TWI462365B - 用於可攜式電子裝置之高電壓鋰-聚合物電池 - Google Patents
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Description
依據35美國專利法第119條,本申請案在此請求優先權至美國法規申請案號61/551324,標題為「用於可攜式電子裝置之高壓鋰-聚合物電池」,由Hongli Dai於2011年10月25日申請(代理人案卷號:APL-P12705USP1)
本實施方式關於用於可攜式電子裝置的電池。更具體地,本實施方式關於用於可攜式電子裝置的高電壓鋰-聚合物電池的設計和製造。
可再充電電池是目前使用以提供電力到各種各樣的可攜式電子裝置,包含筆記型電腦,平板電腦,行動電話,個人數位助理(PDA),可攜式媒體播放器,和/或數位照相機。可再充電電池的最常用的類型是鋰電池,其可包含鋰離子電池或鋰-聚合物電池。
鋰-聚合物電池通常包括封裝在撓性袋中的單元。這樣的袋是典型地重量輕和廉價來製造。此外,這些袋可針對不同的單元尺寸,允許鋰-聚合物電池被使用在空間受限的可攜式電子裝置中,如行動電話,筆記型電腦,和/或數位相機。例如,鋰-聚合物電池單元可以藉由在鍍鋁層疊袋中包圍滾動電極和電解液達到90-95%的封裝效
率。然後多個袋可以並排放置可攜式電子裝置內並且串聯和/或並聯地電耦接以形成用於可攜式電子裝置的電池。
在操作期間,鋰-聚合物電池的容量可能會隨著時間而從內部阻抗,電極和/或電解液劣化,過多的熱量,和/或異常使用中的增加減少。例如,電解液的氧化和/或電池內的陰極和陽極材料的劣化可藉由反覆充電-放電循環和/或老化所造成,其反過來可導致在電池的容量中逐漸減少。當電池繼續老化和劣化時,容量的減少率可增加,尤其是若電池被連續在高充電電壓下充電和/或在高溫下操作。
鋰-聚合物電池隨著時間的連續使用也可產生在電池的非剛性單元的膨脹,並最終導致電池超過可攜式電子裝置之指定的最大實體尺寸。此外,習知的電池監控機制可不包括管理電池膨脹的功能。結果,裝置的用戶可不知道電池的膨脹和/或劣化,直至膨脹導致裝置實體的損壞。
因此,所需要的是一種用於在用於可攜式電子裝置之高電壓鋰-聚合物電池中最小化膨脹和改善容量保持之機制。
所揭露的實施方式提供了一種鋰-聚合物電池單元。鋰-聚合物電池單元包括陽極和包含摻雜有摻雜劑的鋰鈷氧化物粒子的陰極。鋰-聚合物電池單元亦包括封入陽極和陰極的袋,其中袋是撓性的。陰極可允許鋰-聚合物電
池單元的充電電壓大於4.25V。
在一些實施方式中,摻雜劑包括的鎂,鈦,鋅,矽,鋁,鋯,釩,錳,或鈮的元素或化合物。化合物可對應於氧化物,磷酸鹽,和/或氟化物。使用如感應耦合電漿質譜儀(ICP-MS)技術的技術,在陰極中的摻雜劑和保護化學品組合的含量可大於0.02%和少於0.8%。
在一些實施方式中,鋰鈷氧化物粒子具有5微米和25微米之間的中值粒子尺寸(D50)。
在一些實施方式中,鋰鈷氧化物粒子進一步塗佈有保護化學品。
在一些實施方式中,保護化學品是大約200奈米厚。保護化學品亦可包括氧化物,磷酸鹽,和氟化物。
在一些實施方式中,電池單元亦包括含有電解液添加劑的電解液。電解液添加劑可包括碳酸伸乙酯,乙酸乙烯酯,乙烯基碳酸伸乙酯,噻吩,1,3-丙烷磺內酯,琥珀酸酐,和二腈添加劑。二腈添加劑可以是丙二腈,丁二腈,戊二腈,己二腈,和/或鄰苯二甲腈。
在一些實施方式中,二腈添加劑的含量少於電解液的5重量%。
在一些實施方式中,單元中的水含量是少於百萬分之200(ppm),較佳少於20 ppm。
在一些實施方式中,袋是少於120微米厚。
以下的說明被提出以使任何習知技藝者能夠製造和使用實施方式,以及被提供在特定應用及其需求的上下文中。於所揭露的實施方式不同的修改將對習知技藝者是顯而易見的,在不脫離本揭露的精神和範圍的情況下,本文中定義的一般原則可以應用到其他實施方式和應用。因此,本發明並不限於所示的實施方式,而是應被賦予與本文所揭露的原則和特徵相一致的最寬範圍。
詳細的說明中所描述的數據結構和代碼典型地儲存在電腦可讀取儲存媒體,其可以是被用於電腦系統的任何能夠儲存代碼和/或數據之裝置或媒體。電腦可讀取儲存媒體包括,但不限於,揮發性記憶體,非揮發性記憶體,磁性和光儲存裝置,如磁碟機,磁帶,光碟(Compact discs;CDs),數位多功能光碟(Digital versatile discs or digital video discs;DVDs),或者現在已知或以後開發的其他能夠儲存代碼和/或數據的媒體。
詳細描述部分中描述的方法和過程可以被實施為代碼和/或數據,其可以被儲存在如上所述的電腦可讀取儲存媒體。當電腦系統讀取和執行電腦可讀取儲存媒體上儲存的代碼和/或數據時,電腦系統執行被實施為數據結構和代碼並且被儲存在電腦可讀取儲存媒體內的方法和過程。
此外,本文描述的方法和過程能夠被包括在硬體模組或裝置中。這些模組或裝置可以包括,但不限於,特定應用積體電路(Application-specific integrated circuit;ASIC)晶片,現場可程式邏輯閘陣列(Field-
programmable gate array;FPGA),在特定的時間執行特定的軟件模組或一部分代碼的專用或共享處理器,和/或現在已知或以後開發的其他可程式邏輯裝置。當硬體模組或裝置被啟動時,它們執行包括在它們內的方法和過程。
所揭露的實施方式關於到鋰-聚合物電池單元的設計和製造。電池單元可包含一組層,包括陰極,隔板和陽極。這些層可被捲繞到建立膠卷並被密封成撓性袋以形成電池單元。
更具體地,所揭露的實施方式關於到一個用於如筆記型電腦,平板電腦,行動電話,可攜式媒體播放器,和/或數位相機之可攜式電子裝置的高電壓鋰-聚合物電池單元的設計和製造。高電壓的鋰-聚合物電池單元可具有大於4.25V的充電電壓。
為了防止膨脹和增加的充電電壓相關的容量損失,高電壓鋰-聚合物電池單元的陰極可包括摻雜有摻雜的鋰鈷氧化物粒子以穩定粒子的結晶結構。摻雜劑可以包括鎂,鈦,鋅,矽,鋁,鋯,釩,錳,和/或鈮的元素和/或化合物。鋰鈷氧化物粒子也可塗佈有保護化學品如氧化物,氟化物,和/或磷酸鹽。使用如感應耦合電漿質譜儀(ICP-MS)技術的技術,在陰極中的摻雜劑和保護化學品組合的含量可大於0.02%和少於0.8%。鋰鈷氧化物粒子具有5微米和25微米之間的中值粒子尺寸(D50),並且保護化學品的塗佈可以是約200奈米厚。
為了進一步抵消膨脹和/或與更高的充電電壓相關的
劣化,高電壓鋰-聚合物電池單元的電解液可能包含電解液添加劑,如碳酸伸乙酯,乙酸乙烯酯,乙烯基碳酸伸乙酯,噻吩,1,3-丙烷磺內酯,琥珀酸酐,和/或二腈的添加劑(例如,丙二腈,丁二腈,戊二腈,己二腈,鄰苯二甲腈等)。電解液的二腈含量可以是少於電解液的5重量%。此外,在單元中的水含量可以是少於百萬分之200(ppm),較佳少於20 ppm。陰極和電解液材料的組合在高電壓鋰-聚合物電池單元可在更高的充電電壓下降低的膨脹率和電池單元的容量損失,即使在電池單元在高溫度下被操作和/或被儲存。
圖1顯示依據實施方式的電池單元100的自上而下的視圖。電池單元100可對應到用於供電可攜式電子裝置的鋰-聚合物電池單元。電池單元100包括膠卷102,其含有數個纏繞在一起的層,並包括具有活性塗層的陰極,隔板和具有活性塗層的陽極。更具體地,膠卷102可包括一條陰極材料(例如,塗佈有鋰化合物的鋁箔)和被一條隔板材料(例如,導通高分子電解液)所分隔的一條陽極材料(例如,塗佈有碳的銅箔)。然後陰極,陽極和隔板層可被捲繞在心軸上以形成螺旋捲繞的結構。膠卷在本技術中是眾所周知的,將不再進一步描述。
在電池單元100的裝配期間,膠卷102被封入在撓性袋中,其藉由沿折疊線112折疊撓性片形成。例如,撓性片材可由具有如聚丙烯之聚合物膜的鋁製成。撓性片被折疊後,撓性片可被密封,例如藉由沿側密封110和沿平台
密封108施加熱。撓性袋可以是少於120微米厚以改善電池單元100的封裝效率和/或能量密度。
膠卷102亦包括耦合到陰極和陽極的一組導電接線片106。導電接線片106可透過在袋中的密封(例如,使用密封膠帶104形成)延伸以提供用於電池單元100的端子。然後,導電接線片106可以被用來以一個或多個其它的電池單元電性耦接電池單元100以形成電池封裝。例如,電池封裝可以藉由串聯,並聯或串聯和並聯配置地耦合電池單元形成。耦合的單元可能被封入在硬外殼中以完成電池封裝,或耦合的單元可以被嵌入可攜式電子裝置的外殼內,例如筆記型電腦,平板電腦,行動電話,個人數位助理(PDA),數位相機,和/或可攜式媒體播放器。
習知技藝者將理解,電池容量中的降低可由如老化,使用,缺陷,熱,和/或損壞的因素所導致。此外,超過特定的臨界值(例如,初始容量的80%以下)的電池容量中的減少可被電池的膨脹伴隨,其損害或扭曲可攜式電子裝置。
特別是,電池單元100的充電和放電可造成電解液與陽極材料的反應,導致電解液的氧化和/或陰極材料的劣化。此反應可雙雙減少電池單元100的容量,並透過陰極的擴大和/或電池單元100內氣體堆積引起膨脹。此外,如果電池單元100在較高的溫度下被操作和/或連續地被在較高的充電電壓下被充電,反應可以被加速。例如,被操作在攝氏25°和/或被被充電於4.2V的鋰-聚合物電池單
元100可達到初始容量的80%,並在1050次充放電循環後增加了8%的厚度。然而,在攝氏45°和/或4.3V的充電電壓下的相同電池單元100的使用為容量可降低到初始容量的70%,並在1050次充放電循環後增加至10%的膨脹。
在一個或多個實施方式中,電池單元100對應於具有大於4.25V的充電電壓之高電壓的鋰-聚合物電池單元。此外,陰極與電池單元100的隔板(例如,電解液)材料可以被選擇以最小化在更高的充電電壓下的電池單元100中的膨脹和容量損失,並且可以進一步使電池單元100能夠在高溫度下操作和/或儲存。電池單元100的材料在下面進一步詳細討論。
圖2顯示依據所揭露的實施方式的一組用於電池單元的層(例如,圖1中的電池單元100)。這些層可包括陰極電流收集器202,陰極活性塗層204,隔板206,陽極活性塗層208,和陽極電流收集器210。陰極電流收集器202和陰極活性塗層204可形成用於電池單元的陰極,和陰極電流收集器210和陽極活性塗層208可形成用於電池單元的陽極。層可被捲繞以創造用於電池單元的膠卷,如圖1的膠卷102。
如上所述,陰極電流收集器202可以是鋁箔,陰極活性塗層204可以是鋰化合物,陽極電流收集器210可以是銅箔,陽極活性塗層208可以是碳,和隔板206可包括導電聚合物電解液。更具體地,陰極活性塗層204可以包括
塗有保護化學品的鋰鈷氧化物粒子。在電池單元的充電和/或放電期間,保護化學品可減輕膨脹和/或由陰極活性塗層204在隔板206中與電解液的反應所引起的容量的損失。鋰鈷氧化物粒子可以進一步被摻雜有摻雜劑以穩定粒子的結晶結構。保護化學品和/或摻雜劑可以包括鎂,鈦,鋅,矽,鋁,鋯,釩,錳,和/或鈮的元素和/或化合物。化合物可對應氧化物,氟化物,和/或磷酸鹽。使用於鋰-聚合物電池單元的陰極中的鋰鈷氧化物粒子參照圖3在下面進一步詳細討論。
在隔板206中的電解液可以含有電解液添加劑,如碳酸伸乙酯,乙酸乙烯酯,乙烯基碳酸伸乙酯,噻吩,1,3-丙烷磺內酯,和/或琥珀酸酐。為了進一步抵消與電池單元的充電和/或放電相關的劣化,電解液也可包含二腈添加劑(例如,丙二腈,丁二腈,戊二腈,己二腈,鄰苯二甲腈等),其增加電池單元的溫度穩定性。例如,在電解液中少於二腈的5重量%的添加劑和少於200 ppm的水的包括(例如,較佳少於20 ppm)在電池單元中可保持在電池單元中的膨脹和/或容量損失在可接受的範圍內,即使在電池單元在高溫下(例如,45℃)被操作和/或在高溫下(例如,65°~85℃)被儲存。
在電池單元的層中的材料因此可以允許電池單元在比習知鋰-聚合物電池單元更高的充電電壓下被安全地操作。例如,在陰極中塗佈和/或摻雜的鋰鈷氧化物粒子的組合,在電解液中的二腈添加劑,和/或單元中的水含量
可以保持在電池單元中的膨脹至少於10%在100%充電狀態下於60℃達500小時和/或100%充電狀態下於85℃達6小時的儲存條件下。同樣的電池單元在25℃下1000次充放電循環後可包括超過80%的容量保持率和少於10%的膨脹。
圖3顯示依據所揭露的實施方式用於電池單元的陰極的鋰鈷氧化物粒子302。鋰鈷氧化物粒子302可以具有5微米和25微米之間的D50。如圖3中所示,鋰鈷氧化物粒子302可以被摻雜有摻雜劑306。摻雜劑306在電池單元的充電和/或放電期間可穩定鋰鈷氧化物粒子302的晶體結構。
鋰鈷氧化物粒子302也可以被塗有保護化學品304(例如,使用的溶液相反應,固態塗層,機械研磨等)。保護化學品304可以是約200奈米厚,並在電池單元的充電和/或放電期間減少速率,在此速率下鋰鈷氧化物粒子302與電解液反應。
摻雜劑306和/或保護化學品304可包括鎂,鈦,鋅,矽,鋁,鋯,釩,錳,和/或鈮的元素和/或化合物。化合物可以對應於氧化物,金屬氟化物,和/或金屬磷酸鹽。此外,在鋰鈷氧化物粒子302中的摻雜劑306和保護化學品304組合的含量可大於0.02%和少於0.8%,如被由如感應耦合電漿質譜儀(ICP-MS)的測量技術所測得。
在鋰鈷氧化物粒子302中的保護化學品304和/或摻雜劑306的包含可便於鋰鈷氧化物粒子302的使用高電壓
的鋰-聚合物電池單元的陰極中藉由抵消增加的膨脹和/或與用於電池單元更高的充電電壓相關的容量損失。此外,保護化學品304和/或摻雜劑306可以不提供具有如鋰鎳鈷錳氧化物和/或鋰鎳氧化鋁之其他類型的陰極活性材料之相同的電池性能優勢。換句話說,鋰鈷氧化物粒子(例如,鋰鈷氧化物粒子302)塗佈有保護化學品(例如,保護化學品304)和/或摻雜有摻雜劑(例如,摻雜劑306)可能是唯一的陰極活性材料的類型,其提供足夠的保護在鋰-聚合物電池單元中防止膨脹和/或與高充電電壓相關的陰極劣化。
圖4顯示依據所揭露的實施方式繪示的電池單元的製造過程的流程圖。在一個或多個實施方式中,一個或多個步驟可以被省略,重複,和/或以不同的順序執行。因此,圖4所示的步驟的特定安排不應該被解釋為限制實施方式的範圍。
最初,陰極和陽極被獲得(操作402)。陰極可以包含塗有保護化學品和/或摻雜有摻雜劑的鋰鈷氧化物粒子。保護化學品和/或摻雜劑可包括鎂,鈦,鋅,矽,鋁,鋯,釩,錳,和/或鈮的元素和/或化合物。化合物可以對應於氧化物,金屬氟化物,和/或金屬磷酸鹽。此外,在陰極中的摻雜劑和保護化學品組合的含量可大於0.02%和少於0.8%。接著,陰極和陽極被放置到袋(操作404)中。袋可包括鋁層和聚丙烯或聚乙烯之任一層。此外,封裝袋可具有少於120微米的厚度。
然後,袋被充滿含有電解液添加劑的電解液(操作406)。電解液添加劑可以包括碳酸伸乙酯,乙酸乙烯酯,乙烯基碳酸伸乙酯,噻吩,1,3-丙烷磺內酯,琥珀酸酐,和/或二腈添加劑。二腈添加劑可以對應於丙二腈,丁二腈,戊二腈,己二腈,和鄰苯二甲腈,並彌補少於電解液的5重量%。此外,在單元中的水含量可以是少於200 ppm(例如,較佳少於20 ppm)。最後,陰極和陽極被密封在袋中以形成電池單元(操作408)。然後,大於4.25V的充電電壓可以電池單元被使用以從電池單元促進可攜式電子裝置的供電。
上述的可再充電電池單元一般可以使用在任何類型的電子裝置。例如,圖5顯示可攜式電子裝置500,其包括處理器502,記憶體504和顯示器508,其都是由電池506供電。可攜式電子裝置500可對應於筆記型電腦,行動電話,個人數位助理,平板電腦,可攜式媒體播放器,數位相機,和/或其他類型的電池供電的電子裝置。電池506可以對應於包括一個或多個電池單元之電池封裝。各電池單元可包括密封在撓性袋中的陽極和陰極。陰極可以包含塗有保護化學品和/或摻雜有摻雜劑的鋰鈷氧化物粒子。電池單元也可以包括含如碳酸伸乙酯,乙酸乙烯酯,乙烯基碳酸伸乙酯,噻吩,1,3-丙烷磺內酯,琥珀酸酐,和/或二腈添加劑之電解液添加劑的電解液。二腈的添加劑可包括丙二腈,丁二腈,戊二腈,己二腈,鄰苯二甲腈。此外,電池單元可以包含低於200 ppm的水。
不同的實施方式的前述說明已提出,僅用於說明和描述的目的。它們並非旨在窮舉或將本發明限制到所揭露的形式。因此,許多修改和變化將對習知技藝者是顯而易見的。另外,上述揭露內容並非旨在限制本發明。
100‧‧‧電池單元
102‧‧‧膠卷
104‧‧‧密封膠帶
106‧‧‧導電接線片
108‧‧‧平台密封
110‧‧‧側密封
112‧‧‧折疊線
202‧‧‧陰極電流收集器
204‧‧‧陰極活性塗層
206‧‧‧隔板
208‧‧‧陽極活性塗層
210‧‧‧陽極電流收集器
302‧‧‧鋰鈷氧化物粒子
304‧‧‧保護化學品
306‧‧‧摻雜劑
402‧‧‧操作
404‧‧‧操作
406‧‧‧操作
408‧‧‧操作
500‧‧‧可攜式電子裝置
502‧‧‧處理器
504‧‧‧記憶體
506‧‧‧電池
508‧‧‧顯示器
圖1顯示依據所揭露的實施方式的電池單元的自上而下的視圖。
圖2顯示依據所揭露的實施方式的用於電池單元的一組層。
圖3顯示依據所揭露的實施方式的用於電池單元的陰極的鋰鈷氧化物粒子。
圖4顯示依據所揭露的實施方式的電池單元的製造過程的流程圖。
圖5顯示依據所揭露的實施方式的可攜式電子裝置。
在附圖中,相同的標號表示相同的圖示元件。
Claims (18)
- 一種鋰-聚合物電池單元,包含:一陽極;一陰極,包含摻雜有一摻雜劑的鋰鈷氧化物粒子;一袋,封入該陽極和該陰極,其中該袋是撓性的,以及一電解液,包含電解液添加劑,其中,該鋰-聚合物電池單元的一充電電壓是大於4.25V,其中該電解液添加劑包含碳酸伸乙酯,乙酸乙烯酯,乙烯基碳酸伸乙酯,噻吩,1,3-丙烷磺內酯,琥珀酸酐,和二腈添加劑的至少一者,以及其中該二腈添加劑是丙二腈,丁二腈,戊二腈,己二腈,和鄰苯二腈(phthalonitrile)的至少一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋰-聚合物電池單元,其中該摻雜劑包含鎂;鈦;鋅;矽;鋁;鋯;釩;錳;或鈮之一元素或一化合物。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋰-聚合物電池單元,其中該鋰鈷氧化物粒子進一步塗有一保護化學品。
- 如申請專利範圍第3項所述之鋰-聚合物電池單元,其中該保護化學品是一氧化物,一磷酸鹽,和一氟化物的至少一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋰-聚合物電池單元,其中該二腈添加劑的含量少於該電解液的5重量%。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋰-聚合物電池單元,其中在該單元中的水含量少於百萬分之200(ppm)。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋰-聚合物電池單元,其中該袋之厚度小於120微米。
- 一種用於製造一電池單元的方法,包含:獲得一陰極和一陽極,其中該陰極包含摻雜有一摻雜劑的鋰鈷氧化物粒子;密封該陰極和該陽極於一袋中以形成該電池單元,其中該袋是撓性的;在密封該陰極和該陽極於一袋中之前,以包含電解液添加劑之一電解液填充該袋,其中該電解液添加劑包含碳酸伸乙酯,乙酸乙烯酯,乙烯基碳酸伸乙酯,噻吩,1,3-丙烷磺內酯,琥珀酸酐,和二腈添加劑的至少一者,以及其中該二腈添加劑是丙二腈,丁二腈,戊二腈,己二腈,和鄰苯二腈的至少一者。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法,其中該摻雜劑包含鎂;鈦;鋅;矽;鋁;鋯;釩;錳;或鈮之一元素或一化合物。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法,其中該鋰鈷氧化物粒子具有介於5微米和25微米之間的一中值粒子尺寸(D50)。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法,其中該鋰鈷氧化物粒子進一步塗有一保護化學品。
- 如申請專利範圍第11項所述之方法,其中該保護化學品之厚度大約為200奈米。
- 如申請專利範圍第11項所述之方法,其中該保護化學品是氧化物,磷酸鹽,和氟化物的至少一者。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法,其中該二腈添加劑的含量少於該電解液的5重量%。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法,其中在該單元中的水含量少於百萬分之200(ppm)。
- 一種可攜式電子裝置,包含:一組組件,由電池封裝供電;以及該電池封裝包含:一鋰-聚合物電池單元,具有大於4.25V的一充電電壓,包含:一陽極;一陰極,包含摻雜有一摻雜劑的鋰鈷氧化物粒子;一袋,封入該陽極和該陰極,其中該袋是撓性的;以及一電解液,包含電解液添加劑,其中該電解液添加劑包含碳酸伸乙酯,乙酸乙烯酯,乙烯基碳酸伸乙酯,噻吩,1,3-丙烷磺內酯,琥珀酸酐,和二腈添加劑的至少一者,以及其中該二腈添加劑是丙二腈,丁二腈,戊二腈,己二腈,和鄰苯二腈(phthalonitrile)的至少一者。
- 如申請專利範圍第16項所述之可攜式電子裝 置,其中該摻雜劑包含鎂;鈦;鋅;矽;鋁;鋯;釩;錳;或鈮之一元素或一化合物。
- 如申請專利範圍第16項所述之可攜式電子裝置,其中該鋰鈷氧化物粒子具有介於5微米和25微米之間的一中值粒子尺寸(D50)。
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