專利名稱：電池翼片連接及制造方法
技術領域：
用于車輛應用的高能鋰電池包含使用薄金屬板作為電極基板的電池單元。這些電極板包括從單元袋(pouch)向外延伸并用于將電極板連接至導體或母線的延伸部，即翼片 (tab)，其中所述導體或母線在電池組裝期間由銅金屬或銅合金金屬或鋁金屬或鋁金屬合金制成。在電池構造中通常使用兩類翼片材料鋁和銅。在某些情形下，銅翼片和/或銅導體可涂覆有一薄層鎳，以增強耐腐蝕性。在某些情形下，鋁翼片和/或鋁導體可具有薄陽極氧化層。
背景技術：
由于許多原因，難以將薄翼片材料連接到很厚的導體上。首先，疊裝(stack-up)要求在一個操作中將幾個單獨的金屬件(例如三個單獨的翼片)連接到一個導體上。第二，疊裝可包括已知會形成脆性金屬互化物的金屬組合(例如，銅和鋁)。第三，導體與電池單元翼片之間的厚度比率高，例如，至少約4:1或更高。另外，難以連接不同的材料。超聲波焊接已經(jīng)用于該應用，獲得了一定的成功。它能夠連接不同的材料，并能夠連接具有顯著不同板厚度的材料。然而，因為超聲波能量(含有與板平面平行的振動)無法良好地傳播穿過多個板-板界面，所以連接含有超過兩個板的疊裝非常困難。頂板因為與超聲波工具或超聲焊極直接接觸，所以它良好地聯(lián)接到超聲波能源良好；但是，位于疊裝較下方的板無法接收同樣多的超聲波能量，所以其連接不夠牢固。焊接連接的另一缺點是，其連接無法為了更換或維修而容易地非破壞性地拆開。還使用了機械緊固件。機械緊固件(例如螺釘或夾具)提供了可逆的連接。它們依賴于非常低的接觸電阻，以獲得良好的導電性能。但是，隨著時間的過去，經(jīng)過表面污染(例如，氧化)的發(fā)展或緊固件的退化，接觸電阻會退化。另外，螺釘或夾具增加了顯著的質量、 成本和裝配時間。還可使用焊接連接。但是，具有助熔劑(特別是用于鋁)的焊料的使用會導致形成腐蝕性助熔劑殘渣，如果不通過清洗操作去除，就會隨著時間的過去降解周圍的材料或接點。這些操作增加了成本，并且在某些情形下，這些操作由于裝配次序而不可能進行。對將電池單元翼片連接到導體或母線的工藝仍存在需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明滿足這一需求。提供了一種將至少一個電池單元翼片焊接到導體的方法。 所述電池單元翼片和所述導體由單獨從鋁、鋁合金、銅、銅合金、或鍍鎳銅或銅合金中選擇的材料制成。所述方法包括準備由至少一個電池單元翼片和所述導體構成的組件，且一個電池單元翼片的第一連接表面與所述導體的第一連接表面面對面，至少一個連接表面在其上具有一層焊料；擠壓所述組件，使得面對面的連接表面接合所述焊料，并在沒有助熔劑的情況下將所述焊料加熱至超過焊料熔化溫度的溫度，同時將所述連接表面的位移限制為預定值；以及保持所述連接表面彼此緊靠，并固化所述焊料，以在所述至少一個電池單元翼片
3與所述導體之間形成焊接連接。本發(fā)明提供下列技術方案。技術方案1 一種將至少一個電池單元翼片焊接到導體的方法，所述電池單元翼片和所述導體由單獨從鋁、鋁合金、銅、銅合金、鍍鎳銅或鍍鎳銅合金中選擇的材料制成，所述方法包括
準備由所述至少一個電池單元翼片和所述導體構成的組件，使一個電池單元翼片的第一連接表面與所述導體的第一連接表面面對面，至少一個連接表面上具有一層焊料；
擠壓所述組件，使得面對面的連接表面接合所述焊料，并在沒有助熔劑的情況下將所述焊料加熱至超過焊料熔化溫度的溫度，同時將所述連接表面的位移限制為預定值；以及
保持所述連接表面彼此緊靠，并固化所述焊料，以在所述至少一個電池單元翼片與所述導體之間形成焊接連接。技術方案2 如技術方案1的方法，還包括向所述導體應用超聲激發(fā)。技術方案3 如技術方案1的方法，還包括向所述至少一個電池單元翼片應用超聲激發(fā)。技術方案4:如技術方案3的方法，其中所述超聲激發(fā)被應用至具有滾花表面的熱臺，并且其中所述焊接連接包括超聲波焊接部分。技術方案5 如技術方案1的方法，還包括用冷卻臺擠壓所述組件。技術方案6 如技術方案1的方法，其中所有連接表面上都具有一層預涂的焊料。技術方案7 如技術方案1的方法，其中所述至少一個電池單元翼片具有孔隙或槽。技術方案8 如技術方案1的方法，還包括基于所述電池單元翼片和所述導體的材料選擇所述焊料。技術方案9 如技術方案1的方法，所述焊料為鋅、鋅-鋁合金、鋅-錫合金、錫-銻合金、錫-銀合金、錫-鉛合金或錫-鎘合金、或者它們的組合。技術方案10 如技術方案1的方法，其中所述焊料為含有錫、約15-40%重量百分比的鋅和約1- 重量百分比的鋁的錫-鋅合金。技術方案11 如技術方案1的方法，其中所述焊料為含有約95%重量百分比的錫和約5%重量百分比的銻的錫-銻合金。技術方案12 如技術方案1的方法，其中具有至少兩個電池單元翼片，并且還包括準備所述組件，使得所述一個電池單元翼片的第二連接表面與第二電池單元翼片的第一連接表面面對面。技術方案13 如技術方案1的方法，其中所述導體的厚度與所述電池單元翼片的厚度的比為至少約2:1。技術方案14 一種將至少兩個電池單元翼片焊接到導體的方法，所述電池單元翼片由從鋁、鋁合金、銅、銅合金、鍍鎳銅或鍍鎳銅合金中選擇的材料制成，所述導體由從鋁、 鋁合金、銅、銅合金、鍍鎳銅或鍍鎳銅合金中選擇的材料制成，所述方法包括
準備由所述至少兩個電池單元翼片和所述導體構成的組件，使一個電池單元翼片的第一連接表面與所述導體的第一連接表面面對面，所述一個電池單元在所述導體相反側的第二連接表面與第二電池單元翼片的第一連接表面面對面，所述電池單元翼片或所述導體的至少一個連接表面上具有一層焊料；
擠壓所述組件，使得面對面的連接表面接合所述焊料，并在沒有助熔劑的情況下將所述焊料加熱至超過焊料熔化溫度的溫度，同時將所述連接表面的位移限制為預定值；以及
保持所述連接表面彼此緊靠，并固化所述焊料，以在所述至少一個電池單元翼片與所述導體之間形成焊接連接。技術方案15 如技術方案14的方法，還包括向所述導體應用超聲激發(fā)。技術方案16 如技術方案14的方法，還包括向至少一個電池單元翼片應用超聲激發(fā)。技術方案17 如技術方案16的方法，其中所述超聲激發(fā)被應用至具有滾花表面的熱臺，并且其中所述焊接連接包括超聲波焊接部分。技術方案18 如技術方案14的方法，還包括用冷卻臺擠壓所述組件。技術方案19 如技術方案14的方法，其中所有連接表面上都具有一層預涂的焊料。技術方案20 如技術方案14的方法，其中至少一個電池單元翼片具有孔隙或槽。


圖IA-C為根據(jù)本發(fā)明的連接方法的一個實施例的視圖； 圖2A-C為根據(jù)本發(fā)明的連接方法的另一實施例的視圖3A-C為根據(jù)本發(fā)明的連接方法的另一實施例的視圖； 圖4A-B為根據(jù)本發(fā)明的連接方法的另一實施例的視圖； 圖5A-C為根據(jù)本發(fā)明的連接方法的另一實施例的視圖。
具體實施例方式本發(fā)明為連接多個由鋁或銅建造的板層的方法。它提供了優(yōu)良的電接觸、足夠的強度和可逆性。本發(fā)明使用熱臺連同可選的超聲波振動將薄板電池翼片與大尺寸導體焊接在一起。一旦翼片、導體和焊料合金被正確地定位，那么使熱臺及可選的超聲換能器(超聲焊極)與疊裝接觸。優(yōu)選地，所述熱臺含有用于溫度控制的熱電偶。熱臺與疊裝之間的接觸使得焊料熔化。聯(lián)接至導體和/或熱臺的可選超聲換能器給所述疊裝引入振動，破壞基材上的表面氧化物。這有助于所有層之間形成緊密的冶金接觸。通過使用伺服焊槍或機械止動件控制熱臺的最大閉合度防止了擠出過多的焊料。在基板出現(xiàn)潤濕之后，關閉熱量以固化焊料。為了防止過多的熱量從板電板向下傳遞到電池單元，如果需要，那么可在熱臺緊下方的電極上夾上第二冷卻臺。該冷卻臺還用于熔化焊料的固化/擠掉，以防止其達到脆弱的電池單元。為進一步防止熔化焊料與電池單元接觸，板之間間隙的逐漸增大會減慢焊料的毛細管運動。另外，電池可被倒置，從而允許重力將所有過多的焊料金屬從電池單元中拉出。作為替代方案，可使用“中途停留(stop-off)”的涂層涂覆要焊接的區(qū)域下方的板。 這種涂層會降低表面潤濕的能力，使得焊料無法容易地溢出超過那些要被連接的區(qū)域。圖1-5示出了焊接方法的多種實施例。圖1-5中未示出單元袋。在圖IA-C所示的一個實施例中，具有三個電池單元翼片105，焊料110被應用至預接合的表面。焊料110可以各種方式預先設置在接點處，包括，但不限于，通過浸焊、波焊、 超聲波焊接或電鍍以帶條或線圈的形式預先涂覆所述基板。這些方法都確保所述基板已被焊料合金潤濕。另外，因為該工藝無需預先通過焊料合金潤濕基板(但是，預先潤濕是允許的)，所以也可以應用其它形式的焊接材料，包括，但不限于，粉末、絲線或帶條。例如，粉末形式的焊料可絲印在基板期望的位置上。另外，該工藝允許將焊料選擇成匹配要連接的金屬組合，例如鋁與鋁、銅與銅、鋁與銅及電鍍組合。根據(jù)要連接的材料，可使用多種類型的焊料。適于所有基板的焊料包括，但不限于，純鋅、鋅鋁合金(例如那些含有達10%鋁的合金)及鋅-錫合金(例如那些具有達90%錫的合金)。適于與銅一起使用的焊料包括上述那些焊料以及錫-銻合金(例如那些具有約 4. 5到約5. 5%銻的合金)和錫-銀合金(例如，那些具有約3. 4到約5. 8%銀的合金)。錫-鉛和錫-鎘合金也可用于連接銅與銅。但是，由于環(huán)境的原因，不期望使用含有鉛和/或鎘的焊料。為了將裸鋁翼片連接到裸鋁、銅或鍍鎳銅，焊料合金通常為錫-鋅合金。焊料可選擇成15-40%重量百分比的鋅和1- 重量百分比的鋁的組合，以降低焊料合金與鋁基板之間的伽伐尼電位。高水平的鋅減輕了焊料與鋁之間的腐蝕。為了連接裸銅、或鍍鎳銅、或鋁基板，典型的焊料合金為錫-銻合金，例如95%錫 /5%銻合金。該合金既沒有鉛也沒有鎘。另外，與鉛-錫焊料相比，它具有更高的抗拉強度， 同時保持良好的導電性能。涂覆有焊料的電池單元翼片105和涂覆有焊料的銅或鋁導體115位于熱臺120、 125之間。熱臺120、125在沒有助熔劑的情形下被加熱。如果需要，可使用熱電偶控制溫度。熱臺通常在接觸之前被加熱至超過焊料熔化溫度的連接溫度(通常遠超過焊料熔化溫度)，以減少加工時間。然而，這并不需要，它們可在接觸之后被加熱至連接溫度。熱臺通常使用平表面，以最大化熱傳遞。可選地，熱臺120、125每個可被控制為不同的溫度，這依賴于要連接的材料、焊料合金及材料厚度。熱臺120、125 —起移動，并在電池單元翼片105上施加壓力，如圖IB中所示。熱量熔化了焊料110，焊料110向下流向可選的冷卻臺130、135?？蛇x冷卻臺130、135可被夾在熱臺120、125下方的電極上，以防止過多的熱量向下傳遞至板電極進入電池單元而損壞電池單元，并提供焊料的快速固化。冷卻臺可含有用于使用空氣、水或其它手段來強制冷卻的系統(tǒng)，以便于大量生產(chǎn)。如果需要，熱臺120、125之間的連接間隙可使用伺服焊槍或機械止動件來控制， 以防止焊料的過分擠出。圖2A-C示出了另一種工藝，其中冷卻臺130、135與熱臺120、125安裝在一起，并通過隔熱體140與其分隔開。涂覆有焊料的電池單元翼片105與導體115定位在組合的熱臺120、125與被隔熱體140分隔開的冷卻臺130、135之間。熱臺120、125與電池單元翼片 105和導體114接觸，熔化焊料，焊料向下流動。然后熱臺向上移動，冷卻臺130、135接觸連接區(qū)域，以冷卻和固化焊料。在圖3A-C的實施例中，熱臺120、125接觸電池單元翼片105和銅導體115疊裝。 超聲焊極145靠在厚的銅導體115上，以提供超聲激發(fā)。在加熱期間，超聲焊極145的振動能量破壞了表面氧化物，并允許熔化的焊料110建立冶金接觸。熱源的關閉允許熱臺冷卻， 并允許焊料固化。如果有過多的熱流或過多的焊料朝著電池單元擠出，那么冷卻臺130、135 可位于連接區(qū)域下方。對于上述類型的焊接連接，其接點可通過提供熱量和分離翼片板材料的機構而容易地分開?？墒褂妙愃朴趫D1-3中所示的加熱元件來加熱焊料，一旦焊料變得熔化就可使用細線或繩來分離翼片/導體。這會在翼片材料和導體上都留下焊料涂層。這些涂層確保焊料已經(jīng)潤濕了基板，以便再次組裝。所述連接在再次組裝時很可能需要額外的焊接材料， 其可以帶、線、粉末等的形式設置在連接位置。一旦所述額外焊接材料在合適的位置，就可如圖1-3中所示應用相同的加熱機構來再次焊接接點。這允許維修和更換單個的電池單元，降低了成本，增加了組裝和維修過程的靈活性。圖4A-B中示出了另一實施例。在該情形下，與電池單元翼片105接觸的熱臺120 具有連接在其上的超聲焊極145。在熱臺表面上應用滾花紋理以獲得工具與電池單元翼片 105之間更好的超聲能量聯(lián)接。在力、熱量和超聲激發(fā)之下，滾花熱臺會使電池單元翼片局部地變形。與滾花表面上的突起直接接觸的區(qū)域被緊密地壓在一起，具有形成超聲波焊接的機會。環(huán)繞突起的板材料遭受在板之間形成間隙的變形。流體焊料填充該間隙。在固化之后，其結構包括被大面積焊接材料160環(huán)繞的小面積超聲焊接材料155。圖5A-C示出了電池單元翼片的另一實施例。圖5A-B示出了具有孔隙的電池單元翼片105。例如，所述孔隙可通過沖出穿過單元翼片105的孔165來形成，或者可使用具有孔隙的網(wǎng)板或網(wǎng)片170。還可使用其它形成孔隙的方法和其它類型的孔隙。焊料110應用到其中一個電池單元翼105上，例如在所述疊裝中間的電池單元翼片，如圖5C中所示。當熱臺被應用至疊裝時，焊料熔化并流過電池單元翼片中的孔隙，使得它涂覆在一個或多個其它單元翼片和/或導體上。依賴于單元翼片、導體和焊料的成分，單元翼片可設計成包括允許焊料流過單元翼片的孔隙，或者設計成不包括孔隙以阻止焊料流動。例如，如果導體為銅，單元翼片為鋁，那么與導體最接近的單元翼片可為實心的，使得導體與鋁單元翼片之間的錫-鋅焊料不會流入鋁單元翼片之間的鋅-鋁焊料。然而，這并非必需的?？蛇x地，可使用帶槽的單元翼片。所述槽允許沉積額外的焊料，以提高焊點的機械強度。該方法允許連接幾層具有不同厚度的材料，例如導體與翼片之間的厚度比至少為約2 :1、至少約3 :1、或至少約4 1或至少約5 1的那些材料。應當注意本文使用的術語“優(yōu)選地”、“一般”和“通?！辈幌拗扑蟊Ｗo發(fā)明的范圍，或暗示某些特征是關鍵的、根本的、或者對所要求保護發(fā)明的結構或功能更加重要。相反，這些術語僅僅是意欲強調替代或額外特征可用在可不用在本發(fā)明的特定實施例中。為了描述和限定本發(fā)明的目的，注意，本文使用術語“裝置，，表示部件的組合或單個部件，不論該部件是否與其它部件結合。例如，根據(jù)本發(fā)明的“裝置”可包括電化學轉換組件或燃料電池、含有根據(jù)本發(fā)明的電化學轉換組件的車輛等。為了描述和限定本發(fā)明的目的，注意，本文使用術語“基本上”來表示歸因于任意量化比較、值、測量或其它表示的不確定性的固有程度。本文還使用術語“基本上”來表示量化表示可從指定基準變化而不導致主題基本功能發(fā)生變化的程度。已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明及其具體實施例，應當清楚，在不脫離由所附權利要求限
7定的本發(fā)明范圍的情況下可進行修改和變型。更具體地，雖然本發(fā)明的某些方面在本文被認為是優(yōu)選地或者特別有利的，但是應當看出，本發(fā)明不必限于本發(fā)明這些優(yōu)選方面。
權利要求
1.一種將至少一個電池單元翼片焊接到導體的方法，所述電池單元翼片和所述導體由單獨從鋁、鋁合金、銅、銅合金、鍍鎳銅或鍍鎳銅合金中選擇的材料制成，所述方法包括準備由所述至少一個電池單元翼片和所述導體構成的組件，使一個電池單元翼片的第一連接表面與所述導體的第一連接表面面對面，至少一個連接表面上具有一層焊料；擠壓所述組件，使得面對面的連接表面接合所述焊料，并在沒有助熔劑的情況下將所述焊料加熱至超過焊料熔化溫度的溫度，同時將所述連接表面的位移限制為預定值；以及保持所述連接表面彼此緊靠，并固化所述焊料，以在所述至少一個電池單元翼片與所述導體之間形成焊接連接。
2.如權利要求1的方法，還包括向所述導體應用超聲激發(fā)。
3.如權利要求1的方法，還包括向所述至少一個電池單元翼片應用超聲激發(fā)。
4.如權利要求3的方法，其中所述超聲激發(fā)被應用至具有滾花表面的熱臺，并且其中所述焊接連接包括超聲波焊接部分。
5.如權利要求1的方法，還包括用冷卻臺擠壓所述組件。
6.如權利要求1的方法，其中所有連接表面上都具有一層預涂的焊料。
7.如權利要求1的方法，其中所述至少一個電池單元翼片具有孔隙或槽。
8.如權利要求1的方法，還包括基于所述電池單元翼片和所述導體的材料選擇所述焊料。
9.如權利要求1的方法，所述焊料為鋅、鋅-鋁合金、鋅-錫合金、錫-銻合金、錫-銀合金、錫-鉛合金或錫-鎘合金、或者它們的組合。
10.一種將至少兩個電池單元翼片焊接到導體的方法，所述電池單元翼片由從鋁、鋁合金、銅、銅合金、鍍鎳銅或鍍鎳銅合金中選擇的材料制成，所述導體由從鋁、鋁合金、銅、銅合金、鍍鎳銅或鍍鎳銅合金中選擇的材料制成，所述方法包括準備由所述至少兩個電池單元翼片和所述導體構成的組件，使一個電池單元翼片的第一連接表面與所述導體的第一連接表面面對面，所述一個電池單元在所述導體相反側的第二連接表面與第二電池單元翼片的第一連接表面面對面，所述電池單元翼片或所述導體的至少一個連接表面上具有一層焊料；擠壓所述組件，使得面對面的連接表面接合所述焊料，并在沒有助熔劑的情況下將所述焊料加熱至超過焊料熔化溫度的溫度，同時將所述連接表面的位移限制為預定值；以及保持所述連接表面彼此緊靠，并固化所述焊料，以在所述至少一個電池單元翼片與所述導體之間形成焊接連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及電池翼片連接及制造方法，提供了一種將電池單元翼片焊接至導體的方法。所述電池單元翼片和所述導體由單獨從鋁、銅或鍍鎳銅中選擇的材料制成。所述方法包括準備由所述電池單元翼片和所述導體構成的組件，使一個導體單元翼片的第一連接表面與所述導體的第一連接表面面對面，至少一個連接表面上具有一層焊料；擠壓所述組件，使得面對面的連接表面接合所述焊料，并在沒有助熔劑的情況下將所述焊料加熱至超過焊料熔化溫度的溫度，同時將所述連接表面的位移限制為預定值；以及保持所述連接表面彼此緊靠，并固化所述焊料，以在所述至少一個電池單元翼片與所述導體之間形成焊接連接。
文檔編號H01M2/20GK102315407SQ20111018331
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月1日 優(yōu)先權日2010年7月1日
發(fā)明者E. 卡森 B., R. 西格勒 D., G. 施羅斯 J., B. 羅科瀨恩 R., W. 蔡 W. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司