【技术实现步骤摘要】
本专利技术技术涉及锂电池制品的结构组件和物理特性的改进。例如，标准的锂离子电池例如易于发生某些与短路有关的现象，并因此经历了高温发生和最终燃烧。已经发现，与电池组件有关的结构问题导致了此类问题。本专利技术提供的改进包括利用薄金属化集流体(例如，铝和/或铜)、高收缩率材料、在暴露于高温下变成不导电的材料、及其组合。此类改进通过在目标锂电池内提供表面上的内部熔断器来防止由于短路而导致的不良高温结果而给予承受目标锂电池本身中的某些缺陷(枝晶、意外电涌等)的能力。包括此类改进的电池制品及其使用方法也被包括在本专利技术之内。
技术介绍
1、锂电池作为众多产品中的电源在世界各地仍然很流行。从充电式电动工具到电子汽车，再到无处不在的蜂窝电话(如平板电脑、手持计算机等)，(不同离子类型的)锂电池由于可靠性、上面提到的可再充电性和使用寿命长而被用作主要电源。然而，利用如此广泛使用的电源会带来某些问题，其中一些已被证明越来越严重。值得注意的是，安全问题已经暴露出来，其中，无论是否由于最初的制造问题或与时间有关的退化问题，这种锂电池中的某些缺陷会在短路事件期间引起容易产生点火电位。基本上，已经发现导电材料的内部缺陷会在这种电池结构内产生不希望的高热量并最终引起火灾。其结果是，从手持计算机装置(三星galaxynote 7，作为一个臭名昭著的情况)到整架飞机(波音787)，使用锂电池的某些产品都被禁止销售和/或使用，直到已经提供了在其中和与其一起使用的受损锂电池的解决方案为止(甚至达到在某些地区禁止任何飞机使用三星galaxy note 7的程度)。甚
2、这些问题主要是由于制造问题而存在的，无论是制成的单个电池组件还是这样的组件本身被配置成单个电池。通过仔细观察，锂电池目前由六种主要组件制成：正极材料；涂覆有正极材料的正极集流体(如铝箔)；负极材料；涂覆有负极材料的负极集流体(如铜箔)；位于负极与正极各层之间的并且通常由塑料材料制成的隔膜；和电解质，作为使其他材料饱和的导电性有机溶剂，从而为在负极与正极之间的传导离子提供机制。这些材料通常在罐(如现有技术图1所示)中缠绕在一起，或者堆叠在一起。还有许多其他配置可以用于此类电池生产目的，包括软包电池、方形电池、纽扣电池、圆柱形电池、缠绕的方形电池、缠绕的软包电池，这样的例子不胜枚举。这些电池在正确制作和轻拿轻放的情况下可以为数千次充放电循环的各种应用提供能量，而不会发生任何明显的安全事故。然而，如上所述，某些事件，特别是某些缺陷会导致内部导电材料之间的内部短路，从而导致发热和内部热失控，这已知是此类锂电池内火灾的最终原因。如上所述，此类事件可能还由内部缺陷引起，包括电池内金属颗粒的存在、集流体材料上的毛刺、隔膜中的细点或孔(无论是在后续加工期间包含的，还是在后续加工过程中引起的)、电池层的未对准(留出“开口”而产生的不希望导电性)、渗透到电池中的外部碎屑(如撞击行驶中的车辆的道路碎屑)、电池本身的破碎和/或不稳定(例如，由于事故)、为密闭空间中的电池充电等。一般而言，这些类型的缺陷已知会导致在负极与正极之间产生小的电子导电路径。当发生此类事件时，如果随后对电池进行充电，则这种导电路径可能会导致电池的放电，通过电池的放电最终产生过多的热量，从而损害电池结构并危及由此供电的底层装置。结合作为电池电解质的易燃有机溶剂材料的存在(其通常对于电池可操作性而言是必需的)，这种过多的热量已显示出会引起其点燃，从而最终造成非常危险的情况。此类问题至少一旦开始就很难控制，并已导致对消费者的严重伤害。通过提供在不损害易燃有机电解质的情况下输送电能的电池，肯定可以避免这种潜在的灾难性情况。
3、内部的过多热量的产生可能进一步造成塑料隔膜的收缩，从而使它从电池上移开、分离或以其他方式增大电池内的短路面积。在这种情况下，电池内更大的裸露短路面积可能导致持续的电流并增加其中的热量，从而导致高温事件，这会对电池造成重大损坏，包括爆裂、通风，乃至火焰和火灾。这样的损坏由于着火和更坏的后果的可能会很快出现而尤其成问题，并可能导致电池以及潜在的底层装置遭受爆炸，从而也给用户带来重大危险。
4、(多种类型的)锂电池特别容易出现与短路有关的问题。如上所述，典型的电池倾向于在高温暴露下显示出增加的放电速率，从而有时会导致如上所述的不受控制的(失控)燃烧和着火。由于这些可能性，某些法规已经生效，以管理此类电池物品的实际使用、存储，乃至运输。当然，实现适当协议以防止与短路相关的失控事件的能力是非常重要的。然而，至于如何实际解决此类问题，特别是当从无数供应商以及全球许多不同地点提供零件生产时，仍然存在问题。
5、有些人已磨练试图提供适当的和/或改进的隔膜，以帮助减轻这种锂电池着火的可能性。低的熔点和/或收缩率的塑料膜似乎为这种电池着火事件产生更高的电势。于是，通常的想法是在这样的隔膜材料上包括某些涂层，而不降低其在实际使用期间的电解质隔离能力。因此，例如，陶瓷颗粒已被用作聚丙烯和/或聚乙烯膜涂层，作为提高此类膜的尺寸稳定性(例如，提高熔点)的手段。还包括粘合剂聚合物作为改善陶瓷颗粒之间的内聚力和对塑料膜(膜)的粘附力的成分。然而，实际上，赋予陶瓷颗粒涂层的整个膜结构的热增加已经发现相对较低，因此使得这种隔膜问题的主要因素是实际的隔膜材料本身。
6、其结果是，已经至少在一定程度上设计并实施了与聚乙烯和聚丙烯多孔膜(其构成这种典型的陶瓷涂覆的隔膜的基层)相比更加热稳定的隔膜材料。这些低收缩率、尺寸稳定的隔膜在暴露于至少200℃的温度(高达250℃、300℃，乃至更高的温度)下呈现出小于5％的收缩率，远远优于裸露的聚合物膜所呈现的高收缩率(在150℃下大于大约40％)和陶瓷涂膜的高收缩率(在180℃下大于20％)(此类收缩率的比较提供于现有技术图2中)。当发生短路时，此类低收缩率的材料可能会改变目标电池内部的热降解机制。在这种电池单元中发生短路时，将总是产生热量。如果隔膜没有由于此类短路事件而收缩，则将继续产生并“积聚”热量，直到电池内的另一种材料降解为止。这种现象已通过行业标准的钉渗透测试进行了模拟。例如，即使使用包括对位芳族聚酰胺纤维的并显示出高达550℃的收缩稳定性的隔膜，该测试电池仍显示出短路的趋势，并具有独特的内部结果。在这样的处理之后，对这种电池进行更仔细的研究，其中，将电池打开，将过量的电解质蒸发，用环氧树脂填充电池，然后以垂直于钉的方式切开，将其留在电池中。然后使用背散射电子成像(bei)进行扫描电子显微镜图像，其能够映射不同的电池元件以显示这种钉穿透活性的效果。这些在现有技术图3a和图3b中示出。
7、在现有技术图3a中，注意到铜层始终比铝层更靠近钉。还应注意到，高稳定性隔膜在电极之间仍然完好无损。现有技术图3b示出了一个铝层的端部的更高放大倍数，其示出了它以破裂的灰质层结束。用bei对此进行了研究，结果本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种储能装置，包括：
2.根据权利要求1所述的储能装置，其中，沿着所述水平路径的电流为至少0.1A/cm，并且通过所述点接触的电流为至多5A/mm2。
3.根据权利要求1所述的储能装置，其中，所述集流体显示出小于20微米的厚度以及小于1欧姆/□的电阻。
4.根据权利要求3所述的储能装置，其中，所述导电材料显示出小于5微米的总厚度。
5.根据权利要求3所述的储能装置，其中，所述电流显示出1毫欧姆/□至1欧姆/□的电导率。
6.根据权利要求1所述的储能装置，其中，所述装置还包括隔膜，所述隔膜在200℃下1小时后显示出小于5％的热收缩率。
7.根据权利要求3所述的储能装置，其中，所述装置还包括隔膜，所述隔膜在200℃下1小时后显示出小于5％的热收缩率。
【技术特征摘要】
1.一种储能装置，包括：
2.根据权利要求1所述的储能装置，其中，沿着所述水平路径的电流为至少0.1a/cm，并且通过所述点接触的电流为至多5a/mm2。
3.根据权利要求1所述的储能装置，其中，所述集流体显示出小于20微米的厚度以及小于1欧姆/□的电阻。
4.根据权利要求3所述的储能装置，其中，所述导电材料显示出小于5微米的总...
【专利技术属性】
技术研发人员：布莱恩·G·莫林，
申请(专利权)人：索特利亚电池创新集团公司，
类型：发明
国别省市：
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