導電ディスク３３０は、直径が約４ないし１５ｍｍ、厚さが約０．１ないし０．５ｍｍであることが望ましい。それは、その接触抵抗を下げるために例えば金又は銀のような貴金属でめっきした、例えばベリリウム―銅合金又はスプリング鋼のような良好な導電率と強度を備えた弾性金属材料で構成されることが望ましい。ディスク３３０の弾性アーム３３４は、矩形であり、幅が約２ないし５ｍｍ、長さが約３ないし８ｍｍ、厚さが約０．１ないし０．５ｍｍであることが望ましい。
【００２７】
絶縁リング３３５は、圧縮強度及び温度安定性が比較的高い耐食性サーモプラスチック材料で構成されることが望ましい。絶縁リング３３５用として好ましい材料は、Ｃｅｌａｎｅｓｅ社からＶＥＣＴＲＡポリマという商標で入手可能な液晶ポリマ、又は、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＰｌａｓｔｉｃｓ社からＶＡＬＯＸポリマと称して入手可能なポリエステルである。可動ロッド３４０は、直径又は幅が約１ないし３ｍｍ、長さが１ないし５ｍｍである。ロッド３４０は本質的に非導電性（高抵抗率材料で形成される）であり、例えば１２０°Ｃ以上の高温度に曝されても熱的に安定していなければならない。ロッド３４０用の好ましい材料は、Ｃｅｌａｎｅｓｅ社からＶＥＣＴＲＡポリマの商標で入手可能な液晶ポリマである。金属支持リング３６０は、直径が約４ないし１５ｍｍ、好ましくは約４ないし８ｍｍ、厚さが約０．１ないし１ｍｍであることが望ましい。支持リング３６０は、十分な強度を提供するために、ステンレス鋼又は冷間圧延鋼から容易に形成可能である。この種材料は、接触抵抗を下げるために金又は銀のような貴金属でめっきしても差し支えない。カップ形本体３７０の深さは約１ないし３ｍｍであることが望ましい。望ましくはカップ形本体３７０の基礎を形成する圧力作動ダイアフラム３７２は、直径が約４ないし１５ｍｍ、肉厚が約０．１ないし０．５ｍｍである。カップ形本体３７０及びダイアフラム３７２は、アルミニウムから容易に形成可能であり、アルミニウムは高い圧力差にさらされると容易かつ恒久的に変形する。絶縁グロメット３７５は、厚さが約０．１ないし０．５ｍｍ、全直径が約４ないし１５ｍｍであることが望ましい。グロメット３７５は、例えば、電解質に対して不活性であり、ケーシング３８０とアセンブリ３２０内部構成要素との間に良好な密封性を提供する高密度ポリプロピレンのような耐久性も弾性もある耐食サーモプラスチック材料で形成することができる。
【００２８】
本発明は好ましい実施形態に関して記述したが、本発明のコンセプトから逸脱することなしに記述した実施形態の改造が可能であることを理解されたい。従って、本発明が、特定の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲とその均等範囲によって定義されることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】完全に直方体状電池内に配置された本発明の電流遮断アセンブリの一実施形態を示す一部切欠斜視図である。
【図２】図１に示す電池及び電流遮断アセンブリの縦断面図である。
【図３】図１及び２に示す電流遮断アセンブリの構成要素の分解斜視図である。
【図４】電池の一端部から突出した状態を示す電流遮断アセンブリの他の一実施形態を伴った直方体状電池の斜視図である。
【図５】図４に示す電流遮断アセンブリの同じ実施形態を伴った円筒形電池の斜視図である。
【図６】図４及び５に示す電流遮断アセンブリの縦断面図である。
【図７】図４、５及び６に示す電流遮断アセンブリの分解斜視図である。
【図８】図２及び６に示す電流遮断アセンブリの実施形態を含む円筒形電池の縦断面図である。

Claims

第１の電流遮断アセンブリ（３２０）および第２の電流遮断アセンブリ（２２０）を備える電気化学的電池（２１５）であって、前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）および前記第２の電流遮断アセンブリ（２２０）は、電気的に直列接続されており、前記電気化学的電池（２１５）のための平行六面体に整形されたケーシング（２２５）に挿入され、
前記電気化学的電池（２１５）は、正端子（２４５）と、負端子（２４６）と、１枚の陽極材料（２１１）と、１枚の陰極材料（２１３）とをさらに備え、
前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）は、カップ形本体（３７０）と、前記カップ形本体（３７０）内の第１のチャンバと、エンドキャップ（３２５）とを有し、
前記エンドキャップ（３２５）は、前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）内の電気的導電通路を介して前記電極材料（２１１，２１３）の一つに電気的に接続され、
前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）はその内部に、前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）内における前記電気的導電通路の一部を形成する、フレキシブルな電導性金属ディスク（３３０）を有し、
前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）は、所定の温度レベルが達成されたときに電流が前記電気化学的電池（２１５）内を流れないようにする熱感応部材（３５０）をさらに有し、
前記熱感応部材（３５０）は湾曲した面を有する形状記憶合金部材を有し、
前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）は、前記形状記憶合金部材の面曲率の変化に対応して前記フレキシブルな電導性金属ディスク（３３０）が動くようにする、電気絶縁ロッド（３４０）をさらに有し、
前記形状記憶合金部材を、前記電気化学的電池（２１５）の温度が所定の温度に達したとき、前記形状記憶合金部材が変形してその表面の少なくとも一部の曲率を変え、前記フレキシブルな電導性金属ディスク（３３０）を動かして前記エンドキャップ（３２５）と前記電極材料（２１１，２１３）との間の前記電気的導電通路を遮断する、ものとして構成し、それによって前記電気化学的電池（２１５）を電流が流れるのを阻止し、
前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）は、前記カップ形本体（３７０）の一部を形成し前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）の外側に露出する面を有する、圧力ダイアフラム（３７２）を有し、前記フレキシブルな電導性金属ディスク（３３０）を、前記圧力ダイアフラム（３７２）の変形に対応して動く、ものとして構成し、
前記圧力ダイアフラム（３７２）を、前記圧力ダイアフラム（３７２）の露出された側のガス圧が上がるとき、前記圧力ダイアフラム（３７２）が前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）の内側に向かって変形して、前記電気絶縁ロッド（３４０）が前記フレキシブルな電導性金属ディスク（３３０）を押すようになる、ものとして構成し、それによって前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）内の前記電気的導電通路を遮断し、
前記第２の電流遮断アセンブリ（２２０）は、ケーシング（２８０）と、前記ケーシング（２８０）内の第２のチャンバと、前記ケーシング（２８０）を密封するエンドキャップ（２３０）とを有し、
前記第２の電流遮断アセンブリ（２２０）は、前記ケーシング（２８０）と前記第２の電流遮断アセンブリ（２２０）の前記エンドキャップ（２３０）との間に自己を通る電気的導電通路を有し、
前記第２の電流遮断アセンブリ（２２０）は完全に前記電気化学的電池（２１５）の内部に配置され、
前記第２の電流遮断アセンブリ（２２０）は、前記第２のチャンバ内に、前記第２の電流遮断アセンブリ（２２０）内の前記電気的導電通路を電流が通るのを防ぐ、熱感応部材（２５０）を有し、
前記熱感応部材（２５０）は形状記憶合金部材を有し、前記形状記憶合金部材は、前記第２の電流遮断アセンブリ（２２０）内の温度が所定のレベルに達した時に作動可能であり前記第２の電流遮断アセンブリ（２２０）を通る前記電気的導電通路を遮断する、ものとして構成され、それによって前記電気化学的電池（２１５）の動作を終了させる、
ことを特徴とする、電気化学的電池。
前記電流遮断アセンブリ内の前記形状記憶合金部材は、形状記憶合金のディスクを有し、
前記ディスクは所定の温度に達したときに自己の厚さ方向に曲がる曲面を有する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の電気化学的電池。
前記ディスクは０．０５乃至０．５ｍｍの間の厚さを有することを特徴とする、請求項２に記載の電気化学的電池。
前記形状記憶合金部材の面曲率の変化に対応して前記フレキシブルな電導性金属ディスク（３３０）を移動させる前記電気絶縁ロッド（３４０）は、前記第１のチャンバ内に配置された、前記形状記憶合金部材と物理的に通じている電気的非導通部材であって、前記形状記憶合金部材が変形したとき、前記電気的非導通部材は、前記フレキシブルな電導性金属ディスク（３３０）に向かって移動し、前記エンドキャップ（３２５）と前記電極材料との間の前記電気的導電通路を遮断することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の電気化学的電池。
前記電気的非導通部材は細長いスラブ（３５２）であることを特徴とする、請求項４に記載の電気化学的電池。
前記フレキシブルな電導性金属ディスク（３３０）は、自己を通る中空部分（３３３）を有するディスクを有し、このディスクは周辺縁（３３２）を有し、前記周辺縁（３３２）はその一部から前記中空部分（３３３）へ突き出る弾性アーム（３３４）を有し、
前記周辺縁（３３２）は前記第１の電流遮断アセンブリ（３２０）内の絶縁リング（３３５）の表面に置かれ、前記弾性アーム（３３４）は前記形状記憶合金部材の変形に対応して移動可能であり、これにより前記電気的導電通路を遮断することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の電気化学的電池。
前記電気化学的電池は可充電電池であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の電気化学電池。