CN109716559A - 电池的制造方法及电池的制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够减少不合格品发生的电池的制造方法及电池的制造装置。该电池的制造方法的特征在于，包括：第一工序，对在电极(12)的端部暴露并彼此重叠的多个集电箔(14)的预定区域进行加压，以形成相邻的集电箔(14)之间的间隔缩小的压缩区域(16)；以及第二工序，通过所述超声波焊接将所述多个集电箔(14)的所述压缩区域(16)的内侧的区域接合，以形成所述多个集电箔(14)被一体化的接合区域(18)。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池的制造方法及电池的制造装置。
背景技术
诸如锂离子电池(LIB：Lithium-ion Battery)和镍氢电池(nickel metalhydride battery)的二次电池用作车载用电源和固定蓄电池而越来越大容量化。二次电池包括：电极，在端部暴露彼此重叠的多个集电箔；以及引线，连接到多个集电箔。通常，在正极中铝制引线与铝制集电箔接合，在负极中镍或铜制引线与铜制集电箔连接。
由于在二次电池中瞬间流动大电流，因此通常通过使用超声波的整体焊接来接合多个集电箔和引线(例如，专利文献1)。在二次电池中，电池容量随着重叠的集电箔的数量增加而增加。然而，如果集电箔的数量增加，则难以通过超声波焊接将集电箔和引线稳定地接合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2009-87611号公报
发明内容
发明要解决的课题
为了通过超声波焊接稳定地接合多个集电箔和引线，需要将多个集电箔很好地一体化。并且应尽可能避免集电箔的变形和破损。
因此，本发明的目的在于提供一种能够减少不合格品发生的电池的制造方法及电池的制造装置。
为解决课题的技术手段
根据本发明的电池的制造方法的特征在于，包括：第一工序，对在电极的端部暴露并彼此重叠的多个集电箔的预定区域进行加压，以形成相邻的集电箔之间的间隔缩小的压缩区域；以及第二工序，通过超声波焊接将所述多个集电箔的所述压缩区域的内侧的区域接合，以形成所述多个集电箔被一体化的接合区域。
根据本发明的电池的制造装置的特征在于，包括：加压单元，对在电极的端部暴露并彼此重叠的多个集电箔的预定区域进行加压，以形成相邻的集电箔之间的间隔缩小的压缩区域；接合单元，通过使用焊头和砧座的超声波焊接将多个集电箔的压缩区域的内侧的区域接合，以形成多个集电箔被一体化的接合区域；以及判断单元，基于表示所述焊头的输出值的时间变化的输出波形来判断所述接合区域是否良好。
发明的效果
根据本发明，在通过超声波焊接将多个集电箔接合之前，对比接合区域宽的区域的多个集电箔进行加压。通过加压多个集电箔被压缩，夹设在相邻的集电箔之间的空气层(空气池)实质性地消失，并且相邻的集电箔表面可以接触。
由于多个集电箔通过超声波焊接以紧密接触状态接合，因此可避免由空气池引起的问题。由此，可以制造可减少不合格发生的电池。
根据本发明的电池的制造装置包括：加压单元，用于形成加压区域；接合单元，用于形成接合区域；以及判断单元，用于判断接合区域是否良好。由于基于形成接合区域的焊头的输出波形来判断接合区域是否良好，因此本发明的电池的制造装置可以形成多个集电箔被一体化的接合区域，并且可以判断接合区域是否良好。
而且，通过使用本发明的制造装置，可以避免由夹设在相邻的集电箔之间的空气池引起的问题，从而可以通过超声波焊接将多个集电箔稳定地一体化。由于超声波焊接时焊头的输出波形是稳定的，因此可以基于该输出波形容易地判断接合状态是否良好。
附图说明
图1是示出通过实施方式的方法制造的电池的一部分的分解立体图。
图2是示出实施方式的制造方法的示意图，图2A是示出第一工序的示意图，图2B是示出第二工序的示意图。
图3是使用实施方式的方法制造的样品的横截面照片。
图4是使用现有方法制造的样品的横截面示意图。
图5是示出超声波焊接时焊头的输出波形的曲线图。
图6是用于说明判断接合状态是否良好的算法的示图。
图7是示出变形例的制造方法的示意图，图7A是示出第一工序的示意图，图7B是示出第二工序的示意图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明的实施方式。
1.整体结构
本发明的电池的制造装置包括加压单元、接合单元和判断单元。加压单元对在电极的端部暴露并彼此重叠的多个集电箔的预定区域进行加压，以形成相邻的集电箔之间的间隔缩小的压缩区域。
接合单元通过使用焊头和砧座的超声波焊接将多个集电箔的压缩区域的内侧的区域接合，以形成多个集电箔被一体化的接合区域。判断单元基于表示焊头的输出值的时间变化的输出波形来判断接合区域是否良好。使用本发明的电池的制造装置，可以制造图1中所示的电池10。
图1中所示的电池10包括电极12，引线20接合到电极12。连接端子22连接到引线20。在电极12的端部，卷绕的多个集电箔14重叠并暴露。重叠的多个集电箔14包括非压缩区域15和压缩区域16。在非压缩区域15中，由于集电箔14借助空气层相邻，因此集电箔14不一定以表面接触。
在压缩区域16中，相邻的集电箔14表面彼此接触。因此，压缩区域16的厚度与所包括的集电箔14的厚度的总和大致相同。多个集电箔14通过超声波焊接在压缩区域16的内侧的接合区域18接合并被一体化。
引线20在接合表面20a通过超声波焊接接合到多个集电箔14的接合区域18。
2.制造方法
本实施方式的制造方法包括：第一工序，在重叠的多个集电箔14上形成压缩区域16；以及第二工序，在压缩区域16的内侧形成多个集电箔14被一体化的接合区域。
在下文中，将描述第一工序和第二工序。
(第一工序)
第一工序在制造装置的加压单元中进行。在第一工序中，如图2A所示，通过压力专用机对在电极12的端部暴露并重叠的多个集电箔14进行加压。具体地，将多个集电箔14配置在加压模32上，并且由加压冲头34加压多个集电箔14的预定区域。这种加压是通过使用凹模和凸模施加冲击力来对对象物冲压加工的所谓的冲击式加压。
加压模32和加压冲头34可以根据多个集电箔14的材料和数量以及要加压的预定区域的面积适当地选择。加压冲头34可以具有朝向前端略微前端变细的形状。
在加压时，优选通过按压夹具30按压多个集电箔14的非压缩区域15的附近从而沿厚度方向固定多个集电箔14。保持该状态直到第二工序完成。作为按压夹具30，可以使用能够沿厚度方向固定多个集电箔14的任何夹具。作为可以使用的按压夹具30，可以列举树脂部件。
在第一工序中，优选地，以第二工序的两倍以上的压力加压。例如，当在第二工序中施加约60kgf/cm2至300kgf/cm2的压力时，第一工序中的压力(第一压力)可以为约120kgf/cm2至600kgf/cm2。可以根据集电箔的材料、厚度、数量等适当地设定第一压力，使得相邻的集电箔表面彼此接触。例如，当包括60个由铜制成的集电箔时，第一压力可以设定为约500至1,000kgf/cm2。优选地，考虑待加压的多个集电箔的预定区域的面积来设定第一压力。
通过加压基本上消除相邻的集电箔14之间的空气层(空气池)，由此缩小集电箔14之间的间隔。在多个集电箔14中，使相邻的集电箔14表面彼此接触，从而形成压缩区域16。
(第二工序)
第二工序在制造装置的接合单元中进行。在第二工序中，如图2B所示，将经过第一工序的多个集电箔14放置在砧座40上，并且使用焊头42通过超声波焊接将接合区域18接合。接合区域18是在第一工序中形成在多个集电箔14中的压缩区域16(图2A)的内侧的区域。具体地，内侧的区域是指在垂直于多个集电箔14的层叠方向的平面的俯视图中的内侧的区域。
焊头42具有按压表面42a，该按压表面42a形成有多个突起，用于按压多个集电箔14的接合区域18。砧座40具有支撑表面40a，该支撑表面40a形成有多个突起(未示出)，用于将多个集电箔14夹在与焊头42的按压表面42a之间并支撑多个集电箔14。
在第二工序中施加的压力(第二压力)可以等于或低于第一压力，但优选为第一压力的1/2或更小。通常，第二压力为约数十至数百Kgf/cm2。超声波的条件可以设定为20至40KHz的频率、400至4000W的输出以及约0.2至2秒的焊接时间。
焊头42通过流动预定电流在y轴方向上推压多个集电箔14，同时在x轴方向上以大约10至60μm的振幅振动。由此，通过超声波焊接将多个集电箔14接合，以形成一体化的接合区域18。
3.作用及效果
在本实施方式的电池的制造方法中，在对多个集电箔14进行超声波焊接之前，对多个集电箔14进行加压，以缩小相邻的集电箔14之间的间隔(第一工序)。由于在相邻的集电箔14之间基本上没有空气层(空气池)，因此提高集电箔14彼此的紧贴性。
多个集电箔14通过超声波焊接以紧密接触状态接合并被一体化(第二工序)。由于在相邻的集电箔14之间没有空气池，即使进行超声波焊接，也会降低集电箔的变形、起皱或破损(破断)的可能性。多个集电箔14很好地在接合区域18中被一体化，并且可以避免由于接合不合格品导致的强度降低。
图3显示通过应用上述第一工序和第二工序获得的样品50的横截面照片。样品50包括接合在基材52上的多个(60个)集电箔54。在制造样品50时，对多个集电箔54进行加压以缩小相邻的集电箔之间的间隔，然后进行超声波焊接，使得多个集电箔54与基材52接合。
层叠样品50中的集电箔54，使得表面彼此接触并被一体化。在集电箔54上未确认到诸如变形、起皱或弯曲的不合格品。由于多个集电箔54很好地被一体化，因此可以避免与基材52接合时的不合格品和强度不足的问题。
图4是在没有第一工序的情况下仅通过第二工序获得的样品60的横截面示意图。在第二工序中仅执行超声波焊接的方法对应于现有的制造方法。样品60包括结合到基板62上的多个集电箔64。如区域66a所示，表面上和表面附近的集电箔64被切断，并被确认内侧的区域68中的多个集电箔64变形。集电箔64的切断也发生在内侧的变形大的区域66b中。
当不进行第一工序时，多个集电箔64在具有空气池的状态下进行超声波焊接。集电箔之间的空气池在超声波焊接期间引起各种麻烦。
由于来自焊头的超声波的传播受到空气池的阻碍，因此不能稳定地进行焊接。需要增加超声波的输出，使得超声波可以充分地传播到远离焊头的砧侧上的集电箔。当施加高输出的超声波时，焊头侧的集电箔被损坏，并且如图4所示被切断(区域66a)。相邻的集电箔之间存在空气池导致集电箔由于焊头的横向振动而移位，引起断裂和皱折(区域66b、68)。
当进行超声波焊接时，通过将焊头强力地按压在多个集电箔上，可以消除夹设在相邻的集电箔之间的空气池。然而，当强烈按压焊头时，多个集电箔和焊头之间的接触阻抗增加，并且阻碍了横向的焊头振动。
在本实施方式的制造方法中，由于第一工序中缩小了集电箔14之间的空气池，因此可以避免在超声波焊接时由空气池引起的问题。由于超声波的传播良好，因此可以用较小的超声波输出进行焊接。由于在超声波焊接时施加的压力也被最小化，因此还获得了延长焊头和砧座的寿命的效果。
如上所述，在本实施方式的制造方法中，在提高多个集电箔14的紧贴性的状态下进行超声波焊接。在进行超声波焊接时，由于在相邻的集电箔14之间没有空气池，因此超声波从焊头42侧有效且均匀地传播到砧座40侧的集电箔。因此，焊头的输出值(输出功率值)稳定在预定值。具体地，如图5的曲线a所示，理想的焊头的输出值从焊接开始(t0)增加，在时间t1达到稳定输出值ps，直到焊接完成(te)保持稳定的输出值ps。该曲线a被视为合格品波形。
在本实施方式的制造方法中，第二工序中超声波焊接时焊头的输出值的波动小，并且可确认输出波形的一部分是平坦部分。使用该输出波形，可以在进行超声波焊接的同时判断接合状态是否良好。在制造装置的判断单元中判断接合状态是否良好。
另外，在现有的制造方法的情况下，焊头的输出值不稳定(图5，曲线b1、b2)。曲线b1和b2被定义为不合格波形。在曲线b1中，输出值在时间t2之后突然增加。这是因为相邻的集电箔之间的空气池用作阻抗从而需要更大的输出。在曲线b2中，输出值在较小范围内不稳定地波动。
在现有的制造方法中，焊头的输出值在较大范围或较小范围内波动。因此，仅使用焊头的输出值的最大值来判断接合状态是否良好，从而判断是否良好的可靠性低。
在本发明的制造方法中，可以使用合格品波形(曲线a)和不合格品波形b1和b2如下设置各种参考值，并与参考值比较以判断接合状态是否良好。
如图5所示，输出值范围(稳定输出值ps±30％)设置为稳定区域Rs。如图5所示，稳定区域Rs的下限和上限分别被设定为警告下限输出值w1和警告上限输出值w2。此外，对应于小于(稳定输出值ps-30％)且直至(稳定输出值ps-50％)的之间的范围的输出值设置为合格品下限输出值g1，对应于(稳定输出值ps+50％)的输出值设置为合格品上限输出值g2。
在图5所示的示例中，合格品下限输出值g1与时间t1的不合格品波形b2的输出值一致，合格品上限输出值g2与时间t1的不合格品波形b1的输出值一致。尽管未在图5中示出，但是将合格品下限输出值g1和合格品上限输出值g2之间的区域设置为合格品区域Rg。合格品下限输出值g1以下的区域和合格品上限输出值g2以上的区域是不合格品区域。
将合格品下限输出值g1和警告下限输出值w1之间的区域以及合格品上限输出值g2和警告上限输出值w2之间的区域设置为第一警告区域Rw1和第二警告区域Rw2。从第一警告区域Rw1通过稳定区域Rs并到达第二警告区域Rw2的波形c设置为警告波形。
参照图6，将描述用于判断接合状态是否良好的算法。
通过上述方法预先使多个集电箔彼此紧密接触，然后进行超声波焊接以制造样品以获得合格品波形。在样品的检测波形中，从焊接开始到时间T1的时段，基于合格品波形设定参考输出值P1，并且设定相对于T1的参考输出值P1的警告上下限(警告)以及异常上下限(报警)。在此，(P1+警告)设置为警告上限，(P1-警告)设置为警告下限。另外，(P1+报警)设置为异常上限，(P1-报警)设置为异常下限。警告上下限(警告)对应于图5中的警告上限输出值w2和警告下限输出值w1。异常上下限(报警)对应于图5中的合格品上限输出值g2和合格品下限输出值g1。
基于以下判断测量对象的检测波形的T1的检测值。当检测波形的检测值满足以下条件(1)时，判断接合状态良好。当检测值满足以下条件(4)或(5)时，判断接合状态不合格。当检测值满足以下条件(2)或(3)时，判断接合状态并不完全是不合格，但是判断可靠性低而发出警告。
P1+警告>检测值>P1-警告 条件(1)
P1+警告<检测值<P1+报警 条件(2)
P1-警告>检测值>P1-报警 条件(3)
P1+报警<检测值 条件(4)
P1-报警>检测值 条件(5)
同样地，对于从时间T1到时间T2(区域1)的时段，基于样品的合格品波形设定基准值，并且设定相对于到达T2时的基准值的警告上下限(警告)以及异常上下限(报警)。在此，(A1+警告)设置为警告上限，(A1-警告)设置为警告下限。另外，(A1+报警)设置为异常上限，(A1-报警)设置为异常下限。
当测量对象的检测波形的T1到T2之间的检测值始终满足以下条件(6)时，判断结合状态良好。当T1到T2之间的检测值哪怕一次满足以下条件(9)或(10)时，判断接合状态为不合格。当T1到T2之间的检测值哪怕一次满足以下条件(7)或(8)时，判断接合状态并不完全是不合格，但是判断可靠性低并且发出警告。
A1+警告>检测值>A1-警告 条件(6)
A1+警告<检测值<A1+报警 条件(7)
A1-警告>检测值>A1-报警 条件(8)
A1+报警<检测值 条件(9)
A1-报警>检测值 条件(10)
对于从时间T2到时间T3的时段(区域2)，从时间T3到时间T4的时段(区域3)，从时间T4到时间T5的时段(区域4)，同(区域1)的情况相同地判断。
在从焊接开始到时间T1的时段以及在(区域1)到(区域4)的任何一个区域都判断为无不合格的情况下，样品是合格品。
以这种方式，通过比较合格品波形和检测波形，可以判断接合状态是否良好，并且还可以进行充分的质量管理。此外，还可以获得通过使用合格品波形可以执行焊头和砧座的寿命管理的效果。
4.变形例
本发明不限于上述实施方式，并且可以在本发明的主旨的范围内适当地改变。
在上述实施方式中，已经描述了缠绕多个集电箔14的电池，但是可以层叠多个集电箔14。
在第一工序中，通过使用加压模32和加压冲头34的冲击式加压来对多个集电箔14的预定区域进行加压，但是也可以通过使用辊来按压多个集电箔14的预定区域以进行加压。可以通过挤压夹在相邻的集电箔之间的空气层来缩小集电箔之间的间隔。
如图7A所示，在第一工序中，引线20可以设置在多个集电箔14和加压模32之间，并对多个集电箔14的预定区域进行加压。接着，如图7B所示，使用焊头42和砧座40执行超声波焊接，由此多个集电箔14和引线20可以在接合区域18被一体化。
附图标记说明：
10：电池
12：电极
14：集电箔
16：压缩区域
18：接合区域
20：引线
Claims (11)
1.一种电池的制造方法，包括：
第一工序，对在电极的端部暴露并彼此重叠的多个集电箔的预定区域进行加压，以形成相邻的集电箔之间的间隔缩小的压缩区域；以及
第二工序，通过超声波焊接将所述多个集电箔的所述压缩区域的内侧的区域接合，以形成所述多个集电箔被一体化的接合区域。
2.根据权利要求1所述的电池的制造方法，其特征在于，
在所述第一工序中，以第一压力对所述多个集电箔的所述预定区域进行加压，
在所述第二工序中，以小于所述第一压力的第二压力进行加压，以形成所述接合区域。
3.根据权利要求2所述的电池的制造方法，其特征在于，
所述第一压力为所述第二压力的两倍以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池的制造方法，其特征在于，
所述第一工序包括将冲击力施加到所述多个集电箔的预定区域的工序。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池的制造方法，其特征在于，
在所述第一工序之前，通过按压夹具将所述多个集电箔沿厚度方向固定，并且在所述第二工序之后去除所述按压夹具。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池的制造方法，其特征在于，
在所述第一工序之前，使引线与所述多个集电箔的所述预定区域接触，并且通过所述超声波焊接将所述多个集电箔和所述引线一体化。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池的制造方法，其特征在于，
所述超声波焊接使用焊头和砧座来进行，其中所述焊头具有按压表面，所述按压表面形成有多个突起，按压所述多个集电箔的接合区域，所述砧座具有支撑表面，所述支撑表面形成有多个突起，将所述多个集电箔夹在与所述按压表面之间并支撑所述多个集电箔，
所述第二工序包括基于表示所述焊头的输出值的时间变化的输出波形来判断所述接合区域是否良好的工序。
8.根据权利要求7所述的电池的制造方法，其特征在于，
对所述焊头的所述输出值设定合格品上限输出值和合格品下限输出值，并将所述合格品上限输出值和所述合格品下限输出值之间的区域设置为合格品区域，测量所述超声波焊接开始到结束期间的多个点以获得多个测量输出值，当所述多个测量输出值均在所述合格品区域内时，判断为合格品。
9.根据权利要求8所述的电池的制造方法，其特征在于，
在小于所述合格品上限输出值的警告上限输出值和大于所述合格品下限输出值的警告下限输出值之间设定稳定区域，
当所述多个测量输出值中的一个超过所述稳定区域并且在所述合格品区域内时发出警告。
10.根据权利要求9所述的电池的制造方法，其特征在于，
将所述输出波形按时间分成多个区间，并且对于所述多个区间中的每一个，设置所述合格品上限输出值、所述合格品下限输出值和所述稳定区域。
11.一种电池的制造装置，其特征在于，
加压单元，对在电极的端部暴露并彼此重叠的多个集电箔的预定区域进行加压，以形成相邻的集电箔之间的间隔缩小的压缩区域；
接合单元，通过使用焊头和砧座的超声波焊接将所述多个集电箔的所述压缩区域的内侧的区域接合，以形成所述多个集电箔被一体化的接合区域；以及
判断单元，基于表示所述焊头的输出值的时间变化的输出波形来判断所述接合区域是否良好。
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