电化学电池单元和其密封件制造技术

本发明专利技术是一种用于电化学电池单元的注射模塑的热塑性密封件和包含了密封件的电池单元。热塑性材料包括聚烯烃基质和芳族聚合物的混合物，所述聚烯烃基质包括重量百分比超过３０％的热塑性材料，所述芳族聚合物具有包括至少一个芳族官能团的重复单元。该材料具有优良的模塑性能，从而能制造出在电化学电池单元中形成优良的压力密封的密封件。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
电化学电池单元的密封本申请涉及一种具有金属容器的电化学电池单元(电池)。具体而言，本专利技术涉及用于密封电池单元内的活性材料和电解质的密封件。许多电化学电池单元都有金属容器。该容器可以是具有封闭的底端和开放的顶端的罐的形式，或者是顶部和底部都开放的管的形式。该容器的开放端可用盖(经常被称为钮扣电池帽)封闭。盖例如可通过激光焊接直接与容器的边缘结合。但是，将热塑性材料制成的密封件布置在容器侧壁和盖或帽之间形成压力密封是很常见的。典型的圆柱形消耗碱性原电池中的密封件还在集电器周围形成密封，所述集电器穿过密封件的中央小孔，使得电池单元内的一个电极与外部接触端子之间形成电接触。该热塑性密封件在消耗电池中非常普遍，这是由于它们制造起来比较容易而且便宜，电池单元容易组装，而且最后得到的密封对于大多数消耗装置应用来说是可接受的。一次碱性电池密封件还包括压力释放机构，例如变薄的或者以其它方式弱化的部分，它会破裂或者变为移位的，以释放掉电池单元内的内部压力，防止电池爆裂。典型的消耗钮扣电池和典型的消耗圆柱形锂电池中的密封件是环形圈形式的垫圈，其横截面为L-形或J-形。垫圈周边上的侧壁位于电池单元容器(或罐)的内表面和电池单元盖(或阳极帽)的外表面或边缘之间。所述容器的边缘部分直径减小，和/或向内向下弯边，以将垫圈壁压在所述容器和所述盖之间，由此将电池单元密封起来。电池制造商不断设法通过对那些以某种方式限制密封件的特征加以改进来改善电化学电池单元的密封件。电化学电池单元必需在较长时间内和宽范围的温度和相对湿度条件下保持足够的密封，以便拥有令人满意的保存寿命，在运输和存储后又能按所希望的那样工作。基于该原因，密封件的材料必需保持高度稳定性。应力松弛、蠕变、热稳定性、拉伸模量、弯曲模量和刚度都是影响热塑性材料稳定性方面的特性，这些特性中的某些特性受温度和/或湿度影响。由于密封件通常直接暴露在电池单元的内部环境中，因此它还必需在该环境下是稳-->定的。这意味着它在与电解质或电池材料接触时必需不能降解。电解质溶剂和某些其它液体和气体的透过率必需足够慢，以防电池单元内的电解质过度损耗和引起浪费的腐蚀反应。为了让密封件在较长时间内维持它对其它电池单元部件的压力密封，理想的是最大限度地减小热塑性密封材料内的应力松弛的速率。为了减小应力松弛速率，人们已将滑石粉、碳酸钙、碳黑、硅石之类的填料添加到密封件材料中。但是，即使在这样做时，应力松弛速率仍然比理想的高。矿物填料模塑后还容易分布不均匀，这会导致密封部件性能不均匀、缺陷以及电池单元密封缺陷。某些密封件还执行附加功能。例如，某些具有可释放电池单元的内部压力的破裂气孔。某些材料特性还会影响密封件怎样好地实现这些附加功能。制造热塑性密封件的通用方法是注射模塑法。该密封件的一些问题和局限性都与注射模塑工艺有关。例如，重要的是，使材料不留任何不希望的孔隙地、均匀地完全装填到模腔内，同时又不产生不坚固熔合线。不坚固熔合线是在填入模腔的材料的表面相遇但不流动、而彻底熔合在一起时形成的。模塑的密封件优选在密度和其它材料特性方面是均匀的。在将模塑部件置于拉力作用下时，它可能在不坚固熔合线处破裂。可对模具加以设计，对模塑参数加以调整，以便最大限度地减少不坚固熔合线和与装填模腔有关的其它问题，但是被模塑的材料的特性还在模塑部件的质量和密封特性方面起重要作用。适合电化学电池单元的注射模塑的热塑性密封件的材料已知有很多种。聚丙烯、聚砜、尤其是尼龙都是含水碱性电池单元普遍使用的材料。但是，尼龙有几个主要缺点。首先，它吸收水分，因此尼龙必需在模塑前作干燥处理。模塑后，所得密封件的尺寸和性能还受尼龙吸收水分倾向的影响。当尼龙与含水的碱性电解质接触时，它还会水解降解。尼龙的水解降解发生在酰氨键的断链过程中。该断链使材料变脆，导致密封失效，电池单元泄漏。为了有助于避免该问题，经常在密封件与含水电解质相接触的表面上使用保护涂层。具体而言，含水碱性电池单元的尼龙密封一般设有沥青涂层。该沥青涂层的敷设涉及到另外的工艺步-->骤和材料，因此增加了密封件和电池单元的制造成本。碱性电池单元的尼龙密封的另一问题在于，它有较高的极限伸长。出于安全原因，比钮扣电池大的消耗碱性电池单元的密封件一般被设计成能在内部电池单元的压力增加到超过可接受限度的情况下可控地释放压力。这经常通过为密封件形成较薄的部分来实现，如果内部压力增加到超过已设定的限度，所述较薄部分就会破裂。电池单元内必需设有足够空间，以让较薄的部分延伸和破裂。在正常的水分条件下，尼龙可延展到它原始长度的300％以上。该高程度的伸长需要大量的内部电池单元空间，这就限制了密封和电池的设计，于是也限制了活性材料可用的内部体积。电化学电池单元的尼龙密封件的另一缺点是密封的物理性能(例如它的长度)取决于尼龙的含水量。该含水量又取决于电池储存环境的相对湿度。于是，不合需要的是，排气压力(即密封件薄部破裂的压力)取决于相对湿度。聚丙烯制的密封件在消耗电池单元适用温度范围的高端温度(75-85℃)下广泛地变得很软。这导致负荷条件下该密封的压力密封区域上的挠曲温度降低，应力过度松弛，从而导致电解质泄漏，使电池单元性能不可靠。采用聚砜作为电化学密封件的材料因其成本较高也相对受到限制。聚砜也容易吸水，因此在将它注射模塑成密封件前必需将其水分干燥到约低于0.02％。用于制造电化学电池单元的密封件的其它材料(它们单独使用或者它们的组合)也是公知的。它们中有许多也发展到可以克服以前知道的材料所具有的问题或缺陷。例如，美国专利申请公开2001/0014419A1公开了一种用于原电池的密封，它由包括苯乙烯聚合物和冲击改性剂的苯乙烯聚合物混合物构成，其中所述冲击改性剂可增强苯乙烯聚合物的刚度。该公开的密封与传统源电池单元的密封相比，有很多优点，包括改善的对碱性介质的耐化学性，低吸水性，较低的线性热膨胀系数，高压下良好的耐热性，模塑后能快速冷却，低熔融粘度，较低的抗张强度、高冲击韧性、较高的热挠曲温度、较低的断裂伸长率、以及高氢气渗透性。但是，甚至这些密封件也有缺点。虽然该公开的冲击改性的苯乙烯聚合物的熔融粘度较低，但仍然比理-->想的要高。这会使材料在注射模塑过程中不适当地流到模具中，并且在为传统碱性电池单元(例如图1所示)制造密封件时产生不坚固熔合线。虽然可以改变模具设计、对模塑参数进行调整以最大限度地减少不坚固熔合线的形成，但在做这些工作的过程中还有很多实际限制，而且这些变化会产生其它问题和/或增加密封件的制造成本。也可对密封件材料进行改性，例如可通过混合一些配料来改性，但实现这些的可能性的数量非常巨大。于是，本专利技术的一个目的是一种用于电化学电池单元的热塑性注射模塑密封件，该密封件可由模塑特性得到改善的材料制成，由此提高了质量，降低了尺寸变化性，减少了制出的废料。本专利技术的再一目的是一种在用于电化学电池单元中时密封特性得到改善的密封件。本专利技术的另一目的是一种在电化学电池单元的制造、运输、存储和使用过程中储存寿命、性能和可靠性得到改善的电池单元。本专利技术的一个方面是一种电化学电池单元的密封件。该密封件包括注射模塑的热塑性材料，所述材料包括聚烯烃基质和芳族聚合物的混合物，所述聚烯烃基质包括重量百分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电化学电池单元的密封件，其中密封件能够形成压力密封，它包括注射模塑的热塑性材料，所述材料包括以下材料的混合物：聚烯烃基质，它包括重量百分比超过３０％的热塑性材料；以及芳族聚合物，它具有包含至少一个芳族官能团的重复单元 。

【技术特征摘要】
US 2001-12-20 10/033,8301.一种用于电化学电池单元的密封件，其中密封件能够形成压力密封，它包括注射模塑的热塑性材料，所述材料包括以下材料的混合物：聚烯烃基质，它包括重量百分比超过30％的热塑性材料；以及芳族聚合物，它具有包含至少一个芳族官能团的重复单元。2.根据权利要求1所述的密封件，其中聚烯烃是选自以下材料组成的组中的至少一种聚合物：聚丙烯，聚乙烯，以及聚丙烯-乙烯的共聚物。3.根据权利要求1或2所述的密封件，其中芳族聚合物至少是一种选自以下材料组成的组中的聚合物：聚(苯醚)，芳族聚酰胺，聚酮，聚砜，聚苯乙烯，聚苯并咪唑，聚酰亚胺，聚苯并恶嗪酮，聚苯并噻唑，聚苯并唑，聚苯并咪唑，聚芳酯，聚酰胺-酰亚胺，.聚醚酰亚胺，聚苯硫醚，聚苯，聚氮杂萘以及聚对二氮萘。4.根据在前任一项权利要求所述的密封件，其中芳族聚合物包括在聚烯烃基质中的离散相。5.根据权利要求3所述的密封件，其中芳族聚合物至少是一种选自以下材料组成的组中的聚合物：聚(苯醚)和聚苯乙烯。6.根据权利要求5所述的密封件，其中芳族聚合物是聚(苯醚)。7.根据在前任一项权利要求所述的密封件，其中芳族聚合物包括冲击改性剂。8.根据权利要求7所述的密封件，其中冲击改性的芳族聚合物包括在聚烯烃基质中的离散相。9.根据权利要求7或8所述的密封件，其中冲击改性剂是苯乙烯/聚烯烃的嵌段共聚物。10.根据在前任一项权利要求所述的密封件，其中热塑性材料还包括配伍剂。11.根据权利要求10所述的密封件，其中配伍剂包括具有至少一个嵌段的嵌段共聚物，其中第一个嵌段端可溶于聚烯烃，第二个嵌段端可溶于芳族聚合物。12.根据在前任一项权利要求所述的密封件，其中聚烯烃包括重量百分比不超过95％的热塑性材料。-->13.根据在前任一项权利要求所述的密封件，其中聚烯烃包括重量百分比至少为40％的热塑性材料。14.根据权利要求13所述的密封件，其中芳族聚合物包括聚苯乙烯，聚烯烃包括重量百分比至少为50％的热塑性材料。15.根据在前任一项权利要求所述的密封件，其中该密封材料可由聚丙烯和聚(苯醚)的混合物制成。16.根据在前任一项权利要求所述的密封件，其中，按ASTM D2990测定，在1500psi的恒定负载和114°F条件下，1到1000小时之间的热塑性材料的拉伸蠕变形变为百分之0到3。17.根据在前任一项权利要求所述的密封件，其中，按ASTM D638测定，热塑性材料的拉伸模量为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：MA舒伯特，RE小雷，
申请(专利权)人：永备电池有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]