CN108695480A - 用于电池单元的电互连部 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于电池单元的电互连部。一种电池组包括：袋式电池单元，具有从袋式电池单元延伸的电极极耳，每个极耳限定多个贯孔；汇流条，包括与所述多个贯孔相接触并且穿过所述多个贯孔突出的多个凸起部；以及机械结合固体金属颗粒的团聚体，覆盖所述凸起部，以将所述极耳机械地结合到汇流条并且将所述极耳电连接到汇流条。

Description

用于电池单元的电互连部
技术领域
本公开涉及袋式离子电池单元以及生产所述袋式离子电池单元的方法。
背景技术
袋式锂离子电池单元已用在包括汽车应用的多种产业中。由于袋式电池单元与许多其它系统相比，在一定电池电量下具有降低的重量和成本以及优化的封装效率，比密度较高并且每电池单元的电压输出较高，所以袋式电池单元设计引人注意。因此，锂离子电力系统已变为许多应用的首要选择。袋式电池单元的传统的电互连部形成为紧固螺柱或超声焊接的极耳，这会经受力学不一致性、高接触电阻、结合不均匀性和其它问题。
已开发了诸如热喷涂沉积的可替代方法来提供电池互连部。然而，诸如电弧喷涂或等离子喷涂的这些方法使袋式电池单元经受高达20000℃的温度。此外，通过热喷涂沉积产生的结合部会受到氧化沉积物的困扰。
发明内容
在至少一个实施例中，公开了一种电池组。所述电池组包括具有从其延伸的电极极耳的袋式电池单元，每个极耳限定多个贯孔。所述电池组还包括汇流条，所述汇流条包括与所述多个贯孔相接触并且穿过所述多个贯孔突出的多个凸起部。所述电池组还包括机械结合固体金属颗粒的团聚体，所述团聚体覆盖凸起部，以将所述极耳机械地结合到汇流条并且将所述极耳电连接到汇流条。每个突起部可与至少一个贯孔相接触。团聚体可形成连续带。贯孔和凸起部可具有相同的形状。每个凸起部可包括边缘，所述边缘延伸超过贯孔中对应的一个贯孔的边界。凸起部可以以规则图案布置。团聚体没有空隙、或没有氧化夹杂物，或没有间隙也没有氧化夹杂物。极耳可以是L形。
在另一实施例中，公开了一种电池组。所述电池组可包括具有从其延伸的电极极耳的袋式电池单元，每个极耳限定有多个凸起部。所述电池组还可包括汇流条，所述汇流条包括与凸起部相接触并且结合到凸起部的多个贯孔。所述电池组还包括机械结合固体金属颗粒的团聚体，所述团聚体覆盖所述凸起部，以将所述极耳机械地结合到汇流条并且将所述极耳电连接到汇流条。每个突起部可与贯孔中的一个相接触。团聚体可形成连续带。贯孔和凸起部可具有相同的形状。每个凸起部可包括边缘，所述边缘延伸超过贯孔中对应的一个贯孔的边界。所述凸起部可以以规则图案布置。团聚体没有空隙、或者没有氧化夹杂物，或者既没有空隙也没有氧化夹杂物。极耳可以是L形。
在另一实施例中，公开了一种电池组。所述电池组包括穿孔的汇流条。所述电池组还可包括一对袋式电池单元，每个袋式电池单元具有从所述袋式电池单元延伸的极耳，所述一对袋式电池单元彼此相邻布置使得极耳被对准并且互连，每个极耳具有穿过所述穿孔的汇流条中一个或更多个开口突出的凸起部。此外，所述电池组包括机械结合固体金属颗粒的团聚体，所述团聚体覆盖凸起部，以将所述极耳机械地结合到汇流条并且将所述极耳电连接到汇流条。极耳中的至少一个还可包括被构造成容纳相邻极耳的突起的一个或更多个贯孔。团聚体可形成连续带。每个凸起部可包括边缘，所述边缘延伸超过开口中对应的一个开口的边界。
附图说明
图1A描绘了图1B中所描绘的袋式电池单元电池内的各个层的分解视图；
图1B描绘了示例袋式电池单元电池的透视图；
图2描绘了根据一个或更多个实施例的被连接到示例汇流条的示例袋式电池单元的透视图；
图3A-图3C分别描绘了图2中所描绘的极耳和汇流条上的示例贯孔(perforation)和凸起部的图案；
图3D示出了在与极耳的表面区域进行机械连接之前，图3A中所描绘的凸起部的详细侧视图；
图3E示出了在与极耳的表面区域进行机械连接之后，图3A中所描绘的凸起部的详细侧视图；
图4A和图4B分别描绘了图2中所描绘的汇流条和极耳上的替代的详细示例贯孔和凸起部的图案；
图5A示出了机械连接之前具有带贯孔的极耳的电池袋单元的一部分和具有与贯孔对准的一组凸起部的汇流条的一部分的透视图；
图5B示出了机械连接之后图5A的凸起部；
图5C和图5D示出了施加在图5B中所描绘的凸起部上的团聚体的替代的非限制性示例；
图6A示出了用于将汇流条连接到L形电池单元极耳的一系列步骤；
图6B-图6D示出了将被连接到对应汇流条的L形电池单元极耳的替代的非限制性实施例；
图7示出了经由多个袋式电池单元的极耳将汇流条连接到多个袋式电池单元的一系列步骤；
图8A和图8B示出了将汇流条与多个袋式电池单元的极耳对准的替代的非限制性示例；
图9示出了包括在冷喷涂系统中产生的团聚体-基底交界面的示例冷喷涂系统的示意图；
图10A-图10D描绘了在冷喷涂沉积工艺过程中在固体颗粒与基底的表面发生冲击时颗粒-基底交界面的变化；
图11描绘了通过热喷涂沉积工艺产生的涂层-基底交界面的示意性透视图；
图12描绘了形成在此公开的互连部的团聚体-基底交界面的示意性详细视图。
具体实施方式
在此描述了本公开的实施例。然而，应当理解的是，公开的实施例仅仅为示例并且其它实施例可采取各种和替代的形式。附图无需按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种方式应用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一附图说明和描述的各种特征可与一幅或更多幅其它附图中说明的特征结合，以产生未明确说明或描述的实施例。说明的特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可以期望用于特定应用或实施方式。
除明确地指明以外，否则在本说明书中指示尺寸或材料特性的所有数量值都应被理解为由按描述本公开最宽范围的词语“大约”来修饰。
首字母缩略词或其它缩写的首次定义适用于同一缩写在此的所有后续使用，并且必要的修改适用于最初定义的缩写词的正常语法变体。除明确规定为相反的以外，否则通过针对同一属性与先前或之后引用的相同技术来确定属性的测量。
适合于与本发明的一个或更多个实施例有关的给定目标的一组或一类材料的描述暗含该组或该类的组分中的任意两种或更多种的混合物也是适合的。化学术语中的成分描述指的是在添加到描述中特定的任何组合时的成分，并且一旦混合后不一定要排除混合物的成分之间的化学反应。首字母缩略词或其它缩写的首次定义适用于同一缩写在此的所有后续使用，并且必要的修改适用于最初定义的缩写词的正常语法变体。除明确地规定为相反的以外，否则通过针对同一属性与先前或之后引用的相同技术来确定属性的测量。
随着电池的批量生产，已经开发出多种电池形式。示例电池形式包括圆柱形电池单元、纽扣式电池单元、棱柱形电池单元和袋式电池单元。袋式电池单元的设计表现为高效利用空间并实现大约90％-95％的封装效率。导电箔极耳通常在延伸到袋的外部的同时被焊接到电极并被完全密封，而不是利用金属柱和玻璃-金属电馈通(electrical feed-through)。通过去除金属外壳，降低了袋式电池单元的重量。
虽然袋式电池单元对于电池设计而言是轻量型方案，但是袋形式存在许多考虑因素，诸如支撑需求和用于扩张的空间。额外的考虑因素是暴露在潮湿和高温环境，这会缩短电池单元的寿命。膨胀代表了另一考虑因素，例如，对于一些类型的袋式电池单元而言，经过500次循环，膨胀达8％-10％可能是常见的。然而，袋式电池单元已变得普遍，尤其是在与圆柱形电池单元相同的性能标准的情况下。袋式电池单元已成功用于用户应用、军事应用以及车辆应用中。较大的扁平的袋式电池单元组已应用在电力动力传动系统和能量储存系统。较小的袋式电池单元已用于具有高负载电流需求的便携式应用。
在图1A和图1B中描绘了示例袋式锂离子电池单元10。从图1A和图1B中可看出，袋式电池单元10在袋12中具有层叠结构。袋12包括：阴极14，具有电池极耳(battery tab)或端子16；阳极18，具有电池极耳或端子20；分隔件22，夹在阴极14和阳极18之间。层14、18和22被对齐和堆叠或层叠。在层14、18和22被装配在一起并插入袋12之后，袋12中充满电解液，随后按照使极耳16和20处于袋12的外部的方式对袋12进行密封。
袋式电池单元10通常是具有液态电解质的锂离子电池。可通过添加聚合物助剂使电解液凝胶化。电池单元10还被称为LiPo(锂聚合物)。然而，可采用各种替代的锂离子电化学性(electrochemistries)。由于袋式锂离子电池单元10的极耳或端子16、20内部地连接到由不相似的金属形成的阴极14和阳极18，所以它们通常具有不同的化学性(chemistries)。集流体、阴极14和阳极18通常由铜箔、铝箔或镍箔制成。通常由与对应电极14、18相同的金属形成极耳16、20，以避免在电极与极耳之间产生原电池单元。然而，存在由不相似的金属形成的极耳16、20带来了在极耳16、20连接到汇流条时因金属不兼容性引起的挑战，金属不兼容性会导致较高的腐蚀发生率、增大的电阻以及缺少连接鲁棒性。
传统上，极耳与汇流条之间的电极互连部由紧固螺柱或超声焊接极耳组成。后者呈现许多问题，诸如，不一致的结合均匀度和设备(角和砧)疲劳问题。另一方面，使用紧固螺柱可能导致机械失效和高接触电阻。
为了避免上述缺点，热喷涂沉积技术已被用于在汇流条与电极端子之间形成互连部。许多方法利用高温热喷涂工艺来沉积可焊接材料。热喷涂沉积技术通常是能够以高沉积速率使广泛范围的供给材料在基底上成层的工艺。然而，该方法采用较高的温度，导致材料熔化。在热喷涂工艺中，结合机理为机械互锁，并且可通过增加温度或颗粒速度改进结合。但是高处理温度通常使嵌入涂层的氧化物的量增加、降低了用于结构应用的涂层性能并且可能损坏电池单元。例如，电池单元分隔件22通常具有相当低的温度容限，这限制可应用的工艺。示例热喷涂技术以及通常与其相关联的温度范围包括：具有9727℃(10000K)与19727℃(20000K)之间的温度的等离子体喷涂工艺、具有大约14727℃(15000K)的温度的电弧、使用大约5227℃(5500K)的温度的爆炸喷枪沉积或者具有大约5227℃(5500K)的温度的高速富氧沉积(HVOF)。
因此，将期望提供将会以如下方式被应用的电极端子-汇流条互连部：在保持工艺温度的同时消除高磨损加工部件(诸如，来自装配过程的角和砧)、减轻界面脱粘和全厚度断裂(这通常针对超声焊接)、通过生产密集的且成层的涂层(具有低孔隙率和氧化率)来降低劣化和寄生电感以及提供较高的抗蚀性和低的电阻。这将会防止毁坏电池单元或产生氧化夹杂物。此外，期望提供机械稳固的电极端子-汇流条互连部。
在图2中描绘的一个或更多个实施例中，公开了电池组124。电池组包括袋式电池单元100，所述袋式电池单元100具有从袋112延伸的阴极极耳116和阳极极耳120。极耳116、120与汇流条130对准，使得极耳116、120与汇流条130接触。极耳116、120可由铜、铝、镍、锌、铅等或前者的组合制成。可在一个或更多个极耳的表面形成保护层，以促进极耳与汇流条的结合。保护层可包括镍、钛、锌、银、金、锡等或前者的组合。极耳116可由与极耳120相同或不同的材料制成。极耳116、120中任意一者或两者的表面可以是至少部分光滑的或带纹理的，以增大用于在极耳116、120与汇流条130之间的结合的表面积。下文中关于极耳116或120之一的任何讨论和附图同样涉及另一极耳，即使另一极耳未被明确提及。
极耳116、120包括一个或更多个贯孔、孔或开口126。多个贯孔126比仅存在单个贯孔126可有助于更好地导热。此外，提供多个贯孔126增加了用于接合到汇流条130的位置的数量，继而有助于增大连接鲁棒性并减小极耳与汇流条之间的连接失效的机会。
极耳116、120可包括相同或不同数量的贯孔126，所述贯孔126具有相同或不同的形状、横截面、尺寸、方向和其它特性。在图3A-图3C中描绘了示例贯孔126。虽然图3A-图3C描绘了极耳116和贯孔126，但是极耳116和贯孔126仅为示例，并且所述描述适用于本文描述的任何极耳和贯孔。从图3A中可看出，极耳116可包括彼此有规律地间隔开的贯孔126。贯孔126可具有圆形、半圆形、椭圆形、半椭圆形、方形、矩形、五边形、七边形、八边形、九边形、梯形、三角形、星形、四叶形、风筝形、规则形状、不规则形状、对称形状、非对称形状等或者前述形状的组合的横截面。贯孔126可具有平滑、凹凸不平的、脊状、粗糙、锯齿状等或前述形状的组合的边界。在一个或更多个实施例中，一些贯孔126可具有不平滑的边界。或者，一些贯孔126可包括平滑的部分和粗糙的部分。粗糙部分可为结合提供额外的表面积。在图3A中可看出示例的平滑边缘，在图3B中可看出示例的锯齿形边缘。极耳116可包括一排或更多排贯孔126。在图3A和图3B中描绘了单排贯孔的极耳116，而在图3C中描绘了多排贯孔的极耳116的示例。
贯孔126的表面积可占据大约小于5％、5％、10％、20％、30％、40％、50％或更多的极耳表面积。贯孔126的尺寸可与至少一个其它贯孔126的尺寸不同。或者，全部贯孔126可具有相同的尺寸。全部极耳116、120可具有相同图案的贯孔126。图案可以是规则的或不规则的、对称的或不对称的。或者，极耳可包括与至少一个其它极耳不同图案的贯孔126。为全部极耳提供相同图案的贯孔126可简化制造过程。然而，例如，如果各个极耳厚度不同和/或材料的成分不同，则考虑定制，并且不同的图案可能是有益的。可通过多种技术(例如，通过冲压、冲孔、冲切、压花(embossing)、通过其它类型的预处理或前述操作的组合)来提供极耳中的贯孔126。
图3A-图3C还示出了具有一个或更多个凸起部、突起或贯孔126的汇流条。在图3A中可看出，布置在同一汇流条120上的全部凸起部132可具有相同的形状。或者，如图3B所示，至少一个凸起部132可具有不同的形状。
以上对贯孔126的量、形状、构造、尺寸、表面区域覆盖和其它特性的描述同样涉及凸起部132。凸起部132可具有与对应贯孔126相同或基本相同的形状或横截面，使得凸起部132可穿过贯孔126突出。例如，如果贯孔为圆形，则凸起部可为圆形。如果贯孔为星形，则凸起部可为星形或圆形等。
凸起部132和贯孔126可被构造成配合件，使得它们的形状和尺寸相配合，并且凸起部132和对应的贯孔对准。贯孔126和凸起部132二者的尺寸应当为：凸起部132适于穿过贯孔126并且可插入穿过贯孔126而在凸起部132和对应贯孔126的边缘之间不留间隙。或者，在贯孔126的边缘与对应凸起部132的边缘之间可存在间隙。间隙可以是暂时的。
全部凸起部132可具有统一尺寸(诸如，高度、直径等)。或者，凸起部可具有一个或更多个不一致的尺寸，使得至少一个凸起部132具有不同于其余凸起部132的高度。或者或另外，至少一个凸起部132在中心处的高度可不同于在边缘处的高度。例如，凸起部132可形成峰，使得具有最大高度的中央部分朝向具有最低高度的边缘连续地斜降。或者，边缘可比中央部分具有更高的高度，凸起部形成碗状突起。
如图3D和图3E所示，凸起部132的高度是使凸起部132在其穿过贯孔126突出之后突出高于极耳的表面而形成的。所述高度可基本上与极耳116的厚度相同。或者，所述高度可大于极耳的厚度。凸起部132的高度可是极耳116的厚度的一倍、二倍、三倍、四倍、五倍、六倍大。
可由与汇流条130相同的材料形成凸起部132。凸起部132可被冲压进汇流条材料中。凸起部132可形成汇流条130的一体部分。或者，凸起部132可通过适当的技术(例如，通过在此描述的物理气相沉积(诸如，在一个或更多个凸起部132和汇流条130之间形成团聚体))附着到汇流条130。因此，可由不同于汇流条130材料形成凸起部132。每个凸起部132可由相同或不同的材料制成。
一旦凸起部132插入穿过对应贯孔126，凸起部132就机械地连接到对应极耳116的表面区域。极耳的表面区域可以是光滑的。或者，极耳的表面区域可具有不平的或粗糙的表面，以为结合增加表面区域。可通过将压力施加到凸起部132而提供机械连接(凸起部132变成机械地连接的凸起部132’)。作为机械连接的结果，凸起部132的高度可以降低、凸起部132的宽度可以增大，凸起部132的形状或横截面可以改变，或者前述组合。凸起部132’的至少一个外边缘可延伸超过对应贯孔126的至少一个边缘。例如，凸起部132’的整个外边缘可延伸超过贯孔126的整个边缘。如果贯孔126与凸起部132之间存在间隙，则压力可迫使一部分凸起部材料进入所述间隙，使得所述间隙完全被凸起部132’填充。在一个或更多个实施例中，凸起部132基本上是扁平的，使得凸起部132’以比机械连接之前明显更小的方式突出高于极耳的表面。例如，与机械连接之前同一凸起部132的高度相比，机械连接可使凸起部132’的高度减小大约不足5％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％或更多。图3D示出了在凸起部132与极耳116中的贯孔对准之后的图3A中所描绘的汇流条130上的一组三个凸起部132。在图3E中，描绘了在被机械地连接到极耳116材料之后的同一凸起部132’。机械连接之前的凸起部132的高度h1大于机械连接之后凸起部的高度h2。
虽然以上所述的贯孔126作为极耳116、120的一部分，并且凸起部132为汇流条130的一部分，但在至少一个实施例中，贯孔126可被布置在汇流条130上，而对应凸起部132可被构造作为极耳116、120的一部分。在图4A中观察出所述实施例的示例。在图4B示出的另一实施例中，极耳116、120可包括一个或更多个贯孔126和一个或更多个凸起部132二者。对应的凸起部132和贯孔126被布置在将被连接到极耳116、120的对应汇流条130上。
一旦凸起部132插入穿过对应贯孔126(图5A中示出了这种示例)并且彼此机械地连接(如图5B所示)以形成凸起部132’，机械结合的固体金属颗粒的一个或更多个团聚体134被施加在凸起部132之上，以促进极耳116、120与汇流条130的结合。如上所述，极耳的表面区域可以是粗糙的，以为结合增加表面区域。极耳的整个表面区域可以是粗糙的。或者，仅极耳的一部分可以是粗糙的，所述部分包括将被施加一个或更多个团聚体134的一个或更多个的区域。如果贯孔126存在于汇流条130上而不是极耳上，或除了存在于极耳上也存在于汇流条130上，则如以上关于极耳116的表面所描述的那样，汇流条130的表面区域可以是粗糙的。
团聚体134由此形成将极耳116、120电连接到汇流条130的互连部133。图5C和5D示出了示例团聚体。可用团聚材料134部分覆盖凸起部132’，使得至少一部分凸起部132保持没有团聚材料134。然而，为了增加连接的鲁棒性，可用团聚材料134覆盖凸起部132’的整个表面区域和周围区域。周围区域可延伸到汇流条130或极耳116、120的至少一侧。在至少一个实施例中，团聚体134的直径可大于贯孔126的直径、凸起部132的直径、机械连接的凸起部132’的直径、一组凸起部132’的直径或前者的组合的直径。团聚体134可以是连续的或是不连续的。
团聚体134可覆盖极耳116、120和/或汇流条130的至少一部分。同一团聚体134可覆盖每个极耳或汇流条的一个或更多个或全部凸起部132’。或者，一个团聚体134可只覆盖一个凸起部132’和/或贯孔126。
如图4B所描述的，当汇流条130或极耳116、120包括贯孔126和凸起部132二者时，团聚体134被施加在凸起部132’和贯孔126之上。团聚体134可形成连续带。或者，每个凸起部132’和贯孔126可通过相应的团聚体134被覆盖。在同一电池单元和/或同一电池组中团聚体134的形状和尺寸可以相同或不同。团聚体可被构造成条形、矩形、正方形、三角形、圆形、半圆形、椭圆形、半椭圆形、月牙形、星形、规则形状、不规则形状、五边形、六边形、七边形、八边形等、或前者的组合。团聚体的形状可与贯孔126、凸起部132、机械连接的凸起部132’或前者的组合的形状相同或不同。
极耳116和汇流条130可具有各种形状和构造。例如，极耳、汇流条或二者可被构造为进一步增加汇流条-极耳连接的鲁棒性。在至少一个实施例中，如图6A所描绘的，极耳216可为L形。图6A示出了产生电池单元(未示出)的机械稳固的汇流条-极耳连接的一系列步骤。在步骤10，具有一组三个分隔开的凸起部232的汇流条230与具有一组三个贯孔226的电池单元极耳216对准，其中，所述贯孔226在形状和尺寸上与凸起部232相对应。在步骤11，凸起部232机械地连接到极耳材料。在步骤12，团聚体234被施加为连续喷涂或脉冲喷涂。
在图6B-图6D所示的替代的实施例中，汇流条230、极耳216或二者的不止一侧可包括一个或更多个贯孔226、凸起部232或二者。
在图7所描绘的另一实施例中，公开了一组电池的袋式电池单元300。每个袋式电池单元300具有从其延伸的极耳308。极耳308可以是阴极极耳或阳极极耳。极耳308具有一个或更多个凸起部332。每个极耳308上的凸起部332的数量可以相同或不同。此外，一些极耳308包括贯孔326。不同极耳的至少一些贯孔326彼此对准。贯孔326的数量沿着从极耳308a到极耳308c的一个方向增加，使得在对准之后最靠近汇流条330的极耳308c包括最多贯孔326。极耳308c上的贯孔326容纳其它极耳308a、308b的凸起部332。因此，每个极耳308上的贯孔326和凸起部332的构造使得极耳308a中的凸起部332装配在极耳308b和308c的贯孔326中。极耳308b的凸起部332装配在极耳308c的贯孔326中。
在步骤10，极耳308a、308b和308c以使得全部三个极耳308的凸起部332穿过极耳308c的贯孔326装配的方式对准并互连。然后，对准的一组极耳308与汇流条330对准，使得汇流条330的贯孔326容纳极耳308a、308b和308c的凸起部332。在步骤11，凸起部332机械地附接到汇流条材料。在步骤12，团聚体作为覆盖物被施加，覆盖全部凸起部332和周围区域。固体金属颗粒的团聚体334机械地结合到极耳308并结合到汇流条330。
虽然图7中描绘了单个团聚体的连续带，但是脉冲喷涂为替代方案。同样，虽然凸起部332被布置在极耳308上，但在替代实施例中，汇流条330可包括以各种方式与极耳308的贯孔326对准的凸起部332。图8A中示出了示例性实施例，示出了具有两个凸起部332的汇流条330，所述两个凸起部332在步骤10与两个电池单元极耳308a和308b对准，极耳308a、308b并排对准。每个电池单元极耳包括一个贯孔326。极耳以使得两个极耳308a和308b的每个贯孔326包纳或容纳汇流条330的两个凸起部332的方式在汇流条330上彼此相邻排列。
在图8B中描绘的另一替代实施例中，两个电池单元极耳308a和308b各自包含两个贯孔326。在步骤10，两个单电池单元极耳以使得两个凸起部332穿过两个电池单元极耳308a和308b的两个贯孔326突出的方式堆叠并对准。
在整个电池组内极耳308的尺寸和形状与团聚体334的尺寸、形状和位置可相同或不同，并且可以是上面描述的那些。不同的尺寸可以是高度、宽度、厚度、直径或前者的组合。极耳308的尺寸可不同，只要全部极耳308与汇流条330直接接触即可。直接接触可经由凸起部332、贯孔326、极耳表面区域、汇流条表面区域或前者的组合。极耳308的高度、宽度、直径和/或厚度可小于汇流条330的高度、宽度、直径和/或厚度。最小极耳308与最大极耳308之间的高度差、宽度差、直径差和/或厚度差可大约为小于10％、10％、20％、30％、40％、50％、60％或更多。
团聚体134、234、334形成电池互连部133、233、333。因此，互连部可经由塑性变形形成为彼此机械结合的固体颗粒与基底的团聚体。基底包括汇流条、极耳、凸起部、贯孔或前者的组合。可使用冷喷涂沉积方法(还被称为气体动力冷喷涂(GDCS))形成颗粒的团聚体。冷喷涂沉积是一种冲击固结方法。冷喷涂沉积与上述的热喷涂工艺不同，这是由于冷喷涂沉积使用更低的温度(诸如，大约24℃(297.15K)至大约80℃(353.15K)的环境温度)，使得正在沉积到基底上的材料保持处于柔性但为固态。只要升高的温度低于颗粒和基底的熔点，就可使温度增高超过上述范围，以获得颗粒的较高的柔韧性和柔软度。因此，冷喷涂沉积是一种沉积颗粒而没有相变的工艺。由于没有相变，所以团聚体中的所有的颗粒都具有相同的热-机械经历，这造成一致的互连部特性。
在冷喷涂沉积过程中，粉末化金属颗粒通过以超声速度的弹道冲击而沉积在基底上以形成成层的涂层或自由形态的结构。在图9中可看出冷喷涂系统50的示例的示意性描绘。系统50包括用于容纳粉末供给料54的粉末供给器52，粉末供给料54具有直径大约为1μm-100μm的颗粒尺寸。供给料54可以是包括金属(诸如Mg、Al、Si、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au、Re)、聚合物、陶瓷、复合材料、金属基复合材料、纳米晶材料或前述材料的混合物的粉末。供给料的各个颗粒可以是软的、硬的、刚性的、光滑的、粗糙的等。
示例性的粉末供给速率可以是1-10磅/小时。系统50还包括用于供应能够夹带固体颗粒58的气体的进气口56。例如，气体可以是N2、He、它们的混合物等。提供加热器60用于将该夹带气体加热至大约100℃-500℃，以增大将被沉积在基底62上的颗粒58的延展性。气体流量可以为大约30CFM-100CFM。在高压和高温下，粉末供给料54插入超声速喷嘴64的入口。随着气体温度降低，气体膨胀并加速穿过喷嘴64。在达到气体超声速的喷嘴喉部66发生快速的变化。固体颗粒58的速度和温度因发生热传递而接近气体的值。
在冷喷涂系统50中产生的高压和高温能够顺从气流68内的超声速气体速度(诸如，大约300m/s-1500m/s)和高的颗粒加速度。固体颗粒58被夹带在气流68中并被引导至基底62，在基底62上固体颗粒58在受到冲击时嵌入基底62的表面并与基底62的表面形成牢固结合。在结合期间由气体的膨胀所提供的颗粒58的动能被转换成塑性变形的能量。为了实现颗粒与表面的固结，必须在颗粒58与基底62的冲击之前达到临界速度。临界速度根据供给料类型而不同。因为颗粒58保持处于其固体状态并经受塑性变形，所以在受到冲击时它们的形状可变为扁豆状(如图10A-图10D中所描绘的)。
图10A-图10D示出了当固体颗粒58与基底62的表面发生冲击时在颗粒-基底交界面70处的变化顺序。从图10A-图10D可看出，当颗粒58碰到基底62时，颗粒58变得扁平同时凹坑72形成在基底62中。凹坑72的深度和宽度随时间增大，使得w1<w2并且h1<h2。同时，冲击区域的温度升高，所述温度升高集中于颗粒-基底交界面70处。然而，在受到冲击时固体颗粒58的离散的晶体结构得以保持。在固体颗粒58与基底62之间所得的连接在颗粒-基底交界面70处产生类似于爆炸式结合的机械混合。
与图10A-图10D中描绘的冷喷涂沉积的颗粒58相比，在图11中示出了沉积在基底84上的热喷涂熔融颗粒(molten particles)82的涂层-基底交界面80。所得的结构包括熔融颗粒/材料82、空隙86以及氧化夹杂物88和未熔化的颗粒90。
有利的是，冷喷涂沉积的机械混合在颗粒-基底交界面70处不允许存在通常由热喷涂工艺产生的与涂层-基底交界面80关联的空隙。在图12中可看出形成在此描述的互连部的固体粉末颗粒58的示例固结沉积是无空隙结构。从图12可进一步看出，沉积的颗粒层或团聚体134的厚度可通过供应额外量的固体颗粒58而增大。在形成的团聚体134中，额外量的颗粒58与已沉积的固体颗粒58机械混合。在团聚体134内没有产生空隙。颗粒-基底交界面70以及颗粒-颗粒交界面74没有空隙和氧化夹杂物。
因为互连部133、233、333可由对氧的存在敏感并且将在升高的温度时容易氧化的材料(诸如，铜和铝)形成，所以热喷涂工艺可能会产生低质量的互连部。然而，在大多数热喷涂工艺期间出现的颗粒的熔化(这会导致涂层和基底的氧化并因此降低模块的性能)不会出现在冷喷涂工艺中。因此，在冷喷涂工艺中产生的团聚体134和颗粒-基底交界面70没有氧化夹杂物，否则氧化夹杂物会降低形成互连部133、233、333的涂层136的粘附强度和内聚强度。因此，互连部133、233、333被沉积为具有少于大约0.3％至0.5％的低氧化物含量的密集涂层136。涂层136是具有低于大约0.5％至2％的孔隙率的非多孔结构或低多孔结构。然而，涂层136具有诸如与一些可锻材料的强度可媲美的强度或超过一些可锻材料的强度的物理特性。颗粒58彼此之间以及颗粒58与基底62的示例粘附强度可以为大约10MPa至60MPa或更多、大约15MPa至40MPa或更多，或大约15MPa至25MPa或更多。
在一个或更多个实施例中，公开了在图5C和图5D中描绘的一种用于直接冷喷涂沉积电互连部133的方法。用于生产互连部133的方法包括提供具有极耳116、120的袋式电池单元100。极耳116、120被冲孔。该方法预期通过上述的一个或更多个工艺对极耳116、120进行冲孔。然后，冲孔后的极耳116、120与汇流条130对准。对准致使极耳116、120的表面区域与汇流条130的表面区域直接接触。如上所述，对准包括使一个或更多个凸起部132穿过对应贯孔126装配。此外，该方法包括(例如，通过应用物理压力、卷边(crimping)等或前者的组合)将凸起部132机械地连接到贯孔周围的材料。随后，该方法包括用如上所述的一个或更多个固体金属颗粒的团聚体134覆盖凸起部132和/或周围区域。
固体颗粒与基底、汇流条130、极耳116和120、凸起部132或前者的组合机械地混合，团聚体134无空隙和/或无氧化夹杂物。团聚体134可形成不同尺寸、形状、位置、构造或前者的组合的一层或更多层。为了防止团聚体134沉积到别处，可在电池单元100、极耳116、汇流条130或前者的组合上应用遮挡物或掩模，遮挡物或掩模防止喷涂材料沉积到目标区域之外。形成互连部133的团聚体134可通过上述方法被冷喷涂沉积。
沉积材料的尺寸(诸如，各个互连部133的高度、宽度和厚度)可根据具体应用的需要而变化。类似地，互连部133中的至少一些可由与其余互连部133不同的材料制成。全部的互连部133可同时形成，或者第一部分互连部133可在冷喷涂沉积第二部分互连部133之前形成。冷喷涂的互连部133可以是被施加为相对平坦的涂层的平面且紧凑式结构，并因此可比焊接式互连部或螺柱式互连部更节省空间。团聚材料134的量应足以确保汇流条130与极耳116的恰当连接、防止分离、同时提供良好的电连接。
在另一实施例中，公开了图6A所示的形成互连部233的方法。该方法包括提供具有不同于矩形的形状的汇流条330和/或极耳116的电池单元。例如，所描绘的非限制性示例示出了L形极耳216。其余步骤类似于以上关于生产互连部133所描述的步骤。该方法包括对准、机械连接以及提供团聚体的覆盖层。
在本文中还描述了形成图7中描绘的互连部333的方法。该方法包括提供具有极耳308的多个电池单元300，极耳308具有如上的特征。该方法可包括使电池单元300和/或极耳308对齐，使得极耳308a、308b和308c的凸起部在电池单元极耳308c的贯孔326中和汇流条330的贯孔326中对准。然后，凸起部332机械连接到汇流条330的表面。随后，在凸起部332、贯孔326、凸起部和/或贯孔的周围区域或前者的组合上施加一个或更多个团聚体。
上述的方法可包括将相同或不同数量的电池单元连接到汇流条的每一侧。上述多于一种方法可用于形成单个电池组的互连部。
虽然电池组的互连部可通过任何类型的冷喷涂沉积技术形成，但是动力金属喷涂工艺(kinetic metallization process)可提供许多优点。例如，动力金属喷涂工艺以声速和大约50psig至130psig的压力进行操作，该压力低于要求高达700psig的一些其它冷喷涂方法。较低的压力能够在使用较少量的气体(诸如，最多为其它类型的冷喷涂方法中所需要的气体的1/10)的同时执行该工艺。
虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本公开的所有可能的形式。更确切地说，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可作出各种改变。此外，可组合各个实施的实施例的特征以形成本公开的进一步实施例。

Claims (11)

1.一种电池组，包括：
袋式电池单元，具有从袋式电池单元延伸的电极极耳，每个极耳限定多个贯孔；
汇流条，包括与所述多个贯孔相接触并且穿过所述多个贯孔突出的多个凸起部；
机械结合固体金属颗粒的团聚体，覆盖所述凸起部，以将所述极耳机械地结合到汇流条并且将所述极耳电连接到汇流条。
2.一种电池组，包括：
袋式电池单元，具有从袋式电池单元延伸的电极极耳，每个极耳限定有多个凸起部；
汇流条，包括与所述多个凸起部相接触并且结合到所述多个凸起部的多个贯孔；
机械结合固体金属颗粒的团聚体，覆盖所述凸起部，以将所述极耳机械地结合到汇流条并且将所述极耳电连接到汇流条。
3.一种电池组，包括：
穿孔的汇流条；
一对袋式电池单元，每个袋式电池单元具有从所述袋式电池单元延伸的极耳，所述一对袋式电池单元彼此相邻布置使得极耳被对准并且互连，每个极耳具有一个或更多个凸起部，所述一个或更多个凸起部穿过所述穿孔的汇流条中一个或更多个开口突出；
机械结合固体金属颗粒的团聚体，覆盖所述凸起部，以将所述极耳机械地结合到汇流条并且将所述极耳电连接到汇流条。
4.根据权利要求3所述的电池组，其中，所述极耳中的至少一个还包括被构造成容纳相邻极耳的突起的一个或更多个贯孔。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池组，其中，每个凸起部与贯孔相接触。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池组，其中，所述贯孔和凸起部具有相同的形状。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池组，其中，所述凸起部以规则图案布置。
8.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池组，其中，所述团聚体没有空隙，或者没有氧化夹杂物，或者既没有空隙也没有氧化夹杂物。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池组，其中，所述极耳为L形。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池组，其中，所述团聚体形成连续带。
11.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池组，其中，每个凸起部包括边缘，所述边缘延伸超过所述开口中对应的一个开口的边界。
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