具有改進安全性的二次電池的製作方法
2023-05-11 12:51:41 1
專利名稱：具有改進安全性的二次電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能改進其安全性的二次電池，及用於該二次電池的安全裝置。
背景技術：
通常，二次電池是可再充電電池，其能夠製成小型尺寸或大型尺寸。例如，二次電池包括Ni-MH電池、鋰電池和鋰離子電池。另外，根據外觀，二次電池分為圓柱型二次電池和方形二次電池。
不同於袋型(pouch type)二次電池，圓柱型二次電池或方形二次電池包括用作正極端子或負極端子的電池罐；以及配置在電池罐內的電極組件，該電極組件包括用正極活性材料塗覆的正極(陰極)、用負極活性材料塗覆的負極(陽極)和置於正極和負極之間的分離膜。
同時，如果如釘子或鑽尖的尖銳工具通過電池罐刺入塗覆有活性材料的正極和負極，或者如果電池罐被如鉗子的擠壓工具擠壓，則會發生正極和負極之間的內部短路，從而大量電流施加到正極和負極之間而產生熱。在極端情況下，電池發生意外著火或爆炸。由於這一原因，在電池中配置安全裝置，以防電池的意外著火或爆炸。
例如，日本專利未經審查公開號2000-48852公開了一種如圖1所示的用於二次電池的安全裝置，其中，通過延伸其上未塗覆活性材料的未塗覆正極和負極到預定長度，而在配置在圓柱型電池的電池罐中的膠輥(jelly-roll)狀的電極組件的最外部設置安全裝置。電池罐通過分離膜的方式與未塗覆的正極或未塗覆的負極電絕緣，並且電池罐可用作電池的正極端子或負極端子。
根據上述現有技術，如果尖銳的工具穿過電池罐刺穿電極組件，則會在電阻相對較低的未塗覆的正極和負極之間發生短路，也會在由活性材料形成的具有較高電阻的正極和負極之間發生短路。此時，短路電流可能首先在具有相對較低電阻的未塗覆的正極和負極之間流動，以至於施加到具有活性材料的正極和負極上的電流的量減少。因此，即使在電池內發生內部短路，也能保持電池安全，因此可以防止電池中突然產生的熱和突然升高的溫度。
但是，根據上述常規圓柱型電池，只有當如釘子或鑽尖的尖銳工具經過電池罐後刺入未塗覆的正極和負極時才會發生短路，因此當尖銳的工具刺入電池罐時，電池罐中的充電電流不會快速放電到外部。
此外，未塗覆的正極和負極相鄰於塗覆活性材料的正極和負極排列，並且未塗覆的正極和負極具有相對於電池罐更小的厚度。因此，如果插入電池罐的尖銳工具進一步移向塗覆活性材料的正極和負極，並刺穿正極和負極，則會在電池罐中突然產生高溫熱量，從而電池發生意外的著火或爆炸。
發明內容
因此，為解決存在於現有技術中的上述問題而完成了本發明，並且本發明的目的是確保圓柱形電池或方形電池的安全性，而不受到外部因素的影響，例如尖銳工具的刺穿(如釘子或鑽尖)、工具的擠壓(如鉗子)、外部衝擊和暴露於高溫下。具體而言，本發明的目的是在外部因素施加到電池罐時在電池罐的外部產生外部短路，以使在外部因素對二次電池產生不良影響前(例如配置在電池罐中的電極組件的內部短路)，二次電池的充電電流能夠從二次電池中充分放電。因此，即使二次電池的正極和負極之間發生由外部因素引起的內部短路，也能確保二次電池的安全性。
為了實現上述目的，本發明的二次電池包括用作二次電池的正極端子或負極端子的電池罐、在電池罐的外部設置的導電基質和為使導電基質與電池罐絕緣而置於電池罐和導電基質之間的不導電膜，其中導電基質電連接到具有與電池罐相反極性的電極端子上。
根據本發明優選的實施方案，所述導電基質附著於不導電硬殼的內壁，並且不導電硬殼以兩電極端子的一部分暴露在外的狀態環繞至少部分二次電池。
此外，本發明提供一種設置在用作二次電池的正極端子或負極端子的電池罐的外部的安全裝置，其中安全裝置包括在其一側設置有不導電膜的導電基質。
圖1為說明常規圓柱型電池的局部示意截面圖。
圖2為說明根據本發明的第一實施方案的二次電池的局部示意截面圖。
圖3為說明根據本發明的第一實施方案的二次電池的局部示意截面圖，其中釘子部分地刺入二次電池中。
圖4為說明當根據本發明的第一實施例的二次電池充有4.2V電，並且直徑為2mm的釘子完全刺入二次電池時，二次電池的溫度和電壓隨時間函數變化的圖表。
圖5為說明當常規圓柱型電池充有4.2V電，並且直徑為2mm的釘子完全刺入常規圓柱電池時，常規圓柱型電池的溫度和電壓隨時間函數變化的圖表。
圖6為說明當根據本發明的第一實施例的二次電池充有4.2V電，並且直徑為2mm的釘子從外部部分刺入電池罐到8mm的距離時，二次電池的溫度和電壓隨時間函數變化的圖表。
圖7為說明當根據本發明的第一實施例的二次電池充有4.2V電，並且直徑為2mm的釘子從外部部分刺入電池罐到4mm的距離時，二次電池的溫度和電壓隨時間函數變化的圖表。
圖8為說明根據本發明的第二實施方案的二次電池的局部示意截面圖。
在附圖中，附圖標記1代表安全裝置，2a代表不導電膜，2代表導電基質，3代表硬殼。
具體實施例方式
下文將詳細描述本發明。
在使用例如包含能夠儲存和釋放鋰和/或鋰離子的金屬氧化物的鋰的正極活性材料的二次電池中，當二次電池充電時，鋰與正極活性材料是分離的(de-intercalated)，以使正極活性材料進入熱不穩定狀態。在這樣的狀態下，如果由如尖銳工具的刺穿、工具的擠壓(如鉗子)、外部衝擊和暴露於高溫下的外部因素引起二次電池中發生內部短路，則二次電池內部的溫度會升高。如果二次電池的內部溫度達到臨界溫度，則會破壞保持在熱不穩定狀態下的正極活性材料的結構，從而從正極活性材料中生成氧氣。該氧氣可與電解質溶劑反應，同時產生熱量，使得二次電池中持續發生放熱反應。因此，不能確保二次電池的安全性。
本發明的特徵在於當外部因素作用於電池罐時，在電池罐的外部產生外部短路，以使在外部因素對二次電池產生不良影響前(例如配置在電池罐中的電極組件上的內部短路)，二次電池的充電電流能從二次電池中充分地放電。因此，即使由外部因素引起二次電池的正極和負極之間發生內部短路，二次電池的安全性也能確保。為了在電池罐的外部產生外部短路，在用作二次電池的正極端子或負極端子的電池罐的外部安裝導電基質，同時在其間插入不導電膜，以使導電基質電連接到與電池罐具有相反極性的電極端子上。
圖2為說明根據本發明的第一實施方案的二次電池的局部示意截面圖。圖3為說明根據本發明的第一實施方案的二次電池的局部示意截面圖，其中釘子部分地刺入二次電池中。
如圖2所示，本發明的安全裝置1包括在其一側具有不導電膜2a的導電基質2。安全裝置1設置在作為二次電池的正極端子或負極端子的電池罐的外部。此時，纏繞電池罐的不導電包裝部件可用作形成安全裝置1的一部分的不導電膜。因此，導電基質2可以以不導電膜直接附於電池罐的狀態安裝在電池罐的外部，或者導電基質2可以以不導電膜附於導電基質2的一側的狀態安裝在電池罐的外部。
根據本發明的二次電池，在電池罐的外部設置安全裝置1，從而當釘子或鑽尖刺入安全裝置1的導電基質2而與電池罐形成接觸時，在電池罐的外部發生短路。但是，根據常規二次電池，在電池罐中提供用作安全裝置的未塗覆正極和未塗覆負極，同時在它們之間插入分離膜，以使當釘子或鑽尖刺入電池罐時不發生短路，但是當釘子或鑽尖刺入未塗覆正極並且也刺入未塗覆負極時，會發生短路。
此外，電池罐的厚度大約為200～1000μm，其大於分離膜的厚度(10～20μm)。因此，假設在本發明和現有技術中使用相同的穿透力使釘子或鑽尖刺入二次電池，從電池罐與置於電池罐外部的安全裝置的導電基質之間的外部短路到塗覆活性材料並置於電池罐中同時在其間插入分離膜的正極和負極之間的內短路之間的本發明的時間間隔，即「(電池罐的厚度+分離膜的厚度)/刺入速度」明顯長於應用了未塗覆正極/負極作為安全裝置的現有技術的時間間隔，該間隔為從未塗覆正極與未塗覆負極之間的第一短路到塗覆活性材料的正極和負極之間的第二短路的時間間隔，即「分離膜的厚度/刺入速度」。因此，在根據本發明的二次電池中，隨著時間間隔的增加，更多的充電電流通過外部短路從二次電池中釋放出，因此二次電池的狀態由充電變為放電，其間正極活性材料保持穩定狀態。因此，在根據本發明的二次電池中，即使釘子或鑽尖刺入到電池罐、分離膜、正極和負極，並因此發生內部短路，在二次電池中也很少產生熱量，因此防止了二次電池的意外著火或爆炸(見圖3)。
同時，在釘子或鑽尖不刺入二次電池的二次電池的正常狀態下，相同的電壓施加到導電基質2和與導電基質2相連的電極端子上，使得即使電子器具(未顯示)或導電元件的端子與二次電池的正極端子和負極端子相接觸，電流也不會在導電基質2和電極端子之間流動(見圖2)。
此外，優選不導電膜2a在指定溫度熔化。在這種情況下，當由於暴露在高溫下而使二次電池的內部溫度升高時，不導電膜2a在二次電池爆炸前熔化，因此以與釘子或鑽尖從二次電池的外部刺入二次電池相同的方式引起導電基質2和電池罐之間的外部短路。
優選，不導電膜2a的熔點大約為100～200℃。
不導電膜2a由基於聚烯烴的樹脂製成，例如聚乙烯、聚丙烯或其共聚物。
優選導電基質2具有優異的導熱性和耐熱性。
導電基質2可由具有導電性的金屬或其合金製成。優選導電基質2由選自包括Al、Cu、Ni、Sn、不鏽鋼和具有優異的導電性和導熱性的碳片的組的至少一種製成。
優選導電基質2製成具有預定厚度的長條的形式。此外，優選導電基質2以如下方式環繞除正極端子和負極端子的一部分之外的二次電池二次電池中的充電電流能充分引入到設置在電池罐外部的導電基質2上，以防止當釘子或鑽尖刺入二次電池時產生熱量。
此外，可在導電基質2的外部提供聚合物樹脂層(未顯示)，以使導電基質2不與外部裝置形成電接觸。優選地，聚合物樹脂層由PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)或基於尼龍的材料製備，以保護電池罐而允許預定的印刷工作。
同時，根據本發明第二實施方案的二次電池包括不導電硬殼3和附於不導電硬殼3內壁上的導電基質2。不導電硬殼3以兩電極端子的一部分暴露在外的狀態圍繞二次電池的至少一部分。此外，導電基質2通過不導電膜2a與二次電池的電池罐絕緣，並且電連接到與電池罐具有相反極性的電極端子上(見圖8)。
因此，由於在二次電池的外部提供不導電硬殼，可以更安全地保護根據本發明的第二實施方案的二次電池不受尖銳工具的破壞。
除了在其內壁設置有導電基質的硬殼被置於用作二次電池的正極端子或負極端子的電池罐的外部外，根據本發明第二實施方案的二次電池與根據本發明第一實施方案的二次電池基本相似。因此，相同或相似原件的操作和結構相關的描述在下文省略了，以避免重複。
此外，根據本發明的第二實施方案，多個二次電池可以以電池組的形式設置於硬殼中，以簡化加工過程。如果多個二次電池配置在一個硬殼內，即使各個二次電池不規則地產生熱量，熱也能夠通過附於硬殼內壁的導電基質均勻地分布到周邊區域或外部。例如，當考慮到二次電池組的安全性，相比於一個電池的溫度由40℃升高到100℃，優選六個電池的溫度分別由40℃升高到50℃。
如果二次電池的電池罐能用作負極端子或正極端子，則根據本發明的二次電池可製成圓柱形電池、方形電池或其它類型的電池。
下述實施例為詳細說明根據本發明的二次電池的安全性。但下述實施例僅用於說明的目的，其不意味著限制本發明的範圍。
實施例1電池罐由直徑為65mm、高為18mm的金屬製成。然後用正極活性材料(LiCoO2)、負極活性材料(碳)、分離膜(聚合物)和電解液(有機溶劑EC和EMC)製備容量為2200mAh的二次電池。同時，用作負極端子的電池罐和包括不導電膜、並由鋁製成的金屬薄膜以如下方式附於電池罐的外部金屬薄膜與電池罐電絕緣，並且金屬薄膜的一部分連接到正極端子(見圖2)。
然後，具有上述結構的二次電池在充有4.2V電的狀態下，使直徑為2mm的釘子以1000mm/min的速度完全刺穿二次電池，同時測量二次電池的電壓和溫度。結果如圖4所示。此外，在二次電池充有4.2V電的狀態下，使直徑為2mm的釘子以1000mm/min的速度從外部部分刺入二次電池分別至8mm和4mm的距離，同時測量二次電池的電壓和溫度。結果分別示於圖6和圖7。
如果釘子部分刺入二次電池，則熱量會集中到二次電池的一點，因此比釘子完全刺入二次電池更危險。但是，如圖6和7所示，即使釘子部分刺入二次電池，也能確保根據本發明製備的二次電池的安全性。
對比實施例1電池罐由直徑為65mm、高為18mm的金屬製成。然後用正極活性材料(LiCoO2)、負極活性材料(碳)、分離膜(聚合物)和電解液(有機溶劑EC和EMC)製備容量為2200mAh的二次電池。然後，由鋁製成的未塗覆正極和由銅製成的未塗覆負極纏繞在膠輥型電極組件的最外部，同時在未塗覆正極和未塗覆負極之間插入分離膜，並且膠輥型電極組件被置於電池罐中(見圖1)。
然後，具有上述結構的二次電池在充有4.2V電的狀態下，使直徑為2mm的釘子以1000mn/min的速度完全刺穿二次電池，同時測量二次電池的電壓和溫度。在這種情況下，二次電池發生意外著火或爆炸(見圖5)。
如上所述，即使二次電池在外部因素的作用下，例如尖銳工具的刺穿(例如釘子或鑽尖)、工具的擠壓(例如鉗子)、外部衝擊和暴露於高溫下，本發明也能確保二次電池的安全。
儘管為說明目的描述了本發明的優選實施方案，但本領域的技術人員應該能夠理解，在不偏離所附權利要求中公開的本發明的範圍和實質的各種修改、增加和替換是可能的。
權利要求
1.一種二次電池，其包括用作二次電池的正極端子或負極端子的電池罐；在電池罐的外部設置的導電基質；和為使導電基質與電池罐絕緣而置於電池罐和導電基質之間的不導電膜，其中導電基質電連接到具有與電池罐相反極性的電極端子上。
2.如權利要求1所述的二次電池，其中所述導電基質被附於不導電硬殼的內壁，並且不導電硬殼以兩個電極端子的一部分暴露在外的狀態纏繞至少部分二次電池。
3.如權利要求1所述的二次電池，其中除二次電池的正極端子和負極端子的一部分外，所述導電基質纏繞電池罐。
4.如權利要求1或2所述的二次電池，其中所述導電基質具有導熱性。
5.如權利要求1或2所述的二次電池，其中所述導電基質由選自包括Al、Cu、Ni、Sn、不鏽鋼和碳的組的至少一種製成。
6.如權利要求1所述的二次電池，其中在所述導電基質的外部設置聚合物樹脂層，以使導電基質與外部裝置不形成電接觸。
7.如權利要求1或2所述的二次電池，其中使電池罐與導電基質絕緣的不導電膜在指定溫度下熔化。
8.一種在用作二次電池的正極端子或負極端子的電池罐的外部設置的安全裝置，其中該安全裝置包括在其一側設置有不導電膜的導電基質。
9.如權利要求8所述的安全裝置，其中所述導電基質由選自包括Al、Cu、Ni、Sn、不鏽鋼和碳的組的至少一種製成。
全文摘要
本發明公開了一種二次電池。該二次電池包括用作二次電池的正極端子或負極端子的電池罐、在電池罐的外部設置的導電基質和為使導電基質與電池罐絕緣而置於電池罐和導電基質之間的不導電膜，其中導電基質電連接到具有與電池罐相反極性的電極端子上。即使該二次電池受到外部因素作用，例如尖銳工具的刺穿(如釘子或鑽尖)、工具的擠壓(如鉗子)、外部衝擊和暴露於高溫下，都能確保該二次電池的安全性。
文檔編號H01M2/10GK1989634SQ200580025118
公開日2007年6月27日 申請日期2005年10月5日 優先權日2004年10月8日
發明者張誠均, 李在憲, 李浚煥, 河秀玹, 曹正柱 申請人:Lg化學株式會社