制造用于电能储存装置的电接头的方法

专利名称：制造用于电能储存装置的电接头的方法
技术领域：
本发明涉及电能储存装置。更特别地应用于，但不限于，超级电
容器(supercondenser)、电容器以及发电机或电池。更确切地说，本发 明涉及用于生产电能储存装置的电接头(electrical connection)的方法。
背景技术：
近来提出了己知为高功率的相当数量的电能储存装置，诸如超级 电容器。
然而，已知的设备的电源接头并不能令人很满意。
在现有技术中，超级电容器包括放置在壳体中的线圈，壳体包括 在其两端用可以装配有电连接突出物的两个盖子封闭的主体。在下文 中，我们将平等地对待指明相同的部件的线圈或能量储存线圈元件。
为了制造此电能储存装置的电接头，可以利用放置在线圈和每个 盖子之间的电接头的中间部件。
一些其它的概念是直接利用盖子作为具有集流器(current collector)的电接头，集流器由在其两端突出到线圈上方的集电边缘形 成。
这些集电边缘或者中间电接头部件，通过例如透明激光技术的焊 接方法的方式连接到诸如电连接突出物、盖子自身或任何其它集流器 的外部端子。
另一方面，根据所选择的技术，这些设计也通常使用外部端子或
部分压制的电接头的中间部件以形成焊接范围，所述焊接范围例如具
有诸如窄带或优选地朝着壳体的主体内部的凹陷。
然后，在窄带的水平上通过焊接来将线圈的集电边缘电连接起来。 另一个例子利用外部端子或电接头的中间部件，所述电接头具有
内部平的面和为外部凹陷形式的焊接范围。在下文中将讨论集电部件
以平等地指定外部端子或电接头的中间部件。此通过焊接其中集电部件由铝或轻合金制成的电能储存装置来制 造电接头的方法可以导致在焊接过程中将装置暴露到高温下，使得线 圈有热降解的风险。
另一方面，焊接有必要限制在旧焊接区域的事实限制了有效地焊 接在线圈的集电部件和集电边缘之间的地带的表面。结果，对于由于 所有的集电边缘而言没有完全连接到集电部件，电流没有均匀地分布 在线圈中。
此特性促成离子和电子集中在线圈的一些匝中，而在线圈的其它 匝中有损失，因此导致电能储存装置的串联阻抗Rs加大。
另外，在线圈运转中辐射的大部分热在延伸的集流器中轴向地扩 散，然后经由焊接区域或紧密接触越过外部集电部件。
热交换到外部，然后通过线圈和盖子之间的有限接触来限制冷却 线圈的重要部分，这有利于后者的再次加热。
另一方面，能量储存装置的电接头的这种制造方法成本高而且复杂。
实际上，透明激光焊接技术难以实现，因为其需要精确地调整待 组装的部件，不好的调整会导致穿过集电部件的洞的增加，这首先造 成集电部件的紧密度的损失，其次是从电流能量储存装置产生弱能量。
还有，对于仅有一些细微差别的铝和铝合金，诸如1000系(Series) 的铝(包含至少99.9%的铝的铝合金)，利用激光焊接是有效地，但是 不是特别适用于超级电容器。实际上，这些细微差别是纯粹的并且因 此更加具有延展性，在壳体的压力上升的情况下，这造成它们有不太 好的机械阻抗，因此很少有好的老化特性。
为了改善超级电容器的集电器和电极之间的接触阻抗，文档US 6,565,701提出了利用一种包括导电金属基板的集流器，其表面施加有 非氧化层。因而在集电器和电极之间的导电变的容易而且限制了它们 的表面老化。
文档US 2004/0264110描述了电组件，该电组件包括装配有穿孔的 集流器和电极，其中电极和集电器被中间层分离以防止在组件的运行 过程中电极的串联阻抗增加。
文档DE 32 26 406也提出了一种由金属薄膜形成的电容器，其包括盖子和在接触部分的钎焊(brazed)金属接触层。在将它们焊接之前， 需要用于将金属颗粒沉积在接触部分上的步骤。
本发明的特定目的在于消除现有技术的缺点。
本发明的一个目的在于提出一种通过低温扩散钎焊(diffusion brazing)来制造电能储存装置的电接头的方法，所述能量储存装置包 括固体部件，特别是由铝制成的部件。
本发明的又一个目的在于提出一种制造电能储存装置的电接头的 方法，其减少了不同的集流器之间的电接触阻抗，促使热扩散，并且 在线圈的内部温度上升的过程中进行冷却。
还提出一种电能储存装置的电接头的简单制造方法，其在制造装 置方面提供了经济性。
本发明的又一个目的在于提供一种电能储存装置的电接头的制造 方法，用于防止具有凸起和凹陷的集流器的使用，并且有利于电流的 均匀的分布。
本发明的又一个目的在于允许使用有细微差别的铝合金，而不是 最纯净的级数，诸如1000系。这是因为如下事实，在选择合金时，扩 散钎焊不会像早期的激光焊接方法一样造成相同的限制，因为没有相 对于合金的扩散钎焊方法中的内含物(在不太纯的合金中会出现)的 反应。
扩散钎焊的另一个目的在于相比于根据现有技术的状态，在激光 焊接方法中穿透收集部件的强大风险，限制了在低温钎焊方法中穿透 收集部件的风险。
扩散钎焊方法对于本领域技术人员来说是已知的。例如，文档EP 0 123 382呈现了在70到80小时期间，在高压(30-100MPa)下，覆 盖在镓层下的铝表面的扩散钎焊过程，而文档GB 2 386 578描述了在 用液态镓摩擦接触表面之后，在有利地200摄氏度以上，将由铝制成 的两个部件进行高压(以20MPa的量级)扩散钎焊方法。
最后，本发明的目的在于允许使用比激光悍接更容易进行工业化 的方法，而没有与激光技术相关联的安全问题，并且简单而且以更少 的成本实现。

发明内容
根据本发明，这些目的通过一种制造电接头的方法实现，所述电 接头在电能储存线圈和集电部件之间，电能储存线圈具有在其端部的 集电边缘，所述部件的结合形成了放置在壳体中的电能储存装置，其 特征在于，通过低温扩散钎焊方法实现线圈的收集边缘和集电部件的
电连接，所述温度小于400摄氏度。
有利地，每个集电边缘直接钎焊在集电部件上。
执行温度优选地选自150和400摄氏度之间，并且用被分配金属 来完成扩散钎焊，所述被分配金属选自镓、铟、锡、铊、铅、铋或者 其合金的具有低熔点的金属。
在支撑金属是镓的情况下，处理温度选自150和250摄氏度之间。 实际上，高于218摄氏度，镓在铝中以两种方式扩散在30和110摄 氏度之间的占有优势的晶粒间方法，以及在110摄氏度和218摄氏度 之间的占有优势的容量(晶粒内)方法。因此，在小于110摄氏度的 温度，没有对该材料的容纳物有害的大量的晶粒间的镓扩散，因为这 有脆化粒子节点的风险。超过218摄氏度后，镓在合金中的扩散是全 容量的，这表示对于材料或接头均没有风险。
优选地，在钎焊处的处理温度将限制在250摄氏度，以便限制由 能量储存线圈元件承受的温度，以避免承担超级电容器的性能或寿命 的材料的降解。
根据本发明的电能储存装置的电接头的制造方法，电能储存装置 包括至少一个要放置在壳体内部的电能储存线圈元件，所述壳体要被 至少一个盖子封闭，所述元件和所述盖子的每一个包括集流器器件， 其特征在于，至少包括如下步骤
-将镓分布到集流器器件中的一个或其它集流器器件上的步骤； -装配步骤，装配被镓沉积分离开的两个集流器器件； -扩散钎焊步骤，通过应用在待装配的材料中产生的限制为小于 10Mpa的力来实现扩散钎焊，按照制造电能存储装置的电接头，装置 被钎焊的时间少于1小时。


9通过如下以非受限实例给出的说明以及参照附图，将更好地理解 本发明以及出现的其它优点和特性，其中
图1图示了根据本发明的电能储存装置的电接头的制造方法； 图2图示了根据本发明的在集电部件上沉积镓的制造方法； 图3图示了电能储存装置的集电边缘的两个形状变体。
具体实施例方式
图1图示了根据本发明的电能储存装置10的电接头的制造方法。 电能储存装置10包括具有主体20并且封装了放置在内部的电能 储存线圈元件70的壳体20"，以及在两端封闭了壳体的主体20的两个 盖子30和40。其还包括在盖子30和40上的连接到所述元件70的电 连接器件。
在本发明的优选实施方式中，通过低温扩散钎焊方法在两个盖子 30和40与电能储存元件70之间进行电的和机械结合。
这是基于选自具有低熔点的金属，优选地为镓，的支撑金属 (support metal)的受控迁禾多(migration )。
更确切地，能量储存装置10包括为圆柱体的壳体20的主体，壳 体20在其两端22和23开口 ，并且在图中沿着轴X在其长度上延伸。
有利地，此圆柱体20由铝制成，易曲并且导电。
另一方面，后者具有适用于其容乃的电能储存元件70的内径和长度。
在本发明的实施方式中，电能储存元件70的线圈元件是平行于轴 X延伸的圆柱形线圈。
以本身已知的方式，可以有或没有中心固体支撑件，在平行于轴X 的情况下，用绕着中心轴的缠绕的片的堆叠形成此线圈。
电能储存元件70在其两个相对端分别被两个边缘71和72划界， 边缘71和72为螺旋形，形成了元件70的两个延伸的集流器。
延伸的边缘71和72设计为连接到将覆盖它们的两个盖子30和40 的电连接器件，这将在下文中描述。
此外，两个盖子30和40是导体，分别为垂直于轴X放置的电接 头盘31和41的形式。
10有利地，它们的每一个是刚性的并且由铝制成。
以本身已知的方式，每个电接头盘31和41的厚度设计为确保有
足够的截面使电流通过，电流通过取决于盘31和41的半径。
另一方面，电接头盘31和41的每个的外径等于圆柱体20的外径。 此外，如图1中所示，盖子30可以适于包括电接头突出物39，电
接头突出物39在壳体20的主体内部的在其相对的外部的内面上。 其形状是旋转成的圆柱形，并且放置在电接头盘31的中心。 其它电接头突出物39的变体也是可能的。它们限制为图1中所示
的实例。非限制的实例为电连接突出物、环或甚至是起作用的锥形突
出物中的阳螺纹或阴螺纹。
另一方面，每个盖子30、 40的电接头盘31、 41的内面34、 44对
应于钎焊范围，作为电连接器件而使用，用于分别使得电能储存元件
70与盖子30和40之间电连接。
在本发明的优选实施方式中，盖子30和40与电能储存元件70的
两个集电边缘71和72之间的电连接，直接通过下面的低温扩散钎焊
处理形成。
在第一个步骤100中，根据本身已知的技术使得块93到达温度300 摄氏度和400摄氏度之间的温度。
在图1中图示的变体中，加热系统对应于通过感应加热的环系统。
非限制的实例为其它加热系统，诸如对流或传导，甚至是局部的 红外、UV、焦耳效应或超声波系统。
此受热的块93为金属坯体(billet) 91，坯体91属于将在整个方 法中使用的压力系统92。
在歩骤200中，镓的精细层沉积在盖子30的内面34板上，此内 面代表后者30的集流器。
此沉积方法将在下面参照图2描述。
方法的变体实施方式提供了在电能储存装置10的集电边缘71和
72上沉积的镓。
然后，在步骤300，所述待钎焊的件被直接组装。 被镓层覆盖的盖子30放置在圆柱体20的端部22，处于元件70
的集电边缘71的顶部。在步骤400，将高温的坯体91沉积在装置盖子30/集电边缘71上，并且以给定的时间轻轻压制在装置上。
钎焊时间一般小于1个小时。因此选择低温钎焊保护了收集元件的材料并且进一步提高了超级电容器的自身寿命，钎焊时间已被最优化。因此，有利地，用于将坯体保持在待钎焊的两个部件装置30、 71上可以限制到30秒量级的其最小持续时间。
另外，甚至典型地在部件装置30、 71上施加170N的压力以确保在钎焊过程中盖子30和电能储存元件70的集电边缘71之间的最佳接触。小于lOMPa的压力足以用于使得镓层在收集边缘上的最优扩散，而没有诸如被压迫而失败。我们实际上要求了收集边缘相比于盖子更精细、结实。
在与温暖的块93的接触中，镓通过完全地扩散到铝颗粒中而越过铝部件71和30迁移。其离开部件30、 71的内面以被铝原子替代，因而产生后两者71和30的紧密接触。
此扩散钎焊步骤特征在于，时间/温度控制控制相结合。如果在整个方法中要保持集电边缘的完整性，扩散钎焊方法的参数，诸如温度、时间、压力等，必须实际上属于值的限定的范围，后者被直接钎焊到
盖子上。
有利地在210摄氏度以上，优选地在220摄氏度(温暖的块91的温度)的温度来完成钎焊，保持时间随着后者的温度的增加而减少。实际上，在此阈值温度下，镓能通过随着其进入铝粒子的节点而
爆裂来引起脆化。
在随后的步骤中，将坯体91从电能储存装置IO抽出，然后在步骤600中将其冷却以避免由铝制成的集流器71和30的传导造成电能储存元件70的内部再加热。
优选地，通过冷却系统盖上盖子30或者在露天中来进行冷却。
在本发明的变体实施方式中，通过封闭电能储存装置IO通过冷却系统在整个方法中连续地执行冷却。
为了制造具有第二盖子40的电能储存元件70的电接头，相似地继续所述步骤。
结果通过低温镓扩散钎焊方法制造了电能储存装置10的电接头。根据本发明的方法的变体实施方式提供了集电部件而不是盖子30和40，诸如电接头突出物或任何其它已知的部件本身。
根据本发明的方法的又一变体实施方式使用了具有作为钎焊范围的凸起或凹槽的盖子。
下面参照图2来描述用于沉积镓精细层的方法的步骤200。根据特别的处理来沉积镓，其防止了镓在铝中的晶粒间的扩散，而这是在沉积阶段会出现的现象。所述方法包括如下步骤。
在歩骤210中，准备用于沉积的镓或其合金。其被分成几毫克的小的固体小块以减少在钎焊过程中脆化的风险。
在步骤220中，待组装的两个集电部件17或30中的一个被带到30摄氏度以上的温度。
有利地，温度上升到40摄氏度到50摄氏度量级的温度。
下面的步骤230对应于镓沉积的涂料(priming)步骤230。
实际上，发明人注意到允许所需要的量的镓扩散以确保在待钎焊的件的表面上钎焊，需要将非常少量的固态镓在集电部件71或30中的一个的待钎焊的表面上初始沉积，然后扩散镓并且通过合适的扩散方法来排除过量的镓。
可以通过任何的方法来进行此初始沉积液态或固态镓的机械沉积、电气化学沉积、化学气相沉积(CVD)、离心沉积(旋转涂覆)、金属粒子粉碎(金属喷镀)、浸透沉积、通过阴极雾化(cathodicpulverisation)的沉积、纳米粒子喷射(nanoparticlejet)、电子轰击、等离子蒸发、热蒸发、阴极焊弧、阳极或激光蒸发、包含镓的金属层的介入(interposition)。
此少量的镓的初始沉积确保了待钎焊的件可湿性(wettability)，然后使得镓的量足以用于钎焊以在待钎焊的件的表面上扩散。
发明人还注意到，例如清洁在部件的表面上的先前部件引起的先前被镓污染的刷子的简单通过，足以用于确保所述件的可湿性，以形成跟随的沉积的涂料区域。然后在此涂料步骤230之后是步骤240，该步骤240用于将在待 用刷子展开的涂料区域上的小块(nugget)的镓沉积在待钎焊的71、 30的表面上。
然后用合适的方法(步骤250)来重新获得过量的镓。 优选地用刷子来擦掉沉积。
要避免刮片(spatulas)，它会在待钎焊的表面上产生裂痕风险并 且引起晶粒间的镓在铝中扩散。
然后使得部件30和71、 40和72分别地相接触并且对着彼此压 制以通过扩散钎焊来确保它们的粘度。
最后，在最终的歩骤260中，用合适的方法来冷却已经沉积了镓 的集电部件71、 30，以使得镓尽快地凝固并且阻止任何扩散机制。
诸如露天或冰箱的冷却系统是合适的方法。
有利地，在此镓沉积的方法200过程中，沉积了 0.4到0.1 mg/cm2 量级的数量的镓。
优选地，沉积0.5mg/cn^量级的数量的镓。
在图3中图示的此方法的变体实施方式中，能量储存元件70的 突出的集流器变形了，更精确地为集电边缘71和72发生了变形。
通过将能量储存元件70的匝数朝着边缘的中心而径向地引导以 形成四角星75而将这些边缘71和72变形。
在镓扩散钎焊方法中，此结构用第二集电部件30加强了支撑区域。
本方法的另一个变体实施方式包括对齐歩骤，其使得集电边缘71 和72平行于装置10的盖子30和40的内面34、 44的每一个，以增加 这两个集电部件因此和它们的钎焊表面之间的接触表面。
本方法的另一个变体实施方式包括聚集步骤，其将铝球以一定的 角度在集电边缘71和72上突出(金属喷射)，以在镓扩散钎焊方法 中产生用第二电流接收件30增强的支撑区域。
在所有这些变体中，根据本发明的方法的其它步骤对于参照在图 1和2先前描述的那些中保持相同。
本领域技术人员可以认识到电能储存装置10的电连接的快速低 温生产方法是简单的并且在精度和有效电接头上是可靠的。另一方面，相对于从现有技术已知的方法，此方法使得电能储存 装置10具有在电能储存元件70中均匀分布的电流、有效的热扩散和 在集电部件之间的有限的电接触阻抗。
最后，本发明不限于超级电容器，并且可以用于任何高能量的电 能储存装置。非受限的例子为发电机、电池或电容器。
当然，本发明不限于以及描述过的特定实施方式，而是可以扩展 到在此精祌下的任何变体。特别地，本发明不限于所述附图。在前述 的图中的特定的参考是本发明的非限制实例。相似地，这里示出的例 子涉及直接作为集电部件使用的盖子的扩散钎焊，在线圈的收集边缘 上。明显看出，如果选择了此结构类型，此原理可以以相同的方式应 用于线圈的收集边缘以及在线圈和盖子之间的中间连接件。
权利要求
1、一种制造电接头的方法，所述电接头在电能储存线圈(70)和集电部件(30、40)之间，电能储存线圈(70)具有在其端部的集电边缘(71、72)，所述部件的结合形成了放置在壳体(20)中的电能储存装置(10)，其特征在于，通过低温扩散钎焊方法实现线圈(70)的集电边缘(71、72)和集电部件(30、40)的电连接，所述温度小于400摄氏度。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，每个集电边缘(30、 40)直接钎焊在集电部件(30、 40)上。
3、 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，工作温度选自 150和400摄氏度之间。
4、 如权利要求1到3中任意一项所述的方法，其特征在于，用 被分配金属来完成扩散钎焊，所述被分配金属选自镉、镓、铟、锡、 铊、铅、铋或锌、或者其合金的具有低熔点的金属。
5、 如权利要求4所述的方法，其特征在于，分配金属是镓或包 含镓的化合物。
6、 如权利要求1到5中任意一项所述的方法，其特征在于，在 待组装的部件之间的界面处的钎焊温度选自150和250摄氏度之间。
7、 如前述权利要求中任意一项所述的制造方法，用于制造电能 储存装置(10)的电接头，电能储存装置(10)包括至少一个要放置 在壳体(20")内部的电能储存线圈元件(70)，所述壳体(20")要被 至少一个盖子(30、 40)封闭，所述元件(70)和所述盖子(30、 40) 的每一个包括集流器器件(71、 72、 34、 44)，其特征在于，至少包括 如下步骤-步骤(200)，将镓分布到集流器器件(71、 72、 34、 44)中的 一个或多个上；-装配步骤(300)，装配被镓沉积分离开的两个集流器器件(71、 72、 34、 44);-扩散钎焊步骤(400)，通过应用在待装配的材料中产生的限制 为小于或等于10MPa的力来实现扩散钎焊，按照制造电能存储装置的 电接头，装置被钎焊的时间少于1小时。
8、 如前述权利要求中任意一项所述的制造方法，用于制造电能 储存装置(10)的电接头，其特征在于，通过结合如下方法中的一个 或多个来完成在集流器器件的界面处的镓的分布液态或固态镓的机 械沉积、电气化学沉积、化学气相沉积(CVD)、离心沉积(旋转涂覆)、 金属粒子粉碎(金属喷镀)、浸透沉积、通过阴极雾化的沉积、纳米粒 子喷射、电子轰击、等离子蒸发、热蒸发、阴极焊弧、阳极或激光蒸 发、或包含镓的金属层的介入。
9、 如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，镓沉 积步骤(200)包括至少一个如下子歩骤-加热歩骤(220)，将集流器器件(71、 72、 34、 44)中的一个 加热；-涂料步骤(230)，来沉积镓；-沉积和扩散步骤(240)，将小块的镓沉积并扩散到被加热到给 定温度的所述集流器器件(71、 72、 34、 44)的涂料区域上； -冷却阶段，冷却所述集流器器件(71、 72、 34、 44)。
10、 如前述权利要求中所述的方法，其特征在于，通过选自如下 的方法中的一个来加热集流器器件中的一个通过感应、通过辐射、 通过对流、通过传导、通过焦耳效应、通过红外或者通过超声波而加 热。
11、 如权利要求8到10中任意一项所述的方法，其特征在于，其还包括歩骤，该歩骤(250)在冷却集流器器件之前消除过量的镓。
12、如权利要求8到11中任意一项所述的方法，其特征在于， 通过用低剂量的镓粉末来污染集流器器件(71、 72、 34、 44)中的一 个，来完成涂料歩骤(20)。
13、 如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，集 流器器件(71、 72、 34、 44)由铝或轻合金制成。
14、 如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，还 包括冷却阶段，在以例外的部分进行扩散钎焊歩骤的钎焊过程中，冷 却电能储存装置(10)
15、 如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，沉 积的镓的量小于1 mg/cm2。
16、 如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，沉 积的镓的量在0.4和0.6 mg/cm2之间。
17、 如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，盖 子(30、 40)的集流器器件对应于后者的内面(34、 44)。
18、 如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，电 能储存线圏元件(70)的集流器器件(71、 72)为后者的螺旋形的集 电边缘(71、 72)。
19、 如前述权利要求所述的方法，其特征在于，还包括变形步 骤，该变形步骤将电能储存线圈元件(70)的集电边缘(71、 72)变 形为星形。
20、 如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，还包括对齐步骤，该对齐歩骤将电能储存线圈元件(70)的集电边缘(71、 72)与盖子(30、 40)的内面(34、 44)平行。
21、 如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在扩散钎 焊歩骤之前的聚集(金属喷镀)歩骤，该聚集歩骤将铝球以一定角度 在电能储存线圈元件(70)的集电边缘(71、 72)上突出，以便产生 用第二集流器器件(34、 44)加强的支撑区域。
22、 一种电能储存装置，其由前述权利要求1到21中任意一种 方法制成。
全文摘要
本发明涉及一种制造用于电能储存装置(10)的电接头的方法，所述装置包括至少一个放置在壳体(20’)内部的电能储存元件(70)，所述壳体具有壳体的主体(20)中的包含电能储存元件(70)的盖子(30、40)，所述元件(70)和所述盖子(30、40)的每一个包括集流器器件，所述方法的特征在于，其至少包括将镓沉积到集流器器件中的一个或多个上的步骤，以及装配被镓涂覆分离开的两个集流器器件的步骤，该涂覆的步骤之后是通过部署以及将加热到给定温度的块压制在由两个集流器器件形成的装置而实现的扩散钎焊步骤，所述装置以给定时间被钎焊以制造用于电能存储装置的电接头。本发明特别应用于制造诸如超级电容器、电池或发电机的电能存储装置。
文档编号H01G11/66GK101490774SQ200780027316
公开日2009年7月22日 申请日期2007年6月21日 优先权日2006年6月21日
发明者G·圣德雷男, O·科蒙, P·帕亚尔 申请人:巴茨卡普公司;南特大学综合理工学院