TWI413328B

TWI413328B - Closed battery safety valve

Info

Publication number: TWI413328B
Application number: TW096140210A
Authority: TW
Original assignee: Shenzhen Kedali Industry Co Ltd
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2013-10-21
Also published as: KR20080041996A; JP4676947B2; CN101179119B; KR101164285B1; CN101179119A; TW200836444A; JP2008123726A

Description

密閉型電池之安全閥

本發明關於一種密閉型電池之安全閥，更詳言之關於一種組合容易進行易破裂部之強度調節之連續或半連續的閥體環形狀及各種易破裂部剖面形狀的密閉型電池之安全閥。

在鋰離子電池等中，在電池內部由於某些原因產生異常反應，而使電池內部壓力上升的情況時，在密閉型電池中可能由於電池本身的爆炸而產生對人、物的損害。作為其對策，需要在達到爆炸之前放出電池內部的氣體，因此一般在電池外裝部具有安全閥。

該安全閥具有以預先設計準備的內壓而破裂開放的閥體，在該閥體所要求的特性上，開放壓力當然比通常的電池內部壓力高，但從安全上考慮希望是盡可能低的開放壓力(有時將該臨界開放壓力稱為作動壓)。而且，在電池內部的氣體產生量多時，若放出該氣體的閥體面積小，則電池內部壓力暫時增加而存在達到爆炸的危險。

因此，因易破裂溝的破裂而產生的氣體放出部的面積具有足以放出產生氣體量的面積是非常重要(根據我們的經驗需要7mm² 以上)。另外，該鋰離子電池由於用於攜帶型電話或數位相機等，因此因操作使用者將其掉落在地上或地板上使閥體部破損，而有電解液洩漏等可能性。因此，對於這種意外落下，閥體不易損傷是非常重要(將此稱為落下強度)。

為了如上所述的目的，鋰離子電池具有安全閥作為安全機構。該安全閥具有在電池側面和底部透過直線或曲線或該等的組合而由寬度2mm以下的衝壓或蝕刻來構成薄閥體的情況(稱為刻印型或衝壓閥)、以及在封口板上設置開放口並在此處形成薄的閥體的情況。該閥體的平面形狀呈長圓、橢圓或飲料罐的易開罐蓋或其集合體之類的形狀。

賦予電池殼體蓋的剖面V缺口刻印型的安全閥，無法將作動壓設置為20kgf/cm² 以下，又無法確保氣體放出時之充分開口面積，所以對落下較弱，因此逐漸不被使用。

作為在封口板上設置開放口並在此形成薄的閥體的手段具有如下手段，即最初在封口板面內穿開具有既定大小的開放孔，利用包覆(clad)或熔接將厚度20~60 μ的薄膜作為閥體貼附到該開放孔上(一般將此稱為包覆閥)。另外，亦有在封口板面內透過衝壓或蝕刻等來形成具有既定大小薄膜之安全閥的手段(一般將此稱為衝壓閥)。

前者包覆閥雖然具有保持作為安全閥的要求特性的低作動壓、寬廣的放出面積及強力的落下強度之優點，但是需要衝壓三次與包層步驟等製造步驟較為複雜，且製造技術難且良率差，因此存在成本高的負面缺點。

對此，衝壓閥由於可以僅透過衝壓(包括分型模衝壓)在封口板內面形成閥體，因此可廉價地製作。又，能夠容易確保足以放出氣體之既定大小以上的安全閥面積，但是與包覆閥比較時，難以得到穩定的低作動壓。

因此，衝壓閥的開發一般透過衝壓裝置的精密下死點控制和適合材料的改良開發來進行。上述兩者正由衝壓裝置製造商與閥體材料製造商開發。而且，在生產作為閥體之封口板的衝壓製造商和使用此的電池製造商中，開發者著力於透過對衝壓閥之形狀下功夫來得到所需之低作動壓之衝壓閥，也有不少發明專利提出了申請，但是目前尚未達到可得到穩定且足夠低的作動壓的程度。

如日本專利特開平11-273640所示，在封口板2之開放口21上形成呈圓頂狀的薄壁閥體23，在該閥體23的周圍附近形成易破裂溝。一般，在封口板上設置平面連續或不連續環形的薄壁部，並在該薄壁部形成破裂溝之類型的安全閥中，在電池內部壓力上升時，透過薄壁之閥體受到電池內部之壓力而變形來使安全閥作動，因此以比較低的壓力使安全閥作動，達到本來的目的(參照專利文獻1)。

又，如日本專利特開2005-135873號之圖2(b)所示，在封口板6上形成有薄壁的閥體，在該閥體上形成朝電池內側突出的至少一個圓頂部2，在上述圓頂部的至少一個周緣角上形成有容易使閥體破裂的破裂溝4，如此一般變形較大的地方習知是閥體中央部附近，隨著朝閥體周緣部而變形量變小。通常由於破裂溝位於閥體的周緣，因此在電池內部壓力上升時，會位於在閥體內部變形最小的地方(參照專利文獻2)。

在日本專利特公昭58-23165中，記載有利用單向剪切加工及往復方向剪切加工之容易分離的金屬片連續體之製造方法(習知技術)(參照專利文獻3)。

(專利文獻1)日本專利特開平11-273640

(專利文獻2)日本專利特開2005-135873號

(專利文獻3)日本專利特公昭58-23165

在習知技術中，對於密閉型電池，尤其是鋰離子電池等之安全閥，在三洋電機、miyamatool等中已進行開發、改良且一部份已實際應用。

但是，通常在落下等比較輕的衝擊和設想內的低內壓下呈現穩定且不容易開口，另一方面在內壓急劇上升時確實開口而能防止破壞之高安全性的密閉型電池之安全閥目前尚未充分商業化。

根據本發明，可提供如下安全閥：一種密閉型電池之安全閥，其係伴隨環境異常變化產生異常氣體，而會導致槽內氣體壓力之急劇上升的密閉型電池之安全閥；其特徵在於，具有與平面連續或不連續環形之內周易破裂溝大致正交並自安全閥表面中心部朝外緣延伸的大致徑向易破裂溝，對於槽整體之意外落下等不容易破裂，另一方面，對於因槽內異常氣體之產生所引起的內壓上升，可以使彈性應變最大之易破裂溝之一部分作為起點而使破裂進行，並以按照所設計之較低內壓破裂而釋放內壓(申請專利範圍第1項)；如申請專利範圍第1項之密閉型電池之安全閥，其中，大致徑向易破裂溝剖面為V缺口型、單向剪切加工型易破裂溝或往復剪切加工型易破裂溝之任意一種(申請專利範圍第2項)；如申請專利範圍第2項之密閉型電池之安全閥，其中，易破裂溝之交點為以下的組合：(1)V缺口型易破裂溝間之組合；(2)V缺口型易破裂溝和單向剪切加工型或往復剪切加工型易破裂溝之組合；(3)單向剪切加工型易破裂溝間之組合；(4)往復剪切加工型易破裂溝間之組合；和(5)單向剪切加工型易破裂溝和往復剪切加工型易破裂溝之組合(申請專利範圍第3項)；以及，如申請專利範圍第1至3項中任一項之密閉型電池之安全閥，其中，在形成開口中央部輪廓之內周易破裂溝的殘厚為t₁ 、徑向易破裂溝之殘厚為t₂ 時，安全閥部板厚T為1.2(t₁ ，t₂ )≦T≦2.0(t₁ ，t₂ )(申請專利範圍第4項)。

(發明之作用效果)

透過實施以上本發明，提供一種在對電池進行封口的板狀封口板之開放孔上形成有薄壁閥體，且電池內部壓力達到既定值以上時，上述閥體其周緣部一部分或全部破裂而將電池之氣體朝電池外放出的電池之安全閥，閥體形狀為圓形、橢圓形或四邊形等形狀等任意的封閉的形狀(連續或不連續環形或中空放射狀)，破裂溝位於從閥體之周緣離開之處，因此可得到以較小的力引起變形之效果。

又，由於從中央破裂溝沿大致垂直方向朝閥體周緣部，具有例如4條以上大致放射狀之輔助破裂溝，因此在與破裂溝之交點(易破裂溝間之交點)集中應力，所以在低壓力亦會開始斷裂，又若一旦開始破裂，則與朝電池之外側方向的壓力不同，破裂溝透過輔助破裂溝亦受到朝電池側面方向之壓力。即，破裂傳播(crack propagation)以較小的壓力進行。因此如上所述，與習知衝壓閥相比，可得到非常低之作動壓。

本發明之衝壓閥包括在局部利用V缺口型易破裂溝間或單向或往復剪切加工易破裂溝或該等組合，由在利用以大致直角之交點作為破裂之出發點的破裂傳播(crack propagation)並以易破裂溝間之交點作為破裂開始點的易破裂溝中呈現連續之破裂片連續體所構成的閥體。

其中單向剪切加工易破裂溝(1way shearing easy open ditch；1WAY SEOD)或往復剪切加工易破裂溝(2way shearing easy open ditch；2WAY SEOD)分別以使用了如圖2、圖3和圖4、圖5所記載之分型防皺模之處理來製作，只用中心部之經加工硬化的殘存連接部進行連接。圖3和圖4分別所示之殘存連接部分尤其差排密度高，且經加工硬化，所以較脆且容易產生裂痕，容易破裂。任一者均因鮑辛格效應(bauschinger effect)而容易破裂、斷裂。

另外，本發明中之所謂破裂是指，在易破裂部，例如塑性加工密度高，即彈性應變容易集中且在破壞時更容易集中應力的破裂溝之交點或其附近，首先透過內壓產生裂痕，並且該裂痕沿著破裂溝傳播而產生閥體之破裂，而將內部之高壓氣體排出於大氣中之現象，實際上一般破裂片(閥體)之一部分被卷起來，而破裂溝之一部分(主要為延性變形部)不會斷裂而殘存。由該特性，可防止因破裂時分離閥體之飛散引起的危險。

另外，當開始破裂時，從破裂溝與輔助破裂溝之交點開始產生裂痕，被兩個輔助破裂溝及與該等大致正交之破裂溝所包圍的部分朝電池之外側方向折彎，因此在閥體作動時可確保充分的用於放出氣體之面積。

另外，依習知例1、2和本發明實施例1、2之順序用同一厚度、同一材料(軟鋼板或耐蝕A1合金板)進行比較時，當比較其作動壓YA、YB、YC、YD則為YA>YB>YC>YD。

如上所述，閥體透過電池外側方向和側面方向之兩方向力而破裂，因此在與通常之衝壓閥進行比較之場合時，在設計作動壓相同時可以將易破裂溝及輔助破裂溝之厚度形成較厚，所以落下強度亦變強。而且，若落下強度相同則作動壓能做得較低。因此，可容易進行任意的作動壓、落下強度之品質設計。但是，在大致正交的易破裂溝之交點附近，為了避免極端之應力集中，而需要考慮應力緩和之形狀設計。此可以透過金屬材料之加工硬化係數和開尖強度之研究來得到精密的適當解。

如上所述，根據本發明，可得到在電池內部壓力上升時迅速動作，並可迅速排出電池內部之氣體，同時落下強度優良且可提高生產性之優異效果。

本發明如上所述，可得到在各種易破裂溝之交點產生的裂痕傳播，即破裂進行時，一部分保持連接狀態並且可得到更大面積之抽氣開口部之優異作用效果，另一方面，可得到即使使用者手滑而將密閉型電池等金屬罐容器掉落在地板上，亦能承受落下衝擊而不易開口(破裂)之效果。而且，這種作用效果實際使用即可以明白，但理論上如上所述尚未解決之部分仍存在。

以下使用圖1，與習知例比對來詳細說明本發明。此處，圖1表示習知例1、2與本發明實施例1、2之俯視圖、剖視圖以及應變/作動壓之圖。圖2、圖3為分別表示單向剪切加工易破裂溝11之製造步驟的剖視圖及剖面顯微鏡照片，圖4、圖5為分別表示往復剪切加工易破裂溝12之製造步驟的剖視圖及剖面顯微鏡照片。在圖1中，A表示習知例1，B表示習知例2，C表示本發明實施例1，D表示本發明實施例2，當各作動壓分別以YA、YB、YC、YD表示時，則YA>YB>YC>YD。而且，YA為習知例1的作動壓，YB為習知例2的作動壓，YC為本發明實施例1之作動壓，YD為本發明實施例2的作動壓。EOD為易破裂溝，EODR為大致徑向的易破裂溝，EOP為破裂開始點(交點)。在圖2、3、4中，A為壓下壓力，L為剪切加工行程，t₁ 為單向剪切加工殘厚，t₂ 為往復剪切加工殘厚，10為材料鋼板，11為單向剪切加工易破裂溝，12為往復剪切加工易破裂溝，20為衝壓壓模(或剪切刀)，30為防皺裝置。

習知例1是在俯視圖上以簡單的V缺口剖面長圓狀作為連續環而形成輪廓的安全閥，該連續環亦可以形成點線狀之半連續。在該場合，即使施加內壓亦只是整體膨脹而使外周易開放溝破裂，而開口處並沒有特定，應變(或應力)大，不易開放。習知例2係在習知例1之平面長圓狀之易開放蓋之中央部置入縱溝，在上下兩處設置易破裂開始點。此比習知例1更接近本發明，縱線與外環部之交點部以低作動壓開始破裂。但是，在習知例2中臨界應變或作動壓還是很大。

(實施例1)

對此，在本發明實施例1中形成大致圓形之平面形狀，從大致在徑向連接內環與外環的徑向易破裂溝和內環、外環易破裂溝之交點(易破裂開始點EOP)，以低壓力產生破裂而使裂痕傳播。

(實施例2)

在本發明實施例2中，在徑向有4條易開放破裂溝以輪輻狀連接內環和外環，但是由4個內側交叉易破裂點成為起點產生破裂而朝各點三方傳播裂痕，以低內壓(作動壓)在低應變之狀態下低壓破裂。

在本發明中，由於上述易開口溝構成為剖視圖上V缺口剖面或俯視圖上大致正交之兩方向的板厚方向應變(剪切加工板厚方向)，因此，由於在俯視圖上(與半徑方向和周方向)大致正交之應變交叉部的加工硬化特別明顯，即變位係以高密度集中，故只要受到因內壓的急劇上升所產生板厚方向的剪切應力，就可容易地使罐蓋的安全閥開口破斷。

又，如圖1的C(本發明實施例1)、D(本發明實施例2)，對安全閥而言，由於靠近罐蓋的大致中心部之交叉部EOD(易開溝)的上下方向應變最大，因此在此交叉部會因集中應力而開始最初的破裂，沿著內側EOD的內側圓周，並在另一方面沿著EOD軸向破裂(斷)，最終沿著最外周的EODR破裂。

於此期間由於此罐蓋的中央部安全閥(俯視圖上圓板中心部)自固定端緣即周緣部的拘束最小，因此如沿周圍強力伸張之鼓皮的中心部般，在上下振幅成為最大時，雖然鋼或鋁等的金屬圓板有時會如同所謂的金屬罐(習知除蚤粉噴灑用的金屬罐)般暫時性地翹曲變形，但此時在圓周方向和軸向的交叉部EOD，應力集中所產生的加工硬化部會先脆性破壞而從微裂縫變成龜裂(裂痕)，使該龜裂朝罐蓋安全閥的周方向和軸向(半徑方向)傳播，由翹曲變形所產生的破壞傳播而使安全閥開口，其結果使罐內氣體釋放到空氣中。

這是由於蓋中心部內側因內壓而朝上方Z軸方向膨脹，彈性變形而使剪切應力集中於破裂彈性溝所導致。在與軸向的易破裂溝交叉之4個內徑內環交叉點，為了使分離應力達到最大，先開始破斷，最終破斷會抵達易破裂溝(外環)而使易破裂片破斷開口。然而，如上述由於若不使易破裂片的一部分殘留於開口後之罐蓋則EOE破片完全分離很危險，因此絕對必須留下一部分的連續部。

另外，本發明實施例中，並不只2段環狀，對於長圓形、橢圓形、扇形、多邊形等，並無特別限制形狀。重要的是要包括大致正交之EODR(易開放破裂溝)。

(產業上之可利用性)

本發明之基本原理在於，當將常見的軟鋼線(鋼絲)用手繼續彎曲時則產生加工硬化(此時稍微發熱)而逐漸變硬，最後折斷的軟質金屬特有之性質，與應力集中一起保持，將從剪切應力達到脆性破壞之破裂特性與電池安全閥之所希望的性質結合，其特徵在於，透過使剖面形狀不同之多個易破裂溝例如以大致直角相交等，而將裂痕發生容易性與裂痕傳播特性改變。本發明更進一步暗示在此施以(低中溫)熱處理，並透過恢復、再結晶處理，可微妙地控制要求特性。

因此，本發明思想可應用於習知沒有想到的各種容易分離的金屬片連續體上。例如容易分離的半導體電子零件連續體和其他醫療用樣品和藥劑單位等各種精密零件的中間處理用容易分離的連續體等，用途不限。

A‧‧‧習知例1

B‧‧‧習知例2

C‧‧‧本發明實施例1

D‧‧‧本發明實施例2

YA‧‧‧習知例1之作動壓

YB‧‧‧習知例2之作動壓

YC‧‧‧本發明實施例1

YD‧‧‧本發明實施例2

EOD‧‧‧易破裂溝

EODR‧‧‧大致徑向之易破裂溝

EOP‧‧‧破裂開始點(交點)

A‧‧‧壓下壓力

L‧‧‧剪切加工行程

t₁ ‧‧‧單向剪切加工殘厚

t₂ ‧‧‧往復剪切加工殘厚

10‧‧‧材料鋼板

11‧‧‧單向剪切加工易破裂溝

12‧‧‧往復剪切加工易破裂溝

20‧‧‧衝壓壓模(或剪切刀)

30‧‧‧防皺裝置

圖1表示習知例和本發明實施例。

圖2表示單向剪切加工。

圖3表示單向剪切加工易破裂溝。

圖4表示往復剪切加工。

圖5表示往復剪切加工易破裂溝。

EOD．．．易破裂溝

EODR．．．大致徑向之易破裂溝

EOP．．．破裂開始點(交點)

Claims

一種密閉型電池之安全閥，其係伴隨環境異常變化產生異常氣體，而會導致槽內氣體壓力之急劇上升的密閉型電池之安全閥；其特徵在於，其具有與平面連續或不連續環形之內周易破裂溝大致正交並自安全閥表面中心部朝外緣延伸的大致徑向易破裂溝，此等易破裂溝對於槽整體之意外落下不容易破裂，另一方面，對於因槽內異常氣體之產生所引起的內壓上升，可以使彈性應變最大之易破裂溝之一部分作為起點而使破裂進行，並以按照所設計之低內壓自上述易破裂溝之交點部破裂而釋放內壓。
如申請專利範圍第1項之密閉型電池之安全閥，其中，大致徑向易破裂溝剖面為V缺口型、單向剪切加工型易破裂溝或往復剪切加工型易破裂溝之任意一種。
如申請專利範圍第2項之密閉型電池之安全閥，其中，申請專利範圍第1項所記載之易破裂溝與大致徑向易破裂溝之交點為以下(1)~(3)中的任一組合：(1)V缺口型易破裂溝彼此間之組合；(2)單向剪切加工型易破裂溝彼此間之組合；及(3)往復剪切加工型易破裂溝彼此間之組合。