CN102684312A - 改进的电能储存装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了改进的电能储存装置及其制造方法。具体地，本发明公开了一种设有接纳单体电池的金属罩以及位于金属罩外、对应于单体电池的每个电极的第一端子和第二端子的电能储存装置，其包括：板式构件，设置在第一端子和第二端子中的至少一个上；内端子，接触板式构件以在内端子与板式构件之间形成边界；以及激光焊接部，沿内端子与板式构件之间的边界形成，用以使板式构件与内端子连接。本发明能够改进电能储存装置的连接强度和抗力特性。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2011年3月11日提交的韩国专利申请第10-2011-0022012号、第10-2011-0022013号和第10-2011-0022015号的优先权，在此通过援引并入其全部公开内容。
技术领域
本发明涉及电能储存装置及其制造方法，且更具体涉及具有改进的外端子与内端子之间的连接结构的电能储存装置及其制造方法。
背景技术
一般而言，超级电容器(也被称为超电容器)是具有介于电解电容器与二次电池之间的特性的储能装置。因为超级电容器具有高效率和半永久性寿命，所以超级电容器被认为是与二次电池并列的或代替二次电池使用的下一代储能装置。
超级电容器也能在不容易维持并需要长使用寿命的应用中用来代替蓄电池。由于超级电容器具有快速充、放电的特性，所以超级电容器非常适合作为电动车(electric vehicle)、路灯或需要大容量的不间断电源(UPS)的主电源或辅助电源，以及例如移动电话、笔记本电脑或个人数字助理(PDA)之类的移动通信设备的辅助电源，并因此被广泛使用。
如图1所示，最小化超级电容器主要呈圆柱形。
参照图1，圆柱形超级电容器包括：内壳10，其容纳由阴极、阳极、分隔器和电解质组成的单体电池(bare cell)；金属罩40，接纳内壳10；内端子20、30，位于金属罩40的上部和下部以分别连接到单体电池的阳极和阴极；以及外阳极端子51和外阴极端子45，分别位于金属罩40的顶部和底部。
在圆柱形超级电容器中，内阳极端子20借助绝缘构件60而与金属罩40电隔离，并电连接到位于板式构件50的中间的外阳极端子51，内阴极端子30电连接到金属罩40。
传统上，内阳极端子20与板式构件50之间以及内阴极端子30与金属罩40之间的连接使用螺栓70。然而，内端子与外端子之间使用螺栓70连接具有组装过程复杂、连接稳定性差的缺点。
具体地，因为外阳极端子51的中心形成有电解质注入孔，并具有例如安全阀之类的部件，所以螺栓不容易应用于外阳极端子51。
为解决这个问题，已有人建议使用热压方式将板式构件50的设有外阳极端子51的表面与内阳极端子20的对应表面焊接。然而，这包含复杂的焊接工艺，并因为外阳极端子51与内阳极端子20之间的被连接件对外部振动的抵抗力薄弱，所以外阳极端子51与内阳极端子20可轻易地彼此分离，这将使接触电阻特性退化。
另一方面，由于内阴极端子30直接接触金属罩40，所以为改进超级电容器的电气特性，最小化内阴极端子30与金属罩40之间的接触电阻并稳定它们之间的接触状态非常重要。
同时，在例如过充电、过放电、过电压等反常条件下，超级电容器的电解质与电极之间的干扰在室温可产生副反应，因此产生气体。当气体在超级电容器中积聚时，金属罩40的内压增大，最终使金属罩40膨胀。在某些情况下，当气体通过金属罩40的薄弱区域突然释放时，金属罩40可能爆炸。
具体地，在金属罩40的靠近内阴极端子30的侧部和底部，金属罩40膨胀得比在内阳极端子20的附近更加严重。
因为金属罩40的靠近内阳极端子20的顶部形成有卷边部41，所以通过控制卷边量，容易增强金属罩40的靠近内阳极端子20的那部分侧部的抗压性能，然而由于在外阴极端子45的附近没有形成卷边部，所以不容易增强金属罩40的靠近外阴极端子45的那部分侧部的抗压性能。
发明内容
提出本发明为的是解决以上问题，因此本发明的目的是提供一种通过在外端子与内端子之间的精确焊接而具有改进的连接强度和抗力特性的电能储存装置，以及该电能储存装置的制造方法。
本发明的另一目的是提供一种通过增大金属罩与内端子之间的接触面积和接触稳定性而具有改进的抗力特性的电能储存装置，以及该电能储存装置的制造方法。
本发明的又一目的是提供一种通过最大化金属罩的厚度分布而具有改进的抗压性能的电能储存装置。
为了实现本发明的目的，提供一种电能储存装置，其设有接纳单体电池的金属罩以及位于金属罩外、对应于单体电池的每个电极的第一端子和第二端子，该电能储存装置包括：板式构件，设置在第一端子和第二端子中的至少一个上；内端子，接触板式构件以在内端子与板式构件之间形成边界；以及激光焊接部，沿内端子与板式构件之间的边界形成，用以使板式构件与内端子连接。
优选地，激光焊接部由沿板式构件与内端子之间的边界重复形成的多个焊点组成，并且相邻焊点的中心之间的距离处于焊点的直径以内。
沿内端子的外周边可形成有压边槽(beading groove)，而且金属罩可具有紧密接触压边槽的压边部(bead portion)。
在金属罩的底部及侧部之间可形成有圆角部，用以控制内压，并且在内端子上可形成有对应于金属罩的圆角部的倾斜部。
内端子可对应于第一端子和第二端子中的每一个设置；而且对应于第一端子和第二端子的任一内端子可在压边部绝缘构件插置于其间的情况下紧密接触，而另一端子可直接接触压边部。
优选地，第一端子对应于单体电池的阳极，而第二端子对应于单体电池的阴极。
金属罩在其侧部上可具有厚度梯度，使得靠近第二端子的那一部分的厚度大于靠近第一端子的另一部分的厚度。
优选地，金属罩的侧部的对应于第二端子的高度的那一部分的厚度大于另一部分的厚度，内端子至少对应于第二端子。
优选地，靠近第二端子的那一部分的厚度与靠近第一端子的另一部分的厚度之比为120％到150％。
在金属罩的至少一个端子的中心区可形成有用于同心的突出部。
用于同心的突出部可与金属罩的本体一体形成。
根据本发明的另一方案，提供一种制造设有接纳单体电池的金属罩以及位于金属罩外、对应单体电池的每个电极的第一端子和第二端子的电能储存装置的制造方法，该制造方法包括以下步骤：步骤a，通过使内端子与设置在第一端子和第二端子中的至少一个上的板式构件接触，来制备焊接对象；步骤b，使对象与激光焊机的光束辐射单元对准，以使激光束辐射到板式构件与内端子之间的边界上；以及步骤c，在使对象和光束辐射单元中的任一个相对于彼此移动的同时，沿对象的外周边在边界上执行激光焊接。
优选地，步骤c包括在使对象相对于光束辐射单元按预定速度旋转的同时，沿对象的外周边重复地形成多个激光焊点。
优选地，相邻焊点的中心之间的距离处于焊点的直径以内。
沿内端子的外周边可形成压边槽。
该方法可还包括将内端子放置在金属罩中，并将金属罩的对应于内端子的一部分压边，以形成紧密接触内端子的压边槽的压边部。
沿内端子的周缘可形成倾斜部。
内端子可被放入金属罩中，使得倾斜部面向金属罩的位于底部和侧部之间的角部。
附图说明
附图示出本发明的优选实施例，并与前面的内容一起供进一步理解本发明的技术精神之用。然而，本发明不应被解释为仅限于附图。
图1是示出传统超级电容器的局部剖视图。
图2是示出根据本发明的优选实施例的电能储存装置的立体图。
图3是图2的局部剖视图。
图4是示出设有外阳极端子的板式构件与内阳极端子之间的连接结构的局部放大侧视图。
图5是示出根据本发明的优选实施例的端子焊接过程的示意性平面图。
图6是示出根据本发明的外阳极端子与内阳极端子的激光焊接结果的摄影图像。
图7是示出对应外阴极端子的内阴极端子的图3的局部放大侧视图。
图8是示出根据本发明的另一实施例的电能储存装置的局部剖视图。
图9是示出图8的金属罩的内侧的底部的平面图。
图10是根据本发明的电能储存装置的实际X光图像。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明。在描述之前，应理解说明书和随附权利要求书中使用的术语和词语不应解释为具有通常的和词典上的意思；而是考虑到为了尽可能完善地描述他/她的发明，发明人能够适当定义术语和词语的概念的原则，应解释为具有对应本发明的技术构思的意思和概念。因此，在此提供的描述仅仅只是为了说明目的的优选示例，并非旨在限制本发明的范围，所以对本领域技术人员明显的是，进行在不背离本发明的精神和范围内，能够对本发明做出各种更改和变型。
图2是示出根据本发明的一优选实施例的电能储存装置的立体图。图3是图2的局部剖视图。
参照图2和图3，根据本发明的优选实施例的电能储存装置包括金属罩130、第一端子或称阳极端子141、第二端子或称外阴极端子132以及内阳极端子110和内阴极端子120；其中金属罩130接纳单体电池(未示出)；第一端子或称阳极端子141位于金属罩130外、对应于单体电池的阳极；第二端子或称外阴极端子132位于金属罩130外、对应于单体电池的阴极；内阳极端子110和内阴极端子120分别连接到金属罩130内的单体电池的阳极和阴极。
单体电池包括阴极、阳极、分隔器和电解质，并提供电化学能储存功能。
内阳极端子110和内阴极端子120分别连接到单体电池的阳极和阴极。内阳极端子110和内阴极端子120各自呈带有环形外周边的圆板形状，上述环形外周边对应于金属罩130的内周边。
内阳极端子110借助绝缘构件150而与金属罩130电隔离，而且同时接触板式构件140并连接到位于板式构件140的中间的外阳极端子141；内阴极端子120接触金属罩130并连接到位于金属罩130的底部的中间的外阴极端子132。
金属罩130为带有内部空间的圆柱体，在绕组被接纳在内壳100中之后，在该内部空间中容置单体电池。优选地，金属罩130为圆柱形的铝罩。尽管未示出，但是金属罩130优选在其底部142与侧部131之间具有圆角部，用以提高对内压的抗力。
在金属罩130的底部(金属罩130的底部从金属罩130的侧部131一体延伸)的中心区内形成有用于同心的突出部133，外阴极端子132向下伸出于金属罩130的底部142的中心区外。
在金属罩130的靠近内阳极端子110的顶部形成有卷边部160，以最大化连接和密封性能。通过调整卷边部160的卷边量，易于控制金属罩130的靠近内阳极端子110的侧部131的抗压性能。
另外，在金属罩130的侧部131上可形成有压边部135、136，用以将内阴极端子120和内阳极端子110分别固定到金属罩130。
在本发明中，设有外阳极端子141的板式构件140与内阳极端子110之间通过激光焊接来连接。
图4示出根据本发明的一优选实施例的电能储存装置的端子连接结构。
参照图4，设有外阳极端子141的板式构件140接触板状的内阳极端子110，并且在沿板式构件140与内阳极端子110之间的外周边的边界上形成有呈环形的激光焊接部170。这里，边界是执行激光焊接处，并包括板式构件140与内阳极端子110之间的微隙、及板式构件140和内阳极端子110的邻近微隙的环形周缘。
激光焊接部170由多个激光焊点组成，这些激光焊点在板式构件140与内阳极端子110之间沿边界重复地形成。优选地，多个激光焊点彼此重叠，以形成基本连续的焊线。为此，相邻焊点的中心之间的距离D应处于焊点的直径以内。
图5是示出根据本发明的优选实施例的端子焊接过程的示意性平面图。
参照图5，根据本发明的一优选实施例的端子焊接过程包括制备焊接对象、使该对象与激光焊机对准以及沿该对象的外周边执行激光焊接。
在制备步骤中，将设有外阳极端子的板式构件140叠置在内阳极端子110的顶部上。
在对准步骤中，使对象的侧面与激光焊机的光束辐射单元200对准，以使激光束辐射到板式构件140与内阳极端子110之间的环形边界上，该环形边界是作为板式构件140与内阳极端子110之间接触的结果沿外周边形成的。
在激光焊接步骤中，在使对象相对于光束辐射单元200按预定速率旋转的同时，通过沿对象的外周边执行激光焊接而使板式构件140与内阳极端子110彼此焊接。在此情形下，重复执行激光焊接，以沿对象的外周边按预定节距使多个焊点重叠。
图6是根据本发明的设有外阳极端子141的板式构件140与内阳极端子110之间的激光焊接结果的摄影图像。如图6所示，通过使沿板式构件140与内阳极端子110之间的边界形成的多个激光焊点重叠，而使激光焊接部170形成为基本连续的焊线。
根据本发明，所述电能储存装置能够通过外端子与内端子之间的激光焊接部170提供高连接强度，并且由于外端子与内端子之间的紧密连接改进了抗力特性。
再次参照图3，在金属罩130的一部分形成压边部135，该部分对应于至少内阴极端子120并且沿金属罩130的内周边按环形延伸。压边部135紧密接触内阴极端子120的外周边。
如图7所示，沿内阴极端子120的外周边形成有环形的压边槽121。压边槽121用来接纳金属罩130的压边部135。压边槽121能够有效增大内阴极端子120的侧表面积。
优选地，沿内阴极端子120的周缘并且对应于金属罩130的圆角部形成有倾斜部122，用以控制内压。倾斜部122防止接触电阻由于内阴极端子120的移位(内阴极端子120的移位是因内阴极端子120与金属罩130的圆角部之间的干涉造成的)而增大，以控制内压。
优选地，像内阴极端子120一样，内阳极端子110沿其外周边形成有压边槽，用以改进与金属罩130的连接；并且金属罩130具有压边部136，压边部136对应于内阳极端子110的压边槽。优选地，金属罩130的压边部136与内阳极端子110的压边槽在绝缘构件150插置于压边部136与压边槽之间的情况下接触。
上述电能储存装置可通过包括电极板制作、电极板组装和壳体组装的过程制造。
在电极板制作和电极板组装中，通过制备电极活性材料，然后按连续的方式混合、涂覆、滚压和开槽，并用分隔器使电极板缠绕在一起以形成单体电池，来制作电极板。
在壳体组装中，将单体电池在真空下烘干，然后接纳在金属罩130中；随后在板式构件140与内阳极端子110之间进行焊接，对金属罩130进行包括压边和卷边的加工，并将电解质注入金属罩130和进行电解质渗透。
在金属罩130的压边过程中，沿内阴极端子120的外周边形成压边槽121，并沿内阴极端子120的周缘形成倾斜部122。接下来，将内阴极端子120放置在金属罩130中，使得倾斜部122面向金属罩130的位于底部和侧面之间的角部。接下来，在沿金属罩130的外周边移动压边机的压边夹具的同时，通过向金属罩130的对应于内阴极端子120的侧部施加压力来形成压边部135。因此，在金属罩130的对应于内阴极端子120的侧部上形成的压边部135与内阴极端子120的压边槽121接合并紧密接触。
在此情形下，在金属罩130的对应于内阳极端子110的侧部上形成的压边部136与内阳极端子110在绝缘构件150插置于压边部136与内阳极端子110之间的情况下接合并紧密接触。
另一方面，金属罩130的压边部135紧密接触内阴极端子120的压边槽121，它们之间无间隙，由此稳定实现比现有技术更宽大的接触面积，使得抗力特性改进(见图10)。
图8是示出根据本发明的另一实施例的电能储存装置的局部剖视图。
参照图8，金属罩130的侧部131具有厚度梯度，使得金属罩130的邻近内阴极端子120的侧部的厚度比其邻近内阳极端子110的侧部的厚度大。也就是说，金属罩130的侧部131在靠近内阴极端子120的部分B具有比其靠近内阳极端子110的部分A大的厚度。
优选地，上述厚度梯度设定成，与靠近内阳极端子110的部分A的厚度相比，使得至少对应于内阴极端子120的距金属罩130的底部142的高度h的那部分的厚度更大。这种结构补偿了在金属罩130的侧部131上执行压边以在金属罩130与内阴极端子120之间建立紧密连接时，金属罩130的对应于内阴极端子120的侧部131可能发生的厚度损失，由此防止抗压特性恶化。
在本发明中，金属罩130的侧部131上，相对厚的部分不限于与内阴极端子120的高度h对应的部分，而是可沿远离内阴极端子120的方向延伸到预定距离。而且，在金属罩130的侧部上的厚度梯度可以是陡的或缓的。
优选地，厚度梯度设定成，使得靠近内阴极端子120的部分B的厚度与靠近内阳极端子110的部分A的厚度之比是120％到150％。当此比率小于最小值时，增强内阴极端子120的附近部位的效果不足；而当此比率超过最大值时，不容易组装内部部件(例如单体电池等)和执行压边工艺，因此端子110、120与金属罩130之间的接触状态变得不稳定，导致电阻增大。
如图9所示，在金属罩130的底部的中心区形成用于同心的突出部133。由于用于同心的突出部133位于内阴极端子120的中心区内，所以用于同心的突出部133能够使内阴极端子120正确设置在金属罩130的中心区内。当用于同心的突出部133与金属罩130的侧部131和底部142一体形成时，金属罩130得到增强，因此提高了防形变性能。
图10是根据本发明的电能储存装置的实际X光图像。
参照图10，发现金属罩130的侧部131具有厚度梯度，使得金属罩130的侧部131的靠近内阴极端子120的那一部分的厚度大于另一部分的厚度。如图10所示，金属罩130的侧部131具有压边部135，用以建立与内阴极端子120的紧密连接。因此，发现靠近内阴极端子120的那部分的厚度增强，因此能够补偿由于压边而发生的厚度损失。
如上所述，由于金属罩130的侧部131的厚度梯度，根据本发明的电能储存装置能够有效增强金属罩130的靠近内阴极端子120的侧部131(侧部131在靠近内阴极端子120处对内压的抗力比在内阳极端子110的附近弱)，由此改进抗压特性。
因此，本发明能够改进例如超级电容器的电气特性和稳定性，并简化制造过程及降低制造成本。
根据前述，通过激光焊接部能够改进外端子与内端子之间的连接并在它们之间实现紧密接触。而且，可以精确控制焊点的大小或节距，这使其容易控制焊接部的拉伸强度。
而且，金属罩的压边部与内端子的压边槽接合并紧密接触，由此实现宽大的接触面积和稳定的接触，使得金属罩与内端子的组装简单并改进了抗力特性。此外，当接触金属罩时，内端子的倾斜部能够防止内端子移位，由此稳定地维持接触电阻。
此外，金属罩的对内压抗力相对较弱的靠近端子的侧部得到增强，因此增强了抵抗形变的抗力；而且通过调整金属罩的侧部的厚度梯度能够容易地控制抗压性能。
而且，在金属罩上形成的用于同心的突出部使内端子能够正确设置在金属罩的中心区内，并增强金属罩，由此提高了防形变性能。
尽管以上已经描述了本发明，但是应理解，虽然指示了优选实施例，但是详细描述和特定实施例仅作为示例给出，因为从详细描述，本发明的精神和范围内的各种改变和更改对本领域技术人员而言是显而易见的。
Claims (15)
1.一种电能储存装置，包括接纳单体电池的金属罩以及位于所述金属罩外、对应于所述单体电池的每个电极的第一端子和第二端子，所述电能储存装置包括：
板式构件，设置在所述第一端子和第二端子中的至少一个上；
内端子，接触所述板式构件以在所述内端子与所述板式构件之间形成边界；以及
激光焊接部，沿所述内端子与所述板式构件之间的所述边界形成，用以使所述板式构件与所述内端子连接。
2.根据权利要求1所述的电能储存装置，其中：
所述激光焊接部由沿所述板式构件与所述内端子之间的所述边界重复形成的多个焊点组成；而且
相邻的所述焊点的中心之间的距离处于所述焊点的直径以内。
3.根据权利要求1所述的电能储存装置，其中：
沿所述内端子的外周边形成有压边槽；而且
所述金属罩具有紧密接触所述压边槽的压边部。
4.根据权利要求3所述的电能储存装置，其中：
在所述金属罩的底部与侧部之间形成有圆角部，用以控制内压；而且在所述内端子上形成有对应于所述金属罩的圆角部的倾斜部。
5.根据权利要求3所述的电能储存装置，其中：
所述内端子对应于所述第一端子和所述第二端子中的每一个而设置；而且
对应于所述第一端子和所述第二端子的任一所述内端子与所述压边部在绝缘构件插置于其间的情况下接触，而另一所述内端子直接接触所述压边部。
6.根据权利要求1所述的电能储存装置，其中：
所述金属罩的侧部上具有厚度梯度，使得靠近所述第二端子的那部分的厚度大于靠近所述第一端子的那部分的厚度。
7.根据权利要求6所述的电能储存装置，其中：
所述金属罩的侧部的对应于所述内端子的高度的那部分的厚度大于其它部分的厚度，所述内端子至少对应于所述第二端子。
8.根据权利要求6所述的电能储存装置，其中：
靠近所述第二端子的那部分的厚度与靠近所述第一端子的其它部分的厚度之比为120％到150％。
9.根据权利要求6所述的电能储存装置，其中：
在所述金属罩的至少一个端子的中心区形成有用于同心的突出部。
10.根据权利要求9所述的电能储存装置，其中：
所述用于同心的突出部与所述金属罩的本体一体形成。
11.一种用于制造电能储存装置的方法，所述电能储存装置包括接纳单体电池的金属罩以及位于所述金属罩外、对应所述单体电池的每个电极的第一端子和第二端子，所述方法包括以下步骤：
步骤a，通过使内端子与设置在所述第一端子和所述第二端子中的至少一个上的板式构件接触，来制备焊接对象；
步骤b，使所述对象与激光焊机的光束辐射单元对准，以使激光束辐射到所述板式构件与所述内端子之间的边界上；以及
步骤c，在使所述对象和所述光束辐射单元中的任一个相对于彼此移动的同时，沿所述对象的外周边在所述边界上执行激光焊接。
12.根据权利要求11所述的制造电能储存装置的方法，其中：
所述步骤c包括在使所述对象相对于所述光束辐射单元按预定速率旋转的同时，沿所述对象的外周边重复地形成多个激光焊点。
13.根据权利要求12所述的制造电能储存装置的方法，其中：
相邻的所述焊点的中心之间的距离处于所述焊点的直径以内。
14.根据权利要求11所述的制造电能储存装置的方法，其中：
沿所述内端子的外周边形成压边槽；
所述方法还包括将所述内端子放置在所述金属罩中；以及
将所述金属罩的对应于所述内端子的那部分压边，以形成紧密接触所述内端子的压边槽的压边部。
15.根据权利要求14所述的制造电能储存装置的方法，其中：
沿所述内端子的周缘形成倾斜部；以及
将所述内端子放入所述金属罩中，使得所述倾斜部面向所述金属罩的位于底部与侧部之间的角部。
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