CN1252171A - 电化学电池的断流器 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池的断流器。热致动断流器(38)集成在电化学电池的端盖组件(10)中。热敏感机构(38)最好包括自由浮动的双金属盘(40)或形状记忆合金元件,暴露在高温下时会变形中断端盖组件中的电路。阻止电流流过电池和有效地关闭工作电池。端盖组件还可包括压力敏感装置(48),在压力过分积累时可断开。气体可通过端盖组件中的排气孔(63,67)从电池内部逸到外界环境。

Description

电化学电池的断流器
本发明涉及电化学电池的热敏感的断流器，其可在电池温度过份增加时防止电流通过电池。本发明也涉及压力敏感的断流器，在其中有过份的压力时可安全地关掉电池。
电化学电池，特别是高能密度电池，例如用锂作为激活材料的那些电池，易遭受泄漏或破损，而它们又引起由电池供电设备的损坏或周围环境的破坏。在可再充电电池的情况下，电池内部温度的升高可能是过充电的结果，不希望有的温度升高经常伴随有内部气体压力的相应升高。这种现象可能发生在外部短路情况下。希望的是，安全装置与电池组合时不会引起电池的成本、尺寸或重量的过度增加。
这种电池，特别是使用锂作为激活材料的可再充电电池，易于遭受泄漏或电池内部温度升高引起的损坏，它时常又伴随有压力的相应增加。引起这种现象的原因可能是使用不当，例如过充电或线路短路。同样重要的是电池应是密封的以防止电解液溢出和外界水份渗入。
如上所述，如果这种电池过充电，会出现自热现象。以过快的速度充电或过充电会导致温度升高。当温度超过某一点，此点随电池的化学和结构而变化，就会开始不希望的和不可控的热失控情况。此外，由于过热、内压积累，电解液可能突然由电池溢出。最好在这种现象发生前开始控制地排气。
普通的电池设计使用了端帽接头，当电池的阳极和阴极激活材料及适当的隔离材料和电解液装入圆筒壳体后，端帽接头插入圆筒壳体内。端帽与阳极或阴极材料之一电接触，以及端帽的暴露部分形成了电池的端子之一。电池壳体的一部分形成了另一个端子。
本发明具有一个或多个断流器机构，集成在单端帽组件内，它可成功地用于一次或二次(可再充电的)电池，例如，将端帽组件插入电池壳体的开口端。本发明的端帽组件特别适用于可再充电电池，例如，锂-离子以及镍金属氢化物、镍镉、或其他可再充电电池以克服电池高温暴露、过度或不正确充电或放电，或短路时电池过热和压力积累的危险。
在一个实施例中，本发明提供了一种电化学电池用的端帽组件，这种端帽组件具有集成在其内的热敏感断流机构，当电池内部的过热超过预定温度时，它启动以切断及防止电流通过电池。端帽组件具有暴露的端帽板作为电池的端子。当端帽组件使用于电池和电池正常工作时，端帽板与电池的电极(阳极或阴极)电连接。集成在端帽组件内的热启动断流机构具有双金属元件，当它暴露于超过预定值的温度时产生偏转。双金属元件的偏转推动活动的金属元件以隔断电池的一个电极与端帽端子板之间的电连接从而防止了电流通过电池。可替换的是，在本发明的另一实施例中可使用热敏感球来代替双金属元件。如果电池的温度超过预定值，则热敏感球熔化，引起其上的金属支撑元件足够的偏转以切断电池的一个电极与端帽的端子板之间的电通道。在本发明的另一实施例中，热敏感断流机构具有集成在端帽组件内的形状记忆合金元件。在电池正常工作时，形状记忆元件提供了端帽板和一个电池电极之间的一部分电通道，使电流能通过电池。当电池的温度达到预定值时，形状记忆元件偏转使电通道中断和立即切断通过电池的电流。除热敏感断流机构外，还可在端盖组件中可整体设有一可断裂板或隔板。当电池中压力超过一预定值，板或隔板断裂，允许气体从电池中逸到外界环境中。
在另一实施例中，本发明提供了一种电池，特别是可再充电的电池用的端帽组件，其中端帽集成两个断流机构，一个为热敏感的和另一个为压力敏感的。该热敏感断流机构最好使用双金属元件、形状记忆元件或热敏感可熔化球，当电池内部的过热超过预定温度时，它们启动断流器和防止电流通过电池流动。当电池内的气体压力积累超过预定值时，压力敏感机构启动以切断电流。在这种情况下，压力断流机构可以引起端帽组件内的金属膜片偏转从而切断电端帽端子板和电池电极之间的电连接，从而防止了电流通过电池。在气体压力积累极高的情况下，金属膜片也会破损使气体流入端帽组件的内舱室和通过一系列通气孔排放到外部环境。
本发明的另一实施例提供了本发明的端帽组件用的密封机构。该密封机构防止了电解液、液体或气体由端帽内部漏到外部环境和防止了水份入电池。
参见下列附图对本发明的特点将会更好理解，附图中：
图1，2和3为通过图6的端帽组件的视线1-1切取的垂直横剖面图。
图1示出电路连接模式的热启动的断流机构和压力启动的断流机构。
图2示出电路中断模式的热启动的断流机构。
图3示出压力启动的，电路中断模式的压力启动的断流机构。
图4为另一实施例的端帽组件的垂直剖面图，它具有集成在其中的压力启动断流机构和热启动断流机构，其热能元件变软以释放弹性元件以开启电路。
图5为图1或图9实施例所示本发明的端帽组件各部件的展开透视图。
图6为端帽组件底部的透视图，示出抗压力板及其中的通气孔。
图7为本发明的端帽组件透视图，示出插入电池圆筒形壳体的开口端。
图8为完成的带有本发明端帽组件的电池的透视图，它插入电池圆筒形壳体的开口端，上述组件的端帽板组成了电池的端子。
图9为垂直横剖面图，示出电路连接模式的使用形状记忆元件的热启动断流机构和压力启动断流机构。
图10为垂直横剖面图，示出电路中断模式的使用形状记忆元件的热启动断流机构。
本发明的端帽组件10(图1)可使用于一次或二次(可再充电的)电池。在一个最佳实施例中端帽组件插入电池典型的圆筒形壳体90(图7)内。电池具有正电极(放电阴极)、负电极(放电阳极)、隔离器和电解液以及分别与正电极和负电极电连接的正极和负极外端子。
现在参见图1，端帽组件10用于插入电池壳体的开口端，该端盖组件有热启动的断流器子组件38和在其内集成的压力释放子组件48。子组件38和48被一个公共的支承板60隔离开。子组件38和48被保持在限定了端帽组件10的外壁的盖子30内。断流器子组件38在其顶端被杯形端帽板20限定和在其底端被焊接在支承板60上的接触板15限定。杯形的端帽板20构成电池的一个外端子。支承板60将内部设有热启动子组件38的舱室68与内部设有压力释放子组件48的舱室78隔离开。接触板15与支承板60电连接，而当端帽组件10装入电池时支承板60又与电池的一个电极(阳极或阴极)电连接。热敏感电路断流器机构(40，50)的设置完成了接触板15和端帽20之间的电路。如果电池内的温度超过预定的门槛值，断流器机构启动以断掉端帽20和接触板15之间的电接触，从而防止电流通过电池流动。
压力释放子组件48具有薄的金属膜片70与抗压力板80连接，而抗压力板80借助焊接在其上的导电片87与电池电极88电连接[抗压力板为导电的和具有足够的厚度，它在较高的压力至少至约600磅/英寸2(4.14×106帕斯卡)没有实质上变形]。如果电池内的气体压力积累超过预定的门槛值，膜片70向外凸起切断与抗压力板80的电接触，从而防止电流通过电池。抗压力板80和支承板60最好也具有通孔73和63以帮助通气和释放电池内积累的压力。
在图1所示最佳实施例中，端帽组件10可以用于可再充电的电池，例如锂-离子可再充电的电池。(锂-离子可再充电的电池的特点是电池放电时锂离子由负电极向正电极转移以及电池充电时锂离子由正电极向负电极转移)。它典型地具有锂钴氧化物(LixCoO2)或锂镍氧化物(LiNixO2)或钴取代的锂镍氧化物(LiCOxNiyO2)或尖晶石晶体结构的锂镁氧化物(LixMn2O4)正电极和一个负电极。负电极组成放电时电池的阳极和充电时电池的阴极。这种电池的电解液可以是溶解于非水溶剂混合物内的锂盐。盐可以是LiPF6和溶剂最好包括二甲基碳酸盐(DMC)、碳酸亚乙酯(EC)、丙烯基碳酸盐(PC)以及它们的混合物。本发明也适用于其他可再充电的电池，例如，镍金属氢化物电池和镍镉电池。端帽组件10具有端帽端子20，它典型地为可再充电的电池的正端子；金属支承板60，它组成了帽板20下面的支承座；和位于帽板20和支承板60之间的绝缘子盘35。端帽组件10最好设置了如图1所示支承板60下面的压力释放膜片70。膜片70可以焊接至下层的抗压力板80上。将膜片70的基面焊接到抗压力板80的凸起部分82上就可方便地实现上述焊接。膜片70应由导电材料制成和其厚度根据膜片的启动压力为约0.1至0.5毫米之间。膜片70希望由铝制成。膜片70最好压纹使其在预定的压力断掉。这就是说，膜片的表面可以冲压或蚀刻出纹路，使一部分的厚度小于其余部分。本发明使用的最佳膜片70在其表面压出“C”形半圆槽70a。槽的形状最好与膜片70周边主要部分的形状相同或相似和最好位于周边附近。产生通气的特定压力是可控的，可根据槽的深度、位置或形状以及材料的硬度等参数改变。当压力过火时膜片沿槽线断开。端帽20和支承板60限定它们之间的舱室68，其中设置热启动断流器子组件38。绝缘子盘35由周边基部35a和其下斜臂35b组成。下斜臂35b延伸进入膜片70的舱室68。膜片70的设计为当电池内的气体积累达到预定的门槛值时膜片破损。支承板60和膜片70之间的中间区形成了舱室78，在膜片70破裂时电池内积累的气体可以排出。
断流器子组件38具有热敏感双金属盘40，和金属接触板15，它与弹性的弹簧状元件50电接触。弹性元件50可以由单独的柔性元件组成，它具有外圆周边部分50a，由它径向向内延出盘保持片部分50c用以在电池的任何方位将双金属盘40自由保持在位，而不限制其快速移动作用。该元件可以在外周边部分50a的一点上焊接到端帽板20，中心接触部分50b与板15接触。此外，接触部分50b可以设计成具有减小的横截面，这样它就可以起到可断保险丝的作用以保护功率巨增的情况。双金属盘40处于与下斜臂35自由啮合位置。该臂为双金属盘40的支座。双金属盘40也最好具有中心孔用以接受金属接触板15的凸起的接触部分。接触板15最好焊接到支承板60上，以便为弹性元件50提供一个支持表面，如图1所示。还有一个电绝缘垫圈25通过端帽20的周边和沿膜片70的底周边延伸。如图1所示，垫圈25还与子组件38的外边邻接。还可以有一个金属环55用以卷边在垫圈25的顶边和顶住膜片70以密封端帽组件的内部部件。垫圈25使端帽20与卷边环55绝缘和形成支承板60和卷边环55之间的密封。端帽组件10的盖子30可由图5所示卷边圆筒件制成。在完成的电池组件内(图8)盖子30的外表面与电池壳体90的内表面接触。支承板60为子组件38的部件提供支持的基座，它最好为弓形以保持对垫圈25内表面的有效径向压缩力。支承板60可在其表面设置通孔63用于当膜片70破损时向上舱室68通气。进入上舱室68的气体通过端帽20内的初次通气孔67排放到外部环境。端帽组件的盖子30与电池壳体90接触，而电池壳体与相反的端子接触，在锂-离子可再充电的电池情况下，典型地与负极端子接触。因此，垫圈25提供了端帽20和外壁30之间的电绝缘，即电池的两个端子之间的电绝缘，从而防止了电池的短路。如图1所示，还可以有一个补充的绝缘环，即外壁30的顶部和压力板80之间的绝缘子托环42，这也是为了保证在电池的正端子和负端子之间没有短路。
膜片70最好为杯形，由铝制成，其厚度最好在约3和10密耳(mil)之间。在此种厚度当电池的内气体压力上升到至少在约100磅/英寸2和200磅/英寸2之间(6.894×105和13.89×105帕斯卡)时，膜片基部72和支承板80之间的焊缝破损以及膜片基部72凸起和与支承板80分离(图3)。(这种压力积累可以发生在以下情况，例如，如果电池在高于建议的电压充电或者电池短路或使用不当)然而，如果膜片基部72的厚度希望能方便地调节至在其他压力水平凸起，膜片基部72与支承板80脱离会断开膜片70和支承板80之间的全部电接触。这种脱离也断开了端帽20和电池电极88之间的电通道与支承板80的接触，从而使电流不能流入和流出电池，有效地关闭电池。甚至在电流通道被切断后，如果电池内的压力由于其他原因继续上升，例如，在炉内加热，通气膜片70也会优先在压力至少250和400磅/英寸2(17.2×105×27.6×105帕斯卡)破损以防止电池爆裂。在这种极端的情况下，膜片70的破损可使气体通过抗压力板80的通气孔73(图1和6)由电池内部排出，而气体由其进入下舱室78(图1)。然后气体通过支承板60的通气孔63(图1)和绝缘盘35的通气孔(如果需要，图中未示出)由下舱室78进入上舱室68。收集在上舱室68内的气体通过端帽板20内的初次通气孔67排放至外部环境。
本发明断流器的特点可以结合图1～3说明。应该注意，在所示的专门的实施例中，电池的一个电极在端帽组件10装入电池时通过搭接片87与支承板80接触。在电池正常工作时支承板80与端帽板20电接触。在锂-离子电池内电极88与支承板80接触，后者可以方便地作为正电极。该电极与电池壳体90绝缘。负电极(图中未示出)与电池壳体90连接。图1的实施例示出在热断流器双金属盘40或压力释放膜片70启动引起电流中断前的端帽组件的形状。在图1所示的这个专门的实施例中，支承板80与膜片70电接触，而膜片70与支承板60电接触。支承板60与接触板15电接触，而后者又与弹性元件50电接触，弹性元件50又与端帽20电接触。在图1所示本发明的集成化端帽设计中，电极88之间的电接触与压力板80和端帽20的接触有两种途径可以中断，如上所述，如果电池内的压力积累达到预定的门槛值，在膜片基部72凸起离开压力板80时，膜片70和压力板80之间的接触中断。这种电路中断防止了电流流入和流出电池。另一方面，如果电池过热，热断流子组件38的双金属盘40致动和这样一来双金属盘向上推进离开绝缘子35b，从而引起弹性元件50与接触板15脱开。这样就切断了电接搭接片80和端帽20之间的电通道，从而防止了电流流入和流出电池。本发明的一个优点是将此两种断流机构结合在单独的端帽组件10内，它可以作为单件插入电池的开口端。
双金属盘40最好不要使用机械方法固定到绝缘子盘35的下面，而是可自由活动，即如图1所示，处于盘臂35b上自由浮起状态。按照这种设计，任何时间，无论电池充电或放电时，均无电流通过双金属盘40。这是因为双金属盘40未启动时与接触板15没有电接触。然而，一旦电池过热超出预定的门槛温度，双金属盘40设计的正确校正作用使其速动或变形(图2)以推进弹性元件50脱离接触板15，从而防止了电池端子之间的电流流动。双金属盘40是这样校正的，使它具有预定的碟形，使达到给定的门槛温度值时盘被启动。上述双金属盘40在绝缘子盘臂35b上自由浮起的设计使任何时间，无论电池充电或放电时，均不允许电流从它通过。这关就使得双金属盘40的校正易于进行而精确，因为这里没有由于电流通过双金属板盘40时引起的发热效应(I2R加热)。双金属盘40很容易由两层具有不同热膨胀系数的异种金属组成。双金属盘40的顶层(最接近端帽20的层)为高热膨胀金属，最好为镍-铬-铁合金以及下层或底层为低热膨胀合金，最好为镍-铁合金。在该实施例中，当温度上升到至少约60至75℃时双金属盘40启动引起足够的变形以推进弹性元件50脱离与接触板15的接触。也有可能这样选择高、低热膨胀金属层，使盘40除了在温度低于-20℃外不需重调，在大多情况下它使装置成为单作用恒温装置。
上述部件使用的优选材料如下：端帽20最好用不锈钢或镀镍钢制成，厚度在约8至15密耳(0.2至0.375毫米)之间，以保证适当的支承、强度和耐腐蚀性。端帽组件10的外壁30也最好用不锈钢或镀镍钢制成，厚度在约8至15密耳(0.2至0.375毫米)之间。压力板80最好由铝制成，厚度在约10至20密耳(0.25至0.5毫米)之间，在中部与膜片基部72焊接接触点处的厚度可减少至约2至5密耳(0.05至0.125毫米)之间。绝缘子托环42可以用高温热塑性材料如高温聚酯树脂制成，以满足强度和耐火性，可使用的商品为General Electric PlasticsCompany供应的VALOX。卷边环55最好用不锈钢或镀镍钢制成，厚度在8至15密耳(0.2至0.375毫米)以满足强度和耐腐蚀性。膜片70最好用铝制造，厚度在约3至10密耳(0.075至0.25毫米)之间。当内部气体压力超过门槛压力值约100和250磅/英寸2，(6.89×105和17.2×105帕斯卡)时，这种厚度的膜片断裂，脱离开压力板80的焊缝。一旦内部气体压力超过约250和400磅/英寸2(17.2×105和27.6×105帕斯卡)时eT，膜片70破损以补充释放气体压力积累。放置双金属盘40的绝缘子盘35最好用高压缩强度、高热稳定性和低成型收缩率的材料制造。制造盘35的适宜材料为液晶聚合物等，厚度在约10和30密耳(0.25和0.75毫米)之间，商品为Celanese Co.供应的VECTRA。支承板60最好用不锈钢或镀镍钢制造，以满足适当的强度和耐腐蚀性，厚度在约10和30密耳(0.25和0.75毫米)之间。弹性元件50最好用铍、铜、镍-铜合金、不锈钢等制造，这些材料具有优良的弹性作用和非常好的电导性。用铍-铜和镍-铜合金制成的弹性元件50的适当厚度在约3和8密耳(0.075和0.2毫米)之间以获得足够的强度和载流能力。这种材料可以是在接触区镀银或金或包层的以保证该区的低电阻。接触板15最好用镀金或银等精密金属的冷轧钢板制造以降低接触电阻和改善可靠性。它也可用镍-铜包复合金、不锈钢或镀镍钢制造。绝缘垫圈25典型地是用聚合物材料如尼龙或聚丙烯制成。围绕端帽组件部件的密封件应是气密的，以保证液态或气态的电解液不能进入端帽的舱室或由电池渗出。
端帽组件10完成后可以插入图7所示圆筒形电池壳体90的开口端95内。电池壳体90开口端处的周边焊接到端帽组件10的盖子30的外壁上，以保证端帽组件10与电池壳体90之间的气密性密封。卷边环55的周边壁顶住绝缘热圈25和膜片70的径向压力造成了围绕端帽组件10内部部件的气密性密封。
在端帽设计的一个代替的实施例中，压力释放机构和热启动断流机构均集成在图4所示的端帽组件110内。图4所示实施例与图1～3所述类似，不同的是不使用双金属盘启动弹簧机构，而代之以热球175以保证保持弹性的弹簧元件150与接触板115接触。接触板115依次与端帽板20电接触。弹性元件150可以具有延长的金属壁150a，它焊接在支承板60的一端上。支承板60与膜片70电接触，而膜片70焊接在下面的抗压力板80的升起部分82上。电极搭接片87与板80电接触。弹性元件150最好将其相对端的端头制成杯形或凸面形与接触板115接触。在支承板60的周边60a上面有一个绝缘盘120以防止支承板60与接触板115之间的直接接触。因此，当弹性元件150保持压紧接触板115时支承板60与端帽20之间有电接触。支承板60依次与铝膜片70电接触，当端帽组件10使用于电池时(端帽组件10可以插入圆筒形壳体90的开口端内，方式如图1所示实施例所述)铝膜片70通过搭接片87与板80和电池的电极88接触。因此，当弹性元件150借助热球175压紧接触板115时，在电池的电极88和端帽板20之间(通过搭接片87)有电接触，允许电池正常工作。如果电池过热超过预定的门槛温度，热球175熔化，从而撤除了对弹性元件150的支承。热球175的熔化引起弹性元件150向下速动和中断了与接触板115的接触，这样一来切断一电接搭接片87和端帽20之间的电通道，切断电流流入和流出电池。如果在电池内的内部气体压力超过预定值，膜片70将破损，从而中断了板80与膜片70之间的电接触，它也使气体通过支承板60和端帽内相应的通气孔63和67排放到外部环境中。
图4所示实施例中端帽20、支承板60、接触板115和铝膜片70用的优选材料与图1～3所示具有相同标号的相应元件的相同。接触板115最好用不锈钢或镀镍冷轧钢板制成，镀有银或金以降低电阻。图4所示绝缘子盘120最好用具有优异介电性能的高温热塑性材料制造。盘120用的优选材料可以是聚酰胺(商业名称为KAPTON，由EI.DuPontCo.供应)，或高温聚酯(商业名称为VALOX，由General Electric PlasticsCo.供应)。弹性元件150最好用铍-铜合金制造，厚度在约5和10密耳(0.125和0.25毫米)之间，以保证与板115接触时良好的导电性以及顶住宅的热球175的压力消除后可靠的弹簧作用。此外，弹性臂150可以镀银或金以增加导电性。热球175最好用低熔点聚合物制造，即其熔点在约65℃和100℃之间，但仍有优异的压缩强度以便在电池正常工作时将弹性臂150保持在原位。热球175适宜的材料为聚乙烯蜡，商业名称为POLYWAX，由Petrolyte Co.供应。这种聚乙烯蜡的热球在75℃和80℃之间希望的温度范围内熔化。
图9和10示出另一实施例，该实施例与图1，2所示同样用途的实施例实质上相同，其不同之处是热敏感断流机构具有形状记忆合金元件45代替双金属盘40和弹簧50。形状记忆合金是这样一种合金，它从塑性变形金属被加热引起的固态相变恢复至原始的形状。形状记忆响应在强烈的两相结晶学关系中进行，即低温稳定的马氏体相和高温稳定的奥氏体相。当合金保持在位和加热时需记忆的形状在奥氏体相成型，以及合金冷却时材料转变为马氏体结构。在使用中当形状记忆合金加热时它恢复至奥氏体相时记忆的形状。上述用途的形状记忆合金有商品供应，例如由Special Metals Corp.of New Harford，N.Y.供应。
形状记忆合金元件45(图9)是导电的和最好具有与弹簧50相同的形状(图1)。因此它可能希望制成单独的局部空心盘，例如，具有不连续表面，即带孔45f表面(图5)的盘。盘45具有外边45a(图5)和由周边45a向内凸入空心部分，即上述孔内的柔性部分45b。柔性部分45b最好如图9所示在其表面上预成型出轻微弯度45e这样使其端子端45c平顶住接触板15以完成正电极87和端帽20之间的电通道。柔性部分45b的厚度小于其长度。柔性部分45b的厚度希望小于1毫米，最好在0.2和0.5毫米之间。柔性部分45b在端帽组件10内水平取向，如图9所示，这样通过元件45b的电流通道至少实质上处于厚度方向和最好实质上通过元件45b的全部电流通道处于厚度方向上。如果电池的内部温度由于任何原因变得太高，即发生了失控的放热反应，则形状记忆合金元件45将弯折和变平，从而断开与接触板15的接触。在使用可再充电的电池时，特别是锂-离子电池，形状记忆合金元件45可以由制造商预变形至可在希望的温度60℃和120℃之间弯折。当达到这样的温度时形状记忆合金元件45立即弯折以切断电流和关闭电池，从而防止了可导致热流溢的放热反应。
在这样温度启动的希望的形状记忆合金可在已知的形状记忆合金中组选择，例如，镍-钛(Ni-Ti)、铜-锌-铝(Cu-Zn-Al)和铜-铝-镍(Cu-Al-Ni)。然而，业已确定，形状记忆元件45使用的最希望的合金为上述电化学电池的断流器用的镍-钛合金。优选的镍-钛形状记忆合金的商业名称为NITINOL，由Special Metals Corp.供应。形状记忆元件45可以是可再调合金，即在加热时变形，但在冷却时不需要施加外力即可恢复至原始的形状。然而，本申请的形状记忆元件45不需要再调，即加热至启动温度时为不可逆变形。由优选合金NITINOL制的形的记忆元件45制成这样的，一旦启动它是不可再调的。优选的NITINOL合金的记忆元件45可以方便地制成具有圆周边的单件(图5)，由它向内伸出柔性部分。柔性部分可以方便地制成矩形和具有外边部分45d和被弯部45分离的内部45c。当达到预定致动温度，最好在约60℃和120℃之间的温度，形状记忆元件45沿弯部45e弯折，元件45b偏转离开与接触板15的接触，如图10所示，从而切断电池内的电流。为了达到这种启动效应，已确定出NITINOL合金元件45的厚度最好在0.2和0.5毫米范围内，其表面面积的选择是使该元件的电阻小于约5毫欧。上述记忆元件45的希望的形状是空心盘形，具有圆外边45a，希望由它向内伸出柔性部分45b，这样可减少厚度和具有良好的接触面积以减少元件45的总电阻。形状记忆元件45希望具有变形应变不大于8％。此外，45c和45d两部分之间的角度希望在约10°和30°之间。这样当达到启动温度时可使记忆元件45b偏转离开接触板15和变平。在使用于锂-离子电池的情况下，记忆元件45的上述优选设计可获得小于5毫欧的总电阻，依次它又可使电池连续工作时的漏电小于5安。虽然柔性部分45b希望为矩形，其他形状也可使用，例如，柔性部分45具有某些锥度，使45b部分的平均宽度小于45d部分的平均宽度。在优选的设计中记忆元件45的底面可以是平坦的，即没有伸出的脚部和凸部。
记忆元件45的优点是要求较少的部件，因为与双金属盘结合的弹簧50可以取消。因此记忆元件45制成具有热敏感启动性能和在此种启动时似弹簧弯曲的双重性能的单独元件。还有记忆元件45单位重量的弹力也比双金属盘40大。这种性能便将记忆元件45特别适合用于小型电池，例如AAA尺寸电池或棱柱形可再充电的电池。在这种情况下，电池的直径或宽度小于AAA尺寸电池的宽度，其宽度小于约10.0毫米，可破损压力膜片70也可以取消，因为端帽组件10内空间太小。在此种用途中记忆元件45以及上述用于端帽组件10的优选结构设计仍可以使用，但支承板60和膜片70可以合并为单独的元件，其支承板的形状和取向示于图9。在此设计中，下舱室78和通气孔63应取消。接触板15也可任选，因为形状记忆元件45b可以与板60直接电接触，该板起到接触板的作用。
在一个最佳实施例中端帽组件装有记忆合金元件45，它还具有按图3所示方式启动的压力敏感膜片70，当电池内的压力达到预定的水平时，切断正电极87和端帽板20之间的电通道。如同前述，参见图1～3的实施例，压力膜片70(图9和10)也可以具有沟槽63，它的设计是当电池内的压力超过预定的水平时它会破损使气体通过。如果电池内的压力积累剧增，则膜片70的中心部分也会破损，使由电池内部排放气体的面积增大。
图5为图1和9所示端帽组件10的放大图。端帽组件10是由图5所示的部件装配而成，其顺序如下：参见图1所示实施例的结构，预组件是由部件20、50、40、35、15、60、70、25和55组成。参见图9所示实施例，预组件是由部件20、45、35、15、60、70、25和55组成。
图1所示预组件可以方便地完成，首先将塑料垫圈25插入卷边环55内，随后将通气膜片70插入垫圈25内和随后将支承板60与其上焊接的接触板15一起插入到通气膜片70内。这时绝缘子盘35放置在接触板15周围和双金属盘40放置在绝缘子盘35的外斜臂35b上。双金属盘40不与绝缘子盘35结合，但呈自由浮起状态放在其上，而绝缘子盘有助于双金属盘的定位。弹性的弹簧元件50的外端顶面焊接在端帽20的周边上。焊接上弹性元件50端帽20放在绝缘子盘35的上面，使接触板15凸起的中部与弹性元件50的内端接触以及弹性元件50外端的底面与绝缘子盘35的周边接触，这样一来，弹性元件50的外端楔入端帽20和绝缘子盘35之间和元件50的相对端或内端与接触板15接触。
图9所示实施例的预组件的结构方式类似，不同的是双金属盘40被取消和使用形状记忆元件45代替了弹性元件50。这样一来，图9所示实施例的预组件可以方便地完成，首先将塑料垫圈25插入卷边环55，随后将通气膜片70插入垫圈25和随后将支承板60与其上焊接的接触板15一起插入到通气膜片70内。记忆元件45随后被焊接到端帽20的周边上。其上焊接有记忆元件45的端帽20随后放置在绝缘子盘35的上面，使接触板15凸起的中部与记忆元件45的内端接触以及记忆元件外端的底面与绝缘子盘35的周边接触。这样一来，记忆元件45的外端楔入端帽20和绝缘子盘35之间以及记忆元件45的相对端或内端与接触板15接触。
参见图1或图9任一实施例的结构，环55是随后用机构法卷边在垫圈25的顶边上，以保持垫圈25的顶端紧压在端帽20的周边上。这种卷边是沿环55的形心(垂直)轴施加机械力实现的。然后在第二约束阶段，径向对卷边环55的壁施加机械压力，从而完成预组件的装配。该径向卷边保持顶组件的内部部件在环55内的紧密性和气密性。随后将预组件插入金属盖子30内使卷边环55的底面顶住盖子30的底内边。之后将卷边环55的底面焊接到盖子30的底内边上。随后将压力板80速推入绝缘子托环42的底部以及将托环42与其上所附压力板80一起放置在顶住盖子30的外底面位置，从压力板80的凸起的中部与通气膜片70接触。压力板80和膜片70之间的该接触点随后点焊从而完成端帽组件10的结构。端帽组件10可以使用于电池，例如，插入如图7所示电池的圆筒形壳体90的开口端和将盖子30的外表面焊接到圆筒形壳体90开口端95处的内表面上。这产生了电池100(示于图8)，其端帽组件10紧密地密封在圆筒形壳体内以及端帽板20形成电池的端子。
虽然本发明借助某些最佳实施例作了说明，但本发明不应局限于这些专门的实施例，而应结合下列权利要求书和类似内容来限定。

Claims (28)

1.一种用在电化学电池中的端盖组件，电化学电池具有一正电极及一负电极，所述的端盖组件包括一外壳，一个在外壳中的腔室，和一块暴露的端盖板，所述的板起着电池的一个电极的作用，所述的端盖组件具有一通电的通路，使得在所述的端盖组件用于一电池时，所述的端盖板可与电池的一电极电连接，所述的端盖组件还包括：a.用来防止电流通过所述的电流通路的热敏感装置，其中所述的热敏感装置包括一形状记忆合金元件，在所述的端盖组件中的温度达到预定水平时，所述的记忆合金元件会致动使所述的电流通路切断；b.一压力敏感装置，包括位于所述的端盖组件中与所述的端盖板相对的另一端的可断裂元件，当与所述的端盖板最远的一侧的气体压力达到预定水平时所述的可断裂元件断裂使在所述的元件中的断裂允许气体通过。
2.按照权利要求1的端盖组件，其特征在于所述的形状记忆合金包括一个镍-钛合金。
3.按照权利要求1的端盖组件，其特征在于所述的电池有一圆筒形的壳体，所述的端盖组件插入所述的圆筒形壳体的开口端，并且焊到壳体上而固定在所述的电池上。
4.按照权利要求1的端盖组件，其特征在于所述的热敏感装置包括一个腔室，设在所述的端盖组件中，所述的形状记忆合金元件形成所述的电通路的一部分，当所述的组件中电池的温度达到一预定值，所述的形状记忆合件元件变形使所述的通路切断。
5.按照权利要求4所述的端盖组件，其特征在于所述的形状记忆合金元件包括一单块结构的柔性元件，它具有一弯表面，当所述的组件中电池的温度达到一预定值，所述的记忆合金元件变形使所述的电通路切断。
6.按照权利要求4的端盖组件，其特征在于所述的形状记忆合金元件包括一带孔的盘，所述的盘具有外缘，一柔性部分从所述的外缘的一部分突入所述的孔中，所述的外缘靠在设在所述的端盖组件中的一绝缘元件的表面上，所述的柔性部分有一弯表面，当所述的组件中电池的温度达到预定值时，所述的弯表面变形使所述的电通路切断。
7.按照权利要求6的端盖组件，其特征在于所述的形状记忆元件的所述的外缘夹在所述的端盖板的一部分和所述的电绝缘元件的一部分之间，和所述的端盖组件包括一接触板，形成所述的电通路的一部分，所述的形状记忆元件与所述的接触板电接触。
8.按照权利要求1的端盖组件，其特征在于还包括一隔离元件，设成跨过所述的端盖组件的内部宽度，在所述的端盖板和所述的可断裂元件之间，所述的隔离元件把所述的热敏感装置与所述的压力敏感装置隔离开。
9.按照权利要求8的端盖组件，其特征在于所述的隔离元件包括一金属板，具有至少一个孔使得当所述的可断裂元件断裂时，气体可穿过所述的孔，进入在所述的端盖组件中的所述的室中。
10.按照权利要求1的端盖组件，其特征在于所述的端盖板具有至少一个孔，使得当所述的可断裂元件断裂时，收集在所述的室中的气体通过所述的端盖孔逸到外界的环境中。
11.按照权利要求10的端盖组件，其特征在于所述可断裂元件包括一可断裂的膜片。
12.按照权利要求11的端盖组件，其特征在于还包括一电绝缘垫圈，与所述的端盖板的圆周边及所述的膜片的圆周边接触，所述的端盖组件还包括一金属元件或卷边元件，通过机械方式卷边包住所述的垫圈把所述的膜片及所述的端盖板固定在机械压缩状态下。
13.按照权利要求12的端盖组件，其特征在于还包括一金属盖，包着所述的卷边元件。
14.按照权利要求13的端盖组件，其特征在于所述的端盖组件插入所述的电池的圆筒形壳体的开口端并且所述的盖的外表面焊到所述的壳体的内表面而加到所述的电池上，使得所述的端盖组件成为紧紧地密封在所述的圆筒形壳体中，所述的端盖板包括所述的电池的一电极，暴露在外界环境中。
15.按照权利要求1的端盖组件，其特征在于所述的形状记忆合金包括一盘，盘的厚度方向有一孔，所述的形状记忆合金元件有圆周边，一个柔性部分从所述的圆周边一部分向里突入所述的孔，所述的圆周边靠在所述的端盖组件中一个绝缘元件的表面上，当所述的电池组件内所述的电池温度达到一预定值时，所述的柔性部分变形，使所述的电通道切断。
16.一种电化学电池，一个端盖组件插入电池的圆筒形壳体的开口端中，所述的电池还具有一正电极及一负电极和一对内电极，即阴极和阳极，其特征在于所述的端盖组件具有一外壳和一个暴露的端盖板，所述的端盖板起到一个电池的电极的作用，其特征在于所述的端盖板通过在所述的端盖组件中的导电通路与一个所述的电极作电连接，所述的端盖组件包括：a.热敏感装置，包括一个形状记忆合金元件，用来防止电流通过所述的电流通路，所述的形状记忆合金元件包括一柔性件，该柔性件具有弯的表面，其厚度比长度小，所述的柔性件在所述的端盖组件中的方向设成使得电流沿所述的柔性件的厚度方向通过，当所述的电池温度达到预定的温度时，所述的形状记忆合金元件沿所述的弯表面偏开，使所述的端盖板和所述的电极之间的电通路断开，阻止电流通过所述的电池。
17.按照权利要求16的电化学电池，其特征在于所述的形状记忆合金元件包括一盘，其厚度方向有一孔，所述的盘具有一外圆周边，所述的柔性件从所述的圆周边向里突入所述的孔中，所述的柔性件具有一弯表面，当所述的电池温度达到一预定值时，所述的柔性件偏开。
18.按照权利要求16的电化学电池，其特征在于所述的形状记忆合金元件包括一个镍钛合金。
19.按照权利要求16的电化学电池，其特征在于还包括：b.一个压力敏感装置，当所述的电池中的内气体压力达到一预定值时，允许所述的电池中的气体进入所述的端盖组件中。
20.按照权利要求19的电化学电池，其特征在于所述的压力敏感装置包括一块可断裂的膜片板，设在所述的端盖组件与所述的端盖板相对的一端，当所述的端盖板最远的一侧的气体压力达到预定值时，所述的膜片板断裂使气体可通过。
21.按照权利要求20的电化学电池，其特征在于还包括一隔离元件，设成跨过所述的端盖组件的内宽度，和在所述的端盖板和所述的可断开的膜片之间，所述的隔离元件把所述的热敏装置和所述的压力敏感装置分开。
22.按照权利要求21的电化学电池，其特征在于所述的端盖板有至少一个孔穿过，使得所述的电池中产生的气体可通过所述的端盖板逸到外界环境中。
23.按照权利要求20的电化学电池，其特征在于所述的端盖组件包括一块接触板，所述的接触板形成所述的电通路的一部分，所述的形状记忆合金元件与所述的接触板电接触。
24.按照权利要求18的电化学电池，其特征在于当所述的电池温度达到在60-120℃之间的一预定值时，所述的形状记忆合金元件变形使所述的形状记忆合金元件与所述的接触板的电连接断开。
25.按照权利要求20的电化学电池，其特征在于还包括一电绝缘垫圈，与所述的端盖板的圆周边和所述的膜片板的圆周边接触，所述的端盖板还包括一金属元件或卷边元件，可用机械方式卷边包住所述的垫圈把所述的膜片板和所述的端盖板保持在机械压紧状态。
26.按照权利要求25的电化学电池，其特征在于还包括一金属盖，包住所述的卷边元件。
27.按照权利要求26的电化学电池，其特征在于所述的端盖组件插入所述的电池的圆筒形壳体的开口端并且所述的盖的外表面焊到所述的壳体的内表面而把所述的端盖组件加到所述的电池，使得所述的端盖组件成为紧紧地密封在所述的圆筒形壳体中，所述的端盖板包括一个电池的电极，暴露在外界的环境中。
28.一种用在电化学电池中的端盖组件，电化学电池具有一正电极及一负电极，和一对内电极，即阳极和阴极，所述的端盖组件包括一外壳和一块暴露的端盖板，所述的板起着电池的一个电极的作用，所述的端板具有一导电的通路，使得在所述的端盖组件用于一电池时，所述的端盖板可与电池的一电极电连接，所述的端盖组件还包括：a.用来防止电流通过所述的电流通路的热敏感装置，在所述的端盖组件中的温度达到预定水平时，所述的热敏感装置会致动使所述的电流通路切断，所述的热敏感装置包括在所述的端盖组件中的一个腔室及包括一形状记忆合金元件，所述的形状记忆合金元件形成所述的电通路的一部分，所述的形状记忆合金元件的一部分包括一盘，其厚度方向穿有孔，所述的盘具有一外缘，一个柔性部分从所述的外缘向里突入所述的孔中，所述的外缘靠在所述的端盖组件内的一个绝缘件的表面上，当所述的组件中的所述的电池温度达到预定值时，所述的柔性部分变形使所述的电通路切断。
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