УСТРОЙСТВО БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ БАТАРЕИ И БАТАРЕЯ, ИМЕЮЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2008 года по МПК H01M2/34 H01M10/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству безопасности для батареи, предназначенному для образования электрической цепи и преобразования заряженного состояния батареи в разряженное состояние при сжатии под действием заданного или более высокого давления. Также настоящее изобретение относится к батарее, содержащей указанное устройство безопасности.

Уровень техники

Поскольку современные электронные приборы быстро становятся беспроводными и портативными, то была разработана неводная электролитическая вторичная батарея, имеющая большую емкость и высокую плотность энергии, в качестве источника энергии для этих приборов. Однако неводная электролитическая, вторичная батарея подвергается опасности, когда прилагают большое внешнее давление или внешнее воздействие под действием гвоздя или кусачек, при этом внутренняя часть ячейки повреждается, а ячейка может загореться или взорваться.

В частности, так как активный материал положительного электрода чувствителен к напряжению, то химическая активность между положительным электродом и электролитом увеличивается по мере того, как батарею заряжают и напряжение повышается. В этом случае поверхность положительного электрода разлагается и имеет место окислительная реакция в электролите. Это увеличивает опасность загорания или взрыва.

Проблема безопасности становится более важной, поскольку батарея, в частности неводная электролитическая вторичная батарея (например, литиевая вторичная батарея), имеет большую емкость и более высокую плотность энергии.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на то, чтобы устранить одну или несколько проблем, связанных с ограничениями и недостатками предыдущего уровня техники.

Технической задачей настоящего изобретения является создание способа понижения заряженного состояние ячейки, до того как ячейка разрушится под внешним воздействием, вызванным давлением, гвоздем или кусачками, путем размещения устройства безопасности внутри или снаружи ячейки так, чтобы батарея не подвергалась внешнему воздействию.

Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания батареи, имеющей устройство безопасности, предназначенное для формирования электрической цепи при сжатии под действием заданного или более высокого давления и преобразования заряженного состояние батареи в разряженное состояние.

Согласно изобретению поставленная задача решена путем создания устройства безопасности для батареи, которое предназначено для формирования электрической цепи при сжатии устройства под действием заданного или более высокого давления и преобразования заряженного состояния батареи в разряженное состояние.

Согласно изобретению, предложен также способ регулирования безопасности батареи путем преобразования заряженного состояние батареи в разряженное состояние до того, как батарея повреждается под действием давления, с помощью электрический цепи, формируемой в устройстве безопасности под действием давления.

Предпочтительно устройство безопасности содержит первую металлическую пластину, вторую металлическую пластину и PSCF (чувствительную к давлению проводящую пленку), размещенную между металлическими пластинами и предназначенную для проявления электрической проводимости при приложении заданного или более высокого давления. Первая и вторая металлические пластины электрически связанны с положительными и отрицательными электродами батареи соответственно.

Дополнительные преимущества, цели и особенности изобретения будут сформулированы в приведенном ниже описании и станут очевидными специалистам в данной области техники на основании анализа изобретения.

Краткое описание чертежей

Для дальнейшего понимания изобретения ниже приводится описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает принцип работы устройства безопасности ACF согласно настоящему изобретению;

фиг.2 - батарею пакетного типа, имеющую устройство безопасности ACF, электрически связанное с батареей, согласно настоящему изобретению;

фиг.3 - металлическую батарею трубчатого типа, имеющую устройство безопасности ACF, электрически связанное с батареей, согласно настоящему изобретению;

фиг.4 - диаграмму данных эксперимента по локализованному раздавливанию батареи, полученной в примере 1, согласно изобретению;

фиг.5 - диаграмму данных эксперимента по локализованному раздавливанию батареи, полученной в примере 2, согласно изобретению;

фиг.6 - диаграмму данных эксперимента по локализованному раздавливанию батареи, полученной в примере 3, согласно изобретению;

фиг.7 - диаграмму данных эксперимента по локализованному раздавливанию батареи, полученной в сравнительном примере 1, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Настоящее изобретение характеризуется тем, что для снижения заряженного состояния ячейки при обнаружении применения внешнего воздействия, вызванного давлением, гвоздем, или кусачками, или внешним давлением на батарею, указанную батарею снабжают устройством безопасности, предназначенным для проявления электрической проводимости в случае внешнего воздействия или внешнего сжатия.

В качестве неограничивающего примера устройства безопасности с появлением в нем электрической проводимости в случае внешнего воздействия или внешнего сжатия согласно настоящему изобретению предложено устройство безопасности, имеющее PSCF, помещенную между двумя металлическими пластинами (например, коллекторами), через которую может течь ток и предназначенную для пропускания тока при приложении заданного или более высокого давления в направлении действия давления (фиг.1).

В качестве неограничивающего примера PSCF в изобретении используется ACF (анизотропная проводящая пленка).

ACF относится к клейкой пленке, содержащей изолирующее связующее вещество, имеющее толщину 15-35 мкм и электрически проводящие шары, в виде маленьких электрически проводящих частиц, имеющих диаметр 3-15 мкм, диспергированных в нем. Концепцию настоящего изобретения не ограничивают толщиной пленки связующего вещества и диаметром электрически проводящих частиц, составляющих ACF. Электрически проводящие частицы включают в себя углеродные волокна, металл (никель, припой) и металлическое (Ni/Au) покрытие пластмассовых шаров. Сказанное выше является только иллюстрацией варианта осуществления настоящего изобретения и не является общим условием для PSCF. Для специалистов в данной области очевидно, что может быть использована любая PSCF.

Клейкое вещество содержит термопластичное вещество (каучук сополимера бутадиена и стирола, поливиниловый бутилен), термоотверждающееся вещество (эпоксидная смола, полиуретан, акриловая смола) и смесь термопластичного вещества и термоотверждающегося вещества.

Металлическая пластина, используемая в настоящем изобретении, может быть изготовлена из любого металла, обладающего электрической проводимостью, такого как алюминий в виде металла, медь в виде металла и никель в виде металла.

Металлическая пластина предпочтительно имеет превосходную теплопроводность, чтобы в нормальном состоянии или особых условиях теплота могла быть рассеяна из батареи в термически проводящую металлическую пластину через контакт.

Работа батареи, имеющей устройство безопасности, предназначенное для осуществления электрический проводимости при приложении заданного или более высокого давления в случае внешнего воздействия или внешнего сжатия согласно настоящему изобретению, описана ниже.

Устройство безопасности согласно настоящему изобретению содержит первую металлическую пластину, вторую металлическую пластину и PSCF, размещенную между металлическими пластинами и предназначенную для осуществления электрической проводимости при приложении заданного или более высокого давления. Устройство безопасности (фиг.1) содержит коллекторы, действующие как металлические пластины, и ACF, действующую как PSCF (чувствительную к давлению проводящую пленку).

ACF действует как непроводящее вещество, через которое не протекает ток во время нормального состояния, и проводит ток в направлении приложенного давления, когда прикладывают заданное или более высокое давление.

Первая металлическая пластина (коллектор) из двух металлических пластин, расположенных на обеих поверхностях ACF, электрически связана с положительным электродом батареи, а вторая металлическая пластина (коллектор) - с отрицательным электродом батареи.

В батарее, с которой связано устройство безопасности, согласно изобретению обе металлические пластины электрически изолированы друг от друга с помощью ACF до тех пор, пока к ним не приложено внешнее давление, и ток между ними не течет. Батарея в этом случае функционирует в обычном состоянии и поддерживается заряженное состояние.

Когда давление, вызванное внешним воздействием, прикладывают к батарее, имеющей связанное с ней устройство безопасности, обе металлические пластины оказываются электрически связанными друг с другом. Это является следствие того, что ACF проявляет электрическую проводимость, когда давление достигает заданного уровня. Батарея затем разряжается и внутреннее напряжение батареи резко снижается. В разряженном состоянии батарея не загорается, не взрывается даже когда на нее воздействуют внешним давлением, гвоздем или кусачками. По существу согласно настоящему изобретению можно улучшить безопасность батареи путем понижения заряженного состояние ячейки прежде, чем произойдет взрыв, в случае, когда прикладывают заданное или более высокое давление прикладывают к металлическим пластинам вследствие внешнего воздействия, вызванного с помощью давления, гвоздя или кусачек.

Устройство безопасности предпочтительно размещают перпендикулярно направлению, в котором больше всего прикладывают давления на батарею в случае внешнего воздействия или внешнего сжатия.

Устройство безопасности может располагаться внутри или снаружи ячейки, но предпочтительно расположено снаружи.

При расположении с наружной стороны батареи устройство безопасности может использоваться, находясь открытым или закрытым с помощью слоя полимера, имеющего электрические изоляционные свойства.

Устройство безопасности согласно настоящему изобретению с батарей проиллюстрировано на фиг.2.

На фиг.2 показана батарея пакетного типа, имеющая соединенное с ней устройство безопасности.

Батарея пакетного типа представляет собой структуру слоистого типа и содержит, по меньшей мере, одну положительную электродную пластину и, по меньшей мере, одну отрицательную электродную пластину, которые размещены послойно друг за другом. Батарея со слоистым типом структуры имеет положительные и отрицательные выводы электродов для связывания положительных и отрицательных пластин электродов с наружной частью батареи соответственно. Выводы соединены с источником мощности на наружной части корпуса батареи.

Устройство безопасности, включающее первую и вторую металлические пластины и размещенную между ними ACF, наслаивают вместе с наиболее удаленной положительной электродной пластиной и/или наиболее удаленной отрицательной электродной пластиной. Первую металлическую пластину электрически связывают с частью положительной электродной пластины, с положительным выводом электрода или с положительным контактом электрода, а вторую металлическую пластину электрически связывают с частью отрицательной электродной пластины, с отрицательным выводом электрода или с отрицательным контактом электрода.

Устройство безопасности можно ламинировать непосредственно на электродную пластину, но предпочтительно ламинировать на наружную часть корпуса батареи и только электрически связывать с положительными и отрицательными электродами.

На фиг.3 показана батарея в корпусе трубчатого типа, имеющая соединенное с ней устройство безопасности.

Батарея трубчатого типа содержит электродный узел, имеющий положительные и отрицательные электродные пластины, и сепаратор, размещенный в контейнере, включающем в себя банку и крышку. Контейнер действует как электродный контакт (положительный контакт электрода на фиг.3) и электродный контакт, имеющий противоположную полярность (отрицательный электродный контакт на фиг.3), контакт выступает из контейнера, являясь при этом изолированным.

Контейнер батареи трубчатого типа может действовать в качестве первой металлической пластины предложенного устройства безопасности. Поэтому вторую металлическую пластину устройства безопасности помещают параллельно, по меньшей мере, одной поверхности контейнера с ACF, размещенной между ними, и часть второй металлической пластины электрически связывают с электродным контактом, имеющим противоположную полярность.

Устройство безопасности согласно изобретению может использоваться для любого типа батареи, включающей первичную батарею и вторичную батарею, до тех пора пока оно заряжено. В качестве неограничивающего примера устройство безопасности может использоваться для литиевой вторичной батареи, включающей в себя: a) положительный электрод, способный к интеркалированию/деинтеркалированию (внедрению) литиевого иона, b) отрицательный электрод, способный к интеркалированию/деинтеркалированию литиевого иона, c) пористый сепаратор и d) неводный электролит, включающий в себя литиевую соль и электролитическое соединение.

Неводный электролит включает циклический карбонат и/или линейный карбонат. Циклический карбонат может быть, например, этиленкарбонатом (EC), пропиленкарбонатом (PC), гамма-бутиролактоном (GBL). Линейный карбонат предпочтительно выбран из группы, состоящей из диэтилкарбоната (DEC), диметилкарбоната (DMC), этилметилкарбоната (EMC) и метилпропилкарбоната (MPC).

Литиевая соль, включенная в неводный электролит, предпочтительно выбрана из группы, состоящей из LiClO₄, LiCF₃SO₃, LiPF₆, LiBF₄, LiAsF₆ и LiN (CF₃SO₃)₂.

В качестве активного материала отрицательного электрода предпочтительно используются углерод, металлический литий или сплав. Кроме того, также может использоваться металлический оксид, способный к интеркалированию/деинтеркалированию литиевого иона и обладающий потенциалом для лития менее чем 2 В, такой как TiO₂ или SnO₂.

Активным материалом положительного электрода является предпочтительно литийсодержащий оксид переходного металла и предпочтительно, по меньшей мере, одним, выбранным из группы, состоящей из LiCoO₂, LiNiO₂, Li2Mn₂O₄, LiMnO₂, и LiNi_1-xCo_xO₂ (0<x<1). Может также использоваться положительный электрод, выполненный из металлического оксида, такого как MnO₂, или его композиции.

Пористый сепаратор может быть сепаратором на основе полиолефина.

Предложенная литиевая вторичная батарея может быть изготовлена с помощью обычного способа размещения пористого сепаратора между положительными и отрицательными электродами и введения неводного электролита, включающего в себя литиевую соль, такую как LiPF₆, и добавку.

ПРИМЕРЫ

Ниже настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на следующие примеры, которые приведены только в качестве иллюстрации настоящего изобретения и не ограничивают изобретения.

Пример 1

Как показано на фиг.2, устройство безопасности согласно изобретению содержит первую металлическую пластину (положительный электродный коллектор), вторую металлическую пластину (отрицательный электродный коллектор) и ACF, размещенную между металлическими пластинами. Устройство безопасности присоединяли к ячейке пакетного типа таким образом, что первая и вторая электродные пластины были электрически связаны с положительными и отрицательными электродами соответственно. Положительные и отрицательные электроды ячейки пакетного типа были изготовлены из LiCoO₂ и углерода соответственно, а электролит представлял собой 1M раствор LiPF₆, содержащий основную композицию EC:EMC(1:2).

Ячейку заряжали до 4,2 В и осуществляли эксперимент по локализованному раздавливанию путем сжатия устройства безопасности в вертикальном направлении стержнем, имеющим диаметр 1 см со скоростью 3 мм/мин.

Результаты эксперимента показали, что по мере повышения давления, прикладываемого к ACF, напряжение резко понижалось до примерно 0 В. Ячейка оставалась стабильной, взрыв не наблюдался и экзотермическая температура была очень низкой, т.е. около 70°C или ниже (фиг.4).

Пример 2

Изготовление ячейки и локализованное раздавливание выполняли тем же способом, как в примере 1, за исключением того, что ячейка была заряжена до 4,3 В для проведения экспериментального исследования в более жестких условиях, чем в примере 1.

Результаты эксперимента показали, что по мере повышения давления напряжение резко понижалось до около 0 В. Ячейка оставалась стабильной, взрыв не наблюдался и экзотермическая температура была очень низкой, т.е. около 70°C или ниже (фиг.5).

Пример 3

Изготовление ячейки и локализованное раздавливание выполняли тем же способом, как в примере 1, за исключением того, что ячейка была заряжена до 4,4 В для проведения экспериментального исследования в более жестких условии, чем в примере 2.

Результаты эксперимента показали, что по мере повышения давления напряжение резко понижалось до около 0 В. Ячейка оставалась стабильной, взрыв не наблюдался и экзотермическая температура была очень низкой, т.е. около 70°C или ниже (фиг.6).

Сравнительный пример 1

Изготовление ячейки и локализованное раздавливание выполняли тем же способом, за исключением того, что устройство безопасности согласно изобретению не присоединяли к ячейке.

Результаты эксперимента показали, что ячейка взорвалась. Перед взрывом падения напряжения не наблюдалось, но падение напряжения и тепловой эффект имели место одновременно со взрывом. Экзотермическая температура была очень высокой, т.е. около 600°C или выше (фиг.7).

Промышленная применимость

Устройство безопасности согласно изобретению соединено с батареей и предотвращает повреждение ячейки или, по меньшей мере, возгорание или взрыв даже в случае применения внешнего воздействия, вызванного давлением, гвоздем, или кусачками, или внешним давлением, посредством проведения ячейкой тока ячейки на устройство безопасности и разряжения батареи до повреждения ячейки.

Хотя было ограничение по увеличению плотности энергии неводной вторичной батареи (например, литиевой вторичной батареи) из-за проблемы безопасности батареи, устройство безопасности может увеличить рабочее напряжение заряда батареи с одновременным обеспечением ее стабильности, таким образом, реализована батарея, имеющая высокую плотность энергии.

Приведенные выше варианты осуществления изобретения являются просто примерами и не должны рассматриваться как ограничивающие настоящее изобретение. Описание настоящего изобретения предназначено для иллюстрации и не ограничивает объем формулы изобретения.

Изобретение относится к устройству безопасности для батареи, предназначенному для образования электрической цепи и преобразования заряженного состояния батареи в разряженное состояние при сжатии под действием заданного или более высокого давления. Техническим результатом изобретения является снижение заряженного состояния батареи до ее разрушения. Согласно изобретению батарея содержит устройство безопасности, которое содержит первую металлическую пластину, вторую металлическую пластину и чувствительную к давлению проводящую пленку, размещенную обеими металлическими пластинами и предназначенную для проявления электрической проводимости, когда прикладывают заданное или более высокое давление. Первая и вторая металлические пластины электрически связаны с положительными и отрицательными электродами соответственно. Устройство безопасности, присоединенное к батарее, предохраняет ячейку от повреждения или, по меньшей мере, от возгорания или взрыва, даже когда к батарее приложено внешнее воздействие, вызванное давлением, гвоздем, или кусачками, или внешним давлением, путем передачи тока батареи на устройство безопасности и разряда батареи до того, как батарея повреждается под действием внешнего воздействие или внешнего давления. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Батарея, содержащая устройство безопасности, предназначенное для формирования электрической цепи при сжатии под действием заданного или более высокого давления и преобразования заряженного состояния батареи в разряженное состояние, отличающаяся тем, что устройство безопасности содержит первую металлическую пластину, вторую металлическую пластину и чувствительную к давлению проводящую пленку, размещенную между обеими металлическими пластинами и предназначенную для проявления электрической проводимости, в случае приложения заданного или более высокого давления, при этом первая и вторая металлические пластины электрически связаны с положительными и отрицательными электродами, соответственно.2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что пленка является анизотропной проводящей пленкой.3. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что устройство безопасности размещено перпендикулярно по отношению к направлению, в котором приложено наибольшее давление к батарее в случае внешнего воздействия.4. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что батарея является литиевой вторичной батареей.5. Устройство безопасности для батареи, предназначенное для формирования электрической цепи при сжатии под действием заданного или более высокого давления и преобразования заряженного состояния батареи в разряженное состояние, отличающееся тем, что содержит первую металлическую пластину, вторую металлическую пластину и чувствительную к давлению проводящую пленку, размещенную между обеими металлическими пластинами и предназначенную для проявления электрической проводимости в случае приложения заданного или более высокого давления, при этом первая и вторая металлические пластины электрически связаны с положительными и отрицательными электродами батареи, соответственно.6. Устройство безопасности для батареи по п.5, отличающееся тем, что пленка является анизотропной проводящей пленкой.7. Устройство безопасности для батареи по п.5, отличающееся тем, что металлические пластины обладают теплопроводностью.8. Способ регулирования безопасности батареи путем преобразования заряженного состояния батареи в разряженное состояние, до того как батарея повреждается под действием давления, путем использования электрической цепи, сформированной на устройстве безопасности под действием давления, отличающийся тем, что формируют в устройстве безопасности первую металлическую пластину, вторую металлическую пластину, и чувствительную к давлению проводящую пленку, которую размещают между обеими металлическими пластинами и которая предназначена для проявления электрической проводимости в случае приложения заданного или более высокого давления, при этом первая и вторая металлические пластины электрически связаны с положительными и отрицательными электродами батареи, соответственно.