用于制造电池单体的方法与流程

1.本发明涉及一种用于制造电池单体，例如用于制造软包单电池的方法，该电池单体具有电极堆垛，该电极堆垛带有多个第一和第二电流导体。本发明还涉及一种用于实施该方法的装置以及一种电池单体。


背景技术：

2.电地或电动地驱动或可驱动的机动车辆，例如电动车辆或混合动力车辆，通常包括电动机，利用该电动机可驱动一个或两个车轴。为了供应电能，电动机通常连接到车辆内部的（高压）电池作为电能存储器。
3.尤其是电化学电池在此和在下文中尤其是指机动车辆的所谓的二次的电池（二次电池）。在这种（二次）车辆电池的情况下，可通过电的（充电）过程恢复使用过的化学能。这种车辆电池例如设计为电化学的蓄电池，特别是锂离子蓄电池。为了产生或提供足够高的工作电压，这种车辆电池通常具有至少一个电池单体模块，其中，多个单独的电池单体模块化地连接。
4.电池单体例如设计为电化学的（薄）膜单电池。薄膜单电池具有分层结构，该结构带有阴极层（阴极）和阳极层（阳极）以及引入它们之间的隔离层（隔离器）。这些组件例如被液体电解质（液体电解质）渗透，该电解质产生这些组成部分的离子传导的连接，或产生电荷均衡。
5.为了生产电池单体，例如将活性材料层或电极材料层覆设到电流导体上。这些电流导体在此通常设计为金属箔，其中，通常为阳极层使用铜箔，且为阴极层使用铝箔。如此覆层的电流导体用作堆叠电极（电极堆垛）。电极堆垛或单电池堆垛的电流导体相互电接触，形成公共阳极和公共阴极，它们在下文中也称为电流汇集器或集电器。
6.各个导体小接片或电流导体的连接通常通过激光焊接或超声波焊接来进行。
7.然而不利的是，在超声波焊接时会发生（机械的）振动，这些振动会导致堆垛的不平衡公差以及（电流）导体箔的变形或形变。因此，例如必须使用用于电极堆垛的夹紧单元，以便防止或至少减少振动。此外，超声波焊接高度依赖于集电器的表面质量。因此，氧化物、水分、污垢或油膜的存在会显著降低焊接连接的质量。
8.激光焊接的缺点是，部分光束被电流导体的金属表面反射，由此降低了效率。为了在激光焊接时熔化材料，因此需要输入高能量。因此，激光焊接是一种比较能源密集的工艺。它熔化了诸如铜和铝—它们是高传导性（导热）的材料—的集电器。因此，在焊接时产生的热量可以传递到活性材料上，并且还会导致在集电器上的具有严重热作用的区域。
9.此外，在激光焊接时，集热器只有一小块面积是用线缝焊接的。集热器的其他区域不焊接。因而由于焊接仅在局部进行，该区域内出现更快的升温，因为在工作中电池电流的所有电子在进入或离开电极时都流经该焊缝区域。
10.此外，集电器的材料在激光焊接过程中熔化，并形成了氧化物颗粒，这导致氧化层，该氧化层不利地降低了焊接连接的导电性。因此，激光焊缝中的电阻通常比集电器材料
（铜或铝）的电阻高许多倍。这意味着，在激光焊缝区域中会出现比较高的（欧姆）功率损耗。
11.由de 10 2014 226 806 b3已知一种用于产生导电连接的方法，其中，接合双方的表面被清洁，并且然后用粘合作用的聚合物涂覆。随后在聚合物层的固化过程期间把被涂覆的接合双方机械地压在一起，其中，由于接合双方的表面不平整，在接合区域中在接合双方之间形成导电的微接触。


技术实现要素：

12.本发明的目的是，提出一种特别合适的用于制造电池单体的方法。特别地，应该能够实现集电器的简单且可靠的接合连接，其优选地具有低电阻。本发明的目的还在于，提出一种特别合适的用于实施该方法的装置以及一种特别合适的电池单体。
13.如果下面描述方法步骤，则该装置的有利设计尤其是由于其被设计用于执行这些方法步骤中的一个或多个而产生。
14.根据本发明的方法被规定用于制造电池单体，以及适用于此并为此而设计。电池单体在此特别是囊、袋或软包单电池。电池单体具有单电池壳体和容纳在单电池壳体中的电极堆垛，该电极堆垛具有多个第一和第二电流导体。
15.电极堆垛具有多个上下堆叠地布置的薄膜单电池，这些薄膜单电池具有阴极层和阳极层以及引入它们之间的隔离层（隔离器）。在这里，例如把活性材料层或电极材料层覆设到电流导体上。这些电流导体例如设计为金属箔，其中，铜箔适合用于阳极层，且铝箔适用于阴极层。此处优选使用高硅基阳极层，以便实现具有尽可能高的功率密度的电池单体，以及另一方面能够实现对电池单体的快速充电。在下文中，第一电流导体尤其是指铝箔，而第二电流导体尤其是指铜箔。
16.根据该方法，第一电流导体无熔化地材料配合地接合成公共阴极，并且第二电流导体无熔化地材料配合地接合成公共阳极，在此特别是接合电流导体的导体接片（电极导体小接片）。“无熔化”或“不熔化”在此尤其是指材料配合的接合，在此，接合双方中的一方或双方没有过渡到熔化阶段。这意味着，在接合过程中尽可能不熔化接合双方。
17.在至少两个相互连接的部分之间的“材料配合”或“材料配合连接”在此并且在下文中特别应理解为，相互连接的部分在它们的接触面上，通过材料组合或交联（例如由于原子的或分子的键合力），必要时在添加剂的作用下而保持在一起。
18.根据本发明，第一和第二电流导体通过固体焊接而接合成阴极和阳极。“固体焊接”或“固体焊接工艺”尤其是指如下接合工艺：其中接合连接通过单独施加压力，或者通过热和压力的组合而产生。如果使用热量，则该工艺中的温度低于待焊接的金属的熔点或熔化温度（热扩散焊接）。此外，没有使用添加材料。
19.根据本发明，集电器通过压力焊或压焊，特别是通过热压焊连接或接合。集电器或阳极和阴极优选在固体焊接过程中被修整到最终尺寸。根据本发明，激光焊接或超声波焊接因此被压力焊接或热压焊接所取代。由此实现了用于制造电池单体的特别合适的方法。
20.通过根据本发明的方法省去了能量密集型的激光焊接，由此减少了输入到电极堆垛中或活性层（阴极层、阳极层）上的热量。集电器的固体焊接导致表面焊接，而不是比如激光焊接中的线缝焊接，因此与激光焊缝相比，可以实现电流导体的（大）面积的接触和连接，由此有利地减少了在电池工作中的欧姆热损失。与超声波焊接相反，在根据本发明的压力
焊接中不发生振动，因此接合工艺或焊接工艺不会对电池单体的尺寸精度产生负面影响。
21.此外，通过各个导体小接片或电流导体的压力焊接或热压焊接，能够实现这些材料的材料配合的连接，而不会夹杂颗粒或空气，由此不会对接合的阴极或阳极的导电性产生不利影响。因此，通过采用压力焊接或热压焊接，增大了流经集电器的电流，由此提高了所生产的电池单体的功率。
22.采用根据本发明的方法，还可以在制造电池单体时省去带有预密封带的附加导体接片。换句话说，为了避免预密封带的热负荷过大，集电器不必与单独的导体接片接合。由此省去了购买件“带有预密封带的导体接片”，由此为节省成本创造了巨大的潜力。通过压力焊接或热压焊接，由各个导体小接片产生一个块，该块可用作导体或集电器。除了节省“导体接片”之外，这还导致电池单体的重量减轻。
23.为了防止电化腐蚀，在压力焊接或热压焊接之后给阳极和/或阴极例如设置保护层。特别地，在固体焊接或压焊之后立即在铜侧，即在阳极侧进行镀锡。换言之，阳极设有锡层作为保护层。替代地，例如也可以想到阳极的镍涂层。
24.通过根据本发明的压力焊接或热压焊接，可以将电极的各个导体小接片焊接成实心块（阴极、阳极）。这意味着，实现的焊接连接具有高机械刚度。压力焊接或热压焊接在此尤其实现了具有特别长的寿命的连接。在此原则上，层数，即上下堆叠地布置的电流导体的数量，对固体焊接没有影响。但是，如果层数较少，由于（接合）压力，在导体小接片或电流导体上可能会产生裂纹。因此在合适的设计中规定，第一和第二电流导体布置成至少十层，特别是超过20层，优选地在30和50层之间。换句话说，至少10个，特别是20个，优选30和50个之间的第一和第二电流导体接合成阴极或阳极。在这些层数的情况下，基本上不存在形成裂纹的风险。
25.压力焊接或热压焊接的工艺取决于材料的表面质量（清洁度）。这意味着，工艺参数或焊接参数（压力、持续时间和温度）取决于接合双方的表面质量。对于干净的表面，焊接工艺需要更少的能量。在有利的设计中，因此规定了电流导体的预清洁，其中，第一和第二电流导体在接触之前或在无熔合的材料配合的接合之前被清洁，以便从表面去除可能存在的污垢，例如油脂。
26.换句话说，电流导体在表面上没有污垢。例如，电流导体的表面通过等离子清洗而没有污垢。在优选的改进中，在固体焊接之前，特别是在超声波浴中，清洁第一和第二电流导体。附加地或替代地，例如可行的是，例如通过刷子对电流导体进行机械清洁。由此确保了在接合区域中尽可能没有污垢。通过干净的表面，提高了接合连接的质量，从而提高了电接触的质量。
27.在有利的设计中，第一和第二电流导体在接合或焊接之前被加热。这意味着，用于固体焊接的电流导体的温度升高。对于第二电流导体的铜阳极，预热进行到例如高达600℃到700℃，其中，对于第一电流导体的铝阴极，预热进行到例如高达300℃到350℃。因此，在压力焊接或热压焊接过程中需要较低的加热功率。预热因此尤其减少了压力焊接或热压焊接的工艺时间。例如，工艺时间从大约20秒减少到大约5秒。在可想到的改进中，第一和第二电流导体例如借助于线圈被感应地（预）加热。替代地，例如可以通过压在电流导体上的压力柱塞来产生预热，其中，该加热通过供电基于电阻加热而引起。为了避免损坏电极的活性涂层，在该方法的一种合适的设计中规定，在接合或焊接过程期间，特别是也在预热过程
中，冷却电极堆垛。为此，规定了电极堆垛与冷却装置、特别是与冷却板的冷却连接，即热耦接。冷却板例如可以在活性材料的整个区域上延伸，其中，具有较小冷却板的设计也是可行的。
28.为了避免形成氧化物，在保护气体或真空下进行预热以及压力焊接或热压焊接。在此特别关键的是，环境中没有氧气，以防止氧化物形成。在该方法的一个合适的设计中，热压焊在氮气气氛中，即在氮环境中进行。
29.根据本发明的装置被设置用于以及适用于并被设计用于执行上述方法。在此，与方法相关的陈述也相应地适用于装置，并且反之亦然。
30.根据本发明，该装置具有壳体和容纳在壳体中的柱塞机构，该柱塞机构分别具有用于热压焊接第一和第二电流导体的上压力柱塞和下压力柱塞。这意味着，对于第一电流导体存在有上和下压力柱塞，且对于第二电流导体存在有上和下压力柱塞，从而这些电流导体可以基本上同时接合成阴极和阳极。由此实现了用于制造电池单体的特别合适的装置。
31.在一种合适的改进中，用于切割阴极和阳极的气动切割柱塞被集成到上压力柱塞中。由此可以在热压焊接期间将集电器修整到所需的最终尺寸。
32.根据本发明的电池单体尤其被设计为软包单电池。该电池单体例如被规定应用在电驱动的或可电驱动的机动车辆的车辆电池中。
33.电池单体具有电极堆垛和容纳电极堆垛的单电池壳体，电极堆垛带有多个第一和第二电流导体。第一电流导体无熔化地材料配合地接合成公共阴极，并且第二电流导体无熔化地材料配合地接合成公共阳极。单电池壳体例如具有两个环绕地材料配合地接合的壳体半部，阴极和阳极至少部分地从这些壳体半部中伸出。在阴极和阳极的区域中，这些壳体半部适当地分别具有预密封带，该预密封带材料配合地与相应的集电器接合。由此实现了特别合适的电池单体。关于方法和/或装置所述的优点和设计也可以有益地转用于电池单体，并且反之亦然。
附图说明
34.下面参照附图更详细地解释本发明的实施例。其中以示意性的且简化的图示示出：图1示出了根据本发明的用于制造电池单体的方法的流程图；图2示出了电池单体；图3示出了该方法的清洁过程；图4示出了该方法的预热过程；图5示出了该方法的用于接触集电器的热压焊接工艺；和图6示出了热压焊接工艺的切断过程。
35.在所有图中，彼此相应的部件和尺寸总是标有相同的标号。
具体实施方式
36.图1以示意性的且简化的流程图示出了根据本发明的用于制造电池单体4（图2）的方法2。在该设计中，以下参照图2至图5描述的方法具有例如九个彼此相继的方法步骤
op1、
…
、op9。用于实施方法2或方法步骤op1、
…
、op9的未详细标出的装置也在下面参考图2至5更详细地说明。
37.电池单体4具有电极堆垛或单电池堆垛6，其带有多个上下堆叠地布置的薄膜单电池，这些薄膜单电池具有阴极层和阳极层以及引入它们之间的隔离层（隔离器）。这里例如将活性材料层或电极材料层分别覆设到电流导体8、10上。电流导体8、10例如被设计为金属箔，其中，铜箔适合用于阳极层，且铝箔适合用于阴极层。电流导体8、10在边缘处作为导体接片或电极导体小接片从电极堆垛6突出。在下文中，电流导体8特别理解为铝箔，并且电流导体10特别理解为铜箔。
38.图3以彼此相继的视图示出了方法2的方法步骤op1。在方法步骤op1中，电流导体8、10通过超声波进行表面清洁。在表面清洁时，氧化物、水分和油性产物从电流导体8、10的表面被去除。
39.为此，该装置具有带有超声波浴14的超声波清洁器12。在超声波浴14中设置了用于高达40khz（千赫）频率的超声波发生器16，其中，超声波浴14填充有液体18。液体18例如是用于氧化物清洁的含有碱性溶剂或添加剂的蒸馏水。在工作中，超声波发生器16产生超声波20，该超声波在浸入式电流导体8、10的区域具有最大振幅。超声波20在液体18中产生快速移动的空化气泡22，这些空化气泡以超声波频率移动，并从电流导体8、10的表面去除污垢和油性物质。液体18的碱性添加剂有助于去除表面上的氧化物。
40.超声波浴14用盖子24盖住。盖子24由橡胶制成，并具有用于引导电流导体8、10的狭槽。在盖子24的区域中，设有带有聚酰胺纤维的清洁辊刷26，用于对电流导体8、10进行机械清洁。清洁辊刷26通过与电流导体8、10接触而移动。
41.电极堆垛6被夹持器28固定在引导板30中，以用于超声清洁。电极堆垛6借助导向板30下降，使得电流导体8穿过开槽的盖子24浸入超声波浴14中，并被空化气泡22和清洁辊刷26清洁。电极堆垛6然后借助夹持器32竖直向上移动，并通过活节34枢转180
°
。然后将电流导体10浸入超声波浴14中并进行清洁。电极堆垛6在此容纳在保护盖36中，从而尽可能没有液体18到达电极堆垛6。最后，电极堆垛6被夹持器38从引导板30取下，并且被引导到方法步骤op2。
42.作为上述方法步骤op1的替代方案，例如可以想到借助等离子体来清洁电流导体8、10。
43.表面一经清洁，就在方法步骤op2中在惰性氮气气氛下通过感应或电阻加热对该表面进行预热（图4）。例如，在电阻加热的情况下，两个可通电的柱塞被压到电流导体8、10上。柱塞在此特别是由石墨、钛或钨制成。
44.在电流导体10的铜阳极的情况下，例如预热至高达600℃。在电流导体8的铝阴极的情况下，预热例如进行至高达300℃。为此，该装置具有作为壳体40的加热室。加热室40在其内部具有气体42。
45.惰性气体42例如设计为氮气，并且在例如15毫巴（毫巴）的过压下被引入加热室40中。为了避免电极堆垛6的不希望的加热，设置了两个冷却板44。这些冷却板44借助夹持器46以箭头所示的夹紧力在两侧被压靠到电极堆垛6上，使得电极堆垛6在预热期间被调温到最高50℃的温度。冷却板44通过水和乙二醇悬浮液进行冷却，其中，调温借助水冷却速率来设定或调控。
46.电流导体8、10分别通过加热装置48预热。加热装置48例如通过感应或通过电（加热）电阻器来加热电流导体8、10。
47.在预加热或预热之后，电流导体8、10在工艺步骤op3中在加热室40内部分别用加热的柱塞机构50、52（图5）加压。柱塞机构50、52各自具有可移动的（压力）柱塞54和固定的柱塞56作为支座。柱塞56支撑在底板58上。无论固定的柱塞还是可移动的柱塞54、56，均由嵌入陶瓷盖或陶瓷夹套中的加热筒60加热。柱塞54、56对于低压例如由石墨制成，且对于高压由碳化物和/或钛制成。
48.柱塞机构50的柱塞54特别地被加热至350℃至600℃之间的温度，例如高达400℃，并且在电流导体8上产生例如4巴至6巴的压力。柱塞机构52的柱塞54特别地被加热到550℃和750℃之间的温度，例如高达700℃，并且在电流导体10产生例如6巴至7巴的压力。
49.在电流导体10的铜侧，温度优选为500℃至700℃，其中，在较低温度下需要较高的压力。柱塞54例如设计为气压缸，其产生焊接所需的力。柱塞54或气压缸需要4巴左右的气压来焊接700℃的铜。在550℃时，需要大约6巴的气压。这意味着，在这个温度范围内，正常的工业气压足以进行压焊。为了焊接电流导体8的铝侧，优选采用400至600℃的温度范围。在400℃时，气压缸中需要大约6巴的气压，其中在600℃时，需要大约4巴的气压。
50.气压缸或柱塞54的气压也取决于气压缸的活塞表面。较大的气压缸活塞需要较少的气压。
51.在工作中，柱塞54的温度总是低于相应电流导体材料的熔化温度。电流导体8借助柱塞机构50、52无熔化地材料配合地接合成公共阴极62，并且电流导体10借助柱塞机构52无熔化地材料配合地接合成公共阳极64。尤其是在此进行压焊，其中，压焊所需的力65使用以下公式计算：集电器表面*初始屈服应力（约50mpa）*系数（5至10）电流导体8、10被适当地加热到使得初始屈服应力大致相同的温度，因此电流导体8、10基本上可以用相同的冲压压力进行压焊。在铜为700
°
，且铝为400
°
的情形下，初始屈服应力约为50mpa。焊接时，有2%左右的厚度变形。焊接所需的力是屈服应力乘以焊接面积乘以修正系数。修正系数通常为3到5，取决于表面光洁度。由于氧化铝难以焊接，铝的焊接温度可提高到600℃。压焊也是在气体42的惰性氮气气氛下进行。在方法步骤op2中，电极堆垛6被冷却板冷却到低于50℃。在压焊期间，集电器62、64被保持在加热的柱塞54、56下方三到五秒长。
52.在压焊时，集电器62、64的材料变形最大为5%。由于剪切变形，剩余的氧化层破裂，在连接金属之间存在原子接触。该材料在此采用固体扩散工艺焊接。重要的是，材料在该焊接过程中不熔化，且因此在集电器62、64中不会形成金属间化合物。
53.在压焊完成之后，所接合的集电器62、64然后也被修整。图5中针对阳极64所示的修整发生在与压焊相同的行程中，其中，集电器尺寸在公差界限内。由于在接合金属的较高温度下进行修整，因此有利地需要较小的切削力。
54.柱塞54在此具有用于分离或修整阳极64的集成的切割柱塞66。切割柱塞66与带有弹性活塞68和弹性缸盖70的气动系统相连，其中弹性缸盖70连同柱塞54支撑在顶压压头72上。柱塞56设计有切割底模74，作为切割柱塞66的支座，该切割底模设有用于分离材料的废料槽76。
55.然后执行可选的方法步骤op4。这里，保护涂层被涂覆到阳极64上作为防腐。可选的方法步骤op4改善了导电性，并实现了阳极64的电化防腐。在修整过程之后，将阳极或铜集电器64浸入熔融的锡浴中。代替锡涂层，例如也可以想到镍涂层。
56.在方法步骤op4之后，电极堆垛4被放置在深拉袋或壳体半部（袋半壳）中。两个预密封带76、78在集电器62、64的区域内安置在设计为深拉袋的壳体半部上。在方法步骤op5中适当地提供预密封带。
57.在方法步骤op6中，例如进行深拉工艺，通过该深拉工艺将铝复合膜深拉入壳体半部中，其中，在方法步骤op7中特别是将所提供的预密封带76、78预固定在壳体半部上。
58.在未详细示出的方法步骤op8中，将电极堆垛6插入配备有预密封带106、108的两个壳体半部之间。然后使这些壳体半部在边缘凸缘的区域内接触，并采用热封方法材料配合地接合或密封成电池壳体80。结果，可以节省通常布置有预密封带的导体片。这意味着，对电导体箔的压力焊接使得使用导体片变得多余。
59.如从图2中可比较清楚地看出，电极堆垛6完全容纳在单电池壳体80中，其中，只有阳极64和阴极62从单电池壳体80中伸出。在这种情况下，电极堆垛6基本上布置在单电池壳体80的一半中，其中，另一半用作自由空间或气囊82，以便作为缓冲容腔容纳在工作中产生的气体。
60.热封工艺通过壳体半部的凸缘的材料配合连接而形成环绕的密封边缘。在预密封带76、78的区域内，在壳体半部和相应的塑料层之间产生材料配合的连接。在方法步骤op9中，预密封带76、78的金属层与金属的阳极64或阴极62材料配合地焊接或连接。
61.焊接特别是通过电磁脉冲焊接（emp焊接）进行。替代地也可以使用外部的移动装置，该移动装置以高速度移动并通过冲击将预密封带78与集电器64焊接。外部装置通过感应的磁场而移动。代替emp焊接，超声波焊接也是可行的。超声波焊接也可以加入聚丙烯。如果使用超声波焊接，则可以避免热封过程。这些壳体半部通过超声波焊接而相互连接，并与预密封带76、78和集电器62、64的塑料层以及金属层连接。重要的是，在超声波焊接后，在振动负荷下检查焊缝强度。
62.方法步骤op8和op9例如是可互换的。换句话说，op8和op9的顺序可以颠倒，且首先进行emp焊接，用于预密封带76、78与集电器62、64的材料配合的连接，且然后实施热密封方法，用于壳体半部的材料配合的连接。
63.在具有液体电解质的电池单体4的情况下，优选在方法步骤op8或op9期间，在单电池壳体80于集电器区域中完全封闭并密封之前，将液体电解质填充到气囊82中。
64.要求保护的发明不限于上述实施例。相反，本领域技术人员也可以在所公开的权利要求书的范围内，在不脱离所要求保护的本发明的主题的情况下，从中推导出本发明的其他变体。特别地，在不脱离所要求保护的发明的主题的情况下，在所公开的权利要求书的范围内，结合各种实施例描述的所有单独特征还可以按其他方式组合。
65.附图标记清单2方法4电池单体6电极堆垛8电流导体（阴极）
10电流导体（阳极）12超声波清洁器14超声波浴16超声波发生器18液体20超声波22空化气泡24盖子26清洁辊刷28夹持器30导向板32夹持器34活节36保护盖38夹持器40加热室42气体44冷却板46夹持器48加热装置50、52柱塞机构54、56柱塞58底板60加热筒62阴极、集电器64阳极、集电器65力66切割柱塞68弹性活塞70弹性缸盖72顶压压头74切割底模76预密封带（阴极）78预密封带（阳极）80单电池壳体82气囊op1
…
op9工艺步骤