CN104600235B - 一种用于软包锂电池的复合金属结构正极耳及制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于软包锂电池的复合金属结构正极耳及制造方法，所述正极耳由厚度相同的纯铝片和焊接片组成，两者之间在垂直于所述正极耳的长度方向的结合面通过物理冶金键合形成牢固结合；所述正极耳的焊接片伸出铝塑包装袋的部分无铝；其中，所述焊接片为纯镍片、纯铜片或层状复合金属片；所述层状复合金属片包含至少3层金属层，相邻金属层之间牢固结合且最外层的金属层为镍层。本发明可根本性地解决现有技术所带来的可焊性差、易拉断及折断、接触电阻大、转焊工序成本高等一系列问题，使得锂离子电芯制备过程及极耳与电源线路板连接的质量稳定可靠性显著提升。
Description
技术领域
本发明属于聚合物及液态软包锂离子电池电芯用正极耳制造技术，具体是一种用于软包锂电池的复合金属结构正极耳及制造方法。
背景技术
目前，聚合物及液态软包锂离子电池电芯用正极耳大都采用铝极耳。众所周知，极耳需要与电池管理线路保护板或电线进行焊接，但同时铝与保护板或电线上的锡无法实现良好焊合，现有工艺方案绝大多数采用激光焊或超声焊接将一段镍片以搭接方式转焊至铝极耳的外露端，通过转焊好的镍片再与线路保护板或电线上的锡进行连接。这种方式带来以下四方面问题急需解决：1、激光或超声焊点所形成的凹凸痕迹影响电芯的外观；2、铝与镍之间的焊结点实际接触面积与两者（铝与镍）之间搭接所形成的叠合总面积相比比例较小，意味着接触电阻大不利于电芯内阻降低；3、转焊工序的增加意味着电芯制作的生产成本增加，质量不稳定性同时增加；4、转焊后的极耳在搭接处附近极易出现虚焊、脱焊甚至折断现象；5、伸出铝塑包装袋的袋口附近经常出现铝极耳断裂从而使得整个电池报废现象。
针对上述铝极耳转焊镍过程出现的诸多问题，在同一领域国内外还发展了数种其它技术方案。主要有以下几大类：
1）铝极耳表层局部镀覆镍或铜或锡型。中国专利200820009887.0、2010241715.8、201010241631.4、200810236321.6、201110308950等方案实质上均涉及在铝极耳上局部镀覆来实现节省转镍工序。由于铝具有非常容易生成致密Al2O3特性，使得镀覆其它材料的的技术难度增大；另外纯铝基材很软，使得镀覆材料整体强度低而且抗折弯性差。这些问题都严重限制了在铝极耳上镀覆材料的应用。
2） 搭接式转焊镍变更为搭接式转焊铜。专利201120357203所述就属于这一类型，虽然铜与锡的亲和性要优于镍与锡之间的亲和性，但上述所提的转焊镍过程中的四大问题在转焊铜时仍然类似存在，因而仍然存在很大质量隐患。
3） 在铝和镍叠合部位热熔材料形成一体化。专利200510122316.9采用有机高分子类型的热熔材料将铝极耳与镍在叠合位置进行包裹式熔合, 这种方式实际上只能保证热熔材料本身的熔合，而热熔体里面的铝和镍由于没有相互塑性变形因而难以真正形成相互牢固结合，铝镍两者之间的接触电阻显然非常大造成整体电芯内阻增加，而且在电芯正极耳露出端突出的热熔体块外形破坏了电池产品的整体美观性。
4） 异型复合金属型极耳。美国专利US2011/0274964提供了一种异型复合金属型极耳解决方案，该方案是用复合法生产出面复合结构的铝/铜复合金属材料，再将局部的铜层部分采用蚀刻、刨削、机械成型方式除去，最终制备出异型复合金属型极耳。这种极耳一端（在电芯包装袋内）为铝，而另一端（露出电芯部分）则是在铝基材的基础上复合了用于改善与线路板焊接的一层铜材，即极耳两端厚度不同且材质也不同。在锂离子电池极耳整体厚度一般在0.05~0.3mm范围的情况下，显然在如此薄的面复合结构材料的基础上再要准确除去局部位置的铜复合层的可实现性很小、成本很高因而并不现实。
5） 三层与五层组合的复合金属型极耳。中国实用新型专利201220089021.1提供了一种铝—铜—铝三层结构与镍—铝—铜—铝—镍五层结构或铝—铜—铝三层结构与铜—铝—铜—铝—铜五层结构构成的复合金属型极耳，另外还有其制造方法的发明专利已同日申请但暂时未公开。其中在铝塑包装袋内的极耳端即铝—铜—铝三层复合结构部分与正极片铝进行焊接，而露出外端的极耳外表层的镍或铜实现与锡的连接。该技术方案明显存在以下几方面质量隐患而难以得到推广：a)铝—铜—铝三层复合结构部分由于中间层有铜，导致其与铝正极片焊接的强度及可靠性远较原有纯铝极耳与铝极片的差；b)极耳在铝塑包装袋内部的铝—铜—铝三层复合结构实质上已构成了存在铝和铜电位差异的微电池，这对电解液环境条件下的极耳电化学抗蚀性显然是非常不利的；c) 在电芯化成分容测试、极耳与电源线路板装配过程中，该极耳的五层复合结构部位在多次弯折变形过程中非常容易折断，这与五层复合结构中软硬层之间的变形难协调性所造成的应力集中大密切相关，尤其是对于镍/铝这种组合之间的应力集中现象更明显。
本发明人在中国实用新型专利201320022487.4中提出了铝基镶嵌复合结构的极耳技术方案，该方案已很好解决了现有技术的可焊性差、易拉断、接触电阻大、转焊工序成本高等一系列问题，但对于铝镶嵌镍极耳而言，在解决铝与镍之间的变形协调性方面还有待进一步改善和提高。
由上可见，目前迫切需要开发出新的正极耳材料及其制造技术，来可靠、有效地解决上述现有材料及其制备应用过程中所存在的各类问题，且易于推广应用。
发明内容
鉴于现有正极耳制造技术存在的上述诸多缺陷，本发明提供一种用于软包锂电池的复合金属结构正极耳及制造方法。其采用一种免转焊的侧面复合结构带材的来制造正极耳，可根本性地解决现有技术所带来的可焊性差，易拉断及折断，接触电阻大，转焊工序成本高等一系列问题，使得锂离子电芯制备过程及极耳与电源线路板连接的质量稳定可靠性显著提升。
本发明提供的用于软包锂电池的复合金属结构正极耳，由厚度相同的纯铝片和焊接片组成，两者之间在垂直于所述正极耳的长度方向的结合面通过物理冶金键合形成牢固结合；所述正极耳的焊接片伸出铝塑包装袋的部分无铝；其中，所述焊接片为纯镍片、纯铜片或层状复合金属片。
所述层状复合金属片包含至少3层金属层，相邻金属层之间牢固结合且最外层的金属层为镍层。
所述层状复合金属片最好为镍-铜-镍或镍-铜-镍-铜-镍层状复合金属片。
所述层状复合金属片中镍层的厚度为所述正极耳厚度的0.5-40%。
所述复合金属结构正极耳的厚度为0.05~0.3mm。
上述复合金属结构正极耳的制造方法，包括步骤：
S1、制备由纯铝带和焊接带组成复合金属带材，两者之间在相邻纵向侧面通过物理冶金键合形成牢固结合；其中，所述焊接带为纯镍带、纯铜带或层状复合金属带；所述层状复合金属带包含至少3层金属层，相邻金属层之间牢固结合且最外层的金属层为镍层；
S2、步骤S1制得的复合金属带材通过退火处理，轧制，纵向剪切，制成符合正极耳厚度和至少一个正极耳长度的成品带材；
S3、对步骤S2得到的成品带材进行横向剪切或冲制得满足极耳宽度的条材；
S4、对步骤S3得到的条材进行表面除油、钝化、烘干处理；
S5、热封贴极耳胶制成极耳。
上述S1步骤中，采用轧制复合法制备所述的复合金属带材，其工艺参数为：铝复合温度为室温至400℃，焊接带复合温度为室温至520℃，轧制复合变形率在35%~70%之间选择。
上述S1步骤中，可以选择等离子束焊、电子束焊和激光焊法中至少一种方法与轧制复合法相结合的工艺制备所述的复合金属带材。
上述S1步骤中，也可以采用轧制复合法与镀覆法相结合的工艺制备所述的复合金属带材，所述镀覆法选择电镀、化学镀和物理气相沉积（PVD）法等之一。
上述S2步骤中，退火处理条件为：在还原气氛或惰性气氛下，退火温度为280~620℃，连续退火速度为1米/分钟 - 12米/分钟，非连续退火的保温时间则为1-5小时。
一种复合金属带材，用于横向冲制或剪切成型上述复合金属结构正极耳，所述复合金属带材由厚度相同的纯铝带和焊接带组成，两者之间在相邻纵向侧面通过物理冶金键合形成牢固结合；其中，所述焊接带为纯镍带、纯铜带或层状复合金属带。
该复合金属带材中，所述层状复合金属带包含至少3层金属层，相邻金属层之间牢固结合且最外层的金属层为镍层。
所述复合金属带材的厚度为0.05~0.3mm。
本发明复合金属结构正极耳及其制造方法具有以下几点明显优势：
1）该极耳整体焊接性优异，可完全省去目前所用的铝转镍工序。该复合金属结构由两部分整体厚度相同的金属带材在相邻侧面以物理冶金键合牢固结合的方式组成，其中该结构极耳的纯铝部分可确保极耳与纯铝的正极片很好的焊接结合，而极耳的另一部分在伸出铝塑包装袋时其表层为镍或铜就能确保该极耳与线路板的焊锡可靠性。
2）抗折断性及抗拉断性强。由于极耳伸出铝塑包装袋外的部分无铝，而且该部分无镍/铝这种组合之间容易形成应力集中的层状结构出现，这对于提高极耳的抗折断性和抗拉性显然是有利的。
3）较现有技术特别是铝转镍型极耳而言，该复合金属结构的极耳导电性优异。本发明所述的极耳中各组元金属带材之间的结合界面（无论是侧面还是层面）均牢固键合，即接触电阻显著降低。
附图说明
图1为实施例1复合金属结构正极耳长度方向的剖面图，
图2为本实施例2复合金属结构正极耳长度方向的剖面图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做详细描述。
参照图1，实施例1复合金属结构单体正极耳由纯铝片1和铜片2（焊接片）组成，纯铝片1和铜片2a厚度相同，两者在横向结合面通过物理冶金键合形成牢固结合；该单体正极耳采用铝/铜侧面复合金属带材沿其横向冲制而成。单体正极耳尺寸为0.1 mm (厚)×4 mm（宽）×70 mm（长），贴0.1mm×4mm(宽)白胶3，其中露出电芯铝塑包装袋外的极耳长度约为10mm。
其制备过程如下：
步骤1、采用轧制复合法制备出铝/铜侧面复合金属带材。轧制复合的组元原材料分别为：铝基材(牌号1060)，厚2mm，宽150mm；铜带材为纯度99.90%的纯铜带，厚1mm，宽23mm。重复采用在原材料铝基材中间纵向刨槽镶嵌铜带材轧制复合工艺，即在铝基材上镶嵌轧制复合单面铜材后再在另一面上继续镶嵌轧制复合铜材，可制得0.28mm厚、宽150mm的铝/铜/铝侧面复合带材。其中，镶嵌轧制复合的工艺参数为：铝基材与铜带加热温度均为150℃，轧制变形率分别为65%和60%。
步骤2、经过热处理、轧制工序、纵向剪切等工序，获得满足最终极耳厚度和长度要求的成品带材。步骤1复合后的带材经过保温600℃、退火速度10米/分钟的连续光亮退火，然后经过5道次轧制至厚0.1mm，再沿该侧面复合金属带材的纵向中心线剪切成两条70mm宽的成品带材，最后进行成品带材软化光亮退火。成品带材软化光亮退火的参数为：保温350℃、保温时间3小时，通氨分解气保护。
步骤3、将退火后的成品带材进行横向剪切，获得4 mm宽度的条材。
步骤4、对条材进行表面除油、钝化、烘干处理。进入超声波清洗除油槽、钝化液槽钝化，最后进入温度为80℃烘干箱进行烘干处理。
步骤5、热封贴极耳胶即成极耳。在复合金属结构的条材上下表面跨越铝片1和铜片2a交界位置热封贴0.1mm（厚）×4mm(宽)的极耳白胶3（图1）。
这样的复合金属结构极耳在后续连接中，铝片1的端部与正极片的纯铝片可牢固焊接，铜片2a的端部则与电源线路板焊锡性佳，且极耳伸出铝塑包装袋外部分为纯铜部分（无铝），因而抗折断性及抗拉性好，整体极耳综合性能优异。
上述步骤2中，在步骤1复合后的铝/铜/铝带材经过5道次轧制至厚0.1mm后，可以将该铝/铜/铝带材的沿纵向剪切成140mm宽的成品带材，最后进行成品带材软化光亮退火；步骤3将退火后的成品带材进行横向剪切，获得4 mm宽度的条材，该条材长为两个正极耳的长度（140mm）；后续处理同上述步骤4和步骤5。
参照图2，实施例2复合金属结构单体正极耳由纯铝片1和镍-铜-镍复合金属片2a、2b（焊接片）组成，纯铝片1厚度和该镍-铜-镍复合金属片厚度相同，两者在横向结合面通过物理冶金键合形成牢固结合。 2b、2a分别表示镍-铜-镍复合金属片的镍层部分、铜层部分，它采用铝/镍-铜-镍侧面复合金属带材沿其横向冲制而成。单体尺寸为0.1 mm (厚)×4 mm（宽）×70 mm（长），贴0.1mm×4mm(宽)黑胶3，其中露出电芯铝塑包装袋外的极耳长度约为10mm。
其制备步骤如下：
步骤1、采用轧制复合法与激光焊及等离子束焊接方法相结合方式制备出铝/镍-铜-镍侧面复合金属带材。侧面复合金属组元原材料分别为：铝基材(牌号1060)；纯镍带材为纯度99.95%的纯镍带；铜带材为纯度99.90%的纯铜带。
首先，采用激光连续焊接工艺制得厚度为1mm的铝/镍侧面复合金属带材2卷，其中铝带和镍带宽度分别为65mm、12mm，厚度则均为1mm；
并采用等离子束连续焊接法制得厚度为3mm的铝/铜侧面复合金属带材1卷，其中铝带和铜带宽度分别为65mm、12mm，厚度则均为3mm；
随后，将上述三卷侧面复合金属材料进行叠层式轧制复合，其中铝/铜侧面复合金属带材夹在两卷铝/镍侧面复合金属中间。叠层复合时其轧制复合温度为350℃，轧制变形率为80%，即可制得1.0×150mm的铝/镍-铜-镍侧面复合带材，轧制复合后各组元材料层与层之间及相邻侧面间均达到物理冶金的牢固结合程度。
步骤2、步骤1复合后的带材经过热处理、轧制工序、纵向剪切等工序制成满足最终极耳厚度和长度要求的成品带材。步骤1复合后的带材经过中间三次连续光亮退火（通氨分解气保护，保温600℃、退火速度3-10米/分钟不等，越薄退火速度则越快），最后轧制至厚0.1mm，再沿该侧面复合金属纵向剪切成70mm宽的成品带材，最后进行成品带材软化光亮退火。成品带材软化光亮退火的参数为：保温350℃、保温时间3小时，通氨分解气保护。
步骤3、步骤2退火后的成品带材带材进行横向剪切获得4 mm宽度的条材。
步骤4、条材进行表面除油、钝化、烘干处理。送入超声波清洗除油槽、钝化液槽钝化，最后进入温度为80℃烘干箱进行烘干处理。
步骤5、热封贴极耳胶即成极耳。在复合金属结构的条材的上下表面跨越铝片1和镍层部分2b交界位置热封贴0.1mm（厚）×4mm(宽)的极耳黑胶3（图2）。
这样的侧面复合金属结构极耳在后续连接中，铝片1的端部与正极片的纯铝片可牢固焊接，镍层部分2b的端部则与电源线路板焊锡性佳，且极耳伸出铝塑包装袋外部分为镍-铜-镍部分（无铝），因而抗折断性及抗拉性好，整体极耳综合性能优异。
以上所举的实施例仅为便于说明本发明而设，这些实施例及详细描述应当不能用于限制本发明，大凡依所列申请专利范围所做的各种变换、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于软包锂电池的复合金属结构正极耳的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、重复采用在原材料铝基材中间纵向刨槽镶嵌带材轧制复合工艺，或者采用等离子束焊、电子束焊和激光焊法之中的至少一种方法与叠层式轧制复合法相结合的工艺制备由纯铝带和焊接带组成的复合金属带材，两者之间在相邻纵向侧面通过物理冶金键合形成牢固结合；其中，所述焊接带为纯镍带、纯铜带或层状复合金属带；所述层状复合金属带包含至少3层金属层，相邻金属层之间牢固结合且最外层的金属层为镍层；所述层状复合金属带为镍-铜-镍或者镍-铜-镍-铜-镍层状复合金属带；
S2、步骤S1制得的复合金属带材通过退火处理，轧制，纵向剪切，制成符合正极耳厚度和至少一个正极耳长度的成品带材；
S3、对步骤S2得到的成品带材进行横向剪切或冲制得满足极耳宽度的条材；
S4、 使步骤S3得到的条材进入超声波清洗除油槽除油，钝化液槽钝化，最后进入温度为80℃烘干箱进行烘干处理；
S5、热封贴极耳胶制成极耳。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1步骤中采用所述中间纵向刨槽镶嵌轧制复合工艺制备所述的复合金属带材时，其工艺参数为：铝复合温度为室温至400℃,镶嵌带复合温度为室温至520℃，轧制复合变形率在60% ~70%之间选择。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1步骤中采用叠层式轧制复合时,轧制复合温度为室温至350℃范围，轧制变形率在35% ~80%之间内选择。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2步骤中退火处理条件为：在还原气氛或惰性气氛下，退火温度为280~620℃，连续退火速度为1米/分钟 - 12米/分钟，非连续退火的保温时间则为1-5小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1步骤中，重复采用在原材料铝基材中间纵向刨槽镶嵌带材轧制复合工艺用该重复采用在原材料铝基材中间纵向刨槽镶嵌带材轧制复合工艺与镀覆法相结合的工艺替代，所述镀覆法选择电镀、化学镀和物理气相沉积法之一。
6.采用权利要求1-5任一个方法制造的复合金属结构正极耳，其特征在于，所述正极耳由厚度相同的纯铝片和焊接片组成，两者之间在横向结合面通过物理冶金键合形成牢固结合；所述横向结合面处是位于铝塑包装袋内的，所述正极耳的焊接片伸出铝塑包装袋的部分无铝，该部分的表层为能够与线路板可靠焊锡的镍或铜；
其中，所述焊接片为纯镍片、纯铜片或层状复合金属片；所述层状复合金属片包含至少3层金属层，相邻金属层之间牢固结合且最外层的金属层为镍层；所述层状复合金属片中镍层的厚度为所述正极耳厚度的0.5-40%。
7.根据权利要求6所述的正极耳，其特征在于，所述层状复合金属片为镍-铜-镍或镍-铜-镍- 铜-镍层状复合金属片。
8.一种复合金属带材，用于横向冲制或剪切成型复合金属结构正极耳，其特征在于，所述复合金属带材由厚度相同的纯铝带和焊接带组成，重复采用在原材料铝基材中间纵向刨槽镶嵌带材轧制复合工艺制成；或者采用等离子束焊、电子束焊和激光焊法之中的至少一种方法激光焊法与叠层式轧制复合法相结合的工艺制成；所述纯铝带和焊接带之间在相邻纵向侧面通过物理冶金键合形成牢固结合；
其中，所述焊接带为的纯镍带、纯铜带或层状复合金属带；所述层状复合金属带包含至少3层金属层，相邻金属层之间牢固结合且最外层的金属层为镍层；所述层状复合金属带为镍-铜-镍或镍-铜-镍-铜-镍层状复合金属带。
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