CN1208854C - 用于电化学电池的低矮型可通气密封件 - Google Patents
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Abstract
一种具有用于密封电池容器的开口端的低矮型密封组件的电化学电池。该密封组件包括一密封部件，该密封部件具有基本上覆盖该电池容器的开口端的表面积，且具有多个开口。密封部件邻靠该支撑部件设置，实现对电池容器的开口端的封闭。该密封部件具有薄膜，在该薄膜表面形成一槽，该槽作为应力集中部分。该槽邻靠支撑部件，使该槽邻近该支撑部件上形成的开口，且在其他位置由支撑部件进一步支撑。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种电化学电池，尤其涉及一种用于密封电池容器开口端的低矮型密封组件，当承受过度的压力时该密封件开孔通气。
背景技术
普通的碱性电化学电池通常包括有一般由钢制成的圆柱形罐，其具有正电极，称作阴极，通常包含作为活性材料的二氧化锰。该电化学电池还包括有负电极，称作阳极，通常包含作为活性材料的锌粉。阴极通常在钢罐的内表面上形成，而阳极通常居中地设于罐内。或者，在胶质卷状电池(jellyroll cell)中，阳极和阴极螺旋形缠绕。分隔件位于阳极和阴极之间，且碱性电解质溶液同时接触阳极、阴极和分隔件。传导电流收集器通常插入阳极活性材料中，而包含一密封部件的密封组件对电池钢罐的开口端提供密封，从而将活性电化学材料密封在罐的密封的容积内。
圆柱状碱性电池通常通过在电池的开口端附近形成的梗(bead)上放置环形尼龙密封件而封闭，然后将罐的上端向内卷，越过该密封件的外周边，而将该密封件压在该梗上。然而，电化学电池采用电化学活性材料，比如锌，在过度使用条件下的储存过程中和有时在使用过程中或使用之后产生氢。当容器罐密封后，在该密封的容器内积蓄的高压气体可能导致电池和/或使用该电池的装置损坏。
一种避免电池容器内压力潜在地过度积蓄的方案已经采用一种可再次密封的阀系统，该阀系统周期性地释放有效电池体积内的过度的气体压力。然而，在某些情况下周期性地和连续地释放气体压力可能使含有盐和其他颗粒的电解质泄露，这可能堵塞可再次密封的阀，而通常需要补充昂贵的部件。另一种避免压力过度积蓄的方案包括采用一种密封膜，当该膜承受过度的压力时通过刺破或膜自身的破裂而易于爆裂。可以使用刺破机构，比如尖钉状部件，以便一旦压力达到预定值就在薄膜上刺穿一个孔。或者，可以采用薄膜形式的破裂机构，当电池内部压力过大时它就破裂。用作通气机构的这种热成型薄膜的一个例子在名称为“用于一次电池通气的热成型薄膜部件”(THERMOFORMED FILM MEMBER VENT FOR GALVANIC CELLS)的美国专利US4581304中得到了公开。上述专利公开了热成型薄膜部件的使用，该部件盖住电化学电池内盖中的通气孔，使该热成型薄膜部件在高压力下破裂，而形成从密封的内部容积到周围大气的通气通道。
其他排放电池的过度压力的方案已经使用在电池的密封件上形成的通气孔，该密封件在经受电池内积蓄的过度压力时破裂。例如美国专利US5080985公开了一种在塑料孔眼密封件的顶部和底部表面上形成的槽，该槽设计成在非常高的压力下剪切打开。虽然现有的从电池中排放高压气体的方案已经能排放过度的压力，但许多现有技术的方案不能实现该密封部件所占用体积最优化，且其他的方案缺少精确的压力破裂机构。
发明内容
根据本发明，我们提供了一种具有压力释放机构的电化学电池，该机构占用最小的电池体积。当承受预期的破裂压力时，这样的压力释放机构也可有效地排放气体。
本发明改进了电化学电池的安全保护措施，该电化学电池具有增强了的低矮型密封组件，用于密封电化学电池容器的开口端，实现可控制的压力排放。为达到这一优点和其他优点，本发明提供了一种用于密封电化学电池容器的开口端的密封组件，一种具有低矮型密封组件的电化学电池，和一种组装具有低矮型密封组件的电化学电池的方法。该密封组件包含设于该电池容器的开口端而对该容器的开口端提供密封封闭的密封部件。该密封部件具有应力集中部分(stressconcentrator)，这包括在该密封部件表面上形成的槽。此外，该密封组件具有设于该容器的开口端且靠着该密封部件的支撑部件。支撑部件具有基本上覆盖电池容器的开口端的表面积，和至少一个形成在其内的开口。在密封部件上形成的槽邻靠支撑部件，使槽位于支撑部件上的至少一个开口附近，且在其他位置邻靠该支撑部件。该低矮型密封组件占用了最小的电池体积，且用作精确的压力释放机构。
本发明的电化学电池可以是任何形状或形式，这在本领域是公知的。然而，如今使用的大多数电池都是圆柱形，且这是本发明的优选电池形状。因此，本发明在此参照圆柱形电池进行描述。然而，应当理解本发明加以必要的变更可以应用到其他形状和构造的电池上。盛装电池的活性成分的罐最好由钢制成。
阴极最好由二氧化锰、石墨、氢氧化钾水溶液(其浓度可以变化，这在本领域是公知的，但最好约为45％w/v)和添加剂的混合物制成。阴极通常在罐的内表面周围形成。分隔件设于阴极的内表面周围，该分隔件可以是本领域公知的任何材料，但最好是非织造织物。阳极可以是任何本领域公知的成分，最好是由锌粉、胶凝剂和添加剂制成。阳极与电解质一起设于分隔件内部，且接触电流收集器，例如黄铜钉。
密封组件最好包含用于密封罐内的内容物而防止泄露的环形密封部件，和用于支撑该密封部件的密封支撑件。该密封支撑件最好由刚性材料制成，比如钢。该密封支撑件包括一个或多个通气开口，这些开口最好环形布置，且邻近该密封部件表面上的槽。
该密封部件最好具有在其顶面上形成的应力集中槽，当承受过度的压力差时其作为压力释放机构。该密封部件直接邻靠密封支撑件，且一应力集中槽或多个槽位于密封支撑件上的通气开口附近，以及最好是邻近该密封支撑件的非通气部分。该支撑部件最好构形成一个或多个通气开口的圆盘形状，例如两个或三个开口，在具有一个以上开口的情况下，这些开口最好等角度地互相间隔开。每一通气开口最好为具有邻近应力集中槽的有效弧形开口长度的菜豆形状。因此，该通气开口在应力集中槽附近形成开口通道，所以电池内积蓄的过度压力将应力集中在槽上。当有足够大的过度压力时，槽将在通气开口的中心附近破裂，即剪切，从而将压力释放到外部大气。密封支撑件的非通气部分形成对密封件的结构支撑，使密封件支撑在通气开口的径向外边缘和径向内边缘上，以及在邻近应力集中槽附近的特定位置处。应力集中槽最好居中地位于密封支撑件的通气开口之下，在通气开口的径向外边缘和径向内边缘之间中部。
在该槽处的密封部件的材料厚度最好约是紧接在槽附近的密封部件的材料厚度的一半。槽的宽度最好是在该槽处的密封部件材料厚度的0.2至1.2倍。该槽将设计成在将根据电化学电池的类型和尺寸而变化的压力下破裂，这在本领域是公知的。如果需要，该密封部件，或该密封部件的一部分可以涂敷材料比如沥青，这将抵抗电池内容物对密封部件的化学侵蚀。
该密封部件最好包括一位于所述槽附近的薄膜。该薄膜最好是厚度与所述支撑部件的开口宽度的比值在0.1至0.2的范围内。
附图说明
通过附图对本发明进行进一步的说明，其中：
图1是电化学电池的纵向剖面图，该电池具有一根据本发明的密封组件，该密封组件包括有在密封部件上整体形成的应力集中槽；
图2是根据本发明的密封组件的顶视图；
图3是图2所示的密封组件的分解图；以及
图4是密封组件沿图1的截面IV取的放大截面图，该图进一步示出了在该密封部件上形成的槽。
具体实施方式
参照图1，其中示出了碱性电化学电池10。电化学电池10包括具有闭合的底端14和开口的顶端16的圆柱形钢罐12。罐12的闭合的底端还包括正极盖，该盖以焊接或其他方式连接在底端，且由在其中心区域有一突出的突起18的板钢制成，该突起形成电池10的正极接触端子。组装到钢罐12的开口端16上的是盖和密封组件，外盖30形成电池10的负极接触端子。金属化的、塑料薄膜标签在除了钢罐12的端部之外的钢罐12的外表面上形成。薄膜标签20在正极盖的外周边缘上形成。
最好由二氧化锰、石墨、45％的氢氧化钠溶液和添加剂的混合物制成的阴极在钢罐12的内表面周围形成。最好是非织造织物制成的、防止该电池内的任何固体颗粒移动的分隔件24位于阴极22的内表面周围。最好由锌粉、凝胶剂和添加剂制成的阳极26与电解质一起设置在分隔件24内部，且与电流收集器接触，该电流收集器可以包括一黄铜钉。因此，阴极22构形成电池的正电极，且阳极26构形成电池的负电极。
电流收集器28接触形成电池10的负极接触端子的外部负极盖30。外部负极盖30最好由板钢制成，且可以通过压力接触或焊接而与电流收集器28保持接触。环形密封部件32设于钢罐12的开口端，以防止钢罐12内所装的电化学活性电池材料泄露。密封部件32直接接触支撑部件34，该支撑部件形成电池内盖，且最好由钢制成。密封部件32和支撑部件34一起形成密封组件，用于封闭罐12内的活性电化学材料。密封组件的组装包括将密封部件32设置于在罐10的内壁上径向向内形成的梗15之上，并减小在梗15上方的罐12的直径，使密封部件32压靠着支撑部件34。罐10的上端向内卷边，且越过密封部件32的外周边，将密封部件压靠在梗15上。还应当理解的是外部负极盖30通过密封部件32与钢罐12电绝缘。
支撑部件34用作内盖，以刚性地支撑密封部件32，且包括一个或多个通气开口，即穿过其表面形成的孔36。外部负极盖30也包括一或多个通气开口38，其用于使电池的非有效容积暴露于外部大气，该非有效容积在其中确定为由密封部件32和外盖30之间的容积。通气开口36和38用来将电池10内积蓄的压力排放到外部大气。外盖30、电流收集器28、密封部件32和内部支撑部件34一起形成了盖和密封组件，密封组件插入钢罐12的开口端16中，密封有效电池容积内的活性成分。
根据本发明，密封部件32具有在其上表面形成的圆形应力集中槽40，当承受过度的压差时，该槽起压力释放机构的作用。密封部件32直接邻靠支撑部件34，使应力集中槽40位于通气开口36以及支撑部件34的非通气部分附近。尤其是参照图2和3，支撑部件34构形成具有三个通气开口36的盘形，开口36等角度互相间隔开。支撑部件34上的通气开口36形成为具有邻近槽40的如参考字母L所示的有效弧形开口长度的菜豆形状。根据所示的构造，通气开口36在槽40附近形成开口通道，所以在电池10内积蓄的过度压力将在槽40上形成应力集中。当存在足够大的过度压力时，槽40将在通气开口36的中心附近破裂，即剪切，将压力释放到外部大气。支撑部件34的非通气部分给密封部件32提供结构支撑，使得密封部件32支撑在开口36的径向外边缘和径向内边缘上，以及在槽40附近的特定位置处。槽40最好局中地位于在开口36的径向外边缘和内边缘之间中部的开口36下方。
尤其是参照图3，密封部件32具有在其中心处形成的凸台46和在外周边缘处形成的垂直伸展壁42。密封部件32具有在凸台46和外周壁42之间形成的盘形薄膜44。槽40位于薄膜44上。支撑部件34直接座放在密封部件32的盘形薄膜44的顶面上，且包括在其中形成用于容纳凸台46的中心开口48。电流收集器28延伸穿过开口48和凸台46，实现了在凸台46和电流收集器28之间的密封接合。
参照图4，示出了应力集中槽40的放大视图，该槽直接邻靠支撑部件34的通气通道36。槽40最好具有一或两个在相邻壁之间形成的陡角。根据所示的实施例，槽40构形成环形通道，截面为矩形，在其底角处由连接平的水平底壁的垂直壁形成直角。通过形成尖角，例如90度，槽40有效地作为应力集中部分，在承受预定的压力差时在槽40的角处形成快速的剪切。槽40具有宽度Wg，而在支撑部件34上形成的通气开口36具有宽度Wc。槽40具有厚度Tg，该厚度最好约是紧接包围的密封材料的厚度Ts的一半。槽40最好具有在0.2-1.2范围内的Wg与Tg的比值(Wg/Tg)。通气开口36最好具有等于或大于1.0的弧长L与宽度Wc的比值(L/Wc)。此外，盘形薄膜44的厚度Ts与通气开口36的宽度Wc的比值最好在0.1-0.2范围内。当槽承受对于AAA型电池约10342135帕(1500(psi)磅/平方英寸)的压力差，对于AA型电池约6894757帕(1000(psi)磅/平方英寸)的压力差时，槽40适于破裂。
根据一个实施例，密封部件32由尼龙制成，比如ZYTEL101F，这可从E.I.duPont de Nemours and CO.，Inc.购得。密封部件32可以通过使用普通的模注工艺整体制成而包含槽40。应当理解的是虽然尼龙是优选材料，但可以使用其他的聚合物或其他密封材料。此外，密封部件32的底面可以涂敷一层沥青35，以防止由于电解质的存在而造成密封部件32的化学降解。
因此，本发明提供了一种密封组件，该组件具有直接邻靠支撑部件34的密封部件32，密封部件32具有应力集中槽40，槽40相对于所述支撑部件34上的开口36形成且定位，以形成当承受预定的压力差时将破裂的精确的破裂压力释放机构，该密封组件占用更小的体积，因此能使用更大量的活性电化学电池材料。
对于那些实践本发明的人和本领域的技术人员来说，应当理解可以对本发明作出各种改进和完善而不脱离所公开的构思的要旨。给予的保护范围是由权利要求和法所允许的解释宽度确定的。
Claims (24)
1.一种用于密封电化学电池容器的开口端的密封组件，所述密封组件包含：
位于所述容器的所述开口端而实现对该容器的开口端进行密封的封闭的密封部件，所述密封部件具有应力集中部分，该应力集中部分包含在所述密封部件的表面上形成的槽；以及
位于所述容器的所述开口端且邻靠所述密封部件的支撑部件，所述支撑部件具有覆盖该容器的大部分开口端的表面积，且具有至少一个在其中形成的开口，其中，所述槽邻靠所述支撑部件，使所述槽位于所述至少一个开口附近。
2.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述支撑部件在所述开口的径向外边缘和所述开口的径向内边缘上支撑所述密封件。
3.如权利要求2所述的密封组件，其特征在于，所述支撑部件还提供直接邻靠所述槽的一些部位的支撑。
4.如权利要求1至3中任一项所述的密封组件，其特征在于，所述槽居中地位于所述开口内。
5.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述支撑部件包含圆形内盖。
6.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封部件形成用于基本上圆形开口的密封件，且所述槽为基本上圆形的槽。
7.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封部件由尼龙组成。
8.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述支撑部件由金属组成。
9.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述槽包括在两相邻壁之间形成的拐角。
10.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述槽的宽度与厚度的比值在0.2至1.2范围内。
11.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，在支撑部件上形成的所述开口具有等于或大于1.0的长度与宽度的比值。
12.一种电化学电池，其包括：
具有封闭的底端和开口的顶端的容器；
设于所述容器内的正电极；
设于所述容器内的负电极；
设于所述正电极和所述负电极之间的分隔件；
设于所述容器内的电解质；
设于所述容器的开口顶端的密封部件，用于封闭所述容器的所述开口顶端，所述密封部件具有应力集中部分，该应力集中部分包括在其表面形成的槽；以及
设于所述容器的所述开口端且邻靠所述密封部件的表面的支撑部件，以便形成结构支撑，所述支撑部件具有基本上覆盖该容器的开口端的表面积，和在邻近所述密封部件上形成的所述槽附近的位置处具有在其内形成的至少一个开口。
13.如权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述支撑部件在所述开口的径向外边缘和所述开口的径向内边缘上支撑所述密封件。
14.如权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述支撑部件还提供直接邻靠所述槽的一些部位的支撑。
15.如权利要求12所述的密封组件，其特征在于，所述槽居中地位于所述开口内。
16.如权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述密封部件形成用于基本上圆形开口的密封件，且所述槽为基本上圆形的槽。
17.如权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述密封部件由尼龙组成。
18.如权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述密封部件由金属组成。
19.如权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述槽包括在两相邻壁之间形成的角。
20.如权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述槽具有在0.2至1.2范围内的宽度与厚度的比值。
21.如权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，在支撑部件上形成的所述开口具有等于或大于1.0的长度与宽度的比值。
22.一种组装电化学电池的方法，其包括的步骤如下：
提供具有封闭的底端和开口的顶端的容器；
将正电极设于所述容器内；
将负电极设于所述容器内；
将分隔件设在所述正电极和所述负电极之间；
将电解质设在所述容器内；
提供具有应力集中部分的薄膜的密封部件，该应力集中部分为在其表面上形成的槽；
将所述密封部件设在所述容器的开口顶端，以封闭所述容器的所述开口顶端；以及
将支撑部件设在所述容器的所述开口顶端，且邻靠所述密封部件的表面，以便形成结构支撑，所述支撑部件具有基本上覆盖该容器的开口端的表面积，且在邻近所述密封部件上形成的所述槽附近的位置处具有在其内形成的至少一个开口。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，其还包括步骤：将在所述开口顶端处的所述容器的周向边缘卷曲到位于所述支撑部件之上的外盖上。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，其还包括步骤：将收集器穿过在所述密封部件上形成的孔，所述密封部件形成邻靠所述收集器的密封件。
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