BRPI0509414B1

BRPI0509414B1 - elemento de segurança para bateria, e bateria tendo o mesmo

Info

Publication number: BRPI0509414B1
Application number: BRPI0509414A
Authority: BR
Inventors: Bang Eui-Yong; Chang Sung-Kyun; Cho Jeong-Ju; Ha Soon-Hyun; Jang Min-Chul; Lee Jae-Hyun; Lee Joon-Hwan; Shin Sun-Sik
Original assignee: Lg Chemical Ltd
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2016-05-17
Also published as: CN100486034C; US7629073B2; EP1749329A4; KR100959982B1; TWI258236B; EP1749329B1; WO2005112182A1; JP2007533074A; KR20080099227A; CN1943073A; JP4990757B2; US20050260486A1; TW200603457A; KR101121282B1; BRPI0509414A; RU2323507C1; EP1749329A1; KR20060047988A

Abstract

"elemento de segurança para bateria, e bateria tendo o mesmo". é descrito um elemento de segurança para uma bateria, que é provido com um material tendo uma característica de transição de isolação de metal (tim) onde a resistência cai abruptamente a, ou acima de, urna certa temperatura, e uma bateria com tal elemento de segurança. esta bateria com o elemento de segurança com tim é transformada para um estado descarregado estável quando é exposta a urna temperatura elevada, ou a temperatura da bateria aumenta devido a impactos externos, de modo que pode-se assegurar sua segurança.

Description

"ELEMENTO DE SEGURANÇA PARA RATERIA, E BATERÍA TENDO O MESMO" Referência Cruzada com Documentos Relacionados O presente documento é baseado no Documento de Prioridade coreano KR2004—35567, depositado no Escritório de Patentes coreano no dia 19 de Maio de 2004, cujo conteúdo inteiro está aqui incorporado para referência.

Campo da Invenção A presente invenção se relaciona a um elemento de segurança para uma batería, que é provida com um material tendo uma característica de Transição de Isolamento de Metal (TIM) onde a resistência cai abruptamente em, ou acima de, uma certa temperatura, e a uma bateria tendo tal elemento de segurança. O presente documento é baseado no Documento de Prioridade japonês JP2003-376250, depositado no Escritório de Patentes japonês em 5 de Novembro de 2003, cujo conteúdo inteiro está aqui incorporado para referência.

Estado da Arte Relacionada Recentemente, tem havido um ativo interesse nas tecnologias de armazenamento de energia. O esforço na pesquisa e desenvolvimento de uma bateria é cada vez mais e mais materializado à medida em que seu campo de aplicação é ampliado pelos telefones móveis, filmadoras e notebooks, bem como pelas fontes de energia de veículos elétricos. Nestes termos, o campo mais notável é o dos dispositivos eletroquímicos, e entre outros, o desenvolvimento de baterias secundárias capazes de ser carregadas e descarregadas está agora em foco. Entre as baterias secundárias atualmente em uso, as baterias secundárias de íons de lítio, que foram desenvolvidas no início dos anos 1990 têm vantagens sobre as baterias convencionais usando eletrólitos aquosos, tais como baterias de Ni-MH, Ni-Cd e H2SC>4-Pb, tendo alta voltagem operacional e densidade de energia extraordinariamente grande.

Porém, quando a temperatura de uma bateria aumenta em um estado carregado devido a mudanças ambientais, tais como um impacto externo por pressão, perfuração ou amassamento, elevação da temperatura ambiente, sobrecarga ou similares, a bateria secundária de ions de litio fica sujeita à dilatação causada por uma reação entre o material ativo dos eletrodos e o eletrólito e há até mesmo o perigo dela se incendiar ou explodir.

Em particular, como o material ativo do eletrodo positivo é sensível à voltagem, a reatividade entre o eletrodo positivo e o eletrólito é aumentada à medida em que a bateria é carregada e assim a voltagem se torna mais alta, a qual não apenas causa dissolução da superfície do eletrodo positivo e oxidação do eletrólito, como também aumenta o risco dela se incendiar ou explodir.

Quanto mais aumenta a densidade de energia devido à alta capacidade de uma bateria, em particular, uma bateria secundária de eletrólito não—aquoso tal como uma bateria secundária de litio, tal problema de segurança se torna cada vez mais importante.

Resumo da Invenção É um objetivo da presente invenção aumentar a segurança de uma bateria diminuindo o estado carregado da bateria antes da bateria ser danificada devido a uma temperatura elevada. Para alcançar este objetivo, um elemento de segurança é externamente ou interiormente conectado à bateria, o elemento de segurança sendo provido com um material tendo grande mudança de resistência de tal modo que uma corrente elétrica flui abruptamente por ele em, ou acima de, uma certa temperatura enquanto nenhum grande vazamento de corrente acontece na temperatura de uso normal da bateria.

De acordo com a presente invenção, é provido um elemento de segurança que é provido com um material tendo uma característica de Transição de Isolamento de Metal (TIM) onde a resistência cai abruptamente a uma certa temperatura, e eletrodos positivo e negativo de uma bateria os quais são conectados um ao outro por tal elemento de segurança.

Breve Descrição dos Desenhos 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 principio da invenção. Nos desenhos: A fig. 1 é uma vista esquemática de uma bateria secundária à qual um elemento de segurança com TIM está conectado de acordo com a presente invenção, onde a bateria no lado esquerdo representa uma forma de incorporação do elemento de segurança com TIM conectado no interior de uma célula, e a bateria no lado direito representa uma forma de incorporação do elemento de segurança com TIM conectado no exterior da célula. A fig. 2 é um gráfico mostrando as características de mudança de resistência de um material com TIM com elevação ou queda de temperatura. A fig. 3 é um gráfico que mostra as curvas de mudança de resistência para elementos com NTC comuns, onde R10K3000 significa um elemento com NTC tendo uma constante B de 3.000 e R10K4000 significa um elemento com NTC tendo constante B de 4.000. A fig. 4 é um gráfico mostrando as mudanças de densidade de baterias de polímero de acordo com o Exemplo 1 e Exemplos Comparativos 1 e 2, medidas depois que as baterias de polímero foram expostas a uma temperatura elevada. A fig. 5 é um gráfico que mostra o resultado do teste de caixa—quente para uma bateria de polímero com o elemento de segurança com TIM de acordo com o Exemplo 1. A fig. 6 é um gráfico mostrando o resultado do teste de caixa-quente para uma bateria de polímero sem o elemento de segurança com TIM de acordo com o Exemplo Comparativo 1.

Descrição Detalhada da Forma de Incorporação Preferida Em seguida, a presente invenção será explicada em mais detalhes.

De acordo com a presente invenção, uma bateria é caracterizada por compreender um elemento de segurança conectado entre seus eletrodos positivo e negativo, o elemento de segurança incluindo um material tendo uma característica de Transição de Isolamento de Metal (TIM) onde a resistência cai abruptamente a, ou acima de, uma certa temperatura, como uma maneira para sentir a elevação de temperatura da bateria e diminuir o estado carregado da bateria quando a bateria é exposta a uma temperatura elevada, ou a temperatura da bateria aumenta devido a um impacto externo por pressão, perfuração ou amassamento, elevação da temperatura ambiente ou sobrecarga. A característica de TIM é uma característica específica do material que é apresentada somente por materiais que incluem óxidos baseados em vanádio tais como a VO, VO2 ou V2O3 e material de TÍ2O3 ou tais materiais aos quais um elemento como St, Ba, La, etc. é adicionado, onde a resistência dos materiais muda abruptamente de acordo com a temperatura (veja—se a fig. 2) . A mudança de resistência é causada pela transição de fase de uma estrutura cristalina entre um metal e um isolador. A diferença entre um elemento de segurança provido com um material tendo uma característica de TIM (a seguir, chamado abreviadamente de "elemento de segurança TIM") e um elemento de segurança com Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC - Negative Temperature Coefficient) , e a superioridade do elemento de segurança com TIM sobre o elemento de segurança com NTC, são como segue: Em contraste com os metais em geral, o material tendo uma característica de NTC (em seguida abreviadamente chamado de "material NTC") é um elemento semicondutor tendo uma característica de coeficiente de temperatura negativo onde a resistência diminui com a elevação da temperatura. Um semicondutor é caracterizado pelo fato de que sua resistividade diminui com o aumento da temperatura.

Então, o material tendo a característica de TIM (em seguida abreviadamente chamado de "material TIM") onde a fase de transição acontece entre um metal e um isolador é bastante diferente do material NTC.

Também, diferentemente do elemento de segurança com TIM da presente invenção, é difícil de aplicar o elemento de segurança com NTC a uma bateria secundária de íons de lítio. As curvas de mudança de resistência para elementos com NTC comuns são mostradas na fig. 3. O material NTC tem uma constante B de cerca de 3.000 a 4.000 entre a temperatura normal e 150 °C, onde a mudança de resistência é Ri = Ro. exp {B (1/Ti —1/To) } (Ri: valor de resistência na temperatura Ti; Ro: valor de resistência na temperatura To) . O material NTC deve ter um valor de resistência de pelo menos 10 kQ a 5 kQ de modo que possa operar sem problemas como vazamento de corrente à temperatura normal. Neste caso, o material NTC não pode fluir corrente elétrica o bastante para proteger seguramente a batería quando a temperatura aumenta. Adequadamente, o material NTC tendo baixa resistência à temperatura normal deve ser usado para ter um fluxo suficiente de corrente elétrica.

Porém, quando usando um material NTC tendo baixa resistência, por exemplo tendo um valor de resistência de 1 kQ, à temperatura normal, uma corrente elétrica de cerca de 4 mA flui a uma voltagem de 4,2 V (voltagem de carregamento de uma batería secundária convencional) e uma corrente de vazamento flui à temperatura de uso usual da batería, levando a um estado sobre-descarregado. A bateria em um estado sobre-descarregado exibe um fenômeno no qual o desempenho da bateria se deteriora abruptamente devido a dissolução de Cu, etc., no eletrodo negativo. Além disso, um elemento de segurança consistindo de um material NTC tendo um baixo valor de resistência inicial pode entrar em colapso quando uma corrente elétrica excessiva flui a uma temperatura elevada, de modo que o elemento de segurança perde sua capacidade como elemento com NTC e a resistência aumenta. Tal elemento é transformado em um elemento que não coincide com o propósito da presente invenção. Além disso, uma vez que a resistência do material NTC não diminui a uma temperatura específica, mas diminui com a elevação da temperatura, o material NTC tem outra desvantagem, a de que a corrente de vazamento fica maior na temperatura utilizável da bateria, de 50 °C a 60 °C mesmo no caso de um material NTC tendo um vazamento de corrente muito baixo à temperatura normal. Como exemplo, um material NTC de 10 kQ tendo uma constante B de 4.000 apresenta uma corrente de vazamento de cerca de 2 mA a uma temperatura de 60 °C.

Ao contrário do material NTC, o material TIM experimenta mudança de resistência somente em uma faixa de temperatura especifica e exibe uma característica isolante que não tem nenhuma influência na bateria na temperatura utilizável da batería, de — 20 °C a 60 °C. Este fenômeno é atribuído à mudança estrutural dos cristais e acontece principalmente em materiais baseados em vanádio como VO, VO2 ou V2O3 - Também, como tais materiais têm amplitude de mudança de resistência da ordem de 102 ou mais, uma corrente elétrica suficiente pode fluir por eles apenas quando a temperatura sobe a, ou acima de, um ponto crítico e assim permite que a bateria passe rapidamente para o estado descarregado, enquanto nenhum grande vazamento de corrente acontece na temperatura utilizável da bateria.

Uma temperatura crítica do material TIM para mudança de resistência está preferivelmente em uma faixa de 50 °C a 150 °C. Por um lado, se a resistência diminui numa temperatura mais baixa do que 50 °C, a bateria é descarregada na sua temperatura normal de uso entre 20 °C e 60 °C para reduzir a capacidade residual da bateria. Por outro lado, se a resistência diminui numa temperatura mais alta do que 150 °C, esta diminuição de resistência não tem nenhuma influência na segurança da bateria porque a bateria já se dilatou, incendiou ou explodiu devido a impactos externos ou mudanças ambientais. A seguir, será dada uma descrição para a estrutura de um elemento de segurança com TIM e sua conexão com uma bateria.

De acordo com uma primeira forma de incorporação preferida da presente invenção, um elemento de segurança com TIM é construído conectando—se um fio terminal de metal tendo alta condutividade elétrica a qualquer um de dois lugares de um material TIM tendo um certo formato, respectivamente sem colocar um em contato com o outro, e o elemento de segurança com TIM assim construído é conectado aos terminais dos eletrodos positivo e negativo de uma bateria através dos dois fios terminais. Para fortalecer a durabilidade do elemento de segurança com TIM, a porção de material TIM do elemento de segurança com TIM pode ser selada com um material de encapsulamento tal como epóxi ou vidro.

De acordo com uma segunda forma de incorporação preferida da presente invenção, um elemento de segurança com TIM é construído na forma de um chip e o elemento de segurança com TIM assim construído pode ser conectado diretamente aos terminais dos eletrodos positivo e negativo de uma bateria.

De acordo com uma terceira forma de incorporação preferida da presente invenção, um elemento de segurança com TIM é construído na forma de um chip onde suas ambas extremidades são recobertas com filmes de metal e o elemento de segurança com TIM assim construído pode ser conectado diretamente aos terminais dos eletrodos positivo e negativo de uma bateria. A medida em que os eletrodos positivo e negativo de uma bateria podem ser conectados fisicamente um ao outro, não há nenhuma limitação na forma e posição do elemento de segurança com TIM. Por exemplo, o elemento de segurança da presente invenção pode ser provido dentro ou fora de uma célula, ou em um circuito protetor (Veja-se a fig. 1).

Em seguida, o mecanismo operacional de uma bateria com um elemento de segurança com TIM da presente invenção será descrito em detalhes.

Se ambos os terminais dos eletrodos positivo e negativo de uma bateria são conectados um ao outro usando um material TIM dentro ou fora da bateria, uma corrente elétrica não flui através do material TIM entre os eletrodos positivo e negativo à temperatura de uso normal da bateria porque o material TIM tem resistência muito grande naquela temperatura. Quer dizer, o material TIM não tem nenhuma influência na bateria. Porém, se a bateria é exposta a uma temperatura elevada, ou a temperatura da bateria aumenta devido a impacto externo, e assim a bateria fica em, ou acima de, uma certa temperatura, a resistência do material TIM cai abruptamente e uma corrente elétrica flui através do material TIM entre os eletrodos positivo e negativo, o que faz a bateria se descarregar colocando-a assim em um estado seguro.

Logo, quando o elemento de segurança com TIM é usado em uma bateria, a explosão ou o fogo não acontecem mesmo se a bateria for exposta a uma temperatura elevada. Se a temperatura é novamente abaixada, a resistência do material TIM novamente fica maior e a corrente elétrica não flui mais, de modo que a batería pode ser usada normalmente. A fig. 1 ilustra dois estados concretos nos quais o elemento de segurança com TIM está conectado a uma bateria secundária de modos diferentes conforme formas de incorporação preferidas da presente invenção.

Nestas formas de incorporação mostradas na fig. 1, o elemento de segurança com TIM da presente invenção é conectado a uma bateria de polímero.

Em geral, uma bateria de polímero tem uma estrutura do tipo laminado e inclui uma ou mais placas do eletrodo positivo e uma ou mais placas do eletrodo negativo laminadas alternadamente com as placas do eletrodo positivo. Nesta bateria do tipo laminado, um terminal do eletrodo positivo conecta uma ou mais placas do eletrodo positivo umas às outras e ao exterior de uma célula, e um terminal do eletrodo negativo conecta uma ou mais placas do eletrodo negativo umas às outras e ao exterior da célula e são conectados a uma fonte de energia localizada fora do material de embalamento das células. O elemento de segurança com TIM da presente invenção, no qual o material TIM está conectado em paralelo a uma porção mediana de um conector de metal, está conectado entre os terminais dos eletrodos positivo e negativo dentro ou fora do material de embalamento das células.

No caso de uma bateria secundária de lítio, ela se incendeia ou explode quando aquecida a, ou acima de, 160 °C em um estado carregado. Porém, se o material TIM, a resistência do qual muda em uma faixa de temperatura de 50 °C a 150 °C, está conectado em paralelo aos terminais dos eletrodos positivo e negativo da bateria secundária de lítio, uma corrente elétrica flui para o material TIM, através do qual a corrente elétrica até agora não fluiu para mudar a bateria secundária de lítio carregada para o estado descarregado, porque resistência do material de TIM cai abruptamente na faixa de temperatura acima mencionada. Quer dizer, a bateria secundária de lítio não se incendiará ou explodirá mesmo se for aquecida a ou acima de 160 °C.

Em seguida, a presente invenção será descrita em mais detalhes com referência aos seguintes Exemplos, que não devem ser interpretados como limitativos do escopo da presente invenção.

Exemplo 1 Uma célula foi construída de tal modo que seu eletrodo positivo consiste em um material ativo de eletrodo positivo (LÍC0O2) , um agente condutivo e um ligante (relação de composição de 95:2,5:2,5), e seu eletrodo negativo consiste em um material ativo de eletrodo negativo (carbono), um agente condutivo e um ligante (relação de composição de 94:2:4) . Uma membrana isolante foi interposta entre os eletrodo positivo e negativo, CE: CEM contendo 1 M de LiPF6 foi usado como um eletrólito, e uma bolsa foi usada como material de embalamento externo. Deste modo, foi formada uma bateria de polímero. Um elemento de segurança com TIM (óxido baseado em vanádio) tendo resistência de 25 kQ à temperatura normal foi conectado em paralelo entre os terminais dos eletrodos positivo e negativo da bateria de polímero assim formada. (1) Para um teste de temperatura elevada, a bateria de polímero foi colocada em um forno, e a mudança na espessura da bateria foi medida enquanto a temperatura do forno foi elevada de 25 °C para 90 °C durante uma hora, mantida a 90 °C durante 5 horas e abaixada para 25 °C durante uma hora. O resultado deste teste é mostrado na fig. 4. (2) Para um teste de caixa-quente, a bateria à qual o elemento de segurança com TIM tinha sido conectado foi carregada até 4,3 V, e então foi colocada em um forno. Depois disso, as mudanças de voltagem e temperatura da bateria foram medidas enquanto a temperatura do forno foi elevada da temperatura normal para 160 °C a uma taxa de 5 °C/min, mantida a 160 °C durante uma hora e abaixada para a temperatura normal por meio de resfriamento por ar. O resultado da medição é mostrado na fig. 5, e a bateria não explodiu.

Exemplo Comparativo 1 A mudança na espessura a temperatura elevada foi medida e um teste de caixa-quente foi conduzido da mesma maneira como no Exemplo 1, exceto que o elemento de segurança com TIM não foi conectado a uma bateria de polímero construída como no Exemplo 1 . O resultado de medição da mudança de espessura a temperatura elevada é mostrado na fig. 4 e o resultado do teste de caixa-quente é mostrado na fig. 6. Como resultado do teste de caixa-quente, a bateria de acordo com o Exemplo Comparativo 1 explodiu.

Exemplo Comparativo 2 A mudança na espessura a temperatura elevada foi medida da mesma maneira como no Exemplo 1, exceto que, em vez do elemento de segurança com TIM, um elemento com NTC (constante B = 4.000) tendo resistência de 10 kQ à temperatura normal foi conectado em paralelo aos terminais dos eletrodos positivo e negativo de uma bateria de polímero construída como no Exemplo 1. O resultado da medição é mostrado na fig. 4.

No caso da bateria de polímero com o elemento com NTC, um vazamento de corrente 2 mA foi gerado a uma temperatura de 60 °C.

Conforme descrito acima, uma bateria com um elemento de segurança com TIM de acordo com a presente invenção é transformada para um estado descarregado estável quando é exposta à temperatura elevada, ou a temperatura da bateria aumenta devido a impactos externos, etc., de modo que pode-se assegurar sua segurança.

As formas de incorporação precedentes são meramente exemplares e não devem ser interpretadas como limitativas da presente invenção. Os presentes ensinamentos 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 alternativas, modificações, e variações serão aparentes para aqueles qualificados na arte.

Claims

1. Elemento de segurança para bateria, caracterizado pelo fato de compreender um material tendo uma característica de Transição de Isolamento de Metal (TIM) onde sua resistência cai abruptamente em, ou acima de, uma temperatura crítica do material TIM; a temperatura crítica do material TIM é igual a ou maior que 50 °C e abaixo de 150 °C; e o material TIM é selecionado do grupo que consiste em VO, VO2, V2O3 e materiais tendo uma estrutura de TÍ2O3 ou materiais aos quais um elemento de Ba ou La é adicionado.

2. Elemento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um fio terminal de metal tendo alta condutividade elétrica é conectado a qualquer um de dois lugares do material TIM, sem colocá-los respectivamente em contato entre si .

3. Elemento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material TIM é construído na forma de um chip.

4. Elemento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material TIM é construído na forma de um chip e ambas as extremidades do chip são recobertas com um filme de metal.

5. Elemento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material TIM é selado com um material de embalamento.

6. Bateria tendo o elemento de segurança para bateria conforme definido na reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender eletrodos positivo e negativo conectados um ao outro por meio do elemento de segurança.