CN102104169B

CN102104169B - 锂-二硫化铁电池及其制作方法

Info

Publication number: CN102104169B
Application number: CN2011100304963A
Authority: CN
Inventors: 张清顺; 林建兴; 常海涛; 苏盛; 陈进添; 徐小春
Original assignee: Fujian Nanping Nanfu Battery Co Ltd
Current assignee: Fujian Nanping Nanfu Battery Co Ltd
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102104169A

Abstract

本发明提供了一种锂-二硫化铁电池，包括电池外壳、位于所述电池外壳内部的负极结构和负极焊接片，所述负极结构包括负极极片和连接在所述负极极片一端的负极极耳，负极焊接片设置在所述负极极耳与所述电池外壳的底部之间，所述负极极耳通过激光焊接连接至所述负极焊接片，所述负极焊接片通过激光焊接连接至所述电池外壳的底部。根据本发明的锂-二硫化铁电池，通过在负极极耳与电池外壳的底部之间设置负极焊接片可以有效地降低激光焊接工艺的操作难度，改善焊接强度，提高良品率。

Description

锂-二硫化铁电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，特别涉及一种锂-二硫化铁电池及其制作方法。

背景技术

随着电子技术的高速发展，尤其是数码相机、掌上游戏机、各种电动游戏机的出现，对电池的需求程度越来越高。传统的高功率和高容量电池—碱性电池已经难以满足需要。因此，需要一种能够持续进行高功率放电的电池。由于锂电池具有能量密度高、电压高、工作温度范围宽、寿命长等优点，其自放电率低，储存寿命长且储存寿命好，放电电压平稳，安全性能优良，已受到越来越多人的关注与重视。

在锂电池中，常规的锂-二硫化铁电池是以二硫化铁（FeS₂）为正极活性物质、金属锂（Li）为负极活性物质并以有机电解液为电解液的一次电池。该一次电池的电压可以达到1.5V，因此可以替代现在常用的碱性电池而作为普通消费电子设备的便携能源进行使用。此外，该一次电池还具有比能量大、容量高、工作温度范围宽、储存时间长等优点，与目前市场上广泛使用的碱性一次电池具有互换性，因此其作为新一代的高功率电池，正越来越受到人们的欢迎，市场前景非常广阔。

在制作锂-二硫化铁电池的过程中，首先，将FeS₂粉末与导电剂、粘结剂等混合后进行搅拌制成浆料，并将该浆料涂覆在正极导电基材上，然后对其进行烘干、辊压、分切处理得到正极极片；接着，选择特定尺寸的金属锂或其合金箔带作为负极极片；然后，将正极极耳连接到正极极片上以形成正极结构；将负极极耳连接到负极极片上以形成负极结构；接下来，将正极结构、隔膜和负极结构卷绕在一起形成电芯。接着，将正极极耳与负极极耳分别连接到正极上盖组合体和电池外壳。最后，将电芯放入电池外壳中，注入有机电解液，封口、清洗后进行一定程度的预放电得到锂-二硫化铁电池。

现有的技术中，有的厂家通过紧接触的方式使电池负极极耳与电池外壳连接在一起。这种方式对电芯的外部直径要求很高。如果电芯外部直径太小，负极极耳与电池外壳接触不紧密，电池无法正常放电；如果电芯外部直径太大，电芯将无法插入电池外壳内。另外，如果电池存放的时间过长，电池负极极耳表面会形成一层钝化膜，使电池接触电阻迅速增大，进一步地导致电池无法进行高功率放电，从而降低了电池的使用效率。

为了解决上述问题，部分厂家通过电阻焊接的方式将负极极耳与电池外壳连接在一起。然而，电阻焊接需要在电池内留出一定的空间来容纳焊接设备的电极，而电池内腔的容积是一定的，在一定的容积内装入越多的活性物质，电池的性能越好，采用电阻焊接方式会使得电池内部装入的活性物质减少，降低电池的电性能。另外，采用电阻焊接方式时，由于电极的压力，焊接处的熔化金属四处飞溅，飞溅的高温金属很可能将电池的隔膜烧穿，而导致电池内部正极和负极直接导通造成电池内部短路。

因此，需要一种新的锂-二硫化铁电池及其制作方法，以解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决现有技术的问题，本发明提供一种锂-二硫化铁电池，包括电池外壳、位于所述电池外壳内部的负极结构和负极焊接片，所述负极结构包括负极极片和连接在所述负极极片一端的负极极耳，负极焊接片设置在所述负极极耳与所述电池外壳的底部之间，所述负极极耳通过激光焊接连接至所述负极焊接片，所述负极焊接片通过激光焊接连接至所述电池外壳的底部。

优选地，所述负极焊接片的厚度大于或等于所述电池外壳的底部的厚度。

优选地，所述负极焊接片的厚度为0.5~3.5mm。

优选地，所述电池外壳的底部向外突出，以在所述底部的内侧形成圆形的凹槽，所述负极焊接片位于所述凹槽内。

优选地，所述负极焊接片为与所述凹槽相匹配的圆形。

优选地，所述负极焊接片的直径为4~8mm。

优选地，所述负极焊接片的材料为钢材、铝、铝合金或镍。

本发明还提供了制作上述锂-二硫化铁电池的方法，所述方法包括：第一激光焊接步骤，其中，通过激光焊接工艺将所述负极极耳连接至所述负极焊接片；和第二激光焊接步骤，其中，在封装所述电池外壳之后，通过激光焊接工艺将所述负极焊接片连接至所述电池外壳的底部的内侧。

优选地，在所述第一激光焊接步骤中，焊点的直径为0.2~1.2mm，熔池深度为0.02~0.2mm。

优选地，在所述第一激光焊接步骤中，激光焊接机焊接时的输出功率为2000~4000W。

优选地，在所述第一激光焊接步骤中，焊接时间为2~8ms。

优选地，在所述第二激光焊接步骤中，焊点的直径为0.2~1.6mm，熔池深度为0.02~0.2mm。

优选地，在所述第二激光焊接步骤中，采用氩气或氮气等对焊接部位进行保护。

优选地，在所述第二激光焊接步骤中，激光焊接机焊接时的输出功率为600~2000W。

优选地，在所述第二激光焊接步骤中，焊接时间为5~15ms。

优选地，在所述第一激光焊接步骤和所述第二激光焊接步骤中，激光的光斑直径为0.2~1.6mm。

根据本发明的锂-二硫化铁电池，通过在负极极耳与电池外壳的底部之间设置负极焊接片可以有效地降低激光焊接工艺的操作难度，改善焊接强度，提高良品率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1是根据本发明一个实施方式的锂-二硫化铁电池的结构示意图；

图2是根据本发明一个方面的负极极耳与负极焊接片的连接示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，为根据本发明一个实施方式的锂-二硫化铁电池的结构示意图。该锂-二硫化铁电池包括正极极片101、负极极片102、隔膜103、正极极耳104、负极极耳105、正极上盖组合体106、负极焊接片107以及电池外壳108。

正极极耳104设置在正极极片101的一端以形成正极结构，负极极耳105连接在负极极片102的一端以形成负极结构。正极结构、隔膜103、负极结构叠加、卷绕形成电芯，并放置于电池外壳108的内部。正极极耳104与正极上盖组合体106连接。负极极耳105通过位于电池外壳108内部的负极焊接片107与电池外壳108的底部连接，其中，电池外壳108用作电池的负极端。具体地，负极焊接片107设置在负极极耳105与电池外壳108的底部之间，负极极耳105通过激光焊接连接至负极焊接片107，负极焊接片107通过激光焊接连接至电池外壳108的底部。其中，负极极耳105可以为镍带或镀镍钢带，厚度为0.05~0.2mm。负极焊接片107的材料可以是钢材、铝、铝合金或镍等，其中，所述钢材可以为不锈钢。为了便于焊接，负极焊接片107的厚度大于或等于电池外壳108的底部的厚度。进一步，电池外壳108的厚度是0.3~0.45mm。负极焊接片107的厚度可以为0.5~3.5mm，优选为0.8~1.5mm。负极焊接片107的形状可以为圆形、矩形、多边形等。根据本发明一个实施方式，电池外壳108的底部向外突出，以在底部的内侧形成圆形的凹槽，负极焊接片107位于该凹槽内。进一步，负极焊接片107为与该凹槽相匹配的圆形，其直径可以为4~8mm，优选为5.5~6.5mm。

特别需要指出的是，负极焊接片107与负极极耳105之间的连接方式以及负极焊接片107与电池外壳108的底部之间的连接方式均为激光焊接。激光焊接是采用激光光束对焊接部位进行照射，瞬间产生的高温使被照射部位的金属熔化，待熔化的金属冷却后使其粘合在一起。待金属冷却后会在焊接部位产生斑点，将这个斑点称为焊点。激光焊接工艺的焊点直径和位置可以精确地控制，焊接强度也可以通过调整激光设备的功率来实现。此外，激光焊接只需要在电池负极端外部进行焊接，不需要进入到电池内部，因此焊接简单，操作方便，控制精确，生产周期短，可以用于高速生产的自动化电池生产线。另外，激光焊接还可以避免电阻焊接方式中可能存在的焊接不上或者焊接强度低以及金属飞溅等情况，进一步地避免了隔膜可能被飞溅地金属烧穿地情况，从而保证电池内部正极和负极不会直接导通，不会造成电池内部短路。

与负极极耳105和电池外壳108直接连接的情况相比，在负极极耳105与电池外壳108的底部之间设置负极焊接片107可以降低激光焊接工艺的操作难度，改善焊接强度，提高良品率。具体地说，由于焊接装置和电池内的容积的限制，激光焊接机只能从外部将负极极耳105和电池外壳108焊接在一起。负极极耳105通常薄且软，当电池外壳108将电池底部封闭后很容易在负极极耳105和电池外壳108之间形成间隙，该间隙内的空气导热性能差，被焊接部件的金属无法融化，这样冷却后负极极耳105无法与电池外壳108连接，进而影响焊接强度。该间隙形成在电池外壳108的内部，间隙大小无法测量，因此为了使负极极耳105的金属融化而增大激光焊接设备的输出功率的话，很可能焊穿电池外壳，这会增加该工序的废品率。

以下将详细描述通过负极焊接片107将负极极耳105连接至电池外壳108的底部的工艺步骤。对于锂-二硫化铁电池100中其它部件之间的连接方式，以及该步骤之前和之后的工艺均可以采用现有的连接方式和工艺来实现，因此不再详述。

首先，通过激光焊接工艺将负极极耳105焊接到负极焊接片107上，如图2所示，为负极极耳105与负极焊接片107的连接示意图，应当注意的是，具有正极极耳的正极极片、隔膜、以及具有负极极耳的负极极片已经叠加并卷绕形成电芯200。

由于焊点的直径和熔池深度会对焊接强度产生较大的影响，因此通常采用焊点的直径和熔池深度来对焊点进行描述，其中，熔池深度是指激光光束照射焊接部位时，被照射处金属熔化的深度。考虑到外部振动、冲击和跌落对电池的影响以及电池的电性能，本发明所选的焊点直径为0.2~1.2mm，熔池深度为0.02~0.2mm。通常情况下，对于负极极耳105与负极焊接片107之间的连接只需要一个焊点即可焊接牢固。在条件允许的情况下，焊接部位的焊点301越多，被焊接的部位越牢固。

根据上述对焊点直径和熔池深度的要求，本发明选择以下工艺参数：激光的光斑直径为0.2~1.6mm，激光焊接机焊接时的输出功率为2000~4000W，焊接时间为2~8ms，激光焊接机的出光频率是1Hz。

然后，在封装电池外壳之后，通过激光焊接工艺将负极焊接片107焊接到电池外壳108的底部。根据对负极焊接片107与电池外壳108之间焊接强度以及电池的电性能的要求，本发明所选的焊点直径为0.2~1.6mm，熔池深度为0.02~0.2mm。

根据上述对焊点直径和熔池深度的要求，本发明选择以下工艺参数：激光的光斑直径为0.2~1.6mm，激光焊接机焊接时的输出功率为600~2000W，焊接时间为5~15ms，激光焊接机的出光频率是1Hz。

优选地，进行激光焊接工艺过程中，采用氩气或氮气等对焊接部位进行气体保护，以防止在高温下熔化的金属被氧化。

可以理解的是，在上述两个步骤之间可以包含其它步骤，例如，正极极耳104与正极上盖组合体106之间的连接步骤等等。

以下将结合具体实施例来描述本发明的方法。

首先，通过激光焊接工艺将负极极耳焊接至负极焊接片。在本实施例中，负极极耳选用厚度为0.1mm的镀镍钢带，负极焊接片选用圆形的不锈钢片，其厚度是1.0 mm，直径是6mm。然而，应当理解的是，负极焊接片的形状并不限于圆形，只要保证与电池外壳的底部具有一定的接触面积即可。具体的工艺为：采用光斑直径为0.8mm的激光，激光焊接机焊接时的输出功率为3400W，焊接时间为2.75ms，激光焊接机的出光频率为1Hz。

然后，将焊有负极焊接片的电芯插入直径是13.95mm，厚度是0.3mm的电池外壳中。

最后，在封装电池外壳之后，通过激光焊接工艺将负极焊接片焊接至电池外壳的底部的内侧。在本实施例中，该底部的中心具有直径约6 mm的圆形凹槽，负极焊接片被放置于该凹槽中。采用光斑直径为0.8mm的激光，激光焊接机焊接时的输出功率为1100W，焊接时间为7.5ms，焊接机的出光频率为1Hz，至此完成负极极耳与电池外壳的连接。

将根据上述实施例制作出的锂-二硫化铁电池分为四组，分别置于不同条件下存放。第一组电池在21℃条件下存放7天，第二组电池在21℃条件下存放1天后再在60℃条件下存放20天，第三组电池在21℃条件下存放1天后再在60℃条件下存放40天，第四组电池在21℃条件下存放1天后再在60℃条件下存放60天。首先，在21℃条件下存放1天是为了使电池内部温度与环境温度是一致的，以保证进行接触内阻实验的准确性。然后，在60℃条件下存放是为了加速电池的老化，将电池在60℃条件下存放20天相当于在21℃条件下存放1年。采用Solartron交流阻抗仪器分别对上述四组的锂-二硫化铁电池的接触内阻进行检测，测得的接触内阻如表1所示。

此外，电池放电尤其是高功率放电对温度很敏感，温度越高，放电次数越多。举例来说，对于同样的锂-二硫化铁电池，在40℃条件下能放电720次，在21℃条件下可能只能放电650次，0℃条件下可能只能放电350次。采用美国国家标准用模拟数码相机拍照时的放电模式（ANSI DCAM），在1500mW下放电2秒，然后在650mW下放电28秒，每小时进行5分钟上述的放电循环，终点电压是0.9V，测得的放电次数见表1。

表1

电池存放条件	电池接触内阻/mΩ	放电次数/次
			21℃存放7天	72	659
60℃存放20天	71	650
			60℃存放40天	72	645
60℃存放60天	72	646

从表1中可以看出，电池的接触内阻并没有随着存储时间的增加而增大，并且锂-二硫化铁电池在大功率脉冲下的放电次数只降了大约2%。以上测试结果说明采用激光焊接工艺将负极极耳通过负极焊接片连接至电池外壳时，接触良好，电池接触内阻不会随着时间的增加而增大，并且本发明的锂-二硫化铁电池的存储性能优异。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种锂-二硫化铁电池，包括电池外壳、位于所述电池外壳内部的负极结构和负极焊接片，所述负极结构包括负极极片和连接在所述负极极片一端的负极极耳，负极焊接片设置在所述负极极耳与所述电池外壳的底部之间，所述负极极耳通过激光焊接连接至所述负极焊接片，所述负极焊接片通过激光焊接连接至所述电池外壳的底部，所述电池外壳的底部向外突出，以在所述底部的内侧形成圆形的凹槽，所述负极焊接片位于所述凹槽内，所述负极焊接片为与所述凹槽相匹配的圆形。

2.如权利要求1所述的锂-二硫化铁电池，其特征在于，所述负极焊接片的厚度大于或等于所述电池外壳的底部的厚度。

3.如权利要求1所述的锂-二硫化铁电池，其特征在于，所述负极焊接片的厚度为0.5～3.5mm。

4.如权利要求1所述的锂-二硫化铁电池，其特征在于，所述负极焊接片的直径为4～8mm。

5.如权利要求1～4中任一项所述的锂-二硫化铁电池，其特征在于，所述负极焊接片的材料为钢材、铝、铝合金或镍。

6.一种制作权利要求1所述的锂-二硫化铁电池的方法，所述方法包括：第一激光焊接步骤，其中，通过激光焊接工艺将所述负极极耳连接至所述负极焊接片，在所述第一激光焊接步骤中，焊点的直径为0.2～1.2mm，熔池深度为0.02～0.2mm；和第二激光焊接步骤，其中，在封装所述电池外壳之后，通过激光焊接工艺将所述负极焊接片连接至所述电池外壳的底部的内侧，在所述第二激光焊接步骤中，焊点的直径为0.2～1.6mm，熔池深度为0.02～0.2mm。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第一激光焊接步骤中，激光焊接机焊接时的输出功率为2000～4000W。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第一激光焊接步骤中，焊接时间为2～8ms。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第二激光焊接步骤中，采用氩气或氮气对焊接部位进行保护。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第二激光焊接步骤中，激光焊接机焊接时的输出功率为600～2000W。

11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第二激光焊接步骤中，焊接时间为5～15ms。

12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第一激光焊接步骤和所述第二激光焊接步骤中，激光的光斑直径为0.2～1.6mm。