专利名称：锂电池与极板结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电池，且尤其涉及一种锂电池。
背景技术：
由于一次电池不符环保需求，因此近年来可充电的二次电池系统逐渐受到重视。 随着可携式电子产品的快速发展和普遍化，这种可重复充电放电的锂电池因兼具重量轻、 高电压值与高能量密度等特点，使得其市场需求量与日遽增。锂电池与镍氢、镍锌、镍镉电池相比，具有工作电压高、能量密度大、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，也是未来应用在可挠式电池的最佳选择。锂电池在计算机(Computer，即信息产品)、通信(Communication)及消费性电子 (Consumer electronics)等3C产品上的运用已渐为普及，对锂电池性能的要求也越来越高，诸如轻质耐用、高电压、高能量密度与高安全性等，尤其在轻型电动车、电动车、大型储电产业上的应用及拓展潜力极高。不过，由于锂电池系统使用的耐高电压有机溶剂(此有机溶剂大都为酯类有机分子)具可燃性，且高电容量正/负极活性物质在温度上升时，会分解放出大量热量，使得锂电池在不当使用时所产生的热，可能会引燃有机溶剂，有较高的危险性，甚至起火爆炸。此外，锂离子电池在充放电过程中，由于正极材料结构的崩解或产生相变化，都会使正极材料结构中的氧脱出，而这些脱出的氧会与电解液起反应作用，使电池内部温度瞬问升高，造成锂电池的安全问题。
发明内容
本发明提供一种锂电池，可在锂电池温度升高时，降低导电度。本发明提供一种正极极板结构，可提高锂电池的使用安全性。本发明提出一种锂电池，包括一第一极板、一第二极板、一隔离膜与一电解质溶液。第一极板由多层第一电极材料层互相堆栈而成，其中至少该些第一电极材料层其中之一包含一热动材料(thermal activation material)。隔离膜位于该第一极板与该第二极板之间。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中每一该些第一电极材料层所含的该热动材料的含量彼此不同。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中随着每一该些第一电极材料层越靠近该第二极板而该些第一电极材料层含该热动材料的含量越高。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中每一该些第一电极材料层含该热动材料的含量介于0. 1 IOwt %。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中每一该些第一电极材料层含该热动材料的含量介于1. 0 2. 5wt%。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该热动材料包含一含氮高分子。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该含氮高分子由双马来酰亚胺(bismaleimide)单体与巴比土酸(barbituric acid)反应所形成。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该含氮高分子是由胺(amines)、酰胺 (amides)、酰亚胺(imides)、马来酰亚胺(maleimides)分子与亚胺(imines)所组成的群组其中之一与二酮化合物(diones)反应而成。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该二酮化合物包括巴比土酸 (barbituric acid)、巴比土酸衍生物、乙酰丙酮(acetylactone)或乙酰丙酮衍生物。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中当该第一极板为一正极极板时，每一该些第一电极材料层分别包含选自LiCo02、LiMn2O4, LiMnxCoyNizO2(O < x，y，ζ < 1)、 LiNixCoyAlzO2 (O <x,y, ζ< 1)、LiFePO4所组成的群组其中之一的一导电材料。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中每一该些第一电极材料层所含的该热动材料的含量彼此相同时，每一该些第一电极材料层中的该导电材料的成分不同。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该第一极板由接近该第二极板的一顶部第一电极材料层与远离该第二极板的一底部第一电极材料层的两层第一电极材料层所组成时，该顶部第一电极材料层与该底部第一电极材料层的厚度比介于10/90 90/10 之间。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该第一极板为正极极板时，该第二极板为负极极板，而该第一极板为负极极板时，该第二极板为正极极板。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该第二极板由多层第二电极材料层互相堆栈而成，且至少该些第二电极材料层其中之一包含一热动材料。本发明又提出一种极板结构，包括多层电极材料层，该些电极材料层互相堆栈， 其中堆栈的该些电极材料层的至少其中之一包含一热动材料。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中包含该热动材料的该些电极材料层至少其中之一是堆栈的该些电极材料层的一顶部电极材料层。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中每一该些电极材料层所含的该热动材料的含量彼此不同。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中随着每一该些电极材料层越靠近该负极极板而该些电极材料层含该热动材料的含量越高。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中每一该些电极材料层含该热动材料的含量介于0. 1 IOwt %。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中每一该些电极材料层含该热动材料的含量介于1. 0 2. 5wt%。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中该些电极材料层为一底部电极材料层与堆栈于该底部电极材料层上的该顶部电极材料层时，该顶部电极材料层与该底部电极材料层的厚度比介于10/90 90/10之间。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中该热动材料包含一含氮高分子。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中该含氮高分子是由双马来酰亚胺 (bismaleimide)单体与巴比土酸(barbituric acid)反应所形成。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中该含氮高分子是由胺(amines)、酰胺(amides)、酰亚胺(imides)、马来酰亚胺(maleimides)分子与亚胺(imines)所组成的群组其中之一与二酮化合物(diones)反应而成。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中该二酮化合物包括巴比土酸 (barbituric acid)、巴比土酸衍生物、乙酰丙酮(acetylactone)或乙酰丙酮衍生物。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中当堆栈的该些电极材料层是做为一正极极板时，每一该些电极材料层分别包含选自LiCo02、LiMn204、LiMnxCoyNiz02(0 < x,y, ζ < 1)、LiNixCoyAlzO2 (0 < χ, y, ζ < 1)、LiFePO4所组成的群组其中之一的一导电材料。在本发明的一实施例中，上述的极板结构，其中每一该些电极材料层所含的该热动材料的含量彼此相同时，每一该些电极材料层中的该导电材料的成分不同。本发明中，在锂电池的电极极板是由数个电极材料层所组成，且电极材料层中至少其中之一掺杂有在锂电池温度升高时，会启动热动的热动材料。当锂电池温度升高时，热动材料产生交联反应形成高分子，进而阻碍锂离子的扩散移动，不但使导电度降低，更可让锂电池正极极板材料与电解液间的放热反应降低，进而使电池安全性大幅提升。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1绘示依照本发明一实施例的一种锂电池的局部剖面示意图。图IA绘示依照本发明图1的锂电池的圆圈部分A的剖面局部放大示意图。图2绘示依照本发明另一实施例的一种锂电池的剖面局部放大示意图。图3绘示依照本发明又一实施例的一种锂电池的剖面局部放大示意图。图4绘示依照本发明再一实施例的一种锂电池的剖面局部放大示意图。其中，附图标记100、200:锂电池102 正极极板102a、102b、102c、102d 电极材料层104、204 负极极板108:隔离膜110:电解质溶液114 孔隙202a:顶部电极材料层202b:底部电极材料层
具体实施例方式图1绘示依照本发明一实施例的一种锂电池的局部剖面示意图。请参照图1，本实施例的锂电池100，包括数个第一极板102、数个第二极板104、数层隔离膜108与一电解质溶液110。第一极板102与第二极板104—对一且连续的相互堆栈，且第一极板102 与第二极板104之间配置一隔离膜108。每一隔离膜108例如是一多孔结构，其开孔率 (Porosity)约介于40 55%之间，孔隙均勻分布在整片隔离膜中。而第一极板102、隔离膜108与第二极板104的相互堆栈结构则是浸泡于电解溶液110中。也就是电解溶液110 是充斥于整个电池体内。
第一极板102与第二极板104互相面对摆放。隔离膜108位于第一极板102与第二极板104之间。值得注意的是，第一极板102、第二极板104与隔离膜108均浸泡于该电解质溶液110中。换句话说，电解质溶液110充斥于正极极板102、负极极板104与隔离膜 108之间，也就是隔离膜108的孔隙114中。此外，第一极板102是正极极板时，则第二极板 104是负极极板。相对的，当第一极板102是负极极板时，第二极板104是正极极板。图IA绘示依照本发明图1的锂电池的圆圈部分A的剖面局部放大示意图。请参照图1A，于本实施例的锂电池100的第一极板102为正极极板而第二极板104为负极极板。 负极极板104的材质包括碳化物及锂合金。碳化物可为碳粉体、石墨、碳纤维、纳米碳管、或上述的混合物。在本发明一实施例中，碳化物为碳粉体，粒径约介于1微米至30微米之间。 另外，于另一实施例中，负极极板104的材质包括金属材质，例如Al、ai、Bi、Cd、Sb、Si、Pb、 Sn、Li3FeN2, Li2.6CoQ.4N、Li2.6Cu0.4N或上述的组合。再者，其它实施例中，负极极板104包含金属氧化物，例如 SnO、SnO2、GeO、GeO2、In2O, In2O3、PbO、PbO2為O3、Pb3O4、Ag2O, AgO, Ag2O3> Sb2O3> Sb2O4, Sb2O5, SiO、ZnO, CoO、NiO、FeO、TiO2, Li3Ti5O12 或上述的组合。此外，隔离膜108包括绝缘材料，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(polypropylene，PP) 或上述材料的多层复合结构如PE/PP/PE。电解质溶液110的主要成份为有机溶剂、锂盐、 以及添加剂。有机溶剂可为，丁基内酯(Y-butyrolactone, GBL)、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸丙j；希(propylene carbonate，PC)、碳酸二乙酉旨(diethyl carbonate, DEC)、乙酸丙酯(propyl acetate，PA)、碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)、碳酸甲乙酯(ethylmethyl carbonate, EMC)或上述的组合。锂盐可为 LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、 LiClO4, LiAlCl4、LiGaCl4、LiN03、LiC (SO2CF3) 3、LiN (SO2CF3) 2、Li SCN、Li03SCF2CF3、LiC6F5S03、 LiO2CCF3, LiSO3F, LiB (C6H5) 4、LiCF3SO3, LiB (C2O4) 2 或上述的组合。正极极板102由多层电极材料层(例如电极材料层10加、102b、102c与102d)互相堆栈而成。且具有多层电极材料层堆栈而成的正极极板102例如是以狭缝式涂布(slot die coating)、斜板式涂布法(slide coating)、淋幕式印刷(curtain coating)达到多层电极材料层涂布的正极极板。此外，每一电极材料层是由一导电材料所组成，且至少电极材料层其中之一包含一热动材料。于本发明的一实施例中，将相互堆栈的电极材料层(包含 102a、102b、102c与102d)中，与电解质溶液110直接接触的电极材料层10 视为相互堆栈的电极材料层的一顶部电极材料层102a，而此顶部电极材料层10 包含一热动材料。于再一实施例中，除上述顶部电极材料层10 包含热动材料外，顶部电极材料层10 下的其余堆栈的电极材料层至少其中之一包含热动材料。于又一实施例中，除上述顶部电极材料层10 包含热动材料外，顶部电极材料层10 下的其余堆栈的每一电极材料层均包含热动材料。上述导电材料例如是含锂、含钴或是含锂与钴的金属复合氧化物。举例而言，导电材料例如是 LiCoO2, LiMn2O4, LiMnxCoyNizO2 (0 < x，y，ζ < 1)、LiNixCoyAlzO2 (0 < χ, y, ζ < 1)、LiFePO4或是前述材料所组成的混合物。此外，上述热动材料包括一含氮高分子。值得注意的是，此含氮高分子包括数量平均分子量1500以上的含氮化合物或数量平均分子量200至四99的含氮寡聚物。于一实施例中，热动材料404包含含氮高分子，其例如是由胺(amines)、酰胺(amides)、酰亚胺(imides)、马来酰亚胺(maleimides)分子与亚胺(imines)所组成的群组其中之一与二酮化合物(diones)反应而形成的超分歧高分子(hyper branched polymers)。更明确的说，上述二酮化合物包括巴比土酸(barbituric acid)、巴比土酸衍生物、乙酰丙酮 (acetylactone)或乙酰丙酮衍生物。于又一实施例中，热动材料404包含含氮高分子，其例如是由双马来酰亚胺(bismaleimide)单体与巴比土酸(barbituric acid)反应所形成。 上述胺(amines)的化学结构为
权利要求
1.一种锂电池，其特征在于，包括一第一极板，由多层第一电极材料层互相堆栈而成，其中至少该些第一电极材料层其中之一包含一热动材料；一第二极板；一隔离膜，位于该第一极板与该第二极板之间。
2.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，每一该些第一电极材料层所含的该热动材料的含量彼此不同。
3.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，随着每一该些第一电极材料层越靠近该第二极板而该些第一电极材料层含该热动材料的含量越高。
4.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，每一该些第一电极材料层含该热动材料的含量介于0. 1 IOwt %。
5.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，每一该些第一电极材料层含该热动材料的含量介于1. 0 2. 5wt%。
6.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，该热动材料包含一含氮高分子。
7.根据权利要求6所述的锂电池，其特征在于，该含氮高分子由双马来酰亚胺单体与巴比土酸反应所形成。
8.根据权利要求6所述的锂电池，其特征在于，该含氮高分子是由胺、酰胺、酰亚胺、马来酰亚胺分子与亚胺所组成的群组其中之一与二酮化合物反应而成。
9.根据权利要求8所述的锂电池，其特征在于，该二酮化合物包括巴比土酸、巴比土酸衍生物、乙酰丙酮或乙酰丙酮衍生物。
10.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，当该第一极板为一正极极板时，每一该些第一电极材料层分别包含选自 LiCo02、LiMn2O4, LiMnxCoyNizO2, LiNixCoyAlzO2, LiFePO4 所组成的群组其中之一的一导电材料，其中，于LiMnxCoyNizO2及LiNixCoyAlzO2中，O < x，y， ζ < 1。
11.根据权利要求10所述的锂电池，其特征在于，每一该些第一电极材料层所含的该热动材料的含量彼此相同时，每一该些第一电极材料层中的该导电材料的成分不同。
12.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，该第一极板由接近该第二极板的一顶部第一电极材料层与远离该第二极板的一底部第一电极材料层的两层第一电极材料层所组成时，该顶部第一电极材料层与该底部第一电极材料层的厚度比介于10/90 90/10之间。
13.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，该第一极板为正极极板时，该第二极板为负极极板，该第一极板为负极极板时，该第二极板为正极极板。
14.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，该第二极板由多层第二电极材料层互相堆栈而成，且至少该些第二电极材料层其中之一包含一热动材料。
15.一种极板结构，其特征在于，包括多层电极材料层，该些电极材料层互相堆栈，其中堆栈的该些电极材料层的至少其中之一包含一热动材料。
16.根据权利要求15所述的极板结构，其特征在于，包含该热动材料的该些电极材料层至少其中之一是堆栈的该些电极材料层的一顶部电极材料层。
17.根据权利要求16所述的极板结构，其特征在于，每一该些电极材料层所含的该热动材料的含量彼此不同。
18.根据权利要求16所述的极板结构，其特征在于，随着每一该些电极材料层越靠近该负极极板该些电极材料层含该热动材料的含量越高。
19.根据权利要求16所述的极板结构，其特征在于，每一该些电极材料层含该热动材料的含量介于0. 1 IOwt%。
20.根据权利要求16所述的极板结构，其特征在于，每一该些电极材料层含该热动材料的含量介于1. 0 2. 5wt%。
21.根据权利要求15所述的极板结构，其特征在于，该些电极材料层为一底部电极材料层与堆栈于该底部电极材料层上的该顶部电极材料层时，该顶部电极材料层与该底部电极材料层的厚度比介于10/90 90/10之间。
22.根据权利要求15所述的极板结构，其特征在于，该热动材料包含一含氮高分子。
23.根据权利要求22所述的极板结构，其特征在于，该含氮高分子由双马来酰亚胺单体与巴比土酸反应所形成。
24.根据权利要求22所述的极板结构，其特征在于，该含氮高分子是由胺、酰胺、酰亚胺、马来酰亚胺分子与亚胺所组成的群组其中之一与二酮化合物反应而成。
25.根据权利要求24所述的极板结构，其特征在于，该二酮化合物包括巴比土酸、巴比土酸衍生物、乙酰丙酮或乙酰丙酮衍生物。
26.根据权利要求15所述的极板结构，其特征在于，当堆栈的该些电极材料层是做为一正极极板时，每一该些电极材料层分别包含选自LiCo02、LiMn2O4, LiMnxCoyNizO2, LiNixCoyAlzO2, LiFePO4所组成的群组其中之一的一导电材料，其中，于LiMnxCoyNizO2及 LiNixCoyAlzO2 中，O < x，y，ζ < 1。
27.根据权利要求沈所述的极板结构，其特征在于，每一该些电极材料层所含的该热动材料的含量彼此相同时，每一该些电极材料层中的该导电材料的成分不同。
全文摘要
一种锂电池及极板结构，包括一第一极板、一第二极板与一隔离膜。第一极板由多层电极材料层互相堆栈而成，其中至少该些电极材料层其中之一包含一热动材料。隔离膜位于该第一极板与该第二极板之间。本发明中，在锂电池的电极极板是由数个电极材料层所组成，且电极材料层中至少其中之一掺杂有在锂电池温度升高时，会启动热动的热动材料。当锂电池温度升高时，热动材料产生交联反应形成高分子，进而阻碍锂离子的扩散移动，不但使导电度降低，更可让锂电池正极极板材料与电解液间的放热反应降低，进而使电池安全性大幅提升。
文档编号H01M10/42GK102569874SQ20101062400
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月23日
发明者吴平耀, 吴弘俊, 张中良, 朱文彬, 李仁杰, 杨长荣, 温恕恒, 潘金平, 许荣木 申请人:财团法人工业技术研究院