CN1134041A - 密封形碱性蓄电池的单元电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能抑制放电容量降低、改善循环寿命的碱性蓄电池的单元电池。本发明的碱性蓄电池的单元电池在单体电池群的左右两端配置由平板部和矩形框架部构成的端板；用金属制的铆钉把带板状的桥接体和端板固定并约束单体电池群，因此能把由约束构件引起的重量增加及体积增加抑制至最低限度，并抑制由循环充放电引起的内压上升及电池群膨胀带来的单元电池尺寸变化。

Description

密封形碱性蓄电池的单元电池
本发明涉及较大容量的密封形碱性蓄电池的单元电池的构造。
密封形碱性蓄电池以镍镉蓄电池及镍氢蓄电池为代表，由于其能量密度高，可靠性优良，大多用作视频装置、便携式计算机、携带式电话等便携式设备的电源。这类单体电池是壳体为金属制的、形状为圆筒型或方型、电池容量约为0.5-5Ah的小型密封形碱性蓄电池。在实际使用时，通常把几个至十几个单体电池收存在树脂壳体或管体中加以使用。这类小型密封形碱性蓄电池其电池容量约为0.5至3Ah，所以每个单体电池充放电时的发热量小。因而，在收存于树脂壳体或管体中使用时，由于能恰如其分地进行发热和散热的平衡，不会产生电池温度显著上升的课题。又，虽然碱性蓄电池的电极群会由于反复充放电而膨胀，但因壳体是金属制的，具有耐久强度，不存在壳体显著变形等问题。
但是，近来，强烈希望从家电制品到电动汽车等移动体所用的电源中，使用能量密度高、高可靠性的中、大型电池(电池容量为10至100Ah定义为中型电池，电池容量为100Ah以上定义为大型电池，单体电池的使用个数均为几个至几百个)。目前，开放型的镍镉电池和铅蓄电池用于贮能和不间断电源装置中作为中、大型电池，但存在使用期间需要注液之类维护烦杂的问题。因而，作为从家电制品到电动汽车等移动体所用的电源有必要使电池不需维护，即电池密封化。
如上所述，采用碱性蓄电池作为从家电制品到电动汽车等移动体所用的电源时，有必要同时实行电池的密封和中、大型化。即，一方面谋求单体电池的密封，同时为了增大单体电池的电容量和增加电池电压，有必要串联连结多个单体电池。
电池伴随充放电产生电极反应带来的反应热和焦耳热。这样大容量的单元电池串联连接成的单元电池和单元电池串联连接的组电池配置成数十至数百电池相邻接。又，由于单体电池的电容量的增大及密封，产生的热量增大，向电池外部的散热迟缓，所以产生的热在电池内部积蓄。其结果是：与小型电池相比，中、大型电池，其内部的温度上升。为了解决该课题，在特开平3-291867号公报中，提出了一种蓄电池系统散热装置。该装置做成：在一个配置多个由正极、负极和电解液构成，且充电时伴有发热的单体电池的系统中，在各单体电池间设置空气流通的空间，使(空间宽度)/(单体电池宽度)为0.1至1.0。
但是，目前的移动体用的密封形碱性蓄电池具有以下的课题。
(1)在铅蓄电池的场合，即使是密封形，充电带来的电池内压上升约为0.05MPa，与之相反，在密封形碱性蓄电池中，充电时的电池内压上升可达到0.2至0.4MPa。作为移动体用电源，在室外高温环境下长时间使用时，尤其在充电状态使用或者放置时，电池壳体持续承受约0.2至0.4MPa的内压，因而存在随着低刚性、低强度的电池壳体的蠕变变形而发生破损的可能性。又，在室外高温环境下进行1000次以上循环充放电时，存在由于内压变化而引起的力学疲劳，使电池壳体破损的可能性，从长期可靠性及安全性的观点出发，有必要使单元电池构造能防止电池壳体变形引起的破损。
(2)由于电池内压上升而使电池壳体膨胀变形时，发电元件群与电池壳体间产生空间。如果发电元件群与电池壳体间存在空间，发电元件群产生的热传递至电池壳体的速度显著降低。从而，单元电池构造有必要抑制电池壳体的变形，使之与发电元件群始终接触。
(3)作为移动体电源而使用的场合，由于以把5-40个左右的单体电池层叠为单元电池或集合两个以上单元电池(若换算成单体电池数为10-300个)的状态加以使用，有必要减小几个至几百个单体电池中各电池的电池容量等电池性能的偏差，提高能量密度等电池性能，尤其要设法提高机械强度以防止振动引起的偏移及把充放电循环带来的尺寸变化抑制至一定范围。又，紧固电池的板和桥接体由于长时间在室外使用，有必要防止腐蚀引起的劣化。
本发明的主要目的是提供一种优良的蓄电池系统，它抑制单体电池的电池壳体的变形，提高了单元电池和组电池的体积能量密度和重量能量密度，且充放电时产生的电池内热能高效地向电池系统外释放，没有电池性能的偏差。
本发明的目的还在于：防止在室外高温环境下长时间使用和反复充放电中的电池壳体变形或疲劳引起的破损，即使用作移动体电源，充放电循环造成的尺寸变化也不大，改善即使作为单元电池和组电池对于振动的机械强度和耐腐蚀性，提高长期可靠性。
本发明的密封形碱性蓄电池的单元电池由下述部件构成：把多个在合成树脂的方形电池壳体内收容发电元件群，并由备有安全阀的盖封口的单体电池在与这些单体电池极板层叠方向相同的方向上层叠的单体电池群；在所述单体电池群的单体电池层叠方向两面配置的端板；连结所述端板且把所述单体电池群约束在层叠方向的带板状的桥接体。又，所述端板由方形的平板部及自其四边竖立且相互连结的矩形框架部构成，所述桥接体连结至所述端板的框架部。
又，所述端板是钢或不锈钢制的，最好其平板部的厚度为0.5-3mm，矩形的框架部的高度为5-15mm。
又，所述端板是铝或铝合金制的，最好其平板部的厚度为1-5mm，矩形框架部的高度为5-15mm。
又，所述端板最好在其平板部沿电池的垂直方向有2个以下的加强肋或沿水平方向有5个以下的加强肋。
再者，希望所述桥接体其厚度为0.5-2mm，其宽度为20-40mm。
又，希望所述桥接体通过金属铆钉或小螺钉把其两端固定至所述端板的框架部。
再者，希望所述端板及桥接体分别由选自铝、铝合金、钢、不锈钢构成的材料组中的材料构成且抗拉强度为250MPa以上。
又，希望所述端板及桥接体其表面由耐碱且具有电缘绝性的树脂涂膜被覆。
再者，希望设置在所述盖的安全阀的阀动作压力为0.2-0.8MPa。
希望在所述电池壳体的外侧面形成收纳所述桥接体一部分或全部的凹部。
本发明的密封形碱性蓄电池的单元电池包括：在合成树脂制的方形电池壳体内收容发电元件群、并由备有安全阀的盖封口的多个单体电池在与这些单体电池极板叠层的相同方向层叠的单体电池群；配置在所述单体电池群的单体电池层叠方向两面的、由方形的平板部及自其四边向上竖立并相互连结的矩形框架部构成的端板；固定于所述端板的框架部、把互相连接的所述单体电池群约束在层叠方向的带板状的桥接体。因而，机械强度提高，通过抑制相对于充电时的内压上升和电极膨胀引起的壳体的膨胀，能经电池群的电池壳体有效进行散热。
又，所述端板是钢或不锈钢制的且使其平板部的厚度为0.5-3mm、矩形框架部的高度为5-15mm，因而该板相对于内压上升和与之相应的电池壳体的变形具有足够的强度，抑制了电池壳体的变形。
同样，所述端板是铝或铝合金制的且使其平板部的厚度为1-5mm、矩形框架板的高度为5-15mm，因而同样能抑制电池壳体变形。
又，所述端板，由于在其平板部沿电池的垂直方向形成2个以下加强肋或沿水平方向形成5个以下加强肋，能提高机械强度。
再者，通过构成所述桥接体(其厚度为0.5-2mm、宽度为20-40mm)约束的实用密封形碱蓄电池，使每单位重量的能量密度变大。
本发明的密封形碱性蓄电池的单元电池，所述桥接体的两端由金属铆钉或小螺钉固定在所述端板的框架部上，增加了强度及长期可靠性。
再者，上述端板及桥接体由选自铝、铝合金、钢或不锈钢组成的材料组的材料构成且抗拉强度为250MPa以上，因而进一步增加了强度，即使在室外高温环境下，经受反复充放电引起的内压变化，也同样能抑制膨胀变形及防止力学上的疲劳产生的破损和抑制尺寸变化，能提高作为移动体用电源的长期可靠性。
上述端板和桥接体在其表面被覆具有耐碱性及电绝缘性的树脂涂膜，因而，尤其能提高在室外作为移动体用电源的长期可靠性和安全性。
再者，通过使设置在上述盖的安全阀的动作压力为0.2-0.8MPa，能提高电池性能及电池壳体的可靠性。
又，本发明的密封形碱性蓄电池的单元电池，通过在所述电池壳体的外侧面形成收纳上述桥接体一部分或全部的凹部，使单体电池的内容积比以往的电池大，构成单元电池时，能增加发电元件占有空间的比例。
图1是本发明一个实施例的密封形碱性蓄电池的单元电池的斜视图。
图2是剖开图1所示电池一部分的斜视图。
图3是上述电池的端板、铆钉及桥接体的一部分的斜视图。
图4是本发明另一实施例的端板的斜视图。
图5是本发明又一实施例的端板的斜视图。
图6是比较例的端板的斜视图。
图7是比较例的端板的斜视图。
图8是比较例端板的斜视图。
图中：10是单体电池，11是电极群，12是电池壳体，13是盖，14是正极端子，15是负极端子，16是安全阀，17是导片，18是层叠方向的侧壁，19是侧壁，20是底壁，21是肋，22、24、25是凹部，23是凸部，26是盖的侧壁，27、30是加强肋，28是接合部，29是熔敷材料，31是单元电池，32是连接导体，33是端板，34是桥接体，35是框架部，36、37是空间，38是铆钉，39是铆钉孔，40是平板部，42是肋。
下面，参照附图说明本发明的密封形碱性蓄电池的单元电池、构成单元电池的单体电池及其约束构件。
图2中10表示的单体电池由正极板，负极板，隔板层叠的电极群11、收容电解液的合成树脂电池壳体12、及热熔于壳体12上部开口部的相同的合成树脂制成的盖13构成，在盖13上固定镀镍的铁制的正极端子14、负极端子15及动作压力为0.5MPa的安全阀16。负极端子15通过焊接把负极板的导片17连接至其下端未图示的垂下部，同时，其上部对液体、气体均密封地安装在盖13上。虽然正极端子14未剖视，其下端也连接正极板的导片。壳体12由位于层叠方向的宽侧壁18、侧壁18另一方的狭侧壁19及底壁20构成。又，在侧壁18的外表面以预定间隔纵向平行设置多个用于使单体电池彼此对接的肋21。在侧壁19外表面的上下设置用于桥接体定位和纳入用的两组凹部22。上述肋中，在两端肋上分别上下相反地设置单体电池对合时用于定位的凸部23和凹部24。
盖13在其宽侧壁26的外表面上具有与壳体12的肋21同样的肋27。
盖13和壳体12的接合部以28表示，热焊时熔敷材料中向壳体外突出的边缘鼓出部分，通过研削去除。
图1中示出了将上述单体电池10，5个串联叠层构成的单元电池31。相邻的单体电池，电池壳体12的肋21相互对接，且，通过把一方的单体电池肋21上设置的凸部23嵌合至另一方设置在单体电池肋21上的凹部24，确定相互的位置。又，相邻单体电池的正极端和负极端通过连接导体32相连。
这样电气串联连接的5个单体电池，其层叠体的左右两端面上抵接铝制的端板33，它们采用四个不锈钢制的带板状桥接体34及金属制的铆钉38加以连结固定，牢固地加以约束，即使电极群膨胀或电池内压上升，单体电池相互间也不会分离。
上述构成的单元电池中，有肋21之间形成空间36。左右两端的单体电池和端板33之间也形成与肋21高度相当的空间37。带板状的桥接体34其一部分纳入设置在侧壁19外表面上下的两组凹部22中，从而确定位置。
图3是图1所示的端板33、桥接体34及铆钉38的详细图。端板33由方形平板部40和自其四边竖立相互连接的矩形框架部构成，且端板具有水平方向的肋42。又，用于固定桥接体34端部的铆钉38的孔39，设置在以框架侧面肋42的连接部分相互隔开的位置上。端板33及桥接体34的尺寸由电极群的膨胀力、电池内压及单体电池的层叠数确定。在以下实施例中，端板平板部40的厚度为3mm，矩形框架部35的突出高度为11mm，桥接体34为宽度30mm×厚度1mm。
又，虽然没有图示，端板33及桥接体34，在表面被覆耐碱及具有电绝缘性的树脂膜。
对图2所示构成的单体电池以10A(安培)电流充电15小时，然后以20A的电流放电至1.0V，作初始充放电。通过这种充放电，电池群膨胀，成为与电池壳体12的侧壁18密接的状态。该单体电池由正极规定容量，具有100Ah的电池容量。
用5个这种单体电池制成图1所示的单元电池。
实施例1
这里，讨论端板的构造。设采用示于图3、图4及图5的端板的单元电池分别作为本发明的实施例的单元电池1、2及3；采用示于图6、图7及图8的端板的单元电池分别作为比较例的单元电池4、5及6。各端板是铝制的。
又，图4的端板其构造是由图3的端板中去除肋42。图5的端板是肋42的两端与框架体35不相连的构造，图6的端板是从平板部40的四边向上竖起的框架部35a、35b、35c及35d相互不相连的构造。图7是在垂直方向设置3个肋42的端板，图8是在水平方向设置7个肋42的构造。
放电容量试验进行如下：以10A电流充电12小时后，放置1小时，然后以20A的电流放电至单元电池电压降低至4V止。单元电池的放电容量采用电池电压降低至5V时的放电时间计算。又，单体电池的放电容量采用降至1V时的放电时间计算。充放电时，单元电池的空间部分、侧面及端板表面分别由风扇自电池下部送风。风扇的风量调整成使通过空间部分36的空气风速平均为1.0m/秒。使环境温度为20℃。
循环寿命试验以与放电容量试验的充放电条件相同的条件反复进行。设单元电池装载方向的初始尺寸为200mm。寿命试验的结果和试验终止的单元电池装载方向的最大变形量如表1所示。
                         表1
   电池编号     1     2     3     4     5     6
   放电容量(Ah) 98 96 97 83 98 98
    寿命(次) 900 870 880 300 900 900
   最大变形(mm) 1.9 2.3 2.0 4.8 1.9 1.9
   能量密度(Wh/kg) 65 66 65 58 60 60
由表1可知，单元电池4的变形大，可推定散热性能差，此外，循环寿命短，放电容量及能量密度低。单元电池5、6放电容量、循环寿命良好，但重量变重，因而能量密度变差。另一方面，单元电池1、2和3变形被抑制，放电容量、循环寿命及能量密度也良好。
由上述，希望构成框架部的竖直部相互连接。进而，希望垂直方向肋2个以下或水平方向的肋5个以下。
实施例2
讨论端板的尺寸。以与实施例1同样的构成制作单元电池。但，端板采用与实施例1中显示优越性能的单元电池1同样形状的、铝制的端板。其中，桥接体均采用不锈钢。
设矩形框架部35的突出高度为11mm、平板部40的厚度为3mm的单元电池为单元电池7；同样，设采用平板部厚度为0.5mm、6mm的端板的单元电池分别为单元电池8、9。又，设具有平板部厚度为3mm的端板、框架部的突出高度为3mm的单元电池为单元电池10，平板部厚度也为3mm、框架部突出高度是17mm的单元电池为单元电池11。与实施例1同样，将试验的评价结果示于表2。
                         表2
 电池编号     7     8     9     10     11
 放电容量(Ah) 98 83 98 84 98
   寿命(次) 900 300 900 350 900
 最大变形(mm) 1.9 4.8 1.9 4.5 1.9
 能量密度(Wh/kg) 65 58 59 59 60
由表2可知：单元电池7无论哪项指标均显示良好的性能，单元电池8及10因强度不足而变形大，推定其散热性能不良。单元电池9及11放电容量、循环寿命及耐变形性能良好，但端板的重量增大因而能量密度低。
因而，铝制端板的场合，最好其平板部的厚度为1至5mm，矩形框架部的突出高度为5至15mm。在铝合金的场合亦然。
同样，使用钢制及不锈钢制的端板的场合，平板部的厚度为0.5-3mm、矩形框架部的突出高度为5-15mm时，显示良好的性能。
实施例3
对端板的材料进行讨论。以与实施例1同样的构成制作单元电池。但，在端板中使用与在实施例1中显示卓越越性能的单元电池1同样形状的、平板部厚度为3mm、矩形框架部的突出高度为11mm的结构。设采用抗拉强度270MPa的铝制端板的单元电池为实施例的单元电池12。又，设采用抗拉强度300MPa的钢、250MPa的不锈钢制端板的电池分别为单元电池13及14。再者，设采用抗拉强度200MPa的铜制端板的电池为单元电池15，采用抗拉强度28MPa的聚乙烯制端板的为单元电池16。
与实施例1同样，将试验的评价结果示于表3。
                              表3
电池编号     12     13     14     15     16
放电容量(Ah) 98 98 95 98 83
   寿命(次) 900 900 900 750 200
最大变形量(mm) 1.9 1.9 1.9 2.3 5.2
能量密度(Wh/kg) 65 63 63 5 9 57
单元电池12-14显示良好的性能，单元电池13和14能确保强度，但由于其材料比重比铝大，能量密度降低一些。单元电池15强度不足且散热性能变差，因而寿命有所降低，再者，由于比重大，能量密度低。尤其，在采用聚乙烯制端板的单元电池16中，强度显著不足且端板的热传导性和散热性变差，因而寿命大为降低。
由此，端板希望重量轻且具有不发生在限定的尺寸内由于电池内压上升而引起形变的强度，具体地说，最好是具有250MPa以上抗拉力强度的材料，尤其是以热传导性能优良的铝为主的材料。
再者，对桥接体的材料也得到同样的结果。
实施例4
这里，讨论桥接体的尺寸。桥接体采用抗拉强度为250MPa的不锈钢。设采用宽度30mm、厚度1mm的桥接体，以与实施例的单元电池1同样构成的单元电池为单元电池17。设与实施例的单元电池1同样构成中，宽度为30mm，厚度0.3mm、3mm的单元电池分别为单元电池18和19。构成同样，厚度为1mm，宽度为10mm、50mm的单元电池分别为单元电池20和21。
与实施例1同样，将试验的评价结果示于表4。
                   表4
电池编号     17     18     19     20     21
放电容量(Ah) 98 83 98 84 98
  寿命(次) 900 300 900 350 900
最大变形(mm) 1.9 4.8 1.9 4.5 1.9
能量密度(Wh/kg) 65 58 59 60 60
由表4可知：由于单元电池18和20强度不足，变形大，散热性能恶化。又，单元电池19和21，放电容量、循环寿命及最大变形量性能优越，但由于单位体积重量变大，能量密度降低。单元电池17显示最卓越的性能。
由此，桥接体最好其厚度在0.5-2mm、宽度在20-40mm范围内。
实施例5
在与实施例1显示优越性能的单元电池1同样的构成中，不在单体电池和壳体外侧面设置凹部、桥接体不相对电池壳体确定位置的单元电池各试制10个，进行振动试验。励振条件是上下方向最大加速度为48m/s2，以33Hz振动频率激振6小时，观测单元电池的外观变化。
结果，本发明的单元电池1没有观测到外观变化，在桥接体相对于电池壳体位置不确定的单元电池中，有两个发生单体电池群约束构件偏移。作为移动体用电源，若考虑在振动状态下使用，最好桥接体纳入电池壳体外侧面的凹部。
实施例6
分别试制10个单元电池，该单元电池通过电阻焊接把本发明的单体电池和桥接体固定在端板的框架部，然后以与实施例5同样的条件进行振动试验。
结果，本发明的单元电池没有观察到外形的变化，把桥接体电阻焊接至端板的框架部的单元电池10个中有1个焊接部破损断裂。这是由于与用铆钉固定时的强度相比较，焊接强度降低的缘故。作为提高焊接强度的手段，一般方法是提高焊接机的输出，扩大焊接面积，但会产生因焊接发热，温度显著上升，合成树脂制的电池壳体熔化的课题。又，当用螺栓螺母等的螺丝连结替代时，螺栓头部自端板框架部向外部突出，结果，体积能量密度降低。因而，固定至桥接体端板框架部的方法最好采用金属铆钉或小螺钉固定。
再者，本发明的单元电池，作为移动体用电源，在室外长期使用或应急使用时，碱电解液有向外部泄漏的可能性，为了在金属制的端板及桥接体的表面作防腐处理和防止外部短路，最好在表面被覆有耐碱性及电绝缘性的树脂制涂膜。
又，安全阀的动作压力最好设定为本实施例的单元电池通常使用时的电池内压的最大值0.2MPa以上，且电池壳体和约束构件的耐压极限设定为0.8MPa以下。
根据本发明，在单体电池群的左右两端配置由平板部和矩形状的框架部构成的端板，通过桥接体和金属制的铆钉约束单元电池群，因而能把约束构件引起的重量增加及体积增加抑制到最小限度，能抑制循环充放电引起的内压上升及电池群的膨胀使单元电池尺寸产生的变化。其结果是：能向电池外部高效释放电池内产生的热，因而能抑制各单元电池的放电容量的降低，改善循环寿命。

Claims (10)

1.一种密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于包括：把多个在合成树脂制的方形电池壳体内收容发电元件群的、由备有安全阀的盖封口的单体电池在与其极板层叠方向相同的方向层叠而成的单体电池群；在所述单体电池群的单体电池层叠方向两面上配置的端板；连结所述端板且把所述单体电池群约束在层叠方向的带板状的桥接体；所述端板由方形的平板部和自其四边竖立且相互连结的矩形框架部构成，所述桥接体连接至所述端板的框架部。
2.如权利要求1所述的密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于，所述端板是钢或不锈钢制的，其平板部的厚度为0.5至3mm、矩形框架部的高度为5至15mm。
3.如权利要求1所述的密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于，所述端板是铝或铝合金制的，其平板部的厚度为1至5mm、矩形框架部的高度为5至15mm。
4.如权利要求1所述的密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于，所述端板在其平板部沿电池的垂直方向有2个以下加强肋或沿水平方向有5个以下加强肋。
5.如权利要求1所述的密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于，所述桥接体，其厚度为0.5至2mm、宽度为20至40mm。
6.如权利要求1所述的密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于，所述桥接体由金属铆钉或小螺钉把其两端固定在所述端板的框架部。
7.如权利要求1所述的密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于所述端板及桥接体分别由选自由铝、铝合金、钢、不锈钢组成的材料群的材料构成且抗拉强度为250MPa以上。
8.如权利要求1所述的密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于，所述端板及桥接体其表面用具有耐碱性及电绝缘性的树脂制涂膜被覆。
9.如权利要求1所述的密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于，设置在所述盖的安全阀的阀动作压力为0.2至0.8MPa。
10.如权利要求1所述的密封形碱性蓄电池的单元电池，其特征在于，在所述电池壳体的外侧面上具有收纳所述桥接体一部分或全部的凹部。
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