TWI426635B - 具有正熱係數外層的鋰電池 - Google Patents

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Description

具有正熱係數外層的鋰電池
本發明係概括關於鋰離子電池，且尤指一種具有正熱係數(PTC,positive thermal coefficient)層之鋰離子電池。
一種正熱係數(PTC)層係典型運用於一種二次電池，諸如：鋰離子二次電池，以提供對於電池外部之短路的保護，即：當供應一過電流或一過電壓時而中斷電流路徑。
典型PTC層係包括隨著提高溫度而提高電阻率之材料。其概括為包括少量的半導體材料於一多晶陶瓷中，或具有碳粒嵌入於一片塑膠或聚合物。當溫度達到一臨界點，半導體材料或具有嵌入碳粒之塑膠形成對於電流之一障壁，且電阻極為快速升高。發生此舉的溫度係可藉由調整PTC材料之組成物而改變。PTC材料之此通－斷(on－off)行為係有用於設備將由容易定義事件所損壞之情況，諸如：電池，其包括二次鋰離子電池。舉例而言，當暴露於一過電流情況，此正常導電的PTC層係加熱且相變，使得電阻增大數個量級。一旦移除短路，PTC層係冷卻且返回至其導電狀態。
典型而言，該等PTC層係要求其表面積為增大，藉以提高電池之操作電流額定值。即，針對於電池(尤其是：其具有大於約每個電池為3.0安培小時(Ah/cell)之一容量的電池)之高電流充電率，通常需要具有較大表面積之PTC層。然而，概括而言，於此技藝之整合有PTC層的電池，PTC層係已經納入於電池之內，因而大為限制其表面積，同時佔據電池之內的空間，因而亦降低電池之容量。
因此，需要一種新穎的電池設計，以順應具有較大表面積之一PTC層，使得針對於一種給定電池之PTC層的電流能力為最大化。
本發明係概括關於一種鋰離子電池，其整合了電池之電池殼體的外部之一或多個PTC層，本發明更關於包括複數個該種電池之一種電池組，且關於備製該種電池之方法。
於一個實施例，本發明係針對於一種鋰離子電池，其包括：一第一端子，電連通於電池之一第一電極；一第二端子，電連通於電池之一第二電極；一電池殼體，其包括一封蓋，其電連通至電池殼體；及一正熱係數(PTC)層，電連通於第一端子且位於電池殼體的封蓋之上。較佳而言，該種鋰離子電池更包括：一第一導電層與一第二導電層，其中，PTC層係位於第一與第二導電層之間。較佳而言，第一導電層之至少一部分係第二端子之至少一構件、或是電連接至第一端子、更佳為第二端子之一構件。
於另一個實施例，本發明係針對於一種電池組，其包括複數個鋰離子電池，其中，各個電池係包括：針對於本發明之一種鋰離子電池的上述特徵。
本發明亦包括一種製造上述鋰離子電池之方法。該種方法包括：形成一電池殼體，其包括電連接至該電池殼體之一封蓋。該電池殼體係電絕緣於一第一端子而電連通於一第二端子。電連通於第一端子之一第一電極、與電連通於第二端子之一第二電極係配置於電池殼體之內。該種方法更包括：配置一疊層於該電池殼體之上。該疊層包括：於電池殼體之上的一第一導電層、一第二導電層、及於第一與第二導電層之間的一PTC層。該疊層係電連通於電池之第一端子，且為電絕緣於電池殼體。第一導電層之至少一部分係第一端子之至少一部分，或為電連接至第一端子。
藉著本發明，具有較大的表面積(例如：大於PTC層為電連通於端子的表面積)之一PTC層係可整合至一鋰離子電池，而電池高度的增加為最小化。該大表面積係有利，因為可允許於電池之較高的電流。即，較高的電流充電率係可達成於本發明之電池，尤其是具有大於約3.0 Ah/cell之一容量的電池。此外，藉著本發明，其中，一PTC層係配置於電池之電池殼體的外部，額外的空間係可利用於電池殼體之內以容納更多的作用陰極與陽極材料(例如：膠狀捲(jelly roll))，因而允許較高的容量。
前述係將由本發明以下實施例的更特定說明而為顯明，如於伴隨圖式所示，其中，類似的參考符號係指於不同視圖之相同部分。圖式係未必依比例所繪製，而是強調示範本發明之實施例。
於本發明，一或多個PTC層係整合至一鋰離子電池，且定位於電池之電池殼體的外部。如運用於本文，“PTC層係整合至一鋰離子電池”係意指的是：PTC層係納入至電池而作為一構件，不同於單獨的單元之一PTC層，其為經由導電的接片(tab)或接線(wire)而連接至一鋰離子電池。
如運用於本文，本發明之電池的“端子”係意指外部電路連接至電池的部分或表面。
本發明之鋰離子電池典型包括：一第一端子，其電連通於一第一電極；及，一第二端子，其電連通於一第二電極。第一與第二電極係容納於本發明之一鋰離子電池的電池殼體之內，例如：於一“膠狀捲”形式。第一端子可為電連通於電池之一正電極的一正端子、或電連通於電池之一負電極的一負端子，且反之亦然為針對於第二端子。較佳而言，第一端子係電連通於電池之一負電極的一負端子，而第二端子係電連通於電池之一正電極的一正端子。
如運用於本文，片語“電連接”或“電連通”係意指某些部分透過導體之電子流動而連通於彼此，相對於涉及透過電解質之離子(諸如：Li＋ 、H＋ 、與OH－ )流動的電化學連通。
如於圖1所示，鋰離子電池10係包括第一電極12與第二電極14。第一電極12係電連接至饋通元件16，其包括第一構件18(其為鄰近於第一電極12)與第二構件20(其為遠距於第一電極12)。如運用於本文，術語“饋通(feed－through)”係包括任何材料或元件，其連接由一電池之一殼體或一封蓋所界定的一空間內之一電池的一電極與該界定內部空間外部之電池的一構件。較佳而言，饋通材料或元件係延伸通過由電池的一封蓋所界定之一通孔。運用該種饋通元件於電池之電連通的裨益係包括：防止於製造期間與製造後的內部短路、及較容易製造。運用該種饋通元件之一個附加裨益係包括：於電池容量之潛在的提高(例如：5－15%)，歸因於提高的容積利用，此乃相較於電流承載接片為摺疊或彎曲於電池殼體內且焊接於內部電極之習用的鋰電池者。一饋通元件亦可通過一電池之一封蓋或一電池殼體而無變形，諸如：彎曲、扭曲、及/或摺疊，且可提高電池容量。
電池殼體22與封蓋24係界定鋰離子電池10之內部空間26。電池殼體22係可由於鋰離子電池(諸如：本發明之鋰離子電池)之一給定電壓而為電及化學穩定之任何的導電材料所作成。電池殼體22之適合材料的實例包括：鋁、鎳、銅、鋼、與其組合。較佳而言，電池殼體22係由鋁所作成或包括鋁。封蓋24之適合材料的實例係如同針對於電池殼體22所列出的彼等者。較佳而言，封蓋24係由如同電池殼體22之相同材料所作成。於一個更佳實施例，電池殼體22與封蓋24係均為由鋁所作成或包括鋁。
電池殼體22與封蓋24之至少一者係電連通於鋰離子電池10之第二電極14。
饋通元件16係藉由絕緣襯墊28而電絕緣於封蓋24，絕緣襯墊28係包括第一絕緣構件30與第二絕緣構件32。絕緣襯墊係由一種適合的絕緣材料所形成，諸如：聚丙烯、聚氟乙烯(PVF)、等等。瞭解的是：任何其他型式的絕緣機構亦可運用以絕緣饋通元件16與封蓋24。饋通元件16係藉著第一導電層34而接觸於第一構件20。第一導電層34典型由鎳所形成且具有厚度範圍於約0.05毫米與約0.3毫米之間。第一導電層34可由習知於此技藝之適合的方法所形成。第一導電層34亦接觸於正熱係數層(PTC層)36。適合的PTC材料係習知於此技藝者。概括而言，適合的PTC材料係當暴露於超過一設計臨限之電流，其導電性係隨著升高溫度而升高為數個量級(例如：104 至106 或更多)。一旦電流係降低於一適合的臨限之下，概括而言，PTC材料係實質返回至初始的電阻率。於一個適合實施例，PTC材料係包括少量的半導體材料於一多晶陶瓷，或具有碳粒嵌入之一片塑膠或聚合物。當PTC材料之溫度達到一臨界點，半導體材料或具有嵌入碳粒之塑膠或聚合物係形成對於電流之一障壁且致使電阻陡峭升高。電阻率為陡峭升高處的溫度係可藉由調整PTC材料之組成物而改變，如為此技藝所習知者。PTC材料之一“操作溫度”係一溫度，於此處，PTC係呈現一電阻率為最高與最低電阻之間的大約一半者。較佳而言，於本發明所運用的PTC層之操作溫度係介於約為攝氏70度與約為攝氏150度之間。
特定的PTC材料之實例係包括：含有少量的鈦酸鋇(BaTiO3 )之多晶陶瓷、與包括碳粒嵌入其中之聚烯烴。商用的PTC疊層(包括一PTC層為夾設於二個導電金屬層之間)之實例係包括由Raychem公司所製造之LTPTM 系列。概括而言，PTC層36係具有厚度於約50微米至約300微米之一範圍。較佳而言，PTC層36係包括導電表面38與40，其各者係至少為相同或大於關聯於第一電極12之鋰離子電池10的一端子之表面積。於特定實例，導電表面38與40之至少一者係至少為關聯於第一電極12之鋰離子電池10的一端子之表面積的105%、110%、或150%。
如可見於圖2，PTC層36係接觸第一導電層34於其導電表面38。絕緣襯墊28係電絕緣該饋通裝置16與PTC層36。瞭解的是：用於絕緣該饋通裝置16與PTC層36之其他適合機構亦可運用於本發明。PTC層36係藉著第二導電層42而接觸於導電表面40。較佳而言，第二導電層42係藉由如同第一導電層34之相同方法所形成。第二導電層42之適合厚度的實例範圍乃於約0.05毫米與約0.3毫米之間。
用於第一與第二導電層34與42之適合材料係包括：鋁、鎳、銅、鋼、與其組合。於一個實施例，第一與第二導電層34與42係由相同材料(諸如：鎳)所形成或包括相同材料(諸如：鎳)。
選用而言，罩蓋48係部分支撐第二導電層42於由罩蓋48所界定之邊緣50。第二導電層42係藉由位於第二導電層42與封蓋24之間的絕緣層52而亦絕緣於封蓋24。針對於絕緣層52之適合材料係包括：空氣、塑膠、紙張、非導電性的黏膠、等等。
較佳而言，罩蓋48係一種非導電性的材料者。替代而言，罩蓋48係可分隔自第一導電層34、PCT層36與第二導電層42，諸如：藉由適合的電絕緣膜來為之，藉此，罩蓋48係電接觸於電池殼體22或封蓋24且可藉以作為一第二端子。
較佳而言，第二導電層42之至少一個表面44與46係代表鋰離子電池10之一第一端子，且由罩蓋48之開口54所界定，如於圖3所顯示。開口54係提供通路以針對於第一導電層34與由第一導電層34所界定的至少一個開口35，藉以於鋰離子電池10之製造期間焊接第一導電層34至饋通元件16。
電池殼體22係包括至少一個通風刻槽56，而當必要時，諸如：當鋰離子電池10之內的氣體係大於約10與約20 kg/cm2 之間的一值，以作為用於通風於內部空間26之機構。瞭解的是：任何適合型式的通風機構係可運用，只要該機構於正常電池作業條件下係提供密封。通風機構之種種適合的實例係描述於西元2005年9月16日所提出之美國臨時專利申請案序號60/717,898號，其整體揭示內容係以參照方式而納入於本文。
回到圖1，通風機構之特定實例包括通風刻槽，諸如：於圖1所顯示的刻槽56。如運用於本文，術語“刻槽(score)”係意指一電池殼體(諸如：電池殼體22)之截面的部分切入，其設計允許電池壓力與任何內部電池構件釋放於一定義的內部壓力(例如：於約10與約20 kg/cm2 之間)。較佳而言，通風刻槽56係方向性定位為遠離使用者或相鄰的電池。如圖所示，可運用超過一個通風刻槽。於一些實施例，係可運用圖案化的通風刻槽。通風刻槽56係可於電池殼體22之形狀建立期間而為平行、垂直、對角於電池殼體材料之一主要拉伸(或抽取)方向。通風刻槽的性質係亦考慮諸如：深度、形狀、與長度(尺寸)。
可運用於本發明之通風機構的其他實例包括一或多個機械支架，其定位於電池殼體之一內或外壁部以提高電池殼體之機械強度，藉此，氣體壓力之釋放係位在不同於機械支架之電池的一部分。該種機械支架係可作為提高電池殼體之強度，此乃藉由定向一機械支架至最大需要面積以防止針對於定義的壓力範圍(並未超過其將期望以允許通風)之電池變形。於此實施例，氣體壓力之釋放因此位在不同於機械支架之電池的一部分。於一個較佳實施例，機械支架係跨於電池殼體之內部或外部周邊的一帶件(belt)。機械支架係可進而作為相鄰電池之一電連接。此外，機械支架可進而作為電池之標示。運用於鋰離子電池殼體之任何標準材料(諸如：鋁、鋼與不鏽鋼)係可用於機械支架。替代而言，係可運用具有高張力強度之材料諸如：鎳，或一非金屬材料諸如：聚合材料。亦可運用超過一種高張力強度材料。當機械支架係定位於外部，適合的材料之選取係無須考慮電化學穩定度，其係針對於電池瓶罐材料而典型所需者。
可運用於本發明之通風機構的另外實例係包括定位於電池之至少一個預定的低強度區域。預定的低強度區域係相較於電池之至少一個其他區域而具有較弱的機械強度，且低強度區域係致使氣體壓力釋放於電池之一位置，此位置無關於電池之內的氣體來源。該低強度區域係相較於電池殼體之至少一個其他區域而具有較弱的機械強度。
圖4(a)與4(b)係代表本發明之鋰離子電池的其他實施例。如圖所示，鋰離子電池60包括電池殼體62與封蓋64，饋通元件66係延伸通過封蓋64且由絕緣襯墊68所電絕緣於封蓋64。第一導電層70係電接觸於饋通元件66。於饋通元件66與第一導電層70之間的電接觸係可由導電橋72(諸如：焊接或導電黏著層)所形成。第一導電層70係由絕緣層74所電絕緣於封蓋64。
饋通元件66係電接觸於鋰離子電池60之第一電極80。鋰離子電池60之第二電極82係電接觸於電池殼體62或封蓋64。
正熱係數層76係由第一導電層70所支撐。於一個實施例，第一導電層70係具有大於PTC層76之表面積。第二導電層78係由PTC層76所支撐，且可選用為具有如同PTC層76之實質相同的表面積。於圖4(a)與4(b)所示的構件之材料與厚度係相同於關於第1至3圖所述的彼等者。
於由圖5所代表之又一個實施例，饋通元件66係於電池殼體62之封蓋64，藉由絕緣襯墊68而為電絕緣於封蓋64且藉由導電橋72而電連接至第一導電層70。
電池殼體22與62可為任何適合的形狀。較佳而言，電池殼體22與62係各具有一稜柱形的橫截面。
本發明之鋰離子電池可進而包括至少一個電流中斷裝置(CID,current－interrupt device)，其電連通於電池之第一端子或第二端子。電流中斷裝置典型包括電連通於彼此之一第一導電板與一第二導電板。於電流中斷裝置，當電池內的壓力係大於一預定值(諸如：於約5與約10 kg/cm2 之間)，第二導電板係分離自(例如：變形遠離或為解開自)第一導電板，藉此，於第二電極與第二端子之間的一電流係中斷。一絕緣件(例如：絕緣層或絕緣襯墊)可進而納入於第一導電板的一部分與第二導電板的一部分之間。較佳而言，電流中斷裝置的第一導電板與絕緣件之至少一者係包括至少一個孔，透過此孔，於電池內的氣體係流體連通於第二導電板。可運用於本發明之電流中斷裝置的適合實例可見於例如美國專利第4,943,497、5,418,082、與6,900,616號，其整體揭示內容係以參照方式而納入於本文。
於一個特定實施例，本發明之鋰離子電池係包括該種電流中斷裝置，其電連通於第二端子。
本發明之電池可為圓柱或稜柱形(堆疊或纏繞)，較佳為稜柱形，且更佳為長橢圓形之一稜柱形狀。雖然本發明係可運用所有型式之稜柱形的電池殼體，一長橢圓形的電池殼體係部分歸因於下述的二個特點而為較佳。
如於圖6(a)與6(b)所示，具有長橢圓形的電池殼體之本發明之一種電池的一個優點係在於：配置於該種長橢圓形狀的電池殼體之上的一PTC層可具有表面積相較於二個圓柱形的電池(諸如：18650電池)者而大出約16%，此乃當相較於相同外部體積之堆疊而言，這是由於圖6(b)所指出的浪費空間係可完全利用於如圖6(a)所示之一長橢圓形狀的電池。
此外，一長橢圓形狀(諸如：183665形式因數)之可用內部空間係大於二個18650電池之容積，此乃當相較於相同外部體積之堆疊而言。當組裝成為一電池組，長橢圓形的電池係完全利用由電池組所佔有的較多空間。此舉係致使能有新穎的設計變化於內部電池構件，相對於現今產業所得知者，其可提高關鍵性能特徵而未犧牲電池容量。因此可利用諸如混合於較高安全性且相對較低容量的構件而仍然實現高容量於電池組階層之設計特徵。此外，同樣歸因於較大的可用容積，可選取運用具有相對較高的循環壽命之較薄的電極。較薄的電極亦具有較高速率能力。甚者，長橢圓形(或稜柱形)係可具有較大的可撓性。舉例而言，相較於圓柱形狀者，長橢圓形狀於腰部點係可彎曲較多，其隨著堆疊壓力增大於充電時而允許較少的可撓性。提高的可撓性係減小電極上之機械疲勞，其接著致使有較高的循環壽命。此外，分離件的氣孔阻塞係藉由相對較低的堆疊壓力而有改良。
相較於稜柱形的電池，允許相對較高安全性之一個特別期望的特點係可用於長橢圓形狀的電池。長橢圓形狀係提供對於膠狀捲之一適貼配合，使得針對於電池所需要的電解質之量為最小。相對較低量的電解質造成於一誤用情況期間之較少可用的反應材料且因此為較高的安全性。此外，成本係歸因於較低量的電解質而為較低。於具有一種堆疊電極結構之稜柱形瓶罐的情形，其橫截面為矩形的形狀，可能完全利用容積而無不必要的電解質，但此型式之瓶罐設計係較為困難且因此由製造的觀點而言為較高成本。
參考圖7，於本發明之一些實施例，本發明之複數個鋰離子電池(例如：2至5個電池)係可連接於一電池組，其中，各個電池係彼此為串聯、並聯、或串並聯連接。於一些實施例，於本發明之電池組的電池之間並未存在並聯連接。
較佳而言，納入於本發明之電池組的諸個電池之至少一個電池係具有一稜柱形的電池殼體，更佳為長橢圓形的電池殼體，如於圖1所示。較佳而言，於電池組之電池的容量典型為等於或大於約3.0 Ah，更佳為等於或大於約4.0 Ah。電池之內部的阻抗較佳為小於約50毫歐姆，更佳為小於約30毫歐姆。
本發明之鋰離子電池與電池組可運用於可攜式電源裝置，諸如：可攜式電腦、動力工具、玩具、可攜式電話、攝錄影機、PDA、與類似者。於運用鋰離子電池之可攜式電子裝置，其充電通常設計為針對於4.20 V充電電壓。因此，本發明之鋰離子電池與電池組特別有用於此等可攜式電子裝置。
本發明亦包括用於產生如上所述的一種鋰離子電池之方法。該等方法包括：形成如上所述之一電池殼體；及，配置一第一電極與一第二電極於電池殼體之內。用於鋰離子電池之如上所述的一PTC疊層係配置於電池殼體的封蓋之上。於一個實施例，如圖1所示，PTC疊層(例如：導電層34、42與PTC層36)及用於電池之罩蓋(例如：罩蓋48)係分離自含有電池電極之電池殼體而組裝，且接著配置於電池殼體的封蓋(例如：封蓋24)之上。較佳而言，於此實施例，PTC疊層之第一導電層34係透過開口35與54且經由焊接而接觸饋通元件16。
用於本發明之鋰離子電池的正與負電極及電解質係可藉由習知於此技藝的適合方法所形成。
針對於負電極之適合負活性材料的實例係包括任何的材料，其允許鋰以摻雜或未摻雜進入或離開該材料。該等材料的實例係包括：碳質材料，例如：非石墨碳、人造碳、人造石墨、天然石墨、熱解碳、焦炭(諸如：瀝青焦炭、針狀焦炭、石油焦炭)、石墨、玻璃態碳、或熱處理的有機聚合化合物(其藉由碳化酚樹脂、呋喃樹脂、或類似而得到)、碳纖維、與活性碳。再者，金屬鋰、鋰合金、與其合金或化合物係可運用作為負活性材料。尤其是，允許形成具有鋰的一合金或化合物之金屬元素或半導體元素可為一第四族(group IV)的金屬元素或半導體元素，諸如而不限於：矽(Si)或錫(Sn)。尤其是，非晶性錫(其摻雜具有諸如鈷或鐵/鎳之過渡金屬)係具有針對於此等型式電池的陽極材料之高度指望的一種金屬。允許鋰為於相對基本電位而摻雜或未摻雜進出於氧化物之氧化物(諸如：氧化鐵、氧化釕、氧化鉬、氧化鎢、氧化鈦、與氧化錫)與氮化物係可類似運用作為負活性材料。
針對於正電極之適合的正活性材料係包括於此技藝所習知的任何材料，例如：鎳酸鋰(例如：LiNiM’O2 )、鈷酸鋰(例如：LiCoO2 )、橄欖石型式化合物(例如：LiFePO4 )、錳酸鹽尖晶石(例如：Li1＋x Mn2－x O4 或Li1＋x1 (Mn1－y1 A’y2 )2－x2 Oz1 )、與其組合。適合的正活性材料之種種實例係可見於西元2005年12月23日所提出的國際專利申請案序號PCT/US2005/047383、與同日所提出作為本申請案之代理人案號3853.1001－006號之標題為“鋰離子二次電池”的美國專利申請案，其整體的揭示內容係以參照方式而納入於本文。
適合的非水性電解質之實例包括：一非水性的電解溶液，藉由溶解一電解質鹽類於一非水性的溶劑而備製；一固體電解質(其含有一電解質鹽類之無機電解質或聚合物電解質)；及，一固體或凝膠狀的電解質，藉由混合或溶解電解質於聚合物化合物或類似者而備製。
非水性的電解溶液典型為藉由溶解一鹽類於一有機溶劑而備製。有機溶劑係可包括已經概括運用於此型式的電池之任何適合型式者。該等有機溶劑之實例包括：碳酸丙酯、碳酸乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、1,2－二甲氧基乙烷、1,2－二乙氧基乙烷、γ－丁內酯、四氫呋喃、2－甲基四氫呋喃、1,3－二惡茂烷、4－甲基－1,3－二惡茂烷、二乙基醚、環丁碸、甲基環丁碸、乙腈、丙腈、苯甲醚、乙酸酯、丁酸酯、丙酸酯與類似者。運用環狀碳酸酯(諸如：碳酸丙酯)、或鏈狀碳酸酯(諸如：碳酸二甲酯與碳酸二乙酯)係較佳。此等有機溶劑可單獨或是於二或多個型式之一組合而運用。
添加劑或穩定劑亦可存在於電解質，諸如：碳酸乙烯(VC)、碳酸乙酯乙烯(VEC)、乙酸乙酯(EA)、磷酸三苯酯(TPP)、膦嗪、聯苯(BP)、雙草酸硼酸鋰(LiBoB)、硫酸乙酯(ES)與硫酸丙酯(PS)。此等添加劑係作為陽極與陰極的穩定劑或阻燃劑，其可使得電池以形成、循環效率、安全性與壽命而言為較高的性能。
固體的電解質可包括一無機電解質、一聚合物電解質、與類似者，只要該材料具有鋰離子的傳導性即可。舉例而言，無機電解質可包括：氮化鋰、碘化鋰、與類似者。聚合物電解質係由一電解質鹽類與一聚合物化合物所構成，電解質鹽類係溶解於聚合物化合物。運用於聚合物電解質之聚合物化合物的實例包括：諸如聚乙烯氧化物與交聯的聚乙烯氧化物之醚基聚合物、聚甲基丙烯酸酯基聚合物、丙烯酸酯基聚合物、及類似者。此等聚合物係可單獨運用或於二或多個種類之一混合物或一共聚合物的形式來運用。
凝膠電解質之基質可為任何的聚合物，只要聚合物藉由吸收上述之非水的電解溶液所膠化即可。運用於凝膠電解質的聚合物之實例係包括氟碳聚合物，諸如：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚亞乙烯－共－六氟丙烯(PVDF－HFP)、與類似者。
運用於凝膠電解質的聚合物之實例亦包括：聚丙烯腈與聚丙烯腈之共聚合物。之單體(乙烯基的單體)的實例包括：醋酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、亞甲基丁二酸、氫化丙烯酸甲酯、氫化丙烯酸乙酯、丙烯醯胺、氯乙烯、偏二氟乙烯、與偏二氯乙烯。運用於凝膠電解質的聚合物之實例更包括：丙烯腈－丁二烯共聚物橡膠、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物樹脂、丙烯腈－氯化聚乙烯－丙二烯－苯乙烯共聚物樹脂、丙烯腈－氯乙烯共聚物樹脂、丙烯腈－甲基丙烯酸樹脂、與丙烯腈－丙烯酸酯共聚物樹脂。
運用於凝膠電解質的聚合物之實例包括：醚基聚合物，諸如：聚乙烯氧化物、聚乙烯氧化物之共聚物、與交聯的聚乙烯氧化物。運用於共聚合化之單體的實例包括：聚丙烯氧化物、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、與丙烯酸丁酯。
特定而言，依據氧化－還原的穩定度之觀點，氟碳聚合物較佳為運用於凝膠電解質之基質。
運用於電解質的電解質鹽類可為適用於此種型式之電池的任何電解質鹽類。電解質鹽類之實例包括：LiClO4 、LiAsF6 、LiPF6 、LiBF4 、LiB(C6 H5 )4 、LiB(C2 O4 )2 、CH3 SO3 Li、CF3 SO3 Li、LiCl、LiBr、與類似者。概括而言，一分離件係分開電池之正電極與負電極。分離件可包括已經概括運用以形成此種型式之非水性電解質二次電池的分離件之任何薄膜狀材料，例如：由聚丙烯、聚乙烯、或該二者之一層狀組合所作成之一微孔性聚合物薄膜。此外，若運用一固體電解質或凝膠電解質作為該電池之電解質，係無須設置分離件。玻璃纖維或纖維素材料所作成之一微孔性分離件亦可運用於某些情形。分離件厚度典型為於9與25微米之間。
於一些特定實施例，一正電極係可藉由混合一特定比值之陰極粉末而製造。90重量%的此混合物係接著混合連同作為導電劑之5重量%的乙炔黑、與作為黏合劑之5重量%的PVDF。混合物係分散於作為溶劑之N－甲基－2－吡咯烷酮(NMP)，藉以備製漿料。此漿料接著施加至典型厚度約為20微米的鋁集電器箔之二個表面，且乾燥於約攝氏100至150度。乾燥的電極接著由一滾壓機所壓製，以得到一壓縮後的正電極。當單獨運用LiCoO2 作為正電極，典型運用94重量%的LiCoO2 、3重量%的乙炔黑、與3重量%的PVDF之一混合物。一負電極係可藉由混合作為負活性材料之93重量%的石墨、3重量%的乙炔黑、與作為一黏合劑之4重量%的PVDF而備製。負混合物亦分散於作為一溶劑之N－甲基－2－吡咯烷酮(NMP)，藉以備製漿料。該負混合物漿料係均勻施加於典型厚度約為10微米之條狀銅負集電器箔。乾燥的電極接著由一滾壓機所壓製，以得到一緻密的負電極。
負與正電極及厚度25微米之具有微孔的聚乙烯薄膜所形成之一分離件係概括為疊合且螺旋纏繞以產生一螺旋式電極元件。
於一些實施例，例如由鋁所作成之一或多個正引線條片係附接至正電流電極，且接著電連接至本發明之電池的正端子。例如由鎳金屬所作成之一負引線係連接負電極，且接著附接至一饋通元件，諸如：饋通元件16與66。例如具有1M LiPF6 之EC：DMC：DEC的電解質係真空填入於本發明之一種鋰離子電池的電池殼體，其中，電池殼體係具有螺旋繞製的“膠狀捲(jelly roll)”。
儘管本發明係已經關於其較佳實施例而為特定顯示及描述，將為熟悉此技藝人士所瞭解的是：可作成形式與細節之種種的變化而未脫離由隨附申請專利範圍所涵蓋之本發明的範疇。
10．．．鋰離子電池
12．．．第一電極
14．．．第二電極
16．．．饋通元件
18．．．饋通元件16之第一構件
20．．．饋通元件16之第二構件
22．．．電池殼體
24．．．封蓋
26．．．內部空間
28．．．絕緣襯墊
30．．．第一絕緣構件
32．．．第二絕緣構件
34．．．第一導電層
35．．．開口
36．．．正熱係數層(PTC層)
38、40．．．導電表面
42．．．第二導電層
44、46．．．第二導電層42之表面
48．．．罩蓋
50．．．邊緣
52．．．絕緣層
54．．．開口
56．．．通風刻槽
60．．．鋰離子電池
62．．．電池殼體
64．．．封蓋
66．．．饋通元件
68．．．絕緣襯墊
70．．．第一導電層
72．．．導電橋
74．．．絕緣層
76．．．正熱係數層(PTC層)
78．．．第二導電層
80．．．第一電極
82．．．第二電極
圖1係本發明之一種鋰離子電池之一個實施例的分解代表圖。
圖2係圖1之鋰離子電池的橫截面圖。
圖3係圖1之鋰離子電池的俯視圖。
圖4(a)與4(b)係本發明之鋰離子電池之其他實施例的示意橫截面圖。
圖5係本發明之一種鋰離子電池之又一個實施例的示意橫截面圖。
圖6(a)與6(b)係示意圖，其比較不同電池形式因數之不同空間利用，包括：本發明之長橢圓形電池(圖6(a))、與包括並聯的二個18650電池之商用電池(圖6(b))。
圖7係示意電路，其顯示於本發明之個別電池當一起配置於一電池組而如何較佳連接。
10．．．鋰離子電池
12、14．．．電極
16．．．饋通元件
18．．．第一構件
20．．．第二構件
22．．．電池殼體
24．．．封蓋
26．．．內部空間
28．．．絕緣襯墊
30、32．．．絕緣構件
34、42．．．導電層
35．．．開口
36．．．正熱係數層(PTC層)
38、40．．．導電表面
44、46．．．表面
48．．．罩蓋
52．．．絕緣層
54．．．開口
56．．．通風刻槽

Claims (22)

  1. 一種鋰離子電池，包含：(a)一第一端子，電連通於該電池之一第一電極；(b)一第二端子，電連通於該電池之一第二電極；(c)一電池殼體，其包括一封蓋，其中，該封蓋係電連通於該電池殼體，且該電池殼體係電絕緣於該第一端子而電連通於該第二端子；(d)一正熱係數層，其具有隨著溫度提高而提高之電阻率，且電連通於該電池之該第一端子且位於該電池殼體的該封蓋之上；(e)一第一導電層，位於該電池殼體的該封蓋之上；(f)一第二導電層，其中，該第二導電層之至少一部分係該第一端子之至少一構件、或是電連接至該第一端子；(g)一饋通元件，其電連接該電池之該第一電極至該第一端子；其中，該正熱係數層係位於該第一導電層與該第二導電層之間，該第一導電層實際連接至該饋通元件且位於該饋通元件之上，而該電池殼體的該封蓋、該第二導電層、與該正熱係數層之各者係界定一貫通孔，透過該貫通孔，該饋通元件係連接至該第一導電層。
  2. 如申請專利範圍第1項之鋰離子電池，其中，該饋通元件係電絕緣於該電池殼體的該封蓋、該第二導電層、與該正熱係數層之各個貫通孔，而該饋通元件係經由該第一導電層表面接觸該正熱係數層的一部分、且經由該第二導 電層表面接觸該正熱係數層的一部分而電連通於該第二導電層。
  3. 如申請專利範圍第2項之鋰離子電池，其中，該正熱係數層係覆蓋該第二導電層表面的一部分，藉此，並未由該正熱係數層所覆蓋之該第二導電層表面的一部分係作為該第一端子。
  4. 如申請專利範圍第3項之鋰離子電池，更包括：一絕緣層，位於該電池殼體的該封蓋與該第二導電層的至少一部分之間。
  5. 如申請專利範圍第4項之鋰離子電池，其中，該絕緣層係一空氣層。
  6. 如申請專利範圍第1項之鋰離子電池，其中，該電池殼體係界定至少一個通風機構，透過該通風機構，當該電池內側的壓力係大於一預定值，該電池之內的氣體係可釋放。
  7. 如申請專利範圍第1項之鋰離子電池，更包含：一電流中斷元件，電連通於電池之該第一端子或該第二端子，該電流中斷元件包括一第一導電板與一第二導電板，該第一導電板與該第二導電板係彼此電連通，其中，當該電池內側的壓力係大於一預定值，該第二導電板係與該第一導電板分離，藉此中斷於該第二電極與該第二端子之間的電流。
  8. 如申請專利範圍第7項之鋰離子電池，其中，該電流中斷元件係電連通於該第二端子。
  9. 如申請專利範圍第1項之鋰離子電池，其中，該正熱係數具有的表面積大於該電池之該第一端子的表面積。
  10. 如申請專利範圍第1項之鋰離子電池，其中，該電池之容量係等於或大於約3.3安培小時。
  11. 如申請專利範圍第1項之鋰離子電池，其中，該電池殼體係具有稜形的橫截面形狀。
  12. 如申請專利範圍第11項之鋰離子電池，其中，該電池殼體係具有長橢圓形的橫截面形狀。
  13. 一種電池組，包含複數個鋰離子電池，各個電池係包括：(a)一第一端子，電連通於該電池之一第一電極；(b)一第二端子，電連通於該電池之一第二電極；(c)一電池殼體，其包括一封蓋，其中，該封蓋係電連通於該電池殼體，且該電池殼體係電絕緣於該第一端子而電連通於該第二端子；(d)一正熱係數層，其具有隨著溫度提高而提高之電阻率，且電連通於該電池之該第一端子且位於該電池殼體的該封蓋之上；(e)一第一導電層，位於該電池殼體的該封蓋之上；(f)一第二導電層，其中，該第二導電層之至少一部分係該第一端子之至少一構件、或是電連接至該第一端子；(g)一饋通元件，其電連接該電池之該第一電極至該第一端子；其中，該正熱係數層係位於該第一導電層與該第二導 電層之間，該第一導電層實際連接至該饋通元件且位於該饋通元件之上，而該電池殼體的該封蓋、該第二導電層、與該正熱係數層之各者係界定一貫通孔，透過該貫通孔，該饋通元件係連接至該第一導電層。
  14. 如申請專利範圍第13項之電池組，其中，至少一個電池殼體係具有稜形的橫截面形狀。
  15. 如申請專利範圍第14項之電池組，其中，至少一個電池殼體係具有長橢圓形的橫截面形狀。
  16. 如申請專利範圍第13項之電池組，其中，各個電池之容量等於或大於約3.3安培小時。
  17. 如申請專利範圍第13項之電池組，其中，各個電池之內部阻抗係小於約50毫歐姆。
  18. 如申請專利範圍第13項之電池組，其中，該等電池係串聯而並無電池並聯連接。
  19. 一種製造鋰離子電池之方法，包含以下步驟：(a)形成一電池殼體，其包括電連接至該電池殼體之一封蓋，該電池殼體係電絕緣於一第一端子而電連通於一第二端子；(b)配置一第一電極與一第二電極於該電池殼體之內，第一與第二電極係分別電連通於該電池之第一端子與第二端子；(c)配置一正熱係數層於該電池殼體的該封蓋之上，該正熱係數層具有隨著溫度提高而提高之電阻率，且電連通於該電池之該第一端子； (d)配置一第一導電層與一第二導電層於該電池殼體的該封蓋之上，其中，該正熱係數層係位於該第一導電層與該第二導電層之間，且該第二導電層之至少一部分係該第一端子之至少一構件、或為電連接至該第一端子；及(e)形成一饋通元件，其電連接該電池之該第一電極至該第一端子，其中，該第一導電層實際連接至該饋通元件且位於該饋通元件之上，而該電池殼體的該封蓋、該第二導電層、與該正熱係數層之各者係界定一貫通孔，透過該貫通孔，該饋通元件係連接至該第一導電層。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中，該饋通元件係形成以電絕緣於該電池殼體的該封蓋、該第二導電層、與該正熱係數層之各個貫通孔，而該饋通元件係經由該第一導電層表面接觸該正熱係數層的一部分、且經由該第二導電層表面接觸該正熱係數層的一部分而電連通於該第二導電層。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該正熱係數層係覆蓋該第二導電層表面的一部分，藉此，並未由該正熱係數層所覆蓋之該第一導電層表面的一部分係作為該第一端子。
  22. 如申請專利範圍第19項之方法，更包括以下步驟：形成至少一個通風機構於該電池殼體上，透過該通風機構，當該電池內側的壓力係大於一預定值，該電池之內的氣體係可釋放。
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