TWI499150B - 模組式電流中斷裝置、電池、及其製造方法 - Google Patents

模組式電流中斷裝置、電池、及其製造方法 Download PDF

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Description

模組式電流中斷裝置、電池、及其製造方法
本發明係有關於鋰離子電池，特別是關於用於鋰離子電池的模組式電流中斷裝置(current interrupt device；CID)組件。
可攜式電子裝置中的鋰離子電池依據其使用之方式通常承受不同之充電、放電、以及儲存程序。運用鋰離子電池芯化學作用之電池在過度充電超過其內建之安全極限時將產生氣體。此氣體可被用以觸發壓力啟動安全元件以增進電池的可靠度和安全性。其通常使用一電流中斷裝置(CID)，藉由當電池內部壓力大於一特定數值時中斷電池之電流路徑，以防護電池中任何過度之內部壓力增加。此CID基本上包含一破裂盤(rupture disc)和一壓力盤(pressure disc)彼此電性相連。該破裂盤和壓力盤又分別電性相連至電池之一電極及一接頭。當電池內部壓力大於一特定數值之時，CID之壓力盤與破裂盤分隔(例如，因變形而分開或者彼此分離)，從而中斷該電極和該接頭之間的電流。
然而，習知之CID一般而言在極高之壓力下才會啟動，例如，在其內部計示壓力(gauge pressure)大於大約15公斤/平方公分(kg/cm2 )之時。基本上，當觸發此CID之任何過度內部壓力的增加發生時，電池之內部溫度同時亦相當地高，而造成額外的安全問題。高溫是極大型電池單體中的 一個特別令人關心的課題，諸如大於"18650"電池單體(其具有一大約18mm的直徑和一65mm的長度)的電池單體。
此外，CID之生產通常是與電池其他部分的生產同時進行，且在適當壓力確保啟動之變異上要求極低之容忍度。在一些設計中，由於需要提供氣體壓力之導通管道，故往往限縮到可以用來自電池捲筒焊接凸片的表面區域。盤中的氣體壓力導通管道通常包含至少一穿孔，其在自電池捲筒焊接凸片至破裂盤期間不可以被阻塞。
壓力盤的表面區域是影響其啟動或逆轉壓力的因素之一，材料厚度是另一個因素。在稜角形或者說非圓形電池單體中，單體上最短的一邊一般而言即表示可使用的壓力盤的最大尺寸。在任何特定的稜角形電池單體設計的外殼之內，藉由運用瘦長形(橢圓形(oblong)、卵形，等等)的壓力盤，其可能比同一材料厚度下的圓形壓力盤達到較低的啟動或逆轉壓力。
因此，其有必要提出可以降低或最小化前述問題的電池用CID，特別是針對相當大型的鋰離子電池。
本發明基本上是針對一種模組式電流中斷裝置、一種包含本發明之模組式電流中斷裝置的電池、以及一種形成本發明之模組式電流中斷裝置的方法。
上述之模組式電流中斷裝置包含一導電破裂盤和一導電壓力盤接附至該破裂盤以形成一電性通路。一電性絕緣 環將該破裂盤之一周邊自該壓力盤之一周邊隔開。該電流中斷裝置之一安裝構件將上述之電性絕緣環固定至該壓力盤。破裂盤及該電性絕緣環中之至少其一界定一導通管道，藉由該壓力盤之一側透過該導通管道暴露至足夠之壓力將致使該壓力盤與該破裂盤分離，從而切斷上述之電性通路。該安裝構件可以是導電性的且電性連接至該壓力盤。該破裂盤和該電性絕緣環可以共同界定該導通管道。該破裂盤可以包含複數夾持點(retention point)，該等夾持點與該電性絕緣環形成一干涉匹配(interference fit)。破裂盤之周邊可以是一多邊形。該多邊形可以界定出該等夾持點。該多邊形可以具有10邊到20邊，例如14邊。在一些實施例之中，上述之導通管道可以部分地由該破裂盤之周邊所界定。破裂盤之周邊可以是斜面式的。在一些實施例之中，破裂盤之周邊可以包含一雙重斜面。至少一上述斜面之角度範圍可以是介於大約40度和大約55度之間，諸如大約47度。在某些實施例之中，上述二斜面之角度可以均大約是47度。在一些實施例之中，該電性絕緣環可以在該環的周圍界定一凸緣，使得該凸緣交疊該破裂盤之周圍。在這些實施例中，該破裂盤可以在該破裂盤之周圍界定一溝槽，使得該絕緣環之凸緣在該溝槽處交疊該破裂盤，且該絕緣環之該凸緣之一表面可以是基本上與該破裂盤之一表面切齊。在一些實施例之中，該電性絕緣環可以界定至少一渠道，其配合該破裂盤共同界定至少一部分之導通管道。該渠道可以具有一主軸，該主軸基本上垂直於 該電性絕緣環所界定出之一圓形之一切線。在一些實施例之中，上述之破裂盤、壓力盤、以及安裝構件可以是鋁(aluminum)。該電性絕緣環可以包含一聚合物(polymer)。
在某些實施例之中，該破裂盤可以界定至少一導通管道。或者，該電性絕緣環界定至少一導通管道於該環之周圍，使得在該壓力盤之一截頭圓錐形(frustoconical)組件與該電流中斷裝置之一外部表面之間存在流體通連。該壓力盤可以進一步包含一架高表面和一周圍基座，該架高表面藉由上述之截頭圓錐形組件連結至該周圍基座，且其中該破裂盤在該架高表面處電性連接至該壓力盤。該壓力盤可以在至少一點上電性連接至該破裂盤。此點可以包含一焊接點。在一些實施例之中，上述之安裝構件可以電性導通的。在該等實施例之中，上述之壓力盤可以是電性連接至該安裝構件，且該安裝構件可以藉由其周圍上之一捲曲皺摺將該電性絕緣環固定至該壓力盤。在一些實施例之中，上述之安裝構件可以界定一安裝構件導通管道。在其他實施例中，上述之破裂盤可以界定該導通管道。
在另一實施例中，本發明係一電池，諸如一鋰離子式電池，其包含一模組式電流中斷裝置，其中該電流中斷裝置包含一導電破裂盤和一導電壓力盤接附至該破裂盤以形成一電性通路。此電池同時亦包含一第一接頭，與該電池之一第一電極電性相通、一第二接頭，與該電池之一第二電極電性相通、以及一電池室(battery can)，具有彼此電性相連之一電池芯匣和一外蓋，該電池室係電性絕緣於該第 一接頭，其中至少一部分之該電池室至少是該第二接頭之一組件，或者是電性連接至該第二接頭。上述之電池芯匣可以是一稜角形電池芯匣。一電性絕緣環將該破裂盤之一周邊自該壓力盤之一周邊隔開。該電流中斷裝置之一安裝構件將上述之電性絕緣環固定至該壓力盤。破裂盤及該電性絕緣環中之至少其一界定一導通管道，藉由該壓力盤之一側透過該導通管道暴露至足夠之壓力將致使該壓力盤與該破裂盤分離，從而切斷上述之電性通路。在一些實施例之中，該模組式電流中斷裝置係位於該電池一外蓋之一凹入部分，該凹入部分在該外蓋中界定一開孔。該模組式電流中斷裝置可以是該電池之一正接頭之一組件。在該等實施例之中，該電池之一正接頭之至少一導線可以與該模組式電流中斷裝置之破裂盤電性相連。在一些實施例之中，該電流中斷裝置可以與該電池室電性相連。在該等實施例之中，該電流中斷裝置可以與該電池室外蓋電性相連，且該外蓋可以包含一面向該壓力盤之凹口。該凹口與一變形平截頭體(frustum variant)之第一末端之周圍可以是共邊界的(co-terminous)。
在又另一實施例中，一種形成模組式電流中斷裝置的方法包含組合該電流中斷裝置之一壓力盤及一安裝構件，以及組合一破裂盤及一電性絕緣環。組合後之壓力盤及安裝構件以及組合後之破裂盤及電性絕緣環接著被組裝，且破裂盤被以雷射或電阻點焊之方式焊接至該壓力盤以在其間形成一電性通路。此方法可以包含將破裂盤焊接於該壓 力盤之一基本平面式外罩(essentially planar cap)的至少一點之上，最好是二點之上，同時該壓力盤之溫度被控制於不使其熔穿該壓力盤至該焊接之另一側。一電池之形成可以藉由之後將模組式電流中斷裝置放置於該電池一外蓋之一凹入部分之內，其中該凹入部分界定該外蓋之一開孔、將該電池之一第一電極或者一第二電極接附至該電流中斷裝置、將該電流中斷裝置接附至該電池之一電池室上，該電池室包含彼此電性相連之一電池芯匣和一外蓋、以及形成一第一接頭電性相連至該第一電極，與一第二接頭電性相連至該第二電極。此方法可以進一步包含將該電流中斷裝置焊接至該電池室之外蓋上。電流中斷裝置焊接至該電池室之外蓋之執行可以藉由在該外蓋和該電流中斷裝置之間縫焊(seam welding)一周圍交界面，最好是藉由在該壓力盤之基座處實施穿透焊接(penetration welding)。此方法可以進一步包含將該電池室之外蓋焊接至該電池室之電池芯匣上之步驟。當介於盤之間的計示壓力範圍係介於例如大約4kg/cm2 和大約10kg/cm2 之間或者是介於大約4kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間時，可以中斷電性連接。在一些實施例之中，當介於外蓋和電池芯匣之間的計示壓力大於或等於大約20kg/cm2 之時，連接外蓋和電池芯匣的焊接將破裂。此方法可以進一步包含形成至少一排氣裝置於電池芯匣上之步驟，其中當一內部計示壓力範圍係介於大約10kg/cm2 和大約20kg/cm2 之間時，電池內的氣體將透過該排氣裝置洩出。
在又另一實施例中，本發明係針對一種包含一壓力盤之CID，該壓力盤包含一具有一第一末端和一第二末端之變形平截頭體，其中該第一或第二末端中之至少其一之剖面係非圓形的。一基座自該變形平截頭體的第一末端之一周圍放射狀地延伸而出，且一基本平面式外罩封住該變形平截頭體的第二末端。該第一末端相對於該第二末端具有較為寬闊之尺寸。該第一末端和第二末端中至少其一之剖面可以是橢圓形的。該第一末端和第二末端二者之剖面可以均是非圓形的。在一些實施例之中，該第一末端和第二末端二者之剖面可以均是橢圓形的。上述之破裂盤最好是經由一焊接與上述之基本平面式外罩電性接觸。在介於盤間之一計示壓力範圍介於大約4kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間，或最好是在介於大約7kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間時，連接壓力盤和破裂盤之焊接將破裂。該破裂盤可以界定一低凹處，而該焊接可以是位於該低凹處。該焊接可以是至少一點之焊接，最好是二點之焊接，該等點焊之至少其一包含鋁。該破裂盤可以界定至少一開孔。該壓力盤和該破裂盤中之至少其一可以包含鋁。在一些實施例之中，該壓力盤和該破裂盤二者均可以包含鋁。在某些實施例之中，該外罩之厚度範圍可以是介於大約0.05毫米和大約0.5毫米之間，例如大約0.127毫米。該外罩之直徑範圍可以是介於大約2毫米和大約8毫米之間。該外罩距離該基座之高度之範圍可以是介於大約0.5毫米和大約1毫米之間，例如大約0.762毫米。該變形平截頭體與平行於該壓力盤之基座 之一平面之間可以具有一角度，其範圍介於大約15度和大約25度之間。在一些實施例之中，一電性絕緣環可以延伸於該變形平截頭體的周圍且介於該壓力盤之基座和該破裂盤之間。在該等實施例之中，壓力盤之基座可以包含至少一凸片且該電性絕緣環可以界定至少一開孔，當該絕緣環和該基座係同中心(concentric)時該凸片和該開孔能夠彼此對齊，其中該凸片可以被延展式地調整以將該絕緣環固定至該壓力盤。該電性絕緣環可以在該絕緣環之一周圍附近界定一溝槽。此等實施例可以進一步包含一具有複數凸片之金屬環，該金屬環可以位於該溝槽內側且該複數凸片可以被延展式地調整而固定於該壓力盤所在之一金屬表面，從而將該絕緣環固定於該壓力盤之上。該破裂盤接近與該壓力盤焊接處之厚度可以小於該壓力盤接近該焊接處之厚度，較佳之情況是等於或者小於該壓力盤接近該焊接處之厚度的一半。
本發明具有許多優點。舉例而言，上述之模組式電流中斷裝置可以與鋰離子電池分開生產，從而大幅降低電池之生產成本並增加該模組模組式CID可套用之應用種類。此外，該模組式CID包含一相較於典型之傳統電流中斷裝置顯著增加之表面區域用以在電池單體捲筒上焊接一凸片，因此其顯著地增加電池生產期間之良率。再者，在某些實施例之中，由於壓力盤及電性絕緣環二者界定出一導通管道，故壓力盤不需要包含允許氣體通過之穿孔，從而排除在電池單體捲筒上焊接凸片期間產生穿孔阻塞的可能 性。並且，本發明之模組式電流中斷裝置可以在至少一種定位方式上是各方位通用的，諸如藉由具有一圓形之形狀，從而排除在組裝期間對該電流中斷裝置定位之需要。其從而顯著地縮減生產期間出錯以及其後於品質檢查期間被退回的可能性。在一實施例中，該破裂盤上之一斜邊界定一渠道並提供一機制以將該破裂盤機械式地固定至電流中斷裝置之一電性絕緣環，從而排除破裂盤界定穿孔以傳送氣體壓力至壓力盤之需要。
一瘦長、非圓形壓力盤的優點之一在於，在任何特定稜角形電池單體設計之外殼內，其可能藉由使用一相較於同一材質厚度圓形壓力盤呈瘦長形之壓力盤(橢圓形、卵形，等等)而達成較低之啟動或逆轉壓力。
經由本發明示範性實施例之具體說明，前述之特點將得以彰顯，該等說明係配合所附之圖式進行，其中相同之參照字元在不同圖式中表示相同之部件。圖式未必成比例，基於例示本發明實施例之需要，可能強調特定之部位。
本發明基本上針對一種用於諸如鋰離子電池，特別是稜角形鋰離子電池，等電池的模組式電流中斷裝置。在另一實施例中，本發明係一種包含該模組式電流中斷裝置的電池。在又另一實施例中，本發明係一種製造模組式電流中斷裝置的方法。
說明當中所使用的本發明電池之"接頭"意指電池連接 外部電路的部分或者表面。此外，說明當中使用的"電性連接"或"電性相通"或"電性接觸"意指某些部分藉由電子流過導體而彼此相連通，相對於牽涉到諸如Li+ 之離子流過電解液之電化學相連。
圖1係一實施例之模組式電流中斷裝置10之剖面視圖，其包含導電破裂盤12、導電壓力盤14、電性絕緣環16、和安裝構件18。
如圖2A及2B所示，導電破裂盤12包含中央凹入部分11、13，其各自獨立具有之深度範圍介於大約0.16mm和大約0.26mm之間，而具有之寬度範圍介於大約2.95mm和大約3.05mm之間。或者，如圖11所示，導電破裂盤240可以包含一單一中央凹入部分280。導電破裂盤12，如圖2A所示，係一多邊形。雖然圖2A中顯示其具有十四個邊，但導電破裂盤12具有的側邊48的個數基本上可以介於大約10到20個之間。導電破裂盤12的側邊48兩兩相交並從而界定出夾持點50。選擇性地，或者替代性地，導電破裂盤12包含排氣穿孔，其未顯示於圖中。導電破裂盤12之斜邊20、22與導電破裂盤12之一主平面呈一角度，該角度之範圍基本上介於大約40度和55度之間。在較佳之實施方式中，斜邊20、22之角度範圍係介於大約45°和大約49°之間，最佳之實施方式係大約47°。基本上，導電破裂盤12具有一主要直徑D，其範圍介於大約6mm和大約16mm之間，以及一厚度T，其範圍介於大約0.3mm和大約0.7mm之間。在較佳實施例中，導電破裂盤12具有一 大約11mm之直徑以及一大約0.5mm之厚度。導電破裂盤12在中央凹入部分11、13之厚度之範圍通常是介於大約0.065mm和較佳之大約0.085mm之間。導電破裂盤12係由一適當之材料製造而成。適當材料之實例包含鋁、鎳(nickel)和銅(copper)。適當材料之實例包含鋁3003系列，諸如鋁3003 H-0或者H-14系列，最好是H-14系列。
回到圖1，導電壓力盤14於焊接點24、26處接附至導電破裂盤12。選擇性地，導電壓力盤14可以是以無任何焊接點、單一焊接點、或者三或更多焊接點之方式連接至導電破裂盤12。一般而言，該等焊接點係點焊之方式。在較佳實施例中，該等點焊彼此分隔。在一特別之較佳實施例中，該等點焊包含鋁。
雖然其他結構之導電壓力盤可以運用於本發明的模組式電流中斷裝置之中，但如圖3A和3B所示，導電壓力盤14較佳之實施方式係包含平截頭體(frustum)28。平截頭體或者截頭圓錐形組件28具有第一末端30和第二末端32。第一末端30相較於第二末端32具有較為寬闊之直徑。導電壓力盤14同時亦包含基座34放射狀地延伸自平截頭體28之第一末端30之周圍。外罩36封住平截頭體28之第二末端32。在本說明書之中，"平截頭體"一詞表示其頂部被切除之實心正圓錐(意即，以一直角三角形之一股為中心旋轉該直角三角形所產生之實心體)的基座牆面部分(不包括底部和頂端)。在一實施例中，外罩36係基本平面式的。在另一實施例中，未顯示於圖中，平截頭體28可以是一變形 平截頭體，諸如第一末端30或者第二末端32之一剖面係各自獨立之非圓形。在一實施例中，第一末端30和第二末端32之剖面均是橢圓形，如圖10中之導電壓力盤120所示。
在本說明書之中，"基本平面式或者外罩"一詞表示一相當類似一平面之表面，其可以與另一平坦表面任意接觸於一或多個點，且可以適當之方式，諸如點焊，將該表面熔接於該一或多個點之上。回到圖3A和3B，在一些實施例之中，雖然顯示於圖1之導電壓力盤14之製造或者模組式電流中斷裝置10之組裝導致變形(例如，由於將導電破裂盤12焊接至導電壓力盤14)，但外罩36仍然被視為是基本平面式的。
一塑形針具在同一時間形塑出導電壓力盤14上的外罩36以及導電破裂盤12上的中央凹入部分11。接著，導電壓力盤14被接附至導電破裂盤12以形成一電性傳導通道。在較佳實施例中，導電壓力盤14和導電破裂盤12係被點焊在一起，而焊接點位置之數目範圍介於1和大約6之間，諸如2個焊接點。在較佳實施例中，其使用雷射焊接。在較佳實施例中，其將雷射焊接設備設置成以多重重複式雷射脈衝連續快速地撞擊每一焊接點。其調整每一重複雷射脈衝之能量使得單一焊接點上的所有重複雷射脈衝之總能量足以局部地熔化導電壓力盤14和導電破裂盤12中的鋁，從而將其金屬性地黏結於焊接點處。使用多重重複雷射脈衝的優點在於施加至每一焊接點之總雷射能量的 變異被顯著地降低，從而在焊點焊接強度上相對於使用具有較高能量之單一雷射脈衝達成較小之變異。
在較佳實施例中，外罩36及/或基座34各自獨立地具有一材料厚度(表示為圖3B中之參照字元"d")，其範圍介於大約0.05mm和大約0.5mm之間，諸如介於大約0.05mm和大約0.3mm之間、介於大約0.05mm和大約0.2mm之間、介於大約0.05mm和大約0.15mm之間(例如，大約0.127mm)或者大約5毫吋(milli-inch)。
在較佳實施例中，外罩36之直徑(表示為圖3A和3B中之參照字元"b")範圍係介於大約2mm和大約10mm之間，最好是介於大約5mm和大約10mm之間，更佳者是介於大約5mm和大約8mm之間(例如，介於大約0.20吋和0.25吋之間)，諸如大約5.5mm(或者大約0.215吋)。
在較佳實施例中，外罩36之表面係自周邊基座34架高。外罩36距基座34之高度(表示為圖3B中之參照字元"c")範圍係介於大約0.5毫米和大約1毫米之間，更佳者在介於大約0.55毫米和大約0.65毫米之間，諸如大約0.596毫米(或者大約0.024吋)。
在較佳實施例中，平截頭體28相對於一平行於基座34之平面具有一角度，其範圍介於大約15度和大約25度之間，諸如介於大約18度和大約23度之間，或者介於大約19度和大約21度之間。更佳者，平截頭體28相對於一平行於基座34之平面具有一大約21度之角度。在較佳實施例中，平截頭體28之第一末端30對第二末端32之直徑比 (意即，圖3B中"b"對"a"之比)範圍介於大約1：1.20和大約1：1.35之間，諸如介於大約1：1.23和大約1：1.28之間。
回到圖1，導電破裂盤12和導電壓力盤14分離之時係當一施加至導電壓力盤14接觸導電破裂盤12之一表面之內部計示壓力之範圍介於大約4kg/cm2 和大約10kg/cm2 之間時，諸如介於大約4kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間、介於大約5kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間或者介於大約7kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間。導電壓力盤14自導電破裂盤12之分離啟動模組式電流中斷裝置10。在本說明書之中，模組式電流中斷裝置10之"啟動"意謂導電破裂盤12和導電壓力盤14間的電流流動被中斷。在較佳實施例中，當導電壓力盤14自導電破裂盤12分離時，導電壓力盤14仍得以保持其整體性，意即導電壓力盤14並未破裂或者允許氣體自導電壓力盤14的一側流到導電壓力盤14的另一側。通常而言，導電壓力盤14自導電破裂盤12之分離係造成將導電壓力盤14電性連接至導電破裂盤12的任一個點焊處破裂。
導電壓力盤14可以由適當之金屬構成，諸如鋁、銅和鎳。適當材料之一實例係鋁3003系列，諸如鋁3003 H-0或者H-14系列。在較佳實施例中，導電壓力盤14包含鋁，更佳者，基本上由鋁構成。
電性絕緣環16自導電壓力盤14之一周邊隔開導電破裂盤12之一周邊。參見圖4A、4B和4C，電性絕緣環16包含基座38和環緣40。基本上，環緣40與基座38之周圍相距一距離"b"，其範圍介於大約0.40mm和大約0.55mm 之間。環緣40基本上具有一高度"h"，其範圍介於大約0.80mm和大約0.90mm之間。凸緣44延伸自環緣40並交疊導電破裂盤12。在一實施例中，凸緣44接觸導電破裂盤12以在基座38和導電破裂盤12之間形成一干涉匹配。如圖4A所示，電性絕緣環16在基座38界定出渠道46。在一實施例中，其如圖4C所示，至少一渠道46具有一主軸，該主軸基本上垂直於電性絕緣環16所界定出的圓形上的一切線。電性絕緣環16之適當材質實例包含聚丙烯(polypropylene)，諸如高密度聚丙烯、以及過氟烷氧基共聚物(perfluoroalkoxy copolymer)合成樹脂。
由圖5可以看出，導電破裂盤12上之點50基本上與電性絕緣環16之環緣40係呈干涉匹配之關係。導電破裂盤12的側邊48與電性絕緣環16的環緣40界定出導通管道42，其提供從導電破裂盤12的一側到導電破裂盤12另一側的氣體壓力流體相通。電性絕緣環16之渠道46同時亦提供介於導電破裂盤12主表面之間的流體相通。
安裝構件，或者安裝杯狀體，18覆蓋於導電壓力盤14之上。安裝構件18，其亦顯示於圖6A和6B之中，包含基座52，以及凸高部分54，其界定穿孔56。位於安裝構件18周邊之皺褶58將導電壓力盤14固定至電性絕緣環16。選擇性地，安裝構件18可以藉由安裝構件18接觸導電壓力盤14之焊接(未顯示於圖中)固定至導電壓力盤14。在較佳實施例中，穿孔56之直徑範圍係介於大約2mm和大約4mm之間。安裝構件18係由一適當之材料所製造，諸如 鋁、鎳和銅。在較佳實施例中，安裝構件18係由金屬製成且電性連接至導電壓力盤14。在較佳實施例中，安裝構件18包含鋁，更佳者，基本上由鋁構成。
或者，在導電壓力盤14係連接至一電池之電性接頭，諸如電池室，之情況，安裝構件18可以由一電性絕緣材料製成，諸如聚丙烯。顯示於圖6A中係安裝構件18之一平面視圖，其顯示安裝構件18在結構上係圓形，在一實施例中，凸高部分54其本上緊沿導電壓力盤14之基座34。用以形成安裝構件18的材料，其厚度通常位於大約0.3mm和大約0.5mm間的範圍內。
本發明之一種製造模組式電流中斷裝置的方法包含組合導電壓力盤14與安裝構件18，以及組合導電破裂盤12與電性絕緣環16。組合後的導電壓力盤14和安裝構件18以及組合後的導電破裂盤12和電性絕緣環16接著藉由機械式方式彼此固定，或者使用其他機制藉由一適當的方法連結導電破裂盤12和導電壓力盤14，諸如藉由雷射或者電阻點焊。安裝構件18之邊緣可以環繞導電壓力盤14和電性絕緣環16之邊緣捲曲。在另一實施例中，顯示於圖7A至7D，導電壓力盤14和安裝構件18被組合，如圖7A所示，而後藉由一諸如捲曲之適當方法形成單一皺摺，如圖FIG.7B所示。選擇性地，其可以將一諸如耐電解質密封材料(例如，柏油式密封材料)，如相關領域所習知，之適當內襯填充物質，置於導電壓力盤14和安裝構件18之連結表面之間。如圖7C所示，其接著形成一雙重皺摺，做為一密 封機制。電性絕緣環16接著被放置於導電壓力盤14處，且導電壓力盤14和安裝構件18接著被再次捲曲以夾緊電性絕緣環16。導電破裂盤12接著被放入定位，如圖1所示，並被點焊至導電壓力盤14，如前所述，如圖7D所示。
在較佳實施例中，導電壓力盤14和導電破裂盤12係由大致上相同之金屬製成。在本說明書之中，"大致上相同之金屬"一詞意謂在一特定電壓下，例如電池之運作電壓，具有大致相同化學和電化學穩定性之金屬。在一特定實施例之中，導電破裂盤12和導電壓力盤14二者中之至少其一包含鋁，諸如鋁3003系列。在另一特定實施例之中，導電壓力盤14包含之鋁較導電破裂盤12包含者較為柔軟。在較佳實施例中，導電壓力盤14和導電破裂盤12二者均包含鋁。更佳者，導電破裂盤12係由鋁3003 H-14系列所構成，而導電壓力盤14係由鋁3003 H-0系列所構成。導電壓力盤14和導電破裂盤12可以藉由相關領域中習知之任何適當方法製成，諸如，舉例而言，壓印(stamping)、鑄造(coining)、及/或銑削(milling)技術。.
圖8A、8B和8C分別顯示一包含本發明模組式電流中斷裝置之電池之外蓋組件之外部平面、剖面以及內部平面視圖。由圖8A、8B和8C可以看出，模組式電流中斷裝置10被裝設於一電池之外蓋60所界定之穿孔62內。模組式電流中斷裝置10大部分位於電池內部，而安裝構件18之凸高部分54位於外蓋60之穿孔62內。安裝構件18係藉由一適當的方法固定至外蓋60，諸如藉由干涉匹配、焊接、 捲曲接合(crimping)、鉚接(riveting)、等等。在較佳實施例中，安裝構件18和外蓋60彼此焊接在一起。其可以使用相關領域中習知的任何適當焊接技術。在較佳實施例中，安裝構件18和外蓋60彼此密封式地連結。在較佳實施例中，其使用一雷射焊接技術於發明中。更佳之實施方式中，其運用一周圍雷射焊接技術以密封式地連結安裝構件18和外蓋60，舉例而言，藉由在二部件間的周圍交界面處使用縫焊，或者是藉由在安裝構件18的基座52處使用穿透焊接。在較佳實施例中，該焊接係實施於環繞基座52中間或者基座52邊緣之周圍上。在較佳實施例中，焊接製程期間，例如雷射焊接製程，其控制安裝構件18之溫度使其不超過焊接處另一側之安裝構件18表面之熔點。此一溫度控制可以利用習知技術中任何適當之冷卻方法為之。在較佳實施例中，外蓋60係由與安裝構件18大致相同之材料所製成，諸如鋁3003 H-0或者H-14系列。
由圖8A的電池外蓋60之外部平面視圖可以看出，安裝構件18之凸高部分54係可看見的且其結構基本上是圓形。通常，安裝構件18以及外蓋60的其餘部分和外蓋60所電性連接之電池室係做為一正接頭，而饋穿組件64如圖8A至8C所示係做為一負接頭，並藉由組件66電性絕緣於外蓋60的其餘部分、模組式電流中斷裝置10、以及外蓋60所電性連接之電池室。
圖9顯示包含外蓋60之本發明之電池70之剖面視圖，模組式電流中斷裝置10安裝於其中。凸片72使一電極， 最好是正電極，連接至導電破裂盤12。其可以藉由一適當的方法將凸片72連結至導電破裂盤12，諸如雷射或者電阻點焊。凸片74將其他電極連接至饋穿組件64，其亦是藉由一適當的方法，諸如雷射或者電阻點焊。
選擇性地，模組式電流中斷裝置10之導電組件可以由鋁之外的材料構成，諸如鍍鎳之鐵，特別是當模組式電流中斷裝置10係電性連接至電池之陽極而非陰極之時。
在另一實施例中，相較於裝配於相同尺寸(非圓形)外殼中之圓形壓力盤而言，一非圓形之壓力盤提供一較大之表面區域。相較於裝配於相同長方形外殼基座中之圓形壓力盤而言，較大之可用區域可有較低之啟動壓力。
當電池單體之設計由圓形變成稜角形時，壓力盤可用之空間減少。特別是對於外觀尺寸纖薄之稜角形電池單體而言，圓形壓力盤之最大尺寸極小，使得壓力產生之力道不足以在較佳之壓力範圍內啟動其壓力機制。使壓力盤材料變得極薄可以將逆轉壓力帶回較佳範圍。但使用極薄的材料使得壓力盤之結構整體性變得脆弱而增加破穿和裂縫的風險。
本發明之瘦長形，或者說橢圓形，導電壓力盤120顯示於圖10，其顯示與一其平截頭體之第一和第二末端二者均具有圓形剖面之壓力盤80相對照。下列之表1顯示對本發明之瘦長形壓力盤的測試結果。相較於可容納於一特定稜角形電池單體內之圓形壓力盤而言，此盤之瘦長形，或者說橢圓形，之形狀增加了壓力力道可作用之區域，因此 增進了壓力盤之敏感度並得以配合一外觀尺寸纖薄之稜角形電池單體運作。
在一些實施例之中，本發明之電池之CID，其使用一壓力盤和一破裂盤，該破裂盤與該壓力盤及該電池之電池室電性相連且壓力(意即諸如氣體之流體)相通，其啟動之內部計示壓力範圍係，舉例而言，介於大約4kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間，諸如介於大約5kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間或者介於大約7kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間。在此等實施例之中，該壓力盤最好包含一圓錐形或者半球形部件。更佳者，上述之圓錐形或者半球形部件之頂部(或者說外罩)的至少一部分係基本平面式的。在較佳實施例中，上述之壓力盤和破裂盤在該基本平面式外罩一部分處彼此直接接觸。更佳者，上述之壓力盤包含一具有一基本平面式外罩之平截頭體。在本說明書之中，CID之"啟動"意謂一電子裝置流過CID的電流流動被中斷。在一特定之實施例中，本 發明之CID包含一壓力盤和一破裂盤彼此電性相通(例如，藉由焊接、捲摺接合、鉚接，等等)。在此CID中，CID之"啟動"意謂介於壓力盤和破裂盤間的電性連通被中斷。在較佳實施例中，當破裂盤與壓力盤分隔(例如，因變形而分開或者彼此分離)之時，壓力盤並未破裂。
圖11顯示本發明CID之一特定實施例之剖面視圖。顯示於圖11中之CID 100包含導電壓力盤120和導電破裂盤240。導電壓力盤120包含變形平截頭體140(亦稱為平截頭體140)，其包含第一末端160及第二末端180。變形平截頭體在其第一末端160或第二末端180至少其一具有諸如顯示於圖10之瘦長形或者橢圓形之非圓形剖面形狀(諸如沿I-I線相對於第二末端180所取之剖面)。第一末端160相對於第二末端180具有較為寬闊之尺寸。導電壓力盤120同時亦包含基座200放射狀地延伸自平截頭體140之第一末端160之周圍。基本平面式外罩220封住平截頭體140之第二末端180。在本說明書之中，"變形平截頭體"一詞表示一位於二截切圓椎之平行平面間之實心非正圓形圓錐的基座牆面部分(不包括底部和頂端)。換言之，變形平截頭體基本上是一正圓椎，但該圓椎被截去之基座或剖面部份並非圓形而是瘦長形或橢圓形，如圖10左側部分所示，或者是其他非圓形之形狀。此瘦長形圓椎之基座的長度和寬度可以具有之一比例範圍介於大約1：1.3和大約1：2之間，最好是大約1：1.5，如圖10所示。
在較佳實施例中，平面式外罩220及/或基座200具有 一厚度(表示為圖12中之參照字元"d")，其範圍介於大約0.05毫米和大約0.5毫米之間，諸如介於大約0.05毫米和大約0.3毫米之間、介於大約0.05毫米和大約0.2毫米之間、介於大約0.05毫米和大約0.15毫米之間(例如，大約0.127毫米(或大約5毫吋))。
在較佳實施例中，平面式外罩220之最窄尺寸(表示為圖12中之參照字元"b")之範圍係介於大約1毫米和大約10毫米之間，更佳者介於大約2毫米和大約10毫米之間，又更佳者介於大約2毫米和大約6毫米之間，諸如大約3毫米。
在較佳實施例中，基本平面式外罩220距基座200之高度(表示為圖12中之參照字元"c")範圍係介於大約0.5毫米和大約1毫米之間，更佳者在介於大約0.6毫米和大約0.8毫米之間，諸如大約0.762毫米(或者大約0.315吋)。
在較佳實施例中，平截頭體140相對於一平行於基座200之平面具有一角度，其範圍介於大約15度和大約25度之間，諸如介於大約18度和大約23度之間，或者介於大約19度和大約21度之間。更佳者，平截頭體140相對於一平行於基座200之平面具有一大約21度之角度。在較佳實施例中，平截頭體140之第一末端160對第二末端180之直徑比(意即，圖12中"b"對"a"之比)範圍介於大約1：1.20和大約1：1.35之間，諸如介於大約1：1.23和大約1：1.28之間。
等效宣告
雖然本發明係以示範性實施例之方式詳細說明如上，但習於斯藝之人士應能理解，各種結構及細節上之變異均 可能在未脫離所附申請專利範圍包含之發明範疇下實現。
10‧‧‧模組式電流中斷裝置(CID)
11‧‧‧中央凹入部分
12‧‧‧導電破裂盤
13‧‧‧中央凹入部分
14‧‧‧導電壓力盤
16‧‧‧電性絕緣環
18‧‧‧安裝構件
20、22‧‧‧斜邊
24、26‧‧‧焊接點
28‧‧‧平截頭體
30‧‧‧第一末端
32‧‧‧第二末端
34‧‧‧基座
36‧‧‧外罩
38‧‧‧基座
40‧‧‧環緣
42‧‧‧導通管道
44‧‧‧凸緣
46‧‧‧渠道
48‧‧‧側邊
50‧‧‧夾持點
52‧‧‧基座
54‧‧‧凸高部分
56‧‧‧穿孔
58‧‧‧皺褶
60‧‧‧外蓋
62‧‧‧穿孔
64‧‧‧饋穿組件
66‧‧‧組件
70‧‧‧電池
72、74‧‧‧凸片
80‧‧‧壓力盤
100‧‧‧電流中斷裝置
120‧‧‧導電壓力盤
140‧‧‧變形平截頭體
160‧‧‧第一末端
180‧‧‧第二末端
200‧‧‧基座
220‧‧‧平面式外罩
240‧‧‧導電破裂盤
280‧‧‧中央凹入部分
a‧‧‧直徑
b‧‧‧最窄尺寸
c‧‧‧高度
d‧‧‧厚度
h‧‧‧高度
D‧‧‧直徑
T‧‧‧厚度
經由本發明示範性實施例之具體說明，前述之特點將得以彰顯，該等說明係配合所附之圖式進行，其中相同之參照字元在不同圖式中表示相同之部件。圖式未必成比例，基於例示本發明實施例之需要，可能強調特定之部位。
圖1係本發明模組式電流中斷裝置之一實施例之剖面視圖。
圖2A和2B分別是圖1之模組式電流中斷裝置中之一導電破裂盤組件之平面和剖面視圖。
圖3A和3B分別是圖1之模組式電流中斷裝置中之一導電壓力盤組件之平面和剖面視圖。
圖4A、4B和4C分別是圖1之模組式電流中斷裝置中之一電性絕緣環組件之一實施例之立體、剖面和平面視圖。
圖5係圖1之模組式電流中斷裝置沿V-V線所取之一部分剖面視圖。
圖6A和6B分別是圖1之模組式電流中斷裝置中之一安裝構件組件之平面和剖面視圖。
圖7A至7D顯示本發明製造本發明一實施例之模組式電流中斷裝置之方法中的步驟。
圖8A、8B和8C分別是一稜角形電池單體之一外蓋之 外部、剖面、和內部視圖，其顯示接附至該外蓋之一本發明之模組式電流中斷裝置。
圖9係本發明之一稜角形電池單體之剖面圖，其亦以剖面視圖顯示本發明之模組式電流中斷裝置被裝設於外蓋中之適當處。
圖10係本發明一瘦長形，或者說橢圓形，壓力盤之平面視圖，其具有一變形平截頭體式之形狀，顯示於一具有非變形之平截頭體形狀之圓形壓力盤的旁邊。
圖11係本發明之CID之一實施例之剖面視圖。
圖12顯示圖11之CID中一壓力盤之一實施例。
10‧‧‧模組式電流中斷裝置
12‧‧‧導電破裂盤
14‧‧‧導電壓力盤
16‧‧‧電性絕緣環
18‧‧‧安裝構件
24‧‧‧焊接點
26‧‧‧焊接點

Claims (17)

  1. 一種模組式電流中斷裝置，包含：a)一壓力盤，包含：i)一變形平截頭體，具有一第一和一第二末端，該第一末端具有一比該第二末端較為寬闊之直徑，該第一末端和該第二末端中至少其一係一平截頭體之變形，其變異在於該末端之一剖面並非圓形，ii)一基座，放射狀地延伸自該變形平截頭體之該第一末端之一周圍，以及iii)一基本平面式外罩，封住該變形平截頭體之該第二末端；以及b)一破裂盤，與該壓力盤之該基本平面式外罩電性接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之模組式電流中斷裝置，其中該第一末端和該第二末端中至少其一之該剖面係橢圓形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之模組式電流中斷裝置，其中該第一和第二末端二者之剖面均係非圓形。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之模組式電流中斷裝置，其中該破裂盤經由一焊接與該壓力盤之該基本平面式外罩電性接觸。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之模組式電流中斷裝置，其中當介於此二盤間之一計示壓力範圍係介於大約7kg/cm2 和大約9kg/cm2 之間時，該焊接將破裂。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之模組式電流中斷裝置，其中該破裂盤界定一低凹處，且其中該焊接係位於該低凹處。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之模組式電流中斷裝置，其中該焊接係至少一點焊。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之模組式電流中斷裝置，其中該破裂盤界定至少一開孔。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之模組式電流中斷裝置，其中該壓力盤和該破裂盤二者均包含鋁。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之模組式電流中斷裝置，其中該變形平截頭體與平行於該壓力盤之該基座之一平面之間具有一角度，該角度之範圍介於大約15度和大約25度之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之模組式電流中斷裝置，更包含一電性絕緣環，延伸於該變形平截頭體之周圍且介於該壓力盤之該基座和該破裂盤之間。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之模組式電流中斷裝置，其中該壓力盤之該基座包含至少一凸片且其中該電性絕緣環界定至少一開孔，該凸片和該開孔當該電性絕緣環和該基座係同中心時能夠彼此對齊，且其中該凸片可以被延展式地調整以將該電性絕緣環固定至該壓力盤。
  13. 如申請專利範圍12項所述之模組式電流中斷裝置，其中該電性絕緣環在環繞該電性絕緣環之一周圍界定一溝槽，且更包含一具有複數凸片之金屬環，該金屬環可 以位於該溝槽內側且該複數凸片可以被延展式地調整而固定至該壓力盤所在之一金屬表面上，從而將該電性絕緣環固定於該壓力盤之上。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之模組式電流中斷裝置，其中該破裂盤接近與該壓力盤之焊接處之厚度小於該壓力盤接近該焊接處之厚度，較佳之情況是等於或者小於該壓力盤接近該焊接處之厚度的一半。
  15. 一種電池，包含：a)一第一接頭，與該電池之一第一電極電性相通；b)一第二接頭，與該電池之一第二電極電性相通；c)一電池室，具有彼此電性相通之一電池芯匣和一外蓋，該電池室係電性絕緣於該第一接頭，其中至少一部分之該電池室至少是該第二接頭之一組件，或者是電性連接至該第二接頭；以及d)至少一電流中斷裝置，與該第一或第二電極電性相通，該電流中斷裝置包含：i)一壓力盤，包含一變形平截頭體，該變形平截頭體具有一第一末端和一第二末端，該第二末端具有一較該第一末端小之直徑，該第一和第二末端中至少其一之一剖面係非圓形的、以及一基本平面式外罩，其封住該變形平截頭體之該第二末端，其中該基座係位於該電池室之近側，而該基本平面式外罩係位於該電池室之遠側；以及ii)一破裂盤，與該壓力盤以及該第一或者第二電極電性相通。
  16. 一種製造電流中斷裝置的方法，包含以下步驟：a)形成一壓力盤，其包含：i)一變形平截頭體，具有一第一末端和一第二末端，該第二末端具有一較該第一末端小之直徑，該第一末端和該第二末端中至少其一具有一非圓形之剖面；ii)一基座，放射狀地延伸自該變形平截頭體之該第一末端之一周圍；以及iii)一基本平面式外罩，封住該變形平截頭體之該第二末端；b)形成一破裂盤；以及c)將該破裂盤焊接至該壓力盤之該基本平面式外罩，同時該壓力盤之一溫度被控制而不至於熔穿該壓力盤至該焊接之另一側。
  17. 一種製造電池的方法，包含以下步驟：a)形成一電流中斷裝置，包含以下步驟：i)形成一壓力盤，該壓力盤包含一變形平截頭體，該變形平截頭體具有一第一末端和一第二末端，該第二末端具有一比該第一末端小之直徑，其中該第一和第二末端中至少其一具有一非圓形的剖面、一基座，放射狀地延伸自該變形平截頭體之該第一末端之周圍、以及一基本平面式外罩，其封住該變形平截頭體之該第二末端；ii)形成一破裂盤；以及iii)將該破裂盤焊接至該壓力盤之該基本平面式外罩，同時該壓力盤之一溫度被控制而不至於熔穿該壓力盤至該 焊接之另一側，從而形成該電流中斷裝置；b)將該電池之一第一電極或一第二電極接附至該電流中斷裝置；c)將該電流中斷裝置接附至該電池之一電池室，該電池室包含彼此電性相通之一電池芯匣和一外蓋；以及d)形成一第一接頭電性相通至該第一電極，和一第二接頭電性相通至該第二電極。
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