具有熱阻隔層的電池及此熱阻隔層的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池，且特別是一種具有熱阻隔層的電池。
【背景技術(shù)】
[0002]由于一次電池不符環(huán)保需求，因此近年來(lái)可充電的二次電池系統(tǒng)逐漸受到重視。隨著便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展和普遍化，鋰離子二次電池又比其它電池更被普遍應(yīng)用，因?yàn)殇囯x子二次電池與鎳氫、鎳鋅、鎳鎘電池相比，具有工作電壓高、能量密度大、重量輕、壽命長(zhǎng)及環(huán)保性佳等優(yōu)點(diǎn)，也是未來(lái)應(yīng)用在可撓式電池的最佳選擇。鋰電池在近年來(lái)發(fā)展日趨重要，除了在未來(lái)電動(dòng)車中扮演重要角色，并隨著3C產(chǎn)品的腳步廣泛地進(jìn)入一般生活中，例如手機(jī)、筆記本電腦或數(shù)字相機(jī)，皆由鋰電池提供電力來(lái)源。
[0003]為因應(yīng)未來(lái)的發(fā)展，鋰離子電池需朝向高容量、高功率及大型動(dòng)力趨勢(shì)發(fā)展，因此電池的高溫性能及安全性將成為主軸的發(fā)展方向。當(dāng)鋰離子電池在過(guò)充電或高溫環(huán)境下使隔離膜熱收縮，或當(dāng)鋰離子電池外殼受機(jī)械外力擠壓或針刺使隔離膜遭受破壞，上述情況皆會(huì)造成電池內(nèi)部正極與負(fù)極直接接觸形成短路，瞬間釋出大量電流，放出大量熱量而有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)若無(wú)法阻隔局部的熱或中止短路反應(yīng)，鋰電池內(nèi)會(huì)引發(fā)一連串反應(yīng)，進(jìn)而著火，影響安全甚巨。
[0004]因此，此技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員必須針對(duì)鋰電池進(jìn)行各方面的改良，以期提高電池性能及其安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種具有熱阻隔層的電池，包括:正極極板與負(fù)極極板；隔離膜，設(shè)于正極極板與負(fù)極極板之間；及熱阻隔層，設(shè)于正、負(fù)極極板至少其一與隔離膜之間，其中熱阻隔層具有四足錐狀表面形貌(surface morphology),以上元件皆含浸于電解質(zhì)中。
[0006]本發(fā)明更提供一種熱阻隔層的制造方法，包括:將0.1?60重量份的四足錐狀(tetrapod-shaped)粉體、0.1?30重量份的黏著劑加入99.8?10重量份的溶劑均勻混合，使之形成100重量份的分散液；及將分散液制成具有四足錐狀表面形貌(surfacemorphology)的熱阻隔層于電池的電極極板或隔離膜間。
[0007]為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說(shuō)明如下。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的四足錐狀粉體的示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的具有四足錐狀表面形貌(surface morphology)的熱阻隔層的剖面示意圖；
[0010]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的具有熱阻隔層的電池的剖面示意圖；
[0011]圖4A為四足錐狀粉體于掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)下的影像；
[0012]圖4B為四足錐狀粉體于穿透式電子顯微鏡（Transmission ElectronMicroscope, TEM)下的影像；
[0013]圖5A顯示未具有熱阻隔層的負(fù)極極板以掃描式電子顯微鏡（scanning electronmicroscope, SEM)觀測(cè)的上視圖；
[0014]圖5B為具有四足錐狀表面形貌的熱阻隔層的負(fù)極極板以掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀測(cè)的上視圖；
[0015]圖6為未具有熱阻隔層的電池與具有四足錐狀表面形貌熱阻隔層的電池的循環(huán)壽命測(cè)試圖；
[0016]圖7為未具有熱阻隔層的18650全電池的過(guò)充分析圖；
[0017]圖8為具有四足錐狀表面形貌的熱阻隔層的18650全電池的過(guò)充分析圖；
[0018]圖9為未具有熱阻隔層的鋁薄包電池的淺壓微短路測(cè)試圖；
[0019]圖10為具有四足錐狀表面形貌熱阻隔層的鋁薄包電池的淺壓微短路測(cè)試圖；
[0020]圖11為具有圓形表面形貌的熱阻隔層的電池的高溫循環(huán)壽命測(cè)試圖；及
[0021]圖12為具有四足錐狀表面形貌的熱阻隔層的電池的高溫循環(huán)壽命測(cè)試圖。
[0022]【附圖標(biāo)記說(shuō)明】
[0023]I正極極板；
[0024]3負(fù)極極板；
[0025]5隔離膜；
[0026]6電解質(zhì)溶液；
[0027]7、7a、7b 具有四足錐狀表面形貌的熱阻隔層；
[0028]10四足錐狀粉體；
[0029]12足；
[0030]20黏著劑；
[0031]30電池元件表面；
[0032]40四足錐狀表面形貌；
[0033]50具有熱阻隔層的電池；
[0034]D四足錐狀粉體的足的直徑；
[0035]L四足錐狀粉體的足的長(zhǎng)度；
[0036]Tl、T2及T3電池的表面溫度。
【具體實(shí)施方式】
[0037]以下針對(duì)本發(fā)明的具有熱阻隔層的電池及此熱阻隔層的制造方法作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)了解的是，以下的敘述提供許多不同的實(shí)施例或例子，用以實(shí)施本發(fā)明的不同實(shí)施方式。以下所述特定的元件及排列方式盡為簡(jiǎn)單描述本發(fā)明。當(dāng)然，這些僅用于舉例而非對(duì)本發(fā)明的限定。此外，在不同實(shí)施例中可能使用重復(fù)的附圖標(biāo)記。這些重復(fù)僅為了簡(jiǎn)單清楚地?cái)⑹霰景l(fā)明，不代表所討論的不同實(shí)施例及/或結(jié)構(gòu)之間具有任何關(guān)聯(lián)性。再者，當(dāng)述及一第一材料層位于一第二材料層上或之上時(shí)，包括第一材料層與第二材料層直接接觸的情形?；蛘?，亦可能間隔有一或更多其它材料層的情形，在此情形中，第一材料層與第二材料層之間可能不直接接觸。
[0038]在此，“約”、“大約”的用語(yǔ)通常表示在一給定值或范圍的20%之內(nèi)，較佳是10%之內(nèi)，且更佳是5%之內(nèi)。在此給定的數(shù)量為大約的數(shù)量，表示在沒(méi)有特定說(shuō)明的情況下，其可隱含“約”、“大約”的用語(yǔ)。
[0039]本發(fā)明提供的具有熱阻隔層的電池是在正、負(fù)極極板至少其一與隔離膜之間設(shè)置具有四足錐狀表面形貌的熱阻隔層，因此當(dāng)電池發(fā)生局部短路時(shí)，此具有四足錐狀表面形貌的熱阻隔層可阻隔局部的熱擴(kuò)散。且當(dāng)隔離膜融熔收縮時(shí)，熱阻隔層中的四足錐狀粉體可防止正極極板與負(fù)極極板直接接觸。以下先針對(duì)此熱阻隔層的制造方法作詳細(xì)說(shuō)明。
[0040]首先，將0.1?60重量份的四足錐狀(tetrapod-shaped)粉體、0.1?30重量份的黏著劑加入99.8?10重量份的溶劑均勻混合，使之形成100重量份的分散液。例如，可將約5?30重量份的四足錐狀(tetrapod-shaped)粉體、3?15重量份的黏著劑加入92?55重量份的溶劑均勻混合，使之形成100重量份的分散液。
[0041]此四足錐狀粉體的材料可為Zn、Sn、Mg、Al、S1、V、Zr、T1、Ni中一種元素的氧化物、氮化物或碳化物，或者上述元素中至少兩種的氧化物、氮化物、或碳化物、或上述的組合。此四足錐狀粉體可通過(guò)將上述金屬的微米級(jí)金屬粉體送入電漿之中而制得。例如，在一實(shí)施例中，利用電漿反應(yīng)器的電極產(chǎn)生氮?dú)獾碾姖{，其能量約60kW至約80kW。將微米級(jí)金屬粉體以空氣作為載送氣體送入電漿之中，使微米級(jí)金屬粉體汽化解離，氣體的流量為約Sslm至約12slm，微米級(jí)金屬粉體的進(jìn)料速率為每小時(shí)約0.5至約2.0kgo含有氮?dú)獾臍夥諌毫刂圃诔簵l件約0.5bar至約2bar，使汽化的原料粉體的金屬氣體原子與空氣中的氧氣分子反應(yīng)而氧化，并以成核成長(zhǎng)方式生成納米金屬氧化物粉體。通入大量的冷卻氣體(可氮與空氣的混合氣)使納米金屬氧化物粉體快速冷卻，冷卻氣體的流量為約3000slm至約4000slm，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程在約10_2至約KT1秒內(nèi)完成。在另一實(shí)施例中，進(jìn)行與上述方法類似的制造步驟，但使用氮?dú)庾鳛檩d送氣體，即可制得材料為金屬氮化物的四足錐狀粉體。關(guān)于上述四足錐狀粉體的制備及特性，可參照本發(fā)明的申請(qǐng)人的相關(guān)專利TW 1246939。
[0042]此四足錐狀粉體可于后續(xù)形成的熱阻隔層中形成三維立體隔熱保護(hù)結(jié)構(gòu)，故當(dāng)隔離膜因電池發(fā)生局部短路而融熔收縮時(shí)，此三維立體隔熱保護(hù)結(jié)構(gòu)可防止電池的正極極板與負(fù)極極板直接接觸，隔絕全面性的短路。此外含有四足錐狀粉體的熱阻隔層電池，在高溫(40?60°C )環(huán)境中，比未含有四足錐狀粉體的熱阻隔層電池具有更長(zhǎng)的高溫循環(huán)壽命。
[0043]圖1為四足錐狀粉體的示意圖。如圖1所示，四足錐狀粉體10是由四支足12所構(gòu)成。此四足錐狀粉體10的足的長(zhǎng)度L為約1nm?約5 μ m，例如為約50nm?約I μ m。另夕卜，四足錐狀粉體10的足的直徑D為約1nm?約2 μ m，例如為約30nm?約500nm。應(yīng)注意的是，若四足錐狀粉體10的足的長(zhǎng)度L過(guò)短，例如短于約10nm，則后續(xù)形成的熱阻隔層的孔隙度將會(huì)過(guò)小，阻礙電池內(nèi)部離子的流動(dòng)，且會(huì)使電池的內(nèi)電阻增加。然而，若四足錐狀粉體10的足的長(zhǎng)度L過(guò)長(zhǎng)，例如長(zhǎng)于約5 μ m,則四足錐狀粉體10將無(wú)法均勻分布于后續(xù)形成的熱阻隔層中，且此熱阻隔層的孔隙度將會(huì)過(guò)大，無(wú)法有效提升電池的安全性。再者，若四足錐狀粉體10的足的直徑D過(guò)小，例如短于約10nm，則此四足錐狀粉體10的足12很可能在分散過(guò)程中斷裂。然而，若四足錐狀粉體10的足的直徑D過(guò)大，例如長(zhǎng)于約2 μ m，則后續(xù)形成的熱阻隔層的具有較高阻抗，使電池的內(nèi)電阻增加。
[0044]黏著劑是用于將四足錐狀粉體彼此黏合或附著于電池元件表面。此電池元件可為電池的正極極板、負(fù)極極板或隔離膜。此黏著劑可為聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride, PVDF)、聚六氟丙烯-聚偏氟乙烯(polyhexafluoropropylene-polyvinylidene