CN115007994A - 一种圆柱电芯极柱焊接装配结构及其方法和电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱电芯极柱焊接装配结构及其方法和电池，该装配结构，包括焊座、集流盘和焊头；所述电芯单元的极柱平面焊接区域与所述集流盘的平面焊接区域贴合置于所述焊座之上，所述焊头插入所述电芯单元的中心孔内加压，所述集流盘和极柱以超声波焊接方式固定连接。本发明通过改进电芯的集流盘和焊头设计，改进焊接方式来完成集流盘与极柱的焊接，简化了集流盘的结构。通过采用新的焊接方式大幅增大焊接面积，进一步提升圆柱电芯的过流能力和倍率性能，有效提高电芯的安全性能、焊接良率和稳定性。

Description

一种圆柱电芯极柱焊接装配结构及其方法和电池

技术领域

本发明涉及电芯、电池的装配技术，尤其涉及一种圆柱电芯极柱焊接装配结构及其方法和电池。

背景技术

新能源锂电池技术得到了快速发展，锂电池作为动力电池广泛应用于电动汽车领域中，新能源汽车用动力电池逐渐向高能量密度、高倍率性能和高安全性能的方向发展。随着行业的发展，对电池的过流能力以及安全能力等性能也提出了更高的要求，电池装配技术直接影响电池的整体结构和性能。

传统的圆柱电池在装配过程中，通常将极柱与连接片通过电阻焊连接，但大圆柱电阻焊工艺存在如下问题：

1)采用针式电极焊接，焊印面积小，不能满足大圆柱过流的需求；

2)电阻焊过程不稳定，易出现打火、炸枪及焊渣飞溅等问题，存在损伤隔膜及电芯的风险；

3)热影响区大，铜焊接温度高达1083℃、铝焊接温度高达660℃，若隔膜距离焊接区域近或散热条件不佳的情况下，焊接高温存在影响损伤隔膜的风险；

4)电阻焊焊接过程中连接片熔化易发生焊粘焊接电极问题，尤其铝合金的焊接，几乎每次焊接都出现，严重影响焊接质量和外观，且影响焊接电极寿命，同时每次焊接都需清洁，生产效率极低。

因此，亟需开发一种新型的圆柱电芯极柱连接工艺和方法克服以上问题，以满足直径大于30mm以上大圆柱电芯的量产需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种圆柱电芯极柱焊接装配结构及其方法和电池，通过改进电芯的集流盘和采用新型焊头设计，改进焊接方式来完成集流盘与极柱的焊接，简化了集流盘的结构；通过采用新的焊接方式大幅增大焊接面积，进一步提升圆柱电芯的过流能力和倍率性能，从而解决现有技术中焊接打火、焊渣飞溅、粘焊头和热影响区大的技术难题，有效提高电芯的安全性能、焊接良率和稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种圆柱电芯极柱焊接装配结构，包括电芯单元，还包括焊座、集流盘和焊头；所述电芯单元的极柱平面焊接区域与所述集流盘的平面焊接区域贴合置于所述焊座之上，所述焊头插入所述电芯单元的中心孔内加压，所述集流盘和极柱以超声波焊接方式固定连接。

所述焊座为无齿纹设计或有齿纹设计。

所述集流盘的平面焊接区域为整体平面、凸台型平面、凹台型平面中的任一种。

所述集流盘设有连接片。

所述焊头为杆状，所述焊头的外径b为电芯中心孔内径a+0.5mm～3mm，所述焊头的长度h大于所述电芯的高度。

所述焊头的焊头齿纹的端面面积相当于焊接面积。

一种圆柱电芯极柱焊接装配方法，包括如下步骤：

将电芯单元极柱的平面焊接区域与集流盘的平面焊接区域贴合置于置于焊座之上；

使焊头插入所述电芯单元的中心孔内并通过所述焊头施压，启动超声波焊接机，对所述极柱的平面焊接区域和集流盘的平面焊接区域以超声波焊接方式进行固定连接。

所述对所述极柱的平面焊接区域和集流盘的平面焊接区域以超声波焊接方式进行固定连接的过程，具体为：通过对焊头加压及微振幅运动使所述集流盘的平面焊接区域和极柱的平面焊接区域之间的表面相互摩擦形成分子层之间的结合，从而完成焊接装配。

所述微振幅为线性振动、上下振动或/和扭转振动，振幅范围在为2um～ 100um之间，扭转振动角度范围最大不超过180度。

一种电池，其电芯单元采用所述的圆柱电芯极柱焊接装配方法进行装配。

本发明的圆柱电芯极柱焊接装配结构及其方法和电池，具有如下有益效果：

1)在该圆柱电芯极柱焊接装配结构中，圆柱电芯的集流盘采用平面设计，采用新的焊接方式，将改进的新型焊头使其深入电芯的中心孔内，在电芯内部采用新型超声焊接方式完成集流盘与极柱连接。本发明中的集流盘结构简单，采用该焊接方式能够大幅增大焊接面积，进一步提高升了圆柱电芯的过流能力和倍率性能，从而解决了现有圆柱电芯焊接中打火、焊渣飞溅、粘焊头和热影响区大等技术难题，有效提高了电芯的安全性能、焊接良率和稳定性。

2)本发明的圆柱电芯极柱焊接装配结构，采用超声波摩擦焊接工艺取代现有的电阻焊技术，能够通过细长型的焊头伸入电芯内部完成焊接，焊头的外径b的尺寸和高度h可基于电芯的中心孔内径尺寸进行设计，因而能够适应多种不同规格的电芯。

附图说明

图1为现有的圆柱电芯单元的剖视图；

图2为本发明实施例的电芯单元极柱焊接装配结构示意图；

图3为本发明实施例的极柱焊接装配结构局部放大剖视图；

图4为本发明实施例的极柱焊接装配结构俯视图；

图5为本发明实施例的焊接焊头示意图。

【主要组件符号说明】

1：外壳单元；

2：极柱；

3：裸电芯；

4：集流盘；

5：焊头；

6：焊座；

7：焊头齿纹；

8：扭转振动方向；

9：线性振动方向。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1为现有的圆柱电芯单元的剖视图。

如图1，该圆柱电芯单元(cell)，包括外壳单元1、极柱2和裸电芯3。该外壳单元1一般为金属外壳，如钢、钢合金等。

电芯单元，简称电芯，又称电池单元。一个或多个电池单元(经串联或并联后)进行封装，再配以相应的保护电路就构成电池(battery)。所述电池单元和电池为由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的一类电池，如磷酸铁锂电池、三元材料锂电池等。

图2为本发明实施例的电芯单元的极柱焊接装配结构示意图，图3为本发明实施例的极柱焊接装配结构局部放大剖视图。

如图2所示，该电芯单元(电芯)的极柱焊接装配结构，主要包括焊座 6、集流盘4、焊头5。

在本实施例中，圆柱电芯极柱焊接装配结构，用于依次将所述电芯单元的极柱2和集流盘4抵接贴合置于所述焊座6上，通过超声波焊接机对焊头5施以向下的压力F经焊头齿纹7接触将集流盘4、极柱2压抵在所述焊座6 上(参考图3)，通过焊头5加压及产生高频微振幅相对运动，使集流盘4 和极柱2之间的表面相互摩擦形成分子层之间的结合力，从而实现对集流盘 4和极柱2进行焊接的目的。

在通过焊头5加压及产生高频微振幅相对运动的过程中，电芯单元、极柱2和集流盘4以及焊座6静止不动，仅所述焊头5带动焊头齿纹7按扭转振动方向8运动或/和按线性振动方向9往复运动(参考图4)。

在本实施例中，所述集流盘4的材质为金属铝、铝合金、纯铜、铜合金、铜镀镍、镀镍钢等电的良导体，集流盘4可带有延长的连接片，以便与其他电芯单元或导体相连接。集流盘4的厚度为0.1mm～0.8mm，优选为0.3mm～ 0.5mm。

所述极柱2的材质为铝、铜、铜镀镍中的任一种。

在本实施例中，所述集流盘4的平面焊接区域的一面需与极柱2的平面焊接区域的一面贴合，所述的平面焊接区域可为整体平面、凸台型平面、凹台型平面中的任一种。

所述焊座6可采用无齿纹设计，也可采用有齿纹设计。

所述焊接方式，优选超声波摩擦焊接，其优点是：快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花。尤其是对焊件进行焊接接近冷态加工，焊接瞬时温升通常小于80℃。因而能够从根本上解决打火、焊渣飞溅及热影响区的问题。

如图5所示，所述焊头5为细长杆状，焊头外径b和高度h可基于电芯的尺寸进行设计，其中焊头5的外径b为电芯单元中心孔内径a+0.5mm～ 3mm，焊头5的长度/高度h大于电芯的高度。所述焊头5套设在所述焊接机的连接头上，采用无头螺钉连接，以方便快速拆装。所述连接头的外径为 C，C大于焊头5外径b的2倍。较佳地，所述连接头中间可加倒角，以提高结构强度。

所述焊头5的焊头齿纹7的端面面积约等于焊接面积，通过增大焊接面积可提高电芯的过流能力。

所述的焊接面积S，可用以下公式表示：

其中：r为焊头齿纹倒角的投影宽度，b为焊头外径。

本发明还提供了一种圆柱电芯极柱焊接装配方法，该方法主要包括如下步骤：

步骤11：将裸电芯3与集流盘4入壳后，(在壳体内)将集流盘4的平面焊接区域与极柱2的平面焊接区域相贴合。

在本实施例中，所述集流盘4的形状不限，所述集流盘4材质可以是金属铝、铝合金、金属铜、铜合金、铜镀镍、镀镍钢等金属导体，所述集流盘 4设有连接片。所述极柱2的材质为金属铝、铜、铜镀镍等金属导体。

需要强调的是，为使所述集流盘4的焊接区域平面尽可能与极柱2的平面部分相贴合，必要时需要对集流盘4的焊接区域平面和极柱2的平面部分进行预处理，预处理的目的首先在于使其接触面水平度一致，其次在于去除接触面的金属氧化物膜以保证其导电性能。

步骤12：将所述极柱2向下置放在焊座6上，通过(超声波焊接机的) 焊接工装将电芯设置在焊座6上进行焊接区域定位和固定。

在本实施例中，所述焊座6可为无齿纹设计、有齿纹设计。优选有齿纹设计，以便增大与极柱2之间的摩擦力，防止在焊接装配过程中产生位移影响焊接区域的定位精度。

步骤13：使所述焊头5伸入电芯中部的中心孔内，将集流盘4和极柱2 抵贴压合在焊座6上，通过对焊头5加压及微振幅运动使所述集流盘4和极柱2之间的表面相互摩擦形成分子层之间的结合，从而完成焊接装配。

在本实施例中，所述微振幅为线性振动、上下振动或/和扭转振动，振幅范围在为2um～100um之间，优选为3um～50um；扭转振动角度范围最大不超过180度。所述焊接为超声波摩擦焊，其优点是焊接快速所需时间短、节能、熔合强度高、导电性好、不产生火花，尤其焊接区域接近冷态加工，焊接时的瞬时温升通常小于80℃，因而能够从根本上避免了打火、产生焊渣飞溅及热影响区的问题。

经过上述步骤11～步骤13的焊接装配过程，完成了圆柱电芯极柱2与集流盘4的焊接。

进一步地，将多个圆柱电芯单元通过与所述集流盘4相连的连接片进行并联或串联后进行封装，即构成电池或电池组。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种圆柱电芯极柱焊接装配结构，包括电芯单元；其特征在于，还包括焊座(6)、集流盘(4)和焊头(5)；所述电芯单元的极柱(2)平面焊接区域与所述集流盘(4)的平面焊接区域贴合置于所述焊座(6)之上，所述焊头(5)插入所述电芯单元的中心孔内加压，所述集流盘(4)和极柱(2)以超声波焊接方式固定连接。

2.根据权利要求1所述的圆柱电芯极柱焊接装配结构，其特征在于，所述焊座(6)为无齿纹设计或有齿纹设计。

3.根据权利要求1所述的圆柱电芯极柱焊接装配结构，其特征在于，所述集流盘(4)的平面焊接区域为整体平面、凸台型平面、凹台型平面中的任一种。

4.根据权利要求3所述的圆柱电芯极柱焊接装配结构，其特征在于，所述集流盘(4)设有连接片。

5.根据权利要求1所述的圆柱电芯极柱焊接装配结构，其特征在于，所述焊头(5)为杆状，所述焊头(5)的外径b为电芯中心孔内径a+0.5mm～3mm，所述焊头(5)的长度h大于所述电芯的高度。

6.根据权利要求5所述的圆柱电芯极柱焊接装配结构，其特征在于，所述焊头(5)的焊头齿纹(7)的端面面积相当于焊接面积。

7.一种圆柱电芯极柱焊接装配方法，其特征在于，包括如下步骤：

将电芯单元极柱的平面焊接区域与集流盘的平面焊接区域贴合置于置于焊座之上；

使焊头插入所述电芯单元的中心孔内并通过所述焊头施压，启动超声波焊接机，对所述极柱的平面焊接区域和集流盘的平面焊接区域以超声波焊接方式进行固定连接。

8.根据权利要求7所述圆柱电芯极柱焊接装配方法，其特征在于，所述对所述极柱的平面焊接区域和集流盘的平面焊接区域以超声波焊接方式进行固定连接的过程，具体为：通过对焊头加压及微振幅运动使所述集流盘的平面焊接区域和极柱的平面焊接区域之间的表面相互摩擦形成分子层之间的结合，从而完成焊接装配。

9.根据权利要求7所述圆柱电芯极柱焊接装配方法，其特征在于，所述微振幅为线性振动、上下振动或/和扭转振动，振幅范围在为2um～100um之间，扭转振动角度范围最大不超过180度。

10.一种电池，其特征在于，其电芯单元采用权利要求7或8所述的圆柱电芯极柱焊接装配方法进行装配。

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