TWI819336B - 熱失控抑制劑及能抑制熱失控的鋰電池 - Google Patents

熱失控抑制劑及能抑制熱失控的鋰電池 Download PDF

Info

Publication number
TWI819336B
TWI819336B TW110126201A TW110126201A TWI819336B TW I819336 B TWI819336 B TW I819336B TW 110126201 A TW110126201 A TW 110126201A TW 110126201 A TW110126201 A TW 110126201A TW I819336 B TWI819336 B TW I819336B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
thermal runaway
layer
provider
polar solution
patent application
Prior art date
Application number
TW110126201A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202205724A (zh
Inventor
楊思枬
Original Assignee
輝能科技股份有限公司
英屬開曼群島商輝能控股股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 輝能科技股份有限公司, 英屬開曼群島商輝能控股股份有限公司 filed Critical 輝能科技股份有限公司
Publication of TW202205724A publication Critical patent/TW202205724A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI819336B publication Critical patent/TWI819336B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/6595—Means for temperature control structurally associated with the cells by chemical reactions other than electrochemical reactions of the cells, e.g. catalytic heaters or burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628—Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places
    • A62C3/16—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places in electrical installations, e.g. cableways
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/609—Arrangements or processes for filling with liquid, e.g. electrolytes
    • H01M50/627—Filling ports
    • H01M50/636—Closing or sealing filling ports, e.g. using lids
    • H01M50/645—Plugs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
  • Primary Cells (AREA)

Abstract

本發明提出一種應用於鋰電池的熱失控抑制劑及能抑制熱失控的鋰電池，此熱失控抑制劑包含有一可解離釋出一金屬離子A與一兩性金屬離子B的鈍化成分提供者，其中金屬離子A選自非鋰的鹼金族與/或鹼土族；一極性溶液提供者，以及一在預設溫度下能將鈍化成分提供者與極性溶液提供者隔離的隔離機制，當隔離機制喪失，極性溶液提供者釋出極性溶液，以負載該金屬離子A與兩性金屬離子B進入鋰電池的內部，並與正負極活性材料反應，使形成低能量狀態，以降低全電池電壓，切斷電化學反應途徑，有效終止電池熱失控。

Description

熱失控抑制劑及能抑制熱失控的鋰電池
本發明係關於一種鋰電池安全機制，尤指一種應用於鋰電池的熱失控抑制劑及能抑制熱失控的鋰電池。
由於鋰離子電池廣泛應用於各種產品，如交通運輸的載具、消費性與工業應用的穿戴產品、可攜設備與儲能設備等等，幾乎遍及人類日常生活上的各領域，但鋰離子電池意外事件時有所聞，例如手機電池、電動車起火爆炸的事故，此些都是因為鋰離子電池在安全性間題上仍缺乏全面性有效的解決方案。
引起鋰電池起火爆炸等不安全的主要根本因素是熱失控，而鋰電池熱失控主要的起因是熱，也就是溫度導致的電池內固態電解質膜(solid electrolyte interface；SEI)、電解質、黏結劑，正負極活性材料等各物質逐步熱裂解的放熱反應。目前對熱失控的抑制方式可依安全機制反應發生的位置來區分為在電芯外與在電芯內部兩種。在電芯外的主要是利用數位運算模擬的監控系統，在電芯內的可區分為採用物理方式或化學方式。在電芯外的數位監控系統部分是於電芯外部加載專用保護電路及設置專用管理系統等多種技術來增強電池使用過程的安全性監控。在電芯內的物理方 式例如熱閉孔隔膜(thermal shutdown separator)，其當電池芯不正常升溫時，封閉隔膜的孔洞，以阻斷離子的通過。在電芯內的化學方式可以區分為程度控制型態或者電化學反應型態。程度控制型態例如添加阻燃劑至電解質中，以控制熱失控的程度。電化學反應型態的範例舉例來說有下列幾種：1.將單體(monomer)或者寡聚體(oligmar)加入電解液內，當溫度上升時會產生聚合，以降低離子遷移的速度，而使離子導電度隨溫度上升而下降，電芯內的電化學反應速度變緩。2.在正極層或負極層與相鄰的集電層間夾設一正溫係數熱敏電阻材料(positive temperature coefficient；PTC)，當電芯溫度升高時，電子絕緣能力增強，而使正極層或負極層與相鄰的集電層間的電子傳遞能力變差，使電化學反應速度降低。3.在正極活性材料表面形成一修飾層，當高溫時，修飾層轉成為緻密膜，增加電荷轉移的阻值，而使電化學反應速度降低。
但上述的方式都僅是針對電化學電子或離子傳導途徑進行消極阻擋或抑制，並沒有由熱失控最大能量釋出端與整個電化學反應驅動的主體，也就是活性材料進行熱失控的抑制。
有鑑於此，本發明提出一種藉由降低活性材料端導致熱失控的熱能著手來抑制鋰電池熱失控的熱失控抑制劑及其應用，以有效解決上述問題。
本發明之主要目的在提供一種嶄新的熱失控抑制劑與能抑制熱失控的鋰電池，其使原本高電位高能量的脫鋰正極活性材料形成相對原狀態是較低電位低能量的金屬氧化物結晶狀態，而原本低電位高能量的 嵌鋰負極形成相對原狀態是較高電位低能量的無機聚合物狀態，以降低全電池電壓，切斷電化學反應途徑，有效終止電池熱失控。
為達上述目的，本發明提供一種熱失控抑制劑，其包含有一鈍化成分提供者；一極性溶液提供者，以及一隔離機制，其在一預設溫度下能將鈍化成分提供者與極性溶液提供者隔離，鈍化成分提供者釋出金屬離子A與兩性金屬離子B，金屬離子A選自於一非鋰的鹼金族與/或鹼土族，當到達預設溫度時，隔離機制喪失，極性溶液提供者釋出極性溶液，以負載金屬離子A與兩性金屬離子B至一鋰電池的脫鋰正極活性材料以及嵌鋰負極活性材料反應，形成低能量的正負極活性材料，以降低全電池電壓，切斷電化學反應途徑，有效終止電池熱失控與其所產生的問題。
本發明更提供一種熱失控抑制元件，其係上述的熱失控抑制劑與一成膜劑混合或依附於一結構支撐材所形成的膜片。
本發明更提供一種能抑制熱失控的鋰電池，其具有一電化學反應系統，該電化學反應系統包含有一正極活性材料層、一負極活性材料層，一隔離層，以及一電解質系統，該隔離層係位於該正極活性材料層與該負極活性材料層間，該電解質系統分佈於該電化學反應系統，該正極活性材料層、該負極活性材料層、該隔離層表面與該電解質系統任一者具有上述之熱失控抑制劑。
本發明尚提供一種能抑制熱失控的鋰電池，其包含有一封裝構件；一密封且容設於封裝構件內的電化學反應系統；以及一熱失控抑制元件，其位於電化學反應系統外，該熱失控抑制元件包含有一鈍化成分提供者；一極性溶液提供者，以及一隔離機制，其在一預設溫度下能將鈍化 成分提供者與極性溶液提供者隔離，鈍化成分提供者釋出金屬離子A與兩性金屬離子B，金屬離子A選自於一非鋰的鹼金族與/或鹼土族，當到達預設溫度時，隔離機制失效，使極性溶液提供者釋出極性溶液負載金屬離子A與兩性金屬離子B至鋰電池的脫鋰正極活性材料以及嵌鋰負極活性材料反應，形成低能量正負極活性材料，以降低全電池電壓，切斷電化學反應途徑，有效終止電池熱失控與其所產生的問題。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
10:熱失控抑制元件
11:熱失控抑制劑
12:鈍化成分提供者
121:化合物
122:化合物
14:極性溶液提供者
16:成膜劑
18:保護層
22:支撐材
23:高分子膜層
25:孔洞
26:膠囊
28:第一膜片
29:第二膜片
30:鋰電池
32:封裝構件
33:活性材料
34:電化學反應系統
36:陶瓷粉體
37:隔離層
302:第一集電層
303:貫穿孔
304:第二集電層
306:膠框
308:第一活性材料層
310:第二活性材料層
312:隔離層
41:閘層
第1圖是本發明的熱失控抑制劑的一實施例示意圖。
第2圖是本發明的熱失控抑制劑的另一結構示意圖。
第3圖至第6(c)圖是本發明的熱失控抑制元件的各種結構示意圖。
第7(a)圖至第7(b)圖是結合有本發明熱失控抑制元件的鋰電池態樣示意圖。
第7(c)圖是混有本發明熱失控抑制劑的活性材料層示意圖。
第7(d)圖是表面塗覆本發明熱失控抑制劑的隔離層示意圖。
第7(e)圖是隔離層表面具有陶瓷粉體與本發明熱失控抑制劑的示意圖。
第7(f)圖是陶瓷粉體內混合有本發明熱失控抑制劑的示意圖。
第8(a)圖至第8(b)圖是集電層具有穿孔之鋰電池結合有本發明熱失控抑制元件的態樣示意圖。
第9圖是集電層具有穿孔之鋰電池結合有本發明熱失控抑制元件的另一態樣示意圖。
第10(a)圖是脫鋰正極活性材料與可釋出金屬離子A以及鋰離子的化合物之反應前後的X光繞射圖形。
第10(b)圖是嵌鋰負極活性材料與金屬離子A與兩性金屬離子B反應前後的X光繞射圖形。
第11(a)圖是傳統鋰電池熱失控時的電壓與溫度曲線圖。
第11(b)圖是使用本發明之熱失控抑制劑的鋰電池電壓與溫度曲線圖。
第12(a)圖至第12(c)圖分別是使用純水、NaOH與NaAl(OH4)對荷電狀態(SOC)100%的正極(cathode)進行滴定測試的結果圖像。
第13(a)圖至第13(c)圖分別是使用純水、NaOH與NaAl(OH4)對荷電狀態(SOC)100%的負極(anode)進行滴定測試的結果圖像。
第13(d)圖是對第13(C)圖之發泡體進行夾取的圖像。
第14(a)圖至第14(b)圖分別是對SOC40%的正極與SOC100%的正極，利用濃度為30%的氫氧化鈉滴定1小時後的電子顯微圖像。
第15(a)圖至第15(b)圖分別是對SOC40%的負極與SOC100%的負極，利用濃度為30%的氫氧化鈉滴定1小時後的電子顯微圖像。
第16(a)圖至第16(b)圖分別是對正極與負極，利用濃度為20%的NaAl(OH4)反應後之熱分析圖。
為了讓本發明的優點，精神與特徵可以更容易明確的了解， 後續將以實施例進行詳述與討論。需聲明的是該些實施例僅為本發明代表性的實施例，並不以此侷限本發明之實施態樣與請求範疇僅能侷限於該些實施例態樣。提供該些實施例的目的僅是讓本發明的公開內容更加透徹與易於了解。
在本發明公開的各種實施例中使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，並非在限制本發明所公開的各種實施例。除非有清楚的另外指示，所使用的單數形式係也包含複數形式。除非另有限定，否則在本說明書中使用的所有術語(包含技術術語和科學術語)具有與本發明公開的各種實施例所屬領域普通技術人員通常理解的涵義相同的涵義。上述術語(諸如在一般使用辭典中限定的術語)將被解釋為具有與在相同技術領域中的語境涵義相同的涵義，並且將不被解釋為具有理想化的涵義或過於正式的涵義，除非在本發明公開的各種實施例中被清楚地限定。
在本說明書的描述中，參考術語”一實施例”、”一具體實施例”等地描述意指結合該實施例描述地具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何一個或多個實施例中以合適的方式結合。
首先，如第1圖所示，本發明係有關於一種應用於鋰電池的熱失控抑制劑11，其包含有一鈍化成分提供者12；一極性溶液提供者14；以及一隔離機制，其在一預設溫度下可將鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14隔離。鈍化成分提供者12可釋出選自非鋰的鹼金族與/或鹼土族的金屬離子A，以及兩性金屬離子B。極性溶液提供者14可釋出極性溶液，以負載 金屬離子A與金屬離子B滲透進入鋰電池的電化學反應系統中。上述金屬離子A選自於非鋰的鹼金族時，較佳者是選自於鈉離子或鉀離子。上述金屬離子A選自於鹼土族時，較佳是選自於鈹離子、鎂離子或鈣離子。上述兩性金屬離子B較佳者是選自於鋁離子或鋅離子。上述的極性溶液提供者14可以是受熱產水化合物材料或者是純水。上述的鈍化成分提供者12可以是水溶液狀態或是無水狀態的粉體。當鈍化成分提供者12是無水狀態時，極性溶液提供者14所釋出的極性溶液能夠讓與極性溶液接觸的鈍化成分提供者12解離釋出金屬離子A與兩性金屬離子B。上述的負載是指金屬離子A與B以極性溶液作為傳遞介質。
本發明的熱失控抑制劑11升溫至一特定溫度範圍時(例如70-130℃)隔離機制將產生裂解、失效或者被破壞，喪失阻隔效果，因此極性溶液提供者14釋出極性溶液並負載由鈍化成分提供者12所提供的金屬離子A與兩性金屬離子B至脫鋰的正極活性材料以及嵌鋰的負極活性材料進行反應。
在正極活性材料端，金屬離子A於脫鋰正極活性材料獲得電子沉積並且進一步遷移佔據正極端活性材料中已脫出的鋰原子空位或層間位置，使原本具高電位高能的脫鋰正極活性材料轉而形成相對原狀態是較低電位低能的金屬氧化物結晶狀態。再者，原本因為失去鋰原子而造成結構不穩定且易於釋出氧物質(O2、O2 -、O-)正極活性材料端，在熱能的驅動下，金屬離子A，例如鈉離子填補了空位或是插入脫鋰的層間位置，並進行晶格重整，形成一新的穩定態，同時消耗熱能。再者，當金屬離子A，例如鈉原子插入原有正極活性材料後，因為含鈉的新穩定態結構不可避免地將演化 具有鈉的部分特性，例如對水氣的吸附性增加，這將使極層的絕緣特性增加，導致性能降低。
在負極端，金屬離子A與兩性元素金屬離子B將與嵌鋰負極活性材料反應，使原本具低電位高能的負極活性材料形成相對原狀態是較高電位低能的無機聚合物狀態。鑑此，本發明利用額外添加至活性材料中的金屬離子A與兩性金屬離子B能有效降低正負極活性材料的能量，使全電池電壓下降，以切斷電化學反應途徑，有效終止鋰電池熱失控與其所產生的問題。
再者對於上述所界定的正極由高電位高能轉換成為低電位低能結晶態的部分進行說明。此時的正極是處於鋰部分脫出的狀態，因此正極處於高電位，除此之外，因為晶體的不穩定，晶體易於崩壞與釋氧物質的能力高，劇烈釋放熱的能力高，所以於本申請案中對正極描述為高電位高能。而隨著金屬離子A填補了鋰脫出的空位或者插入脫鋰的層間位置，使正極電位降低，並且使正極晶體相對穩定，因此正極晶體穩定度較高，與釋氧物質能力也同樣降低，劇烈釋放熱的能力低，所以在本發明中定義與金屬離子A反應後的鈍化狀態正極是處於低電位低能的結晶態。
對於上述所界定的負極由低電位高能轉換成為高電位低能狀態的部分進行說明。此時的負極是處於鋰部分嵌入的狀態，因此負極處於低電位，除此之外，因為接收到正極釋出的氧物質，負極易於劇烈燃燒釋熱，呈現不穩定，因此放熱的能力高，所以於本申請案中對負極描述為低電位高能。而隨著金屬離子A以及兩性金屬離子B與嵌鋰負極反應，擷取了鋰離子並與負極基材(例如矽-碳)形成聚合化合物，以及正極釋氧能力的 降低，將使得負極劇烈釋放熱的能力降低，因此本發明定義與金屬離子A以及兩性金屬離子B反應後的鈍化狀態負極是高電位低能的聚合化合物狀態。在此一狀態下，負極材料將會形成無機聚合物(geopolymer)的綠色水泥。
在實施上，鈍化成分提供者12是可解離釋出金屬離子A與金屬離子B的至少一種化合物或者數種化合物組合，舉例來說，能夠提供金屬離子A的化合物可以為NaOH、KOH、NaCl、NaNO3、KNO3等。能夠提供兩性金屬離子B的化合物可以為AlCl3、AlBr3、AlI3、Al(NO3)3、AlClO4、AlF3、AlH3、Zn(OH)2等。或者是可同時提供金屬離子A的化合物與兩性金屬離子B的化合物，例如NaAl(OH)4等。但這僅是舉例來說明並非是限制本發明所使用的化合物類別與數量。
上述的受熱產水的化合物可選自於氫氧化鋁(Al(OH)3)、氫氧化鋁水合物(Al(OH)3‧H2O)、氫氧化鎂(Mg(OH)2)、磷酸二氫銨(NH4H2PO4)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、醋酸鈉(CH3COONa‧3H2O)、水合硼酸鋅(ZnOB2O3H2O)、硼砂(Na2B4O7‧10H2O)、無水氯化鈣(CaCl)、一水氯化鈣(CaCl‧H2O)、二水氯化鈣(CaCl‧2H2O)、四水氯化鈣(CaCl‧4H2O)、六水氯化鎂(MgCl‧6H2O)、硫酸鋁鉀(KAl(SO4)2‧12H2O)、氫氧化鋅(Zn(OH)2)、氫氧化鋇(Ba(OH)2‧8H2O)、氫氧化鋰(LiOH)或上述化合物材料任二者以上的混合。
本發明的隔離機制除可以避免鈍化成分提供者與極性溶液的提供者因異材質直接接觸所引起的不穩定，也可阻隔外部環境(例如電化學反應系統的組成成分)對鈍化成分提供者與極性溶液提供者的影響。隔離機制可以選用無開放式孔洞的膠囊26，其材料隨著被包覆的提供者類別進行選擇。舉例來說當極性溶液提供者14是高溫產水材料時，可選用材料為 易溶於水的膠囊26來包覆無水的鈍化成分提供者12與/或極性溶液提供者14，此時膠囊26的材料可選自於明膠(gelatin)、阿拉伯樹膠(gum Arabic)、幾丁聚醣(Chitosan)、酪蛋白鈉(sodium caseinate)、澱粉(starch)、乳糖(lactose)、麥芽糊精(maltodextrin)、聚賴氨酸/海藻酸鹽(poly-L-lysine/alginate)、聚乙烯亞胺/海藻酸鹽(polyethyleneimine/alginate)、海藻酸鈣(calcium alginate)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol)。當極性溶液提供者14是純水時，可選用材料為不易溶於水的膠囊26來包覆極性溶液提供者14，此膠囊26的材料可選自於乙基纖維素(ethyl cellulose)、聚乙烯(polyethylene)、聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)、硝化纖維(cellulose nitrate)、矽酮(silicones)、石蠟(paraffin)、巴西棕櫚蠟(carnauba wax)、硬脂酸(stearic acid)、脂肪醇(Fatty alcohols)、硬脂醇(stearyl alcohol)、脂肪酸(Fatty acids)、石油樹脂(Hydrocarbon resin)、單-、雙-、三-酸甘油酯(Mono,di and triacyl glycerol)。當極性溶液提供者14是純水時，為提高水的揮發溫度，極性溶液提供者14更可添加有一高沸點親水材料，例如甘油或者是DMSO(二甲基亞砜)等。再者，當鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14都是無水狀態時，彼此間的隔離機制也可以選用具有開放式孔洞25的高分子膜層23來包覆鈍化成分提供者12或極性溶液提供者14，如第2圖所示。在有開放孔洞的高分子膜型態是針對原材料都是屬於非流體狀態下，於原材料表面塗覆形成一具有開放孔洞25且具有一定厚度的高分子膜層23當極性溶液提供者14釋出極性溶液時，就可以經由孔洞25作為傳遞途徑接觸鈍性材料提供者12。此高分子膜層23可以選用後續將提到的成膜劑。
膠囊26較佳的粒徑範圍選擇在1-100微米，膠囊26包覆的方式可以是物理性或化學性反應所形成。物理性的部分舉例來說可以是基於 溫度變化或溶劑揮發的固液態相變化。化學性反應可以是小分子單體的聚合反應。
再者，熱失控抑制劑11的鈍化成分提供者12與/或者極性溶液14提供者更可以添加有成膜劑進行混合，以製作成膜片狀的熱失控抑制元件11。舉例來說，如第3圖所示，鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14搭配一需要溶劑的成膜劑16進行混煉、塗佈、乾燥與壓製，以形成一膜片10，此外，鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14任一者的外表面包覆有一膠囊26，以作為鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14隔離機制。再者，為避免外在環境，例如電化學反應系統例如電解液對鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14的影響，可以在膜片10的外表面更包覆一保護層18，以作為另一隔離機制，如第4圖所示。或者，鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14使用無須溶劑的成膜劑16直接受熱受壓，以形成膜片10，此種方式將不需要乾燥去除溶劑16的步驟，此種無須溶劑的成膜劑16可以是鐵氟龍(PTFE)。上述需搭配溶劑使用的成膜劑16較佳是選擇一種在80℃以下可移除溶劑的材料，例如使用丙酮作為溶劑的聚二偏氟乙烯(poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene)；PVDF-HFP)、選用丁酮作為溶劑的聚氨酯(polyurethane；PU)、以水作為溶劑的苯乙烯-丁二烯橡膠(styrene-butadiene rubber；SBR)、羧甲基纖維素(carboxyl methyl cellulose；CMC)或聚丙烯酸(polyacrylic acid；PAA)。
上述的各種實施例主要都是鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14相互混合時，採用膠囊26或具有開放式孔洞的高分子膜層23作為隔離機制，接續針對鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14並未相互混合的態 樣提出說明，如第5圖所示，本發明的熱失控抑制元件10所使用的極性溶液提供者14可以乘載在一結構支撐材22上，鈍化成分提供者12與成膜劑16形成一膜片17，此時為避免鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14直接接觸引起的不穩定，於結構支撐材22外表面上可形成一保護層18來做為隔離機制，而膜片17外表面也可形成有一保護層18。上述的結構支撐材22可以是聚合物，舉例來說如聚丙烯酸(Polyacrylic acid,PAA)、聚丙烯酸鈉(Sodium polyacrylate)、羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose,CMC)、聚氨酯聚合物(polyuretane polymer)、瓜爾膠(Guar-Gam)、海藻酸鈉鹽(Alginic acid sodium salt)、聚乙烯亞胺(Polyethyleneimine,PEI)、聚氧化乙烯(Polyethylene oxide,PEO)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinypirrolidone,PVP)。結構支撐材22為纖維時可以是不織布(non-woven)型態，材質可以為聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚丙烯(PP)等，或者是玻璃纖維。結構支撐材22也可以是由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與聚碳酸酯(polycarbonates,PC)所組成。此外，當結構支撐材22選用如海藻酸鈉與聚丙烯酸鈉等具有涵吸溶液呈現凝膠狀態的材料時，將可以直接涵吸溶液狀態的化合物。當選用呈現凝膠狀態的結構支撐材22時，也可以搭配其它具有孔洞的結構支撐材22使用，例如不織布纖維。
上述的保護層18可以是熱敏分解材料所形成，其可以選自於下列材料：石蠟油(Paraffin Oil)、微晶蠟(Microciystalline wax)、聚乙烯蠟(Polyethylene wax)、低密度聚乙烯(Low density PE)、聚反式-1,4-丁二烯(Poly(trans-1,4-butadiene))、聚環氧丙烷(Poly(tetramethylene oxide))、同側配列聚甲基丙烯酸甲酯(isotactic Poly(methyl methacrylate))、聚環氧乙烷(Poly(ethylene oxide))、聚已二酸乙二醇酯(Poly(ethylene adipate))、同側配列聚 (1-丁烯)(isotactic Poly(1-butene))、聚乙烯(Poly(ethylene))。更者，此熱敏分解材料更混合有一礦物油，以降低軟化點。
上述對鈍化成分與極性溶液提供者12、14的保護或者成膜方式可以進行相互搭配使用，並不以本說明書所繪製圖式進行限制。舉例來說，鈍化成分提供者12是由兩種化合物121、122所組成時，化合物121使用膠囊26包覆，並與極性溶液提供者14一起與成膜劑16混煉、塗佈、乾燥與壓製成一第一膜片28，而化合物122則使用一膠囊26包覆並與成膜劑16混煉、塗佈、乾燥與壓製成一第二膜片29，第二膜片29貼設於第一膜片28表面上，形成積層狀的結構，最後在使用一保護層18將第一膜片28與第二膜片29包覆，以阻隔外在環境，如第6(a)圖所示。
更者，如第6(b)圖至第6(c)圖所示的各種熱失控抑制元件10結構。舉例來說，如第6(b)圖所示，化合物122是水溶液化並且吸附於結構支撐材22，外部包覆一保護層18，剩餘的化合物121與極性溶液提供者14使用膠囊26包覆並與成膜劑16混合，以形成膜片化。如第6(c)圖所示，化合物121、122與極性溶液提供者14都是使用膠囊26包覆並各自與成膜劑16混合形成膜片。對熟悉該項技藝者來說是可以由本案所陳述的各種保護方式進行搭配與修改，然該些修改仍無法跳脫本案所保護的範疇。
請參閱第7(a)圖至第7(b)圖，其係設置有本發明之熱失控抑制劑或熱失控抑制元件的鋰電池結構示意圖。在實際應用上，為使本發明的熱失控抑制劑或熱失控抑制元件具有與外在環境的隔離機制，以在不影響電化學反應系統運作的情況下，設置在容設鋰電池的封裝構件32與電化學反應系統34間的熱失控抑制劑或熱失控抑制元件可適當調整隔離機制， 舉例來說，當應用於如第7(a)圖所示的捲繞式鋰電池或第7(b)圖所示的角型鋰電池時，可採用膜片化且外表面具有保護層18的熱失控抑制元件，以避免電化學反應系統與鈍化成分提供者以及極性溶液提供者彼此間的相互影響。當然也可以應用在鋁包式鋰電池。
或者也可直接採用熱失控抑制劑11(採用膠囊26作為隔離機制包覆鈍化成分提供者12與極性溶液提供者14)混合於鋰電池的電化學反應系統中的活性材料33內，如第7(c)圖所示；或者塗覆於鋰電池的高分子隔離層37表面上，如第7(d)圖所示。此時隔離層37表面也可以同時塗覆有陶瓷粉體36的補強材料，如第7(e)圖所示；或者混合於無基材的陶瓷隔離層的陶瓷粉體36中，如第7(f)圖所示，此些陶瓷粉體36可以具有離子傳導能力或者不具有離子傳導能力，更或者混合於電解質中(不論是液態或固態)。此方式是利用膠囊26作為保護機制來避免提供者12、14彼此間以及在未達到預設溫度時與電化學反應系統中的成分發生反應。
再者，當應用在集電層直接作為封裝構件的鋰電池態樣時，第8(a)圖所示，本發明的熱失控抑制元件10可直接設置於一鋰電池30的第一集電層302開放側(外側)表面上，第一集電層302具有數個微小的貫穿孔洞303，在這樣的架構下，因為本發明之熱失控抑制元件10是設置於鋰電池30的外部，因此不會對鋰電池的電化學反應系統效率或組成架構造成影響。因熱失控抑制元件10貼設於鋰電池30具有貫穿孔303的第一集電層302表面，第一集電層302可以正極集電層或者是負極集電層，當熱失控抑制元件10透過熱傳接收到來自第一集電層302的熱並升溫至一特定溫度(70-130℃)時，熱失控抑制元件10釋出如非鋰鹼金族與/或鹼土族離子A與兩性金屬離子B，並 在極性溶液負載下經由貫穿孔303滲透進入電化學反應系統並與正負極活性材料反應。
此鋰電池30包含有一第一集電層302與一第二集電層304；一夾設於第一集電層302與第二集電層304間並且一端黏著第一集電層302與另一端黏著第二集電層304的膠框306，第一集電層302、第二集電層304與膠框306形成一密閉的封圍空間(忽略貫穿孔303)；以及一設置於此封圍空間內的電化學反應系統，其包含有一緊鄰於第一集電層302的第一活性材料層308與一緊鄰於第二集電層304的第二活性材料層310，第一活性材料層308與第二活性材料層310分別為正負極的活性材料；一位於第一活性材料層308與第二活性材料層310間的隔離層(separator)312，其具有離子導通特性與電子絕緣特性；以及一電解質系統，其係位於該封圍空間內且含浸/混合於上述第一活性材料層308與第二活性材料層310間，以進行離子傳遞。當然上述第一活性材料層308與第二活性材料層310更具有導電材料與黏著材料，但因為該些部分並非本案的發明重點於此不進行贅述。
此外，鋰電池30形態下的隔離層312可以是由固態電解質所組成，或是由高分子材料所形成具孔洞的電子絕緣層，其表面可塗覆有陶瓷粉體。上述的隔離層也可以是僅由陶瓷粉體利用接著劑所堆疊形成。此陶瓷粉體可以是不具離子傳導性的，或者也可以具有離子傳導性。上述的貫穿孔303是垂直貫穿第一集電層302，以連通上下表面，也就是貫穿孔303一端顯露於該鋰電池的外部環境，另一端連通至該鋰電池30的電化學反應系統。
上述的第一集電層302、第二集電層304與膠框306更是作為 此電池的封裝元件。膠框306是聚合物材料，只要能夠黏固到第一、第二集電層302、304的表面上並且對電解質系統是耐用的即可，並沒有特別的材料限制，但熱固性樹脂是優選，例如矽膠。負極活性材料可以是碳材料、矽基材料或其混合。碳材料舉例來說如石墨化碳材料和無定型碳材料，如天然石墨、改性石墨、石墨化中間相碳微珠、軟碳(如焦炭)和一些硬碳等。矽基材料包含矽、矽的氧化物、矽/碳複合材料以及矽的合金。
再者，為避免提供者12、14與電化學反應系統因為預成型的貫穿孔產生相互影響，例如電解質滲出影響提供者12、14或提供者12、14滲入影響電化學反應系統，因此可於集電層302表面的貫穿孔303設置一可移除的閘層41，以作為暫時封閉貫穿孔，如第8(b)圖所示。而破壞閘層41以顯露出貫穿孔開口的方式，舉例來說，閘層41選自可被蝕刻破壞的材料所構成，具蝕刻能力的材料可來自於先前所述的鈍化成分的提供者12或者額外提供的蝕刻能力材料。閘層41也可以是由熱敏材料所構成，以利用溫度熔融作為破壞機制，又或者閘層41是由能與極性溶液反應而被移除的材料所構成。
再者，本發明之熱失控抑制元件10也可以是夾設於兩個鋰電池之間，如第9圖所示的狀態。
本發明所提出的熱失控抑制劑/元件也可以應用於各種鋰電池電化學反應系統已被顯露於外的鋰電池熱失控情況。此處所述的顯露係指有列縫或者孔隙，可讓熱失控抑制劑的成分進行滲入的情況。舉例來說，將本發明的熱失控抑制劑作為滅火器的填充材料，以噴灑在熱失控的鋰電池，以進行電化學反應的終止。或者，本發明的熱失控抑制劑混合於一電 動車的鋰電池冷卻循環系統中，舉例來說，當動力電池的電源管理系統偵測到異常高溫時，可將本發明的熱失控抑制劑所述的成分注入到冷卻循環液體中，待鋰電池氣脹產生裂縫顯露出孔洞時，就可以讓熱失控抑制劑的成分進入電化學反應系統進行反應，以進行鋰電池熱失控狀態的抑制。
接續，係利用X光繞射(XRD)儀驗證察本發明的熱失控抑制劑成分對脫鋰的正極活性材料以及嵌鋰的負極活性材料所造成的影響。在此實驗中，正極活性材料是選用NMC811，負極活性材料是選用矽-碳。
請參閱第10(a)圖，其係使用濃度各為30%NaOH、30%NaAl(OH)4、30%NaCl、10%LiOH以及30%KOH與脫鋰正極活性材料反應的XRD繞射圖形。由圖中可見脫鋰的NMC811與鈉離子或鉀離子反應後，NMC811的特徵能量主峰已經不見，且晶格結構因為鈉離子或鉀離子的插入已產生變異。這可能是因為與尺寸較大、重量較重與較高電位能的鈉離子在正極活性材料表面獲得電子形成鈉/鉀原子，並且在吸收熱能產生的驅動下遷移至已脫出的鋰原子空位或者層間位置(intercalation)，形成較穩定且較低能量的結構。
請參閱第10(b)圖，其係嵌鋰負極活性材料與鈉/鉀離子以及鋁離子反應前後的XRD繞射圖形。由圖中可明確發現代表Li-Si合金的特徵峰完全消失，代表Li-Si合金變成較低能量的聚合化合物型態。可推測鈉離子與鋁離子將與矽形成無機聚合物(geopolymer)，此類聚合物的架構為Mn[-(SiO2)z-AlO2]n‧wH2O，其中z為Si/Al原子莫爾比，Z=1、2、3或大於3，M為陽離子，例如鉀(K+)或鈉(Na+)，n為聚合程度，w為結晶水的莫耳量。此無機化合物是一封閉的架狀結構與沸石相似，因此能使嵌鋰的負極活性材 料轉而成為較高電位低能量的狀態。
請參閱第11(a)圖與第11(b)圖第11(a)圖是傳統鋰電芯進行熱失控測試的電壓與溫度曲線圖，第11(b)圖是使用本發明進行熱失控抑制之鋰電芯的電壓與溫度曲線圖，如圖所示傳統鋰電芯在熱失控產生高溫(500℃以上)時電壓才開始下降，而利用本發明進行熱失控抑制的鋰電池芯在升溫至100℃左右就可以使電芯的全電壓產生大幅下降，切斷電化學反應途徑，有效終止鋰電池的熱失控。
第12(a)圖至第12(c)圖分別是使用純水、NaOH與NaAl(OH4)對荷電狀態(SOC)100%的正極(cathode)進行滴定測試的結果。在第12(a)圖中可見正極對純水並沒有反應；在第12(b)圖與在第12(c)圖中可見NaOH與NaAl(OH4)在正極表面形成呈現疏水性的水滴狀態，並且產生許多細微氣泡包覆在水滴內。
第13(a)圖至第13(c)圖分別是使用純水、NaOH與NaAl(OH4)對荷電狀態(SOC)100%的負極(anode)進行滴定測試的結果。在第13(a)圖中可見負極殘留的鋰對純水有強烈的反應，並且造成負極層破裂；在第13(b)與第13(c)圖中可見NaOH與NaAl(OH4)在負極表面形成具有氣泡的無機聚合物，如一發泡體，並且可利用一夾具夾持此無機聚合物的一部分，如第13(d)圖所示。
第14(a)圖至第14(b)圖是分別對SOC40%的正極與SOC100%的正極，利用濃度為30%的氫氧化鈉滴定1小時後，採醋酸二甲酯(dimethyl carbonate；DMC)與純水進行表面清洗，隨後在60℃乾燥8小時的試片的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像。如圖所示，在SOC40%的正極因具有較低鋰 離子脫出的情況下，鈉離子插層至正極鋰離子脫出位置的狀況較不顯著，但仍可觀察到正極表面地貌輪廓起伏變得顯著，然在SOC100%的正極則因為具有較大量的鋰離子脫出，使得鈉離子插層於鋰離子脫逸位置更為顯著，材料晶格重整，正極表面地貌輪廓起伏變的非常顯著，且可觀察到部分表面甚至有破裂的狀態。
第15(a)圖至第15(b)圖分別是對SOC40%的負極與SOC100%的負極，利用濃度為30%的氫氧化鈉滴定1小時後，採DMC與純水進行表面清洗，隨後在60℃乾燥8小時的試片的SEM。如圖所示，氫氧化鈉使SOC40%的部分負極形成無機聚合物(geopolymer)，更者具有針狀結構矽酸膠體結構；在SOC100%時，針狀結構更為顯著。
再者，為了進一步驗證前述的正、負極低能量狀態，請參閱第16(a)、16(b)圖，係分別為正極、負極藉由濃度為20%NaAl(OH4)的水溶液進行反應之前後，採用熱示差掃描熱析儀(differential scanning calorimeter)所獲得之熱分析圖，由圖中可以明顯看出，正極於大約210℃的熱流峰值明顯已經消失(參見第16(a)圖)、而負極於大約180℃的熱流峰值明顯已經消失(參見第16(b)圖)。
綜上所述，本發明提出一種應用於鋰電池的熱失控抑制劑與能抑制熱失控的鋰電池，其在鋰電池升溫至一預設溫度(70-130℃)時，隔離機制將破壞，而極性溶液將負載非鋰鹼金族與/或鹼土族金屬離子與兩性元素至電化學反應系統，並與脫鋰正極活性材料與嵌鋰負極活性材料並進行反應，以使正負極活性材料各形成較低能量狀態，降低全電池的電壓，同時切斷電化學反應途徑，有效終止鋰電池的熱失控。再者，相較於既有的 熱失控抑制方式，本發明是直接由熱失控過程中最大能量釋出端與整個電化學反應驅動的主體，也就是活性材料端，進行熱失控的抑制，並藉由擷取溫度施予的能量讓非鋰鹼金族與/或鹼土族金屬離子插入正極活性材料脫鋰的層間位置，使結構重新排列獲得穩定，並同時消耗整體能量使溫度下降，以及抑止因結構不穩定所導致的氧物質釋出與其所衍生的連鎖失控反應，而嵌鋰負極活性材料端則與非鋰鹼金族與/或鹼土族金屬離子，以及鋁離子作用，形成低能量的聚合化合物，達到正負極活性材料全面低能量化，提高鋰電池的安全性，以有效且快速終止鋰電池的熱失控。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
11:熱失控抑制劑
12:鈍化成分提供者
14:極性溶液提供者
26:膠囊

Claims (24)

  1. 一種熱失控抑制劑，其包含有：一鈍化成分提供者，其釋出金屬離子A與兩性金屬離子B，該金屬離子A選自非鋰的鹼金族與/或鹼土族；一極性溶液提供者；以及一隔離機制，其包覆該鈍化成分提供者與/或該極性溶液提供者，以隔離該鈍化成分提供者與該極性溶液提供者，當熱失控抑制劑到達一預設溫度，該隔離機制失去阻隔能力，該極性溶液提供者釋出一極性溶液，其負載該金屬離子A與該兩性金屬離子B至一鋰電池的正負極活性材料，進行鈍化，使該鋰電池的電化學反應終止；其中該鈍化成分提供者係為水溶液狀態，以釋出該金屬離子A與該兩性金屬離子B、或該鈍化成分提供者為無水狀態，而與該極性溶液接觸後釋出該金屬離子A與該兩性金屬離子B。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱失控抑制劑，其中該鈍化成分提供者是無水狀態，該極性溶液提供者是受熱產水化合物，該隔離機制是具有孔洞的高分子層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之熱失控抑制劑，其中該金屬離子A是選自鈉或鉀。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之熱失控抑制劑，其中該兩性金屬離子B是選自鋁或鋅。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之熱失控抑制劑，其中該隔離機制是膠囊。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之熱失控抑制劑，其中該膠囊是選自於熱敏材料或是可因該極性溶液分解的材料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之熱失控抑制劑，其中該極性溶液提供者是受熱產水化合物。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之熱失控抑制劑，其中該極性溶液提供者是純水。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之熱失控抑制劑，其中該極性溶液提供者更添加有一沸點高於純水的親水材料。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之熱失控抑制劑，其中該極性溶液提供者與/或該鈍化成分提供者與一成膜劑混合或依附於一結構支撐材，以形成至少一膜片。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之熱失控抑制劑，其中該隔離機制是保護層，其包覆於膜片外表面。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之熱失控抑制劑，其中該結構支撐材選自於紙張、聚合物纖維、凝膠態的聚合物或玻璃纖維。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之熱失控抑制劑，其中該預設溫度為70-130℃。
  14. 一種能抑制熱失控的鋰電池，其具有一電化學反應系統，該電化學反應系統包含有一正極活性材料層、一負極 活性材料層，一隔離層，以及一電解質系統，該隔離層係位於該正極活性材料層與該負極活性材料層間，該電解質系統分佈於該電化學反應系統，該正極活性材料層、該負極活性材料層、該隔離層表面與該電解質系統任一者具有如申請專利範圍第1所述之熱失控抑制劑。
  15. 一種能抑制熱失控的鋰電池，其包含有：一封裝構件，其密封且容設一電化學反應系統；以及一熱失控抑制元件，其位於該電化學反應系統外，該熱失控抑制元件包含有：一鈍化成分提供者，其釋出金屬離子A與兩性金屬離子B，該金屬離子A選自非鋰的鹼金族與/或鹼土族；一極性溶液提供者，其係釋出一極性溶液；以及一隔離機制，其包覆該鈍化成分提供者與/或該極性溶液提供者，以隔離該鈍化成分提供者與該極性溶液提供者，該熱失控抑制元件到達一預設溫度時，該隔離機制失去阻隔能力，該極性溶液負載該金屬離子A與該兩性金屬離子B至該電化學反應系統的活性材料，使該電化學反應終止；其中該鈍化成分提供者係為水溶液狀態，以釋出該金屬離子A與該兩性金屬離子B、或該鈍化成分提供者為無水狀態，而與該極性溶液接觸後釋出該金屬 離子A與該兩性金屬離子B。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之能抑制熱失控的鋰電池，其中該熱失控抑制元件設置於該電化學反應系統與該封裝構件間。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之能抑制熱失控的鋰電池，其中該封裝構件具有一貫穿孔。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之能抑制熱失控的鋰電池，其中該貫穿孔覆蓋有一可以移除的閘層，其係封閉該貫穿孔。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之能抑制熱失控的鋰電池，其中該閘層的材料是熱敏分解材料或是可與該鈍化成分提供者或是可與該極性溶液反應而移除的材料。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之能抑制熱失控的鋰電池，其中該封裝構件係由一正極集電層、一負極集電層與一膠框所組成，該膠框夾設於該正極集電層與該負極集電層間，該正極集電層或該負極集電層具有該貫穿孔，該熱失控抑制元件設置於該正極集電層或該負極集電層的開放側表面上並覆蓋該閘層。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之能抑制熱失控的鋰電池，其中該封裝構件係由一正極集電層、一負極集電層與一膠框所組成，該膠框夾設於該正極集電層與該負極集電層間，該正極集電層或該負極集電層具有該貫穿孔，該熱失控抑 制元件設置於該正極集電層或該負極集電層的開放側表面上並覆蓋該貫穿孔。
  22. 如申請專利範圍第15項所述之能抑制熱失控的鋰電池，其中該預設溫度為70-130℃。
  23. 如申請專利範圍第15項所述之能抑制熱失控的鋰電池，其中該隔離機制是選自保護層、膠囊或其組合。
  24. 如申請專利範圍第15項所述之能抑制熱失控的鋰電池，其中該極性溶液提供者是受熱產水化合物。
TW110126201A 2020-07-29 2021-07-16 熱失控抑制劑及能抑制熱失控的鋰電池 TWI819336B (zh)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063058205P 2020-07-29 2020-07-29
US63/058,205 2020-07-29
US202063087563P 2020-10-05 2020-10-05
US63/087,563 2020-10-05
US17/372,057 2021-07-09
US17/372,057 US20220037720A1 (en) 2020-07-29 2021-07-09 Thermal runaway suppressant of lithium batteries and the related applications

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202205724A TW202205724A (zh) 2022-02-01
TWI819336B true TWI819336B (zh) 2023-10-21

Family

ID=77103875

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110126201A TWI819336B (zh) 2020-07-29 2021-07-16 熱失控抑制劑及能抑制熱失控的鋰電池

Country Status (10)

Country Link
US (1) US20220037720A1 (zh)
EP (1) EP3945620A1 (zh)
JP (1) JP7223812B2 (zh)
KR (1) KR20240058810A (zh)
CN (1) CN114094099B (zh)
AU (1) AU2021205001B2 (zh)
BR (1) BR102021014808A2 (zh)
IL (1) IL284965A (zh)
MX (1) MX2021009200A (zh)
TW (1) TWI819336B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115172954A (zh) * 2022-07-21 2022-10-11 成都盒电物联网科技有限公司 释放气体的复合层、单元及电池防爆组件
CN115377572B (zh) * 2022-08-01 2024-04-09 国核电力规划设计研究院有限公司 一种具有防护性能的新能源电池箱

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016062872A (ja) * 2014-09-22 2016-04-25 凸版印刷株式会社 リチウムイオン二次電池用正極、及びこれを用いたリチウムイオン二次電池
CN105580193A (zh) * 2013-09-24 2016-05-11 旭硝子株式会社 二次电池用非水电解液及锂离子二次电池
CN106469794A (zh) * 2015-08-20 2017-03-01 江苏海四达电源股份有限公司 一种高比能电池包内部阻燃降温的方法
TW201940492A (zh) * 2018-03-23 2019-10-16 日商艾迪科股份有限公司 熱失控之抑制劑

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10270084A (ja) * 1997-03-27 1998-10-09 Seiko Instr Inc 非水電解質二次電池
JPH10340739A (ja) * 1997-06-04 1998-12-22 Toyota Motor Corp リチウムイオン２次電池
KR20070008087A (ko) * 2005-07-13 2007-01-17 주식회사 엘지화학 과충전 방지제를 담지한 열 열화성 캡슐을 포함하고 있는리튬 이차전지
JP2008153001A (ja) * 2006-12-15 2008-07-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水系二次電池用電極板およびこれを用いた非水系二次電池
JP4786581B2 (ja) 2007-03-29 2011-10-05 Ｔｄｋ株式会社 リチウムイオン二次電池用又は電気化学キャパシタ用電極、及び当該電極を備えるリチウムイオン二次電池又は電気化学キャパシタ
US8277965B2 (en) * 2009-04-22 2012-10-02 Tesla Motors, Inc. Battery pack enclosure with controlled thermal runaway release system
JP2010287492A (ja) 2009-06-12 2010-12-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 二次電池
JP5354740B2 (ja) 2009-12-10 2013-11-27 日本バイリーン株式会社 リチウムイオン二次電池用熱暴走抑制剤及びリチウムイオン二次電池
US20130171484A1 (en) * 2011-06-06 2013-07-04 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Materials and Methods for Autonomous Battery Shutdown
CN103904291B (zh) * 2012-12-28 2016-12-28 华为技术有限公司 水系锂离子电池电极及其制备方法、水系锂离子电池
JP5643996B1 (ja) * 2013-08-22 2014-12-24 株式会社豊田自動織機 正極活物質層上に熱暴走抑制層を具備する正極を有するリチウムイオン二次電池
JP2015088370A (ja) * 2013-10-31 2015-05-07 凸版印刷株式会社 正極及びリチウムイオン二次電池
CN104979581B (zh) * 2014-04-11 2017-04-05 宁德时代新能源科技股份有限公司 胶囊以及锂离子电池
CN107078231A (zh) * 2014-05-21 2017-08-18 赛美西有限公司 被动隔离材料
US20180019476A1 (en) * 2015-01-30 2018-01-18 The Regents Of The University Of California Modified charge collectors and cell cases for enhanced battery-cell robustness
JP6572149B2 (ja) 2016-02-08 2019-09-04 日立オートモティブシステムズ株式会社 リチウムイオン二次電池および蓄電装置
US11145923B2 (en) * 2016-10-13 2021-10-12 Prologium Technology Co., Ltd. Battery structure
US20190097265A1 (en) * 2017-09-26 2019-03-28 University Of South Florida Phase-change nanoparticles for li-ion battery safety
KR102259219B1 (ko) * 2018-07-03 2021-05-31 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지
CN210079131U (zh) * 2019-04-08 2020-02-18 南京工业大学 一种软包锂电池热失控气体过滤收集装置
CN110010830A (zh) * 2019-04-23 2019-07-12 雒乙橙 一种锂电池隔膜
CN110433419B (zh) * 2019-06-28 2021-09-07 浙江南都电源动力股份有限公司 锂电热失控火灾抑制胶囊及锂离子电池

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105580193A (zh) * 2013-09-24 2016-05-11 旭硝子株式会社 二次电池用非水电解液及锂离子二次电池
JP2016062872A (ja) * 2014-09-22 2016-04-25 凸版印刷株式会社 リチウムイオン二次電池用正極、及びこれを用いたリチウムイオン二次電池
CN106469794A (zh) * 2015-08-20 2017-03-01 江苏海四达电源股份有限公司 一种高比能电池包内部阻燃降温的方法
TW201940492A (zh) * 2018-03-23 2019-10-16 日商艾迪科股份有限公司 熱失控之抑制劑

Also Published As

Publication number Publication date
TW202205724A (zh) 2022-02-01
EP3945620A1 (en) 2022-02-02
KR20220014844A (ko) 2022-02-07
BR102021014808A2 (pt) 2022-02-08
JP2022027534A (ja) 2022-02-10
CN114094099B (zh) 2024-05-07
KR20240058810A (ko) 2024-05-03
AU2021205001B2 (en) 2023-03-30
US20220037720A1 (en) 2022-02-03
JP7223812B2 (ja) 2023-02-16
MX2021009200A (es) 2022-07-12
AU2021205001A1 (en) 2022-02-17
CN114094099A (zh) 2022-02-25
IL284965A (en) 2022-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI814034B (zh) 熱失控抑制元件與其應用
TWI819336B (zh) 熱失控抑制劑及能抑制熱失控的鋰電池
JPWO2008029922A1 (ja) 電池用セパレータとその製造方法、およびリチウム二次電池
KR102665731B1 (ko) 리튬 배터리의 열폭주 억제제 및 관련 응용
RU2775003C1 (ru) Подавитель теплового убегания литиевых батарей и его соответствующее применение
KR102665734B1 (ko) 열폭주 억제 요소 및 관련 응용
JP7399138B2 (ja) リチウム電池の熱暴走を抑制するための方法
RU2773266C1 (ru) Способ подавления теплового убегания литиевых батарей
US12002920B2 (en) Method for suppressing thermal runaway of lithium batteries
KR102672576B1 (ko) 리튬 배터리의 열 폭주를 억제하는 방법
RU2772946C1 (ru) Элемент подавления теплового убегания и его соответствующее применение
KR102524484B1 (ko) 사전-리튬화된 금속 산화물을 포함하는 다층 복합 구조체 및 그 제조방법
BR102021014809B1 (pt) Elemento de supressão de fuga térmica e as aplicações relacionadas
TW202329513A (zh) 鋰二次電池