用於密封的蓄電池的外殼的製作方法

2023-09-13 09:08:45

專利名稱：用於密封的蓄電池的外殼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1所述的用於密封的雙極蓄電池的外 殼，尤其是用於包括具有非金屬基片的電極的蓄電池。
背景技術：
密封的雙極蓄電池，例如NiMH雙極蓄電池具有多個以電化學雙 極單元電池疊層形式布置的單元電池(battery cell )，這種單元電池疊 層必須具有外殼，用於承受單元電池疊層施加於外殼的力。雙極蓄電 池中的每個單元電池包括負極和正極，二者之間設置隔板。每個單元 電池通過導電雙板與其它電池隔開，正極端板和負極端板分別布置在 單元電池疊層的每一側面上。
現已使用各種機械外殼和支承方法來引導和控制電化學雙極單元 電池疊層正常工作時所需的力。
在Richards授權的美國專利US 5,547,777中，公開了一種雙極燃 料單元電池疊層，這種單元電池疊層使用剛性端板、系杆和機械順從 墊。儘管這種對控制單元電池疊層的力的機械方法可能有效，但製品 龐大笨重，經濟上不合算，不適於大量製造。
在Yang授權的的美國專利US 6，689，503中，還公開了一種燃料 單元電池疊層，這種單元電池疊層具有剛性端板和系杆。雖然文中公 開了 一種裝有加壓流體的膜盒作為機械順從件。但是該方法同樣具有 重量、體積和成本上的缺陷，此外，還需要給膜盒提供加壓流體。
在Klein授權的美國申請US 5，393，617中，公開了 一種雙極蓄電 池，這種蓄電池使用任何一種海綿橡膠、彈簧或者壓縮充氣墊作為疊 層中的順從件。在成品蓄電池組件中，加入這種額外的順從件可能不 利於最後得到的蓄電池組件的成本、體積和重量。

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於具有蓄電池疊層的密封的雙極蓄 電池的外殼，與現有技術的外殼相比，這種外殼可在整個蓄電池上保 持足夠大且充分均勻的壓力。
上述目的通過權利要求1所述的特徵得到實現。
本發明的優點在於，製造成本較低，可在成品蓄電池組件中考慮 較小的部件，並且使特定單元電池疊層的成品蓄電池的重量輕和體積 小。這對於由較小單元電池疊層構成的蓄電池尤其有利，因為與由較 大單元電池疊層構成的蓄電池相比，這種外殼通常佔成品組件的總重 和總體積的較大部分。
本發明的另一優點在於提供一種外殼，其中，不必使用外部作用 裝置來保持蓄電池外殼的形狀，從而又將降低蓄電池的製造成本。
通過下面詳細說明公開的用於密封的蓄電池的外殼，本領域的技
術人員將對本發明的其它目的和優點更加清楚。


附圖所示的各種實施例並非按比例或大小示出的，而是為清楚起 見擴大地表明各種重要特徵。
圖1示出本發明的外殼的第一實施例。
圖2示出具有結合圖l描述的外殼的裝配好的雙極蓄電池。
圖3示出本發明的外殼連同雙極蓄電池的第二實施例。
圖4示出如圖3所描述的波紋狀蓋的透視圖。
圖5示出本發明的另一蓋的橫斷面圖。
圖6示出本發明的外殼連同雙極蓄電池的第三實施例。
圖7示出本發明的外殼連同雙極蓄電池的第四實施例。
圖8示出本發明的裝配好的雙極蓄電池的透視圖。
具體實施例方式
密封的雙極蓄電池具有多個以單元電池疊層形式布置的單元電 池，這些單元電池必須具有外殼，以承受單元電池疊層作用在外殼上
的力。這在某種程度上必須做到
1) 外殼不會破壞(即在蓄電池工作過程中外殼材料及緊固件不得 破裂)。
2) 外殼必須對整個單元電池疊層保持足夠大且充分均勻的壓力。
3) 在蓄電池工作過程中，外殼必須將單元電池疊層的尺寸保持在 一定容差範圍內。
雙極蓄電池中的每個單元電池包括負極和正極，二者之間設有隔 板。每個電極包括非金屬基片，這使得價格比較低廉。每個單元電池 通過導電雙板被彼此隔開，正極端板和負極端板分別布置在單元電池 疊層的每個側面上。蓄電池優選設有轉讓予同一申請人出版的國際專 利申請WO 03/026042中公開的共用氣體空間，以分布因排氣而在蓄 電池內產生的壓力，但是本發明在具有至少一個單獨布置的單元電池 的雙極蓄電池中可以實現。
一旦雙極蓄電池開始電循環，電極將不可逆地隆起。當裝在硬外 殼中時，電極隆起會產生巨大的力，因為電極本身的彈性模量非常高。 這樣可能導致隔板壓碎和低成本的外殼材料，比如熱塑性塑料產生裂 紋。
為了減小這些過大的力，可有意地將蓄電池組件中的某些部分設 置在組件中，以便達到機械順從，即具有較低的彈性模量，剛性不像 電極和雙板那樣大，使得當電極的尺寸發生變化時，單元電池疊層上 的力不會變化太大。在現有技術中，如本發明背景技術中所提及的， 在端板的外側上可設置順從墊或其它這類順從件。而在本發明中，機 械順從裝置則是裝入外殼內。在蓄電池組件的設計中如果需要增加機 械順從性，則也可選擇地另外採用這種附加順從件，如結合圖7所述。 一種具有內裝機械順從性的低成本外殼，它可在組裝前將至少一個外 殼部件壁朝向單元電池疊層以凹入方式成形設置蓄電池組件之後為電 極疊層提供必要的機械預加載力。可將與電極疊層接觸的外殼部件表
面中的一個或兩個設定成這種形狀。由於力作用在整個表面上，所以 這種形狀在受壓時將變平。實際上，外殼表面的作用與平面片簧相同。 因此，可通過沿垂直於電極表面的方向施加外力，將殼體上部件、單 元電池疊層和殼體下部件組裝在一起，而後在施加該力時將外殼部件 相互固定。然後可除去外力，從而通過具有外殼周邊的材料中的張力 使電極疊層表面產生預加載力。通常，在該周邊的某些地方完成固定， 因此該固定也必須能夠承受該力。周邊通常可為殼體上部件和下部件 的部分，或者是完全不同的部件。任何機械裝置均在本發明的精神範 圍內，只要這種機械裝置承載因預加載殼體表面而產生的張力，而該 殼體表面在單元電池疊層的周圍至殼體對面具有內裝機械順從性。
選擇凹面的幾何形狀，以產生所需量的預加栽力，使得在受壓時 應將該力作用於電極疊層上。在一定範圍預加載的壓力作用下，與電 極疊層表面接觸的外殼的形狀基本上變成平面。在這種平面狀態下， 由於電極疊層本身在垂直於電極表面的方向上具有均勻的彈性，所以 分布在電極疊層整個表面上的力也變得基本均勻。
因此在裝配時，外殼上預加載力的大小可這樣選擇，即在電極疊 層已受到在電循環一開始便發生不可逆隆起之後殼體將變得基本平 坦。
應當注意的是，在壓力下殼體的形狀唯一需要足夠的平坦，以便 在電極疊層的整個表面上提供足夠均勻的力。通常，在蓄電池工作期 間可對電極疊層施加一定範圍的壓縮壓力，以便提供良好的工作特性。 通過合理地選擇凹面的幾何形狀和足夠均勻彈性的電極疊層，受壓的 殼體表面形狀稍微變得不平，這只在所需的壓縮壓力範圍內造成施加 的壓力發生微小的偏差。因此，這種變化不會對蓄電池的工作產生不 利影響。
這種總體為凹面的幾何形狀可疊加到外殼表面上，該外殼表面具 有含於其中的較小比例形狀，比如波紋形或格柵結構形。當部件以成
本低的模製加工形式製造時是合乎需要的，並且由於使用這種製造技 術，而在部件設計上對厚度有約束。這種較小比例形狀也可用於減小
部件的重量和材料用量，對部件的強度僅有微小的影響。
通常，電極疊層本身具有足夠剛性的端板，使得如果殼體部件的 較小比例形狀沒有連續不斷地在整個電極表面上與電極疊層端板接 觸，端板則將局部施加的壓力充分地重新分布到電極疊層上。如果小 比例形狀足夠小這就有可能。可選擇地，如果需要將局部施加的壓力 充分地重新分布到電極疊層上，可在外殼的端板之間設置另一部件。 如果在蓄電池組裝和工作期間，殼體內所需的預加載力足夠大， 則可使殼體部件中的局部應力大於所用材料的屈服應力。因此，慎重 地選擇較小比例形狀可以減小材料負載時的應力集中，並使給定尺寸 的殼體和所選擇的材料能承受更大的預加載力而不屈服。
本發明的第一實施例結合圖1進行描述，該圖為未連接的蓄電池
外殼10的局部橫斷面圖，該外殼包括下部件11和上部件12。上部件 12用於插入下部件11中，通過緊固件(未示出)或者焊接將該部件 固定在一起。以單元電池疊層方式布置的單元電池(未示出)將被組 裝在部件11、 12連接後形成的空間13中。在上部件11和下部件12 中可設置用於蓄電池端子入口的小孔(未示出)。
在該實例中，上部件12，即蓋設有防止外殼斷裂並對整個單元電 池疊層保持足夠大且充分均勻壓力的裝置。通過向部件預加載一彈簧 彈力，使上部件12形成倒置的預弓形狀，來與在整個單元電池疊層上 分布壓力的裝置一起組成機械順從裝置。需要時，下部件ll，即殼體 也可設有能產生更大機械順從性的倒置的預弓形。
現結合圖2描述，順從的倒置預弓形在機械加栽後便變平，這樣 的預弓形符合上面所示全部三個目的。圖2示出裝配好的密封的雙極 蓄電池20，其具有外殼10，該外殼包括兩個部件，即殼體ll和蓋12， 如圖l所示。單元電池疊層包括四個單元電池21，每個單元電池通過 雙板22相互隔開，該雙板22與正極端板23和負極端板24 —起設置 於外殼10內。共用氣體空間優選按現有技術已知的方式設置。電極設 有如出版的國際專利申請WO2004/042846中/>開的非金屬基片。蓋 12插入到殼體11中，並用箭頭F所示的力固定就位。然後沿蓋的周 邊設置緊固件，以將蓋12固定在殼體ll上，從而形成外殼IO。
通過使蓋12稍微偏轉，如箭頭25所示，當單元電池疊層高度變 化時，外殼材料中的合成應力小於較硬的外殼。蓋12的剛度具有盡可 能的上限，以便確保疊層的力小於允許的最大值。蓋的剛度還具有下
作用下蓋的容許偏轉i確定。'、 、、、 、
當單元電池疊層變平的時，在單元電池疊層整個表面上的作用荷 載必須也是均勻的，因為單元電池零件，即電極和隔板的機械順從性 為給定的機械加載(力/面積)提供界限分明的偏轉。通常，這種偏轉 是由隔板控制的，如疊層中的大多數順從材料一樣。如果倒置的凹面 部件12在蓄電池裝配成形變平後，單元電池疊層的荷載在整個表面上 均變為均勻。
圖3示出本發明的外殼的第二實施例，該外殼包括殼體11和波紋 形狀的蓋31，每個波紋用32表示。圖3示出在裝配過程中與雙極蓄 電池30相關的未連接的外殼，其中，蓄電池的相同部件用與圖2中相 同的附圖標記表示。
相比現有技術的蓋，在相同的荷栽下，蓋31表面上的波紋將使應 力集中減小2~4倍。根據材料和表面面積，對於表面的剛度確實有些 影響，但是並非總是比非波紋狀的表面剛度大。波紋的目的是減小應 力集中的程度，以便在小於材料的屈服應力條件下保證安全。
圖4示出圖3中蓋31的透視圖，該圖更清楚地示出波紋32。該 波紋未延伸通過蓋31的整個寬度，在邊緣34與每個波紋32之間設有 選定的距離33。上述情況也適用於蓋31另一側面上的波紋。
圖5示出與圖3和4中的蓋相類似的另一蓋的橫斷面圖。如圖中 清楚地示出，蓋41具有倒置的預弓形，並在蓋41的兩面設有波紋32。 這些波紋優選平行於蓋的短面側設置，如圖4所示，當然，如果蓋的 尺寸不太大並且根據所選擇的材料，也可在其它方向上設置波紋。
圖6示出密封的雙極蓄電池50的橫斷面圖，結合圖5描述，在倒 置的預弓形殼體51和蓋41內設有一個單元電池。當蓋41連接在殼體
51上時，優選採用超聲波焊接，使在整個單元電池上的壓力將要足夠 均勻，並且外殼也會順從在工作過程中蓄電池內產生的壓力變化。
圖7示出蓄電池55的第四實施例的橫斷面圖，該蓄電池55具有 設有任選順從件52和53的外殼。組件包括殼體下部件ll、第一任選 順從件52、正極端板23、四個單元電池21組成的單元電池疊層，負 極端板24、第二任選順從件53和殼體上部件41。任選的順從件在外 殼中的順從性不夠時將起到額外順從部件的作用。
圖8示出裝配好的外殼60，其設有連接帶正極端子63和負極端 子64的蓄電池外殼內每個端板的裝置，且不會妨礙蓋61和殼體62 的彈性和應力分布功能。殼體62上設有用於正極端子連接器63的孔 65，並在殼體上又設有用於負極端子連接器64的切口 66。此外，殼 體62上還設有分隔器67，以防止端子間直接發生電接觸。蓋61被構 造成與殼體62相配合，該殼體62包括分隔器67和切口 66。需要時， 分隔器67內形成的空間可用於設置產生共用氣體空間的裝置。
獨立權利要求中使用的詞語壓力裝置應當理解為裝配時在蓄電池 內部件上產生壓力的裝置，例如部分外殼的倒置預弓形狀、外殼的波 紋面、波紋和倒置預弓形狀的組合等。
無荷載未裝配狀態時外殼部件的預弓形偏離平面形狀的程度優選 至少為裝配成蓄電池並承受機械預加栽時同一外殼部件偏離平面形狀 的程度的兩倍。
權利要求
1.一種用於包括至少一個單元電池(21)的密封的雙極蓄電池(20；30；50；55；60)的外殼(1 0)，每個單元電池具有帶非金屬基片的電極，所述外殼包括至少兩個部件，即上部件(12；31；41；61)和下部件(11；51；62)，兩部件連接在一起，以形成蓄電池的外殼，其特徵在於，在外殼內裝入機械順從裝置，以減少在工作過程中因單元電池厚度變化而引起的在單元電池疊層上的力，並在外殼內裝入壓力裝置，以分布在整個單元電池疊層上的壓力。
2. 根據權利要求1所述的外殼，其特徵在於，所述內裝式壓力裝 置包括至少一個未連接的部件(12; 41， 51)的至少一個壁的倒置的 預弓形狀和預加載力，該預加載力源於倒置的預弓形狀並作用在部件 被連接時外殼中的單元電池疊層上。
3. 根據權利要求2所述的外殼，其特徵在於，每個未連接的部件 (41, 51)的至少一個壁設置為倒置的預弓形狀，並且所述部件被連接，以形成具有至少兩個相對倒置的預弓形壁的外殼。
4. 根據權利要求1-3中任一所述的外殼，其特徵在於，所述內裝 式壓力裝置包括至少一個壁(31; 41; 61)的加強件。
5. 根據權利要求4所述的外殼，其特徵在於，所述加強件基本上 包括形成壁的材料的波紋(32)。
6. 根據權利要求5所述的外殼，其特徵在於，所述波紋(32)平 行於每個壁的短側面而被設置。
7. 根據權利要求l-6中任一所述的外殼，其特徵在於，所述外殼 設有裝置(67)，以防止在外殼的部件連接時在外殼的外側上正極端子(63)與負極端子(64)之間發生直接連接。
8. 根據權利要求l-7中任一所述的外殼，其特徵在於，形成外殼 的部件採用超聲波焊接連接在一起。
9. 根據權利要求1-8中任一所述的外殼，其特徵在於，所述外殼 適於容納密封的雙極蓄電池，該蓄電池具有多個成單元電池疊層形式 的單元電池，這些單元電池具有共用的氣體空間。
10.根據權利要求1-9中任一所述的外殼，其特徵在於，除殼體 上部件(12; 31; 41; 61)和殼體下部件(11; 51; 62)之外，所述 外殼另外還包括一個或多個機械順從件(52， 53)。
全文摘要
本發明涉及一種用於密封的雙極蓄電池20、30、50、55、60的外殼10，所述蓄電池包括至少一個單元電池21，其中，每個單元電池具有帶非金屬基片的電極。外殼包括至少兩個部件，即上部件12、31、41、61和下部件11、51、62，兩部件連接在一起，以形成蓄電池的外殼。在外殼內裝入機械順從裝置，以減少在工作過程中因單元電池厚度變化而引起的對單元電池疊層的力，並在外殼內裝入壓力裝置，以分布在整個單元電池疊層上的壓力。
文檔編號H01M2/02GK101167197SQ200680010887
公開日2008年4月23日 申請日期2006年3月20日 優先權日2005年4月1日
發明者D·霍克, K·詹森, N·普斯特 申請人:尼拉國際股份公司