[发明专利]电化学装置

说明书

本发明涉及电化学装置如聚合物锂二次电池和导电的双层电容器，更具体地，涉及具有针对异常膨胀和放热的失效保护机制的电化学装置。

各种类型的电池已经用于多种用途，主要是用于电子和汽车用途，并且非常大体积的一类用于储存能源。在这种电池中，通常使用液体电解质。希望使用固体电解质来代替液体电解质以防止液体泄漏并且能够制成片状结构。因此对于下一代电池来说，具有吸引力的是使用固体电解质。

所希望的是，如果能够将通常用于蜂窝电话和笔记本计算机的锂离子二次电池制成小体积、片状和层状结构，其应用范围会明显增大。对于固体电解质来说，已经提出陶瓷材料、聚合物材料及其复合材料。其中，用电解质溶液增塑的聚合物电解质形式的胶体电解质同时具有液体电解质所固有的高导电性和聚合物电解质所固有的塑性性能，并且认为是未来电解质研发中具有潜力的。

使用固体电解质一个优点是能够形成薄的大面积结构，即片状结构。这会加速电池应用的进一步开发。使用现有技术中柱状和块状电池的金属盒，不能得到这种片状电池的优点。因为金属盒占据了整个电池的大部分的重量和厚度。为了发挥片状电池的优点，需要使用重量轻的叠层薄膜作为外壳或者包壳。

当在现有技术的电池中使用这种薄膜作为包壳而发生任何异常时，结果是气体泄露并且会更糟糕，导致着火，这取决于电解质的类型。例如，设计一充电器以在到达预定时间或者电压时中断充电。如果由于某些原因充电不能中断，电池将会被过充电而超过其电容量。继续进行过充电会导致电解质分解而产生气体，使包壳膨胀，甚至导致包壳失效或者着火。

由于在使用金属盒作为包壳的锂离子电池中具有防爆阀而可商用。在使用叠层薄膜作为包壳的情况下，则难以安装防爆阀，并且在所需压力下使用这种阀是非常难的。

例如在JP-A-10-55792中公开了一种提供带阀的叠层薄膜的技术。叠层薄膜的需连接的相对部分通过较低剥离强度区域(自内部向外部逐渐较低)而连接。通常，通过易熔树脂的粘结而形成这种连接。通过在易熔树脂中加入非易熔材料(如镍箔)、通过在较其余区域更低的温度下进行粘结、或者通过遗留未粘结区域，而形成较低剥离强度区域。

当电池内部压力增加时，该较低剥离强度区域可起到排气阀的作用。为了使该区域具有所需的作用，必须合适地选择粘结过程中的加热条件和/或非易熔材料，但是这在实际应用中是不容易的。为了防止叠层薄膜包壳中进入外来的潮气和不希望的污染物，所述的连接必须具有至少约4毫米的密封宽度。在这种实施方案中，即，通过在粘结步骤中遗留未粘结区域而在连接中形成较低剥离强度区域，如果位于较低剥离强度区域外侧的窄的连接部分为4毫米，则整个连接具有远大于4毫米的密封宽度。从能量密度的观点出发，这是不利的。

为了避免这种不希望的破裂或者着火的现象，电池通常带有保护电路。这种保护电路通常设计为当到达预定电压时则切断电流。

但是，假定对于保护电路由于某种原因而失效的情况，则经常采用过多的保护措施。典型的保护措施是PTC元件和热敏保护部件如热熔物。所述的PTC元件是具有正温度系数的元件，即，元件的电阻随温度升高而增加。在高于某一温度时，电阻发生明显增加，而电阻变化率为3位数，对于某些材料甚至达到6位数。

通常，将充电器设计为以恒定电流进行充电直至达到预定电压，并且之后以预定电压控制电流。如果在充电过程中电池由于任何异常而发热，则PTC元件被加热而其电阻增加，由此限制充电电流以防止进一步充电。当达到预定温度上，热熔物会起到切断充电电流的作用，从而中断充电。公知的是，锂离子二次电池可经受高于临界温度的热失控。所述的热失控会产生气体或者过量的热，会引起失效或者电池着火。因此，在电池温度达到临界值之前必须降低或者切断充电电流。

当将保护部件安装在包壳表面时，会增加包括保护部件的电池的最大厚度。增加厚度是所不希望的，因为现在对安装有电池的电子装置如蜂窝电话的尺寸和厚度要求要小。因此，出于最大厚度考虑，希望将保护部件安于电池的侧面。

但是，电池的表面温度并不是均匀的。热辐射高的区域和低传热区域的温度较低。取决于保护部件所安装的位置，存在保护部件可在较低温度区域工作的可能性。这延迟了中断充电操作的时间，从而使防止产生气体或者着火失败。

如上所述，甚至在安装保护电路时，由于某种原因还存在保护电路失效的可能性。甚至在这种情况下，也必须保证安全性。当只加入排气机制时，着火的危险依然存在，因为在排气后，充电操作仍继续进行。