CN116487834A - 具有安全机构的电池 - Google Patents

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Abstract

具有安全机构的电池，该安全机构适于在电池暴露于水溶液或者湿组织时防止组织损伤和/或电解。

Description

具有安全机构的电池
技术领域
本公开涉及电池，并且更具体地涉及具有安全机构的电池，该安全机构适于在电池暴露于水溶液或者湿组织时防止组织损伤和/或电解。本申请为分案申请，其母案申请号为201880072557.2，申请日为2018年11月9日，发明名称为“具有安全机构的电池”。
背景技术
本文所提供的背景描述是用于大体呈现本公开的背景的目的。
电化学电池单元（通常被简单地称为电池）通常被用作电能源。小电池在给消费者产品供电方面特别有用。小电池具有各种电池单元类型。普通的小电池单元类型包括AAA、AA、B、C、D、9V、CR2和CR123A。被称为纽扣电池单元（也包括更宽的电池单元，有时被称为扣式电池单元）的其他小电池类型通常被用于给各种产品提供动力，所述产品包括但不限于手表、照相机、计算器、车辆等的无钥匙进入系统、激光指示器、血糖仪等。
图1示出了代表性纽扣电池单元10的构造，纽扣电池单元包括被设置在阴极盒14内的阴极12和被设置在阳极杯18内的阳极16。隔板20将阳极16与阴极12物理分离且电子隔离。绝缘垫圈22用于密封电池单元以防止电解质损耗并防止周围大气成分进入电池单元并且将阴极盒14与阳极杯18电子隔离。纽扣电池单元通常具有长的使用寿命，例如，通常在手表中持续使用一年以上。此外，大多数纽扣电池单元具有较低的自放电，使得它们在不置于负载下时保持其电荷达相对较长的时间。
虽然纽扣电池在许多便携式消费者电子装置中是常见的，但是这些电池（特别是具有20mm直径的扣式电池单元，诸如CR2016锂电池单元和CR2032锂电池单元）的大小、形状和外观会造成危险，特别是对于婴儿、幼儿和宠物而言。这些危险能够导致对身体的伤害，特别是如果在周围的人不知情的情况下电池单元被吞食。并且这些纽扣电池中的一些比另一些造成相对更大的危险，而消费者可能没有完全意识到所述危险。例如，3V扣式电池（诸如CR2016 3V锂电池单元和CR2032 3V锂电池单元，它们基于锂-锰氧化物化学）被定大小成使得它们可能容易被卡在人的喉咙中且因此导致体液的电解和/或灼烧湿的食管/器官组织（例如如果被吞食的话）。当然，如果被成功吞食，则这样的电池也可能导致显著的胃疼。
发明内容
提供了一种具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池。电池包括外壳，其包括第一极和第二极。至少一个电子导体被电子耦合到第一极和第二极中的一者。包括电子绝缘材料的间隔件被提供在电子导体与第一极和第二极中的另一者之间，使得防止了在电子导体与第一极和第二极中的另一者之间的电子耦合。间隔件能够在水溶液的存在下经历物理变化，使得在电子导体与第一极和第二极中的另一者之间能够发生电子耦合。
也提供了一种具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的附加示例性电池。具有安全机构的电池包括具有第一极和第二极的外壳、电子导体以及第一间隔件和第二间隔件。第一间隔件和第二间隔件包括电子绝缘材料。第一间隔件被设置在电池的第一极与电子导体之间，并且第二间隔件被设置在电池的第二极与电子导体之间，其中电子导体被设置在第一间隔件和第二间隔件之间并与第一间隔件和第二间隔件接触。间隔件能够在水溶液的存在下经历物理变化，并且电子导体在水溶液的存在下适于与第一极和第二极二者建立电子接触。
附图说明
虽然本说明书以特别指出并明确要求保护被视为形成本发明的主题的权利要求书作为结尾，但是从结合附图考虑的以下描述将更好地理解本发明。下面描述的附图示出了本文所公开的电池的各个方面。应该理解的是，每幅图示出了本文所公开的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池的示例性方面。
图1示出了常规纽扣电池单元；
图2A和图2B示出了根据根据本公开的示例性实施例的呈扣式电池单元形式的电池，其具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构。
图3示出了针对两种不同电池的电池单元电压与时间的关系图，其中第一电池是常规扣式电池并且第二电池是根据根据本公开的示例性实施例的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的扣式电池。
图4A和图4B示出了根据根据本公开的另一示例性实施例的呈扣式电池单元形式的另一电池，其具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构。
图5A和图5B示出了根据根据本公开的附加示例性实施例的呈扣式电池单元形式的另一电池，其具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构。
图6A和图6B示出了根据根据本公开的另一示例性实施例的呈扣式电池单元形式的另一电池，其具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构。
图7示出了根据根据本公开的另一示例性实施例的呈扣式电池单元形式的另一电池，其具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构。
图8示出了根据根据本公开的另一示例性实施例的呈扣式电池单元形式的另一电池，其具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构。
具体实施方式
电化学电池单元或电池可以是一次的或二次的。一次电池意味着放电（例如至耗尽）仅一次并且然后废弃。例如在David Linden的Handbook of Batteries（McGraw-Hill，第四版，2011）中描述了一次电池。二次电池旨在被再次充电。二次电池可以被放电且之后被再次充电许多次，例如超过五十次、超过一百次或者超过一千次。例如在David Linden的Handbook of Batteries（McGraw-Hill，第四版，2011）中描述了二次电池。电池可以包含水电解质或非水电解质。因此，电池可以包括各种电化学偶对和电解质组合。消费者电池可以是一次电池或者二次电池。然而，由于被存储在电池中的电荷且由于所暴露的电极，有利的是当暴露于湿组织时保护消费者电池（特别是小型消费者电池）以防伤害消费者。特别地，有利的是保护电池以防消费者暴露于电解或灼伤，在例如电池被吞食时均可能发生这两种情况。在此方面，如果电池的正极和负极暴露于湿的体液，则可能发生水的电解并且这能够导致氢氧根离子的产生和负极附近的组织的灼伤，以及潜在地导致组织的直接氧化，特别是那些邻近正极（或阴极盒）的组织的直接氧化。此外，阴极盒本身的显著氧化会导致在其内形成孔并且从而允许电池的有毒内容物被释放。本申请提供了一种用于在水溶液的存在下使电池短路的安全机构。通过在水溶液的存在下使电池短路，所公开的安全机构有利地降低了被吞食的电池的电池单元电压并且从而能够有效地防止由于被吞食电池的不受控放电导致的组织损伤和其他有害影响。
提供了一种具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池。电池包括电池外壳，其包括第一极和第二极。至少一个电子导体被电子耦合到第一极和第二极中的一者或与第一极和第二极中的一者电子接触。应该注意的是，术语“电子耦合”和“电子接触”在本文中可互换地使用以描述在列出的部件之间能够发生电子流动的关系。电子导体可以被电子耦合到第一极和第二极中的一者，因为电子导体与其直接物理接触。替代性地，在电子导体与第一极和第二极中的所述一者之间能够存在一种或多种附加的中间电子传导材料。
包括电子绝缘材料的间隔件被提供在电子导体与第一极和第二极中的另一者之间，使得防止了在电子导体与第一极和第二极中的所述另一者之间的电子耦合。间隔件能够在水溶液的存在下经历物理变化（包括但不限于经历导致物理性质的变化的化学变化），使得在电子导体与第一极和第二极中的所述另一者之间能够发生电子耦合。
大体而言，本公开提供了一种能够通过电子耦合两个电池极或者跨越两个电池极形成电子连接而被机械和/或电子地短路的电池。跨越正电池极和负电池极的电子连接仅在电池被暴露于“安全状况”之后形成，该安全状况指的是电池卡在人、婴儿或宠物的喉咙中时遇到的环境状况。在这些情况下，当人或婴儿或宠物吞食电池时，电池能够接触唾液、胃液或者其他含水流体。因此，具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池被构造且设计成当存在水溶液时短路。得到的短路电路能够将电池的电压降低到所期望的阈值水平以下，从而减少和/或有效地防止水的电解和随之形成的有害的电化学生成的离子（例如，氢氧根离子）。所期望的阈值水平能够变化，不过在本文详细描述的一些示例中，电池单元能够有利地被短路到1.5V以下，包括1.4V以下、1.3V以下、1.2V以下、1.1V以下、1.0V以下、0.9V以下、0.8V以下、0.7V以下、0.6V以下、0.5V以下、0.4V以下、0.3V以下、0.2V以下、0.1V以下和甚至到大约0V。在“正常使用条件下”，诸如当电池没有被使用时，例如，当电池正被存储或运输时，或者当电池正在电子装置中操作时，不发生电子连接的形成并且避免电池短路。
在一个实施例中，根据本公开的电池包括电子导体，其最初与电池的第一极和第二极中的仅一者电子接触。包括电子绝缘材料的间隔件防止电子导体在正常使用条件下（即在电池与水溶液接触之前）跨越两个电池极建立电子接触。另一方面，当电池暴露于诸如唾液、胃液、水或者其他含水流体的水溶液或者与所述水溶液接触时，电子绝缘材料能够经历物理变化，例如，电子绝缘材料能够溶解，因为其可溶解在含水流体中。电子导体朝向与电池的另一极的电子接触被偏置，但是在正常使用条件下间隔件的抵抗力大于或等于电子导体的偏置力。然而，在电子绝缘材料的显著溶解之后，基本不存在这样的抵抗力并且电子导体能够建立与电池的另一极的电子接触，从而使得电池短路。电子导体可以例如在压接阴极盒（或者其延伸部）期间和/或在压接与阴极盒分开的分立部件的电子导体期间被偏置。
在另一示例中，根据本公开的电池还包括电子导体，其最初与电池的第一极和第二极中的仅一者电子接触。包括电子绝缘材料的间隔件防止电子导体在正常使用条件下（即在电池与水溶液接触之前）跨越两个电池极建立电子接触。另一方面，当电池暴露于诸如唾液、胃液、水或者其他含水流体的水溶液或者与所述水溶液接触时，电子绝缘材料能够经历物理变化，例如，在存在含水流体时电子绝缘材料能够膨胀和/或软化，因为电子绝缘材料包括在暴露于水溶液时膨胀的聚合物。电子导体朝向与电池的另一极的电子接触被偏置，但是在正常使用条件下间隔件的抵抗力大于或等于电子导体的偏置力。然而，在电子绝缘材料膨胀和/或软化之后，间隔件抵抗力显著减小并且可以实现间隔件的机械变形、张紧或者位移，这是因为电子导体的偏置力“克服”、张紧或移动间隔件的电子绝缘材料并且从而在两个极之间建立电子连接并使得电池短路。在一种改进中，电子绝缘材料是水凝胶，在存在含水流体时该水凝胶形成不能抵抗由电子导体提供的偏置力的凝胶。电子导体可以例如在压接阴极盒（或者其延伸部）期间和/或在压接与阴极盒分开的分立部件的电子导体期间被偏置。
例如，本文的电子导体可以由金属形成，例如，电子导体可以由任意适当的电子传导材料形成。用于形成电子导体的适当的电子传导材料包括但不限于：（i）金属合金，包括但不限于钢，诸如不锈钢、镀镍钢或者镀锌钢，（ii）导电陶瓷，包括但不限于碳化物、氧化物、氮化物和上述的组合，（iii）导电聚合物，（iv）导电复合物，以及其任意组合。电子导体可以例如在压接阴极盒（或者其延伸部）期间和/或在压接与阴极盒分开的分立部件的电子导体期间被偏置。
本文所公开的电子导体通常具有在20°C时小于大约5×10-5欧姆·厘米（ohm·cm）、或者在20°C时小于2.5×10-5欧姆·厘米、或者从在20°C时大约0.5×10-5欧姆·厘米至在20°C时大约5×10-5欧姆·厘米的电阻率值。在一些示例中，电子导体的电阻小于20欧姆、小于10欧姆或者小于5欧姆，例如，电阻可以是大约10欧姆、大约5欧姆或者大约1欧姆。在一些示例中，电子导体的电阻是从大约0.1欧姆至大约20欧姆。
电子绝缘材料的电阻总是大于电子导体的电阻。在一些示例中，电子绝缘材料的电阻大于0.5兆欧（MOhm）、大于5兆欧、大于10兆欧、大于100兆欧或者大于500兆欧，例如，电子绝缘材料的电阻可以是大约1兆欧、大约20兆欧、大约200兆欧或者大约1000兆欧。在一些示例中，电子导体的电阻是从大约0.5兆欧至大约1000兆欧。
间隔件的电子绝缘材料能够由任意数量的当存在水时能够经历物理变化（包括但不限于经历导致物理性质变化的化学变化的电子绝缘材料）的电子绝缘材料形成，所述电子绝缘材料包括但不限于适当的可水软化材料、适当的水溶性材料和/或水膨胀性材料。本文中所使用的术语“可水软化”指的是具有在存在水溶液时减小的杨氏模量的材料。有用的可水软化材料具有在正常使用条件下足够高以提供比电子导体的偏置力更大的抵抗力的杨氏模量。在存在水溶液之后，有用的可水软化材料也具有足够低以允许所述材料在电子导体的偏置力被施加在其上时充分变形的杨氏模量，使得在电子导体与第一电池极和第二电池极中的另一者之间能够建立电子耦合。有用的可水软化材料通常还具有在存在水溶液后减小到0.0003和0.15 GPa之间范围的杨氏模量。各种测试系统能够被用于确定该弹性模量，例如，可从Instron获得的8802伺服液压测试系统。可水软化材料可以是水溶性材料。有用的水溶性材料在水中具有大于50mg/L、大于100 mg/L、大于500 mg/L或者甚至大于大于1000 mg/L的溶解度。有用的水膨胀性材料通常能够吸收大于30 wt.%的纯水、优选地至少100%（按重量计）的水。在存在水溶液之后，有用的水膨胀性材料允许所述材料在电子导体的偏置力被施加到其上时充分变形，使得能够在电子导体与第一电池极和第二电池极中的另一者之间建立电子耦合。
基于间隔件的重量（即，基于被用于提供间隔件的固体的重量），电子绝缘材料可以以在5 wt.%和100 wt.%之间、例如在10wt.%和99 wt.%之间、在50 wt.%和99 wt.%之间、和/或在70 wt.%和99 wt.%之间的量存在。可以单独地或组合地使用任意数量的可水软化、水溶性和/或水膨胀性聚合物以形成间隔件。水溶性、水溶性和/或水膨胀性材料的非限制示例包括但不限于糖、聚醚（诸如聚乙二醇（PEG）和聚乙烯氧化物（PEO））、聚丙烯酸（PAA）、聚酰胺（PA）、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇和改性聚乙烯醇、丙烯酸酯共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、普鲁兰多糖、明胶、羧甲基纤维素（CMC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、羟丙基纤维素、多糖、天然聚合物（包括但不限于琼脂、瓜尔胶、黄原胶、刺槐豆胶、卡拉胶和淀粉、改性淀粉（包括但不限于乙氧基淀粉和羟丙基淀粉））、上述的共聚物、其盐和上述中的任一的组合。可水软化、水溶性和/或水膨胀性材料优选地是生物惰性材料，且其没有毒性或具有很小毒性。
能够可选地将诸如NaHPO4、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、小苏打、糖、类糖物质和柠檬酸等良性固体与电子绝缘材料组合以便提供间隔件。基于间隔件的重量（即，基于被用于提供间隔件的固体的重量），良性固体可以以在0 wt.%和30 wt.%之间、例如在0wt.%和20wt.%之间、在1 wt.%和30 wt.%之间、和/或在1 wt.%和20 wt.%之间的量存在。
图2A和图2B示出了电池50，其可以是任意类型的一次或二次电池并且在所示示例中其是扣式电池单元型电池。电池50包括围绕电池的电池外壳。电池外壳包括阴极盒54和阳极杯58。阴极52设置在阴极盒54中并且阳极56设置在阳极杯58中。阴极52和阳极56通过电池50内的隔板60被电子地分开。阴极盒54和阳极杯58中的每者形成电池50的不同极，其中阴极盒54形成正极，并且阳极杯58形成负极。
阴极52和阳极56被延伸跨越阴极52的横向范围（例如基本上跨越电池50的直径）的绝缘隔板60分隔开。绝缘隔板60由能够自由传导离子从中通过的材料制成。绝缘垫圈62将阴极盒54与阳极杯58电子隔离，绝缘垫圈62防止阳极杯58的任意部分接触阴极盒54并且密封电池50以防止电解质损耗。
在所示实施例中，绝缘垫圈62延伸到阴极盒54中并且完全地围绕阳极杯58，使得阳极杯不能接触阴极盒54，但是也可以使用相反的构造，其中阳极杯58围绕阴极盒54并且绝缘垫圈62延伸到阳极杯58中且完全围绕阴极盒54。应该理解的是，虽然本文所明确示出的每种所示实施例（包括图2A、图2B、图4A、图4B、图5A、图5B、图6A和图6B中所示的）包括延伸到阴极盒54（或者对应的附图标记）中且完全围绕阳极杯58（或者对应的附图标记）使得阳极杯不能接触阴极盒54（或者对应的附图标记）的绝缘垫圈62（或者对应的附图标记），能够构想到其中使用相反构造的具有安全机构的电池。
电池50还包括根据本公开的示例性安全机构，其适于防止组织损伤和/或电解，该安全机构包括完全或部分地围绕阴极盒54的外边缘延伸的电子导体66。如上所述，电子导体66可以由例如金属合金材料的金属形成。电子导体66包括附接节段68，其被固定地安装到阴极盒54的外表面。电子导体66可以通过任何适当的互连件被安装到阴极盒。例如，附接节段68可以经由与沿着阴极盒54的外壁的沟槽（未示出）的过盈配合被附接，以进行机械固定附接。在另一些示例中，附接节段68可以通过施加粘结剂或通过形成焊接接头被附接到阴极盒54的外部侧壁。
在其中绝缘垫圈62延伸到阳极杯58中且围绕阴极盒54使得阴极盒不能接触阳极杯58的相反构造（未示出，在上文简要描述）中，电子导体66完全地或部分地围绕阳极杯58的外边缘延伸并且可以如上文结合阴极盒54所述的那样固定到阳极杯。
如图2B所示，电子导体66的附接节段68被电子耦合到阴极盒54。在所示形式中，电子导体66与阴极盒54直接物理接触。电子导体66还包括从附接节段68延伸的接地节段70。通常，接地节段70相对于附接节段68在正交或基本正交的方向上延伸。
接地节段70在电池50的正常操作期间与阳极杯58间隔开，以便在电池50的正常操作期间不电子耦合正极和负极并且从而使得电池50短路。在所示示例中，在接地节段70和阳极杯58之间的间距通过提供间隔件64来实现，该间隔件54包括在接地节段70和阳极杯58之间的电子绝缘材料。如图2B中所示，间隔件设置在接地节段70的悬置部分与第一极和第二极中的另一者（这里是阳极杯58）之间，使得当间隔件64诸如在正常使用条件期间存在时电子导体66的接地节段70不电子耦合到阳极杯58（且因此电池50的负极）。间隔件64可以延伸到或者甚至超出接地节段70的远侧悬置部分。
间隔件64可以包括能够经历物理变化（例如，通过在暴露于安全状况（通常为唾液、胃液或者其他含水流体）之后溶解）的材料，使得在间隔件64溶解之后，电子导体66的偏置力能够导致接地节段70与阳极杯58（例如，其上顶表面或侧壁表面）电子接触以将电池50短路。在另一些示例中，间隔件64可以包括能够被克服、张紧或者移动的材料，例如，因为间隔件64响应于暴露于安全状况（通常是唾液、胃液或者其他含水流体）而软化、膨胀或以其他方式机械弱化。例如，当含水流体与电池50接触并且被间隔件64吸收使得间隔件64软化、膨胀和/或形成凝胶时，间隔件64可以被机械弱化。例如，在安全状况（或者电池50与含水流体的其他接触）期间，由于间隔件64的这种机械弱化，电子导体66的偏置力能够导致接地节段70与阳极杯58接合并电子接触，以从而将电池50短路。如上文讨论的，安全状况可能发生于当人、婴儿或者宠物吞食电池50，从而将电池50暴露于呈唾液或者胃液形式的水溶液时。在所示实施例中，绝缘垫圈62被示为与间隔件64分开的部件，使得其能够在电池50与含水流体接触且间隔件经历物理变化之后保持完整，从而保持在电池50内部的阴极52和阳极56材料。然而，在另一实施例中，绝缘垫圈62和间隔件64能够是一体构造，其中间隔件62也用作且有效地提供绝缘垫圈64。因此，在这种实施例中，不存在单独的绝缘垫圈64，并且包括电子绝缘材料的间隔件62除了被设置在接地节段70和阳极杯58之间之外还延伸到阴极盒54中且完全围绕阳极杯58，使得阳极杯54不能接触阴极盒54。当然，能够构想到如上文提到的其中使用相反构造的具有安全机构的电池。
如图2B中所示的示例中所示，电子导体66包括两个节段，附接节段68和接地节段70。每个节段68、70被电子耦合到电池50的第一极（例如，阴极盒54）并且每个节段68、70通过间隔件64与电池50的第二极（例如，阳极杯58）电子隔离。在所示实施例中，附接节段68被电子耦合到阴极盒54（即，正电池极）（且实际上与阴极盒54直接物理接触），并且电子导体66的接地节段70不与阳极杯58（即，负电池极）电子接触而是朝向与阳极杯58的接合被偏置。
将了解到的是，在正常使用或存储条件下，电池50的正极或负极中的任一个可以被电子连接到电子导体66，其中两个极中的另一个与被张紧的导体66电子隔离。将进一步了解的是，间隔件64可以因此被设置成邻近于电池50的正极或负极，以防止在正常使用或存储条件下电子导体66与所述正极或负极的电子接触。因此，也可以构想到，电子导体66可以被替代性地定位在电池50周围，使得在正常使用条件期间电子导体被电子耦合到（例如，直接物理接触）阳极杯58的顶表面且通过间隔件64与阴极盒54的侧壁间隔开，该间隔件64被设置在电子导体66和阴极盒54之间。
进一步地，虽然附接节段68和接地节段70在所示示例中被示为是一体构造且因此彼此直接连接，使得它们连续地彼此电子耦合，在另一些示例中，电池安全机构（未示出）的附接节段68和接地节段70在电池的正常操作期间可以彼此电子隔离，仅在诸如响应于水溶液或者体液的存在的安全状况期间变成彼此电子耦合。因此，在另一示例中，附接节段68可以与电池50的正极或负极电子接触，并且接地节段70可以与电池50的正极和负极中的另一者电子接触，其中包括绝缘体材料的间隔件64被定位在这两个节段68、70之间，使得在电池的正常操作期间节段68、70彼此不电子耦合（且因此正极和负极不彼此电子耦合）。在遇到安全状况（或者电池50与含水流体的其他接触）以便实现间隔件64的电子绝缘材料的溶解、软化和/或膨胀之后，接地节段70能够与附接节段68接合并电子接触以从而将电池50短路。如上文讨论的，安全状况能够发生于当人、婴儿或者宠物吞食电池50，从而将电池50暴露于呈唾液或者胃液形式的水溶液时。
图3示出了针对两种不同电池的电池单元电压与时间的关系图，其中两种不同电池是常规的纽扣电池（在这种示例中，是可从Duracell Inc.获得的纽扣电池DL2032）以及根据本公开的进一步装备有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的类似纽扣电池，诸如图2A和图2B中所示的电池50。在使电池与1M KCl溶液接触达大约100秒之后，开始在阳极杯58处产生气体，并且随着电池开始短路，经测试电池的实际电池单元电压下降。在常规电池中，电压下降在大约300秒之后停止于1.5V附近。1.5V电压虽然是减小了的，但是其足以导致水的电解和氢氧根离子的生成。因此，即使减小了，但是如果电池卡在人的喉咙里，则这种电压仍能够导致对食管组织的灼伤和损伤。当然，如果被成功吞食，则电池也会导致显著的胃疼。相比之下，具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池50被进一步短路，使得在阳极杯58处基本不再发生水的电解。实际上，在所示示例中，安全机构进一步将电池50基本完全短路成几乎0V。在图3中所示的示例中，间隔件64包括电子绝缘材料，其是能够被溶解在唾液、胃液或所用的其他含水流体中的水溶性材料。具体地，图3所示的具有安全机构的电池50的间隔件64包括良性固体（在这种情况下是良性盐，特别是NaHPO4（大约10 wt.%））和水溶性材料（特别是聚丙烯酸（大约90 wt.%））。
在图4A和图4B中，也被示作纽扣电池的另一示例性电池100包括阴极盒114和阳极杯118。阴极152被设置在阴极盒114中并且阳极156被设置在阳极杯118中。阴极152和阳极156通过电池100内的隔板160被电子地分开。阴极盒114和阳极杯118中的每者形成电池100的不同极，其中阴极盒114形成正极，并且阳极杯118形成负极。绝缘垫圈162将阴极盒114与阳极杯118电子隔离开，绝缘垫圈162防止阳极杯118的任意部分接触阴极盒114并且密封电池100以防止电解质损耗。电池100共享结合上文在图2A和图2B中所述的电池50所示的许多相同元件，并且因此，本文仅大体讨论区别。
电池100还包括适于防止组织损伤和/或电解的安全机构，其包括间隔件164和被嵌入或被设置在间隔件164内的电子导体166，所述间隔件164包括电子绝缘材料，该电子绝缘材料在暴露于诸如唾液、胃液、水或者其他含水流体的水溶液之后能够经历物理变化。间隔件164被设置在绝缘垫圈162上方，并且在正常操作期间与绝缘垫圈162类似地起作用，因为间隔件164将阴极盒114与阳极杯118电子隔离开。在所示示例中，被嵌入或被设置在间隔件164内的电子导体166与第一和第二电池极中的一者进行直接物理接触且因此电子耦合到第一和第二电池极中的一者（在此是阳极杯118），而通过间隔件164与第一和第二电池极中的另一个（在此是阴极盒114）电子分离开。在该示例中，电子导体166在接触位置150处被电子耦合到阳极杯118。类似于在图2A和图2B中所示的电池50中所示出的阴极盒54和电子导体66之间的电子耦合，在电子导体166和阳极杯118之间的电子耦合能够是在电池100的整个操作期间（在正常操作和存储期间以及在电池100遇到安全状况之后两者）被维持的固定的直接物理连接。在接触位置150处在电子导体166和阳极杯118之间的连接能够例如通过焊接操作或者机械连接被固定。
在所示形式中，电子导体166从接触位置150延伸到两个分支臂节段中，所述分支臂节段横过阳极杯118和阴极盒114之间的距离的一部分并且朝向与阴极盒114的接合被偏置。虽然在这种示例中，仅示出了单个电子导体166，但是可以包括一个或多个的这样的电子导体166。在与诸如唾液、胃液、水或者其他含水流体的水溶液进行接触之后，发生间隔件164的溶解、软化和/或膨胀，使得电子导体166能够偏转成与阴极盒114电子接触，从而将阴极盒114电子耦合到阳极杯118。因此，在安全状况期间，诸如如果电池100已经被人或者宠物吞食，则电池100被短路并且消费者受到保护。在所示实施例中，绝缘垫圈162被示为与间隔件164分开的部件，使得绝缘垫圈能够在电池100与含水流体接触之后保持完整，从而保持在电池100内部的阴极152和阳极156材料。然而，在另一实施例中，绝缘垫圈162和间隔件164能够是一体构造，其中间隔件164另外用作且有效地提供绝缘垫圈162，如上文结合图2A和图2B所述的间隔件64和绝缘垫圈62所述的。
在这种示例中，电子导体166可以被部分地或完全地嵌入或设置在间隔件164内，只要间隔件164的抵抗力大于或等于电子导体166的偏置力，使得在正常使用条件下电子导体不偏转成与阴极盒114电子接触即可。因此，应该注意的是，电子导体166能够朝向与阴极盒114的接合被偏置，例如，电子导体166能够朝向与阴极盒114的内表面的接合被偏置。当然，也构想到相反构造，其中电子导体166与阴极盒114进行直接物理接触且因此电子耦合到阴极盒114，而通过间隔件164与阳极杯118电子分开。
图5A和图5B示出了根据本公开的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的示例性电池200。电池200包括阴极盒214和阳极杯218。阴极252被设置在阴极盒214中并且阳极256被设置在阳极杯218中。阴极252和阳极256通过电池200内的隔板260被电子地分开。阴极盒214和阳极杯218中的每者形成电池200的不同极，其中阴极盒214形成正极，并且阳极杯218形成负极。绝缘垫圈262将阴极盒214与阳极杯218电子隔离开，绝缘垫圈262防止阳极杯218的任意部分接触阴极盒214并且密封电池200以防止电解质损耗。电池200共享结合上文在图2A和图2B中所描述的电池50所示的许多相同元件，并且因此，本文仅大体讨论区别。
第一电池极（这里是阴极盒214）包括电子导体230，其被集成到阴极盒214中以作为其延续部或延伸部。因此，虽然电子导体66在图2B中被示为与阴极盒54分开的部件，但是电子导体230和阴极盒214是一体构造，例如电子导体230包括阴极盒214的延续部或延伸部，其能够电子耦合到第二电池极（这里是阳极杯218的外部表面），以便在电池暴露于诸如唾液、胃液、水或者其他含水流体的水溶液之后将电池200短路。电子导体230可以具有突起（未示出），其将有助于在电池200遇到安全状况之后与另一电池极（阳极杯218的外壁）的电子接触。
在图5A和图5B中所示的实施例中，阴极盒214的电子导体230通过包括电子绝缘材料的间隔件264与阳极杯218分开。间隔件264被集成到电池200的密封区域中，间隔件264被设置在电子导体230与阳极杯218的外壁之间，从而防止在电子导体230和阳极杯218之间的电子接触。在正常使用条件下，间隔件264可以提供电池200的进一步密封，电池还包括如上所述的共同的绝缘垫圈262。共同地，间隔件264和绝缘垫圈262防止在阳极杯218和阴极盒214之间的电子连接，使得在正常使用条件下这两个部件彼此电子隔离开。在电池200暴露于水溶液或体液之后且在间隔件264的电子绝缘材料溶解、软化和/或膨胀时，阴极盒214的延续部或延伸部230能够朝向与阳极杯218的外壁的接合被偏置并且能够接触且因此变成电子耦合到阳极杯218。因此，在安全状况期间，诸如如果电池200已经被人或者宠物吞食，则电池100被短路并且消费者受到保护。在所示实施例中，绝缘垫圈262被示为与间隔件264分开的部件，使得绝缘垫圈能够在电池200与含水流体接触之后保持完整，从而保持在电池200内部的阴极252和阳极256材料。然而，在另一实施例中，绝缘垫圈262和间隔件264能够是一体构造，其中间隔件264另外用作且有效地提供绝缘垫圈262，如上文结合图2A和图2B所述的间隔件64和绝缘垫圈62所述的。
通常，当制造电池200时在压接过程期间形成阴极盒214的集成的延续部或延伸部230。在所示示例中，阴极盒214的延续部或延伸部230被形成为阴极盒214的侧壁的延伸部分。延续部或延伸部230包括弯曲并且朝向与阳极杯218的接合被偏置。延续部或延伸部230能够例如被预先切割以形成被偏置的电子导体。
图6A和图6B示出了根据本公开的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的示例性电池300。电池300包括阴极盒314和阳极杯318。阴极352被设置在阴极盒314中并且阳极356被置于阳极杯318中。阴极352和阳极356通过电池300内的隔板360被电子地分开。阴极盒314和阳极杯318中的每者形成电池300的不同极，其中阴极盒314形成正极，并且阳极杯318形成负极。绝缘垫圈362将阴极盒314与阳极杯318电子隔离，绝缘垫圈362防止阳极杯318的任意部分接触阴极盒314并且密封电池300以防止电解质损耗。电池300共享结合上文在图2A和图2B中所述的电池50所示的许多相同元件，并且因此，本文仅大体讨论区别。
电池300具有与电池100和200（图4A、图4B、图4A和图4B中所示）的特征类似的特征。如图6B所示，电池300与电池200的区别在于，安全机构包括第二电子导体366，其可以被嵌入或被设置在间隔件364内并且可以围绕阳极杯318的整个周向部分延伸或者可以仅沿着阳极杯318周向部分的一部分延伸。第二电子导体366与阳极杯318进行直接物理接触且因此电子耦合到阳极杯318，而通过间隔件364与第一导体330且因此与阴极盒314电子隔离。在电池300暴露于水溶液或体液之后且在间隔件364的电子绝缘材料溶解、软化和/或膨胀时，阴极盒314的延续部或延伸部330能够朝向与阳极杯318的外壁的接合被偏置并且能够接触且因此变成电子耦合到阳极杯318。此外，在电池与诸如唾液、胃液、水或者其他含水流体的水溶液进行接触，使得发生间隔件364的溶解、软化和/或膨胀之后，电子导体366能够偏转成与阴极盒314电子接触，从而将阴极盒314电子耦合到阳极杯318。由于这些相互作用，在安全状况期间，诸如如果电池300已经被人或者宠物吞食，则电池300被短路并且消费者受到保护。在所示实施例中，绝缘垫圈362被示为与间隔件364分开的部件，使得其能够在电池300与含水流体接触之后保持完整，从而保持在电池300内部的阴极352和阳极356材料。然而，在另一实施例中，绝缘垫圈362和间隔件364能够是一体构造，其中间隔件364另外用作且有效地提供绝缘垫圈362，如上文结合图2A和图2B所述的间隔件64和绝缘垫圈62所述的。
图7示出了根据本公开的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的附加示例性电池400。电池400包括阴极盒414和阳极杯418。阴极452被设置在阴极盒414中并且阳极456被设置在阳极杯418中。阴极452和阳极456通过电池400内的隔板460被电子地分开。阴极盒414和阳极杯418中的每者形成电池400的不同极，其中阴极盒414形成正极，并且阳极杯418形成负极。绝缘垫圈462将阴极盒414与阳极杯418电子隔离开，绝缘垫圈462防止阳极杯418的任意部分接触阴极盒414并且密封电池400以防止电解质损耗。电池400共享结合上文在图2A和图2B中所述的电池50所示的许多相同元件，并且因此，本文仅大体讨论区别。
如图7中所示，电池400包括与阴极盒414电子接触的第一电子导体466和与阳极杯418电子接触的第二电子导体480。间隔件464被设置在第一电子导体466和第二电子导体480之间。在电池400暴露于水溶液或者体液之后且在间隔件464的电子绝缘材料溶解、软化和/或膨胀时，第二电子导体480能够朝向与第一电子导体的接合被偏置，使得第二电子导体480能够接触第一电子导体466且因此将阴极盒414电子耦合到阳极杯418。由于这些相互作用，在安全状况期间，诸如如果电池400已经被人或者宠物吞食，则电池400被短路并且消费者受到保护。在所示实施例中，阴极盒414和第一电子导体被示为分开的部件，然而应该理解的是，电子导体466和阴极盒414可以是一体构造使得阴极盒414本身附加地起作用且有效地提供电子导体466。因此，在这种实施例中，不需要单独的电子导体466。
图8示出了根据本公开的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的附加示例性电池500。电池500包括阴极盒514和阳极杯518。阴极552被设置在阴极盒514中并且阳极556被设置在阳极杯518中。阴极552和阳极556通过电池500内的隔板560被电子地分开。阴极盒514和阳极杯518中的每者形成电池500的不同极，其中阴极盒514形成正极，并且阳极杯518形成负极。绝缘垫圈562将阴极盒514与阳极杯518电子隔离开，绝缘垫圈562防止阳极杯518的任意部分接触阴极盒514并且密封电池500以防止电解质损耗。电池500共享结合上文在图2A和图2B中所述的电池50所示的许多相同元件，并且因此，本文仅大体讨论区别。
如图8中所示，电池500包括第一间隔件564和第二间隔件564'。间隔件564可以包括围绕阴极盒514的分立区段或者连续周向层。类似地，间隔件564'可以包括连续层或者分立区段。间隔件564和564'被设置在阴极盒514和阳极杯518（对应于第一和第二电池极）和电子导体566之间。在电池500暴露于水溶液或者体液之后且在间隔件564和564'的电子绝缘材料溶解、软化和/或膨胀时，电子导体566能够朝向与阴极盒514和阳极杯518的接合被偏置，并且因此将阴极盒514和阳极杯518电子耦合。由于这些相互作用，在安全状况期间，诸如如果电池500已经被人或者宠物吞食，则电池500被短路并且消费者受到保护。
贯穿本说明书，多种实例可以实现描述为单个实例的部件或结构。在示例性构造中作为单独部件提出的结构和功能可以被实现为组合结构或部件。类似地，作为单个部件被提出的结构和功能可以被实现为单独的部件。这些和其他变型、修改、添加和改进落入本文主题的范围内。
如本文所所用的，对“一个实施例”或“一实施例”的任何提及意味着结合该实施例描述的具体元件、特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。在说明书中各处出现的术语“在一个实施例中”不必须均指同一实施例。
本文所描述的一些实施例使用术语“耦合”和/或“连接”。例如，通过使用术语“耦合”或者“连接”来描述一些实施例以便描述被示为直接物理接触或电子接触的两个或更多个元件。然而，术语“耦合”和“连接”也可以意味着两个或更多个元件没有彼此直接物理接触，但仍然彼此配合或相互作用。在此背景下，实施例不受限制。
如本文所使用的，术语“包括（comprise）”、“包括（comprising）”、“包含（include）”、“包含（including）”、“具有（has）”、“具有（haing）”或其任意其他变型旨在涵盖非排他性包括。例如，包括一系列元素的过程、方法、物品或设备不一定被限于仅这些元素，而是可以包括没有被明确列出或固有地存在于这种过程、方法、物品或设备的其它元素。除非有相反的明确说明，否则“或”指代的是包含性的或而不是排他性的或。例如，下列任一项均满足元素A或B：A存在并且B不存在，A不存在并且B存在，以及A和B两者均存在。
此外，“一（a）”或“一个（an）”的使用被用于描述本文的实施例的元件和部件。这样做仅是为了方便并且给出了本说明书的大体含义。这种描述和所附权利要求应该被认为是包括一个或至少一个，并且单个也包括多个，除非明显地表示其他含义。
该具体实施方式仅要解释为示例并且没有描述每种可能的实施例，因为描述每种可能的实施例即使不是不可能的也是不实际的。可以通过使用现有技术或本申请提交日之后开发的技术来实现大量的替代性实施例。

Claims (15)

1.一种具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，包括：
包括第一极和第二极的外壳、与所述第一极电子接触的至少一个电子导体、以及包括电子绝缘材料的间隔件，其中所述间隔件被提供在所述电子导体与所述第二极之间，使得防止在所述电子导体与所述第二极之间的电子接触，所述间隔件在存在水溶液的情况下能够经历物理变化，使得所述间隔件能够溶解、软化或膨胀，所述间隔件的抵抗力被减小至小于所述电子导体的偏置力，并且在所述电子导体与所述第二极之间能够发生电子耦合，其中：
在所述物理变化之后，电子耦合基于下述发生： (i) 所述电子导体与所述第二极之间的直接物理接触或 (ii) 经由设置在所述电子导体和所述第二极之间的一种或多种附加的中间电子传导材料在所述电子导体与所述第二极之间的间接物理接触，
其中，所述电子导体包括附接节段和接地节段，所述附接节段和所述接地节段中的每一个电子耦合至所述第一极，所述附接节段和所述接地节段中的每一个与所述第二极电子隔离，并且所述接地节段朝向与所述第二极的接合被偏置。
2.根据权利要求1所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述附接节段和所述接地节段是一体构造。
3.根据权利要求1所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述第二极是阳极杯。
4.根据权利要求1所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述第二极是阴极盒。
5.根据权利要求1所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述第一极是正极并且所述至少一个电子导体与所述正极电子接触，并且其中，在所述电池处于存在所述水溶液的情况下之后，所述电子导体适于与负极建立电子接触且因而将所述电池短路。
6.根据权利要求1所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述第一极是负极并且所述至少一个电子导体与所述负极电子接触，并且其中，在所述电池处于存在所述水溶液的情况下之后，所述电子导体适于与正极建立电子接触且因而将所述电池短路。
7.根据任一前述权利要求所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述电子导体包括金属、金属合金、导电聚合物、导电复合物或者其任意组合。
8.根据任一前述权利要求所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述电子绝缘材料包括至少一种水溶性材料。
9.根据任一前述权利要求所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述电子绝缘材料包括糖、聚醚、聚丙烯酸（PAA）、聚酰胺（PA）、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、改性聚乙烯醇、丙烯酸酯共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、普鲁兰、明胶、羧甲基纤维素（CMC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、聚乙烯氧化物、聚乙二醇、低粘度级羟丙基纤维素、多糖、天然聚合物、改性淀粉、上述的共聚物、其盐或其任意组合。
10.根据任一前述权利要求所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，所述间隔件包括至少一种水凝胶。
11.根据任一前述权利要求所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述间隔件包括NaHPO4、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、小苏打、糖、类糖物质、柠檬酸、其混合物及其任意组合。
12.根据任一前述权利要求所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述电子导体的电阻率是在20°C时小于20×10-5欧姆·厘米，在20°C时小于5×10-5欧姆·厘米或者在20°C时的大约0.5×10-5欧姆·厘米和20°C时的大约20×10-5欧姆·厘米之间；和/或所述电子绝缘材料的电阻大于0.5 兆欧、大于5 兆欧或大于500 兆欧。
13.根据任一前述权利要求所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述间隔件被设置在所述电子导体的悬置部分与所述第二极之间。
14.根据权利要求13所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述电子导体被附接到所述电池的阴极盒。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的具有适于防止组织损伤和/或电解的安全机构的电池，其中，所述电子导体与所述电池的阳极杯电子隔离开。
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