电化学电池安全排气装置 【发明背景】
本发明涉及一种排气装置，该排气装置设置在一个在加压环境下使用或者在正常使用或非正常工作过程中增压的容器中。本发明特别涉及一种安全排气装置，该安全排气装置在可充电的电化学电池使用过程中偶然出现的过压情况下能够进行有效的排气。
由于性能和能量密度得到提高，因此可充电的电化学电池越来越多地被用作许多种设备的电源。这些二次电池在设计和使用方面可被分为“排气型”或“密封型”。排气型电池在正常的工作使用过程中释放出气体。一种低压排气机构结合在许多种排气型电池中以达到这样一种排气效果。密封型电池通常是被加压的并且在正常的工作状态下是不排气的。密封型电池的工作压力是由于在储存和释放电能所用的化学过程中产生气体而形成的。例如，在一种利用镍金属和氢化物之间化学反应的二次电池中，由于产生氢气而使所述工作压力可能在90至100psi(6.3至7.0千克/平方厘米)的范围之间。但是，大多数密封型电池仍然设有一个排气机构。这是一种安全措施以便对在非正常工作或者非期望操作状态下可能产生地非常高的压力进行调节。在密封型电池(诸如镍镉电池或镍氢电池)中，在诸如无意的过度充电情况下可能产生极高的压力，这可能会对危及使用者的安全。在镍氢电池中这样的压力可能会超过1000psi(70.3千克/平方厘米)。最初，这些电池中的压力是由于在电池内化学反应过程中产生气体而导致的。如果所述气体压力达到所设定的排气压力并且能够被顺利地释放，那么所述压力将会得到限制。如果产生的气体量超过排气量或者排气装置被堵塞，内部压力可能快速地增大。在充电过程中产生过多的热量，特别是由于电池电极之间出现短路而产生过大的电流，会使上述情况得到恶化。由于内部产生压力的原因，如果排气不顺利，那么可能会因快速释放能量(爆炸)而带来灾难性的破坏。在现有技术中，为了释放这些电池中的压力，人们已经提出了各种形式的排气装置。通常，它们都包括一个密封元件(诸如一种预加载的金属弹簧或者弹性体)。预加载的设定值只要能被一个超过预定安全限度的压力克服即可。这些通常是能够重复密封的密封件。过去，还使用过不能重复密封的“一次性”密封件(诸如能够爆裂的隔膜)。其中一种排气装置包括一个隔膜和一个切割元件，所述隔膜和切割元件在较高的内部压力作用下被压在一起。当所述压力超过一个限度时，所述切割元件将破坏所述隔膜，使气体通过所形成的开口排出。很明显，这种“一次性”密封件的缺点是缺乏重复密封的能力。在所述隔膜被破坏之后，不能再次密封并且不能使所述容器被再次加压到工作压力。由于这个原因以及其它因素，在排气装置中使用可重复密封的密封件是目前电化学电池设计的主要趋势。对于一个可重复密封的密封，一个密封件通常是可变形或移动的以产生一个排气区域。所述密封件变形是弹性的(即是可重复密封的)，从而在消除过大的压力后，重新形成密封以再次保持操作压力。可重复密封的密封件和它们的作用已经在由Dean等人提出的美国专利US5,258,242中得到论述。在由Dean等人提出的美国专利US5,171,647；由Sugalski等人提出的美国专利US4,298,662以及由Hooke等人提出的美国专利US4,271,241中还披露了用于电化学电池的各种可重复密封的密封件。另外在已公开的专利中还提供了其它形式的一些使用金属弹簧或弹性体密封件的可重复密封的密封件。
使用上述这些和其它电化学电池排气装置的一个基本假设是被排出的介质为气态的。这主要是由于在这些电池中储存和释放电能时的电化学反应和产生气体而导致的。对于目前所用的设计形式和操作程序，特别是在金属氢化物电池中，这不再是一种适合的方法。由于较新形式的电池(诸如镍氢电池)所能够达到的容量和充放电速率，除了工作条件以外，还必须考虑新的物理条件。许多镍氢电池的充电速率达到几安培。放电速率也在较高的水平。在以这样的速率充电情况下，意外的过度充电会对电池材料带来物理变化，而这种变化在现有形式的电池中是不会遇到的。高温、高压以及产生大量的气体可能会迫使电池内含物进入排气口中。不导电的塑性隔离物、绝缘带、甚至来自电极的活性材料可能从所述电池容器中被压出。在这些情况下，为释放气态物质而设计的排气装置可能会被快速堵塞并且不能再用于减少压力。由于排气区域不充分或者排气装置打开机构失灵，通常会导致排气装置堵塞或者失灵。由弹性体密封件所提供的排气区域很小，这是因为排出少量气体需要很小的区域。如果需要的话，所述弹性体密封件还常被一个刚性结构包围，所述刚性结构不会使排气区域增大。在仅使用金属弹簧或者金属弹簧与弹性体元件结合的情况下，可能带来其它问题。金属弹簧可能会使排气区域增大。但是，对于这些设计，在开始释放时所述弹簧元件可能会因为接触而使电池的热液化内含物凝结和凝固。可能导致所述弹簧元件的堵塞或失灵。在极端条件下不能排出固态物质的电池中，可能会产生破坏电池容器整体性的压力。由于上述原因，现有的可重复密封的排气装置设计对于目前的许多二次电池是不适合的。
为了确保新的电化学二次电池的完整性，在工业上已经发展出各种标准测试手段。其中一种是“热板”测试，其中使电池处于一种高温介质中以使其被加热。所导致的电池中固态和气态内含物的热膨胀能够产生超过正常工作压力的压力。高温能够使一些低熔点塑性成分流体化，因而在该测试中通常可排出这种固态物质。一种热板测试的温度通常为280摄氏度。另外，为了模拟一种偶然的过度充电情况，在工业中使用一种“连续过度充电”测试。该测试手段特别适用于通常在短时间内高速充电的电池，其中过度充电可能会快速地产生气体和热量。个别地或者在一个电池组中，使电池处于一个连续高安培充电的电路中。在这些情况下，在大量的所提供的能量不能被吸收时，需要以一些形式消耗这些能量。排气可消耗这些能量并且限制内部压力。在进行该测试时，通常会在所述排气过程中排出固态物质。在热板测试和连续过度充电的测试中，通常利用所述电池容器的完整性来判断电池的设计质量。大多数现有的排气装置设计对于这些测试条件是不适合的。
二次电池设计的另一个目的是使电池容器的有效体积最大化，从而使电池容量最大化。根据特定标准，商业上的电化学电池的总体尺寸是相对固定的，无源元件(诸如排气装置和密封件)所占的电池体积部分必须最小化。为此，安全排气装置设计应该使排气装置和密封元件的尺寸最小化。但是，为一个排气装置提供排出固体所需的较大排气区域是很难的。
人们需要这样一种安全排气装置，即在保持所述电池结构完整性的同时能够在目前许多电化学二次电池的高压下工作并且在极端条件下排出气态和固态物质。另外，这种排气装置必须是很小巧的以不会减少电池的容量。发明概述
本发明的一个目的是提供一种安全排气装置，所述排气装置利用塑性变形和产生一个较大排气区域能够在高压和高温条件下排出固态物质。
本发明的另一个目的是提供一种能够以两种模式工作的安全排气装置，在一种模式中在一个较低压力下排出气体并且接着重新密封，在另一种模式中利用塑性变形使固态物质排出并且从而能够卸载一个密封元件。
本发明的另一个目的是提供一种高压安全排气装置，所述排气装置能够排出从电化学电池释放出的固体并且具有一个使空间最小化所需的低型面。
本发明的另一个目的是提供一种电化学电池，所述电池具有一个能够排出固态物质的高压安全排气装置。
本发明的另一个目的是提供一种通过设置一个有效的安全排气装置以及在测试过程中证明残存物来确保电化学电池完整性的方法。
本发明的目的可通过这样一种安全排气装置来完成，该排气装置具有一个盖板，所述盖板在内部压力高的情况下能够进行弹性变形和塑性变形。所述塑性变形能够增大挠曲范围以形成一个增大的排气区域。所需的塑性变形可通过适当地选择一种具有足够延展性的材料以及通过适当地设置一个盖板的厚度以提供足够的柔软性来达到。在利用压缩的密封件的实施例中，由于塑性应变产生的增大的挠曲以及变形有助于使密封件减压和不密封，从而可更加自由地排气。在一个实施例中，一种弹性密封件被压缩并且被固定在一个刚性顶板和一个可变形的盖板之间。一个与所述盖板和顶板相连的刚性凸台的高度形成了所述密封件的最终压缩厚度。所述密封件的压缩产生将所述密封件固定在所述盖板中的排气孔上的作用力。在低压排气时，所述密封件的压缩可被电池内部压力克服以使气体排出。在这种模式中，盖板变形是弹性的并且在内部压力降低后重新形成密封。在一种截然不同的工作模式中，高压使所述盖板中的应力增大直至所述盖板出现塑性变形。高压可能是由气体流速增大或者排气孔堵塞所导致的。由于所述盖板是以一种曲线形式变形的，因此将会沿着离开所述顶板的方向挠曲，从而在所述盖板和顶板之间形成一个扩大的排气区域。一个裙部从所述顶板伸向所述盖板并靠近所述盖板，能够保护所述密封件。所述裙部不与所述盖板接合并且能够与所述盖板分离。所述盖板的挠曲还用于为所述压缩的密封件进行部分地卸载。在一个实施例中，设置一个安全排气装置，所述排气装置能够在400和500psi(28.1和35.1千克/平方厘米)之间的压力下以可重复密封的方式排气并且在压力大于500psi(35.1千克/平方厘米)时出现塑性变形以有助于排出固态物质。这种安全排气装置设置在Cs型(subC)镍金属氢化物电池的抗压金属容器中。在这种电池中，所述排气装置能够排出固态物质并且将压力保持在1000psi(70.3千克/平方厘米)以下以防止电池受到破坏。由于一些二次电池(诸如镍氢电池)受到高温和高压作用，因此保持所述电池的结构完整性是一个安全性问题。通过在电化学电池中设置上述一种安全排气装置，能够提供在高压下安全地排出电池中固态物质的方法。利用这些方法能够在高温测试环境下和连续过度充电的测试环境下确保所述电化学电池的结构完整性。本发明所涉及的安全排气装置的另一个优点是能够提高所述密封件的压缩程度。由所述盖板塑性变形导致的增大的挠曲会在排气过程中增大密封压缩的卸载程度。这可利用较大的压缩量使密封件更厚。这种增大的尺寸通过适应部件中增大的尺寸公差来简化排气装置的制作和装配。最好，所述排气密封件在装配位置处被压缩至少25％。在一种Cs电池的一个实施例中，使用一种延展性为大约35％至40％的低碳钢以便在压力在500psi(35.1千克/平方厘米)以下时能够以可重复密封的方式排气，在压力在1000psi(70.3千克/平方厘米)以下时进行一次性安全排气。下面将对本发明的实施例和请求保护的新颖的特征进行详细的描述。附图简述
图1a是一些延展性金属的一种应力应变曲线。该曲线示出了由弹性变形和塑性变形所提供的相对挠曲。
图1b示出一个受到与图1a所示曲线相关的载荷作用和挠曲的元件。
图2是示出本发明一个实施例所涉及的一种安全排气装置中各个元件的透视图。
图3示出了设置在一个电化学电池中的安全排气装置的一个优选实施例的截面。
图4a和图4b分别示出了具有由两种不同性能的金属制成的盖板的两个安全排气装置的截面。这说明，盖板的延展性越好，其变形越大。优选实施方案详述
密封型的二次电池必须是可排气的以便释放在正常工作条件以外的瞬变条件下所产生的内部压力。如果气体压力超过所设定的排气压力并且能够顺利地释放，那么压力将会受到限制。如果产生的气体量超过排气量或者排气装置被堵塞，内部压力可能快速地增大。在电池中使用软化塑料以及类似低熔点材料时，在高温条件下排气装置堵塞的危险性会增大。在存在可能导致排气装置堵塞的材料和条件的情况下，较大的和开放的排气区域有利于确保在破坏性压力下不会使排气装置堵塞。为了提供使热液化固体从二次电池排出所需的较大排气区域，本发明利用在金属塑性变形过程中出现的较大挠曲。现有技术中的排气装置结构通常被设计成是可挠曲的并且接着能够回到原位，这是必需具备的能力。这些是“弹性”变形，它们在所述结构中不会产生永久变形。为了防止“塑性”变形或者永久变形，现有的排气元件必须不能在弹性变形范围以外发生变形或者挠曲。图1a示出了一些金属的一种应力应变曲线10。图1b示出了相关的作用力F1和施加在一个任意元件8上的挠曲D1。在图1a中，应力或作用力表示在纵轴上。应变或挠曲表示在横轴上。当施加在元件8上的作用力(应力)增大时，所产生的挠曲(应变)也增大。应力应变曲线10提供了在达到屈服点18之前的与应力或作用力相关的应变或挠曲。当施加在元件8上的载荷值在弹性极限12以下时，不会产生永久的变形或改变。元件8可在弹性极限12以下重复地加载和卸载，不会带来严重的后果。如果元件被加载到位于弹性极限12上方的一个点14时，将产生一个元件变形16，所述元件将永久弯曲但不被破坏。如果元件18被加载并且超过其承受能力时，它将会在屈服点18处失效或被破坏。
对于希望能够保持可重复密封性能的现有排气装置，需要元件不会发生塑性变形。只有当所有的挠曲和变形是弹性的时候，所述排气元件才可进行重复的功能性移动。如果一种“可重复密封的”排气装置出现塑性(永久)变形时，它将不能进行有效地密封。在图1a中，潜在的塑性挠曲范围22大于整个弹性挠曲范围20。总挠曲范围更大。在延展性金属中，塑性范围22大于非延展性金属。即，对于所施加的相同的作用力，延展性金属中出现的挠曲更大。在本发明中，通过利用一部分塑性变形范围能够增大施加到未加载的压缩密封件上的挠曲范围并且增大有效排气区域。下面将通过图2至图4对其进行详细地描述。图2中示出了本发明一个实施例所涉及的一个安全阀的各个元件。一个用作含有压力的壁的底板30设有多个排气孔32。所述排气孔32围绕一个凸台34排列。一个弹性密封件36具有一个中心孔，所述中心孔的尺寸能够使所述密封件安装在所述凸台34上。当所述密封件36放置在所述凸台34上并与底板30接触时所述密封件36的外周边足以覆盖所述排气孔32。所述密封件36最好具有一种圆形周边，同时所述排气孔32最好以一个围绕凸台34中心线的圆形排列。一个刚度较大的顶板38位于所述凸台34上并且与凸台34接合在一起以使所述密封件36定位。所述密封件36的厚度大于凸台34的高度。当顶板38被固定时，所述密封件36的厚度和凸台34的高度确定了密封件36受到压缩的程度。这种压缩和密封件36的不渗透性形成了一种密封以防止物质经过所述排气孔从底板30的高压侧排放到大气中。为了能够进行排气，内部压力必须克服压在所述排气孔32上的密封件36或者密封件36必须被减压以减小该作用力。密封件36的弹性变形性能还有助于防止在排气孔处出现泄露。图3中示出了设置在一个电化学电池(诸如一种镍氢电池)40中的所述安全排气装置一个优选实施例的截面。所述底板的形状和大小能够使其作为一个与电池40的圆筒形壁44互锁在一起的平盖板42。一个与顶板38成一体的裙部46向下延伸到一个靠近所述盖板42上表面的位置处。所述裙部46没有固定到所述盖板42上。在工作时，当电池40被加压时，所述盖板42凸出或者向外挠曲，但是所述凸出或向外挠曲在边缘处受到抑制。这示出在图4a和图4b中，所述图4a和图4b中示出了在相同压力作用下变形的两种安全排气装置。所述顶板38一直保持较大的刚度。当盖板42凸出时，它将提升顶板38和裙部46并使顶板38和裙部46离所述盖板42远一点。所述盖板42相对于顶板38向下挠曲并且离开顶板38。这种挠曲使所述密封件36至少部分地卸载或减压。内部压力以及接着的凸出量越大，密封件36的挠曲和卸载程度也越大。当内部压力超过密封件作用力时，通过排气孔32、越过密封件36以及通过在顶板裙部46和盖板42之间的一个排气区域48进行排气。在密封件的初始压缩量相同的情况下，一个较柔软的盖板与一个刚度较大的盖板相比，排气压力较低。另外，在排气压力固定的情况下，在提高所述盖板42的柔软性的情况下，可使用压缩量较大的密封件36。
只要盖板凸出和挠曲是弹性的，当压力降低时盖板42即可回到其初始位置，使所述密封件36再次形成一种密封。这对于大多数现有技术所涉及的可重复密封的密封件是基本的。在本发明中，所述盖板42足够柔软和延展的以便在低于一个安全限度的压力下发生塑性变形并且不破裂，从而更有效地使所述密封件36卸载和增大所述排气区域48。在图4a中，所述盖板处于弹性变形状态，使所述盖板42在裙部38处产生弹性挠曲50。由于材料屈服强度高于所产生的应力，因此这种变形保持弹性。在图4b中，由于屈服强度较低而使柔软性得到提高，材料的柔软性较高会使所述盖板从所述裙部产生塑性变形和一个大于弹性挠曲50的总挠曲52。在一个给定压力下，较大的挠曲意味着较大的排气区域和较大的流速。如果所述密封件36不能充分卸载或者没有为固态物质的排出提供一个自由的排气区域，那么可能还会导致堵塞。图4b中示出了穿过在所述盖板42和裙部46之间的扩大排气区域48的用于排气的自由排气通道54。如果所述排气通道堵塞，那么将不能降低内部压力。这里所述的“固体”指的是由于极端温度和压力而在排气过程中可能从一个容器中压出的任何非气态物质。对于密封型电化学电池，特别是镍氢电池，在诸如过度充电的情况下由于高温和高压而可能使诸如用于使电极绝缘的非导电隔离物等元件流动并且被压到排气孔中。其它诸如低熔点的塑料绝缘带的固态物质、甚至电极中的活性物质也可能从电池中被压出。在一些“胶质轧制(jellyroll)”型电池中，在电极的顶部使用一种聚丙烯绝缘体以防止电极与电池的导电盖板端出现无意接触。由于其靠近所述排气孔，因此这种绝缘体处于一个更易于被压到排气孔中的位置，从而导致堵塞。
为了在固体可能被压过所述排气孔的情况下提供有效的排气，必须设置一个自由排气通道。这意味着一个从所述盖板的加压侧到一个减压空间的通道，这对于固态物质的排出是比较畅通的。在排气压力和盖板直径是特定的情况下，所述盖板的挠曲是由盖板的厚度和材料性能确定的。从一个材料的实验应力应变曲线或代表性数据可以看出塑性变形(柔软性)的可能性。由于电化学电池中的实际内部压力在极端情况下不可能被直接测得或者得到，盖板材料和厚度的选择可能必须利用实验来确定。可通过对所导致的容器壁凸出量以及已知的性能和尺寸进行计算来确定所述压力。或者，通过对电池容器任意地加压到已知压力并测定所形成的凸出量来获得在特定压力下的凸出量数据。接着可将这些数据与在实际条件下对实验电池进行测试的凸出量数据进行比对，从而推断出实际压力。如果没有得到所述实际压力，那么仍然可设计一种适合的排气装置。在那些情况下，利用所述条件限定所述压力极限。即，在一个特定条件下对具有不同形式的排气装置的电池进行测试，利用反复实验选择合适的排气装置。在所述安全压力极限是已知的情况下，利用诸如计算机执行模型(computerimplemented model)的分析模型可有助于所述选择方法。所述排气装置、特别是所述盖板必须足够坚固以便承受排气压力而不会被破坏。由通过产生足够用于排气的相对变形所确定的最佳厚度可根据最极端的压力产生一个较小的安全系数。这是由于应力最小化不是排气装置的设计目的。宁可通过确保排气以使电池受到的实际压力得到限制，也不要求所述电池容器承受最高的压力(由于诸如排气堵塞的情况导致的)。由于所述盖板通常用作电化学电池的部分导电终端，因此所述盖板最好由一种导电材料制成。最好，所述盖板是由一种低屈服强度且具有所需延展性的钢制成。为了提供较大的挠曲，所述盖板材料必须有足够的延展性以便使达到排气压力时的变形至少是最大弹性变形的几倍。
所述排气孔在排气过程中能够使气体和固体通过。所述排气孔的单个尺寸和总面积必须足以使固体通过并且不会出现堵塞。它们所处位置还必须使所述密封件能够以重叠的方式覆盖所述孔。在附图中，所述排气孔与所述凸台保持足够的距离以使所述密封件易于安装在所述凸台上而且还能覆盖所述排气孔。作用在所述排气孔上的所述密封件的作用力是由密封件材料的硬度计和压缩量确定的。作用在所述排气孔上的所述密封件的作用力至少必须超过作用在相同区域上的工作压力。实际上，最好使用一种尽可能高的压缩量以适应各种排气部件尺寸上的制造偏差。一种高的压缩量提供了较大的尺寸公差。但是，压缩量增大将会增加使用盖板变形范围的需要以便在排气过程中达到所需卸载。如果所述密封件和排气孔位于一个以所述盖板中心线为中心的较大半径上，可使用较高的压缩量并且仍然能够在排气过程中被充分地卸载。这是由于所述盖板的相对挠曲会随着与中心之间的半径增大而增大。为此，用于较小装置上的较小盖板还可需要一个较低的密封件压缩量。已知的是，这样的密封件对于用于电化学电池中的电解质而言必须是不可渗透的并且必须阻挡所产生的气体。在许多电化学电池中，对于所述密封件，乙烯丙烯橡胶(EPDM)是一种适合的材料。
所述顶板可由任何刚性金属制成的，最好由镀镍的钢制成。由于所述顶板可用作一个电池终端，因此必须是导电的。所述顶板的裙部在使用过程中用于覆盖和保护所述密封件。所述顶板可被焊接在所述凸台上或者利用其它方式同心地固定在所述凸台上。所述凸台本身最好与所述盖板一体形成，或者与所述顶板一体形成。或者，所述凸台被单独制造，然后固定到所述组件中的所述顶板和盖板上。所述凸台提供了适合的支座以设定所需的最终厚度以及密封件的最终压缩量。
本发明所涉及的密封件除了在极端压力作用下能够排出固体，而且还能够在工作模式中以较低压力排出气体。排气不需要与排出固体相同的自由排出通道。如果所述密封件得到充分地压缩以使作用在任何排气孔上的内部压力超过密封件作用力，那么气体将会排出。气体的流阻较低意味着排气不需要一个较大的排气区域并且局部堵塞也不构成重要的阻挡。另外，凝结和凝固也与气体无关。通过提供一个具有合适压缩量的密封件以及一个具有合适柔软性和变形范围的盖板，可形成一种能够在较低压力下排气以及在较高压力下排出固体的密封形式。如果在排气过程中所述盖板的变形在弹性范围内，那么这种低压排气模式将是可重复密封的。本发明所涉及的“可重复密封”的概念指的是在消除或降低电池压力时形成一种能够保持足够压力以使电池继续起作用的密封形式。这特别适用于可能出现可恢复的暂时性非正常工作状态的镍氢电池，即，在出现瞬时条件停止后可工作的电池。对于这样的情况，可重复密封的排气是最需要的。
示例-镍氢电池
利用Cs(sub-C)的镍金属氢化物二次电池对本发明所涉及的安全排气装置进行测试。在这种电池中，所述盖板直径为0.765英寸(19.4毫米)。首先对几个盖板厚度进行测试。这包括利用没有排气孔的盖板制成Cs容器。已知条件是，从所述电池排气所需的压力可达到大约250psi(17.6千克/平方厘米)。利用氮将不排气的该金属容器加压到该压力并且测量所述盖板的凸出量。以这样的方式对厚度为0.020英寸、0.025英寸和0.030英寸(0.51毫米、0.63毫米和0.76毫米)的所述盖板进行比对。可以确定，除了厚度为0.030英寸(0.76毫米)以外的所有盖板变形得很厉害。为了防止电解质在不必要的排气中损耗过多，所述排气装置设计成能够以在大约400至500psi(28.1至35.1千克/平方厘米)的条件下以可重复密封的方式排气。选择一个能够在该压力范围内进行排气的密封件。一个初始厚度为0.060英寸(1.52毫米)的乙烯丙烯橡胶密封件在初始条件下在所述盖板和顶板之间被压缩25％。所述密封橡胶的硬度为尚氏A30。四个排气孔对称地设置在一个围绕着形成在所述盖板中的一个凸台直径为0.228英寸(5.79毫米)的圆周上。每一个所述排气孔的直径为0.037英寸(0.94毫米)。
压力测试：制成具有堵塞的排气孔的电池。样品被任意加压到200、500和1000psi(14.1、35.1和70.3千克/平方厘米)，并且在加压时和释放压力后，测定在所述盖板中心线处的挠度。在压力为200psi时，加压和释放压力后测定的挠度分别为0.0045和0.001英寸(0.11和0.025毫米)。在压力为500psi(35.1千克/平方厘米)时，加压和释放压力后测定的挠度分别为0.045和0.039英寸(1.1和0.99毫米)。释放压力后测定的挠度接近于加压的塑性变形，在压力为500psi(35.1千克/平方厘米)时，塑性变形与弹性变形之间的比大约为6.5比1。在压力为1000psi(70.3千克/平方厘米)时，盖板释放压力后测定的挠度为0.084英寸(2.1毫米)。在释放压力后测定的所述顶板裙部与盖板之间的间隙大约为0.018英寸(0.46毫米)。由于可能会使设备受到破坏，在压力为1000psi(70.3千克/平方厘米)时没有对加压的挠度进行测定。所述顶板与盖板之间的相对挠度没有被测定。
进行最后的测试以确定所述排气装置结构的容积是否能够充分变形以在高压下排出固体。
热板测试：对于这个在工业上被称为“热板”的测试，电池被加热到一个极端温度以测试其完整性。将由20个充分充电的电池构成的电池组浸入到一个被加热到280摄氏度的惰性小球浴(inert pelletsbath)中。所述电池排气装置保持未覆盖状态并且在所述小球上方是可以看到的以能够观察到排出的物质。连续保持测试条件直至出现物理反应(排气)或者电池出现物理失效。如果一个电池能够在不破坏电池体的情况下经受该测试条件，那么将可顺利地记录测试结果。
连续过度充电测试：在该测试中，一个电池组处于9安培的连续充电状态下。在该测试中进行连续充电直至一个电池出现物理失效或者出现内部短路或者出现断路时才停止充电。该测试的目的在于模拟在短时间内对一个电池组进行偶然的过度充电。如果一个电池能够在不破坏电池体的情况下经受该测试条件，那么将可顺利地记录测试结果。在以前的设有金属弹簧启动安全阀的类似镍氢电池的测试中，在充电24分钟后所述电池以所述盖板爆裂并且排空电池内含物的形式戏剧性地失效。
结果：总共90个电池受到热板测试。没有失效记录。可从所有的电池中看到固态物质的排出。总共240个电池受到连续过度充电测试。没有失效记录。可从所有的电池中看到固态物质的排出。没有盖板与电池分离或者被破坏的情况出现。在所有电池中观察到电池盖板的永久变形。可以观察到，所述顶板裙部与盖板分离。尽管在测试过程中没有测定所达到的内部压力，可估计大约在500至1000psi(35.1至70.3千克/平方厘米)的范围内。上述范围可从以前利用氮对相同结构的空Cs电池进行加压的加压测试中得知。大约在1100psi(77千克/平方厘米)的压力下由于盖板分离而使这些电池失效。在上述测试中，所述盖板是由极软(#5回火度)镇静铝(aluminum killed)无花边(non-earing)冷轧(洛氏硬度最大为约55)低碳刚带制成。原料的两个侧面镀有厚度最小为0.000075英寸(0.0019毫米)的镍。这种钢的特定化学成分见表1。
表1-盖板原料钢的化学成分 元素 重量百分比 碳 0.06至0.10 锰 0.20至0.60 磷 最大为0.040 硫 最大为0.050
这种材料通过在标准的拉伸试验中面积的减小而测得其延展性大约为35％至40％。也可利用其它的延展性测试手段。不考虑特定的指标，延展性较好的材料能够提供较大的挠曲范围以完成本发明的功能。上述示例中所用的特定尺寸和材料适用于需要在压力为500至1000psi(35.1至70.3千克/平方厘米)范围内时以可重复密封的形式排气以及在压力小于1000psi(70.3千克/平方厘米)的情况下安全排气以防止电池容器失效的Cs电池。在250psi和所设定排气范围在400至500psi(28.1至35.1千克/平方厘米)的范围之间，所述电池容器在加压状态下必须保持其完整性和可操作性直至由于气体吸收或者温度降低而使压力降低。可重复密封的排气出现在400至500psi(28.1至35.1千克/平方厘米)之间。在500psi(35.1千克/平方厘米)以上时，所述排气装置将塑性变形足以提高排气性能并防止压力达到电池完整性极限。为了在较大或较小电池中提供相同的排气性能，可改变盖板几何形状或厚度。在另一个实施例中，盖板具有凸出的肋片，所述肋片能够提高所述盖板的刚度。这有利于以尽量少地增加重量的方式提高刚度。在一种直径大于Cs电池的“D”电池中，所述盖板将具有较大的柔软性，从而需要提高厚度以在所需的条件下达到适当的排气。相反，在“AA”电池中，排气装置密封件、排气孔布置图形以及顶板尺寸可被减小以适应直径较小的AA电池。直径较小的AA电池盖板还必须具有较小的厚度以提供所需的挠曲。这些示例假设是在压力相同的情况下。本发明所涉及的排气装置的实施例适用于采用目前和将来各种二次电池工艺和化学性能的电池中。不同的化学性能和体积还可产生高压且在排气条件下可能流出固态物质。还必须根据可能排出的固态物质的性质来改变所述排气孔的直径。具有不同电极、隔离物或者其它部件的电池可以一种不同于上述示例中镍氢电池的方式在高温和高压下分解。在本发明的另一个实施例中，排气孔的尺寸和数量可以增加以适应排出物质的增大的总量。
为了使在标准二次电池的固定总体尺寸中可用的能量密度最大化，必须使由非活性构件所占据的空间最小化。通过使密封件厚度最小化并且可在没有常规弹簧的情况下起作用，本发明所涉及的安全排气装置使用很少的空间并且使提供活性材料的能量的体积最大化。由于本发明所涉及的排气装置能够在较低压力下确保排气，所述电池容器还可为较低压力设计。目前在工业中所用的新方法是形成薄壁的电化学电池容器。较薄的壁使用的材料较少，从而可降低成本。但是较薄的壁在承受压力应力方面却不强。上述示例中的电池使用的是标称壁厚为0.016英寸(0.41毫米)的容器。人们希望使用标称壁厚为0.011英寸(0.28毫米)的容器。为了能够使用较薄的电池容器，这些电池将承受的最大压力必须降低。本发明所涉及的排气装置能够被制作成薄壁容器并且降低它们的强度需求。如上所述，本发明的另一个优点是，增大挠曲以在能够适应较大制造公差的情况下完成排气。这个概念可用于除电化学电池以外的其它需要安全排气的装置中。本发明所涉及的安全排气装置的变型可用于其它需要安全排气的加压容器中。
上述实施例仅是对本发明的描述。本领域普通技术人员显然能够对它们进行各种改进和变型。权利要求书限定了本发明的保护范围。