专利名称：为可再充电的锂电池而设的顶盖的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于可再充电的非液态锂电池的改进的顶盖。此顶盖装有一套铆接断路机构。其特别适合于高功率应用，因为与传统顶盖相比，通过改进的顶盖，其电流分布较为有效，而电池的电阻亦大大降低。
背景技术：
市场需要能量密度越来越高的可再充电电池，一直引来大量与可再充电的锂电池有关的研发活动。锂的运用，与高能量密度、高电池电压，以及长储存期限相关联。
对于众多电子消费品的应用，可再充电的锂离子电池是优选的可再充电的电源。在目前有售的传统可再充电的系统中(即镍镉(NiCd)、NiMH或铅酸性蓄电池)，可再充电的锂离子电池拥有最大的能量密度(Wh/L)。此外，由于锂离子电池的操作电压较高，比其他可再充电的系统需要串联较少电池。结果，对于高功率的应用品(如电动自行车、便携式电动工具，以及混合式电动车辆)来说，锂离子电池越来越具吸引力。锂离子电池以两种不同的穿插化合物为活性负极和正极材料。基于LiCoO2/石墨系统的锂离子电池，现可供商用。其他众多锂过渡金属氧化物化合物，包括LiNiO2、LiMn2O4，均适宜用作负极材料。此外，一系列广泛的含碳的化合物，包括焦炭和不会化为石墨的固体碳粒，均适宜用作正极材料。前述产品采用非液态电解质，而此电解质包含LiBF4或LiPF6盐，以及由乙烯碳酸盐、丙烯碳酸监、二乙碳酸盐、乙烯甲基碳酸盐和类似化合物混合而成的溶剂。同样，本领域内技术人员应知道，有多款盐和/或溶剂可供选择，用来制造此等电池。
锂离子电池容易受到不同种类的误用，尤其是充电过量。在充电过量的情况下，充电期间，电压超过正常操作电压。充电过量期间，过量的锂会从负极抽出，然后相应地过量插入或涂覆正极。这可能令两电极在温度上欠稳。充电过量亦令电池发热，因为大部份输入的能量会消散，而非储起。充电过量时，热稳定性下降，加上电池发热，可导致热量逸出(thermalrunaway)和失火。许多制造商已加设安全装置，以防充电过量。例如，正如美国第4,943,497号专利和加拿大第2,099,657号专利分别描述，现时Sony和E-One Moli Energy(Canada)Limited的产品均加设有内置断路装置。充电过量期间，当电池的内部压力超过预设值，内置断路装置就会启动。
因此，这些由压力启动的断路装置是依靠电池的结构。在电池的结构中，电池的内部压力会在广泛的正常操作条件下，维持在预设值以下，但充电过量期间，内部压力定会超出预设值。
在图1描述的传统圆柱形锂离子电池中，一条胶凝状的卷轴4由一负极金属薄片1、一正极金属薄片2，以及两片用作隔板的微孔聚烯烃薄膜3螺旋缠绕制成。
胶凝的卷轴4嵌入传统的电池管壳10。顶盖11和垫圈12用来密封电池15。顶盖安装了一款内置电子断路装置。此装置与前述加拿大第2,099,657号专利所显示的装置类似。若情况需要，顶盖还可安装其他安全装置。通常，电池会装有安全孔。若电池积聚过多压力，安全孔就会裂开。顶盖还可装有正温度系数装置(PTC)，以限制电池出现短路的机会。顶盖11的外表面作为正极端，而管壳10的外表面则作为负极端。
负极薄片6和正极薄片7予以适当连接，从而将电池内的两极连到外部端。适当的绝缘片8、9可插入电池里，以防止电池内部出现短路的可能性。在将顶盖11压接入电池管壳10，从而将电池密封前，会注入电解质5，将胶凝的卷轴4的孔隙填满。
图2a示出了与图1所示相类似顶盖的详细图。组件依次序包括下列各顶一块有多个排气孔的帽盖1、两个镍环2、一块安全膜3、一个定位绝缘器4、一块与聚丙烯垫圈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。负极薄片依次以激光焊接在焊接薄片5的底部。因此，所有电流必须流经焊接薄片5中央的细小接触区，令电池在充电和放电期间变热。这对高性能电池不利，因为局部高电流密度可产生热量，而热量不易从如此有限的地方消散。此外，传统顶盖的设计，难以消除断路压力与电流承载能力之间的相互影响。
发明内容
本发明是一为圆柱形可再充电的锂电池而设的改进的顶盖，其特别适合于高功率应用，因为在电池循环转动期间所产生的热量，会较有效地消散。顶盖的组件包含一个在排气孔上有可撕破小带的帽盖、一块安全膜、一块绝缘片，以及一块与聚丙烯垫圈铆接的环形薄片。此结构排除了安全膜和焊接薄片之间的激光焊接。取而代之的，是将环形焊接薄片与安全膜铆接。负极薄片或多重薄片与环形焊接薄片的中央焊接。
改进之处，在于增加了流经环状焊接薄片与安全膜之间的分布接触面的电流承载量，以及降低了电池的电阻。此外，顶盖组件的数目减少了，令组合简单而方便大量制造。
此外，启动电子断路的机构亦有改进。传统顶盖切断电路的方法，是在超过规定的压力下，打破安全膜的有凹痕(scored)中央部份，如图2b所示。当安全膜变形，经改良的冒盖会切断电路，如图3b所示。当安全膜2向帽盖凸起，安全膜就会从环形焊接薄片4中被拉出，从而打断电连接。引致顶盖切断电路的压力，由安全膜2的受压程度控制。因此，断路装置不会轻易因受震动或摆动而启动。环形焊接薄片4是被紧紧固定着，除非安全膜2因内部压力而变形。在传统的顶盖里，焊接薄片的有凹痕部分，容易因受震动或摆动而被打破。
本发明的另一优点是在帽盖排气孔上加设有可撕破小带，如图6所示。这些可撕破小带在排气孔的下端凸出，作用是若安全膜因承受过量的内部压力而持续凸出，而此等压力又超过或高出启动断路装置所需的压力，可撕破小带就会卡着安全膜，并将其扯开，让气体散逸，从而避免爆炸发生。
图1示出了传统圆柱形成螺旋状的锂电池的一实施例的剖面图。
图2a示出了圆柱形锂电池的传统顶盖的剖面图。
图2b示出了电池断路后，圆柱形锂电池的传统顶盖的剖面图。
图3a示出了圆柱形锂电池的经改良顶盖的剖面图。
图3b示出了电池断路后，圆柱形锂电池的经改良顶盖的剖面图。
图4示出了圆柱形锂电池的传统顶盖横切面的电流(用英文字母“I”标示)。
图5示出了圆柱形锂电池的经改良顶盖横切面的电流(用英文字母“I”标示)。
图6示出了经改良顶盖的帽盖。
具体实施例方式
本发明涉及一为可再充电的锂电池而设计的改进的顶盖。改进之处，在于增加了流经焊接薄片与安全膜之间的接触面的电流承载量以及降低了电池的电阻。此外，顶盖组件的数目减少了，令组合简单而方便大量制造。本发明所设计的顶盖，尤适合于高功率应用。
可再充电的锂电池的典型结构，已在传统成螺旋状的电池的剖面图中示出如图1。
负极金属薄片的制造方法，是在铝薄片上涂上一种合适的粉状(尺寸一般约10微米)负极材料的混合物，如锂过渡金属氧化物、粘合剂，以及导电的稀释物质。一般而言，涂覆涂料的方法，首先是在合适的液体容器中，将粘合剂溶解。然后，就以此溶液和其他粉状固体成份，制造出粘合液。接着将粘合液均匀的涂在衬底薄片上。之后，盛载于容器内的溶剂已挥发。铝薄片的底层的两边通常以此方法涂覆涂料。接着，负极金属薄片用砑光机压光。
正极金属薄片亦以类似方法制造，但并非使用负极材料，而是使用粉状(尺寸一般约10微米)含碳的穿插化合物，亦并非用铝薄片，而是用铜薄片。正极金属薄片一般比负极金属薄片稍宽，从而确保正极金属薄片一直与负极金属薄片对置。胶凝的卷轴4被嵌入传统的电池管壳10。顶盖11和垫圈12用来密封电池15。顶盖包括一内置断路装置。此装置与前述加拿大第2,099,657号专利所显示的装置类似。若情况需要，顶盖还可安装其他安全装置。通常，电池会装有安全孔。若电池积聚过多压力，安全孔就会裂开。顶盖还可装有正温度系数装置(PTC)，限制电池出现短路的机会。顶盖11的外表面用作正极端，而管壳10的外表面则用作负极端。
负极薄片6和正极薄片7予以适当连接，从而将电池内的两极达到外部端。合适的绝缘片8、9可插入电池里，防止电池内部出现短路的可能性。在将顶盖11压接入电池管壳10，从而将电池密封前，会注入电解质5，以填充胶凝的卷轴4的孔隙。
胶凝的卷轴可采用其他结构，但本文专注顶盖的设计。因此，从本段起，本文提及的胶凝的卷轴，仅限于是次顶盖设计所采用的胶凝的卷轴。
图2a显示图1详细描述类似的顶盖。组件依次序包含下列各项一块有多个排气孔的帽盖1、两个镍环2、一块安全膜3、一个定位绝缘器4、一块与聚丙烯垫圈6铆接的焊接薄片5。安全膜3以激光焊接在焊接薄片5的中央。负极薄片依次以激光焊接在焊接薄片5的底部。因此，所有电流必须流经焊接薄片5中央的细小接触区，令电池在充电和放电期间变热。这对高性能电池不利，因为局部高电流密度可产生热量，而热量不易从如此有限的地方消散。
传统顶盖的结构，限制电流只可流经安全膜与焊接薄片用激光焊接之处附近一小块地方。这可用图像表达，如图4所示，电流(即用英文字母“I”标示的粗线)流经狭小的环道(直径为d)时收窄。若D是电池的直径，传统顶盖的d/D比例少于0.1。这对高性能电池不利，因为局部高电流密度可产生热量，而这些热量不易从如此有限的地方消散。
图3a是为圆柱形锂电池而设的经改良顶盖的横切面。经改良的顶盖的组件依次序包含下列各项一个在排气孔上有可撕破小带的帽盖1、一块安全膜2、一块不会溶化的绝缘片3，以及一块与聚丙烯垫圈5铆接的环形焊接薄片4。安全膜2是与环形焊接薄片4卡配，以使得形成一低阻抗的接触面。铆接期间，安全膜2的材料由铆钉冲头压平，而铆钉冲头是由环形焊接薄片4凸出的边缘承托。这已在图3a、3b描述为安全膜上2的浅凹处。因此，缩短了电流路径的长度，降低了电流密度，尤其是在环形焊接薄片4与安全膜2之间的接触面上。铆钉的接触面，本质上是环形焊接薄片4的内圆周长乘以环形焊接薄片4在该点的厚度。这远比传统顶盖的激光焊接点的横切面大。因此，经改良的顶盖的电阻普遍比传统的低。
图3b显示了本发明的顶盖在断路后的情况。当安全膜2在异常充电情况中变形(即当电池积聚的内部压力超过安全膜的规定压力)，经改良的顶盖就会切断电路。当安全膜2向帽盖1凸起，安全膜就会从环形焊接薄片4中被拉出，打断电连接。引致顶盖世断电路的压力，由安全膜2的受压程度控制。此外，环形焊接薄片4是被紧紧固定着，除非安全膜2因内部压力而变形。因此，断路装置不会轻易因受震动或摆动而启动。
改进了的顶盖结构具有沿着环形焊接薄片的整个圆周有分布的接触面，这可使得电流覆盖较大范围。这可用图5表达，电流(即用英文字母“I”标示的粗线)流经直径是d的环道时，收得最窄。d/D比例约0.4。D是电池的直径。
本发明的另一优点是在帽盖的排气孔上可加设可撕破小带，如图6所示。可撕破小带1提供坚固的承托凸出边缘。在异常情况下，当过量气压产生，安全膜就会变形，然后在这些凸出边缘被扯破。由于可撕破小带正正位于排气口，安全膜被扯破时，就为气体提供直接无阻的通道，让其散逸。
本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明作适当的改进与改动，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求书所限定的范围为准。
权利要求
1.一种圆柱形可再充电的非液态锂电池，其包括一由锂穿插化合物负极、一由锂化合物制成的正极、一非液态电解质、一由压力启动，但不会将流经环路的电流缩至少于电池直径的五分之一的断路装置；在充电过量期间，前述断路装置会在预设的内部压力出现时启动。
2.如权利要求1所述的可再充电的非液态锂电池，其中，断路装置包括一个在安全膜与环形焊接薄片之间的铆接接触面；当内部压力超过预设值时，铆接接触面的电路被切断。
3.如权利要求1所述的可再充电的非液态锂电池，其中，该电池还包括其他针对充电过量的防护装置，以免电池因充电过量而受损；充电过量时，电池的电压、电流或温度，会超出操作上限。
4.一种有顶盖的可再充电的非液态锂电池，该顶盖包括一个在排气孔上有可撕破小带的帽盖、一块安全膜、一块绝缘片、一块与聚丙烯垫圈卡配的环形焊接薄片，其中，环形焊接薄片与安全膜铆接。
全文摘要
本发明是一种为可再充电的锂电池而设，并装有铆接断路装置的顶盖。顶盖对为高功率应用而设的可再充电的锂电池尤其有用。
文档编号H01M2/34GK1450680SQ0311028
公开日2003年10月22日 申请日期2003年4月8日 优先权日2002年4月10日
发明者史蒂文·K·雷 申请人:伊万莫利能量(加拿大)有限公司