CN103035863B - 一种电池集电体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池集电极，密封圈上设置有防爆结构，防爆结构设置在环形主体与中心柱体连接处根部，防爆结构包括设置在环形主体外侧面上的环形防爆沟和在环形主体上形成的薄弱部位，环形防爆沟的开口朝向负极底盖，环形主体内侧面连续平整，其优点是在密封圈的薄弱部位相同厚度且电池内部存在同等压强下，薄弱部位更容易破裂，因此具有更好的防爆性能；在密封圈断裂后，环形主体的可允许下移行程更长，能使密封圈整体高度做的比较小，可以增加了电池内部的空间，有利于活性物质的增加，提高了电池电性能。

Description

一种电池集电体

技术领域

本发明涉及一种电池密封和防爆结构，尤其是涉及一种电池集电体。

背景技术

集电体是电池中的重要结构，其作用主要包括三个方面：一是收集并向外输送电池内部负极部分产生的电流；二是密封，即将电池壳体底端的开口封闭；三是安全防爆，防止电池因内部气体压力过高而发生爆炸。

公告日为2010年6月9日、专利号为200710166429.8的中国授权发明专利公开了一种“电池集电体”，在其背景技术中介绍了传统的集电极结构，在密封圈的主平面内侧设置有至少一个薄弱部位，薄弱部位为环绕密封圈中心孔的环形的防爆沟，在电池内部的气体异常增大到电池爆炸压力之前，薄弱部位可断裂。同时为了防止密封圈的主平面在断裂后堵住底盖上的泄气孔，在密封圈朝向底盖的表面设置若干不连续的凸起结构，在密封圈的主平面自薄弱部位断开并下落时，凸起结构之间的导气口可以保证密封盖与底盖之间存在适当的间隙，这样即可保证泄气孔以及泄气通道的畅通。然而，因密封圈上的导气口会导致密封圈在注塑成型时出现密度不均匀的现象，使密封圈使用寿命比较短，可靠性较差。该发明专利为了解决上述问题，把密封圈做成完整的旋转体，同时旋转体的主平面上设置有强度低于其他部位的薄弱部位，薄弱部位具体是围绕并靠近中心柱体的环形防薄沟。区别于传统的密封圈，其无需设置有若干不连续的凸起结构及导气口，可提高密封圈的均匀性，延长寿命且增加可靠性；而是在底盖上设置凸向密封圈的凸起结构，凸起结构的顶部具有凹陷部位，泄气孔设于凹陷部位，密封圈因防爆沟断裂而下落时，凸起结构将密封圈支撑，从而形成连通密封圈的断裂口与泄气孔的泄气通道。其不仅能保证电池的安全防爆性能和延长其使用寿命，而且能够避免用电设备压紧弹簧的末端伸入泄气孔中。该结构存在如下缺点：环形防薄沟位于旋转体的主平面内侧，防薄沟的开口朝向电池内部。当电池内部气压过大，主平面朝向电池内部的一面产生压应力，背面产生拉应力。根据“第一强度理论即最大拉应力理论”，最大拉应力是材料发生断裂的主要因素，即无论材料处于何种应力状态，只要构件危险点处的最大拉应力达到材料在单向变形破坏时的极限应力，材料就发生脆性断裂。由于产生拉应力的这一面位于防爆沟的背面，其表面呈连续性，并无拉应力集中现象，电池内部需具备较大的压力才会使薄弱部位断裂，防爆性还是不够理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种防爆性能更好的电池集电体，在密封圈的薄弱部位相同厚度且电池内部存在同等压强下，薄弱部位更容易破裂，具有更好的防爆性能；在密封圈断裂后，相同密封圈高度下，环形主体的可下移行程更长，泄气通道更为通畅，这样能使密封圈整体高度做的比较小，可以增加了电池内部的空间，有利于活性物质的增加，提高了电池电性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电池集电极，包括密封圈、负极底盖和导体钉，所述的密封圈为一旋转体，旋转体包括插装导体钉的中心柱体、与电池外壳内壁紧密贴合的外周部和位于中心柱体与外周部之间的连接部，所述的导体钉的底端固定地电连接于负极底盖，所述的负极底盖上设置有泄气孔，所述的连接部包括环形主体和与负极底盖接触的支撑部位，所述的环形主体上设置有防爆结构，所述的防爆结构设置在环形主体与中心柱体连接处根部，所述的防爆结构包括设置在环形主体外侧面上的环形防爆沟和在环形主体上形成的薄弱部位，所述的环形防爆沟的开口朝向负极底盖，所述的环形主体内侧面连续平整。

所述的负极底盖包括中心部位、环形侧壁和环形连接壁，所述的环形侧壁位于中心部位的上方，所述的环形连接壁连接所述的中心部位与所述的环形侧壁，所述的泄气孔位于所述的环形连接壁的下部区域上。

所述的外周部的下端内侧横向设置有环形凸起部，环形侧壁与环形连接壁的转弯部抵靠在所述的支撑部位上，所述的环形侧壁的下端面顶在所述的环形凸起部上。

所述的中心柱体内设置有中心孔，中心孔下端设置有倒角结构，所述的导体钉与中心孔之间涂有封口胶。倒角结构的设置便于导体钉插入时用来容纳更多的封口胶，密封性能更好。

所述的支撑部位上设置有向电池内部凸起的上肩胛部位。对电池内的隔膜纸起到定位作用。

所述的薄弱部位的厚度为0.08mm～0.40mm。

所述的薄弱部位上设置有间隔的加强筋，所述的加强筋位于所述的防爆沟内，加强筋与环形主体一体注塑形成。其对薄弱部位的加强，以防止在电池成型过程中非气压大的原因导致的防爆沟破裂问题。

与现有技术相比，本发明的优点是环形防爆沟设置在环形主体外侧面，环形防爆沟的开口朝向负极底盖，在电池过放电、电池滥用（如外部短路）等情况下，电池内部气压过大、温度增高，密封圈受力受热产生形变时，环形主体上朝向电池内部的一面产生压应力，背面产生拉应力，根据“第一强度理论即最大拉应力理论”，最大拉应力是材料发生断裂的主要因素，也就是断裂首先发生在拉应力产生的环形主体外侧面。本发明防爆沟的设置使得外侧面的截面积发生突变，由于防爆沟具有三个面，在应力集中区域处于三向拉伸的应力状态，缺口处存在应力集中。在密封圈表面受到相同压强时，其最大拉应力较传统防爆沟设计大。而传统的防爆层（薄弱部位）拉应力这一面的截面连续，无应力集中现象，其最大拉应力较小。因此本发明在薄弱部位相同厚度且电池内部存在同等压强下，薄弱部位更容易破裂，具有更好的防爆性能。

同时薄弱部位断裂后，环形主体失去了支撑，本发明的环形主体相比传统的结构，薄弱部位靠近环形主体的上表面（内侧面），环形主体的断裂后可允许下移行程更长，密封圈不易堵塞负极底的气孔，泄气通道更加通畅。同时能使密封圈整体高度做的比较小，可以增加了电池内部的空间，有利于活性物质的增加，提高了电池电性能。

附图说明

图1为本发明安装在电池上的结构图；

图2为本发明的剖视图；

图3为本发明的薄弱部位（防爆层）断裂后的剖视图；

图4为图2移去导体钉后的剖视图；

图5为图2中A处放大图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种电池集电极，包括密封圈1、负极底盖2和导体钉3，密封圈1为一旋转体，旋转体包括插装导体钉3的中心柱体11、与电池外壳18内壁紧密贴合的外周部12和位于中心柱体11与外周部12之间的连接部13，导体钉3的底端固定地电连接于负极底盖2，负极底盖2上设置有泄气孔21，连接部13包括环形主体131和与负极底盖2接触的支撑部位132，环形主体131上设置有防爆结构，防爆结构设置在环形主体131与中心柱体11连接处根部，防爆结构包括设置在环形主体131外侧面上的环形防爆沟14和在环形主体131上形成的薄弱部位15，环形防爆沟14的开口朝向负极底盖2，环形主体131内侧面连续平整。环形主体131的外侧面靠近负极底盖，环形主体131的内侧面靠近电池内部。

负极底盖2包括中心部位22、环形侧壁23和环形连接壁24，环形侧壁23位于中心部位22的上方，环形连接壁24用于连接中心部位22与环形侧壁23，泄气孔21位于环形连接壁24的下部区域241上。

外周部12的下端内侧横向设置有环形凸起部121，环形侧壁23与环形连接壁24的转弯部25抵靠在支撑部位132上，环形侧壁23的下端面231顶在环形凸起部121上。

中心柱体11内设置有中心孔111，中心孔111下端设置有倒角结构112，导体钉3与中心孔111之间涂有封口胶。

支撑部位132上设置有向电池内部凸起的上肩胛部位133。

薄弱部位15的厚度为0.08mm～0.40mm。

薄弱部位15上设置有间隔的加强筋，加强筋位于环形防爆沟14内，加强筋与环形主体131一体注塑形成。

电池的整体结构如图1所示，包括集电体、外壳18、正极24、负极部分25和隔膜纸19。

本发明所提供的密封圈1可以由尼龙材料制得，具体可以选用尼龙6、尼龙66或者尼龙610等。不仅使用于LR61和LR8D425碱性锌锰电池中，同时可用于LR6、LR03、LR61、LR8D425等碱性系列电池及具有相同结构的电池中。密封圈1采用的是环形浇注技术，因而注塑加工时模具中的材料可以自中心部位沿径向向四周均匀发散流动，所述密封圈的质量分布可以更为均匀，提高了产品的稳定性。密封圈1采用的密封圈整体高度较小，一般在2~4mm之间，大大增加了电池的空间，有利于活性物质的增加，提高电池电性能。

导体钉3为负极铜钉，与负极铜钉密合的中心柱体11为一圆柱体，且具有纵向贯通的中心孔111。中心孔111可以为圆柱形等形状，且中心孔111内径略小于所用负极集流体铜钉的外径，以便两者紧密配合。

封装在电池内且与电池外壳内壁紧密贴合的外周部12的外径应当与电池壳体底端内壁的内径相当，内径略小于所用负极底盖2的外径，由此发挥尼龙材料的弹性，使三者紧密结合，起到密封作用。在外周部12内侧设有环形凸起部121，其位置可根据负极底盖2的具体尺寸设计进行调整，主要作用是固定负极底盖2在密封圈内的位置，防止其松动。

环形主体131垂直于电池的纵轴。此平面设计解决了密封圈组装过程中的定位支撑问题。在环形主体131和负极铜钉3密合的中心柱体11连接处根部设环形的有强度低于其他部位的薄弱部位15，该薄弱部位15为与环形柱体有一定厚度差的薄弱结构，防爆沟的凹面朝向负极底盖一侧。其强度根据电池的封口压力进行调整，且低于封口压力，是电池的防爆压力控制在合理范围内。一般其抗冲击强度为1.5~25MPa之间。当电池内部气体压力增大至其强度临界点时，防爆层安全阀（薄弱部位）动作启动，防爆层（薄弱部位）断裂，迅速向负极底盖一侧打开，内部气体得以释放，保证了电池工作的安全性。防爆层（薄弱部位）凹面朝向负极底盖2一侧，使其在受到气体压力时更易断裂打开，提高了电池的安全性能。还增加了压力过大情况下密封圈断裂下落过程中的行程，增加了电池内部的空间，有利于活性物质的增加，提高了电池电性能。

支撑部位132连接外周部12和环形主体，同时对密封圈起到支持加固作用，向电池内凸起的上肩胛部位133更是对隔膜纸19起到定位作用。为减小密封圈总高度，增大电池内部容量，上肩胛部位的高度一般控制在0.5~2mm之间，例如LR61及LR8D425碱性锌锰电池用密封圈上肩胛部位尺寸控制在0.5mm左右。

与负极底盖2和铜钉密合的中心柱体11、封装在电池内与电池外壳内壁紧密贴合的外周部12、连接中心柱体11和外周部12的连接部13三者之间形成一个导气腔17，密封圈1与负极底盖2之间的距离适宜，导气腔17空间足够起到泄气时气体缓冲作用，从而更进一步保证了电池的安全性能。

用solidworks 2012软件模拟薄弱部位开设方向不同的两相同材质、相同厚度的基材在相同载荷下的应力情况。基材材质为尼龙66、长度为16mm，宽度为5mm，厚度为0.5mm，薄弱部位开设方向不同，厚度为0.1mm。用1MPa的压强对基材施压，当薄弱部位开口设在压应力一面，如传统防薄沟的开口朝向电池内部结构，其应力集中区域分布比较广泛，分布在薄弱部位两侧较大区域，应力最大值约24MPa；而当薄弱部位开口设在拉应力一面，如本专利防薄沟的开口朝向底盖一侧结构，应力集中在防爆层附近，而且应力最大值约42MPa。根据材料力学理论，零件受力后结构应力集中部分容易产生断裂等失效行为，应力值越大，零件越容易断裂。由此可知本专利防薄沟的开口朝向底盖一侧结构在电池内部气压异常增大，密封圈变形情况下，能更有效地泄压，即安全性能高。

Claims (5)

1.一种电池集电极，包括密封圈、负极底盖和导体钉，所述的密封圈为一旋转体，旋转体包括插装导体钉的中心柱体、与电池外壳内壁紧密贴合的外周部和位于中心柱体与外周部之间的连接部，所述的导体钉的底端固定地电连接于负极底盖，所述的负极底盖上设置有泄气孔，所述的连接部包括环形主体和与负极底盖接触的支撑部位，所述的环形主体上设置有防爆结构，所述的防爆结构设置在环形主体与中心柱体连接处根部，其特征在于所述的防爆结构包括设置在环形主体外侧面上的环形防爆沟和在环形主体上形成的薄弱部位，所述的环形防爆沟的开口朝向负极底盖，所述的环形主体内侧面连续平整；

所述的负极底盖包括中心部位、环形侧壁和环形连接壁，所述的环形侧壁位于中心部位的上方，所述的环形连接壁连接所述的中心部位与所述的环形侧壁，所述的泄气孔位于所述的环形连接壁的下部区域上；

所述的外周部的下端内侧横向设置有环形凸起部，环形侧壁与环形连接壁的转弯部抵靠在所述的支撑部位上，所述的环形侧壁的下端面顶在所述的环形凸起部上。

2.根据权利要求1所述的一种电池集电极，其特征在于所述的中心柱体内设置有中心孔，中心孔下端设置有倒角结构，所述的导体钉与中心孔之间涂有封口胶。

3.根据权利要求1所述的一种电池集电极，其特征在于所述的支撑部位上设置有向电池内部凸起的上肩胛部位。

4.根据权利要求1所述的一种电池集电极，其特征在于所述的薄弱部位的厚度为0.08mm～0.40mm。

5.根据权利要求1所述的一种电池集电极，其特征在于所述的薄弱部位上设置有间隔的加强筋，所述的加强筋位于所述的环形防爆沟内，加强筋与环形主体一体注塑形成。