專利名稱：鋰電池的端帽密封組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及端帽組件，其用于密封電化學電池，特別是具有巻繞
電極的鋰一次電池，更特別的是具有包括鋰的陽極和包括二硫化4失的 陰極的鋰巻繞電池。本發(fā)明涉及端帽組件內(nèi)的可破裂裝置，它容許氣 體從電池的內(nèi)部逸出到環(huán)境當中。
背景技術：
具有鋰陽極的一次(非充電)電化學電池是眾所周知的并具有商 業(yè)上的應用。 一般為鋼質(zhì)的電池殼體通常是圓筒形的，具有開口端和 相對的封閉端。陽極基本上由鋰金屬組成。這種電池通常具有包括二 氧化錳的陰極和包括溶解在非水溶劑中的鋰鹽的電解質(zhì)，所述的鋰鹽
例如為三氟曱烷磺酸鋰(LiCF3SO;0。該種電池就是所屬領域中提及的 一次鋰電池(一次Li/Mn02電池)，通常不擬為可充電的。它們通常 的形式中具有螺旋形巻繞的電極，更確切地說，陽極材料片、陰極材 料片和其間可滲透電解質(zhì)的隔板在插入到電池殼體之前是螺旋形巻繞的。
具有鋰金屬陽極、但具有不同陰極的另種一次鋰電池也是已知的。 這種電池例如具有包括二硫化鐵(FeS2)的陰極，并被指為Li/FeS2電 池。二硫化鐵(FeS^也稱硫鐵礦。Li/Mn02電池或Li/FeS2電池的通 常形式為圓筒形電池，通常為AA尺寸電池或2/3A尺寸電池，陽極 材料片、隔板和陰極材料片在插入到電池殼體之前是螺旋形巻繞的。 Li/Mn02電池具有約3.0伏的電壓，這個電壓是常規(guī)Zn/Mn02堿 性電池的兩倍，Li/Mn02電池還具有高于堿性電池的能量密度(每 cm3電池體積的瓦特-小時數(shù))。Li/FeS2電池具有介于約1.2和1.5 伏之間的電壓(新制的)，這一電壓約與常規(guī)Zn/Mn02堿性電池的
4相同。然而，Li/FeS2電池的能量密度(每cm3電池體積的瓦特-小 時數(shù))也遠高于對等尺寸的Zn/Mn02堿性電池。鋰金屬的理論比容 量高，為 3861.7mAmp-hr/g ， 而 FeS2 的理論比容量為 893.6mAmp-hr/g。 FeS2的理論容量是基于每個FeS2對4Li的4 電子轉移，導致的反應產(chǎn)物是元素鐵Fe和2Li2S。也就是說，4電 子中的2個使FeS2中的Fe+2價態(tài)還原為Fe，而余下的2電子4吏 ;5克的化合價從FeS2中的-1還原至Li2S中的-2。
整體Li/FeS2電池比相同尺寸的Zn/Mn02堿性電池能量更大。 也就是說，對于給定的連續(xù)電流消耗來說，尤其是超過200毫安的較 高電流消耗來說，在電壓對時間曲線中，Li/FeS2電池比Zn/Mn02堿 性電池的電壓下降慢很多。導致的結果是，可以由Li/FeS2電池得到 的能量比可以由相同尺寸的堿性電池得到的能量要多。從能量(瓦特-小時數(shù))對恒定功率(瓦特)下的連續(xù)放電的圖表中也更直接清楚地 顯示出了 Li/FeS2電池的高能量輸出，其中新制的電池在低至0.01 瓦特到5瓦特的固定連續(xù)功率輸出下放電至完全。在這種測試中，功 率消耗維持在選定的0.01瓦特與5瓦特之間的恒定連續(xù)功率輸出。 (由于放電期間電池的電壓下降，負載電阻逐漸減小，提高了電流消 耗，從而維持固定的恒功率輸出)。在能量(瓦特-小時數(shù))對功率輸出(瓦 特)的圖表中，Li/FeS2電池顯著地高于相同尺寸的Zn/Mn02堿性電 池。盡管兩個電池(新制)的起始電壓大約相同，即介于約1.2和1.5 伏之間。
因此，Li/FeS2電池優(yōu)于例如為AAA(44 x 10mm)、 AA(50 x 14mm)、 C(49 x 25.5mm)或D(60 x 33mm)尺寸或任何其它尺寸電池的 相同尺寸的堿性電池之處在于，Li/FeS2電池可以與常規(guī)的Zn/Mn02 堿性電池互換使用，具有更長的使用壽命，特別是在高功率要求的情 況下。同樣，作為一次(非充電)電池的Li/FeS2電池可以用來替換 相同尺寸的可充電鎳金屬氫化物電池，后者具有與Li/FeS2電池大約 相同的電壓(新制)。
將Li/FeS2電池的螺旋巻繞電極插入到通常為圓筒形的殼體內(nèi)后再加入電解質(zhì)，然后必須用端帽組件封閉殼體的開口端。端帽組件 是多功能性的。在端帽組件內(nèi)有提供接觸端子的端子端帽或端板。對
于Li/FeS2電池來說，端帽與電池的陰極電接觸并提供電池的正極端 子。端帽組件必須包括可靠的密封，用以防止電解質(zhì)的泄漏并經(jīng)受住 由于電池儲存或放電期間的放氣造成的電池內(nèi)壓水平。電池應包括當 電池內(nèi)的氣體壓力增大到預定的水平時能啟動的排氣系統(tǒng)。排氣系統(tǒng) 理想的是包括在端帽組件之內(nèi)。
電化學電池技術披露了可以在電池殼體壁本體之內(nèi)形成的排氣 口，即，通過削弱殼體壁，當電池內(nèi)壓力達到給定的水平時使之石皮裂。 該技術教授到，這可以通過刻劃或蝕刻電池金屬殼體壁，從而在殼體 壁本體之內(nèi)提供薄的可破裂部分來完成。這種刻劃區(qū)展現(xiàn)在電池殼體 側壁或殼體底部(封閉端)上，這樣刻劃區(qū)面對著外部環(huán)境。披露了 電池殼體壁上的這種刻劃或削弱區(qū)的電化學電池的實例有美國專利 2，478,798; 2,525,436; 4,484,691; 4,256,812; 4，789，608; 4，175，166和 6，159，631
在美國申請2006/0228620 Al中描述了一種巻繞的Li/FeS2電 池，它在端帽組件內(nèi)包括單獨的薄金屬箔或聚合物膜。設計的單獨的 膜當電池內(nèi)的氣體積累到預定的水平時便會破裂。
可以對電化學電池提供可破裂的排氣裝置，該排氣裝置通常包括 端帽組件之內(nèi)的可破裂膜，所述可破裂膜是在例如為尼龍、聚丙烯或 聚乙烯的塑料絕緣密封盤內(nèi)一體形成的?？梢杂衫缑绹鴮＠?3，617，386中所述的塑料絕緣盤內(nèi)的開槽或薄化的部分形成可破裂膜。 設計的這種膜當電池內(nèi)的氣體壓力超過預定水平時便會破裂。可以對 端帽組件提供當膜破裂時使氣體逸出到環(huán)境中的排氣孔。
電化學電池技術披露了包括在端帽組件之內(nèi)的可破裂的排氣膜， 它是在塑料絕緣密封盤內(nèi)一體形成的薄弱區(qū)。這種排氣膜通常是定向 的，這樣它們處在垂直于電池縱軸的平面上，例如在美國專利 5,589,293中所示的那樣。在美國專利4,227,701中，可破裂膜形成 為位于絕緣盤臂上的環(huán)形"狹縫或溝槽"，所述絕緣盤相對于電池縱軸
6是傾斜的。塑料絕緣盤可滑動地安置在穿過的細長的集電體上。當電 池內(nèi)的氣體壓力增大時，絕緣盤的中心部分朝著電池端帽向上滑動，
從而使薄化的膜"溝槽，，伸展，直至破裂。美國專利6,127,062和 6，887，614 B2中披露了絕緣密封盤和其上一體形成的傾斜的可石皮裂 膜。密封盤上的可破裂膜部分毗鄰上方金屬支撐盤上的孔。當電池內(nèi) 的氣體壓力上升時，膜便會通過金屬支撐盤上的孔而破裂，從而將氣 體壓力釋放到外部環(huán)境中。
美國專利6,127,062和6,887,614 B2披露了塑料絕緣密封盤和 一體形成的可破裂膜，其中可破裂膜毗鄰上方金屬支撐盤上的孔。在 美國專利6,887,614中，可破裂膜一體地形成在塑料絕緣密封盤內(nèi)。 可破裂膜毗鄰上方金屬支撐盤上的開口。在美國專利6，887，614中， 在膜的內(nèi)側上有底切溝槽。溝槽圍繞電池的縱軸。溝槽在其底端造成 變薄的膜部分，當電池的內(nèi)部氣體壓力達到預定水平時，該部分l更會 通過上方金屬支撐盤上的開口而破裂。
可破裂膜的形式可以為一體地形成在塑料絕緣盤內(nèi)的一個或多個 薄材料的"島狀物，，，如在美國專利4,537,841; 5，589，293;和6,042,967 中所示的那樣?；蛘?，作為在塑料絕緣盤內(nèi)一體形成的可破裂膜，其 形式可以為圍繞電池縱軸的薄部分，如美國專利5,080,985和 6，991，872中所示的那樣。形成可破裂膜的圍繞的薄弱部分其形式可以 為塑料絕緣盤內(nèi)的狹縫或溝槽，如美國專利4,237,203和6,991,872 中所示的那樣?？善屏涯み€可以為夾在金屬支撐盤和塑料絕緣盤之間 的單片聚合物膜，面對著那里的孔，如在美國專利申請公開 2002/0127470 Al中所示的那樣?？梢詫⒓怃J的或其它突出的元件定 向到可破裂膜的上方，用以協(xié)助膜的破裂，如在美國專利3，314，824中 所示的那樣。當電池內(nèi)的氣體壓力過高時，膜便會與尖銳元件發(fā)生接 觸而膨脹并破裂，從而使電池內(nèi)的氣體通過上方端子端帽上的孔逸出 到環(huán)境當中。
上述的端帽組件包括排氣裝置，例如作為塑料絕緣密封盤的一體 部件的可破裂膜，它們一般不適用于巻繞的一次鋰電池的端帽組件，這是由于對這種巻繞電池的組裝和連接要求特別的原因。
因此，期望可以獲得這樣的端帽組件部件，它們易于制造和組裝， 在正常操作和冷熱氣候的極端情況期間可以對巻繞的一次鋰電池提供 緊密的密封。
期望可以獲得端帽組件內(nèi)的可靠的可破裂排氣裝置，在巻繞的鋰 電池中，當電池內(nèi)的氣體壓力上升至預定水平時，該裝置能啟動并可 靠地行使功能。
理想的是，端帽組件包括諸如PTC(正溫度系數(shù))裝置的斷流器， 用以提供避免短路或異常高電流消耗的額外保護。
理想的是，端帽具有防損性能，即，不容易從端帽組件上撬動下來。
發(fā)明概述
本發(fā)明涉及用于封閉并密封其中具有巻繞電極的電池的端帽組 件。端帽組件被插入到電池殼體(外殼)的開口端，從而密封和封閉 殼體，還在其中提供排氣裝置，如果電池內(nèi)的氣體壓力升至預定的水 平，該排氣裝置便啟動。該排氣裝置優(yōu)選包括可破裂的金屬表面，如 果電池內(nèi)的氣體壓力增大到預定的水平，設計的該表面便會破裂。端 帽組件還可以包括諸如PTC (正溫度系數(shù))裝置的斷流器。如果電池 遭遇短路、異常高電流消耗或異常高溫，則PTC裝置啟動，用以迅 即增加通過的電阻，從而快速減少電流消耗。本發(fā)明的端帽組件主要 計劃用于鋰一次(非充電)電池，即，其中陽極包括鋰的電池。該電 池通常具有包括鋰或鋰合金片的陽極和包括二氧化錳(Mn02)或二硫 化鐵(FeS2)的陰極。尤其是，本發(fā)明的端帽組件主要應用于一次(非 充電)巻繞電極式電池，其中陽極包括鋰或鋰合金片，陰極包括一個 層，通常是包括二硫化鐵(FeS2)的涂層。電池殼體通常為圓筒形。
在一個主要方面中，端帽組件包括形成正極端子的金屬端帽和下 面的金屬陰極接觸杯體，任選的PTC (正溫度系數(shù))裝置位于其間。 陰極接觸杯體與下面的陰極和上方的端帽均電連接，這樣陰極接觸杯體成為陰極與端帽之間的電通路的一部分。陰極接觸杯體具有開口端、 相對的封閉端或底端，其間為一體的側壁。端帽組件還包括絕緣密封 盤，優(yōu)選為塑料的，陰極接觸杯體插入到其中，使之隔開而不與電池 殼體電接觸。絕緣密封盤具有縱向穿過的孔，導致出一對相對的開口 端。孔由所述絕緣密封盤的側壁或周邊邊緣界定。
在一個主要方面中，對金屬的陰極接觸杯體提供一體的可破裂薄 弱部分，如果電池的內(nèi)部壓力上升到預定的水平，設計的該部分^f更會 破裂，從而由此釋放氣體?？善屏驯∪醪糠譃殛帢O接觸杯體之一壁的 一體部分，理想的是位于杯體的封閉端或底端內(nèi)，面對著電池的內(nèi)部。
優(yōu)選通過將具有鋒利邊緣的沖模擠入到陰極接觸杯體的封閉端上來形 成薄弱部分。(在擠入前可以對沖模邊緣進行預熱)。形成薄弱部分的 其它方法也是可行的，并不排除在外。優(yōu)選的是沖模擠靠陰極接觸杯 體的封閉端，從而在其上形成溝槽。溝槽可以是分段或連續(xù)的，可以 是直線或曲線的，或者是兩者的組合。在所述溝槽的底端，溝槽下面 的剩余金屬形成陰極杯體封閉端上的薄弱金屬部分。優(yōu)選在陰極接觸 杯體封閉端背向電池內(nèi)部的一側上制作溝槽?；蛘?，可以在陰極接觸 體封閉端的相反側上制作溝槽，即，面向電池內(nèi)部的一側。陰極杯體 底端上的溝槽之下的剩余金屬被設計得足夠薄，從而使得當電池內(nèi)的 氣體壓力增大到預定水平時它們便會破裂。對于陰極杯體來說，因此 也對于所述溝槽之下的可破裂金屬來說，已確定的優(yōu)選金屬為鋁的合 金。用于構造陰極接觸杯體的優(yōu)選金屬優(yōu)選為已經(jīng)歷退火的鋁合金， 這樣其具有足夠的可鍛性，從而能夠可靠地制造出所需厚度小的溝槽
之下的所述可破裂金屬部分。鋁合金還提供陰極材料、陰極接觸杯體 和端帽之間的極好的導電性。
陰極接觸杯體理想的是具有插入到那里的支撐盤或墊圏，優(yōu)選為 金屬的，用以提高所述杯體的強度。支撐盤或墊圏的形狀通常是平的， 具有中央孔?；蛘撸梢詫⒅伪P構造到陰極接觸杯體當中，也就是 說，形成為與陰極接觸杯體一體的部分。這樣隨之增大了陰極接觸杯 體的環(huán)形厚度，從而無需插入到其中的單獨支撐盤。
9在組裝當中，將巻繞的電極插入到電池殼體中，可以插入絕緣罩 或絕緣墊圏，用以覆蓋巻繞電極的頂端。從陽極延伸出的陽極引片被 焊接到殼體的封閉端。在殼體之外形成本發(fā)明的端帽組件。在端帽組 件的形成當中，將金屬陰極接觸杯體與其中任選的支撐盤插入到絕緣
密封盤當中。然后又將金屬端帽與任選在下面的PTC裝置插入到絕 緣密封盤當中，陰極接觸杯體之上，這樣所述絕緣密封盤的側壁或周 邊邊緣在金屬端帽的邊緣之上延伸。這樣就完成了端帽組件的形成。 陰極引片通過絕緣密封盤底端上的開口與陰極接觸杯體的底端連結。 向殼體內(nèi)的巻繞電極添加電解質(zhì)。然后將端帽組件插入到電池殼體的 開口端封閉殼體。將殼體邊緣巻邊到絕緣密封盤周邊邊緣之上，隨之 而來的是也巻邊到端帽組件之上，永久性地將端帽組件鎖定在適當?shù)?位置上并緊密地密封殼體。
附圖概述
參考附圖可以更好地理解本發(fā)明，其中


圖1為本發(fā)明的端帽組件的示意剖視圖。
圖2為顯示本發(fā)明的端帽組件構件的分解圖。
圖3為端帽的示意圖。
圖4為端帽下面的PTC裝置的示意圖。
圖5為支撐塾圈的頂視圖。
圖6為陰極接觸杯體的一個實施例的頂視圖，其上具有形成薄的 可破裂部分的線形溝槽。
圖7為陰極接觸杯體的第二實施例的頂視圖，其上具有形成薄的 可破裂部分的環(huán)形溝槽。
圖8為在接觸杯體表面上形成薄的可破裂部分的典型溝槽的截 面圖。
圖9為絕緣密封盤的頂視圖。
圖10為本發(fā)明的端帽組件的第一實施例，使用插入到絕緣密封 盤當中的陰極接觸杯體，其中陰極接觸杯體在其底面上具有如圖6中
10的線形溝槽。
圖11為本發(fā)明的端帽組件的第二實施例，使用插入到絕緣密封
盤當中的陰極接觸杯體，其中陰極杯體在其底面上具有如圖7中的環(huán) 形溝槽。
圖12為接觸杯體的第三實施例的頂視圖，
其中支撐墊圏被構造到接觸杯體當中，形成與之一體的部分。
圖13為本發(fā)明的端帽組件的第二實施例，其中將圖12的接觸 杯體插入到絕緣密封盤當中。
圖13A為圖13的實施例的一種形式，顯示陰極接觸杯體與密 封盤之間的聯(lián)鎖。
圖14為用于插入到陰極接觸杯體當中的更厚支撐墊圈的頂視圖。
圖15為本發(fā)明的端帽組件的第三實施例，其中使用如圖14中 的更厚的支撐墊圏，陰極接觸杯體的邊緣未巻邊到所述更厚的支撐墊 圈之上。
圖16為顯示包括巻繞電極組件的各層設置的示意圖。 圖17為圖16的電極組件的平面圖，其各層中的每層都有部分 的刪除，從而顯示出下面的層。
發(fā)明詳述
本發(fā)明的端帽組件14具有在巻繞電極式電池中的應用。端帽組 件14的主要應用是用于對圓筒形殼體(外殼)70進行封閉、密封、 提供排氣系統(tǒng)和電安全切斷。端帽組件14還提供電池的終端端子。 殼體70可以為標準的圓筒形尺寸AAA(44 x 10 mm)、 AA(50 x 14 mm)、 C(49 x 25.5 mm)或D(60 x 33 mm)或者為其它的電池尺寸。
本文描述的端帽組件14主要計劃用于鋰一次(非充電)電池， 即，其中陽極包括鋰。電池通常可以具有包括鋰片的陽極240和包括 含二氧化錳(Mn02)或二石克化4失(FeS2)的涂層或層260的陰極。陽極 240可以為鋰與合金金屬的合金，例如為鋰與鋁的合金。在這種情況下，合金金屬的量非常少，按鋰合金重量計優(yōu)選少于1%。因此，本 文中的及權利要求中的術語"鋰"或"鋰金屬"意在包括這種鋰合金。形
成陽極240的鋰片無需基板。有利的是，鋰陽極240可以由理想厚 度介于約0.05和0.30mm之間的鋰金屬擠壓片形成。
特別地，本發(fā)明的端帽組件14主要應用于巻繞電極式電池，尤 其是巻繞電極式一次(非充電)電池，如在電池10中那樣，其中陽 極240包括鋰或鋰合金片，陰極包括含二硫化鐵(FeS2)的涂層或層 260。理想的是將含F(xiàn)eS2粉末的陰極涂層260施加到柵或網(wǎng)或箔片 265上，由此形成陰極復合片262(圖16)。螺旋巻繞的電極組件213 包括與陰極復合片262螺旋巻繞在一起的陽極片240， 二者之間是可 滲透電解質(zhì)的隔板片250。將螺旋巻繞的電極組件213插入到陰極殼 體70中。向殼體70內(nèi)的巻繞電極組件213里添加電解質(zhì)。陽極 引片244 (圖17)從電極組件213中延伸出來，例如通過焊接的方 式與殼體70的封閉端75的內(nèi)表面相連接。陰極引片264被焊接 到端帽組件14之內(nèi)的金屬陰極接觸杯體40的封閉端49上。將端 帽組件14插入到通常為圓筒形的殼體70的開口端15當中。殼體 70的周邊邊緣72 ,皮巻邊到端帽組件14之上，優(yōu)選同時還施加徑 向壓縮力，從而將端帽組件14鎖定到位并密封殼體的開口端15。與 陰極杯體40和陰極260電連接的端帽60起到作為電池正極端子 的作用，而與陽極240電連接的殼體70的封閉端72起到作為電 池負極端子的作用。端帽60理想的是其上具有多個排氣孔65，所述 排氣孔通?？梢跃哂屑slmm2或更大面積的開口。
在一個主要的實施例中，端帽組件14 (圖1和2)包括端帽60 和下面的金屬陰極接觸杯體40，任選的PTC裝置160(正溫度系數(shù)) 位于之間。端帽組件14還包括絕緣密封盤20，其上具有縱向穿過的 中央孔25,從而形成一對而相對的開口端(圖9)。將陰極接觸杯體40 和端帽60 (與任選的PTC裝置160)插入到絕緣密封盤20的中 央孔25之內(nèi)，使得陰極接觸杯體40的邊緣48、 PTC裝置160的 表面162和端帽60的邊緣66處于絕緣密封盤20的周邊邊緣
1228之內(nèi)。
陰極杯體40理想的是具有插入到其中的優(yōu)選為金屬的支撐盤或 墊圏140,如典型的圖1、 10、 11和15所示。支撐墊圏140的厚 度通常為約0.2至1.5mm(圖5 )。 AA電池的金屬支撐墊圏140通 ?？梢跃哂兄睆郊s2至9mm的中央開口 145和約llmm的外 徑。中央開口 145由環(huán)形區(qū)146界定，所述環(huán)形區(qū)止于表面邊緣 142。應該意識到，可以根據(jù)電池的尺寸調(diào)整支撐墊圏140和孔145 兩者的直徑。支撐盤140的主要功能是用來提供附加的強度和防止陰 極接觸杯體40的過度偏斜。或者，支撐墊圏140可以形成為與陰 極接觸杯體40 —體的部分，從而增加接觸杯體40的環(huán)形厚度，例 如圖12和13所示的那樣。在這一實施例中，如圖13所示，陰極 杯體的封閉端或底端49沿整個杯體的直徑上可以是平的。
端帽組件14 (圖2)還包括優(yōu)選為彈性耐用塑料材質(zhì)的絕緣密封 盤20 (圖9)，優(yōu)選是聚丙烯的。絕緣密封盤20具有縱向穿過的孔 25，結果形成一對相對的開口端，如圖9所示?？?5由側壁或周 邊邊緣28界定(圖9)?？梢杂形挥诮^緣密封盤20之下的優(yōu)選為 耐用塑料的絕緣墊圏150。絕緣墊圏150與端帽組件14是分開的， 它保護著電池殼體70中的巻繞電極組件213并將其夾持在適當?shù)?位置上。
金屬陰極接觸杯體40可以為盤狀的，具有開口端41和相對的 封閉端或底端49以及在其間形成周邊邊緣48的一體側壁。最佳如 圖10和11所示，底端49可以從周邊邊緣48向下移動或凹進。 對于AA電池來說，陰極接觸杯體40通常可以具有約12mm的外 徑和約3至9mm的梯狀底端49 (圖10和11)。這些尺度可以根 據(jù)電池的尺寸而進行調(diào)整。在如圖13所示的實施例中，陰極接觸杯 體40可以具有在整個杯體直徑上是平的底端49,這樣環(huán)形區(qū)46a 可以比在圖10和11實施例中的陰極接觸杯體40的要厚。圖13 所示的陰極接觸杯體40具有更厚的環(huán)形區(qū)46a，由此可不再需要被 插入到那里的單獨的金屬墊圈140。陰極接觸杯體40的特征在于其具有一個或多個薄弱部分43，優(yōu) 選沖切至底端49。優(yōu)選將具有鋒利邊緣的沖模擠入到金屬陰極接觸杯 體底端49的頂面上，由此形成鉆到所述底端49表面的一個或多個 溝槽44，這樣形成薄弱部分43。如圖8所示，溝槽44具有開口 端和相對的封閉底端42以及其間的側壁47a和47b。如圖8所 示，在所述溝槽的底端42處，溝槽44之下的剩余金屬形成薄弱部 分43。接觸杯體40的金屬底端49內(nèi)的薄弱部分43要設計得足 夠薄，使得當電池內(nèi)的氣體壓力增至預定的水平時便會破裂。
形成到陰極接觸杯體底端49的溝槽44可以具有不同的形狀 和樣式。溝槽44可以是連續(xù)的或分段的。它們可以是線形(直的) 或曲線形的，或者是兩者的組合?？梢杂幸粋€或多個切到陰極杯體底 端49的這種溝槽44。溝槽44的側壁47a和47b可以豎直或傾 斜，從而如圖8所示形成V形。通常，溝槽具有V形的側壁47a和 47b，其中所述側壁形成約15至150度的夾角，理想的是約30至 90度，優(yōu)選的是約60度?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)所述溝槽的寬度來對下面的 薄弱部分43 (剩余金屬)的破裂壓力稍作調(diào)整。然而，對于給定的金 屬來說，已經(jīng)確定的是，獲得理想的金屬破裂壓力的主要參數(shù)是溝槽 44下面的剩余金屬43的厚度。必須選擇用于陰極接觸杯體40的 合適金屬，使得a)它對電池電解質(zhì)的化學侵蝕具有足夠的耐受性，b) 它可以提供與陰極材料260的良好電接觸，和c)它具有足夠的可鍛性， 從而可以在不斷裂底端49的情況下使溝槽44下面的剩余金屬43 達到理想的薄度。已被確定能顯示出這些理想品質(zhì)的陰極杯體40的 優(yōu)選金屬為鋁合金材料。雖然各種鋁合金都是合適的，但舉例來說， 優(yōu)選的鋁合金包含約2.5%的鎂和約0.25%的鉻，且已經(jīng)過退火處 理。這種鋁合金是可以按ASTM標號為5052-H34或5054-H38的 鋁合金商購得到的。用于陰極接觸杯體40的其它合適的鋁合金可選自 于ASTM標號1000至7000系列的，優(yōu)選的是這一系列內(nèi)的已經(jīng) 受退火的鋁合金。
具有直線模式的溝槽44的一個實例示于圖6。圖6中的溝槽
14有三個直線部分44a、 44b和44c，樣式像從共同點45處伸出的直 形輻條(圖6)。每個溝槽44a、 44b和44c都有下面相應的剩余金 屬部分43 (圖8)，如果電池內(nèi)的氣體積累到預定的壓力便會破裂， 因此起到排氣口的作用。共同點45理想的是偏離中央縱軸190，這 樣它就不直接對準位于陰極引片264與陰極接觸杯體40底面之間 的焊接區(qū)的下方。例如在AA電池中，共同點45通?？梢云x中央 縱軸190約lmm。如果陰極引片264與接觸杯體40在別處連結， 也就是說在縱軸190以外，則共同點45可以位于縱軸190上。
具有曲線樣式的溝槽44的實例有環(huán)繞陰極接觸杯體底端49 的環(huán)槽44，最佳如圖7所示。應該意識到，僅僅是通過非限制性的 實例給出了這些樣式，其它許多溝槽的樣式也是可行的。例如，這種 其它樣式可能涉及直線和曲線形的溝槽的組合，可以配置成連續(xù)的或 分段的樣式。
作為一個具體的非限制性實例，如果電池IO具有鋰或鋰合金陽極 240和包含二硫化鐵(FeS2)的陰極涂層260，則對于AA尺寸電池來 說，溝槽 44下面的薄部分43的合適破裂壓力可以為約 345kPa(50psi)至6894kPa(1000psi)，理想的是約2068kPa(300psi)至 5515kPa(800psi)，優(yōu)選為約2413kPa(350psi)至3447kPa(500psi)。為 了在本發(fā)明的背景下獲得這樣的破裂壓力，有利的是可以使用由鋁合 金(2.5% Mg; 0.25% Cr)形成的陰極接觸杯體40。這種鋁合金例 如可以按ASTM標號5052-H34或5052-H38購得，其中H為應變 硬化標記。(不同合金成分及熱處理程度的其它鋁合金也可以為用于陰 極杯體40的充分合適的材料)。陰極接觸杯體40的壁厚通?？梢?為約0.2至1.5mm。底端49的接近溝槽44的部分(圖8)通常 可以具有約0.2至0.3mm的厚度。
當電池10內(nèi)的氣體壓力增大到預定的壓力時，陰極接觸杯體底 端49上的溝槽44之下的剩余金屬部分43將會破裂，使電池內(nèi)的 氣體通過端帽60上的排氣孔65逸出到環(huán)境中。
當由上述指定的優(yōu)選鋁合金材料，例如ASTM標號5052-H34或5052-H38鋁合金，形成陰極接觸杯體40時，已可以確定的是， 溝槽44下面的剩余金屬部分43應該具有減小的厚度，用以使用上 述指定的鋁合金達到約345kPa(50psi)至6894kPa(1000psi)的破裂壓 力，或更優(yōu)選為約2068kPa(300psi)至5515kPa(800psi)的破裂壓力。 為了使用上述指定的鋁合金達到約 345kPa(50psi)至 6894kPa(1000psi)、優(yōu)選為約2413 kPa(350psi)至3447kPa(500psi)的 破裂壓力，溝槽44下面的剩余金屬部分43應該具有約0.02至 0.12mm的厚度，通常為約0.02至0.06mm。更具體地^兌，為了將 ASTM標號5052-H38鋁合金用于陰極接觸杯體40時達到約 2413kPa(350psi)至3447kPa(500psi)的破裂壓力，溝槽44下面的剩 余金屬部分43的優(yōu)選厚度為約0.02至0.04mm。當ASTM標號 5052-H34鋁合金用于陰極接觸杯體 40時，為了達到約 2413kPa(350psi)至3447kPa(500psi)的相同破裂壓力，溝槽44下面 的剩余金屬部分43的優(yōu)選厚度為約0.04至0.06mm。溝槽寬度在 本文中定義為溝槽44在其底端42處的寬度，即，其毗鄰下面的剩 余金屬43的封閉端的寬度(圖8)。底端42處的溝槽寬度通常可 以為約0.1至lmm。通過調(diào)節(jié)溝槽寬度可以對剩余金屬43的破裂 壓力稍作調(diào)整。(對于給定厚度的下方剩余金屬43來說，稍大的溝槽 寬度所需的破裂壓力略低)。不過，對于給定的金屬來說，用來確定剩 余金屬43的破裂壓力的主要參數(shù)是溝槽44下面的所述剩余金屬 部分43的厚度。
可以給端帽組件14提供PTC(正導熱系數(shù))裝置160,它位于 端帽60之下，電連接地串聯(lián)在陰極260與端帽60之間(圖1)。 PTC裝置160的形狀可以為具有中央孔165的平盤(圖4)。當接 觸到由電阻加熱或外部熱源造成的熱量時，PTC裝置160急劇地增 大通過的電阻。這種裝置保護電池免于在電流消耗高于預定安全水平 下的^t電。Li/FeS2電池10具有約1.8伏的典型OCV(電池開路電 壓)和例如包括用于數(shù)碼相機的正常使用中的1.2至1.5伏的平均 運行電壓。在正常使用狀態(tài)下，電池可以經(jīng)受最多高達約3Amp的最大電流消耗水平。在例如短路消耗的濫用或異常情況下，電流消耗
可能在數(shù)個毫秒內(nèi)升至或接近10Amp。在這種情況下，設計的PTC 裝置160啟動并以急劇的速率增大通過的電阻。導致電流消耗陡降至 安全的水平，從而使電池受到保護。用在Li/FeS2電池10中的合適 PTC裝置可以具有約7至8 ohm x mm的初始電阻率(暴露于高電 流消耗之前)。
可以按以下的方式裝配電池10,該電池10可以為一次Li/FeS2 電池
通過使陽極片240和復合陰極262與其間的隔板片250螺旋 纏繞形成電極組件213。纏繞前的初始分層配置示于圖16中，該圖 顯示的是頂部隔板層250和下面的陽極層240以及在所述陽極層 240下面的第二隔板層250和在所述第二隔板層250下面的復合 陰極層262，后者為陰極材料260涂布到導電基板(載體)265上。 理想的是對巻繞的電極組件213提供包裹在巻繞組件周圍的絕緣片 或罩270。巻繞的電極組件213具有從巻繞的電極頂部伸出的陰極引 片264 (圖17)和從巻繞的電極底部伸出的陽極引片244 (圖17)， 這些在圖2中也有顯示。
在組件當中，陽極引片244對著底部絕緣盤170的扁平或刪截 邊緣的部分172遞送(圖2)，這樣它能在彎曲時與底部絕緣盤170 的內(nèi)側相接觸。然后通過開口端15將巻繞的電極組件213插入到 殼體70當中。然后可以通過從電池外部的激光焊將陽極引片244 焊接到殼體70的封閉底端75的內(nèi)表面上。然后插入絕緣墊圏150 到巻繞電極組件213的頂端之上(圖2)。在殼體開口端15附近的 殼體74上形成環(huán)繞的撐圏73。絕緣墊圏150的邊緣咬在環(huán)繞撐圏 73的下方，從而壓住電極組件213的頂端并將巻繞的電極213保 持在殼體70當中，如圖1所示。陰極引片264從電極組件213的 頂端伸出。(陰極引片264的主要部分的兩側可以被包裹在通常為聚 丙烯的絕緣片248中，用以保護引片264，使之不會不經(jīng)意地與陽極 材料240或殼體70接觸)。
17然后按以下的方式形成帽組件14:
首先可以形成分組件14a，它包括陰極接觸杯體40，優(yōu)選為金屬 的支撐墊圈140插入其中(圖2)。陰極接觸杯體40是金屬的，其 特征在于具有杯的形狀，具有整體的封閉底端49,側壁或周邊邊緣48 圍繞所述封閉底端49并從那里開始展開。底端49可以是平的，如 圖13所示，或者從邊緣48向下凹，如圖10所示。陰極接觸杯體 40的底端49其上具有溝槽44，形成了下面的可破裂的剩余金屬部 分43。具有這種溝槽44及其下可破裂的剩余金屬43的陰極接觸 杯體40的實例示于圖6和7中。如上所述，如果電池內(nèi)的氣體積 累到預定的壓力水平，設計的溝槽44之下的剩余金屬部分43便會 破裂，從而將氣體排放到環(huán)境當中，降低電池的內(nèi)部壓力。
包括陰極接觸杯體40與其上的金屬支撐墊圏140 (或等同體) 的分組件14a的各種配置都是可行的。本文通過舉例的方式提供分組 件14a的三個實施例。在第一實施例中，金屬支撐墊圏140 (圖5) 被插入到陰極接觸杯體40內(nèi)的環(huán)形臺架46上(圖6或7)，所述 陰極接觸杯體40的周邊邊緣48被巻邊到金屬支撐墊圏140之上 方，由此將其鎖定在杯體40之內(nèi)的適當位置上，從而產(chǎn)生分別如圖 10和11所示的巻邊配置。
在如圖12和13所示的第二實施例中(單件制作)，陰極杯體 40的底端49是平的，厚的環(huán)形區(qū)46a —體地形成在杯體40中。 在這后一種實施例中不用單獨的金屬支撐墊圏140。代之而來的是， 通過在整個杯體直徑上采用平的底端49并增加環(huán)形區(qū)46a之厚 度，將金屬支撐墊圏的厚度整合到陰極杯體40當中。陰極接觸杯體 40(圖13)和密封盤20(圖13)之間的面與面的分界面以及殼體70 (圖13A)和密封盤20 (圖13A)之間的面與面的分界面可以具有 不規(guī)則的嚙合表面或缺口，如圖13A所示，在接觸杯體40、密封盤 20和殼體70之間造成上箍圏11和下箍圈12。如圖13A所示， 陰極杯體40與密封盤20之間的相應缺口界表面41a和21a給 接觸杯體40與密封盤20之間提供了極好的聯(lián)鎖性。此外箍圏11和12也使得密封體20在電池組裝及電池使用期間不太可能蠕變。 在殼體70向密封體20之上的巻邊過程中，密封體20在箍圏11 與12之間的部分處于壓縮力之下，受限保持于箍圍11和12之 間。這就降低了密封體20發(fā)生冷蠕變的可能性。還可以導致密封體 20與殼體70之間的緊密的界面接觸，且還可以導致密封體20與 陰極接觸杯體40之間的緊密的界面接觸。在電池的存放和使用期間 這種緊密的界面接觸一直保持著。
在第三實施例中(圖15)，使用了如圖14所示的更厚的金屬支 撐盤，它被插入到陰極接觸杯體40的臺架46上(圖15)。但由于 金屬支撐盤140比圖5所示的實施例中的更厚，陰極接觸杯體40 的周邊邊緣48不被巻邊到所述金屬支撐盤140的表面邊緣142 之上，而只是使金屬支撐盤140貼切地安裝在由接觸杯體周邊邊緣 48的界定內(nèi)。由此得到的分組件14a包括在非巻邊的陰極接觸杯體 40之內(nèi)的更厚的金屬支撐盤140 (圖14)，該分組件如圖15所示。
一旦包括陰極接觸杯體40和金屬支撐盤140 (或等同體)的分 組件14a制作完畢后，可以將它直接插入到絕緣密封盤20的盤體 當中，使得陰極接觸杯體40之底端49的至少一部分暴露出來。然 后可以通過激光焊或等同的手段將陰極引片264焊接到底端49 上。將PTC盤160插入到絕緣密封盤20之內(nèi)，使之如圖10、 11、 13或15所示的那樣坐落在接觸杯體邊緣48上。然后通過將端帽 60的邊緣66越過環(huán)繞的凸出24 (圖9)咬合裝配到絕緣密封表面 邊緣28上，將端帽60插入到絕緣密封盤20當中。這樣就完成了 形成端帽組件14的過程。然后可以將電解質(zhì)添加到殼體70之內(nèi)的 螺旋形巻繞的電極組件213中。然后將制作完畢的端帽組件14插 入到殼體70的開口端15當中。絕緣密封盤20之周邊邊緣28的 底端部分28a坐落在殼體的環(huán)繞撐圏73上。在插入端帽組件14的 過程中，陰極引片264的片體部分在絕緣密封體20之下發(fā)生彎折， 盡管陰極引片264的端部已被焊接到陰極接觸杯體40的底部。在 這一階段中，殼體周邊邊緣72被巻邊到絕緣密封盤20的邊緣28之上，從而將包括端帽60的端帽組件14緊緊和安全地鎖定在適當 的位置，并永久性地封閉電池殼體70。該巻邊程序還將端帽60鎖定 到電池內(nèi)的適當位置上，從而使之免受損害。在巻邊期間還可以施加 徑向力，用以進一步保護殼體70之內(nèi)的端帽組件14。電池組件至此 完成，電池已可供使用。
對于上述的電池10和端帽組件14的構件來說，以下是合適的 構造材料，當然這不意味著本發(fā)明一定局限于任何特定的材料
殼體70可以合適地為鍍鎳冷軋鋼的，壁厚通常為約0.1至 0.5mm，優(yōu)選為0.2至0.3mm，例如約0.25mm。或者，殼體70可 以由鋁、鋁合金、鎳或不銹鋼構成，或者可以包括塑料殼。陰極接觸 杯體40優(yōu)選由鋁合金構成，特別是已經(jīng)過熱處理(退火)而更具可 鍛性的鋁合金。用于陰極接觸杯體40的合適鋁合金可選自于已經(jīng)受 熱處理(退火)的ASTM標號IOOO至7000系列。陰極接觸杯體40 的優(yōu)選鋁合金為經(jīng)歷了熱處理(退火)的與鎂和鉻形成合金的鋁，如 上所述可以按ASTM標號5052-H38或5052-H34購得。支撐墊圏 140理想的是可以為鍍鎳冷軋鋼的?；蛘?，支撐墊圈140可以具有與 陰極接觸杯體40同樣的優(yōu)選組成，即，上述的鋁合金。支撐墊圏140 的壁厚通常可以為約0.1至1.5mm，理想的是約0.2至1.5mm。接 觸杯體40的壁厚范圍通?？梢詾榧s0.2至1.2mm。端帽60理想 的是可以為鍍鎳冷軋鋼的，具有約0.1至0.5mm的壁厚。鋰電池10 的絕緣密封盤20優(yōu)選為聚丙烯的，但也可以為其它的耐用性塑料，包 括聚乙烯、聚乙烯的共聚物和聚丙烯的共聚物、硅橡膠及聚對苯二甲 酸亞丁酯或其它材料。同樣，絕緣盤150和170 (圖2)可以用與 絕緣密封盤20所用的相同或相當?shù)哪陀眯运芰喜牧稀１Ｗo巻繞電極組 件213的絕緣片或罩270也可以用與絕緣密封盤20所用的相同 或相當?shù)乃芰喜牧稀?br> 對于使用本發(fā)明端帽組件14的典型Li/FeS2 —次(非充電)巻 繞電極式電池10，將具有以下干含量的陰極涂料260與諸如 ShellSol A100爛溶劑(Shell Chemical Co.)和Shell Sol OMS烴溶劑
20(Shell Chemical Co,)的烴溶劑進行初始混合。將混合物作為濕涂料施 加到導電基板(載體)265 (圖17)上。然后干燥濕涂料，形成干燥 的陰極涂層260，典型的組成為
FeS2粉末(89.0 wt.%);粘結劑Kraton G1651彈性體(得自) Kraton Polymers, Houston, Texas)(3.0 wt.%);導電碳粒子，得自 TimcalLtd的高結晶石墨Timrex KS6(7wt.。/。)，和炭黑，例如乙炔黑 (lwt%)。將干燥的陰極涂層260附著到導電基板265上形成復合陰 極262 (圖16)，所述導電基板例如為箔片或柵，優(yōu)選為鋁片或不銹 鋼擴展金屬箔。
陽極240可以為鋰金屬片(純度99.8%)?；蛘?，陽極片240可 以為鋰與合金金屬的合金，例如鋰與鋁的合金。在這種情況下，合金 金屬的存在量非常少，優(yōu)選按鋰合金的重量計少于1%。因此鋰合金 的電化學功能接近于純鋰。Li/FeS2電池的隔板片250可以為微孔聚
丙烯o
形成巻繞的電極組件213并將其插入到電池殼體70中，所述 巻繞的電極組件包括陽極片240、復合陰極262 (陰極涂層260在 導電基板265上)，其間是隔板片250。然后在電極組件213被插 入到電池殼體70以后向其中添加適當?shù)碾娊赓|(zhì)。理想的電解質(zhì)為在序 列號為11/516534的普通轉讓的美國專利申請中提到的電解液，其包 括溶解在有機混合溶劑中的0.8摩爾濃度(0.8摩爾/升)的 Li(CF:jS02)2N(LiTFSI)鹽，所述有機混合溶劑包括約75vol.%的醋酸 曱酯(MA)、 20vol.%的碳酸亞丙酯(PC)和5vol.%的碳酸亞乙酯 (EC)。
雖然已參照具體的實施例對本發(fā)明進行了描述，但應意識到，在 本發(fā)明原則以內(nèi)的變化也是可行的。因此本發(fā)明不只限于具體的實施 例，而是限于權利要求及其等價表述的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種電化學電池，其具有外殼和端帽組件，所述外殼具有開口端、相對的封閉端和其間的圓筒形側壁，所述端帽組件插入到所述外殼的開口端封閉所述外殼，其特征在于所述電池具有陽極、陰極和其間的隔板，以及正極和負極端子，其中所述端帽組件包括絕緣密封盤和杯體，所述杯體包括插入到所述絕緣密封盤內(nèi)的金屬；其中所述金屬杯體具有開口端、相對的封閉端和其間一體的側壁；其中所述金屬杯體在其封閉端具有至少一個溝槽，所述溝槽具有開口端和相對的封閉底端，其中所述底端形成剩余金屬的薄弱可破裂部分，當所述電池內(nèi)的氣體增加時該部分會破裂。
2. 如權利要求1所述的電池，其中所述電池為一次非充電電 池，并且所述陰極與所述正極端子電連接，并且所述陽極與所述負極 端子電連接；其中所述金屬杯體與所述陰極電連接。
3. 如權利要求2所述的電池，其中所述陰極具有延伸出來的 導電引片，其中所述導電引片與所述金屬杯體連結。
4. 如權利要求2所述的電池，其中所述溝槽為直線或曲線形狀。
5. 如權利要求1所述的電池，其中所述端帽組件還包括由周 邊邊緣界定的絕緣密封盤；其中所述絕緣密封盤具有縱向穿過所述絕 緣密封盤的孔，從而在所述盤中形成一對相對的開口端；其中所述金 屬杯體被插入到所述孔內(nèi)的所述絕緣密封盤的內(nèi)部當中，從而使所述 金屬杯體由所述絕緣密封盤的周邊邊緣界定。
6. 如權利要求5所述的電池，其中所述絕緣密封盤的至少一 部分與所述金屬杯體之間有界面接觸，其中所述界面接觸為聯(lián)鎖。
7. 如權利要求5所述的電池，其中包括所述溝槽的所述金屬 杯體的封閉端通過所述絕緣密封盤上的孔暴露于電池內(nèi)部，從而使所 述電池之內(nèi)的氣體能沖擊到在所述溝槽底端的剩余金屬的薄的可破裂 部分。
8. 如權利要求7所述的電池，其中所述端帽組件還包括插入 到所述金屬杯體之內(nèi)的支撐墊圏，用以提高所述金屬杯體的強度，其 中所述支撐墊圏具有穿過的中央孔。
9. 如權利要求1所述的電池，其中所述金屬杯體由鋁的合金 構成。
10. 如權利要求1所述的電池，其中所述端帽組件還包括介于 所述端帽與所述金屬杯體之間的PTC (正溫度系數(shù))裝置。
11. 如權利要求1所述的電池，其中所述陽極和陰極與其間的 隔板的形式為插入到所述電池外殼當中的巻繞螺旋體。
12. 如權利要求1所述的電池，其中所述陽極包括鋰或鋰合金， 并且所述陰極包括二硫化鐵(FeS2)。
全文摘要
本發(fā)明披露了一次鋰電池的端帽組件。該端帽主要應用于封閉和密封具有卷繞電極的一次鋰電池。電池通?？梢跃哂邪ㄤ嚨年枠O和包括二硫化鐵(FeS₂)的陰極。所述端帽組件具有其中的金屬陰極接觸杯體，所述接觸杯體具有封閉端和相對的開口端與其間的一體側壁。陰極接觸杯體與陰極電連接，處在陰極與端子端帽之間的電通路內(nèi)。陰極接觸杯體具有在其封閉端形成的一個或多個溝槽，導致在所述溝槽下面形成的剩余金屬的薄弱或可破裂部分。薄的或可破裂的剩余金屬部分直接接觸電池內(nèi)部的氣體，設計成當電池內(nèi)的氣體積累到預定的水平時便會破裂。
文檔編號H01M2/12GK101542775SQ200880000031
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月6日 優(yōu)先權日2007年3月6日
發(fā)明者B·馬克維茨基, F·J·伯科威茨, J·賈尼克, M·D·安德魯斯, R·帕夫林斯基, S·A·貝努瓦, W·J·萬德洛斯基 申請人:吉萊特公司