АККУМУЛЯТОР В ПЛАСТМАССОВОМ КОРПУСЕ Российский патент 1998 года по МПК H01M10/02 H01M2/06 H01M2/04 

Аккумулятор, содержащий заполненный электролитом, не пропускающий газ и жидкость корпус с расположенными в нем разделенными между собой посредством сепаратора электродами, электрически связанными с соответствующим полюсным контактом, расположенным с наружной стороны корпуса.

Подобные известные аккумуляторы имеют корпуса, характеризующиеся множеством конфигураций. Обычный щелочный аккумулятор имеет корпус цилиндрической формы, выполненный из металла и образующий заполненную электролитом емкость в виде горшка, предназначенную для электродов и сепаратора. Крышка, удерживающая положительный полюсный контакт, установлена в отверстии горшка. При этом отбортованный край образует не пропускающий газ и жидкость элемент крепления. При использовании некруглых, особенно прямоугольных, аккумуляторных элементов изготовление подобных металлических корпусов затруднено.

Известно применение пластмассовых корпусов для свинцово-кислотных аккумуляторов, обеспечивающих возможность изготовления прямоугольных корпусов с оптимальным использованием пространства. Однако такая конструкция не может быть перенесена на все типы аккумуляторов. Залитые в пластмассовый корпус металлические полюсные контакты или их металлические выводы характеризуются иными коэффициентами теплового расширения, нежели пластмасса, и тем не менее в процессе зарядки или разрядки с использованием больших токов не допускается нарушение их герметичности. На протяжении всего срока использования аккумулятора необходимо предупредить непроизвольную утечку из него газа или электролита. Аккумуляторы с очень низким внутренним сопротивлением, как, например, щелочные никель-кадмиевые или никель-металлогидридные аккумуляторы при большой токовой нагрузке способны создавать сильно завышенные внутренние давления, которые на участке полюсных контактов не должны вызывать нарушения герметичности.

Проложенные между корпусом и полюсным контактом уплотнения, как, например, упругие круглые кольца шнура, называемые о-образными кольцами, требуют дополнительной технологической операции по их укладке и точного позиционирования уплотнения, что оказывает отрицательное влияние на производственную себестоимость аккумуляторов. Тяжелые электролиты, характеризующиеся вследствие высокого капиллярного эффекта способностью проникать под уплотнения, как, например, раствор едкого калия, который кроме того мигрирует в направлении к отрицательному потенциалу, в случае неправильно проложенного уплотнения или вследствие последующего механического смещения уплотнения способны вытекать из корпуса и вызывать повреждения.

В европейском патенте EP-AI-0089619 описывается не пропускающее газ и жидкость уплотнение полюса, рассчитанное преимущественно на свинцовые аккумуляторы с пластмассовыми корпусами. Для герметизации предлагается система уплотнения, выполненная из нескольких слоев из разных материалов, в которой в числе прочего образована свободная камера вокруг полюсного контакта и возле этой камеры размещены плавкие склеивающие средства и дополнительные уплотнения. Однако такая полюсная герметизация возможна только при осуществлении значительного количества технологических операций.

Из описания изобретения по патенту США 5197994 известны способы термической сварки пластмассовых корпусов под аккумуляторы.

Из европейского патента EP-A2-0538039 известен прокладываемый колпачок, выполненный из уплотнительного средства, который в цилиндрической аккумуляторной батарее обеспечивает фиксацию центрального электрода и полюсного контакта относительно корпуса и одновременно образует уплотнение корпуса аккумулятора, предупреждая вытекание жидкости.

В связи с этим в основу настоящего изобретения положена задача по обеспечению оптимальной технологичности изготавливаемого аккумулятора с имеющим высокий ресурс и надежно герметизированным корпусом, конфигурация которого не ограничена.

Данная задача решается тем, что в аккумуляторе, содержащем заполненный электролитом, не пропускающий газ и жидкость корпус с расположенными в нем, разделенными между собой посредством сепаратора электродами, электрически связанными с соответствующим полюсным контактом, расположенным с наружной стороны корпуса, согласно изобретению корпус на участке полюсных контактов выполнен из мягкой и твердой пластмасс, прочно соединенных между собой, при этом мягкая пластмасса образует уплотнение для полюсных контактов и/или выводов этих контактов.

В результате изготовления корпуса, на участке полюсного контакта, из мягкой и твердых пластмасс, прочно соединенных между собой, становится возможным использовать мягкую пластмассу в качестве уплотнения полюсных контактов и/или выводов этих полюсных контактов. При этом в результате механического соединения обоих видов пластмасс становится возможным исключить смещение уплотнения под действием внешних факторов. Такая конструкция обеспечивает также и то, что применяется преимущественно только одна уплотняющая поверхность, в частности уплотняющая поверхность, располагаемая между мягкой пластмассой и полюсным контактом и/или его выводом. Следовательно, электролит или выделяемый им газ не может более иметь утечку вдоль второй уплотняющей поверхности между уплотнением и корпусом. Кроме того, герметизирующее расположение мягкой пластмассы около полюсного контакта или его вывода может быть выполнено таким образом, что уплотняющая поверхность оказывается сильно увеличенной и при вытекании должны преодолеваться длинные участки.

В отношении технологичности такая конструкция предпочтительна, так как после соединения между собой мягкой и твердой пластмасс можно с большой точностью выполнить соответствующие отверстия под полюсные контакты, например, посредством штамповки. В виде альтернативы вокруг уже зафиксированного в твердой пластмассе полюсного контакта или его вывода дополнительно посредством сварки путем впрыска горячего в горячее может быть нанесена мягкая пластмасса. При этом между мягкой и твердой пластмассами достигается соединение по всей поверхности.

Ввиду того, что оба вида пластмассы по существу состоят из одного и того же термопластичного эластомера и отличаются друг от друга либо разным количеством добавляемого пластификатора, либо твердостью вследствие различной степени образования сетчатых молекул, то неблагоприятные термические напряжения не создаются. Подбором термопластического эластомера становится возможным использовать химически инертные материалы, например, модифицированные полиамиды, сополимеры стирол-этилен-бутилен-стирол и/или полипропилены, которые характеризуются превосходной стойкостью к электролитам.

Существующие в настоящее время высокотехнологические способы изготовления пластмассовых формованных изделий, например, способ сварки путем впрыска, имеют неограниченное применение, в результате чего более не имеется ограничения по конфигурации корпуса.

В предпочтительном варианте выполнения полюсный колпачок полюсного контакта соединен с выводом точечной сваркой и в виде чашки охватывает часть мягкой пластмассы. В результате возрастает участок просачивания под уплотнением на величину площади мягкой пластмассы, находящейся возле полюсного колпачка. Полюсный колпачок, при последующей установке на выводе, точно позиционируется мягкой пластмассой.

В альтернативном варианте выполнения использован полюсный контакт, выполненный преимущественно в виде заклепки в форме чашки, задний конец которой при изготовлении отбортован с таким расчетом, чтобы снизу охватить участок твердой пластмассы. При этом передний участок полюсного контакта за счет отбортованной части заклепки надежно удерживается на мягкой пластмассе в неизвестном герметичном положении. Можно технически благоприятным образом отбортованной частью заклепки охватывать снизу электропроводящую прокладку, проложенную между заклепкой и корпусом и обеспечивающую электрический контакт с соответствующими электродами.

Таким образом, за единственную рабочую операцию установки заклепки при низких затратах становится возможным установить полюсный контакт и обеспечить его электрическое соединение.

Дополнительное технологическое усовершенствование обеспечивается в том случае, когда корпус аккумулятора содержит расположенную между двумя частями корпуса кольцевую полость, которая может быть одновременно заполнена при сварке путем впрыска мягкой пластмассы. Мягкая пластмасса внутри этой полости служит предпочтительно дополнительным уплотнением корпуса и не требует отдельной рабочей операции.

Если обе части корпуса выполнены из пластмассы с примерно одинаковой твердостью, то они могут быть надежно, прочно и герметично соединены между собой на участке соединения внахлестку ультразвуковой сваркой.

В альтернативном варианте выполнения обе части корпуса удерживаются друг в друге с помощью фиксаторных элементов, расположенных на участке соединения внахлестку. В результате становится возможным более технологично, путем простого прижатия друг к другу, надежно соединить части корпуса. Если после фиксирования обеих частей корпуса в полость поместить мягкую пластмассу, то путем сварки посредством впрыска на этом участке происходит по всей площади герметичное соединение мягкой и твердой пластмасс обеих частей корпуса. Если обе части корпуса после сварки путем впрыска мягкой пластмассы сцепились между собой, то благодаря фиксаторным элементам обеспечивается герметичное соединение твердой пластмассы с мягкой пластмассой другой части корпуса.

В результате заделки стекловолокна в пластмассу, предпочтительно при объемной доле от около 40%, механические свойства корпуса, как-то: ударная прочность, предел прочности на разрушение и изгиб, заметно улучшаются.

В аккумуляторном корпусе прямоугольной формы, в котором электроды расположены слоями друг над другом и разделены сепаратором, исключаются неиспользованные участки полости и может быть получен аккумулятор большой емкости.

В не пропускающих газ щелочных аккумуляторах, как, например, никель-кадмиевых или никель-металлгидридных, заданный участок разрушения может быть выполнен в виде утоненного участка внутри той части корпуса, которая изготовлена из твердой пластмассы. В результате исключается возможность взрыва аккумулятора при внезапном увеличении внутреннего давления вследствие целенаправленного отвода газа через заданный участок разрушения.

Последующее заполнение аккумулятора электролитом обеспечивается через закрываемое наполнительное отверстие. За счет расположения наполнительного отверстия ближе к положительному полюсному контакту, чем к отрицательному, снижается эффект просачивания при использовании раствора едкого калия в качестве электролита.

В еще одном варианте выполнения корпус аккумулятора одновременно используется и в виде части корпуса электрического прибора. В результате становится возможным, например, упростить конструкцию переносных радиотелефонов и, несмотря на использование аккумулятора большой емкости, уменьшить их размер.

Ниже изобретение описывается в частности со ссылкой на чертежи. При этом изображено: на фиг. 1 частичный разрез по аккумулятору, выполненному в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения, с полюсным колпачком в форме чашки; на фиг. 2 - частичный разрез по аккумулятору в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения с полюсным контактом в виде заклепки; на фиг. 3 - сечение по аккумулятору, согласно изобретению, с прямоугольным корпусом и полюсными контактами, расположенными на боковой поверхности корпуса; на фиг. 4 - сечение по аккумулятору, согласно фиг. 3 по линии А-А; на фиг. 5 - аккумуляторный узел, смонтированный на части корпуса, во время промежуточной технологической операции; на фиг. 6 - сечение по аккумулятору с прямоугольным корпусом и полюсными контактами, расположенными на двух противолежащих сторонах корпуса; на фиг. 7 - сечение по аккумулятору, согласно фиг. 6, по линии B-B.

На фигурах схожие и одинаковые элементы различных вариантов выполнения обозначены одинаковыми позициями.

Без ограничения многочисленных, возможных согласно изобретению конструкций ниже описывается прямоугольный, не пропускающий газ и жидкость щелочный аккумулятор. При этом не пропускающими газ и жидкость аккумуляторами считаются такие, которые при нормальных условиях эксплуатации не допускают утечки газов или жидкостей, но при наступлении заданных условий, как, например, при заданном избыточном давлении, могут целенаправленно образовывать отверстия.

Аккумулятор 1 имеет состоящий из двух частей 2 и 3 корпус, который выполнен призматическим, главным образом, прямоугольным и охватывает положительные 5 и отрицательные 6 электроды, отделенные друг от друга сепаратором 4. В готовом для применения состоянии аккумулятор 1 заполнен известным способом электролитом, не показанным на фигурах.

В зоне полюсных контактов 7, 8 корпус выполнен двухслойным, он состоит из одного слоя твердой пластмассы 24 и одного слоя мягкой пластмассы 14. Мягкая пластмасса 14, показанная на фигурах крестообразной штриховкой, сварена по всей поверхности с твердой пластмассой 24, показанной косыми штрихлиниями.

При использовании сварки путем впрыска горячего в горячее образуется сваренная поверхность при впрыске мягкой пластмассы 14 вдоль ее поверхности соприкосновения с твердой пластмассой 24. Мягкая пластмасса 14, в результате добавки в нее пластификатора или за счет подбора степени образования сетчатых молекул, может иметь регулируемую твердость, лежащую в диапазоне уплотнительных материалов. Твердая пластмасса имеет такую заданную твердость, которая обеспечивает обычную для корпусов прочность.

В качестве материалов используют модифицированные полиамиды, сополимеры стирол-этилен-бутилен-стирол и/или полипропилены. Выполненные из пластмассы части 2, 3 корпуса имеют соответственно расположенные по периметру участки 9, 10 соединения внахлестку, по которым и происходит их плоскостное соединение. Посредством выполненного ультразвуковой сварки шва 11 участки 9 и 10 соединены между собой.

В следующем варианте выполнения изобретения над участком 9, образующим соединение внахлестку, выполнена круговая, расположенная по периметру и охватываемая участком 10 полость 12, соединенная посредством канала 13 с полостью с мягкой пластмассой 14 в зоне полюсных контактов 7, 8. Данная полость 12 одновременно заполняется при сварке путем впрыска мягкой пластмассы 14. Мягкая пластмасса 14, расположенная внутри полости 12, образует таким образом единое целое с мягкой пластмассой 14 в зоне полюсных контактов 7, 8 и также по всей поверхности сваривается с твердой пластмассой 24.

В альтернативном варианте выполнения изобретения механическое соединение обеих частей 2, 3 корпуса достигается посредством фиксаторных элементов 30, 31, расположенных на участках 9, 10, образующих соединения внахлестку. При фиксированном положении выполненный круговым фиксаторный выступ 31 одной части 3 корпуса расположен в круговой канавке 2, выполненной в другой части 2 корпуса. Благодаря установочной фаске 32 на фиксаторном выступе 31 облегчается сборка обеих частей 2, 3. В полости 12 мягкая пластмасса 14 соединена посредством сварки путем впрыска по всей площади либо с обоими участками 9, 10, либо только с участком 10, а фиксаторные элементы 30, 31 удерживают участок 9 в торцевом герметичном положении возле мягкой пластмассы 14.

В твердую пластмассу 24 введены по выбору стекловолокно или другие известные инертные волокна. Предпочтительно, чтобы объемная доля стекловолокна составляла от около 40%.

Внутри части 2, 3 корпуса, выполненной из твердой пластмассы 24, предусмотрено наличие заданного участка 15 разрушения, выполненного в виде утоненного участка. Заданный участок 15 разрушения имеет определенную площадь поверхности и толщину, выбранные с таким расчетом, чтобы при достижении определенного избыточного давления внутри корпуса аккумулятора происходило образование отверстия, обеспечивающего падение давления.

В аккумуляторах, заполненных раствором едкого калия в качестве электролита, имеется сквозное отверстие 16 предпочтительно вблизи положительного полюсного контакта 7, профиль которого выбран преимущественно T-образным. Указанное отверстие 16 после заполнения закрывается заглушкой с T-образным профилем.

Первым вариантом выполнения предусмотрено наличие полюсных контактов 7, 8 с выводом 18 в форме усеченного конуса, охваченным полюсным колпачком 19 в форме чашки. Вывод 18 в форме усеченного конуса своим расширенным в стороны бортиком примыкает по всей площади к твердой пластмассе 24 и самоцентрируется в сквозном отверстии 20, имеющим также форму усеченного конуса. Полюсный колпачок 19 в форме чашки соединен точечной сваркой с выводом 18 и охватывает участок мягкой пластмассы 14 в герметизирующем положении. Одна или несколько сварочных точек 21 могут быть выполнены либо перед впрыском мягкой пластмассы 14, либо после него. В последнем случае известным образом подбирают необходимую для сварки термическую энергию таким образом, чтобы исключалась пластическая деформация мягкой пластмассы 14 и образующей сквозное отверстие 20 твердой пластмассы 24.

В альтернативном варианте выполнения полюсные контакты 7, 8 имеют преимущественно T-образное сечение, радиально расширенный участок которого представляет собой полюсный колпачок 19 и переходит в виде единого целого в вывод 18. Вывод 18 имеет внутреннюю цилиндрическую полость 22, образующую заклепку в виде чашки и позволяющую произвести отбортовку конца 23. Отбортованный конец 23 охватывает снизу участок твердой пластмассы 24 на участке полюсных контактов 7, 8. Благодаря этому полюсной колпачок 19 обеспечивает герметизацию и оказывается надежно запрессованным в мягкой пластмассе 14.

В еще одном варианте выполнения между отбортованным концом 23 и твердой пластмассой 24 проложена металлическая, электропроводящая прокладка 25, обеспечивающая соединение с электродами 5, 6. Посредством сварочной точки 26 прокладка 25 соединена с выступающими сбоку от электродов присоединительными флажками 27, 28. В корпусе аккумулятора 1 послойно друг над другом расположены электроды 5, 6, как это показано на фигурах 2 и 3.

Альтернативно электроды 5, 6, как изображено на фиг. 6, могут быть сложены друг над другом в виде меандра с промежуточным расположением сепаратора 4.

При таком варианте выполнения, при котором предпочтительно на противолежащих сторонах корпуса предусмотрено наличие полюсного контакта 7, 8, держатель положительного электрода 5 непосредственно связан с выводом 18, а вывод 18 отрицательного полюсного контакта 8 непосредственно связан с отрицательным электродом 6 или с полосой 29, контактирующей с отрицательным электродом 6. Благодаря двусоставной конструкции корпуса электроды 5, 6 в процессе изготовления могут быть сначала закреплены своими присоединительными флажками 27, 28 с полюсными контактами 7, 8 и частью 3 корпуса. Такой аккумуляторный узел показан на фиг. 5, при этом полюсные контакты 7, 8 герметично удерживаются в мягкой 14 и твердой пластмассе 24.

Такой узел может быть связан как с изображенной на фигурах частью 2 корпуса, так и может быть помещен в соответствующий корпус электрического прибора. Аккумулятор 1 своим корпусом образует в этом случае часть корпуса электрического прибора.

Изобретение относится к производству аккумуляторов. Согласно изобретению аккумулятор имеет не пропускающий газ и жидкость, заполненный электролитом корпус, в котором расположены разделенные между собой сепаратором электроды, электрически связанные с полюсными контактами, имеющими доступ с наружной стороны корпуса, причем аккумулятор обладает прочным и надежно герметизированным корпусом, не ограниченным по своей конфигурации, предусмотрено, чтобы корпус был выполнен на участке полюсных контактов из мягкой и твердой пластмасс, которые жестко соединены между собой, при этом мягкая пластмасса образует уплотнение для полюсных контактов и/или выводов полюсных контактов. Техническим результатом изобретения является технологичность изготовления. 14 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Аккумулятор, содержащий заполненный электролитом, не пропускающий газ и жидкость корпус с расположенными в нем, разделенными между собой посредством сепаратора электродами, электрически связанными с соответствующим полюсным контактом, расположенным с наружной стороны корпуса, отличающийся тем, что корпус 2, 3 на участке полюсных контактов 7, 8 выполнен из мягкой 14 и твердой 24 пластмасс, прочно соединенных между собой, при этом мягкая пластмасса 14 образует уплотнение для полюсных контактов 7, 8 и/или выводов 18 этих контактов 7, 8. 2. Аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что мягкая 14 и твердая пластмассы 24 корпуса соединены между собой по всей поверхности сварки путем впрыска посредством впрыска. 3. Аккумулятор по п.1 или 2, отличающийся тем, что мягкая 14 и твердая 24 пластмассы выполнены из термопластичного эластомера, преимущественно из модифицированного полиамида, сополимера стирол-этилен-бутилен-стирола, и/или из полипропилена. 4. Аккумулятор по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что полюсный колпачок 19 полюсного контакта 7, 8 соединен с выводом 18 посредством точечной сварки и в виде чашки охватывает участок мягкой пластмассы 14. 5. Аккумулятор по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что вывод 18 полюсного контакта образует, по существу, заклепку в форме чашки, отбортованный конец 23 которой охватывает снизу участок твердой пластмассы 24 таким образом, что полюсный контакт 7, 8 и/или его вывод 18 удерживаются в герметичном положении на мягкой пластмассе 14. 6. Аккумулятор по п.5, отличающийся тем, что отбортованный конец 23 заклепки охватывает снизу проложенную между заклепкой и корпусом электропроводящую прокладку 25. 7. Аккумулятор по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что корпус содержит расположенную между двумя корпусными частями 2, 3 кольцевую полость 12, заполненную мягкой пластмассой в качестве уплотнения. 8. Аккумулятор по п.7, отличающийся тем, что мягкая пластмасса 14 внутри полости 12 и мягкая пластмасса 14 в зоне полюсного контакта 7, 8 соединены между собой. 9. Аккумулятор по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что корпус целиком выполнен из пластмассы 14, 24 и что обе части 2, 3 корпуса соединены между собой ультразвуковой сваркой на участке 9, 10 соединения внахлестку. 10. Аккумулятор по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что корпус целиком выполнен из пластмассы 14, 24 и что обе части 2, 3 корпуса соединены между собой фиксаторными элементами 30, 31, расположенными на участке 9, 10 соединения внахлестку. 11. Аккумулятор по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что в твердую пластмассу 24 введено стекловолокно. 12. Аккумулятор по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что корпус имеет призматическую, предпочтительно прямоугольную форму и что электроды 5, 6 расположены послойно друг над другом и разделены сепаратором 4, причем присоединительные флажки 27, 28, расположенные за полюсными контактами 7, 8 и выступающие сбоку от электродов 5, 6, электрически связаны между собой и с соответствующим полюсным контактом 7, 8 предпочтительно точечной сваркой. 13. Аккумулятор по одному из пп.1 - 12, отличающийся тем, что заданный участок 15 разрушения расположен в виде утоненного участка внутри той части 2, 3 корпуса, которая изготовлена из твердой пластмассы 24. 14. Аккумулятор по одному из пп.1 - 13, отличающийся тем, что корпус имеет отверстие 16 для заполнения, расположенное на меньшем удалении от положительного полюсного контакта 7, чем от отрицательного полюсного контакта 8 и закрытое заглушкой 17 с Т-образным профилем. 15. Аккумулятор по одному из пп.1 - 14, отличающийся тем, что корпус аккумулятора 1 образует часть корпуса электрического прибора.