CN115207574B - 用于焊接箔的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于焊接箔的方法和设备。描述了用于将电池单元极耳接合到与电池单元的多个电极相关联的多个箔的方法和相关联的装置。这包括将多个箔布置在堆叠中，并且经由第一接合装置接合多个箔，其中第一接合装置限定接合区域。电池单元极耳的部分布置在多个箔上，并且经由第二接合装置接合到多个箔。第二接合装置产生被包围在由第一接合装置限定的接合区域内的焊接接头。由此，可通过减少在箔/极耳焊接接头中的孔隙和裂纹的出现来提高电池单元中的内部焊缝的焊接质量和强度。

Description

用于焊接箔的方法和设备
技术领域
本申请涉及用于焊接箔的方法和设备。
背景技术
用于车辆和其他高功率应用的锂离子电池组可包括多个电连接在一起的锂离子电池单元。每个单元包括多个锂离子电极对，这些电极对封装在密封的袋状包封内。每个电极对包括负电极、正电极及将负电极和正电极物理分隔且电隔离的间隔件。为了有助于锂离子的移动性，在间隔件中可存在传导锂离子的电解液。电解液允许锂离子穿过正电极和负电极之间的间隔件以平衡电子的流动，在锂离子电池单元的充电和放电循环期间，电子绕过间隔件并通过外部电路在电极之间移动。取决于其化学成分，每个锂离子电池单元具有由于电极的电化学电位上的差异引起的最大或充电电压（完全充电时的电压）。例如，每个锂离子电池单元可具有在3V至5V范围内的充电电压和在3.5V至4V范围内的标称开路电压。取决于具体电池组设计，锂离子电池单元可串联、并联或串联和并联连接。
多个电极对并联电连接以电化学地存储和释放电力。每个电极对包括阳极和阴极并带有设置于其间的间隔件。每个阳极具有带负箔的阳极集流体，并且每个阴极具有带正箔的阴极集流体。多个电极对的阳极的负箔并联电连接，并且电连接到穿过袋突出的负端子极耳；并且多个电极对的阴极的正箔并联电连接，并且电连接到穿过袋突出的正端子极耳。
在每个电池单元内，负端子极耳与负集流体电连通，该负集流体与电极对的负电极接触并交换电子；并且正端子极耳与正集流体电连通，该正集流体与电极对的正电极接触并交换电子。锂离子电池单元能够在多个循环中放电和再充电。
多个电极对的阳极的负箔可并联电连接并且使用激光焊接电连接到负端子极耳。类似地，多个电极对的阳极的正箔可并联电连接并且使用激光焊接电连接到正端子极耳。
激光焊接是金属接合过程，其中将激光束引导到金属工件的堆叠以提供集中的能量源，该能量源能够在叠置的构成金属工件之间产生熔融焊接接头。金属工件的层可堆叠并且相对于彼此对准，使得其搭接表面叠置以在预期焊接位置内建立搭接界面（或多个搭接界面）。然后将激光束引导到工件堆叠的顶表面处或靠近该顶表面。从吸收由激光束提供的能量所产生的热使金属工件开始熔化并且在工件堆叠内建立焊接熔池。焊接熔池穿透激光束冲击于其上的金属工件并且穿到下面的金属工件或多个金属工件中到与所有已建立的搭接界面相交的深度。当激光束冲击工件堆叠的顶表面时迅速产生焊接熔池。该焊接熔池凝固以形成焊接接头，该焊接接头由来自金属工件的所有层的重新凝固的材料构成。来自金属工件的叠置的层的材料的这样的熔融形成了焊接接头。
已知的是，由于在箔表面和极耳表面上的氧化物吸收的水分，所以沿箔的激光焊接熔融线形成孔隙和/或裂纹。箔的超声波预焊接用于合并箔，并去除部分或全部吸收的水分和一些氧化物。随后，针对预焊接位置的极耳/箔的激光焊接将得到具有减少的孔隙/裂纹的焊缝。局部材料空隙可表现为在工件堆叠中的层之间的间隙和/或工件中的一个或多个中的空隙，可影响焊接接头的使用寿命，并且因此影响包括焊接接头的部件的使用寿命。当工件堆叠包括焊接到电池极耳的多个箔时，局部材料空隙的出现可损害焊接接头的强度并影响箔中的一个或多个与电池极耳之间的导电性。
存在这样的需要，即通过减少孔隙和裂纹的出现来提高通过激光焊接产生的焊接接头的质量，特别是在电池单元电极中使用的铝箔的激光焊接中。
发明内容
描述了用于将电池单元极耳接合到与电池单元的多个电极相关联的多个箔的方法和相关联的装置。这包括：将多个箔布置在堆叠中，并且经由第一接合装置接合多个箔，其中第一接合装置限定接合区域。电池单元极耳的部分布置在多个箔上，并且经由第二接合装置接合到该多个箔。第二接合装置产生被包围在由第一接合装置限定的接合区域内的焊接接头。由此，可通过减少在箔/极耳焊接接头中的孔隙和裂纹的出现而提高电池单元中的内部焊缝的焊接质量和强度。
本公开的方面包括经由第一接合装置接合多个箔通过超声波焊接多个箔进行。
本公开的另一方面包括超声波焊接多个箔通过下述进行：将布置在堆叠中的多个箔放置在砧座上、夹持布置在堆叠中的多个箔、并且经由超声波焊头向布置在堆叠中的多个箔施加超声波力以形成接合区域。
本公开的另一方面包括经由视觉系统识别在布置在堆叠中的多个箔上的接合区域；并且确定在布置在堆叠中的多个箔上的接合区域的空间位置。由第二接合装置产生的焊接接头被包围在由第一接合装置限定的接合区域的空间位置内。
本公开的另一方面包括由第一接合装置限定的接合区域为矩形区。
本公开的另一方面包括经由第二接合装置将电池单元极耳的部分接合到多个箔经由激光焊接器将电池单元极耳的部分焊接到多个箔以产生焊接接头进行。
本公开的另一方面包括电池单元极耳的顶表面靠近激光焊接器；并且经由激光焊接器产生激光束，在由第一接合装置限定的接合区域内引导激光束以形成接合箔和电池单元极耳的焊接接头。
本公开的另一方面包括由第二接合装置产生的焊接接头是被包围在由第一接合装置限定的接合区域内的焊缝。
本公开的另一方面包括焊缝是被包围在由第一接合装置限定的接合区域内的连续的直线焊缝接头。
本公开的另一方面包括焊缝是被包围在由第一接合装置限定的接合区域内的波形焊缝接头。
本公开的另一方面包括由第二接合装置产生的焊接接头是被包围在由第一接合装置限定的接合区域内的至少一个点焊缝。
本公开的另一方面包括将电池单元极耳的部分布置为相对于第二接合装置在多个箔上方。
本公开的另一方面包括将电池单元极耳的部分布置为相对于第二接合装置在多个箔下方。
本公开的另一方面包括用于接合与电池单元的多个电极相关联的多个箔和电池单元极耳的方法，其包括：将多个箔布置在堆叠中；经由第一接合装置接合多个箔，其中第一接合装置限定多个接合区域；将电池单元极耳的部分布置在多个箔上；并且经由第二接合装置将电池单元极耳的部分接合到多个箔，其中第二接合装置产生多个焊接接头。由第二接合装置产生的多个焊接接头中的每个被包围在由第一接合装置限定的多个接合区域中的相应一个内。
本公开的另一方面包括经由视觉系统识别在布置在堆叠中的多个箔的上表面上的多个接合区域；确定在布置在堆叠中的多个箔的上表面上的多个接合区域的多个空间位置；并且经由激光焊接器将电池单元极耳的部分焊接到多个箔以产生多个焊接接头，其中多个焊接接头中的每个被包围在布置在堆叠中的多个箔的上表面上的多个接合区域的多个空间位置中的相应一个内。
本公开的另一方面包括在多个接合区域中的每个处在电池单元极耳和多个箔之间形成空隙区域。
本公开的另一方面包括电池单元，其包括：布置在堆叠中的多个电池电极对，其中电极对中的每个包括布置在阳极集流体上的阳极、布置在阴极集流体上的阴极、和间隔件；以及第一电池单元极耳和第二电池单元极耳。用于多个电池电极对的阴极集流体布置在第一堆叠中，该第一堆叠在第一接合区域处电力地且机械地接合到第一电池单元极耳。阴极集流体的第一堆叠经由第一焊接接头电力地且机械地接合到第一电池单元极耳，该第一焊接接头被包围在第一接合区域内。
本公开的另一方面包括第一电池单元极耳和阴极集流体由铝制成。
本公开的另一方面包括用于多个电池电极对的阳极集流体布置在第二堆叠中，该第二堆叠在第二接合区域处电力地且机械地接合到第二电池单元极耳。阳极集流体的第二堆叠经由第二焊接接头电力地且机械地接合到第二电池单元极耳，该第二焊接接头被包围在第二接合区域内。
本公开的另一方面包括第二电池单元极耳和阳极集流体由铜制成。
方案1. 一种用于将电池单元极耳接合到与电池单元的多个电极相关联的多个箔的方法，所述方法包括：
将所述多个箔布置在堆叠中；
经由第一接合装置接合所述多个箔，其中所述第一接合装置限定接合区域；
将所述电池单元极耳的部分布置在所述多个箔上；并且
经由第二接合装置将所述电池单元极耳的所述部分接合到所述多个箔，其中所述第二接合装置产生焊接接头；
其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内。
方案2. 根据方案1所述的方法，其中经由所述第一接合装置接合所述多个箔包括超声波焊接所述多个箔。
方案3. 根据方案2所述的方法，其中超声波焊接所述多个箔包括：将布置在所述堆叠中的所述多个箔放置在砧座上，夹持布置在所述堆叠中的所述多个箔，并且经由超声波焊头向布置在所述堆叠中的所述多个箔施加超声波力以形成所述接合区域。
方案4. 根据方案1所述的方法，还包括：
经由视觉系统识别在布置在所述堆叠中的所述多个箔上的所述接合区域；并且
确定在布置在所述堆叠中的所述多个箔上的所述接合区域的空间位置；
其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域的所述空间位置内。
方案5. 根据方案1所述的方法，其中，由所述第一接合装置限定的所述接合区域包括矩形区。
方案6. 根据方案1所述的方法，其中，经由所述第二接合装置将所述电池单元极耳的所述部分接合到所述多个箔包括：经由激光焊接器将所述电池单元极耳的所述部分焊接到所述多个箔以产生所述焊接接头。
方案7. 根据方案6所述的方法，其中，所述电池单元极耳的顶表面靠近所述激光焊接器；并且其中，经由所述激光焊接器将所述电池单元极耳的所述部分焊接到所述多个箔以产生所述焊接接头包括：经由所述激光焊接器产生激光束，在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内引导所述激光束以形成接合所述箔和所述电池单元极耳的所述焊接接头。
方案8. 根据方案1所述的方法，其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头包括被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内的焊缝。
方案9. 根据方案8所述的方法，其中，所述焊缝包括被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内的连续的直线焊缝接头。
方案10. 根据方案8所述的方法，其中，所述焊缝包括被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内的波形焊缝接头。
方案11. 根据方案1所述的方法，其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头包括被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内的至少一个点焊缝。
方案12. 根据方案1所述的方法，其中，将所述电池单元极耳的所述部分布置在所述多个箔上包括：将所述电池单元极耳的所述部分布置为相对于所述第二接合装置在所述多个箔上方。
方案13. 根据方案1所述的方法，其中，将所述电池单元极耳的所述部分布置在所述多个箔上包括：将所述电池单元极耳的所述部分布置在所述多个箔下方。
方案14. 根据方案1所述的方法，还包括在所述接合区域处在所述电池单元极耳和所述多个箔之间形成空隙区域。
方案15. 一种用于接合与电池单元的多个电极相关联的多个箔和电池单元极耳的方法，所述方法包括：
将所述多个箔布置在堆叠中；
经由振动焊接接合所述多个箔，其中所述振动焊接限定多个接合区域；
将所述电池单元极耳的部分布置在所述多个箔上；并且
经由第二接合装置将所述电池单元极耳的所述部分接合到所述多个箔，其中所述第二接合装置产生多个焊接接头；
其中，由所述第二接合装置产生的所述多个焊接接头中的每个被包围在由所述振动焊接限定的所述多个接合区域中的相应一个内。
方案16. 根据方案15所述的方法，还包括：
经由视觉系统识别在布置在所述堆叠中的所述多个箔的上表面上的所述多个接合区域；
确定在布置在所述堆叠中的所述多个箔的上表面上的所述多个接合区域的多个空间位置；并且
经由激光焊接器将所述电池单元极耳的所述部分焊接到所述多个箔以产生所述多个焊接接头，其中所述多个焊接接头中的每个被包围在布置在所述堆叠中的所多个箔的上表面上的多个接合区域的所述多个空间位置中的相应一个内。
方案17. 根据方案15所述的方法，其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头中的每个在所述多个接合区域中的每个处在所述电池单元极耳和所述多个箔之间形成空隙区域。
方案18. 一种电池单元，包括：
布置在堆叠中的多个电池电极对，其中所述电极对中的每个包括布置在阳极集流体上的阳极、布置在阴极集流体上的阴极、和间隔件；以及
第一电池单元极耳和第二电池单元极耳；
其中，用于所述多个电池电极对的所述阴极集流体布置在第一堆叠中；
其中，所述阴极集流体的所述第一堆叠在第一接合区域处电力地且机械地接合到所述第一电池单元极耳；
其中，所述阴极集流体的所述第一堆叠经由第一焊接接头电力地且机械地接合到所述第一电池单元极耳；并且
其中，所述第一焊接接头被包围在所述第一接合区域内。
方案19. 根据方案18所述的电池单元，还包括：
其中，用于所述多个电池电极对的所述阳极集流体布置在第二堆叠中；
其中，所述阳极集流体的所述第二堆叠在第二接合区域处电力地且机械地接合到所述第二电池单元极耳；
其中，所述阳极集流体的所述第二堆叠经由第二焊接接头电力地且机械地接合到所述第二电池单元极耳；并且
其中，所述第二焊接接头被包围在所述第二接合区域内。
方案20. 根据方案18所述的电池单元，其中，空隙区域形成在所述第一电池单元极耳和所述第一接合区域之间，并且起导管的作用。
本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点，当接合所附附图考虑时，从以下对用于实施如在所附权利要求中限定的本教导的一些最佳模式和其他实施例的详细描述中显而易见。
附图说明
现在将参考所附附图以示例的方式描述一个或多个实施例，其中：
图1示意性地示出了根据本公开的电池单元的剖面侧视图，该电池单元包括正和负电池极耳以及布置在堆叠中的电极对。
图2示意性地示出了根据本公开的布置的等距视图，该布置包括在布置在堆叠中的多个箔下方的电池极耳。
图3示意性地示出了根据本公开的布置的等距视图，该布置包括在布置在堆叠中的多个箔上方的电池极耳。
图4示意性地示出了根据本公开的振动焊接系统的元件，该振动焊接系统用于将电池极耳焊接到布置在堆叠中的多个箔。
图5以绘图示出了根据本公开的振动焊接系统的实施例，该振动焊接系统用于将电池极耳焊接到布置在堆叠中的多个箔。
图6以绘图示出了根据本公开的中间工件，该中间工件包括已经通过振动焊接系统接合的布置在堆叠中的多个箔。
图7A示意性地示出了根据本公开的激光焊接系统的元件，该激光焊接系统用于焊接电池极耳和布置在堆叠中的多个箔的第一布置。
图7B示意性地示出了根据本公开的激光焊接系统的元件，该激光焊接系统用于焊接电池极耳和布置在堆叠中的多个箔的第二布置。
图8A以绘图示出了根据本公开的已经通过激光焊接系统接合的电池极耳和布置在堆叠中的多个箔的第一布置。
图8B以绘图示出了根据本公开的已经通过激光焊接系统接合的电池极耳和布置在堆叠中的多个箔的第二布置。
图9A-9C以绘图示出了根据本公开的已经通过振动焊接系统接合并且通过激光焊接系统焊接的电池极耳和布置在堆叠中的多个箔的布置的俯视图。
所附附图不必然是按比例的，并且呈现如本文中公开的本公开的多种优选特征的稍微简化的表示，例如包括具体尺寸、定向、位置和形状。此外，为了便于理解，一些附图可参考xyz坐标系描述，该xyz坐标系在多个附图中图示并且在多个附图之间是一致的，其中x指示横向维度、y指示纵向维度、并且z指示高度维度。与这样的特征相关联的细节将部分由特定的预期应用和使用环境确定。
具体实施方式
如本文中描述和图示的，本公开的实施例的部件可以以多种不同的配置布置和设计。因此，以下详细描述并不旨在限制所要求保护的本公开的范围，而仅代表其可能的实施例。此外，虽然在以下描述中阐述了许多具体细节以便提供对本文中公开的实施例的详尽理解，但一些实施例可在不具有这些细节中的一些的情况下实施。此外，为了清楚起见，没有对在相关领域中所理解的某些技术材料进行详细描述以避免不必要地模糊本公开。此外，附图是简化的形式并且不是精确按比例的。仅为了方便和清楚的目的，可使用方向性术语，诸如顶、底、左、右、上、之上、上方、之下、下方、后和前，以帮助描述附图。这些和类似的方向性术语是说明性的，并且不应解释为限制本公开的范围。此外，如本文中图示和描述的公开可在缺少在本文中未具体公开的元件的情况下实施。
参考附图，其中，贯穿若干附图，类似的附图标记对应于类似或相似的部件，图1示意性地图示了棱柱形状的锂离子电池单元10的实施例，其包括多个电极对20，这些电极对20布置在堆叠中并且密封在容纳有电解材料13的柔性袋12中。第一正电池单元极耳29以及第二负电池单元极耳24从柔性袋12突出。电极对20中的每个包括布置在阳极（或负）集流体22上的阳极21和布置在阴极（或正）集流体27上的阴极26，并且由间隔件25分隔。阴极集流体27由铝或铝合金制成，并且包括正箔（或阴极箔）28。阳极集流体22由铜、铜合金或另一材料制成，并且包括负箔（或阳极箔）23。
负集流体22和正集流体27是薄金属板，其在可观的交界表面面积上接触其相应的负电极21和正电极26。这些金属集流体22、27的目的在于在电极对20的放电和充电期间与其相应的负电极21和正电极26交换自由电子。负集流体22和正集流体27中的每个的厚度可在5 um和22 um之间。为了便于电子的集中分布和流动，负集流体22中的每个包括负箔23，并且正集流体27中的每个包括正箔28。
负箔23远离电极对20突出并且定位为彼此叠置对准，并且正箔28也远离电极对20突出并且定位为彼此叠置对准。负箔23和正箔28的对准的组要么在电极对20的不同侧上（如示出的）要么在电极对20的同一侧上彼此分隔。阴极集流体27的正箔28布置在第一堆叠14中，并且以本文中描述的方式电联接且机械接合到正电池单元极耳29。阳极集流体22的负箔23布置在第二堆叠16中，并且电联接且机械接合到第二负电池单元极耳24。
第一正电池单元极耳29是由铝或铝合金制成的平面片，并且具有0.4 mm或接近0.4 mm的厚度。第二负电池单元极耳24是由铜、铜合金、镀镍铜或另一材料制成的平面片，并且具有0.2 mm或接近0.2 mm的厚度。第一和第二电池单元极耳29、24可具有与电池组件内的机械功能、电力功能和封装功能相关的其他特征。
电极对20中的每个包括正电极（或阴极）26、负电极（或阳极）21，以及设置在正和负电极26、21之间的间隔件25以将正电极26和负电极21彼此物理分隔并且电绝缘。传导锂离子的电解材料13容纳在间隔件25内并暴露于正电极26和负电极21中的每个以允许锂离子在正电极26和负电极21之间移动。此外，每个电极对20中的负电极21与阳极集流体22接触并交换电子，并且每个电极对20的正电极26与阴极集流体27接触并交换电子。电极对20布置在堆叠中，使得每个阳极集流体22插置在一个电极对20的负电极21和相邻电极对20的负电极21之间，并且类似地，每个阴极集流体27插置在一个电极对20的正电极26和相邻电极对20的正电极26之间。柔性袋12中可包括至少一个电极对20，并且对于车辆应用可包括从一到一百中任何数量个的电极对20。
每个电极对20的负电极21和正电极26制造为能够嵌入和脱嵌锂离子的电极材料。正电极26和负电极21的电极材料配制为在相对于公共参比电极（例如锂）的不同的电化学电位处存储嵌入的锂。在电极对20的构建中，负电极21在比正电极26低的电化学电位（即，更高的能量状态）处存储嵌入的锂，使得当负电极21锂化时，正电极26和负电极21之间存在电化学电位差。每个电池单元10的电化学电位差产生3V至5V范围内的充电电压和3.5V至4.0V范围内的标称开路电压。在电极对20的操作循环期间，负电极21和正电极26的这些属性允许锂离子在正电极26和负电极21之间要么自发地（放电阶段）要么通过施加外部电压（充电阶段）的可逆转移。每个正电极26和负电极21的厚度范围在30 um和150 um之间。
负电极21是锂主体材料，诸如，例如石墨、硅或钛酸锂。锂主体材料可混合有聚合物粘结材料以提供具有结构整体性的负电极21，并且可选地混合有导电细颗粒稀释剂。锂主体材料优选为石墨，并且聚合物粘结材料优选为以下项中的一种或多种：聚偏氟乙烯（PVdF）、三元乙丙（EPDM）橡胶、丁苯橡胶（SBR）、羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酸或其混合物。石墨通常用于制造负电极21，因为在相对惰性之外，其层状结构表现出有利的锂嵌入和脱嵌特性，这有助于为电池电极对20提供期望能量密度。可用于构建负电极21的多种形式的石墨是可商业获得的。导电稀释剂可以是，例如，高比表面积炭黑的非常细的颗粒。
正电极26由锂基活性材料构成，其在比用于制造负电极21的锂主体材料高的电化学电位（相对于公共参比电极）处存储嵌入的锂。可用于构建负电极21的相同的聚合物粘结材料（PVdF、EPDM、SBR、CMC、聚丙烯酸）和导电细颗粒稀释剂（高比表面积炭黑）也可为了相同的目的而与正电极26的锂基活性材料混合。锂基活性材料优选为层状锂过渡金属氧化物（诸如锂钴氧化物）、尖晶石型锂过渡金属氧化物（诸如尖晶石型锂锰氧化物）、聚阴离子型锂，诸如镍-锰-钴氧化物、磷酸铁锂、或氟磷酸锂。可用作锂基活性材料的一些其他合适的锂基活性材料包括锂镍氧化物、锂铝锰氧化物和锂钒氧化物，以上列举了替代物的示例。包括这些记载的锂基活性材料的一种或多种的混合物也可用于制造正电极26。
间隔件25由一个或多个多孔聚合物层构成，一个或多个多孔聚合物层分别可由非常多种的聚合物中的任一种构成。为简洁起见，在此仅示出了一个这样的聚合物层。一个或多个聚合物层中的每个可以是聚烯烃。聚烯烃的一些具体示例是聚乙烯（PE）（以及诸如HDPE、LDPE、LLDPE和UHMWPE的变型）、聚丙烯（PP）、或PE和PP的混合物。（多个）聚合物层起到使负电极21和正电极26电绝缘且物理分隔的作用。间隔件25可还以液体电解液渗透（多个）聚合物层的孔隙各处。还润湿两个电极21、26的液体电解液优选包括溶解在非水溶剂中的锂盐。间隔件25具有可在10 um到50 um之间的厚度。
上面给出的关于负电极21、正电极26、间隔件25和包含在间隔件25内的电解材料13的描述旨在作为电极对20的那些方面的非限制性示例。这些元件中的每个的化学上的许多变型可在本公开的锂离子电池单元10的背景下应用。例如，负电极21的锂主体材料和正电极26的锂基活性材料可以是在上面列出的那些具体电极材料之外的成分，特别是随着对锂离子电池电极材料继续研究和开发。此外，间隔件25的（多个）聚合物层和/或容纳在（多个）聚合物层内的电解液也可包括除上面具体列出的那些之外的其他聚合物和电解液。在一个变型中，间隔件25可以是包括聚合物层的固体聚合物电解液，诸如聚环氧乙烷（PEO）、聚环氧丙烷（PPO）、聚丙烯腈（PAN）、或具有锂盐或以锂盐溶液溶胀的聚偏氟乙烯（PVdF）。在适用的放电和充电循环期间，电极对20可逆地通过间隔件25和间隔件25周围的电子流动交换锂离子。
图2图示了阴极集流体27的正箔28，其布置在第一堆叠14中并且放置在用于与其电联接且机械接合的第一正电池单元极耳29的部分上方。还示出了多个接合区域30和对应的多个焊接接头40，其中每个焊接接头40被包围在接合区域30的对应一个内。接合区域30中的每个通过压缩并且因此在z维度上聚集第一堆叠14中的阴极集流体27的多个正箔28来形成。因此，第一堆叠14中的阴极集流体27的多个正箔28相对于其在别处的位置在z维度上降低。在一个实施例中，接合区域30在将第一堆叠14放置在正电池单元极耳29上方之前通过超声波焊接过程来形成。
在一个实施例中，焊接接头40通过激光焊接过程在接合区域30内形成，以将第一堆叠14接合到正电池单元极耳29。换句话说，布置在第一堆叠14中的阴极集流体27的正箔28通过激光焊接过程之前的超声波焊接过程电联接且机械接合到正电池单元极耳29，其中由激光焊接过程产生的焊接接头40在由超声波焊接过程产生的接合区域30内形成并被接合区域30包围。
图3图示了阴极集流体27的正箔28，其布置在第一堆叠14中并且放置在用于与其电联接且机械接合的第一正电池单元极耳29的部分下方。还图示了多个接合区域330和对应的多个焊接接头340，其中每个焊接接头340被包围在接合区域330中的对应一个内。
图4示意性地图示了示例振动焊接系统410，其用于超声波焊接参考图1、2和3图示的阴极集流体27的正箔28。振动焊接系统410构造为用于使用振动能量（例如超声波振动能量）形成振动焊接接头。振动焊接接头的示例包括参考图2描述的多个接合区域30和参考图3描述的多个接合区域330。振动焊接接头的其他示例参考图9A到9C图示和描述。
再次参考图4，在一个实施例中，振动焊接系统410包括呈焊头414形式的致动器和砧座组件412。焊头414也可称为振动超声焊极。振动焊接系统410优选地在超声波频率范围内操作，尽管可采用其他振动频率范围而不背离本文中描述的构思的预期范围。
在振动焊接系统410的操作期间，砧座组件412提供了足以对抗焊头414的相对静止质量的金属。作为焊接过程的部分，接头414设置为抵靠着砧座组件412向工件420施加压缩压力。在一个实施例中，工件420包括第一堆叠14，该第一堆叠14由参考图1、2和3图示的阴极集流体27的正箔28构成。
再次参考图4，焊头414可包括一个或多个焊垫415，其设置为面向待焊接的工件420。焊垫415可具有包括凸起的凸块或脊的滚花表面，或者另一合适的表面构造。在振动焊接过程期间，焊垫415的表面与工件420物理接触。砧座组件412同样可具有类似的砧座垫425。焊垫415和砧座垫425用于在振动焊接过程期间抓持工件420。
焊头414联接到增强器417和压电叠堆416，并且控制器411操作地连接到压电叠堆416。压电叠堆416是振动能量输入装置。响应于从控制器411提供的正弦或另一反复振荡信号，通过激活压电叠堆416可使焊头414振动。如本领域中理解的，压电材料是在机械和电领域之间转换能量的机电材料。压电材料可以是响应于机械应力而产生输出电压信号的晶体结构或陶瓷。这种效应也以相反的方式发生，即响应于施加到样本压电材料的固定或振荡电压输入而引发机械位移或应变。例如，激活给定压电材料可导致压电陶瓷大约0.1%的尺寸变化，以及压电聚合物大约41%的尺寸变化。这样，压电叠堆416可响应于从控制器411提供的反复振荡信号而振动，并且该振动可通过增强器417传播到焊头414的焊垫415。引发的振动的方向以箭头419指示。
图5示意性地示出了振动焊接系统510的一个实施例，该振动焊接系统510构造为并且能够形成接合区域，诸如参考图2描述的多个接合区域30和参考图3描述的多个接合区域330。振动焊接接头40的示例实施例还参考图9A到9C图示和描述。振动焊接系统510包括砧座512、焊头514或超声焊极、焊垫515和砧座垫525。焊垫515和砧座垫525是矩形形状的，具有横向于由焊头514限定的纵向轴线的长轴。焊头514包括一个或多个焊垫515，其设置为面向待焊接的工件（未示出），例如参考图1、2和3图示的多个阴极集流体27的多个正箔28。焊垫515可具有包括凸起的凸块或脊的滚花表面或另一表面构造。在振动焊接过程期间，焊垫515的表面物理接触工件以形成接合区域。图6以绘图示出了包括接合区域630的示例中间工件600的横截面。中间工件600由在通过参考图5描述的振动焊接系统510进行振动焊接之后的第一堆叠14构成，该第一堆叠14具有参考图1、2和3图示的多个阴极集流体27的多个正箔28。由振动焊接系统510进行的超声波接合过程去除了吸收的水分和表面氧化物，并且压缩、合并和聚集多个阴极集流体的多个正箔的箔以形成接合区域630。由此形成的中间工件600可包括单个接合区域630（如示出的）或多个接合区域630。
图7A和7B示意性地图示了呈激光焊接系统710形式的第二接合装置，激光焊接系统710由激光焊接器720、定位系统730和控制器735构成。激光焊接系统710布置为作用在工件750、750’上，该工件750、750’包括电池单元极耳741（例如，参考图1描述的第一电池单元极耳29或者第二电池单元极耳24）和参考图6描述的中间工件600，其中中间工件600具有一个或多个接合区域630。中间工件600包括在通过参考图5描述的振动焊接系统510进行振动焊接之后的第一堆叠14，该第一堆叠14由参考图1、2和3图示的多个阴极集流体27的多个正箔28构成。
术语“控制器”和诸如微控制器、控制件、控制单元、处理器等相关术语是指以下项中的一种或多种组合：（多个）专用集成电路（ASIC），（多个）现场可编程门阵列（FPGA）、（多个）电子电路、（多个）中央处理单元，例如，（多个）微处理器和呈存储器和存储装置（只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动等）形式的（多个）关联的非瞬态存储器部件。非瞬态存储器部件能够存储以下形式的机器可读指令，即一个或多个软件或固件程序或例程、（多个）组合逻辑电路、（多个）输入/输出电路和装置、信号调节、缓冲电路和其他部件，该机器可读指令可由一个或多个处理器访问和执行以提供所描述的功能。（多个）输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器和监视来自传感器的输入的相关装置，其中以预先设置的采样频率或响应于触发事件而监视这些输入。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语是指控制器可执行的指令集，包括校准和查找表。每个控制器执行（多个）控制例程以提供期望的功能。例程可以按规律的间隔（例如在正在进行的操作期间每100微秒）执行。替代地，可响应于触发事件的发生而执行例程。控制器、致动器和/或传感器之间的通信可使用直接有线点对点链路、网络通信总线链路、无线链路或另一通信链路完成。通信包括交换数据信号，例如包括经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等等。数据信号可包括离散的、模拟的和/或数字化模拟的信号，其表示来自传感器的输入、致动器命令和控制器之间的通信。
如参考图7A图示的，激光焊接系统710布置为作用在工件750上，该工件750包括定位为相对于激光焊接器720在中间工件600下方的电池单元极耳741。如参考图7B图示的，激光焊接系统710布置为作用在工件750’上，该工件750’包括定位为相对于激光焊接器720在中间工件600上方的电池单元极耳741。
再次参考图7A和7B，定位系统730包括具有视觉传感器和带有算法的微处理器的机器视觉系统或计算机视觉系统，该视觉传感器和微处理器布置为监视和评估中间工件600以识别和定位在其上形成的多个接合区域630的空间位置。定位系统730将多个接合区域630的空间位置通信到激光焊接器720，基于该多个接合区域630的空间位置相对于参考位置控制激光焊接器720。多个接合区域630的空间位置包括在xy平面中的位置，在布置在中间工件600的箔的堆叠中的多个箔的上表面上识别这些位置。在一个实施例中，定位系统730包括直接安装在激光焊接器720上的激光扫描器光学器件。
激光焊接器720是产生、聚焦和引导激光束721的固态装置，有利地包括设置为当中间工件600紧固在激光焊接系统710中时在第一电池单元极耳29的顶表面处引导激光束721。在一个实施例中，激光焊接器720可安装在固定装置中并且由控制器735控制以将激光焊接器720快速且准确地聚焦在预先确定的焊接位置上，以响应于编程输入形成第二焊接接头，其中预先选择的焊接位置对应于中间工件600上的多个接合区域630中的一个并且已经由定位系统730识别或以其他方式检测到。
激光束721是固态激光束，并且特别是以在电磁波谱的近红外范围（通常认为是700 nm至2900 nm）内的波长操作的光纤激光束或盘形激光束。在一个实施例中，激光束可以是掺杂有稀土元素（例如，铒、镱、钕、镝、镨、铥等）的光纤或与光纤谐振器相关联的半导体。替代地，可使用盘形激光束，其包括其中增益介质是掺镱钇铝石榴石晶体的薄盘的激光束，该薄盘涂覆有反射表面并安装到散热器。
在一个实施例中，激光焊接系统710还包括夹持机构711，该夹持机构711由砧座712和相对的夹具713构成；有利地，该砧座712和夹具713布置为向中间工件600和电池单元极耳741施加压缩力以机械地夹持工件750并且因此将工件750保持就位，以实现通过激光焊接器720的熔融焊接。砧座712包括直接在激光焊接器720下面的切口部分，并且工件750被移动并放置在砧座712上，其中接合区域630中的一个在切口部分上方，切口部分允许激光束721从其中穿过，同时避免将工件750焊接到砧座712。
如参考图7A示出的，激光束721在接合区域630中的一个内冲击在中间工件600的顶表面上并且提供局部热以实现中间工件600和电池单元极耳741的熔融焊接，并且从而形成焊接接头740。在一个实施例中，激光束721可控制为-1.5 mm的散焦距离或焦点，即散焦距离为在中间工件600的顶表面之下1.5 mm，其中伴随的束斑直径为0.6 mm。本文中描述的示例激光功率水平和占空比可选择为特别是用于与铜合金或铝合金一起使用，并且可基于所选择的用于待由激光焊接器720焊接的工件的材料的物理特性进行调整。
再次参考图7A，激光焊接器720用于产生激光束721，该激光束721施加到工件750的中间工件600的顶上，以沿焊接路径725产生激光焊接接头740，该焊接路径725限定在接合区域630内并由其界定。接合区域630和焊接路径725在x维度上投影于附图中。可由激光焊接器720产生的焊接路径的示例参考图9A-9C图示。图8A示意性地图示了激光焊接接头740的示例。
再次参考图7B，激光焊接器720用于产生激光束721，激光束721施加到工件750的电池单元极耳741的顶上，以沿焊接路径725产生激光焊接接头740’，该焊接路径725限定在中间工件600的接合区域630内并由其界定。接合区域630和焊接路径725在x维度上投影于附图中。
图8B示意性地图示了工件750’，其中电池单元极耳741放置为相对于激光束721在中间工件600上方。如参考图7B描述的，当激光产生激光焊接接头740’时，电池单元极耳741和接合区域630形成并限定空隙区域635。空隙区域635用作导管并且具有导管的功能，该导管使得在焊接期间和使用中溶解的焊接气体和其他气体能够排出和逸散，以用于减少孔隙。
可由激光焊接器720产生的焊接路径的示例参考图9A-9C图示并且在xy平面中示出。
图9A-9C在xy平面中图示了多个激光产生的焊接接头，这些焊接接头可用于接合电池单元极耳29和第一堆叠14，该第一堆叠14由参考图1、2和3图示的多个阴极集流体27的多个正箔28构成，其中激光产生的焊接接头被包围在由第一接合装置形成并限定的接合区域内。
图9A图示了放置在第一堆叠14上方且带有叠置部分34的电池单元极耳29的俯视图。第一堆叠14由多个阴极集流体27的多个正箔28构成。示出了具有基本上矩形形状32的多个第一接合区域30，并且其是由参考图4描述的振动焊接系统410的实施例限定和形成的。还示出了呈连续焊缝41形式的对应的多个激光产生的焊接接头，并且其是由参考图7描述的激光焊接系统710限定和形成的。在该实施例中，连续焊缝41中的每个是连续的直线焊缝接头，其被包围在第一接合区域30内并且平行于第一接合区域的长轴从第一接合区域30的第一端延伸到第二端。替代地，连续焊缝41中的每个是连续的直线焊缝接头，其被包围在第一接合区域30内并且平行于第一接合区域的长轴在第一接合区域30的第一端和第二端之间延伸，而不延伸到第一端和第二端。
替代地，焊缝41中的每个是不连续的直线焊缝接头，其被包围在第一接合区域30内并且平行于矩形形状32的长轴在第一接合区域30的第一端和第二端之间延伸。
图9B图示了放置在第一堆叠14上方且带有叠置部分34的电池单元极耳29的俯视图。第一堆叠14由多个阴极集流体27的多个正箔28构成。示出了具有基本上矩形形状32的多个第一接合区域30，并且其是由参考图4描述的振动焊接系统410的实施例限定和形成的。还示出了呈连续焊缝44形式的对应的多个激光产生的焊接接头，并且其是由参考图7描述的激光焊接系统710限定和形成的。在该实施例中，连续焊缝44中的每个是波形焊缝接头，其被包围在第一接合区域30内并且平行于第一接合区域的长轴在第一接合区域30的第一端和第二端之间延伸。在一个实施例中，并且如示出的，波形连续焊缝44具有锯齿布置。替代地，波形连续焊缝44可构成为在直线路径上的椭圆摆动、正弦波或可由振镜激光扫描器实现的另一形状。
图9C图示了放置在第一堆叠14上方且带有叠置部分34的电池单元极耳29的俯视图。第一堆叠14由多个阴极集流体27的多个正箔28构成。示出了具有基本上矩形形状32的多个第一接合区域30，并且其是由参考图4描述的振动焊接系统410的实施例限定和形成的。还示出了呈点焊缝45形式的对应的多个激光产生的焊接接头，并且其是由参考图7描述的激光焊接系统710限定和形成的。在该实施例中，点焊缝45中的每个是螺旋点焊接头，其被包围在第一接合区域30内。
总体而言，可表现为在工件堆叠中的层之间的间隙和/或一个或多个工件中的空隙的局部材料空隙可影响焊接接头的使用寿命，并且因此可影响包括焊接接头的部件的使用寿命。当工件堆叠包括焊接到电池极耳的多个箔时，局部材料空隙的出现可影响箔中的一个或多个与电池极耳之间的导电性。本文中描述的构思，包括工件堆叠的布置和相关联的激光焊接过程，减少了局部材料空隙和/或间隙的发生，从而降低了零件与零件间的易变性，实现了设计意图的导电水平，并且提高了使用寿命。
详细描述和绘图或附图是对本教导的支持和描述，但本教导的范围仅由权利要求限定。尽管已经详细描述了用于实施本教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实施所附权利要求中限定的本教导的多种替代设计和实施例。

Claims (20)

1.一种用于将电池单元极耳接合到与电池单元的多个电极相关联的多个箔的方法，所述方法包括：
将所述多个箔布置在堆叠中；
经由第一接合装置接合所述多个箔，其中所述第一接合装置限定接合区域；
将所述电池单元极耳的部分布置在所述多个箔上；并且
经由第二接合装置将所述电池单元极耳的所述部分接合到所述多个箔，其中所述第二接合装置产生焊接接头；
其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中经由所述第一接合装置接合所述多个箔包括超声波焊接所述多个箔。
3.根据权利要求2所述的方法，其中超声波焊接所述多个箔包括：将布置在所述堆叠中的所述多个箔放置在砧座上，夹持布置在所述堆叠中的所述多个箔，并且经由超声波焊头向布置在所述堆叠中的所述多个箔施加超声波力以形成所述接合区域。
4. 根据权利要求1所述的方法，还包括：
经由视觉系统识别在布置在所述堆叠中的所述多个箔上的所述接合区域；并且
确定在布置在所述堆叠中的所述多个箔上的所述接合区域的空间位置；
其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域的所述空间位置内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述第一接合装置限定的所述接合区域包括矩形区。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，经由所述第二接合装置将所述电池单元极耳的所述部分接合到所述多个箔包括：经由激光焊接器将所述电池单元极耳的所述部分焊接到所述多个箔以产生所述焊接接头。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述电池单元极耳的顶表面靠近所述激光焊接器；并且其中，经由所述激光焊接器将所述电池单元极耳的所述部分焊接到所述多个箔以产生所述焊接接头包括：经由所述激光焊接器产生激光束，在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内引导所述激光束以形成接合所述箔和所述电池单元极耳的所述焊接接头。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头包括被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内的焊缝。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述焊缝包括被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内的连续的直线焊缝接头。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述焊缝包括被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内的波形焊缝接头。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头包括被包围在由所述第一接合装置限定的所述接合区域内的至少一个点焊缝。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述电池单元极耳的所述部分布置在所述多个箔上包括：将所述电池单元极耳的所述部分布置为相对于所述第二接合装置在所述多个箔上方。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述电池单元极耳的所述部分布置在所述多个箔上包括：将所述电池单元极耳的所述部分布置在所述多个箔下方。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述接合区域处在所述电池单元极耳和所述多个箔之间形成空隙区域。
15.一种用于接合与电池单元的多个电极相关联的多个箔和电池单元极耳的方法，所述方法包括：
将所述多个箔布置在堆叠中；
经由振动焊接接合所述多个箔，其中所述振动焊接限定多个接合区域；
将所述电池单元极耳的部分布置在所述多个箔上；并且
经由第二接合装置将所述电池单元极耳的所述部分接合到所述多个箔，其中所述第二接合装置产生多个焊接接头；
其中，由所述第二接合装置产生的所述多个焊接接头中的每个被包围在由所述振动焊接限定的所述多个接合区域中的相应一个内。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
经由视觉系统识别在布置在所述堆叠中的所述多个箔的上表面上的所述多个接合区域；
确定在布置在所述堆叠中的所述多个箔的上表面上的所述多个接合区域的多个空间位置；并且
经由激光焊接器将所述电池单元极耳的所述部分焊接到所述多个箔以产生所述多个焊接接头，其中所述多个焊接接头中的每个被包围在布置在所述堆叠中的所多个箔的上表面上的多个接合区域的所述多个空间位置中的相应一个内。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，由所述第二接合装置产生的所述焊接接头中的每个在所述多个接合区域中的每个处在所述电池单元极耳和所述多个箔之间形成空隙区域。
18. 一种电池单元，包括：
布置在堆叠中的多个电池电极对，其中所述电极对中的每个包括布置在阳极集流体上的阳极、布置在阴极集流体上的阴极、和间隔件；以及
第一电池单元极耳和第二电池单元极耳；
其中，用于所述多个电池电极对的所述阴极集流体布置在第一堆叠中；
其中，所述阴极集流体的所述第一堆叠在第一接合区域处电力地且机械地接合到所述第一电池单元极耳；
其中，所述阴极集流体的所述第一堆叠经由第一焊接接头电力地且机械地接合到所述第一电池单元极耳；并且
其中，所述第一焊接接头被包围在所述第一接合区域内。
19.根据权利要求18所述的电池单元，还包括：
其中，用于所述多个电池电极对的所述阳极集流体布置在第二堆叠中；
其中，所述阳极集流体的所述第二堆叠在第二接合区域处电力地且机械地接合到所述第二电池单元极耳；
其中，所述阳极集流体的所述第二堆叠经由第二焊接接头电力地且机械地接合到所述第二电池单元极耳；并且
其中，所述第二焊接接头被包围在所述第二接合区域内。
20.根据权利要求18所述的电池单元，其中，空隙区域形成在所述第一电池单元极耳和所述第一接合区域之间，并且起导管的作用。
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