CN105406018B - 一种圆柱形电池电芯极耳连接方法和预处理夹具 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种圆柱形电池电芯的连接方法以及焊接前电芯预处理的夹具。采用极片两端预留极耳连续涂布的方式，将极片卷绕成电芯两端头整体作为极耳引出，采用电芯预处理夹具对卷绕好的电芯进行处理，再将正极极耳焊接在铝制电池壳上，负极极耳焊接在铜制电池壳上，最后将铜制电池壳和铝制电池壳采用机械方法连接。这种处理方式一方面能够降低操作的复杂性，另一方面能够减少电池的额外负重并降低电池的副反应，这项发明对圆柱形电池的发展具有重大意义。

Description

一种圆柱形电池电芯极耳连接方法和预处理夹具

技术领域

本专利涉及一种适用于电池电芯极耳连接方法以及预处理夹具，具体地一方面采用透过焊接的方法，将电芯两端头作为极耳焊接在电池壳上，以增加极耳的大电流承受能力，降低工艺的复杂性，同时减少电池内除电芯以外的一切物质，降低发生副反应的可能性，提高电池的能量密度。另一方面，设计电芯预处理夹具，分别在正极集流体和负极集流体的端头进行预压，在端面压出凹槽，使得被焊接的铜盖和铝筒能够准确的安装在其位置上，同时将电芯和电池壳连接处压实有利于实现两者之间的焊接，并且分别在夹具两端设置电芯缩颈处理区域，使得电芯被焊部分密度尽量均匀，避免焊接造成电芯短路。本设计属于新材料技术领域。

背景技术

由于人民生活水平的日益提高，汽车已经成为每个家庭必备的成员，然而大量汽油车的增加，使得我们的生活环境已经到了难以承受的地步，因此我们必须寻找能够代替或者在一定程度上代替汽油车的新能源，以缓解我们的环境压力。基于这样的现状，电动汽车以其显而易见的优势成为了新宠。首先，使用电池的汽车相对于汽油车来说，更加节省成本；其次，电池由于不和氧气发生氧化反应，没有多余的废气排出，有效的防止了环境污染。因此，使用电池的电动车将成为解决这一重大问题的突破口。

目前应用于电动车电池主要采用圆柱形电池或者是方形电池，动力用电池要求放电电流较大，普遍大于100A，因此对电池极耳承受电流能力要求高。对于圆柱形电池，目前极耳处理工艺主要有以下问题，首先极片涂布目前采用间歇式涂布方法，预留极耳，如图1所示，再将极片卷绕起来，把极耳对到一起采用超声波焊接，整体作为极耳和引出端子焊接。这种工艺需要精确控制极片间极耳的间隔，且多层极耳焊接比较困难。并且，极耳长度长会降低电池整体的能量密度，极耳长度短超声波焊接不容易实现，且极耳很难承受电池在高倍率下的充放电电流。

本专利涉及电池电芯的极耳连接方法和预处理夹具。将极片两端预留出一部分极耳，卷绕之后将两侧整个端头位置打磨成鳞片状，将两个端头整体作为极耳，与电池壳焊接在一起。由于两端头极耳分别是铜箔和铝箔，如果直接与不锈钢外壳焊接是无法实现的，因此采用铝筒和铜盖作为电池的壳体，将正极端头与铝筒焊接在一起，负极端头与铜盖焊接在一起。为了完成这个目标，本专利设计了电芯焊前的预处理夹具，对电芯焊接之前进行预压和缩颈处理，一方面解决端面焊接容易短路的问题，另一方面解决位置对应误差导致封口难的问题。这两个问题的解决对于圆柱形锂离子电池的制造工艺有着重大意义。

发明内容

本专利在制作正负极片时，采用两端预留连续极耳的方式，如图2所示，使用时沿极片中间分切开，正负极交叠卷绕成圆柱形，将整个正极端头作为正极耳，整个负极端头作为负极耳，焊接到电池正负极壳上。这样做的优势是，第一操作比间歇式涂布简单，第二极片涂布面积大，相同体积的电池壳内，能量密度高。且整个端头做极耳，承受大电流的能力强。

本专利基于上述工艺，将电芯3两端头打磨成鳞片状后压缩到合适长度和密度，并将其整体作为极耳，由于不锈钢电池壳无法和铝箔或铜箔焊接在一起，因此本专利采用铝制电池壳2并在负极端面用铜盖1盖住，采用透过焊的方式将电芯正极耳4和铝制电池壳在焊道5处焊接，电芯负极耳6和铜盖在焊道7处焊接，再进行电池封口，如图3所示。

在进行焊接时，一方面为了增加焊接的可靠性，另一方面为了降低工艺的复杂性，本专利在铜盖或者铝筒两侧端面上取互成120度角的三条凹槽焊道进行焊接，如图4所示。

然而这种工艺操作会导致因为铜盖是预先放置的，稍有错位就会导致封口之后的漏气，空气中的水蒸汽和氧气是电池使用寿命的最大影响因素，所以如果无法保证铜盖的位置精准的卡在电芯上将会导致电池失效。目前对于这个问题的解决，主要是采用先封口后焊接，然后通过探伤的方法检查焊接效果，这样做当然可以，可是后续多加一步探伤环节会提高生产成本。

另外一方面，卷绕好的电芯集流体在端头呈现不均匀的间隔式形状，在这种状态下，要想从电池壳的外部将电池的壳体和电芯焊接在一起很困难，尤其采用激光焊接技术，对于两个被焊体之间的有效距离要求很高，如果由于不均匀造成端面各处的有效间距不一样，在焊接时就有可能造成有的地方没焊上有的地方却被焊穿，这样同样会因为漏气造成电池的寿命衰减。

针对上述两个问题，本专利设计了一种电芯预处理夹具，整体上它分为三分部分，第一部分是上筒8，主要用于铜箔集流体这一侧的端面处理；第二部分是下筒9，主要用于铝箔集流体这一侧的端面处理，其中设计缩颈处12，主要用于电芯端头的缩颈处理，另外上筒和下筒通过螺纹13连接，还有一部分是压棒10，端口设计限位处11，预处理夹具设计图如图5所示。

在采用夹具处理之前，先在卷绕机上，用金属棒将端面呈不均匀间隔的集流体打磨成鳞片状，以备下一步处理。对电芯的处理主要改变下压距离和缩颈角度以及凹槽的深度和宽度几个参变量，如图6所示。

上筒部分呈圆柱体，圆柱体下方有内螺纹，从外面观看圆柱体各处尺寸一致，在上筒下面位置有一部分突出来的螺旋区域，从里面观看圆柱体，上筒部分最上方有一段圆柱体的宽度是逐渐增加到上筒的圆柱体宽度，这个位置主要用于电芯的缩颈处理。

下筒部分呈圆柱体，圆柱体下方有外螺纹，这部分螺纹包裹在下筒上部当中，从内部看，下筒下部依然宽度由下到上逐渐变宽，这个位置这样设计的目的也依然是为了对集流体端面进行缩颈处理。在使用过程中，只需将电芯放入圆柱体当中，扭动圆柱体筒身，将两部分通过螺纹处结合到一起。

压棒有两个面，面积大小和电芯两端面一致，由于电池壳在端面处分别有三个互成120度的凹槽，本设计就采用这些凹槽对电芯进行限位。在压棒两个面上分别按照同样的位置和尺寸设计三条凸起，大小和凹槽尺寸一致。使用时，将筒身竖直放平，将压棒插入筒中，用风锤轻轻敲打压棒至一定距离，使其在电芯一个端面预设出限位凹槽，为了确定压棒的位置，还在一侧设计了限位孔。

之后，再将压棒取出，将筒身180度在竖直平面内旋转，将之前处理好的端面朝下仍将筒身在竖直平面内放平，将中间杵的另一面插入其中，同样采用风锤在上面敲压到所需尺寸，在电芯的另一个端面预设出限位凹槽。

四、附图说明

图1是圆柱形电池极耳的常用处理方法；

图2是本专利对于圆柱形电池极耳的处理方法；

图3是本专利电芯与电池壳的连接方式；

图4是电池壳端面焊接示意图；

图5是焊接预处理夹具及压棒端面示意图；

图6是电芯处理参数控制示意图；

图7是按照实例1参数制作的电芯预处理夹具实物图；

图8是按照实例1参数制作的电芯预处理夹具压棒实物图。

五、具体实施方式

实例1

将涂布好的正极片分切成120mm宽，负极片分切成125mm宽，两端各自留出20mm集流体作为极耳，采用负极、隔膜、正极的顺序进行卷绕，卷绕好的电芯在卷绕机上打磨成鳞片状，采用预处理夹具将下压高度设定为5mm，缩颈角度设定为5度，凹槽宽度设定为4mm，凹槽深度设定为3mm。按照设定参数制成电芯预处理夹具如图7，图8所示。

实例2

将涂布好的正极片分切成120mm宽，负极片分切成125mm宽，两端各自留出15mm集流体作为极耳，采用负极、隔膜、正极的顺序进行卷绕，卷绕好的电芯在卷绕机上打磨成鳞片状，采用预处理夹具将下压高度设定为5mm，缩颈角度设定为5度，凹槽宽度设定为4mm，凹槽深度设定为3mm。

实例3

将涂布好的正极片分切成120mm宽，负极片分切成125mm宽，两端各自留出10mm集流体作为极耳，采用负极、隔膜、正极的顺序进行卷绕，卷绕好的电芯在卷绕机上打磨成鳞片状，采用预处理夹具将下压高度设定为5mm，缩颈角度设定为5度，凹槽宽度设定为4mm，凹槽深度设定为3mm。

Claims (1)

1.一种锂离子电池电芯的连接方法，其特征是：

1）电极涂布时极片一侧不涂预留10-50mm连续空铜箔或铝箔做极耳，电芯卷绕时电芯两端整个面为正极耳或负极耳；

2）卷绕得到的电芯用金属棒将端面的箔集流体打磨成鳞片状，然后使用包括带锥头的上筒部分、下筒部分和压棒组成的专有预处理装置整形压缩成厚度3-10mm的正极耳或负极耳端面，上筒部分和下筒部分缩颈锥角为0-45度，通过螺纹连接；

3）用有3个120度凸起的压棒将整形好的电芯压出深度0-5mm、宽度0-5mm的凹槽，电芯端部下压深度为0-8mm；

4）整形压槽后的电芯和电池壳正负极采用透过激光焊接的方式连接起来，电池壳正负极相互绝缘。