CN102057516B - 用于电化学电池的具有低蒸汽渗透的封闭组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电化学电池的封闭组件，该封闭组件包括容器和密封该容器的开口端的端组件，从而将由于电解质蒸汽渗透引起的质量或重量损失降至最低。所述端组件设有：能够在所述电池内的压力超过预定极限时将流体排出的排放构件；与所述端组件的导电触头和所述电池的电极的集流体操作性地电接触的接触构件；以及至少布置在所述封闭组件的具有不同极性的导电部件之间的绝缘的聚合物密封构件。在优选的实施例中，所述密封构件具有选定的尺寸比，以便将通过所述密封构件的电解质的蒸汽渗透降至最低。

Description

用于电化学电池的具有低蒸汽渗透的封闭组件
技术领域
本发明涉及一种用于电化学电池的封闭组件，该封闭组件包括容器和密封该容器的开口端的端组件，从而将由于电解质蒸汽渗透引起的质量或重量损失降至最低。所述端组件设有：能够在所述电池内的压力超过预定极限时将流体排出的排放构件(vent member)；与所述端组件的导电触头和所述电池的电极的集流体操作性地电接触的接触构件；以及至少布置在所述封闭组件的具有不同极性的导电部件之间的绝缘的聚合物密封构件。在优选的实施例中，所述密封构件具有选定的尺寸比，以便将通过所述密封构件的电解质的蒸汽渗透降至最低。
背景技术
电化学电池，例如那些包含金属锂或合金作为电化学活性物质的电化学电池，用于向多种电子器件供电。电子器件制造商经常将其器件设计为接受具有多种标准化容器外部尺寸的电化学电池，例如“AA”或“AAA”尺寸的容器，或者根据美国国家标准化组织(ANSI)命名法分别为R6或R03尺寸的容器。监管当局例如联合国(UN)和美国运输部(DOT)颁布了关于含锂的电化学电池的运输要求。除了规定对于特定电池类型的最大锂含量以外，UN/DOT规章还要求含锂电池通过质量损失测试，例如T1高空模拟测试和T2热循环测试。
电化学电池中的质量或重量损失可以归因于多种源头，例如电解质蒸汽通过电池的密封构件的电解质蒸汽的扩散和在密封接口处的电解质渗漏，尤其是在温度循环过程中。在一个实施例中，扩散重量损失可以根据密封构件的蒸汽渗透率、密封构件的尺寸比和时间的乘积来计算。尺寸比可以通过将电解质蒸汽扩散所通过的横截面面积除以蒸汽传播的路径长度来计算。当电池尺寸减小时，横截面面积与路径长度的比不像电池的体积或质量减小得那么快。因此，相对小尺寸的电池比较大的电池往往具有较高百分比的质量损失，并且小尺寸的电池被认为更难通过UN/DOT的质量损失要求。
此外，电化学电池，例如含电化学活性锂的电池，经常利用易挥发的和/或活性的非水电解质溶液和盐。鉴于此，构造使得由于蒸汽渗透引起的质量损失降至最低的电化学电池是一项挑战。
进一步的挑战是提供带有释压排放构件的电池，所述释压排放构件用于从电池内部释放或排出流体，以在正常放电或存放条件下限制内部压力的形成且保持密封。没有排放构件时，电池可能失效、膨胀、渗漏和/或不能组装。
多种释压排放构件和封闭组件的构造已被使用在电化学电池中。
美国专利3,279,953据报涉及用于被密封的电池组电池的金属壳体的绝缘密封。具体而言，其涉及管状金属板壳体的开口端和金属板罩封闭机构之间的绝缘密封结合部，金属板罩封闭机构还构成被密封的电池的两个相反极性的端子，其例如据报被使用在例如手电筒中，但相似的被密封的壳体也已被用于其它应用中。
美国专利3,852,117涉及一种用于电化学电池或类似物的密封机构，位于圆柱壁和在圆柱形容器一端的封闭盘之间。该密封机构包括通过圆柱壁的变形形成的相对的圆形密封构件，在其边缘周围承受所述盘的相对端面。该密封机构通过圆柱壁的轴向压缩而封闭，从而引起所述壁的变形，以形成密封构件并使这种构件压靠封闭盘。
美国专利5,876,868涉及一种据报具有防爆功能的电池密封结构，其防止由于电池内部压力的非正常增加而引起电池爆炸，并且据报其还能够良好地将电池密封，这可归因于电池组件操作效率的提高。
美国专利6,207,320涉及一种电池，其包括被电解质和电极组件填充的罐。据报盖组件被紧密封闭地安装在罐的上端上，且垫片介于该盖组件与上端之间。盖组件提供：设有安全沟槽的板、布置在该板上的电流控制构件、布置在该电流控制构件上的盖罩和布置在所述板下面并由一支撑板支撑的断路器。此外，板、电流控制构件和盖罩的至少其中之一的周界边缘在支撑板周围弯曲。
美国专利6,620,544涉及一种被密封的电池，其包括：用于容纳发电机的罐；在罐的开口上压弯并连接至发电机的正电极和负电极之一的密封构件；布置在罐和密封构件之间的垫片；布置在密封构件上的罩盖，在罩盖和密封构件之间布置有绝缘构件；布置在罩盖和密封构件之间的电流控制构件，据报用于在电池的温度增大到超过允许的水平时切断电流；以及布置在罩盖和电流控制构件之间的减震器，据报用于防止震动直接传递至电流控制构件。
美国专利6,777,128涉及一种二次电池以及一种二次电池的制造方法，该二次电池包括：具有正电极板、负电极板和介于该正负电极板之间的隔板的电池单元、用于容纳电池单元的罐、具有盖罩、安全排放部和垫片的盖组件，其中安全排放部的端部向内弯曲以被沿安全排放部的外围提供的垫片填充，据报使得安全排放部以紧固方式被插入垫片。
美国公开2005/0244706涉及一种带有用于密封电池容器的开口端的集流体组件的电化学电池。所述集流体组件包括止动器和带有外围法兰的接触弹簧，止动器和接触弹簧均在其中具有中心开口。布置在止动器和接触弹簧的外围法兰之间的释压排放构件据报在正常条件下将止动器和接触弹簧中的开口密封，并且当内部压力超过预定极限时破裂以从电池内部释放压力。
美国公开2006/0228620涉及适用于电化学电池组电池的封闭组件和可破裂的排放部密封机构。所述排放部密封机构包括一系列外围突出部，这些突出部可以折叠以确保排放部在没有皱褶或重叠的折叠部分的情况下的正确密封。
美国公开2007/0015046涉及一种锂二次电池，其具有形成在垫片的与安全排放部接触的表面上的凸出部或凹入部，使得电池内部产生的气体和电解质据报不会渗漏，由此据报提高电池的安全性。
美国公开2008/0070109涉及一种平板状的非水电解质二次电池，其包括：通过将正电极和负电极相对并将隔板介于正负电极之间形成的电极主体；用于容纳电极主体的外壳；以及密封板，用于密封外壳的开口和该密封板的定位在外壳内部的端部。此外，密封板用作正电极端子，外壳用作负电极端子，并且密封板的与正电极接触的表面层通过由铝或铝合金制成的金属层形成。
日本公开09-274900涉及一种非水的二次电池，其结构据报不会引起电解质渗漏并且据报提高电池抵抗施加的冲击的能力。
日本公开10-340714防止防爆阀主体的渗漏，并且据报通过将防爆阀主体设置在电池内部而不只是端子盖上并将电极引线通过焊接板连接至防爆阀主体而形成此功能。
日本公开2007-141673提供线管型锂一次电池，其成本可以通过使用镀镍钢板作为正电极罐的材料来减少，所述正电极罐据报可以长期使用和保存。
鉴于以上公开内容，希望提供一种具有封闭组件的电化学电池，所述封闭组件具有端组件，其呈现希望的针对蒸汽渗透的屏障特性，但仍然允许在需要时经由排放构件紧急减压。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的在于提供一种具有封闭组件的电化学电池，所述封闭组件包括带有被端组件密封的开口端的容器，所述端组件针对电解质蒸汽渗透并由此针对质量损失形成有效屏障。
本发明另外的目的在于提供一种电化学电池，其具有容器，该容器具有被端组件封闭的开口端，其中所述容器对所述端组件施加轴向和径向力以抑制渗漏。在优选的实施例中，所述容器为圆柱形并在侧壁中具有朝向该容器的开口向内和向上突出的周向卷边，且所述卷边的上壁和下壁保持为分隔开的关系，以允许所述容器在该容器的上部向内压弯端和所述卷边的上壁之间(所述端组件的一部分位于其间)被轴向压缩。
本发明另外的目的在于提供一种具有封闭组件的电化学电池，所述封闭组件为蒸汽渗透提供增大的路径长度，其中路径长度在一个实施例中通过向容器提供具有相对深的向内突出深度的卷边来增大。卷边的构造可以伴随有密封构件，所述密封构件在所述卷边和所述端组件的部件之间具有相对小的厚度，以将潜在的电解质蒸汽出口的横截面面积降至最低。
本发明另外的目的在于提供一种具有端组件的电化学电池，所述端组件包括能够在预定内部压力下减压的排放构件，其中所述排放构件抵抗电解质蒸汽的渗透，并且可以是例如箔片排放部(foil vent)或球排放部(ball vent)。
本发明又一目的在于提供一种具有封闭组件的电化学电池，所述封闭组件包括容器和端组件，所述端组件包括将侧壁至少与该端组件的具有与容器不同的极性的导电部件电隔离的密封构件，其中所述端组件包括内部接触构件，该接触构件优选具有类似弹簧的特性，连接至释压排放构件，且该接触构件具有外围法兰，所述外围法兰与密封构件和容器侧壁一同用于向电池提供轴向和径向密封，以降低蒸汽渗透。
本发明的再一目的在于提供一种具有封闭组件的电池，所述封闭组件包括具有外围法兰的接触构件，所述外围法兰包括两个分隔的轴向段，其帮助提供在接触构件和容器侧壁之间的径向压缩，且密封构件布置在接触构件和容器侧壁之间。
本发明的还一目的在于提供一种具有封闭组件的电化学电池，所述封闭组件帮助使该封闭组件的绝缘的聚合物密封构件保护不受电解质影响，其中所述封闭组件包括电连接至内罩的接触构件，并进一步包括位于容器的卷边的内部和接触构件之间并与容器的卷边的内部和接触构件接触的绝缘构件，该绝缘构件进一步用于防止电池的电极的集流体和具有与集流体不同的极性的容器之间的接触。
本发明的另一目的在于提供一种用于形成电化学电池(尤其是包括用于电化学电池的容器的电化学电池)的方法，包括在容器的侧壁中形成延长的且向上倾斜的卷边上壁，以提供加强的轴向和径向密封力，这是寻求将由于电解质蒸汽的渗漏引起的质量损失降至最低。
按照本发明的一个方面，公开了一种电化学电池，包括：具有封闭底端、侧壁和开口端的圆柱形金属容器；布置在所述容器内的螺旋形卷绕的电极组件，所述电极组件包括正电极、本质上由锂或锂合金组成的负电极、布置在所述正电极和所述负电极之间的隔板和非水的易挥发的电解质；在所述侧壁中并具有通过过渡构件连接的上壁和下壁的周向向内突出部，所述上壁朝向所述电池的径向中心向上倾斜，并且所述上壁与所述下壁沿它们各自的长度分隔开；以及封闭所述容器的所述开口端的端组件，所述端组件包括能够在预定内部压力下减压的排放构件、限流或断流构件以及位于所述容器和所述端组件的导电触头之间的绝缘的聚合物密封构件，并且其中所述导电触头被操作性地电连接至所述正电极或负电极。
按照本发明的另外的方面，公开了一种用于形成电化学电池的方法，包括步骤：提供具有封闭底端、侧壁和开口端的圆柱形容器；在将电极组件插入所述容器之后，在所述容器的所述侧壁中形成初始卷边，其中所述初始卷边位于所述电极组件上方的一电池轴向高度处；将端组件插入所述容器，使得所述端组件的外围部分位于所述初始卷边的上壁上；为a)所述容器的所述底端、b)带有卷边支架的所述初始卷边和c)所述容器的所述开口端提供支撑，并且使所述上壁朝向所述电池的径向中心向上倾斜；以及将所述容器的侧壁的所述开口端压弯并将所述端组件紧固在所述压弯端和所述向上倾斜的上壁的一部分之间以形成被密封的电池，其中所述卷边的向上倾斜的上壁在所述被密封的电池中与所述卷边的下壁分开。
按照本发明的又一方面，公开了一种电化学电池，包括：圆柱形导电容器，具有封闭端、被端组件密封的开口端以及在所述封闭端和所述开口端之间延伸的侧壁，所述导电容器具有第一极性，所述端组件包括具有第二极性的接触组件，所述侧壁具有向内延伸的卷边；包括正电极、负电极和布置在所述正电极和所述负电极之间的隔板以及电解质的电极组件，其中所述电极之一与所述容器操作性地电接触，另一电极与所述端组件的所述接触构件操作性地电接触；以及所述端组件，包括将所述侧壁与所述端组件的具有所述第二极性的导电部件电隔离的密封构件，其中所述接触组件包括具有连接至释压排放构件的外围法兰的导电接触构件，所述释压排放构件能够响应至少与预定释放压力一样高的内部电池压力而破裂，由此允许物质通过所述排放构件逸出，其中所述外围法兰包括轴向段，该轴向段大致平行于所述侧壁的与其相邻的一段延伸一距离，其中所述外围法兰包括从所述轴向段沿大致径向方向延伸的径向段，并包括轴向定位在所述卷边上方的部分，并且其中所述外围法兰从所述径向段过渡到沿大致轴向方向延伸的第二下轴向段，其中所述密封构件至少在(a)所述侧壁和所述外围法兰的轴向段、(b)所述卷边和所述径向段以及(c)所述卷边和所述第二下轴向段之间受到压缩。
附图说明
通过结合附图阅读本发明的详细说明，本发明将会得到更好的理解，并且其它的特征和优点将变得明显，其中：
图1是本发明的电化学电池的一个实施例的局部正面剖视图；
图2是容器的具有向内突出部的部分的一个实施例的正面剖视图，所述向内突出部具有向上倾斜的上壁；
图3是本发明的电化学电池的封闭组件的另外的实施例的正面剖视图；并且
图4是本发明的电化学电池的封闭组件的又一实施例的正面剖视图。
具体实施方式
本发明涉及电化学电池，其优选包含非水的电解质和作为电化学活性物质的锂或锂合金，具有包括圆柱形容器的电池封闭组件，圆柱形容器具有被端组件密封的开口端，端组件包括能够在电池的内部压力处于或高于预定压力时排气的释压排放构件。参照附图将更好地理解本发明，其中图1例示出本发明的圆柱形电化学电池10的一个实施例。电池10是FR6型圆柱形Li/FeS2一次电池。然而如本文所述，可以理解的是，本发明可适用于其它电池类型、材料和结构。
电池10具有外壳12，外壳12包括采用具有封闭底部和开口顶端的罐的形式的容器14。开口顶端由与该开口顶端协作的端组件30封闭。容器14在其顶端附近具有周向向内突出部或卷边16，该突出部或卷边16支撑端组件30的一部分。卷边16通常被认为分隔容器14的顶部和底部。包括容器14和端组件30的封闭组件将电极组件60密封在容器14的底部内。电极组件60包括阳极或负电极62、阴极或正电极64以及布置在负电极62和正电极64之间的隔板66。电解质也布置在容器14的底部内。在图1所示的例示中，负电极62、正电极64和隔板66均是相对薄的结构，它们以螺旋形卷绕在一起，也称为“胶卷”构造。如所示，电化学电池10为圆柱形，然而本领域技术人员可以理解的是，本发明的可替代实施例也可以包括其它形状的电池和电极。容器14可以是具有多种几何形状之一的带有开口端的容器，例如棱柱形和矩形容器，条件是遵循关于封闭组件的教导。由于带有开口端的圆柱形电池的密封对于用于形成密封所需的径向和轴向力提出挑战，因此与容器14协作以使蒸汽渗透降至最低的端组件30被期待对于圆柱形容器具有特别的适用性。
容器14优选为具有整体式形成的封闭底部的金属罐。然而，在一些实施例中，可以使用两端初始均为开口的金属管。在一个实施例中，容器14是钢制的，其被选择性地至少在外侧例如镀镍以保护容器的暴露表面不受腐蚀或者提供希望的外观。在一个实施例中，容器使用拉制工艺形成，并可由扩散退火的低碳铝镇静SAE 2006型号的钢或等同的钢制成，具有美国材料与试验学会(ASTM)9至11的晶粒尺寸以及等轴至稍稍延长的晶粒形状。在可替代实施例中，例如当电池的开路电压被设计为大于或等于大约3伏特，或者电池是可再充电的时，可以使用其它金属，以提供相对较大的耐腐蚀性。可替代容器材料的实例包括但不限于不锈钢、镀镍不锈钢、包镍不锈钢、铝和上述材料的合金。
如图1和图2所示，卷边16为向内突出部，优选周向围绕圆柱形容器延伸。卷边16具有上壁18、下壁20以及将上壁18连接到下壁20的过渡构件22。上壁18朝向电池的径向中心向上倾斜，并且帮助在卷边16的上壁18和容器14的压弯端24之间提供希望的轴向压缩。如图2详细所示，上壁18包括最低点27以及与最低点27相比位于更加径向靠近电池10的中心的最高点28。为了提供希望的轴向密封力并且旨在将由于渗漏引起的重量损失降至最低，上壁18优选设有坡面角。更具体地如图2所示，角度α存在于延伸通过上壁最低点27的假想水平线(即垂直于电池的轴向)与在上壁最低点27和上壁最高点28之间牵拉的假想线之间，角度α至少为1°，通常为从大约1°或大约2°至大约30°，并且优选为从大约3°或大约5°至大约20°。位于最低点27和最高点28之间的上壁表面的实际轮廓可以变化，并且例如可以是弯曲的或直线的。类似地，如图1所示，电池的下壁20也可以包括向上倾斜的坡面，沿朝向电池的径向中心的方向延伸。过渡构件22优选为圆滑的或弯曲的且在上壁18和下壁20之间保持希望的间隔。上壁18和下壁20之间的间隔允许插入和移除在封闭过程中使用的支撑工具。
卷边16具有相对深的深度，从而为电解质蒸汽迁移提供增加的路径长度，由此减慢蒸汽迁移。相对深的卷边深度还为电池10提供希望的径向密封力。本文限定的卷边深度在容器14的外部根据过渡构件22的最大径向向内延伸的外表面部分与位于从上侧壁26的最大半径处竖直或轴向延伸的假想线上的一点之间的水平或径向距离来测量。如图1所示，下侧壁29位于卷边16下面。在电极组件已被放置在容器的下部中之后，卷边优选形成在容器的侧壁中。
在优选的实施例中，对于R6尺寸的电池，卷边深度优选大于1.5mm，对于R03型的电池，卷边深度优选大于1.1mm。换言之，对于R6或R03尺寸的电池或其它电池尺寸，卷边深度是电池容器14的最大半径的至少22％，希望是至少26％并且优选是30％。
端组件30被布置在容器14的顶部中并且包括导电接触端子32，选择性地还包括限流或断流构件34、释压排放构件36、密封构件40和限定开口的接触弹簧或构件50。端组件30选择性地包括限定开口的止动器42。绝缘的聚合物密封构件40至少布置在具有与容器14的极性不同的极性的端组件30的部件之间，否则容器14可能与端组件30的这些部件接触。当存在限流或断流构件34时，限流或断流构件34布置在导电接触端子32和电极组件60的正电极64之间的电通路中。导电接触端子32优选突出到容器14的上方，并且被容器14的向内压弯端24保持在适当位置，且密封构件40被布置在导电接触端子32和压弯端24之间并防止这两个部件之间的电接触。导电接触端子32可以设有一个或多个排放孔33，如果排放构件36被撕裂，则排放孔33用于允许流体的释放。止动器42被例示为包括孔的垫圈，如果排放构件36被撕裂或者破裂，则流体也可以穿过该孔。接触构件50直接或间接地例如如图所示通过限流或断流构件34被操作性地电连接至导电接触端子32。
接触构件50具有与密封构件40、容器卷边16和上侧壁26协作的形状，以提供将蒸汽渗透降至最低的希望的密封。电极组件60的正电极64直接或间接地通过引线被电连接至接触构件50。接触构件50优选具有与正电极的集流体65的上端接触的至少一个接线片51，集流体65布置在电极组件60的顶部。正电极64的集流体65为其上布置有正电极材料的导电基板，例如金属基板，并且集流体65延伸超过正电极材料和隔板66。集流体65可以由任意合适的材料制成，例如铜、铝或其它金属或者上述材料的合金，只要这些材料在电池内部大致稳定并与电池中使用的材料相容即可。在优选的实施例中，集流体65可以采用薄板、箔片、网屏或多孔金属板的形式。
接触构件50可以由一种或多种导电材料制成，优选地具有类似弹簧的特性，例如形状记忆合金或双金属材料，但与希望的部件形成并保持充分电接触的任意部件也可被使用。
当端组件30在组装过程中被放入容器14时，集流体65偏压接触构件50的接线片51，接触构件50如上所述是弹性的和/或抗力的。接线片51的特性帮助保持接触构件50和集流体65之间的接触。选择性地，接线片51可以焊接至集流体65，或者经由导电引线(例如可焊接至接线片51和集流体65的窄金属带或电线)连接至集流体65。焊接连接有时会更可靠，尤其是在相对苛刻的处理、存放和使用条件下，但是压力连接不要求额外的组装操作和设备。
接触构件50具有连接至接线片51的外围法兰，该外围法兰被构造为与相邻的容器侧壁的形状互补，以将蒸汽渗透降至最低。接触构件50具有连接至接线片51的轴向段52、从轴向段52径向向外延伸的径向段53以及从径向段53径向向外定位的另外的轴向段54，该另外的轴向段54过渡到向内折叠端55。下轴向段52延伸在卷边16的壁18的最高点28下面，以提供轴向段52和卷边16之间的希望的压缩力。两个轴向段52和54由径向段53分隔并被布置在彼此不同的径向距离处，且轴向段52与轴向段54相比被定位得更加靠近电池的径向中心。将理解的是，轴向段52和54以及径向段53可以不完全是直线的，且沿其各自的长度可以具有形式上的变化。所述轴向段和径向段，即52、54和53，可以沿其长度从各自的轴向或径向方向相对于轴向段竖直且相对于径向段水平变化最多大约45°的角度。
接触构件的轴向段和径向段的构造允许密封构件40在a)容器的上侧壁26和外围法兰的轴向段54之间、b)卷边上壁18的一部分和径向段53之间以及c)卷边16和轴向段52之间被压缩。在容器和接触构件之间(密封构件布置于其间)的多个径向和轴向压缩区域被设计为降低电解质蒸汽从电池逸出的能力。接触构件的设计是允许减小密封构件的厚度由此将通过密封构件的蒸汽渗透的平均横截面面积降至最低的一个因素。该构造还提供相对长的路径，电解质必须行进通过该路径以从电池中逸出。接触构件提供径向和轴向结构强度以禁受径向和轴向密封力。在一些实施例中，接触构件参与将排放构件密封。
密封构件40提供端组件30的其它部件和侧壁容器14之间的密封。在一个实施例中，该密封构件从卷边16的上壁18的下面延伸，优选至少从相邻的过渡构件22或从过渡构件22的下面且通常与绝缘构件68相邻延伸，并一直到达或经过容器14的顶部的压弯端24，绝缘构件68将集流体65的一部分与容器的在卷边16下面的侧壁物理分隔。卷边16为端组件30提供支持表面。如上所述，密封构件40至少将端组件的导电部件与容器14物理分隔，并且还密封端组件30的部件的外围边缘，以防止电解质在这些部件之间腐蚀和渗漏。密封构件40的尺寸被设计为使得在将封闭组件插入容器14并关闭或压弯容器的顶端时，密封构件被压缩，以在密封构件和容器14之间以及密封构件40和端组件30的其它相邻部件的界面表面之间形成密封。密封构件的初始壁厚可以在沿其路径长度上的一个或多个位置处有所不同。在一个实施例中，密封构件的平均厚度在通过封闭过程减小之后，对于R6尺寸的电池小于0.55mm，对于R03和R8尺寸的电池小于0.37mm。在优选的实施例中，在对电池进行封闭时密封构件40在至少一个横截面面积中经历至少10％的减小量，这通常足以吸收局部尺寸上的任意变化并且在电池所经受的各种条件下保持压缩。
本发明的目的在于将密封构件的暴露于电解质的表面积降至最小，这是因为在一些实施例中，重量损失可归因于在相对高的温度下通过密封构件的扩散。密封构件40还由可与其它电池部件形成压缩密封的材料成分制成，并且密封构件40还具有低蒸汽渗透率，以将例如进入电池的水和电解质从电化学电池的损失降至最低。密封构件40可以包括聚合物成分，例如热塑性或热固性聚合物，密封构件40的成分部分地基于例如如下因素：与电极组件的部件(即负电极62、正电极64以及电解质，例如使用在电化学电池10中的非水电解质)的化学相容性。密封构件由提供希望的密封和绝缘特性的任意合适的材料制成。合适的材料的实例包括但不限于：聚丙烯、聚苯硫醚、四氟化全氟代烷基乙烯基醚共聚物(tetrafluorideperfluoroalkyl vinyl ether copolymer)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate)、乙烯四氟乙烯(ethylenetetrafluoroethylene)、聚邻苯二甲酰胺(polyphthalamide)或者上述材料的任意组合。优选的垫片材料包括聚丙烯(例如，美国特拉华州威尔明顿的Basell Polyolefins的PRO-FAX
Figure BPA00001276300400121
6524)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(例如，美国新泽西州萨米特的Ticona-U.S.的1600A等级的CELANEX
Figure BPA00001276300400122
PBT)和聚苯硫醚(例如，美国德克萨斯州夏纳的Boedeker Plastic有限公司的TECHTRON
Figure BPA00001276300400123
PPS)以及聚邻苯二甲酰胺(例如，美国乔治亚州阿法乐特的Solvay Advanced Polymers的AmodelET 1001L)。密封构件的成分可以选择性地包含增强填料，例如无机填料和/或有机化合物。
密封构件40可以被密封剂涂覆以进一步加强密封特性。乙烯丙烯二烯三元共聚物(EPDM)是合适的密封剂材料，但也可以使用其它合适的材料。
由图1明显可见，接触构件50被设计为其将密封构件40的相对大百分比的表面积密封，否则密封构件40将会暴露于电池内的电解质。密封构件的厚度很小，以为蒸汽渗透提供相对小的横截面面积，由此使得蒸汽渗透降至最低。
本发明的密封构件可具有多个不同的构造，以帮助满足将蒸汽容纳在电池内的目标。图1示出的密封构件形成为沿其轴向长度具有不同径向尺寸的中空圆柱或环形套筒。在封闭之后，密封构件具有大致沿径向方向延伸的上径向段，位于容器14的压弯端24下面。上径向段的至少一部分受到轴向压缩，这是因为其位于卷边16和压弯端24之间，卷边16和压弯端24在电池封闭或密封过程中受到轴向压缩。上径向段过渡到大致沿轴向方向延伸与容器的上侧壁26相邻的上轴向段。上轴向段大体上延伸在压弯端24和卷边16的上壁18之间。接触端子32的外围部分、限流或断流构件34和接触构件50邻近该上轴向段，上轴向段受到接触端子32的外围部分、限流或断流构件34和接触构件50与上侧壁26之间的径向压缩。密封构件沿卷边16的上壁18过渡到沿大致径向方向延伸的下径向段。下径向段具有同样受到轴向压缩的部分，位于上壁26和压弯端24之间。密封构件40还具有从下径向段的内端沿大致轴向方向延伸的下轴向段。下轴向段具有在卷边16的过渡构件22和接触构件50的轴向段52之间受到径向压缩的部分。如图所示，密封构件的下轴向段被定位得比上轴向段更加靠近电池的径向中心。
如本文所述，在一些实施例中，在温度循环测试(例如T2测试)过程中重量损失的主要源头可以是通过密封构件的电解质蒸汽渗透。根据T2测试过程，在确定测试的电池和电池组的初始重量后，测试的电池和电池组在75±2℃的测试温度下被存放至少6个小时，接着在-40±2℃的测试温度下被存放至少6个小时。测试温度极值之间的最大时间间隔是30分钟。该过程重复10次，之后所有测试的电池和电池组在环境温度(20±5℃)下被存放24小时并且随后再次称重。重量损失是初始重量和测试后的重量之差。由通过密封构件的扩散引起的重量损失可以通过将蒸汽渗透率乘以密封构件的尺寸比和时间来计算。扩散重量损失可以通过减小尺寸比和蒸汽渗透率中的一个或多个而减小。为了减小重量损失，尺寸比可以通过减小横截面面积或增加路径长度或者二者的组合而减小。
对于定位在被电解质填充的容器的开口端上的均匀材料，尺寸比可以被简单地计算。此处，横截面面积是暴露于电解质蒸汽的隔膜的表面积，路径长度是隔膜厚度。由于密封构件的不规则形状，尺寸比的计算更加困难。当使用在本发明中时，有限元扩散分析被用于计算尺寸比。在有限元扩散分析中，如果密封构件中的扩散系数和暴露于电解质的密封构件内表面处的蒸汽浓度假设为单元，而暴露于外界环境的密封构件外表面处的蒸汽浓度假设为零，则由被密封表面结合而成的横截面上的积分通量是尺寸比。另外假设限流或断流构件与接触构件或内罩之间的界面没有被密封，则与所述界面相邻的密封构件处的蒸汽浓度假设为零。可以用于执行扩散分析模型的商用软件的实例包括可从加利福尼亚州洛杉矶的MSC Software获得的MSC.MARC 2005r3和可从罗德岛州普罗维登斯的SIMULIA获得的ABAQUS。MSC.MARC被用于计算本文提出的尺寸比。对于如图1所示的R6尺寸的电池，计算的尺寸比是0.279cm(0.110英寸(in.))。对于如图1公开那样构造的R6尺寸的锂离子二氧化硫电池，密封构件的尺寸比通常小于1.14cm(0.45in.)，希望小于0.86cm(0.34in.)并且优选小于0.51cm(0.20in.)。类似地，对于R03和R8(AAAA)尺寸的电池，密封构件的尺寸比通常小于0.86cm(0.34in.)，希望小于0.48cm(0.19in.)并且优选小于0.30cm(0.12in.)。
在本发明的优选实施例中，用于形成成品电池的封闭过程在各种区域中减小密封构件的壁厚。在优选的实施例中，垫片的最小横截面被定位为接近垫片的与蒸汽路径的入口相邻的基部，例如密封构件的位于接触构件50的轴向段52和卷边16的过渡构件22之间的部分。在优选的实施例中，接触构件和卷边之间的横截面面积，对于R6尺寸的电池小于12.5mm2，对于R03尺寸的电池小于6.3mm2。这说明对于R6尺寸的电池，接触构件50的轴向段52在一个实施例中在卷边16的上壁最高点28的下面并且优选在卷边的过渡构件22段的下面轴向延伸至少0.25mm。
在图1所示的实施例中，排放构件36布置在由接触构件50的外围法兰限定的开口中。更具体地，排放构件36的外围被紧固在接触构件50的外围法兰的轴向端53和折叠端55之间。在示出的实施例中，止动器42也被紧固在接触构件50的轴向端53和折叠端55之间。排放构件36和接触构件50之间的密封可以是界面表面处的紧密压力接触的结果，这在一些实施例中可以通过压缩排放构件36的外围部分而加强。选择性地，粘合剂或密封剂可被涂敷到希望的界面表面，以将排放构件36连接至接触构件50并由此形成希望的密封。如图1所示，在组装过程中的对容器14进行压弯或封闭的过程中产生的轴向力也被施加在包括排放构件36的端组件30的部件的外围部分上。
在电池内气体由于环境条件(例如温度)而产生，并且在特定情况下在正常操作过程中通过化学反应而产生。在低于预定压力时，电池的内容物通过释压排放构件基本上被容纳在电化学电池之内。释压排放构件36的外围被充分压缩，以防止当电池内部压力小于预定释放压力时释压排放构件向内蠕变，从而在由接触构件50限定的开口中形成孔。当电化学电池内的压力至少与预定释放压力一样高时，排放构件36破裂并且允许电池内的液体或气体或其组合的形式的流体通过排放构件36中的开口逸出。电池内的流体可以通过导电接触端子32中的一个或多个排放孔33逸出。预定释放压力可以根据电池的化学成分而变化。预定压力优选高于将避免由于正常处理和使用或者暴露于环境大气而引起的错误的压力。例如，在FR6型含锂电化学电池中，预定释放压力，例如排放构件36例如经由破裂形成开口时的压力，可以为从大约10.5kg/cm2(150磅/平方英寸(lbs/in2))至大约112.6kg/cm2(1600lbs/in2)的范围，并且在一些实施例中，在大约21℃的室温下，为从大约14.1kg/in2(200lbs/in2)至大约56.3kg/cm2(800lbs/in2)的范围。释压排放构件36破裂时的压力可以例如通过在容器中刺穿的孔向电池增压来确定。
如上文所述，本发明的电化学电池10可以选择性地包括布置在正电极64的集流体65和导电接触端子32之间的电通路中的限流或断流构件34。限流或断流构件34可以减慢或防止连续的电池内部的加热和压力累积和/或防止电流，这些情况可以由电的误用(例如内部短路、非正常充电和强制深度放电)而引起。然而如果内部压力累积至预定释放压力，则释压排放构件36破裂以释放内部压力。限流或断流构件可为例如正温度系数(PTC)器件或者例如热断流开关，例如美国序列号11/787,436中所描述的热断流开关，其通过引用完全合并于此。
如上文所述，排放构件36可以是例如箔片排放部或球排放部。
图3示出本发明的电化学电池100的另外的实施例。电池100包括端组件和接触构件组件，端组件包括卸压排放构件136，接触构件组件包括具有排放井137的导电内罩151，排放井137远离正极接触端子132向下突出，在电化学电池100的内部。在一个实施例中，内罩由如关于接触构件所述的材料形成。排放井137具有形成于其中的排放孔138，当排放球139和排放衬套141被安置在排放井137中时，排放孔138被排放球139和排放衬套141密封，使得衬套141被压缩在排放球139和排放井137的竖直壁之间。在一个实施例中，排放衬套141是热塑性的。当电化学电池组电池100的内部压力超过预定水平时，排放球139，并且在一些情况下排放衬套141和排放球139二者，被驱使远离排放孔138并至少部分地离开排放井137，以通过电池100的排放孔138释放增压流体。图3示出的电池进一步包括电连接至内罩151的导电接线片接触构件150。内罩具有U形外围壁，该外围壁具有高度大致相同(即具有通常小于20％的差异，并优选小于10％的差异)的内轴向段152和外轴向段154，内轴向段152和外轴向段154均沿电池100的大致轴向方向延伸。在该实施例中，轴向段152和154通过径向延伸段153连接。内罩151的构造与密封构件140和容器上侧壁126结合一同帮助形成电解质迁移的屏障。因为内罩151的径向延伸段153位于卷边116上面(密封构件140具有位于径向延伸段153和卷边116之间的部分)，所以在电池的封闭过程中，密封构件140在卷边116和内罩151之间被轴向压缩。此外，因为密封构件140还包括位于轴向段154和侧壁126之间的部分，所以轴向延伸段152和154与容器的相邻侧壁126结合一同帮助提供密封构件140的径向压缩。电池100进一步包括布置在内回卷罩151和接触端子132之间的限流或断流构件134。此外，图3所示的电池包括向内突出的卷边116，如上文关于图1所述，卷边116具有朝向电池的径向中心向上倾斜的上壁118，并进一步包括过渡段122和下壁120。
图3所示的密封构件140形成为具有C形竖直横截面的环形套筒。在封闭之后，密封构件具有大致沿径向方向延伸的上径向段，位于容器114的上侧壁126的压弯端下面。因为上径向段位于在电池封闭或密封过程中被轴向压缩的卷边116和压弯端之间，所以上径向段的至少一部分受到轴向压缩。上径向段过渡到大致沿轴向方向延伸与容器上侧壁126相邻的外轴向段。外轴向段通常延伸在压弯端和卷边116的上壁118之间。接触端子132的外围部分、限流或断流构件134和内罩151邻近外轴向段，外轴向段受到接触端子132的外围部分、限流或断流构件134和内罩151与上侧壁126之间的径向压缩。密封构件的外轴向段沿卷边116的上壁118过渡到沿大致径向方向延伸的下径向段。下径向段具有同样受到轴向压缩的部分，位于上壁118和侧壁126的压弯端之间。密封构件从下径向段向上过渡到内轴向段，内轴向段在内罩151的内轴向段152和接触构件150之间向上延伸一段距离。
为了向通过密封构件140的电解质迁移提供额外的阻碍，密封构件140通过内罩151、接触构件150和绝缘构件168与电池的包含电极组件和电解质的内部隔离。绝缘构件168具有双重目的：向如上所述的电解质迁移提供一部分屏障以及防止电连接至接触端子132的电极的集流体接触容器114的侧壁。在如所示的优选实施例中，绝缘构件168的一部分布置在卷边116和接触构件150之间并与卷边116和接触构件150接触，由此形成额外的密封，以阻止或减慢电解质迁移。
图4示出具有球排放部的电化学电池的另外的实施例。尽管图4示出电池200的上部，然而电池的下部可以类似于图1所示。电池200包括卸压排放构件236，球排放部。电池200包括导电接触构件组件，导电接触构件组件包括具有排放井237的内罩251，排放井237远离正接触端子232向下突出。排放井237具有形成于其中的排放孔238，当排放球239和排放衬套241被安置在排放井237中时，排放孔238被排放球239和排放衬套241密封，使得排放衬套241在排放球239和排放井237的竖直壁之间被压缩。如上文所述，当电池200的内部压力超过预定水平时，卸压排放构件236允许通过排放孔238并进一步通过接触端子232的排放孔233减压。电池进一步包括限流或断流构件234。
电池200进一步包括电连接至内罩251的接线片型的接触构件250，用于与正电极的集流体接触。内罩251具有从内罩251的形成排放井237的部分径向向外定位的外围法兰。外围法兰与密封构件240和容器214协作，以提供电解质迁移屏障和充分的电池密封。密封构件240具有与图1示出的且在上文描述的密封构件40相似的构造。外围的法兰包括径向延伸段253和轴向延伸段252。密封构件240在轴向段252的一部分与卷边216(具体而言与卷边216的过渡段222)之间以及在径向段253的端部与容器214的上侧壁226之间被径向压缩。密封构件240的轴向压缩区域形成在卷边216的上壁218与内罩251的径向段253之间。如图所示，电池200的卷边216是向内突出的卷边，具有朝向电池的径向中心向上倾斜的上壁218，如本文关于图1所述。上壁218与下壁220分开，以对电池200的封闭组件施加希望的轴向压缩。
排放衬套由在高温(例如75℃)下抗冷流的热塑性材料制成。所述热塑性材料包括基础树脂，例如乙烯-四氟乙烯(ethylene-tetrafluoroethylene)、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚邻苯二甲酰胺、乙烯-三氟氯乙烯(ethylene-chlorotrifluoroethylene)、三氟氯乙烯(chlorotrifluoroethylene)、全氟烷氧基树脂(perfluoroalkoxy-alkane)、氟化全氟乙丙烯(fluorinated perfluoroethylene polypropylene)和聚二醚酮(polyetherether ketone)。乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚邻苯二甲酰胺是优选的。树脂可以通过加入热稳定性填充物而更改，以便在高温下为排放衬套提供希望的密封和减压特性。衬套可以由热塑性材料注模成型。TEFZEL
Figure BPA00001276300400181
HT2004(带有重量百分数为25的碎玻璃填充物的ETFE树脂)是优选的热塑性材料。
排放球可以由与电池容纳物稳定接触并提供希望的电池密封和减压特性的任意合适的材料制成。可以使用玻璃或例如不锈钢的金属。
在图1所示的实施例中布置在止动器42和接触构件50之间的作为箔片型排放部的释压排放构件36，包括至少一层金属、聚合物或其混合物的成分。还可能的是，释压排放构件36可以包括两层或更多层不同的材料成分。例如具有与第一层不同的成分的第二层可以用于实现将释压排放构件36结合至止动器42或接触构件50的目的。在另一实例中，具有与第一层不同的成分的第二层和第三层可以用于将释压排放构件36结合至止动器42和接触构件50。此外，具有两种或更多种成分的多个层可用于调整性能特性，例如释压排放构件36的强度和柔度。理想地，分立的层可基于与电解质的相容性、防止蒸汽渗透的能力和/或提高端组件内的排放构件36的密封特性的能力而提供。例如由压力、超声和/或热激活的粘合剂，例如聚合物或在粘合领域与本文公开的元件相容的任意其它已知的材料可被提供作为排放构件36的层，以结合端组件内的排放构件。
适用于箔片型释压排放构件36的成分可以包括但不限于：金属，例如铝、铜、镍、不锈钢和它们的合金；以及聚合物材料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、乙烯丙烯酸(ethylene acrylic acid)、乙烯甲基丙烯酸(ethylene methacrylicacid)、聚乙烯甲基丙烯酸(polyethylene methacrylic acid)和它们的混合物。释压排放构件36的成分还可以包括被金属加强的聚合物，以及单层或多层金属或聚合物或二者的层压板。例如，单层可以是金属箔片，优选地是铝箔，其基本上不透水、二氧化碳和电解质，或者单层可以是被防止蒸汽渗透的氧化材料(例如SiOx或Al2Ox)层涂覆的聚合物的非金属薄膜。释压排放构件36可以进一步包含粘合剂层，粘合剂层包含接触结合的粘合剂材料，例如聚氨基甲酸酯，或者热、压力和/或超声激活的材料，例如低密度聚烯烃。可替代地，这些或其它粘合剂或密封剂材料可被单独涂敷到释压排放构件的一部分(例如，与止动器42和/或弹簧50接触的外围)、止动器42、弹簧50或它们的任意组合，以加强集流体组件内的密封。优选的层压状排放结构可具有由定向聚丙烯、聚乙烯、铝箔和低密度聚乙烯组成的四层。
无论何种成分，释压排放构件36应该对包含在电池10中的电解质有化学抵抗性，并且应该具有低蒸汽渗透率(VTR)，以在大范围的环境温度下为电池10提供低重量损失率。例如，如果释压排放构件36是蒸汽渗透不能穿过的金属，则通过释压排放构件36的厚度的VTR基本为零。然而释压排放构件36可以包括至少一层蒸汽可透过的材料，例如如上所述的聚合物材料，其可以起到例如粘合剂或者弹性体层的功能，以在释压排放构件36与止动器42和接触构件50中的至少一个之间获得密封。
预定释放压力或者释压排放构件36破裂时所处的压力是其物理特性(例如强度)、其物理尺寸(例如厚度)以及由止动器42限定的开口和由PTC器件限定的开口中的较小的一个的面积的函数。释压排放构件36的暴露面积越大，则预定释放压力将由于电化学电池组电池10的内部气体施加的较大集合力而越小。因此，可以对这些变量中的任意变量作出调整，以便在不背离本发明原理的情况下设计带有排放构件的端组件。
根据排放构件36相对于由止动器42限定的开口的暴露面积，释压排放构件的厚度可以小于大约0.254mm(0.010英寸(inch))，并且在一些实施例中可以从大约0.0254mm(0.001inch)到大约0.127mm(0.005inch)的范围，并且在其它的实施例中，该厚度可以从大约0.0254mm(0.001inch)到大约0.05mm(0.002inch)的范围。鉴于蒸汽渗透率(VTR)和预定释放压力的要求，释压排放构件36的成分和厚度可以由本领域普通技术人员确定。
释压排放构件可以包括至少一层包含金属、聚合物及其混合物的成分。可用于释压排放构件的合适的三层层压结构是PET/铝/EAA共聚物，这可使用美国威斯康星州奥什科什的Curwood的0539635C-501C等级的LIQUIFLEX
Figure BPA00001276300400201
合适的定向PP/PE/铝/LDPE的四层材料是美国乔治亚州哥伦布的Ludlow Coated Products的FR-2175，这是美国新泽西州普林斯顿的Tyco International有限公司的全资附属公司。合适的五层层压结构是PET/PE/铝/PE/LL-DPE，这同样可使用美国乔治亚州哥伦布的LudlowCoated Products的BF-48。然而如上所述，也可特别考虑到使用被涂覆一层防止蒸汽渗透的氧化材料(例如SiOx或Al2Ox)的聚丙烯、聚乙烯、非金属聚合物薄膜的任意组合的层压板和/或铝基箔片。
负电极包括锂金属条，有时称为锂箔。锂的成分可以变化，但对于电池等级的锂，纯度总是很高。锂可以与其它金属(例如铝)合成合金，以提供希望的电池的电性能。包含重量百分数为0.5的铝的电池等级的锂-铝箔片可从美国北卡罗菜纳州金斯芒廷的Chemetall Foote公司获得。
在一些实施例中，负电极可以具有在金属锂的表面之内或之上的非消耗的集流体。如图1中的电池，因为锂具有高导电性，因此可以不需要单独的集流体，但可以包括集流体，以例如在放电过程中随着锂的消耗保持负电极内的电连续性。当负电极包括非消耗的集流体时，其可以由铜(由于其导电性)制成，但也可以使用其它导电金属，只要这些金属在电池内稳定即可。
在优选的实施例中，阳极或负电极没有单独的集流体，并且由于锂或含锂合金的相对高导电性，仅仅锂金属或含锂合金的一个或多个条或箔片用作集流体。通过不使用集流体，容器内更多的空间可用于其它部件，例如活性物质。提供没有负电极集流体的电池可以降低电池的成本。优选地，使用单层或单条锂或含锂合金作为负电极。
电引线优选地将阳极或负电极连接至电池容器。这可以通过将引线的一端嵌入负电极的一部分内或者通过简单地将引线的一部分(例如一端)压到锂箔的表面上而实现。锂或锂合金具有粘合特性，并且通常至少引线和电极之间的轻微、充分的压力或接触将部件焊接在一起。在一个优选的实施例中，在卷绕为胶卷构造之前，负电极被提供有引线。例如在生产过程中，包括由锂或锂合金组成的至少一个负电极的带被提供在引线连接站处，引线在此被焊接至电极表面上的希望的位置。如果希望，带有接线片的电极随后被加工，以将引线的没有连接到电极的自由端成形。随后，负电极与电极组件的其余希望部件(例如正电极和隔板)组合，并被卷绕为胶卷构造。优选地，在卷绕操作已被执行后，通过在插入电池容器之前弯曲为希望的构造，自由的负电极引线端被进一步加工。
导电负电极引线具有足够低的电阻，以允许电流通过引线充分传送，并对电池寿命具有最小或没有影响。希望的电阻可以通过增加接线片的宽度和厚度获得。
正电极通常采用条的形式，其包括集流体以及包含一种或多种通常为微粒形式的电化学活性物质的混合物。二硫化铁(FeS2)是优选的活性物质。在Li/FeS2电池中，活性物质包括重量百分数大于50的FeS2。根据希望的电池的电和放电特性，正电极还可以包含一种或多种额外的活性物质。额外的活性正电极物质可以是任意合适的活性正电极物质。实例包括BiO3、C2F、CFx、(CF)n、CoS2、CuO、CuS、FeS、FeCuS2、MnO2、Pb2Bi2O5和S。更优选地，对于Li/FeS2电池正电极的活性物质包括重量百分数至少是95的Li/FeS2，然而更优选地是重量百分数至少是99的Li/FeS2，并且最优选地是Li/FeS2是唯一的活性正电极物质。具有重量百分数至少是95的纯度水平的Li/FeS2可从美国马萨诸塞州北格拉夫顿的Washington Mills、奥地利维也纳的Chemetall GmbH和美国弗吉尼亚州迪尔温的Kyanite Mining Corp获得。
除了活性物质以外，正电极混合物还包含其它材料。胶合剂通常被用于将微粒材料保持在一起并将混合物粘到集流体上。一种或多种导电材料(例如金属、石墨和炭黑粉末)可被添加，以为混合物提供增强的导电性。使用的导线材料的量可以取决于以下因素：例如活性物质和胶合剂的导电性、集流体上的混合物的厚度以及集流体设计。少量的不同添加剂还可用于增强正电极的制造和电池性能。以下为用于Li/FeS2电池正电极的活性物质混合物材料的实例。石墨：美国俄亥俄州西湖的TimcalAmerica的KS-6和TIMREX
Figure BPA00001276300400221
MX15等级的合成石墨。炭黑：美国德克萨斯州休斯顿的Chervon Philips Company LP的C55等级的乙炔黑。胶合剂：由Polymont Plastics公司(前身是Polysar有限公司)制造且可从美国俄亥俄州亚克朗市的Harwick Standard Distribution公司获得的乙烯/丙烯共聚物(PEPP)；非离子水聚环氧乙烷(PEO)：美国密歇根州米德兰的Dow Chemistry Company的POLYOX
Figure BPA00001276300400222
以及德克萨斯州休斯顿的Kraton Polymers的G1651等级的苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS)嵌段共聚物。添加剂：由美国纽约州塔里敦的Micro Powders有限公司制造的FLUO HT
Figure BPA00001276300400223
微粉化的聚四氟乙烯(PTFE)(商业上可从美国俄亥俄州克利夫兰的Dar-Tech有限公司获得)和新泽西州瑞吉菲尔德的DegussaCorporation Pigment Group的AEROSIL
Figure BPA00001276300400231
200等级的煅制二氧化硅。
集流体可以布置在正电极表面之内或者嵌入正电极表面，或者正电极混合物可以涂覆到薄金属条的一侧或两侧。铝是常用的材料。集流体可以延伸超过正电极的包含正电极混合物的部分。集流体的该延伸部分可以提供一方便的区域，用于与连接至正极端子的电引线形成接触。希望的是将集流体的延伸部分的体积保持最小，以尽可能多地形成可用于活性物质和电极的电池的体积。
制造FeS2正电极的优选方法是将高度易挥发的有机溶剂(例如三氯乙烯(trichloroethylene))中的活性物质混合物材料的浆料滚动涂覆到铝箔薄板的两侧上，干燥该涂层以去除溶剂，压延该涂覆的薄板以使涂层紧实，将涂覆的箔切成希望的宽度并将细长的正电极材料的条截成希望的长度。希望的是使用具有小颗粒尺寸的正电极材料，以将刺穿隔板的危险降至最小。例如，FeS2优选在使用之前通过230网孔(62μm)进行筛选。
隔板是薄的多微孔隔膜，其可以透过离子并且不导电。其能够将至少一些电解质保持在隔板的孔隙内。隔板布置在负电极和正电极的相邻表面之间以使电极彼此电绝缘。隔板的一些部分还可将与电池端子电接触的其它部件绝缘，以防止内部短路。隔板的边缘经常延伸超过至少一个电极的边缘，以确保负电极和正电极不会形成电接触，即使在负电极和正电极没有良好彼此对准的情况下亦是如此。然而，希望的是使隔板延伸超过电极的量最小。
为了提供良好的大功率放电性能，希望的是隔板具有在1994年3月1日发布的美国专利5,290,414中公开的特性(孔隙具有至少0.005μm的最小尺寸和不超过5μm的最大尺寸，孔隙率的范围为30％至70％，面电阻率为2至15欧姆-平方厘米(ohm-cm2)并且弯曲度小于2.5)，该美国专利5,290,414通过引用合并于此。
合适的隔板材料还应该足够坚固，以承受电池制造过程以及在电池放电过程中施加到隔板上的压力，而不会形成可引起内部短路的裂纹、裂缝、裂口或其它裂孔。为了使电池中的总隔板体积最小，隔板应该尽可能薄，优选小于25μm厚，并且更优选不超过22μm厚，例如20μm或16μm。高拉伸应力是希望的，优选至少是800，更优选至少是1000千克力每平方厘米(kgf/cm2)。对于FR6型电池，优选的拉伸应力在纵向至少是1500kgf/cm2，在横向至少是1200kgf/cm2，对于FR03型电池，纵向和横向的优选的拉伸应力分别是1300和1000kgf/cm2。优选地，平均介电击穿电压将至少是2000伏特(volts)，更优选至少是2200volts，并且最优选地是2400volts。优选的最大有效孔隙尺寸是从0.08μm至0.40μm，更优选地是不超过0.20μm。优选地，BET比表面积将不超过40m2/g，更优选地至少是15m2/g，并且最优选地至少是25m2/g。优选地，面电阻率不超过4.3ohm-cm2，更优选地不超过4.0ohm-cm2，并且最优选地不超过3.5ohm-cm2。这些性质被更为详细地描述在2003年11月21日提交的美国专利申请10/719,425中，该专利申请通过引用合并于此。
用于锂电池的隔板隔膜经常是由聚丙烯、聚乙烯或超高分子量的聚乙烯(优选是聚乙烯)制成的聚合物隔板。隔板可以是单层的双轴定向的多微孔隔膜，或者两层或更多层可被层压在一起以在正交方向上提供希望拉伸强度。单层是优选的，以使成本最低。合适的当层双轴定向聚乙烯多微孔隔板可从Tonen Chemical公司获得，来自美国纽约州马其顿的EXXON Mobile Chemical公司获得。Setala F20DHI等级的隔板具有20μm的标称厚度，Setala 16MMS等级的隔板具有16μm的标称厚度。
负电极、正电极和隔板条在电极组件中被组合在一起。电极组件可以是螺旋形卷绕的设计，例如图1中所示的设计，其通过将正电极、隔板、负电极和隔板的交替的条卷绕在芯轴周围制成，芯轴在卷绕完成后从电极组件中取出。至少一层隔板和/或至少一层电绝缘薄膜(例如聚丙烯)通常卷绕在电极组件周围。这出于多个目的：其帮助将组件保持在一起并且可用于将组件的宽度或直径调整为希望的尺寸。隔板或其它外薄膜层的最外端可由胶带片或通过热密封压制。负电极可以是最外面的电极，如图1所示，或者正电极可以是最外面的电极。任一电极可以与电池容器电接触，但是当最外面的电极是将与罐电接触的相同电极时，可以避免最外面的电极与容器的侧壁之间的内部短路。
在本发明的一个或多个实施例中，电极组件形成有正电极，正电极具有选择性沉积在其上的电化学活性物质，用于改进使用和更有效地利用负电极的电化学活性物质。在正电极上的电化学活性物质的选择性沉积构造的非限定性实例以及包括正极容器的电化学电池在2008年1月31日公布的美国公布2008/0026288以及2008年1月31日公布的美国公布2008/0026293中提出，所述两个公布通过引用合并于此。
除了螺旋形卷绕，电极组件可以通过将电极和隔板条折叠在一起形成。条可以沿其长度对准，然后折叠成手风琴样式，或者负电极和一个电极条可以垂直于正电极和另一电极条放置，并且电极可替代地彼此交叉地折叠(正交定向)，在这两种情况下均形成交替的负电极和正电极层的堆叠。
电极组件被插入外壳容器。在螺旋形卷绕的电极组件的情况下，无论是圆柱形还是棱柱形容器，电极的主要表面垂直于容器的侧壁(换句话说，电极组件的中心核平行于电池的纵向轴线)。折叠的电极组件典型地用于棱柱形电池。在手风琴折叠的电极组件的情况下，组件被定向为使得电极层堆叠的相对端处的平坦电极表面邻近容器的相对侧。在这些构造中，负电极的主要表面的总面积中的绝大部分通过隔板与正电极的主要表面的总面积中的绝大部分相邻，并且电极主要表面的最外面的部分与容器的侧壁相邻。这样，由于增加负电极和正电极的组合厚度而引起的电极组件的膨胀被容器侧壁限制。
只包含很少量的水作为杂质(例如，根据使用的电解质盐，重量不超过百万分之五百，)的非水电解质，用于本发明的优选的电化学电池中。可以使用任意适于与锂和活性正电极物质一起使用的非水电解质。电解质包含溶解在有机溶剂中的一种或多种电解质盐。对于Li/FeS2电池，合适的盐的实例包括溴化锂、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；并且合适的有机溶剂包括以下的一种或多种：碳酸二甲酯(dimethyl carbonate)、碳酸二乙酯(diethylcarbonate)、碳酸甲乙酯(methylethyl carbonate)、碳酸乙烯酯(ethylenecarbonate)、丙烯碳酸酯(propylene carbonate)、1，2-丁烯碳酸酯(1，2-butylene carbonate)、2，3-丁烯碳酸酯(2，3-butylene carbonate)、甲酸甲酯(methyl formate)、γ-丁内酯(γ-butyrolactone)、环丁砜(sulfolane)、乙腈(acetonitrile)、3，5-二甲基异恶唑(3，5-dimethylisoxazole)、n，n-二甲基甲酰胺(n，n-dimethyl formamide)和醚。盐/溶剂的组合将提供足够的电解性和导电性，以便在希望的温度范围内满足电池的放电要求。醚经常是希望的，这是因为其大体上的低黏性、良好湿润能力、良好低温放电性能以及良好高速放电性能。在Li/FeS2电池中尤其是这样，这是因为醚比MnO2正电极材料更稳定，所以可以使用较高水平的醚。合适的醚包括但不限于：无环醚(acyclic ethers)，例如1，2-乙二醇二甲醚(1，2-dimethoxyethane)、1，2-乙二醇二乙醚(1，2-diethoxyethane)、二乙二醇二甲醚(di(methoxyethyl)ether)、三乙二醇二甲醚(triglyme)、四乙二醇二甲醚(tetraglyme)和二乙醚(diethyl ether)；以及环醚(cyclic ethers)，例如1，3-二氧戊环(1，3-dioxolane)、氧杂环戊烷(tetrahydrofuran)、2-甲基氧杂环戊烷(2-methyl tetrahydrofuran)和3-甲基-2-恶唑烷酮(3-methyl-2-oxazolidinone)。
可以调整具体的负电极、正电极和电解质的成分和量，以便提供希望的电池制造、性能和存放特性，如在上文提到的美国专利申请10/719,425中所公开的那样。
用于本发明的电化学电池的组装的方法包括将电极组件并且优选地将绝缘构件插入电池容器。初始卷边形成在容器的侧壁中。在一个实施例中，卷边通过在罐围绕其轴向轴线旋转的同时将成形轮(forming wheel)压靠容器的在希望形成卷边的区域中的侧壁而形成。在将端组件插入容器之前，当使用箔片排放部时，电解质被分配至容器中。可替代地，如果球排放部用于端组件，可在用球排放部的球对电池进行内部密封之前添加电解质。端组件的外围部分位于形成的初始卷边的上壁上。在另外的步骤中，容器在初始卷边处被支撑。卷边支架具有被插入卷边的突出的凸耳。在一个实施例中，卷边支架由两个半部组成，并且每个半部优选地围绕卷边延伸180°，使得卷边在电池的周界周围被完全支撑，并且所述支架可在该过程中打开和关闭。容器还在该容器底部被支撑。多个密封构件的(径向或轴向的(即垂直于径向方向))表面在封闭过程中优选被封闭组件的其它邻近部件密封。将电池封闭以及形成向上倾斜的卷边的另外的步骤包括通过再拉延(redraw)或套爪(collet)过程减小上侧壁的直径。在该过程中，容器在顶端和底部均被限制或支撑。在一些实施例中，在容器底部的支架可以在直径减小的过程中向上提升。直径减小和底部提升引起额外的材料流入卷边，卷边被进一步径向向内变形或运转，并且卷边形成希望的向上倾斜的向内突出的上壁。在直径减小之后，容器的上端也被向内折叠以形成压弯端，并且轴向力被施加在卷边和压弯端之间。在压弯过程中，容器也在底部被支撑。在容器的上端的压弯过程中，径向压缩优选地至少保持在上侧壁上。
电池形成和封闭过程的结果在附图中示出。部件的几何形状和封闭过程确保密封构件和容器之间、密封构件和限流或断流构件之间以及密封构件和接触构件或内罩的外直径之间的希望的界面均被密封。接触构件和/或内罩被设计为使其密封密封构件表面积的大部分，否则所述表面积将暴露于电解质。垫片厚度被降至最低。相对深的卷边深度和相对小的密封构件厚度帮助使得蒸汽渗透降至最低并且增加蒸汽渗透的路径长度。周向向上倾斜的向内卷边突出部提供增加的密封力，并进一步减小了电化学电池渗漏的机会。当电池暴露于引起电池部件的膨胀和收缩的温度波动时，特别是在聚合物密封构件情况下，尤其是这样。向上倾斜的向内卷边的上壁具有在膨胀后弹回其原始位置的更大的趋势。
上面的描述尤其与圆柱形Li/FeS2电池相关，例如瑞士日内瓦的国际电工委员会出版的国际标准IEC 60086-1和IEC 60086-2中所定义的FR6和FR03型的电池。然而本发明还可以适用于其它电池的尺寸和形状，并且适用于具有其它电极组件、外壳、密封和卸压排放构件设计的电池。可使用本发明的其它电池类型包括一次和可再充电的非水的电池，例如锂/二氧化锰和锂离子电池。电极组件的构造还可以改变。例如，其可以具有如上所述的螺旋形卷绕的电极、折叠电极或者条(例如，平板)的堆叠。电池的形状还可以改变，以包括例如圆柱形和棱柱形形状。可以使用其它的电池化学成分，例如但不限于Li/SO2、Li/AgCI、Li/V2O5、Li/MnO2、Li/BiO3。这些电池可以具有高于1.50V(例如2.0V和3.0V)的标称电压。
实践本发明的人员和本领域技术人员将理解，在不背离所公开的概念的精神的前提下，可以对本发明作出各种修改和改进。所赋予的保护范围由权利要求和法律允许的解释外延确定。

Claims (19)

1.一种电化学电池，包括：
具有封闭底端、侧壁和开口端的圆柱形金属容器；
布置在所述容器内的螺旋形卷绕的电极组件，所述电极组件包括正电极、负电极、布置在所述正电极和所述负电极之间的隔板和非水的易挥发的电解质；
在所述侧壁中并具有通过过渡构件连接的上壁和下壁的周向向内突出的卷边，所述上壁朝向所述电池的径向中心向上倾斜，并且所述上壁与所述下壁沿它们各自的长度分隔开；
封闭所述容器的所述开口端的端组件，所述端组件包括能够在预定内部压力下减压的排放构件、限流或断流构件以及位于所述容器和所述端组件的导电触头之间的绝缘的聚合物密封构件，并且其中所述导电触头被操作性地电连接至所述正电极或负电极；
其中所述卷边上壁具有从上壁最高点径向向外定位的最低点，并且其中延伸通过上壁最低点的假想水平线与在上壁最低点和上壁最高点之间的假想线之间的角度是从1°到30°；以及
其中所述卷边具有至少为所述容器的最大半径的22%的深度。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于：所述端组件进一步包括具有连接至释压排放构件的外围法兰的导电接触构件，所述释压排放构件能够响应至少与预定释放压力一样高的内部电池压力而破裂，由此允许物质通过所述排放构件逸出，其中所述外围法兰包括轴向段，该轴向段大致平行于侧壁的与该轴向段相邻的一段延伸一轴向距离，其中所述外围法兰包括从所述轴向段沿大致径向方向延伸的径向段并包括在所述卷边上面轴向定位的部分，并且其中所述外围法兰从所述径向段过渡到沿大致轴向方向延伸的第二下轴向段，其中所述密封构件至少在（a）所述侧壁和外围法兰轴向段之间、（b）所述卷边和所述径向段之间以及（c）所述卷边和所述第二下轴向段之间受到压缩。
3.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于：所述接触构件具有从所述轴向段延伸的向内折叠端，其中限定开口的止动器存在于所述电池中，并且其中所述止动器的一部分和所述排放构件的一部分在所述接触构件的向内折叠端和所述径向段之间被压缩。
4.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于：所述电池进一步包括与所述容器的在所述卷边下面的侧壁接触以及与所述接触构件接触的绝缘构件，使得所述密封构件的一部分由所述接触构件、所述绝缘构件和所述卷边限界。
5.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于：所述密封构件具有沿大致径向方向延伸位于所述容器的压弯端下面的上径向段，其中所述密封构件的上径向段连接至沿大致轴向方向延伸并与所述容器侧壁和所述外围法兰的轴向段接触的密封构件的上轴向段，其中所述密封构件的上轴向段延伸在所述压弯端和所述卷边的所述上壁之间，其中所述密封构件包括连接至所述密封构件的上轴向段并从所述密封构件的上轴向段大致向内延伸的下径向段，其中所述密封构件的下径向段与所述外围法兰的径向段接触并沿所述外围法兰的径向段延伸一距离，其中所述密封构件的下轴向段连接至所述密封构件的下径向段并从所述密封构件的下径向段轴向向下延伸，其中所述上径向段和所述下径向段在所述卷边的上壁和所述容器的压弯端之间被压缩，并且其中所述密封构件的下轴向段在所述卷边的过渡构件和所述接触构件的所述下轴向段之间被压缩。
6.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于：所述端组件进一步包括与所述导电触头操作性地电接触的导电内罩，所述密封构件具有沿大致径向方向延伸位于所述容器的压弯端下面的上径向段，其中所述密封构件的上径向段连接至沿大致轴向方向延伸并与所述容器侧壁接触的所述密封构件的上轴向段，其中所述上轴向段延伸在所述压弯端和所述卷边的所述上壁之间，并与所述内罩的轴向段接触，其中所述密封构件包括连接至所述密封构件的上轴向段并从所述密封构件的上轴向段大致径向向内延伸的下径向段，其中所述密封构件的下径向段与所述内罩的所述径向段接触并且在所述内罩和所述卷边的所述上壁之间被压缩，其中所述密封构件的上径向段在所述卷边的上壁和所述容器的压弯端之间被压缩，并且其中所述密封构件进一步包括连接至所述密封构件的下径向段的内轴向段，所述内轴向段大致径向向上延伸在所述内罩的所述轴向段和所述电池的接触构件之间。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于：所述端组件进一步包括与所述导电触头操作性地电接触的导电内罩，其中所述内罩具有径向段和轴向段，其中所述密封构件在所述径向段和所述卷边的所述上壁之间被压缩，并且其中所述密封构件在所述内罩的轴向段和所述容器的上侧壁之间被压缩。
8.根据权利要求7所述的电化学电池，其特征在于：导电接触构件被连接至所述内罩并被操作性地电连接至所述正电极的集流体，其中所述电池进一步包括防止正电极集流体的一部分和所述容器的所述侧壁之间接触的绝缘构件，并且其中所述绝缘构件的一部分与所述卷边和所述接触构件接触并且布置在所述卷边和所述接触构件之间。
9.根据权利要求7所述的电化学电池，其特征在于：所述排放构件是球型排放构件。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于：所述端组件进一步包括导电内罩，其中所述内罩包括形成球排放组件的一部分的段，其中所述内罩包括具有径向段和轴向段的外围法兰，其中所述径向段从所述轴向延伸段径向向外定位，其中所述密封构件在所述内罩的所述轴向段和所述卷边的所述过渡构件之间被压缩，并且其中所述密封构件在所述内罩的所述径向段和所述卷边的所述上壁之间被压缩。
11.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于：所述端组件进一步包括与所述导电触头操作性地电接触的导电内罩，所述密封构件具有沿大致径向方向延伸位于所述容器的压弯端下面的上径向段，其中所述密封构件的上径向段连接至沿大致轴向方向延伸并与所述容器侧壁接触的密封构件的上轴向段，其中所述密封构件的上轴向段延伸在所述压弯端和所述卷边的所述上壁之间，其中所述密封构件包括连接至所述上轴向段并从所述上轴向段大致径向向内延伸的下径向段，其中所述密封构件的下轴向段连接至所述下径向段并从所述下径向段大致轴向向下延伸，其中所述密封构件的上径向段和下径向段在所述卷边的上壁和所述容器的压弯端之间被压缩，并且其中所述密封构件的下轴向段在所述过渡构件和所述内罩或电连接至所述内罩的接触构件之间被压缩。
12.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于：所述正电极包括FeS2，所述负电极由锂或锂合金组成。
13.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于：所述卷边深度至少为所述容器的半径的30%。
14.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于：所述角度是从3°到20°。
15.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于：所述正电极包括二硫化铁，并且应用于以下情况之一：（a）当所述电池是R6尺寸的电池时，所述密封构件具有小于1.14cm的尺寸比；或者（b）当电池是R03或R8尺寸的电池时，所述密封部件具有小于0.86cm的尺寸比，其中，所述尺寸比是通过将所述电解质的蒸汽扩散所通过的横截面面积除以所述蒸汽传播的路径长度来计算的。
16.根据权利要求15所述的电化学电池，其特征在于：当所述电池是R6尺寸的电池时，所述密封构件具有小于0.86cm的尺寸比。
17.根据权利要求15所述的电化学电池，其特征在于：当所述电池是R6尺寸的电池时，所述密封构件具有小于0.51cm的尺寸比。
18.根据权利要求15所述的电化学电池，其特征在于：当电池是R03或R8尺寸的电池时，所述密封部件具有小于0.48cm的尺寸比。
19.根据权利要求15所述的电化学电池，其特征在于：当电池是R03或R8尺寸的电池时，所述密封部件具有小于0.30cm的尺寸比。
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