專利名稱：為可再充電的鋰電池而設(shè)的頂蓋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于可再充電的非液態(tài)鋰電池的改進(jìn)的頂蓋。此頂蓋裝有一套鉚接斷路機(jī)構(gòu)。其特別適合于高功率應(yīng)用，因?yàn)榕c傳統(tǒng)頂蓋相比，通過改進(jìn)的頂蓋，其電流分布較為有效，而電池的電阻亦大大降低。
背景技術(shù)：
市場(chǎng)需要能量密度越來越高的可再充電電池，一直引來大量與可再充電的鋰電池有關(guān)的研發(fā)活動(dòng)。鋰的運(yùn)用，與高能量密度、高電池電壓，以及長儲(chǔ)存期限相關(guān)聯(lián)。
對(duì)于眾多電子消費(fèi)品的應(yīng)用，可再充電的鋰離子電池是優(yōu)選的可再充電的電源。在目前有售的傳統(tǒng)可再充電的系統(tǒng)中(即鎳鎘(NiCd)、NiMH或鉛酸性蓄電池)，可再充電的鋰離子電池?fù)碛凶畲蟮哪芰棵芏?Wh/L)。此外，由于鋰離子電池的操作電壓較高，比其他可再充電的系統(tǒng)需要串聯(lián)較少電池。結(jié)果，對(duì)于高功率的應(yīng)用品(如電動(dòng)自行車、便攜式電動(dòng)工具，以及混合式電動(dòng)車輛)來說，鋰離子電池越來越具吸引力。鋰離子電池以兩種不同的穿插化合物為活性負(fù)極和正極材料。基于LiCoO2/石墨系統(tǒng)的鋰離子電池，現(xiàn)可供商用。其他眾多鋰過渡金屬氧化物化合物，包括LiNiO2、LiMn2O4，均適宜用作負(fù)極材料。此外，一系列廣泛的含碳的化合物，包括焦炭和不會(huì)化為石墨的固體碳粒，均適宜用作正極材料。前述產(chǎn)品采用非液態(tài)電解質(zhì)，而此電解質(zhì)包含LiBF4或LiPF6鹽，以及由乙烯碳酸鹽、丙烯碳酸監(jiān)、二乙碳酸鹽、乙烯甲基碳酸鹽和類似化合物混合而成的溶劑。同樣，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)知道，有多款鹽和/或溶劑可供選擇，用來制造此等電池。
鋰離子電池容易受到不同種類的誤用，尤其是充電過量。在充電過量的情況下，充電期間，電壓超過正常操作電壓。充電過量期間，過量的鋰會(huì)從負(fù)極抽出，然后相應(yīng)地過量插入或涂覆正極。這可能令兩電極在溫度上欠穩(wěn)。充電過量亦令電池發(fā)熱，因?yàn)榇蟛糠葺斎氲哪芰繒?huì)消散，而非儲(chǔ)起。充電過量時(shí)，熱穩(wěn)定性下降，加上電池發(fā)熱，可導(dǎo)致熱量逸出(thermalrunaway)和失火。許多制造商已加設(shè)安全裝置，以防充電過量。例如，正如美國第4,943,497號(hào)專利和加拿大第2,099,657號(hào)專利分別描述，現(xiàn)時(shí)Sony和E-One Moli Energy(Canada)Limited的產(chǎn)品均加設(shè)有內(nèi)置斷路裝置。充電過量期間，當(dāng)電池的內(nèi)部壓力超過預(yù)設(shè)值，內(nèi)置斷路裝置就會(huì)啟動(dòng)。
因此，這些由壓力啟動(dòng)的斷路裝置是依靠電池的結(jié)構(gòu)。在電池的結(jié)構(gòu)中，電池的內(nèi)部壓力會(huì)在廣泛的正常操作條件下，維持在預(yù)設(shè)值以下，但充電過量期間，內(nèi)部壓力定會(huì)超出預(yù)設(shè)值。
在圖1描述的傳統(tǒng)圓柱形鋰離子電池中，一條膠凝狀的卷軸4由一負(fù)極金屬薄片1、一正極金屬薄片2，以及兩片用作隔板的微孔聚烯烴薄膜3螺旋纏繞制成。
膠凝的卷軸4嵌入傳統(tǒng)的電池管殼10。頂蓋11和墊圈12用來密封電池15。頂蓋安裝了一款內(nèi)置電子斷路裝置。此裝置與前述加拿大第2,099,657號(hào)專利所顯示的裝置類似。若情況需要，頂蓋還可安裝其他安全裝置。通常，電池會(huì)裝有安全孔。若電池積聚過多壓力，安全孔就會(huì)裂開。頂蓋還可裝有正溫度系數(shù)裝置(PTC)，以限制電池出現(xiàn)短路的機(jī)會(huì)。頂蓋11的外表面作為正極端，而管殼10的外表面則作為負(fù)極端。
負(fù)極薄片6和正極薄片7予以適當(dāng)連接，從而將電池內(nèi)的兩極連到外部端。適當(dāng)?shù)慕^緣片8、9可插入電池里，以防止電池內(nèi)部出現(xiàn)短路的可能性。在將頂蓋11壓接入電池管殼10，從而將電池密封前，會(huì)注入電解質(zhì)5，將膠凝的卷軸4的孔隙填滿。
圖2a示出了與圖1所示相類似頂蓋的詳細(xì)圖。組件依次序包括下列各頂一塊有多個(gè)排氣孔的帽蓋1、兩個(gè)鎳環(huán)2、一塊安全膜3、一個(gè)定位絕緣器4、一塊與聚丙烯墊圈6卡配的焊接薄片5。安全膜3以激光焊接在焊接薄片5的中央。負(fù)極薄片依次以激光焊接在焊接薄片5的底部。因此，所有電流必須流經(jīng)焊接薄片5中央的細(xì)小接觸區(qū)，令電池在充電和放電期間變熱。這對(duì)高性能電池不利，因?yàn)榫植扛唠娏髅芏瓤僧a(chǎn)生熱量，而熱量不易從如此有限的地方消散。此外，傳統(tǒng)頂蓋的設(shè)計(jì)，難以消除斷路壓力與電流承載能力之間的相互影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一為圓柱形可再充電的鋰電池而設(shè)的改進(jìn)的頂蓋，其特別適合于高功率應(yīng)用，因?yàn)樵陔姵匮h(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)期間所產(chǎn)生的熱量，會(huì)較有效地消散。頂蓋的組件包含一個(gè)在排氣孔上有可撕破小帶的帽蓋、一塊安全膜、一塊絕緣片，以及一塊與聚丙烯墊圈鉚接的環(huán)形薄片。此結(jié)構(gòu)排除了安全膜和焊接薄片之間的激光焊接。取而代之的，是將環(huán)形焊接薄片與安全膜鉚接。負(fù)極薄片或多重薄片與環(huán)形焊接薄片的中央焊接。
改進(jìn)之處，在于增加了流經(jīng)環(huán)狀焊接薄片與安全膜之間的分布接觸面的電流承載量，以及降低了電池的電阻。此外，頂蓋組件的數(shù)目減少了，令組合簡(jiǎn)單而方便大量制造。
此外，啟動(dòng)電子斷路的機(jī)構(gòu)亦有改進(jìn)。傳統(tǒng)頂蓋切斷電路的方法，是在超過規(guī)定的壓力下，打破安全膜的有凹痕(scored)中央部份，如圖2b所示。當(dāng)安全膜變形，經(jīng)改良的冒蓋會(huì)切斷電路，如圖3b所示。當(dāng)安全膜2向帽蓋凸起，安全膜就會(huì)從環(huán)形焊接薄片4中被拉出，從而打斷電連接。引致頂蓋切斷電路的壓力，由安全膜2的受壓程度控制。因此，斷路裝置不會(huì)輕易因受震動(dòng)或擺動(dòng)而啟動(dòng)。環(huán)形焊接薄片4是被緊緊固定著，除非安全膜2因內(nèi)部壓力而變形。在傳統(tǒng)的頂蓋里，焊接薄片的有凹痕部分，容易因受震動(dòng)或擺動(dòng)而被打破。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是在帽蓋排氣孔上加設(shè)有可撕破小帶，如圖6所示。這些可撕破小帶在排氣孔的下端凸出，作用是若安全膜因承受過量的內(nèi)部壓力而持續(xù)凸出，而此等壓力又超過或高出啟動(dòng)斷路裝置所需的壓力，可撕破小帶就會(huì)卡著安全膜，并將其扯開，讓氣體散逸，從而避免爆炸發(fā)生。


圖1示出了傳統(tǒng)圓柱形成螺旋狀的鋰電池的一實(shí)施例的剖面圖。
圖2a示出了圓柱形鋰電池的傳統(tǒng)頂蓋的剖面圖。
圖2b示出了電池?cái)嗦泛?，圓柱形鋰電池的傳統(tǒng)頂蓋的剖面圖。
圖3a示出了圓柱形鋰電池的經(jīng)改良頂蓋的剖面圖。
圖3b示出了電池?cái)嗦泛?，圓柱形鋰電池的經(jīng)改良頂蓋的剖面圖。
圖4示出了圓柱形鋰電池的傳統(tǒng)頂蓋橫切面的電流(用英文字母“I”標(biāo)示)。
圖5示出了圓柱形鋰電池的經(jīng)改良頂蓋橫切面的電流(用英文字母“I”標(biāo)示)。
圖6示出了經(jīng)改良頂蓋的帽蓋。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一為可再充電的鋰電池而設(shè)計(jì)的改進(jìn)的頂蓋。改進(jìn)之處，在于增加了流經(jīng)焊接薄片與安全膜之間的接觸面的電流承載量以及降低了電池的電阻。此外，頂蓋組件的數(shù)目減少了，令組合簡(jiǎn)單而方便大量制造。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的頂蓋，尤適合于高功率應(yīng)用。
可再充電的鋰電池的典型結(jié)構(gòu)，已在傳統(tǒng)成螺旋狀的電池的剖面圖中示出如圖1。
負(fù)極金屬薄片的制造方法，是在鋁薄片上涂上一種合適的粉狀(尺寸一般約10微米)負(fù)極材料的混合物，如鋰過渡金屬氧化物、粘合劑，以及導(dǎo)電的稀釋物質(zhì)。一般而言，涂覆涂料的方法，首先是在合適的液體容器中，將粘合劑溶解。然后，就以此溶液和其他粉狀固體成份，制造出粘合液。接著將粘合液均勻的涂在襯底薄片上。之后，盛載于容器內(nèi)的溶劑已揮發(fā)。鋁薄片的底層的兩邊通常以此方法涂覆涂料。接著，負(fù)極金屬薄片用砑光機(jī)壓光。
正極金屬薄片亦以類似方法制造，但并非使用負(fù)極材料，而是使用粉狀(尺寸一般約10微米)含碳的穿插化合物，亦并非用鋁薄片，而是用銅薄片。正極金屬薄片一般比負(fù)極金屬薄片稍寬，從而確保正極金屬薄片一直與負(fù)極金屬薄片對(duì)置。膠凝的卷軸4被嵌入傳統(tǒng)的電池管殼10。頂蓋11和墊圈12用來密封電池15。頂蓋包括一內(nèi)置斷路裝置。此裝置與前述加拿大第2,099,657號(hào)專利所顯示的裝置類似。若情況需要，頂蓋還可安裝其他安全裝置。通常，電池會(huì)裝有安全孔。若電池積聚過多壓力，安全孔就會(huì)裂開。頂蓋還可裝有正溫度系數(shù)裝置(PTC)，限制電池出現(xiàn)短路的機(jī)會(huì)。頂蓋11的外表面用作正極端，而管殼10的外表面則用作負(fù)極端。
負(fù)極薄片6和正極薄片7予以適當(dāng)連接，從而將電池內(nèi)的兩極達(dá)到外部端。合適的絕緣片8、9可插入電池里，防止電池內(nèi)部出現(xiàn)短路的可能性。在將頂蓋11壓接入電池管殼10，從而將電池密封前，會(huì)注入電解質(zhì)5，以填充膠凝的卷軸4的孔隙。
膠凝的卷軸可采用其他結(jié)構(gòu)，但本文專注頂蓋的設(shè)計(jì)。因此，從本段起，本文提及的膠凝的卷軸，僅限于是次頂蓋設(shè)計(jì)所采用的膠凝的卷軸。
圖2a顯示圖1詳細(xì)描述類似的頂蓋。組件依次序包含下列各項(xiàng)一塊有多個(gè)排氣孔的帽蓋1、兩個(gè)鎳環(huán)2、一塊安全膜3、一個(gè)定位絕緣器4、一塊與聚丙烯墊圈6鉚接的焊接薄片5。安全膜3以激光焊接在焊接薄片5的中央。負(fù)極薄片依次以激光焊接在焊接薄片5的底部。因此，所有電流必須流經(jīng)焊接薄片5中央的細(xì)小接觸區(qū)，令電池在充電和放電期間變熱。這對(duì)高性能電池不利，因?yàn)榫植扛唠娏髅芏瓤僧a(chǎn)生熱量，而熱量不易從如此有限的地方消散。
傳統(tǒng)頂蓋的結(jié)構(gòu)，限制電流只可流經(jīng)安全膜與焊接薄片用激光焊接之處附近一小塊地方。這可用圖像表達(dá)，如圖4所示，電流(即用英文字母“I”標(biāo)示的粗線)流經(jīng)狹小的環(huán)道(直徑為d)時(shí)收窄。若D是電池的直徑，傳統(tǒng)頂蓋的d/D比例少于0.1。這對(duì)高性能電池不利，因?yàn)榫植扛唠娏髅芏瓤僧a(chǎn)生熱量，而這些熱量不易從如此有限的地方消散。
圖3a是為圓柱形鋰電池而設(shè)的經(jīng)改良頂蓋的橫切面。經(jīng)改良的頂蓋的組件依次序包含下列各項(xiàng)一個(gè)在排氣孔上有可撕破小帶的帽蓋1、一塊安全膜2、一塊不會(huì)溶化的絕緣片3，以及一塊與聚丙烯墊圈5鉚接的環(huán)形焊接薄片4。安全膜2是與環(huán)形焊接薄片4卡配，以使得形成一低阻抗的接觸面。鉚接期間，安全膜2的材料由鉚釘沖頭壓平，而鉚釘沖頭是由環(huán)形焊接薄片4凸出的邊緣承托。這已在圖3a、3b描述為安全膜上2的淺凹處。因此，縮短了電流路徑的長度，降低了電流密度，尤其是在環(huán)形焊接薄片4與安全膜2之間的接觸面上。鉚釘?shù)慕佑|面，本質(zhì)上是環(huán)形焊接薄片4的內(nèi)圓周長乘以環(huán)形焊接薄片4在該點(diǎn)的厚度。這遠(yuǎn)比傳統(tǒng)頂蓋的激光焊接點(diǎn)的橫切面大。因此，經(jīng)改良的頂蓋的電阻普遍比傳統(tǒng)的低。
圖3b顯示了本發(fā)明的頂蓋在斷路后的情況。當(dāng)安全膜2在異常充電情況中變形(即當(dāng)電池積聚的內(nèi)部壓力超過安全膜的規(guī)定壓力)，經(jīng)改良的頂蓋就會(huì)切斷電路。當(dāng)安全膜2向帽蓋1凸起，安全膜就會(huì)從環(huán)形焊接薄片4中被拉出，打斷電連接。引致頂蓋世斷電路的壓力，由安全膜2的受壓程度控制。此外，環(huán)形焊接薄片4是被緊緊固定著，除非安全膜2因內(nèi)部壓力而變形。因此，斷路裝置不會(huì)輕易因受震動(dòng)或擺動(dòng)而啟動(dòng)。
改進(jìn)了的頂蓋結(jié)構(gòu)具有沿著環(huán)形焊接薄片的整個(gè)圓周有分布的接觸面，這可使得電流覆蓋較大范圍。這可用圖5表達(dá)，電流(即用英文字母“I”標(biāo)示的粗線)流經(jīng)直徑是d的環(huán)道時(shí)，收得最窄。d/D比例約0.4。D是電池的直徑。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是在帽蓋的排氣孔上可加設(shè)可撕破小帶，如圖6所示?？伤浩菩?提供堅(jiān)固的承托凸出邊緣。在異常情況下，當(dāng)過量氣壓產(chǎn)生，安全膜就會(huì)變形，然后在這些凸出邊緣被扯破。由于可撕破小帶正正位于排氣口，安全膜被扯破時(shí)，就為氣體提供直接無阻的通道，讓其散逸。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可對(duì)本發(fā)明作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)與改動(dòng)，因此本發(fā)明的專利保護(hù)范圍須視本說明書所附的權(quán)利要求書所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種圓柱形可再充電的非液態(tài)鋰電池，其包括一由鋰穿插化合物負(fù)極、一由鋰化合物制成的正極、一非液態(tài)電解質(zhì)、一由壓力啟動(dòng)，但不會(huì)將流經(jīng)環(huán)路的電流縮至少于電池直徑的五分之一的斷路裝置；在充電過量期間，前述斷路裝置會(huì)在預(yù)設(shè)的內(nèi)部壓力出現(xiàn)時(shí)啟動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的可再充電的非液態(tài)鋰電池，其中，斷路裝置包括一個(gè)在安全膜與環(huán)形焊接薄片之間的鉚接接觸面；當(dāng)內(nèi)部壓力超過預(yù)設(shè)值時(shí)，鉚接接觸面的電路被切斷。
3.如權(quán)利要求1所述的可再充電的非液態(tài)鋰電池，其中，該電池還包括其他針對(duì)充電過量的防護(hù)裝置，以免電池因充電過量而受損；充電過量時(shí)，電池的電壓、電流或溫度，會(huì)超出操作上限。
4.一種有頂蓋的可再充電的非液態(tài)鋰電池，該頂蓋包括一個(gè)在排氣孔上有可撕破小帶的帽蓋、一塊安全膜、一塊絕緣片、一塊與聚丙烯墊圈卡配的環(huán)形焊接薄片，其中，環(huán)形焊接薄片與安全膜鉚接。
全文摘要
本發(fā)明是一種為可再充電的鋰電池而設(shè)，并裝有鉚接斷路裝置的頂蓋。頂蓋對(duì)為高功率應(yīng)用而設(shè)的可再充電的鋰電池尤其有用。
文檔編號(hào)H01M2/34GK1450680SQ0311028
公開日2003年10月22日 申請(qǐng)日期2003年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月10日
發(fā)明者史蒂文·K·雷 申請(qǐng)人:伊萬莫利能量(加拿大)有限公司