专利名称：带有过压保护装置的电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有过压保护装置的电池，并且更具体地涉及诸如锂离子充电电池等具有过压电流断路装置或组件的充电电池。本发明还涉及一种用于充电电池的过压断路装置。
背景技术：
电池是广泛使用的存储能量源的形式。一只典型的电池包括正极板组和负极板组，其中正极板组和负极板组通过它们各自的电极分别连接到正极输出端子和负极输出端子。这对正极板组和负极板组包含在电池单元内并且浸入在电解质中。当电池的输出端子电气连接时，存储的能量释放并在转换过程中转换成电能。当电池充电时，电能通过相反的过程被转换成存储的能量。在这些能量的转换过程中产生热量和气体，并且电池单元的内部压力可能增加并超过安全极限。为了避免安全风险，例如，防止由于过压引起的爆炸，已知带有过压保护的电池。由于充电锂电池能量密度高、电池电压高和保质期长，因此对于众多电子消费品而言，充电锂电池是优选的，并且目前在诸如电动工具、动力自行车和电动汽车等电力应用中正变得越来越流行。然而，众所周知的是，过压保护对于维持充电锂电池的安全使用而言是至关重要的。专利公开US5，418，082和US4，943，497描述了具有过压电流断路装置的密封电池，其中，电极和端子之间的电流连接是通过焊接组件形成的。当内部电池的内部压力达到预设阈值时，安全构件运转以中断该焊接连接，从而断开电池的电流连接。专利公开US5，750, 277描述了具有另一类型的过压电流断路装置的密封电池。在该装置中，电极和端子之间的电流连接是通过使弹性导电部件推压在另一导电部件上而形成的。当该内部电池的内部压力达到预设阈值时，安全构件变形并运转以中断电流连接，从而断开电池的电流连接。专利公开US7, 186，477描述了具有过压保护顶盖的充电锂电池，该顶盖基本上包括安全膜(31)，该安全膜与环形焊接薄片(33)铆接以形成电流连接。当电池的内部压力超过阈值时，安全膜迅速弹出来中断电流连接。然而，已知的过压电流断路装置不是很令人满意。例如，在上面首先提到的焊接式装置中，因为通常需要大的焊接区来实现非常低的电阻，所以需要非常高的内部压力来中断焊接连接并因此断开电流连接。在弹簧推动装置中，接触电阻在电磁寿命期间可以是可变的并且不一致的，以及装有此种装置的电池在振动试验之前表现的不是很好，该振动试验在电池即将推向消费市场时是必须的。在US7，186，477的铆接式装置中，如果安全膜和环形焊接薄片之间的接触电阻太低，那么就需要非常高的内部压力来迅速弹出安全膜。因此，有利的是可以为密封电池提供一种改进的过压电流断路装置以减少已知装置中的至少一些缺点。
发明内容
根据本发明，在此提供包括过压断路组件的电池单元或电池，该组件提供电池电极和电池的相应电池端子之间的电气连接，使得电池电流在正常工作条件下能在电池电极和相应电池端子之间流动，并且在电池内部压力达到预设压力阈值时被设置成中断该电气连接，其中，过压断路组件包括在电池内部压力达到预设压力阈值时被设置成变形并中断电气连接的压力传感表面；其特征在于，该压力传感表面包括适用于在检测到过压时实现电气连接中断变形的预设机械薄弱区图案。包括此种机械薄弱区的过压断路组件在电池内部压力达到预设水平时提供快速的电气断路。预设机械薄弱区图案可包括分布在压力传感表面上的薄弱线。当达到预设阈值压力时，该薄弱线提供更敏感和更快速的响应。压力传感表面可构造成:电气连接中断变形最初发生在机械薄弱区、沿机械薄弱区发生或在机械薄弱区周围发生。此种方式在变形发生时增加了可预测性。机械薄弱区图案可包括刻在压力传感表面上的薄弱线。该薄弱线提供了一种图案，变形可沿该图案或在该图案上面发生。例如，薄弱线可以以径向方式分布。该径向分布提供了更有效的压力传感表面横向收缩来实现分离。通过过压断路组件的导电部分的紧密机械接合可实现电气连接，当压力传感表面由于过压而变形时，该导电部分脱离机械接合。此种方式适合于实现低接触电阻和快速分离之间的平衡，以在达到阈值压力时实现电流断路。薄弱区可设置成:在由于电池内部过压而变形时通过在薄弱区周围使压力传感表面变褶皱、挤压或破碎来减少压力传感表面的有效底部面积。有效底部面积的减少引起导电部分之间的分离。此种方式在达到阈值压力时便于快速的分离。机械接合可以是导电部分的紧密机械环抱、压接或紧扣。这提供了简单且有效的接合方式。机械接合的接合强度适合于:在电池正常工作条件下将导电部分的接触电阻限制在适当的预设值之下，而在电池内部压力达到预设阈值时允许接合的导电部分的快速分离。薄弱区设置成在变形时使压力传感表面塌陷或破碎，从而在检测到电池过压时中断电气连接。压力传感表面可在检测到电池过压时变形为高低不平、褶皱或部分破碎的状态以中断电气连接。压力传感表面的变形可以是永久的、塑性的或非弹性的。电池单元可包括具有承压壁的密封金属罐，该承压壁为电池单元输出端子的一部分，以及压力传感表面可形成金属罐承压壁的一部分。过压断路组件可包括第一导电部分，该第一导电部分与第二导电部分紧密机械接合，该第一导电部分包括压力传感表面，压力传感表面的外周被第二导电部分紧密环抱以形成电流连接。第一导电部分和第二导电部分可通过摩擦、挤压、压缩接合、补偿接合或齿接合进行机械接合。
第一导电部分可包括中空凸起或中空突出构件，该中空凸起或中空突出构件延伸进由第二导电部分限定的凹槽，该中空凸起或中空突出构件沿其外周侧与限定了凹槽的第二导电部分的内周机械接合以形成机械互锁。中空突出构件的端部表面可以是压力传感平面。第一导电部分可包括空心柱塞，该空心柱塞伸进由第二导电部分所限定的孔中，第一导电部分和第二导电部分之间的机械接合形成在空心柱塞外周侧和第二导电部分的内周之间。该空心柱塞可以是可收缩的或可塌陷的以减少其有效的横向面积，当空心柱塞收缩或塌陷时，该柱塞脱离与第二导电部分的机械接合。第一导电部分的压力传感表面可适合于变形，以便增加密封金属罐的体积来响应电池内部压力朝预设阈值的增加。该变形是朝同一个方向的，以便中断机械接合和电流连接。第一导电部分可包括从肩部伸出的头部，压力传感平面形成在头部的端部上；以及第二导电部分可包括具有内周并且限定了孔的垫圈；以及第一导电部分的头部与第二导电部分的内周可紧密机械接合，并且在第一导电部分的肩部和第二导电部分的垫圈之间可设置有绝缘隔离片。第一导电构件的头部可设置成远离第二导电部分的周边横向收缩以脱离机械接
口 ο第一导电部分可以永久地附接在电池端子上，以及第二导电部分永久地附接在电池电极上。第一导电部分和第二导电部分可由绝缘隔离片隔开。
通过示例和参考附图，将在下文描述本发明的示例性实施例，其中:图1是根据本发明的充电锂电池的局部剖视图，图2是图1所示电池的局部分解视图，图3、3A和3B分别是图1所示电池的俯视图、仰视图和沿顶帽部分的线A-A截取的纵向截面图，图4和4A分别是图1所示顶帽部分的绝缘垫圈的俯视图和纵向截面图，图5和5A分别是图1所示顶帽部分的夹紧挡圈的俯视图和纵向截面图，图6是在装配有垫圈和夹紧挡圈时图1所示顶帽部分的剖切透视图，图6A是图6所示顶帽部分的局部剖切的正视图，图7A至图7C是示出安全罩从正常状态过渡到塌陷状态的示意图，图8是装有本发明电流断路组件第二实施例的电池的局部剖切透视图，以及图9是图8所示电池的分解视图，以及图1OA至IOC是示出图8所示电池从正常状态过渡到塌陷状态的示意图。
具体实施例方式示例性充电锂电池单元100(作为在图1至图7C中示出的充电电池的示例性实施例)包括容纳在金属罐112内的电极板组110。金属罐112由铝板或铝合金制成，其包括与上端部140和下端部160互相连接的周壁，并填充有非水电解质。该电极板组包括由绝缘隔离片118隔开的正极板114和负极板116。电极板114、116和隔离片118共同形成了电池100的电极板组。锂的过渡金属氧化物(例如，LiCoO2和LiMnO4)是用作阴极或正极材料的合适材料，而许多碳质化合物(例如，焦炭和非石墨化的硬碳)是用作阳极或负极材料的合适材料。电解质是非水电解质，包括本领域技术人员所熟知的例如LiBF4或LiPF6盐和溶剂的混合物。电极板组通过围绕电极板组的一个纵向端部卷绕而形成滚筒或卷状并且以紧密配合的方式插入电池壳体，使得其横截面还遵循金属罐的内部横截面轮廓。如图2更具体地示出，正极板114和负极板116各自的导电电极接线片120、122分别从卷绕的电极板组的上端和下端突出，并且分别与电池单元的顶端部140和底端部160连接以进行外部电接触。更具体地，正极接线片120的自由端通过焊接连接在顶端部140的底面上，以在电池的正极板和正极端子之间形成电气连接，而负极接线片122的自由端也通过焊接连接在电池底端部160的上表面上，以在电池的负极板和负极端子之间形成电气连接。在底端部160已经焊接在周壁下边缘之后，在壳体内填充电解质，然后，通过将顶端部140焊接或压接在周壁的顶端部来密封金属罐。良好的密封确保了电解质在壳体内良好的保存，从而确保较长的电池保质期和工作寿命。参考图1至图6，顶端部140包括同轴装配的安全罩(或安全帽)142、绝缘垫圈144和夹紧挡圈146。安全罩142包括朝电极板轴向延伸并且被肩部154周向环绕的中空突出头部152。肩部的外周被边缘154和环绕边缘的直立圆周围栏环绕，并且在远离头部152的自由端的相反方向上轴向延伸。当顶端部140附接在金属罐体上并形成完整的电池金属罐时，安全罩142在电池工作期间还限定了电池单元的气体内部的最上面边界。结果，安全罩142的外表面(面向电极板和电解质的表面)暴露在电池单元内部的气体环境中并且直接受到电池的内部压力。包括安全罩142、绝缘垫圈144和夹紧挡圈146的组件示出了将在下文中更详细说明的过压断路组件的实施例。夹紧挡圈146是包括套环部156的刚性金属垫圈，该套环部156限定了适于与头部152紧密机械耦合的中心孔158。夹紧挡圈中心孔的尺寸略小于头部152的横截面尺寸，使得在将头部152推入或压入到夹紧挡圈中时，通过铆接在夹紧挡圈146和安全罩头部152之间能够形成紧密的机械夹持。绝缘垫圈144由橡胶或硬塑料制造而成并且被设置为安全罩142的肩部154和夹紧挡圈146的套环部156之间的绝缘隔离片。为了增强头部152和套环部156之间的机械接合，从而能够增加接触可靠性并降低接触电阻，在套环部156的内部形成径向贯穿切口，即，在套环部156的紧邻中心孔的内部形成径向贯穿切口。分布和设置径向切口，使得夹紧挡圈146的内部被分成具有可独立移动的齿的相等部分，当将头部152推入夹紧挡圈146时，可独立移动的齿用于独立“咬入”头部的周壁中。通常，计算或凭经验调整夹紧挡圈146和安全罩142的头部152之间的机械接合(或咬合)强度，使得机械夹持足够紧以能够经受正常的工作内部压力，而在达到阈值压力时头部152横向塌陷时，“咬入”深度不会过大而阻碍头部152与夹紧挡圈146的分离。安全罩142是通过将金属薄片冲压成倒置的帽子形状而由一块金属薄片一体形成的。帽子的中空、突起且和圆筒形的头(或凸起)部设置成头部朝电池内部轴向突出以用作压力传感构件，其中外表面是压力传感表面。此外，中空头部还用作致动构件以在电池内部压力达到安全或预设水平时使电池电流断开。为了在电池内部压力达到预设水平时使头部152能够与夹紧挡圈迅速分离，如图3-3A更具体地示出，在安全罩142的头部152上形成了分布的薄弱区，其中，实线代表在头部152的内表面上形成的薄弱线，以及虚线代表在头部152的外表面(面向电池内部)上形成的薄弱线。具体地说，每根径向薄弱线都从头部中心处开始并且横向延伸通过头部而到达肩部154的边缘。在本实例中，该径向薄弱线以均匀的45°夹角交替地刻在头部152的内表面和外表面上。交替分布的薄弱线设计成:当达到阈值压力水平时，使头部152易于围绕其中心并沿薄弱线折叠变形。更具体地说，头部152将由于阈值压力而受到横向或径向的收缩，由此,安全罩142与夹紧挡圈146电气分离以中断电池电流。如图1和图7A所示，正极接线片120经由电池顶端部140连接在电池正极端子上。更具体地说，正极接线片120连接在夹紧挡圈146上，而夹紧挡圈146又通过如上所述的机械接合与安全罩142和正极端子连接。因此，只要正极接线片120连接在电池正极端子上，就将保持正常的电池电流连接。另一方面，当过压引起的安全罩142变形破坏了夹紧挡圈146与安全罩142之间的机械接合时，电池的电流连接将会被断开，其中安全罩的变形将导致夹紧挡圈146与安全罩按照下述方式分离。将参考图7A至图7C描述该电池的电流断路组件的工作。当带有装配的顶端部140的电池在正常的工作压力下工作时，电流断路组件的状态是图7A那样的状态。然而，当电池的内部压力例如由于任何原因的过充电、过放电或过热而上升时，作用在安全罩142外表面上的压力也上升。当内部电池上升到预设阈值时，安全罩142将开始变形，并且更具体地说，将在分布的薄弱线处或其周围变形。如图7B和图7C所示，由于薄弱线在安全罩142的内表面和外表面上的交替设置，因此当由于内部压力增加而引起安全罩142的压力传感表面变形时，将形成折痕和褶皱。由于径向且交替分布的薄弱线，头部152端部表面的邻近头部152外表面上的薄弱线的部分将朝头部152内表面上的薄弱线折叠，从而也朝正极端子向上推动内表面上的薄弱线。当头部152的压力传感表面充分变形时，头部152的横向收缩将足以释放由夹紧挡圈146机械锁定的头部152。结果，将释放机械接合和电气连接,从而导致电池电流的断开。对于这种2200mAh的示例性锂电池，阈值压力被设定为大约7-9bar。作为比较,在没有薄弱区的情况下,释放机械接合所需的压力大于lObars。在图8和图9中示出了本发明的充电锂电池200的第二实施例，其中，相同、类似或等同部件被指定用与第一实施例等同部件的标号加上100来表示。在该实施例中，顶端部240通过绝缘帽288与金属罐212绝缘以连接到电池正极端子上。电流断路组件(“CIA”)的工作类似于第一实施的工作，并且参考图1OA至图1OC而一目了然。总之，当电池内部压力上升到预设阈值时，安全罩142的压力传感表面将开始在薄弱区或其周围经受折痕或折叠变形，从而导致安全罩头部152的底部面积(footprint)的减少以便于与夹紧挡圈146分离。在以上实施例中，包括安全罩142、242和夹紧挡圈146、246的顶端部140、240组件用来形成电流断路组件(“CIA”)，该电流断路组件在电池正常工作时在电池正极端子和正极之间提供正常的电流连接路径，并且在电池内部压力上升到预设阈值时被设计成破坏电流连接路径。通常，CIA包括机械接合以在电极和输出端子之间形成电流连接的第一和第二导电部分。该机械接合适合于使第一和第二导电部分之间的接触电阻很低以在额定工作电流时降低散热量，并且机械接合的强度设置成在电池正常工作期间受到正常内部压力。虽然安全罩142、242和夹紧挡圈146、246分别连接在电池端子和电极板上，但是应当理解，该连接可以是相反的，这样安全罩142、242和夹紧挡圈146、246分别连接在电极板和电池端子上。此外，虽然安全罩142、242连接在电池正极端子上，但是安全罩在一般情况下可以连接在电池的负极端子上。虽然薄弱区是以刻在安全罩上的径向线的形式出现，但是应认识到，可以使用其它形式的机械薄弱区，例如，分布的凹部或凹槽。此外，虽然夹紧挡圈具有平滑的圆形内部边缘，但是其内部边缘可以是有牙的或锯齿形的以增强更坚固而又有弹性的夹持。同样，突出头部的外周可以制作得与锁环的内部边缘补充以获得更好的夹持。此外，虽然选择45°的角度间隔作为相邻薄弱线之间的夹角示例，但是应认识到，可使用其它的夹角，尽管优选的是至少45°的夹角。此外，虽然以上实施例是锂电池，但是应认识到，CIA设计在一般情况下可以在其它类型的电池上，特别是在充电电池上使用。此外，虽然以上描述的是圆柱形电池，但是应认识到，本发明可应用在其它结构的电池上，例如，椭圆形和棱柱形电池。此外，应认识到，即使对于充电锂电池，也可使用本领域技术人员随时已知的其它合适的电极板和电解质材料。附图标记列表
权利要求
1.一种包括过压断路组件的电池单元，所述组件提供电池电极和电池的相应电池端子之间的电气连接，使得电池电流在正常工作条件下能在所述电池电极和所述相应电池端子之间流动，并且被设置成在电池内部压力达到预设压力阈值时中断所述电气连接，其中，所述过压断路组件包括被设置成在电池内部压力达到预设压力阈值时变形并中断所述电气连接的压力传感表面；其特征在于，所述压力传感表面包括适用于在检测到过压时实现所述电气连接中断变形的预设机械薄弱区图案。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其中，所述预设机械薄弱区图案包括分布在所述压力传感表面上的薄弱线。
3.根据权利要求1或2所述的电池单元，其中，所述压力传感表面构造成:所述电气连接中断变形最初发生在所述机械薄弱区、沿所述机械薄弱区发生或在所述机械薄弱区周围发生。
4.根据前述任一项权利要求所述的电池单元，其中，所述机械薄弱区图案包括刻在所述压力传感表面上的薄弱线。
5.根据权利要求4所述的电池单元，其中，所述薄弱线以径向方式分布。
6.根据前述任一项权利要求所述的电池单元，其中，通过所述过压断路组件的导电部分的紧密机械接合实现所述电气连接，当所述压力传感表面由于过压而变形时，所述导电部分的机械接合分离。
7.根据权利要求6所述的电池单元，其中，所述薄弱区设置成:在由于电池内部过压而变形时通过在薄弱区周围使所述压力传感表面变皱、挤压或破碎来减少所述压力传感表面的有效底部面积，有效底部面积的减少引起所述导电部分之间的分离。
8.根据权利要求6或7所述的电池单元，其中，所述机械接合是所述导电部分的紧密机械环抱、压接或紧扣。
9.根据权利要求6至8中任一项权利要求所述的电池，其中，所述机械接合的接合强度适合于；在电池正常工作条件下将所述导电部分的接触电阻限制在适当的预设值之下，而在电池内部压力达到预设阈值时允许接合的导电部分的快速分离。
10.根据前述任一项权利要求所述的电池单元，其中，所述薄弱区设置成在变形时使所述压力传感表面塌陷或破碎，从而在检测到电池过压时中断所述电气连接。
11.根据前述任一项权利要求所述的电池单元，其中，所述压力传感表面在检测到电池过压时变形为高低不平、褶皱或部分破碎的状态以中断所述电气连接。
12.根据前述任一项权利要求所述的电池单元，其中，所述压力传感表面的变形是永久的、塑性的或非弹性的。
13.根据前述任一项权利要求所述的电池单元，其中，所述电池单元包括具有承压壁的密封金属罐，所述承压壁为电池单元输出端子的一部分，其中，所述压力传感表面形成所述金属罐承压壁的一部分。
14.根据前述任一项权利要求所述的电池单元，其中，所述过压断路组件包括第一导电部分，所述第一导电部分与第二导电部分紧密机械接合，所述第一导电部分包括压力传感表面，所述压力传感表面的外周被所述第二导电部分紧密环抱以形成所述电流连接。
15.根据权利要求14所述的电池，其中，所述第一导电部分和所述第二导电部分通过摩擦、挤压、压缩接合、补偿接合或齿接合进行机械接合。
16.根据权利要求14或15所述的电池单元，其中，所述第一导电部分包括中空凸起或中空突出构件，所述中空凸起或中空突出构件延伸进由所述第二导电部分限定的凹槽，所述中空凸起或中空突出构件沿其外周侧与限定了凹槽的所述第二导电部分的内周机械接合以形成机械互锁。
17.根据权利要求16所述的电池单元，其中，所述中空突出构件的端部表面是所述压力传感平面。
18.根据权利要求14至17中任一项权利要求所述的电池单元，其中，所述第一导电部分包括空心柱塞，所述空心柱塞伸进由所述第二导电部分所限定的孔中，所述第一导电部分和所述第二导电部分之间的机械接合形成在所述空心柱塞外周侧和所述第二导电部分的内周之间。
19.根据权利要求18所述的电池，其中，所述空心柱塞是可收缩的或可塌陷的以减少其有效的横向面积，当所述空心柱塞收缩或塌陷时，所述柱塞脱离与所述第二导电部分的机械接合。
20.根据权利要求19所述的电池单元，其中，所述第一导电部分的所述压力传感表面适合于变形，以便增加所述密封金属罐的体积来响应电池内部压力朝预设阈值的增加，所述变形是朝同一个方向的，以便中断所述机械接合和所述电流连接。
21.根据权利要求14至20中任一项权利要求所述的电池单元，其中，所述第一导电部分包括从肩部伸出的头部，所述压力传感平面形成在头部的端部上；以及所述第二导电部分包括具有内周并且限定了孔的垫圈；其中，所述第一导电部分的头部与所述第二导电部分的内周紧密机械接合，并且在所述第一导电部分的肩部和所述第二导电部分的垫圈之间设置有绝缘隔离片。
22.根据权利要求21所述的电池单元，其中，所述第一导电构件的头部设置成远离所述第二导电部分的周边横向收缩以脱离所述机械接合。
23.根据权利要求14至22中任一项权利要求所述的电池，其中，所述第一导电部分永久地附接在电池端子上，以及所述第二导电部分永久地附接在电池电极上。
24.根据权利要求14至23中任一权利要求所述的电池，其中，所述第一导电部分和所述第二导电部分由绝缘隔离片隔开。
25.—种电池,包括多个根据前述任一项权利要求所述的电池单兀。
26.—种电池或基本上参考附图描述的电池单元。
全文摘要
一种包括过压断路组件的电池，该过压断路组件具有压力传感表面，该压力传感表面被设置成当电池的内部压力达到预设压力阈值时，其变形并中断电气连接。该压力传感表面包括适合于在检测到过压时实现电气连接中断变形的预设机械薄弱区图案。该组件在电池正常工作条件下具有低接触电阻，而当电池内部压力达到或超过预设压力阈值时允许快速的电流断路。
文档编号H01M2/04GK103155211SQ201080068364
公开日2013年6月12日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者凌沛铮 申请人:凌沛铮