CN102804473B - 具有卷绕电极的纽扣电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种纽扣电池，该纽扣电池包括由两半金属外壳组成的外壳、采取外壳内部的优选螺旋状绕组形式的电极隔离体组件以及将组件的电极电连接到两半外壳的金属导体，其中，导体中的至少一个通过焊接连接到各半外壳。此外描述了一种能够用来制造此类纽扣电池的方法。根据这种方法，在组装外壳之后执行至少一个导体到各半外壳的焊接。

Description

具有卷绕电极的纽扣电池及其制造方法
本发明涉及具有由两个金属外壳半体（Gehäusehalbteil）组成的外壳的纽扣电池，该纽扣电池包含卷绕电极隔离体组件，并且本发明涉及该纽扣电池的制造方法。
纽扣电池按照惯例包括由两个外壳半体组成的外壳：所述两个外壳半体即电池杯和电池顶部。这些例如可以由镀镍深拉金属片作为冲压部分产生。通常，电池杯是正极的且外壳顶部是负极的。外壳可以包含很多种电化学系统，例如锌/MnO2、一次和二次锂系统、或诸如镍/镉或镍/金属氢化物的二次系统。
按照惯例通过与塑料环相结合地使电池杯的边缘在电池顶部的边缘上卷曲来执行纽扣电池的液密封闭，所述塑料环被布置在电池杯与电池顶部之间并同时用作密封元件且用于电池杯和电池顶部的电绝缘。例如在DE 31 13 309中描述了此类纽扣电池。
然而，作为替换，还可以制造这样的纽扣电池，在该纽扣电池中电池杯和电池顶部通过压力配合连接被沿着轴向方向独有地保持在一起，并且该纽扣电池相应地不具有卷曲杯边缘。在具有申请号10 2009 017 514.8的迄今未公布德国专利申请中描述了此类纽扣电池及其制造方法。无论没有卷曲的此类纽扣电池可能呈现的各种优点如何，这些纽扣电池仍然不能耐受与具有卷曲杯边缘的纽扣电池相当的轴向方向上的高应力，尤其是在源自于纽扣电池内部的轴向机械负载方面。例如，可再充电锂离子系统的电极在充电和放电过程期间不断地经受体积变化。在没有卷曲的纽扣电池中，在这种情况下发生的轴向力与具有卷曲的纽扣电池相比可能更容易自然地引起泄漏。
在具有申请号10 2009 030 359.6和10 2009 008 859.8的迄今未公布德国专利申请中可以找到此问题的解决方案。特别地，在其中可以找到对如下纽扣电池的提及，所述纽扣电池包括具有平面底部区域和与之平行的平面顶部区域的外壳、由扁平电极层和隔离层组成的组件，所述电极层和隔离层采取被以卷绕面的末端侧沿着平面底部区域和平面顶部区域的方向的方式布置在外壳中的优选螺旋状电极绕组的形式。绕组的电极层因此实质上被定向为与外壳的平面底部区域和顶部区域正交。结果，原则上能够比在常规锂离子纽扣电池的情况下更好地吸收诸如在锂离子系统的上述充电和放电过程期间发生的径向力，在常规锂离子纽扣电池中电极层被堆叠地布置为与平面底部区域和顶部区域平行对准。
可以通过将电极特别地以条的形式扁平地施加、特别是层压到作为环状带提供的隔离体上来使用已知方法（参见例如DE 36 38 793）而相当笔直地产生由扁平电极层和隔离层组成的绕组。由电极和隔离体组成的组件一般被卷绕在所谓的绕组心轴上。在已从绕组心轴去除绕组之后，在绕组的中心处留下轴向腔体，这样做的效果是绕组可能扩张到此腔体中。然而，这有时可能导致电极与金属外壳半体的电接触的问题。
本发明的目的是提供一种其中不发生或仅在大大地降低的程度上发生上述问题的纽扣电池。
由具有权利要求1的特征的纽扣电池来达到此目的。此外由具有权利要求9的特征的方法来达到此目的。在从属权利要求2至8中规定根据本发明的纽扣电池的优选实施例。在从属权利要求10中可以找到根据本发明的方法的优选实施例。所有权利要求的措辞被因此通过引用结合到本说明书的内容中。
根据本发明的纽扣电池始终包括两个金属外壳半体，其被电绝缘密封相互分离并形成具有平面底部区域和与之平行的平面顶部区域的外壳。如在介绍中所提及的，两个外壳半体一般地是所谓的外壳杯和外壳顶部。特别地，镀镍钢或金属片作为用于外壳半体的材料是优选的。特别地，三金属（Trimetall）此外作为金属材料是适合的，例如包括序列镍、钢（或不锈钢）和铜的三金属（在这种情况下，镍层优选地形成纽扣电池外壳的外侧且铜层优选地形成内侧）。
作为密封，例如可以使用注塑成型密封或膜密封。后者例如在DE 196 47 593中有所描述。
至少一个正电极和至少一个负电极被布置在外壳内，特别地每个以扁平电极层的形式。电极优选地借助于至少一个扁平隔离体被相互连接。电极优选地被层压或粘性结合到此隔离体上。电极和隔离体一般地每个具有仅在μm范围内的厚度。一般地使用多孔塑料膜作为隔离体。
在根据本发明的纽扣电池的外壳中，此组件是以绕组的形式提供的，特别是以螺旋状绕组的形式提供，该绕组是以其末端侧沿着外壳的平面底部区域和平面顶部区域的方向的方式布置的。对此，在上文已提及的迄今未公布德国专利申请DE 10 2009 030 359.6和DE 10 2009 008 859.8中对此类绕组和包括此类绕组的纽扣电池的说明进行全面参考。在所述申请中描述的所有优选实施例还意图适用于这里所述的纽扣电池和这里所述的电极绕组。
除外壳半体和电极隔离体组件之外，根据本发明的纽扣电池始终还包括金属导体，所述金属导体将至少一个正电极和/或至少一个负电极分别电连接到外壳半体中的一个。被连接到至少一个正电极的一个或多个导体优选地由铝组成。被连接到至少一个负电极的导体优选地由镍或铜组成。
在电极侧，导体优选地被连接到集流器。后者一般地是金属箔或网孔，其按照惯例在双侧被涂有活性电极材料。这些集流器优选地由在正电极侧的铝和优选地在负电极侧的镍或铜组成。箔或网孔特别地具有在1μm与100 μm之间的厚度。优选地通过焊接来执行导体到集流器的连接。
特别是在根据本发明的布置在纽扣电池中的电极隔离体组件的优选实施例方面，对DE 10 2009 030 359.6和DE 10 2009 008 859.8进行参考。这些特别地公开了用于电极和隔离体的优选层序列和层厚度，例如包括以下层序列的组件
·负电极/隔离体/正电极/隔离体，或者
·正电极/隔离体/负电极/隔离体。
包括以下层序列的组件也可以是优选的
·负电极/隔离体/正电极/隔离体/负电极，或者
·正电极/隔离体/负电极/隔离体/正电极。
其中，组件因此包括多于一个正电极和/或多于一个负电极。
特别优选地，根据本发明的纽扣电池的电极中的至少一个是锂嵌入电极。根据本发明的纽扣电池优选地是锂离子电池，特别是二次锂离子电池。
根据本发明的纽扣电池的区别特别地在于导体中的至少一个被焊接到各外壳半体，优选地被连接到所述至少一个正电极的导体和被连接到所述至少一个负电极的导体两者都是。
如在介绍中已经提及的，特别是在锂离子纽扣电池的情况下，电极在充电-放电循环期间经受体积变化，作为其结果在导体与外壳半体之间可能出现接触。此类接触问题在导体被焊接到各外壳半体时不再适用。
特别优选地，一个或多个导体分别被焊接到外壳的平面底部区域或平面顶部区域中的外壳的内侧上。为此目的，根据常规方法，在组装外壳之前必须执行焊接过程，这就制造技术而言非常难以实现。因此已认为焊接连接对于将导体结合到外壳半体的内侧而言是非常不利的。然而，借助于如在下文中更详细地描述的根据本发明的方法，能够提供就制造技术而言也具有很大优点的解决方案。
通过焊接，所述至少一个正电极和/或所述至少一个负电极因此借助于一个或多个导体直接连接到根据本发明的纽扣电池的外壳的平面底部区域或平面顶部区域，外壳顶部一般地是负极的且外壳杯是正极的。
根据本发明的纽扣电池优选地是具有圆形平面底部区域和圆形平面顶部区域的常规纽扣电池。然而，在某些实施例中，根据本发明的纽扣电池可以具有椭圆形结构。然而，高度与直径的比优选地始终小于1是重要的。特别优选地，在根据本发明的纽扣电池中，该比在0.1与0.9之间，特别是在0.15与0.7之间。在这种情况下，高度意图意指平面底部区域和与之平行的平面顶部区域之间的最短距离。直径意指纽扣电池的横向区域上的两个点之间的最大距离。
在优选实施例中，根据本发明的纽扣电池的导体是扁平导体，特别是金属箔，特别优选地是矩形、条或带状金属箔。该箔优选地具有在5μm与100μm之间的厚度。
导体优选地是被特别地焊接结合到电极、特别是结合到电极中的集流器的单独部件。然而，作为替换，导体还可以是集流器的无涂层部分（没有活性电极材料的部分），特别是此类集流器的无涂层末端。通过使这些无涂层部分、特别是这些无涂层末端弯曲，例如弯曲90°，能够将这些末端连接到根据本发明的纽扣电池的底部或顶部区域。在那里，根据本发明，优选地通过焊接来执行该连接。
优选地，一个或多个导体的至少一个小段扁平地承载在外壳的底部和/或顶部区域中的一个或多个外壳半体的内侧上，尤其是在导体是诸如箔的扁平导体时是如此。此类导体可以在外壳半体的内侧与电极绕组的末端侧之间形成扁平层，并因此形成与外壳的大面积电接触。
然而，由于原则上可以使正电极和负电极在电极绕组的末端侧上暴露，所以有必要避免电极之间的短路。在特别优选实施例中，根据本发明的纽扣电池因此包括至少一个单独绝缘装置，其防止绕组的末端侧与导体、特别是扁平地承载在外壳半体的内侧上的一个或多个导体的一小段之间的直接电接触。此类绝缘装置可以是例如膜，例如塑料粘膜，远离纽扣电池外壳内侧的一个或多个导体的侧面被该膜覆盖。
可以用已知方法来制造根据本发明的纽扣电池的电极绕组，例如在DE 36 38 793中描述的方法，根据该方法，将电极和隔离体卷绕在绕组心轴上。在已从绕组心轴去除绕组之后，在绕组的中心处可能存在轴向腔体，优选是实质上圆筒轴向腔体。在根据本发明的纽扣电池的外壳中，此类腔体被绕组横向地界定并在末端侧分别被外壳的底部或顶部区域或至少被其子区域界定。特别优选地，所述至少一个导体被在这些子区域中的一个中焊接到一个或多个外壳半体。
轴向腔体可以可选地包含绕组芯，该绕组芯能够防止绕组不受控地扩张到腔体中。
根据本发明的纽扣电池特别地是没有卷曲的纽扣电池，如在介绍中已经提及的具有申请号10 2009 017 514.8的专利申请中所述。因此，优选地在外壳半体之间存在独有地压力配合连接。根据本发明的纽扣电池因此不具有卷曲杯边缘，如在从现有技术已知的纽扣电池的情况下始终的那样。纽扣电池在没有卷曲的情况下被封闭。DE 10 2009 017 514.8的内容也被通过引用完全结合到本说明的内容中。在所述申请中描述的所有优选实施例还意图适用于在这里描述的纽扣电池及其外壳。
如上所述，导体到纽扣电池外壳的内侧的焊接在制造技术方面是非常精巧的。本发明用用于制造纽扣电池的根据本发明的方法来克服此问题，所述方法始终包括至少以下步骤：
（a）提供第一和第二金属外壳半体（优选地电池杯和电池顶部），
（b）将包括正电极和负电极的电极隔离体组件放置在外壳半体中的一个中（优选地放置到电池顶部中），金属导体被结合到电极中的至少一个（优选地结合到所有电极），
（c）将两个外壳半体组装（优选地通过将电池顶部插入电池杯中），可选地提供用于密封外壳的单独步骤（例如装配密封），以及
（d）将导体中的至少一个焊接到金属外壳半体中的一个的内侧。
上文已经描述了在根据本发明的方法中使用的部件，诸如外壳半体、导体和电极隔离体组件。对此对相应的评论进行参考。
根据本发明的方法的区别特别地在于在步骤（c）之后执行步骤（d）。这意味着在封闭外壳时将至少一个导体焊接到外壳的内侧。必须相应地通过一个或两个外壳半体的外壳壁从外侧执行焊接。
因此，本发明因此提供具有通过外壳、特别是从其外侧开始的焊珠和/或焊点的纽扣电池。
特别优选地，借助于一个或多个点状和/或直线焊接连接将一个或多个导体和纽扣电池相互连接。
优选地借助于激光器来执行导体和外壳的焊接。所述激光器的操作参数必须尽可能准确地适合于外壳的厚度。例如可以通过改变脉冲频率来调制功率。最后，激光器应仅保证外壳和导体的焊接，同时应尽可能地不损坏诸如电极绕组的其它部件。
适当激光器是例如市售的纤维激光器，即固态激光器，其中玻璃纤维的掺杂芯形成活性介质。用于激光器活性纤维芯的最常见掺杂剂是铒。然而，对于如本情况下的高功率应用而言，镱和钕是更优选的。
尽管有此类激光器能够非常好地适合于各外壳厚度和导体尺寸的事实，然而可能的是在某些情况下，激光的强度将被选择为过强且激光将穿透外壳壁和导体。出于该原因，特别优选地在底部或顶部区域的子区域中执行导体到外壳的焊接，该子区域在末端侧上的绕组中心处界定轴向腔体。如果激光束在此区域中穿透外壳，则不能损坏绕组；替代地，激光束将被相对地放置的外壳半体或被可选地布置在腔体内部的绕组芯吸收。
如果可能的话，要被焊接的导体应尽可能扁平地承载在外壳的内侧上。这可以例如通过在将电极绕组插入外壳中之前借助于胶带将导体扁平地固定到电极绕组上或固定在电机绕组的末端侧处来保证。
本发明的上述优点及其它优点还特别地被遵循附图结合从属权利要求的说明揭示出。在本文中，可以单独地或相互结合地实现本发明的各个特征。所述实施例仅仅用于解释和更好地理解本发明，并且绝不应将其解释为限制性的。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的纽扣电池100的优选实施例的横截面。
该纽扣电池包括两个金属外壳半体：金属杯部分101和金属顶部部分102。借助于位于它们之间的密封103，这两个部分被以无漏方式连接在一起。其一起形成具有平面底部区域104和与之平行的平面顶部区域105的外壳。在此功能状态下，这两个平面区域104和105形成纽扣电池100的极，负载能够从所述极吸取电流。电池顶部102被插入电池杯101中，使得电池顶部和电池杯的横向表面区域重叠，重叠区域106中的电池杯101的内径在边缘107的方向上实质上是恒定的。电池101的边缘因此不是卷曲的；因此在根据本发明的纽扣电池100的表现出的实施例中，该纽扣电池为不卷曲纽扣电池。
条状电极和条状隔离体的组件108被布置在电极内部。组件108是以螺旋状绕组的形式提供的，其末端侧面沿着平面底部区域104和与之平行的平面顶部区域105的方向。该组件在纽扣电池100的中心处被卷绕在绕组芯109上。绕组芯是空心塑料圆筒，其在绕组的中心处部分地填充轴向腔体。腔体本身被绕组横向地界定并被纽扣电池外壳的平面杯区域和顶部区域的相应圆形截面向上和向下界定。充当导体且被连接到电极的金属箔110和111扁平地承载在这些区域上。这些导体被绝缘元件112和113相对于绕组的末端侧屏蔽。所述绝缘元件是薄塑料膜。平面底部或顶部区域的区域中的外壳的壁厚度一般地在30μm与400μm之间。充当导体的金属箔110和111的厚度一般地在5μm与100μm之间。
充当导体的金属箔110和111到各外壳半体的焊接——这优选地借助于示意性地表示的激光器114来完成——优选地根据在这里所述的本发明在纽扣电池外壳的底部区域或顶部区域的如下子区域中执行，该子区域在末端侧的绕组中心处界定轴向腔体。这产生焊珠115，该汗珠从外侧向内完全通过纽扣电池100的外壳，并且借助于焊珠115，充当导体的位于内部的金属箔110和111被牢固地连接到外壳的内侧。这在详细放大图（图1B）中能够清楚地看到。
图2A至图2C表示产生电极绕组中的某些重要步骤，该电极绕组特别适合于根据本发明的纽扣电池（例如在图1中表示的）。因此，图2A示出涂有活性电极材料的分段集电器箔201和202，以90°的角度偏移的导体条203和204被通过焊接与所述集电器箔附接。在阳极侧上的导体204由镍和铜组成，并且在阴极侧上的导体203由铝组成。分别在集电器箔201和202的无材料区域（205、206）中施加导体203和204。在别处，所述集电器箔被在两侧涂敷活性材料。可以例如通过在区域211中焊接产生集电器箔201和202与导体之间的连接。
图2B和图2C表示使用绝缘胶带207和208（例如由Kapton或聚丙烯制成）来粘性地结合导体203和204的后侧的方式（步骤2）。此绝缘带随后意图充当绝缘元件，这意图防止导体203和204与要产生的电极绕组的末端侧之间的直接电接触。在另一步骤（步骤3）中用其它粘合条209和210将导体203和204固定在前面上。在这种情况下将区域211结合在上面。
在图3A中能够清楚地看到根据图2A至图2C获得的电极箔的绕组中的导体位置。示出了相同绕组的两个不同的透视表示（左侧和右侧）。导体301（其对应于图2中的导体204）和导体302（其对应于图2中的导体203）本身以90°角轴向地与绕组方向对准，并通过折叠90°扁平地承载在电极绕组的末端侧303和304上。绝缘元件305和306（其对应于图2中的绝缘胶带207和208）防止导体301和302与所表示的电极绕组的末端侧303和304之间的直接电接触。由绝缘膜307来保护绕组的外侧。理想地，导体301和302与在末端侧的轴向腔体308的开口重叠，使得在此区域内能够执行到纽扣电池外壳的焊接。这在图3B中能够清楚地看到，如填充轴向腔体308的绕组芯309能够的那样。
图4A和4B示出可能的焊接变体。例如，可以将焊珠配置为减号401或加号402（参见在右侧的各放大表示），从而同时指示各外壳半体的极性。优选地在根据本发明的纽扣电池的下侧404上施加加号402，并在上侧403上施加减号。
图5示出通过根据本发明的纽扣电池的外壳半体500的横截面的放大表示。能够看到不锈钢杯壁501、扁平地承载在下面的铝导体502和布置在下面的Kapton膜的绝缘胶带503。能够清楚地看到焊珠504和505，这些汗珠从外壳的外侧向内延伸远到Kapton膜的绝缘胶带503。左上图像是外壳半体500的剖面平面底部区域的平面图。已使用YLR-400-AC型（制造公司是美国IPG Photonics公司）的镱掺杂纤维激光器来焊接外壳半体500和导体502。在这种情况下调整激光器的强度，使得绝缘胶带503不被渗透。

Claims (10)

1.一种纽扣电池，包括
—两个金属外壳半体，其被电绝缘密封相互分离并形成具有平面底部区域和与之平行的平面顶部区域的外壳，
—电极隔离体组件，其包括在外壳内部的至少一个正电极和至少一个负电极，该组件以绕组的形式提供，该组件的末端侧面向平面底部区域和平面顶部区域的方向，以及
—金属导体，其将所述至少一个正电极和所述至少一个负电极分别电连接到外壳半体中的一个，
其中
—当制造纽扣电池时，在组装两个金属外壳半体之后，将金属导体中的至少一个焊接到金属外壳半体中的一个的内侧，
—所述导体中的至少一个是金属箔并且利用通过外壳的焊珠和/或焊点连接到各外壳半体，
—连接到各外壳半体的所述金属箔扁平地承载在电极隔离体组件绕组的末端侧之一上，以及
—所述金属箔被绝缘元件相对于绕组的末端侧屏蔽，以及
—所述绕组在所述绕组的中心处具有轴向腔体，其被所述绕组横向地界定并且在末端侧被外壳的底部和顶部区域的子区域界定，以及
—焊珠和/或焊点在所述子区域之一中通过外壳。
2.如权利要求1所述的纽扣电池，
其特征在于，绕组是螺旋状绕组。
3.如权利要求1所述的纽扣电池，
其特征在于，一个或多个导体分别被焊接到平面底部区域或平面顶部区域中的外壳的内侧上。
4.如权利要求1所述的纽扣电池，其特征在于，所述导体是金属箔。
5.如权利要求1所述的纽扣电池，其特征在于，一个或多个导体的至少一个小段扁平地承载在外壳的底部和/或顶部区域中的外壳半体的内侧上。
6.如权利要求1所述的纽扣电池，其特征在于，所述纽扣电池包括防止绕组的末端侧与导体之间的直接电接触的至少一个单独绝缘装置。
7.如权利要求1所述的纽扣电池，其特征在于，通过壳体的所述焊珠和/或焊点从其外侧开始。
8.如权利要求1所述的纽扣电池，其特征在于，借助于一个或多个点状和/或直线焊接连接来连接一个或多个导体和外壳。
9.如权利要求1所述的纽扣电池，其特征在于，绕组在其中心处包括分别横向地由绕组界定且在末端侧由底部或顶部区域的子区域界定的实质上圆筒形的轴向腔体，并且所述导体中的至少一个被焊接到此子区域中的相应外壳半体。
10.一种用于制造纽扣电池的方法，包括步骤：
（a）提供第一和第二金属外壳半体，其被电绝缘密封相互分离并形成具有平面底部区域和与之平行的平面顶部区域的外壳，
（b）将包括正电极和负电极的电极隔离体组件放置在外壳半体中的一个中，金属导体被结合到电极中的至少一个，该组件以绕组的形式提供，该组件的末端侧面向平面底部区域和平面顶部区域的方向，
（c）组装两个外壳半体，以及
（d）将导体中的至少一个焊接到金属外壳半体中的一个的内侧，
其中在步骤（c）之后执行步骤（d）并且其中借助于激光器来执行焊接，
所述导体中的至少一个是金属箔并且利用通过外壳的焊珠和/或焊点连接到各外壳半体，
连接到各外壳半体的所述金属箔扁平地承载在电极隔离体组件绕组的末端侧之一上，以及
所述金属箔被绝缘元件相对于绕组的末端侧屏蔽，以及
所述绕组在所述绕组的中心处具有轴向腔体，其被所述绕组横向地界定并且在末端侧被外壳的底部和顶部区域的子区域界定，以及
焊珠和/或焊点在所述子区域之一中通过外壳。
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