TWI288983B - A safety device for preventing overcharge of secondary batteries and secondary batteries therewith - Google Patents

Description

1288983 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一安全裝置，其包括一簡單之安全元 件’用以避免二次電池因過度充電而產生過壓和過熱。 5 【先前技術】 一— 人電池之電池包括有傳統鎳錦電池（nickel/cadiumn， φ Nl/C句、鎳氫鋰離子電池（nickel metal hydride，Ni/MH，i〇n lithium battery)及現在的鋰離子電池等，其皆能夠充電與放 10 电。近年來，人們對链離子電池漸增的興趣使得對其之研 究與發展越發興盛。那是因為鋰離子電池較習知鎳鎘電池 人鎳IL龟池專具有較咼之能量密度（energy denSity)。即，因 為鋰離子電池可以製造成體積小與重量輕之電池，所以其 不僅可以作為可移動裝置如手機、攝錄影機及筆記型電腦 15 等之電源，亦可以作為電動車之電源。 除了上述優點，鋰離子電池卻也有因過度充電而容易 相壞之缺點。即，萬一二次電池忽略了防過度充電之安全 衣置則會有發生思外的風險，其會引起***燃燒而危害 生命財產。 20 考慮過度充電時形成電池之各成分間之作用，作為鋰 離子電池陰極活性材料之鋰鈷氧化物（Uc〇〇2)與電解質之 間有越來越多的副作用。且，此副作用會引起陰極活性材 料^結構崩解及電解質之氧化。因此，鐘將會沈積於由石 墨等所組成的陽極活性材料中。如果電壓於電池達到上述 5 1288983 狀悲後仍不斷地升高’那麼電池就會***或燃燒，因而引 發意外。 特別是，當使用於二次電池之電壓標準係為高電壓 時，情況會變得更糟。例如，如果將經二次電池連接至一 5 汽車之供電系統上，12伏特之電壓被提供予一汽車，而藉 由串聯連接兩個12伏特之供電系統可提供2 4伏特之電壓予 一卡車。如此一來，萬一突然提供超過二次電池之特定標 準電壓時’就需要安全裝置來避免二次電池產生立即的過 # 壓。 10 在先前技術中，通常使用一高價、結構複雜且面積龐 大之充電/放電控制電路來避免二次電池過壓。一般來說， 充電/放電控制電路係如此構成，一輸入電壓和電池電壓， 或一輸出至外部之輸出電壓和電池電壓相比以選擇開關充 電/放電電路。但是，因為充電/放電控制之控制參數為電 15 壓，所以就難以避免二次電極過熱（溫度）的情況。避免二次 電池過熱的方法可以為添加一溫度反應元素，例如正溫度 _ 係數（PTC)或一熱截止（thermal cutoff)。在充電/放電控制電 路中添加正溫度係數或熱截止可以藉由切斷過度充電之供 應電流而助於避免電池過度充電和電池溫度的增加。然 20 而’因為正溫度係數或熱截止在超過一特定溫度時才會有 所反應，所以電池溫度必須增加超過特定溫度，正溫度係 數或熱截止才會啟動。且，萬一電池已經在充電了，只靠 正溫度係數或熱截止很難讓電池保持穩定，因為其只有在 電池溫度因外在衝擊、外在環境改變和内部短路等原因而 6 1288983 升高時，才會切斷其供應電流。 【發明内容】 本發明之一目的在於使用一簡單之安全元件安全地避 5 免一次電池因過度充電而過壓和過熱。 本發明提出结構 簡單之新接觸式安全裝置。該接觸式安全裝置其特徵係將 兩個元件完全接觸，其在發生過度充電時，有助於就電壓 與熱兩個因素而進行放電。 • 根據本發明之接觸式安全裝置，其特徵在於將一定壓 10 元件（⑶nstant voltage element)，其在上述特定電壓下具放 電/放熱特性，與一金屬絕緣轉變（metal insulator transition， MIT)元件，其在上述特定溫度下具放電特性，碰觸在一起。 由於當過度充電發生時，定壓元件中所產生的熱會影響到 MIT元件而使得MIT元件進行放電，所以即使使用電容低之 15 定壓元件，仍可獲得二次電池之穩定性。 根據本發明之接觸式安全裝置，其特徵在於電壓超過 •二次電池標準所供應之部分首先係以定壓元件之放電特性 來控制其放電，而因為在第一放電過程中，定壓元件所產 生的熱會引起定壓元件附近的MIT元件開始作用，所以產生 2〇 了一次放電。此時，MI***件藉由對其他因素與定壓元件放 熱所引起之溫度增加所產生的反應而進行放電。因此，可 以就電壓與溫度兩個因素而進行放電，並且因為定壓元件 之放電/放熱特性與MIT元件之放電特性互相結合，所以可 以增進放電效果。處於放電狀態的電池在外在環境改變' 7 1288983 外在衝擊和内部短路等所引起的問題中較為安全，因為處 :放電:大態之電池較處於充電狀態之電池擁有較低的能 量，且前者在活性材料和電解質中保有較穩定的狀態。 5 【實施方式】 本發明係利用一結構簡單且嶄新的接觸式安全裝置而 使得二次電池在過度充電時能夠安全地避免過壓和過熱。 即，依據本發明之接觸式安全裝置中，過度充電時從定壓 瞻元件產生之熱會立即引起MIT元件之運轉，其係透過完全結 10合鄰接之對過壓反應之定壓元件和對過熱反應之]^汀元件。 更明綠地解釋本發明一種接觸式安全裝置之各元件， 定壓元件如同一濟納二極體（Zener di〇de)或一壓敏電阻 (varistor)，其在外部電壓超過預設值，如過度充電等時， 具有使電流急速流動之特性。即，藉由在過度充電時釋放 15 電流以降低電池之電壓可以取得電池之穩定性。特別是， 在龟谷小之疋壓元件中’漏電流（leakage current)之電壓與 φ 帶急電流之電壓間之間隔時間很短。因此，在過度充電時， 初次放電發生於漏電流開始在定壓元件中流動時，接著， 當帶急電流之電壓抵達時，定壓元件所產生的熱會影塑到 20 MIT元件，因而造成MIT元件之放電。 因此，即使使用電容小之定壓元件作為接觸式安全裝 置，亦能改善其穩定性。 同時，MIT元件係由飢類氧化物質，如氧化飢（vq)、 二氧化鈒（V〇2)、三氧化二凱（V2O3)等’及三氧化二鈦（Ti2〇3) 8 1288983 - 或添加St、鋇（Ba)、鑭（La)等元素之物質所組成，其具有在 上述特定溫度下突然降低電阻之金屬絕緣轉變（Μι乃特 性。因此，可以保護電池之安全，因為在溫度增加時，電 阻的降低使得電流向外流動，因而造成較低的電壓。 5 MIT元件之臨界溫度較佳為等於或大於50°C且低於 150°C。小於50°C，電阻就會開始降低，剩下的電容也就跟 著減少，因為電池在其典型使用的温度—2(rCs6〇c>c之間會 放電。超過150°C，電阻亦會開始降低，電池將因外在衝擊 # 或環境而燃燒殆盡或***。 10 此後，將配合圖式詳細說明本發明之較佳實施例。 圖1A顯示根據本發明一實施例連接一接觸式安全裝置 與一電池之結構圖。接觸式安全裝置所含元件間之連接及 其與二次電池各電極的連接如下··首先，一定壓元件丨和一 MITtg件2之各一側面以水平向（一個接觸面）互相連結；定 15壓元^ 1係並聯連接於電池之一陰極引線（cathode lead) i 2 和一陽極引線（anodelead)u之間；而Μιτ元件2也係並聯連 _接於電池之陰極引線12與陽極引線u之間。 圖1B顯示如圖1A所述之接觸式安全裝置之周圍塗覆 以一防腐及防潮外層材質之結構圖。在此情況下，定壓元 20件# MIT元件亦係透過防腐和防潮外層材質而完全碰觸連 接。圖1B中與圖1A相同，係為各電極與各接觸元件之連結 結構。 而圖1C顯示在定壓元件與赠元件之周圍塗覆以一防 腐及防潮外層材質之結構，各自將二個元件之一側面以水 9 1288983 平向（一個接觸面）連結在一起。在此情況下，定壓元件和 MIT元件亦係透過防腐和防潮外層材質而完全碰觸連接。圖 1C中與圖1A相同，係為各電極與各接觸元件之連結結構。 依據圖1A至1C所述之接觸式安全裝置，其一次放電係 5透過一連接至定壓元件之金屬線，並受定壓元件放電特性 之控制，發生於當外部電壓增加超過特定電壓時，而當定 壓元件一次放電所引起之熱使得與定壓元件完全相連之 ΜΙΤτο件之溫度升高時，二次放電透過連接至Μιτ元件之金 ⑩I線而放電，其係由定壓元件之放熱特性所控制。因此， 10 ΜΙΤ元件進行放電係因其他因素所引起的溫度增加，還有因 為ΜΙΤ元件對與定壓元件放熱相關之放電所引起之電壓增 加所產生的反應。 而接觸式安全裝置之各個元件在彼此連接之後可以塗 覆以一防腐及防潮外層材質，如圖1Α所示，而每個元件亦 15可以在塗覆一防腐及防潮外層材質後再連結在一起，如圖 1C所示。 • 圖2Α顯示根據本發明另一實施例連接一接觸式安全裝 置與一電池之結構圖。請參照圖2Α，定壓元件丨和厘打元件 2之各一側面以水平向（一個接觸面）互相連接，一電接點 20 (eleCtrk C〇ntaCt)5與定壓元件和ΜΙΤ元件成縱向形成於其 兩端，而接觸式安全裝置14之各個元件係透過電接點5以一 共同金屬線與二次電池之陰極引線與陽極引線並聯相接。 即便在此情況下’定壓元件與Μ ζ τ元件兩者皆係並聯連接於 陰極與陽極之間。 1288983 ，而圖2B顯不如圖2A所述之接觸式安全裝置之周圍塗 覆以一防腐及防潮外層材質之結構。在此情況下，定壓元 件與MIT兀件係透過防腐和防潮外層材質而完全連接。 如圖2A及2B所述之接觸式安全裝置，其特徵在於一金 5屬與傳導物質之電接點係與接觸式安全裝置成縱向形成於 其兩端，其中接觸式安全裝置之定壓元件與MIT元件係連接 在一起，而透過此電接點能以一共同金屬線連結陰極引線 與陽極引線。 • 且，在圖2A及2B所述之接觸式安全裝置中，電接點係 10形成於接觸式安全裝置之兩端。因此，如果陰/陽極引線和 接觸式安全裝置之各元件係透過一共同金屬線連接，那麼 放電就會經由該共同金屬線來進行，而不是透過定壓元件 和MIT元件上個別之金屬線來進行。如此一來，將有助於減 少連結金屬線與各元件過程中所需要的連結物之數量。 15 圖3A顯示根據本發明另一實施例連接一接觸式安全裝 置與一電池之結構圖。請參照圖3A，定壓元件1與]^1 ***件 φ 2係透過電接點5以一側面（一接觸面）以水平向互相連接。另 一電接點5係形成於各元件之另一水平方向面（一相反面）。 一共同金屬線3，透過其連接二次電池之陰極引線，其係連 20接至介於定壓元件與ΜΓΓ元件間接觸面之電接點5上。而二 次電池之陽極引線11係透過個別之金屬線3連接至mit元件 2之另一面（相反面）上之電接點5。因此，定壓元件1與μιτ 元件2係並聯連接於電池之陰極引線12與陽極引線u之間。 而圖3B顯示如圖3 a所述之接觸式安全裝置之周圍塗 π 1288983 •覆以一防腐及防潮外層材質之結構。即使在此情況下，定 麼元件與謝元件仍係透過防腐和㈣外層材質以全= 接。

圖3A與3B所述之接觸式安全裝置具有電接點$其以水 5平向形成於各個元件之另一側（相反面），而非如K2AA2B 所述之電接點5其形成於接觸式安全裝置之兩端。在此情況 下，二次電池之陰極引線12和連接至各元件接觸面之電接 點係透過-共同金屬線互相連接，而陽極引線⑴系透過一 _至屬線3連接至各自形成於定壓元件與Μιτ元件另一面（相 1〇反面）上之電接點5。因此，定壓元件與ΜΙΤ元件係並聯連接 於陰極引線與陽極引線之間。 一如圖3Α及3Β所述之接觸式安全裝置，其係透過形成於 各凡件接觸面與相反面上之電接點連接二次電池之陰/陽 極引線。在此情況下，思及接觸式安全裝置之電接點係以 15沈澱法等所製成，則上述實施例相較於圖2Α及2Β所示縱向 形成之電接點而言，較易於生成陰/陽極引線。 φ 圖顯示根據本發明一實施例將接觸式安全裝置連接 至電池内部之結構圖。 圖4Β顯示根據本發明一實施例將接觸式安全裝置連接 20 至電池外部之結構圖。 士圖1Α至3Β所示之接觸式安全裝置可以連接於二次 之陰極引線12與陽極引線11之間，且可連接於電池之 内部或外部。 圖5係一表示一濟納二極體（Zener diode)，一種定屋裝 12 1288983 置，其電流-電壓特性之曲線圖。 定壓元件係指電壓因漏電流之電壓超過特定供應電壓 而使電壓下降之元件。請參照圖5,如果供應超過3.5伏特之 電壓，則元件會到達漏電流區，而若不斷增加電壓，則元 5 件就會到達崩潰區而造成元件之完全損壞。且電容越小， 漏電流就越小，而漏電流所產生之電壓與不連貫傳導電流 之電壓間之差異也就越小。放熱現象隨著傳導而產生。此 放熱現象將再加以詳述。 B 圖6係一表示具MIT特性之材質在其溫度增加或降低 10 時電阻變化之曲線圖；而圖7係一表示負溫度係數熱敏電阻 ϋ (negative temperature coefficient(NTC) thermistor device) 在其溫度增加或降低時電阻變化之曲線圖。 請參照圖6，MIT元件之電阻在電池溫度增至70°C時突 然減小，而當電池溫度降至62°C時，電阻卻突然增加，這 15 顯示了整體的磁滯曲線（hysteresis curve)。改變MIT元件電 阻之溫度較佳為約50°C至150°C。 ^ 請參照圖7，其不同於圖6所示之MIT元件中突然的電 阻變化，因為NTC元件之電阻變化特性係由半導體中之溫 度變化所控制，該電阻變化係以指數函數曲線圖 2〇 (exponential function graph)表示。在半導體中，溫度越高， 電阻就下降得越厲害，因為傳送至導電帶（conduction band) 之電子數增加且導電帶中電子之流動性亦增加。因此， NTC，其主要使用於130°C之範圍内，將具有如圖7所示之 電阻變化曲線。所以NTC熱敏電阻器並不適於使用，因為 13 1288983 電池在-20 °C至60 °C範圍内產生之漏電流會使得電池放 電，但通常也是使用電池之溫度範圍。 然而，MIT元件電阻-溫度變化之形式與NTC元件之形 式不同’負'/JHL度係數元件係在半導體中具有一電阻_溫度變 5 化’而既然MIT元件具有金屬絕緣轉變特性，故在特定溫度 下’電阻自絕緣體至金屬間可迅速變化，如圖6所示。因此， Μ IT元件可以穩疋使用、避免電池放電之缺失，且只有在電 池過度充電時才會驅使電池放電。就這一點而言，本發明 # 採用MIT元件做為避免過度充電之安全裝置之一要素。 10 圖8係一表示若提供一穩定電流1安培（A)至濟納二極 體，一種定壓裝置，而電壓增加所引起之溫度變化曲線圖。 請參照圖8 ’其可以證明在傳導隨著濟納二極體而啟動 時’溫度會突然地增加。 圖9係一表示若提供一定電流i安培（A)至壓敏電阻 15 (varistor)，一種定壓裝置，而電壓增加所引起之溫度變化 曲線圖。 • 同樣地，從圖9中可以證明當傳導隨著壓敏電阻而啟動 時，溫度會突然地增加。 本發明係介於二次電池之陰極引線與陽極引線之間， 20並聯連接接觸式安全裝置，其包含在超過特定電壓時具放 電/放熱特性之定壓元件，和在超過特定溫度時具放電特性 之MIT元件，因而在過度充電時，可以就電壓和溫度兩個因 素而引起放電。 換曰之，如果發生過度充電，當電流流向定壓元件時， 14 1288983 定壓元件會釋放出熱能。此時，相連的MIT元件具有對定壓 X件溫度增加反應度低之電阻，因而透過電流形成高放電。 因此’根據本發明，將MIT元件連接至定壓元件上， 其中其溫度在電壓增加時會隨著電流的傳導而增加，因而 旎夠解決不僅是由溫度增加，還有電壓增加所造成的燃燒 與***之安全問題。 【圖式簡單說明】 10 15 20 圖1A顯示根據本發明一實施例連接一接觸式安全裝 置與一電池之結構圖。 圖1B顯示如圖1A所述之接觸式安全裝置之周圍塗覆 以一防腐及防潮外層材質之結構圖。 圖1C顯示在如圖1A所述之元件各自於其周圍塗覆以 -防腐及防潮外層材質後彼此接觸之結構圖。 圖2A顯示根據本發明另— 裝置與-電池之結構圖以例連接-接觸式安全 圖^顯示如_所述之接觸式安全 以一防腐及防潮外層材質之結構圖。 後 圖3A顯示根據本發明一 裝置與-電池之結構圖。“例連接-接觸式安全 圖3B顯示如圖3A所述之 容 以-防腐及防潮外層《之結構=^衣置之周圍塗覆 圖4 A顯示根據本發明一每 接至電池内部之結構圖。Ί : _式安全裝置連 15 置連接 種定壓裴置，其電流

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1288983 圖4 B顯示根據本發明—實施例將 至電池外部之結構圖。 飞女王衣 圖5係一表示一濟納二極體， 電壓特性之曲線圖。 圖6係-表示具MIT特性之材質在其溫度增加或降低 時電阻變化之曲線圖。 圖7係一表示NTC熱敏電阻器在其溫度增加或降低時 電阻變化之曲線圖。 圖8係一表示若提供一穩定電流1安培（A)至濟納二極 體’ 一種定壓裝置，而電壓增加所引起之溫度變化曲線圖。 圖9係一表示若提供一穩定電流1安培（A)至壓敏電 阻，一種定壓裝置，而電壓增加所引起之溫度變化曲線圖。 【主要元件符號說明】 1 定壓元件 2 MIT元件 3 金屬線 5 電接點 11 陽極引線 12 陰極引線 14 接觸式安全裝置 16 15

Claims (1)

1288983 十、申請專利範圍： 1. 一種接觸式安全裝置，其具有互相結合之一定壓元 件 （constant voltage element)與一金屬絕緣轉變元件 (metal insulator transition (MIT) element)，該定壓元件在超 5 過預設電壓時具有放電/放熱特性，該MIT元件在超過預設 溫度時具有放電特性。

10 2·如申請專利範圍第1項所述之接觸式安全裝置，其 中該MIT元件之臨界溫度為等於或大於5〇。(3且低於15〇。(3。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之接觸式安全裝置，其 中該定壓元件係為一濟納二極體（Zener di〇de)或一壓敏電 阻（varistor) 〇 4.如申請專利範圍第1項所述之接觸式安全裝置，其 中該定壓元件具有低電容。

20 5·如申請專利範圍第1項所述之接觸式安全裝置，更 包括一電接點（electrical contact)形成於介於該接觸式安全 裝置中的該定壓元件與該MIT元件間之水平向接觸面上。 6·如申請專利範圍第5項所述之接觸式安全裝置，更 包括-電接點，其係形成於與該接觸式安全裝置成縱向之 兩端表面上。 7.如申請專利範圍第5項所述之接觸式安全裝置，更 Hi轉點’形成於水平向之減面上，其係相對於該 接觸式女全裝置之水平向接觸面。 夕」8.—種二次電池’其係透過如申請專利範圍第1至5項 壬—項中所述之接觸式安全裝置之個別金屬線而相連 17 1288983 接’其中該定壓元件與該MIT元件係連接於該電池之一陰極 引線與一陽極引線之間。 、9· 一種一次電池，其中一陰極引線與一陽極引線係透 過一共同金屬線分別連接至如申請專利範圍第6項所述之 5 接觸式安全裝置之兩端。 10· —種二次電池，其中，在如申請專利範圍第7項之 接觸式安全裝置中，該電池之陰極端係透過一共同金屬線 連接至-電池接點，其形成於該定壓元件與該體元件間之 _接觸面，而该電池之陽極端係透過個別之金屬線連接至電 10接點，其個卿成於相對於該定壓元件與該ΜΙΤ元件 面之相反面。 η· 一種二次電池，其中如申請專利範圍第1至7項之 任-項所述之接觸式安全裝置係位於該二次電池内部，、 接於該二次電池之一陰極引線與一陽極引線之間。 15 12· 一種二次電池，其中如申請專利範圍第⑴ 任一項所述之接觸式安全裳置係位於該二次電池外部，、 接於该,一次電池之一降；31綠如 η φ π極引線與一％極引線之間。 18