专利名称：蓄电池用导电连接体及蓄电池的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种蓄电池用导电连接体以及由该导电连接体将各单体电池连接而成的蓄电池，主要应用于电动汽车用蓄电池领域。
背景技术：
从环保和节能的角度看，发展清洁无污染的电动汽车已经成为各国汽车工业的一个突破口。电动汽车具有传统燃油汽车无可比拟的优点，比如电动汽车噪声低、污染物排放可以减少97％、能源多样化、能效高，电动汽车能量利用率为17.8％，燃油汽车的能量利用率仅为10.3％，即可节省大约40％的石油。所以电动汽车将成为21世纪最有潜力的交通工具。
根据行业预测，油电混动车(Hybrid Electric Vehicle，简称HEV)在美国和欧洲汽车市场的销量可在10年内达到600万辆。混动车销量目前约占世界汽车总产量的0.5％。现在，大部分混动车采用镍氢电池，锂离子电池具有巨大潜力，可广泛应用于未来的混动车。因其在体积、重量、寿命上的优势，锂离子电池可望成为未来的主流。
电动汽车应用上正在发展的电源主要有钠硫电池、镍氢电池、锂离子电池、金属(锌或铝)空气电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。目前，已经在电动汽车上应用的新型电池主要分为两大类镍氢电池和锂离子电池。锂电池离子以其高电压、高能量密度、无记忆效应而具明显优势，将成为市场主流。已经商品化的用于电动汽车或混合动力汽车的电池就是镍氢电池或锂离子电池。
镍氢电池是一种优秀的动力型电池，具有功率高、价格相对较低、环保的优势，是取代铅酸电池和镍镉电池的首选品种。
锂离子电池具有体积小，重量比能量和重量比功率高、电压高、环保性好等优点。锂离子电池的能量密度(体积比能量和重量比能量)几乎是镍镉电池的1.5-3倍，在同样大小能量的情况下，锂电池的体积和质量可减小1/2左右。单元电池的平均电压为3.6V，相当于3个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值。能减少电池组合体的数量，从而因单体电池电压差所造成的电池故障的概率减少许多，大大提高了电池组的可靠性。
相对于镍镉电池和镍氢电池，锂离子电池充电时不用先进行放电，给使用带来了极大的方便性，同时也节省了电能。锂离子电池还具备自放电低的优点，自放电率仅为5％-10％，在非使用状态下贮存，内部几乎不发生化学反应，相当稳定。
镍氢电池和锂离子电池均不含镉、汞和铅等重金属，是环保电池。
电动汽车普遍采用数百伏特电压的电池组，这种电池组是由导电连接体将单体电池以串并联的方式组合起来形成。现有连接技术采用螺栓紧固、锡焊、电阻焊、超声波焊、激光焊等方式将导电排或导电片与单体电池连接以得到所需要的高电压和高容量。
常用的金属连接工艺比较如下螺栓紧固系以螺栓将电池极柱和导电排紧固在一起。
锡焊将比母材(即被焊接的金属材料)熔点低的金属焊接材料熔化使其与母材结合在一起的焊接称为钎焊，金属焊接材料熔点在450℃以下的焊接称为软钎焊，锡焊属于软钎焊的范畴。锡焊技术是一种传统的连接技术，与其它连接技术一样，基本功能就是要保证器件的高可靠性。但是，锡焊点又与其它焊点有很大不同。锡焊区的焊锡可吸收被焊基板与器件因热膨胀系数差而引起的热变形，因而可以保持可靠性。处在共晶点附近的焊料的抗拉强度及剪切强度为最高，对于锡铅焊料，锡含量为61.9％时(共晶点)，熔点183℃。锡焊的效果可以用目视检查，可以对单个焊点缺陷乃至线路异常及元器件劣化等同时进行检查，是采用最广泛的一种非破坏性检查方法。但对空隙等焊接内部缺陷无法发现。目视检测法可用万能投影仪或10倍的放大镜进行检查。
电阻焊焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻焊。电阻焊具有生产效率高、低成本、节省材料、易于自动化等特点，因此广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等各工业部门，是重要的焊接工艺之一。
超声波焊通过高频机械振动压力下材料表面的摩擦产生表面分子涡动和渗透，能对不同熔点的材料如铝铜铁等形成永久性焊缝，效率高，质量好，成本低。
激光焊激光焊接的原理是把能量很高的激光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊缝。适用于相同或不同材质，厚度的金属件的焊接，有广泛的适用性，在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。
上述方法在电池工业中均有应用。在制造动力电池组时上述方法各有其优点及局限性。
螺栓紧固法优点是操作简单，但连接效果受紧固力的影响，使用一段时间后，螺母螺柱间会产生锈蚀，使导电性能下降。而且极柱与螺栓占有不小的体积，降低了电池组的能量密度。目前仅适用于矩形(方型)蓄电池组的连接。
锡焊法焊接可靠性高，易于操作，但由于加热时间长，热量会传递到电池上，引起安全问题。制造电池组时很少直接采用这种方法。
超声波焊容易焊接高热导率及高电导率的材料。金、银、铜、铝等材料在电阻焊中是比较难焊的，但是在使用超声波焊接时，这些金属成为最容易焊接的几种材料。金属超声波焊的一个主要缺点是焊接需用功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，因而只限用于丝、箔、片等薄件。目前应用于电极和小功率电池组的制造。
激光焊具有速度快、变形小、可焊接难溶材料、可进行微型焊接、易于自动化生产等优点；但要求焊件精度高且要求光束在工件上的位置不能有偏移，激光器及其相关系统的成本高，一次性投资大。目前应用于铝或钢壳锂离子单体电池的制造。
动力型蓄电池工作时，由于电流很大，要求导电连接体具有足够的电流承载能力，以免烧焦或导致导电连接体发热，损伤电池。在电工实践中，铜铝的截面积和电流承载能力的关系如下铜6A/mm2；铝4A/mm2，电动汽车启动电流往往达到200-300A，以安全设计为500A计算，铜质导电排的截面积应不小于83mm2，铝质导电排的截面积应不小于125mm2。以宽度20mm的导电排计，最小厚度分别为4.15mm和6.25mm，如果宽度减小的话，厚度会更大。而通常小功率电池组用的镍质导电连接片的厚度仅为0.1-0.5mm。导电连接体的厚度增加，给导电连接片与单体电池的连接方法带来挑战。
螺栓紧固法仅适用于方型单体电池，而不适用于圆柱型单体电池；锡焊法要加热4.15mm厚的铜和6.25mm厚的铝至焊锡熔点(锡铅焊料，锡含量为61.9％时(共晶点)，熔点183℃)或锡的熔点(231.93℃)所需时间长，将有过量的热量传递到单体电池顶盖或底部，对于动力型蓄电池单体，可能导致安全问题；电阻焊法通常对于铜、铝等良导电材料是比较难焊的，很难直接使用；超声波焊目前只限用于丝、箔、片等薄件，对于超过2mm的厚工件，目前在电池工业实践中尚未应用；激光焊法目前应用于金属外壳蓄电池(如锂离子电池)的生产中，但壳体厚度通常小于0.5mm，加工厚工件将要求大大增加激光的强度，所需设备投资巨大，导致加工成本太高。
因此蓄电池尤其是动力型蓄电池，当采用比较厚的导电连接体时，如何实现单体电池与导电连接体有效、简便的连接，是关系到电池组可靠性的大问题，也是一个尚未很好解决的问题。同时降低制造成本也是一直需要改进的课题。
发明内容
本发明的目的是为解决上述现有技术尚不能很好解决的电池单体电池与导电连接体有效、简便的连接，进而实现可靠性和低成本的统一问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种蓄电池用的新型导电连接体，以及通过该导电连接体将各单体电池连接组成的蓄电池。
所述的导电连接体表面预先覆有一定厚度的锡或锡合金，导电连接体表面覆锡或锡合金的方法可以是电镀、热浸镀、溅射、气相沉积等物理或化学方法。用锡焊工艺和电阻焊工艺相结合的“电阻锡焊”技术，借助锡和锡合金镀层优良的可焊性，实现单体电池与导电连接体有效、简便的连接，降低了蓄电池制造成本。
对于导电连接体材质的选择，除了通常对导电连接体的高导电性要求外，同时要兼顾经济性。常用的导电材料银、铝、铜、镍、铁等和锡、铅的物理参数列于下表
银、铝、铜、镍、铁等金属或它们的合金都具有好的导电性，考虑到经济性，优选铝、铜、镍、铁或其合金。
铝有良好的导电性能，铝的导电能力虽然不如铜，但它的密度只有铜的1/3。如果按相同重量的材料来算，铝的导电能力实际上是铜的两倍多。再加上铝的价格远比铜便宜，因此在电力工业中，导线中用铝和铝合金的比例显著增加，高压输电网上都用铝和铝合金做导线。铝的导热性能也好，工业上都用铝做热交换器和散热器。使用铝质导电连接体，将大大降低电池组的制造成本，但目前在电池组中很少应用，主要原因在于铝是活泼金属，和氧的结合能非常大，铝的新鲜表面在空气中会立即形成一层致密、不导电的、无法焊接的氧化铝膜。本发明的技术方案，通过覆上金属锡或锡合金使得易于氧化的铝表面有了保护层，拓展了铝在电池工业中的使用范围。
所述“电阻锡焊”技术，系指将预镀锡或锡铅的铝导电连接体和单体电池正极或负极端紧密接触，用电阻焊的方法通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热熔化铝表面的锡或锡合金，使铝导电连接体和单体电池焊接在一起。由于锡或锡合金的导电性明显小于铝，熔点又远小于铝，通电时的电阻热I2R使锡或锡合金熔化而不会损伤到铝。这个方法的优点是既消除了锡焊法的高热对单体电池的影响，又解决了通常电阻焊法难于焊接铝的问题。同时通过目测焊点处熔化的锡或锡合金的状态，可以方便的确认焊接效果。
当然，由于锡或锡合金的导电性明显小于铝，因此铝表面所覆的锡或锡合金厚度有一定限度，否则会影响到连接体的导电性。为了达到足够的焊接强度，锡或锡合金层的厚度也不能太小，因此锡或锡合金层的厚度有一个最佳范围。本发明采用的范围锡或锡合金层的厚度为导电材料本体厚度的1％至50％。
本发明中导电连接体的形状可以是任意形状，如片状、网格状、筐状、线状、不规则体或上述各种形状的结合，优选片状。导电连接体上可设有半圆形冲孔，与单体电池的正负极相匹配。电池单体通过导电连接体以锡焊方式连接，而导电连接体本身可以是单独的或连续的金属片。
本发明的制造方法也适用于铜或其他导电连接材料。铜的导电性优越于几乎每一种金属，仅次于银，大量用于电气工业。铜是焊接元件的很好的表面，但容易氧化；任何暴露的铜都将很快形成不可焊接的氧化铜。覆上金属锡或锡合金使得易于氧化的铜表面有了保护层，增大了铜的使用范围。镍和铁虽然是电阻焊常用的材料，但做电池组的连接材料时，由于厚度的问题，想直接电阻焊而又不损伤电池，有困难。覆上金属锡或锡合金，采用本发明的“电阻锡焊”工艺，很好地解决了上述问题。
本发明中的导电连接体还可以由铝、铜、铁、镍或其合金的任意材质组合制成。并且该导电连接体在与各单体电池的正负极相连接处，还可设有与本体材质不同的铝、铜、铁、镍钉，由于铜在焊接工艺中的优良特性，可优选铜钉。
本发明的有益效果在于1.本发明所涉及的预覆锡或锡合金的铝质导电连接体，使得铝在蓄电池的导电连接体中的应用成为可能，与传统的铜等导电材料比较，既降低了材料成本，又减轻了材料重量，有利于提高电池组的重量比能量。
2.本发明所涉及的蓄电池，利用预先覆锡或锡合金的铝等材质的导电连接体，采用“电阻锡焊”工艺将各单体电池组装在一起，实施容易、简便，制造成本低。
3.本发明所涉及的蓄电池，其焊接效果可以通过目测检查，节省了检测成本。
图1是本发明中的片状导电连接体。
图2是本发明中的导电连接体上半圆形冲孔示意图。
图3是由20颗圆柱锂离子电池单体构成的3.6V/44Ah蓄电池组装示意图。
图4是由60颗圆柱锂离子电池单体构成的10.8V/60Ah蓄电池组装示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例一为以20颗容量2200mAh，直径约为18mm，高度约为65mm的锂离子电池为单体，按附图1所示的片状导电连接体以附图3的方式组合成3.6V/44Ah锂离子电池组，本例中导电连接体为表面覆锡的铝或铝合金板。
通过在铝板上冲出半圆形的孔，直接形成半圆状的极耳(如附图2所示)，每个电池在设计好的位置上与铝板上的半圆状的极耳用电阻锡焊的方式焊接在一起，附图3中每个单体电池通过连接片与其它19颗单体直接相连。焊接条件是焊机功率6千瓦，电流20-30安培，电压50-200伏特，时间0.5-4秒，为减少热量对电池单体的影响，尽量采用短的时间。
焊接效果由铝板上的锡层厚度决定，下表为在不同厚度铝板上覆不同厚度的锡层时焊接效果。
从上表中可看出，当铝板厚度0.4mm时，只要2.5％的锡层即可达到需要的焊接效果。一般来讲锡层厚的话，连接效果好，但由于锡的导电性比铝的差，因此也要控制锡层厚度。
实施例二为以20颗容量2200mAh，直径约为18mm，高度约为65mm的锂离子电池为单体按附图1所示的导电连接体以附图3的方式组合成3.6V/44Ah锂离子电池组，本例中连接片为表面覆锡/铅合金的铝板。结果表明覆锡/铅合金的铝板与覆锡的铝板有相同的效果。
实施例三为与实施例2同样的电池组，但本例中导电连接片为表面覆锡/铅合金的铜板。结果表明铜板与铝板有相同的效果。
实施例四为与实施例2同样的电池组。在本实施例中，导电连接体为铝或铝合金板，在该导电连接体与各单体电池连接处上设有一铜或铜合金的小钉，导电连接体表面覆锡。
实施例五为以20颗容量3.0Ah，直径约为26mm，高度约为70mm的锂离子电池为单体，按附图1所示的导电连接体组合成3.6V/60Ah锂离子电池组，再以三个上述电池组组合按附图4的方式串联组合成10.8V/60Ah锂离子电池组，本例中连接片为表面覆锡的铝板，而导电连接片之间可通过锡焊、焊接或铆接的方式连接在一起。
上述实施例一至五，采用的是锂离子电池单体，但本发明的蓄电池制造方法并不仅限于锂离子电池，镍氢电池或其他蓄电池采用本方法同样可以得到本发明的效果。从实际应用角度看，小型圆柱电池单体(如直径小于40mm)采用本发明的效果会更好。
权利要求
1.一种用于蓄电池的导电连接体，其特征在于，该导电连接体是表面覆有锡或锡合金的高导电材料。
2.如权利要求1所述的导电连接体，其特征在于，导电连接体本体材质为铝、铜、镍、铁或其合金。
3.如权利要求2所述的导电连接体，其特征在于，导电连接体本体材质为铜、镍、铁或其合金的任意组合。
4.如权利要求1或2或3所述的导电连接体，其特征在于，导电连接体表面所覆锡或锡合金的厚度为本体厚度的1％-50％。
5.如权利要求1或2或3所述的导电连接体，其特征在于，导电连接体的形状为片状、网格状、筐状、线状、不规则体或上述形状的结合。
6.一种蓄电池，其特征在于，蓄电池各单体电池之间的连接是由表面覆有锡或锡合金的高导电材料制成的导电连接体，通过电阻锡焊的方式连接而成。
7.如权利要求6所述的蓄电池，其特征在于，所述蓄电池的导电连接体可以是单独或连续的金属片。
8.如权利要求6所述的蓄电池，其特征在于，各单体电池与导电连接体的焊接条件为焊机功率6千瓦，电流20-30安培，电压50-200伏特，时间0.5-4秒。
9.如权利要求6或7所述的蓄电池，其特征在于，所述导电连接体上有半圆状冲孔与各单体电池之正负极相匹配。
10.如权利要求6或7所述的蓄电池，其特征在于，所述导电连接体上与各单体电池正负极连接处，设有与本体不同材质的铜、铝、铁、镍或其合金制成的小钉。
11.如权利要求6所述的蓄电池，其特征在于，其单体电池为锂离子电池、镍氢电池或其他蓄电池。
12.如权利要求7所述的蓄电池，其特征在于，所述连续金属片可通过锡焊、焊接或铆接方式连接。
13.如权利要求6或11所述的蓄电池，其特征在于，所采用的单体电池为直径小于40mm的圆柱形电池。
全文摘要
本发明公开了一种蓄电池用的导电连接体及由该导电体连接而成的蓄电池。所述导电连接体为表面覆有锡或锡合金的铝或其他高导电材料，由该导电连接体以电阻锡焊的方式将各单体电池连接起来制成蓄电池。该发明解决了现有技术由于导电连接片太厚可能导致的焊接不良而应起的可靠性隐患的问题，拓展了铝、铜、镍、铁或其合金等材料制成的导电连接体在蓄电池中的应用，操作简便，并降低了制造成本。
文档编号H01R3/00GK101034739SQ20061014254
公开日2007年9月12日 申请日期2006年10月26日 优先权日2006年10月26日
发明者周鲁 申请人:首天恩管理有限公司