CN102334212A - 用于电化学电池的封闭装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于电化学电池的封闭装置，包括正温度系数(PTC)设备和双壁垫圈，所述双壁垫圈将所述PTC设备与存在于所述封闭装置中的主要轴向压力分离。同时考虑到一种用于封闭电化学电池来从主要轴向压缩中移出所述PTC设备的方法。

Description

用于电化学电池的封闭装置
技术领域
本发明涉及一种用于电化学电池(cell)的装置。更具体地，公开了一次含锂电化学电池。所述电池具有装置，该装置包括盖子、沿着轴向中间部分带有可变化直径的密封垫圈和正温度系数(PTC)设备封闭，其中所述封闭的布置将所述PTC与主要轴向压力分离。通过将所述垫圈嵌件注塑在所述盖子周围制造预成型的密封装置。
背景技术
包括但不限于带有锂金属或合金作为电化学活性材料的那些电化学电池，电化学电池通常使用一种或多种正温度系数(“PTC”)安全设备。这些设备限制能够在某些条件下正常地流过所述电池的电流。例如，由于外部短路、试图为一次电池充电、不恰当地为可充电电池充电、强迫过放电、或在设备中不恰当的电池安装，导致足够激活PTC设备的过剩热可能在电化学电池中形成。
通常，PTC设备包括包含聚合物和如碳的导电颗粒的层。当PTC设备的温度升高超过激活温度时，聚合物热膨胀使分散在PTC内的导电颗粒电断开，从而切断流过PTC设备的电流。因此，电化学电池设计必须考虑到PTC设备的热膨胀。
圆柱体电化学电池，如AA和AAA型号的电池组(battery)，由罐子(即带有封闭底部的圆柱体)和盖子形成，并具有大于罐子的直径的总罐高。电池组的电端子整体式形成于罐子的底部和盖子上。然后通过在盖子和罐子的部分开口端之间压缩垫圈或密封元件将容器(即罐子和盖子的组合)密封。为了确保密封性，应该在圆柱体的轴向和径向都保持压力，通常通过使罐子在侧壁形成卷边(bead)并然后将罐子的开口端边缘弯曲到盖子上。就PTC设备通常被连接到所述盖子上而言，这个封闭可以使PTC设备经受压缩轴向力，从而对PTC的激活产生不利影响。
用于可购买的Li/FeS2电池的普通封闭显示于图6中。电化学电池1包括被配置在所述电池末端盖子2和PTC设备4。垫圈6具有带有基本均匀形状的轴向中间部分。将所述盖子2、PTC设备4和接触装置8(包括回卷盖子和弹簧)被承载、承装或保持在所述C-型垫圈6内。特别地，在所述电池密封的过程中必须施加轴向力使所述罐子3的末端边缘弯曲，从而在自身的封闭操作过程中使所述PTC设备4受到轴向压力。而且，因为所述弯曲边保持到位(in place)并且所述弹性体的垫圈保持轴向压缩，所以贯穿所述电池组的整个寿命将会持续轴向限制所述PTC的激活(要求所述PTC轴向膨胀)。
各种途径已经尝试允许PTC设备消除PTC设备不希望的轴向压缩，从而使其在激活时膨胀。一个这样的途径考虑到使用附加的导电元件、和/或弹簧状设备，尽管这要求所述PTC设备基本重新配置(减小尺寸)。也已经使用在低于所述PTC设备激活的温度下软化的垫圈材料，但这样可能无法使用最佳性能的材料(performing materials)。而另一种途径是使所述PTC位于所述容器的外侧，但这需要用于将所述PTC连接到所述罐子/盖子上的方法，并增加了所述PTC损坏的可能性。
专利号为5,376,467的美国专利描述了具有正温度系数电阻器的有机电解液电池组。在一个实施方案中，将所述PTC电阻器承载在导电环状元件上从而使所述PTC电阻器在径向向内的位置，远离弯曲的区域。在第二个实施方案中，它被设置在所述盖子(lid)的中心并通过支撑元件被连接到所述密封元件上。在这两个例子中，这些布置必须将所述PTC电阻器焊接或黏附地固定到附加的导电密封元件上，并且所述PTC电阻器的直径必须基本小于所述电池组罐子的内径，从而限制所述PTC电阻器的表面区域面积和整体效用。
专利号为5,766,790的美国专利涉及用在依赖一系列光盘型弹簧的蓄电池组中的安全设备。来自所述电池组外壳的内部压力使所述弹簧变形从而破坏所述外部接线端和一个所述光盘型弹簧之间的电接触。特别地，这个设备要求多个移动零件并且仅依赖于所述电解液过热导致的电池内部压力，而不是被位于所述电池上的电力需求(即负载)激活。
专利号为6,531,242的美国专利和公开号为05-151944的日本公开文本公开了电池组密封中多个垫圈的用途。这些垫圈一起工作将施加在所述PTC设备上的压力最小化。在前者中，一系列互相套叠的垫圈与引线板和所述PTC设备连接起来。在后者中，设置了两个独立垫圈，其中与激活PTC设备接触的垫圈的熔点低于PTC设备的激活温度，从而确保所述PTC设备可以按需要膨胀为软化的垫圈。附加零件(例如两个或更多个垫圈)的添加增加了制造的复杂性和成本。
专利号为6,620,544的美国专利公开了依赖于金属泡沫“减震器”和独立的绝缘环的电化学电池，所述金属泡沫“减震器”和独立的绝缘环都接近于所述PTC设备定位。这里，所述金属泡沫考虑所述PTC设备在激活时的膨胀，而所述绝缘环厚于所述PTC设备使密封所述电池时为所述零件提供适当的空间。如上面美国专利5,376,467，这种布置要求使用较小直径的PTC设备。
最后，公开号为10-162805的日本公开文本考虑到沿着所述电池的中心轴装配PTC设备。这里，所述PTC设备通过限制它的总直径来避免受到弯曲力，尽管这个受限的直径通过限制与所述电极接触的表面区域面积减小了所述PTC设备的效用。而且，所述PTC设备的这个中心位置防止普通排气设备的添加。最后，如所述参考文献中提到的，这个布置的一些实施方案允许所述PTC设备与包含在所述电池外壳内的有机电解液接触。在这样的例子中，所述PTC设备必须不与所述有机溶剂反应或不溶解在所述有机溶剂中，从而展示了关于化学相容性的重要技术挑战。
发明内容
鉴于上述内容，本发明考虑到尤其一种带有具有将电流限制在希望的温度下(尤其发生在滥用条件下)的PTC设备的电化学电池设计，而同时在基本不减小它的表面区域或形状的情况下不限制所述PTC设备激活的能力。另外，在使所述PTC设备不与所述电解液的有机溶剂直接接触的情况下，这个电池设计在超过所述PTC设备的激活前后的延长期间内保持可靠的压缩密封力。
本发明的PTC设备通常经历相变来将电流限制在85℃和175℃之间。最后，用于所述PTC的优选的激活温度由所述设计以及其它电池材料(例如，所述垫圈聚合物)和/或所述电池可能排气的温度来决定。如上面提到的，应该将设置在所述电池组的电通路内的PTC的表面区域(即所述电极和所述接线端之间)最大化来确保所述PTC的最充分利用。
所述电池设计包括贴附于电池组容器开口端的封闭装置。所述封闭装置包括所述PTC，并对电解液蒸汽的传输形成有效障碍来确保当遇到如过载电流或过高温度的滥用条件时所述电池组不会爆炸。基本在所述密封垫圈内向所述封闭装置的设计施加径向和轴向力防止电解液溢出和湿气进入，但存在于所述端部装置中的PTC设备在不干扰所述排气机构的情况下部分地或完全地免受主要轴向压力。特别地，所述垫圈必须由电绝缘材料制成、耐所述电解液导致的化学降解并不受过长时间导致的冷流或结构和机械完整性损失的影响。可以将嵌件注塑用来将所述垫圈直接并入另外的组件中，如所述容器或封闭装置、或尤其所述封闭装置的盖子或回卷盖子。
在所述电池组的制造和随后的储存/使用过程中，通过改变所述密封垫圈的横截面形状，将所述PTC设备从有效密封所述电池组需要的压力中移出。这个布置使所述PTC设备：i)在制造过程中避免损坏，ii)在激活过程中膨胀并且iii)通过将用于所述电池组内部电极和所述电池组外壳的外部接线端之间电连接的表面区域最大化来减小电阻。
特别地，所述环状密封元件(即所述密封垫圈)具有沿着轴向部分恒定的外径，但在那个部分至少带有两个不同直径的内部表面。所述端盖与部分具有一个直径的垫圈同轴，并且所述PTC设备与部分具有一个不同直径的密封元件同轴。因此，所述垫圈具有多个径向肩或台阶，其中所述端盖安坐于第一台阶上表面上并且所述PTC直接或间接(凭借与所述端部装置的其它组件的连接)安坐于第二台阶上表面上。因此，在密封的电池的最接线端部装置中，所述垫圈的横截面本身将具有拥有至少两个区别厚度区域的轴向部分，从而影响沿着所述中间部分的“双壁”或横截面的台阶状的“双壁”。上凸缘和下凸缘可以位于或相邻于这个中间部分，同时将所述上凸缘在所述端盖顶部上方弯曲(即所述端盖夹在上面的弯曲和下面的台阶之间)，并且所述下凸缘整体式形成所述台阶中的一个，还可以向下在所述中间部分的上方延伸。
在每个例子中，所述封闭装置形成来建立两个轴向压缩区域：基本区域和次要区域(即分别地说，在被施加轴向压缩的弯曲的下面区域和同中心地相邻于被施加最小压缩的垫圈的第二壁的区域)。所述基本区域负责保持所述电池的封闭密封，它可以受到所述弯曲或与制在所述容器的侧壁上的环状卷边连接的弯曲的影响。所述次要区域具有比所述主要区域小的压力。这样，向所述PTC设备施加比所述封闭装置的其它分别部分小的压力，从而避免对所述PTC设备的损坏并使其不受限制地激活。特别地，垫圈材料必须具有足够硬度使这些高和低压缩区域形成，使用用于所述双壁垫圈的单嵌件注塑的热固塑料材料是有利的，因为这样使所述零件得到大量制造而避免材料相容性和相关的问题。
如上面提到的将这个垫圈并入封闭装置中。所述封闭装置将通常被套叠在所述容器的开口端内。可以沿着所述容器的周围在恰好低于所述封闭装置的位置制造卷边来确保所述端部装置和所述容器之间更好的密封。如果存在所述下凸缘，它将相邻于所述卷边并且甚至可以部分地或完全地围绕它延伸。所述封闭装置本身包括盖子、轴向中间部分具有可变化直径的垫圈，PTC设备、排气机构和通常为所述排气机构的整体部分的任选的“卷回”盖子(例如，带有轴向突起以在所述端部装置和所述容器之间保持轴向和径向压缩并使其最大化的光盘状密封板)。所述排气机构可以是球排气口或箔排气口。引线或接触弹簧使与所述封闭装置接触，并可以甚至被并入所述封闭装置中，以建立从所述电池组电极流出，经过PTC和所述盖子最后到达在所述电池组本身外部上整体式形成的接线端的电连接。
最后，本发明的完整描述包括它的各个特性和实施方案可以参照下面的说明书和权利要求书找到。
附图说明
通过阅读本发明的具体实施方式和附图，将会更好地理解本发明并且其它特性和优势将变得明显，其中：
图1是图示带有球排气机构和具有多个轴向压缩区域的垫圈的封闭装置的本发明的一个实施方案的剖视图；
图2是图1的进一步实施方案的剖视图；
图3是图示带有箔排气机构和具有多个轴向压缩区域的垫圈的封闭装置的本发明的一个实施方案的剖视图；
图4是图示带有硬币排气机构和具有多个轴向压缩区域的垫圈的封闭装置的本发明的一个实施方案的剖视图；
图5是图3或4的另一个实施方案的剖视图；
图6是现有技术封闭装置的剖视图；和
图7是图示所述垫圈的轴向压力和变化直径的本发明的一个实施方案的剖视图，所述垫片可以应用到图1-5中图示的任何实施方案中。
具体实施方式
如贯穿说明书使用的，术语“电化学电池”被给予宽泛的含义，包括任何能够制造电流，带有正极电极、负极电极、绝缘件(separator)和电解液的系统，尽管本发明最适于使用非水电解液的系统。圆柱形容器是任何带有至少一个开口端的管状容器，所述容器的轴向高度大于它的直径。“肩”或“座”是水平取向特性，被设计成将安坐在该肩上的组件承装、支撑和保持到位；这样，肩在结构上和功能上区别于弯曲的凸缘或主要在所述电池的轴向方向延伸的凸缘。
本发明涉及电化学电池，其优选包含作为电化学活性材料的锂或锂合金、和非水电解液，带有包括圆柱体容器的电池封闭装置，所述圆柱体容器具有通过端部装置密封的开口端，所述端部装置包括压力释放排气元件，当所述电池的内部压力等于或高于预定压力时该压力释放排气元件能够排气。本发明参照附图将更好地理解，其中图1图示本发明的圆柱体电化学电池10的一个实施方案。电池10是一次FR6-型圆柱体Li/FeS2电池。然而，理解为本发明可以应用于其它圆柱体电池组化学和电池设计。
电池10具有包括容器14的外壳12，容器14是带有闭合底部和敞开顶端的罐子形式，其中封闭装置安装在敞开顶端。与圆柱体电池相关的机械强度、封闭/密封要求和内部电池设计明显不同于那些硬币或纽扣电池，尤其在此作为圆柱体形状具有优越的箍强度(hoop strength)并且不会经历在硬币和纽扣电池中经常遭遇到的普通的轴向鼓胀。
容器14的敞开顶端使用与所述敞开顶端配合的端部装置30封闭。所述容器14在容器顶端附近具有圆周向内突起或卷边(bead)16，支撑所述端部装置30的一部分。卷边16大体被认为将所述容器14的上部和下部分开。包含容器14和端部装置30的封闭装置被安装在容器14的顶部内并且将电极装置60密封在容器14的底部内。这里显示的电极装置60是“卷芯(jellyroll)结构”，包括螺旋形缠绕在一起的阳极或负极电极62、阴极或正极电极64和绝缘件66。一层或多层绝缘件66可以用来允许离子导电并防止所述电极62、64之间的直接电接触。电解液也被设置在所述容器14内。
假如按照关于装置的教导，容器14可以是几种几何形状的端部开口的容器的中的一种，例如，棱柱和长方体容器。由于端部开口的圆柱体电池的密封存在关于建立所述密封所要求的径向和轴向力的挑战，希望与容器14配合来最小化蒸汽输送的端部装置30特别适用于圆柱体容器。
容器14优选是具有整体式封闭底部的金属罐。然而，在两端最初敞开的金属管可以用在一些实施方案中。在一个实施方案中的容器14是任选镀层的钢，例如，在至少外侧镀镍来防止所述容器的暴露的表面受到腐蚀或提供希望的外观。例如，所述罐子可以由冷轧制钢(CRS)制成，并至少在外侧镀镍来防止所述罐子的外侧受到腐蚀。通常，根据本发明的CRS容器对于FR6电池可以具有约7-10毫英寸(mils)的壁厚，或对于FR03电池可以具有约6-9mils的壁厚。可以改变镀层的种类来提供变化的耐腐蚀度，以改善接触电阻(contact resistance)或提供所述希望的外观。钢的种类将部分依赖于容器形成的方式。对于浅冲罐(drawncans)，钢可以是扩散退火的(diffusion annealed)、低碳、铝镇静的、SAE1006或等效钢，具有ASTM 9至11的颗粒尺寸和各向等大的稍微伸长的颗粒形状。其它金属可以用来满足如本领域已知的特殊需要；例如，当将所述电池的开路电压设计为大于或约等于3V时或当所述电池是可充电的时，可以使用不锈钢，以提供相对较大的耐腐蚀性。备选的容器材料的实施例包括但不限于，不锈钢、镀镍不锈钢、包镍不锈钢、铝或它们的合金。
如图1和2中所示，卷边16是向内的凸出，优选在所述圆柱体容器周围延伸。卷边16具有上壁18、下壁20和将所述上壁18连接到下壁20上的过渡元件22。上壁18可以是朝所述电池的径向中心向上倾斜的。所述卷边16在该上壁18和容器14的弯曲端24之间提供希望的轴向压缩。总之，提供卷边16以帮助在所述容器14和端部装置30的密封过程中或之后产生并保持轴向封闭力。关于所述卷边的进一步的细节可以在2008年6月11日提交的、序列号为12/136,910(美国公开号未公布)的美国专利申请中找到，所述申请在这里以参考文献并入。
所述端部装置30设置在容器14的上部，并包括具有用作电池端子的导电接触器端盖32、限制或干扰流过电池的电流的PTC设备34、可破裂的压力释放排气机构36、垫圈或密封元件40和诸如焊接引线或弹簧的接触元件50，接触元件50限定如在图1的布置中示出的开口。电绝缘聚合物垫圈40可以位于容器14和端部装置30的组件之间，从而使所述端部装置30具有不同于所述容器14的极性(polarity)。
PTC设备34设置在所述接触端盖32和电极装置60的正极电极64之间的电通路中。因此，当PTC设备因滥用条件(abusive condition)被激活时，如果没有完全消除，从所述电极装置60流到所述端盖32的电流受到严重限制。当电池暴露于滥用条件下时，如暴露于因电池的外部短路、误充电、颠倒安装或强制放电导致的过载电流和/或过高温度条件下时，所述PTC用这种方法防止电池10损坏或解体。导电接触接线端32优选在容器14的端部上方突出、并被容器14的内弯曲端24保持到位，其间设有绝缘垫圈40。如上面提到的，所述弯曲端24施加轴向封闭力。在电池10的封闭操作中进行这个弯曲；即，容器14随着端部装置30的安装到位而卷边，然后端部24被弯曲以产生如上述的轴向压缩。
电化学电池，特别是那些包括锂或锂基合金的电化学电池可能遭到因内部或外部短路、非计划充电、出故障的或简陋设计的设备等导致的滥用条件(例如，升高的温度、过载电流等)。因此，PTC设备34是电池10中关键的安全组件。PTC设备34是呈现正温度系数特性的可重置设备，其中所述设备的电阻随着温度的升高增大。
在一个优选的实施方案中，所述PTC设备34包括具有分散在其中的导电颗粒的聚合物。具体地，所述PTC设备34包括聚乙烯和诸如碳这样的导电颗粒。其它种类的颗粒，如导电金属，例如镍也可以使用。在大多数PTC的通常的可操作温度范围85-170℃以下，以及在更优选的温度范围约85-125℃(与大部分电化学电池用户的预期最大操作温度范围一致)以下，所述PTC中导电的分散颗粒形成穿过聚合物的电阻相对低的电通路。所述大体温度范围的下限由需要所述电池在约85℃的温度下发挥作用的希望决定。所述大体温度范围的上限由诸如密封和电化学活性材料这样的电池组件的熔点决定。PTC设备自动切断(trip)的能力依赖于所述PTC上的压力和其它因素，包括PTC设备的密度。
如果或当所述PTC设备34的温度升高到切换温度(在这里也指所述设备的激活)以上激活，所述聚合物发生相变。这个相变使所述聚合物的体积增大，从而使大部分分散的导电颗粒分开、破坏低电阻电通路并使所述PTC设备的电阻显著增大。由于电阻增大，可以流过PTC设备的电流量降低。当PTC设备的温度降低到操作范围时，聚合物再结晶并且导电颗粒移动互相接近并恢复所述PTC设备的低电阻状态。
用于圆柱体电化学电池的优选的PTC设备34的形状为带有用于使流体通过的中心孔的环状。特别地，所述孔容纳排气机构来确保在密封容器内不形成爆炸压力。然而，PTC的形成电通路的表面区域面积应该被最大化以帮助使PTC对电池本身的的电阻效应最小化。因此，优选的PTC设备的直径相对接近于所述容器允许的最大直径，而所述中心孔被最小化。合适的PTC设备可以从很多来源购买到。美国加州河滨的柏恩斯(Bourns)公司和美国加州门洛帕克的泰科电子(Tyco Electronics)出售适合的PTC设备。
PTC设备增加了电池的内电阻。通常，这个增加的电阻在AA形状因数(AA form factor)下应该不超过约36mΩ，AA形状因数下约18mΩ的较低电阻设备现在变得可以使用。最佳地，所述设备将限制电压最高15V DC，电流最高20A。所述PTC的直径应该与如下面更详细的讨论的端部装置的直径一致。所述排气孔的尺寸应该与所述排气机构配合，其中2.5-5.5mm的直径是合适的。所述PTC设备的厚度(或如下面使用的“轴向高度”)范围应该为0.25-0.50mm(1-2mils)，并更优选为0.30-0.35mm，依赖于所述端部装置30中的元件的准确配置。
在端部装置30中保持PTC设备34的问题是必须在所述容器14和所述端部装置30之间保持密封来防止电池电解液的泄漏。由于通常在电池的轴向和径向上利用压力形成密封，通常通过在容器14和端部装置30之间形成压缩密封，因此PTC设备34可以经受对于确保形成可靠的密封所必需的压力。然而，PTC设备34被端部装置30和容器的压缩，并更具体地因弯曲端24、垫圈40的刚性和卷边16的上壁18的组合的轴向压缩效应产生的压缩，可以限制膨胀并从而影响它的性能。因此本发明的挑战是在端部装置中装配PTC设备；隔离PTC设备以免接触电解液(从而影响PTC设备的激活)、电池外侧的周围环境和外部物理接触器(以防止活性部分周围短路)；使PTC设备中的压缩最小化，同时将PTC在电池内保持在预期位置上以允许激活时得到预期的膨胀(并因此得到PTC设备的最终预期性能)。如上面讨论的参考文献建议的，使用较少坚硬的聚合物材料可能导致不希望出现垫圈冷流、电解液泄漏和普遍不可接受的端部装置30的密封性能。此外，垫圈的材料必须具有足够的刚性，以符合本文所述的标准。
为了允许PTC设备34获得预期的膨胀，PTC设备34被定位于所述端部装置30中，以便使其消除主要轴向压力。术语主要轴向压力在这里被定义为：在端部装置30密封的过程中，沿着圆柱体容器的轴施加的最高或最大化的轴向压力，以及保持在密封的电池中的合压力(resultingcompressive force)。例如，图7图示出沿线A-A延伸的轴线上的主要轴向压力，并且所述轴向压缩区域受卷边16的上壁18和容器14的弯曲端24束缚，尽管施加的力的精确量部分依赖于容器的材料、弯曲条件和垫圈材料的刚性。然而，将理解更小的(或，如这里使用的“次要的”)轴向压力仍然被施加遍及端部装置的组件。该力的量将小于所述主要压缩区域，从而允许所述PTC设备激活。
如上面提到的，所述PTC设备34具有环状结构，其中PTC设备34的外径或外围同中心地位于垫圈40的分散的轴向延伸的壁区段之一中。即所述PTC自施加在所述电池密封装置上的主要轴向压力径向向内。凭借所述电池中的这个位置，所述PTC在次要轴向压缩区域内。这个区域包括被所述端盖32的部分束缚的组件，所述端盖32与所述弯曲端24、所述PTC设备34和所述排气机构36径向同中心。
对于减小所述PTC设备34上轴向压力的优选的结构包括垫圈40，即：i)使非导电的并将相反极性的预期电池组件隔离开，和ii)由可靠地可压缩的塑料形成，以协助形成密封的封闭装置但抵制冷流或其它不希望出现的变形。用来注塑垫圈40的热塑性塑料还必须甚至在经受到PTC设备34的激活温度时也保持足够的刚性。密封元件40是沿着轴向长度具有可变化长度的空心圆柱体或环形。这些可变化的尺寸赋予垫圈以径向突出的肩或“台阶的”构型的同心设置。即，所述密封元件40具有沿着整个轴带有恒定外径的外表面42。所述封闭的电池的外表面42基本与容器14的相邻于所述密封元件40的内表面的构型一致来提供屏障，从而将进入电池的水和来自电化学电池的电解液的损失最小化。
上凸缘43优选最初形成作为向上延伸的区段，其中当容器14的弯曲端24形成时，所述上端43的一部分向内弯折。如图7中所示，所述最终弯曲的凸缘界定沿着线1R-1R的直径。这个直径必须超出所述内表面44的直径(线2R-2R)，将在下面进行更详细的描述。
所述垫圈40也具有台阶状内径。所述垫圈40的内表面41具有图7中线3R-3R界定的直径，而内表面44具有线2R-2R界定的直径。所述内表面41、44的直径不同，使得垫圈40包括至少一个径向肩或座45成为必要。座45与端部装置30的各种组件接合和配合，以在所述端部装置、所述垫圈和所述容器之间形成气密性密封。所述垫圈的下凸缘48可以形成第二座47与所述端部装置30接合。座45可以与所述端盖32接合，而座47可以与所述排气机构36(或在一个实施方案中所述卷回盖子79)接合。由于限定垫圈40的双壁的其它组件，下凸缘48由如图7的线4R-4R所示直径界定，该直径与内表面41的直径不同。在图7显示的一个实施方案中，所述上凸缘43的直径小于内表面44的直径，并且下凸缘48的直径小于内表面41的直径。
参照所述附图，特别是图1，内表面41、44中之一将同中心地包围所述端盖32的外围，而另一个将同中心地包围PTC 34的外围。排气机构36也可以被包围并/或与所述座45、47中的一个接触。在所述密封的电池、即适合使用的成品电池中，所述端盖32具有接触所述内表面44的外围部分，从而确立所述容器14和所述端盖32之间的径向压缩。另外，上凸缘43与弯曲端34配合以对端盖32的接合在座45上的部分施加轴向压缩(注意这个轴向压缩向下延伸通过所述垫圈40来到所述卷边16的上壁18)。相反，PTC 40偏离这个主要轴向压缩区域，但仍然被一侧的端盖32和相反侧的排气机构36的径向密封部分72保持到位。这样，PTC 40处于次要压缩区域中，不管垫圈材料的刚性如何，允许PTC激活时体积膨胀。明显地，封闭电池时，充分的径向力也将由封闭装置30施加在容器14上，尽管这个径向力对PTC的运行/激活影响非常小。
密封元件40的构型在封闭装置组件(即，容器14和包括密封元件40的端部装置30)之间提供了多个径向和轴向压缩区域，既有主要轴向压缩区域也有次要轴向压缩区域。所述设计适于减小电解液蒸汽脱离所述电池的能力，并减小水进入所述电池的能力，还将所述PTC设备34与所述封闭装置的主要轴向压力分离。
鉴于上述内容，下面内容应该是显然的：主要轴向压力被施加在封闭装置的堆叠组件上，其中该堆叠组件包括容器14的弯曲端24、密封元件40、端盖32、排气机构36和卷边16的上壁18PTC设备34因其在电池中的位置而没有受到主要轴向压力。尽管图1图示台阶45基本垂直于容器14的侧壁(和垫圈40的外侧壁)，只要可以获得预期的偏离来将PTC从主要轴向压缩区域移出，就有可能使所述肩倾斜或成锥形。
所述密封元件40由与所述封闭装置的其它电池组件形成压缩密封的材料组合物制成，它也具有低的蒸汽传输率从而使例如进入所述电池中的水和从所述电化学电池的电解液的损失最小化。所述密封元件40可以包括聚合组合物，例如热塑性塑料聚合物，所述热塑性塑料聚合物的组合物部分基于诸如与所述电极装置的组件(即，负极电极、正极电极和如用在所述电化学电池10中的非水电解液)的化学相容性之类的因素。密封元件由提供预期密封和绝缘性能的任何适合的材料制成。所述密封元件材料必须保持充足的刚性，其大于PTC设备的刚性的(即电池封闭时，垫圈材料必须不能过于顺从，以致于不能使所述PTC设备避开主要轴向压缩)。合适材料的例子包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、四氟全氟烃乙烯醚共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯、′乙烯四氟乙烯、聚对苯二甲酸对苯二胺或其任何组合物。由于它们优良的刚性，优选的垫圈材料是聚对苯二甲酸对苯二胺(例如来自美国乔治亚州阿尔法理塔的苏威高级聚合物公司的Amodel
Figure BPA00001424046100131
ET 1001 L)或可能地聚苯硫醚(例如来自美国德州席讷(Shiner)伯德克塑料的TECHTRON
Figure BPA00001424046100132
PPS)，两者都在公开号为20050079404和20050079413的美国专利中描述并在这里以参考文献的形式并入。所述密封元件组合物可以任选地含有增强填料如无机填料和/或有机化合物。
所述密封元件40可以用密封剂涂覆进一步提高密封性能。乙丙三元共聚物(EPDM)是合适的密封剂材料，但其它材料也可以使用。
可以为导电的端盖32提供一个或多个排气孔33，以允许如果排放机构36破裂的情况下释放流体。端盖32可以由与那些确认为适合于容器的材料相同的或类似的材料制成。最后，所述端盖应该对周围环境中的水具有好的耐腐蚀性，包括具有良好电导性的导电部分和当在用户电池组上可见时具有吸引人的外观。所述端盖的导电部分通常由镀镍冷轧钢制成或在盖子形成后由镀镍的钢制成。
压力释放排气机构36的存在使所述电池的内含物(contents)可以在预定的压力以下基本含在所述电化学电池10内。所述压力释放排气机构36可以，例如是球形排气口或箔片排气口。气体因如温度的环境条件而产生于所述电池内，在某些例子中，形成于化学反应的通常操作过程中。当所述电化学电池内的压力至少与预定的释放压力同样高时，排气机构36的一部分破裂、并使电池内的为液体或气体或其组合物的形式的流体通过形成在所述排气机构36中的开口漏出。所述预定的释放压力可以根据所述电池的化学组合物变化。所述预定的压力优选高于将避免因正常处理和使用或暴露于周围环境导致的误排气的压力。例如，在FR-6型含锂电化学电池中，预定的释放压力，例如，排气机构36例如借助破裂产生开口的压力，在室温约21℃下范围可以从约10.5kg/cm2(150lbs/in2)到约112.6kg/cm2(1600lbs/in2)，在一些实施方案中，为约14.1到约56.3kg/cm2(200-800lbs/in2)。致使压力释放排气机构36破裂的压力可以通过为电池增压确定，例如通过在所述容器中刺穿的洞。箔排气口设计的例子可以在公开号为20050244706、20060228620和20080213651的美国专利中找到，三者都以参考文献的形式并入。
图1中图示的排气机构36是球形排气口。球形排气口70包括径向密封部分、中心排气井74和由排气球76密封的排气孔75。排气衬套78可以由类似于上述合适用于所述垫圈的热塑性塑料制成。所述排气衬套78使所述排气井74的竖直壁和所述排气球76的外缘获得充分的压缩性，以便在通常(即，非滥用)条件下保持密封。当所述电池内部压力超过所述预定水平时，排气球76或者球76和衬套78两者被迫离开孔75，以便从电池10中释放受压流体。
排气密封部分72在其外围终止于U型壁(也被称为“卷回盖子”)79。卷回盖子79如上面描述的与所述垫圈40接合。所述外围壁79的构型协助形成电解液迁移屏障、并具有类似于弹簧的特性、并有助于联合相邻侧壁或容器14为密封元件40提供径向压缩。所述电化学电池可以包括电连接至排气机构36、更具体地电连接至径向密封部分72和卷回盖子79中之一或两者的导电接触元件50。这样，排气口的这些部分必须是导电的。容器14、密封元件40和排气机构36配合将所述电极装置60和电解液保持在容器12的下部。
所述排气球76可以由与所述电池内含物接触稳定并提供预期的电池密封和排气特性的任何合适的材料制成。可以使用诸如不锈钢之类的玻璃或金属。排气球应该是高度球状的并具有无诸如放大10倍情况下可见的如擦伤、刮伤或孔洞之类缺陷的光滑表面抛光。预期的球状和表面抛光部分取决于球的直径。
图2图示本发明的进一步的实施方案，其中密封元件40在座45、47中之一或两者上设有一个或多个圆周的沟槽或凹槽80。在所述描述的实施方案中，端盖32具有与座45中的凹槽45接合的轴向延伸的突出35。同样，座47中的凹槽80与卷回盖子79接合。凹槽的形状应该于所述相应部件的形态互补从而确保内盖子72在端部装置30内的可靠的位置。
本发明的进一步的实施方案在图3中说明，其包括排气机构36，特别是箔片排气口。如在本发明中使用的，术语箔片排气口是指具有一层或多层的排气结构、并包括例如具有两个或多个不同层的薄片箔片排气口，其中箔片排气口的一部分可以响应于受到至少预定量的压力而破裂。图3中图示的排气机构36是薄片型箔片排气口，具有在受到来自电池内部预定压力后适于破裂的中心区域，即容纳电极装置的隔室。
如图3中所示，电接触元件38可以被认为是排气机构36的分离部件，其在一侧经由PTC设备34电连接至导电的接触接线端32，并在相反侧(无图示)上电连接至电极装置60。总之，所述接触元件38具有与垫圈40(具体地，内壁和座)、排气机构36和端盖32一致的形状。显示于图3中的“向一边的(sideways)J”形是一个优选的实施方案，其中所述元件38的顶端沿着基本径向平面取向，以使得与所述PTC 34接触的表面区域最大化(从而降低电阻)，而元件38的垂片或下腿39在轴向和径向上延伸到所述容器14的内部，从而建立与电极中之一(通常为正极电极)的电接触。例如，正极电极64的集电器可以是在导电基板，诸如铜、铝或其它金属箔或网丝，其延伸超过正极电极材料和隔板66。然后将电化学活性正极电极材料涂覆在这个基板上。
如果使用的话，接触元件38和50可以由一种或多种导电的材料、优选具有弹簧状特性的导电材料制成，尽管与预期的部件产生并保持足够的电接触的任何部件都可以使用。这些元件38、50可以仅仅保持与电极装置60的压力接触，或者它们通过焊接、黏附或其他方式形成与装置60的固定连接。
当在装配过程中将端部装置30放入容器14中时，集电器靠着接触元件38的垂片39受到偏压，如上面所示，垂片39对于力是有回弹力的和/或有抗力的。垂片39的特性有助于保持接触元件38和集电器之间的接触。任选地，可以将垂片39焊接到集电器上，借助弹簧力或通过使用中间导线(诸如可以被焊接到垂片39和集电器上的窄的金属带或线)而保持接触。焊接连接有时候可以更牢固，尤其在相对严格的处理、储存和使用条件下，但压力连接无需额外的组装操作和设备。
如图3所示，将排气机构36设置在由所述接触元件38的外围凸缘限定的开口中。更具体地，所述排气机构36外围由接触元件38的外围凸缘的折叠端来固定。在所述排气机构36和接触元件38之间的密封可以是界面上的紧压接触的结果，其在一些实施方案中可以通过所述排气机构36的外围部分的轴向压缩增强。任选地，可以将粘合剂或密封剂应用到预期的界面上，以将所述排气机构36连接到接触元件38上，并从而形成预期的密封。在电池装配期间在所述容器14的弯曲或封闭过程中形成的主要轴向压力也作用于排气机构36的外围部分和接触元件38。
图5图示本发明进一步的实施方案，所述方案特别适用于将箔片排气口作为所述排气机构36。这里，固定器杯88用来形成夹持所述箔片排气口(总体上称为排气机构36)和接触元件38的子装置。因此，固定器88与垫圈40的座47接合。形成的固定器88包括设置在接触元件38和PTC设备34之间的电通路中的导电材料。
显示在图3中的箔片型压力释放排气机构36包括至少一层金属、聚合物或它们混合物的组合物。也可能所述箔片型压力释放排气机构36可以包括两层或多层不同材料的组合物。例如，具有与第一层不同组合物的第二层可以用来将所述压力释放排气机构36粘合到如图5所示的固定器88或接触元件38上。在另一个实施例中，具有与第一层不同组合物的第二和第三层可以用来将所述压力释放排气机构36粘合到所述固定器88和所述接触元件38上。而且，具有两种或多种组合物的多层可以用来调整压力释放排气机构36的性能特性，例如强度和弹性。理论上，可以在与所述电解液相容性、防止蒸汽传输的能力和/或改善端部装置内的排气机构36的密封特性的能力的基础上提供分开的层。例如，可以提供由压力、超声波和/或热量激活的粘合剂如聚合物或在与这里公开的元件相容的粘合剂领域中的任何其它已知的材料，作为排气机构36的一层，从而将所述排气元件粘合到所述端部装置内。
适合用于所述箔片型压力释放排气机构36的组合物可以包括但不限于诸如铝、铜、镍、不锈钢及其合金之类的金属；诸如聚乙烯、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、乙烯甲基丙烯酸、聚乙烯甲基丙烯酸和及其混合物的聚合的材料。所述压力释放排气机构36的组合物也可以包括用金属增强的聚合物，和单层或多层金属和/或聚合物薄片。例如，所述单层可以是金属箔，优选铝箔，对于水、二氧化碳和电解液是基本不渗透的，或由防止蒸汽传输的氧化材料层涂覆的聚合物的非金属膜，例如SiOx或AlOx。所述压力释放排气机构36可以还含有粘合剂层，所述粘合剂层含粘合接触的粘合剂材料，例如聚氨酯；或热量、压力和/或超声波激活的材料，例如低密度聚烯烃。或者，可以将这些或其它粘合剂或密封剂材料可以分别涂敷到压力释放排气元件的与接触元件38、固定器88或两者接触的部分(例如，外部外围)上，来提高所述收集器装置内的密封。优选的薄片排气结构具有由聚丙烯、聚乙烯、铝箔和低密度聚乙烯依次组成的四层。
不管所述组合物是什么，压力释放排气机构36应该化学耐受含在所属电池10中的电解液，并应该具有低蒸汽传输速率(VTR)，以便为电池10提供大范围环境温度下低的重量损失速率。例如，如果所述温度释放排气机构36是对蒸汽传输不渗透的金属，通过所述压力释放机构36厚度的VTR基本为零。然而，所述压力释放排气机构36可以包括至少一层可透过蒸汽的材料，例如如上述的聚合材料，所述聚合材料可以例如发挥粘合剂或弹性层的作用，以在压力释放排气机构36和另一个电池组件、优选接触元件38之间获得预期的密封。
预定的释放压力，或致使压力释放排气机构36趋于破裂的压力是它的物理性能(例如，强度)、它的物理尺寸(例如，厚度)和开口面积(例如，由图3中图示的接触元件38定义的开口，和由PTC设备定义的开口，无论哪个更小)的函数。由于由电化学电池组电池10的内部气体施加的集合力越大(collective force)，所述压力释放排气机构36的暴露的面积越大，所述预定的释放压力越小。因此，可以对任何这些变量作出调整，从而在不脱离本发明的原则的情况下以排气元件设计端部装置。
取决于所述排气机构36的暴露的面积，所述压力释放箔片型排气元件的厚度可以小于约0.254mm(0.010inch)，在一些实施方案中范围可以为0.0254-0.127mm(0.001-0.005inch)，然而在其它实施方案中所述厚度范围可以为0.0254mm-0.05mm(0.001-0.002inch)。考虑到所述蒸汽输送速率(VTR)和预定的释放压力需要，本领域技术人员可以确定所述压力释放排气机构36的组合物和厚度。
所述压力释放箔片型排气元件可以包括至少一层含金属、聚合物和它们混合物的组合物。可以用于所述压力释放排气元件的合适的三层薄片是PET/铝/EAA共聚物，所述共聚物可以是购买自美国威斯康辛州奥什科什的柯伍德的LIQUIFLEX
Figure BPA00001424046100181
Grade 05396 35C-501C。依次为PP/PE/铝/LDPE的合适的四层材料是来自美国佐治亚州哥伦比亚的勒德洛涂层产品(Ludlow Coated Products)的FR-2175，所述勒德洛涂层产品是美国新泽西州普林斯顿的泰科国际有限公司的全资子公司。作为BF-48可用的合适的五层薄片是PET/PE/铝/PE/LL-DPE，也是来自美国佐治亚州哥伦比亚的勒德洛涂层产品。然而，如上面提到的，也具体考虑用一层氧化材料涂覆的聚丙烯、聚乙烯、非金属聚合物膜的薄片的组合，所述氧化材料防止蒸汽传输(例如SiOx或AlOx)和/或铝基础的箔片。
如图4中显示的硬币排气口37也可以使用。如上面对所述箔片型排气口的描述，这样的排气口包括至少一层金属、聚合物或它们混合物的成分，其中所述硬币排气元件包括薄的可破裂区域或开孔37，其允许当达到预定的电池内部压力时使排气元件破裂。
通过在上述任何排气机构36外缘的周围嵌件注塑垫圈40来制造预成型的端部装置30。任选地，也可以包括接触元件38、50和/或固定器88。在所述密封元件内嵌件注塑至少所述排气机构36的益处为没有必要在电池装配过程中使所述密封元件变形。嵌件注塑的进一步优点是所述密封元件可以在所述密封元件的内表面形成具有相对深的特征。可以使用如转台注塑或堆叠注塑的典型的嵌件注塑方法，尽管其它方法也是可用的。
在所述密封元件注塑的过程中，密封元件的形成于排气元件和任选地接触元件的外围周围的部分将至少排气元件和任选地接触元件和/或固定器的外围封装。在进行所述嵌件注塑工艺过程中，引入用于形成所述密封元件的注塑材料之前，将所述嵌入的部分(在这种情况下，至少所述预成型的排气元件和所述任选的接触元件和/固定器)放在所述模塑中。然后在所述嵌入的零件(诸如排气元件和/或包括接触元件的排气元件和/或排气元件组合物)周围注塑密封元件的一部分。得到的产品是预成型密封装置，该预成型密封装置包括含组合的密封元件和排气元件的密封元件/排气元件组合物和任选的接触元件、或者接触元件和所述固定器。在这个布置中，所述嵌入必须能够抵挡所述注塑和适当注塑所述塑料垫圈要求的熔化温度。
负极电极62包括电化学活性材料带子。在一个优选的实施方案中，使用锂金属，有时候被称为锂箔。锂的组合物可以变化，尽管用于电池组级别的锂的纯度总是很高。所述锂可以与诸如铝之类的其它金属形成合金，以提供预期的电池电性能。含0.5wt％铝的电池组级别的锂-铝箔可以购买自美国北卡罗来纳州国王山的凯密特尔富特公司。可以是包括实际上任何可用的(intercalable)含锂组合物的附加的或备选的负极电极材料，所述含锂组合物通过类似于下面关于所述阴极材料描述的方法被涂覆在集电器上。
在一些实施方案中，所述负极电极在所述金属锂内或表面上可以具有非自耗的集电器。当所述负极电极包括非自耗集电器时，只要在所述电池内侧稳定，可以由铜、镍乎其它导电金属或合金制成。
所述负极电极可以没有单独的集电器，而只是箔片充当集电器。由于它们是相对高的导电性合金，因此在锂和锂合金中是可行的。通过不使用集电器，在所述容器内可为诸如活性材料之类的其它组件提供更多的空间。提供没有负极电极集电器的电池也可以降低电池成本。
电引线优选将所述阳极或负极电极连接到所述电池容器上。这可以通过将引线的端部插入一部分负极电极中或仅仅将如所述引线端部的一部分按压到所述锂箔表面上来实现。所述锂或锂合金具有粘合剂性能，并且在引线和电极之间大体至少轻的、足够的压力或接触就会将组件焊接在一起。在一个优选的实施方案中，在将负极电极卷绕成卷芯结构之前为其提供引线。例如，在制造过程中，在引线连接站装配包括至少一个由锂或锂合金组成的负极电极的带子，在此将引线在希望的地点焊接到所述电极的表面上。随后处理突出的电极以便精压引线，如果需要的话，以成型引线的不与电极连接的自由端(free end)。之后，将负极电极与电极装置的剩余的希望的组件组合，如所述正极电极和绝缘件，并卷绕成卷芯结构。优选地，在卷绕操作完成之后，在嵌入所述电池容器中之前通过弯折成所需的构型来进一步处理负极电极引线自由端。
导电负极电极引线具有足够的低电阻，从而允许电流通过引线充分传送，并对所述电池的工作寿命有最小的影响或没有影响。所述希望的电阻可以通过增加所述突出部的宽度和厚度实现。
所述正极电极64大体为带子状形式，包括集电器和混合物，其包括一种或多种电化学活性材料，通常为颗粒形式。二硫化铁(FeS2)对于一次电池组应用是优选的活性材料。取决于所述希望的电池的电特性和放电特性，所述正极电极可以含有一种或多种附加的活性材料。这样的正极电极材料包括Bi2O3、C2F、CFx、(CF)n、CoS2、CuO、CuS、FeS、FeCuS2、MnO2、Pb2Bi2O5和S。更优选地，用于Li/FeS2电池正极电极的活性材料包括涂覆在金属箔集电器上的至少95wt％的FeS2。具有纯度水平至少95wt％的FeS2可以购买自奥地利维也纳的凯密特尔基团；美国马萨诸塞州北格拉夫顿的华盛顿米尔斯；美国弗吉尼亚州迪尔温的蓝晶石矿业公司。或者，可以使用与辅助系统相容的任何数量的材料。
通常，所述正极和/或负极电极混合物可以含有其它材料。粘结剂大体用来将所述颗粒材料聚在一起并将所述混合物粘附到所述集电器上。可以加入一种或多种诸如金属、石墨和炭黑粉末的导电的材料来为所述混合物提供提高的导电性。导电材料的使用量可以依据诸如活性材料和粘结剂的电导率、集电器上混合物的厚度和集电器设计之类的因素。小量的各种添加剂也可以用来提高正极电极制造和电极性能。用于LiFeS2电池的优选的阴极配方可以在2008年10月12日提交的公开序列号为12/253,516的美国专利和专利号为6,849,360的美国专利中找到，二者在这里都以参考文献的形式并入。
可以将所述集电器设置或包埋在所述正极电极表面，或可以将所述正极电极混合物涂覆在细金属带子的一侧或两侧上。铝是常用的材料。集电器可以延伸超出正极电极的含正极电极混合物的部分。集电器的这个延伸部分可以提供便利的区域用来与连接到正极接线端的电引线接触。希望将所述集电器的延伸部分的体积保持最小化，以创造与可用于活性材料和电解液的电池的内部容积同样大的空间。
制作正极电极的优选的方法是将溶剂(例如三氯乙烯)中活性材料混合物材料的浆料辊式涂覆在铝箔片的两侧，干燥所述涂层来移除所述溶剂，压延涂覆的箔片来压缩所述涂层，将所述涂覆的箔撕裂到希望的宽度并将所述撕裂的正极电极材料带子切割为想要的长度。希望使用带有小颗粒尺寸的正极电极材料使刺穿所述绝缘件的危险最小化。
绝缘件66是离子可穿透的且不导电的薄的微孔膜。在所述绝缘件的小孔内能够至少保持一些电解液。将所述绝缘件设置在所述负极电极和正极电极的相邻表面之间使所述电极彼此电绝缘。所述绝缘件的一部分也可以使所述电池接线端电接触的其它组件绝缘来防止内部短路。所述绝缘件的边缘通常延伸超过至少一个电极边缘，以确保所述负极电极和正极电极不发生电接触，即使它们彼此不是完全对齐。然而，希望使绝缘件延伸超过电极的绝缘件的量最小化。
为了提供大功率放电性能，希望所述绝缘件具有于1994年3月1日授权的专利号为5,290,414的美国专利中公开的性能(微孔具有至少0.005μm的最小尺寸和不超过5μm的最大尺寸，范围为30％-70％的孔隙率，面比电阻为2-15ohm-cm2和小于2.5的弯曲率)，在这里以参考文献的形式并入。
合适的绝缘件材料也应该足够结实，来抵挡电池制造过程以及在电池放电期间施加在所述隔板上的压力，没有出现可能造成内部短路的裂缝、裂痕、洞或其它孔隙。为了将所述电池中总绝缘件体积最小化，所述绝缘件应该尽量薄，优选小于25μm厚，并更优选不超过22μm厚，如20μm或16μm。希望具有高的拉伸应力，优选至少800，更优选至少1000千克力每平方厘米(kgf/cm2)。对于FR6型电池，所述优选的拉伸应力在纵向至少1500kgf/cm2，在横向至少1200kgf/cm2，对于FR03型电池，所述优选的拉伸强度在纵向和横向分别为1300和1900kgf/cm2。优选地，所述平均电介质击穿电压将至少为2000V，更优选为至少2200V，最优选为至少2400V。所述优选的最大有效孔径为0.08-0.40μm，更优选不大于0.20μm。优选地，所述BET比表面积将不大于40m2/g，更优选为至少15m2/g并最优选为至少25m2/g。优选地，所述面比电阻不大于4.3ohm-cm2，更优选为不大于4.0ohm-cm2，并最优选为不大于3.5ohm-cm2。这些性能在公开号为20050112462的美国专利中进行更详细的描述，也以参考文献的形式并入。
用于锂一次和二次电池组中的绝缘件膜通常为由聚丙烯、聚乙烯或超高分子重量聚乙烯、优选带有聚乙烯的聚合的绝缘件制成。所述绝缘件可以是单层双轴取向的微孔膜，或将两层或多层碾压一起在正交方向提供所述希望的拉伸强度。单层优选将成本最小化。合适的单层双轴取向的聚乙烯微孔绝缘件，可购买自东燃化学公司，美国纽约州马其顿的埃克森美孚化学公司。Setela F20DHI级别的绝缘件具有20μm的公称厚度，并且Setela 16MMS级别的绝缘件具有16μm的公称厚度。
所述负极电极、正极电极和绝缘件带子在所述电极装置中组合在一起。所述电极装置可以是呈螺旋形卷绕设计，如图1中所示，通过围绕芯轴交替卷绕正极电极、绝缘件、负极电极和绝缘件的带子来制成，当卷绕完成时将所述芯轴抽出。将至少一层绝缘件和/或至少一层电绝缘薄膜(例如聚丙烯)大体包裹在所述电极装置的外侧周围。这样做的目的是：帮助将所述装置固定在一起并可以用来将装置的宽度或直径调节到所述希望的尺寸。可以用一片粘合剂带或用热封将所述绝缘件或其它外部薄膜的最外端压住。如图1所示，所述负极电极可以是最外侧电极，或所述正极板可以是最外侧电极。每个电极都可以与所述电池容器电接触，但当所述最外侧电极是趋向于与所述罐子电接触的同样的电极时，可以避免所述最外侧电极和所述容器的侧壁之间的内部短路。
在本发明的一个或多个实施方案中，电极装置由具有选择性沉淀在其上的电化学活性材料的正极电极形成，并用来改善工作和更好地利用所述负极电极的电化学活性材料。关于正极电极的电化学活性材料的选择性沉积的构型的非限制实施例，和包括正极容器的电化学电池在公开号为20080026288和20080026293的美国专利中提出，二者在这里全部以参考文献的形式并入。
所述电极装置可以通过将所述电极和绝缘件带子折叠在一起形成，而不是螺旋地卷绕。所述带子可以沿着它们的长对齐，然后以风琴样式将其折叠，或所述负极电极和一个电极带子可以垂直于所述正极电极和另一个电极带子放置，而电极以一个与另一个交叉(正交取向)交替地折叠，在两种情况下都形成一堆交替的负极电极和正极电极层。
将所述电极装置嵌入所述外壳容器中。在螺旋地卷绕电极装置的情况下，不管在圆柱体还是棱柱容器，所述电极的主表面都垂直于所述容器(也就是说，所述电极装置的中部核心平行于所述电池的纵向(longitudinal)轴)的侧壁。折叠的电极装置通常用于棱柱的电池中。在可折叠的折叠电极装置的情况下，所述装置的取向使在所述电极层的堆的相反端的平的电极表面相邻于所述容器的相反侧。在这些构型中，所述负极电极的主表面的总面积的大部分通过所述绝缘件相邻于所述正极电极的主表面的总面积的大部分。这样，由于所述负极电极和正极电极的组合厚度的增加，所述电极装置的膨胀受到所述容器侧壁的限制。
仅含有非常少量作为污染物的水(例如，依赖于使用的电解液盐，不多于约500ppm)的非水电解液用于本发明的优选的电化学电池中。任何适合的电解液都可以使用，包括碱性溶液、非水有机物和固态聚合物电解液。在使用有机溶剂或溶剂的情况下，合适的盐的实施例包括溴化锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂、六氟磷酸钾、六氟砷酸锂、三氟甲基磺酸锂、碘化锂；合适的有机溶剂包括下述一种或多种：碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯、碳酸1，2-丁烯酯、碳酸2，3-丁烯酯、甲酸甲酯、γ-丁内酯、环丁砜、乙腈、3，5-二甲基异恶唑、N，N-二甲基甲酰胺和醚。所述盐/溶剂组合物将提供充足的电解液和电导性在所述希望的温度范围内满足所述电池放电需求。醚是通常希望的，因为其大体的低粘性、好的润湿能力、好的低温放电性能和好的高速率放电特性。这在Li/FeS2电池中尤其正确，因为所述醚对其比带有MnO2正极电极的更稳定，所以使用更高水平(level)的醚。合适的醚包括但不限于无环醚如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、四乙醇二甲醚和二乙基醚；环醚如1，3-二氧戊环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃和3-甲基-2-噁唑烷酮。
本发明组装电化学电池的方法包括向电池容器中嵌入电极装置和优选诸如圆锥体的绝缘元件。最初的卷边形成于容器的侧壁。在一个实施方案中，通过在希望形成卷边的区域中相对容器的侧壁压制成轮形以形成卷边，同时罐体围绕其轴线旋转。当使用箔片排气口时，在将所述端部装置嵌入容器中之前将电解液装入所述容器中。或者，如果在端部装置中使用球形排气口，可以在用所述球形排气口的球进行所述电池的内部密封之前加入所述电解液。所述端部装置的外围部分通过过盈配合结合在一起，被安坐于最初形成的卷边的上壁上。电池封闭操作可以包括通过再拉或夹套(redraw or collet)过程减小所述上侧壁的直径。直径减小之后，也将所述容器的上端向内折叠形成弯曲的端部并在所述卷边和弯曲的端部之间施加轴向力。在弯曲所述容器的上端过程中，优选在至少所述上侧壁上保持径向压缩。
所述电池形成和封闭过程的一些实施方案的结果图示于所述附图中，但是也可以采用符合本发明的其它实施方案其它工艺。部件形状和封闭过程应该确保在电池组的整个使用寿命期间在所述密封元件与所述容器之间、密封元件与所述PTC设备之间、所述密封元件与所述排气元件外径之间都建立和保持所需界面。
上述说明尤其与圆柱体Li/FeS2电池相关，如FR6和FR03型(如瑞士日内瓦国际电工学委员会发布的国际标准IEC 60086-1和IEC 60086-2中规定的)。然而，其它实施方案可以适于其它电池尺寸、形状和化学性质。例如，结合双壁垫圈可以实现其它电极装置形状、外壳结构、端部装置、压力释放排气、封闭过程。其它电池化学性质可以包括带有1.5V或更高的额定电压的一次和可再充电的圆柱体电池，如Li/SO2、Li/AgCl、Li/V2O5、Li/MnO2、Li/Bi2O3。可以利用“锂离子”系统常见的各种锂组合物、镍金属氢化物、碱基和其它类似的化学性质。
所述电极装置构型也可以变化。例如，可以如上述的具有螺旋卷绕的电极，折叠的电极或堆叠的带子(例如，平板)。而且，尽管上述的实施方案使用单PTC，但根据本发明可以容纳任何数量的PTC。
鉴于上述内容，设想了包括下面特征的任何组合的电化学电池：
●具有侧壁和开口端的圆柱体容器；
●被装配在所述容器的开口端内的端部装置，所述端部装置包括PTC设备、排气装置和盖子，
●被设置在所述容器内的电极装置和电解液，所述电极装置与所述端部装置电接触
●具有带有恒定直径的轴向外侧壁部分和与所述端部装置形成密封的台阶状轴向内侧壁部分的环状垫圈，所述台阶状轴向内侧壁由以下定义：i)具有第一直径的上部分，ii)具有不同于所述第一直径的第二直径的下部分，iii)被设置在所述上部分和所述下部分之间的第一径向肩和iv)偏离所述第一径向肩的第二径向肩；
●其中将所述容器的开口端边缘弯曲到所述垫圈的一部分上，所述端部装置的第一部分安坐于所述第一径向肩上，所述端部装置的第二部分安坐于所述第二径向肩上并且所述PTC设备与所述台阶状轴向内侧壁接合但不直接安坐于所述第一和第二径向肩上；
●其中所述排气装置包括卷回盖子；
●其中所述环状垫圈还包括径向向内弯曲的上末端凸缘，从而限定不同于第一直径的第三直径；
●其中所述第一直径大于所述第二直径；
●其中将所述垫圈与所述端部装置嵌件注塑；
●其中将所述垫圈嵌件注塑到所述排气装置的一部分中；
●其中所述第一直径将在所述盖子周围同中心地设置并且将在所述PTC设备的一部分和所述排气装置的一部分中至少一个的周围同中心地设置所述第二直径；
●其中所述第一径向肩具有与所述端部装置的一部分结合的沟槽；
●其中所述圆柱体容器具有接近于所述开口端的环状卷边；
●其中所述垫圈安坐于所述环状卷边上；
●其中所述垫圈还包括下末端凸缘；
●其中所述第二径向肩具有与部分所述端部装置接合的沟槽；和/或
●其中所述第二径向肩靠近所述下末端凸缘形成并且其中所述下末端凸缘限定小于所述第二直径的第三直径；
也设想了包括一种或多种下面的特征的电化学电池：
●具有带有环状卷边的侧壁和开口端的圆柱体容器；
●被装配在所述容器的开口端内的端部装置，所述端部装置包括PTC设备、排气口和盖子；
●在被设置在所述容器内的电极和所述端部装置之间设立电连接的接触元件；
●双壁垫圈；
●其中将所述容器的开口端弯曲到垫圈和盖子上并建立主要轴向压力；
●其中布置所述双壁垫圈和所述PTC设备来防止所述PTC设备受到所述主要轴向压力；
●其中所述端部装置还包括固定器，所述固定器承接所述排气口的一部分和所述接触元件的一部分；和/或
●其中所述接触元件是弹簧。
最后，设想了用于密封的圆柱体电化学电池的方法，特征在于以下步骤的组合。
●提供具有开口端的圆柱体容器；
●在所述容器的内侧设置电极装置和电解液；
●在所述容器的开口端形成环状卷边；
●将环状垫圈安坐于所述容器的接近于所述环状卷边的开口端，其中
所述环状垫圈具有凸缘、第一径向肩和第二径向肩；
●将排气装置安坐于所述垫圈的第二径向肩上
●将PTC设备同中心地设置在所述垫圈内；
●将盖子安坐于所述垫圈的第一径向肩上；
●将所述容器的开口端弯曲到所述凸缘的一部分上从而：i)所述环状卷边、所述垫圈的凸缘、所述盖子和所述垫圈的第一肩全部配合建立主要轴向压力和ii)使所述垫圈的第二肩和所述PTC设备不受所述主要轴向压力；
●其中所述盖子安坐于所述第一径向肩上以在所述垫圈和所述圆柱体容器的内侧壁上形成径向压力；
●其中所述排气装置安坐于所述第二径向肩上以在所述垫圈和所述圆柱体容器的内侧壁上形成径向压力；
●其中所述排气装置包括卷回盖子；
●其中将所述凸缘在所述盖子上方折叠，从而径向向内延伸从而使与所述排气装置的最外侧圆周相比，所述凸缘的端缘更接近于所述电化学电池的中心轴；
●其中所述排气装置与所述第二径向肩和所述盖子配合以形成次要轴向压力，所述次要轴向压力小于所述主要轴向压力；和/或
●其中通过将所述垫圈与所述排气装置嵌件注塑，所述排气装置安坐于所述第二轴向肩上。
将理解为实施本发明的人员和本领域技术人员可以在不脱离所述公开概念的精神的情况下做各种修改和改善。可以给予的保护范围由本权利要求书和法律允许的解释幅度确定。

Claims (27)

1.电化学电池，包括：
具有侧壁和开口端的圆柱体容器；
被装配在所述容器的开口端内的端部装置，所述端部装置包括PTC设备、排气装置和盖子，
被设置在所述容器内的电极装置和电解液，所述电极装置与所述端部装置电接触；和
环状垫圈，具有带有恒定直径的轴向外侧壁部分和与所述端部装置形成密封的台阶状轴向内侧壁部分，所述台阶状轴向内侧壁由以下界定：i)具有第一直径的上部分，ii)具有不同于所述第一直径的第二直径的下部分，iii)被设置在所述上部分和所述下部分之间的第一径向肩和iv)偏离所述第一径向肩的第二径向肩；和
其中所述容器的开口端边缘弯曲到所述垫圈的一部分上，所述端部装置的第一部分安坐于所述第一径向肩上，所述端部装置的第二部分安坐于所述第二径向肩上，并且所述PTC设备与所述台阶状轴向内侧壁结合但不直接安坐于所述第一和第二径向肩上。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述排气装置包括卷回盖子。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述环状垫圈还包括径向向内弯曲的上末端凸缘，从而界定不同于所述第一直径的第三直径。
4.根据权利要求3所述的电化学电池，其特征在于，所述第一直径大于所述第二直径。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，将所述垫圈与所述端部装置嵌件注塑。
6.根据权利要求5所述的电化学电池，其特征在于，将所述垫圈嵌件注塑到所述排气装置的一部分。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述第一直径被同中心地围绕所述盖子设置，并且所述第二直径被同中心地围绕所述PTC设备的一部分和所述排气装置的一部分中至少之一设置。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述第一径向肩具有与所述端部装置的一部分结合的沟槽。
9.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述第一直径大于所述第二直径。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述圆柱体容器具有接近于所述开口端的环状卷边。
11.根据权利要求10所述的电化学电池，其特征在于，所述垫圈安坐于所述环状卷边上。
12.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述垫圈还包括下末端凸缘。
13.根据权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述第二径向肩具有与所述端部装置的一部分结合的沟槽。
14.根据权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述第二径向肩由所述下末端凸缘形成，并且其中所述下末端凸缘界定小于所述第二直径的第三直径。
15.根据权利要求14所述的电化学电池，其特征在于，所述第一直径大于所述第二直径。
16.根据权利要求15所述的电化学电池，其特征在于，所述环状垫圈还包括径向向内弯曲的上末端凸缘，从而界定不同于所述第一直径的第三直径。
17.电化学电池，包括：
具有带有环状卷边的侧壁和开口端的圆柱体容器；
被装配在所述容器的开口端内的端部装置，所述端部装置包括PTC设备、排气口和盖子；
接触元件，所述接触元件建立被设置在所述容器内的电极和所述端部装置之间的电接触；
双壁垫圈；
其中所述容器的开口端被弯曲到所述垫圈和盖子上来建立主要轴向压力；和
其中布置所述双壁垫圈和所述PTC设备来防止所述PTC设备受到所述主要轴向压力。
18.根据权利要求17所述的电化学电池，其特征在于，所述端部装置还包括固定器，所述固定器承接所述排气口的一部分和所述接触元件的一部分。
19.根据权利要求17所述的电化学电池，其特征在于，所述接触元件是弹簧。
20.用于密封电化学电池的方法，包括：
提供具有开口端的圆柱体容器；
在所述容器内侧设置电极装置和电解液；
在所述容器的开口端形成环状卷边；
将环状垫圈安坐于所述容器的接近于所述环状卷边的开口端，其中所述环状垫圈具有凸缘、第一径向肩和第二径向肩；
将排气装置安坐于所述垫圈的第二径向肩上；
在所述垫圈内同中心地设置PTC设备；
将盖子安坐于所述垫圈的第一径向肩上；和
所述容器的开口端弯曲到所述凸缘的一部分上，从而：i)所述环状卷边、所述垫圈的凸缘、所述盖子和所述垫圈的第一肩全部配合产生主要轴向压力和ii)使所述垫圈的第二肩和所述PTC设备不受所述主要轴向压力。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述盖子安坐于所述第一径向肩上以在所述垫圈和所述圆柱体容器内侧壁上形成径向压力。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述排气装置安坐于第二径向肩上以在所述垫圈和所述圆柱体容器的内侧壁上形成径向压力。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述排气装置包括卷回盖子。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，将所述凸缘在所述盖子上方折叠从而径向向内延伸，使得相比于所述排气装置的最外侧圆周，所述凸缘的端缘更接近所述电化学电池的中心轴。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述排气装置与所述第二径向肩和所述盖子配合以形成次要轴向压力，所述次要轴向压力小于所述主要轴向压力。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述排气装置安坐于所述第二径向肩上以在所述垫圈和所述圆柱体容器的内侧壁上形成径向压力。
27.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，通过将所述垫圈与所述排气装置嵌件注塑，所述排气装置安坐于所述第二径向肩上。
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