一种铝基镶嵌复合金属带材及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种铝基镶嵌复合金属带材及制造方法，包括带状铝基材，该铝基材表面设置有凹部，所述凹部内顺次叠置与所述铝基材轧制为一体的焊接层和过渡层；所述焊接层为镍层，所述过渡层为铜层或者铜-镍复合金属层；采用本发明镶嵌复合金属带材不但保留了原有纯镍材的优势，而且能够显著降低轧制加工技术难度，提高合格成品成材率，明显减少轧制至成品过程中的退火次数，提高了生产效率，进而提升免转焊型正极耳的制备效率，有利于该类型正极耳的大量推广和应用。
【专利说明】一种铝基镶嵌复合金属带材及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电池领域，更具体地说，涉及用于制备聚合物、液态软包装、硬壳锂离子电芯正极耳的铝基镶嵌复合金属带材，并涉及其制造方法。
【背景技术】
[0002]目前，聚合物、液态软包装、硬壳锂离子电池电芯用正极耳大都采用铝极耳，众所周知，极耳需要与电池管理线路保护板或电线进行焊接，但铝与保护板或电线上的锡无法实现良好焊合。为解决此问题，现有工艺方案绝大多数采用激光焊或超声焊接将一段镍片以搭接方式转焊至铝极耳的外露端，通过转焊好的镍片再与线路保护板或电线上的锡进行连接。这种转焊搭接方式又带来以下四方面问题:1、激光或超声焊点所形成的凹凸痕迹影响电芯的外观；2、铝与镍之间的焊结点实际接触面积与两者(铝与镍)之间搭接所形成的叠合总面积相比比例较小，意味着接触电阻大不利于电芯内阻降低；3、转焊工序的增加意味着电芯制作的生产成本增加，质量不稳定性同时增加；4、转焊后的极耳在搭接处附近极易出现虚焊、脱焊甚至折断现象。
[0003]除了上述铝极耳转焊镍片方式外，在同一领域国内外还发展了数种其它技术方案。主要有以下几大类。
[0004]一、铝极耳镀覆镍型。如中国发明专利申请201010241631.4,200810236321.6、201110308950.7均属于此类，它们能够节省转焊镍的工序，但镀覆工艺一方面存在电镀或化学镀技术所固有存在的镀层与基材结合不可靠、不牢固、镀层偏薄影响最终焊锡效果的严重问题；另一方面镀覆过程中大量的化学废液使用和排放会对周边环境造成污染难，因此该类技术方案并没有真正得到批量推广应用。
[0005]二、搭接式转焊铜，如中国实用新型专利201120357203.8，同样存在上述搭接式转焊镍的缺陷。
[0006]三、在铝和镍叠合部位热熔材料形成一体化。如，中国发明专利申请200510122316.9采用有机高分子类型的热熔材料将铝极耳与镍在叠合位置进行包裹式熔合，这种方式实际上只能保证热熔材料本身的熔合，而热熔体里面的铝和镍由于没有相互塑性变形因而难以真正形成相互牢固结合，铝镍两者之间的接触电阻显然非常大，造成整体电芯内阻增加，而且在电芯正极耳露出端突出的热熔体块外形破坏了电池产品的整体美观性。
[0007]四、异型复合金属型极耳。美国专利US2011/0274964提供了一种异型复合金属型极耳解决方案，该方案是用复合法生产出面复合结构的铝/铜复合金属材料(如图1中的a部分所示)，再将局部的铜层部分采用蚀刻、刨削、机械成型方式除去，最终制备出异型复合金属型极耳(如图1中的b部分所示)，图1中虚线表示的部分为去除的铜层。这种极耳一端(在电芯包装袋内)为铝，而另一端(露出电芯部分)则是在铝基材的基础上复合了用于改善与线路板焊接的一层铜材，即，极耳两端厚度不同且材质也不同。但是，锂离子电池极耳整体厚度一般在0.05?0.3mm范围，显然在如此薄的面复合结构材料的基础上再要准确除去局部位置的铜复合层的可实现性很小、成本很高，因而并不现实。
[0008]为克服上述技术方案缺陷，本发明人曾在中国专利申请201320022487.4中提供了一种铝基镶嵌复合金属结构极耳，其中制备所述极耳的镶嵌复合金属带材基材为铝，而镶嵌材料为纯镍或纯铜。然而在铝基材镶镍带材的制备和铝基材镶铜带材的应用过程中发现这两种材料仍存在一些缺陷。
[0009]铝基材镶嵌镍材无论是轧制复合过程还是复合后的轧制后加工过程，存在较大的技术难度，最主要的原因就在于铝和镍存在明显的物理性能及力学性能差异:例如铝熔点660°C，软态铝的屈服强度为20MPa (HV硬度12?17)，经过60%?80%的轧制变形其强度达到150?180MPa(HV硬度40?50);镍熔点1453°C，软态镍的屈服强度为110MPa(HV硬度70?80)，而镍经过20?30%的轧制变形其强度就可达到45(T630MPa(HV硬度160?180)。上述各性能巨大的差异使得铝和镍在制备成镶嵌复合金属带材的轧制过程中协同变形非常困难，即铝和镍两者之间非常容易在变形过程中形成应力集中从而容易破坏复合金属带材的整体成型，例如板形起浪、复合界面撕裂现象频繁出现，合格成材率较低。
[0010]而铝基材镶嵌铜带材则较铝基材镶嵌镍带材制备技术难度小很多，这是因为铝与铜的性能差异明显较铝与镍之间的性能差异小:铜的熔点为1083°C，软态铜的屈服强度为50?70MPa(HV硬度50?55)，经过60%?80%的轧制变形其强度达到295?380MPa(HV硬度9(Γ110)。即铝与铜之间的协同变形一致性好，使得铝基材镶嵌铜的带材成材率较高，但在该带材制成正极耳应用于电芯时，铜存在耐蚀性、抗氧化变色性较纯镍差的缺陷以及用户使用的习惯(铝转镍居多)，影响了该结构极耳的推广。
【发明内容】
[0011]鉴于现有锂离子电芯正极耳制备材料所存在的问题，本发明提供一种制备锂电池电芯正极耳的铝基镶嵌复合金属带材及其制造方法，该复合金属带材具有材料成型难度降低、成材率显著提高的特点，能够满足正极耳焊接等要求；为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
[0012]一种铝基镶嵌复合金属带材，包括带状铝基材，所述铝基材表面设置有凹部，所述凹部内顺次叠置与所述铝基材轧制结合为一体的焊接层和过渡层；所述焊接层为镍层，所述过渡层为铜层或者铜-镍复合金属层。
[0013]进一步地，所述铝基材两表面对称设置有凹部，两所述凹部内顺次叠置与所述铝基材轧制结合为一体的焊接层和过渡层。
[0014]进一步地，所述焊接层的厚度为所述过渡层中铜层厚度的2-70%，优选为5-50%。
[0015]进一步地，所述焊接层的表面与所述铝基材的表面相平。
[0016]进一步地，所述焊接层和过渡层的厚度之和为所述铝基材厚度的广95%。
[0017]进一步地，所述焊接层的原材料为纯度不小于99.80%的镍。
[0018]进一步地，所述铜层原材料为纯度不小于99.90%的铜；
进一步地，所述铜-镍复合金属层中，铜层的原材料为纯度不小于99.90%的铜，镍层的原材料为纯度不小于99.80%的镍。
[0019]一种铝基镶嵌复合金属带材的制造方法，包括以下步骤:
S1、在铝基材表面的凹槽内，先后压入铜带与镍带，或先后压入铜-镍复合金属带与镍带，或压入镍-铜复合金属带，或压入镍-铜-镍复合金属带，然后轧制复合成铝基镶嵌复合金属带材；
S2、对所述复合金属带材进行光亮退火、轧制及剪切工序，得到复合金属带材。
[0020]所述步骤S2中，包括两次光亮退火和退火后的轧制，所述光亮退火在还原气氛或惰性气氛下进行，退火温度为280?630°C ;所述铝基镶嵌复合金属带材在两次退火间进行的轧制中的变形率在50°/Γ90%之间。
[0021]所述步骤SI中，所述轧制复合在室温至500°C下进行，轧制变形率为30%?65%。
[0022]本发明在物理性能及力学性能明显差异的铝基材与镍材之间，增加了与铝基材性能差异小的铜材作为过渡层中主要组元，采用轧制复合工艺通过轧制使相邻金属带的相邻面间互相挤压延伸形成紧密结合，镶嵌复合金属带材不但保留了原有纯镍材的优势，而且能够显著降低轧制加工技术难度，提高合格成品成材率，明显减少轧制至成品过程中的退火次数，提高了生产效率，进而提升免转焊型正极耳的制备效率，有利于该类型正极耳的大量推广和应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为现有异型复合金属型极耳的制备过程的示意图；
图2为本发明铝基镶嵌复合金属带材一实施例的结构示意图；
图3是图2所不实施例的A-A向首I]视图。
【具体实施方式】
[0024]本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]以下结合具体实施例对本发明做详细描述。
[0026]参照附图2-3所示为本发明一种铝基镶嵌复合金属带材的结构示意图，该复合金属带材包括铝基材1、焊接层2和过渡层3，铝基材I 一端的两表面对称设置了凹部11，焊接层2和过渡层3顺次叠置在凹部11中，过渡层3的底部以及焊接层2和过渡层3的一侧部与铝基材3接触，并且与铝基材I轧制为一体，具体的是，焊接层2和过渡层3与铝基材I通过轧制复合形成物理冶金结合，进而形成一体化结构。
[0027]在本实施例中，焊接层2的表面与铝基材I的表面相平，即铝基材I没有焊接层的部分与带焊接层的部分的厚度相等。在其他实施例中，也可以只在铝基材I的一面设置凹部11、焊接层2和过渡层3。
[0028]为了获得良好的焊接效果和材料协同变形能力，焊接层2为镍层，过渡层3为铜层或铜-镍复合金属层，其中铜层的厚度大于镍层的厚度，要求该镍层的厚度为所述过渡层中铜层厚度的2-70%。作为较佳的实施方式，作为焊接层的镍层以及过渡层为铜-镍复合金属层中的镍层原材料均为纯度不小于99.80%的镍，过渡层中的铜层原材料为纯度不小于99.90%的铜。当过渡层为铜-镍复合金属层时，其中的铜层与焊接层2接触，镍层与铝基材I凹部11的底部接触，作为优选方案，铜层的厚度大于焊接层的厚度。在制造时，选择镍带、铜带或者铜-镍复合金属带分别用以形成焊接层、过渡层。
[0029]本发明中铝基镶嵌复合金属带材焊接位置上设置的焊接层为镍，这样的镶嵌复合金属带材制成正极耳后，从外观和耐蚀性方面仍保留了焊接层为纯镍材的优势。铝基材与焊接层之间采用铜或铜-镍作为过渡层，且过渡层中的铜层厚度较焊接层(镍)厚度相比占大多数，这样能够通过大多数的铜层协调作用(铜与铝的变形特性差异较镍与铝的变形特性差异小很多)，使得焊接层与铝基材之间的变形一致性显著提高，解决了铝基镶嵌复合镍带材在轧制加工过程中非常容易出现的复合界面应力集中、破坏板形甚至失效的问题，而本发明的铝基镶嵌复合金属带材在两次退火间的轧制变形率可在509Γ90%内选择(过渡层中铜与焊接层镍的厚度相对比例越高，其轧制变形量越大)，极大地降低了加工难度和生产成本。
[0030]下面说明其制造方法。
[0031]实施方式I
参照图2-3所示,该镶嵌复合金属带材尺寸为0.1mm (厚度)X 70mm (宽度)，两面焊接层2、过渡层3的厚度之和为铝基材厚度的60%。
[0032]S1、选择牌号1060、厚1.5mm、宽150mm的带状铝基材，两条厚0.3mm、宽30mm的镍-铜复合金属带作为原材料进行轧制镶嵌复合，其中，镍层占镍-铜复合金属带厚度比例为15%，即铜层厚度比例为85%。首先，在铝基材两表面的中间均刨出一条深0.3mm、宽30.5mm左右的凹槽，然后将两条镍-铜复合金属带分别压入铝基材两表面的凹槽内，于250°C温度下进行轧制复合，得到总厚为0.7mm的铝基镶嵌复合金属带材。
[0033]S2、对复合后的铝基镶嵌复合金属带材进行连续光亮退火和轧制，使其满足最终制备极耳的厚度和长度要求。具体的，将复合后的金属带材经过保温600°C、退火速度3米/分钟，在通氨分解气环境下连续光亮退火，然后经过5道次轧制至厚度为0.3mm,再进行第二次连续光亮退火，第二次连续光亮退火的参数为:在通氨分解气环境下，保温600°C、退火速度5米/分钟。退火后继续进行轧制，经过10道次轧制，轧至成品尺寸0.1mm。最后将此带材按宽度对半进行纵剪分条，可分成两条70mm宽的铝基镶嵌复合金属带材，该复合带材可满足极耳所需厚度及长度要求，其中镍层的厚度为铜层(即过渡层)厚度的17%左右。上述带材制备过程中两次退火间的轧制变形率均超过了 50%，有利于提高生产效率。
[0034]在该制造方法中，先制成镍-铜复合金属带，再与带状铝基材进行轧制镶嵌复合形成镍质焊接层和铜质过渡层。在本发明其他结构实施方式中，可以采用镍带和铜-镍复合金属带来制作，即轧制镶嵌复合后形成镍质焊接层和铜-镍质过渡层。例如，将铝基材的凹槽厚度刨至0.4mm深、30.5mm宽，然后将厚0.3mm、宽30mm的铜-镍复合金属带与厚
0.1mm、宽30mm的镍带一起压入凹槽,进行轧制复合。
[0035]实施方式2
S1、选择牌号1060、厚1.5mm、宽150mm的带状铝基材，厚0.1mm、宽30mm的镍带两条及厚0.2mm、宽30mm的铜带两条，作为三种原材料共五条带材进行轧制镶嵌复合，首先在铝基带两面的中间均刨出一条深0.3mm、宽30.5mm左右的槽，将铜带和镍带先后压入铝基材两表面的凹槽内，于250°C温度下进行轧制复合，轧制复合后得到总厚为0.7mm的铝基镶嵌复合金属带材。
[0036]S2、对复合好的铝基镶嵌复合金属带材连续光亮退火和轧制，使其满足最终极耳厚度和长度要求。具体的，将复合后的金属带材经过保温600°C、退火速度3米/分钟的连续光亮退火，然后经过5道次轧制至0.3mm,再进行第二次井式炉光亮退火，井式炉光亮退火的参数为:在氮气保护环境下，保温320°C、保温时间3小时。退火后继续进行轧制，经过10道次轧制,轧至厚度为0.1mm,最后将此带材按宽度对半进行纵剪分条,可分成两条70_宽的铝基镶嵌复合金属带材，该复合带材可满足极耳所需厚度及长度要求。其中，镍层的厚度为铜层(即过渡层)厚度的50%。
[0037]氨分解气和氮气分别属于还原气氛和惰性气氛，还能够选择其他的还原性气体和惰性气体形成还原气氛和惰性气氛。
[0038]以上通过具体实施例对本发明做了详细的说明，这些具体的描述不能认为本发明仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本发明构思、这些描述并结合本领域公知常识做出的任何改进、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种铝基镶嵌复合金属带材，包括带状铝基材，其特征在于，所述铝基材表面设置有凹部，所述凹部内顺次叠置与所述铝基材轧制结合为一体的焊接层和过渡层；所述焊接层为镍层，所述过渡层为铜层或者铜-镍复合金属层。
2.根据权利要求1所述的复合金属带材，其特征在于，所述铝基材两表面对称设置有凹部，两所述凹部内顺次叠置与所述铝基材轧制结合为一体的焊接层和过渡层。
3.根据权利要求1所述的复合金属带材，其特征在于，所述焊接层的厚度为所述过渡层中铜层厚度的2-70%。
4.根据权利要求3所述的复合金属带材，其特征在于，所述焊接层的厚度为所述过渡层中铜层厚度的5-50%。
5.根据权利要求1-3任一项所述的复合金属带材，其特征在于，所述焊接层的表面与所述铝基材的表面相平。
6.根据权利要求5所述的复合金属带材，其特征在于，所述焊接层和过渡层的厚度之和为所述铝基材厚度的广95%。
7.根据权利要求1所述的复合金属带材，其特征在于，所述焊接层的原材料为纯度不小于99.80%的镍。
8.根据权利要求1所述的复合金属带材，其特征在于，所述铜层原材料为纯度不小于99.90%的铜；或者，所述铜-镍复合金属层中，铜层的原材料为纯度不小于99.90%的铜，镍层的原材料为纯度不小于99.80%的镍。
9.一种铝基镶嵌复合金属带材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、在铝基材表面的凹槽内，先后压入铜带与镍带，或先后压入铜-镍复合金属带与镍带，或压入镍-铜复合金属带，或压入镍-铜-镍复合金属带，然后轧制复合成铝基镶嵌复合金属带材； 52、对所述复合金属带材进行光亮退火、轧制及剪切工序，得到复合金属带材。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，包括两次光亮退火和退火后的轧制，所述光亮退火在还原气氛或惰性气氛下进行，退火温度为280?630°C ；所述铝基镶嵌复合金属带材在两次退火间进行的轧制中的变形率在509Γ90%之间。
【文档编号】H01B1/02GK104183295SQ201310191638
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年5月22日 优先权日:2013年5月22日
【发明者】徐卓辉, 沈翠珊 申请人:徐卓辉, 沈翠珊