用于切割隔离箔的方法、隔离箔和电池单元与流程

文档序号:19792739发布日期:2020-01-24 14:39阅读:213来源:国知局
用于切割隔离箔的方法、隔离箔和电池单元与流程

本发明涉及一种用于通过激光束切割用于电池单元的电极组件的隔离箔的方法,该隔离箔包含聚合物层和陶瓷层。本发明还涉及一种使用根据本发明的方法切割的隔离箔以及包含至少一个这样的隔离箔的电池单元。



背景技术:

电能可以通过电池来储存。电池将化学能转化为电能。特别地,已知可多次充电和放电的可再充电电池。电池或电池模块包括串联或并联地电连接的多个电池单元。

特别地,锂离子电池单元用在可再充电电池或电池系统中。锂离子电池单元具有相对较高的能量密度。锂离子电池单元例如用于机动车辆、特别是电动车辆(ev)、混合动力电动车辆(hev)和插电式混合动力车辆(phev)。锂离子电池单元可包括一个或多个电极组件。

电极组件具有被称为阴极的正电极和被称为阳极的负电极。阳极和阴极通过隔离物彼此分开。电池单元的电极可以形成为带状,并且通过插入隔离物而缠绕以形成电极卷,也称为胶质卷(jelly-roll)。替代地,电极可以形成为片状并且通过插入隔离物的片而层叠以形成电极层叠物。

隔离物是已知的,其包含涂覆有陶瓷层的聚合物层。将形状像带的隔离箔切割成片。尤其已知的是,特别是在热驱动过程以及光化学或光热过程中通过激光束来切割这种隔离箔。

文献de102009022678a1公开了一种具有隔离物的电极组件。隔离物形成为包含陶瓷材料和聚合物材料的复合材料。特别地,隔离物包括由涂覆有无机材料的有机材料形成的基层。

文献us2010/0025387a1公开了用于透明材料的超短脉冲激光加工的装置和方法。其中,由超短脉冲激光器发射的激光束用于划线、标记、焊接和连接应用。通常具有高斯能量密度分布的发射的激光束被变换成具有空间均匀能量密度分布的激光束。这种分布也被称为“平顶”或“顶帽(top-hat)”强度分布。

文献us2008/0011852a1公开了用于加工目标表面材料的基于激光的方法和系统。该系统包括初级激光子系统,该初级激光子系统包括用于产生脉冲激光输出的初级激光源。所发射的激光束的成形光斑可以具有顶帽辐照分布。从激光源发射的激光束可以是线偏振的。每当使用线偏振时,载物台的行进方向都与偏振方向垂直地校准。



技术实现要素:

提出了一种用于切割用于电池单元、特别是用于锂离子电池单元的电极组件的隔离箔的方法。隔离箔包含聚合物层和陶瓷层。通过激光束切割隔离箔,其中激光束由超短脉冲激光器发射。激光束包括超短光脉冲。其中,激光束在传播方向上传播并在垂直方向上线偏振。激光束被引导到隔离箔上并在切割方向上沿着隔离箔移动。

激光束包含彼此正交定向的电场和磁场。在此,激光束的电场在由传播方向和垂直方向限定的平面内振荡。激光束的磁场在由传播方向和水平方向限定的平面内振荡。其中,传播方向、垂直方向和水平方向彼此正交定向。

超短脉冲激光器是一种发射超短光脉冲的激光源,其脉冲持续时间在飞秒(fs)或皮秒(ps)的范围内。优选地,激光束的超短光脉冲的脉冲持续时间在80飞秒至100皮秒之间的范围内、特别是大约10皮秒。

超短脉冲激光器以可调节的频率周期性地发射超短光脉冲。优选地,激光束的超短光脉冲是由超短脉冲激光器以在0.1mhz和2mhz之间的范围内、特别是1mhz的频率发射的。

根据超短光脉冲的波长,激光束在紫外光区、可见光区或红外光区中。波长以纳米(nm)指定。优选地,激光束的超短光脉冲的波长在343纳米和1300纳米之间的范围内,优选为1030纳米。发射这种激光束的超短脉冲激光器在工业应用中变得越来越重要。

根据本发明的有利实施方式,激光束被定向成使得传播方向、垂直方向和切割方向在同一平面内校准。因此,激光束切割隔离箔的有效强度高于圆偏振激光束的有效强度。因此,提高了激光束的切割效率并且提高了切割速度。

根据本发明的优选实施方式,激光束被定向成使得激光束的传播方向与切割方向正交地校准。

根据本发明的优选实施方式,激光束也被定向成使得激光束的垂直方向与切割方向平行地校准。

优选地,将激光束引导到隔离箔的聚合物层上以切割隔离箔。

根据本发明的有利的改进方案,在超短脉冲激光器和隔离箔之间设置有衍射光学元件,使得激光束穿过衍射光学元件。由超短脉冲激光器发射的激光束具有高斯强度分布。通过衍射光学元件,可以对激光束的强度分布进行变换。

根据本发明的优选实施方式,衍射光学元件被设计成使得激光束的高斯强度分布被变换成至少几乎均匀的强度分布。特别地,激光束的强度分布被变换成“顶帽”强度分布。该均匀的强度分布允许几乎与隔离箔的聚合物层一样地切割隔离箔的陶瓷层。

如果激光束具有高斯强度分布,则陶瓷层的各部分保留在通过切割隔离箔而产生的间隙中。产生这种效果是因为陶瓷层的烧蚀阈值高于聚合物层的烧蚀阈值。因此,激光束边缘区域的强度高到足以切割聚合物层,但不足以切割陶瓷层。激光束中心区域的强度高到足以切割陶瓷层。

如果激光束具有均匀的强度分布,则仅存在激光束的强度高到足以切割聚合物层,但不足以切割陶瓷层的非常小的边缘区域。因此,保留在间隙中的陶瓷层的量显著减少,因而对隔离箔切割成的间隙至少几乎相等。

优选地,衍射光学元件包括聚焦透镜和衍射图案。其中,例如聚焦透镜在一侧被成形为凸面,而在另一侧被成形为平面。但聚焦透镜的不同形状也是可行的,特别是双凸面。衍射图案优选集成在聚焦透镜中。此外,具有微图案的衍射光学元件可以与聚焦透镜是分离的并设置在聚焦透镜之前。

根据本发明的有利实施方式,衍射光学元件被设计和设置成使得激光束在隔离箔的表面上的第一直径在激光束的衍射限制光斑尺寸的3倍至5倍的范围内。衍射限制光斑尺寸是限定可以获得的激光束的最小光斑尺寸的物理参数。衍射限制光斑尺寸尤其取决于激光束的波长、进入衍射光学元件之前的激光束的第二直径以及衍射光学元件与隔离箔之间的工作距离。

此外,提出了使用根据本发明的方法生产的隔离箔。

此外,提出了一种电池单元、特别是锂离子电池单元,其包括至少一个电极组件,该电极组件包含至少一个使用根据本发明的方法生产的隔离箔。

根据本发明的电池单元尤其可有利地用在电动车辆(ev)、混合动力电动车辆(hev)、插电式混合动力车辆(phev)、固定电池或消费产品中。消费产品尤其是手机、平板电脑、笔记本电脑或掌上电脑。但是其他应用也是可行的。

本发明的优点

根据本发明的方法允许通过激光束以相对较高的速度切割包含聚合物层和陶瓷层的隔离箔。与具有连续波的激光束相比,包括超短光脉冲的激光束导致到隔离箔的声子系统的热传递更少。其中,由于在切割过程中仅少量的热量从激光束引入到隔离箔中,因此减少了隔离箔的热引起的收缩。因此,提高了切割效率。切割间隙较小。此外,通过切割隔离箔获得相对尖锐的切割边缘,因此,也减小了被切割成片的隔离箔的公差。因此,简化并改善了切割的隔离箔在电极组件中、特别是电极层叠物中的集成。因此,包括具有这样的电极箔的电极组件的电池单元或其他储能装置相对于它们的体积具有更高的能量密度。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述实施方式及其附加的实施方式,将参照以下结合示出下述视图的附图对实施方式的描述:

图1示出了电池单元的示意图,

图2示出了线偏振激光束的示意图,

图3示出了激光束切割隔离箔的示意性立体图,

图4示出了激光束穿过衍射光学元件的示意图,

图4a示出了高斯强度分布,

图4b示出了顶帽强度分布,

图5a示出了用具有高斯强度分布的激光束切割的隔离箔,以及

图5b示出了由具有顶帽强度分布的激光束切割的隔离箔。

在下文中,将参照附图描述本发明的优选实施方式。附图仅提供本发明的示意图。除非另有说明,否则相同的附图标记在所有附图中表示对应的部件、元件或组件。

具体实施方式

图1示出了电池单元2的示意图。电池单元2包含壳体3,该壳体例如是袋式的并且具有棱柱形的形状。电池单元2还包含设置在壳体3内的电极组件10。例如,壳体3是由软材料制成的包或袋,或者可以是由围绕电极组件10的硬质材料制成的罐。

此外,电池单元2包括负极端子15和正极端子16。端子15、16用于对电池单元2进行充电和放电。端子15、16从壳体3突出。

电极组件10包含阳极11、阴极12和设置在阳极11与阴极12之间的隔离物18。当前,电极组件10被成形为电极层叠物。这意味着电极组件10的阳极11和阴极12包括交替地层叠以形成堆或层叠物的若干扁平的片。隔离物18也包括层叠在阳极11的片和阴极12的片之间的若干扁平的片。所述片是从形状像带的隔离箔41上切下的隔离箔41。

阳极11包含阳极复合材料21和阳极集电体23。阳极复合材料21和阳极集电体23彼此附接。阳极集电体23是导电的并且由金属、特别是铜制成。阳极集电体23电连接至电池单元2的负极端子15。阳极复合材料21目前包含石墨作为活性材料。

阴极12包含阴极复合材料22和阴极集电体24。阴极复合材料22和阴极集电体24彼此附接。阴极集电体24是导电的并且由金属、特别是铝制成。阴极集电体24电连接至电池单元2的正极端子16。阴极复合材料22目前包含锂化金属氧化物(lithiatedmetaloxide)作为活性材料。

图2示出了线偏振激光束80的示意图。激光束80由超短脉冲激光器82发射,因此包括超短光脉冲。激光束80在传播方向z上传播。垂直方向x与传播方向z正交地定向。水平方向y垂直于传播方向z和垂直方向x定向。因此,传播方向z、垂直方向x和水平方向y彼此正交地定向。

线偏振激光束80包含在由传播方向z和垂直方向x限定的平面内振荡的电场e。线偏振激光束80还包含在由传播方向z和水平方向y限定的平面内振荡的磁场b。因此,激光束80的电场e和磁场b彼此正交地定向。

图3示出了激光束80切割隔离箔41的示意性立体图。隔离箔41包含聚合物层45和涂覆在聚合物层45上的陶瓷层46。隔离箔41的厚度为约12微米(μm)至30微米,由此陶瓷层46的厚度为约1μm至5μm。由此,激光束80被引导到隔离箔41上并在切割方向s上沿着隔离箔41移动。

激光束80被引导到隔离箔41的聚合物层45上。其中,激光束80切割聚合物层45和陶瓷层46。激光束80传播的传播方向z与隔离箔41的表面垂直地定向。因此,激光束80被定向成使得传播方向z与切割方向s正交地校准。

此外,激光束80还被定向成使得垂直方向x与切割方向s平行地校准。特别地,激光束80被定向成使得传播方向z、垂直方向x和切割方向s在同一平面内校准。水平方向y与所述平面正交地定向。

图4示出了激光束80穿过衍射光学元件84的示意图。衍射光学元件84设置在超短脉冲激光器82和隔离箔41之间。衍射光学元件84包括聚焦透镜86和衍射图案88。其中,聚焦透镜86在一侧被成形为凸面,而在另一侧上被成形为平面。衍射图案88被集成到聚焦透镜86中,但是也可以作为单独的光学元件设置,该单独的光学元件具有限定的微结构并设置在单独设置的聚焦透镜之前。衍射光学元件84被设置成使得激光束80进入凸面侧并从平面侧离开。衍射光学元件84与隔离箔41之间的距离被称为工作距离wd。

激光束80的传播方向z正交于衍射光学元件84的平面侧而定向。在衍射光学元件84中,激光束80被衍射。其中,激光束80的直径在缩小。因此,激光束80在隔离箔41的表面上的第一直径d1小于进入衍射光学元件84之前或进入聚焦透镜86之前的激光束80的第二直径d2。

目前,激光束80在隔离箔41的表面上的第一直径d1约为激光束80本身的衍射限制光斑尺寸d0的3倍至5倍。目前,衍射限制光斑尺寸d0在10微米至50微米的范围内。特别地,激光束80在隔离箔41的表面上的第一直径d1为约30-250微米。

衍射限制光斑尺寸d0是限定可以获得的激光束80的最小光斑尺寸的物理参数。衍射限制光斑尺寸d0取决于激光束80的波长λ、激光束80的第二直径d2、工作距离wd和大于1的恒定因子m2。衍射限制光斑尺寸d0可以通过以下公式计算:

d0=(4*wd*λ*m2)/(π*d2)

衍射光学元件84用于变换激光束80的强度j分布。当由超短脉冲激光器82发射时,激光束80具有高斯强度j分布。激光束80的高斯强度j分布取决于距激光束80的中心的径向距离r。在图4a中给出了激光束80的典型的高斯强度j分布。

图4a进一步示出了陶瓷烧蚀阈值atc。当激光束80的强度j大于陶瓷烧蚀阈值atc时,隔离箔41的陶瓷层46被切割。因此,在陶瓷层46中切出具有陶瓷间隙直径dc的间隙。图4a还示出了聚合物烧蚀阈值atp。当激光束80的强度j大于聚合物烧蚀阈值atp时,隔离箔41的聚合物层45被切割。因此,通过激光束80在聚合物层45中切出具有聚合物间隙直径dp的间隙。

在衍射光学元件84内,激光束80的高斯强度j分布被变换成顶帽强度j分布。在图4b中给出了取决于距激光束80的中心的径向距离r的激光束80的强度j的典型的顶帽分布。顶帽强度j分布是至少几乎均匀的强度j分布。特别地,当切割隔离箔41时,激光束80具有几乎均匀的强度j分布。

图4b还示出了陶瓷烧蚀阈值atc、陶瓷间隙直径dc、聚合物烧蚀阈值atp和聚合物间隙直径dp。烧蚀阈值atc和atp取决于材料并且因此是恒定的。但是,聚合物间隙直径dp和陶瓷间隙直径dc之间的差在图4b中明显较小,表明几乎均匀的强度j分布。

图5a示出了由具有根据图4a的高斯强度j分布并具有大约10微米至50微米的第一直径d1的激光束80切割的隔离箔41。所得到的聚合物间隙直径dp可以为大约50至60微米,这大约对应于激光束80的衍射限制光斑尺寸d0。其中,通常忽略由于由高达2mhz的高激光频率引起的蓄热作用而导致的可能更宽的聚合物间隙直径dp和陶瓷间隙直径dc。

由于陶瓷烧蚀阈值atc和聚合物烧蚀阈值atp之间的差异,陶瓷间隙直径dc明显较小。因此,聚合物间隙直径dp和陶瓷间隙直径dc之间的差异非常大。

图5b示出了由具有根据图4b的顶帽强度j分布并具有大约10微米至50微米的第一直径d1的激光束80切割的隔离箔41。所得到的聚合物间隙直径dp约为30微米至250微米,这大约为激光束80的衍射限制光斑尺寸d0的3至5倍。其中,通常忽略由于高达2mhz的高激光频率引起的蓄热效应而导致的可能更宽的聚合物间隙直径dp和陶瓷间隙直径dc。然而,陶瓷间隙直径dc仅仅略微较小。因此,聚合物间隙直径dp和陶瓷间隙直径dc之间的差异非常小。

出于说明的目的,已经参照具体实施方式描述了前述描述。然而,以上说明性的讨论并非旨在是详尽的或将本发明限制于所公开的确切形式。鉴于上述教导和所附权利要求所涵盖的教导,可以进行许多修改和变化。选择和描述实施方式是为了说明本发明的原理及其实际应用,从而使得本领域的其他技术人员能够利用本发明以及具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施方式。

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