CN109560222B - 一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构 - Google Patents

一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其包含：与极柱底部密封固定的止转套；极柱的底部依次突出设置有第一台阶、第二台阶；止转套的上部套置在第二台阶外壁上，卡住端盖，下部抵住第一台阶；极柱上套有密封绝缘子，密封绝缘子的外部套设与其外壁匹配的铝合金套，该铝合金套与端盖为固定连接；该密封绝缘子的底端、顶端分别设置有第一陶瓷垫圈、第二陶瓷垫圈，第一陶瓷垫圈抵住在极柱的第二台阶上；第二陶瓷垫圈上设有碟型垫圈及六角螺母。本发明提供的防转动极柱密封结构，不仅解决了锂离子蓄电池的漏液问题，提升了蓄电池的密封可靠性，且有效解决了极柱随螺母摒紧旋转的问题，制造成本低、密封性能优良、使用寿命长。

Description

一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构
技术领域
本发明涉及一种锂离子蓄电池，具体涉及一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构。
背景技术
锂离子蓄电池由于高电压、高比能量、长寿命、无记忆效应等优势，逐渐替代镉镍、氢镍电池成为第三代空间用贮能电源。由于空间用贮能电源在太空工作时的环境近似于高真空状态，如果锂离子蓄电池没有实现全密封(漏气率小于1.0×10-7Pa·m3·s-1)，则易发生电解液微漏以及气体逸出，最终导致电解液“干涸”，蓄电池失效，因此必须实现锂离子蓄电池的全密封。
采用压缩密封方式的锂离子蓄电池密封性能优良，使用寿命长，制造成本低，可以杜绝金属-陶瓷密封的爬液现象，是一种性能优异的密封方式。压缩密封的原理是通过摒紧螺母，对密封绝缘子的密封面施加压紧载荷，使之产生压紧应力，当应力增大到足以引起密封绝缘子表面产生明显的塑性变形时，密封绝缘子产生横向膨胀填补密封面的间隙，堵塞泄漏通道，实现密封。根据锂离子蓄电池的制造工艺，除电池盖装配工序以外，蓄电池封装完成后在测试工序及蓄电池组的装配过程中均需要通过摒紧螺母来实现极柱与测试电缆或导线的连接。
专利《锂离子电池的极柱密封装置》(申请号200810038356.9，公开号CN101593819A)提供的一种空间用锂离子蓄电池的极柱采用压缩密封方式，如图1所示，该极柱密封装置包括：在端盖1的两端分别设有正、负极柱6，其底部具有一个突出的台阶，极柱上套有密封绝缘子8，该密封绝缘子8具有两个台阶，台阶上套有不锈钢套2，不锈钢套2的底部突缘与端盖1的内表面密封连接，密封绝缘子的顶端与底端各设有陶瓷垫圈7；密封绝缘子的顶端的陶瓷垫圈7设有碟型垫圈与两个垫圈螺母3；密封绝缘子的顶端的陶瓷垫圈7抵在极柱6底部的台阶上，在两个极柱之间的端盖上设有注液口4。
然而，上述专利中的所有紧固件及密封件均为圆形设计，对蓄电池螺母进行摒紧时，蓄电池的极柱有可能会跟随螺母的旋转而发生转动。由于正、负极片通过极耳与极柱连接在一起，当极柱发生转动时，会带动极耳转动，极耳转动发生扭曲可能导致部分或全部极耳的断裂。若正极极耳断裂会导致蓄电池容量的降低甚至开路；若负极极耳断裂，蓄电池变成负极限容，一方面会导致容量降低，另一方面，长期充放电循环会导致析锂，严重时会产生锂枝晶刺穿隔膜导致蓄电池短路。
发明内容
为从设计上根本避免上述现象的发生，本发明的目的是设计一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构。为了实现锂离子蓄电池的全密封，同时防止极柱随螺母的旋转而发生转动，本发明提供了一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构。利用本发明，不但达到空间使用条件下的全密封要求，而且能够有效避免由于极柱转动可能引起的容量偏低、开路、短路等故障，提高锂离子蓄电池的可靠性，且制造成本低、使用寿命长。
为了达到上述目的，本发明提供了一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其用于对称设置的正、负极柱，正、负极柱上套置端盖，该密封结构还包含：与极柱底部密封固定的止转套；所述的极柱的底部依次突出设置有第一台阶、第二台阶，其中，第一台阶位于第二台阶的底部，第一台阶突出于第二台阶；止转套的上部套置在第二台阶外壁上，卡住端盖；止转套的下部抵住第一台阶；极柱上套有密封绝缘子，密封绝缘子的外部套设与其外壁匹配的铝合金套，该铝合金套与端盖为固定连接；该密封绝缘子的底端设置有第一陶瓷垫圈，第一陶瓷垫圈抵住在极柱的第二台阶上；该密封绝缘子的顶端设有第二陶瓷垫圈，该第二陶瓷垫圈上依次设置有碟型垫圈及六角螺母。
较佳地，所述的止转套的材料为聚酰亚胺，形状为倒圆角的方形。
较佳地，所述的第一台阶呈方形，第二台阶呈圆形。
较佳地，所述的密封绝缘子的材料为聚四氟乙烯，其上部为柱形，下部为柱形，且上部外径小于下部外径，中部的外径自下而上逐渐减小。
较佳地，所述的铝合金套的内台阶处呈圆角。
较佳地，所述的铝合金套与端盖一体成型，采用铝合金板材铣制而成。
较佳地，所述的第一陶瓷垫圈的材料为氮化硅陶瓷，其厚度为2mm。
较佳地，所述的第二陶瓷垫圈的材料为氮化硅陶瓷，其厚度为4mm。
较佳地，所述的碟型垫圈采用高强度耐腐蚀耐高温镍基合金。
较佳地，所述的六角螺母的外径大于碟型垫圈的外径。
本发明的一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构具有以下技术效果：
1、增加止转套，以防止极柱转动
极柱底端由一个圆形台阶改进为一个圆形台阶加一个方形台阶，并增设止转套，止转套的上部套在极柱的圆形台阶上，卡住端盖，下部抵住极柱的方形台阶，止转套设置为倒圆角的方形，端盖相应的底部也由圆形更改为方形，以加强与止转套的配合。
2、优化密封绝缘子结构。
现有的密封绝缘子有两个台阶，分别为两个大小不一的柱形，两台阶连接处的塑性变形量较小，为密封薄弱点。
本发明设计的密封绝缘子为三段式，上部分为柱形，中间为圆台，下部分为柱形，上述密封薄弱点被圆台填充，密封绝缘子在受到压力时可以产生更加明显的塑性变形，发生更加充足的横向膨胀以填补密封面的间隙，提升密封可靠性。
3、铝合金套与端盖为一体化设计。
现有的端盖为不锈钢材质，与注液嘴通过钎焊焊接实现密封，与不锈钢套的底部凸缘通过钎焊焊接实现密封；本发明设计的端盖为铝合金材质，与注液嘴、铝合金套为一体化设计，采用铝合金板材铣制而成。一体化设计可以从根本上增加金属套与端盖之间的密封性，而且相较于不锈钢，铝合金的密度小，相同容量规格的蓄电池重量更轻，可以提升蓄电池的比能量，降低卫星的发射成本，增加有效载荷。
4、六角螺母增大外径设计。
现有的垫圈螺母为标准型不锈钢螺母，本发明的六角螺母采用电阻率更低的黄铜材质，表面镀镍防腐蚀，且采用增大外径设计，完全覆盖碟型垫圈外径，可增大六角螺母与碟型垫圈的接触面积，不仅可增大压紧力，提升密封性能，还可以降低蓄电池的电阻，增强高功率放电能力。
5、优化陶瓷垫圈厚度。
现有的两个陶瓷垫圈厚度均为2mm，本发明中，密封绝缘子上部的陶瓷垫圈为4mm，下部的陶瓷垫圈为2mm。这是由于螺母摒紧时，上部的陶瓷垫圈承受更大的压紧力，容易发生裂纹、断裂等不良情况，将上部的陶瓷垫圈加厚至4mm，可增加其抗压强度，杜绝裂纹等不良情况的发生。
本发明提供的防转动极柱密封结构，不仅解决了锂离子蓄电池的漏液问题，提升了蓄电池的密封可靠性，而且有效解决了极柱随螺母摒紧旋转的问题，取得了制造成本低、密封性能优良、使用寿命长等有益效果。本发明适用于有类似问题的其它各种类型蓄电池，具有极大的推广应用价值。
附图说明
图1为现有技术的极柱密封装置的结构示意图。
图2为本发明的一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图2所示，本发明的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构用于对称设置的正、负极柱10，该密封结构包含：套置在极柱上的端盖11，与极柱底部密封固定的止转套12；所述的极柱的底部依次突出设置有第一台阶101、第二台阶102，其中，第一台阶101位于第二台阶102的底部，第一台阶101突出于第二台阶102；止转套12的上部套置在第二台阶102外壁上，卡住端盖11；止转套12的下部抵住第一台阶101；极柱上套有密封绝缘子13，密封绝缘子13的外部套设与其外壁匹配的铝合金套14，该铝合金套14与端盖11为固定连接；该密封绝缘子13的底端设置有第一陶瓷垫圈151，第一陶瓷垫圈151抵住在极柱的第二台阶102上；该密封绝缘子13的顶端设有第二陶瓷垫圈152，该第二陶瓷垫圈152上依次设置有碟型垫圈16及六角螺母17。在正、负极柱之间的端盖11上设置有注液嘴20。
所述的止转套12的材料为聚酰亚胺，形状为倒圆角的方形。
所述的第一台阶101呈方形，第二台阶102呈圆形。
所述的密封绝缘子13具有两个台阶，上部为柱形，下部为柱形，且上部外径小于下部外径(中间有圆台)，中部的外径自下而上逐渐减小(外轮廓呈流线型)。密封绝缘子13的材料为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯密封绝缘子塞入铝合金套14内，通过铝合金套14的台阶定位。聚四氟乙烯密封绝缘子顶部与底部用第一陶瓷垫圈151、第二陶瓷垫圈152将聚四氟乙烯密封绝缘子压紧。通过六角螺母17的拧紧力加载在碟型垫圈16上使底部的第一陶瓷垫圈向上产生压力，使聚四氟乙烯密封绝缘子横向变形膨胀从而达到密封效果。
所述的铝合金套14的内台阶处呈圆角，以解决应力集中的问题，使密封件受力均匀。所述的铝合金套14与端盖11一体成型，采用铝合金板材铣制而成。
所述的第一陶瓷垫圈151的材料为氮化硅陶瓷，其厚度为2mm。所述的第二陶瓷垫圈152的材料为氮化硅陶瓷，其厚度为4mm。上述陶瓷垫圈的作用是：a)实现极柱与外壳绝缘；b)在低温时与碟型垫圈16配合加压防止聚四氟乙烯冷流动。从力学角度分析，聚四氟乙烯横向变形膨胀越大，接触面的摩擦力就愈大，密封效果就越好。
所述的碟型垫圈16采用高强度耐腐蚀耐高温镍基合金。
所述的六角螺母17的外径大于碟型垫圈的外径，六角螺母的材料为黄铜，表面镀镍处理。
正极柱材料采用纯铝，负极柱材料采用纯铜，负极柱表面镀镍。
由于底端的止转套12抵住极柱底部的方形第一台阶101，旋紧六角螺母17，就可将第二陶瓷垫圈152与碟型垫圈16压紧，同时，对密封绝缘子13的密封面也施加了压紧载荷，使之产生压紧应力。当应力增大到足以引起密封绝缘子13表面产生明显的塑性变形时，该聚四氟乙烯密封件产生横向膨胀将密封绝缘子13与极柱10间的空隙填满，密封泄漏通道。同时，上、下端的第一陶瓷垫圈、第二陶瓷垫圈在极柱底部台阶向上的推力与碟型垫圈16向下的弹力作用下，进一步使密封绝缘子13在低温下不滑动，不产生冷流动，从而实现全密封。
由于旋紧六角螺母17对密封绝缘子13施加压紧载荷的过程中，极易发生极柱随螺母的旋转而发生转动的情况，为了杜绝这一现象，本发明设计了止转套12，其采用倒圆角的方形设计，端盖11相应的底部也为方形且与止转套12相配合。螺母旋转的过程中，极柱10由于受到止转套12的阻力作用，无法随螺母发生转动，因此避免了极柱转动的不良现象发生。
锂离子蓄电池放入一个铝合金电池壳中，其上端用电池端盖密封，电池端盖上设置有上述密封连接的极柱和注液嘴。端盖与铝合金电池壳的密封连接采用氩弧焊接。
综上所述，本发明不仅在原密封结构基础上优化了设计，提升了蓄电池的密封可靠性，而且有效解决了极柱随螺母摒紧旋转的问题，消除了蓄电池开路、短路及容量偏低隐患，取得了制造成本低、密封性能优良、使用寿命长等有益效果。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其用于对称设置的正、负极柱，正、负极柱上套置端盖，其特征在于，该密封结构还包含：与极柱底部密封固定的止转套；
所述的极柱的底部依次突出设置有第一台阶、第二台阶，其中，第一台阶位于第二台阶的底部，第一台阶突出于第二台阶；
止转套的上部套置在第二台阶外壁上，卡住端盖；止转套的下部抵住第一台阶；
极柱上套有密封绝缘子，密封绝缘子的外部套设与其外壁匹配的铝合金套，该铝合金套与端盖为固定连接；
该密封绝缘子的底端设置有第一陶瓷垫圈，第一陶瓷垫圈抵住在极柱的第二台阶上；该密封绝缘子的顶端设有第二陶瓷垫圈，该第二陶瓷垫圈上依次设置有碟型垫圈及六角螺母；所述的密封绝缘子的上部为柱形，中间为圆台，下部为柱形，且上部外径小于下部外径，中部的外径自下而上逐渐减小。
2.如权利要求1所述的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其特征在于，所述的止转套的材料为聚酰亚胺，形状为倒圆角的方形。
3.如权利要求1所述的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其特征在于，所述的第一台阶呈方形，第二台阶呈圆形。
4.如权利要求1所述的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其特征在于，所述的密封绝缘子的材料为聚四氟乙烯。
5.如权利要求1所述的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其特征在于，所述的铝合金套的内台阶处呈圆角。
6.如权利要求1所述的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其特征在于，所述的铝合金套与端盖一体成型，采用铝合金板材铣制而成。
7.如权利要求1所述的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其特征在于，所述的第一陶瓷垫圈的材料为氮化硅陶瓷，其厚度为2mm。
8.如权利要求1所述的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其特征在于，所述的第二陶瓷垫圈的材料为氮化硅陶瓷，其厚度为4mm。
9.如权利要求1所述的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其特征在于，所述的碟型垫圈采用高强度耐腐蚀耐高温镍基合金。
10.如权利要求1所述的锂离子蓄电池的防转动极柱密封结构，其特征在于，所述的六角螺母的外径大于碟型垫圈的外径。
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