專利名稱：二次電池的保護電路以及包含該保護電路的二次電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種二次電池，尤指一種對二次電池的保護電路及具 有該保護電路的二次電池，甚至在二次電池暴露于高溫之下時，保護 電路也能保護二次電池，且也能防止由于過度充電而導(dǎo)致的二次電池 的溫度上升。
背景技術(shù)：
近來，當(dāng)二次電池的應(yīng)用領(lǐng)域擴展至便攜式終端、可攜式攝像機、 筆記型電腦、混合動力車(HEV)、及電動車(EV)的能量源時，二 次電池的研究和發(fā)展逐漸加速。
在目前可取得的二次電池中，早在1990年就發(fā)展且成為眾人注目 中心的鋰離子二次電池是具有如下優(yōu)點，S卩，具有大大高于傳統(tǒng)電池 的操作電壓及能量密度，這些傳統(tǒng)電池包括有鎳氫電池、鎳鎘電池、 及硫酸鉛電池等等。
大體上來說，當(dāng)二次電池，如鋰離子電池，被過度充電至高于 預(yù)定電壓時，陽極活性材料和電解液所發(fā)生的副反應(yīng)增加了。在較差 的情況下，可能發(fā)生陽極活性材料的結(jié)構(gòu)崩潰和電解液氧化等等。因 此，鋰也可能從負(fù)極活性材料沉淀。從這個狀況，如果電壓進一步地 增加，二次電池可能爆炸或燃燒。
進一步地，當(dāng)鋰離子二次電池暴露于比期望溫度還高的高溫時， 陽極活性材料不穩(wěn)定地被活化且快速地與電解液反應(yīng)，以至于二次電 池膨脹。在一些情況下，鋰離子電池可能爆炸或燃燒。
由于暴露于高溫之中而導(dǎo)致的二次電池爆炸和燃燒的機率根據(jù)二 次電池的充電狀態(tài)而變化。更具體地，在二次電池充電期間，因為二 次電池的能量密度增加，且電極活性材料不穩(wěn)定性加深，因而充電比 增加得越高，爆炸或燃燒的機率就越大。
為了解決這樣的問題，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，被稱作正溫度系數(shù)電阻 (PTC電阻)的有源元件是串聯(lián)連接至兩個電極，其內(nèi)部電阻根據(jù)二 次電池因過度充電而增加的溫度而提高，以便中斷將被輸入的電流并 防止過度充電。
然而，因為PTC電阻只有在二次電池因過度充電而溫度提高時才 中斷將被輸入到二次電池的電流，因此其中有個問題，即，當(dāng)已充電 的二次電池暴露于高溫時無法保護二次電池
發(fā)明內(nèi)容
、
因此，本發(fā)明為解決上述所提及的背景技術(shù)問題，本發(fā)明的目的 是提供一種二次電池保護電路及使用該保護電路的二次電池，在二次 電池因過度充電而溫度增加時，其能中斷電流流進二次電池，而且也 能在已充電的二次電池由于二次電池內(nèi)部或外部溫度增加而暴露于高 溫的情況中保護二次電池。
為達成上述目的，本發(fā)明提供一種二次電池保護電路，包括限 制用電流手段，其具有末端連接至該二次電池的第一電極；開關(guān)裝置， 其連接二次電池的第二電極至第一外部電極，或至電流限制裝置以回 應(yīng)溫度；以及導(dǎo)線，其連接二次電池的第一電極至第二外部電極。
開關(guān)裝置包括雙金屬以在高溫時執(zhí)行預(yù)定的開關(guān)操作。
限制電流的手段是經(jīng)由導(dǎo)體連接至二次電池的第一個電極，導(dǎo)體 是形成于二次電池的第一電極上，且包括其電阻值是大到足夠避免雙
金屬崩潰，并小到足夠使電流從二次電池安全地流出的電阻。
根據(jù)本發(fā)明，其是提供一種二次電池保護電路，包括限制電用 流手段，其是連接于二次電池的第一電極及第一外部電極之間，以； 開關(guān)裝置，其是用以連接二次電池的第二電極至第二外部電極，或至 第一外部電極，以回應(yīng)溫度。
在上述根據(jù)本發(fā)明的保護電路中，雙金屬是串聯(lián)連接至二次電池 的陽極電極(+ )和室溫中的外部陽極電極(+ )，以便允許電流流動。 當(dāng)溫度增加時，原本連接外部陽極電極(+ )的雙金屬是連接至外部陰 極電極(-)并且二次電池的陰極是不連接于陽極電極，以便中斷來自 于外部電極的電流流入。此外，雙金屬如此而感應(yīng)出電荷。因此，本 發(fā)明中斷施加于二次電池上的電流，以便防止在二次電池過度充電期 間的溫度增加時，及二次電池外部或內(nèi)部溫度增加時，二次電池的溫 度增加。
同時，為了防止二次電池由于電流流動于雙金屬中而導(dǎo)致的熱放 電所引起的不穩(wěn)定，用以限制電流流動的電阻是連接于雙金屬的端， 且調(diào)整出的電流量，以便減少由雙金屬和二次電池產(chǎn)生的熱量。此處， 電阻可直接連接至雙金屬，或者經(jīng)由導(dǎo)線連接。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例說明二次電池的保護電路的電路圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例說明二次電池的保護電路的電路圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的實驗曲線圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第三實施例顯示經(jīng)實驗后所觀察到的二次電池 和雙金屬的照片。
圖5顯示了第一比較實例的實驗曲線圖。
圖6說明利用第一比較實例的方法完成實驗后所觀察到的二次電 池的照片。
圖7顯示第二比較實例的實驗曲線圖。
圖8說明利用第二比較實例的方法完成實驗后所觀察到的二次電
池和雙金屬的照片。
圖9顯示根據(jù)本發(fā)明第四實施例的實驗曲線圖。
圖10說明以本發(fā)明的第四實施例的方法實驗后所觀察到的二次
電池和雙金屬的照片。
圖11顯示根據(jù)本發(fā)明第五實施例的實驗曲線圖。
圖12說明以本發(fā)明的第五實施例的方法實驗后所觀察到的二次 電池和雙金屬的照片。
具體實施例方式
在此將參照附加圖示以描述本發(fā)明的較佳實施例。已知元件及其 結(jié)構(gòu)的描述將省略。
本發(fā)明利用雙金屬擁有的依溫度變化而彎曲的特性，在二次電池 牌暴露高溫中時，中斷輸入至二次電池的電流。各種各樣的材料被使 用于雙金屬，包括具有低延展性的鎳鐵合金，和具有高延展性的銅鋅 合金、鎳錳鐵合金、鎳鉬鐵合金，錳鎳銅合金。最簡單的雙金屬是在 低溫時為水平的，而在高溫時朝鎳鐵合金彎曲。低溫時電流流過雙金 屬，但因為金屬未連接至接觸點上，因此在高溫時電流不能流過。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，雙金屬的三個端點分別連到二次電池的陽 極電極(+ )、外部陽極電極(+ )、和外部陰極電極(-)。雙金屬在 室溫下連接二次電池的陽極電極(+ )至外部陽極電極(+ )，而在高 溫時，連接二次電池的陽極電極(+ )至外部陰極電極(-)。在此，二 次電池陰極電極(-)和外部陰極電極(-)是相互連接的。
如上述，在二次電池溫度升高時，隨著連接至外部陽極電極(+ )
的雙金屬被連接至與二次電池陽極電極(+ )相連接的外部陰極電極(-) 時，二次電池陽極電極(+)經(jīng)由雙金屬連接到外部陰極電極(-)。因 此，二次電池的陽極電極通過雙金屬從二次電池的陰極電極斷開，以 便中斷來自于外部電極的電流輸入，且經(jīng)由雙金屬導(dǎo)致放電，因此而 穩(wěn)定地維持二次電池。
如上述，在由于二次電池過度充電或是由于外部或內(nèi)部影響而導(dǎo) 致二次電池溫度提高時，通過運用響應(yīng)于二次電池溫度而執(zhí)行期望的 切換操作的雙金屬，本發(fā)明中斷了供應(yīng)至二次電池的電流，并使得二 次電池放電，因此而穩(wěn)定地維持二次電池。
然而，在雙金屬直接連接至二次電池而同時產(chǎn)生短路時，自二次 電池放電的電流快速流至雙金屬，以至于由雙金屬產(chǎn)生的大量的熱與 電流平方成比例。熱可以導(dǎo)致雙金屬崩潰，或是破壞機械地支持雙金 屬的物理支持物。更進一步地，當(dāng)雙金屬操作于高于大約6(TC的高溫 時，二次電池本身可能快速地放電并且產(chǎn)生熱，而使二次電池變得更 不穩(wěn)定。
當(dāng)雙金屬導(dǎo)致外部短路時，為了調(diào)整二次電池和雙金屬所產(chǎn)生的 大量的熱，電阻連接在雙金屬和二次電池之間。電阻調(diào)整放電的電流
量以便減少熱量。例如，當(dāng)雙金屬具有10mQ的電阻，在現(xiàn)今的鋰離子 二次電池在完全充電之前，其在電壓4.2V處流動的最大電流是420Ah。 因此，如果雙金屬的電阻是一致的，則具有1Q電阻的外部電阻被連接 至雙金屬，以便將電流減少至4.2A，并可使熱量明顯地減少。
如上述，根據(jù)本發(fā)明被提供至二次電池保護電路的電阻具有如下 的值，其大到足以防止雙金屬的崩潰，并小到足以充分且安全地使電 流自二次電池釋放。根據(jù)本發(fā)明，電阻擁有的電阻值是在1Q 25Q。尤 其，在電阻小于1Q時，電阻太小而無法調(diào)整雙金屬所產(chǎn)生的熱量，大 量的熱從雙金屬產(chǎn)生。在電阻大于25Q時，電阻本身產(chǎn)生大量的熱，
因此導(dǎo)致二次電池變得不穩(wěn)定。
之后，本發(fā)明的實施例將參照各式比較實例以詳細描述。 第一實施例三端雙金屬和電阻的連接
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例說明二次電池保護電路的電路圖。
二次電池的保護電路包括雙金屬BMl和電阻R1。雙金屬BMl三 端的其中一端連接至二次電池VI的陽極電極(+ )，另一端連接至外
部陽極電極(+ )(未顯示)，而剩余的端連接至電阻R1的一端。電 阻Rl的另一端連接至二次電池的陰極電極(-)。此外，二次電池和 外部陰極電極(-)相互連接。在此處，電阻Rl可直接地連接至雙金 屬BM1，或是通過導(dǎo)線連接至雙金屬BM1。
之后，將描述具有上述結(jié)構(gòu)的二次電池保護電路的操作。
在室溫下，雙金屬BM1將二次電池的陽極電極(+ )連接至外部 陽極電極(+ )，而在高溫時，其通過電阻Rl將二次電池的陽極電極 (+ )連接至外部陰極(-)。在高溫下，二次電池V1短路，以使得來 自外部電極的電流供應(yīng)中斷，而且，電流經(jīng)由雙金屬BM1和電阻Rl 放電。
第二實施例雙金屬、導(dǎo)線和電阻的連接
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的二次電池保護電路的電路圖。
二次電池的保護電路包括有雙金屬BM2和電阻R2。雙金屬三端 點的其中一個端點連接至二次電池V2的陽極電極(+ )，另一端連接 外部陽極電極(+ )(未顯示)，剩下的端點經(jīng)由導(dǎo)線連接至電阻R2 一端和外部陰極電極(-)。電阻的另一端連接至二次電池V2的陰極
電極(-)。
除了電阻R2連接在二次電池V2的陰極電極(-)和外部陰極電極
(-)之間之外，第二實施例與第一實施例相同。
第三實施例雙金屬、導(dǎo)體和電阻的連接
漿液是通過混合作為陽極活性材料的LiCo02、傳導(dǎo)劑、粘合劑所
做成的，然后再包覆鋁箔，由此制成陽極電極。陰極電極的制造是以 如下方式做成的，即，混合基于碳的陰極活性材料、傳導(dǎo)劑、粘合劑 做成漿液，然后再包覆銅箔。在上述制造的兩個電極之間插入由聚乙 烯樹脂和聚丙烯樹脂組成的分隔膜，然后巻繞電極并將其插進金屬容
器制成的護套以便完成矩形的二次電池。這里，基于電解液的EC/PC 被用于具有S00mAh容量的矩形二次電池。
如上所描述地建構(gòu)的二次電池的陽極電極與雙金屬的兩端串聯(lián)， 以在雙金屬工作溫度之下提供電流，而在超過雙金屬工作溫度時提供 電流的雙金屬剩余端連接至1。電阻的一端，該1Q電阻的另一端連接 至陰極電極，如此形成了二次電池的保護電路。
在充電至4.4Ah之后，二次電池被插入烤箱中，然后以5°C/min 的速度加熱至150。C，接下來保持15(TC—個小時。然后，通過測量二 次電池溫度的改變和檢測是否發(fā)生爆炸及/或燃燒以檢查二次電池的安 全性。
圖3是說明實驗結(jié)果的曲線圖，而圖4顯示了在實驗后觀察到的 二次電池及雙金屬照片。
如圖4中所示，沒有發(fā)生二次電池的爆炸和燃燒，且也沒有發(fā)生 雙金屬崩潰。 比較實例1
準(zhǔn)備并用與第三實施例相同的方式檢査除了未使用雙金屬和電阻 之外，其他皆與第三實施例的二次電池相同的二次電池。結(jié)果是顯示 在圖5、和圖6。請參照圖5、及圖6， 二次電池暴露在高溫下。
比較實例2
準(zhǔn)備并用與第三實施例相同的方式檢査除了未使用電阻之外，其
他皆與第三實施例的二次電池相同的二次電池。結(jié)果顯示在圖7、和圖 7。請參照圖7、和圖8，發(fā)生了二次電池爆炸和雙金屬崩潰。
第四實施例
準(zhǔn)備并用與第三實施例相同的方式檢查除了使用2Q的電阻之外， 其他皆與第三實施例的二次電池相同的二次電池。結(jié)果顯示在圖9、和 圖10。請參照圖9、和圖10，并未發(fā)生二次電池的爆炸和燃燒以及雙 金屬崩潰。
第五實施例
準(zhǔn)備并用與第三實施例相同的方式檢查除了使用5。的電阻之外， 其他皆與第三實施例的二次電池相同的二次電池。結(jié)果顯示在圖11、 和圖12。請參照圖11和圖12，并未發(fā)生二次電池爆炸和燃燒及雙金 屬崩潰。
工業(yè)實用性
為防止電池在過度充電期間溫度上升，本發(fā)明運用元件以響應(yīng)于 溫度而執(zhí)行預(yù)定的切換動作，取代了傳統(tǒng)的正溫度系數(shù)電阻(PTC)技 術(shù)。在高溫時，本發(fā)明中斷了施加于二次電池的外部電極的電流，且 也允許二次電池放電，因此改善了二次電池的安全性。
上述實施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的權(quán)利 范圍自應(yīng)以權(quán)利要求范圍所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實施例。
權(quán)利要求
1.一種二次電池的保護電路，包括用于限制電流的裝置，其具有連接至該二次電池的第一電極的一端；開關(guān)裝置，其用以將該二次電池的第二電極連接至第一外部電極，或響應(yīng)于溫度而將該二次電池的第二電極連接至電流限制裝置；以及導(dǎo)線，其連接該二次電池的該第一電極至第二外部電極。
2. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的保護電路，其中該開關(guān)裝置包 括雙金屬，用以在高溫下執(zhí)行期望的開關(guān)操作。
3. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的保護電路，其中該電流限制裝 置通過導(dǎo)體連接至該二次電池的該第一電極，該導(dǎo)體形成于該二次電 池的該第一電極之上。
4. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的保護電路，其中該電流限制裝 置包括電阻，該電阻具有如下電阻值，該電阻值大到足以避免該雙金 屬崩潰，且該電阻值小到足以從該二次電池安全地釋放電流。
5. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的保護電路，其中該電流限制裝 置直接連接到該開關(guān)裝置或是通過該導(dǎo)線連接到該開關(guān)裝置。
6. —種二次電池的保護電路，包括用于限制龜流的裝置，其連接在該二次電池的第一電極及第一外 部電極之間；以及開關(guān)裝置，其用以將該二次電池的第二電極連接至第二外部電極， 或響應(yīng)于溫度將該二次電池的第二電極連接至該第一外部電極。
7. 如權(quán)利要求6所述的二次電池的保護電路，其中該開關(guān)裝置包 括雙金屬，用以在高溫下執(zhí)行期望的開關(guān)操作。
8. 如權(quán)利要求6所述的二次電池的保護電路，其中該電流限制裝 置通過導(dǎo)體連接至該二次電池的該第一電極，該導(dǎo)體形成于該二次電 池的該第一電極之上。
9. 如權(quán)利要求6所述的二次電池的保護電路，其中該電流限制裝置包括電阻，該電阻具有如下電阻值，該電阻值大到足以避免該雙金 屬崩潰，且該電阻值小到足以從該二次電池安全地釋放電流。
10. —種二次電池，其包括權(quán)利要求1至9項中任何一項所述的保護電路。
全文摘要
揭露一種二次電池保護電路及使用其的二次電池，當(dāng)二次電池因過度充電而溫度上升時，保護電路及使用其同的二次電池是能中斷電流輸入至二次電池，并且在已充電的二次電池由于二次電池外部或內(nèi)部溫度上升而使其暴露在高溫的狀況下時，也能保護二次電池。保護電路包括具有末端連接至二次電池的第一電極的手段，用以電流限制；連接二次電池的第二電極至第一外部電極或至電流限制裝置以回應(yīng)溫度的開關(guān)裝置，以及連接二次電池的第一電極至第二外部電極的導(dǎo)線。
文檔編號H01M2/34GK101171704SQ200680015984
公開日2008年4月30日 申請日期2006年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月10日
發(fā)明者張誠均, 曹正柱, 李在憲, 李濬煥, 河秀玹 申請人:株式會社Lg化學(xué)