TWM508804U - 電池殼層結構 - Google Patents
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Description
本創作係有關一種電池殼層結構，尤係關於一種提升電池安全性的電池殼層結構。
電池的種類繁多，從使用於一般電子設備的3、4號電池，到使用在車上的鉛蓄電池，在生活當中常常都可看到電池的應用。近年來，電子設備發展快速，為了便於攜帶，各家廠商極力縮小電子設備，如智慧型手機，為了能在智慧型手機市場中占一席之地，每一年推出的智慧型手機的厚度越來越薄，但也使得電池的空間受到限制。
為了用盡智慧型手機內部的每一吋空間，具有輕量化、薄型化特色之鋰聚合物電池是最好的選擇。鋰聚合物電池是利用聚合物取代原本的有機溶液，使得電池的外包裝有更多更彈性的選擇，以縮小電池的佔用空間，而來追求輕量化及薄型化。
為降低電池殼層的厚度，現有的技術是將聚醯胺薄膜包覆住鋁箔層以構成習知電池殼層結構。
然而，鋰聚合物電池因具有高能量密度，使用習知電池殼層結構之鋰離子二次電池，在電池溫度因使用後急遽升高或過熱時可能產生氣體導致膨脹或起火，而有爆炸的
危險。
因此，生產電池的廠商除了就鋰離子二次電池本身進行安全性改良外，提供電池殼層之業者亦致力於開發可提升安全性的電池殼層結構。
本創作提供了一種電池殼層結構，係用以提升鋰離子二次電池之安全性。
本創作提供一種電池殼層結構，係包括：含有第一聚合物與氣體吸附劑之氣體吸附層；以及依序形成於該氣體吸附層上之第一接著層、阻氣層、第二接著層及外保護層，俾使該阻氣層位於該第一接著層與第二接著層之間，及使該第二接著層位於該阻氣層與外保護層之間。
於一具體實施例中，該氣體吸附劑為具有表面積大於200m2
/g之吸附材料所製成者。於前述實施例中，該吸附材料為多孔性材料所製成者，該吸附材料係選自活性碳、矽膠、沸石、碳酸鈣、滑石粉及氧化鋁所組成群組中的至少一者。
於一具體實施例中，以該氣體吸附層之總重計，該氣體吸附劑之含量為0.1至5重量%。
於一具體實施例中，該第一聚合物係聚烯烴。於較佳實施例中，該聚烯烴係聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯。於前述實施例中，該氣體吸附層之厚度為30至100微米。
於一具體實施例中，該第一接著層係包括接著劑。於另一具體實施例中，該第一接著層復包括自由基捕捉劑。
於前述實施例中，以該第一接著層之總重計，該自由基捕捉劑之含量係介於0.5至10重量%。該接著劑係選自聚氨酯樹脂類、聚酯樹脂類、壓克力樹脂類或聚烯烴樹脂類之接著材料所製成者。
於一具體實施例中，本創作之電池殼層結構復包括形成於該氣體吸附層與第一接著層之間之至少一中間層。於前述實施例中，該中間層係包括第二聚合物。於較佳實施例中，該第二聚合物係選自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯。於前述實施例中，該中間層復包括自由基捕捉劑，以該中間層之總重計，該自由基捕捉劑之含量係介於0.5至10重量%。
於一具體實施例中，該自由基捕捉劑為用以提供游離之氫之化合物所製成者。於較佳實施例中，該化合物為具有羥基之芳香環結構化合物，更佳地，該具有羥基之芳香環結構化合物係選自酚、N,N’-二(2-萘基)對苯二胺、4,4’-硫代雙(6-特丁基間甲酚)、三(丁基甲酚基)丁烷、四[β
-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯、2,6-二叔丁基對甲酚及巴比妥酸(Barbituric Acid)所組成群組中的至少一者。
於另一具體實施例中，該中間層係為複數層，各該中間層所包括之該第二聚合物係獨立選自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯，且各該中間層中亦可獨立具有或不具有自由基捕捉劑，以各該中間層之總重計，該自由基捕捉劑之含量係介於0.5至10重量%。於前述實施例中，該中間
層與氣體吸附層之總厚度為30至100微米。
於一具體實施例中，該阻氣層係為金屬層，較佳者係該金屬層為厚度介於30至50微米之鋁箔層。
於一具體實施例中，該外保護層之厚度為10至50微米，且形成該外保護層之材質係選自環氧樹脂、丙烯酸系樹脂、胺基甲酸酯系樹脂、矽橡膠系樹脂、聚對環二甲苯系樹脂、雙馬來醯亞胺系樹脂及聚醯亞胺樹脂所組成群組中的至少之一者。
本創作之電池殼層結構係藉由於鋰離子二次電池之殼層結構內側貼附氣體吸收層，更佳係於正、負極片貼附側上形成氣體吸收層，以隔絕該正、負極片與鋁箔層，俾透過以含有氣體吸收劑之氣體吸收層取代僅以聚醯亞胺膜包覆住鋁箔層的習知封裝層，以在鋰離子二次電池中的電解液與正極材料進行電化學反應而產生如H2
、CO、CO2
、烷類與烯類之氣體、雜質或水汽時，能吸附該些氣體、雜質或水汽，避免過多的氣體產生氣脹甚至導致起火等問題產生。
因此，使用本創作之電池殼層結構所製得之鋰離子二次軟包電池，能避免因電化學反應進行時所產生的氣體造成該鋰離子二次軟包電池發生氣脹之缺失，遂能避免因氣脹導致起火等危害，能有效提升使用本創作之電池殼層結構所製得之鋰離子二次軟包電池的安全性，據以達到提升鋰離子二次電池的安全性之目的。
此外，本創作之電池殼層結構在鋰離子二次電池之阻
氣層內各層(如，接著層及/或中間層等)添加自由基捕捉劑(free radical scavenger)，故，當本創作電池殼層結構於溫度高於120℃時，該自由基捕捉層會產生熔融狀而釋放出自由基捕捉劑，而能在鋰離子二次電池因過熱爆炸之前，以自由基捕捉劑迅速捕捉正極材料因高溫釋出的氧而避免燃燒反應發生。
因此，使用本創作之電池殼層結構製得之鋰離子軟包電池，當遇到鋰離子電池因不當使用或出現異常狀況而使電池溫度急遽升高或過熱時，得以在產生危險爆炸之前，阻斷燃燒反應，據以達到提升鋰離子二次電池的安全性之目的。
1、2、3、4、5‧‧‧電池殼層結構
10‧‧‧氣體吸附層
11、11’、12‧‧‧中間層
13、13’‧‧‧第一接著層
14‧‧‧阻氣層
15‧‧‧第二接著層
16‧‧‧外保護層
第1圖係為本創作之電池殼層結構之第一實施例的剖面示意圖；第2圖係本創作電池殼層結構之第二實施例之剖面示意圖；第3圖係為本創作之電池殼層結構之第三實施例之剖面示意圖；第4圖係本創作電池殼層結構之第四實施例之剖面示意圖；以及第5圖係為本創作之電池殼層結構之第五實施例之剖面示意圖。
以下藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，
熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本創作之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本創作可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本創作所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本創作所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。於本說明書中所述之「高比表面積之吸附材料」係指比表面積大於200m2
/g之吸附材料。同時，本說明書中所引用之如「一」、「二」、「第一」、「第二」及「上」亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本創作可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本創作可實施之範疇。
如第1圖所示，係為本創作之電池殼層結構之第一實施例的剖面示意圖，而該電池殼層結構1係包括氣體吸附層10、第一接著層13、阻氣層14、第二接著層15及外保護層16。
於本實施例中，該氣體吸附層10係包括第一聚合物及氣體吸附劑。該第一聚合物通常係聚烯烴，俾利用其撓性及包覆性作為接觸的封裝層。舉例而言，該聚烯烴係聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯。
該氣體吸附劑係具有高比表面積之吸附材料所製成
者，其中，通常係指指比表面積大於200m2
/g之吸附材料所製成者，其中，係以多孔性材料為佳，且該吸附材料對於如H2
、CO、CO2
、烷類與烯類之氣體具有高物理吸附能力，舉例而言，該氣體吸附劑包括活性碳、矽膠、沸石及氧化鋁所組成群組中的至少一者。
於較佳實施方式中，該氣體吸附層之總重計，該氣體吸附劑之含量為0.1至5%。氣體吸附劑的添加可透過摻混的方式完成，並使用習知製膜技術製備氣體吸附層。該氣體吸附層之厚度係介於30至100微米。
於本實施例中，形成該第一接著層13與第二接著層15之材質係選自聚氨酯樹脂類、聚酯樹脂類、壓克力樹脂類或聚烯烴樹脂類之接著劑材料。通常，該第一接著層13與第二接著層15之厚度為3至5微米。
所述之該阻氣層14係為金屬層，較常使用者係鋁箔層。此外，該阻氣層之厚度為30至50微米，俾具有較佳的阻氣防滲的功效。
該外保護層16係可為例如尼龍之聚醯胺薄膜或聚酯薄膜(如聚碳酸酯薄膜)或是聚醯亞胺薄膜，其厚度為10至50微米。
請參閱第2圖，本創作之電池殼層結構之第一實施例的另一實施方式之剖面示意圖。
於實施方式之電池殼層結構2中，該第一接著層13’中係包括接著劑與自由基捕捉劑，以該第一接著層13’之
總重計，該自由基捕捉劑之含量係介於0.5至10重量%。該接著劑係由選自聚氨酯樹脂類、聚酯樹脂類、壓克力樹脂類或聚烯烴樹脂類之接著材料所製成者。該自由基捕捉劑係用以提供游離之氫之化合物所製成者，該化合物並係以具有羥基之具芳香環主結構之化合物為佳，且該化合物能提供可游離之氫，使該可游離之氫與自由基結合，而今該化合物轉變為共振混合體或共振化合物，而是種具有氫提供者之實例包括酚、N,N’-二(2-萘基)對苯二胺、4,4’-硫代雙(6-特丁基間甲酚)、三(丁基甲酚基)丁烷、四[β
-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯、2,6-二叔丁基對甲酚及巴比妥酸(Barbituric Acid)等。
第3圖所示之第三實施例與前述第一實施例的差異在於該電池殼層結構3復包括一層中間層11，係形成於該第一接著層13與氣體吸附層10之間。
於本實施例中，該中間層11係包括第二聚合物，較佳地該第二聚合物係選自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯。
如第4圖所示，本創作第四實施例之電池殼層結構4中，該中間層11’復包括自由基捕捉劑。較佳地，以該中間層11’之總重計，該自由基捕捉劑之含量為0.5至10重量份。
請參閱第5圖係為本創作之電池殼層結構之第五實施
例的剖面示意圖。
第五實施例與第三實施例的差異在於該電池殼層結構5中，具有複數該中間層11’,12，形成各該中間層11’,12之第二聚合物係獨立選自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯。
本實施例係以含有自由基捕捉劑之該中間層11’為例，事實上於本創作之電池殼層結構3,4,5中，該中間層11,11’,12之組成可為相同或不同，亦即，該中間層11’可包含自由基捕捉劑或該中間層11,12不含自由基捕捉劑。當該中間層11’含有自由基捕捉劑時，以該中間層11’之總重計，該自由基捕捉劑之含量為0.5至10%。
該電池殼層結構1係包括使用含沸石(上海復旭分子篩FX-202)之聚丙稀薄膜(南亞，型號CXDA)作為氣體吸附層10，該氣體吸附層10之厚度為40μ
m，並於該氣體吸附層10上以聚氨酯樹脂(亞洲電材公司，型號AEM-A1)形成3μ
m厚之第一接著層13，使用40μ
m厚之鋁箔層作為阻氣層14，再以聚氨酯樹脂(亞洲電材公司，型號AEM-A2)於該阻氣層14上形成4μ
m厚之第二接著層15及使用25μ
m厚之尼龍薄膜(尤尼吉可，型號EMBLEM 25)作為外保護層16，製得第一實施例的電池殼層結構1。
與製備例1之製備方法大致相同，差別僅在於製備例2中，該第一接著層13’係含有以該第一接著層13’之總重
計，5重量%之自由基捕捉劑，該自由基捕捉劑為N,N'-二(2-萘基)對苯二胺(天擎化工，型號防老劑DNP)。
與製備例1之製備方法大致相同，差別僅在於製備例3之電池殼層結構3中，復包括形成於該第一接著層13與氣體吸附層10間的中間層11。於本製備例中，係使用40μ
m厚之聚丙稀薄膜(南亞塑膠，型號CXDA)作為該中間層11。
與製備例3之製備方法大致相同，差別僅在於製備例4之電池殼層結構4中，該中間層11’係40μm厚之含有3重量%之N,N'-二(2-萘基)對苯二胺(天擎化工，型號防老劑DNP)的聚丙稀薄膜。
與製備例4之製備方法大致相同，差別僅在於製備例5之電池殼層結構5中，該中間層為二層，該中間層11’,12之材質分別為40μ
m厚之聚丙稀薄膜作為該中間層11(南亞塑膠，型號CXDA)與含有3重量%之N,N'-二(2-萘基)對苯二胺(天擎化工，型號防老劑DNP)的聚丙稀薄膜。
與製備例1之電池殼層結構與製法大致相同，差別僅在於各層結構皆不含氣體吸附劑。
該電池殼層結構係包括形成厚度為40μ
m之含3重量
%之N,N'-二(2-萘基)對苯二胺(天擎化工，型號防老劑DNP)的聚丙稀薄膜(南亞，型號CXDA)作為自由基捕捉層，於該自由基捕捉層上以聚氨酯樹脂(亞洲電材公司，型號AEM-A1)形成3μ
m厚之第一接著層13，使用40μ
m厚之鋁箔層作為阻氣層14，再以聚氨酯樹脂(亞洲電材公司，型號AEM-A2)於該阻氣層14上形成4μ
m厚之第二接著層15及使用25μ
m厚之尼龍薄膜(尤尼吉可，型號EMBLEM 25)作為外保護層16，製得比較例2的電池殼層結構。
將依據前述製備例與比較例所製得之電池殼層結構與鋁利用沖殼機沖殼成形，構成長5.0cm、寬3.7cm、厚0.5cm的外殼，並依503759型號規範，經鋰離子電解液填充灌液及封裝形成鋰電池。將所製得的電池以4.2V充電活化後，再以0.2C放電速率測得平均電容量為1274mAh。
將使用製備例1至5與比較例1及2所製得之電池殼層結構所製得的503759型號電池進行穿刺實驗，並將熱偶溫度計鑲埋在穿刺實驗所用的釘子上，進行穿刺實驗、量測電池短路點溫度，並將結果記錄於表一。
將依據前述製備例與比較例之電池殼層結構放置於充滿二氧化碳之空間中，並使用二氧化碳氣體分析儀分析吸附前後二氧化碳吸附量，以測試二氧化碳吸附量。
如表一所示，使用該自由基捕捉層可以提升電池安全性，並降低穿刺時的電池短路點溫度，惟若未使用該自由基捕捉劑添加於電池之之內部各層，則電池短路點溫度將大於500℃，也無法通過穿刺測試。
相較於比較例1及2，本創作製備例1至5之電池殼層結構皆能通過穿刺實驗，透過氣體吸附層能吸附如H2
、CO、CO2
、烷類與烯類之氣體，具有較佳的氣體吸附效果。
此外，本創作製備例2、4、5之電池殼層結構更藉由在與鋰離子二次電池之阻氣層內各層添加自由基捕捉劑(free radical scavenger)，而非以一般聚合物層作為接觸的封裝層，故由此電池殼層結構製得之鋰離子軟包電池，在遇到鋰離子電池因不當使用或出現異常使電池溫度急遽升高或過熱時，藉由本創作電池殼層結構於溫度高於120℃
時會產生熔融狀而釋放出自由基捕捉劑之特性，得以在產生危險爆炸之前，以自由基捕捉劑迅速捕捉正極材料因高溫釋出的氧及阻斷燃燒反應，降低電池短路點溫度，而能提升鋰離子二次電池之安全性。
上述該等實施樣態僅例示性說明本創作之功效，而非用於限制本創作，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本創作之精神及範疇下，對上述該等實施態樣進行修飾與改變。此外，在上述該等實施態樣中之元件的數量僅為例示性說明，亦非用於限制本創作。因此本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧電池殼層結構
10‧‧‧氣體吸附層
13‧‧‧第一接著層
14‧‧‧阻氣層
15‧‧‧第二接著層
16‧‧‧外保護層
Claims (23)
- 一種電池殼層結構，係包括：氣體吸附層，係包括第一聚合物及氣體吸附劑；以及依序形成於該氣體吸附層上之第一接著層、阻氣層、第二接著層及外保護層，俾使該阻氣層位於該第一接著層與第二接著層之間，及使該第二接著層位於該阻氣層與外保護層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，其中，該氣體吸附劑為比表面積大於200m2 /g之吸附材料所製成者。
- 如申請專利範圍第2項所述之電池殼層結構，其中，該氣體吸附劑為多孔性材料所製成者。
- 如申請專利範圍第3項所述之電池殼層結構，其中，該氣體吸附劑係選自活性碳、矽膠、沸石、碳酸鈣、滑石粉及氧化鋁所組成群組中的至少一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，其中，以該氣體吸附層之總重計，該氣體吸附劑之含量為0.1至5重量%。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，其中，該第一聚合物係聚烯烴。
- 如申請專利範圍第6項所述之電池殼層結構，其中，該聚烯烴係聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，其中， 該第一接著層係包括接著劑。
- 如申請專利範圍第8項所述之電池殼層結構，其中，該接著劑係選自聚氨酯樹脂類、聚酯樹脂類、壓克力樹脂類或聚烯烴樹脂類之接著材料所製成者。
- 如申請專利範圍第8項所述之電池殼層結構，其中，該第一接著層復包括自由基捕捉劑，以該第一接著層之總重計，該自由基捕捉劑的含量係介於0.5至10重量%。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，復包括至少一中間層，係形成於該氣體吸附層與第一接著層之間。
- 如申請專利範圍第11項所述之電池殼層結構，其中，該中間層係包括第二聚合物。
- 如申請專利範圍第12項所述之電池殼層結構，其中，該中間層復包括自由基捕捉劑，以該中間層之總重計，該自由基捕捉劑之含量係介於0.5至10重量%。
- 如申請專利範圍第12項所述之電池殼層結構，其中，該第二聚合物係選自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯。
- 如申請專利範圍第10或13項所述之電池殼層結構，其中，該自由基捕捉劑為用以提供游離之氫之化合物。
- 如申請專利範圍第15項所述之電池殼層結構，其中，該化合物為具有羥基之芳香環結構化合物。
- 如申請專利範圍第15項所述之電池殼層結構，其中， 該自由基捕捉劑係選自酚、N,N’-二(2-萘基)對苯二胺、4,4’-硫代雙(6-特丁基間甲酚)、三(丁基甲酚基)丁烷、四[β -(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯、2,6-二叔丁基對甲酚及巴比妥酸(Barbituric Acid)所組成群組中的至少一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，其中，該氣體吸附層之厚度為30至100微米。
- 如申請專利範圍第11項所述之電池殼層結構，其中，該中間層與氣體吸附層之總厚度為30至100微米。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，其中，該阻氣層係為金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，其中，該阻氣層係為鋁箔層。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，其中，該阻氣層之厚度為30至50微米。
- 如申請專利範圍第1項所述之電池殼層結構，其中，該外保護層之厚度為10至50微米。
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