用于高功率电池的端帽组件和排气孔制造技术

一种用于闭合并密封电池外壳的开口端的端帽组件和其中的排气系统。所述端帽组件包括位于端帽下面的密封盘、以及位于端帽和密封盘之间的金属支撑盘。所述金属支撑盘具有穿过其表面的多个主排气小孔和多个次排气小孔。所述主排气小孔比次排气小孔沿以距金属支撑盘的中心纵向轴线更大的距离定位的路径间隔开。所述绝缘密封盘在其中可具有形成可破裂膜的变薄部分。所述可破裂膜包围密封盘的中心毂。所述绝缘密封盘可具有生发自其顶部表面的突出用以在破裂期间偏转膜。该排气系统在滥用或短路放电的情况下快速从电池中释放内部气体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于密封电化学电池尤其是高功率一次电池的端帽组件和排气系统。本专利技术涉及碱性电池，更具体地讲涉及高功率碱性电池。
技术介绍
常规电化学电池例如碱性电池由具有开口端的圆柱形外壳和插入其中以密封外壳的端帽组件形成。常规碱性电池典型地包括包含锌的阳极、包含二氧化锰的阴极、以及包含含水氢氧化钾的碱性电解质。碱性电池也可例如包括包含锌的阳极、包含羟基氧化镍的阴极和包含含水氢氧化钾的碱性电解质。这种羟基氧化镍碱性电池例如显示于公布的申请US2004/0043292A1和U.S.6,686,091B2中。在提供电池内容物之后，通过将外壳边缘卷扣到端帽组件上而闭合电池从而为电池提供紧密密封。端帽组件包括用作电池末端的暴露端帽板，并且典型地包括密封电池外壳的开口端的塑料绝缘插头。与各种电化学电池尤其是碱性电池的设计相关的一个问题是当电池经受过度放电条件时或当它继续放电超过某一点，通常是接近电池的可用容量的完全耗尽点时，该电池趋于产生气体。电化学电池尤其是碱性电池在端帽组件内常规地提供有可破裂隔膜或可破裂膜。可破裂隔膜或膜可在塑料绝缘构件内形成，如美国专利3,617,386所述。此类隔膜设计成当电池内的气体压力超过某个预定水平时就发生破裂。端帽可具有数个排气孔，用于当隔膜或膜破裂时让气体选出。公开于美国专利3,617,386中的端帽组件公开了一种有凹槽的可破裂密封隔膜和位于端帽和密封隔膜之间的单独的金属触点盘。该参考文献中所公开的端帽组件不是设计用以承受径向压缩力的，因而当电-->池经受冷热气候中的极端因素作用时它将趋于渗漏。为了提供紧密密封，当代现有技术典型地公开了端帽组件。所述组件包括插置在端帽板和绝缘构件之间的金属支撑盘。当电池外壳边缘被卷扣到端帽组件上时，该单独的金属支撑盘受到径向压缩。绝缘插头典型地呈塑料绝缘盘的形式，其从电池的中心朝电池外壳延伸并电绝缘金属支撑盘与电池外壳。金属支撑盘可具有如美国专利5,759,713或5,080,985所示的高度旋绕的表面。所述表面确保在围绕端帽组件卷扣电池外壳边缘期间端帽组件可承受高径向压缩力。这导致围绕端帽组件的机械密封始终是紧密的。现有技术公开了可破裂排气膜，其整体成形为绝缘盘内的变薄区域，该盘包括在端帽组件内。可定向此类排气膜使得它们位于垂直于电池的纵向轴线的平面内，如美国专利5,589,293所示，或可定向它们使得它们相对于电池的纵向轴线是倾斜的，如美国专利4,227,701所示。在后者U.S.4,227,701中，绝缘密封盘可滑动地安装在穿过其中而延伸的细长集电器上。随着电池内气体压力的累积，绝缘密封盘的中心部分向上朝电池端帽滑动，从而拉伸膜直到其破裂，因而气体得以通过末端板中的排气孔而释放。美国专利6,127,062公开了一种绝缘密封盘和一种整体成形的可破裂膜。所述膜为垂直定向的，即平行于电池的中心纵向轴线而定向。当电池内的气体压力升高到预定水平时该膜破裂，从而将气体压力释放到外部环境中。可破裂膜可呈绝缘盘中的一个或多个薄材料岛的形式，如U.S.5,589,293所示。可供选择地，可破裂膜可呈包围电池的纵向轴线的薄部分的形式，如美国专利5,080,985所示。当膜破裂时，气体通过沿金属支撑盘40的外下斜臂定向的排气孔49释放。形成可破裂膜的环绕的变薄部分可呈绝缘盘内的环形凹槽的基座处的变薄区域的形式，如美国专利4,237,203所示。可破裂膜也可为单独的聚合物膜制件，其夹置在金属支撑盘和绝缘盘之间并且面向其中的小孔，如专利申请公布US 2002/0127470A1所示。尖锐构件或其它突出构件可定向在可破裂膜之上以帮助膜破裂，如美国专利3,314,824所示。当-->电池内的气体压力变得过大时，膜膨胀并与尖锐构件接触而破裂，从而允许气体从电池内通过上覆的末端端帽中的小孔而选出到环境中。已对一次电池尤其是一次碱性电池作了改进。所述改进可使它们在发生极化之前，在这种高功率水平上以比以前所可能有的更高功率放电更长时间。(极化会限制离子传送，导致电极处的电荷累积，并且最终限制可达到的功率输出水平)。此类高功率一次碱性电池的发展使它们更适于作为高功率可充电电池的替代品，例如作为通常用于数字照相机或手机中的镍金属氢化物或锂离子可充电电池的替代品。由于改进的碱性电池的高功率特性，它们典型地要经受严格测试以确保它们的安全性。一个这样的测试方法为让电池经受短路，以确定电池内的安全系统是否正常起作用而及时关闭电池以避免任何灾祸性后果。在高功率电池中，当不适当地使用电池时，例如，如果电池经受短路情况，则在电池内可相继发生快速的温度升高和过多的放气。随着电池温度的升高，放气会随着继发反应的发生而以渐增地更快的速率增加。电池内的气体压力也将直接随着电池温度的升高而升高。因此当高功率一次电池经受此类短路情况时，可预期放气速率和伴随的内部气体压力的累积会增加。现有技术提出PTC(正热系数)装置的安装和使用。所述装置通常与电池电极串联。PTC装置(其可为薄材料块)具有这样的性能：其电阻随着电池温度的增加(例如，在短路情形中)而急剧增加。(电阻的增加是由于当PTC装置接触高温时电阻率的增加和长度上的膨胀)。随着PTC电阻的增加，电流耗尽，因而电池的功率输出关闭。其它热响应装置例如双金属盘和形状记忆合金在接触高温时会挠曲。这些装置已用于高功率电池用以当电池过热时切断电极材料和对应端之间的导电通道，从而导致电池立即关闭。置入了此类热响应装置的用于高功率电池的端帽组件显示于美国专利5,879,832和U.S.6,083,639中。这些装置虽然很有效但在端帽组件内占据空间并且增加了电池成本。-->因此，期望具有一种用于高功率一次电池尤其是高功率碱性电池的其中带有排气系统的端帽组件，所述组件在电池经受短路情况时保护电池。可取的是高功率一次电池具有内置在电池中的安全机构，如果电池经受滥用性操作例如短路放电条件，所述机构可使电池的内部温度快速耗散。可取的是电池具有改进的排气系统，如果电池内的气体压力由于滥用性电池操作而快速累积，所述系统可使电池内的气体快速从电池释放。
技术实现思路
在一个主要方面，本专利技术涉及带有端帽组件的电化学电池。所述组件在其中具有改进的排气系统。当电池内的气体压力累积至超过预定设计极限的水平时，排气系统激活。排气系统一旦激活，就可使源自电池内的气体快速穿过电池而排放到环境中，以保护电池避免发生灾祸性破裂。电池外壳的特征在于具有带有封闭端和相对的开口端的整体主体表面。外壳主体优选地为圆柱形，因此在一个优选的实施方案中电池为圆柱形电池。然而，外壳也可具有至少一个沿其长度延伸的基本扁平侧面或沿其长度延伸的一对相对的基本扁平侧面。电池优选地为一次(不可充电的)电池。电池优选地为一次碱性电池，其中电解质典型地为碱性电解质。在将其间带有隔板的阳极材料和阴极材料插进电池外壳之后，将端帽组件定位进外壳开口端中并沿其边缘卷扣或用其它方式固定以密封电池。在一个主要方面，带有改进的排气系统的本专利技术的端帽组件具有与密封高功率电池尤其是高功率一次碱性电池相关的主要效用和应用。下文所用术语“高功率”是指具有这样特性的电池：当阳极和阴极被构形成AA尺寸电池，并且该AA尺寸电池连续地以1瓦特的恒定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一次电化学电池，所述电池包括负端子和正端子以及具有封闭端和相对的开口端的外部外壳、以及插在其中以闭合所述外壳的端帽组件，其中当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直位置观察时，所述端帽组件包括端帽、位于所述端帽下面的绝缘密封构件、以及位于所述端帽和所述绝缘密封构件之间的支撑构件；所述支撑构件由单片金属构造支撑盘形成，所述支撑盘具有第一组排气小孔和第二组排气小孔穿过其中，其中所述两组排气小孔中的每一个均包括至少多个单个小孔，其中所述第一组中的排气小孔与所述第二组中的排气小孔在背离电池的中心纵向轴线的径向上间隔开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-2-18 11/062,2321.一次电化学电池，所述电池包括负端子和正端子以及具有封闭端和相对的开口端的外部外壳、以及插在其中以闭合所述外壳的端帽组件，其中当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直位置观察时，所述端帽组件包括端帽、位于所述端帽下面的绝缘密封构件、以及位于所述端帽和所述绝缘密封构件之间的支撑构件；所述支撑构件由单片金属构造支撑盘形成，所述支撑盘具有第一组排气小孔和第二组排气小孔穿过其中，其中所述两组排气小孔中的每一个均包括至少多个单个小孔，其中所述第一组中的排气小孔与所述第二组中的排气小孔在背离电池的中心纵向轴线的径向上间隔开。2.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述电池包括碱性电解质，并且所述电池能够产生高功率，所述高功率定义为当经受连续恒定1瓦特的功率输出时能够产生至少1.2瓦特-小时的能量。3.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述绝缘构件包括邻接电池外壳并将所述支撑盘与电池外壳电绝缘的绝缘密封盘；所述绝缘密封盘具有中心毂和从所述毂延伸的整体成形的径向臂；其中所述径向延伸的臂形成表面；所述径向延伸的臂在其中具有形成可破裂膜的变薄部分，当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直位置观察时，所述可破裂膜位于所述端帽的下面；其中当电池内的气体压力升高时所述膜破裂，从而允许源自电池内的气体穿过支撑盘中的所述第一组和第二组排气小孔并从那里排放到环境中。4.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述第一组和第二组排气小孔的特征在于：组成所述第一组的排气小孔的中心与金属支撑盘的中心纵向轴线相距平均垂直距离R1，并且组成所述第二组的排气小孔的中心与金属支撑盘的中心纵向轴线相距平均垂直距离R2，其中R2小于R1。5.如权利要求4所述的电化学电池，其中组成所述第一组的-->排气小孔的中心基本沿围绕所述金属支撑盘的中心纵向轴线的半径为R1的一个圆周路径分布，并且组成所述第二组的排气小孔基本沿围绕所述金属支撑盘的中心纵向轴线的半径为R2的另一个圆周路径分布，其中R2小于R1。6.如权利要求5所述的电化学电池，其中R2小于R1至少2mm。7.如权利要求5所述的电化学电池，其中所述金属支撑盘具有至少一个旋绕表面，其中组成所述第一组的排气小孔位于最接近所述支撑盘的周边边缘的所述旋绕表面的一侧上，并且组成所述第二组的排气小孔位于最接近所述支撑盘的中心的所述旋绕表面的一侧上。8.如权利要求4所述的电化学电池，其中所述电池为AA尺寸圆柱形电池，并且组成所述第一组的所述排气小孔的总横截面积介于约6mm2和12mm2之间，并且组成所述第二组的所述排气小孔的总横截面积介于约0.40mm2和0.71mm2之间。9.如权利要求4所述的电化学电池，其中所述电池为C或D尺寸圆柱形电池，并且组成所述第一组的排气小孔的总横截面积介于约6mm2和18mm2之间，并且组成所述第二组的所述排气小孔的总横截面积介于约0.4mm2和18.8mm2之间。10.如权利要求3所述的电化学电池，其中当电池内的气体压力达到小于6.89MPa(1000psig)的压力时，所述膜破裂。11.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为AA尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于约2.07MPa(300psig)和6.55MPa(950psig)之间的压力时，所述膜破裂。12.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为AA尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于约2.07MPa(300psig)和5.17MPa(750psig)之间的压力时，所述膜破裂。13.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为C尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于约0.69MPa(100psig)和2.76MPa(400psig)之间的压力时，所述膜破裂。-->14.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为D尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于约0.34MPa(50psig)和1.72MPa(250psig)之间的压力时，所述膜破裂。15.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述电池为AAA尺寸圆柱形电池，并且当电池内的气体压力达到介于约3.10MPa(450psig)和7.93MPa(1150psig)之间的压力时，所述膜破裂。16.如权利要求3所述的电化学电池，其中当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直取向观察时，形成所述膜的所述变薄部分由切入所述径向延伸的臂的顶部表面和底部表面中的至少一个的凹槽的基座形成。17.如权利要求16所述的电化学电池，其中所述凹槽为包围电池的纵向轴线的环形凹槽。18.如权利要求17所述的电化学电池，其中所述环形凹槽被定位成使得所述凹槽的前沿与所述毂表面相距在2mm之内，其中所述前沿为最接近毂的所述凹槽的边缘。19.如权利要求17所述的电化学电池，其中当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直位置观察时，所述绝缘密封盘具有多个生发自其顶部表面的整体成形的突出；所述突出定位在所述可破裂膜和所述绝缘密封盘的周边边缘之间；当所述膜破裂时所述突出能够偏转可破裂膜的碎片使其不会进入和堵塞所述排气小孔中的任何一个。20.如权利要求19所述的电化学电池，其中所述突出沿围绕所述绝缘密封盘的中心纵向轴线的圆周路径间隔开。21.如权利要求20所述的电化学电池，其中所述突出为具有倾斜顶部表面的楔形形状，其中所述倾斜表面上的高点比所述倾斜表面上的低点更接近所述可破裂膜。22.一次电化学电池，所述电池具有外壳、正端子和负端子、包含锌的阳极、包含羟基氧化镍的阴极、以及碱性电解质，所述外壳具有带有封闭端和相对的开口端的主体、以及密封所述外壳的开口端的端帽组件；-->当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直位置观察时，所述端帽组件包括端帽、位于所述端帽下面的绝缘密封盘、以及位于所述端帽和所述绝缘密封盘之间的由单片金属构造支撑盘形成的支撑构件，所述端帽组件还包括用于从电池排出气体以防止大于6.89MPa(1000psig)的气体压力在电池内部中累积的部件。23.如权利要求22所述的电化学电池，其中所述支撑盘具有第一组排气小孔和第二组排气小孔穿过其中，其中所述两组排气小孔中的每一个均包括至少多个单个小孔，其中所述第一组中的排气小孔与所述第二组中的排气小孔在背离电池的中心纵向轴线的径向上间隔开。24.如权利要求22所述的电化学电池，其中所述阴极包括至少一个具有由其中不含阴极材料的部分限定的开口的阴极块，其中所述阴极的外表面的一部分接触所述外壳的内表面，其中所述阳极插置在所述阴极开口内，在它们之间设有隔板。25.如权利要求22所述的电化学电池，所述电池还包括穿过所述金属支撑盘和所述绝缘密封盘的细长集电器，其中所述集电器的一端穿进所述阳极，并且所述集电器的相对端与所述端帽电接触。26.如权利要求22所述的电化学电池，其中所述电池外壳的主体为圆柱形。27.如权利要求22所述的电化学电池，其中所述电池当其为新的时候能够产生持久的高功率，所述高功率定义为当经受连续恒定1瓦特的功率输出时产生至少1.2瓦特-小时的能量。28.如权利要求23所述的电化学电池，其中所述绝缘密封盘邻接电池外壳，并且将所述支撑盘与所述电池外壳电绝缘；所述绝缘密封盘具有中心毂和从所述毂延伸的整体成形的径向臂；其中所述径向延伸的臂形成表面；所述径向延伸的臂在其中具有形成可破裂膜的变薄部分，当所述电池以端帽组件位于顶部的垂直位置观察时，所述可破裂膜位于所述端帽的下面；其中当电池内的气体压力升高时所述膜-->破裂，从而允许源自电池内的气体穿过支撑盘中的所述第一组和第二组排气小孔并从那里排放到环境中。29.如权利要求23所述的电化学电池，其中所述第一组和第二组排气小孔的特征在于：组成所述第一组的排气小孔的中心与所述金属支撑盘的中心纵向轴线相距平均垂直距离R1，并且组成所述第二组的排气小孔的中心与所述金属支撑盘的中心纵向轴线相距平均垂直距离R2，其中R2小于R1。30.如权利要求29所述的电化学电池，其中组成所述第一组的排气小孔的中心基本沿围绕所述金属支撑盘的中心纵向轴线的半径为R1的一个圆周路径分布，并且组成所述第二组的排气小孔基本沿围绕所述金属支撑盘的中心纵向轴线的半径为R2的另一个圆周路径分布，其中R2小于R1。31.如权利要求30所述的电化学电池，其中R2小于R1至少2mm。32.如权利要求30所述的电化学电池，其中所述金属支撑盘具有至少一个旋绕表面，其中组成所述第一组的排气小孔位于最接近所述支撑盘的周边边缘的所述旋绕表面的一侧上，并且组成所述第二组的排气小孔位于最接近所述支撑盘的中心的所述旋绕表面的一侧上。33.如权利要求29所述的电化学电池，其中所述电池为AA尺寸圆柱形电池，并且组成所述第一组的所述排气小孔的总横截面积介于约6mm2和12mm2之间，并且组成所述第二组的所述排气小孔的总横截面积介于约0.40mm2和0.71mm2之间。34.如权利要求29所述的电化学电池，其中所述电池为C或D尺寸圆柱形电池，并且组成所述第一组的排气小孔的总横截面积介于约6mm2和18mm2之间，并且组成所述第二组的所述排气小孔的总横截面积介于约0.4mm2和18.8mm2之间。35.如权利要求28所述的电化学电池，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特A约波罗，理查德E德科特，丹尼尔艾伦，詹姆斯塞维拉，奥里格波多普利戈娃，
申请(专利权)人：吉莱特公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]