电池的制作方法

本发明涉及电池、具有安全装置的电池、更具体地涉及具有安全排气组件的可充电电池。

背景技术：

电池是具有许多有用且实际的应用的储存能量源。当储存的能量从电池中释放时，将发生被称作放电的能量转化过程。当在放电后重新向电池装载能量时，将发生被称作充电的能量转化过程。在充电和放电期间，在相对受限的体积内产生热量和气体。尽管电池是相对安全的、可靠和便携的储存能量源，但是在充电和放电期间、尤其是在快速充电、快速放电、错误充电或者错误放电期间产生的热量和压力可能会存在问题，且可在极端条件下引起爆炸。

随着对于具有更高储能能力使得电池驱动车辆(“ev”)和电池驱动设备(诸如移动电话和便携式计算机)在需要再充电之前具有更长的运行持续时间的电池的不断增长的需求，电池中“热失控”的风险也在增加。电池中热失控是非期望的且通常伴随有可燃蒸汽、烟雾、火星和火焰的泄露，从而成为现代电池操作的安全性问题。

已知具有安全布置以防止热失控且减小爆炸风险的电池。这种电池安全布置的示例包括压力触发装置(诸如安全排气口)以及电流触发装置(诸如保险丝)。

us5,418,082和us4,943,497中已经描述了具有超压电流中断布置的密封电池。在这种电池中，在电极和电池端子之间的电流连接是通过焊接组件进行的。当电池的内压达到预定阈值时，安全构件操作以破坏焊接连接进而终止电池反应。

us5,750,277中还教导了具有另一类型的超压电流中断布置的电池。在该布置中，电极和端子之间的电流连接由弹性导电构件形成，该弹性导电构件抵着另一导电构件推进。当电池内部的内压达到预定阈值时，安全构件变形且操作以破坏电流连接，从而中断电池的电流连接。

us7,186,477中描述的可充电锂电池具有超压保护头部，该超压保护头部包括与环状焊接板33铆接以形成电流连接的破裂盘31。当电池的内压超过阈值时，破裂盘将被弹出以破坏电流连接。

已知的电池安全装置布置不是十分令人满意的。例如，在上文最开始提到的焊接类型的布置中，需要非常高的内压来破坏焊接连接进而破坏电流连接，这是因为通常需要大的焊接区域以实现非常低的电阻。在弹簧推进式布置中，在电池使用期内，接触电阻能够是可变的和不一致的，并且并入这种布置的电池直到振动测试才会良好运行，当电池被投放在消费者市场时需要振动测试。在us7,186,477的铆接类型的布置中，如果破裂盘和环状焊接板之间的接触电阻是小的，则需要非常高的内压以弹出破裂盘。

技术实现要素：

公开了一种包括反应腔室和安全排气组件的电池。安全排气组件包括密封构件和推进构件，推进构件用于在正常操作状态下推进密封构件抵着在电池反应腔室上的排气孔以密封电池反应腔室。当达到排气阈值温度时推进构件软化或变形。当在故障安全操作期间推进构件如此的软化或者如此的变形时，反应腔室内部的压力将克服推进构件的压缩闭合力并且排气路径将被开启，使得来自反应腔室的气体能够通过排气孔离开反应腔室或者从反应腔室逸出以减小反应腔室内部的压力。一般而言，当电池腔室内部的压力达到足以克服密封构件的推进力的排气阈值压力时，电池温度也将处于安全阈值温度且保证了故障安全操作。在故障安全操作期间，当达到排气阈值温度时推进构件永久性变形，并且气体将在低于排气阈值压力的压力下从电池腔室排出。

推进构件和密封构件在电池正常操作期间以及在故障安全操作期间处于推进式邻接。

推进构件和密封构件可以由不同材料或者具有不同的物理性能的材料(不管相同或者不同)制成。例如，推进材料可以由弹性材料制成，该弹性材料的恢复力对于温度变化更为敏感，尤其在接近排气阈值温度或者故障安全阈值温度的温度下。例如，推进构件可以是多孔的且可透气的，或者具有比无孔的或者不透气的密封构件高的孔隙度。另一方面，密封构件可具有比故障安全阈值温度明显更高的熔点或者在明显更高温度下的熔点，使得密封构件不会过早地熔化以胶合排气孔。

推进构件被制造成具有小于100％的填充率或者占用率。占用率或者填充率为由形成推进构件的材料所占据的体积和由推进构件的外部尺寸或者外尺寸限定的外部体积之间的体积比。外部体积也限定电池壳体内部的缓冲体积，该缓冲体积在推进构件的轴向端部之间延伸。示例性填充率可以在60％-95％或者75％-85％的范围内。例如，填充率可高于50％、55％、60％、65％、75％、80％、85％或者低于95％、90％、85％、80％、75％、70％、65％或者其任意组合。

在一些实施方式中，推进构件可包括在轴向端部表面上分布的凸起部，该轴向端部表面与电池壳体接触。分布的凸起部促进更快速的热诱导变形以及因此促进更快速的排气路径开启。凸起部可被分布成提供更均匀的且分散的支撑以提供更均匀分布的压缩推进力，同时实现良好的热响应时间。

密封构件可具有比推进构件的外围大的外围以至少部分地包围或者包裹推进构件，反之亦然。

附图说明

将通过示例以及参考附图来描述本发明，其中：

图1为根据本发明的示例性电池的纵向剖视图；

图2a为示出根据本发明的电池的示例性安全排气组件的部件的分解图；

图2b为示出在正常操作状态期间包括以组装形式的图2a的部件的示例性安全排气组件的剖视图；

图3a为示出根据本发明的示例性安全排气组件的部件的分解图；

图3b为示出在正常操作状态期间包括以组装形式的图3a的部件的示例性安全排气组件的剖视图；

图4a为示出根据本发明的示例性安全排气组件的部件的分解图；

图4b为示出在正常操作状态期间包括以组装形式的图4a的部件的示例性安全排气组件的剖视图；

图5a为描绘在故障安全操作期间图2b的安全排气组件的过渡状态的示意图；

图5b为描绘进入故障安全状态时的图2b的安全排气组件的排气操作的示意图；

图6a为示出根据本发明的示例性安全排气组件的部件的分解图；

图6b为在正常操作状态期间以组装形式的图6a的示例性安全排气组件的剖视图；

图7a为示出根据本发明的示例性安全排气组件的部件的分解图；

图7b为在正常操作状态期间以组装形式的图7a的示例性安全排气组件的剖视图；

图8为示意性描绘根据本发明的示例性电池的操作温度和操作压力之间的关系的图；

图9示出根据本发明的另一示例性电池；

图10a为根据本发明的示例性排气组件的剖视图；

图10b为示出图10a的示例性排气组件的部件的分解图；

图11a为示出示例性安全阀子组件的透视图；

图11b为示出图11a的示例性安全阀子组件的部件的分解图；

图11c为沿着图11a中的线a-a’的纵向剖面图；

图12a至图12c为示出根据本发明的示例性安全阀子组件的示意图；

图13a至图13e为示例性密封构件的透视图；以及

图14a和图14b为其它示例性密封构件的透视图。

具体实施方式

在图1中描绘的示例性可充电电池10包括容纳在电池壳体内部的电极板组("epg")。在该示例中，电池壳体为钢罐120，该钢罐填充有电池电解液(未示出)。安全排气组件100安装在电池壳体的上面，且位于顶部电池端子的下面。电极板组140包括经由正极集电器连接至正极电池端子122的正电极板组、经由负极集流体连接至负极电池端子124的负电极板组、和提供正电极板组和负电极板组之间的绝缘的绝缘隔板组。电池壳体限定反应腔室和顶盖部，在该反应腔室内部，电极板组140浸入在电池电解液中。安全排气组件100与电池壳体的顶盖部126配合，且抵着钢罐120的顶部排气孔向下推进以密封反应腔室，以便在储存或正常操作期间保持电池电解液，并且在反应腔室内部的压力超过安全压力限制或者操作压力限制时提供故障安全排气路径。

示例性电池为圆柱形电池10，其中，具有大体上圆柱形状的盘绕式电极板组140浸入在具有大体上圆柱形状的电池壳体的内部所容纳的电解液中。大体上圆柱形状的电池壳体包括限定大体上圆柱形状的内部隔室的钢罐120(盘绕式电极板组和电解液容纳在该内部隔室内部)、位于圆柱形钢罐120上的顶盖部、以及在顶盖部和圆柱形钢罐120之间的安全组件100。正极集流体连接至顶盖部的导电部，该导电部反过来又连接至正极电池端子。负极集流体连接至钢罐，且钢罐主体限定分布式负极端子。安全组件与钢罐120配合以限定密封的反应腔室，在该反应腔室内部，在电池正常操作期间将发生能量转化过程。顶盖部与安全组件配合以限定缓冲区，在缓冲区中，当电池的状态超出安全限制或者操作限制外时，安全组件将操作。

安全组件100包括密封构件，该密封构件穿过钢罐横向地延伸以将电池壳体划分为第一区域和第二区域，第一区域限定密封的反应腔室，第二区域在第一区域上方。第二区域限定缓冲隔室和缓冲区。

在图2a中描绘的示例性安全组件100包括分隔构件102、密封构件104和推进构件106。分隔构件为具有排气孔105的分隔板的形式，排气孔限定在分隔板的中心。分隔构件102具有圆形的横截面以符合钢罐120的圆形形状。分隔板是不透气的且具有圆形形状以对应于由电池壳体的圆柱形钢罐120限定的内部隔室的形状和大小，以在电池正常操作状态期间密封构件处于密封位置时促进反应腔室的密封。在一些实施方式中，周向沟槽形成在电池壳体的内部上，以在钢罐120的底部上方的一轴向高度处、或者在最大电解液高度上方的一轴向距离处将分隔板固定就位。分隔构件102上的排气孔105用于提供通道，当在不利的电池状态下激活安全机构时，在反应腔室内积聚的过量气体可通过该通道被释放。排气孔的尺寸根据多种因素来确定，包括电池的额定功率、反应腔室的大小、当超出正常操作状态范围外时气态副产物生成的速率、和/或所需的气体释放的速度或者压力下降的速度。

在电池正常操作状态期间，当密封构件104在轴向推进力下抵着排气孔推进时，密封构件将密封排气孔。在图2a和图2b中示出的示例性密封构件104包括弹性主体，该弹性主体具有第一轴向端部104a和第二轴向端部104b，该第一轴向端部104a具有面向排气孔的第一密封表面，且第二轴向端部104b具有面向推进构件106的第二密封表面，第一轴向端部和第二轴向端部轴向对齐且反向朝向。密封构件104的第一轴向端部104a与分隔构件102推进式或按压式邻接，并且在电池正常操作状态期间，该第一轴向端部104a延伸跨过整个排气孔以覆盖和/或密封排气孔。密封构件的第二端部与推进构件推进式或按压式邻接，并且该第二端部将来自推进构件的轴向推进力传递至第一端部。示例性密封构件的示例性弹性主体由弹性材料形成，该弹性材料诸如包括epdm橡胶的弹性橡胶、包括硅酮橡胶的合成橡胶以及天然橡胶。

在电池正常操作状态期间，推进构件106将施加轴向力以推进密封构件抵着排气孔来密封该排气孔。图2b的示例性推进构件106包括具有第一端部106a和第二端部106b的弹性主体，第一端部106a具有面向密封构件的推进表面，且第二端部106b具有面向顶盖部126的第二推进表面，第一端部和第二端部轴向对齐且反向朝向。推进构件106的第一端部106a与密封构件推进式或按压式邻接，且推进构件的第二端部106b与顶盖部推进式或按压式邻接。在正常操作期间，存储在推进构件106的弹性主体内部的弹性推进力或者压缩推进力作为针对密封构件104的轴向推进力以密封排气孔105并且保持反应腔室不透气。

推进构件106具有轴向范围或者轴向厚度，且占据缓冲体积。该缓冲体积由缓冲隔室限定，缓冲隔室又被限定在顶盖部和密封构件104之间。一般而言，缓冲体积通过主体的轴向厚度和横向范围来限定，且具有100％或者低于100％的占用率或者填充率。占用率或者填充率为缓冲体积内部的固体材料的体积和缓冲体积之间的体积比。一般而言，电池壳体内部的缓冲体积在推进构件的轴向端部和由推进构件的材料占据或者填充的总体积之间延伸。该比率优选地在60％-95％的范围内，更优选地在75％-85％的范围内。示例性推进构件的示例性弹性主体由诸如弹性热塑性材料的弹性材料形成，该弹性热塑性材料包括聚丙烯、尼龙、聚乙烯等。

在图2a的示例中，推进构件106由橡胶模制而成且具有实心基部，在该基部上一体地形成交替的同心的凸起部和凹陷部。

在图3a中描绘的示例性安全组件200包括分隔构件202、密封构件204和推进构件206。各个部件的布置与示例性安全组件100的布置基本上相同，且对于示例性安全组件100的描述通过引用并使附图标记增加100而并入在此，其中，这些附图标记涉及相同的或者功能上等同的部件。在图3a和图3b的示例中，推进构件与图1a和图2a的推进构件不同并且为垫圈的形状，该垫圈具有被实心橡胶边缘环绕的中空的中心部。

在图4a中描绘的示例性安全组件300包括分隔构件302、密封构件304和推进构件306。各个部件的布置与示例性安全组件100的布置基本上相同，且对于示例性安全组件100的描述通过引用并使附图标记增加200而并入在此，其中，这些附图标记涉及相同的或者功能上等同的部件。在图4a和图4b的示例中，推进构件与图1a至图3a的推进构件不同并且具有由橡胶形成的实心片状件的形状，该推进构件具有比电池壳体在推进构件所位于的轴向高度处的对应的横截面面积小的横截面范围。

在一些实施方式中，顶盖部为格栅形开口结构的形式，并且推进构件为由橡胶形成的实心片状件的形状，且在推进构件所位于的轴向高度处具有100％的电池壳体占用率。

在一些实施方式中，推进构件由将在预定的阈值温度下收缩的热收缩材料形成。该热收缩材料可以是热塑性材料，诸如聚烯烃、含氟聚合物(如fep、ptfe或kynar)、pvc、氯丁橡胶、硅酮弹性体或者氟橡胶。

在一些实施方式中，形成推进材料的材料具有比形成密封构件的材料的熔点低得多的熔点，使得当电池温度升高至高于指示异常操作的预定阈值温度时，推进构件将被软化或者熔化，且密封构件将通过反应腔室的内压被朝向顶盖部向上推动以开启排气路径。反应腔室内部的过量气体将通过排气路径被释放以减小电池壳体内部的压力。

在一些实施方式中，推进构件和密封构件可形成为一件式。

在图6a中描绘的示例性安全组件400包括分隔构件402、密封构件404和推进构件406。各个部件的布置与示例性安全组件100的布置基本上相同，且对于示例性安全组件100的描述通过引用并使附图标记增加300而并入在此，其中，这些附图标记涉及相同的或者功能上等同的部件。在图6a和图6b的示例中，推进构件406被模制成圆盖的形状，该圆盖具有基部和围绕基部以限定凹部或凹陷的外围壁。密封构件404具有头部，该头部的形状和尺寸与推进构件的凹部互补。推进构件和密封构件通过二次成型而形成为一件式，其中，密封构件的头部通过二次成型而以紧密配合的方式容纳在推进部分的凹部内。在一些实施方式中，凹部延伸穿过基部以限定轴向延伸穿过推进构件的通孔。

在图7a中描绘的示例性安全组件500包括分隔构件502、密封构件504和推进构件506。各个部件的布置与示例性安全组件400的布置基本上相同，且对于示例性安全组件400的描述通过引用并使附图标记增加100而并入在此，其中，这些附图标记涉及相同的或者功能上等同的部件。在图7a和图7b的示例中，推进构件506被模制成圆盖的形状，该圆盖具有基部和围绕基部以限定凹部或凹陷的外围壁。密封构件504具有头部，该头部的形状和尺寸与推进构件的凹部互补。推进构件和密封构件通过二次成型而形成为一件式，其中，密封构件的头部通过二次成型而以紧密配合的方式容纳在推进部分的凹部内。多个同心肋部形成在基部的远离密封构件的轴向端部上。从基部轴向伸出的同心肋部在轴向方向上远离密封构件以限定多个同心沟槽。

在图10a中描绘的示例性安全组件或排气组件600为电池的一部分。该电池包括容纳在电池壳体内部的电极板组。电极板组浸入在电池电解液内，该电池电解液容纳在由电池壳体限定的电解液容器内部。通过电极板组、电池电解液和电解液容器配合形成的反应腔室由与电池壳体的顶端盖部配合的排气组件600密封。

示例性安全组件或者排气组件600包括分隔构件或者分隔板602、密封构件604和推进构件606，如在图10b中所描绘。各个部件的布置与示例性安全组件400/500的布置基本上相同，且对于示例性安全组件400/500的描述通过引用并使附图标记增加200/100而并入在此，其中相同的附图标记表示相同的部件。

在图10a和图10b的示例性安全排气组件中，推进构件606和密封构件604相互配合以形成阀子组件。推进构件606由可热熔的或者可热变形的材料形成，该材料在电池的正常工作温度期间是刚性的，且将在达到排气阈值温度时熔化或软化以变形。推进构件606包括在径向方向上横向延伸以形成上限部分的上部、以及在上限部分的外围上形成且轴向向下伸出而远离上限部分的裙部。裙部包括沿着其周边分布以限定多个保持齿的凹陷部。保持齿沿着推进构件的外围分布且轴向向下伸出以限定保持隔室，密封构件604牢固地定位或者紧紧地容纳在保持隔室内部。

在一些实施方式中，推进构件包括例如位于上部上的一个或多个凹陷部，使得在已达到排气温度时，形成推进构件的材料能够流入到该凹陷部内以减小推进构件的轴向厚度，从而为密封构件的有效移动提供空间。例如，一个或多个拱形沟槽形成在上部上为变形流提供空间。

在一些实施方式中，推进构件606由硬热塑性塑料、例如聚乙烯模制而成。在推进构件606由硬热塑性塑料模制而成的情况下，保持齿的弹力将配合以施加径向压缩力从而将密封构件604保持在由多个保持齿限定的保持隔室内部或者密封构件604容器内部。在这类实施方式中，推进构件606形成钩状物以稳固地将密封构件604保持在保持隔室内部。

推进构件606由具有明显更低的熔化温度或软化温度的材料制成，使得当达到排气温度时，密封构件604基本上未变形而推进构件将熔化或软化，使得密封构件604不会干扰或者堵塞分隔构件或分隔板602上的排气孔。例如，如在图8中所描绘，在排气温度设置在130℃的情况下，当电池的温度已经达到130℃时，推进构件606将变形，而密封构件将保持未变形或者基本上未变形。当在推进构件处发生温度触发变形时，反应腔室内部的压力将推动密封构件使得密封构件移动离开排气孔，从而提供排气路径来释放内压。

在一些实施方式中，推进构件606模制成圆盖的形状，该圆盖具有基部和围绕基部以限定凹部或凹陷部的外围壁。在一些实施方式中，该外围壁可包括在圆盖的外围上或者关于圆盖的中心轴线均匀地或非均匀地彼此隔开的多个凹口。密封构件604具有头部，该头部的形状和尺寸与推进构件的凹部互补。在本发明的实施方式中，凹部延伸穿过基部以限定轴向延伸穿过推进构件的通孔。推进构件和密封构件通过二次成型而形成为一件式，其中，密封构件的头部通过二次成型而以紧密配合的方式容纳在推进部的凹部内。多个同心肋部形成在基部的远离密封构件的轴向端部上。从基部轴向伸出的该同心肋部在轴向方向上远离密封构件以限定多个同心沟槽。

类似地，多个同心肋部和/或一对凸起部可形成在密封构件的头部的靠近推进构件的轴向端部上。该同心肋部和/或这对凸起部在轴向方向上朝向推进构件从头部轴向伸出以与相同的或者功能上等同的接触平面或者接触部分(诸如布置在推进构件处的凹部)互补或者与其接合。

在一些实施方式中，密封构件可以是除了圆柱形构件外的异形构件。例如，密封构件的至少一部分(例如，上部、下部和/或中部)可具有任何规则的形状，如在图13a至图13e中所示，诸如三角形、正方形、长方形、多边形、星形、十字形等的形状。在一些实施方式中，密封构件可以是异形构件(具有各种形状和尺寸的构件)，如在图14a至图14b中所示，其具有i-形或者t-形的截面轮廓。

在一些实施方式中，如在图12a中所示，如果推进构件和密封构件两者之一为由相同材料或不同材料制成的多层构件的形式，或者二者均为由相同材料或不同材料制成的多层构件的形式，则推进构件和密封构件可以简单地堆叠在一起、或者它们可以被焊接、胶接或者粘合以形成夹层结构。虚线被用于指示推进构件和密封构件可能包括相同材料或不同材料的多个层。

在一些实施方式中，如在图11a至图11c中所示，推进构件和密封构件可包括用于接合的互补的部分，并且可以通过连锁接合、榫钉接合、机械接合(诸如螺栓接合、螺纹接合、焊接接合等)、或者本领域熟知的任何其它的方式接合在一起。

在一些实施方式中，推进构件和密封构件可具有相同的大小或者尺寸。可替选地，如在图12b至图12c中所示，密封构件可明显比推进构件大或比推进构件小，反之亦然。换言之，密封构件可至少部分地被如在前述实施方式中所示的推进构件包围或包裹。可替选地，根据特定应用的实际设计和需求，推进构件可反过来至少部分地被密封构件包围或包裹。

如在图13a至图13e中所描绘，密封构件可具有不同的形状和尺寸。一般而言，不论形状和尺寸如何，各个密封构件具有中心部，该中心部的足迹足以在储存或正常操作期间覆盖排气孔。

尽管在图13a至图13e中描绘的密封构件基本上是棱柱形的，但是应理解到密封构件不一定是棱柱形，且可以沿着其轴向方向或者纵向方向具有非均匀的截面。

如在图14a和图14b中所描绘的，密封构件可沿着其长度具有t-形或者i-形的轮廓。

推进构件和密封构件的熔化温度或软化温度可根据操作环境需要进行选择。在下面表1中列出温度范围的示例：

表1

在操作中，在反应腔室内发生的能量转化将产生热量和气体。当由反应腔室产生的热量超过对应于预定限制的阈值温度时，弹性推进构件106、206、306、406、506将软化和熔化。作为推进构件软化和/或熔化的结果，如在图5a中所描绘，推进构件将变形以使电池壳体内部的最初部分地被推进构件的材料所占据的空间展开。当这发生时，推进构件所占据的轴向范围将被减小且反应腔室内部的内压将朝向顶盖部226推动变形的推进构件。结果，建立了用于减轻内压的排气路径，且反应腔室内部的压力将减小，而不会中断电池的操作。

如在图8中所描绘的，与常规的压力触发式排气布置相比，具有热量触发式排气组件的电池100的内压在温度上升至不可接受的水平之前就被很好地减小。

在图9中描绘的示例性棱柱形电池20包括电极板组("epg")和安全排气组件，该电极板组容纳在电池壳体内部且填充有电解液(未示出)。电极板组包括经由正极集流体连接至正极电池端子的正电极板组、经由负极集流体连接至负极电池端子的负电极板组、和提供正电极板组和负电极板组之间的绝缘的绝缘隔板。除了电池壳体是棱柱形外，电池20具有与电池10类似的结构特征，正极电池端子224和负极电池端子226两者都安装在公共分隔板上，安全组件100、200、300、400、500、600安装在该公共分隔板上。

在一些实施方式中，示例性的圆柱形电池10为nimh(镍金属氢化物)电池，其具有由氢氧化镍形成的正电极、由储氢合金形成的负电极、隔板以及强碱性电解液(诸如koh、naoh和lioh)。隔板可例如由非织造聚丙烯(pp)形成。

在一些实施方式中，电池10、20为填充有非水电解液的锂离子电池。在锂离子电池中，锂过渡金属氧化物(例如licoo2和limno4)为用作阴极或者正电极材料的合适材料，而许多碳质化合物(例如焦炭和非石墨化硬炭)适合用作阳极或者负极端子材料。电解液是非水电解液，其包括例如libf4盐或lipf6盐以及本领域技术人员已知的溶剂混合物。

尽管本发明参照上述示例，但是应理解到这些示例仅仅出于说明目的且不应用于限制本发明的范围。

附图标记表：