CN116998060A - 具有螺旋焊接部分的圆柱形电池单元和包括其的电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种圆柱形电池单元，该圆柱形电池单元具有：盖组件，其被安装在其中容纳有电极组件的电池壳体的上端处，其中，电池壳体的上端具有压接部分，该压接部分环绕盖组件的外周并且朝向中央弯曲，压接部分是负极端子，盖组件具有作为正极端子的中央顶盖，并且负极端子和/或正极端子具有不连续的螺旋焊接部分。提供了一种通过防止正极端子和负极端子处的过度焊接而提高安全性的圆柱形电池单元。

Description

具有螺旋焊接部分的圆柱形电池单元和包括其的电池模块
技术领域
本申请要求于2021年10月25日提交的韩国专利申请No.2021-0142324的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
本发明涉及一种在其上形成有螺旋焊接部分的圆柱形电池单元和包括该圆柱形电池单元的电池模块。更具体地说，本发明涉及一种在其上形成有螺旋焊接部分的圆柱形电池单元和包括该圆柱形电池单元的电池模块，以便在使用纳秒脉冲激光对圆柱形电池单元执行焊接时防止过度焊接。
背景技术
已经快速地实现了能够被充电和放电的锂二次电池的稳定性的提高和容量的增加，并且已经增加了使用锂二次电池作为能源的设备的种类。
例如，锂二次电池已经被广泛地用作无线移动设备的能量源(无线移动设备是小型多功能产品或佩戴在身上的可穿戴设备)，并且也已经被用作电动车辆和混合动力电动车辆的能量源，电动车辆和混合动力电动车辆作为导致空气污染的现有汽油和柴油车辆的替代物而呈现，或者被用作能量存储系统(ESS)的中型或大型电池组。
基于电池壳体的形状，锂二次电池被分类为具有安装在圆柱形金属罐中的电极组件的圆柱形二次电池、具有安装在棱柱形金属罐中的电极组件的棱柱形二次电池、或者具有安装在由铝层压板制成的袋状壳体中的电极组件的袋状二次电池。其中，圆柱形二次电池具有容量较大和结构安全的优点。
为了制造中型或大型电池组，有必要将多个圆柱形电池单元彼此电连接。例如，汇流条或金属板可以联接到或者导线可以接合到圆柱形电池单元的正极端子和负极端子，由此可以将多个圆柱形电池单元彼此电连接。
激光焊接方法可以用于在多个圆柱形电池单元的正极端子和负极端子之间执行电连接。连续波(CW)激光焊接、毫秒脉冲激光焊接、微秒脉冲激光焊接或纳秒脉冲激光焊接可以用作激光焊接。
通常，圆柱形电池单元的压接部分用作负极端子，并且圆柱形电池单元的顶盖用作正极端子。对于通过负极端子的电连接，对压接部分执行直线图案焊接或圆形图案焊接。此时，主要使用连续波(CW)激光焊接、毫秒脉冲激光焊接或微秒脉冲激光焊接。然而，如果使用该焊接方法，过量的热量可能被提供给焊接部分，由此可以局部地进行突然的热传导，并且因此可能损坏垫圈。
当垫圈损坏和变形时，难以防止电解液泄漏(这是垫圈的原始功能)，由此圆柱形电池单元的密封性能可能受到严重影响，并且难以确保圆柱形电池单元的安全。
因此，适合使用将相对少量的热量提供给焊接部分的纳秒脉冲激光。
然而，由于纳秒脉冲激光具有小的光斑尺寸，因此当使用其他焊接方法中使用的直线图案或圆形图案时，可焊接性降低并且焊接所需的时间(粘着时间(tack time))较长，并且因此可加工性降低。
因此，需要能够在对圆柱形电池单元的正极端子和负极端子执行用于电连接的激光焊接时防止过度焊接的技术，从而确保可焊接性并减少焊接时间，同时最小化对垫圈的损坏。
发明内容
技术问题
本发明是鉴于上述问题而做出的，并且本发明的目的是提供一种圆柱形电池单元和包括该圆柱形电池单元的电池模块，该圆柱形电池单元具有形成在其上的不连续的螺旋焊接部分，以便防止对圆柱形电池单元的电极端子的焊接部分的过度焊接。
技术方案
根据本发明的用于实现上述目的的一种圆柱形电池单元，所述圆柱形电池单元包括：盖组件，其被装载在电池壳体的上端上，在该电池壳体中容纳有电极组件；压接部分，其形成在电池壳体的上部的端部处，该压接部分在朝向盖组件的中央的方向上弯曲同时包绕盖组件的外周，其中，压接部分是负极端子，并且作为盖组件的中央部的顶盖是正极端子；以及不连续的螺旋焊接部分，其形成在负极端子和正极端子中的至少一个上。
螺旋焊接部分可以被形成为使得焊接线彼此不交叠。
螺旋焊接部分可以被形成为使得热影响部分彼此不交叠。
焊接部分可以是使用纳秒脉冲激光形成的。
螺旋焊接部分可以由于纳秒脉冲激光直线移动并且同时螺旋地旋转而形成在负极端子上。
螺旋焊接部分可以由于纳秒脉冲激光以圆形移动并且同时螺旋地旋转而形成在正极端子上。
后续的焊接线可以在螺旋地旋转的同时不连续地形成，使得后续的焊接线不与先前的焊接线交叠。
螺旋焊接部分的单位螺旋之间的距离可以等于或大于负极端子的每个单位螺旋的水平宽度，并且可以小于正极端子的每个单位螺旋的水平宽度。
汇流条、导线或金属板可以联接到螺旋焊接部分。
本发明包括一种电池模块，该电池模块包括圆柱形电池单元，其中，多个圆柱形电池单元经由汇流条、导线或金属板彼此串联和并联连接。
另外，本发明可以提供上述解决手段的各种组合。
有益效果
从以上描述中显而易见的，在根据本发明的圆柱形电池单元中，通过不连续地形成的螺旋焊接部分最小化热交叠，由此可以防止对焊接部分的过度焊接。
另外，螺旋焊接部分形成为使得热影响部分彼此不交叠，由此防止形成材料的软化区域，并且因此可以防止拉伸力的减小。
另外，可以确保焊接部分的宽区域，由此可以增加焊接强度。
附图说明
图1是根据本发明的圆柱形电池单元的透视图。
图2是根据本发明的负极焊接部分的照片。
图3是根据本发明的正极焊接部分的照片。
图4是根据本发明的负极焊接部分的热影响部分的照片。
图5是通过点焊形成的焊接部分的热影响部分的照片。
图6是根据示例1和比较例2制造的每个圆柱形电池单元的焊接部分的截面照片。
图7是当从下方将空气注入到根据示例1制造的圆柱形电池单元中时观察到的该圆柱形电池单元的照片。
图8是示出根据比较例2制造的圆柱形电池单元在空气注入之前和空气注入之后的状态的照片。
图9是空气泄漏测试设备的示意图和照片。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明的优选实施方式可以容易地由本发明所属领域的普通技术人员实施。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的操作原理时，当对本文中并入的已知功能和配置的详细描述可能模糊本发明的主题时，将省略该描述。
另外，在整个附图中，将使用相同的附图标记来指代执行类似功能或操作的部件。在整个说明书中，在一个部件被称为连接到另一部件的情况下，一个部件不仅可以直接地连接到另一部件，而且一个部件还可以经由又一部件间接地连接到另一部件。另外，包含某一元素并不意味着排除其它元素，而是意味着除非另有说明，否则还可以包括这些元素。
另外，除非特别限制，否则通过限制或添加来体现元素的描述可以应用于所有发明，并且不限制特定发明。
另外，在本发明的描述和本申请的权利要求中，除非另有说明，否则单数形式旨在包括复数形式。
另外，在本发明的描述和本申请的权利要求中，除非另有说明，否则“或”包括“和”。因此，“包括A或B”意味着三种情况，即包括A的情况、包括B的情况、以及包括A和B的情况。
将参照附图详细描述本发明的实施方式。
图1是根据本发明的圆柱形电池单元的透视图。
参照图1，根据本发明的圆柱形电池单元100被配置为使得电极组件被容纳在电池壳体110中，并且盖组件被装载在电池壳体110的上端上。电池壳体110的上部的端部形成压接部分120，该压接部分在朝向盖组件的中央的方向上弯曲同时包绕盖组件的外周。
压接部分120成为负极端子，并且作为盖组件的中央部的顶盖130成为正极端子，其中不连续的螺旋负极焊接部分141形成在负极端子上，并且连续的螺旋正极焊接部分142形成在正极端子上。
如上所述，由于负极焊接部分是螺旋形成的，因此可以增加焊接部分的面积，并且因此可以确保焊接强度。另外，由于螺旋焊接部分是不连续地形成的，使得螺旋在螺旋彼此接合的位置处彼此不交叠，因此可以防止螺旋彼此接合的位置处的过度焊接。因此，可以防止由于过度焊接而导致的对垫圈的损坏或电解液的泄漏。
另外，在本发明中，使用纳秒脉冲激光来形成负极焊接部分141和正极焊接部分142，该纳秒脉冲激光向负极焊接部分和正极焊接部分提供相对少量的热量，以便防止热量集中在负极焊接部分和正极焊接部分上。
图2是根据本发明的负极焊接部分的照片。
参照图2，形成不连续的螺旋负极焊接部分，如图2所示，其为形成在压接部分上的负极焊接部分的照片，该压接部分用作负极端子。具体地，由于压接部分被形成为具有沿着电池壳体的上部的圆形端部的小的宽度，因此纳秒脉冲激光在直线移动并且同时螺旋地旋转的同时形成焊接线210。
当如上所述螺旋地形成焊接线210时，螺旋可以彼此交叠。然而，在本发明中，焊接线不连续地形成为螺旋，以便防止螺旋之间的交叠。
具体地，为了使先前的焊接线211和后续的焊接线212在螺旋地旋转的同时彼此不交叠，连续地形成后续的焊接线212。
当使用纳秒脉冲激光时，形成窄焊接部分。在本发明中，形成螺旋焊接部分以便确保宽焊接部分。在假设螺旋焊接部分的一个螺旋是单位螺旋的情况下，考虑到单位螺旋的水平宽度，单位螺旋之间的距离可以形成为使得热影响部分彼此不交叠到最高程度。
如上所述，热影响部分彼此不交叠，由此可以防止设置在焊接部分下方的垫圈被热损坏。
例如，对于负极端子，其中焊接部分近似直线地形成，单位螺旋之间的距离B可以等于或大于单位螺旋的水平宽度D。
图3是根据本发明的正极焊接部分的照片。
参照图3，连续的螺旋焊接部分被形成为正极焊接部分。具体地，纳秒脉冲激光在以圆形移动并且同时螺旋地旋转的同时形成焊接线210。
因此，与点焊或线性焊接相比，可以形成大面积的焊接部分，并且因此可以提高正极焊接部分的焊接强度。
用于正极焊接部分的基础金属可以由铝基合金制成，并且基础金属的厚度通常为3.0T或更大，这意味着基础金属是厚的，由此在纳秒脉冲激光焊接时，基础金属被穿透的危险很低。另外，与负极焊接部分不同，在基础金属下方不存在可能被焊接热损坏的部分。因此，正极焊接部分的焊接线可以连续地形成而不具有不连续部分以便提高焊接强度。
在正极端子中，由于焊接线比负极焊接部分中更紧密地设置，因此单位螺旋之间的距离B可以小于单位螺旋的水平宽度D。
另外，对于正极焊接部分，基础金属的厚度通常为3.0T或更厚，这意味着基础金属是很厚的，由此即使焊接线比在负极焊接部分中更紧密地设置，热影响部分也可以彼此不交叠。
汇流条、导线或金属板可以联接到正极端子和负极端子，由此本发明的圆柱形电池单元可以串联和/或并联地连接到另一圆柱形电池单元，或者可以电连接到设备。
通过上述连接结构，本发明的圆柱形电池单元可以用作需要高容量和高输出的设备的能量源。
在下文中，将参照示例描述本发明。提供该示例仅用于更容易地理解本发明，而不应当被解释为限制本发明的范围。
<示例1>
执行纳秒脉冲激光焊接以便将由铝材料制成的金属板附接到圆柱形电池单元的压接部分，并且形成不连续的螺旋焊接部分，如图2所示。此时，连续地形成后续的焊接线，使得后续的焊接线不与先前的焊接线交叠。
图4是根据本发明的负极焊接部分的热影响部分的照片。
热影响部分是指不被焊接热源直接地熔化，但其温度因焊接热量而升高，从而改变了基础金属的物理特性的部分。当热影响部分彼此交叠时，形成基础金属的软化区域，由此焊接强度可能减弱并且拉伸力可能减小。
参照图4，可以看出，热影响部分230围绕焊接线210形成。热影响部分可以在先前的焊接线和后续的焊接线彼此相邻地形成的部分处彼此部分地交叠；然而，可以通过配置如图4所示的焊接线来最小化热影响部分之间的交叠最小化。
对于被配置为最小化热影响部分之间的交叠并且确保焊接强度的螺旋焊接部分，表1中所示的数值被导出为图2和图3中所示的A至D、粘着时间、螺旋的总数和每单位螺旋的激光脉冲的最佳值。
[表1]
<比较例1>
使用微脉冲激光对圆柱形电池单元的压接部分和顶盖执行点焊。由并排形成的多个点构成的焊接部分形成在形成于压接部分处的负极端子处，并且由以3x5矩阵方式排列的15个点构成的焊接部分形成在形成于顶盖处的正极端子处。
构成点焊的一个点可以被配置为在围绕其中央旋转的同时形成的螺旋的形式，并且形成具有如上所述形成的15个点的焊接部分所需的粘着时间对于负极为0.3秒并且对于正极为1.5秒。
因此，可以看出，当执行点焊时，正极的粘着时间比示例1更长。
图5是通过点焊形成的焊接部分的热影响部分的照片。
参照图5，热影响部分230沿着焊接线210的周边形成，并且热影响部分的交叠部分沿着螺旋焊接线形成。如上所述，当热影响部分彼此交叠时，基础金属软化，由此焊接强度可能减弱并且拉伸力可能减小。
<比较例2>
以与示例1相同的方式执行纳秒脉冲激光焊接，但与示例1不同之处在于，后续的焊接线被连续地形成，使得后续的焊接线与先前的焊接线交叠。
<进入焊接部分的激光穿透深度的测量实验>
按照根据示例1和比较例2制造的每个圆柱形电池单元制备110个圆柱形电池单元。
图6是根据示例1和比较例2制造的每个圆柱形电池单元的焊接部分的截面照片。
图6的(a)示出了示例1的焊接部分的截面，并且图6的(b)示出了比较例2的焊接部分的截面。图6的(a)所示的14、15和16以及图6的(b)所示的47、48和49是激光焊接部分的标识号。
进入图6的(a)所示的焊接部分14、15和16处的压接部分的激光穿透深度分别为0.042mm、0.104mm和0.190mm，并且进入图6的(b)所示的焊接部分47、48和49处的压接部分的激光穿透深度分别为0.307mm、0.399mm和0.311mm。
也就是说，可以看出，进入形成为使得焊接线彼此交叠的比较例2的焊接部分的激光穿透深度更大。因此，当焊接部分形成为使得焊接线彼此交叠时，在压接部分下方的垫圈被焊接热损坏的可能性增加。
<空气泄漏实验>
图9是空气泄漏测试设备的示意图和照片。
使用图9所示的空气泄漏测试设备检查是否从根据示例1和比较例2制造的圆柱形电池单元泄漏了空气。
圆柱形电池单元100在被插入到保持器中的状态下被安装到空气泄漏测试夹具。
垫圈被插入在保持器和圆柱形电池单元100之间，使得在保持器和圆柱形电池单元100之间没有形成空间，并且保持器被填充有水。
在圆柱形罐的底部中形成空气注入孔，并且在通过孔注入空气的同时通过相机检查水中是否形成了气泡。
通过四个步骤逐渐增加空气注入压力，同时保持空气注入压力低于圆柱形电池单元的排气压力，即20kgf/cm2至23kgf/cm2。具体地，以15kgf/cm2注入空气达1分钟，以16kgf/cm2注入空气达1分钟，以17kgf/cm2注入空气达1分钟，并且以18kgf/cm2注入空气达2分钟。
使用PDK有限公司的模型RTK18-0003来执行空气注入。
图7是当从下方将空气注入到根据示例1制造的圆柱形电池单元中时观察到的该圆柱形电池单元的照片，并且图8是示出根据比较例2制造的圆柱形电池单元在空气注入之前和空气注入之后的状态的照片。
参照图7和图8，可以看出，没有观察到从根据示例1制造的圆柱形电池单元中生成气泡，即，没有发生空气泄漏，而在根据比较例2制造的110个圆柱形电池单元当中，从86个圆柱形电池单元的焊接部分生成了气泡。
也就是说，可以看出，当螺旋焊接部分被形成为使得焊接线彼此交叠时，激光穿透深度增加，由此垫圈被损坏，并且因此通过空气泄漏实验确定电池单元有缺陷。
本发明所属领域的技术人员将理解的是，基于以上描述，在本发明的范畴内可以进行各种应用和修改。
(附图标记的描述)
100：圆柱形电池单元
110：电池壳体
120：压接部分
130：顶盖
141、142：焊接部分
210：焊接线
211：先前的焊接线
212：后续的焊接线
230：热影响部分
A：焊接部分的长度
B：单位螺旋之间的距离
C：单位螺旋的垂直宽度
D：单位螺旋的水平宽度

Claims (10)

1.一种圆柱形电池单元，所述圆柱形电池单元包括：
盖组件，所述盖组件被装载在电池壳体的上端上，在所述电池壳体中容纳有电极组件；
压接部分，所述压接部分形成在所述电池壳体的上部的端部处，所述压接部分在朝向所述盖组件的中央的方向上弯曲同时包绕所述盖组件的外周，其中，所述压接部分是负极端子，并且作为所述盖组件的中央部的顶盖是正极端子；以及
不连续的螺旋焊接部分，所述螺旋焊接部分形成在所述负极端子和所述正极端子中的至少一个上。
2.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中，所述螺旋焊接部分被形成为使得焊接线彼此不交叠。
3.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中，所述螺旋焊接部分被形成为使得热影响部分彼此不交叠。
4.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中，所述焊接部分是使用纳秒脉冲激光形成的。
5.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中，所述螺旋焊接部分由于纳秒脉冲激光直线移动并且同时螺旋地旋转而形成在所述负极端子上。
6.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中，所述螺旋焊接部分由于纳秒脉冲激光以圆形移动并且同时螺旋地旋转而形成在所述正极端子上。
7.根据权利要求5或6所述的圆柱形电池单元，其中，后续的焊接线在螺旋地旋转的同时不连续地形成，使得所述后续的焊接线不与先前的焊接线交叠。
8.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中，所述螺旋焊接部分的单位螺旋之间的距离等于或大于所述负极端子的每个单位螺旋的水平宽度，并且小于所述正极端子的每个单位螺旋的水平宽度。
9.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中，汇流条、导线或金属板联接到所述螺旋焊接部分。
10.一种电池模块，所述电池模块包括根据权利要求1至9中的任一项所述的圆柱形电池单元，其中，多个圆柱形电池单元经由汇流条、导线或金属板彼此串联和并联连接。
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