CN115133231A - 基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构及制备方法 - Google Patents

基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构和制备方法，连接结构包括集流体组、补偿金属片和极耳；集流体组包括多个层叠的复合集流体，复合集流体包含有机支撑层和分别形成在有机支撑层的两个相背表面的金属层；补偿金属片和极耳分别层叠在集流体组的两个相背表面；补偿金属片的部分区域被构造成沿着复合集流体的厚度方向隆起并穿过所有复合集流体以与被穿过的金属层电性接触并且与极耳焊连；补偿金属片的材质为纯镍、镍合金和以镍作为基材的复合材料中的一种或多种。本发明的基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构和制备方法能够使集流体组与极耳之间获得可靠的机械性能和电性能。

Description

基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构及制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构及制备方法。
背景技术
有机-金属复合箔是一种动力电池的新型复合集流体材料，其以超薄型高分子有机支撑层作为基材，采用双面同步真空镀膜技术在基材表面镀膜制成复合功能层。在发生内短路时，有机支撑层可释放阻燃剂或者受热熔融收缩形成局部坍塌，在热失控前实现快速阻燃自熄，有望从根本上解决电池的安全问题。同时高分子材料的低密度和低弹性模量，可有效提升电池比能、寿命等性能。
电池单体所包含的数十层复合集流体需要与极耳电性连接以满足电池的充放电要求。然而由于复合集流体中间高分子绝缘层的存在，使得复合集流体和极耳连接过程中，采用传统超声波焊接或者激光焊接工艺，无法实现每层复合集流体与极耳稳定的电流导通。国内外已公开的针对多层复合集流体焊接的方法需要将全部或者部分复合集流体的上下表面焊接或者包覆纯铝或者纯铜箔材，作为转接集流体再与极耳转接，具有如下几个劣势：(1)工艺流程过于复杂，与传统纯铝或纯铜箔材生产过程相比，需要增加2-3个工艺过程，对电池生产一致性产生影响；(2)随着复合集流体层叠数量的增加，相比纯铝或纯铜箔材电芯，最终需要焊接的箔材层数成倍增加，焊接难度更高；(3)当多层复合集流体厚度达到一定的临界点，则不能实现包覆箔材和上、下层金属层连接导通，因此极耳与多层复合集流体与极耳之间也不能形成电连接，电池的充放电功能将受到阻碍。
中国专利申请CN113571847A提出了一种基于添加保护片的集流体组件，可实现多层复合集流体和极耳的电连接。然而，该专利未指定保护片的材料特性这一关键影响因素。例如在研究中发现，针对多层PET镀铝箔与纯铝的超声焊接，分别采用纯铝，铝合金，紫铜等常规金属材料作为保护片，多层PET镀铝箔与金属铝极耳的焊接接头的缺陷是电阻很高且极不均匀，焊接稳定性和一致性很差。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构以及制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构，包括集流体组、补偿金属片和极耳；集流体组包括多个层叠的复合集流体，复合集流体包含有机支撑层和分别形成在有机支撑层的两个相背表面的金属层；补偿金属片和极耳分别层叠在集流体组的两个相背表面；补偿金属片的部分区域被构造成沿着复合集流体的厚度方向隆起并穿过所有复合集流体以与被穿过的金属层电性接触并且与极耳焊连；补偿金属片的材质为纯镍、镍合金和以镍作为基材的复合材料中的一种或多种。
在一些实施方式中，补偿金属片包含单层或两层以上；补偿金属片外具有包覆层，包覆层为金属材料或无机非金属材料。
在一些实施方式中，有机支撑层为聚己内酰胺、聚己二酰己二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酸、乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙乙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙炔、硅橡胶、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙二醇、纤维素、淀粉、蛋白质、聚苯、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吡啶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种或多种。
在一些实施方式中，金属层为铝、铝合金、铜、铜合金、钛及银中的一种或多种。
在一些实施方式中，极耳的材质为铝、铝合金、镍、镍合金、铜、铜合金、镀镍铜及银中的一种或多种。
在一些实施方式中，补偿金属片的厚度范围是3μm-3mm，极耳的厚度范围是3μm-3mm。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构的制备方法，包括以下步骤：提供集流体组，集流体组包含多个层叠的复合集流体，复合集流体包含有机支撑层和分别形成在有机支撑层的两个相背表面的金属层；将补偿金属片和极耳分别放置在集流体组的两个相背表面，将超声焊头作用在补偿金属片的焊点位置，并施加轴向压力和切向振动，使焊点位置在摩擦产热和压力的共同作用下发生塑性变形而形成向着极耳方向的隆起，直至隆起穿透集流体组并与极耳焊连，其中补偿金属片的材质为纯镍、镍合金和以镍作为基材的复合材料中的一种或多种。
在一些实施方式中，集流体组以层叠或卷绕的方式形成。
本发明基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构及制备方法能够使集流组与极耳之间获得可靠的机械性能和电性能。
本发明的基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构及制备方法能够获得可靠的机械性能和电性能。
附图说明
图1为本发明一些实施方式中极耳、集流体组以及补偿金属片在焊接前的层叠示意图。
图2为本发明一些实施方式中基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构的示意图。
图3为本发明一些实施方式中基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构的制备方法原理图。
图4为本发明一些实施方式中基于铝补偿的连接结构与基于镍补偿的连接结构的电阻值曲线图。
图5为本发明一些实施方式中基于铝补偿的连接结构与基于镍补偿的连接结构的外观图。
标号说明：
10、连接结构；
100、集流体组；
1001、复合集流体；
10011、金属层；
10012、有机支撑层；
110、补偿金属片；
120、极耳
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
根据本发明的一个方面，提供一种基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构。请参考图1所示，基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构10包括依次层叠设置的极耳120、集流体组100和补偿金属片110。换句话说，补偿金属片110和极耳120分别层叠在集流体组100的两个相背表面。
集流体组100包括多个层叠的复合集流体1001，复合集流体1001包含有机支撑层10012和分别形成在有机支撑层10012的两个相背表面的金属层10011。集流体组100可以由任意数量的复合集流体1001以层层叠铺或卷绕的方式形成。
请参考图2，补偿金属片110的部分区域被构造成沿着复合集流体1001的厚度方向隆起并穿过所有复合集流体1001以与被穿过的金属层10011电性接触，隆起部分穿透所有复合集流体1001并与极耳120焊连，通过补偿金属片110实现了复合集流体1001的金属层10011与极耳120连接，使接头获得良好的机械性能和电连接性能。
补偿金属片110的材质为纯镍、镍合金和以镍作为基材的复合材料中的一种或多种。补偿金属片110可以是单层，也可以是两层以上的多层结构。在一些实施方式中，补偿金属片110外还可以设置包覆层，包覆层的材质可以是金属材料及无机非金属材料中的一种或多种。
在一些实施方式中，补偿金属片110的厚度D1上限可以选自3mm、2mm、1mm、0.5mm、300μm、100μm、50μm、30μm、10μm，下限可以选自3μm、5μm、10μm、20μm、40μm、60μm，80μm、100μm、200μm。补偿金属片110的厚度D1的范围可以是由前述任意上限值和任意下限值组合形成，也可以是由前述任意上限值与任意其他上限值组合形成，还可以是由前述任意下限值与任意其他下限值组合形成。
复合集流体1001是两边为金属层10011，可以采用双面同步真空镀膜技术形成在中间有机支撑层10012的双面，有机支撑层10012为高分子材料或者高分子复合材料。
进一步地，上述复合集流体1001中的有机支撑层10012可以是聚己内酰胺、聚己二酰己二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酸、乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙乙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙炔、硅橡胶、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙二醇、纤维素、淀粉、蛋白质、聚苯、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吡啶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种或多种。
在一些实施方式中，上述复合集流体1001的金属层10011的材质可以是铝、铝合金、铜、铜合金、钛及银中的一种或多种。
在一些实施方式中，极耳120的材质可以是铝、铝合金、镍、镍合金、铜、铜合金、镀镍铜及银中的一种或多种。
在一些可选的实施例中，极耳120的厚度D2上限可以选自3mm、2mm、1mm、0.5mm、300μm、100μm、50μm、30μm、10μm，下限可以选自3μm、5μm、10μm、20μm、40μm、60μm，80μm、100μm、200μm。极耳120的厚度D2的范围可以是由前述任意上限值和任意下限值组合形成，也可以是由前述任意上限值与任意其他上限值组合形成，还可以是由前述任意下限值与任意其他下限值组合形成。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构的制备方法，包括以下步骤：提供集流体组100，集流体组100包含多个层叠的复合集流体1001，复合集流体1001包含有机支撑层10012和分别形成在有机支撑层10012的两个相背表面的金属层10011；请参考图3，将补偿金属片110和极耳120分别放置在集流体组100的两个相背表面，将超声焊头作用在补偿金属片110的焊点位置，并施加轴向压力和切向振动，使焊点位置在摩擦产热和压力的共同作用下发生塑性变形而形成向着极耳120方向的隆起，直至隆起穿透集流体组100并与极耳120焊连，其中补偿金属片110的材质为纯镍、镍合金和以镍作为基材的复合材料中的一种或多种。
实施例1
集流体组100包含30层的8μm厚复合集流体1001，极耳120采用0.3mm厚的1060铝片，补偿金属片110采用0.2mm厚度的纯镍片。复合集流体1001的有机支撑层10012为PET塑料，厚度为8μm，两侧蒸镀了1μm厚度的铝层。
首先，制备集流体组100，将复合集流体1001裁成30mm*40mm的试样并堆叠在一起，镍片尺寸为8mm*24mm，极耳120尺寸为40mm*50mm。
在焊接阶段，采用20kHz超声波焊接的方法进行焊接，焊接区域面积为5mm*18mm，将待焊工件按照从下到上为极耳120、集流体组100和补偿金属片110的顺序摆放在底座上，超声焊头下压施加轴向静压力和切向振动，使补偿金属片110、集流体组100的任意金属层10011和极耳120形成可靠焊接接头。在本实施例中，焊接参数范围如下：焊接能量200-600Ws，振幅30-45μm，峰值焊接功率800-2000W。
本实施例制备的试样性能测量结果为：实测焊点位置集流体组100与极耳120相对直拉力超过300N；在距离焊点位置3mm处，每层复合集流体1001的上下表面与极耳120都能导通，导通电阻低于20mΩ。接头获得了可靠的机械性能和电性能。
实施例2
集流体组100包括30层的8μm厚复合集流体1001，极耳120采用0.3mm厚的1060铝片，补偿金属片110为20μm厚的镀铜镍片，复合集流体1001的有机支撑层10012为PET塑料，厚度为8μm，两侧蒸镀了1μm厚度的铝层。
首先，制备集流体组100，将复合集流体1001裁成30mm*40mm的试样并堆叠在一起，补偿镍片和1060铝片尺寸为8mm*24mm，极耳120尺寸为40mm*50mm。
在焊接阶段，采用20kHz超声波焊接的方法进行焊接，焊接区域面积为5mm*18mm，将待焊工件按照从下到上为极耳120、集流体组100、铜镀镍片的顺序摆放在底座上，超声焊头下压施加轴向静压力和切向振动，使补偿金属片110、集流体组100的任意金属层10011和极耳120形成可靠的焊接接头。在本实施例中，焊接参数范围如下：焊接能量150-600Ws，振幅30-45μm，峰值焊接功率600-2000W。
本实施例制备的试样性能测量结果为：实测焊点位置集流体组100与极耳120相对直拉力超过300N；在距离焊点位置3mm处，每层复合集流体100的上下表面与极耳120都能导通，导通电阻低于20mΩ。接头获得了可靠的机械性能和电性能。
实施例3
集流体组100包括包括30层的8μm厚复合集流体1001，极耳120采用0.3mm厚的铜镀镍片，补偿金属片110采用0.2mm厚的纯镍片。复合集流体1001的有机支撑层10012为PET塑料，厚度为8μm，两侧蒸镀了1μm厚度的铜层。
首先，制备集流体组100，将复合集流体1001裁成30mm*40mm的试样并堆叠在一起，补偿镍片尺寸为8mm*24mm，极耳120的尺寸为40mm*50mm。
在焊接阶段，采用20kHz超声波焊接的方法进行焊接，焊接区域面积为5mm*18mm，将待焊工件按照从下到上为极耳120、集流体组100和补偿镍片的顺序摆放在底座上，超声焊头下压施加轴向静压力和切向振动，使补偿金属片110、集流体组100的任意金属层10011和极耳120形成可靠焊接接头。在本实施例中，焊接参数范围如下：焊接能量400-1000Ws，振幅35-50μm，峰值焊接功率800-2800W。
本实施例制备的试样性能测量结果为：实测焊点位置集流体组100与极耳120相对直拉力超过400N；在距离焊点位置3mm处，每层复合集流体1001的上下表面与极耳120都能导通，导通电阻低于20mΩ。接头获得了可靠的机械性能和电性能。
对比实验
复合集流体1001采用8μm厚的PET作为有机支撑层10011、两侧蒸镀了1μm厚度铝层的复合箔。极耳采用0.3mm厚的1060铝片，放置于集流体组100的下部。补偿金属片置于叠状复合箔上部，分别采用0.2mm和0.3mm厚的1060铝片，0.2mm厚度的纯镍片。
在接头性能方面，请参考图4，在基于铝补偿的复合集流体与极耳的连接结构中，每一层复合箔与极耳的电阻值很高，且极不均匀；而在基于镍补偿的复合集流体与极耳的连接结构中，每一层复合箔与极耳的电阻值相对比基于铝补偿的连接结构低很多，且均匀性更好。
图5显示了焊接能量为400J时所制得的0.3mm厚铝补偿的连接结构(左图)与0.2mm厚镍补偿的连接结构(右图)的外观。在成形控制方面，0.2mm和0.3mm厚1060铝补偿的接头极易出现补偿片压溃的状态，当焊接能量超过400J就无法控制成形，板厚增加可以减轻这种状态，但是粘铝现象会更加严重；镍片补偿的结构中，复合箔超声焊的成形控制良好，0.2mm的镍片工艺范围很宽，可满足60层以下的PET镀铝箔的超声焊接。
复合集流体1001要与极耳120实现良好的电连接，必须通过添加补偿金属片110以起到补偿复合集流体1001过少金属层10011的作用。补偿金属片110的强度和硬度必须要远高于复合集流体1001。超声波焊接过程中，表层补偿金属片110受到超声波焊头焊齿的挤压的同时，也会受到有机支撑层10012的阻碍，如果补偿金属片110的强度和硬度过低，会造成补偿金属片110的隆起部分无法刺穿所有复合集流体1001。因为常规补偿金属(铝，紫铜等)具有超高的塑性，它们塑性变形后扩展到焊齿的缝隙之间，导致没有充足的补偿金属去连接所有复合集流体1001的所有金属层10011以及极耳120，最终无法实现集流体组100与极耳120良好的电连接。本发明基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构及制备方法能够获得可靠的机械性能和电性能。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构，其特征在于，包括集流体组、补偿金属片和极耳；
所述集流体组包括多个层叠的复合集流体，所述复合集流体包含有机支撑层和分别形成在所述有机支撑层的两个相背表面的金属层；
所述补偿金属片和所述极耳分别层叠在所述集流体组的两个相背表面；
所述补偿金属片的部分区域被构造成沿着所述复合集流体的厚度方向隆起并穿过所有复合集流体以与被穿过的所述金属层电性接触并且与所述极耳焊连；
所述补偿金属片的材质为纯镍、镍合金和以镍作为基材的复合材料中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构，其特征在于，所述补偿金属片包含单层或两层以上；
所述补偿金属片外具有包覆层，所述包覆层为金属材料或无机非金属材料。
3.根据权利要求1所述的基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构，其特征在于，所述有机支撑层为聚己内酰胺、聚己二酰己二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酸、乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙乙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙炔、硅橡胶、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙二醇、纤维素、淀粉、蛋白质、聚苯、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吡啶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构，其特征在于，所述金属层为铝、铝合金、铜、铜合金、钛及银中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构，其特征在于，所述极耳的材质为铝、铝合金、镍、镍合金、铜、铜合金、镀镍铜及银中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构，其特征在于，所述补偿金属片的厚度范围是3μm-3mm，所述极耳的厚度范围是3μm-3mm。
7.基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供集流体组，所述集流体组包含多个层叠的复合集流体，所述复合集流体包含有机支撑层和分别形成在所述有机支撑层的两个相背表面的金属层；
将补偿金属片和极耳分别放置在集流体组的两个相背表面，将超声焊头作用在补偿金属片的焊点位置，并施加轴向压力和切向振动，使所述焊点位置在摩擦产热和压力的共同作用下发生塑性变形而形成向着所述极耳方向的隆起，直至所述隆起穿透所述集流体组并与所述极耳焊连，其中所述补偿金属片的材质为纯镍、镍合金和以镍作为基材的复合材料中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的基于镍补偿的多层复合集流体与极耳的连接结构的制备方法，其特征在于，所述集流体组以层叠或卷绕的方式形成。
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