(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正と負の端子と一対の内側電極（陽極および陰極）を有する電気化学電池に使用される端部キャップ組立体において、
前記端部キャップ組立体は、ハウジングと電池端子として機能する端部キャッププレートとを有し、
前記端部キャップ組立体は、電池に取り付けられたとき端部キャッププレートを電池の電極に電気的に接続することができる電気経路を有し、
前記端部キャップ組立体は、
ａ）前記端部キャップ組立体内の温度が、電気経路の第１の遮断を行う所定の水準に到達したとき作動可能で、前記電気経路を通る電気の流れを防止する感熱装置と、
ｂ）前記感熱装置とは分離して設けられ、前記電気経路の少なくとも一部に適用されるガス圧が、電気経路の第２の遮断を行う所定の水準に達したとき作動可能で、前記電気経路を通る電流が流れを防止する感圧装置と、
を有し、
前記第１の遮断および前記第２の遮断は、電気経路における別々の箇所で行われることを特徴とする端部キャップ組立体。
【請求項２】
前記端部キャップ組立体は、前記電池のケーシングの開放端部に挿入され、前記ケーシングに溶接されることによって電気化学電池に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の端部キャップ組立体。
【請求項３】
前記感熱装置は、バイメタル部材および弾性導電部材を有し、前記弾性導電部材は、前記電気経路の一部を形成し、前記組立体内の温度が所定の水準に達したとき、バイメタル部材が変形し、弾性金属部材を押し、前記電気経路を遮断することを特徴とする請求項１に記載の端部キャップ組立体。
【請求項４】
前記導電部材は、電力サージ状態を保護するために分離できないヒューズ連結として作用するように減少した断面積領域部分を有することを特徴とする請求項３に記載の端部キャップ組立体。
【請求項５】
バイメタル部材は、前記端部キャップ組立体の電気絶縁部材の表面のディスクシートに係合するように可動配置されていることを特徴とする請求項３に記載の端部キャップ組立体。
【請求項６】
前記弾性導電部材の一部は、前記端部キャッププレートの一部と前記電気絶縁部材の一部との間に配置されることを特徴とする請求項５に記載の端部キャップ組立体。
【請求項７】
前記弾性導電部材は、前記組立体の温度が所定の水準に到達したとき、変形動作を制限せずに前記バイメタル部材の動きを制限する保持装置を有することを特徴とする請求項３に記載の端部キャップ組立体。
【請求項８】
前記感圧装置は、前記端部キャップ組立体が電気化学電池に取り付けられるとき、電池の電極に電気的に接続されるダイヤフラムプレートを有し、前記ダイヤフラムプレートは、前記端部キャップ組立体が電池に取り付けられ、前記電池の内側のガス圧が第１の所定の水準に達したとき、変形して前記電気経路を遮断し、前記端部キャッププレートと前記電極との間の電気的接続を遮断することを特徴とする請求項３に記載の端部キャップ組立体。
【請求項９】
前記端部キャップ組立体の内側の幅を横断するように配置された支持プレートを有し、前記支持プレートは、前記端部キャップ組立体の内側を上室と下室に分割し、前記上室は、下室よりも端部キャッププレートに接近していることを特徴とする請求項８に記載の端部キャップ組立体。
【請求項１０】
前記端部キャッププレートに対向する端部キャップ組立体の端部に配置された導電耐圧プレートを有し、前記ダイヤフラムプレートは、導電性耐圧プレートに溶接され、前記耐圧プレートは、少なくとも１つの開口部を有し、前記耐圧プレートの一部および前記ダイヤフラムの一部は、前記導電性経路の少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項９に記載の端部キャップ組立体。
【請求項１１】
前記ダイヤフラムプレートは、前記端部キャップ組立体が電池に取り付けられ、電池内のガス圧が前記第１の所定の水準より大きい第２の所定の水準に到達したとき破れ、電池の内側からのガスが前記破裂したダイヤフラムプレートを通して前記下室に通過することを特徴とする請求項１０に記載の端部キャップ組立体。
【請求項１２】
前記ダイヤフラムプレートは、厚さが薄い溝通路を有することを特徴とする請求項１０に記載の端部キャップ組立体。
【請求項１３】
前記溝を備えた経路は、前記ダイヤフラムプレートの外周の形状の主な部分に適応し、前記溝通路は、前記ダイヤフラムの破れた経路を形成することを特徴とする請求項１２に記載の端部キャプ組立体。
【請求項１４】
前記溝通路は、ほぼＣ形であることを特徴とする請求項１３に記載の端部キャップ組立体。
【請求項１５】
前記支持プレートは、下室に蓄積された電池の内側からのガスが前記支持プレートを通過し上室に入るように少なくとも１つの開口部を有することを特徴とする請求項１１に記載の端部キャップ組立体。
【請求項１６】
前記端部キャッププーレトは、前記上室に入るガスが前記端部キャップの開口部を通って外部環境に出るように少なくとも１つの開口部を有することを特徴とする請求項１５に記載の端部キャップ組立体。
【請求項１７】
前記支持プレートの表面に溶接された導電接触プレートを有し、前記弾性導電部材は前記接触プレートに接触し、前記接触プレートの少なくとも一部および前記弾性導電部材は、前記電気的な導電部材の経路の一部を形成することを特徴とする請求項９に記載の端部キャップ組立体。
【請求項１８】
前記支持プレートの周縁は、前記ダイヤフラムプレートの周縁に接触し、前記ダイヤフラムプレートは、前記端部キャップ組立体が電池に適用されるときに電池の電極に電気的に接続可能であることを特徴とする請求項９に記載の端部キャップ組立体。
【請求項１９】
前記バイメタル部材は、所定の温度に到達したとき、変形して弾性電動部材が前記接触プレートとの電気的な接続を切断することを特徴とする請求項１７に記載の端部キャップ組立体。
【請求項２０】
端部キャッププレートの周縁およびダイヤフラムプレートの周縁に接触して電気的な絶縁を行うグロメットと、機械的な圧縮によって前記ダイヤフラムプレートおよび前記支持プレートを保持するために前記グロメットの周りに機械的にクリンプされる金属クリンプ部材とを有することを特徴とする請求項１１に記載の端部キャップ組立体。
【請求項２１】
前記クリンプ部材の一部に接触し前記クリンプ部材の外面を保護する金属カバーを有することを特徴とする請求項２０に記載の端部キャップ組立体。
【請求項２２】
前記端部キャップ組立体は、電池の円筒形ケーシングの開放端部に挿入され、前記カバーの外面を前記ケーシングの内面に溶接することによって電池に適用され、それによって端部キャップ組立体は、円筒形ケース内に密封され、前記端部キャッププレートは、外側環境に露出される電池の端子を有することを特徴とする請求項１７に記載の端部キャップ組立体。
【請求項２３】
感熱装置は、前記端部キャッププレートに電気的に接触する弾性導電部材と、前記端部キャッププレートと前記端部キャップ組立体の他の導電部材と間で前記弾性導電部材を電気的に接続されるように保持する溶融可能な材料とを有し、前記他の導電部分は、電池作動の間、端部キャップが電池に取り付けられるとき、電池の電極に電気的に接続され、前記端部キャッププレートと前記電極との間に電気的な接続を提供し、電池の温度が所定の水準に到達したとき、前記材料の部材は溶融し、前記端部キャッププレートと前記電池の電極との間の電気的な接続を切断するように前記弾性金属部材を移動し、電池の動作を防止することを特徴とする請求項１に記載の端部キャップ組立体。
【請求項２４】
電池の開放端円筒形ケースに挿入される端部キャップ組立体によって形成されるタイプの電気化学電池において、前記電池は、正と負の端子と、一対の内側電極（陽極および陰極）とを備え、前記端部キャップ組立体は、ハウジングと、露出した端部キャッププレートとを有し、前記端部キャップ組立体は、請求項１乃至２３のいずれか一項に記載されたものであることを特徴とする電気化学電池。
【発明の詳細な説明】
本発明は、電池の温度が過剰に上昇したとき、電池を通って流れる電流を安全に遮断する電気化学電池の感熱電流遮断装置に関する。また本発明は、電池の中に過剰なガス圧が蓄積されたとき、安全に電池の機能を遮断する感圧電流遮断装置に関する。
リチウムが活性材料である電気化学電池、特に高エネルギー密度の電池は、漏れまたは破壊されることがあり、これは、電池によって電力が供給される装置または周囲の環境に損傷を与えることがある。充電可能な電池の場合、電池の内側の温度の上昇が、過剰な充電により生じることがある。望ましくない温度の上昇は、内側のガス圧が対応して増加することによって達成される。これは、外部の回路の短絡条件の場合に生じる。安全装置は、電池のコスト、寸法または質量を増大することなく電池に付随することが好ましい。
このような電池、特に、活性材料としてリチウムを使用する充電可能な電池は、対応して圧力が増加することによって電池の内側の温度の上昇によって漏れまたは破裂を生じる。これは、過剰充電のような苛酷な条件、または短絡回路条件によって生じる。また、これらの電池は、電解液の浸出および外部環境からの湿気の侵入を防止するために密封されることが重要である。
上述したように、このような電池が充電されると、自己加熱が生じる。急激な充電または過剰な充電が温度の上昇を招く。温度がある点を越えるとき、この点は、電池の化学性および構造に依存して変化するが、望ましくない熱放散状態が始まる。さらに、過剰な加熱によって、内圧が蓄積され、電池から突然電極が抜けることがある。それが起こる前に制御された換気を開始することが望ましい。
従来の電池の構成は、端部キャップ固定具を使用し、電池の陽極、陰極活性材料、適当な分離材料および電解液を円筒形ケースに挿入した後、この端部キャップは、端部が開放した円筒形ケーシングに挿入される。端部キャップは、陽極または陰極材料の一方と電気的に接触し、端部キャップの露出部分は、電池端子の一方を形成する。電池ケーシングの一部は、他の端子を形成する。従来技術は、電池端部キャップ固定具に統合される過剰な圧力状態に応答する装置を示している。
本発明は、１つの端部キャップ組立体内に統合された１つまたは複数の電流遮断機構を有し、端部キャップ組立体は、端部キャップ組立体を電池のケーシングの開放端部に挿入することによって一次または二次（充電可能な）電池に有利に適用される。本発明の端部キャップ組立体は、高温露出、過剰なまたは不適当な充電、または電池のショートによって電池の過熱及び圧力蓄積の危険を克服するために、例えば、リチウムーイオン、ニッケル金属ハイドライド、ニッケルカドミウムまたは他の充電可能な電池に特に応用される。
本発明の１つの側面において、端部キャップが、統合された熱応答電流遮断機構を有し、この熱応答電流遮断機構は電池の内部が所定の温度を越えるまでオーバーヒートしたとき、電池を通る電流を遮断し電流を流れることを防止するように作動する、電気化学電池用の端部キャップ組立体に関する。端部キャップ組立体は、電池の端子として機能する露出した端部キャップを有する。組立体が電池に適合され、電池が正常な状態にあるとき、キャッププレートは、電極（陽極または陰極）と電気的に連通する。端部キャップ内に統合された熱作動電流遮断機構は、所定の値以上の温度に露出されたときたわむバイメタル部材を有する。バイメタル部材のたわみは、可動金属部材を押し、電池の電極と端部キャップ端子プレートとの間の電気的接続を切り、電池を通って電流が流れることを防止する。別の例として、本発明の他の側面において、バイメタル金属の代わりに感熱ペレットを使用してもよい。電池の温度が所定の値を越える場合には、熱ペレットが溶け、電池の電極と端部キャップ端子プレートとの間の電気回路を切断するように十分たわむ。熱的に反応する電流遮断機構とともに破断するプレートまたは薄膜が端部キャップ組立体に統合される。電池内の圧力が所定の値を越えるまで蓄積されたとき、プレートまたは薄膜が破裂し、ガスを電池の内側から外部環境に逃がすことができるようにする。
他の側面において、本発明は、電池、特に、充電可能な電池の端部キャップ組立体に関し、一方が感熱性であり、他方が感圧性である、統合された２つの電流遮断機構を有する。感熱性電流遮断機構は、バイメタル部材または熱反応溶融性ペレットを使用し、このペレットは、電池の内側が所定の温度を越えるように加熱するとき電池を通る電流の流れを遮断し防止するように作動する。感圧電流遮断機構は、電池内のガス圧が所定の値を越えるように蓄積されるとき、電流を遮断するように作動する。このような場合、圧力遮断機構は、電池端部キャップ組立体内の金属ダイヤフラムをたわませ、電池端部キャップ端子プレートと電極との間で電気的接続を切断し、電池を通って電流が流れることを防止する。非常に大きなガス圧が蓄積された場合において、金属ダイヤフラムが破れ、ガスを端部キャップ組立体の内側の室に導き、一連の換気穴を通して外部環境に出す。
本発明の他の側面は、本発明の端部キャップ組立体の密封機構に関する。密封機構は、端部キャップの内側から外部環境に電解液、液体またはガスの漏れを防止し、湿気が電池に侵入することを防止する。
本発明の特徴は添付図面の参照によってさらによく理解できる。
図１，２および３は、図６の端部キャップ組立体の視線１−１を通る垂直方向の断面図である。
図１は、回路接続モードの熱作動電流中断機構および圧力作動電流圧力作動電流遮断機構を示す。
図２は、回路遮断モードの熱作動電流遮断機構を示す。
図３は、圧力作動回路遮断モードの圧力作動電流遮断機構を示す。
図４は、中に統合された圧力作動電流遮断機構と、熱作動電流遮断機構とを有する端部キャップ組立体の他の実施例の垂直方向の断面図であり、この端部キャップ組立体においては、感熱部材が柔らかくなり弾性部材を開放して回路を開放する。
図５は、図１の実施例に示す本発明の端部キャップ組立体の部品の分解斜視図である。
図６は、耐圧プレートと換気開口部を示す端部キャップ組立体の底部の斜視図である。
図７は、本発明の端部キャップ組立体が電池の円筒形ケーシングの開放端部に挿入されていることを示す斜視図である。
図８は、電池の円筒形ケーシングの開放端部に挿入された本発明の端部キャップ組立体を備えた完成した電池を示し、前記組立体の端部キャッププレートは、電池のい端子を形成する。
本発明の端部キャップ組立体１０（図１）は、一次または二次（充電可能な）電池に適用される。好ましい実施例において、端部キャップ組立体１０は、電池（図７）の通常円筒形のケーシング９０の開放端部９５に挿入可能である。電池は正の電極（放電時に陰極）と、負の電極（放電時に陽極）と、セパレータと、電解質と、正と負の電極に電気的に連通したおよび正および負の外部端子とを含む。
図１を参照すると、電池ケースの開放端部に挿入される端部キャップ１０は、熱的に作動可能な電流遮断サブアセンブリ３８と、中に統合された圧力リリーフサブアセンブリ４８とを有する。サブアセンブリ３８および４８は、共通の支持プレート６０によって分離される。サブアセンブリ３８および４８は、端部キャップ組立体１０の外壁を形成するカバー３０内に保持される。遮断サブアセンブリ３８は、上端が、カップ形状の端部キャッププレート２０によって形成され、底部が支持プレート６０に溶接される接触プレート１５によって形成されている。カップ形状の端部キャッププレート２０は、電池の外部端子の一方を形成する。支持プレート６０は、圧力リリーフサブアセンブリ４８内の室７８から熱サブアセンブリ３８内の室６８を分離する。接触プレート１５は、端部キャップ組立体１０が電池に適用されるとき、支持プレート６０に電気的に支持され、支持プレート６０は、接触プレート１５と端部キャップ２０との間で回路を完成するために電池の電極８８（陽極または陰極）に電気的に接続される。感熱回路遮断機構（４０，５０）が設けられる。もし電池内の温度が所定のしきい値を越える場合には、遮断機構は、端部キャップ２０と接触プレート１５との間を電気的接触を破るように作動し、電池を通って電流が流れることを防止する。
この圧力リリーフサブアセンブリ４８は、耐圧プレート８０に接続された薄い金属ダイヤフラム７０を有し、このプレート８０は、プレート８０に溶接された導体タブ８７を通って電池電極８８に電気的に接続される。（耐圧プレートは、導電性であり、少なくとも約６００ｐｓｉ（４．１４×１０6）までのほぼ高い圧力で変形しない十分な厚さである。）もし、電池内のガス圧が、所定のしきい値のダイヤフラム７０を越える場合には、ダイヤフラム７０は、外側に膨らみ、耐圧プレートとの電気的接触をなくし、電池から電流が流れることを防止する。また耐圧プレート８０および支持プレート６０は、穴７３および６３をそれぞれ有し、この穴は、電池内に蓄積されたガスを逃がし、圧力を開放するように作用する。
図１に示す好ましい実施例において、端部キャップ組立体１０は、充電可能な電池、例えば、リチウムイオン充電可能電池において使用される。リチウムイオン充電可能電池は、電池の放電時に負の電極から正の電極に、電池の充電時に正の電極から負の電極にリチウムイオンが転移することを特徴とする。それは、通常、リチウムコバルトオキシド（ＬｉＣｏＯ2）またはスピネル結晶構造のリチウムマグネシウムオキシド（ＬｉｘＭｎ2Ｏ4）の正の電極および炭素の負の電極を有する。負の電極は放電中に電池の陽極を構成し、充電中に陰極を形成する。正の電極は、放電中に電池の陰極を、充電中に陽極を形成する。このような電池の電解質は、非水状の溶媒の混合物に溶解されたリチウム塩を有する。塩はＬｉＰＦ6であり、溶剤は、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）およびその混合物を含むことが有利である。本発明は、他の充電可能な電池、例えば、ニッケル金属ヒドライト電池およびニッケルカドミウム電池である。端部キャップ組立体１０は、充電可能な電池の正の端子である端部キャップ端子２０と、キャッププレート２０の下の支持ベースを形成する金属支持プレート６０と、端部キャップ２０と支持プレート６０との間の絶縁ディスク３５とを有する。キャップ組立体１０は、図１に示すような支持プレート６０の下の圧力解放ダイヤフラム７０を備えていることが有利である。ダイヤフラム７０は、下の耐圧プレート８０に溶接されている。これは、下の耐圧プレート８０の隆起部分８２にダイヤフラム７０のベース７２を溶接することによって行われる。ダイヤフラム７０は、ダイヤフラムが作動する圧力に応じて、約０．１と０．５ミリメータとの最小限の厚さおよび導電性である材料でなければならない。このダイヤフラム７０は、アルミニウムであることが望ましい。ダイヤフラム７０は、それが所定の圧力で破れるように円錐形であることが有利である。すなわち、ダイヤフラム表面は、表面の一部が他の部分よりも厚さが薄くなるようにスタンプ加工またはエッチング加工される。本発明に使用される１つの好ましいダイヤフラム７０は、その表面に半円または“Ｃ”形状の溝７０ａを形成するように円錐形である。溝の形状は、ダイヤフラム７０の周縁の第１の部分の形状と同じか類似しており、周縁に近接して配置されることが有利である。換気が生じる特定の圧力は、溝の深さ、場所、形状並びに堅さのようなパラメータを変化させることによって制御可能である。圧力が過剰になるとき、ダイヤフラムは、溝のラインに沿って壊れる。端部キャップ２０と支持プレート６０は、その間に室６８を形成し、その中に、熱作動電流遮断サブアセンブリ３８が配置される。絶縁ディスク３５は、周縁ベース部分３５ａと、そこから伸びる下方に傾斜するアーム３５ｂとから形成される。アーム３５ｂは、室６８に伸びる。ダイヤフラム７０は、電池内に蓄積されたガスが所定のしきい水準に達するときに破断するように構成されている。支持プレート６０とダイヤフラム７０との間の領域は、電池内に蓄積されたガスがダイヤフラム７０の破裂時に換気されるように室７８を形成する。
電流遮断サブアセンブリ３８は、感熱バイメタルディスク４０と、弾性ばね状部材と弾性的に接触する金属接触プレート１５とを有する。図１および図５に示すように、弾性部材５０は、外側の円形周縁部分５０ａを備えた１つの可撓性部材から形成され、そこからディスクリテーナタブ部分５０ｃが半径方向内側に伸びて、そのスナップ動作を制限しないで、電池のオリエンテーションの間、バイメタルディスク４０を所定の場所に自由に保持する外側の円周部分５０ａを有する。この部材は、プレート１５と接触する中央接触部分５０ｂを備えた端部キャッププレートに外側部分５０ａの一点で溶接することができる。さらに、接触部分５０ｂは、狭い断面を有し、この面積は、電力サージ状態を保護するために、統合することができないヒューズ連結として作用することができる。バイメタルディスク４０は、絶縁ディスク３５の傾斜アーム３５ｂに自由に係合するように配置され、このアームは、ディスク４０用のディスクシートとして機能する。また、バイメタルディスク４０は、金属接触プレート１５の隆起した接触部分を受ける中央開口部を含むことが好ましい。接触プレート１５は、支持プレート６０に接続されることが好ましく、図１に示すように弾性部材５０が休止するために１つの表面を提供する。電気絶縁グロメット２５が設けられ、これは端部キャップ２０の周縁上にダイヤフラム７０の底部の周縁に沿って伸びている。またグロメット２５は、図１に示すようにサブアセンブリ３５の外縁に接触する。金属のリング５５があり、これは、グロメット２５の上縁上に曲げ加工され、ダイヤフラム７０に押され、端部キャップ組立体の内側の部品を密封する。グロメット２５は、クリンプリング５５から端部キャップ２０を電気的に絶縁し、支持プレート６０とクリンプリング５５との間にシールを形成する。端部キャップ組立体１０のカバー３０は、図５に最もよく示すように円錐台円筒形部材から形成される。完成した電池組立体（図８参照）において、カバー３０の外面が電池ケーシング９０の内面に接触する。支持プレート６０は、休止するサブアセンブリ３８の部品のベースを提供し、グロメット２５の内面に対して活性の半径方向の圧縮力を維持するように弓形状が好ましい。支持プレート６０は、ダイヤフラム７０が破裂したとき、ガスを上方の室６８に換気するためにその表面に複数の穴６３が設けられている。上方室６８内に押し出されるガスは、端部キャップ２０の第１の換気穴６７を通して外部の環境に換気される。端部キャップ組立体カバー３０は、電池ケーシング９０に接触し、このケーシング９０は、リチウムイオン充電可能電池の場合、反対側の端子、通常、負の端子に電気的に接触する。よって、グロメット２５は、端部キャップ２０と外壁３０との間、すなわち、電池の２つの端子の間での電気的な接触を行い、電池の短絡を防止する。電池の正と負の端子の間に短絡がないことを保証するように追加的な絶縁リング、主に、図１に示すように外壁３０と圧力プレート８０との間に絶縁スタンドオフリング４２がある。
ダイヤフラム７０は、約３と１０ミルとの間の厚さを備えたアルミニウムからなるカップ形状が好ましい。このような厚さにおいて、ダイヤフラムベース７２と支持プレート８０との間の溶接は破れ、ダイヤフラムベースは７２は膨らみ、電池内側のガスの圧力が少なくとも約１００ｐｓｉと２００ｐｓｉとの間（６．８９４×１０5と１３．８９×１０5パスカルとの間）でのしきい値まで上昇する。（このような圧力の蓄積は、例えばもし、電池が推奨された電圧より高い電圧で充電されるか、またはもし、電池がショートするか、または誤って使用される場合に生じる。）しかしながら、もし、所望ならば、ダイヤフラムベース７２の厚さは、他の圧力水準で膨張するように調整することができる。ダイヤフラムベース７２のプレート８０からの分離は、ダイヤフラム７０とプレート８０との間の電気的な接触を遮断する。またこの分離は、電池からまたは電池にもはや電流が流れないようにプレート８０に接触している端部キャップ２０と電池の電極８８との間の電気的な回路を遮断し、実際には電池を遮断する。もし、電池内の圧力が他の原因、例えば、炉内の熱によって上昇し続ける場合には、換気ダイヤフラム７０は、電池の爆発を防止するために少なくとも約２５０と４００ｐｓｉ（１７．２×１０5と２７．６×１０5パスカル）のしきい圧力で破裂することが好ましい。このような極端な環境において、換気ダイヤフラム７０の破裂によって、ガスが下方室７８に入ったとき（図１参照）、電池の内側から耐圧プレート８０の換気穴７３を介して換気孔までガスが流れることができる。次にガスは、支持プレートの換気穴６３を通って、もし必要ならば、絶縁ディスク３５の換気穴（図示せず）を通って下方室７８から上方室６８に流れる。
本発明の電流遮断装置の特徴は、図１ないし図３を参照して説明する。この特定の実施例において、端部キャップ組立体１０が電池に取り付けられるとき、電池の電極の一方がプレート８０に接触する。次に通常の電池の動作プレート８０は、端部キャッププレート２０に電気的に接続されている。リチウムイオン電池において、プレート８０に接触する電極８０は、正の電極であることが好ましい。この電極は、電池ケーシング９０から絶縁される。負の電極（図示せず）は、電池ケーシング９０に接続される。図１の実施例は、熱電流遮断バイメタルディスク４０の動作または圧力リリーフダイヤフラム７０の動作のいずれかによって遮断される。図１に示した特定の実施例において、プレート８０は、ダイヤフラム７０に電気的に接触され、ダイヤフラム７０は支持プレート６０と電気的に接触している。支持プレート６０は、接触プレート１５と電気的に接触し、接触プレート１５は、弾性部材５０と電気的に接触され、端部キャップ２０に電気的に接触される。図１に示す本発明の統合された端部キャップにおいて、圧力プレート８０に接触する電極８８と端部キャップ２０との間の電気的接触は、２つの方法によって阻害される。上述したように、もし圧力が電池内で所定のしきい値まで蓄積される場合には、圧力プレート８０は、ダイヤフラムベース７２が圧力プレート８２から離れるように膨張するとき破壊される。回路のこの中断は、電池にまた電池から電流が流れることを防止する。別の例として、もし電池が加熱する場合には、熱遮断サブアセンブリ３８のバイメタルディスク４０が作動し、その作動によって、絶縁体３５ｂを上方に押し、弾性部材５０を接触プレート１５から外すようにする。これは、実際には、電極タブ８７と端部キャップ２０との間の電気通路を切断し、電池へまたは電池からの電流が流れることを防止する。本発明の利点は、これら２つの遮断機構を１つの端部キャップ組立体１０内に２つの遮断機構を備えていることであり、この端部キャップ組立体１０内のこれらの１つの端部キャップ組立体１０は、１つのユニットとして電池ケースの開放端部に挿入可能である。
バイメタルディスク４０は、下の絶縁ディスク３５には物理的には取り付けられず、むしろ自由に動くようにすること、すなわち、図１に示すようにディスクアーム３５ｂ上に自由に浮く状態で休止することが好ましい。このような構成において、電流は、電池が充電しているか、放電しているかとは無関係に常に金属ディスク４０を通過しない。この理由は、ディスク４０は、非動作のとき、接触プレート１５とは電気的な接触をしないからである。しかしながら、もし、電池が所定のスレッショルド温度を越えて加熱する場合には、バイメタルディスク４０が、それが曲がるか、または変形（図２）して、弾性部材５０を接触プレート１５から離れるように押し、電池の端子の間に電流が流れることを防止する。バイメタルディスク４０は、それが一定のしきい値の温度に到達したとき、ディスクを作動させることができる所定のさら型形状を有するように調整される。上述した絶縁ディスクアーム３５ｂのバイメタルディスク４０の自由フロート構成は、電池が充電しているか、または放電しているかとは無関係に常に電流を流さない。これは、ディスク４０の調整を容易にし、さらに正確にする。なぜならば、バイメタルディスク４０を通る電流の流れによって生じる加熱効果がないからである（Ｉ2Ｒ加熱）。バイメタルディスク４０は、異なる熱膨張率を有する非類似の２層を有する。バイメタルディスク４０の上層（端部キャップ２０に最も近い層）は、大きな熱膨張金属、好ましくは、ニッケルクロム鉄合金から成る。下層または底部の層は、低い熱膨張金属、好ましくは、ニッケル鉄合金からなる。このような実施例において、ディスク４０は、温度が少なくとも約６０℃ないし７５℃まで上昇するとき作動し、接触プレート１５に接触しないように弾性部材５０を押すように十分に変形する。また、ディスク４０は温度が−２０℃以下になるように高いおよび低い熱膨張金属層を選択することが可能であり、これは大部分の用途において、装置を１つの動作の熱可塑性装置としてつくる。
上述した部品の好ましい材料は、次に説明するようなものである。端部キャップ２０は、適当な支持、強度および耐食性を提供するために約８ないし１５ミル（０．２と０．３７５ｍｍ）の間のステンレススチールまたはニッケルめっきスチールが好ましい。また、端部キャップ組立体１０の外壁３０は、約８と１５ミル（０．２と０．３７５ｍｍ）の間の厚さを有するスチンレススチールまたはニッケルめっきスチールが好ましい。圧力プレート８０は、中心がダイヤフラムベース７２と溶接接触する点で約１０と２０ミル（０．２５と０．５ｍｍ）との間で薄くされる。絶縁スタンドオフリング４２は、ジェネラルエレクトリックプラスティック社から商品名ＶＡＬＯＸとして市販されている強度および耐久性において高温ポリエステルのような高温熱可塑性材料からつくられる。クリンプリング５５は、強度および耐久性に関して約８ミルと１５ミル（０．２と０．３７５ｍｍ）の間の厚さを有するステンレススチールまたはニッケルめっきスチールが好ましい。ダイヤフラム７０は、約３と約１０ミル（０．０７５と０．２５ｍｍ）との間の厚さを有するアルミニウムが好ましい。このような厚さにおいて、ダイヤフラムは、内側のガス圧が約１００と２５０ｐｓｉ（６．８９×１０5と１７．２×１０5パスカル）との間のしきい値圧力を越えるとき、圧力プレート８０への溶接が離れるように破断する。もし、内側のガス圧が約２５０と４００ｐｓｉ（１７．２×１０5と２７．６×１０5パスカル）の間の圧力を越える場合には、ダイヤフラム７０は、ガス圧の蓄積からさらに開放するように破断される。バイメタルディスク４０が配置される絶縁ディスク３５は、高い圧縮強度および高い熱の安定性および低い成形収縮性を有する材料が好ましい。ディスク３５に関して適当な材料は、セラニーゼ社から商品名VECTRAで市販されている約１０と３０ミル（０．２５と０７５ｍｍ）の間の厚さの液晶ポリマー等である。支持プレート６０は、約１０と３０ミル（０．２５と０７５ｍｍ）の間の厚さで適当な強度及び耐食性を提供するようにステンレススチールまたはニッケルめっきスチールが好ましい。弾性部材５０は、良好なばね動作および優れた導電性を有するベリリウムー銅、ニッケル銅合金、ステンレススチール等から形成されることが好ましい。弾性部材５０が、ベリリウム銅またはニッケル銅合金から形成されるとき、弾性部材５０の適当な厚さは、十分な強度と電流搬送性能を得るために約３と８ミル（０．０７５と０．２ｍｍ）の間である。この材料は、この領域で小さい電気抵抗を得るために接触領域で銀または金でめっきされる。接触プレート１５は、接触抵抗を低くするためにおよび信頼性を改良するために金または銀のような貴金属でめっきされた冷間ロールスチールで形成されることが好ましい。また、接触プレート１５は、ニッケル銅クラッド合金、ステンレススチールまたはニッケルめっきスチールから形成されてもよい。グロメット２５は、ナイロンまたはポリプロピレンのようなポリマー材料からつくられる。端部キャップ組立体部品の周りのシールは、液体または蒸気の双方の形において、端部キャップ室に入ること、または電池を出ることを防止するために密封しなければならない。
端部キャップ組立体１０が完成した後、それは、図７に示す円筒形電池ケース９０の開放端部に挿入される。開放端部の電池ケーシング９０の周縁は、キャップ組立体１０と電池ケーシング９０との間に密封された緊密なシールを提供するように端部キャップ組立体１０のカバー３０の外壁に溶接される。グロメット２５およびダイヤフラム７０に対するクリンプリング５５の周縁の壁の半径方向の圧力により、端部キャップ組立体１０の内側部品の周りに緊密なシールが提供される。
中に統合された圧力リリーフ機構および熱作動電流遮断機構の双方を有する端部キャップ構成の他の実施例は、図４に端部キャップ組立体１１０として示されている。図４の実施例は、ばね状機構を作動するためにバイメタルディスクを使用しないことを除いて図１ないし図３を参照して説明したものと同様である。その代わり、接触プレートと電気的に接触するように弾性ばね状部材１５０を保持するために熱ペレット１７５が設けられる。次に接触プレート１１５は、端部キャッププレート２０に電気的に接触する。弾性部材１５０は、一端が支持プレート６０に溶接されている細長い金属アーム１５０ａを有する。支持プレート６０は、ダイヤフラム７０に電気的に接触し、ダイヤフラム７０は、下の耐圧プレート８０の隆起部分８２に溶接される。電極タブ８７は、プレート８０と電気的に接触する。弾性部材１５０は、接触プレート１１５に接触するカップまたは凹形状部分１５０ｂの両端で終結することが好ましい。支持プレート６０と接触プレート１１５との間の直接的な接触を防止するために支持プレート６０の周縁６０ａ上に電気的な絶縁ディスク１２０がある。よって、弾性部材１５０が接触プレート１１５に押されて保持される限り、支持プレート６０と端部キャップ２０との間に電気的な接触がある。支持プレート６０は、端部キャップが電池に適用されるとき、タブ８７を通してプレート８０と電池の電極８８との接触するアルミニウムダイヤフラム７０に電気的に接触する。（端部キャップ組立体１１０は、図１に示す実施例を参照して上述したと同じ方法で円筒形ケーシング９０の開放端部に挿入することによって電池に適用される。）したがって、弾性部材１５０は、熱ペレット１７５によって接触プレート１１５に押すように保持され、（タブ８７を通して）電池の電極８８と端部キャッププレート２０との間に電気的な接触があり、正常な電池の動作を可能にする。電池が所定のしきい温度を越える場合には、ペレット１７５は、溶解し、それによって、弾性部材１５０の支持体を除去する。ペレット１７５の溶解は、弾性部材１５０を下方に押し、接触プレート１１５との電気的な接触を外す。これは実際には、電極タブ８７と端部キャップ２０との間の電気的な通路を切断し、電池からまたは電池に電流が流れることを防止する。もし、電池内のガス圧が所定の値を越える場合には、ダイヤフラム７０は破れ、プレート８０とダイヤフラム７０との間の電気的な接触を切断し、支持プレート６０と端部キャップ２０ととの換気穴６３と６７とを通って外部環境にガスが逃げることができるようにする。図４に示す実施例で説明した端部キャップ２０と、支持プレート１１５と、アルミニウムダイヤフラム７０の好ましい材料は、図１ないし図３に示す同じ参照符号を有する対応する部品と同じである。接触プレート１１５は、ステンレススチール、またはその接触抵抗を低下させるために銀または金でまっきされたまたはニッケルめっきされた冷間ロールスチールから形成されることが好ましい。図４に示す絶縁ディスク１２０は、優れた導電特性を備えた高温熱可塑性材料からつくられることが好ましい。ディスク１２０の好ましい材料は、Ｅ．Ｉデュポン社から商品名ＫＡＰＴＯＮの下に市販されているポリイミドまたはゼネラルエレクトリックプラスティック社から商品名ＶＡＬＯＸとして市販されている高温ポリエステルである。弾性部材１５０は、プレート１１５と接触したときに、良好な導電性を、弾性材料に対するペレット１７５の圧力が除去されたとき信頼性のあるばね作用を提供するように約５と１０ミル（０．１２５と０．２５ｍｍ）との間の厚さのベリリウム銅合金から形成されるのが有利である。さらに、弾性アーム１５０は、その導電性を増大させるために銀または金でめっきされる。熱ペレット１７５は、比較的低い融点、例えば、約６５℃と１００℃との間の融点を有するが、正常な電池の動作の間弾性アーム１５０を所定の位置に保持するために優れた圧縮強度を有するポリマーから形成されるのが有利である。このような特性を有する熱ペレット１７５の適当な材料は、ペトロライト社から商品名POLYWAXで市販されているポリエチレンワックスである。このようなポリエチレンワックスの熱ペレット１７５は、約７５℃と８０℃との間の範囲の望ましい温度内で溶ける。
図１の端部キャップ組立体の分解図面は、図５に示される。端部キャップ組立体１０は、次の順序で図５に示す部品を組み立てることによってつくられる。予備組立体は、部品２０，５０，４０，３５，１５，６０，７０，２５および５５からなる。これは、プレスティックグロメット２５をクリンプリング５５に挿入することによって達成され、換気ダイヤフラム７０に溶接された接触プレート１５によって支持プレートを挿入することによって達成される。絶縁ディスク３５が接触プレート１５の周りに配置され、バイメタルディスク４０が、絶縁ディスク３５の下方傾斜アーム３５ｂに休止するように配置される。バイメタルディスク４０は、絶縁ディスク３５には結合されないが、自由フローティング状態に休止する。絶縁ディスク３５は、バイメタルディスクの位置決め手段として作用する。弾性ばね状部材５０の外端の上面は端部キャップ２０の周縁に溶接される。溶接された弾性部材５０を有する端部キャップ２０は、接触プレート１５の隆起した中央部分が弾性部材５０の内端に接触し、弾性部材５０の外端の底面が絶縁ディスク３５の円周縁に接触するように絶縁ディスク３５上に配置される。よって、弾性部材５０の外端は、端部キャップ２０と絶縁ディスク３５との間にくさびを形成し、部材５０の反対側または内端は、接触プレート１５と接触する。つぎに、リング５５は、端部キャップ２０の周縁に対して端部キャップ２０の周縁に対してグロメット２５の上端を緊密に押すように保持する。これは、リング５５の中央（垂直方向）の軸線に沿って機械的な力を加えることによって達成される。次に、第２のクリンピング工程において、機械的圧力が、クリンプ加工された壁に半径方向に加えられ、予備組立体の組み立てを完成する。半径方向のクリンプ加工は、予備組立体の内側の部品をきつく保持し、それらをリング５５内にきつくシールする。予備組立体は、クリンプリング５５の底面がカバー３０の底の内部に対して接触するように金属カバー３０に挿入される。その結果として、クリンプリングの底面は、カバー３０の底部内面に溶接される。圧力プレート８０が絶縁スタンドオフリング４２の底部に固定され、それに取り付けられた圧力プレート８０を有するスタンドオフ４２は、圧力プレート８０の隆起した中央部分が換気ダイヤフラム７０に接触するようにカバー３０の外側底面に対して配置される。圧力プレート８０とダイヤフラム７０との間の接触点は、スポット溶接され、端部キャップ組立体１０の構造を完成する。端部キャップ組立体１０は、それを図７に示す電池の円筒形ケーシング９０の開放端部に挿入し、その開放端部でカバー３０の外面を円筒形ケーシング９０の内面に溶接することによって電池に取り付けられる。その結果、図８に示す電池１００がつくられ、端部キャップ組立体１０が円筒形ケーシング９０内にきつく密封され、端部キャッププレート２０は、電池の端子を形成する。
本発明をある好ましい実施例について説明したが、本発明は、特定の実施例には制限されず、請求の範囲およびその等価物によって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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