CN1283311A - 电化学电池的压力触发电流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于一种用于电池(5),尤其是碱性电池的压力触发电流断路组件(10)。电流断路组件位于电池壳体(15)的封闭端(20)。电流断路组件(10)包括在壳体(15)的封闭端(20)处的接线端(12)附近的电绝缘件(50)。绝缘件(50)与由电池壳体形成的可弯曲件(25)物理连接。当电池内的气压积累到超过预定值时,可弯曲件(25)变形,导致绝缘件(50)突出到所述电池接线端(12)的末端外,从而断开所述接线端(12)与另一电池或者电气装置的接线端之间的电接触。

Description

电化学电池的压力触发电流断路器
本发明涉及电化学电池的电流断路器，当电化学电池中的气压过度增加时，该电流断路器安全地防止电池供电。
与各种电化学电池，尤其是碱性电池的设计相关的一个问题是当电池持续放电超出某一时刻时，通常在完全耗尽电池的可用容量的时刻附近，电池往往会产生气体。当迫使电池放电时，例如当标称容量相同，但是绝对容量不同的电池在串联结构中被放电时发生的强制放电，也会产生气体。当电池充电时也会产生气体，尤其是如果电池未被明确地设计成用作可再充电电池，或者使用了不适当的充电器时更是如此。阳极和阳极中可包括掺合物，或者可涂覆不同的电池部件以阻止这种排气。但是，电化学电池，尤其是碱性电池，通常在用于给电池加装外壳的端帽组件内带有可破裂的膜片或薄膜。例如，美国专利3617386中描述了具有这种可破裂膜片的电池。这种膜片被设计成当电池内的气压超过预定水平时破裂。端帽组件可带有当膜片或薄膜破裂时，便于气体排出的排气孔。
虽然这种可破裂的膜片给电池提供了用于释放气压的安全特征，但是其缺点是腐蚀性或有害的电解液可能随着气体被带出排气通道。
电池可配有位于电池体内的感压元件，该感压元件破裂或者被移走，在电池自身内，即电池电极之一(阳极或阴极)和相应的电池接线柱(正或负接线柱)之间的电路中引起断路。美国专利4035552中描述了这种类型的感压电流断路装置。这种感压电流断路装置显著地增加了电池的费用，因为它们被设计成在整个保留在电池中的情况下发生作用。它们还具有占用电池内大量空间的缺点，否则这些空间可用于附加的阳极或阴极材料。
用于电池的其它类型的压力触发电流断路装置利用外部接触环，该外部接触环可把电池外壳与电池外壳的封闭端处的电池接线板的外缘电连接。美国专利4992344中描述了这种类型的压力触发电流断路装置。外壳本身又与电池电极之一(在碱性电池是一般是阴极)电接触。接线柱本体与电池外壳绝缘。当气压在电池内增大时，外壳的封闭端凸起，导致导电环断开它与接线板的连接，从而断开电极与接线板之间的电路，关闭电池。虽然这种类型的电流断路装置的一部分位于电池外，但是该装置总体来说，已被证明生产成本高，功能不可靠。
美国专利2651669描述了具有可变形的扁平膜片的电池，该膜片以独立部件的形式被插入电池外壳的开口端。当压力在电池内增大时，该膜片会向外弯曲，导致与其接触的绝缘销从电池的一个接线柱突出，断开与另一装置的电接触。所述设计的缺点是可变形膜片必须以独立部件的形式插入电池外壳中，从而在膜片和电池外壳之间需要单独密封。
于是，希望提供一种具有辅助的或者替代的压力触发电流断路装置的电池，该装置易于制造，可靠，不需要额外的密封，并且不会显著降低电池容量。希望提供一种具有这样的压力触发电流断路装置的电池，该装置在压力积累到高到足以排出气体，以及从电池排出电解液的程度之前，发生作用。
本发明的目的是提供一种用于电化学电池，尤其是碱性电池的压力触发电流断路组件。本发明的电流断路组件包括座基和可随座基的移动而移动的电绝缘件。座基是电池外壳(壳体)的组成部分，并具有对气压敏感的可弯曲表面。具有可弯曲表面的座基最好包括电池的圆柱形壳体的封闭端的一部分。绝缘件与座基的可弯曲表面物理连接。当电池内的气压积累到超过预定水平时，座基弯曲，导致绝缘件从接线尖头(pip)突起，从而断开电池和另一电池，被供电装置或对该电池充电的设备的接触接点之间的电接触。
当应用于碱性电池时，本发明的压力触发电流断路组件最好位于构成电池的正接线端的外壳的封闭端。这样，当启动时，绝缘件从正接线端突起，从而断开该接线端与另一电池，被供电的电气装置，或者对该电池充电的设备的接触接点之间的电接触。
一方面，对于具有位于电池外壳的封闭端的整体形成的正尖头的碱性电池，电流断路组件可应用于圆柱形外壳的封闭端。在这种电池中，正尖头本身由电池封闭端的电池外壳整体形成。该正接线尖头的内表面受电池内产生的气体积聚的作用。根据本发明的一方面，这种接线端的中心部分可向内凹陷，以形成暴露在外部环境下的凹陷部分，绝缘件附着在该凹陷部分的外表面上，以致绝缘件也暴露在外部环境下。接线端的凹陷表面形成绝缘件的座基。在正常的电池供电过程中，位于接线端外侧的绝缘件仍然保持低于接线尖头的向内凹陷部分的外缘。当电池内的压力增大到超过预定值时，接线尖头的凹陷部分向外凸起，导致凹陷部分反转，从而迫使绝缘件与另一电池或者电气装置的接触接点相接触，从而断开与这样的其它电池或装置的电接触。这样的实施例中的绝缘件可以是可采取伸长的厚片或圆形或椭圆形圆盘形式的一滴(glob)塑料材料。
另一方面，电流断路组件可位于那种在外壳的平面封闭端处没有整体形成的正接线尖头的碱性电池的封闭端。这种电池可被构造成带有沿其外缘被焊接到电池封闭端的电池外壳表面上的外板(接线板)。焊接的外板具有用作电池的正接线尖头的中心部分。根据本发明的一方面，绝缘件的座基可以是电池封闭端处的电池外壳的一部分。座基具有对气压敏感的可弯曲表面。本发明的电流断路组件的绝缘件可被插入座基和外接线板之间，从而绝缘件的一部分与座基的可弯曲表面物理接触。在接线板的中心或接近中心处形成一个小孔。当电池内的压力增大到超过预定值时，由电池封闭端的一部分电池外壳形成的所述可弯曲表面向外凸起，导致绝缘件穿过接线板中的小孔。当绝缘件穿过所述小孔时，绝缘件被迫与另一电池或者被供电装置的接线端接触，从而断开电池与被供电装置之间的电接触。这种实施例中的绝缘件最好采取具有球形或圆盘形中心区域的伸长的塑料件的形式。
图1是在其封闭端具有本发明的电流断路组件的电池外壳的透视图；
图2是具有本发明的电流断路组件的一个实施例的整体形成的尖头的碱性电池的封闭端的横截面图；
图2A是与另一电池或者被供电装置的接线端电接触的，图1的整体形成尖头的碱性电池的封闭端的横截面图；
图2B是在电池内的气压已触发本发明的电流断路组件之后，图2A的电池的封闭端的横截面图；
图3A是具有本发明的电流断路组件的另一实施例的，平直的非整体形成尖头的(焊接的正接线板)碱性电池的封闭端的横截面图；
图3B是在电池内的气压已触发本发明的电流断路组件之后，图3A的电池的封闭端的横截面图；
图4是电流断路绝缘件的一个具体实施例的透视图；
图5A是具有本发明的电流断路组件的另一实施例的，弯曲的非整体形成尖头的(焊接的正接线板)碱性电池的封闭端的横截面图；
图5B是在电池内的气压已触发本发明的电流断路组件之后，图5A的电池的封闭端的横截面图；
本发明的压力触发电流断路组件可有利地应用于原电池，例如碱性电池，或者可再充电电池，例如锂离子，镍氢或镍镉可再充电电池。本发明最好应用于这些电池的壳体的封闭端。
电化学电池，例如电池5(图1)一般具有圆柱形外壳(壳体)15，外壳15具有由外壳自身形成的封闭端，如图1中所示。电池中装有阳极60，阴极40以及阳极与阴极之间包括隔离物85在内的电解液。随后把含有集电器37的端帽组件35装入并密封到电池的开口端21中。本发明的目的在于包括位于这种外壳的封闭端20处的感压电流断路组件。本发明的电路断路组件10(图2)或100(图3A)或200(图5A)利用了外壳的封闭端。电流断路组件10，100及200包含由所述电池壳体的一部分形成的整体件，所述整体件具有对电池内积聚的气压敏感的可弯曲表面。可变形件最好具有向内弯曲的表面，并且基本上位于垂直于电池5的纵轴17的平面内。当电池内的气压积累到超过预定值时，弯曲表面向外弯曲，导致绝缘件从其附近的电池接线柱的末端突出。绝缘件的突出断开了电池接线柱与另一电池，被供电装置，或者对该电池充电的设备的电接触。
基于MnO2的410毫安-时／克，和锌的820毫安-时／克的理论电化学容量，许多电池，尤其是碱性电池被设计成具有＞1．0的活性阴极材料对活性阳极材料的化学平衡。即，活性阳极材料将在留下多余的(未放电的)活性阴性材料的情况下放电。在碱性电池中，活性阳极材料是锌，活性阴极材料是二氧化锰。碱性电池中，理想的电池平衡(阴极／阳极)约为1．05-1．15。在该范围的下边界处，即1．05以及更低的，例如0．95-1．05间的电池平衡下的供电是所希望的，因为可增大电池的大功率性能，即高的消耗速率下更长的电池寿命。但是，这样低的电池平衡下，存在内部气压积聚的极大危险，尤其是如果电池处于异常的或极端的使用条件下。这种极端使用条件的例子可以是，如果电池被充电，但是该电池未被特别设计成是可再充电的，或者如果电池首次经历大功率使用，例如对于AA电池，以约0．5安培-2．0安培损耗速率连续消耗，随后以较的损耗速率(小于0．1安培)放完电。
本发明的电流断路组件的优点是在采用可破裂的膜片或类似物的电池主排气系统被启动之前，关闭电池，而不会排出气体或腐蚀性电解液，于是得到更安全的电池设计，尤其是对于具有较低化学平衡(阴极／阳极比例)的电池。本发明的电池断路组件还显著降低了由气压累积引起的“电池膨胀”的机率，电池膨胀可导致电池在被供电装置的电池盒中变粘。
在图2中所示的本发明的一个优选实施例中，电流断路组件10应用于整体形成尖头的碱性电池(例如具有由电池的封闭端处的电池外壳的一部分形成的正接线尖头(pip)的碱性电池)的圆柱形外壳15的封闭端20，如图2中所示。图1中表示了代表性的碱性电池的外壳。这种碱性电池具有最初由一个封闭端和相对的开口端形成的圆柱形外壳15。碱性电池具有包含锌的阳极，包含二氧化锰的阴极，氢氧化钾电解液和隔离材料，隔离材料一般包括人造丝或纤维素。在把阳极和阴极活性材料装入电池之后，把端帽组件35插入开口端21，以封闭电池。端帽组件含有可破裂的膜片，如果电池内的气压积累到超过预定值，则气体可通过该膜片排到外界环境中。美国专利4537841中描述了一种适当的端帽组件，以及在电池的开口端中密封端帽组件的方法，该专利作为参考包含于此。开口端的端帽组件含有负接线端，与之相对的外壳15的封闭端20形成正接线尖头12。正接线尖头12由这里称为“整体形成尖头”外壳的外壳15的封闭端20的一部分形成。于是，封闭端20处的正接线尖头12的内表面受到当电池放电时，在电池内可能发生的气体积聚的作用。接线尖头12的中心部分可向内凹进，形成暴露在外部环境下的凹陷部位25。电绝缘件50附着并固定在凹陷部位25中的适当位置。这样，接线尖头12的凹陷部位25形成绝缘件50的座基。在正常的电池供电过程中(图2A)，接线尖头12与另一电池75，或者被供电装置的接线端电接触，在正常的电池供电条件下，绝缘件50保持低于凹陷部位25的外缘。当电池内的压力增大到超过预定值时，凹陷部位25向外凸起，使绝缘件50从接线端12的外表面突起，如图2B中所示，从而断开与另一电池或被供电装置的电接触。一旦凹陷部件25向外凸起，即使电池压力恢复到正常值，凹陷部件25仍保持该凸起位置。
该实施例中的绝缘件50最好采取伸长的厚片或者圆形或椭圆形塑料圆盘的形式。最好，绝缘件50是聚烯烃或聚酰胺(尼龙)塑料，并借助热熔性粘合剂被固定在接线尖头12的凹陷部位25的表面上，或者可由诸如环氧树脂或热熔粘合剂之类的粘合剂的自由滞留熔珠组成。绝缘件50的厚度最好约为0．02-0．5毫米，优选为0．1-0．3毫米。当应用于AA电池时，接线尖头12的凹陷部分25的曲率半径最好约为8毫米，深度约为0．25毫米。接线尖头12和凹陷部件25最好是钢的。凹陷部位25的厚度最好约为0．2毫米。当应用于D电池时，接线尖头12的凹陷部分25的曲率半径最好约为16毫米，深度约为0．5毫米。接线尖头12和凹陷部件25最好是钢的。凹陷部位25的厚度最好约为0．2毫米。
对于AA型电池，图2的电流断路器最好被设计成当电池内的气压达到约500-2000psi(34473000-137894000达因／cm2)时发挥作用，对于D型电池，图2的电流断路器最好被设计成当电池内的气压达到约200-800psi(13789000-55158000达因／cm2)时发挥作用。当达到这样的压力水平时，接线尖头12的凹陷中心部分25借助最好约为8000-100000克力的作用力向外凸起。该作用力约为电池和被供电装置的接线端之间，或者被供电装置的电池盒内串联连接的电池(电池借助由对准它们的弱弹簧施加在其上的作用力简便地固定在电池盒内的适当位置)之间的典型接触力的100倍。由于当中心部分25向外凸起(图2B)时，它所施加的作用力远远大于电池与电池，或者电池与装置的接触力，因此绝缘件50将从接线尖头12突出到足以断开电池与电池，或者电池与装置的电接触的程度，如图2B中所示。最好，对于AA型电池，绝缘件50将突起约0．15毫米，对于D型电池，绝缘件50将突起约0．5毫米。
另外，可把电池长度缩短约1毫米，以确保绝缘件50将突起到足以断开连接的电池之间，或者电池与被供电装置的接线端之间的电接触。电池的这种缩短并不是在正常情况下，为了适应本发明的电流断路组件所必需的，但是这种设计可以确保即使在电池与电池，或者电池与装置的接触力异常地高的特殊情况下，例如，如果电池盒或者把电池固定在适当位置的弹簧被腐蚀，或者电池盒被设计成异常紧密的情况下，绝缘件50的必需突起。
在图3A中所示的另一优选实施例中，电流断路组件100可位于电池105的封闭端。电流断路组件100包括构成电池外壳115的组成部分的可弯曲座基180，以及与座基180物理连接的绝缘件150。在图3A中所示的实施例中，接线板120被焊接在座基上。接线板120具有尖头120，尖头120具有平面175，平面175具有穿过其的小孔175。在图5A中所示的备选实施例中，电流断路组件100类似，但是接线板118的尖头120具有向内弯曲的中央表面125。这些实施例中的电池105最好是C或D型碱性电池。这样的电池由圆柱形外壳115形成，外壳115具有由外壳形成的封闭端118和如同关于电池5(图1)前面所述那样的相对的开口端。在把阳极、阴极，隔离物和电解液装入电池后，如前所述那样把端帽组件插入-开口端中。电池最好具有在封闭端118处焊接在电池外壳上的外板(接线板118)。通过在接线板118的外缘和电池外壳115之间施加点焊，把接线板118焊接到外壳115上。外板(接线板118)的中心部分形成正接线尖头120。接线尖头120(图3A)具有平的接触面175，接触面175具有小孔122。或者，如图5A中所示，接线尖头120可具有向内弯曲的中心部分125。本发明的电流断路组件的绝缘件150可插入位于电池的封闭端的外壳表面180和接线板118之间。在这种实施例中，位于电池的封闭端的电池外壳表面180起绝缘件150的座基的作用。在图3A中所示的实施例中，在正常的电池供电情况下，绝缘件150的头部151最好放置在刚好低于接线尖头120的内表面的位置上。本实施例(图3A)中，小孔122大于绝缘件150的头部151的直径。在图5A中所示的备选实施例中，在正常的电池供电情况下，绝缘件150的头部151最好放置在小孔122中。座基180的中心部分185可向内凹陷，如图3A或5A中所示。于是，包含凹陷部分185的座基180是外壳115的组成部分。凹陷的座基180和接线尖头120形成用于容纳绝缘件150的腔室135。在接线尖头120的中心或者接近中心处形成小孔122。当电池内的压力增大到超过预定值时，座基180的凹陷部分185向外凸起，使绝缘件150穿过小孔122，如图3B或5B中所示。一旦座基180向外凸起，即使电池压力恢复到正常值，座基180仍保持该凸起位置。当绝缘件150穿过小孔122时，所述绝缘件被迫使与另一电池或者被供电的装置的接线端接触，从而断开与所述另一电池或装置的电接触。这种实施例中的绝缘件150最好采取具有球形或圆盘形中心区域160的伸长件的形式，以使其位于座基180和接线板118之间的适当位置。
绝缘件150最好是聚烯烃或聚酰胺(尼龙)塑料。绝缘件150的长度最好约为2-10毫米，优选约为4毫米，圆盘部分160的直径约为2-10毫米。座基180的凹陷中心部分的深度，即从其顶点190到其环形底部195的深度最好约为0．5-2毫米。凹陷部分185(图3A和5A)的曲率半径最好约为5-20毫米。在图5A中所示的变型中，尖头120还具有向内弯曲的中心部分125，凹陷部分125的深度约为0．5-2毫米。接线尖头120最好是厚度约为0．25毫米的钢材。座基180最好是厚度约为0．25毫米的钢材。当电流断路组件100(图3A或图5A)被应用于C型或D型电池时，腔室135在顶点190与尖头平面175(图3A)之间的长度，或者在顶点190与尖头向内弯曲的中心部分125(图5A)之间的长度约为2-15毫米。
图3A或5A的电流断路器最好被设计成当电池(电池型号从AAA型到D型)内的气压达到约200-2500psi(13789000-172368000达因／cm2)时发挥作用。当达到这样的压力水平时，座基180的凹陷中心部分185借助最好约为8000-100000克力的作用力向外凸起。该作用力约为电池和被供电装置的接线端之间，或者在被供电装置的电池盒内串联连接(电池与电池接触)的电池(电池借助由对准它们的弱弹簧施加在其上的作用力简便地固定在电池盒内的适当位置)之间的典型接触力的100倍。由于当中心部分185向外凸起(图3B或图5B)时，它所施加的作用力远远大于电池与电池，或者电池与装置的接触力，因此绝缘件150将从接线尖头120突出到足以断开电池与电池，或者电池与装置的电接触的程度。最好，绝缘件150将从接线尖头120突起约0．5毫米。
虽然是参考具体实施例来说明本发明的压力触发电流断路器组件的，但是应明白在不脱离这里描述的原理的情况下，本发明的其它实施例及变化是可能的。因此，本发明不打算局限于任意特定的实施例，而是由权利要求及其等效物所限定。

Claims (17)

1．一种电化学电池，包含具有封闭端的壳体，一对接线端，其中所述接线端之一位于壳体的封闭端，所述电池还包括位于壳体的所述封闭端的电流断路组件，所述电流断路组件包含在壳体的封闭端处的所述接线端附近的电绝缘件，及当电池内的气压积累到超过预定值时，使所述绝缘件从所述接线端向外突起的装置，从而断开所述接线端和另一电池或另一电气装置的接线端之间的电接触，其中用于使所述绝缘件从所述接线端向外突起的所述装置包含所述电池壳体的一部分。
2．按照权利要求1所述的电化学电池，其中用于使所述绝缘件从所述接线端突起的所述装置包含由所述电池壳体的一部分形成的组成件，所述组成件具有对电池内积聚的气压敏感的可弯曲表面，绝缘件与所述组成件的所述可弯曲表面物理连接，其中当电池内的气压积累到超过预定值时，所述表面向外弯曲，导致绝缘件突出到壳体封闭端处的所述接线端的末端之外。
3．按照权利要求2所述的电化学电池，其中所述电池是圆柱形的，并且所述可弯曲表面位于基本上垂直于所述电池的纵轴的平面内，所述可弯曲表面朝着电池内部向内弯曲。
4．按照权利要求3所述的电化学电池，其中具有所述向内弯曲表面的所述组成件还构成电池封闭端处的接线端，并且所述向内弯曲表面在所述接线端的外侧形成凹陷。
5．按照权利要求4所述的电化学电池，其中所述绝缘件被固定在所述接线端的外侧的所述凹陷内的所述弯曲表面上，所述弯曲表面为绝缘件提供座基。
6．按照权利要求5所述的电化学电池，其中所述绝缘件包括一滴塑料材料，其中当电池内的气压积累到超过预定值时，所述弯曲表面向外弯曲，导致所述凹陷反转，并且所述绝缘件从所述接线端的末端突起，从而断开所述接线端与另一电池或者其它电气装置之间的电接触。
7．按照权利要求6所述的电化学电池，其中当所述弯曲表面向外弯曲，导致所述凹陷反转时，所述绝缘件从所述接线端的末端突起至少1毫米左右。
8．按照权利要求6所述的电化学电池，其中所述电池是碱性电池，并且所述壳体的封闭端处的所述接线端构成电池的正接线端。
9．按照权利要求3所述的电化学电池，其中具有所述向内弯曲表面的所述组成件由所述壳体的封闭端的一部分形成。
10．按照权利要求9所述的电化学电池，其中所述电池还包括焊接在构成壳体的封闭端的所述组成件上的金属外板，具有向外突起的中心部分的所述外板构成壳体封闭端处的所述接线端。
11．按照权利要求10所述的电化学电池，其中壳体的封闭端处的所述向内弯曲表面与所述外板的中心部分之间的区域形成一个腔室，其中至少相当大部分的所述绝缘件位于所述腔室内，所述绝缘件的一部分与所述向内弯曲表面物理连接。
12．按照权利要求11所述的电化学电池，其中构成所述接线端的所述外板具有穿过所述外板的小孔，其中当电池内的气压积累到超过预定值时，壳体封闭端的所述弯曲表面向外弯曲，导致至少一部分所述绝缘件从所述小孔突出，并延伸到壳体封闭端处的所述接线端的末端外，从而断开所述接线端与另一电池或者被供电装置之间的电接触。
13．按照权利要求12所述的电化学电池，其中所述绝缘件是具有球形或圆盘形中央部分的伸长件，以便把所述绝缘件稳定在所述腔室内。
14．按照权利要求12所述的电化学电池，其中直接围绕所述小孔的那部分所述外板朝着电池内部向内弯曲，所述绝缘件的一部分突出所述小孔，但是在电池内的气压积累到超过预定值之前，不延伸到壳体封闭端处的所述接线端的末端之外。
15．按照权利要求12所述的电化学电池，其中所述电池是碱性电池，位于所述壳体的封闭端处的所述接续端构成电池的正接线端。
16．一种电化学电池，包含具有封闭端的圆柱形壳体，一对接线端，其中所述接线端之一位于壳体的封闭端，所述电池还包括位于壳体的所述封闭端的电流断路组件，所述电流断路组件包含在壳体的封闭端处的所述接线端附近的电绝缘件，及当电池内的气压积累到超过预定值时，使所述绝缘件从所述接线端向外突起的装置，其中用于使所述绝缘件从所述接线端突起的所述装置包含由所述电池壳体的一部分形成的组成件，所述组成件具有对电池内积聚的气压敏感的可弯曲表面，绝缘件与所述组成件的所述可弯曲表面物理连接，其中当电池内的气压积累到超过预定值时，所述表面向外弯曲，导致绝缘件突出到壳体封闭端处的所述接线端的末端之外，从而断开所述接线端与另一电池或者电气装置之间的电接触。
17．按照权利要求16所述的电化学电池，其中所述电池是碱性电池。
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