CN102027620A - 带有不可逆熔断器的电化电池 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种可再充电的电化电池(1)，其具有至少一个锂注入电极和薄柔性外壳，所述薄柔性外壳紧密地关闭且包括由粘合或密封层(4)连接到彼此的两个膜，其中所述电池具有至少一个主导线(2)，该主导线具有整合的不可逆脱扣热熔断器(3)，且所述熔断器布置于所述外壳内和/或嵌入于所述粘合或密封层(4)内。
Description
技术领域
本发明涉及可再充电的电化电池，其具有至少一个锂注入(1ithium-intercalating)电极和薄且柔性的外壳，外壳以密封方式关闭且受到保护以防止由于短路或过度充电所致的损坏。
背景技术
由于其较高的能量密度和与此相关联的较低重量，可再充电的锂离子电池，特别是锂聚合物电池，优选地用作便携式电器的能源，诸如便携式MP3播放器、PDA、管理器、笔记本或电话。
一般而言，锂离子电池或锂聚合物电池具有可燃组分，例如基于有机碳酸盐的电解质。连同这种电池的高能量密度，这表示对使用者有潜在危险。因此必须采取特殊安全防范措施，以便排除对使用者的风险，或者保持风险尽可能小。
特别地，锂离子电池或锂聚合物电池可因浪涌电流而损坏，诸如由外部短路或者由于过度充电所造成的浪涌电流，且甚至可能会着火或爆炸。从统计观点而言，特别地，过度充电是电池缺陷其中最常见原因。
锂离子电池，特别是锂聚合物电池，特别地通常具有含石墨的阳极和基于锂钴氧化物的阴极。在充电过程中，锂离子从锂钴氧化物迁移出来且注入于阳极的石墨层中。如果诸如这样的电池被过度充电，特别地被充电到超过4.2V的电压，那么更多锂离子迁移，超过阳极的石墨层能吸收的锂离子。因此，高反应性金属锂沉积于阳极表面上。如果进一步继续充电过程且相应地进一步升高电压，特别地升高到显著超过4.2V的水平，那么电解质的组分会分解，导致袋状电池(pouchcell)严重析气。而且，锂钴氧化物结构变得更不稳定，这是由于锂累进迁移直到最后，其崩溃，释放氧化剂。这些过程导致电池的严重加热，这可导致类似爆炸的燃烧。
为避免这种情况，锂离子电池，特别是锂聚合物电池，通常具备安全电子器件，其监视充电和放电过程且保护电池防止不正确处置，特别地也防止外部短路。但是，电子熔断器具有以下缺点：它们相对昂贵且可在极端环境中出现故障，例如在太阳辐射的高温下。因此实际上要改进电池，其可耐受外部短路或过度充电，即使是在无安全电子器件的情况下。
发明内容
本发明提供具有如权利要求1所述特点的电化电池，其符合这些要求。根据本发明的电化电池的优选实施例在从属权利要求2至7中说明。所有权利要求的措辞以引用的方式包括于本说明书的内容中。
根据本发明的可再充电的电化电池具有至少一个锂注入电极。根据本发明的电化电池因此优选地为锂离子电池，特别地为锂聚合物电池。
根据本发明的电化电池具有外壳，外壳包括两个膜，这两个膜经由粘合或密封层以密封方式连接到彼此，使得基本上无湿气能从外部进入外壳，且可包含于外壳中的电解质不能逸出。
特别优选地，外壳膜为铝复合膜，特别地以聚酰胺/铝/聚丙烯顺序。外壳膜通常具有160μm的最大厚度，从而得到很薄且柔性的外壳。
根据本发明的电化电池特别地在以下方面突出：其具有至少一个电流输出导体，在电流输出导体中整合了至少一个不可逆脱扣热熔断器。与电熔断器相比，在根据本发明的电化电池中使用的熔断器因此不会由于流经它的电流而脱扣，而是脱扣实际上仅由于其温度而造成。
如果根据本发明的电池被过度充电，那么不可逆脱扣热熔断器对于在过度充电期间形成的热做出响应且断开电路，同样是不可逆的。那么不再能进一步过度充电，且已损坏的电池不能再次被过度充电，与可逆熔断器元件相反。这是因为，与此相反，在电池的可逆脱扣熔断器在冷却后被再次充电且在多次断开循环之后到达发生最初提到的类似爆炸的燃烧的点的情况下，存在风险。
在此情况下，至少一个熔断器优选地布置于外壳内，但可替代地或额外地也嵌入于粘合或密封层内。
如果熔断器布置于外壳内，那么优选地其被配备耐有机电解质的塑料涂层。举例而言，基于聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂或聚氨酯的粘合带或膜可用作涂层。
如果熔断器嵌入于粘合或密封层中，那么通常不需要这种保护性涂层。在目前情况下，用语“嵌入”预期表示热熔断器基本上完全被外壳膜包围且可因此不与可包含于外壳中的任何电解质做出直接接触或者与外壳外的周围区域做出直接接触。而且，在粘合或密封层内的热熔断器的布置具有在外壳内无空间损失的优点，其可用于活性材料。
在优选实施例中，热熔断器具有在90℃与100℃之间的额定脱扣温度。还优选地，热熔断器具在50℃与60℃之间的额定脱扣温度。在此情况下上文所述的值各在2A额定电流确定。
额定脱扣温度是热熔断器改变其导电性且断开电路的温度。保持温度是额定电流通过热熔断器流动预定时间(在目前情况下100小时)而不会发生熔断器脱扣(也就是说，无导电性改变和断开电路)的最大温度。
另外优选地，热熔断器具150℃的最大温度限度。在目前情况下，最大温度限度表示热熔断器在脱扣后保持其机械和电特征的温度，高于该温度，电流可再次流动。
根据本发明的电化电池的内部电阻优选地在20莫姆与100莫姆之间的范围。
热熔断器特别优选地为基于合金，特别地基于罗斯金属(Rosesmetal)和/或达塞特金属(d’Arcets metal)的熔断器链。
众所周知，罗斯金属是包括铋、铅和锡的合金。这种合金熔点为大约98℃，且因此低于水的沸点。详言之，罗斯金属包括50％的铋，在25％与28％之间的铅和在22％与25％之间的锡且具有大约9.32g/cm3的密度。类似情形也应用于达塞特金属，其同样为包括铋、锡和铅的合金，但其具有大约93.75℃的略低熔点。
根据本发明的电化电池的外壳膜特别地为金属/塑料复合膜，诸如已在上文中提到的铝复合膜。特别优选地，这些复合膜具有金属层，金属层在其朝向外壳内部的侧面上被涂覆电绝缘体，例如，绝缘塑料膜或绝缘粘合带。在此情况下，金属优选地为铜、铝或这些金属的合金。另一层，特别是薄塑料层，例如包括聚酯，可布置于金属层的外侧上。
优选地，绝缘层在朝向外壳内部的金属层的侧面上具有在20μm与70μm之间的厚度。这是因为发现这个范围确保了根据本发明的电化元件的热熔断器特别快地做出响应。这是因为，在过度充电或短路的情况下，传播热，始于根据本发明的电化电池的电极，特别地也经由根据本发明的电化电池的外壳膜。但是，如果绝缘层过厚，那么热可利用相对惯性传递到热熔断器。
绝缘层特别优选地为聚烯烃层，例如包括聚丙烯层，如在上文所提到的铝复合膜的情况下。
如已示出那样，两个外壳膜可通过粘合剂结合或者通过本领域中常规的其它措施，例如通过焊接和/或热密封而连接到彼此。合适措施是本领域技术人员已知的。
根据本发明的电化电池优选地具有至少一个电化个别元件，具有如堆叠布置的两个电极。分离器通常总是布置于电极之间，使得至少一个电化个别元件通常包括阴极/分离器/阳极的顺序。
至少一个阳极可(例如)具有锂钴氧化物作为活性材料。举例而言，石墨可用作至少一个阴极的活性材料。一般而言，分离器优选地包括多孔塑料，例如聚烯烃。
而且，根据本发明的电化电池当然也可具有电解质，例如基于碳酸盐的有机电解质，如已在最初提到的那样。
通过下文的实例描述和附图以及附属权利要求，本发明的所述优点和另外的优点将会变得显然。在此情况下，本发明的个别特点可独立地实施或者彼此组合地实施。所描述的实施例预期只是出于示范目的和更好地理解本发明，且决不应认为具有限制意义。
附图说明
图1示意性地示出具有整合的热熔断器的根据本发明的电池的基本设计。
图2示意性地示出当过度充电时根据本发明的电池的行为。
图3示出在不带有不可逆热熔断器的比较性电池的行为。
具体实施方式
如在图1中可看出，不可逆脱扣热熔断器元件3整合(例如焊接)于电池1的输出导体2之一中，此输出导体2包括(例如)镍、铜或铝。熔断器元件3被布置成使得其置于电池的密封层4中。当关闭外壳时，熔断器元件3基本上完全被外壳膜覆盖。
如图2所示，在对诸如这样的根据本发明的电池进行过载测试期间，温度逐渐地升高，直到大约38分钟。在这个过程中，电流和电压基本上保持恒定。在38分钟，电压突然从大约5.5V升高到12V，而电流降至0。在数分钟内，温度升高到超过100℃且然后缓慢回落到室温。
如图3所示，直到38分钟，比较性电池中电流、电压和温度的行为类似。在此情况下，电流然后降至0，同时电压升高至12V。在数分钟后，温度以指数方式升高且电池燃烧。
Claims (7)
1.一种可再充电的电化电池(1)，具有至少一个锂注入电极和薄柔性外壳，所示薄柔性外壳以密封方式关闭，包括由粘合或密封层(4)连接到彼此的两个膜，其中，所述电池(1)具有至少一个电流输出导体(2)，在所述电流输出导体(2)中整合有不可逆脱扣热熔断器(3)，且所述熔断器布置于所述外壳内和/或嵌入于所述粘合或密封层(4)内。
2.如权利要求1所述的电化电池，其特征在于，所述热熔断器(3)具有在90℃与100℃之间的额定脱扣温度，和/或在50℃与60℃之间的保持温度(在每种情况下以2A的额定电流测量)。
3.如前述权利要求中任一项所述的电化电池，其特征在于，所述热熔断器(3)是基于合金，特别是基于罗斯金属和/或达塞特金属的熔断器链。
4.如前述权利要求中任一项所述的电化电池，其特征在于，所述外壳膜是金属/塑料复合膜。
5.如权利要求5所述的电化电池，其特征在于，所述金属/塑料复合膜具有金属层，所述金属层在其朝向外壳内部的侧面上涂覆电绝缘体。
6.如权利要求5所述的电化电池，其特征在于，绝缘层具有在20μm与70μm之间的厚度。
7.如权利要求5或6所述的电化电池，其特征在于，绝缘层是聚烯烃层。
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