CN116111290B - 铜铝复合极柱组件及其制备方法和电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铜铝复合极柱组件及其制备方法和电池，制备方法包括：提供铜铝层状复合板材；将所述铜铝层状复合板材由铜层向铝层冲压成中空铆钉；将所述中空铆钉的钉脚端进行拉伸加工，得到中空柱状极柱，所述极柱的内层材料为铜材，外层材料为铝材；提供连接板，所述连接板具有铝表面，将所述极柱的外层焊接于所述连接板的铝表面，得到铜铝复合极柱组件。本发明实现了极柱与连接板等配件的牢固连接，有利于提高电池工作稳定性和使用寿命。

Description

铜铝复合极柱组件及其制备方法和电池

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体地，涉及一种铜铝复合极柱组件及其制备方法和电池。

背景技术

极柱是电池内外沟通的部件，极柱的一端与电池的外部电路连接，另一端与电池内部的电芯连接，以实现电池的充放电功能。电池极柱组件及制造工艺的好坏直接影响电池电芯甚至整个电池的性能。传统的极柱多数由纯铜材质制成，随着国际形势急剧变化带来的铜资源短缺，纯铜极柱的生产成本大幅升高。现有技术中，极柱组件中的极柱大多采用铜铝复合结构，外壳盖板和连接板大多采用纯铝或铝合金，从而降低贵金属铜的用量。目前，这类复合极柱的制备工艺主要为摩擦焊接，但是待焊接对象表面有氧化、杂质、易导致假焊、接触电阻高等问题，并且铝材在高温下易生成脆性相，带来复合电极柱断裂、或通电脱焊等风险，严重影响电池的性能和使用寿命。

经检索，申请公开号为CN110048072A的专利，公开一种复合电极柱的制备工艺及复合电极柱，通过铆接复合，获得铜铝复合极柱，避免电极柱断裂问题，但是该方法的铜铝界面结合为物理结合，带来接触电阻高的风险。

现急需一种铜铝复合极柱组件的制备方法，以解决现有铜铝复合电极柱组件易断裂、接触电阻高、脱焊、传统冷压或冷镦方式走料方向难以控制而易爆模、高价铜用量大等问题中的至少之一。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铜铝复合极柱组件及其制备方法和电池。

根据本发明的第一方面，提供一种铜铝复合极柱组件的制备方法，该制备方法包括：

提供铜铝层状复合板材；

将所述铜铝层状复合板材由铜层向铝层冲压成中空铆钉；

将所述中空铆钉的钉脚端进行拉伸加工，得到中空柱状极柱，所述极柱的内层材料为铜材，外层材料为铝材；

提供连接板，所述连接板具有铝表面，将所述极柱的外层焊接于所述连接板的铝表面，得到铜铝复合极柱组件。

进一步地，所述提供铜铝层状复合板材，包括：

首先将纯铜板材和纯铝板材依次堆叠；

然后通过冷轧、热轧、温轧、复合、挤压和压铸中的任意一种复合形成一体。

进一步地，所述得到中空柱状极柱，其中：所述极柱的一端为平面状的钉帽，另一端为柱状的钉脚，所述极柱的长度方向中心设有极柱通孔，所述极柱通孔贯穿所述钉帽和所述钉脚。

进一步地，所述极柱的内层材料为铜材，外层材料为铝材，其中：所述铜材为纯铜、无氧铜、铁青铜和铜合金中的任意一种，所述铝材为铝或铝合金。

进一步地，所述极柱的外层材料的厚度为所述极柱的总厚度的5％～15％。

进一步地，所述提供连接板，其中，所述连接板的材质为铝或铝合金，所述连接板上开设用于连接所述极柱的连接板通孔。

更进一步地，将所述极柱的外层焊接于所述连接板的铝表面，包括：在所述连接板通孔处采用添加焊料方式钎焊所述极柱与所述连接板，实现所述极柱与所述连接板的铝-铝冶金结合。

更进一步地，所述钎焊的温度为300～580℃。

根据本发明的第二方面，提供一种铜铝复合极柱组件，该极柱组件利用上述的铜铝复合极柱组件的制备方法制备得到。

根据本发明的第三方面，提供一种电池，该电池包括上述的铜铝复合极柱组件。

与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

1、本发明通过将铜铝复合板冲制成中空的铝包铜复合铆钉结构的极柱，再焊接于连接板上，从而可以有效解决极柱铜铝界面处接触电阻高、易脱焊等问题；并通过极柱外层铝材与连接板的铝表面之间的同种材料铝-铝连接，避免了铜铝摩擦焊易断裂的情况，实现了极柱与连接板等配件的牢固连接，有利于提高电池工作稳定性和使用寿命。

2、本发明提供的铜铝复合极柱组件的制备方法，生产工艺简单，适合批量化生产，通过铝包铜复合材料替代传统的纯铜材料，能够降低贵金属铜的用量，显著降低生产成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的铜铝复合极柱组件的制备方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例的铜铝复合极柱组件的结构示意图一；

图3为本发明一实施例的铜铝复合极柱组件的结构示意图二；

图4为本发明实施例的极柱的截面结构示意图；

图中：1-极柱、2-连接板、3-铜材、4-铝材、5-连接板通孔、6-极柱通孔、7-钎焊位置、8-钉帽、9-钉脚。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。

本发明一实施例提供的铜铝复合极柱组件的制备方法，参照图1-3，该制备方法包括以下步骤：

S1，提供一铜铝层状复合板材；

S2，将铜铝层状复合板材由铜层向铝层冲压成中空铆钉；

S3，将中空铆钉的钉脚端进行拉伸加工，得到中空柱状极柱1，如图4所示，极柱1的内层材料为铜材3，外层材料为铝材4；

S4，提供连接板2，连接板2具有铝表面，将极柱1的外层焊接于连接板2的铝表面，得到铜铝复合极柱组件。

在一些实施方式中，铜铝层状复合板材通过铜材和板材复合形成，铜铝层状复合板材的制备过程包括：首先将纯铜板材和纯铝板材依次堆叠；然后通过冷轧、热轧、温轧、复合、挤压和压铸中的任意一种复合形成一体。

在一些实施方式中，步骤S2可以冲出短钉脚的铆钉，在步骤S3中，将钉脚部分进行拉长，传统铜铝复合极柱冷镦冷压方式是在模腔内直接冲成钉状，材料受模腔约束，如果钉脚长，冷压冷镦的变形量大，可能导致模具直接被压爆，或者材料被挤出模腔。而上述实施例则是分两步加工，先将板材冲压成钉脚偏短的中空铆钉，再将钉脚一端拉伸成柱状，获得铜铝复合极柱，从而可以避免传统冷压或冷镦方式的走料方向难以控制而易爆模的情况出现。极柱1的一端为平面状的钉帽8，另一端为柱状的钉脚9，极柱1的长度方向中心设有极柱通孔6，极柱通孔6贯穿钉帽8和钉脚9。极柱1的内层材料为铜材3，外层材料为铝材4，极柱1的内层铜材与电池芯形成电路回路，导通电流，而外层铝材则与连接板的铝表面实现同种材料的焊接，焊接牢固，同时能够节省贵金属铜的用量。优选地，铜材3为纯铜、无氧铜、铁青铜和铜合金中的任意一种，铜材3选用的均是导电率与纯铜相近的铜材料，在和电池芯部导通电流形成回路的过程中，不会因为电阻高而产生较多电阻热，从而防止电池出现安全问题；铝材4为铝或铝合金。极柱1的外层材料的厚度取决于内层材料(即铜材3)的厚度是否满足电池的载流量，优选地，极柱1的外层材料的厚度为极柱1的总厚度的5％～15％，一方面，在不影响电池载流量的基础上，可以最大程度增加外部铝层厚度；另一方面，因为铜、铝的延展性、硬度等性能不一样，厚度比差异太大，不利于复合界面牢固结合，该厚度比例设置有利于铜铝复合材料的可加工性。

在一些实施方式中，在步骤S4中，由于铜和铝不易焊接牢固，因此，连接板2的材质为铝或铝合金，通过铝-铝同类材料的焊接，可实现牢固冶金焊接，避免极柱与连接板的连接界面出现虚焊。连接板2上开设用于连接极柱1的连接板通孔5。需要说明，连接板2包括连接板或盖板，通过极柱1外层铝材与铝质连接板或铝质盖板的同种材料铝-铝连接，避免了铜铝摩擦焊易断裂的情况，实现了极柱1与电池盖板、连接板等配件的牢固连接，从而提高电池工作稳定性和使用寿命。

在一些实施方式中，将极柱1的外层焊接于连接板2的铝表面，包括：在连接板通孔5处采用添加焊料方式钎焊极柱1与连接板2，钎焊位置7如图2所示，优选地，根据焊料的熔点和铜材料的退火温度，钎焊的温度为300～580℃，实现极柱1与连接板2的铝-铝冶金结合；该钎焊温度低于纯铜的退火温度，不会造成极柱内层铜材的软化

上述实施例中，铜材和板材复合为铜铝层状复合板材，然后将铜铝层状复合板材冲压成中空铆钉，再拉伸成外壁为铝材的极柱1，最后钎焊于连接板通孔5处，不同于现有技术中铜铝界面的物理结合，上述实施例采用化学冶金结合的方式，不会脱焊，也不会出现因接触不良导致接触电阻高的问题，从而有效解决了极柱铜铝界面处接触电阻高、易脱焊等问题；并通过极柱1外层铝材与连接板2之间的同种材料铝-铝连接，避免了铜铝摩擦焊易断裂的情况，实现了极柱1与电池盖板、连接板等配件的牢固连接，从而提高电池工作稳定性和使用寿命，同时上述制备方法生产工艺简单，适合批量化生产，通过铝包铜复合材料替代传统的纯铜材料，降低了贵金属铜的用量，显著降低生产成本，具有显著经济效益。

本发明另一实施例提供一种铜铝复合极柱组件，该极柱组件利用上述的铜铝复合极柱组件的制备方法制备得到，该极柱组件采用铝包铜极柱替代现有技术中的铜极柱，并采用焊接方式连接极柱和铝连接板，避免了铜-铝焊接不牢、铆接接触电阻不稳定、铜铝摩擦焊易断裂等问题，并且降低了贵金属铜的使用量。

本发明另一实施例还提供一种电池，该电池包括上述的铜铝复合极柱组件，该电池具有与上述实施例中的铜铝复合极柱组件和其制备方法相同的技术效果，此处不再赘述。

以下以更加详细的实施例对本申请的技术方案作进一步地说明。

实施例

本实施例提供的Cu/Al复合极柱组件，其制备方法包括：

S1：将纯铜板材、纯铝板材依次堆叠，并冷轧复合为一体，得到铜铝层状复合板材。

S2：将铜铝层状复合板材冲压成中空铆钉。

S3：将中空铆钉的钉脚端进行拉伸加工，得到中空柱状结构的铝包铜复合极柱1；

中空柱状结构的铝包铜复合极柱1的一端为平面状钉帽8，极柱1的另一端为柱状钉脚9。如图4所示，中空柱状极柱1的内层为铜材3，外层为铝材4。极柱1外层材料的厚度为极柱1总厚度的10％。

S4：在纯铝连接板2的连接板通孔5附近添加铝基钎料，再在399℃温度下将S3获得的极柱1钎焊于纯铝连接板2的连接板通孔5处，钎焊位置7如图2所示，从而实现极柱1与连接板2的铝-铝冶金结合，最终得到所需Cu/Al复合极柱组件。

本实施例中铜铝复合极柱组件的制备方法，步骤简单、易于批量化生产、投入成本低，且所生产的铜铝复合极柱组件，采用铝包铜极柱替代铜极柱，并采用添加焊料方式钎焊极柱和铝连接板，避免了铜-铝焊接不牢、铆接接触电阻不稳定、铜铝摩擦焊易断裂等问题，并且降低了贵金属铜的使用量；根据原材料的用量和废品率，由该铜铝复合极柱组件制作而成的电池产品质量一致性提高了15％，贵金属铜的用量减少了10％。

以专利CN110048072A作为对比例，经测试，对比例中极柱的铝-铝结合强度为37.9MPa/mm²，实施例中极柱组件的铝-铝结合强度为52.0MPa/mm²，相比于对比例，本实施例中的极柱组件的铝-铝结合强度提高了37.2％，证明了上述实施例中极柱与连接板等配件之间的牢固连接，进而可以提高电池工作稳定性和使用寿命。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (8)

1.一种铜铝复合极柱组件的制备方法，其特征在于，包括：

提供铜铝层状复合板材；

将所述铜铝层状复合板材由铜层向铝层冲压成中空铆钉；

将所述中空铆钉的钉脚端进行拉伸加工，得到中空柱状极柱，所述极柱的一端为平面状的钉帽，另一端为柱状的钉脚，所述极柱的长度方向中心设有极柱通孔，所述极柱通孔贯穿所述钉帽和所述钉脚；所述极柱的内层材料为铜材，外层材料为铝材；所述极柱的外层材料的厚度为所述极柱的总厚度的5％～15％；

提供连接板，所述连接板具有铝表面，将所述极柱的外层焊接于所述连接板的铝表面，得到铜铝复合极柱组件。

2.根据权利要求1所述的铜铝复合极柱组件的制备方法，其特征在于，所述提供铜铝层状复合板材，包括：

首先将纯铜板材和纯铝板材依次堆叠；

然后通过冷轧、热轧、温轧、复合、挤压和压铸中的任意一种复合形成一体。

3.根据权利要求1所述的铜铝复合极柱组件的制备方法，其特征在于，所述极柱的内层材料为铜材，外层材料为铝材，其中：所述铜材为纯铜、无氧铜、铁青铜和铜合金中的任意一种；所述铝材为铝或铝合金。

4.根据权利要求1所述的铜铝复合极柱组件的制备方法，其特征在于，所述提供连接板，其中，所述连接板的材质为铝或铝合金，所述连接板上开设用于连接所述极柱的连接板通孔。

5.根据权利要求4所述的铜铝复合极柱组件的制备方法，其特征在于，将所述极柱的外层焊接于所述连接板的铝表面，包括：在所述连接板通孔处采用添加焊料方式钎焊所述极柱与所述连接板，实现所述极柱与所述连接板的铝-铝冶金结合。

6.根据权利要求5所述的铜铝复合极柱组件的制备方法，其特征在于，所述钎焊的温度为300～580℃。

7.一种铜铝复合极柱组件，其特征在于，利用权利要求1-6任一项所述的铜铝复合极柱组件的制备方法制备得到。

8.一种电池，其特征在于，包括权利要求7所述的铜铝复合极柱组件。