专利名称：具有脆性连接片断路机构的电池输出端组件的制作方法
发明的背景本发明涉及用于电化学能存贮装置的电池容器。更具体地，本发明涉及具有压力释放机构的电池输出端，当电池内部压力达到规定水平时，该压力释放机构通过切断电接触而将电池置于断路状态。
由于人们对袖珍电子设备的需求不断增加，所以对单位能量高的充电电池也有相应的需求。为了满足这种需求，开发出了各种类型的充电电池，包括经过改良的镍-镉含水电池、各种配方的含水镍金属氢化物电池、以及最近的无水锂金属电池和锂插入充电电池。
尽管其它电池也可受益，但本发明尤其感兴趣的是锂离子充电电池。因为锂离子电池存贮的能量大且某些电池零件具有潜在的危险性，所以存在着爆炸或电池电解液失控释放的危险。
许多锂离子电池在5psi-25psi的压力范围内工作。这个压力通常是在电池的形成回路和操作过程中产生的气体造成的。但是由于充电器损坏、电池的外部或内部短路、暴露于过热环境(例如火)等等而造成的过充电可导致压力更高。这样，锂离子电池的外壳也应包括某些控制内压力过度升高的机构。简单地在电池内安装一个排放孔可以通过当内压力接近危险值时自动排放电池内容物来实现这个功能。但是，除非绝对需要避免爆炸，这些内容物，包括易燃的有机电解液溶液、有潜在危险性的电解液盐(例如氟磷酸锂)和甚至可燃的锂碳颗粒不应从电池内释放掉。
因此，一些电池已经设计有安全机构，用以在必须排放前限制电池压力的进一步增加。一种有代表性的机构是由日本索尼公司制造的“18650电池”(示于
图1A和1B)。一种类似的机构记述于授予Oishi等人的美国专利No.4,943,497中。如图1A和1B所示，电池输出端的顶部114包括一用于将电池与外部电路相联的接线端101。在此特别有关的是，接线端101包括一个排放孔110，仅当电池内部压力非常高时，它才能使电池液排放出去。接线端101支靠在正温度系数电阻(“PTC”)109上，PTC接下来再支靠在一带有凹痕106的乳头状柔性导电件104上。如图所示，整个组件(接线端、PTC和柔性导电件)借助一第一塑料插件103和金属外护套108以电接触形式夹持在一起。外护套108内的翻边使其呈“C”形，将第一塑料插件103紧靠接线端101和柔性导电件104夹持在位。
柔性导电件104的乳头部分通过焊点107固定到一厚度在1-2密耳范围内的金属箔111上。箔111随后再焊接在厚约20μm的铝盘105上。如图1B所示，盘105包括一个由箔111所覆盖的中心孔和三个连通电池内部的圆周孔113。进而，圆周孔113与第二塑料插件116的通道115是对正的，提供了自电池内部至压力腔102的液体通路。第二塑料插件115使铝盘105与金属外护套108电绝缘，而且它通过焊点107固定在铝盘105与第一塑料插件103之间。最后，一导电连接片112焊接在盘105的底部以提供自电池阴极至电池输出端组件的导电通路。
在正常操件过程中，电流自阴极通过连接片112到达盘105和箔111，且随后通过焊点107到达柔性件104、PTC109和接线端101的组合体，且最后输出到外部电路。第一塑料插件103和第二塑料插件116将电流限制在这个规定的导电通路内。
如果电流达到非正常的高水平，PTC109对所通过的大电流做出反应而阻抗增大，从而使电流减小。这要归因于PTC中所用的材料，它们一般为聚合物和碳的混合物。当通过PTC的电流密度增大到规定值时，聚合物的温度超过熔化转变点而变得电阻增大。如果电流密度回落到规定值以下，聚合物再度变成糊状，而PTC再次成为导体。一般而言，这种机构防止了由于无意间短路所造成的电池内部升温和危险的压力升高。但是，如果问题与电流过大无关或如果PTC失效或不足以控制该电流，则其它安全机构被激活。
首先，当电池内部有压力升高时，该压力传递到压力腔室102，在该处迫使柔性件104向上。当压力升高达到预先规定值时，箔111在焊点107处撕裂，从而断开至接线端的导电通路，且使电池处于断路状态。在此，电池与外部电源电绝缘，而且电池内也没有能导致压力升高继续的电化学反应发生，尽管这使该电池不能继续作为电源使用，但由其供电的电子电路有幸防止了由于电池液的失控排放所造成的任何危险后果。
在由于例如过高的电池外部温度而有进一步的过度压力升高的情况下，柔性导电件上的凹痕106将断裂，以使电池内容物(通常为电解液)通过排放孔110排放出去，以防止爆炸。
上述设计在提供了一些安全措施的同时，也有一定的缺点。首先，第一安全机构将电池置于断路的点难于控制。因为该设计是依赖于焊点107的折断(或围绕该焊点的箔111的撕裂)，焊点的强度可能必须要满足精确的标准。当然，这增加了电池的成本。在某些情况下，因为直到电池的压力高到足以折断凹痕106时焊点107或箔111也不断裂，致使排放设计有可能不能取得如愿的效果。在这种情况下，在第一安全机构将电池置于断路之前，电池液可能就排放出来。而另一方面，如果焊点107过于薄弱，焊点107在压力有轻微升高，尚不危险时就可能折断，造成过早的断路。
第二，由于箔111的穿孔，该设计可能造成电解液的泄漏。当电池压力达到预定值时，箔111于焊点107处撕裂。这种撕裂经常在箔111上造成穿孔，可能造成电解液过早泄漏。另外，该设计比较复杂且包括的零件数量较多。
最近，一种依赖于压力触点的安全电池输出端，记述于1995年7月31日提出申请的美国专利申请No.08/509,531中，发明人为Mayer等人，题目为“过充电保护电池的排放孔”。该申请在此全面引用作为参考。此处所述的电池输出端采用了“翻动爆裂盘”，它是一个圆丘形铝金属制件。在电池正常操作情况下，该圆丘自电池输出端向下朝向电池电极凸出。在这种结构中，该翻动爆裂盘与静止铝件形成压力接触(不同于焊接接触)，且因此提供自电池接线端至阴极的电通路。但是，当电池内的压力增大到第一临界值时，圆丘反转(翻动)，从而朝向电池输出端的顶部凸出。在这种结构下，翻动爆裂盘和静止件之间的接触断开，且电池被置于断路。如果出于某种原因，压力继续增大到第二临界水平，该翻动爆裂盘将折断(爆裂)，以在发生爆炸之前释放电池的内容物。
尽管上述翻动爆裂盘的实施例较传统设计提供了一些改进，但是人们仍希望不依赖压力接触的替代设计。
发明概要本发明提供了一种经过改进的电池压力控制系统，它具有一个导电的脆性件，它根据规定的压力下折断或撕裂。该脆性件在一个位置联结于一静止件上，而在另一位置联接于一根据不断增大的电池内压力而偏转的偏转件上。当电池内压力增大到某一危险水平时，该偏转件向脆性件施以足够大的力使其折断。当脆性件折断时，电池进入断路状态，因此减小了压力持续增大的危险。与上述机构不同，本发明既不依赖于折断焊点也不依赖于折断压力触点。
如果电池的内压力甚至在压力触点打开后仍持续增加，压力控制机构的一第二级可被激活。具体地讲，上述偏转件上的一压力断裂区将折断且释放电池过高的内压力。典型情况下，该压力断裂区将是导电偏转件上一穿孔区或是材料厚度减薄的区域。更好的情况是，该压力断裂区是一凹痕区，且最好是一圆周凹痕区。
在一第一方面，本发明提供了一种电池输出端组件，用于控制具有一根电极的电池内部的压力增大。该电池输出端组件的特征在于包括以下元件(1)一个接线端，用于构成一个与外部电路的电触点；(2)一个偏转件，与上述接线端呈电联通，且随着电池内部的压力增加而经历位置改变过程；(3)一个脆性件，与偏转件相联结并呈电接触。该脆性件有一个脆性区域，此区域处于远离偏转件之处，如果电池压力升高到一第一规定压力，该脆性件在脆性区域断裂，从而使接线端与电极的电联接断路。在此，电流不能再从电极流向接线端。为了有助于脆性件折断，该脆性区可以包括一个凹痕区、一个缺口或简单地包括一较薄区域。正如所述，该偏转件一般包括一压力断裂区，它在一第二规定压力(大于第一规定压力)下断裂。
在一优选实施例中，该偏转件是一个翻动爆裂盘，它具有一大体圆丘形的翻动部分和一与该翻动部分相联且位于其外侧的外缘部分。该外缘部分与接线端构成电接触，而翻动部分与脆性件的一端构成电接触。电池输出端组件还可以包括一导电护套，脆性件的另一端焊接到该护套上。该翻动部分有一正常位置和一反转位置，这取决于电池内的压力。在其正常位置，翻动部分自接线端向外凸出，且与联结到电极的脆性件构成电接触。由于该圆丘形翻动部分设计成非稳定压缩载荷结构，所以在第一规定压力处反转，朝向接线端凸出。如此一来，它拉动与其相联的脆性件的一端，使连接片在脆性区域折断。这当然就切断了接线端和电池电极之间的电联接。
脆性件最好是一薄金属连接片，但它也可以是导电且脆性的细金属丝或其它结构。在一些实施例中，该脆性件还作为熔丝，当其中有大电流通过并经过一段规定的时间时，它将断开。
在一个实施例中，电池输出端组件包括一个切割件，它支撑在脆性件的脆性区域上。由于偏转件在电池压力过度升高的条件下偏转，其切割件保持固定且帮助脆性件于脆性区域折断。典型情况下该切割件是一刚性圆柱形绝缘体。为了便于脆性件在脆性区域折断，该切割件可以有一缺口，以将脆性区把持在位。
电池输出端组件还可以包括一个使接线端与偏转件形成电联接的正温度系数电阻(PTC)。正如所述，通过在电流密度高于预定值时电阻变得很大，PTC可以提供一些针对电池电流过大的保护措施。
本发明的另一方面提供了一种控制电池内压力升高的方法。该方法的特征在于包括下列步骤(1)提供一种具有如上所述的电池输出端组件的电池；(2)使偏转件根据一第一规定压力经历位置改变，脆性件由此于脆性区域折断，从而切断接线端自上述电极的电联接。如果压力继续升高达到一第二规定压力，该偏转件于压力断裂区折断，以提供自电池内部至电池外部的流体通路。
本发明的第三方面提供了一种锂离子电池，它的特征在于包括以下元件(1)如上所述的电池输出端组件；(2)一根阳极，其包括一种特殊的阳极材料，在充电过程中其可以插入锂，而在放电过程中可以回收锂；(3)一根阴极，其包括一种特殊的阴极材料，在放电过程中其可以吸收锂，而在充电中释放锂；(4)与锂离子导电的电解液。
本发明的这些和其它一些特点提供于本发明的下列说明书和附图中。
附图的简要说明图1A是一横截面简图，表示已有电池的电池输出端组件的侧横截面；图1B是一横截面简图，表示图1A所示组件的一个部件的顶部；图2是一横截面简图，表示具有图3A所示电池输出端组件的整个电池的侧横截面图；图3A是一横截面简图，表示根据本发明一个实施例的具有带凹痕脆性连接片的电池输出端组件的侧横截面；图3B是一横截面简图，表示图3A所示电池输出端组件的底视图；图3C是图3A中所示翻动爆裂盘元件的透视简图；图3D是图3A中所示垫圈的透视简图；图4A是表示脆性连接片的简图，所示之处为包括一凹痕区的脆性区；图4B是表示脆性连接片的简图，所示之处为包括一双缺口的脆性区；图4C是表示脆性连接片的简图，所示之处为包括一单缺口的脆性区；图4D是表示脆性连接片的简图，所示之处为包括一个孔的脆性区；图4E是表示脆性连接片的简图，所示之处为包括一狭窄区域的脆性区；图5A是一横截面简图，表示本发明另一实施例的侧横截面，该实施例包括一带缺口的切割件；
图5B是图5A的带有缺口切割件的垫圈的透视简图；图6是一横截面简图，表示本发明另一实施例的前视图，该实施例包括一垂直的脆性连接片；图7A是一横截面简图，表示本发明另一实施例的侧横截面，该实施例包括一扁平的铝盘；图7B是如图7A所示扁平的铝盘的顶视图；图8是一横截面简图，表示根据本发明优选实施例的具有一凹痕脆性连接片的电池输出端组件的侧横截面；以及图9是电池温度随充电时间变化曲线，表示本发明对过分充电提供保护的状况。
优选实施例的说明本发明提供了在电池压力增大达到危险水平之前将其释放的装置和方法。本发明是通过在适度高压下使位于电池输出端组件内部的一脆性连接片折断，从而使电池处于断路状态来实现这一点的。
图2给出包括根据本发明的电池输出端组件2的锂离子电池50。在外部，电池50包括一正极接线端4、一负极接线端58和一电池壳60。电池输出端组件2通过电极连接片30与电极“螺旋”54的阴极部分电联接。传统的螺旋设计采用一薄阳极板和一薄阴极板，以螺旋形式相互缠绕在一起。电极螺旋54设置于电池壳60内，且通过绝缘件52与电池输出端组件2隔离开。另外，电极螺旋54的阳极部分通过负接线端连接片56与负接线端58电联接，能安装到电池50的顶端的电池输出端组件2的各种实施例将介绍如下。
1．电池输出端组件首先参见图3A和3B，图中分别以侧横截面图和底视图的形式给出了本发明优选的电池输出端组件2。为方便起见，该设计在此将称为“翻动爆裂盘”设计。在翻动爆裂盘式电池输出端组件2的顶部设置由具有排放孔6的接线端4。如果电池内压力变得非常高，来自电池内的液体将通过孔6排放出来。接线端4支靠在选用件PTC8上，该选用件随后再支撑在翻动爆裂盘9上。该翻动爆裂盘9亦示于图3C，它由两个主要部件(1)一个大体呈圆丘状的翻动部分12；和(2)一个外缘部分10,PTC8即支撑于其上。该翻动部分12通过例如一焊接附接到一导电的脆性连接片20上。进而，翻动部分包括凹痕14，该凹痕在很高的压力下将折断，以提供一液体通道，使液态的电池内容物能从电池内部通过排放孔6逸出。
接线端4、PTC8和翻动爆裂盘9借助垫圈16以电接触形式夹持在一起，垫圈16进而被包封在金属的组件护套28内。如图所示，该组件护套28弯折成一“C”形，将垫圈16夹持住，使其与接线端4、PTC8和翻动爆裂盘9的外缘部分10接合。垫圈16亦示于图3D，它具有两个主要部件(1)一个外缘部分19和(2)一个切割件18，它于脆性区22处或其附近座放在脆性连接片20上。
脆性连接片20的一端于一第一焊接区24联结到组件护套28上，而另一端于一第二焊接区26联结到翻动爆裂盘9的翻动部分12的尖部。最后，电极连接片30于焊接区32联结到组件护套28上且提供自电池阴极至电池输出端组件的导电通路。
在正常操作过程中，在电池的负接线端58、负接线端连接片56、电极螺旋54(通过离子传导)、正导电连接片30和翻动爆裂盘式电池输出端组件2(包括正接线端4)之间提供了一条导电通路。在电池输出端组件2内电流进入组件护套28，流经脆性连接片20、翻动爆裂盘9、PTC8，且通过接线端4流出到外电路。
如上所述，如果电池电流达到所规定的高水平，PTC8则变得电阻极大，并由此减小通过电池的电流。进而，在某些实施例中，脆性连接片20本身就可以作为永久熔丝，根据大电流于“熔断区”断开电路，而与内部高压无关。比较方便的是，脆性区也作为连接片的熔断区。例如，图4B和4C所示的连接片包括了能起到熔断区作用的缺口。或者，脆性连接片可以用既脆性易折又可熔断的金属丝或其它结构(表述如下)来代替。另外，本发明所涉及的系统也包括永久熔丝，而它并不一定是脆性的。为了防止强烈的放热氧化反应，熔丝不应接触氧气。在一优选实施例中，电池内部回充填了氩气并密封以隔绝氧气。无论如何，作为补充提示，熔丝(脆性件)本身最好是要进行缠绕、涂镀或密封，以防止接触可能以某种方式进入电池内部的氧气。
如果该脆性连接片设计作为永久熔丝，则可不再需要“可重置”PTC元件。例如，众所周知，当暴露于高电流密度的短脉冲时，PTC熔丝表现出极高的电阻，对于18650电池的典型PTC熔丝，是在5～8安培范围。而在18650电池的实际应用中，这样大的电流脉冲是常有的且实际上没有危险。较传统的熔丝(例如由脆性连接片制成)更适合于大电流脉冲。在一个实施例中，一种熔断区横截面积为14平方密耳(约8650平方微米)的铝熔丝能保持较高的导电性，直至于10安培时熔断，此值适合于18650电池使用。应该记住，熔断区必须限制在连接片或金属丝的一小部分上，从而使整个电池的电阻保持相对较低。
PTC或脆性连接片经常能起到降低危险的压力升高的风险。但是，如果问题与电流过大无关或这些机构失效或不足以控制该电流，则必须激活其它保护机构(表述如下)。
图3A和3C给出了在电池正常操作过程中翻动爆裂盘9的圆丘形翻动部分12的布置方向。图3C所示为翻动部分12处于外缘部分10之下，并朝向电池内部凸出(正常位置)。同样，图3A示出了翻动部分12在正常情况下背向接线端4凸出，且通过一脆性连接片20与组件护套28建立电接触。
当电池内压力升高等于一第一规定值时(该值在受压负载的翻动部分上造成临界弯曲载荷)，该翻动部分12反转或向上折倒，由此朝向接线端4凸出，且呈现如图3C所示的反转位置12’。在翻动部分反转的同时，垫圈16和切割件18保持固定不动。同时，一端与翻动部分12联接而另一端与组件护套28联接的脆性连接片20由于翻动部分12的反转被突然向上拉动。座放于脆性连接片20上脆性区域22处的切割件18协助切断脆性区22，且由此断开与组件护套28的电联接。该切割件18还可以防止已经折断的连接片的残余部分相互间重新接触。连接片一旦折断，电池则进入断路状态，电池内的电化学反应中止。因此，翻动部分12的反转以及脆性连接片20的切断可以消除造成压力升高的起因，且防止电池内容物的失控排放。
但是在有些情况下，电池压力甚至在电池进入断路状态之后还会继续升高。这可能是因为例如电池被置于火中造成的。在这种情况下，电池提供了一种其内容物(通常是电解液和气体)的可控释放，以避免爆炸。这在电池内部压力等于第二规定压力，高于第一规定压力时进行，此时翻动部分12沿凹痕14折断，这使具有一定压力的电池液能通过排放孔6有控制地排放。
上述翻动爆裂盘电池输出端的设计较先有技术提供了一定的优点。例如，本发明中通过一脆性连接片的电接触对于过度压力升高的反应比先有技术中的焊点接触更可靠。这样，本发明的压力释放机构如预期的更好地保证了电池安全性能的实现。再者，断电机构不折断翻动爆裂盘，而且创造了一个电池内容物在达到更高的压力后能够逸出的潜在通路。
再说组件2的结构，接线端4可用能稳定地存在于其所处的电池电位下的任何导电材料制成。在一优选实施例中，它用钢制成，且最好是镀镍的钢。PTC8起到可恢复熔丝的作用，即它是一种当电池电流经过一临界值时能暂时提高电池电阻的材料。在一特定实施例中，PTC8由一种聚合物和碳的混合物制成。市场上提供了一种品牌为“POLYSWITCH”的适用材料，可从美国加利弗尼亚州Menlo Park的Raychem公司购得．组件护套28可用任何在电池的工作电位下处于稳定的导电材料制成。同翻动爆裂盘相同，护套28最好用铝制成。在另一实施例中，护套28可以一角度朝向电池内向下延伸，该角度是使其底缘支靠在连接片的脆性区上。在这种形式下，护套的边缘即起到切割件的作用，而不再需要切割件18。
最为一般地，翻动爆裂盘9可以由一种如下的导电材料构成(1)在其所处的电池电位下抗腐蚀，和(2)具备使其圆丘部位在一第一规定压力下能反转的机械性能。该翻动爆裂盘最好用厚度(至少是翻动部分29)大约在50至250微米之间，100至200微米间更佳，最好是125微米的铝制成。在此厚度下，翻动部分将在约50-200psi的压力，即第一规定压力下反转。在一优选实施例中，该翻动部分的半径约8mm。
如上所述，翻动爆裂盘9的翻动部分12最好有一凹痕14，它提供了一个能在一第二规定压力下折断的压力折断区域。凹痕14可以是对翻动部分12进行冲压而形成，以提供一厚度减小的薄“凹痕”区制成。该凹痕可以具有各种形状，例如环形、星形、直线形等。该凹痕最好能提供一在电池压力为350-400psi，最好是在360-380psi之间折断的压力折断区。当然，实际的折断压力将取决于电池设计，但在各种情况下，均应选择低于电池的爆炸压力。
在另一实施例中，该压力折断区不由凹痕确定。例如，该压力折断区可以是一较宽的区域，它一般比翻动爆裂盘的周围区域薄弱。
垫圈16可以用任何在一定温度范围内能如图3所示将接线端4、PTC8和翻动爆裂盘9夹持在一起的具有足够结构刚性的绝缘材料制成。优选的绝缘材料包括聚丙烯、聚丁烯对苯二酸盐、二氟化聚乙二烯和特氟隆。如图3A和3D所示，垫圈的外缘部19和切割件18是一体的，但是它们也可以由两个或多个零件组合而成。外缘部19的形状应制成能足以将接线端4、PTC8和翻动爆裂盘9的组合体夹持在一起。尽管不是必须的，但切割件18最好能对脆性连接片20在脆性区域22处的折断起帮助作用。例如，这可以通过为切割件提供足够的尖锐度以造成于脆性区域的切断，或者在切割件上对应于脆性连接片上的脆性区域的位置提供一缺口来实现。脆性连接片一旦折断，该切割件所处的位置应能防止连接片已断开的部分意外地相互接触并由此导致电池内电传导的重新建立。
脆性连接片20可以用任何导电材料制成，但在锂离子电池中，最好是铝。尽管脆性连接片的尺寸可以在很大范围内变化，以满足本发明的要求，但人们发现连接片厚度可以在0.0075mm至0.125mm之间，连接片宽度可以在2mm至5mm之间(取决于断路压力和电池的其它设计参数)。在一特定实施例中，脆性区域的连接片宽度是约0.5mm(见图4B的实施例)。
如上所述，脆性连接片20一般有一脆性区域22，该区在由于翻动部分12的反转所产生的张力下能够切断或撕裂。为了在翻动部分12反转的过程中保证这一点，脆性区域在被破坏时是相对于焊点区24和26进行切割的，所以焊点区24和26的强度必须大于脆性区22。
图4A、4B、4C、4D和4E给出了便于脆性连接片20折断的不同的脆性区域的例子。图4A给出的脆性区域22包括带有几个呈直线或曲线布置的小孔的凹痕区22。图4B和4C分别给出了双缺口区22’和单缺口区22”。缺口22’和22”可以通过切割脆性连接片，以在连接片上形成一个宽度小于周围区域的部分来制成。在某些实施例中，这些缺口可以同如图4A所示的凹痕区联合使用。在另外的实施例中，脆性连接片可以包括一个通孔23(图4D)、一个宽度缩小的区域25(图4E)、一个网格区(未示出)或能起到脆性区作用的其它结构。脆性连接片也可用导电的且能根据所规定的拉伸应力而折断的金属丝或其它脆性结构代替。在最佳实施例中，该脆性件是一根3密耳的铝丝，它在约10安培下断开。
本发明的另一实施例示于图5A。此实施例除垫圈的切割件外与上述实施例十分相似，为了有效地切割脆性区，它具有另一种设计。
现在参见图5A，与图1中所示的垫圈16相似，垫圈216的切割件218支靠在脆性连接片20”的脆性区(未示出)上，该脆性连接片在其一端以焊接区24连接于组件护套28，而在其另一端以焊接区26连接于翻动部分12。图5B给出了如图5A所示电池输出端组件2中所用垫圈部件216的透视图。垫圈216有两个主要部件(1)一外缘部分219和(2)一切割件218。进而，切割件218包括一相对于脆性连接片处于适当位置的缺口区域234。缺口区234最好是尖锐的，以便于切断脆性连接片。为此，最好使用脆性连接片20’(见图4B)或脆性连接片20”(见图4C)，因为这两种连接片均包括缺口，它们将与切割件的缺口区234啮合。
本发明的另一个实施例示于图6，在此实施例中，未采用切割件，而且脆性连接片320垂直地固定于翻动爆裂盘9的尖端和一扁平的固定体330之间。该固定体330可以是一个与电极呈电联通的单独的导电件。或者，固定体330可以是护套28的延长部分。如果这样，脆性连接片320可以通过焊点332联接其上。或者，固定体330可以是一绝缘体，在这种情况下，连接片320通过其它触点与电极电联通。垂直脆性连接片320最好设置有包括如图4B所示的双缺口的脆性区域322。其余的部件亦如以上结合图3A-3C所述。亦如前述，当电池内压力达到第一规定压力，造成翻动爆裂盘9反转时，脆性连接片320将于区域322处折断或撕裂。
本发明的又一实施例示于图7A和7B。在此实施例中，既没有采用切割件也没有采用(如图4A、4B和4C所示类型的)直条脆性连接片。本发明的脆性连接片包括一扁平的金属盘440，它通过焊接区442和444与组件护套28相联，且亦于焊接区446与翻动爆裂盘9的翻动部分12相联。盘440最好是铝制的，其具有一脆性区域448，该区域包括当翻动爆裂盘9反转时能使盘440撕裂开的齿面。
当电池内的过度压力升高等于一第一规定压力时，该压力通过盘440的孔450作用到翻动部分12上，且使翻动部分12反转并向上拉动联接于焊接区446处的盘440的一部分。此时，由于有焊接区442和444，盘的周围部分相对于护套28保持固定。结果，盘440于脆性区448撕裂开。电池输出端组件2因此被置于断路状态，从而停止电池内进一步的电化学反应。
本发明的另一个优选实施例示于图8。此实施例多少类似于图3A所示实施例，只是该电池本身可自己承担图3A设计中所采用的护套28的夹持功能。在图3A和图8中参考标号一致的零件在两实施例中是完全一样的，且因此在此不再详细讨论。电池输出端组件2包括一绝缘体垫圈456，它具有一切割件458，与图3A所示的电池输出端的切割件18以同样的方式发挥作用。在垫圈456之下设置有导电垫片468，作为脆性连接片20和电极片30的固定导电焊接表面。外壳垫圈470压靠在导电垫片468、绝缘垫圈456、翻动爆裂盘9、PTC元件8和接线端4上并起绝缘作用。最后，金属外壳472环绕电池输出端组件2并沿其延伸。如图所示，外壳472被制成翻边，将外壳垫圈470环绕其所压接的各个元件夹持住。外壳472还以如图2所示外壳60同样方式起到电池容器的作用。
2．应用电池接触组件的电池在电池输出端组件制备好之后，它要被组装到锂插入电池上。典型情况下，该电池将包括(1)一电池容器(包括该电池输出端组件)，(2)一如上所述制备的合成阴极，(3)一能够可逆地于充电时吸收锂且于放电时释放锂的插入阳极，(4)一种与锂离子导通的电解液，和(5)阳极和阴极之间的隔离装置。
除本发明的电池输出端组件之外，传统的电池容器可用来制造本发明合成阴极的电池。本技术领域的专业人士了解对电池容器的性能要求。其尺寸应能将各种电池部件紧凑地夹持在一起，而且应用在电池工作电位下不受电池其它元件影响也不与其起化学反应的材料制成。
用作插入电池阳极的材料应具有容量大、可逆性良好和平均放电电压高的特点，因此才能构成高能电池。另外，该材料应显现出较低的成形性能。这样的材料包括，仅为举例如石墨碳、非石墨碳、以及石墨碳和非石墨碳的混合物。本发明的优选电池采用这样的混合物，它在1995年2月7日提出申请、题为“无水电解液二次电池”、发明人为S.Mayer的美国专利申请No.08/386,062中有记述。该申请在此全面引用作为参考。简言之，这种合成阳极包括均一的石墨碳颗粒、均一的非石墨碳颗粒和按需填加的粘合剂的混合物。这种电极可以表述为具有容量大、电极电位低的特性，且同时具备倾斜的放电曲线(即电极电位随插入度或充电状态变化)。如08/386,062申请所述，这样的放电曲线使锂离子在高速放电下工作良好。自电极完全插入的满充电状态至约90％未插入的充电状态，阳极断路电位的变化最好是至少约0.5V。为了比较，纯石墨插入电极在放电过程中的变化一般仅有约180mV。
用作插入电池阴极的材料应具有容量大、锂插入的可逆性良好和平均放电电压高的特性，因此才能实现高电池能的要求。这类材料包括，仅为举例如锂钼硫化物、锂钼氧化物、锂钒氧化物、锂铬的氧化物、锂钛的氧化物、锂钨的氧化物、锂钴的氧化物、锂镍的氧化物和锂锰的氧化物(例如LiMnO2和LiMn2O4)。在本发明的最佳实施例中，纯金属氧化物(通常是LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2和/或LiMn2O2)相互以一定比例、且与导电添加剂、悬浮增稠剂和带有溶解聚合物的溶剂混合，制成一种充电/放电特性得到改善的超高电压阴极。这种方法的优点和详细内容记述于1995年6月22日提出的申请、S.Mayer为发明人，题为“无水电解液二次电池”的美国专利申请No.08/493,715中。该申请在此全面引用作为参考。
电池中所用的有机电解液可以包括任何各种适用的化合物和盐。用于插入电池的合适的有机电解液包括以下物质中的一个或多种碳酸丙撑脂、碳酸乙二甲氧基乙烷、1,2二乙氧基乙烷，γ丁内脂、四氢化呋喃、2甲替四氢化呋喃、1,3二氧戊环、4甲基1,3二氧戊环、二乙醚、环丁砜、乙腈、丙腈、碳酸二甲脂、碳酸二乙脂、甲氧基苯、甲基丙腈、乙基丙腈、醋酸甲脂、醋酸正丙脂、醋酸异丙脂、醋酸正丁脂、甲基碳酸乙脂以及它们的混合物或化合物。合适的电解液盐包括以下物质中的一种或多种Li(LF3SO2)2N(可自明尼苏达州的3M公司购得)、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiCL、LiBr、CH3SO3Li和CF3SO3Li。在一优选实施例中，电解液包括碳酸乙二脂、碳酸甲脂、碳酸二乙脂的混合物作为溶剂。在最佳实施例中，电解液包括(1)碳酸乙二脂、碳酸甲脂、碳酸二乙脂作为溶剂和(2)溶解的LiPF6(以约1至1.4M的浓度提供)的混合物。优选电解液系统的进一步阐述可在1996年2月7日的申请、S.Mayer等人为发明人、题为“无水电解液二次电池”的美国专利申请No.08/___,___(代理人案号No.POLYP007)中发现。该申请在此全面引用作为参考。LiPF6的总浓度不应超过锂在该溶剂中的溶解极限。因此，这种以及其它一些盐的总浓度应保持在约1.5M之下。
在本技术领域内众所周知和广泛使用的各种隔离装置均可在本发明的电池内使用。两种特定的优选隔离装置的材料是Celgard 2300和Celgard2400，可从得克萨斯州达拉斯的Hoechst Celanese公司购得。这些材料薄、惰性且耐穿孔。应该指出，Celgard 2300在约120℃以上的温度下变得不导电，从而提高电池针对可能发生的也许是由于穿孔、压碎等造成的电池内部短路的安全性。
3．实例图9是一曲线图，表示在一个18×65(mm)的圆柱形电池内(图3A至3B类型的)脆性连接片电池输出端组件是如何防止过充电的。该电池输出端组件是通过将一未翻边的护套联接到一未翻边的垫圈上而构成。
通过将翻动部分压入一铝盘并刻凹痕以提供一压力折断区域来制备一爆裂盘。再将一脆性连接片焊接到爆裂盘的翻动部分的底部。然后将带有连接片的爆裂盘与PTC元件和电池接线端一起以图3A所示布置形式放置于未翻边的护套/垫圈组件内。随后，将护套/垫圈翻边，将组件夹持在一起。而后给脆性连接片刻凹痕，卡在垫圈的切割件上，且焊接到护套上。随后去除脆性连接片上的多余金属，则电池输出端组件即与18650锂离子电池的其余部分联成一体了。
在图9中，曲线502表明，当电池(在常温1.0安培下)过充电超过正常满充电电位(约4.2V)时，电池电位随时间逐步升高。在充电约1.1小时处，在该点电池电位达到4.8V，(在少于20ms的时间段内)电位突然变成无限大，表明电池已经进入断路状态。这提示脆性连接片实际上已经折断。电池进入断路状态之后，电池表面温度很快开始下降，如曲线504所示。请注意，电池表面温度从未超过约55℃(131°F)。因此，危险的电池温度升高通过电池断路机构得以避免。电池输出端的一项“死后”评价表明，脆性连接片正如预期的确定折断了。
4．结语尽管出于清楚理解的目的已经对上述发明进行了详细的描述，但是很明显，在所附权利要求的范围内可实施一定的改变和改进。例如，尽管说明书中原本所述的电池输出端组件采用翻动盘作为偏转元件，但是诸如绉皮膜或贝氏垫圈的其它偏转元件亦可采用。如果采用绉皮膜，在某些情况下，可以实现延长偏转距离和改进撕裂动作的效果。另外，尽管说明书原本所述锂离子电池是本发明的受益者，但在原则上没有理由认为为什么本发明不能用于其它类型的电池，包括那些采用液体或固体电解质的电池。再者，尽管说明书已经表述了与电池正接线端相关联的压力释放机构(联接至放电时的阴极)，同样的释放机构也可用于电池负接线端。再进一步，尽管说明书已经表述了圆柱形电池设计，但在原则上没有理由认为为什么本发明不能用于棱形或其它的电池设计。因此，可以认为本实施例是用于解释而不是限制，而且本发明也不局限于此处所给出的细节内，而在所附权利要求的范围内是可以改进的。
权利要求
1．一种用于控制具有一个电极的电池内部压力升高的电池输出端组件，上述电池输出端组件包括一个接线端，用于构成与外电路的电触点；一个与上述接线端呈电联通的偏转元件，上述偏转件对电池内部的压力升高作出反应而产生位移；一个与上述偏转件联接并形成电接触的脆性件，上述脆性件具有形成于远离上述偏转件之处的脆性区域，其中当上述偏转件对一第一规定压力作出反应而产生位移时，上述脆性件于上述脆性区域折断，从而切断上述接线端与上述电极的电联通。
2．如权利要求1所述的电池输出端组件，其中，上述接线端包括排放孔，用于在高压下排放电池内容物。
3．如权利要求1所述的电池输出端组件，其中，上述偏转元件是一翻动爆裂盘，它具有一大体呈圆丘形的翻动部分和一与上述翻动部分相联并位于其外侧的外缘部分，上述外缘部分与上述接线端形成电联通，上述翻动部分在正常情况下背离上述接线端凸出，但是将在第一规定压力下反转而朝向上述接线端凸出。
4．如权利要求3所述的电池输出端组件，其中，上述翻动爆裂盘的翻动部分由铝制成。
5．如权利要求4所述的电池输出端组件，其中，上述翻动爆裂盘的厚度在约50至250微米之间。
6．如权利要求3所述的电池输出端组件，其中，上述翻动部分包括一压力折断区，它将在高于第一规定压力的第二规定压力下使上述翻动部分断裂开。
7．如权利要求6所述的电池输出端组件，其中，上述压力折断区是一凹痕区。
8．如权利要求1所述的电池输出端组件，其中，上述脆性件上的上述脆性区是一凹痕区。
9．如权利要求1所述的电池输出端组件，其中，上述脆性件是一连接片，且其中上述脆性件上的上述脆性区是一缺口区。
10．如权利要求1所述的电池输出端组件，其中，上述脆性元件是一根金属丝。
11．如权利要求1所述的电池输出端组件，其中，上述脆性元件由铝制成。
12．如权利要求1所述的电池输出端组件，其中，上述脆性元件包括一在大电流下起熔丝作用的熔断区。
13．如权利要求1所述的电池输出端组件，其还包括一支靠在上述脆性区上的切割件，其中当上述偏转件对电池内部的电压升高作出反应而产生位移时，上述切割件保持其固定位置。
14．如权利要求13所述的电池输出端组件，其中，上述切割件呈圆柱形。
15．一种控制具有一电极的电池内压力升高的方法，该方法包括以下步骤(a)提供一种具有一电池输出端组件和一电池内部的电池，该电池输出端组件包括(ⅰ)一个接线端，用于构成与外电路的电触点，(ⅱ)一个与上述接线端呈电联通且对电池内部的压力升高作出反应而产生位移的偏转元件，和(ⅲ)一个与上述偏转件联接并形成电接触的脆性件，上述脆性件具有形成于远离上述偏转件之处的脆性区域；以及(b)使该偏转件对一第一规定压力做出反应而产生位移，进而使上述脆性件于上述脆性区处折断，且从而切断上述接线端与上述电极的电联通。
16．权利要求15所述的方法，其中，上述偏转元件是一翻动爆裂盘，其具有一大体呈圆丘形并与上述接线端形成电联通的翻动部分，上述翻动部分被提供有一背离上述接线端凸出的正常位置，上述翻动部分还有一朝向上述接线端凸出的反转位置，且其中使该偏转件产生位移的步骤包括在暴露于第一规定压力下时反转上述翻动部分，从而折断该脆性件。
17．权利要求15所述的方法，其还包括当其暴露于高于第一规定压力的第二压力下时使上述偏转件上的压力折断区断裂的步骤，从而当压力折断区断裂时提供一自电池内部至电池外部的液体通道。
18．权利要求15所述的方法，其中，上述第一规定压力是由电池内连续不断的电化学反应造成的。
19．一种锂离子电池，其包括(a)一电池容器，它有一电池输出端组件，它包括(ⅰ)一个接线端，用于构成与外电路的电触点；(ⅱ)一个与上述接线端呈电联通且对电池内部的压力升高作出反应而产生位移的导电偏转元件；和(ⅲ)一个与上述偏转件联接并形成电接触的脆性件，上述脆性件具有形成于远离上述偏转件之处的脆性区域，其中当上述偏转件对一第一规定压力作出反应而产生位移时，上述脆性件于上述脆性区域折断，从而切断上述接线端与上述电极的电联通；(b)一个阳极，其提供于电池容器内且能在放电时插入锂和在充电时回收锂，阳极包括某种阳极材料；(c)一个阴极，其提供于电池容器内且能够在放电时吸收锂而在充电时释放锂，阴极包括某种特定的阴极材料；和(d)与锂离子导电且提供于上述电池容器内的电解液。
20．权利要求19所述的锂离子电池，其中，上述导电偏转件包括一压力折断区，其中上述导电偏转件的上述压力折断区能在高于上述第一规定压力的第二规定压力下折断。
21．权利要求19所述的锂离子电池，其中该偏转件是一翻动爆裂盘，其具有一大体呈圆丘形并与上述接线端形成电联通的翻动部分，上述翻动部分被提供有一背离上述接线端凸出的正常位置，上述翻动部分还有一朝向上述接线端凸出的反转位置，且其中在暴露于第一规定压力下时上述翻动部分反转，从而折断该脆性件。
22．一种用于控制具有一电极的电池内电流过大的电池组件，上述电池组件包括一个接线端，用于构成与外电路的电触点；一个永久熔丝，其与上述接线端呈电联通，且同上述电极呈电联通，其中当电池电流超过一预定值时，该永久熔丝永久地断开接线端与电极的电联通。
23．权利要求22所述的电池组件，其中该电池是锂离子电池。
24．权利要求22所述的电池组件，其中该永久熔丝由铝制成。
全文摘要
一种电池压力控制系统,它包括一个根据某规定压力撕裂的导电脆性连接片(20)。该脆性连接片在一个位置(24)联接至诸如组件护套(28)的固定件,而于另一位置联接至一偏转元件,诸如翻动爆裂盘的翻动部分(12),该盘根据电池内的压力升高而偏转。当压力增高到危险水平时,偏转件给脆性连接片施加一个足够大的力,使其折断。当连接片折断时,电池进入断路状态,因此降低了压力继续升高的危险。如果电池的内压力甚至在压力触点打开后还继续增大,那么可激活压力控制的第二级。具体地讲,偏转件上由凹痕(14)确定的压力折断区将断开且释放掉电池的内压力。
文档编号H01M6/16GK1217826SQ97194389
公开日1999年5月26日 申请日期1997年2月27日 优先权日1996年3月4日
发明者J·L·卡施米特, F·L·马图斯, S·T·马耶尔, J·H·豪, S·汤普森 申请人:波利斯托尔公司