DE69634668T2

DE69634668T2 - Explosionssichere dichtungsplatte für hermetische zelle und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69634668T2
Application number: DE69634668T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Hirakata-shi MORI; Yoshihiro Osaka-shi KASHIHARA; Yasushi Moriguchi-shi HIRAKAWA; Kazuo Kadoma-shi SAITO; Kazuhiko Kadoma-shi WATANABE
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2016-10-29
Also published as: KR19990067165A; CN1144302C; CA2240415A1; DE69634668D1; CN1200199A; DE69635250T2; KR100324863B1; EP1458038A2; DE69635250D1; EP0859416B1; EP1458038A3; CA2240415C; WO1997016859A1; EP0859416A4; EP1458038B1; EP0859416A1; US6242126B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft explosionsgeschützte Obergruppen für abgedichtete Zellen, die beim Abdichten von abgedichteten Zellen, insbesondere von Zellen mit hoher Energiedichte wie Lithium-Sekundärelemente, verwendet werden sollen, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Hintergrund der Erfindung
In den letzten Jahren hat es einen schnellen Fortschritt bei tragbaren und/oder schnurlosen Ausführungen von audio-visuellen Geräten, Personalcomputern und anderen elektronischen Geräten gegeben. Als Spannungsquelle für diese elektronischen Geräte sind Hochkapazitäts-Sekundärbatterien mit nichtwässrigen Elektrolyten geeignet, wie beispielsweise verschiedene Alkali-Akkumulatoren und Lithium-Sekundärbatterien. Diese Sekundärbatterien mit nichtwässrigen Elektrolyten sollten als abgedichtete Batterien mit hoher Energiedichte und ausgezeichneten Belastungseigenschaften implementiert sein.
Abgedichtete Batterien mit hoher Energiedichte erzeugen jedoch oft sehr viel Gas in den Zellen aufgrund von chemischen Reaktionen infolge von Störungen in den zugehörigen Geräten, unter anderem im Ladegerät, oder von Überladung oder Fehlbedienung, sodass es zu einem zu hohen Druck in den Zellen, zur Explosion der Zellen oder zur Beschädigung des elektronischen Geräts, das die Zellen als Spannungsquelle verwendet, kommt.
Um diese Störungen zu vermeiden, sind diese Arten von Zellen bisher mit einer Sicherheitsvorrichtung gegen Explosion ausgerüstet worden, damit das Gas durch Öffnen eines Verschlusstopfens entweichen kann, wenn der Innendruck der Zelle einen vorgegebenen Wert übersteigt. Da Sekundärbatterien mit nichtwässrigen Elektrolyten aufgrund eines schnellen Temperaturanstiegs entzündungsgefährdet sind, sind sie außerdem mit einem zuverlässigen Sicherheitsmechanismus gegen Explosion ausgerüstet, der durch Ermitteln des Innendrucks vor dem Entweichen von Gas den elektrischen Strom vollständig abschaltet.
Als Beispiel ist in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Hei6-196150 ein Mechanismus beschrieben, bei dem ein Verschlusstopfen an der Oberseite einer Zelle und eine Anschlussklemme mit einer Entlüftungsöffnung durch ihren geschweißten mittleren Abschnitt elektrisch leitend gemacht sind, und wenn der Innendruck auf einen vorgegebenen Wert steigt, wird der Verschlusstopfen, auf den der Druck über die Entlüftungsöffnung der Anschlussklemme aufgebracht wird, durch eine nach außen wirkende Verformungsspannung aufgrund des Drucks durch die Entlüftungsöffnung der Anschlussklemme von dem mit der Anschlussklemme verschweißten Abschnitt gelöst, sodass der elektrische Strom unterbrochen wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen Explosionsschutz-Sicherheitsmechanismus wird für das Verschweißen des Verschlusstopfens und der Anschlussklemme das Ultraschallschweißen angewendet, bei dem mit einer geringen Schweißnahtfestigkeit geschweißt werden kann, da die benötigten Teile des Verschlusstopfens und der Anschlussklemme mit einer Schweißnahtfestigkeit geschweißt werden müssen, die so gering ist, dass das Ablösen bei einem bestimmten Innendruck möglich ist. Da jedoch das Ultraschallschweißen zu einer Verschmelzung durch Schwingungserwärmung nur an der Oberfläche des Werkstücks führt, besteht die Gefahr, dass es zu einer großen Streuung der Schweißnahtfestigkeit kommt.
Da bei dem vorstehend beschriebenen Explosionsschutz-Sicherheitsmechanismus der Druck für das Unterbrechen des elektrischen Stroms in Abhängigkeit von der Schweißnahtfestigkeit des geschweißten Teils bestimmt wird, ändert sich der Druck für das Unterbrechen des elektrischen Stroms mit der Änderung des Schweißnahtfestigkeit, was den Nachteil hat, dass er nicht auf einen festen Wert eingestellt werden kann. Dadurch entsteht das Problem, dass der elektrische Strom unterbrochen wird, bevor der Zellen-Innendruck auf einen vorgegebenen Wert steigt, oder dass der elektrische Strom auch dann nicht unterbrochen wird, wenn der Zellen-Innendruck bereits auf einen vorgegebenen Wert gestiegen ist.
Daher ist ein zuverlässigeres Verfahren zum Unterbrechen des elektrischen Stroms notwendig geworden, das beim Unterbrechen des elektrischen Stroms nicht von der Schweißnahtfestigkeit beeinflusst wird.
Verwiesen sei auf JP 6-203818, das die vorkennzeichnenden Merkmale der vorliegenden Erfindung beschreibt.
Beschreibung der Erfindung
Es wäre zweckmäßig, eine explosionsgeschützte Dichtungsplatte für eine abgedichtete Zelle zur Verfügung zu stellen, die mit einer hohen Zuverlässigkeit Störungen wie Entzündung durch Unterbrechen des elektrischen Stroms bei einer Erhöhung des Zellen-Innendrucks fehlerfrei vermeiden kann und die Zunahme des Widerstands durch Permeation eines Elektrolyten begrenzen kann.
Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine explosionsgeschützte Dichtungsplatte für eine abgedichtete Zelle mit einer oberen Metallfolie und einer unteren Metallfolie, die übereinander angeordnet sind, zur Verfügung, wobei die beiden Metallfolien eine Struktur haben, die an einem Verbindungsabschnitt, der von ihren einzelnen konzentrisch ausgebildeten dünnen Teilen umschlossen ist, elektrisch verbunden ist, wobei die Bruchfestigkeit des dünnen Teils der unteren Metallfolie kleiner als die Bruchfestigkeit des Verbindungsabschnitts ist, und dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des konzentrischen dünnen Teils der oberen Metallfolie größer als der Durchmesser des konzentrischen dünnen Teils der unteren Metallfolie ist und die Bruchfestigkeit des dünnen Teils der unteren Metallfolie kleiner als die Bruchfestigkeit des dünnen Teils der oberen Metallfolie ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die obere Metallfolie mit einem nach unten ausgebauchten konkaven Mittelteil versehen, die untere Metallfolie ist mit einem nach oben ausgebauchten konvexen Mittelteil und einem leicht zerbrechlichen Teil versehen, dessen Bruchfestigkeit auf einen Wert eingestellt ist, bei dem er bricht, wenn der Zellen-Innendruck auf einen vorgegebenen Wert steigt, die Außenfläche jeder der beiden Metallfolien ist mit einer Isolierdichtung dazwischen befestigt, und die beiden Metallfolien sind durch Verschweißen der Spitze des konkaven Teils und der Spitze des konvexen Teils elektrisch verbunden. Wenn der Zellen-Innendruck auf einen von der Bruchfestigkeit des leicht zerbrechlichen Teils der unteren Metallfolie bestimmten Wert steigt, bricht bei dieser Erfindung der leicht zerbrechliche Teil, was bewirkt, dass sich die untere Metallfolie und die obere Metallfolie voneinander trennen, wodurch der durch den Verbindungsabschnitt der beiden Metallfolien fließende elektrische Strom unterbrochen wird.
Da der Druck, bei dem der elektrische Strom unterbrochen werden soll, von der Bruchfestigkeit des leicht zerbrechlichen Teils bestimmt wird, braucht der Verbindungsabschnitt der beiden Metallfolien nicht wie bisher üblich durch den Zellen-Innendruck getrennt zu werden, was ein festes Verschweißen des Verbindungsabschnitts durch Laserschweißen o. Ä. ermöglicht.
Wenn beim Verschweißen der beiden Metallfolien die Außenflächen der beiden Metallfolien übereinander mit einer Isolierdichtung dazwischen angeordnet werden, werden der nach unten ausgebauchte konkave Mittelteil der oberen Metallfolie und der nach oben ausgebauchte konvexe Mittelteil der unteren Metallfolie elastisch miteinander in Kontakt gebracht, sodass ohne Verwendung einer Spannvorrichtung oder anderer Hilfsmittel kein Spalt zwischen dem konkaven und dem konvexen Teil zurückbleibt und ein fehlerfreies Laserschweißen jederzeit möglich ist.
Daher kann bei dieser Erfindung, wenn der elektrische Strom durch eine Erhöhung des Innendrucks einer Zelle unterbrochen wird, nicht nur der elektrische Strom mit hoher Präzision ohne Beeinflussung durch die Schweißnahtfestigkeit unterbrochen werden, sondern es kann auch das im Inneren befindliche Gas ohne Gefahr des Verschließens der Entlüftungsöffnungen in der oberen Metallfolie durch die untere Metallfolie beim Entstehen einer großen Gasmenge zuverlässig entweichen, wodurch Störungen wie Entzündung, Explosion usw. vermieden werden können. Außerdem kann die Permeation eines Elektrolyten in der Zelle in einen Temperatur-abhängigen Widerstand stark verringert werden, und der Innenwiderstand der Dichtungsplatte kann begrenzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht einer Dichtungsplatte in der ersten Ausführungsform, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
2 ist eine Schnittansicht einer Dichtungsplatte in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Schnittansicht einer Dichtungsplatte in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Schnittansicht einer Dichtungsplatte in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Schnittansicht einer Dichtungsplatte in der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks zum Unterbrechen des elektrischen Stroms.
7 ist eine Schnittansicht einer Dichtungsplatte in der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Schnittansicht, die die Dichtungsplatte von 7 in Betrieb zeigt.
Die 9(a) und 9(b) zeigen Schnittansichten von Teilprozessen der Herstellung der Dichtungsplatte von 7.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 zeigt den Aufbau einer Dichtungsplatte nach der ersten Ausführungsform, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, bei dem ein dünner Teil 1a in dem Mittelteil einer oberen Metallfolie 1 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,15 mm und einem Durchmesser von 12,7 mm unter Verwendung eines C-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 4,0 mm hergestellt ist, ein Vorsprung 2a mit einem Durchmesser von 1,0 mm in der Mitte einer unteren Metallfolie 2 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,3 mm und einem Durchmesser von 13,5 mm besteht und vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser hat, und die beiden Metallfolien durch Ultraschallschweißen an dem Mittelteil der oberen Metallfolie 1 und dem Vorsprung 2a der unteren Metallfolie 2 mit einer Isolierdichtung 3 dazwischen verschweißt sind. Sie wurden dann mit einem Metallgehäuse 4 umgeben, das aus Aluminium besteht und vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser hat, darauf wurden ein Temperatur-abhängiger Widerstand 5 und eine Metallkappe 6 mit vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser angeordnet, und dann wurde die Außenfläche des Metallgehäuses 4 abgedichtet, um eine Dichtungsplatte zu erhalten.
Zweite Ausführungsform
2 zeigt den Aufbau einer Dichtungsplatte nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein dünner Teil 7a in dem Mittelteil einer oberen Metallfolie 7 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,10 mm und einem Durchmesser von 12,7 mm unter Verwendung eines C-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 4,0 mm hergestellt ist, ein dünner Teil 8a an einer unteren Metallfolie 8 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,10 mm und einem Durchmesser von 13,5 mm unter Verwendung eines O-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 2,5 mm hergestellt ist und vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser hat, und die beiden Metallfolien durch Ultraschallschweißen an den Mittelteilen der beiden Metallfolien mit einer Isolierdichtung 3 dazwischen verschweißt sind. Hierbei betrug die Bruchfestigkeit des dünnen Teils 8a der unteren Metallfolie 8 10–13 kp/cm², während die Bruchfestigkeit des dünnen Teils 7a der oberen Metallfolie 7 18–24 kp/cm² betrug. Sie wurden dann mit einem Metallgehäuse 4 umgeben, das aus Aluminium besteht und vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser hat, mit einer Metallkappe 6 mit vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser abgedeckt, und dann wurde die Außenfläche des Metallgehäuses 4 abgedichtet, um eine Dichtungsplatte zu erhalten. Die dünnen Teile 7a und 8a wurden so geformt, dass sie die Beziehung A ≥ B erfüllen, wobei A der Durchmesser des Mittelteils ist, der von dem dünnen Teil 7a umschrieben wird, der an der oberen Metallfolie 7 vorgesehen ist, und B der Durchmesser des Mittelteils ist, der von dem dünnen Teil 8a umschrieben wird, der an der unteren Metallfolie 8 vorgesehen ist.
Dritte Ausführungsform
3 zeigt den Aufbau einer Dichtungsplatte nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein dünner Teil 7a in dem Mittelteil einer oberen Metallfolie 7 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,10 mm und einem Durchmesser von 12,7 mm unter Verwendung eines C-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 4,0 mm hergestellt ist, der Mittelteil der oberen Metallfolie 7 um 0,5 mm unter ihre Außenfläche in Form eines umgekehrten Trapezes abgesenkt ist, ein dünner Teil 8a an einer unteren Metallfolie 8 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,10 mm und einem Durchmesser von 13,5 mm unter Verwendung eines O-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 2,5 mm hergestellt ist und vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser hat, eine Isolierdichtung 3 zwischen den Außenflächen der beiden Metallfolien eingesetzt ist, und der Mittelteil der oberen Metallfolie 7, der die Form eines umgekehrten Trapezes hat, und der Mittelteil der unteren Metallfolie verschweißt sind. Sie wurden dann mit einem Metallgehäuse 4 umgeben, das aus Aluminium besteht und vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser hat, darauf wurden ein Temperatur-abhängiger Widerstand 5 und eine Metallkappe 6 mit vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser angeordnet, und dann wurde die Außenfläche des Metallgehäuses 4 abgedichtet, um eine Dichtungsplatte zu erhalten.
Vierte Ausführungsform
4 zeigt den Aufbau einer Dichtungsplatte nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein dünner Teil 7a in dem Mittelteil einer oberen Metallfolie 7 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,10 mm und einem Durchmesser von 12,7 mm unter Verwendung eines C-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 4,0 mm hergestellt ist, der Mittelteil der oberen Metallfolie 7 um 1,20 mm unter ihre Außenfläche in Form eines umgekehrten Trapezes abgesenkt ist, ein dünner Teil 8a an einer unteren Metallfolie 8 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,10 mm und einem Durchmesser von 13,5 mm unter Verwendung eines O-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 2,5 mm hergestellt ist und vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser hat, der Mittelteil der unteren Metallfolie 8 auf eine Tiefe von 0,7 mm von ihrer Außenfläche konkav gemacht ist, eine entgratete o. Ä. Isolierdichtung 9 zwischen den Außenflächen der beiden Metallfolien eingesetzt ist und die Mittelteile der beiden Metallfolien miteinander verschweißt sind. Sie wurden dann mit einem Metallgehäuse 4 umgeben, das aus Aluminium besteht und an der Unterseite eine Entlüftungsöffnung von 3,0 mm Durchmesser hat, darauf wurden ein Temperatur-abhängiger Widerstand 5 und eine Metallkappe 6 mit vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser angeordnet, und dann wurde die Außenfläche des Metallgehäuses 4 abgedichtet, um eine Dichtungsplatte zu erhalten.
Fünfte Ausführungsform
5 zeigt den Aufbau einer Dichtungsplatte nach der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein dünner Teil 7a in dem Mittelteil einer oberen Metallfolie 7 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,10 mm und einem Durchmesser von 12,7 mm unter Verwendung eines C-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 4,0 mm hergestellt ist, der Mittelteil der oberen Metallfolie 7 um 0,5 mm unter ihre Außenfläche in Form eines umgekehrten Trapezes abgesenkt ist, ein dünner Teil 10a an einer unteren Metallfolie 10 vorgesehen ist, die aus Aluminium mit einer Dicke von 0,10 mm und einem Durchmesser von 13,5 mm unter Verwendung eines O-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 2,5 mm hergestellt ist und keine Entlüftungsöffnungen hat, eine Isolierdichtung 3 zwischen den Außenflächen der beiden Metallfolien eingesetzt ist und der in Form eines umgekehrten Trapezes ausgesparte Mittelteil der oberen Metallfolie 7 und der Mittelteil der unteren Metallfolie 10 verschweißt sind. Sie wurden dann mit einem Metallgehäuse 4 umgeben, das aus Aluminium besteht und vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser hat, darauf wurden ein Temperatur-abhängiger Widerstand 5 und eine Metallkappe 6 mit vier Entlüftungsöffnungen von 1,5 mm Durchmesser angeordnet, und dann wurde die Außenfläche des Metallgehäuses 4 abgedichtet, um eine Dichtungsplatte zu erhalten.
Anschließend wurde unter Verwendung einer Bewertungsvorrichtung, wie sie in 6 gezeigt ist, Hochdruckluft durch einen Hochdruckluft-Einlass 13 auf die Unterseite des Metallgehäuses 4 jeder der in den ersten bis fünften Ausführungsform beschriebenen Obergruppen unter Erhöhung des Drucks mit einer Geschwindigkeit von 0,6 kp/cm²/s aufgebracht, und der Druck der Hochdruckluft, bei dem der zu der Kappe 6 fließende elektrische Strom unterbrochen wurde, wurde unter Verwendung eines Drucksensors 12 gemessen. Tabelle 1 zeigt die erhaltenen Ergebnisse. In 6 stellen 11a und 11b Elektroden dar.
Tabelle 1 (Einheit: kp/cm²)
Die in den einzelnen Ausführungsformen erhaltenen Obergruppen wurden auch in Lithium-Sekundärbatterien eingebaut, die einen nichtwässrigen Elektrolyten verwenden. Nach dreiwöchiger Lagerung dieser Batterien bei 85°C wurde der Innenwiderstand der Obergruppen bei Raumtemperatur gemessen; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2 (Einheit: mΩ)
Wie aus den Tabellen 1 und 2 hervorgeht, kann die Streuung des Strom-Unterbrechungsdrucks unter Verwendung der erfindungsgemäßen Obergruppen verringert werden und die Zunahme des Innenwiderstands der Dichtungsplatte kann begrenzt werden.
Sechste Ausführungsform
Wie vorstehend dargelegt wurde, zeigen die Obergruppen in der vorstehenden ersten bis fünften Ausführungsform eine beachtliche Explosionssicherheit. In der Regel kann das Werkstück problemlos lasergeschweißt werden, wenn es stabil oder dick genug ist. Da jedoch die in den Obergruppen verwendeten Metallfolien nur 0,05 bis 0,20 mm dick sind und leicht verformt werden, wenn sie durch Laserschweißen geschweißt werden, können die zu verschweißenden Teile der beiden Metallfolien auch mit einer Spannvorrichtung zum Festklemmen der beiden Metallfolien nicht direkt gehalten werden, und durch Verformung an den zu verschweißenden Teilen entsteht leicht ein Spalt, was die Gefahr eines Schweißfehlers mit sich bringt.
Diese Ausführungsform wurde als sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hinzugefügt, um die Leistungsfähigkeit der in der ersten bis fünften Ausführungsform beschriebenen Obergruppen weiter zu verbessern. Wie in 7 gezeigt, weist sie eine dünne elastische obere Metallfolie 21, eine elastische untere Metallfolie 22, die gegenüber der oberen Metallfolie 21 angeordnet ist, eine ringförmige Isolierdichtung 23, die zwischen den Außenflächen der beiden Metallfolien 21 und 22 eingesetzt ist, eine ringförmige PTC-Vorrichtung 24 (PTC = positiver Temperaturkoeffizient), die an der Außenfläche der oberen Metallfolie 21 angeordnet ist, eine Metallkappe 27, die auf der PTC-Vorrichtung 24 angeordnet ist und vier Entlüftungsöffnungen 27a hat, und ein aus Aluminium bestehendes Metallgehäuse 28 mit vier Entlüftungsöffnungen 28a auf, mit dem die vorgenannten Komponenten umgeben werden sollen und an dem sie befestigt werden sollen.
Die obere Metallfolie 21 besteht aus einer Aluminiumscheibe, die beispielsweise eine Dicke von 0,15 mm und einen Durchmesser von 12,7 mm hat, und ist mit einem in einer gekrümmten Konfiguration nach unten ausgebauchten konkaven Mittelteil 21a und einem leicht zerbrechlichen Teil 21b mit großem Durchmesser versehen, der einen C-förmigen dünnen Teil aufweist, der in dem Mittelteil des konkaven Teils 21a unter Verwendung beispielsweise eines C-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 4,0 mm ausgebildet ist. Die untere Metallfolie 22 besteht aus einer Aluminiumscheibe, die beispielsweise eine Dicke von 0,1 mm und einen Durchmesser von 13,5 mm hat, und ist mit einem in einer gekrümmten Konfiguration nach oben ausgebauchten konvexen Mittelteil 22a und einem leicht zerbrechlichen Teil 22b mit kleinem Durchmesser versehen, der einen O-förmigen dünnen Teil aufweist, der in dem Mittelteil des konvexen Teils 22a unter Verwendung beispielsweise eines O-förmigen Stanzwerkzeugs mit einem Durchmesser von 2,5 mm ausgebildet ist.
Die beiden Metallfolien 21 und 22 sind so angeordnet, dass der leicht zerbrechliche Teil 21b mit großem Durchmesser und der leicht zerbrechliche Teil 22b mit kleinem Durchmesser konzentrisch einander zugekehrt sind, wobei der leicht zerbrechliche Teil 22b mit kleinem Durchmesser in dem leicht zerbrechlichen Teil 21b mit großem Durchmesser angeordnet ist. Der Mittelteil des konkaven Teils 21a und der Mittelteil des konvexen Teils 22a werden unter Zusammendrücken mittels Laserschweißen miteinander verschweißt, um einen Verbindungsabschnitt S auszubilden. Die vorgenannte PTC-Vorrichtung 24 ist ein positiver-Temperaturkoeffizient-Widerstand, dessen elektrischer Widerstand stark zunimmt, wenn seine Temperatur über einen vorgegebenen Wert steigt, weil ein elektrischer Strom fließt, der einen zulässigen Wert übersteigt.
Die Dichtungsplatte nach dieser Ausführungsform ist von dem Metallgehäuse 28 umgeben, wobei die PTC-Vorrichtung 24 und die Metallkappe 27 auf den beiden Metallfolien 21 und 22 angeordnet sind, die übereinander mit einer Isolierdichtung 23 dazwischen angeordnet sind. Anschließend wird die obere Außenfläche des Metallgehäuses 28 nach innen verstemmt. Beim Einsetzen der Dichtungsplatte in einen Zellenbecher wird ein Zuleitungsdraht 29, der von einer der in der Zelle untergebrachten Elektrodenplattengruppen, normalerweise einer positiven Elektrodenplattengruppe, kommt, mit dem Metallgehäuse 28 durch Schweißen verbunden. Nach Einfüllen eines Elektrolyten in die Elektrodenplattengruppen in dem Zellenbecher wird die Dichtungsplatte in eine Öffnung des Zellenbechers eingebaut, wobei eine Isolierdichtung 30 um die Dichtungsplatte vorgesehen wird. Dann wird durch Verstemmen des oberen Endes des Zellenbechers nach innen die Öffnung des Zellenbechers mit der Dichtungsplatte abgedichtet.
In einer auf diese Weise zusammengebauten abgedichteten Zelle fließt ein elektrischer Strom von der Elektrodenplatte (in den Zeichnungen nicht dargestellt) durch den Zuleitungsdraht 29, das Metallgehäuse 28, die untere Metallfolie 22, den Verbindungsabschnitt S, die obere Metallfolie 21, die PTC-Vorrichtung 24 und die Metallkappe 27, und diese abgedichtete Zelle funktioniert somit als Zelle. In einer abgedichteten Zelle, die eine erfindungsgemäße Dichtungsplatte verwendet, wirkt die Explosionsschutz-Sicherheitsfunktion in drei Schritten.
Zunächst wird die erste Explosionsschutz-Sicherheitsfunktion beschrieben. Wenn ein Überstrom in einer Zelle fließt, steigt die Temperatur der PTC-Vorrichtung 24 in einem kurzen Zeitraum auf ihre Betriebstemperatur, was dazu führt, dass der Widerstand zunimmt und das Fließen des elektrischen Stroms stark verringert wird und auf einem verringerten Niveau gehalten wird. Auf diese Weise kann eine erhebliche Beschädigung der Zelle durch Kurzschließen in externen Stromkreisen oder Fehlbedienung wie Zulassen eines Überstroms vermieden werden.
Nun wird die zweite Explosionsschutz-Sicherheitsfunktion beschrieben. Wenn es bei Lithium-Sekundärbatterien zur Überladung oder Umkehrladung in einem unkontrollierten Zustand, wie etwa durch Ausfall des Ladegeräts, oder zu übermäßiger Entladung mehrerer in Reihe geschalteter Zellen kommt, obwohl der elektrische Strom niedriger als der Betriebsstrom der vorgenannten PTC-Vorrichtung 24 ist, kann die zulässige elektrische Kapazität der Zelle oft überschritten werden und der Zellen-Innendruck kann zunehmen. Wenn in diesen Fällen der elektrische Strom weiter in der Zelle fließt, kann die Zellentemperatur rasch ansteigen, was mit einem Zerfall des Elektrolyten und der aktiven Stoffe einhergeht, wodurch eine große Gas- oder Dampfmenge entsteht, was zu Entzündungs- oder Explosionsschäden führt. Daher muss der Zellen-Innendruck ermittelt werden und die Explosionsschutz-Sicherheitsfunktionen, die den elektrischen Strom vollständig unterbrechen, müssen aktiviert werden, um Entzündungs- oder Explosionsschäden zu vermeiden.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung der Zellen-Innendruck auf einen Wert steigt, der von der Bruchfestigkeit des leicht zerbrechlichen Teils 22b mit kleinem Durchmesser bestimmt wird, bewirkt das, dass der leicht zerbrechliche Teil 22b mit kleinem Durchmesser zerbricht, was zur Folge hat, dass der Teil in dem leicht zerbrechliche Teil 22b mit kleinem Durchmesser, der auf der unteren Metallfolie 22 vorgesehen ist, entfernt wird, wie in 8 gezeigt, und von der unteren Metallfolie 22 zusammen mit der oberen Metallfolie 21 abgelöst wird, wodurch die Metallfolien 21 und 22, die über den Verbindungsabschnitt S elektrisch leitfähig gewesen sind, getrennt werden und der elektrische Strom unterbrochen wird. Da sich hier der Druck zum Unterbrechen des elektrischen Stroms nicht in Abhängigkeit von der Schweißnahtfestigkeit des Verbindungsabschnitts S ändert, wie es bei herkömmlichen Obergruppen der Fall ist, kann der elektrische Strom mit hoher Genauigkeit zu dem Zeitpunkt unterbrochen werden, zu dem der Zellen-Innendruck auf einen vorgegebenen Wert steigt. Außerdem wird, da die obere Metallfolie 21 ihre Form behält, wenn der elektrische Strom unterbrochen wird, ein Auslaufen des Elektrolyten nach außen vermieden, wodurch solche Störungen wie Anhaften des Elektrolyten an der PTC-Vorrichtung 24 oder Korrosion anderer Vorrichtungen durch Auslaufen des Elektrolyten durch Öffnen eines zerbrechenden Verschlusstopfens, wie sie bei herkömmlichen Obergruppen auftreten, verhindert werden.
Wenn der Zellen-Innendruck weiter steigt, setzt die dritte Explosionsschutz-Sicherheitsfunktion der erfindungsgemäßen Dichtungsplatte ein. Wenn der Zellen-Innendruck durch Entstehung einer großen Gas- oder Dampfmenge auf einen Wert steigt, der von der Bruchfestigkeit des leicht zerbrechlichen Teils 21b mit großem Durchmesser bestimmt wird, bewirkt das, dass der leicht zerbrechliche Teil 21b mit großem Durchmesser zerbricht, wodurch der Mittelteil der oberen Metallfolie 21 zerbricht und das vorhandene Gas aus der Zelle entweicht. Da hier die beiden Metallfolien 21 und 22 mit dem leicht zerbrechlichen Teil 22b mit kleinem Durchmesser, der konzentrisch mit dem leicht zerbrechlichen Teil 21b angeordnet ist, verschweißt sind, verschließt der Teil der unteren Metallfolie 22, der an der oberen Metallfolie 21 befestigt ist, nicht die Öffnung, die durch das Zerbrechen des leicht zerbrechlichen Teils 21b der oberen Metallfolie 21, der einen großen Durchmesser hat, entsteht, und das im Inneren befindliche Gas kann problemlos nach außen entweichen, selbst wenn eine große Gasmenge entsteht.
Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Dichtungsplatte besteht darin, dass der Verbindungsabschnitt S der beiden Metallfolien 21 und 22 durch Laserschweißen o. Ä. fest verschweißt werden kann, da der Strom-Unterbrechungsdruck von der Bruchfestigkeit des leicht zerbrechlichen Teils 22b mit kleinem Durchmesser bestimmt wird.
Nachstehend wird das Verfahren zur Herstellung des Verbindungsabschnitts S unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Wenn in 9(a) der Abstand zwischen der Unterseite der ebenen Außenfläche der oberen Metallfolie 21 und der Spitze des konkaven Teils 21a d₁ ist, der Abstand zwischen der Oberseite der ebenen Außenfläche der unteren Metallfolie 22 und der Spitze des konvexen Teils 22a d₂ ist und die Dicke der Isolierdichtung 23 D ist, werden diese Abstände so festgelegt, dass sie die Beziehung d₁ + d₂ > D erfüllen.
Wie in 9(b) gezeigt, werden beim Herstellen des Verbindungsabschnitts S zwischen der oberen Metallfolie 21 und der unteren Metallfolie 22 die Außenflächen der beiden Metallfolien 21 und 22 mit der Isolierdichtung 23 dazwischen mit Spannvorrichtungen 31 und 32 festgehalten und befestigt. Wie aus der vorgenannten Maßbeziehung d₁ + d₂ > D hervorgeht, werden bei diesem Prozess die Spitze des konkaven Teils 21a der oberen Metallfolie 21 und die Spitze des konvexen Teils 22a der unteren Metallfolie 22 miteinander in Kontakt gebracht und dann durch festes Zusammendrücken, ohne dass ein Spalt zwischen den einander berührenden Abschnitten zurückbleibt, dazu gebracht, dass sie sich geringfügig krümmen. Durch Bestrahlen der einander berührenden Abschnitte mit einem Laserstrahl L von einer Laserschweißmaschine 33 kann der Verbindungsabschnitt S, der eine hohe Schweißnahtfestigkeit hat, mit einem guten Ergebnis ohne Schweißfehler oder Perforation ausgebildet werden.
Da bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Bruchfestigkeit des leicht zerbrechlichen Teils der unteren Metallfolie der Dichtungsplatte aufgrund des Innendrucks der Zelle eingestellt werden kann, der durch das Gas entsteht, das bei anormalem Betrieb erzeugt wird, werden beim Ansteigen des Innendrucks auf einen vorgegebenen Wert die untere und die obere Metallfolie durch das Zerbrechen des leicht zerbrechlichen Teils getrennt, wodurch der elektrische Strom unterbrochen wird und Störungen wie Entzündung zuverlässig vermieden werden und auch die Zunahme des Widerstands der Dichtungsplatte durch Permeation des Elektrolyten begrenzt wird.
Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie
Wie vorstehend dargelegt worden ist, weist bei der explosionsgeschützten Dichtungsplatte für abgedichtete Zellen und dem Herstellungsverfahren für diese Platte die Dichtungsplatte eine elastische obere Metallfolie und eine elastische untere Metallfolie auf, die übereinander angeordnet sind, wobei die beiden Metallfolien an den Abschnitten elektrisch verbunden sind, die von dünnen Teilen umschlossen sind, die konzentrisch an jeder Metallfolie vorgesehen sind, wobei die Bruchfestigkeit des dünnen Teils der unteren Metallfolie kleiner als die Bruchfestigkeit des dünnen Teils der oberen Metallfolie ist und der Durchmesser des konzentrischen dünnen Teils der oberen Metallfolie größer als der Durchmesser des konzentrischen dünnen Teils der unteren Metallfolie ist. Darüber hinaus ist die obere Metallfolie mit einem nach unten ausgebauchten konkaven Mittelteil versehen, die untere Metallfolie ist mit einem nach oben ausgebauchten konvexen Mittelteil und einem leicht zerbrechlichen Teil versehen, der zerbrechen soll, wenn der Zellen-Innendruck auf einen vorgegebenen Wert steigt, die Außenflächen der beiden Metallfolien sind mit einer ringförmigen Isolierdichtung dazwischen befestigt, und die Spitze des konkaven Teils und der Spitze des konvexen Teils werden elektrisch leitfähig gemacht, indem sie unter Druck miteinander in Kontakt gebracht werden. Wenn bei Verwendung dieses Aufbaus der Zellen-Innendruck auf einen von der Bruchfestigkeit des leicht zerbrechlichen Teils der unteren Metallfolie bestimmten Wert steigt, werden die untere Metallfolie und die obere Metallfolie durch Zerbrechen des leicht zerbrechlichen Teils voneinander getrennt, sodass der durch den Verbindungsabschnitt der beiden Metallfolien fließende elektrische Strom unterbrochen wird und im Inneren befindliches Gas bei Entstehung einer großen Gasmenge zuverlässig entweicht, wodurch Störungen wie Entzündung, Explosion usw. der Zelle vermieden werden. Weiterhin kann eine Permeation des Elektrolyten in der Zelle in einen Temperatur-abhängigen Widerstand stark verringert werden, wodurch ein Anstieg des Innendrucks der Dichtungsplatte begrenzt wird.

1: Obere Metallfolie
1a: Dünner Teil
2: Untere Metallfolie
2a: Dünner Teil
3: Isolierdichtung
4: Metallgehäuse
5: Temperatur-abhängiger Widerstand
6: Metallkappe
7: Obere Metallfolie
7a: Dünner Teil
8: Untere Metallfolie
8a: Dünner Teil
9: Isolierdichtung
10: Untere Metallfolie
10a: Dünner Teil
11a: Elektrode
11b: Elektrode
12: Drucksensor
13: Hochdruckluft-Einlass
21: Obere Metallfolie
21a: Konkaver Teil
21b: Leicht zerbrechlicher Teil mit großem Durchmesser
22: Untere Metallfolie
22a: Konvexer Teil
22b: Leicht zerbrechlicher Teil mit kleinem Durchmesser
23: Isolierdichtung
24: PTC-Vorrichtung
27: Metallkappe
27a: Entlüftungsöffnung
28: Metallgehäuse
28a: Entlüftungsöffnung
29: Zuleitungsdraht
30: Isolierdichtung
31: Spannvorrichtung
32: Spannvorrichtung
33: Laserschweißmaschine

Claims

Explosionsgeschützte Dichtungsplatte für eine abgedichtete Zelle mit einer oberen Metallfolie (7; 21) und einer unteren Metallfolie (8; 22), die übereinander angeordnet sind, wobei die beiden Metallfolien eine Struktur haben, die an einem Verbindungsabschnitt (S), der von ihren einzelnen konzentrisch ausgebildeten dünnen Teilen (7a; 8a; 21b; 22b) umschlossen ist, elektrisch verbunden ist, wobei die Bruchfestigkeit des dünnen Teils (8a; 22b) der unteren Metallfolie (8; 22) kleiner als die Bruchfestigkeit des Verbindungsabschnitts (S) ist, und dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des konzentrischen dünnen Teils (7a; 21b) der oberen Metallfolie (7; 21) größer als der Durchmesser des konzentrischen dünnen Teils (8a; 22b) der unteren Metallfolie (8; 22) ist und die Bruchfestigkeit des dünnen Teils (8a; 22b) der unteren Metallfolie (8; 22) kleiner als die Bruchfestigkeit des dünnen Teils (7a; 21b) der oberen Metallfolie (7; 21) ist.