TWI409981B - 安全強化電化學裝置 - Google Patents

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Description

安全強化電化學裝置
本發明係關於一種電極，其包括電極活性材料粒子、導電粒子、黏結劑及蠟，其電極之製造方法，以及使用該電極之電化學裝置。
近來，對於能量儲存的技術已逐漸重視。特別是，電化學裝置的應用已延伸至行動電話、攝錄影機、手提電腦、桌上型電腦、以及電動車輛等，因此致力及嘗試和發展此類電化學裝置已逐漸實現。基於此點，電化學裝置之領域受到高度關注，尤其是有很多的興趣著重在可充電式二次電池的發展。在現今使用的二次電池中，鋰離子二次電池在1990年代受到重視，因為其電池操作電壓及能量密度高於使用含水溶液電解質之傳統電池(如鎳氫電池、鎳鎘電池及硫酸鉛電池)。
然而，鋰離子二次電池可能會因電極活性材料與電極反應後而發生膨脹、爆炸或燃燒，當電池在充滿電狀態下，其電池溫度會因環境的變化(如受到壓力、釘、鑷子等外力撞擊、周圍環境上升、過度充電等)而升高。
特別是，陰極活性材料對電壓很敏感。所以，在電池被充電時使電壓的上升，使得陰極及電解質反應度增加，陰極的表面會被溶解，並導致電解質的氧化。因此，使得燃燒及爆炸可能性增高。
「高溫過度充電」是危險事件，可能會造成鋰離子電池變成最壞的情況。例如：若鋰離子電池以超過4.2V過度充電，其電解質開始溶解，又當溫度增加至燃點時，則發生燃燒的可能性就會增加。
此電池之安全性問題亟需解決，尤其是設計為具有高電容性及高能量密度之非水性電解質二次電池，如鋰離子二次電池。
本發明之主要目的係在提供一種電化學裝置，其安全性藉由電阻的中斷電流而有所提升，並可使其在裝置內部溫度增加時而迅速增加反應。
本發明提供一種電極，包括電極活性材料粒子、導電粒子、黏結劑、以及蠟，其中電極活性材料粒子與導電粒子藉由網狀架構互相連接，又導電粒子與電極活性材料粒子彼此連接之路徑係被蠟部分或全部固定；以及一包括該電極之電化學裝置。
另外，本發明提供一種製造電化學裝置之方法，其包括下列步驟：(a)製備漿料，其中將(i)電極活性材料粒子、(ii)導電粒子、(iii)黏結劑、以及(iv)蠟，分散於一溶劑中。
(b)將該漿料塗覆在集電器之上，乾燥及施壓於該漿料，使其提供為一電極；以及(c)組裝一電化學裝置，其包括由步驟(b)所得之電極以及注入一非水性電解質至該裝置內。
以下，將對本發明作一詳細描述。
蠟，是一種寡聚物(oligomer)，很容易被熔化並具有很低的熔化黏度，不同於聚合物具有高黏度。這樣的蠟為一種油膏狀(unctuous)固體，具有可滑動性及可塑性，並具有範圍500至10,000的低分子量。
本發明之特徵在於將電極活性材料粒子隔開，使其藉由網狀架構與導電粒子彼此互相連接，又導電粒子與電極活性材料粒子彼此連接之路徑係被蠟部分或全部固定(如圖1)。
至於導電粒子，其彼此相互連接，並使導電活性材料之間隔連接起來，作為電性連接之作用。
電化學裝置具有前述特徵時，可使裝置內安全性有所提升(如圖3及圖5)。特別是，若在電化學裝置因過量充電等因素而使得內部溫度超過蠟的熔點時，蠟會熔解及流動穿過通孔形成於電極。因此，固定於蠟的導電粒子彼此間會分開(如圖1)，藉由電極的電阻增加而使得電流中斷。於是，該裝置內部溫度便不再增加。
舉例來說，當電池過度充電時，電池內部之溫度會增加。鑒於此結果，在電極之蠟熔化以增加電極的電阻，使得過量充電立即停止以避免電池之爆炸及燃燒。
在此，當相較於聚合物時，蠟為一種寡聚物，具有很低的熔化黏度，並在熔化時具有優異的流動性(mobility)。因此，當蠟熔化時可迅速地分散，可有效地使電極中導電粒子分開。由於其在電化學裝置內對溫度增加時之反應時間短暫，可獲得裝置內之安全性有效達成。
蠟的熔化黏度較佳範圍在10－1,000 mPa.s，更佳為等於或低於40 mPa.s。另外，較佳地為當裝置內部溫度增加至一定程度時，蠟會具有前述熔化黏度，以使電流中斷。
如熔化黏度低於10 mPa.s，蠟所具有的分子量會過低，以致於網狀架構般之導電粒子無法有效地分開。在此例中，無法對安全性的達成作有效的提升。如熔化黏度高於1,000 mPa.s時，高熔化黏度導致流動性的降低，會使得網狀架構般之導電粒子無法被迅速分開。
蠟的分子量較佳為等於或小於10,000。分子量太大造成了黏度等的增加，當流動性降低時，會使得因溫度增加而造成電極之電阻增加的反應速度降低。蠟的分子量下限值可由如上述熔化黏度下限值來決定。
聚偏氟乙烯(PVdF)通常用來作為電極之黏結劑，其熔點為175℃。換句話說，蠟具有之熔點範圍為80至130℃，其為一適當的範圍用來達成電化學裝置(如電池)對抗溫度增加時之安全性。
蠟較佳為以聚烯烴(polyolefin)為主的蠟。以聚烯烴為主的蠟因缺乏官能基，所以在電池內不會發生任何反應。
以聚烯烴為主的蠟舉例為聚乙烯(polyethylene)蠟、聚丙烯(polyprophylene)蠟等。
蠟的粒徑較佳為等於或小於20μm，粒徑過大會造成蠟分散之問題，以及進一步會造成電極外層之擦傷。
較佳地，蠟的使用量為電極的0.1wt.%至10wt.%(不計集電器之質量)。如果蠟的使用量過少會無法適當執行它的功能；如果蠟使用量過多，會有容積及電池效能等問題。
導電粒子舉例如，但不限制，包括乙炔黑(acetylene blacks)或碳黑(carbon blacks)。如電極為陰極時，導電粒子在電極中的使用量為0.5至10wt.%，以及如電極為陽極時，導電粒子在電極中的使用量為小於10wt.%。
本發明可以分別或同時應用在陰極及陽極上，以及特別地對電化學裝置中之鋰二次電池更有效益。
一般來說，鋰二次電池包括：一可吸收及釋放鋰離子之陰極，一可吸收及釋放鋰離子之陽極，非水性電解質，以及一隔離膜。
構成陰極之陰極活性材料係使用鋰複合氧化物。因此，鋰複合氧化物以含鋰嵌入材料為主要組成，例如，但不限制，鎂酸鋰(lithiated magnesium oxide)、鈷酸鋰(lithiated cobalt oxide)、鎳酸鋰(lithiated nickel oxide)、或由前述氧化物組合而成之複合氧化物。
接著，陰極活性材料會與陰極集電器(如鋁箔、鎳箔、或其組合)相結合而構成陰極。陰極活性材料之量較佳為80至99wt.%。
陽極活性材料包含鋰嵌入材料，其為構成陽極主要組成，例如鋰金屬、鋰合金、碳、石油焦、活性碳、石墨或各種形式的碳等。陽極活性材料會與陽極集電器(如銅箔、金箔、鎳或銅合金、或其組合)相結合而構成陽極。陽極活性材料之量較佳為80至99wt.%。
較佳地，本發明所使用的黏結劑例如，但不限制，至少一選自由下列群所組成，其包括：聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚氟乙烯(polyvinyl fluoride)、聚丙烯腈(poly－acrylonitrile)、腈橡膠(nitrile rubber)、聚丁二烯(polybutadiene)、聚苯乙烯(polystyrene)、苯乙烯丁二烯橡膠(styrene butadiene rubber)、多硫橡膠(polysulfide rubber)、丁基橡膠(butyl rubber)、含水苯乙烯丁二烯橡膠(hydro－styrene－butadiene rubber)、硝化纖維素(nitro cellulose)、以及羧甲基纖維素(carboxymethylcellulose)。黏結劑之量較佳為0.1至15wt.%。
隔離膜可具有微孔結構(micro－porous structure)，以及可為聚乙烯、聚丙烯或由其組合製備而成的多層膜、或用於固體聚合物電解質之聚合物薄膜或膠體型態聚合物電解質，例如聚偏二氟乙烯、聚乙烯氧化物、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯六氟丙烯共聚物(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene copolymer)。
電解質可包含一種具有A＋ B－ 結構之鹽類，其中A＋ 包括鹼金族陽離子，如Li＋ 、Na＋ 、及K＋ 或其組合，以及B－ 包括如PF6 － 、BF4 － 、Cl－ 、Br－ 、I－ 、ClO4 － 、ASF6 － 、CH3 CO2 － 、CF3 sO3 － 、N(CF3 SO2 )2 － 及C(CF2 SO2 )3 － 或其組合之陰離子。特別地是，電解質所指為鋰鹽類在有機溶劑中分解或分離，有機溶劑如碳酸丙烯酯(PC)、碳酸伸乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、二甲亞碸(dimethyl sulfoxide)、乙腈(acetonitrile)、二甲氧乙烷(dimethoxyethane)、二乙氧乙烷(diethoxyethane)、四氫呋喃(tetrahydrofuran)、N－甲基砒喀烷酮(NMP，N－methyl－2－pyrrolidone)、甲乙基碳酸酯(ethylmethyl carbonate，EMC)、γ－丁內酯(gamma－butyrolactone)或其混合物。
根據本發明電化學裝置之製造方法，(a)製備漿料，其中將(i)電極活性材料粒子、(ii)導電粒子、(iii)黏結劑、以及(iv)蠟，分散於一溶劑中；(b)將該漿料塗覆在集電器之上，乾燥及施壓於該漿料，使其提供為一電極；以及(c)組裝一電化學裝置，其包括由步驟(b)所得之電極以及注入一非水性電解質至該裝置內。
用於漿料之溶劑沒有限制。一般而言，N－甲基砒喀烷酮(NMP)可同時用於陽極及陰極，蒸餾水可用於水性陽極。
蠟分散在溶劑中可如粉末狀般注入，其狀態介於固態與液態之間。
當製造上述電極時，藉由混合以徹底的分散，在塗覆於電極之後，導電粒子會分布在電極活性材料粒子之間隔以互相連接。
如有需要，在製造電極時可使用熱處理方式使溶劑蒸發。
換句話說，依據可分散能力來看，顆粒的尺寸會密切影響到混合與塗覆之過程。蠟具有之低熔化黏度可有效改進乾的電極之分散能力。因此，如果使用的蠟為具備小顆粒粒徑及低熔化黏度，對製造方法是有所改進的。
以下，本發明將由實施例更詳細說明。下述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，而非僅限於下述實施例。
實施例1(硬幣型電池(coin cell)之製造)
為了製備漿料，漿料所含組成為鈷酸鋰、碳黑(作為導電粒子)、聚偏二氟乙烯、及聚乙烯分散於N－甲基砒喀烷酮(NMP)中，其重量百分比依序為93：3：2：2。該漿料塗覆在鋁箔之上，於150℃烘乾並施壓，使其形成一陰極。在受壓後之陰極其塗覆的厚度為70μm(鋁箔不計)。電極之電阻黏結劑係使用聚乙烯蠟，其具有顆粒粒徑為10μm、熔點90℃、及等於或低於140mPa.s之熔化黏度。至於陽極則使用金屬鋰。使用Cell Guard A250作為隔離膜。液態電解質以重量百分比為1：2之EC/EMC並包含濃度1M之LiPF6 來提供作為硬幣型電池的電解質。
比較例1
重複實施例1提供給硬幣型電池，除了漿料所含組成為鈷酸鋰、碳黑(作為導電粒子)、及聚偏二氟乙烯；其重量百分比依序為94：3：3。
(評估)
如圖3之曲線圖顯示，當各別根據實施例1及比較例1所製造電池的表面溫度從室溫上升到140℃時之電阻變化。以實施例1而言，電池之電阻在95℃時開始增加，並在約105℃有效地增加了5倍，或在120℃時比原始電阻增加了更多倍。電阻在約130℃時會增加到100倍或更多倍，其因隔離膜的孔洞被填滿而導致隔離膜閉合。至於比較例1係為一般電池，電阻會持續減少直到溫度上升到約120℃，在約130℃時因隔離膜閉合，電阻會增加到100倍或更多倍。
實施例2(充滿電池(Full cell)之製造)
陰極係藉由與實施例1中之硬幣型電池使用相同成分比例來製造。另外，陽極為製備一種陽極漿料，漿料所含組成為人造石墨、導電劑、及聚偏二氟乙烯；其重量百分比依序為93：1：6。使用Cell Guard A250作為隔離膜。液態電解質以重量百分比為1：2之EC/EMC並注入含濃度1M之LiPF6 ，並用一般的堆疊及摺疊方式來製造ICP 383562充滿電池(電容量為800 mAh)。
比較例2
陰極係藉由與比較例1中之硬幣型電池使用相同成分比例來製造。其他製造ICP 383562充滿電池(電容量為800 mAh)步驟係相同於如實施例2所用之方法。
(評估)
圖5為根據實施例2及比較例2製造之電池，在過量充電至12V/1C時溫度及電壓的變化。如圖5所示，根據比較例2之電池在過量充電會燃燒及爆炸。然而，電池包含如實施例2之聚烯烴蠟即使在表面溫度上升至約120℃時則是安全的，不會發生燃燒或爆炸。
產業利用性
本發明藉由使用具有低熔化黏度之蠟，以部分或完全地固定導電粒子的路徑來連結於電極活性材料粒子間隔中，可改進電化學裝置的製法及安全性。
圖1係根據本發明電極活性材料粒子、導電粒子、黏結劑、及蠟在電極中之關係示意圖。
圖2係根據本發明實施例1中，由掃描式電子顯微鏡拍攝之包含蠟之電極照片。
圖3係表示實施例1及比較例1中之電池，在100℃至120℃溫度範圍中之電阻變化曲線圖。
圖4係本發明實施例1中，由掃描式電子顯微鏡拍攝當溫度上升至150℃時，蠟熔化之電極照片。
圖5係表示實施例2及比較例2之充滿電池測試在12V/1C時過量充電，其溫度及電壓變化示意圖。

Claims (10)

  1. 一種電極，其包括：電極活性材料粒子、導電粒子、一黏結劑、以及蠟；其中該電極活性材料粒子與該導電粒子係藉由網狀架構互相連接，且該導電粒子與該電極活性材料粒子彼此連接之路徑係被蠟部分或全部固定；以及該蠟的熔化黏度範圍為10至1,000 mPa.s。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該蠟為以聚烯烴(polyolefin)為主的蠟。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該蠟的粒徑為等於或小於20μm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該蠟的分子量為等於或小於10,000。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該蠟之熔點範圍為80至130℃。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該蠟的使用量為該電極的0.1wt.%至10wt.%(不計集電器之質量)。
  7. 一種電化學裝置，其包括：一陰極、一陽極、及一電解質，其中該陰極或該陽極，或該陰極與該陽極兩者，係為如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之電極。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電化學裝置，其中當該電化學裝置內部溫度超過該蠟的熔化溫度時，該蠟會熔化及流動，使固定於該蠟的該導電粒子彼此間會分開。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電化學裝置，其中該電化學裝置係為一鋰二次電池。
  10. 一種製造電化學裝置之方法，其包括下列步驟：(a)製備漿料，其中將(i)電極活性材料粒子、(ii)導電粒子、(iii)一黏結劑、以及(iv)蠟，分散於一溶劑中；其中該蠟的熔化黏度範圍為10至1,000 mPa.s；(b)將該漿料塗覆在一集電器之上，乾燥及施壓於該漿料，使其提供為一電極：以及(c)組裝一電化學裝置，其包括由步驟(b)所得之電極以及注入一非水性電解質至該裝置內。
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