CN1297260A - 二次电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种含有切断组件的二次电池,当电池中的压力异常时可切断电流通路。该切断组件包括:密封了外壳的开口端的破裂盘;与破裂盘的表面部分电连接并作为电池的外部端的盖帽;与破裂盘的另一表面部分连接并作为电池的内部端且具有通气孔的焊片;以及一绝缘垫圈,其密封了破裂盘与外壳之间的空隙,并且使破裂盘和焊片除其接合部周围空间外保持电绝缘状态,用超声焊机使破裂盘的一部分和焊片在其接合面上的原子初始扩散状态中接合。
Description
本发明涉及一种具有能在当电池中的压力升高时切断电流通路的功能的二次电池，以及这种二次电池的制造方法。
近年来，对可在重复充电和放电情况下长期使用的具有高能量密度的二次电池(如：锂离子二次电池)的需求正在逐步增加。因而对这些二次电池采取充分的安全措施就变得尤为重要。由于二次电池一般都采用密封结构，所以，例如，当一块二次电池受到过度充电时，电池中的电解液就会迅速蒸发成大量的气体，其结果将导致电池中的压力剧增。如果这种情况延续下去，电池自身就会发生破裂，从而导致危险的情况。一种已在二次电池中得到采用的安全措施就是使用切断部件(以下称为“切断装置”)，它能够在当电池中的压力升高时切断电流通路。
以下将对一种在二次电池中使用的传统切断装置进行详细说明。如附图中的图1A和1B所示，一种传统的二次电池含有一个切断装置，它被放置在外壳16的开口端中。该切断装置包括：破裂盘11，它带有有平坦尖端的下凸起11a并且覆盖了外壳16的开口端；盖帽10，它通过环形板12与破裂盘11的上表面电连接并且作为电池的一个外部端；焊板14，它作为电池的一个内部端与下凸起11a的尖端相连并且含有通气孔14a；以及绝缘垫圈13，它密封了破裂盘11与外壳16之间的空隙，并且在除了焊片和破裂盘之间的接合部15的周围空间以外的部分使破裂盘11和焊片14保持电绝缘状态。
绝缘垫圈13有一个其中安装了破裂盘11和盖帽10的凹槽，该凹槽的底部有一个凹入，在此凹入的内周表面中置有一个固定件，它固定住了焊片14。
除接合部15以外，焊片14和破裂盘11相互没有电连接。
外壳16内容纳了一个由阳极、阴极、隔离器及电解液构成的卷绕组件。
焊片14为圆形。从卷绕组件延伸出的导电片17被焊接在焊片14之上。
在具有上述结构的二次电池中，当电池中的压力升高时，将有一个应力被施加在破裂盘11上，其方向使得凸起11a移向盖帽10，并且使得张力都集中在焊片14与破裂盘11之间的接合部15上。当该张力超过接合部15的强度时，破裂盘11的凸起11a的尖端将脱离焊片14，并且凸起11a将朝向盖帽10发生变形。此时，电池内部和外部之间的电连接被截断，从而阻止了电池中气体的产生。其结果防止了电池内压力的持续升高。
切断装置应被设计成这样，即，当电池中的压力达到一个可能使电池本身发生破裂的水平时，破裂盘将被剥离，从而可靠地切断电流通路。在当电池中的压力达到一个可能使电池本身发生破裂的水平时，不允许使破裂盘仍保持未脱离的状态。也不允许由于电池掉落在坚硬物体上所产生的振动就很容易地使破裂盘产生脱离。
因此，为了保证电池具有所需的可靠性，焊片与破裂盘间的接合部的机械强度将是一个很重要的因素，而且需将其控制在一个具体的值上。
日本未决公开的专利申请No.199106/1997揭示了一种能够减少和稳定焊接强度变化的技术。该文中做出了这样的说明，即，当一与焊片相对应的第一平板(内部端板6)和一与破裂盘相对应的第二平板(防爆阀体3)通过超声焊接过程被焊接在一起时，在第一平板的凸起的尖端平面上，可通过对平面的面积以及凸起的高度(它们都会影响焊接强度)进行限制来减少和稳定焊接强度的变化。
但是，上述文献只揭示了可通过对面积和形状都受到限制的接合表面进行超声焊接过程来减少和稳定焊接强度的变化，却没有揭示出应如何利用接合面以将剥离强度控制在一个恒定的水平上。
当金属接合面相互邻接且随后受到超声焊接处理时，金属接合面上所有小凹槽和凸起的凹凸紧密接触的面积增加，而且金属接合面之间的接合会因保持相互紧密接触的表面上原子的扩散而进一步加强。之后，原子的扩散促进了金属面的接合，并可消除空隙以在金属接合面上形成浇铸金属区(以下称为“熔核”)。当这些熔核通过超声焊接过程被形成时，金属接合面之间的剥离强度变得与熔核形成区的材料强度(撕裂强度)相同。在采用上述文章中所揭示的技术时，当原子的扩散发展到熔核被超声焊接过程形成的阶段时，接合部的剥离强度很大程度上取决于熔核形成区的材料强度，并且仅通过对超声焊接过程的设定条件进行调整是很难控制剥离强度的。
接合部的剥离强度与接合面积成正比增加。因此，当为了从二次电池提取大电流而增加接合面积(电流导通面积)时，如果金属接合面之间的接合强度被做得与材料强度相同，则接合部的剥离强度将变得太大，以致于无法切断电流通路。
如图1A和1B所示，从电极板伸出的导电片被与二次电池中的圆形焊片相连。当二次电池在组装时或受到振动或撞击时，如果有外力被施加到导电片之上，则焊片很容易在接合面中发生旋转。由于焊片仅在接合部受到连接，所以它会在接合部产生扭曲力。因此，就存在接合部发生偶然脱落的问题。
本发明的一个目的是提供一种二次电池的制造方法，利用这种方法可以实现能够从二次电池提取大电流的电流导通面积，并且利用这种方法也很容易将破裂盘与焊片间接合部的剥离强度控制在一个恒定的水平上。
本发明的另一个目的是提供一种具有高度可靠性的切断装置的二次电池，除非当电池中的压力变得异常高，否则该切断装置所含有的接合部不会在当二次电池被组装时或受到振动或撞击时发生脱落现象。
从本发明人为实现上述的目的而进行研究所得到的成果中可以发现，如果接合部是通过在一初始状态下进行原子扩散而被产生的，则仅需要通过对超声焊接机的工作条件进行设定，就可以对接合部的剥离强度进行控制。而且本发明人已经发明出一种接合面的形状，它可实现在接合面相互接合之后减少和稳定剥离强度中的变化的目的。另外，由于接合部的剥离强度小于完全由扩散连接而形成的接合部的剥离强度，所以本发明人已发明出了一种切断组件的结构，它能够防止破裂盘在当二次电池被组装时或受到振动或撞击时很容易出现的脱落现象。
根据本发明，提供了一种用于制造二次电池的方法，该电池含有一个被放置在外壳的开口端之中的切断组件，该切断组件用于在当电池中的压力异常时切断电流通路。该切断组件包括：一密封了外壳的开口端的破裂盘；一与破裂盘的表面部分电连接并作为电池的外部端的盖帽；一与破裂盘的另一个表面部分相连接并作为电池的内部端且具有通气孔的焊片；以及一绝缘垫圈，它密封了破裂盘与外壳之间的空隙，并且在除了焊片和破裂盘间的接合部的周围空间以外使破裂盘和焊片保持电绝缘状态，该方法包括用超声焊接机通过在一初始阶段中使接合面上的原子完成扩散而将破裂盘的一部分和焊片接合在一起的步骤。
利用上述方法，就可使破裂盘与焊片间接合部的剥离强度小于接合材料的强度。这样，即使增加接合部的面积以便从二次电池提取大的电流，由在初始阶段中进行的原子扩散所形成的接合部也不会因具有太大的剥离强度而不能使电流通路被切断。另外，通过对超声焊接机的工作条件进行设定，就可简单地制造出由在初始阶段中进行的原子扩散所形成的接合部。
在上述破裂盘和焊片之一具有凸起而另一个具有用于固定凸起的凹入的方法中，最好使破裂盘和焊片的接合表面利用凸起和凹入保持相互咬合，而且最好利用超声焊接机通过在一初始阶段中使接合界面完成原子扩散而将破裂盘的一部分和焊片焊接在一起。上述凸起可以是半球形、柱状、辐射状或条状凸起。利用这种方法，由于接合表面所具有的凸起和凹入保持相互咬合，所以在进行表面接合时就很容易放置接合表面。因为接合表面利用凸起和凹入而保持相互咬合，所以可使其接触面积增加到等于或大于接合面的最大投影面积(由接合部的周边所环绕的面积)，这样就减少了在接合部每单位面积的初始扩散接合区上所发生的变化。利用这种方式就可减少和稳定接合部的剥离强度中的变化。另外，当有趋于使接合表面沿着切向移动的外力产生时，接合表面上的凹入和凸起就可以防止接合面产生相对的移动。因此，在接合阶段中沿着接合表面方向施加的外力所产生的影响就得到了抑制。
上述方法中，在初始阶段对原子扩散过程所进行的调整能够调节破裂盘与焊片间接合部的剥离强度。
上述初始阶段含有这样一个阶段，在此阶段中，由熔核形成的扩散接合区的面积不超过接合表面的50％。
利用上述方法制造出来的二次电池含有用于防止焊片在接合部周围转动的装置。该二次电池最好还包括用于防止焊片在接合部周围晃动(振动)的装置。由于上述这两种装置都防止了焊片位置的移动，所以当此二次电池被组装时或者受到振动或撞击时，接合部上就不会受到应力。因此，这种二次电池的可靠性得到了提高。
如果绝缘垫圈有一个其中安装了破裂盘的凹槽，该凹槽的底部有一个开口，且在此开口的内周表面中装有一个用来固定焊片的固定件，则用于防止焊片转动和防止焊片晃动(振动)的装置可以具有以下结构。
例如，用于防止焊片在接合部周围转动的装置可以在其外围边缘上含有一个凸齿，并且绝缘垫圈的固定件可以含有一个用于固定上述凸齿的凹槽。另外，上述用于防止焊片在接合部周围转动的装置也可以具有多边形的焊片，而固定件则可具有与上述焊片的多边形形状互补的形状。防止焊片在接合部周围晃动的装置可含有能够抓住与焊片相对的表面上的凹槽的固定件。
通过以下的文字说明并参考其中描绘有本发明实例的附图，本发明的上述及其它目的、特征和优点将变得更加清晰易懂。
图1A是传统的二次电池的切断装置的各部分的局部截面侧视图；
图1B是从图1A所示传统二次电池的电池外壳内部方向看到的焊片及相关部分的平面图；
图2是根据本发明一个实施例的二次电池的切断装置的截面侧视图；
图3A是图2所示切断装置的接合部的接合表面的截面视图，此视图沿接合表面方向得到；
图3B是沿图3A中的ⅢB-ⅢB线所取得的截面图；
图4A是图2所示切断装置的接合部的另一种接合表面的截面视图，此视图沿接合表面方向得到；
图4B是沿图4A中的ⅣB-ⅣB线所取得的截面图；
图5是图2所示切断装置的接合部的又一种接合表面的截面视图，此视图沿接合表面方向得到；
图6是图2所示切断装置的接合部的另外一种接合表面的截面视图，此视图沿接合表面方向得到；
图7是从图2所示二次电池的电池外壳内部方向看到的焊片及相关部分的平面图；
图8是从图2所示二次电池的电池外壳内部方向看到的另一种焊片及相关部分的平面图；
图9A是接合部部分的显微图像，其中，接合表面上的原子扩散处于一个初始阶段；
图9B是接合部部分的显微图像，其中，完整的扩散接合已被实现。
如图2所示，根据本发明所述的二次电池含有一个切断装置，该装置包括破裂盘11和焊片14，它们在接合部15相互接合。破裂盘11和焊片14是根据不同于图1A和1B所示的传统二次电池的制造过程而被相互接合在接合部15的，而且接合部15的形状也不同于图1A和1B所示传统二次电池中接合部的形状。
以下将对根据本发明所述将破裂盘11和焊片14在接合部15相互接合的过程进行说明。如图2所示，破裂盘11的凸起11a的尖端表面被与焊片14相互接合在接合部15之上，其中，接合表面上的原子扩散处于一初始阶段。破裂盘11的凸起11a和焊片14是利用普通的超声焊接机被相互接合在一起的。破裂盘11和焊片14由例如铝制成，也可由任何有色金属制成。
如图9A所示，在通过初始扩散实现的接合部15中，接合表面上的原子扩散处于初始阶段(即，此时由熔核形成的扩散接合区的面积应最多为接合表面的50％，或者在10％以下更好)。尽管使用了超声焊接机，但接合过程是在接合表面上的原子扩散过程进入一个后期阶段(即，此时由熔核形成的扩散接合区的面积至少超过接合表面的50％)之前完成的。之所以这样来完成接合过程，其原因在于，如果在接合过程中由超声焊接机执行的原子扩散进入了后期阶段，则接合材料将通过占据接合表面一半或大半的熔核而相互牢固地接合在一起。然后，其剥离强度将变得与熔核形成区的材料强度相同，而且应在超声焊接条件下对熔核形成区的整个面积进行调整以便控制剥离强度。但是，仅仅通过调整超声焊接的设定条件(如：压力负载、超声振动施加的时间、超声振动的频率、超声振动的能量等等)会导致在对焊接区(其中，焊接在几毫秒内完成)的剥离强度进行控制时，出现精确度方面的问题，因为熔核的形成过程具有很高的速度。在本实施例中，焊片11的凸起11a的尖端表面和焊片在这样一种接合状态下被相互焊接在一起，即，接合表面上的原子扩散过程已利用超声焊接机在初始阶段被完成。在这种方式中，根据熔核形成区的材料强度与剥离强度相等的情况，破裂盘11和焊片14的剥离强度可以小于由超声焊接实现的接合强度，因此，在接合部处于初始扩散状态的情况下，就可以增大接合面积以便从二次电池提取大的电流。另外，由于采用了超声焊接机(一般因其可以简单地设定焊接条件而被称为是可用的)来执行扩散焊接，所以很容易就可以实现处于初始扩散状态的接合部。
以下将对接合部15的形状进行说明。如图2所示，在破裂盘11和焊片14的接合部15中，接合表面利用凸起和凹入保持相互咬合。在图3A、3B、4A、4B、5和6中显示出了多个接合表面形状的例子。在图3A和3B所示的例子中，接合表面利用半球形凸起18和互补的凹入保持相互咬合。在图4A和4B所示的例子中，接合表面利用柱状凸起19和互补的凹入保持相互咬合。在图5和6中，接合表面之一具有辐射状凸起20或条状凸起21，而另一个接合表面则具有可接受辐射状凸起20或条状凸起21的凹入。在图5和图6中，凸起可以具有如图3B或4B所示的半圆形或矩形截面。在图6所示的例子中，当接合表面被焊接时，最好沿与条状凸起21形成的方向相垂直的方向加载超声振动。沿此方向加载超声振动，其优点在于，超声振动所产生的应力可以激发金属表面在接合界面上良好地扩散原子。
对接合部15的接合表面采用上述形状可以在表面相互接合之后有效地减少和稳定剥离强度中的变化。以下将对采用上述形状所产生的效果的原因进行说明。扩散接合过程中的原子扩散从接合表面被以原子间距相互紧密夹住的区域开始。接合表面被相互紧密夹持在一起的区域的状况对于每个接合都不同，因为金属表面上的小凹入和凸起并不均匀。由于接合表面中扩散接合区的面积的比例，即使在相同的接合条件下也不是恒定的，所以各接合点上的接合强度也都存在微小的差异。因此，在本实施例中，接合表面利用了具有图3A、3B、4A、4B、5和6所示形状的凹入和凸起而保持相互咬合在一起，从而使接触面积增加到等于或大于接合表面的最大投影面积，这样就减少了各接合点中每单位面积初始扩散接合区中所产生的变化。利用这种方式，各点接合之后的剥离强度中的变化得到了减小，进而允许当电池中的压力达到一个预定的异常值时使电流被可靠地切断。
另外，由于接合部件利用凸起和凹入保持相互咬合，因而在进行部件接合时就可以十分容易地放置各个部件。还有，当有沿非脱离方向施加的外力(如，趋于使接合部件沿接合面方向移动的外力)产生时，接合表面上的凹入和凸起就可防止接合面之间产生相对移动。因此，在接合状态下沿非脱离方向施加的外力所产生的影响就得到了抑制。
如图2所示，在本实施例中，安装在绝缘垫圈13的凹入底部的中心开口内的焊片14所具有的形状使得焊片14不能相对于绝缘垫圈13发生转动。例如，如图7所示，焊片14的外围边缘14b上带有凸起14c，而且绝缘垫圈13含有一个用于安装焊片14的开口13b，凸起14b就固定在其上的凹槽13a中。另外，如图8所示，焊片14为多边形形状，而绝缘垫圈13含有一个用于安装焊片14的开口13b，其形状与焊片14的多边形正好互补。利用这些结构，即使当二次电池在组装时或受到振动或撞击时有外力施加在导电片17上，焊片14也不会在接合部15周围转动。另外，如图2、7和8所示，在用于将焊片14安装在绝缘垫圈13之中的开口13b的内周表面中有一个凹槽13c，它能够抓住与焊片14相对的表面上的外围边缘14b。这种抓持装配结构可防止焊片14在接合部15周围晃动(振动)。通过将上述各个结构组合起来，当二次电池在组装时或受到振动或撞击时，就不会产生施加在利用初始扩散接合所形成的接合部15上的应力。由于除非当电池中的压力变得异常地高，否则接合部15不会发生脱离情况，所以这种二次电池非常可靠。
虽然以上使用特定的术语对本发明的优选实施例进行了说明，但这种说明仅起到了说明性的目的。应该明白，对上述内容的各种变换和修改都不会脱离以下权利要求的精神或范围。
Claims (18)
1．一种用于制造二次电池的方法，该电池含有被放置在外壳的开口端之中的切断组件，用于在当电池中的压力异常时切断电流通路，上述切断组件包括：密封了上述外壳的开口端的破裂盘；与上述破裂盘的表面部分电连接并作为电池的外部端的盖帽；与上述破裂盘的另一个表面部分相连接并作为电池的内部端且具有通气孔的焊片；以及一绝缘垫圈，它密封了上述破裂盘与上述外壳之间的空隙，并且在除了上述焊片和上述破裂盘间的接合部的周围空间以外使上述破裂盘和上述焊片保持电绝缘状态，上述方法包括以下步骤：
用超声焊接机通过在一初始阶段中使接合面上的原子完成扩散而将上述破裂盘的一部分和上述焊片接合在一起。
2．如权利要求1所述的方法，其中上述初始阶段含有这样一个阶段，在此阶段中，由熔核形成的扩散接合区的面积不超过接合表面的50％。
3．如权利要求1所述的方法，还包括对初始阶段中的原子扩散过程进行调整的步骤，利用该步骤可以调节上述破裂盘与上述焊片之间的接合部上的剥离强度。
4．一种用于制造二次电池的方法，该电池含有一个被放置在外壳的开口端之中的切断组件，它用于在当电池中的压力异常时切断电流通路，上述切断组件包括：密封了上述外壳的开口端的破裂盘；与上述破裂盘的表面部分电连接并作为电池的外部端的盖帽；与上述破裂盘的另一个表面部分相连接并作为电池的内部端且具有通气孔的焊片；以及绝缘垫圈，它密封了上述破裂盘与上述外壳之间的空隙，并且在除了上述焊片和上述破裂盘间的接合部的周围空间以外使上述破裂盘和上述焊片保持电绝缘状态，上述破裂盘和焊片之一具有一个凸起而另一个则具有一用于固定上述凸起的凹入，上述方法包括以下步骤：
利用上述凸起和上述凹入使上述破裂盘和上述焊片的接合表面保持相互咬合；以及
用超声焊接机通过在一初始阶段中使接合面上的原子完成扩散而将上述破裂盘的一部分和上述焊片接合在一起。
5．如权利要求4所述的方法，其中上述初始阶段含有这样一个阶段，在此阶段中，由熔核形成的扩散接合区的面积不超过接合表面的50％。
6．如权利要求4所述的方法，还包括对初始阶段中的原子扩散过程进行调整的步骤，利用该步骤可以调节上述破裂盘与上述焊片之间的接合部上的剥离强度。
7．一种二次电池，其含有一个切断组件，它被放置在外壳的开口端之中，其作用是在当电池中的压力异常时切断电流通路，上述切断组件包括：密封了上述外壳的开口端的破裂盘；与上述破裂盘的表面部分电连接并作为电池的外部端的盖帽；与上述破裂盘的另一个表面部分相连接并作为电池的内部端且具有通气孔的焊片；以及绝缘垫圈，它密封了上述破裂盘与上述外壳之间的空隙，并且在除了上述焊片和上述破裂盘间的接合部的周围空间以外使上述破裂盘和上述焊片保持电绝缘状态，这种二次电池的特征在于，上述破裂盘的一部分和上述焊片在其接合界面上的原子扩散处于初始阶段时被接合起来。
8．如权利要求7所述的二次电池，其特征在于上述初始阶段含有这样一个阶段，在此阶段中，由熔核形成的扩散接合区的面积不超过接合表面的50％。
9．如权利要求8所述的二次电池，其特征在于上述破裂盘与上述焊片之间的接合部的接合表面利用凸起和凹入来保持相互咬合。
10．如权利要求9所述的二次电池，其特征在于它还含有用于防止上述焊片围绕上述接合部转动的装置。
11．如权利要求9所述的二次电池，其特征在于它还含有用于防止上述焊片在上述接合部周围晃动和振动的装置。
12．一种含有切断组件的二次电池，它被放置在外壳的开口端之中，其作用是在当电池中的压力异常时切断电流通路，上述切断组件包括：密封了上述外壳的开口端的破裂盘；与上述破裂盘的表面部分电连接并作为电池的外部端的盖帽；与上述破裂盘的另一个表面部分相连接并作为电池的内部端且具有通气孔的焊片；以及绝缘垫圈，它封住了上述破裂盘与上述外壳之间的空隙，并且在除了上述焊片和上述破裂盘间的接合部的周围空间以外使上述破裂盘和上述焊片保持电绝缘状态，上述绝缘垫圈有一个其中安装了上述破裂盘的凹槽，该凹槽的底部有一个开口，且在此开口的内周表面中装有一个用来固定上述焊片的固定件，这种二次电池的特征在于，上述破裂盘的一部分和上述焊片在其接合界面上的原子扩散处于一个初始阶段时被接合起来。
13．如权利要求12所述的二次电池，其特征在于上述初始阶段含有这样一个阶段，在此阶段中，由熔核形成的扩散接合区的面积不超过接合表面的50％。
14．如权利要求13所述的二次电池，其特征在于上述破裂盘与上述焊片之间的接合部的接合表面是利用凸起和凹入保持相互咬合的。
15．如权利要求14所述的二次电池，其特征在于上述破裂盘和上述焊片的接合面之一具有半球状、柱状、辐射状或条状的凸起，而另一个则具有一用于固定上述凸起的凹入。
16．如权利要求14所述的二次电池，其特征在于上述焊片的外围边缘上有一个凸起，而上述绝缘垫圈中的上述固定件则含有一个用于固定上述凸起的凹槽。
17．如权利要求14所述的二次电池，其特征在于上述焊片的形状为多边形，而上述固定件的形状则与焊片的上述多边形状互补。
18．如权利要求16或17所述的二次电池，其特征在于上述固定件含有一个凹槽，用于抓住与上述焊片相对的表面。
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