[发明专利]安全性强化的电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极，其包括电极活性材料粒子、导电粒子、粘合剂和蜡，制造所述电极的方法，以及使用所述电极的电化学装置。 

背景技术

近来，对能量储存技术的兴趣骤增。特别是，电化学装置的应用已延伸至移动电话、可携式摄像机、手提电脑、计算机以及电动车辆，因此发展此类电化学装置的努力和尝试日益实现。基于此点，电化学装置领域受到高度关注，尤其是有很多兴趣集中在可再充电二次电池的发展。在现今使用的二次电池中，在1990年代早起发展出的锂离子二次电池，因为其工作电压及能量密度高于使用含水溶液电解质的传统电池，如镍氢电池、镍镉电池及硫酸铅电池，因而受到关注。 

然而，当电池在充满电状态下，其电池温度会因环境的变化，如受到压力、钉、镊子等外力撞击、环境温度上升、过度充电等而升高，锂离子二次电池可能会因电极活性材料与电极反应而发生膨胀，或更糟的是爆炸或燃烧。 

特别是，阴极活性材料对电压敏感。所以，在电池被充电时使电压的上升，使阴极与电解质反应度增加，阴极的表面会被溶解，导致电解质的氧化。因此，使得燃烧及爆炸可能性增高。 

“高温过度充电”是危险事件，可能会造成锂离子电池变成最坏的情况。例如：若锂离子电池在高于4.2V过度充电，其电解质开始溶解，如果温度增加至燃点，则发生燃烧的可能性就会增加。 

安全问题亟需解决，因为电池，尤其是非水电解质二次电池，如锂离子二次电池被设计为具有高电容量与高能量密度。 

发明内容

本发明目的是提供一种电化学装置，其中安全性通过依靠电阻中断电流而提升，所述电阻对装置内的温度增加迅速响应而增加。 

本发明提供一种电极，包括电极活性材料粒子、导电粒子、粘合剂和蜡，其中电极活性材料粒子通过导电粒子的网络互相连接，而连接电极活性材料的导电粒子的路径被蜡部分或全部固定；以及包括所述电极的电化学装置。 

另外，本发明提供一种制造电化学装置的方法，其包括下列步骤： 

(a)制备浆料，其中将(i)电极活性材料粒子、(ii)导电粒子、(iii)粘合剂和(iv)蜡，分散在溶剂中； 

(b)将所述浆料涂覆在集流体上，并干燥和压制所述浆料以提供电极；以及 

(c)组装电化学装置，其包括由步骤(b)所得电极，以及注入非水电解质至该装置内。 

以下，将对本发明作详细描述。 

蜡是一种低聚物，容易被熔化并具有非常低的熔融粘度，不像聚合物具有高粘度。这样的蜡为一种油膏状(unctuous)固体，具有可滑动性及可塑性，并具有500至10,000范围的低分子量。 

本发明的特征在于隔开的电极活性材料粒子通过导电粒子的网络互相连接，而连接电极活性材料的导电粒子的路径被蜡部分或全部固定(见如图1)。 

作为电子导电通道时，彼此相互连接的导电粒子，连接隔开的导电活性材料。 

电化学装置具有前述特征时，可使装置内安全性有所提升(见图3及图5)。特别是，若电化学装置内的温度因过度充电等而超过蜡的熔点时，蜡会熔解及流动遍及电极内形成的孔。因此，用蜡固定的导电粒子彼此间会分开(如图1)，因而电极的电阻增加而使得电流中断。于是，该装置内部温度不再增加。 

例如，当电池过度充电时，电池内的温度会增加。结果，电极中的蜡熔化因而增加电极的电阻，使得过量充电立即停止以避免电池的爆炸及燃烧。 

同时，当相较于聚合物时，蜡是一种寡聚物，具有很低的熔融粘度，并在熔化时具有优异的流动性(mobility)。因此，当蜡熔化时可迅速地分散，可有效地使电极中导电粒子分开。由于其对电化学装置内的温度增加反应时间短，可获得装置内的安全性有效达成。 

蜡的熔融粘度优选范围在10-1,000mPa.s，更优选400mPa.s或更低。另外，优选当装置内部温度增加至一定程度时，蜡会具有前述熔融粘度，以使电流中断。 

如熔融粘度低于10mPa.s，蜡所具有的分子量会过低，以致于导电粒子的网络无法有效地分开。在这种情况下，安全性的有效提升无法达成。如熔融粘度高于1,000mPa.s，高熔融粘度导致流动性的降低，会使得导电粒子的网络无法被迅速分开。 

蜡的分子量优选等于或小于10,000。分子量太大引起粘度等的增加而流动性降低，会使得因温度增加引起的电极电阻增加的反应速度降低。蜡的分子量下限值可由如上述熔融粘度下限值来决定。