TW201817078A - 二次電池內部電極片的過電流截斷結構 - Google Patents

二次電池內部電極片的過電流截斷結構 Download PDF

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Abstract

一種二次電池內部電極片的過電流截斷結構，主要是為了解決習 知鋰二次電池於過度充電或電池內部異常短路時，會引發內部溫度急遽升高而起火爆炸的問題；本發明係於電池內部的電極片上，設有一過電流截斷單元，該過電流截斷單元由至少一空缺及至少一通道所組成，該過電流截斷單元的二對應側定義為一第一區與一第二區；當流經該通道的電流超出所設定電流額定值時，該通道因瞬間過電流所產生的高溫而熔斷，使該第一區與第二區亦因熔斷而互不導通，據此，得以有效截斷電池內部的過電流，解決了電池內部持續過電流而導致的溫升起火爆炸問題。

Description

二次電池內部電極片的過電流截斷結構
本發明係有關於一種二次電池的安全結構設計，特別是於二次電池內部的電極片，直接設置過電流阻斷結構的二次電池。
習知二次電池的型態，可概分成卷繞式與積層式，如第1A圖所示，即為積層式軟包裝電池101，其主要是將正極片11A、隔離膜12A與負極片13A依序疊合後，再以複數組前述材料堆疊成一電芯14A，並封裝於軟包裝袋15中構成軟包裝電池101。此外，亦有如第1B圖所示者，是將正極片11B、隔離膜12B及負極片13B依序堆疊後構成一電芯14B，再折繞容置於四方殼16內而構成一方形電池102。
如第1C圖所示，即為捲繞式圓柱型電池103，其主要是將正極片11C、隔離膜12C與負極片13C依序疊合後卷繞成一卷繞電芯14C，再容設於圓筒型殼體17內構成圓柱形電池103。
前述，各式不同電池，其正極片11A 11B 11C均會塗佈有正極活性材料層，而該負極片13A 13B 13C上則會塗佈有負極活性材料層。
其中，正極材料及負極材料直接決定了鋰二次電池的電容量密度及特性。常見應用於鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰(LiCoO 2)、鎳酸鋰(LiNiO 2)、錳酸鋰(LiMn 2 O 4、LiMnO 2)、鈷鎳錳酸鋰(三元材料，LiNiCoMnO 2，LNCM)、鎳鈷鋁酸鋰(三元材料，LiNi x Co y Al 1-x-y O 2，LNCA)以及磷酸鐵鋰(LiFePO 4，LFP)等鋰氧化物。
值得注意的是，前述各種正極材料，除了磷酸鐵鋰(LiFePO 4，LFP)以外，都存在著安全風險，特別是在電池過度充電亦或電池內部發生異常短路狀況時，電池內部的活性化學物質，容易有劇烈的化學反應，導致電池爆炸起火的安全問題。
值得注意的是，鋰電池會爆炸的安全性問題，肇因於化學成分的必然性，始終難以真正解決。目前解決的方案中，主要還是從抑制性的化學添加劑著手，然而添加劑會有電池性能損耗問題，且效果僅侷限於小容量電池(如：1500mA的圓柱電池)的情況；對於較大容量的電池(如：10Ah以上的方型電池)，由於故障時內部電流短時間急遽上升，化學添加劑無法及時發揮效用。
有鑑於上述二次鋰電池，於電池過度充電或發生內部異常短路時，會引發劇烈化學反應而起火爆炸的安全問題，本發明目的在於當流經該通道的電流超出所設定電流額定值時，該通道因過電流而高溫熔斷，有效截斷電池內部的過電流，解決了電池內部持續過電流而導致的溫升起火爆炸問題。
緣是，為達上述目的，依據本發明所提供之一種二次電池內部電極片的過電流截斷結構，，該二次電池主要係將複數個電極片及隔離膜封裝於一容器內所構成，該電極片係為正極片或負極片其中之一種，該正極片上設有至少一正極材料層，該負極片上設有至少一負極材料層，該隔離膜主要作為該正極片與該負極片之隔離，該電極片為導電材料所構 成，設有至少一過電流截斷單元，該過電流截斷單元由至少一空缺及至少一通道所組成，該過電流截斷單元的二對應側定義為一第一區與一第二區，該通道係供電流流通該第一區與第二區的電流路徑，當流經該通道的電流超出所設定電流額定值時，該通道因過電流而高溫熔斷，使該第一區與第二區因熔斷而互不導通。
進一步地，該過電流截斷單元由一空缺與一通道所組成。
進一步地，該過電流截斷單元由二個通道之間設置一空缺所構成。
進一步地，該過電流截斷單元由二個空缺與三個通道所構成。
進一步地，該電極片設置有複數個過電流截斷單元。
有關於本發明為達成上述目的，所採用之技術、手段及其他功效，茲舉數較佳可行實施例並配合圖式詳細說明如后。
〔先前技術〕
101‧‧‧軟包裝電池
102‧‧‧方形電池
103‧‧‧圓柱型電池
11A 11B 11C‧‧‧正極片
12A 12B 12C‧‧‧隔離膜
13A 13B 13C‧‧‧負極片
14A 14B 14C‧‧‧電芯
15‧‧‧軟包裝袋
16‧‧‧四方殼
17‧‧‧圓筒型殼體
〔本發明〕
20‧‧‧捲繞式二次電池
30 30A‧‧‧電極片
31‧‧‧正極片
311‧‧‧正極材料層
32‧‧‧負極片
321‧‧‧負極材料層
40‧‧‧隔離膜
50‧‧‧容器
60 60A‧‧‧過電流截斷單元
61 61A‧‧‧空缺
62 62A‧‧‧通道
701 701A‧‧‧第一區
702 702A‧‧‧第二區
圖1A係習知積層式軟包裝二次電池的立體示意圖。
圖1B係習知積層式方殼二次電池的立體示意圖。
圖1C係習知捲繞式圓柱型二次電池的立體示意圖。
圖2係本發明設有過電流截斷單元的捲繞式二次電池立體示意圖。
圖3係本發明於捲繞式二次電池的電極片設有過電流截斷單元的示意圖。
圖3A係本發明捲繞式二次電池的電極片通道因過電流熔斷狀態示意圖。
圖4係本發明於捲繞式二次電池的電極片設有複數個過電流截斷單元的示 意圖。
圖4A係本發明電極片的各個通道因過電流熔斷狀態示意圖。
圖5係本發明於捲繞式二次電池的電極片上設有一通道與一空缺的示意圖。
圖6係本發明於捲繞式二次電池的電極片設不同規格通道與空缺的示意圖。
圖7係本發明於積層式電池的電極片上設過電流截斷單元的示意圖。
圖8係本發明於積層式電池的電極片上設複數個過電流截斷單元的示意圖。
圖8A係本發明積層式電池的電極片通道因過電流熔斷狀態示意圖。
為使 貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如后：首先，請參閱第2、3圖所示，此為在一卷繞式二次電池設置本發明過電流截斷結構的實施狀態，該捲繞式二次電池20，主要係將複數個電極片30及隔離膜40封裝於一容器50內所構成，該電極片30係為正極片31或負極片32其中之一種，該正極片31上設有至少一正極材料層311，該負極片32上設有至少一負極材料層321，該隔離膜40主要作為該正極片31與該負極片32之隔離設置；其中：該電極片30為導電材料，一般作為該正極片31會採用鋁箔，作為該負極片32會採用銅箔所構成，該電極片30設有一過電流截斷單元60，如圖3所示，該過電流截斷單元60由一空缺61及二個通道62所組成，該過電流截斷單元60的二對應側定義為一第一區701與一第二區702，該通道62係供電流流通該第一區701與第二區702的二個電流路徑；附帶一提者是，該過電流截斷單元60可成形於該正極片31或該負極片32，亦或於正極 片31及負極片32均設置該過電流截斷單元60。
該正極片31上設有塗佈正極材料的一正極材料層311，該正極材料係選自鈷酸鋰(LiCoO 2)、鎳酸鋰(LiNiO 2)、錳酸鋰(LiMn 2 O 4、LiMnO 2)、鎳鈷鋁酸鋰(LiNi x Co y Al 1-x-y O 2)或鈷鎳錳酸鋰(LiNiCoMnO 2)其中一種；該負極片32上塗佈設有負極材料的一負極材料層321，該負極材料係選自石墨系或焦碳系的碳材料。
以上所述為本發明實施例主要結構說明。至於本發明實施例的運作方式及功效，請參閱第3、3A圖所示，當電池因過度充電或異物穿刺或衝擊受損...等故障時，電池內部的電流值會因故障或短路而異常急遽上升，當流經該通道62的電流值超出所設定的額定值時，該通道62會因為瞬間過電流而產生高溫並熔斷，使該第一區701與第二區702之間因熔斷而互不導通。
亦即，該過電流截斷單元60的作動機制，主要是靠電池內部過電流瞬間所產生的異常高溫而作動者，由於鋰電的爆炸原因，都與電池內部的過電流及持續高溫有關，透過本發明結構設計，經發明人實際多次反覆試驗，確實能有效瞬間截斷電池內部的異常電流，而阻斷過電流並終止持續高溫。
值得一提者是，本發明主要是透過該過電流截斷單元60的該通道62表面積作為通過電流值的控制條件，該通道62面積越大電流越容易通過，該通道62面積可概以該空缺61的邊緣延伸線所劃定的面積粗略推估，再經過實際測試後驗證。換言之，當該通道62面積越大時，可通過的電流值越高，該通道62面積越小則可通過的電流值越低。
請參閱圖4、4A所示，於該電極片30上可設置有複數個過電流截斷單元60，俾當電池內部不同部位發生故障時，距離最近部位的過電流截斷單元60能立即熔斷而截斷電流，亦或同時熔斷，這對於較大容量的電池，會極具效果。
值得注意的是，請參閱圖5所示，該過電流截斷單元60的組成，在電池容量較小的情況下，可由一個空缺61與一個通道62所組成，亦或，如第6圖所示，由二個空缺61與三個通道62所構成，且如圖中所示者，該空缺61可為不同的面積的型態，主要還是由該通道62面積決定了可通過的電流量，設計上，可視電池實際規格及製程，而調整設計通道數量及面積。
請第7圖所示，此為本發明結構實施於積層式電池的情況，於該電極片30A上設置有一過電流截斷單元60A，該過電流截斷單元60A係由一個空缺61A與二個通道62A所構成。亦或，如第8圖所示，設置複數個過電流截斷單元60A，於該電極片30A上發生過電流故障時，如第8A圖所示者，該通道由於電流瞬間上升而熱熔斷，發揮過電流截斷的效果，避免電池持續起火爆炸。
綜上所述，本發明透過上述二次電池內部電極片的過電流截斷結構之說明，確實可達到上述諸項功效，誠已符合專利申請要件，爰依法提出專利申請，祈請惠予審查並早日賜准專利，實感德便。

Claims (4)

  1. 一種二次電池內部電極片的過電流截斷結構，該二次電池主要係將複數個電極片及隔離膜封裝於一容器內所構成，該電極片係為正極片或負極片其中之一種，該正極片上設有至少一正極材料層，該負極片上設有至少一負極材料層，該隔離膜主要作為該正極片與該負極片之隔離， 其特徵在於：該電極片為導電材料所構成，設有至少一過電流截斷單元，該過電流截斷單元由至少一空缺及至少一通道所組成，該過電流截斷單元的二對應側定義為一第一區與一第二區，該通道係供電流流通該第一區與第二區的電流路徑，當流經該通道的電流超出所設定電流額定值時，該通道因過電流而高溫熔斷，使該第一區與第二區因熔斷而互不導通。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之二次電池內部電極片的過電流截斷結構，其中，該過電流截斷單元由二個通道之間設置一空缺所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之二次電池內部電極片的過電流截斷結構，其中，該過電流截斷單元由二個空缺與三個通道所構成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之二次電池內部電極片的過電流截斷結構，其中，該電極片設置有複數個過電流截斷單元。
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