CN201229970Y - 具有热截止机能的充电式锂电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有热截止机能的充电式锂电池，该充电式锂电池包括：正极材料、负极材料、隔离膜及电解液；所述的正极材料，其内部设有一具可恢复性的热截止装置。通过PTC正温度系数材料层能随着反应温度的上升，得有效控制电池于充电及放电时，每单位重量的电量(mAh/g)输入及输出。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种充电式锂电池，特别涉及在锂电池槽内部的正极材料中，设有一具有可恢复(Reversible)性的热截止装置(Thermal Cut-Off Mechanism)的具有热截止机能的充电式锂电池。
背景技术
近年来，越来越多电子产品采用锂电池作为主要电源供应器，其理由不外乎是因为锂电池的体积小、能量密度高(High Energy Density)、循环寿命长(Long Cycle Life)、高电压电池、自放电率低……等优点，但也因为锂电池需考虑到充电、放电时的安全性，确保特性劣化的防制，针对锂电池过充、过放、过电流及短路电流的保护更显得重要。
如图1所示，锂电池在充电时，电子由充电器11送入电池负极12，此时电池正极上的锂离子被迫离开电池正极13，经电解液14，通过隔离膜15进入负极。在放电时，则相反。
一般造成锂电池过度充电(Over-Charge)、短路(Short-Circuit)或高温操作(High Temperature Operation)等潜在意外发生(例如：爆裂、烧毁或爆炸等)的主要因素为热失控(Thermal Runaway)，主要是受到化学反应发生于高活性的电极与升温的电解液中而导致。
为了避免发生意外，一般采用的保护设计包括：电子电路设计((ElectronicDesign)，例如利用电子电路方式，设计在电池模块上，针对每颗电池进行电压、电流及温度监测；当电池在充放电时，电压、电流或温度有异常时，经电子电路设计来切断电池电路；单电池机构设计(Mechanic Design)，此种保护方式是通过机械机构设计，使单电池内部出现过电流或温度过高，电池会在正负极连接过程中形成断路，达到安全保护目。例如：在正极端加入过温绝缘片PTC(Postive TemperatureCoefience)，或加入过电流遮断装置，如CID(Current Interrupt Divice)；电池内部材料设计(Meterial Design)，则是采用较高安全性材料，提升电池安全。包括电池正负极材料、电解液、隔离膜材料选择。
如图2所示，一般都是将过温绝缘片PTC等电流保护装置21设置在锂电池反应槽22的外部，例如在锂电池槽的外部设置插件式或贴片式保护组件。但是，此种将过电流保护装置21设在锂电池反应槽22外部的作法，过电流保护装置21并无法实时或真实感应电池内部的反应温度，使得锂电池充电使用的风险仍然存在。
实用新型内容
木实用新型的目的在于，提供一种具有热截止机能的充电式锂电池，在锂电池的正极材料内部设置一热截止装置(Thermal Cut-Off Mechanism)，以实时快速地截止电池内部危险的化学反应。
本实用新型是采用以下技术手段实现的：
一种具有热截止机能的充电式锂电池，该充电式锂电池包括：正极材料、负极材料、隔离膜及电解液；其特征在于：所述的正极材料，其内部设有一具可恢复性的热截止装置。
前述的设于正极材料内部的热截止装置，为PTC正温度系数材料层。
前述的PTC正温度系数材料层，介于锂电极正极材料层和集电流电极之间。
前述的PTC正温度系数材料层，为环氧树脂、硬化剂及纳米极导电碳黑材料在有机溶剂下搅拌均匀组成。
前述的正极材料层，为锂钴氧(LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)、锂镍氧(LiNiO2)、磷酸锂铁(LiFePO4)或LiA(X)B(2-X)O4(其中A、B为锰、钴、铬、铁、铜、镁、铝、锌)。
本实用新型与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
本实用新型具有热截止机能的充电式锂电池，其热截止装置(Thermal Cut-OffMechanism)，系于锂电池正极材料和集电极电流(Current Collector)之间，设置PTC正温度系数材料层，通过PTC正温度系数材料层设置在正极材料的内部，可随时反应电池内部的环境温度，有效控制电池于充电及放电时，每单位重量的电量(mAh/g)输入及输出。
通过PTC正温度系数材料层设于锂电池正极材料及集电极电流(Current Collector)之间，进一步可降低锂离子渗入的可能性，防止PTC正温度系数材料层内的碳黑粒子遭到破坏。
附图说明
图1为现有锂电池的充电动作图；
图2为现有锂电池于电池槽外部设置过电流保护装置示图；
图3为本实用新型的锂电池示图；
图4为本实用新型的锂电池其正极材料分解示图；
图5为本实用新型的锂电池的剖面示图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施例加以说明：
本实用新型的具有热截止机能的充电式锂电池，图3所示，该充电式锂电池3包括有正极材料4、负极材料5、隔离膜6，以及电解液7。
其中，如图4所示，该正极材料4又包括一以铝箔为主材料的集电流电极41、一正极材料层42以及介于集电流电极41、一正极材料层42之间具可恢复(Reversible)性的热截止装置(Thermal Cut-Off Mechanism)的PTC正温度系数材料层43；
上述的正极材料4，其组成先选用由环氧树脂、硬化剂及纳米极导电碳黑，在有机溶剂下搅拌均匀分散，形成过PPTC正温度系数浆料，再将该PPTC正温度系数浆料均匀涂布于作为集电流电极41的铝箔表面；其次，再将锂电池正极材料、碳黑及塑化剂等于双螺杆均匀混炼后，均匀涂布于PPTC正温度系数浆料的上方，以此形成锂电池的正极材料4。
上述锂电池的正极材料可以选用锂钴氧(LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)、锂镍氧(LiNiO2)、磷酸锂铁(LiFePO4)或者LiA(X)B(2-X)O4(其中A、B为锰、钴、铬、铁、铜、镁、铝、锌……等金属元素)等材料。
经由在锂电池的正极材料中，设置PTC正温度系数材料，能在充电过程中，随时感应锂离子内部的环境温度，并适时作出热截止动作反应。
组装时，如图5所示，将隔离膜6设置在正极材料4和负极材料5之间，其间填充电解液7，而正极材料4面向负极材料5的依序为正极材料层42、PTC正温度系数材料层43、集电流电极41，如此即可形成能实时反应电池的环境温度并具有热制止机能的锂电池。
经过测试，将使用锂钴氧化物(LiCoO2)作为电池正极主材料，在含有PTC正温度系材料下，于1M LiPF6电解液中，不同温度条件下进行C-V电性测试发现，在高温(100℃)及低温(20℃)下的扫描面积具有很大差异性。于低温(20℃)条件下测试时，具有明显的氧化及还原讯号峰出现，表示电池能够正常的运作；而在高温(100℃)下测试时，由于PTC在高温下具有高阻抗值能够降低反应电流通过电极；因此，上述测试证实，将PTC正温度系材料直接设置在电池正极材料的内部，确能实时抑制电池内部危险的化学反应。
综合以上所述，本实用新型的具有热截止机能的充电式锂电池，确实具有前所未有的创新构造。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (4)
1、一种具有热截止机能的充电式锂电池，该充电式锂电池包括：正极材料、负极材料、隔离膜及电解液；其特征在于：所述的正极材料，其内部设有一具可恢复性的热截止装置。
2、根据权利要求1所述的具有热截止机能的充电式锂电池，其特征在于：设于正极材料内部的热截止装置，为PTC正温度系数材料层。
3、根据权利要求2所述的具有热截止机能的充电式锂电池，其特征在于：所述的PTC正温度系数材料层，介于锂电极正极材料层和集电流电极之间。
4、根据权利要求3所述的具有热截止机能的充电式锂电池，其特征在于：所述的正极材料层，系锂钴氧、锂锰氧化物、锂镍氧或磷酸锂铁。
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