一种电池壳焊接方法

文档序号:7213480阅读:259来源:国知局

专利名称::一种电池壳焊接方法
技术领域
:本发明涉及-一种电池壳的焊接方法,尤其涉及一种用激光对二次电池外壳进行封装的焊接方法。
背景技术
:锂离子电池作为一种绿色环保的电源,具有工作电压高、比能量高等突出的优点,随着锂离子电池逐步广泛应用于便携式设备中,例如,手机、笔记本电脑等,对锂离子电池又提出了体积要小、重量要轻的要求,以适应便携式设备小型化的趋势。为满足这种对锂离子电池的要求,在保证锂离子电池具有较高性能以及可靠性的前提下,锂离子电池越来越多地采用具有方形的电池外壳,从而有效地提高了空间的利用率。通常情况下,制造锂离子电池方形外壳的方法为首先对金属板进行机械加工,如冲压,使金属板成形为有底的方形外壳,该方形外壳具有开口端;然后,将由正极和负极组成的电池电极装入该方形外壳内部;最后,利用封口板对该方形外壳的开口端进行封口,从而制得密闭的锂离子电池。为确保锂离子电池在各种环境中具有良好的性能,同时具有较长的使用寿命,即便是在翻滚跌落的情况下,也必须保证电池的方形外壳的开口端密封完好,不能出现裂缝。这是因为,如果出现裂缝,即锂离子电池的壳体失去完好密封,则锂离子电池外壳内部的电解物质会直接与空气接触,容易发生剧烈的化学反应,轻则使锂离子电池报废,严重则造成人身财产损失。因而,合格的锂离子电池产品必须经过各种严格的翻滚跌落测试,以确保生产的锂离子电池具有较高的可靠性。电池方形外壳的开口端与封口板之间的密封连接可以采用多种方法,传统为机械的铆接。由于铆接的密封可靠性有限,而且铆接的操作不利于提高生产率,因而目前大都采用激光焊接的方法进行密封。CN1479389A公开了密闭式电池的制造方法及密闭式电池,如图1所示,其中,电池外壳10的壳体部分10b的厚度为L2,外壳10的边缘部分10a的厚度为",封口板31的凸缘部分31b的厚度为T3,高度为丁2,封口板31的平坦部分31a的厚度为T,,这些参数需要满足DT,/10+40、50微米《T3《T,以及50微米《L,《L2,通过设计满足上述条件的封口板和电池外壳来降低在焊接部位产生的热应力,从而防止裂纹的发生;还通过在焊接时调整激光的能量分布,来降低焊接部位发生的热应力,来防止裂纹的发生;还通过加热装置,从而焊接部位一边慢冷却一边焊接,减慢焊接部位的冷却速度,来降低焊接部位发生热应力,来防止裂纹的发生。该技术方案着眼于焊接的微观方面,从降低每个焊接点的热效应出发来防止裂纹的发生。在该技术方案中,由于对外壳和封口板的设计尺寸有特殊要求,而且要求在焊接部位封口板和电池外壳的厚度相对较薄,因而整个锂离子电池的外形具有局限性;由于对激光能量分布有特殊要求,因而对激光发生装置要求较高,从而增加了锂离子电池的制造成本;由于还需要加热装置对焊接部位进行加热,所有这些使得该技术方案工艺复杂,加工条件的约朿较多,实施较为繁琐。由于一般的电池外壳和封口板具有均匀的厚度,因而上述方法不能用于-般电池外壳和封口板的焊接。而传统的焊接具有均匀厚度的电池外壳和封口板的方法是采用均匀一致的速度对电池外壳和封口板进行焊接,低速焊接虽然可以保证焊接质量,却大大降低了生产率,而过高的焊接速度容易造成焊接质量下降,从而难以控制封装质量。因此,传统的焊接速度约为1.8毫米每秒,但是对于各种不同型号的电池来说,使用匀速的焊接速度难以兼顾生产效率与焊接质量,而取得最佳的生产效果。
发明内容本发明的目的是为了克服现有技术难以兼顾生产效率和焊接质量的缺点,提供一种既能保证焊接质量,又能保证焊接速度的封装电池外壳和封L!板的焊接方法。本发明提供了一种封装电池外壳和封口板的焊接方法,该方法包括焊接封口板和电池外壳的交界部位,其中,该方法包括将所述交界部位划分为易损部位和非易损部位,在易损部位的焊接速度慢于在非易损部位的焊接速度。本发明的发明人发现,在二次电池的电池外壳与封口板的封装中,电池外壳与封口板的交界部位中产生的焊接缺陷的概率是不同的,焊接缺陷产生的概率与封口板的电极极柱关系密切。电池外壳与封口板交界部位上距离电极极柱较近的部位产生焊接缺陷的概率达到90%以上,而其他距离电极极柱距离较远的部位极少出现焊接缺陷。焊接缺陷的产生与焊接强度和焊接速度具有密切的关系。如果焊接强度越大,焊接速度越慢,则产生焊接缺陷的概率越低。由于强度的调控较为繁琐,而且焊接强度的提高也会使整个加工成本上升,因而倾向于对焊接速度的调节。但在CN1479389A中,考虑到如果采用降低焊接速度的方法来减少裂纹发生的概率会降低生产效率,因而没有通过调节焊接速度来减少焊接缺陷的发生。本发明提供的用于焊接电池外壳与封口板的焊接方法将电池外壳与封口板的交界部位分为易损部位和非易损部位,并在不同的部位使用不同的焊接速度进行焊接,即在易损部位应用较低的焊接速度,因而能降低在该易损部位产生焊接缺陷的可能性,并在保证非易损部位焊接质量的前提下加快在非易损部位的焊接速度,因而保持总的焊接生产效率不会降低。本发明提供的焊接方法着眼于宏观方面,通过调节焊接速度来减少焊接缺陷的产生,因而具有工艺简单且生产率较高的优点。图1为CN1479389A公开的电池外壳与封口板封装的示意图;图2为适用本发明提供的方法进行焊接的封口板与电池外壳的一种实施方式的剖面图;图3为图2中电池外壳与封口板的俯视图;图4为适用本发明提供的方法进行焊接的封口板与电池外壳的另一种实施方式的剖面图;图5为图4中封口板与电池外壳的侧视图;具体实施方式下面结合附图详细描述本发明提供的封装电池外壳与封口板的焊接方法。在进行详细描述之前,首先对易损部位和非易损部位进行说明。由于对于电池外壳与封口板之间的交界部位来说,电池外壳与封口板的交界部位上距离所述电极极柱的距离越近,产生焊接缺陷的概率越高。因此,将封口板和电池外壳的交界部位上与正极柱和负极柱距离较近从而出现焊接缺陷较多的部位称为易损部位,将封口板和电池外壳的交界部位上除易损部位之外的剩余部位称为非易损部位。本发明提供了一种利用激光封装电池外壳和封口板的焊接方法,该方法包括焊接封口板和电池外壳开口的交界部位,所述封口板上包括电极极柱,其中,该方法包括将所述交界部位划分为易损部位和非易损部位,在易损部位的焊接速度慢于在非易损部位的焊接速度。如图2所示,通常情况下,电池包括电池外壳l、封口板2以及容纳于电池外壳内部的电极组和电解液。电池外壳l一端为开口端,另一端为封闭端。封口板2密封在电池外壳1的开口端。封口板2上包括电极极柱3。电池外壳1的形状决定整个锂离子电池的外形,因而电池外壳1的形状根据锂离子电池的应用场合来确定。一般来说,为了具有较高的空间利用率,优选采用方形的电池外壳。电池外壳l的开口端的形状可以是多种形状,比如,圆形、椭圆形、多边形等,优选为多边形,更优选为长方形或正方形,电池外壳1的开口端也可以是拐角为圆角的四边形。电池外壳1和封口板2的材料可以是多种金属材料,例如,各种碳钢、合金钢、铝以及各种铝合金等。为了在保证刚度和强度足够的情况下,尽可能地降低锂离子电池的重量,优选采用密度较低的铝或铝合金材料。电池外壳1壁厚的范围为0.2-0.25mm,封口板2厚度的范围为0.8-1.2mm。电池外壳1与封口板2的尺寸和厚度取决于锂离子电池的应用场合以及设计功率的参数,为锂离子电池普通技术人员所熟知,在此不再详细描述。在制备好电池外壳1与封口板2之后,将二者按照正确的位置关系装配在一起,以便进行下面的焊接工序。封口板2的形状对应于电池外壳1开口端的形状,这样才可以将封口板2准确安装于电池外壳1的开口端上。一般来说,封口板2与电池外壳1的相对位置有两种情形第一,封1U板2的尺寸对应于电池外壳1的内围尺寸,且封口板2与电池外壳1为过盈配合,这样封口板2装入电池外壳1之后能紧紧将封口板2夹住,从而将封口板2保持在正确的位置,此时封口板2与电池外壳1的交界部位5位于电池外壳1的端面上,如图2和图3所示;第二,封口板2的尺寸对应于电池外壳l的外围尺寸,从而封口板2盖在电池外壳1的开口端上,此时封口板2与电池外壳1的交界部位5位于电池外壳1的侧面上,如图4和图5所示。不管交界部位5位于电池外壳1的哪个位置,交界部位5均对应于电池外壳1幵口端的形状。本发明所提供的焊接方法均适用于上述的情形。将电池外壳1与封口板2装配好之后,就可以通过焊接将电池外壳1与封口板2封装起来。下面参考图3详细描述如何确定电池外壳1与封口板2交界部位的易损部位。所述易损部位位于封口板与电池外壳开口的交界部位上距离所述电极极柱较近的位置。若所述电池外壳开口为多边形,所述易损部位位于多边形的所述交界部位上距离电极极柱较近的边上。优选情况下,当所述电池外壳开口为长方形时,所述易损部位位于长方形的所述交界部位上距离电极极柱较近的边上。如图3所示,该电池外壳l的开口端为具有圆角的长方形,封口板2具有电极极柱3以及注液孔4,注液孔4用于向电池外壳1内部注入所需的电解物质。优选情况下,当所述电池外壳开口为正方形时,所述易损部位位于正方形的所述交界部位上距离电极极柱较近的边上。如果电池外壳1的开口端为正方形,则易损部位的确定与上述电池外壳1开口端为长方形的情形类似。易损部位的位置取决于电池外壳1与封口板2交界部位相对于电极极柱3的相对关系。更优选地,所述易损部位以电极极柱所在的位置在所述交界部位距离电极极柱较近的边上的正投影为中心,并在所述中心两侧延伸,如图3中的AB段与CD段。所述易损部位AB段与CD段的长度与该易损部位所在边的边长之比为1/4-1/2。在确定了易损部位之后,下面需要确定焊接速度。按照本发明提供的焊接方法,在易损部位的焊接速度慢于在非易损部位的焊接速度。本发明着眼于通过调节焊接速度来对焊接质量进行控制,具体来说,在确定的易损部位应用较低的焊接速度,在非易损部位应用较高的焊接速度,从而""方面降低易损部位出现焊接缺陷的可能性,另一方面,使得整个焊接过程具有较高的焊接生产率。在传统的封口板2与电池外壳1焊接过程中,传统焊接速度为1.6-1.8mm/s。在本发明中,对于易损部位(图3中的AB段和CD段)应用的焊接速度为小于1.8毫米每秒,比传统的焊接速度慢,为防止因易损部位的焊接速度过低而降低焊接的生产效率,优选为0.9-1.3mm/s;对于非易损部位(图3中的除AB段与CD段之外的部位)应用的焊接速度为大于1.8毫米每秒,比传统的焊接速度快,为防止因非易损部位的焊接速度过快而增加在非易损部位产生焊接缺陷的可能性,优选为2.2-2.6mm/s。此外,本发明可以采用本领域公知的各种焊接方式,例如,激光焊接、半自动氩弧焊、摩擦焊、电阻焊等。优选地,为获得较高的生产率以及成品率,以及考虑到封口板2与电池外壳1较薄,优选采用自动化程度较高、焊接质量较好的激光焊接方法。如果采用激光焊接,则所述焊接速度即为在焊接时激光束的扫描速度。在确定了焊接速度之后,下面就分别对封口板2与电池外壳1交界部位的易损部位和非易损部位按照不同的焊接速度进行焊接。最后待所述交界部位冷却后,所述封口板与电池外壳密封在一起。焊接后,焊接部位的冷却速度对于焊接质量也有影响。焊接后冷却速度越慢,则热应力对于焊接质量的影响越小。关于如何控制焊接后冷却速度对于焊接质量的影响为焊接普通技术人员所熟知,在此不再进行详细描述。此外,该电池所包括的其他必要组件以及制备该电池所需的其他加工步骤,为本领域普通技术人员所熟知,因而在此不再详细描述。由于在传统的锂离子电池制作工序中,通过焊接将电池外壳与封口板封装起来的焊接速度为匀速的,即整个封口板2与电池外壳1之间交界部位的焊接速度为-致的。而本发明提供的焊接方法将封口板2与电池外壳1的交界部位分为易损部位和非易损部位,并对易损部位和非易损部位应用不同的焊接速度,即在易损部位的焊接速度慢于在非易损部位的焊接速度。从而能在保证焊接的效率不变的前提下,降低在封装封口板2与电池外壳1的过程中产生缺陷的可能性。因此当利用本发明提供的焊接方法对封口板2与电池外壳1进行封装时,能够大大提高封装质量。下面通过对实施例与对比例的分析对本发明作进一步地说明。本实施例用于说明使用本发明提供的封装封口板与锂离子电池外壳的焊接方法。制备1000个电池外壳与封口板,该电池外壳的材料为铝,开口端为长方形,电池外壳内腔的尺寸为长33.4mm,宽4.8mm,高50mm,电池外壳的壁厚为0.2mm,该封口板的材料为铝,尺寸为长33.4mm,宽4.9mm,厚度为l.Omm。激光焊机中激光振荡装置为钇铝石榴石(YAG)的发光装置,产生激光功率为6-8KW,脉冲周期为2ms,重复率频率为20Hz。按照本发明提供的焊接方法进行电池外壳与封口板的焊接。确定封口板与电池外壳交界部位中易损部位的位置,该易损部位以电极极柱所在的位置在交界部位上的长边上的正投影点为中心,并在该中心两侧延伸,所述易损部位的长度为封口板与电池外壳的交界部位上所在边边长的1/3,如图3所示,易损部位为AB段以及CD段。在易损部位选取激光束的扫描速度为vl=l.lmm/s,非易损部位的激光朿扫描速度为v2=2.3mm/s;激光束光点直径为450um。按照选择的上述技术参数进行电池外壳与封口板的焊接。冷却后,实现封口板与电池外壳的封装。对比例1本对比例用于说明采用正常焊接速度的现有技术中封装封口板与锂离子电池外壳的焊接方法。制备1000个电池外壳与封口板,该电池外壳的材料为铝,开口端为长方形,电池外壳内腔的尺寸为长33.4mm,宽4.8mm,高50mm,电池外壳的壁厚为0.2mm,该封口板的材料为铝,尺寸为长33.4mm,宽4.9mm,厚度为l.Omm。激光焊机中激光振荡装置为钇铝石榴石(YAG)的发光装置,产生激光功率为6-8KW,脉冲周期为2ms,重复率频率为20Hz。对封口板与电池外壳交界部位进行激光焊接,光点直径为450um,激光扫描速度为vl=v2=1.8mm/S。按照选择的上述技术参数进行封口板与电池外壳的焊接。冷却后,实现封口板与电池外壳的封装。对比例2本对比例用于说明采用较低焊接速度的封装封口板与锂离子电池外壳的焊接方法。制备1000个电池外壳与封口板,该电池外壳的材料为铝,开口端为长方形,电池外壳内腔的尺寸为长33.4mm,宽4.8mm,高50mm,电池外壳的壁厚为0.2mm,该封口板的材料为铝,尺寸为长33.4mm,宽4.9mm,厚度为l.Omm。激光焊机中激光振荡装置为钇铝石榴石(YAG)的发光装置,产生激光功率为6-8KW,脉冲周期为2ms,重复率频率为20Hz。对封口板与电池外壳交界部位进行激光焊接,光点直径为450um,激光扫描速度为vl=v2=l.lmm/s。按照选择的上述技术参数进行封口板与电池外壳的焊接。冷却后,实现封口板与电池外壳的封装。对比例3本对比例用于说明采用较快焊接速度的现有技术中封装封口板与锂离子电池外壳的焊接方法。制备1000个电池外壳与封口板,该电池外壳的材料为铝,开口端为长方形,电池外壳内腔的尺寸为长33.4mm,宽4.8mm,高50mm,电池外壳的壁厚为0.2mm,该封口板的材料为铝,尺寸为长33.4mm,宽4.9mm,厚度为l.Omm。激光焊机中激光振荡装置为钇铝石榴石(YAG)的发光装置,产生激光功率为6-8KW,脉冲周期为2ms,重复率频率为20Hz。对封口板与电池外壳交界部位进行激光焊接,光点直径为450um,激光扫描速度为W=v2=2.3mm/s。按照选择的上述技术参数进行封口板与电池外壳的焊接。冷却后,实现封口板与电池外壳的封装。实施例2本实例说明本发明提供的方法制备的电池外壳的密封性能。在采用上述四种不同的焊接方法焊接的IOOO支锂离子电池中,随机选取100支电池进行1米翻滚试验。所谓l米翻滚试验为在高度为1米的钢制测试箱体内,以每分钟跌落11次的速度绕翻滚仓的中心轴旋转,记录焊接部位出现缺陷时的翻滚次数,翻滚次数越高,说明越不容易出现焊接缺陷,表示焊接部位的强度越高,锂离子电池的安全性越好。具体的操作为在1米高的测试箱体内放IO支完成焊接的电池,以ll次/分钟的速度进行翻转,前300次翻滚每翻滚50次检査一下焊接部位是否出现裂缝,后300次翻滚每翻滚10次检査一下焊接部位是否出现裂缝,总共进行600次翻滚,并同时进行数据统计。依次将采用上述四种不同方法进行焊接的100支电池样本均进行翻滚试验,并统计所有的测试数据,根据所得测试数据制得表1。表1为实施例1与各个比较例中焊接的锂离子电池进行lm翻滚试验的测试数据lm翻滚试验中锂离于屯池的烨接方法翻滚次数平均值翻滚次数最大值翻滚次数最小值<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表通过对表1中的数据分析可知在对比例1、对比例2和对比例3中,均采用现有技术的焊接方法,激光束的扫描速度越慢,则焊接部位的强度越高,其中焊接速度最慢的对比例2焊接的焊接部位强度最高,而焊接速度最快的对比例3的焊接部位强度最低。还可以发现,使用本发明焊接方法的实施例1中焊接部位的强度与使用最低扫描速度的对比例2中的焊接部位的强度儿乎等同。下面通过在对实施例1与各个对比例在焊接过程中的关于生产率的数据的比较,分析本发明提供的焊接方法在生产率方面的优势。表2为实施例1与各个对比例中的焊接过程生产率的数据<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表2通过对表2中的数据分析可知激光束的扫描速度越快,生产效率越高,其中,扫描速度最快的对比例3的生产率最高,扫描速度最慢的对比例2的生产率最低。实施例1的生产率与对比例1的生产率稍高,可知使用本发明提供的焊接方法具有较高的生产率。经过对表1和表2的分析可知,在实施例1中,使用本发明提供的封装封口板与锂离子电池的电池外壳的焊接方法,能兼顾焊接质量与生产效率,并取得较好的生产效果。权利要求1.一种电池壳焊接方法,该方法包括焊接封口板和电池外壳开口的交界部位,所述封口板上包括电极极柱,其特征在于,该方法包括将所述交界部位划分为易损部位和非易损部位,在易损部位的焊接速度慢于非易损部位的焊接速度。2.根据权利要求1所述的焊接方法,其中,所述易损部位位于封口板与电池外壳开口的交界部位上距离所述电极极柱较近的位置。3.根据权利要求1所述的焊接方法,其中,所述电池外壳开口为多边形,所述易损部位位于多边形的所述交界部位上距离电极极柱较近的边上。4.根据权利要求3所述的焊接方法,其中,所述电池外壳开口为长方形,所述易损部位位于长方形的所述交界部位上距离电极极柱较近的边上。5.根据权利要求3所述的焊接方法,其中,所述电池外壳开口为正方形,所述易损部位位于正方形的所述交界部位上距离电极极柱较近的边上。6.根据权利要求3-5所述的焊接方法,其中,所述易损部位以电极极柱所在的位置在所述交界部位距离电极极柱较近的边上的正投影为中心,并在所述中心两侧延伸,所述易损部位的长度与该易损部位所在边的边长之比为1/4-1/2。7.根据权利要求1所述的焊接方法,其中,在所述易损部位的焊接速度为小于1.8毫米每秒,所述非易损部位的焊接速度为大于1.8毫米每秒。8.根据权利要求7所述的焊接方法,其中,在所述易损部位的焊接速度为0.9-1.3毫米每秒,在所述非易损部位的焊接速度的范围为2.2-2.6毫米每秒。9.根据权利要求1所述的焊接方法,其中,所述焊接方法为激光焊接。全文摘要本发明提供了一种封装电池外壳和封口板的焊接方法,该方法包括焊接封口板和电池外壳的交界部位,其中,该方法包括将所述交界部位划分为易损部位和非易损部位,在易损部位的焊接速度慢于在非易损部位焊接速度。本发明提供的焊接方法在易损部位应用较低的焊接速度,因而能降低在该易损部位产生焊接缺陷的可能性,并在保证非易损部位焊接质量的前提下加快在非易损部位的焊接速度,从而保持总的焊接生产效率不会降低。文档编号H01M2/02GK101162765SQ200610149650公开日2008年4月16日申请日期2006年10月13日优先权日2006年10月13日发明者严湖泊,王晓普申请人:比亚迪股份有限公司
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