专利名称：适用于调节电化学电池的充电的方法和装置的制作方法
交叉引用的相关申请本发明享有2002年10月25日申请的临时USSN 60/421,624专利的优先权，正如在其全文所阐述，通过参考方式引用与此。
有关美国联邦政府创议的研究或开发的声明发明背景本发明主要涉及镍可充电电池，例如，镍金属氢化物(NiMH)电池(镍氢电池)；具体涉及适用于自动换向终止电池充电工艺的方法和装置。本发明也可以应用于镍镉(NiCd)电池。
为了更加方便和携带，许多先进的电子设备和消费产品都可以从标准尺寸和电性能的电池获取电流进行工作。为了方便和经济，已经开发了各种不同类型的可充电电池，例如，镍金属氢化物电池以及其它等等。
与镍镉和锂离子技术相比较，金属氢化物电池技术以合理的成本提供了优良的高速性能。此外，金属氢化物电池具有比NiCd电池高出大约50％的容积能量密度且大约等于锂离子电池。金属氢化物可再充电电池的内部化学影响着对这类电池充电的能力。影响对镍可充电电池充电能力的问题的产生就是这类电池内部化学的结果。当镍可充电电池接近于充满状态时，在正电极上所产生的氧，如下所示
氧气通过气体渗透分离器扩散到负电极，在负电极处复合成为镉氢氧化物或水，如下所示
当对这类电池进行再充电时，很重要的是要确保该电池何时已成为充满。例如，如果该电池已成为过充且持续一段延长的时间周期，则在电池内的压力累积就会引起电池失效以及电解液泄漏，从而进一步对充电器形成潜在的损坏。
金属氢化物可充电电池一般都是通过对电池施加一个恒定电流(恒流)而不是一个恒定电压(恒压)进行再充电的。在这种方案中，电池电压逐渐上升，直至电池接近于充满，于是电池电压达到峰值。随着电池进入过充状态，所释放的热量会引起电池温度显著增加，依次会引起电池电压的下降。在过充的时间周期中，电池的压力会显著增加，因为所产生的氧气在数量上大于电池所能复合的数量。不幸的是，众所周知，压力的变化速率比电压或温度的变化速率在幅值上快几个数量级。于是，在不增加内部压力集积、断裂和电解液泄漏的条件下，常规的恒流充电终止方法难以支持非常快的充电速率。正是这一原因，金属氢化物电池可以具有安全泄放口。
一种减小在充满状态时的压力集积的常用方法是提供比正电极大40-50％剩余容量的负电极，气体渗透分离器以及提供可容纳气体有效扩散的有限电解液。这就避免了在负电极处产生氢气同时允许氧与负电极材料相复合。当电池达到充满时，氧气会在正电极处继续产生，但是在负电极处没有产生氢气。如果产生了氢气，电池就会受到过分压力的影响而断裂。因此，氧复合反应控制着电池的压力，正如
图1所示。氧气随之会穿过分离器而与负电极材料反应。该结构的不利方面包括由于过充以及氧化和热量引起的负电极劣化所引起的电池容量的减小以及相应的电池循环寿命缩短。
很重要的是，当达到充满状态时要停止对一个或多个电池的充电，以避免由于内部压力增加所引起的可能电池断裂或泄漏。常规金属氢化物可充电电池不能自己发出适当充电终止点的信号。取而代之，必须依赖有关充电设备中昂贵和复杂检测电路，以确定充电应该何时结束。充电终止一般是由检测电路基于(1)峰值电池电压，(2)峰值电池温度(TCO)，(3)充电时间周期，(4)-dV，和(5)dT/dt来确定的。各种适用于终止恒流充电的已知方法都存在着缺点。例如，基于时间的终止方法不可靠，除了以非常低的充电率，因为电池可以在终止之前变为过充。
基于峰值电压的充电终止在充电周期结束时是不可靠的，因为在终止之前已经存在着过电压的条件。基于电压下降(-dV)的终止一定是与氧的复合有关并且伴随着不利温度的上升。实际上，这就意味着电压检测必须精确和快速。除非环境温度是稳定的，否则就难以精确定测量电压中的变化。此外，当变化率小于0.3C，电压降测量就显得太小而难以精确检测。按定义，在一小时恒定充电中1C充电率引出的电流。基本上等于(即，在80％内)电化学电池或者电池的额定放电容量。仅仅是基于峰值温度的终止也容易受到环境温度变化的影响。
基于温度随时间变化率(dT/dt)的终止比检测绝对温度变化显得稍微可靠些，因为它少受环境温度变化的影响并且因为它不对循环寿命产生负面影响，但是它仍旧是基于热量的，这对电池的性能和循环寿命是不利的。这是因为温度增加较快，事实上，在电压的下降之前。因此，与上述其它方法相比较，就有可能少些破裂和泄漏的风险。这就使得该方法成为当今最常用的充电终止方法。
还想到过基于压力的机理，该机理适用于当压力超过预定水平时在电极和电池端之间的连接断裂。例如，美国专利No.5,026,615披露了设置在端帽组件中的压力敏感开关，其中端帽组件包括导电弹簧件、非导电支承部件和可移动的导电件。导电弹簧件在一端与触点形成电连接而在另一端与可移动的导电件形成电连接。可移动的导电件依次与电极形成电连接。随着内部电池压力的升高，可移动导电件就会对弹簧件施加力，使得弹簧件在非导电支承件上旋转并且与触点断开。因此，这一专利需要第一和第二接触片，其中，一个接触片可相对于其它接触片可移动且围绕着支承点可旋转，以便于相对于其它接触片旋转。这一结构需要比所需部件更多的基本部件，还需要采用紧配公差所构成的组件，从而就增加产品的复杂性和成本。
这些技术的其它实例包括美国专利No.5,747,187，5,405,715,5,741,606，5,609,972，6,018,286，6,078,244和6,069,551，正如其全文所阐述，通过参考方式引用与此。某些这类机理可以防止电池的压力引入的破裂，但是这样做就会永久禁用该电池。在其它情况下，可换向的开关器件可防止电池破裂，但不检测早期充电终止状态以避免热积聚和确保有益电池性能和循环寿命。
另一方面，采用恒压充电方式，在充电开始时充电电流是高的，此时电池能够接受较高的电流，并随后随着电池接近于充满而下降至较低的水平。当恒压充电时，上述适用于结束恒流充电过程的信号就不再有效，因为随着电池接近于充满状态，电池电压是恒定的并且电池温度是校准的。类似于恒流充电的讨论，当充电率大于0.3C时，充电时间就不能用于恒压充电，因为压力失控会损坏电池和充电器。正是这些缺陷，就难以辨别出有效的终止信号方式，并因此适用于金属氢化物电池的恒压充电方法一直被普遍认为是难以实现的。
采用交流充电方式，可以规定的频率和频率组合来调制充电电流，以产生净的正电荷，使得电池变成为充电状态。与恒流或恒压充电相比较，交流电流充电可以在较少压力积聚和温度增加较小的条件下提供快速充电。然而，当使用交流电流充电时，上述适用于结束恒流充电过程的信号就不再有效，因为随着电池接近于充满状态，在响应所施加的交流电流的电压之上就难以检测到电池电压中的变化。其结果是，就难以辨别出有效的终止信号方式，并因此适用于金属氢化物电池的交流电流充电方法一直被普遍认为是难以实现的。应该意识到的是，在所有现有披露中都使用了交流电流充电，这意味着变化的电流会产生净的正电荷，例如，调制的交流电流。例如，交流电流可以是半波整流或全波整流产生一系列电流脉冲，或者交流电流可以采用所需的DC电压来偏置。
在公开的澳大利亚专利申请号199926971 A1中披露一种采用在植入体中快速充电镍金属氢化物电池的方法，通过把来自外部功率传输部分的电功率经皮传输到植入体中功率接受部分。该专利申请认为希望当内部电池电阻较低时进行初始快速大电流充电阶段，随后进行第二较低电流、恒定电池电压充电阶段，以确保电池只采用与电化学状态所允许的一样多的能量来充电，而不会使电池产生多于的气体或发热。可以排除对电池的不利影响，同时可以保持高的充电率。在所披露的方法中，两个充电阶段中的第一阶段包括允许相对较高的恒定充电电流流过功率接受部分同时电池电压上升直至它达到预定限制的充电电压的步骤。在第二充电阶段中，充电电流低于在第一阶段结束时的电流水平且保持电池电压至少接近于预定的恒定电压数值。在澳大利亚的专利申请中，当相关的微电子控制器确定超时的充电电流的变化率没有达到所预定的斜率时第二充电阶段就结束。这种讨厌的两步骤恒流/恒压的方法是本领域中典型的现有技术的方法。
总之，随着金属氢化物可充电电池达到它的充满状态时，就会从正电极析出氧，从而就会增加内部电池的压力并且驱动发热的氧复合反应。在非常高的恒流充电率时，通常是小于一小时，充电电流在充电结束时仍旧非常高。这就会导致电池严重发热并缩短循环寿命。当电池温度高时，现有的终止恒流充电方法并不一定非常可靠。此外，电池发热是有害的，并且希望能够在电池内部的损坏压力开始上升阶段中明显电池发热之前就终止充电。
因此，就需要一种适用于为电池更精确确定充电终止点的方法以及装置，此电池在恒压、恒流和交流电流/电压充电条件下的完全可再充电希望提供一种可换向的调节开关，它可以响应用于确定充电终止点的仿真结果，且与当今的有效技术相比，其复杂性更小和破坏性更小。
还希望提供比当今所取得的技术更经济和更可靠的充电终止检测装置，且与常规的可再充电电池相兼容。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种轴向地延长的可再充电电化学电池，它包括一个限定具有开端的内部腔体的外罐，设置在内部腔体内的正电极和负电极，以及用于封闭开端的端帽。该电池具有一个端帽组件，端帽组件包括一个由热偏差温度在264PSI大于100C以及延伸强度大于75Mpa的材料所制成的柔性部件。该柔性部件可以响应内部电池的压力从罐向内部快速延伸并且从第一位置向第二位置伸展。端帽组件还包括一个与端帽电连接的第一导电元件。端帽组件还包括一个与正电极电连接以及与第一导电元件可移动电连接的第二导电元件。第二导电元件与柔性部件机械连接。当柔性部件响应超出预定阈值的内部压力移向第二位置时，第一和第二导电元件就断开电连接。
从下列描述中本发明的上述和其它方面将变得显而易见。在描述中，参考了作为其一部分的附图，在描述中通过说明并不是限制的方法来示出本发明的较佳实施例。这类实施例并不一定表示了本发明的所有方面，然而，解释本发明的范围就必须参考本文的权利要求。
附图的简要描述图1是说明控制电池压力的氧复合反应的示意图；图2A是包含根据本发明一实施例所构成的压力响应开关和压力泄放口的端帽组件以低压力位置显示的剖面图；图2B是图2A所示端帽组件处于高压力位置的剖面图；图3是包含根据本发明另一实施例所构成的压力响应开关和压力泄放口的端帽组件以低压力位置显示的等比例的剖面图；图4是图3所示端帽组件的剖面放大示意图；图5显示了图3所示的端帽组件的各元件的分解示意图；图6A是合并根据本发明另一实施例所构成的并入一开关的电池的正端的剖面放大示意图；图6B是类似于图6A所示的，但根据本发明另一实施例所构成的示意图；图7是合并根据本发明另一实施例所构成的并入一开关的电池的正端的剖面放大示意图；图8是镍金属氢化物电池在交流电和恒电流充电期间的容量(Ah)与ΔP(psig(磅/平方英寸))的图形；图9是是镍金属氢化物电池在交流电和恒压充电期间的容量(Ah)与ΔP(psig(磅/平方英寸))的图形；图10是根据较佳实施例所构成的多个电池的内部压力(psig)与时间(分)的图形；图11是在使用恒流充电方式进行充电以及随后放电过程中电池压力、温度和电压与时间(分)的图形；图12是在使用恒流充电方式进行充电以及随后放电过程中各种循环的内部压力(psic)与时间(分)的图形；图13是图12所示电池在充电过程中的压力上升的图形；图14是图12所示电池在充电过程中的压力下降的图形；图15是电池在恒流充电下在不同循环时的压力与温度的图形；图16是多个电池在恒流充电下在不同循环时的压力与时间的图形；图17是多个电池在恒压充电下的压力、温度和电流与时间的图形；图18是在恒流充电与恒压充电过程中内部压力与所施加的充电容量的图形和比较；图19是在恒流充电与恒压充电条件下进行充电过程中两个电池的电流包络的图形说明和比较；图20是在分别恒流充电与恒压充电条件下两个电池充电的电池温度与容量的图形说明和比较；图21是图20所示的两个电池充电的电压分布与时间的图形说明和比较；图22是在变化恒压充电下的温度和容量与时间的图形说明和比较；图23是根据本发明另一个实施例所构成的包含压力响应开关和压力泄放口的端帽组件以低压力位置显示的剖面图；图24是根据本发明另一替代实施例所构成的包含压力响应开关和压力泄放口的端帽组件以低压力位置显示的剖面图；
图25是根据本发明另一替代实施例所构成的包含压力响应开关和压力泄放口的端帽组件以低压力位置显示的剖面图；图26A是根据本发明实施例所构成的电池包的示意图；图26B是根据本发明另一个实施例所构成的电池包的示意图；图26C是根据本发明又一个实施例所构成的电池包的示意图；图27是适用于具有匹配和失配电池的电池包的充电和放电容量的图形；图28A是说明根据本发明较佳实施例适用于可充电电池中所使用的聚合体破裂时的拉长90与弹性强度的图形；图28B是说明适用于在根据本发明较佳实施例的可充电电池中所使用的聚合体热偏差温度与弹性强度的图形；图29是根据本发明另一替代实施例适用于具有减小有效容积的可充电NiMH电池的充电容量与充电时间的图形；图30是根据参考图29所讨论实施例所构成的NiMH尺寸AA电池与具有相同容积的超容量电池特性比较的图形；图31A-B说明了根据本发明一个实施例所构成的电池组件；图32A-B说明了根据本发明另一实施例所构成的电池组件；以及，图33A-C说明了具有减小电极容量所生产的电池电极的各个实施例。
较佳实施例的具体描述现在，参考图2A，轴向延伸的电池包括具有封闭端(未显示)和开端13的罐12，设置相对于开端的且从其轴向向下。端帽组件10包括正的端帽18，固定在负的罐12的开端，以对电池提供封闭。特别是，端帽组件10和罐12的开端在尺寸和形状上是相适应的，通过在圆柱形可充电金属氢化物电池组装过程中采用卷边负的罐12的方式使得端帽组件10可以密封包容在开端中。罐的封闭端是常规的且没有显示。
正(即，镍氢氧化物)电极14是采用可移动的方式电连接正的端帽18，这将在以下的描述中变得更加显而易见。电池进一步包括负电极21(即，氢化物电极)，它与罐12电连接，并且碱性电解液(即，钾氢氧化物)可以单独使用或者与其它碱性金属氢氧化物组合使用。电极设置在内部腔室15中，并且由分离器16隔开。包括罐12和本发明的端帽组件10的该电池在内部还进一步包括常规的正的14和负的21盘状电极，尽管这些电极的相对尺寸是可以调节以满足电池的物理和电性能指标。
正的端帽18具有一个触点20，该触点20的尺寸和形状为具有根据本发明所构成的压力响应开关11的电池提供一正端。压力响应开关11包括柔性的非导电单向稳定的金属扣眼22，在尺寸和形状上适用于牢固地固定在开端13中。金属扣眼包括径向向外的密封25，内部插孔27，以及基本上径向延伸的并且将密封与插孔相连接的臂29。应该意识到的是，该臂29是径向通过整个电池的，因此，术语“臂”和“圆盘”在整个披露中可以交换使用。金属扣眼22还包括轴向延伸通过插孔27中心设置的开口19，其中密封着导电的纱筒状的连接体24，该连接体24具有一对各自向外径向延伸的法兰23。在金属扣眼22的外表面和端帽18内表面之间的空间定义了在端帽组件10内部腔体17。
连接体24牢固地固定在金属扣眼22的开口19中，使得导电的连接体可以与金属扣眼一齐移动。根据所说明的实施例，第一环形导电接触片26是一个金属垫片，环绕着连接体24的插孔并且具有一个与上层法兰23电接触的上表面。第二环形导电接触片28(这也是一个金属垫片)也环绕着金属扣眼并且轴向定位在第一接触片26的上游和附近。第一和第二接触片26和28在图2中都是圆环平面，但是它们也可以采用其它形状，正如例如图3-5所示。接触片28具有上表面29，它与端帽电接触，并且是采用可移动的机械的(且因此也是电的)与第一接触片26的底表面接触，将从以下的描述中变得更加显而易见。
金属扣眼22可以采用任何足够柔性、非导电的、不会与电池化学产生不利影响的惰性材料形成。所使用的材料包括，但并不限制于，聚丙烯、聚烯烃和尼龙，还包括填充玻璃的尼龙和其它填充玻璃的聚合体，以下将进行更加详细的讨论。
金属扣眼22的外部密封25包括一个向上和径向向内延伸的边缘唇38，其形状和尺寸可形成与罐的开端紧密密封，以便于提供在电池的内部和外部之间的屏障。边缘唇38也部分定义了在外部密封25中的腔体，在该外部密封中设置了端帽18的外端和第二接触片28。边缘唇38存在着一个径向向外凸起的表面，以允许在电池组装的过程中将罐12卷边在金属扣眼22上。当罐12的轴向下游端在组装过程中卷边在金属扣眼22上，则在金属扣眼22、第二接触片28和端帽18之间提供了紧密的密封，以便于电池的内部与外部环境绝缘。在端帽组件10和罐12之间也可以采用诸如沥青或柏油之类的可选密封膏，以便于增强密封。
柔性导电的带30将导电连接体24与电池内部的正电极14电连接。导电连接体24可以金属圈或者铆钉，通过在其一端上的卷边固定在中心开口19上，以提供固定金属扣眼22的插孔27和第一接触片26的法兰。导电连接体24与第一接触片26处于电接触和物理接触，从而有助于将导电连接体24固定到位。
图2A说明了处于低压力状态中的端帽组件，使得金属扣眼22处于稳定位置。在该低压力状态中，正电极14通过导电带30、连接体24、第一接触片26以及第二接触片28与正端帽18电连接。因此，电池可以通过引入的再充电电流或电压对电池进行充电。其优点是，当电池内部的压力积聚超过预定阈值时，金属扣眼22沿着箭头A所指的方向轴向向下游放松(回送)，以便于将压力响应从图2A所示的第一位置偏置到图2B所示的第二位置。应该意识到的是，预定的阈值可以取决于可以希望采用的充电类型(例如，恒流、恒压，等等)，并且可以由金属扣眼所选择的材料、臂29的厚度和柔性所确定。
参考图2B，当电池内的内压力超过预定的阈值足以使金属扣眼22弯曲时，插孔27就轴向向下游移动，从而也使第一接触片相对于第二接触片28轴向向下游移动，并且去除在两者之间的电接触。其结果是，在触点20上的电连接就不能转移至电池内的电极14，并且可以避免进一步的充电，直至过压状态下降。
可选择的是，在触点20所定义的内部腔体中还提供了绝缘过压塞32。过压塞32也可以根据需要用作为接触压力的预负载，并且当内部电池压力高时可以限制导电连接体24在触点20方向上的移动。塞的垫片34也可以选择性地设置在第二接触片28和端帽18之间，以当金属扣眼22松弛时限制第二接触片的移动，从而进一步确保在高压状态下的两个接触片之间的电连接分离。
应该意识到的是，在一个电池组中可以安装多个电池，并且将它们在构成对电池提供恒压或恒流充电的充电器中串联连接。只要至少有一个电池包括根据本发明的压力响应开关(假定在各个电池中压力是同样积聚的)，则一旦在电池中的压力激励开关去除在端帽18和电极14之间的电通讯，充电就会终止。另外，各个电池都包括开关，使得一旦有一个电池达到最大允许内部压力时所有电池的充电都将终止。另外，电池可以并联方式连接充电电源，在这种情况下，各个电池都将包括一个根据本发明的压力响应开关。
图2A-2B也说明了一可选的安全系统，用于在过压情况下从电池排泄多余的压力(气体)。特别是，导电连接体24可以定义中心设置的压力释放通道36且该通道通过其轴向延伸。因此，电极上所产生的气体能够从电池内部轴向流向下游且通过通道36流到端帽内部17。端帽18限定一个或多个出口35且可以是贯通其中的，使得气体能够从端帽组件10流到外部环境。该出口可以采用密封(未显示)来固定以避免所不希望的泄流，所采用的密封具有在预先选择的压力水平上的延伸强度，以便于从电池释放气体。该密封可以是可逆的，也可以是不可逆的。
因此，出口35可以始终对环境开放，在这种情况下，该电池内部的可逆气密性密封是通过阻塞压力释放通道36来维持的。特别是，过压塞32也可以具有作为过压释放控制的功能，只要它是采用适用于密封压力释放通道36和出口35的诸如橡胶之类可变形的塑性材料制成的(如果不是对环境开放的)。除了所显示的变形材料之外，适用于可靠阻塞压力释放通道的其它结构包括，而不限制于，插头或者弹簧。当内部电池和压力上升足够高的水平时，该阻塞就会从通道36和从出口35脱离，以限定从电池内部到外部环境的压力释放通路。排泄系统释放电池内部压力的压力取决于电池所要维持多大的内部压力；过压塞32的塑性材料的选择是根据希望排泄的压力，但是要仍确保处于低压力。一般来说，对于金属氢化物可充电电池，安全排泄系统响应在激励开关所需的压力和不卷边电池所需压力之间的电池内部压力，例如，根据电池的大小可以是大于400psig和小于2000psig。例如，尺寸为AAA的电池可以在1400和2000psig之间的压力下构成排泄，而尺寸为AA、C和子C的电池可以在400和1200psig之间的压力下构成排泄。
通过通道36和出口35的压力释放路径的开放和关闭是可逆的，但是也可以是不可逆的，这是采用在形状或者尺寸或者位置上不可重复使用的材料所制成的塞子，该塞子可以在第一压力上升之后有效地塞住压力释放的路径。应该意识到的是，在可逆的和不可逆的排泄系统中都可以采用本文所没有披露的其它塞子，以下将作更加详细的讨论。
参见图3，说明了一例具有不可逆排泄的端帽组件的实例，在该实例中，类似于图2A和2B所图示的类似元件将采用相同的标号来标识，图5图示说明了在组装入罐12之前的这些元件。
根据该实施例，第一接触片26不是平坦的，而是包括一个平坦的中间部分和四个臂，各个臂都具有一个末端部分和一个连接着末端的过渡部分，该过渡部分相互间不是共面的。中间部分是与导电连接体24和第二接触片28电接触的。第二接触片28电连接端帽18。接触片26的各个末端部分通过一电绝缘体40与端帽18电绝缘，该电绝缘体设置在两者之间并且对准接触片26的末端部分。
当在电池内产生内部压力时，金属扣眼22就松弛，从而去除接触片26与垫片28的电通讯。在终端端帽18和电极之间的电连接也随之去除，绝缘体40限制了接触片26所允许的轴向移动，并且进一步防止在接触片26的末端和端帽18之间的电通讯。第一接触片26随后与金属扣眼22协调一致响应在内部电池压力的变化，并且当内部压力下降时还可以适用于开关急速返回至低压力的位置。
图3-5所示的排泄系统也可以构成少许不同于图2所示的排泄系统，其中，压力释放通道可以采用粘结或摩擦性啮合的截头圆锥体插头42来插拔的，它适用于在高的内部电池压力时从通道中不可逆的拔出，例如，在AA、C和子C电池尺寸的内部电池压力为400和1200之间以及在AAA电池尺寸的内部电池压力为400和2000之间的压力时。参见图4，绝缘体40可以从终端的端帽18径向延伸至插头42。
在工作过程中，当在接触片26和28之间的连接断开时，电流的流动就下降为零。这一零电流流动可以采用常规的充电器电路(未显示)来检测并且可以理解成是电池已经充电充满的信息。随后，充电器电路也可以指示充电情况结束的信号。这些电路都可以认为是常规的。更重要的是，只需要检测仅仅全部的电流流动的下降，而不需要一般像在常规的金属氢化物可充电系统中那样检测压力、电压、温度或者电流流动速率中的细微变化。
在压力响应开关从低压力位置偏置到高压力位置(即，“偏置压力”)的内部电池压力是可以根据电池的尺寸和形状、充电速率和诸如环境温度之类的其它充电条件而变化的。例如，当电池的负电极具有比电池的正电极高得多的容量时，在低的过充速率下的电池内部压力就可以稳定在诸如30-50psig之类相对较低的水平上。同样，当电池接近于充满状态或达到过充状态时，充电速率越高，电池内部压力就越高。于是，对于负电极具有更高容量的电池设置开关时和/或当电池以非常低的速率充电时，压力响应开关的偏置压力就应该是足够低的，以确保当电池达到充满或过充状态时可以停止充电。相反，当开关用于具有相似的负电极和正电极容量时，或者当电池是以高速率充电时，偏置压力就可以设置在任何水平上，只要它能够满足电池的安全问题，因为电池内部压力能够达到偏置压力是没有任何问题的。
然而，较佳的是，压力响应开关应该具有接近于在电池达到充满的状态时地内部压力的开关压力，以避免过热之类的问题。业内的熟练技术人士都知道怎样来确定在充满或过充点上的电池内部压力。一般来说，对于快速镍金属氢化物可充电电池，压力响应开关可以具有在大约50psig和500psig之间的偏置压力。较佳的是，开关压力小于排泄的压力，例如，在100和400psig之间。特别是，较佳的是，对于尺寸为AA、C和子C的电池来说，开关压力为150和300psig之间，而对于尺寸为AAA的电池来说，开关压力为250和400psig之间。
参见图6A，根据本发明另一实施例所构成的可逆压力响应开关100可以设置在镍可充电电池104的开端的正的端帽102中。电池104通常是与帽分离的，并且它与电池电极电连接。根据本发明所制成的电池可以包括在它内部盘绕的正的106和负的108电极，其中，负电极(例如，氢化物电极)是与具有开端和闭端的110电连接，而正电极(例如，镍氢氧化物电极)是与正的端帽102电连接的，该正的端帽102固定在负的罐110的开端中。电池包含电解液，一般是氢氧化钾。
电池104的开端包括根据较佳实施例所构成的端帽组件112，并且设置在罐110的开端中。在制造过程中，负的罐110的开端可以成形为密封容纳在开端中的端帽组件。电池罐的闭端没有显示，但这可以是常规的。端帽组件112包括正的端帽102和根据本发明所构成的压力响应开关100。
压力响应开关100包括能够提供柔性和主弹簧两种的金属扣眼114，并且具有通过其轴向延伸的中心设置的导电连接体116，或“铆钉”或“插脚”。金属扣眼114可以采用任何材料来制成，只要该材料不与电池的化学物产生负面影响而且还具有足够的柔性能够响应偏置本发明开关的压力增加而移动，正如以上所讨论的。金属扣眼114还包括一个向外和向上延伸的唇115，它的形状和尺寸形成了与罐110的开端的紧密密封，以便于将电池的内部与外部相隔离。该唇创建了一个径向的面向内部的空间117，该空间被端帽组件的部件所占据，正如以下所详细讨论的。在所图示说明的实施例中，该唇115具有一个凸起的外表面，以容纳罐110凹的内表面，这就允许在电池组装过程中罐可以卷边到位。在端帽组件112和罐110之间也可以采用另一种诸如沥青或柏油的可选密封材料，来进一步密封开端。
朝着电池内部的，导电带118将中心导电插针116电连接至正电极106。朝着电池外部，中心插针116也与接触环120电接触，该接触环也是用于将中心插头固定到位的。接触环120是一个环绕着中心插针116的垫片，且沿着接触平面122设置在由正的端帽102和柔性金属扣眼114所限定的内部腔体126内。于是，接触环120是与中心插针116恒定电通讯的。固定在空间117中的是环形导电接触平面122，并且正的端帽102具有触点124，其尺寸和形状为电池104提供标准的正端。于是，当电池104处于低的压力状态，如图6A所示，则接触平面122就与上述正的端帽102和接触环120电连接。因此，触点124通过端帽102、接触平面122、接触环120、中心导体116和导电带118与电极106电通讯。
在工作中，金属扣眼114响应高的内部电池压力向外松弛。当内部电池压力明显增加使得金属扣眼114松弛时，中心插针116就会顶向过压塞128，从而轴向偏置接触平面120脱离接触平面122(未显示)。在接触环120和接触平面122之间的电连接终止，从而终止在触点124和电极106之间的电通讯。于是，可以防止进一步的充电。有利的是，开关100是可逆的，这样，一旦过压的状态下降，在接触环120和接触平面之间的连接就可以重新建立。同样，在端帽组件112空间中在正的端帽触点124上还提供一个非导电的过压塞128，它也可以用于根据需要预先装载接触压力。
正如以上所讨论的，一旦在电池104内存在着过压状态时，在接触片120和122之间的电连接就会断开，在电池104内的电流流动就会下降至零。这零电流流动可以采用常规的充电器电路(未显示)来检测并且可以理解成是电池已经充电充满的信息。随后，充电器电路也可以指示充电终止的信号。这些电路都可以认为是常规的。正如以上所讨论的，在电池内气体流出压力上升发生在缩短电池周期寿命的损坏温度的上升之前。
金属扣眼114还包括一个金属扣眼臂，该臂具有一个向下弯曲的部分121，并将其设计成当内部电池压力达到大于以上所述松弛金属扣眼向外所需压力的排泄压力时就失效。一旦该部分121失效时，受压电池的内容就会通过沿着穿过正的端帽102延伸的孔径123排出电池。
参见图7，图示说明了根据本发明另一实施例的可逆压力响应开关150。特别是，电池154包括具有开端的负的罐152，且开端的形状便于在制造过程中能够将端帽组件172包容和密封在开端中。电池罐的其余部分都是常规的。该端帽组件172包括具有触点157的正的端帽156，触点的尺寸和形状向电池提供一个正的接端。
图7所图示说明的调节开关150包括一个柔性的金属扣眼158，其尺寸和形状都适合于在开端固定且具有一个通过其的中心开孔119。导电的连接体160可以固定在中心开孔上使得导电连接体可以柔性金属扣眼158一齐移动。第一导电接触片162环绕着连接体160且两者间恒定电通讯。第二导电接触片164从金属扣眼158的径向外壁径向地向内延伸，使得至少它的上表面部分可以轴向对准并用接触片162的下表面断开接触。
金属扣眼158包括扣眼臂，正如以上所讨论的类型，具有一个向下弯曲的部分159，它能够在大于打开开关所需压力的预定压力时失效，而在小于所需压力时对电池154就去卷边。塞166轴向设置在接触片162的下游，并且限制金属扣眼158的轴向位移。塞166是一个周边向外弯曲的环面，且包括一对接触端帽156的定位片。塞166的其余外围部分使得具有压力的电池内容在金属扣眼臂158的向下弯曲部分失效时能够流入通道176。绝缘层168设置在接触片162和塞166之间。因此，塞166不会形成电路部分。
金属扣眼158可以任何足够柔性、非导电的惰性材料来构成，正如以上所讨论的，只要不对电池化学产生不利影响即可。根据开关元件的结构，开关150可以响应压力、温度或者两者，这将在以下的讨论中变得更加清晰可见。
端帽156和柔性的金属扣眼158限定端帽组件172中的腔体，在该腔体中设置有第一和第二接触片162和164，以及塞166。当第一和第二接触片162和164是圆环形垫片时，正如图7所示，它们就可以提供其它形状和尺寸，正如以上所讨论的。第二接触片164包括三个凸出的部分174，且最接近于向第一接触片162轴向延伸的径向内部边缘以及相互间径向分离120度。当内部压力小于预定阈值且该预定阈值在很大部分上是取决于金属扣眼158的柔性时，凸出部分174就接触着第一接触片162的下表面，从而构成电路并允许电池进行充电。
向着电池的内部，可以采用以上所讨论的方法，由导电带(未显示)将中心导电引脚160与正电极电连接。金属扣眼158的中心可以进一步用于将中心引脚160保持在它的适当位置上。在金属扣眼158的边缘唇中所保持的是环形导电接触片164和正的端帽156。接触平面164与上述两个正的端帽和接触环162电连接，尽管在存在着高温或压力的条件时后者的连接是断开的。
正如以上所讨论的，端帽组件172还可以包括一个从电池内部泄放压力的系统。当组件包括泄放系统时，导电的连接体160就可以限定一个贯穿其的气体压力释放通道，适用于其它从柔性的金属扣眼158的第一侧的电池内部流向第二侧的端帽组件172，类似于图3和图4所进行的讨论。电池端帽156也定义了一个或多个贯穿其中的出口176，适用于气体从端帽组件172流向外部环境。泄放系统可以是可逆的，也可以是不可逆的。如果没有采用所讨论的泄放系统，也可以提供其它类似的泄放部件。
在工作中，金属扣眼158，可以响应高的内部电池压力，轴向地向着正的端帽156下游松弛(可逆性)并且抵御塞166的弹簧力。于是，调节开关150可以从闭合的位置(正如图7所图示说明的)偏置到开放位置(未显示)，在该位置上，中心引脚160与金属扣眼158轴向地一齐向下游移动。因此，第一电接触片162就变成偏离第二接触片164的位置并且摆脱凸出部分174。于是，接触环162和接触平面164之间的电接触就断开，从而防止进一步的充电，直至过压的状态下降以及金属扣眼返回之图所示的位置，并重新建立在接触片162和164之间的电接触。
图7所示的塞166还可以由温度响应材料所制成，该材料可以在达到预定温度时变化形状。采用这种方法，塞可以改变成在一定的内部电池温度时具有可逆的偏斜或变形，从而减小或去除在中心引脚上的预定负荷以及减小断开在接触环和接触平面之间的电接触所需要的压力。这样，要防止潜在的危害性温度上升，即使在电池内部不存在着任何过压条件下。在工作中，当电池达到预定的温度时，塞166就可以可逆地偏斜或变形并且使得导电连接体162离开接触平面164，从而断开在接触环和接触平面之间的电接触。另外，塞166可以连接至导电连接体或者中心引脚160和端帽156。
当使用温度响应材料时，塞较佳的是采用具有不同温度膨胀系数的两层金属或者合金或者其它材料所构成的双层金属材料制成。其中一层可以具有较高的热膨胀而另一层可以具有较低热膨胀。这样，双层金属材料就可以响应温度而偏斜或变形其方法可通过选择各层中所使用的金属材料或者合金来限定。另外，形状记忆材料也可以用于制成温度响应塞166，例如，镍钛合金。
温度响应塞166另外还可以作为压力响应塞工作。形状记忆材料包括镍钛合金，铜锌铝合金或铜铝镍合金。这些材料可以预先制成如图所示的凹面盘型166，起到弹簧的作用并且施加保持导电接触片162和接触板164在一起以保持电连续性的预定量的力。这些材料具有加热至预定温度时变形和变平的能力或者当内部压力达到预定数值时也能够变平的能力。研究表明适用于与镍金属氢化物或者镍镉电池一起工作的这些材料的最理想温度范围是在70摄氏度和100摄氏度之间。
还应该意识到的是，根据上述任意实施例所图示说明的塞也可以是响应温度和/或压力所构成的。
正如以上所讨论的，充电器可以得出结论，即基于在电池内的零电流流动终止充电，或者才能供电时间已经达到预定数值终止充电。充电器可以在压力响应开关持续开路和闭合的情况下进行间隙充电或者持续充电。因此，充电可以持续直至计时器达到预先设置数值的终止点。这一充电模式在充电速率大于30分钟时特别有利，在这种情况下，当电池接近于充满状态时压力明显增加，并且由压力开关机制所提供的电流通断将持续将充电充至达最大充电状态。如果电池是在非常快的充电速率(充电是在30分钟内或者小于30分钟结束)下以恒压、恒流或者交流电流方式进行充电的，则电池就只可以充电至大约70％至90％，正如所了解的那样，在充电过程中内部电池的压力升高在电池充满之前。本发明者已经确信当获得非常快的充电速率(充电在30分钟内或者小于30分钟结束)时恒压充电更加优于恒流或交流电流充电，因为采用恒压充电电流持续下降至充电结束的，正是如此，与恒流充电相比较压力和温度不会快速升高。例如，在开关开路之前，采用恒压充电可以获得达到85％至90％的充电，相比之下，交流充电只可达到80％至85％的充电，以及恒流充电只可达到65％至70％的充电。在某些情况下，使用根据本发明所提出的开关来完成的快速充电都会对电池的部分充电弥补不利的影响。
在其它情况下，希望能够有一个牺牲时间来确保电池成为完全充满。在这种情况下，一旦充电器检测到零电流时，就等待直至电池内部压力下降，并随后测量电池的OCV(压力释放的泄放特别有利于这类电池和来减小电池的减压时间)。基于OCV，充电器就可以确定电池是否充已充满。
例如，众所周知，充满电的金属氢化物电池将具有1.42V的OCV。因此，如果正在充电的电池的OCV已经超过了1.42-1.48V的预定阈值，则充电器就会确定该电池已充满了。否则，充电器就会得出结论，电池还没有充满。因此，一旦在电池内的压力消失使之重新构建在接触片之间的电接触，则充电器就会重新让电池进行交流或者恒流充电，直至在电池内的内部压力断开电连接。这种重复的处理过程可以持续，直至电池达到预定的OCV或者重复预定的数值，在这时，充电器会向用户提供适当的信息，例如，通过点亮指示灯。另外，用户也可以选择充电终止(例如，达到80％的容量)，在这时，充电器可以计算出相对应的OCV并且当电池已经达到用户所选择的充电终止阈值时终止充电。
当使用恒流充电或者交流充电时，当在电池充满电之前所明显建立的压力是已知时，这一处理更为理想。如果是将恒压充电施加于电池，就希望电池能够在第一次重复之后就能够基本充满，从而允许充电器检测零电流并指示电池已经充满。当以上所讨论的零电流流动的方法也用于和恒流充电和交流充电的方法相结合时，则第一重复结束时电池可能并没有充满。
根据本发明所图示说明和讨论的可逆开关的一项优点是充电终止的检测与氧复合无关。因此，这就不再需要提供多余的负电极容量。在正电极的氧和在负电极的氢都会发展。这两种气体对压力都起作用。在这种情况下，负电极容量可以制成等于正电极容量，以便于电池容量的净增加。当停止充电电流时，氧与氢的复合就形成水。
另一项优点是没有使用气体渗透分离器，这就消除了对在分离器中具有开孔流动通道以便于气体在负电极复合的需要，这有利于分离器干燥和所限定的电池周期寿命，采用本发明的压力响应开关，在通道中可以充满另加的电解液。因此，能够延长周期寿命和增加放电效率。
另一优点是不使用复杂的分析电路来检测充电结束条件，从而减小了相关充电器设备的成本。
另一优点是充电可以比现有电池更快的速率进行。例如，根据本发明的可充电金属氢化物电池可以在45分钟内或者小于45分钟内进行充电，较佳的是在30分钟内或者小于30分钟内进行充电，更佳的是在20分钟内或者小于20分钟内进行充电，对于NiMH 1.3Ah AA电池，甚至于是在10至15分钟，而常规的电池需要大约1小时或者更多的时间来进行充电(1.2C)。充电速率可以加速，因为本发明消除了在充电结束时的过压和高温有关的问题。在这一方面，可以小于1小时的速率来获得快速充电。
另一优点是本发明的电池可以具有比传统的可充电金属氢化物电池更高的容量。这是因为根据本发明所构成的电池可以具有负电极材料与正电极材料更大的平衡比例。与现有的电池技术不同，在现有技术中，负电极具有比正电极大于40-50％的多余容量，而本发明的电池根据较佳实施例可以具有负电极材料与正电极材料的重量比例在任何情况下都为0.9∶1-1.5∶1之间的比例。
另一优点是可以实现气体不可渗透的分离器，该分离器可以制成得比现有技术更薄和更密，以便于为电池中的电解液留下更多的空间。从而延长周期寿命和增加放电效率。
特别是，在正电极的氧和在负电极的氢会在充电过程中发展，这两种气体对压力都起作用。在这种情况下，负电极的容量可以制成等于正电极的容量，以便于电池容量的净增加。当停止充电电流时，氧与氢的复合就形成水。因为，在该实施例中，分离器可以是气体不渗透的，所以消除了在现有技术中为避免分离器完全饱和而限制电解液的注入。
此外，尽管现有技术的可充电金属氢化物电池的正电极一般都包括AB5类合金，但是也有可能采用较高容量的AB2合金，由于考虑到过压关系，这类合金在这种电池中传统意义上被认为是不受青睐的。
本发明还包括对一个或多个包含本发明的压力响应开关的电池进行充电的方法。该方法所包括的步骤有将单个电池或多个电池与功率电源相连接，例如，专用的充电器，对电池进行充电，直至电池内部的压力达到预定的水平，因此开关就偏置于高压力位置且充电电路中断。当充电电路中断时，就可以人工或自动观察到充电电流下降至零。适用于电池充电的充电器可以包括检测零充电电流的电路或者设置在用于终止充电的预定数值上的计时器，以及用于显示充电已经终止的指示器。另外，正如以上所讨论的，充电器可以进行多次的充电重复，以便于对电池提供充满的充电。
当任何一类方法用于结合根据本发明的可逆开关对电池进行充电时，恒定电压的充电方法是较佳的，由于允许电流可以随着充电的进程寻求它自己的下降水平而与电池所承受的过充或过压状态无关。采用恒定施加电压的充电方法，随着在充电过程中电池电压的上升，电流就自动趋向于充电的结束而减小。因此，当电池的充电接受能力高时，在充电的开始时充电的电流是高的，而当电池的充电接受能力减小时就逐渐减小至趋于充电结束的较低充电电流。不需要任何昂贵的和复杂的充电控制。通过电池内部的电阻和电池的自身充电状态就可以调节流入电池的电流。当电池达到充电充满时，所增加的内部压力会激励压力开关终止充电。因此，当充电器指示充电已经终止时，电池将已经充满或接近于充满的状态。
有利的是，并联的数条电池可以采用相同电压源来充电。串联的多个电池也可以根据本发明通过接受等于电池开路电压加上由电池内部阻抗和电路预置电阻所引起的过压的充电电压一起进行充电。有利的是，采用恒定电压进行充电，可以获得比恒定电流充电更快的充电速率，这是由于当电池可以接受较高电流时在充电开始的初始阶段增加充电电流的能力。
然而，应该意识到的是，本发明可以等效地应用于恒定电流和交流电流的充电。正如以上所讨论的，众所周知，当电池充电基本完成时，驻留在金属氢化物电池内部的压力会快速上升。正如以上所提出的，压力随着电池内部出气而上升，就会产生在缩短电池周期寿命的不利温度上升之前。于是，就希望当压力开始上升时和在进入到破坏性过压条件之前终止充电。
实例为了对镍金属氢化物电池的充电在15分钟或者小于15分钟之内，对于具有30-40毫欧内阻的AA电池来说，较佳的是恒定充电电压是大约1.6V至1.65V，其中电池的内阻是由10安培电流以6秒钟间隔在电池OCV电池电压之间的电压差所确定的。对于具有较低内阻的电池(例如，C尺寸电池，所具有的内阻为10-20毫欧)来说，所施加的充电电压可以低于1.6V但高于1.5V。本发明者已经根据经验确定当环境温度处于冻点以上时恒压充电方法是较佳的，而在环境温度处于冻点以下时恒流充电方法是较佳的。
商用的且在端帽组件中包含压力响应开关的AA和AAA镍金属氢化物电池可以在15分钟至30分钟内充电充满，并且当压力响应开关偏置于高压力条件时就终止充电。即使是在延长的周期中，压力信号也是一致的和重复产生的。当环境温度处于冻点以上时，所显示的恒压充电方法较为适用，而当环境温度处于冻点以下时，则恒流充电方法更为有效。AA NiMH消费类电池的压力上升和下降的斜率在整个周期过程中保持相对稳定。当使用恒定电压的电流逐渐减小效应使得电池成为充电充满时形成较低的压力上升。在相同的充电周期中电流的下降也会产生较低的温度上升。也证实了充电是电压越高充电越快，尽管在这种条件下已注意到较高的电池温度。
正如以上所讨论的，众所周知，在金属氢化物电池内部的压力在电池充电基本完成时会快速上升。特别是，电池内部出气后引起压力的上升，出现在使得缩短电池周期寿命的损坏温度上升之前。于是，就希望采用减小破坏过压或过热条件可能性的方法来对电池进行充电。
根据本发明可以采用恒流充电方法或恒压充电方法或组合方法，例如，在恒压之后跟随着恒流。交流充电方法可以是较佳的，因为充电电流是可以调制的，从而减小了过充、过压或过热的机会。不需要任何昂贵的和复杂的充电控制电路。
交流电流或者电压波形的属性典型的是但并不限制于正弦波。全波或半波整流都可以应用于交流电流或电压波形。
图8图示说明了对1600mAh镍金属氢化物电池进行充电的电池压力和温度，使用来自60Hz市电且经过全波整流产生120Hz交流电流频率的交流电流。与恒定的、或者直接的电流充电相比较，在充电结束时的电池压力和温度的变化较小。
图9显示了使用图8所示的交流电流对1600mAh镍金属氢化物电池进行充电的电池压力和温度。与恒定的、或者直接的电压充电相比较，在充电结束时的电池压力和温度的变化较小。
本文所图示说明的实例都是采用来自商用60Hz市电的全波整流电流。本披露所包含的其它实施例包括了全波整流交流电压或半波整流交流正弦波交流电流或电压。其它实施例是包括任意波形的交流电流或电压，包括方波、三角波(或锯齿波)，或任何任意波形或者波形的组合，其它实施例是任意频率或频率组合，或者任意波形或者波形组合的整流和未整流的交流电流或者电压的组合。有利的是，这些充电方法中的任何一种都可以应用于具有以上所讨论的压力响应开关的电池。
现在，参见图10，图示说明了采用恒压为1.65V正在进行充电的四节1600mAh镍金属氢化物电池的电池内部压力与时间。当电池在12分钟内达到充电充满时，内部压力上升至300psig。在电池放电之后压力返回至初始状态。这就验证了镍金属氢化物电池的内部压力可以预测的方式上升和下降，从而可用作为可靠的信号来终止高速率的充电。于是，当压力用作为充电终止信号时，就可以对电池组进行可靠的充电和放电。
现在，参见图11，图示说明了在1A放电至1V之后以3A恒流充电条件下所测量的1300mAh NiMH电池的典型充电和放电特性。测量了压力、温度和电压，并绘出了与时间的图形。该图示说明了对于充电终止来说压力是比温度和电压强得多的信号。压力的上升速率要比温度和电压快得多，因此，压力比温度和电压更适合于作为充电终止信号。
现在，参考图12-21，与图15所示的电压相比较，在循环周期的过程中，压力上升和下降的斜率保持相对恒定。这进一步表示了压力作为电池充电终止点指示的可靠性。
参见图16，三节1600mAh镍金属氢化物电池经受3.7A恒流充电和放电且持续150个循环周期。分别显示了周期1和周期150的电池内部压力，并绘出与时间的图形。这进一步说明了压力信号是可随着周期寿命和不同的电池尺寸和容量重复产生的。
参见图17，两个甚至更小550mAh镍金属氢化物电池串联连接并采用每节电池1.65V的恒压充电源进行充电。测量了内部压力、温度和安培，并绘出了与时间的图形。
图18图示说明了对第一节电池以6A恒流进行充电，以及对第二节电池以1.6V恒压进行充电的内部电池压力与容量的函数。图19图示说明了第一节和第二节电池的电池电流与容量的函数。图20图示说明了第一节和第二节电池的内部电池温度与容量的函数。图21图示说明了第一节和第二节电池的电池电压与容量的函数。正如图示所说明的，恒压优于恒流的一个显著优点是随着电池电压上升接近于所施加电压时充电电流趋向于充电结束而逐渐减小。逐渐减小的效应引起在充电结束时较低压力的上升和较低温度的上升，从而允许电池变得可以充电充得更足。电流下降在相同的充电周期中也会产生净的较低温度的上升。
现在，参见图22，图示说明了两节电池在两个不同电压条件下充电的电池温度和充电输入容量与时间的函数。可以观察到，对于具有相同内阻的电池来说，较高的充电电压会产生较高的充电电流。因此，电压越高，则充电就越快，但是电池在越高的充电电压下也会越热。该图进一步图示说明了在越高的充电电压下打开进时，电池可以越快达到较高的充电状态。这也显示了当压力激励开关在较高的充电电压电池的情况下，电池的温度根据开关的通断条件而下降。电池可以在这种状态继续接受充电，但是在由压力开关所提供的间歇电流下的的条件的较低温度。对于采用压力开关作为调节充电条件结束的部件来说，这是一项优点。
正如以上所讨论的，较佳的是，根据本发明的一例实施例提供了在快速充电过程中采用小于或等于大约1.6-1.65V的恒压充电，尽管本发明试图在1.2V和2V之间的任何恒压充电都可以本发明的方法来实现。
例如，本发明认为，在某些情况下，希望起初将电压充电控制在大于1.65V的电平上，其中，1.65V用作为例子，应该意识到的是，该电平可以是在1.2V和2V之间的任何电压电平，包括这些电平可以在1.2V和2V以0.05V递增的范围内。应该意识到的是，这些基准都是大约的，并且包括偏离基准的±0.05V的电压。根据本实施例，恒定电压逐渐减小作为一个或多个可测变量的函数，如充电持续时间，充电电流、电池温度、电池电阻或者电池电压。有利的是，表明电池的初始充电可以较大，随着电池接近于打开压力响应开关的充电终止点，电池可以接受等于或者小于1.65V的充电。
例如，一例实施例想象对电池的初始充电是1.75V(这仅仅只是作为实例)，并且充电电压响应电池温度的上升而下降预定数量。电压的下降可以是连续的，但时间不是独立的，于是就产生具有负的斜率电压曲线的可变电压。曲线是，恒定的或是线性的，取决于电池温度变化的速率。另外，可以预定的时间周期之后下降发生，从而产生多个阶梯状恒定电压，其中后续阶梯是比早先阶梯更小的充电电压。根据较佳实施例，电池温度每上升摄氏一度，则电压下降在.5％和5％之间(较佳的是在2％和4％之间)，其中温度的上升可使用设置在电池附近的热敏电阻来获得。一旦所施加的充电电压等于预定偏置电压时，例如，等于1.65V，则充电电压就维持恒定，直至测量到过多的温度(例如，大约50摄氏度)，或者时间的预定长度结束(例如，小于15分钟)，这可以理解成压力响应开关也可以调节电池的充电。
因此，电池在充电的周期中就变成充满的状态。应该理解的是，在1.65V作为上述实例中的基准的同时，该基准可以是在1.2V和2V之间的任意电压电平，包括在1.2V和2V之间的范围内以0.05V增量下降的这些电平。
现在，参见图23，根据本发明另一替代实施例所构成的轴向延伸电池包括罐312，该罐具有闭端(未显示)和开端313，相对于开端且轴向向下设置。端帽组件310包括正的端帽318，它固定在负的罐312的开端，以便于封闭电池。特别是端帽组件310和罐312的开端在尺寸和形状上是相互适合的，使得在圆柱形可充电金属氢化物电池组装过程中通过卷边负的罐312将端帽组件310密封包容在开端中。罐的闭端是常规的，并因此而没有显示。
正(例如，镍氢氧化物)电极314与正的端帽318是处于可除去的电连接，从以下的讨论中将变得更加显而易见。电池可进一步包括负电极321(例如，氢化物电极)，它与罐312形成电连接和碱性电解液(例如，钾氢氧化物)，它可以单独的电解液或者是与其它碱金属氢氧化物组合的电解液。电极可以设置在内腔341中，并且由分离器316分离。包括罐312和本发明的端帽组件310的电池还包括在其内部的常规正的314和负的321盘状电极，尽管这些电极的相对尺寸可以调整使之满足电池的物理和电性能指标。
正的端帽318具有一个触点320，其尺寸和形状为具有根据本发明所构成的压力响应开关311的电池提供正端。压力响应开关311包括一个金属扣眼322形式的柔性非导电单稳态部件，其尺寸和形状适于牢固地固定在开端313中。金属扣眼322包括径向向外的密封325，内部插孔327，以及基本上径向延伸的并且将密封与插孔相连接的臂329。金属扣眼322还包括轴向延伸通过插孔327中心设置的开口315，其中安置金属圈324的方式密封着导电连接体；该金属圈具有一对相对地向外径向延伸的法兰323。在金属扣眼322的外表面和端帽318内表面之间的空间限定端帽组件310内部的腔体317。臂329径向延伸通过电池，因此与那些臂是径向和轴向地向负端延伸的电池相比较，减小了空腔317的腔体。因此，增加适用于电池310的有效电池部件可用的内部容积相对地增加电池的容量。根据该实施例，在触点320的上表面和金属扣眼322的下表面之间的距离大约是3.8mm，从而保持了适用于电极的剩余电池高度。
连接体324牢固地固定在金属扣眼322的开口中，使得导电的连接体324可以与金属扣眼一齐移动。根据所说明的实施例，第一环形导电接触片326是一个金属垫片，环绕着连接体324的插孔并且具有一个与上层法兰323电接触的上表面。第二环形导电接触片328(这也是一个金属垫片)也环绕着金属扣眼并且轴向上游定位，在第一接触片326附近。第一和第二接触片326和328在图23中都是圆环平面，但是它们也可以采用其它形状，正如以上所讨论的。在金属扣眼臂329的上表面和接触片328的下表面之间设置弹簧件334，使得接触片328可以向外偏置以至于接触片328的下表面电连接着端帽318，并且是采用可除去的机械的(且因此也是电的)与第一接触片326的底表面接触，将从以下的描述中变得更加显而易见。弹簧件334较佳的是非导电性。
正如以上所讨论的，金属扣眼322可以采用任何足够柔性、非导电的、不会与电池化学产生不利影响的惰性材料。
金属扣眼322的外部密封325包括一个向上和径向向内延伸的边缘唇338，其形状和尺寸可形成与罐的开端紧密密封，以便于提供在电池的内部和外部之间的屏障。边缘唇338也部分限定外部密封325中的腔体，在该腔体中设置了端帽318的外端和第二接触片328。边缘唇338存在着一个径向向外凸起的表面，以允许在电池组装过程中将罐312卷边在金属扣眼322上。当罐312的轴向下游端在组装过程中卷边在金属扣眼322上时，则在金属扣眼322、第二接触片328和端帽318之间提供了紧密的密封，以便于电池的内部与外部环境绝缘。在端帽组件310和罐312之间也可以采用诸如沥青或柏油之类的可选密封膏，以便于增强密封。
柔性导电带330将导电连接体324与电池内部的正电极314电连接。导电连接体324可以金属圈或者铆钉，通过在其一端上的卷边固定在中心开口19上，以提供固定金属扣眼322的插孔327和第一接触片326的法兰323。导电连接体324与第一接触片326电接触和物理接触，从而有助于将导电连接体324固定到位。
图23说明了处于低压力状态中的端帽组件，这时金属扣眼322处于稳定位置。在该低压力状态中，正电极314通过导电带330、连接体324、第一接触片326以及第二接触片328与正端帽318电连接。因此，电池可以通过引入的再充电电流或电压对电池进行充电。其优点是，当电池内部的压力积聚超过预定阈值时，金属扣眼322沿着箭头B所指的方向轴向向下游放松(回送)，以便于将压力响应从图23所示的第一闭合位置偏置到第二开放位置。应该意识到的是，预定的阈值可以取决于可以希望采用的充电类型(例如，恒流、恒压，等等)，并且可以由金属扣眼所选择的材料、以及臂329的厚度和柔性所确定。
当电池内的压力超过预定的阈值足以使金属扣眼322弯曲时，插孔327就轴向向下游移动，从而也使第一接触片326相对于第二接触片328轴向向下游移动，并且去除在两者之间的电接触。其结果是，在触点320上的电连接就不能移动至电池内的电极314，并且可以避免进一步的充电，直至过压状态下降。
图23还说明了一可选的安全系统，用于在过压条件下从电池排泄多余的压力(气体)。特别是，导电连接体324可以定义中心设置的压力释放通道343且该通道通过其轴向延伸。插头345，较佳的是由橡胶或其它合适的应允的材料所制成，设置在该通道343，并且提供防止受压的气体从该通道343流出的密封。因此，随着在电极上所产生气体，压力就在电池内部341中积聚。一旦压力达到预定的最大阈值，插头就会沿着箭头B所示的方向轴向向下游偏置并且进入到端帽内部317。当插头345不再密封通道343时，图23所示的泄放机制是不可逆的。端帽318规定了一个或多个出口355且可以是贯通其中的，使得气体能够从端帽组件10流到外部环境。该出口355可以采用密封(未显示)来固定以避免所不希望的泄流，所采用的密封具有在预先选择的压力水平上的延伸强度，以便于从电池释放气体。该密封可以是可逆的，也可以是不可逆的。因此，正如所图示说明的，出口355可以始终对环境开放，在这种情况下，该电池内部的气密性密封是通过在工作过程中阻塞压力释放通道343来维持的。
现在，参见图24，图示所说明的电池310具有图23所图示说明的压力响应开关311，但是具有不同的泄放结构。特别是，插头345包括轴向延伸通过通道343的颈部353，并且规定义一个内部轴向延伸的通道359。横向臂357设置在插头345的轴向外端，并且提供对通道的密封，以避免在正常工作过程中气体泄流到腔室317中。然而，如果内部电池压力达到预定的阈值，臂357就会断开，从而使得受压的气体通过通道359和出口355流出电池。因为臂357在工作过程中断开，所以泄放装置是不可逆的。
现在，参见图25，所图示说明的电池310具有图23和图24所图示说明的压力响应开关311，但是具有不同的泄放结构。特别是，插头345包括一个密封部件360，它设置在通道343中并且避免受压的气体流入腔室317中。密封部件360通过轴向延伸的臂362连接着毗邻触点320内表面的基板364。因此，当内部压力达到预定阈值使得金属扣眼322移动，断开在部件326和328之间的电接触时，正如以上所讨论的，密封部分360就相对于金属扣眼322和金属圈324轴向向上游移动。一旦密封件360与金属圈324的下表面分开时，受压的气体就会通过通道343流动并经过出口355流出电池。如果泄放插头基板364仅仅只是毗邻触点320，但并没有连接着触点320，则插头就会在泄放过程中压扁在电池内，从而呈现出该插头不能够再次使用。然而，基板364也可以粘结在触点320的内表面上，在这种情况下，插头345的结构完整性可以在泄放过程中得到维持，从而呈现出该插头345可逆的。
本发明认识到在对第二类尺寸AA和AAA电池进行快速充电时，一般都需要高电压(通常对于AAA、AA、C和C电池是在1.2和2V之间的范围内)和电流(通常对于尺寸为AAA和AA的电池是在4和15安培的范围内)。
其结果是对电池的充电速率根据电池的尺寸在2C和50C之间的任意位置上。例如，使用本发明，2000mAh AA电池可以3-5C的速率进行充电，较佳的是4C，而800mAh AAA电池可以5-7C的速率进行充电，较佳的是6C。应该意识到的是，尺寸为C和D且包括根据本文所讨论的任意实施例所构成的压力开关的电池都可以使用比AA和AAA电池相应地较高的充电电流进行充电，以产生可比较的C速率。例如，3500mAh C电池可以使用在10和30A之间的电流以3-5C之间的速率进行充电，且较佳的是4C。
快速充电会在电池内部产生热量，从而在充电过程中增加电池温度。所形成的多余的温度会损坏常规的电池部件。因此，开发能够快速充电的较大的电池都受到电池所能够承受温度的限制。许多常规高功率的应用都得益于较大的可充电电池，例如，子C尺寸的电池可以在诸如电动工具等等中使用。
数种电池系统当今正在电动车辆中竞争称雄包括铅酸，镍镉，锂离子，锌空气和镍金属氢化物。为了为驾驶行业所接受，希能对电池的充电时间减少至最小，或许不比现有有车辆的加注汽油的时间多。这是十分重要的挑战，过去历史上曾限制接受电动车辆的电池系统。
正如以上所讨论的，电化学，特别是，包括限制过压的压力开关的NiMH，可以采用恒压的方式充电。充电的压力开关和恒压方式的组合允许电池以高的速率进行充电。这就减小了充电所需的时间，这是各种应用和设备中的一大优点。
例如，包括电池内充电控制机制(即，本文所讨论的压力响应开关)的大电池可以作为电动车辆或者混合电动车辆的电池使用。在没有限制本发明范围的条件下，由具有电池内充电控制的电池所组成的电池组的尺寸范围在长度、高度和宽度上大于5cm，这些都是商用开发的典型值。尽管如此，仍旧希望增加电池对升高温度且与其大小无关的容差。
本发明的一例实施例认为电池部件材料的明智选择可减小或消除快速充电的不良效应。具备高温工作的材料使得电池可以较高的速率进行充电。此外，希望设计适用于电池的电流传输部件以最小化内部电池电阻抗，因为在高速率充电过程中由电池所产生的热量随着电池电阻的增加而增加。因此，就希望提供适用于快速充电的低电阻和热稳定的材料。例如，在以上所讨论的压力响应开关中，就希望所披露在快速充电过程中暴露或升高温度的金属扣眼、插头、绝缘体、压力塞以及任何其它非导电件都是有热稳定的材料所组成。否则，这些部件在工作中就会失效。已经确定聚合体材料的某些特性允许电池具有高温工作的功能。在较佳实施例中，具有“干式模压”拉伸强度大于75MPa、断裂时的百分比延长小于或等于50％以及在263psi的热偏差温度大于或等于100摄氏度的聚合体可以提供在快速充电过程中所经历的提高温度等等的显著功能。
例如，图28A绘出了在断裂时百分比延长与拉伸强度的函数，而图28B绘出了热偏差温度与拉伸强度的函数。图28A和28B都图示说明了玻璃填充的聚酰胺，例如，玻璃填充的尼龙6，6、玻璃填充的尼龙6，12以及玻璃填充的聚酞酰亚胺；和芳族聚酰胺，例如，没有玻璃填充的聚酞酰亚胺，以及拉伸强度大于75Mpa和断裂时的延长小于50％的其它聚合体，能满足以上特性并且都是适用于快速充电时暴露于升高温度的非导电电池部件的较佳聚合体材料。在聚酰胺中的玻璃含量可以按质量计1％至50％的范围内，并且较佳的是按质量计5％和12％之间。也已经发现，具有在264PSI时热偏差温度大于120C或者较佳的是大于200C的聚合体适用于以上所讨论的电池部件。在某些情况下，还希望电池的分离器具备热稳定性，例如，使用聚丙烯，或者，混合的，或者表面改良的，或者改良的聚丙烯，或者其它类似热稳定性材料。
正如以上所讨论的，希望将电池电阻减小来限制在充电过程中的温度增加。已经确定高导电性不含铁的合金材料可以用于第二类电化学电池的电流传输金属部件，以降低电池电阻。例如，可以使用诸如铍铜之类的铜合金，以及其它具有高热和电传导性的金属，除了镀镍的钢触点之外，还包括但并不限制于，镀银的电触点或者镀金的或者镍的触点。应该意识到的是，电池包括暴露于电解液中的电流传输部件，例如，图2A和2B所示的导电带30和铆钉24，图6A所示的导电引脚116和导电带118，以及图7所示的连接体160。希望这些部件，除了具有高的导电性之外，还具有耐腐蚀性溶液的化学性。已经发现，镍或镍合金由于它们所具有的高的热和电传导性以及低成本的特性可以产生所需要的结果。
减小电流传输部件或者与电流传输部件直接接触的其它部件的电阻可以通过提供较厚的电极带来获得，从而减小便于电流流动的部件电阻以及还能增加热的传递。例如，参见图6B，尺寸为子C、F、C或D(基本上包括直径大于15mm的任何电池)都可以得益于较厚的电极带118，其厚度在5/1000和20/1000英寸之间，如图所示。还应该意识到的是，118还可以从各个电极108和触点铆钉116向上延伸。此外，导电盘125可以将各个电极106的底部与外部罐110相连接，以便于增加电流集合体的导电性，正如在现有技术中所通常实现的。在电池中的高充电速率的适应性调整以及同时减小在充电电池内部所产生的热量可以进一步降低内部电池的压力。减小压力和热量可增加在开关打开之前的电池充电的时间长度同时减小由于扩展地暴露于高温所产生的电池电化学容量的任何化学衰退。
应该意识到的是，本发明可等效应用于所有NiMH电池，包括较大尺寸的电池(例如，尺寸为AAA、AA和子C)以及较小格式(例如，NiMH)电池，例如，钮扣电池、硬币电池和较小的圆柱形电池，例如，N和AAAA尺寸的电池，以及棱镜型电池。希望小尺寸电池包括所有具有小于3cm3体积的电池。业内熟练的技术人士将会意识到，以上根据本发明所讨论的实施例可以较大尺寸的NiMH电池和较小尺寸的NiMH电池来实现。例如，根据本文所讨论的任意实施例的压力响应开关可以安装在小规格和大规格的NiMH电池中。这就增加了电池的有用性，特别是在无线设备中的应用，例如，非常需要进行快速充电(电平在1.2和2V之间以及电流水平在4和15A之间)的GSM手机、PDA、助听器以及头戴式耳机，作为小规格的电池可以使用结合任何上述压力开关的快速充电方法在几分钟内进行充电。
本发明还认为通过首先仔细匹配(蓄)电池组各个电池容量的方法可以最大化常规电池组的安全性以及性能，以便于至少避免在电池组中至少一旦电池的过充或过放。业内熟练的技术人士都认为在电池组中的电池的过分放电会引起正和负电极的翻转，并且分别变成为负和正的电极。因此，本发明的一例实施例集中于多个第二类电池(包括NiMH电池)，至少有一个包括压力响应开关的电池，可防止在电池组串中的个别电池的过充和过放，从而进一步消除仔细匹配电池的需要以及使得电池组可以只在大约数分钟内充电充满。电池组在本文中被广泛定义成多个电连接起来的电池以产生大于单个电池输出的电压和/或电流。该电池组可以构成提供标准尺寸的电池组(例如，当多个AA或AAA尺寸的电池连接成尺寸C或D的电池组)，或者该电池组可以构成提供大于标准尺寸电池组输出的电流和/或电压，例如，通常可用于操作手机、数码相机、摄像机、诸如钻孔和旋螺丝的电动工具、个人数字助理或者便携式计算机的电池组。
应该意识到的是，可以将多个电池安装在一个电池组中并且在构成对电池提供恒压或恒流充电的充电器中串联连接。特别是，现在，参见图26A-26C，这类电池组370的各种实例包括了多个以一个或多个条状排列的电池，其中各个电池可以包含根据任何上述实施例的压力响应开关，取决于电池和条状之间的连接类型。应该意识到的是，电池组可以提供适用于电动车辆或者混合电动车辆电池组以及其它等等类型的大电池组，或者另外可以包括多个较小的电池(例如，尺寸AA或AAA)以组合方式提供尺寸为C或D电池。
图26A图示说明了具有电池372的条371的电池组370，它可与充电器电路374串联连接，使得通过在任一电池中的开关触点的开路终止充电来终止串联连接中的各个电池的充电。该实施例试图将压力响应开关可以安装在串联的所有电池中。因此，当具有最低充电容量的电池终止充电时，电流就停止通过条371中所有电池。当初始充电终止之后电池仍保持着充电时，则充得最满的电池中的开关将以占空比来重复闭合和导通，从而允许充电间隙流过在组中所有电池。于是，具有较大充电容量的失配电池将会接受到间隙地充电(即，恒流或恒压的充电)。失配电池的充电容量会以比充满电(或者几乎充满电)的电池更快的速率减小，从而使得失配电池的放电容量恢复到相对于充满的电池。本发明有利的是克服了在给定电池组中仔细匹配电池的需求。
根据另一实施例，条371可以包括一个具有相对较低充电容量的电池。因为那个在条371中的电池的充电容量在正常工作期间降低至少于其它电池电平(当所有的电池都暴露在相同的充电电流下并且也以相同的速率进行放电)，所以仅仅只要这个电池含有压力响应开关。将该开关安装在具有最低充电容量的电池中，就能够确保没有一个电池会在工作中变成过充，只要充电器A)能够检测到由于电池开关的开路所引起的开路条件，和B)终止充电，以便于防止1)这些不包括压力开关的电池的过充，和2)将不具有压力开关的这些电池充电至大于具有压力开关的这些电池的电平。另外，在条371中的多个(但不是所有)电池都可以包括压力开关。该实施例认为通过提供电池条可以保存成本和资源，其中，不是每一个电池都需要压力开关。
现在，参见图26B，电池组370包括电池372的条371，电池372以并联方式连接着充电器电路374，以增加电池组的放电电流。因为电池372是以并联方式连接的，所以一个电池在充电器电路中的断开不会中断对所有电池的充电，而是会增加对没有断开电池的有效充电电流。只要需要，压力响应开关可以安装在各个电池中，以防止电池过充。
正如图31A所图示说明的，图26B所图示说明的电池组370可以通过提供多个电池372(在第一实施例中是4个)来制成。电池372的正端376和负端378是对准的。所提供的导电盘380具有多个孔径382且贯穿其中，以构成接受正端376。提供一对导电的圆形盘384并与电池372的正端和负端相连接(较佳的是焊接的)。随后，电池可以封装在电池组封装外壳中，使得电池372的正端和负端电连接着外壳的各端，这样就可以构成D或C尺寸的电池。外壳也可以另外构成，以便于提供任何受益于包含多个AAA或AA尺寸电池的其它电池。
图26C试图说明电池组370可以进一步包括电池372以串联方式连接的多个条371和373，其中各个条371是以并联方式连接的。在该实施例中，在该条371中的任何指定个别电池372中所设置的压力开关都会停止在该条中的所有电池的充电。然而，因为条371和373是并联连接的，在其余条373中的电池372会继续充电，直至在条373中一个电池的压力响应开关被激励为此。还应该意识到的是，可以任意数量的条相连接，这取决于电池组370所需要的放电容量。于是，应该意识到的是，压力响应开关可以安装在各个条中的一个电池内，正如以上所讨论的，或者也可以安装在一个或者多个条中的各个电池内。
图26C所图示说明的电池组370的制造可以图32A-B来图示说明。特别是，电池372中所提供的第一条371与正端376相对准。第二条373具有负端378且与第一条371的正端相对准。提供了一对导电带388。一条导电带388连接着第一条371的正端376，而另一条导电带连接着第二条373的负端378。于是，导电带388以并联的方式连接着各个条中的电池。条371和373通过导电盘384串联连接，该导电盘384连接着(较佳的是焊接)导电带388另一侧的电池372的端点。绝缘件390贴在盘384上，以防止盘与任何外部部件的电连接。而该盘390包括4个开孔392，各个开孔可与4个电池的正端相匹配(以便于包容电池的端点376)，尽管根据本实施例对应于条373的端点376需要在盘390中形成一对开孔392即可。于是，只需要通过带388就可以提供与电池372的电连接。因此，电池372就可以插入在所需尺寸的电池组外壳中。
在指定条中的失配电池在仅仅几个充电一放电周期之后恢复它们容量的能力取决于电池在第一个电池开关开始交替开路和闭合之后电池处于在充电器中的时间长度。例如，参见图27，两个匹配的电池在周期1-8中串联连接，电池组的充电和放电容量保持相对恒定。在周期9中，一对失配的电池(其中一个仅仅只具有25％的充电容量)串联连接。当对电池进行充电时，其中一节电池会具有比另一节电池更大的充电容量。然而，在充电周期中，如果当较低充电容量的电池开关开始重复时电池仍保持在充电器中持续一段时间，则由于当重复电池的开关闭合时在重复电池中所存在的复合反应使得较高充电容量的电池将会变成以相对于重复电池更高的速率进行充电(见图1)，从而允许电流流过所有连接着的电池。因为存下的还没有充满的电池不再经受复合反应，所以它们仍将继续充电，即使重复的电池经受复合反应。这一趋势将持续数个周期(根据所图示说明的实施例共计5个周期)，直至两个电池的容量成为等效。当然，周期的数目取决于在第一个电池开始重复之后施加于电池的充电的时间长度。
众所周知，以并联方式所连接的电池的放电容量在放电过程中随着具有较高放电容量的电池所产生较高的电流输出而达到平衡。本发明的压力响应开关也能够使得多个以串联方式连接的失配电池可以在一段时间周期之后成为匹配电池。
根据本发明的另一实施例，认为用户愿意缩短充电时间，即使这在使用过程中会引起稍微减小的电池容量。在工业界趋向于持续努力增加电池容量的同时，本实施例认为，希望能够减小可充电电池的容量，例如，通过制造较短长度的电极，或者较薄的厚度，或者具有惰性的填充材料(本文定义为对电池部件或化学液不产生反应)，从而减小有效电池部件的容体，正如参见图33A-C所讨论的。可以预期的是，包括了阳极和阴极的有效电池部件只占20和40％之间就可以减小对电池充电所需的时间，并且还可以进一步增加电池的效率，正如现将所讨论的。
例如，参见图33A，惰性材料层127插入在电极106中，使得电极材料设置在层127的两侧。这就增加了电极106的整体厚度，减小了电极108的厚度。另外，惰性材料层127可以插入在两个电极1006和108中，正如图33B所图示说明的。还有，惰性材料127可掺合在任一电极(图33C所示的电极106)中，而惰性层127可以插入在另一电极108中。另外，另一电极的厚度也可以减小。还有，惰性材料可以与两个电极106和108相混合。还有，减小电极厚度、插入惰性层以及惰性材料与单个或两个电极相混合的组合都会减小有效材料。以上参见图33A-C所讨论的实施例在降低有效材料容积的同时保持了轴向的长度(并因此保持了接触表面面积)。因为电池的效率是由有效电池材料的单位容积的表面接触面积的比率所确定的，图33A-C所图示说明的实施例，以及它们的等效实施例，都增加了电池的效率。
另外，可以减小电极的长度。而这会降低表面接触面积(这里没有增加电池的效率)，因此减小电极的长度会引起减小对电池充电所需的时间长度。
特别是，已经发现在对具有根据本文所讨论的任一实施例所构成的压力响应开关的电池以恒定电压进行快速充电(正如以上所讨论的)时，减小在可充电电池中的有效容积(例如，为了获得尺寸AA电池的700-1600mAh的放电容量，和尺寸AAA电池的200-650mAh的放电容量)会将充电时间减小至只有几分钟。
这样的充电时间呈现出了NiMH可充电电池与超级电容器的快速充电时间的更多竞争性，同时保持了电池所固有的优点。例如，图29图示说明了充电容量与充电时间的函数。具有根据以上所讨论的任一实施例的压力响应开关的尺寸AA的NiMH电池所能够接受的充电容量是仅仅只在5分钟之后就充至800mAh，并且仅仅只在7分钟充电后就可充电至1Ah。NiMH电池的另一益处是它的相对平坦的放电电压，而超级电容器呈现出陡峭斜率的放电电压曲线。
图30图示说明了NiMH AA电池的另一优点。由于超级电容器没有提供商用的AA尺寸，图30阐述了在NiMH AA电池和多个相似容积的超级电容器之间的比较(本文为了简化和便利的目的将NiMH电池和超级电容器通称之“电池”)。特别是，图示说明了电池的充电容量，以及所测量到的各个超级电容器的额定容量按法拉第计。对所有的电池的标称电动势(E)是以V来测量，而放电时间是以分钟来测量。所得到的各个电池的充电容量是以安培-小时(Ah)来测量的，而测得的释放能量是以瓦特-小时(Wh)来测量的。最终，电池是基于能量密度来进行比较的，以单位立升的Wh来测量，而各个电池的内阻是以毫欧(mΩ)来测量的。可以观察到，NiMH电池组的能量密度比超级电容器的能量密度大若干个数量级，而内阻类似于超级电容器，从而使得NiMH电池组可具有更高的放电速率。
上述描述是本发明的较佳实施例，且对业内熟练技术人士来说，可以在不背离本发明精神和范围的条件下进行许多改进。为了提醒广大公众各种实施例都可以在本发明的范围之内，特制定了下列权利要求。
权利要求
1.一种可再充电的电化学电池，它定义了一个正的和一个负的端点，其特征在于，所述电池包括(a)外罐，它定义了内部腔体，并在内部腔体内设置了正电极和负电极；以及，(b)开关组件，它包括i.柔性部件，它是由热偏差温度在264PSI大于100C以及延伸强度大于75Mpa的材料所制成的，其中，所述柔性部件可以响应内部电池的压力从第一位置向第二位置伸展；ii.第一导电元件，它与正极端电连通；iii.第二导电元件，它与正电极电连通，以及与第一导电元件可移动电连通，其中，所述第二导电元件与柔性部件机械连通；以及，其中，当柔性部件响应超出预定阈值的内部压力移向第二位置时，第一和第二导电元件就断开电连通。
2.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述柔性部件当内部压力下降至低于预定阈值时就从第二位置返回至第一位置。
3.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述柔性部件的材料是选自一组包括玻璃填充聚酰胺和芳族聚酰胺的材料。
4.如权利要求3所述电化学电池，其特征在于，所述玻璃填充聚酰胺是选自一组包括玻璃填充尼龙6，6，玻璃填充尼龙6，12和玻璃填充聚酞酰亚胺的材料。
5.如权利要求4所述电化学电池，其特征在于，所述玻璃填充聚酰胺含有在1％和50％之间的玻璃，按时量计。
6.如权利要求5所述电化学电池，其特征在于，所述玻璃填充聚酰胺含有在5％和12％之间玻璃，按量计。
7.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述柔性部件材料具有大于75Mpa的拉伸强度，以及在断裂时小于50％的拉长。
8.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述柔性部件材料在264PSI时具有大于120C的热偏差温度。
9.如权利要求3所述电化学电池，其特征在于，所述芳族聚酰胺包括聚邻苯二甲酰胺。
10.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，进一步包括分离器，它设置在正的和负的电极之间，其中所述分离器包括聚丙烯。
11.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述正的和负的电极中的一个包括惰性材料。
12.如权利要求11所述电化学电池，其特征在于，所述惰性材料包括一层插入在至少一个正的和负的电极中的材料。
13.如权利要求11所述电化学电池，其特征在于，所述惰性材料包括掺合在至少一个正的和负的电极中的材料。
14.如权利要求11所述电化学电池，其特征在于，所述正的和负的电极材料的累积容积可减小在20％和40％之间。
15.如权利要求11所述电化学电池，其特征在于，所述电化学电池是尺寸为AA的电池，其所具有放电容量在700和1500mAh之间。
16.如权利要求11所述电化学电池，其特征在于，所述电化学电池是尺寸为AAA的电池，其所具有放电容量在200和700mAh之间。
17.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述电池是镍金属氢化物电池。
18.如权利要求17所述电化学电池，其特征在于，所述电池是小规格的电池。
19.如权利要求17所述电化学电池，其特征在于，所述电池是大规格的电池。
20.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述内部腔体限定开端，所述电池还包括用于封闭所述开端的端帽。
21.如权利要求20所述电化学电池，其特征在于，所述柔性部件将内部腔体划分成电池内部和端帽内部，并且其中，通道轴向延伸通过所述柔性部件，使得内部腔体与电池内部相连接。
22.如权利要求21所述电化学电池，其特征在于，还包括延伸通过通道的导电铆钉和将铆钉与正电极电性能连接的导电带，其中，所述铆钉与所述第二导电元件电通讯，
23.如权利要求22所述电化学电池，其特征在于，所述铆钉和所述导电带中至少一个包括非铁的合金材料。
24.如权利要求23所述电化学电池，其特征在于，所述非铁合金材料选自一组包括铍铜、镀银电接触片、镀金接触片以及镀镍接触片的材料。
25.如权利要求24所述电化学电池，其特征在于，所述接触片包括钢。
26.如权利要求21所述电化学电池，其特征在于，还进一步包括延伸通过端帽的出口。
27.如权利要求26所述电化学电池，其特征在于，还进一步包括泄放部件，它在柔性部件处于第一位置时阻塞所述通道。
28.如权利要求27所述电化学电池，其特征在于，所述泄放部件响应预定的内部压力阈值从所述通道移去。
29.如权利要求28所述电化学电池，其特征在于，所述预定的内部压力阈值基本等于将所述柔性部件偏置在第二位置上的内部压力阈值。
30.如权利要求28所述电化学电池，其特征在于，所述预定的内部压力阈值大于将所述柔性部件偏置在第二位置上的内部压力阈值。
31.如权利要求28所述电化学电池，其特征在于，所述泄放部件包括设置在所述通道中且可以响应内部压力从所述通道去除的插头。
32.如权利要求31所述电化学电池，其特征在于，所述内部压力将所述插头偏置在所述端帽内部。
33.如权利要求31所述电化学电池，其特征在于，所述插头附在所述端帽中，并且其中，所述当所述柔性部件处于第二位置时所述通道去除所述插头。
34.如权利要求28所述电化学电池，其特征在于，所述泄放部件还进一步包括横向臂，用于阻塞液体在所述电池内部和所述端帽内部之间流动，其中所述横向臂可响应所述内部电池压力而断裂。
35.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述柔性部件还进一步包括颈部向下的臂，且当所述内部电池压力达到预定阈值时就失效。
36.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述柔性部件是基本侧向延伸的。
37.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述柔性部件是从所述罐径向向内延伸的。
38.如权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述柔性部件是相对于所述罐对称定位的。
39.一种电池组，其特征在于，包括多个电化学电池，它限定正的和负的端点，至少一个电池包括(a)外罐，它限定内部腔体，并在内部腔体内设置了正电极和负电极；以及，(b)开关组件，它包括i.柔性部件，可以响应内部电池的压力从第一位置向第二位置伸展；ii.第一导电元件，它与正端电连通；iii.第二导电元件，它与正电极电连通，以及与第一导电元件可除去的电连通，其中，所述第二导电元件与柔性部件机械连通；以及，其中，当柔性部件响应超出预定阈值的内部压力移向第二位置时，第一和第二导电元件就断开电连通。
40.如权利要求39所述电池组，其特征在于，所述电化学电池是以串联方式连接的。
41.如权利要求39所述电池组，其特征在于，所述电化学电池是以并联方式连接的。
42.如权利要求39所述电池组，其特征在于，还进一步包括至少两条以串联方式连接的电池，其中各条是以并联方式连接的。
43.如权利要求39所述电池组，其特征在于，所述电化学电池可构成提供尺寸为C和D电化学电池中的一种。
44.如权利要求39所述电池组，其特征在于，所述包括柔性部件的电池具有比其余电池更低的充电容量。
45如权利要求39所述电池组，其特征在于，所有的电化学电池进一步包括元件(a)和(b)。
46.如权利要求39所述电池组，其特征在于，所述柔性部件具有大于75Mpa的拉伸强度，以及在断裂时小于50％的拉长。
47.如权利要求39所述电池组，其特征在于，所述柔性部件在264PSI时具有大于100C的热偏差温度和大于75Mpa的拉伸强度。
48.如权利要求47所述电池组，其特征在于，所述柔性部件材料在264PSI时具有大于120C的热偏差温度。
49.一种适用于对权利要求39所述电池组进行充电的方法，其特征在于，所述电池组包括以串联方式电连接的电池，其中电池之一个与相对于串联连接的其它较大充电容量的电池是失配的，所述步骤包括1)对串联电池进行充电，直至其中一个电池的柔性部件开路；2)去除对串联电池的充电，直至所述柔性部件返回至第一位置；和，3)重新对串联电池进行充电。
50.如权利要求49所述方法，其特征在于，所述步骤(3)还进一步包括平衡失配电池与其它电池的充电容量。
51.如权利要求49所述方法，其特征在于，还进一步包括预先确定在步骤(1)中将开路的电池，以及提供具有所述柔性部件的电池。
52.一种适用于对权利要求39所述电池组进行充电的方法，其特征在于，所述电池组包括以并联方式电连接的电池，其中电池之一个与相对于其它充电容量较大的电池是失配的，所述步骤包括1)通过电池进行充电，直至其中一个电池的柔性部件开路；2)所述柔性部件在闭合和开路位置之间重复；和，3)对在步骤(2)中对具有较高充电容量的电池进行充电。
53.一种适用于对电化学电池进行充电的方法，该类电化学电池包括(a)外罐，它以开端限定内部腔体，并在内部腔体内设置了正电极和负电极，以及封闭所述开端的端帽；以及，(b)端帽组件，它包括i.柔性部件，它从所述罐径向向内延伸，并可以响应内部电池的压力从第一位置向第二位置伸展；ii.第一导电元件，它与端帽电连通；iii.第二导电元件，它与正电极电连通，以及与第一导电元件可除去的电连通，其中，所述第二导电元件与柔性部件机械连通；所述步骤包括(A)提供包括在1.2V和2V之间的电压电平和在4和15A之间的电流电平中的至少一项电平进行充电；以及，(B)当内部电池压力超出预定阈值时，所述柔性部件就向第二位置伸展，以去除第一和第二导电元件之间的电连通。
54.如权利要求53所述方法，其特征在于，所述步骤(A)还进一步包括提供在1.2V和1.65V之间的电压。
55.如权利要求54所述方法，其特征在于，所述步骤(A)还进一步包括提供在1.6V和1.65V之间的电压。
56.如权利要求54所述方法，其特征在于，所述步骤(A)还进一步包括提供在1.2V和1.6V之间的电压。
57.如权利要求53所述方法，其特征在于，所述步骤(A)还进一步包括提供在1.2V和2.0V之间的预定电平的充电电压，以及根据预定的电池特性降低充电的电压。
58.如权利要求57所述方法，其特征在于，所述预定特性是电池的温度。
59.如权利要求58所述方法，其特征在于，所述步骤(A)还进一步包括提供与时间无关的可变电压。
60.如权利要求58所述方法，其特征在于，所述步骤(A)还进一步包括在预定的时间长度终止后提供逐渐降低的恒定电压的步骤。
61.如权利要求57所述方法，其特征在于，所述步骤(A)还进一步包括防止所施加的电压下降至低于预定电平。
62.如权利要求57所述方法，其特征在于，所述预定电平基本等于1.65V。
63.如权利要求57所述方法，其特征在于，还进一步包括在预定时间周期终止时的终止步骤(A)。
全文摘要
提供一种可再充电的电化学电池，该电池具有用于确定充电终止点的压力响应装置。特别是，可逆的压力响应开关可以设置在可充电金属氢化物电池的开端端帽中。可逆压力响应开关也可以包含用于释放电池内部压力的泄放系统。因此，可再充电电池可以与充电源组合使用，其中充电源能够提供恒定电压、恒定电流、交流电流或者在最小阈值和最大阈值之间变化的电压。开关的元件较佳的是有便于预测开关动作的材料来制成。
文档编号H01M2/08GK1720626SQ200380105150
公开日2006年1月11日 申请日期2003年10月27日 优先权日2002年10月25日
发明者W·C·布肖恩, P·奇斯曼, G·戴维森, T·考夫曼, R·曼克, M·鲁特, A·罗西奇, V·H·武 申请人:瑞约伐克股份有限公司