BRPI0509405B1

BRPI0509405B1 - Bateria, dispositivo de segurança para uma bateria e método para ajustar a segurança de uma bateria

Info

Publication number: BRPI0509405B1
Application number: BRPI0509405-4A
Authority: BR
Inventors: Cho Jeong-Ju; Chang Sung-Kyun; Jang Min-Chul; Lee Jae-Hyun; Lee Joon-Hwan; Ha Soo- Hyun
Original assignee: Lg Chem, Ltd
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2022-04-05
Also published as: BRPI0509405A; TW200603456A; JP4642838B2; US20050255376A1; EP1735858A1; BRPI0509405B8; CN1943059A; ATE467239T1; CA2563460C; EP1735858B1; EP1735858A4; TWI256159B; CN100511767C; US8048551B2; WO2005117164A1; JP2007533100A; DE602005021083D1; RU2325006C1; CA2563460A1

Abstract

DISPOSITIVO DE SEGURANÇA PARA BATERIA E BATERIA TENDO O MESMO É descrito um dispositivo de segurança de bateria adaptado para formar um circuito elétrico quando comprimido por uma pressão pré-determinada ou mais alta convertendo o estado carregado de uma bateria ao estado descarregado, uma bateria tendo o dispositivo de segurança, e um método para ajustar a segurança de uma bateria convertendo o estado carregado da bateria ao estado descarregado, antes da bateria ser danificada por uma pressão, por meio de um circuito elétrico formado em um dispositivo de segurança pela pressão. O dispositivo de segurança tem uma primeira placa de metal, uma segunda placa de metal, e um filme condutor sensível à pressão interposto entre ambas placas de metal e adaptado para exibir condutividade elétrica quando uma pressão pré-determinada ou maior é aplicada. A primeira e segunda placas de metal estão conectadas eletricamente aos eletrodos positivo e negativo da bateria, respectivamente. O dispositivo de segurança conectado a uma bateria impede que a bateria seja danificada ou, pelo menos, se incendeie ou exploda, mesmo quando um impacto externo causado por uma pressão, uma ponta perfurante, ou amassamento, ou pressionamento externo, é aplicado à aplicado à bateria conduzindo a corrente (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se relaciona a um dispositivo de segurança de uma bateria adaptado para formar um circuito elétrico e converter um estado carregado da bateria em um estado descarregado quando comprimida por uma pressão pré-determinada ou maior. Também, a presente invenção se relaciona a uma bateria tendo o dispositivo de segurança.

HISTÓRICO

[0002] À medida em que os mais recentes eletrodomésticos eletrônicos rapidamente se tornam portáteis, sem fio, baterias secundárias de eletrólito não-aquoso tendo grande capacidade e alta densidade de energia foram desenvolvidas como fontes de energia para eles. Porém, tais baterias secundárias de eletrólito não-aquoso ficam expostas a perigos, quando uma forte pressão externa ou impacto externo causado por pontas afiadas ou por amassamento são aplicados, o interior da célula é danificado e a célula pode se incendiar ou explodir.

[0003] Em particular, como o material ativo do eletrodo positivo é sensível à voltagem, a reatividade entre o eletrodo positivo e o eletrólito aumenta à medida em que a bateria é carregada e a voltagem se eleva. A superfície do eletrodo positivo então se decompõe e uma reação de oxidação ocorre no eletrólito. Isto aumenta o perigo de fogo ou explosão.

[0004] Tal problema de segurança fica mais importante à medida em que a bateria, especificamente uma bateria secundária de eletrólito não-aquoso (por exemplo, uma bateria secundária de lítio), tem maior capacidade e densidade de energia mais alta.

RESUMO DA INVENÇÃO

[0005] A presente invenção é dirigida a substancialmente evitar um ou mais problemas devido às limitações e desvantagens do estado da técnica relacionado.

[0006] É um objetivo da presente invenção prover um método para diminuir o estado carregado de uma célula antes que ela seja danificada por um impacto externo causado por uma pressão, uma ponta perfurante ou amassamento, posicionando-se um dispositivo de segurança dentro ou fora da célula de modo que a bateria fique protegida do impacto externo.

[0007] Para alcançar este objetivo e outras vantagens conforme o propósito da invenção, conforme aqui incorporado e amplamente descrito, é provida uma bateria tendo um dispositivo de segurança adaptado para formar um circuito elétrico quando comprimido por uma pressão pré-determinada ou mais alta e converte o estado carregado da bateria ao estado descarregado.

[0008] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é provido um dispositivo de segurança para uma bateria adaptada para formar um circuito elétrico quando comprimida por uma pressão pré-determinada ou maior, convertendo o estado carregado da bateria no estado descarregado.

[0009] Ainda de acordo com outro aspecto da presente invenção, é provido um método para ajustar a segurança de uma bateria convertendo o estado carregado da bateria ao estado descarregado, antes da bateria ser danificada por uma pressão, através de um circuito elétrico formado em um dispositivo de segurança por meio da pressão.

[0010] Preferivelmente, o dispositivo de segurança inclui uma primeira placa de metal, uma segunda placa de metal, e um FCSP (filme condutor sensível à pressão) interposto entre ambas placas de metal e adaptado para exibir condutividade elétrica quando uma pré-determinada pressão, ou mais alta, é aplicada. As primeira e segunda placas de metal são conectadas eletricamente aos eletrodos positivo e negativo da bateria, respectivamente.

[0011] Vantagens adicionais, objetivos, e características da invenção serão definidas em parte na descrição a seguir e em parte ficarão aparentes àqueles tendo habilidades comuns na técnica, ou podem ser aprendidas a partir da prática da invenção. Objetivos e outras vantagens da invenção podem ser percebidos e atingidos pela estrutura particularmente apontada na descrição escrita e reivindicações apensas bem como também a partir dos desenhos anexados.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] Os desenhos acompanhantes são incluídos para prover um melhor entendimento da invenção e estão aqui incorporados constituindo uma parte desta descrição, ilustrando formas de incorporação da invenção e junto com a descrição servindo para explicar o princípio da invenção. Nos desenhos:

[0013] A fig. 1 é uma vista diagramática do princípio operacional de um dispositivo de segurança de FCA de acordo com a presente invenção;

[0014] A fig. 2 é uma vista diagramática de uma bateria do tipo bolsa tendo um dispositivo de segurança de FCA conectado eletricamente de acordo com a presente invenção;

[0015] A fig. 3 é uma vista diagramática de uma bateria do tipo copo de metal tendo um dispositivo de segurança de FCA conectado eletricamente de acordo com a presente invenção;

[0016] A fig. 4 é um gráfico mostrando o resultado de uma experiência de esmagamento local de uma bateria fabricada de acordo com o Exemplo 1;

[0017] A fig. 5 é um gráfico que mostra o resultado de uma experiência de esmagamento local de uma bateria fabricada de acordo com o Exemplo 2;

[0018] A fig. 6 é um gráfico mostrando o resultado de uma experiência de esmagamento local de uma bateria fabricada de acordo com o Exemplo 3; e

[0019] A fig. 7 é um gráfico que mostra o resultado de uma experiência de esmagamento local de uma bateria fabricada de acordo com o Exemplo Comparativo 1.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA FORMA DE INCORPORAÇÃO PREFERIDA

[0020] Referência será feita agora em detalhes à forma de incorporação preferida da presente invenção, exemplos da qual estão ilustrados nos desenhos acompanhantes.

[0021] A seguir, de acordo com a presente invenção, ela será explicada com referência aos desenhos anexos.

[0022] A presente invenção é caracterizada por diminuir o estado carregado de uma célula por meio de sensoreamento da aplicação de um impacto externo causado por pressão, ponta perfurante, ou amassamento, ou por pressionamento externo de uma bateria, onde a bateria é provida com um dispositivo de segurança adaptado para exibir condutividade elétrica no caso de um impacto externo ou compressão externa.

[0023] Como um exemplo não-limitativo de um dispositivo de segurança para exibir condutividade elétrica no caso de um impacto externo ou compressão externa, a presente invenção provê um dispositivo de segurança tendo um FCSP (110) interposto entre duas placas de metal (102, 104) (por exemplo, coletores) através das quais a corrente pode fluir, adaptadas para conduzir corrente, quando uma pressão pré-determinada ou maior ocorre, na direção da pressão (referência à fig. 1).

[0024] Como um exemplo não-limitativo do FCSP, um FCA (filme condutivo anisotrópico) é provido.

[0025] O FCA se refere a um filme adesivo incluindo um adesivo isolante tendo uma espessura de 15-35 μm e bolas eletricamente condutivas compostas de finas partículas eletricamente condutivas tendo um diâmetro de 3-15 μm nele espalhadas. A idéia da presente invenção não está limitada pela densidade do filme adesivo e diâmetro das partículas eletricamente condutivas constituindo o FCA. As partículas eletricamente condutivas incluem fibras de carbono, metal (Ni, solda), e bolas de plástico recobertas com metal (Ni/Au). Esta é apenas uma ilustração das formas de incorporação da presente invenção e não é um termo geral para o FCSP. É óbvio para aqueles qualificados na técnica que qualquer FCSP pode ser aplicado ao princípio da presente invenção.

[0026] O material adesivo inclui material termoplástico (borracha de estireno butadieno, polivinil butileno), material termocurado (resina epóxi, poliuretano, resina acrílica), e uma mistura de material termoplástico e material termocurado.

[0027] A placa de metal usada na presente invenção pode ser feita de qualquer metal tendo condutividade elétrica, tal como metal de alumínio, metal de cobre, e metal de níquel.

[0028] A placa de metal tem preferivelmente excelente condutividade térmica de modo que, em uma situação normal ou especial, o calor pode ser dispersado de dentro da bateria para a placa de metal termicamente condutiva através de um terminal.

[0029] A operação de uma bateria tendo um dispositivo de segurança adaptado para exibir condutividade elétrica quando uma pressão pré-determinada ou mais alta é aplicada no caso de um impacto externo ou compressão externa, de acordo com a presente invenção, será agora descrita com referência aos desenhos.

[0030] O dispositivo de segurança de acordo com a presente invenção inclui uma primeira placa de metal (102), uma segunda placa de metal (104), e um FCSP (110) interposto entre ambas placas de metal e adaptado para exibir condutividade elétrica quando uma pressão pré- determinada ou maior é aplicada. Um exemplo do dispositivo de segurança, conforme mostrado na fig. 1, inclui coletores que agem como as placas de metal e um FCA que age como o FCSP.

[0031] O FCA age como um não-condutor pelo qual nenhuma corrente é aplicada para fluir durante um estado normal e, quando uma pressão pré-determinada ou maior ocorre, ele conduz corrente na direção da pressão.

[0032] Conforme mostrado na fig. 1, a primeira placa de metal (102) (coletor) de ambas as placas de metal posicionadas em ambas as superfícies do FCA (110) é conectada eletricamente ao eletrodo positivo da bateria e a segunda placa de metal (104) (coletor) ao eletrodo negativo.

[0033] Na bateria tendo o dispositivo de segurança da invenção conectado, ambas as placas de metal são isoladas eletricamente uma da outra pelo FCA, contanto que nenhuma pressão externa seja aplicada a elas, e nenhuma corrente flua entre elas. A bateria então funciona normalmente e mantém o estado carregado.

[0034] Quando uma pressão causada por um impacto externo ou similar é aplicada à bateria tendo o dispositivo de segurança conectado da invenção, ambas as placas de metal são conectadas eletricamente uma à outra. Isto ocorre porque o FCA exibe condutividade elétrica quando a pressão alcança um nível pré- determinado. A bateria é então descarregada e a voltagem interna da bateria cai abruptamente. No estado descarregado, a bateria não se incendeia nem explode, mesmo quando um impacto causado por uma pressão externa, uma ponta perfurante, ou amassamento é aplicado. Como tal, a presente invenção pode melhorar a segurança da bateria diminuindo o estado carregado da célula antes que exploda, quando uma pressão pré-determinada ou mais alta é aplicado às placas de metal devido a um impacto externo por pressão, ponta perfurante, ou amassamento.

[0035] O dispositivo de segurança da invenção é preferivelmente posicionado perpendicularmente em uma direção na qual a maior parte da pressão é aplicada à bateria no caso de um impacto externo ou compressão externa.

[0036] O dispositivo de segurança da invenção pode estar posicionado dentro ou fora da célula, mas preferivelmente fica posicionado fora.

[0037] Quando posicionado fora da bateria, o dispositivo de segurança da invenção pode ser usado enquanto está exposto ou enquanto está encerrado em uma camada de polímero tendo propriedades de isolação elétrica.

[0038] Enquanto isso, exemplos de conexão do dispositivo de segurança de acordo com a presente invenção são ilustrados para uma bateria, na fig. 2.

[0039] A fig. 2 mostra uma bateria do tipo bolsa tendo o dispositivo de segurança da invenção conectado.

[0040] Em geral, uma bateria do tipo bolsa é do tipo de laminação e inclui pelo menos uma placa do eletrodo positivo e pelo menos uma placa do eletrodo negativo que são laminadas alternadamente. A bateria do tipo de laminação tem terminais de eletrodos positivo e negativo para conectar as placas dos eletrodos positivo e negativo ao exterior da bateria, respectivamente. Os terminais são conectados a uma fonte de energia no exterior do invólucro da bateria.

[0041] O dispositivo de segurança da invenção incluindo as primeira (102) e segunda (104) placas de metal e o FCA (110) interposto entre elas são laminados junto com a placa do eletrodo positivo mais externa e/ou com a placa do eletrodo negativo mais externa. A primeira placa de metal (102) é conectada eletricamente a uma parte da placa do eletrodo positivo, ou ao terminal do eletrodo positivo, e a segunda placa de metal (104) é conectada eletricamente a uma parte da placa do eletrodo negativo, ou ao terminal do eletrodo negativo.

[0042] O dispositivo de segurança da invenção pode ser diretamente laminado adjacente à placa do eletrodo, mas é preferivelmente laminado no exterior do invólucro da bateria e conectado eletricamente somente aos eletrodos positivo e negativo.

[0043] A fig. 3 mostra uma bateria do tipo copo tendo o dispositivo de segurança da invenção conectado.

[0044] Em geral, uma bateria do tipo copo tem uma montagem de eletrodos incluindo placas de eletrodos positivo e negativo e um separador colocado em um recipiente incluindo um copo e uma tampa. O recipiente age como um terminal de eletrodo (terminal do eletrodo positivo na fig. 3) e um terminal de eletrodo tendo polaridade oposta (terminal do eletrodo negativo na fig. 3) se projeta a partir do recipiente, isoladamente.

[0045] O recipiente da bateria do tipo copo pode agir como a primeira placa de metal (102) do dispositivo de segurança da invenção. Então, a segunda placa de metal (104) do dispositivo de segurança da invenção é posicionada paralelamente a pelo menos uma superfície do recipiente com o FCA (110) interposto entre elas e uma parte da segunda placa de metal (104) é conectada eletricamente ao terminal do eletrodo tendo polaridade oposta.

[0046] O dispositivo de segurança da invenção pode ser usado para qualquer tipo de bateria, incluindo uma bateria primária e uma bateria secundária, contanto que esteja carregada. Como um exemplo não-limitativo, o dispositivo de segurança da invenção pode ser usado para uma bateria secundária de lítio incluindo a) um eletrodo positivo capaz de intercalação/de-intercalação de íons de lítio, b) um eletrodo negativo capaz de intercalação/de-intercalação de íons de lítio, c) um separador poroso, e d) um eletrólito não-aquoso incluindo sal de lítio e um composto de eletrólito.

[0047] O eletrólito não-aquoso inclui carbonato cíclico e/ou carbonato linear. O carbonato cíclico pode ser, por exemplo, carbonato de etileno (CE), carbonato de propileno (CP), ou gama-butirolactona (GBL). O carbonato linear é, por exemplo, preferivelmente pelo menos um selecionado do grupo que consiste em carbonato de dietila (CDE), carbonato de dimetila (CDM), carbonato de etilmetila (CEM), e carbonato de metil propila (CMP).

[0048] O sal de lítio incluído no eletrólito não- aquoso é selecionado preferivelmente do grupo que consiste em LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, e LiN(CF3SO2)2.

[0049] Como material ativo do eletrodo negativo, carbono, metal ou liga de lítio, é preferivelmente usado. Além disso, um óxido de metal capaz de intercalação/de-intercalação de íons de lítio e tendo um potencial para o lítio menor que 2 V, como TiO2 ou SnO2, também pode ser usado.

[0050] O material ativo do eletrodo positivo é preferivelmente um óxido de metal de transição contendo lítio e, por exemplo, é pelo menos um preferivelmente selecionado do grupo que consiste em LiCoO2, LINiO2, LiMn2O4, LiMnO2, e LiNi1-xCoxO2 (0<x<1). Um eletrodo positivo feito de óxido de metal, tal como MnO2, ou uma composição relacionada, também pode ser usado.

[0051] O separador poroso pode ser, por exemplo, um separador baseado em poliolefina.

[0052] A bateria secundária de lítio da invenção pode ser fabricada pelo método convencional de colocar um separador poroso entre os eletrodos positivo e negativo e injetar um eletrólito não-aquoso incluindo sal de lítio, tal como LiPF6, e um aditivo.

EXEMPLOS

[0053] A presente invenção será descrita agora em mais detalhes com referência aos seguintes exemplos, que são dados apenas como formas de ilustração da presente invenção, sem limitar a invenção.

Exemplo 1

[0054] Como mostrado na fig. 2, o dispositivo de segurança da invenção incluindo uma primeira placa de metal (102) (coletor do eletrodo positivo), uma segunda placa de metal (104) (coletor do eletrodo negativo), e um FCA (110) interposto entre ambas placas de metal foi acoplado a uma célula do tipo bolsa de tal maneira que a primeira e segunda placas dos eletrodos foram conectadas eletricamente aos eletrodos positivo e negativo, respectivamente. Os eletrodos positivo e negativo da célula do tipo bolsa foram feitos de LiCoO2 e carbono, respectivamente, e o eletrólito foi feito de uma solução de 1M de LiPF6 tendo uma composição básica de CE:CEM (1:2).

[0055] A célula foi carregada a 4,2 V e uma experiência de esmagamento local foi executada comprimindo-se o dispositivo de segurança da invenção na direção vertical com uma haste tendo um diâmetro de 1 cm a uma velocidade de 3 mm/min.

[0056] O resultado da experiência mostrou que, como a pressão aplicada ao FCA aumentou, a voltagem caiu abruptamente para cerca de 0 V. A célula ficou estável sem explosão e a temperatura exotérmica ficou muito baixa, isto é, aproximadamente 70 °C ou menor (referindo-se à fig. 4).

Exemplo 2

[0057] A fabricação da célula e a experiência de esmagamento local foram executadas da mesma maneira como no Exemplo 1, exceto que a célula foi carregada a 4,3 V para uma experiência sob uma condição mais severa do que no Exemplo 1.

[0058] O resultado de experiência mostrou que, como a pressão aumentou, a voltagem caiu abruptamente para cerca de 0 V. A célula ficou estável sem explosão e a temperatura exotérmica foi muito baixa, isto é, aproximadamente 70 °C ou menor (referindo-se à fig. 5).

Exemplo 3

[0059] A fabricação da célula e a experiência de esmagamento local foram executadas da mesma maneira como no Exemplo 1, exceto que a célula foi carregada a 4,4 V para uma experiência sob uma condição mais severa do que no Exemplo 2.

[0060] O resultado de experiência mostrou que, como a pressão aumentou, a voltagem caiu abruptamente para cerca de 0 V. A célula ficou estável sem explosão e a temperatura exotérmica foi muito baixa, isto é, aproximadamente 70 °C ou menor (referindo-se à fig. 6).

Exemplo Comparativo 1

[0061] A fabricação da célula e a experiência de esmagamento local foram executadas da mesma maneira como no Exemplo 1, exceto que o dispositivo de segurança da invenção não foi acoplado à célula.

[0062] O resultado de experiência mostrou que a célula explodiu. A queda de voltagem não aconteceu antes da explosão, mas a voltagem caiu e houve calor concorrentemente com a explosão. A temperatura exotérmica foi muito alta, isto é, aproximadamente 600 °C ou mais (referindo-se à fig. 7).

APLICABILIDADE INDUSTRIAL

[0063] O dispositivo de segurança da invenção é conectado a uma bateria e impede que a célula seja danificada ou, pelo menos, impede seu incêndio ou explosão, mesmo quando um impacto externo causado por pressão, ponta perfurante, ou amassamento ou pressionamento externo é aplicado, conduzindo a corrente da célula para o dispositivo de segurança e descarregando a bateria antes que a célula seja danificada.

[0064] Embora tenha ocorrido uma limitação no aumento da densidade de energia de uma bateria secundária não- aquosa (por exemplo, bateria secundária de lítio) devido ao problema de segurança da bateria, o dispositivo de segurança da invenção pode aumentar a voltagem de carga operacional da bateria enquanto garantindo sua estabilidade, para assim obter uma bateria tendo alta densidade de energia.

[0065] As formas de incorporação acima são meramente exemplares e não devem ser interpretadas como limitativas da presente invenção. Os ensinamentos citados podem ser aplicados prontamente a outros tipos de aparatos. É pretendido que a descrição da presente invenção seja ilustrativa, e não limite o escopo das reivindicações. Muitas das alternativas, modificações, e variações serão aparentes para aqueles qualificados na técnica.

Claims

1. Bateria compreendendo: uma montagem de eletrodos; e um dispositivo de segurança adaptado para formar um circuito elétrico quando comprimido por uma pressão pré-determinada ou maior e converter o estado carregado da bateria no estado descarregado; em que o dispositivo de segurança apresenta uma primeira placa de metal (102), uma segunda placa de metal (104), e um filme condutor sensível à pressão (110) interposto entre ambas as placas de metal (102, 104) e adaptado para exibir condutividade elétrica quando uma pressão pré-determinada, ou mais alta, for aplicada e as primeira e segunda placas de metal são conectadas eletricamente aos eletrodos positivo e negativo, respectivamente, e caracterizada por o filme ser um filme condutivo anisotrópico (110).

2. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de segurança é posicionado perpendicularmente a uma direção na qual a maior parte da pressão é aplicada à bateria no caso de um impacto externo.

3. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a bateria é uma bateria secundária de lítio.

4. Dispositivo de segurança para uma bateria, compreendendo: uma primeira placa de metal (102); um filme condutor sensível à pressão (110); e uma segunda placa de metal (104); em que o dispositivo de segurança é adaptado para formar um circuito elétrico quando comprimido por uma pressão pré-determinada ou maior e converter o estado carregado da bateria no estado descarregado, em que o filme condutor sensível à pressão (110) é interposto entre ambas as placas de metal (102, 104) e é adaptado para exibir condutividade elétrica quando uma pressão pré-determinada, ou mais alta, for aplicada e as primeira (102) e segunda (104) placas de metal são conectadas eletricamente aos eletrodos positivo e negativo da bateria, respectivamente, e caracterizado por o filme ser um filme condutivo anisotrópico (110).

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as placas de metal têm condutividade térmica.

6. Método para ajustar a segurança de uma bateria compreendendo as etapas de: detectar uma pressão da bateria; e converter o estado carregado da bateria ao estado descarregado, antes da bateria ser danificada por uma pressão, através de um circuito elétrico formado em um dispositivo de segurança por meio da pressão, em que o dispositivo de segurança apresenta uma primeira placa de metal (102), uma segunda placa de metal (104), e um filme condutor sensível à pressão (110) interposto entre ambas as placas de metal (102, 104) e adaptado para exibir condutividade elétrica quando uma pressão pré-determinada, ou mais alta, for aplicada e as primeira e segunda placas de metal são conectadas eletricamente aos eletrodos positivo e negativo da bateria, respectivamente, e caracterizado por o filme ser um filme condutivo anisotrópico (110).