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CN101916876B - 对高功率电化电池内连接外部施加激光焊接的方法和设计 - Google Patents

对高功率电化电池内连接外部施加激光焊接的方法和设计 Download PDF

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CN101916876B CN200910258463.7A CN200910258463A CN101916876B CN 101916876 B CN101916876 B CN 101916876B CN 200910258463 A CN200910258463 A CN 200910258463A CN 101916876 B CN101916876 B CN 101916876B
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Abstract

本发明提供了一种对高功率电化电池内连接外部施加激光焊接的方法和设计。所述电化电池包括在组装到电池金属罐中后由外部源焊接的多个构件。电池金属罐容纳电极接片和芯插件。端帽插件与芯插件相对地设置。将诸如激光束的外部焊接源施加到端帽插件，使得端帽插件、电极接片和芯插件通过从端帽插件延伸到芯插件的焊缝而电连接。提供的帽设计比现有技术占用的空间更小，因此在体积和重量方面更加高效。因此，更多量的活性物质可装入电化电池中。

Description

对高功率电化电池内连接外部施加激光焊接的方法和设计
技术领域
符合本发明的实施例涉及电化电池，更具体地涉及由激光焊接提供的内部构件之间的高强度、低阻抗的电接触。 
背景技术
在例如蓄电池的电化电池中，电流从蓄电池电极箔被载送至位于中心的端子。电极箔可与中心端子直接连接，或通过集流接片(tab)与中心端子连接。在某些传统能量输送装置中，在与中心端子连接处箔或接片的平面朝向很大程度上与电池纵轴一致。采用这样的连接，需要电池中有相当大的垂直空间。 
已知的采用超声、电阻或其它的焊接方法来接合(join)电极接片的方案要求内部蓄电池构件(例如，接片)可以接触到焊砧、电极和激光束等。题为“CapAssembly For a High Current Capacity Energy Delivery Device(用于高电流容量能量输送装置的盖组件)”的美国专利申请No.12/135708中公开了现有接合技术的例子，该申请通过引用并入于此。 
图1示出了市售的现有技术设计的锂离子蓄电池10。蓄电池10包括端子端(terminal end)20和非端子端(non-terminal end)30。图2中示出了移开了端子端20的蓄电池10。提供延伸接片40来将端子帽20电连接到蓄电池10的内部工作部分。更具体地，延伸接片40用作负端子50与位于垫圈70之下的负集流极接片60之间的通道。虽然延伸接片在该配置中是必需的，但它占去了电池的体积，否则可以用来提供更大的电池容量。正端子80电连接到电池10，其保持正电势。采用径向焊接将电极接片60连接到芯插件90，产生焊接痕94。 
发明内容
本发明示例性实施方式提供一种用于电化电池的端帽插件，该端帽插件特别设计为允许激光能量透过到至少一个电极接片。该帽插件设计还实现限制圆形焊接路径以确保下面的电极接片之间无间隔地完全叠置的功能。在不存在内 部间隙的情况下，激光产生的锁孔所形成的所有焊渣(spatter)被直接导出到电池外，因此减小了焊接电池内部构件时与自由金属颗粒相关的风险。 
根据一示例方面，提供了一种电化电池，该电化电池具有金属罐(canister)、置于金属罐中的芯插件、以及具有背对芯插件的外表面的端帽插件。至少一个电极接片置于端帽插件和芯插件之间。该端帽插件、至少一个电极接片、以及芯插件通过外部激光束提供的焊缝实现电连接。该焊缝引起从端帽插件的外表面延伸至芯插件的被焊接构件的物理变形。 
根据发明的另一个方面，提供了一种外部连接电化电池的内部构件的方法。该方法包括：提供电池金属罐；将至少一个电极接片置于所述金属罐内；向金属罐内插入芯插件；与芯插件相对地放置端帽插件；以及对该端帽插件施加外部激光束，其中所述端帽插件、至少一个电极接片以及芯插件通过从端帽插件延伸到芯插件的焊缝实现电连接。 
在任一前述实施方式中，端帽插件为电池的阴极电势与阳极电势之一。焊缝沿电化电池的纵向延伸，起始于端帽插件的凹陷中空区域。焊缝穿透端帽插件和至少一个电极接片。 
在任一前述实施方式中，焊缝完全包含于端帽插件、至少一个电极接片和芯插件中。 
在任一前述实施方式中，焊缝不穿过端帽插件、至少一个电极接片和芯插件之间的任何内部间隙。 
在任一前述实施方式中，端帽围绕端帽插件，并且通过缝焊与金属罐相连。 
在任一前述实施方式中，端帽与金属罐具有不同的电势。端帽插件可为正电势并含有铝。端帽插件可为负电势，并由选自包括铁、钢、镀镍钢、镍、不锈钢、铜以及铜合金的组的一种材料制成。 
在任一前述实施方式中，在端帽插件周围设置有铆钉。端帽插件可以形成负极端子的一部分，铆钉可包括镀镍钢。在进一步的实施方式中，铆钉和芯插件被设置为单个整体部件或构件的形式。 
在任一前述实施方式中，焊缝为锁孔焊缝。该焊缝可能形成如下圆形路径，其大约为至少一个电极接片宽度的一半，以使得到的焊缝完全限于包括端帽插件、至少一个电极接片和芯插件的材料的实体堆叠(solid stack)内。 
在任一前述实施方式中，端帽插件为杯状，外部激光束在端帽插件的中空 部中沿圆形路径移动。 
在任一前述实施方式中，端帽插件涂覆有无孔、粘性聚合物的涂层。 
本发明示例性实施例提供了一种帽设计，其较之现有技术占用的空间更小，从而在体积和重量方面更加高效。因此，更多量的活性物质可装入电化电池中。应当理解，上述多个特征可彼此结合地实施。 
附图说明
根据以下结合附图的详细说明，将更加全面地理解和领会本发明的示例性实施例，在附图中： 
图1为传统的电化电池设计； 
图2为传统的移开了端子端后的电化电池；
图3A为对电极接片采用外部激光焊接的蓄电池设计的截面图； 
图3B为采用密封帽的蓄电池设计的截面图； 
图4为提供通过接片叠层并进入芯插件的焊缝的外部激光束焊点熔核的截面图； 
图5A为根据本发明一个方面的具有插件的阴极帽的示意图； 
图5B为根据本发明一个方面的阳极帽的示意图； 
图5C为根据本发明一个方面的具有插件的阴极帽的截面图； 
图6为根据本发明一个方面的非整合的阴极端帽/插件设计的截面图； 
图7为根据本发明一个方面的整合的阴极端帽/插件设计的截面图；以及 
图8为根据本发明一个方面的与端帽一体形成的金属罐的截面图。 
具体实施方式
符合本发明的实施例采用外部激光能量将帽构件连接到蓄电池的内部构件。可以采用锁孔焊接，其中高功率激光束在要焊接的部分上形成蒸汽孔穴，然后用液态金属填充该孔穴。还可采用除激光焊以外的其他焊接方法来实现外部焊接。可行的焊接方法可包括电子束焊、等离子弧焊或电阻焊。锡焊(solder)或铜焊(braze)技术也可用于接合多个部件。 
图3A为根据本发明实施例的蓄电池的截面图，其例示了在示例性高功率锂离子蓄电池100中的包括端帽插件120、电极接片130和果冻卷(jellyroll)状 芯插件140的焊接构件。这些构件通过将端帽组装到容纳圆形果冻卷状芯插件140的罐上而彼此可连通地接合，使得端帽插件120、电极接片130和果冻卷状芯插件140在施加焊接之前置于其组装位置。在一个示例性实施例中，果冻卷为圆柱形状。 
外部产生的激光能量110被引导到帽插件120的表面处，然后穿透端帽插件120，并通过形成激光接合柱或焊点熔核150将端帽插件120焊接到下部的接片130和支撑芯插件140上并。在一个实施例中，例如约4mm的焊接直径有助于确保焊接完全穿透例如8mm宽电极接片130的全部接片层，由此很大程度地减少或完全消除了电池内部焊渣的风险。因此，将激光能量110穿透芯插件140的任何部分并毁坏果冻卷的风险最小化。应将激光路径的直径设置为使其不会包围电极之间的间隙或间隔。端帽插件120的表面的厚度允许激光有效透过。在一个示例性实施例中，经受激光的帽插件120的部分的厚度约为0.5mm。 
也可采用直径减小的芯插件140，其潜在地消除了反折最里面的两个接片130的需要。端帽插件120通过铆钉121牢固地安装到蓄电池110，其被设计为将外部施加的激光110必须穿过的材料量降到最小以有效地将所有电极接片130组合在一起，并且减少周围构件过多的热量，否则该热量可能会对蓄电池的操作产生不利影响。帽插件120的杯状设计限制了锁孔焊的路径，并将焊渣保持在电池外部，从而通过消除了产生小的自由飘浮的金属颗粒和电化电池内的熔融材料的可能性，由此提供了优于对内部构件进行内焊接的优势。 
某些材料电化学适合于锂离子蓄电池的正电极电势处，某些材料电化学适合于锂离子蓄电池的负电极电势处。在一些实施例中，在一个电势处适合的材料在蓄电池的相反电势处不会适合。电池正电势部分的示例性材料为铝和铝合金。这些材料具有能利用常见激光技术焊接的附加优点。 
用于锂离子电池的负电势处的构件的材料示例包括铁、钢、镀镍钢、镍、不锈钢以及铜或铜合金(如，黄铜和青铜)。在本发明实施例中，端帽插件120由高纯度镍(Ni 200或Ni 201)构成，其可容易地与铜焊接在一起，其中铜是构成接片130的示例性材料。铜常用作锂离子电池中的负极接片材料。铜的电阻率显著地低于镍。铜还比镍利于实现更大的体积和重量能量密度。铜的一个缺点是，当通过熔融焊与钢接合时，在焊缝中趋于形成裂纹，使得这种焊缝的 密封性能不可靠。然而，镍可容易地通过激光焊与铜焊接在一起，并且是构成帽插件的示例性材料。镍还可以容易地与镀镍钢焊接合在一起，镀镍钢是电池负端子的铆钉构件的示例性材料。当端帽插件由易受大气腐蚀的材料制成时，例如当采用钢或者镀镍钢作为端帽插件材料时，可以采用无孔粘性聚合物涂层(如，环氧或丙烯酸)来保护其不受环境腐蚀。 
图3B为另选蓄电池的截面图，其例示了图3A中的被焊接构件，包括通过焊点熔核150而连接在一起的端帽插件120、电极接片130和果冻卷状芯插件140，从而提供了高功率锂离子蓄电池100。根据一个示例性实施例，端帽插件120容纳有位于该端帽插件120的通气孔170之上的密封杯160。通气孔170延伸通过端帽插件120的底部。密封杯160可通过例如绕杯160的上部边沿提供焊缝162而与端帽插件120相连接。 
通常由熔核或其它类型的焊缝150提供的圆形焊接在电池100的内部区域与外部区域之间形成了气密密封。焊缝150也为连接在一起的构件提供了结构上的稳定性，进而提供的构件之间的电连接。在一定环境下，如果发生裂纹或瑕疵，焊点熔核150可能损害气密密封。本实施例的一个示例方面提供通气孔170来与焊缝150提供的密封相对。同时，焊缝150可形成为小于360度的圆，例如通过延伸该焊缝仅约350度左右。延伸焊缝达350度或少于360度仍然可以提供连接构件之间的结构整体性和电连接性，但不能保证完全的气密密封。相反，端帽插件120被密封杯160气密密封。插入密封杯160后，可进行渗漏测试。渗漏测试可按照任何合适的方式进行，包括通过将氮气或氦气注入到电池中来加压，并监测逸出的气体，如本领域技术人员所知。 
通过不依赖焊缝150来提供气密密封，测试可以确定密封杯160独自是否足以提供气密密封。这样就消除了在渗漏测试确定不存在渗漏以及代替杯160而由焊缝150暂时提供密封的环境中，对持久的气密密封的存在的假性信任。如果杯160从开始就出现故障，但电池仍然通过了渗漏测试，则可能存在这样一种情况，即焊缝150然后劣化或者以其他方式产生消除或降低气密密封的瑕疵。由于焊缝150比密封杯160更容易在一定时间之后产生瑕疵，所以这种情况引起关注。如果从开始就已知，气密密封适当地由密封杯160而不是焊缝150提供，那么可以更确信电池随时间保持气密密封的能力。 
参见图4，示出了外部施加的激光焊点熔核的截面图。外部激光束能量110 被引导通过端帽插件120，以将电极接片130焊接到果冻卷状芯插件140。被焊接材料以圆形的方式从端帽插件120的内表面延伸到果冻卷状芯插件140。该焊点熔核的实施例显示了典型的锁孔激光焊的形状。可以采用其他形式的焊接，如传导焊。传导焊对材料的侵入性更小，但可允许更多的热传导到周围元件。锁孔焊比传导焊更集中，通常在短时间脉冲串内使用更高的峰值功率。焊接沿着端帽插件120的内部以圆形运动进行。 
图5A例示了另选实施例，其包括具有一体构造的端帽插件310A的阴极端子端帽300A。在该示例性实施例中，电池的一个或两个端子可与电池罐(未示出)电绝缘。图5B示出了帽300A的底部300B，并且包括组装时压靠电极的突起310B。图5C为例示端帽插件310A、通气孔420和注入孔440的截面图。图5A-5C的实施例允许外部施加的激光焊接从端帽插件310A的朝向外的底面延伸穿过突起310B直至果冻卷状芯插件140，如上所述。 
参见图6，示出了具有另选端帽插件410的帽组件400。按照上述方式，外部激光能量被引导到端帽插件410的朝向外的内表面422，以将下方的电极接片连接到芯插件上。端帽插件410中设置有通气孔420，以释放蓄电池内形成的压力。铆钉460置于端帽插件410周围，并连接到端帽插件410，从而提供与外部设备的电接触。铆钉460可由适于电化电池的导电导热材料制成。 
垫圈430被设置为将端帽插件410与相邻构件牢固地安装。还提供聚合物衬垫470用于电池的帽与接片之间的密封。可采用其他材料形成密封，如基于玻璃的界面。衬垫470提供液密密封，并提供帽板450和铆钉460之间的电绝缘。提供注入孔440来向电池添加电解液。帽板450围绕着铆钉460，以使帽组件400与电池罐结合在一起。端帽插件410可用作阴极或阳极连接的一部分。 
参见图7，例示了示例性而非限制性的实施例的整合阴极帽杯设计。该设计与图6所示的非整合实施例相似，只是铆钉500和端帽插件510被铸模为一个单一构件。如图所示，可以提供螺线520，用于将电化电池连接到需要能量的设备或其它电池。 
参见图8，示出了另一实施例，包括整合的阴极帽/罐设计，其中端帽插件610作为电池罐600的一部分。除了排除焊接颗粒进入电池的可能性外，该实施例的一个好处是构造电池所需的部件更少。如图8所示，本实施例允许电池的一个端子与电池金属罐600隔离。由于成本和阴极端子用材料的属性，隔离或 非整体端子可能适用于负极端子。例如，如果铝用于整体端子，电池金属罐600结构的大部分将具有更轻的材料。在电池的负电势下材料腐蚀的可能性小。在该实施例中，电池内部构件通过电池开口端置于电池金属罐600中。端帽插件640允许外部激光能量按照圆形方式被引导通过开口640而将电极接片固定在芯插件，如图3中所示。还包括通气孔420和注入孔440，它们与非整合的帽/罐组件以同样的方式工作。 
上述特征可彼此结合地实施，从而提供根据本发明的各种示例性实施例。 
尽管前面描述了本发明的各种实施例，但是本领域普通技术人员将理解多种变化、改动、改进、替代等等都是可能的，特别是在本说明书、附图和从中提出的权利要求的教导下。在任何情况下，由于本发明范围可能比特定实施例宽得多，所以前述具体描述不应被解释为对本发明范围的限定，该范围仅由所附权利要求来限定。 
本申请要求于2008年11月25日提交的、题为“Method and Design forExternally Applied Laser Welding of Internal Connections in a High PowerElectrochemical Cell(对高功率电化电池内连接外部施加激光焊接的方法和设计)”的美国临时申请No.61/117,760的权益，该申请通过引用并入于此。 

Claims (40)

1.一种电化电池，包括： 
金属罐； 
置于金属罐中的芯插件； 
端帽插件，该端帽插件具有背对芯插件的外表面；以及 
置于端帽插件和芯插件之间的多个电极接片； 
其中，端帽插件、所述多个电极接片和芯插件通过金属罐外部的焊接源提供的焊缝而电连接，该焊缝包括端帽插件、所述多个电极接片和芯插件的物理变形，该物理变形从端帽插件的外表面向芯插件延伸。 
2.权利要求1所述的电化电池，其中，所述焊接源为激光束，并且所述物理变形包括已固化的熔融材料。
3.权利要求1所述的电化电池，其中，所述焊缝沿着电化电池的纵向延伸，并始于端帽插件的中空区域。 
4.权利要求1所述的电化电池，其中，所述焊缝沿着电池的纵向穿透端帽插件的凹部和所述多个电极接片的整个厚度。 
5.权利要求1所述的电化电池，其中，所述焊缝完全包含在端帽插件、所述多个电极接片和芯插件中。 
6.权利要求1所述的电化电池，其中，所述焊缝不穿过端帽插件、所述多个电极接片和芯插件之间的任何内部间隙。 
7.权利要求1所述的电化电池，其中，端帽围绕着所述端帽插件，并通过缝焊连接到金属罐。 
8.权利要求7所述的电化电池，其中，所述端帽被设置为处于与金属罐的电势不同的电势下。 
9.权利要求1所述的电化电池，其中，所述端帽插件处于正电势，并包括铝。 
10.权利要求1所述的电化电池，其中，所述端帽插件处于负电势，并由选自铁、钢、镀镍钢、镍、不锈钢、铜和铜合金构成的组中的一种材料制成。 
11.权利要求1所述的电化电池，其中，铆钉绕端帽插件设置。 
12.权利要求11所述的电化电池，其中，端帽插件形成负极端子的一部分， 并且铆钉包括镀镍钢。 
13.权利要求1所述的电化电池，其中，铆钉和芯插件被铸模为单一构件。 
14.权利要求1所述的电化电池，其中，所述焊缝为锁孔焊缝。 
15.权利要求1所述的电化电池，其中，所述焊缝遵循圆形路径，该路径约为构成所述多个电极接片的一部分的电极接片的宽度的一半，使得得到的焊缝完全限于包括端帽插件、所述多个电极接片和芯插件的材料的实体堆叠内。 
16.权利要求1所述的电化电池，其中，端帽插件形状为杯形。 
17.权利要求2所述的电化电池，其中，外部激光束遵循圆形路径，并且端帽插件具有限定该圆形路径的中空部分。 
18.权利要求1所述的电化电池，其中，端帽插件被涂覆以无孔粘性聚合物涂层。 
19.权利要求1所述的电化电池，包括与端帽插件连接的密封杯，从而在端帽插件和电化电池的内部区域之间提供气密密封。 
20.权利要求19所述的电化电池，其中，端帽插件包括延伸穿过外表面的通气孔。 
21.一种外部连接电化电池的内部构件的方法，该方法包括： 
提供电池金属罐； 
将多个电极接片放置在金属罐中； 
将芯插件插入金属罐中； 
与芯插件相对地放置端帽插件，以使得所述多个电极接片位于端帽插件和芯插件之间；以及 
在将端帽插件与芯插件相对地置于金属罐中之后，对端帽插件施加外部焊接源，其中，端帽插件、所述多个电极接片和芯插件通过从端帽插件延伸到芯插件的焊缝而被电连接。 
22.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，所述焊接源为激光束。 
23.权利要求22所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，外部激光束被引导通过端帽插件的中空区域。 
24.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，所述焊缝沿电池的纵向穿透端帽插件的凹部和所述多个电极接片的整个厚度。 
25.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，所述焊缝完全包含在端帽插件、所述多个电极接片和芯插件内。 
26.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，所述焊缝不穿过端帽插件、所述多个电极接片和芯插件之间的任意内部间隙。 
27.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，围绕所述端帽插件设置端帽。 
28.权利要求27所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，所述端帽被设置为处于与金属罐的电势不同的电势下。 
29.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，所述端帽插件处于正电势，并包括铝。 
30.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，所述端帽插件处于负电势，并由选自铁、钢、镀镍钢、镍、不锈钢、铜和铜合金构成的组中的一种材料制成。 
31.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，绕端帽插件设置铆钉。 
32.权利要求31所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，端帽插件形成负极端子的一部分，并且铆钉包括镀镍钢。 
33.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，铆钉和芯插件被铸模为单一构件。 
34.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，所述焊缝为锁孔焊缝。 
35.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，所述焊缝绕圆形路径提供，其约为构成所述多个电极接片的一部分的电极接片的宽度的一半，使得得到的焊缝完全限于包括端帽插件、所述多个电极接片和芯插件的材料的实体堆叠内。 
36.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，端帽插件被设置为杯形。 
37.权利要求22所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，外部激光束遵循圆形路径，并且端帽插件具有限定该圆形路径的中空部分。 
38.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，端帽 插件被涂覆以无孔粘性聚合物涂层。 
39.权利要求21所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，通过向端帽插件中插入密封杯，在端帽插件和电化电池的内部区域之间形成气密密封。 
40.权利要求39所述的外部连接电化电池的内部构件的方法，其中，通过提供穿过端帽插件的外表面的通气孔，形成穿过该端帽插件的泄漏。 
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