CN102651461B - 一种电池的密封组件及其制作方法、以及一种锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池的密封组件及其制作方法，所述密封组件包括：陶瓷环，其中部形成有通孔；金属环座，套接于所述陶瓷环的外侧；金属板，连接于所述陶瓷环的上端面，其上开设有穿孔；芯柱，其穿设于所述金属板的穿孔、陶瓷环的通孔中，并与所述金属板的穿孔相连接。本发明还提供了采用这种密封组件的锂离子电池，包括：至少一端开口的壳体，该密封组件安装于壳体的开口端，密封组件与壳体之间形成密封空间，所述密封空间内收容有极芯和电解液，密封组件的金属环座与壳体相连接，芯柱与极芯相连接。本发明的电池的密封组件的金属环座与芯柱之间通过设置陶瓷环进行连接，陶瓷环具有较强的抗腐蚀性，并且整个密封组件的连接可靠，密封效果佳。

Description

一种电池的密封组件及其制作方法、以及一种锂离子电池

技术领域

本发明涉及电池的密封技术领域；具体而言，本发明涉及一种电池的密封组件及其制作方法、以及一种锂离子电池。

背景技术

在现有的锂离子电池的密封中，密封组件的盖板和芯柱主要是通过玻璃体封接。例如：CN2419690公开了一种锂离子电池的盒盖。电池盒盖板和电极引芯用玻璃体固封；在电池盒盖板上开有注液孔，注液孔用安全阀片焊封。电池盒、玻璃体和电极引芯的温度系数应相同或相近。能确保电池的密封和危险压力的释放，从而提高锂离子电池的效率和安全性能。

但是，在锂离子电池长期使用和储存后，与锂离子电池的电解液直接接触的玻璃体下层会被腐蚀。例如：法国SAFT公司通过加速老化试验方法对玻璃体进行抗腐蚀测试，将密封组件与锂离子电池本体组装成锂离子电池后，在150℃下放置7天，结果发现玻璃体表面被腐蚀，密封组件的气密性降低，小于1.0×10^-7m³·Pa/s。产生这种现有的主要原因是：金属锂会还原玻璃中的二氧化硅，且会不断地渗入到玻璃体中，不仅降低玻璃的绝缘性能，更会造成锂电池的漏液。目前，国外解决此类问题主要通过开发不含二氧化硅的抗腐蚀性绝缘玻璃，而这种玻璃的封接温度较高，对设备及工艺条件的要求都非常苛刻。为了解决此技术问题，CN201397827公开了一种锂电池密封绝缘子，包括开有通孔的上盖和通过所述通孔穿插在上盖上的芯柱，通孔内设置有玻璃体，并通过玻璃体对上盖和芯柱进行封接，通孔内且位于玻璃体的下方设置有碳氟化合物。通过设置碳氟化合物能够有效保护玻璃体不被腐蚀，从而避免出现锂电池的漏液和短路现象，提高了锂电池的使用寿命。

然而，需要进一步指出的是，目前电池所用芯柱多为4J系列的Kovar（可伐）合金，随着电池容量的逐步增大，芯柱的长度、直径相应增大，由于合金具有较高的电阻率，会影响电池的正常工作。因此新的技术方案是使用铝材和铜材分别作为电池的正、负极芯柱的材料，因为两者具有低的电阻率，可以大幅度降低芯柱的实际电阻值。然而，铝和铜的熔点偏低，分别为660℃和1083℃，一般玻璃体的封接温度则在1000℃左右，因而，当采用玻璃体封接铝芯柱时，由于需要在铝的熔点以下进行封接，无法满足玻璃体的封接要求，难以实现对铝芯柱的封接；而当采用玻璃体封接铜芯柱时，也因接近铜的熔点，难以保证封接质量。

发明内容

本发明为解决现有技术中电池的密封组件采用玻璃体进行封接，抗腐蚀性差、封接质量较差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电池的密封组件，包括：

陶瓷环，其中部形成有通孔；

金属环座，套接于所述陶瓷环的外侧；

金属板，连接于所述陶瓷环的一端面，其上开设有穿孔；

芯柱，其穿设于所述金属板的穿孔、陶瓷环的通孔中，并与所述金属板的穿孔相连接。

优选地，所述芯柱与陶瓷环的通孔之间留有间隙，所述间隙中填充有填充体。

其中，所述电池的密封组件为电池正极的密封组件，所述金属板为铝板或铝合金板，所述芯柱为铝柱或铝合金柱。

其中，所述电池的密封组件为电池负极的密封组件，所述金属板为铜板或铜合金板，所述芯柱为铜柱或铜合金柱。

本发明提供了上述电池正极的密封组件的制作方法，包括下述步骤：

步骤1、将金属环座套接于陶瓷环的外侧，再将金属板与陶瓷环相焊接；

步骤2、将芯柱顺序穿过金属板的穿孔、陶瓷环的通孔，再将芯柱与金属板的穿孔相焊接。

本发明还提供了上述电池负极的密封组件的制作方法，包括下述步骤：

步骤1、采用直接覆铜法将金属板与陶瓷环相连接；

步骤2、将金属环座套接于陶瓷环的外侧；

步骤3、将芯柱顺序穿过金属板的穿孔、陶瓷环的通孔，再将芯柱与金属板的穿孔相焊接。

本发明进一步提供了一种锂离子电池，包括：至少一端开口的壳体、密封于所述壳体的开口端的密封组件，所述壳体与密封组件之间形成有密封空间，所述密封空间内收容有极芯和电解液，所述密封组件采用如上所述的电池的密封组件，其中，所述电池的密封组件的金属环座与壳体相连接，所述电池的密封组件的芯柱与所述极芯相连接。

在本发明的电池的密封组件中，金属环座与芯柱之间通过设置陶瓷环进行连接，使得壳体与芯柱之间保持绝缘并形成密封封接；其中，芯柱作为电池的电极用于与电池的极芯电连接，并且芯柱与金属板相焊接并通过金属板与陶瓷环相连接；金属环座则直接与陶瓷环通过焊接或熔铸方式相连接，并用于焊接在电池的壳体上，实现本发明的密封组件与电池主体的连接；整个密封组件的连接可靠，并且，陶瓷环具有较强的抗腐蚀性、良好的绝缘性能，因而整个密封组件的密封效果好，避免了锂离子电池的漏液现象，能够有效提高锂离子电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的优选实施例的电池的密封组件的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。本文中，相同附图标记表示相同组成部分。并且，应当理解，在本发明的描述中，“上”、“下”等相对方位术语，表示密封组件中的各部件及其组成部分在图1所示的密封组件的剖视图中的相对位置，以便于对各部件及其组成部分进行描述；但并不用于对这些部件及其组成部分在锂离子电池中的实际安装和位置关系进行限定，其可能与实际安装情况不相同，并不用于限制本发明的范围。

本发明的电池的密封组件用于电池的密封，更多地用于锂离子电池的密封，尤其是大功率锂离子电池，例如：锂离子动力电池、锂离子储能电池的密封。本领域的技术人员知道锂离子电池主要包括：至少一端开口的壳体、放置于壳体内的极芯、以及收容于壳体内的电解液。为了避免电解液的漏出，采用密封组件对壳体的开口端进行密封。其中，所述壳体一般为铝壳或钢壳，用于放置极芯和容纳电解液，其至少一端开口。所述极芯由正极片、隔膜、负极片依次叠置或卷绕形成，极芯的结构和制作方法可通过现有技术实现，在此不做赘述。

本实用新型的改进之处主要在于密封组件，如图1所示，本发明优选实施例的电池的密封组件为电池负极的密封组件，包括：陶瓷环1、芯柱2、金属板3、金属环座4，金属板3连接于所述陶瓷环1的上端面、金属环座4套接于所述陶瓷环1的外侧，陶瓷环1的中部形成有通孔11，金属板3上开设有穿孔31，芯柱2穿设于所述穿孔11、通孔31中，并与所述穿孔11相连接。

具体来说，所述金属环座4为铝环或者铝合金环，金属环座4与锂离子电池的壳体相焊接，以使密封组件密封壳体的开口端；当然，所述金属环座4还可以为与壳体相同材质的其它金属板，例如：钢板，金属环座4用于与锂离子电池的壳体相连接（一般通过焊接实现连接），以实现本发明的整个密封组件与锂离子电池主体的密封连接。所述金属环座4的中部形成安装孔41，安装孔41的孔径等于陶瓷环1的外径；用于安装陶瓷环1。值得一提的是，因为芯柱2用作电池的一极，而壳体一般可作为电池的另一极，金属环座4与壳体相连接，因而需要保证芯柱2与金属环座4相绝缘，在本发明中，通过陶瓷环1的设置，将芯柱2与金属环座4相连接并保证它们之间的绝缘。

所述金属板3的厚度为0.1-3mm，在优选情况下，厚度为0.5-2mm。所述穿孔31设于金属板3的中部，所述穿孔31的孔径与所述芯柱2相适配，以使所述芯柱2与穿孔31相连接。所述金属板3用于连接芯柱2和陶瓷环1，并且，当密封组件为电池负极的密封组件，金属板3为铜板或铜合金板，可以用作负极引出片，外接用电设备。在本实施例中，所述金属板3的穿孔31的孔壁与所述芯柱2之间设有焊接层，所述金属板3的穿孔31与所述芯柱2通过所述焊接层（通过物理焊接方法形成）相连接，物理焊接方法具体如下的制作方法详述。

所述陶瓷环1为所述陶瓷环为氧化铝陶瓷环、氧化锆陶瓷环、氮化铝陶瓷环、氮化硼陶瓷环、氮化硅陶瓷环、氧化铝和氧化锆的复合陶瓷环中的一种，优选氧化铝陶瓷环、氧化铝和氧化锆的复合陶瓷环，以便采用直接覆铜法敷接铜板或铜合金板。在本实施例中，陶瓷环1的外径为￠20±1mm，其中部形成的通孔的孔径为￠10±0.5mm，厚度为6.5±3mm，陶瓷环1用于连接金属板3与金属环座4，进而将芯柱2固定于金属环座4上，并保证芯柱2与金属环座4之间的绝缘；陶瓷环1的耐腐蚀性能非常好，不会被电解液腐蚀，能够保证锂离子电池的使用寿命；并且陶瓷环1的抗冲击强度、抗热震性能优于玻璃体，使得密封组件的结构更稳定，密封效果更佳；值得一提的是，采用陶瓷环1作为封接介质，相较于采用陶瓷板，其厚度较厚，抗热冲击性能和热循环性能更佳。在本实施例中，所述陶瓷环1与所述金属环座4之间设有助焊剂层，并通过所述助焊剂层（通过钎焊工艺形成）相连接，陶瓷环1与金属板3则可以通过直接覆铜法相连接，具体如下的制作工艺详述。

陶瓷环1的中部形成通孔11，通孔11的孔径比芯柱2的直径大，使得所述通孔11与所述芯柱2之间形成间隙12，以避免陶瓷环1受热膨胀。在本实施例的优选情况下，所述间隙12中填充有填充体5，使得整个密封组件的结构更可靠，密封性能更佳。所述填充体5优选树脂，所述树脂选自能够使芯柱与陶瓷环、金属环座实现有效地粘接的树脂，关于树脂的选择已为本领域的技术人员所公知，例如：可选择环氧树脂或者硅酮树脂。

所述芯柱2可采用本领域常见的芯柱，在本实施例中，所述芯柱2的直径为9mm±0.5mm，密封组件中其它部件的尺寸，例如：通孔11、过孔41的大小可根据芯柱2的直径进行确定。芯柱2的上端露出金属板3，可用于负极引出端，外接用电设备；其下端露出陶瓷环1，用于与锂离子电池的极芯电性连接，以实现锂离子电池的内部和外部的电连接。在本实施例中，因为密封组件为电池负极的密封组件，因而，所述芯柱2为铜柱或铜合金柱。

可以理解的是，本发明第二实施例的电池正极的密封组件与第一实施例的电池负极的密封组件的结构基本相似，区别之处在于，所述金属板为铝板或铝合金板，所述芯柱为铝柱或铝合金柱。因而，所述陶瓷环与所述金属板之间也设有助焊剂层，并通过所述助焊剂层（通过钎焊工艺形成）相连接，具体工艺上的区别可见下面的制作工艺详述。

本发明提供了上述第一实施例的电池负极的密封组件的制作方法，包括下述步骤：

步骤1、采用直接覆铜法（DBC）将金属板与陶瓷环相连接；在本实施例中，由于为电池负极的密封组件的制作，因而，所述金属板为铜板或铜合金板，可以采用直接覆铜法将金属板与陶瓷环相连接，所述直接覆铜法已为本领域技术人员所公知。在本步骤中，优选地，所述直接覆铜法的温度为1063-1084℃，气氛为含有0-500ppm氧气的氮气气氛。

步骤2、将金属环座套接于陶瓷环的外侧；在本步骤中，所述金属环座与陶瓷环采用钎焊工艺或者熔铸工艺相焊接，所述钎焊工艺需要在金属母材熔点以下使用助焊剂实现焊接，熔铸工艺则只需通过熔化金属母材后即可实现金属与陶瓷的连接，熔铸工艺的步骤和参数也已为本领域技术人员所公知。钎焊工艺所采用的焊料可为Al-Si合金、Al-Mg合金、Al-Si-Mg合金等用于焊接陶瓷和铝的焊料，在优选情况下，钎焊工艺所采用的焊料为Al-Si-Mg合金，其中，Si的含量为0-12wt%，Mg的含量为0-12wt%，余量为Al，使得焊接效果更佳；钎焊工艺的温度为570-660℃，气氛为真空或惰性气体气氛，所述惰性气体气氛优选为氮气气氛。在钎焊后，在所述金属环座与陶瓷环之间形成助焊剂层，金属环座与陶瓷环通过所述助焊剂层相连接。在优选情况下，所述熔铸工艺的温度为600-1300℃，气氛为真空或惰性气体气氛。

步骤3、将芯柱顺序穿过金属板的穿孔、陶瓷环的通孔、以及金属环座的过孔，再将芯柱与金属板的穿孔相焊接。在本步骤中，所述芯柱采用物理焊接方法焊接于金属板的穿孔中，所述物理焊接方法为电阻焊、激光焊或者超声焊，用于实现金属与金属之间的焊接，电阻焊、激光焊或者超声焊的工艺步骤和参数已为本领域技术人员所公知，在此不做赘述；在物理焊接后，所述金属板的穿孔与所述芯柱之间形成有焊接层，所述金属板的穿孔与所述芯柱通过所述焊接层相连接。

优选地，所述电池负极的密封组件的制作方法还包括：步骤4、在芯柱与通孔之间的间隙中填入填充体，通过填入所述填充体，使得整个密封组件的连接更牢固，密封性能更佳。

由上可知，采用陶瓷环来实现芯柱和金属环座的连接，当密封组件为电池负极的密封组件时，芯柱与陶瓷环的连接可通过将芯柱连接到金属板（铜板或铜合金板），再将金属板与陶瓷环相连接来实现，铜板或铜合金板与陶瓷环的连接可采用直接覆铜法来实现，具有较高的结合强度；另外，金属环座与陶瓷环的焊接可采用钎焊或熔铸工艺，工艺简单，焊接结构牢固；值得一提的是，上述制备方法的顺序根据安装方式和反应温度来进行排序，例如：因为直接覆铜法的敷接温度高于钎焊工艺的温度，因而，金属板与陶瓷环的敷接需要在金属环座与陶瓷环的焊接之前进行；又例如：因为芯柱在各板安装结束后再进行安装更简便，因而安装顺序在后。

本发明提供了上述第二实施例的电池正极的密封组件的制作方法，包括下述步骤：

步骤1、将金属环座套接于陶瓷环的外侧，并将金属板与陶瓷环相焊接；在本实施例中，由于为电池正极的密封组件的制作，因而，所述金属板为铝板或铝合金板，可以同时采用钎焊工艺将金属板、金属环座与陶瓷环相连接，所述钎焊工艺的工艺步骤和参数也已为本领域技术人员所公知，钎焊工艺所采用的焊料可为Al-Si合金、Al-Mg合金、Al-Si-Mg合金等用于焊接陶瓷和铝的焊料，在优选情况下，钎焊工艺所采用的焊料为Al-Si-Mg合金，其中，Si的含量为0-12wt%，Mg的含量为0-12wt%，余量为Al，使得焊接效果更佳；钎焊工艺的温度为570-660℃，气氛为真空或惰性气体气氛，优选氮气气氛。当然，也可采用熔铸工艺将金属环座套接于陶瓷环的外侧，因为熔铸工艺的温度高于钎焊工艺，所以需要先将金属环座通过熔铸工艺套接于陶瓷环的外侧，再将金属板与陶瓷环通过钎焊工艺相焊接，钎焊后，在所述金属板、金属环座与陶瓷环之间均形成有助焊剂层，金属板、金属环座与陶瓷环通过所述助焊剂层相连接。所述熔铸工艺的工艺步骤和参数也已为本领域技术人员所公知，其与钎焊工艺的区别在于，所述钎焊工艺需要在金属母材熔点以下使用助焊剂实现焊接，熔铸工艺则只需通过熔化金属母材后即可实现金属与陶瓷的连接，在优选情况下，所述熔铸工艺的温度为600-1300℃，气氛为真空、氮气或惰性气体气氛。

步骤2、将芯柱顺序穿过金属板的穿孔、陶瓷环的通孔、以及金属环座的过孔，再将芯柱与金属板的穿孔相焊接。在本步骤中，所述芯柱采用物理焊接方法焊接于金属板的穿孔中，所述物理焊接方法为电阻焊、激光焊或者超声焊，用于实现金属与金属之间的焊接，电阻焊、激光焊或者超声焊的工艺步骤和参数已为本领域技术人员所公知，在此不做赘述；在物理焊接后，所述金属板的穿孔与所述芯柱之间形成有焊接层，所述金属板的穿孔与所述芯柱通过所述焊接层相连接。

优选地，所述电池负极的密封组件的制作方法还包括：步骤3、在芯柱与通孔之间的间隙中填入填充体，通过填入所述填充体，使得整个密封组件的连接更牢固，密封性能更佳。

由上可知，采用陶瓷环来实现芯柱和金属环座的连接，当密封组件为电池正极的密封组件时，芯柱与陶瓷环的连接可通过金属板（铝板或铝合金板）来实现，由于金属板、金属环座均为铝板或铝合金板，与陶瓷环的焊接可采用钎焊工艺，工艺简单，焊接结构牢固。

组装整个锂离子电池时，例如：以将锂离子电池的壳体作为正极，将密封组件的芯柱作为负极为例，密封组件为电池负极的密封组件，壳体的一端开口，将极芯放置于壳体内，并向壳体内注液（或者后续通过金属环座上的注液孔进行注液，已为本领域技术人员所知），然后将密封组件安装于壳体的该开口端，在这个过程中，将密封组件的金属环座与壳体相焊接，并将密封组件的芯柱与极芯相连接（具体来说，极芯的正极片通过正极耳与壳体相连接，极芯的负极片通过负极耳与芯柱相连接，具体结构可通过现有技术实现），安装后，密封组件与壳体之间形成密封空间，在该密封空间内收容有极芯和电解液，壳体和芯柱分别作为锂离子电池的两极，可外接用电设备。

再例如：以壳体的两端均开口，分别安装密封组件，其中一密封组件为电池正极的密封组件，而另一密封组件为电池负极的密封组件为例，将该两个密封组件分别安装于壳体的两开口端，在此过程中，将该两个密封组件的金属环座与壳体相焊接，并将该两个密封组件的芯柱与极芯相连接（具体来说，极芯的正极片通过正极耳与电池正极的密封组件的芯柱相连接，极芯的负极片通过负极耳与电池负极的密封组件的芯柱相连接，具体结构可通过现有技术实现），安装后，该两个密封组件与壳体之间形成密封空间，在该密封空间内收容有极芯和电解液，该两个密封组件的芯柱分别作为锂离子电池的两极，可外接用电设备。

本发明的电池的密封组件具有以下特点：在本发明的电池的密封组件中，金属环座与芯柱之间通过设置陶瓷环进行连接，使得壳体与芯柱之间保持绝缘并形成密封封接；其中，芯柱作为电池的电极用于与电池的极芯电连接，并且芯柱与金属板相焊接并通过金属板与陶瓷环相连接；金属环座则直接与陶瓷环通过焊接或熔铸方式相连接，并用于焊接在电池的壳体上，实现本发明的密封组件与电池主体的连接；整个密封组件的连接可靠，并且，陶瓷环具有较强的抗腐蚀性、良好的绝缘性能，因而整个密封组件的密封效果好，避免了锂离子电池的漏液现象，能够有效提高锂离子电池的使用寿命。进一步地，陶瓷环与芯柱之间设有间隙并于间隙中填充有填充体，结构更可靠、密封效果更佳。

本领域技术人员容易知道，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由权利要求书确定。

Claims (10)

1.一种电池的密封组件，其特征在于，包括：

陶瓷环，其中部形成有通孔；

金属环座，套接于所述陶瓷环的外侧；

金属板，所述金属板通过直接覆铜法连接于所述陶瓷环的上端面，其上开设有穿孔；

芯柱，其穿设于所述金属板的穿孔、陶瓷环的通孔中，并与所述金属板的穿孔相连接；

所述电池的密封组件为电池负极的密封组件，所述金属板为铜板或铜合金板，所述芯柱为铜柱或铜合金柱，所述陶瓷环为氧化铝陶瓷环或氧化铝与氧化锆的复合陶瓷环；所述直接覆铜法的温度为1063-1084℃，气氛为含有0-500ppm氧气的氮气气氛。

2.根据权利要求1所述的电池的密封组件，其特征在于，所述芯柱的上端露出金属板，下端露出陶瓷环。

3.根据权利要求1所述的电池的密封组件，其特征在于，所述陶瓷环的厚度为6.5±3mm，所述通孔的孔径比芯柱的直径大1-3mm；

所述金属环座为铝环或者铝合金环，其中部形成有安装孔，安装孔的孔径等于陶瓷环的外径；

所述金属板的厚度为0.1-3mm，所述穿孔设于金属板的中部，穿孔与所述芯柱相适配。

4.根据权利要求1所述的电池的密封组件，其特征在于，所述芯柱与陶瓷环的通孔之间留有间隙，所述间隙中填充有填充体。

5.根据权利要求4所述的电池的密封组件，其特征在于，所述填充体为树脂。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的电池的密封组件的制作方法，包括下述步骤：

步骤1、采用直接覆铜法将金属板与陶瓷环相连接；所述直接覆铜法的温度为1063-1084℃，气氛为含有0-500ppm氧气的氮气气氛；

步骤2、将金属环座套接于陶瓷环的外侧；

步骤3、将芯柱顺序穿过金属板的穿孔、陶瓷环的通孔，再将芯柱与金属板的穿孔相焊接。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括步骤4、在芯柱与通孔之间的间隙中填入填充体。

8.根据权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，在步骤2中，所述金属环座采用钎焊工艺或者熔铸工艺套接于陶瓷环的外侧；

所述钎焊工艺所采用的焊料为Al-Si-Mg合金，其中，Si的含量为0-12wt%，Mg的含量为0-12wt%，余量为Al；钎焊工艺的温度为570-660℃，气氛为真空或惰性气体气氛；

所述熔铸工艺的温度为600-1300℃，气氛为真空或惰性气体气氛。

9.根据权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，在步骤3中，所述芯柱采用物理焊接方法焊接于金属板的穿孔中，所述物理焊接方法为电阻焊、激光焊或者超声焊。

10.一种锂离子电池，包括：至少一端开口的壳体、密封于所述壳体的开口端的密封组件，所述壳体与密封组件之间形成密封空间，所述密封空间内收容有极芯和电解液，其特征在于，所述密封组件采用如权利要求1-5任意一项所述的电池的密封组件，其中，所述电池的密封组件的金属环座与壳体相连接，所述电池的密封组件的芯柱与所述极芯相连接。