TWI482333B - 高應力用原電池 - Google Patents

Description

高應力用原電池

本發明相關於原電池(galvanic element)，特別是鈕釦電池(水銀電池)(button cell)的類型，此原電池具有陰極、陽極、電解質、配置在陽極與陰極之間的分隔件、及殼體。殼體包含殼體杯體、殼體蓋體、及密封元件，此密封元件使殼體杯體與殼體蓋體絕緣。

特別是類型為鈕釦電池的形式的原電池概括而言具有此類型的殼體。此類型的原電池可含有廣泛不同的電化學系統，例如鋅/二氧化錳(MnO₂ )、一次鋰(primary lithium)系統、或其他二次系統，例如鎳/鎘、鎳/金屬氫化物(metal hydride)、或二次鋰(secondary lithium)系統。

此種電池的液密閉合概括而言是藉著將杯體邊緣折邊而覆在與塑膠材料環件連接的殼體蓋體的邊緣上，其中塑膠材料環件被配置在殼體杯體與殼體蓋體之間，且被同時使用成為密封元件及使用來使殼體杯體與殼體蓋體電絕緣。從例如DE 31 13 309可得知此類型的鈕釦電池。

在已知的此類型的原電池中，分隔件一般而言以被夾住(三明治)的方式位在陽極與陰極之間，而這三個組件相對於彼此被同心地配置。在此情況中，有窄周邊間隙在分隔件與密封元件之間存留在外側。另外，分隔件可能相對於陰極及陽極滑移，特別是在原電池受高機械應力的情況中，因而使已有的間隙擴大。因此，在原電池受嚴重應力的情況中，例如由於高溫或嚴重的溫度變動，或是如果原電池承受高的加速度或壓力差，則可能發生陰極的粒子被釋放而於分隔件的周圍在外側移動。此可能導致電池中的短路，因而產生電池的快速及不受控制的自我放電。

本發明的目的為提供一種在一開始提及的類型的原電池，其中上述現象被可靠地避免。

此目的是根據密封元件被牢固地或剛性地(rigidly)連接於分隔件的本發明而達成。如此，分隔件與密封元件之間不再存在有來自陰極(或陽極)的粒子可在分隔件的周圍移動通過的周邊間隙。分隔件也不再可能會滑移。因此，可獲得甚至是在高負荷之下也具有長的使用壽命的原電池，其中上述的高負荷例如是在高的加速度或高溫的情況中。

根據本發明的較佳實施例，密封元件實質上為環狀，且沿著其整個周邊剛性地連接於分隔件。原電池藉著沿著整個周邊的連續性連接而被分成彼此互相分隔的兩個容室，陽極位在兩個容室中的一個內，而陰極位在另一個容室內。因此，排除個別粒子在分隔件周圍移動的可能性。

分隔件可被熔接(welded)於密封元件。或者，分隔件也可被膠合(glued)於密封元件。也可設想其他緊固型式，決定性的重點為獲得永久性的連接。

較佳地使用於徑向具有實質上U形的截面的密封元件。此類型的密封元件可從習知技術充分地得知，且通常被用於根據申請專利範圍請求項第1項的前言部份的原電池。根據本發明的較佳實施例，分隔件徑向向外凸出成為至少越過密封元件的U形的於徑向的內側，亦即越過在內側的密封唇部。在此情況中，分隔件較佳地剛性地連接於密封元件的此在內側的密封唇部，使得分隔件與密封元件的內側密封唇部一起形成可接收電極例如陰極的杯狀單元。

分隔件徑向向外凸出越過密封元件的內側密封唇部的部份較佳地相對於分隔件的中央區域所在的平面實質上垂直地彎折，且然後沿著內側密封唇部在密封元件的U形內延伸。在此情況中，分隔件徑向向外凸出越過內側密封唇部的部份較佳地被夾鉗在殼體蓋體與密封元件的內側密封唇部之間。如此，分隔件不只是藉著例如對於密封元件的膠合或熔接連接而被固持於定位，並且也可藉由分隔件被夾鉗在殼體蓋體與密封元件之間而防止分隔件滑移，且因此防止間隙的產生。因此，達成額外的穩固作用。

根據本發明的較佳實施例，原電池另外包含至少一個導電性彈簧元件，此彈簧元件被支撐在殼體杯體或殼體蓋體上，並且藉著導電性中間元件而於分隔件的方向壓住陰極或陽極。在此情況中，陰極或陽極屆時會藉著中間元件及彈簧元件而與殼體杯體或殼體蓋體電接觸。如果只使用一個彈簧元件，則此彈簧元件較佳地位在陰極側，亦即此彈簧元件被支撐在殼體杯體上，且藉著位在彈簧與陰極之間的導電性中間元件而於分隔件的方向壓住陰極。特別較佳的解決方案為彈簧元件在各情況中被用在陽極側以及陰極側二者。

彈簧元件被用來增加在一方面的陰極或陽極的電解活性(electro-active)材料與在另一方面的殼體之間的電接觸的可靠性。陰極或陽極材料與殼體之間的接觸阻抗可能會由於溫度的作用或由於承受高機械應力而增加，使得接觸減損。此在如果電解活性材料的一部份已經被消耗時特別是如此。彈簧元件在一方面與殼體電接觸，且在另一方面將導電性中間元件壓在陰極或陽極上，使得導電性連接永遠產生在陰極或陽極與殼體之間。因此，確保可靠的電接觸。

彈簧元件較佳地被剛性地連接於殼體杯體或殼體蓋體，例如被熔接。彈簧元件對於殼體杯體或殼體蓋體的此剛性連接可在原電池的實際組裝之前形成。因此，彈簧元件可已經相對於殼體杯體或殼體蓋體預先被定心，因而在後續的組裝期間不再可能滑移。

根據本發明的特別較佳的實施例，彈簧元件具有至少三個彈簧臂，而此至少三個彈簧臂相對於彈簧元件的中心被對稱地配置。在此情況中，彈簧臂的每一個具有撐靠在導電性中間元件上的接觸面。彈簧的壓力由於這些彈簧臂以星形配置而均勻地分佈在導電性中間元件上，使得中間元件於陽極或陰極的方向垂直於分隔件的平面被壓。中間元件又被用來將三個彈簧臂的壓力分佈遍及較大的接觸面上，使得彈簧元件的彈簧臂不會鑽入電極的電解活性材料內。

導電性中間元件可例如包含具有中心凹部的圓形盤件，而中心凹部的直徑實質上相應於陰極及陽極的直徑。由於此凹部，獲得供活性材料用的空間。理論上，窄的環狀盤件就足夠成為上面支撐彈簧臂的導電性中間元件。

以下會在較佳實施例的輔助下及參考所附的圖式更精確地敘述本發明。

圖3顯示根據本發明的原電池的剖面，此原電池在此處為鈕釦電池。圖1顯示組裝之前的鈕釦電池的個別組件。圖2顯示電池的最終組裝之前的中間階段，其中個別組件已經彼此組裝。圖式並非依照實際尺寸，因為精確的尺寸對於瞭解本發明而言並不重要。

鈕釦電池具有殼體，其包含殼體杯體14及殼體蓋體12，如習知技術中已知的。

具有U形截面的環狀密封元件20被用來密封殼體。此密封元件同時被用來使殼體杯體14與殼體蓋體12互相電絕緣。具有U形截面的此類型的密封元件或密封環的使用在習知技術中為已知的，因此此處並未給予密封元件及其在電池完全組裝時在杯體14與蓋體12之間的位置(參考圖3)的更為精確的敘述。

殼體杯體14內收納有彈簧元件24，其係如同殼體杯體由導電材料例如金屬薄片精確地製造。彈簧元件24可例如從合適的金屬薄片被衝出，然後被彎折成形。如可在圖1及2中看見的，彈簧元件24具有實質上環狀的中心部份26，而三個彈簧臂28從中心部份26以星形形狀冒出而以矩形的基本表面延伸至相同的長度。兩個鄰近的彈簧臂28之間有120度的角度。三個彈簧臂28向外成角度地傾斜離開殼體杯體14。在電池被組裝之前，彈簧元件24被熔接於殼體杯體14。圖2在頂部處顯示彈簧元件24被熔接在殼體杯體14上，並且從圖可見彈簧元件24的環狀中心部份26座落在殼體杯體14的中心處，並且被平坦地撐靠在殼體杯體14的底座上，而三個傾斜的彈簧臂28站立離開杯體14的底座，並且確保所想要的彈簧力，如以下會更精確地敘述的。

例如為鋰錠(lithium tablet)的陽極16如常見地位在殼體蓋體12之側。位在殼體杯體14之側的則為陰極18，其可例如為被壓的(pressed)二氧化錳(MnO₂ )錠。

在圖1中分開地顯示且被使用成為彈簧元件24與陰極18之間的導電性中間元件的支撐環件30位在具有彈簧元件24的杯體14與陰極18之間。此支撐環件30實質上具有有圓形底座的杯體的形狀，其具有同心的圓形凹部32，並且具有相對於底座垂直的圓筒壁。支撐環件30在此情況中只是大至足以接收陰極18。在鈕釦電池的組裝之前，陰極18被嵌入支撐環件30內，如圖2所示。如果彈簧元件被使用在陽極側，則也可使用簡單的金屬圓形盤件成為導電性中間元件，而非此類形的支撐環件，因為至少在此處所選擇的以金屬鋰錠成為陽極的例子中，在邊緣處不需任何支撐。

陽極16與陰極18如傳統般地藉由圓形盤件形狀的分隔件22而互相分開。在習知技術的已知鈕釦電池中，分隔件22具有與陽極16及陰極18實質上相同的直徑，然而在此處如特別是在圖1中可見的，分隔件22具有比陰極18及陽極16大的直徑。

在鈕釦電池的組裝之前，分隔件22已經與密封元件20於緊固區域21中互相連接。為將密封元件20連接於分隔件22，舉例而言，位在密封元件20的U形的內側的內側密封唇部可在頂部處被塗覆以黏著劑。然後，分隔件22以置中的方式(centred manner)被放置在密封元件20上並且被壓在密封元件20上，以使得於緊固區域21獲得環狀的膠合連接。或者，分隔件22也可被熔接於密封元件20，或是以不同的方式被緊固於密封元件20。

圖2顯示分隔件22被連接於密封元件20，並且圖中可見分隔件22仍然實質上在平面中延伸。在此情況中，分隔件22撐靠在U形密封元件20的內側密封唇部上，並且徑向向外凸出超過該密封唇部，使得分隔件22的外部邊緣鬆動地撐靠在U形密封元件的開口上方。

圖3所示的鈕釦電池的組裝期間的程序如下。

首先，彈簧元件24如上所述被熔接於杯體14。陰極18被嵌入支撐環件30內。另外，分隔件22也如以上所述的被連接於密封元件20。形成陽極16的鋰錠被壓入殼體蓋體12內(比較圖1與圖2)。在執行這些中間步驟之後，獲得圖2所示的配置。

然後，內有陽極16的蓋體12被驅策至已經被連接於分隔件22的密封元件20內。殼體蓋體12的邊緣在此過程中將分隔件22向外凸出越過密封元件20的內側密封唇部的徑向外部邊緣彎折，並且將其壓入至圖3所示的位置。分隔件22此時在其外周邊處被夾鉗在殼體蓋體12與密封元件20之間，因此被雙重地緊固而不會滑移。藉此，電池的內部被分成藉由分隔件22而互相分開的兩個容室。即使是萬一粒子從陰極(或陽極)脫離，粒子也不會在分隔件22的周圍移動而造成短路。

在下一個步驟中，預先被電解質飽和且被嵌入支撐環件30內的陰極18被放置在密封元件20內且在分隔件22上。

最後，殼體杯體14在熔接有彈簧元件24之下被驅策至殼體蓋體12上，並且用壓機將鈕釦電池封閉。

如在圖3中所見的，支撐環件30的圓形盤件形狀的底座被使用成為彈簧元件24的彈簧臂28的接觸面。傾斜於支撐環件30及陰極18的方向的彈簧元件的彈簧臂28將支撐環件30壓離開殼體杯體14而壓在陰極18上。因此，電接觸藉著彈簧元件24及支撐環件30而產生在杯體14與陰極18之間。即使是陰極材料被消耗，並且即使是電池承受高的機械應力、高溫、或高壓，也可由於具有彈簧元件24及支撐環件30的構造而確保可靠的接觸。

12．．．殼體蓋體

14．．．殼體杯體

16．．．陽極

18．．．陰極

20．．．密封元件

21．．．緊固區域

22．．．分隔件

24．．．彈簧元件

26．．．彈簧元件的中心部份

28．．．彈簧元件的彈簧臂

30．．．支撐環件

32．．．支撐環件的凹部

圖1顯示原電池的分解圖。

圖2顯示圖1的原電池的部份分解圖。

圖3顯示圖1及2的原電池的剖面。

12．．．殼體蓋體

14．．．殼體杯體

16．．．陽極

18．．．陰極

20．．．密封元件

21．．．緊固區域

22．．．分隔件

24．．．彈簧元件

26．．．彈簧元件的中心部份

28．．．彈簧元件的彈簧臂

30．．．支撐環件

32．．．支撐環件的凹部

Claims (8)

1. 一種鈕釦電池類型的原電池，該原電池具有陰極、陽極、電解質、配置在該陽極與該陰極之間的分隔件、及殼體，而該殼體包含殼體杯體、殼體蓋體、及密封元件，該密封元件使該殼體杯體與該殼體蓋體絕緣，其中該密封元件具有於徑向具有兩個密封唇部的實質上U形的截面，且其中該分隔件徑向向外凸出而至少越過於徑向在內側的密封唇部；其中該分隔件徑向向外凸出越過此內側的密封唇部的部份實質上垂直於該分隔件位在該密封元件的徑向內側的區域彎折；其中該分隔件徑向向外凸出越過該密封元件的在內側的密封唇部的該部份被夾鉗在該殼體蓋體與該密封元件的此密封唇部之間；且其中該分隔件於在此內側的密封唇部之頂部上的緊固區域係接合到該密封元件的此內側的密封唇部。
2. 如申請專利範圍第1項所述的原電池，其中該密封元件實質上為環狀，且沿著其整個周邊剛性地連接於該分隔件。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的原電池，其中該密封元件被熔接於該分隔件。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的原電池，其中該密封元件被膠合於該分隔件。
5. 如申請專利範圍第1項所述的原電池，其中該原電 池包含至少一個導電性彈簧元件，該彈簧元件被支撐在該殼體杯體或在該殼體蓋體上，並且藉著導電性中間元件而於該分隔件的方向壓住該陰極或該陽極，該陰極或該陽極藉著該中間元件及該彈簧元件而與該殼體杯體或該殼體蓋體電接觸。
6. 如申請專利範圍第5項所述的原電池，其中該彈簧元件被剛性地連接於該殼體杯體或該殼體蓋體，特別是被熔接於該殼體杯體或該殼體蓋體。
7. 如申請專利範圍第5項或第6項所述的原電池，其中該彈簧元件具有至少三個彈簧臂，該至少三個彈簧臂相對於該彈簧元件的中心被對稱地配置，並且在各情況中具有撐靠在該導電性中間元件上的接觸面。
8. 如申請專利範圍第5項或第6項所述的原電池，其中該導電性中間元件包含具有中心凹部的圓形盤件，該中心凹部的直徑實質上相應於該陰極及該陽極的直徑。