專利名稱：可封閉可再充電電化學(xué)貯氫電池的電池殼而改進(jìn)密封氫的蓋部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常是涉及可再充電園筒型電化學(xué)電池，特別是關(guān)于具有貯氫負(fù)電極的可再充電電化學(xué)電池，它具有改進(jìn)的可再封閉通孔的蓋部件，以防止氫氣從電化學(xué)電池內(nèi)泄漏。
在可再充電電化學(xué)電池中，重量和輕便性是重要的考慮因素，而對(duì)于這些電池所體現(xiàn)的長(zhǎng)運(yùn)行壽命和不用周期性維護(hù)而運(yùn)行的能力也是有益的，它們可以用來(lái)直接代替許多用戶裝置(如計(jì)算器、便攜式收音機(jī)和手電筒)中的一次性的AA、C和D電池。它們較通常是組合成所設(shè)計(jì)的相接合的一密封電源裝置，或是特殊裝置的整體部件。
可再充電電化學(xué)電池由于它的尺寸小、重量輕、高電容量和長(zhǎng)運(yùn)行壽命，理想地適用于作為便攜式電源，可再充電電池必須起著一種“安裝和遺忘”電源的作用，除周期性充電外，可充電電池應(yīng)該是無(wú)需注意地使用，在它供電時(shí)很少成為裝置壽命上的限制性因素。
采用可再充電貯氫負(fù)電極的二次電池在技術(shù)上是眾所周知的，例如可見美國(guó)專利號(hào)4，551，400，即貯氫材料及為電化學(xué)應(yīng)用而精整和制備它的方法，它所公開的在這里可結(jié)合作為參考。貯氫電池可以采用與鉛-酸、鎳-鎘或其它現(xiàn)有技術(shù)的電池系統(tǒng)不同的方式運(yùn)行。貯氫電化學(xué)電池采用金屬氫化物負(fù)電極，它能夠用電化學(xué)方法使儲(chǔ)存的氫可逆。在一個(gè)實(shí)施例中，雖然其它正電極材料也可以使用，而電池采用由氫氧化鎳制成的正電極。負(fù)和正電極在堿性電解液中是相間隔的，并且在其間還包括一適當(dāng)?shù)姆蛛x板、墊片或薄膜。
在給負(fù)電極提供電流時(shí)，負(fù)電極材料(M)通過(guò)電解液的水分解而充電，形成氫化物和氫氧根(OH)離子
放電時(shí)，氫化物分解，在電池內(nèi)施放出氫氣，它與OH離子反應(yīng)形成水，并施放給外部電路一個(gè)電子以提供電流
負(fù)電極反應(yīng)是可逆的。
在正電極發(fā)生的反應(yīng)也是可逆的，例如在用于氫可再充電二次電池或蓄電池中的常用氫氧化鎳正電極上的反應(yīng)是
貯氫負(fù)電極電池設(shè)計(jì)是同氫氧化鎳正電極一同工作的，并且是一種貯氫合金負(fù)電極，它們是通過(guò)無(wú)紡氈制的尼龍或聚丙烯分離層隔開，電解液通常是堿性電解液，如20-45%重量的氫氧化鉀，其中氫氧化鋰也可以有限量的存在。
采用電化學(xué)可再充電貯氫負(fù)電極的電池與通常二次電池相比提供了重要的優(yōu)點(diǎn)?？稍俪潆娰A氫負(fù)電極與鉛負(fù)電極或鎘負(fù)電極相比提供了明顯高得多的比充電容量(可用每單位質(zhì)量安培小時(shí)或每單位體積安培小時(shí)來(lái)表示)，由于較高的比充電容量，貯氫電池具有比現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)高得多的能量密度(可用每單位質(zhì)量瓦特小時(shí)或每單位體積瓦特小時(shí)來(lái)表示)是可能的，由此制造的貯氫電池特別適合于許多商業(yè)上的應(yīng)用。貯氫電池具有兩種類型，密封電池和通孔電池，除了在基本結(jié)構(gòu)上不同以外，這由其術(shù)語(yǔ)而不言而喻，兩種類型的電池的不同還在于它們的運(yùn)行方式不同，在正常運(yùn)行期間，封閉電池不允許有與大氣相通的氣孔，相比之下，在通孔電池中，氣孔可以是正常運(yùn)行過(guò)程的一部分。由于這種差異，與每種類型的電池相關(guān)的氣孔部件相互是相當(dāng)不同的，并且在電池容器中電解液的數(shù)量相對(duì)于電極的幾何形狀明顯不同。
封閉電池通?？梢杂迷S多形狀來(lái)制造，主要包括園筒形和矩形，封閉電池可設(shè)計(jì)成在缺乏電解液的型式下運(yùn)行，也就是說(shuō)，封閉電池設(shè)計(jì)成只用少量電解液的情況下運(yùn)行。封閉電池的電池外殼通常是一金屬外殼，它設(shè)計(jì)成在每平方英寸高于約100磅或更高的情況下運(yùn)行，封閉電池的特征在于基本不用任何所需的維護(hù)，而“一次”通孔電池需要一些周期性的維護(hù)。
相比之下，具有氫氧化鎳正電極和貯氫合金負(fù)電極的通孔電池典型地具有紡織或無(wú)紡分離層，如尼龍的或聚丙烯的。通孔電池非常明顯地不同于封閉電池，就在于它是在浸入條件下運(yùn)行的，“浸入條件”在這里的解釋是電極完全地浸沒(méi)，且由電解液覆蓋和浸濕，由此該電池有時(shí)被稱作“浸入電池”;通孔電池進(jìn)一步區(qū)別于封閉電池還在于，通孔電池設(shè)計(jì)成通常運(yùn)行壓力只在約25磅/英寸2的范圍內(nèi)，在此之后超過(guò)的壓力通過(guò)通孔機(jī)構(gòu)而釋放。
鎳正電極的放電容量由電解液的量、活性材料的數(shù)量以及充電效率來(lái)限定，負(fù)貯氫合金電極的充電容量是由所用活性材料的數(shù)量來(lái)限定的，因?yàn)樗某潆娦式咏?00%，直到幾乎達(dá)到完全的充電狀態(tài)。為了保持貯氫電極最佳的容量，所采取的必要措施就是避免在達(dá)到完全充電以前氧的再化合或氫氣的放出，這通常是通過(guò)提供過(guò)剩的負(fù)電極材料來(lái)完成的。然而在設(shè)計(jì)和制造密封電池時(shí)必須采取的措施就是為了避免在危險(xiǎn)的高充電率下過(guò)量充電的同時(shí)引起過(guò)壓的影響。
典型地，可再充電封閉式園筒形電池采用圓筒形鍍鎳鋼外殼作為負(fù)端，并且電池蓋作為正端;電極是采用由多孔分離層相互隔開的相反極性電極繞制形成一致密的“膠體狀卷筒”，一隔離體將正極蓋與負(fù)極電池殼分開。
通用的圓筒形可再充電電池構(gòu)成取決于從每個(gè)板上的一點(diǎn)伸出的接頭，它會(huì)產(chǎn)生一單一電流通路，通過(guò)該通路電流在充電和放電期間一定會(huì)分配到整個(gè)電極區(qū)域上。
當(dāng)在許多應(yīng)用中采用無(wú)有害雜質(zhì)作用的可再充電電池時(shí)，有許多實(shí)例說(shuō)明損壞會(huì)出現(xiàn)在上述類型的電池中，例如在誤用過(guò)度充電延長(zhǎng)一段時(shí)間的期間，在電池殼的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生剩余壓力，由于內(nèi)部壓力的增加，以致還會(huì)存在爆炸損壞的危險(xiǎn)。因此，必須提供一些裝置以安全地釋放過(guò)剩的壓力，由此避免了可稱作容器破裂損壞的不安全條件。
現(xiàn)有技術(shù)的圓筒形可再充電電池包括一“一次性”的通孔機(jī)構(gòu)，如采用可破裂隔板和刀形裝置，當(dāng)內(nèi)部電池壓力增加時(shí)，刀片被壓到隔板上，當(dāng)壓力進(jìn)一步增加時(shí)，刀片刺破隔板，使過(guò)剩氣體通過(guò)破裂的隔板而放出。這種破壞型通孔機(jī)構(gòu)從一批到另一批以及同一批內(nèi)電池與電池均是無(wú)法預(yù)見的，另外，破壞性通孔比較適合于只有一次過(guò)壓的情況，在隔板被刺破以后，它不能再恢復(fù)到正常電池的運(yùn)行壓力。在這種“一次性”通孔的一個(gè)實(shí)施例中，隔板是通過(guò)向上驅(qū)動(dòng)的活塞來(lái)刺破的。在另一實(shí)施例中，隔板受力向上到切割刀片，當(dāng)內(nèi)部電池壓力達(dá)到監(jiān)界水平時(shí)，即當(dāng)隔板達(dá)到監(jiān)界變形時(shí)，隔板被壓到切割刀片上，隔板將由此而被刺破，使積累的電池壓力排出。這種類型的裝置的一個(gè)例子完全地公開在美國(guó)專利號(hào)3，415，690中，其公開內(nèi)容在這里可結(jié)合作參考。
在通孔可再充電電化學(xué)電池的這種以及其它方法中所存在的一個(gè)缺陷是這里所用的通孔機(jī)構(gòu)是“一次性”機(jī)構(gòu)，一旦氣孔的完整性被打破，在所述可再充電電池內(nèi)部的電解液材料會(huì)暴露于周圍的環(huán)境中，電解液的水平將會(huì)被干擾，并由此使電池保持和實(shí)施電化學(xué)充電的能力將受到有害的影響。另一缺陷是通孔依賴于薄的可變形隔板向切割刀片的運(yùn)動(dòng)。
其它現(xiàn)有技術(shù)的通孔部件包括矩形或多邊形成型橡膠塞子，它們安裝在通孔板矩形四角中的三個(gè)角上，這種部件經(jīng)證明其益處在于它不是“一次性”機(jī)構(gòu)，遺憾的是這種多邊形部件在給定的內(nèi)部電池壓力下不能可靠地開孔或“阻塞”開口，從而引起電解液材料的蒸發(fā)，這種故障是由于防止電池氣體正常排出的塞子的“槽”的變形所造成的，當(dāng)然，結(jié)果使可再充電電池?fù)p壞。這種類型的可開孔蓋部件的例子完全地公開在Decker等人的美國(guó)專利號(hào)3，944，749中，它所公開的內(nèi)容在這里可結(jié)合作為參考。
不幸的是，象Decker等人公開的或Sugalski等人在美國(guó)專利號(hào)4，298，662中所公開的電池蓋部件只適合于鎳-鎘(Ni-Cd)電池。這種電池在正電極或負(fù)電極不放出氫氣，因此，用來(lái)封閉Ni-Cd電池的通氣孔的通孔隔板不能防止氫氣從金屬氫化物的貯氫合金電化學(xué)電池的內(nèi)部放出。的確本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通常用來(lái)制造Ni-Cd電池的通孔隔板(如參見Sugalski等人的專利第5欄第53-57行)的乙丙三元橡膠(EPDM)在壓力下特別是在設(shè)計(jì)的通孔釋放壓力下是相當(dāng)可滲透氫氣的，因此它完全不適于達(dá)到防止氫氣從貯氫電化學(xué)電池中泄漏的目的。值得注意的是，這里所采用的術(shù)語(yǔ)“不滲透氫”不僅是指由氫氣通過(guò)通孔系統(tǒng)擴(kuò)散引起的損耗，而且是指在通孔隔板與氣孔口之間不適當(dāng)?shù)拿芊庖鸬臍涞膿p耗，由此使氫從其滲漏出來(lái)。
在選擇適合的不滲透氫的材料時(shí)，若干因素必須加以考慮，例如1.以最小壓縮變形的薄型材;
2.對(duì)于封閉表面以最適合的彈性;
3.低滲透氫系數(shù);
4.可經(jīng)受由外殼和壓力破裂所引起的幾何變形的回彈性;
5.對(duì)于上升的苛性汽的大氣相容性;以及6.在許多情形下耐受升溫的溫度相容性。
適合于達(dá)到因素1，2和4-6的材料只有硅樹脂，然而遺憾的是硅樹脂不適于達(dá)到防止?jié)B透氫氣的目的。
因此存在一種對(duì)于包括一通孔機(jī)構(gòu)的可封閉蓋部件的需求，即使得過(guò)剩的內(nèi)部電池壓力在預(yù)定的壓力下不破壞電池地從可再充電金屬氫氧化物貯氫合金電池中排掉或釋放出去，從而使電化學(xué)電池內(nèi)部的電解液永久地暴露于有保護(hù)條件之中。尤其重要的是要求通孔機(jī)構(gòu)包括一不滲透氫的通孔隔板，即由通氣口形成密封以抵御氫的泄漏。
這里公開了一種蓋部件，用于封閉可再充電圓筒形電化學(xué)電池的電池殼。本發(fā)明的蓋部件包括一具有通孔開口的圓形蓋板，最好與所述板的中心相鄰。通氣開口或小孔最好是環(huán)形輻射式的以便盡量減少局部的應(yīng)力，由此保證了在所述小孔與設(shè)置在那里的通孔隔板之間的優(yōu)良密封，而阻止了在所述隔板上的破裂和打孔，該破裂或打孔將一定會(huì)使氫氣和電解液從電化學(xué)電池的內(nèi)部泄漏。
蓋部件還包括一圓形可壓縮電絕緣環(huán)，密封地沿其圓周固定，開孔是通過(guò)滲氫盤形高測(cè)定(high durometer)硬度的多層通孔隔板，多層通孔隔板最好是由至少一層低滲氫高柔軟材料和至少一層高測(cè)定硬度及具有低壓滯后(10W pressure hysteresis)作用的材料制成，并且工作是設(shè)置在氣孔的頂上。可以理解，為了直接公開的目的，術(shù)語(yǔ)“不滲透氫”意味著防止氫氣通過(guò)通孔隔板本身和由于隔板與氣孔不良的密封而放出。
為了保證包含在電池內(nèi)的氫氣不從電池內(nèi)放出，多層通孔隔板可由不同材料制成，每種材料起著不同的功能。例如，為了防止?jié)B透氫可采用一層高柔軟基本不滲氫材料，最好是0.002″到0.015″厚的丁腈橡膠(Buna-N)尼龍;為了保證在通孔隔板和氣孔之間優(yōu)良的密封以及均勻的壓力開孔，可采用一層0.040″到0.100″厚的粘碳硅樹脂。在一最佳實(shí)施例中，多層通孔隔板是三層系統(tǒng)，它包括約0.080″厚的一層粘碳硅樹脂夾在兩層約0.008″厚的丁腈橡膠尼龍之間。
設(shè)置在通孔隔板上的是一罩帽，它是安裝到所述蓋板上，最好是通過(guò)凸焊。
蓋部件的蓋板可進(jìn)一步包括其形成的至少一個(gè)軸向加強(qiáng)肋，以便使所述板在開孔之前和基本沒(méi)有蓋板撓曲時(shí)能夠經(jīng)受可達(dá)到600磅/英寸2高的內(nèi)部電池壓力。
本發(fā)明的盤形多層通孔隔板的尺寸是特別選擇的，以保持壓力處在預(yù)定壓力范圍內(nèi)，并且排放內(nèi)部電池壓力達(dá)到預(yù)定壓力范圍。盤形硅樹脂通過(guò)隔板所定尺寸大約是在蓋板上所形成開孔直徑的2倍。硅樹脂通孔隔板可直接地設(shè)置在氣孔的頂上，以便基本上蓋住環(huán)形輻射式氣孔，并且略微使其凸起。這種多層通孔隔板和氣孔的構(gòu)形已經(jīng)證明提供了確實(shí)的不滲氫的密封。而特別要注意的是多層通孔隔板必須是相對(duì)于所述電化學(xué)電池內(nèi)部產(chǎn)生的壓力可壓縮變形的。理想的是所述通孔隔板相對(duì)于200-600磅/英寸2之間的壓力，并且最好是在350-550磅/英寸2范圍內(nèi)的壓力，應(yīng)該是可壓縮變形的。另外，通孔隔板應(yīng)該具有約70
-90
的測(cè)定硬度。再有，它應(yīng)該具有不大于10%的最大壓縮永久變形。在適合于封閉氫的通孔帽部件中，特別重要的是提供一由高密度低壓縮永久變形的介質(zhì)制成的通孔隔板?？墒枪铇渲淖鳛橐唤M典型地顯示出隨測(cè)定硬度的增加而增加的壓縮。
通孔隔板通過(guò)罩帽保持與氣孔相鄰，如上所述，罩帽封閉了通孔隔板，它是沿其頂部和側(cè)面，即具有與蓋板和蓋開孔相接觸的底部，而封閉的。值得特別注意的是，罩帽的幾何形狀應(yīng)該是罩帽的體積與通孔隔板的體積比大于約2∶1，并最好是約3∶1，且通孔隔板的壓縮百分比小于約30%，然后罩帽可凸焊到所述蓋板上。


圖1示出了本發(fā)明蓋部件的分解透視圖，所述蓋部件包括一蓋板，一通孔隔板，一罩帽和一絕緣環(huán);
圖2是沿圖1線2-2所取的截面圖，并且示出了本發(fā)明多層的通孔隔板;
圖3A是一頂部透視圖，示出了本發(fā)明完整裝配后的蓋部件;
圖3B是底部透視圖，示出了本發(fā)明完整裝配好的蓋部件;
圖4是包括本發(fā)明蓋部件的可再充電可開孔貯氫合金電化學(xué)電池的分解透視圖;和圖5是采用標(biāo)示在縱坐標(biāo)上的利用舊通孔隔板的電化學(xué)電池和采用本發(fā)明新通孔隔板的電池與標(biāo)示在橫坐標(biāo)上的重量損耗相比較的曲線圖。
圖1示出了用于圓筒形電化學(xué)電池的蓋部件的各組成部分，所述蓋部件總的用參考號(hào)碼10標(biāo)示。蓋部件10包括四個(gè)分離元件，第一元件是通常為圓形的平面加筋的蓋板12，典型地是由金屬導(dǎo)電材料如鋼、鎳、銅或其化合物制成，并最好是采用鍍鎳鋼。
蓋板12進(jìn)一步包括一環(huán)形加強(qiáng)肋14，以加強(qiáng)板12的通常平的表面，最終使所述板經(jīng)受過(guò)度的內(nèi)部電池壓力。蓋板12還包括一氣孔16，它一般是以穿孔的形式或在近似其中心形成孔。小孔或穿孔應(yīng)該是環(huán)形成圓角，以防止形成的銳邊刺破通孔隔板而使氫氣泄漏。
蓋部件10的第二分離元件是一圓形(還可以采用其它非平行側(cè)面的形式)通常平面的可壓縮變形的多層通孔隔板18。多層通孔隔板18設(shè)置在相鄰于蓋板12的氣孔16。多層通孔隔板18必須的特征就在于高測(cè)定硬度，低壓縮永久變形和低剪應(yīng)變。這里所用的“不滲透氫”意味著通孔隔板可耐受由于隔板和氣孔之間不良的密封的變形引起的氫氣擴(kuò)散和氫氣泄漏。
另外，多層通孔隔板18應(yīng)具有比罩帽10(它是蓋部件的第三分離元件，并將在下面詳述)的直徑小約1/2的直徑，并最好比罩帽直徑小1/3。通孔隔板18還必須相應(yīng)于內(nèi)部電池壓力是可壓縮變形的，其壓力是在約200-600磅/英寸2的范圍內(nèi)，并最好是在約350-550磅/英寸2之間的壓力下可壓縮變形，而特別好是所述通孔隔板18在近似450磅/英寸2的壓力下是可壓縮變形的。多層通孔隔板18還將在下面相對(duì)于圖2加以詳細(xì)討論。
通孔隔板18借助罩帽20而固定在蓋板12的氣孔16的頂部位置上，特別是罩帽20通過(guò)氣孔16壓縮通孔隔板使其略微凸起，從而保證了所述氣孔的完全封閉。罩帽20的幾何構(gòu)形應(yīng)當(dāng)是這樣的，帽20以小于約35%的凈壓力將多層通孔隔板18向蓋板12推動(dòng)。再有，罩帽20與隔板18的體積比應(yīng)該是在約2∶1和10∶1之間，并最好是約3∶1-10∶1。該壓縮比將保證存在適當(dāng)?shù)捏w積膨脹，并由此達(dá)到適合的密封。罩帽20包括一通常平的環(huán)形部分21，和相隔設(shè)置的平的圓形表面23，罩帽20的圓形表面23至少包括一個(gè)氣孔開口22。如此設(shè)置的罩帽20從而封閉了所述通孔隔板18的三個(gè)側(cè)面，并且推動(dòng)所述隔板18的上表面使其與加筋蓋部件10的蓋板12緊密接觸。此后，所述罩帽20可借助冶金工藝，如凸焊工藝，而固定到蓋板12的圓表面上。
蓋部件10的第四個(gè)且是最后的分離元件是一般環(huán)形可壓縮電絕緣環(huán)24。環(huán)24具有一定形狀和尺寸以沿蓋板12的圓周區(qū)域加以密封固定，絕緣環(huán)24一般是由聚合材料制成，如尼龍或聚砜，它們是電氣絕緣的，并且能夠通過(guò)對(duì)其施加壓力而變形。絕緣環(huán)24進(jìn)一步包括一制動(dòng)唇(未示出)，它允許環(huán)24摩擦地卡入蓋板12圓周的位置上。
現(xiàn)參見圖2，其中以截面圖示出了本發(fā)明的不滲透氫的多層通孔隔板18。特別是通孔隔板18包括第一和第二間隔設(shè)置的基本不滲透氫的高柔軟材料層19a和19b，層19a和19b最好是由相對(duì)薄的丁腈橡膠尼龍加強(qiáng)材料如FAIROPRENE(Fairchild制造公司注冊(cè)商標(biāo))制成。層19a和19b一般是在0.002″和0.015″厚度之間，并且最好是約0.008″厚。夾在所述層19a和19b之間的是一層由高測(cè)定硬度低壓力滯后材料25制成的層，所提供的高測(cè)定硬度低壓力滯后材料保證了良好的密封，在均勻壓力下提供可靠的通向大氣的開孔。一種最好的可制造層21的材料是一粘碳硅樹脂，它具有在約0.040″和0.100″之間的厚度，并且最好是約0.080″厚。
現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖3A，它示出了蓋部件10的頂部透視圖，其中蓋部件10包括絕緣環(huán)24，蓋板12和罩帽20。圖3B是裝配好的蓋部件10的底部透視圖，其中蓋部件10包括絕緣環(huán)24和在其上形成開孔16的蓋板12，再有還示出了凸起26，它形成一底座，使罩帽20可倚靠在其上，并使所述罩帽焊接到其上。
上面所述類型的蓋部件10在與可再充電圓筒形金屬氫化物貯氫合金電化學(xué)電池的電池殼結(jié)合使用時(shí)特別適于提供永久性密封，由此能夠可靠和均勻地排放電化學(xué)電池過(guò)剩的內(nèi)部壓力。本發(fā)明的通孔隔板18可既耐氫的擴(kuò)散，又可耐由于氣孔的不良密封而導(dǎo)致的氫泄漏。這種新的特征由于防止了通過(guò)排氣系統(tǒng)使氫泄漏造成的充電不平衡狀態(tài)從而明顯改善了循環(huán)壽命。另外，降低氫的泄漏減少了在封閉區(qū)域內(nèi)氫累積(并因此而爆炸)的可能性，如多單元電池殼。這里所示出的加筋蓋部件還適合于起可再充電電化學(xué)電池正端的作用，其中它是與所述電化學(xué)電池的圓筒形電池殼電絕緣的，其電池殼一般是起可再充電電池負(fù)端的作用。
在圖4中以部件分解透視圖的形式示出了用于儲(chǔ)存電化學(xué)能量的圓筒形可開孔金屬氫化物貯氫合金電化學(xué)電池。電化學(xué)電池70特別適合于采用上述的蓋部件來(lái)密封，特別是采用圖1-3的蓋部件10，從而為可再充電電化學(xué)電池提供了可開孔不滲透氫的密封。蓋部件10包括罩帽20，最好由鍍鎳鋼制成。罩帽20還包括一個(gè)并最好是三個(gè)排氣孔22，它適于使內(nèi)部所產(chǎn)生壓力放出。蓋部件10還包括本發(fā)明的不滲氫盤形通孔隔板18，它是由高測(cè)定硬度低壓縮永久變形低剪變形材料制成。通孔隔板18在至少施加大于約300磅/英寸2的壓力下是可以壓縮變形的。最好是通孔隔板18在約350-550磅/英寸2范圍內(nèi)的內(nèi)部電池壓力下應(yīng)該是可壓縮變形的。
電化學(xué)電池70還包括一電池殼72，它一般是鍍鎳鋼殼，并且是園筒形的工作形狀。用作電池殼72的圓筒形鍍鎳鋼殼還適合于起可再充電電化學(xué)電池負(fù)端的作用。電池殼72進(jìn)一步包括在其圓筒形電池壁部分的頂部附近形成的加強(qiáng)密封唇74，加強(qiáng)密封唇74適合于支撐和密封上面所述的蓋部件10。設(shè)置在所述圓筒形殼72內(nèi)部的是一絕緣墊76，它適合于使圓筒形電池殼72與也設(shè)置在其內(nèi)工作的電極卷筒80基本上電絕緣，特別是電絕緣墊76可如由有機(jī)聚合材料的薄平絕緣板來(lái)制成，它具有一縫的開口部分78，它提供了在膠質(zhì)卷的負(fù)電極接頭片84與電池殼72之間的電接觸。在較佳實(shí)施例中，絕緣墊大約0.010″厚，尼龍6型的，并且還包括一小孔79通過(guò)其中心，通孔79便于電接觸接頭片84與電池殼72的焊接。
電化學(xué)電池72還包括一鎳正電極和金屬氫化物貯氫負(fù)電極，所述電極通過(guò)一隔帶而相互隔開。所述電極和隔帶繞成一膠質(zhì)卷式電極單元80。膠質(zhì)卷式電極單元80特別包括一負(fù)電極88，它本身是一種可逆的多成分多相電化學(xué)貯氫合金，它包括如鈦、釩、鋯、鎳和鉻，以及具有標(biāo)稱組成;(Ti2-xZrxV4-yNiY) CR1- ，其中(Ti2-xZrxV4-yNiy)z的數(shù)值歸一化為1;0.0≤x≤1.5;0.6≤y≤3.5;和z是等于小于合金20%的有效數(shù)量。貯氫合金在堿性含水介質(zhì)中能夠電化學(xué)地充和放氫氣，電解液材料在下面討論，釩和所述多成分貯氫相通常是可溶于堿性含水介質(zhì)中，并且鉻起著阻止釩溶入含水堿性介質(zhì)中的作用，這種類型的貯氫電極完全公開在美國(guó)專利號(hào)4728586，即Venkatesan等人的專利中，它們公開的內(nèi)容在這里可結(jié)合作為參考。
膠質(zhì)卷式電極單元80還包括正電極90，它一般是由本技術(shù)領(lǐng)域共知類型的氫氧化鎳材料制成的。還包括在膠質(zhì)卷式電極單元80內(nèi)的是一隔帶92，它是設(shè)置在負(fù)電極88和正電極90之間。隔帶一般是由氈制的或無(wú)紡材料如尼龍制成，具有厚度在約0.05-0.020英寸范圍內(nèi)。值得特別注意的是當(dāng)尼龍作為最好的隔帶材料時(shí)，也可以采用其它具有相同優(yōu)點(diǎn)的材料。無(wú)論選擇什么材料作為隔帶92，必要的是它要有足夠厚以防止正和負(fù)電極88和90之間的電短路，但也不要太厚以致出現(xiàn)電解液傳透性的問(wèn)題。另外，隔帶92所以不要太厚以致出現(xiàn)在膠質(zhì)卷式構(gòu)成中的高電阻。膠質(zhì)卷式電極單元80可與負(fù)電極連接，它適于通過(guò)絕緣墊76的切口部分78伸出，以致實(shí)現(xiàn)與電池殼72的電接觸。膠質(zhì)卷式電極單元80還備有一正電極接觸接頭片86，它可與正電極連接，并適于實(shí)現(xiàn)與電化學(xué)電池的蓋部件10的電接觸。
也設(shè)置在電池殼72中，以使浸濕和淹沒(méi)膠質(zhì)卷式電極單元80的是一電解液材料(未示出)。電解液材料是一種堿性水溶液，例如含有約20%-40%氫氧化鉀的蒸餾水溶液。
設(shè)置在電池殼72內(nèi)膠質(zhì)卷式電極單元80頂部的是第二電絕緣墊94，它具有切掉的正割部分96，它允許正極的電接觸接頭片86從其伸出而與蓋部件10相連接，由此制成所述蓋部件10的電池正端。電絕緣墊94類似于上面討論的絕緣墊76，它一般是由電絕緣材料制成，如有機(jī)聚合絕緣材料，即尼龍。
例1這里所采用的通孔帽部件除了用來(lái)制造通孔隔板的材料以外均是相互相同的，這些通孔帽部件在經(jīng)過(guò)前述的電池殼組裝以后，是可以經(jīng)受氫氣泄漏率試驗(yàn)的，其中殼是浸在油中，并且放出的氣體收集在一倒置的燒杯中。在所有情況下，金屬氫化物貯氫合金負(fù)電極材料都是一種VTiZrNiCr合金。
特別是所有通孔帽都放置在一自動(dòng)氦泄漏檢測(cè)器的真空部分內(nèi)。所獲真空是2.7×10-10乇。然后氦在14.7PSIA的壓力下導(dǎo)入5分鐘。氦泄漏率可采用Veeco型MS-170氦泄漏檢測(cè)器。在測(cè)試之前，設(shè)備可采用Veeco型SC-4標(biāo)準(zhǔn)泄漏源即以5.4×10-8cm3/秒的速率加以校準(zhǔn)。對(duì)于每種隔板材料的測(cè)量泄漏率的數(shù)值列表如下
材料類型 泄漏率(cc/sec)A.硅樹脂 8.7×10-8B.粘碳硅樹脂 2.1×10-8C.具有尼龍或丁腈橡 1.5×10-9膠疊層的硅樹脂D.粘碳并具有尼龍/丁腈橡膠疊層的硅樹脂 3.3×10-9例2C尺寸(size)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電化學(xué)電池可采用各種各樣變化的通孔帽部件結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。
所有所述電化學(xué)電池可經(jīng)受在350×10-3安培下的連續(xù)過(guò)充電。氣體可通過(guò)將電池浸在油中來(lái)收集，并可在倒置的燒杯下收集任何排放的氣體。經(jīng)過(guò)24小時(shí)試驗(yàn)后的泄漏率數(shù)據(jù)如下材料A.蓋板(無(wú)孔) 電池10.01電池20.008電池30.011B.標(biāo)準(zhǔn)硅樹脂 電池10.8電池20.6電池37.6C.乙丙三元橡膠(EPDM) 電池12100D.具有聚四氟乙烯 電池10.7
覆蓋的硅樹脂 電池21.5電池30.3電池40.7E.采用機(jī)械拋光蓋板 電池10.75的硅樹脂隔板 電池20.5電池30.75電池40.6電池50.9電池60.3F.具有尼龍疊層的硅樹脂 電池10.007電池20.014G.具有瀝青的硅樹脂 電池10.7H.具有真空油脂疊層 電池11.0的硅樹脂 電池20.8電池30.9電池42.5I.具有脫水銅疊層的 電池11.3硅樹脂 電池20.7J.具有濺射銅疊層的 電池10.09硅樹脂 電池20.08例3對(duì)于下列材料重復(fù)與例2所述的相同試驗(yàn)，并且給出如下結(jié)果
材料 泄漏率(cc/24hrs)A.標(biāo)準(zhǔn)硅樹脂 電池10.8電池21.0B.具有尼龍疊層的硅樹脂 電池10.00電池20.10C.具有濺射銅覆層的硅樹脂 電池10.15電池20.6電池30.4電池40.9電池51.0例4為了再現(xiàn)上面詳述的大試樣尺寸上氫密封度的結(jié)果，可以構(gòu)成許多相同的C尺寸的電化學(xué)電池，每個(gè)電池包括一負(fù)電極，它是由金屬氫化物貯氫合金材料制成的。所有電池可經(jīng)受連續(xù)過(guò)充電2周。
在該例中的泄漏率可通過(guò)重量損耗測(cè)量來(lái)確定。由于從電池殼中泄漏的氫既使很小的量(重量計(jì))都會(huì)顯著影響內(nèi)部充電的平衡，因此“舊隔板”與“新隔板”應(yīng)用的改善可通過(guò)圖5中曲線的比較而明顯地看到。
在該例中，“舊隔板”是指現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)通孔隔板，它是由單層硅樹脂制成的，與其相比，“新隔板”是指本發(fā)明的新型多層復(fù)合隔板，它是由具有尼龍/丁腈橡膠復(fù)合疊層的硅樹脂層制成的。
圖5的柱形圖解將在下面以表格的形式再現(xiàn)。
舊隔板(克) 新隔板(克)0.428 0.0110.180 0.0110.225 0.0030.405 0.0380.118 0.0100.922 0.0010.357 0.0080.287 0.0700.023 0.0090.666 0.301最后要注意的是，這里所公開的和所要求保護(hù)的通孔機(jī)構(gòu)在極端條件下仍可有效工作，即將其投入火中，或是被短路。如果壓力不釋放出來(lái)，電池將會(huì)爆炸。新的并改進(jìn)了的通孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已經(jīng)在這樣的極端條件下進(jìn)行了試驗(yàn)并具有優(yōu)異的結(jié)果。
本發(fā)明對(duì)一些最佳實(shí)施例和所有合理的等同物做了描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不受實(shí)施例的限制而由所附的權(quán)利要求加以確定。
權(quán)利要求
1.一種用于封閉可再充電圓筒形金屬氫化物貯氫合金電化學(xué)電池的電池殼(72)的不滲透氫的可再密封的蓋部件(10)，所述蓋部件包括一圓形蓋板(12)，它包含一貫通其形成的一環(huán)形圓角開孔(16)；一圓形可壓縮電絕緣環(huán)(24)，它可沿所述蓋板(12)的圓周密封固定；一基本不滲透氫的高測(cè)定硬度通孔隔板(18)，它相應(yīng)于內(nèi)部電池壓力而可壓縮變形，所述隔板設(shè)置在所述開孔(16)的頂部；和一罩帽(20)，它包括氣孔(22)，設(shè)置在所述通孔隔板的上面。
2.如權(quán)利要求1的蓋部件(10)，其中所述通孔隔板(18)是多層的。
3.如權(quán)利要求2的蓋部件(10)，其中所述多層通孔隔板(18)是由至少一層低滲透氫高柔軟材料(19a，19b)和至少一層具有低壓滯后的高測(cè)定硬度材料(25)制成。
4.如權(quán)利要求3的蓋部件(10)，其中所述的低滲透氫高柔軟材料層(25)是丁腈橡膠尼龍加強(qiáng)材料。
5.如權(quán)利要求4的蓋部件(10)，其中所述的丁腈橡膠尼龍加強(qiáng)材料層具有0.002″-0.015″之間的厚度。
6.如權(quán)利要求5的蓋部件(10)，其中所述的丁腈橡膠尼龍加強(qiáng)材料層具有約0.008″的厚度。
7.如權(quán)利要求4的蓋部件(10)，其中所述的高測(cè)定硬度材料層(25)是由粘碳硅樹脂制成的。
8.如權(quán)利要求4的蓋部件(10)，其中所述的粘碳硅層具有0.04″-0.100″之間的厚度。
9.如權(quán)利要求1的蓋部件(10)，其中所述的多層通孔隔板(18)包括第一層(19a)丁腈橡膠尼龍，一層粘碳硅樹脂(25)和第二層丁腈橡膠尼龍(19b)。
10.如權(quán)利要求1的蓋部件(10)，其中所述的電絕緣環(huán)(24)是由聚合材料制成。
11.如權(quán)利要求1的蓋部件(10)，其中所述的多層通孔隔板(18)的直徑至少約為罩帽(20)的直徑的一半。
12.如權(quán)利要求11的蓋部件(10)，其中所述的多層通孔隔板(18)在約350-550磅/英寸2的壓力下基本上是可壓縮變形的。
全文摘要
一種用于密封可再充電金屬氫化物貯氫合金電化學(xué)電池的可再密封開孔不滲透氫的蓋部件(10)。蓋部件(10)尤其包括多層的通孔隔板(18)，它至少由一層基本不滲透氫高壓縮材料(19a，19b)和至少一層顯示低壓滯后的高測(cè)定硬度材料(25)組成。
文檔編號(hào)H01M2/08GK1063379SQ91112770
公開日1992年8月5日 申請(qǐng)日期1991年12月10日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月10日
發(fā)明者K·迪安, A·荷蘭, H·C·奧夫辛斯基, M·費(fèi)特申科, S·文卡特桑, S·達(dá)爾 申請(qǐng)人:雙向電池公司