CN101529614A - 一种保证良好的安全性的电化学设备 - Google Patents
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Abstract
本说明书公开了一种中心销的结构，所述中心销被插入到电化学设备的卷绕型电极组件的卷绕中心，所述设备具有容纳卷绕型电极组件的壳。所述中心销可通过简单过程制成，并且当从外部施加物理冲击(例如挤压、振动)或者当内部温度升高时，所述中心销可确保电化学设备的安全性。所述中心销通过将平面衬底卷绕为管状而制成，所述平面衬底具有至少两个以压花形式形成的突出部，或者具有至少两个以预定形状形成的刻痕。
Description
技术领域
本发明涉及一种被插入到电化学设备的卷绕型电极组件的卷绕中心的中心销的结构，该电化学设备具有容纳卷绕型电极组件的壳，并且更具体而言，涉及这样一种中心销：其可通过一简单过程制成，并且当从外部施加一物理冲击(例如挤压、振动)时或者当内部温度升高时，该中心销能够确保电化学设备的安全性。
背景技术
正如在本技术领域中普遍公知的，随着电子设备紧凑化和轻型化的近期趋势以及便携式电子设备的广泛使用，具有高能量密度的锂二次电池已被广泛地研发出来。
锂二次电池使用一些能够在其阴极和阳极分别嵌入和脱嵌锂离子的物质，有机电解质或聚合物电解质填充阴极和阳极之间的空间。基于当锂离子分别从阴极和阳极嵌入和脱嵌时所发生的氧化和还原反应，锂二次电池制造电能。
然而，锂二次电池具有安全性问题，已进行了各种努力以试图解决该问题。
通常，由于电池内部温度升高时的电解质分解反应而造成的易燃气体、或者由于电解质和电极之间的反应导致生成的易燃气体、或者由于阴极的分解产生的氧气，那些使用易燃非水电解质的锂二次电池会爆炸或者着火。
而且，如果电池被重物碾压、如果在电池上施加较强冲击，或者如果电池被暴露在高温下，就会发生安全问题。具体而言，如果钉子刺穿电池，如果电池被挤压，如果向电池施加冲击，或者如果电池暴露在高温下，电池内的阴极和阳极就会局部短路。因此，大量电流局部流过并且产生热量。从局部短路中产生的短路电流的量与电阻成反比，从而大量短路电流流向低电阻的部分。在这种情况下，在短路部分的周围局部产生了大热量。
如果电池内产生了热量，则构成电池内部的阴极、阳极和电解质会相互反应或燃烧。这种反应是大量放热的，从而电池最终着火或爆炸。因此，必须避免在电池内产生这种突发的热量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中心销，其可通过简单过程制成，并且当从外部施加物理冲击(例如挤压、振动)或者当内部温度升高时，该中心销能够确保电化学设备的安全性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种有待被插入到电化学设备的卷绕中心的中心销，所述电化学设备具有容纳卷绕型电极组件的壳，其中中心销通过将平面衬底卷绕成管状而制成，该平面衬底具有至少两个以压花形式形成的突出部，或者至少两个以预定形状形成的不连续刻痕(score)；并且在具有刻痕的平面衬底被卷绕成管状之时或者之前，平面衬底的一部分形成突出部，所述部分位于刻痕边界部分。
此外，本发明提供了一种电化学设备，包括：一个卷绕型电极组件，该卷绕型电极组件通过堆叠并卷绕一个第一隔膜、一个具有第一电极接头的第一电极板、一个第二隔膜以及一个具有第二电极接头的第二电极板而获得；一个容纳有卷绕型电极的壳；以及上面所述的被插入到卷绕型电极组件的卷绕中心的中心销。
附图说明
图1示出了一种电化学设备，其具有通过现有技术的中心销卷绕而成的电极组件；
图2简要示出了用于制造根据本发明的中心销的过程；
图3示出了具有至少两个以预定形状形成的不连续刻痕的示例性平面衬底；
图4示出了根据本发明一个实施方案的中心销的简要结构；
图5示出了如何使用根据本发明一个实施方案的中心销来装配电池；
图6示出了如何使用根据本发明另一个实施方案的中心销来装配电池；
图7简要示出了根据本发明一个实施方案的中心销如何确保了安全性；
图8简要示出了根据本发明另一个实施方案的中心销如何确保了安全性；
图9示出了在根据比较实施方案1制造的电池上进行的碾压实验的结果；
图10示出了在根据示例性实施方案1制造的电池上进行的碾压实验的结果。
具体实施方式
在下文中，将更加详细地解释本发明。
根据本发明的中心销被插入到电化学设备的卷绕中心，所述电化学设备具有容纳卷绕型电极组件的壳。
使用根据本发明的中心销的卷绕型电极组件包括：一个第一隔膜、一个具有第一电极接头的第一电极板、一个第二隔膜，以及一个具有第二电极接头的第二电极板。所述中心销与第一隔膜相邻，并且通过第一隔膜与第一电极板电绝缘，所述第一隔膜被卷绕。
卷绕型电极组件被包含在壳内，一实施例壳为如下组件，其包括罐体以及密封盖的盖子。所述罐体由导电材料制成，并且可充当电连接至第二电极接头的第二电极端子(参见图1)。
根据本发明的中心销典型地包括：通过将平面衬底卷绕成管状而制成的中心销，所述平面衬底具有至少两个以压花(embossing)形式形成的突出部，或者具有至少两个以预定形状形成的不连续刻痕。因此，根据本发明的中心销的制造过程很简单。
在该情况下，通过卷绕平面衬底，形成了中空管(参见图2)。
当有压力被施加时，中心销内的轴向空间可充当气体通道，有利地降低了内部压力。
具有至少两个以压花形式形成的突出部的平面衬底，可通过借助各种压花机(诸如，压花压模机)对平面衬底进行处理而制得。
通过将平面衬底卷绕成管状(即，圆柱形状)，突出部可被形成在平面衬底的一部分上，该部分位于刻痕边界部分(参见图2和图3)。
在卷绕平面衬底之前，通过在平面衬底上形成刻痕并压模该刻痕，使得突出部形成在衬底的位于刻痕边界部分的一部分上，由此可获得由刻痕形成的突出部。例如，其上形成有刻痕的平面衬底被放入模机中、被挤压并且被热处理，从而形成突出部。
可通过冲压机形成刻痕。图2和图3示出了具有至少两个以预定形状形成的不连续刻痕的示例性平面衬底。
刻痕的起始点和终止点可相互重合，以便形成一个闭环。替换性地，起始点和终止点可相互不重合，以便形成一个开环。每个刻痕可以是至少两条直线的组合、一条曲线、至少两条曲线的组合，或者直线和曲线的组合。因此，所述刻痕和突出部可以具有各种形状。
所述平面衬底或中心销可由不锈钢、钛、镍或铝制成，但是不限于这些材料。所述平面衬底或中心销优选地由导电材料制成。
压花形式的突出部可由不同于平面衬底的材料制成。
平面衬底可具有0.1～1mm的厚度，其取决于电化学设备的尺寸。所述厚度优选地为0.1～0.4mm。
中心销的直径可根据电化学设备的心轴(mandrel)的尺寸来确定，但不应太大。例如，所述中心销可具有1.5～6mm的内径，优选的是3～4mm。中心销上的突出部可具有0.1～2mm的高度，优选的是0.2～0.6mm。
突出部的锐度和/或强度可被调整，使得可以调节那能够使隔膜、电极等破裂的内部或外部压力的极限。
优选的是，为安全起见，所述突出部均匀分布在中心销的整个表面上。
压花形式的突出部或由刻痕形成的突出部可被形成在空心的管型中心销的内周缘表面上、外周缘表面上，或者其内周缘表面和外周缘表面上都形成有突出部。
如果压花形式的突出部或由刻痕形成的突出部被形成在中心销的外周缘表面上，可预期到以下优点：
如果从外部向电池施加物理冲击，则电池内部的防止阴极和阳极相互接触的隔膜被撕裂，从而发生短路。如果发生微小短路，电池的高能量被集中在发生短路的微小区域。过量电流产生热量，该热量集中在微小区域内，并且所导致的瞬间热散逸可能造成电池着火或爆炸。
因此，当从外部施加冲击时，根据本发明的、具有压花形式的突出部或由刻痕形成的突出部的中心销故意制造了数个短路，使得短路电流分布在数个短路区域中。这优选地将产生的电流和/或热量分布到中心销，使得电池不受到热散逸的危及。
应注意的是，根据本发明的中心销即使在正常状态下也保持压花形式的突出部或者由刻痕形成的突出部，使得即使在所述中心销未变形或者在中心销变形之前，仍可通过突出部故意引发数个短路。这可靠地防止了由能量的集中和积聚造成的电池的紧急情形(例如，热散逸等)。
为了使用压花形式的突出部或者由刻痕形成的突出部故意制造数个短路，突出部必须被调整为使与中心销相邻的隔膜破裂，或者使第一隔膜、第二电极板以及第二隔膜破裂。
为了确保仅通过使隔膜破裂就可产生短路，所述中心销必须由导电材料制成并且电连接至第二电极板的第二电极接头。在正常状态下，中心销必须通过第一隔膜与第一电极板绝缘(参见图5～图8)。
应注意的是，当必须使第一隔膜、第二电极板和第二隔膜破裂以故意产生短路时，所述中心销与电极端子电绝缘。
当平面衬底被卷绕成管状以形成空心管时，被卷绕的平面衬底的两个相互轴向相邻的相对侧面，优选地相互接触而不相互重叠，或者它们优选地相互间隔开。所述相对侧面的边缘的位置被定位为使得在正常状态下它们既不对外部暴露，也不对内部暴露。
当从外部施加预定等级或者更高的压力时，所述相对侧面相互交叉，或者它们的边缘向外或向内突出，使得相邻的部件，诸如隔膜、电极板、中心销内的容器等，可沿着一直线，从而对应于各相对侧面轴向地破裂。
当施加外部冲击时，受到冲击的局部区域的附近的突出部可附加地产生故意的局部短路，除此之外，即使外部冲击是局部的，相对侧面的边缘也可在整个轴向表面制造故意的短路，因为相对侧面的边缘使整个轴向区域破裂。另外，即使因处理方面的限制而使电化学设备沿中心销轴向方向的两个末端上不能形成任何突出部，当向电化学设备的两个末端施加外部冲击时，平面衬底的相对侧面的边缘仍可产生故意的短路。
图5和图6示出了如何使用根据本发明的实施方案的、其上形成有突出部的中心销来装配电池。正如在图5和6中所示，电极组件被插入容器中，然后插入中心销。
参照图7和8，根据本发明的一个实施方案的中心销14在其表面上形成有至少一个突出部，使得当从外部施加预定等级或更高的压力时可使隔膜破裂，所述中心销14电连接至由导电材料制成并装备在第二电极板上的第二电极接头12，或者电连接至电连接到第二电极接头的第二电极端子5。在正常状态下，中心销电连接至第二电极板，并且通过第一隔膜与第一电极板电绝缘。如果从外部施加预定等级或更高的压力，突出部使第一隔膜破裂，使得中心销和第一电极板被故意短路。因此，短路电流分布在数个短路区域上，并且所述短路电流也经由中心销分布到电池罐体5。这防止了电池受到热散逸的危及(参见图7和8)。
中心销和/或罐体优选地由导热材料制成，使得短路中产生的热量可分布到中心销和/或罐体(参见图7和8)。
另外，根据本发明的中心销可物理连接至由导电和导热材料制成的结构，并且暴露到壳的外部。在这种情况下，导致短路的电流和/或热量可经由中心销和该结构被分散到外部。正如在图4中所示，示例性中心销包括用于被插入到卷绕型电池组件的卷绕中心的管状第一构件100，以及物理连接至第一构件的侧表面并且暴露到壳的外部的第二构件200。第一和第二构件分别由导电和导热材料制成。第一构件的表面上具有至少一个突出部。第一构件的中轴线优选地垂直于第二构件的表面。
本发明可使用上述中心销，以提高各种适于进行电化学反应的电化学设备的安全性，所述电化学设备包括各种原电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池、电容器。所述二次电池优选地包括锂二次电池，诸如锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池以及锂离子聚合物二次电池。然而，本发明适合于各种电化学设备，不仅包括锂离子电池，还包括镍氢电池以及镍镉电池。本发明也适合于未来那些有望取代锂离子电池的电池。
对于本发明使用的电化学设备的形状没有特殊限制，所述设备可具有各种尺寸和/或形状，包括圆柱型、平板型、块型等。本发明同样可应用于包装壳(pack case)、硬包装和软包装。
本发明提供了一种电化学设备包装，其包括如上所述地构造的单个电化学设备，或者基于并联或串联连接而组合的多个电化学设备。
在下文中，通过锂二次电池示例本发明。
所述锂二次电池包括阴极、阳极、非水电解质和隔膜，所述阴极包含作为阴极活性材料的锂复合氧化物，所述阳极能够进行锂嵌入和脱嵌。
可使用在常规电化学设备中使用的普通阴极活性材料作为阴极活性材料。该阴极活性材料的非限制性实施例包括：锂过渡金属复合氧化物，诸如LiMxOy(M＝Co、Ni、Mn、CoaNibMnc)(例如，诸如LiMn2O4的锂锰复合氧化物、诸如LiNiO2的锂镍氧化物、诸如LiCoO2的锂钴氧化物、通过将上述氧化物中的锰、镍和钴部分地替换为其他过渡金属而获得的其他氧化物、或者含锂的钒氧化物等)；或者是金属硫化物(calcogenides)，诸如二氧化锰、二硫化钛、二硫化钼等。优选的是，所述阴极活性材料可以是LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li(NiaCobMnc)O2(其中0＜a＜1，0＜b＜1，0＜c＜1，a+b+c＝1)、LiNi1-YCoYO2、LiCo1-YMnYO2、LiNi1-YMnYO2(其中0≤Y＜1)、Li(NiaCobMnc)O4(其中0＜a＜2，0＜b＜2，0＜c＜2，a+b+c＝2)、LiMn2-zNizO4、LiMn2-zCozO4(其中0＜z＜2)、LiCoPO4、LiFePO4、或其混合物。更优选的是，所述阴极活性材料可以是LixMO2(其中，M是Ni、Co或Mn，并且0.05≤x≤1.10)。
所述阴极活性材料被结合至阴极集电极——诸如由铝、镍或其组合物形成的薄板——以形成阴极。
可使用在常规电化学设备中使用的普通阳极活性材料作为阳极活性材料。该阳极活性材料的非限制性实施例包括锂金属、锂合金、碳、石油焦炭、活性碳、石墨或其他能够进行锂离子嵌入/脱嵌的含碳材料。阳极活性材料被结合至阳极集电极——诸如由铜、金、镍、铜合金或其组合形成的薄板——以形成阳极。
可使用的隔膜具有微孔结构，并且包括由聚乙烯、聚丙烯或其组合所形成的多层薄膜，或者包括用于固体聚合物电解质或凝胶聚合物电解质的聚合物薄膜，诸如聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚环氧乙烷(polyethylene oxide)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylenecopolymer)。
可在本发明中使用的电解质包括式子A+B-表示的盐，其中A+代表选自Li+、Na+、K+、及其组合的碱金属阳离子，B-代表选自PF6 -、BF4 -、Cl-、Br-、I-、ClO4 -、ASF6 -、CH3CO2 -、CF3SO3 -、N(CF3SO2)2 -、C(CF2SO2)3 -、及其组合的阴离子，所述盐被溶解或离解在选自以下的有机溶剂中，所述有机溶剂为：碳酸丙烯酯(PC)(propylenecarbonate)、碳酸乙烯酯(EC)(ethylene carbonate)、碳酸二乙酯(DEC)(diethyl carbonate)、碳酸二甲酯(DMC)(dimethyl carbonate)、碳酸二丙酯(DPC)(dipropyl carbonate)、二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide)、乙腈(acetonitrile)、二甲氧基乙烷(dimethoxyethane)、二乙氧基乙烷(diethoxyethane)、四氢呋喃(tetrahydrofuran)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)(N-mthy1-2-pyrrolidone)、碳酸乙甲酯(ethylmethyl carbonate)(EMC)、γ-丁内酯及其混合物(gamma-butyrolactone)。在下文中，将通过下面的实施例和比较实例描述本发明。然而，应理解，这些实施例仅为示例性目而给出，而不应被解释为限制本发明的范围。
比较实施方案1
使用的是LG公司(产品名：ICP18650，2400mAh)的锂离子圆柱形二次电池。该电池的阴极活性材料是LiCoO2，阳极活性材料是石墨，并且隔膜由聚丙烯形成。使用的是具有3mm直径和5.75cm长度的不锈钢中心销。
示例性实施方案1
使用与比较实施方案1相同的组件来装配电池，区别仅在于一中心销14，所述中心销通过卷绕平面衬底来制造，所述平面衬底由不锈钢制成并且其上均匀分布有压花形式的突出部，如图2中所示的图案1的情况。该平面衬底具有0.3mm的厚度，并且压花形式的突出部具有0.3mm的高度。
实验
根据比较实施方案1和示例性实施方案1制造的锂离子圆柱形电池被完全充电至4.2V，然后进行碾压测试。
在碾压测试过程中，蜂窝型结构被安装在直径30cm的盘下，并且以3～4mm/sec的速度以液压方式加压，直至压力达到3000lbs，同时观察记录的温度和压力。关于比较实施方案1和示例性实施方案1的结果分别在图9和10中示出。
从图9中可清晰看到，随着比较实施方案1的电池上的压力的逐渐增加，短路程度逐渐增加，电压缓慢下降。在电池内局部产生热量，并且温度在短时间内急剧上升。然后电池着火。
然而，在图10所示的示例性实施方案1的电池的情况中，该电池的电压因大面积短路而瞬时降低，该电池内的最高温度低于100℃。这是因为，根据本发明的中心销——其通过卷绕表面具有至少一个突出部的平面衬底而制成——导致心轴的薄卷(jelly roll)中产生大面积短路，从而分散了短路电流，抑制了电池的热能产生。
如上所述，根据本发明的中心销具有以下优点：当从外部施加预定等级或更高的压力时，该中心销的表面上的突出部和/或沿一条直线布置的两个相对侧面的边缘可制造故意的短路。这防止了电化学设备受到热散逸的危及，并且确保了该设备的安全性。
Claims (17)
1.一种有待插入到电化学设备的卷绕中心的中心销，该电化学设
备具有容纳卷绕型电极组件的壳，
其中所述中心销通过将平面衬底卷绕成管状而制成，所述平面衬底具有至少两个以压花形式形成的突出部或者至少两个以预定形状形成的不连续刻痕；并且
在具有刻痕的平面衬底被卷绕成管状之时或之前，平面衬底的一部分形成突出部，所述部分位于刻痕边界部分。
2.根据权利要求1所述的中心销，其中所述刻痕的起始点和终止点相互重合或相互不重合。
3.根据权利要求1所述的中心销，其中每个刻痕是至少两条直线的组合、一条曲线、至少两条曲线的组合、或者直线和曲线的组合。
4.根据权利要求1所述的中心销，其中以压花形式形成的突出部或者由刻痕形成的突出部被形成在中心销的内周缘表面上、中心销的外周缘表面上，或者中心销的内周缘表面和外周缘表面上都形成有突出部。
5.根据权利要求1所述的中心销，其中卷绕为管状的平面衬底的两个沿轴向相互面对的相对侧面被调整为相互接触而不相互重叠，或者相互面对并彼此间隔开。
6.根据权利要求1所述的中心销，其中当从外部施加预定等级或更高的压力时，被卷绕成管状的平面衬底的两个沿轴向相互面对的相对侧面的边缘突出，使得相邻构件，可沿着一直线，从而对应于各相对侧面轴向地破裂。
7.根据权利要求1所述的中心销，其中以压花形式形成的突出部或者由刻痕形成的突出部被形成在中心销的外周缘表面上，并且当从外部施加预定等级或更高的压力时，所述突出部适于使一隔膜破裂。
8.根据权利要求1所述的中心销，其中以压花形式形成的突出部或者由刻痕形成的突出部被形成在中心销的外周缘表面上，并且当从外部施加预定等级或更高的压力时，所述突出部适于使第一隔膜、第一电极板和第二隔膜破裂。
9.根据权利要求1所述的中心销，其中所述中心销具有一个由卷绕成管状的平面衬底形成的第一构件，以及一个物理连接至第一构件的侧表面并暴露到壳外部的第二构件，所述第一和第二构件分别由导电材料和导热材料制成。
10.根据权利要求9所述的中心销，其中所述管状第一构件具有垂直于第二构件表面的中轴线。
11.根据权利要求1所述的中心销，其中所述压花形式的突出部或者由刻痕形成的突出部均匀分布在平面衬底的整个表面上。
12.一种电化学设备，包括：
卷绕型电极组件，其通过堆叠并卷绕一个第一隔膜、一个具有第一电极接头的第一电极板、一个第二隔膜以及一个具有第二电极接头的第二电极板而获得；
容纳有卷绕型电极的壳；以及
根据权利要求1～11中任一项的中心销，其被插入到卷绕型电极组件的卷绕中心。
13.根据权利要求12所述的电化学设备，其中所述中心销具有以压花形式形成的突出部或者由刻痕形成的突出部，所述突出部被形成在中心销的外周缘表面上，所述中心销与电极端子绝缘，并且，当从外界施加预定等级或更高的压力时，以压花形式形成的突出部或者由刻痕形成的突出部使第一隔膜、第一电极板和第二隔膜破裂，使得故意制造至少一个短路。
14.根据权利要求12所述的电化学设备，其中所述中心销具有以压花形式形成的突出部或者由刻痕形成的突出部，所述突出部被形成在中心销的外周缘表面上，所述中心销由导电材料制成并且电连接至第二电极板的第二电极接头，在正常状态下，所述中心销通过第一隔膜与第一电极板电绝缘，并且当从外界施加预定等级或更高的压力时，所述突出部使第一隔膜破裂，使得故意制造至少一个短路。
15.根据权利要求14所述的电化学设备，其中所述壳是一个罐体和盖子的组件，所述罐体用于容纳卷绕型电极组件，所述盖子用于密封该罐体，所述罐体由导电材料制成，并且所述罐体充当电连接至第二电极接头或中心销的第二电极端子。
16.根据权利要求15所述的电化学设备，其中所述中心销和罐体由导热材料制成。
17.根据权利要求16所述的电化学设备，其中所述中心销物理连接至由导电和导热材料制成的结构，并且暴露到壳的外部。
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