TWI485908B - 用於鋰離子電池之電流中斷裝置(cid)維持裝置 - Google Patents

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Description

用於鋰離子電池之電流中斷裝置(CID)維持裝置
本發明概略關於鋰離子電池,並且特別是有關於一種用於鋰離子電池的CID維持裝置。
在可攜式電裝置裡的鋰離子電池通常會根據其使用方式而進行不同的充電、放電及儲存過程。運用鋰離子電池化學的電池在當該等被不適當地充電、短路或受曝於高溫時可能會產生氣體。此氣體可具燃燒性,並且可能損害到此等電池的可靠性及安全性。通常運用一電流中斷裝置(CID)以藉由當一電池內部之壓力大於一預定值時中斷來自該電池的電流路徑,俾提供對抗該電池裡任何過度內部壓力增加的保護。該CID通常含有彼此電連通的第一及第二導體板。該等第一及第二導體板又分別地電連通於該電池之一電極及一終端。該第二導體板會在當該電池內之壓力大於一預定值時分離於(亦即變形離出或是自其而脫離)該CID的第一導體板,藉此中斷在該電極與該終端之間的電流。
然而,一般說來,業界已知的CID是在一例如大於約15kg/cm2 之內部錶計壓力的相對高壓處啟動。而通常當出現有任何觸發此CID啟動的過度內部壓力增加時,該電池的內部溫度也會相當地高而造成額外的安全問題。在相當大型的電池裡,像是大於「18650」電池(此者具有約18mm 的外徑及65mm的長度)的電池,高溫係一特別受到關注的課題。因而確需一種適用於電池,特別是運用於相當大型的電池,而能夠減少前述安全問題或者予以最小化的CID。
本發明概略地關於一種低壓力CID;關於一種電池,像是鋰離子電池,而其含有此一低壓力CID;關於一種製造此一低壓力CID的方法;以及關於一種製造此一電池的方法。該CID通常含有一第一導體板以及一電連通於該第一導體板的第二導體板。可在當該等板之間的錶計壓力位在一範圍內時,例如約4kg/cm2 到約10kg/cm2 或是約4kg/cm2 到約9kg/cm2 ,將該電連通中斷。
在一具體實施例裡,本發明係針對於一CID,其含有一第一導體板及一第二導體板。該第一導體板含有:一截頭柱體(frustum),此者具有一第一末端及一第二末端;一基底,此者係自該截頭柱體之第一末端的周邊按徑向延伸;以及一基本上為平面的覆帽,此者封住該截頭柱體的第二末端。該第一末端具有一比起該第二末端為較寬廣的直徑。該第二導體板最好是經由一焊接而電接觸於該基本上為平面的覆帽。
在另一具體實施例裡,本發明是針對於一種電池,最好是一鋰離子電池,此者含有至少一如前述之CID。該電池進一步包含一電池罐,此者具有一電池外殼及一蓋子而該等彼此電連通。該電池進一步含有一第一終端及一第二 終端。該等第一及第二終端係分別地電連通於該電池的一第一電極及一第二電極。在該電池裡,該CID的基底鄰近於像是該電池外殼或該蓋子的電池罐,並且該基本上為平面之覆蓋遠離該電池罐。該電池罐電絕緣於該第一終端,並且該電池罐之至少一部分係該第二終端的至少一元件,或係電連接至該第二終端。
又在另一具體實施例裡,本發明係係針對於一鋰離子電池,其含有一CID,而此者包含一第一導體板及一第二導體板。該第二導體板係電連通於該第一導體板。該鋰離子電池進一步含有一電池罐,此者具有一電池外殼及一蓋子而該等彼此電連通。該CID的第一導體板係電連通於該電池罐。當該等板間的錶計壓力是在約4kg/cm2 到約9kg/cm2 之範圍間時,即中斷此電連通。
本發明亦包含一種製造一CID的方法。該方法包含如下步驟,即構成一第一導體板並構成一第二導體板。該第一導體板含有:一截頭柱體,此者具有一第一末端及一第二末端;一基底,此者係自該截頭柱體之第一末端的周邊按徑向延伸;以及一基本上為平面而封住該截頭柱體之第二末端的覆帽。該截頭柱體之第一末端具有一比起該截頭柱體之第二末端為較寬廣的直徑。該製造一CID的方法進一步包含將該第二導體板焊接於該第一導體板之基本上為平面的覆帽上,同時該第一導體板的溫度係經控制而不致超過該第一導體板上一相對於該焊接之表面的熔點。
本發明亦包含一種製造如前述之本發明電池的方法。 該方法包含構成一CID,並且將該電池之一第一電極或一第二電極接附於該CID。該CID的構成處理包含構成一第一導體板,其含有:一截頭柱體,而此者具有一第一末端及一具有一直徑小於該第一末端者之第二末端;一基底,此者係自該截頭柱體之第一末端的周邊按徑向延伸;以及一基本上為平面而封住該截頭柱體之第二末端的覆帽。該CID之構成處理進一步包含構成一第二導體板,並且將該第二導體板焊接於該第一導體板之基本上為平面的覆帽上。該焊接執行的同時,該第一導體板的溫度係經控制,而不致超過該第一導體板上一相對於該焊接之表面的熔點。該方法進一步包含將該CID接附於一電池罐,此者含有一電池外殼及一蓋子,亦即接附至該電池外殼或該蓋子。該方法進一步包含構成:一第一終端,此者係電連通於該第一電極;以及一第二終端,此者係電連通於該第二電極。
本發明亦包含一種製造如前述之本發明鋰離子電池的方法。該方法包含構成一電池罐,此者含有一電池外殼及一蓋子而該等彼此電連通。構成一CID。該CID的構成處理包含:構成一第一導體板;構成一第二導體板;以及將該第二導體板焊接於該第一導體板上,且該第一導體板的溫度係經控制而不致超過該第一導體板上一相對於該焊接之表面的熔點。連接該第一導體板及該第二導體板的焊接在當該等第一與第二導體板間的錶計壓力在一約4kg/cm2 到約9kg/cm2 範圍之內時即告破裂。連至該CID之電池的 第一電極或一第二電極其一者係接附於該CID的第二導體板。該CID的第一導體板係接附於一電池罐(亦即連至該電池外殼或該蓋子)。在該電池罐的電池外殼上構成有至少一通氣裝置,而該電池內之氣體物質可在當該電池的內部錶計壓力於一約12kg/cm2 到約20kg/cm2 範圍之內時經此而離出。該製造一鋰離子電池之方法進一步包含將該蓋子焊接於該電池外殼上。連接該蓋子與該電池外殼的焊接在當該等第一與第二導體板之間的錶計壓力等於或大於約20kg/cm2 時即告破裂。在一特定具體實施例裡,連接該蓋子與該電池外殼的焊接在當該等第一與第二導體板之間的錶計壓力等於或大於約23kg/cm2 或約25kg/cm2 時即告破裂。該製造一鋰離子電池之方法進一步包含構成:一第一終端,此者係電連通於該第一電極;以及一第二終端,此者係電連通於該第二電極。
本發明中亦包含一電池套組,此者含有複數個如前述之電池。
在本發明之電池裡,該電流中斷裝置可在一相對低錶計壓力處啟動,例如在約4kg/cm2 到約10kg/cm2 的範圍內,並且中斷該電池的內部電流。本案申請人已發現,當本發明之低壓力CID在一約4kg/cm2 到約10kg/cm2 間的錶計壓力範圍內啟動時,於具有一稜柱「183665」組態並運用Li1+x CoO2 (0x0.2)及Li1+x9 Mn(2-y9) O4 (0.05x9, y90.15)混合物之鋰離子電池裡的平均電池外皮溫度可為低於約60℃。例如,在一該等鋰離子電池按一大於約4.2V之電 壓的過度充電測試過程中,會在約4kg/cm2 到約10kg/cm2 之間啟動本發明的CID,並於此刻該電池外皮溫度是在約50℃及約60℃的範圍內。該「183665」稜柱電池具有一約18mm×36mm的稜柱基底以及一約65mm的長度,此約為傳統「18650」電池大小的兩倍。因此,本發明可提供擁有遠獲改善之安全性的電池,尤其是相對大型的電池,以及含有此等電池的電池套組。
此外,本發明可提供能夠按其最大電壓,例如每個電池系列之區塊為4.2 V,亦即擁有其完全容量,以進行充電的電池或電池套組。安全性考量通常是有關於與Li1+x CoO2 式系統在較高充電電壓處之放熱性電池化學相關聯的相對高溫。傳統的CID通常會在約15kg/cm2 之內部錶計壓力處中斷該電池的內部電流,而電池的電池溫度則可能會在該CID啟動並中斷該內部電流之前即已過高。若並未存在有電流中斷裝置,則電池或電池最終可能漏出,而這會導致不安全情況,因為溢漏的電池或電池組會排出電解質,其可引燃並造成火災。
相對地,本發明的CID可提供對於此等問題的解決方案,因為該等可令電池或是併入該等電池之電池套組能夠按其完全容量運行,然擁有比起通常存在於商業可獲用具體實施例為較低的風險,原因在於該等會在過度充電過程中於相對低溫處將電流中斷。因此,本發明的電池或電池套組可運用相當大型的電池,並且在當該等承受於像是過度充電之濫用情況時,可藉由降低電池內之熱散逸可能性 以提供改良的容量而具備更高的安全性。
在一些本發明具體實施例裡,該低壓力CID係電連通於該電池罐。此設計可提供改良的電池安全性,特別是在一並未使用捲皺覆帽設計的電池裡。使用捲皺覆帽設計之電池(例如可在今日市場上尋獲的鋼材罐圓柱體18650)經常會被環繞於罐組裝及材料的製造及安全課題所影響,這些課題包含此等罐可利用含鐵材料然此材料會隨著時間而腐蝕,以及該捲皺製程已知為此等電池內之金屬污染的可能來源。用於此等傳統電池中的CID裝置係捲皺於該電池罐之內,並與該電池罐電絕緣。使用非捲皺電池設計雖為已知,其包含運用稜柱形A1罐,然除併入於一些捲皺裝置之中以外,並未開發出CID以供使用於此等電池內。此外,利用捲皺方法以併入CID則通常無法有效率地運用空間,而這對於電池而言係一關鍵設計考量。相對地,本發明可以部份肇因於該CID係電連通於該電池罐之事實,藉由除捲皺以外的方式以將低壓力CID併入在一非捲雛電池罐之內。如此亦可以將類似材料運用在該CID及該罐(例如A1)的建構,並且消除與含鐵罐相關聯的疑慮。
在一些其他具體實施例裡,本發明運用一含有一錐形區段的CID,像是截頭柱體狀之第一導體板。該截頭柱體狀導體板可令該CID在一比起現今所用然並未運用此一截頭柱體狀之類似大小裝置中所發現者為較低的壓力處啟動。這些低壓力係與改善之電池安全性,尤其是就以在過度充電濫用情境過程中的電池安全性而言,密切相關。特 別是在該截頭柱體狀第一導體板具有一封住該截頭柱體末端之平面覆帽,並且該第一導體板係在該平面覆帽處電連通於該第二導體板之具體實施例裡,此平面覆帽可讓該等兩個板焊接而彼此相連。利用適當的焊接技術,即能例如藉由控制焊接位置或數量來至少部份地以按改善方式控制該等運用本發明CID之電池的啟動壓力。同時,運用該截頭柱體狀導體板的CID可提供電流中斷功能,並可針對於整體高度及截面兩者而言在該電池裡佔用顯著減少的空間量,因此可將更多的空間運用在與該電池之電力產生特點直接相關的材料上。同時,本發明可按一就以時間、成本及品質考量而言皆具效率性的製程來製造一CID裝置。尤其,即以品質來說,該截頭柱體形狀可讓本發明之CID能夠完成在一狹窄範圍內的壓力啟動,並因而能夠提供該電池的更佳電池設計。
可自下列之本發明範例性的具體實施例的特定說明,例如隨附圖式中所示者,而顯知前揭說明,其中在全篇不同視圖裡類似參考編號或代號是指相同部份。該等圖式未必依比例所繪製,而是強調說明本發明的具體實施例。
例如本文中所使用者,本發明電池之「終端」意思是外部電路與其相連接的電池部份或表面。
本發明電池通常含有:一第一終端,此者電連通於一第一電極;以及一第二終端,此者電連通於一第二電極。 該等第一及第二電極係例如按一「果凍捲」(jelly roll)形式而納入在本發明電池的電池外殼之內。該第一終端可為電連通於該電池正極之正終端,或電連通於該電池負極的負終端,並且對於該第二終端亦同。最好,該第一終端係一負終端而電連通於該電池的負極,並且該第二終端係一正終端而電連通於該電池的正極。
例如在此所使用者,該詞彙「電連接」或「電連通」或「電接觸」意思是某些部份係藉由電子透過導體而行流所彼此連接,例如相對於電化學連接,後者則是牽涉到例如Li+ 之離子透過電解質的行流。
本發明電池之CID可在例如約4kg/cm2 到約10kg/cm2 間之範圍裡,像是約4kg/cm2 到約9kg/cm2 之間、約5kg/cm2 到約9kg/cm2 之間、或者約7kg/cm2 到約9kg/cm2 之間的內部錶計壓力處而啟動。例如在此所使用者,該CID的「啟動」是指一電裝置通過該CID的電流被中斷。在一特定具體實施例裡,本發明之CID含有一第一導體板以及一第二導體板,而該等彼此為電連通(例如藉由焊接、捲皺、鉚接方式等等)。在此CID裡,該CID的「啟動」意思則是該等第一與第二導體板之間的電連通被中斷。最好,當該第二導體板自該第一導體板而分離時(例如變形離出或是自其而脫離),在該第一導體板裡不會發生破裂情況。
在一些具體實施例裡,本發明電池之CID運用一第一導體板及一第二導體板,此第二導體板與該第一導體板和該電池之電池罐為電連通且壓力連通(亦即像是氣體之流 體),而此CID在一位於例如約4kg/cm2 到約9kg/cm2 之間的範圍裡,像是約5kg/cm2 到約9kg/cm2 之間和約7kg/cm2 到約9kg/cm2 之間的內部錶計壓力處啟動。最好,在這些具體實施例裡,該第一導體板含有一錐形或圓頂形部份。尤其,該錐形或圓頂形部份之頂部(或覆帽)的至少一部分基本上為平面為佳。最好,該等第一及第二導體板在該基本上為平面的覆帽的一部分處係直接地彼此接觸。更好地,該第一導體板含有一截頭柱體,而此者擁有一基本上為平面的覆帽。
圖1顯示本發明之CID的一特定具體實施例。圖1所示之CID 10含有第一導體板12及第二導體板24。例如圖2A-2C所示,該第一導體板12含有截頭柱體14,此者含有第一末端16及第二末端18。該第一末端16具有一比起該第二末端18為較寬廣的直徑。該第一導體板12亦含有基底20,此者係自該截頭柱體14之第一末端16的周邊按徑向延伸。一基本上為平面的覆帽22封住該截頭柱體14的第二末端18。例如在此所使用者,該詞彙「截頭柱體」(frustum)是指一實心正圓形錐體(亦即由一直角三角形繞於其一支腳而旋轉所產生的實心體)藉由截除由兩個平行平面之間所相交之頂部而成的基壁部份(除底部及頂部末端以外)。
例如在此所使用者,該詞彙「基本上為平面的覆帽」是指一平面覆帽,此者含有一足夠仿似於一平面的表面以供潛在隨機地於一個以上點接觸到一平面表面,並從而該 平面覆帽及該平面表面可藉由一像是點焊處理的適當方式而熔合。在一些具體實施例裡,會將該基本上為平面的覆帽因組裝或者因製造而具該基本上為平面的覆帽的第一導體板以供構成該CID 10(例如藉由將該第一導體板12焊接於該第二導體板24)所致生之變形視為是基本上為平面者。
最好,平坦覆帽22及/或基底20具有一在約0.05毫米至約0.5毫米間之範圍內,像是在約0.05毫米至約0.3毫米間、約0.05毫米至約0.2毫米間、約0.05毫米至約0.15毫米間(例如約0.127毫米(或約5毫英吋))的厚度(圖2C中依參考字元「d」所表示)。
最好,該平坦覆帽22的直徑(圖2C中依參考字元「b」所表示)是在一約2毫米至約10毫米間之範圍內,最好是在約5毫米至約10毫米間,甚至最好是在約5毫米至約8毫米間(例如在約0.20英吋至約0.25英吋間),像是約5.5毫米(或約0.215英吋)。
最好,該基本上為平面的覆帽22自該基底20起算的高度(圖2C中依參考字元「c」所表示)是在一約0.5毫米至約1毫米間之範圍內,最好是在約0.6毫米至約0.8毫米間之範圍,像是約0.762毫米(或約0.315英吋)。
最好,該截頭柱體14具有一相對於一平行於該基底20之平面而在約15度至約25度間之範圍內的角度,像是在約18度至約23度間或是在約19度至約21度間。特別是最好該截頭柱體14具有一相對於一平行於該基底20之平 面而為約21度的角度。最好該截頭柱體14具有一在約1:1.20至約1:1.35間之範圍內,像是在約1:1.23至約1:1.28間的第一末端16對第二末端18直徑比(亦即圖2C中「b」對「a」的比例)。
該第二導體板24係電且壓力(亦即像是氣體的流體)連通於該第一導體板12。最好,該第二導體板24界定至少一開口26,而該第一導體板12及該第二導體板24係經此彼此壓力連通。該第二導體板24之一具體實施例可如圖3A-3C所示。例如圖3A及3B所示,該第二導體板24界定至少一開口26,而該第一導體板12及該第二導體板24係經此彼此壓力(例如氣體)連通。最好,該第二導體板24含有一凸起(或凹入)28,並因而具有平坦側邊30及凹入側邊32(圖3C)。現回返參照圖1,該第二導體板24的平坦側邊30面朝向該第一導體板12。該第二導體板24係電連通於該第一導體板12的基本上為平面的覆帽22,並且最好此為透過焊接方式。最好,連接該第一導體板12之基本上為平面覆帽22及該第二導體板24的焊接係位於凹入28的平坦側邊30處。最好,該焊接係至少一點焊接,像是單一、二、三或四個。更好則是該等點焊接之至少一者含有鋁。甚至更佳者為該焊接為兩個點焊接。最好,此等兩個點焊接係彼此相離。
任何業界已知的適當焊接技術皆可用以焊接該等第一及第二導體板12和24。最好,在本發明裡是運用一雷射焊接技術。更佳者係在焊接處理過程中(例如電射焊接處 理),該第一導體板12之溫度係經控制而不致超過該第一導體板相對於該焊接之表面的熔點。可利用任何業界已知的適當冷卻方法以達成此一控制。最好,該第二導體板24中鄰近於與該第一導體板12之焊接處的厚度是等於或大於該第一導體板12中鄰近於該焊接處的一半,然小於該第一導體板鄰近於該焊接處的厚度。
現參照返回圖1,該CID 10可視需要含有末端板34。該末端板34之一特定具體實施例可如圖4所示。該末端板34含有第一凹入36及第二凹入38。該第一凹入36的直徑(如圖4參考字元「a」所表)最好是共終端於該第一導體板12之基底20的外徑(如圖1所示)。例如在此所使用者,該詞彙「共終端」(co-terminus)意思是該第一凹入36的直徑基本上是與該第一導體板12之基底20的外徑相同或者是較其些略大,例如約101%至約120%(例如約110%)。該第一凹入36的深度(如圖4參考字元「b」所表)係例如略微地小於該第一導體板12之基底20的厚度(如圖2C參考字元「d」所表),如約90%。該第二凹入38當其反置時可容納該第一導體板12的截頭柱體14。此第二凹入38最好是共終端於該第一導體板12之截頭柱體14的第一末端16(如圖1所示)。例如在此所使用者,該詞彙「共終端」意思是該第二凹入38的直徑(如圖4參考字元「c」所表)基本上是與該截頭柱體14的覆帽22相同或者是較其些略大,例如約101%至約120%(例如約103%)。該第二凹入38的深度(如圖4參考字元「d」所表),例如自該第 一凹入36所測得者,係略微地大於該第一導體板12之高度(如圖2C參考字元「c」所表),如約110%至約130%(例如約125%)。
例如圖1所示,該第一導體板12及該末端板34係彼此電接觸。此電接觸可為由任何業界已知的適當方法所達成,例如藉由焊接、捲皺、鉚接方式等等。最好,該第一導體板12及該末端板34係彼此焊接。可運用任何業界已知的適當焊接技術。最好,該第一導體板12及該末端板34為氣密接合。最好,在本發明中是運用一雷射焊接技術。更佳者係利用一圓周雷射焊接技術,而例如藉由在這兩部份之間的圓周介面處進行縫隙焊接或是藉由在該第一導體板12之基底20處進行穿透焊接,以氣密接合該第一導體板12及該末端板34。最好,該焊接係繞於該基底20的中部或是該基底20的邊緣(分別地如圖1參考字元「a」及「b」所表)而按圓周方式所設置。最好,在焊接處理過程中(例如雷射焊接製程),該第一導體板12的溫度係經控制而不致超過該第一導體板上一相對於該焊接之表面的熔點。可利用任何業界已知的適當冷卻方法以達成此溫度控制。
該第一導體板12、該第二導體板24及該末端板34可由任何業界已知而可用於一電池的適當導體所製成。該等適當材料的範例包含鋁、鎳及銅,而最好以鋁為宜,像是Aluminum 3003系列(例如該第二導體板24及該末端板34為Aluminum 3003 H-14系列,並且該第一導體板12為Aluminum 3003 H-0系列)。最好,該第一導體板12及該 第二導體板24是由大致相同的金屬所製成。更佳者係該第一導體板12、該第二導體板24及該末端板34是由大致相同的金屬所製成。例如在此所使用者,該詞彙「大致相同的金屬」是指在一給定電壓處,例如一電池之操作電壓,具有大致相同化學及電化學穩定性的金屬。在一特定具體實施例裡,該第一導體板12及該第二導體板24之至少一者含有像是Aluminum 3003系列的鋁。在一更特定的具體實施例裡,該第一導體板12含有鋁,而比起該第二導體板者較為柔軟。最好,該第一導體板12及該第二導體板24兩者皆含有鋁。甚至更佳者,該第一導體板12、該第二導體板24及該末端板34皆含有像是Aluminum 3003系列的鋁。
該第一導體板12的該截頭柱體14及平坦覆帽22、該第二導體板24的凸起28以及該末端板34的凹入36及38可由任何業界已知的適當方法所製成,例如藉由沖壓、印壓及/或研磨技術。
現參照返回圖1,在一較佳具體實施例裡,本發明CID在該第一導體板12的一部分與該第二導體板24的一部分之間進一步含有維持器40(例如電絕緣層、環體或墊片)。該維持器40,像是一電絕緣環體,在該截頭柱體14之附近並於該第一導體板12的基底20與該第二導體板24之間延伸。
該維持器40之一特定具體實施例可如圖5A-5C以及圖6A和6B所示。圖5A-5C以及圖6A和6B所示之維持 器40含有一絕緣器42,像是一電絕緣環體,此者在該絕緣器42的周邊附近界定至少兩個溝槽43、45。該維持器40進一步包含像是一金屬環的環體44,此者具有籤片46。例如圖6A及6B所示,該環體44可停駐於該溝槽45內,並且該第二導體板24可停駐於該溝槽43內。籤片46可為插入地(maleably)調整且固接於該蓋子106的金屬表面(或屬該蓋子之一部份的末端板表面),而該第一導體板12則停駐於其上,藉此將該環體44固接在該第一導體板12上。例如圖5A及5B和圖6A及6B所示,籤片46的數量可為任意個數,例如一、二、三或四。
該維持器40之另一特定具體實施例可如圖7A及7B所示。圖7A及7B的維持器40係一絕緣體,像是一電絕緣環體,此者在該維持器40的周邊附近界定至少一開口48及溝槽50。例如圖7A所示,該第二導體板24可停駐於該溝槽50內。在此具體實施例裡,該第一導體板12最好是含有至少一籤片52。當該維持器40及該第一導體板12的基底20為同圓心時,該第一導體板12的籤片52以及該維持器40的開口48能夠對齊。該第一導體板12的籤片52可插入地調整以將該維持器40固接於該第一導體板12,例如圖7B所示。
可將本發明之CID,像是CID 10,納入在像是一鋰離子電池的電池內。圖8A及8D顯示兩個不同的本發明電池之電池100具體實施例(該等共集地稱為圖8A的電池100A及圖8D的電池100B)。圖8B顯示該電池100(其含有該CID 10)之一蓋子部分當自該電池內側而觀看時的仰視圖。圖8C及8F分別地顯示圖8A電池100A以及圖8D電池100B之蓋子部分的一截面圖。
例如圖8A-8F所示,該電池100含有:CID 10;電池罐102,其含有電池外殼104及蓋子106;第一電極108;以及第二電極110。該第一電極108係電連通於該電池之一第一終端,並且該第二電極110係電連通於該電池之一第二終端。該電池外殼104及該蓋子106為彼此電接觸。該第一電極108之籤片(圖8A及8D中未予顯示)係電連接(例如藉由焊接、捲皺、鉚接方式等等)於一饋通裝置114的導電性第一元件116。該第二電極110之籤片(圖8A及8D中未予顯示)則為電連接(例如藉由焊接、捲皺、鉚接方式等等)於該CID 10的該第二導體板24。
該CID 10的特性,包含較佳特性,係如前文所述。詳細而言,在圖8A-8C及圖8D-8F裡,該CID 10含有第一導體板12、第二導體板24、末端板34及維持器40。例如圖8A及8D所示,在該電池100裡,該末端板34係該電池罐102之蓋子106的一部份。雖未圖示,然確可在本發明中運用分離的末端板34。該等第一導體板12、第二導體板24、維持器40及末端板34的特性,包含較佳特性,可如前文所述。最好,當該第二導體板24分離於該第一導體板12時,在該第二導體板24裡不會發生破裂情況,因此該電池100內的氣體不會經由該第二導體板24而逸出。該氣體可透過位於該電池外殼104處之一或更多通氣 裝置112(參見圖8A及8D)在當壓力持續增高並觸及一啟動該等通氣裝置112的預定值時能夠離出該電池100,此等通氣裝置將在後文中進一步詳述。在一些具體實施例裡,啟動該等通氣裝置112的預定值為一例如在約10kg/cm2 到約20kg/cm2 間之範圍內的內部錶計壓力,像是約12kg/cm2 到約20kg/cm2 間,而此預定值高於用以啟動該CID 10者,後者例如在約4kg/cm2 到約10kg/cm2 間或是約4kg/cm2 到約9kg/cm2 間。此特性有助於防止可能損及到正常運作之鄰近電池的過早氣體溢漏問題。因此,當本發明之電池套組內的複數個電池其一者受損時並不會危害到其他的健康電池。注意到適合於啟動該CID 10的該等錶計壓力值或子範圍以及用以啟動該通氣裝置112者係自眾多預定錶計壓力範圍中所選定,而使得該等選定壓力值或子範圍之間並無重疊。最好,用於啟動該CID 10的該等錶計壓力值或範圍,以及用以啟動該通氣裝置112者,其間差異達至少約2kg/cm2 ,且最好是差異達至少約4kg/cm2 ,甚更佳者差異達至少約6kg/cm2 ,像是約7kg/cm2
該CID 10可為按如前述方式所製作。可藉由任何業界已知之適當方式以將該CID 10接附於該電池100的電池罐102。最好,該CID 10係透過焊接而接附於該電池罐102,並且尤其是藉由將該第一導體板12焊接於該蓋子106的末端板34上者為佳,例如前文中對於本發明之CID所述者。
該電池100內雖為運用一單一CID 10,然確可將一個 以上的CID 10運用於本發明中。同時,在圖8A-8C及圖8D-8F裡描繪有與該第二電極110電接觸的CID 10,而在一些其他具體實施例裡,該CID 10可為電連通於該第一電極108以及罐饋通裝置114(饋通裝置114絕緣於該電池罐102),並且該第二電極110直接地電接觸於該電池罐102。在此等具體實施例裡,該CID 10並非電連通於該電池罐102。並且,在圖8A-8C及圖8E-8F裡,該CID 10雖描繪為位於該蓋子106的內部105中(參見圖8C及圖8F),然確可將本發明之CID 10設置在該電池100的任何適當位置處,例如在該電池罐102之側邊上或是在該蓋子106的頂側107處。
例如圖8C及8E所示,該饋通裝置114含有:第一導體元件116,此者係導電的;絕緣器118;以及第二導體元件120,此者可為該電池100的第一終端。例如在此所使用者,該詞彙「饋通」包含任何可將位在一由電池外殼及蓋子所界定之空間內的電池之電極連接於位在該所界定內部空間外部之電池元件的材料或裝置。最好,該饋通材料或裝置經過一由該電池之蓋子所界定的穿通孔洞而延伸。該饋通裝置114可像是藉由電極籤片的彎折、扭曲及/或折疊以穿過一電池之電池外殼的蓋子而不致變形,並因此能夠增加電池容量。而例如相較於傳統鋰電池,其中電流載荷籤片係摺疊或彎折進入一電池外殼內並焊接於內部電極,本發明的饋通裝置可因容積運用性的增加而潛在地提高電池容量(例如5-15%)。第一及第二導體元件116、120 可為由任何像是鎳之適當電導通材料所製成。任何業界已知的適當絕緣材料皆可運用於該絕緣器118。
該電池外殼104可由任何適當導體材料所製成,此者可在一電池(例如本發明之鋰離子電池)的給定電壓處就電及化學方面而言基本上皆為穩定。該電池外殼104之適當材料的範例包含鋁、鎳、銅、鋼、鍍鎳鐵、不鏽鋼及彼等之組合。最好,該電池外殼104係屬或含有鋁。該蓋子106之適當材料的範例為與該等為該電池外殼104所列者相同。最好,該蓋子106是由與該電池外殼104相同的材料所製成。在一些更佳之具體實施例裡,該電池外殼104及該蓋子106兩者是由鋁所構成,或其皆包含鋁。該蓋子106可藉由任何業界已知的適當方法(例如焊接、捲皺等等)以氣密地封住該電池外殼104。最好,該蓋子106及該電池外殼104係彼此焊接。最好,連接該蓋子106及該電池外殼104之焊接在當該蓋子106與該電池外殼104間的錶計壓力大於約20kg/cm2 時即告破裂。
在本發明之電池的一較佳具體實施例裡,該電池罐102之電池外殼104及蓋子106的至少一者係透過該CID 100而電連通於該電池100的第二電極110,例如圖8A及8D所示。該電池罐102係電絕緣於該第一終端120,並且該電池罐102之至少一部分為該電池100之一第二終端的至少一元件,或為電連接於該第二終端。在一更佳具體實施例裡,該蓋子106之至少一部分或該電池外殼104之底部作為該第二終端。
例如圖8C及8F所示,該電池罐102之至少一部分,例如該蓋子106或該電池外殼104的底部末端,可為該電池100的第二終端。或另者,該電池罐102之至少一部分可為該第二終端的至少一元件或是電連接於該第二終端。該電池罐102的蓋子106係藉由該絕緣器118,像是一絕緣墊片或環體,以電絕緣於該饋通裝置114。該絕緣器是由適當絕緣材料所構成,像是聚丙烯、聚偏氟乙烯(PVF)、自然聚丙烯等等。最好,該第一終端係一負終端,並且該電池100中電連通於該電池罐102的第二終端為一正終端。
現參照返回圖8A及8D,在一些較佳具體實施例裡,該電池外殼104含有至少一通氣裝置112,藉以作為在必要時,像是當該鋰離子電池100內的氣體高於一數值時,例如一內部錶計壓力在約10kg/cm2 到約20kg/cm2 範圍內,例如在約12kg/cm2 到約20kg/cm2 間或是在約10kg/cm2 到約18kg/cm2 間,可做為用於排通內部氣體物質的裝置。應瞭解確可運用任何適當類型的通氣裝置,只要該裝置在正常電池操作條件下能夠提供氣密封住即可。各種適當的通氣裝置範例可如於2005年9月16日申請之美國臨時專利申請案第60/717,898號案文所述者,玆將該案教示按其整體而依參考方式併入本案。
該通氣裝置112之特定範例包含通氣刻縫。例如在此所使用者,該詞彙「刻縫」(score)是指一電池外殼(像是電池外殼104)之(多個)區段的部份刻入,此者係設計以讓該 電池壓力及任何內部電池元件能夠在一界定內部壓力處被釋放。最好,該通氣裝置112係一通氣刻縫,更尤其是以有方向地定位而離於一使用者/或鄰近電池的通氣刻縫為宜。在本發明中可運用一個以上的通氣刻縫。在一些具體實施例裡可運用圖案化的通氣刻縫。該等通氣刻縫可在產生該電池外殼形狀之過程中相對於該電池外殼材料的主要伸展(或拉取)方向而為平行、垂直、對角方式。亦可將像是深度、形狀及長度(大小)的通氣刻縫性質納入考量。
本發明之電池可進一步含有一正熱係數層(PTC),此者電連通於該第一終端或該第二終端,且最好是電連通於該第一終端。適當的PTC材料係業界所眾知者。一般說來,適當的PTC材料為該等在當受曝於超逾一設計門檻值的電流時,其導電性會隨著溫度而按多個數量級之方式(例如104 或106 以上)降低者。一旦該電流減至低於一適當門檻值時,該PTC材料通常可大致返回到初始的電阻性。在一適當具體實施例裡,該PTC材料包含其中含有微量半導體材料的多晶陶瓷,或是一塑膠或聚合物切片而其內嵌入有碳顆粒。當該PTC材料的溫度觸及一關鍵點時,該半導體材料或是其內具有碳顆粒之塑膠或聚合物會構成一對於電流的阻障,並且導致電阻陡峭地提高。可藉由調整該PTC材料之組成以改變該電阻會陡峭地提高的溫度點,例如業界所眾知者。該PTC材料之「操作溫度」係一在此該PTC可展現出一其最高及最低電阻之間約一半之電阻性的溫度。最好,本發明中所運用之PTC層的操作溫度是在約70∘攝 氏度至約150∘攝氏度之間。
特定的PTC材料範例包含含有微量鈦酸鋇(BaTiO3 )的多晶陶瓷,以及其內嵌入有碳顆粒的聚烯烴。商購可獲用而含有一夾置於兩個導體金屬層間之PTC層的PTC疊層範例包含Raychem公司所製造的LTP及LR4系列。一般說來,該PTC層具有一約50μm至約300μm間之範圍的厚度。
最好該PTC層含有一導電表面,而其總面積為該電池100的蓋子106或底部之總表面積的至少約25%或至少約50%(例如約48%或約56%)。該PTC層之導電表面的總表面積可為該電池100的蓋子106或底部之總表面積的至少約56%。該PTC層的導電表面可佔據達該電池100之蓋子106的100%表面積。或另者,該電池100底部的全部或一部份可為由該PTC層的導電表面所佔據。
可將該PTC層放置在該電池罐的外部處,例如在該電池罐的一蓋子上。
在一較佳具體實施例裡,該PTC層是位於一第一導體層與一第二導體層之間,並且該第二導體層的至少一部分為該第一終端之至少一元件,或為電連接於該第一終端。在一更佳具體實施例裡,該第一導體層係連接於該饋通裝置。此一夾置於該等第一及第二導體層間之PTC層的適當範例可如於2006年6月23日申請之美國專利申請案第11/474,081號案文所述者,茲將該案教示按其整體而依參考方式併入本案。
在一較佳具體實施例裡,本發明之電池含有:電池罐102,此者含有該電池外殼104及該蓋子106;至少一CID,此者最好是如前所述之CID 10,且電連通於該電池之第一及第二電極的其一者;以及至少一位在該電池外殼104上的通氣裝置112。例如前述,該電池罐102係電絕緣於與該電池之第一電極相電連通的第一終端。該電池罐102至少一部分是與該電池之第二電極相電連通的第二終端之至少一元件。該蓋子106係焊接於該電池外殼104上,使得該焊接蓋子在一高於約20kg/cm2 之內部錶計壓力處會脫離於該電池外殼104。該CID含有一第一導體板(例如該第一導體板12)及一第二導體板(例如該第二導體板24),且最好是藉由焊接方式以彼此電連通。此電連通會在一約4kg/cm2 到約9kg/cm2 間、約5kg/cm2 到約9kg/cm2 間或是約7kg/cm2 到約9kg/cm2 之間的內部錶計壓力處被中斷。例如,該等第一及第二導體板係彼此焊接,例如雷射焊接,使得該焊接在該預定錶計壓力處破裂。構成至少一通氣裝置112,藉以當一內部錶計壓力在約10kg/cm2 到約20kg/cm2 間或是在約12kg/cm2 到約20kg/cm2 間的範圍之內時可令以排通內部氣體物質。例如前述,注意到適合於啟動該CID 10之錶計壓力值或子範圍以及適合於啟動該通氣裝置112者係自該等預定錶計壓力範圍中所選定,使得該等選定壓力值或子範圍之間並無重疊。最好,用於啟動該CID 10的該等錶計壓力值或範圍以及用以啟動該通氣裝置112者,其間差異達至少約2kg/cm2 的壓力差,且最好達至少約 4kg/cm2 ,甚至更佳者為達至少約6kg/cm2 ,像是約7kg/cm2 。同時,注意到適合於該焊接蓋子106破裂而離於該電池外殼104的錶計壓力值或子範圍以及適合於啟動該通氣裝置112者係自所該等預定錶計壓力範圍中所選定,使得該等選定壓力值或子範圍之間並無重疊。最好,用於啟動該CID 10的該等錶計壓力值或範圍,以及用以啟動該通氣裝置112者,其間差異達至少約2kg/cm2 的壓力差,且最好是達至少約4kg/cm2 ,甚至更佳者為至少約6kg/cm2
最好,本發明之電池可再充電,像是一可充電式鋰離子電池。
最好,本發明之電池,像是鋰離子電池,在正常工作情況下具有一低於或等於約2kg/cm2 的內部錶計壓力。對於此一本發明電池,在一具體實施例裡,首先活化有作用的電極材料,然後再氣密地封住該電池的電池罐。
本發明之電池可為圓柱形(例如26650、18650或14500組態)或稜柱(堆疊或纏繞的,例如183665或103450組態)。最好,該等為稜柱,且更佳地具有一長矩形的稜柱形狀。本發明雖可運用所有類型的稜柱電池外殼,然一長矩形電池外殼部份地基於下列兩項特性而為較佳。
當比較具有相同外部容積的堆疊時,一長矩形狀之可獲用內部容積,像是該183665形式因數,大於兩個18650電池的容積。當組裝成一電池套組時,該長矩形電池完全地運用由該電池套組所佔據的較多空間。這可對內部電池元件提供新穎的設計變化來提高關鍵效能特性,而相對於 今日業界中所能發現者,實無須犧牲電池容量。由於可獲用容積較大之故,因此可選擇使用具有相對較長循環壽命及較高速率容量的較薄電極。此外,一長矩形罐具有較大的彈性。例如,相較於提供較低彈性的圓柱形狀罐,當進行充電而堆疊壓力增加時,長矩形狀的罐在腰部處具有較高彈性。所增加的彈性可減少電極上的機械疲勞,而這又可產生較長的循環壽命。並且,可藉由相對較低的堆疊壓力來改善電池內之分隔器的孔洞阻塞。
相較於該稜柱電池,對於該長矩形狀電池來說可獲致一特別所欲而能提供相當高安全性的特性。該長矩形狀提供適於該果凍捲的貼身配入,而這可將該電池所必須的電解質量降至最低。相對低量的電解質在一誤用情境中可獲致較少的可能反應材料,並因此具備較高安全性。同時,成本可因較低量的電解質而為較低。在一具堆疊化電極結構之稜柱罐的情況下,其截面係長方形狀,基本上雖可完全地運用其容積而無非必要的電解質,然此類型的罐設計較為困難,並因此自製造觀點來看成本較高。
現參照圖9,在一些本發明具體實施例裡,可在一電池套組中連接複數個本發明之鋰離子電池(例如2至5個電池),其中該等電池各者彼此為串聯、並聯或是按串聯且並聯。在一些本發明電池套組裡,該等電池之間無並聯情況。
最好,至少一電池具有一稜柱形狀電池外殼,並且更佳地為具有一長矩形狀電池外殼,例如圖8A所示。最好,該電池套組內之電池的容量通常是等於或大於約3.0Ah, 且更佳地是以等於或大於約4.0Ah為宜。而該等電池的內部阻抗最好是低於約50毫歐姆,且較佳為低於30毫歐姆。
本發明之鋰離子電池及電池套組可運用於許多可攜式電力裝置,像是可攜式電腦、電力工具、玩具、可攜式電話、視訊錄影機、PDA等等。在利用鋰離子電池的可攜式電裝置裡,其充電一般說來係設計為4.20V的充電電壓。因此,本發明的鋰離子電池及電池套組特別地適用於這些可攜式電裝置。
本發明亦包含一種生產像是如前述鋰離子電池之電池的方法。該方法包含構成一如前述之電池外殼,並且將一第一電極及一第二電極放置於該電池外殼內。構成一如前述之電流中斷裝置(例如該電流中斷裝置10),並予電連接於該電池外殼。
可藉由業界已知的適當方法以構成本發明之鋰離子電池的正及負極和電解質。
對於該負極之適當負作用材料的範例包含任何可對或自該材料摻入或除摻鋰的材料。此等材料之範例包括許多含碳材料,例如非石墨碳、人造碳、人造石墨、自然石墨、熱解碳、焦炭(像是瀝青焦炭、針狀焦炭、石油焦炭)、石墨、玻璃狀碳;或是藉由碳化酚樹脂、呋喃樹脂所獲得的熱處理有機聚合化合物;或者類似的碳纖維及活性碳。此外,可利用鋰金屬、鋰合金及其合金或化合物以作為該負作用材料。尤其,能夠與鋰構成一合金或化合物的金屬元素或半導體元素可為一IV族金屬元素或半導體元素,像 是矽或錫,然不限於此。特別是摻入以一像是鈷或鐵/鎳之過渡金屬的非晶態錫係一適合作為在這些類型電池裡之陽極材料的金屬。可利用能夠在一相對基本電位處對或自氧化物摻入或除摻鋰的氧化物,像是氧化鐵、氧化釕、氧化鉬、氧化鎢、氧化鈦及氧化錫,以及類似的氮化物,來作為該負作用材料。
對於該正極的適當正作用材料包含任何業界已知的材料,例如鎳酸鋰(例如Li1+x NiM'O2 ,其中x等於或大於零並且等於或小於0.2)、鈷酸鋰(例如Li1+x CoO2 ,其中x等於或大於零並且等於或小於0.2)、橄欖石型化合物(例如Li1+x FePO4 ,其中x等於或大於零並且等於或小於0.2)、錳酸鹽尖晶石(例如Li1+x9 Mn2-y9 O4 (x9及y9各者獨立地等於或大於零並且等於或小於0.3,例如0x9,y90.2或0.05x9,y90.15)或是Li1+x1 (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 (x1及x2各者獨立地等於或大於0.01並且等於或小於0.3;y1及y2各者獨立地等於或大於0.0並且等於或小於0.3;z1等於或大於3.9並且等於或小於4.2)),以及其等之混合物。可在2005年12月23日申請之國際專利申請案第PCT/US2005/047383號、2006年7月12日申請之美國專利申請案第11/485,068號以及2007年6月22日申請而代理人案號3853.1001-015且標題為「Lithium-Ion Secondary Battery」之國際專利申請案等案文中發現各種適合的正作用材料範例,茲將該等教示按其整體而依參考方式併入本案。
在一特定具體實施例裡,用於本發明之正極的正作用材料包含鈷酸鋰,像是Li(1+x8) CoOz8 。更特別地,在本發明裡運用一約60-90重量%(例如約80重量%)的鈷酸鋰(像是Li(1+x8) CoOz8 )以及約40-10重量%(例如約20重量%)的錳酸鹽尖晶石(像是Li(1+x1) Mn2 Oz1 ,並且以Li(1+x1) Mn2 O4 為佳)的混合物。該數值x1等於或大於零並且等於或小於0.3(例如0.05x10.2或0.05x10.15)。該數值z1等於或大於3.9並且等於或小於4.2。該數值x8等於或大於零並且等於或小於0.2。該數值z8等於或大於1.9並且等於或小於2.1。
在另一特定具體實施例裡,運用於本發明的正作用材料包含一含有鈷酸鋰(像是Li(1+x8) CoOz8 )以及一錳酸鹽尖晶石(如由一經驗化學式Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 所表示)的混合物。該等數值x1及x2各者獨立地等於或大於0.01並且等於或小於0.3。該等數值y1及y2各者獨立地等於或大於0.0並且等於或小於0.3。該數值z1等於或大於3.9並且等於或小於4.2。A'係含有鎂、鋁、鈷、鎳及鉻之群組的至少一成員。更特別是,該等鈷酸鋰及錳酸鹽尖晶石係按一約為0.95:0.05及約為0.9:0.1至約0.6:0.4的鈷酸鋰:錳酸鹽尖晶石重量比。
又在另一特定具體實施例裡,本發明之正作用材料包含一含有100%鈷酸鋰之混合物,像是Li(1+x8) CoOz8
又在另一特定具體實施例裡,本發明之正作用材料包含至少一自含有如下項目之群組所選出的氧化鋰:a)鈷酸 鋰;b)鎳酸鋰;c)錳酸鹽尖晶石,此者可由一經驗化學式Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 所表示;d)錳酸鹽尖晶石,此者可由一經驗化學式Li(1+x1) Mn2 Oz1 或Li(1+x9) Mn2-y9 O4 所表示;e)橄欖石型化合物,此者可由一經驗化學式Li(1-x10) A"x10 MPO4 所表示。該等數值x1、z1、x9及y9可如前述。該數值x2等於或大於0.01並且等於或小於0.3。該等數值y1及y2各者獨立地等於或大於0.0並且等於或小於0.3。A'係含有鎂、鋁、鈷、鎳及鉻之群組的至少一成員。該數值x10等於或大於0.05並且等於或小於0.2,或者該數值x10等於或大於0.0並且等於或小於0.1。M係含有鐵、錳、鈷及鎂之群組的至少一成員。A"係含有鈉、鎂、鈣、鉀、鎳及鈮之群組的至少一成員。
一可用於本發明中之鎳酸鋰包含至少一具Li原子或Ni原子或兩者的改性劑。例如在此所使用者,一「改性劑」意思是一在一LiNiO2 結晶結構裡佔據該Li原子或Ni原子或兩者位置的替代原子。在一具體實施例裡,該鎳酸鋰僅含有具Li原子的改性劑或其取代物(「Li改性劑」)。在另一具體實施例裡,該鎳酸鋰僅具Ni原子的改性劑或其取代物(「Ni改性劑」)。又在一具體實施例裡,該鎳酸鋰則是含有Li及Ni改性劑兩者。Li改性劑的範例包含鋇(Ba)、鎂(Mg)、鈣(Ca)及鍶(Sr)。Ni改性劑的範例包含該等用於Li者,以及另有鋁(Al)、錳(Mn)及硼(B)。Ni改性劑的其它範例包含鈷(Co)及鈦(Ti)。最好,該鎳酸鋰係鍍覆以LiCoO2 。該鍍層可為例如一梯度鍍層或一點狀鍰層。
一種可運用本發明中的特定鎳酸鋰類型為如一經驗化學式Lix3 Ni1-z3 M'z3 O2 所表示者,其中0.05<x3<1.2且0<z3<0.5,而M'為自含有下列項目之群組中所選出的一或更多元素:Co、Mn、Al、B、Ti、Mg、Ca及Sr。最好,M'為自含有下列項目之群組中所選出的一或更多元素:Mn、Al、B、Ti、Mg、Ca及Sr。
另一種可運用本發明中的特定鎳酸鋰類型為如一經驗化學式Lix4 A*x5 Ni(1-y4-z4) Coy4 Qz4 Oa 所表示者,其中該數值x4等於或大於約0.1並且等於或小於約1.3;該數值x5等於或大於約0.0並且等於或小於約0.2;該數值y4等於或大於0.0並且等於或小於約0.2;該數值z4等於或大於0.0並且等於或小於約0.2;a為等於或大於約1.5並且小於約2.1;A*為含有如下項目之群組的至少一成員:鋇(Ba)、鎂(Mg)及鈣(Ca);以及Q為含有如下項目之群組的至少一成員:鋁(Al)、錳(Mn)及硼(B)。最好,y4大於零。在一較佳具體實施例裡,x5等於零,而z4大於0.0並且等於或小於約0.2。在另一具體實施例裡,z4等於零,而x5大於0.0並且等於或小於約0.2。又在另一具體實施例裡,x5及z4各者獨立地大於0.0並且等於或小於約0.2。又在另一具體實施例裡,x5、y4及z4各者獨立地大於0.0並且等於或小於約0.2。各種其中x5、y4及z4各者獨立地大於0.0並且等於或小於約0.2的鎳酸鋰範例可在美國專利第6,855,461號及第6,921,609號案文中尋獲(茲將該等案文教示按其整體而依參考方式併入本案)。
該鎳酸鋰之一特定範例為LiNi0.8 Co0.15 Al0.05 O2 。一較佳特定範例為LiCoO2 鍍覆之LiNi0.8 Co0.15 Al0.05 O2 。在一點狀鍍覆之陰極裡,LiCoO2 不會完全地鍍覆該鎳酸鹽核心粒子。該LiCoO2 鍍覆之LiNi0.8 Co0.15 Al0.05 O2 的組成在組成上會於Ni:Co:Al間自然地略微偏離於0.8:0.15:0.05重量比。此一偏離之範圍對於Ni可為約10-15%,對於Co約5-10%並且對於Al約2-4%。該鎳酸鋰之另一特定範例為Li0.97 Mg0.03 Ni0.9 Co0.1 O2 。一較佳特定範例為LiCoO2 鍍覆之Li0.97 Mg0.03 Ni0.9 Co0.1 O2 。經LiCoO2 鍍覆之Li0.97 Mg0.03 Ni0.9 Co0.1 O2 的組成在組成上會於Mg:Ni:Co間自然地略微偏離於0.03:0.9:0.1重量比。此一偏離之範圍對於Mg可為約2-4%,對於Ni約10-15%並且對於Co約5-10%。另一種可運用於本發明的較佳鎳酸鹽為Li(Ni1/3 Co1/3 Mn1/3 )O2 ,又稱為「333式鎳酸鹽」。此333式鎳酸鹽可視需要而如前述鍍覆以LiCoO2
可運用於本發明的適當鈷酸鋰範例包含Li1+x8 CoO2 ,此者係以至少一Li或Co原子所改性。該等Li改性劑之範例可如前文對於鎳酸鋰所敘述者。Co改性劑的範例包含用於Li者及鋁(Al)、錳(Mn)及硼(B)。其它範例包含鎳(Ni)及鈦(Ti),並且尤其是由一經驗化學式Lix6 M'(1-y6) Co(1-z6) M"z6 O2 所表示的鈷酸鋰,其中x6大於0.05並且小於1.2; y6等於或大於0並且小於0.1;z6等於或大於0並且小於0.5;M'為含有如下項目之群組的至少一成員:鎂(Mg)及鈉(Na),並且M"為含有如下項目之群組的至少一成員:錳 (Mn)、鋁(Al)、硼(B)、鈦(Ti)、鎂(Mg)、鈣(Ca)及鍶(Sr),而可運用於本發明。另一可運用於本發明的鈷酸鋰範例為未改性的Li1+x8 CoO2 ,像是LiCoO2 。在一特定具體實施例裡,該鈷酸鋰(例如LiCoO2 )係摻質以Mg及/或鍍覆以一耐火性氧化物或磷酸鹽,像是ZrO2 或Al(PO4 )。
特定較佳者係該等所運用之氧化鋰化合物具有一球狀形態,這是由於據信如此可改善堆疊以及其他生產相關的特徵。
最好,該等鈷酸鋰及鎳酸鋰各者的晶體結構係獨立地為R-3m類型空間群組(菱面體,包含扭曲之菱面體)。或另者,該鎳酸鋰的晶體結構可為在一單調空間群組中(例如P2/m或C2/m)。在一R-3m類型空間群組裡,鋰離子佔據「3a」位置(x=0、y=0且z=0),並且過渡金屬離子(亦即鎳酸鋰裡的Ni以及鈷酸鋰裡的Co)佔據「3b」位置(x=0、y=0且z=0.5)。氧位於「6a」位置(x=0、y=0且z=z0,其中z0係根據該等金屬離子(包含其(多個)改性劑)的性質而改變)。
適合運用於本發明中的橄欖石型化合物範例通常可表示如一般化學式Li1-x2 A"x2 MPO4 ,其中x2等於或大於0.05,或者x2等於或大於0.0且等於或小於0.1;M為自含有如下項目之群組中所選定的一或更多元素:Fe、Mn、Co或Mg;並且A"為自含有如下項目之群組中所選定者:Na、Mg、Ca、K、Ni、Nb。最好,M為Fe或Mn。且更佳者為在本發明中運用LiFePO4 或LiMnPO4 或二者。在一較佳具 體實施例裡,該橄欖石型化合物係鍍覆以一具有相對較高之導電性的材料,像是碳。而在一較佳具體實施例裡是將該等鍍覆碳之LiFePO4 或者鍍覆碳之LiMnPO4 運用於本發明中。可在美國專利第5,910,382號案文中尋獲各種其中M為Fe或Mn的橄欖石型化合物範例(茲將該案教示按其整體而依參考方式併入本案)。
該等橄欖石型化合物在當充電/放電時通常會於晶體結構上出現一細微變化,這通常會使得該等橄欖石型化合物就以循環特徵而言而為較佳者。同時安全性通常較高,即使是在當一電池受曝於一高溫環境下時亦然。橄欖石型化合物(例如LiFePO4 和LiMnPO4 )之另一優點在於相對較低的成本。
錳酸鹽尖晶石化合物具有一像是LiMn2 O4 的錳基。錳酸鹽尖晶石化合物通常雖具有相對低的比容量(例如在一約110到115 mAh/g的範圍內),然該等在當調配至電極內時可具有相當高的功率遞送性,並且通常以在較高溫度下的化學反應性而言具有安全性。錳酸鹽尖晶石化合物的另一優點為其成本係相對較低。
一種可運用於本發明之類型的錳酸鹽尖晶石化合物係如一經驗化學式Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 所表示,其中A'為Mg、Al、Co、Ni及Cr之其一者;x1及x2各者係獨立地等於或大於0.01並且等於或小於0.3;y1及y2各者係獨立地等於或大於0.0並且等於或小於0.3;z1等於或大於3.9並且等於或小於4.1。最好,A'包含一M3+ 離子,像 是Al3+ 、Co3+ 、Ni3+ 及Cr3+ ,而更佳為Al3+ 。Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 的錳酸鹽尖晶石化合物比起LiMn2 O4 者可具有強化的循環性及功率。另一種可運用於本發明的錳酸鹽尖晶石化合物可為如一經驗化學式Li(1+x1) Mn2 Oz1 所表示,其中x1及z1各者係獨立地與前述者相同。或另者,本發明之錳酸鹽尖晶石包含一由一經驗化學式Li1+x9 Mn2-y9 Oz9 所表示的化合物,其中x9及y9各者係獨立地等於或大於0.0並且等於或小於0.3(例如0.05x9,y90.15);而z9等於或大於3.9並且等於或小於4.2。可運用於本發明的錳酸鹽尖晶石特定範例包含LiMn1.9 Al0.1 O4 、Li1+x1 Mn2 O4 、Li1+x7 Mn2-y7 O4 及其具Al及Mg改性劑的變化物。該Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 類型之各種其他的錳酸鹽尖晶石化合物範例可在美國專利第4,366,215、5,196,270及5,316,877號案文中尋獲(茲將該等案文教示按其整體而依參考方式併入本案)。
注意到本揭所述之適當材料其特徵是由在製造該等併入於鋰離子電池時存在的經驗化學式所描述。應瞭解其稍後的特定組成會受到其在使用過程中(例如充電及放電)所出現的電化學反應後而有所變化。
適當的非水性電解質範例包含一藉由將一電解質鹽溶解於一非水性溶劑中所備製的非水性電解質溶液、一固態電解質(含有一電解質鹽的無機電解質或聚合物電解質)以及藉由將一電解質混合或溶解於一聚合化合物等等中所備製的固態或膠狀電解質。
該非水性電解質溶液通常是藉由將一鹽溶解於一有機溶劑中所備製。該有機溶劑可包含運用於此類型之電池的任何適當類型者。此等有機溶劑的範例包含碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、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、1,3-二草酸酯、4-甲基-1,3-二草酸酯、二乙醚、磺化烷、甲基磺化烷、乙腈、丙腈、茴香醚、醋酸酯、丁酸酯、丙酸酯等等。較佳者係利用環狀碳酸酯,像是碳酸丙烯酯;或是鏈式碳酸酯,像是碳酸二甲酯及碳酸二乙酯。可單獨地或者按兩種以上類型之組合的方式來使用這些有機溶劑。
該電解質中亦可出現添加劑或穩定劑,像是VC(碳酸乙烯酯)、VEC(碳酸乙烯乙酯)、EA(乙酸乙酯)、TPP(磷酸三苯酯)、膦、聯苯(BP)、苯基環己烷(CHB)、2,2-二苯丙烷(DP)、二草酸硼酸鋰(LiBoB)、硫酸乙烯(ES)及硫酸丙烯。這些添加劑可用來作為陽極及陰極穩定劑、火焰延遲劑或氣體釋放劑,就以構成作業、循環效率、安全性及壽命而言能夠令電池具有較高的效能。
固態電解質可包含無機電解質、聚合物電解質等等,只要該材料具有鋰離子傳導性即可。無機電解質可例如包含氮化鋰、碘化鋰等等。聚合物電解質是由一電解質鹽以及一其中溶解有該電解質鹽的聚合化合物所構成。用於聚合物電解質之聚合化合物的範例包含醚基聚合物(像是聚氧化乙烯、交聯的聚氧化乙烯)、聚甲基丙烯酸酯酯基聚合物、 丙烯酸酯基聚合物等等。這些聚合物可為單獨地或者按兩種以上之混合物或聚合物的形式而運用。
一系列的膠狀電解質可為任何聚合物,只要該聚合物能夠藉由吸收前述之非水性電解質溶液所膠化即可。可運用於該膠狀電解質之聚合物的範例包含氟碳聚合物,像是聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)等等。
用於膠狀電解質之聚合物的範例亦可包含聚丙烯腈及聚丙烯腈共聚合物。運用於共聚合作用之單體(乙烯基單體)的範例包含乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、伊康酸、氫化丙烯酸甲酯、氫化丙烯酸乙酯、丙烯醯胺、氯乙烯、偏二氟乙烯以及偏二氯乙烯。運用於膠狀電解質之聚合物的範例進一步包含丙烯腈-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-丙烯二烯-苯乙烯共聚物樹脂、丙烯腈-氯乙烯共聚物樹脂、丙烯腈-甲基丙烯酸酯樹脂及丙烯腈-丙烯酸酯共聚物樹脂。
運用於膠狀電解質之聚合物的範例包含醚基聚合物,像是聚氧化乙烯、聚氧化乙烯共聚物以及交聯的聚氧化乙烯。運用於共聚作用之單體的範例包含聚環氧丙烷、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯。
尤其,從氧化還原作用之穩定性的觀點而言,將氟碳聚合物利用於該膠狀電解質系列為較佳。
運用於電解質的電解質鹽可為任何適用於此類型之電 池的電解質鹽。電解質鹽之範例包含LiClO4 、LiAsF6 、LiPF6 、LiBF4 、LiB(C6 H5 )4 、LiB(C2 O4 )2 、CH3 SO3 Li、CF3 SO3 Li、LiCl、LiBr等等。一般說來,一分隔物可將電池的陽極隔離於其陰極。該分隔物可包含任何運用於構成此類型之非水性電解質之二次電池分隔物的膜狀材料,例如由聚丙烯、聚乙烯或是由此二者之疊層組合所製作的微孔聚合物膜層。此外,若是利用一固態電解質或膠狀電解質以作為電池的電解質,則並非必然須供置該分隔物。而在一些情況下亦可運用由玻璃纖維或纖維素材料所製作的微孔分隔物。分隔物的厚度通常為9到25μm之間。
在一些特定具體實施例裡,可藉由按一特定比混合陰極粉末以製造一正極。然後再將此混合物的90重量%混合作為一導體介質之5重量%的乙炔黑,並以5重量%的PVDF作為結合劑。將該混合物散佈於作為一溶劑之N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中藉以備製漿體。然後再將此漿體施用於一通常具有約20μm厚度之鋁電流收集器箔片的兩個表面上,並按約100-150℃予以乾燥。然後藉由一滾壓機將該乾燥化電極加以輪壓而獲致一壓製的正極。當僅利用LiCoO2 來作為該正極時,通常是運用一利用94重量%之LiCoO2 、3%之乙炔黑及3% PVDF的混合物。負極則可藉由混合93重量%之石墨以作為負作用材料、3重量%之乙炔黑及4重量%之PVDF以作為結合劑之方式所備製。該負混合物亦可散佈於作為一溶劑的N-甲基-2-吡咯烷酮之中藉以備製漿體。然後將此負混合物漿體均勻地塗佈於一 通常具有約10μm厚度之條帶狀銅質電流收集器箔片的兩個表面上。然後再藉由一滾壓機將該乾燥化電極加以輪壓而獲得一緻密負極。
一般說來,可將該等負與正極以及一由一具有微孔而厚度為25μm之聚乙烯薄膜所構成的分隔物加以疊層並予螺旋纏繞,藉以產生一螺旋類型的電極構件。
在一些具體實施例裡,可將一或更多由例如鋁所製成的的正導線條帶接附於該正電流電極,然後再電連接於本發明之電池的正終端。一由例如鎳金屬所製成的負導線係連接該負極然後再接附於一饋通裝置。將一例如具1M LiPF6 之EC:DMC:DEC的電解質真空填入於本發明鋰離子電池的電池外殼之內,而其中該電池外殼具有一螺旋纏繞的「果凍捲」。
範例 範例1:備製本發明之CID
在此範例裡說明一製造如圖1所示之CID的製程,該者含有一第一導體板、一第二導體板、一位於該等兩個導體板之間的維持器以及一末端板。
1A.備製第一導體板12
該第一導體板(底下稱之為「壓力碟片」)係藉由將一Aluminum 3003 (H0)平坦薄片壓製成一近似帽子而具斜角邊緣之形狀的方式所構成,例如圖2A-2C所示。可利用一 具有約0.005英吋(約0.127mm)厚度(圖2C的「d」)的平坦鋁薄片。首先利用一具平坦頂部之錐形壓器以壓凹該平坦鋁薄片,藉此構成一錐形截頭柱體,其具有一約0.315英吋(約8mm)直徑(圖2C的「a」)之基底,以及一距該基底約0.03英吋(約0.762mm)之高度(圖2C的「c」)的平坦頂部。該平坦頂部的直徑(圖2C的「b」)約為0.215英吋(約5.46mm)。該截頭柱體相對於一平行於該基底之平面的角度約為21度。然後針對該基底來裁修該按壓鋁薄片,藉此具有一約0.500英吋(約12.7mm)的直徑。
1B.備製第二導體板24
該第二導體板(底下稱之為「焊接碟片」)是由鋁而在一順序模器中所製造。將一約0.020英吋(約0.508mm)厚度的鋁塊(3003 H14)饋入該順序模器內,在此進行多次沖壓及擠壓操作以產生一具有約0.401英吋(約10.2mm)之外徑的部份、一具有一約0.100英吋(約2.54mm)之直徑(圖3C中的「a」)以及一約0.003英吋(約0.0762mm)之厚度(圖3C中的「c」)的同心凹入。在該板上製作出兩個直徑約為0.040英吋(約1.02mm)的對稱溝槽孔洞,藉以讓該凹入的兩側上為壓力連通。該等孔洞係位於一距該板之中心約0.140英吋(約3.56mm)的距離處。
1C.備製維持器環體40
一如圖1、8A及8D所示之維持器環體是以聚丙烯材 料而藉由射出成型的方式所製造。該維持器環體之目的係在該壓力碟片逆轉之前、過程中及之後,將該焊接碟片固持於距該壓力碟片一距離處。該壓力碟片逆轉是出現在當該CID被啟動時。該維持器環體亦用以確保該焊接碟片在該壓力碟片逆轉之後可與其相電隔離。該維持器環體含有一夾物模壓(over-mold)特性,這可在將該焊接碟片卡扣在該維持器環體內之後予以牢固定位。
1D.備製末端板34
如圖4所示之末端板可提供容納該壓力碟片並提供逆轉該壓力碟片之截頭柱體部分所必要的空間。在本範例裡,是利用電池罐的蓋子以作為該末端板。該末端板是由沖壓之Aluminum 3003系列(H14)所製成。
對於容納該壓力碟片所必要的空間,可藉由對該蓋子進行研磨或另沖壓操作以建立一第一圓柱形凸起(或圖4的凹入36)。該凸起的直徑(圖4的「a」)約為0.505英吋(約12.8mm),此值略大於該壓力碟片的外徑(約0.500英吋(約12.7mm))。該第一凸起的深度(圖4的「b」)約為0.0045英吋(約0.114mm),此值略小於該壓力碟片的厚度(約0.005英吋(約0.127mm))。
對於在當該壓力碟片逆轉時容納其截頭柱體部分的空間,可類似地藉由研磨或另為沖壓操作以製作一第二同心凸起(圖4的凹入38)。此第二凸起具有一約0.325英吋(約8.25mm)的直徑,此值略大於該壓力碟片截頭柱體的基底 直徑(約0.315英吋(約8.0mm))。該第二凸起亦具有一約0.029英吋(約0.737mm)的深度(圖4的「d」),例如自該第一凸起所測得者,此值略大於該壓力碟片的淨高度(約0.025英吋(約0.635mm),圖3C的「c」),例如自該截頭柱體的基準線處所測得者。
而為容納一焊接腳針,可藉由鑽鑿或壓擊以製作一同心於此等兩個凸起的穿透孔洞。該孔洞具有一約0.100英吋(約2.54mm)的直徑,此值為足夠地大以供容納此一在一如後文所述之點焊接操作過程中用於支撐並冷卻該壓力碟片的焊接腳針。
1E.焊接碟片、末端板及維持器環體的預淨化處理
在組裝之前,先在一超音波淨化器中以異丙醇(例如90%的異丙醇)對該等焊接碟片(24)、末端板(34)及維持器環體(40)進行除油且淨化。該淨化處理通常是進行約10分鐘,然後在一低濕度環境或在按70攝氏度的烤箱中予以乾燥。
1F.組裝
該CID的元件按如圖1所示方式所組裝。將該壓力碟片(12)放置在該末端板(34)的第一凸起(凹入36)內,而該錐形截頭柱體係面朝離於該末端板。利用一真空吸汲以將該壓力碟片緊密地拉貼於該末端板上,藉此提供於這兩個部份之間的良好接觸。然後在該第一導體板12之基底20的 中間圓周範圍處(例如圖1所示之位置「a」)藉由穿透焊接處理以將這兩個部份氣密地接合。
將組裝之壓力碟片/末端板放置在一具實心銅(Cu)焊接腳針的點焊接固架內,而此腳針可經由一孔洞以穿透該末端板。該焊接腳針係用以在稍後的點焊接操作過程中支撐並冷卻該壓力碟片。將該焊接碟片(24)放置在該維持器環體之中。將組裝之焊接碟片/維持器環體架置在該點焊接固架內,以按同心方式將該焊接碟片/維持器環體組裝固接定位在該壓力碟片之上。該固架可提供適當力度以藉由該焊接腳針將該焊接碟片穩固地推送於該壓力碟片上,而達一該壓力碟片及該焊接碟片之可察知變形的點處。在由該焊接腳針所予變形且支撐之區域裡,藉由兩個點雷射焊接以將該焊接碟片接附於該壓力碟片。而在焊接操作過程中,該壓力碟片係透過該焊接腳針所冷卻。
範例2.備製本發明電池
利用100%的Li1+x CoO2 (x約為0-0.2)或者是一含有約80重量%之Li1+x CoO2 (x約為0-0.2)以及約20重量%之Li1+x9 Mn(2-y9) O4 (x9及y9各者獨立地約為0.05-0.15)以作為其作用陰極材料的混合物來備製鋰離子電池。電池的電池厚度、電池寬度及電池高度分別地約為18mm、約37mm、約65-66mm。電池的陽極為碳。將約5.5重量%的聯苯(BP)納入在電池的電解質內。分別運用Al籤片及Ni籤片以作為電池的陰極及陽極籤片。該陰極的Al籤片係焊接在如 前文範例1所述之CID的第二導體板上。而電池陽極的Ni籤片則是焊接於該電池的饋通裝置上(參見圖8A及8D)。
範例3.CID啟動測試
在此範例裡對按如前述範例1所備製然並未安裝於電池內的CID進行測試。對於這些測試,係設計一壓力測試固架,因此該等CID之末端板(34)的CID側可藉由壓縮空氣或氮氣而受壓以對「CID釋放壓力(CRP)」進行測試。該測試壓力開始於約5bar(錶計),並且按0.5bar的增量而遞增。在各個壓力設定處,在增壓之前令該末端板保持在該測試壓力下10秒鐘。在各個設定點之間逐漸地進行增壓,因此可按一0.1-0.2bar的解析度來觀察該CRP。測試結果彙總於圖10中。例如圖10所示,該CID行旅的平均錶計壓力約為7.7bar。
範例4.在鋰離子電池內的CID啟動測試 4A.含有Li 1+x CoO 2 及Li (1+x9) Mn (2-y9) O 4 之混合物的鋰離子電池
對於本範例的測試作業,對運用一含有約80重量%之Li1+x CoO2 及約20重量%之Li(1+x9) Mn(2-y9) O4 作為其作用陰極材料的混合物之鋰離子電池,例如範例2所述者,而按2C充電速率以進行過度充電。一般說來,「1C」是代表一按照在一小時內自1%到100%充電狀態之方式以將該電池完全充電的充電速率。因此,按「2C」速率,該電池可 在30分鐘內完全充電。所測試電池之CID在按約4.2V的完全充電後於平均約5與7.5分鐘之間啟動。
圖11顯示相對於過度充電壓力的壓力升高速率。在受測電池中,內部壓力在約4.68V的過度充電處會按約每分鐘5bar的速率增加。
圖12顯示當受測電池之CID啟動時所測得的電池外皮溫度。例如圖12所示,在CID啟動之時點的平均電池溫度約為52.8℃。一般說來,在啟動CID之後,電池溫度會維持一小段時間增加另一10-15℃,接著即開始下降。圖13顯示該等受測電池之尖峰外皮溫度的結果。例如圖13所示,該等受測電池的平均尖峰外皮溫度約為65.1℃。
電池壓力(按bar)是根據在過度充電測試過程中的所測得電池厚度所計算出。對於該等受測電池,該CID行旅之平均算得錶計壓力約為7.9bar。圖14顯示該等受測電池之所算得壓力相對於所測得電池外皮溫度。例如圖14所示,該電池的CID在過度充電後約5-6分鐘之後即啟動,並且在該時點所測得的電池外皮溫度約為55℃。例如前述,電池的電池溫度會在一小段時間裡持續增加10-15℃,然後開始下降。
4B.含有100%Li 1+x CoO 2 的鋰離子電池
對於本範例的測試作業,是利用運用100% Li1+x CoO2 作為其作用陰極材料的鋰離子電池,例如範例2所示者。該等電池係按2C充電速率所過度充電,例如前文範例4A 所述。該等電池在當其CID啟動時的平均電池外皮溫度約為65℃,並且電池溫度進一步上升到約72℃。圖15顯示範例4A及4B之受測電池在當其CID啟動時的平均電池溫度,其中曲線A代表範例4A的電池,而曲線B代表範例4B的電池。
4C.具商購可獲用CID之鋰離子電池的控制測試
作為比較之目的,在此對兩個18650商購可獲用圓柱電池(Sony US18650GR:具相同型號的電池A及B),而該等各者運用標準100% Li1+x CoO2 電池化學品及一CID,來進行測試。這些電池按2C充電速率所過度充電,例如範例4A中所述者。這些Sony電池的CID在約94-96℃和100-120℃之間的溫度處啟動,例如圖15所示者(曲線C表示18650電池A,而曲線D表示18650電池B)。該等電池在其CID起動之後的溫度繼續增加並且觸抵約110-126℃,而此值非常地接近典型的熱逸出溫度。
接著對另外兩個18650商購可獲用圓柱電池(Sony US18650GR:具相同型號的電池C及D),該等各者運用標準100% Li1+x CoO2 電池化學品及一CID,來進行測試。這些Sony電池的CID係受壓測試,例如前文範例3所述者。該等CID在約13.8-14.3bar處(錶計壓力)啟動(電池C是在約14.3bar處而電池D是在約13.8bar處)。
依據範例4A-4B以及控制範例4C的結果,本發明之電池中所觸抵之最大電池溫度顯著地低於藉傳統CID的控 制18650電池者。注意到範例4A及4B的電池擁有大於控制18650電池兩倍的容量,然卻展現出遠為更低的CID啟動溫度及壓力。而此較低CID啟動溫度及壓力通常會又與降低電池內之熱逸出的可能性相關聯。所以,本發明之CID能夠讓電池,尤其是相對較大的電池(例如大於18650電池者),展現出獲高度改善的安全相關特徵。
併入之參考資料
於2007年6月22日申請,代理人案號3853.1012-001且標題為「Integrated Current-Interrupt Device for Lithium-Ion Cells」之美國專利申請案;於2007年6月22日申請,代理人案號3853.1001-015且標題為「Lithium-Ion Secondary Battery」之國際專利申請案;於2006年6月27日申請之美國臨時專利申請案第60/816,775號;於2005年9月16日申請之美國臨時專利申請案第60/717,898號;於2005年12月23日申請之國際專利申請案PCT/US2005/047383號;於2006年6月23日申請之美國專利申請案第11/474,081號;於2006年6月23日申請之美國專利申請案第11/474,056號;於2006年6月28日申請之美國臨時專利申請案第60/816,977號;於2006年7月12日申請之美國專利申請案第11/485,068號;於2006年7月14日申請之美國專利申請案第11/486,970號;於2006年10月19日申請之美國臨時專利申請案第60/852,753號;於2008年4月24日申請之美國臨時專利申請案第61/125,327號; 於2008年4月24日申請之美國臨時專利申請案第61/125,285號,茲將該等案文教示按其整體而依參考方式併入本案。
等效物
本發明雖已參照於其範例性具體實施例所特定顯示及說明,然熟諳本項技藝之人士應瞭解確能在形式及細節方面進行各式變化,而不致悖離由後載申請專利範圍中所涵蓋的本發明範圍。
10‧‧‧電流中斷裝置(CID)
12‧‧‧第一導體板
14‧‧‧截頭柱體
16‧‧‧第一末端
18‧‧‧第二末端
20‧‧‧基底
22‧‧‧覆帽
24‧‧‧第二導體板
26‧‧‧開口
28‧‧‧凸起/凹入
30‧‧‧平坦側邊
32‧‧‧凹入側邊
34‧‧‧末端板
36‧‧‧第一凹入
38‧‧‧第二凹入
40‧‧‧維持器
42‧‧‧絕緣器
43‧‧‧溝槽
44‧‧‧環體
45‧‧‧溝槽
46‧‧‧籤片
48‧‧‧開口
50‧‧‧溝槽
52‧‧‧籤片
100‧‧‧電池
102‧‧‧電池罐
104‧‧‧電池外殼
105‧‧‧蓋子內部
106‧‧‧蓋子
107‧‧‧蓋子頂側
108‧‧‧第一電極
110‧‧‧第二電極
112‧‧‧通氣裝置
114‧‧‧饋通裝置
116‧‧‧第一導體元件
118‧‧‧絕緣器
120‧‧‧第二導體元件
圖1係一本發明之CID的示意圖。
圖2A-2C顯示圖1之CID之一第一導體板的具體實施例,其中圖2A顯示該第一導體板之側視圖,圖2B顯示該第一導體板之俯視圖,並且圖2C顯示該第一導體板沿圖2B之直線A-A的截面圖。
圖3A-3C顯示圖1之CID之一第二導體板的具體實施例,其中圖3A顯示該第二導體板之平面圖,圖3B顯示該第二導體板之立體圖,並且圖3C顯示該第二導體板沿圖3A之直線A-A的截面圖。
圖4顯示一可承載圖1之CID之末端板的具體實施例。
圖5A-5C顯示圖1之CID之一維持器的具體實施例,此者係放置在一第一導體板的一部分與一第二導體板的一部分之間,其中圖5A顯示該維持器之一絕緣器元件,圖5B 顯示該維持器之一環體元件的側視圖,並且圖5C顯示該維持器之環體的俯視圖。
圖6A及6B顯示本發明CID之一具體實施例,其中圖6A顯示一第一導體板、一第二導體板及一位於該等之間而在一末端板上之維持器的組裝,圖6B顯示組裝後之CID。
圖7A及7B顯示本發明CID之另一具體實施例,其中圖7A顯示一第一導體板、一第二導體板及一位於該等之間而在一末端板上之維持器的組裝,圖7B顯示組裝後之CID。
圖8A顯示一按稜柱格式之本發明電池的具體實施例。
圖8B顯示圖8A電池之一蓋子部分而自該電池內部所繪的仰視圖。
圖8C顯示圖8B之蓋子部分而沿直線A-A的截面圖。
圖8D顯示一按圓柱形格式之本發明電池的具體實施例。
圖8E顯示圖8D電池之底部罐部分而自該電池內部所繪的側視圖。
圖8F顯示圖8E電池之頂部蓋子部分而自該電池內部所繪的側視圖。
圖9係一電路略圖,此圖顯示本發明之個別電池在當於本發明的電池套組內排置一起時最好是按如何方式予以連接。
圖10係一圖式,其中顯示本發明CID的CID行旅壓力。
圖11係一圖式,其中顯示本發明電池在當該等電池被按一每分鐘2C速率所過度充電時對於過度充電電壓的壓力上升速率。
圖12係一圖式,其中顯示本發明電池在當其CID啟動時所測得的電池外皮溫度。
圖13係一圖式,其中顯示本發明電池在按一每分鐘2C速率所過度充電之後的最大電池外皮溫度。
圖14係一圖式,其中顯示本發明電池在按一每分鐘2C速率所過度充電之後的所算得壓力相對於所測得電池外皮溫度。
圖15係一圖式,其中顯示具本發明CID之本發明電池的電池外皮溫度(曲線A及B),以及具傳統CID之控制電池的電池外皮溫度(曲線C及D)。
10‧‧‧電流中斷裝置(CID)
12‧‧‧第一導體板
14‧‧‧截頭柱體
16‧‧‧第一末端
18‧‧‧第二末端
20‧‧‧基底
22‧‧‧覆帽
24‧‧‧第二導體板
28‧‧‧凸起/凹入
30‧‧‧平坦側邊
32‧‧‧凹入側邊
34‧‧‧末端板
40‧‧‧維持器
a‧‧‧基底的中部
b‧‧‧基底的邊緣

Claims (21)

  1. 一種電池,其包含:a)一第一終端,其電連通於該電池之一第一電極,其中該第一電極係一負終端;b)一第二終端,其電連通於該電池之一第二電極,其中該第二電極係一正終端;c)一鋁質的電池罐,其具有一電池外殼及一蓋子而該等係彼此電連通,該電池罐係電絕緣於該第一終端,其中該電池罐之至少一部分係該第二終端的至少一元件或為電連通於該第二終端;以及d)至少一電流中斷裝置,其電連通於該第二電極,該電流中斷裝置含有:i)一第一導體板,其至少部分由鋁所構成,該第一導體板含有:一截頭柱體,該截頭柱體含有一第一末端以及一具有一小於該第一末端之直徑的第二末端,一基底,該基底係自該截頭柱體之第一末端的周邊按徑向延伸,和一基本上為平面的覆帽,該覆帽封住該截頭柱體的第二末端,其中該基底係鄰近於該電池罐,且該基本上為平面的覆帽遠離該電池罐;與ii)一第二導體板,其至少部分由鋁所構成、電連通於該第一導體板的基本上為平面的覆帽及該第二電極之間的一電接觸點處,該第二導體板包含至少一凹入,且該第一導體板和該第二導體板藉由至少一點焊接以在該電接觸點處結合,其中該第二導體板定義至 少一穿透孔洞,以藉此該第二導體板兩側之間的壓力平衡得以保持而不被該第一導體板所干擾,且藉此該第一導體板中面對該第二導體板之一第一表面上相對該第一導體板之一第二表面的較高壓力將引起該第一導體板和該第二導體板的分離,因而中斷該電接觸處的電連通。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池,其中該電池外殼係一稜柱電池外殼。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池,其中該等點焊接之至少一者含有鋁。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電池,其中該焊接係兩個點焊接。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電池,其中該覆帽的厚度是在0.05毫米至0.5毫米之間的範圍內。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電池,其中該覆帽的直徑是在2毫米至8毫米之間的範圍內。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電池,其中該覆帽距該基底的高度是在0.5毫米至1毫米之間的範圍內。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電池,其中該截頭柱體具有一相對一平行於該第一導體板之基底的平面而在15度至25度範圍內的角度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電池,進一步包含一電絕緣環體,其在該截頭柱體之周邊附近而於該第一導體板的基底與該第二導體板之間延伸。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電池,其中該第一導體板的基底含有至少一籤片,並且其中該電絕緣環體界定至少一開口,該籤片及該開口在當該絕緣環體及該基底為同心時能夠對齊,而其中該籤片可插入地調整以將該絕緣環體固接於該第一導體板。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之電池,其中該電絕緣環體界定一繞於該絕緣環體之周邊附近的溝槽,並且進一步含有一具有籤片之金屬環體,藉以該金屬環體罐可放置在該溝槽內,並且該籤片可插入地調整且固接於一該第一導體板放置於其上的金屬表面,藉此將該絕緣環體固接於該第一導體板上。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之電池,其中連接該等第一及第二導體板之焊接在當於該等板間之錶計壓力位在一4kg/cm2 至9kg/cm2 的範圍內時即破裂。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之電池,其中該第二導體板中鄰近於與該第一導體板之焊接處的厚度是等於或大於該第一導體板中鄰近於該焊接處之厚度的一半,然小於該第一導體板中鄰近該焊接處之厚度。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之電池,其中該電流中斷裝置係電連通於該電池罐。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電池,其中該電流中斷裝置係電連通於該電池罐的蓋子,並且該蓋子含有一面朝於該第一導體板的凹入。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電池,其中該凹入係 共終端於該截頭柱體之第一末端的周邊。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之電池,其中該第一電極含有一作用陰極材料,該作用陰極材料包含一混合物而其中含有:a)鈷酸鋰;以及b)錳酸鹽尖晶石,其由如下之經驗化學式表示Li(1+x1) (Mn1-y1 A’y2 )2-x2 Oz1 其中:x1及x2各者獨立地等於或大於0.01並且等於或小於0.3;y1及y2各者獨立地等於或大於0.0並且等於或小於0.3;z1等於或大於3.9並且等於或小於4.2;以及A’係一含有鎂、鋁、鈷、鎳及鉻之群組的至少一成員,其中該等鈷酸鋰及錳酸鹽尖晶石係按一鈷酸鋰:錳酸鹽尖晶石在0.95:0.05及0.6:0.4之間的重量比。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之電池,其中該第一電極包含一含有鈷酸鋰的作用陰極材料。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之電池,其中該鈷酸鋰係由一經驗化學式Li1+x8 CoOz8 所表示,其中x8等於或大於零並且等於或小於0.2,而z8等於或大於1.9並且等於或小於2.1。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之電池,其中該作用陰極材料包含一混合物而其中含有:a)Li1+x8 CoOz8 ;以及b)Li(1+x1 )Mn2 Oz1 ,其中:x1等於或大於0.01並且等於或小於0.3;以及z1等於或大於3.9並且等於或小於4.2,其中該等Li1+x8 CoOz8 及Li(1+x1) Mn2 Oz1 係按一鈷酸鋰:錳酸鹽尖晶石在0.95:0.05及0.6:0.4之間的重量比。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之電池,其中該第一電極包含一作用陰極材料,該作用陰極材料含有自如下群組中所選出的至少一種氧化鋰:a)一鈷酸鋰;b)鎳酸鋰;c)錳酸鹽尖晶石,其按如下經驗化學式所表示:Li(1+x1) (Mn1-y1 A’y2 )2-x2 Oz1 其中:x1及x2各者獨立地等於或大於0.01並且等於或小於0.3;y1及y2各者獨立地等於或大於0.0並且等於或小於0.3;z1等於或大於3.9並且等於或小於4.2;以及A’係一含有鎂、鋁、鈷、鎳及鉻之群組的至少一成員;d)錳酸鹽尖晶石,其按如下經驗化學式所表示: Li(1+x1) Mn2 Oz1 其中:x1等於或大於0.01並且等於或小於0.3;以及z1等於或大於3.9並且等於或小於4.2;以及e)橄欖石型化合物,其按如下經驗化學式所表示:Li(1-x10) A”x10 MPO4 其中:x10等於或大於0.05並且等於或小於0.2,或者x10等於或大於0.0並且等於或小於0.1;以及M係含有鐵、錳、鈷及鎂之群組的至少一成員;以及A”係含有鈉、鎂、鈣、鉀、鎳及鈮之群組的至少一成員。
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