专利名称：电池翼片连接及制造方法
技术领域：
用于车辆应用的高能锂电池包含使用薄金属板作为电极基板的电池单元。这些电极板包括从单元袋(pouch)向外延伸并用于将电极板连接至导体或母线的延伸部，即翼片 (tab)，其中所述导体或母线在电池组装期间由铜金属或铜合金金属或铝金属或铝金属合金制成。在电池构造中通常使用两类翼片材料铝和铜。在某些情形下，铜翼片和/或铜导体可涂覆有一薄层镍，以增强耐腐蚀性。在某些情形下，铝翼片和/或铝导体可具有薄阳极氧化层。
背景技术：
由于许多原因，难以将薄翼片材料连接到很厚的导体上。首先，叠装(stack-up)要求在一个操作中将几个单独的金属件(例如三个单独的翼片)连接到一个导体上。第二，叠装可包括已知会形成脆性金属互化物的金属组合(例如，铜和铝)。第三，导体与电池单元翼片之间的厚度比率高，例如，至少约4:1或更高。另外，难以连接不同的材料。超声波焊接已经用于该应用，获得了一定的成功。它能够连接不同的材料，并能够连接具有显著不同板厚度的材料。然而，因为超声波能量(含有与板平面平行的振动)无法良好地传播穿过多个板-板界面，所以连接含有超过两个板的叠装非常困难。顶板因为与超声波工具或超声焊极直接接触，所以它良好地联接到超声波能源良好；但是，位于叠装较下方的板无法接收同样多的超声波能量，所以其连接不够牢固。焊接连接的另一缺点是，其连接无法为了更换或维修而容易地非破坏性地拆开。还使用了机械紧固件。机械紧固件(例如螺钉或夹具)提供了可逆的连接。它们依赖于非常低的接触电阻，以获得良好的导电性能。但是，随着时间的过去，经过表面污染(例如，氧化)的发展或紧固件的退化，接触电阻会退化。另外，螺钉或夹具增加了显著的质量、 成本和装配时间。还可使用焊接连接。但是，具有助熔剂(特别是用于铝)的焊料的使用会导致形成腐蚀性助熔剂残渣，如果不通过清洗操作去除，就会随着时间的过去降解周围的材料或接点。这些操作增加了成本，并且在某些情形下，这些操作由于装配次序而不可能进行。对将电池单元翼片连接到导体或母线的工艺仍存在需求。
发明内容
本发明满足这一需求。提供了一种将至少一个电池单元翼片焊接到导体的方法。 所述电池单元翼片和所述导体由单独从铝、铝合金、铜、铜合金、或镀镍铜或铜合金中选择的材料制成。所述方法包括准备由至少一个电池单元翼片和所述导体构成的组件，且一个电池单元翼片的第一连接表面与所述导体的第一连接表面面对面，至少一个连接表面在其上具有一层焊料；挤压所述组件，使得面对面的连接表面接合所述焊料，并在没有助熔剂的情况下将所述焊料加热至超过焊料熔化温度的温度，同时将所述连接表面的位移限制为预定值；以及保持所述连接表面彼此紧靠，并固化所述焊料，以在所述至少一个电池单元翼片
3与所述导体之间形成焊接连接。本发明提供下列技术方案。技术方案1 一种将至少一个电池单元翼片焊接到导体的方法，所述电池单元翼片和所述导体由单独从铝、铝合金、铜、铜合金、镀镍铜或镀镍铜合金中选择的材料制成，所述方法包括
准备由所述至少一个电池单元翼片和所述导体构成的组件，使一个电池单元翼片的第一连接表面与所述导体的第一连接表面面对面，至少一个连接表面上具有一层焊料；
挤压所述组件，使得面对面的连接表面接合所述焊料，并在没有助熔剂的情况下将所述焊料加热至超过焊料熔化温度的温度，同时将所述连接表面的位移限制为预定值；以及
保持所述连接表面彼此紧靠，并固化所述焊料，以在所述至少一个电池单元翼片与所述导体之间形成焊接连接。技术方案2 如技术方案1的方法，还包括向所述导体应用超声激发。技术方案3 如技术方案1的方法，还包括向所述至少一个电池单元翼片应用超声激发。技术方案4:如技术方案3的方法，其中所述超声激发被应用至具有滚花表面的热台，并且其中所述焊接连接包括超声波焊接部分。技术方案5 如技术方案1的方法，还包括用冷却台挤压所述组件。技术方案6 如技术方案1的方法，其中所有连接表面上都具有一层预涂的焊料。技术方案7 如技术方案1的方法，其中所述至少一个电池单元翼片具有孔隙或槽。技术方案8 如技术方案1的方法，还包括基于所述电池单元翼片和所述导体的材料选择所述焊料。技术方案9 如技术方案1的方法，所述焊料为锌、锌-铝合金、锌-锡合金、锡-锑合金、锡-银合金、锡-铅合金或锡-镉合金、或者它们的组合。技术方案10 如技术方案1的方法，其中所述焊料为含有锡、约15-40%重量百分比的锌和约1- 重量百分比的铝的锡-锌合金。技术方案11 如技术方案1的方法，其中所述焊料为含有约95%重量百分比的锡和约5%重量百分比的锑的锡-锑合金。技术方案12 如技术方案1的方法，其中具有至少两个电池单元翼片，并且还包括准备所述组件，使得所述一个电池单元翼片的第二连接表面与第二电池单元翼片的第一连接表面面对面。技术方案13 如技术方案1的方法，其中所述导体的厚度与所述电池单元翼片的厚度的比为至少约2:1。技术方案14 一种将至少两个电池单元翼片焊接到导体的方法，所述电池单元翼片由从铝、铝合金、铜、铜合金、镀镍铜或镀镍铜合金中选择的材料制成，所述导体由从铝、 铝合金、铜、铜合金、镀镍铜或镀镍铜合金中选择的材料制成，所述方法包括
准备由所述至少两个电池单元翼片和所述导体构成的组件，使一个电池单元翼片的第一连接表面与所述导体的第一连接表面面对面，所述一个电池单元在所述导体相反侧的第二连接表面与第二电池单元翼片的第一连接表面面对面，所述电池单元翼片或所述导体的至少一个连接表面上具有一层焊料；
挤压所述组件，使得面对面的连接表面接合所述焊料，并在没有助熔剂的情况下将所述焊料加热至超过焊料熔化温度的温度，同时将所述连接表面的位移限制为预定值；以及
保持所述连接表面彼此紧靠，并固化所述焊料，以在所述至少一个电池单元翼片与所述导体之间形成焊接连接。技术方案15 如技术方案14的方法，还包括向所述导体应用超声激发。技术方案16 如技术方案14的方法，还包括向至少一个电池单元翼片应用超声激发。技术方案17 如技术方案16的方法，其中所述超声激发被应用至具有滚花表面的热台，并且其中所述焊接连接包括超声波焊接部分。技术方案18 如技术方案14的方法，还包括用冷却台挤压所述组件。技术方案19 如技术方案14的方法，其中所有连接表面上都具有一层预涂的焊料。技术方案20 如技术方案14的方法，其中至少一个电池单元翼片具有孔隙或槽。
图IA-C为根据本发明的连接方法的一个实施例的视图； 图2A-C为根据本发明的连接方法的另一实施例的视图3A-C为根据本发明的连接方法的另一实施例的视图； 图4A-B为根据本发明的连接方法的另一实施例的视图； 图5A-C为根据本发明的连接方法的另一实施例的视图。
具体实施例方式本发明为连接多个由铝或铜建造的板层的方法。它提供了优良的电接触、足够的强度和可逆性。本发明使用热台连同可选的超声波振动将薄板电池翼片与大尺寸导体焊接在一起。一旦翼片、导体和焊料合金被正确地定位，那么使热台及可选的超声换能器(超声焊极)与叠装接触。优选地，所述热台含有用于温度控制的热电偶。热台与叠装之间的接触使得焊料熔化。联接至导体和/或热台的可选超声换能器给所述叠装引入振动，破坏基材上的表面氧化物。这有助于所有层之间形成紧密的冶金接触。通过使用伺服焊枪或机械止动件控制热台的最大闭合度防止了挤出过多的焊料。在基板出现润湿之后，关闭热量以固化焊料。为了防止过多的热量从板电板向下传递到电池单元，如果需要，那么可在热台紧下方的电极上夹上第二冷却台。该冷却台还用于熔化焊料的固化/挤掉，以防止其达到脆弱的电池单元。为进一步防止熔化焊料与电池单元接触，板之间间隙的逐渐增大会减慢焊料的毛细管运动。另外，电池可被倒置，从而允许重力将所有过多的焊料金属从电池单元中拉出。作为替代方案，可使用“中途停留(stop-off)”的涂层涂覆要焊接的区域下方的板。 这种涂层会降低表面润湿的能力，使得焊料无法容易地溢出超过那些要被连接的区域。图1-5示出了焊接方法的多种实施例。图1-5中未示出单元袋。在图IA-C所示的一个实施例中，具有三个电池单元翼片105，焊料110被应用至预接合的表面。焊料110可以各种方式预先设置在接点处，包括，但不限于，通过浸焊、波焊、 超声波焊接或电镀以带条或线圈的形式预先涂覆所述基板。这些方法都确保所述基板已被焊料合金润湿。另外，因为该工艺无需预先通过焊料合金润湿基板(但是，预先润湿是允许的)，所以也可以应用其它形式的焊接材料，包括，但不限于，粉末、丝线或带条。例如，粉末形式的焊料可丝印在基板期望的位置上。另外，该工艺允许将焊料选择成匹配要连接的金属组合，例如铝与铝、铜与铜、铝与铜及电镀组合。根据要连接的材料，可使用多种类型的焊料。适于所有基板的焊料包括，但不限于，纯锌、锌铝合金(例如那些含有达10%铝的合金)及锌-锡合金(例如那些具有达90%锡的合金)。适于与铜一起使用的焊料包括上述那些焊料以及锡-锑合金(例如那些具有约 4. 5到约5. 5%锑的合金)和锡-银合金(例如，那些具有约3. 4到约5. 8%银的合金)。锡-铅和锡-镉合金也可用于连接铜与铜。但是，由于环境的原因，不期望使用含有铅和/或镉的焊料。为了将裸铝翼片连接到裸铝、铜或镀镍铜，焊料合金通常为锡-锌合金。焊料可选择成15-40%重量百分比的锌和1- 重量百分比的铝的组合，以降低焊料合金与铝基板之间的伽伐尼电位。高水平的锌减轻了焊料与铝之间的腐蚀。为了连接裸铜、或镀镍铜、或铝基板，典型的焊料合金为锡-锑合金，例如95%锡 /5%锑合金。该合金既没有铅也没有镉。另外，与铅-锡焊料相比，它具有更高的抗拉强度， 同时保持良好的导电性能。涂覆有焊料的电池单元翼片105和涂覆有焊料的铜或铝导体115位于热台120、 125之间。热台120、125在没有助熔剂的情形下被加热。如果需要，可使用热电偶控制温度。热台通常在接触之前被加热至超过焊料熔化温度的连接温度(通常远超过焊料熔化温度)，以减少加工时间。然而，这并不需要，它们可在接触之后被加热至连接温度。热台通常使用平表面，以最大化热传递。可选地，热台120、125每个可被控制为不同的温度，这依赖于要连接的材料、焊料合金及材料厚度。热台120、125 —起移动，并在电池单元翼片105上施加压力，如图IB中所示。热量熔化了焊料110，焊料110向下流向可选的冷却台130、135。可选冷却台130、135可被夹在热台120、125下方的电极上，以防止过多的热量向下传递至板电极进入电池单元而损坏电池单元，并提供焊料的快速固化。冷却台可含有用于使用空气、水或其它手段来强制冷却的系统，以便于大量生产。如果需要，热台120、125之间的连接间隙可使用伺服焊枪或机械止动件来控制， 以防止焊料的过分挤出。图2A-C示出了另一种工艺，其中冷却台130、135与热台120、125安装在一起，并通过隔热体140与其分隔开。涂覆有焊料的电池单元翼片105与导体115定位在组合的热台120、125与被隔热体140分隔开的冷却台130、135之间。热台120、125与电池单元翼片 105和导体114接触，熔化焊料，焊料向下流动。然后热台向上移动，冷却台130、135接触连接区域，以冷却和固化焊料。在图3A-C的实施例中，热台120、125接触电池单元翼片105和铜导体115叠装。 超声焊极145靠在厚的铜导体115上，以提供超声激发。在加热期间，超声焊极145的振动能量破坏了表面氧化物，并允许熔化的焊料110建立冶金接触。热源的关闭允许热台冷却， 并允许焊料固化。如果有过多的热流或过多的焊料朝着电池单元挤出，那么冷却台130、135 可位于连接区域下方。对于上述类型的焊接连接，其接点可通过提供热量和分离翼片板材料的机构而容易地分开。可使用类似于图1-3中所示的加热元件来加热焊料，一旦焊料变得熔化就可使用细线或绳来分离翼片/导体。这会在翼片材料和导体上都留下焊料涂层。这些涂层确保焊料已经润湿了基板，以便再次组装。所述连接在再次组装时很可能需要额外的焊接材料， 其可以带、线、粉末等的形式设置在连接位置。一旦所述额外焊接材料在合适的位置，就可如图1-3中所示应用相同的加热机构来再次焊接接点。这允许维修和更换单个的电池单元，降低了成本，增加了组装和维修过程的灵活性。图4A-B中示出了另一实施例。在该情形下，与电池单元翼片105接触的热台120 具有连接在其上的超声焊极145。在热台表面上应用滚花纹理以获得工具与电池单元翼片 105之间更好的超声能量联接。在力、热量和超声激发之下，滚花热台会使电池单元翼片局部地变形。与滚花表面上的突起直接接触的区域被紧密地压在一起，具有形成超声波焊接的机会。环绕突起的板材料遭受在板之间形成间隙的变形。流体焊料填充该间隙。在固化之后，其结构包括被大面积焊接材料160环绕的小面积超声焊接材料155。图5A-C示出了电池单元翼片的另一实施例。图5A-B示出了具有孔隙的电池单元翼片105。例如，所述孔隙可通过冲出穿过单元翼片105的孔165来形成，或者可使用具有孔隙的网板或网片170。还可使用其它形成孔隙的方法和其它类型的孔隙。焊料110应用到其中一个电池单元翼105上，例如在所述叠装中间的电池单元翼片，如图5C中所示。当热台被应用至叠装时，焊料熔化并流过电池单元翼片中的孔隙，使得它涂覆在一个或多个其它单元翼片和/或导体上。依赖于单元翼片、导体和焊料的成分，单元翼片可设计成包括允许焊料流过单元翼片的孔隙，或者设计成不包括孔隙以阻止焊料流动。例如，如果导体为铜，单元翼片为铝，那么与导体最接近的单元翼片可为实心的，使得导体与铝单元翼片之间的锡-锌焊料不会流入铝单元翼片之间的锌-铝焊料。然而，这并非必需的。可选地，可使用带槽的单元翼片。所述槽允许沉积额外的焊料，以提高焊点的机械强度。该方法允许连接几层具有不同厚度的材料，例如导体与翼片之间的厚度比至少为约2 :1、至少约3 :1、或至少约4 1或至少约5 1的那些材料。应当注意本文使用的术语“优选地”、“一般”和“通常”不限制所要求保护发明的范围，或暗示某些特征是关键的、根本的、或者对所要求保护发明的结构或功能更加重要。相反，这些术语仅仅是意欲强调替代或额外特征可用在可不用在本发明的特定实施例中。为了描述和限定本发明的目的，注意，本文使用术语“装置，，表示部件的组合或单个部件，不论该部件是否与其它部件结合。例如，根据本发明的“装置”可包括电化学转换组件或燃料电池、含有根据本发明的电化学转换组件的车辆等。为了描述和限定本发明的目的，注意，本文使用术语“基本上”来表示归因于任意量化比较、值、测量或其它表示的不确定性的固有程度。本文还使用术语“基本上”来表示量化表示可从指定基准变化而不导致主题基本功能发生变化的程度。已经详细描述了本发明及其具体实施例，应当清楚，在不脱离由所附权利要求限
7定的本发明范围的情况下可进行修改和变型。更具体地，虽然本发明的某些方面在本文被认为是优选地或者特别有利的，但是应当看出，本发明不必限于本发明这些优选方面。
权利要求
1.一种将至少一个电池单元翼片焊接到导体的方法，所述电池单元翼片和所述导体由单独从铝、铝合金、铜、铜合金、镀镍铜或镀镍铜合金中选择的材料制成，所述方法包括准备由所述至少一个电池单元翼片和所述导体构成的组件，使一个电池单元翼片的第一连接表面与所述导体的第一连接表面面对面，至少一个连接表面上具有一层焊料；挤压所述组件，使得面对面的连接表面接合所述焊料，并在没有助熔剂的情况下将所述焊料加热至超过焊料熔化温度的温度，同时将所述连接表面的位移限制为预定值；以及保持所述连接表面彼此紧靠，并固化所述焊料，以在所述至少一个电池单元翼片与所述导体之间形成焊接连接。
2.如权利要求1的方法，还包括向所述导体应用超声激发。
3.如权利要求1的方法，还包括向所述至少一个电池单元翼片应用超声激发。
4.如权利要求3的方法，其中所述超声激发被应用至具有滚花表面的热台，并且其中所述焊接连接包括超声波焊接部分。
5.如权利要求1的方法，还包括用冷却台挤压所述组件。
6.如权利要求1的方法，其中所有连接表面上都具有一层预涂的焊料。
7.如权利要求1的方法，其中所述至少一个电池单元翼片具有孔隙或槽。
8.如权利要求1的方法，还包括基于所述电池单元翼片和所述导体的材料选择所述焊料。
9.如权利要求1的方法，所述焊料为锌、锌-铝合金、锌-锡合金、锡-锑合金、锡-银合金、锡-铅合金或锡-镉合金、或者它们的组合。
10.一种将至少两个电池单元翼片焊接到导体的方法，所述电池单元翼片由从铝、铝合金、铜、铜合金、镀镍铜或镀镍铜合金中选择的材料制成，所述导体由从铝、铝合金、铜、铜合金、镀镍铜或镀镍铜合金中选择的材料制成，所述方法包括准备由所述至少两个电池单元翼片和所述导体构成的组件，使一个电池单元翼片的第一连接表面与所述导体的第一连接表面面对面，所述一个电池单元在所述导体相反侧的第二连接表面与第二电池单元翼片的第一连接表面面对面，所述电池单元翼片或所述导体的至少一个连接表面上具有一层焊料；挤压所述组件，使得面对面的连接表面接合所述焊料，并在没有助熔剂的情况下将所述焊料加热至超过焊料熔化温度的温度，同时将所述连接表面的位移限制为预定值；以及保持所述连接表面彼此紧靠，并固化所述焊料，以在所述至少一个电池单元翼片与所述导体之间形成焊接连接。
全文摘要
本发明涉及电池翼片连接及制造方法，提供了一种将电池单元翼片焊接至导体的方法。所述电池单元翼片和所述导体由单独从铝、铜或镀镍铜中选择的材料制成。所述方法包括准备由所述电池单元翼片和所述导体构成的组件，使一个导体单元翼片的第一连接表面与所述导体的第一连接表面面对面，至少一个连接表面上具有一层焊料；挤压所述组件，使得面对面的连接表面接合所述焊料，并在没有助熔剂的情况下将所述焊料加热至超过焊料熔化温度的温度，同时将所述连接表面的位移限制为预定值；以及保持所述连接表面彼此紧靠，并固化所述焊料，以在所述至少一个电池单元翼片与所述导体之间形成焊接连接。
文档编号H01M2/20GK102315407SQ20111018331
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月1日 优先权日2010年7月1日
发明者E. 卡森 B., R. 西格勒 D., G. 施罗斯 J., B. 罗科濑恩 R., W. 蔡 W. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司