CN100353583C - 具有盖组件的电池结构及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于关闭和密封电池容器的开口端的低轮廓型封闭盖组件以使其内部体积最大化，同时保持充足的密封特性。电池包括具有底端、开口顶端和在顶和底端之间延伸的侧壁的钢壳。正负极设置在壳体内。外盖设置在壳的开口端。外盖具有在壳壁的外侧上设置的外凸缘和在壳壁的内部设置的内凸缘。密封件设置在壳体和外盖之间，这样密封件靠着外盖的内外凸缘设置。外盖优选朝着壳壁弯曲以压紧在内外凸缘和容器之间的密封件，由此减小了在壳体上的轴向载荷并允许采用薄规格的外盖。

Description

具有盖组件的电池结构及其组装方法

技术领域

本发明一般涉及电池例如电化学电池，尤其涉及用于关闭和密封电池容器开口端的低轮廓型封闭盖组件。

背景技术

图1表示采用典型的电池壳封闭盖组件的常规AA型碱性电池10的结构。正如所述，常规电池10包括具有开口顶端14、封闭底端16、在顶和底端之间延伸的侧壁的柱型钢壳12。钢壳12的封闭底端16包括在其中心区域形成并接触钢壳12的凸块18，以用作电池10的正极接触端子。

所示常规电池10是进一步具有正极材料20的电化学电池，所述正极20通常被称为阴极，包括二氧化锰作为活性材料。可以形成阴极20并插入到钢壳12中，或者在适当位置模制阴极20，以便接触壳12的内表面。在钢壳12中设置了正极20之后，将隔板22插入由正极20的内壁限定的空间中。隔板22典型地由非织造织物制成，用于在正极20和负极24之间提供物理分隔。通常称作阳极的负极24被设置在钢壳12的中央，负极24包括作为活性材料的锌粉。在钢壳12中进一步设置碱性电解质、氢氧化钾(KOH)的水溶液。

一旦将电极20和24、隔板22、碱性电解质设置在钢壳12中，便将预组装好的集流体组件插入到钢壳12的开口端。为了方便集流体组件的插入，典型地，钢壳12在其开口端14轻微地外张，或者钢壳12包括向内延伸的凸缘或台阶以便按照所需要的方向支撑集流体组件。常规的集流体组件包括集流体钉26、尼龙密封件28、内部金属盖30以及外部金属盖32。集流体钉26向阳极24中延伸并具有加大的头部，此头部与外部金属盖32相焊接或者电连接。集流体26通过在密封件28的中央衬套34中形成的开口中伸展。由刚性金属形成的内盖30设置在中心衬套34和密封件28的外围竖壁36之间以便提高强度并且支撑集流体组件的径向压缩，由此改善密封效果。通过以这种方式构成集流体组件，内部金属盖30用于将中心衬套34朝着集流体26挤压，并且还将密封件28的外围竖壁36朝着钢壳12的内表面支撑挤压。

在将集流体组件插入壳12的开口端14之后，将在钢壳12的开口端14处的侧壁以向内的方向朝着集流体组件和外盖32径向地挤压，并且使在集流体组件和外盖32的外缘上面的壳12的开口端边缘弯折以便固定好在壳12的开口端中的外盖和集流体组件，由此将组件固定在适当位置。此后，在钢壳12的外表面周围除了钢壳12的端部之外形成金属化塑料膜标签38。在钢壳12的底端16的外缘上形成标签38并且部分地延伸到外部负极盖32上。

常规的弯折工艺将壳12的开口端向壳32之上弯曲90度，这样做的目的是使壳12承受轴向载荷。为了经受住在集流体组件上的壳的常规弯折，钢壳12必须足够坚硬以防止其变形，例如在壳底部处侧壁的皱折，一般凭经验来说，这种变形是由于在弯折操作的过程中的轴向压力所引起的。为了在弯折过程中经受住轴向载荷，常规的AA型电池一般需要约0.25mm厚的钢壳。

虽然上述集流体组件满意地达到了所有上面注意到的所需要的功能，但是正如从其横截面轮廓显示出的那样，这种特定的集流体组件和钢壳会在电池10的内部占用相当大的空间。因为电池的外围尺寸通常由美国国家标准化组织(ANSI)所确定，所以由钢壳12和集流体组件占用的空间越大，在电池10中电化学材料的可用空间就越小。因此，在电池中可提供的电化学材料的量的减少导致了电池使用寿命的缩短。因此，希望能够达到在电池中可用于电化学活性组分的内部体积的最大化。还希望构成一种电池，使得由集流体组件占有的空间和由电池壳占有的空间变得最小，同时仍旧保持充分的密封特性。再一个希望是，在壳封闭的过程中能使得施加于电池壳的轴向载荷变得最小。

发明内容

本发明允许采用更薄规格的外盖，此更薄规格的外盖增加了电池中可用于活性材料的体积。本发明的另一方面提供一种集流体组件，该集流体以提高的生产能力、降低的成本和改善的集流体定位有效地密封电池容器的开口端。为了实现这些和其它优点，根据在此具体表达和描述的本发明的目的，本发明提供一种采用具有底端、开口顶端以及在顶和底端之间伸展的侧壁的容器的电池。正负极设置在容器中。在容器的开口端上设置外盖。外盖具有在容器侧壁的外侧上伸展的外凸缘和在容器侧壁的内侧上伸展的内凸缘。在容器和外盖之间设置密封件，这样，密封件靠着外盖的内外凸缘设置。优选将外盖朝着容器侧壁弯折以便压紧在各内外凸缘和容器之间的密封件。

根据本发明的另一方面，提供一种组装电池的方法。该方法包括形成具有开口顶端、底端、在顶和底端之间伸展的侧壁的容器。该方法还包括形成具有外围凸缘和内凸缘的盖体，在外围凸缘和内凸缘之间设置有沟道。该方法还包括将活性电池材料放入容器中，并将盖体放在容器的开口顶端的上面，这样，外和内凸缘处于容器侧壁的相对侧上并且容器和外盖由密封件分开。该方法还包括对外盖的外和内凸缘朝着密封件施加压力，以便压紧在容器和外盖之间的密封件。

所得到的封闭盖组件有利地提供了一种用于封闭电池壳开口端的简化技术，同时提供了增强的密封作用，并且由于减小了轴向闭合力而允许壳减小厚度。因此，与常规电池壳相比，电池可以采用更薄的电池壳。

参考下面的说明和附图，本领域的普通技术人员将进一步理解和懂得本发明的这些和其它特点、优点和目的。

附图说明

在附图中：

图1是采用常规盖组件的AA-型碱性电化学电池的轴向截面图；

图2是采用根据本发明第一实施例的盖组件的电化学电池的轴向截面图；

图3是描述盖组件装配的图2中的电池的局部截面图；

图4是进一步描述电池壳的封闭盖的图2中的电池的局部截面图；

图5是进一步描述电池壳的封闭盖的图2中的电池的局部截面图；

图6是进一步描述电池壳的封闭盖的图2中的电池的局部截面图；

图7是根据本发明第二实施例描述盖组件的装配的电池的局部截面图；

图8是用于封闭图7中的电池壳的夹具的截面图；

图9是在图8中的夹具中安装的电池的局部截面图。

图10是进一步描述电池壳的封闭盖的图8中的电池和夹具的局部截面图；

图11是根据本发明第三个实施例具有盖组件的电化学电池的轴向截面图；

图12是根据本发明第四个实施例具有封闭盖组件的电化学电池的轴向截面图；

图13A-13E描述用于形成根据第一实施例的外部负极盖的系列步骤。

具体实施方式

参考图2，其中示出了柱型碱性电池110，电池110具有用于密封根据本发明第一实施例的电池容器开口端的密封封闭盖。电池110包括柱型钢壳112，钢壳112具有封闭底端116、开口顶端114、在顶和底端之间伸展的侧壁。钢壳112的封闭底端116包括在其中心区域形成的凸块118，用于提供电池110的正极接触端子。在所示出的正极接触端子118焊接或者连接到钢壳112的平底端的同时，应当理解，该端子118可以选择性地在钢壳112的底端116中一体地形成。

装配到钢壳112的开口顶端114的是还称为集流体组件的盖组件152，此盖组件152密封闭合钢壳112的开口端114。盖组件152包括聚合物密封件128、外部金属盖132、集流体126。盖组件152可以预先组装好并作为单独元件设置在钢壳112的开口端。可包括尼龙的聚合物密封件128具有中心衬套134，在中心衬套134中形成有用于容纳集流体126的细长轴的中心轴向开口。密封件128从中心衬套134径向地延伸到外部周边，并在外部周边处挤压密封件，密封住外盖132和钢壳112。此外，密封件128可以包括压力释放机构(未示出)，当达到预定压力时，该机构可以从壳112的密封容积中释放出高压气体。

外部负极盖132设置在密封件128的顶部之上并且具有外围凸缘(壁)140和内周边凸缘(壁)142。外盖132的外围凸缘140是单金属厚度的壁，它沿着钢壳112外部开口端侧壁部分地延伸，而内凸缘142是折边型(卷折回来)双金属厚度壁，它沿着钢壳112的内部开口端侧壁延伸。因此，外和内凸缘140和142位于钢壳112的相对侧上，压紧了在钢壳112和各内外凸缘140和142之间的密封件128，以提供具有长防泄漏路径的大密封表面积，从而防止电解质从钢壳112中泄漏出来。

在钢壳112外表面的周围除了钢壳112的端部以外部形成金属化塑料膜标签138。在钢壳112的底端116的外围边缘上形成膜标签138，膜标签138部分地延伸到外盖132的外凸缘140之上，正如图所示。

所示的电池110为碱性电化学电池，该电池具有在钢壳112的内表面周围形成的阴极120、在阴极120的内表面周围设置的隔板122、与进入隔板124的电解质一起设置并且与集流体126相接触的阳极124。阳极124、阴极120、隔板124可以利用各种现有技术形成并且可以包括在电池领域普遍采用的各种现有的电化学材料。根据所示的实施例，阴极120构成正极，阳极124构成负极。参考图3-6，根据第一实施例在此描述盖组件152的组装。一旦将包括阴极120和阳极124的电化学活性材料以及隔板122和碱性电解质设置在钢壳112中，就准备封闭钢壳112的开口端115。然后，将封闭盖组件152，所示出的是由外盖132、密封件128和集流体126制成的预组装单元，设置在钢壳112的开口端114之上，如图3所示。形成外盖132和密封件128，以包括在外凸缘140和内凸缘142之间的沟道154，以容纳钢壳112的开口端114。盖组件152搁置在钢壳112的开口端114处的侧壁的开口顶缘上，使得壳112的顶缘插入沟道154。根据第一实施例，钢壳112沿着开口端部分150微微地向内弯成一角度。此外，凸缘140和142都弯成一角度，使得沟道154类似地向内弯成一角度，以配合成一定角度的钢壳112。构成一定角度的双层内凸缘142用于将密封件128靠着外盖132挤压，由此不再需要单独的内盖。应理解，通过设置外盖132使其搁置在钢壳112的顶缘上，盖组件适当地取向，从而使得集流体126垂直地伸入到阳极124的中心。

一旦盖组件152放置在钢壳112的开口端114之上，就将外盖132朝着钢壳112的开口端侧壁向内径向地弯折，如图4-6所示。特别参考图4，采用支撑模160和组合(split)弯折模具164，实现密封封闭钢壳112。支撑模160是环形的并且具有弧状底表面162，以便支撑在外和内凸缘140和142之上的外盖132的顶表面。组合弯折模具164通常是柱形的并且沿着钢壳112的侧壁设置。模具164具有成角度的表面166，随着盖132相对于模具164移动，迫使盖132的外缘140向内径向移动。支撑模160和组合弯折模具164的任何一个或两个可以朝着对方轴向地移动，使得成一定角度的表面166强制性地啮合外盖132的外凸缘140。根据一个实施例，组合弯折模具164向上移动，同时支撑模162相对于外盖132在适当位置保持固定。参考图5，对外盖132的外凸缘140向内径向地施力，例如将密封件128挤压在外盖132的外凸缘140和内凸缘142之间。正如图6中进一步示出的那样，组合弯折夹具164完成了外盖132的密封。应理解，通过径向地朝着钢壳112的侧壁弯折外盖132，最小的轴向力施加于钢壳112，在压紧的密封件128和钢壳112之间设置有具有长防泄漏路径的大密封区域，以使在此穿过的任何泄漏最小化。还应当理解，可以这样实现上述弯折工艺，使得基本上没有轴向载荷施加到钢壳112上。

参考图7，示出了根据本发明第二实施例的用于密封钢壳212的盖组件252，和第一实施例的向内弯曲一角度的侧壁部分150相比，本发明的盖组件252基本上具有在开口端214连续竖直的侧壁。盖组件252同样采用具有双金属厚度的内凸缘(壁)242和单金属厚度的外凸缘(壁)240的外盖232。外盖232容纳有与外和内凸缘240和242相符的密封件228，并且在外和内凸缘240和242之间提供有沟道254。沟道254基本上垂直延伸，以便相符于在钢壳212的开口端214处的直侧壁部分250。将盖组件252设置在钢壳212的开口端214之上，以便沟道254搁置在钢壳212的上缘的顶部。

第二实施例的盖组件252优选由筒夹型弯折用具270封闭，如图8-10所示。尤其参考图8，筒夹型弯折用具270具有多个成形指272，用于向内径向地挤压外盖232的外凸缘240。根据所示例，弯折用具270具有24个等角分隔的指272。多个成形指272在一端上各具有成形内表面280，共同限定了用于容纳盖组件252和钢壳212的开口端的开口274，正如图9进一步示出的那样。柱形促动器套筒278设置在指272的外壁周围并且是可轴向移动的，以接合在指272上的锥形外表面276，以至于当促动器套筒278向下轴向地受力时一起向内径向地挤压指272。当指172合在一起时，成形表面280向内径向地挤压外凸缘240以便朝着钢壳212的侧壁弯折外盖232。在具有外盖232和密封关闭壳212的开口端的密封件228的全弯折位置中，筒夹型弯折用具270的封闭操作在图10中进一步示出。在弯折操作之后，促动器套筒278提升，指272复原成打开的位置，这样可以从用具270上移开密封后的电池壳。

参考图11，示出了具有根据本发明第三实施例的盖组件352的电池310。盖组件352包括外盖332、密封件328和集流体326。盖组件352插入到钢壳312的开口端的上面，外盖332向内径向地弯折，以靠着钢壳312挤压密封件328。外盖332同样包括双金属厚度的内凸缘(壁)342和单金属厚度的外凸缘(壁)340，内凸缘342和外凸缘340设置在钢壳312的相对侧上，以便压紧它们之间的密封件328。根据第三实施例，钢壳312的上端包括弯折回来的开口端370，在开口端370中，壳312上开口端向外径向地折叠180度并折回到自身以提供双金属厚度。折返回来的开口端370提供了增加的弯折释放压力。

参考图12，示出了具有根据本发明的第四实施例的盖组件的电池410。盖组件包括外盖432、密封件428、集流体426。外盖432具有双金属厚度外凸缘(壁)440和设置在钢壳412的开口端的相对侧上的单金属厚度内凸缘(壁)442。此外，外盖432还具有在内凸缘442的底部形成的并垂直于内凸缘442的水平部分441。水平部分441同样提供了增加的弯折释放压力。

参考图13A-13E，示出了根据一个实施例、利用滑动模具转移压力技术形成外盖。参考图13A，提供平坦的圆形金属坯板132A作为原料片。如图13B所示，使圆形坯片132A的中心圆部分190向下形成杯形，进行反向压延以形成凸起部分192和内凸缘142，如图13C所示。之后在图13D中形成外凸缘140。最后，在图13E所示的最后步骤中，向外张开内凸缘142。正如示出的那样，外部金属盖可以容易地形成，然后组装在钢壳的开口端上，然后弯折以密封关闭的电池壳。应当理解，可以采用包括渐进式转移压力法在内的其它制造任何外盖132、232、332、432的方法。

因此，本发明提供了组装到钢壳开口端以便密封关闭的电池盖开口端的盖组件。通过使通常存在于常规封闭技术中的轴向力消除或最小化，本盖组件和封闭技术有利地容许钢壳厚度的减小。此外，盖组件在电池壳中占有了最小的体积。因此，减小的壳体厚度和减小的盖组件的体积消耗使得活性电池材料的量增加，从而使电池性能得以提高。另外，盖组件完全抑制了密封，这使泄漏的可能性最小化，不再需要额外的支撑性内盖。另外，容易将此盖组件组装成电池壳并且提供了集流体定位的高可靠性。

实践了本发明的本领域普通技术人员可以理解，在不脱离所公开的内容的实质精神的条件下，可以对本发明进行各种修改和改进。所提供的保护范围由法律允许的解释宽度来确定。

Claims (18)

1.一种电池，包括：

用于容纳包括正负电极的电池材料的容器，所述容器具有第一端、开口第二端以及在所述第一和第二端之间延伸的侧壁；

外盖设置在所述容器的开口第二端上，所述外盖具有外围凸缘和内凸缘以及在外围凸缘和内凸缘之间形成的沟道，其中沟道容纳容器的开口端，这样外凸缘和内凸缘就位于容器侧壁的相对侧上；以及

在外盖和容器之间设置的密封件，其中在内凸缘和容器之间压紧所述密封件，在外凸缘和容器之间压紧所述密封件。

2.根据权利要求1所述的电池，其中通过将内外凸缘相对彼此挤压，将所述外盖组装到所述容器中。

3.根据权利要求2所述的电池，其中在挤压内外凸缘之前所述容器具有基本上竖直的侧壁。

4.根据权利要求1所述的电池，其中所述容器具有在容器的开口端向内呈一角度的侧壁。

5.根据权利要求1所述的电池，其中所述内凸缘包括双层厚度。

6.根据权利要求1所述的电池，还包括与外盖电连接的集流体。

7.根据权利要求6所述的电池，其中所述密封件具有中心衬套，该中心衬套具有用于容纳所述集流体的开口。

8.根据权利要求7所述的电池，其中所述电池不包含设置在衬套和外围凸缘之间的用于支撑密封件的内盖。

9.根据权利要求1所述的电池，其中所述容器还包括在开口端形成的折回边缘。

10.根据权利要求1所述的电池，其中所述外盖还包括在所述内凸缘的端部处并且基本上垂直于内边缘的延伸部分。

11.根据权利要求1所述的电池，其中所述容器包括钢壳。

12.一种组装电池的方法，包括步骤：

提供具有开口端、封闭端、在开口和封闭端之间延伸的侧壁的容器；

提供具有外围凸缘和内凸缘的盖体，在外围凸缘和内凸缘之间限定一沟道；

提供适合于啮合所述盖体的内和外凸缘以及沟道的密封件；

将电池电极材料放入容器中；

将盖体和密封件放在容器的开口端上，以使在盖体的内外凸缘之间的沟道容纳在开口端处容器的侧壁，所述密封件设置在所述盖体和所述容器之间；以及

向内外凸缘彼此施力以便压紧在容器和盖体之间的密封件并且构成对容器的密封封闭盖。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将集流体电连接到盖体的步骤。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述向内外凸缘彼此施力的步骤包括朝着内凸缘弯折外凸缘。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述弯折步骤包括相对于所述外凸缘移动弯折模具。

16.根据权利要求12所述的方法，其中提供盖体的所述步骤还包括将内凸缘形成为包括双层厚度，所述外凸缘包括单层厚度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中提供所述盖体的所述步骤还包括张开所述内外凸缘，以容纳向内弯成一角度的容器开口端。

18.根据权利要求12所述的方法，其中提供盖体的所述步骤包括以下步骤：

提供坯板；

使所述坯板呈杯形；

反向压延所述杯形板以形成所述内凸缘；以及

弯折外周边缘以形成所述外凸缘。

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