锂电池的端帽密封组件的制作方法

专利名称：锂电池的端帽密封组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及端帽组件，其用于密封电化学电池，特别是具有巻绕
电极的锂一次电池，更特别的是具有包括锂的阳极和包括二硫化4失的 阴极的锂巻绕电池。本发明涉及端帽组件内的可破裂装置，它容许气 体从电池的内部逸出到环境当中。
背景技术：
具有锂阳极的一次(非充电)电化学电池是众所周知的并具有商 业上的应用。 一般为钢质的电池壳体通常是圆筒形的，具有开口端和 相对的封闭端。阳极基本上由锂金属组成。这种电池通常具有包括二 氧化锰的阴极和包括溶解在非水溶剂中的锂盐的电解质，所述的锂盐
例如为三氟曱烷磺酸锂(LiCF3SO;0。该种电池就是所属领域中提及的 一次锂电池(一次Li/Mn02电池)，通常不拟为可充电的。它们通常 的形式中具有螺旋形巻绕的电极，更确切地说，阳极材料片、阴极材 料片和其间可渗透电解质的隔板在插入到电池壳体之前是螺旋形巻绕的。
具有锂金属阳极、但具有不同阴极的另种一次锂电池也是已知的。 这种电池例如具有包括二硫化铁(FeS2)的阴极，并被指为Li/FeS2电 池。二硫化铁(FeS^也称硫铁矿。Li/Mn02电池或Li/FeS2电池的通 常形式为圆筒形电池，通常为AA尺寸电池或2/3A尺寸电池，阳极 材料片、隔板和阴极材料片在插入到电池壳体之前是螺旋形巻绕的。 Li/Mn02电池具有约3.0伏的电压，这个电压是常规Zn/Mn02碱 性电池的两倍，Li/Mn02电池还具有高于碱性电池的能量密度(每 cm3电池体积的瓦特-小时数)。Li/FeS2电池具有介于约1.2和1.5 伏之间的电压(新制的)，这一电压约与常规Zn/Mn02碱性电池的
4相同。然而，Li/FeS2电池的能量密度(每cm3电池体积的瓦特-小 时数)也远高于对等尺寸的Zn/Mn02碱性电池。锂金属的理论比容 量高，为 3861.7mAmp-hr/g ， 而 FeS2 的理论比容量为 893.6mAmp-hr/g。 FeS2的理论容量是基于每个FeS2对4Li的4 电子转移，导致的反应产物是元素铁Fe和2Li2S。也就是说，4电 子中的2个使FeS2中的Fe+2价态还原为Fe，而余下的2电子4吏 ;5克的化合价从FeS2中的-1还原至Li2S中的-2。
整体Li/FeS2电池比相同尺寸的Zn/Mn02碱性电池能量更大。 也就是说，对于给定的连续电流消耗来说，尤其是超过200毫安的较 高电流消耗来说，在电压对时间曲线中，Li/FeS2电池比Zn/Mn02碱 性电池的电压下降慢很多。导致的结果是，可以由Li/FeS2电池得到 的能量比可以由相同尺寸的碱性电池得到的能量要多。从能量(瓦特-小时数)对恒定功率(瓦特)下的连续放电的图表中也更直接清楚地 显示出了 Li/FeS2电池的高能量输出，其中新制的电池在低至0.01 瓦特到5瓦特的固定连续功率输出下放电至完全。在这种测试中，功 率消耗维持在选定的0.01瓦特与5瓦特之间的恒定连续功率输出。 (由于放电期间电池的电压下降，负载电阻逐渐减小，提高了电流消 耗，从而维持固定的恒功率输出)。在能量(瓦特-小时数)对功率输出(瓦 特)的图表中，Li/FeS2电池显著地高于相同尺寸的Zn/Mn02碱性电 池。尽管两个电池(新制)的起始电压大约相同，即介于约1.2和1.5 伏之间。
因此，Li/FeS2电池优于例如为AAA(44 x 10mm)、 AA(50 x 14mm)、 C(49 x 25.5mm)或D(60 x 33mm)尺寸或任何其它尺寸电池的 相同尺寸的碱性电池之处在于，Li/FeS2电池可以与常规的Zn/Mn02 碱性电池互换使用，具有更长的使用寿命，特别是在高功率要求的情 况下。同样，作为一次(非充电)电池的Li/FeS2电池可以用来替换 相同尺寸的可充电镍金属氢化物电池，后者具有与Li/FeS2电池大约 相同的电压(新制)。
将Li/FeS2电池的螺旋巻绕电极插入到通常为圆筒形的壳体内后再加入电解质，然后必须用端帽组件封闭壳体的开口端。端帽组件 是多功能性的。在端帽组件内有提供接触端子的端子端帽或端板。对
于Li/FeS2电池来说，端帽与电池的阴极电接触并提供电池的正极端 子。端帽组件必须包括可靠的密封，用以防止电解质的泄漏并经受住 由于电池储存或放电期间的放气造成的电池内压水平。电池应包括当 电池内的气体压力增大到预定的水平时能启动的排气系统。排气系统 理想的是包括在端帽组件之内。
电化学电池技术披露了可以在电池壳体壁本体之内形成的排气 口，即，通过削弱壳体壁，当电池内压力达到给定的水平时使之石皮裂。 该技术教授到，这可以通过刻划或蚀刻电池金属壳体壁，从而在壳体 壁本体之内提供薄的可破裂部分来完成。这种刻划区展现在电池壳体 侧壁或壳体底部(封闭端)上，这样刻划区面对着外部环境。披露了 电池壳体壁上的这种刻划或削弱区的电化学电池的实例有美国专利 2，478,798; 2,525,436; 4,484,691; 4,256,812; 4，789，608; 4，175，166和 6，159，631
在美国申请2006/0228620 Al中描述了一种巻绕的Li/FeS2电 池，它在端帽组件内包括单独的薄金属箔或聚合物膜。设计的单独的 膜当电池内的气体积累到预定的水平时便会破裂。
可以对电化学电池提供可破裂的排气装置，该排气装置通常包括 端帽组件之内的可破裂膜，所述可破裂膜是在例如为尼龙、聚丙烯或 聚乙烯的塑料绝缘密封盘内一体形成的。可以由例如美国专利 3，617，386中所述的塑料绝缘盘内的开槽或薄化的部分形成可破裂膜。 设计的这种膜当电池内的气体压力超过预定水平时便会破裂。可以对 端帽组件提供当膜破裂时使气体逸出到环境中的排气孔。
电化学电池技术披露了包括在端帽组件之内的可破裂的排气膜， 它是在塑料绝缘密封盘内一体形成的薄弱区。这种排气膜通常是定向 的，这样它们处在垂直于电池纵轴的平面上，例如在美国专利 5,589,293中所示的那样。在美国专利4,227,701中，可破裂膜形成 为位于绝缘盘臂上的环形"狭缝或沟槽"，所述绝缘盘相对于电池纵轴
6是倾斜的。塑料绝缘盘可滑动地安置在穿过的细长的集电体上。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，
从而使薄化的膜"沟槽，，伸展，直至破裂。美国专利6,127,062和 6，887，614 B2中披露了绝缘密封盘和其上一体形成的倾斜的可石皮裂 膜。密封盘上的可破裂膜部分毗邻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。
美国专利6,127,062和6,887,614 B2披露了塑料绝缘密封盘和 一体形成的可破裂膜，其中可破裂膜毗邻上方金属支撑盘上的孔。在 美国专利6,887,614中，可破裂膜一体地形成在塑料绝缘密封盘内。 可破裂膜毗邻上方金属支撑盘上的开口。在美国专利6，887，614中， 在膜的内侧上有底切沟槽。沟槽围绕电池的纵轴。沟槽在其底端造成 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l更会 通过上方金属支撑盘上的开口而破裂。
可破裂膜的形式可以为一体地形成在塑料绝缘盘内的一个或多个 薄材料的"岛状物，，，如在美国专利4,537,841; 5，589，293;和6,042,967 中所示的那样。或者，作为在塑料绝缘盘内一体形成的可破裂膜，其 形式可以为围绕电池纵轴的薄部分，如美国专利5,080,985和 6，991，872中所示的那样。形成可破裂膜的围绕的薄弱部分其形式可以 为塑料绝缘盘内的狭缝或沟槽，如美国专利4,237,203和6,991,872 中所示的那样。可破裂膜还可以为夹在金属支撑盘和塑料绝缘盘之间 的单片聚合物膜，面对着那里的孔，如在美国专利申请公开 2002/0127470 Al中所示的那样。可以将尖锐的或其它突出的元件定 向到可破裂膜的上方，用以协助膜的破裂，如在美国专利3，314，824中 所示的那样。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端子端帽上的孔逸出 到环境当中。
上述的端帽组件包括排气装置，例如作为塑料绝缘密封盘的一体 部件的可破裂膜，它们一般不适用于巻绕的一次锂电池的端帽组件，这是由于对这种巻绕电池的组装和连接要求特别的原因。
因此，期望可以获得这样的端帽组件部件，它们易于制造和组装， 在正常操作和冷热气候的极端情况期间可以对巻绕的一次锂电池提供 紧密的密封。
期望可以获得端帽组件内的可靠的可破裂排气装置，在巻绕的锂 电池中，当电池内的气体压力上升至预定水平时，该装置能启动并可 靠地行使功能。
理想的是，端帽组件包括诸如PTC(正温度系数)装置的断流器， 用以提供避免短路或异常高电流消耗的额外保护。
理想的是，端帽具有防损性能，即，不容易从端帽组件上撬动下来。
发明概述
本发明涉及用于封闭并密封其中具有巻绕电极的电池的端帽组 件。端帽组件被插入到电池壳体(外壳)的开口端，从而密封和封闭 壳体，还在其中提供排气装置，如果电池内的气体压力升至预定的水 平，该排气装置便启动。该排气装置优选包括可破裂的金属表面，如 果电池内的气体压力增大到预定的水平，设计的该表面便会破裂。端 帽组件还可以包括诸如PTC (正温度系数)装置的断流器。如果电池 遭遇短路、异常高电流消耗或异常高温，则PTC装置启动，用以迅 即增加通过的电阻，从而快速减少电流消耗。本发明的端帽组件主要 计划用于锂一次(非充电)电池，即，其中阳极包括锂的电池。该电 池通常具有包括锂或锂合金片的阳极和包括二氧化锰(Mn02)或二硫 化铁(FeS2)的阴极。尤其是，本发明的端帽组件主要应用于一次(非 充电)巻绕电极式电池，其中阳极包括锂或锂合金片，阴极包括一个 层，通常是包括二硫化铁(FeS2)的涂层。电池壳体通常为圆筒形。
在一个主要方面中，端帽组件包括形成正极端子的金属端帽和下 面的金属阴极接触杯体，任选的PTC (正温度系数)装置位于其间。 阴极接触杯体与下面的阴极和上方的端帽均电连接，这样阴极接触杯体成为阴极与端帽之间的电通路的一部分。阴极接触杯体具有开口端、 相对的封闭端或底端，其间为一体的侧壁。端帽组件还包括绝缘密封 盘，优选为塑料的，阴极接触杯体插入到其中，使之隔开而不与电池 壳体电接触。绝缘密封盘具有纵向穿过的孔，导致出一对相对的开口 端。孔由所述绝缘密封盘的侧壁或周边边缘界定。
在一个主要方面中，对金属的阴极接触杯体提供一体的可破裂薄 弱部分，如果电池的内部压力上升到预定的水平，设计的该部分^f更会 破裂，从而由此释放气体。可破裂薄弱部分为阴极接触杯体之一壁的 一体部分，理想的是位于杯体的封闭端或底端内，面对着电池的内部。
优选通过将具有锋利边缘的冲模挤入到阴极接触杯体的封闭端上来形 成薄弱部分。(在挤入前可以对冲模边缘进行预热)。形成薄弱部分的 其它方法也是可行的，并不排除在外。优选的是沖模挤靠阴极接触杯 体的封闭端，从而在其上形成沟槽。沟槽可以是分段或连续的，可以 是直线或曲线的，或者是两者的组合。在所述沟槽的底端，沟槽下面 的剩余金属形成阴极杯体封闭端上的薄弱金属部分。优选在阴极接触 杯体封闭端背向电池内部的一侧上制作沟槽。或者，可以在阴极接触 体封闭端的相反侧上制作沟槽，即，面向电池内部的一侧。阴极杯体 底端上的沟槽之下的剩余金属被设计得足够薄，从而使得当电池内的 气体压力增大到预定水平时它们便会破裂。对于阴极杯体来说，因此 也对于所述沟槽之下的可破裂金属来说，已确定的优选金属为铝的合 金。用于构造阴极接触杯体的优选金属优选为已经历退火的铝合金， 这样其具有足够的可锻性，从而能够可靠地制造出所需厚度小的沟槽
之下的所述可破裂金属部分。铝合金还提供阴极材料、阴极接触杯体 和端帽之间的极好的导电性。
阴极接触杯体理想的是具有插入到那里的支撑盘或垫圏，优选为 金属的，用以提高所述杯体的强度。支撑盘或垫圏的形状通常是平的， 具有中央孔。或者，可以将支撑盘构造到阴极接触杯体当中，也就是 说，形成为与阴极接触杯体一体的部分。这样随之增大了阴极接触杯 体的环形厚度，从而无需插入到其中的单独支撑盘。
9在组装当中，将巻绕的电极插入到电池壳体中，可以插入绝缘罩 或绝缘垫圏，用以覆盖巻绕电极的顶端。从阳极延伸出的阳极引片被 焊接到壳体的封闭端。在壳体之外形成本发明的端帽组件。在端帽组 件的形成当中，将金属阴极接触杯体与其中任选的支撑盘插入到绝缘
密封盘当中。然后又将金属端帽与任选在下面的PTC装置插入到绝 缘密封盘当中，阴极接触杯体之上，这样所述绝缘密封盘的侧壁或周 边边缘在金属端帽的边缘之上延伸。这样就完成了端帽组件的形成。 阴极引片通过绝缘密封盘底端上的开口与阴极接触杯体的底端连结。 向壳体内的巻绕电极添加电解质。然后将端帽组件插入到电池壳体的 开口端封闭壳体。将壳体边缘巻边到绝缘密封盘周边边缘之上，随之 而来的是也巻边到端帽组件之上，永久性地将端帽组件锁定在适当的 位置上并紧密地密封壳体。
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2为显示本发明的端帽组件构件的分解图。
图3为端帽的示意图。
图4为端帽下面的PTC装置的示意图。
图5为支撑塾圈的顶视图。
图6为阴极接触杯体的一个实施例的顶视图，其上具有形成薄的 可破裂部分的线形沟槽。
图7为阴极接触杯体的第二实施例的顶视图，其上具有形成薄的 可破裂部分的环形沟槽。
图8为在接触杯体表面上形成薄的可破裂部分的典型沟槽的截 面图。
图9为绝缘密封盘的顶视图。
图10为本发明的端帽组件的第一实施例，使用插入到绝缘密封 盘当中的阴极接触杯体，其中阴极接触杯体在其底面上具有如图6中
10的线形沟槽。
图11为本发明的端帽组件的第二实施例，使用插入到绝缘密封
盘当中的阴极接触杯体，其中阴极杯体在其底面上具有如图7中的环 形沟槽。
图12为接触杯体的第三实施例的顶视图，
其中支撑垫圏被构造到接触杯体当中，形成与之一体的部分。
图13为本发明的端帽组件的第二实施例，其中将图12的接触 杯体插入到绝缘密封盘当中。
图13A为图13的实施例的一种形式，显示阴极接触杯体与密 封盘之间的联锁。
图14为用于插入到阴极接触杯体当中的更厚支撑垫圈的顶视图。
图15为本发明的端帽组件的第三实施例，其中使用如图14中 的更厚的支撑垫圏，阴极接触杯体的边缘未巻边到所述更厚的支撑垫 圈之上。
图16为显示包括巻绕电极组件的各层设置的示意图。 图17为图16的电极组件的平面图，其各层中的每层都有部分 的删除，从而显示出下面的层。
发明详述
本发明的端帽组件14具有在巻绕电极式电池中的应用。端帽组 件14的主要应用是用于对圆筒形壳体(外壳)70进行封闭、密封、 提供排气系统和电安全切断。端帽组件14还提供电池的终端端子。 壳体70可以为标准的圆筒形尺寸AAA(44 x 10 mm)、 AA(50 x 14 mm)、 C(49 x 25.5 mm)或D(60 x 33 mm)或者为其它的电池尺寸。
本文描述的端帽组件14主要计划用于锂一次(非充电)电池， 即，其中阳极包括锂。电池通常可以具有包括锂片的阳极240和包括 含二氧化锰(Mn02)或二石克化4失(FeS2)的涂层或层260的阴极。阳极 240可以为锂与合金金属的合金，例如为锂与铝的合金。在这种情况下，合金金属的量非常少，按锂合金重量计优选少于1%。因此，本 文中的及权利要求中的术语"锂"或"锂金属"意在包括这种锂合金。形
成阳极240的锂片无需基板。有利的是，锂阳极240可以由理想厚 度介于约0.05和0.30mm之间的锂金属挤压片形成。
特别地，本发明的端帽组件14主要应用于巻绕电极式电池，尤 其是巻绕电极式一次(非充电)电池，如在电池10中那样，其中阳 极240包括锂或锂合金片，阴极包括含二硫化铁(FeS2)的涂层或层 260。理想的是将含FeS2粉末的阴极涂层260施加到栅或网或箔片 265上，由此形成阴极复合片262(图16)。螺旋巻绕的电极组件213 包括与阴极复合片262螺旋巻绕在一起的阳极片240， 二者之间是可 渗透电解质的隔板片250。将螺旋巻绕的电极組件213插入到阴极壳 体70中。向壳体70内的巻绕电极组件213里添加电解质。阳极 引片244 (图17)从电极组件213中延伸出来，例如通过焊接的方 式与壳体70的封闭端75的内表面相连接。阴极引片264被焊接 到端帽组件14之内的金属阴极接触杯体40的封闭端49上。将端 帽组件14插入到通常为圆筒形的壳体70的开口端15当中。壳体 70的周边边缘72 ,皮巻边到端帽组件14之上，优选同时还施加径 向压缩力，从而将端帽组件14锁定到位并密封壳体的开口端15。与 阴极杯体40和阴极260电连接的端帽60起到作为电池正极端子 的作用，而与阳极240电连接的壳体70的封闭端72起到作为电 池负极端子的作用。端帽60理想的是其上具有多个排气孔65，所述 排气孔通常可以具有约lmm2或更大面积的开口。
在一个主要的实施例中，端帽组件14 (图1和2)包括端帽60 和下面的金属阴极接触杯体40，任选的PTC装置160(正温度系数) 位于之间。端帽组件14还包括绝缘密封盘20，其上具有纵向穿过的 中央孔25,从而形成一对而相对的开口端(图9)。将阴极接触杯体40 和端帽60 (与任选的PTC装置160)插入到绝缘密封盘20的中 央孔25之内，使得阴极接触杯体40的边缘48、 PTC装置160的 表面162和端帽60的边缘66处于绝缘密封盘20的周边边缘
1228之内。
阴极杯体40理想的是具有插入到其中的优选为金属的支撑盘或 垫圏140,如典型的图1、 10、 11和15所示。支撑垫圏140的厚 度通常为约0.2至1.5mm(图5 )。 AA电池的金属支撑垫圏140通 常可以具有直径约2至9mm的中央开口 145和约llmm的外 径。中央开口 145由环形区146界定，所述环形区止于表面边缘 142。应该意识到，可以根据电池的尺寸调整支撑垫圏140和孔145 两者的直径。支撑盘140的主要功能是用来提供附加的强度和防止阴 极接触杯体40的过度偏斜。或者，支撑垫圏140可以形成为与阴 极接触杯体40 —体的部分，从而增加接触杯体40的环形厚度，例 如图12和13所示的那样。在这一实施例中，如图13所示，阴极 杯体的封闭端或底端49沿整个杯体的直径上可以是平的。
端帽组件14 (图2)还包括优选为弹性耐用塑料材质的绝缘密封 盘20 (图9)，优选是聚丙烯的。绝缘密封盘20具有纵向穿过的孔 25，结果形成一对相对的开口端，如图9所示。孔25由侧壁或周 边边缘28界定(图9)。可以有位于绝缘密封盘20之下的优选为 耐用塑料的绝缘垫圏150。绝缘垫圏150与端帽组件14是分开的， 它保护着电池壳体70中的巻绕电极组件213并将其夹持在适当的 位置上。
金属阴极接触杯体40可以为盘状的，具有开口端41和相对的 封闭端或底端49以及在其间形成周边边缘48的一体侧壁。最佳如 图10和11所示，底端49可以从周边边缘48向下移动或凹进。 对于AA电池来说，阴极接触杯体40通常可以具有约12mm的外 径和约3至9mm的梯状底端49 (图10和11)。这些尺度可以根 据电池的尺寸而进行调整。在如图13所示的实施例中，阴极接触杯 体40可以具有在整个杯体直径上是平的底端49,这样环形区46a 可以比在图10和11实施例中的阴极接触杯体40的要厚。图13 所示的阴极接触杯体40具有更厚的环形区46a，由此可不再需要被 插入到那里的单独的金属垫圈140。阴极接触杯体40的特征在于其具有一个或多个薄弱部分43，优 选沖切至底端49。优选将具有锋利边缘的冲模挤入到金属阴极接触杯 体底端49的顶面上，由此形成钻到所述底端49表面的一个或多个 沟槽44，这样形成薄弱部分43。如图8所示，沟槽44具有开口 端和相对的封闭底端42以及其间的侧壁47a和47b。如图8所 示，在所述沟槽的底端42处，沟槽44之下的剩余金属形成薄弱部 分43。接触杯体40的金属底端49内的薄弱部分43要设计得足 够薄，使得当电池内的气体压力增至预定的水平时便会破裂。
形成到阴极接触杯体底端49的沟槽44可以具有不同的形状 和样式。沟槽44可以是连续的或分段的。它们可以是线形(直的) 或曲线形的，或者是两者的组合。可以有一个或多个切到阴极杯体底 端49的这种沟槽44。沟槽44的侧壁47a和47b可以竖直或倾 斜，从而如图8所示形成V形。通常，沟槽具有V形的侧壁47a和 47b，其中所述侧壁形成约15至150度的夹角，理想的是约30至 90度，优选的是约60度。可以通过调节所述沟槽的宽度来对下面的 薄弱部分43 (剩余金属)的破裂压力稍作调整。然而，对于给定的金 属来说，已经确定的是，获得理想的金属破裂压力的主要参数是沟槽 44下面的剩余金属43的厚度。必须选择用于阴极接触杯体40的 合适金属，使得a)它对电池电解质的化学侵蚀具有足够的耐受性，b) 它可以提供与阴极材料260的良好电接触，和c)它具有足够的可锻性， 从而可以在不断裂底端49的情况下使沟槽44下面的剩余金属43 达到理想的薄度。已被确定能显示出这些理想品质的阴极杯体40的 优选金属为铝合金材料。虽然各种铝合金都是合适的，但举例来说， 优选的铝合金包含约2.5%的镁和约0.25%的铬，且已经过退火处 理。这种铝合金是可以按ASTM标号为5052-H34或5054-H38的 铝合金商购得到的。用于阴极接触杯体40的其它合适的铝合金可选自 于ASTM标号1000至7000系列的，优选的是这一系列内的已经 受退火的铝合金。
具有直线模式的沟槽44的一个实例示于图6。图6中的沟槽
14有三个直线部分44a、 44b和44c，样式像从共同点45处伸出的直 形辐条(图6)。每个沟槽44a、 44b和44c都有下面相应的剩余金 属部分43 (图8)，如果电池内的气体积累到预定的压力便会破裂， 因此起到排气口的作用。共同点45理想的是偏离中央纵轴190，这 样它就不直接对准位于阴极引片264与阴极接触杯体40底面之间 的焊接区的下方。例如在AA电池中，共同点45通常可以偏离中央 纵轴190约lmm。如果阴极引片264与接触杯体40在别处连结， 也就是说在纵轴190以外，则共同点45可以位于纵轴190上。
具有曲线样式的沟槽44的实例有环绕阴极接触杯体底端49 的环槽44，最佳如图7所示。应该意识到，仅仅是通过非限制性的 实例给出了这些样式，其它许多沟槽的样式也是可行的。例如，这种 其它样式可能涉及直线和曲线形的沟槽的组合，可以配置成连续的或 分段的样式。
作为一个具体的非限制性实例，如果电池IO具有锂或锂合金阳极 240和包含二硫化铁(FeS2)的阴极涂层260，则对于AA尺寸电池来 说，沟槽 44下面的薄部分43的合适破裂压力可以为约 345kPa(50psi)至6894kPa(1000psi)，理想的是约2068kPa(300psi)至 5515kPa(800psi)，优选为约2413kPa(350psi)至3447kPa(500psi)。为 了在本发明的背景下获得这样的破裂压力，有利的是可以使用由铝合 金(2.5% Mg; 0.25% Cr)形成的阴极接触杯体40。这种铝合金例 如可以按ASTM标号5052-H34或5052-H38购得，其中H为应变 硬化标记。(不同合金成分及热处理程度的其它铝合金也可以为用于阴 极杯体40的充分合适的材料)。阴极接触杯体40的壁厚通常可以 为约0.2至1.5mm。底端49的接近沟槽44的部分(图8)通常 可以具有约0.2至0.3mm的厚度。
当电池10内的气体压力增大到预定的压力时，阴极接触杯体底 端49上的沟槽44之下的剩余金属部分43将会破裂，使电池内的 气体通过端帽60上的排气孔65逸出到环境中。
当由上述指定的优选铝合金材料，例如ASTM标号5052-H34或5052-H38铝合金，形成阴极接触杯体40时，已可以确定的是， 沟槽44下面的剩余金属部分43应该具有减小的厚度，用以使用上 述指定的铝合金达到约345kPa(50psi)至6894kPa(1000psi)的破裂压 力，或更优选为约2068kPa(300psi)至5515kPa(800psi)的破裂压力。 为了使用上述指定的铝合金达到约 345kPa(50psi)至 6894kPa(1000psi)、优选为约2413 kPa(350psi)至3447kPa(500psi)的 破裂压力，沟槽44下面的剩余金属部分43应该具有约0.02至 0.12mm的厚度，通常为约0.02至0.06mm。更具体地^兌，为了将 ASTM标号5052-H38铝合金用于阴极接触杯体40时达到约 2413kPa(350psi)至3447kPa(500psi)的破裂压力，沟槽44下面的剩 余金属部分43的优选厚度为约0.02至0.04mm。当ASTM标号 5052-H34铝合金用于阴极接触杯体 40时，为了达到约 2413kPa(350psi)至3447kPa(500psi)的相同破裂压力，沟槽44下面 的剩余金属部分43的优选厚度为约0.04至0.06mm。沟槽宽度在 本文中定义为沟槽44在其底端42处的宽度，即，其毗邻下面的剩 余金属43的封闭端的宽度(图8)。底端42处的沟槽宽度通常可 以为约0.1至lmm。通过调节沟槽宽度可以对剩余金属43的破裂 压力稍作调整。(对于给定厚度的下方剩余金属43来说，稍大的沟槽 宽度所需的破裂压力略低)。不过，对于给定的金属来说，用来确定剩 余金属43的破裂压力的主要参数是沟槽44下面的所述剩余金属 部分43的厚度。
可以给端帽组件14提供PTC(正导热系数)装置160,它位于 端帽60之下，电连接地串联在阴极260与端帽60之间(图1)。 PTC装置160的形状可以为具有中央孔165的平盘(图4)。当接 触到由电阻加热或外部热源造成的热量时，PTC装置160急剧地增 大通过的电阻。这种装置保护电池免于在电流消耗高于预定安全水平 下的^t电。Li/FeS2电池10具有约1.8伏的典型OCV(电池开路电 压)和例如包括用于数码相机的正常使用中的1.2至1.5伏的平均 运行电压。在正常使用状态下，电池可以经受最多高达约3Amp的最大电流消耗水平。在例如短路消耗的滥用或异常情况下，电流消耗
可能在数个毫秒内升至或接近10Amp。在这种情况下，设计的PTC 装置160启动并以急剧的速率增大通过的电阻。导致电流消耗陡降至 安全的水平，从而使电池受到保护。用在Li/FeS2电池10中的合适 PTC装置可以具有约7至8 ohm x mm的初始电阻率(暴露于高电 流消耗之前)。
可以按以下的方式装配电池10,该电池10可以为一次Li/FeS2 电池
通过使阳极片240和复合阴极262与其间的隔板片250螺旋 缠绕形成电极组件213。缠绕前的初始分层配置示于图16中，该图 显示的是顶部隔板层250和下面的阳极层240以及在所述阳极层 240下面的第二隔板层250和在所述第二隔板层250下面的复合 阴极层262，后者为阴极材料260涂布到导电基板(载体)265上。 理想的是对巻绕的电极组件213提供包裹在巻绕组件周围的绝缘片 或罩270。巻绕的电极组件213具有从巻绕的电极顶部伸出的阴极引 片264 (图17)和从巻绕的电极底部伸出的阳极引片244 (图17)， 这些在图2中也有显示。
在组件当中，阳极引片244对着底部绝缘盘170的扁平或删截 边缘的部分172递送(图2)，这样它能在弯曲时与底部绝缘盘170 的内侧相接触。然后通过开口端15将巻绕的电极组件213插入到 壳体70当中。然后可以通过从电池外部的激光焊将阳极引片244 焊接到壳体70的封闭底端75的内表面上。然后插入绝缘垫圏150 到巻绕电极组件213的顶端之上(图2)。在壳体开口端15附近的 壳体74上形成环绕的撑圏73。绝缘垫圏150的边缘咬在环绕撑圏 73的下方，从而压住电极组件213的顶端并将巻绕的电极213保 持在壳体70当中，如图1所示。阴极引片264从电极组件213的 顶端伸出。(阴极引片264的主要部分的两侧可以被包裹在通常为聚 丙烯的绝缘片248中，用以保护引片264，使之不会不经意地与阳极 材料240或壳体70接触)。
17然后按以下的方式形成帽组件14:
首先可以形成分组件14a，它包括阴极接触杯体40，优选为金属 的支撑垫圈140插入其中(图2)。阴极接触杯体40是金属的，其 特征在于具有杯的形状，具有整体的封闭底端49,侧壁或周边边缘48 围绕所述封闭底端49并从那里开始展开。底端49可以是平的，如 图13所示，或者从边缘48向下凹，如图10所示。阴极接触杯体 40的底端49其上具有沟槽44，形成了下面的可破裂的剩余金属部 分43。具有这种沟槽44及其下可破裂的剩余金属43的阴极接触 杯体40的实例示于图6和7中。如上所述，如果电池内的气体积 累到预定的压力水平，设计的沟槽44之下的剩余金属部分43便会 破裂，从而将气体排放到环境当中，降低电池的内部压力。
包括阴极接触杯体40与其上的金属支撑垫圏140 (或等同体) 的分组件14a的各种配置都是可行的。本文通过举例的方式提供分组 件14a的三个实施例。在第一实施例中，金属支撑垫圏140 (图5) 被插入到阴极接触杯体40内的环形台架46上(图6或7)，所述 阴极接触杯体40的周边边缘48被巻边到金属支撑垫圏140之上 方，由此将其锁定在杯体40之内的适当位置上，从而产生分别如图 10和11所示的巻边配置。
在如图12和13所示的第二实施例中(单件制作)，阴极杯体 40的底端49是平的，厚的环形区46a —体地形成在杯体40中。 在这后一种实施例中不用单独的金属支撑垫圏140。代之而来的是， 通过在整个杯体直径上采用平的底端49并增加环形区46a之厚 度，将金属支撑垫圏的厚度整合到阴极杯体40当中。阴极接触杯体 40(图13)和密封盘20(图13)之间的面与面的分界面以及壳体70 (图13A)和密封盘20 (图13A)之间的面与面的分界面可以具有 不规则的啮合表面或缺口，如图13A所示，在接触杯体40、密封盘 20和壳体70之间造成上箍圏11和下箍圈12。如图13A所示， 阴极杯体40与密封盘20之间的相应缺口界表面41a和21a给 接触杯体40与密封盘20之间提供了极好的联锁性。此外箍圏11和12也使得密封体20在电池组装及电池使用期间不太可能蠕变。 在壳体70向密封体20之上的巻边过程中，密封体20在箍圏11 与12之间的部分处于压缩力之下，受限保持于箍围11和12之 间。这就降低了密封体20发生冷蠕变的可能性。还可以导致密封体 20与壳体70之间的紧密的界面接触，且还可以导致密封体20与 阴极接触杯体40之间的紧密的界面接触。在电池的存放和使用期间 这种紧密的界面接触一直保持着。
在第三实施例中(图15)，使用了如图14所示的更厚的金属支 撑盘，它被插入到阴极接触杯体40的台架46上(图15)。但由于 金属支撑盘140比图5所示的实施例中的更厚，阴极接触杯体40 的周边边缘48不被巻边到所述金属支撑盘140的表面边缘142 之上，而只是使金属支撑盘140贴切地安装在由接触杯体周边边缘 48的界定内。由此得到的分组件14a包括在非巻边的阴极接触杯体 40之内的更厚的金属支撑盘140 (图14)，该分组件如图15所示。
一旦包括阴极接触杯体40和金属支撑盘140 (或等同体)的分 组件14a制作完毕后，可以将它直接插入到绝缘密封盘20的盘体 当中，使得阴极接触杯体40之底端49的至少一部分暴露出来。然 后可以通过激光焊或等同的手段将阴极引片264焊接到底端49 上。将PTC盘160插入到绝缘密封盘20之内，使之如图10、 11、 13或15所示的那样坐落在接触杯体边缘48上。然后通过将端帽 60的边缘66越过环绕的凸出24 (图9)咬合装配到绝缘密封表面 边缘28上，将端帽60插入到绝缘密封盘20当中。这样就完成了 形成端帽组件14的过程。然后可以将电解质添加到壳体70之内的 螺旋形巻绕的电极组件213中。然后将制作完毕的端帽组件14插 入到壳体70的开口端15当中。绝缘密封盘20之周边边缘28的 底端部分28a坐落在壳体的环绕撑圏73上。在插入端帽组件14的 过程中，阴极引片264的片体部分在绝缘密封体20之下发生弯折， 尽管阴极引片264的端部已被焊接到阴极接触杯体40的底部。在 这一阶段中，壳体周边边缘72被巻边到绝缘密封盘20的边缘28之上，从而将包括端帽60的端帽组件14紧紧和安全地锁定在适当 的位置，并永久性地封闭电池壳体70。该巻边程序还将端帽60锁定 到电池内的适当位置上，从而使之免受损害。在巻边期间还可以施加 径向力，用以进一步保护壳体70之内的端帽组件14。电池组件至此 完成，电池已可供使用。
对于上述的电池10和端帽组件14的构件来说，以下是合适的 构造材料，当然这不意味着本发明一定局限于任何特定的材料
壳体70可以合适地为镀镍冷轧钢的，壁厚通常为约0.1至 0.5mm，优选为0.2至0.3mm，例如约0.25mm。或者，壳体70可 以由铝、铝合金、镍或不锈钢构成，或者可以包括塑料壳。阴极接触 杯体40优选由铝合金构成，特别是已经过热处理(退火)而更具可 锻性的铝合金。用于阴极接触杯体40的合适铝合金可选自于已经受 热处理(退火)的ASTM标号IOOO至7000系列。阴极接触杯体40 的优选铝合金为经历了热处理(退火)的与镁和铬形成合金的铝，如 上所述可以按ASTM标号5052-H38或5052-H34购得。支撑垫圏 140理想的是可以为镀镍冷轧钢的。或者，支撑垫圈140可以具有与 阴极接触杯体40同样的优选组成，即，上述的铝合金。支撑垫圏140 的壁厚通常可以为约0.1至1.5mm，理想的是约0.2至1.5mm。接 触杯体40的壁厚范围通常可以为约0.2至1.2mm。端帽60理想 的是可以为镀镍冷轧钢的，具有约0.1至0.5mm的壁厚。锂电池10 的绝缘密封盘20优选为聚丙烯的，但也可以为其它的耐用性塑料，包 括聚乙烯、聚乙烯的共聚物和聚丙烯的共聚物、硅橡胶及聚对苯二甲 酸亚丁酯或其它材料。同样，绝缘盘150和170 (图2)可以用与 绝缘密封盘20所用的相同或相当的耐用性塑料材料。保护巻绕电极组 件213的绝缘片或罩270也可以用与绝缘密封盘20所用的相同 或相当的塑料材料。
对于使用本发明端帽组件14的典型Li/FeS2 —次(非充电)巻 绕电极式电池10，将具有以下干含量的阴极涂料260与诸如 ShellSol A100烂溶剂(Shell Chemical Co.)和Shell Sol OMS烃溶剂
20(Shell Chemical Co,)的烃溶剂进行初始混合。将混合物作为湿涂料施 加到导电基板(载体)265 (图17)上。然后干燥湿涂料，形成干燥 的阴极涂层260，典型的组成为
FeS2粉末(89.0 wt.%);粘结剂Kraton G1651弹性体(得自) Kraton Polymers, Houston, Texas)(3.0 wt.%);导电碳粒子，得自 TimcalLtd的高结晶石墨Timrex KS6(7wt.。/。)，和炭黑，例如乙炔黑 (lwt%)。将干燥的阴极涂层260附着到导电基板265上形成复合阴 极262 (图16)，所述导电基板例如为箔片或栅，优选为铝片或不锈 钢扩展金属箔。
阳极240可以为锂金属片(纯度99.8%)。或者，阳极片240可 以为锂与合金金属的合金，例如锂与铝的合金。在这种情况下，合金 金属的存在量非常少，优选按锂合金的重量计少于1%。因此锂合金 的电化学功能接近于纯锂。Li/FeS2电池的隔板片250可以为微孔聚
丙烯o
形成巻绕的电极组件213并将其插入到电池壳体70中，所述 巻绕的电极组件包括阳极片240、复合阴极262 (阴极涂层260在 导电基板265上)，其间是隔板片250。然后在电极组件213被插 入到电池壳体70以后向其中添加适当的电解质。理想的电解质为在序 列号为11/516534的普通转让的美国专利申请中提到的电解液，其包 括溶解在有机混合溶剂中的0.8摩尔浓度(0.8摩尔/升)的 Li(CF:jS02)2N(LiTFSI)盐，所述有机混合溶剂包括约75vol.%的醋酸 曱酯(MA)、 20vol.%的碳酸亚丙酯(PC)和5vol.%的碳酸亚乙酯 (EC)。
虽然已参照具体的实施例对本发明进行了描述，但应意识到，在 本发明原则以内的变化也是可行的。因此本发明不只限于具体的实施 例，而是限于权利要求及其等价表述的范围之内。
权利要求
1.一种电化学电池，其具有外壳和端帽组件，所述外壳具有开口端、相对的封闭端和其间的圆筒形侧壁，所述端帽组件插入到所述外壳的开口端封闭所述外壳，其特征在于所述电池具有阳极、阴极和其间的隔板，以及正极和负极端子，其中所述端帽组件包括绝缘密封盘和杯体，所述杯体包括插入到所述绝缘密封盘内的金属；其中所述金属杯体具有开口端、相对的封闭端和其间一体的侧壁；其中所述金属杯体在其封闭端具有至少一个沟槽，所述沟槽具有开口端和相对的封闭底端，其中所述底端形成剩余金属的薄弱可破裂部分，当所述电池内的气体增加时该部分会破裂。
2. 如权利要求1所述的电池，其中所述电池为一次非充电电 池，并且所述阴极与所述正极端子电连接，并且所述阳极与所述负极 端子电连接；其中所述金属杯体与所述阴极电连接。
3. 如权利要求2所述的电池，其中所述阴极具有延伸出来的 导电引片，其中所述导电引片与所述金属杯体连结。
4. 如权利要求2所述的电池，其中所述沟槽为直线或曲线形状。
5. 如权利要求1所述的电池，其中所述端帽组件还包括由周 边边缘界定的绝缘密封盘；其中所述绝缘密封盘具有纵向穿过所述绝 缘密封盘的孔，从而在所述盘中形成一对相对的开口端；其中所述金 属杯体被插入到所述孔内的所述绝缘密封盘的内部当中，从而使所述 金属杯体由所述绝缘密封盘的周边边缘界定。
6. 如权利要求5所述的电池，其中所述绝缘密封盘的至少一 部分与所述金属杯体之间有界面接触，其中所述界面接触为联锁。
7. 如权利要求5所述的电池，其中包括所述沟槽的所述金属 杯体的封闭端通过所述绝缘密封盘上的孔暴露于电池内部，从而使所 述电池之内的气体能沖击到在所述沟槽底端的剩余金属的薄的可破裂 部分。
8. 如权利要求7所述的电池，其中所述端帽组件还包括插入 到所述金属杯体之内的支撑垫圏，用以提高所述金属杯体的强度，其 中所述支撑垫圏具有穿过的中央孔。
9. 如权利要求1所述的电池，其中所述金属杯体由铝的合金 构成。
10. 如权利要求1所述的电池，其中所述端帽组件还包括介于 所述端帽与所述金属杯体之间的PTC (正温度系数)装置。
11. 如权利要求1所述的电池，其中所述阳极和阴极与其间的 隔板的形式为插入到所述电池外壳当中的巻绕螺旋体。
12. 如权利要求1所述的电池，其中所述阳极包括锂或锂合金， 并且所述阴极包括二硫化铁(FeS2)。
全文摘要
本发明披露了一次锂电池的端帽组件。该端帽主要应用于封闭和密封具有卷绕电极的一次锂电池。电池通常可以具有包括锂的阳极和包括二硫化铁(FeS₂)的阴极。所述端帽组件具有其中的金属阴极接触杯体，所述接触杯体具有封闭端和相对的开口端与其间的一体侧壁。阴极接触杯体与阴极电连接，处在阴极与端子端帽之间的电通路内。阴极接触杯体具有在其封闭端形成的一个或多个沟槽，导致在所述沟槽下面形成的剩余金属的薄弱或可破裂部分。薄的或可破裂的剩余金属部分直接接触电池内部的气体，设计成当电池内的气体积累到预定的水平时便会破裂。
文档编号H01M2/12GK101542775SQ200880000031
公开日2009年9月23日 申请日期2008年3月6日 优先权日2007年3月6日
发明者B·马克维茨基, F·J·伯科威茨, J·贾尼克, M·D·安德鲁斯, R·帕夫林斯基, S·A·贝努瓦, W·J·万德洛斯基 申请人:吉莱特公司