TWI275194B - Secondary battery having an improved safety - Google Patents

Description

1275194 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種可改良其安全性之二次電池，以及 一種用於此二次電池之安全元件。 5 【先前技術】 -般來說，二次電池是可充電的電池，其可被製成小 勺尺寸或大的尺寸。例如，二次電池包括電池、趣 •電池、以及鋰離子電池。另外，可以依據其外觀將二次電 池分類為圓柱形二次電池與方形類型的二次電池。 1〇 肖口袋類型的二次電池不同，圓柱形二次電池或方形 颏1的一—人迅池包含作為正極終端或負極終端的電池容 器，以及容置於電池容器内並包含塗覆有正極活性材料的 正極（陰極）、塗覆有負極活性材料的負極（陽極）、及 夾置於正極和負極之間的分隔板之電極裝置。 15 纟間’假使尖的工具，像是釘子或鑽頭尖端藉由穿過 ，電池容器而刺入塗覆有活性材料的正和負極，或者假使藉 由按壓工具，像是鉗子來塵電池容器，則正和負極之間可 能會，生内部短路，所以當產生熱時在正和負極之間會施 加大量的電流。在極端的案例中，讓電池遭受意外的燃婷 2〇或爆炸，為此原因，提供安全元件於電池中，以防止電： 的意外燃燒或爆炸。 电" 、，如，曰本特開第2000-48852號公報揭露一種二次電 池用安全元件’如圖！所示，其中藉由將未塗覆的正和負= 延伸至預定的長度而將安全元件以捲心形式安裝於電極裝 J94 的最外部，電極裝置被容置於圓柱形電池的電池容器 。。’而正和負極上未塗覆活性材料，藉由分隔板使電池容 為與未塗覆的正極或未塗覆的負極電絕緣，而電池容器可 以作為電池的正極終端或是負極終端。 +依據以上先前技藝，假使尖的工具經由電池容器刺穿 電極袭置，則短路會發生於具有相當低電阻的未塗覆正和 負極之間，同樣地’短路也會發生於具有相當高電阻、且

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形成有活性材料的正和負極之間，此時，短路主要合在呈 ^目當低電阻的未塗覆正和負極之間流動，使得施加㈣ 活性材料的正和負極之電流量減少。因&，假使電池内 :生内部短路’仍可安全地維持電池容器，藉以防止熱突 八、、:產生以及電池内溫度突然上升。 然而，依據上述傳統的圓柱形電 u心八W每大的丄具 像疋釘子或鑽頭尖端在穿過電池容器之後刺穿未塗覆正 負士極時才會發生短路，所以當尖的工具刺人電池容器 日寸’可能不會快速地將電池容器中帶電的電流釋放至外部 此外’未錢的正和負極鄰接塗覆有活性材料的正 負極排列，而未塗覆的正和負極具有相對於電池容器厚 較小的厚度，因此’假使將刺人電池容II的尖的工且再 -步往塗覆有活性材料的正和負極移動，並刺穿：和 "則包池谷為中會突然產生高溫的熱，使得電池處於 外的燃燒或爆炸。 【發明内容】 20 1275194 題，而本發明：=ί!來解決上述發生於先前技藝之問 池之安全不受外二=1保護圓柱形電池或方形類型電 5 15 頭尖端)之刺穿：：二:甜=尖的工具(如針子或鑽 及昊雨w /、（如鉗子）之壓力、外部撞擊、以 及暴路於鬲溫。更詳細地，本發明之s的日幺7 > 器外部造成外心、々 料明之目的疋為了在電池容 使得可以在外;同時將外部變數施加於電池容器， 電池容器内的電：乂;=:施加不良影響（如容置於 電池中的帶電電1::::=)之前充分地將二次 變數引發而於二次；：=釋放，’即使由外部 仍可確伴-4 負極之間發生内部短路， 1乃j確保一次電池的安全。 ^ 了達成以上目的’本發明提供一種二次電池 f 人電池之正極終端或負極終端；一 容器外部之導電基板’·以及-夹置於該電池 板二板Γ之Γ導性薄膜，以隔離該導電基 相反極性之/…、中該導電基板與一具有與該電池容器 彳反極性之％極終端電連接。 依據本發明之一較佳呈滅廢_ Α ，* -非她… 早又H鈀例’該導電基板貼附於 ㉟之内壁’ *該非傳導性硬殼以部分的-電 極終端暴露於外部之狀態圍繞該二次電池之至少—二二 此外，本發明提供一種裝置於一電池容器外部之安全 兀件，該電池容器係作為一- 端，其中該安全元件包括-==之 端或負極終 性薄膜之導電基板。υ於其-側、帶有—非傳導 20 1275194 【實施方式】 以下將詳細說明本發明。 在使用正極活性材料的二次電池中，像是可以儲存和 釋放鋰和/或鐘離子的含鐘金屬氧化物，當二次電池充電 牯έ從正極活性材料中除去鋰，使得正極活性材料進入 …、不L疋狀L，於此狀態中，假使由外部變數引發，像是 大的工具之刺牙、工具（如甜子）之壓力、外部撞擊、以 及暴露於高溫，而於二次電池中發生内部短路，則二次電 池的内部溫度可能會上升。假使二次電池的内部溫度到達 -個關鍵溫度，則保持在熱不穩定狀態下的正極活性材料 ，結二可能會損壞，使得可能會從正極活性材料中產生 ，曰產^熱日^，這樣的氧可能會與電解質溶劑反應，使 二”連績地於二次電池中發生放熱反應。因此，無法確 保一次電池的安全性。 15 本《明之特被在於當外部變數被施加於電池容器時， 猎由於電池容器外部產生外邱 > 卜指路’使得可以在外部變數 罟 ^ 不良影響（如容置於電池容器内的電極裝 中：内部短路）之前，充分地將二次電池中的 電池釋放出。因此，即使由外部變數引發而於二次 二：正=和負極之間發生内部短路，仍可確保二次電池 為了在電池容器外部產生外部短路 板安裝於電池容器外部，苴传作Λ_… 肘w基 自托Mi /、係作為一次電池的正極終端或 、'…同時於其中夾置一非導電性薄膜，以這樣的方 20 1275194 式使得導電基板與具有與 連接。 … 極性的電極終端電 圖2係顯示依據本發明之第 電池之部分示意剖示圖， 八體只知例的二次 5 15 ^ ^ ^ 圖3係頌不依據本發明之第一 # =具體貫施例的二次電池之部分弟乂 子部分穿入二次電池。 口其中一個釘 如圖2所示，本發明之安全元件括於盆 導電性薄膜2a之導電美柘？收^ /、]，、有非 電池的正極終端或負= 元件1裝置於作為二次 ♦… 負極終端的電池容器外部，此時，圍結 全元件！的非導電=；^件可以用來作為形成—部份安 ^ ^ ^ ^ 、 4M。因此，可以將導電基板2以非導 私性溥膜直接貼附於電池容哭的狀能t # 部，或是可以趑道+甘 谷-的狀悲女表於電池容器外 ^ 將V私基板2以非導電性薄膜貼附於導電 2的一側的狀態安裝於電池容器外部。伙¥電基板 外部依二次電池，將安全元件1裝置於電池容器 仔虽刺穿安全元件1的導電基板2的釘子或鑽頭，,、 =Γ器接觸時，短路發生於電池容器外部。然而了 的二次電池’是將作為安全元件之未塗覆的正極 二^覆的負極裝置於電池容器中’同時於其間夾置一個 刀隔板’所以當針子或鑽頭尖端刺入電池容器時，不會發 t短路’但是當釘子或鑽頭尖端刺入未塗覆的正極和未塗 復的負極二者時，可能會發生短路。 卜龟池谷器具有約200至1000 // m的厚度，苴鲂合 隔板的厚度（10至20心）大，因此，假設釘子或鑽頭尖端 20 1275194 以相同的刺穿力量在本發明與先前技藝二者中刺入二次電 池、，本發明從電池容器與裝置於電池容器外部的安全元件 的導電基板之間的外部短路到正極與塗覆有活性材料並裝 置於電池容器同時於其間夾置分隔板的負極之間的内部短 5路的時間’亦即”（電池容器的厚度+分隔板的厚度）/刺穿速 度，，明顯較使用未塗覆的正/負極作為安全元件的先前技蓺 從未塗覆的正極與未塗覆的負極之間的第一短路到正極與 塗覆有活性材料的負極之間的第二短路之時間，亦即，，分隔 ♦板的厚度/刺穿速度，，長。因此，在依據本發明的二次電池 10巾’可以經由外部短路將更多與時間增加有關的充電電流 釋放出二次電池，藉以將二次電池的狀態從充電狀態改變 為放電狀態，其中正極活性材料仍維持在穩定狀態。因此， 在依據本舍明之一次電池中，即使釘子或鑽頭尖端刺入電 谷时刀隔板、正極、以及負極並因此發生内部短路， 15 -次電池中很少會產生熱，藉以防止二次電池意外燃燒或 爆炸（請見圖3 )。 • 同時，在二次電池的正常狀態中，其中釘子或鑽頭尖 端不刺入二次電池，將相同的電壓施加於導電基板2及與導 電基板2連接的電極終端，使得即使電器的終端（未顯示） 2〇或傳導性元件與二次電池的正和負極終端接觸，電流也不 會在導電基板2和電極終端之間流動（請見圖2 )。 另外’假使非導電性薄膜2a在預定溫度下融化是較佳 的。在此案例中，當藉由暴露於高溫而使二次電池的内部 溫度上升時，非導電性薄膜2a會在二次電池爆炸之前融 1275194 化，藉以以與當釘子或鑽頭尖端從二次電池外部刺入二欠 電池時之相同方式於導電基板2和電池容器之間引發外部 短路。 較佳地，非導電性薄膜2a的融化溫度約為1 〇〇至2〇〇t。 非導電性薄膜2a是由基於聚烯烴的樹脂，像是聚乙 烯、聚丙烯或其共聚物所製成。 假使導電基板2具有優良的熱傳導性與熱阻特 佳的。

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導電基板2可以由具有導電性的金屬或其合金所紫 成，較佳地’導電基板2是由至少一選自由A1、Cu、Ni、Sn: 不錄鋼以及具有優良導電性和導熱性的碳W組成 所製成。 導電基板2較佳為製成具有預定厚度之長停 外，除了部分的正極終端和負極終端之外，導： 為圍繞二次電池， 土板2軏仫 中的帶電4m分地將二次電池 中㈣…L引導至裝置於電池 當釘子或鑽頭尖端刺入二次 的，:基板2’以 熱。 丨万止一次電池内產生 另外，可以將聚合物樹脂層 板雜卜使得導電基板2不與外置於導電基 佳地，聚合物樹脂層是由PET(聚做電性接觸。較 於尼龍的材料所製成，以保 〜—甲酸酯）或基 印刷工作。 、电/谷态，同時容許預定的 20 1275194 问時’依據本發明之第二較佳具體實施例之二次電池 匕括非傳導性硬殼3以及貼附於非傳導性硬殼3内壁的導電 基，2。非傳導性硬殼3以部分的二電極終端暴露料部的 狀悲圍繞至少一部份的--女帝、、士 ,, ,» 扪一乂电池。此外，導電基板2藉由非 5傳^薄膜2a與二次電池的電池容器隔離，並與具有與電 池容器相反極性的電極終端電連接（請見圖8)。 因此，由於將非傳導性硬殼裝置於二物電池外部，故 可以更安全地保護依據本發明第二具體實施例之二次電池 修 不受尖銳工具破壞。 10 依據本發明第二具體實施例之二次電池本質上與依據 本發明第一具體實施例之二次電池類似，其不同之處僅在 於將裝置於具有導電基板的内壁之硬殼裝置於作為二次電 池的正極終端或負極終端的電池容器外部，因此，以下將 省略有關相同或類似元件的操作與結構之說明，以避免重 15 複。 另外，依據本發明之第二具體實施例，可以將複數個 φ 一次電池以電池包裹的形式裝置於硬殼中，以簡化製造程 序。假使將複數個二次電池容置於一個硬殼中，則即使每 一個二次電池是不規則地產生熱，仍可以經由貼附於硬殼 2〇 内壁的導電基板均勻地將熱分散於周圍區域或外部。例 如，當考量二次電池包裹的安全性，假使六個電池的溫度 分別從40上升至50°C與當一個電池的溫度從40上升至100 C時相比是較佳地。 12 1275194 假使二次電池的電池容器可以你 合时J从作為負極終端或正極終 端，則依據本發明之二次電池可以制 私心j以製成圓柱形電池、方形 類型的電池或其他類型電池的形式。 以下範例是用於詳細解釋依據本發明的二次電池之安 全性’㈣’以下範例僅用於說明之目的，其並非意圖限 制本發明之範疇。 [範例] 範例1 ，電池容器是由具有65mm直徑與18随高度的金屬所製 10成，之後，製備具有正極活性材料（UC002)、負極活性材料 (碳）、分隔板（聚合物）、以及電解質（有機溶劑：ec*emc)、 容ϊ為2200mAh之二次電池，此時，電池容器作為負極終 端，而將包含非導電性薄膜且由雀呂製成之金屬、薄膜貼附於 電池容器外部，以這樣的方式使得金屬薄膜與電池容器電 15絕緣，且一部份的金屬薄膜與正極終端連接（請見圖2)。 其後，在以4.2V對具有以上結構的二次電池充電的狀 ，態中，測量二次電池的電壓與溫度，同時容許具有2mm直 徑的釘子以l〇〇〇mm/min的速度完全刺穿二次電池，其結果 顯示於圖4。另外，在以4·2ν對二次電池充電的狀態中，測 20 量二次電池的電壓與溫度，同時容許具有2mm直徑的釘子 以1 OOOmm/min的速度分別從外部部分刺穿二次電池8mm和 4mm的距離，其結果分別顯示於圖6和7。 假使釘子部分刺入二次電池，則可將熱集中在二次電 池的一個位置，所以與當釘子完全刺穿二次電池相比較是 13 1275194 比較危險的。然而，如圖6和7所示，即使釘子部分刺入二 次電池’仍可確保依據本發明所製造的二次電池之安全。 比較範例1

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電池容器是由具有65mm直徑與18nim高度的金屬所製 成，之後，製備具有正極活性材料（LiCo〇2)、負極活性材料 (碳）、分隔板（聚合物）、以及電解質（有機溶劑：EC和EMC)、 容ΐ為2200mAh之二次電池，其後，將由鋁製成的未塗覆 的正極與由銅製成的未塗覆的負極纏繞在捲心類型電極裝 置的最外部，同時於未塗覆的正極與未塗覆的負極之間夾 置一個分隔板，並將捲心類型電極裝置容置於電池容器中 (請見圖1 )。 然後，在以4.2V對具有以上結構的二次電池充電的狀 態中，測量二次電池的電壓與溫度，同時容許具有2mm直 徑的釘子以l〇〇〇mm/min的速度完全刺穿二次電池，在此案 例中一-人電池务生了意外的燃燒或爆炸（請見圖$ )。 如上所述，即使二次電池遭受外來變數，像是尖的工 具（如釘子或鑽頭尖端）之刺穿、工具（如鉗子）之壓力、 外。Η里名、以及暴露於高溫，，本發明仍可確保二次電池 的安全。 雖然已經為了說明的目的來描述本發明之較佳具體實 施例，但是習知技藝之人士將會瞭解到：各種修飾、添加 =取代在不背離隨附t請專利範圍所揭露之本發明的範 臂與精神下都是可能的。 【圖式簡單說明】 20 1275194 圖1係顯示傳統圓柱形電池之部分示意剖示圖。 圖^ 糸顯示依據本發明之第—較佳具體實施例的二次電池 之口卩分不意剖示圖。 回：、.員不依據本發明之第一較佳具體實施例的二次電池 之J分示意剖示圖，其中一個針子部分穿入二次電池。

^係顯示當依據本發明第一範例的二次電池已經以4.2V :電且具有直徑2mm的釘子完全刺穿二次電池時，二次電 池之溫度和電壓變化與時間之函數關係圖。 2圖=示當傳統圓柱形電池已經以《V充電且具有直徑 二全刺穿傳統圓柱形電池時，傳_柱形電池 之，皿度和電㈣化與時間之函數關係圖。 15 20 Γ電？且？亩依據本發明第一範例的二次電池已經以㈣ =;trr釘子從外部部分刺入電池一 圖。 之溫度和電壓變化與時間之函數關係 圖7係顯示當依據本發明第一

充電且具有直徑2馳的釘子從外^電池已經以4.2V 的距離時，二次電池之溫度和電刀電池容器4讓 圖。 文化與時間之函數關係 圖8係顯示依據本發明之第二較佳| > 之部分示意剖示圖。 /、體只施例的二次電池 ‘電基板 硬殼 2 3 主要元件符號說明】 1 安全元件 2a 非傳導性薄膜 15

Claims (1)

1275194 十、申請專利範圍： 1 · 一種二次電池，包括·· -電池容器’作為該二次電池之正極終端或負極終端. -裝置於該電池容器外部之導電基板；以及 5 —夾置於該電池容器與該導電基板之間之非傳導性薄 膜，以隔離該導電基板與該電池容器，其中該導電基板與 -具有與該電池容n相反極性之電極終端電連接。〃 2.如申請專利範圍第！項所述之二次電池，其中該 電基板貼附於-非傳導性硬殼之内壁，而該非傳導性^殼 10以部分的二電極終端暴露於外部之狀態圍繞該二次電池之 至少一部份。 3_如申請專利範圍第i項所述之二次電池，其中該導 電基板圍繞除了部分的該二次電池之正和負極終端以外之 該電池容器。 15

20 4·如申請專利範圍第1或2項所述之二次電池，其中該 導電基板具有熱傳導性。 5.如申請專利範圍第丨或2項所述之二次電池，其中該 導電基板是由至少-選自由1&、见、811、不錄鋼以及 碳所組成之群組所製成。 6·如申請專利範圍第丨項所述之二次電池，其中將一 ♦ 口物树爿曰層裝置於該導電基板之外部，使得該導電基板 不與外部元件做電性接觸。 16 ,1275194 7·如申請專利範圍第1或2項所述之二次電池，其中該 將該電池容器與該導電基板隔離之非傳導性薄膜係於一預 疋溫度下融化。 5. ®泉罝於一電池容哭休都 „ # ^ 谷时外邛之安全元件，該電池容 态係作為一二次電池之正極狄 ^ . , 、或負極終端，盆中贫安令 兀件包括一裝置於其一側、 ^八f 4女王 板。 ，有一非傳導性薄膜之導電基

10 9·如申請專利範園第8項、、 電基板是由至少一選自由Al、、所述之安全元件，其中該導 所組成之群組所製成。 Ni Sn、不讀鋼以及石炭

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