CN204271174U - 一种锂电池极耳与极柱的连接结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种锂电池极耳与极柱的连接结构，包括由多层箔片叠合在一起组成的多层箔片结构的极耳，极耳包括正电极极耳和负电极极耳；所述的极耳通过缓冲箔片机械压合包裹，包裹极耳的缓冲箔片的对接侧箔片重叠压合，极耳与缓冲箔片通过机械压合或者超声波焊接实现预连接；缓冲箔片的单层侧设有极柱，极柱与极耳和缓冲箔片焊接连接，所用焊接方式为填充式搅拌摩擦点焊。本实用新型一种锂电池极耳与极柱的连接结构具有良好的可靠性和导电性、可以提高电池一致性，并且具有外观美观、工艺适用性较强的优点。

Description

一种锂电池极耳与极柱的连接结构

技术领域

本实用新型涉及锂电池极耳与极柱的连接技术领域，具体涉及一种锂电池多层箔片结构的极耳与极柱的连接结构。

背景技术

在目前市场上大多数的锂电池的主体结构中，采用超薄电解金属箔片作为正负电极导体，为保证超薄电解金属箔片与电池内活性物质充分接触，超薄电解金属箔片常选用内阻小、延展性好的铜箔和铝箔。其中，正极采用超薄电解铝箔，负极采用超薄电解铜箔。正、负极片引出部分的多层箔片结构称为极耳。在锂电池的制造过程中，多层箔片结构的极耳与极柱的连接问题是一个关键难点。现有技术中，极耳与极柱的连接方法主要有两种，分别是螺栓铆接紧固和超声波金属焊接，各有其特点，也存在着一定的缺陷。

螺栓铆接紧固工艺是极耳与极柱之间连接的传统工艺，具有工艺稳定性高、连接牢固可靠、工艺适用性强的优点，但存在以下两个问题：(1)多余物问题。打孔铆接工艺可能导致金属屑残留、电极材料碎屑等杂质，即多余物。在电池充放电过程中，这些多余物可能刺穿隔膜，导致短路或微短路，从而造成电池工作能力下降甚至失效。(2)由于铆接接头处为机械嵌合，片间固有的间隙会导致电解液渗入接头内部，通过长期充放电过程使汇流片材料表面氧化，导致接触电阻迅速增大，从而形成较大电池内阻，降低电池的充放电性能和寿命。当大电流充放电时，接头部位会产生大量的热量，将极大损害电池的充放电性能、安全性以及使用寿命。

超声波金属焊接技术是目前市场上锂电池极片组的主流连接工艺。作为一种特殊的固相连接方法，超声波焊接具有快捷、高效、清洁和牢固的特点，非常适合用于多层箔片、导线等特殊结构的焊接。但与铆接方法相比，超声焊形成的接头强度仍相对偏低。由于金属超声波焊接需用功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，当锂电池设计电容量增加，导致极柱及垫片设计厚度过大时，超声振动能量无法穿透过厚的极柱或垫片，从而导致虚焊。因此，在决定是否采用超声焊工艺时，必须要首先考虑基于产品结构的超声焊工艺的可实施性、焊接接头可靠性及质量稳定性能否满足设计需求等问题。

现有常见的使用超声波焊接的锂电池极耳与极柱的连接结构中，在焊接之前，极耳的多层箔片之间处于分散状态，多层箔片之间容易相对滑移，多层箔片焊接时由于压力作用容易发生变形甚至被破坏，同时，极耳与极柱的连接结构中，极耳与极柱不接触的一侧裸露在外的是一层很薄的箔片，容易机械破损，影响锂电池使用寿命。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，目的在于提供一种能增强锂电池极耳与极柱连接可靠性，保证或提高电池导电性、提高电池一致性，并且工艺适用性较强，可实现更大厚度的极耳与极柱的牢固连接，结构相对简单的锂电池极耳与极柱的连接结构，为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

一种锂电池极耳与极柱的连接结构，包括极耳、缓冲箔片和极柱，极耳为多层箔片叠合结构，极耳通过缓冲箔片包裹，缓冲箔片具有对接侧和单层侧，对接侧为两层或者三层 箔片压合；极柱接触单层侧设置，极柱、缓冲箔片、极耳焊接连接。对接侧指缓冲箔片包裹极耳后，缓冲箔片的接口端对接；单层侧指缓冲箔片与极耳焊接连接的位置。

极柱、缓冲箔片、极耳之间通过填充式搅拌摩擦点焊焊接连接，焊接点数为单点或者多点。

缓冲箔片的对接侧为两层箔片或者三层箔片，缓冲箔片的单层侧为一层箔片。即缓冲箔片对极耳进行四面(四个侧面)或者五面(四个侧面和一个顶面)进行压合包裹，因此锂电池极耳与极柱的连接结构中，缓冲箔片的对接侧为两层箔片或者三层箔片，极柱与缓冲箔片的焊接连接处为一层箔片。使得极耳在单层侧与极柱焊接后与对接侧结构一致，且防止对接侧在机械压合时对极耳的多层箔片的机械损伤。

较优地，极耳与缓冲箔片之间通过机械压合实现缓冲箔片对极耳的包裹，然后通过超声波焊接实现极耳与缓冲箔片之间的预连接(预连接指极耳与缓冲箔片之间的焊接连接，预连接之后再对极柱、缓冲箔片、极耳三者进行焊接连接)。超声波预焊接的焊接区域距离极耳边缘大于或者等于1mm，即预焊接区域的边沿与极耳的边沿留有足够的距离，防止极耳与缓冲箔片之间焊接不良以及防止超声波焊接时的冲击压力对极耳边沿和极耳边沿处的缓冲箔片造成严重损伤；且超声波预焊接的焊接区域的面积大于且完全覆盖的填充式搅拌摩擦点焊焊接时外压紧套与缓冲箔片的接触区域，防止外压紧套下压时，组成极耳的多层箔片的相对滑移。超声波预焊接对多层箔片结构的极耳与缓冲箔片进行预处理，排除箔片表面的油污、氧化物等杂质，使纯净的金属表面暴露出来，并在许多微观接触区域实现金属的冶金结合。超声波预焊接之后，多层箔片之间不再处于物理分散状态，将有效减少 后续的填充式搅拌摩擦点焊缺陷和提高填充式搅拌摩擦点焊质量稳定性。

缓冲箔片的厚度为0.1～0.5mm，由于搅拌摩擦点焊在焊接材料表面存在0.1～0.3mm左右的焊点凹陷或环沟槽缺陷，缓冲箔片如果选择过厚则带来材料的浪费和成本的增加，而金属超声波焊接需用功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，要求在保证焊接接头质量的基础上尽量减小垫片厚度，优选地，缓冲箔片的厚度为0.3mm。

缓冲箔片能有效地防止超声波焊接或者填充式搅拌摩擦点焊对最外层的极耳箔片造成破碎产生金属屑，从而对最外层箔片起到安全保护的作用。叠合在一起的极耳的多层箔片之间在物理上是处于分散状态，因此各层箔片相对位置不固定，如果多层箔片参差不齐的的边缘裸露在外，还影响外观美观。缓冲箔片包裹极耳的结构设计使极耳的多层箔片相对位置固定，从而能保证锂电池极耳与极柱的连接结构的一致性，同时改善了产品的外观。缓冲箔片包裹极耳，从而在后续焊接受力时避免发生极耳箔片变形破坏。尤其是在不进行超声波焊接进行预连接的结构中，由于填充式搅拌摩擦点焊焊接面积较小，焊接过程中仅靠外压紧套固定焊件，多层箔片在搅拌套切向力作用下容易发生变形甚至被破坏，而本实用新型设计的缓冲箔片对极耳进行四面或者五面压合包裹并通过机械压合实现预连接的结构可以有效地解决此问题。

本实用新型所述的一种锂电池极耳与极柱的连接结构的制作方法，包括以下步骤，

S1，将缓冲箔片折叠为一面开口或者两个对面开口的内空腔结构，缓冲箔片的对接侧为两侧箔片或者三层箔片，内空腔结构对极耳进行四面或者五面压合包裹，当缓冲箔片展开为条状时，从侧面包裹极耳，缓冲箔片对极耳进行四个侧面包裹并通过机械压合；当缓 冲箔片展开为“T”状时，从侧面和顶面包裹极耳，包括极耳五个表面；缓冲箔片的对接侧各层箔片内外顺序任意，内空腔结构的空腔的宽度和厚度分别大于极耳的宽度和厚度，以保证能够将极耳包裹进内空腔结构的空腔内；

S2，把组成极耳的多层箔片对齐后，放入步骤S1的缓冲箔片折叠对接形成的内空腔结构内；

S3，沿极耳的厚度方向将多层箔片构成的极耳使用缓冲箔片在常温下进行机械压合包裹；

S4，采用超声波焊接对极耳和缓冲箔片进行焊接，实现极耳和缓冲箔片的预连接；

超声波焊接为单面超声波焊接或者双面超声波焊接，单面超声波焊接的焊座位于缓冲箔片的单面侧所在面；由于超声波焊接工序仅起到预处理极耳箔片作用，消除箔片间隙，使之成为物理连接意义上的单层结构，在工艺选择上可以适当降低规范，较优地，超声波预焊接的焊接功率为一次超声波焊接实现极耳与缓冲箔片连接所用功率的1/3或以上；

S5，将极柱接触缓冲箔片的单面侧设置，采用填充式搅拌摩擦点焊对极柱、缓冲箔片和极耳进行焊接连接。

较优地，填充式搅拌摩擦点焊的工艺参数为：搅拌针转速为500～3000rpm，焊接时间为0.8～4s，焊接过程中内搅拌套压入深度为0.1～0.5mm，外压紧套对工件的轴向压力为4～15kN。

较优地，填充式搅拌摩擦点焊的砧座位于极柱一侧，搅拌针、内搅拌套和外压紧套位于另一侧，方便极柱、缓冲箔片、极耳之间进行填充式搅拌摩擦点焊。

填充式搅拌摩擦点焊，在焊接过程中，外压紧套采用压力控制，保证外压紧套对极耳与极柱的连接结构的压力；搅拌针、内搅拌套则采用位移控制，保证焊接过程中搅拌针、内搅拌套进入锂电池极耳与极柱的连接结构的位移量或者焊接过程中搅拌针、内搅拌套与极柱表面的距离。

与现有技术相比，本实用新型包括以下有益效果：

(1)缓冲箔片的对接侧为两层箔片或者三层箔片，缓冲箔片的单层侧为一层箔片，使得极耳在单层侧焊接后与对接侧结构一致，且防止对接侧在机械压合时对极耳的多层箔片的机械损伤。

(2)缓冲箔片能有效地防止超声波焊接或者填充式搅拌摩擦焊接对最外层的极耳箔片造成破碎产生金属屑，从而对最外层箔片起到安全保护的作用，保证锂电池极耳与极柱的连接结构的一致性。

(3)极耳与缓冲箔片之间通过机械压合实现缓冲箔片对极耳的包裹，然后通过超声波焊接实现极耳与缓冲箔片之间的预连接，然后采用填充式搅拌摩擦点焊对极柱与缓冲箔片进行焊接连接；能够防止填充式搅拌摩擦点焊过程中搅拌针和内搅拌套的高速旋转造成组成极耳的多层箔片的相对滑移，充分发挥超声波焊接和填充式搅拌摩擦点焊良好的耦合性，在超声预处理的基础上进行填充式搅拌摩擦点焊，形成的最终焊点质量较高，表面较平整光亮且无内部孔洞等缺陷，可以使锂电池极耳与极柱的连接结构内阻更小，可靠性更高。且使用超声波焊接对锂电池极耳与极柱的连接结构进行预焊接，可以采用比超声波焊接实现终焊接更低的功率(约是其1/3)，或者在相同功率下可以实现更大厚度的焊接件的预处 理，从而受超声波焊接设备参数和焊件结构厚度的限制较小。

总之，相比与现有技术，本实用新型可以保证或提高锂电池极耳与极柱连接结构的可靠性和电池导电性、提高电池一致性，并且具有结构简单，外观美观、工艺适用性较强的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的一种锂电池极耳与极柱的连接结构示意图；

图2是图1中X-X处的截面示意图；

图3是图1中Y-Y处的截面示意图；

图4为本实用新型实施例1的缓冲箔片折叠后形成的内空腔结构结构示意图

图5是本实用新型实施例2的一种锂电池极耳与极柱的连接结构示意图；

图6是图5中M-M处的截面示意图；

图7为图5中N-N处的截面示意图；

图8为本实用新型实施例2的缓冲箔片折叠后形成的内空腔结构结构示意图；

图中：1箔片，2极耳，201正电极极耳，202负电极极耳，3缓冲箔片，4极柱，A超声波预焊接的焊接区域，B填充式搅拌摩擦点焊的外压紧套与缓冲箔片的接触区域，C填充式搅拌摩擦点焊的焊点位置。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的 描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本实用新型的一部分实例，并不是全部的实例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

为了便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本实用新型实施例的限定。

实施例1

如图1所示，一种锂电池极耳与极柱的连接结构，包括极耳2、缓冲箔片3和极柱4，极耳2为多层箔片叠合结构，极耳2通过缓冲箔片3包裹，缓冲箔片3具有对接侧301和单层侧302，对接侧301为两层或者三层箔片压合；极柱4接触单层侧302设置，极柱4、缓冲箔片3、极耳2焊接连接。

如图1-图4所示的一种锂电池极耳与极柱的连接结构，包括由40层箔片组成的极耳2，极耳2包括正电极极耳201和负电极极耳202，其中，正电极极耳201采用厚度为0.02mm的超薄电解铝箔，负电极极耳202采用厚度为0.012mm超薄电解铜箔。

正电极极耳201和负电极极耳202分别通过缓冲箔片3包裹，包裹正电极极耳201和负电极极耳202的缓冲箔片3的对接侧301箔片重叠压合；缓冲箔片3的单层侧设有极柱4。

极耳2通过缓冲箔片3机械压合包裹，缓冲箔片3的对接侧301箔片为两层箔片，缓冲箔片3的单层侧302为一层箔片，其中正极的缓冲箔片选用厚度为0.3mm的铝板材，正极的极柱选用厚度为1.0mm的铝板材，负极的缓冲箔片选用厚度为0.3mm的铜板材，负极的极柱选用厚度为1.0mm的铜板材。

根据常用电池结构，并结合超声波焊接和填充式搅拌摩擦点焊的特点，极耳2面积设计为15mm×15mm，超声波预焊接的区域面积为12mm×12mm，超声波预焊接的区域距离极耳边缘1.5mm，填充式搅拌摩擦点焊位置位于超声波预焊接的位置中心，焊接点数为1点。填充式搅拌摩擦点焊所采用的分离的搅拌针、内搅拌套和外压紧套的外径分别为3mm、5mm和10mm。

本实施例的极耳与极柱的连接结构的制作方法包括以下步骤：

S1，将缓冲箔片3折叠为一面开口或者两个对面开口的内空腔结构(如图4所示，对极耳进行四面包括，即缓冲箔片3展开为条状，从侧面包裹极耳2，缓冲箔片3对极耳2进行四个侧面包裹并通过机械压合)，缓冲箔片3的对接侧301各层箔片内外顺序任意，内空腔结构的空腔的宽度和厚度分别大于极耳2的宽度和厚度，以保证能够将极耳包裹进内空腔结构的空腔内；

S2，把组成极耳2的多层箔片1对齐后，放入步骤S1的缓冲箔片3折叠对接形成的内空腔结构内；

S3，将多层箔片1构成的极耳2使用缓冲箔片3在常温下进行机械压合包裹，压合方向垂直于缓冲箔片3的单层侧302所在平面(也可以是对接侧301所在平面)；

S4，采用的单面超声波焊接对极耳和缓冲箔片进行焊接，实现极耳和缓冲箔片的预连接。超声波预焊接的功率为2kW，焊接过程中产品摆放方向为：单面超声波焊接的焊座位于缓冲箔片3的单层侧302所在面；

S5，将极柱4接触缓冲箔片3的单层侧302设置，采用填充式搅拌摩擦点焊对极柱4 与缓冲箔片3进行焊接连接，C为填充式搅拌摩擦点焊的焊点位置。

实施例2

如图5-图8所示的一种锂电池极耳与极柱的连接结构，包括由70层箔片组成的极耳2，极耳2包括正电极极耳201和负电极极耳202，其中，正电极极耳201采用厚度为0.02mm的超薄电解铝箔，负电极极耳202采用厚度为0.012mm超薄电解铜箔。正电极极耳201和负电极极耳202分别通过缓冲箔片3包裹，包裹正电极极耳201和负电极极耳202的缓冲箔片3的对接侧箔片重叠压合；缓冲箔片3的对接侧所在面的单层侧设有极柱4。

如图6、图7所示，极耳2通过缓冲箔片3机械压合包裹，缓冲箔片3的对接侧箔片为三层箔片，缓冲箔片3与极柱4相接处的单层侧为一层箔片，其中正极的缓冲箔片选用厚度为0.3mm的铝板材，正极的极柱选用厚度为1.2mm的铝板材，负极的缓冲箔片选用厚度为0.3mm的铜板材，负极的极柱选用厚度为1.2mm的铜板材。

极耳2面积设计为15mm×15mm，超声波预焊接的区域面积为13mm×13mm，超声波预焊接的区域距离极耳边缘1mm，填充式搅拌摩擦点焊位置位于超声波预焊接的位置中心，焊接点数为1点。填充式搅拌摩擦点焊所采用的分离的搅拌针、内搅拌套和外压紧套的外径分别为3mm、5mm和10mm。

本实施例的极耳与极柱的连接结构的制作方法包括以下步骤：

S1，将缓冲箔片3折叠为一面开口或者两个对面开口的内空腔结构(如图8所示，对极耳进行五面压合包裹，缓冲箔片3展开为“T”状，从侧面和顶面包裹极耳2，包括极耳五个表面)，缓冲箔片3的对接侧301各层箔片内外顺序任意，内空腔结构的空腔的宽度和 厚度分别大于极耳2的宽度和厚度，以保证能够将极耳包裹进内空腔结构的空腔内；

S2，把组成极耳2的多层箔片1对齐后，放入步骤S1的缓冲箔片3折叠对接形成的内空腔结构内；

S3，沿极耳2的厚度方向将多层箔片1构成的极耳2使用缓冲箔片3在常温下进行机械压合包裹；

S4，采用双面超声波焊接对极耳和缓冲箔片进行焊接，实现极耳和缓冲箔片的预连接。超声波预焊接的功率为3kW。

S5，将极柱4接触缓冲箔片3的单层侧302设置，采用填充式搅拌摩擦点焊对极柱4、缓冲箔片3和极耳2进行焊接连接。

对于实施例1和2，极耳2与缓冲箔片3之间通过超声波焊接实现预连接，所述超声波预焊接的焊接区域A的边沿距离极耳2边沿大于或者等于1mm，且超声波预焊接的焊接区域A的面积大于且完全覆盖所述的填充式搅拌摩擦点焊焊接时外压紧套与缓冲箔片的接触面B的面积。

在实施例1和实施例2，对于正极多层铝箔结构和负极多层铜箔结构，选用的填充式搅拌摩擦点焊的工艺参数如下表所示：

正/负极	转速/rpm	焊接时间/s	压入深度/mm	轴向压力/kN
					正极	500～3000	0.8～4	0.1～0.5	4～15
负极	500～3000	0.8～4	0.1～0.5	4～15

选择上述的工艺参数进行焊接，在焊接过程中，外压紧套采用压力控制,保证外压紧 套对锂电池极耳与极柱的连接结构的压力，搅拌针、内搅拌套采用位移控制，保证焊接过程中搅拌针、内搅拌套进入锂电池极耳与极柱的连接结构的位移量，焊接过程中通过设置每个时间点的时间、搅拌针与内搅拌套的位置坐标以及各时间段的主轴转速，来实现摩擦预热、一次挤压锻造、二次挤压锻造直到焊接成形的整个焊接流程。

焊接结果表明，对于同一电极材料来说，当选择的工艺参数合适时，获得质量较高(强度高、无明显环沟槽缺陷)的40层与70层摩擦点焊接头的内阻都<0.4V，且明显小于相应层数铆接接头及超声焊接头的内阻，并具有较好的外观。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种锂电池极耳与极柱的连接结构，其特征在于，包括极耳(2)、缓冲箔片(3)和极柱(4)，极耳(2)为多层箔片(1)叠合结构，所述的极耳(2)通过缓冲箔片(3)包裹，所述缓冲箔片(3)具有对接侧(301)和单层侧(302)，所述对接侧(301)为两层或者三层箔片压合；所述极柱(4)接触单层侧(302)设置，极柱(4)、缓冲箔片(3)、极耳(2)焊接连接。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池极耳与极柱的连接结构，其特征在于，所述极柱(4)、缓冲箔片(3)、极耳(2)之间通过填充式搅拌摩擦点焊焊接连接，填充式搅拌摩擦点焊焊接点数为单点或者多点。

3.根据权利要求1所述的一种锂电池极耳与极柱的连接结构，其特征在于，缓冲箔片(3)的单层侧(302)为一层箔片。

4.根据权利要求2所述的一种锂电池极耳与极柱的连接结构，其特征在于，极耳(2)与缓冲箔片(3)之间通过超声波焊接实现预连接，所述超声波预焊接的焊接区域(A)的边沿距离极耳(2)边沿大于或者等于1mm，且超声波预焊接的焊接区域(A)的面积大于且完全覆盖所述的填充式搅拌摩擦点焊焊接时外压紧套与缓冲箔片的接触区域(B)。

5.根据权利要求1所述的一种锂电池极耳与极柱的连接结构，其特征在于，所述缓冲箔片(3)的厚度为0.1～0.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种锂电池极耳与极柱的连接结构，其特征在于，所述缓冲箔片(3)的厚度为0.3mm。