CN1722510A - 二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种二次电池，包括位于其外表面上、并根据电池温度而改变颜色的热敏元件。当该电池的内部温度迅速升高时，以外皮材料形式提供的该热敏元件改变颜色，从而用户可以在视觉上觉察出该电池是否异常受热。

Description

二次电池
技术领域
本发明涉及二次电池。更准确地说，本发明涉及一种包含热敏元件的锂二次电池，该热敏元件的颜色随电池温度的变化而改变。
背景技术
通常，与不能被充电的原电池不同，二次电池指可以被充电和放电的电池。这样的二次电池广泛使用于高级电子装置领域中，包括便携式电话、笔记本计算机和便携式摄像机等。特别是，锂二次电池具有3.6V或更高的驱动电压，比目前作为便携式电子装置电源的镍-镉(Ni-Cd)电池或镍-金属氢化物(Ni-MH)电池的驱动电压高三倍。而且，锂二次电池的每单位质量具有相对较高的能量密度。因此，对锂离子二次电池的研究和开发日益增多，并且迅速延伸。
通常，锂二次电池使用含锂的氧化物作为阴极活性物质，含碳的物质作为阳极活性物质。根据电解液类型的不同，锂二次电池通常分为基于液体电解液的电池和基于聚合物电解液的电池。使用液体电解液的电池称为锂离子电池，使用聚合物电解液的电池称为锂聚合物电池。
通过将包含阴极、阳极以及阴阳极之间的隔板的电极组件卷绕成胶卷形；将缠绕起来的部分插入通常由铝或铝合金制成的容器内；用盖组件封闭容器；然后将电解液注入容器并且密封该容器来形成锂二次电池。容器的外表面附有绝缘外皮材料，用于使电池与外界绝缘并保护电池。这种绝缘外皮材料通常包括遇热收缩的热收缩材料，比如聚氯乙烯(PVC)。外皮材料通过加热处理附着在预期位置，这样就得到了最终的电池。
同时，电池是一种能源，具有大量能量被释放的可能性。对于二次电池，高能量以带电状态存储在二次电池中。同样，在二次电池的充电过程中需要外部能源，以提供待存储在电池中的能量。在上述过程或状态中，如果二次电池发生异常，比如内部短路等，那么存储在电池中的能量可能在短时间内被释放，由此导致与安全相关的问题，比如着火、爆炸等。
另外，当目前广泛应用的锂二次电池与电解液中含有的少量水接触时，因为锂自身具有高活性，将迅速发生如反应方程式(1)所表示的放热反应。另外，在反应方程式(2)所表示的充电/放电周期过程中，锂减少并沉淀，造成阴极和阳极之间短路。因此，当锂二次电池出现故障时，发生着火和爆炸的可能性极大。 ...(1) (正反应：溶解，逆反应：沉淀)...(2)
因此，二次电池通常配备有多种类型的安全装置，用于防止电池在带电状态下或充电过程中由于电池异常而造成着火或爆炸。这种安全装置能够中断电流，例如，当电池受热达到高温或电池电压由于过充电/过放电等而快速上升时，防止电池爆炸和着火之类的危险发生。安全装置的典型实例包括：可检测异常电流或异常电压并中断电流的保护电路板、根据由于异常电流所发生的过热而操作的正温度系数(PTC)器件、双金属器件等。
然而，即使二次电池配备有这种安全装置，用户仍然无法在视觉上觉察出比如在充电/放电周期中由短路等造成的电池异常和温度快速上升，并因此难以确定电池是否发生故障。另外，当用户使用不当、采用故障充电器充电和使用偏离正常使用规程时，二次电池有可能出现由于过充电而导致的着火和爆炸。而且，硬币或项链接触外部连接端子可能导致着火或爆炸。然而，难以检测这种异常，以至于无法预先避免诸如电池被击穿和着火之类的危险。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种配备有热敏元件的二次电池，当电池的内部温度快速升高时该热敏元件的颜色改变，以使用户可以在视觉上觉察出电池是否异常受热。
为了实现上述目的，提供了一种在其外表面上配备有热敏元件的二次电池，该热敏元件根据电池温度而改变颜色。
热敏元件优选在电池温度达到或超过80℃时改变颜色。热敏元件的颜色可以根据电池温度的变化而连续改变。
附图说明
从以下结合附图所进行的详细说明中，本发明的上述或其它目的、特征和优点是明显的，在附图中：
图1是表示根据本发明一个示范性实施例的配备有热敏元件的圆柱状二次电池的透视图；
图2是表示根据本发明一个示范性实施例的配备有热敏元件的棱柱状二次电池的透视图；和
图3至图5是表示根据本发明另一示范性实施例的配备有热敏元件的圆柱状二次电池的透视图。
具体实施方式
在下文中，参考附图对本发明示范性实施例进行说明。在下面的说明和附图中，采用相同的标号表示相同或类似部件，所以省略对于相同和类似部件的重复描述。
图1是表示根据本发明一个示范性实施例的配备有热敏元件的圆柱状二次电池的透视图；图2是表示根据本发明一个示范性实施例的配备有热敏元件的棱柱状二次电池的透视图。
如图1和图2所示，二次电池在其外表面上配备有热敏元件10、20。在根据图1和图2所示的该实施例的电池中，热敏元件10、20采用的是缠绕电池的外皮的形式。然而，热敏元件的形状并不局限于此。在圆柱状二次电池中，阴极端子12暴露到外部。另一方面，在棱柱状二次电池中，电池的外部输入/输出(I/O)端子22、23暴露到外部。每个热敏元件10、20根据电池温度的异常升高而改变颜色，因此不仅用作检测电池热辐射的传感器，也用作使电池与外界绝缘并保护电池的物质。
根据本发明，热敏元件布置在二次电池的外表面上，比如位于容纳二次电池的电极组件的容器、袋状壳体、包状壳体中。然而，热敏元件的布置并不局限于此。
通常，二次电池在充电周期中使用在温度-20℃到60℃之间，在放电周期中使用在温度在0℃到45℃之间。然而，如果出现过充电或短路等电池故障，二次电池的内部温度将升高到80℃或更高。当二次电池的内部温度如上所述迅速且异常升高时，根据本发明的热敏元件的改变颜色，以使用户能够在视觉上觉察到二次电池的异常状态。
应用于本发明的热敏元件的原理如下：某种具有由分子结构或电子密度确定的特定波长的物质在稳定状态维持其固有颜色，但是当温度和酸性变化时，或者当施加压力或电流时，或者当暴露于UV或与水等接触时，该物质可以随电子密度的改变而改变颜色。更准确地说，根据本发明的热敏元件包括热致变色材料，当温度从预定参照温度升高或降低时，热致变色材料可以引起包括显色、消色或色移(例如从黄色到蓝色)的可逆或不可逆的颜色改变。根据采用的热致变色材料的可逆性，热敏元件可以产生可逆或不可逆的颜色改变。
全部组装完毕的电池通过一系列包括充电、熟化、和放电的步骤，使其在结构上稳定，从而可被直接使用，当二次电池出现由于内部短路等而导致的温度迅速升高时，存在无法明显检测温度异常升高的问题。这种情况下，电池的性能退化。而且，将会出现诸如着火之类的与安全有关的问题。因此，需要筛选出具有这类问题的电池。当配备有不可逆热致变色热敏元件的二次电池温度异常升高且热敏元件颜色改变时，即使温度下降，热敏元件也无法恢复其原来的颜色。因此，可以在制造过程中立即检测出电池是否处于异常状态，并因此便于根据容量筛选电池以及排除性能差的电池。
同时，当电池温度由于外界温度升高而升高时，特别是在高温环境下使用电池时，可以通过使用可逆热致变色的热敏元件检查电池温度状况，并采取合适的步骤避免上述问题。在这种情况下，当电池温度降低到预定温度以下时，电池可以恢复原来的颜色。
因此，可以根据特定目的，合理选择并使用可逆或不可逆的热致变色热敏元件，以根据容量筛选电池、排除性能差的电池、检查电池温度情况并对热辐射进行报警。
根据本发明，优选使用当二次电池温度迅速升高至80℃或更高，或者偏离正常驱动温度范围时改变颜色的热敏元件。热敏元件可以根据电池温度的变化以一定间隔连续颜色改变。例如，当电池温度升高到80-90℃时，热敏元件的颜色从绿色变为蓝色。当温度升高到90-100℃时，颜色可从蓝色变为红色。相应地，当温度进一步升高时，还可变化为另一种颜色。
这种颜色的连续变化在整体热敏元件中实现。或者，热敏元件分为若干部分，每个部分具有不同的颜色改变温度，以实现逐步改变颜色。在后一种情况下，每个部分的颜色改变可以是可逆的或不可逆的。另外，一部分部分的颜色改变可逆，其余部分的颜色改变不可逆。
而且，可在预定温度间隔下全部使用可逆或不可逆热致变色材料，例如，以5-10℃的间隔。或者，可逆热致变色材料可以与不可逆颜色改变材料结合使用。例如，这些材料如此使用：当电池温度升高到80-90℃时进行第一可逆颜色改变，当温度升高到90-100℃时进行第二不可逆颜色改变。
图3至图5是表示根据本发明另一示范性实施例的配备有热敏元件的圆柱状二次电池的透视图。
当电池温度迅速升高超过预定温度时，热敏元件可以完全改变颜色。然而，如图3所示，也可以只有热敏元件10的热致变色部分32改变颜色。
图4是表示根据本发明一个示范性实施例的配备有热敏元件10的二次电池的示意图，热敏元件10包括多个热致变色部分33a、33b、33c、33d。每个热致变色部分33a、33b、33c、33d可以具有相同或不同的颜色改变温度。相应地，所有热致变色部分33a、33b、33c、33d的颜色改变可以是可逆的和/或不可逆的。
如图5所示，可以在热敏元件10上印刷出包括产品名和商标名的预期图案34，诸如字母、数字、号码、标记，以使用户通过该图案的颜色改变检测电池的热辐射。
根据本发明的热敏元件由包含至少一种可逆和不可逆热致变色材料的热塑树脂膜形成。所采用的热塑树脂膜包括聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰胺等。
热敏元件可以通过在热塑树脂上全部或部分涂覆热致变色材料形成。热致变色材料可印刷为包括产品名和商标名的预期图案，诸如字母、数字、号码、标记等。或者，可将热致变色材料混合并分散在热塑树脂中，然后将混合物形成薄膜以得到热敏元件。
而且，可先前形成热致变色材料标签。然后将标签贴在热塑树脂上。
本领域普通技术人员公知的热致变色材料包括基于下面物质的材料：(i)金属复盐晶体；(ii)胆甾型液晶；(iii)三重组合物，包括给电子彩色显色剂、酚式羟基族化合物和醇式羟基族化合物；(iv)三重组合物，包括给电子有机氮化合物，诸如酞和荧光素、乙醇和酰胺；和(v)包括多羟化合物、碱金属硼酸盐和PH-指示色素的组合物。虽然本发明对于热致变色材料的选择没有特别限制，优选使用当电池内部温度在80℃或更高时颜色改变的热致变色材料。任何商业出售的热致变色材料均可用于本发明。
相应地，可逆热致变色材料包括：(a)给电子彩色显色剂、(b)1，2，3-三唑化合物化合物、(c)甲亚胺化合物或羧酸的伯胺盐和(d)醇溶剂。
给电子彩色显色剂的特例包括：3，3’-二甲氧基荧烷(黄色)；3-氯-6-苯基氨基荧烷(橙色)；3-二乙基氨基-6-甲基-7-氯荧烷(朱红色)；3-二乙基-7，8-苯并荧烷(粉色)；若丹明B内酯(红色)；结晶紫内脂，又称‘CVL’(蓝色)；孔雀绿内脂(绿色)；3，3’-二(对-二甲氨基苯基)苯酞(绿色)；和3-二乙氨基-6-甲基-7-苯基氨基荧烷(黑色)等。根据组合物的总重量，给电子彩色显色剂的用量为1到20wt％。
所使用的1，2，3-三唑化合物的特例包括：1，2，3-苯并三唑、4(5)-羟基-1，2，3-三唑、4(7)-硝基-1，2，3-苯并三唑、5-甲氧基-7-硝基-1，2，3-苯并三唑或4-氨基-1，2，3-苯并三唑等。根据组合物的总重量，1，2，3-三唑化合物的用量为0.1到40wt％。
所使用的甲亚胺化合物包括苯亚甲基对-甲氧基苯胺、对-甲氧基苯亚甲基对-乙氧基苯胺或对-甲氧基苯亚甲基邻-甲氧基苯胺等。
所使用的羧酸的伯胺盐包括：硬脂酸硬脂胺、硬脂酸十四烷基胺、二十二烷酸硬脂胺、二十二烷酸十四烷基胺、十四烷酸硬脂胺和十四烷酸十四烷基胺等。
根据组合物的总重量，所使用的甲亚胺或羧酸的伯胺盐的用量为0.5到50wt％。
所使用的醇溶剂包括硬脂醇、十四烷醇或十六烷醇等。根据组合物的总重量，醇溶剂的用量为1到50wt％。
下面的表1显示了热致变色材料的典型实例及其颜色改变温度。
表1
  给电子显色剂(按重量计算4份)   1，2，3-三唑化合物(按重量计算16份) 甲亚胺(按重量计算30份) 羧酸的伯胺盐(按重量计算30份)   醇(按重量计算50份)   颜色改变温度&类型
  结晶紫内脂   1，2，3-苯并三唑   C6H4CH＝NC6H4(p-OCH3)(苯亚甲基-对-甲氧基苯胺)   十四烷醇   61°蓝色变无色
  结晶紫内脂   1，2，3-苯并三唑   C6H4(p-OCH3)CH＝NC6H4(p-OC2H5)(对-甲氧基苯亚甲基-对-乙氧基苯胺)   十四烷醇   110℃蓝色变无色
  结晶紫内脂   1，2，3-苯并三唑   C6H4(p-OCH3)CH＝NC6H4(o-OCH3)(对-甲氧基苯亚甲基-邻-甲氧基苯胺)   十四烷醇   130℃蓝色变无色
  结晶紫内脂   1，2，3-苯并三唑 十四烷酸十四烷基胺   十四烷醇   66℃蓝色变无色
  结晶紫内脂   1，2，3-苯并三唑 十四烷酸硬脂胺   十四烷醇   67℃蓝色变无色
  结晶紫内脂   1，2，3-苯并三唑 硬脂酸十四烷基胺   十四烷醇   69℃蓝色变无色
  结晶紫内脂   1，2，3-苯并三唑 硬脂酸十四烷基胺   十四烷醇   78℃蓝色变无色
  结晶紫内脂   1，2，3-苯并三唑   二十二烷酸十四烷基胺   十四烷醇   69℃蓝色变无色
  结晶紫内脂   1，2，3-苯并三唑   二十二烷酸硬脂胺   十四烷醇   78℃蓝色变无色
根据本发明，热致变色材料可单独使用，或者以包含至少两种具有不同颜色改变温度的热致变色材料的混合物的形式使用。当在80℃从蓝色变无色的热致变色材料与在100℃从红色变无色的热致变色材料结合构成热敏元件时，所得到的结合物在80℃从蓝色/红色混合色变为红色，然后在100℃再变为无色。
相应地，不受温度变化影响的通用色素可与热致变色材料混合。当这种通用色素与从蓝色变无色的热致变色材料混合时，所得到的结合物在温度低于80℃时显示为混合色，在温度为80℃或更高时仅显示热致变色材料的颜色，然后热致变色材料的颜色立即消失。
从上述说明可见，对于配备有根据电池温度颜色改变的热敏元件的二次电池，当电池内部温度由于过充电或短路等异常情况而迅速升高时，可以通过观察颜色变化检测电池是否受热异常。
虽然出于解释的目的已经对本发明的示范性实施例进行了说明，本领域普通技术人员应该理解，可以进行各种改变、添加和减少，而不偏离附加的权利要求书所公开的本发明的范围和精神。

Claims (24)

1、一种二次电池，包含位于其外表面上、并根据电池温度而改变颜色的热敏元件。
2、根据权利要求1的二次电池，其中当该电池温度为80℃或更高时，该热敏元件改变颜色。
3、根据权利要求2的二次电池，其中该热敏元件根据以预定间隔变化的电池温度而连续改变颜色。
4、根据权利要求1的二次电池，其中该热敏元件的整体或部分根据该电池温度而改变颜色。
5、根据权利要求1的二次电池，其中该热敏元件在热致变色部分根据电池温度而改变颜色。
6、根据权利要求5的二次电池，其中该热敏元件具有多个热致变色部分。
7、根据权利要求6的二次电池，其中该热致变色部分具有相同或不同的颜色改变温度。
8、根据权利要求1的二次电池，其中该热敏元件通过在至少一部分该热敏元件上印刷的预期图形而改变颜色。
9、根据权利要求8的二次电池，其中该图形包含字母、数字、号码或标记。
10、根据权利要求1的二次电池，其中该热敏元件以外皮物质的形式被提供。
11、根据权利要求1到10中任一项的二次电池，其中该热敏元件可逆地或不可逆地改变颜色。
12、根据权利要求1或2的二次电池，其中该热敏元件，形成为包括至少一种可逆或不可逆的热致变色材料的热塑树脂膜的形式。
13、根据权利要求12的二次电池，其中该热塑树脂膜为至少一种选自聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰胺所组成的组中的物质。
14、根据权利要求12的二次电池，其中该热致变色材料被部分地或整体地涂覆或印刷在该热塑树脂膜上。
15、根据权利要求14的二次电池，其中该热致变色材料以预期图形的形式被印刷在至少一部分热塑树脂膜上。
16、根据权利要求12的二次电池，其中该热致变色材料与热塑树脂混合且分散在该热塑树脂中，然后成形提供热敏元件。
17、根据权利要求12的二次电池，其中形成为标签的该热致变色材料被附着在热塑树脂膜上。
18、根据权利要求12的二次电池，其中包含至少两种具有不同颜色改变温度的热致变色材料的混合物用于提供该热敏元件。
19、根据权利要求12的二次电池，其中该热致变色材料包括：(a)给电子彩色显色剂、(b)1，2，3-三唑化合物、(c)甲亚胺化合物或羧酸的伯胺盐和(d)醇溶剂。
20、根据权利要求19的二次电池，其中该给电子彩色显色剂包括至少一种选自如下组中的化合物：3，3’-二甲氧基荧烷、3-氯-6-苯基氨基荧烷、3-二乙氨基-6-甲基-7-氯荧烷、3-二乙基-7，8-苯并荧烷、若丹明B内酯、结晶紫内脂、孔雀绿内脂、3，3’-二(对-二甲氨基苯基)苯酞和3-二乙氨基-6-甲基-7-苯基氨基荧烷。
21、根据权利要求19的二次电池，其中该1，2，3-三唑化合物为至少一种选自如下组中的化合物：1，2，3-苯并三唑、4(5)-羟基-1，2，3-三唑、4(7)-硝基-1，2，3-苯并三唑、5-甲氧基-7-硝基-1，2，3-苯并三唑和4-氨基-1，2，3-苯并三唑。
22、根据权利要求19的二次电池，其中该甲亚胺化合物为至少一种选自如下组中的化合物：苯亚甲基-对-甲氧基苯胺、对-甲氧基苯亚甲基-对-乙氧基苯胺和对-甲氧基苯亚甲基-邻-甲氧基苯胺。
23、根据权利要求19的二次电池，其中该羧酸的伯胺盐为至少一种选自如下组中的化合物：硬脂酸硬脂胺、硬脂酸十四烷基胺、二十二烷酸硬脂胺、二十二烷酸十四烷基胺、十四烷酸硬脂胺和十四烷酸十四烷基胺。
24、根据权利要求19的二次电池，其中该醇溶剂是硬脂醇、十四烷醇或十六烷醇。
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