專利名稱：用于電化學電池的封閉裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于電化學電池(cell)的裝置。更具體地，公開了一次含鋰電化學電池。所述電池具有裝置，該裝置包括蓋子、沿著軸向中間部分帶有可變化直徑的密封墊圈和正溫度系數(PTC)設備封閉，其中所述封閉的布置將所述PTC與主要軸向壓力分離。通過將所述墊圈嵌件注塑在所述蓋子周圍制造預成型的密封裝置。
背景技術：
包括但不限于帶有鋰金屬或合金作為電化學活性材料的那些電化學電池，電化學電池通常使用一種或多種正溫度系數(“PTC”)安全設備。這些設備限制能夠在某些條件下正常地流過所述電池的電流。例如，由于外部短路、試圖為一次電池充電、不恰當地為可充電電池充電、強迫過放電、或在設備中不恰當的電池安裝，導致足夠激活PTC設備的過剩熱可能在電化學電池中形成。通常，PTC設備包括包含聚合物和如碳的導電顆粒的層。當PTC設備的溫度升高超過激活溫度時，聚合物熱膨脹使分散在PTC內的導電顆粒電斷開，從而切斷流過PTC設備的電流。因此，電化學電池設計必須考慮到PTC設備的熱膨脹。圓柱體電化學電池，如AA和AAA型號的電池組(lottery)，由罐子(即帶有封閉底部的圓柱體)和蓋子形成，并具有大于罐子的直徑的總罐高。電池組的電端子整體式形成于罐子的底部和蓋子上。然后通過在蓋子和罐子的部分開口端之間壓縮墊圈或密封元件將容器(即罐子和蓋子的組合)密封。為了確保密封性，應該在圓柱體的軸向和徑向都保持壓力，通常通過使罐子在側壁形成卷邊(bead)并然后將罐子的開口端邊緣彎曲到蓋子上。 就PTC設備通常被連接到所述蓋子上而言，這個封閉可以使PTC設備經受壓縮軸向力，從而對PTC的激活產生不利影響。用于可購買的電池的普通封閉顯示于圖6中。電化學電池1包括被配置在所述電池末端蓋子2和PTC設備4。墊圈6具有帶有基本均勻形狀的軸向中間部分。將所述蓋子2、PTC設備4和接觸裝置8 (包括回卷蓋子和彈簧)被承載、承裝或保持在所述 C-型墊圈6內。特別地，在所述電池密封的過程中必須施加軸向力使所述罐子3的末端邊緣彎曲，從而在自身的封閉操作過程中使所述PTC設備4受到軸向壓力。而且，因為所述彎曲邊保持到位(in place)并且所述彈性體的墊圈保持軸向壓縮，所以貫穿所述電池組的整個壽命將會持續(xù)軸向限制所述PTC的激活(要求所述PTC軸向膨脹)。各種途徑已經嘗試允許PTC設備消除PTC設備不希望的軸向壓縮，從而使其在激活時膨脹。一個這樣的途徑考慮到使用附加的導電元件、和/或彈簧狀設備，盡管這要求所述PTC設備基本重新配置(減小尺寸)。也已經使用在低于所述PTC設備激活的溫度下軟化的墊圈材料，但這樣可能無法使用最佳性能的材料(performing materials)。而另一種途徑是使所述PTC位于所述容器的外側，但這需要用于將所述PTC連接到所述罐子/蓋子上的方法，并增加了所述PTC損壞的可能性。專利號為5，376，467的美國專利描述了具有正溫度系數電阻器的有機電解液電池組。在一個實施方案中，將所述PTC電阻器承載在導電環(huán)狀元件上從而使所述PTC電阻器在徑向向內的位置，遠離彎曲的區(qū)域。在第二個實施方案中，它被設置在所述蓋子(Iid) 的中心并通過支撐元件被連接到所述密封元件上。在這兩個例子中，這些布置必須將所述 PTC電阻器焊接或黏附地固定到附加的導電密封元件上，并且所述PTC電阻器的直徑必須基本小于所述電池組罐子的內徑，從而限制所述PTC電阻器的表面區(qū)域面積和整體效用。專利號為5，766，790的美國專利涉及用在依賴一系列光盤型彈簧的蓄電池組中的安全設備。來自所述電池組外殼的內部壓力使所述彈簧變形從而破壞所述外部接線端和一個所述光盤型彈簧之間的電接觸。特別地，這個設備要求多個移動零件并且僅依賴于所述電解液過熱導致的電池內部壓力，而不是被位于所述電池上的電力需求(即負載)激活。專利號為6，531，242的美國專利和公開號為05-151944的日本公開文本公開了電池組密封中多個墊圈的用途。這些墊圈一起工作將施加在所述PTC設備上的壓力最小化。 在前者中，一系列互相套疊的墊圈與引線板和所述PTC設備連接起來。在后者中，設置了兩個獨立墊圈，其中與激活PTC設備接觸的墊圈的熔點低于PTC設備的激活溫度，從而確保所述PTC設備可以按需要膨脹為軟化的墊圈。附加零件(例如兩個或更多個墊圈)的添加增加了制造的復雜性和成本。專利號為6，620，544的美國專利公開了依賴于金屬泡沫“減震器”和獨立的絕緣環(huán)的電化學電池，所述金屬泡沫“減震器”和獨立的絕緣環(huán)都接近于所述PTC設備定位。這里，所述金屬泡沫考慮所述PTC設備在激活時的膨脹，而所述絕緣環(huán)厚于所述PTC設備使密封所述電池時為所述零件提供適當的空間。如上面美國專利5，376，467，這種布置要求使用較小直徑的PTC設備。最后，公開號為10-162805的日本公開文本考慮到沿著所述電池的中心軸裝配 PTC設備。這里，所述PTC設備通過限制它的總直徑來避免受到彎曲力，盡管這個受限的直徑通過限制與所述電極接觸的表面區(qū)域面積減小了所述PTC設備的效用。而且，所述PTC 設備的這個中心位置防止普通排氣設備的添加。最后，如所述參考文獻中提到的，這個布置的一些實施方案允許所述PTC設備與包含在所述電池外殼內的有機電解液接觸。在這樣的例子中，所述PTC設備必須不與所述有機溶劑反應或不溶解在所述有機溶劑中，從而展示了關于化學相容性的重要技術挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容
鑒于上述內容，本發(fā)明考慮到尤其一種帶有具有將電流限制在希望的溫度下(尤其發(fā)生在濫用條件下)的PTC設備的電化學電池設計，而同時在基本不減小它的表面區(qū)域或形狀的情況下不限制所述PTC設備激活的能力。另外，在使所述PTC設備不與所述電解液的有機溶劑直接接觸的情況下，這個電池設計在超過所述PTC設備的激活前后的延長期間內保持可靠的壓縮密封力。本發(fā)明的PTC設備通常經歷相變來將電流限制在85°C和175°C之間。最后，用于所述PTC的優(yōu)選的激活溫度由所述設計以及其它電池材料(例如，所述墊圈聚合物)和/或所述電池可能排氣的溫度來決定。如上面提到的，應該將設置在所述電池組的電通路內的 PTC的表面區(qū)域(即所述電極和所述接線端之間)最大化來確保所述PTC的最充分利用。所述電池設計包括貼附于電池組容器開口端的封閉裝置。所述封閉裝置包括所述PTC，并對電解液蒸汽的傳輸形成有效障礙來確保當遇到如過載電流或過高溫度的濫用條件時所述電池組不會爆炸?；驹谒雒芊鈮|圈內向所述封閉裝置的設計施加徑向和軸向力防止電解液溢出和濕氣進入，但存在于所述端部裝置中的PTC設備在不干擾所述排氣機構的情況下部分地或完全地免受主要軸向壓力。特別地，所述墊圈必須由電絕緣材料制成、耐所述電解液導致的化學降解并不受過長時間導致的冷流或結構和機械完整性損失的影響?？梢詫⑶都⑺苡脕韺⑺鰤|圈直接并入另外的組件中，如所述容器或封閉裝置、或尤其所述封閉裝置的蓋子或回卷蓋子。在所述電池組的制造和隨后的儲存/使用過程中，通過改變所述密封墊圈的橫截面形狀，將所述PTC設備從有效密封所述電池組需要的壓力中移出。這個布置使所述PTC 設備i)在制造過程中避免損壞，ii)在激活過程中膨脹并且iii)通過將用于所述電池組內部電極和所述電池組外殼的外部接線端之間電連接的表面區(qū)域最大化來減小電阻。特別地，所述環(huán)狀密封元件(即所述密封墊圈)具有沿著軸向部分恒定的外徑，但在那個部分至少帶有兩個不同直徑的內部表面。所述端蓋與部分具有一個直徑的墊圈同軸，并且所述PTC設備與部分具有一個不同直徑的密封元件同軸。因此，所述墊圈具有多個徑向肩或臺階，其中所述端蓋安坐于第一臺階上表面上并且所述PTC直接或間接(憑借與所述端部裝置的其它組件的連接)安坐于第二臺階上表面上。因此，在密封的電池的最接線端部裝置中，所述墊圈的橫截面本身將具有擁有至少兩個區(qū)別厚度區(qū)域的軸向部分，從而影響沿著所述中間部分的“雙壁”或橫截面的臺階狀的“雙壁”。上凸緣和下凸緣可以位于或相鄰于這個中間部分，同時將所述上凸緣在所述端蓋頂部上方彎曲(即所述端蓋夾在上面的彎曲和下面的臺階之間)，并且所述下凸緣整體式形成所述臺階中的一個，還可以向下在所述中間部分的上方延伸。在每個例子中，所述封閉裝置形成來建立兩個軸向壓縮區(qū)域基本區(qū)域和次要區(qū)域(即分別地說，在被施加軸向壓縮的彎曲的下面區(qū)域和同中心地相鄰于被施加最小壓縮的墊圈的第二壁的區(qū)域)。所述基本區(qū)域負責保持所述電池的封閉密封，它可以受到所述彎曲或與制在所述容器的側壁上的環(huán)狀卷邊連接的彎曲的影響。所述次要區(qū)域具有比所述主要區(qū)域小的壓力。這樣，向所述PTC設備施加比所述封閉裝置的其它分別部分小的壓力，從而避免對所述PTC設備的損壞并使其不受限制地激活。特別地，墊圈材料必須具有足夠硬度使這些高和低壓縮區(qū)域形成，使用用于所述雙壁墊圈的單嵌件注塑的熱固塑料材料是有利的，因為這樣使所述零件得到大量制造而避免材料相容性和相關的問題。如上面提到的將這個墊圈并入封閉裝置中。所述封閉裝置將通常被套疊在所述容器的開口端內。可以沿著所述容器的周圍在恰好低于所述封閉裝置的位置制造卷邊來確保所述端部裝置和所述容器之間更好的密封。如果存在所述下凸緣，它將相鄰于所述卷邊并且甚至可以部分地或完全地圍繞它延伸。所述封閉裝置本身包括蓋子、軸向中間部分具有可變化直徑的墊圈，PTC設備、排氣機構和通常為所述排氣機構的整體部分的任選的“卷回” 蓋子(例如，帶有軸向突起以在所述端部裝置和所述容器之間保持軸向和徑向壓縮并使其最大化的光盤狀密封板)。所述排氣機構可以是球排氣口或箔排氣口。引線或接觸彈簧使與所述封閉裝置接觸，并可以甚至被并入所述封閉裝置中，以建立從所述電池組電極流出， 經過PTC和所述蓋子最后到達在所述電池組本身外部上整體式形成的接線端的電連接。最后，本發(fā)明的完整描述包括它的各個特性和實施方案可以參照下面的說明書和權利要求書找到。


通過閱讀本發(fā)明的具體實施方式
和附圖，將會更好地理解本發(fā)明并且其它特性和優(yōu)勢將變得明顯，其中圖1是圖示帶有球排氣機構和具有多個軸向壓縮區(qū)域的墊圈的封閉裝置的本發(fā)明的一個實施方案的剖視圖；圖2是圖1的進一步實施方案的剖視圖；圖3是圖示帶有箔排氣機構和具有多個軸向壓縮區(qū)域的墊圈的封閉裝置的本發(fā)明的一個實施方案的剖視圖；圖4是圖示帶有硬幣排氣機構和具有多個軸向壓縮區(qū)域的墊圈的封閉裝置的本發(fā)明的一個實施方案的剖視圖；圖5是圖3或4的另一個實施方案的剖視圖；圖6是現有技術封閉裝置的剖視圖；和圖7是圖示所述墊圈的軸向壓力和變化直徑的本發(fā)明的一個實施方案的剖視圖， 所述墊片可以應用到圖1-5中圖示的任何實施方案中。
具體實施例方式如貫穿說明書使用的，術語“電化學電池”被給予寬泛的含義，包括任何能夠制造電流，帶有正極電極、負極電極、絕緣件(separator)和電解液的系統(tǒng)，盡管本發(fā)明最適于使用非水電解液的系統(tǒng)。圓柱形容器是任何帶有至少一個開口端的管狀容器，所述容器的軸向高度大于它的直徑?！凹纭被颉白笔撬饺∠蛱匦裕辉O計成將安坐在該肩上的組件承裝、支撐和保持到位；這樣，肩在結構上和功能上區(qū)別于彎曲的凸緣或主要在所述電池的軸向方向延伸的凸緣。本發(fā)明涉及電化學電池，其優(yōu)選包含作為電化學活性材料的鋰或鋰合金、和非水電解液，帶有包括圓柱體容器的電池封閉裝置，所述圓柱體容器具有通過端部裝置密封的開口端，所述端部裝置包括壓力釋放排氣元件，當所述電池的內部壓力等于或高于預定壓力時該壓力釋放排氣元件能夠排氣。本發(fā)明參照附圖將更好地理解，其中圖1圖示本發(fā)明的圓柱體電化學電池10的一個實施方案。電池10是一次FR6-型圓柱體Li/FeS2電池。然而，理解為本發(fā)明可以應用于其它圓柱體電池組化學和電池設計。電池10具有包括容器14的外殼12，容器14是帶有閉合底部和敞開頂端的罐子形式，其中封閉裝置安裝在敞開頂端。與圓柱體電池相關的機械強度、封閉/密封要求和內部電池設計明顯不同于那些硬幣或紐扣電池，尤其在此作為圓柱體形狀具有優(yōu)越的箍強度 (hoop strength)并且不會經歷在硬幣和紐扣電池中經常遭遇到的普通的軸向鼓脹。容器14的敞開頂端使用與所述敞開頂端配合的端部裝置30封閉。所述容器14 在容器頂端附近具有圓周向內突起或卷邊(bead) 16，支撐所述端部裝置30的一部分。卷邊 16大體被認為將所述容器14的上部和下部分開。包含容器14和端部裝置30的封閉裝置被安裝在容器14的頂部內并且將電極裝置60密封在容器14的底部內。這里顯示的電極裝置60是“卷芯(jellyroll)結構”，包括螺旋形纏繞在一起的陽極或負極電極62、陰極或正極電極64和絕緣件66。一層或多層絕緣件66可以用來允許離子導電并防止所述電極 62,64之間的直接電接觸。電解液也被設置在所述容器14內。假如按照關于裝置的教導，容器14可以是幾種幾何形狀的端部開口的容器的中的一種，例如，棱柱和長方體容器。由于端部開口的圓柱體電池的密封存在關于建立所述密封所要求的徑向和軸向力的挑戰(zhàn)，希望與容器14配合來最小化蒸汽輸送的端部裝置30特別適用于圓柱體容器。容器14優(yōu)選是具有整體式封閉底部的金屬罐。然而，在兩端最初敞開的金屬管可以用在一些實施方案中。在一個實施方案中的容器14是任選鍍層的鋼，例如，在至少外側鍍鎳來防止所述容器的暴露的表面受到腐蝕或提供希望的外觀。例如，所述罐子可以由冷軋制鋼(CRQ制成，并至少在外側鍍鎳來防止所述罐子的外側受到腐蝕。通常，根據本發(fā)明的CRS容器對于FR6電池可以具有約7-10毫英寸(mils)的壁厚，或對于FR03電池可以具有約6-9mils的壁厚?？梢愿淖冨儗拥姆N類來提供變化的耐腐蝕度，以改善接觸電阻 (contact resistance)或提供所述希望的外觀。鋼的種類將部分依賴于容器形成的方式。 對于淺沖罐(drawn cans)，鋼可以是擴散退火的(diffusion annealed)、低碳、鋁鎮(zhèn)靜的、 SAE1006或等效鋼，具有ASTM 9至11的顆粒尺寸和各向等大的稍微伸長的顆粒形狀。其它金屬可以用來滿足如本領域已知的特殊需要；例如，當將所述電池的開路電壓設計為大于或約等于3V時或當所述電池是可充電的時，可以使用不銹鋼，以提供相對較大的耐腐蝕性。備選的容器材料的實施例包括但不限于，不銹鋼、鍍鎳不銹鋼、包鎳不銹鋼、鋁或它們的
如圖1和2中所示，卷邊16是向內的凸出，優(yōu)選在所述圓柱體容器周圍延伸。卷邊16具有上壁18、下壁20和將所述上壁18連接到下壁20上的過渡元件22。上壁18可以是朝所述電池的徑向中心向上傾斜的。所述卷邊16在該上壁18和容器14的彎曲端M 之間提供希望的軸向壓縮?？傊峁┚磉?6以幫助在所述容器14和端部裝置30的密封過程中或之后產生并保持軸向封閉力。關于所述卷邊的進一步的細節(jié)可以在2008年6月 11日提交的、序列號為12/136，910(美國公開號未公布)的美國專利申請中找到，所述申請在這里以參考文獻并入。所述端部裝置30設置在容器14的上部，并包括具有用作電池端子的導電接觸器端蓋32、限制或干擾流過電池的電流的PTC設備34、可破裂的壓力釋放排氣機構36、墊圈或密封元件40和諸如焊接引線或彈簧的接觸元件50，接觸元件50限定如在圖1的布置中示出的開口。電絕緣聚合物墊圈40可以位于容器14和端部裝置30的組件之間，從而使所述端部裝置30具有不同于所述容器14的極性(polarity)。PTC設備34設置在所述接觸端蓋32和電極裝置60的正極電極64之間的電通路中。因此，當PTC設備因濫用條件(abusive condition)被激活時，如果沒有完全消除，從所述電極裝置60流到所述端蓋32的電流受到嚴重限制。當電池暴露于濫用條件下時，如暴露于因電池的外部短路、誤充電、顛倒安裝或強制放電導致的過載電流和/或過高溫度條件下時，所述PTC用這種方法防止電池10損壞或解體。導電接觸接線端32優(yōu)選在容器 14的端部上方突出、并被容器14的內彎曲端M保持到位，其間設有絕緣墊圈40。如上面提到的，所述彎曲端M施加軸向封閉力。在電池10的封閉操作中進行這個彎曲；即，容器 14隨著端部裝置30的安裝到位而卷邊，然后端部M被彎曲以產生如上述的軸向壓縮。
電化學電池，特別是那些包括鋰或鋰基合金的電化學電池可能遭到因內部或外部短路、非計劃充電、出故障的或簡陋設計的設備等導致的濫用條件(例如，升高的溫度、過載電流等)。因此，PTC設備34是電池10中關鍵的安全組件。PTC設備34是呈現正溫度系數特性的可重置設備，其中所述設備的電阻隨著溫度的升高增大。在一個優(yōu)選的實施方案中，所述PTC設備34包括具有分散在其中的導電顆粒的聚合物。具體地，所述PTC設備34包括聚乙烯和諸如碳這樣的導電顆粒。其它種類的顆粒， 如導電金屬，例如鎳也可以使用。在大多數PTC的通常的可操作溫度范圍85-170°C以下，以及在更優(yōu)選的溫度范圍約85-125°C (與大部分電化學電池用戶的預期最大操作溫度范圍一致)以下，所述PTC中導電的分散顆粒形成穿過聚合物的電阻相對低的電通路。所述大體溫度范圍的下限由需要所述電池在約85°C的溫度下發(fā)揮作用的希望決定。所述大體溫度范圍的上限由諸如密封和電化學活性材料這樣的電池組件的熔點決定。PTC設備自動切斷 (trip)的能力依賴于所述PTC上的壓力和其它因素，包括PTC設備的密度。如果或當所述PTC設備34的溫度升高到切換溫度(在這里也指所述設備的激活) 以上激活，所述聚合物發(fā)生相變。這個相變使所述聚合物的體積增大，從而使大部分分散的導電顆粒分開、破壞低電阻電通路并使所述PTC設備的電阻顯著增大。由于電阻增大，可以流過PTC設備的電流量降低。當PTC設備的溫度降低到操作范圍時，聚合物再結晶并且導電顆粒移動互相接近并恢復所述PTC設備的低電阻狀態(tài)。用于圓柱體電化學電池的優(yōu)選的PTC設備34的形狀為帶有用于使流體通過的中心孔的環(huán)狀。特別地，所述孔容納排氣機構來確保在密封容器內不形成爆炸壓力。然而， PTC的形成電通路的表面區(qū)域面積應該被最大化以幫助使PTC對電池本身的的電阻效應最小化。因此，優(yōu)選的PTC設備的直徑相對接近于所述容器允許的最大直徑，而所述中心孔被最小化。合適的PTC設備可以從很多來源購買到。美國加州河濱的柏恩斯(Bourns)公司和美國加州門洛帕克的泰科電子(Tyco Electronics)出售適合的PTC設備。PTC設備增加了電池的內電阻。通常，這個增加的電阻在AA形狀因數(AA form factor)下應該不超過約36mΩ，AA形狀因數下約18πιΩ的較低電阻設備現在變得可以使用。最佳地，所述設備將限制電壓最高15V DC，電流最高20Α。所述PTC的直徑應該與如下面更詳細的討論的端部裝置的直徑一致。所述排氣孔的尺寸應該與所述排氣機構配合，其中2. 5-5. 5mm的直徑是合適的。所述PTC設備的厚度(或如下面使用的“軸向高度”)范圍應該為0. 25-0. 50mm(l-2mils)，并更優(yōu)選為0. 30-0. 35mm,依賴于所述端部裝置30中的元件的準確配置。在端部裝置30中保持PTC設備34的問題是必須在所述容器14和所述端部裝置 30之間保持密封來防止電池電解液的泄漏。由于通常在電池的軸向和徑向上利用壓力形成密封，通常通過在容器14和端部裝置30之間形成壓縮密封，因此PTC設備34可以經受對于確保形成可靠的密封所必需的壓力。然而，PTC設備34被端部裝置30和容器的壓縮，并更具體地因彎曲端24、墊圈40的剛性和卷邊16的上壁18的組合的軸向壓縮效應產生的壓縮，可以限制膨脹并從而影響它的性能。因此本發(fā)明的挑戰(zhàn)是在端部裝置中裝配PTC設備；隔離PTC設備以免接觸電解液(從而影響PTC設備的激活)、電池外側的周圍環(huán)境和外部物理接觸器(以防止活性部分周圍短路)；使PTC設備中的壓縮最小化，同時將PTC在電池內保持在預期位置上以允許激活時得到預期的膨脹(并因此得到PTC設備的最終預期性能)。如上面討論的參考文獻建議的，使用較少堅硬的聚合物材料可能導致不希望出現墊圈冷流、電解液泄漏和普遍不可接受的端部裝置30的密封性能。此外，墊圈的材料必須具有足夠的剛性，以符合本文所述的標準。為了允許PTC設備34獲得預期的膨脹，PTC設備34被定位于所述端部裝置30中， 以便使其消除主要軸向壓力。術語主要軸向壓力在這里被定義為在端部裝置30密封的過程中，沿著圓柱體容器的軸施加的最高或最大化的軸向壓力，以及保持在密封的電池中的合壓力(resulting compressive force)。例如，圖7圖示出沿線A-A延伸的軸線上的主要軸向壓力，并且所述軸向壓縮區(qū)域受卷邊16的上壁18和容器14的彎曲端M束縛，盡管施加的力的精確量部分依賴于容器的材料、彎曲條件和墊圈材料的剛性。然而，將理解更小的(或，如這里使用的“次要的”)軸向壓力仍然被施加遍及端部裝置的組件。該力的量將小于所述主要壓縮區(qū)域，從而允許所述PTC設備激活。如上面提到的，所述PTC設備34具有環(huán)狀結構，其中PTC設備34的外徑或外圍同中心地位于墊圈40的分散的軸向延伸的壁區(qū)段之一中。即所述PTC自施加在所述電池密封裝置上的主要軸向壓力徑向向內。憑借所述電池中的這個位置，所述PTC在次要軸向壓縮區(qū)域內。這個區(qū)域包括被所述端蓋32的部分束縛的組件，所述端蓋32與所述彎曲端M、 所述PTC設備34和所述排氣機構36徑向同中心。對于減小所述PTC設備34上軸向壓力的優(yōu)選的結構包括墊圈40，即i)使非導電的并將相反極性的預期電池組件隔離開，和ii)由可靠地可壓縮的塑料形成，以協(xié)助形成密封的封閉裝置但抵制冷流或其它不希望出現的變形。用來注塑墊圈40的熱塑性塑料還必須甚至在經受到PTC設備34的激活溫度時也保持足夠的剛性。密封元件40是沿著軸向長度具有可變化長度的空心圓柱體或環(huán)形。這些可變化的尺寸賦予墊圈以徑向突出的肩或“臺階的”構型的同心設置。即，所述密封元件40具有沿著整個軸帶有恒定外徑的外表面42。所述封閉的電池的外表面42基本與容器14的相鄰于所述密封元件40的內表面的構型一致來提供屏障，從而將進入電池的水和來自電化學電池的電解液的損失最小化。上凸緣43優(yōu)選最初形成作為向上延伸的區(qū)段，其中當容器14的彎曲端M形成時，所述上端43的一部分向內彎折。如圖7中所示，所述最終彎曲的凸緣界定沿著線1R-1R 的直徑。這個直徑必須超出所述內表面44的直徑(線2R-2R)，將在下面進行更詳細的描述。所述墊圈40也具有臺階狀內徑。所述墊圈40的內表面41具有圖7中線3R-3R 界定的直徑，而內表面44具有線2R-2R界定的直徑。所述內表面41、44的直徑不同，使得墊圈40包括至少一個徑向肩或座45成為必要。座45與端部裝置30的各種組件接合和配合，以在所述端部裝置、所述墊圈和所述容器之間形成氣密性密封。所述墊圈的下凸緣48 可以形成第二座47與所述端部裝置30接合。座45可以與所述端蓋32接合，而座47可以與所述排氣機構36 (或在一個實施方案中所述卷回蓋子79)接合。由于限定墊圈40的雙壁的其它組件，下凸緣48由如圖7的線4R-4R所示直徑界定，該直徑與內表面41的直徑不同。在圖7顯示的一個實施方案中，所述上凸緣43的直徑小于內表面44的直徑，并且下凸緣48的直徑小于內表面41的直徑。參照所述附圖，特別是圖1，內表面41、44中之一將同中心地包圍所述端蓋32的外圍，而另一個將同中心地包圍PTC 34的外圍。排氣機構36也可以被包圍并/或與所述座
1045、47中的一個接觸。在所述密封的電池、即適合使用的成品電池中，所述端蓋32具有接觸所述內表面44的外圍部分，從而確立所述容器14和所述端蓋32之間的徑向壓縮。另外， 上凸緣43與彎曲端34配合以對端蓋32的接合在座45上的部分施加軸向壓縮(注意這個軸向壓縮向下延伸通過所述墊圈40來到所述卷邊16的上壁18)。相反，PTC 40偏離這個主要軸向壓縮區(qū)域，但仍然被一側的端蓋32和相反側的排氣機構36的徑向密封部分72保持到位。這樣，PTC 40處于次要壓縮區(qū)域中，不管墊圈材料的剛性如何，允許PTC激活時體積膨脹。明顯地，封閉電池時，充分的徑向力也將由封閉裝置30施加在容器14上，盡管這個徑向力對PTC的運行/激活影響非常小。密封元件40的構型在封閉裝置組件(即，容器14和包括密封元件40的端部裝置 30)之間提供了多個徑向和軸向壓縮區(qū)域，既有主要軸向壓縮區(qū)域也有次要軸向壓縮區(qū)域。 所述設計適于減小電解液蒸汽脫離所述電池的能力，并減小水進入所述電池的能力，還將所述PTC設備34與所述封閉裝置的主要軸向壓力分離。鑒于上述內容，下面內容應該是顯然的主要軸向壓力被施加在封閉裝置的堆疊組件上，其中該堆疊組件包括容器14的彎曲端M、密封元件40、端蓋32、排氣機構36和卷邊16的上壁18PTC設備34因其在電池中的位置而沒有受到主要軸向壓力。盡管圖1圖示臺階45基本垂直于容器14的側壁(和墊圈40的外側壁)，只要可以獲得預期的偏離來將 PTC從主要軸向壓縮區(qū)域移出，就有可能使所述肩傾斜或成錐形。所述密封元件40由與所述封閉裝置的其它電池組件形成壓縮密封的材料組合物制成，它也具有低的蒸汽傳輸率從而使例如進入所述電池中的水和從所述電化學電電解液的損失最小化。所述密封元件40可以包括聚合組合物，例如熱塑性塑料聚合物，所述熱塑性塑料聚合物的組合物部分基于諸如與所述電極裝置的組件(即，負極電極、正極電極和如用在所述電化學電池10中的非水電解液)的化學相容性之類的因素。密封元件由提供預期密封和絕緣性能的任何適合的材料制成。所述密封元件材料必須保持充足的剛性， 其大于PTC設備的剛性的(即電池封閉時，墊圈材料必須不能過于順從，以致于不能使所述 PTC設備避開主要軸向壓縮)。合適材料的例子包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、四氟全氟烴乙烯醚共聚物、聚對苯二甲酸丁二醇酯、‘乙烯四氟乙烯、聚對苯二甲酸對苯二胺或其任何組合物。由于它們優(yōu)良的剛性，優(yōu)選的墊圈材料是聚對苯二甲酸對苯二胺(例如來自美國喬治亞州阿爾法理塔的蘇威高級聚合物公司的Amodel ET 1001 L)或可能地聚苯硫醚(例如來自美國德州席訥(Shiner)伯德克塑料的TECHTRON PPS)，兩者都在公開號為20050079404和20050079413的美國專利中描述并在這里以參考文獻的形式并入。所述密封元件組合物可以任選地含有增強填料如無機填料和/或有機化合物。所述密封元件40可以用密封劑涂覆進一步提高密封性能。乙丙三元共聚物 (EPDM)是合適的密封劑材料，但其它材料也可以使用?？梢詾閷щ姷亩松w32提供一個或多個排氣孔33，以允許如果排放機構36破裂的情況下釋放流體。端蓋32可以由與那些確認為適合于容器的材料相同的或類似的材料制成。最后，所述端蓋應該對周圍環(huán)境中的水具有好的耐腐蝕性，包括具有良好電導性的導電部分和當在用戶電池組上可見時具有吸引人的外觀。所述端蓋的導電部分通常由鍍鎳冷軋鋼制成或在蓋子形成后由鍍鎳的鋼制成。壓力釋放排氣機構36的存在使所述電池的內含物(contents)可以在預定的壓力
11以下基本含在所述電化學電池10內。所述壓力釋放排氣機構36可以，例如是球形排氣口或箔片排氣口。氣體因如溫度的環(huán)境條件而產生于所述電池內，在某些例子中，形成于化學反應的通常操作過程中。當所述電化學電池內的壓力至少與預定的釋放壓力同樣高時，排氣機構36的一部分破裂、并使電池內的為液體或氣體或其組合物的形式的流體通過形成在所述排氣機構36中的開口漏出。所述預定的釋放壓力可以根據所述電池的化學組合物變化。所述預定的壓力優(yōu)選高于將避免因正常處理和使用或暴露于周圍環(huán)境導致的誤排氣的壓力。例如，在FR-6型含鋰電化學電池中，預定的釋放壓力，例如，排氣機構36例如借助破裂產生開口的壓力，在室溫約21 °C下范圍可以從約10. 5kg/cm2(1501bs/in2)到約112. 6kg/ cm2(16001bs/in2)，在一些實施方案中，為約 14. 1 到約 56. 3kg/cm2 (200-8001bs/in2)。致使壓力釋放排氣機構36破裂的壓力可以通過為電池增壓確定，例如通過在所述容器中刺穿的洞。箔排氣口設計的例子可以在公開號為20050244706、200602沘620和20080213651的美國專利中找到，三者都以參考文獻的形式并入。圖1中圖示的排氣機構36是球形排氣口。球形排氣口 70包括徑向密封部分、中心排氣井74和由排氣球76密封的排氣孔75。排氣襯套78可以由類似于上述合適用于所述墊圈的熱塑性塑料制成。所述排氣襯套78使所述排氣井74的豎直壁和所述排氣球76 的外緣獲得充分的壓縮性，以便在通常(即，非濫用)條件下保持密封。當所述電池內部壓力超過所述預定水平時，排氣球76或者球76和襯套78兩者被迫離開孔75，以便從電池10 中釋放受壓流體。排氣密封部分72在其外圍終止于U型壁(也被稱為“卷回蓋子”)79。卷回蓋子 79如上面描述的與所述墊圈40接合。所述外圍壁79的構型協(xié)助形成電解液遷移屏障、并具有類似于彈簧的特性、并有助于聯合相鄰側壁或容器14為密封元件40提供徑向壓縮。所述電化學電池可以包括電連接至排氣機構36、更具體地電連接至徑向密封部分72和卷回蓋子79中之一或兩者的導電接觸元件50。這樣，排氣口的這些部分必須是導電的。容器 14、密封元件40和排氣機構36配合將所述電極裝置60和電解液保持在容器12的下部。所述排氣球76可以由與所述電池內含物接觸穩(wěn)定并提供預期的電池密封和排氣特性的任何合適的材料制成?？梢允褂弥T如不銹鋼之類的玻璃或金屬。排氣球應該是高度球狀的并具有無諸如放大10倍情況下可見的如擦傷、刮傷或孔洞之類缺陷的光滑表面拋光。預期的球狀和表面拋光部分取決于球的直徑。圖2圖示本發(fā)明的進一步的實施方案，其中密封元件40在座45、47中之一或兩者上設有一個或多個圓周的溝槽或凹槽80。在所述描述的實施方案中，端蓋32具有與座45 中的凹槽45接合的軸向延伸的突出35。同樣，座47中的凹槽80與卷回蓋子79接合。凹槽的形狀應該于所述相應部件的形態(tài)互補從而確保內蓋子72在端部裝置30內的可靠的位置。本發(fā)明的進一步的實施方案在圖3中說明，其包括排氣機構36，特別是箔片排氣口。如在本發(fā)明中使用的，術語箔片排氣口是指具有一層或多層的排氣結構、并包括例如具有兩個或多個不同層的薄片箔片排氣口，其中箔片排氣口的一部分可以響應于受到至少預定量的壓力而破裂。圖3中圖示的排氣機構36是薄片型箔片排氣口，具有在受到來自電池內部預定壓力后適于破裂的中心區(qū)域，即容納電極裝置的隔室。如圖3中所示，電接觸元件38可以被認為是排氣機構36的分離部件，其在一側經由PTC設備34電連接至導電的接觸接線端32，并在相反側(無圖示)上電連接至電極裝置 60?？傊?，所述接觸元件38具有與墊圈40 (具體地，內壁和座)、排氣機構36和端蓋32 — 致的形狀。顯示于圖3中的“向一邊的(sideways) J”形是一個優(yōu)選的實施方案，其中所述元件38的頂端沿著基本徑向平面取向，以使得與所述PTC 34接觸的表面區(qū)域最大化(從而降低電阻)，而元件38的垂片或下腿39在軸向和徑向上延伸到所述容器14的內部，從而建立與電極中之一(通常為正極電極)的電接觸。例如，正極電極64的集電器可以是在導電基板，諸如銅、鋁或其它金屬箔或網絲，其延伸超過正極電極材料和隔板66。然后將電化學活性正極電極材料涂覆在這個基板上。如果使用的話，接觸元件38和50可以由一種或多種導電的材料、優(yōu)選具有彈簧狀特性的導電材料制成，盡管與預期的部件產生并保持足夠的電接觸的任何部件都可以使用。這些元件38、50可以僅僅保持與電極裝置60的壓力接觸，或者它們通過焊接、黏附或其他方式形成與裝置60的固定連接。當在裝配過程中將端部裝置30放入容器14中時，集電器靠著接觸元件38的垂片 39受到偏壓，如上面所示，垂片39對于力是有回彈力的和/或有抗力的。垂片39的特性有助于保持接觸元件38和集電器之間的接觸。任選地，可以將垂片39焊接到集電器上，借助彈簧力或通過使用中間導線(諸如可以被焊接到垂片39和集電器上的窄的金屬帶或線) 而保持接觸。焊接連接有時候可以更牢固，尤其在相對嚴格的處理、儲存和使用條件下，但壓力連接無需額外的組裝操作和設備。如圖3所示，將排氣機構36設置在由所述接觸元件38的外圍凸緣限定的開口中。 更具體地，所述排氣機構36外圍由接觸元件38的外圍凸緣的折疊端來固定。在所述排氣機構36和接觸元件38之間的密封可以是界面上的緊壓接觸的結果，其在一些實施方案中可以通過所述排氣機構36的外圍部分的軸向壓縮增強。任選地，可以將粘合劑或密封劑應用到預期的界面上，以將所述排氣機構36連接到接觸元件38上，并從而形成預期的密封。 在電池裝配期間在所述容器14的彎曲或封閉過程中形成的主要軸向壓力也作用于排氣機構36的外圍部分和接觸元件38。圖5圖示本發(fā)明進一步的實施方案，所述方案特別適用于將箔片排氣口作為所述排氣機構36。這里，固定器杯88用來形成夾持所述箔片排氣口(總體上稱為排氣機構36) 和接觸元件38的子裝置。因此，固定器88與墊圈40的座47接合。形成的固定器88包括設置在接觸元件38和PTC設備34之間的電通路中的導電材料。顯示在圖3中的箔片型壓力釋放排氣機構36包括至少一層金屬、聚合物或它們混合物的組合物。也可能所述箔片型壓力釋放排氣機構36可以包括兩層或多層不同材料的組合物。例如，具有與第一層不同組合物的第二層可以用來將所述壓力釋放排氣機構36粘合到如圖5所示的固定器88或接觸元件38上。在另一個實施例中，具有與第一層不同組合物的第二和第三層可以用來將所述壓力釋放排氣機構36粘合到所述固定器88和所述接觸元件38上。而且，具有兩種或多種組合物的多層可以用來調整壓力釋放排氣機構36的性能特性，例如強度和彈性。理論上，可以在與所述電解液相容性、防止蒸汽傳輸的能力和 /或改善端部裝置內的排氣機構36的密封特性的能力的基礎上提供分開的層。例如，可以提供由壓力、超聲波和/或熱量激活的粘合劑如聚合物或在與這里公開的元件相容的粘合劑領域中的任何其它已知的材料，作為排氣機構36的一層，從而將所述排氣元件粘合到所述端部裝置內。適合用于所述箔片型壓力釋放排氣機構36的組合物可以包括但不限于諸如鋁、 銅、鎳、不銹鋼及其合金之類的金屬；諸如聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、 聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、乙烯丙烯酸、乙烯甲基丙烯酸、聚乙烯甲基丙烯酸和及其混合物的聚合的材料。所述壓力釋放排氣機構36的組合物也可以包括用金屬增強的聚合物， 和單層或多層金屬和/或聚合物薄片。例如，所述單層可以是金屬箔，優(yōu)選鋁箔，對于水、二氧化碳和電解液是基本不滲透的，或由防止蒸汽傳輸的氧化材料層涂覆的聚合物的非金屬膜，例如SiOx或々^),。所述壓力釋放排氣機構36可以還含有粘合劑層，所述粘合劑層含粘合接觸的粘合劑材料，例如聚氨酯；或熱量、壓力和/或超聲波激活的材料，例如低密度聚烯烴?；蛘撸梢詫⑦@些或其它粘合劑或密封劑材料可以分別涂敷到壓力釋放排氣元件的與接觸元件38、固定器88或兩者接觸的部分(例如，外部外圍)上，來提高所述收集器裝置內的密封。優(yōu)選的薄片排氣結構具有由聚丙烯、聚乙烯、鋁箔和低密度聚乙烯依次組成的四層。不管所述組合物是什么，壓力釋放排氣機構36應該化學耐受含在所屬電池10中的電解液，并應該具有低蒸汽傳輸速率(VTR)，以便為電池10提供大范圍環(huán)境溫度下低的重量損失速率。例如，如果所述溫度釋放排氣機構36是對蒸汽傳輸不滲透的金屬，通過所述壓力釋放機構36厚度的VTR基本為零。然而，所述壓力釋放排氣機構36可以包括至少一層可透過蒸汽的材料，例如如上述的聚合材料，所述聚合材料可以例如發(fā)揮粘合劑或彈性層的作用，以在壓力釋放排氣機構36和另一個電池組件、優(yōu)選接觸元件38之間獲得預期的密封。預定的釋放壓力，或致使壓力釋放排氣機構36趨于破裂的壓力是它的物理性能 (例如，強度)、它的物理尺寸(例如，厚度)和開口面積(例如，由圖3中圖示的接觸元件 38定義的開口，和由PTC設備定義的開口，無論哪個更小)的函數。由于由電化學電池組電池10的內部氣體施加的集合力越大(collective force)，所述壓力釋放排氣機構36的暴露的面積越大，所述預定的釋放壓力越小。因此，可以對任何這些變量作出調整，從而在不脫離本發(fā)明的原則的情況下以排氣元件設計端部裝置。取決于所述排氣機構36的暴露的面積，所述壓力釋放箔片型排氣元件的厚度可以小于約0. 254mm (0. OlOinch)，在一些實施方案中范圍可以為 0. 0254-0. 127mm(0. 001-0. 005incti)，然而在其它實施方案中所述厚度范圍可以為0. 0254m m-0. 05mm(0. 001-0. 002inch)?？紤]到所述蒸汽輸送速率(VTR)和預定的釋放壓力需要，本領域技術人員可以確定所述壓力釋放排氣機構36的組合物和厚度。所述壓力釋放箔片型排氣元件可以包括至少一層含金屬、聚合物和它們混合物的組合物?？梢杂糜谒鰤毫︶尫排艢庠暮线m的三層薄片是PET/鋁/EAA共聚物，所述共聚物可以是購買自美國威斯康辛州奧什科什的柯伍德的LIQUIFLEX Grade 05396 35C-501C。依次為PP/PE/鋁/LDPE的合適的四層材料是來自美國佐治亞州哥倫比亞的勒德洛涂層產品(Ludlow Coated Products)的FR-2175，所述勒德洛涂層產品是美國新澤西州普林斯頓的泰科國際有限公司的全資子公司。作為BF-48可用的合適的五層薄片是PET/ PE/鋁/PE/LL-DPE，也是來自美國佐治亞州哥倫比亞的勒德洛涂層產品。然而，如上面提到的，也具體考慮用一層氧化材料涂覆的聚丙烯、聚乙烯、非金屬聚合物膜的薄片的組合，所述氧化材料防止蒸汽傳輸(例如SiOx或AlOx)和/或鋁基礎的箔片。如圖4中顯示的硬幣排氣口 37也可以使用。如上面對所述箔片型排氣口的描述， 這樣的排氣口包括至少一層金屬、聚合物或它們混合物的成分，其中所述硬幣排氣元件包括薄的可破裂區(qū)域或開孔37，其允許當達到預定的電池內部壓力時使排氣元件破裂。通過在上述任何排氣機構36外緣的周圍嵌件注塑墊圈40來制造預成型的端部裝置30。任選地，也可以包括接觸元件38、50和/或固定器88。在所述密封元件內嵌件注塑至少所述排氣機構36的益處為沒有必要在電池裝配過程中使所述密封元件變形。嵌件注塑的進一步優(yōu)點是所述密封元件可以在所述密封元件的內表面形成具有相對深的特征?？梢允褂萌甾D臺注塑或堆疊注塑的典型的嵌件注塑方法，盡管其它方法也是可用的。在所述密封元件注塑的過程中，密封元件的形成于排氣元件和任選地接觸元件的外圍周圍的部分將至少排氣元件和任選地接觸元件和/或固定器的外圍封裝。在進行所述嵌件注塑工藝過程中，引入用于形成所述密封元件的注塑材料之前，將所述嵌入的部分 (在這種情況下，至少所述預成型的排氣元件和所述任選的接觸元件和/固定器)放在所述模塑中。然后在所述嵌入的零件(諸如排氣元件和/或包括接觸元件的排氣元件和/或排氣元件組合物)周圍注塑密封元件的一部分。得到的產品是預成型密封裝置，該預成型密封裝置包括含組合的密封元件和排氣元件的密封元件/排氣元件組合物和任選的接觸元件、或者接觸元件和所述固定器。在這個布置中，所述嵌入必須能夠抵擋所述注塑和適當注塑所述塑料墊圈要求的熔化溫度。負極電極62包括電化學活性材料帶子。在一個優(yōu)選的實施方案中，使用鋰金屬， 有時候被稱為鋰箔。鋰的組合物可以變化，盡管用于電池組級別的鋰的純度總是很高。所述鋰可以與諸如鋁之類的其它金屬形成合金，以提供預期的電池電性能。含0. 5wt%鋁的電池組級別的鋰-鋁箔可以購買自美國北卡羅來納州國王山的凱密特爾富特公司。可以是包括實際上任何可用的(intercalable)含鋰組合物的附加的或備選的負極電極材料，所述含鋰組合物通過類似于下面關于所述陰極材料描述的方法被涂覆在集電器上。在一些實施方案中，所述負極電極在所述金屬鋰內或表面上可以具有非自耗的集電器。當所述負極電極包括非自耗集電器時，只要在所述電池內側穩(wěn)定，可以由銅、鎳乎其它導電金屬或合金制成。所述負極電極可以沒有單獨的集電器，而只是箔片充當集電器。由于它們是相對高的導電性合金，因此在鋰和鋰合金中是可行的。通過不使用集電器，在所述容器內可為諸如活性材料之類的其它組件提供更多的空間。提供沒有負極電極集電器的電池也可以降低電池成本。電引線優(yōu)選將所述陽極或負極電極連接到所述電池容器上。這可以通過將引線的端部插入一部分負極電極中或僅僅將如所述引線端部的一部分按壓到所述鋰箔表面上來實現。所述鋰或鋰合金具有粘合劑性能，并且在引線和電極之間大體至少輕的、足夠的壓力或接觸就會將組件焊接在一起。在一個優(yōu)選的實施方案中，在將負極電極卷繞成卷芯結構之前為其提供引線。例如，在制造過程中，在引線連接站裝配包括至少一個由鋰或鋰合金組成的負極電極的帶子，在此將引線在希望的地點焊接到所述電極的表面上。隨后處理突出的電極以便精壓引線，如果需要的話，以成型引線的不與電極連接的自由端(free end)。之后，將負極電極與電極裝置的剩余的希望的組件組合，如所述正極電極和絕緣件，并卷繞成卷芯結構。優(yōu)選地，在卷繞操作完成之后，在嵌入所述電池容器中之前通過彎折成所需的構型來進一步處理負極電極引線自由端。導電負極電極引線具有足夠的低電阻，從而允許電流通過引線充分傳送，并對所述電池的工作壽命有最小的影響或沒有影響。所述希望的電阻可以通過增加所述突出部的寬度和厚度實現。所述正極電極64大體為帶子狀形式，包括集電器和混合物，其包括一種或多種電化學活性材料，通常為顆粒形式。二硫化鐵(FeS2)對于一次電池組應用是優(yōu)選的活性材料。 取決于所述希望的電池的電特性和放電特性，所述正極電極可以含有一種或多種附加的活性材料。這樣的正極電極材料包括 Bi203、C2F、CFx、(CF)CoS2, CuO, CuS, FeS,FeCuS2,MnO2, I^b2Bi2O5和S。更優(yōu)選地，用于Li/Fe&電池正極電極的活性材料包括涂覆在金屬箔集電器上的至少95襯％的狗&。具有純度水平至少95襯％的1 可以購買自奧地利維也納的凱密特爾基團；美國馬薩諸塞州北格拉夫頓的華盛頓米爾斯；美國弗吉尼亞州迪爾溫的藍晶石礦業(yè)公司?；蛘?，可以使用與輔助系統(tǒng)相容的任何數量的材料。通常，所述正極和/或負極電極混合物可以含有其它材料。粘結劑大體用來將所述顆粒材料聚在一起并將所述混合物粘附到所述集電器上?？梢约尤胍环N或多種諸如金屬、石墨和炭黑粉末的導電的材料來為所述混合物提供提高的導電性。導電材料的使用量可以依據諸如活性材料和粘結劑的電導率、集電器上混合物的厚度和集電器設計之類的因素。小量的各種添加劑也可以用來提高正極電極制造和電極性能。用于電池的優(yōu)選的陰極配方可以在2008年10月12日提交的公開序列號為12/253，516的美國專利和專利號為6，849，360的美國專利中找到，二者在這里都以參考文獻的形式并入。可以將所述集電器設置或包埋在所述正極電極表面，或可以將所述正極電極混合物涂覆在細金屬帶子的一側或兩側上。鋁是常用的材料。集電器可以延伸超出正極電極的含正極電極混合物的部分。集電器的這個延伸部分可以提供便利的區(qū)域用來與連接到正極接線端的電引線接觸。希望將所述集電器的延伸部分的體積保持最小化，以創(chuàng)造與可用于活性材料和電解液的電池的內部容積同樣大的空間。制作正極電極的優(yōu)選的方法是將溶劑(例如三氯乙烯)中活性材料混合物材料的漿料輥式涂覆在鋁箔片的兩側，干燥所述涂層來移除所述溶劑，壓延涂覆的箔片來壓縮所述涂層，將所述涂覆的箔撕裂到希望的寬度并將所述撕裂的正極電極材料帶子切割為想要的長度。希望使用帶有小顆粒尺寸的正極電極材料使刺穿所述絕緣件的危險最小化。絕緣件66是離子可穿透的且不導電的薄的微孔膜。在所述絕緣件的小孔內能夠至少保持一些電解液。將所述絕緣件設置在所述負極電極和正極電極的相鄰表面之間使所述電極彼此電絕緣。所述絕緣件的一部分也可以使所述電池接線端電接觸的其它組件絕緣來防止內部短路。所述絕緣件的邊緣通常延伸超過至少一個電極邊緣，以確保所述負極電極和正極電極不發(fā)生電接觸，即使它們彼此不是完全對齊。然而，希望使絕緣件延伸超過電極的絕緣件的量最小化。為了提供大功率放電性能，希望所述絕緣件具有于1994年3月1日授權的專利號為5，290, 414的美國專利中公開的性能(微孔具有至少0. 005 μ m的最小尺寸和不超過 5μπι的最大尺寸，范圍為30% -70%的孔隙率，面比電阻為2-15ohm-cm2和小于2. 5的彎曲率)，在這里以參考文獻的形式并入。
合適的絕緣件材料也應該足夠結實，來抵擋電池制造過程以及在電池放電期間施加在所述隔板上的壓力，沒有出現可能造成內部短路的裂縫、裂痕、洞或其它孔隙。為了將所述電池中總絕緣件體積最小化，所述絕緣件應該盡量薄，優(yōu)選小于25 μ m厚，并更優(yōu)選不超過22 μ m厚，如20 μ m或16 μ m。希望具有高的拉伸應力，優(yōu)選至少800，更優(yōu)選至少1000 千克力每平方厘米(kgf/cm2)。對于FR6型電池，所述優(yōu)選的拉伸應力在縱向至少1500kgf/ cm2，在橫向至少1200kgf/cm2，對于FR03型電池，所述優(yōu)選的拉伸強度在縱向和橫向分別為1300和1900kgf/cm2。優(yōu)選地，所述平均電介質擊穿電壓將至少為2000V，更優(yōu)選為至少2200V，最優(yōu)選為至少M00V。所述優(yōu)選的最大有效孔徑為0. 08-0. 40 μ m,更優(yōu)選不大于 0. 20 μ m。優(yōu)選地，所述BET比表面積將不大于40m2/g，更優(yōu)選為至少15m2/g并最優(yōu)選為至少25m2/g。優(yōu)選地，所述面比電阻不大于4. 3ohm-cm2,更優(yōu)選為不大于4. Oohm-cm2,并最優(yōu)選為不大于3. 5ohm-cm2。這些性能在公開號為20050112462的美國專利中進行更詳細的描述，也以參考文獻的形式并入。用于鋰一次和二次電池組中的絕緣件膜通常為由聚丙烯、聚乙烯或超高分子重量聚乙烯、優(yōu)選帶有聚乙烯的聚合的絕緣件制成。所述絕緣件可以是單層雙軸取向的微孔膜， 或將兩層或多層碾壓一起在正交方向提供所述希望的拉伸強度。單層優(yōu)選將成本最小化。 合適的單層雙軸取向的聚乙烯微孔絕緣件，可購買自東燃化學公司，美國紐約州馬其頓的?？松梨诨瘜W公司。ktela F20DHI級別的絕緣件具有20 μ m的公稱厚度，并且ktela 16匪S級別的絕緣件具有16 μ m的公稱厚度。所述負極電極、正極電極和絕緣件帶子在所述電極裝置中組合在一起。所述電極裝置可以是呈螺旋形卷繞設計，如圖1中所示，通過圍繞芯軸交替卷繞正極電極、絕緣件、 負極電極和絕緣件的帶子來制成，當卷繞完成時將所述芯軸抽出。將至少一層絕緣件和/ 或至少一層電絕緣薄膜(例如聚丙烯)大體包裹在所述電極裝置的外側周圍。這樣做的目的是幫助將所述裝置固定在一起并可以用來將裝置的寬度或直徑調節(jié)到所述希望的尺寸?？梢杂靡黄澈蟿Щ蛴脽岱鈱⑺鼋^緣件或其它外部薄膜的最外端壓住。如圖1所示，所述負極電極可以是最外側電極，或所述正極板可以是最外側電極。每個電極都可以與所述電池容器電接觸，但當所述最外側電極是趨向于與所述罐子電接觸的同樣的電極時， 可以避免所述最外側電極和所述容器的側壁之間的內部短路。在本發(fā)明的一個或多個實施方案中，電極裝置由具有選擇性沉淀在其上的電化學活性材料的正極電極形成，并用來改善工作和更好地利用所述負極電極的電化學活性材料。關于正極電極的電化學活性材料的選擇性沉積的構型的非限制實施例，和包括正極容器的電化學電池在公開號為20080(^6288和20080(^6^3的美國專利中提出，二者在這里全部以參考文獻的形式并入。所述電極裝置可以通過將所述電極和絕緣件帶子折疊在一起形成，而不是螺旋地卷繞。所述帶子可以沿著它們的長對齊，然后以風琴樣式將其折疊，或所述負極電極和一個電極帶子可以垂直于所述正極電極和另一個電極帶子放置，而電極以一個與另一個交叉 (正交取向)交替地折疊，在兩種情況下都形成一堆交替的負極電極和正極電極層。將所述電極裝置嵌入所述外殼容器中。在螺旋地卷繞電極裝置的情況下，不管在圓柱體還是棱柱容器，所述電極的主表面都垂直于所述容器(也就是說，所述電極裝置的中部核心平行于所述電池的縱向(longitudinal)軸)的側壁。折疊的電極裝置通常用于棱柱的電池中。在可折疊的折疊電極裝置的情況下，所述裝置的取向使在所述電極層的堆的相反端的平的電極表面相鄰于所述容器的相反側。在這些構型中，所述負極電極的主表面的總面積的大部分通過所述絕緣件相鄰于所述正極電極的主表面的總面積的大部分。這樣，由于所述負極電極和正極電極的組合厚度的增加，所述電極裝置的膨脹受到所述容器側壁的限制。僅含有非常少量作為污染物的水(例如，依賴于使用的電解液鹽，不多于約 500ppm)的非水電解液用于本發(fā)明的優(yōu)選的電化學電池中。任何適合的電解液都可以使用， 包括堿性溶液、非水有機物和固態(tài)聚合物電解液。在使用有機溶劑或溶劑的情況下，合適的鹽的實施例包括溴化鋰、高氯酸鋰、六氟磷酸鋰、六氟磷酸鉀、六氟砷酸鋰、三氟甲基磺酸鋰、碘化鋰；合適的有機溶劑包括下述一種或多種碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、 碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯、碳酸1，2- 丁烯酯、碳酸2，3- 丁烯酯、甲酸甲酯、Y - 丁內酯、環(huán)丁砜、乙腈、3，5_ 二甲基異惡唑、N，N-二甲基甲酰胺和醚。所述鹽/溶劑組合物將提供充足的電解液和電導性在所述希望的溫度范圍內滿足所述電池放電需求。醚是通常希望的， 因為其大體的低粘性、好的潤濕能力、好的低溫放電性能和好的高速率放電特性。這在Li/ FeS2電池中尤其正確，因為所述醚對其比帶有MnA正極電極的更穩(wěn)定，所以使用更高水平 (level)的醚。合適的醚包括但不限于無環(huán)醚如1，2_ 二甲氧基乙烷、1，2_ 二乙氧基乙烷、 二(甲氧基乙基)醚、三甘醇二甲醚、四乙醇二甲醚和二乙基醚；環(huán)醚如1，3_ 二氧戊環(huán)、四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃和3-甲基-2-噁唑烷酮。本發(fā)明組裝電化學電池的方法包括向電池容器中嵌入電極裝置和優(yōu)選諸如圓錐體的絕緣元件。最初的卷邊形成于容器的側壁。在一個實施方案中，通過在希望形成卷邊的區(qū)域中相對容器的側壁壓制成輪形以形成卷邊，同時罐體圍繞其軸線旋轉。當使用箔片排氣口時，在將所述端部裝置嵌入容器中之前將電解液裝入所述容器中。或者，如果在端部裝置中使用球形排氣口，可以在用所述球形排氣口的球進行所述電池的內部密封之前加入所述電解液。所述端部裝置的外圍部分通過過盈配合結合在一起，被安坐于最初形成的卷邊的上壁上。電池封閉操作可以包括通過再拉或夾套(redraw or collet)過程減小所述上側壁的直徑。直徑減小之后，也將所述容器的上端向內折疊形成彎曲的端部并在所述卷邊和彎曲的端部之間施加軸向力。在彎曲所述容器的上端過程中，優(yōu)選在至少所述上側壁上保持徑向壓縮。所述電池形成和封閉過程的一些實施方案的結果圖示于所述附圖中，但是也可以采用符合本發(fā)明的其它實施方案其它工藝。部件形狀和封閉過程應該確保在電池組的整個使用壽命期間在所述密封元件與所述容器之間、密封元件與所述PTC設備之間、所述密封元件與所述排氣元件外徑之間都建立和保持所需界面。上述說明尤其與圓柱體電池相關，如FR6和FR03型(如瑞士日內瓦國際電工學委員會發(fā)布的國際標準IEC 60086-1和IEC 60086-2中規(guī)定的)。然而，其它實施方案可以適于其它電池尺寸、形狀和化學性質。例如，結合雙壁墊圈可以實現其它電極裝置形狀、外殼結構、端部裝置、壓力釋放排氣、封閉過程。其它電池化學性質可以包括帶有1.5V 或更高的額定電壓的一次和可再充電的圓柱體電池，如Li/S02、Li/AgCl、Li/V205、Li/Mn02、 Li/Bi203。可以利用“鋰離子”系統(tǒng)常見的各種鋰組合物、鎳金屬氫化物、堿基和其它類似的化學性質。
所述電極裝置構型也可以變化。例如，可以如上述的具有螺旋卷繞的電極，折疊的電極或堆疊的帶子(例如，平板)。而且，盡管上述的實施方案使用單PTC，但根據本發(fā)明可以容納任何數量的PTC。鑒于上述內容，設想了包括下面特征的任何組合的電化學電池 具有側壁和開口端的圓柱體容器； 被裝配在所述容器的開口端內的端部裝置，所述端部裝置包括PTC設備、排氣裝置和蓋子， 被設置在所述容器內的電極裝置和電解液，所述電極裝置與所述端部裝置電接觸 具有帶有恒定直徑的軸向外側壁部分和與所述端部裝置形成密封的臺階狀軸向內側壁部分的環(huán)狀墊圈，所述臺階狀軸向內側壁由以下定義i)具有第一直徑的上部分，ii)具有不同于所述第一直徑的第二直徑的下部分，iii)被設置在所述上部分和所述下部分之間的第一徑向肩和iV)偏離所述第一徑向肩的第二徑向肩； 其中將所述容器的開口端邊緣彎曲到所述墊圈的一部分上，所述端部裝置的第一部分安坐于所述第一徑向肩上，所述端部裝置的第二部分安坐于所述第二徑向肩上并且所述PTC設備與所述臺階狀軸向內側壁接合但不直接安坐于所述第一和第二徑向肩上； 其中所述排氣裝置包括卷回蓋子； 其中所述環(huán)狀墊圈還包括徑向向內彎曲的上末端凸緣，從而限定不同于第一直
徑的第三直徑； 其中所述第一直徑大于所述第二直徑； 其中將所述墊圈與所述端部裝置嵌件注塑； 其中將所述墊圈嵌件注塑到所述排氣裝置的一部分中； 其中所述第一直徑將在所述蓋子周圍同中心地設置并且將在所述PTC設備的一部分和所述排氣裝置的一部分中至少一個的周圍同中心地設置所述第二直徑； 其中所述第一徑向肩具有與所述端部裝置的一部分結合的溝槽； 其中所述圓柱體容器具有接近于所述開口端的環(huán)狀卷邊； 其中所述墊圈安坐于所述環(huán)狀卷邊上； 其中所述墊圈還包括下末端凸緣； 其中所述第二徑向肩具有與部分所述端部裝置接合的溝槽；和/或 其中所述第二徑向肩靠近所述下末端凸緣形成并且其中所述下末端凸緣限定小于所述第二直徑的第三直徑；也設想了包括一種或多種下面的特征的電化學電池 具有帶有環(huán)狀卷邊的側壁和開口端的圓柱體容器； 被裝配在所述容器的開口端內的端部裝置，所述端部裝置包括PTC設備、排氣口和蓋子； 在被設置在所述容器內的電極和所述端部裝置之間設立電連接的接觸元件； 雙壁墊圈； 其中將所述容器的開口端彎曲到墊圈和蓋子上并建立主要軸向壓力； 其中布置所述雙壁墊圈和所述PTC設備來防止所述PTC設備受到所述主要軸向壓力； 其中所述端部裝置還包括固定器，所述固定器承接所述排氣口的一部分和所述接觸元件的一部分；和/或 其中所述接觸元件是彈簧。最后，設想了用于密封的圓柱體電化學電池的方法，特征在于以下步驟的組合。 提供具有開口端的圓柱體容器； 在所述容器的內側設置電極裝置和電解液； 在所述容器的開口端形成環(huán)狀卷邊； 將環(huán)狀墊圈安坐于所述容器的接近于所述環(huán)狀卷邊的開口端，其中所述環(huán)狀墊圈具有凸緣、第一徑向肩和第二徑向肩； 將排氣裝置安坐于所述墊圈的第二徑向肩上 將PTC設備同中心地設置在所述墊圈內； 將蓋子安坐于所述墊圈的第一徑向肩上； 將所述容器的開口端彎曲到所述凸緣的一部分上從而i)所述環(huán)狀卷邊、所述墊圈的凸緣、所述蓋子和所述墊圈的第一肩全部配合建立主要軸向壓力和ii)使所述墊圈的第二肩和所述PTC設備不受所述主要軸向壓力； 其中所述蓋子安坐于所述第一徑向肩上以在所述墊圈和所述圓柱體容器的內側壁上形成徑向壓力； 其中所述排氣裝置安坐于所述第二徑向肩上以在所述墊圈和所述圓柱體容器的內側壁上形成徑向壓力； 其中所述排氣裝置包括卷回蓋子； 其中將所述凸緣在所述蓋子上方折疊，從而徑向向內延伸從而使與所述排氣裝置的最外側圓周相比，所述凸緣的端緣更接近于所述電化學電池的中心軸； 其中所述排氣裝置與所述第二徑向肩和所述蓋子配合以形成次要軸向壓力，所述次要軸向壓力小于所述主要軸向壓力；和/或 其中通過將所述墊圈與所述排氣裝置嵌件注塑，所述排氣裝置安坐于所述第二軸向肩上。將理解為實施本發(fā)明的人員和本領域技術人員可以在不脫離所述公開概念的精神的情況下做各種修改和改善?？梢越o予的保護范圍由本權利要求書和法律允許的解釋幅度確定。
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權利要求
1.電化學電池，包括具有側壁和開口端的圓柱體容器；被裝配在所述容器的開口端內的端部裝置，所述端部裝置包括PTC設備、排氣裝置和被設置在所述容器內的電極裝置和電解液，所述電極裝置與所述端部裝置電接觸；和環(huán)狀墊圈，具有帶有恒定直徑的軸向外側壁部分和與所述端部裝置形成密封的臺階狀軸向內側壁部分，所述臺階狀軸向內側壁由以下界定i)具有第一直徑的上部分，ii)具有不同于所述第一直徑的第二直徑的下部分，iii)被設置在所述上部分和所述下部分之間的第一徑向肩和iv)偏離所述第一徑向肩的第二徑向肩；和其中所述容器的開口端邊緣彎曲到所述墊圈的一部分上，所述端部裝置的第一部分安坐于所述第一徑向肩上，所述端部裝置的第二部分安坐于所述第二徑向肩上，并且所述PTC 設備與所述臺階狀軸向內側壁結合但不直接安坐于所述第一和第二徑向肩上。
2.根據權利要求1所述的電化學電池，其特征在于，所述排氣裝置包括卷回蓋子。
3.根據權利要求1所述的電化學電池，其特征在于，所述環(huán)狀墊圈還包括徑向向內彎曲的上末端凸緣，從而界定不同于所述第一直徑的第三直徑。
4.根據權利要求3所述的電化學電池，其特征在于，所述第一直徑大于所述第二直徑。
5.根據權利要求1所述的電化學電池，其特征在于，將所述墊圈與所述端部裝置嵌件注塑。
6.根據權利要求5所述的電化學電池，其特征在于，將所述墊圈嵌件注塑到所述排氣裝置的一部分。
7.根據權利要求1所述的電化學電池，其特征在于，所述第一直徑被同中心地圍繞所述蓋子設置，并且所述第二直徑被同中心地圍繞所述PTC設備的一部分和所述排氣裝置的一部分中至少之一設置。
8.根據權利要求1所述的電化學電池，其特征在于，所述第一徑向肩具有與所述端部裝置的一部分結合的溝槽。
9.根據權利要求1所述的電化學電池，其特征在于，所述第一直徑大于所述第二直徑。
10.根據權利要求1所述的電化學電池，其特征在于，所述圓柱體容器具有接近于所述開口端的環(huán)狀卷邊。
11.根據權利要求10所述的電化學電池，其特征在于，所述墊圈安坐于所述環(huán)狀卷邊上。
12.根據權利要求1所述的電化學電池，其特征在于，所述墊圈還包括下末端凸緣。
13.根據權利要求12所述的電化學電池，其特征在于，所述第二徑向肩具有與所述端部裝置的一部分結合的溝槽。
14.根據權利要求12所述的電化學電池，其特征在于，所述第二徑向肩由所述下末端凸緣形成，并且其中所述下末端凸緣界定小于所述第二直徑的第三直徑。
15.根據權利要求14所述的電化學電池，其特征在于，所述第一直徑大于所述第二直徑。
16.根據權利要求15所述的電化學電池，其特征在于，所述環(huán)狀墊圈還包括徑向向內彎曲的上末端凸緣，從而界定不同于所述第一直徑的第三直徑。
17.電化學電池，包括具有帶有環(huán)狀卷邊的側壁和開口端的圓柱體容器；被裝配在所述容器的開口端內的端部裝置，所述端部裝置包括PTC設備、排氣口和蓋子；接觸元件，所述接觸元件建立被設置在所述容器內的電極和所述端部裝置之間的電接觸；雙壁墊圈；其中所述容器的開口端被彎曲到所述墊圈和蓋子上來建立主要軸向壓力；和其中布置所述雙壁墊圈和所述PTC設備來防止所述PTC設備受到所述主要軸向壓力。
18.根據權利要求17所述的電化學電池，其特征在于，所述端部裝置還包括固定器，所述固定器承接所述排氣口的一部分和所述接觸元件的一部分。
19.根據權利要求17所述的電化學電池，其特征在于，所述接觸元件是彈簧。
20.用于密封電化學電池的方法，包括 提供具有開口端的圓柱體容器；在所述容器內側設置電極裝置和電解液； 在所述容器的開口端形成環(huán)狀卷邊；將環(huán)狀墊圈安坐于所述容器的接近于所述環(huán)狀卷邊的開口端，其中所述環(huán)狀墊圈具有凸緣、第一徑向肩和第二徑向肩；將排氣裝置安坐于所述墊圈的第二徑向肩上； 在所述墊圈內同中心地設置PTC設備； 將蓋子安坐于所述墊圈的第一徑向肩上；和所述容器的開口端彎曲到所述凸緣的一部分上，從而i)所述環(huán)狀卷邊、所述墊圈的凸緣、所述蓋子和所述墊圈的第一肩全部配合產生主要軸向壓力和ii)使所述墊圈的第二肩和所述PTC設備不受所述主要軸向壓力。
21.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述蓋子安坐于所述第一徑向肩上以在所述墊圈和所述圓柱體容器內側壁上形成徑向壓力。
22.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述排氣裝置安坐于第二徑向肩上以在所述墊圈和所述圓柱體容器的內側壁上形成徑向壓力。
23.根據權利要求22所述的方法，其特征在于，所述排氣裝置包括卷回蓋子。
24.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，將所述凸緣在所述蓋子上方折疊從而徑向向內延伸，使得相比于所述排氣裝置的最外側圓周，所述凸緣的端緣更接近所述電化學電池的中心軸。
25.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述排氣裝置與所述第二徑向肩和所述蓋子配合以形成次要軸向壓力，所述次要軸向壓力小于所述主要軸向壓力。
26.根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述排氣裝置安坐于所述第二徑向肩上以在所述墊圈和所述圓柱體容器的內側壁上形成徑向壓力。
27.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，通過將所述墊圈與所述排氣裝置嵌件注塑，所述排氣裝置安坐于所述第二徑向肩上。
全文摘要
一種用于電化學電池的封閉裝置，包括正溫度系數(PTC)設備和雙壁墊圈，所述雙壁墊圈將所述PTC設備與存在于所述封閉裝置中的主要軸向壓力分離。同時考慮到一種用于封閉電化學電池來從主要軸向壓縮中移出所述PTC設備的方法。
文檔編號H01M2/12GK102334212SQ201080009087
公開日2012年1月25日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權日2009年2月24日
發(fā)明者馬修·T·溫德林, 馬克·A·舒伯特 申請人:永備電池有限公司