專利名稱：二次電池用多層電極板的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種二次電池用多層電極板，尤其涉及一種特別適用于鋰離子電池的具有保安功能且能增加電極板的結合力的多層電極板，可以防止因充電過度或因內部短路而引起的高熱或爆炸，而有效地增加電池的安全性并延長電池壽命。
隨著二次電池的普及，有關二次電池的充電亦日形重要。尤其在如何使二次電池以適當充電電壓、充電電流、充電時間充電，以避免結構受損上，更有多種方案，其中一種是通過在充電電路中配置一具正溫度系數(positive temperature coefficient，PTC)性質的電阻，亦即其電阻系數會因溫度的升高而增加的電阻。
所謂具有PTC性質的材料大都由導電塑膠材料所構成，例如高分子正溫度系數(Polymer Positive Temperature Coefficient，PPTC)材料，通過選擇適當塑膠結晶溫度與導電添加劑的比例，而可使導電塑膠在溫度達到塑膠結晶溫度時，迅速增加其電阻系數，而有效地降低通過的電流流量。
具PTC性質的材料原來被用作為可恢復性保險開關。于1981年，在美國專利第4,255,98號中公開了利用該材料作為防止電池短路的安全裝置。通過使用該安全裝置，當充放電電流過大而造成溫度上升時，其電阻系數將增大，而有效地降低通過的電流，從而抑制電池溫度的上升。因此，可防止電池過度充電或是外部電路短路所造成的危險。
此外，例如美國專利第5,592,068號亦公開了在充放電電路中串聯一正溫度系數電阻作為安全裝置，以防止電池受到一過大電流的充電，進而防止電池因溫度過度上升，而造成電池的損壞或是起火或是爆炸。此對于鋰離子電池而言尤其重要。
但前述各專利案所公開的安全裝置皆屬于電池的外部電路的一部分，因而若是發生電池內部短路的話，由于該在外部的安全裝置并不會感受到該內部短路電流，而無法適時進行保護，終究還是導致電池毀損或爆炸。
事實上，在許多鋰離子電池的安全測試中，例如鐵釘穿刺測試，或是UL1642的擠壓測試、高溫充電測試等，都顯示出多種會引起電池內部短路的可能，會使得電池經由內部回路而大量放電，并導致電池高熱而發生爆炸或起火。雖然此種危險可通過使用可熱熔的隔離膜而減低，然而仍不是非常有效。
本實用新型的目的之一在于提供一種具有PTC性質的二次電池用電極板，在電極板的溫度升高時，可因極板本身內阻的增加，而有效地降低電流的通過量，防止電池因短路產生高熱而起火爆炸，有效地增加電池的安全性。
本實用新型的另一目的在于提供一種兼具有較佳粘合力的二次電池用電極板，不僅使電極板具有保護功能，并能在電池組裝及使用時不易剝落，而延長電池壽命。
為達到上述目的，根據本實用新型的二次電池用電極板，其特征在于包含一金屬箔板，以供外接電路；至少一極板反應層，供產生反應而進行充放電；以及至少一PTC材料層，位于該金屬箔板與該極板反應層之間。
通過使用上述結構，由于在金屬箔板與極板反應層之間加了一層PTC材料層，當電池內部短路而升溫時，該PTC材料層將能馬上感應到該溫度變化，而使極板反應層和金屬箔板間的界面電阻大幅上升，進而導致內部回路的電阻也大幅上升，使得短路電流下降，而可以限制電池的溫升，進而防止電池的損壞、起火、甚至爆炸等。另外，當PTC材料層由PPTC材質構成時兼有強化極板反應層與金屬箔板間的結合程度的效果。
圖1顯示一現有二次電池的內部配置及以外部安全裝置的示意電路圖。
圖2顯示一根據本實用新型而制成的二次電池用電極板的剖面示意圖。
圖1顯示一現有二次電池的內部配置以及外部安全裝置的配置位置的示意電路圖。如圖1所示，電池1在使用時大體可分成電池本身的內部電路2和外部電路3。電池1的構造大體上包含正極板4與負極板5，以及位于其間的隔離膜6。已知的保護方法是在外部充電或放電電路中設置一PPTC電阻7而達成過載或過充保護功能。
在該方法中，當發生內部短路時，將在電池內部自成一回路，如圖1中的線段8以及箭號所示，而無法由外部的PPTC電阻保護。
圖2顯示一根據本實用新型而成的電極板的剖面示意圖，如圖2所示，該電極板10基本上包含一金屬箔板11、于金屬箔板11兩側的PPTC材料層12、以及分列于PPTC材料層12外側的極板反應層13。其中，金屬箔板11與極板反應層13的材料選擇與現用電極板相同，例如金屬箔板11與銅或鋁所構成，極板反應層13在鋰離子電池中可用鋰鉆氧化物或碳材制成。PPTC材料層可用現有PPTC材料涂覆而成，且其中碳黑的比例可以在10～70％之間，最好在40～50％之間，以獲得適當的PPTC性質。
在制作上，可利用現有的PPTC技術，于銅或鋁箔上先涂上一層PPTC材料，再將極板反應材料涂于該PPTC材料層12上而形成如圖2所示的三層結構。可以知道，圖中雖然顯示該PPTC材料層12與極板反應層13上下包覆金屬箔板11，而使電極板兩面都可進行反應，然而也可根據使用的位置而將PPTC材料層12與極板反應層13僅涂覆于金屬箔板11的單一側上。
在上述構成中，由于PPTC材料層12本身不參與電池反應，所以在達到PPTC性質的作用下，可將PPTC材料層12的厚度減至最小，1～2μm是一個理想的范圍。
為驗證其效果，以一個1.6安培小時的電池為例進行測試。其中，不含PPTC電阻層12的內阻約在50～70mΩ之間，在短路時(不管內部或外部)，將有近50A的瞬間電流。在室溫時，PPTC材料層12的電阻值約為5～10mΩ，當溫度升至100～120℃時，PPTC材料層12的內阻變成大于500mΩ；相對地，短路電流大幅降低至5～7A。
由上述測試可見，該PPTC材料層12的使用，確能大幅降低短路電流，因而延緩產熱的速度，而增加電池安全性。而且，由于PPTC材料層12的聚合物含量較高，可增加極板反應層13的附著力，因而該PPTC材料層12亦兼有促進反應層13與金屬箔板11間的附著的效果。
以上，雖已就本實用新型的一較佳實施例作一說明，然各種在本實用新型的精神內的各種等效變更皆應在所附權利要求所意圖保護的范圍內。
權利要求1.一種二次電池用多層電極板，其特征在于包含一可供外接電路的金屬箔板；至少一供產生反應而進行充放電的極板反應層；以及至少一正溫度系數(PTC)材料層，疊置于該金屬箔板與該極板反應層之間。
2.如權利要求1所述的電極板，其特征在于該PTC材料層由聚合物正溫度系數材料制成，且其中含有10～70％碳黑成分。
3.如權利要求2所述的電極板，其特征在于該聚合物正溫度系數材料含有40～50％碳黑成分。
專利摘要本實用新型有關一種電池用多層電極板,包含:一金屬箔板,以供外接電路;至少一極板反應層,供產生反應而進行充放電;以及至少一正溫度系數材料層,位于該金屬箔板與該極板反應層之間。本實用新型能大幅降低短路電流,進而延緩產熱的速度,增加電池安全性。且其中該PTC材料層并可由高分子正溫度系數材料所構成,以增加反應層與金屬箔間的結合力。
文檔編號H01M4/00GK2473749SQ0121923
公開日2002年1月23日 申請日期2001年4月5日 優先權日2001年4月5日
發明者程敬義, 黃舜明, 吳齊升, 江怡穎 申請人:興能高科技股份有限公司