CN110890509A - 用于将电池薄膜堆叠的各个膜状的薄膜连接起来的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过材料锁合的接合借助于激光辐射源将电池薄膜堆叠的各个膜状的单个薄膜连接起来的方法。执行至少以下方法步骤：a）用所述激光辐射源通过短的或超短的激光脉冲（50）在所述电池薄膜堆叠（10）中产生通道，b）其中使膜状的单个薄膜的被去除的材料部分地蒸发并且部分地在所述通道的通道底部中形成熔池，c）通过超短的激光脉冲在所述熔池中引起压力提高并且通过蒸汽形成将熔体沿着朝通道入口的方向的输送方向从所述熔池中排出并且d）在通道壁上产生薄的、连续的由熔体构成的接触层，以用于将膜状的单个薄膜彼此材料锁合地连接起来。

Description

用于将电池薄膜堆叠的各个膜状的薄膜连接起来的方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过材料锁合的接合借助于激光辐射源将电池薄膜堆叠的各个膜状的薄膜连接起来的方法并且涉及用于制造电池薄膜堆叠的方法的使用。

背景技术

在电池技术的领域内，将在电池单池中所堆叠的电极-在此典型地总共涉及各30到70个阳极和阴极-通过合适地成形的元件（被称为旗凸（Fähnchen）或者旗状物（Flags））与导电体连接起来。各个旗凸具有6μm到20μm 的典型的厚度，导电体具有处于300μm与800μm之间的厚度。有待接触的、由旗凸和导电体构成的总堆叠具有0.5mm到2mm的厚度。就阴极而言，旗凸和导电体通常由铝构成，或者就阳极而言，旗凸和导电体由铜构成；根据电池设计，也能够考虑其他材料、像比如镍或锂。对连接的中心要求是电接触以及在制造期间和运行期间相对于作用于各个薄膜的机械力的稳定性（Beständigkeit）。对接合过程的要求尤其是接合点的小的位置需求、可以约为3s的有限的过程持续时间、用于将接合配合件夹紧的低开销以及低的预处理和后处理开销。

从先前电池生产的现有技术来看，已知通过超声波方法将接合配合件的材料锁合地连接起来。但是，在这种情况下，应该设置用于耦合输入超声波的超声震荡单元（Sonotroden）的巨大的结构空间。由于在接合过程期间的机械运动，此外还可能在接合点处出现旗凸的撕裂（Anrissen）。这些旗凸可能在电池的运行期间失灵、尤其是在充电过程的期间大的体积变化的情况下失灵。除此以外，在过程期间会出现碎屑形成（Flitterbildung）。

相对于此，激光接合方法的突出之处是无接触地供给用于进行形状锁合的接合的能量。仅仅为了进行夹紧和定向，力已作用于部件。

在借助于激光使电池薄膜堆叠的单个薄膜接合时，可以考虑多种方法替代方案。

对于电池薄膜堆叠的搭接接头来说，多个单个薄膜上下搭接。在激光接合的第一种实施变型方案中，总堆叠的接触垂直于旗凸的表面来进行。

作为替代方案，能够设置用于电池薄膜堆叠的搭接接头，对于所述搭接接头来说同时完成对于薄膜的切断。在这里也谈及“切割接触”。电池薄膜堆叠的接触垂直于旗凸的表面来进行。所述过程执行如此进行，从而将旗凸切断并且在切割边缘处与其接触。

激光接合方法的另一种实施变型方案是单个薄膜的搭接接头；在此使旗凸先后连续地垂直于薄膜表面单独地与分别处于其下面的旗凸相接触，直至完全与整个电池薄膜堆叠相接触。后果是相应高的、用于引导激光束源的开销。

此外，能够对电池薄膜堆叠进行端面的接触。在此，垂直于旗凸在端面上材料锁合地使电池薄膜堆叠接合。在接触之前，必须在垂直于旗凸表面的一侧上将电池薄膜堆叠分开，以用于产生平坦地伸展的端面。

在激光方法的首先提到的替代方案中产生相对于旗凸的厚度很大的熔池，其倾斜于不稳定性，这又可能导致不均匀的焊缝。此外，观察到各个旗凸从接缝上撕裂。在激光方法的第二种实施变型方案中，由于较小的熔池尺寸而出现旗凸在导电体上的接触不充分。除此以外，第二种方法随之带来对于设计自由度的明显的限制，因为旗凸和导电体分别齐平地切割。

在第三种提到的方法中，熔池的尺寸明显降低。然而，多阶段的过程（对于具有69个阳极和68个阴极的常见的薄膜堆叠来说超过130个焊接过程）要求堆叠单元的非常复杂的设计。

最后，在所述方法的最后提到的、也就是第四种实施变型方案中由于能接触的端面的制造而需要非常复杂的预处理，以用于产生齐平的堆叠边缘。在这方面，假设过程持续时间为几分钟。

US 2010/247992 A1涉及一种二次电池和一种用于制造密封的二次电池的方法。US 2004/127952 A1涉及一种用于制造电池堆叠的方法。电池堆叠包含多个交替的阳极层和阴极层，所述阳极层和阴极层分别通过隔板来彼此分开。这些以交替的次序布置的电极层在堆叠的情况下定向并且中间连接，以用于在没有浪费结构空间的情况下将最大的电极面安置在最小的体积中。

发明内容

根据本发明，提出一种用于通过材料锁合的接合借助于激光辐射源用至少以下方法步骤来将电池薄膜堆叠的各个膜状的薄膜连接起来的方法：

a）用所述激光辐射源通过短的（10^-9s到10^-7s）超短的（10^-13s到10^-11s）激光脉冲在所述电池薄膜堆叠中产生通道，

b）其中使膜状的单个薄膜的被去除的材料部分地蒸发并且部分地在所述通道的通道底部中形成熔池，

c）通过激光脉冲在所述熔池中引起压力提高并且通过蒸汽形成将熔体沿着朝通道入口的方向的输送方向从所述熔池中排出并且

d）在通道壁上产生薄的、连续的由熔体构成的接触层，以用于将膜状的单个薄膜彼此材料锁合地连接起来。

进一步根据本发明提出的解决方案，短激光脉冲的脉冲持续时间在10^-9s与10^-7s之间。尤其也能够如此调节激光辐射源的激光脉冲的脉冲持续时间，使得激光脉冲的脉冲持续时间在10^-13s到10^-11s之间（超短）。

当在电池单池堆叠中产生通道时，将该通道在接触区域中与导电体材料锁合地连接起来。因此，在按本发明提出的方法中，不仅将膜状的单个薄膜彼此连接起来，而且除此以外将处于电池薄膜堆叠中的导电体与所述单个薄膜连接起来。

在电池薄膜堆叠中产生的通道连续地通过彼此先后相随的激光脉冲来产生。此后，通道的通道底部越来越深地侵蚀电池薄膜堆叠，在此始终产生一个新的、与穿透深度相对应的较深的熔池，由于压力升高通过蒸汽产生熔融颗粒被从所述熔池中甩出并且以连续的薄层的形式积聚在通道壁上。根据激光辐射源的超短的激光脉冲的脉冲持续时间，通道一直侵蚀到布置在电池薄膜堆叠的下侧面上的导电体。因此，多次执行方法步骤a）至d），只要直至通道底部与导电体形成接触区域并且在那里与之构成材料锁合的连接。

在按本发明提出的方法中，能够为了对所述方法进行调整而改变以下所列出的参数中的一个或多个参数：

-激光脉冲的脉冲持续时间，

-激光脉冲的脉冲频率，

-每个激光脉冲的脉冲能量，

-焦点位置以及

-光斑尺寸。

在按本发明提出的方法的一种有利的实施变型方案中，能够在电池薄膜堆叠上以处于最上面的膜状的单个薄膜为出发点同时产生多条并排的通道。所述通道能够以图案或矩阵的形式来布置、比如以彼此并排地或者彼此上下地产生的行和/或列的形式来布置。

最后，本发明涉及所述方法的使用，以用于使膜状的单个薄膜彼此材料锁合地接触并且与电池薄膜堆叠的导电体接触。

按本发明提出的方法的突出之处尤其在于，构成熔池的相对小的体积，所述熔池积聚在通道的通道壁上并且紧接在加工之后凝固并且在单个的上下叠放地布置在电池薄膜堆叠中的膜状的单个薄膜之间形成薄的、连续的接触层。由于局部非常有限的加工区，整个部件的功率输入和加热非常低。由于在脉冲持续时间、脉冲频率、脉冲能量、焦点位置和光斑尺寸方面的工艺参数的变化，而在所述方法的设计中产生较大的自由度。因此，存在能调节的能量输入连同对熔体产生以及对通道的直径及能实现的深度的直接影响。除此以外，通过对于所述参数的调节，所述方法能够灵活地与电池薄膜堆叠的新设计相匹配。

在按本发明提出的方法中，尤其也能够考虑实现10^-9s至10^-7s的脉冲持续时间的成本低廉的短脉冲激光器。

按本发明提出的方法如此在设计自由度方面具有优点，从而通过引入多条彼此并排地安置的通道能够以小的增量不仅调节机械接触的效率而且调节电接触的效率。

与大面积的接触相比，较高数目的小的接触的另一个优点是相对于方法不均匀性的稳健性。由于激光接合方法的复杂性，而在焊缝中出现统计上分布的缺陷、比如出现孔隙形成。对于单个接缝来说，此类缺陷可能导致次品（Ausschuss）或现场故障（Feldausfälle）。然而，对于大量小焊缝来说，能够以合适的设计来容许一定数目的有缺陷的接缝。

按本发明提出的方法提供了用于进行大批量生产、也就是用于使对于膜状的单个薄膜的激光焊接工业化的可行方案，所述可行方案避开了超声波方法的不足。通过按本发明提出的解决方案提供了一种用于进行超声波接合的替代过程，其能够产生明显更加坚固的材料锁合的连接。

附图说明

下面借助于附图对本发明进行详细描述。

图1.1到1.4示出了电池薄膜堆叠（Batteriefolienstapels）的单个薄膜的激光接触方法的不同的变型方案，

图2示出了通过短脉冲或超短脉冲激光器在由膜形的单个薄膜和导电体构成的电池薄膜堆叠上进行钻孔接触的原理草图，并且

图3示出了通道的从电池薄膜堆叠的上侧面看的布置情况。

具体实施方式

下面要借助于图1.1至1.4的图序来简短描述，迄今哪些用于在电池薄膜堆叠10中产生材料锁合的连接的激光接触方法进行了试验。

图1.1示出了包括多个单个薄膜的电池薄膜堆叠10。通过激光辐射源12，在按照图1.1的搭接布置结构14中垂直于表面使电池薄膜堆叠10的单个薄膜相接触。在激光接触方法的在图1.2中所示出的变型方案中，在电池薄膜堆叠10的内部同样上下搭接地（überlappend）接纳了单个薄膜。在这里对单个薄膜进行切割16，也谈及“切割接触”。按照图1.2的电池薄膜堆叠10的单个薄膜的接触垂直于表面来进行。所述过程控制（Prozessführung）如此进行，从而进行切割并且在切割边缘处设定（gesetzt）接触。

图1.3示出了激光接触方法的一种变型方案，据此使单个薄膜先后垂直于其表面单独地与分别处于其下面的单个薄膜如此接触，直至整个电池薄膜堆叠10完全接触。激光辐射源12的移动路径通过箭头18勾画出来并且示出了电池薄膜堆叠10的单个薄膜彼此的按顺序的接触。

图1.4示出了激光接触方法的另一种实施变型方案。根据图1.4使电池薄膜堆叠10进行端面的接触。为此，对电池薄膜堆叠10进行垂直切割20。通过垂直切割20产生端面，在该端面上进行端面的接触22。为此，必须使激光辐射源12回转大约90°。此外，需要工整的切割，从而通过垂直切割20产生均匀的光滑的端面，所述端面尤其满足对平整度的高要求。

按照图1.1的激光接触方法的缺点是形成较大的熔池，这倾向于不稳定性，所述不稳定性可能导致不均匀的接合缝。此外，可能从接合缝处出现各个单个薄膜的撕裂。

在图1.2所示出的激光接触方法中，由于较低的熔池深度在同时大的熔池表面中可能出现与导电体的接触不足。此外，在按照图1.2的方法中，存在对设计自由度的限制。

在图1.3所示出的方法中，尽管熔池的尺寸明显减小，但是多阶段的过程需要大量的接合过程，这些接合过程非常麻烦并且延长了过程持续时间。在图1.4所示出的激光接触方法中需要麻烦的预处理，以用于产生齐平的堆叠边缘。这导致过长的过程持续时间，所述过长的过程持续时间在极端情况下可能不再是能接受的几分钟。

图2示出了各个膜状的单个薄膜30和导电体46彼此间在电池薄膜堆叠10之内的激光接触。

如可以从图2中得知的一样，激光辐射源12布置在电池薄膜堆叠10的上方。在此涉及一种激光器，它产生处于10^-9s和10^-7s之间的脉冲持续时间的激光脉冲50或者具有处于10^-13s和10^-11s之间的脉冲持续时间的超短激光脉冲50。如果这样的激光脉冲50冲击到电池薄膜堆叠10的、包括多个上下层状的膜状的单个薄膜30和导电体46的上侧面上，那就在所述电池薄膜堆叠中从通道入口58开始产生通道32。在使用短的和超短的激光脉冲50时，通道32通常逐渐地通过多个激光脉冲50的序列来产生，对于所述激光脉冲来说一部分被照射的材料相应地在通道壁36处并且特别是在通道底部34处转变为熔融（schmelzflüssig）相并且一部分材料几乎直接蒸发。通过间隙地先后执行多个激光脉冲50，将通道32的深度朝导电体（Ableiter）46的方向推进。在分别在当前的通道底部34上构成的熔池40中，压力由于具有超短脉冲持续时间的激光脉冲50的序列而增加。由此在熔池40中在通道底部34处形成蒸汽42。通过蒸汽形成42，又沿着输送方向60、也就是朝通道入口58的方向将熔体（Schmelze）排出（Austrag）44。由于蒸汽形成42和熔体的向上的输送方向60，所述熔体在通道32的通道壁36上凝固。根据通道32的向上、也就是沿着输送方向60延伸的漏斗状的扩张（Aufweitung），形成薄的连续的、由熔体构成的接触层，这通过附图标记52勾画出来，这对应于通道32的通道壁36的倾斜或拱曲38。通过薄的、连续地构成的由熔体构成的接触层52，将膜状的单个薄膜30的各个端部彼此材料锁合地连接起来。此外，在通道底部34上-在那里在按照图2的图示中存在着熔池40-，在一方面熔池40的熔体与按照图2中的图示布置在电池薄膜堆叠10的下侧面上的导电体46的表面之间构成接触区域54。接触区域在一方面导电体46的表面56与熔池40或者薄的连续的接触层52之间在按照图2的图示中用附图标记54来表示。

由于通道32的连续的加深，这通过激光脉冲50的彼此先后相随的序列来进行，熔池40越来越深地朝通道底部34的方向移动。由于熔池40具有相当小的体积，因此对电池薄膜堆叠10进行的局部加热非常有限。熔池40的体积小还有另一个原因，即：由于熔池40中的压力提高和随之出现的蒸汽形成42而根据激光脉冲50的数目将熔体从熔池朝通道入口58的方向输送，并且熔体沿着通道壁36凝固并且构成薄的连续的接触层52。进行构造，直至达到了电池薄膜堆叠10和导电体46的高度48。

从按照图3的图示中可以得知在电池薄膜堆叠10的上侧面上构成的通道的布置。

从图3中可以得知处于最上面的膜状的单个薄膜72。在该单个薄膜上存在着由接合点64构成的矩阵62。与通道32相对应的各个接合点64从处于最上面的膜状的单个薄膜72开始延伸到图样平面中、也就是朝处于下面的膜状的单个薄膜30一直延伸到导电体46，由所述单个薄膜和导电体构成所述电池薄膜堆叠10。

如可以从图3中得知一样，各个接合点64通过水平间隔70（行）和垂直间隔71（列）来彼此隔开。由接合点64构成的矩阵62包括多个接合点64，所述接合点能够以行66的形式或者以列68的形式彼此并排地或彼此上下地来布置。

根据本发明提出的方法的突出之处在于熔池40内的体积相对小。其体积沿着通道32的通道壁36连续地分布，所述通道连续地通过电池薄膜堆叠10的膜状的单个薄膜中的激光脉冲50的序列来构成，直至到达导电体46。整个部件、也就是电池薄膜堆叠10的功率输入和加热由于局部非常有限的处理区域而比较小。由于诸如激光脉冲50的脉冲持续时间、激光脉冲50的脉冲频率、脉冲能量、焦点位置和光斑尺寸的参数的变化而在工艺设计中存在着较大的自由度。因此，特别是能量输入能够调节，这引起对熔体产生以及通道32的直径及能实现的深度的直接影响。在根据本发明提出的方法中，如在按照图3的图示中所勾画的一样通过引入多条并排安置的通道32，在设计自由度方面存在着巨大的优点。由此，能够以小的增量不仅调节机械接触的效率（Leistungsfähigkeit）而且调节电接触的效率。也能够取代接合点64的在图3中示范性示出的矩阵62而产生其他几何形状和图案。

本发明并不局限于在这里所描述的实施例和在其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求所说明的范围之内能够实现大量的、处于本领域技术人员的处事范围之内的改动方案。

Claims (11)

1.方法，用于通过材料锁合的接合借助于激光辐射源（12）将电池薄膜堆叠（10）的各个膜状的单个薄膜连接起来（30），所述方法具有至少以下方法步骤：

a）用所述激光辐射源（12）通过短的或超短的激光脉冲（50）在所述电池薄膜堆叠（10）中产生通道（32），

b）其中使膜状的单个薄膜（30）的被去除的材料部分地蒸发并且部分地在所述通道（32）的通道底部（34）中形成熔池（40），

c）通过激光脉冲（50）在所述熔池（40）中引起压力提高并且通过蒸汽形成（42）将熔体沿着朝通道入口（58）的方向的输送方向（60）从所述熔池（40）中排出（44）并且

d）在通道壁（36）上产生薄的、连续的由熔体构成的接触层（52），以用于将膜状的单个薄膜（30）彼此材料锁合地连接起来。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短的激光脉冲（50）的脉冲持续时间在10^-9s和10^-7s之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超短的激光脉冲（50）的脉冲持续时间在10^-13s和10^-11s之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电池薄膜堆叠（10）中产生通道（32）时使所述通道与所述导电体（46）在接触区域（54）之内材料锁合地接合起来。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据方法步骤a）通过多个激光脉冲（50）逐渐地在所述电池薄膜堆叠（10）中产生通道（32）。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多次执行所述方法步骤a）至d），只要直至所述通道底部（34）形成与所述导电体（46）的接触区域（54）。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了对所述方法进行调整而改变以下工艺参数中的一个或多个：

-激光脉冲（50）的脉冲持续时间，

-激光脉冲（50）的脉冲频率，

-每个激光脉冲（50）的脉冲能量，

-焦点位置以及

-光斑尺寸。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电池薄膜堆叠（10）上以处于最上面的膜状的单个薄膜（72）为出发点产生多条并排的通道（32）。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通道（32）以行（66）或列（68）的形式彼此并排地或者彼此上下地产生。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通道（32）以结构空间优化的形式来布置。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的方法的使用，以用于使膜状的单个薄膜（30）彼此材料锁合地接触并且与电池薄膜堆叠（10）的导电体（46）接触。

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