CN100544076C - 内接触提高的电化学电池 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池组电池，具有在电池电极之一与电池容器侧面之间电接触的电引线。设置在电极组件与容器侧壁之间的引线部分包括初始非平面的形状，其是位于电池内的部分变形、压缩的结构，从而使引线偏向容器侧壁的内表面，由此施加充分的力以在电极与容器之间提供良好的电接触。初始非平面的形状包括V形或弧形沟槽中的一种或多种，该沟槽可以平行于电极组件的纵轴设置。也公开了制造这种电池的方法。

Description

内接触提高的电化学电池
背景
本发明涉及具有条状电极且在电极之一的引线与电池容器的侧壁之间具有压力接触(pressure contact)的电化学电池组电池。
可以使用具有相邻的正、负电极条的电池提供良好的高倍率放电性能(high rate discharge performance)。含这种条的电极组件可以含有一对或多对平坦、折叠或螺旋缠绕的正、负电极。电池可以具有包含由导电金属制造、与电极之一电连接的容器的外壳。在这种电池中，电池容器可以作为外部触点(external contact terminal)或为外部触点提供电接触(electrical contact)。
可以使用导电引线在电极与另一个电池组件如容器或封闭一部分容器的盖子之间制造电接触。引线可以为各种形式和形状如金属丝、条和弹簧，并且引线可以以多种方式，包括通过固定(例如焊接)和通过压力与容器或盖子连接。
在美国专利No.4,554,227和未审日本专利公开号05-121064和09-035739中发现将电极引线焊接到电极集电器的暴露边缘或表面的电池的例子，本文中引入美国专利No.4,554,227作为参考。在这些专利的每一个中，引线都是通过焊接与外部接线柱(externalterminals)电连接的。在US 4,554,227中，弯曲引线以提高对电极集电器暴露的顶部边缘的焊接点的强度。
在美国专利Nos.3,245,837和5,021,306中给出了在引线与位于电极组件的芯处的电极集电器的暴露部分之间使用压力接触的电池的例子，本文中引入它们作为参考。在US 3,245,837中，引线是固定在盖板和外部接线柱上的导电条。在US 5,021,306中，引线是金属薄板(metal splint)，且焊接在容器开口端的帽上的弹簧片(leafspring)与该薄板产生压力接触。
在美国专利公开No.US 2002/0094478 A1中发现具有这样引线的电池的例子，该引线是从许多电极中凸出的集电器的裸露部分，本申请将其引入作为参考。将许多引线弯曲并焊接到一起，然后固定到电池盖上。引线中的弯头(bends)提供良好的焊接强度。
在未审日本专利公开号09-330697中发现具有从电极组件底部伸出，且焊接到容器底部上的引线的电池的例子。在焊接到容器上的一部分引线中形成V-形沟槽，以提供良好的焊接强度。
在美国专利No.5,418,084和美国专利No.4,963,446以及本文的图1和2中发现具有这样引线的电池的例子，该引线在一个电极与电池容器之间并且在另一个电极与封闭容器的盖子之间提供电接触，本文中引入这两篇美国专利作为参考。该电池是具有螺旋缠绕的电极组件的圆柱形电池。正如下面参考图1和2更详细地描述的，在每个电池中，弹簧都在正极与电池盖之间提供电接触，而金属条引线都在负极与容器的侧壁之间提供电接触。该弹簧固定于电池盖上，并与暴露在电极组件顶部的正极集流器产生压力接触。金属条引线固定于负极上，并与容器侧壁的内表面产生压力接触。在制造中，在正常变异性(variability)的范围内，在引线与容器之间需要可靠的压力接触。
在电池如图1和2中的电池中，当根据现有技术制造时，通过容器中电极组件的紧密配合使位于容器侧壁与电极组件之间的引线保持压力接触。对于可靠的电接触，容器内直径和电极组件外直径的变异性必须小。实现电极组件外直径小的变异性的一种方法是紧密地控制电极条的厚度。另一种方式是改变绕电极组件的外侧面缠绕的材料条的长度以弥补会导致直径差异的电极的厚度变化。此外部材料条可以是如美国专利No.4,963,445中公开的一个或多个分隔条或分开的外包装材料条，本申请中引入其作为参考。
本发明的目的是在电极引线与电池容器的侧壁之间提供可靠的压力接触。本发明额外的优点包括但不限于接触可靠性提高、制造中变异性的容许偏差增加、电池元件数减少、更易于制造、制造废料减少且产品成本下降。
概述
因此，本发明的一个方面涉及含外壳、电极组件和电解质的电化学电池组电池，其中电极组件含负极条、正极条和设置在负性与正极之间的至少一个分隔条；外壳包括具有至少一个侧壁和底壁(bottomwall)的容器；电极组件具有靠近容器侧壁的不导电的外侧面和靠近容器底壁的底；负极和正极中的一个通过从电极组件中伸出的电引线与容器侧壁电接触，并且将至少一部分该引线设置在电极组件侧面与容器侧壁之间；引线仅仅通过压力维持与容器侧壁的物理接触；并且位于电极组件侧面与容器侧壁之间的这部分引线包括偏向容器侧壁内表面的变形的初始非平面形状。
本发明的另一个方面涉及含外壳、电极组件和电解质的电化学电池组电池，其中电极组件含负极条、正极条和设置在负性与正极之间的至少一个分隔条；外壳包括具有至少一个侧壁和底壁的容器；电极组件具有靠近容器侧壁的不导电的外侧面和靠近容器底壁的底；负极和正极中的一个通过从电极组件中伸出的电引线与容器侧壁电接触，并且将至少一部分该引线设置在电极组件侧面与容器侧壁之间；引线仅仅通过压力维持与容器侧壁的物理接触；并且位于电极组件侧面与容器侧壁之间的这部分引线包括两个边和偏向容器侧壁内表面的变形的初始沟槽形状，同时该沟槽平行于电极组件的纵轴设置，并且边不指向电极组件侧面。
本发明的又一个方面涉及含外壳、电极组件和电解质的电化学电池组电池，该电池是通过包括以下步骤的方法制造的：
a.提供负极条、正极条和至少一个分隔条；
b.提供包含具有第一端和第二端的导电金属条的电引线；
c.将引线的第一端固定到负极和正极中的一个上；
d.将负极、正极和分隔条一起组合成含底和至少一个侧面的电极组件，使得所述侧面不导电且引线的第二端从电极组件中伸出；
e.在将电极组件插入到容器中之前，使从电极组件中伸出的至少一部分引线成形，从而形成初始的非平面形状；
f.靠近电极组件的不导电侧面定位具有非平面形状的引线部分；
g.改变非平面的形状以便于通过容器中的开口插入电极组件；
h.通过开口将电极组件插入到容器中；和
i.使引线变形的非平面形状部分地恢复到初始的非平面形状，从而向容器的侧壁施加充分的力以电接触。
参考以下的说明书、权利要求书和附图，本领域技术人员将会进一步领会并理解本发明的这些及其它特点、优点和目的。
附图简述
在图中：
图1是这样一种电化学电池组电池的纵向横剖面视图，该电池具有设置在容器壁侧面与容器外表面之间的引线以在容器与电池电极之间产生电接触；
图2是图1中一部分电池的放大图，其说明了接触容器的电极引线的位置；
图3A是具有单个V形沟槽的电极引线的接头部分的横向横剖面视图；
图3B是具有单个弧形沟槽的电极引线的接头部分的横向横剖面视图；
图4A是具有V形电极引线的电极组件的与电极组件的纵轴垂直的横剖面视图；
图4B是具有弧形电极引线的电极组件的与电极组件的纵轴垂直的横剖面视图；
图5A是已经将电极组件插入罐中后，图4A中电极组件和引线的横剖面视图；
图5A是已经将电极组件插入罐中后，图4B中电极组件和引线的横剖面视图；
图6A是电极组件、平坦电极引线和罐的横剖面视图，该图示出了它们在用于确定引线对罐的弹簧力的模型中的起始位置；
图6B是电极组件、V形电极引线和罐的横剖面视图，该图示出了它们在用于确定引线对罐的弹簧力的模型中的起始位置；
图6C是电极组件、弧形电极引线和罐的横剖面视图，该图示出了它们在用于确定引线对罐的弹簧力的模型中的起始位置；
图7是0.051mm厚、4.75mm宽的平坦电极引线的图，其是由计算机模拟产生的，示出了与电极组件位移有关的弹簧力；
图8是腿间角度(leg angle)为90度、由0.051mm厚、4.75mm宽的金属条制造的V形电极引线的图，其是由计算机模拟产生的，示出了与电极组件位移有关的弹簧力；
图9是是弧半径为1.78mm、由0.051mm厚、4.75mm宽的金属条制造的弧形电极引线的图，其是由计算机模拟产生的，示出了与电极组件位移有关的弹簧力；
图10是弧半径为1.91mm、由0.051mm厚、4.75mm宽的金属条制造的弧形电极引线的图，其是由计算机模拟产生的，示出了与电极组件位移有关的弹簧力；
图11是弧半径为2.29mm、由0.051mm厚、4.75mm宽的金属条制造的弧形电极引线的图，其是由计算机模拟产生的，示出了与电极组件位移有关的弹簧力；
图12是0.051mm厚、3.175mm宽的平坦电极引线的图，其是由计算机模拟产生的，示出了与电极组件位移有关的弹簧力；
图13是腿间角度为90度、由0.051mm厚、3.175mm宽的金属条制造的V形电极引线的图，其是由计算机模拟产生的，示出了与电极组件位移有关的弹簧力；和
图14是弧半径为1.40mm、由0.051mm厚、3.175mm宽的金属条制造的弧形电极引线的图，其是由计算机模拟产生的，示出了与电极组件位移有关的弹簧力。
描述
参考图1和2将会更好地理解本发明。电池10是FR6型圆柱形Li/FeS2电池组电池。电池10具有外壳，该外壳包括罐12形式的容器，所述罐12具有封闭的底部和用电池盖14和衬垫16封闭的开放顶端。罐12在靠近顶端处具有珠子或缩径台阶(reduced diameter step)以支撑衬垫16和盖子14。在罐12与盖子14之间压缩衬垫16以将阳极18、阴极20和电解质密封在电池10内。将阳极18、阴极20和分隔物26一起螺旋地缠绕成电极组件。阴极20具有金属集流器22，其从电极组件的顶端伸出并通过接触弹簧24与盖子14的内表面连接。通过金属引线(或片)36将阳极18电连接到罐12的内表面上(图2)。将引线36固定到阳极18上，从电极组件的底部伸出，折叠穿过底部，并沿电极组件的侧面向上。引线36与罐12侧壁的内表面产生压力接触。在缠绕电极组件之后，在制造过程中可以通过加工于插入之前将其结合，或者例如通过热封、粘结或捆绑将材料的外端(例如，分隔物或聚合物膜外外套38)卡紧。
围绕电极组件顶部的外围部分设置绝缘锥体46以防止阴极集电器22与罐12产生接触，并且通过分隔物26向内折叠延伸和在罐12的底部中设置的电绝缘底盘44而防止阴极20的底缘与罐12的底部之间的接触。
电池10具有分离的正极接线柱盖40，该正极接线柱盖40通过罐12向内卷曲的顶部边缘和衬垫16固定就位，并且具有一个或多个排气孔(未示出)。罐12作为负极触点。可以将绝缘夹套如粘胶标签48施加到罐12的侧壁上。
在接线柱盖40的外围凸缘与电池盖14之间设置于恶劣(abusive)的电条件下显著限制电流流动的正温度系数(PTC)器件42。电池10还包括卸压孔。电池盖14具有孔口，该孔口含向内凸出的中心排气井28以及在井28的底部中的排气孔30。该孔口由排气球32和压缩在排气井28的垂直壁与排气球32周边之间的薄壁热塑性衬套34密封。当电池内压超过预定水平时，排气球32或球32和衬套34二者被迫离开孔口以从电池10中释放压缩气体。
在根据本发明的电池中，设置在电极组件的侧面与罐的侧壁之间的电极引线的接头部分(terminal portion)初始是非平面的。当在本文中使用时，初始非平面的意味着在将电极组件插入到罐中之前是非平面的。在电极组件插入之前，引线的接头部分被成形以创造可以为罐的侧壁提供提高的压力接触的非平面形状。非平面的形状可以在引线的接头部分中提供类似弹簧的特征，这导致由引线的接头部分施加力以使引线偏向外壳侧壁，从而为在电极组件侧面与罐侧壁之间的给定间隙提供提高的压力接触，并增加用于可保持良好电接触的最大可能间隙。可以使用许多非平面的形状，包括横截面具有V形、弧形等和它们组合中的一种或多种的形状。具有单独的V形和弧形沟槽的引线的例子分别示于图3A和3B中，其中沟槽152、252在引线136、236的接头部分中具有底154、254和边156、256。
在电池制造的过程中，例如，引线的成型接头部分可以向电极组件的侧面变形，从而便于其插入到罐中，这之后，引线的接头部分可以部分弹回向其初始的非平面形状，但仍至少部分压缩以向罐侧壁的内表面施加力，从而与罐产生良好的物理和电接触。图4A和4B是在已经将引线136、236的接头部分弯到靠近电极组件150、250的外侧面的位置中之后，电极组件150、250和引线136、236的接头部分(图3A和3B)的横截面形状。图5A和5B说明了在插入到罐112、212中之后电极组件150、250和引线136、236的接头部分。引线136、236的接头部分与它们插入前形状相比被部分压缩，因此即使在电极组件150、250侧面与罐112、212的侧壁之间有空隙158、258，它们也向罐112、212的内表面施加弹簧力。
可以以任何方式对在引线接头部分中形成的形状进行取向，只要该方式能使电极组件插入到罐中而不将电极组件、引线或罐破坏到不理想地影响电池的电气或放电特性的程度即可。对引线接头部分的形状进行取向，以使沟槽平行于电极组件的纵轴，可以便于引线在插入到罐中之前变形和在插入之后引线的回弹而不造成有害的损坏。此外，通过对引线取向以使引线接头部分的边缘不向内指向电极组件，可以降低对电极组件损坏的危险。例如，可以这样取向具有单个沟槽的引线，即槽的底部向内，朝向电极组件，槽的边缘指向外，朝向罐侧壁。
对于沿引线整个宽度延伸的、具有单个V形沟槽的引线和具有单个弧形沟槽的引线来说，可以分别使用方程1和方程2计算可以调节而无罐与引线之间接触损失的最大间隙或电极组件的外直径与罐的内直径之间的差(假设，如果不受电极罐和罐的约束，引线的变形接头末端接头端将能够充分回弹至其原始形状)。
方程1： ( W 2 ) · sin ( 180 - θ 2 ) + ( ID - ID 2 - ( W 2 / 2 ) · ( 1 - cos θ ) 2 ) + t ,
其中：W＝制造引线的平坦条的宽度，t＝引线条厚度，θ＝V腿间角度(见图3A)，ID＝罐内直径，并且0°≤θ≤180°。此计算假设在V的腿间没有倒圆；如果有倒圆，则最大间隙将小于计算值。
方程2： 2 R · ( 1 - cos ( W / ( 2 R ) ) ) + ID - ID 2 - ( 2 R sin ( W / ( 2 R ) ) ) 2 2 + t , 其中：W＝制造引线的平坦条的宽度，t＝引线条的厚度，R＝弧半径，ID＝罐内直径，并且(W/R)≤π。
考虑因素如引线材料的性能和尺寸以及电极组件和罐的尺寸，可以使用计算机模拟来开发引线接头末端的形状和用于形成将确保引线与罐侧壁之间物理接触的引线并防止在形成的过程中对引线破坏的工具。还可以使用计算机模拟来设计用于将引线的接头部分形成至所需的形状以避免对引线的损坏(例如，金属中的裂纹、孔和皱褶和来自引线表面的镀层的磨损)的工具。可以用于计算机模拟的市售软件的例子包括ABAQUS(购于Hibbit，Karlsson & Sorensen，Inc.，Pawtucket，RI，USA)和MARC K 7.3(购于MSC.Software，LosAngeles，CA，USA)。
在引线的接头部分中形成的形状在诸多方面中的任一方面都是有益的。例如，与在将电极组件插入到外壳中之前具有平坦接头部分的引线相比，成型的接头部分可以提供更好的弹簧特性，容许电极组件侧面与罐侧面之间直径上的更大差异并且允许在引线材料种类和尺寸上有更大的选择自由度。这类优点可以导致提高的电池特性、更容易的电池制造和/或降低的电池制造成本。
电池容器常常是具有封闭底部的金属罐，如图1中的罐。罐材料部分地取决于电池中使用的活性材料和电解质。常用的材料种类是钢。例如，该罐可以由至少在外部上镀有镍的钢制成，从而保护罐的外部不受腐蚀。可以改变镀层的种类以提供不同程度的耐腐蚀性或提供所需的外观。钢的种类部分取决于形成容器的方式。对于图中的罐，钢可以是扩散退火的、低碳的、消铝的(aluminum killed)、SAE 1006或同等的钢，具有ASTM 9-11的粒径和等轴至稍拉长的晶粒形状。可以使用其它的钢如不锈钢来满足特殊的要求。例如，当罐与阴极电接触时，可以使用不锈钢以提高对阴极和电解质的耐腐蚀性。
电池盖可以是金属。可以使用镀镍的钢，但不锈钢常常是合乎需要的，尤其当盖与阴极电接触时。盖子形状的复杂性也将是选择材料的因素。电池盖可以具有简单的形状如厚、平的圆盘，或其可以具有更复杂的形状如图1所示的盖子。当盖子具有像图1中复杂的形状时，可以使用具有ASTM 8-9粒径的304型软退火不锈钢来提供所需的耐腐蚀性和金属成型简易性。例如，成形的盖子也可以镀有镍。
接线柱盖在大气环境中应该对水具有良好的耐腐蚀性，良好的电导率，并且当在消费电池(consumer batteries)上为可见时，具有吸引人的外观。接线柱盖常常是由镀镍的冷轧钢或在形成盖子之后镀镍的钢制造的。在接线柱位于卸压孔上方的情况下，接线柱该通常具有一个或多个孔以便于电池排气。
衬垫是由提供所需密封性能的任何合适热塑性材料制造的。材料选择部分基于电解质组成。合适材料的例子包括聚丙烯、聚苯硫、四氟化物-全氟烷基乙烯基醚共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯和它们的组合。优选的衬垫材料包括聚丙烯(例如，
Figure C200680003416D00121
 6524，购于BasellPolyolefins，Wilmington，DE，USA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(例如，
Figure C200680003416D00122
 PBT，购于Ticona-US，Summit，NJ，USA的1600A级)和聚苯硫(例如，
Figure C200680003416D00123
 PPS，购于Boedeker Plastics，Inc.，Shiner，TX，USA)。也可以向衬垫的基础树脂中加入少量的其它聚合物、增强无机填料和/或有机化合物。
衬垫可以涂覆有密封剂以提供最好的密封。乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物(EPDM)是合适的密封材料，但也可以使用其它合适的材料。
排气衬套(vent bushing)是由在高温(例如，75℃)下耐冷流的热塑性材料制造的。热塑性材料包括基础树脂如乙烯-四氟乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫、聚邻苯二酰胺、乙烯-氯三氟乙烯、氯三氟乙烯、全氟代烷氧基链烷烃、氟化全氟乙烯、聚丙烯和聚醚醚酮。乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚苯硫(PPS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚邻苯二酰胺是优选的。可以通过加入热稳定的填料改性该树脂，从而使排气衬套在高温下具有所需的密封和排气特性。衬套可以由热塑性材料注射成型。TEFZEL
Figure C200680003416D0013135306QIETU
 HT2004(具有25重量％碎玻璃填料的ETFE树脂)是优选的热塑性材料。
排气球可以由与电池内容物接触时稳定的且提供所需电池密封和排气特性的任何合适材料制造。可以使用玻璃或金属如不锈钢。
阳极包括金属锂条，有时称为锂箔。尽管对于电池级锂来说，纯度总是高的，但是也可以改变锂的组成。可以将锂与其它金属如铝合金化，从而提供所需的电池电性能。含0.5重量％铝的电池级锂-铝箔可购于Chemetall Foote Corp.，Kings Mountain，NC，USA。
阳极可以在金属锂之内或其表面之上具有集流器。正如在图1中的电池中，因为锂具有高的电导率，所以不需要单独的集流器，但是随着锂消耗，例如，为了在放电的过程中在阳极之内保持电连续性，也可以包括集流器。当阳极包括集流器时，出于导电率，其可以由铜制成，但也可以使用其它导电的金属，只要他们在电池内是稳定的即可。
可以用将阳极与一个电池接线柱连接的薄金属条制造电引线(在如图1所示的FR6电池的情况下的罐)。该金属条常常由镍或镀镍的钢制造，并直接粘贴到锂上。这可以通过将引线的端部嵌入在一部分阳极之内或简单地将引线的端部压到锂箔的表面上实现。
包括集流器和含通常为颗粒形式的一种或多种电化学活性材料的混合物的阴极为条的形状。二硫化铁(FeS2)是优选的活性材料。在Li/FeS2电池中，活性材料包括大于50重量％的FeS2。根据所需的电池电和放电特性，阴极还可以含一种或多种额外的活性材料。额外的活性阴极材料可以是任何合适的活性阴极材料。例子包括Bi2O3、C2F、CFx、(CF)n，、CoS2、CuO、CuS、FeS、FeCuS2、MnO2、Pb2Bi2O5和S。更优选地，用于Li/FeS2电池阴极的活性材料包括至少95重量％FeS2，还更优选至少99重量％FeS2，最优选FeS2是唯一的活性阴极材料。纯度至少为95重量％的电池级FeS2可购于American Minerals，Inc.，Camden，NJ，USA；Chemetall GmbH，Vienna，Austria和KyaniteMining Corp.，Dillwyn，VA，USA。
除了活性材料之外，阴极混合物还含其它的材料。通常使用粘合剂将颗粒材料保持到一起并将混合物粘附到集流器上。可以加入一种或多种导电材料如金属、石墨和炭黑粉末以为混合物提供提高的电导率。使用的导电材料的量取决于诸如活性材料和粘合剂的电导率、集流器上混合物的厚度和集流器设计这样的因素。还可以使用少量的各种添加剂来提高阴极制造和电池性能。以下是用于Li/FeS2电池阴极的活性材料混合物材料的例子。石墨：Timcal America，Westlake，OH，USA的KS-6和 MX15级合成石墨。炭黑：Chevron PhillipsCompany LP，Houston，TX，USA的C55级乙炔黑。粘合剂：由PolymontPlastics Corp.(以前的Polysar，Inc.)制造，并可以购于HarwickStandard Distribution，Akron，OH，USA的乙烯/丙烯共聚物(PEPP)；Dow Chemical Company，Midland，MI，USA的非离子水溶性聚环氧乙烷(PEO)：
Figure C200680003416D00142
和Kraton Polymers，Houston，TX的G1 651级苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS)嵌段共聚物。添加剂：由Micro Powders Inc.，Tarrytown，NY，USA制造(Dar-TechInc.，Cleveland，OH，USA市售)的FLUO 
Figure C200680003416D00143
微粒化聚四氟乙烯(PTFE)和Degussa Corporation Pigment Group，Ridgefield，NJ的
Figure C200680003416D00144
 200级热解法二氧化硅。
可以将集流器布置在阴极表面之内或嵌入到其中，或可以将阴极混合物涂覆到薄金属条的一面或两面上。铝是通常使用的材料。集流器可以延伸超过含阴极混合物的阴极部分。集流器的此延伸部分可以为与正极接线柱连接的电引线产生接触提供方便的区域。合乎需要的是使集流器的延伸部分的体积保持在最小值以同样多地制造可供活性材料和电解质利用的电池内体积。
制造FeS2阴极的优选方法是将于高度挥发有机溶剂(例如，三氯乙烯)中的活性材料混合物材料的浆料辊涂到铝箔片的两侧，干燥涂层以除去溶剂，压延该涂覆的箔以将涂层压紧，将涂覆的箔纵割至所需的宽度和将切开的阴极材料的条横切至所需的长度。合乎需要的是使用具有小颗粒尺寸的阴极材料，从而使刺穿分隔物的危险最小。例如，优选在使用之前筛分FeS2通过230目(62微米)筛子。
阴极与电池的正极接线柱电连接。如图1所示，这可以用常常是薄金属条或弹簧形式的电引线实现。引线常常是由镀镍的不锈钢制造的。
分隔物是能透过离子且不导电的微孔薄膜。它能够将至少一些电解质保持在分隔物的孔隙之内。将分隔物设置在阳极和阴极的相邻表面之间，从而使电极彼此电绝缘。部分分隔物也可以绝缘与电池接线柱电接触的其它组件以防止内部短路。分隔物的边缘常常延伸超过至少一个电极的边缘，从而确保即使阳极和阴极没有完全彼此对准，它们也不产生电接触。然而，合乎需要的是使分隔物延伸超过电极的量最小。
为了提供良好的高功率放电性能，合乎需要的是分隔物具有1994年3月1日颁布的美国专利No.5,290,414中公开的特性(具有至少0.005微米的最小尺寸和不超过5微米最大尺寸的气孔，孔隙率为30-70％，面电阻率为2-15ohm-cm2，曲率小于2.5)，本文引入其作为参考。
合适的分隔物材料还应该足够坚固以承受电池制造工艺和电池放电的过程中施加在分隔物上的压力而不会引发会导致内部短路的撕裂、裂纹、孔或其它空隙。为了使电池中整个分隔物体积最小，分隔物应该尽可能薄，优选小于25微米厚，更优选不超过22微米厚如20微米或16微米。高的拉伸应力是合乎需要的，优选至少800、更优选至少1000千克力/平方厘米(kgf/cm2)。对于FR6型电池，优选的拉伸应力在纵向至少为1500kgf/cm2，在横向至少为1200kgf/cm2，对于FR03型电池，优选的拉伸强度在纵向和横向分别为1300和1000kgf/cm2。优选地，平均介电击穿电压为至少2000伏特，更优选至少2200伏特，最优选至少2400伏特。优选的最大有效孔径为0.08微米-0.40微米，更优选不大于0.20微米。优选地，BET比表面积为不大于40m2/g，更优选至少15m2/g，最优选至少25m2/g。优选地，面电阻率不大于4.3ohm-cm2，更优选不大于4.0ohm-cm2，最优选不大于3.5ohm-cm2。在于2003年11月21日提交的美国专利申请No.10/719,425中更详细地描述了这些性能，本文中引入其作为参考。
供锂电池使用的分隔膜通常是由聚丙烯、聚乙烯或超高分子量聚乙烯制成的，其中聚乙烯是优选的。分隔物可以是单层双轴取向的微孔膜，可以将两层或更多层叠加在一起以在正交方向提供所需的拉伸强度。对于使成本最小来说，单层是优选的。合适的单层双轴取向聚乙烯微孔分隔物购于Tonen Chemical Corp.，可购于EXXON MobileChemical Co.，Macedonia，NY，USA。Setela F20DHI级分隔物具有20微米的标称厚度，Setela 16MMS等级具有16微米的标称厚度。
将阳极、阴极和分隔条一起组合成电极组件。如图1所示，电极组件可以是通过交替绕心轴(mandrel)缠绕阴极条、分隔条、阳极条和分隔条制造的螺旋缠绕设计，当缠绕完成时，从电极组件中抽出该心轴。通常将至少一层分隔物和/或至少一层电绝缘膜(例如，聚丙烯)包裹在电极组件的外面。这起多个作用：其有助于将组件保持在一起并可以用于将组件的宽度或直径调整至所需的尺寸。可以用一块胶带或通过热封将分隔物最外端或其它外面的膜层压紧。如图1所示，阳极可以是最外边的电极，或者阴极可以是最外边的电极。任一电极可以与电池容器电接触，但是当最外边的电极是打算与罐电接触的相同的电极时，可以避免最外边的电极与容器侧壁之间的内部短路。
电极组件可以是通过将电极和分隔条折叠在一起而不是螺旋缠绕形成的。这些条可以沿它们的长度对齐，然后以手风琴方式(accordionfashion)折叠，或者可以将阳极和一个电极条垂直于阴极和另一个电极条布置，并且电极一个穿过另一个交替折叠(正交取向)，在两种情况下都形成许多交替的阳极和阴极层的堆。
将电极组件插入到外壳容器中。在螺旋缠绕的电极组件的情况下，无论是在圆柱形还是棱柱形容器中，电极的主表面都垂直于容器的侧壁(换句话说，电极组件的中心芯体平行于电池的纵轴)。在棱柱形电池中一般使用折叠的电极组件。在手风琴折叠的电极组件的情况下，该装置以如下方式取向，即电极层堆相对端的平坦电极表面与容器的相对侧相邻。在这些结构中，阳极主表面整个面积的大部分是通过分隔物与阴极主表面整个面积的大部分相邻，电极主表面的最外边部分与容器的侧壁相邻。这样，容器侧壁就抑制了由于阳极和阴极组合厚度增加造成的电极组件膨胀。
在本发明的电池组电池中使用仅含非常少量水作为污染物的非水电解质(例如，取决于所使用的电解质盐，按重量计至多约500ppm)。可以使用适用于锂和活性阴极材料的任何非水电解质。该电解质含一种或多种溶于有机溶剂中的电解质盐。对于Li/FeS2电池，合适的盐的例子包括溴化锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂、六氟磷酸钾、六氟砷酸锂、三氟甲烷磺酸锂和碘化锂；合适的有机溶剂包括以下组分中的一种或多种：碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲·乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸1，2-丁二醇酯、碳酸2，3-丁二醇酯、甲酸甲酯、γ-丁内酯、环丁砜、乙腈、3，5-二甲基异噁唑、n，n-二甲基甲酰胺和醚。盐/溶剂组合将提供充分的电解和电导率，从而在所需的温度范围内符合电池放电要求。醚由于它们通常低的粘度、良好的润湿能力、良好的低温放电性能和良好的高倍率放电性能，因而常常是合乎需要的。这在Li/FeS2电池中是特别正确的，因为与用MnO2阴极相比，醚更稳定，因此可以使用较高的醚含量。合适的醚包括但不限于非环状醚如1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、二(甲氧基乙基)醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚(tetraglyme)和乙醚；和环状醚如1，3-二氧戊环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃和3-甲基-2-噁唑烷二酮(oxazolidinone)。
可以将具体的阳极、阴极和电解质组成和数量调整，以提供所需的电池制造、性能和存储特性，如上面引证的美国专利申请No.10/719,425中公开的。
可以使用任何合适的方法封闭并密封电池。这些方法可以包括但不限于卷边(crimping)、重拉(redrawing)、筒夹(colleting)和它们的组合。例如，对于图1中的电池，在插入电极和绝缘体锥之后在罐中形成珠子(bead)，并且衬垫和盖子组件(包括电池盖、接触弹簧和排气衬套)放在罐的开口端中。电池支撑在珠子处，同时将衬垫和盖子组件向下对着珠子推动。用分段筒夹(segmented collet)降低珠子上的罐的顶部的直径，以在电池中保持衬垫和盖子组件就位。在通过排气衬套和盖子中的孔口将电解质分配到电池中之后，将排气球插入到衬套中以密封电池盖中的孔口。将PTC器件和接线柱盖放到位于电池盖上的小室上，用卷边模具向内弯曲罐的顶部边缘以保持衬垫、盖子组件、PTC器件和接线柱盖，并通过衬垫完成罐的开口端的密封。
上述说明特别与圆柱形Li/FeS2电池如InternationalElectrotechnical Commission，Geneva，Switzerland出版的International Standards IEC 60086-1和IEC 60086-2中限定的FR6和FR03型相关。然而，本发明也适用于其它电池尺寸和形状以及其它电极组件、外壳、密封和减压孔设计的电池。可以在其中使用本发明的其它电池类型包括一次含水碱性电池和可再充电含水碱性电池如锌/二氧化锰、锌/羟基氧化镍、镍/镉和镍/金属氢化物电池，以及一次非水电池和可再充电的非水电池如锂/二氧化锰和锂离子电池。电极组件结构也可以改变。例如，其可以具有如上所述的螺旋缠绕的电极、折叠的电极或条的堆(例如，平板)。例如，也可以将电池形状改变至包括圆柱形和棱柱形形状。
在下面的实施例中将进一步说明本发明的特点及其优点。
实施例1
使用计算机模拟来评价具有与如图1所示相似的电极组件、适合于在FR6和FR03电池中使用的若干负极引线设计。使用该模型来确定可以通过与图1和2中的负极引线相似的引线的接头末端施加的弹簧力。确定的弹簧力应该近似于对着罐侧壁的内表面的引线接头部分所施加的力的数量。
对于引线用0.051mm(0.002英寸)厚的镀镍、冷轧带钢，该模型使用以下材料性能：杨氏模量＝2.07×108Pa(3.00×107磅/英寸2)、泊松比＝0.285和初始屈服强度＝251,000Pa(36,400磅/英寸2)。
对于引线的接头部分(在将电极组件插入到罐中之前，靠近电极组件外表面绕电极组件底部的弯曲部上方的部分)，评价三种不同的形状：平坦、V形(图4A)和弧形(图4B)，同时V形和弧形引线的沟槽沿条的接头部分的中心纵向排布，因此在将电极组件插入到罐中之后，沟槽将平行于电池的纵轴设置。
在模型中，使用初始的引线形状和尺寸，将电极组件的外直径的横截面和引线的接头部分都叠置在罐的内直径的横截面上。在FR6电池评价中使用12.90mm(0.508英寸)的电极组件直径、13.44mm(0.529英寸)的罐内直径和4.75mm(0.187英寸)的引线条宽度；在FR03电池评价中使用9.25mm(0.364英寸)的电极组件直径、9.70mm(0.382英寸)的罐内直径和3.18mm(0.125英寸)的引线条宽度。如图6B(未按比例)所示，对于各种电池尺寸，电极组件和引线相对于罐的起始位置在所有情况下都是相同的，并且是基于最初形成具有90度腿间角度的V形的引线确立的。使引线的边缘60与罐12接触，并且使电极组件与V的底部(base)在点62处接触。在评价的每一种其它情况的起始位置中，使引线的边缘60与罐12接触，且电极组件上点62通过引线的中心至罐12的距离64对于FR6电池是1.88mm(0.074英寸)，对于FR03电池为1.24mm(0.049英寸)。图6A和6C说明分别具有平坦和弧形引线、由与图6B中的V形引线相同的材料制造的FR6电池的起始位置。因为距离64保持恒定，所以在图6A和6C中于引线与电极组件之间有间隙。在模型中，将电极组件的位置向右移(图6A-6C)，减少距离64，并确定随点62向右位移而变化的引线对罐的弹簧力。如果在点62与引线之间有间隙，则没有弹簧力，直至充分移动电极至接触并开始推向引线。
模拟的结果示于图7-14中，其说明了与从起点开始的电极组件的位移(mm)有关的引线对罐的弹簧力(g/cm引线的成型部分的长度)；表1总结了在每一幅图中提供的电池种类和引线形状。
表1
 
图 电池种类 引线形状
7 FR6 平坦
8 FR6 V-形，90°腿间角度
9 FR6 弧形，1.78mm(0.070英寸)弧半径
10 FR6 弧形，1.91mm(0.075英寸)弧半径
11 FR6 弧形，2.29mm(0.090英寸)弧半径
12 FR03 平坦
13 FR03 V形，90°腿间角度
14 FR03 弧形，1.40mm(0.055英寸)弧半径
图7-14中的图说明了随着电极组件向右移动弹簧力的变化。从起始位置到靠着罐的内部左侧面放置电极组件的左侧面(相对点62)的位移的数量由线E表示，其中FR6电池具有12.90mm直径电极组件，FR03电池具有9.25mm电极组件。当电极组件尽可能向左侧时，这相当于在插入到罐中之后电极组件的位置。对于具有较小或较大直径的电极组件来说，线E将要分别左移或右移。将点62置于靠着罐内部右表面的位移数量由线F表示。在于起始位置中的引线与电极组件之间没有间隙的情况下(图8和13)，弹簧力随着电极组件向右位移立即开始增加，并且引线相应的压缩(初始引线形状变形)。在其它情况下，弹簧力直至不留间隙才开始大于零。点A1、B1、C1和D1说明渐进位移的弹簧力(FR6电池为0.127mm(0.005英寸)，FR03电池为0.102mm(0.004英寸))。点A2、B2、C2和D2说明在最初分别向右移动至点A1、B1、C1和D1之后，如果电极组件移动回左侧，弹簧力的变化(FR6电池为0.127mm(0.005英寸)，FR03电池为0.102mm(0.004英寸))。这对应于在将电极组件插入到罐中的过程中将会发生的情况，例如，如果引线过压缩(变形大于为将电极组件装入罐内直径的范围内所需的最小值)，那么允许远离罐方向弹回。由于引线的部分永久变形，所以弹簧力降低，这是因为在部分引线中超过了引线的屈服强度。通常，对于给定量的电极组件位移来说，V形和弧形引线提供比平坦引线更大的弹簧力。
在图7(具有平坦引线的FR6电池)中，弹簧力在起始点为零，并且直至电极组件向右移动超过1.42mm(0.056英寸)。因为直至电极组件移动超过线E弹簧力都没有上升到超过零，所以对于直径为12.90mm或更小的电极组件来说，在引线与罐之间没有弹簧力。换句话说，对于直径为12.90mm的电极组件来说，在引线与罐之间没有弹簧力。需要0.076mm(0.003英寸)的额外位移，这相当于要求大于12.98mm(0.511英寸)的电极组件直径。
在图8(具有90度V形引线的FR6电池)中，电极组件一开始向右位移，弹簧力就开始上升。当电极组件移动得足够远，及至电极组件的左侧面与罐的内部左侧面平齐时，弹簧力为167g/cm(相当于图中与线E的交叉点)。这意味着，在电极组件直径为12.90的电池中，除非引线被过分过压缩，否则在引线与罐之间将会有弹簧力。位移超过点C1的过分过压缩可以造成这样一种情况，即在变形引线与罐之间有多个接触点，并且弹簧力迅速上升(脱离该图)，直至超过引线材料的屈服强度，从而在仅仅少量的回弹之后弹簧力下降到零。图8说明在具有13.44mm罐内直径和在此评价中使用的引线的电池中可以使用直径小至约11.55mm(比图7所示的最小电极直径小1.35mm)的电极组件。
在图9(具有半径为1.78mm的弧形引线的FR6电池)中，在模型的起始点，于电极组件与引线之间有小的间隙，但在相当于12.90mm直径电极组件定位于靠着罐的内部左侧面的位移处弹簧力超过零。线E可以左移多达1.07mm(0.042英寸)，并仍然具有大于零的弹簧力，因此较小直径电极组件(大于11.83mm)可以使用此引线。
图10中的图与图9中的相似。因为点A1、B1、C1和D1通常比图9中的相应点高，所以如果在将电极组件插入到罐中的过程中没有引线的过压缩，则1.91mm弧半径应该高于1.78mm弧半径的弹簧力。可以使用此引线设计的最小电极组件仅仅稍大于根据图9确定的尺寸。
图11中的图与图9和10中的相似。对比说明，对于位移超过点B1(点D1超过图11中示出的最大弹簧力)，2.29mm弧半径导致更高的弹簧力，但由过压缩导致弹簧力有稍微大一些的损失，可以使用的最小电极组件直径稍大于具有1.91mm和1.78mm弧半径的引线的电极组件。
在12、13和14中FR03电池说明的趋势与图7-11中说明的相似。V形引线的过分压缩可以导致引线疲劳和弹簧力损失。图12中代表的、可以使用平坦电极引线的最小电极直径为约9.40mm(0.370英寸)，图14中代表的具有1.40mm半径弧形引线的最小值为约8.64mm(0.340英寸)，在图13中代表的具有90度V形引线的最小值为约8.46mm(0.333英寸)。
实施例2
与图1和2中的电池10相似，使用10组(lots)FR6电池来评价电池特性和性能。1组和2组中的各个电池具有0.0254mm(0.001英寸)厚、绕电极组件周边缠绕的聚乙烯薄膜条。平均电极组件外直径(包括聚乙烯薄膜条)为13.06mm(0.514英寸)。3-10组中的各个电池没有聚乙烯薄膜的外包裹，电极组件的平均外直径为12.95mm(0.510英寸)。在所有组中，罐的平均内直径都为13.41mm(0.528英寸)。在所有组中，负极引线是由4.75mm(0.187英寸)宽、切至长度为55.9mm(2.20英寸)的导电金属薄条制造的。如图2所示，引线的一端附于靠近其外端的锂负电极上，因此引线的接头末端从组装的电极组件的底端中凸出，在此将其向外弯曲，然后向上，使得引线的接头部分平行于纵轴并与电极组件的外侧面相邻。
在各个组中，负极引线是不同的，如表2所示。非平面的引线具有单个V形或弧形沟槽，当沿电极组件的侧面弯曲接头末端时，该沟槽平行于电极组件的纵轴。表2中所示的V腿间角度、弧长和弧半径是用于产生形状的工具的尺寸，在实际形成的引线中有一些偏差和变异性。沟槽约12.7mm(0.50英寸)长，从引线的接头末端伸出，具有从V形或弧形部分到平面部分的过渡带。
测试各个组的样品电池于60℃下储存60天前后的开路电压、AC阻抗和安培数。也测试各个组的样品电池的各种放电、物理违规操作和电学违规操作(electrical abuse)试验。在这些组中没有超过预期变异性的明显差异。
表2
 
组 引线材料 引线形状
1 镀镍冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚 平坦
2 镀镍冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚 V形沟槽，90°腿间角度
3 镀镍冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚 弧形沟槽，90°弧，1.91mm(0.075英寸)半径         
4 镍，0.076mm(0.003英寸)厚 V形沟槽，90°腿间角度
5 镍，0.076mm(0.003英寸)厚 弧形沟槽，90°弧，1.91mm(0.075英寸)半径         
6 镀镍冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚 平坦
7 镀镍冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚 V形沟槽，73°腿间角度
8 镀镍冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚 弧形沟槽，90°弧，1.50mm(0.059英寸)半径         
9 铜-镍合金(Olin Brass Alloy 7025)，0.051mm(0.002英寸)厚        V形沟槽，73°腿间角度
10 铜-镍合金(Olin Brass Alloy 7025)，0.051mm(0.002英寸)厚        弧形沟槽，90°弧，1.50mm(0.059英寸)半径         
实施本发明的人员和本领域技术人员将会理解可以对本发明进行各种改变和改进而不背离公开概念的精神。由权利要求书和法律允许的解释的宽度确定所提供的保护范围。

Claims (29)

1.一种包含外壳、电极组件和电解质的电化学电池组电池，其中：
电极组件含负极条、正极条和设置在负极与正极之间的至少一个分隔条；
外壳包括具有至少一个侧壁和底壁的容器；
电极组件具有靠近容器侧壁的不导电外侧面和靠近容器底壁的底；
负极和正极中的一个通过从电极组件中伸出电引线与容器侧壁电接触，并且沿着电极组件侧面折叠，以使至少一部分引线设置在电极组件侧面与容器侧壁之间；
引线仅仅通过压力与容器侧壁物理接触；和
位于电极组件侧面与容器侧壁之间的引线部分包括偏向容器侧壁内表面的变形的初始非平面形状。
2.根据权利要求1的电池，其中电极组件还包括覆盖至少一部分电极组件侧面的电绝缘材料条。
3.根据权利要求1的电池，其中引线从电极组件的底部伸出。
4.根据权利要求1的电池，其中引线从电极组件的侧面伸出。
5.根据权利要求1的电池，其中电极引线的初始非平面的形状含具有底和两个沟槽边缘的沟槽。
6.根据权利要求5的电池，其中沟槽的初始形状是V形的。
7.根据权利要求6的电池，其中平行于电极组件的纵轴设置沟槽。
8.根据权利要求7的电池，其中非平面的形状含单个沟槽。
9.权利要求8的电池，其中沟槽延伸跨越引线的整个宽度，容器和电极组件是圆筒形的，容器具有内直径，电极组件具有外直径，且容器内直径与电极组件直径之间的最大差异由以下方程限定：
( W 2 ) · sin ( 180 - θ 2 ) + ( ID - ID 2 - ( W 2 / 2 ) · ( 1 - cos θ ) 2 ) + t
其中，W是沿引线表面测量的引线宽度，t是引线的材料厚度，θ是由V形成的角度且大于0度并小于180度，ID是罐的内直径。
10.根据权利要求7的电池，其中非平面的形状含许多个沟槽。
11.根据权利要求5的电池，其中沟槽的初始形状是弧形的。
12.根据权利要求11的电池，其中平行于电极组件的纵轴设置沟槽。
13.根据权利要求12的电池，其中非平面的形状含单个沟槽。
14.根据权利要求13的电池，其中沟槽延伸跨越引线的整个宽度，容器和电极组件是圆筒形的，容器具有内直径，电极组件具有外直径，且容器内直径与电极组件直径之间的最大差异由以下方程限定：
2 R · ( 1 - cos ( W / ( 2 R ) ) ) + ID - ID 2 - ( 2 R sin ( W / ( 2 R ) ) ) 2 2 + t
其中，W是沿引线表面测量的引线宽度，t是引线的材料厚度，R是弧的半径，ID是容器的内直径，且(W/R)≤π。
15.根据权利要求10的电池，其中非平面的形状含许多个沟槽。
16.根据权利要求1的电池，其中电极组件侧面与容器侧壁之间的引线部分具有不向内指向电极组件侧面的边缘。
17.根据权利要求1的电池，其中电极条和分隔条是螺旋缠绕的构造。
18.根据权利要求1的电池，其中电极条和分隔条是折叠构造。
19.根据权利要求1的电池，其中许多正极条、许多负极条和分隔条为堆叠构造。
20.根据权利要求1的电池，其中电池是圆筒形电池。
21.根据权利要求1的电池，其中电池是棱柱形电池。
22.根据权利要求1的电池，其中电极组件是圆筒形的。
23.根据权利要求1的电池，其中电极组件是非圆筒形的。
24.一种包含外壳、电极组件和电解质的电化学电池组电池，该电池是通过包括以下步骤的方法制造的：
a.提供负极条、正极条和至少一个分隔条；
b.提供包含具有第一端和第二端的导电金属条的电引线；
c.将引线的第一端固定到负极和正极中的一个上；
d.将负极、正极和分隔条一起组合成含底和至少一个侧面的电极组件，使得所述侧面不导电且引线的第二端从电极组件中伸出；
e.在将电极组件插入到容器中之前，使从电极组件中伸出的至少一部分引线成形，从而形成初始的非平面形状；
f.沿着电极组件侧面折叠具有非平面形状的引线部分，以靠近电极组件的不导电侧面；
g.改变非平面的形状以便于通过容器中的开口插入电极组件；
h.通过开口将电极组件插入到容器中；
i.使引线变形的非平面形状部分地恢复到初始的非平面形状，从而向容器的侧壁施加充分的力以电接触。
25.根据权利要求24的电池，其中在将引线固定到正极和负极中的一个上之前形成初始非平面的形状。
26.根据权利要求24的电池，其中在将引线固定到正极和负极中的一个上之后形成初始非平面的形状。
27.根据权利要求24的电池，其中在将电极组件插入到容器中之前使初始非平面的形状变形。
28.根据权利要求24的电池，其中在将电极组件插入到容器中的过程中使初始非平面的形状变形。
29.根据权利要求24的电池，其中方法包括以下步骤：弯曲引线的延伸部分穿过电极组件的一部分底部并向上，使得引线的初始非平面的部分与电极组件的侧面相邻。
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