CN1297032C - 密闭型蓄电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种密闭型蓄电池，本发明的封口体(10)，由于在正极帽(12)突缘部(12a)和于底板(11)外周部(11c)所形成的折回部(11d)之间弹性固定有PTC元件环(16)，所以，温度上升了的PTC元件环(16)会容易膨胀，从而所提供的密闭型蓄电池在PTC元件环(16)达到规定温度时也达到规定电阻值，能阻断大电流，提高安全性。根据本发明，当因过电流或过热PTC元件温度达到规定温度以上时，PTC元件容易膨胀，通过形成这种组装结构的封口体，能防止短路时产生大电流，同时，能防止PTC元件的极度温度上升，提高安全性。
Description
技术领域
本发明涉及镍氢蓄电池、镍镉蓄电池、锂离子电池等密闭型蓄电池，特别涉及具有封口体且所述封口体局部固定着PTC(Positive TemperatureCoefficient)元件的密闭型蓄电池；该封口体的阀室内具有压力阀，阀室由帽部和底板构成，该帽部兼作端子，该底板封闭外装罐的开口部；该PTC元件的性质在于，当过电流或过热引起膨胀使温度在规定温度以上时该PTC元件的电阻值急速上升。
背景技术
一般来说，镍氢蓄电池、镍镉蓄电池等密闭型蓄电池因放电时工作电压约为1.2V，所谓AA型或AAA型电池有时用作锰干电池或碱性一次电池(碱性干电池)等的单3式或单4式互换用。虽然电池外部短路或倒插入等误用时，锰干电池或碱性干电池输出特性低，不会有相当的大电流流动。但是，上述密封型蓄电池因可能会有大电流放电，短路电流也大，存在问题是产生所谓发热或大电流烧损。
为了防止这种发热或大电流所致烧损，在锂离子电池中，内置PTC(Positive Temperature Coefficient)元件或断流器，PTC元件在温度上升时电阻值增大，抑制大电流；断流器阻断大电流。例如，专利文献1中提出的电池，在兼作正极端子的外装罐的底部配置有PTC元件。但是，当PTC元件配置在封口体以外的地方时，产生阀室内温度监视精度降低的问题。因此，例如，专利文献2中提出了把PTC元件配置在带有阀体的封口体内。
内置这种PTC元件的封口体结构如图3所示。即，图3所示的封口体由帽状成形的正极帽31和皿状成形的底板34构成。正极帽31由朝电池外部突出的凸部32和构成该凸部32底边部的平板状突缘部33构成，在凸部32的角部设置有数个通气孔32a。另外，底板34由朝电池内部突出的凹部35和构成该凹部35底边部的平板状突缘部36构成，在凹部35的角部设置有通气孔35a。
在正极帽31和底板34内部放置有电力导出板37，当电池内部的气压高于规定压力时，该电力导出板变形。该电力导出板37由铝箔构成，由凹部37a和突缘部37b构成，凹部37a的最低部接触底板34的凹部35上表面，突缘部37b被夹持在正极帽31的突缘部33和底板34的突缘部36之间。另外，由绝缘密封垫39使正极帽31和底板34液密封口。
突缘部37b的上部配置PTC(Positive Temperature Coefficient)元件38，当电池内过电流流动产生异常发热现象时，该PTC元件38的电阻值增大，使过电流减小。另外，当电池内部的气压上升高于规定压力时，因电力导出板37的凹部37a变形，电力导出板37和底板34的凹部35的接触阻断，就能阻断过电流或短路电流。
可是，在碱性二次电池中所用的封口体中没有内置PTC元件时，如图4所示，封口体40的外周部(夹持绝缘密封圈46铆接在外装罐47的部分)厚度薄，能极力使电池内容积增大，放电容量也会变大。即，在图4所示封口体40中，帽状成形的正极帽41和皿状成形的底板42通过焊接成一体。
在底板42的中心部形成排气口42a，同时在底板42的外周部形成突缘部42b。在由这些正极帽41和底板42所形成的空间部，配置有由阀板43和弹簧45构成的压力阀。另外，在阀板43和弹簧45之间配置着镀镍钢板44。并且，底板42的突缘部42b由绝缘密封垫46夹持，该绝缘密封垫46配置在于外装罐47上部所形成的颈缩部47a之上，将外装罐47的上部47b铆接而液密封口。
专利文献1
特开平2-20745号公报
专利文献2
专利第3143176号公报
但是，如图3所示，封口体30中内置PTC元件38的情况下，形成底板34的突缘部36、绝缘密封圈39、PTC元件38、正极帽31的突缘部33以及底板34的颈缩部36a层叠的结构。从而封口体30的外周部(夹持绝缘密封圈46将外装罐47铆接的部分)厚度变厚。所以，因减少了收置电极组的容积，在使用内置有PTC元件的封口体时，存在的问题是必须牺牲电池容量。
另外，碱性二次电池中的情况与锂电池不同，因设置有非破坏性复归式气体排出阀，当PTC元件等功能部件配置在封口体内部时，担心日常使用中排出的微量碱雾引起PTC元件劣化，难以实现PTC元件一体化。
因此，本发明人等先在特愿2003-61164号中提出了一种密闭型蓄电池，不用减少外装罐的容积，按适合于碱性二次电池的形状在封口体上配置PTC元件，能防止短路时的大电流，提高安全性。如图5所示，在该特愿2003-61164号中，因PTC元件56配置在正极帽52的突缘部52a上面，可以把PTC元件56隔离在阀室52的外部，从而因能防止电解液附着在PTC元件56上，预先防止PTC元件的劣化。另外，因邻接阀室52配置PTC元件56，能良好地精确监视阀室52内的温度。
由于由在底板51外周部形成的铆接部51e在正极帽52的突缘部52a上面铆接PTC元件56，不需把PTC元件56配置在底板51的最外周部。所以，在外装罐58的开口部安装上该封口体50时，铆接部的厚度可以变薄。因此，提供的密封型蓄电池不用减少外装罐58内的容积，就能安装上配有PTC元件56的封口体50，能防止短路时的大电流发生，提高安全性。
但是，在上述封口体中使用的PTC元件中，当过电流或过热引起PTC元件温度上升时，聚合物热膨胀而致聚合物内分散的碳切断导电路径，具有其电阻值迅速上升的性质。所以，如上所述，由在底板51的外周部形成的铆接部51e在正极帽52的突缘部52a上面将PTC元件56铆接时，PTC元件56不容易膨胀，因此，存在的问题在于，即使PTC元件56温度达到规定温度，电阻也不会上升到规定的电阻，不可能切断大电流。
发明内容
因此，本发明是为解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种密封型蓄电池，通过形成以下这样组装结构的封口体，也就是，在过电流或过热引起PTC元件温度上升时，PTC元件能够容易膨胀，能防止短路时产生大电流，同时，能防止PTC元件所致的极度温度上升，提高安全性。
为了达到上述目的，本发明的密封型蓄电池具有封口体，同时在封口体的局部固定有PTC元件；该封口体的阀室内具有压力阀，阀室由帽部和底板构成，该帽部兼作端子，该底板封闭外装罐的开口部；该PTC元件的性质在于，当过电流或过热引起膨胀使温度达到规定温度以上时，该PTC元件的电阻值急速上升；该密封型蓄电池的特征在于，PTC元件弹性固定在于帽部所形成的突缘部和于底板外周部所形成的折回部之间。
如上所述，在帽部形成的突缘部和底板外周部形成的折回部之间弹性固定有PTC元件时，温度上升的PTC元件容易膨胀。所以，PTC元件在达到规定温度时具有规定的电阻值，能切断大电流。并且，对于在底板外周部形成的折回部赋予弹性而进行铆接，所以，能在帽部所形成的突缘部和该折回部之间弹性固定PTC元件。
在这种情况下，在底板和帽部所形成的突缘部之间配置有带着立起部的绝缘垫圈，该立起部沿着突缘部外周端部立起，同时，当该立起部的先端部伸出至PTC元件上面时，因绝缘垫圈的伸出部起到缓冲部件的作用，预先能防止封口体组装时压力损伤PTC元件。
另外，在底板和正极帽突缘部间配置的绝缘垫圈厚度达到PTC元件厚度的50％以上时，该绝缘垫圈的厚度能吸收PTC元件厚度方向的膨胀。所以，能防止阻碍PTC元件厚度方向的膨胀。此外，在帽部所形成的突缘部处配置有朝向PTC元件突出的环状突起(微小突起部)，且由该突起部固定(固定保持)PTC元件的话，在其上配置PTC元件时，PTC元件对着突缘部呈半空吊状(线接触)，在厚度方向具有自由度。所以，PTC元件也能沿水平方向膨胀。
另外，在相当于单独使用PTC元件时的短路电流而流动电流的情况下，如果使用被设定为发热元件温度不超过80℃的PTC元件的话，即使使用这种封口体的电池中产生短路，也能设定成电池温度不超过80℃。因此，希望PTC元件断开的温度设定为80℃以下。进一步来说，在相当于单独使用PTC元件时的短路电流而流动电流的情况下，如果使用被设定为发热元件温度不超过70℃的PTC元件的话，就能设定成电池温度不超过70℃。因此，更希望PTC元件断开的温度设定为70℃以下。此外，如果在PTC元件的内周端面形成烯烃类树脂保护膜的话，即使该PTC元件内周端面附着有电解液，也能防止电解液所致的PTC元件劣化。
附图说明
图1是表示本发明的封口体安装在外装罐开口部状态时主要部件的模式剖面图；
图2是表示图1所示封口体部件的模式剖面图；
图3是表示现有实例中配置有PTC元件的封口体模式剖面图；
图4是表示现有实例中没有配置PTC元件的封口体模式剖面图；
图5是表示现有实例中配置有PTC元件的另一封口体模式剖面图。
图中：10是封口体，11是底板，11a是排气口，11b是突起，11c是DI加工部(厚度薄的部分)，11d是折回部，11e是铆接部，11f是近ㄑ字状的弯曲部，12是正极帽，12a是突缘部，12b是环状突起部，13是绝缘垫圈，13a是立起部，14是弹性阀，14a是镀镍钢板，15是弹簧，16是PTC元件环，16a是树脂覆膜，17是绝缘密封圈，18是外装罐。
具体实施方式
下面，根据图1和图2对本发明适用于镍氢蓄电池场合的实施方式进行说明，但本发明并不局限于以下实施方式的任何方式，在不改变本发明要旨的范围内可以适当变更进行实施。另外，图1是表示本发明中封口体安装在外装罐开口部状态时主要部件的模式剖面图；图2是表示图1所示封口体部件的模式剖面图。
1、封口体
如图1和图2所示，本发明的封口体10由底板11、正极帽12、绝缘垫圈13、弹性阀14、弹簧15、PTC元件环16构成；底板11封闭外装罐18开口部，正极帽12构成正极端子并形成有在其内部收容着压力阀的空间部(阀室)，弹性阀14上面配置有镀镍钢板14a，PTC元件环16配置在正极帽12突缘部12a上部；绝缘密封圈17安装在封口体10的外周部，能封闭外装罐18的开口部。
底板11是镀镍钢板形成的皿状结构，皿状中心部有排气口11a，同时，在该排气口11a周边形成有四个定位用突起11b，用于在规定位置配置弹性阀14。另外，在底板11的皿状端部的外周部11c(参照图2)实施DI加工，其厚度为底板11皿状部厚度的一半。并且，实施DI加工而变薄的部分约1/3位置处折返形成折回部11d，且在该折回部11d的内周侧形成铆接部11e；该铆接部11e具有剖面形状近ㄑ字状的弯曲部11f，并把后述的PTC元件环16弹性铆接在正极帽12突缘部12a的上面。从而近ㄑ字状的弯曲部11f赋有弹性，且PTC元件环16能弹性固定在突缘部12a和铆接部11e之间，PTC元件环16可以在上下方向膨胀。
正极帽12由镀镍钢板形成，中央部帽状突起，成其底边部的外周部处形成有突缘部12a。在该突缘部12a上，形成有经冲压加工形成的环状突起部(例如，高度为3/100～8/100mm的突起部)12b，在突起部上配置PTC元件环16时，PTC元件环16对于突缘部12a能以半空吊状保持固定。所以，PTC元件环16也能向水平方向膨胀。另外，正极帽12突缘部12a的直径能稍短于底板11的皿状端部。并且，在正极帽12侧壁处形成未图示的排气口。
绝缘垫圈13是由聚丙烯(PP)或尼龙形成的环状结构，具有配置在底板11皿状端部间的直径，且形成有比底板11上形成的四个定位用突起11b处形成的圆形直径稍大的开口。另外，在绝缘垫圈13的端部周缘形成有立起部13a，该立起部13a的高度比正极帽12突缘部12a的厚度和PTC元件环16的厚度之和稍大，立起部13a先端部的一部分能覆盖PTC元件环16上面的局部。
所以，使底板11的铆接部11e弯曲成近ㄑ字状，且把在其内周侧配置的PTC元件环16的上面铆接在正极帽12突缘部12a侧时，因PTC元件环16角部能由立起部13a的先端部保护，预先能防止该角部受损。这种情况下，如果在底板11与正极帽12的突缘部12a之间配置的绝缘垫圈13的厚度比PTC元件环16的厚度大50％以上，因利用该绝缘垫圈13的厚度能吸收PTC元件环16的膨胀，所以，还能防止PTC元件环16厚度方向的膨胀受阻。
由于配置有这种绝缘垫圈13，即使在该绝缘垫圈13上配置正极帽12外周部所形成的突缘部12a，能防止该突缘部12与底板11处所形成的折回部11d接触。所以，如果随后在正极帽12的突缘部12上配置PTC元件环16，放电电流就会经过底板11上所形成的折回部11d、铆接部11e、PTC元件环16及突缘12a流到正极帽12。
弹性阀14是由乙烯丙烯橡胶(EPDM)形成的，该弹性阀14以堵塞着底板11皿状中心部处形成的排气口11a的方式配置。在该弹性阀14的上面，配置镀镍钢板14a，在该镀镍钢板14a上配置有对该镀镍钢板14a附加压力的弹簧15。所以，如果电池内被加压到规定压力以上，抵抗着弹簧15按压力的弹性阀14弹起，由正极帽12的排气口(未图示)排气，就能降低电池内的压力。
PTC元件环16是由导电性聚合物材料构成的PTC(PositiveTemperature Coefficient)元件，是市购的商品名为聚合开关(ポリスイツチ)(レイケム公司制造)的元件，该元件性质是，过电流或过热引起元件膨胀而使温度达到规定温度以上时，电阻值迅速上升。这种情况下，单独使用PTC元件且有10A电流流过时，使用了发热元件温度可到100℃的元件P1(中耐压一般品级)和元件温度可到70℃的元件P2(低温动作式)。
另外，在该PTC元件环(P1、P2)16内周壁面上形成有烯烃类树脂覆膜16a，利用该树脂覆膜16a能防止碱雾等附着所致劣化。还有，在PTC元件环(P1、P2)16中心部，形成有直径比正极帽12的突出部直径稍大的开口，并配置在正极帽12的突缘部12a的上面。因此，放电电流能经过底板11上所形成的折回部11d、铆接部11e、PTC元件环(P1、P2)16及突缘部12a流到正极帽12。
2、封口体的组装
下面，说明按上述构成的封口体10的组装方法。首先，在皿状中心部形成排气口11a，在该排气口11a的周边形成四个定位用突起11b以用于底板11。其次，在该底板11的皿状端部外周部11c侧实施DI加工，变薄至底板11的皿状部厚度的一半厚度。随后，将DI加工部弯曲形成L字状折弯部11c，使该封口体具有规定直径(参照图2中的虚线)。
之后，在底板11皿状部内配置端部周缘形成有立起部13a的绝缘垫圈13后，以堵塞在底板11的皿状中心部所形成的排气口11a的方式配置弹性阀14。接着，在弹性阀14上面配置的镀镍钢板14a上配置弹簧15后，把正极帽12突缘部12a配置在绝缘垫圈13上面。随后，在该突缘部12a上配置PTC元件环16，把底板11的折弯部11c向内侧折叠形成折回部11d。
之后，使折弯部11c先端部向正极帽12突缘部12a侧近ㄑ字状弯曲，以形成近ㄑ字状弯曲部11f的方式，把PTC元件环(P1、P2)16弹性铆接在正极帽12突缘部12a的上面。这时，由于PTC元件环(P1、P2)16的角部能由绝缘垫圈13中的立起部13a先端部保护，能预先防止该角部受损。因此，弹簧15对弹性阀14附加压力，由弹性阀14堵塞排气口11a，完成封口体10的组装。
3、镍氢蓄电池的制作
下面，说明使用上述所做封口体10来制作镍氢蓄电池的实施例。首先，在由冲孔金属构成的极板芯体表面形成镍烧结多孔体后，采用化学含浸法把以氢氧化镍为主体的活性化物质充填在镍烧结多孔体内，制作成镍正极板。另一方面，在由发泡镍构成的极板芯体表面充填由贮氢合金构成的糊状负极活性物质，干燥后压延至规定厚度，制作成贮氢合金负极板。
在这些镍正极板和贮氢合金负极板之间夹着隔膜，卷曲成螺旋状，制作成螺旋状电极组。在该螺旋状电极组的上端面露出镍正极板的极板芯体端部，并在下端面露出贮氢合金负极板的极板芯体端部。把该螺旋状电极组的上端面露出的芯体与正极集电体焊接，同时把在下端面露出的芯体与负极集电体焊接。另外，设置从正极集电体端部伸出的正极引线，把该正极引线的端部嵌入绝缘密封圈中后，焊接在封口体的下端面上。
随后，把螺旋状电极组收置于在铁上镀有镍的有底筒状外装罐(底面外面成为负极外部端子)18内，之后，把负极集电体点焊接在外装罐18的内底面。随后，在该外装罐18上部外周面上实施成槽加工18a，接着把从正极集电体伸出的正极引线垂直折弯之后，把该正极引线的端部电阻焊接在封口体10的底板11上。接着，在外装罐18内注入由30质量％的氢氧化钾(KOH)水溶液构成的碱性电解液。
随后，在成为封口体10突缘部的底板11折回部11d上装上聚丙烯(PP)制绝缘密封圈17后，折弯正极引线，把封口体10配置在外装罐的开口部。之后，把外装罐18的开口端缘18b向内方铆接，密封开口部而封口，从而制作成公称容量为1.7Ah的镍氢蓄电池A1、A2。另外，把具有用元件P1作为PTC元件环16而制成的封口体10的镍氢蓄电池作为电池A1，把具有用元件P2为PTC元件环16而制成的封口体10的镍氢蓄电池作为电池A2。
4、短路试验
另一方面，使用与上述同样的PTC元件环(P1、P2)16，并用图5所示结构组装的封口体50，制作成镍氢蓄电池(公称容量1.5Ah)X1(使用元件P1)、X2(使用元件P2)。并且，对上述制作的镍氢蓄电池A1、A2和这些镍氢蓄电池X1、X2分别各3个进行了短路试验。在该短路试验中，用导电线连接正极和负极，使这些各电池A1、A2及X1、X2外部短路，使各PTC元件环(P1、P2)16动作。
由各个PTC元件环(P1、P2)16的电流阻断时各PTC元件环(P1、P2)16自发热，测定了自发热所致各电池A1、A2及X1、X2的正极帽12(52)温度(Tp温度)(℃)和电池本体的温度(Tc温度)(℃)，所得结果如下述表1所示。
表1
| 电池种类 | PTC元件种类 | Tp温度(℃) | Tc温度(℃) | 发热状态 | ||||
| No1 | No2 | No3 | No1 | No2 | No3 | |||
| A1 | P1 | 82 | 77 | 79 | 61 | 54 | 58 | 发热(中) |
| A2 | P2 | 66 | 63 | 64 | 49 | 52 | 51 | 发热(小) |
| X1 | P1 | 118 | 135 | 129 | 86 | 95 | 92 | 发热(大) |
| X2 | P2 | 70 | 91 | 95 | 53 | 69 | 74 | 发热(中)不稳定 |
从上述表1的结果可以看出，在使用中耐压一般品元件P1(10A动作时元件温度达100℃)构成的PTC元件环16的情况下，电池A1中正极帽12的温度(Tp温度)为82、77、79(℃)(平均为79.3℃)，电池本体温度(Tc温度)为61、54、58(℃)(平均为57.7℃)，发热中等；与此相对，电池X1中正极帽52的温度(Tp温度)为118、135、129(℃)(平均为127.3℃)，电池本体温度(Tc温度)为86、95、92(℃)(平均为91.0℃)，明显发热多。
另一方面，在使用由低温动作式元件P2(10A动作时的元件温度为70℃)构成的PTC元件环16的情况下，电池A2中正极帽12温度(Tp温度)为66、63、64(℃)(平均为64.3℃)，电池本体温度(Tc温度)为49、52、51(℃)(平均为50.7℃)，发热小；与此相对，电池X2中正极帽52的温度(Tp温度)为70、91、95(℃)(平均为85.3℃)，电池本体温度(Tc温度)为53、69、74(℃)(平均为65.3℃)，明显发热中等且特性不稳定。
结果表示，采用低温动作式元件P2能更简单地降低发热量。但要考虑到低温动作式元件P2的树脂(一般使用EBA树脂)柔软，组装到图5所示的铆接结构封口体50上时，PTC元件环(P2)16软化溃散，不会发挥规定的特性。而用低温动作式元件P2组装到图1所示铆接结构封口体10上时，随温度上升PTC元件环(P2)16容易膨胀，不会因温度上升引起软化溃散。
所以，即使使用由中耐压一般品元件P1(10A动作时元件温度达100℃)构成的PTC元件环16的情况下，或者，即使使用由低温动作式元件P2(10A动作时元件温度达70℃)构成的PTC元件环16的情况下，通过组装为图1所示铆接结构封口体10，温度上升PTC元件环(P2)16会容易膨胀，完全能发挥其特性。
如上所述，本发明中，由于在正极帽12突缘部12a和底板11外周部11c所形成的折回部11d之间弹性固定有PTC元件环16，温度上升了的PTC元件环16能容易膨胀。因此，提供的密闭型蓄电池，在PTC元件环16达到规定温度时也达到规定电阻值，能断开大电流，提高安全性。
另外，在上述实施方式中，虽说明了本发明用于镍氢蓄电池的实施例，但本发明并不局限于镍氢蓄电池，明显也能适用于镍镉蓄电池、锂离子电池等其他密闭型蓄电池。
Claims (6)
1、一种密封型蓄电池，其特征在于具有封口体，且在该封口体的局部固定有PTC元件；该封口体的阀室内具有压力阀，阀室由帽部和底板构成，该帽部兼作端子，该底板封闭外装罐的开口部；该PTC元件的性质在于，当过电流或过热引起膨胀使温度达到规定温度以上时，该PTC元件的电阻值急速上升；通过对在所述底板外周部所形成的折回部赋予弹性，所述PTC元件弹性固定在于所述帽部所形成的突缘部和所述折回部之间。
2、根据权利要求1记载的密封型蓄电池，其特征在于，在所述底板和所述突缘部之间配置有带着立起部的绝缘垫圈，该立起部沿着所述突缘部的外周端部立起，同时，该立起部的先端部伸出到所述PTC元件上面。
3、根据权利要求2记载的密封型蓄电池，其特征在于，所述底板和所述突缘部间配置的所述绝缘垫圈厚度达到所述PTC元件厚度的50％以上。
4、根据权利要求1记载的密封型蓄电池，其特征在于，在所述突缘部处配置有朝向所述PTC元件突出的环状突起部，并由该突起部固定所述PTC元件。
5、根据权利要求2或3记载的密封型蓄电池，其特征在于，在所述突缘部处配置有朝向所述PTC元件突出的环状突起部，并由该突起部固定所述PTC元件。
6.根据权利要求1至4中任意一项记载的密封型蓄电池，其特征在于，所述PTC元件的切断温度在80℃以下。
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