專利名稱：鋰離子電池的安全端蓋的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及二次電池，更詳細地是鋰離子電池的安全端蓋。
背景技術：
鋰離子電池的發(fā)展大大快于金屬鋰電池的發(fā)展的其中一個原因是，鋰離子電池采用碳或石墨材料作為電池的負極，其安全性大大高于金屬鋰電池。但是，盡管如此，鋰離子電池在使用不當時，如過充電、擠壓、跌落、燃燒、過熱、短路等，引起電池內部壓力增高，存在爆炸的危險。最主要的原因之一是在以上所述的情況下，內部產生氣體，在電池殼固定體積的限制下，壓力變大，過大時造成電池爆炸。
在過充電時，可能發(fā)生如下反應
(碳酸二甲酯)在過放電時，可能發(fā)生如下反應(碳酸乙烯酯)
遇水汽入侵
這些反應的結果都產生氣體。電池在設計和制造時均需考慮這些因素，但是，有些情況是不可避免的。因此，除了精心設計電池正、負極活性物質的配方及用量外，一個比較簡單而又有效的辦法，就是在電池端蓋上設計安全閥。其主要目的是當電池內部達到一定的壓力時，安全閥首先打開排放氣體，避免電池爆炸。
目前，鋰離子電池的安全閥有如下幾種結構a、一般在電池蓋板上，沖壓成一環(huán)形壓痕，壓痕寬為0.5mm～1.0mm，壓痕深約為0.2mm～0.4mm。即利用應力集中的方法，使剪口處斷裂，但因壓痕軌跡強度比基材高，所以很難計算其爆破力。
b、有些安全閥是設計在電池殼底的，也是用沖壓的方法。其形狀有“Y”、“一”、“R”、或“∏”字形的，也有將兩個“Y”腳與腳連在一起的，等等。其原理與a相同。
c、用電池的注液孔作為安全閥，即先注液，后壓入一球體。因電池殼體材料一般厚度為0.20～0.55mm左右，比較薄，產生彈塑性變形后與球體接觸，接觸面積相對蓋來講要小得多。而彈性又對壓入距離要求很高，故對電池生產來講，不實用。
d、還有一種安全閥也是設計在電池蓋板上的(CN2423659Y)，它是利用拐角處的剪切力來控制安全閥的起爆壓力。此零件的制作，一般是用機械沖制的。對批量生產的電池零件來講，新模具沖制時，拐角處為直角，隨著沖制數量的增加，此拐角可能為圓弧，即增加了剪切面積，增加了剪切力，也即增加了安全閥的啟動壓力。另外，由于沖壓的控制比較困難，容易造成漏液。
專利CN2469562Y披露了一種方法，其中先將蓋板沖一孔，同時在孔的周圍沖壓形成臺階形下凹，然后加蓋一薄膜，最后在凹下去的部位壓一中空金屬塊。此方法的實際可行性難度大，因為防爆孔的大小直接與電池的厚度有關。對于3mm厚的電池，孔的直徑不會大于1.5mm，如此小的孔去實施專利所述的方法是非常困難的。
目前設計的安全閥通常爆炸壓力較高，一般為20kgcm-2，且由于安全閥設計制造的因素，爆炸壓力涉及的范圍較寬，一般為±5kgcm-2，也就是說，當電池的內壓達到15kgcm-2至25kgcm-2時，合格的安全閥才啟爆。這樣高的啟爆壓力及如此寬的爆炸范圍，是非常不理想的。一是起不到安全作用，二是電池承受內壓的范圍太寬，從而使電池性能的均一性變差。有時，甚至安全閥未開，電池已爆炸，對鋁殼電池尤為嚴重。
實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種制造簡單、性能可靠、防爆壓力可變的鋰離子電池的安全端蓋。
本實用新型的鋰離子電池的安全端蓋由基材與箔材粘接構成，基材層開設安全孔。
可見，本實用新型的鋰離子的安全端蓋呈復合結構，由基材和耐壓可變的箔材通過粘接組成，并通過在蓋上設計安全孔形成安全閥，避免電池爆炸。
所述基材為鋁、鋁合金、不銹鋼、鈦、鈦合金、銅、銅合金、鋅、鋅合金、鎳、或鎳合金。
復合在基材上的箔材為耐壓可變材料，如鋁箔、鋁合金箔、聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚氨酯塑料、聚四氟乙烯塑料、聚三氟氯乙烯塑料、或聚丙烯塑料。
所述基材厚度為0.5mm～1.5mm，最好是0.8mm～1.2mm。
所述箔材厚度為5μm～400μm。
基材與箔材在下列條件下粘接粘接劑固化時間1～24小時，溫度20℃～250℃，最好是30℃～150℃；壓力0.5～200kgcm-2，最好是10～100kgcm-2。
所述粘結劑為環(huán)氧樹脂、聚酯、聚酰胺、502膠、硅橡膠、密封膠其中一種或一種以上混合物。
電池的防爆壓力調節(jié)可以通過改變箔材的材質和厚度實現(xiàn)的。
本實用新型的鋰離子電池的安全端蓋有如下優(yōu)點1)起爆壓力可靈活設計，本實用新型設計對鋁殼電池一般為8kgcm-2，不銹鋼殼電池設計壓力稍高。
2)耐壓精度高，小于±2.5kgcm-2。
3)由于選取了軟態(tài)箔材，使其耐沖擊性能有了本質的改善。
4)與物理法制復合材料相比，可靠性高、設備要求簡單、成本低。


圖1是本實用新型鋰離子電池的安全端蓋設計原理圖。
圖2是本實用新型鋰離子電池的安全端蓋結構圖。
下面結合圖示詳細說明本實用新型的實施步驟。
圖1所示，箔材1和基材2通過粘接劑4結合，基材2上開設安全孔3。設基材孔徑為D，箔材厚度為h，則安全孔3內箔材1受到的剪切力是j＝πDhστ，式中στ為剪切強度，箔材受到來自電池內的壓力為P=πD24Pb,]]>式中Pb為電池內壓強，當二者平衡時，即為πD24Pb=πDhστ]]>移項簡化為
Pb＝4hστ/D上式表明了箔材耐爆破壓力與孔徑D、箔材厚度h的關系，可以清楚地看到，當箔材厚度增加時，耐爆壓力增加；而當安全孔徑增大時，耐爆壓力減小。實際上，決定箔材耐壓強度應首先考慮電池殼的變形強度和耐爆強度。使用不同的材料做電池殼，就需設計不同的耐壓強度。使用鋁殼時，設計箔材的耐壓強度就應小一些，而使用不銹鋼作電池殼時，耐壓就大。根據上式，可以很方便地計算和設計箔材需承受壓力的大小，來保證電池的使用安全性。在實際使用中，電池殼在爆炸前發(fā)生變形，盡管電池不爆炸，很多場合變形的電池就不能用。比如，作為手機電池，變形后就可能造成手機蓋不起來，或者接觸不良。我們在考慮安全閥的時候，必須考慮安全閥打開的壓力小于電池變形的壓力。因此，在設計安全閥時，需同時考慮箔材的性能、電池殼的變形壓力和耐爆強度。
實施本實用新型的鋰離子電池的安全端蓋的具體步驟如下首先按電池規(guī)格對基材和箔材進行剪切，一般尺寸為長10mm～100mm，寬2mm～40mm。接著對基材沖孔，孔徑約為0.5mm～8.0mm。隨后以有機溶劑或堿對這些材料進行脫脂(油)，脫脂后的材料進行干燥。然后以酸進行除表面氧化物，水洗后干燥。清潔后的樣品涂粘結劑、壓合、存放固化，最后檢查、包裝入庫。
本實用新型所述脫脂用有機溶劑包括丙酮、氯仿、酒精、香蕉水、醋酸丁脂或它們的混合物。本發(fā)明所述脫脂用堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉或它們的混合物。材料表面氧化物酸性去除用硫酸、磷酸、草酸、醋酸、檸檬酸或是它們的混合物。處理溫度為30℃～100℃。
圖2顯示了鋰離子電池的安全端蓋的結構圖，1是箔材，2是基材，3是安全孔，基材1上的孔5用來固定電極引出端子，孔6是注液孔。電極引出端子和注液孔下部的箔材很薄，在蓋上電池殼時，可以針穿破。在實際使用中，當電池內部的壓力超過所用箔材的承受壓力時，位于安全孔下方的箔材就會爆開，使壓力釋放，避免整個電池的爆炸。
權利要求1.一種鋰離子電池的安全端蓋，其特征在于由基材與箔材粘接構成，基材層開設安全孔；所述基材為鋁、鋁合金、不銹鋼、鈦、鈦合金、銅、銅合金、鋅、鋅合金、鎳、或鎳合金；箔材為鋁箔、鋁合金箔、聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚氨酯塑料、聚四氟乙烯塑料、聚三氟氯乙烯塑料、或聚丙烯塑料。
2.根據權利要求1所述的鋰離子電池的安全端蓋，其特征在于所述基材厚度為0.5mm～1.5mm。
3.根據權利要求1所述的鋰離子電池的安全端蓋，其特征在于所述箔材厚度為5μm～400μm。
4.根據權利要求1或2或3所述的鋰離子電池的安全端蓋，其特征在于基材與箔材在下列條件下粘接粘接劑固化時間1～24小時，溫度20℃～250℃，壓力0.5～200kgcm-2。
5.根據權利要求4所述的鋰離子電池的安全端蓋，其特征在于所述粘結劑為環(huán)氧樹脂、聚酯、聚酰胺、502膠、硅橡膠、密封膠其中一種或一種以上混合物。
專利摘要一種鋰離子電池的安全端蓋由基材與箔材粘接構成，基材層開設安全孔；所速基材為鋁、鋁合金、不銹鋼、鈦、鈦合金、銅、銅合金、鋅、鋅合金、鎳、或鎳合金；箔材為鋁箔、鋁合金箔、聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚氨酯塑料、聚四氟乙烯塑料、聚三氟氯乙烯塑料、或聚丙烯塑料；本實用新型結構簡單、性能可靠、防爆壓力可變。
文檔編號H01M2/04GK2561100SQ0227206
公開日2003年7月16日 申請日期2002年7月30日 優(yōu)先權日2002年7月30日
發(fā)明者陳疆, 沈培康 申請人:中山大學