具有焊接电池盖的电池单元的制作方法

本pct申请要求于2016年6月23日提交的、题为“batterycellhavingweldedbatterycap”的美国临时专利申请号62/353,664的优先权，其以整体内容通过引用并入本文用于所有目的。

本发明涉及电池，并且更具体地涉及可以被用在电池阵列中的单个单元电池的结构。

背景技术：

可充电电池已知有一段时间，并且被用在大量设备中，包括消费者电子装置、交通工具和许多其它类型的设备。例如，在电动交通工具(或混合动力电动交通工具)中，数千个相对较小的个体电池被加载到阵列(电池组)中，并且被互连以向交通工具提供电力。随着时间的推移，这些电池中的每个电池被部分或完全充电并且被部分或完全放电以满足电动交通工具的电气需求。由于为电动交通工具供电所需的电池数目很大，因此个体电池的重量和容量非常重要。此外，电池的寿命和阵列内电池互连的复杂性也是非常重要的。

“胶状卷”或“瑞士卷”设计被用在大多数圆柱形可充电电池中，包括镍镉(nicd)、镍-金属氢化物(nimh)和锂离子(li离子)电池。在该设计中，铺设绝缘片，然后铺设薄的阳极材料层，应用分离器层，并且在顶部层叠阴极材料。然后将该夹层卷起并且插入到空心圆柱形外壳中，通常称为“罐”。电池被密封，金属触点被附接，并且如果电池旨在替换aaa/aa/c/d碱性电池，则应用可选的按钮顶部。该设计之所以得名，是因为电池的横截面看起来像瑞士卷蛋糕。

典型的电池构造包括罐、被包含在罐内的胶状卷、被压接到罐的电池盖、以及各种互连和绝缘体。该结构相当简单，但是具有许多问题。在胶状卷和位于胶状卷之上的顶部绝缘体被放置在罐中之后，将电池盖压接到罐。顶部绝缘体使胶状卷与导电电池盖绝缘。将电池盖压接到罐通常可以损伤胶状卷。此外，由于将胶状卷保持就位的顶部绝缘体仅通过压接结构保持就位，因此顶部绝缘体仅为胶状卷提供弱的物理保护，并且必须是相当刚性的材料，从而减小针对胶状卷的体积。因为胶状卷可以随着操作温度而扩展，所以该弱的物理保护可以导致电池过早故障。将参考图2a、图2b和图3进一步描述压接的电池盖设计的其它缺点。

技术实现要素：

因此，为了克服上述缺点以及其它缺点，根据本公开的第一实施例所构造的电池包括罐、被包含在罐中的胶状卷、被包含在罐中邻近胶状卷并且在胶状卷之上的顶部绝缘体、以及被焊接到邻近顶部绝缘体并且在顶部绝缘体之上的罐的内表面的电池盖。电池盖至少包括外导电环、绝缘体环和导电顶板。外导电环、绝缘体环和导电顶板被压接在一起。电池盖还包括导电破裂板和延伸到果冻卷中的阴极，导电破裂板被电连接到导电顶板，阴极被电连接到导电破裂板。

利用第一实施例的电池，存在多种益处。因为导电顶板首先被构造并且随后被焊接到罐，所以在制造期间对胶状卷造成的损伤被最小化。进一步地，顶部绝缘体可以被构造为具有较小的强度、较便宜的绝缘体和具有较薄的轮廓，从而导致较少的成本。利用根据第一实施例所构造的电池盖，电池具有比现有电池更低的轮廓，允许胶状卷具有更多的空间，电池具有更低的重量，并且对于可比较的体积和重量具有更大的电池容量。

利用第一实施例的电池，可以可选地包括各种附加结构和元件，其可以被单独包括、多次包括或完全包括在第一实施例的各个方面中。电池可以包括围绕导电破裂板的周边所设置的绝缘体环。电池还可以包括位于顶部绝缘体和导电破裂板之间的扩展容积。利用一些方面，外导电环具有邻近罐的在外导电环的上部上的平坦表面。利用电池的该方面，外导电环的上部的平坦表面是阳极。进一步地，根据该方面，导电顶板是电池的阴极。

根据第一实施例的另一可选方面，电池包括在导电顶板的中心部分中的开口以及被焊接在导电顶板的中心部分中的开口上的罩。利用该方面的变型，电池还包括在导电破裂板的中心部分中的开口，其中罩包括顶部部分和插头部分。在该开口可用的情况下，罐可以经由在导电顶板和导电破裂板中形成的开口来进一步用填充材料来填充，其中例如电解质可以是粉末或者液体。在安装罩时，插头部分延伸通过在导电顶板的中心部分中的开口和在导电破裂板的中心部分中的开口两者，并且密封电池。

导电破裂板可以被焊接到导电顶板。进一步地，导电破裂板和导电顶板之间的焊接使得导电破裂板能够在胶状卷的超压事件时与导电顶板电分离。

根据本公开的第二实施例，用于构造电池的方法包括形成罐、形成胶状卷、将胶状卷插入到罐中、将顶部绝缘体插入到罐中邻近胶状卷并且在胶状卷之之上、以及装配电池盖，电池盖包括外导电环、绝缘体环、导电顶板、导电破裂板。该方法还包括将阴极连接到导电破裂板、将电池盖插入到罐中使得阴极延伸到胶状卷中、以及将电池盖焊接到罐的内表面邻近顶部绝缘体并且在顶部绝缘体之上。

利用第二实施例的方法，可以可选地包括各种附加结构和元件，其可以被单独包括、多次包括或完全包括在第一实施例的各个方面中。装配电池盖还可以包括将外导电环、绝缘体环和导电顶板压接在一起。装配电池盖还可以包括将导电破裂板焊接到导电顶板。该方法还可以包括围绕导电破裂板的周边安装绝缘体。方法还可以包括在顶部绝缘体和导电破裂板之间形成扩展容积。

利用第二实施例的方法，外导电环可以具有邻近罐的外导电环的上部上的平坦表面，其用作阳极。方法还可以包括在导电顶板的中心部分中形成开口，以及在电池盖被焊接到罐之后，将填充材料(例如，电解质)通过开口注入到罐中，并且然后将罩焊接在导电顶板上，以封闭开口。该方面还可以包括在导电破裂板的中心部分中形成开口以及将罩的插头部分插入通过在导电顶板的中心部分中的开口和通过在导电破裂板的中心部分中的开口。

将电池盖焊接到罐可以以不同的方式来完成。可以使用焊接夹具将电池盖从罐上方焊接到罐，该焊接夹具使电池盖和罐围绕电池和电池盖的中心轴线旋转。可以备选地将电池盖从罐的邻近电池盖的一侧焊接。在该情况下，

第二实施例的方法还可以包括将导电破裂板焊接到导电顶板。在导电破裂板和导电顶板之间的焊接使得在胶状卷的超压事件时能够将导电破裂板与导电顶板电分离。

通过参照附图阅读下面的详细说明，所公开的实施例的益处将变得明显。

附图说明

图1图示电池供电电动交通工具的基本部件。

图2a和图2b图示具有压接的电池盖连接的现有技术电池。

图3图示在电池故障之后的图2a和图2b的现有技术电池。

图4是根据所描述的实施例所构造的电池的截面侧视图。

图5是在电池盖被附接到罐之前图4的电池的截面侧视图。

图6是根据另一所述实施例所构造的电池的截面侧视图。

图7是图示根据本发明的实施例的用于构造电池的方法的流程图。

图8是根据本发明的另一实施例在焊接机器内根据图4的实施例所构造的电池的截面侧视图。

图9是根据本发明的另一实施例在另一焊接机器内根据图4的实施例所构造的电池的截面侧视图。

具体实施方式

图1图示电池供电电动交通工具(电动交通工具)100的基本部件。电动交通工具100包括至少一个驱动电机(牵引电机)102a和/或102b、被联接到对应的驱动电机102a和/或102b的至少一个齿轮箱104a和/或104b、电池组106和电子装置108(包括驱动电机电子装置)。通常，电池组向电动交通工具100的电子装置108提供电并且使用驱动电机102a和/或102b推进电动交通工具100。电池组106包括根据本发明的一个或多个实施例所构造的个体电池的阵列。在一些实施例中，电池组106包括数千个个体电池。

电动交通工具100包括大量其它部件，这些部件在本文中未被描述但是为普通技术人员所知。虽然图1的电动交通工具100的构造被示出为具有四个车轮，但是不同的电动交通工具可以具有少于或多于四个车轮。此外，不同类型的电动交通工具100可以结合本文中所描述的发明构思，包括摩托车、飞机、卡车、船、火车发动机以及其它类型的交通工具。

因为电池组106由数千个个体电池形成，所以每个电池的重量在乘以数千个电池时极其重要。进一步地，当乘以数千个电池时，每个电池的充电容量也非常重要。此外，由于电池组106的安全性和可靠性要求，每个电池的构造是重要的。本文中的后续描述可以涉及回该图1的部件。共同的编号可以被用于指代在本文中所描述的其它附图中所标识的部件。

图2a和图2b图示具有压接的电池盖连接的现有技术电池。参照图2a，电池200包括罐202，“胶状卷”204被安装在罐202中。“胶状卷”被用在大多数圆柱形可充电电池中，包括镍镉(nicd)、镍-金属氢化物(nimh)和锂离子(li离子)电池。在胶状卷设计中，铺设绝缘片，然后铺设薄的阳极材料层，应用分离器层，并且在顶部层叠阴极材料。然后将该夹层卷成圆柱形状，并且插入到罐202中。电池盖是夹层结构，其包括导电顶板210、将导电顶板210与罐202绝缘的绝缘体214、间隔件(例如，正温度系数“ptc”设备)216、隔膜218、绝缘体220和导电破裂板222。电池盖利用压接部分212被压接到罐202。顶部绝缘体206与绝缘体214结合，将胶状卷204与电池盖隔离。导电破裂板222被焊接到隔膜218，并且阴极208被焊接到导电破裂板222。在胶状卷204的超压事件中，压力由胶状卷204施加到隔膜218上，使得导电破裂板222和隔膜218之间的焊接点分离，将阴极从导电顶板210断开连接，有效地致使电池200不工作，并且防止对电池200以及可以包括电池200的电池组的进一步损伤。

在电池盖被压接到罐202的情况下，制造过程中存在困难。当电池盖被压接到罐202时，胶状卷204可能被损伤。利用图2的电池200的结构，由于罐202和电池顶部之间的压接的连接的高度以及提供电池200的结构完整性所需的电池盖部件的相对厚度，导致在罐202内的体积损失，从而使得胶状卷204的尺寸减小。此外，顶部绝缘体206必须是具有足够强度的材料，以通过压接的连接被保持就位，导致成本增加。

参照图2b，详细示出了电池盖的部件，其包括导电顶板210、将导电顶板210与罐202(压接部分212)绝缘的绝缘体214、间隔件(或者ptc)216、隔膜218、绝缘体220和导电破裂板222。电池盖利用罐202的压接部分212被压接到罐202。顶部绝缘体206与绝缘体214结合，将胶状卷204与导电顶板210隔离。导电破裂板222被焊接到隔膜218，并且阴极208被焊接到导电破裂板222。在胶状卷204的超压事件中，压力由胶状卷204施加到隔膜218上，使得导电破裂板222和隔膜218之间的焊接点分离，将阴极(未被示出)从导电顶板210断开连接，有效地致使电池200不工作，并且防止对电池200以及可以包括电池200的电池组的进一步损伤。

图3图示在电池故障之后的图2a和图2b的现有技术电池。在胶状卷204的超压条件之后，在隔膜218已经从导电破裂板222被分离之后的电池盖被示出。在隔膜218不再被连接到导电破裂板222的情况下，电池200不再可操作。

图4是根据所描述的实施例所构造的电池400的截面侧视图。电池400包括罐402，“胶状卷”404被安装在罐402中。“胶状卷”是基于镍镉(nicd)、镍-金属氢化物(nimh)和锂离子(li离子)之一的结构。胶状卷404具有圆柱形状，并且被插入到罐402中。电池400进一步包括顶部绝缘体406，顶部绝缘体406被包含在罐402中邻近胶状卷404并且在胶状卷404之上。电池400还包括电池盖403，电池盖403被分离构造并且随后经由焊接420被焊接到罐402的内表面邻近顶部绝缘体406并且在顶部绝缘体406之上。电池盖403包括外导电环412、绝缘体环414和导电顶板410。外导电环412、绝缘体环414和导电顶板410被压接在一起。绝缘体环414围绕导电顶板410和外导电环412之间的导电顶板410的周边驻存。在电池盖403被焊接到罐402之前，在压接过程中将这些部件压接在一起。电池盖403还包括导电破裂板422，导电破裂板422被电连接到导电顶板410和阴极408，阴极408延伸到胶状卷404中。电池400还包括导电破裂板绝缘体环407，其被设置外导电环412、绝缘体环414、导电顶板410和导电破裂板422的压接组合之间。

电池400还包括位于顶部绝缘体406和导电破裂板422之间的扩展容积409。外导电环412包括在邻近罐402的上部上的平坦表面418。电池400还包括在导电顶板410的中心部分中的开口424以及被焊接在导电顶板410的中心部分中的开口424上的罩426。罩426可以包括顶部部分和插头部分，如图所示。在电池盖403被焊接到罐402之后并且在罩426被焊接到导电顶板410之前，开口424保持打开。因此，在顶盖被焊接到罐402之后并且在罩426被焊接就位之前，可以利用填充材料附加填充电池400。填充材料可以是电解质，其可以是粉末或液体。外导电环412的平坦表面418允许电池400被联接到电池组的电池阵列中，其中在阵列的顶侧上对电池阵列的电池进行所有连接。

导电破裂板422被焊接到导电顶板410，并且阴极408被焊接到导电破裂板422。在胶状卷404的超压事件中，压力由胶状卷404施加到导电破裂板422上，使得导电破裂板422和导电顶板410之间的焊接点分离，将阴极408从导电顶板410断开连接，有效地致使电池400不工作，并且防止对电池以及可以包括电池400的阵列的进一步损伤。因此，导电破裂板422和导电顶板410之间的焊接使得导电破裂板能够在胶状卷的超压事件时与导电顶板电分离，并且具有相称的强度。导电破裂板422和导电顶板410之间的焊接的结构被设计为允许在超压事件时的分离，但是在所有其它时间支撑完整性。

图5是在电池盖403被附接到罐402之前图4的电池的截面侧视图。如图所示，电池盖403在其连接罐402并且在焊接过程中将其固定到罐之前完全成形。注意，在一些实施例中，图5的结构可以略微不同，其中阴极408通过弹簧压力而不是焊接联接到导电破裂板422。

利用图4和图5的电池结构，存在多种益处。因为导电顶板首先被构造并且随后被焊接到罐402，所以在制造期间对胶状卷404造成的可能的损伤被最小化。进一步地，顶部绝缘体406可以被构造为具有较小的强度、较便宜的绝缘体和较薄的轮廓，从而导致较少的成本。利用如图示所构造的电池盖403，电池盖403具有较低的轮廓，允许胶状卷404具有较多的空间，电池400具有较低的重量。利用该电池顶盖结构，阴极408比现有设计更大，并且比现有结构更接近电池400的中心部分。进一步地，通过在电池盖403被焊接到罐402之后驻留通过电池盖403的开口424，可以在附接罩426之前将附加的填充材料(例如，电解质)注入电池400中。通过本文中的该描述和附加的描述，相对于现有结构的其它益处和优点将是明显的。

图6是根据所描述的实施例所构造的另一电池的截面侧视图。电池600包括罐602，“胶状卷”604被安装在罐602中。“胶状卷”是基于镍镉(nicd)、镍-金属氢化物(nimh)和锂离子(li离子)之一的结构。胶状卷604具有圆柱形状，并且被插入到罐602中。电池600进一步包括顶部绝缘体606，顶部绝缘体606被包含在罐602中邻近胶状卷604并且在胶状卷604之上。电池600还包括电池盖603，电池盖603被分离构造并且随后经由焊接620被焊接到罐602的内表面邻近顶部绝缘体606并且在顶部绝缘体606之上。电池盖603包括外导电环612、绝缘体环614和导电顶板610。外导电环612、绝缘体环614和导电顶板610被压接在一起。绝缘体环614围绕导电顶板610和外导电环612之间的导电顶板610的周边驻存。电池盖603还包括导电破裂板622，导电破裂板622被电连接到导电顶板610和阴极608，阴极608延伸到胶状卷604中。电池盖603还包括导电破裂板绝缘体环607，其被设置在外导电环612、绝缘体环614、导电顶板610和导电破裂板622的压接组合之间。

电池600还包括位于顶部绝缘体606、导电顶板610和导电破裂板622之间并位于其附近的扩展容积609。外导电环612包括在邻近罐602的上部上的平坦表面618。导电破裂板622被焊接到导电顶板610，并且阴极608被焊接到(或者弹簧加载)导电破裂板622。在胶状卷604的超压事件中，压力由胶状卷604施加到导电破裂板622上，使得导电破裂板622和导电顶板610之间的焊接点分离，将阴极608从导电顶板610断开连接，有效地致使电池600不工作，并且防止对电池以及可以包括电池600的阵列的进一步损伤。

电池盖603可以被形成为具有在导电顶板610和导电破裂板622中形成的开口624。该开口624允许在电池盖603被焊接到罐602之后将附加的填充材料注入电池600中。在经由开口624注入附加的填充材料之后，罩626被插入到开口624中并且经由焊接或其它附贴过程被固定就位。注意，罩626可以包括顶部部分和插头部分，插头部分延伸通过导电顶板610和导电破裂板622。通过具有该结构，即使在由过压事件引起导电破裂板622与导电顶板610分离之后，罩626也防止材料逸出。

利用图6的电池结构，存在多种益处。因为导电顶板首先被构造并且随后被焊接到罐602，所以在制造期间对胶状卷604造成的损伤被最小化。进一步地，顶部绝缘体606可以被构造为具有较小的强度、较便宜的绝缘体和较薄的轮廓，从而导致较少的成本。通过如图示所构造的电池盖603，电池600具有较低的轮廓，允许胶状卷604具有较多的空间，电池600具有较低的重量，并且对于可比较的体积和重量具有较大的电池容量。通过本文中的该描述和附加的描述，相对于现有结构的其它益处和优点将是明显的。

图4的电池400和图6的电池600包括提供附加的结构益处的压接的盖结构。参照图4，导电顶板410、外导电环412和绝缘体环414具有互补的压痕和延伸部，其在夹层结构被压接在一起之后彼此互锁。同样地，参照图6，导电顶板610、外导电环612和绝缘体环614具有互补的压痕和延伸部，其在夹层结构被压接在一起之后彼此互锁。这些互补的压痕和延伸部围绕这些部件的周长是一致的，使得互锁方面围绕部件的周长来应用，增加了在现有技术结构中不存在的压接的结构的强度。

图7是图示根据本发明的实施例的用于构造电池的方法的流程图。利用图7的操作700，首先由适当的金属形成罐。然后，首先装配电池盖(步骤702)。该装配与图4至图6中所示的结构一致地完成。一旦电池盖被装配，电池盖就被压接在一起(步骤704)。然后，阴极和导电破裂板被附接到电池盖(步骤706)。在一些实施例中，这种附接采用焊接的形式，其中在导电破裂板和导电顶板之间的焊接使得导电破裂板在胶状卷的超压事件时能够与导电顶板分离。

然后，利用胶状卷填充罐，并且将顶部绝缘体放置在胶状卷的之上(步骤708)。注意，可以在构造电池盖之前执行步骤708。进一步地，方法700的步骤的顺序还可以在各种其它步骤中执行。在另一实施例中，阴极被插入到胶状卷中，被弹簧加载，并且当电池盖被插入到罐中时与电池盖的导电部分相接触。然后，将电池盖焊接到罐(步骤710)。

方法700还可以包括在导电顶板的中心部分以及导电破裂板的中心部分中形成开口。该操作可以在制造这些部件中的每个部件时执行，使得在电池盖部件的装配时开口被对齐。然后，方法700进一步包括通过开口经由注射或者其它过程将附加的材料(例如，电解质)注入到罐中(步骤712)。然后，方法700包括将罩的插头部分插入通过在导电顶板的中心部分中的开口和通过在导电破裂板的中心部分中的开口，以及然后将罩焊接到导电顶板(步骤714)。步骤712和步骤714的操作解决一些实例中的附加的问题。如果在将电池盖焊接到罐之前将填充材料(例如，电解质)插入罐中，那么填充材料可能污染邻近电池盖的罐的内表面。在该情况中，必须在将电池盖焊接到罐之前清洁邻近电池盖的内表面的该部分，以确保清洁的焊接。利用步骤712和714的选项，制造的整体成本可能会更大。

图8是根据本发明的另一实施例在焊接机器内根据图4的实施例所构造的电池的截面侧视图。焊接机器800包括基座802，并且旋转夹具804被旋转地附接到基座802，电池400被插入到旋转夹具804中，以用于将罐402焊接到电池盖403。支撑结构806联接到基座802，并且支撑聚焦激光808，聚焦激光808将聚焦激光束810引导到罐402内的深度，其对应于电池盖403接触罐402的位置。电子装置812控制旋转夹具804和聚焦激光808，使得罐402/电池盖403围绕它们的中心轴814旋转，而聚焦激光808将电池罐402焊接到电池盖403。通过在全程旋转期间将罐402焊接到电池盖403，电池盖403被附接到罐402，并且密封到其上。

图9是根据本发明的另一实施例在另一焊接机器内根据图4的实施例所构造的电池的截面侧视图。焊接机器900包括基座902，并且旋转夹具904被旋转地附接到基座902，电池400被插入到旋转夹具904中，以用于将罐焊接到电池盖403。支撑结构906联接到基座902，并且支撑焊接机808，焊接机808将焊接引导到罐402抵靠电池盖403接触罐的位置。在另一实施例中，聚焦激光在焊接机的位置，并且将聚焦的激光束引导到电池盖403接触罐402的位置。电子装置912控制旋转夹具904和焊接机(或者聚焦激光)908，使得罐402/电池盖403围绕它们的中心轴814旋转，而焊接机(或者聚焦激光)908将电池罐402焊接到电池盖403。通过在全程旋转期间将罐402焊接到电池盖403，电池盖403被附接到罐402，并且密封到其上。

图8和图9的构思可以被延伸为创建一次接收多于两个电池的用于焊接的焊接机器。进一步地，可以建立自动化，以将一组电池插入到这种焊接机器中，并且在焊接之后从焊接机器移除电池。这些机器可以形成被用于制造根据本发明的电池的装配线的一部分。

在前述说明书中，已经参照具体实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员将理解的，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下以各种其它方式修改或者以其它方式实现本文所公开的各种实施例。相应地，本说明书被认为是说明性的，并且是用于教导本领域技术人员制作和使用所公开的系统、方法和计算机程序产品的各种实施例的方式的目的。应当理解，本文中所示出和描述的公开内容的形式将被视为代表性实施例。等同的元件、材料、过程或步骤可以取代本文中代表性地说明和描述的那些。此外，本公开的某些特征可以独立于其它特征的使用而被利用，所有这些对于本领域技术人员在受益于本公开的本说明书之后是明显的。

如本文中所使用的，术语“包括”(comprises)、“包括”(comprising)、“包括”(includes)、“包括”(including)、“具有”(has)、“具有”(having)或其任何上下文变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括元件列表的过程、产品、制品或装置不一定仅限于那些元件，而是可以包括未被明确列出的或这种过程、产品、制品或装置所固有的其它元件。此外，除非有相反的明确说明，否则“或”(or)是指包括性的或，而不是排他性的或。例如，条件“a或b”由以下中的任何一个满足：a为真(或存在)且b为假(或不存在)；a为假(或不存在)且b为真(或存在)；以及a和b都为真(或存在)。

尽管可以以特定顺序呈现步骤、操作或计算，但是可以在不同实施例中改变该顺序。在一些实施例中，在本说明书中按序列示出多个步骤的程度上，可以同时执行备选实施例中的这些步骤的一些组合。本文中所描述的操作的序列可以被另一个过程中断、暂停、反转或以其它方式控制。

还应当理解，附图/图中所描绘的元件中的一个或多个元件还可以以更分离或集成的方式来实现，或者甚至在某些情况下被移除或呈现为不可操作，如根据特定应用是有用的情况。附加地，附图/图中的任何信号箭头应该仅被视为示例性的而非限制性的，除非另有明确说明。