專(zhuān)利名稱(chēng)：電化學(xué)電池用的破壞控制機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電化學(xué)電池的構(gòu)造，更具體點(diǎn)說(shuō)涉及含有一破壞機(jī)構(gòu)的電化學(xué)電池，當(dāng)電池遇到內(nèi)部或外部的用時(shí)，該機(jī)構(gòu)能造成內(nèi)部短路。本發(fā)明特別適用于具有螺旋卷繞電板型式構(gòu)造的鋰離子電化學(xué)電池結(jié)構(gòu)。
近年來(lái)高能鋰離子電池由于其重新充電的特性受到重大關(guān)注。這種電池的市場(chǎng)通過(guò)使用重新充電電池組的移動(dòng)電話、便攜計(jì)算機(jī)和攝錄象機(jī)的暢銷(xiāo)面擴(kuò)大。用于這些設(shè)備上的電池組典型地包括一個(gè)塑料殼體、多個(gè)互聯(lián)的電化學(xué)電池、和一個(gè)裝在塑料殼體內(nèi)的充電控制電路。
鋰離子電池典型地包括一個(gè)由導(dǎo)電材料制成的圓筒形電池殼體并有一個(gè)開(kāi)啟端和一個(gè)封閉端。有一螺旋卷繞的電板組件(或“果醬卷”組件)插置在圓筒形電池殼體的開(kāi)啟端內(nèi)，電極組件由負(fù)電極層、隔離層和正電極層交替疊合卷繞在一根心軸上制成。接著將電解液放置在電池殼體內(nèi)，然后將一個(gè)蓋組件放置在電池殼體的開(kāi)啟端內(nèi)使它密封，蓋組件在電路上與其中一個(gè)電極，通常為正電極連接。蓋組件包括一個(gè)密封件、和一個(gè)用密封件與圓筒形電池殼體壁電絕緣的導(dǎo)電蓋。
由于這種鋰離子電化學(xué)電池能被充電到高電壓，因此在螺旋卷繞的電極組件內(nèi)造成的任何短路都會(huì)引起較大的電流在電池內(nèi)正、負(fù)電極之間流動(dòng)。這個(gè)電流產(chǎn)生大量的熱，能使電池溫度超過(guò)能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的臨界溫度，從而導(dǎo)致過(guò)高的溫度、過(guò)高的內(nèi)壓力、放氣、冒濃煙、卷邊、松開(kāi)、及/或電池解體。
由于內(nèi)部短路會(huì)造成潛在危險(xiǎn)的化學(xué)反應(yīng)，在設(shè)計(jì)和制造鋰離子電池時(shí)，安全是主要考慮的事項(xiàng)。為了評(píng)價(jià)鋰離子電池的安全性，曾開(kāi)發(fā)不少標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)包括碾壓試驗(yàn)、釘子試驗(yàn)、超充電試驗(yàn)和熱力誤用試驗(yàn)。在每一個(gè)這種試驗(yàn)中，如果造成起火或爆炸，那么電池就被認(rèn)為失敗。
曾經(jīng)研究過(guò)多種不同的方法以資緩和在碾壓試驗(yàn)中會(huì)發(fā)生的鋰離子電池的失控反應(yīng)。這些方法例如用過(guò)量的粘結(jié)材料(絕緣體)摻雜到陰極和陽(yáng)極中及通過(guò)電化學(xué)鈍化技術(shù)如熱成形使電極鈍化。但這些方法通常會(huì)在諸如容量、衰減率、額定輸出功率和周期壽命等方面給電池造成不好的效能。
JP-A-10-116633曾公開(kāi)一種螺旋卷繞的鋰離子電池的構(gòu)造，其中在隔離層和一個(gè)或兩個(gè)電極片之間設(shè)有一層在粘結(jié)劑中的導(dǎo)電粉末。導(dǎo)電粉末的目的是要在電池被外力變形的情況下穿透隔離層使兩個(gè)電極片之間短路。或者，不用導(dǎo)電粉末/粘結(jié)劑層，可在電極片的表面上作出條紋或涂覆金屬粉使一個(gè)或兩個(gè)電極片上設(shè)有凸部和凹部。但在電極片表面上敷設(shè)導(dǎo)電粉末/粘結(jié)劑層、條紋或金屬粉覆蓋物會(huì)在電池制造過(guò)程中引入添加的、困難的涂敷步驟。另外，由于所用金屬粉末很細(xì)，機(jī)構(gòu)可能需要很大的力才能在產(chǎn)生內(nèi)力的不合理使用的情況下造成有效的短路。
因此，需要能夠提供一種電池的構(gòu)造使它至少能避免某些與已知電池構(gòu)造有關(guān)的上述缺點(diǎn)。另外，需要能夠提供一種改進(jìn)的鋰離子電池的構(gòu)造，使它在通過(guò)上述安全試驗(yàn)時(shí)不會(huì)有害地影響到電池的效能特性。
因此，在第一方面，本發(fā)明提供的電化學(xué)電池具有一個(gè)電池殼體；一個(gè)表面面積大的電極組件包括第一電極、隔離層、和極性與第一電極相反的第二電極交替疊合卷繞的各層；及一個(gè)破壞機(jī)構(gòu)，當(dāng)有過(guò)大的力作用在其上時(shí)能在第一和第二電極之間造成內(nèi)部短路，其時(shí)破壞機(jī)構(gòu)具有一個(gè)或多個(gè)從第一電極伸向第二電極的凸刺，當(dāng)有過(guò)大的力作用時(shí)，該凸刺能穿透通過(guò)隔離層與第二電極電接觸。
按照本發(fā)明的電池構(gòu)造能有效地引用破壞控制機(jī)構(gòu)，它能控制電池被毀壞的方式，當(dāng)電池處在否則要被毀壞的情況下時(shí)，它能防止發(fā)生起火或爆炸的潛在危險(xiǎn)。另外，它不會(huì)有害地影響電池的效能特性而當(dāng)處在破壞力或環(huán)境下時(shí)能較安全地控制電池的破壞。按照本發(fā)明的電池構(gòu)造的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在制造過(guò)程中破壞機(jī)構(gòu)并不需要增添涂敷步驟，只要簡(jiǎn)單地修改現(xiàn)有設(shè)備便可容易地引用到電池中。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是破壞機(jī)構(gòu)根據(jù)作用在電池上的內(nèi)力或外力或兩者能提供有效的短路。
按照本發(fā)明構(gòu)造的電化學(xué)電池具有一個(gè)電池殼體和一個(gè)表面面積大的電極組件，該組件包括交替疊合成卷繞的正電極層、一個(gè)隔離層、和一個(gè)負(fù)電極。電化學(xué)電池還包括一個(gè)破壞機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)最好設(shè)在靠近電池殼體內(nèi)表面的地方，以便當(dāng)有過(guò)大的力作用在破壞機(jī)構(gòu)上時(shí)，用來(lái)刺穿一部分隔離層，最好在電極組件的正電極的和負(fù)電極的兩個(gè)最外層之間造成一個(gè)內(nèi)部短路。
將破壞機(jī)構(gòu)定位在電池殼體內(nèi)的一個(gè)合適的位置上，當(dāng)有過(guò)大的力作用在電池殼體的外表面上時(shí)，就可在電池內(nèi)任何其他內(nèi)部短路造成之前造成內(nèi)部短路。最好這個(gè)位置是在靠近電池殼體的區(qū)域內(nèi)，這樣就可較有效地將內(nèi)部產(chǎn)生的熱散發(fā)到電池外。為了進(jìn)一步提高第一內(nèi)部短路在所希望位置上造成的可能性，可將一個(gè)芯部銷(xiāo)插置在螺旋卷繞電極組件的中心孔內(nèi)。
破壞機(jī)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)凸刺，該凸刺最好在兩個(gè)電極中的最外一個(gè)上制出并且從一個(gè)電極上向另一個(gè)電極突起，以便當(dāng)有過(guò)大的力作用在凸刺上時(shí)，凸刺便穿透通過(guò)位在兩個(gè)電極之間的隔離層，從而造成內(nèi)部短路。該凸刺可從導(dǎo)電的箔葉、帶材或片材上制出，例如從其上覆蓋著活性電極材料的導(dǎo)電帶材(最好從其暴露的區(qū)域上)，或者從一個(gè)與這種覆蓋帶材電接觸的導(dǎo)電小突出片上。該凸刺可從帶材或小突出片的導(dǎo)電材料上例如用沖壓通過(guò)帶材或小突出片制出，或者在采用導(dǎo)電小突出片的情況下，可將小突出片粘結(jié)在帶材上。應(yīng)該知道任何一種合適的方法都可用來(lái)從導(dǎo)電的帶材或小突出片上制出一個(gè)突出部使它足夠尖銳和突出，在遇到過(guò)大的力時(shí)可與對(duì)面的電極接觸而造成短路。這樣，凸刺成為電極的導(dǎo)電帶材或小突出片上的一個(gè)整體零件。按照需要，凸刺可在一個(gè)電極或兩個(gè)電極之上或之內(nèi)制出。
最好能將導(dǎo)電小突出片粘結(jié)在最外面電極(最好為負(fù)電極)的導(dǎo)電箔葉帶的暴露部分上制出凸刺。當(dāng)凸刺穿透隔離層時(shí)，為了進(jìn)一步增加第一內(nèi)部短路發(fā)生的可能性，在凸刺下面的一部分電極(最好是負(fù)電極)可由暴露的導(dǎo)電箔形成以便當(dāng)凸刺穿透隔離層時(shí)可提供較好的電連接。比較重要的是要控制電池的破壞，使正電極和負(fù)電極的、暴露的、惰性的、電連接所造成的第一內(nèi)部短路發(fā)生在電阻最低的區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)由于沒(méi)有能一同進(jìn)行反應(yīng)的活性材料存在，因此所產(chǎn)生的熱最少。
為了進(jìn)一步了解本發(fā)明可參閱附圖，其中

圖1為按照本發(fā)明構(gòu)造的電化學(xué)電池的剖視圖；圖2為按照本發(fā)明第一實(shí)施例構(gòu)造的、部分裝配的、螺旋卷繞的電極組件的透視圖；圖3為按照本發(fā)明第一實(shí)施例構(gòu)造的、螺旋卷繞的電極組件的部分割視圖；圖4為按照本發(fā)明第二實(shí)施例構(gòu)造的、螺旋卷繞的電極組件的部分剖視圖；圖5為可供比較的螺旋卷繞的電極組件的部分剖視圖；圖6為一透視圖示出在可供比較的電池和按照本發(fā)明構(gòu)造的電池上進(jìn)行碾壓試驗(yàn)的方式；圖7為按照本發(fā)明第三實(shí)施例構(gòu)造的、部分裝配的、螺旋卷繞的電極組件的透視圖；圖8為按照本發(fā)明第四實(shí)施例構(gòu)造的、部分裝配的、螺旋卷繞的電極組件的透視圖；圖9為按照本發(fā)明第五實(shí)施例構(gòu)造的棱柱形電化學(xué)電池的透視圖；圖10為按照本發(fā)明第六實(shí)施例構(gòu)造的棱柱形電化學(xué)電池的透視圖；圖1示出一個(gè)按照本發(fā)明構(gòu)造的電化學(xué)電池5。電池5包括一個(gè)電池殼體10，該殼體有一封閉端12和一開(kāi)啟端14。電池殼體10可具有圓筒或棱柱的形狀，由剛性的導(dǎo)電材料制成。電池殼體10還可包括一個(gè)凹圈16，該凹圈是在罐10靠近其開(kāi)啟端14的圓周上制出的一個(gè)凹陷部。設(shè)置凹圈16是為了給位在電池殼體10開(kāi)啟端的蓋組件20提供機(jī)械支承。設(shè)置蓋組件20是為了使電池密封并提供一個(gè)與電池殼體壁10電絕緣的電接觸點(diǎn)。這樣，殼體10的封閉端12和由蓋組件20的蓋18形成的接觸終端可被用作具有相反極性的接觸終端。對(duì)這種型式的電化學(xué)電池，蓋組件20可用任何一種傳統(tǒng)方式制成。
如圖所示，電化學(xué)電池5還包括一個(gè)螺旋卷繞的電極組件30，該組件交替由一個(gè)負(fù)電極層、一個(gè)第一隔離層、一個(gè)正電極層、和一個(gè)第二隔離層構(gòu)成。這些層都可用合適材料的帶材卷繞在一根心軸上制成。螺旋卷繞的電極組件30可用任何一種傳統(tǒng)的過(guò)程以這種螺旋方式卷繞。一旦螺旋卷繞的電極組件30被卷繞好，就可將它插置在電池殼體10內(nèi)。并可任選地將一芯部銷(xiāo)40插置在螺旋卷繞的電極組件的中心內(nèi)，然后可將電解質(zhì)溶液從開(kāi)啟端14澆注到電池殼體10內(nèi)。接下來(lái)可將蓋組件20定位在開(kāi)啟端14上，將電池殼體10的端邊卷曲使它包裹在蓋組件20的端邊上，從而使后者保持在位。蓋組件20用一導(dǎo)電小突出片66在電路上與正電極連接。
雖然圖中所示是將一個(gè)螺旋卷繞的電極結(jié)構(gòu)作為電極組件，但應(yīng)知道，本發(fā)明可被用于任何其他具有大的表面的電極結(jié)構(gòu)。例如電極結(jié)構(gòu)可由堆疊的或折轉(zhuǎn)的交替電極層構(gòu)成。還應(yīng)知道按照本發(fā)明的原理構(gòu)造的電化學(xué)電池可以是一次電池或二次(可重新充電的)電池。
在一般性地說(shuō)明按照本發(fā)明的電化學(xué)電池的構(gòu)造后，下面結(jié)合圖2和3對(duì)一個(gè)較優(yōu)的螺旋卷繞的電極組件30提供一個(gè)較詳細(xì)的說(shuō)明。螺旋卷繞的電極組件39最好用四條狹長(zhǎng)的材料以螺旋的型式卷繞在一根心軸上制成。這四條材料帶包括一個(gè)負(fù)電極50、一個(gè)正電極60、及第一和第二隔離層70和72。隔離層70和72位在負(fù)電極和正電極50和60之間這樣來(lái)防止它們之間的任何實(shí)體接觸。隔離層70和72最好具有一個(gè)比負(fù)電極和正電極50和60大的寬度這樣來(lái)防止電極與電池殼體10的內(nèi)壁或蓋組件20的任何一個(gè)部分實(shí)體接觸。
為了使合適的電極能夠在電路上與蓋組件20或電池殼體10連接，在負(fù)電極和正電極50和60上分別連結(jié)著導(dǎo)電小突出片56和66，它們從螺旋卷繞的電極組件30的兩個(gè)相反端向外伸出。最好正的導(dǎo)電小突出部66被偶合到蓋組件20的電接觸終端上，而負(fù)的導(dǎo)電小突出片56在實(shí)際上和電路上與電池殼體10的封閉端接觸。
負(fù)電極50最好由兩側(cè)都敷有導(dǎo)電箔葉的帶制成，箔葉上的混合物包括一種活性的負(fù)電極材料如可嵌入鋰的碳和粘結(jié)劑，還可添加導(dǎo)電劑。最好，制成負(fù)電極50的導(dǎo)電箔葉在其兩側(cè)的整個(gè)長(zhǎng)度上都敷有這種混合物，只是留下一個(gè)在尾端(即與卷繞時(shí)輸入到心軸上的那一端相對(duì)的端)上的惰性區(qū)54不敷。就在負(fù)電極50的這個(gè)惰性的暴露的區(qū)域54上裝上負(fù)的導(dǎo)電小突出片56。導(dǎo)電小突出片56最好用焊接連結(jié)在暴露的箔葉上。由于下面將要較詳細(xì)說(shuō)明的理由，導(dǎo)電小突出片56和暴露的惰性區(qū)域54然后要經(jīng)過(guò)一個(gè)釘合過(guò)程，在該過(guò)程中在導(dǎo)電小突出片56和箔葉54上沖穿多個(gè)孔，從而造成多個(gè)從箔葉54的表面上向外突起的凸刺58。
如同負(fù)電極50，正電極60也是由一條兩側(cè)敷有混合物的導(dǎo)電箔葉帶制成的，混合物包括一種活性的材料如含鋰金屬的氧化物(例如LiCoO2、LiMn2O4、或LiNiO2)，覆蓋是在導(dǎo)電箔葉帶的整個(gè)長(zhǎng)度上進(jìn)行的，只是連結(jié)導(dǎo)電小突出片66的區(qū)域上沒(méi)有覆蓋。在這情況下，連結(jié)著導(dǎo)電小突出片66的暴露的導(dǎo)電箔葉是在正電極60的先導(dǎo)邊上。最好將導(dǎo)電小突出片66焊接在正電極60的暴露的先導(dǎo)邊上，而不是像導(dǎo)電小突出片56那樣釘合在負(fù)電極50上。
在圖2和3所示的最優(yōu)的實(shí)施例上，正電極60還包括一個(gè)設(shè)在其尾端的第二暴露的惰性區(qū)域64。由于有這樣一個(gè)區(qū)域，使正電極60與凸刺58最接近的部分為一惰性區(qū)域，這樣當(dāng)凸刺58穿透隔離層72并接觸暴露區(qū)域64從而造成內(nèi)部短路時(shí)電阻可最低。如果不設(shè)暴露區(qū)域64，雖然仍可獲得本發(fā)明的某些優(yōu)點(diǎn)，但這樣凸刺58在穿透隔離層72(如在圖4的第二實(shí)施例中所示)而接觸到正電極的活性部分時(shí)，電阻就會(huì)比直接接觸導(dǎo)電箔葉大得多。另外，由于設(shè)有暴露區(qū)域64，凸刺58將接觸到的正電極60的區(qū)域沒(méi)有任何能起化學(xué)反應(yīng)的電化學(xué)活性材料。由于在接觸區(qū)域內(nèi)的這個(gè)較低的電阻和沒(méi)有活性材料，因此圖2和3所示的第一實(shí)施例較不容易產(chǎn)生很多的熱如同圖4所示第二實(shí)施例在短路時(shí)所產(chǎn)生的熱那樣。
但應(yīng)注意，雖然在第二實(shí)施例中通過(guò)凸刺58與正電極60的活性部分接觸所呈現(xiàn)的電阻比第一實(shí)施例高，但與正、負(fù)兩個(gè)電極的活性部分通過(guò)在隔離層70和72上切開(kāi)狹縫直接接觸所遇到的電阻相比畢竟要低得多。因此，按照第二實(shí)施例構(gòu)造的電化學(xué)電池與傳統(tǒng)的構(gòu)造相比，也較不容易由于內(nèi)部短路而造成不可控制的反應(yīng)。
如圖2到4所示的凸刺58的設(shè)置是用來(lái)作為一種手段借以控制電池的不可避免的破壞。這種凸刺最好這樣取向使當(dāng)壓力施加在凸刺上時(shí)凸刺能夠穿透至少一層隔離材料，從而造成內(nèi)部短路。如同圖3和4所示，這種壓力可以通過(guò)外力施加在電池殼體上，也可通過(guò)內(nèi)力的施加。只要使需要使凸刺58穿透隔離層的力小于在電池內(nèi)任何其他位置上引起內(nèi)部短路所需的力，凸刺58就可成為在電池內(nèi)造成第一內(nèi)部短路的原因。這樣，我們就可將這種破壞控制機(jī)構(gòu)設(shè)置在電池內(nèi)最需要的位置上使它在那里發(fā)生第一短路，從而在電池內(nèi)其他位置上發(fā)生短路的有害影響就可顯著減少。
將凸刺58設(shè)置在這樣一個(gè)位置上使它能在螺旋卷繞的電極中最外層的正電極和負(fù)電極之間造成內(nèi)部短路，這樣當(dāng)這種短路發(fā)生時(shí)，電池殼體便可用作散熱器較快地把產(chǎn)生的熱量發(fā)散出去。因?yàn)檫@種內(nèi)部短路可能產(chǎn)生的熱量足夠使液體的電解質(zhì)在瞬間燃燒起來(lái)，所以重要的是內(nèi)部產(chǎn)生的熱必須盡可能快地從電池內(nèi)發(fā)散出去以資防止電池爆炸和爆發(fā)火焰。
最好還將凸刺58設(shè)置在一個(gè)電極的沒(méi)有用活性材料覆蓋的部分上。將凸刺58設(shè)置在電極50的這樣一個(gè)區(qū)域54內(nèi)，可使在造成短路的位置上呈現(xiàn)的電阻比正、負(fù)電極的活性區(qū)域62和52接觸時(shí)的電阻低得多。在受控短路位置上的低電阻是合乎需要的，因?yàn)槿魏蝺?nèi)部電流總是會(huì)沿著電阻最小的路徑流動(dòng)，這樣可減少在任何其他發(fā)生內(nèi)部短路的位置上釋放的能量。
如圖7和8所示，在惰性區(qū)域54內(nèi)可制出兩(或多)排凸刺58。在圖7所示的實(shí)施例中設(shè)有兩排，每排六個(gè)扎釘；而在圖8中則為兩排，每排十二個(gè)孔釘。這個(gè)第二排的凸刺58可在將第二小突出片釘合到電極上時(shí)刺出。這個(gè)第二小突出片的長(zhǎng)度可制成比小突出片56的長(zhǎng)度小，使它不被用來(lái)作為通往蓋組件或電池殼體的電力接線器。在制出兩排凸刺58時(shí)，兩排凸刺58可互相偏離一個(gè)足夠的距離，便當(dāng)電極組件完全繞成時(shí)兩者互相成為90°角。這樣，凸刺在任何一條內(nèi)部短路中引發(fā)第一條短路的可能性便可增加，特別是當(dāng)施加在電池上的力不是與單排凸刺成為90°時(shí)。
為了驗(yàn)證在鋰離子電池內(nèi)采用本發(fā)明的破壞控制所能獲得的效益，我們構(gòu)造了十批不同的電池，然后在每一批構(gòu)造的電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的碾壓試驗(yàn)來(lái)使它破壞，這個(gè)碾壓試驗(yàn)的結(jié)果在下面表1中列出。
表1碾壓試驗(yàn)失敗的百分比
批號(hào)1和批號(hào)2被構(gòu)造作為控制批。第一控制電池的正電極長(zhǎng)490.2mm，負(fù)電極長(zhǎng)為546.1mm。正電極(最好具有鉛制的導(dǎo)電箔葉帶)被LiCoO2覆蓋，而負(fù)電極(最好具有銅制的導(dǎo)電箔葉帶)被中間相的碳纖維覆蓋。電極和隔離層被卷繞在一根心軸上形成螺旋卷繞的電極組件，然后將該電極組件插置在18650(4/3A)大小的電池殼體內(nèi)，加入電解液并將電池密封，接著將電池充電到4.1V。然后如圖6所示，將每一個(gè)電池5放置在一塊堅(jiān)固的金屬墊7上，用一根壓碎輥9施加向下的力將電池輾壓一直到檢測(cè)到發(fā)生短路為止，其時(shí)電池電壓會(huì)從4.1V下落到0.1V或更低。
如果被壓的電池呈現(xiàn)濃煙、起火、卷邊松開(kāi)、或解體現(xiàn)象，該電池就被認(rèn)為在壓碎試驗(yàn)中失敗，否則就被認(rèn)為通過(guò)試驗(yàn)?？刂婆?hào)2與控制批號(hào)1不同之處在于批號(hào)2有一個(gè)芯部銷(xiāo)插置在螺旋卷繞的電極的中心內(nèi)。用于控制電池以及按照本發(fā)明構(gòu)造的電池的芯部銷(xiāo)是不銹鋼管，直徑為3.175mm、長(zhǎng)度為55.245mm、臂厚為0.508mm。
批號(hào)3和4分別與控制批號(hào)1和2不同之處在于，在負(fù)電極的尾端上釘合著一條寬為3.175mm的導(dǎo)電小突出片，其上制有一排凸刺，每條小突出片上包括六個(gè)間距為6.35mm的扎釘，批號(hào)5和6分別與批號(hào)3和4不同之處在于，正電極的總長(zhǎng)為520.5mm，其中尾端的25-30mm沒(méi)有用活化的正電極材料混合物覆蓋。批號(hào)7和8與批號(hào)3和4不同之處在于，在負(fù)電極的尾端上釘合著一條單一的寬為6.350mm的導(dǎo)電小突出片，其上設(shè)有兩排凸刺。批號(hào)9和10與批號(hào)7不同之處在于，在負(fù)電極上釘合著兩條間隔為10.7mm的導(dǎo)電小突出片，其上制有兩排凸刺，還有一個(gè)不同點(diǎn)是在正電極的尾端設(shè)有惰性區(qū)域。批號(hào)9和10相互間不同之處在于，批號(hào)9每排包括六個(gè)扎釘而批號(hào)10每排包括十二個(gè)扎釘。
從表1可見(jiàn)，在負(fù)電極的尾端附近設(shè)置凸刺一般都能增加電池通過(guò)壓碎試驗(yàn)的可能性。從批號(hào)5的結(jié)果中可以得到見(jiàn)證，在正電極的尾端上設(shè)置惰性區(qū)域供負(fù)電極上的凸刺與它接觸可以得到最顯著的改進(jìn)。此時(shí)如再設(shè)有芯部銷(xiāo)，這樣構(gòu)造的電池在壓碎試驗(yàn)中的失敗率僅約為3.8％。從表1還可看到，在兩個(gè)小突出片上設(shè)置兩排扎釘并在正電極的尾端設(shè)置惰性區(qū)域，沒(méi)有一個(gè)試驗(yàn)的電池是失敗的。
除了對(duì)接受壓碎試驗(yàn)的電池提供提高的效率外，本發(fā)明還可提高這些電化學(xué)電池通過(guò)超充電誤用試驗(yàn)和熱力誤用試驗(yàn)的可能性。當(dāng)一電化學(xué)電池在增加的周?chē)鷾囟戎斜怀潆娀虮┞稌r(shí)，在電池殼體內(nèi)的螺旋卷繞的電極組件會(huì)膨脹。這種膨脹產(chǎn)生一股內(nèi)部發(fā)生的力量推動(dòng)螺旋卷繞電極的最外層抵壓到電池殼體的內(nèi)壁上，從而使設(shè)在負(fù)電極尾端的凸刺穿透鄰近的隔離層，以致在任何失控的反應(yīng)發(fā)生之前就可造成短路。為了驗(yàn)證在熱力誤用和超充電誤用中效果是否能提高，我們制造了另外一些電化學(xué)電池，配置如同上述的批號(hào)5，負(fù)電容對(duì)正電容的比率大于0.8∶1。
其中某些電池以1c(c為庫(kù)倫，1c=1A·s)的速率被超充電(1.35A的恒定電流)，持續(xù)150分鐘。試驗(yàn)在21℃時(shí)進(jìn)行。由電極的均勻膨脹造成的均勻的力使凸刺穿透鄰近的隔離層，從而在正、負(fù)電極的惰性區(qū)域之間提供一條低電阻的捷徑。接受這個(gè)試驗(yàn)的電池在充電的112分鐘內(nèi)呈現(xiàn)的外殼溫度接近130-160℃。在該溫度上，電池呈現(xiàn)預(yù)期的短路，電池電壓從約5V或更高突然下跌到1.5V。在每一電池上的壓力排風(fēng)被開(kāi)動(dòng)起來(lái)造成短暫的壓力降、間歇的電池電壓恢復(fù)(到約4.5V)，最后成為一個(gè)永久的短路，但是沒(méi)有起火或解體的現(xiàn)象。
為了進(jìn)行熱力誤用試驗(yàn)，按照本發(fā)明構(gòu)造的某些電池被放入爐內(nèi)，爐溫在25分鐘的時(shí)間內(nèi)逐步增加到150℃。在該時(shí)間點(diǎn)上，電池的電壓和溫度約為3.8V和125℃。在150℃上停留約5分鐘內(nèi)，電池會(huì)突然短路，電池電壓下降到零。在電池上完成的遺體解剖顯示這些短路也是由本發(fā)明的破壞控制機(jī)構(gòu)造成的，即利用在負(fù)電極尾端上的凸刺穿透鄰近的隔離層，造成一條到正電極尾端的惰性區(qū)域的短路。每一電池上的壓力排風(fēng)被開(kāi)動(dòng)，但暴露的電池沒(méi)有起火或解體的現(xiàn)象。
為了證實(shí)破壞控制機(jī)構(gòu)的存在不會(huì)有害地影響電池的性能，每一批的電池還接受傳統(tǒng)的性能試驗(yàn)。這些試驗(yàn)證明電池的周期壽命、衰減率和容量都沒(méi)有受到有害的影響。
雖然在本申請(qǐng)中公開(kāi)的破壞控制機(jī)構(gòu)是用凸刺58來(lái)完成，而該凸刺是在將導(dǎo)電小突出片釘合到一個(gè)電極50的惰性部分54上時(shí)制成的，但應(yīng)知道，破壞控制機(jī)構(gòu)也可用許多不同的方法完成。例如一個(gè)(或兩個(gè))電極的尾邊可被切割使它形成許多沿著邊緣的凸刺。另外，在電池殼體10的接縫上也可制出尖銳的邊緣或從殼體內(nèi)壁向內(nèi)突起的多個(gè)凸刺。還有另一條途徑可在導(dǎo)電的小突出片56上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)帶凸刺的邊。
如圖9和10，本發(fā)明的破壞控制機(jī)構(gòu)可在一個(gè)具有棱柱形構(gòu)造的電池內(nèi)完成。在圖9所示的實(shí)施例中，棱柱形電池100包括一個(gè)殼體110，其內(nèi)設(shè)有一個(gè)螺旋卷繞的電極組件130。電極組件130包括一個(gè)導(dǎo)電小突出片156，它被釘合在負(fù)電極152的先導(dǎo)端上借以制出凸刺158。正電極在其先導(dǎo)端與凸刺158相對(duì)的地方設(shè)有一個(gè)惰性區(qū)域164并在尾端設(shè)有一個(gè)導(dǎo)電小突出片。采用這種構(gòu)造，如有過(guò)大的力作用在電極組件130上，將會(huì)使凸刺158穿透一個(gè)隔離層，并在電路上與惰性區(qū)域164接觸，從而形成短路。
在圖10所示的實(shí)施例中，棱柱形電池200包括一個(gè)殼體210，其內(nèi)設(shè)有螺旋卷繞的電極組件230。如同棱柱形電池100一樣，棱柱形電池200包括一個(gè)正電極導(dǎo)電小突出片266和一個(gè)負(fù)電極導(dǎo)電小突出片256b。棱柱形電池200與棱柱形電柱100不同之處只是在于，凸刺258系設(shè)在第二小突出片256a上，而該小突出片被釘合在負(fù)電極252的尾端上，另外，在正電極的尾端而不是先導(dǎo)端設(shè)有一個(gè)惰性區(qū)域264與凸刺258相對(duì)。由于凸刺258被定位在較靠近殼體210的壁，因此，由凸刺引起的短路所產(chǎn)生的任何熱量能更快地發(fā)散到電池外。或者，可省掉惰性區(qū)域264，使凸刺258穿透隔離層(未示出)在電路上與殼體210接觸，而殼體210在電路上是與正電極連通的。
權(quán)利要求
1．一種電化學(xué)電池，具有一個(gè)電池殼體；一個(gè)表面面積大的電極組件，包括一個(gè)第一電極、一個(gè)隔離層、和一個(gè)極性與第一電極相反的第二電極交替疊合的各層；及一個(gè)破壞機(jī)構(gòu)，當(dāng)有過(guò)大的力作用在其上時(shí)能在第一和第二電極之間造成內(nèi)部短路，其特征為，破壞機(jī)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)從第一電極向第二電極突起的凸刺，當(dāng)有過(guò)大的力施加時(shí)，該凸刺能穿透隔離層并與第二電極電接觸。
2．按照權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其特征為，破壞機(jī)構(gòu)設(shè)在靠近電池殼體內(nèi)表面的地方以資在最外層的第一電極和第二電極之間造成內(nèi)部短路。
3．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，凸刺靠近第一電極的一個(gè)端頭。
4．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，破壞機(jī)構(gòu)被這樣定位，使當(dāng)有過(guò)大的力作用在電池殼體的外表面上時(shí)，能在電池內(nèi)任何其他內(nèi)部短路形成之前造成一條內(nèi)部短路。
5．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，凸刺是由將導(dǎo)電小突出片釘合在第一電極的一端時(shí)制成的。
6．按照權(quán)利要求6的電化學(xué)電池，其特征為，第一電極包括一條除了暴露部分外都用活性材料覆蓋的導(dǎo)電帶，而導(dǎo)電小突出片被釘合在暴露部分上從而制出凸刺。
7．按照權(quán)利要求5或6的電化學(xué)電池，其特征為，釘合的小突出片位在第一電極的最外層和第二電極之間。
8．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，凸刺面向內(nèi)。
9．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，該破壞機(jī)構(gòu)對(duì)作用在電池殼體上的碾壓力作出反應(yīng)，從而使內(nèi)部短路首先發(fā)生在靠近電池殼體內(nèi)表面的最外層的兩個(gè)電極之間。
10．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，第一和第二電極各包括一條敷有活性材料的狹長(zhǎng)導(dǎo)電帶，兩者都具有一個(gè)沒(méi)有被活性材料覆蓋的第一暴露端，其上連結(jié)著導(dǎo)電小突出片，第二電極還有一個(gè)第二暴露部分靠近第二電極的與第一暴露端相反的一端，第二電極的第二暴露部分位在第一電極的第一暴露端之下的區(qū)域內(nèi)，第一電極設(shè)有向第二電極的第二暴露部分突出的凸刺，以資在有足夠的力作用在其上時(shí)用來(lái)穿透隔離層而與第二電極的第二暴露部分進(jìn)行電接觸。
11．按照權(quán)利要求10的電化學(xué)電池，其特征為，第一電極上的凸刺和第二電極的第二暴露部分都位于電極組件的最外兩層上。
12．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，該電極組件為一螺旋卷繞的電極組件，包括交替疊合卷繞的第一電極、隔離層和第二電極各層。
13．按照權(quán)利要求12的電化學(xué)電池，還包括一個(gè)插置在螺旋卷繞的電極組件的芯部?jī)?nèi)的芯部銷(xiāo)。
14．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，電池殼體和電極組件為圓筒形成棱柱形。
15．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，電化學(xué)電池為原電池或可重新充電的電池。
16．按照以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電化學(xué)電池，其特征為，第一電極為負(fù)電極，第二電極為正電極。
17．按照權(quán)利要求16的電化學(xué)電池，其特征為，正電極為含鋰的金屬氧化物，負(fù)電極為可嵌入鋰的碳。
全文摘要
一種電化學(xué)電池包括一個(gè)電池殼體和一個(gè)螺旋卷繞的電極組件,該組件由一個(gè)正電極、一個(gè)隔離層、和一個(gè)負(fù)電極各層交替疊合繞成。該電化學(xué)電池還包括一個(gè)設(shè)在電池殼體內(nèi)表面附近的破壞控制機(jī)構(gòu),當(dāng)有過(guò)大的力作用在其上時(shí)用來(lái)穿透一部分隔離層,從而在正、負(fù)電極的最外兩層之間造成內(nèi)部短路。破壞控制機(jī)構(gòu)包括在一個(gè)或兩個(gè)電極上指出而向?qū)Ψ诫姌O突起的凸刺,當(dāng)有過(guò)大的力作用在其上時(shí)凸刺能穿透鄰近的隔離層造成內(nèi)部短路。凸刺最好這樣制成,方法是將導(dǎo)電小突出片釘合在負(fù)電極的導(dǎo)電箔葉帶的暴露部分上,釘合處即可出現(xiàn)凸刺。為了進(jìn)一步提高首次發(fā)生內(nèi)部短路的可能性,當(dāng)凸刺穿透隔離層時(shí),在凸刺下面的正電極部分可由暴露的導(dǎo)電箔葉制成以便給要發(fā)生的短路提供一個(gè)惰性區(qū)域。
文檔編號(hào)H01M2/20GK1299522SQ99805887
公開(kāi)日2001年6月13日 申請(qǐng)日期1999年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月8日
發(fā)明者H·武爾利斯 申請(qǐng)人:永備電池有限公司