CN1142601C - 封闭电池 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种这样的封闭电池：能够快速释放其内部压力且同时断开其电流以有效防止本身温度升高和爆裂，从而当在这样一种封闭电池中，内部压力由于短路、过充电、反向充电等升高时，它可以保证其安全性和可靠性。一种封闭件包括：阀元件5，由在其上沿一个环形圆周布置多个打孔开口3的金属基片1形成，在打孔开口3之间具有窄间隔；和金属箔2，层压到金属基片1的内表面上，以便封闭打孔开口3。当封闭电池的内部压力升高时，由小力可变形的金属基片的窄间隔部分拉长，以便引起由布置在环形圆周上的多个打孔开口3围绕的金属基片的一部分突出。具有这种结构的封闭件固定到电池外壳体30的开口端部的内边缘上，电池外壳体30装有：由正极32a、负极32c、及隔离件32b组成的电极元件32；以及其中的电解液，以便封闭外壳体30的开口端部。
Description
技术领域
本发明涉及这样一种封闭电池：当升高温度或电池的内部压力时，在固定压力下，特别是在低压下，该封闭电池能够破裂，以快速释放内部压力并且同时切断电流。
背景技术
最近，随着对制造得尺寸更小和具有提高性能的电子装置的增大需求，已经广泛使用重量轻和能量密度高的无水电解液电池，如锂离子二次电池。由于无水电解液电池使用诸如锂、钠、或钾之类的碱金属作为其负极的活性材料，并且这样的碱金属容易与水反应生成气体，所以采用完全密封结构的壳体。这样一种完全封闭电池在存储性方面优良，但反过来，由于非常高的密封性产生一个问题。即，如果电池暴露于高温或者在其内部或外部短路，并且大的电流流动，或者如果由于在制造过程中包含潮气而在电池中产生氢气，则电池的内部压力有时异常升高，并且电池爆裂，这可能损坏设备。因而，必须提供在增大到高程度之前用来释放电池内部压力的某种机构。
至今，已经提出用来释放电池内部压力的几种方法，并且他们的一些已经用在实际中。例如，日本专利分开出版物No.HEI-2-304861公开了一种用于电池的安全阀机构。该安全阀这样建造，从而电池壳体在其一部分上提供有一个带有一个引导到电池内部的阀开口、和一个引导到外部的排出孔的阀腔。阀腔提供有：一个阀件，其中至少面对着阀开口的表面由橡胶制成；和一个弹性件，以把所述阀件的橡胶制表面贴着阀开口压紧。因而，阀件的橡胶封闭阀开口，从而能保证电池的密封性，而当内部压力达到用于弹性件的固定压力以允许压力释放时，开启阀开口，从而能防止内部压力的过分升高。
这样一种常规安全阀已经广泛用在Ni-Cd型电池中。然而，它还没有用在把碱金属用作负极活性材料的无水电池中，由于即使把阀件压紧阀开口，由此封闭电池，也不可能得到无水电池所要求的高密封性。
在日本专利公开出版物No.SHO-63-285859中公开了用来释放要求高密封性的电池的内部压力的方法之一。在这种方法中，电池壳体在其壁的一部分处提供一个减薄部分。通过用压力机冷压罐头壁板直到板压制部分的厚度成为其原始厚度的一半，形成该减薄部分。因而，该减薄部分能提供给电池良好的密封性，因为仅变形罐体在其上没有开口的部分。
在日本专利公开出版物No.HEI 6-215760中公开了另一种压力释放机构。该释放机构在带有底部的圆柱形外部壳体中的电极元件的上部处提供有一个装配在一个开口端部中的阀隔膜，并且用来切断电流的一根引线布置在阀隔膜上。在这种结构中，当升高电池的内部压力时，阀隔膜膨胀，以断开用来切断电流的引线而断开电流。
根据在日本专利公开出版物No.SHO-63-285859中所公开的方法，必须使壳体的减薄部分变薄，从而减薄部分能以较低压力破裂。然而，当壁部分变得太薄时，在压制成形期间可能形成有细或小的裂纹，这可能损坏电池壳体的密封性。而且，当金属通过冷加工处理时，他们不可避免地由加工硬化。然而，加工不总是引起均匀的硬化，并因此，产生可以改变用于这种压力释放机构的操作压力的问题。有一种用来制造电池壳体壁较薄部分的半蚀刻方法。然而，极为困难的是，控制在蚀刻之后保持的减薄部分的剩余厚度，并且也难以得到良好的生产率。另一个问题在于在半蚀刻部分中产生针孔，并因此，所有产品需要检查。
根据在日本专利公开出版物No.HEI 6-215760中所公开的方法，必须准确地控制在引线中形成的切断部分的深度。该方法考虑到其成形是困难的，这引起在固定压力下不可靠切断电流的问题。
发明内容
为了解决上述常规方法的缺陷，本发明的一个目的在于提供一种能包括一个阀片的封闭电池、和一种在上述封闭电池中使用的封闭件，该阀片在固定压力下，特别是在低压下，能稳定和准确地破裂，以便释放其内部压力，并且能容易地制造。本发明的目的还在于，提供一种具有能够容易处理的结构且在制造过程中几乎不引起缺陷产品的封闭件、和一种使用该封闭件的封闭电池。
本发明的封闭电池包括：一个外壳体；一个电极元件，由与一种电解液一起装在所述外壳体中的一个正极、一个负极、和一种隔离件组成；及一个封闭件，固定到所述外壳体开口端部的内边缘上，以便封闭开口端部。所述封闭件由一个阀元件和连续层压而成的金属箔组成。所述阀元件由金属基片形成，在该基片上沿一个环形圆周布置有多个打孔开口，该开口求和总长度是环形圆周整个长度的30至85％，在每个开口之间具有较小间隔，并且把所述金属箔层压到金属基片的内表面上，以便封闭所述打孔开口，其中当升高电池的内部压力时，在形成在金属基片上的所述开口之间、可由较小力变形的所述小间隔部分拉长，以便引起由布置在环形圆周上的所述多个打孔开口围绕的金属基片的一部分突出；以及其中层压到由多个打孔开口围绕的部分上的所述金属箔，与用来传导从正电极流到负电极的电流的引线盖连接，并且当由多个打孔开口围绕的所述部分由于电池的内部压力而突出时，所述引线盖与金属箔电气脱开，以切断电流，金属箔由于封闭电池内部压力升高而破裂，且封闭电池内部的气体被释放。
根据本发明的结构，由多个打孔开口围绕的金属基片部分和金属箔组成的阀片，与用来传导来自电极元件的电流的引线盖连接。当电池的内部压力升高时，由多个打孔开口围绕的部分突出，并且引线盖与金属箔电气脱开，以切断电流。当内部压力进一步升高时，将其层压以封闭由其上带有打孔开口的金属基片形成的阀元件开口的金属箔破裂，以释放电池的内部气体，从而防止电池壳体爆裂。
上述多个打孔开口是具有相同直径的圆形开口。他们最好绕阀元件的中心沿固定半径的圆周分别以等间隔布置，这是一个用于环形圆周的例子。而且，在环形圆周上形成为多个打孔开口的开口求和总长度最好是环形圆周整个长度的30至85％。
况且，金属基片最好是钢片、不锈钢片、铜片、或铝片。金属箔最好是钢箔、不锈钢箔、铜箔、铝箔、镍箔、或镍铁合金箔。
因而，本发明的封闭件这样建造，从而当内部压力升高时，其一部分在固定压力下变形，以迅速切断电池的电流。封闭件进一步提供有一个在固定压力下用来断裂其本身的机构，以释放内部压力。根据开口的形状和布置能任意设置用来切断电流的上述固定压力，并且根据金属箔的材料和厚度能设置释放内部压力时的压力值。
附图说明
图1是纵向剖视图，通过本发明的一个例子表示一种完全封闭电池的上部。
图2是纵向剖视图，通过本发明的另一个例子表示一种完全封闭电池的上部。
图3是平面图，表示带有一个阀元件的封闭件。
图4是表示该封闭件的纵向剖视图。
图5是解释图，表示当电池的内部压力异常升高时封闭件的动作。
图6是解释图，表示当电池的内部压力异常升高时封闭件的动作。
图7是平面图，表示封闭件的另一个例子。
图7和8是平面图，表示封闭件的又一个例子。
[标号解释]
0：通孔
1：金属基片
2：金属箔
3：打孔开口
5：阀元件的部分
7：阀开口
8：钎接部分
20：凹下部分
24：突出部分
30：外壳体
32：电极元件
32a：正极
32b：分离器
32c：负极
33：封闭帽
33a：边缘盖
34：绝缘垫圈
36：边缘
37：引线盖
37a：圆周
37b：通孔
38：正温度系数元件
40：绝缘垫圈
V：阀片
l：环形圆周
r：作为整个圆的环形圆周的半径
w：在打孔开口3之间的间隔
Δl：在圆周1上打孔开口3的长度
具体实施方式
下面参照附图解释本发明的最佳实施例和例子。图1是纵向剖视图，通过本发明的一个例子表示一种完全封闭电池的上部。图2是纵向剖视图，通过本发明的另一个例子表示一种完全封闭电池的上部。图3是平面图，表示带有一个阀元件的封闭件。图4是表示该封闭件的纵向剖视图。图5和6是解释图，表示当电池的内部压力异常升高时封闭件的动作。图7和8是平面图，表示封闭件的其他例子。
在图1中，带有一个用作负极端子的底部的圆柱形外壳体30装有一个电极元件32以及与外部隔离的电解液。电极元件32这样配置，从而以螺旋形式缠绕由正极32a、隔离件32b、和贴紧正极32a布置且由隔离件32b与正极32a绝缘的负极32c组成的层压件。
带有用于气体释放的通孔0、用作爆裂防止机构且同时用作正极端子的封闭帽33，通过铆接到外壳体30的上开口端部上经绝缘垫圈34固定。布置以上电极元件32、具有用于气体释放的通孔37b的引线盖37。
在引线盖37、与其电阻值随温度升高而增大由此把电池电流控制到正常值的正温度系数元件38之间，提供一个形成用来密闭电极元件32及其它元件的封闭件的阀片V。阀片V的边缘36与正温度系数元件38接触，元件38与封闭盖33的边缘33a接触。这些边缘36和33a、及正温度系数元件38通过铆接到到引线盖37的圆周37a上经绝缘垫圈40固定。
由一个适当装置把引线6固定到用作用来封闭电池上开口端部的封闭件的阀片V的一个内表面上。引线6延伸到电极元件32的正极32a。因而，这里提供有一个电池的电流通路。
否则可以如图2中所示提供电流通路。即，引线盖37相对着阀片V布置使绝缘垫圈40插入在他们之间，并且下凹部分20形成在阀片V的中心部分处，阀片V与形成在引线盖37的中心部分处的的突出部分24相接触。引线6由一个适当装置固定到引线盖37的内表面上，并且引线6延伸到电极元件32的正极32a。因而，这里提供电流通路的一个例子。
阀片V在如图3和4中所示的平面图中基本上具有盘形。阀片V由具有圆形形状的金属基片1、和层压到金属基片1上的内表面上的金属箔2构成。作为用于金属基片1的材料，可以使用钢片、不锈钢片、铜片、或铝片。作为用于金属箔2的材料，可以使用钢箔、不锈钢箔、铜箔、铝箔、镍箔、或镍合金箔，例如镍铁合金箔。
在表示本发明的一个例子的图3中，这样布置多个打孔开3(“n”个打孔开口，即在图3情况下的8个开口)(在图3情况下每个具有圆形形状)，从而其相应中心呈现在环形圆周1上(环形圆周1在图3中具有绕阀片V的中心位置的半径“r”)，并且在他们之间以相等间隔“w”离开，从而他们以圆形线形成环形。如图4中所示，例如金属箔2具有固定到钎接部分8上的引线6。当电池的内部压力升高时，易于变形的金属基片1的等间隔“w”的部分拉长，并且由多个打孔开口3围绕的阀片的部分5突出，以便使引线6与钎接部分8脱开或断开以切断电流。
这些多个(“n”个)打孔开口3的总和长度n×Δl(Δl表示在圆周l上每个打孔开口3的大致长度)可以最好是圆周l的整个长度的30至85％。在其中打孔开口的总和长度小于圆周整个长度的30％的情况下，金属基片1的刚度较高。因而，即使当内部压力升高时，阀片的部分5也不足够地突出，并因此引线6不与钎接部分8脱开。因此，不可能切断电流。在其他方面，在其中总和长度超过圆周l的整个长度的85％时，如果把任何外部较大的力施加到电池上，例如，电池落下，则阀片的部分5有时会变形，引起引线6与钎接部分8脱开或断开，从而切断电流。
其次，解释在其中电池的内部压力升高的异常情况下阀片的动作。一旦电池的内部压力升高，在金属基片1上布置在环形圆周线中的打孔开口3之间、在他们之间具有等间隔“w”的等间隔部分(容易变形部分)就等同地拉长，并且阀片的部分5突出，如图5中所示。由于阀片部分5的这种突出，固定到金属箔2上的引线6与钎接部分8脱开或断开其本身，从而可靠地切断电流。当内部压力进一步升高时，金属箔2封闭打孔开口3的部分破裂，使阀开口打开并且释放内部压力，如图6中所示。经阀开口7和经封闭帽33的通孔0排出释放气体。
相反，在其中打孔开口3不在这样一条环形圆周线中以等间隔“w”存在于金属基片1上、而是例如以马蹄形状存在的情况下，当内部压力升高时，由马蹄形打孔开口3围绕的金属基片1的一个舌形部分变形，使具有间隔“w”的金属基片1的连续和单独部分作为支点，并且特别是，其中离上述支点最远的该舌形部分的一定部分大大地变形，并且与其相对应的金属箔2的一部分破裂以释放气体，并且把电池的内部压力设置为自由的。然而，由于对其连接引线6的中心部分靠近用来引起这种变形的上述支点，所以仅有很小的变形，并且引线6的连接部分不会断开。因而，可能有引起电池内部压力升高的过大电流保持流动的危险。结果，本发明最重要的因素在于打孔开口3布置在金属基片1上的环形圆周线中，使他们之间具有等间隔“w”。
顺便说明，阀元件的部分5的形状可以表示在图3中，其中多个圆形开口布置在圆周线中，在他们之间具有等间隔。例如，如图7和8中所示，它可以如此布置，从而两个或四个椭圆形开口3布置在其轴线在阀片V的中心处的椭圆1上，在他们之间具有等间隔。
根据本发明的完全封闭电池，当电池的内部压力由于诸如短路、过充电、或反向充电之类的某种异常升高时，在以打孔开口3之间的等间隔布置在金属基片1上的打孔开口3之间的等间隔部分(易变形)稳定和准确地拉长，特别是在低压下，从而阀元件的部分5突出以脱开引线6，并且电气断开电流。当内部压力进一步升高时，封闭打孔开口3的金属箔2的部分在固定压力下破裂，使阀开口7打开并且排出电池的内部气体。因而，有可能防止温度的突然升高和电池的爆裂。
通过确定在金属基片1上的打孔开口3之间的等间隔部分(易变形的)的适当尺寸、和通过确定用于金属基片1的适当材料成分，能设置稳定地允许阀片的阀元件的部分5突出的操作压力。而且，有可能通过确定用于金属箔2的适当材料成分，使封闭打孔开口3的金属箔2在稳定的操作压力下破裂，因为金属箔2能微米级的最高精度制造。
本发明的阀元件能以如下方式制造。即，沿其纵向通过冲孔等连续地打孔具有带条形状的金属基片1，以便在其上提供一个阀片V所要求的多个开口3。把如此打孔的金属基片1层压到其上带有金属箔2的一个表面上。然后，以具有基本上圆形形状的每个阀片V的形式冲切生成的层压件。金属基片1的带条由几对压辊转移，或者由一对压辊连续地层压到金属箔2上。在其中金属基片具有这样一种结构从而仅仅圆的一部分不打孔的情况下，象马蹄形开口，并且当转移和层压这样一种金属基片时，这种打孔开口的边缘部分有时由压辊卡住。在这样一种情况下，阀片以非打孔部分作为支点卷起。如此生产的有缺陷片必须废弃。而且，可能有连续转移和层压操作变得不可能的情况。
根据本发明，打孔开口3借助于存在的多个非打孔部分形成，并且这样打孔打孔开口3，从而平行于金属基片1的带条的纵向(转移方向)提供非打孔部分。因而，有可能防止开口的边缘部分由压辊卡住、或在转换和层压操作中阀片以非打孔部分作为支点卷起。
如上所述，即使当电池的内部压力由于诸如短路、过充电、反向充电等而升高时，本发明的安全阀片也操作，以允许容易变形部分提供在金属基片上以稳定地变形，从而在内部压力达到在较低压力下的固定值时，切断电池中的电流。当内部压力进一步升高时，封闭提供在金属基片上的打孔开口的金属箔稳定和准确地断裂，从而把电池内的气体排到外部。因而，有可能防止温度的突然升高或电池的爆裂。
Claims (4)
1.一种封闭电池，包括：一个外壳体；一个电极元件，由与一种电解液一起装在所述外壳体中的一个正极、一个负极、和一种隔离件组成；及一个封闭件，固定到所述外壳体开口端部的内边缘上，以便封闭开口端部；
所述封闭件由一个阀元件和连续层压而成的金属箔组成；
所述阀元件由金属基片形成，在该基片上沿一个环形圆周布置有多个打孔开口，该开口求和总长度是环形圆周整个长度的30至85％，在每个开口之间具有较小间隔，并且把所述金属箔层压到金属基片的内表面上，以便封闭所述打孔开口，其中当升高电池的内部压力时，在形成在金属基片上的所述开口之间、可由较小力变形的所述小间隔部分拉长，以便引起由布置在环形圆周上的所述多个打孔开口围绕的金属基片的一部分突出；以及其中层压到由多个打孔开口围绕的部分上的所述金属箔，与用来传导从正电极流到负电极的电流的引线盖连接，并且当由多个打孔开口围绕的所述部分由于电池的内部压力而突出时，所述引线盖与金属箔电气脱开，以切断电流，金属箔由于封闭电池内部压力升高而破裂，且封闭电池内部的气体被释放。
2.根据权利要求1所述的封闭电池，其中所述多个打孔开口是具有相同直径的圆形开口，他们沿离阀元件中心固定半径的圆周，即环形圆周，以等间隔分别布置。
3.根据权利要求1所述的封闭电池，其中所述金属基片是钢片、不锈钢片、铜片、或铝片。
4.根据权利要求1所述的封闭电池，其中所述金属箔是钢箔、不锈钢箔、铜箔、铝箔、镍箔、或镍铁合金箔。
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