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CN115699384A - 用于电池单元的密封组件 - Google Patents

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CN115699384A
CN115699384A CN202180037048.8A CN202180037048A CN115699384A CN 115699384 A CN115699384 A CN 115699384A CN 202180037048 A CN202180037048 A CN 202180037048A CN 115699384 A CN115699384 A CN 115699384A
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M·T·阿什博尔特
D·G·艾伦
O·波多普里戈拉
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Duracell US Operations Inc
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Abstract

一种用于电池单元的密封组件，所述密封组件包括具有开口的索环，所述开口具有内表面。钉具有钉头和从钉头延伸的杆。所述杆包括具有较大直径的第一部分和具有较小直径的第二部分，并且所述杆延伸穿过所述索环中的所述开口。所述杆和所述索环在所述开口的远侧端部处形成第一过盈配合。在所述开口的所述远侧端部与所述钉头之间形成捕集器间隙。所述捕集器间隙限定用于密封剂的捕集器。密封剂设置在所述杆上并且至少部分地位于所述捕集器中。

Description

用于电池单元的密封组件
技术领域
本公开涉及用于电池单元的密封组件，并且更具体地涉及被构造成减少电解质从电池单元内部泄漏的密封组件。
背景技术
消费电子设备具有一定的电力要求。通常，消费电子设备从单个电池单元(容纳在设备本身内)或从可能包括一个或多个电池单元的便携式电池组接收电力。另选地，可以根据需要在设备中使用和替换一个或多个单次使用或可充电消费电池单元。可替换和可充电的消费电池单元通过阴极的还原和阳极的氧化来发电。碱性电解质通常用于促进离子从阳极移动到阴极。
已知碱性电池单元(包括可再充电的碱性电池单元)易受碱性电解质从电池密封件泄漏的影响。参见例如Hull等人“Why Alkaline Cells Leak,”J.Electrochem.Soc.,124(3):332-339,(1977)和Davis等人“Aspects of Alkaline Cell Leakage,”J.Electrochem.Soc.,125(12):1918-123(1978)。碱性电解质泄漏的证据可以被可视地检测到，因为白色粉末沉积在电池单元密封件周围。碱性电解质泄漏可归因于碱性电解质沿负极化电极的渗漏(creepage)。碱性电解质泄漏可能由于物理因素诸如电池单元的密封件中的划痕或其他物理变形/缺陷而加剧。尽管粉末状碱性电解质通常对人接触是安全的，但由于可能发生呼吸、眼睛和皮肤刺激，因此应该使接触最小化。此外，电解质的损失会导致电池性能下降。
发明内容
根据一个实施方案，一种用于电池单元的密封组件包括索环，该索环具有带内表面的开口，该开口具有近侧端部和远侧端部。钉具有钉头和从钉头延伸的杆。杆包括具有较大第一杆直径的第一部分和具有较小第二杆直径的第二部分，并且杆延伸穿过索环中的开口。杆和索环在开口的远侧端部处形成第一过盈配合。在开口的远侧端部和开口的近侧端部之间形成捕集器间隙。该捕集器间隙径向地和纵向地位于钉的第二部分与内表面之间，并且该捕集器间隙限定用于密封剂的捕集器。密封剂设置在杆上并且至少部分地位于捕集器中。
根据另一个实施方案，电池单元包括外壳。外壳具有在第一外壳端处的第一覆盖件和在第二外壳端处的第二覆盖件。阳极和阴极设置在外壳内。密封组件位于第一覆盖件附近。密封组件包括具有开口和内表面的索环。钉具有钉头和从钉头延伸的杆。杆包括具有较大第一直径的第一部分和具有较小第二直径的第二部分，并且杆延伸穿过索环中的开口。杆和索环在开口的远侧端部处形成第一过盈配合。在开口的远侧端部与钉头之间形成捕集器间隙。该捕集器间隙径向地和纵向地位于钉的第二部分与内表面之间，并且该捕集器间隙限定用于密封剂的捕集器。密封剂设置在杆上并且密封剂至少部分地位于捕集器中。
根据另一个实施方案，一种用于电池单元的密封组件包括具有开口的索环，该开口包括远侧端部、近侧端部和内表面介于远侧端部和近侧端部之间的孔。内环形圈被定位成邻近远侧端部，该内环形圈具有圈直径。孔具有孔径。顶部空间位于近侧端部并且顶部空间具有顶部空间直径。圈直径小于孔径和顶部空间直径，并且孔径小于顶部空间直径。钉具有钉头和从钉头延伸的杆。杆包括具有第一杆直径的第一部分和具有第二杆直径的第二部分。第一杆直径大于第二杆直径。杆延伸穿过索环中的开口。杆和索环在杆的第二部分和圈直径之间形成第一过盈配合。杆和索环在杆的第二部分与孔径之间形成捕集器间隙，该捕集器间隙限定用于密封剂的捕集器。密封剂设置在杆上并且至少部分地位于捕集器中。
根据另一个实施方案，电池单元包括外壳，该外壳具有在第一外壳端处的第一覆盖件和在第二外壳端处的第二覆盖件，以及设置在外壳内的阳极和阴极。密封组件位于第一覆盖件附近。密封组件包括具有开口的索环，该开口包括远侧端部、近侧端部和内表面介于远侧端部和近侧端部之间的孔。内环形圈被定位成邻近远侧端部，该内环形圈具有圈直径。孔具有孔径。顶部空间位于近侧端部并且顶部空间具有顶部空间直径。圈直径小于孔径和顶部空间直径，并且孔径小于顶部空间直径。钉具有钉头和从钉头延伸的杆。杆包括具有第一杆直径的第一部分和具有第二杆直径的第二部分。第一杆直径大于第二杆直径。杆延伸穿过索环中的开口。杆和索环在杆的第二部分和圈直径之间形成第一过盈配合。杆和索环在杆的第二部分与孔径之间形成捕集器间隙，该捕集器间隙限定用于密封剂的捕集器。密封剂设置在杆上并且至少部分地位于捕集器中。
密封组件或电池单元的前述实施方案还可包括以下任选特征部、结构和/或形式中的任何一者或多者。
在一些任选形式中，第二部分相对于头部在第一部分的远侧。
在其他任选形式中，第一部分和第二部分通过倒角(chamfer)接合。
在其他任选形式中，开口的内表面包括具有孔径的孔，该孔径大于第二杆直径并且小于第一杆直径，第二杆直径中的至少一些第二杆直径位于孔径内，使得当钉组装在索环中时，在第二杆直径和孔径之间不存在过盈配合。
在其他任选形式中，捕集器在组装的电池单元中形成在孔和杆的第二部分之间，孔径大于第二杆直径。
在其他任选形式中，孔径比第二杆直径大0.03mm和0.05mm之间。
在其他任选形式中，索环开口包括内环形圈。
在其他任选形式中，内环形圈具有小于孔的圈直径，并且内环形圈与杆的第二部分形成第一过盈配合。
在其他任选形式中，捕集器沿着杆的长度位于内环形圈上方。
在其他任选形式中，捕集器的体积在0.35mm3和1.5mm3之间。
在其他任选形式中，杆包括环形凹陷部。
在其他任选形式中，捕集器间隙由环形凹陷部形成。
在其他任选形式中，杆包括多个环形凹陷部。
在其他任选形式中，索环包含聚合物，诸如聚丙烯或尼龙。
在其他任选形式中，钉包含金属，诸如黄铜或青铜。
在其他任选形式中，密封剂包含聚合物，诸如聚酰胺或石油基材料诸如沥青基材料。
在其他任选形式中，在钉头和索环之间形成头部间隙，并且密封剂也设置在该头部间隙中。
附图说明
尽管本说明书通过特别指出并明确要求保护被视为形成本发明的主题的权利要求书作出结论，但通过以下结合附图的描述将更好地理解本发明。
图1是现有技术电池单元的横截面视图。
图2是包括根据本公开的捕集的密封剂密封组件的电池单元的横截面视图。
图3是图2的捕集的密封剂密封组件的未组装分解横截面视图。
图4是处于组装状态的图3的密封组件的横截面视图。
图5是捕集的密封剂密封组件的替代实施方案的横截面视图。
图6是包括第一密封剂的根据本公开的密封组件的泄漏测试数据的图形表示。
图7是包括第二密封剂的根据本公开的密封组件的泄漏数据的图形表示。
具体实施方式
电化学单元或电池可以是一次电池或二次电池。一次电池是指仅放电一次例如至耗尽，然后丢弃。一次电池(或一次性电池)描述于例如David Linden,Handbook ofBatteries(4thed.2011)，其通过引用方式并入本文。二次电池(或可充电电池)旨在反复充电和使用。二次电池可以多次放电和充电，例如超过五十次、一百次或更多次。二次电池描述于例如David Linden Handbook of Batteries(4thed.2011)，其同样通过引用方式并入本文。因此，电池可以包括各种电化学电偶和电解质组合。本文提供的描述和示例适用于水性、非水性、离子液体和固态系统的一次电池和二次电池。虽然消费者单次使用的一次碱性电池是随附描述的主要焦点，但以下描述可同样适用于任何电池单元，包括但不限于可充电碱性电池单元，诸如可充电碱锰(RAM)电池单元，以及包括电解质溶液的任何其他类型的电池。
根据本公开的密封组件可以包括在任何类型的电化学电池单元中。例如，根据本公开的密封组件可用于任何尺寸和/或形状的消费碱性电化学单元(包括例如具有圆柱形、矩形或正方形形状或横截面形状的电池)，包括但不限于AAAA单元、AAA单元、AA单元、B单元、C单元、D单元、9V单元等。
现在转到图1，示出了传统碱性电池单元10的一个示例。电池单元10包括分别对应于负极电池端子和正极电池端子的第一覆盖件12和第二覆盖件14，其中外壳16通常设置在第一覆盖件和第二覆盖件之间。为了将阳极18与阴极20分开，电池单元10包括分隔件22。为了在电池单元10的部件设置在外壳16内之后封闭端部24，第一覆盖件12被接纳在索环或密封件28的设置成靠近外壳16的远侧端部15的凹槽26内，并且外壳16的侧壁29压接在密封件28的外围边缘上。在一些示例中，密封件28与阴极20隔开以使阴极20能够膨胀。在一些示例中，密封件28与阳极18类似地隔开以使阳极18能够膨胀。
为了耦接阳极集流器30和第一覆盖件12(在组装的电池单元10中提供负极端子)，在该示例中，密封件28包括具有限定头部间隙或空间36的较宽部分34的第一开口32，其中阳极集流器30(有时称为“钉”)的端部或头部38被定位在第一覆盖件12处并电耦接到第一覆盖件。该空间36可以具有倒角或成角度的构造以容纳头部38。在该示例中，阳极集流器30的主体40延伸穿过第一开口32并进入阳极18中。电解质溶液容纳在外壳16内。
图1的密封件28包括围绕第一开口32的圆柱形部分或凸台33。凸台33从平面密封部分或支架35向下延伸，该平面密封部分或支架从凸台33横向向外延伸。图1的凸台33在本文被称为短凸台。短凸台在支架35下方或支架35上方延伸，但不同满足这两种情况。
如上所述，电池单元易受到电解质泄漏的影响，例如，由于电解质沿着阳极集流器30的主体的渗漏，使得电解质可以从密封件28中的第一开口32逸出。先前已经尝试通过在开口32中的钉周围提供密封剂来防止泄漏，其结果是密封剂在组装(通过与密封件28的过盈配合)期间被“挤压”或擦除，并且因此最终设置在头部38周围的空间36中。然而，密封剂可能不均匀地提供在头部周围，并且因此可不提供均匀的密封和/或可能由于电解质渗漏而从空间36中移位。此外，由于在制造期间可能引入的缺陷，这种现有的布置更容易产生泄漏。
例如，阳极集流器30的远侧端部(例如，图1中的底端)可能具有毛刺或飞边，由于这些部件之间提供的过盈配合，这些毛刺或飞边可能在组装期间划伤第一开口32的内表面。更具体地，当在组装期间通过第一开口32向下推动阳极集流器30时，阳极集流器30的任何突出表面可能会刮擦密封件28的第一开口32的侧面。因此，可能在第一开口32的内表面中形成缺陷。如上所述，这些缺陷可促进电解质通过第一开口32向上迁移并因此渗漏。
所公开的密封件28可以通过多种制造技术、模制工艺形成。特别地，使用销来产生空隙的注塑成型和吹塑成型是特别有利的。在密封件28的注塑成型和吹塑成型期间可形成缺陷，这些缺陷类似于上文关于阳极集流器所述的缺陷，因为注塑成型和吹塑成型中使用的销也可能具有缺陷，诸如毛刺和飞边。通常，密封件28通过注塑成型形成，并且在成型过程期间使用销来产生形成密封件28的第一开口32的空隙。这种注塑成型销的远侧端部被研磨，并且因此经常会有毛刺或飞边，这也会导致在制造期间形成划痕。例如，当在成型过程完成后将销从第一开口32抽出时，销中的任何缺陷都可能在销被抽出时划伤密封件28的内表面，类似于阳极集流器32划伤内表面，如上文关于将钉插入密封组件中所描述的。
当密封剂被施加到图1的阳极集流器30时，在组装期间，随着阳极集流器通过阳极集流器30和第一开口32之间的过盈配合被插入到第一开口32中，密封剂沿着阳极集流器30的轴线被擦除，从而导致密封剂聚集在阳极集流器30的靠近头部38的顶部。来自外壳16内部的电解质可以沿着集流器30的主体40向上朝着头部38迁移，特别是沿着在如上所述的制造过程期间引入到密封件28中的任何缺陷的路径。沉积在阳极集流器30的靠近头部38的顶部的任何密封剂可以被沿阳极集流器的电解质渗漏克服。因此，可能形成电解质泄漏。
现在转到图2，示出了具有捕集的密封剂密封组件的电池单元110的一个示例。类似于图1中的示例，电池单元110包括分别对应于负极电池端子和正极电池端子的第一覆盖件112和第二覆盖件114，其中外壳116通常设置在第一覆盖件和第二覆盖件之间。为了将阳极118与阴极120分开，电池单元110包括分隔件122。
阴极120可包括任何已知的电化学活性阴极材料，包括但不限于氧化锰、二氧化锰、电解二氧化锰(EMD)、化学二氧化锰(CMD)、高功率电解二氧化锰(HP EMD)、λ二氧化锰、γ二氧化锰、β二氧化锰以及它们的混合物。其他电化学活性阴极材料包括但不限于氧化银；氧化镍；羟基氧化镍；氧化铜；铜盐，诸如碘酸铜；氧化铋；高价镍化合物；高价铁化合物；以及它们的混合物。氧化镍可以包括氢氧化镍、羟基氧化镍、涂有羟基氧化钴的羟基氧化镍、部分脱锂的层状氧化镍以及它们的混合物。适合用作电化学活性阴极材料的部分脱锂的层状氧化镍在US 10,910,647B2中有所描述，该专利通过引用并入本文。氢氧化镍或羟基氧化物可以包括β-羟基氧化镍、γ-羟基氧化镍和/或β-羟基氧化镍和/或γ-羟基氧化镍的共生物。羟基氧化钴涂覆的羟基氧化镍可以包括羟基氧化钴涂覆的β-羟基氧化镍、羟基氧化钴涂覆的γ-羟基氧化镍和/或羟基氧化钴涂覆的β-羟基氧化镍和γ-羟基氧化镍的共生物。例如，高价镍化合物可以包括四价镍。例如，高价铁化合物可以包括六价铁。电化学活性阴极材料可以包括前述示例性电化学活性阴极材料中的一者或多者的组合。
阴极120可以包括导电添加剂，诸如碳颗粒和粘合剂。碳颗粒包含在阴极120中以促进电子流过阴极120。碳颗粒可以是石墨，诸如膨胀石墨和天然石墨；石墨烯、单壁纳米管、多壁纳米管、碳纤维；碳纳米纤维；及其它们的混合物。优选阴极中碳颗粒的量相对较低，例如小于约10％，小于约7.0％，小于约4.25％，小于约3.75％，小于约3.5％，或甚至小于约3.25％，例如从约2.0％至约3.25％。较低的碳水平能够在阴极120内包含较高负载的电化学活性阴极材料，而不增加阴极120的体积或减少成品电池10的空隙体积(空隙体积必须保持在特定水平或高于特定水平，以防止单元内产生气体时内部压力升高过高)。合适的膨胀石墨可以是例如可从TIMCAL Carbon&Graphite(Bodio,Switzerland)获得的BNB-90石墨。
可用于阴极120的粘合剂的示例包括聚乙烯、聚丙烯酸或氟碳树脂，诸如PVDF或PTFE。聚乙烯粘合剂的示例以商品名COATHYLENE HA-1681(可从Hoechst或DuPont获得)出售。其他阴极添加剂的示例描述于例如美国专利5,698,315、5,919,598、5,997,775和7,351,499中。
阳极118包含至少一种电化学活性阳极材料，并且通常还包含胶凝剂和少量添加剂，诸如放气抑制剂。电化学活性阳极材料可以包括锌；镉；铁；金属氢化物，包括但不限于AB5、AB2和A2B7金属氢化物合金；以及它们的混合物。阳极118通常作为凝胶锌阳极提供。
为了在电池单元110的部件设置在外壳116内之后封闭端部124，第一覆盖件112被接纳在索环或密封件128的设置成靠近外壳116的远侧端部115的凹槽126内，并且外壳116的侧壁129压接在密封件128的外围边缘上。在一些示例中，密封件128与阴极120隔开以使阴极120能够膨胀。在一些示例中，密封件128与阳极118类似地隔开以使阳极118能够膨胀。覆盖件112设置在密封件128上方以形成空间或空隙X。当压力在外壳116内部积聚时，空隙X允许气体排出的空间。
为了耦接阳极集流器130和第一覆盖件112(在组装的电池单元110中提供负极端子)，在该示例中，密封件128包括具有限定头部间隙或空间136的较宽部分134的第一开口132，其中阳极集流器130(有时称为“钉”)的端部或头部138被定位在第一覆盖件112处并电耦接到第一覆盖件。该空间136可以具有倒角或成角度的构型以容纳头部138。在该示例中，阳极集流器130的主体140延伸穿过第一开口132并进入阳极118中。电解质溶液容纳在外壳116内。
密封件128包括围绕第一开口132的圆柱形部分或凸台133。凸台133从平面密封部分或支架135同时向上和向下延伸，该平面密封部分或支架从凸台133横向向外延伸。凸台133在本文中被称为长凸台。如本文所用，“长凸台”是具有同时设置在支架135上方和下方的圆柱形区段的凸台。
现在转到图3和图4，更详细地示出了电池单元110的密封组件100。通过用根据图2和图3所示公开内容的索环128和钉130代替图1的传统密封件28和阳极集流器30，图3和图4所示的密封组件可以在图1所示的电池单元10中实施。密封组件100包括索环或密封件128，该索环或密封件包括顶部空间136和开口132，该顶部空间具有顶部空间直径，该开口包括具有孔径的孔150的内表面。开口132具有靠近密封件128的顶部153的近侧端部151和靠近密封件128的底部155的远侧端部154。当组装时，密封件128的近侧端部151或顶部153邻近为电池单元110提供负极端子的覆盖件112，并且密封件128的底部155设置成更靠近电池单元110的阳极、阴极和电解质。钉130包括钉头138和从钉头138延伸的主体或杆140。
当组装时，杆140从近侧端部151穿过远侧端部154延伸穿过密封件128中的开口132，并且钉头138位于近侧端部151附近的顶部空间136中。顶部空间136可以被倒角。在组装时，杆140和密封件128在开口132的远侧端部154附近形成第一过盈配合152，并且在杆140和密封件128之间在密封件128的近侧端部151附近形成第二过盈配合157(图4)。当组装时，在杆140和孔150之间以及在开口的远侧端部154和钉头138之间，或者更具体地，在第一过盈配合152和第二过盈配合157之间，径向和纵向地形成捕集器间隙160。捕集器间隙160限定用于密封剂170的捕集器164。密封剂170设置在杆140上并且至少部分地位于捕集器164中。因此，密封件128开口132包括第一间隙(捕集器间隙160)和第二间隙(顶部空间136)。
如图3所示，钉130的杆140包括具有第一杆直径D的第一部分172和具有第二杆直径B的第二部分174。第二杆直径B小于第一杆直径D。第一部分172还包括比开口132的长度F短的长度E，该开口的一端由刮擦器180界定，并且另一端由密封件128的顶部153界定。第二部分174相对于钉头138在第一部分172的远侧。如图所示，杆140的第一部分172和第二部分174通过倒角176接合，但是也可以使用第一部分172和第二部分174之间的更“突兀”的阶梯过渡，前提条件是第二部分174具有比第一部分172更小的直径，如前所述。
孔150包括孔径C。孔径C大于第二杆直径B并且小于第一杆直径D。
捕集器164形成在孔150和杆140的第二部分174之间。捕集器164在内侧由第二部分174的外表面径向界定，并且在外侧由孔150的内表面径向界定。例示的示例中的捕集器164形成环形空间。
在例示的示例中，密封开口132包括具有圈直径A的内环形圈180，该内环形圈从孔150的靠近密封件128的远侧端部154的内表面突出。圈直径A小于孔径C。如上所述，杆140和密封件128在开口132的远侧端部154附近在第二杆直径B和圈直径A之间形成第一过盈配合152。换句话讲，如图3所示，当杆140完全插入密封件128中时，内环形圈180与杆140的第二部分174形成第一过盈配合152，因为第二杆直径B大于圈直径A。任选地，可以包括具有比内环形圈180更宽直径的下孔181，该下孔通向电池单元的内部部件。
捕集器164沿杆140纵向位于内环形圈180上方。在图3所示的示例中，在例示的实施方案中，当杆140完全插入密封件128中时，捕集器164由内环形圈180和倒角176纵向界定。这是由于第一部分172的长度E比孔150的长度F短，其中长度E是从钉头138的底部到杆140的内径的过渡或变化处(图示为倒角)测量的，并且长度F是从开口132的近侧端部到内环形圈180测量的。杆140在孔150中的结构布置有目的地布置成提供空隙，该空隙是捕集器164。
在例示的示例中，孔径C比第二杆直径B大0.03mm至0.05mm。在其他示例中，以下尺寸比可以有利地产生如本文所述的有效密封剂捕集器间隙：
杆172的第一部分的长度E:杆140的第一部分172的直径D在约1.1和约3.0之间，例如在约1.1和约1.2之间；
杆140的第一部分172的直径D:杆140的第二部分174的直径B在约1.1和约3.0之间，例如在约1.1和约2.0之间；
内环形圈180的内圈直径A:杆140的第二部分174的直径B小于1.0；以及
孔150的长度F:杆140的第一部分172的长度E在约1.1和约2.0之间，例如在约1.1和约1.5之间。
在例示的示例中，捕集器164的体积在约0.35mm3和约1.5mm3之间。在其他示例中，根据密封剂170的粘度和/或电池单元的尺寸，捕集器164可被构造成具有其他体积。
根据本公开的密封件128通过将密封剂捕获和定位在两个过盈部之间的间隙中，从而将密封剂定位在其能够更有效地提供对电解质渗漏的屏障的位置(因为密封剂的密封效果通过钉130和密封件128之间的过盈配合进一步沿着钉130轴线朝向密封件128的近侧端部151进一步增强)，有利地减少或消除了电解质从电池单元内部的泄漏。此外，根据本公开的密封件128通过减少或补偿制造缺陷进一步减少电解质泄漏。更具体地，如上所述，钉130可例如在远侧端部处(其位于杆140的具有第二杆直径B的第二部分174中)具有缺陷。在组装期间，这些缺陷与开口132的第一内表面部分178分离，因为第二杆直径B小于孔径C。因此，在组装期间，钉130不对开口132的第一内表面部分178造成损坏。在组装期间，钉130可能对密封件128造成的任何损坏将被限制在存在过盈配合的环形圈180内。然而，由于密封剂被设置在杆140的第二部分174上并且在组装期间被环形圈180刮擦，密封剂被有目的地且有利地定位在环形圈180上方位于捕集器164中，由此可以防止或减少任何电解质渗漏(包括由于钉130的插入而沿着环形圈180的任何受损区域)，特别是因为通过杆140的第一部分172和孔150之间的过盈配合，由有目的地定位的密封剂170提供的密封的增强。
此外，如图4中最佳示出的，在制造和组装期间，例示的实施方案有利地沿着钉130的第一部分172向上推动延伸超过密封开口132的侧向边缘的密封剂170，从而在钉130的第一部分172和开口132的内表面150之间沉积密封剂170的薄层。由于在组装之前密封剂的液滴被施加在第一部分172下方，存在于钉130上的一些密封剂170被开口132的第一内表面部分178刮擦，然后剩余的密封剂170被杆140的第一部分172向下推动，这防止密封剂170由于钉130的第一部分172和开口132的第一内表面部分178之间的过盈配合而向上逸出。从第一部分172的倒角176施加的力导致被向下推入捕集器164的密封剂170以相对均匀的方式流入捕集器164，导致捕集器164中的密封剂的均匀分布。因此，在钉130插入时，捕集器164中的密封剂170有利地被捕获在两个过盈配合(环形圈180和第二部分174之间的第一过盈配合以及第一部分172和第一内表面部分178之间的第二过盈配合)之间并形成附加的密封表面，所有这些配合形成增强的密封，该增强的密封减少或防止电解质从电池单元逸出。此外，杆的第一部分172压缩捕集器164中的密封剂170，从而增强密封剂170的有效性。倒角176控制压缩力的速率和方向。此外，杆的第一部分172和开口132的第一内表面部分178之间的过盈配合有助于防止最终由密封剂170形成的密封受到损害，从而有助于保持密封剂170在密封组件中的有效性。最后，在钉130的第一部分172上擦除的密封剂170积聚在钉130的顶部，刚好在钉头138的下方且被捕获在头部间隙136中，从而在第二过盈配合(在第一部分172和第一内表面部分178之间)上方形成密封剂170的第二液滴，其用作电解质渗漏的又一附加屏障。
在替代实施方案中，可以形成多个密封剂捕集器164a、164b，例如如图5所示。图5的实施方案的未编号的结构元件与图2至图4的实施方案的相同结构元件相关联，并且相应地起作用。例如，钉头(图2至图4中的138)在图5中没有编号或标出，但是图5的实施方案的钉头与图2至图4的钉头138相同地起作用。为了清楚起见，图5中省略了密封剂(图2至图4中的170),但是该实施方案中的密封剂设置在与图2至图4的实施方案中的密封剂相同的位置(例如，在密封剂捕集器164a、164b内和在头部间隙136内)。
多个密封剂捕集器164a、164b形成分级密封，该分级密封提供增强的密封和增加的对电解质渗漏的防止。钉130包括具有第一直径H的第一部分172、具有第二直径I的第二部分174和具有第三直径J的第三部分173。第一直径H大于第二直径I和第三直径J两者，并且第二直径I大于第三直径J。
如图所示，第一密封剂捕集器164a纵向地形成在第一倒角176a和第一环形圈180a之间，并且横向地形成在钉130的第二部分174和第一内表面部分178a之间。第二密封剂捕集器164b纵向地形成在第二倒角176b和第二环形圈180b之间，并且横向地形成在钉130的第三部分173和第二内表面部分178b之间。
在其他实施方案中，可以通过添加附加的环形圈180和钉130的具有不同直径的分段部分来形成多于两个的密封剂捕集器。
现在转到图6，示出了根据本公开的密封组件200的替代实施方案的横截面视图。根据图5所示的公开内容，通过用密封件228和钉230代替图1的密封件28和阳极集流器30，图6所示的密封组件200可在图2所述的电池单元110中实施。密封组件200包括密封件228，该密封件包括开口232，该开口包括具有孔径的孔250。钉230具有钉头238和从钉头238延伸的主体或杆240。杆240延伸穿过密封件228中的开口232。杆240和密封件228在开口232的远侧端部254处形成第一过盈配合252。在开口的远侧端部254和钉头238之间形成捕集器间隙260。捕集器间隙260限定用于密封剂270的捕集器264。密封剂270设置在杆240上并且至少部分地位于捕集器264中。
杆240包括具有第一杆直径的第一部分272和具有第二杆直径的第二部分274。第二杆直径小于第一杆直径。第二部分274相对于钉头238在第一部分272的远侧。第一部分272和第二部分274通过倒角276接合，但是也可以使用第一部分272和第二部分274之间的更“突兀”的阶梯过渡，前提条件是第二部分274具有比第一部分272更小的直径，如前所述。
孔250的直径大于第二杆直径并且小于第一杆直径。
捕集器264形成在孔250和杆240的第二部分274之间。捕集器264在内侧由杆240的第二部分274的外表面径向界定，并且在外侧由孔250的内表面278径向界定。例示的示例中的捕集器264部分地由形成在钉230中的环形凹陷部290提供。在例示的示例中，孔径比第二杆直径大0.03mm和0.05mm之间。
图6所示的实施方案不同于图3至图5所示的实施方案，因为图6的实施方案在开口232的远侧端部254处不包括环形圈180。相反，图6的实施方案包括形成在杆240的第二部分274和孔250之间的环形凹陷部290。密封剂捕集器264由环形凹陷部290提供。
在替代实施方案中，杆240可以包括多个环形凹陷部290。
测试数据
参考图2至图4，对具有上述捕集的密封剂密封组件的电池单元进行泄漏测试，并且与在相同条件下测试的对照单元进行比较。测试的一组对照单元包括与可商购获得的AA
Figure BDA0003956467300000111
单元相同的部件(阳极、阴极、分隔件、密封组件、集流器)和浓度，并且因此这些对照单元在本文中被称为AA
Figure BDA0003956467300000112
单元。数据中还包括标有“对照刮擦聚酰胺长凸台”和“对照刮擦沥青长凸台”的另一组对照单元，它们不是可商购获得的单元。“对照刮擦长凸台”对照单元两者都包括长凸台和刮擦的密封剂。“对照刮擦长凸台”对照单元不包括关于根据本发明的捕集的密封剂构型描述的钉的分级外径或凸台开口的分级内径。“对照刮擦长凸台”对照单元提供比较例，该比较例具体地分离根据本发明的捕集的密封剂设计的效果。更具体地，“捕集的长凸台”和“对照刮擦长凸台”之间的改进仅归因于根据本发明的捕集的密封剂构型。
对电池单元进行的泄漏测试包括用去离子水冲洗密封件或索环和顶部覆盖件之间的空间(在图2中标记为空隙X)，将单元放置在50℃和大于60％相对湿度的环境室中以促进3、6或9周的加速老化，从该室中移除单元并通过再次用去离子水冲洗来提取空隙X中的任何化学物质，收集去离子水并分析去离子水中钾的存在。在去离子水中发现的任何钾被认为是由钉和密封件或索环之间的电解质渗漏产生的，因为密封件或索环包含不允许可计量量的钾直接通过聚合物材料的聚合物材料。
测试单元中包括两种不同的凸台长度和两种不同的密封剂。两种凸台长度是长凸台和短凸台，并且两种不同密封剂是聚酰胺和沥青。AA
Figure BDA0003956467300000113
对照单元包括短凸台，该短凸台具有处于如上所述的刮擦构型的选定密封剂，其中密封剂被放置在钉上并且随着钉被插入密封件中密封剂沿着钉向上“刮擦”，使得密封剂在钉插入之后被置于接近钉头。第二对照单元组包括长凸台，该长凸台具有处于刮擦构型的选定密封剂，在钉插入之后密封剂也被置于接近钉头。根据本发明的捕集的密封剂单元包括密封组件，该密封组件在长凸台中具有上文参考图2至图4讨论的密封剂捕集器。与
Figure BDA0003956467300000114
对照单元和刮擦长凸台对照单元两者相比，捕集的密封剂表现出令人惊讶且显著更少的泄漏。
测试结果总结在下表1和表2中。
Figure BDA0003956467300000121
表1
Figure BDA0003956467300000122
表2
上述表格结果在图7和图8中以图形形式示出。从测试数据得出两个一般性结论。首先，聚酰胺似乎通常比沥青表现得更好，这表明其他相对非极性的密封剂诸如硅酮密封剂、环氧密封剂等也可在该组件中类似地表现。然而，第二个并且也是最重要的结论是，捕集的密封剂密封组件(如本文所述)的性能令人惊奇地且明显优于可商购获得的
Figure BDA0003956467300000123
和对照刮擦长凸台构型两者。总而言之，捕集的密封剂聚酰胺构型显示出比
Figure BDA0003956467300000124
单元少66％的泄漏，并且捕集的密封剂沥青构型显示出比
Figure BDA0003956467300000125
单元少38％的泄漏。捕集的密封剂聚酰胺构型也显示出比对照刮擦长凸台聚酰胺构型少49％的泄漏，并且捕集的密封剂沥青构型显示出比对照刮擦长凸台沥青构型少8.5％的泄漏。
虽然用捕集的密封剂构型预期比对照单元有一些改进，但所实现的改进的幅度是出乎意料且令人惊讶的，尤其是对于捕集的聚酰胺长凸台设计。
由于短凸台构型没有提供足够的空间来实际实施捕集的密封剂，因此未测试捕集的短凸台构型。换句话讲，短凸台密封件在内孔内没有足够的空间来结合具有足够体积的密封件捕集器，以使捕集的密封剂有效。
在任何前述实施方案中，密封件或索环可包含聚合物，特别是一种或多种热塑性聚合物，诸如聚丙烯或尼龙。尼龙66和尼龙612是两种可单独或组合使用的具体代表性材料。
在任何实施方案中，钉可以包含导电金属，例如黄铜或青铜(包括硅青铜)。可以使用铜含量大于约50重量％(例如60重量％或70重量％)锌含量大于20重量％(例如30重量％或40重量％)的黄铜合金。
密封剂可以是能够将索环粘附到钉上的任何已知密封剂。因此，在例示的实施方案中，密封剂可包括聚酰胺密封剂、树脂、聚醋酸乙烯酯密封剂、石油基材料诸如沥青密封剂、聚丁烯密封剂、聚异丁烯密封剂、聚乙烯蜡密封剂、环氧密封剂、硅酮密封剂、丙烯酸密封剂、多硫化物密封剂、聚氨酯密封剂以及它们的混合物。在例示的实施方案中，索环包含聚合物并且钉包含金属。在一种提炼过程中，可以使用包含水可溶胀的聚合物的相对亲水的密封剂来提供密封剂，例如，水可溶胀的丙烯酸酯聚合物，包括超吸收剂颗粒，诸如
Figure BDA0003956467300000131
密封剂(Sika AG,Switzerland)。可以有利地用于配制应用于钉的密封剂的溶剂包括但不限于二甲苯、异丙醇、甲苯以及它们的混合物。在其他实施方案中，配制的密封剂可具有约165cps至约1600cps的粘度，固体含量为约40％至约80％。此外，在其他实施方案中，密封剂可有利地包括厌氧型密封剂，因为当密封组件完全组装时，有效地消除了密封剂对氧气的暴露，使得密封剂捕集器形成在捕集器上方和下方的过盈配合之间。因为在钉插入到索环中之后，密封剂最初可以处于未固化状态，所以在固化之前，密封剂在液相中可以有足够的时间来完全填充捕集器和填充存在于密封件中甚至钉中的任何缺陷(包括上述制造缺陷)。
所公开的密封组件有利地将密封剂捕集在密封剂捕集器中，从而最小化组装的电池单元对氧气的暴露，并且防止电解质迁移到钉的顶部并从密封组件逸出。此外，由于在密封开口的远侧端部处的钉杆和密封件之间的过盈配合，以及开口的第一内部部分相对于开口的第二较窄内部部分(例如，由内环形圈提供)的相对较大内径，密封剂有效地设置在密封剂捕集器中。当杆插入密封件时，内环形圈从杆上刮擦剩余的密封剂，并且将密封剂精确地定位在密封剂捕集器中。由于密封剂在密封组件之前以液体形式沉积在钉杆上，所以由于内环形圈的刮擦，密封剂均匀地流入密封剂捕集器中，从而以一致且受控的可再现方式在钉和索环之间提供基本均匀的360度密封。密封剂捕集器中的密封剂与密封剂捕集器上方和下方的过盈配合结合，以有效地形成具有三个不同密封表面的密封组件，该密封组件防止或大大减少电解质泄漏的量。当密封剂也设置在头部间隙中时，形成四个不同的密封表面(第四密封表面由头部间隙中的密封剂形成)。在具有多于一个密封剂捕集器的实施方案中(例如，图5所示的实施方案)，可以形成五个或更多个不同的密封表面。此外，密封剂在密封剂捕集器中的位置(即，在两个过盈配合之间)产生对成功地迁移通过下部过盈配合(其在第一实施方案中由环形圈和钉杆的第二部分产生)的任何电解质的附加屏障。所公开的密封组件还有利地减轻密封件中的制造缺陷，诸如在如上所述的密封件的成型期间由于将钉插入密封件和抽出销而导致的飞边或毛刺。
本文公开的尺寸和值不应理解为严格限于所叙述的精确数值。相反，除非另有说明，否则每个这类尺寸旨在意指所叙述的值和围绕所述值的功能等效范围。例如，公开为“40mm”的尺寸旨在表示“约40mm”。此外，在一个实施方案中公开的任何尺寸同样适用于其他实施方案。在上面描述了“过盈”配合的情况下，如果使用更粘稠的密封剂，替代实施方案可以具有非常小的间隙。例如，随着密封剂的粘度增加，环形圈180的直径A与钉130的第二部分174的直径B的比率可能超过大于1.0的值。在此类示例中，直径A大于直径B可促进在组装期间通过在钉130插入密封件128时允许气体通过直径A和直径B之间的非常小的间隙逸出而排出开口132中的气体，而粘性密封剂则在密封剂接触环形圈180时密封该间隙。
除非明确地排除或另外限制，否则本文引用的每一文件，包括任何交叉引用的或相关的专利或申请以及本申请要求其优先权或权益的任何专利申请或专利，在此以全文引用的方式并入本文中。任何文件的引用均不承认其为本文中所公开或所要求的任何发明的现有技术，也不承认其单独或与任何其它参考组合来教示、表明或公开任何此类发明。此外，在此文件中的术语的任何意义或定义与以引用方式并入的文件中的相同术语的任何意义或定义冲突的情况下，应以在此文件中赋予所述术语的意义或定义为准。
虽然已经说明并且描述了本发明的具体实施方案，但所属领域的技术人员将显而易见，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出多种其它改变和修改。因此，旨在于所附权利要求中覆盖在本发明范围内的所有这些改变和修改。

Claims (47)

1.一种用于电池单元的密封组件，所述密封组件包括：
索环，所述索环具有包括内表面的开口；
钉，所述钉具有钉头和从所述钉头延伸的杆，所述杆包括具有第一杆直径的第一部分和具有第二杆直径的第二部分，所述第一杆直径大于所述第二杆直径，所述杆延伸穿过所述索环中的所述开口，所述杆和所述索环在所述开口的远侧端部形成第一过盈配合，并且在所述开口的所述远侧端部与所述钉头之间形成捕集器间隙，所述捕集器间隙位于所述钉的所述第二部分与所述内表面之间，并且所述捕集器间隙限定用于密封剂的捕集器；以及
密封剂，所述密封剂设置在所述杆上，所述密封剂至少部分地位于所述捕集器中。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述第二部分相对于头部在所述第一部分的远侧。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其中所述第一部分和所述第二部分通过倒角接合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其中所述开口的所述内表面包括孔径，所述孔径大于所述第二杆直径并且小于所述第一杆直径。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其中所述捕集器形成在所述内表面和所述杆的所述第二部分之间。
6.根据权利要求5所述的组件，其中所述孔径比所述第二杆直径大0.03mm和0.05mm之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其中所述索环开口包括内环形圈。
8.根据权利要求7所述的组件，其中所述内环形圈具有小于所述孔径的圈直径，并且所述内环形圈与所述杆的所述第二部分形成所述第一过盈配合。
9.根据权利要求7或8所述的组件，其中所述捕集器沿着所述杆的长度位于所述内环形圈上方。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的组件，其中所述捕集器的体积在0.35mm3和1.5mm3之间。
11.根据权利要求1所述的组件，其中所述杆包括环形凹陷部。
12.根据权利要求11所述的组件，其中所述捕集器间隙由所述环形凹陷部形成。
13.根据权利要求11或12所述的组件，其中所述杆包括多个环形凹陷部。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的组件，其中所述索环包含聚合物，诸如聚丙烯或尼龙。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的组件，其中所述钉包含黄铜或硅青铜。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的组件，其中所述密封剂包含基于聚酰胺或沥青的材料。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的组件，其中在所述钉头和所述索环之间形成头部间隙，并且密封剂也设置在所述头部间隙中。
18.一种电池单元，包括：
外壳，所述外壳包括：
在第一外壳端处的第一覆盖件和在第二外壳端处的第二覆盖件，以及设置在所述外壳内的阳极和阴极；以及
密封组件，所述密封组件位于所述第一覆盖件附近，所述密封组件包括：
索环，所述索环具有包括内表面的开口；
钉，所述钉具有钉头和从所述钉头延伸的杆，所述杆包括具有第一杆直径的第一部分和具有第二杆直径的第二部分，所述第一杆直径大于所述第二杆直径，所述杆延伸穿过所述索环中的所述开口，所述杆和所述索环在所述开口的远侧端部形成第一过盈配合，并且在所述开口的所述远侧端部与所述钉头之间形成捕集器间隙，所述捕集器间隙位于所述钉的所述第二部分与所述内表面之间，并且所述捕集器间隙限定用于密封剂的捕集器；以及
密封剂，所述密封剂设置在所述杆上，所述密封剂至少部分地位于所述捕集器中。
19.根据权利要求18所述的电池单元，其中所述第二部分相对于头部在所述第一部分的远侧。
20.根据权利要求18或19所述的电池单元，其中所述第一部分和所述第二部分通过倒角接合。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的电池单元，其中所述开口的所述内表面包括孔径，所述孔径大于所述第二杆直径并且小于所述第一杆直径。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的电池单元，其中所述捕集器形成在所述内表面和所述杆的所述第二部分之间。
23.根据权利要求21或22所述的电池单元，其中所述孔径比所述第二直径大0.03mm和0.05mm之间。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的电池单元，其中所述索环开口包括内环形圈。
25.根据权利要求24所述的电池单元，其中所述内环形圈具有小于所述孔径的圈直径，并且所述内环形圈与所述杆的所述第二部分形成所述第一过盈配合。
26.根据权利要求24或25所述的电池单元，其中所述捕集器沿着所述杆的长度位于所述内环形圈上方。
27.根据权利要求18至26中任一项所述的电池单元，其中所述捕集器的体积在0.35mm3和1.5mm3之间。
28.根据权利要求18至27中任一项所述的电池单元，其中所述杆包括环形凹陷部。
29.根据权利要求18至28中任一项所述的电池单元，其中所述捕集器间隙由所述环形凹陷部形成。
30.根据权利要求18至29中任一项所述的电池单元，其中所述杆包括多个环形凹陷部。
31.一种用于电池单元的密封组件，所述密封组件包括：
索环，所述索环具有开口和顶部空间，所述开口包括远侧端部、近侧端部、内表面介于所述远侧端部和所述近侧端部之间的孔，以及被定位成邻近所述远侧端部的内环形圈，所述内环形圈具有圈直径，所述孔具有孔径；所述顶部空间位于所述近侧端部处，所述顶部空间具有顶部空间直径，所述圈直径小于所述孔径和所述顶部空间直径，并且所述孔径小于所述顶部空间直径；
钉，所述钉具有钉头和从所述钉头延伸的杆，所述杆包括具有第一杆直径的第一部分和具有第二杆直径的第二部分，所述第一杆直径大于所述第二杆直径，所述杆延伸穿过所述索环中的所述开口，所述杆和所述索环在所述杆的所述第二部分和所述圈直径之间形成第一过盈配合，并且所述杆和所述索环在所述杆的所述第二部分与所述孔径之间形成捕集器间隙，所述捕集器间隙限定用于密封剂的捕集器；以及
密封剂，所述密封剂设置在所述杆上，所述密封剂至少部分地位于所述捕集器中。
32.一种电池单元，包括：
外壳，所述外壳包括：
在第一外壳端处的第一覆盖件和在第二外壳端处的第二覆盖件，以及设置在所述外壳内的阳极和阴极；以及
密封组件，所述密封组件位于所述第一覆盖件附近，所述密封组件包括：
索环，所述索环具有开口和顶部空间，所述开口包括远侧端部、近侧端部、内表面介于所述远侧端部和所述近侧端部之间的孔，以及被定位成邻近所述远侧端部的内环形圈，所述内环形圈具有圈直径，所述孔具有孔径；所述顶部空间位于所述近侧端部处，所述顶部空间具有顶部空间直径，所述圈直径小于所述孔径和所述顶部空间直径，并且所述孔径小于所述顶部空间直径；
钉，所述钉具有钉头和从所述钉头延伸的杆，所述杆包括具有第一杆直径的第一部分和具有第二杆直径的第二部分，所述第一杆直径大于所述第二杆直径，所述杆延伸穿过所述索环中的所述开口，所述杆和所述索环在所述杆的所述第二部分和所述圈直径之间形成第一过盈配合，并且所述杆和所述索环在所述杆的所述第二部分与所述孔径之间形成捕集器间隙，所述捕集器间隙限定用于密封剂的捕集器；以及
密封剂，所述密封剂设置在所述杆上，所述密封剂至少部分地位于所述捕集器中。
33.根据权利要求31或32所述的组件或电池单元，其中所述第二部分相对于头部在所述第一部分的远侧。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的组件或电池单元，其中所述第一部分和所述第二部分通过倒角接合。
35.根据权利要求31至34中任一项所述的组件或电池单元，其中所述开口的所述内表面包括孔径，所述孔径大于所述第二杆直径并且小于所述第一杆直径。
36.根据权利要求31至35中任一项所述的组件或电池单元，其中所述捕集器形成在所述内表面和所述杆的所述第二部分之间。
37.根据权利要求36所述的组件或电池单元，其中所述孔径比所述第二杆直径大0.03mm和0.05mm之间。
38.根据权利要求31至37中任一项所述的组件或电池单元，其中所述索环开口包括内环形圈。
39.根据权利要求38所述的组件或电池单元，其中所述内环形圈具有小于所述孔径的圈直径，并且所述内环形圈与所述杆的所述第二部分形成所述第一过盈配合。
40.根据权利要求38或39所述的组件或电池单元，其中所述捕集器沿着所述杆的长度位于所述内环形圈上方。
41.根据权利要求31至40中任一项所述的组件或电池单元，其中所述捕集器的体积在0.35mm3和1.5mm3之间。
42.根据权利要求31或32所述的组件或电池单元，其中所述杆包括环形凹陷部。
43.根据权利要求42所述的组件或电池单元，其中所述捕集器间隙由所述环形凹陷部形成。
44.根据权利要求42或43所述的组件或电池单元，其中所述杆包括多个环形凹陷部。
45.根据权利要求31至44中任一项所述的组件或电池单元，其中所述索环包含聚合物，诸如聚丙烯或尼龙。
46.根据权利要求31至45中任一项所述的组件或电池单元，其中所述钉包含黄铜或硅青铜。
47.根据权利要求31至46中任一项所述的组件或电池单元，其中所述密封剂包含基于聚酰胺或沥青的材料。
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