用於電化學電池的密封件的製作方法
2023-05-21 02:27:41
專利名稱：用於電化學電池的密封件的製作方法
背景技術：
本發明大體上涉及用於壓力容器的可排氣的密封件，更具體地涉及用於電化學電池的可排氣的密封件。
電化學電池如圓柱形鹼性電化學電池採用了兩種電化學活性材料和一種含水電解質。電化學活性材料通常是二氧化錳和鋅。這些材料通常裝在細長的圓柱形容器中，這種容器在一端敞開，使得電化學活性材料和電解質可在電池的生產過程中插入於其中。封蓋組件封閉了容器的開口端，該組件包括有盤形的彈性密封件和穿過該密封件的中心而伸出來的細長金屬集電器。密封件通常包括圍繞著集電器的盤心(hub)，以及整體地模製在密封件的中央區域內的薄隔膜。隔膜的功能是在內部壓力過高時破裂，並從電池內釋放出氣體。集電器提供了鋅與位於電池端部處的一個電池端蓋之間的導電通路。
電化學電池的製造商一直在努力提高他們的產品在許多種電池供電裝置中的性能。由於大多數電池以傳統的方式來使用，因此只有很少部分的電池處於惡劣的或濫用的狀態下。其中一種濫用狀態在電池產生了直接短路時發生。這種狀態在於陽極與陰極之間形成了低阻電通路時發生。在一種情況下，當裝置如包括兩個D號電池的手電筒中的接觸彈簧無意中接通了電池的與陰極接觸的鋼製容器的邊緣和與陽極電接觸的負極端蓋之間的間隙時，就會發生直接的電短路。彈簧由高導電性材料如鍍鎳鋼製成，因此可在陽極和陰極之間提供低阻電連接。一旦形成了直接的電短路，電池就會儘可能快地放電。在高度約為61毫米和直徑約為35毫米的D號電池中，可能會存在超過20安的電流。由於在快速放電過程中在電池內發生了放熱化學反應，因此整個電池可達到超過70℃的溫度。溫度的升高使得電池內的壓力增加。除了使電池升溫之外，在放電過程中發生的化學反應還迅速地產生了大量的氫氣，這便顯著地增加了電池內的壓力。氫氣產生和溫升的同時作用導致了通常由尼龍製成的彈性體密封件變軟，並且喪失其部分結構剛性。由於尼龍的受熱和內部壓力的增加，密封件的較薄的可排氣部分可能會變得細長。因此，當變軟且變形的密封件響應於壓力升高而破裂時，就會有一定初始量的氣體從電池內逸出，但在軟化的破裂密封件與密封件盤心的光滑外表面接觸並且重新密封在盤心上時，破裂密封件中的裂縫會被重新密封起來。如果破裂密封件確實重新密封在盤心上且電池繼續產生氣體的話，電池最終會產生捲曲釋放(crimp release)，其中密封件與容器之間的捲曲連接被破壞，封蓋組件被迫使從容器中彈出。
如美國專利US 6270919 B1中所公開的那樣，先前試圖防止破裂密封件重新密封的嘗試包括改進密封件的內部盤形部分以使之包括有肋條。肋條設計成可維持破裂密封件中的開口，從而防止排氣機構的重新密封。然而，儘管將肋條包括在密封件的隔膜中有助於防止大多數電池形成重新密封，然而結合有肋條的一些電池在承受到直接電短路期間所產生的熱量時會發生變形，使得肋條在密封件破裂後不能維持密封件中的開口。
在公開於美國專利US 6312850 B1中的密封件設計中，在形成了密封組件的一部分中的壓縮件的表面中設置了垂直的凹槽。凹槽設計成能夠防止可排氣的密封件隔膜產生重新密封。凹槽形成了允許氣體排出的通道，因而可防止排氣隔膜的重新密封。儘管此實施例確實防止了排氣密封件的重新密封，然而壓縮件是一個必須被製造並組裝在密封件上的附加部件。這增加了電池的成本，並使電池的製造工藝複雜化。而且，壓縮件佔據了電池內的一定容積，這一容積本來可更好地用於容納電化學活性材料。
因此，需要一種成本較低且製造簡單的彈性密封件，其僅佔據了電池內的少量容積，並且能可靠地防止可排氣的電化學電池的重新密封。
發明概要本發明提供了一種可排氣的密封件，其可防止壓力容器內的破裂密封件產生重新密封。盤形密封件製造成單個部件，其包括第一表面、第二表面、形成於這些表面之間的柔性隔膜，以及從第一表面上伸出來的突起。該突起包括近端段和排氣段。近端段在排氣界面處與柔性隔膜鄰接，並包括無一個或多個凹口的外表面。排氣段與近端段同心地設置且與之鄰接，並包括帶有至少一個形成於其中的凹口的外表面。排氣段中的凹口形成了沿著排氣段外表面的無阻礙的通道。
本發明還提供了一種帶有容器的電化學電池，該容器具有開口端、封閉端以及處於它們之間的側壁。容器包括隔板和設置在隔板的相對側的兩種電化學活性材料。形成為單個部件的盤形密封件固定在容器的開口端上。密封件具有頂面、底面以及與頂面和底面相接觸的周邊。柔性隔膜形成於這些表面之間，並且圍繞著處於中心的突起而設置，該突起從密封件頂面的中心垂直地伸出來。該突起形成有頂面和底面之間的開口。該突起具有在排氣界面處與柔性隔膜鄰接的近端段，以及與近端段同心地設置且與之鄰接的排氣段。近端段包括無一個或多個凹口的外表面。排氣段包括帶有至少一個形成於其中的凹口的外表面。排氣段中的凹口形成了沿著排氣段外表面的無阻礙的降壓通道。集電器延伸穿過突起中的開口，並且與電池中的電化學活性材料接觸。在柔性隔膜與電池的外部環境之間設有蓋子。
附圖簡介
圖1是傳統的圓柱形鹼性電化學電池的剖視圖2是本發明的密封件的透視圖；圖3是本發明的另一密封件的透視圖；圖4是圖2所示密封件的剖視圖；和圖5是本發明的電化學電池的局部剖視圖。
本發明的詳細描述現在來看附圖並更具體地參見圖1，圖中顯示了傳統的鹼性電化學電池90的剖面。電池的部件依次為容器10、相鄰於容器10的內表面的第一電極50、與第一電極50的內表面56相接觸的隔板20、設於由隔板20所形成的空腔內的第二電極60，以及固定在容器10上的封蓋組件70。容器10具有開口端12、封閉端14和位於它們之間的側壁16。封閉端14、側壁16和封蓋組件70形成了一個空腔，電池的電極即容納於其中。
本發明的密封件如圖2所示。可通過注射模製非導電性材料如尼龍、聚苯乙烯、聚丙烯或其他塑料材料來製造密封件。模具設計成可為密封件提供所需的特徵，例如可破裂的排氣孔和用於容納集電器的位於中心的開口，這使得密封件適合在電化學電池中使用。如圖2所示，密封件100是大致盤形的部件，其具有第一表面102、第二表面104以及形成了密封件周邊的邊緣106。第一表面102在本文中稱為頂面。第二表面104在本文中稱為底面。邊緣106包括直立壁108。密封件100的中心區域110設置在壁的內部。該中心區域包括與排氣界面126鄰接的柔性隔膜112。排氣界面與從密封件頂面的中心處垂直地伸出來的突起114接觸。突起在本文中也稱為盤心。中心區域110的非排氣部分116位於壁108與柔性隔膜112之間。非排氣部分比圍繞著盤心114的柔性隔膜112厚一些。
圖2所示突起114一般可被描述為包括三個不同的區段，即使盤心的所有區段就象密封件自身一樣在製造密封件時形成為單個部件時也是如此。盤心114的與排氣界面126鄰接的部分在本文中稱為近端段115。近端段的外徑在近端段的整個高度上保持恆定。近端段的頂部鄰接於盤心的排氣段117。排氣段117的最大外徑等於或略小於近端段115的外徑。排氣段117包括一個或多個凹口128，130，132和138，其用作密封件的降壓凹口。在一個優選實施例中，這些凹口是弧形的。凹口寬度與凹口深度之比應大於1∶1且小於6∶1。寬度與深度之比優選大於2∶1且小於4∶1。寬度與深度之比最好為約3∶1。如果需要的話，凹口可形成為矩形、半圓形或橢圓形。排氣段117的向外凸出的延伸部分140位於凹口之間。延伸部分140將凹口相互間分開。排氣段的頂部形成了第一臺肩142，其鄰接於在本文中稱為遠端段119的盤心的第三區段的底部。遠端段119的外徑小於排氣段117的外徑，而排氣段117的外徑等於或小於近端段115的外徑。遠端段119的外表面未設有作為排氣段117的特徵的凹口。遠端段119的端部形成了位於盤心114的端部處的第二臺肩120。遠端段119、排氣段117、近端段115的內表面限定了一個穿過密封件100的開口122。
下面將介紹突起的近端段、排氣段和遠端段的功能。近端段115與柔性隔膜112一起形成了排氣界面126。該界面設計成在電池的內部壓力達到預定值時就會破裂。排氣界面126優選在密封件排氣時會迅速地撕裂。為了實現可預測的快速排氣，近端段115和柔性隔膜112應形成一個弧形的排氣界面126，其在近端段的周圍具有均勻的厚度。通過設置與較薄的排氣界面相鄰接的墊圈形近端段，就可以實現這種弧段。該弧段優選為至少180°，更理想為270°，最好是一個圓。近端段的高度必須選擇成能夠保證排氣段中的一個或多個凹口不會干擾界面126處的破裂。
排氣段的重要功能是提供一個或多個凹口，其用作內部氣體從電池中釋放出來時的降壓通路。儘管可改變凹口的長度、寬度和高度來調節例如密封件的可塑性等因素，然而優選凹口的寬度與深度之比為約3∶1。尤其優選弧形的凹口，這是因為弧形容易結合到用於形成密封件的模具中。而且，弧形凹口有助於一致地製造密封件。凹口的高度必須足以允許氣體選出到電池的外部環境中。
遠端段119的主要功能是在集電器276和內蓋150之間提供防漏界面(見圖5)。集電器與內蓋之間的界面必須能阻止電解質通過沿集電器表面的蔓延而離開電池。這可通過使用外徑大於密封件100中的開口122的內徑的集電器以便在集電器與密封件之間形成過盈配合來實現。為了在集電器與內蓋之間的遠端段上實現均勻的壓縮，遠端段在這兩個部件之間的厚度必須保持一致。因此，作為排氣段的特徵的一個或多個凹口必須終止於遠端段之下，這樣，凹口就不會妨礙突起114的遠端段119中的密封件的壓縮。
如圖2所示，一個或多個肋條148可結合到柔性隔膜112的頂面中。各肋條148的一端鄰接於近端段115的外表面。各肋條整體地形成於密封件100的頂面102中，並沿著從密封件100的中心朝向密封件周邊的放射式線段而定位。各肋條148的與盤心近端段相鄰接的一端大致位於突起114的排氣段117中的凹口之間。肋條148旨在防止柔性隔膜112重新密封在內蓋150的內表面上。由於肋條防止了破裂柔性隔膜的一部分向上運動和阻塞了滯留在電池中的氣體的選出路徑，因此破裂的密封件不會重新密封，並且不允許電池再次增壓。
圖3顯示了本發明的另一實施例。密封件101是盤形的並形成為單個部件，其具有第一表面102、第二表面104和周邊106。柔性隔膜112形成於第一表面和第二表面之間。突起114從第一表面102上伸出來，並在排氣界面126處與柔性隔膜112相鄰接。突起114包括近端段115和排氣段117。近端段115的表面沒有任何凹槽、凹口或通道。相反，排氣段117的表面包括至少一個凹口。如圖3所示，盤心可具有若干個凹口128，130，132和138。可改變凹口的數量來調節密封件的物理參數的差異，比如密封件盤心的外徑；密封材料在升高溫度下的彈性；以及密封件設計成可排氣時的壓力。盤心最好具有兩個、四個或六個凹口。在任意兩個相鄰的凹口之間設有向外凸出的部分140。該向外凸出的部分將在本文中也稱為降壓通路的各個凹口相互間分開。
圖4顯示了圖2所示密封件的剖面。突起114包括近端段115、排氣段117和遠端段119。近端段115在排氣界面126處鄰接於柔性隔膜112。近端段115的表面沒有任何凹槽或凹口。排氣段117包括凹口130和向外凸出的部分140(未示出)。遠端段119與近端段115和排氣段117同心地設置，並且與排氣段117相連。突起114的自由端終止於臺肩120處。位於密封件中心的開口122限定了頂面102與底面104之間的通道。周邊106由壁108限定。凸緣152鄰接於壁108上。肋條148從柔性隔膜112的表面上延伸出來。
圖5顯示了本發明的電化學電池200的局部剖視圖。電池包括具有開口端212的容器210。在容器內設有第一電極250、第二電極260、隔板220和一定量的含水鹼性電解質。封蓋組件270固定在容器的開口端上。該組件包括密封件100，其包括在排氣界面126處與柔性隔膜112鄰接的近端段115、與近端段115相鄰接並包括有凹口130和132的排氣段117，以及與排氣段117同心且與之相連的遠端段119。封蓋組件還包括設置在中心的集電器276，其突出來並穿過密封件100中的開口122和內蓋150。集電器是由導電材料如黃銅製成的細長棒。集電器的一端與第二電極260接觸，而集電器的另一端突出來並穿過密封件100的頂面102，而且接觸到電池的一個端蓋158。內蓋150位於密封件100的頂面102之上。內蓋150的周邊與密封件的凸緣152接觸。內蓋150的中心形成有開口154。內蓋開口154的內徑小於盤心排氣段117的外徑，但大於盤心遠端段119的外徑。集電器276的外徑、開口112的內徑和遠端段119的厚度選擇成使得在將集電器276插入到密封件100的開口122中之後，通過集電器276迫使遠端段119的一部分向外運動到靠在內蓋150上，從而在密封件的遠端段上施加了切向張力，並在集電器276和遠端段119之間以及在遠端段119和內蓋150之間形成了過盈配合。形成過盈配合的目的是防止電解質沿著集電器276與盤心114的界面而逸出。由於遠端段119必須在集電器276和內蓋150之間均勻地受壓，因此位於盤心排氣段117中的降壓凹口不能伸入到遠端段中。內蓋150中的第二開口156允許經由密封件中的裂縫而排出的氣體從由密封件頂面102和內蓋150所限定的空間中逸出。端蓋158中的開口160允許已經過開口156的氣體離開端蓋並進入到電池的外部環境中。位於封蓋組件270之上的端蓋158與集電器276電接觸。
在本文中也稱為陰極的第一電極250與容器250的內表面接觸並形成了一個位於中央的空腔。第一電極250是二氧化錳、石墨和氫氧化鉀水溶液的混合物。通過將一定量的混合物放入到具有開口端的容器中，然後採用衝頭將混合物模製成管形固體，該管形固體形成了一個與容器側壁同心的空腔，這樣便形成了該電極。第一電極250具有凸架252和內表面256。作為模製容器中的陰極的另一選擇，可從包括有二氧化錳的混合物中預成形多個環件，然後將環件插入到容器中以形成管形的第一電極，以此方式來形成陰極。
第二電極260為含水鹼性電解質、鋅粉和膠凝劑如交聯聚丙烯酸的勻質混合物。含水鹼性電解質包括鹼性的金屬氫氧化物，例如氫氧化鉀、氫氧化鈉或其混合物。優選使用氫氧化鉀。適用於本發明電池的膠凝劑可以是交聯的聚丙烯酸，例如Carbopol 940，其可從美國俄亥俄州克利夫蘭市的B.F.Goodrich，Performance MaterialsDivision中得到。適合用於鹼性電解質溶液中的其它膠凝劑的例子有羧甲基纖維素、聚丙烯醯胺和聚丙烯酸鈉。鋅粉可以是純鋅或者是包括有適當量的一種或多種選自銦、鉛、鉍、鋰、鈣和鋁的金屬的合金。適當的陽極混合物含有67％重量的鋅粉，0.50％重量的膠凝劑和32.5％重量的鹼性電解質，該鹼性電解質具有40％重量的氫氧化鉀。鋅的量可以是陽極的63％重量到70％重量。還可以在上述成分中選擇性地添加其它組分，例如脫氣抑制劑、有機或無機的防蝕劑、粘合劑或表面活性劑。脫氣抑制劑或防蝕劑的例子可包括銦鹽(如氫氧化銦)、全氟烷基氨鹽、鹼性金屬硫化物，等等。表面活性劑的例子可包括聚環氧乙烷、聚烷基乙烯基醚、全氟烷基化合物，等等。第二電極可通過將上述成分結合到帶式摻合器或鼓式混合機中並使混合物形成溼漿來製造。
適用於本發明電池的電解質是37％重量的氫氧化鉀水溶液。通過將一定量的液態電解質放置到由第一電極形成的空腔內，就可將電解質結合到電池中。通過在用於製造第二電極的工藝中允許膠凝介質吸收氫氧化鉀的水溶液，也可將電解質引入到電池中。如果電解質與第一電極250、第二電極260和隔板220接觸的話，那麼用於將電解質結合到電池中的方法並不重要。
隔板220是非織造纖維的卷繞薄膜。隔板圍繞著第一電極250的內表面256設置。隔板的其中一項功能是在第一電極和第二電極的界面處提供屏障。該屏障必須是電絕緣的和離子可滲透的。
上述介紹僅被視為優選實施例。對本領域的技術人員以及製造或使用本發明的人員來說，對本發明進行改進是很容易想到的。因此，可以理解，附圖所示且在上文中介紹的實施例僅用於說明目的，並不用於限制本發明的範圍，本發明的範圍由所附權利要求根據專利法法則和等同原則來限定。
權利要求
1.一種電化學電池，包括(a)具有開口端、封閉端以及處於它們之間的側壁的容器，所述容器包括隔板和設置在所述隔板的相對側的電化學活性材料；(b)固定在所述容器的開口端上的盤形密封件，所述密封件形成為單個部件並具有頂面、底面以及與所述頂面和底面相接觸的周邊，柔性隔膜形成於所述表面之間，並且圍繞著處於中心的突起而設置，所述突起從所述頂面的中心垂直地伸出來，並且形成有所述頂面和底面之間的開口，所述突起具有在排氣界面處與所述柔性隔膜鄰接且包括無一個或多個凹口的外表面的近端段，以及與所述近端段同心地設置且與之鄰接並且包括帶有至少一個形成於其中的凹口的外表面的排氣段，所述排氣段中的凹口形成了沿著所述排氣段外表面的無阻礙的降壓通道；(c)延伸穿過所述突起中的所述開口並可與所述電池中的電化學活性材料相接觸的集電器；和(d)設於所述密封件的柔性隔膜和所述電池的外部環境之間的外蓋。
2.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述突起還包括與所述排氣段同心地設置且與之相鄰接的遠端段。
3.根據權利要求2所述的電化學電池，其特徵在於，所述電池還包括位於所述柔性隔膜與所述外蓋之間的內蓋，所述內蓋包括定位在中心的孔，所述孔的內徑至少與所述突起遠端段的外徑一樣大，所述突起的遠端段穿過所述內蓋的中心孔而伸出來。
4.根據權利要求3所述的電化學電池，其特徵在於，所述內蓋和所述集電器協同操作以壓縮所述遠端段的一部分，所述集電器的外徑選擇成在插入到所述集電器中之前大於所述密封件開口的內徑，因此所述集電器可對所述遠端段的受壓部分施加切向張力。
5.根據權利要求2所述的電化學電池，其特徵在於，所述遠端段的外徑小於所述排氣段的外徑，所述排氣段的外徑小於所述近端段的外徑。
6.根據權利要求5所述的電化學電池，其特徵在於，在所述突起上的所述排氣段和所述遠端段的界面處形成了臺肩。
7.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述排氣界面形成了至少180°的弧段。
8.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述排氣界面形成了至少270°的弧段。
9.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述排氣界面形成了一個圓。
10.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述排氣段凹口的寬度與深度之比至少大於1∶1且小於6∶1。
11.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述排氣段凹口的寬度與深度之比大於2∶1且小於4∶1。
12.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述排氣段凹口是弧形的。
13.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述排氣段的外表面包括至少兩個凹口。
14.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述排氣段的外表面包括至少四個凹口。
15.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述排氣段的外表面包括至少六個凹口。
16.根據權利要求13所述的電化學電池，其特徵在於，所述密封件包括形成於所述柔性隔膜中的至少一個肋條，所述肋條鄰接於所述突起的近端段，並與從所述密封件的中心朝向所述密封件的周邊的放射式線段對齊，所述肋條位於所述排氣段中的所述至少兩個凹口之間。
17.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述蓋是導電的並與所述集電器接觸。
18.根據權利要求1所述的電化學電池，其特徵在於，所述密封件是不導電的。
19.根據權利要求18所述的電化學電池，其特徵在於，所述密封件包括選自尼龍、聚丙烯、聚苯乙烯的材料。
20.根據權利要求18所述的電化學電池，其特徵在於，所述密封件由選自尼龍、聚丙烯、聚苯乙烯的材料組成。
21.一種用於壓力容器中的形成為單個部件的盤形密封件，包括(a)第一表面、第二表面以及形成於所述表面之間的柔性隔膜；和(b)處於中心並從所述第一表面的中心垂直地伸出來的突起，所述隔膜圍繞著所述突起而定位，所述突起具有在排氣界面處與所述柔性隔膜鄰接且包括無一個或多個凹口的外表面的近端段，以及與所述近端段同心地設置且與之鄰接並且包括帶有至少一個形成於其中的凹口的外表面的排氣段，所述排氣段中的凹口形成了沿著所述排氣段外表面的無阻礙的降壓通道；
22.根據權利要求21所述的密封件，其特徵在於，所述可破裂的界面形成了至少180°的弧段。
23.根據權利要求21所述的密封件，其特徵在於，所述可破裂的界面形成了至少270°的弧段。
24.根據權利要求21所述的密封件，其特徵在於，所述可破裂的界面形成了一個圓。
25.根據權利要求21所述的密封件，其特徵在於，所述排氣段的外表面包括兩個或更多個凹口。
26.根據權利要求21所述的密封件，其特徵在於，所述排氣段的外表面包括四個或更多個凹口。
27.根據權利要求21所述的密封件，其特徵在於，所述排氣段的外表面包括六個或更多個凹口。
28.根據權利要求21所述的密封件，其特徵在於，所述排氣段凹口的寬度與深度之比至少為1∶1。
29.根據權利要求21所述的密封件，其特徵在於，所述排氣段凹口的寬度與深度之比至少為2∶1。
30.根據權利要求21所述的密封件，其特徵在於，所述排氣段凹口是弧形的。
31.根據權利要求21所述的電化學電池，其特徵在於，所述密封件是不導電的。
32.根據權利要求21所述的電化學電池，其特徵在於，所述密封件包括選自尼龍、聚丙烯、聚苯乙烯的材料。
33.根據權利要求21所述的電化學電池，其特徵在於，所述密封件由選自尼龍、聚丙烯、聚苯乙烯的材料組成。
全文摘要
提供了一種用於封閉電化學電池的開口端的可排氣的密封件。密封件包括形成於中央盤心的外表面中的凹口，盤心在排氣界面處鄰接於柔性隔膜上。如果電池的內部壓力達到了一個不安全的水平且密封件破裂，那麼凹口可防止破裂密封件產生重新密封，從而避免了電池中的壓力的二次累積。
文檔編號H01M2/00GK1633720SQ03804086
公開日2005年6月29日 申請日期2003年1月29日 優先權日2002年2月20日
發明者W·M·斯特克 申請人:永備電池有限公司