用于电化学电池的端帽密封组件的制作方法

专利名称：用于电化学电池的端帽密封组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于密封电化学电池尤其是碱性电池的端帽组件。本 发明涉及端帽组件内的可破裂装置，该可破裂装置允许气体从电池的 内部逸出到环境中。
背景技术：
常规电化学电池例如碱性电池由具有开口端的圆柱形外壳和插入 其中以密封外壳的端帽组件形成。常规碱性电池通常包括包含锌的阳 极、包含二氧化锰的阴极、以及包含含水氢氧化钾的碱性电解质。在 提供了电池内容物之后，通过将外壳边缘巻曲到端帽组件上来使电池 封闭以提供电池的紧密密封。端帽组件包括用作电池端子的暴露端帽， 并且通常还包括密封电池外壳的开口端的塑料绝缘插头。与各种电化
学电池尤其是碱性电池的设计相关的一个问题是当电池继续放电超 过某一点(通常是接近电池的可用容量的完全耗尽点)时，电池趋于产 生气体。
电化学电池，尤其是碱性电池，可具有可破裂排气机构，该可破 裂排气机构包括端帽组件内的可破裂隔膜或可破裂膜。可破裂隔膜或 膜可在塑料绝缘构件内形成，如美国专利3，617，386中所述。此类隔膜 被设计成当电池内的气体压力超过预定水平时便会破裂。端帽组件可 具有多个排气孔来用于当隔膜或膜破裂时供气体逸出。公开于美国专
利3，617，386中的端帽组件公开了一种凹槽状可破裂密封隔膜和位于 端帽与密封隔膜之间的单独的金属接触盘。该参考文献中所公开的端 帽组件不是设计用以承受径向压缩力的，因此当电池受到冷热气候中 的极端因素作用时将趋于渗漏。
为了提供紧密的密封，当代现有技术公开了端帽组件，所述端帽组件包括插置在端帽板和绝缘构件之间的金属支撑盘。当电池外壳的 边缘被巻曲到端帽组件上时，该独立的金属支撑盘可受到径向压缩。 绝缘插头通常呈塑料绝缘盘的形式，其从电池的中心朝电池外壳延伸 并使金属支撑盘与电池外壳电绝缘。金属支撑盘可具有如美国专利
5,759,713或5，080，985所示的高度旋绕的表面，所述表面确保在围绕 端帽组件巻曲电池外壳边缘期间端帽组件可承受高径向压缩力。这使 得围绕端帽组件的机械密封始终是紧密的。
现有技术公开了可破裂排气膜，该可破裂排气膜整体成形为绝缘 盘内的变薄区域，所述绝缘盘被包括在端帽组件内。此类排气膜通常 是取向成使它们处在垂直于电池的纵向轴线的平面中，如美国专利 5,589,293中所示。在美国专利4，227，701中，可破裂膜由位于绝缘盘 臂上的环形"狭缝或凹槽"形成，所述绝缘盘相对于电池纵向轴线为倾 斜的。绝缘盘可滑动地安装在穿过它的细长的集电器上。当电池内的 气体压力增大时，绝缘盘的中心部分朝着电池端帽向上滑动，从而使 变薄的膜"凹槽，，伸展，直至破裂。美国专利6,127,062和6,887,614 B2 中公开了绝缘密封盘和其上整体成形的倾斜的可破裂膜。密封盘上的 可破裂膜部分邻接上方金属支撑盘上的孔。当电池内的气体压力上升 时，膜便会通过金属支撑盘上的孔而破裂，从而将气体压力释放到外 部环境中。
在美国专利6,887,614中，可破裂膜邻接上方金属支撑盘内的开 口。在美国专利6,887,614中，在膜的下侧有底切凹槽。凹槽围绕电池 的纵向轴线。凹槽在其底端产生变薄的膜部分，当电池的内部气体压 力达到预定水平时，该部分便会通过上方金属支撑盘内的开口而发生 破裂。在U.S. 6，887，614所示的设计中，存在将暴露的端帽与电池外壳 隔开的绝缘垫圏。此类设计的缺点是需要附加组件，即，需要插入到 端帽组件中的绝缘垫圏。端帽的边缘位于电池外壳肩部的上方并通过 垫圏与外壳分开。这样会使端帽容易破损。换句话讲，端帽可易于撬 离电池，使得易于接近电池内容物。
可破裂膜可呈绝缘盘内的一个或多个薄材料的"岛"的形式，如
5U.S. 4，537，841、 U.S, 5，589，293和U.S. 6，042，967中所示。作为另外一 种选择，可破裂膜可呈围绕电池纵向轴线的薄部分的形式，如美国专 利5，080，985和U.S 6，991，872中所示。形成可破裂膜的围绕的变薄部 分可呈绝缘盘内的狹缝或凹槽的形式，如美国专利4，237，203和U.S. 6,991,872中所示。可破裂膜也可为夹置在金属支撑盘和绝缘盘之间并 朝向其中的孔的单片聚合物薄膜，如专利申请公布US 2002/0127470 Al中所示。可将尖锐的或其它突出的构件定向到可破裂膜的上方以协 助膜的破裂，如美国专利3,314,824中所示。当电池内的气体压力过高 时，膜便会与尖锐元件发生接触而膨胀并破裂，从而使电池内的气体 通过上方末端端帽上的孔逸出到环境中。
通常具有如美国专利5，080，985和5,759,713中所示的回旋表面的 独立金属支撑盘已被包括在端帽组件内。金属支撑盘提供对塑料绝缘 密封件的支撑并且能够承受高的径向压缩力，所述压缩力在围绕端帽 组件巻曲外壳边缘期间可施加到端帽组件上。高径向压缩力确保沿端 帽组件和电池外壳的周边边缘的密封可得到保持，即使在电池内的气 体压力累积至高水平、很高的水平，例如超过1000psig ( 689.4 x 104 表压)时。
U.S. 4,537,841示出了 一种用于封闭圆柱形石威性电池的开口端的 塑料绝缘密封件。在该绝缘密封件上存在金属支撑盘。该塑料绝缘密 封件具有中心毂和整体成形的径向臂，所述径向臂从毂径向延伸至电 池的壳体壁。"岛，，型可破裂膜整体成形在绝缘密封件的径向延伸臂内。 "岛"型可破裂膜通过如下方式形成烫印或压缩绝缘密封件的径向延 伸臂的一部分从而形成小的圆形变薄的岛部分，所述岛部分被设计成 当电池内的气体压力达到预定水平时便会破裂。此参考文献中所示的 岛型可破裂膜与绝缘密封件的径向延伸臂相平。换句话讲，其取向在 垂直于电池的中心纵向轴线的平面中。变薄的可破裂膜的顶部表面(面 向电池的开口端)几乎与径向延伸的绝缘臂的顶部表面齐平。此设计 尽管有效，但其在可破裂膜和金属支撑盘之间仅提供小的有限空间。 当电池经受故意滥用条件(例如，暴露于火)时，这会导致电池内部温度非常迅速地升高并放气。在这种极端条件下，由于膜变软而使膜 有可能鼓出而不破裂，并且在膜和金属支撑盘之间仅存在小的空间。
由于放气抑制剂的改善，具体地讲由于多种放气抑制剂的使用， 目前的碱性电池可被设计成在比过去稍微更低的压力下排气。换句话 讲，已有降低用于碱性电池中排气机构的设计启动压力的趋势。较低 的设计排气启动压力提出了设计挑战。如果利用"岛"型可破裂膜触发 排气机构，那么关于如何利用诸如注模的常规模制技术模制此类薄膜 则存在一些实际限制。此外，依据电池尺寸，可用于此类膜的表面积 的量也受到限制。
因此，希望具有即使电池在冷热气候下暴露于极限条件时也给电 池提供紧密密封的端帽组件。
希望在端帽组件内具有可靠的可破裂排气机构，该可破裂排气机 构即使在电池经受滥用条件时，也可启动并适当地起作用。
希望可破裂排气机构占据电池内最少的空间，以便电池可充满额 外数量的阳极和阴极材料，从而增大电池的容量。
希望端帽具有防损性能，即，不容易从端帽组件上撬动下来。
希望可将绝缘密封盘的周边边缘同时巻曲在金属支撑盘和端帽的 两个边缘上，同时在绝缘密封盘和上方金属支撑盘的向下延伸的壁之 间保持平直或几乎平直方向。
希望可破裂排气机构易于制造并可靠，以便排气发生在具体的预 定压力水平下。
发明概述
本发明涉及电化学电池，例如碱性电池，所述电池包括插入到该 电池的圆柱形外壳(壳体)的开口端中的端帽密封組件。在一个方面， 当在竖直位置且金属支撑盘位于顶部来观察电池时，端帽组件包括金 属支撑盘和位于金属盘之下的下方绝缘密封盘(绝缘索环)。端帽组 件还包括位于金属支撑盘之上的末端端帽。
金属支撑盘优选地由单片金属构造的盘形成，所述构造具有回旋表面和至少一个通过其表面的孔。绝缘密封盘具有回旋表面，其中当 在竖直位置且端帽组件位于顶部来观察电池时，其表面的一部分位于 金属支撑盘中的孔下方。位于所述孔下方的所述绝缘密封盘部分在其 内表面上(优选面向电池内部)具有凹槽。凹槽具有开口端和相对的 封闭底部，其中凹槽底部形成变薄的可破裂膜。可破裂膜邻接金属支 撑盘内的孔。当电池内的气体压力升高时，所述可破裂膜穿过所述孔 并破裂，从而通过所述孔直接将气体释放到周围环境中。绝缘密封盘包括具有向下延伸的壁的塑性材料，所述壁以距电池的中心纵向轴线成小于90度的角度倾斜且不平行于所述纵向轴线。当 在竖直位置且端帽组件位于顶部来观察电池时，所述绝缘盘的向下延 伸的壁由绝缘盘表面上的高点向下延伸并面向其表面上的较低点，所 述较低点更接近电池内部。金属支撑盘也具有以距电池的中心纵向轴 线成小于90度的角度倾斜的向下延伸的壁。当在竖直位置且端帽组件 位于顶部来观察电池时，金属支撑盘的向下延伸的壁由其表面上的高 点向下延伸。在金属支承构件的所述向下延伸的壁上存在至少一个孔， 可破裂膜紧靠该孔。优选地，绝缘密封盘的向下倾斜的壁可与电池的 中心纵向轴线成介于约35度和80度之间的角度倾斜。上方金属支撑 盘的向下延伸的壁理想地以与绝缘密封盘的向下延伸的壁成相同的角 度倾斜，优选地距电池的中心纵向轴线成介于约35度和80度之间的 角度。这使得绝缘密封盘的向下延伸的壁的可破裂膜部分邻接并紧靠 金属支撑构件的向下延伸的壁上的孔。绝缘密封盘的向下延伸的壁紧 靠或几乎紧靠上方所述金属支撑盘的向下延伸的壁。绝缘密封盘的向下延伸的壁的内表面上形成可破裂膜部分的凹槽 优选被制造成使其围绕绝缘盘的中心。当电池压力升高至预定水平时， 至少这种围绕的可破裂膜邻接金属支撑盘中所述孔的部分破裂。可破 裂膜优选地为尼龙或聚丙烯。由于金属支撑盘的向下倾斜的臂的倾斜 取向，本发明的端帽组件使得破裂孔可做得较大。可破裂膜中的底切 凹槽允许破裂点(即，凹槽底部)处较薄的膜存在。这继而允许设计 的破裂压力降低以及伴随的小的电池外壳壁例如介于约4密耳和12密耳(0.10mm和0.30mm)之间，从而增加可用于活性阳极和阴极材 料的电池内部体积的量。例如，本发明的端帽组件可使得电池外壳壁 对于AA和AAA型号电池介于4密耳和8密耳(O.lOmm和0.20mm ) 之间，而对于C和D型号电池介于约10密耳和12密耳(0.25mm和 0.30mm)之间。金属支撑盘优选地具有基本平坦的中部，其中孔居中位于其内。 优选地， 一对截然相对的相同尺寸的孔位于金属支撑盘的向下延伸的 壁中。在插入电池活性组分之后，将端帽组件插入到电池的外壳开口 端中。金属支撑盘的周边边缘与上方端帽的周边边缘位于绝缘密封盘 的周边边缘28以内。随后，将外壳边缘在其开口端处巻曲在绝缘密封 盘的周边边缘之上。绝缘密封盘边缘继而巻曲在金属支撑盘的周边边 缘与上方端帽的周边边缘这二者上，将端帽与金属支撑盘40牢固地锁 定在绝缘密封盘之上的适当位置。因此，绝缘密封盘、金属支撑盘40 和上方端帽开始锁定在外壳的开口端15内，从而封闭电池外壳。令人 惊讶的是，即使巻曲期间必需施加足够的巻曲力以确保绝缘密封盘的 周边边缘巻曲在金属支撑盘边缘与端帽边缘二者上，绝缘盘的向下延 伸的壁也能保持紧靠或非常接近紧靠(邻接)上方金属支撑盘的向下 延伸的壁，以将两个边缘永久性地锁定在其内。换句话讲，巻曲力不 会破坏绝缘密封盘的向下延伸的壁紧靠或几乎紧靠上方金属支撑盘的 向下延伸的壁。本发明的端帽组件具有细长的阳极集电器，该阳极集电器具有穿 过金属支撑盘的中心孔的头部，以便其可直接焊接到端帽的下侧表面 上。阳极集电器的头部优选通过电阻焊接直接焊接到端帽的下侧。端 帽组件中构件不需要其它焊接。电池组件中的任何位置均不需要激光 焊接，从而使得电池组装方法更为有效。在本发明的端帽组件中和共同转让的美国专利6,887,614 B2 (Diiprey)所示的设计中存在一些共同特征，所述特征关于邻接金属 支撑盘中的孔的可破裂膜的取向以及绝缘密封件中为形成可破裂膜部 分的优选的底切凹槽的使用。然而，本发明的端帽组件提出了优于Duprey的改善。在本发明的端帽组件中，已省略了端帽与电池外壳肩 部之间绝缘垫圏的使用，所述使用如Duprey在图3中所示和其中第9 栏，第36至51行所述。这已导致端帽组件设计具有较少的组件的改 善。取而代之的是，在本发明中，绝缘密封盘的周边边缘巻曲在端帽 的边缘与下方金属支撑盘的边缘这二者上，将金属支撑盘与端帽这二 者都紧密地锁定在电池外壳内的适当位置。这使得端帽防破损。换句 话讲，端帽不易通过使其边缘撬离电池而移除，如当端帽通过绝缘垫 圏与外壳分离时。本发明的本端帽组件也不必如Duprey的图3中那 样首先将阳极集电器焊接到金属支撑盘上，继而将金属支撑盘焊接到 端帽上。在本发明的端帽组件中，将阳极集电器的头部直接焊接到端 帽上。在金属支撑盘与任何其它组件之间不需要焊接，因此简化了电 池组装。附图概述参考附图可以更好地理解本发明，其中

图1为本发明的端帽组件的示意剖视图。图1A为电池底部的正视剖面图。图2为示出本发明的端帽组件构件的分解图。图3为绝缘密封盘的顶部透视图。图4为金属支撑盘的顶部透视图。图5为端帽的顶部透视图。发明详述本发明的端帽组件14的优选结构在图1中示出。本发明的端帽组 件14尤其适用于包括具有开口端15和相对的封闭端17的圆柱形外壳 70的电化学电池，其中端帽组件14被插入到所述开口端15中以密封 电池。端帽组件14尤其适用于标准AAA( 44mm x 9mm ) 、 AA( 49mm x 12mm ) 、 C ( 49mm x 25mm )和D ( 58mmx32mm )型号的圆柱形 碱性电池。端帽组件14尤其可用于较小尺寸的碱性电池如AAA和AA型号的电池，但是也可有利地用于C和D型号的电池。此类碱性 电池，如电池10 (图1和1A)，理想地具有包含锌的阳极140、包含 Mn02的阴极120，其中电解质可渗透的隔板130位于阳极和阴极之 间。阳极140和阴极120通常包括含水氩氧化钾电解质。阳极140可 包含锌，阴极120可包含羟基氧化镍，并且阳极和阴极均可包括含水 氢氧化钾电解质。
本发明的端帽组件14包括金属支撑盘40、下面的密封盘20、穿 过密封盘20的中心孔24并接触阳极140的集电器80。单独的末端金 属端帽60堆叠在金属支撑盘40之上，如图1和2所示。在将阴极120、 隔板130和阳极140插入到外壳70中之后，将端帽组件14插入到外 壳开口端15中。将外壳70的周边边缘72巻曲在绝缘密封盘20的周 边边缘28之上。继而将绝缘密封盘20的周边边缘28巻曲在端帽60 的周边边缘66与金属支撑盘40的边缘49这二者上。在巻曲过程中， 可施加径向力以确保端帽60的边缘66咬入到绝缘密封盘20的周边边 缘28中。金属支撑盘40的边缘49也咬入到绝缘密封盘20的边缘28 中。
金属支撑盘40 (图1和4)优选地具有基本平坦的中部43,其中 孔41居中位于其内。金属支撑盘40优选地由具有回旋表面的单片金 属构造的盘形成。金属支撑盘40的一部分具有向下倾斜的壁45，并 且具有至少一个穿过其的破裂孔48。金属支撑件40由具有良好机械 强度和耐腐蚀性的导电金属构成，例如镀镍冷轧钢、不锈钢或低碳钢。 金属支撑盘40优选为具有约0.50mm厚度的回旋表面的碳钢。优选地， 一对截然相对的相同尺寸的孔48位于金属支撑盘40的向下延伸的壁 45中，如图4所最佳示出。当以与端帽组件14成竖直位置俯视电池 时，金属支撑盘40的向下延伸的壁45由所述支撑盘40的壁45上的 高点45a面向电池内部向下延伸至所述壁45上的低点45b。支撑盘40 的向下延伸的壁45优选在向下倾斜的方向上平直，或者当由电池外部 观察时可以具有稍微凸起的表面轮廓(向外膨胀)。向下延伸的表面 45终止于周边边纟彖49。绝缘密封盘20(图1和3)具有包括向下延伸的壁26的回旋表面， 其中当在竖直位置且端帽组件14位于顶部来观察电池时，其表面的一 部分位于金属支撑盘40中的孔48下方并邻接所述孔。当在竖直位置 且端帽组件14位于顶部来观察电池时，密封盘20的壁26由其表面上 的高点26a向下延伸至其表面上的低点26b。绝缘盘20的表面26优 选在向下倾斜的方向上平直(即，不凹进或凸出)，但是当由电池外 部观察时也可具有稍微凸起的表面轮廓。向下延伸的表面26终止于向 上延伸的周边边缘28。
(图1)在其面向电池内部的内表面上具有底切凹槽210。凹槽210 具有开口端和相对的封闭底部。凹槽底部形成变薄的可破裂膜23。可 破裂膜23邻接金属支撑盘40内的孔48。当电池内的气体压力升高时， 所述可破裂膜23穿过所述孔48并破裂，从而将气体释放到膜23之上 的顶部空间18内，即，介于膜23与上方端帽60之间的空间内。气体 随后通过端帽60中的排气孔65 (图1和5)排出到外部环境中。优选 地，绝缘盘20的向下延伸的壁26在组装期间紧靠金属支撑盘40的向 下延伸的壁45的内表面。令人惊讶的是，即使巻曲期间必需施加足够 的力以确保绝缘密封盘20的周边边缘28紧密地巻曲在金属支撑盘边 缘49和端帽边缘66这二者上，绝缘盘20的向下延伸的壁26也能保 持紧靠或非常接近紧靠金属支撑盘40的向下延伸的壁45。换句话讲， 巻曲力不会破坏绝缘盘20的向下延伸的壁26基本上紧靠金属支撑盘 40的向下延伸的壁45。巻曲力不会在向下延伸的壁26和45之间产生 平均超过约0.50mm的空间，并且通常巻曲力不会在向下延伸的壁26 和45之间产生平均超过约0.35mm的空间。巻曲力通常可在向下延伸 的壁26和45之间产生平均介于约O.lmm和0.50mm之间的空间。
凹槽210优选地沿着向下延伸的壁26的内侧220周向穿行，如图 1和3所最佳示出。凹槽210形成优选沿着绝缘密封盘20的向下延伸 的壁26的内侧(下侧)周向穿行的变薄部分23 (图1 )。围绕的凹槽 210 (图1)在凹槽210底部形成变薄部分，即，围绕的膜23。变薄部分23形成面向且优选邻接金属支撑盘40的向下延伸的壁45的可破裂膜，如图1所示。在金属支撑盘40的向下延伸的壁45中可存在一个或多个孔48 (图1和4)。优选地，在向下延伸的壁45的表面上具有两个孔，如图4所示。如果采用两个孔48，则它们理想地具有大致相同的尺寸并且各自截然相对地位于向下延伸的壁45上(图4)。围绕的变薄的膜23直接在孔48下方穿行的部分形成可破裂部分。当电池内的气体积聚至预定水平时，膜23在孔48正下方的部分将拉伸至孔中，直至其在张力下破裂，从而从电池内部释放气体。随着气体通过上方的端帽排气孔65逸出到环境中，电池的内部压力立即降低。
限定底切凹槽210深度的相对的凹槽壁212a和212b不必为任何特定的弯曲形状。然而，出于方便制造考虑，凹槽壁212a和212b可垂直取向或者可倾斜，以便凹槽210的口部宽于凹槽的底部(可破裂膜部分23) 。 212a的角度对膜23的可破裂性不起作用，因为该膜优选地旨在于张力下而非剪切力下破裂。壁212a和212b可方便地与凹槽210底部的可破裂膜23成直角，或者可与可破裂膜23成钝角，如图1所示。作为另外一种选择，凹槽壁212a和212b可由平面或曲面形成。理想地，壁212a和212b各形成平面，所述平面与可破裂膜23成钝角，理想地介于约120度和135度之间，以便凹槽210的开口端稍微宽于形成膜23的凹槽底部。此类优选的实施方案给出梯状的周向凹槽210，如图1所示。出于方便通过注模制造考虑，此类构型是理想的，并且不影响膜23的可破裂性。
向下延伸的壁26与其内的可破裂膜部分23理想地与电池的中心纵向轴线190成锐角(小于90o的角度)倾斜，如图l中所示出。在该构型中，向下延伸的壁26与其内的膜部分23不与电池的中心纵向轴线平行。优选地，向下延伸的壁26与纵向中心轴线190成介于约35和80度之间的锐角倾斜(图1)。同样，支撑盘40的向下延伸的壁45优选地以与密封盘20的向下延伸的壁26相同的锐角倾斜，即距中心轴线l卯约35至80度。因此，当支撑盘40置于密封盘20之上时，支撑盘40的向下延伸的壁45将邻接并紧靠密封盘20的向下延伸的壁26，并且可破裂膜23将邻接孔48。如上所指出，已确定可维持金属支撑盘向下延伸的壁45紧靠(或非常接近紧靠)密封盘向下延伸的壁26，尽管需要较大的巻曲力来将密封边缘28同时巻曲在端帽边缘66和金属支撑件边缘49这二者上。对于给定总高度的支撑盘40，金属支撑盘40的向下延伸的壁45的倾斜取向使得可在向下延伸的壁45中制作较大直径的孔48。这继而使得给定的小厚度膜23在较低阈值压力下破裂，从而使得电池外壳70的壁厚减小。外壳70壁厚的减小增加了可用于阳极和阴极活性材料的电池内部体积，从而增加了电池容量。
绝缘密封盘20可由整体构造的塑性绝缘材料制成。优选地，其由即耐用又耐腐蚀的注塑尼龙模塑而成。如图1和3所最佳示出，绝缘盘20具有孔24穿过其中央的中心毂22。毂22形成盘20最厚且最重的部分。当在竖直位置且端帽组件位于顶部来观察电池时，毂22的周边边缘终止于向下延伸的壁26，其由所述壁26上的高点26a向下延伸至其上的低点26b (图1和3)。与此类似，支撑盘40的中部43的周边边缘终止于向下延伸的壁45,其由所述壁45上的高点45a向下延伸至其上的低点45b (图1和4 )。
上述绝缘密封盘20的构型还使得可破裂膜23更接近端帽60。这意味着在电池内存在更多的可用于活性物质的内部空间。可破裂膜23在绝缘盘20的向下延伸的壁26上的位置允许气体和其它内部组分由电池内部畅通无阻地通过金属支撑盘中的孔48，随后在膜23破裂后直接通过端帽60中的孔65排出到环境中。即使当该电池被连接到另一个电池或供电装置上时，由电池内部至环境的此类气体也能畅通无阻。
如果密封件内不存在形成可破裂膜的凹槽，换句话讲，如果邻接孔48的向下倾斜的壁26的整个部分具有均匀的等厚度并形成可破裂膜，已确定以下关系大致适用于理想的破裂压力PR、排气孔48的半径"R"、以及所得等厚度膜的厚度"t，，之间，其中"S，，为可破裂材料的极限拉伸强度。Pr = t/R x S (I)
已有可能通过使用多种放气抑制剂来减弱电池放气。希望使得孔 48的半径较大而等厚度膜的厚度尽可能小。如果需要，这允许膜在电 池中气体聚积的较低阔值压力P下破裂。因此对于给定电池尺寸，存 在由可实现的最大孔半径和最小膜厚度决定的实际爆裂压力下限。形 成可破裂膜的底切凹槽210的添加提供附加其它的变量，例如凹槽深 度和宽度，由此操纵爆裂压力至下限。
在端帽组件14中，可破裂膜宽度(即，凹槽210底部的宽度)与 可破裂膜23的厚度之比通常介于约2.5比1和12.5比1之间。对于介 于AAA和D型号电池之间的常见电池尺寸，端帽组件14的设计可容 纳金属支撑盘40的向下倾斜的壁45中的孔48，该孔大小通常介于约 1.8mm和10mm (圆形直径)之间。
关于本发明的端帽组件14，以下的下限破裂压力对于膜23是理 想的。对于AAA碱性电池，膜23的目标破裂压力理想地介于约900 至1800psig (6.21兆帕和12.41兆帕(表压))之间。对于AA碱性 电池，膜23的目标石皮裂压力理想地介于约500至1500psig ( 3.45兆帕 和10.34兆帕(表压))之间。对于C型号碱性电池，膜23的目标破 裂压力理想地介于约300和550psig (2.07兆帕和3.79兆帕(表压)) 之间。对于D型号碱性电池，膜23的目标破裂压力理想地介于约200 和400psig ( 1.38兆帕和2.76兆帕(表压))之间。此类破裂压力范 围旨在作为非限制性实例。应当理解，端帽组件14并不旨在限于这些 破裂压力范围，因为本端帽组件14也可在更高甚至更低的破裂压力下 采用。
由于上述给定电池尺寸的破裂压力范围，镀镍钢的外壳70通常可 具有小的壁厚，该壁厚理想地介于约0.006和0.012英寸(0.15mm和 0.30mm )之间，优选地对于AA和AAA介于约0.006和0.008英寸 (0.15mm和0.20mm )之间，而对于C和D介于约0.010和0.012英寸(0.25mm和0.30mm)之间。希望外壳70具有较小的壁厚，因为 其导致电池的内部体积增加，允许使用更多的阳极和阴极材料，从而 增加电池容量。端帽组件14允许对于给定的电池尺寸实现上述破裂压 力，并且具有端帽60"防破损"的附加特征。换句话讲，由于端帽60 的边缘66在绝缘密封盘20的周边边缘28之下巻曲，因此其不会容易 地撬离端帽组件。因此，在本端帽组件14的设计中，电池内容物也非 常安全并且能很好地防止恶毒的破损。此外，在本发明的端帽组件14 中，阳极集电器钉80的头部87直接焊接到端帽60的下侧。这可通过 简单的电阻焊接实现。在本端帽组件14中，没有必要进行任何其它电 池组件的焊接，并且也没有必要进行激光焊接，因此简化了电池构造。
在本文所述的端帽组件情况下，为了与希望使用较大尺寸的孔48 相一致，已确定这可通过将包含可破裂膜23的绝缘密封壁26以斜面 取向(即不平行于)纵向轴线190来最佳地实现。优选地，密封壁26 与邻接的金属支撑件表面45成一定角度向下倾斜，优选地距中心纵向 轴线190约35至80度。这将提供更多形成孔48的可用表面积。
与希望降低电池的爆裂压力一致，已确定这可通过在密封盘20 的向下倾斜的壁26的内表面上形成底切凹槽210来实现。此类底切凹 槽210可通过在形成密封盘20时在注模期间围绕密封盘20的中心形 成。
在采用AA型号碱性电池的一个优选的实施方案中，以非限制性 实例的方式，可破裂膜23可被设计成当电池内的气体积聚至介于约 500至1500psig(3.45兆帕和10.34兆帕(表压))之间的水平时破裂。 在金属支撑盘40上的孔48下方的可破裂膜部分23理想地由尼龙制 成，优选地由尼龙66或尼龙612制成，然而也可为其它材料，例如聚 丙烯。凹槽210可具有介于约0.08mm和lmm之间，理想地介于约 0.08mm和0.8mm之间的宽度。凹槽210优选地绕着绝桑彖盘20的向下 延伸的壁26的内表面220周向穿行。周向凹槽210的片段直接在金属 支撑盘40中的孔48下方穿行。作为另外一种选择，凹槽210不必为 周向但是其形成可使得单个凹槽直接在孔48下方切割，其中壁26内可为圆形形状，对于介 于AAA和D型号电池之间的常见电池尺寸，其具有介于约1.8mm和 10mm之间的直径，相当于介于约2.5mm2和78.5mm2之间的面积， 通常介于2mm和9mm之间(圆形直径)，相当于介于约3.1mm2和 63.6mm2之间的面积。应当理解孔48可为其它形状例如长方形或椭圆 形。孑L 48也可为矩形或多边形或包括平面与曲面的组合的不规则形 状。此类长方形或多边形或其它不规则形状的有效直径也理想地介于 约2mm和9mm之间。此类形状的有效直径可定义为穿过任何此类孔 的最小距离。
当目标可破裂压力对于AA电池介于约500至1500psig ( 3.45和 10.34兆帕(表压))之间或者对于AAA型号电池介于约900至1800psig (6.21和12.41兆帕(表压))之间时，凹槽宽度(凹槽底部的膜23 的宽度)与可破裂膜23的厚度的比率理想地介于约2.5:1和12.5:1之 间。与该比率范围一致，凹槽底部的凹槽宽度理想地介于约O.lmm和 lmm之间，优选地介于约0.4mm和0.7mm之间，而可破裂膜23的 厚度介于约0.08mm和0.25mm之间，理想地介于约0.10mm和0.20mm 之间。孑L48可具有通常介于约1.8mm和4.5mm之间的直径，相当于 介于约2.5mm2和16mm2之间的面积。
当釆用C和D碱性电池时，可破裂膜23理想地设计成在较低压 力下破裂。例如，对于C型号电池，目标破裂压力可介于约300和 550psig (2.07和3.79兆帕(表压))之间。对于D型号电池，目标 破裂压力可介于约200和400psig ( 1.38和2.76兆帕(表压))之间。 理想地介于约2.5:1和12.5:1之间的凹槽宽度(凹槽底部的膜23的宽 度)与可破裂膜23的厚度之间的相同比率同样适用。
通常与电池尺寸无关，希望维持可破裂膜23的厚度与直接邻近膜 23的向下延伸的密封壁26的厚度的比率为1:2或更小，理想地介于 约1:2和1:10之间，更典型地介于约1:2和l:5之间。在此类实施方 案中，可破裂膜23的厚度理想地介于约0.08mm和0.25mm之间，优 选地介于约O.lmm和0.2mm之间。膜23通过其石皮裂的孔48理想地具有介于约1.8mm和10mm之间的直径。
在组合中，在将阳极140、阴极120和隔板130插入到电池外壳 70中之后，将端帽组件14插入到外壳开口端14中。金属支撑盘40 可首先被压制到绝缘密封盘20上，以便密封盘20的毂22的顶部表面 43穿入到金属支撑盘40的中心孔41中。绝缘盘20的向下延伸的壁 26紧靠上方金属支撑盘40的向下延伸的壁45的内表面。随后可将其 内包含金属支撑盘40的绝缘密封盘20插入到外壳70的开口端15中。 绝缘密封件周边边缘28的下部靠着电池外壳侧壁74中的周圏珠缘 73。将集电器钉80的头部87焊接(优选通过电阻焊接)到端帽60 的下侧。
随后如下插入集电器80:穿过金属支撑盘40中的孔41，并接着 穿过下方绝缘密封盘20中的中心孔24，直至集电器的尖端84穿入到 阳极140材料中。连接的端帽60的下侧抵靠围绕金属支撑盘40的孔 41的顶部平坦表面43。金属支撑盘40的边缘49与上方端帽60的边 缘66均位于绝缘密封盘20的周边边缘28之内，如图l所示。随后将 外壳70的边缘72巻曲在绝缘密封盘20的周边边缘28之上。绝缘密 封盘边缘28继而巻曲在金属支撑盘40的边缘49与端帽60的边缘66 之上，将端帽60与下方金属支撑盘40牢固地锁定在绝缘密封盘20 之上的适当位置。因此，绝缘密封盘20、金属支撑盘40和上方端帽 60开始锁定在外壳的开口端15内，从而封闭电池外壳。巻曲期间可 向外壳70施加径向压缩力以确保端帽60的周边边缘66咬入到绝缘密 封盘20的周边边缘28中，并且金属支撑盘边缘49被径向压缩，从而 有助于实现紧密的密封。端帽60的边缘66不易接近，因此认为端帽 60具有防损性能，换句话讲，不容易撬离端帽组件。
在密封盘20的另一个实施方案中，盘构型可与图l和图3中所示 的相同，不同的是凹槽210可在形成盘后借助或不借助加热工具切割 或烫印冲模或刀刃至密封盘20的向下延伸的壁26的下侧220中形成。 在此类实施方案中，密封盘20可首先通过模制以获得均匀厚度的向下 延伸的壁26来形成，换句话讲，无凹槽210。随后可将具有环形刀刃的沖模施加到密封盘向下延伸的壁26的下侧表面220上。可以这种方 式将形成凹槽210的环形或弓形切口制作到密封盘20的向下延伸的壁 26的下侧表面220上，所述切口的宽度小于lmm，理想地介于约 0.08mm和lmm之间，优选地介于0.08mm和0,8mm之间。凹槽210 在凹槽底部形成可破裂膜23。通过凹槽210形成的可破裂膜23在密 封盘的向下延伸的壁220的表面上形成弱区域。凹槽210可通过使用 切割冲模(例如，具有压制到向下延伸的壁26的下侧上的凸起边缘(刀 刃)的冲模)制备。以这种方式制备的凹槽210使得凹槽210底部的 膜23比凹槽210模制到向下延伸的壁26上形成得更薄。通过切割沖 模形成的凹槽210因此可导致可破裂膜23具有非常小的宽度和非常小 的厚度。通过凹槽切口 210 (图1)形成的膜23可通过调整切口深度， 继而在切口底部形成理想厚度的可破裂膜23而被设计成在理想目标 压力下破裂。
通过凹槽切口 210形成的膜23邻接金属支撑盘40的向下延伸的 壁45的下侧。膜23的一部分可位于金属支撑盘40的向下延伸的壁 45中的一个或多个孔48下方，方式与关于图1中所示实施方案所述 相同。应当理解，凹槽切口 210 (图1和3)不必为连续的闭环形状， 而是可为弓形片段，优选足够长以便凹槽210在孔48下方的部分在孔 48的宽度之上是连续的。换句话讲，凹槽210不必延伸至未被孔48 覆盖的向下延伸的壁26的部分220 (图1)。
在一个非限制性实例方式的具体实施方案中，与电池尺寸无关， 密封盘20可为尼龙，并且凹槽切口 210可具有通常介于约0.08mm和 l.Omm之间，优选介于约0.08mm和0.8mm之间的宽度。在凹槽切口 底部形成的膜23可具有的厚度使得膜23的厚度与直接邻近凹槽210 的向下延伸的壁26的厚度的比率介于约1:10和1:2之间，优选介于 约1:5至1:2之间。在该实施方案中，可破裂膜23的厚度通常可介于 约0.08mm和0.25mm之间，理想地介于约O.lmm和0.2mm之间。
还应理解，尽管尼龙为用于绝缘盘20和整体可破裂膜部分23的 优选材料，但其它材料，优选地可渗透氢的即耐腐蚀又耐用的塑性材料(如聚砜、聚丙烯或滑石填充的聚丙烯)，也是适用的。可依据所 采用的材料的极限拉伸强度以及预期破裂的气体压力水平来调整膜
23的厚度与孔48尺寸的组合。已确定仅仅采用一个孔48和相应的一 个可破裂膜23即足够。然而，金属支撑盘40中向下延伸的壁45可具 有多个同等尺寸的孔并具有一个或多个邻接的下方的可破裂膜部分 23。优选地，可在金属表面45中采用两个截然相对的孔48，如图4 所示。这将进一步确保膜在理想的气体压力下破裂并发生排气。
以下描述用于碱性电池10的阳极140、阴极120和隔板130的代 表性化学组成，不论电池尺寸如何，均可利用所述化学组成。以下化 学组成为可用于具有本发明的端帽组件14的电池的代表性基本组成， 并且此类组成不旨在成为限制性的。
在上述实施方案中，代表性的阴极120可包括二氧化锰、石墨和 含水的碱性电解质；阳极140可包括锌和含水的碱性电解质。含水电 解质包括常规的KOH、氧化锌和胶凝剂的混合物。阳极材料140可以 为包含无汞(零加入汞)的锌合金粉末的胶凝混合物形式。换句话讲， 电池可具有每一百万份的电池总重量中小于约50份，优选每一百万份 的电池总重量中小于20份的总汞含量。电池优选也不包含任何添加量 的铅，因此基本上是无铅的，换句话讲，总铅含量小于阳极的总金属 含量的30ppm，理想地小于15ppm。此类混合物通常可包含KOH电 解质水溶液、胶凝剂(例如，以商品名CARBOPOL C940得自B.F. Goodrich的丙烯酸共聚物)和表面活性剂(例如，以商品名GAFAC RA600得自Rh6ne Poulenc的有机磷酸酯类表面活性剂)。仅给出这 种混合物作为说明性的实施例，并不意味着对本发明的限制。用于锌 阳极的其它代表性胶凝剂公开于美国专利4,563,404中。
阴极110理想地可具有以下组成87%至93%重量的电解二氧 化锰(例如，来自Kerr-McGee的Trona D );(总计)2%至6% 重量的石墨；5%至7%重量的7至10当量的KOH水溶液，具有的 KOH浓度为约30。/。至40%重量；以及0.1%至0.5%重量的任选 聚乙烯粘合剂。电解二氧化锰的平均粒度通常介于约l微米和100微米之间，理想地介于约20微米和60微米之间。石墨通常呈天然石墨 或膨胀石墨或它们的混合物的形式。石墨也可包括单独的或与天然或 膨胀石墨混合的石墨类碳钠米纤维。这种阴极混合物旨在说明性的， 并不意味着对本发明的限制。
阳极材料150包括62%至69%重量的锌合金粉末(含200至 500ppm铟作为合金和电镀材料的99.9%重量的锌)、包含38%重 量的KOH和约2%重量的ZnO的含水KOH溶液；以商品名 "CARBOPOL C940"从B.F. Goodrich商购获得的交联丙烯酸胶凝剂 (例如，0.5至2%重量)和以商品名"Waterlock A-221，，从Grain Processing Co.商购获得的接枝到淀粉主链上的水解的聚丙烯腈(介于 0.01和0.5%重量之间)；可以商品名"RM-510，，从Rhone-Poulenc商 购获得的聚酯酚磷酸酯表面活性剂(50ppm)。锌合金的平均粒度理 想地介于约30微米和350微米之间。阳极中的锌的堆积体积密度(阳 极孔隙度)介于每立方厘米阳极约1.75克锌和2.2克锌之间。阳极中 电解质水溶液的体积百分数按阳极体积计优选介于约69.2%和 75.5%之间。电池可以常规方式平衡，以便Mn02的毫安小时容量(基 于308毫安小时每克Mn02)除以锌合金的毫安小时容量(基于820 毫安小时每克锌合金)所得的商值为约1。
隔板130可为由纤维素材料组成的常规的离子多孔隔离膜。隔板 可具有纤维质与聚乙烯醇纤维的非织造材料的内层和玻璃纸的外层。
这种材料仅为说明性的，并不意味着对本发明的限制。集电器80为黄 铜，优选镀锡或镀铟的黄铜以有助于抑制放气。
虽然已参照具体的实施例对本发明进行了描述，但应当理解，在 本发明原则以内的变化也是可行的。因此，本发明并不旨在限于本文 所述的具体的实施方案，而是由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1. 一种电化学电池，所述电化学电池包括具有开口端、相对的封闭端以及位于开口端和封闭端之间的圆柱形侧壁的外壳，和插入到所述外壳的开口端中封闭所述外壳的端帽组件，所述电池具有正负端子，其中当在竖直位置且端帽组件位于顶部来观察电池时，所述端帽组件包括绝缘密封盘、在所述绝缘密封盘上面的包括金属的支撑盘、和在所述金属支撑盘上面的包括金属的端帽、以及与所述端帽电接触的细长集电器，其中所述绝缘密封盘使所述支撑盘和端帽与电池外壳电绝缘；其中所述外壳具有在其开口端处的边缘，并且所述绝缘密封盘、金属支撑盘和端帽各具有周边边缘；其中所述支撑盘为整体金属构造并且至少一个孔从中穿过；其中所述外壳在其开口端处的边缘被卷曲在所述绝缘密封盘的周边边缘上，将所述绝缘密封盘锁定在所述外壳内的适当位置；其中所述绝缘密封盘的周边边缘卷曲在所述端帽的周边边缘和所述金属支撑盘的周边边缘这二者上，从而将所述金属支撑盘和所述端帽锁定在所述绝缘密封盘内的适当位置；其中当在竖直位置且端帽组件位于顶部来观察电池时，所述绝缘密封盘具有位于所述支撑盘中的所述孔下方的其表面的一部分，所述绝缘盘的在所述孔下方的所述部分具有在其面向所述电池内部的表面的一侧上的凹槽，所述凹槽具有开口端和相对的封闭底部，其中所述凹槽的底部形成减薄的可破裂膜，毗邻所述支撑盘中的所述孔，因此当所述电池内的气压升高时，所述可破裂膜穿过所述金属支撑盘中的所述孔并且破裂，从而从所述电池内部通过所述孔释放气体。
2. 如权利要求l所述的电池，其中所述端帽与所述可破裂膜成 并置和间隔开的关系，从而在所述端帽和所述膜之间提供了其中所述 膜可进入其中而发生破裂的空间。
3. 如权利要求2所述的电池，其中所述端帽包括至少一个穿过 它的排气孔，以便当所述膜破裂时，来自电池内部的气体可进入端帽和膜之间的空间内，然后通过所述排气孔，并排出到外部环境中。
4. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中在所述绝缘盘表面 上的所述凹槽围绕所述密封盘的中心。
5. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中由所述凹槽形成的 所述可破裂膜具有介于2.5比1和12.5比1之间的宽度与厚度比率。
6. 如权利要求5所述的电池，其中所述可破裂膜在所述凹槽底 部具有介于0.08和0.25mm之间的厚度。
7. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中所述外壳包括钢， 并且所述外壳具有介于4密耳和8密耳(O.IO和0.20mm)之间的壁厚。
8. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中所述外壳包括钢， 并且所述外壳具有介于10密耳和12密耳(0.25和0.30mm)之间的壁 厚。
9. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中所述绝缘盘的一部 分在直接邻近所述孔的所述支撑盘表面的区域内接触所述支撑盘。
10. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中所述金属支撑盘具 有位于所述支撑盘中心处的中心孔，并且所述细长集电器的至少一部 分通过所述中心孔，并且所述集电器的头部被焊接到所述端帽上。
全文摘要
本发明公开了一种用于电化学电池例如碱性电池的端帽密封组件(14)。端帽组件(14)包括金属支撑盘(40)和下面的绝缘密封盘(20)以及位于金属支撑盘(40)上方的金属端帽(60)。端帽(60)与金属支撑盘(40)的边缘被绝缘密封盘(20)的卷曲边缘包住。支撑盘具有其中至少一个孔(48)穿过其中的向下延伸的壁。绝缘盘(20)具有形成可破裂膜(23)的向下倾斜延伸的壁，该可破裂膜(23)位于所述支撑盘(40)的向下延伸的壁的内表面下方并与其邻接。可破裂膜(23)位于支撑盘(40)的向下延伸的壁上的孔(48)下方并与其邻接。当电池内的气压超过预定水平时，可破裂膜(23)推过所述孔(48)并破裂，使气体能够由其逸出到环境中。
文档编号H01M2/12GK101536214SQ200780040354
公开日2009年9月16日 申请日期2007年10月29日 优先权日2006年10月31日
发明者R·A·尤泊罗 申请人:吉莱特公司