CN103262296B

CN103262296B - 具有爆炸防护的纽扣电池

Info

Publication number: CN103262296B
Application number: CN201180049997.4A
Authority: CN
Inventors: W.高格勒
Original assignee: VARTA Microbattery GmbH
Current assignee: VARTA Microbattery GmbH
Priority date: 2010-10-16
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: DE102010042548A1; WO2012048995A1; US9178251B2; US20130216881A1; CN103262296A; EP2628203B1; EP2628203A1

Abstract

描述一种纽扣电池，其具有以液体密封方式封闭的壳体（100），包括电池杯（101）、电池盖（102）和密封件（103），电池杯（101）具有底部（104）、周向外壳（105）、将底部和外壳连接的边缘区域（106）和端切割边（107），电池盖（102）具有：底部（108）、周向的外壳（109）、将底部和外壳连接的边缘区域（110）、和端部切割边（111）；其中，电池盖（102）以切割边（111）在前的状态插入电池杯（101）中，使得电池杯（101）的外壳（105）和电池盖（102）的外壳（109）至少部分地重叠并形成周向的双壁外壳区域，并且密封件（103）布置在电池杯（101）与电池盖（102）之间，使得它们相互隔离；其中，至少一个孔（112）穿过电池杯（101）外壳（105）的与电池盖（102）的外壳（109）重叠的区域。

Description

具有爆炸防护的纽扣电池

技术领域

本发明涉及一种纽扣电池，其具有以液体密封的方式封闭的壳体，包括电池杯、电池盖和密封件。

背景技术

纽扣电池通常具有包括两个半壳件的壳体，电池杯和电池盖。在示例中，这些部件可通过作为冲拔件的镀镍深冲金属片而制成。通常电池杯具有正极性，而电池盖具有负极性。壳体可广泛地包含各种不同的电化学系统，例如，锌/二氧化锰、一次和二次锂离子系统或者诸如镍/镉或镍/金属氢化物之类的二次系统。

传统上，纽扣电池以液体密封方式通过结合塑性环将电池杯边缘在电池盖边缘上敲平而封闭，塑性环布置在电池杯与电池盖之间并且同时还用作密封元件以及用于使电池杯和电池盖电绝缘。诸如此类的纽扣电池例如在DE3113309中描述。

可替代地，还可以制造专门通过压配合将电池杯和电池盖沿轴向方向保持在一起的纽扣电池，并且其相应地不具有卷叠的杯边缘。诸如此类的纽扣电池及其生产例如在WO2010/089152Al中和德国专利申请102009017514.8中描述。从WO2010/089152Al中可见，不具有卷叠杯边缘的壳体特别适合于二次锂离子系统，其中，电极被构建成优选地包括扁平电极和分离层的螺旋绕组形式。

锂离子系统可例如具有作为阴极的锂金属氧化物的化合物和作为阳极的诸如石墨之类的锂离子插入材料。在充电过程中，锂离子移出锂金属氧化物的化合物并插入阳极中。在过充电的情况下，移出的锂离子可能多于阳极能够吸收的锂离子。因此，金属锂沉积在阳极的表面上。如果充电过程进一步继续且电压相应进一步增大，特别是增大到显著大于4.2V的水平，则电解液组分可能分解并导致电池产生严重的电液泡。另外，锂金属氧化物的化合物的结构随着锂移出的进展而变得更加不稳定，直到最终随氧气释放而崩溃。这些过程导致电池严重受热并甚至可能导致爆炸燃烧。

为了确保使用锂离子系统的纽扣电池的操作安全，常见的是为此原因使电池壳体设置有爆破膜。在示例中，具有诸如此类的壳体的纽扣电池在DE10313830Al中获悉。

还已知的是，使用安全电子设备增强锂离子系统操作安全，这种安全电子设备监视充电和放电过程，而且还针对不正确操作、甚至特别针对外部短路而提供防护。可替代地或另外地，锂离子系统也可设置有熔断丝，其在高于限定温度时熔断并且可突然中断充电或放电过程。然而，熔断丝具有的缺点在于，在一些情形中，熔断丝也可能在不存在任何特定着火或爆炸风险的情况下由于外部热量供应而熔断。电子熔断丝因而通常是优选的。然而，电子熔断丝相对较贵。

发明内容

本发明所基于的目的在于，提供一种纽扣电池，特别是基于二次锂离子系统的纽扣电池，其具有能够以至少与现有技术中已知的解决方案同样可靠的方式确保纽扣电池的操作安全的安全跳闸结构。

该目的通过具有权利要求1的特征的纽扣电池实现。根据本发明的纽扣电池的各优选实施例在从属权利要求2至12中具体说明。由此所有权利要求的措辞通过引入包含在本说明书的内容中。

根据本发明的一种纽扣电池具有壳体，壳体包括两个半壳件：电池杯和电池盖。电池杯和电池盖经由密封件相互连接，且均具有底部、周向外壳、将底部与外壳连接的边缘区域和端部切割边。所述端部切割边形成半壳件的开放边缘。

电池杯底部和电池盖底部优选地均为平坦的，且优选地均为圆形的（或者可能为椭圆形）。电池杯外壳和电池盖外壳可以优选地被描述为具有圆形截面（或者可能为椭圆形截面）的中空柱形的环形区部。其直径优选地准确等于相关圆形底部的直径，或者大于相关圆形底部的直径。通常，电池杯和电池盖的外壳相对于相关底部而垂直地排列。

电池杯和电池盖的前述边缘区域在电池盖或电池杯的外壳与相关底部之间形成连接部。其包括电池杯和电池盖的并未与相应底部位于相同平面上的但还不是相关外壳一部分的区域，也就是说，特别地，其具有的直径小于邻接的外壳的直径。边缘区域可为圆的，或者可采用尖锐边缘的形式。

半壳件优选地通过诸如镀镍钢或金属片之类的金属材料制成。另外，三金属是特别适合的，例如，采用依次的镍、钢（或不锈钢）和铜（从外向内）。

根据本发明的纽扣电池的电池盖以切割边在前的状态插入电池杯中，使得电池杯外壳和电池盖外壳至少部分地重叠并形成周向的双壁外壳区域。重叠区域的尺寸和重叠区域与未重叠区域的比率在这种情况下受控于电池杯和电池盖的外壳的相应高度并受控于插入深度。

密封件布置在电池杯与电池盖之间，特别是布置在电池杯和电池盖的重叠外壳之间，使得它们相互隔离。密封件优选地是密封膜，特别是如在DE19647593中所述的密封膜。特别优选的是，使用由热塑性塑料制成的密封膜。聚酰胺或聚醚醚酮作为材料是特别适合的。

特别地，根据本发明的纽扣电池的区别之处在于，至少一个孔穿过电池杯外壳的与电池盖外壳重叠的区域。

在示例中，至少一个孔可为利用旋转工具或者通过诸如钻蚀或激光钻孔之类的可替代过程制成的孔。不过，原则上，如何将该孔引入电池杯外壳是无关紧要的。相比之下，孔的尺寸更重要。至少一个孔优选地具有最大至2mm的直径，特别是在10μm至500μm范围内的直径。

在优选实施例中，电池盖插入电池杯中，直到电池盖的切割边安置在电池杯的底部上为止。如果需要，那么在此情况下切割边抵靠在被插入电池杯中的支撑环上。

电池杯和电池盖的外壳的高度优选地相互匹配，使得当电池盖完全插入电池杯中时，不可能将电池杯切割边向内弯曲到已经被插入电池杯中的电池盖的边缘区域上。即使当电池盖已经完全插入电池杯中时，电池杯切割边优选地抵靠在电池盖外壳的外壁上。电池杯的切割边因而不能在电池盖的边缘区域上敲平。

与此不同的是，电池杯的外壳优选地沿切割边的方向具有基本恒定的内直径。在电池杯的优选实施例中，电池盖和密封件优选地因而基本上仅通过附着力而保持在一起。

根据本发明的纽扣电池优选地相应为不具有卷叠杯边缘的电池，如在初始引用的WO2010/089152A1中所述。

WO2010/089152Al的内容在此通过引用并入本说明书的内容中。WO2010/089152A1中所述的纽扣电池的所有特征在本文所述纽扣电池中相对于壳体并相对于壳体内布置的电极和其它部件可独立实施或者也可组合实施。根据本发明的纽扣电池特别优选地是具有卷绕电极的纽扣电池，如WO2010/089152A1中所述。

优选的是，电池杯的外壳与电池盖的外壳完全重叠。优选的是，电池盖外壳具有不与电池杯外壳重叠的区域或区部。

相应地，电池杯外壳所具有的高度优选地小于电池盖外壳的高度。电池杯外壳的高度优选地为电池盖高度的35％至90％，特别地为电池盖高度的50％至75％。

在优选实施例中，电池盖的外壳也沿其切割边的方向具有基本恒定的内直径。

在特别优选的实施例中，根据本发明的纽扣电池的电池杯的切割边径向向内弯曲，使得电池杯外壳的内直径朝向切割边减小。电池杯外壳因而朝向切割边渐缩。

在一个优选方案中，根据本发明的纽扣电池的特征是，电池盖外壳包括在与电池杯外壳重叠的区域中的优选地为周向的区部，该区部径向向外变宽且该区部的外直径大于电池杯外壳的在向内弯曲的切割边的区域中的内直径。

这种设计的结果在于，已经被插入电池杯中的电池盖不再仅通过附着力连接到电池杯（通过被布置在这两个半壳件之间的密封件）。实际上，在此实施例中，这两个半壳件还通过沿轴向方向互锁的方式相互连接。如果在根据本发明的纽扣电池的壳体的内部出现过压力，那么，假如产生的力超过前述的在电池杯与电池盖之间的附着力时，这可能导致电池盖被推出电池杯之外。当电池包括具有前述的向内弯曲的切割边的电池杯并包括具有前述的径向向外变宽的区部的电池盖的情况下，这不再是可能的。仅当电池盖的径向向外变宽的区部触到向内弯曲的切割边之前，压力才可能将电池盖压出电池杯之外。然后，仅通过电池杯和/或电池盖的变形即可使电池杯和电池盖沿轴向方向滑动而进一步相互分开。

变宽的区部的宽度优选地为电池盖外壳的高度的10％至90％，特别地为电池盖外壳的高度的30％至70％。

变宽的区部的宽度还可以是当电池盖已完全插入电池杯中时由电池杯和电池盖的外壳形成的重叠（双壁）区域的高度的5％至95％，优选地为25％至75％。

在特别优选的实施例中，径向向外变宽的该区部是沿电池盖底部的方向延伸到电池盖切割边或始于该切割边的端部区部。

诸如此类的不延伸覆盖电池杯与电池盖之间全部重叠区域的区部确保被插入电池杯中的电池盖可沿轴向方向移动至有限的距离。这意味着，大于电池杯与电池盖之间附着力的内部压力可迫使两个半壳件沿轴向方向相互分开，直到它们滑出彼此的过程由于电池盖的径向向外变宽的该区部触到电池杯的向内弯曲的切割边而停止。结果，电池杯和电池盖的外壳在杯的下部不再重叠。迫使两个半壳件相互分开，使前述的周向双壁外壳区域的尺寸减小。电池杯的朝向电池内部的周向区部在双壁区域之下露出。

优选地，至少一个孔布置在电池杯的该空闲区部中。这是因为，至少一个孔在电池杯和电池盖滑出彼此时露出，由此可使电池内的任何过压力消散。可相对于彼此移动的各半壳件与至少一个孔相结合而类似于安全阀地起作用。

优选地，至少一个孔布置在始于电池杯底部的一高度位置处，所述高度位置最大至外壳的总高度的90％，优选地最大至外壳的总高度的70％，特别地最大至外壳的总高度的30％。

如前所述，在壳体内，根据本发明的纽扣电池优选地具有采用绕组的形式的电极－分离器组件，具有至少一个正电极和至少一个负电极。根据本发明，优选地，正电极经由输出导体连接到壳体杯，特别是连接到壳体杯底部，其中输出导体具有至少一个预定断裂部位。如果电池盖连同布置在其中的电极－分离绕组在壳体内的预定断裂部位断裂的情况下被压出电池杯之外，则输出导体可在预定断裂部位被机械破坏，从而可防止不希望出现的进一步的电流。

在示例中，诸如此类的预定断裂部位可包括在输出导体上的一个或多个部位处的削弱材料区域、减薄区域或切口。优选地，输出导体在所述预定断裂部位比在其它区域可以更易于通过机械力穿透或破坏。

本发明的所述优点和进一步的优点通过现在所附的附图的描述并结合从属权利要求也将变得显见。在此情况下，本发明的各个独立特征可独立实施或相互结合实施。所描述的实施例仅用于对本发明进行阐释和更好的理解，而应被理解为绝不是限制性的。

附图说明

图1示意性例示出适合于根据本发明的纽扣电池的电池盖和装配于电池盖的电池杯以及由这两个半壳件构成的壳体。

图2示意性例示出根据本发明的纽扣电池。

图3示意性例示出图2中所示的纽扣电池在故意进行过充电之后的情况。

具体实施方式

图1A示意性例示出电池盖102，其中一方面采用从上部的俯视平面图（电池盖102的底部的平面图）的形式例示且另一方面采用截面例示图（沿线Z-Z'的截面）的形式例示。电池盖102具有圆形的平坦的底部108和具有圆形横截面的柱形外壳109。边缘区域110在外壳109与底部108之间形成连接部。其采用尖锐边缘形式。切割边111形成电池盖102的开放边缘。外壳109包括径向向外变宽的端部区部113，和具有较小外直径的第二区部117。端部区部113的高度是外壳109的高度的约40％。区部117的直径基本等于圆形底部108的直径，并且区部113的直径略大于圆形底部108的直径。周向台阶118在这两个区部之间形成边界。

图1B示意性例示出电池杯101，其中一方面采用从上部的俯视平面图（电池杯101的底部的平面图）的形式例示且另一方面采用截面例示图（沿线Z-Z'的截面）的形式例示。电池杯101具有圆形的平坦的底部104和具有圆形横截面的柱形外壳105。边缘区域106在外壳105与底部104之间形成连接部。其采用尖锐边缘形式。切割边107形成电池杯101的开放边缘。切割边107向内弯曲，使得外壳105的内直径朝向切割边107减小。

图1C例示出壳体100，其由在图1A和图1B中例示出的各半壳件组装而成，用于根据本发明的纽扣电池。密封件103布置在电池杯101与电池盖102之间，并使其相互隔离。密封件103是膜密封件，如在DE19647593中所述。电池盖102以切割边111在前的状态插入电池杯101中，使得电池杯101的外壳105和电池盖102的外壳109部分地重叠并形成周向的双壁外壳区域119。电池盖102的切割边111抵靠在被插入电池杯101中的支撑环120上。

一方面，电池杯101和电池盖102通过压配合而相互连接。附着力总是存在于两个半壳件101、102和密封件103之间，并防止两个半壳件101、102沿轴向（沿箭头的方向）滑出彼此。另外，这两个半壳件101、102也可以按照沿轴向方向互锁的方式相互连接。这是因为，径向向外变宽的区部113以及电池杯101的向内弯曲的切割边107仍然会防止两个半壳件101、102沿轴向滑出彼此。由于径向向外变宽的区部113的外直径大于电池杯101的外壳105的在向内弯曲的切割边107的区域中的内直径，因此，仅当电池盖102的径向向外变宽的区部113触到电池杯101的向内弯曲的切割边107后，电池杯101和电池盖102才可沿轴向方向移动相互分开。然后，电池杯101和电池盖102仅可通过电池杯101和/或电池盖102的变形而沿轴向方向进一步滑出彼此。

端部变宽区部113的宽度是电池杯101的外壳105的高度的约45％，且为重叠（双壁）区域119（当电池盖102已完全插入电池杯101中之后）的约60％。这意味着，区部113可沿轴向方向移动到有限距离（预先假定存在超过在各部件电池杯101、电池盖102、密封件103之间的附着力的沿轴向方向的力）。其切割边111安置在电池杯101的底部上的电池盖102可沿轴向升高，直到台阶118触到向内弯曲的切割边107。电池盖102和电池杯101在此情况下在为重叠（双壁）区域119的高度的约40％的距离（对应于距离121）上相对于彼此移动。像这样的提升可特别地通过壳体100内部中的过压力而实现。

电池杯101和电池盖102的相对移动使周向双壁外壳区域119的宽度减小。与此相反地，现在壳体100在周向区部122的区域中仅具有一个壁，该壁的宽度基本对应于距离121。

孔112在此区部122中精确地穿过电池杯101的外壳105，且在电池盖102升高之时或之后，壳体100中存在的任何过压力可经由此孔112而消散。可相对于彼此移动的半壳件101、102与孔112相结合而用作安全阀。

图2A以局部剖视的示意图的形式显示出根据本发明的纽扣电池。图2B例示出纽扣电池的密封区域的放大细节。所述例示图显示出电池杯101和电池盖102。在其所有基本特征中，电池杯101和电池盖102对应于图1中所示半壳件。例如，电池杯101具有向内弯曲的切割边107，电池盖102具有径向向外变宽的端部区部113。密封件103布置在电池杯101与电池盖102之间，处于螺旋卷绕的电极－分离器组件114的壳体内。电极－分离器组件114包括正电极123和负电极124以及绕组芯125。正电极123经由输出导体115连接到电池杯101的底部104，其中输出导体115扁平地抵靠在卷绕的电极－分离器组件114的端面上。输出导体115具有预定断裂部位116。孔112a、112b在多个部位处穿过电池杯101的壳体外壳。

图3A例示出图2中所示纽扣电池在故意进行过充电之后的情况（示意性例示图）。图3B显示出纽扣电池的密封区域的放大细节。由于电池中过充电而形成的过压力已经使电池盖102提升经过距离126。电池盖已经被提升，直到电池盖102的径向向外变宽的区部113触到电池杯101的向内弯曲的切割边107。电极－分离器组件114也已经随电池盖102而被提升。在此情况下，输出导体115在预定的断裂部位116处断开。过压力能够通过由于所述提升而露出的孔112a和112b进行释放。

Claims

1.一种纽扣电池，具有以液体密封方式封闭的壳体（100），包括电池杯（101）、电池盖（102）和密封件（103），

电池杯（101）具有底部（104）、周向外壳（105）、将底部（104）和外壳（105）连接的边缘区域（106）和端部切割边（107）；

电池盖（102）具有底部（108）、周向外壳（109）、将底部（108）和外壳（109）连接的边缘区域（110）和端部切割边（111）；

其中，

电池盖（102）以切割边（111）在前的状态插入电池杯（101）中，使得电池杯（101）的外壳（105）和电池盖（102）的外壳（109）至少部分地重叠并形成周向的双壁外壳区域，以及

密封件（103）布置在电池杯（101）与电池盖（102）之间，使得它们相互隔离；

其特征在于，至少一个孔（112）穿过电池杯（101）的外壳（105）的与电池盖（102）的外壳（109）重叠的区域，

其中所述电池杯和已插入电池杯的电池盖能够相对彼此在轴向移动有限的距离。

2.根据权利要求1所述的纽扣电池，其特征在于，密封件（103）布置在重叠的外壳区域之间。

3.根据权利要求1或2所述的纽扣电池，其特征在于，

孔（112）具有最大至2mm的直径。

4.根据权利要求1或2所述的纽扣电池，其特征在于，

电池盖（102）的切割边（111）安置在电池杯（101）的底部（104）上；

和/或

电池杯（101）的切割边（107）抵靠在电池盖（102）的外壳（109）的外壁上。

5.根据权利要求1或2所述的纽扣电池，其特征在于，

电池杯（101）的外壳（105）与电池盖（102）的外壳（109）完全重叠。

6.根据权利要求1或2所述的纽扣电池，其特征在于，

电池杯（101）的外壳（105）的高度小于电池盖（102）的外壳（109）的高度。

7.根据权利要求6所述的纽扣电池，其特征在于，

电池杯（101）的外壳（105）的高度小于电池盖（102）的外壳（109）的高度的35％至90％。

8.根据权利要求6所述的纽扣电池，其特征在于，

电池杯（101）的外壳（105）的高度小于电池盖（102）的外壳（109）的高度的50％至75％。

9.根据权利要求1或2所述的纽扣电池，其特征在于，

电池杯（101）的外壳（105）和/或电池盖（102）的外壳（109）沿相应切割边（107和/或111）的方向具有基本恒定的内直径。

10.根据权利要求1或2所述的纽扣电池，其特征在于，

电池杯（101）的切割边（107）径向向内弯曲，使得电池杯（101）的外壳（105）的内直径朝向切割边（107）减小。

11.根据权利要求10所述的纽扣电池，其特征在于，

电池盖（102）的外壳（109）包括在与电池杯（101）的外壳（105）重叠的区域中的周向区部（113），周向区部（113）径向向外变宽且周向区部（113）的外直径大于电池杯（101）的外壳（105）在向内弯曲的切割边（107）的区域中的内直径。

12.根据权利要求11所述的纽扣电池，其特征在于，

所述周向区部（113）的宽度为电池杯（101）的外壳（105）的高度的10％至90％。

13.根据权利要求12所述的纽扣电池，其特征在于，

所述周向区部（113）的宽度为电池杯（101）的外壳（105）的高度的30％至70％。

14.根据权利要求11所述的纽扣电池，其特征在于，

所述周向区部（113）是一直延伸到电池盖（102）的切割边（111）的端部区部。

15.根据权利要求1或2所述的纽扣电池，其特征在于，

至少一个孔（112）布置在始于电池杯（101）的底部（104）的一定高度位置处，该高度位置最大达到壳体（105）的总高度的90％。

16.根据权利要求15所述的纽扣电池，其特征在于，

至少一个孔（112）布置在始于电池杯（101）的底部（104）的一定高度位置处，该高度位置最大达到壳体（105）的总高度的70％。

17.根据权利要求15所述的纽扣电池，其特征在于，

至少一个孔（112）布置在始于电池杯（101）的底部（104）的一定高度位置处，该高度位置最大达到壳体（105）的总高度的30％。

18.根据权利要求1或2所述的纽扣电池，其特征在于，

在壳体内，纽扣电池具有电极－分离器组件（114），电极－分离器组件（114）采用绕组的形式，具有至少一个正电极（123）和至少一个负电极（124），其中正电极（123）经由输出导体（115）连接到壳体杯（101），并且其中输出导体（115）具有至少一个预定断裂部位（116）。

19.根据权利要求18所述的纽扣电池，其特征在于，

正电极（123）经由输出导体（115）连接到壳体杯（101）的底部（104）。

20.根据权利要求11所述的纽扣电池，其特征在于，

所述周向区部是沿电池盖底部的方向延伸到电池盖切割边或始于该切割边的端部区部。