CN105449291B - 一种圆柱型电池无极耳焊接的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于圆柱型电池领域，提供了一种圆柱型电池无极耳焊接的制备方法，包括下述步骤：将正、负极片基材采用纵向间歇式涂膜，分切后分别得到一边形成留白的正极片和负极片；将正极片、隔膜、负极片依次进行层叠后绕卷成卷芯，并使得正、负极片设置有留白的一端分别置于所述隔膜两长边的外侧、且所述隔膜边缘外露有留白；将外露的留白箔材进行拍平处理，形成平整光滑的正负极箔材台面；使用带凸台的负极集流体压置于所述卷芯的负极箔材台面，进行激光焊接形成负极焊接焊点；使用带中心孔的正极集流体压置于所述卷芯的正极箔材台面，进行激光焊接形成正极焊接焊点。

Description

一种圆柱型电池无极耳焊接的制备方法

技术领域

本发明属于圆柱型电池领域，尤其涉及一种圆柱型电池无极耳焊接的制备方法。

背景技术

传统的圆柱型电池-如18650圆柱型锂离子电池，正负极片多采用单一极耳的设计，无论极耳的位置如何设置，极耳的尺寸、极耳与极片金属箔材、钢壳以及盖帽之间的焊接状态等都是影响电池物理内阻的重要因素，焊接不良时甚至会导致电池的整体内阻增加至几百毫欧。目前，即使采用类似软包锂电池多极耳设计结构的某些圆柱型动力型产品，也只能将内阻降低至10mΩ左右。而多极耳(两极耳以上)结构的设置，会对底焊、盖板焊接等工序带来一定的不便，从而增加焊接不良的风险和内阻增大的几率，进一步的，还会因需要加大折极耳的空间而损失一部分电池容量。此外，从电池的充放电和安全性能的角度来看，高内阻的电芯除了存在自放电较大的性能劣势之外，还会在大电流放电的过程中产生大量的热，导致安全隐患。

针对圆柱型电池-如18650圆柱型锂离子电池物理内阻较高的问题，目前主要从以下几个方面着手解决：1、基于金属物理内阻的计算原理R＝ρ*L/S(其中，ρ是金属材料的固有电子导电率，L是金属材料的长度，S是金属材料的横截面积)，采用电子导电率更高的金属材料做极耳、降低极耳的长度、或增加极耳的横截面积(即，使用更厚的极耳)来降低极耳部分的物理内阻；2、增加极耳的个数，以确保极片整体的物理内阻最低；3、改善极耳与极耳、极耳与钢壳、极耳与盖板之间的焊接效果，以降低焊接内阻。然而，18650圆柱型锂离子电池领域现有使用的铝极耳和镍极耳的电子导电率较高、生产可加工性能优良，且在价格上存在很大优势，故改变极耳金属材料的作法在短期内无法实现；减小极耳长度会对焊接造成一定的不便；增厚极耳的厚度和增加极耳的个数会因钢壳内部空间有限而难以实施；故优化焊接效果、降低焊接内阻即成为了该课题的主要改善方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆柱型电池无极耳焊接的制备方法，旨在同时解决现有技术圆柱型电池采用极耳、尤其是超焊多极耳结构时，导致的电池内阻高、焊接效果不佳以及空间容量损失的一系列问题。

本发明是这样实现的，一种圆柱型电池无极耳焊接制备方法，包括下述步骤：

将正、负极片基材采用纵向间歇式涂膜，分切后分别得到一边形成留白的正极片和负极片；

将正极片、隔膜、负极片依次进行层叠后绕卷成卷芯，并使得正、负极片设置有留白的一端分别置于所述隔膜两长边的外侧、且所述隔膜边缘外露有留白；

将外露的留白箔材进行拍平处理，形成平整光滑的正负极箔材台面；

使用带凸台的负极集流体压置于所述卷芯的负极箔材台面，进行激光焊接形成负极焊接焊点；使用带中心孔的正极集流体压置于所述卷芯的正极箔材台面，进行激光焊接形成正极焊接焊点。

本发明结合实际生产可操作的情况进行汇总分析和优化，通过改善焊接效果实现电池内阻的降低。具体的，通过将卷芯经过特殊的预处理，实现正负极片上无超焊极耳、多点状接触焊点的激光焊接方式，从而减少了传统圆柱型电池制备过程中极片上超焊极耳的工步，简化其生产制成工艺，提高了生产效率。更重要的是，由于本发明不需使用特别设置的极耳，避免了传统圆柱型电池生产过程中由于极耳带来的一系列内阻增大的问题，且节省传统工艺中折曲极耳的空间，提升了圆柱型电池的能量密度和使用安全。

附图说明

图1是本发明实施例提供的正、负极片基材采用纵向间歇式涂膜示意图；

图2是本发明实施例提供的正极片、隔膜和负极片层叠图；

图3是本发明实施例提供的正极片、隔膜和负极片绕卷成卷芯的示意图；

图4是本发明实施例1提供的负极集流体及焊接效果的形状图、实施例2提供的负极集流体及焊接效果的形状图；

图5是本发明实施例1提供的正极集流体及焊接效果的形状图；

图6是本发明实施例2提供的正极集流体及焊接效果的形状图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种圆柱型电池无极耳焊接的制备方法，包括下述步骤：

S01.将正、负极片基材采用纵向间歇式涂膜，分切后分别得到一边形成留白的正极片和负极片；

S02.将正极片、隔膜、负极片依次进行层叠后绕卷成卷芯，并使得正、负极片设置有留白的一端分别置于所述隔膜两长边的外侧、且所述隔膜边缘外露有留白；

S03.将外露的留白箔材进行拍平处理，形成平整光滑的正负极箔材台面；

S04.使用带凸台的负极集流体压置于所述卷芯的负极箔材台面，进行激光焊接形成负极焊接焊点；使用带中心孔的正极集流体压置于所述卷芯的正极箔材台面，进行激光焊接形成正极焊接焊点。

具体的，上述步骤S01中，对正、负极片基材，进行涂布时采用纵向间歇式涂布方式，涂布俯视图如附图1所示，其中0为一片完整的基材，05为涂布方向，02表示纵向间歇式涂布的宽度，01表示边缘留白宽度，03表示间涂纵向留白宽度，04所示的虚线表示基材分切时的切刀位置。采用纵向间歇式涂布方式，一方面可以实现同一批次浆料无间断的连续涂布，提高了生产效率；另一方面，解决了传统横向间歇涂布方式在起涂和拖尾时造成的厚度不均匀、进而影响电池性能的问题。采用纵向间歇式涂布后的正负极片，直接分切即可得到一边留有形成留白—即空箔的正极片和负极片，省去了圆柱型电池制备中的制片工艺、显著提高了生产效率。此外，正极片和负极片形成的留白，可直接在后续工艺中经过拍平、激光焊接后形成焊接焊点，避免了超焊极耳、贴胶等工序，进一步节省了时间成本。

本发明实施例中，所述正、负极片基材种类的选用不受限制，可采用圆柱型电池领域常用的正、负极片基材，如圆柱型锂离子电池选用的正极铝箔、负极铜箔。

上述步骤S02中，将正极片、隔膜、负极片依次层叠的步骤中，需保证所述隔膜能将正负极片中的涂覆部分完全分隔开，具体如附图2所示，其中，1为负极片，2为隔膜，3为正极片，11为负极留白，31为正极留白。所述隔膜长边边缘外露的留白宽度不受限制，以不超过所述留白的总宽度为宜。将层叠好的正负极片与隔膜一同卷绕成卷芯，卷绕后的卷芯如附图3所示。

上述步骤S03中，将外露的留白箔材31和11进行拍平处理，形成平整光滑的正负极箔材台面。作为优选实施例，所述拍平处理的方法为：

S31.将所述卷芯置于旋转台上，卷芯纵轴固定，启动旋转台，使卷芯以卷芯纵轴为中心、顺时针或逆时针方向匀速旋转；

S32.将具有垂直平面的硬质件设置于卷芯留白的外围，并使硬质件的一纵向垂直面朝向卷芯方向并与卷芯纵轴平行，硬质件的一横向垂直面朝下并与旋转台平行；

S33.将硬质件由远离卷芯的方向向卷芯纵轴方向匀速推进，且硬质件的推进方向为直线型，使所述硬质件在卷芯旋转的同时对卷芯上端留白进行拍平。

具体的，上述步骤S31中，将圆柱型电池卷芯置于旋转台上，卷芯纵轴固定，使卷芯转动时转动轨迹不会发生偏离。该步骤中，所述卷芯旋转的方向没有要求，顺时针或逆时针旋转均可，但是，要在整个圆柱型电池无极耳焊接的预处理方过程中，保持卷芯的旋转方向一致。

本发明实施例中，所述旋转台的转速不宜过高，以避免后续对留白进行拍平处理时留白处金属箔材破损、或金属屑飞溅等，造成卷芯质量的损坏。具体的，所述旋转台的转速优选为30-800转/min，进一步地，所述旋转台的转速优选为200-500转/min。

上述步骤S32中，所述硬质件的设置，是实现圆柱型电池无极耳焊接的关键。作为优选实施例，所述硬质件为表面光滑平整的金属、木质、塑胶板、钢化玻璃类硬质件，当然，所述金属包括合金。应当理解，上述硬质件为优选材质的硬质件，其他材质的硬质件也能用于本发明实施例。进一步地，所述硬质件优选为规则的长方体。具体的，可以为金属棍、木棍、或三合板、复合板、塑胶板、钢化玻璃板材质的硬质件。进一步地，所述硬质件需要具有一定强度和硬度，强度和硬度没有强制要求，只需满足在后续拍平处理过程中，保证拍平效果平整密实、外形美观的同时，不发生变形即可。当然，所述硬质件与卷芯接触的垂直面均为平面。

所述硬质件的位置设置于卷芯留白的外围，在进行拍平处理前，可不与所述卷芯直接接触，也可在不影响所述卷芯质量的前提下，置于所述卷芯的最外圈。

上述硬质件中，为了提高拍平处理效率，并实现外观平整、排列规则、整齐的效果，所述硬质件纵向垂直面的宽度优选为1-100mm，进一步地，所述硬质件纵向垂直面的宽度优选为20-40mm，更优选为30mm；所述硬质件横向垂直面的宽度优选为1-100mm，进一步地，所述硬质件横向垂直面的宽度优选为20-40mm，更优选为30mm，以便下述步骤S33推进的过程中，能大于卷芯横切面的直径，从而对留白进行高效、美观的拍平。

进一步的，所述硬质件纵向垂直面的高度优选为1-30mm，进一步地，所述硬质件纵向垂直面的高度优选为5-10mm，更优选为7mm。更进一步的，所述硬质件朝下并与旋转台平行的横向垂直面置于卷芯留白的顶端和隔膜上边缘之间，从而使得拍平高度小于卷芯留白的高度。

上述步骤S33中，在拍平处理前，将硬质件移至靠近卷芯的最外圈处，并在卷芯旋转的同时，将硬质件缓慢从卷芯的一侧推进至卷芯纵轴方向。作为优选实施例，所述硬质件的推进速度为1-50mm/s，推进速度过快容易造成卷芯金属箔材破损、金属屑飞溅等不良后果，从而影响卷芯的质量。本发明实施例硬质件横向垂直面(即切割面，与卷芯上端面接触的一面)低于卷芯上端面初始高度的高度差，即为需将卷芯拍平的高度。具体的，所述拍平的高度小于5mm。

经过上述拍平处理后，正负极端面呈现平整、光滑的台面。

上述步骤S04中，使用带凸台的负极集流体压置于所述卷芯的负极箔材台面，进行激光焊接形成负极焊接焊点，其中，所述凸台位于所述负极集流体的中心，且朝外贴合于负极箔材台面；使用带中心孔的正极集流体压置于所述卷芯的正极箔材台面，进行激光焊接形成正极焊接焊点，其中，所述中心孔须对准卷芯中心孔的位置。

所述正负极集流体的材质不受限制，可根据具体圆柱型电池的需要进行选择，作为具体实施例，当正、负极片基材选用的正极铝箔、负极铜箔时，所述正负极集流体可分别选用铝和镍或铝和铜。所述集流体的材料形状不受限制，可选用片状、带状等，只需满足其大小能够满足激光焊接焊点排列即可。

本发明实施例中，所述激光焊接的焊接能量需均匀、一致，以便获得焊接效果良好、大小均匀的焊点。相反，若焊接能量不均匀，容易造成焊接效果的不良，如虚焊、焊穿等现象；焊接时施加的固定压力适当，压力过大会使台面凹陷、不平，且容易损伤极片，压力过小容易造成虚焊。具体焊接能量的大小，需考虑选用的正负极片及其集流体的材质及厚度而定。

所述激光焊接时，各焊点之间的间距需要控制得当，作为优选实施例，所述激光焊接的焊斑圆心之间的间距为焊斑直径的0.5-1.0倍。间距过小容易使焊点叠加而造成过焊，间距过大易造成焊接不牢的现象。所述焊点数量及排列形状可自行控制。为了获得焊点均匀、稳定，焊接效果好的圆柱型电池，作为优选实施例，所述焊点形成的图形为轴对称图形。

传统正负极极耳焊接采用的均是超声焊接，对极片和基底箔材的外观要求不高，且多极耳的结构会导致装配时折极耳占用过多空间。本发明实施例结合实际生产可操作的情况进行汇总分析和优化，将降低内阻的重点放在焊接效果的改善方面。具体的，在卷芯焊接之前，将卷芯进行特殊的预处理，将卷芯两端箔材基底拍平，达到外观平整、排列规律、整齐的要求，从而实现正负极片上无超焊极耳、多点状接触焊点的激光焊接方式，从而减少了传统圆柱型电池制备过程中极片上超焊极耳及贴胶的工步，简化其生产制成工艺，提高了生产效率。更重要的是，由于本发明不需要设置极耳，避免了传统圆柱型电池生产过程中由于极耳处理不当带来的一系列内阻增大的问题，且节省传统工艺中折曲极耳的空间，提升了圆柱型电池的能量密度和使用安全。此外，本申请可根据实际需要，灵活设置焊点的形状和数量，形成接触点多且牢固的焊接焊点。

下面结合具体实施例进行说明。

实施例1

一种圆柱型电池无极耳焊接的制备方式，包括下述步骤：

S11.将正、负极片基材采用纵向间歇式涂膜，分切后分别得到一边形成留白的正极片和负极片；

S12.将正极片、隔膜、负极片依次进行层叠后绕卷成卷芯，并使得正、负极片设置有留白的一端分别置于所述隔膜两长边的外侧、且所述隔膜边缘外露有留白；

S13.将外露的留白箔材进行拍平处理，形成平整光滑的正负极箔材台面；

S14.负极使用圆形中心带凸台的Ni片，规格为Φ16*0.1mm，凸台朝外置于负极Cu箔台面进行激光焊接，焊斑直径为1mm，焊接能量为54J，焊斑中心点之间的间距为1mm，焊接形状见附图4所示；正极使用带中心孔的圆形Al片，规格为Φ14*0.3mm，中心孔(Φ4mm)对准卷芯中心孔的位置，焊斑直径为1mm，焊接能量为182J，焊斑中心点之间的间距为0.6mm，焊接性状见附图5所示。

实施例2

一种圆柱型电池无极耳焊接的制备方式，包括下述步骤：

S11.将正、负极片基材采用纵向间歇式涂膜，分切后分别得到一边形成留白的正极片和负极片；

S12.将正极片、隔膜、负极片依次进行层叠后绕卷成卷芯，并使得正、负极片设置有留白的一端分别置于所述隔膜两长边的外侧、且所述隔膜边缘外露有留白；

S13.将外露的留白箔材进行拍平处理，形成平整光滑的正负极箔材台面；

S14.负极使用圆形中心带凸台的Ni片，规格为Φ16*0.1mm，凸台朝外置于负极Cu箔台面进行激光焊接，焊斑直径为1mm，焊接能量为54J，焊斑中心点之间的间距为1mm，焊接形状见附图4所示；S24.正极使用带中心孔的带状Al片，规格为38*6*0.3mm，中心孔(Φ4mm)对准卷芯中心孔的位置，焊斑直径为1mm，焊接能量为182J，焊斑中心点之间的间距为0.6mm，焊接形状见附图6所示。

对比例1

一种普通圆柱型锂离子电池极耳焊接的制备方法，包括下述步骤：

D1.采用普通横向间歇涂布正、负极片，经过辊压制片、极耳超焊、贴胶等方式制得正负极片，其中，正极极耳在极片的1/2位置，规格为70*4*0.1mm；负极片为头、尾各超焊一个极耳的双极耳结构，极耳规格为52*4*0.1mm；胶纸规格为10*12*0.07mm；

D2.将层叠好的正、负极片以及隔膜卷绕成卷芯；

D3.负极底焊使用内阻焊，焊接标准为：极耳可承受拉力≧5N；正极极耳采用激光焊接，焊接标准为：4个焊点分别无虚焊、焊穿迹象，且盖板与极耳接触不会存在相对运动。

将上述实施例1、2以及对比例1制备的锂离子电池进行性能测试，测试结果见表1所示，性能测试方法采用本领域常规的方法。

表1

由上表可知，与对比例相比，按照本发明实施例所述方法制备的圆柱型锂离子电池，其内阻显著降低，由对比例的15.79mΩ直降至7.15mΩ，降低了54.8％，其温度安全特性得到加强。同时，本发明实施例所述圆柱型锂离子电池的自放电性能由对比例的51.62mV，降至26.97mV，降低程度达到47.8％，因此，本发明实施例所述圆柱型锂离子电池的性能获得显著提升。此外，本发明实施例所述方法制备的圆柱型锂离子电池，由于极耳空间高度由对比例的0.68mm降至0.4mm，放电容量和能量密度均得到有效增加，倍率放电最高温度相应降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种圆柱型电池无极耳焊接的制备方法，包括下述步骤：

将正、负极片基材采用纵向间歇式涂膜，分切后分别得到一边形成留白的正极片和负极片；

将正极片、隔膜、负极片依次进行层叠后绕卷成卷芯，并使得正、负极片设置有留白的一端分别置于所述隔膜两长边的外侧、且所述隔膜边缘外露有留白；

将外露的留白箔材进行拍平处理，形成平整光滑的正负极箔材台面；

使用带凸台的负极集流体压置于所述卷芯的负极箔材台面，进行激光焊接形成负极焊接焊点；使用带中心孔的正极集流体压置于所述卷芯的正极箔材台面，进行激光焊接形成正极焊接焊点，其中，所述拍平处理的方法为：

将所述卷芯置于旋转台上，卷芯纵轴固定，启动旋转台，使卷芯以卷芯纵轴为中心、顺时针或逆时针方向匀速旋转；

将具有垂直平面的硬质件设置于卷芯留白的外围，并使硬质件的一纵向垂直面朝向卷芯方向并与卷芯纵轴平行，硬质件的一横向垂直面朝下并与旋转台平行；

将硬质件由远离卷芯的方向向卷芯纵轴方向匀速推进，且硬质件的推进方向为直线型，使所述硬质件在卷芯旋转的同时对卷芯上端留白进行拍平。

2.如权利要求1所述的圆柱型电池无极耳焊接的制备方法，其特征在于，所述硬质件为表面光滑平整的金属、木质、塑胶板、钢化玻璃硬质件中的一种。

3.如权利要求1所述的圆柱型电池无极耳焊接的制备方法，其特征在于，所述激光焊接的焊斑圆心之间的间距为焊斑直径的0.5-1.0倍。

4.如权利要求1-3任一所述的圆柱型电池无极耳焊接的制备方法，其特征在于，所述焊点形成的图形为轴对称图形。