CN101771142B - 一种软包锂电池极耳材料及其电镀和应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种软包锂电池极耳材料及其电镀和应用方法，本发明极耳材料及其应用方法适用于软包锂电池的正负极极耳的制备与线路板的焊接。本发明极耳材料选用SUS430不锈钢带、铜带、铝带、镍带等导电材料作为基底，在基底的一侧端部先镀覆一层镍镀层，在镍镀层上再镀覆一层锡镀层(镍带上直接镀覆一层锡镀层)，从而得到具有较低的生产成本、良好的焊接性以及合适的导热性的极耳材料。本发明应用方法是在极耳材料镀有镍、锡双层膜的部位，对未镀膜一侧进行激光加热，瞬间将本极耳材料加热到锡熔点，从而将极耳焊接到待焊的金属材料上。采用本发明可以对正负极极耳同时进行焊接，并且在焊接中产生热量较少，在保证了高强度的焊接性能的同时还保护了电池。

Description

一种软包锂电池极耳材料及其电镀和应用方法
技术领域
本发明公开了一种软包锂电池极耳材料及其电镀和应用方法，本发明极耳材料及其应用方法适用于软包锂电池的正负极极耳的制备与焊接，特别适用于一种超薄软包锂电池的正负极极耳的制备与焊接，该电池用于有源RFID、有源IC卡、音乐卡、贺卡等产品。
背景技术
随着科学技术的发展，具有有源RFID、有源IC卡得到了越来越广泛的研究，一种超薄软包锂电池以其重量轻、比能量大、绝缘性好、成本低等优点成为有源RFID、有源IC卡最适合的电源。
目前，软包锂电池极耳包括用金属铝制作的正极极耳和用金属镍、金属铜制作的负极极耳，技术存在诸多问题，将目前技术用作超薄软包锂电池中会带来进一步的问题：1、由于铝的不可焊接性，用金属铝制作的正极极耳需要转镍，然而转镍操作麻烦，且人工成本增加并且转镍后的极耳易脱焊且易折断。2、在普通的软包锂电池中用镍带做负极极耳，但镍的价格昂贵，对于降低生产成本不利。3、极耳的焊接通常采用超声波焊接或者激光焊，然而这些焊接方法产生的热量会对软包锂电池产生的防漏性能产生较大影响，特别对于这种超薄软包锂电池破坏更大，首先，焊接产生的热量会破坏铝塑膜，造成电池短路；其次，焊接产生的热量会通过极耳传入电池内部，使电池发生漏液、鼓胀、甚至将金属锂熔融，严重损害软包锂电池的使用寿命和电池性能。
对于以上问题，本领域技术人员提出了各种解决方法。
中国专利CN101414673A中提到，在铝极耳的一端部上设有镀镍层，使极耳可以直接和保护电路进行焊接，减少极耳的弯折次数，也不会造成脱焊。但是铝上镀镍的各种方法均有不同的问题，用电镀和化学镀的方法在铝带两侧上镀镍，会造成铝带韧性变差，并且超薄软包锂锰电池的极耳材料需要用很薄的材料制成，若用电镀或化学镀的方法制备出的铝带镀镍作为极耳材料，十分容易造成极耳断裂，降低产品合格率和使用寿命；若用磁控溅射或真空蒸镀的方法制备铝带镀镍，则制备极耳材料的成本较高，对降低电池的生产成本不利。
中国专利CN101162778A中提到，在铜基体层表面覆设有锡镍合金层，代替镍极耳作为负极极耳，该发明极耳材料可以代替镍极耳，降低生产成本。但是铜也具有比较高的成本，对降低成本也不利，同时也不能满足超薄软包锂电池与待焊材料的焊接。
并且，以上所述的进行改进后的以铝、铜作为材料的极耳还有一个问题：由于其导热性好，在焊接的过程中产生的热量会在极耳上迅速传导，热量过大会破坏铝塑膜的绝缘层和极耳胶，过长时的加热也会将电池负极的金属锂熔融，损害的使用寿命和电池性能。
目前，对极耳材料的主要研究方向都集中在极耳的材料选用和焊接方法，对焊接时产生的热量对电池的影响还很少有研究，
发明内容
本发明的目的意在克服上述现有技术的不足，提供一种软包锂电池极耳材料及其电镀和应用方法。本发明的极耳材料具有较低的生产成本、良好的焊接性以及合适的导热性；本发明的方法操作简便，极耳的焊接效果好，且焊接过程中不会对电池内部产生破坏。
本发明的目的是通过下述方式实现。
一种用于有源RFID、有源IC卡的超薄型一次软包锂电池的正负极极耳材料，以金属带材(如：SUS430不锈钢带、铜带、铝带或镍带)为基底，在基底的一侧的端顶部镀覆有双层膜结构，底层为镍镀层，表层锡镀层；或者直接在基底的一侧的端顶部镀覆锡镀层。镍镀层厚度0.5～2μm；锡镀层的厚度为3～10μm。
本发明基底优选厚度为0.03～0.10mm厚的SUS430不锈钢带。这是由于不锈钢带与铝带相比，不锈钢带具有较好的亲和力，在不锈钢带上可以直接电镀镍、锡等金属，省去了转镍的工序；与镍带、铜带相比，430不锈钢带的价格只有镍带的十分之一左右，只有铜带价格的四分之一左右，使用不锈钢带可以在很大程度上降低超薄型软包锂电池的生产成本。
本发明底层的镍镀层采用直流电镀的工艺制备而成。镍镀层的厚度为0.5～2μm。镍镀层可以提高极耳的强韧性和耐腐蚀能力，使极耳材料不易被折断，且镍镀层与钢带还有很好的结合力，使极耳在焊接之后不易脱落。镍镀层的厚度特选在0.5到2μm的范围内，在镍镀层小于0.5μm的情况下，过薄的镀层对材料的耐腐蚀能力、强韧性没有明显提高；在镍镀层大于2μm的情况下，会使得生产成本比较高，此外，镀层太厚会导致内应力增加，不利于在其之上镀其他镀层的性能要求。
本发明的表层为锡镀层，采用直流电镀工艺制备而成。表层为厚度为3～10μm。锡镀层可以使得超薄软包锂电池极耳的焊接性能有较大的提高，同时锡镀层还可以提高极耳材料的韧性。若锡镀层小于3μm，极耳在与极片的焊接时，不能产生足够的结合力，使超薄型锂软包电池在使用过程中，极耳容易脱落，影响超薄型锂软包电池的成品率和正常使用寿命，进而影响有源RFID、有源IC卡的使用寿命；若锡镀层大于10μm，过厚的锡镀层会使生产升本较高，同时，锡镀层过厚还会增加超薄型锂软包电池的厚度，使其无法在有源IC卡中使用。
本发明所设计出的独特的镍、锡双层膜或锡单层膜构造在应用到激光焊接方面可以产生特别和良好的应用效果，发明人通过多次测试实验发现采用本发明所设计的极耳材料，在对应于极耳材料镀有镍、锡双层膜或锡单层膜的一端部的未镀膜一侧进行激光照射，让极耳材料与待焊金属结合在一起，并达到焊接牢固、不会对电池内部产生破坏以及成本低的良好效果。
通过本发明极耳材料在激光焊接方面的应用会产生其他任何材料和焊接方法所不可能达到的良好的效果。
本发明采用SUS430不锈钢带、铜带、铝带、镍带等导电材料作为基底上覆镀镍、锡双层膜，采用激光技术，将镀覆双层膜的部位加热到锡的熔点温度，让极耳材料与待焊金属结合在一起。如果没有锡镀层，则会产生更多的热量，采用其他焊接方法，也会产生过多的热量。这是由于锡的熔点较低，只需要较低的热量就可以将镀覆双层膜的极耳与待焊金属结合在一起，如果不采用镀锡极耳，其基体材料与被焊接金属的熔点不同，就要采用电阻焊或超声波或氩弧焊等焊接方式，而这几种焊接方式的焊接时间都较长，高热量会通过极耳传导对电池形成必然的伤害，由于有热传导的发生对软包锂锰电池的防漏性能产生影响，特别对于超薄软包锂电池破坏更大。本发明选取了锡镀层作为极耳材料的一部分，其熔点不高，只需要少量热量即可熔融，而激光焊接的方式能在瞬间提供足够的热量，使锡镀层迅速熔融，能牢固的焊接，同时又不至于对电池造成损害，因此，锡镀层和激光焊接方式的完美结合是本发明的关键。
另外，本发明激光焊接可以对一个区域的锡进行加热、熔融，增加了焊接面积，从而增加了焊接强度。这是由于激光焊接时，设定了最佳的激光参数(激光波长、平均输出功率、激光输出频率和脉冲度宽)、激光照射的轨迹及照射区域、照射运动速度和照射时间，可以精确的控制焊接点的激光照射光斑的能量密度以及照射时间。由于激光焊是局部加热，加热速度非常快，可以减少热量的产生。并且本发明优选采用的SUS430不锈钢带具有适当的导热性能，即可以将在使用中电流通过极耳而产生的热量即时使散发出去，也可以减少焊接时产生的热量导入电池内部，避免对电池造成的破坏。
发明人通过研究还发现采用以下激光焊接工艺参数，可以达到最佳的焊接效果；将极耳材料牢固的结合，并且不会破坏电池内部。
激光波长：0.8～1.06μm；激光输出功率：5～20W；
激光输出频率：1000～5000HZ；激光脉冲宽度；100nm；
激光照射时间：8～10ms。
本发明极耳材料可用于电池正、负极极耳，采用本发明极耳材料和焊接方法可以对极耳进行同时焊接，并且也无需调整正负极激光焊接时的激光参数，对生产效率有了较大的提高。
将本发明用于有源RFID、有源IC卡的软包锂电池中，可以解决这种超薄软包锂电池极耳的焊接问题。在焊接过程中不会损伤极耳、PCB板等超薄材料，并且焊接速度快，不会破坏PBC板上的基底材料。
综上所述，本发明采用在SUS430不锈钢带、铜带、铝带、镍带等导电材料作为基底上覆镀的双层膜的结构，并且采用激光技术进行焊接，对提高软包锂锰电池性能、延长电池使用寿命有了较大的提高。本发明优选采用基底430不锈钢带具有更好的效果。
本发明的工艺是以SUS430不锈钢带、铜带、铝带、镍带等导电材料作为基底，在基底的一面镀覆有双层膜结构，底层的镍镀层通过直流电镀的方式制备得到，表层为锡镀层，通过直流电镀的方式制备得到。
所述的工艺还包括以下步骤及工艺条件：
(1)镀前表面预处理：采用常规镀前处理方法。
(2)直流电镀镍镀层
镀液包括：NiSO4·7H2O    180～220g/L；
NiCl2·6H2O              40～60g/L；
H3BO3                    25～35g/L；
烯丙基磺酸钠             0.4～2g/L；
丁炔二醇                 0.4～0.5ml/L；
糖精                     0.8～1g/L；
直流电镀工艺参数：电流密度：3～6A/dm2；
pH值：                      3.5～4.5；
温度：                      40～60℃；
阳极：                      镍板；
pH值通过HCl溶液和NaOH溶液调节；
(采用镍带作为基底则无此步骤)
(3)直流电镀锡镀层
镀液包括：SnSO4      40～55g/L；
H2SO4                60～80g/L；
β-萘酚              0.3～1.0g/L；
明胶                 1～3g/L；
电镀工艺参数：电流密度：0.3～0.8A/dm2；
温度：                  15～30℃；
pH值：                  3～5；
阳极：                  锡板；
(4)将镀好的钢带用蒸馏水冲洗干净，然后烘干；
(5)将烘干的钢带置于120～200℃条件下保温，以除去在电镀过程中镀层中产生的氢；
(6)将极耳和电池放在专用夹具，使电池极耳与PCB焊接部位保持良好的接触；
(7)调节激光机的焊接参数：
激光波长：0.8～1.06um；激光输出功率：5～20W；
激光输出频率：1000～5000HZ；激光脉冲宽度；100nm；
激光照射时间：8～10ms。
附图说明
图1为本发明实施例1中极耳材料双层膜结构示意图，图中1为430不锈钢带基底，2为镍镀层，3为锡镀层。
图2为本发明实施例2中极耳材料采用镍带为基底的结构示意图，图中4为镍带基底，3为锡镀层。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1
0.45mm厚软包锂电池与超薄型线路板的焊接。
本实施例极耳材料是在厚度为0.05mm的SUS430不锈钢带基底1一侧的一端部先镀覆一层镍镀层2，在镍镀层2上再镀覆一层锡镀层3，镍镀层2厚度为1μm；锡镀层3的厚度为5μm。
其具体制备过程如下：
(1)镀前表面预处理：
为了使镀层与基底结合良好，在电镀前对上述钢带进行如下的表面预处理。由于所用钢带的表面已比较平整，镀镍前不需要磨光和机械抛光，直接进行除油处理。本例采用化学高温除油方法。
除油液为：NaOH    70g/L；
Na2CO3            40g/L；
Na3PO4            25g/L；
Na2SiO3           10g/L；
除油液温度：80℃；
除油时间：3min；
除油完全后，用蒸馏水将试样表面冲洗干净，再放入活化剂中进行活化；
活化剂组成：3vol％HCl；
活化时间：1min。
(2)直流电镀镍镀层
镀液包括：NiSO4·7H2O    200g/L；
NiCl2·6H2O              50g/L；
H3BO3                    30g/L；
烯丙基磺酸钠             1g/L；
丁炔二醇                 0.5ml/L；
糖精                     0.9g/L；
直流电镀工艺参数：电流密度：5A/dm2；
pH值：        4；
温度：        50℃；
阳极：        镍板；
电镀时间：    1min；
镀层厚度：    1μm；
pH值通过HCl溶液和NaOH溶液调节。
(3)直流电镀锡镀层
镀液包括：SnSO4         50g/L；
H2SO4                    70g/L；
β-萘酚            0.7g/L；
明胶               2g/L；
电镀工艺参数：电流密度：0.5A/dm2；
温度：                  25℃；
pH值：                  4；
阳极：                  锡板；
镀层厚度：              5μm
(4)将镀好的钢带用蒸馏水冲洗，然后烘干；
(5)将镀好的钢带置于120～200℃条件下保温，以除去在电镀过程中镀层中产生的氢。
(6)激光焊接：
激光波长：1.06μm；激光输出功率：20W；
激光输出频率：2000HZ；激光脉冲宽度；100nm；
激光照射时间：10ms。
实施例2
0.45mm厚软包锂电池与超薄型线路板的焊接；
本实施例极耳材料是在厚度为0.05mm的镍带基底4一侧的一端部镀覆一层锡镀层3；锡镀层3的厚度为3～10μm。其电镀和激光焊接处理条件和步骤同实施例1，只是无直流电镀镍镀层这一步骤。
性能测试
按照下述方式制作出样品，作为比较例。
比较例1：选用厚度为0.05mm的430不锈钢带作为极耳，与超薄型线路板采用激光进行焊接。为达到合适的焊接强度，通过实验得到较好激光焊接工艺如下：
激光波长：    1.06μm；激光输出功率：37W；
激光输出频率：2000HZ； 激光脉冲宽度；100ns；
激光照射时间：16ms。
比较例2：选用厚度为0.05mm的铝极耳，与超薄型线路板采用激光进行焊接。为达到合适的焊接强度，通过实验得到较好激光焊接工艺如下：
激光波长：    1.06μm；激光输出功率：35W；
激光输出频率：2000HZ； 激光脉冲宽度；100ns；
激光照射时间：15ms。
比较例3：选用厚度为0.05mm的铜极耳，与超薄型线路板采用激光进行焊接。为达到合适的焊接强度，通过实验得到较好激光焊接工艺如下：
激光波长：    1.06μm；激光输出功率：33W；
激光输出频率：2000HZ； 激光脉冲宽度；100ns；
激光照射时间：15ms。
(激光焊接功率、时间比较)
对实施例1和比较例1、2、3激光焊接的功率、时间进行比较，见表1。
表1焊接功率、时间比较表
  功率   时间
  实施例1   20w   10ms
  比较例1   37w   16ms
  比较例2   35w   15ms
  比较例3   33w   15ms
通过上述评定可以看出，本发明的实施例在激光焊接时所用功率和时间均为最低，因此产生的热量要明显小于其他极耳材料在激光焊接时产生的热量。
(与超薄型线路板焊接的成品率)
对实施例1和比较例1、2、3各制备200个样品，对样品成品率进行比较，见表2。
成品标准：焊接后线路板无穿孔，且极耳与线路板紧密结合。结合力需0.2kgf以上，结合力用拉力计进行测试。
表2成品率比较表
  成品率
  实施例1   99.5％
  比较例1   64％
  比较例2   83％
  比较例3   77.5％
(与超薄型线路板的焊接结合力测试)
对实施例1和比较例1、2、3各制备200个成品，对每个样品进行结合力测试，计算每种方式的结合力平均值，见表3.
表3结合力比较表
 结合力(Kgf)
  实施例1  2.27
  比较例1  0.59
  比较例2  0.89
  比较例3  0.81

Claims (1)

1.一种软包锂电池极耳材料的应用方法，其特征在于，所述的软包锂电池极耳材料是以SUS430不锈钢带、铜带、铝带或镍带作为基底，在基底一侧的一端部先镀覆一层镍镀层，在镍镀层上再镀覆一层锡镀层，或者直接在基底一侧的一端部镀覆一层锡镀层；所述的镍镀层厚度0.5~2μm；所述的锡镀层的厚度为3~10μm；在对应于基底一侧端部镀覆有镍、锡双层膜或者锡单层膜的另一侧，进行激光加热，瞬间将极耳材料加热到锡熔点，使得极耳焊接到待焊的金属材料上；激光焊接工艺参数：
激光波长：       0.8~1.06μm；   激光输出功率：    5~20W；
激光输出频率：   1000~5000HZ；    激光脉冲宽度：  100nm；
激光照射时间：   8~10ms。
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