ЭЛЕМЕНТ ПОДАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО УБЕГАНИЯ И ЕГО СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2022 года по МПК H01M10/525 H01M10/42 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СВЯЗАННЫЕ ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИ

Эта заявка в соответствии с параграфом 119(a) раздела 35 Свода законов США испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №63/058,205, поданной 29 июля 2020 г., и предварительной заявки на патент США №63/087,563, поданной 5 октября 2020 г., полное содержание которых таким образом включено в данную заявку для любых целей посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к предохранительному устройству литиевых батарей, в частности, к элементу подавления теплового убегания, устанавливаемому в литиевых батареях, и его соответствующим применениям.

Предшествующий уровень техники

Поскольку литий-ионные батареи широко используются в различных продуктах, таких как транспортные средства, носимые устройства для потребительского и промышленного применения, портативные устройства, устройства хранения энергии и т.д., то они применяются почти во всех сферах повседневной жизни человека. Тем не менее, время от времени все еще появляется информация об инцидентах, связанных с литий-ионными аккумуляторными батареями, таких как пожары или взрывы аккумуляторных батарей мобильных телефонов и электромобилей. Все это связано с тем, что литиевые батареи до сих пор не имеют комплексных и эффективных решений проблем безопасности.

Основная причина таких небезопасных происшествий, как возгорания или взрывы литиевых батарей - это тепловое убегание. И основной причиной теплового убегания литиевых батарей является тепло, которое представляет собой результат экзотермических реакций, возникающих в результате термического растрескивания пленки SEI (разделяющей твердый электролит), самого электролита, связующего вещества, а также активных веществ положительного и отрицательного электродов в батарее, вызванного повышенной температурой. Существующие средства подавления теплового убегания можно разделить на два типа: находящиеся снаружи аккумуляторного элемента и внутри него, в зависимости от выбранного расположения предохранительного устройства. В качестве средства подавления, располагающегося снаружи аккумуляторного элемента, применяется система мониторинга, которая использует цифровое арифметическое моделирование. Средства подавления, располагающиеся внутри аккумуляторного элемента, можно далее разделить на физические или химические. В цифровой системе мониторинга, расположенной снаружи аккумуляторного элемента, для улучшения контроля безопасности аккумулятора во время процесса использования применяются специальная схема защиты и специальная система управления, находящиеся снаружи аккумуляторного элемента. Используемые внутри аккумуляторного элемента средства подавления физического типа, такие как сепаратор с защитой от перегрева, при повышенной температуре аккумуляторной ячейки закрывают отверстия сепаратора, блокируя прохождение ионов.

Используемые внутри аккумуляторного элемента средства подавления теплового убегания химического типа делятся на средства контроля масштаба убегания и средства, основанные на электрохимических реакциях. В качестве средства контроля масштаба теплового убегания используется добавление в электролит огнезащитного состава, ограничивающего нагрев. Средства подавления, основанные на электрохимических реакциях, предусматривают использование следующих их типов:

а. В электролит добавляют мономер или олигомер. В этом случае, при повышении температуры будет происходить полимеризация, снижающая скорость миграции ионов. Следовательно, ионная проводимость уменьшается с повышением температуры, и скорость электрохимической реакции в ячейке замедляется;

б. Между слоем положительного электрода или слоем отрицательного электрода и соседним токосъемным слоем располагается резистивный материал с положительным температурным коэффициентом (ПТК). Когда температура аккумуляторного элемента повышается, улучшается электроизоляционная способность этого материала. Эффективность передачи электроэнергии между слоем положительного электрода или слоем отрицательного электрода и соседним токосъемным слоем снижается, как и скорость электрохимической реакции; а также

с. На поверхности активного вещества положительного электрода формируется модифицированный слой. Когда температура аккумуляторного элемента повышается, модифицированный слой превращается в плотную пленку, которая увеличивает сопротивление переносу заряда и снижает скорость электрохимической реакции.

Например, обратитесь к патенту США 9711774, термочувствительный слой может быть расположен между электродами и сепаратором. Когда литий-ионная аккумуляторная батарея находится в состоянии теплового убегания и внутренняя температура повышается до критического значения, частицы полимера претерпевают процесс теплового перехода (плавление) с образованием изолирующего барьера на электродах, который блокирует перенос ионов лития между электродами и отключает внутренний ток батареи.

Однако вышеперечисленные методы нацелены только на пассивное блокирование пути миграции ионов или электронов для уменьшения тепловыделения, не позволяя основному источнику, главному реагенту всей электрохимической реакции, т.е. активным веществам электродов, генерировать максимальную энергию, что и вызывает тепловое убегание.

Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает элемент подавления теплового убегания литиевых батарей и его соответствующее применение путем уменьшения тепловой энергии, приводящей к тепловому убеганию активных веществ, для уменьшения или устранения вышеупомянутых проблем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание совершенно нового элемента подавления теплового убегания литиевых батарей и его соответствующено применения, которое способно переводить активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития из исходного состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в кристаллическое состояние оксида металла с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией, а активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития - из исходного состояния с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние неорганического полимера с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. В результате, протекание электрохимической реакции блокируется, предотвращая возникновение теплового убегания.

Кроме того, другой целью настоящего изобретения является создание совершенно нового элемента подавления теплового убегания и его соответствующих применений, который располагается снаружи литиевой батареи. Следовательно, он не повлияет на работу электрохимической реакционной системы литиевой батареи.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание совершенно нового элемента подавления теплового убегания и его соответствующих применений. Алюминиевый токосъемник протравливается, а ионы металла (А) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, проникают в электрохимическую реакционную систему литиевой батареи. Активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития переводятся в состояние с более низкой энергией. Следовательно, напряжение всей батареи снижается, и протекание электрохимической реакции блокируется, чтобы предотвратить возникновение теплового убегания.

Для реализации описанного выше, в данном изобретении раскрывается элемент подавления теплового убегания литиевых батарей, который включает в себя источник пассивирующей смеси и источник полярного раствора. Источник пассивирующей смеси способен высвобождать ионы металла (А), выбираемые из ионов щелочных металлов, отличных от лития, ионов щелочноземельных металлов или их сочетаний, а также ионы, вызывающие травление алюминия (В). Источник полярного раствора высвобождает полярный раствор, переносящий ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В) к алюминиевому токосъемнику литиевой батареи. Алюминиевый токосъемник насквозь протравливается вызывающими травление алюминия ионами (В), а ионы металла (А) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, проникают в электрохимическую реакционную систему литиевой батареи. Активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития вступают в реакцию с ионами металла (А) и переходят в состояние с более низкой энергией. Вследствие этого, напряжение всей батареи снижается, и протекание электрохимической реакции блокируется, чтобы предотвратить возникновение теплового убегания.

В данном изобретении также раскрыта конструкция батареи, способной подавлять тепловое убегание, которая включает литиевую батарею с алюминиевым токосъемником. Упомянутый выше элемент подавления теплового убегания расположен на внешней поверхности алюминиевого токосъемника.

Дальнейший объем применимости настоящего изобретения станет очевидным из подробного описания, приведенного ниже. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, показывающие предпочтительные варианты осуществления изобретения, даны только для иллюстрации, поскольку различные изменения и модификации в пределах сущности и объема изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники из этого подробного описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Настоящее изобретение станет более понятным из подробного описания, приведенного ниже только в качестве примера, и, таким образом, не являющегося ограничивающим для настоящего изобретения, в котором:

Фигуры 1А-1С представляют собой принципиальные схемы вариантов осуществления элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.

Фигура 2 - принципиальная схема другого варианта осуществления элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.

Фигуры 3А-3С представляют собой принципиальные схемы вариантов осуществления слоистого элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.

Фигуры 4А-4Н принципиальные схемы вариантов осуществления применяемого для литиевых батарей элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.

Фигура 5А представляет собой рентгеновскую дифрактограмму, на которой концентрации 30% NaOH_(aq), 30% NaAl(OH)4_(aq), 30% NaCl_(aq), 10% LiOH_(aq) и 30% KOH_(aq) реагируют с активным веществом положительного электрода с выделением ионов лития.

Фигура 5В представляет собой рентгеновскую дифрактограмму до и после того, как активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития подвергается воздействию ионов натрия/калия и ионов алюминия.

Фигура 6А показывает кривую напряжения и температуры для испытания на тепловое убегание обычного элемента литиевой батареи.

Фигура 6В показывает кривую напряжения и температуры для элемента литиевой батареи с подавлением теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением.

Фигуры 7А-7С представляют собой изображения результатов капания различных растворов, выбранных соответственно, из чистой воды, NaOH(_aq) и NaAl(OH₄) (_aq), на катод батареи, заряженной на 100%.

Фигуры 8А-8С являются изображениями результатов капания различных растворов, выбранных соответственно из чистой воды, NaOH(_aq) и NaAl(OH₄)(_aq), на анод батареи, заряженной на 100%.

Фигура 8D изображение фигуры 8С, на котором пена зажимается зажимным приспособлением.

Фигуры 9А и 9В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа катода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, на который 30% водный раствор гидроксида натрия капал в течение примерно 1 часа.

Фигуры 10А и 10В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа анода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, на который 30% водный раствор гидроксида натрия капал в течение примерно 1 часа.

Фигуры 11А и 11В термограммы с дифференциального сканирующего калориметра для катода и анода с использованием 20% NaAl(OH₄)(_aq).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение будет описано в отношении конкретных вариантов осуществления и со ссылкой на определенные фигуры, но изобретение не ограничивается ими, а только патентной формулой изобретения. Любые ссылочные позиции в патентной формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение объема. Описанные фигуры являются только схематическими и не ограничивают объем изобретения. На фигурах размеры некоторых элементов могут быть преувеличены и не отображаться в масштабе в иллюстративных целях.

Используемая здесь терминология предназначена только для описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения общей концепции изобретения. Используемые здесь формы единственного числа предназначены для включения также и форм множественного числа, если контекст явно не подразумевает иное. Если не указано иное, все термины (включая технические и научные), используемые в данном документе, имеют то же значение, которое обычно понимается специалистом в данной области техники, к которой относятся примерные варианты осуществления. Далее следует понимать, что термины, такие как те, которые определены в широко применяемых словарях, должны интерпретироваться как имеющие значение, которое согласуется с их значением в контексте соответствующей области науки и техники, и не должны интерпретироваться в идеализированном или чрезмерно формальном смысле, если только это прямо не определено в данном документе.

Ссылка во всем этом описании на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены по крайней мере в один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте осуществления» или «в варианте осуществления» в различных местах данного описания не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления, хотя это возможно. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом, как будет очевидно специалисту в данной области техники из этого раскрытия, в одном или нескольких вариантах осуществления.

Прежде всего, настоящее изобретение относится к элементу подавления теплового убегания, который включает в себя источник пассивирующей смеси и источник полярного раствора. Источник пассивирующей смеси способен выделять ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В). Источник полярного раствора высвобождает полярный раствор, переносящий ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В) к алюминиевому токосъемнику литиевой батареи для его травления. После того, как алюминиевый токосъемник, то есть положительный токосъемник, протравлен насквозь вызывающими травление алюминия ионами (В), ионы металла (А), остаток вызывающих травление алюминия ионов (В) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, проникают в электрохимическую реакционную систему литиевой батареи. Активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития вступают с ними в реакцию, вызывающую переход в более низкое энергетическое состояние. Вследствие этого, протекание электрохимической реакции блокируется, предотвращая возникновение теплового убегания.

Ионы металла (А) выбираются из ионов щелочных металлов, отличных от лития, ионов щелочноземельных металлов или их сочетаний. Когда ионы металла (А) выбираются из ионов щелочных металлов, отличных от лития, то их предпочтительно выбирать из ионов натрия, ионов калия или их сочетаний. Когда ионы металла (А) выбираются из ионов щелочноземельных металлов, то их предпочтительно выбирать из ионов бериллия, ионов магния или ионов кальция. Вызывающие травление алюминия ионы (В) выбираются из ионов щелочных материалов, таких как ионы гидроксидов, или кислотных материалов, таких как ионы нитратов. Кроме того, источник пассивирующей смеси может дополнительно содержать в себе ионы амфотерного металла (С), которые предпочтительно выбираются из ионов алюминия или ионов цинка. Источник пассивирующей смеси представляет собой раствор или безводный порошок. Вышеупомянутый «перенос» означает, что полярный раствор служит средой переноса для ионов металла (А) и вызывающих травление алюминия ионов (В).

Что касается активного вещества положительного электрода, то ионы металла (А) будут получать электроны от активного вещества положительного электрода с выделением ионов лития и их осаждением, а затем мигрировать далее, чтобы занять места, освобожденные выделенными ионами лития, т.е. будет происходить интеркаляция.

Активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития переводится из исходного состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние реагента, т.е. в кристаллическое состояние оксида металла с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Кроме того, его структура нестабильна и легко выделяет кислород в различном виде (О₂, О₂^-, О^-) из-за потери атомов лития в исходном состоянии активного вещества положительного электрода. Атомы металла, образованные ионами металла (А), такими как ионы натрия, и электронами, будут приводиться в движение тепловой энергией, чтобы заполнить пространство, освобождаемое выделяемыми ионами лития, то есть будет происходить интеркаляция, и перестраивать пространственную решетку таким образом, чтобы сформировать новое стабильное состояние, при этом расходуется тепловая энергия. Кроме того, когда ионы металла (А) с электронами заполняют активное вещество положительного электрода, характеристики ионов металла (А) будут оказывать воздействие. Например, если активное вещество положительного электрода заполняется натрием, эта новая стабильная структура будет приобретать некоторые характеристики натрия из-за наличия в ней натрия, такие как повышенная адсорбция влаги. Это повысит изолирующие свойства электродов и приведет к снижению производительности. Для активного вещества отрицательного электрода, ионы металла (А), ионы алюминия, образующиеся во время травления, а также дополнительно добавленные ионы амфотерного металла (С), будут вступать в реакцию с активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития. Активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития переводится из исходного состояния с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние неорганического полимера с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Следовательно, с помощью данного изобретения можно добиться уменьшения разности электрических потенциалов активных веществ положительного и отрицательного электродов, а также уменьшения напряжения всей батареи путем применения дополнительных ионов металла (А), ионов алюминия и/или дополнительного добавления ионов амфотерного металла (С), чтобы заблокировать протекание электрохимической реакции и эффективно избежать теплового убегания батареи.

Кроме того, для описанного выше процесса, когда активное вещество положительного электрода переводится из состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в кристаллическое состояние с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией, подробное описание приводится ниже. Активное вещество положительного электрода находится в состоянии выделения ионов лития, а его электрический потенциал более высок. Кроме того, из-за нестабильности кристаллической решетки она легко разрушается и имеет более высокую способность выделять кислород и большие объемы тепловой энергии. Следовательно, как определено выше, активное вещество положительного электрода находится в состоянии с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией. Когда ионы металла (А) заполняют вместе с электронами позиции, откуда выделились ионы лития, т.е. происходит интеркаляция, электрический потенциал активного вещества положительного электрода снижается, и кристаллическая решетка активного вещества положительного электрода становится относительно стабильной. Кроме того, стабильность кристаллической решетки активного вещества положительного электрода повышается, а способность выделять кислород снижается, как и способность резко выделять тепловую энергию. Следовательно, как определено выше, активное вещество положительного электрода находится в состоянии пассивации после реакции с ионами металла (А), что определяет его кристаллическое состояние с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией.

Для описанного выше процесса, когда активное вещество отрицательного электрода переводится из состояния с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией, подробное описание приводится ниже. Активное вещество отрицательного электрода находится в состоянии с введением ионов лития, и его электрический потенциал ниже. Кроме того, поскольку активное вещество отрицательного электрода получает кислород, высвобождаемый из активного вещества положительного электрода, активное вещество отрицательного электрода склонно к интенсивному горению и высвобождению тепловой энергии. Следовательно, активное вещество отрицательного электрода нестабильно и имеет более высокую способность выделять тепловую энергию. Соответственно, как определено выше, активное вещество отрицательного электрода находится в состоянии с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией. Когда ионы металла (А), ионы алюминия или дополнительно добавленные ионы амфотерного металла (С), взаимодействуют с активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития, ионы лития захватываются и образуют полимерное соединение с основным компонентом активного вещества отрицательного электрода, таким как кремний-углерод. Вместе с уменьшением способности активного вещества положительного электрода выделять кислород, способность активного вещества отрицательного электрода бурно выделять тепловую энергию также снижается. Следовательно, как определено выше, активное вещество отрицательного электрода после взаимодействия с ионами металла (А) ионами алюминия или дополнительно добавленными ионами амфотерного металла (С) находится в состоянии пассивации, которое определяется как состояние полимерного соединения с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. В этом состоянии активное вещество отрицательного электрода превращается в геополимер, который представляет собой зеленый цемент.

В этом варианте осуществления источник пассивирующей смеси включает в себя по крайней мере одно соединение, которое способно разлагаться и высвобождать ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В), такое как NaOH, KOH, NaNO₃, KNO₃ или другое подобное. Соединение, способное служить источником ионов амфотерного металла (С), может представлять собой AlCl₃, AlBr₃, AlI₃, Al(NO₃)₃, AlCl₄, AlF₃, AlH₃, Zn(OH)₂ или другое подобное. Кроме того, источник пассивирующей смеси может быть соединением, способным одновременно служить источником как ионов металла (А), так и вызывающих травление алюминия ионов (В) и ионов амфотерного металла (С), таким как NaAl(OH)₄ или другим подобным. Но это всего лишь примеры, не предназначенные для ограничения типа и количества соединений, используемых в настоящем изобретении. Кроме того, источник пассивирующей смеси может находиться в безводном состоянии или в состоянии раствора. В состоянии раствора, например, он имеет более высокую концентрацию, 80%-50%, с меньшей способностью к травлению и более высокой стабильностью. Соответственно, необходимо регулировать его концентрацию с помощью полярного раствора, чтобы он мог показывать способность к травлению алюминиевого токосъемника для образования сквозных отверстий. В случае, если источник пассивирующей смеси находится в безводном состоянии, полярный раствор может разлагать источник пассивирующей смеси, высвобождая ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В), или же дополнительные ионы амфотерного металла (С). Кроме того, концентрация вызывающих травление алюминия ионов (В), таких как ионы гидроксида, регулируется полярным раствором таким образом, чтобы они могли показывать способность к травлению алюминия, например 30%-20%.

Источник полярного раствора это высвобождающее воду соединение, эндотермически разлагающееся с выделением жидкости или чистой воды. Полярный раствор используется для разложения источника пассивирующей смеси для высвобождения ионов металла (А) и вызывающих травление алюминия ионов (В), или же дополнительных ионов амфотерного металла (С), а также для регулирования концентрации вызывающих травление алюминия ионов (В) таким образом, чтобы они могли показывать способность к травлению алюминия. Кроме того, за счет текучести полярного раствора ионы металла (А), вызывающие травление алюминия ионы (В) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, переносятся полярным раствором и проникают внутрь электрохимической реакционной системы литиевой батареи.

Элемент подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением может дополнительно включать в себя изолирующее устройство, которое позволяет избежать возникновения нестабильности, вызванной прямым контактом различных веществ в составе источника пассивирующей смеси и источника полярного раствора. Изолирующее устройство может представлять собой защитный слой или оболочку без отверстий, или же полимерную пленку с отверстиями, под которыми может дополнительно находиться пленкообразующий реагент.

Если изолирующее устройство представляет собой защитный слой или оболочку без отверстий, для примера возьмем защитный слой, то защитный слой состоит из термочувствительного разлагаемого материала или растворимого материала, который растворяется в полярном растворе. Температура разложения термочувствительного разлагаемого материала составляет 70-130°С. Как защитный слой, так и оболочка используются для отделения источника пассивирующей смеси и источника полярного раствора друг от друга, но применяются они различными способами. Защитный слой используется для изоляции материала пленочного типа путем нанесения защитного слоя на внешнюю поверхность однослойного или многослойного материала пленочного типа. Оболочка используется для того, чтобы отделить друг от друга порошок или жидкое вещество, порции которых заключены в оболочке, чтобы избежать прямого контакта двух различных веществ. Полимерная пленка со сквозными отверстиями используется для покрытия веществ, находящихся в нетекучем состоянии. Когда источник полярного раствора высвобождает полярный раствор, полярный раствор будет взаимодействовать с источником пассивирующей смеси через сквозные отверстия, выступающие в качестве пути переноса. Материал полимерной пленки может быть пленкообразующим реагентом, как описано ниже.

Вышеупомянутое высвобождающее воду соединение, эндотермически разлагающееся с выделением воды, может быть выбрано из Al(ОН)₃, Al(ОН)₃ ⋅ Н₂О, Mg(OH)₂, NH₄H₂PO₄, NaHCO₃, CH₃COONa ⋅ 3H₂O, ZnOB₂O₃⋅H₂O, Na₂B₄O₇⋅10Н₂О, безводный CaCl, CaCl ⋅H₂O, CaCl ⋅ 2H₂O, CaCl ⋅ 4H₂O, MgCl ⋅ 6H₂O, KAl(SO₄)₂ ⋅ 12H₂O, Zn(OH)₂, Ва(ОН)₂ ⋅ 8H₂O, LiOH или их сочетаний.

Термочувствительный разлагаемый материал может быть выбран из парафинового масла, микрокристаллического воска, полиэтиленового воска, полиэтилена низкой плотности, политранс- 1,4-бутадиена, политетраметиленоксида, изотактического полиметилметакрилата, полиэтиленоксида, полиэтиленадипата, изотактического поли-1-бутена, полиэтилена. Кроме того, термочувствительный разлагаемый материал для снижения температуры его размягчения смешивают с минеральным маслом.

В настоящем изобретении защитный слой элемента подавления теплового убегания выполнен из термочувствительного разлагаемого материала или выделяющего воду материала, разлагающегося эндотермически. Следовательно, собственная тепловая энергия батареи используется для срабатывания элемента подавления теплового убегания, который высвобождает ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В), а также запускает процесс травления алюминиевого токосъемника. Например, когда источник полярного раствора выбирается из высвобождающих воду материалов, материал защитного слоя, используемый в качестве оболочки для источника пассивирующей смеси, выбирается из материалов, которые легко растворяются в воде. Таким образом, термическим триггером служит эндотермически разлагающийся с выделением воды материал. Когда материалом источника полярного раствора является чистая вода, в качестве оболочки для воды используется термочувствительный разлагаемый материал, нерастворимый в воде. Таким образом, в качестве теплового триггера служит термочувствительный разлагаемый материал. Для повышения температуры испарения полярного раствора в источник полярного раствора может быть добавлен кипящий при высокой температуре гидрофильный материал, такой как глицерин или DMSO (диметилсульфоксид).

Кроме того, источник пассивирующей смеси и/или источник полярного раствора может дополнительно смешиваться с пленкообразующим реагентом для образования элемента подавления теплового убегания пленочного типа. Например, как показано на фигуре 1А, источник пассивирующей смеси 12 и источник полярного раствора 14 смешивают с требующим растворителя пленкообразующим реагентом 16 для образования пленки 10 с помощью процессов смешивания, нанесения покрытия, сушки и прессования. В другом примере, для смешивания с источником пассивирующей смеси 12 и источником полярного раствора 14 с образованием пленки 10 посредством процесса термического прессования используется не требующий растворителя пленкообразующий реагент 16. Соответственно, в таком случае нет необходимости в процессе сушки для удаления растворителя. Не требующий растворителя пленкообразующий реагент 16 может быть политетрафторэтиленом (PTFE). С другой стороны, пленкообразующий реагент 16, требующий растворителя, предпочтительно выбирается из материалов, растворитель которых удаляется при температуре около 80°С, таких как поливинилиденфторид-гексафторпропилен (PVDF-HFP) с использованием в качестве растворителя ацетона, полиуретан (PU) с использованием в качестве растворителя бутанона, или же стирол-бутадиеновый каучук (SBR), карбоксиметилцеллюлоза (CMC) или полиакриловая кислота (РАА) с использованием в качестве растворителя воды. В случае смешивания различных материалов источника пассивирующей смеси 12 и источника полярного раствора 14, упомянутое выше изолирующее устройство должно быть сформировано на одной из поверхностей источника пассивирующей смеси 12 и источника полярного раствора 14 для контакта с ними. Например, источник пассивирующей смеси 12 и источник полярного раствора 14 заключены в оболочку 26, чтобы отделить источник пассивирующей смеси 12 и источник полярного раствора 14 друг от друга, как показано на фигуре 1В. Размер частиц оболочки 26 предпочтительно составляет от 1 до 100 микрон. И процесс использования материала оболочки 26 для покрытия оболочкой источников 12, 14 может быть физическим или химическим процессом. Физический процесс может быть, например, фазовым переходом из твердого в жидкое состояние на основе изменения температуры или испарения растворителя. Химический процесс может представлять собой полимеризацию небольших мономеров. Когда источник полярного раствора 14 выбран из высвобождающих воду соединений, а источник пассивирующей смеси 12 находится в безводном состоянии, нерастворимая в воде полимерная пленка 23 со сквозными отверстиями 25 используется для покрытия источника пассивирующей смеси 12, как показано на фигуре 1С, чтобы уменьшить вероятность контакта источника пассивирующей смеси 12 с источником полярного раствора 14. Когда источник полярного раствора 14 под воздействием повышенной температуры высвобождает воду, вода, проникая через сквозные отверстия 25, вступает в реакцию с источником пассивирующей смеси 12 с образованием жидкости. Затем жидкость будет вытекать через сквозные отверстия 25, запуская последующие реакции, такие как травление алюминиевого токосъемника.

Кроме того, чтобы соответствовать требованиям формирования пленки может использоваться подложка. Пленкообразующий реагент в таком случае будет не нужен. Например, как показано на фигуре 2, источник полярного раствора 14 элемента подавления теплового убегания 10 для образования пленки прикреплен к подложке 22. Источник пассивирующей смеси 12 смешивается с пленкообразующим реагентом 16 для образования пленки 17. Чтобы избежать нестабильности, вызванной прямым контактом источника пассивирующей смеси 12 и источника полярного раствора 14, на внешней поверхности подложки 22 нанесен защитный слой 18. Подложка 22 может быть изготовлена из полимера, например, полиакриловой кислоты (РАА), полиакрилата натрия, карбоксиметилцеллюлозы (CMC), полиуретанового полимера, гуаровой камеди, натриевой соли альгиновой кислоты, полиэтиленимина (PEI), полиэтиленоксида (РЕО) и поливинипирролидона (PVP). Когда подложка 22 состоит из волокон, таких как нетканый материал, то этот материал может быть полипропиленом (РР), полиэтилентерефталатом (PET) и т.п., или же стекловолокном. Подложка 22 также может состоять из полиметилметакрилата (РММА) и поликарбонатов (PC). Кроме того, когда состав подложки 22 выбран из материалов, находящихся в гелеобразном состоянии, способных абсорбировать растворы, таких как альгинат натрия и полиакрилат натрия, они могут непосредственно абсорбировать соединения в состоянии раствора. Когда состав подложки 22 выбран из материалов, находящихся в гелеобразном состоянии, другие виды подложки с отверстиями, такие как нетканые волокна, могут также быть использованы. Материал оболочки 26 определяется содержащимся в ней соединением. Например, когда материал оболочки 26 легко растворяется в воде, т.е. он не может быть использован для хранения чистой воды, материал выбирается из таких соединений как желатин, гуммиарабик, хитозан, казеинат натрия, крахмал, лактоза, мальтодекстрин, поли-L-лизин/альгинат, полиэтиленимин/ альгинат, альгинат кальция, поливиниловый спирт. Когда материал оболочки 26 должен быть труднорастворим в воде, материал выбирают из таких соединений как этилцеллюлоза, полиэтилен, полиметакрилат, нитрат целлюлозы, силиконы, парафин, карнаубский воск, стеариновая кислота, жирные спирты, стеариловый спирт, жирные кислоты, углеводородная смола, моноацилглицерин, диацилглицерин и триацилглицерин.

Например, когда источник полярного раствора 14 высвобождает чистую воду, материал оболочки 26, используемый для хранения чистой воды, выбирается из термочувствительного разлагаемого материала, труднорастворимого в воде. Источник пассивирующей смеси 12 может не быть или быть заключен в оболочке 26, изготовленной из материала, легкорастворимого в воде.

Упомянутые выше способы защиты или формирования пленки для источника пассивирующей смеси 12 и источника полярного раствора 14 можно сочетать друг с другом, не ограничиваясь только теми, которые указаны на фигурах или в описаниях. Например, когда источник пассивирующей смеси 12 состоит из двух соединений 121 и 122, соединение 121 заключено в оболочку 26 и смешивается с источником полярного раствора 14 и пленкообразующим реагентом 16 с помощью процессов перемешивания, нанесения покрытия, сушки и прессования с образованием в результате первой пленки 28. Соединение 122 заключено в оболочку 26 и смешивается с пленкообразующим реагентом 16 с помощью процессов перемешивания, нанесения покрытия, сушки и прессования с образованием в результате второй пленки 29. Вторая пленка 29 прикреплена к поверхности первой пленки 28 с образованием слоистой структуры, как показано на фигуре 3А.

Кроме того, на фигурах 3В и 3С изображены другие варианты осуществления элемента подавления теплового убегания 10. Пожалуйста, обратитесь к фигуре 3В, соединение 122 имеет вид раствора и прикреплено к подложке 22 путем заключения их в защитный слой 18. Соединение 121 смешивают с источником полярного раствора 14 и пленкообразующим реагентом 16 и заключают в оболочку 26 для образования пленки. Пожалуйста, обратитесь к фигуре 3С, оба соединения, соответственно, 121 и 122, смешиваются с источником полярного раствора 14 и пленкообразующим реагентом 16 и заключаются в оболочку 26 для образования пленки. Специалисты в данной области техники могут изменять или сочетать способы защиты или формирования пленки. Такие изменения не следует рассматривать как отход от сущности и объема изобретения.

Пожалуйста, обратитесь к фигурам 4А-4В, на которых изображена конструкция батареи с элементом подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением. В такой конструкции, поскольку элемент подавления теплового убегания расположен за пределами литиевой батареи, он не повлияет на работу электрохимической реакционной системы. Пожалуйста, обратитесь к фигуре 4А, на которой элемент подавления теплового убегания 10 расположен на внешней поверхности положительного токосъемного слоя 301 литиевой батареи 30. Положительный токосъемный слой 301 является алюминиевым токосъемником. Литиевая батарея 30 включает в себя положительный токосъемный слой 301, отрицательный токосъемный слой 302, клеевой каркас 303, а также электрохимическую реакционную систему. Клеевой каркас 303 расположен между положительным токосъемным слоем 301 и отрицательным токосъемным слоем 302. Один край клеевого каркаса 303 приклеен к положительному токосъемному слою 301, а другой край клеевого каркаса 303 приклеен к отрицательному токосъемному слою 302. Положительный токосъемный слой 301, отрицательный токосъемный слой 302 и клеевой каркас 303 образуют замкнутое пространство. Электрохимическая реакционная система, расположенная в замкнутом пространстве, включает в себя слой активного вещества положительного электрода 304, смежный с положительным токосъемным слоем 301, и слой активного вещества отрицательного электрода 305, смежный с отрицательным токосъемным слоем 302. Сепаратор 306 расположен между слоем активного вещества положительного электрода 304 и слоем активного вещества отрицательного электрода 305, и имеет характеристики ионной проводимости и электроизоляционные свойства. Система электролита расположена в замкнутом пространстве и пропитана или смешана в слое активного вещества положительного электрода 304, слое активного вещества отрицательного электрода 305 и сепараторе 306, и используется для переноса ионов. Кроме того, слой активного вещества положительного электрода 304 и слой активного вещества отрицательного электрода 305 могут дополнительно включать в себя электропроводящие и адгезивные материалы. Поскольку эти части не являются техническими особенностями данного изобретения, подробное описание здесь не приводится.

Кроме того, материал сепаратора 306 состоит из твердого электролита или электроизоляционного слоя с отверстиями, сформированного из полимерного материала с покрытием из керамических порошков на его поверхности. Кроме того, сепаратор 306 также может быть сформирован путем укладки только слоев керамических порошков с использованием связующего вещества. Керамические порошки могут не иметь ионной проводимости или также могут иметь ионную проводимость.

Положительный токосъемный слой 301, отрицательный токосъемный слой 302 и клеевой каркас 303 используются в качестве упаковочного корпуса батареи 30. Электрохимическая реакционная система батареи 30 защищена этим упаковочным корпусом и изолирована от внешней среды. Клеевой каркас 303 изготавливается из любого полимерного материала, способного приклеиваться к поверхностям положительного и отрицательного токосъемных слоев 301 и 302, если он является достаточно прочным для системы электролита. Однако, предпочтительным является использование термореактивной смолы, например, силикона. Активное вещество отрицательного электрода может быть углеродным материалом, материалом на основе кремния или их смесью. Примеры углеродных материалов включают графитизированные углеродные материалы и аморфные углеродные материалы, такие как природный графит, модифицированный графит, частицы графитизированного мезофазного углерода, мягкие углеродные материалы, такие как кокс, и некоторые твердые углеродные материалы. Материалы на основе кремния включают кремний, оксиды кремния, композитные кремний-углеродные материалы и кремниевые сплавы.

Элемент подавления теплового убегания 10 в соответствии с данным изобретением расположен на внешней поверхности положительного токосъемного слоя 301 литиевой батареи 30. Элемент подавления теплового убегания 10 высвобождает ионы металла (А), вызывающие травление алюминия ионы (В) и полярный раствор, когда температура достигает заданного значения, например, 70-130°С. Положительный токосъемный слой 301 протравливается насквозь и образованные во время травления ионы алюминия просачиваются в литиевую батарею 30, вступая в реакцию с активным веществом положительного электрода с выделением ионов лития и активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития.

Пожалуйста, обратитесь к фигуре 4В, на которой изображен другой вариант осуществления применяемого в батарее элемента подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте осуществления элемент подавления теплового убегания 10 может находиться между двумя расположенными друг над другом литиевыми батареями 30. Когда две расположенные друг над другом литиевые батареи 30 соединены параллельно, для их соединения используется язычок. Также, пожалуйста, обратитесь к фигуре 4С, на которой элемент подавления теплового убегания 10 в соответствии с настоящим изобретением дополнительно включает в себя согнутый в виде буквы U металлический лист 32, который изготовлен из материала, который может быть протравлен насквозь элементом подавления теплового убегания 10, или из металлической сетки. Согнутый в виде буквы U металлический лист 32 состоит из двух параллельных плечей 321 и соединяющего их поперечного элемента 322, причем два параллельных плеча 321 и поперечный элемент 322 образуют пространство 323, в котором расположен элемент подавления теплового убегания 10. Одно параллельное плечо 321 расположено на положительном токосъемном слое 301 литиевой батареи 30, а другое параллельное плечо 321 расположено на отрицательном токосъемном слое 302 другой литиевой батареи 30. Следовательно, две литиевые батареи 30 электрически соединены. Или, как показано на фигуре 4D, элемент подавления теплового убегания 10 в соответствии с настоящим изобретением дополнительно включает в себя каркас из металлической сетки 33 со сквозными отверстиями 331. Источник пассивирующей смеси и источник полярного раствора поступают внутрь через сквозные отверстия 331. Каркас из металлической сетки 33 используется в качестве несущей подложки и для электрического соединения. В упомянутых выше вариантах осуществления элемент подавления теплового убегания 10 расположен между двумя уложенными друг на друга литиевыми батареями 30, которые подключены параллельно или последовательно.

Пожалуйста, обратитесь к фигуре 4Е, на которой изображен ограничивающий слой 34, задающий направление травления, расположенный вокруг боковой стенки элемента подавления теплового убегания 10. Ограничивающий слой 34 менее чувствителен к изменениям внешней окружающей среды, чем защитный слой 18 и оболочка 26. Две торцовых поверхности ограничивающего слоя 34 примыкают к токосъемникам 301, 302 батарей 30 или расположены рядом с ними. Упомянутые выше изменения внешней окружающей среды представляют собой изменения температуры, рН или концентрации электролита. Например, если фактором изменения внешней среды является температура, то, при таком строении, оболочка 26 или защитный слой 18 будут разрушены из-за изменения температуры раньше, чем ограничивающий слой 34. Следовательно, источник пассивирующей смеси 12 и источник полярного раствора 14, содержащиеся внутри, будут высвобождены. Кроме того, поскольку окружающий ограничивающий слой 34 не повреждается, высвобождаемые ионы или полярный раствор остаются внутри окружающей области ограничивающего слоя 34. Направление травления будет ограничено токосъемником 301. Вышеупомянутый ограничивающий слой 34 может быть выполнен из силикона.

Пожалуйста, обратитесь к фигуре 4F, в этом варианте осуществления открытая поверхность положительного токосъемного слоя 301 имеет множество канавок 36 с отверстиями. Элемент подавления теплового убегания 10 заполняет канавки 36. Соответственно, боковые стенки канавок 36 могут использоваться для ограничения направления травления элемента подавления теплового убегания 10. Или, как показано на фигуре 4G, на положительном токосъемном слое 301 может располагаться множество выступов 38. Выступы 38 выполняются из металла, стекла или полимера, инертного по отношению к элементу подавления теплового убегания 10. Выступы 38 и участки, расположенные вне выступов 38 положительного токосъемного слоя 301, образуют канавки 36 для вмещения элемента подавления теплового убегания 10. Или открытая поверхность положительного токосъемного слоя 301 может содержать множество вспомогательных прорезей 37, которые не проходят его насквозь. Вспомогательные прорези 37 используются для облегчения травления, как показано на фигуре 4Н.

Продолжая, следует отметить, что элемент подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением воздействует на активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития и активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития. В этом эксперименте активным веществом положительного электрода является NMC811, а активным веществом отрицательного электрода кремний-углерод.

Пожалуйста, обратитесь к фигуре 5А, которая представляет собой рентгеновскую дифрактограмму, на которой концентрации 30% NaOH, 30% NaAl(OH)₄, 30% NaCl, 10% LiOH, and 30% KOH реагируют с активным веществом положительного электрода с выделением ионов лития. Из фигуры видно, что после того, как NMC811 с выделением ионов лития прореагирует с ионами натрия или калия, характеристический пик (указанный стрелками) NMC811 больше не существует, а структура кристаллической решетки изменилась из-за введения в нее ионов натрия или калия. Это может быть связано с тем, что ионы натрия/калия, по сравнению с ионами лития имеющие более крупный размер, больший вес и более высокую потенциальную энергию, получают электроны на поверхности активного вещества положительного электрода с образованием атомов натрия/калия. И за счет сгенерированной тепловой энергии они будут перемещаться на места выделяемых ионов лития, т.е. будет происходить интеркаляция, формируя более стабильную структуру с более низкой электрохимической потенциальной энергией.

Пожалуйста, обратитесь к фигуре 5В, которая представляет собой рентгеновскую дифрактограмму до и после того, как активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития вступает в реакцию с ионами натрия/калия и ионами алюминия. Очевидно, что характеристические пики, представляющие сплавы лития и кремния, полностью исчезли. Это означает, что сплавы лития и кремния превратились в полимерные соединения с более низкой энергией. Можно предположить, что ионы натрия/калия и ионы алюминия образуют неорганический полимер, то есть геополимер, с кремний-углеродом. Структура этого полимера M_n[-(SiO₂)_z-AlO₂]_n⋅wH₂O, где z молярное отношение атомов Si/Al, Z=1, 2, 3 или больше 3, М - катион, такой как ион калия (K⁺) или ион натрия (Na⁺), n - степень полимеризации, aw- молярное количество кристаллизационной воды. Это неорганическое соединение представляет собой структуру с замкнутой кристаллической решеткой, подобную цеолиту, поэтому оно может переводить активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития в состояние с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией.

Обратитесь к фигурам 6А и 6В. Фигура 6А показывает кривую напряжения и температуры для испытания на тепловое убегание обычного элемента литиевой батареи. Фигура 6В показывает кривую напряжения и температуры для элемента литиевой батареи, выполняющего подавление теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на фигурах, при тепловом убегании и выделении тепла напряжение обычного литиевого аккумуляторного элемента начинает падать после того, как температура достигает примерно 500°С. Однако для элемента литиевой батареи с подавлением теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением напряжение начинает падать после того, как температура достигает около 100°С, блокируя протекание электрохимической реакции, чтобы эффективно избежать теплового убегания.

Фигуры 7А-7С представляют собой изображения результатов капания различных растворов, выбранных, соответственно, из чистой воды, NaOH(_aq) и NaAl(OH₄)(_aq), на катод батареи, заряженной на 100%. На фигуре 7А видно, что катод не вступает в реакцию с чистой водой. На фигурах 7Б и 7С можно видеть, что NaOH(_aq) и NaAl(OH₄)(_aq) образуют на поверхности катода капли в гидрофобном состоянии, и в этих каплях присутствует множество крошечных пузырьков.

Фигуры 8А-8С являются изображениями результатов капания различных растворов, выбранных, соответственно, из чистой воды, NaOH(_aq) и NaAl(OH₄)(_aq), на анод батареи, заряженной на 100%. На фигуре 8А видно, что оставшийся в аноде литий вступает в интенсивную реакцию с чистой водой, что приводит к растрескиванию анода. На фигурах 8В и 8С можно видеть, что NaOH(_aq) и NaAl(OH₄)(_aq) образуют на поверхности анода неорганический полимер с пузырьками, похожими на пену. Кроме того, часть неорганического полимера может быть зажата зажимным приспособлением, как показано на фигуре 8D.

Фигуры 9А и 9В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа катода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, при этом 30% раствор гидроксида натрия капал на него в течение примерно 1 часа, для очистки поверхности использовались DMC (диметилкарбонат) и чистая вода, и затем он просушивался в течение 8 часов при 60°С. Как показано на фигурах, для катода батареи, заряженной на 40%, из-за более низкой степени выделения ионов лития, введение ионов натрия на место выделенных ионов лития в катоде не оказывает на него существенного влияния. Однако неровности топографии поверхности катода уже становятся значительными. Для катода батареи, заряженной на 100%, из-за более высокой степени выделения ионов лития, введение ионов натрия на место выделенных ионов лития в катоде уже оказывает на него существенное влияние. Смещение решетки и неровность топографии поверхности катода батареи, заряженной на 100%, также очень значительны. И можно заметить, что некоторые части поверхности даже имеют следы растрескивания.

Фигуры 10А и 10В представляют собой изображения со сканирующего электронного микроскопа анода батареи, заряженной на 40% и 100%, соответственно, при этом 30% раствор гидроксида натрия капал на него в течение примерно 1 часа, для очистки поверхности использовались DMC (диметилкарбонат) и чистая вода, и затем он просушивался в течение 8 часов при 60°С. Как показано на фигурах, гидроксид натрия превращает части анода батареи, заряженной на 40%, в неорганический полимер (геополимер), а также он имеет игольчатую структуру коллоидной кремнеземной кислоты. Для анода батареи, заряженной на 100%, игольчатая структура еще более очевидна.

Кроме того, чтобы удостовериться в упомянутой выше более низкой энергии катода и анода, обратитесь к фигурам 11А и 11В, которые представляют собой термограммы с дифференциального сканирующего калориметра для катода и анода с использованием 20% NaAl(OH₄)(_aq). На фигуре 11А можно ясно видеть, что пик теплового потока катода при температуре около 210°С, очевидно, исчез, и пик теплового потока анода при температуре около 180°С, как видно на фигуре 11В, очевидно, также исчез.

Таким образом, элемент подавления теплового убегания может переводить активное вещество положительного электрода с выделением ионов лития из исходного состояния с более высоким электрическим потенциалом и более высокой энергией в кристаллическое состояние оксида металла с более низким электрическим потенциалом и меньшей энергией, а активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития из исходного состояния с более низким электрическим потенциалом и более высокой энергией в состояние неорганического полимера с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Следовательно, напряжение всей батареи снижается, и протекание электрохимической реакции блокируется.

Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает элемент подавления теплового убегания литиевых батарей и его соответствующее применение. Когда температура литиевой батареи достигает заданного значения, например, 70-130°С, алюминиевый токосъемник протравливается насквозь вызывающими травление алюминия ионами, для того чтобы служить путем поступления ионов внутрь электрохимической реакционной системы. По этому пути ионы металла (А) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, проникают в электрохимическую реакционную систему и вступают в реакцию с активным веществом положительного электрода с выделением ионов лития и активным веществом отрицательного электрода с введением ионов лития, переводя их в состояние с более низкой энергией. Напряжение всей батареи снижается, а протекание электрохимической реакции блокируется, предотвращая возникновение теплового убегания. Более того, по сравнению с традиционными способами, способ подавления теплового убегания в соответствии с настоящим изобретением выполняется непосредственно на поверхности активных веществ, которые генерируют максимальную энергию, вызывающую тепловое убегание, и являются основными реагентами всей электрохимической реакции. Кроме того, ионы металла (А), будут приводиться в движение полученной тепловой энергией, заполняя или интеркалируя выделенные ионы лития, и перестраивая кристаллическую решетку таким образом, чтобы сформировать новое стабильное ее состояние, одновременно потребляя тепловую энергию. Также, подавляется выделение кислорода, вызванное структурной нестабильностью, и происходящая из-за этого неконтролируемая цепная реакция. Активное вещество отрицательного электрода с введением ионов лития будет взаимодействовать с ионами металла (А), такими как ионы щелочного металла, отличного от лития, ионы щелочноземельного металла или их сочетанием, а также с ионами алюминия, с образованием полимерных соединений с более низкой энергией. В результате, как активное вещество положительного электрода, так и активное вещество отрицательного электрода останутся в состоянии с более низкой энергией, повышая безопасность литиевых батарей, эффективно и быстро прекращая тепловое убегание в них. Кроме того, поскольку элемент подавления теплового убегания расположен снаружи литиевой батареи, то он не влияет на эффективность или состав ее электрохимической реакционной системы.

Из описанного таким образом изобретения будет очевидно, что оно может быть изменено многими способами. Такие изменения не следует рассматривать как отступление от сущности и объема изобретения, и все такие модификации, которые будут очевидны специалисту в данной области техники, предназначены для включения в объем следующей далее патентной формулы изобретения.

Изобретение относится к предохранительному устройству литиевых батарей, в частности к элементу подавления теплового убегания, устанавливаемому в литиевых батареях, и его соответствующим применениям. Элемент подавления теплового убегания включает в себя источник пассивирующей смеси и источник полярного раствора. Источник пассивирующей смеси способен высвобождать ионы металла (А), выбираемые из ионов щелочных металлов, отличных от лития, ионов щелочноземельных металлов или их сочетания, а также ионы, вызывающие травление алюминия (В). Полярный раствор, высвобождаемый источником полярного раствора, переносит ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В) к алюминиевому токосъемнику, что вызывает его сквозное протравливание, а ионы металла (А) и ионы алюминия, образующиеся во время травления, проникают в электрохимическую реакционную систему. Затем активное вещество положительного электрода переводится в кристаллическое состояние с более низким электрическим потенциалом и более низкой энергией, а активное вещество отрицательного электрода переводится в состояние неорганического полимера с более высоким электрическим потенциалом и более низкой энергией. Техническим результатом является повышение безопасности литиевых батарей. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 32 ил.

1. Элемент подавления теплового убегания, предназначенный для использования в литиевой батарее, содержащий:

источник пассивирующей смеси для высвобождения ионов металла (А) и вызывающих травление алюминия ионов (В), причем ионы металла (А) выбираются из ионов щелочных металлов, отличных от лития, ионов щелочноземельных металлов или их сочетания; а также

источник полярного раствора для высвобождения полярного раствора, используемого для переноса ионов металла (А) и вызывающих травление алюминия ионов (В) к алюминиевому токосъемнику литиевой батареи, при этом алюминиевый токосъемник насквозь протравливается вызывающими травление алюминия ионами (В), происходит обмен ионов алюминия, и при этом ионы металла (А) и ионы алюминия переносятся полярным раствором внутрь литиевой батареи и просачиваются в электрохимическую реакционную систему для прекращения электрохимической реакции.

2. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, в котором ионы металла (А) и вызывающие травление алюминия ионы (В) высвобождаются, когда источник пассивирующей смеси разлагается в полярном растворе.

3. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, в котором ионы металла (А) выбираются из ионов натрия, ионов калия или их сочетания.

4. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, в котором источник пассивирующей смеси дополнительно высвобождает ионы амфотерного металла (С).

5. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, в котором вызывающие травление алюминия ионы (В) выбираются из ионов гидроксида или ионов нитрата.

6. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, в котором источником пассивирующей смеси является NaAl(OH)₄.

7. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, дополнительно содержащий изолирующее устройство для отделения источника пассивирующей смеси и источника полярного раствора друг от друга.

8. Элемент подавления теплового убегания по п. 7, в котором изолирующее устройство выбирается из защитного слоя или оболочки без отверстий.

9. Элемент подавления теплового убегания по п. 8, в котором защитный слой или оболочка изготовлены из термочувствительного разлагаемого материала или растворимого материала, который растворяется в полярном растворе.

10. Элемент подавления теплового убегания по п. 7, в котором источник полярного раствора представляет собой выделяющее воду соединение, эндотермически разлагающееся с выделением воды, источник пассивирующей смеси является безводным, а изолирующее устройство представляет собой полимерный слой с отверстиями, покрывающий источник пассивирующей смеси и источник полярного раствора.

11. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, в котором источник пассивирующей смеси или источник полярного раствора прикреплены к подложке.

12. Элемент подавления теплового убегания по п. 11, в котором подложка способна поглощать растворы.

13. Элемент подавления теплового убегания по п. 12, в котором материал подложки выбран из бумаги, полимерного волокна, гелевого полимера или стекловолокна.

14. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, дополнительно содержащий каркас из металлической сетки со сквозными отверстиями, в котором сквозные отверстия заполнены источником пассивирующей смеси и источником полярного раствора.

15. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, в котором источником полярного раствора является выделяющее воду соединение, эндотермически разлагающееся с выделением воды.

16. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, дополнительно содержащий пленкообразующий реагент, смешиваемый с источником пассивирующей смеси и/или источником полярного раствора для образования пленки.

17. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, в котором в источник полярного раствора добавлен гидрофильный материал с более высокой, чем у чистой воды, температурой кипения.

18. Элемент подавления теплового убегания по п. 1, в котором источник пассивирующей смеси состоит из более чем двух соединений.

19. Конструкция батареи, способная подавлять тепловое убегание, включающая литиевую батарею с алюминиевым токосъемником, в которой элемент подавления теплового убегания по п. 1 расположен на открытой поверхности алюминиевого токосъемника.

20. Конструкция батареи по п. 19, дополнительно включающая в себя вторую литиевую батарею, в которой элемент подавления теплового убегания расположен между двумя литиевыми батареями.

21. Конструкция батареи по п. 19, дополнительно содержащая согнутый в виде буквы U металлический лист, расположенный между двумя корпусами батарей, при этом согнутый в виде буквы U металлический лист включает в себя два параллельных плеча и соединенный с ними поперечный элемент, и при этом два параллельных плеча и поперечный элемент образуют пространство для размещения элемента подавления теплового убегания.

22. Конструкция батареи по п. 19, дополнительно содержащая ограничивающий направление травления слой, расположенный вокруг боковой стенки элемента подавления теплового убегания.

23. Конструкция батареи по п. 19, в которой алюминиевый токосъемник имеет канавки на открытой поверхности, при этом источник пассивирующей смеси и источник полярного раствора заполняют эти канавки.

24. Конструкция батареи по п. 23, в которой канавки образованы множеством выступов, расположенных на алюминиевом токосъемнике.

25. Конструкция батареи по п. 24, в которой выступы выполнены из металла, стекла или полимера, инертных по отношению к элементу подавления теплового убегания.

26. Конструкция батареи по п. 19, в которой алюминиевый токосъемник включает в себя множество вспомогательных прорезей на открытой поверхности, которые не проходят насквозь через алюминиевый токосъемник, при этом вспомогательные прорези используются для облегчения травления.