Электрохимическое устройство, содержащее электродный вывод с защитным элементом

Электрохимическое устройство, содержащее электродный вывод с защитным элементом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к электрохимическому устройству, содержащему электродный вывод, имеющий защитное устройство для прерывания электрического тока, когда температура электрохимического устройства увеличивается.

Уровень техники

В последнее время имеется повышенный интерес к технологии хранения энергии. Батареи широко используются в качестве источников энергии в мобильных телефонах, цифровых камерах, портативных компьютерах, персональных компьютерах и электромобилях, что приводит к интенсивным исследованиям и разработкам в этой области. В этой связи, электрохимические устройства являются объектами повышенного интереса. В частности, в центре внимания находится разработка перезаряжаемых вторичных батарей (аккумуляторов). В последнее время в области вторичных батарей интенсивно ведутся исследования и разработки новых электродов и батарей, которые могут улучшить удельную емкость и удельную энергию.

Среди используемых в настоящее время вторичных батарей литиевые вторичные батареи, появившиеся в начале 1990 годов, имеют более высокие рабочее напряжение и удельную энергию, чем у обычных батарей с водными электролитами (таких как никель-металлогидридные (Ni-MH) батареи, никель-кадмиевые (Ni-Cd) батареи, свинцово-кислотные (H₂SO₄-Pb) батареи и т.п.). По этим причинам преимущественно используют литиевые вторичные батареи. Однако такие литиевые вторичные батареи имеют недостатки, заключающиеся в том, что используемые в них органические электролиты могут вызывать проблемы, связанные с безопасностью, приводящие к воспламенению и взрыву батарей, и в том, что способы изготовления таких батареей являются сложными. В самое последнее время литий-ионные полимерные батареи, разработанные с целью преодоления недостатков литий-ионных батарей, стали рассматриваться в качестве ведущего кандидата в батареи следующего поколения. Однако такие литиевые полимерные батареи, разработанные к настоящему времени, имеют относительно низкую емкость по сравнению с литий-ионными батареями и обеспечивают недостаточную разрядную емкость при низкой температуре. По этой причине имеется насущная потребность в батареях, способных решить рассмотренные выше проблемы.

Литий-ионные батареи характеризуются механизмом работы, отличным от механизма работы никель-металлогидридных батарей или никель-кадмиевых батарей. Каждый из LiCoO₂ и графита, используемых в литий-ионной батарее в качестве соответственно активного катодного материала и активного анодного материала, имеет кристаллическую структуру, в которой имеется свободное пространство. Во время циклов зарядки/разрядки ионы Li поочередно интеркалируются в это свободное пространство и деинтеркалируются из него и таким образом перемещаются внутри батареи.

Батарею обычно изготавливают в ее разряженном состоянии. Во время цикла зарядки литий, содержащийся в кристаллах LiCoO₂, деинтеркалируется из этих кристаллов, перемещается к аноду и там интеркалируется в кристаллическую структуру графита. Наоборот, во время цикла разрядки литий, содержащийся в графите, деинтеркалируется из кристаллической структуры графита и затем интеркалируется в кристаллы, присутствующие в катоде. Такие повторяющиеся вхождения и переносы ионов Li между катодом и анодом упоминаются как так называемая концепция кресла-качалки, которая характеризует механизм работы литий-ионной батареи.

Оценка и обеспечение безопасности батарей являются очень важными. В первую очередь нужно принимать во внимание, что пользователи должны быть защищены от травм из-за неправильного функционирования батарей. Чтобы удовлетворить этому требованию, безопасность батарей строго регламентируется с точки зрения воспламенения и горения батарей стандартами безопасности. Избыточная зарядка батареи представляет собой самую насущную проблему, которая должна быть решена.

Все батареи являются опасными при их избыточной зарядке, и литий-ионные батареи не могут быть исключением. Когда батарею подвергают избыточной зарядке, ионы лития перемещаются непрерывно от катода к аноду, находящемуся в состоянии, при котором литий полностью занимает свободное пространство в кристаллической структуре графита, если смотреть с точки зрения геометрии, так что ионы лития осаждаются на поверхности анода, приводя к образованию и росту дендрита, имеющего «хвойную» (разветвленную) структуру. Такой дендрит может приводить к взрыву и возгоранию батареи в том случае, когда батарею эксплуатируют неправильно. Морфология дендрита зависит от вида соли лития, содержащейся в электролите.

Наиболее опасное явление, возникающее в результате избыточной зарядки батареи, представляет собой "высокотемпературную избыточную зарядку", которая представляет собой самый плохой случай, возникающий в литий-ионных батареях. Когда литий-ионная батарея подвергается избыточной зарядке до напряжения 4,2 В или выше, электролит начинает разлагаться и имеет тенденцию к высокой вероятности воспламенения по мере того, как температура батареи увеличивается, достигая температуры вспышки. Однако в закрытом пространстве батареи нет возможности для воспламенения, поскольку в нее не поступает кислород. LiCoO₂, используемый в качестве активного катодного материала, образует слоистую структуру "O-Co-O", в которой слой Co располагается между слоями атомов кислорода, и такая структура имеет сэндвичеобразную форму. В дополнение к этому LiCoO₂ может образовывать кристаллическую структуру "O-Co-O-Li-O-Co-O", в которой слой Li располагается между двумя сэндвичеобразными структурами. Последняя структура является нестабильной.

При высокой температуре LiCoO₂ имеет большую тенденцию к преобразованию в стабильную структуру шпинеля (алмазоподобную структуру). Шпинель имеет молекулярную формулу LiCo₂O₄ и, таким образом, имеет небольшое количество кислорода на элементарную ячейку по сравнению со слоистой структурой. По этой причине в данном случае оставшийся кислород перемещается в электролит, в результате чего кислород может поступать в электролит, достигающий своей температуры вспышки, тем самым вызывая взрыв батареи. Однако, поскольку батарея сама по себе не может предотвратить выделение тепла, как рассмотрено выше, было сделано множество попыток, например, установить на батарее защитную цепь или применить тепловое препятствие посредством использования сепаратора.

В частности, известно, что защитные устройства, такие как устройство с ПТКС (с положительным температурным коэффициентом сопротивления) или термоплавкий предохранитель, являются эффективными, когда они располагаются вблизи электрода как источника выделения тепла (например, в центральной части или на боковой поверхности батареи) посредством контактной сварки сопротивлением с тем, чтобы быстро детектировать увеличение температуры батареи, с последующей аномальной работой батареи. В дополнение к этому, такие защитные устройства часто располагают на боковой части батареи с тем, чтобы увеличить энергетическую эффективность на единицу объема.

В качестве самого последнего подхода выложенный патент Японии № 2003-45492 раскрывает батарею, содержащую термочувствительное защитное устройство (ПТКС), установленное на электродном выводе, имеющем относительно высокую теплопроводность, причем соответствующее защитное устройство располагается в области уплотнения. Однако, поскольку в этой известной батарее устройство с ПТКС устанавливается снаружи батареи, а корпус батареи имеет низкую теплопроводность, на практике оказывается невозможным чутко реагировать на изменение температуры внутри батареи. Кроме того, поскольку эту батарею изготавливают посредством сложного способа, на практике она демонстрирует плохую промышленную применимость.

Раскрытие изобретения

Таким образом, настоящее изобретение было создано ввиду наличия рассмотренных выше проблем. Целью настоящего изобретения является создание электрохимического устройства, которое содержит защитное устройство, активируемое незамедлительно (мгновенно) в ответ на увеличение температуры электрохимического устройства для прерывания электрического тока, так что электрохимическое устройство может быть защищено при одновременной минимизации падения удельной энергии на единицу объема электрохимического устройства.

Другой целью настоящего изобретения является создание блока (пакета) электрохимических устройств, имеющего одно или более вышеуказанных электрохимических устройств.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предложено электрохимическое устройство, содержащее электродную сборку, имеющую катод, анод и электролит, и корпус, окружающий эту электродную сборку, которое дополнительно содержит защитное устройство, с которым электрически соединены любой или оба из катодного вывода для соединения катода с наружным контактом и анодного вывода для соединения анода с наружным контактом, причем защитное устройство расположено во внутреннем пространстве корпуса, и тот электродный вывод, который снабжен защитным устройством, загнут с обеих сторон защитного устройства так, что самая большая поверхность защитного устройства наслоена на ту боковую поверхность корпуса, где располагается этот электродный вывод.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложено электрохимическое устройство, содержащее электродную сборку, имеющую катод, анод и электролит и окруженную корпусом, имеющим внутреннюю поверхность и наружную поверхность, причем электрохимическое устройство дополнительно содержит защитное устройство, с которым электрически соединены любой или оба из катодного вывода для соединения катода с наружным контактом и анодного вывода для соединения анода с наружным контактом, при этом защитное устройство расположено в области уплотнения между внутренними поверхностями корпуса, и эта область уплотнения корпуса загнута, так что область уплотнения с защитным устройством наслоена на боковую поверхность корпуса.

Защитное устройство, которое может быть расположено во внутреннем пространстве корпуса или в области уплотнения корпуса, в соответствии с настоящим изобретением включает в себя устройство с ПТКС, термоплавкий предохранитель, биметаллическое устройство, зенеровский диод (стабилитрон) и т.п.

В соответствии с настоящим изобретением защитное устройство электрически соединено с электродным выводом последовательно или параллельно, предпочтительно - последовательно. Соединение между катодным выводом или анодным выводом и защитным устройством может быть выполнено посредством сварки.

Предпочтительно, защитное устройство, которое может использоваться в настоящем изобретении, представляет собой защитное устройство, которое защищает электрохимическое устройство от увеличения температуры этого электрохимического устройства.

Устройство с ПТКС, используемое в настоящем изобретении в качестве защитного устройства, которое электрически соединяют с электродным выводом последовательно, может прерывать электрический ток за счет возникновения быстрого повышения сопротивления в том случае, когда температура батареи аномально увеличивается (например, в случае избыточного тока или внешнего короткого замыкания, в частности - в случае избыточной зарядки), так что температура больше повышаться не может. По этой причине устройство с ПТКС может улучшить безопасность батареи.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения защитное устройство расположено внутри корпуса электрохимического устройства, и самая большая поверхность этого защитного устройства наслоена на ту боковую поверхность в корпусе, где присутствует электродный вывод. Например, в случае пакетной электродной сборки, имеющей четыре стыковых поверхности, защитное устройство расположено в пространстве между той стыковой поверхностью, на которой присутствует электродный вывод, и корпусом, и поверхность защитного устройства противоположна той стыковой поверхности, на которой присутствует вывод. В этом случае защитное устройство может быстро реагировать на увеличение температуры электрохимического устройства без проявления падения удельной энергии электрохимического устройства.

Когда защитное устройство расположено во внутреннем пространстве корпуса, как описано выше, является предпочтительным загибать вывод (изгибать его с образованием складок) таким образом, что самая большая поверхность защитного устройства может быть наслоена на боковую поверхность батареи. Например, является предпочтительным загибать электрически соединенный с защитным устройством катодный вывод или анодный вывод таким образом, что защитное устройство может быть расположено параллельно пространству между стыковой поверхностью пакетной электродной сборки и корпусом (и что поверхность защитного устройства может быть противоположной стыковой поверхности).

В частности, является предпочтительным осуществить обмотку обеих поверхностей вывода посредством использования изоляционной пленки для предотвращения взаимного соединения в загибаемом выводе (см. фиг.6a). В дополнение к этому, вывод или защитное устройство обмотаны изоляционной лентой для предотвращения электрического короткого замыкания. Конкретные примеры изоляционной пленки включают в себя имидную изоляционной пленку.

Кроме того, участок с защитным устройством предпочтительно покрывают полимером для предотвращения разрушения защитного устройства (например, листа с ПТКС), вызываемого просачиванием электролита в это защитное устройство. Неограничивающие примеры такого полимера включают в себя полиэтилен, полипропилен, полиуретан, эпоксидную смолу, силикон и тому подобное.

В другом варианте реализации защитное устройство расположено в области уплотнения между внутренними поверхностями корпуса. В этом случае является предпочтительным минимизировать температуру и давление при герметизации с тем, чтобы могло быть предотвращено разрушение самого защитного устройства.

В то же время, с точки зрения безопасности является более эффективным, чтобы защитное устройство имело настолько большую поверхность контакта c электродной сборкой, насколько это возможно, с тем, чтобы тепло, генерируемое внутри этой электродной сборки, могло быть обнаружено с высокой чувствительностью. Поэтому является предпочтительным, чтобы защитное устройство простиралось на заданную длину вдоль направления в сторону от продольного направления того вывода, который соединен посредством защитного устройства, предпочтительно - вдоль перпендикулярного направления (см. фиг.2c, 2d, 2e и 2f). За счет этого защитное устройство может простираться на боковую поверхность корпуса, в то же время сводя к минимуму падение удельной энергии на единицу объема, вызываемое таким протяженным защитным листом. Если защитное устройство расположено в области уплотнения корпуса, и эта область уплотнения корпуса загнута с образованием складок и наслоением на боковую поверхность корпуса, то протяженная часть защитного устройства также наслоена на боковую поверхность корпуса. В частности, когда защитное устройство присутствует вблизи электродного лепесткового вывода, тепло, выделяемое из электрохимического устройства во время состояния избыточной зарядки, проводится в основном через электродный вывод. В результате, теплопроводность защитного устройства может уменьшиться. Поэтому в соответствии с настоящим изобретением часть защитного устройства, подвергающаяся его воздействию за счет выступания из линейного вывода, предпочтительно - вдоль перпендикулярного направления, может улучшить чувствительность к повышению температуры электрохимического устройства, а также теплопроводность (см. фиг.3, 7 и 11). Другими словами, тепло, выделяемое из электрохимического устройства в состоянии избыточной зарядки, может проводиться не только через электродный вывод, но также непосредственно к подверженной его воздействию части защитного устройства, тем самым увеличивая эффективность работы защитного устройства.

Как показано на фиг.13, когда предусмотрена электродная сборка, имеющая пакетную структуру, и каждый вывод соединен с электродным лепестком в V-образной форме (см. ссылочный номер 6 на фиг.1), создается свободное пространство между стыковой поверхностью электродной сборки и корпусом (см. ссылочный номер 7 на фиг.1).

Когда защитное устройство располагается в пространстве между катодным лепестком и анодным лепестком в пакетной электродной сборке, содержащей имеющий V-образную форму электродный лепесток (см. фиг.7a), как описано выше, не происходит падения емкости батареи. В дополнение к этому, является возможным доведение до максимума площади контакта между защитным устройством и батарей.

Хотя настоящее изобретение может, как правило, применяться к литий-ионным батареям, оно также может применяться ко всем электрохимическим устройствам, включая никель-металлогидридные батареи, никель-кадмиевые батареи и тому подобное. В дополнение к этому, настоящее изобретение будет обладать применимостью к будущим батареям, которые могут заменить литий-ионные батареи.

Один из вариантов реализации настоящего изобретения, характеризующийся тем, что содержит защитное устройство, расположенное внутри корпуса, может применяться к батареям пакетноготипа, цилиндрическим и призматическим батареям, без какого-либо ограничения формы корпуса батареи.

В то же время, другой вариант реализации настоящего изобретения, характеризующийся тем, что содержит защитное устройство, расположенное в области уплотнения корпуса, является пригодным для батарей пакетноготипа. В противоположность призматическим или цилиндрическим батареям, батареи пакетноготипа, в которых в качестве корпуса обычно используется алюминиевый пакет, делают возможным на практике расположение защитного устройства в области уплотнения.

Далее более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи будут поясняться предпочтительные варианты реализации батарей пакетноготипа, в частности - литий-ионных полимерных вторичных батарей, к которым применяется настоящее изобретение.

Как показано на фиг.1, электродная сборка 1 окружена и герметизирована корпусом 2, выполненным из изоляционного материала, и содержит катод, анод, сепаратор, расположенный между этими катодом и анодом, и гелеобразный полимер. С катодом и анодом соединены соответственно катодный вывод 3 и анодный вывод 4. Катодный вывод и анодный вывод термически герметизированы в области 5 уплотнения, расположенной по периферии корпуса.

Фиг.2 демонстрирует несколько вариантов реализации двух выводов, соединенных друг с другом посредством защитного устройства (например, устройства с ПТКС) в соответствии с настоящим изобретением.

Устройство с ПТКС сформировано посредством сшивки между углеродной сажей в качестве проводящего агента и полиэтиленом в качестве полимера матрицы.

Далее настоящее изобретение будет иллюстрироваться на примере литиевой вторичной батареи.

Литиевая вторичная батарея содержит катод, содержащий сложный оксид лития в качестве активного катодного материала, анод, способный к интеркаляции/деинтеркаляции лития, неводный электролит и сепаратор.

Активный катодный материал, образующий катод, содержит сложный оксид лития. Конкретные примеры сложного оксида лития включают в себя оксиды на основе литий-интеркаляционных материалов, такие как литиированные оксиды марганца, литиированные оксиды кобальта, литиированные оксиды никеля или другие сложные оксиды, получаемые посредством их объединения. Активный катодный материал связан с катодным токосъемником (коллектором катодного тока), таким как фольга, сформированная из алюминия, никеля или их сочетаний, с получением катода.

Активный анодный материал, образующий анод литиевой вторичной батареи, включает в себя металлический литий, литиевые сплавы или литий-интеркаляционные материалы, такие как углерод, нефтяной кокс, активированный уголь, графит или другие типы углерода. Активный анодный материал связан с анодным токосъемником (коллектором анодного тока), таким как фольга, сформированная из меди, золота, никеля, медных сплавов или их сочетаний, с получением анода.

Сепаратор, который может использоваться, имеет микропористую структуру и включает в себя многослойные пленки, сформированные из полиэтилена, полипропилена или их сочетаний, или полимерные пленки для твердых полимерных электролитов или гелеобразных полимерных электролитов, такие как поливинилиденфторид, полиэтиленоксид, полиакрилонитрил или сополимер поливинилиденфторида-гексафторпропилена.

Электролит, который может использоваться в настоящем изобретении, включает в себя соль, представленную формулой A⁺B^-, где A⁺ представляет собой катион щелочного металла, выбранный из группы, состоящей из Li⁺, Na⁺, K⁺ и их сочетаний, а B^- представляет собой анион, выбранный из группы, состоящей из PF₆ ^-, BF₄ ^-, Cl^-, Br^-, I^-, ClO₄ ^-, AsF₆ ^-, CH₃CO₂ ^-, CF₃SO₃ ^-, N(CF₃SO₂)₂ ^-, C(CF₂SO₂)₃ ^- и их сочетаний, причем эта соль растворена или диссоциирована в органическом растворителе, выбранном из группы, состоящей из пропиленкарбоната (ПК), этиленкарбоната (ЭК), диэтилкарбоната (ДЭК), диметилкарбоната (ДМК), дипропилкарбоната (ДПК), диметилсульфоксида, ацетонитрила, диметоксиэтана, диэтоксиэтана, тетрагидрофурана, н-метил-2-пирролидона (НМП), этилметилкарбоната (ЭМК), гамма-бутиролактона и их смесей.

В дополнение к этому, нет конкретного ограничения формы электрохимического устройства, к которому применяется настоящее изобретение. Электрохимическое устройство может быть тонкого типа или устройством большого размера и т.п. Кроме того, настоящее изобретение может применяться к пакетному устройству, имеющему множество электрохимических устройств, к устройству «твердопакетного» типа, имеющему герметизирующий корпус, в котором содержится это электрохимическое устройство, и к устройству «мягкопакетного» типа, содержащему электрохимическое устройство, открытое для воздействия окружающей среды.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематический вид, показывающий электрохимическое устройство пакетной формы, используемое в настоящем изобретении.

Фиг.2a-2f представляют собой иллюстративные виды, каждый из которых показывает два вывода, соединенных друг с другом через защитное устройство (например, с ПТКС) в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 представляет собой изображение, показывающее вариант реализации T-образного вывода с ПТКС для практического использования.

Фиг.4-7 представляют собой изображения, каждое из которых показывает вариант реализации вывода с ПТКС, примененного в батарее для практического использования, где фиг.4 демонстрирует вывод с ПТКС, у которого часть с ПТКС присутствует снаружи корпуса; Фиг.5 демонстрирует вывод с ПТКС, у которого часть с ПТКС присутствует в области склеивания (области уплотнения) корпуса; Фиг.6a демонстрирует вывод с ПТКС, у которого часть с ПТКС располагается вблизи электродного лепестка внутри корпуса; Фиг.6b демонстрирует внешний вид «упакованной» в корпус батареи после установки устройства с ПТКС вблизи электродного лепестка внутри корпуса, как показано на фиг.6a; Фиг.7a демонстрирует T-образный вывод с ПТКС, у которого часть с ПТКС располагается во внутреннем пространстве (пространстве между катодным лепестком и анодным лепестком), создаваемом посредством образования V-образной формы в батарее, имеющей структуру типа «пакета в обертке»; и Фиг.7b демонстрирует внешний вид «упакованной» в корпус батареи, которая содержит вывод с ПТКС, расположенный так, как показано на фиг.7a.

Фиг.8 представляет собой график, показывающий изменения температуры и электрического напряжения, полученные при испытании на избыточную зарядку реальной полимерной батареи (сравнительный пример 1), имеющей вывод с ПТКС, у которого часть с ПТКС располагается снаружи корпуса.

Фиг.9 представляет собой график, показывающий поведение при избыточной зарядке батареи (пример 1), имеющей вывод с ПТКС, у которого часть с ПТКС располагается в области уплотнения.

Фиг.10 представляет собой график, показывающий поведение при избыточной зарядке батареи (пример 2), имеющей вывод с ПТКС, у которого часть с ПТКС располагается в области лепестка внутри батареи.

Фиг.11 представляет собой график, показывающий поведение при избыточной зарядке батареи (пример 3), имеющей вывод с ПТКС, у которого часть с ПТКС простирается в пространстве между катодным лепестком и анодным лепестком.

Фиг.12 представляет собой график, показывающий поведение при избыточной зарядке батареи (сравнительный пример 2), имеющей обычный вывод вместо вывода с ПТКС.

Фиг.13 представляет собой вид в перспективе, показывающий образование V-образной формы в батарее, имеющей пакетную структуру, если смотреть сбоку.

Описание ссылочных номеров на чертежах

1: электродная сборка

2: корпус (типа алюминиевого пакета)

3: катодный вывод

4: анодный вывод

5: область склеивания (область уплотнения) корпуса

6: V-образная форма электродного лепесткового вывода

7: пространство между катодным лепестком и анодным лепестком, создаваемое посредством образования V-образной формы

Варианты реализации изобретения

Теперь будут делаться подробные ссылки на предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения. Необходимо понять, что следующие далее примеры являются только иллюстративными, и настоящее изобретение ими не ограничено.

Примеры

Сравнительный пример 1

Устройство с ПТКС (модель Не. NSP-L500), доступное от LG Cable Co., устанавливали на литий-ионной полимерной вторичной батарее (торговое наименование: ICP323456, 600 мА·ч), доступной от LG Chem. Ltd. Устройство с ПТКС термически уплотняли вместе с катодным выводом с получением формы, показанной на фиг.2b. Затем батарею заключали в корпус типа пакета таким образом, что часть с ПТКС присутствует снаружи корпуса, как показано на фиг.4.

Пример 1

Использовали такую же литий-ионную полимерную вторичную батарею, доступную от LG Chem. Ltd., и такое же устройство с ПТКС, доступное от LG Cable Co., как и в сравнительном примере 1. В этом примере устройство с ПТКС термически уплотняли вместе с катодным выводом с получением формы, показанной на фиг.2b. Затем батарею заключали в корпус типа пакета таким образом, что часть с ПТКС присутствует во внутренней области уплотнения корпуса, как показано на фиг.5.

Пример 2

Использовали такую же литий-ионную полимерную вторичную батарею, доступную от LG Chem. Ltd., и такое же устройство с ПТКС, доступное от LG Cable Co., как и в сравнительном примере 1. Подобным же образом, устройство с ПТКС термически уплотняли вместе с катодным выводом с получением формы, показанной на фиг.2b. Затем батарею заключали в корпус типа пакета таким образом, что часть с ПТКС присутствует внутри корпуса, как показано на фиг.6a. В частности, чтобы свести к минимуму потери удельной энергии, вывод был загнут с образованием складки, так что лист с ПТКС располагается между стыковой поверхностью (поверхностью, имеющей вывод) электродной сборки и корпусом. В дополнение к этому, вывод изолировали, используя имидную пленку, с тем, чтобы предотвратить взаимное соединение между выводами (см. фиг.6a).

Пример 3

Использовали такую же литий-ионную полимерную вторичную батарею, доступную от LG Chem. Ltd., и такое же устройство с ПТКС, доступное от LG Cable Co., как и в сравнительном примере 1. Подобным же образом, устройство с ПТКС термически уплотняли вместе с катодным выводом с получением формы, показанной на фиг.2d. Затем батарею заключали в корпус типа пакета таким образом, что выступающая часть листа с ПТКС присутствует между катодным лепестком и анодным лепестком. В дополнение к этому, лист с ПТКС покрывали полимером с тем, чтобы предотвратить разрушение слоя с ПТКС, вызываемое просачиванием электролита.

Сравнительный пример 2

Предусматривали такую же батарею, как и в сравнительном примере 1, причем в этой батарее использовался обычный вывод без защитного устройства.

Оценка

Каждую из литий-ионных полимерных вторичных батарей, полученных в приведенных выше примерах 1, 2 и 3 и сравнительных примерах 1 и 2, подвергали избыточной зарядке (20 В/3C), и полученные при этом изменения температуры и электрического напряжения показаны на фиг.8 (сравнительный пример 1), фиг.9 (пример 1), фиг.10 (пример 2), фиг.11 (пример 3) и фиг.12 (сравнительный пример 2). Как можно увидеть из фиг.8 и 12, как батарея без использования устройства с ПТКС, так и батарея с устройством с ПТКС, расположенным снаружи корпуса батареи, взорвались, в то время как батареи, содержащие слой с ПТКС, расположенный внутри батареи, были безопасными, как показано на фиг.9, 10 и 11. Обращаясь к фиг.8 и 12, каждая батарея воспламенилась, и при этом температура батареи увеличилась до 200°C или выше. Однако, как можно увидеть из фиг.9, 10 и 11, самая высокая температура в каждом случае составляла 105°C, 45°C и 35°C (на основе температуры поверхности электродной сборки). В дополнение к этому, можно увидеть, что батарея в соответствии с примером 3, которая содержит листообразное защитное устройство с ПТКС, простирающееся в сторону от вывода с тем, чтобы обеспечить большую площадь контакта с электродной сборкой, была более безопасной, чем батарея в соответствии с примером 2, которое имеет относительно малую площадь контакта.

Как можно понять из указанных выше результатов, полученных при испытании на избыточную зарядку, расположение устройства с ПТКС внутри электрохимического устройства обеспечивает значительное улучшение с точки зрения безопасности по сравнению с расположением устройства с ПТКС снаружи электрохимического устройства. Полагают, что это происходит в результате температурной зависимости устройства с ПТКС, на которой основан принцип работы устройств с ПТКС, причем эта температурная зависимость является более чувствительной внутри электрохимического устройства. По этой причине выводы с ПТКС, имеющие форму по фиг.5, 6 или 7, представляют собой наиболее предпочтительные варианты реализации с точки зрения безопасности и рабочих характеристик.

Описанный выше вывод с ПТКС обеспечивал превосходные результаты после различных испытаний на безопасность, включая испытание на проникновение колющего предмета, испытание в высокотемпературной печи и тому подобное, в случае пакета, содержащего множество электрохимических устройств, а также в приведенном выше испытании на избыточную зарядку.

Промышленная применимость

Как можно увидеть из указанного выше, электрохимическое устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит защитное устройство, расположенное в области уплотнения корпуса или внутри корпуса, причем самая большая поверхность защитного устройства наслоена на боковую поверхность корпуса. Поэтому оказывается возможным улучшение чувствительности защитного устройства к увеличению температуры батареи, степени реакции и теплопроводности при одновременной минимизации вызываемого защитным устройством падения удельной энергии на единицу объема. В конечном счете, в соответствии с настоящим изобретением является возможным улучшение безопасности электрохимического устройства.

1. Электрохимическое устройство, содержащее электродную сборку, имеющую катод, анод и электролит, и корпус, окружающий эту электродную сборку, которое дополнительно содержит защитное устройство, с которым электрически соединены любой или оба из катодных выводов для соединения катода с наружным контактом и анодного вывода для соединения анода с наружным контактом, причем защитное устройство расположено во внутреннем пространстве корпуса, и тот электродный вывод, который снабжен защитным устройством, загнут с обеих сторон защитного устройства так, что самая большая поверхность защитного устройства наслоена на ту боковую поверхность корпуса, где присутствует этот электродный вывод.

2. Электрохимическое устройство, содержащее электродную сборку, имеющую катод, анод и электролит и окруженную корпусом, имеющим внутреннюю поверхность и наружную поверхность, причем электрохимическое устройство дополнительно содержит защитное устройство, с которым электрически соединены любой или оба из катодных выводов для соединения катода с наружным контактом и анодного вывода для соединения анода с наружным контактом, при этом защитное устройство расположено в области уплотнения между внутренними поверхностями корпуса, и эта область уплотнения корпуса загнута так, что область уплотнения с защитным устройством наслоена на боковую поверхность корпуса.

3. Электрохимическое устройство по п.1 или 2, в котором защитное устройство представляет собой устройство, прерывающее электрический ток при повышении температуры электрохимического устройства.

4. Электрохимическое устройство по п.1 или 2, в котором защитное устройство выбрано из группы, состоящей из устройства с ПТКС, термоплавкого предохранителя, биметаллического устройства и зенеровского диода.

5. Электрохимическое устройство по п.1 или 2, в котором вывод или защитное устройство обмотаны изоляционной пленкой для предотвращения короткого замыкания,

6. Электрохимическое устройство по п.1 или 2, в котором защитное устройство покрыто полимером, способным ингибировать просачивание электролита.

7. Электрохимическое устройство по п.1 или 2, в котором защитное устройство имеет часть, простирающуюся вдоль направления в сторону от продольного направления вывода, соединенного посредством защитного устройства.

8. Электрохимическое устройство по п.7, в котором защитное устройство имеет часть, простирающуюся вдоль направления, перпендикулярного продольному направлению вывода, соединенного посредством защитного устройства.

9. Электрохимическое устройство по п.1 или 2, в котором катодный вывод или анодный вывод соединен с защитным устройством посредством сварки.

10. Электрохимическое устройство по п.1, которое включает в себя пакетную электродную сборку, к которой присоединены катодный вывод и анодный вывод, причем каждый вывод загнут с обеспечением V-образной формы, и защитное устройство расположено в пространстве, возникающим из-за этой V-образной формы, создаваемой катодным выводом или анодным выводом.

11. Пакет электрохимических устройств, который содержит одно электрохимическое устройство или множество электрохимических устройств по п.1 или 2.

12. Электрохимическое устройство по п.11, в котором электрохимические устройства соединены последовательно или параллельно.