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Hintergrund
der Erfindung und Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lithiumsekundärbatterie,
mit der es möglich
ist, kostengünstig
eine sehr zuverlässige
Batterie, insbesondere für
die Verwendung zum Antrieb eines Motors eines Elektrofahrzeugs,
herzustellen.
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In
den letzten Jahren wurden verstärkt
Anstrengungen unternommen, die Emissionen von Abgas, einschließlich Kohlendioxid
und anderer Schadstoffe, im Hinblick auf den Umweltschutz in der
Automobilindustrie zu regeln, indem man Automobile mit Verwendung
von fossilen Brennstoffen, wie z.B. benzinangetriebener Fahrzeuge,
durch die Einführung eines
Elektrofahrzeugs (EV) und eines Elektrohybridfahrzeugs (HEV) ersetzte.
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Eine
Lithiumsekundärbatterie
als Motorantriebsbatterie ist der Schlüssel für die Verwirklichung derartiger
EV als auch HEV, die eine große
Batteriekapazität
als auch eine hohe Batterieleistung aufweisen muss. Hier bedeutet
Batteriekapazität,
dass ein absolut gespeicherter Energiewert größer wird, wobei Maßnahmen
vorgesehen sein müssen,
dass die Sicherheit bei der Handhabung als auch bei dem Aufladen
und Entladen gewährleistet
ist. Weiter ist es notwendig, um eine höhere Leistung zu erhalten, dass
der Innenwiderstand der Batterie, d.h. der Widerstand zwischen
einem positiven Ausgangsanschluss und einem negativen Ausgangsanschluss, kleiner
wird.
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Indem
man daher die Kapazität
der Batterie erhöht,
wird das Volumen pro Batterieeinheit, nämlich die Batteriegröße, größer, d.h.,
das Batteriegehäuse
wird größer, und
damit werden die Anforderungen an die mechanischen als auch die
elektrischen Kennwerte höher,
wenn die oben beschriebene Sicherheit und erforderliche Leistung
sichergestellt sein sollen.
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Als
Batteriegehäuse
für eine
kleine Lithiumsekundärbatterie
usw. ist ein Gehäuse
mit einer Endabdichtung bekannt, das mittels Tiefziehen hergestellt
ist, wobei jedoch in dem Fall, wenn die Batteriegröße sich
erhöht,
es schwierig ist, ein derartiges Gehäuse mittels Tiefziehen herzustellen,
was weiter zu hohen Kosten führt.
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Um
die Produktivität
zu verbessern, wird in dem U.S. Patent Nr. 5,571,632 die Verwendung
eines zylindrischen äußeren Rohres
als Batteriegehäuse vorgeschlagen,
das so gepresst ist, dass eine ringförmige Dichtplatte über eine
Isolierdichtung daran befestigt ist. Ein zylindrisches inneres Rohr
wird in eine mittlere Öffnung
der ringförmigen
Dichtplatte an jedem Ende der Batterie eingesetzt. Das innere Rohr und
das äußere Rohr
dienen als Anode bzw. als Kathode.
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Weiter
ist bei einem gewickelten inneren Elektrodenkörper bevorzugt, dass Stromsammelstreifen
für den
positiven Pol an einem Ende des inneren Elektrodenkörpers und
Stromsammelstreifen für
den negativen Pol mit seinem anderen Ende vom Sicherheitsstandpunkt
aus verbunden sind. Die
EP
0 771 040 A2 beschreibt die Verwendung eines zylindrischen
Batteriegehäuses,
bei dem Stromsammelstreifen für
den positiven Pol und den negativen Pol an den gegenüberliegenden
Seiten des Elektrodenkörpers
mit positiven und negativen Anschlüssen verbunden sind, wobei
eine ringförmige
Kappe in jedes Ende des Batteriegehäuses eingepresst ist und ein
Laserstrahl auf den äußeren Rand
der Kappe aufgebracht wird, um die Kappe zu verschweißen und abzudichten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Probleme des
Standes der Technik gemacht. D.h., gemäß der vorliegenden Erfindung wird
eine Lithiumsekundärbatterie
nach Anspruch 1 geschaffen.
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Bei
einer derartigen Lithiumsekundärbatterie gemäß der Erfindung
ist aus Gründen
der Sicherheit das Rohr elektrisch neutral angeordnet. Weiter ist
der positive Ausgangsanschluss an einem Ende der Batterie und der
negative Ausgangsanschluss an dem anderen Ende der Batterie ausgebildet,
wodurch der innere Widerstand der Batterie vermindert wird, und weiter
die Produktion der Batterie vereinfacht wird und das Batteriegehäuse keinen
Stromweg darstellt. Weiter ist ein Halsabschnitt an jedem Ende des
Rohres vorgesehen. Mit dieser Anordnung wird z.B. auch in dem Fall,
in dem ein in dem Batteriegehäuse
vorgesehener Berstmechanismus infolge eines Anstiegs des Innendrucks
der Batterie durch einen Kurzschluss zwischen einer positiven und
einer negativen Elektrode der Batterie in Aktion getreten ist, ein
Austreten des inneren elektrischen Körpers durch den offenen Teil
des Berstmechanismus verhindert.
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Weiter
wird bevorzugt, dass die Enden des Rohres durch ein Krampverfahren
gebildet werden, wodurch die Ausbildung eines externen Ausgangsanschlusses
einfacher wird. Weiter wird bevorzugt, einen Berstmechanismus mindestens
an einem Ende der Batterie vorzusehen. Als Material für das Batteriegehäuse wird
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder rostfreier Stahl vorgeschlagen.
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Die
Merkmale der oben beschriebenen Lithiumsekundärbatterie gemäß der Erfindung
sind insbesondere für
eine Lithiumsekundärbatterie
mit einer Batteriekapazität
von nicht weniger als 5 Ah geeignet, und die Lithiumsekundärbatterie
gemäß der Erfindung
wird vorzugsweise für
ein Elektrofahrzeug (EV) oder ein Elektrohybridfahrzeug (HEV) verwendet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines gewickelten internen
Elektrodenkörpers.
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2 ist
eine Schnittansicht zur Darstellung eines Beispiels einer Lithiumsekundärbatterie,
die nicht in den Schutzumfang der Erfindung fällt.
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3 ist
eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer Lithiumsekundärbatterie,
die nicht in den Schutzumfang der Erfindung fällt.
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4 ist
eine Schnittansicht eines Beispiels einer Lithiumsekundärbatterie
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Genaue Beschreibung
von Beispielen
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Ein
interner Elektrodenkörper
einer Lithiumsekundärbatterie
(im Folgenden als „Batterie" bezeichnet) umfasst
eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Separator
aus einer porösen Polymerfolie,
wobei die positive Elektrode und die negative Elektrode zur Ausbildung
so aufgewickelt sind, dass die positive Elektrode und die negative
Elektrode über
den Separator nicht in eine direkte Berührung miteinander gebracht
werden. Wie in 1 dargestellt, wird der innere
Elektrodenkörper 1 durch Aufwickeln
einer positiven Elektrode 2 und einer negativen Elektrode 3 über einen
Separator 4 ausgebildet und Streifen 5 sind sowohl
an der positiven als auch der negativen Elektrode 2, 3 (im
Folgenden als „Elektroden 2, 3" bezeichnet) vorgesehen.
Diese Streifen 5 können
an den Elektroden 2, 3 z.B. mittels Ultraschallschweißen usw.
angebracht werden, wenn die Elektroden 2, 3 mit
dem Separator 4 gewickelt werden. Jedes Ende der Streifen 5,
das auf der gegenüberliegenden
Seite des Endes liegt, das mit den Elektroden 2, 3 verbunden
ist, ist mit einem Ausgangsanschluss (nicht dargestellt) oder einem
Stromanschluss (nicht dargestellt), der mit dem Auslassanschluss
leitend verbunden ist, verbunden.
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Für die Elektroden 2, 3 sind
Metallfolien, wie z.B. aus Aluminium und Titan für die positive Elektrode und
Kupfer und Nickel für
die negative Elektrode als elektrischer Sammelkörper geeignet, und die Elektroden 2, 3 werden
durch Ausbilden einer elektrodenaktiven Materialschicht mit elektrodenaktiven Materialien,
mit denen die entsprechenden Metallfolien beschichtet sind, ausgebildet.
Die Streifen 5 sind weiter an einer Seitenlinie einer derartigen
Metallfolie angeordnet, und allgemein werden dünne Bänder verwendet, so dass der
Teil, an denen die Streifen 5 an den Elektroden 2, 3 angebracht
sind, sich nicht in Richtung des äußeren Umfangs beim Herstellen
des Elektrodenkörpers 1 erweitern.
Bevorzugt wird, dass jeder Streifen 5 ungefähr im gleichen
Abstand so angeordnet ist, dass ein einziger Streifen 5 die
Elektrizität
von einer konstanten Fläche
in den Elektroden 2, 3 ableitet, und er aus einem
Material besteht, das in vielen Fällen das gleiche Material wie
das der Metallfolie ist, an der die Streifen 5 angebracht
sind.
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Eine
Lithium-Übergangsmetall-Oxidverbindung,
wie z.B. Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), Lithiumnickeloxid
(LiNiO2) oder Lithiummanganoxid (LiMn2O4) wird als positives
aktives Material für
die Herstellung der positiven Elektrode 2 verwendet. Um
die Leitfähigkeit
dieser positiv aktiven Materialien zu verbessern, wird bevorzugt,
sie mit einem elektrodenaktiven Material, wie z.B. Kohlenstoffpulver,
wie z.B. Acetylenschwarz oder Graphitpulver, zu vermischen. Für die negativ
aktiven Materialien wird ein amorphes Kohlenstoffmaterial, wie z.B.
Weichkohle oder Hartkohle oder Kohlenstoffpulver, wie z.B. künstlicher Graphit
oder natürlicher
Graphit, verwendet. Diese elektrodenaktiven Materialien werden aufgeschwemmt
und als Beschichtung auf dem elektrischen Sammelkörper aufgebracht,
wodurch die Elektroden 2, 3 hergestellt werden.
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Als
Separator 4 wird vorzugsweise eine Dreischichtausbildung,
bei der eine Polyethylenfolie mit einer Lithiumionenpermeabilität und Mikroporen
zwischen porösen
Polypropylenfolien mit einer Lithiumionenpermeabilität angeordnet
wird. Dies dient ebenfalls als Sicherheitsmechanismus, bei dem,
wenn die Temperatur des inneren Elektrodenkörpers 1 zunimmt, der
Polyethylenfilm bei etwa 130°C
erweicht, so dass die Mikroporen zur Steuerung der Bewegung der
Lithiumionen zusammenfallen, d.h. der Batteriereaktion. Mit der
zwischen den Polypropylenfolien angeordneten Polyethylenfolie mit
einer Erweichungstemperatur, die höher als die der Polyethylenfolie
ist, wird es möglich,
eine direkte Berührung
zwischen den Elektroden 2, 3 zu verhindern.
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Als
Elektrolyt wird vorzugsweise eine Kohlenstoffsäureesterfamilie verwendet,
wie z.B. Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC) und Dimethylcarbonat
(DMC), und ein nichtwässeriges
organisches Elektrolyt, bei dem eine oder mehrere Lithiumfluoridkomplexverbindungen,
wie z.B. LiPF6 und LiBF4 oder
Lithiumhalogenid, wie z.B. LiClO4, als ein Elektrolyt
in einem einzigen Lösungsmittel
oder einem Lösungsmittelgemisch
organischer Lösungsmittel,
wie z.B. Propylencarbonat (PC), γ-Butyrolaceton, Tetrahydrofuran
und Acetonitril gelöst
sind.
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Als
Material für
ein Batteriegehäuse
der Lithiumsekundärbatterie
gemäß der Erfindung
unter Verwendung derartiger Bauteile wird ein Rohr verwendet.
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2 ist
eine Schnittansicht zur Darstellung eines Beispiels einer Lithiumsekundärbatterie,
die nicht in den Schutzumfang der Erfindung fällt, bei der ein Ende (oberes
Ende) eines Rohres 11 zu einer Krampe gepresst ist (Krampenabschnitt 12).
An dem anderen Ende (unteres Ende) ist ein gezogener Abschnitt 3 in
einem Rohr 11 vorgesehen, so dass der interne Elektrodenkörper 1 nicht
nach unten fallen kann, sondern aufgrund des gezogenen Abschnitts 13 wird
ein Isolationsraum zwischen einer unteren Endkappe 14 (untere
Kappe 14) und dem internen Elektrodenkörper 1 ausgebildet,
um die Bewegung des internen Elektrodenkörpers 1 im Inneren
der Batterie 10 zu steuern. An der Grenze zwischen der
Innenwand des Rohres 11 und dem inneren Elektrodenkörper 1 ist
eine Isolierfolie 26 so angeordnet, dass irgendein Kurzschluss
zwischen dem inneren Elektrodenkörper 1 und
dem Rohr 11 vermieden wird. Die Isolation zwischen dem
Rohr 11 und dem inneren Elektrodenkörper 1 kann mittels
des Separators 4 des inneren Elektrodenkörpers 1 sichergestellt
werden.
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Betrachtet
man den Aufbau der Batterie 10 im Einzelnen, so sind an
dem oberen Teil der Batterie 10 die an dem inneren Elektrodenkörper 1 angebrachten
Streifen 5 mit einem Ausgangsanschluss 15 verbunden,
der in einem oberen Abschlussteil 16 angeordnet ist. Wenn
die Streifen 5 zu einem Körper vorher durch Schweißen, Pressen
und mit Ösen
versehen ausgebildet sind, bevor sie mit dem Ausgangsanschluss 15 verbunden
werden, kann eine nachteilige Wirkung infolge von Oxidationsfilmen
auf der Oberfläche
jedes Streifens 5 mit einer entsprechenden Veränderung
des Widerstandes jedes Streifens 5 in vorteilhafter Weise
vermieden werden.
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Für das obere
Abschlussteil 16 wird gewöhnlich Metall verwendet, es
ist jedoch ebenfalls möglich, einen
Duroplast, wie z.B. Bakelit, zu verwenden. Ein Berstmechanismus 17 in
Form von Nuten ist in dem oberen Abschlussteil 16 vorgesehen,
so dass der Innendruck der Batterie zum Atmosphärendruck entspannt werden kann,
wenn der Innendruck erhöht
ist. Das obere Abschlussteil 16, an dem der Ausgangsanschluss 15 angebracht
ist, wird so angebracht, dass ein Ende des Rohres 11 durch
das Krampen über
ein Isolationsdichtungsteil 18, das den Spalt zwischen
dem oberen Abschlussteil 16 und dem Rohr 11 ausfüllt, abgedichtet
ist. Bei dem Krampen wird ein Halsabschnitt 19 an dem Rohr 11 ausgebildet,
wodurch der innere Elektrodenkörper 1 im
Inneren der Batterie 10 hinsichtlich seiner Bewegung gesteuert
werden kann, und weiter kann das Krampen leicht durchgeführt werden.
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In
Bezug auf das untere Ende der Batterie 10 sind andererseits
die Streifen 5 an einem Stromanschluss 20 ähnlich dem
oberen Ende angebracht, und die untere Kappe 14, an die
der Stromanschluss 20 angebracht ist, wird mit dem Rohr 11 durch
Schweißen
an einem Schweißabschnitt 21 verbunden,
wodurch der Endabschnitt abgedichtet ist. Die untere Kappe 14 besteht
in diesem Fall aus Metall und hat eine Form, so dass ein Stromweg
von dem Stromanschluss 20 zu einem Ausgangsanschluss 22,
der an dem oberen Ende der Batterie vorgesehen ist, über das
Rohr 11 sichergestellt ist. Der Ausgangsanschluss 22 ist
elektrisch gegen das obere Abschlussteil 16 und den Ausgangsanschluss 15 infolge
des Dichtungsteils 18 isoliert. Der Druckentspannungsmechanismus 17 in
Form der Nuten ist ebenfalls an der unteren Kappe 14 vorgesehen,
wobei es jedoch ausreichend ist, den Druckentspannungsmechanismus 17 entweder
an dem oberen Abschlussteil 16 oder der unteren Kappe 14 vorzusehen.
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3 ist
eine Schnittansicht zur Darstellung eines weiteren Beispiels einer
Lithiumsekundärbatterie,
die nicht in den Schutzumfang der Erfindung fällt. Eine Batterie 30,
mit der gleichen oberen Endform wie die Batterie 10 gemäß 2,
weist ebenfalls ein unteres Ende auf, das dem Krampen ähnlich wie
das obere Ende unterworfen wurde, wobei weiter ein Halsabschnitt 19 geschaffen
wird. Hier wird als unteres Abschlussteil 23 Metall verwendet
und das untere Ende des Rohres 11 ist über Dichtringe 24, 25,
die oberhalb und unterhalb des unteren Abschlussteils 23 angeordnet
sind, abgedichtet. Da mindestens einer der zwei Dichtringe 24, 25 aus
Metall besteht, ist die Leitung zwischen dem Stromanschluss 20 und dem
Ausgangsanschluss 22 über
das Rohr 11 sichergestellt. Die Anzahl der Dichtringe kann
eins sein, und in dem Fall, wo zwei Dichtringe verwendet werden,
kann für
einen Dichtring ein Isolator, wie z.B. elastischer Gummi und Kunststoff,
verwendet werden.
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Durch
das Vorsehen der Halsabschnitte 19 an beiden Enden des
Rohres 11, d.h. an beiden Enden der Batterie 30,
wird es möglich,
dass der innere Elektrodenkörper 1 aus
dem offenen Teil des Druckentspannungsmechanismus 17 austritt,
auch wenn der Innendruck der Batterie 30 angestiegen ist,
und der Berstmechanismus 17 infolge einer fehlerhaften Verwendung,
wie z.B. einer übermäßigen Entladung usw.
wirksam wurde, wodurch die Sicherheit erhöht wird. In dem Fall, in dem
beide Enden des Rohres 11 durch Krampen abgedichtet sind,
wird die Flexibilität bei
der Auslegung des Aufbaus der Endabschnitte der Batterie 30 in
vorteilhafter Weise erhöht,
und weiter wird die Anordnung nicht nur des Berstmechanismus 17,
sondern auch anderer Sicherheitsmechanismen vereinfacht.
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4 zeigt
eine Schnittansicht eines Beispiels einer Lithiumsekundärbatterie
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Am oberen Teil der Batterie 40 sind an dem inneren
Elektrodenkörper 1 angebrachte Streifen 5 mit
dem Ausgangsanschluss 15 verbunden, der in dem oberen Abdeckteil 16 angeordnet
ist, und das obere Abdeckteil 16, an dem der Ausgangsanschluss 15 angebracht
ist, weist eine Form auf, so dass er an dem einen Ende des Rohres 11 durch Krampen
abgedichtet über
ein isolieren des Dichtteil 18 angebracht ist, um den Spalt
zwischen dem oberen Abdeckteil 16 und dem Rohr 11 auszufüllen, und das
andere Ende weist den gleichen Aufbau wie das obere Ende auf. D.h.,
der Ausgangsanschluss für den
positiven Pol ist an einem Ende der Batterie 40 angebracht
und der Ausgangsanschluss für
den negativen Pol ist an dem anderen Ende angebracht. In diesem
Fall, in dem beide Enden der Batterie durch Krampen abgedichtet
sind, kann ähnlich
wie im Fall der oben beschriebenen Batterie 30 der Strom
von dem inneren Elektrodenkörper 1 leichter
abgenommen werden. Im Fall einer Batterie mit großer Kapazität wird es
möglich,
den inneren Widerstand zu vermindern, ohne dass Probleme hinsichtlich
der Herstellung entstehen, da es einfach ist, den Ausgangsanschluss 15 usw.
mit den Streifen 5 zu verbinden, auch wenn eine größere Anzahl
angeordnet ist.
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Bei
der Batterie 40 wird, obwohl beide Enden des Rohres 11 mittels
Krampen ähnlich
wie bei der oben beschriebenen Batterie 30 ausgebildet
werden, das Rohr 11 nicht wie bei der Batterie 30 als
Stromleiter verwendet, sondern wird elektrisch neutral gehalten.
Somit wird, weil man nicht irgendein Rohr 11 als Stromleiter
verwendet, der innere Widerstand der Batterie vermindert. In dem
Fall, in dem beide, d.h. der positive und der negative Ausgangsanschluss 15, 22 an
einem Ende der Batterie angebracht sind, wie bei den Batterien 10, 30,
können
durch Werkzeuge usw. Unfälle
in Form eines Kurzschlusses zwischen den Ausgangsanschlüssen 15, 22 unbeabsichtigt
bei der Handhabung stattfinden, z.B. wenn Stromleitungen an den
Ausgangsanschlüssen 15, 22 usw.
angebracht werden, wohingegen bei der Batterie 14 es dagegen
möglich
wird, ein derartiges Risiko zu vermeiden und damit die Sicherheit
bei der Handhabung zu erhöhen.
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Bei
den oben beschriebenen Batterien gemäß der Erfindung mit verschiedenem
Aufbau werden als Materialien für
das Batteriegehäuse,
nämlich ein
Material für
das Rohr 11, vorzugsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung
oder rostfreier Stahl verwendet. Rohre mit verschiedenen Durchmessern aus
diesen Materialien sind auf dem Markt erhältlich und stehen somit leicht
und billig zur Verfügung
und weiter ist es möglich,
sehr zuverlässige
Batterien bei niedrigen Kosten herzustellen, da es möglich ist,
wie oben beschrieben, die Endabschnitte zu bearbeiten. Obwohl Aluminium
sich hier auf reines Aluminium bezieht, ist es möglich, ohne Probleme Aluminium
mit einer Reinheit von nicht weniger als 90% zu verwenden.
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Die
Merkmale der oben beschriebenen Lithiumsekundärbatterie gemäß der Erfindung
ist vorzugsweise besonders für
große
Batterien mit großer Batteriekapazität von nicht
weniger als 5 Ah geeignet, wobei sie jedoch nicht dazu dienen, die
Anwendung von Batterien mit nicht mehr als einer derartigen Batteriekapazität zu verhindern.
Weiter kann die Lithiumsekundärbatterie
gemäß der Erfindung
vorzugsweise bei einem Elektrofahrzeug oder einem Elektrohybridfahrzeug
verwendet werden, wodurch man die Vorteile der Merkmale der großen Kapazität, der niedrigen
Kosten und der hohen Zuverlässigkeit nutzen
kann.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Beispiel
begrenzt. Bei den Batterien 10, 30, 40 ist
beispielhaft ein Berstmechanismus mit Nuten beschrieben, wobei jedoch
ebenfalls Berstmechanismen (Druckentspannungsmechanismen) unter
Verwendung verschiedener Metallfolien möglich sind, wie dies in der japanischen
Patentanmeldung Nr. 09-202963 und der japanischen Patentanmeldung
Nr. 09-331537 beschrieben ist.
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Wie
oben beschrieben, hat eine Lithiumsekundärbatterie gemäß der Erfindung
den Vorteil, dass es möglich
wird, die Materialkosten unter Verwendung eines billigen Rohres
als Batteriegehäuse zu
vermindern, wobei man aus einer Vielzahl von Formen auswählen kann.
Weiter kann der Endabschnitt des Rohres leicht durch Krampen abgedichtet
werden, wodurch weiter die Herstellungskosten vermindert werden,
und da es möglich
ist, leicht die Streifen von dem inneren Elektrodenkörper mit dem
Ausgangsanschluss usw. zu verbinden, besteht der Vorteil, dass verschiedene
Formen der Enden einer Batterie möglich werden. Weiter ist ein
Halsabschnitt in dem Batteriegehäuse
vorgesehen, wodurch man den Vorteil erreicht, dass auch im Fall,
wo der Berstmechanismus aufgrund eines Druckanstiegs im Inneren
der Batterie wirksam wird, ein Heraustreten des inneren elektrischen
Körpers
verhindert wird, so dass die Sicherheit erhöht wird.