DE69837843T2

DE69837843T2 - Stromunterbrecher für elektrochemische zellen

Info

Publication number: DE69837843T2
Application number: DE69837843T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Bedford POIRIER; Paul Holliston CHEESEMAN; Michael East Weymouth MCDERMOTT; Jane A. Acton BLASI; Reynald Bridgewater CANTAVE; Jeffrey Holliston HEWES; Yelena Sharon KOUZNETSOVA; Bhupendra Mansfield PATEL; Viet Medway VU; William T. Westwood MCHUGH; Lucien P. Lincoln FONTAINE; Robert J. Canton PINAULT; Alex Providence KAPLAN
Original assignee: Duracell Inc USA
Current assignee: Gillette Co LLC
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2018-04-09
Also published as: EP0974168B1; WO1998045888A1; JP2001519086A; CN1145229C; TW390048B; ATE363737T1; AR012380A1; CA2285186A1; CN1252170A; AU6873098A; DE69837843D1; EP0974168A1; US6037071A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Stromunterbrecher für eine elektrochemische Zelle, welche auf sichere Weise den Stromfluss durch die Zelle verhindert, wenn ein übermäßiger Anstieg der Temperatur oder des Gasdrucks darin aufgetreten ist.
Elektrochemische Zellen, im Besonderen Zellen mit hoher Energiedichte, wie etwa Zellen, bei denen Lithium ein aktives Material ist, unterliegen Undichtigkeiten oder Brüchen bzw. Brüchigkeit, was wiederum die Vorrichtung bzw. das Gerät beschädigen kann, das durch die Zelle betrieben wird, oder sich schädlich auf die direkte Umgebung auswirken kann. In Bezug auf Akkuzellen bzw. wiederaufladbare Zellen kann der Anstieg der Innentemperatur einer Zelle die Folge einer Überladung sein. Unerwünschte Temperaturanstiege werden häufig begleitet von einem entsprechenden Anstieg des Innengasdrucks. Dies tritt wahrscheinlich bei einem externen Kurzschlusszustand auf. Es ist wünschenswert, dass Sicherheitsvorrichtungen der Zelle zugeordnet sind, ohne dadurch die Kosten, die Größe oder die Masse der Zelle in unangemessenem Umfang zu erhöhen.
Derartige Zellen, im Besonderen wiederaufladbare Zelle„ die Lithium als ein aktives Material verwenden, unterliegen Undichtigkeiten oder Brüchigkeit durch einen Anstieg der Innentemperatur der Zelle, wobei dieser Zustand häufig begleitet wird von einem entsprechenden Anstieg des Drucks. Dies wird hoher Wahrscheinlichkeit begleitet von schädlichen Bedingungen, wie zum Beispiel einer Überladung oder einem Kurzschlusszustand. Ferner ist es wichtig, dass diese Zellen luftdicht verschlossen sind, um das Austreten von Elektrolytlösung und das Eintreten von Feuchtigkeit aus der externen Umgebung zu verhindern.
Wenn, wie dies bereits vorstehend im Text ausgeführt worden ist, eine Zelle überladen wird, tritt eine Selbsterhitzung auf. Das Laden mit einer zu schnellen Geschwindigkeit bzw. das Überladen kann zu einem Anstieg der Temperatur führen. Das Überladen der Zelle kann auftreten, wenn die Ladespannung oder der Ladestrom zu hoch werden, was eine schnelle Überhitzung der Zelle bewirkt, was wiederum ein Sicherheitsrisiko in sich birgt. Wenn die Temperatur einen bestimmten Wert übersteigt, der abhängig von der chemischen Zusammensetzung und der Struktur der Zelle variiert, so setzt ein unerwünschter und nicht steuerbarer Zustand der thermischen Zerstörung ein. Aufgrund der Überhitzung baut sich ferner ein Innendruck auf, und Elektrolyt kann plötzlich aus der Zelle ausgestoßen werden. Bevorzugt wird das Einleiten einer kontrollierten Entlüftung, bevor dies auftritt. PTC-Vorrichtungen bzw. Vorrichtungen mit positivem Wärmeausdehnungskoeffizienten, deren Widerstand mit dem dort hindurch fließenden Strom zunimmt, werden in einem Versuch eingesetzt, übermäßigen Stromdurchsatz durch eine wiederaufladbare Zelle zu verhindern. Derartige Vorrichtungen alleine reichen jedoch nicht aus, um das Eintreten eines Zustands der thermischen Zerstörung zu vermeiden, wenn die Zelle überladen wird, wie zum Beispiel beim Einsatz einer zu hohen Ladespannung.
Herkömmliche Zellenbauweisen verwenden eine Endkappeneinrichtung, die in ein zylindrisches Gehäuse mit offenem Ende eingeführt wird, nachdem die Zellenanode und kathodenaktives Material und geeignetes Abscheidermaterial und Elektrolyt in das zylindrische Gehäuse eingeführt worden sind. Die Endkappe befindet sich in elektrischem Kontakt mit dem Anoden- oder Kathodenmaterial, und das frei liegende Teilstück der Endkappe bildet einen der Zellenanschlüsse. Ein Abschnitt des Zellengehäuses bildet den anderen Anschluss.
EP689255 offenbar eine Endkappeneinheit, die ein PTC-Element umfasst, dessen Widerstand ansteigt mit dem Anstieg der Temperatur und den Strom unterbricht. EP689255 enthält keine Offenbarung oder keinen Vorschlag, wie das PTC-Element durch eine Widerstandseinrichtung oder einen Thermoschalter ersetzt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein oder sind mehrere Stromunterbrechermechanismen in einer einzigen Endkappeneinheit integriert, die in vorteilhafter Weise primären oder sekundären (wiederaufladbaren) Zellen zugeführt werden kann, wie zum Beispiel durch Einführen der Endkappeneinheit in das offene Ende eines Gehäuses für die Zelle. Die Endkappeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung weist bestimmte Anwendbarkeit auf wiederaufladbare Zellen auf, wie zum Beispiel auf Lithiumionen- und wiederaufladbare Lithiumzellen und dergleichen, die flüssigen oder polymeren Elektrolyt oder hybrideb polymeren/flüssigen Elektrolyt und Nickelmetallhydrid, Nickelkadmium oder andere wiederaufladbare Zellen verwenden. Die Endkappeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung überwindet die Gefahr der Zellenüberhitzung und des Aufbaus eines Drucks in der Zelle, wenn diese hohen Temperaturen ausgesetzt ist, einem übermäßigen oder unangemessenen Lade- oder Entladungszustand oder einem Kurzschluss der Zelle.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Endkappeneinheit für eine elektrochemische Zelle, wobei in der Endkappeneinheit ein thermisch ansprechender Stromunterbrechermechanismus integriert ist, der aktiviert wird, um den Stromfluss durch die Zelle zu unterbrechen und zu verhindern, wenn sich das Zelleninnere überhitzt, indem eine vorbestimmte Temperatur überschritten wird. Die Endkappeneinheit weist eine frei liegende Endkappenplatte auf, die als ein Anschluss der Zelle fungiert. Wenn die Einheit einer Zelle zugeführt wird und sich die Zelle im normalen Betrieb befindet, befindet sich die Endkappenplatte in elektrischer Übertragungsverbindung mit einer Zellenelektrode (Anode oder Kathode). Der in die Endkappeneinheit integrierte, thermisch aktivierte Stromunterbrechungsmechanismus kann ein Bimetallelement umfassen, das abgelenkt wird, wenn es einer Temperatur oberhalb eines vorbestimmten Werts ausgesetzt wird. Die Ablenkung des Bimetallelements drückt auf ein bewegliches Metallelement, um die elektrische Verbindung zwischen einer Elektrode der Zelle und der Endkappen-Anschlussplatte zu trennen, wodurch verhindert wird, dass Strom durch die Zelle fließt. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann alternativ ein thermisch ansprechendes Pellet an Stelle des Bimetallelements eingesetzt werden. Wenn die Temperatur der Zelle einen vorbestimmten Wert überschreitet, schmilzt das thermische Pellet, was bewirkt, dass das darauf getragene metallische Element ausreichend abgelenkt wird, um den elektrischen Pfad zwischen einer Elektrode der Zelle und der Endkappen-Anschlussplatte zu trennen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der thermisch ansprechende Stromunterbrechermechanismus ein Formgedächtnislegierungselement aufweisen, das in die Endkappeneinheit integriert ist. Bei normalem Betrieb der Zelle stellt das Formgedächtniselement ein Teilstück des elektrischen Pfads zwischen der Endkappenplatte und einer der Zellenelektroden bereit, so dass Strom durch die Zelle fließen kann. Wenn die Zellentemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht, wird das Formgedächtniselement abgelenkt, wodurch der elektrische Pfad unterbrochen und der durch die Zelle fließende Strom ebenfalls unverzüglich unterbrochen wird.
Eine Diode, vorzugsweise eine Zener-Diode, kann in vorteilhafter Weise in der Stromunterbrechereinheit nahe an dem thermisch ansprechenden Element platziert werden, das heißt in der Nähe der Bimetallscheibe, des Formgedächtniselements oder des schmelzfähigen Pellets. Die Zener-Diode ist elektrisch parallel mit den Zellenanschlüssen verbunden. Wenn die Zelle versehentlich überladen wird, bewirkt ein verlängerter Lade- oder Entladungsvorgang auf überhöhter Spannung eine Erhitzung der Diode, was wiederum bewirkt, dass sich die Bimetallscheibe oder das Formgedächtniselement ablenkt oder dass das Pellet, sofern vorhanden, schmilzt, um den genannten elektrischen Pfad zu unterbrechen, wodurch die Zelle abgeschaltet wird. Eine zerbrechliche Platte oder Membran kann in Verbindung mit dem thermisch ansprechenden Stromunterbrechermechanismus in die Endkappeneinheit integriert werden. Wenn sich der Druck in der Zelle so aufbaut, dass er einen vorbestimmten Wert überschreitet, zerbricht die Platte oder die Membran, was es ermöglicht, dass Gas aus dem Inneren der Zelle in die externe Umgebung austritt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Endkappeneinheit für Zellen, im Besonderen für wiederaufladbare Zellen, wobei in die Endkappe zwei Stromunterbrechermechanismen integriert sind, von denen einer auf Wärme bzw. Temperatur anspricht, während der andere auf Druck anspricht. Der thermisch ansprechende Stromunterbrechermechanismus kann vorzugsweise ein Bimetallelement, ein Formgedächtniselement oder ein thermisch ansprechendes, schmelzfähiges Pellet einsetzen, das aktiviert wird, um den Stromfluss durch die Zelle zu unterbrechen und zu verhindern, wenn sich das Zelleninnere überhitzt, wobei eine vorbestimmte Temperatur überschritten wird. Die Einheit kann in der Nähe des thermisch ansprechenden Elements eine Diode aufweisen, vorzugsweise eine Zener-Diode. Die Zener-Diode ist elektrisch parallel mit den Zellenanschlüssen verbunden. Wenn die Zelle versehentlich überladen wird, bewirkt ein längeres Laden oder Entladen auf überhöhter Spannung eine Erhitzung der Diode, was wiederum bewirkt, dass das Bimetall- oder Formgedächtniselement abgelenkt wird, oder das Pellet, sofern vorhanden, schmilzt, so dass der genannte elektrische Pfad unterbrochen wird, wodurch die Zelle abgeschaltet wird. Eine zerbrechiche Platte oder Membran kann in die Endkappeneinheit integriert werden in Verbindung mit dem thermisch ansprechenden Stromunterbrechermechanismus. Wenn sich in der Zelle Druck. aufbaut, so dass ein vorbestimmter Wert überschritten wird, bricht die Platte oder die Membran, so dass Gas aus dem Inneren der Zelle in die externe Umgebung austreten kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Endkappeneinheit für Zellen, im Besonderen für wiederaufladbare Zellen, wobei in der Endkappe zwei Stromunterbrechermechanismen integriert sind, von denen einer auf Temperatur anspricht, während der andere Mechanismus auf Druck anspricht. Der thermisch ansprechende Stromunterbrechermechanismus kann vorzugsweise ein Bimetallelement, ein Formgedächtniselement oder ein thermisch ansprechendes Pellet einsetzen, das aktiviert wird bzw. aktiv wird, um den Stromfluss durch die Zelle zu unterbrechen und zu verhindern, wenn das Zelleninnere überhitzt, so dass eine vorbestimmte Temperatur überschritten wird. Die Einheit kann in der Nähe des thermisch ansprechenden Elements eine Diode aufweisen, vorzugsweise eine Zener-Diode. Die Zener-Diode ist elektrisch parallel mit den Zellenanschlüssen verbunden. Wenn die Zelle versehentlich überladen wird, bewirkt ein verlängertes bzw. längeres Laden oder Entladen auf überhöhter Spannung ein Erhitzen der Diode, was bewirkt, dass das bimetallische oder Formgedächtniselement abgelenkt wird oder das Pellet, sofern vorhanden, schmilzt, um den elektrischen Pfad zu unterbrechen, wodurch die Zelle abgeschaltet wird. Der auf Druck ansprechende Stromunterbrechermechanismus wird aktiviert, um den Stromfluss zu unterbrechen, wenn sich der Gasdruck in der Zelle so aufbaut, dass er einen vorbestimmten Wert überschreitet. In diesem Fall kann der Stromunterbrechermechanismus bewirken, dass eine metallische Membran in der Endkappeneinheit abgelenkt wird, wodurch die elektrische Verbindung zwischen der Zellenendkappen-Anschlussplatte und einer Zellenelektrode getrennt wird, wodurch verhindert wird, dass Strom durch die Zelle fließt. Für den Fall eines extremen Aufbaus des Gasdrucks bricht auch die metallische Membran, so dass Gas durch eine Reihe von Entlüftungs- bzw. Lüftungslöchern in die Innenkammern in der Endkappeneinheit und nach außen in die externe Umgebung geleitet werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Dichtungsmechanismus für die Endkappeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Dichtungsmechanismus verhindert das Austreten von Elektrolyt, Flüssigkeit oder Gas aus dem Inneren der Endkappe in die externe Umgebung, und wobei ferner das Eintreten von Feuchtigkeit in die Zelle verhindert wird.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen: die 1, 2 und 3 vertikale Schnittansichten durch die Schnittlinien 1-1 der Endkappeneinheit aus 6;
1 den thermisch aktivierten Stromunterbrechermechanismus und den Druck aktivierten Stromunterbrechermodus in einem verbundenen Schaltungsmodus;
2 den thermisch aktivierten Stromunterbrechermechanismus in dem unterbrochenen Schaltungsmodus;
3 den Druck aktivierten Stromunterbrechermechanismus in dem Druck aktivierten unterbrochenen Schaltungsmodus;
4 eine vertikale Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Endkappeneinheit mit darin integriertem Druck aktiviertem Stromunterbrechermechanismus und thermisch aktiviertem Stromunterbrechermechanismus, wobei ein wärmeempfindliches Element weicher wird, um ein elastisches Element freizugeben, so dass die Schaltung geöffnet wird;
5 eine auseinander gezogene Perspektivansicht der Komponenten der Endkappeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß der Darstellung in dem Ausführungsbeispiel der 1 oder der 9;
6 eine Perspektivansicht der Unterseite der Endkappeneinheit, wobei die druckbeständige Platte und dort hindurch gehende Entlüftungsöffnungen abgebildet sind;
7 eine Perspektivansicht der in das offene Ende des zylindrischen Gehäuses der Zelle eingeführten Endkappeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 eine Perspektivansicht der fertig gestellten Zelle, wobei die Endkappeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in das offene Ende eines zylindrischen Gehäuses einer Zelle eingeführt ist, wobei die Endkappenplatte der Einheit einen Anschluss der Zelle bildet;
9 eine vertikale Querschnittsansicht, welche den thermisch aktivierten Stromunterbrechermechanismus zeigt, der ein Formgedächtniselement einsetzt, sowie den Druck aktivierten Stromunterbrechermechanismus in einem verbundenen Schaltungsmodus;
10 eine vertikale Querschnittsansicht des thermisch aktivierten Stromunterbrechermechanismus, der das Formgedächtniselement in dem unterbrochenen Schaltungsmodus einsetzt;
11 eine Perspektivansicht einer ovalen scheibenförmigen Konfiguration für die Diodenteileinheit; und
12 eine Perspektivansicht einer rechteckigen scheibenförmigen Konfiguration für die Diodenteileinheit.
Die Endkappeneinheit 10 (1) gemäß der vorliegenden Erfindung kann an primären oder sekundären (wiederaufladbaren) Zellen angebracht werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Endkappeneinheit 10 in das offene Ende 95 eines typischen zylindrischen Gehäuses 90 für die Zelle (7) eingeführt werden. Die Zellen weisen eine positive Elektrode (Kathode bei Entladung), eine negative Elektrode (Anode bei Entladung), einen Abscheider und negative und positive sowie negative externe Anschlüsse auf, die sich in entsprechender elektrischer Übertragungsverbindung mit den positiven und negativen Elektroden befinden.
In folgendem Bezug auf die Abbildung aus 1 der Zeichnungen umfasst eine Endkappeneinheit 10, die für das Einführen in das offene Ende eines Zellengehäuses vorgesehen ist, eine thermisch aktivierbare Stromunterbrecher-Teileinheit 38 und eine Druckentlastungs-Teileinheit 48, die darin integriert sind. Die Teileinheiten 38 und 48 sind durch eine gemeinsame Trägerplatte 60 voneinander getrennt. Die Teileinheiten 38 und 48 werden durch einen Crimp-Ring 55, der in der Abdeckung 30 liegt, in einer Abdeckung 30 gehalten. Die Abdeckung 30 definiert die äußere Wand der Endkappeneinheit 10. Die Unterbrechereinheit 38 ist an ihrem oberen Ende durch eine schalenförmige Endkappenplatte 20 definiert und an ihrem unteren Ende durch eine Kontaktplatte 15, die an die Trägerplatte 60 geschweißt ist. Die schalenarmige Endkappenplatte 20 bildet einen der externen Anschlüsse der Zelle. Die Trägerplatte 60 trennt die Kammer 68 in der thermischen Teileinheit 38 von der Kammer 78 in der Druckentlastungs-Teileinheit 48. Die Kontaktplatte 15 ist elektrisch mit der Trägerplatte 60 verbunden, die wiederum elektrisch mit einer Elektrode 88 (Anode oder Kathode) der Zelle verbunden ist, wenn die Endkappeneinheit 10 an einer Zelle angebracht wird. Ein thermisch ansprechender Schaltungsunterbrechungsmechanismus (40, 50) ist bereitgestellt, um die Schaltung zwischen der Kontaktplatte 15 und der Endkappe 20 fertig zu stellen. Wenn die Temperatur in der Zelle einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, aktiviert der Unterbrechermechanismus die Unterbrechung des elektrischen Kontakts zwischen der Endkappe 20 und der Kontaktplatte 15, wodurch es verhindert wird, dass Strom durch die Zelle fließt.
Die Druckentlastungs-Teileinheit 48 umfasst eine dünne metallische Membran 70, die mit einer druckbeständigen Platte 80 verbunden ist, die wiederum über einen leitfähigen Streifen 87, der an eine Platte 80 geschweißt ist, elektrisch mit einer Zellenelektrode 88 verbunden ist. (Die druckbeständige Platte ist elektrisch leitfähig und weist eine ausreichende Dicke auf, so dass sie sich nicht wesentlich verformt bei erhöhten Druckwerten von mindestens bis zu 600 psi (4,14 × 10⁶ Pascal.) Wenn sich der Gasdruck in der Zelle so aufbaut, dass er einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, beult sich die Membran 70 auswärts, so dass der elektrische Kontakt mit der druckbeständigen Platte 80 unterbrochen wird, wodurch verhindert wird, dass Strom zu oder von der Zelle fließt. Die druckbeständige Platte 80 und die Trägerplatte 60 weisen vorzugsweise ferner darin entsprechende Perforationen 73 und 63 auf, die die Entlüftung von Gas und eine Entlastung des Druckaufbaus in der Zelle unterstützen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus 1 kann die Endkappeneinheit 10 in einer wiederaufladbaren Zelle, wie zum Beispiel einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zelle eingesetzt werden. Eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Zelle ist gekennzeichnet durch die Übertragung von Lithiumionen von der negativen Elektrode zu der positiven Elektrode nach der Zellenentladung und von der positiven Elektrode zu der negativen Elektrode nach der Zellenladung. Sie kann für gewöhnlich eine positive Elektrode aus Lithium-Kobaltoxid (Li_xCoO₂) oder Lithium-Nickeloxid (LiNi_xO₂) oder Kobalt substituiertem Lithium-Nickeloxid (LiCo_xNi_yO₂) oder Lithium-Manganoxid mit kristallinier Spinellstruktur (Li_xMn₂O₄) aufweisen. Die Lithiumionenzelle weist für gewöhnlich eine negative Elektrode auf, die Kohlenstoff oder Zinnoxidmaterialien einsetzt. Die negative Elektrode bildet die Anode der Zelle während der Entladung und die Kathode während dem Laden, und die positive Elektrode bildet die Kathode der Zelle während dem Entladen und die Anode während dem Laden. Der Elektrolyt für derartige Zellen kann ein Lithiumsalz umfassen, das in einer Mischung aus nicht-wäßrigen Lösemitteln aufgelöst ist. Bei dem Salz kann es sich um LiPF₆ handeln, und die Lösemittel können in vorteilhafter Weise Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC) und Mischungen dieser aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist ebenso zum Beispiel bei anderen wiederaufladbaren Zellen anwendbar, wie etwa Nickelmetallhydridzellen und Nickelcadmiumzellen. Die Endkappeneinheit 10 umfasst einen Endkappenanschluss 20, der für gewöhnlich den positiven Anschluss der wiederaufladbaren Zelle darstellt, eine Metallträgerplatte 60, die eine Trägerbasis unter der Kappenplatte 20 bildet, und eine Isolatorscheibe 35 zwischen der Endkappe 20 und der Trägerplatte 60. Die Kappeneinheit 10 ist in vorteilhafter Weise ferner mit einer Druckentlastungsmembran 70 unter der Trägerplatte 60 versehen, wie dies in der Abbildung aus 1 dargestellt ist. Die Membran 70 kann an eine darunter liegende druckbeständige Platte 80 geschweißt werden. Dies kann in geeigneter Weise durch Schweißen der Basis 72 der Membran 70 an einen erhöhten Abschnitt 82 der darunter liegenden druckbeständigen Platte 80 erfolgen. Die Membran 70 sollte aus einem Material bestehen, das elektrisch leitfähig ist und eine Mindestdicke zwischen etwa 0,1 und 0,5 Millimeter aufweist, abhängig von dem Druck, bei dem eine Betätigung der Membran vorgesehen ist. Die Membran 70 kann in wünschenswerter Weise aus Aluminium bestehen. Die Membran 70 ist in vorteilhafter Weise geprägt, so dass sie bei einem vorbestimmten Druck bricht. Das heißt, die Membranoberfläche kann gestanzt oder geätzt werden, so dass ein Teilstück bzw. Abschnitt der Oberfläche eine geringere Dicke als der Rest der Oberfläche aufweist. Eine bevorzugte Membran 70 zum Einsatz gemäß der vorliegenden Erfindung ist so geprägt, dass in ihrer Oberfläche eine halbkreisförmige oder "C"-förmige Rille 70a vorgesehen wird. Die Form der Rille entspricht in vorteilhafter Weise vollständig oder größtenteils der Form eines Hauptabschnitts des peripheren Rands der Membran 70, und wobei sie in vorteilhafter Weise in der Nähe des peripheren Rands positioniert ist. Der spezielle Druck, mit dem die Entlüftung erfolgt, ist steuerbar durch Veränderung von Parametern wie Tiefe, Position oder Form der Rille sowie der Härte des Materials. Wenn der Druck zu hoch wird, zerbricht die Membran entlang der Rillenlinie. Die Endkappe 20 und die Trägerplatte 60 definieren dazwischen eine Kammer 68, in der sich eine thermisch aktivierte Stromunterbrecher-Teileinheit 38 befindet. Die Isolatorscheibe 35 ist zwischen einem peripheren Basisabschnitt 35a und einem sich von dort erstreckenden, nach unten geneigten Arm 35b ausgebildet. Der Arm 35b erstreckt sich in die Kammer 68. Die Membran 70 ist so gestaltet, dass sie zerbricht, wenn der Gasaufbau in der Zelle einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Der Bereich zwischen der Trägerplatte 60 und der Membran 70 bildet eine Kammer 78, in welche das sich in der Zelle aufgebaute Gas entlüften kann, wenn die Membran 70 zerbricht.
Die Stromunterbrecher-Teileinheit 38 umfasst eine thermisch ansprechende Bimetallscheibe 40, eine metallische Kontaktplatte 15, die sich in elektrischem Kontakt mit einem elastischen, federähnlichen Element 50 befindet. Wie dies in den Abbildungen der 1 und 5 dargestellt ist, kann das elastische Element 50 aus einem einzelnen flexiblen Element gebildet werden, mit einem äußeren kreisförmigen peripheren Teilstück 50a, von dem sich ein Scheibenhaltestreifenteilstück 50c radial einwärts erstreckt, so dass es allgemein die Bimetallscheibe 40 während jeder Ausrichtung der Zelle frei an der Verwendungsposition hält, wobei die Einschnapp- bzw. Schnappwirkungsfunktion nicht eingeschränkt wird. Das Element kann an eine Stelle des äußeren Abschnitts 50a an die Endkappenplatte 20 geschweißt werden, wobei sich ein zentraler Kontaktabschnitt 50b in Kontakt mit der Platte 15 befindet. Darüber hinaus kann der Kontaktabschnitt 50b mit einer reduzierten Querschnittsfläche gestaltet werden, so dass er als ein trennbarer Schmelzstreifen fungieren kann, um vor Überspannungszuständen zu schützen. Die bimetallische Scheibe 50 ist so positioniert, dass sie frei mit den schräg stehenden bzw. geneigten Armen 35b der Isolatorscheibe 35 eingreift, wobei die Arme als Scheibensitz für die Scheibe 40 fungieren. Die Bimetallscheibe 40 weist ferner vorzugsweise eine zentrale Öffnung zur Aufnahme eines erhöhten Kontaktabschnitts der metallischen Kontaktplatte 15 auf. Die Kontaktplatte 15 ist vorzugsweise an die Trägerplatte 60 geschweißt und stellt eine Oberfläche bereit, an der das elastische Element 50 ruhen kann, wie dies in der Abbildung aus 1 dargestellt ist. Die Stromunterbrecher-Teileinheit 38 der Endkappeneinheit 10 kann ferner eine Diode aufweisen, vorzugsweise einen Zener-Diodenchip 700. Die positive metallische Seite 720 der Diode wird mit der Endkappe 20 verbunden, indem sie durch ein leitfähiges Lötmittel an dieser angebracht wird. Eine leitfähige Zuleitung 702, welche die Form eines metallischen Drahts oder eines Streifens aufweisen kann, ist so bereitgestellt, dass sie sich von der negativen Seite 730 der Diode erstreckt. Die Zuleitung 702 kann elektrisch mit dem Crimp-Ring 55 der Endkappeneinheit verbunden sein. Die Verbinderzuleitung 702 kann an die negative Seite 730 geschweißt werden. Der Crimp-Ring 55 ist elektrisch mit der äußeren Wand 30 verbunden, die wiederum elektrisch mit dem negativen Anschluss der Zelle verbunden wird, indem sie an das Gehäuse 90 der Zelle geschweißt wird. Somit wird die negative Zuleitung 702, die sich von der Diode erstreckt, elektrisch mit dem negativen Anschluss (Zellengehäuse) der Zelle verbunden. Eine elektrische Isolierung 703 wird über und unter der negativen Zuleitung 702 bereitgestellt, welche die Zuleitung umgibt und sie vor einem Kontakt mit der Endkappe 20 oder jeder anderen internen metallischen Komponente in der Endkappeneinheit 10 schützt, die positiv ist. Die Isolierung 703 kann in Form eines Films gegeben sein, der aus einem Polyester- oder Polyimid-Material besteht. Alternativ kann die Isolierung 703 aus Polyvinylchlorid bestehen. In ähnlicher Weise wird die frei liegende metallische negative Seite 730 der Diode mit einem isolierenden Material 703 überzogen, wie etwa mit einem isolierenden Film aus einem Polyester- oder Polyimid-Material, um einen Kontakt zwischen der negativen Seite 730 der Diode und metallischen Komponenten in der Einheit 10 zu verhindern, die positiv sind. Die Zener-Diode 700 weist vorzugsweise eine Zener-Spannung unter etwa 5,0 Volt auf, vorzugsweise zwischen etwa 4,7 und 5,0 Volt, sowie eine Wattleistung zwischen etwa 100 und 500 Mikrowatt zur Verwendung in der Endkappeneinheit 10, bei einer Anwendung in Verbindung mit Lithiumionenzellen. Eine bevorzugte Zener-Diode 700 zum Anbringen an der Endkappeneinheit 320, die in Verbindung mit einer Lithiumionenzelle verwendet wird, kann einen Zener-Dioden-Wafer-Chip (500 Mikrowatt) vom Typ Nr. CDC5230 mit einer Zener-Spannung von 4,7 Volt darstellen, erhältlich von Compensated Devices Inc., Melrose, Massachusetts, USA. Die Zener-Diode 700 bildet in Verbindung mit der leitfähigen Zuleitung 702 und der Isolierung 703 eine Diodenteileinheit mit einer Dicke zwischen etwa 0,25 und 0,35 mm.
Die Zener-Diode 700 ist eine Halbleiter-Flächenvorrichtung mit zwei Anschlüssen, welche die Form eines Wafers bzw. einer Halbleiterscheibe aufweisen kann, wie zum Beispiel eine dünne ovale (11) oder polygonale Wafer-Scheibe, vorzugsweise eine rechteckige oder quadratische Wafer-Scheibe gemäß der Abbildung aus 12, oder eine zylindrische Form. In der Wafer- oder Scheibenform weist die Zener-Diode eine metallisierte positive Anschlussseite (Kathode) 720, eine metallisierte negative Anschlussseite (Anode) 730 und eine Kernhalbleiter-Flächen- bzw. Übergangsschicht 715 zwischen den beiden Anschlussseiten auf. Der Übergang 715 wird für gewöhnlich mit Siliziumdioxid geschützt. In der zylindrischen Zener-Diode liegt der Halbleiterübergang in dem Zylinder. Die äußere Oberfläche des Zylinders bildet eine der Anschlussflächen bzw. Anschlussseiten, und ein Ende des Zylinders bildet den gegenüberliegenden Anschluss. Wenn die Zener-Diode mit einer elektrochemischen Zelle oder einer anderen Gleichstrom-Stromversorgung verbunden ist, weist die Zener-Diode ein kennzeichnendes Strom- vs. Spannungsprofil auf. Die Zener-Dioden können durch die Zener-Spannung V* (Durchbruchspannung) und den Leistungsverbrauch bzw. die Leistungsaufnahme (Watt) auf der Zener-Spannung vorab ausgewählt werden. Wenn die Spannung V an den Diodenanschlüssen verändert wird, geht der Widerstand durch die Diode allmählich zurück, bis auf die Zener-Spannung V. Wenn die Spannung die Zener-Spannung V* erreicht und überschreitet, fällt der Widerstand durch die Diode drastisch ab. Dies bedeutet, dass der Diodenwiderstand sehr klein wird und der Strom I durch die Diode sehr hoch wird, wenn die Spannung deutlich über die Zener-Spannung V* ansteigt. Wenn der Strom durch die Diode verläuft, wird die Diode einer I²R-Erhitzung ausgesetzt, wobei die Gleichgewichts-Oberflächentemperatur eine Funktion der Watt-Dichte darstellt (Leistungsaufnahme je Oberflächenbereichseinheit).
Es konnte festgestellt werden, dass die ordnungsgemäße Auswahl einer Diode, vorzugsweise einer Zener-Diode und die Platzierung der Diode in der Endkappeneinheit 10 in der Nähe der thermisch ansprechenden Stromunterbrecherscheibe 40 zusätzliche Sicherheit für den Fall bietet, dass die Zelle einem Überladungszustand ausgesetzt wird, der das Ergebnis einer übermäßigen Ladespannung oder eines hohen Ladestroms ist. In diesem Fall wird die Diode aufgrund der I²R-Erhitzung schnell heiß, was wiederum bewirkt, dass die Stromunterbrecherscheibe 40 abgelenkt wird, so dass der elektrische Pfad zwischen dem Elektrodenstreifen 87 und der abschließenden Endkappe 20 unterbrochen und die Zelle abgeschaltet wird. Es wurde festgestellt, dass die Integration der Zener-Diode die Abschaltreaktion während derartigen Überladungssituationen beschleunigt, da die Stromunterbrecherscheibe 40 einer zusätzlichen Hitzequelle ausgesetzt ist und diese misst, nämlich der bzw. die Diode. Die Zener-Diode wird in vorteilhafter Weise so ausgewählt, dass ihre Zener-Spannung deutlich über der normalen Betriebsspannung der Zelle liegt, wobei sie jedoch gleichzeitig einen Spannungsschwellenwert darstellt, bei dem es wünschenswert ist, die Stromunterbrecherscheibe 40 auszulösen, um die Zelle abzuschalten. Die Zener-Diode wird ferner so ausgewählt, dass der auf der Zener-Spannung geführte Strom als Hitze abgeleitet wird, welche eine Temperatur erreicht, die ausreicht, um eine Ablenkung der Stromunterbrecherscheibe 40 zu bewirken. Vorzugsweise wird die Diode ferner so ausgewählt, dass sie nur eine zu vernachlässigende Entleerung der Zelle bewirkt, wenn sich die Zelle nicht im Einsatz befindet. Bei Lithiumionenzellen ist es wünschenswert, die Zener-Diode so auszuwählen, dass sie wenige als etwa 100 Mikroampere, vorzugsweise etwa 20 Mikroampere Strom bei 3,0 Volt entleert.
Eine Lithiumionenzelle arbeitet in einem Spannungsbereich, der für gewöhnlich zwischen drei und vier Volt liegt. Somit kann eine Auswahl einer zweckmäßigen Zener-Diode für eine Lithiumionenzelle zum Einsatz in der Endkappeneinheit 109 und anderen Stromunterbrecher-Endkappeneinheiten, die hierin beschrieben werden, in wünschenswerter Weise eine Zener-Spannung von unter etwa 5,0 Volt aufweisen, vorzugsweise zwischen 4,7 und 5,0 Volt, sowie eine Wattleistung zwischen etwa 100 und 500 Mikrowatt. Derartige Dioden weisen eine zu vernachlässigende Entnahme bzw. Entleerung an der Zelle auf, wenn sich die Zelle nicht im Einsatz befindet, und sie erzeugen unter normalen Ladebedingungen nicht genug Hitze, um es zu bewirken, dass die Stromunterbrecherscheibe 40 abgelenkt wird. Eine bevorzugte Zener-Diode 700 für eine Anwendung in Verbindung mit der Endkappeneinheit 10, die in Verbindung mit einer Lithiumionenzelle eingesetzt wird, kann ein Zener-Dioden-Wafer-Chip (500 Mikrowatt) vom Typ Nr. CDC5230 mit einer Zener-Spannung von 4,7 Volt darstellen, hergestellt von Compensated Devices Inc. Melrose, Massachusetts, USA. Eine alternative Zener-Diode 700 zur Verwendung in Verbindung mit der Endkappeneinheit 10, die in Verbindung mit einer Lithiumionenzelle eingesetzt wird, kann ein 300-Mikrowatt-Wafer-Chip vom Typ Nr. CDC4688 mit einer Zener-Spannung von 4,7 Volt darstellen. Derartige Chips weisen eine Breite von etwa 0,6 mm und eine Dicke von etwa 0,25 mm auf.
Die bevorzugte Diode 700 für die Endkappeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwar eine Zener-Diode, wobei stattdessen aber auch andere Dioden eingesetzt werden können. Zum Beispiel kann die Zener-Diode durch eine Schottky-Diode oder eine Leistungsgleichrichterdiode mit geeigneter Leistungsableitung und niedriger Spannungsentnahme ersetzt werden. Derartige Dioden weisen ebenfalls die wünschenswerte Eigenschaft der Verringerung des Widerstands auf, wenn die angelegte Spannung ansteigt und können somit als ein Heizelement an Stelle der Zener-Diode verwendet werden, um es zu bewirken, dass die Stromunterbrecherscheibe 40 in der Situation abgelenkt wird, wenn die Zelle einem Überladungszustand ausgesetzt wird. Diese Dioden sind jedoch weniger wünschenswert als die Zener-Diode, da sie keinen drastischen Abfall des Widerstands aufweisen, wenn eine bestimmte Spannung erreicht wird, wie zum Beispiel eine vorher ausgewählte Zener-Spannung.
Die Diode 700 ist in den hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen für Endkappeneinheiten permanent parallel mit den Anschlüssen der Zelle verbunden. In den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind der positive Anschluss 720 der Diode 700 und das elastische Stromunterbrecherelement 50 (1) elektrisch mit dem positiven Anschluss der Zelle verbunden. Wenn somit das Stromunterbrecherelement 50 abgelenkt wird, wird der elektrische Pfad zwischen dem positiven Anschluss und der positiven Elektrode unterbrochen, wobei gleichzeitig die Zelle abgeschaltet wird und die Diode deaktiviert wird. Alternative Schaltungsbauweisen für den Einschluss der Diode sind ebenfalls möglich. Andere Widerstände, wie zum Beispiel Widerstandselemente, können in die Schaltung integriert werden zwischen einem oder beiden Anschlüssen der Zener-Diode und der Verbindung des genannten Zener-Anschlusses mit einem Zellenanschluss entsprechender Polarität. Ferner kann die Diode 700 (1) parallel mit den Zellenanschlüssen verbunden werden, und der Stromunterbrecher 50 kann zum Beispiel in Reihe mit der Diode verbunden werden, wenn die positive Seite 720 der Diode 700 anstatt mit der Endkappe 20 mit der Kontaktplatte 15 oder der metallischen Trägerplatte 60 verbunden wäre. In einem derartigen Ausführungsbeispiel wird die Diode nicht deaktiviert, wenn das elastische Stromunterbrecherelement 50 abgelenkt wird. Folglich ist es nicht beabsichtigt, dass der hierin und in den Ansprüchen verwendete Begriff parallele elektrische Verbindung der Diode 700 die Möglichkeit der Einführung zusätzlicher Widerstände oder des Stromunterbrechers 50 in dem Schaltungszweig zwischen einem Diodenanschluss und der Verbindung dieses Anschlusses mit einem Zellenanschluss mit entsprechender Polarität ausschließt. Die gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgewählten Dioden sehen an der Zelle eine zu vernachlässigende Entnahme vor. Um die Entleerung bzw. Entnahme an der Zelle im Ruhezustand vollständig zu beseitigen, kann einer der Diodenanschlüsse permanent mit einem entsprechenden Zellenanschluss verbunden sein, und der andere Anschluss kann über einen Schalter mit dem entsprechenden Zellenanschluss verbunden werden, wobei der Schalter eingeschaltet wird, wenn die Zelle in die Ladevorrichtung eingeführt wird oder wenn die Vorrichtung mit Strom versorgt wird.
Der Einsatz der Endkappeneinheit 10 mit oder ohne Einschluss der Zener-Diode 700 schließt das Hinzufügen einer herkömmlichen PTC-Vorrichtung (Vorrichtung mit positivem Wärmeausdehnungskoeffizienten) in dem elektrischen Pfad zwischen dem positiven Elektrodenstreifen 87 und dem positiven Anschluss 20 nicht aus. Wenn eine derartige PTC-Vorrichtung hinzugefügt wird, kann sie in der Endkappeneinheit 10 oder außerhalb dieser platziert werden. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel für die Endkappeneinheit 10 mit enthaltener Zener-Diode 700 erfordert jedoch keine PTC-Vorrichtung. PTC-Vorrichtungen weisen einen ansteigenden Widerstand auf, wenn der dort hindurch fließende Strom zunimmt. Der Widerstand der PTC-Vorrichtung steigt jedoch nicht hoch genug an, um es zu vermeiden, dass gar kein Strom dort hindurch fließt. Die PTC-Vorrichtung selbst bietet somit nicht das gleiche Maß an Schutz wie das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel für die Endkappeneinheit 10, im Besonderen dann nicht, wenn die Zelle einer Überladung ausgesetzt wird durch den Einsatz einer übermäßigen Ladespannung oder einem längeren Ladezustand. Darüber hinaus ist die thermische Stromunterbrecherscheibe 40 auch in der Lage auf übermäßigen Lade- oder Entladungsstrom zu reagieren, wobei es überflüssig wird, eine PTC-Vorrichtung zu integrieren, um für diese Situationen einen Schutz vorzusehen.
Vorgesehen ist eine elektrisch isolierende Durchführung 25, die sich über den peripheren Rand der Endkappe 20 erstreckt und entlang des unteren peripheren Rands der Membran 70. Die Durchführung 25 stößt auch an den äußeren Rand der Teileinheit 38 an, wie dies in der Abbildung aus 1 dargestellt ist. Vorgesehen sein kann ein metallischer Ring 55, der über die obere Kante der Durchführung 25 gecrimpt ist und gegen die Membran 70 drückt, um die inneren Komponenten der Endkappeneinheit dicht zu verschließen. Die Durchführung 25 dient der elektrischen Isolierung der Endkappe 20 von dem Crimp-Ring 55 und auch der Bildung eines dichten Verschlusses zwischen der Trägerplatte 60 und dem Crimp-Ring 55. Die Abdeckung 30 der Endkappeneinheit 10 kann aus einem kegelstumpfartigen zylindrischen Element gebildet werden, wie dies in der Abbildung aus 5 am besten dargestellt ist. In einer fertig gestellten Zelleneinheit (8) gelangt die äußere Oberfläche der Abdeckung 30 in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Zellengehäuses 90. Die Trägerplatte 60 stellt eine Basis für die Komponenten der Teileinheit 38 um daran zu ruhen dar und weist vorzugsweise eine Bogenform auf, um eine aktive radiale Kompressionskraft auf die innere Oberfläche der Durchführung 25 aufrecht zu erhalten. Die Trägerplatte 60 kann mit Perforationen 63 in ihrer Oberfläche bereitgestellt werden, um Gas in die obere Kammer 68 zu entlüften, wenn die Membran 70 bricht. Gas, das in die obere Kammer 68 eintritt, wird durch primäre Entlüftungslöcher 67 in der Endkappe 20 in die externe Umgebung entlüftet. Die Abdeckung 30 der Endkappeneinheit befindet sich in Kontakt mit dem Zellengehäuse 90, das sich in elektrischem Kontakt mit dem gegenüberliegenden Anschluss befindet, für gewöhnlich dem negativen Anschluss im Falle einer wiederaufladbaren Lithiumionenzelle. Somit sorgt die Durchführung 25 für eine elektrische Isolierung zwischen der Endkappe 20 und der äußeren Wand 30, das heißt, zwischen den beiden Anschlüssen der Zelle, wodurch ein Kurzschluss der Zelle verhindert wird. Vorgesehen sein kann ein zusätzlicher isolatorring, nämlich in Form eines inneren Abstandsrings 42 zwischen dem oberen Abschnitt der äußeren Wand 30 und der Druckplatte 80, wie dies in der Abbildung aus 1 veranschaulicht ist, ebenfalls um sicherzustellen, dass kein Kurzschluss zwischen den positiven und negativen Anschlüssen der Zelle auftritt.
Die Membran 70 weist vorzugsweise die Form einer Schale auf, die aus Aluminium mit einer Dicke besteht, die in vorteilhafter Weise zwischen 3 und 10 Milliinch liegt. Bei einer derartigen Dicke bricht die Schweißverbindung zwischen der Membranbasis 72 und der Trägerplatte 80, und die Membranbasis 72 beult und trennt sich von der Trägerplatte 80 (3), wenn der innere Gasdruck in der Zelle auf einen Schwellenwert ansteigt, der mindestens zwischen etwa 100 psi und 200 psi (6,894 × 10⁶ und 13,89 × 10⁵ Pascal) liegt. (Dieser Druckaufbau kann zum Beispiel auftreten, wenn die Zelle mit einer höheren als der empfohlenen Spannung geladen wird oder wenn die Zelle kurzgeschlossen oder missbräuchlich eingesetzt wird.) Wenn dies gewünscht wird, kann die Dicke der Membranbasis 72 jedoch in geeigneter Weise so angepasst werden, dass sie sich bei anderen Druckwerten beult. Die Trennung der Membranbasis 72 von der Platte 80 unterbricht vollständig den elektrischen Kontakt zwischen der Membran 70 und der Platte 80. Die Trennung unterbricht zudem den elektrischen Pfad zwischen der Endkappe 20 und der Zellenelektrode 88, die sich in Kontakt mit der Platte 80 befindet, so dass kein Strom mehr zu oder von der Zelle fließen kann, wodurch im Resultat die Zelle abgeschaltet wird. Wenn, selbst wenn der Strompfad unterbrochen ist, der Druck in der Zelle aus anderen Gründen weiter ansteigt, wie zum Beispiel durch Erhitzung in einem Ofen, so bricht die Entlüftungsmembran 70 ebenfalls vorzugsweise auf einem Schwellenwertdruck von mindestens zwischen etwa 250 und 400 psi (17,2 × 10⁵ und 27,6 × 10⁵ Pascal), um eine Zellenexplosion zu verhindern. Unter derartig extremen Bedingungen ermöglicht es der Bruch der Entlüftungsmembran 70, dass Gas aus dem Zelleninneren durch die Entlüftungslöcher 73 (1 und 6) in der druckbeständigen Platte 80 entlüftet, woraufhin das Gas in die untere Kammer 78 eintritt. Das Gas verläuft danach von der unteren Kammer 78 zu der oberen Kammer 68 durch die Entlüftungslöcher 63 in der Trägerplatte 60 (1) und bei Bedarf durch die Entlüftungslöcher (nicht abgebildet) in der Isolatorscheibe 35. In der oberen Kammer 68 angesammeltes Gas wird durch primäre Entlüftungslöcher 67 in der Endkappenplatte 20 in die externe Umgebung entlüftet.
Die Stromunterbrechermerkmale gemäß der vorliegenden Erfindung können in Bezug auf die Abbildungen der 1 bis 3 beschrieben werden. Hiermit wird festgestellt, dass in dem darin dargestellten bestimmten Ausführungsbeispiel eine der Zellenelektroden über den Streifen 87 in Kontakt mit der Platte 80 gelangt, wenn die Endkappeneinheit 10 an einer Zelle angebracht wird. Bei normalem Zellenbetrieb ist die Platte 80 wiederum elektrisch mit der Endkappenplatte 20 verbunden. Bei einer Lithiumionenzelle kann es sich bei der Elektrode 88, die sich in Kontakt mit der Platte 80 befindet, in geeigneter Weise um die positive Elektrode handeln. Diese Elektrode wird von dem Zellengehäuse 90 isoliert. Die negative Elektrode (nicht abgebildet) wird mit dem Zellengehäuse 90 verbunden. Da Ausführungsbeispiel aus 1 zeigt die Konfiguration der Endkappeneinheit vor der Unterbrechung des Stroms entweder durch Aktivierung der thermischen Stromunterbrecher-Bimetallscheibe 40 oder durch Aktivierung der Druckentlastungsmembran 70. In dem besonderen Ausführungsbeispiel, das in der Abbildung aus 1 veranschaulicht ist, befindet sich die Platte 80 in elektrischem Kontakt mit der Membran 70, und die Membran 70 befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Trägerplatte 60. Die Trägerplatte 60 befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Kontaktplatte 15, die sich in elektrischem Kontakt mit dem elastischen Element 50 befindet, das sich wiederum in elektrischem Kontakt mit der Endkappe 20 befindet. Bei dem integrierten Endkappendesign gemäß der vorliegenden Erfindung, das in der Abbildung aus 1 abgebildet ist, kann der elektrische Kontakt zwischen der Elektrode 88, die sich in Kontakt mit der Druckplatte 80 und der Endkappe 20 befindet, auf zweierlei Art und Weise unterbrochen werden. Wenn, wie dies vorstehend im Text beschrieben worden ist, sich in der Zelle ein Druck bis auf einen vorbestimmten Schwellenwert aufbaut, so wird der Kontakt zwischen der Membran 70 und der Druckplatte 80 unterbrochen, wenn sich die Membranbasis 72 von der Druckplatte 80 weggehend beult. Diese Unterbrechung der Schaltung verhindert es, dass Strom zu oder von der Zelle fließt. Wenn die Zelle alternativ überhitzt, aktiviert sich die Bimetallscheibe 40 der thermischen Unterbrecher-Teileinheit 38, wenn die innere Zellentemperatur oder die Temperatur der Diode 700 einen vorbestimmten Wert erreicht. Dabei wird die Bimetallscheibe von dem Isolator 35b nach oben gedrückt, was bewirkt, dass das elastische Element 50 von der Kontaktplatte 15 ausrückt. Dies wiederum unterbricht bzw. trennt den elektrischen Pfad zwischen dem Elektrodenstreifen 87 und der Endkappe 20, wodurch es verhindert wird, dass Strom zu oder von der Zelle fließt. Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, diese beiden Unterbrechermechanismen in einer einzigen Endkappeneinheit 10 zu integrieren, die in das offene Ende eines Zellengehäuses als eine Einheit eingeführt werden kann. Ferner ist es ein Vorteil, eine Zener-Diode 700 in der Endkappeneinheit 10 für eine verbesserte thermische Empfindlichkeit und eine erhöhte Sicherheit zu integrieren, im Besonderen für den Fall der Erhitzung der Zelle, verursacht durch längeres bzw. zu langes Laden oder den Einsatz einer überhöhten Ladespannung.
Die Bimetallscheibe 40 ist vorzugsweise nicht physisch an der darunter liegenden Isolatorscheibe 35 angebracht, sondern kann sich frei bewegen, das heißt, sie ruht in einem frei schwebenden Zustand auf dem Scheibenarm 35b, wie dies in der Abbildung aus 1 dargestellt ist. Bei einem derartigen Design fließt zu keiner Zeit Strom durch die Bimetallscheibe 40, unabhängig davon, ob die Zelle lädt oder entlädt. Der Grund dafür ist es, dass sich die Scheibe 40 im inaktiven Zustand nicht in elektrischem Kontakt mit der Kontaktplatte 15 befindet. Wenn sich die Zelle jedoch über eine vorbestimmte Schwellenwerttemperatur überhitzt, so ist die Bimetallscheibe 40 mit der entsprechenden Kalibrierung gestaltet, so dass sie schnappt oder sich verformt (2), was bewirkt, dass sie das elastische Element 50 von der Kontaktplatte 15 weg drückt, wodurch verhindert wird, dass Strom zwischen den Zellenanschlüssen fließt. Die Bimetallscheibe 40 wird kalibriert, so dass sie eine vorbestimmte einwärts gekrümmte Form aufweist, die es ermöglicht, dass die Scheibe betätigt wird, wenn eine bestimmte Schwellenwerttemperatur erreicht wird. Die frei schwebende Konstruktion der Bimetallscheibe 40 an dem Isolatorscheibenarm 35b gemäß der vorstehenden Beschreibung ermöglicht es zu keiner Zeit, dass Strom dort hindurch fließt, unabhängig davon, ob sich die Zelle lädt oder entlädt. Dies erleichtert die Kalibrierung der Scheibe 40 und macht sie präziser, da kein Heizeffekt vorhanden ist, bewirkt durch einen Stromfluss durch die Bimetallscheibe 40 (I²R-Erhitzung). Die Bimetallscheibe 40 kann in geeigneter Weise zwei Lagen bzw. Schichten aus unterschiedlichen Metallen mit unterschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen. Die obere Schicht der Bimetallscheibe 40 (die Schicht bzw. Lage, die der Endkappe 20 am nächsten ist) kann aus einem Metall mit hoher Wärmeausdehnung bestehen, vorzugsweise aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, und die darunter liegende oder untere Schicht kann aus einem Metall mit geringer Wärmeausdehnung bestehen, vorzugsweise einer Nickel-Eisen-Legierung. In einem derartigen Ausführungsbeispiel kann die Scheibe 40 sich aktivieren, wenn die Temperatur auf mindestens zwischen etwa 60 und 75 °C ansteigt, was eine ausreichende Verformung der Scheibe 40 bewirkt, um das elastische Element 50 aus dem Kontakt mit der Kontaktplatte 15 zu drücken. Ferner können die Metallschichten mit hoher und niedriger Wärmeausdehnung so ausgewählt werden, dass die Scheibe 40 nicht an den Ausgangszustand zurückkehrt, ausgenommen bei einer Temperatur unterhalb von –20 °C, wodurch die Vorrichtung für die meisten Anwendungen zu einer thermostatischen Vorrichtung mit Einmalbetätigung wird.
Die bevorzugten Materialien bzw. Werkstoffe für die vorstehend beschriebenen Komponenten werden wie folgt beschrieben: die Endkappe 20 besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder vernickeltem Stahl mit einer Dicke zwischen etwa 8 und 15 Milliinch (0,2 bis 0,375 mm), um angemessene Stützfunktion, Stärke und Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen. Die Außenwand 30 der Endkappeneinheit 10 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Edestahl oder vernickeltem Stahl mit einer Dicke zwischen etwa 8 und 15 Milliinch (0,2 bis 0,375 mm). Die Druckplatte 80 besteht vorzugsweise aus Aluminium mit einer Dicke zwischen etwa 10 und 20 Milliinch (0,25 und 0,5 mm), die in der Mitte an dem Punkt des Schweißkontakts mit der Membranbasis 72 auf etwa zwischen 2 und 5 Milliinch (0,05 und 0,125 mm) reduziert werden kann. Der Isolator-Abstandsring 42 kann aus einem hochtemperaturfesten thermoplastischen Material bestehen, wie etwa aus hochtemperaturfestem Polyester, das Stärke bzw. Festigkeit und Haltbarkeit bereitstellt, erhältlich unter der Handelsbezeichnung VALOX von der General Electric Plastics Company. Der Crimp-Ring 55 besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder vernickeltem Stahl mit einer Dicke zwischen etwa 8 und 15 Milliinch (0,2 bis 0,375 mm), um Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen. Die Membran 70 besteht vorzugsweise aus Aluminium mit einer Dicke zwischen etwa 3 und 10 Milliinch (0,075 bis 0,25 mm). Bei einer derartigen Dicke löst sich die Membran von ihrer Schweißverbindung mit der Druckplatte 80, wenn der innere Gasdruck einen Schwellenwertdruck zwischen etwa 100 und 250 psi (6,89 × 10⁵ und 17,2 × 10⁵ Pascal) überschreitet. Wenn der innere Gasdruck einen Druck zwischen etwa 250 und 400 psi (17,2 × 10⁵ und 27,6 × 10⁵ Pascal) überschreitet, bricht die Membran 70, um eine zusätzliche Entlastung in Bezug auf den aufgebauten Gasdruck bereitzustellen. Die Isolatorscheibe 35, an welcher die Bimetallscheibe 40 ruht, besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher Druckfestigkeit und hoher thermischer Beständigkeit bzw. Wärmebeständigkeit und geringer Formschrumpfung. Bei einem geeigneten Material für die Scheibe 35 handelt es sich um ein Flüssigkristallpolymer oder dergleichen mit einer Dicke zwischen etwa 10 und 30 Milliinch (0,25 und 0,75 mm), erhältlich unter der Handelsbezeichnung VECTRA von der Celanese Co. Die Trägerplatte 60 besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder vernickeltem Stahl, um eine ausreichende Stärke bzw. Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei einer Dicke zwischen etwa 10 und 30 Milliinch (0,25 und 0,75 mm) bereitzustellen. Das elastische Element 50 wird in vorteilhafter Weise aus Beryllium-Kupfer, einer Nickel-Kupfer-Legierung, Edelstahl oder dergleichen mit guter Federwirkung und ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit gebildet. Eine geeignete Dicke für das elastische Element 50, wenn dieses aus Beryllium-Kupfer oder einer Nickel-Kupfer-Legierung gebildet wird, liegt zwischen etwa 3 und 8 Milliinch (0,075 und 0,2 mm), um eine ausreichende Festigkeit und Stromführungsfähigkeit vorzusehen. Das Material kann mit Silber oder Gold in dem Kontaktbereich plattiert sein oder eine Silber- oder Goldeinlage in diesem Bereich aufweisen, um in diesem Bereich einen niedrigeren elektrischen Widerstand bereitzustellen. Die Kontaktplatte 15 wird in vorteilhafter Weise aus kaltgewalztem Stahl gebildet, der mit einem Edelmetall plattiert ist, wie etwa Gold oder Silber, um den Kontaktwiderstand zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Ferner kann die Platte aus einer Nickel-Kupfer-Hülllegierung, Edelstahl oder vernickeltem Stahl gebildet werden. Die Durchführung 25 wird für gewöhnlich aus einem Polymeer hergestellt, wie etwa aus Nylon oder Polypropylen. Die Dichtung um die Komponenten der Endkappeneinheit sollte luftdicht bzw. hermetisch sein, so dass es verhindert wird, dass Elektrolyt in flüssiger Form oder als Dampf in die Endkappenkammern eintritt oder die Zelle verlasst.
Nachdem die Endkappeneinheit 10 fertig gestellt worden ist, kann sie in das offene Ende 95 eines zylindrischen Zellengehäuses 90 eingeführt werden, wie dies in der Abbildung aus 7 dargestellt ist. Der umfängliche Rand des Zellengehäuses 90 ist an dessen offenen Ende an die äußere Wand der Abdeckung 30 der Endkappeneinheit 10 geschweißt, um einen hermetischen bzw. luftdichten Verschluss zwischen der Endkappeneinheit 10 und dem Zellengehäuse 90 bereitzustellen. Der radiale Druck der umfänglichen Wand des Crimp-Rings 55 an der Durchführung 25 und der Membran 70 erzeugt einen luftdichten Verschluss um die inneren Komponenten der Endkappeneinheit 10.
In der Abbildung aus 4 ist als Endkappeneinheit 110 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Endkappendesigns sowohl mit einem Druckentlastungsmechanismus als auch mit einem darin integrierten thermisch aktivierten Stromunterbrechermechanismus dargestellt. Das Ausführungsbeispiel aus 4 ist dem vorstehend in Bezug auf die Abbildungen der 1–3 beschriebenen Ausführungsbeispiel ähnlich, mit der Ausnahme, dass keine Bimetallscheibe eingesetzt wird, um den federartigen Mechanismus zu aktivieren. Stattdessen ist ein thermisches Pellet 175 bereitgestellt, um ein elastisches, federartiges Element 150 in elektrischem Kontakt mit der Kontaktplatte 115 zu halten. Die Kontaktplatte 115 wiederum befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Endkappenplatte 20. Das elastische Element 150 kann einen elongierten metallischen Arm 150a umfassen, der an einem Ende an die Trägerplatte 60 geschweißt ist. Die Trägerplatte 60 befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Membran 70, die wiederum an einen erhöhten Abschnitt 82 der darunter liegenden druckbeständigen Platte 80 geschweißt ist. Ein Elektrodenstreifen 87 befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Platte 80. Das elastische Element 150 endet vorzugsweise an dessen gegenüberliegenden Ende in einem schalenförmigen oder konvex geformten Teilstück bzw. Abschnitt 150b, der die Kontaktplatte 115 berührt. Somit existiert ein elektrischer Kontakt zwischen der Trägerplatte 60 und der Endkappe 20, solange das elastische Element 150 an die Kontaktplatte 115 gedrückt gehalten wird. Die Trägerplatte 60 wiederum befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Aluminiummembran 70, die sich in Kontakt mit der Platte 80 und einer Zellenelektrode 88 über den Streifen 87 befindet, wenn die Endkappeneinheit 110 an einer Zelle angebracht wird. (Die Endkappeneinheit 110 kann an einer Zelle angebracht werden, indem sie in das offene Ende eines zylindrischen Gehäuses 90 auf die gleiche Art und Weise eingeführt wird, wie dies vorstehend bereits in Bezug auf das Ausführungsbeispiel aus 1 beschrieben worden ist.) Wenn das elastische Element 150 somit durch das thermische Pellet 175 an die Kontaktplatte 115 gedrückt gehalten wird, existiert ein elektrischer Kontakt zwischen einer Zellenelektrode 88 (über den Streifen 87) und der Endkappenplatte 20, wodurch ein normaler Zellenbetrieb ermöglicht wird. Wenn die Zelle über eine vorbestimmte Schwellentemperatur überhitzt, schmilzt das Pellet 175, wodurch die Stütz- bzw. Trägerfunktion für das elastische Element 150 entfernt wird. Das Schmelzen des Pellets 175 bewirkt, dass das elastische Element nach unten schnappt und den elektrischen Kontakt mit der Kontaktplatte 115 unterbricht. Dies wiederum trennt den elektrischen Pfad zwischen dem Elektrodenstreifen 87 und der Endkappe 20, so dass verhindert wird, dass Strom zu oder von der Zelle fließt. Wenn der Innendruck in der Zelle einen vorbestimmten Wert überschreitet, bricht die Membran 70, wodurch der elektrische Kontakt zwischen der Platte 80 und der Membran 70 getrennt wird und es zudem ermöglicht, dass Gas durch entsprechende Entlüftungslöcher 63 und 67 in der Trägerplatte 60 und der Endkappe 20 in die externe Umgebung austritt.
Die Endkappeneinheit 110 (4) kann ferner eine Diode aufweisen, vorzugsweise eine Wafer-Zener-Diode 700 mit ovaler oder polygonaler Scheibenkonfiguration, vorzugsweise mit einer quadratischen Konfiguration, wie dies in der Abbildung aus 12 dargestellt ist. Die Zener-Diode wird in der Nähe des thermischen Pellets 175 platziert, wie dies in der Abbildung aus 4 dargestellt ist. Die positive metallische Seite 720 der Diode wird mit der Endkappe 20 verbunden, indem sie an dieser durch ein leitfähiges Lötmittel angebracht wird. Eine leitfähige Zuleitung 702, die in Form eines metallischen Drahts oder Streifens vorgesehen werden kann, ist so bereitgestellt, dass sie sich von der negativen Seite 730 der Diode erstreckt. Die Zuleitung 702 kann elektrisch mit dem Crimp-Ring 55 der Endkappeneinheit verbunden sein. Die Verbinderzuleitung 702 kann an die negative Seite 730 geschweißt werden. Der Crimp-Ring 55 ist elektrisch mit der äußeren Wand 30 verbunden, die wiederum elektrisch mit dem negativen Zellenanschluss verbunden wird, indem dieser an das Zellengehäuse 90 geschweißt wird. Somit wird die negative Zuleitung 702, die sich von der Diode erstreckt, elektrisch mit dem negativen Anschluss der Zelle (Zellengehäuse) verbunden. Eine elektrische Isolierung 703 wird über und unter der negativen Zuleitung 702 bereitgestellt, wobei die Zuleitung 702 von der Isolierung umgeben ist, um sie vor einem Kontakt mit der Endkappe 20 oder jedem anderen der inneren metallischen, positiven Komponenten in der Endkappeneinheit 110 zu schützen. Die Isolierung 703 kann in Form eines Polyesterfilms oder eines Polyimids vorgesehen werden. Alternativ kann die Isolierung 703 aus Polyvinylchlorid bestehen. In ähnlicher Weise ist die frei liegende metallische negative Seite 730 der Diode mit isolierendem Material überzogen, wie etwa bei einem isolierenden Film aus Polyester oder Polyimid, um einen Kontakt zwischen der negativen Seite 730 der Diode und den positiven metallischen Komponenten in der Einheit 110 zu verhindern. Die Zener-Diode 700 weist in wünschenswerter Weise eine Zener-Spannung unter etwa 5,0 Volt auf, vorzugsweise zwischen etwa 4,7 und 5,0 Volt, sowie eine Wattleistung zwischen etwa 100 und 500 Mikrowatt zur Verwendung in der Endkappeneinheit 110, wenn diese an Lithiumionenzellen angewandt wird. Eine bevorzugte Zener-Diode 800 zur Anbringung an der Endkappeneinheit 110, die in Verbindung mit einer Lithiumionenzelle eingesetzt wird, kann eine Zener-Diode (500 Mikrowatt) als Wafer-Chip mit der Typnr. CDC5230 darstellen, mit einer Zener-Spannung von 4,7 Volt, die von Compensated Devices Inc., Melrose, Massachusetts, USA, erhältlich ist.
Die bevorzugten Materialien für die Endkappe 20, die Trägerplatte 60, die Kontaktplatte 115 und die Aluminiummembran 70, die in Bezug auf das Ausführungsbeispiel aus 4 genannt werden, können den Materialien entsprechen, die für die entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugsziffern aus den Abbildungen der 1–3 beschrieben worden sind. Die Kontaktplatte 115 wird vorzugsweise aus Edelstahl oder nickelplattiertem, kaltgewalztem Stahl gebildet, plattiert mit Silber oder Gold, um deren Kontaktwiderstand zu senken. Die in der Abbildung aus 4 dargestellte Isolatorscheibe 120 wird vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten thermoplastischen Material mit ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften hergestellt. Bei einem bevorzugten Material für die Scheibe 120 kann es sich um Polyimid handeln, das unter der Handelsbezeichnung KAPTON von E.I. DuPont Co. erhältlich ist, oder um ein hochtemperaturfestes Polyester, das unter der Handelsbezeichnung VALOX von General Electric Plastics Co. erhältlich ist. Das elastische Element 150 kann in vorteilhafter Weise aus Beryllium-Kupfer-Legierung mit einer Dicke zwischen etwa 5 und 10 Milliinch (0,125 und 0,25 mm) gebildet werden, um eine gute Leitfähigkeit bereitzustellen, wenn es sich in Kontakt mit der Platte 115 befindet, sowie eine zuverlässige Federwirkung, wenn der Druck des Pellet 175 darauf entzogen wird. Darüber hinaus kann der elastische Arm 150 mit Silber oder Gold plattiert werden, um dessen Leitfähigkeit zu erhöhen. Das thermische Pellet 175 wird in vorteilhafter Weise aus einem Polymer mit einem verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt gebildet, der zum Beispiel zwischen etwa 65 °C und 100 °C liegt und dabei noch eine ausgezeichnete Druckfestigkeit aufweist, um den elastischen Arm 150 während normalem Zellenbetrieb an der Verwendungsposition zu halten. Ein geeignetes Material für das thermische Pellet 175 mit derartigen Eigenschaften ist ein Polyethylenwachs, das unter der Handelsbezeichnung POLYWAX von Petrolyte Co. erhältlich ist. Ein thermisches Pellet 175 eines derartigen Polyethylenwachses schmilzt innerhalb eines wünschenswerten Temperaturbereichs zwischen etwa 75 °C und 80 °C.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist in den Abbildungen der 9 und 10 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in den Abbildungen der 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel und dient der gleichen Anwendung, mit der Ausnahme, dass der thermisch ansprechende Stromunterbrechermechanismus ein Formgedächtnislegierungselement 45 an Stelle der Bimetallscheibe 40 und der Feder 50 umfasst. Eine Formgedächtnislegierung ist eine Legierung, durch die ein plastisch verformtes Metall wieder in dessen Ausgangsform versetzt wird, und zwar durch eine Festkörperphasenveränderung, die durch Erhitzung bewirkt wird. Das Formgedächtnis-Ansprechverhalten wird durch die starke kristallographische Beziehung zwischen der auf niedriger Temperatur stabilen Phase, die als Martensit bekannt ist, und der auf hoher Temperatur stabilen Phase, die als Austenit bekannt ist, erreicht. Die Form, die im Gedächtnis bleiben muss, wird in der Austenit-Phase gebildet, wenn die Legierung an der Verwendungsposition gehalten und erhitzt wird, und wenn die Legierung abgekühlt wird, entwickelt das Material die martensitische Struktur. Wenn die Formgedächtnislegierung im Einsatz erhitzt wird, kehrt sie wieder an die im Gedächtnis gespeicherte Form in der Austenit-Phase zurück. Formgedächtnislegierungen für die hierin beschriebenen Anwendungen sind zum Beispiel von der Special Metals Corp., New Hartford, N.Y., USA, im Handel erhältlich.
Das Formgedächtnislegierungselement 45 (9) ist elektrisch leitfähig und kann in vorteilhafter Weise die gleiche Form wie die Feder 50 aufweisen (1). Somit kann es in wünschenswerter Weise aus einer einzigen, teilweise hohlen Scheibe gebildet werden, wie zum Beispiel einer Scheibe 45 mit einer unterbrochenen Oberfläche, d.h. einer Oberfläche mit einer dort hindurch gehenden Öffnung 45f (5). Die Scheibe 45 weist einen äußeren Rand 45a (5) und einen flexiblen Abschnitt 45b auf, der von dem peripheren Rand 45a einwärts in den hohlen Abschnitt vorsteht, wie z.B. in die genannte Öffnung. Der flexible Abschnitt 45b wird in vorteilhafter Weise vorab mit einer leichten Biegung 45e in dessen Oberfläche geformt, wie dies in der Abbildung aus 9 dargestellt ist, so dass das abschließende bzw. Anschlussende 45c flach an der Kontaktplatte 15 liegt, so dass der elektrische Pfad zwischen der positiven Elektrode 87 und der Endkappe 20 fertig gestellt wird. Die Dicke des flexiblen Abschnitts 45b ist kleiner als die Länge. Die Dicke des flexiblen Abschnitts 45b ist in wünschenswerter Weise kleiner als 1 mm, wobei sie vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,5 mm liegt. Das flexible Element 45b ist horizontal in der Endkappeneinheit 10 ausgerichtet, wie dies in der Abbildung aus 9 dargestellt ist, so dass der Strompfad durch das Element 45bv zumindest im Wesentlichen in die Richtung der Dicke ausgerichtet ist, und wobei im Wesentlichen der ganze Strompfad durch das Element 45b in die Richtung der Dicke verläuft. Wenn die Zelleninnentemperatur aus irgendeinem Grund zu hoch wird, wie zum Beispiel beim Auftreten einer ungeregelten exothermen Reaktion, biegt sich das Gedächtnismetallelement 45 und wird flach, wodurch der elektrische Kontakt mit der Kontaktplatte 15 unterbrochen wird. Bei einer Anwendung in Verbindung mit wiederaufladbaren Batterien bzw. Akkus, im Besonderen in Verbindung mit Lithiumionenzellen, kann die Gedächtnismetalllegierung 45 durch den Hersteller so vorgeformt werden, dass sie sich auf einer Temperatur zwischen 60 °C und 120 °C in wünschenswerter Weise biegt. Wenn eine derartige Temperatur erreicht wird, biegt sich das Gedächtnismetallelement 45 sofort, so dass der Stromfluss unterbrochen und die Zelle abgeschaltet wird, wodurch eine exotherme Reaktion verhindert wird, die zu einer Situation der thermischen Zerstörung führen kann.
Eine wünschenswerte Formgedächtnislegierung zur Aktivierung bei derartigen Temperaturen kann aus bekannten Gedächtnislegierungsgruppen ausgewählt werden, wie zum Beispiel Nickel-Titan (Ni-Ti), Kupfer-Zink-Aluminium (Cu-Zn-Al) und Kupfer-Aluminium-Nickel (Cu-Al-Ni). Es konnte jedoch festgestellt werden, dass es sich bei der wünschenswertesten Legierung für das Formgedächtnislegierungselement 45 um eine Nickel-Titan-Legierung zur Anwendung als ein Stromunterbrecher für elektrochemische Zellen gemäß der vorstehenden Beschreibung handelt. Eine bevorzugte Nickel-Titan-Gedächtnislegierung ist unter der Handelsbezeichnung NITINOL von der Special Metals Corporation erhältlich. Das Formgedächtniselement 45 kann aus einer rücksetzbaren Legierung bestehen, das heißt, einer Legierung, die sich bei Erhitzung verformt, jedoch nach dem Abkühlen wieder an ihre ursprüngliche Form zurückkehrt, ohne dass externe Kraft ausgeübt wird. Für die vorliegende Anwendung muss das Formgedächtniselement 45 jedoch nicht rücksetzbar sein, das heißt, es kann sich unumkehrbar verformen, wenn es auf dessen Aktivierungstemperatur erhitzt wird. Das Gedächtniselement 45 des bevorzugten Legierungsmaterials, der NITINOL-Legierung, wird normalerweise so hergestellt, dass es nach dessen Aktivierung nicht mehr rücksetzbar ist. Das bevorzugte Gedächtniselement 45 aus der Legierung NITINOL kann in geeigneter Weise als ein Stück mit einem kreisförmigen peripheren Rand (5) hergestellt werden, von dem ein flexibler Abschnitt einwärts vorsteht. Der flexible Abschnitt 45b kann in geeigneter Weise eine rechteckige Form aufweisen und einen äußeren Abschnitt 45d und einen inneren Abschnitt 45c umfassen, die durch eine Biegung 45e getrennt sind. Das Gedächtniselement 45 biegt sich entlang der Biegung 45e, wenn eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur erreicht worden ist, vorzugsweise eine Temperatur zwischen etwa 60 °C und 120 °C, wobei das Element 45b aus dem Kontakt bzw. der Berührung mit der Kontaktplatte 15 abgelenkt wird, wie dies in der Abbildung aus 10 dargestellt ist, wodurch der Stromfluss in der Zelle unterbrochen wird. Um einen derartigen Aktivierungseffekt zu erreichen, wurde bestimmt, dass die Dicke des NITINOL-Legierungselements 45 in vorteilhafter Weise im Bereich zwischen etwa 0,2 und 0,5 mm liegen kann, mit einem derartigen Oberflächenbereich, so dass der Widerstand des genannten Elements kleiner ist als etwa 5 Milliohm. Die vorstehend beschriebene Form für das Gedächtniselement 45, das heißt die hohle Scheibe mit einem kreisförmigen äußeren Rand 45a, von dem ein flexibler Abschnitt 45b einwärts vorsteht, ist wünschenswert, da sie eine reduzierte Dicke und eine gute Kontaktfläche ermöglicht, um den Widerstand des Elements 45 insgesamt zu reduzieren. Das Formgedächtniselement 45 weist in wünschenswerter Weise eine Formänderungsbelastung von nicht mehr als acht Prozent auf. Ferner liegt der Winkel zwischen dem Abschnitt 45c und dem Abschnitt 45d in wünschenswerter Weise zwischen etwa 10 und 20 Grad. Dies ermöglicht eine Ablenkung des Gedächtniselements 45b weg von der Kontaktplatte 15 und eine Abflachung, wenn die Aktivierungstemperatur erreicht wird. Bei einer Anwendung in Verbindung mit Lithiumionenzellen kann das vorstehend beschriebene bevorzugte Design für das Gedächtniselement 45 dazu führen, dass der Gesamtwiderstand kleiner ist als 5 Milliohm, was wiederum während ununterbrochenem Zellenbetrieb eine Stromentnahme von bis zu 5 Ampere ermöglicht. Zwar ist eine rechteckige Form für den flexiblen Abschnitt 45b wünschenswert, wobei aber auch andere Formen eingesetzt werden können, wobei das flexible Abschnittselement 45 zum Beispiel eine gewisse Konizität aufweisen kann, so dass die durchschnittliche Breite von 45b kleiner ist als die durchschnittliche Breite des Abschnitts 45d. Bei dem bevorzugten Design kann die untere Oberfläche des Speicherelements 45 glatt sein, d.h. ohne Schenkel oder Vorsprünge, die davon ausgehen.
Das Gedächtnismetall 45 weist den Vorteil auf, dass es in der Feder 50 weniger Komponenten benötigt, wobei auf die Feder 50, die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der Bimetallscheibe eingesetzt wird, verzichtet werden kann. Somit weist das Gedächtniselement 45 die in ein Element integrierten dualen Eigenschaften der auf Hitze ansprechenden Aktivierung und der federartigen Biegung nach einer derartigen Aktivierung auf. Ferner ist die federartige Kraft je Masseeinheit des Gedächtniselements 45 größer als die der Bimetallscheibe 40. Diese Eigenschaft macht das Gedächtniselement 45 besonders geeignet für eine Anwendung in Verbindung mit kleinen Zellen, wie zum Beispiel mit Zellen der Größe AAA oder mit dünnen prismatischen wiederaufladbaren Zellen. In diesem Fall der Zellen mit einem Durchmesser oder einer Breite, die kleiner ist als die Breite von Zellen der Größe AAA, einer Breite von weniger als etwa 10,0 mm, kann auf die zerbrechliche Druckmembran 70 verzichtet werden, aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Platzes in der Endkappeneinheit 10. Bei einer derartigen Anwendung können das Gedächtniselement 45 und das vorstehend beschriebene bevorzugte strukturelle Design für die Endkappeneinheit 10 weiterhin eingesetzt werden, mit der Ausnahme, dass die Trägerplatte 60 und die Membran 70 in einem einzigen Element zusammengeführt werden können, das die Form und Ausrichtung der Platte 60 aus der Abbildung aus 9 aufweist. Bei einem derartigen Design kann auf die untere Kammer 78 und die Entlüftungslöcher 63 verzichtet werden. Die Kontaktplatte 15 kann ebenfalls optional sein, da sich das Formgedächtniselement 45b in direktem elektrischem Kontakt mit der Platte 60 befinden kann, die somit als die Kontaktplatte fungieren kann.
Die Endkappeneinheit 10 (9 und 10) kann auch eine Diode aufweisen, vorzugsweise eine Wafer-Zener-Diode 700 mit ovaler oder polygonaler Scheibenkonfiguration, vorzugsweise mit einer quadratischen Konfiguration gemäß der Abbildung aus 12. Die Zener-Diode wird in der Nahe des Formgedächtniselements 45 platziert, wie dies in den Abbildungen der 9 und 10 dargestellt ist. Es ist ein Vorteil, eine Zener-Diode 700 in die Endkappeneinheit 10 zu integrieren, um eine verbesserte thermische Empfindlichkeit und eine höhere Sicherheit zu erreichen, speziell für den Fall der Zellenerhitzung, die durch längeres Laden oder den Einsatz einer überhöhten Ladespannung bewirkt wird. Die positive metallische Seite 720 der Diode wird mit der Endkappe 20 verbunden, indem sie durch ein leitfähiges Lötmittel an dieser angebracht wird. Eine leitfähige Zuleitung 702, welche in Form eines metallischen Drahts oder Streifens vorgesehen sein kann, ist so bereitgestellt, dass sie sich von der negativen Seite 730 der Diode erstreckt. Die Verbinderzuleitung 702 kann elektrisch mit dem Crimp-Ring 55 der Endkappeneinheit verbunden werden. Die Verbinderzuleitung 702 kann an die negative Seite 730 der Diode geschweißt werden. Der Crimp-Ring 55 ist elektrisch mit der äußeren Wand 30 verbunden, die wiederum elektrisch mit dem negativen Anschluss der Zelle verbunden wird, und zwar durch Schweißen an das Gehäuse 90 der Zelle. Somit wird die elektrische Zuleitung 702, die sich von der Diode erstreckt, elektrisch mit dem negativen Anschluss (Zellengehäuse) der Zelle verbunden. Eine elektrische Isolierung 703 wird über und unter der negativen Zuleitung 702 bereitgestellt, um diese vor einem Kontakt mit der Endkappe 20 (9 und 10) oder allen anderen inneren metallischen Komponenten in der Endkappeneinheit 10 zu schützen, die positiv sind. Die Isolierung 703 kann in Form eines Films vorgesehen werden, der sich aus Polyester oder Polyimidmaterial zusammensetzt. Alternativ kann es sich bei der Isolierung 703 um Polyvinylchlorid handeln. In ähnlicher Weise ist die frei liegende metallische negative Seite 730 der Diode mit einem isolierenden Material 703 abgedeckt bzw. überzogen, wie zum Beispiel mit einem isolierenden Film als Polyester oder Polyimidmaterial, um einen Kontakt zwischen der negativen Seite 730 der Diode und metallischen Komponenten in der Einheit 10 zu verhindern, die positiv sind. Die Zener-Diode 700 weist in wünschenswerter Weise eine Zener-Spannung von unter etwa 4,7 Volt auf, wobei die Spannung vorzugsweise zwischen etwa 4,7 und 5,0 Volt liegt, und wobei die Zener-Diode eine Wattleistung zwischen etwa 100 und 500 Mikrowatt aufweist, und zwar bei einem Einsatz in der Endkappeneinheit 10, wenn diese in Verbindung mit Lithiumionenzellen eingesetzt wird. Bei einer bevorzugten Zener-Diode 700 zur Anwendung in Verbindung mit der Endkappeneinheit 10 (9 und 10), die in Verbindung mit einer Lithiumionenzelle eingesetzt wird, kann es sich um einen Zener-Dioden-Wafer-Chip (500 Mikrowatt) der Typnummer CDC5230 mit einer Zener-Spannung von 4,7 Volt handeln, erhältlich von Compensated Devices Inc., Melrose, Massachusetts, USA.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Endkappeneinheit, die ein Gedächtnismetallelement 45 aufweist, weist ferner eine auf Druck ansprechende Membran 70 auf, die aktiviert wird, um sich auf die in der Abbildung aus 3 dargestellte Art und Weise auszudehnen, so dass der elektrische Pfad zwischen der positiven Elektrode 87 und der Endkappenplatte 20 unterbrochen wird, wenn der Druck in der Zelle einen vorbestimmten Wert erreicht. Wie dies ebenfalls bereits vorstehend im Text in Bezug auf die Ausführungsbeispiele aus den Abbildungen der 1 bis 3 beschrieben worden ist, kann die Druckmembran 70 (9 und 10) ferner Rillen 63 aufweisen, die so gestaltet sind, dass sie brechen, um Gas dort hindurch zu lassen, wenn der Druck in der Zelle einen vorbestimmten Wert überschreitet. Wenn der Druckaufbau innerhalb der Zelle drastisch ist, bricht auch der zentrale Abschnitt 45 der Membran 70, wodurch eine breitere Fläche ermöglicht wird für das Austreten von Gas aus dem Zelleninneren.
Die Abbildung aus 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Endkappeneinheit 10 aus den Abbildungen der 1 und 9. Die Endkappeneinheit 10 kann hergestellt werden durch den Zusammenbau der in der Abbildung aus 5 dargestellten Komponenten in der folgenden Reihenfolge: In Bezug auf die Konstruktion des Ausführungsbeispiels aus der Abbildung aus 1 wird eine Vormontageeinheit gebildet, welche die Komponenten 20, 50, 40, 35, 15, 60, 70, 25 und 55 umfasst. In Bezug auf den Aufbau des Ausführungsbeispiels aus 9 wird die Vormontageeinheit gebildet, welche die Komponenten 20, 45, 35, 15, 60, 70, 25 und 55 umfasst.
Die Vormontageeinheit des Ausführungsbeispiels aus 1 wird in geeigneter Weise erreicht, indem zuerst eine Kunststoffdurchführung 25 in den Crimp-Ring 55 eingeführt wird, wobei danach die Entlüftungsmembran 70 in die Durchführung 25 eingeführt wird, und wobei danach die Trägerplatte 60 mit daran geschweißter Kontaktplatte 15 in die Entlüftungsmembran 70 eingeführt wird. Daraufhin wird die Isolatorscheibe 35 um die Kontaktplatte 15 platziert, und die Bimetallscheibe 40 wird so platziert, dass sie auf dem nach außen geneigten Arm 35b der Isolatorscheibe 35 ruht. Die Bimetallscheibe 40 ist nicht mit der Isolatorscheibe 35 verbunden, sie ruht jedoch an dieser in einem frei schwebenden Zustand, wobei die Isolatorscheibe die Funktion als Positionierungseinrichtung für die Bimetallscheibe unterstützt. Die obere Oberfläche des äußeren Endes des elastischen, federartigen Elements 50 ist an den umfänglichen Rand der Endkappe 20 geschweißt. Die positive metallische Seite 720 der Zener-Diode 800 ist vorzugsweise durch eine Schweißverbindung mit der inneren Oberfläche der Endkappe 20 verbunden. Die Endkappe 20 mit elastischem Element 50 und daran geschweißter Zener-Diode 700 wird danach über der Isolatorscheibe 35 platziert, so dass der erhöhte zentrale Abschnitt der Kontaktplatte 15 das innere Ende des elastischen Elements 50 berührt, und wobei die untere Oberfläche des äußeren Endes des elastischen Elements 50 den umfänglichen Rand der Isolatorscheibe 35 berührt. Somit ist das äußere Ende des elastischen Elements 50 zwischen die Endkappe 20 und die Isolatorscheibe 35 eingekeilt, und das gegenüberliegende bzw. innere Ende des Elements 50 befindet sich in Kontakt mit der Kontaktplatte 15. Der negative Anschluss 702 der Diode ist an die Oberkante des Crimp-Rings 55 geschweißt.
Die Vormontageeinheit des Ausführungsbeispiels aus der Abbildung aus 9 ist ähnlich aufgebaut, mit der Ausnahme, dass auf die Bimetallscheibe 40 verzichtet wird, und dass das Formgedächtniselement 45 an Stelle der Feder 50 eingesetzt wird. Somit wird die Vormontageeinheit des Ausführungsbeispiels aus 9 in geeigneter Weise erreicht, indem zuerst die Kunststoffdurchführung 25 in den Crimp-Ring 55 eingeführt wird, wobei danach die Entlüftungsmembran 70 in die Durchführung 25 eingeführt wird, und wobei danach die Trägerplatte 60 mit daran geschweißter Kontaktplatte 15 in die Entlüftungsmembran 70 eingeführt wird. Das Gedächtniselement 45 wird danach an den umfänglichen Rand der Endkappe 20 geschweißt. Die positive metallische Seite 720 der Zener-Diode 700 ist vorzugsweise durch eine Schweißverbindung mit der inneren Oberfläche der Endkappe 20 verbunden. Die Endkappe 20 mit Gedächtniselement 45 und daran geschweißter Zener-Diode 700 wird danach über der Isolatorscheibe 35 platziert, so dass der erhöhte zentrale Abschnitt der Kontaktplatte 15 das innere Ende des Gedächtniselements 45 berührt, und wobei die untere Oberfläche des äußeren Endes des Gedächtniselements 45 den umfänglichen Rand der Isolatorscheibe 35 berührt. Somit ist das äußere Ende des Gedächtniselements 45 zwischen der Endkappe 20 und der Isolatorscheibe 35 eingekeilt, und das gegenüberliegende oder innere Ende des Elements 45 befindet sich in Kontakt mit der Kontaktplatte 15.
In Bezug auf den Aufbau des Ausführungsbeispiels aus 1 oder aus 9 wird der Ring 55 danach mechanisch über den oberen Rand der Durchführung 25 gecrimpt, um das obere Ende der Durchführung 25 fest an den umfänglichen Rand der Endkappe 20 zu halten. Dieses Crimpen wird durch das Ausüben einer mechanischen Kraft entlang der Schwerlinie (vertikalen Achse) des Rings 55. Danach wird in einem zweiten Crimp-Schritt mechanischer Druck radial auf die Wände des Crimp-Rings 55 ausgeübt, wodurch der Zusammenbau der Vormontageeinheit fertig gestellt wird. Das radiale Crimpen dient dazu, die inneren Komponenten der Vormontageeinheit eng aneinander und luftdicht verschlossen in dem Ring 55 zu halten. Die Vormontageeinheit wird danach in die metallische Abdeckung 30 eingeführt, so dass die untere Oberfläche des Crimp-Rings 55 an dem unteren inneren Rand der Abdeckung 30 ruht. Danach wird die untere Oberfläche des Crimp-Rings 55 an die untere innere Oberfläche der Abdeckung 30 geschweißt. Danach wird die Druckplatte 80 in den unteren Bereich des Isolator-Abstandsrings 42 eingeschnappt, und der Abstandsring 42 mit daran angebrachter Druckplatte 80 wird danach an der äußeren unteren Oberfläche der Abdeckung 30 platziert, so dass der erhöhte zentrale Abschnitt der Druckplatte 80 die Entlüftungsmembran 70 berührt. Dieser Berührungspunkt zwischen der Druckplatte 80 und der Membran wird danach punktgeschweißt, wodurch der Aufbau bzw. die Konstruktion der Endkappeneinheit 10 fertig gestellt wird. Die Endkappeneinheit 10 kann an einer Zelle angebracht werden, wie zum Beispiel durch Einführen der Einheit in das offene Ende des zylindrischen Gehäuses 90 einer Zelle, wie dies in der Abbildung aus 7 dargestellt ist, und wobei die äußere Oberfläche der Abdeckung 30 an die innere Oberfläche des zylindrischen Gehäuses 90 an dessen offenen Ende 95 geschweißt wird. Dies führt dazu, dass die in der Abbildung aus 8 dargestellte Zelle 100 mit der Endkappeneinheit 10 dicht mit dem zylindrischen Gehäuse 90 und der Endkappenplatte 20 versiegelt bzw. verschlossen ist, wobei ein Anschluss bzw. Abschluss der Zelle gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend zwar in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die bestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, wobei die Erfindung vielmehr durch die Ansprüche definiert wird.

Claims

Endkappeneinheit (10) zur Anbringung an einer elektrochemischen Zelle mit einem positiven und einem negativen Anschluss und einem Elektrodenpaar (Anode und Kathode), wobei die genannte Endkappeneinheit (10) ein Gehäuse und ein frei liegende Endkappenplatte (20) umfasst, wobei die genannte Platte als ein Zellenanschluss fungiert, wobei die genannte Endkappeneinheit (10) einen elektrisch leitfähigen Pfad dort hindurch aufweist, der es ermöglicht, dass die Endkappenplatte elektrisch mit einer Zellenelektrode verbunden werden kann, wenn die genannte Endkappeneinheit (10) an einer Zelle angebracht wird, wobei die genannte Endkappeneinheit (10) ferner eine thermisch ansprechende Einrichtung (40, 50) aufweist, um es zu verhindern, dass Strom durch den genannten elektrischen Pfad fließt, und mit einer elektrischen Widerstandseinrichtung (700) in der Nähe der genannten thermisch ansprechenden Einrichtung (40, 50), wobei die genannte Widerstandseinrichtung (700) eine Erwärmung bewirkt, wenn Strom dort hindurch verläuft, wobei die genannte Widerstandseinrichtung (700) einen abnehmenden Widerstand aufweist, wenn die daran angelegte Spannung ansteigt, wobei die genannte thermisch ansprechende Einrichtung (40, 50) aktivierbar ist, wenn die Temperatur in der genannten Endkappeneinheit (10) einen vorbestimmten Wert erreicht, der eine Unterbrechung in dem genannten elektrischen Pfad erreicht.
Endkappeneinheit nach Anspruch 1, wobei diese ferner eine auf Druck ansprechende Einrichtung umfasst, die ein zerbrechliches Element umfasst, das an dem Ende der genannten Endkappeneinheit gegenüber der genannten Endkappenplatte angeordnet ist, wobei das genannte zerbrechliche Element zerbricht, wenn der Gasdruck auf dessen Seite am weitesten von der genannten Endkappenplatte entfernt einen vorbestimmten Wert erreicht, wobei ein Bruch in dem genannten Element erzeugt wird, der es ermöglicht, dass Gas dort hindurch verläuft.
Endkappeneinheit nach Anspruch 1, wobei die genannte Zelle ein zylindrisches Gehäuse aufweist, und wobei die Endkappeneinheit an der Zelle angebracht wird, indem sie in das offene Ende des zylindrischen Gehäuses eingeführt und die Endkappeneinheit an das Gehäuse geschweißt wird.
Endkappeneinheit nach Anspruch 1, wobei die genannte thermisch ansprechende Einrichtung eine Kammer in der genannten Endkappeneinheit umfasst, mit einem Bimetallelement und einem elastischen, elektrisch leitfähigen Element, wobei das elastische Element ein Teilstück des genannten elektrischen Pfads bildet, wobei sich das Bimetallelement verformt, wenn die Zellentemperatur in der genannten Einheit einen vorbestimmten Wert erreicht, wodurch es gegen das genannte elastische Metallelement drückt, was eine Unterbrechung des genannten elektrischen Pfads bewirkt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 4, wobei das Bimetallelement frei auf einem elektrisch isolierenden Element in der genannten Endkappeneinheit ruht.
Endkappeneinheit nach Anspruch 5, wobei sich ein Teilstück des genannten elastischen Metallelements zwischen einem Teilstück der genannten Endkappenplatte und einem Teilstück des genannten elektrisch isolierenden Elements befindet, und wobei die Endkappeneinheit eine Kontaktplatte umfasst, die einen Teil des genannten elektrischen Pfads bildet, wobei sich das genannte elastische Element in elektrischem Kontakt mit der genannten Kontaktplatte befindet.
Endkappeneinheit nach Anspruch 2, wobei diese ferner ein Trennelement umfasst, das über die innere Breite der genannten Endkappeneinheit und zwischen der genannten Endkappenplatte und dem genannten zerbrechlichen Element platziert ist, wobei das genannte Trennelement die genannte thermisch ansprechende Einrichtung von der genannten auf Druck ansprechenden Einrichtung trennt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 7, wobei das genannte Trennelement eine Metallplatte umfasst, die darin mindestens eine Öffnung aufweist, so dass bei einem Bruch des genannten zerbrechlichen Elements Gas durch die genannte Öffnung und in die genannte Kammer in der genannten Endkappeneinheit tritt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 8, wobei die genannte Endkappenplatte mindestens eine dort hindurch gehende Öffnung aufweist, so das bei einem Bruch des genannten zerbrechlichen Elements aus der genannten Kammer gesammeltes Gas durch die genannte Endkappenöffnung und in die externe Umgebung austritt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 7, wobei das genannte zerbrechliche Element eine zerbrechliche Membran umfasst.
Endkappeneinheit nach Anspruch 6, wobei wenn das genannte Bimetallelement eine vorbestimmte Temperatur erreicht, es sich verformt, was bewirkt, dass das elastische, leitfähige Element dessen elektrische Unterbrechung mit der genannten Kontaktplatte trennt, wodurch eine Unterbrechung des genannten elektrischen Pfads verursacht wird.
Endkappeneinheit nach Anspruch 10, wobei diese ferner eine elektrisch isolierende Durchführung umfasst, die sich in Kontakt mit dem peripheren Rand der Endkappenplatte und dem peripheren Rand der Membran befindet, wobei die genannte Endkappeneinheit ferner ein Metallelement (Falzelement) umfasst, das mechanisch um die genannte Durchführung gefalzt wird, um die genannte Membranplatte und die genannte Endkappenplatte unter mechanischer Kompression zu halten.
Endkappeneinheit nach Anspruch 12, wobei diese ferner eine metallische Abdeckung um das genannte Falzelement umfasst.
Endkappeneinheit nach Anspruch 13, wobei die Endkappeneinheit an einer Zelle angebracht wird, indem sie in das offene Ende eines zylindrischen Gehäuses für die Zelle eingeführt und die äußere Oberfläche der genannten Abdeckung an die innere Oberfläche des genannten Gehäuses geschweißt wird, woraufhin die Endkappeneinheit dicht in dem zylindrischen Gehäuse verschlossen wird, wobei die Endkappenplatte einen Anschluss der Zelle umfasst, der in Bezug auf die externe Umgebung frei liegt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 1, wobei die thermisch ansprechende Einrichtung ein elastisches, elektrisch leitfähiges Element in elektrischem Kontakt mit der genannten Endkappenplatte umfasst, und mit einer schmelzfähigen Materialmasse, welche das genannte elastische, leitfähige Element in elektrischer Verbindung zwischen der genannten Endkappenplatte und einem anderen leitfähigen Teilstück der Endkappeneinheit hält, wobei das genannte andere leitfähige Teilstück elektrisch mit einer Zellenelektrode verbunden werden kann, wenn die Endkappeneinheit an einer Zelle angebracht wird, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen der genannten Endkappenplatte und der genannten Elektrode während dem Zellenbetrieb bereitgestellt wird, wobei wenn die Zellentemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht, die genannte Materialmasse schmilzt, wodurch eine Bewegung des genannten elastischen Metallelements bewirkt wird, um die elektrische Verbindung zwischen der genannten Endkappenplatte und der genannten Zellenelektrode zu trennen, wodurch ein Betrieb der Zelle verhindert wird.
Endkappeneinheit nach Anspruch 1, wobei diese ferner eine Kammer in dem Gehäuse umfasst, und wobei die genannte thermisch ansprechende Einrichtung ein Formgedächtnislegierungselement (45) umfasst, und wobei die genannte Endkappeneinheit (10) ferner eine auf Druck ansprechende Einrichtung (48) umfasst, die ein zerbrechliches Element (70) umfasst, das an dem Ende der genannten Endkappeneinheit (10) gegenüber der genannten Endkappenplatte (20) angeordnet ist, wobei das genannte zerbrechliche Element (70) zerbricht, wenn der Gasdruck auf dessen am weitesten von der genannten Endkappenplatte (20) entfernten Seite einen vorbestimmten Wert erreicht, der einen Bruch in dem genannten Element (70) erzeugt, was es ermöglicht, dass Gas dort hindurch tritt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 16, wobei die genannte Formgedächtnislegierung eine Nickel-Titan-Legierung umfasst.
Endkappeneinheit nach Anspruch 16, wobei die genannte Zelle ein zylindrisches Gehäuse aufweist, und wobei die genannte Endkappeneinheit an der Zelle angebracht wird, indem sie in das offene Ende des zylindrischen Gehäuses eingeführt und die Endkappeneinheit an das Gehäuse geschweißt wird.
Endkappeneinheit nach Anspruch 16, wobei die genannte thermisch ansprechende Einrichtung eine Kammer in der genannten Endkappeneinheit umfasst, wobei das Formgedächtnislegierungselement eine Kammer in der genannten Endkappeneinheit umfasst, wobei das Formgedächtnislegierungselement ein Teilstück des genannten elektrischen Pfads bildet, wobei sich das Formgedächtnislegierungselement verformt wenn die Zellentemperatur in der genannten Einheit einen vorbestimmten Wert erreicht, wodurch eine Unterbrechung in dem genannten elektrischen Pfad verursacht wird.
Endkappeneinheit nach Anspruch 19, wobei das genannte Formgedächtniselement ein flexibles Element mit einteiliger Konstruktion umfasst, mit einer gebogenen Oberfläche, wobei sich die Oberfläche des genannten Formgedächtniselements verformt, wenn die Zellentemperatur in der genannten Einheit einen vorbestimmten Wert erreicht, wodurch eine Unterbrechung in dem genannten elektrischen Pfad verursacht wird.
Endkappeneinheit nach Anspruch 19, wobei das genannte Formgedächtniselement eine Scheibe mit einer dort hindurch gehenden Öffnung umfasst, wobei die genannte Scheibe einen äußeren Rand mit einem flexiblen Teilstück aufweist, das von einem Teilstück des äußeren Rands in die genannte Öffnung vorsteht, wobei der äußere Rand an einer Oberfläche eines isolierenden Elements in der genannten Endkappeneinheit ruht, wobei das genannte flexible Teilstück eine gebogene Oberfläche aufweist, wobei sich die genannte gebogene Oberfläche verformt, wenn die Zellentemperatur in der genannten Einheit einen vorbestimmten Wert erreicht, wodurch eine Unterbrechung in dem genannten elektrischen Pfad verursacht wird.
Endkappeneinheit nach Anspruch 21, wobei der genannte äußere Rand des genannten Formgedächtniselements zwischen einem Teilstück der genannten Endkappenplatte und einem Teilstück des genannten elektrisch isolierenden Elements angeordnet ist, und wobei die Endkappeneinheit eine Kontaktplatte umfasst, die einen Teil des genannten elektrischen Pfads bildet, wobei sich das genannte Formgedächtniselement in elektrischem Kontakt mit der genannten Kontaktplatte befindet.
Endkappeneinheit nach Anspruch 16, wobei diese ferner ein Trennelement umfasst, das über die innere Breite der genannten Endkappeneinheit und zwischen der genannten Endkappenplatte und dem genannten zerbrechlichen Element platziert ist, wobei das genannte Trennelement die genannte thermisch ansprechende Einrichtung von der genannten auf Druck ansprechenden Einrichtung trennt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 23, wobei das genannte Trennelement eine Metallplatte umfasst, die darin mindestens eine Öffnung aufweist, so dass bei einem Bruch des genannten zerbrechlichen Elements Gas durch die genannte Öffnung und in die genannte Kammer in der genannten Endkappeneinheit tritt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 23, wobei die genannte Endkappenplatte mindestens eine dort hindurch gehende Öffnung aufweist, so das bei einem Bruch des genannten zerbrechlichen Elements aus der genannten Kammer gesammeltes Gas durch die genannte Endkappenöffnung und in die externe Umgebung austritt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 25, wobei das genannte zerbrechliche Element eine zerbrechliche Membran umfasst.
Endkappeneinheit nach Anspruch 26, wobei diese ferner eine elektrisch isolierende Durchführung umfasst, die sich in Kontakt mit dem peripheren Rand der Endkappenplatte und dem peripheren Rand der Membran befindet, wobei die genannte Endkappeneinheit ferner ein Metallelement (Falzelement) umfasst, das mechanisch um die genannte Durchführung gefalzt wird, um die genannte Membranplatte und die genannte Endkappenplatte unter mechanischer Kompression zu halten.
Endkappeneinheit nach Anspruch 27, wobei diese ferner eine metallische Abdeckung um das genannte Falzelement umfasst.
Endkappeneinheit nach Anspruch 28, wobei die Endkappeneinheit an einer Zelle angebracht wird, indem sie in das offene Ende eines zylindrischen Gehäuses für die Zelle eingeführt und die äußere Oberfläche der genannten Abdeckung an die innere Oberfläche des genannten Gehäuses geschweißt wird, woraufhin die Endkappeneinheit dicht in dem zylindrischen Gehäuse verschlossen wird, wobei die Endkappenplatte einen Anschluss der Zelle umfasst, der in Bezug auf die externe Umgebung frei liegt.
Endkappeneinheit nach Anspruch 16, wobei das genannte Formgedächtnislegierungselement eine Scheibe umfasst, mit einer durch die Dicke des Elements gehenden Öffnung, wobei das genannte Formgedächtniselement einen peripheren Rand mit einem flexiblen Teilstück aufweist, das von einem Teilstück des genannten peripheren Rands einwärts in die genannte Öffnung vorsteht, wobei der genannte Rand an einer Oberfläche des isolierenden Elements in der genannten Endkappeneinheit ruht, wobei sich das genannte flexible Teilstück verformt, wenn die Zellentemperatur in der Zelleneinheit einen vorbestimmten Wert erreicht, wodurch eine Unterbrechung in dem genannten elektrischen Pfad verursacht wird.
Verbesserung einer elektrochemischen Zelle der Art, die durch eine Endkappeneinheit (10) gebildet wird, eingeführt in ein zylindrisches Gehäuse (90) mit offenem Ende für die Zelle, wobei die genannte Zelle ferner einen positiven und einen negativen Anschluss aufweist und mit einem Paar interner Elektroden (Anode und Kathode), wobei die genannte Endkappeneinheit (10) ein Gehäuse und eine frei liegende Endkappenplatte (20) aufweist, wobei die genannte Endkappenplatte (20) als ein Zellenanschluss fungiert, wobei die Verbesserung umfasst, dass die genannte Endkappenplatte (20) über einen elektrisch leitfähigen Pfad in der genannten Endkappeneinheit (10) elektrisch mit einer der genannten Elektroden verbunden ist, wobei die genannte Endkappeneinheit (10) folgendes umfasst: a) eine thermisch ansprechende Einreinrichtung, die ein elektrisch leitfähiges Formgedächtnislegierungselement (45) umfasst, um zu verhindern, dass Strom durch die Zelle fließt; und a.1) eine elektrische Widerstandseinrichtung (700) in der Nähe der genannten thermisch ansprechenden Einrichtung, wobei die genannte Widerstandseinrichtung (700) eine Erwärmung bewirkt, wenn Strom dort hindurch verläuft, wobei die genannte Widerstandseinrichtung (700) einen abnehmenden Widerstand aufweist, wenn die an die Einrichtung angelegte Spannung ansteigt, wobei das genannte Formgedächtniselement (45) ein flexibles Element mit einer gebogenen Oberfläche und einer Dicke umfasst, die kleiner ist als dessen Länge, wobei das genannte flexible Element in der genannten Endkappeneinheit (10) so ausgerichtet ist, dass Strom im Wesentlichen in eine Richtung durch die Dicke des genannten flexiblen Elements (45) fließt, wobei wenn die Zellentemperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht, das genannte Formgedächtniselement (45) entlang der genannten gebogenen Oberfläche abgelenkt wird, was eine Unterbrechung des genannten elektrischen Pfads zwischen der genannten Endkappenplatte (20) und der genannten Elektrode verursacht, was es verhindert, dass Strom durch die Zelle fließt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, 16 oder 31, wobei die genannte Widerstandseinrichtung eine Diode umfasst, die in dem genannten Gehäuse angeordnet ist, wobei die genannte Diode einen positiven und einen negativen Anschluss aufweist, die elektrisch parallel mit den entsprechenden positiven und negativen Anschlüssen der genannten Zelle verbunden sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, 16 oder 31, wobei die genannte Widerstandseinrichtung eine Diodenteileinheit umfasst, die eine Zener-Diode umfasst, die in dem genannten Gehäuse angeordnet ist, wobei die genannte Zener-Diode einen positiven und einen negativen Anschluss aufweist, die elektrisch parallel mit den entsprechenden positiven und negativen Anschlüssen der genannten Zelle verbunden sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 33, wobei ein Anschluss der genannten Zener-Diode elektrisch mit der genannten frei liegenden Endkappenplatte der genannten Einheit verbunden ist, wobei der genannte verbundene Anschluss der Zener-Diode die gleiche Polarität aufweist wie die genannte frei liegende Endkpappenplatte.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, 16 oder 31, wobei die genannte Widerstandseinrichtung, wobei die genannte Einheit eine unabhängige Struktur darstellt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 33, wobei die genannte Diodenteileinheit ein leitfähiges Element umfasst, das mit einem der Anschlüsse der genannten Diode verbunden ist, wobei sich das genannte leitfähige Element von der Diode erstreckt und elektrisch mit einem Zellenanschluss mit der gleichen Polarität verbunden ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 36, wobei der Körper des genannten leitfähigen Elements von einer elektrischen Isolierung umgeben ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 33, wobei die Zener-Diode eine Wattleistung zwischen etwa 100 und 500 Mikrowatt aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 38, wobei die Zener-Diode eine Zener-Spannung von weniger als etwa 5 Volt aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 33, wobei die genannte Zener-Diode ein Wafer-Chip ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 36, wobei die genannte Diodenteileinheit in Form eines Wafers mit einer polygonalen oder ovalen Form gegeben ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, 16 oder 31, wobei das genannte Formgedächtniselement eine Scheibe mit einer durch die Dicke der Scheibe verlaufenden Öffnung umfasst, wobei die genannte Scheibe einen peripheren äußeren Rand aufweist, wobei das genannte flexible Element von einem Teilstück des genannten peripheren Rands einwärts in die genannte Öffnung vorsteht, wobei das genannte flexible Element eine gebogene Oberfläche aufweist, die abgelenkt wird, wenn die Zellentemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, 16 oder 31, wobei das genannte Formgedächtniselement eine Nickel-Titan-Legierung umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, 16 oder 31, wobei diese ferner folgendes umfasst: b) eine auf Druck ansprechende Einrichtung, die es ermöglicht, dass Gas aus dem Inneren der Zelle in das Innere der genannten Endkappeneinheit tritt, wenn der innere Gasdruck in der Zelle einen vorbestimmten Wert erreicht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 44, wobei die genannte auf Druck ansprechende Einrichtung eine zerbrechliche Membranscheibe umfasst, die an dem der genannten Endkappenplatte gegenüber liegenden Ende der genannten Endkappeneinheit angeordnet ist, wobei die genannte Membranscheibe bricht, wenn der Gasdruck auf der am weitesten von der genannten Endkappenplatte Seite einen vorbestimmten Wert erreicht, wobei ein Bruch in der genannten Membran erzeugt wird, der es ermöglicht, dass Gas dort hindurch tritt.