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，包括一正极极板、一负极极板、一第一热阻绝层与一隔离膜。正极极板具有一第一表面。负极极板具有一第二表面，且该第二表面面对该正极极板的该第一表面。第一热阻绝层位于该第一表面与第二表面其中之一上，其中该第一热阻绝层由一无机材料、一热动材料(thermalactivation material)与一粘结材料所组成。隔离膜位于该正极极板与该负极极板之间。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，还包括一第二热阻绝层，其中当该第一热阻绝层位于该第一表面时，则该第二热阻绝层位于该第二表面，而当该第一热阻绝层位于该第二表面时，则该第二热阻绝层位于该第一表面。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该第二热阻绝层与该第一热阻绝层的材质相同。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该第二热阻绝层的厚度介于0. 1 20微米。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该无机材料包括Al、Mg、Si、Zr、Ti、 Zn、Li、Co或上述材料的氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物、商化物或其组合。
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，其中该无机材料与该热动材料分别以复数个颗粒形式分散于该粘结材料中。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该热动材料以多个颗粒形式分散于该粘结材料中，且该热动材料的每一该些颗粒表面具有一高分子薄膜。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该高分子薄膜的材质包括聚烯烃或聚乙烯。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该第一热阻绝层含该热动材料的重量百分比介于0. 1 40wt%。在本发明的一实施例中，上述的锂电池，其中该第一热阻绝层的厚度介于0. 1 20微米。本发明更提出一种电极板结构，包括一极板与一热阻绝层。极板具有一充放电表面。热阻绝层位于该充放电表面，其中该热阻绝层由一无机材料、一热动材料与一粘结材料所组成。在本发明的一实施例中，上述的电极板结构，其中该极板包括一正极极板或一负极极板。在本发明的一实施例中，上述的电极板结构，其中该热阻绝层的厚度介于0. 1 20微米。在本发明的一实施例中，上述的电极板结构，其中该无机材料包括Al、Mg、Si、Zr、 Ti、Zn、Li、Co或上述材料的氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物、商化物或其组合。具体实例包括二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、二氧化钛 (TiO2)、钛酸锂(LiTiO2)或沸石(zeolite)。在本发明的一实施例中，上述的电极板结构，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，上述的电极板结构，其中该含氮高分子系由双马来酰亚胺(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，上述的电极板结构，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，上述的电极板结构，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，上述的电极板结构，其中该无机材料与该热动材料分别以多个颗粒形式分散于该粘结材料中。
在本发明的一实施例中，上述的电极板结构，其中该热动材料以多个颗粒形式分散于该粘结材料中，且该热动材料的每一该些颗粒表面具有一高分子薄膜。在本发明的一实施例中，上述的电极板结构，其中该高分子薄膜的材质包括聚烯烃或聚乙烯。在本发明的一实施例中，上述的电极板结构，其中该第一热阻绝层含该热动材料的重量百分比介于0. 1 40wt%。本发明中，在锂电池的两电极极板其中之一覆盖一层热阻绝层或是两电极极板表面上均覆盖一层热阻绝层，而此热阻绝层中包括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，使导电度降低。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IB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IC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2绘示依照本发明一实施例的一种锂电池中热阻绝层的剖面示意图。图3绘示依照本发明另一实施例的一种锂电池中热阻绝层的剖面示意图。图4绘示内阻随温度变化曲线图。其中，附图标记100、300:锂电池102 正极极板102a 第一表面104 负极极板104a 第二表面106 第一热阻绝层108:隔离膜110:电解质溶液114 孔隙306:第二热阻绝层400、500 热阻绝层402 无机材料404、504 热动材料406、506 粘结材料508 高分子薄膜
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，包括数个正极极板102、数个负极极板104、数层隔离膜108与一电解质溶液110。正极极板102与负极极板104 —对一且连续的相互堆栈，且正极极板102 与负极极板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。而正极极板102、隔离膜108与负极极板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。正极极板102的材质包括锂金属复合氧化物(lithium mixed metal oxide)，例如 LiMnO2, LiMn2O4, LiCoO2, Li2Cr2O7^ Li2CrO4, LiNiO2, LiFeO2, LiNixCo1^xO2 (0 < χ < 1)、 LiMPO4 (Μ = transition metal :M )、LiMn0.5Ni0 502、LiNixCoyMnzO2 (x+y+z = 1)、 LiNixCoyAlzO2 (x+y+z = 1), LiMc0.5MnL504 或上述的组合，且 Mc 为二价金属。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、Zn、Bi、Cd、 Sb、Si、Pb、Sn、Li3FeN2, Li2.6Co0.4N、Li2.6Cua4N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、Sn02、GeO、GeO2, In2O, In203、PbO、PbO2,Pb2O3, Pb3O4Ug2O, AgO, Ag2O3, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, SiO、ZnO, Co0、NiO、FeO、TiO2, Li3Ti5O12 或上述的组合。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。更明确的说，请参照图1A，本实施例的锂电池还包括一第一热阻绝层106。也就是正极极板102与负极极板104互相面对摆放，且正极极板102具有面对负极极板104的一第一表面102a (亦即在锂电池充放电过程中，锂离子扩散进入或是离开极板的表面，称为充放电表面)，而负极极板具有面对正极极板102的一第二表面104a(亦即充放电表面)。也就是第二表面 104a面对正极极板102的第一表面10加。第一热阻绝层106位于第一表面10 或第二表面10 上。其中，第一热阻绝层 106的厚度介于0. 1 20微米。于本实施例中，第一热阻绝层106位于正极极板102的第一表面10 上。然而，本发明并不受限于此。请参照图1B，其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，其中第一热阻绝层106配置于负极极板104上。也就是第一热阻绝层可以配置于第一表面10 与第二表面10 其中之一上。另外，图IC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。请参照图1C，此实施例中的锂电池300还包括一第二热阻绝层306，其材质与第一热阻绝层 106相同，且第一热阻绝层106与第二热阻绝层306分别位于正极极板102的第一表面10 上与负极极板104的第二表面10 上。其中，第二热阻绝层306的厚度介于0. 1 20微米。于再一实施例中(未绘示)，第一热阻绝层106位于负极极板104的第一表面10 上， 且第二热阻绝层306位于正极极板102的第一表面10 上。也就是正极极板102与负极极板104的充放电表面上，均覆盖有一层热阻绝层。图2绘示依照本发明一实施例的一种锂电池中热阻绝层的剖面示意图。请参照图 2，热阻绝层400例如是由一无机材料402、一热动材料404与一粘结材料(binder) 406所组成。其中，无机材料402包括Al、Mg、Si、Zr、Ti、Zn、Li、Co或上述材料组合的氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物、商化物或其组合。较佳的是二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、 二氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、二氧化钛(TiO2)、钛酸锂(LiTiO2)或沸石(zeolite) 0而粘结材料406包括聚二氧乙烯(polyvinylidene fluoride，PVdF)、苯乙烯丁二烯橡胶 (styrene-butadienerubber, SBR)、聚酉先胺(polyamide)、三聚氰胺树月旨(melamine resin) 或上述的组合。另外，热动材料404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，包括一正极极板，其中该正极极板具有一第一表面；一负极极板，其中该负极极板具有一第二表面，且该第二表面面对该正极极板的该第一表面；一第一热阻绝层，位于该第一表面与第二表面其中之一上，其中该第一热阻绝层由一无机材料、一热动材料与一粘结材料所组成；一隔离膜，位于该正极极板与该负极极板之间。
2.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，还包括一第二热阻绝层，其中当该第一热阻绝层位于该第一表面时，该第二热阻绝层位于该第二表面，当该第一热阻绝层位于该第二表面时，该第二热阻绝层位于该第一表面。
3.根据权利要求2所述的锂电池，其特征在于，该第二热阻绝层与该第一热阻绝层的材质相同。
4.根据权利要求2所述的锂电池，其特征在于，该第二热阻绝层的厚度介于0.1 20 微米。
5.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，该无机材料包括Al、Mg、Si、Zr、Ti、Zn、 Li、Co或上述材料的氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物、商化物或其组合。
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，该无机材料与该热动材料分别以多个颗粒形式分散于该粘结材料中。
11.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，该热动材料以多个颗粒形式分散于该粘结材料中，且该热动材料的每一该些颗粒表面具有一高分子薄膜。
12.根据权利要求11所述的锂电池，其特征在于，该高分子薄膜的材质包括聚烯烃或聚乙烯。
13.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，该第一热阻绝层含该热动材料的重量百分比介于0. 1 40wt%。
14.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，该第一热阻绝层的厚度介于0.1 20 微米。
15.一种电极板结构，其特征在于，包括一极板，其中该极板具有一充放电表面；以及一热阻绝层，位于该充放电表面，其中该热阻绝层由一无机材料、一热动材料与一粘结材料所组成。
16.根据权利要求15所述的电极板结构，其特征在于，该极板包括一正极极板或一负极极板。
17.根据权利要求15所述的电极板结构，其特征在于，该热阻绝层的厚度介于0.1 20微米。
18.根据权利要求15所述的电极板结构，其特征在于，该无机材料包括Al、Mg、Si、Zr、 Ti、Zn、Li、Co或上述材料的氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物、卤化物或其组合。
19.根据权利要求15所述的电极板结构，其特征在于，该热动材料包含一含氮高分子。
20.根据权利要求19所述的电极板结构，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。
21.根据权利要求19所述的电极板结构，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。
22.根据权利要求21所述的电极板结构，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。
23.根据权利要求15所述的电极板结构，其特征在于，该无机材料与该热动材料分别以多个颗粒形式分散于该粘结材料中。
24.根据权利要求15所述的电极板结构，其特征在于，该热动材料以多个颗粒形式分散于该粘结材料中，且该热动材料的每一该些颗粒表面具有一高分子薄膜。
25.根据权利要求M所述的电极板结构，其特征在于，该高分子薄膜的材质包括聚烯烃或聚乙烯。
26.根据权利要求15所述的电极板结构，其特征在于，该第一热阻绝层含该热动材料的重量百分比介于0. 1 40wt%。
全文摘要
本发明公开了一种锂电池及极板结构，包括一正极极板、一负极极板、一第一热阻绝层与一隔离膜。正极极板具有一第一表面。负极极板具有一第二表面，且该第二表面面对该正极极板的该第一表面。第一热阻绝层位于该第一表面与第二表面其中之一上，其中该第一热阻绝层由一无机材料、一热动材料与一粘结材料所组成。隔离膜位于该正极极板与该负极极板之间。本发明中，在锂电池的两电极极板其中之一覆盖一层热阻绝层或是两电极极板表面上均覆盖一层热阻绝层，而此热阻绝层中包括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，使导电度降低。
文档编号H01M10/0525GK102569875SQ20101062400
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27日
发明者吴平耀, 彭裕民, 朱文彬, 李仁杰, 杨长荣, 潘金平, 王宗雄 申请人:财团法人工业技术研究院