CN101120462B

CN101120462B - 用于高功率电池的端帽组件和排气孔

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Publication number: CN101120462B
Application number: CN2006800051295A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·A.·约波罗; 理查德·E.·德科特; 丹尼尔·艾伦; 詹姆斯·塞维拉; 奥里格·波多普利戈娃
Original assignee: Gillette Co LLC
Current assignee: Duracell US Operations Inc
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: EP1849197B1; US7579105B2; WO2006091376A3; US20060188779A1; EP1849197A2; CN101120462A; JP2008530757A; WO2006091376A2; BRPI0608420A2

Abstract

一种用于闭合并密封电池外壳的开口端的端帽组件和其中的排气系统。所述端帽组件包括位于端帽下面的密封盘、以及位于端帽和密封盘之间的金属支撑盘。所述金属支撑盘具有穿过其表面的多个主排气小孔和多个次排气小孔。所述主排气小孔比次排气小孔沿以距金属支撑盘的中心纵向轴线更大的距离定位的路径间隔开。所述绝缘密封盘在其中可具有形成可破裂膜的变薄部分。所述可破裂膜包围密封盘的中心毂。所述绝缘密封盘可具有生发自其顶部表面的突出用以在破裂期间偏转膜。该排气系统在滥用或短路放电的情况下快速从电池中释放内部气体。

Description

用于高功率电池的端帽组件和排气孔

技术领域

本发明涉及用于密封电化学电池尤其是高功率一次电池的端帽组件和排气系统。本发明涉及碱性电池，更具体地讲涉及高功率碱性电池。

背景技术

常规电化学电池例如碱性电池由具有开口端的圆柱形外壳和插入其中以密封外壳的端帽组件形成。常规碱性电池典型地包括包含锌的阳极、包含二氧化锰的阴极、以及包含含水氢氧化钾的碱性电解质。碱性电池也可例如包括包含锌的阳极、包含羟基氧化镍的阴极和包含含水氢氧化钾的碱性电解质。这种羟基氧化镍碱性电池例如显示于公布的申请US2004/0043292A1和U.S.6,686,091 B2中。在提供电池内容物之后，通过将外壳边缘卷扣到端帽组件上而闭合电池从而为电池提供紧密密封。端帽组件包括用作电池末端的暴露端帽板，并且典型地包括密封电池外壳的开口端的塑料绝缘插头。

与各种电化学电池尤其是碱性电池的设计相关的一个问题是当电池经受过度放电条件时或当它继续放电超过某一点，通常是接近电池的可用容量的完全耗尽点时，该电池趋于产生气体。电化学电池尤其是碱性电池在端帽组件内常规地提供有可破裂隔膜或可破裂膜。可破裂隔膜或膜可在塑料绝缘构件内形成，如美国专利3,617,386所述。此类隔膜设计成当电池内的气体压力超过某个预定水平时就发生破裂。端帽可具有数个排气孔，用于当隔膜或膜破裂时让气体逸出。公开于美国专利3,617,386中的端帽组件公开了一种有凹槽的可破裂密封隔膜和位于端帽和密封隔膜之间的单独的金属触点盘。该参考文献中所公开的端帽组件不是设计用以承受径向压缩力的，因而当电池经受冷热气候中的极端因素作用时它将趋于渗漏。

为了提供紧密密封，当代现有技术典型地公开了端帽组件。所述组件包括插置在端帽板和绝缘构件之间的金属支撑盘。当电池外壳边缘被卷扣到端帽组件上时，该单独的金属支撑盘受到径向压缩。绝缘插头典型地呈塑料绝缘盘的形式，其从电池的中心朝电池外壳延伸并电绝缘金属支撑盘与电池外壳。金属支撑盘可具有如美国专利5,759,713或5,080,985所示的高度旋绕的表面。所述表面确保在围绕端帽组件卷扣电池外壳边缘期间端帽组件可承受高径向压缩力。这导致围绕端帽组件的机械密封始终是紧密的。

现有技术公开了可破裂排气膜，其整体成形为绝缘盘内的变薄区域，该盘包括在端帽组件内。可定向此类排气膜使得它们位于垂直于电池的纵向轴线的平面内，如美国专利5,589,293所示，或可定向它们使得它们相对于电池的纵向轴线是倾斜的，如美国专利4,227,701所示。在后者U.S.4,227,701中，绝缘密封盘可滑动地安装在穿过其中而延伸的细长集电器上。随着电池内气体压力的累积，绝缘密封盘的中心部分向上朝电池端帽滑动，从而拉伸膜直到其破裂，因而气体得以通过末端板中的排气孔而释放。美国专利6,127,062公开了一种绝缘密封盘和一种整体成形的可破裂膜。所述膜为垂直定向的，即平行于电池的中心纵向轴线而定向。当电池内的气体压力升高到预定水平时该膜破裂，从而将气体压力释放到外部环境中。

可破裂膜可呈绝缘盘中的一个或多个薄材料岛的形式，如U.S.5,589,293所示。可供选择地，可破裂膜可呈包围电池的纵向轴线的薄部分的形式，如美国专利5,080,985所示。当膜破裂时，气体通过沿金属支撑盘40的外下斜臂定向的排气孔49释放。形成可破裂膜的环绕的变薄部分可呈绝缘盘内的环形凹槽的基座处的变薄区域的形式，如美国专利4,237,203所示。可破裂膜也可为单独的聚合物膜制件，其夹置在金属支撑盘和绝缘盘之间并且面向其中的小孔，如专利申请公布US 2002/0127470 A1所示。尖锐构件或其它突出构件可定向在可破裂膜之上以帮助膜破裂，如美国专利3,314,824所示。当电池内的气体压力变得过大时，膜膨胀并与尖锐构件接触而破裂，从而允许气体从电池内通过上覆的末端端帽中的小孔而逸出到环境中。

已对一次电池尤其是一次碱性电池作了改进。所述改进可使它们在发生极化之前，在这种高功率水平上以比以前所可能有的更高功率放电更长时间。(极化会限制离子传送，导致电极处的电荷累积，并且最终限制可达到的功率输出水平)。此类高功率一次碱性电池的发展使它们更适于作为高功率可充电电池的替代品，例如作为通常用于数字照相机或手机中的镍金属氢化物或锂离子可充电电池的替代品。由于改进的碱性电池的高功率特性，它们典型地要经受严格测试以确保它们的安全性。一个这样的测试方法为让电池经受短路，以确定电池内的安全系统是否正常起作用而及时关闭电池以避免任何灾祸性后果。

在高功率电池中，当不适当地使用电池时，例如，如果电池经受短路情况，则在电池内可相继发生快速的温度升高和过多的放气。随着电池温度的升高，放气会随着继发反应的发生而以渐增地更快的速率增加。电池内的气体压力也将直接随着电池温度的升高而升高。因此当高功率一次电池经受此类短路情况时，可预期放气速率和伴随的内部气体压力的累积会增加。

现有技术提出PTC(正热系数)装置的安装和使用。所述装置通常与电池电极串联。PTC装置(其可为薄材料块)具有这样的性能：其电阻随着电池温度的增加(例如，在短路情形中)而急剧增加。(电阻的增加是由于当PTC装置接触高温时电阻率的增加和长度上的膨胀)。随着PTC电阻的增加，电流耗尽，因而电池的功率输出关闭。其它热响应装置例如双金属盘和形状记忆合金在接触高温时会挠曲。这些装置已用于高功率电池用以当电池过热时切断电极材料和对应端之间的导电通道，从而导致电池立即关闭。置入了此类热响应装置的用于高功率电池的端帽组件显示于美国专利5,879,832和U.S.6,083,639中。这些装置虽然很有效但在端帽组件内占据空间并且增加了电池成本。

因此，期望具有一种用于高功率一次电池尤其是高功率碱性电池的其中带有排气系统的端帽组件，所述组件在电池经受短路情况时保护电池。

可取的是高功率一次电池具有内置在电池中的安全机构，如果电池经受滥用性操作例如短路放电条件，所述机构可使电池的内部温度快速耗散。

可取的是电池具有改进的排气系统，如果电池内的气体压力由于滥用性电池操作而快速累积，所述系统可使电池内的气体快速从电池释放。

发明内容

在一个主要方面，本发明涉及带有端帽组件的电化学电池。所述组件在其中具有改进的排气系统。当电池内的气体压力累积至超过预定设计极限的水平时，排气系统激活。排气系统一旦激活，就可使源自电池内的气体快速穿过电池而排放到环境中，以保护电池避免发生灾祸性破裂。电池外壳的特征在于具有带有封闭端和相对的开口端的整体主体表面。外壳主体优选地为圆柱形，因此在一个优选的实施方案中电池为圆柱形电池。然而，外壳也可具有至少一个沿其长度延伸的基本扁平侧面或沿其长度延伸的一对相对的基本扁平侧面。电池优选地为一次(不可充电的)电池。电池优选地为一次碱性电池，其中电解质典型地为碱性电解质。在将其间带有隔板的阳极材料和阴极材料插进电池外壳之后，将端帽组件定位进外壳开口端中并沿其边缘卷扣或用其它方式固定以密封电池。

在一个主要方面，带有改进的排气系统的本发明的端帽组件具有与密封高功率电池尤其是高功率一次碱性电池相关的主要效用和应用。下文所用术语“高功率”是指具有这样特性的电池：当阳极和阴极被构形成AA尺寸电池，并且该AA尺寸电池连续地以1瓦特的恒定功率输出的水平耗尽时，电池可输出至少1.2瓦特-小时的电能。测试用新的AA电池通过逐渐降低负载电阻而进行，即，通过在放电期间随着电池电压的下降而逐渐升高耗用电流，以便保持连续的1瓦特的功率输出，直到这样的功率输出水平不再能够获得。假定这种测试用“新”电池进行，即，此前没有经受消费者使用的电池。当其为新电池时，被测试电池可典型地具有位于约1伏和3伏之间的开路电压。在一个优选的实施方案中，电池可为锌/羟基氧化镍碱性电池，但也可为锌/MnO₂电池。本发明的带有改进的排气系统的端帽组件不旨在仅限于这两种类型的阳极/阴极化学组成，因为本发明可等同地应用于放电时产生气体的其它一次碱性电池或其它一次电池。

当电池内达到预定水平的气体压力时，本发明的改进的排气系统能够非常快速地释放源自电池内的气体。当电池内的气体累积至预定的高水平时，本发明的排气系统在保护电池和防止电池外壳的灾祸性破裂或端帽组件的退卷扣方面具有特别效用，即使电池经受滥用性操作情况(包括直接且持久的短路)也是如此。

本发明的带有改进的排气系统的端帽组件在保护高功率一次电池例如锌/羟基氧化镍碱性电池方面具有特别效用。这种电池的活性非常高。当经受滥用性短路测试时，电池内部温度可在仅2至3分钟内变得非常热。在这些情况下，如果短路放电不被中断，则在仅2至3分钟的时长内电池内部中的I²R加热可导致电池外壳的外表层温度达到超过200℃甚至超过250℃的水平。随着电池的内部温度的增加，继发电化学反应的速率也增加。这些反应是放热的，因而产生附加热和更多放气。电池温度的增加还使气体压力升高。本发明的排气系统自动激活，因而使气体快速地从电池释放以避免电池破裂的任何可能性。气体的快速释放也迅速地降低电池的内部温度，从而进一步保护电池。

本发明的端帽组件包括端帽和绝缘密封盘，其间设有金属支撑盘。本发明的改进的排气系统在金属支撑盘的表面中具有一组主排气小孔和一组次排气小孔。次排气小孔的特征在于它们穿过金属支撑盘的表面而定位，使得它们的定位处距所述金属支撑盘的中心的距离小于主排气小孔距所述中心的距离。理想地，主排气小孔的中心与金属支撑盘的中心纵向轴线相距平均距离R₁，并且次排气小孔与金属支撑盘的中心纵向轴线相距平均距离R₂，其中R₂<R₁。优选地，主排气小孔的中心基本位于某个平面中，沿平均半径为R₁(与金属支撑盘的中心纵向轴线的距离)的圆周路径分布，并且次排气小孔的中心基本位于于某个平面中，沿平均半径为R₂(与金属支撑盘的中心纵向轴线的距离)的圆周路径分布，其中R₂<R₁。在AA尺寸电池中，可典型地具有位于约2个和4个之间的贯穿金属支撑盘的表面而间隔开的主小孔，并且具有位于约2个和4个之间的次小孔。主次小孔在形状上可为圆形或多边形，或可具有一个或多个曲线形表面和一个或多个直线形表面。在AA尺寸电池中，基于矩形形状的主小孔可典型地在电池的纵向上具有约1.5mm的高度，并且在电池的环向上具有约2.0mm的长度。次小孔可典型地具有基于圆形形状的位于约0.5mm和1.5mm之间的直径。因此主小孔可典型地具有位于约6mm²和12mm²之间的总横截面积，并且次小孔可典型地具有位于约0.40mm²和7.1mm²之间的组合总横截面积。(横截面积定义为由垂直于小孔的纵向轴线的平面所确定的面积)。

在一个主要方面，绝缘密封盘具有中心毂和从那里延伸并围绕所述毂的整体成形的径向环形臂。优选地，该径向延伸的臂的一部分在其中具有邻接并包围毂的环形变薄部分。环形变薄部分形成可破裂膜，所述膜具有这样的厚度：当电池内的气体达到预定压力水平时该膜破裂。另外还有多个整体成形的凸起的突出(支脚)，优选地为生发自绝缘密封盘的顶部表面的具有倾斜顶部表面的楔形突出。(突出可适当定向使得其倾斜顶部表面的高端面对并几乎邻接可破裂膜)。这些突出优选地定向并定位在围绕绝缘密封盘的中心的圆周路径上，使得它们在所述膜的破裂期间偏转破裂膜的任何碎片以防止它们透进并堵塞主排气小孔。

本发明的端帽组件理想地也备有设置在电池外壳的顶部周边边缘上的纸质或塑料绝缘垫圈。具有多个小孔穿过其中的端帽定位在垫圈的上方。有细长集电器穿过绝缘密封盘的中心毂并进入阳极材料中。优选地，端帽焊接到金属支撑盘的顶部表面上。在锌/MnO₂碱性电池或锌/羟基氧化镍碱性电池中，锌阳极材料在电池外壳的核内定位在中心处，并且MnO₂或羟基氧化镍阴极材料环形地定位使得其邻接外壳的内表面。因此，在碱性电池中，负电流通路为从阳极到细长集电器到金属支撑盘到端帽，并且正导电通路为从阴极到外壳到外壳的封闭端。

在本发明的一方面，通过调整绝缘密封盘内的膜厚度，可将膜设计成当电池内的气体累积至小于6.89MPa(1000psig)的压力水平时就破裂。在AA尺寸圆柱形电池中，膜的破裂压力理想地介于约2.07MPa(300psig)和6.55MPa(950psig)之间，优选地介于约2.07MPa(300psig)和5.17MPa(750psig)之间的压力。在C尺寸圆柱形电池中，膜的破裂压力理想地介于约0.69MPa(100psig)和2.76MPa(400psig)之间。在D尺寸圆柱形电池中，膜的破裂压力理想地为位于约0.34MPa(50psig)和1.72MPa(250psig)之间。在AAA尺寸圆柱形电池中，膜的破裂压力介于约3.10MPa(450psig)和7.93MPa(1150psig)之间。当膜(优选地由尼龙构成)设计成具有位于约0.08mm(3密耳)和0.31mm(12密耳)之间，理想地位于约0.08mm(3密耳)和0.20mm(8密耳)之间，典型地位于约0.15mm(6密耳)和0.25mm(10密耳)之间的厚度时，其可设计成达到上述破裂压力时就破裂。

带有本发明的改进的排气系统的端帽组件可使气体从电池的内部快速排出，即使电池经受可快速升高电池的内部气体压力和温度的直接且持久的短路情况也是如此。本发明的排气系统设计成能即时激活并快速地排出内部气体以防止任何灾祸性电池破裂的发生。具体地就锌/羟基氧化镍碱性电池来讲，当电池经受短路情况时，在内部气体压力达到约6.89MPa(1000psig)的水平之前，用本发明的端帽组件从电池中排出气体可确保外壳的外表面温度保持在低于160℃的温度。

附图说明

图1为本发明的端帽组件的剖视图。

图2为包含图1所示的本发明的端帽组件的碱性电池的横截面图。

图3为图1所示的端帽组件的组件分解图。

图4为其被卷扣进电池内的适当位置之前的图1中的绝缘密封盘的放大视图。

图5为其被卷扣进电池内的适当位置之前的图1中的金属支撑盘的放大视图。

图5A为其被卷扣进电池内的适当位置之前的金属支撑盘的一个可供选择的实施方案的放大视图。

图6为图1所示的端帽的放大视图。

具体实施方式

本发明的端帽组件100的优选结构图示说明于图1中。带有集成在其中的端帽组件100的代表性碱性电池10的具体实施方案显示于图2中。端帽组件100的组件分解图显示于图3中。被卷扣进电池之前的绝缘密封盘150的放大视图显示于图4中。叠加在绝缘盘150上的金属支撑盘130的一个主要实施方案显示于图5中，并且金属支撑盘130的一个可供选择的实施方案显示于图5A中。端帽110的一个主要实施方案显示于图6中。

端帽组件100尤其可应用于圆柱形电化学电池，特别是标准AAAA(42mmx8mm)、AAA(44mmx9mm)、AA(49mmx12mm)、C(49mmx25mm)和D(58mmx32mm)尺寸的圆柱形碱性电池。端帽组件100为电池外壳(壳体)12的开口端20提供密封，并且也具有置入其中的暴露端帽110。端帽110呈盘的形式并且如图2所示可用作电池端子之一(对于碱性电池来讲为负端子)。端帽110通过可由纸质或塑料材料构成的绝缘垫圈120与电池外壳12绝缘。端帽组件100可具有位于绝缘密封盘150上方的金属支撑盘130。在端帽组件100成形并插进电池外壳的开口端20之后，外壳的周边边缘16a卷扣到密封盘150的向上延伸的周边边缘156a上，并且周边边缘156a转而卷扣到金属支撑盘130的凸缘138上。在卷扣过程期间也径向地施加力，从而使金属支撑凸缘138咬入密封盘150的缘壁156中。在卷扣期间施加的径向力提供紧密密封，即使电池接触冷热环境温度中的极端因素也是如此。

代表性实施方案(图1至3)中的本发明的端帽组件100由端帽盘110、电绝缘密封构件150、和位于端帽110和绝缘密封构件150之间的金属支撑盘130构成。其中有细长集电器170穿过金属支撑盘130和绝缘密封盘150中的中心小孔。绝缘密封构件150优选地呈具有旋绕表面的绝缘密封盘(索环)的形式。绝缘密封盘150由耐化学品和碱侵蚀的耐用塑料构成。优选地密封盘150由尼龙66或尼龙612构成。然而不旨在将密封盘150限制于这些材料，因为其它尼龙等级也可使用，还可使用聚丙烯、滑石填充的聚丙烯、聚乙烯和磺化聚乙烯等。绝缘密封盘150具有带有穿过其中的小孔159的厚中心毂151，所述小孔用于接纳金属集电器170。集电器170可呈细长钉的形式，所述钉优选地具有间隔在头部176下面的整体成形的法兰172。因此，当组装端帽组件100时，集电器170通过这样的方式插过小孔159：推压集电器上部174穿过毂小孔159直到法兰172行至抵靠金属支撑盘130的顶部表面。然后集电器头部176可抵住金属支撑盘130的顶部表面锤击(铆接)，从而将集电器的上部174锁定在小孔159内的适当位置。集电器170可选自多种已知的被认为适于用作集电器材料的导电金属，例如，黄铜、镀锡黄铜、青铜、铜或镀铟黄铜。优选地，在插进小孔159之前，集电器170的表面用密封材料例如沥青涂层涂布。可供选择地，在集电器170插过其中之前，限定小孔159的表面可用这种沥青涂层预涂布。集电器头部176可焊接到端帽110的顶部表面上，使得其产生与端帽110的电接触。然而在图1和图2所示的实施方案中，金属支撑盘130的最顶层表面135却是焊接到端帽110上的，例如，通过电阻焊接。因而集电器170通过位于集电器170、金属支撑盘130和端帽110之间的导电通道与端帽110电接触。毂151固定在金属支撑盘130的下面，并且当电池内的气体压力增加时不沿集电器170滑动。

金属支撑盘130由金属构成，优选地由具有旋绕表面的镀镍钢构成。支撑盘130具有理想地位于约0.3mm和0.8mm之间的壁厚度。对于AAA尺寸电池，支撑盘130可典型地具有位于约0.3mm和0.8mm之间的壁厚度；对于AA电池，其为约0.5mm；以及对于C和D电池，其为约0.8mm。在主要实施方案中，金属支撑盘130成形成具有凹陷的中心毂131，有中心小孔139穿过其中(图5和图5A)。中心毂131的边缘并入向上延伸的内壁133，所述内壁终止于顶部平整表面135(图5)。顶部平整表面135的外边缘延伸进向下倾斜的外壁136中。向下倾斜的壁136的上部136a优选地如图3和图5所示地倾斜。向下倾斜的外壁136终止于环形凹槽137，所述凹槽转而终止于向上延伸的凸缘138。因此如图5所示的金属支撑盘具有由向上延伸的内壁133限定的主表面旋绕、顶部平整表面135和向下延伸的外壁136。优选地，一组主排气小孔132形成于向下延伸的外壁136中，沿其圆周分布。金属支撑盘130优选地具有穿过内壁133的一组次排气小孔，沿其圆周分布。主排气小孔132和次排气小孔134可具有不同的形状和尺寸。例如，它们可为圆形、椭圆形或多边形，并且也可不规则地成形，例如，小孔132和134的周边可具有某个曲线形部分和另一个直线形部分。在一个优选的实施方案(图5)中，主排气小孔132显示为具有矩形形状，并且次排气小孔134显示为具有圆形形状。主排气小孔132(图5)沿圆周路径间隔开，所述圆周路径具有距离金属支撑盘130的中心纵向轴线的平均半径R₁。次排气小孔134(图5)沿圆周路径间隔开，所述圆周路径具有距离金属支撑盘130的中心纵向轴线的平均半径R₂，其中R₂小于R₁。

金属支撑盘130的一个可供选择的实施方案显示于图5A中。此实施方案基本与图5所示的那个相同，其中主排气小孔6132沿向下延伸的外壁136的圆周以间隔开的关系定位。然而，次排气小孔显示为多个狭槽134a的构型，所述狭槽穿过外壁136并且也切过金属支撑盘130的平整顶部表面135。因此，在金属支撑盘的第一实施方案(图5)中，当电池内的气体压力累积至预定阈值水平时，环形薄膜152(图2和图4)破裂，从而允许气体通过金属支撑盘130内的主次排气小孔6132和134并且最终通过端帽110中的小孔6116快速地从电池中逸出。当金属支撑盘130如图5A所示地构型时(其中次排气小孔呈狭槽134a的形式)，当膜152破裂，气体可甚至更快速地从电池内部逸出。

理想地，绝缘密封盘150(图2、图3和图4)优选地使用尼龙66或尼龙610聚合物整体地注射模制。绝缘密封盘150具有生发自其主体表面的中心毂151和包围毂151的整体成形径向延伸的臂153。邻接毂151的臂153的环形部分为形成包围毂151的可破裂膜152的变薄部分。环形膜152设计成具有适当的厚度使得当电池内的气体压力累积至预定水平时它会破裂。在优选的实施方案中，环形膜152位于包围毂151的环形凹槽或凹陷区域152a的下面(图4)。可供选择地，环形膜152可叠加在环形凹槽152a的上面，即环形凹槽152a可面向电池的内部。环形凹槽152a优选地被定位成使得所述凹槽的前沿(其为最接近毂151的凹槽152a的边缘)距所述毂表面在约2mm之内。

多个间隔开的凸起的突出(支脚)158整体成形，并且从径向延伸的环形臂153的顶部表面向上延伸(图4)。这些突出(支脚)158用来偏转破裂膜152的部分，当内部气体压力升高超过预定水平时所述膜在破裂期间会碎裂。在膜152破裂期间，支脚158偏转膜152的破裂碎片背离金属支撑盘130中的主排气小孔132，即，使得它们不堵塞所述排气小孔6132。如图4所最佳显示的那样，径向延伸的臂153终止于包围径向臂153的整体成形向下延伸的臂154。向下延伸的臂154沿其底部表面终止于多个间隔开的腿部155，所述腿部包围毂151并伸进电池内部，如图2和图4所最佳显示的那样。向上延伸的缘壁156从臂154的边缘向上延伸以形成周边边缘156a，在端帽组件100插进电池外壳12的开口端20之后，所述周边边缘卷扣到金属支撑盘130的凸缘138上。

在电池的构造期间，阴极材料40、阳极材料50(它们之间设有隔板60)被首先插进电池内部。然后可成形包括密封盘150的端帽子组件、金属支撑盘130和集电器170，其中集电器170如上所述锁定在密封毂小孔159和金属支撑中心小孔139内的适当位置。随后可将此子组件插进电池外壳12的开口端20中。然后可将外壳的边缘16a卷扣到绝缘密封盘150的周边边缘156a上，使得密封盘边缘156a如上所述转而卷扣到金属支撑盘130的凸缘138上。然后绝缘垫圈120(优选地由重纸(牛皮纸)或耐用塑料材料构成)可插套到金属支撑盘130上，使得金属支撑盘130的顶部平整表面135从垫圈120的小孔122中突出。端帽110插套到金属支撑盘130上，并且通过电阻焊接或等效方法将端帽110的凸起中部112的底部表面焊接到金属支撑盘130的平整表面135上。这样，就形成了完备的电池10，其中端帽组件100固定在适当的位置以紧密地闭合电池外壳12的开口端20。在所示的高功率碱性电池的具体实施方案(图2)中，负电流通路为从阳极50到集电器170到金属支撑盘130到端帽110。正电流通路为从阴极40到外壳12到正端子24。

在一个优选的实施方案中，高功率一次电池10可为高功率羟基氧化镍一次电池，其具有包含锌的阳极50、包含羟基氧化镍的阴极、和包含含水氢氧化钾的电解质。(下文的讨论针对羟基氧化镍一次电池)。这种电池的固有活性很高以致其可以高耗用电流(例如，大大高于1Amp的电流)保持其电压输出(例如，位于约0.9伏和1.5伏之间)相对较长的时间。因此当这种电池(例如，AA尺寸电池)经受滥用性短路测试时，电池内部温度可在仅2至3分钟内变得非常热。在这些情况下，耗用电流非常高，平均值大大高于2Amp，持续至少2至3分钟。如果短路放电不被中断，则在仅2至3分钟的时长内电池内部中的I²R加热可导致电池外壳的外表层温度达到超过200℃甚至超过250℃的水平。随着电池内部温度的增加，继发电化学反应的速率也增加。这些反应是放热的，因而产生附加热。随着电池内部温度的增加，继发反应产生更多气体，因而电池内的气体压力也升高。在羟基氧化镍碱性电池中，此类继发反应例如涉及从锌与水的反应生成氢气和从羟基氧化镍与水的反应生成氧。电池内的气体压力也随着温度的增加而快速地升高(假定气体为理想气体时，根据查理定律，气体压力与绝对温度成正比地升高)。如果这种短路放电和连续的电池加热不被减弱，则可发生潜在的危险情况。所述情况可导致电池破裂，伴随材料和金属零件崩散到周围环境中。

除了灾祸性损伤的防护之外，电池还必须通过由各种机构例如American National Standards Institute(ANSI)制定的温度规格指标。对于由任何电池的滥用或其它滥用情况导致的电池外壳的外表面温度的隐含限制介于约150℃和160℃之间。本发明所公开的排气孔和端帽组件部件的组合用来防止外壳表面接近此限制，而无需在电池内使用PTC(正热系数)装置或其它热响应构件例如双金属构件或形状记忆合金。已从实验确定如果锌/羟基氧化镍电池可设计成在外壳的表层温度升高至160℃(例如，在滥用性短路情况中)之前排气，则电池内的内部气体压力将不会升高超过约6.89MPa(1000psig)的水平。因而可避免灾祸性电池损伤或破裂。(电池外壳12的壁厚度为典型地位于约0.15mm和0.3mm之间。例如，如果使用镀镍冷轧钢，则对于AA尺寸电池，外壳12的壁厚度可典型地为约0.2mm；对于C或D电池，外壳12的壁厚度可为约0.25mm)。现有技术会指向置入与电极串联的PTC(正热系数)装置来避免电池温度的快速升高。(在PTC装置中，电阻随温度而增加，从而关闭耗用电流)。要么现有技术会指向使用其它热响应装置例如双金属盘或形状记忆合金，当经受高温时所述装置挠曲，因而切断电池的内部电路。(U.S.5,879,832和U.S.6,083,639)此类装置尽管非常有效但会占用端帽组件内的空间并且增加电池成本。因此这些装置对于二次(可充电)电池具有更大效用。

已令人惊讶地确定，通过增大通常与碱性电池设计相关联的排气系统，高功率电池例如羟基氧化镍一次碱性电池的外壳表层温度可避免达到介于约150℃和160℃之间的危险区。这就排除了添加PTC或其它热响应装置例如双金属盘或形状记忆合金的必要。更具体地讲，申请人已在优选的电池设计(图1至6)中引入一种排气机构的组合，所述机构相继地起作用。所作改进如下：

a)环形可破裂膜152由绝缘密封盘150的径向延伸的臂153内的环形变薄区域整体成形。环向或环形膜152优选地位于径向臂153的表面上的环形凹槽152a的下面。环形膜152优选地定位在径向臂153和绝缘密封盘150的毂151之间的接合处或其近旁。当膜整体模制为径向臂153时，膜152可具有典型地位于约0.08mm(3密耳)和0.30mm(12密耳)之间，例如，约0.20mm(8密耳)的厚度。这可使尼龙质的膜152(例如)在小于约6.89MPa(1000psig)的压力下破裂。膜152的厚度可制作得甚至更薄，例如，低至约0.08mm(3密耳)的厚度，并且可通过对膜的表面应用刀或刀刃以沿其周围或部分切入而使其变得甚至更薄一些。如果使用尼龙质的密封盘150，则上覆的环形凹槽152a的宽度可典型地介于约0.1mm和1.0mm之间。

b)金属支撑盘130在其中优选地置入主次排气小孔两者的组合。这些排气小孔穿过支撑盘的表面(图5和图5A)。当端帽组件100处于适当的位置时，主排气小孔132(第一组排气小孔)和次排气小孔134(第二组排气小孔)理想地位于可破裂膜152的上方，更接近端帽110。(排气小孔相互间隔开，因而显示为单个小孔)。理想地，主排气小孔132的中心与金属支撑盘130的中心纵向轴线190相距平均距离R₁，并且次排气小孔134与金属支撑盘130的中心纵向轴线190相距平均距离R₂，其中R₂小于R₁。优选地，主排气小孔132的中心基本位于某个平面中，沿平均半径为R₁的圆周路径分布，所述半径从金属支撑盘130的中心纵向轴线190测量。对于AA尺寸电池，R₁为约4.25mm。次排气小孔134的中心基本位于某个平面中，沿平均半径为R₂的圆周路径分布，所述半径从金属支撑盘130的中心纵向轴线190测量。对于AA电池，R₂为约1.75mm。(理想地，R₂小于R₁至少2mm)。主排气小孔132优选地沿金属支撑盘130的朝外向下倾斜的壁136b上的圆周路径以间隔开的关系定位。次排气小孔134优选地沿金属支撑盘130的向上延伸的内壁133上的圆周路径定位，所述圆周路径比主排气小孔132更接近中心毂131和所述金属支撑盘130的中心纵向轴线190。在一个可供选择的实施方案中，次排气小孔呈狭槽134a的形式。所述狭槽切过内壁133并且也切过金属支撑盘130的顶部表面(图5A)。

在一个优选的实施方案中(AA尺寸电池)，可设有位于约2和4个之间的主排气小孔132，理想地，约3个具有电池纵向上的1.5mm高度和电池环向上的2.0mm长度的矩形形状的主小孔132。主排气小孔132可典型地围绕金属支撑盘130的外臂136b的表面等间隔分布。可设有位于约2和4个之间的次排气小孔134，理想地，约4个典型地围绕金属支撑盘130的内臂133的表面等间隔分布的圆形形状的次排气小孔134。所述圆形形状具有位于约0.5mm和1.5mm之间的直径。对于AA尺寸电池，主小孔132可典型地具有位于约6mm²和12mm²之间的总横截面积，并且次小孔134可典型地具有位于约0.40mm²和7.1mm²之间的总横截面积。(横截面积定义为由垂直于小孔的纵向轴线的平面所确定的面积)。

c)对于较大电池尺寸，例如，C和D电池尺寸，可设有位于约2个和6个之间的主排气小孔132，理想地，约3个具有电池纵向上的1.5mm高度和电池环向上的2.0mm长度的矩形形状的主小孔132。同样对于此类较大的电池尺寸，例如C和D电池尺寸，次排气小孔134可为具有位于约0.5mm和2.0mm之间的直径的圆形，并且理想地设有位于约2个和6个之间的围绕金属支撑盘130的内臂133的表面间隔开的次排气小孔134。对于C和D电池，主小孔132可典型地具有位于约6mm²和18mm²之间的总横截面积，并且次小孔134可典型地具有位于约0.40mm²和18.8mm²之间的总横截面积。

d)多个间隔开的突出158(支脚)整体成形在绝缘密封盘150的径向延伸的臂153的表面上以防止破裂膜152的碎片溅入并堵塞金属支撑盘130内的主排气小孔132。

e)端帽110在其中包括多个间隔开的排气小孔116(图6)。所述小孔可典型地具有约0.5mm的直径。

具有包含锌的阳极50、包含羟基氧化镍的阴极40和包含含水氢氧化钾的碱性电解质的高功率电池(其具有图1至6针对AA尺寸电池所示和所述的上述构型)可具有膜152，当气体压力累积至低于6.89MPa(1000psig)的水平时，所述膜将破裂。通过将膜152的厚度调整在上述位于约0.08mm(3密耳)和0.31mm(12密耳)之间，理想地，位于约0.08mm(3密耳)和0.20mm(8密耳)之间，典型地位于约0.15mm(6密耳)和0.25mm(10密耳)之间的值的范围内，这种膜152可设计成能在电池内的气体累积压力达到期望值(取决于电池尺寸)时破裂。在AA尺寸圆柱形电池中，膜152将在这样的压力下破裂：理想地位于约2.07MPa(300psig)和6.55MPa(950psig)之间，优选地位于约2.07MPa(300psig)和5.17MPa(750psig)之间的压力。在AA尺寸电池中，膜152可在处于上述范围内的其它压力下破裂，例如，位于约3.44MPa(500psig)和6.55MPa(950psig)之间的压力。在C尺寸圆柱形电池中，当电池内的气体压力理想地位于约0.69MPa(100psig)和2.76MPa(400psig)之间时，膜152将破裂。在D尺寸圆柱形电池中，当电池内的气体压力理想地位于约0.34MPa(50psig)和1.72MPa(250psig)之间时，膜152将破裂。在AAA尺寸圆柱形电池中，当电池内的气体压力位于约3.10MPa(450psig)和7.93MPa(1150psig)之间时，膜152将破裂。

在每个情形中，当膜152破裂时电池内的气体均将非常快速地向外部环境中逸出，因为本发明所述的多重排气系统分别使用了主次排气孔132和134两者(如图5所示)或主次排气孔132和134a两者(如图5A所示)。(生发自绝缘密封盘150的表面的支脚158偏转破裂膜的溅射以防止主排气小孔132被堵塞)气体通过主次排气孔132和134逸出。来自主次排气孔132和134的气体的一部分从绝缘垫圈120的下面穿过而排放到环境中。该气体的余下部分通过排气顶盖小孔116排放到环境中。

已确定上述本发明的排气系统当其被置入端帽组件100中并且应用于高功率一次电池例如高功率羟基氧化镍一次电池时，具有特别的效用。在这种应用中，即使电池经受极端滥用情况例如直接且持久的短路，膜152也将破裂从而上述的分别包括主次排气小孔132和134的排气系统可使气体足够迅速地从电池内部逸出，以使外壳12的表层温度不会达到大大高于约150℃的温度。已确定如果膜152设计成当电池内的气体压力达到低于6.89MPa(1000psig)的阈值水平就破裂，则可获得这种效应。具体地就锌/羟基氧化镍碱性电池来讲，在内部气体压力达到约6.89MPa(1000psig)的水平之前用端帽组件100从电池中排出气体可确保当电池经受连续短路情况时外壳12外表面的表层温度保持在低于160℃的温度。

在电池(AAA、AA、C或D电池)内的气体压力达到6.89MPa(1000psig)之前，具有位于约0.08mm(3密耳)和0.30mm(12密耳)之间，优选地位于约0.08mm(3密耳)和0.20mm(8密耳)之间的厚度的尼龙质可破裂膜152将破裂。如端帽组件100所示的本发明的排气系统可使气体从电池内快速逸出，这转而导致电池的内部温度和外壳12的表层温度非常快速地减小。这有效地防止了失控电化学反应的发生，并且防止了气体压力的进一步累积，因此也就防止了电池外壳12的灾难性破裂，即使电池仍然处于短路状态也是如此。

用本发明的排气系统(端帽组件100)释放气体压力累积而导致的电池内部温度的快速减小可为两个现象的结果。如果在膜152破裂之前有任何液态水残留在电池中(高压下的过冷流体)，则这种液体将与逸出气体一起闪蒸到环境中。随着这种液体的闪蒸，其蒸发热从电池内部移除热。另外，随着高温T₁和高压P₁下的气体通过本发明的排气系统(端帽组件100)从电池体积中逸出，残留在电池中气体也经历一次经典热力学的扰动直到达到最终的气体温度T₂和压力P₂。

如果假定(例如)电池足够地隔热，则残留在电池中的气体经历可逆绝热(等熵)扰动，其中残留在电池中的每摩尔气体的摩尔熵变为0(ΔS＝0)。(可逆情况的发生是由于当扰动发生时，残留在电池中的气体分子经历周围压力和温度的无穷小减小)。由热力学第一定律得知dU＝dQ-dW。由热力学第一定律和第二定律的组合可证明，对于状态的可逆变化，有

dU-Tds+pdv＝0，其中dU为气体内能的微变，Tds为可逆热，而pdv为对气体所做的可逆功。假定这是状态的可逆绝热变化并且理想气体定律适用，则对于电池中残留的气体，有TdS＝0，并且可推导出下面的关系式。(参见Barnett F.Dodge的ChemicalEngineering Thermodynamics，McGraw-Hill(1944年)，第270页中的对于气体状态的可逆变化所作的推导。从热力学第一定律和第二定律可推导和运用下面两个公式。假定这是理想气体行为，即PV＝RT每摩尔，并且假定这是状态的可逆绝热变化：

TdS＝dQ＝CvdT+Pdv＝0(公式1)

和TdS＝dQ＝CpdT-RT dP/P＝0(公式2)

这些公式积分后导致以下用于固定箱气体或电池气体的可逆绝热扰动的关系式。

[V₁/V₂]^(ｋ-1)＝T₂/T₁＝[P₂/P₁]^(k-1)/k(公式3)

在上述公式(公式3)中，V₁和V₂为电池中的残留气体的初始和最终摩尔比容；T₁和T₂为电池中的残留气体的绝对初始和最终温度；P₁和P₂为残留在电池中的气体的初始和最终压力(可让扰动继续直到P₂等于大气压力)；k为气体的摩尔比热容量C_p除以摩尔比热容量C_v的比率(对于双原子气体，例如，H₂，k＝1.40)；并且R＝C_p-C_v。因此，从公式3可见，当内部气体压力从6.89MPa(1000psig)以上的相对较高水平P₁降至低得多的约3.45MPa(500psig)或0.69MPa(100psig)或0.07MPa(10psig)的水平P₂时，电池内部温度的下降可非常显著。实际上不存在完全绝热的情况，因而也会有透过外壳壁的热损失。并且如上所述，排气时存在于电池中的任何液体均将闪蒸成蒸汽，其蒸发热进一步降低电池的内部温度。另外上述公式与排气速率无关，并且也不反映排气速率。应当理解，本发明的排气系统设计成对电池的内部气体压力产生显著扰动，例如，从约6.89MPa(1000psig)的内部压力尽快下降到约3.45MPa(500psig)或下降到约0.69MPa(100psig)，例如，典型地在排气激活的仅几秒钟，或甚至小于一秒钟之内就产生这样的变化。另外，加置次排气小孔134还提供附加保护以确保会有足够的排气开口，以防在膜152的破裂期间主排气小孔的一个或多个被堵塞。从绝缘密封表面158的表面突起的突出(支脚)158设计成能偏转源自破裂膜152的碎片以减小此类碎片堵塞主排气孔132的可能性。

总而言之，已确定如关于端帽组件100所示和所述的本发明的排气系统提供高功率一次电池例如高功率羟基氧化镍一次碱性电池中的气体压力的有效且安全的释放，从而确保电池外壳不会破裂，即使电池经受滥用性持久的短路放电条件时也是如此。在一个优选的实施方案中，电池外壳12可由厚度位于约0.15mm和0.3mm之间的镀镍冷轧钢构成。环形可破裂膜152可由尼龙构成，所述尼龙具有位于约0.08mm(3密耳)和0.30mm(12密耳)之间，典型地位于约0.15mm(6密耳)和0.25mm(10密耳)之间的厚度。如上所述，使用了分别穿过金属支撑盘130的主次排气小孔132和134的组合。绝缘密封盘150的表面具有如上所述的多个间隔开的整体成形的突出(支脚)158用以偏转破裂膜152的碎片使得它们不会进入和堵塞主排气小孔132。如关于端帽组件100所示和所述的本发明的排气系统通常可不考虑电池尺寸而加以应用，例如，它们可应用于圆柱形电池尺寸例如AAAA、AAA、AA、C、和D尺寸电池，并且也可应用于扁平电池，其中外壳侧面的一个或多个为基本扁平的。

如上所述，其中带有本发明的排气系统的端帽组件100可有益地应用于任何高功率一次电池，尤其是高功率碱性电池。这种电池10(图2)(例如)可具有包含锌的阳极50、包含二氧化锰和导电性碳例如石墨的阴极40以及位于它们之间的隔板60。碱性电解质(优选地为含水氢氧化钾)添加到阳极和阴极两者中。电池可典型地在阳极中或阴极中或两者中包含用以改善电池的高功率性能的添加剂。例如，电池可在阳极中包含锌细粒，例如，如美国专利6,521,378B2所述，该专利全文引入本文以供参考。向阳极添加锌细粒增加了电池的额定容量和功率输出，使锌/MnO₂碱性电池成为名符其实的高功率电池。因此本发明的端帽组件100可与这种电池联合而有效地使用。

然而，如上所述的其中带有本发明的排气系统的端帽组件100作为用于一次电池的密封闭合件具有甚至更大的效用，其可比常规锌/MnO₂碱性电池保持更长时间的高功率输出(例如，至少连续1瓦特的输出)。本文所用术语高功率电池限定为新电池，当经受恒定的连续1瓦特的功率消耗时它能够产生至少1.2瓦特-小时的能量。因此，如上所述和如图所示的其中带有本发明的排气系统的端帽组件100(优选地与环形可破裂膜152联合)作为用于高功率羟基氧化镍一次电池的密封和排气系统具有特别效用。

使用其中带有改进的排气系统的本发明的端帽组件100的羟基氧化镍一次电池的具体实施例显示于图2中。该电池可为任何尺寸，包括AAAA、AAA、AA、C和D尺寸。一种AA尺寸电池显示于图2中。参见附图，使用本发明的端帽组件100的AA羟基氧化镍一次电池的具体实施例如下：

实施例(羟基氧化镍一次碱性电池)

一种AA尺寸圆柱形电池10显示于图2中。阳极50包含锌粒浆。阴极40包含羟基氧化镍和导电性碳。阳极和阴极均包括包含氢氧化钾水溶液的电解质。外壳12可由厚度位于约0.2mm和0.6mm之间的镀镍冷轧钢构成。包含纤维质纤维和聚乙烯醇纤维的隔板60(常规地用于如上所述的碱性电池)可用在电池10中。在电池填充了阳极50和阴极40之后，将本发明的端帽组件100如上所述地插上并卷扣到外壳边缘156a的适当位置，从而闭合并密封电池的开口端20。绝缘密封件150优选地由尼龙构成并且具有环形可破裂膜152(图2和图4)，所述破裂膜具有位于约0.08mm(3密耳)和0.25mm(10密耳)之间，典型地位于约0.15mm(6密耳)和0.25mm(10密耳)之间的膜厚度。设有三个矩形主排气小孔132，所述小孔在电池的纵向上具有1.5mm的高度，并且在电池的环向上具有2.0mm的长度。这些主排气小孔围绕金属支撑盘130的外臂136a环向地均匀间隔开，如图5所示。设有四个直径为0.5mm的圆形次排气小孔134，所述小孔围绕金属支撑盘130的内臂133均匀地间隔开。

设有五个等间隔的整体成形的楔形突出158(支脚)，所述突出生发自绝缘密封盘150的表面，如图4所示。每个支脚158均具有约1.2mm的长度和约0.75mm的宽度，并且典型地具有约0.55mm的最大高度。端帽110中有五个排气孔116，如图6所示。这些排气孔具有约0.5mm的直径。当膜152破裂时，源自电池内部的气体分别穿过金属支撑盘内的主次排气小孔132和134。然后气体从电池穿过绝缘垫圈120下面的未密封空间，并且也穿过端帽110中的排气孔116。

阴极材料40可以一个或多个块40a的形式插入，所述块具有不含阴极材料的中心核(图2)。每个块40a的外表面均接触外壳12的内表面(图2)。中心核填充阳极材料50，在它们之间具设有隔板60。

阳极50和阴极40可具有以下代表性组成：

表1

阴极制剂

组分	制剂(wt％)
组分	制剂(wt％)	NiOOH<sup>1</sup>	85
天然石墨<sup>2</sup>	8	NiOOH<sup>1</sup>	85
天然石墨<sup>2</sup>	8	聚乙烯粘合剂<sup>3</sup>	1
电解质溶液<sup>4</sup>	6	聚乙烯粘合剂<sup>3</sup>	1

注：

1.NiOOH粉末主要由β-羟基氧化镍(+3)构成，其中值平均粒度尺寸为约19微米。NiOOH颗粒具有羟基氧化钴表面涂层，其总量为按纯NiOOH重量计约4％。因此，活性NiOOH的实际含量按阴极的重量计可占约85/1.04＝81.7％。羟基氧化钴涂布的β-羟基氧化镍购自Kansai Catalyst Co.，Ltd.(Osaka，Japan)。

2.石墨NdG-0507是平均粒度为约7微米、BET表面积为约10m²/g、微晶尺寸Lc>200nm的天然石墨，购自Nacional deGrafite(Itapecerica，MG Brazi1)。

3.聚乙烯粘合剂，以商品命名“Coathylene”购自HoechstCelanese。

4.电解质溶液包含水中的按重量计38％的溶解KOH和按重量计约2％的溶解氧化锌。

羟基氧化镍是羟基氧化钴涂布的β-羟基氧化镍。典型的羟基氧化钴涂布的β-羟基氧化镍具有以下标称组成：NiOOH90.2％重量；CoOOH6.6％重量，NaOH1.5％重量，水分1.6％重量。

表2

阳极制剂

组分	制剂(wt％)
组分	制剂(wt％)	锌粒<sup>1</sup>(0.85/0.075mm(-20/+200目))	64.00
胶凝剂1<sup>2</sup>	0.52	锌粒<sup>1</sup>(0.85/0.075mm(-20/+200目))	64.00
胶凝剂1<sup>2</sup>	0.52	胶凝剂2<sup>3</sup>	0.04
表面活性剂<sup>4</sup>	0.11	胶凝剂2<sup>3</sup>	0.04
表面活性剂<sup>4</sup>	0.11	放气抑制剂<sup>5</sup>	0.03
电解质<sup>6</sup>	35.30	放气抑制剂<sup>5</sup>	0.03

注：

1.锌类颗粒穿过筛网的正方形开口，所述开口的尺寸位于0.075mm(200目)和0.85mm(20目)之间。锌类颗粒具有约370微米的中值平均粒度尺寸，并且与铟合金并镀覆铟以具有约350ppm的总铟含量。

2.聚丙烯酸类胶凝剂，以商品名Carbopol 940购自B.F.Goodrich Co.。

3.接枝淀粉基胶凝剂，以商品名Waterlock A221购自GrainProcessing Corp。

4.有机磷酸酯类表面活性剂，以3％重量的溶液形式以商品名RM510购自Rh

ne Poulenc。

5.作为无机产气抑制剂添加的乙酸铟。

6.电解质溶液包含按重量计35.4％的溶解KOH和按重量计约2％的溶解氧化锌。

电池经受直接且连续的短路。在短路期间电池的功率输出大大高于1瓦特，并且耗用电流大大高于2amp。外壳12的外表面温度(表层温度)受到监控。在约仅几分钟内，外壳的表层温度就升高至超过100℃的水平。在外壳的表层温度达到约160℃的水平之前，环形膜152如预期的那样破裂，从而如预期的那样通过本发明的排气系统将电池气体安全地释放到环境中。如上所述的环形膜152设计成能在电池内的伴生气体累积达到6.89MPa(1000psig)的压力之前破裂。即使保持短路情况，电池的外壳表面温度(表层温度)也断续下降。电池气体压力的显著下降和伴随的电池外壳的表层温度的下降发生得非常迅速，仅在通过膜152的破裂而导致的本发明的排气系统激活的数秒钟内。因此，虽然电池经受了极端的滥用性短路情况，本发明的排气系统成功且安全地防止了电池外壳的任何灾难性破裂或端帽组件的灾难性退卷。

尽管已用具体实施方案描述了本发明，但应当理解，在不背离本发明概念的情况下其它实施方案也是可能的，并因此也在权利要求及其等价内容的范围内。

Claims

1.一次电化学电池，所述电池包括负端子和正端子以及具有封闭端和相对的开口端的外部外壳、以及插在其中以闭合所述外部外壳的端帽组件，其中

当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直位置观察时，所述端帽组件包括端帽、位于所述端帽下面的绝缘密封构件、以及位于所述端帽和所述绝缘密封构件之间的支撑构件；所述支撑构件由单片金属构造的支撑盘形成，所述支撑盘具有第一组排气小孔和第二组排气小孔穿过其中，其中所述两组排气小孔中的每一组均包括至少多个单个小孔，其中所述第一组中的排气小孔与所述第二组中的排气小孔在背离电池的中心纵向轴线的径向上间隔开。

2.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述电池包括碱性电解质，并且所述电池能够产生高功率，所述高功率定义为当经受连续恒定1瓦特的功率输出时能够产生至少1.2瓦特-小时的能量。

3.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述绝缘密封构件包括邻接所述外部外壳并将所述支撑盘与所述外部外壳电绝缘的绝缘密封盘；所述绝缘密封盘具有中心毂和从所述中心毂延伸的整体成形的径向臂；其中所述径向臂形成表面；所述径向臂在其中具有形成可破裂膜的变薄部分，当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直位置观察时，所述可破裂膜位于所述端帽的下面；其中当电池内的气体压力升高时所述可破裂膜破裂，从而允许源自电池内的气体穿过支撑盘中的所述第一组和第二组排气小孔并从那里排放到环境中。

4.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述第一组和第二组排气小孔的特征在于：组成所述第一组的排气小孔的中心与支撑盘的中心纵向轴线相距平均垂直距离R₁，并且组成所述第二组的排气小孔的中心与支撑盘的中心纵向轴线相距平均垂直距离R₂，其中R₂小于R₁。

5.如权利要求4所述的电化学电池，其中组成所述第一组的排气小孔的中心基本沿围绕所述支撑盘的中心纵向轴线的半径为R₁的一个圆周路径分布，并且组成所述第二组的排气小孔基本沿围绕所述支撑盘的中心纵向轴线的半径为R₂的另一个圆周路径分布。

6.如权利要求5所述的电化学电池，其中R₂小于R₁至少2mm。

7.如权利要求5所述的电化学电池，其中所述支撑盘具有至少一个旋绕表面，其中组成所述第一组的排气小孔位于最接近所述支撑盘的周边边缘的所述旋绕表面的一侧上，并且组成所述第二组的排气小孔位于最接近所述支撑盘的中心的所述旋绕表面的一侧上。

8.如权利要求4所述的电化学电池，其中所述电池为AA尺寸圆柱形电池，并且组成所述第一组的所述排气小孔的总横截面积介于6mm²和12mm²之间，并且组成所述第二组的所述排气小孔的总横截面积介于0.40mm²和0.71mm²之间。

9.如权利要求4所述的电化学电池，其中所述电池为C或D尺寸圆柱形电池，并且组成所述第一组的排气小孔的总横截面积介于6mm²和18mm²之间，并且组成所述第二组的所述排气小孔的总横截面积介于0.4mm²和18.8mm²之间。

10.如权利要求3所述的电化学电池，其中当电池内的气体压力达到小于6.89MPa(1000psig)的压力时，所述可破裂膜破裂。

11.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为AA尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于2.07MPa(300psig)和6.55MPa(950psig)之间的压力时，所述可破裂膜破裂。

12.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为AA尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于2.07MPa(300psig)和5.17MPa(750psig)之间的压力时，所述可破裂膜破裂。

13.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为C尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于0.69MPa(100psig)和2.76MPa(400psig)之间的压力时，所述可破裂膜破裂。

14.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为D尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于0.34MPa(50psig)和1.72MPa(250psig)之间的压力时，所述可破裂膜破裂。

15.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为AAA尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于3.10MPa(450psig)和7.93MPa(1150psig)之间的压力时，所述可破裂膜破裂。

16.如权利要求3所述的电化学电池，其中当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直取向观察时，形成所述可破裂膜的所述变薄部分由切入所述径向臂的顶部表面和底部表面中的至少一个的凹槽的基座形成。

17.如权利要求16所述的电化学电池，其中所述凹槽为包围电池的纵向轴线的环形凹槽。

18.如权利要求17所述的电化学电池，其中所述环形凹槽被定位成使得所述环形凹槽的前沿与所述中心毂的表面相距在2mm之内，其中所述前沿为最接近所述中心毂的所述环形凹槽的边缘。

19.如权利要求17所述的电化学电池，其中当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直位置观察时，所述绝缘密封盘具有多个生发自其顶部表面的整体成形的突出；所述突出定位在所述可破裂膜和所述绝缘密封盘的周边边缘之间；当所述可破裂膜破裂时所述突出能够偏转可破裂膜的碎片使其不会进入和堵塞所述排气小孔中的任何一个。

20.如权利要求19所述的电化学电池，其中所述突出沿围绕所述绝缘密封盘的中心纵向轴线的圆周路径间隔开。

21.如权利要求20所述的电化学电池，其中所述突出为具有倾斜顶部表面的楔形形状，其中所述倾斜顶部表面上的高点比所述倾斜顶部表面上的低点更接近所述可破裂膜。