[发明专利]用于电化学电池的电流断续器

说明书

本发明涉及一种用于电化学电池的热响应电流断续器，该电流断续器在电池温度过分升高时能安全地防止电流流经电池。本发明还涉及一种用于电池的压力响应电流断续器，该电流断续器在电池中气体压力过高时断开电池。

电化学电池，特别是诸如其中锂或锂离子是活性材料的那些电池之类的高能密度电池，易发生泄漏或破裂，这又能导致对由电池供电的装置或对周围环境的损坏。在可再充电电池的情况下，电池内部温度的升高能起因于过充电。不良的温度升高常常伴随有内部气体压力的相应增大。这即使在外部短路状态下也可能发生。而且，即使电池过放电，内部气体压力也可能增大。希望安全装置伴随着电池，而不过分增大电池的成本、尺寸或质量。

这样的电池，特别是把锂或锂离子用作活性材料的可再充电电池，由常常伴随有压力相应增大的电池内部温度升高易于引起泄漏或断裂。这可能由诸如过充电之类的误用状态或由在过充电期间可能发生的短路状态引起。重要的还有，气密地密封这些电池，以防止电解质溶剂外流和水分从外部环境进入。

如上所述，在对这样一种电池充电时，发生自加热。以过快的速率充电或过充电能导致温度升高。当温度超过依据电池的化学性质和结构变化的一定点时，不良和难以控制的热耗散状态开始。此外，因为过热，内部压力升高，并且电解质可能从电池突然排出。在这发生之前，最好开始受控排放。

一些可再充电电池能很细，例如细的棱形电池、或用于蜂窝电话的小尺寸圆柱形电池。一直难以把可靠的电流断续安全装置并入这样的电池中，因为其尺寸小。但对这种安全装置的需要反而更大，因为在正常蜂窝电话操作期间电池靠近用户。

常规电池结构采用一种端盖配件，在把电池阳极和阴极活性材料及适当隔离材料和电解质插入圆柱形壳体之后，把该端盖配件插入到开放端部的圆柱形壳体中。端盖与阳极或阴极材料之一电接触，并且端盖的暴露部分形成电池终端之一。电池壳体的一部分形成另一个终端。

本发明使一个或几个电流断续组件，集成在单个电池内且有利地应用于一次或二次(可再充电)电池。本发明的端盖组件特别适用于可再充电电池，例如锂离子、镍金属氢化物、镍镉或其他可再充电电池，以克服在暴露于高温、过分或不适当充电或放电、或电池短路期间电池过热和电池中压力升高的危险。

在一个方面，本发明旨在一种用于细棱形电池或小直径圆柱形电池的电流断续机构。一个小型热响应电流断续组件布置在电池内。电流断续组件最好是一种自备密封装置，该装置具有可以单独制造且在电池构造期间作为单独单元插入在电池中的优点。当电池内部过热超过一个预定温度时，在自备组件内的热响应电流断续机构动作而断路，并且防止电流流经电池。该电流断续机构包括一个热响应件，希望是一个最好由带有曲面的形状记忆金属合金构成的可弯曲盘。在正常的电池工作中，形状记忆合金盘最好形成电池电极之一与连接电极的一个终端之间的电气通路的一部分。当电池内的温度达到一个预定值时，形状记忆盘弯曲以断开在所述电极与终端之间的电气通路，由此关闭电池。

在本发明的另一个方面，电流断续组件是一个包括一个热响应电流断续机构和一个压力致动电流断续机构的自备单元。电流断续组件带有一块起电池的一个终端作用的暴露端盖板。当把组件应用于电池并且电池在正常操作中时，端盖板与电池电极(阳极或阴极)电气连通。电流断续机构包括一个由形状记忆金属合金或双金属构成的热响应可弯曲件，希望该件为弯曲盘的形式，可以与一个可弯曲导电件物理连通。在热响应件与可弯曲导电件之间的物理连通可以由在这两个元件之间定位的非导电可移动杆实现。在正常的电池工作中，可弯曲导电件形成在电池电极之一与端盖(终端)之间的电气通路的一部分。当在电池内的温度达到一个预定值时，热响应件弯曲引起非导电可移动杆推压可弯曲导电件，这又使导电件偏转并且断开在所述电极与终端之间的电气通路。组件希望也包括一个压力致动电流断续机构，该机构最好包括一个压力致动金属膜片。该膜片最好形成电流断续器组件外壳的一部分，并且当电池内压力超过一个预定值时偏转。膜片的偏转引起电池电极与相应终端之间的电气通路的中断，由此关闭电池。

在另一个方面，电池可以包含以上两种类型的自备电流断续组件的两种，即仅包含一个热响应电流断续机构的一种和既包含一个热响应电流断续机构又包含一个压力致动电流断续机构的另一种。这提供具有多个独立电流断续安全特征的电池。这种结构可以有利地使用，条件是电池具有足够的直径容纳两种电流断续组件，例如电池具有在约5与20毫米之间的直径或厚度。在这种实施例中，仅包含热响应电流断续机构的电流断续组件可以有利地完全布置在电池内部，从而它靠近电池的最热部分。