具有防止燃燒的改善安全性的Li離子電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及與Li離子電池一起使用W減少其燃燒的材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 裡離子電池（Li離子電池）是其中裡離子在帶有相反電荷的電極之間移動W產(chǎn)生 電力的電池。
[0003] 已知Li離子電池（諸如通過電池中的短路）的損壞（發(fā)生故障）能夠產(chǎn)生失控的 熱反應(yīng)，其使電池中、特別是來自將電池的各陽極與各陰極隔開的電解質(zhì)的易燃組分氣化。 電池的燃燒設(shè)及易燃蒸氣的著火，特別是在接觸到與易燃蒸氣發(fā)生接觸的空氣中存在的氧 時，所述易燃蒸氣要么在將電池容納于其中的電池組殼體中，要么在易燃蒸氣從其中逸出 的電池組的外部。
[0004] 為了阻止電力流向受損的電池，已使電池組配備了烙斷，其阻止因電池內(nèi)失控的 熱反應(yīng)引起溫度過度上升后的電力流。
[0005] 因為電方法并不總是有效減少燃燒，所W已經(jīng)嘗試了各種其它技術(shù)。
[0006] U.S. 2011/0177366公開了將電池組的殼體形成為W下物質(zhì)的層合體，（i)具有高 熱導(dǎo)率的金屬或樹脂的導(dǎo)熱層，諸如工程塑料，和（ii)樹脂材料、陶瓷材料或無機材料的 吸熱層。層（i)形成殼體的外側(cè)且層（ii)形成殼體的內(nèi)側(cè)，使得由層（ii)吸收的熱通過 層（i)自電池組殼體的內(nèi)部導(dǎo)出。公開了氣碳樹脂作為用于層m)的可能的材料，并且公 開了聚四氣己締（PTF巧作為具有優(yōu)異的耐熱性的樹脂的例子。公開了 PTFE吸熱層含有分 散于其中的20至70重量份的稱為材料B的顆粒材料，并且公開了 PTFE具有優(yōu)良的粘結(jié)特 性。層（ii)中的顆粒材料B的功能是經(jīng)歷熱分解反應(yīng)，該反應(yīng)吸收熱量并使層（ii)膨脹 W形成絕緣層，W保護電池組殼體外部的電子裝置。公開了碳酸氨鋼和氨氧化侶作為材料 B的例子。由于加熱后絕緣層（ii)的絕緣效果的明顯補償，電池組還具有正弦曲線形導(dǎo)管 25(圖2)，用于允許熱氣體自電池組殼體的內(nèi)部逸出并且在此氣體沿導(dǎo)管的長度流動時對 其進行空氣冷卻。此專利公開的方法是試圖通過限制電池組內(nèi)的溫度升高并冷卻自電池組 逸出的氣體的方式來避免自電池組的內(nèi)部排出高溫易燃?xì)怏w。
[0007] U. S. 2009/0176148公開了將電池浸入填充有熱傳遞流體并容納至少部分地填充 有該傳熱流體的換熱器的容器，其中該流體是液體或氣體，諸如水、二醇、全氣化碳、全氣聚 離、全氣胺、全氣離、娃油和姪油，并且換熱器有助于從浸沒電池中除熱。在另一個實施例 中，熱傳遞流體是具有低沸騰溫度（例如低于80°C或甚至低于50°C)的氨氣離，此流體的 蒸發(fā)有助于從浸沒電池中除熱。該種提高電池安全性（即，減少燃燒）的方法的缺點是依賴 氣體和/或液體作為熱傳遞流體。在殼體中形成任何開口（如通過使殼體經(jīng)受碰撞）時， 電池組殼體內(nèi)的氣體或液體易于逸出。
[000引 U. S. 2010/0047673公開了用不易燃的填充材料來填充電池組殼體與容納于殼體 中的電池之間的空間，W便自殼體的內(nèi)部排除空氣。在一個實施例中，液體或氣體被用作填 充材料，并且容納于聚丙締袋中或者吸收到高聚合物中W提供凝膠樣材料。實例12公開了 通過如下方式制備填充材料，即在研鉢中捏合90重量％的碳酸氨儀粉末（當(dāng)過熱時其釋放 二氧化碳）與10重量％的PTFE (其具有粘合效果），然后將所得到的混合物模制成粒，于是 成為電池殼體內(nèi)的填充材料。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的是，要使PTFE具有粘合效果的話， PTFE必須是細(xì)粉型的，其通過含水分散體的聚合、之后進行分散的PTFE顆粒的凝聚制成， 所得到的凝聚物被稱為細(xì)粉型的PTFE。在進行燒結(jié)之前，該種PTFE細(xì)粉在受到（如在研鉢 中進行混合所發(fā)生的）剪切時原纖化。構(gòu)成原纖化PTFE的原纖維充當(dāng)用于顆粒材料（諸 如實例12中所使用的碳酸氨儀）的粘合劑。顯然在本申請中，PTFE所利用的是其粘合能 力，碳酸氨儀是填充材料中的滅火劑。
[0009] 仍然需要W有效的方式來減少Li離子電池的燃燒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)，既非氣態(tài)也非液態(tài)的氣化材料可用來減少Li離子電池的燃燒。因 此，本發(fā)明的一個實施例為一種Li離子電池，其具有被定位有效減少所述電池的燃燒的氣 化材料，所述氣化材料通常是非氣態(tài)且非液態(tài)的，并且其本身有效提供所述電池的所述燃 燒的所述減少。氣化材料的定位與Li離子電池有關(guān)。減少燃燒意指即使Li離子電池的損 壞達到預(yù)期會引起失控放熱反應(yīng)的程度也不會發(fā)生燃燒，或者如果開始燃燒的話，其強度 會減小或者火會非常迅速地被焰滅。減小的強度意指當(dāng)電池組的殼體內(nèi)存在多個Li離子 電池時，燃燒傾向只限于受損的電池，于是可W很容易地將其焰滅。非氣態(tài)且非液態(tài)意指在 正常條件下，即在環(huán)境溫度（15-25°C)且在一個大氣壓（IMPa)的壓力下。該些條件和物質(zhì) 狀態(tài)的組合也可W被表示為正常情況下的非氣態(tài)且非液態(tài)。其本身有效是表示基本上不需 要附加的非氣化材料來作用于燃燒（與燃燒相互作用）W減少燃燒。該并不排除其它獨立 的減少燃燒的措施，諸如烙斷。
[0011] 本發(fā)明的另一實施例為一種電池組，其包括殼體、容納于所述殼體中的至少一個 Li離子電池和被定位有效減少所述電池的燃燒的氣化材料，所述氣化材料在正常情況下為 非氣態(tài)且非液態(tài)的，并且其本身有效提供所述電池的所述燃燒的所述減少。優(yōu)選地，氣化材 料是構(gòu)造電池殼體的材料，或者被定位在電池殼體內(nèi)，或該兩種情況兼而有之。
[0012] 每個實施例都適用于相互連接W提供電力的一個或多個Li離子電池，即對每個 存在的電池應(yīng)用氣化材料的該種定位，諸如可W將其容納于電池組的殼體中。
[0013] 在該些實施例中的每一個中，W下的優(yōu)選要求單獨地及W任意組合的方式施用：
[0014] (a)氣化材料優(yōu)選不是具有減少燃燒功能的非氣化材料的載體材料。因此，氣化材 料相對于非氣化材料基本上沒有粘結(jié)功能。氣化材料的主要功能是減少燃燒。如果氣化材 料含有非氣化材料，則氣化材料所含的非氣化材料的量優(yōu)選不超過氣化材料和非氣化材料 的合并重量的15重量％，更優(yōu)選不超過10重量％，甚至更優(yōu)選不超過5重量％，并且為簡 單起見，最優(yōu)選沒有非氣化材料。
[0015] 化）氣化材料的定位優(yōu)選至少鄰近所述電池。該種鄰近也適用于電路中的每個Li 離子電池。至少鄰近包括使氣化材料與Li離子電池接觸，并且當(dāng)不接觸時，則使其接近Li 離子電池，或兩種情況兼而有之。該種鄰近使氣化材料能夠提供減少燃燒的效果。雖然被 定位有效提供該種效果，但該種定位優(yōu)選沒有任何金屬結(jié)構(gòu)介于電池與氣化材料之間，由 此使氣化材料直接暴露于由受損電池產(chǎn)生的燃燒條件，W便提供燃燒減少。因此，例如，氣 化材料不是帶有面向電池的金屬層的層合體。至少鄰近電池包括將氣化材料定位在電池的 罐內(nèi)部和/或罐外部。當(dāng)定位在罐內(nèi)部時，氣化材料及其在罐內(nèi)部的位置是該樣的，與罐內(nèi) 部不存在氣化材料的情況相比，電池的性能不受干擾，即氣化材料對電池的電性能沒有明 顯的不利影響。
[0016] (C)氣化材料可包含相對于Li離子電池具有不同狀態(tài)和位置的一種或多種氣化 材料。例如，當(dāng)將Li離子電池容納于殼體中W形成電池組時，氣化材料可包含含氣聚合物， 其至少形成所述殼體的內(nèi)部表面作為殼體襯里。另選地，殼體可完全由所述含氣聚合物制 成，即殼體的構(gòu)造材料為含氣聚合物。為用作殼體的構(gòu)造材料，含氣聚合物必須為固體狀 態(tài)，并具有承受對電池組的處理而不會破裂的強度。作為殼體襯里，氣化材料可為半固體或 固體狀態(tài)。應(yīng)用氣化材料作為電池殼體或其襯里是相對于容納于殼體中的電池至少鄰近氣 化材料定位的一個例子。在該示例中，電池的部分可與殼體的內(nèi)部表面接觸，而其它的電池 部分將不與殼體的內(nèi)部表面接觸但鄰近殼體的內(nèi)部表面。考慮將氣化材料定位在殼體內(nèi)， 即使該材料為殼體的構(gòu)造材料。應(yīng)用氣化材料作為殼體襯里W及恰如下文段落（e)、（f)和 (g)所述也是將氣化材料定位在電池殼體內(nèi)的首選例。
[0017] (d)氣化材料還可包含與Li離子電池接觸的含氣聚合物膜。此膜當(dāng)然也是固體， 并且具有足W使得能夠處理該膜而其不會破裂的強度。建立膜與Li離子電池之間的接觸 的優(yōu)選方法是用膜包裹電池。另選地，不是使膜與電池的外部接觸，而是可W通過使膜在電 池內(nèi)部來建立膜/電池接觸，例如定位在電池的罐與電池的電極之間。
[0018] (e)在一個實施例中，氣化材料還可包括包含具有含氣聚離的氣化材料。在另一個 實施例中，氣化材料可W是半固體。該種半固體（狀態(tài)）是正常狀態(tài)，即在上文提到的正常 溫度和壓力條件下的狀態(tài)。作為半固體的氣化材料可為含氣聚離。半固態(tài)有利于將氣化材 料（諸如含氣聚離）定位成至少鄰近Li離子電池，諸如通過作為涂層形成在Li離子電池 的至少一部分上，優(yōu)選作為在其中最有可能出現(xiàn)導(dǎo)致電池燃燒的"熱點"的電池表面之上、 并且最優(yōu)選在基本上整個的電池表面之上的涂層。在電池外表面合在一起處的電池的某些 邊緣可能沒有處于因電池?fù)p壞而產(chǎn)生的任何熱點位置的危險，在該種情況下，從電池安全 性的觀點來看，可能沒有必要用氣化材料涂布此類邊緣。
[0019] (f)在另一個實施例中，氣化材料可W是熱不穩(wěn)定的含氣聚合物。該種含氣聚合物 通常是固體，但在由Li離子電池?fù)p壞引起加熱的情況下，該種含氣聚合物發(fā)生分解W提供 燃燒減少。
[0020] (g)在另一個實施例中，氣化材料還可包含氣化組合物與其它氣化材料的混合物。 該其它氣化材料優(yōu)選為固體，且優(yōu)選為含氣聚合物，并且最優(yōu)選地，兩種情況兼而有之。優(yōu) 選的含氣聚合物是上文在（f)中所提到的熱不穩(wěn)定的含氣聚合物。氣化組合物優(yōu)選包含含 氣聚離。混合物優(yōu)選為半固體。在另一個實施例中，混合物為半固體，并且混合物中的氣化 組合物包含含氣聚離。優(yōu)選地混合物中的氣化組合物（諸如包含含氣聚離的氣化組合物） 本身是液體，但含有此液體的具有其它氣化材料（優(yōu)選固體含氣聚合物）的混合物為非液 體?；旌衔飪?yōu)選為半固體。在另一個實施例中，半固體混合物包含固體氣化材料和如上所 述具有足夠低分子量的氣化組合物，所述分子量足夠低，使得當(dāng)與固體氣化材料混合時，所 得混合物為半固體。優(yōu)選該其它氣化材料（諸如包含含氣聚離）本身是液體。上文及本文 后面公開的液體、非液體、固體、半固體特征（狀態(tài)）是正常狀態(tài)，即除非另外指明，在上文 所提到的正常溫度和壓力條件下的狀態(tài)。因此，該些特性可被理解為相同于正常情況下的 液體、正常情況下的非液體、正常情況下的固體和正常情況下的半固體。可（如）通過形成 在與前述段落中所述相同的Li離子電池上的涂層將混合物（優(yōu)選為是半固體的混合物） 定位成至少鄰近Li離子電池。
[0021] 化）氣化材料可W為多種氣化材料的組合，它們相對于Li離子電池分別定位，W 針對Li離子電池的燃燒提供多重防護。