TWI418080B - 鋰離子電池極耳及具有該極耳的鋰離子電池 - Google Patents

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Description

鋰離子電池極耳及具有該極耳的鋰離子電池
本發明涉及一種鋰離子電池極耳及具有該極耳的鋰離子電池，尤其涉及一種具有PTC功能的鋰離子電池極耳及具有該極耳的鋰離子電池。
隨著電子技術的不斷發展，目前電子消費品和一些專業的電子設備逐步向小型化和便攜化發展，並且功能也在不斷的增加，這就對電池的能量提出了越來越高的要求。鋰離子電池具有較高的能量密度，並且多以有機溶劑作為電解質的載體，而目前鋰離子電池所使用的有機電解質揮發性高且易燃，故鋰離子電池的比容量雖然高，但存在安全性問題。鋰離子電池由於過壓、過流、短路等異常原因致使電池溫度升高到一定程度時，電池內有機物質發生副反應，不僅使電池易失效，還可能引起燃燒或爆炸。
為了防止燃燒或爆炸，鋰離子電池通常包括有溫度保護功能的正溫度係數(PTC)器件。當PTC器件達到一設定溫度時，該PTC器件的電阻可迅速升高幾個數量級。將PTC器件連接在鋰離子電池的電路中，利用該PTC器件突然增大的阻值可減小甚至切斷過充/過放或短路的電流，可達到安全保護鋰離子電池的目的。
先前技術中通常是將PTC材料做成單獨的PTC器件與鋰離子電池中的極耳串聯來保護鋰離子電池，2006年3月1日公告的公告號為CN2762362Y的中國大陸專利介紹了該方面的技術，但這種串聯的結構使得在鋰離子電池包裝殼設計時必須預留出PTC器件的安裝空間，影響了鋰離子電池內部空間的利用率，且對於不同結構的鋰離子電池，該PTC器件的安裝位置也要相應作出改變。
有鑒於此，提供一種自身能集成PTC功能、易於製作且適用性廣泛的鋰離子電池極耳及具有該極耳的鋰離子電池實為必要。
一種鋰離子電池極耳，該極耳包括一金屬片和設置於該金屬片表面的PTC材料層。
一種鋰離子電池，該鋰離子電池包括殼體、置於殼體內的電芯及極耳，該極耳一端與所述電芯相連，另一端伸出殼體外，且所述極耳包括一金屬片和設置於該金屬片表面的PTC材料層。
相較於先前技術，本發明鋰離子電池極耳自身集成了PTC功能且製作簡單，適用於各種形狀和類型的鋰離子電池，藉由該極耳的PTC材料層與外電路連接，提高了鋰離子電池的安全性能，由於該PTC材料層很薄，在室溫~80℃範圍內，該PTC材料層的電阻率很小，該極耳可正常導電，當鋰離子電池過充電、短路或其他原因造成過熱時，該PTC材料層的電阻急劇上升達到切斷電流的作用，從而很好的保護電池；當溫度降低到室溫~80℃範圍內後，該PTC材料層的電阻率又變小，電池仍然可正常使用。另，由於將較薄的PTC材料層直接形成於極耳金屬片表面，不需要獨立設計PTC元件，不影響鋰離子電池設計時空間的利用率。
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例鋰離子電池極耳及具有該極耳的鋰離子電池。
請參閱圖1，本發明實施例鋰離子電池極耳10包括金屬片12和設置於該金屬片12表面的PTC材料層14。
所述金屬片12的材料可為金、銀、銅、鎳或鋁等導電性較好的純金屬或上述金屬的合金，本發明實施例中該金屬片12為鋁片。該鋰離子電池極耳10可為正極極耳或負極極耳，可以理解，該正、負極極耳的金屬片12的材料可不同。例如，當該極耳10為正極極耳時，該金屬片12的材料可為鋁片，當該極耳10為負極極耳時，該金屬片12的材料可為鎳片。金屬片12的厚度優選為0.1mm~0.4mm，金屬片12的寬度優選為3mm~100mm。
所述PTC材料層14的材料為PTC功能材料，該PTC材料層14既可設置於該金屬片12的一個表面，也可設置於該金屬片12相對的兩個表面。所述PTC材料層14的厚度優選為5μm~500μm，更為優選為5μm~50μm。所述PTC功能材料可為聚合物複合型PTC材料或無機複合氧化物PTC材料。
其中，所述聚合物複合型PTC材料進一步包括：(A) 一種熔點在80℃~180℃的聚合物，該聚合物可為烯烴及烯烴衍生物的均聚物或共聚物，如聚乙烯、聚乙烯/醋酸乙烯或環氧樹脂等；(B)一種導電顆粒，該導電顆粒可為金屬氧化物、金屬粉或導電的碳系顆粒。其中所述金屬氧化物可為三氧化二釩(V2 O3 )、二氧化釩(VO2 )或二氧化鈦(TiO2 )等；所述金屬粉可為銀粉、銅粉、鎳粉或上述金屬的合金粉體；所述導電的碳系顆粒可為石墨、炭黑、乙炔黑、碳纖維或奈米碳管等。所述導電顆粒分散在該聚合物中，常溫下形成導電網路，使該聚合物複合型PTC材料在常溫下電阻值較低；當溫度升高到所述聚合物的熔點時，該聚合物膨脹致使所述導電網路斷開，從而使該聚合物複合性PTC材料的電阻率迅速增大。
需要注意的是，所述聚合物複合型PTC材料的PTC性能與導電顆粒的含量和聚合物的結晶度等因素有關。該導電顆粒的含量過多或過少，及聚合物的結晶度較低都會使所述聚合物複合型PTC材料隨溫度變化的敏感度變低。優選的，所述導電顆粒與所述聚合物的質量比為0.2:1~1:1；所述聚合物的結晶度為10%~80%。
所述聚合物複合型PTC材料可藉由高能輻照交聯的方法製備，具體製備過程為：將所述導電顆粒分散到所述聚合物中，然後藉由紫外線照射或加熱的方法使該聚合物交聯固化，獲得聚合物複合型PTC材料。交聯的過程可提高該聚合物複合型PTC材料的穩定性和使用壽命。
所述無機複合氧化物PTC材料可為三氧化二釩(V2 O3 )、鈦酸鋇(BaTiO3 )、摻雜的三氧化二釩或摻雜的鈦酸鋇。
所述摻雜的V2 O3 或摻雜的BaTiO3 為在V2 O3 或BaTiO3 中摻雜有金屬元素或其他低阻相物質，來降低該V2 O3 或該BaTiO3 的室溫電阻率，從而增強了PTC材料對溫度的敏感度。所述金屬元素可為鑭、銻、釔、鈮、鉭或鎳等。
本發明鋰離子電池極耳10可根據如下方法製備：
S1，將所述PTC功能材料製成漿料，並均勻塗覆於所述金屬片12表面；及
S2，在70℃~120℃下熱處理該漿料6~10小時，使所述PTC功能材料固化於金屬片12表面形成該PTC材料層14。
在上述步驟S1中，當PTC功能材料為無機複合氧化物PTC材料時，可進一步在該漿料中添加導電黏結劑。當PTC功能材料為聚合物複合型PTC材料時，可不需要導電黏結劑，直接將導電顆粒和聚合物製成漿料均勻塗覆於金屬片12表面，也可將預先製成的聚合物複合型PTC材料研磨成粉體，再與導電黏結劑製成漿料塗覆於所述金屬片12表面。
所述導電黏結劑可為聚吡咯、聚噻吩或聚苯胺等，且該導電黏結劑的質量百分含量佔整個漿料的5%~10%。
本發明採用不同材料的所述鋰離子電池極耳10。
實施例1
所述金屬片12的材料為鋁片，所述PTC功能材料為含有V2 O3 的環氧樹脂複合材料，其中V2 O3 與環氧樹脂的體積比為0.9:1，環氧樹脂的結晶度為70%。該鋰離子電池極耳10的製備過程為：將V2 O3 顆粒與環氧樹脂按上述體積比製成漿料，均勻塗覆於所述金屬片12表面，然後在90℃下燒結該漿料8小時，製成具有PTC材料層14的鋰離子電池極耳10，其中該PTC材料層14的厚度為50μm。
實施例2
所述金屬片12的材料為鋁片，所述PTC功能材料為V2 O3 粉體，該V2 O3 粉體的粒徑優選小於50μm，所述導電黏結劑為聚吡咯。V2 O3 對溫度的敏感性較強，對電池大電流下的過流保護能力較好。該鋰離子電池極耳10的製備過程如下：將粒徑為40μm的V2 O3 粉體與質量百分比含量為8%的聚吡咯混合製成漿料，均勻塗覆於所述金屬片12表面，然後在100℃下燒結該漿料8小時，製成具有PTC材料層14的鋰離子電池極耳10，其中該PTC材料層14的厚度為80μm。
請參閱圖2，本發明實施方式進一步提供了一種鋰離子電池100。該鋰離子電池100包括殼體106、置於殼體106內的電芯108及與該電芯108電連接的極耳10。
該極耳10可包括正極極耳102和負極極耳104。所述正極極耳102及負極極耳104一端分別與所述電芯108中的正極集流體及負極集流體相連接，另一端伸出所述殼體106外與外電路相連，其中，所述正極極耳102及負極極耳104進一步包括一金屬片，且所述正極極耳102及負極極耳104中的至少一個包括設置於該金屬片表面的PTC材料層。該鋰離子電池100藉由正極極耳102和/或負極極耳104的PTC材料層與外電路相連接，在電性連接上，所述正極極耳102和/或負極極耳104的PTC材料層串聯於該鋰離子電池100與外電路之間。
所述正極極耳102及負極極耳104的一端可藉由焊接的方式分別與電芯108中的正極集流體及負極集流體對應相連，另，該正極極耳102及負極極耳104也可為所述正極集流體及負極集流體的一部分。
所述鋰離子電池100的正極極耳102及負極極耳104可為一個或複數個。
所述PTC材料層在常溫下電阻率優選為0.005Ω·cm~1Ω·cm，在80℃~120℃溫度以上的電阻率大於104 Ω·cm，從而使藉由該PTC材料層連接的鋰離子電池100在高溫下與外電路斷開。
本發明採用所述鋰離子電池極耳10製備所述鋰離子電池100並進行測試。
實施例3
所述鋰離子電池100包括一個正極極耳102和一個負極極耳104，且該正極極耳102包括一金屬片和設置於該金屬片表面的PTC材料層，該負極極耳104僅包括一金屬片。本發明實施例中該正極極耳102的金屬片為鋁片，PTC材料層為V2 O3 ；該負極極耳104的金屬片為鎳片。該鋰離子電池100的製備過程如下：
首先，藉由超聲波焊接的方式分別將該正極極耳102的金屬片及該負極極耳104的金屬片一端與所述電芯108中的正極集流體及負極集流體連接成一體。本實施例中正極極耳102藉由所述PTC材料層與外電路連接。
然後，將所述殼體106安裝在所述帶有正極極耳102和負極極耳104的電芯108外，並注入電解液，抽空、密封後形成鋰離子電池100。
對該鋰離子電池100進行短路測試，即將鋰離子電池100充滿電後，用一電阻不大於50mΩ的導線將正極極耳102與負極極耳104短路，測試鋰離子電池100表面及PTC材料層的溫度變化，未短路時，正極極耳102的PTC材料層的電阻率為0.08Ω·cm，短路後，鋰離子電池100的表面溫度迅速上升，相應的PTC材料層的溫度也迅速上升，當PTC材料層溫度超過80℃時，PTC材料層電阻率迅速上升，數量級達105 Ω·cm，電阻的急劇增大切斷了短路電流以避免電池溫度的進一步升高，從而較好的保護了該鋰離子電池100。
本發明鋰離子電池極耳自身集成了PTC功能且製作簡單，適用於各種形狀和類型的鋰離子電池，藉由該極耳的PTC材料層與外電路連接，提高了鋰離子電池的安全性能，由於該PTC材料層很薄，在室溫~80℃範圍內，該PTC材料層的電阻率很小，該極耳可正常導電，當鋰離子電池過充電、短路或其他原因造成過熱時，該PTC材料層的電阻急劇上升達到切斷電流的作用，從而很好的保護電池；當溫度降低到室溫~80℃範圍內後，該PTC材料層的電阻率又變小，電池仍然可正常使用。另，由於將較薄的PTC材料層直接形成於極耳金屬片表面，不需要獨立設計PTC元件，不影響鋰離子電池設計時空間的利用率。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧極耳
12‧‧‧金屬片
14‧‧‧PTC材料層
100‧‧‧鋰離子電池
102‧‧‧正極極耳
104‧‧‧負極極耳
106‧‧‧殼體
108‧‧‧電芯
圖1是本發明實施例鋰離子電池極耳結構側視示意圖。
圖2是本發明實施例鋰離子電池正視示意圖。
10‧‧‧極耳
12‧‧‧金屬片
14‧‧‧PTC材料層

Claims (8)

  1. 一種鋰離子電池極耳，包括一金屬片，其改良在於，進一步包括一設置於該金屬片表面的正溫度係數材料層，所述正溫度係數材料層的材料為三氧化二釩、摻雜的三氧化二釩或含三氧化二釩的聚合物複合型正溫度係數材料。
  2. 如請求項1所述的鋰離子電池極耳，其中，所述正溫度係數材料層的厚度為5μm~500μm。
  3. 如請求項1所述的鋰離子電池極耳，其中，所述正溫度係數材料層的厚度為5μm~50μm。
  4. 一種鋰離子電池，該鋰離子電池包括殼體及置於殼體內的電芯及極耳，該極耳一端與電芯相連，另一端伸出殼體外，其改良在於，所述極耳包括一金屬片和設置於該金屬片表面的正溫度係數材料層，所述正溫度係數材料層的材料為三氧化二釩、摻雜的三氧化二釩或含三氧化二釩的聚合物複合型正溫度係數材料。
  5. 如請求項4所述的鋰離子電池，其中，該極耳為正極極耳或負極極耳中至少一個，該電芯包括正極集流體及負極集流體，該正極極耳的金屬片與該正極集流體連接，該負極集流體的金屬片與該負極集流體連接。
  6. 如請求項4所述的鋰離子電池，其中，該鋰離子電池藉由所述極耳的正溫度係數材料層與外電路電連接。
  7. 如請求項4所述的鋰離子電池，其中，該極耳為一個或複數個。
  8. 如請求項4所述的鋰離子電池，其中，所述正溫度係數材料層常溫下的電阻率為0.005Ω．cm~1Ω．cm。
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