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DE602006000037T2 - Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie - Google Patents

Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie Download PDF

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DE602006000037T2
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ion secondary
lithium ion
cylindrical lithium
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Yoo Eup Hyung
Seok Gyun Chang
Soon Ki Woo
Youn Han Chang
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Samsung SDI Co Ltd
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Priority claimed from KR1020050061399A external-priority patent/KR100686801B1/ko
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Um zu verhindern, dass eine typische zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie im Fall von Überladung explodiert, ist sie mit einer Sicherheitsentlüftung versehen, die sich verformt, wenn der Innendruck infolge von Überladung steigt, sowie mit einer Schaltplatte, die den Strom unterbricht, wenn sich die Sicherheitsentlüftung verformt. Die Sicherheitsentlüftung und die Schaltplatte werden auch als Ganzes als CIDs (Stromunterbrechungsvorrichtungen) bezeichnet und bilden die Kappenanordnung. Der Betrieb der Sicherheitsentlüftung und der Schaltplatte einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie wird nun detaillierter beschrieben.
  • Wenn eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie überladen wird, verdunstet der Elektrolyt ungefähr von dem oberen Bereich der Elektrodenanordnung, und der Widerstand beginnt sich zu erhöhen. Zusätzlich fällt Lithium aus, und ungefähr von dem mittleren Bereich der Elektrodenanordnung aus beginnt Verformung aufzutreten. Die Widerstandserhöhung in dem oberen Bereich der Elektrodenanordnung verursacht lokale Erhitzung und erhöht plötzlich die Batterietemperatur.
  • In diesem Zustand erhöht die Wirkung von Cyclohexylbenzol (CHB) und Diphenyl (BP) (Elektrolytzusatz), die sich im Allgemeinen im Fall von Überladen zersetzen und Gas erzeugen, schnell den Innendruck. Derartiger Innendruck drückt die Sicherheitsentlüftung, die eine der Komponenten der Kappenanordnung ist, nach außen (d.h. verformt sie nach außen). Infolgedessen wird die darauf angeordnete Schaltplatte gebrochen und unterbricht den Strom. Insbesondere wird das auf der Schaltplatte ausgebildete Drahtmuster abgetrennt, und es fließt kein Strom mehr. Solch eine Stromunterbrechung beendet den Überladungszustand und verhindert, dass die Batterie sich aufheizt, ausläuft, raucht, explodiert oder Feuer fängt.
  • Wenn der Innendruck der Batterie aufgrund von Überladung über ein kritisches Niveau hinaus steigt, wird die Sicherheitsentlüftung selbst abgerissen und entleert internes Gas nach außen.
  • Indessen existiert innerhalb der Batterie im Allgemeinen ein Hohlraumvolumen oder totes Volumen. Insbesondere kann der leere Raum zwischen der Elektrodenanordnung und der Kappenanordnung oder der innerhalb des Mittelstifts als ein Hohlraumvolumen bezeichnet werden. Solch ein Hohlraumvolumen wird als einer der Gründe dafür betrachtet, dass der Zeitpunkt der Verformung oder des Bruchs der Sicherheitsentlüftung verzögert wird. Mit anderen Worten wird das Hohlraumvolumen als den Stromunterbrechungszeitpunkt verzögernd und die Stabilität der Batterie verringernd betrachtet.
  • Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass, wenn zum Beispiel bei einem Druck von ungefähr 5–11 kp/cm2 sich die Sicherheitsentlüftung innerhalb der Batterie verformt (oder die Schaltplatte bricht) und das Hohlraumvolumen ungefähr 2 ml beträgt, die Menge an für die Verformung der Sicherheitsentlüftung benötigtem Gas ungefähr 10–22 ml beträgt, obwohl es in Abhängigkeit des Typs der Batterie einige Schwankungen geben kann. Jedoch wird, selbst wenn sich Cyclohexylbenzol (CHB) vollständig zersetzt, welches in dem Elektrolyten berechnungsbasiert in einem Verhältnis von 0,7% enthalten ist, Gas von ungefähr 4,116 ml erzeugt, und selbst wenn sich 0,3% Diphenyl (BP) vollständig zersetzen, wird Gas von ungefähr 1,833 ml erzeugt. Außerdem werden 1,5 ml Gas zusätzlich in dem Gasabscheidungsprozess erzeugt. Die Gesamtsumme an Gas aus drei verschiedenen Quellen beträgt jedoch nicht mehr als ungefähr 7,449 ml und bringt eine Kraft von ungefähr 3,75 kgp/cm2 auf die Sicherheitsentlüftung auf. Zusammenfassend kann, obwohl ein Druck von ungefähr 5–11 kgp/cm2 notwendig ist, um im Fall von Überladung die Sicherheitsentlüftung zu verformen oder die Schaltplatte zu brechen, das Hohlraumvolumen tatsächlich nur ungefähr 3,75 kgp/cm2 bereitstellen. Infolgedessen wird die Sicherheitsentlüftung nicht ausgelöst, oder die Auslösung wird verzögert. Das bedeutet, dass der Stromunterbrechungszeitpunkt im Fall von Überladung verzögert wird. Das daraus resultierende Problem ist, dass die Überladung weiter fortschreitet, solange Zeit verzögert wird, die Batterietemperatur weiter steigt und es sehr wahrscheinlich ist, dass die Batterie explodiert oder Feuer fängt. Obwohl die Menge an im Fall von Überladung erzeugtem Gas durch Erhöhung der Menge an Cyclohexylbenzol (CHB) oder Diphenyl (BP), welches ein Zusatz zu dem Elektrolyten ist, größer werden kann, gibt es einen Kompromiss zwischen Verringerung an Kapazität, Lebensdauer und Qualität der Batterie.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie bereitgestellt, die eine Elektrodenanordnung enthält; einen innerhalb der Elektrodenanordnung angeordneten Mittelstift, wobei der Mittelstift obere und untere Enden hat, die geschlossen sind; einen Becher, der die Elektrodenanordnung und den Mittelstift beinhaltet; sowie eine oben an den Becher angeschlossene Kappenanordnung, wobei der Mittelstift ein Gehäuse, das sich mit offenem oberem und unterem Ende über eine vorbestimmte Länge erstreckt, sowie mindestens ein Verschlussglied, das dazu ausgelegt ist, die oberen und unteren Enden des Gehäuses zu schließen und bei einer vorbestimmten Temperatur zu schmelzen oder zu brechen, umfasst; und wobei der Mittelstift ein Vergasungsglied aufweist, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Vergasungsglied dazu ausgelegt ist, sich bei einer vorbestimmten oder höheren Spannung zu zersetzen und Gas zu erzeugen. Der Becher weist vorzugsweise ein Hohlraumvolumen oder totes Volumen auf, das darin nur in einem Bereich zwischen der Elektrodenanordnung, dem Mittelstift und der Kappenanordnung ausgebildet ist.
  • Das Gehäuse kann irgendein aus einer aus Stahl, rostfreiem Stahl und Aluminium bestehenden Gruppe ausgewähltes Material beinhalten. Das mindestens eine Verschlussglied kann auch dazu ausgelegt sein, bei einer Temperatur von 80–120°C zu schmelzen oder zu brechen. In einer Ausführung weist das Gehäuse auf seinen oberen beziehungsweise unteren Enden Verjüngungen auf.
  • Das mindestens eine Verschlussglied kann ein hochmolekulares Harz sein; mindestens ein aus einer aus Polyethylen, Epoxid, Acetal und Indium bestehenden Gruppe ausgewähltes Material; oder kann eine Stärke von 1–200 μm aufweisen. Vorzugsweise weist das mindestens eine Verschlussglied eine Stärke von 25–75 μm auf. Das mindestens eine Verschlussglied kann ein das gesamte Gehäuse einschließlich seiner oberen und unteren Enden umschließender Film in Form einer Ummantelung um das Gehäuse sein. Das mindestens eine Verschlussglied kann auch ein an das Gehäuse angeschlossenes Kopplungsteil, ein von dem Kopplungsteil um eine vorbestimmte Länge nach außen herausragendes Verjüngungsteil sowie einen Film beinhalten, der eine Öffnung zu dem Gehäuse weitgehend blockiert, wobei der Film zwischen dem Kopplungsteil und dem Verjüngungsteil ausgebildet ist.
  • Der Mittelstift kann von einem in einer Längsrichtung des Gehäuses ausgebildeten Schlitz durchdrungen sein oder kann mindestens ein auf dem Gehäuse ausgebildetes Durchgangsloch aufweisen.
  • Das mindestens eine Verschlussglied kann eine Kappe sein, die die oberen und unteren Enden des Gehäuses bedeckt..
  • Das Vergasungsglied kann sich bei einer Spannung von 4–4,5 V oder mehr zersetzen und gasförmig werden und kann mindestens ein aus einer aus Cyclohexylbenzol (CHB) und Diphenyl (BP) bestehenden Gruppe ausgewähltes Material beinhalten. Vorzugsweise weist der Mittelstift ein nicht brennbares, innerhalb des Gehäuses ausgebildetes Glied auf. Das nicht brennbare Glied kann mindestens ein aus einer aus einem Material auf Magnesiumhydroxid-Basis, einem Material auf Aluminiumhydroxid-Basis, einem Material auf Halogen-Basis, einem Material auf Antimontrioxid-Basis, einem Material auf Melanin-Basis und einem Material auf Phosphat-Basis bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfassen.
  • Die Kappenanordnung kann eine oben auf dem Mittelstift angeordnete Sicherheitsentlüftung und eine oben auf der Sicherheitsentlüftung angeordnete Schaltplatte beinhalten und kann innerhalb von 2–10 Minuten ausgelöst werden, wenn die Ladespannung 4–4,5 V oder mehr beträgt, um den Strom der Schaltplatte zu unterbrechen. Vorzugsweise ist die Batterie dazu ausgelegt, eine Oberflächentemperatur von 30–60°C beizubehalten, wenn die Ladespannung 4–4,5 V oder mehr beträgt, und lädt nicht weiter.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlicher:
  • 1A ist eine Perspektivansicht, die eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 1B ist eine Schnittansicht, die eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 1C ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 1D ist eine Perspektivansicht, die einen funktionalen Mittelstift vergrößert;
  • 1E ist eine Schnittansicht, die einen funktionalen Mittelstift vergrößert;
  • 2A ist eine Perspektivansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 2B ist eine Schnittansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 3A ist eine Perspektivansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 3B ist eine Schnittansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 4A ist eine Perspektivansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 4B ist eine Schnittansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 5A ist eine Perspektivansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 5B ist eine Schnittansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 6A ist eine Perspektivansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 6B ist eine Schnittansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 7A ist eine Perspektivansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 7B ist eine Schnittansicht, die einen weiteren funktionalen Mittelstift einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert;
  • 8A ist eine schematische Ansicht, die eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie mit einem funktionalen Mittelstift gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Sicherheitsentlüftung aufgrund von Verringerung des Hohlraumvolumens durch den Mittelstift bei einem niedrigen Druck betrieben wird;
  • 8B ist eine schematische Ansicht, die schnelles Auslösen einer Sicherheitsentlüftung aufgrund von Schmelzen oder Brechen eines auf einem Mittelstift ausgebildeten Verschlussgliedes zeigt; und
  • 9 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Spannung/Stromstärke, Stromunterbrechungszeitpunkt und Oberflächentemperatur der Batterie im Fall von Überladung zum Vergleich zwischen einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie mit einem funktionalen Mittelstift gemäß der vorliegenden Erfindung und einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie mit einem Mittelstift gemäß dem Stand der Technik zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Nachstehend werden verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Beschreibungen und Zeichnungen werden dieselben Bezugszahlen verwendet, um dieselben oder ähnliche Komponenten zu bezeichnen, und so wird die Wiederholung der Beschreibung derselben oder ähnlicher Komponenten ausgelassen.
  • Unter Bezug auf 1A, 1B und 1C ist eine Perspektivansicht, eine Schnittansicht beziehungsweise eine perspektivische Explosionsdarstellung illustriert, die jeweils eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen. Unter Bezug auf 1D und 1E ist eine Perspektivansicht beziehungsweise eine Schnittansicht illustriert, die jeweils einen funktionalen Mittelstift vergrößern.
  • Wie in 1A, 1B und 1C gezeigt beinhaltet eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie 100 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Elektrodenanordnung 110, einen mit der Elektrodenanordnung 110 verbundenen Mittelstift 120 mit geschlossenen oberen und unteren Enden, einen Becher 130 zum Enthalten der Elektrodenanordnung 110 und des Mittelstifts 120 sowie eine Kappenanordnung 140 zum Bedecken der Oberseite des Bechers 130.
  • Die Elektrodenanordnung 110 beinhaltet eine mit einem negativen aktiven Elektrodenmaterial (zum Beispiel Graphit, Kohlenstoff etc.) beschichtete negative Elektrodenplatte 111, eine mit einem positiven aktiven Elektrodenmaterial (zum Beispiel einem Übergangsmetalloxid einschließlich LiCoO2, LINiO2 und LiMn2O4) beschichtete positive Elektrodenplatte 112 sowie einen zwischen den negativen und positiven Elektrodenplatten 111 und 112 angeordneten Separator 113, um Kurzschlüsse zu vermeiden und nur Lithiumionen zu erlauben, sich zu bewegen. Die negativen und positiven Elektrodeplatten 111 und 112 und der Separator 113 sind ungefähr in die Form eines Zylinders gewickelt und sind in dem Becher 130 enthalten. Die negative Elektrodenplatte 111 kann aus Kupfer-(Cu-)folie hergestellt sein, die positive Elektrodenplatte 112 kann aus Aluminium-(Al-)folie hergestellt sein, und der Separator 113 kann aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) hergestellt sein, aber das Material ist in der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt. Die negative Elektrodenplatte 111 kann einen negativen Elektrodenflachstecker 114 angeschweißt haben, wobei dieser um eine vorbestimmte Länge nach unten hervorragt, und die positive Elektrodenplatte 112 kann einen positiven Elektrodenflachstecker 115 angeschweißt haben, wobei dieser um eine vorbestimmte Länge nach oben hervorragt, oder umgekehrt. Der negative Elektrodenflachstecker 114 kann aus Nickel-(Ni-)material hergestellt sein, und der positive Elektrodenflachstecker 115 kann aus Aluminium-(Al-)material hergestellt sein, aber das Material ist hierin nicht beschränkt.
  • Der Mittelstift 120 ist ungefähr mit der Mitte der Elektrodenanordnung 110 verbunden, um sie daran zu hindern, sich während des Ladens/Entladens der Batterie zu verformen. Die oberen und unteren Enden des Mittelstifts 120 sind geschlossen, um das Hohlraumvolumen (oder tote Volumen) innerhalb des Bechers 130 zu minimieren. Die Struktur und der Betrieb des Mittelstifts 120 werden später detaillierter beschrieben. Der Becher 130 hat ungefähr die Form eines Zylinders. Insbesondere weist der Becher 130 eine zylindrische Oberfläche 130 mit einem vorbestimmten Durchmesser und eine auf dem unteren Teil der zylindrischen Oberfläche 131 ungefähr in der Form einer Scheibe ausgebildete untere Oberfläche 132 auf. Die Oberseite des Bechers 130 ist offen, so dass die Elektrodenanordnung 110 und der Mittelstift 120 direkt nach unten in den Becher 130 durch dessen oberes Ende eingeführt werden können. Der negative Elektrodenflachstecker 114 der Elektrodenanordnung 110 kann an die untere Oberfläche 132 des zylindrischen Bechers 130 angeschweißt sein. In diesem Fall wirkt der zylindrische Becher 130 als die negative Elektrode. Wahlweise kann der positive Elektrodenflachstecker 115 an die untere Oberfläche 132 des zylindrischen Bechers 130 angeschweißt sein, welche dann als die positive Elektrode wirkt. Untere und obere Isolationsplatten 116 und 117 sind auf den unteren beziehungsweise oberen Oberflächen der Elektrodenanordnung 110 angeordnet, um jeglichen unnötigen Kurzschluss zwischen der Elektrodenanordnung 110 und dem zylindrischen Becher 130 zu vermeiden. Der zylindrische Becher 130 kann aus Stahl, rostfreiem Stahl, Aluminium oder einem Äquivalent derselben hergestellt sein, aber das Material ist hierin nicht beschränkt.
  • Die Kappenanordnung 140 kann eine ungefähr ringförmige, mit dem oberen Bereich des zylindrischen Bechers 130, insbesondere mit dem oberen Bereich der Elektrodenanordnung 110 und des Mittelstifts 120 verbundene Isolierdichtung 141 sowie eine leitende, mit der Isolierdichtung 141 verbundene Sicherheitsentlüftung 142 beinhalten. Der positive Elektrodenflachstecker 115 kann mit der Sicherheitsentlüftung 142 verbunden sein. Wahlweise kann der negative Elektrodenflachstecker 114 mit der Sicherheitsentlüftung 142 verbunden sein. Wie weithin aus dem Stand der Technik bekannt, verformt sich oder bricht die Sicherheitsentlüftung 142, wenn der Innendruck des Bechers 130 steigt, und bricht die Schaltplatte 143 (später beschrieben) oder entleert Gas nach außen. Eine Schaltplatte 143 ist oben auf Sicherheitsentlüftung 142 angeordnet und wird beschädigt oder gebrochen, wenn sich die Sicherheitsentlüftung 142 verformt, um den Strom zu unterbrechen. Eine Kaltleiter-(PTC-)Vorrichtung 144 ist oben auf der Schaltplatte 143 angeordnet und unterbricht den Strom im Fall von überhöhtem Strom. Eine leitende positive (oder negative) Elektrodenkappe 145 ist oben auf der PTC-Vorrichtung 144 angeordnet, um eine positive Elektrodenspannung (oder negative Elektrodenspannung) nach außen bereitzustellen, und ist zur einfachen Gasentleerung mit einer Reihe von Durchgangslöchern 145a ausgestattet. Die Sicherheitsentlüftung 142, die Schaltplatte 143, die PTC-Vorrichtung 144 und die positive Elektrodenkappe 145 sind innerhalb der Isolierungsdichtung 141 angeordnet, um zu verhindern, dass sie direkt mit dem zylindrischen Becher 130 kurzgeschlossen werden. Die Schaltplatte 143 weist ein Drahtmuster 143a auf ihrer Oberfläche auf, welches auf natürliche Weise abgetrennt wird, wenn die Schaltplatte 143 beschädigt oder gebrochen wird.
  • Der zylindrische Becher 130 weist einen Rippenteil 133 auf, der auf dem unteren Teil der Kappenanordnung 140 angeordnet ist, wobei er nach innen vertieft ist, und einen Umschlagteil 134, der auf dem oberen Teil der Kappenanordnung 140 angeordnet ist, wobei er nach innen gebogen ist, um zu verhindern, dass die Kappenanordnung 140 nach außen tritt. Die Rippen- und Umschlagteile 133 und 134 fixieren die Kappenanordnung 140 fest an dem zylindrischen Becher 130 und unterstützen sie und verhindern, dass der Elektrolyt (später beschrieben) ausläuft.
  • Der zylindrische Becher 130 weist einen darin injizierten Elektrolyten (nicht gezeigt) auf, um Lithiumionen, die durch elektrochemische Reaktionen von den negativen und positiven Elektrodenplatten 111 und 112 innerhalb der Batterie während des Ladens/Entladens erzeugt werden, zu ermöglichen, sich zu bewegen. Der Elektrolyt kann ein nichtwässriger organischer Elektrolyt sein, welcher eine Mischung aus Lithiumsalz und einem hochreinen organischen Lösungsmittel ist. Zusätzlich kann der Elektrolyt ein Polymer sein, der ein hochmolekulares Harz verwendet, aber die Art von Elektrolyt ist hierin nicht beschränkt.
  • Wie in 1D und 1E gezeigt beinhaltet ein funktionaler Mittelstift 120 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 121 mit einer vorbestimmten Länge und ein Verschlussglied 123 zum Schließen der oberen und unteren Enden des Gehäuses 121.
  • Das Gehäuse 121 kann ungefähr die Form eines runden Rohrs mit einer vorbestimmten Länge mit offenen oberen und unteren Enden aufweisen. Anstatt eines runden Rohrs kann das Gehäuse 121 die Form eines dreieckigen Rohrs, eines quadratischen Rohrs, eines polygonalen Rohrs oder eines elliptischen Rohrs aufweisen, aber die Form des Gehäuses 121 ist hierin nicht beschränkt. Die Länge des Gehäuses 121 kann gleich der, geringfügig größer als die oder geringfügig kleiner als die der Elektrodenanordnung 110 sein, aber die Länge ist hierin nicht beschränkt. Das Gehäuse 121 kann aus Stahl, rostfreiem Stahl, Aluminium oder einem Äquivalent derselben hergestellt sein, welches eine genügend große Stärke aufweist, um die Elektrodenanordnung 110 daran zu hindern, sich zu verformen, aber das Material ist hierin nicht beschränkt. Die oberen und unteren Enden des Gehäuses 121 verformen sich mit der größten Wahrscheinlichkeit und können, um die Verformung zu minimieren, darauf ausgebildete Abschrägungen beziehungsweise Verjüngungen 122 aufweisen, wobei der Durchmesser kleiner wird, aber die Form ist hierin nicht beschränkt.
  • Das Verschlussglied 123 kann ein das gesamte Gehäuse 121 einschließlich seiner oberen und unteren Enden umschließender Film in Form einer Ummantelung um das Gehäuse 121 sein. Das Verschlussglied 123 kann aus einem Material hergestellt sein, das bei einer vorbestimmten Temperatur schmilzt oder bricht. Insbesondere schmilzt oder bricht das Verschlussglied 123, wenn die Innentemperatur der Batterie ungefähr 80–120°C beträgt (in diesem Fall beträgt die Oberflächentemperatur der Batterie ungefähr 30–60°C), so dass die oberen und unteren Enden des den Mittelstift 120 bildenden Gehäuses 121 offen sind. Die oberen und unteren Enden des Mittelstifts 120 bleiben in der ersten Phase der Überladung geschlossen, so dass das Hohlraumvolumen wesentlich reduziert wird und die Sicherheitsentlüftung 142 schnell ausgelöst wird. Wenn jedoch die Innentemperatur der Batterie 80–120°C erreicht, ist die Batterie direkt der Gefahr von Aufheizen, Auslaufen, Rauchen, Explosion und Feuer ausgesetzt, und der geschlossene Mittelstift 120 hat keine Bedeutung. Mit anderen Worten wirkt der Mittelstift 120 in diesem Zustand als Gasleitung. Insbesondere kann das durch die Zersetzung von in dem Elektrolyten enthaltenem Cyclohexylbenzol (CHB) und Diphenyl (BP) erzeugte Gas im Hinblick auf Stabilität in Bezug darauf, zu verhindern, dass die Batterie sich aufheizt, ausläuft, raucht, explodiert oder Feuer fängt, an der Sicherheitsentlüftung 142 entlang des Inneren des Gehäuses 121 des Mittelstifts 120 konzentriert sein.
  • Das Verschlussglied 123 kann aus einem herkömmlichen hochmolekularen Harz hergestellt sein, aber das Material ist in der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt. Insbesondere kann das Verschlussglied 123 aus irgendeinem aus Polyethylen, Epoxid, Acetal, Indium und einem Äquivalent derselben Ausgewählten hergestellt sein, aber das Material ist hierin nicht beschränkt. Irgendein Material kann als das Verschlussglied verwendet werden, solange es schmilzt oder bricht, wenn die Innentemperatur der Batterie 80–120°C erreicht. Das Verschlussglied 123 hat in mancher Ausführung eine Stärke von 1–200 μm und in anderen Ausführungen 25–75 μm. Wenn die Stärke des Verschlussgliedes 123 weniger als 1 μm beträgt, mag es bei einer niedrigen Temperatur unerwünscht schmelzen oder brechen, und wenn die Stärke mehr als 200 μm beträgt, mag es bei einer gewünschten Temperatur nicht schmelzen oder brechen. Jedoch kann die Stärke in Abhängigkeit des Materials variieren und ist hierin nicht beschränkt. Die Schmelztemperatur des Verschlussgliedes 123 kann auf Grund des Typs, der Kapazität, der Gestalt, der Größe und der Form der Batterie verschieden eingestellt sein. Wenn sich die Stabilität auch dann ernstlich verschlechtert, wenn die Innentemperatur der Batterie weniger als 80°C beträgt, kann das Verschlussglied 123 so ausgelegt werden, dass es bei unter 80°C schmilzt oder bricht. Wenn es auch dann geringe Probleme mit der Stabilität gibt, wenn die Innentemperatur der Batterie mehr als 120°C beträgt, kann das Verschlussglied 123 so ausgelegt werden, dass es bei über 120°C schmilzt oder bricht.
  • Ein Vergasungsglied 124 ist in das Gehäuse 121 eingeführt, um sich bei einer vorbestimmten oder höheren Spannung zu zersetzen und Gas zu erzeugen. Üblicherweise zersetzt sich das Vergasungsglied 124 und erzeugt Gas, wenn die Batterie überladen wird, insbesondere, wenn die Batteriespannung 4–4,5 V oder mehr beträgt. Insbesondere kann das Vergasungsglied 124 aus Cyclohexylbenzol (CHB), Diphenyl (BP) oder einem Äquivalent derselben, welches dem Elektrolyten hinzugefügt ist, hergestellt sein, aber das Material ist in der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt. Cyclohexylbenzol (CHB) und Diphenyl (BP) verkürzen nachteilig die Batterielebensdauer, wenn sie in dem Elektrolyten enthalten sind. Jedoch reagiert das Vergasungsglied 124, das innerhalb des Gehäuses 121 angeordnet ist, normalerweise nicht mit dem Elektrolyten und kann aus irgendeinem Material hergestellt sein. Mit anderen Worten kann irgendein Material, das in der Lage ist, soviel Gas wie möglich zu erzeugen, als das Vergasungsglied 124 verwendet werden, da die Batterie nicht mehr verwendet werden kann, wenn die Sicherheitsentlüftung 142 einmal ausgelöst ist. Dies bedeutet nicht, dass das Vergasungsglied 124 soviel Gas erzeugen darf, dass es die Stabilität der Batterie verschlechtert. In dieser Hinsicht ist diese Ausführung der vorliegenden Erfindung insofern vorteilhaft, als dem Elektrolyten kein Zusatzstoff, einschließlich dem Cyclohexylbenzol (CHB) und Diphenyl (BP), hinzugefügt werden muss, da das Cyclohexylbenzol (CHB) und Diphenyl (BP) in dem Vergasungsglied 124 innerhalb des Gehäuses 121 des Mittelstifts 120 enthalten sein können. Dies macht es möglich, die Kapazität und Lebensdauer der Batterie zu optimieren.
  • Zum Beispiel schmilzt oder bricht das Verschlussglied 123, wenn die Innentemperatur der Batterie aufgrund von Überladung der Batterie ungefähr 80–120°C erreicht, und das Vergasungsglied 124 wird in die Batterie eingeführt. Insbesondere wird das Vergasungsglied 124 zu dem Elektrolyten außerhalb des Mittelstifts 120 oder zu der Elektrodenanordnung überführt. Die Spannung in diesem Zustand beträgt ungefähr 4–4,5 V oder mehr, was der Überladungsspannung entspricht, und das Vergasungsglied 124 zersetzt sich schnell und erzeugt eine große Menge an Gas. Die große Menge an Gas verformt oder bricht die Sicherheitsentlüftung 142 schneller und bricht die Schaltplatte 143, während sie über die positive Elektrodenkappe 145 nach außen entleert wird. Zusammenfassend vermeidet das Vergasungsglied 124 Überladung und verbessert die thermische Stabilität wesentlich. Nachdem das Vergasungsglied 124 vollständig von dem Mittelstift 120 entfernt wurde, sind die oberen und unteren Enden des Mittelstifts 120 vollständig offen, und der Mittelstift 120 kann gänzlich als eine Gasleitung wirken.
  • Ein nicht brennbares Glied 125 kann in das Gehäuse 121 eingeführt sein. Das nicht brennbare Glied 125 kann mit dem Vergasungsglied 124 vermischt sein, um zusammen eingeführt zu werden, oder kann alleine das Gehäuse 121 ausfüllen. Wenn die Innentemperatur der Batterie 80–120°C erreicht, schmilzt oder bricht das Verschlussglied 123, wie oben erwähnt, so dass das nicht brennbare Glied 125 zu der Außenseite des Mittelstifts 120 überführt werden kann. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die Batterie Feuer fängt, wesentlich. Trotz dieser Prozesse bleibt die äußere Erscheinung der Batterie intakt. Das nicht brennbare Glied 125 kann mindestens ein aus einem Material auf Magnesiumhydroxid-Basis, einem Material auf Aluminiumhydroxid-Basis, einem Material auf Halogen-Basis, einem Material auf Antimontrioxid-Basis, einem Material auf Melanin-Basis, einem Material auf Phosphat-Basis und einem Äquivalent derselben ausgewähltes Material beinhalten, aber das Material ist in der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt. In einer Ausführung ist das nicht brennbare Glied 125 aus einem umweltfreundlichen Material hergestellt, das für menschliche Körper nicht schädlich ist.
  • Das Vergasungsglied 124 und das nicht brennbare Glied 125 können sich in einem normalen gasförmigen, flüssigen oder festen Aggregatzustand befinden, aber der Aggregatzustand ist in der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt.
  • Unter Bezug auf 2A und 2B ist eine vergrößerte Perspektivansicht beziehungsweise eine Schnittansicht illustriert, die jeweils eine weitere Ausführung eines funktionalen Mittelstifts einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Der funktionale Mittelstift 220 hat eine der des oben erwähnten Mittelstifts 120 fast identische Form, und der Unterschied wird nun beschrieben. Wie gezeigt weist der funktionale Mittelstift 220 auf den unteren und oberen Enden seines Gehäuses 221 keine separat ausgebildete Abschrägung oder Verjüngung auf. Das Innere des Gehäuses 221 ist mit einem Vergasungsglied 224 und/oder einem nicht brennbaren Glied 225 gefüllt, und die gesamte Oberfläche des Gehäuses 221 ist von einem filmartigen Verschlussglied 223 umschlossen. Der funktionale Mittelstift 220, bei dem auf seinen unteren und oberen Enden keine Abschrägung oder Verjüngung ausgebildet ist, ist von Vorteil, da er mit vergleichsweise niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
  • Unter Bezug auf 3A und 3B ist eine vergrößerte Perspektivansicht beziehungsweise eine Schnittansicht illustriert, die jeweils eine weitere Ausführung eines funktionalen Mittelstifts einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Der funktionale Mittelstift 320 hat eine der des oben erwähnten Mittelstifts 120 fast identische Form, und der Unterschied wird nun beschrieben.
  • Wie gezeigt weist der funktionale Mittelstift 320 einen in der Längsrichtung seines Gehäuses 320 ausgebildeten durchdringenden Schlitz 326 auf. Der durchdringende Schlitz 326 kann um eine vorbestimmte Länge nach innen vertieft sein, damit die Elektrodenanordnung nicht beschädigt wird, wenn sich der Mittelstift 320 verformt. Das Gehäuse 321 kann auf seinen oberen beziehungsweise unteren Enden Abschrägungen 322 aufweisen. Wahlweise kann auf dem Gehäuse 321 keine Abschrägung 322 ausgebildet sein. Das Innere des Gehäuses 321 ist mit einem Vergasungsglied 324 und/oder einem nicht brennbaren Glied 325 gefüllt. Die gesamte Oberfläche des Gehäuses 321 ist von einem filmartigen Verschlussglied 323 umschlossen. Die oberen und unteren Enden des Gehäuses 321, die offen sind, sowie der durchdringende Schlitz 326 sind von dem Verschlussglied 323 umschlossen. Wenn das Verschlussglied 323 schmilzt oder bricht, werden das Vergasungsglied 324 und/oder das nicht brennbare Glied 325 nicht nur über die oberen und unteren Enden des Gehäuses 321 in die Batterie eingeführt, sondern auch über den durchdringenden Schlitz 326.
  • Unter Bezug auf 4A und 4B ist eine vergrößerte Perspektivansicht beziehungsweise eine Schnittansicht illustriert, die jeweils eine weitere Ausführung eines funktionalen Mittelstifts einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Der funktionale Mittelstift 420 hat eine der des oben erwähnten Mittelstifts 120 fast identische Form, und der Unterschied wird nun beschrieben.
  • Der funktionale Mittelstift 420 hat eine Anzahl auf seinem Gehäuse 421 ausgebildeter Durchgangslöcher 426. Das Gehäuse 421 kann auf seinen oberen beziehungsweise unteren Enden Abschrägungen 422 aufweisen. Wahlweise kann auf dem Gehäuse 421 keine Abschrägung ausgebildet sein. Das Innere des Gehäuses 421 ist mit einem Vergasungsglied 424 und/oder einem nicht brennbaren Glied 425 gefüllt. Die gesamte Oberfläche des Gehäuses 421 ist von einem filmartigen Verschlussglied 423 umschlossen. Die oberen und unteren Enden des Gehäuses 421 und die Durchgangslöcher 426 sind von dem Verschlussglied 423 umschlossen. Wenn das Verschlussglied 423 schmilzt oder bricht, werden das Vergasungsglied 424 und/oder das nicht brennbare Glied 425 nicht nur über die oberen und unteren Enden des Gehäuses 421 in die Batterie eingeführt, sondern auch über die Durchgangslöcher 426. Unter Bezug auf 5A und 5B ist eine vergrößerte Perspektivansicht beziehungsweise eine Schnittansicht illustriert, die jeweils eine weitere Ausführung eines funktionalen Mittelstifts einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Der funktionale Mittelstift 520 hat eine der des oben erwähnten Mittelstifts 120 fast identische Form, und der Unterschied wird nun beschrieben.
  • Wie gezeigt sind Verschlussglieder 523 als Kappen ausgeführt, die die oberen und unteren Enden des Gehäuses 521 des Mittelstifts 520 bedecken. Insbesondere sind Verschlussglieder 523 in der Form von Kappen ausgebildet und sind mit den oberen beziehungsweise unteren Enden des Gehäuses 521 verbunden. Die Verschlussglieder 523 können aus einem hochmolekularen Harz hergestellt sein, das bei einer vorbestimmten Temperatur schmilzt oder bricht (wenn die Innentemperatur der Batterie 80–120°C beträgt), zum Beispiel irgendeinem aus Polyethylen, Epoxid, Acetal, Indium und einem Äquivalent derselben Ausgewählten, aber das Material ist hierin nicht beschränkt. Das Gehäuse 521 weist auf seinen oberen beziehungsweise unteren Enden Abschrägungen 522 auf, an denen der Durchmesser kleiner wird. Wie oben erwähnt können ein Vergasungsglied 524 und/oder ein nicht brennbares Glied 525 in das Gehäuse 521 eingeführt und darin angeordnet sein. Wenn die Innentemperatur der mit dem Mittelstift 520 ausgestatteten Batterie 80–120°C erreicht, schmelzen oder brechen die Verschlussglieder 523, so dass das Vergasungsglied 524 und/oder das nicht brennbare Glied 525 in die Batterie eingeführt werden. Infolgedessen bewirken das Vergasungsglied 524 und/oder das nicht brennbare Glied 525, dass die Sicherheitsentlüftung schnell ausgelöst wird und den Überladungszustand beendet. Zusätzlich unterdrücken sie Aufheizen, Auslaufen, Rauchen, Feuer, Explosion und weitere Erhöhung der Temperatur.
  • Unter Bezug auf 6A und 6B ist eine vergrößerte Perspektivansicht beziehungsweise eine Schnittansicht illustriert, die jeweils eine weitere Ausführung eines funktionalen Mittelstifts einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Der funktionale Mittelstift 620 hat eine der des oben erwähnten Mittelstifts 120 fast identische Form, und der Unterschied wird nun beschrieben.
  • Wie gezeigt hat der funktionale Mittelstift 620 ein Gehäuse 621, das ungefähr wie ein zylindrisches Rohr geformt ist. Das Gehäuse 621 weist auf seinen oberen und unteren Enden keine Abschrägung auf. Stattdessen sind Verschlussglieder 623 an die oberen beziehungsweise unteren Enden des Gehäuses 621 als Kappen angeschlossen. Die Verschlussglieder 623 sind aus einem Material hergestellt, das bei einer vorbestimmten Temperatur schmilzt oder bricht. Das Innere des Gehäuses 621 ist mit einem Vergasungsglied 624 und/oder einem nicht brennbaren Glied 625 gefüllt. Wenn die Verschlussglieder 623 schmelzen oder brechen, werden das Vergasungsglied 624 und/oder das nicht brennbare Glied 625 über die oberen und unteren Enden des Gehäuses 621 in die Batterie eingeführt.
  • Unter Bezug auf 7A und 7B ist eine vergrößerte Perspektivansicht beziehungsweise eine Schnittansicht illustriert, die jeweils eine weitere Ausführung eines funktionalen Mittelstifts einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Der funktionale Mittelstift 820 hat eine der des oben erwähnten Mittelstifts 620 fast identische Form, und der Unterschied wird nun beschrieben.
  • Wie gezeigt hat der funktionale Mittelstift 820 ein Gehäuse 821, das ungefähr wie ein zylindrisches Rohr geformt ist. Das Gehäuse 821 weist auf seinen oberen und unteren Enden keine Abschrägung auf. Stattdessen sind Verschlussglieder 823 an die oberen beziehungsweise unteren Enden des Gehäuses 821 als Kappen angeschlossen. Jedes Verschlussglied 823 beinhaltet ein an das Gehäuse 821 angeschlossenes Kopplungsteil 823a, ein von dem Kopplungsteil 823a um eine vorbestimmte Länge nach außen herausragendes Verjüngungsteil 823b sowie einen Film 823c, der eine Öffnung zu dem Gehäuse 821 weitgehend blockiert, wobei der Film zwischen dem Kopplungsteil 823a und dem Verjüngungsteil 823c ausgebildet ist. Hier wird der Durchmesser des Verjüngungsteils 823b an einem Ende graduell kleiner. Der Grund, aus dem das Verjüngungsteil 823b ausgebildet ist, ist auf einfache Weise den Mittelstift 820 mit der Elektrodenanordnung zu verbinden und während der Kombination derselben Schaden an der Elektrodenanordnung zu verhindern. Die Verschlussglieder 823 sind aus einem Material hergestellt, das bei einer vorbestimmten Temperatur schmilzt oder bricht. Das Innere des Gehäuses 821 ist mit einem Vergasungsglied 824 und/oder einem nicht brennbaren Glied 825 gefüllt. Wenn die Verschlussglieder 823 (der Film 823c) schmelzen oder brechen, werden das Vergasungsglied 824 und/oder das nicht brennbare Glied 825 über die oberen und unteren Enden des Gehäuses 821 in die Batterie eingeführt.
  • Unter Bezug auf 8A ist eine schematische Ansicht illustriert, die eine zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie mit einem funktionalen Mittelstift gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Sicherheitsentlüftung aufgrund von sich durch den Mittelstift verringerndem Hohlraumvolumen bei einem niedrigen Druck betrieben wird. Unter Bezug auf 8B ist eine schematische Ansicht illustriert, die schnelles Auslösen der Sicherheitsentlüftung aufgrund von Schmelzen oder Brechen des auf dem Mittelstift ausgebildeten Verschlussgliedes zeigt. In den Zeichnungen weisen Pfeile die Richtung von Gas (oder Richtung, in der Druck aufgebracht wird) innerhalb der Batterie an.
  • Wie in 8A gezeigt wird die Sicherheitsentlüftung 142 durch den niedrigen Druck nach außen verformt, wenn aufgrund von Überladen der Batterie ein niedriger Innendruck entsteht. Insbesondere drückt das interne Gas die Sicherheitsentlüftung 142 nach außen. Wenn die Sicherheitsentlüftung 142 sich nach außen verformt, bricht die auf der Sicherheitsentlüftung 142 angeordnete Schaltplatte 143, und das auf der Oberfläche desselben ausgebildete Drahtmuster 143a wird dementsprechend abgetrennt. Dann hören das Überladen und die Temperaturerhöhung der Batterie auf.
  • Die oberen und unteren Enden (nicht gezeigt) des in der Elektrodenanordnung 110 unter der Sicherheitsentlüftung 142 angebrachten Mittelstifts 120 sind geschlossen.
  • Insbesondere sind die oberen und unteren Enden des Gehäuses 121 des Mittelstifts 120 vollständig durch das Verschlussglied 123 verschlossen. Daher existiert das Hohlraumvolumen V innerhalb der Batterie zwischen dem unteren Bereich der Sicherheitsentlüftung 142, dem Mittelstift 120 und dem oberen Bereich der Elektrodenanordnung 110. Wenn Cyclohexylbenzol (CHB) und/oder Diphenyl (BP), die zu dem Elektrolyten hinzugefügt wurden, sich im Fall von Überladen zersetzen und Gas erzeugen, füllt das Gas das Hohlraumvolumen, das kleiner geworden ist, und der Druck wird im Vergleich zu dem Stand der Technik größer. Infolgedessen verlegt großer Druck innerhalb des Hohlraumvolumens den Auslösezeitpunkt der Sicherheitsentlüftung 142 und den Stromunterbrechungszeitpunkt weiter vor. Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass, obwohl solch ein Auslösen stattfindet, wenn die Innentemperatur der Batterie ungefähr 80–120°C oder weniger beträgt, die Auslösetemperatur in Abhängigkeit des Typs und der Form der Batterie variieren kann. Wenn das Hohlraumvolumen V reduziert wird, kann dem Elektrolyten ferner eine kleine Menge an Überladungsverhinderungsmittel (CHB, BP, etc.) hinzugefügt werden. Dies verbessert weiterhin die Kapazität und Lebensdauer der Batterie.
  • Wenn die Batterie überladen ist und ihre Innentemperatur 80–120°C oder mehr erreicht (wenn die Oberflächentemperatur der Batterie 30–60°C beträgt), wie in 8B gezeigt, wird der thermische Zustand instabil, und es ist sehr wahrscheinlich, dass die Batterie raucht, explodiert oder Feuer fangt. In einem Zustand wie diesem schmilzt oder bricht das Verschlussglied 123, das den Mittelstift 120 geschlossen hielt. Insbesondere schmilzt oder bricht das auf den oberen und unteren Enden des Gehäuses 121 des Mittelstifts 120 ausgebildete Verschlussglied 123 bei einer Temperatur von 80–120°C oder mehr. Wenn das Verschlussglied 123 schmilzt oder bricht, bewegen sich das Vergasungsglied 124 und/oder das nicht brennbare Glied 124, die in dem Mittelstift 120 geblieben sind, in Richtung des externen Elektrolyten und der Elektrodenanordnung 110. Der Mittelstift 120 wirkt als Gasleitung und vereinfacht schnelle Bewegung von Gas von innerhalb der Batterie in Richtung der Sicherheitsentlüftung 142, die dann mehr Belastung erhält.
  • Das Vergasungsglied 124 wird auf natürliche Weise gasförmig, da es sich von Natur aus bei 4–4,5 V oder mehr (Überladungsspannung) zersetzt und gasförmig wird. Infolgedessen wird die Sicherheitsentlüftung 142 mit einer stärkeren Kraft nach außen gedrückt oder verformt. Wenn die Sicherheitsentlüftung 142 bricht, kann das interne Gas wegen des Vergasungsgliedes 124 auch durch die Durchgangslöcher 145a der positiven und negativen Elektrodenkappen 145 nach außen ausströmen. Dies verhindert das Explodieren der Batterie. Zusätzlich wird die Schaltplatte 143 im Wesentlichen gebrochen, und ihr Drahtmuster 143a wird vollständig abgetrennt. Infolgedessen hört der Ladeprozess auf, und die thermische Stabilität der Batterie verbessert sich. Ferner wird, wenn das nicht brennbare Glied 125 in die Batterie eingeführt wird, im Wesentlichen verhindert, dass die Batterie raucht oder Feuer fängt. Insbesondere wird das nicht brennbare Glied 125 in dem Elektrolyten oder der Elektrodenanordnung 110 verteilt und verhindert, dass diese rauchen oder Feuer fangen.
  • Unter Bezug auf 9 ist ein Graph illustriert, der die Beziehung zwischen Spannung/Stromstärke, Schaltplattenauslösezeitpunkt und Oberflächentemperatur der Batterie im Fall von Überladung zum Vergleich zwischen einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie mit einem funktionalen Mittelstift gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung und einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie mit einem Mittelstift gemäß dem Stand der Technik zeigt.
  • Wie gezeigt zeigt die linke Y-Achse Spannungs-/Stromstärkewerte an, die rechte Y-Achse zeigt die Werte der Oberflächentemperatur der Batterie an, und die untere X-Achse zeigt den Schaltplattenauslösezeitpunkt (d.h. Überladungsunterbrechungszeitpunkt) an.
  • In dem Graphen zeigen unterbrochene Linien die Tendenz einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie mit einem Mittelstift gemäß dem Stand der Technik, der das Hohlvolumen nicht berücksichtigt, während Überladens, und durchgezogene Linien zeigen die Tendenz einer zylindrischen Lithiumionen-Sekundärbatterie mit einer Ausführung des Mittelstifts gemäß der vorliegenden Erfindung, die das Hohlvolumen berücksichtigt, während Überladens.
  • Es wird aus dem Graphen deutlich, dass im Fall der herkömmlichen Batterie der Strom unterbrochen wird, nachdem der Überladungszustand ungefähr 12 Minuten lang anhält, wobei die Spannung ungefähr 4,6 V beträgt. Dies bedeutet, dass ein gefährlicher Zustand einer potentiellen Explosion oder eines Feuers 12 Minuten lang anhält. Die Batterietemperatur (Oberflächentemperatur) erreicht 80°C oder mehr, selbst wenn der Strom unterbrochen wird. Dies entspricht einem thermisch sehr instabilen Zustand. Die Innentemperatur der Batterie beträgt ungefähr 200°C, und in diesem Zustand treten im Allgemeinen Explosionen oder Feuer auf.
  • Im Fall der Ausführung der erfinderischen Batterie wird im Gegensatz dazu der Strom unterbrochen, nachdem der Überladungszustand ungefähr 8 Minuten lang anhält, wobei die Spannung 4,6 V beträgt. Dies bedeutet, dass die Zeit um ungefähr 4 Minuten verkürzt wird. Zusätzlich bleibt die Batterietemperatur (Oberflächentemperatur) unter ungefähr 40°C. Dies entspricht einem thermisch sehr stabilen Zustand. Die Innentemperatur der Batterie beträgt ungefähr 80–120°C, und es besteht geringe Explosions- oder Feuergefahr.

Claims (21)

  1. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie (100), umfassend: eine Elektrodenanordnung (110); einen innerhalb der Elektrodenanordnung (110) angeordneten Mittelstift (120), wobei der Mittelstift (120) obere und untere Enden hat, die geschlossen sind; einen Becher (130), der die Elektrodenanordnung (110) und den Mittelstift (120) beinhaltet; und eine oben an den Becher (130) angeschlossene Kappenanordnung (140), wobei der Mittelstift (120) ein Gehäuse (121), das sich mit offenem oberen und unteren Ende über eine vorbestimmte Länge erstreckt, und mindestens ein Verschlussglied (123), das dazu ausgelegt ist, die oberen und unteren Enden des Gehäuses (121) zu schließen und bei einer vorbestimmten Temperatur zu schmelzen oder zu brechen, umfasst; und wobei der Mittelstift (120) ein Vergasungsglied (124) aufweist, das innerhalb des Gehäuses (121) positioniert ist, wobei das Vergasungsglied (124) dazu ausgelegt ist, sich bei einer vorbestimmten oder höheren Spannung zu zersetzen und Gas zu erzeugen.
  2. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei der Becher ein Hohlraumvolumen oder totes Volumen aufweist, das darin nur in einem Bereich zwischen der Elektrodenanordnung, dem Mittelstift und der Kappenanordnung ausgebildet ist.
  3. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse irgendein aus einer aus Stahl, rostfreiem Stahl und Aluminium bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfasst.
  4. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Verschlussglied dazu ausgelegt ist, bei einer Temperatur von 80–120°C zu schmelzen oder zu brechen.
  5. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse auf seinen oberen beziehungsweise unteren Enden Verjüngungen aufweist.
  6. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Verschlussglied ein hochmolekulares Harz ist.
  7. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine Verschlussglied mindestens ein aus einer aus Polyethylen, Epoxid, Acetal und Indium bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfasst.
  8. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Verschlussglied eine Stärke von 1–200 μm aufweist.
  9. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 8, wobei das mindestens eine Verschlussglied eine Stärke von 25–75 μm aufweist.
  10. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Verschlussglied ein das gesamte Gehäuse, einschließlich seiner oberen und unteren Enden, umschließender Film in Form einer Ummantelung um das Gehäuse ist.
  11. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Verschlussglied ein an das Gehäuse angeschlossenes Kopplungsteil, ein von dem Kopplungsteil um eine vorbestimmte Länge nach außen herausragendes Verjüngungsteil sowie einen Film umfasst, der eine Öffnung zu dem Gehäuse weitgehend blockiert, wobei der Film zwischen dem Kopplungsteil und dem Verjüngungsteil ausgebildet ist.
  12. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 10, wobei der Mittelstift von einem in einer Längsrichtung des Gehäuses ausgebildeten Schlitz durchdrungen ist.
  13. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 10, wobei der Mittelstift mindestens ein auf dem Gehäuse ausgebildetes Durchgangsloch aufweist.
  14. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Verschlussglied ein Becher ist, der die oberen und unteren Enden des Gehäuses bedeckt.
  15. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Vergasungsglied sich bei einer Spannung von 4–4,5 V oder mehr zersetzt und gasförmig wird.
  16. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Vergasungsglied mindestens ein aus einer aus Cyclohexylbenzol (CHB) und Diphenyl (BP) bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfasst.
  17. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mittelstift ein nicht brennbares, innerhalb des Gehäuses ausgebildetes Glied aufweist.
  18. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 17, wobei das nicht brennbare Glied mindestens ein aus einer aus einem Material auf Magnesiumhydroxid-Basis, einem Material auf Aluminiumhydroxid-Basis, einem Material auf Halogen-Basis, einem Material auf Antimontrioxid-Basis, einem Material auf Melanin- Basis und einem Material auf Phosphat-Basis bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfasst.
  19. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die Kappenanordnung eine oben auf dem Mittelstift positionierte Sicherheitsentlüftung und eine oben auf der Sicherheitsentlüftung positionierte Schaltplatte umfasst.
  20. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 19, wobei die Sicherheitsentlüftung innerhalb von 2–10 Minuten betrieben wird, wenn die Ladespannung 4–4,5 V oder höher ist, und den Strom der Schaltplatte unterbricht.
  21. Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie dazu ausgelegt ist, eine Oberflächentemperatur von 30–60°C beizubehalten, wenn die Ladespannung 4–4,5 V oder höher ist, und nicht weiter zu laden.
DE602006000037T 2005-03-30 2006-03-24 Zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie Active DE602006000037T2 (de)

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