TWI463726B - 具有安全性修飾極耳之鋰電池 - Google Patents

Description

具有安全性修飾極耳之鋰電池

本發明係與使用鋰電池的極耳有關，特別有關於鋰電池極耳的安全性修飾。

鋰電池發展蓬勃，應用相當廣泛，從可攜式電子產品到電動汽、機車開發量產，高容量、高功率的電池不斷推出，使得電池設計複雜化，危險性提升，各家業者為了提升電池的安全性，在設計上加入洩壓閥(Safety Valve)、正溫度係數(Positive Temperature Coefficient，PTC)電阻元件、電流遮斷裝置(Current Interrupt Device，CID)、散熱裝置，以及藉由電子電路板設計來監測各單元電池的電壓、電流及溫度等都是常見的手法，但這些安全設計並不能完全預防鋰電池的內短路問題。

造成內短路的原因很多，如鋰電池製程污染，或遭受過充、過放、不當加熱、受外部壓力造成構造破裂變形等，不同因素所引發的內短路程度及危害性也都不同，當然電池內部的正負極材料、隔離膜、電解液的選用是影響電池危害程度最主要因素。

要根本解決鋰離子電池的安全問題，最好的方法絕對不是基於靈感的試誤法（Try & Error），其必須從電池的基本組成材料、電池結構設計及電池組電池堆疊排列幾何設計三方面同時著手，電池芯廠必須在前兩項進行努力，電池模組廠則主要以第三項配合電池管理系統(Battery Management and Monitoring Systems，BMS)來合理且安全的使用電池。若要避免無效率或成效不彰的試誤法，最有效的方法就是建立有學理依據的電池熱失控模型。

根據Journal of power sources 194（2009）550-557文獻資料指出，在電池內部短路發生時，釋放出的能量以及溫度在四種典型的內部短路情形中，亦即型式I：兩電流收集片之間的短路；型式II：銅金屬（負極片）電流收集片與正極活性物質之間的短路；型式III：鋁金屬（正極片）電流收集片與負極活性物質之間的短路；型式IV：正極活性物質與負極活性物質之間的短路，以型式III鋁金屬電流收集片與負極活性物質的接觸時產生最大能量以及最高溫，顯示此種短路狀態為最嚴重短路，因此希望在電池當中能有一保護機制避免正極片極耳上的鋁金屬在隔膜收縮的情況下與負極活性物質直接接觸，引發電池內部嚴重短路，以提升電池安全性。

有鑑於此，本發明人為改善並解決上述之缺失，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明之一目的，在於提供一種具有安全性修飾極耳之鋰電池。

為了達成上述之目的，本發明係一種具有安全性修飾極耳之鋰電池，包括:具有多個正極耳之正極片、具有負極耳之負極片及夾置在正極片與負極片之間的隔離膜，其中正、負極耳上的預定位置塗佈有絕緣層。該預定位置係該等正極耳及該等負極耳下部高度1至2毫米，但不超出3毫米，因為超出3毫米可能會影響轉焊導柄。

本發明之具有安全性修飾極耳之鋰電池，藉由在正、負極耳上的預定位置塗佈有絕緣層，當電池內短路持續發生時，不會立即發生危險，可抑制電壓立即歸零，使電壓以緩慢的速度下降，溫升速度緩和，此機制可有效阻止電池熱失控的發生。

有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

第一圖係本發明一實施例鋰電池正負極片與隔離膜之相對位置圖 。第一圖中，具有安全性修飾極耳之鋰電池10，包括:具有多個正極耳101之正極片102、具有負極耳103之負極片（未圖示）及夾置在正極片102與負極片之間的隔離膜105，其中正極耳101上的預定位置塗佈有絕緣層106、負極耳上的預定位置塗佈有絕緣層（未圖示）。該預定位置係該等正極耳及該等負極耳下部高度1至2毫米，但不超出3毫米，因為超出3毫米可能會影響轉焊導柄。

以下說明具有安全性修飾極耳之鋰電池10的製造方法，在鋰電池10之正極片102的正極耳101上，以聚氧化乙烯：氧化鋁：乙醇為1~2:2~4:50~100的比例配方，較佳的比例配方為聚氧化乙烯：氧化鋁：乙醇為2:4:100塗佈在該等正極耳及該等負極耳下部高度1至2毫米處。絕緣層厚度係1至5微米。接著，將焊有正極耳101的正極片102、焊有負極耳103的負極片疊片捲繞製成例如Z字型捲繞之電池並完成活化。

接著，對具有安全性修飾極耳之鋰電池進行安全性測試，並拆解及觀察測試完之電池內部變化。

（130℃高溫測試）

將鋰電池放在烤箱中，升溫至130℃後保持50分鐘，如第二圖所示，130℃高溫測試的部分累積各三組資料A1、B1與C1曲線為有作極耳修飾，而A2、B2與C2曲線為77Ni對照組，由曲線趨勢可以看出在實驗過程中，有作極耳修飾的實施例組其電壓值保持較為穩定，且一直到實驗結束後仍能維持在4V左右；然而對照組的77Ni卻電壓相當的不穩定且不斷跳動在最後甚至有0V的情況出現。

由以上結果，可以推論在實驗過程中對照組的77Ni電池具有較為激烈的內短路發生所以造成其電壓的不穩定，而在實施例組的電池中並沒有此嚴重短路的情形發生。此時觀察電池內部相對關係，對照組的77Ni電池之隔離膜部分已收縮至負極片以下造成鋁金屬（正極片）電流收集片與負極活性物質之間的短路情況發生,而實施例組電池因有修飾極耳造成短路情形不明顯電壓維持穩定。

另外，在拆解130℃測試後電池發現，對照組的77Ni電池正極耳下方隔離膜收縮嚴重甚至有極片黑點，以及隔離膜變色的情況產生，顯示有較嚴重的短路情形產生。然而，在實施例組的電池中隔離膜收縮則沒有如此明顯，且沒有極片黑點以及隔膜變色的情形產生，顯示內部短路情形較輕微。

（150℃高溫測試）

將鋰電池放在烤箱中，升溫至150℃後保持50分鐘，在150℃高溫測試的情況中，由第三圖所示，兩組資料D1與E1曲線為有作極耳修飾，而D2曲線為77Ni對照組之電壓曲線，可得知D2曲線代表之對照組的77Ni電池在150℃的條件下發生破袋燃燒的現象，而D1與E1曲線代表之實施例組的電池卻沒有此現象發生，且電壓仍能維持在3V左右，同樣也顯示極耳修飾的電池具有較少的內部短路及較高的安全性。

此時觀察電池內部相對關係，對照組的77Ni電池之隔離膜部分已收縮至負極片以下造成嚴重鋁金屬（正極片）電流收集片與負極活性物質之間的短路情況發生,而實施例組電池因有修飾極耳造成短路情形較不明顯電壓維持較穩定。

（針刺測試（nail penetration））

主要針對電池芯在內短路的耐受性測試，電池在測試過程中以不爆炸、不起火燃燒之現象，作為判定電池通過測試之依據。針刺測試是利用尖端直徑為5毫米的鎢鋼針，控制鋼針移動速度為10 mm/s，朝電池之殼體擠壓，在不刺穿殼體下，造成內部捲繞的電極片受到擠壓形成局部短路，當量測到電池瞬間電壓降幅度大於或等於100 mV時，鋼針停止動作，並停留在原處，觀察電池之外觀、電壓變化、電池升溫情況，也可利用紅外線熱像測溫儀觀測整顆電池之溫度擴散行為及分布，幫助了解電池短路情形，是一種較為簡單的短路測試方法。

第四圖係本發明之一實施例的具有極耳修飾之鋰電池針刺測試之溫度變化曲線圖。第五圖係與第四圖比較的未具有極耳修飾之鋰電池針刺測試之溫度變化曲線圖。如第四圖與第五圖所示，在針刺實驗中溫度曲線F1、G1、H1、I1和J1與溫度曲線F2、G2、H2、I2和J2的差異並不明顯，最高溫皆會達到450℃左右。但觀察針刺的影片（未圖示）中可發現極耳修飾的電池其破袋燃燒發生的速率較慢，火焰噴出較不劇烈。

因此，由高溫測試可以發現，不論是在130或150℃的條件下，77Ni以及極耳修飾的電池之間皆有明顯的安全性差異，可以由測試過程中的電壓比較以及溫度變化看出，77Ni甚至在150℃的條件下會有破袋燃燒的情況發生。

拆解電池後可觀察到電池內部短路情形亦為77Ni較為嚴重，並可與電壓曲線相呼應;而由此可推斷高溫測試的短路機制是為兩階段性，首先外界產生之高溫造成隔離膜收縮使正極極耳端與負極接觸並產生短路，而此時短路的嚴重性就影響短路點的放熱量，進而造成隔離膜更嚴重的收縮引發更嚴重的短路，甚至是點燃電解液造成燃燒。

在針刺測試中，則可發現溫度上的差異並不明顯，但在針刺過程中實施例組具有極耳修飾電池的反應速度較慢，產出火焰的量也較少。

藉由以例如氧化鋁之陶瓷材料在極耳上的塗佈可以顯著的提升電池對於高溫測試的安全性，以及減少內部短路的嚴重性。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，非用以限定本發明之專利範圍，其他運用本發明之專利精神之等效變化，均應俱屬本發明之專利範圍。

10．．．鋰電池

101．．．正極耳

102．．．正極片

103．．．負極耳

105．．．隔離膜

106．．．絕緣層

第一圖係本發明之一實施例的鋰電池正負極片與隔離膜之相對位置圖。

第二圖係本發明之一實施例的鋰電池與未具有極耳修飾之鋰電池在130℃高溫測試電壓變化曲線圖。

第三圖係本發明之一實施例的鋰電池與未具有極耳修飾之鋰電池在150℃高溫測試電壓變化曲線圖。

第四圖係本發明之一實施例的具有極耳修飾之鋰電池針刺測試之溫度變化曲線圖。

第五圖係與第四圖比較的未具有極耳修飾之鋰電池針刺測試之溫度變化曲線圖。

10．．．鋰電池

101．．．正極耳

102．．．正極片

103．．．負極耳

105．．．隔離膜

106．．．絕緣層

Claims (5)

1. 一種具有安全性修飾極耳之鋰電池，包括:
   一具有多個正極耳之正極片；
   一具有多個負極耳之負極片；及
   夾置在該正極片與該負極片之間的一隔離膜，其中該等正極耳及該等負極耳上預定位置塗佈有一絕緣層。
2. 如請求項1所述之具有安全性修飾極耳之鋰電池，其中該絕緣層含有氧化鋁。
3. 如請求項1所述之具有安全性修飾極耳之鋰電池，其中該絕緣層包含聚氧化乙烯、氧化鋁及乙醇，聚氧化乙烯：氧化鋁：乙醇的比例為1~2:2~4:50~100。
4. 如請求項1所述之具有安全性修飾極耳之鋰電池，其中該預定位置係該等正極耳及該等負極耳下部高度1至2毫米。
5. 如請求項1所述之具有安全性修飾極耳之鋰電池，其中該絕緣層厚度係1至5微米。