CN109643773A

CN109643773A - 用于电池外壳壁的集成电气馈通件

Info

Publication number: CN109643773A
Application number: CN201780051591.7A
Authority: CN
Inventors: B·K·邵; C·R·帕斯玛; H·巴拉拉姆; 刘军华
Original assignee: Apple Computer Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-04-16
Also published as: US20180083312A1; WO2018057704A1

Abstract

本发明题为“用于电池外壳壁的集成电气馈通件”。本发明呈现了在电池外壳壁内集成的电气馈通件。在一些实施方案中，电气馈通件包括电池外壳，所述电池外壳限定开口。所述电气馈通件还包括套环，所述套环围绕所述开口设置并且与所述壁形成单个主体。所述电气馈通件还包括通过所述套环设置的导电端子。所述电气馈通件另外包括设置在所述套环和所述导电端子之间并在所述套环和所述导电端子之间形成密封的电绝缘材料。在一些实施方案中，所述壁具有等于或小于1毫米的厚度。在一些实施方案中，所述套环突出到所述电池外壳中。在其他实施方案中，所述套环从所述电池外壳中突出。在一些实施方案中，所述导电端子的横截面积为所述套环的外周边限定的面积的至少40％。本发明还呈现了结合所述电气馈通件的电池。

Description

用于电池外壳壁的集成电气馈通件

相关申请的交叉引用

本公开根据35 U.S.C.§119(e)，要求于2016年9月22日提交的名称为“INTEGRATEDELECTRICAL FEEDTHROUGHS FOR WALLS OF BATTERY HOUSINGS”的美国临时专利申请62/398,216的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本公开整体涉及电气馈通件，并且更具体地，涉及用于电池外壳壁的集成电气馈通件。

背景技术

电气馈通件可以被用来通过电池外壳或通过“筒”实现电气连接。在一些变型中，焊接工艺可以用于将电气馈通件物理地耦接到电池外壳壁。焊接工艺可涉及将电气馈通件的凸缘焊接到壁。然而，凸缘占用壁上的空间，其妨碍降低便携式和移动电子器件的电池外壳的尺寸。所述凸缘还占据另外可用于更大的电气馈通件的空间。在一些应用中，由于其具有承载更高电流的能力，期望较大的电气馈通件。

在焊接过程中加热和冷却电气馈通件会产生热致应力。这些热致应力可导致电气馈通件内的裂纹，尤其是在电气馈通件的电绝缘材料内。应当理解，用于电气馈通件的电绝缘材料通常为陶瓷材料或玻璃材料。此类材料趋于通过开裂减轻高应力，不同的是可塑性变形或拉伸的金属材料。电绝缘材料内的裂纹是不可取的，因为电气馈通件的密封能力降低。电气馈通件的电绝缘能力也可丧失。电池行业寻求能够更好地支撑电池外壳，尤其是便携式和移动电子器件的电池外壳的电气馈通件。

发明内容

以下公开涉及集成在电池外壳壁内的电气馈通件。在一些实施方案中，电气馈通件包括电池外壳，该电池外壳具有开口的壁，所述开口的壁设置在其中。所述电气馈通件还包括套环，所述套环围绕开口设置并且与所述壁形成单个主体的套环。所述电气馈通件还包括通过所述套环设置的导电端子。所述电气馈通件另外包括电绝缘材料，所述电绝缘材料设置在所述套环和所述导电端子之间并在所述套环和所述导电端子之间形成密封。在一些实施方案中，所述壁具有等于或小于1毫米的厚度。在一些实施方案中，所述套环突出到所述电池外壳中。在其他实施方案中，所述套环从所述电池外壳中突出。在一些实施方案中，所述导电端子的横截面积为所述套环的外周边限定的面积的至少40％。

以下公开还涉及包括此类电气馈通件的电池。在一些实施方案中，电池包括电极组件，所述电极组件包括阴极电极、阳极电极，和设置在所述阴极电极和所述阳极电极之间的分隔件。所述电池还包括电池外壳，所述电池外壳容纳所述电极组件和电解质。所述电池外壳包括具有开口的壁，所述开口设置在其中。套环围绕所述开口设置并且与所述壁形成单个主体。所述电池外壳还包括导电端子，所述导电端子通过所述套环设置并且电耦接到所述电极组件的所述阴极电极或所述阳极电极。电绝缘材料设置在所述套环和所述导电端子之间并在所述套环和所述导电端子之间形成密封。在一些实施方案中，所述电极组件包括耦接到所述阴极电极或所述阳极电极的导电片。在这些实施方案中，所述导电端子耦接到所述导电片。在一些实施方案中，所述导电端子的横截面积为所述套环的外周边限定的面积的至少40％。在另外的实施方案中，所述电极组件具有大于300W·h/l的体积能量密度。

在另一实施例中，电池包括电极组件，所述电极组件包括第一电极、第二电极和设置在所述第一电极和所述第二电极之间的分隔件。所述第一电极或所述第二电极可为阳极和阴极或反之亦然。所述电池包括电池外壳，所述电池外壳容纳电极组件和电解质。所述电池外壳包括壁，所述壁围绕孔径整体限定凸缘。所述凸缘可向内延伸到外壳内或向外延伸。所述凸缘，其在一个实施例中为套环，整体形成在所述壁中并且可能或可能未限定围绕孔径的连续环形表面。端子延伸通过所述孔径并且与所述第一电极耦接。并且，密封材料(例如本文所讨论的玻璃和其它材料)位于所述端子和所述凸缘之间，其在两者之间形成密封。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，将容易理解本公开，其中类似的参考标号指代类似的结构元件，并且其中：

图1A是具有电气馈通件的电池外壳的一部分的截面透视图；

图1B是图1A的电池外壳的一部分的截面透视图，但具有沿电气馈通件的外圆周的一部分形成的连续的点焊序列；

图2A是根据示例性实施方案的集成在电池外壳壁内的电气馈通件的截面侧视图；

图2B是根据示例性实施方案的图2A的电气馈通件的截面侧视图，但是具有从电池外壳突出的套环；

图2C是图2A的电气馈通件的截面侧视图，但是具有在电池外壳的不同部分之间的凸缘接头；以及

图3是根据示例性实施方案的设置在第一截面侧视图上方的第二截面侧视图的并排重叠，但其中第一截面侧视图包括具有带凸缘的可焊接的孔的第一电气馈通件以及第二截侧视图包括具有套环的第二电气馈通件。

具体实施方式

现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求书限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。

为了存储和供应电能，电池单元通常应用电极组件，该电极组件包括插入在阴极电极和阳极电极之间的分隔件。分隔件部分地充当调节阴极电极和阳极电极之间的电化学反应。由于此类电化学反应可受到环境危害的负面影响(例如，水分，灰尘，锋利的物体，冲击等)，电池单元常常将电极组件包封在电池外壳中。电池外壳，有时称为“筒”，隔离和防护电极组件免受其周围环境影响。

当被包封时，电极组件依赖于穿过电池外壳的电路径以接收和递送电能。此电路径通常由电气馈通件提供。电气馈通件设置在电池外壳壁中，并且电耦接到阴极电极或阳极电极。常见配置包括用于阴极电极和阳极电极中每个的一个电气馈通件。然而，如果电池外壳是导电的，则电池外壳可用作通常用于阳极电极的电气馈通件。

电池外壳正日益设计成具有小的侧壁，这反映了目标应用(例如，移动设备，便携式电子器件等)内空间的薄化分配。这些小侧壁支撑电极组件(即，阴极电极，阳极电极等)与一个或多个电气馈通件之间的耦接。然而，常规的电气馈通件不适合小侧壁。常规电气馈通件通常采用凸缘以方便焊接到壁。由于空间限制，凸缘限制通过常规电气馈通件设置的导电端子的尺寸。这种限制降低了导电端子(并且因此常规的电气馈通件)承载电流的能力，尤其是对于小壁而言。相比之下，电极组件继续表现出更高的电化学功率密度，进而增大供给到此类电极组件或从此类电极组件递送的电流的幅度。

常规电气馈通件在缩放以适应小壁时还不良地容许焊接过程。当缩放时，凸缘提供减少的材料体积以在焊接期间吸收和分配热量，从而允许高温梯度发展。这些高温梯度引起高应力梯度。高应力梯度可导致常规电气馈通件中的密封材料破裂或断裂，从而否定紧密密封的电池外壳的可能性。

现在参考图1A，呈现了具有电气馈通件102的电池外壳100的一部分的截面透视图。通过电池外壳100的侧壁104设置电气馈通件102。电池壳体100包括第一壁106和第二壁108，第一壁106和第二壁108沿侧壁104内的接缝110相接。接缝110可以被卷曲，焊接，钎焊，等以形成密闭密封的接头。电池外壳100还包括形成到第一壁106和第二壁108中的圆角112。圆角112跨越限定平坦表面114的侧壁104的一部分。该平坦表面114包括开口116，通过开口116设置电气馈通件102。

电气馈通件102包括管状导管118，该管状导管118终止于凸缘120中的一端。管状导管118和凸缘120作为单个主体可被称为“孔”。管状导管118具有略小于开口116的尺寸的外径(即，允许滑动配合)。管状导管118和凸缘120可由金属主体(例如，不锈钢主体)形成。电气馈通件102还包括通过管状导管118设置的端子122。端子122由导电材料形成，例如铝，并且可以延伸经过管状导管118的两端，如图1A所示。密封材料124插入到端子122和管状导管118之间(即，将端子122耦接到管状导管118)。密封材料124是由绝缘材料形成，例如玻璃材料。因此，密封材料124能够操作以将端子122与管状导管118电绝缘并在其间建立第一气密密封。

凸缘120具有面向内表面126，所述面向内表面被设置成抵靠平坦表面114，以及远离侧壁104取向的面向外表面128。凸缘120的尺寸设定成使得面向内表面126和平坦表面114之间的重叠足以允许在焊接期间形成第二气密密封。此外，凸缘120的外圆周130和开口116的位置使得面向内表面126仅与平坦表面114保持接触。凸缘120不接触接缝110或延伸穿过圆角112，其中任一者将阻碍或防止第二气密密封件形成。

图1B呈现图1A的电池外壳100的一部分的截面透视图，但具有沿外圆周130的一部分形成的连续的点焊序列132。在制造期间，电气馈通件102穿过开口116设置以及来自能量源(例如，火炬，激光，超声波尖端，等等)的热量被施加到沿外圆周130的点。此类热熔融凸缘120的一部分(例如，凸缘120上的点)并且包含面向内表面126和平坦表面114的相邻部分。在冷却时，合金化键在凸缘120和平坦表面114之间形成。该能量源随后沿顺时针(或逆时针)沿着外周边130移位以建立连续的点焊序列。当围绕外圆周130完成时，这种连续序列将电气馈通件102气密密封到电池外壳100。

应当理解，侧壁104的特征(例如，接缝110，圆角112，等)限制用于定位电气馈通件102的空间。因此，空间(高度)显著小于侧壁104的总体高度。为了适应此有限的空间，可在尺寸上缩放电气馈通件102。然而，对于小于10毫米的侧壁高度，凸缘120可缩窄(在环形宽度)至这样的程度，在焊接时，跨密封材料124建立高温梯度。这种高温梯度继而可通过密封材料124引起高应力梯度。高应力梯度是不可取的，并且在某些焊接过程中，可使电气馈通件102机械失效(例如，裂缝)。

本文所公开的是集成到电池外壳壁中的电气馈通件。电气馈通件利用形成在壁中的套环以替换可焊接的孔，这对于常规的馈通件设计是常见的。通过消除可焊接的孔，尤其是可焊的孔的凸缘，电气馈通件可占据壁上的空间较少并且适于小壁(即，高度小于10毫米)。此外，该电气馈通件可能比另外可能的情况更大。较大的馈通件可允许较厚的计量端子穿过壁设置。此类馈通件还可允许将导电片从电极组件比较容易地焊接或焊到电气馈通件的端子。此类馈通件还可支撑设置在电池外壳内的电极组件的较高体积能量密度(即，大于300W·h/l)。

该电气馈通件还减少电池单元的部件和制造成本。由于套环替换可焊接的孔，因此需要一个较少的组件来组装电池单元。此外，套环可与电池外壳壁同时形成，即，无需另外的制造步骤。与可焊接的孔不同，焊接工艺不需要将套环附接到壁。此外，密封材料可在最佳用于其熔融，软化，固化等的温度内加工。因此，与由焊接引起的热诱导应力相关的破裂风险完全忽略。电气馈通件及其对应的特征的示例性实施方案在下面参考图2A-图2C所述。

现在参考图2A，呈现了根据示例性实施方案的集成到电池外壳204的壁202内的电气馈通件200的截面侧视图。壁202可具有等于或小于1毫米的厚度。电气馈通件200包括壁202，壁202具有设置在其中的开口208。套环206围绕开口208设置并与壁202形成单个主体。开口208可具有能够限定套环206的周边的任何类型形状(例如，圆形，椭圆形，六边形等)。在图2A中，套环206被描绘成沿垂直于壁202的轴线210延伸。然而，该描绘不旨在为限制性的。其他方向可能用于轴(例如，非垂直)。此外，套环206可沿轴线210改变横截面形状。例如，且非限制地，套环206可在远离壁202延伸时渐缩。在另一个非限制性实施例中，套环206在远离壁202延伸时可向外张开。在一些实施方案中，壁202的厚度包括来自壁202的套环206的突出长度。突出长度可沿垂直于壁202的距离测量。

电气馈通件200还包括穿过套环206(或开口208)设置的导电端子212。导电端子212可在开口208内被居中并且可以延伸通过套环206的一端或两端。在图2A中，导电端子212被描绘成居中并且延伸穿过套环206的两端。然而，该描绘不旨在为限制性的。导电端子212可以具有任何类型的横截面(例如，圆形，方形，椭圆形，六边形，等等)。此外，导电端子212可以由具有大于10³S/m的电导率的任何材料形成。在一些实施方案中，导电端子212由金属形成。金属的非限制性实施例包括铜，银，金，铂，铝，钛，钨，钼和铁。其他金属是可能的，包括它们的合金(例如，钢，不锈钢，铜合金，铝合金，钛合金等)。

电气馈通件200另外包括设置在套环206和导电端子212之间的电绝缘材料214。电绝缘材料214将导电端子212耦接到套环206并且在其间形成密封(例如，环形密封件)。电绝缘材料214可为具有大于10⁸Ω-厘米的电阻率的任何材料(例如，陶瓷材料，玻璃材料等)。电绝缘材料214也可具有大于10kV/mm的电介质强度。电绝缘材料的非限制性实施例包括玻璃材料，陶瓷材料，玻璃陶瓷材料，环氧树脂材料，玻璃填充的环氧树脂材料和陶瓷填充的环氧树脂材料。其他电绝缘材料是可能的。在一些实施方案中，电绝缘材料214在导电端子212和套环206之间形成密封之后处于压缩状态。

在一些实施方案中，诸如图2A所示，套环206突出到电池外壳204中。然而，在其他实施方案中，套环206从电池外壳204突出。图2B呈现了根据示例性实施方案的图2A的电气馈通件200的截面侧视图，但是具有从电池外壳204突出的套环206。为了清楚起见，图2A的某些特征未在图2B中标记。图2A和图2B将电池外壳204描绘为利用电池外壳204的不同部分之间的啮合搭接接头216(即，形成接缝)。然而，该描绘不旨在为限制性的。其他接头对于电池外壳204是可能的。图2C呈现了图2A的电气馈通件200的截面侧视图，但是具有在电池外壳204的不同部分之间的凸缘接头218。为了清楚起见，图2A的某些特征未在图2C中标记。

应当理解，套环206允许比具有可焊接的孔的那些较厚计量的导电端子。套环206作为壁202的整体部分，不需要凸缘，与可焊接的孔不同。因此，套环206允许开口208具有较大直径，继而允许较厚计量的导电端子。图3呈现了根据示例性实施方案的设置在第一截面侧视图350上方的第二截面侧视图350的并排重叠。第一截面侧视图300包括具有带凸缘306的可焊接的孔304的第一电气馈通件302。可焊接的孔304设置通过第一壁310中的第一开口308并且包括设置在其中的第一导电端子312。第二截面侧视图350包括具有套环354的第二电气馈通件352。套环354围绕第二开口358形成在第二壁356中，并且包括设置在其中的第二导电端子360。套环354的外径(参见尺寸362)大约等于凸缘306的外径(参见尺寸314)。然而，第二导电端子360显著大于第一导电端子312(即，在计量上较厚)。第一截面侧视图300和第二截面侧视图350的比较显示出凸缘306，由于用于可焊接的空间，减少了可供第一开口308的空间。这种减少发现不存在套环206，这允许开口358的较大直径。因此，较厚计量可用于第二导电端子369。

导电端子的较厚计量减少穿过其中的电流所经历的电阻，进而减少通过电阻发热造成的不希望的电能损失。其他益处可能是可行的。例如，但不限于，增大导电端子的半径使其横截面积指数增大两倍(即，πr²)。横截面积的这种增大使得导电端子的电阻指数减小两倍。参考图2A-图2C和图3描述的电气馈通件200，352可利用较厚计量的导电端子，从而支撑通过电池外壳内的电极组件的较高电流负载。应当理解，这些较厚计量的导电端子可与具有高体积能量密度(即，大于300W·h/l)的电极组件一起使用。

在一些实施方案中，导电端子212的横截面积是由套环206的外周边限定的面积的百分比，其可表示电气馈通件200的外周边。本领域的技术人员可选择所述百分比，以允许导电端子212具有增大的电流载运能力。百分比可以是介于10％—90％之间的任何值。在一些情况下，百分比是由下限和上限定义的范围。下限的非限制性实施例包括等于或大于10％，等于或大于20％，等于或大于30％，等于或大于40％，等于或大于50％，等于或大于60％，等于或大于70％，以及等于或大于80％。上限的非限制性实施例包括等于或小于90％，等于或少于80％，等于或小于70％，等于或少于60％，等于或小于50％，等于或小于40％，等于或小于30％，和等于或小于20％。应当理解，下限和上限可以上述任何变型进行组合以限定该范围。例如，并且不限于，导电端子212的横截面积可在电气馈通件200的横截面积的40％至70％的范围内。

在另外的实施方案中，导电端子212电耦接到具有大于300W·h/l的体积能量密度的电极组件。在一些实施方案中，导电端子212电耦接到具有大于350W·h/l的体积能量密度的电极组件。在一些实施方案中，导电端子212电耦接到具有大于400W·h/l的体积能量密度的电极组件。在一些实施方案中，导电端子212电耦接到具有大于450W·h/l的体积能量密度的电极组件。在一些实施方案中，导电端子212电耦接到具有大于500W·h/l的体积能量密度的电极组件。在一些实施方案中，导电端子212电耦接到具有大于550W·h/l的体积能量密度的电极组件。在前述实施方案中，导电端子212可耦接到电极组件的导电片。此类耦接可涉及焊接接头或焊料接头。

在一些实施方案中，壁202具有等于或小于1毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或小于0.9毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或小于0.8毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或小于0.7毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或小于0.6毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或小于0.5毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或小于0.4毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或小于0.3毫米的厚度。在一些实施方案中，前述厚度包括来自壁202的套环206的突出长度。

在一些实施方案中，壁202具有等于或大于0.2毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或大于0.3毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或大于0.4毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或大于0.5毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或大于0.6毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或大于0.7毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或大于0.8毫米的厚度。在一些实施方案中，壁202具有等于或大于0.9毫米的厚度。在一些实施方案中，前述厚度包括来自壁202的套环206的突出长度。

应当理解，厚度的前述上限和下限可以如上所示的任何变型进行组合以限定范围。例如，且非限制地，壁202可具有等于或大于0.4毫米但等于或小于0.9毫米的厚度。在另一个非限制性实施例中，壁202可具有等于或大于0.3毫米并且等于或小于0.7毫米的厚度。壁202的其他厚度范围是可能的。在一些实施方案中，该范围包括来自壁202的套环206的突出长度。

本文所述的电池外壳可包含电极组件和电解质。电极组件可以包括阴极电极、阳极电极，以及设置在它们之间的分隔件。在一些实施方案中，电极组件包括层叠堆。在层叠堆中，阴极电极的层与阳极电极的层交替。分隔件层设置在每一对相邻的阴极和阳极电极层之间。层叠堆可以是平面的或缠绕成螺旋配置(即，“果冻卷”)。然而，其他类型的配置对于层叠堆是可能的。

在许多实施方案中，电池外壳的导电端子电耦接到阴极电极或阳极电极。导电片可将导电端子耦接到电极组件的阴极电极或阳极电极。

为了说明的目的，前述描述使用具体命名以提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，不需要具体细节，以便实践所述实施方案。因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，鉴于上面的教导内容，许多修改和变型是可能的。

Claims

1.一种电池外壳，所述电池外壳包括：

具有开口的壁，所述开口设置在其中；

套环，所述套环围绕所述开口设置并且与所述壁形成单个主体；

导电端子，所述导电端子通过所述套环设置；和

电绝缘材料，所述电绝缘材料设置在所述套环和所述导电端子之间并在所述套环和所述导电端子之间形成密封。

2.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述壁具有等于或小于1毫米的厚度。

3.根据权利要求2所述的电池外壳，其中所述壁的厚度为至少0.3毫米，但不大于0.7毫米。

4.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述套环突出到所述电池外壳中。

5.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述套环从所述电池外壳中突出。

6.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述导电端子的横截面积为所述套环的外周边限定的面积的至少40％。

7.根据权利要求6所述的电池外壳，其中所述导电端子的横截面积为所述套环的外周边限定的面积的至少40％但不大于70％。

8.一种电池，所述电池包括：

电极组件，所述电极组件包括阴极电极、阳极电极和设置在所述阴极电极和所述阳极电极之间的分隔件；和

电池外壳，所述电池外壳容纳所述电极组件和电解质，所述电池外壳包括：

具有开口的壁，所述开口设置在其中，

套环，所述套环围绕所述开口设置并且与所述壁形成单个主体，

导电端子，所述导电端子通过所述套环设置并且电耦接到所述电极组件的所述阴极电极或所述阳极电极，和

9.根据权利要求8所述的电池，其中所述壁具有等于或小于1毫米的厚度。

10.根据权利要求8所述的电池，其中所述导电端子的横截面积为所述套环的外周边限定的面积的至少40％。

11.根据权利要求10所述的电池，其中所述导电端子的横截面积为所述套环的外周边限定的面积的至少40％但不大于70％。

12.根据权利要求10所述的电池，其中所述电极组件具有大于300W·h/l的体积能量密度。

13.根据权利要求10所述的电池，其中所述电极组件的体积能量密度大于400W·h/l。

14.根据权利要求8所述的电池，

其中所述电极组件还包括耦接到所述阴极电极或所述阳极电极的导电片；并且

其中所述导电端子耦接到所述导电片。

15.根据权利要求8所述的电池，其中所述电绝缘材料为玻璃。

16.一种电池，所述电池包括：

电极组件，所述电极组件包括第一电极、第二电极和设置在所述第一电极和所述第二电极之间的分隔件；和

壁，所述壁围绕孔径整体限定凸缘；

端子，所述端子延伸通过所述孔径并且与所述第一电极耦接；和

密封材料，所述密封材料在所述端子和所述凸缘之间。