Аккумуляторная батарея со стопорной фиксацией

Изобретение относится к аккумуляторной батарее со стопорной фиксацией. Согласно изобретению аккумуляторная батарея имеет стопорные элементы, сформированные на верхней крышке, и стопорные пазы, сформированные на корпусе, так что стопорные элементы могут входить в зацепление в соответствующих стопорных пазах. Сборка аккумуляторной батареи осуществляется способом механического сочленения, а не способом ультразвуковой сварки, и аккумуляторная батарея изготавливается с использованием высокопрочного материала. Техническим результатом является достаточная прочность по отношению к внешним ударным воздействиям при значительно уменьшенной толщине батареи. 6 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к аккумуляторной батарее с стопорной фиксацией, а более конкретно к аккумуляторной батарее, имеющей стопорные элементы, сформированные на верхней крышке, и стопорные пазы, сформированные на корпусе так, что стопорные элементы могут входить в зацепление в соответствующих стопорных пазах, тем самым позволяя производить сборку аккумуляторной батареи способом механического сочленения, а не способом ультразвуковой сварки, и позволяя изготавливать аккумуляторную батарею с использованием высокопрочного материала, в результате чего дополнительно уменьшается толщина аккумуляторной батареи.

Уровень техники

Поскольку мобильные устройства в последнее время активно разрабатывались, и спрос на такие мобильные устройства возрастал, то резко возрастала и потребность во вторичных (аккумуляторных) батареях в качестве источников питания для таких мобильных устройств. Одним из типов вторичных батарей является литиевая вторичная батарея, обладающая высокими плотностью энергии и напряжением разряда, в отношении которой было проведено значительное количество исследований, и которая теперь стала коммерческой и широко используемой.

По своей внешней форме литиевые вторичные батареи подразделяются на цилиндрические батареи, прямоугольные батареи или батареи в форме «пакета» («карманные» батареи). По своему электролиту литиевые вторичные батареи подразделяются на литий-ионные батареи или литий-ионные полимерные батареи.

По мере того как мобильные устройства становились все более миниатюрными, возрастал спрос на прямоугольные батареи и «карманные» батареи, имеющие сравнительно небольшую толщину. На Фиг.1 показана типичная форма портативной аккумуляторной батареи, которая является одним из примеров такой вторичной батареи небольшой толщины. На Фиг.2 показан вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий такую аккумуляторную батарею перед сборкой.

Обращаясь к Фиг.1 и 2, аккумуляторная батарея 100 содержит: прямоугольный активный блок 200 с электродной группой, которая включает в себя катод, анод и пленку-сепаратор, и электролитом, размещенным в нем в герметизированном состоянии; корпус 300, имеющий внутреннее пространство для приема активного блока 200; и верхнюю крышку 400, установленную на корпусе 300 с находящимся в нем активным блоком 200, для герметизации этого активного блока 200.

Обычно сборка аккумуляторной батареи 100 с описанной выше конструкцией завершается сочленением между собой способом ультразвуковой сварки верхней крышки 400 и корпуса 300, которые выполнены из пластика, такого как поликарбонат (ПК) или сополимера акрилонитрила-бутадиена-стирола (АБС). Способ ультразвуковой сварки представляет собой способ сварки двух скрепляемых поверхностей с использованием теплоты трения, выделяющейся при высокочастотных колебаниях, например, с частотой 20000 Гц.

Сочленение корпуса 300 и верхней крышки 400 способом ультразвуковой сварки будет описано более подробно со ссылкой на Фиг.3-6. На Фиг.3 показан вид сверху верхней крышки 400, установленной на корпусе 300, а на Фиг.4 - вид в вертикальном разрезе вдоль линии A-A на Фиг.3. При установке верхней крышки 400 на корпусе 300 противоположные края верхней крышки 400 приходят соответственно в соприкосновение с противоположными краями корпуса 300. На Фиг.5 показан увеличенный вид, иллюстрирующий область В соприкосновения верхней крышки с корпусом, а на Фиг.6 показан вид, иллюстрирующий сочленение верхней крышки и корпуса способом ультразвуковой сварки. Как показано на Фиг.5, на нижней поверхности каждого из краев верхней крышки 400 сформирован клинообразный сварочный выступ 400a, а на корпусе 300 сформирована сварочная поверхность 300a, так что сварочный выступ 400a приводится в соприкосновение со сварочной поверхностью 300a. Когда при выполнении ультразвуковой сварки между верхней крышкой и корпусом прикладывают высокочастотные колебания, сварочный выступ 400a и сварочные поверхности 300a свариваются друг с другом, и, таким образом, верхняя крышка надежно сочленяется с корпусом.

Поскольку увеличился спрос на аккумуляторные батареи малой толщины, то толщина корпуса 300 и верхней крышки 400 в последнее время была снижена до 0,3-0,35 мм. В результате этого оказывается трудным сформировать корпус и верхнюю крышку литьем под давлением и запрессовкой под давлением. Кроме того, размеры сварочного выступа 400a и сварочной поверхности 300a также уменьшаются, и поэтому прочность сварки корпуса с верхней крышкой снижается, тем самым увеличивая частоту поломки сварного шва.

В случае батареи с цилиндрическим металлическим корпусом надлежащая прочность по отношению к внешним ударным воздействиям обеспечивается благодаря конструктивным характеристикам металлического корпуса даже в том случае, когда его толщина мала. Однако литий-ионная полимерная батарея с такой конструкцией, как показанная на Фиг.1, не обладает надлежащей прочностью по отношению к внешним ударным воздействиям, и поэтому применение корпуса малой толщины в случае литий-ионной полимерной батареи ограничено.

Таким образом, имеется необходимость в создании аккумуляторной батареи, которая имеет надлежащую прочность по отношению к внешним ударным воздействиям даже в случае применения корпуса малой толщины и которая имеет улучшенную прочность соединения между верхней крышкой и корпусом.

Сущность изобретения

Соответственно, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы по существу избежать вышеупомянутых проблем стандартной технологии, а также технических проблем предшествующего уровня техники.

Авторы настоящего изобретения выполнили различные эксперименты и исследования конструкции аккумуляторной батареи и обнаружили, что, если на верхней крышке аккумуляторной батареи сформированы стопорные элементы, а на корпусе аккумуляторной батареи сформированы стопорные пазы так, что стопорные элементы могут приходить в зацепление в соответствующих стопорных пазах, то аккумуляторная батарея может быть собрана способом механического сочленения, а не способом ультразвуковой сварки, и аккумуляторная батарея может быть изготовлена из высокопрочного материала, за счет чего дополнительно уменьшается толщина такой аккумуляторной батареи.

В соответствии с настоящим изобретением вышеуказанная и другие задачи могут быть решены предоставлением аккумуляторной батареи, содержащей: прямоугольный активный блок с электродной группой, которая включает в себя катод, анод и пленку-сепаратор, и электролитом, размещенным в нем в герметизированном состоянии; корпус, имеющий внутреннее пространство для приема активного блока; и верхнюю крышку, установленную на корпусе с находящимся в нем активным блоком, для герметизации этого активного блока, при этом верхняя крышка снабжена по своему краю множеством упругих стопорных элементов, а корпус снабжен по своему краю множеством стопорных пазов, которые соответствуют стопорным элементам верхней крышки, так что стопорные элементы верхней крышки вставляются в стопорные пазы корпуса при находящемся в этом корпусе активном блоке, посредством чего верхняя крышка сочленяется с корпусом.

В соответствии с настоящим изобретением верхняя крышка может быть сочленена с корпусом способом механического сочленения, а не способом ультразвуковой сварки.

Соответственно, необязательно ограничивать материал верхней крышки и корпуса свариваемым ультразвуком материалом. Предпочтительно, верхняя крышка выполнена из материала с более высокой прочностью и упругостью, чем у материала тех областей корпуса, где сформированы стопорные пазы. В предпочтительном варианте реализации верхняя крышка выполнена из нержавеющей стали (SUS), а корпус выполнен из пластика, такого как, например, поликарбонат (ПК) или сополимер акрилонитрила-бутадиена-стирола (АБС). Альтернативно, корпус может быть выполнен из пластичного полимера только в тех областях корпуса, где сформированы стопорные пазы. Если в качестве материала для аккумуляторной батареи используется нержавеющая сталь, то оказывается возможным изготовить аккумуляторную батарею с высокой прочностью и с еще меньшей толщиной (например, от 0,1 до 0,2 мм).

Конструкции стопорных элементов и стопорных пазов никак особо не ограничены, если только поддерживается сочленение между стопорными элементами и стопорными пазами, когда стопорные элементы входят в зацепление в стопорных пазах, то есть когда имеющие форму выступов стопорные элементы вставлены в имеющие форму выемок стопорные пазы. В предпочтительном варианте реализации каждый из стопорных элементов содержит пару стопорных выступов, которые соединены друг с другом при том, что между этими стопорными выступами сформирован разделительный вырез, причем стопорные выступы снабжены на своих внешних сторонах выступами, которые выполнены имеющими сужающуюся книзу форму, и каждый из стопорных пазов имеет ширину, меньшую, чем максимальное расстояние между этими выступами стопорных выступов.

В другом предпочтительном варианте реализации корпус содержит: нижнюю крышку, выполненную имеющей такую же форму, что и верхняя крышка, причем нижняя крышка снабжена по своему краю множеством стопорных элементов; и прямоугольную корпусную рамку, имеющую множество стопорных пазов, которые соответствуют стопорным элементам верхней и нижней крышек.

Число и местоположения стопорных элементов, сформированных по краю верхней крышки (или по краям верхней и нижней крышек), никак особо не ограничиваются. Предпочтительно, стопорные элементы размещаются равномерно по краю верхней крышки (или по краям верхней и нижней крышек).

Корпусная конструкция аккумуляторной батареи согласно настоящему изобретению очень подходит для аккумуляторной батареи с литий-ионными полимерными аккумуляторами.

Краткое описание чертежей

Вышеуказанные и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятнее из следующего подробного описания, приведенного в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых:

Фиг.1 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий традиционную аккумуляторную батарею;

Фиг.2 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий традиционную аккумуляторную батарею перед сборкой;

Фиг.3 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий верхнюю крышку, установленную на корпусе традиционной аккумуляторной батареи, показанной на Фиг.2;

Фиг.4 представляет собой вид в вертикальном разрезе вдоль линии A-A на Фиг.3;

Фиг.5 представляет собой увеличенный вид, иллюстрирующий часть В на Фиг.4;

Фиг.6 представляет собой вид, иллюстрирующий показанные на Фиг.5 детали, которые сочленены между собой способом ультразвуковой сварки;

Фиг.7 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий аккумуляторную батарею согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения перед сборкой;

Фиг.8 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий верхнюю крышку, сочлененную с корпусом аккумуляторной батареи, показанной на Фиг.7;

Фиг.9 представляет собой вид в вертикальном разрезе вдоль линии C-C на Фиг.8;

Фиг.10-12 представляют собой виды, последовательно иллюстрирующие процесс сочленения на участке D на Фиг.9; и

Фиг.13 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий аккумуляторную батарею согласно другому предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения перед сборкой.

<Основные цифровые обозначения на чертежах>

100: аккумуляторная батарея

200: активный блок

300: корпус

400: верхняя крышка

500: нижняя крышка

600: МЦЗ

700: электродный вывод

800: ПТКС-элемент

900: изолирующий элемент

1000: двусторонние липкие ленты

1100: метка погружения

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации

Ниже будут описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи. Следует отметить, однако, что объем настоящего изобретения не ограничивается приведенными вариантами реализации.

На Фиг.7 приведен вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий аккумуляторную батарею 100 согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения перед сборкой.

Обращаясь к Фиг.7, аккумуляторная батарея 100 содержит: внутренний активный блок 200 с электродной группой, которая включает в себя катод, анод и пленку-сепаратор, и электролитом, размещенным в нем в герметизированном состоянии; корпус 300 для приема активного блока 200; и верхнюю крышку 400, сочлененную с корпусом 300 для герметизации активного блока 200.

Активный блок 200 имеет катодный отвод 210 и анодный отвод 220, которые оба показаны обнаженными. Катодный отвод 210 соединен с модулем цепи защиты (МЦЗ) 600 через катодный вывод 700. Анодный отвод 220 соединен с МЦЗ 600 через анодный вывод 710, который подсоединен к элементу 800 с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ПТКС).

Верхняя крышка 400 выполнена из такого материала, как нержавеющая сталь, и поэтому имеется вероятность того, что верхняя крышка 400 может быть закорочена при ее контакте с МЦЗ 600, электродными выводами 700 и 710 и ПТКС-элементом 800. По этой причине между верхней крышкой 400 и МЦЗ 600/электродными выводами 700 и 710/ПТКС-элементом 800 расположен изолирующий элемент 900. Кроме того, между корпусом 300 и активным блоком 200 и между верхней крышкой 400 и активным блоком 200 помещены двусторонние липкие ленты 1000, так что активный блок 200 может быть надежно зафиксирован при его установке в пространстве, ограниченном корпусом 300 и верхней крышкой 400.

По краю верхней крышки 400 сформировано множество стопорных элементов 410, которые простираются по направлению к корпусу 300. На корпусе 300 сформированы стопорные пазы 310, соответствующие стопорным элементам 410 верхней крышки 400. Корпус 300 содержит внешнюю корпусную часть 302, выполненную из такого материала, как нержавеющая сталь, и внутреннюю корпусную часть 304, выполненную из пластика. Стопорные пазы 310 сформированы на внутренней корпусной части 304.

Соединения между электродными отводами 210 и 220 и электродными выводами 700 и 710 выполнены сваркой, и соединения между МЦЗ 600 и электродными выводами 700 и 710 также выполнены сваркой. После того как активный блок 200 размещен во внутреннем пространстве корпуса 300, и верхняя крышка 400 установлена на корпусе 300, стопорные элементы 410 верхней крышки 400 вставляются в соответствующие стопорные пазы 310 корпуса 300, завершая сборку аккумуляторной батареи 100. После завершения сборки аккумуляторной батареи 100 на верхний край корпуса 300 прикрепляется метка погружения 1100.

Сочленение между верхней крышкой 400 и корпусом 300 будет более подробно описано со ссылкой на Фиг.8-12.

На Фиг.8 показан вид сверху, иллюстрирующий верхнюю крышку 400, сочлененную с корпусом 300, а на Фиг.9 - вид в вертикальном разрезе вдоль линии C-C на Фиг.8. На Фиг.10-12 показаны виды, последовательно иллюстрирующие процесс сочленения на участке D, где один из стопорных элементов входит в зацепление в соответствующем стопорном пазу.

Обращаясь сначала к Фиг.10, видно, что каждый из стопорных элементов 410 включает в себя пару из правого и левого стопорных выступов 414a и 414b, которые соединены друг с другом при том, что между этими стопорными выступами 414a и 414b сформирован разделительный вырез 412. На внешних сторонах стопорных выступов 414a и 414b сформированы выступы 416a и 416b, которые выполнены имеющими сужающуюся вниз форму. Каждый из стопорных пазов 310 имеет ширину w, меньшую, чем максимальное расстояние d₁ между выступами 416a и 416b правого и левого стопорных выступов 414a и 414b. С другой стороны, ширина d₂ стопорного элемента 410 на нижнем его краю меньше, чем ширина w стопорного паза 310. Соответственно, стопорный элемент 410 может легко быть вставлен в стопорный паз 310.

Когда стопорный элемент 410 начинает вставляться в стопорный паз 310, верхние части выступов 416a и 416b правого и левого стопорных выступов 414a и 414b сжимаются верхним краем стопорного паза 310, как показано на Фиг.11, в результате чего правый и левый стопорные выступы 414a и 414b изгибаются внутрь. Соответственно, разделительный вырез 412 становится узким, и поэтому стопорный элемент 410 вставляется в стопорный паз 310.

После того, как вставка стопорного элемента 410 в стопорный паз 310 завершена, как показано на Фиг.12, выступы 416a и 416b создают давление на внутреннюю поверхность стопорного паза 310 за счет восстанавливающего усилия упругости упругого стопорного элемента 410, в результате чего запирающее усилие между стопорным элементом и стопорным пазом возрастает. Кроме того, выходу стопорного элемента 410 из зацепления со стопорным пазом 310 препятствуют выступы 416a и 416b, сформированные имеющими сужающуюся книзу форму, даже если к стопорному элементу и стопорному пазу приложено внешнее усилие. Кроме того, материал стопорного элемента 410 имеет более высокую прочность, чем материал стопорного паза 310. Соответственно, участки выступов 416a и 416b проникают в корпус 300 примыкающими к стопорному пазу 310, и поэтому запирающее усилие между стопорным элементом и стопорным пазом еще более увеличивается.

На Фиг.13 показан вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий аккумуляторную батарею 100а согласно другому предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения перед сборкой.

Как показано на Фиг.13, аккумуляторная батарея 100a характеризуется тем, что она включает в себя корпусную рамку 300a, открытую в ее верхней и нижней частях, и нижнюю крышку 500, которая соответствует корпусу 300 на Фиг.7, причем на этой нижней крышке 500 сформировано множество стопорных элементов 510, а на корпусной рамке 302 сформировано множество стопорных пазов 310, так что стопорные элементы 510 нижней крышки 500, а также стопорные элементы 410 верхней крышки 400 могут входить в зацепление в стопорных пазах 310.

Соответственно, аккумуляторная батарея 100a идентична аккумуляторной батарее 100 по Фиг.7, за исключением того, что нижняя крышка 500 сочленяется с корпусной рамкой 300a с образованием корпуса 300 по Фиг.7, и поэтому более подробное описание аккумуляторной батареи 100а не приводится.

Хотя выше в иллюстративных целях были раскрыты предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет ясно, что возможны различные модификации, дополнения и замены без отклонения от объема и существа изобретения, которые определяются приведенной ниже формулой изобретения.

Промышленная применимость

Из вышеприведенного описания следует, что оказывается возможным изготовление аккумуляторной батареи малой толщины без использования способа ультразвуковой сварки и, следовательно, без необходимости в использовании дорогостоящей прецизионной машины для ультразвуковой сварки. Кроме того, стопорные элементы могут быть сформированы с использованием обычного прессовального оборудования, и при этом возможно использование высокопрочного материала, такого как нержавеющая сталь. Следовательно, оказывается возможным изготовить батарею с достаточной прочностью по отношению к внешним ударным воздействиям при значительно уменьшенной толщине батареи.

1. Аккумуляторная батарея, содержащая: прямоугольный активный блок с электродной группой, которая включает в себя катод, анод и пленку-сепаратор, и электролитом, размещенным в нем в герметизированном состоянии; корпус, имеющий внутреннее пространство для приема активного блока; и верхнюю крышку, установленную на корпусе с находящимся в нем активным блоком, для герметизации этого активного блока, причем

верхняя крышка снабжена по своему краю множеством упругих стопорных элементов, а корпус снабжен по своему краю множеством стопорных пазов, которые соответствуют стопорным элементам верхней крышки, так что стопорные элементы верхней крышки вставлены в стопорные пазы корпуса при находящемся в этом корпусе активном блоке, посредством чего верхняя крышка сочленена с корпусом.

2. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой верхняя крышка выполнена из материала, имеющего более высокие прочность и упругость, чем у тех областей корпуса, где сформированы стопорные пазы.

3. Аккумуляторная батарея по п.2, в которой верхняя крышка выполнена из нержавеющей стали, а корпус выполнен из пластика.

4. Аккумуляторная батарея по п.3, в которой корпус выполнен из пластичного полимера только в тех областях корпуса, где сформированы стопорные пазы.

5. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой каждый из стопорных элементов содержит пару стопорных выступов, которые соединены друг с другом при том, что между этими стопорными выступами сформирован разделительный вырез,

стопорные выступы снабжены на своих внешних сторонах выступами, которые выполнены имеющими сужающуюся книзу форму, и каждый из стопорных пазов имеет ширину, меньшую, чем максимальное расстояние между выступами стопорных выступов.

6. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой корпус содержит: нижнюю крышку, выполненную имеющей ту же форму, что и верхняя крышка, причем нижняя крышка снабжена по своему краю множеством стопорных элементов; и

прямоугольную корпусную рамку, имеющую множество стопорных пазов, которые соответствуют стопорным элементам верхней и нижней крышек.

7. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой активный блок представляет собой блок литий-ионных полимерных аккумуляторов.