一种双极性结构电池元件的激光焊接方法和装置的制作方法

专利名称：一种双极性结构电池元件的激光焊接方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及双极型结构电池领域，具体涉及双极型结构电池元件、特别是双极板 或微孔隔膜元件的焊接方法和装置。
背景技术：
本领域内的人员知道，相比于单极型电池，双极型结构的原电池有更小的体积和 重量，因此他们有着更高的质量比能量和体积比能量(能量密度)。同时，双极型结构的 原电池可以提供稳定的表现，并且由于双极型结构的电池缩短了电流流动距离而降低了内 阻，增加了使用效率。所谓双极型结构的电池，是指在一个双极型结构的电池单元中，包含一个可以分 隔开各个单电池并且导通相邻单电池电流的可导电板-双极板。双极板通常采用薄板状结 构，从而达到加大反应面积减小电流流动距离的效果。在双极型结构电池体系中，双极板的 两面中一面用作正极，另一面用作负极。因此，双极板是由一种具有高导电性和在电化学环 境中的高稳定性的材料构成的。双极板一般不直接将产生的电力引出，而仅仅是作为中间 电极以连接两侧的单电池，从而作为电力的传导通路。目前有很多种形式的双极板，其中美国专利US4214969和US4339332和欧洲专利 申请EP0268397A1揭示了几种比较典型的双极板结构。一般来说，用于氧化还原反应电池 的双极板通常会在双极板的两侧或一侧粘结上薄薄的一层电化学活性物质，例如含电化学 活性物质的石墨层或者活性炭层。这样既提高了导电性又增加了反应面积，对增强双极板 性能很有好处。根据电解液是否循环，双极型电池可以分为有电解液循环的双极型电池(即动态 液流电池)和无电解液循环的双极型电池(即静态液流电池)。本发明仅讨论动态液流电 池。动态双极型结构的电池是由电池外部的泵带动电解液在单体电池的层积体内循 环流动。在充电过程中，泵体由外部能量带动；在放电过程中，由电池本身的能量驱动其运 转。如图1中所示，动态双极型电池的层积体由片状或板状的热塑性框体层积而成， 包括一对端板2和43、一对端板电极IOa和IOb (其框体为端板电极框2a和2b)和若干对 分别承载了双极板5和绝缘微孔隔膜6的中间框体4和3。在该层积体(也称为电堆)中， 双极板与隔膜交错排列，从而在电堆内部构成了单电池的串联分布。每一对双极板和隔膜， 构成一个单电池。框体3和4的厚度大约是2-3mm。中间框体3和4是用热塑性树脂经过加工成型而制成，所使用的树脂材料可以是 聚乙烯、聚丙烯或者聚氯乙烯等材料。通常，还会在树脂材料中添加碳纤维、石墨纤维和玻 璃纤维等纤维材料来加强框体的强度。纤维的重量一般占到框体重量的20% -30%左右。一般来说，每个中间框体3和4都是矩形的，并在矩形的中心有一个同样是矩形的 空心部分，由相应的中间框体、双极板和微孔隔膜包围以形成容纳电解液的电池腔体12和7。如图1所示，双极板5紧密地贴合在中间框体4中心部位的一个矩形槽8中，而微孔隔 膜6也紧密贴合在中间框体3中央的相应矩形槽中。双极板5是由石墨、炭黑等导电物质和HDPE的混合物制成的；每两个相邻的中间 框体4的双极板5被一层电绝缘材料所分隔开，这种电绝缘材料就是中间框体3中的微孔 隔膜6。微孔隔膜6可以将正极电解液与负极电解液相互隔开以防止电池自放电，同时允许 导电离子透过以保证整体电堆的电流可以不受损失的通过。端板2和43是实心的板材，可以给整个电池提供一定的强度以延长端面寿命。端 板2和43的材质通常是玻璃钢板或者其他厚度不小于30mm的具有一定强度的聚合树脂板 材。端板电极IOa和IOb是单电极极板，与最外侧的中间框体3或4紧邻。端电极的 取电端子11和9分别与两侧的端板电极IOa和IOb连接，一般安装在极板的中间位置并从 端板中心穿出。如图2所示，为了帮助电解液在电池单元内正常地循环，每一个中间框体3或4都 有进口流动区域13和出口流动区域14(见图2)。进口流动区域13包括主管路入口 15和 单体分流道17，出口流动区域14包括主管路出口 16和单体分流道18。在中间框体3和4上，电解液的进口和出口流动区域13和14还分别包括了电解 液流动分配区19和20。分配区19包括预分配区19a和多条最终分配细流道19b，而分配 区20包括预分配区20a和多条最终分配细流道20b。最终分配细流道19b和20b最后连接 到电池腔体(电解液反应区域)7或12。负极电解液经过流动分配区后进入到由框体4与双极板5构成的电池腔体7或端 电极板2a与端电极IOa构成的电池腔体7中；正极电解液经过流动分配区后进入到由框体 3与微孔隔膜6构成的电池腔体12或端电极板2b与端电极IOb构成的电池腔体12中。前面提到，在动态的双极型结构的液流原电池中，有电解液在电池腔体内循环流 动。因此，在双极板结构的原电池中，为了使电解液可以分别在各自的电池腔体中流动而不 泄漏到相邻的腔体内和造成由正负极电解液互混引起的自放电，需要双极板5与绝缘框体 4以及微孔隔膜6与绝缘框体3紧密的焊接成一体以形成各自密封的腔体7和12。同时， 良好的密封也提高了双极板和隔膜各自的强度，使得双极板和微孔隔膜在具有一定压力的 电解液的流动过程中不会因为受到液流冲击而变形。现实中，动态液流双极型电池一直没有被广泛地商业化应用，其中一个主要的原 因是电池元件间连接的密封问题一直得不到妥善的解决。热塑性树脂材料的框体和双极板 /隔膜之间的密封连接一直以来都是一个棘手的技术难点。过去，热塑性树脂材料的框体与 双极板之间都是通过热焊接、超声焊接或使用胶粘的方式实现密封的。热焊接或超声焊接 的方式存在的主要问题是加热区域难于精确控制和溢料问题难于解决，导致被焊接的部件 变形和对流道造成破坏，极大地影响了电池的性能。而使用胶粘工艺密封的双极板则由于 所使用的粘合剂(例如，硅基粘合剂)会和电解液发生反应，因而很难在具有强氧化性的环 境中保证电池的长期稳定运行。另外，在美国专利US5035045中详细地介绍了使用红外焊接的方式来实现双极型 电池的框体与框体之间的焊接，从而实现密封的方法。但红外焊接技术功耗比较大，对焊接 元件的形状和尺寸有一定要求。另外还需要特殊的掩膜，否则焊接溢料难以控制。
激光焊接技术已经被应用于塑料的焊接。例如，US2004/154737A 1公开了一种利 用激光焊接塑料工件的方法。在激光焊接的过程中，需要两种塑料的化学性能相近，并且一 种塑料透明或者半透明，另一种塑料完全不透明。关于塑料的激光焊接方法和装置的信息还可参见CN1266776A、CN201320841Y、 W02004/058485,CN101053995A 等。激光焊接有非常多的优点，减少劳动量，降低成本并提高生产效率等等。最主要的 优势是容易对焊接部位进行控制，对提升成品率有非常大的帮助。但电池双极板的焊接要求不能对焊接区域以外的其他部分的性质产生影响，同时 不能损害焊接区域的精细的流道结构，因此需要对激光焊接区域进行特别精确的控制。但至今，现有技术中仍然没有使用激光焊接的工艺来实现双极型结构的电池中塑 料绝缘框体和双极板/微孔隔膜之间的密封的先例。

发明内容
前面说过，针对于绝缘框体与双极板之间的焊接和密封问题，一直是双极型结构 电池需要解决的问题之一。由于焊接工艺的不完善，很多种焊接工艺都表现出成本高，成品 率低的问题。本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提出一种高效的、高成品率的，并能够降低 生产成本的双极型结构电池双极板加工工艺，从而将双极板/微孔隔膜与绝缘框体有效的 焊接在一起，其强度能保证电池内部压力在0. 3MPa之内时不会发生电解液在单体电池之 间的泄露。本发明提供一种利用激光焊接双极型结构电池的绝缘框体和双极板/微孔隔膜 的方法，其中绝缘框体与双极板/微孔隔膜组装在一起形成环形接触区，绝缘框体由对激 光透明的热塑性塑料制成，而双极板/微孔隔膜是对激光不透明的热塑性塑料制成，所述 绝缘框体的厚度在0. 5-4mm之间；所述双极板或微孔隔膜的厚度在0. 6_3mm之间，该方法包 括来自激光光源的激光透过绝缘框体聚焦在绝缘框体与双极板或微孔隔膜的接触面上以 熔化照射部位的上下两块塑料板，并在压力作用下将两块板熔接在一起，其中所述激光光 源的发射功率在6-24W之间，优选发射功率在10-20W之间，更优选为12W。所述激光相对于 待焊接的绝缘框体与双极板/微孔隔膜组装件以2-4米/分钟的速度移动，移动速度优选 为2.8米/分钟。按照本发明的一种实施方式，本发明的透明聚光装置提供的压力在2_4kg*f之 间。如果激光功率小于10W，或者激光头移动速度太快，或者激光头压力小于2Kgf，会 因为焊接热量不够，造成边框与双极板或者隔膜之间焊接强度不够，制品容易开裂。而如果 激光功率太大而激光头移动速度又太慢，会因为焊接区域热量过大而造成塑料老化降解， 影响制件质量。在满足焊接质量要求的前提下应该心量减小激光头压力，这样可以有效减 小激光头的磨损，延长使用寿命。按照本发明的一种实施方式，所述透明聚光装置在伺服机构的控制下按照预定的 路线移动以进行焊接，且在透明聚光装置的移动过程中，保持每一点的发射功率和线速度 恒定，从而使焊接图形中每一点的焊接强度相同。这也可以降低对焊接材料的可焊接性能的要求。按照本发明的一种实施方式，透明聚光装置在伺服机构的控制下可以按照事先设 计好的程序，根据焊接的难度选择焊接一圈或者多圈，从而保证焊接的强度和密封的可靠 性。按照本发明的一种实施方式，采用特殊设计的真空吸附装置以稳定地为绝缘框体 提供定位和固定作用，其中所述真空吸附装置包括上模具和下模具，通过上模具对焊接部 件进行定位，而由下模具提供真空通道以使焊接部件能够通过真空负压固定在真空吸附装 置上。对于进行激光焊接的微孔隔膜的隔膜材料可以包含含量在1%。重量之间的 着色剂，从而使隔膜材料不需要再附加吸热涂层即可直接进行焊接。用于激光焊接的绝缘框体背面设计有凹槽，用于双极板或隔膜的安装和定位。该焊接工艺实现的是边框与双极板或微孔隔膜接触面之间的焊接，焊缝宽度仅为 约1. 5mm，且不会发生溢料现象，因而不会对边框上的流道结构造成损害。本发明还提供一种利用激光焊接双极型结构电池的绝缘框体和双极板/微孔隔 膜的装置，包括工作台，其具有用于定位和固定绝缘框体和双极板/微孔隔膜的真空吸附装置， 该真空吸附装置包括上模具和下模具，通过上模具对焊接部件进行定位，而由下模具提供 真空通道以使焊接部件能够通过真空负压固定在真空吸附装置上；用于将来自激光器的激光束聚焦于绝缘框体与双极板/微孔隔膜的接触面上的 透明聚光装置，该透明聚光装置在伺服机构的驱动下沿预定的路径移动，并提供焊接所需 压力；和控制器，其控制真空吸附装置、透明聚焦装置和伺服机构。将真空吸附和激光焊接装置同时用于焊接绝缘框体与双极板从而制备双极型结 构电池元件的方法属于一种高效低耗、高成品率的新型工艺。本发明的优点在于，其提供了一种为双极型结构的原电池焊接其热塑性框体与双 极板为一体的方法，不需要额外的粘合剂和掩模等，也不需要附加吸热涂层，因此简化了焊 接工艺，提高了焊接的效率，节省了劳动力和成本。按照本发明可能对焊接进行精确控制， 焊缝小，避免了溢料现象的发生，且不会影响到流道结构。另外，焊接的框体与双极板产品 具有高的结合强度和均勻性，这极大地提高了成品率，同时也延长了所生产的电池产品的 使用寿命。


图1是动态双极型电池的电堆结构的剖面示意图；图2是显示中间框体4(或3)的正面结构的示意图，其中显示了中间框体中的流 道结构。图3是中间框体4的背面示意图，其中显示了用于承载双极板5的矩形槽21。图4为图2中所示的中间框体沿槽21部位A-A线截取的截面图。图5是用于固定双极板(或微孔隔膜)和中间框体以进行激光焊接的真空吸附装 置的示意图，其中显示了双极板(或微孔隔膜)和中间框体固定在真空吸附装置上进行激光焊接的状态。图6是真空吸附装置的下模具26的结构示意图。图7是真空吸附装置的上模具25的结构示意图。图8是显示本发明的激光焊接装置的立体透视图。
具体实施例方式下面说明按照本发明的方法针对激光焊接双极型电池的绝缘框体与双极板/隔 膜的具体实施方式
，其中给出了具体的焊接工艺和参数，但本发明不局限于这些具体的实 施方式。本发明以锌-溴二次电池为例对本发明的实施方式进行说明。锌溴电池的结构图 例如图1所示。锌溴电池是用溴作为正极活性物质，用锌作为负极活性物质的充电电池，这种电 池是为了解决电力的昼夜平衡问题而研制的，通过在夜间电力需求小的时候储存电力和在 白天用电高峰时释放电力发挥作用。这种电池使用的双极板材料是通过将聚氯乙烯、碳黑、 石墨按照4 2 4的比例混合而制成的碳塑电极，从而赋予作为粘结剂的聚氯乙烯以导 电性。而且，电解液与电池主体分开放置，在充放电时用泵使其进行循环。在充电时，在正电极侧产生的溴与添加在电解液中的溴络合剂(季铵盐)发生反 应，形成油状的沉淀物，并返回存储槽内；放电时，用泵将其送入单电池内进行还原。电解液 的成分是，在ZnBr2水溶液中添加能降低液阻的NH4Cl等盐，并添加能防止产生负极锌枝晶、 促进均勻电沉积的Pb、Sn、季铵盐类，以及溴络合剂。在正电极侧和负电极侧之间使用隔膜， 以防止正电极侧产生的溴向负电极侧扩散而与锌反应发生导致自放电。锌溴电池是一种由若干热塑性框体通过层积得到的双极型二次电池。如图1所 示，锌溴电池包括一对端板2和43，一对端板电极IOa和IOb (其框体为端板电极框2a和 2b)和若干对承载了双极板5和绝缘微孔隔膜6的中间框体4和3。在电堆中，双极板5与 微孔隔膜6交错排列，从而在电堆内部构成了单电池的串联分布。每一对双极板5和微孔 隔膜6构成一个单电池。中间框体3和4的厚度大约是2-3mm。框体2a，2b，3，4由热塑性树脂加工而成，这种热塑性树脂可以是聚乙烯、聚丙烯 或者其他化学性能相近的树脂。多数情况下，这种热塑性树脂通过添加碳纤维、石墨纤维和 玻璃纤维来增加树脂的本体强度。这些纤维添加物的重量比最高可以达到30%。端板2是实心的板材，形状与所保护的框体一致，可以给整体电池提供一定的强 度而延长端面寿命。端板2的材质通常是玻璃钢板或者其他厚度不小于30mm的具有一定 强度的聚合树脂板材。框体2a，2b，3和4的外形以矩形为佳，在框体的中部有一个同样是矩形的空心部 分。例如，中间框体4中部有一个矩形的空心部分7，而双极板5就焊接在这个空心部分7 边缘形成的凹槽21内。焊接完成后，双极板5应不高出框体表面。但是应当理解，框体2a， 2b，3和4的外形不限于是矩形的，而可以是圆形的、椭圆形的、正方形的、棱形的、三角形的 等任何适于应用的形状。同样地，双极板5的形状也不限于是矩形的，而可以是圆形的、椭 圆形的、正方形的、棱形的、三角形的等任何适于应用的形状。形成于中间框体4中部的空 心部分7也不限于是矩形的，也可以是圆形的、椭圆形的、正方形的、棱形的、三角形的等任何适于应用的形状。并且该空心部分7的形状不必与中间框体4的形状一致，只要该空心 部分7的边缘所形成的凹槽21的形状与双极板5 —致或者能够适当地容纳双极板5即可。如图1所示，中间框体3或4与双极板5和微孔隔膜6包围的空心部分构成电池 腔体12或7，即电解液的流动区域。相邻的中间框体4及焊接在上面的双极板5被绝缘材料-微孔隔膜6及中间框体 3_分隔开。微孔隔膜6的作用是分隔正极电解液和负极电解液以避免电池的自放电。位于电池两侧的端电极不是双极型极板，集电端子11分别与两侧的正端板电极 和负端板电极直接相连。电池完成装配后即可正常地运行，电解液在电池内部开始循环流动。腔体7内流 动的是阴极电解液，腔体12内流动的是阳极电解液。为了帮助电解液在电池单元内正常的 循环，每一个中间框体3或4都有进口流动区域13和出口流动区域14 (见图2)。进口流动 区域13包括主管路入口 15和单体分流道17，出口流动区域14包括主管路出口 16和单体 分流道18。中间框体3、4中有非常复杂的流道结构，电解液的进出口流动区域13和14还包 括了电解液流动分配区19和20。分配区19包括预分配区19a和多条最终分配细流道19b， 分配区20包括预分配区20a和多条最终分配细流道20b。所有的流道结构，都是为了改善 电解液在反应区域(腔体7和腔体12)内的流动状况。下面具体介绍根据本发明焊接双极板(或微孔隔膜)元件的焊接方法和装置。为满足焊接的定位要求以实现可靠有效的焊接，本发明人从绝缘框体以及焊接工 作台两个方面进行了设计。图3中示出了根据本发明的一种实施方式的矩形的绝缘框体，在其背面的中心有 一个矩形的槽21，槽的尺寸与双极板或隔膜的外形尺寸相等，深度与双极板或微孔隔膜的 厚度相同，从而对双极板或微孔隔膜的摆放和安装起到定位的作用。图4为绝缘框体在槽 21部位的截面图。图5示出了根据本发明的一种实施方式的激光焊接装置。该激光焊接装置包括 工作台；固定于工作台上的真空吸附装置，该真空吸附装置能够利用真空手段对焊接的绝 缘框体和双极板/微孔隔膜进行定位和固定；位于真空吸附装置上方的激光焊接装置，该 激光焊接装置用于焊接绝缘框体和双极板/微孔隔膜。固定于工作台上的真空吸附装置包括上模具25和下模具26，二者相互配合以在 其间形成真空通道，且该真空通道通到上模具25的上表面；以及抽真空装置，其与该上模 具25和下模具26的真空通道连通并在其中形成真空。通过真空通道提供的真空负压对在 上模具25上表面上定位的待焊接绝缘框体和双极板/微孔隔膜进行固定，以备焊接。其中 所述抽真空装置可以为真空气泵等装置或者是任何合适的能够为真空通道提供真空的真 空源。下模具26固定于工作台之上，并具有下模具真空通道，该下模具真空通道还具有与 抽真空装置连通的开孔或连接通道。上模具25位于下模具26上，并具有与下模具真空通 道连通且通到上模具的上表面的上模具真空通道。优选的是，上模具真空通道的布置最大 程度地保证真空或负压在绝缘框体上的均勻性，以提供良好的固定。还优选的是，下模具26 还具有用于对待焊接的绝缘框体和双极板/微孔隔膜进行定位的定位部件。该定位部件可 以是定位凸台/凸起、定位边、定位槽、定位螺钉等，只要能够起到为待焊接的绝缘框体和双极板/微孔隔膜起到定位的作用即可。当然，本发明不限于此。该真空吸附装置可以包括形成为一体的上模具25与下模 具26，从而更好地保持二者之间的气密性。可选择的是，该真空吸附装置可以只包括单个模 具，在该单个模具中形成有通往上表面的真空通道，该真空通道与抽真空装置连通，从而能 够对位于上表面上的待焊接的绝缘框体和双极板/微孔隔膜进行固定，以备焊接。位于真空吸附装置上方的激光焊接装置包括激光发射器和聚焦装置。该激光发射 器可以是能够发射激光的本领域已知的任何适当的激光器。该聚焦装置为能够接收激光器 发出的激光束并将激光束聚焦的任何光学装置。该聚焦装置能够施加一定的压力在绝缘框 体的焊接区域的上表面上，同时将光能转化为热能而熔化位于上侧的绝缘框体和位于下侧 的相同材质的双极板/微孔隔膜。原理上讲，激光光束可以通过透明/半透明的物体而只 损失很少的能量。而在到达不能透光并且吸热能力强的物体上时，完成能量形式的转换，即 从光能转化成热能，该热能被后者所吸收。优选地，该聚焦装置为透明球型装置。聚焦装置可在伺服机构的控制下进行三维移动。此外，该聚焦装置可与控制器相 连，控制器控制激光的发射和聚焦装置按照预定的程序运动。在焊接开始前，需要确认已将双极板5定位在上模具25上，方可开始焊接步骤。优 选地，双极板5借助上模具25的定位部件快速定位。在图5所示的实例中，双极板5借助 上模具25的L型凸台32形成的角对齐。在开启激光发射器和激光焊接装置的伺服器之前，将热塑性的框体和双极板固定 在真空吸附装置的上模具25的上表面上。如图5所示，在一个实例中，下模具26固定在工 作台上，下模具26的中部具有一个与框体的形状一致的槽，例如矩形的槽27，槽内有矩阵 排列的矩形突起的小块33，小块33的高度与槽深相同，从而构成了一个供气体流动的空腔 27，即下模具真空通道。一个连通到真空气泵的侧孔31直接从下模具26侧面打穿至模具 内部空腔27，从而开动气泵即可使内部空腔27形成一个负压空间。当然，下模具的真空通 道的形成不限于上述情形。将内部空腔27隔离成通道的小块33也不限于矩形的，而是可 以将内部空腔27分隔成通道的各种形状。而且，除了像所示实例中的将内部空腔27分隔 成单个真空通道外，也可以是将其分隔成多个互不相通的、各自具有通到真空气泵或真空 源的开孔或连接通道的分开的多个真空通道，只要能够提供真空或负压即可。如图6和7 所示，上模具25与下模具26通过模具外围的若干螺栓孔30，完成螺栓紧固连接。当然，上 模具25与下模具26也可通过本领域已知的任何其他方式连接，例如粘接、焊接、卡扣连接 等。为了防止由于上下模具25和26之间的气体泄漏而造成的负压损失，在下模具26的上 层表面设置有密封圈槽34，硅胶或者其他类似材质的密封圈放置在其中，从而将空腔27的 负压传递到上模具25。或者，上模具25与下模具26可以是一体形成的，从而更好地保持二 者之间的气密性。如上所述，上模具25具有与下模具真空通道连通的上模具真空通道，且该上模具 真空通道通到该上模具25的上表面。如图7所示，在一个实例中，上模具25在中心部位有 若干按照特定方式排列的通孔28。下模具的负压通过这些通孔28均勻的分布。通孔的布 置方式是根据框体的形状和下模具26的下模具真空通道、例如矩形突起小块33的位置分 布共同确定的。通过计算，上模具真空通道、例如通孔28的布置最大程度地保证负压在框 体上的均勻性。当然，上模具真空通道不限于所示的通孔形式，其可以是能够将真空或负压提供给待焊接的框体的任何通道、孔、槽、沟的形式。由于上模具真空通道位置的适当布置，绝缘框体只要完成角定位，就可以受到均 勻的真空吸附力，从而被良好地固定。安装好真空吸附装置的上下模具25和26，并摆放好绝缘框体4和双极板5之后， 打开真空阀门，将要焊接的框体和双极板/多孔隔膜牢固地固定。随后可将聚焦装置以一 定的压力压在绝缘框体4的焊接区域的上表面上，并开启激光发射器。如图5所示，在一个 实例中，可以将诸如用于将激光光束聚焦的透明球型装置23以一定的压力压在绝缘框体4 的焊接区域的上表面24，这个压力大概是2-4kg*f。开启激光发射器后，透明的球型装置23 的聚焦功能使得激光束在经过半透明的框体之后，准确地聚焦在半透明的框体与不透明的 双极板的接触面22上，从而将光能转化为热能以同时熔化位于上侧的绝缘框体和位于下 侧的同材质的双极板/多孔隔膜。同时，这个球型装置23将会由伺服机构带动，按照编好的 程序，沿着焊接区域以一定的速率沿闭合的环形路径行进一圈，这个速率一般是3-4m/min。 为了保证框体4与双极板5能够完全的焊接成为一体和实现规定的密封特性和强度特性， 有时候还可以在焊接区域的外侧再加焊一圈或多圈。由于可焊接区域的宽度是8-12mm，激 光焊线的宽度是l_2mm，因此在一个框体的可焊接区域内焊接2-3圈是完全可能的。这样不 仅得到了足够的强度，也使密封的效果得到了很好的保障。另外，激光发射器的实际使用功 率一般在6-35w。在本发明中，激光束通过透明的聚焦装置23，穿过半透明的热塑性高密度聚乙烯 (HDPE)框体，聚焦在不透明并且吸热能力很强的灰黑色的材料表面22上，在此完成能量的 转换，即光能转换成热能。使用聚焦的激光束，热量集中，焦点宽度在l_2mm左右。半球型的 透明聚焦装置在提供聚焦功能之外，还对框体与双极板或多孔隔膜提供了一定的压力，从 而保证框体在焊接时与双极板或多孔隔膜紧密接触，这个压力一般在2-4kg*f左右。这个 球型装置在伺服机构控制下，沿着焊接区域以2-4m/min的速度，按照预先设定好的路径， 焊接框体与双极板，路径是围绕环形焊接区域一圈。这个半球型装置的成本低，使用过程中 损耗小，基本上没有维护费用，在焊接的过程中，发挥了很重要的作用。这个半球型的装置 在美国专利申请公开US2004154737A1中有详细的描述。图8是显示本发明的激光焊接装置的立体透视图，其中显示了激光聚焦装置23在 伺服机构35的控制下进行框体4和双极板5的激光焊接的状态，框体4和双极板5借助于 L型凸台32定位和固体在上模具25和下模具26构成的真空吸附装置上。本发明人在二维的焊接速度控制及焊接材料的改进方面也进行了创新性的工作， 主要表现在在焊接过程中，采用等线速度的方式来控制焊接速度，即保证激光头在焊接过程 中经过每一点的速度是相等的，不论是图形是直线还是圆弧，这样能够使每一点的焊接强 度和焊接质量都是一致的。同时，在市面上能够购买到的隔膜材料均为白色的，这种情况下隔膜和边框无法 进行焊接，开始的时候，我们采用在隔膜四边涂覆黑色涂层的方法，以保证隔膜能够吸收激 光能量进行焊接，但是这种工艺需要的控制精度比较高，否则会对其他区域产生影响，因此 我们在后期采用在隔膜生产中添加着色剂的方式，加入量仅为1%。_2%，即可保证不需要 再对隔膜进行涂覆就可以直接进行焊接。
在本发明中，激光发射器的功率是6-35w，上层的HDPE框体厚度是0. 5_4mm，半透 明的。下层双极板或隔膜为灰黑色材料，双极板或隔膜的厚度在0. 6-3mm。按照本发明，焊接成品率可达99%以上；生产效率可达320片/天(焊接区域为 470mm*470mm)；激光焊接成本约为16元/kw ；且焊接强度可以达到锌溴液流电池工作压 力(0. IMPa)三倍以上；而由于该焊接工艺为材料本体间的熔接，没有外加任何的焊料或填 料，因此可具有很高的耐腐蚀性。下面是本发明的具体实施例。实施例1 将需要焊接的双极板(聚乙烯炭黑石墨=4 2 4，平面尺寸为 470mmX470mm)放置于上模具25上，然后将被焊接的框体放置于上模具上，具有流道的一 面朝上，框体的槽21与双极板的四边重合，开启真空吸附装置，使双极板与被焊接框体的 位置固定；在控制软件中调用焊接程序，设置焊接参数，包括焊接路径为矩形，焊接长度为 470mm，焊接宽度为470mm，激光焊接功率为12W，速度为2. Sm/min。点击程序中的启动焊接 按钮开始焊接，焊接结束后，激光焊头回到原点位置，关闭真空吸附开关，取下完成焊接的
女口
广 PFt ο观察焊接完成的部件，极板和边框在整个焊接区域内焊缝颜色比较均勻，二者形 成可靠的熔接。对比实施例1 将需要焊接的双极板(聚乙烯炭黑石墨=4 2 4，平面尺寸为 470mmX470mm)放置于上模具25上，然后将被焊接的框体放置于上模具上，具有流道的一 面朝上，框体的槽21与双极板的四边重合，开启真空吸附装置，使双极板与被焊接框体的 位置固定；在控制软件中调用焊接程序，设置焊接参数，包括焊接路径为矩形，焊接长度为 470mm，焊接宽度为470mm，激光焊接功率为45W，速度为2. Sm/min。点击程序中的启动焊接 按钮开始焊接，焊接结束后，激光焊头回到原点位置，关闭真空吸附开关，取下完成焊接的
女口
广 PFt ο观察焊接完成的部件，发现部件存在过焊现象，主要表现为焊接界面存在气泡，这 是由于焊接温度过高所致。对比实施例2:将需要焊接的双极板(聚乙烯炭黑石墨=4 2 4，平面尺寸为 470mmX470mm)放置于上模具25上，然后将被焊接的框体放置于上模具上，具有流道的一 面朝上，框体的槽21与双极板的四边重合，开启真空吸附装置，使双极板与被焊接框体的 位置固定；在控制软件中调用焊接程序，设置焊接参数，包括焊接路径为矩形，焊接长度为 470mm，焊接宽度为470mm，激光焊接功率为12W，速度为6m/min。点击程序中的启动焊接按 钮开始焊接，焊接结束后，激光焊头回到原点位置，关闭真空吸附开关，取下完成焊接的产
品O观察焊接完成的部件，发现部件存在欠焊现象，主要表现为极板与边框材料未完 全熔接，焊接区域内的焊缝颜色深浅不一，颜色较浅的位置为欠焊区。
权利要求
1.一种利用激光焊接双极型结构电池的绝缘框体和双极板/微孔隔膜的方法，其中绝 缘框体与双极板/微孔隔膜组装在一起形成环形接触区，绝缘框体由对激光透明的热塑性 塑料制成，而双极板/微孔隔膜是对激光不透明的热塑性塑料制成，所述绝缘框体的厚度 在0. 5-4mm之间；所述双极板或微孔隔膜的厚度在0. 6_3mm之间，该方法包括来自激光光 源的激光透过绝缘框体聚焦在双极板或微孔隔膜的板面上以熔化照射部位的上下两块塑 料板，并在压力作用下将两块板熔接在一起，其中所述激光光源的发射功率在6-35W之间， 所述激光相对于待焊接的绝缘框体与双极板/微孔隔膜组装件以2-4米/分钟的速度移 动。
2.如权利要求1的方法，其中所述压力为2-4kg*f。
3.如权利要求1的方法，其中所述激光光源是透明聚光装置，其在提供激光的同时施 加所述压力。
4.如权利要求3的方法，其中所述透明聚光装置在伺服机构的控制下按照预定的路线 移动以进行焊接。
5.如权利要求1的方法，其中所述透明聚光装置在移动过程中，每一点的发射功率和 线速度保持恒定。
6.如权利要求1的方法，其中所述激光光源的发射功率在10-20W之间。
7.如权利要求6的方法，其中所述激光光源的发射功率为12W。
8.如权利要求1的方法，其中激光的相对移动速度为2.8米/分钟。
9.如权利要求1的方法，其中所述微孔隔膜材料中包含1%。-2%的着色剂。
10.如权利要求1的方法，其进一步包括利用真空吸附装置使绝缘框体和双极板/微 孔隔膜定位和固定，其中所述真空吸附装置包括上模具和下模具，通过上模具对焊接部件 进行定位，而由下模具提供真空通道以使焊接部件能够通过真空负压固定在真空吸附装置 上。
11.如权利要求10的方法，其中所述上模具和下模具一体成型。
12.一种利用激光焊接双极型结构电池的绝缘框体和双极板/微孔隔膜的装置，包括工作台，其具有用于定位和固定绝缘框体和双极板/微孔隔膜的真空吸附装置，该真空吸附装置包括上模具和下模具，通过上模具对焊接部件进行定位，而由下模具提供真空 通道以使焊接部件能够通过真空负压固定在真空吸附装置上；用于将来自激光器的激光束聚焦于绝缘框体与双极板/微孔隔膜的接触面上的透明 聚光装置，该透明聚光装置在伺服机构的驱动下沿预定的路径移动，并提供焊接所需压力； 禾口控制器，其控制真空吸附装置、透明聚焦装置和伺服机构。
全文摘要
本发明涉及一种利用激光焊接双极型结构电池的绝缘框体和双极板/微孔隔膜的方法，其中来自激光光源的激光透过半透明的框体聚焦在不透明的双极板或微孔隔膜的板面上以熔化照射部位的上下两块塑料板，从而在压力的作用下将两块板熔接在一起。本发明的方法提高了焊接的效率，大幅度地降低了废品率。并且，本发明的方法具有节省劳动力，节省成本的优势。本发明还涉及利用激光焊接双极型结构电池的绝缘框体和双极板/微孔隔膜的装置。
文档编号H01M10/38GK102136609SQ20101000267
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者吴正宇, 孟琳, 陈海龙 申请人:长春汇能科技有限公司