具有热阻隔层的电池及此热阻隔层的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池，且特别是一种具有热阻隔层的电池。
【背景技术】
[0002]由于一次电池不符环保需求，因此近年来可充电的二次电池系统逐渐受到重视。随着便携式电子产品的快速发展和普遍化，锂离子二次电池又比其它电池更被普遍应用，因为锂离子二次电池与镍氢、镍锌、镍镉电池相比，具有工作电压高、能量密度大、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，也是未来应用在可挠式电池的最佳选择。锂电池在近年来发展日趋重要，除了在未来电动车中扮演重要角色，并随着3C产品的脚步广泛地进入一般生活中，例如手机、笔记本电脑或数字相机，皆由锂电池提供电力来源。
[0003]为因应未来的发展，锂离子电池需朝向高容量、高功率及大型动力趋势发展，因此电池的高温性能及安全性将成为主轴的发展方向。当锂离子电池在过充电或高温环境下使隔离膜热收缩，或当锂离子电池外壳受机械外力挤压或针刺使隔离膜遭受破坏，上述情况皆会造成电池内部正极与负极直接接触形成短路，瞬间释出大量电流，放出大量热量而有爆炸的风险。此时若无法阻隔局部的热或中止短路反应，锂电池内会引发一连串反应，进而着火，影响安全甚巨。
[0004]因此，此技术领域的技术人员必须针对锂电池进行各方面的改良，以期提高电池性能及其安全性。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种具有热阻隔层的电池，包括:正极极板与负极极板；隔离膜，设于正极极板与负极极板之间；及热阻隔层，设于正、负极极板至少其一与隔离膜之间，其中热阻隔层具有四足锥状表面形貌(surface morphology),以上元件皆含浸于电解质中。
[0006]本发明更提供一种热阻隔层的制造方法，包括:将0.1?60重量份的四足锥状(tetrapod-shaped)粉体、0.1?30重量份的黏着剂加入99.8?10重量份的溶剂均匀混合，使之形成100重量份的分散液；及将分散液制成具有四足锥状表面形貌(surfacemorphology)的热阻隔层于电池的电极极板或隔离膜间。
[0007]为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【附图说明】
[0008]图1为本发明实施例的四足锥状粉体的示意图；
[0009]图2为本发明实施例的具有四足锥状表面形貌(surface morphology)的热阻隔层的剖面示意图；
[0010]图3为本发明实施例的具有热阻隔层的电池的剖面示意图；
[0011]图4A为四足锥状粉体于扫描式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)下的影像；
[0012]图4B为四足锥状粉体于穿透式电子显微镜（Transmission ElectronMicroscope, TEM)下的影像；
[0013]图5A显示未具有热阻隔层的负极极板以扫描式电子显微镜（scanning electronmicroscope, SEM)观测的上视图；
[0014]图5B为具有四足锥状表面形貌的热阻隔层的负极极板以扫描式电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)观测的上视图；
[0015]图6为未具有热阻隔层的电池与具有四足锥状表面形貌热阻隔层的电池的循环寿命测试图；
[0016]图7为未具有热阻隔层的18650全电池的过充分析图；
[0017]图8为具有四足锥状表面形貌的热阻隔层的18650全电池的过充分析图；
[0018]图9为未具有热阻隔层的铝薄包电池的浅压微短路测试图；
[0019]图10为具有四足锥状表面形貌热阻隔层的铝薄包电池的浅压微短路测试图；
[0020]图11为具有圆形表面形貌的热阻隔层的电池的高温循环寿命测试图；及
[0021]图12为具有四足锥状表面形貌的热阻隔层的电池的高温循环寿命测试图。
[0022]【附图标记说明】
[0023]I正极极板；
[0024]3负极极板；
[0025]5隔离膜；
[0026]6电解质溶液；
[0027]7、7a、7b 具有四足锥状表面形貌的热阻隔层；
[0028]10四足锥状粉体；
[0029]12足；
[0030]20黏着剂；
[0031]30电池元件表面；
[0032]40四足锥状表面形貌；
[0033]50具有热阻隔层的电池；
[0034]D四足锥状粉体的足的直径；
[0035]L四足锥状粉体的足的长度；
[0036]Tl、T2及T3电池的表面温度。
【具体实施方式】
[0037]以下针对本发明的具有热阻隔层的电池及此热阻隔层的制造方法作详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明的不同实施方式。以下所述特定的元件及排列方式尽为简单描述本发明。当然，这些仅用于举例而非对本发明的限定。此外，在不同实施例中可能使用重复的附图标记。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。再者，当述及一第一材料层位于一第二材料层上或之上时，包括第一材料层与第二材料层直接接触的情形。或者，亦可能间隔有一或更多其它材料层的情形，在此情形中，第一材料层与第二材料层之间可能不直接接触。
[0038]在此，“约”、“大约”的用语通常表示在一给定值或范围的20%之内，较佳是10%之内，且更佳是5%之内。在此给定的数量为大约的数量，表示在没有特定说明的情况下，其可隐含“约”、“大约”的用语。
[0039]本发明提供的具有热阻隔层的电池是在正、负极极板至少其一与隔离膜之间设置具有四足锥状表面形貌的热阻隔层，因此当电池发生局部短路时，此具有四足锥状表面形貌的热阻隔层可阻隔局部的热扩散。且当隔离膜融熔收缩时，热阻隔层中的四足锥状粉体可防止正极极板与负极极板直接接触。以下先针对此热阻隔层的制造方法作详细说明。
[0040]首先，将0.1?60重量份的四足锥状(tetrapod-shaped)粉体、0.1?30重量份的黏着剂加入99.8?10重量份的溶剂均匀混合，使之形成100重量份的分散液。例如，可将约5?30重量份的四足锥状(tetrapod-shaped)粉体、3?15重量份的黏着剂加入92?55重量份的溶剂均匀混合，使之形成100重量份的分散液。
[0041]此四足锥状粉体的材料可为Zn、Sn、Mg、Al、S1、V、Zr、T1、Ni中一种元素的氧化物、氮化物或碳化物，或者上述元素中至少两种的氧化物、氮化物、或碳化物、或上述的组合。此四足锥状粉体可通过将上述金属的微米级金属粉体送入电浆之中而制得。例如，在一实施例中，利用电浆反应器的电极产生氮气的电浆，其能量约60kW至约80kW。将微米级金属粉体以空气作为载送气体送入电浆之中，使微米级金属粉体汽化解离，气体的流量为约Sslm至约12slm，微米级金属粉体的进料速率为每小时约0.5至约2.0kgo含有氮气的气氛压力控制在常压条件约0.5bar至约2bar，使汽化的原料粉体的金属气体原子与空气中的氧气分子反应而氧化，并以成核成长方式生成纳米金属氧化物粉体。通入大量的冷却气体(可氮与空气的混合气)使纳米金属氧化物粉体快速冷却，冷却气体的流量为约3000slm至约4000slm，整个反应过程在约10_2至约KT1秒内完成。在另一实施例中，进行与上述方法类似的制造步骤，但使用氮气作为载送气体，即可制得材料为金属氮化物的四足锥状粉体。关于上述四足锥状粉体的制备及特性，可参照本发明的申请人的相关专利TW 1246939。
[0042]此四足锥状粉体可于后续形成的热阻隔层中形成三维立体隔热保护结构，故当隔离膜因电池发生局部短路而融熔收缩时，此三维立体隔热保护结构可防止电池的正极极板与负极极板直接接触，隔绝全面性的短路。此外含有四足锥状粉体的热阻隔层电池，在高温(40?60°C )环境中，比未含有四足锥状粉体的热阻隔层电池具有更长的高温循环寿命。
[0043]图1为四足锥状粉体的示意图。如图1所示，四足锥状粉体10是由四支足12所构成。此四足锥状粉体10的足的长度L为约1nm?约5 μ m，例如为约50nm?约I μ m。另夕卜，四足锥状粉体10的足的直径D为约1nm?约2 μ m，例如为约30nm?约500nm。应注意的是，若四足锥状粉体10的足的长度L过短，例如短于约10nm，则后续形成的热阻隔层的孔隙度将会过小，阻碍电池内部离子的流动，且会使电池的内电阻增加。然而，若四足锥状粉体10的足的长度L过长，例如长于约5 μ m,则四足锥状粉体10将无法均匀分布于后续形成的热阻隔层中，且此热阻隔层的孔隙度将会过大，无法有效提升电池的安全性。再者，若四足锥状粉体10的足的直径D过小，例如短于约10nm，则此四足锥状粉体10的足12很可能在分散过程中断裂。然而，若四足锥状粉体10的足的直径D过大，例如长于约2 μ m，则后续形成的热阻隔层的具有较高阻抗，使电池的内电阻增加。
[0044]黏着剂是用于将四足锥状粉体彼此黏合或附着于电池元件表面。此电池元件可为电池的正极极板、负极极板或隔离膜。此黏着剂可为聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride, PVDF)、聚六氟丙烯-聚偏氟乙烯(polyhexafluoropropylene-polyvinylidene