CN104157822B - 二次电池用导电连接片、其制备方法及层状复合金属带材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二次电池用导电连接片、其制备方法及层状复合金属带材，该层状复合金属带材由至少一个铜层和至少一个不锈钢层组成，不锈钢为铁素体不锈钢，铜层和不锈钢层交替排列，相邻层以面复合方式结合，所有不锈钢层与整个复合金属带材的厚度比为10％～80％。该导电连接片由上述层状复合金属带材冲压制成。该制备方法包括以下步骤：S1、将等宽度的不锈钢带和铜带进行叠层式轧制复合；S2、对步骤S1轧制复合后的带材进行至少两次的软化扩散退火，且在每两次退火间进行中间轧制，直至带材厚度达成品厚度；S3、将成品厚度的复合金属带材冲压制得导电连接片。该复合金属带材可在相当大的程度上达到取代纯镍的目的。

Description

二次电池用导电连接片、其制备方法及层状复合金属带材

技术领域

本发明涉及二次电池领域的导电连接片，更具体地说，涉及二次电池用导电连接片，该导电连接片的制备方法，以及用于制备该导电连接片的层状复合金属带材。

背景技术

当今社会对新能源的高度关注和重视，使得二次电池应用获得空前的发展机遇。特别是锂离子电池具有高能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等突出优势，已成为二次电池的理想化学能源。锂离子电池(简称锂电)结构中的导电连接片主要包括电芯极耳、电池组合的连接片、电芯与电池线路保护板连接片、PTC过流保护元件的引脚等，它们对材料的机械性能、导电性能、焊接性能及耐蚀性均有较高的综合要求，目前锂电用导电连接片金属材料主要包括镍、铜、镀镍钢、镀镍铜等，然而随着动力电池成为锂电的主要发展趋势及其对电池安全的迫切性要求，上述材料的应用都存在较大的局限性。

纯镍导电连接片的问题主要表现于：1)导电性不太佳，直接影响到电池内部的温升以及整体电池散热能力，而采用加大纯镍导电连接片截面尺寸来提高导电性能则因增加成本太高并不现实，因此无法满足高倍率及动力电池等大容量应用场合；2)钎焊性能不稳定，在同等条件下其钎焊强度较纯铜低30％以上，容易虚焊，对电池质量的稳定性及实现自动化生产非常不利；3)资源较稀缺导致材料成本偏高，虽然近几年随着世界经济不景气镍价已下滑至较低程度，但本身镍属于资源稀缺金属及解决开采冶炼镍过程中对环境污染问题的迫切必要性均会加剧未来镍价上升的趋势。

纯铜导电连接片虽然具有几乎最高的导电性能(仅低于银)和很好的钎焊性，然而最大的应用局限性在于其与钢壳电池几乎无法进行电阻点焊。

镀镍钢带(包括普通镀镍钢带与渗透式镀镍钢带)导电连接片由于主要基体层为低碳钢(较纯镍材电导率低)，整体材料的导电能力较纯镍低，因此根本无法适用于高倍率及动力电池要求。镀镍铜导电连接片虽然导电能力较纯镍提高了数倍，然而与纯铜类似电阻点焊十分困难，导致其与异质部件的连接受到许多限制。另外，这两种镀覆材料均需要使用和排放大量酸、碱等化学物质而对环境污染十分严重，而且镀覆镍层厚度一般在0.3～6μm间，而且越厚的镀镍层与基体结合强度会越弱，而且表层多少都存在一定的孔隙率(至少在2％以上)，存在覆镍层易剥落(如加工过程中需要打弯成形或工作状态需滑动摩擦场合)而腐蚀基体的较大可能性。

针对上述单一金属或镀镍材料作为导电连接片所出现的问题，申请号为201320014375.4的中国专利公开了一种组合电池连接片的方案，其步骤是先将导电性好但焊接(钢壳)性不好的材料如纯铜片与导电性较差但焊接(钢壳)性较好的材料如纯镍片分别冲压成型，然后将成型后的纯铜片与镍片进行碰焊连接，最后再将已碰焊好的铜/镍片的镍面与电池钢壳点焊连接。可以明显看出，这样的连接过程不但冲压及焊接工作量大，增加成本，而且铜与异质材料的连接实质为点接触，即较大的接触电阻对电池系统内阻的增加并不可忽视。

目前国内外也提出了数种采用复合金属的解决方案，同样都存在一些应用限制性。例如申请号为200510008602.2的中国专利公开了一种替代纯镍的至少五层结构的层状复合金属，它包括表层为镍，中间层则由不锈钢和铜组成，但该材料由于复合层数过多制造工序成本较高，再加上表面的镍层也增加了材料成本。又例如日本Neomax公司所开发的一种由SUS304奥氏体不锈钢与铜所组成的复合金属，但奥氏体过高的强度使该复合金属材料的柔韧性与纯镍差异过大，导致其在替代软态纯镍导电连接片的应用场合大受限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种二次电池用导电连接片、其制备方法及层状复合金属带材，以解决现有技术存在的上述技术缺陷。

本发明的技术方案为：

一种层状复合金属带材，它由至少一个铜层和至少一个不锈钢层组成，所述不锈钢为铁素体不锈钢，铜层和不锈钢层交替排列，相邻层以面复合方式结合，所有不锈钢层与整个复合金属带材的厚度比为10％～80％，例如15％、18％、20％、25％、28％、30％、35％、38％、40％、45％、48％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、78％等。

根据本发明，在一些方案中，上述的层状复合金属带材共两层，其中一层为铜层，另一层为不锈钢层。即，该层状复合金属带材为不锈钢-铜两层结构。

根据本发明，还有一些方案中，上述的层状复合金属带材共三层，中间层为不锈钢层，其余两层为铜层。即，该层状复合金属带材为铜-不锈钢-铜三层结构。

根据本发明，在另外一些方案中，该层状复合金属带材共三层，中间层为铜层，其余两层为不锈钢层。即，该层状复合金属带材为不锈钢-铜-不锈钢三层结构。

在上述的另外一些方案中，优选地，一个不锈钢层的表面设置有槽，槽中镶嵌复合有铜带，所有不锈钢层与整个复合金属带材的厚度比为20％～80％，该铜带与其所在不锈钢层的厚度比为40％～80％。

本发明提供的二次电池用导电连接片是由上述任意一项所述的层状复合金属带材冲压制成。

本发明提供的导电连接片的制备方法包括以下步骤：

S1、将等宽度的不锈钢带和铜带进行叠层式轧制复合，得到较厚的层状复合金属带材；

S2、对步骤S1轧制复合后的带材进行至少两次的软化扩散退火，且在每两次退火间进行中间轧制，直至带材厚度达成品厚度；

S3、将成品厚度的复合金属带材冲压制得导电连接片，必要时在点焊位置附近开叉和/或打凸焊点。

当所制导电连接片为两层结构时，由于构成该两层结构的金属(不锈钢和铜)存在一定的热膨胀系数差异，随着温度变化材料内部存在热残余应力，在带材制备过程特别是退火后容易出现带材横向弯曲现象(类似于热双金属受热弯曲)，如不消除会对后续冲压片的成型产生影响。为此，当所制导电连接片为两层结构时，上述导电连接片的制备方法还包括在步骤S3前先对达到成品厚度的复合金属带材进行拉矫，以调整和消除复合金属带材内应力，直至带材的横向弯曲缺陷完全消除。拉矫过程带材延伸率优选1％～3％。

当所制导电连接片为不锈钢-铜-不锈钢三层结构且具有铜焊接层时，上述导电连接片的制备方法还包括在步骤S2前，先对轧制复合后的带材软化扩散退火，以及在退火后的带材表面刨槽，将与所刨槽相同尺寸的铜带对入槽位进行镶嵌轧制复合。

优选地，当所制导电连接片为两层结构时，步骤S1的轧制复合采用室温固相复合工艺，当所制导电连接片为三层结构时，步骤S1的轧制复合采用可控气氛热复合工艺，该可控气氛热复合工艺包括将不锈钢带的加热温度控制在550℃～650℃范围，铜带的加热温度控制在350℃～400℃范围内，以及通氨分解气氛保护。步骤S2的退火采用连续光亮退火工艺，采用惰性气体或还原保护气氛，退火温度在800～950℃选择，退火速度在2米/分钟～5.5米/分钟选择，退火速度按退火时带材厚度从厚到薄递增；两次退火间的中间轧制的总轧制变形率不超过60％。

表1列出了纯镍与其它非镍单一金属性能价格对比。

表1纯镍与其它非镍单一金属性能与价格比较

注：1)上述表格中的数据为参考值，实际设计时以实测值为准；

2)上述材料均为完全退火态条件下。

以下为复合金属基本性能及价格设计参数公式：

抗拉强度σ_b，

电阻率ρ，

价格P，

以上各式中，t_i为各层的层厚占总厚度的比例，即各层的层厚比例总和为1。

从表1中的数据再结合复合金属上述设计计算公式可以看出，选择铁素体不锈钢与纯铜进行组合，所制备的复合金属不但容易得到与纯镍力学性能、电性能、耐蚀性十分接近的效果，而且整体材料成本(铁素体系不锈钢成份中含Ni非常少甚至完全不含)显然较纯镍低。另外纯镍带作为电池外导电连接片，具体应用所要求的显微硬度范围为HV90～140，这与软态铁素体不锈钢的显微硬度范围十分接近。因而采用铁素体不锈钢与铜进行组合可在相当大的程度上达到取代纯镍的目的。

对于采用上述的不锈钢-铜两层结构的层状复合金属带材冲压成的导电连接片，在可以实现较纯镍片更好的导电性的同时，由于其中一面为铜层也可实现较纯镍更好的钎焊效果，因此，该导电连接片完全可达到导电性、(电阻)点焊、钎焊性、经济成本等综合性能和成本优于纯镍片的目的。

对于采用上述的铜-不锈钢-铜或不锈钢-铜-不锈钢三层结构的层状复合金属带材冲压成的导电连接片，不但具有较纯镍更好的导电性，而且这两种结构设计均为沿材料厚度方向呈各组元完全对称分布特点，因此其所制备的带材不存在类似热双金属受热弯曲而出现横向弯曲现象，即无需拉矫来消除热残余应力。另外，铜-不锈钢-铜复合结构由于外层为铜，用该复合金属结构所制备的导电连接片同时具有很好的钎焊性，可适用于替代原来需要钎焊(锡)的纯镍导电连接片，而不锈钢-铜-不锈钢复合金属结构所制备的导电连接片则适用于替代原来无需进行钎焊(锡)的纯镍导电连接片。

对于采用具有镶嵌铜层的不锈钢-铜-不锈钢三层结构复合金属带材冲压成的导电连接片，除具备不锈钢-铜-不锈钢三层结构导电连接片的上述优点外，其所镶嵌的铜则使导电连接片表面局部位置实现很好的钎焊(锡)效果。

附图说明

图1是实施例1的不锈钢-铜复合金属带材的横截面结构示意图；

图2是实施例2的不锈钢-铜-不锈钢复合金属带材的横截面结构示意图；

图3是实施例3的面复合与镶嵌复合组合结构的复合金属带材的横截面结构示意图；

图4是用实施例3的面复合与镶嵌复合组合结构的复合金属带材所冲压的导电连接片外形图。

具体实施方式

实施例1：

参见图1，本复合金属带材由一个不锈钢层11和一个铜层12组成，所述不锈钢为铁素体不锈钢，不锈钢层11和铜层12以面复合方式结合，不锈钢层11占整体材料厚度的50％，铜层12占整体材料厚度的50％，即本复合金属带材为不锈钢-铜两层复合结构。本复合金属带材的厚度为0.2mm，制得的导电连接片可取代原有0.2mm的纯镍导电连接片。

制备导电连接片的具体过程为：

S1、将1.5mm(厚)*110mm(宽)的SUS430不锈钢带(即Cr17)，与1.5mm(厚)*110mm(宽)纯铜带(即C1100紫铜)进行叠层式轧制复合，该轧制复合为室温固相(冷)复合工艺，轧制复合变形率为65％，复合后得到1.05mm厚*110mm(宽)的不锈钢-铜复合金属带；

S2、对步骤S1轧制复合后的带材进行第一次软化扩散退火，然后经多道次冷轧至0.45mm后进行第二次软化扩散退火，退火后再继续冷轧至0.20mm，最后进行成品退火(实质上也是软化扩散退火)。上述退火过程均为连续退火工艺，通氨分解气还原气氛，退火温度为850℃，退火速度按退火时厚度从厚到薄的次序依次为2米/分钟、3.5米/分钟、5米/分钟；

成品退火后，将复合金属带材进行拉矫，拉矫的带材延伸率为3％，获得无横向弯曲的带材；

S3、将拉矫后的复合金属带材进行冲压，所冲压而成的导电连接片在焊钢壳电池位置处均带有开叉。

将数节18650锂电池通过该冲压成型后的导电连接片进行组合连接(导电连接片的铜面与钢壳焊接)，连接过程采用深圳凯斯莱焊接设备有限公司提供的DP-250储能直流精密点焊机进行点焊。

经全面测试，该复合金属结构的退火态带材平均电阻率为3.5μΩ.cm,平均抗拉强度为398MPa，延伸率≥30％；用该复合金属带材所冲压的带开叉导电连接片，其与18650钢壳电池焊接强度达到8Kgf以上。装配电池后，该整体电池组较采用同样尺寸的纯镍导电连接片进行连接的电池组的导电容量提高80％，温升下降35％。

实施例2：

参见图2，本复合金属带材由两个不锈钢层21、23和一个铜层22组成，所述不锈钢为铁素体不锈钢，铜层22为中间层，两个不锈钢层21、23和铜层22以面复合方式结合，一个不锈钢层21、铜层22和另一个不锈钢层23各占整体材料厚度的1/3，即本复合金属带材为不锈钢-铜-不锈钢三层对称结构。本复合金属带材的厚度为0.2mm，制得的导电连接片可取代原有0.2mm的纯镍导电连接片。

制备导电连接片的具体过程为：

S1、将两层0.8mm(厚)*110mm(宽)的SUS430不锈钢带(即Cr17)，与0.8mm(厚)*110mm(宽)纯铜带(即C1100紫铜)进行叠层式轧制复合，铜带在两层不锈钢带中间。采用可控气氛热复合工艺，轧制复合变形率为50％，其中不锈钢带的加热温度控制在550℃～650℃范围，铜的加热温度控制在350℃～400℃范围内，通氨分解气氛保护，复合后得到1.2mm(厚)*110mm(宽)的不锈钢-铜-不锈钢复合金属带；

S2、对步骤S1轧制复合后的带材进行第一次软化扩散退火，然后经多道次冷轧至0.6mm后进行第二次软化扩散退火，退火后再继续多道次冷轧至0.3mm，进行第三次软化扩散退火，最后轧至0.20mm后进行成品退火(实质上也是软化扩散退火)。上述退火过程均为连续退火工艺，通氨分解气还原气氛，退火温度为900℃，退火速度按退火时厚度从厚到薄的次序依次为2米/分钟、3.2米/分钟、4.5米/分钟、5.5米/分钟；

S3、将步骤S2处理后的复合金属带材进行冲压，所冲压而成的导电连接片在焊钢壳电池位置处均带有开叉。

将数节18650锂电池通过该冲压成型后的导电连接片进行组合连接，连接过程采用深圳凯斯莱焊接设备有限公司提供的DP-250储能直流精密点焊机进行点焊。

经全面测试，该复合金属结构的退火态带材平均电阻率为5.1μΩ.cm，平均抗拉强度为430MPa，延伸率≥30％；用该复合金属带材所冲压的带开叉导电连接片，其与18650钢壳电池焊接强度达到10Kgf以上。装配电池后，该整体电池组较采用同样尺寸的纯镍片进行连接的电池组的导电容量提高40％，温升下降30％。

实施例3：

参见图3，本复合金属带材由两个不锈钢层31、33和一个铜层32组成，所述不锈钢为铁素体不锈钢，铜层32为中间层，两个不锈钢层31、33和铜层32以面复合方式结合，一个不锈钢层31、铜层32和另一个不锈钢层33各占整体材料厚度的1/3，且一个不锈钢层31的表面设置有槽，槽中镶嵌复合有铜带34，所镶嵌的铜带34占整体材料厚度的20％(即占铜带34所在不锈钢层31厚度的60％)，即本复合金属带材为具有镶嵌铜带的不锈钢-铜-不锈钢三层结构复合金属带材。本复合金属带材的厚度为0.15mm。

图4示出了一种用本复合金属带材冲压成的导电连接片，该导电连接片具有主体和带孔极耳41，带孔极耳41由图3中铜带34所在位置冲压而成，主体由图3中铜带34以外的区域冲压而成，因此主体为不锈钢-铜-不锈钢三层结构，带孔极耳41为铜-不锈钢-铜-不锈钢四层结构，且主体和极耳41的厚度相等。极耳41位置可钎焊铜导线。

制备该导电连接片的具体过程为：

S1、将两层0.8mm(厚)*110mm(宽)的SUS430不锈钢带(即Cr17)，与0.8mm(厚)*110mm(宽)纯铜带(即C1100紫铜)进行叠层式轧制复合，铜带在两层不锈钢带中间。采用可控气氛热复合工艺，轧制复合变形率为50％，其中不锈钢带的加热温度控制在550℃～650℃范围，铜的加热温度控制在350℃～400℃范围内，通氨分解气氛保护，复合后得到1.2mm(厚)*110mm(宽)的不锈钢-铜-不锈钢复合金属带；

软化扩散退火，该退火为连续退火工艺，通氨分解气还原气氛，退火温度为900℃,退火速度2米/分钟；

在退火后的1.2mm厚不锈钢-铜-不锈钢三层面复合材料的不锈钢表面刨槽，刨槽宽度为5mm、刨槽深度0.3mm。然后将0.3mm(厚)*5mm(宽)铜带对入槽位进行镶嵌轧制复合，该轧制复合采用可控气氛热复合工艺，轧制复合变形率为50％，其中不锈钢带的加热温度控制在600℃～650℃范围，铜的加热温度控制在250℃～300℃范围内，通氨分解气氛保护，复合后得到0.6mm(厚)*110mm(宽)的面复合与镶嵌复合组合结构的复合金属带；

S2、对组合结构的复合金属带进行软化扩散退火，然后经多道次冷轧至0.3mm后进行第二次软化扩散退火，退火后再继续多道次冷轧至0.15mm，最后进行成品退火。上述退火过程均为连续退火工艺，通氨分解气还原气氛，退火温度为900℃，退火速度按退火时厚度从厚到薄的次序依次为3.2米/分钟、4.5米/分钟、6米/分钟；

S3、将该复合金属带材进行冲压，所冲压而成的导电连接片在焊钢壳电池位置处均带有开叉。极耳41由图3中铜带34所在位置冲压而成，从而在该导电连接片需要钎焊铜线位置附近形成(镶嵌)铜焊接层。

将数节18650锂电池通过该冲压成型后的导电连接片进行组合连接，另外该导电连接片的极耳41带孔位置与铜线进行钎焊。组合连接过程采用深圳凯斯莱焊接设备有限公司提供的DP-250储能直流精密点焊机进行点焊。

所装配的电池组较原有同样尺寸的纯镍片进行连接的电池组的导电容量提高45％，温升下降35％，且钎焊铜线位置的钎焊强度较原有纯镍片提高44％。

Claims (9)

1.一种二次电池用导电连接片，其特征在于：该导电连接片由至少一个铜层和至少一个不锈钢层组成的层状复合金属带材冲压制成，该导电连接片在点焊位置附近开叉和/或打凸焊点，所述不锈钢为铁素体不锈钢，所述铜为纯铜，铜层和不锈钢层交替排列，相邻组元层之间通过轧制复合和至少二次以上的软化扩散退火实现层与层的整个接触面物理冶金键合，其中所有不锈钢层与整个导电连接片的厚度比为10％～80％。

2.根据权利要求1所述的二次电池用导电连接片，其特征在于：该层状复合金属带材共两层，一层为铜层，另一层为不锈钢层。

3.根据权利要求1所述的二次电池用导电连接片，其特征在于：该层状复合金属带材共三层，中间层为不锈钢层，其余两层为铜层。

4.根据权利要求1所述的二次电池用导电连接片，其特征在于：该层状复合金属带材共三层，中间层为铜层，其余两层为不锈钢层。

5.根据权利要求4所述的二次电池用导电连接片，其特征在于：一个不锈钢层的表面设置有槽，槽中镶嵌复合有铜带，所有不锈钢层与整个复合金属带材的厚度比为20％～80％，该铜带与其所在不锈钢层的厚度比为40％～80％。

6.权利要求1所述导电连接片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将等宽度的不锈钢带和铜带进行叠层式轧制复合，得到较厚的层状复合金属带材，其中所述不锈钢带为铁素体不锈钢带，所述铜带为纯铜带；

S2、对轧制复合后的带材进行至少两次的软化扩散退火，且在每两次退火间进行中间轧制，直至带材厚度达成品厚度；

S3、将成品厚度的复合金属带材冲压制得导电连接片，在点焊位置附近开叉和/或打凸焊点。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：当所制导电连接片为两层结构时，还包括在步骤S3前先对达到成品厚度的复合金属带材进行拉矫，拉矫过程带材延伸率为1％～3％。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：当所制导电连接片为不锈钢-铜-不锈钢三层结构且具有铜焊接层时，还包括在步骤S2前，先对轧制复合后的带材软化扩散退火，以及在退火后的带材表面刨槽，将与所刨槽相同尺寸的铜带对入槽位进行镶嵌轧制复合。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：

当所制导电连接片为两层结构时，步骤S1的轧制复合采用室温固相复合工艺，当所制导电连接片为三层结构时，步骤S1的轧制复合采用可控气氛热复合工艺，该可控气氛热复合工艺包括将不锈钢带的加热温度控制在550℃～650℃范围，铜带的加热温度控制在350℃～400℃范围内，以及通氨分解气氛保护；

步骤S2的退火采用连续光亮退火工艺，采用惰性气体或还原保护气氛，退火温度在800～950℃选择，退火速度在2米/分钟～5.5米/分钟选择，退火速度按退火时带材厚度从厚到薄递增；两次退火间的中间轧制的总轧制变形率不超过60％。