鋰離子電池的極柱密封裝置

《鋰離子電池的極柱密封裝置》是上海空間電源研究所於2008年5月30日申請的專利，該專利的申請號為2008100383569，申請公布號為CN101593819，公布日為2009年12月2日，發明人是任傑偉、潘延林、李克鋒、楊聰嬌、王琛、李國欣。

《鋰離子電池的極柱密封裝置》包括：在鋰離子電池端蓋[1]上設定有極柱[6]，極柱[6]的底部具有一個突出的台階。極柱[6]上套有密封絕緣子[8]；密封絕緣子[8]上套有具有相應台階的不鏽鋼套[2]；不鏽鋼套[2]底部的凸緣與端蓋[1]的內表面密封連線；密封絕緣子[8]的頂端和底端各設定有陶瓷墊圈[7]；頂端的陶瓷墊圈[7]上部依次設定有蝶型墊圈[5]和兩個墊圈螺母[3]；底端的陶瓷墊圈[7]抵住極柱[6]的台階；在兩個極柱之間的端蓋[1]上設定有注液嘴[4]。該發明解決了鋰離子電池極柱的漏液問題，取得了製造成本低、密封性能優良、使用壽命長等有益效果。

2013年10月，《鋰離子電池的極柱密封裝置》獲得第十五屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《鋰離子電池的極柱密封裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：鋰離子電池的極柱密封裝置
• 類別：發明專利
• 公布號：CN101593819
• 公布日：2009年12月2日
• 申請號：2008100383569
• 申請日：2008年5月30日
• 申請人：上海空間電源研究所
• 地址：上海市蒼梧路388號
• 發明人：任傑偉、潘延林、李克鋒、楊聰嬌、王琛、李國欣
• 分類號：H01M2/08（2006.01）I、H01M2/30（2006.01）I、H01M2/00（2006.01）I、H01M10/40（2006.01）I
• 專利代理機構：上海航天局專利中心
• 代理人：金家山

專利背景

鋰離子蓄電池用作人造衛星、宇宙飛船和空間站等航天飛行器的貯能電源，可發揮其高電壓、高比能量、長壽命、無記憶效應和無污染等特點。如用鋰離子蓄電池取代衛星等太空飛行器所用的鎘鎳或氫鎳蓄電池，可將貯能電源在電源系統所占重量的30％～40％降低至10％～15％，從而大大降低發射成本，增加有效載荷，提高衛星使用效率。

由於衛星用貯能電源在空間工作時的環境近似於高真空狀態，如果單體蓄電池沒有實現全密封（漏氣率小於1.0×10帕·立方分米/秒），則會發生電解液微漏以及氣體逸出，最終導致電解液“乾涸”，蓄電池失效，因此必須實現蓄電池外殼的全密封。

截至2008年5月，衛星用蓄電池（鎘鎳或氫鎳蓄電池）極柱與電池端蓋的密封方式主要有金屬-陶瓷密封和壓縮密封兩種方式。由於鋰離子蓄電池是一種電位在4伏左右的高電化學體系，如果使用金屬-陶瓷密封，不鏽鋼或鎳極柱在高電化學體系中會發生電化學腐蝕和自放電現象，在液面上端會對極柱產生電化學腐蝕，因而產生密封間隙，在內壓的作用下液體不斷沿極柱向外滲出，在極柱端處形成漏液，使金屬-陶瓷密封結構起不到密封作用，從而影響蓄電池壽命，而且金屬-陶瓷密封工藝複雜，製造成本高。另外，鋰離子蓄電池如果採用純銅和純鋁作為集流體和極柱材料，其金屬鋁和陶瓷焊接的工藝設備比較昂貴。因此，採用密封性能優良、使用壽命長的新型壓縮密封結構來實現鋰離子蓄電池的全密封，是非常必要的。

發明內容

專利目的

《鋰離子電池的極柱密封裝置》的目的在於提供一種可以實現鋰離子蓄電池全密封的鋰離子電池的極柱密封裝置。

技術發案

《鋰離子電池的極柱密封裝置》包括：在鋰離子電池端蓋的兩端，分別設定有鋰電池的正、負極柱，極柱的底部具有一個突出的台階。極柱上套有密封絕緣子；密封絕緣子具有兩個台階，其上套有具有相應台階的不鏽鋼套；不鏽鋼套底部的凸緣與端蓋的內表面密封連線；密封絕緣子的頂端和底端各設定有陶瓷墊圈；頂端的陶瓷墊圈上部依次設定有蝶型墊圈和兩個墊圈螺母；底端的陶瓷墊圈抵住在極柱底部的台階上；在兩個極柱之間的端蓋上設定有注液嘴。

上述碟型墊圈採用高溫鎳基合金；陶瓷墊圈採用氮化矽陶瓷；密封絕緣子採用聚四氟乙烯；極柱上加工有3道R0.5的刻痕，其中，正極極柱用純鋁，負極極柱用純銅。

有益效果

《鋰離子電池的極柱密封裝置》解決了鋰離子電池極柱的漏液問題，消除了電池安全及性能隱患，取得了製造成本低、密封性能優良、使用壽命長等有益效果。該發明適用於有類似問題的其它各種類型蓄電池，具有很大的推廣套用價值。

附圖說明

圖1是《鋰離子電池的極柱密封裝置》的結構示意圖；

圖2是套用該發明的鋰離子電池外形圖。

圖中標記說明：1-端蓋；2-不鏽鋼套；3-墊圈螺母；4-注液嘴；5-蝶型墊圈；6-極柱；7-陶瓷墊圈；8-密封絕緣子。

權利要求

1.一種鋰離子電池的極柱密封裝置：包括：端蓋[1]和極柱[6]，其特徵在於，該裝置還包括：在端蓋[1]的兩端，分別設定有鋰離子電池的正、負極柱[6]，極柱[6]的底部具有一個突出的台階；極柱[6]上套有密封絕緣子[8]；密封絕緣子[8]具有兩個台階，其上套有具有相應台階的不鏽鋼套[2]；不鏽鋼套[2]底部的凸緣與端蓋[1]的內表面密封連線；密封絕緣子[8]的頂端和底端各設定有陶瓷墊圈[7]；頂端的陶瓷墊圈[7]上部依次設定有碟型墊圈[5]和兩個墊圈螺母[3]；底端的陶瓷墊圈[7]抵住在極柱[6]底部的台階上；在兩個極柱之間的端蓋[1]上設定有注液嘴[4]。

2.根據權利要求1所述的極柱密封裝置，其特徵在於：所述的碟型墊圈[5]採用高溫鎳基合金。

3.根據權利要求1所述的極柱密封裝置，其特徵在於：所述的極柱[6]上加工有3道R0.5的刻痕；其中，正極極柱的材料為純鋁，負極極柱的材料為純銅。

4.根據權利要求1所述的極柱密封裝置，其特徵在於：所述的陶瓷墊圈[7]的材料為氮化矽陶瓷，其厚度為2毫米。

5.根據權利要求1所述的極柱密封裝置，其特徵在於：所述的密封絕緣子[8]的材料為聚四氟乙烯。

6.根據權利要求1所述的極柱密封裝置，其特徵在於：所述的不鏽鋼套[2]的內台階處加工成圓角。

7.根據權利要求1所述的極柱密封裝置，其特徵在於：所述的電池端蓋[1]與鋰離子電池不鏽鋼套的密封連線採用釺焊焊接。

實施方式

圖1是《鋰離子電池的極柱密封裝置》的結構示意圖；如圖1的實施例所示，該裝置包括：

在鋰電池端蓋1的兩端，分別設定有鋰電池的正、負極柱6，極柱6的底部具有一個突出的台階，極柱6上套有密封絕緣子8；密封絕緣子8具有兩個台階，其上套有具有相應台階的不鏽鋼套2；不鏽鋼套2底部的凸緣與端蓋1的內表面密封連線；密封絕緣子8的頂端和底端各設定有陶瓷墊圈7；頂端的陶瓷墊圈7上部依次設定有蝶型墊圈5和兩個墊圈螺母3；底端的陶瓷墊圈7抵住在極柱6底部的台階上；在兩個極柱之間的端蓋1上設定有注液嘴4。

上述碟型墊圈5採用高溫鎳基合金；陶瓷墊圈7採用氮化矽陶瓷；密封絕緣子8採用聚四氟乙烯；極柱6上加工有3道R0.5的刻痕，其中，正極極柱用純鋁，負極極柱用純銅。

由上述所見，由於底端的陶瓷墊圈7抵住在極柱6底部的台階上，因此，旋緊墊圈螺母3，就可將陶瓷墊圈7與碟型墊圈5壓緊，同時，對密封絕緣子8的密封面也施加了壓緊載荷，使之產生壓緊應力。當應力增大到足以引起密封絕緣子8表面產生明顯的塑性變形時，該聚四氟乙烯密封件產生橫向膨脹而嵌入極柱6刻痕的凹槽內，使它不產生微量位移。這樣就可填補密封面的間隙，堵塞泄漏通道。同時，上、下端的陶瓷墊圈7在極柱6底部台階向上的推力與碟型墊圈5向下的彈力作用下，進一步使密封絕緣子8在低溫下不滑動，即不產生冷流動。從而實現全密封。

在低溫時，密封絕緣子8收縮，由於作用力與反作用力，此時高溫鎳基合金製成的碟型墊圈5向下的彈力等於向上的拉力。向下的彈力作用在陶瓷墊圈7上使陶瓷墊圈7壓緊密封絕緣子8，不讓它產生冷流動。

上述不鏽鋼套2的內台階處加工成圓角，以此解決應力集中的問題，使密封件受力均勻。

下端的陶瓷墊圈7在螺母3擰緊力和極柱6底部台階的頂力作用下，產生向上的推力壓緊密封絕緣子8，上端的陶瓷墊圈7在碟型墊圈5向下的彈力的作用下，也可使密封絕緣子8在低溫下不產生冷流動。經計算得：h≥1.063毫米（計算過程略），該實施例選用陶瓷墊圈7的厚度為1.07～3毫米，優選為2毫米。

在原來設計的鋰離子蓄電池的金屬-陶瓷密封中，由於鋁與不鏽鋼熔點相差較大，無法通過焊接方式實現聯結，因此，正極柱的極耳與匯流排採用螺栓與螺母連線。而在該發明壓縮密封設計中，正、負極的極柱採用同種金屬材料，即正極極柱用純鋁，負極極柱用純銅。這樣可以降低充放電循環中由於電化學腐蝕的而帶來的壽命衰減的問題。

該發明實施例中，密封絕緣子8的材料為聚四氟乙烯，聚四氟乙烯塞入金屬套內，通過金屬套台階定位。聚四氟乙烯頂部與底部用陶瓷墊圈將聚四氟乙烯壓緊。通過墊圈螺母3的擰緊力載入在高溫鎳基合金碟型墊圈5上使底部的陶瓷墊圈向上產生壓力，使聚四氟乙烯橫向變形膨脹從而達到密封效果。上述陶瓷墊圈7的作用是：a）極柱與外殼絕緣；b）在低溫時與高溫鎳基合金碟型墊圈配合加壓防止聚四氟乙烯冷流動。從力學角度分析，聚四氟乙烯橫向變形膨脹越大，接觸面的摩擦力就愈大，密封效果就越好。

圖2是套用該發明的鋰離子電池外形圖。如圖2的實施例所示，鋰離子電池放入一個金屬錐套中，其上端用電池端蓋密封，電池端蓋上設定有密封連線的極柱和注液嘴。端蓋與金屬錐套的密封連線採用釺焊焊接。由於是釺焊，利用熔融釺料的粘著力或熔合力把焊件表面粘合起來，焊接時焊件本身不熔化，使得焊件變形量小，這樣就可滿足金屬套（選用304不鏽鋼）與聚四氟乙烯的裝配。

榮譽表彰

2013年10月，《鋰離子電池的極柱密封裝置》獲得第十五屆中國專利優秀獎。