CN101529640B - 确保良好安全性的电化学装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种中心销组件的结构，该中心销组件***电化学装置的卷绕型电极组件的卷绕中心，该电化学装置具有容纳卷绕型电极组件的壳体。当电化学装置受到外界的物理冲击(例如挤压、震动)时、当内部温度上升时、和/或当该装置被过充电时，该中心销组件可以保障该电化学装置的安全性。该中心销组件包括：通过将平面基材卷绕成管状而制成的中心销，该平面基材具有至少两个压花型凸出物，或至少两个预定形状的不连续凹痕；放置在中心销内的空间中的容器，该容器容纳能够增进该装置安全性的物质。

Description

确保良好安全性的电化学装置
技术领域
本发明涉及中心销组件的结构，该中心销***电化学装置的卷绕型电极组件的卷绕中心，该电化学装置具有容纳卷绕型电极组件的壳体。更具体地，本发明涉及一种中心销组件，其适合在电化学装置受到外界的物理冲击(例如挤压、震动)时、内部温度上升时、和/或当该装置被过充电时，保障该电化学装置的安全性。
背景技术
本领域中公知，随着近来电子设备不断向紧凑化和轻型化方向发展以及便携式电子装置的广泛使用，对具有高能量密度的锂二次已进行了广泛的研究开发。
锂二次电池分别使用适合锂离子嵌入和脱出的物质作为其阴极和阳极，并且有机电解质或聚合物电解质填充在阴极和阳极之间的空间中。锂二次电池基于当锂离子分别自阴极和阳极嵌入及脱出时发生的氧化和还原反应来产生电能。
然而，锂二次电池具有安全性问题，并且已经做出了多种努力以解决该问题。
假如锂二次电池被过充电，则过量的锂从阴极脱出并嵌入阳极。结果是，具有非常高的反应性的锂金属沉积在阳极表面上。阴极也变得热不稳定。用作电解质的有机溶剂发生分解反应，所产生的急剧的放热反应使得该电池着火或***。
此外，使用可燃性非水电解质的锂二次电池常因以下原因而着火或***：当电池的内部温度上升时由电解质的分解反应产生的可燃性气体；由电解质和电极之间的反应产生的可燃性气体；或由阴极的分解产生的氧气。
此外，假如电池被重物碾压、假如电池受到强烈冲击、或假如电池被暴露于高温，就会出现安全性问题。特别地，假如钉子刺入电池、假如电池被挤压、假如电池受到冲击、或假如电池被暴露于高温，电池内的阴极和阳极将局部短路。结果是，过量的电流局部流动并产生热量。由局部短路导致的短路电流的量与电阻成反比，从而大量的短路电流流向具有低电阻的部位。在这种情况下，在短路部位周围局部地产生非常大量的热量。
假如热量产生在电池内，则组成电池内部的阴极、阳极和电解质将相互反应或燃烧。这个反应是高度放热的，从而电池最终将着火或***。因此，必须避免电池内部出现这样的急剧发热。
为提高过充电情形下的安全性，一种尝试是向非水电解质中加入添加剂。然而，如上所述，当钉子刺入电池时，当电池被挤压时，当电池受到冲击或当电池被暴露于高温时，仅通过向非水电解质添加添加剂并不能保障安全性。
发明内容
据此，本发明的一个目标是提供一种中心销组件，其适合在***卷绕型电极组件的卷绕中心的中心销占据的有限空间中执行多种功能，特别是与电化学装置的安全性有关的功能。更具体地，本发明的目标是提供一种中心销组件，其适合在电化学装置受到外界的物理冲击(例如挤压、震动)时、当内部温度上升时、和/或当该装置被过充电时，保障该电化学装置的安全性。
为了实现上述目标，本发明提供一种***电化学装置的卷绕中心的中心销组件，该电化学装置具有容纳卷绕型电极组件的壳体，该中心销组件包括：通过将平面基材卷绕成管状而制成的中心销，该平面基材具有至少两个压花型凸出物，或至少两个预定形状的不连续凹痕；放置在中心销内的空间中的容器，该容器容纳能够提高该装置安全性的物质。
本发明还提供一种电化学装置，其包含：通过堆叠和卷绕第一隔膜、具有第一电极接头的第一电极板、第二隔膜、和具有第二电极接头的第二电极板而获得的卷绕型电极组件；容纳该卷绕型电极组件的壳体；和上述***该卷绕型电极组件的卷绕中心的中心销组件。
附图说明
图1示出了现有技术中具有被中心销卷绕的电极组件的电化学装置。
图2简要地示出了制造本发明的中心销的过程。
图3示出了具有至少两个预定形状的不连续凹痕的示例性平面基材。
图4示出了如何使用根据本发明的一个实施方案的中心销组件来组装电池。
图5简要地示出了根据本发明的一个实施方案的中心销组件如何确保安全性。
图6a至6f简要地示出了本发明的多种示例性容器。
图7示出了如何通过将容器***本发明的中心销来组装中心销组件。
具体实施方式
下面，将更详细地解释本发明。
本发明的中心销组件被***电化学装置的卷绕中心，该电化学装置具有容纳卷绕型电极组件的壳体。
使用本发明的中心销组件的卷绕型电极组件包括：第一隔膜、具有第一电极接头的第一电极板、第二隔膜、和具有第二电极接头的第二电极板。中心销组件与已经被卷绕的第一隔膜相邻，并借助第一隔膜与第一电极板电绝缘。
卷绕型电极组件被容纳在壳体中，所述壳体例如为包括罐体和用来密封该罐体的盖的组件。罐体由导电材料制成，并可以充当与第二电极接头电连接的第二电极端子(参考图1)。
本发明的中心销组件适合在***卷绕型电极组件的卷绕中心的中心销所占据的有限空间中执行多种功能，特别是与电化学装置的安全性有关的功能。该中心销组件特点在于其包括：
(a)中心销，其通过将平面基材——其具有至少两个压花型凸出物或至少两个预定形状的不连续凹痕——卷绕成管状而制成；和
(b)容器，其位于该中心销内的空间中，该容器容纳能够提高该装置安全性的物质。
(1)中心销结构
本发明的中心销的制造方法是：通过简单的制造过程，将具有至少两个压花型凸出物或至少两个预定形状的凹痕的平面基材卷绕成管状，以形成中空管(参考图2)。该中心销能够保障电化学装置在受到外界的物理冲击(例如挤压、震动)时的安全性，如下文将描述的。
通过用多种压花机器(例如压花压模机(embossing stamper))处理平面基材，可以制造具有至少两个压花型凸出物的平面基材。
通过将平面基材卷绕成管状(即圆柱状)，可以在平面基材的凹痕边界部位形成凸出物(参考图2和3)。
通过在平面基材上形成凹痕并对它进行压模以使在该基材的凹痕边界部位形成凸出物，可以从凹痕获得凸出物。例如，将其上形成有凹痕的平面基材放置在压模机中、模压、并进行热处理，以使在平面基材被卷绕之前形成凸出物。
凹痕可以通过冲压形成。图2和3示出了具有至少两个预定形状的不连续凹痕的示例性平面基材。
凹痕的起点和终点可以彼此重合，以建立闭环。或者，起点和终点可以不彼此重合，以建立开环。每个凹痕可以是至少两条直线的组合、单条曲线、至少两条曲线的组合、或直线和曲线的组合。这样，凹痕和凸出物可以具有多种形状。
平面基材或中心销可以由不锈钢、钛、镍、或铝制成，但材料不局限于这些。平面基材或中心销优选地由导电材料制成。
平面基材的厚度可以是0.1-1mm，其取决于电化学装置的尺寸。厚度优选地是0.1-0.4mm。
中心销的直径根据电化学装置的心轴(mandrel)的尺寸而确定，但不应太大。例如，中心销的内径可以是1.5-6mm，优选地3-4mm。中心销上的凸出物的高度可以是0.1-2mm，优选地0.2-0.6mm。
凸出物的尖锐度和/或强度可以被调节，以使可能破坏隔膜、电极等的内部或外部压力的限值可以被调节。
考虑到安全性，凸出物优选地均匀地分布在中心销的整个表面。
压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物可以形成在中空管型中心销的内周表面上、外周表面上、或内周和外周表面二者上。
假如压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物形成在中心销的外周表面上，则预期可获得以下优点：
假如物理冲击从外界施加到电池，则该电池内部防止阴极和阳极彼此接触的隔膜会裂开，从而出现短路。假如出现微小的短路，则该电池的高能量集中在短路的微小区域。过量的电流产生热量，该热量集中在该微小区域，由此导致的瞬时热失控可能会使得该电池着火或***。
因此，当冲击从外界施加时，据本发明具有压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物的中心销有意地制造了数个短路，以使短路电流分布在数个短路区域。这使所产生的电流和/或热量优选地分布到中心销，以使该电池不被热失控所危及。
应注意，即使在正常状态下，根据本发明的中心销也保留压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物，以使即使中心销没有变形或在中心销变形之前，数个短路也可以被这些凸出物有意地引发。这样可靠地防止了由能量的集中和积聚导致的电池紧急情况(例如热失控)。
为了使压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物有意地制造数个短路，这些凸出物必须能够破坏与中心销相邻的隔膜，或破坏第一隔膜、第二电极板、和第二隔膜。
为了确保只通过破坏隔膜就能制造短路，中心销必须由导电材料制成，并电连接到第二电极板的第二电极接头。在正常状态下，中心销必须借助第一隔膜而与第一电极板绝缘。
应注意，当第一隔膜、第二电极板、和第二隔膜必须被破坏以有意地制造短路时，中心销与电极端子电绝缘。
当平面基材被卷绕成管状以形成中空管时，该卷绕的平面基材的相对的两侧——它们在轴向上彼此相邻——优选地彼此接触而不彼此重叠，或优选地彼此之间留有间隙。这两个对侧的边沿设置为使它们在正常状态下既不向外也不向内暴露。
当预定水平或更高的压力从外界施加时，对侧彼此交叉，或它们的边沿向内或向外突出，以使相邻的一个或多个构件——例如隔膜、电极板、中心销内的容器等——可以沿对应于各对侧的直线轴向地被破坏。
当受到外界冲击时，除了受到冲击的局部区域附近的凸出物可以制造有意的局部短路，对侧的边沿也可以在整个轴向表面上制造有意的短路，即使外界冲击是局部的，因为整个轴向区域被对侧的边沿破坏。此外，即使因与处理有关的限制而没有凸出物可以形成在电化学装置在中心销轴向上的两端，当电化学装置的两端受到外界冲击时，平面基材的对侧的边沿仍可以制造有意的短路。
参考图5，根据本发明的一个实施方案，中心销14的表面形成有至少一个凸出物，以使当预定水平或更高的压力从外界施加时隔膜可以被破坏，中心销14电连接到由导电材料制成并设置在第二电极板上的第二电极接头12，或电连接到与第二电极接头电连接的第二电极端子5。在正常状态下，中心销电连接到第二电极板，并借助第一隔膜而与第一电极板电绝缘。假如预定水平或更高的压力从外界施加，则第一隔膜在至少一个区域内被凸出物和/或对侧的边沿破坏，以使中心销和第一电极板被有意地短路。结果是，短路电流分布在数个短路区域，也经由中心销分布到电池罐体5。这防止了该电池被热失控所危及(参考图5)。
所述中心销和/或罐体优选由导热材料制成，以使短路产生的热量能够被分布中心销和/或罐体(参考图5)。
(2)中心销内的具有空间的容器的构建
本发明的特征在于，密封容器被放置在中心销内的空间中，且该容器容纳能够提高电化学装置安全性的物质。
此外，该密封容器的特征在于，假如物理撞击从外界施加、假如该电化学装置具有异常高的温度、和/或假如该装置被过充电，则该容器的预定部位被打开，以将提高安全性的物质释放到该容器外，被释放的物质的电化学反应提高了该电化学装置的安全性。
特别地，只有当该电化学装置的温度异常上升和/或当该装置被过充电时，该容器的预定部位被打开，以使当该装置内的温度和电压处于正常范围时，能够提高电化学装置安全性的物质不影响该装置，而仅当该装置具有异常高的温度时或当该装置被过充电时，该物质才被释放以解决该装置的安全性问题。
当使用本发明的中心销组件时，当预定水平或更高的压力从外界施加时，中心销内周表面的凸出物和/或中心销的两个对侧的边沿可以破坏容器或促进其破坏。结果是，能够提高该装置安全性的物质从该容器释放到中心销外，从而提高了该装置的安全性。
能够提高该装置安全性的物质的非限制性实例包括：能够通过聚合在电极表面形成涂层的物质，诸如环己基苯和联苯；引发聚合的催化剂类物质；用于氧化-还原穿梭反应(oxidation-reduction shuttlereaction)的物质，诸如氯代苯甲醚；非可燃性物质，诸如磷酸衍生物和氟化醚；热分解时能够产生气体的物质，诸如偶氮化合物和过氧化物；能够在电极产生氧化和还原反应的离子盐。这些物质可以单独使用，或至少两种混合使用。
此时，即使已经被适当地安装，现有技术在所需时刻致动安全性装置——诸如CID(电流中断装置)或排放阀——方面仍有困难。CID被设计为在3-8kg/cm3致动，排放阀被设计为在12kg/cm3致动。这样的安全性装置的致动需要电池内压力的增大，这要求电解质在高温或高压下分解产生的可燃性气体或阴极物质分解产生的氧气因温度上升而膨胀。假如即使可燃性气体和氧气被产生，而电池内的压力仍很低，则尽管电池内逐渐形成易燃环境，CID或排放阀仍不被致动。积聚的可燃性气体最终将着火和***。可降低CID或排放阀的致动压力来试图改善这种情况。但这样会导致的另一个问题是，CID或排放阀可能会被内部压力的增大致动，内部压力的增大在电池的正常工作过程中也可能出现，从而使电池变得不稳定。
为了解决这些问题，本发明可以使用气体或产生气体的物质作为能够提高该装置安全性的物质。容器仅适于在特定条件下被破坏，并散发大量气体，以使该电化学装置内的压力上升。这导致感知该装置内压力变化并自行致动的安全性设备的早致动，所述安全性设备诸如(i)用于阻止该装置再次致动的第一安全性设备，和/或(ii)用于将该装置内的异常状态转变为正常状态的第二安全性设备。结果是，着火所必需的氧气或可燃性气体、电极、和内部积聚的热量被提前释放到外界，以使可燃性气体的密度和该装置中的温度下降。这防止了着火和***，从而提高了电池的安全性。
第一安全性设备可以是压敏装置(pressure-sensitive device)，诸如CID。第一安全性设备可以包括：(i)压敏装置；(ii)用于从压敏装置传输电流的电线；和(iii)适于对经由电线传输的电流做出响应并停止该装置充电过程或将充电过程切换到放电过程的构件。第二安全性设备可以是压力开启阀(pressure-opened valve)，诸如排放阀。
气体或产生气体的化合物产生的气体的非限制性实例包括：惰性气体，诸如N2、He、Ne、Ar、Kr和Xe；灭火气体，诸如CO2、F2和Br2；和它们的混合物。假如可能，氧气被排除在外，因为它易燃，而优选惰性气体，因为它最不易燃。
产生气体的化合物可以作为固体或液体存在，并且，假如温度达到阈值，则该固体或液体的一部分可以发生相变而部分或全部地变成气体。该化合物可以以气相存在。该化合物可以是当热分解时产生气体的物质、低温液体、可升华物质、或离子盐。
假如能够提高该装置的安全性的物质是当热分解时产生气体的物质，则该物质被释放出容器，然后热分解以产生气体。或者，该物质热分解以产生气体并被释放出容器。通过与感知该装置内压力变化并自行致动的安全性设备协作，在容器外产生的气体或被释放出容器的气体(二氧化碳和/或氮气)可以提高该装置的安全性。通过热分解产生的气体可以是大量惰性气体，从而防止装置内可以产生热量的物质接触氧气。这提高了该装置的安全性。
当热分解时产生气体的物质是借助热量自行分解并产生气体的材料，诸如二氧化碳或氮气。该物质的非限制性实例包括：有机过氧化物、碳酸盐化合物、偶氮化合物、酰肼化合物、卡巴肼化合物(carbazidecompound)或类似物。这样的化合物可以单独或组合用于本发明的容器中。
此外，能够提高该装置安全性的物质可以是低温液体、可升华物质或它们的混合物。
假如被释放出容器的物质是低温液体，则该低温液体和该装置内物质之间的热量交换迅速降低了该装置的温度，从而确保了该装置的安全性。该低温液体或可升华物质可发生相变而变成气体，在相变过程中从周围吸收热量，从而确保了该装置的安全性。此外，相变产生的气体可以是大量惰性气体，其防止该装置内可能产生热量的物质接触氧气。这提高了该装置的安全性。
所述低温液体的非限制性实例包括：液氮、液氦、液氖、液氩、液态二氧化碳、氯氟碳(CFC)和氢氯氟碳(HCFC)，它们被用作制冷剂，氢氟碳(HFC)和烃(HC)，它们也可作为制冷剂。这些低温液体可以单独使用，或至少两种混合使用。
所述可升华物质的非限制性实例包括：碘、萘、樟脑、干冰和氟里昂。这些可升华物质可以单独使用，或至少两种混合使用。
离子盐可以被用作能够提高该装置安全性的物质。被释放出容器的离子盐的阳离子和阴离子分别移动到该装置内的阳极和阴极，并进行还原和氧化反应。特别地，该离子盐的阳离子在阳极与电子——其通过由外界冲击或内部问题导致的短路或过充电而高度积聚——反应，并减少电子的数目。这防止了由于电流的突然流动而导致的温度的上升。该离子盐的阴离子在阴极产生不可燃气体，并在该装置内形成不可燃气氛。这提高了该装置的安全性。
例如，假如该离子盐是NaCl，则被释放出该容器的NaCl中的Na+移动到阳极、消耗电子、还原、并沉淀为金属(Na)。另一方面，Cl-移动到阴极、氧化、并产生不可燃的Cl2气体。这提高了该装置的安全性。
所述离子盐的非限制性实例包括：Al2(SO4)3、Ca(OH)2、Mg(NO3)2、PbI2、NaCl、MgCl2和Al2(OH)3。这些离子盐可以单独使用，或至少两种混合使用。
图6示出了根据本发明的容器的非限制性实例，该容器适合当该电化学装置具有异常高的温度时和/或当该装置被过充电时，打开预定部位并将提高安全性的物质释放出该容器，这些实例可以被分为三类。
根据本发明的容器的第一实施方案包含：中空圆柱管；由聚合物构成并密封该中空圆柱管一端的第一构件；由聚合物或金属构成并密封该中空圆柱管另一端的第二构件。
该容器的第一实施方案的特征在于，第一构件和第二构件之一或二者在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下熔融。在此，高于正常驱动温度的温度优选地从70℃至200℃。
当根据本发明的容器的第一实施方案中的第一构件和第二构件之一或二者熔融时，该容器的内部可以暴露到外界。
对构成第一构件和第二构件的聚合物没有特殊限制，只要该聚合物在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下熔融即可。这样的聚合物的非限制性实例包括：硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚乙醛、聚甲醛、聚环氧丙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯或类似物。上述聚合物可以单独或组合使用。构成第一构件的聚合物可以与构成第二构件的聚合物相同或不同。
此外，中空圆柱管可以由聚合物或金属构成。特别地，中空圆柱管构成根据本发明的容器的骨架。中空圆柱管优选地具有耐久性、电化学稳定性和热稳定性。
构成中空圆柱管的聚合物可以与构成第一构件和第二构件的聚合物相同或不同。优选地，构成中空圆柱管的聚合物的熔点高于构成第一构件和第二构件的聚合物的熔点。更优选地，构成中空圆柱管的聚合物在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下不熔融，而是维持其原始形状。这样的聚合物的非限制性实例包括：乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)、聚苯乙烯、聚苯醚(PPE)、聚三氟氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸亚乙酯(PET)、聚酰胺、聚己内酰胺、聚碳酸酯(PC)、聚对二甲苯(poly-(p-xylene))、聚酰亚胺(PI)、聚氧代苯甲酸酯(polyoxybenzoate)(POB)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSU)、硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚乙醛、聚甲醛、聚环氧丙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯或类似物。上述聚合物可以单独或组合使用。
此外，对构成中空圆柱管和第二构件的金属没有特别限制，只要该金属的熔点高于构成第一构件和第二构件的物质的熔点即可。优选地，该金属在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下不熔融。这样的金属的非限制性实例包括：镍、铜、铝、钛、铬、碳、铁、钴、钼、金、银、钒、SUS(不锈钢)、它们的合金、或类似物。上述金属可以单独或组合使用。
图6a是示出根据本发明的容器的第一实施方案的平面视图，该容器包含中空圆柱管100以及密封该中空圆柱管两端的第一构件200和第二构件300。聚合物构件和中空圆柱管端部可以例如通过热熔法(hotfusion process)彼此联接以使端部密封。在此，聚合物构件在中空圆柱管被密封之后被引入中空圆柱管端部。假如第一构件200和/或第二构件300由与中空圆柱管100相同的材料构成，则可将中空圆柱管的一端或两端进行热熔来密封该容器，而不使用单独的第一构件和/或第二构件。
图6b和6c分别是示出根据本发明的第一实施方案的另一种容器的平面视图，该容器包含：中空圆柱管100；由聚合物构成并密封该中空圆柱管一端的第一构件200；和由聚合物构成并密封该中空圆柱管另一端的第二构件300。在此，由聚合物构成的第一构件以隔膜(septum)或胶囊(capsule)形式被引入中空聚合管的一端。
根据本发明的容器的第二实施方案包含：由两个或更多中空圆柱管借助聚合物彼此纵向连接而成的管子；用于密封该管子一端的第三构件；和用于密封该管子另一端的第四构件。
该容器的第二实施方案的特征在于，用于连接该两个或更多中空圆柱管的聚合物在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下熔融，以使被连接的管彼此分离，并使该密封容器的内部暴露到外界。在此，高于该装置正常驱动温度的温度优选地从70℃至200℃。
在该容器的第二实施方案中，用于连接该两个或更多中空圆柱管的聚合物可以以管或板的形式存在。然而，对该聚合物的形状和厚度没有特殊限制。
此外，对用于连接该两个或多个中空圆柱管的聚合物没有特殊限制，只要该聚合物在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下熔融即可。这样的聚合物的非限制性实例包括：硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚乙醛、聚甲醛、聚环氧丙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯或类似物。上述聚合物可以单独或组合使用。
在该容器的第二实施方案中，中空圆柱管、第三构件和第四构件可以由聚合物或金属彼此独立地构成。
对构成中空圆柱管、第三构件和第四构件的聚合物没有特殊限制。因此，构成中空圆柱管、第三构件和第四构件的各聚合物可以与用于连接该两个或更多中空圆柱管的聚合物相同或不同。优选地，各聚合物的熔点高于用于连接该两个或更多中空圆柱管的聚合物的熔点。更优选地，各聚合物在在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下不熔融，而是维持其原始形状。这样的聚合物的非限制性实例与构成该容器的第一实施方案中的中空圆柱管的聚合物的非限制性实例相同。
此外，对构成中空圆柱管、第三构件和第四构件的金属没有特殊限制，只要该金属的熔点高于用于连接该两个或更多中空圆柱管的聚合物的熔点。更优选地，该金属在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下不熔融。这样的金属的非限制性实例与构成该容器的第一实施方案中的中空圆柱管的金属的非限制性实例相同。
图6d是示出根据本发明的第二实施方案的另一种容器的平面视图，该容器包含：由两个中空圆柱管100、110借助聚合物400彼此纵向连接而成的管子；和由聚合物构成并密封该中空圆柱管的第三构件200和第四构件300。
根据本发明的容器的第三实施方案包含：表面具有至少一个开口且两端密封的中空圆柱管；和用于密封该开口的聚合物构件。
该容器的第三实施方案的特征在于，用于密封开口的聚合物构件在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下熔融，以使该密封容器的内部暴露到外界。在此，高于该装置正常驱动温度的温度优选地从70℃至200℃。
对形成在中空圆柱管表面的开口的形状和尺寸没有特殊限制。
而且，对用于密封该开口的聚合物构件的形状和尺寸没有特殊限制。例如，聚合物构件500可以是凹槽状(notch-like shape)，其齿接合到(indented into)中空圆柱管100，如图6e所示；也可以是划痕状(scratch-like shape)，其作为薄层形成在中空圆柱管100上，如图6f所示。
此外，对用于聚合物构件的聚合物没有特殊限制，只要该聚合物在高于使用该容器的装置的正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下熔融。这样的聚合物的非限制性实例包括：硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚乙醛、聚甲醛、聚环氧丙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯或类似物。上述聚合物可以单独或组合使用。
在该容器的第三实施方案中，中空圆柱管可以由聚合物或金属构成。
对构成中空圆柱管的聚合物没有特殊限制。因此，构成中空圆柱管的聚合物可以与用于聚合物构件的聚合物相同或不同。优选地，该聚合物的熔点高于聚合物构件的熔点。更优选地，该聚合物在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下不熔融，而是维持其原始形状。这样的聚合物的非限制性实例与构成该容器的第一实施方案中的中空圆柱管的聚合物的非限制性实例相同。
此外，对构成中空圆柱管的金属没有特殊限制，只要该金属的熔点高于用于聚合物构件的聚合物的熔点。更优选地，该金属在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下不熔融。这样的金属的非限制性实例与构成该容器的第一实施方案中的中空圆柱管的金属的非限制性实例相同。
同时，根据本发明的容器不局限于上述第一至第三实施方案。上述实施方案的任意组合也被包括在本发明的范围内。
图7示出了如何通过将该容器***本发明的中心销来组装中心销组件。
本发明可以使用上述中心销组件来提高各种适合发生电化学反应的电化学装置的安全性，所述电化学装置包括各种一次电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池、电容器。所述二次电池优选地包括锂二次电池，诸如锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池和锂离子聚合物二次电池。然而，本发明可应用于各种电化学装置，不仅包括锂离子电池，而且包括镍氢电池和镍镉电池。本发明也可应用于期待取代锂离子电池的未来电池。
对本发明使用的电化学装置的形状没有特殊限制，该装置可以具有多种尺寸和/或形状，包括圆柱型、平板型、块型等。本发明同样可应用于组壳体(pack case)、硬组(hard pack)、和软组(soft pack)。
本发明提供了一种电化学装置组，其包括如上所述构建的单个电化学装置或基于并联或串联连接进行组合的多个电化学装置。
下面，将通过锂二次电池示例说明本发明。
锂二次电池包括：阴极，其包含锂复合氧化物作为阴极活性材料；阳极，其能够进行锂嵌入/脱出；非水电解质；和隔膜。
可以使用常规电化学装置中的普通阴极活性材料作为所述阴极活性材料。所述阴极活性材料的非限制性实例包括：锂过渡金属复合氧化物，诸如LiMxOy(M＝Co、Ni、Mn、CoaNibMnc)(例如，锂锰复合氧化物诸如LiMn2O4，锂镍氧化物诸如LiNiO2，锂钴氧化物诸如LiCoO2，其他通过将上述氧化物中的锰、镍、钴用其他过渡金属部分取代而获得的氧化物，或含锂的钒氧化物等)；或硫属化物(calcogenide)，诸如二氧化锰、二硫化钛、二硫化钼等。优选地，阴极活性材料可以是LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li(NiaCobMnc)O2(其中0＜a＜1，0＜b＜1，0＜c＜1，a+b+c＝1)、LiNi1-YCoYO2、LiCo1-YMnYO2、LiNi1-YMnYO2(其中0≤Y＜1)、Li(NiaCobMnc)O4(其中0＜a＜2，0＜b＜2，0＜c＜2，且a+b+c＝2)、LiMn2-ZNiZO4、LiMn2-ZCoZO4(其中0＜Z＜2)、LiCoPO4、LiFePO4或它们的混合物。更优选地，阴极活性材料可以是LixMO2(其中，M是Ni、Co或Mn，并且0.05≤x≤1.10)。
将阴极活性材料粘结到阴极集流体——诸如由铝、镍或它们的组合所构成的箔——以形成阴极。
可以使用常规电化学装置中的普通阳极活性材料作为所述阳极活性材料。所述阳极活性材料的非限制性实例包括：锂金属、锂合金、碳、石油焦、活性炭、石墨或其他能够进行锂离子嵌入/脱出的碳质材料(carbonaceous material)。将阳极活性材料粘结到阳极集流体——诸如由铜、金、镍、铜合金或它们的组合所构成的箔——以形成阳极。
可使用的隔膜具有微孔结构，并包括由聚乙烯、聚丙烯或它们的组合所构成的多层薄膜；或包括用于固体聚合物电解质或胶体聚合物电解质的聚合物薄膜，诸如聚偏氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物。
可用在本发明中的电解质包括式A+B-表示的盐。其中A+表示碱金属阳离子，其选自Li+、Na+、K+及其组合；B-表示阴离子，其选自PF6 -、BF4 -、Cl-、Br-、I-、ClO4 -、ASF6 -、CH3CO2 -、CF3SO3 -、N(CF3SO2)2 -、C(CF3SO2)3 -及其组合，该盐在有机溶剂中溶解或离解，所述有机溶剂选自碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、二甲基亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、四氢呋喃、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、碳酸甲乙酯(EMC)、γ-丁内酯和它们的混合物。
如上所述，本发明的中心销组件具有下列优点：当预定水平或更高的压力从外界施加时，形成在中心销表面的凸出物和排列成直线的两个对侧的边沿可以制造有意的内部短路。这防止了该电化学装置被热失控所危及，从而保障了该装置的安全性。
该中心销组件的容器具有密封结构，其内具有空间，以容纳能够提高该电化学装置安全性的物质，填充该空间的物质的量可以容易地进行调节。当没有物理冲击从外界施加时，或当该装置内的温度和电压处于正常范围时，本发明的存储提高安全性的物质的容器不影响该装置。当物理冲击(例如挤压、震动)从外界施加时、当该装置具有异常高的内部温度时、或当该装置具有由过充电导致的过量电压时，该容器的局部——其由聚合物制成——熔融，并将提高安全性的物质从该容器的空间释放到外界。这提高了该电化学装置的安全性。
这样，根据本发明的中心销组件，在中心销占据的有限空间中，可以展现出多种功能，特别是与电化学装置安全性有关的功能。

Claims (27)

1.一种中心销组件，其被***电化学装置的卷绕中心，该电化学装置具有容纳卷绕型电极组件的壳体，该中心销组件包含：
中心销，其通过将平面基材卷绕成管状而制成，该平面基材具有至少两个压花型凸出物或至少两个预定形状的不连续凹痕；和
容器，其放置在该中心销内的空间中，并与该中心销相独立地放置，
其中所述容器包含一个或多个容纳能够提高该装置安全性的物质的中空圆柱管，
其中所述至少两个凸出物或至少两个不连续凹痕配置为，当预定水平或更高的压力从外界施加时，其破坏卷绕型电极组件的隔膜和电极板，以有意地制造至少一个短路。
2.如权利要求1所要求的中心销组件，其中，当具有凹痕的平面基材被卷绕成管状时或在其被卷绕成管状之前，该平面基材的一部分形成所述至少两个凸出物，所述部分位于凹痕边界部分。
3.如权利要求1所要求的中心销组件，其中卷绕成管状的平面基材的两个对侧——它们在轴向上彼此面对——适于彼此接触而不彼此重叠，或者彼此之间留有间隙地彼此面对。
4.如权利要求1所要求的中心销组件，其中，当预定水平或更高的压力从外界施加时，卷绕成管状的平面基材的两个对侧——它们在轴向上彼此面对——的边沿凸出，以使相邻的一个或多个构件沿对应于各对侧的直线被破坏。
5.如权利要求1所要求的中心销组件，其中所述容器的结构包含：
单个中空圆柱管；
第一构件，其由聚合物构成，并密封该中空圆柱管的一端；和
第二构件，其由聚合物或金属构成，并密封该中空圆柱管的另一端。
6.如权利要求5所要求的中心销组件，其中第一构件和第二构件之一或二者在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下熔融。
7.如权利要求1所要求的中心销组件，其中所述容器的结构包含：
借助聚合物彼此纵向连接的两个或更多中空圆柱管；
第三构件，其用于密封该管的一端；和
第四构件，其用于密封该管的另一端。
8.如权利要求7所要求的中心销组件，其中连接所述两个或更多中空圆柱管的聚合物在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下熔融。
9.如权利要求1所要求的中心销组件，其中所述容器的结构包含：
单个中空圆柱管，其表面具有至少一个开口，并且其两端均被密封；和
聚合物构件，其用于密封该开口。
10.如权利要求9所要求的中心销组件，其中所述聚合物构件在高于该装置正常驱动温度的温度或高于4.3V的电压下熔融。
11.如权利要求6、8和10之任一项所要求的中心销组件，其中高于正常驱动温度的温度从70℃至200℃。
12.如权利要求5、7和9之任一项所要求的中心销组件，其中用于第一构件的聚合物、用于第二构件的聚合物、连接所述两个或更多中空圆柱管的聚合物、或用于密封所述开口的聚合物是至少一种选自以下的聚合物：硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚乙醛、聚甲醛、聚环氧丙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯和聚偏氟乙烯。
13.如权利要求1所要求的中心销组件，其中能够提高该装置安全性的物质是气体或产生气体的化合物。
14.如权利要求1所要求的中心销组件，其中能够提高该装置安全性的物质是至少一种选自以下的离子盐：Al2(SO4)3、Ca(OH)2、Mg(NO3)2、PbI2、NaCl、MgCl2和Al2(OH)3。
15.如权利要求1所要求的中心销组件，其中能够提高该装置安全性的物质是低温液体、可升华物质、或低温液体和可升华物质的混合物。
16.如权利要求1所要求的中心销组件，其中压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物形成在中心销的内周表面上、中心销的外周表面上、或中心销的内周和外周表面二者上。
17.如权利要求1所要求的中心销组件，其中所述压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物均匀地分布在平面基材的整个表面上。
18.一种电化学装置，其包含：
卷绕型电极组件，其通过堆叠和卷绕第一隔膜、具有第一电极接头的第一电极板、第二隔膜和具有第二电极接头的第二电极板而获得；
壳体，其容纳该卷绕型电极组件；和
根据权利要求1-17之任一项的中心销组件，其***该卷绕型电极组件的卷绕中心。
19.如权利要求18所要求的电化学装置，其中所述中心销组件具有压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物，该凸出物形成在中心销的外周表面，该中心销组件与电极端子绝缘，并且，当预定水平或更高的压力从外界施加时，该压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物破坏第一隔膜、第一电极板和第二隔膜，以有意地制造至少一个短路。
20.如权利要求18所要求的电化学装置，其中所述中心销组件具有压花型凸出物或通过凹痕形成的凸出物，这些凸出物形成在中心销的外周表面，该中心销组件由导电材料制成并电连接到第二电极板的第二电极接头，该中心销组件在正常状态下借助第一隔膜而与第一电极板绝缘，并且，当预定水平或更高的压力从外界施加时，这些凸出物破坏第一隔膜，以有意地制造至少一个短路。
21.如权利要求18所要求的电化学装置，其中能够提高该装置安全性的物质是气体或产生气体的化合物，该装置内装备有安全性设备，以感知该装置内的压力并反致动该装置，或迅速将该装置内的异常状态转变为正常状态，并且从该容器释放的气体的量处于使适合感知该装置内压力变化的安全性设备致动的范围内。
22.如权利要求21所要求的电化学装置，其中所述安全性设备包含至少一个选自以下的安全性设备：(i)第一安全性设备，其适合感知该装置内压力的变化，并阻止该装置被充电，或将充电状态切换到放电状态；和(ii)第二安全性设备，其适合感知该装置内压力的变化，并从该气体内放出热量或气体。
23.如权利要求22所要求的电化学装置，其中第一安全性设备包含压敏装置。
24.如权利要求22所要求的电化学装置，其中第一安全性设备包含：(i)压敏装置；(ii)电线，其用于传输来自该压敏装置的电流；和(iii)构件，其适合对经由该电线传输的电流作出响应，并阻止该装置被充电，或将充电状态切换到放电状态。
25.如权利要求22所要求的电化学装置，其中第二安全性设备是压力开启阀。
26.如权利要求22所要求的电化学装置，其中第一安全性设备、第二安全性设备、或第一和第二安全性设备二者，在高于该装置正常工作温度的温度范围内，被该装置内由该容器内气体排放压力导致的体积膨胀和压力增大致动。
27.如权利要求18所要求的电化学装置，其为锂二次电池。
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