具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
下面结合附图,对本申请的一些实施方式作详细说明。
请参照图1,图1为本实施例提供的电芯组件的结构示意图。本实施例提供一种电芯组件,包括连接片200和电芯,电芯包括第一极性极片、第二极性极片和设置于第一极性极片、第二极性极片之间的隔膜。每个极片(包括第一极性极片、第二极性极片)均具有极耳100,通过极耳100与连接片200的连接实现电流的引出。
本申请实施例中的第一极性极片为含有复合集流体的极片,复合集流体包括基膜110和设置于基膜110两侧的导电层120,复合集流体的两侧涂覆有活性物质。第一极性极片的极耳100包括基膜110和设置于基膜110两侧的导电层120。本实施例中,每个极耳100的两侧分别设有两个连接片200,两个连接片200与极耳100焊接形成极耳组件10。本申请实施例中的连接片200为金属片。
本申请中的基膜110的材质可以为邻苯基苯酚(OPP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、流延聚丙烯(CPP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氯乙烯(PVC),优选地,基膜110的材质为PET、PPS或PEN。基膜110可以采用任一种材料,或两种以上的材料得到复合膜。导电层120的材质可以选自Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Al、Mg、K、Na、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sb、Pb、In、Zn及其组合物(合金)中的至少一种。基膜110的两侧的导电层120的材质可以相同也可以不同。导电层120可以通过溅射法、真空沉积法、离子电镀法、激光脉冲沉积法等方法形成。
本申请发明人通过实验研究发现,通过一定的焊接工艺对极耳100和连接片200焊接后得到的极耳100与连接片200的微观结构与焊接后极耳100的电阻特性、容量、倍率及循环寿命有紧密联系。下面对极耳100及连接片200的微观结构进行说明。
连接片200和极耳100焊接后,极耳100上形成焊接区。本申请实施例采用超声焊接或激光焊接工艺进行焊接,在极耳100的焊接区会形成多个焊接位101,极耳100和连接片200在焊接位101处紧密连接。本实施例中,多个焊接位101矩阵设置,因此两个、多个焊接位101之间具有一定的距离,具有未焊接的位置,连接片200与极耳100焊接或具有一定间隙,具体结构根据焊接位101的焊接程度决定。在焊接之前,连接片200与极耳100之间贴合、接触连接,可以理解为连接片200与极耳100之间的间隙较小。经过焊接后,焊接位101附近未经过焊接的极耳100和连接片200之间会存在间隙。
当焊接位101的极耳100和连接片200厚度变小较多,说明焊接压力较大;焊接压力越大,焊接位101附近未经过焊接的极耳100和连接片200之间的间隙越大,使得极耳组件10的平整度越差。同时焊接压力越大,越可能出现过焊的情况。当焊接位101的极耳100和连接片200厚度变小少,说明焊接压力较小,则焊接位101附近未经过焊接的极耳100和连接片200之间的间隙较小,平整度变化较小。但焊接压力较小可能出现虚焊的情况,即焊接效果较差,焊接不良。
在本申请的部分实施例中,经过焊接的极耳组件10的厚度与未经过焊接的极耳组件10的厚度比为2:(3-5)。进一步地,在焊接过程中,焊接位101的极耳100和连接片200的厚度变小,相应的,焊接位101附近的极耳100和连接片200的厚度变大。在焊接过程中,焊接位101的极耳组件10的厚度减小,受到挤压的材料会在焊接位101的周边凸起,形成挤压区103。挤压区103由于厚度较大,因此会影响极耳组件10的电阻。在本申请的部分实施例中,与挤压区103对应的极耳组件10的厚度、经过焊接的极耳组件10的厚度和未经过焊接的极耳组件10的厚度比为6:2:(3-5)。
本申请发明人发现,在该厚度比例范围内的极耳组件10经过适宜的焊接工艺,焊接效果不会过低也不会过高,避免极耳组件10出现焊接不良或焊接功率过大的情况,避免焊接后的极耳组件10电阻增大,循环寿命降低,电芯电阻增大。可选地,与挤压区103对应的极耳组件10的厚度、经过焊接的极耳组件10的厚度和未经过焊接的极耳组件10的厚度比为6:2:3或3:1:2或6:2:5。
在本申请的部分实施例中,由于极耳100的导电层120和与该导电层120焊接的连接片200均为金属材质,在焊接后,导电层120与连接片200连接紧密。本实施例中,导电层120和与该导电层120焊接的连接片200形成转接层。经过焊接的转接层的厚度与未经过焊接的转接层的厚度之比为6:(7-8)。
该厚度比例范围内的导电层120与连接层焊接效果较好,若厚度比低于该比例范围,可能焊接压力较大,功率过大,会导致导电层120裂痕增加,进而极片电阻增加,电芯IMP(交流电阻)增大,并且导致电芯的容量降低、倍率减小和循环寿命降低。若厚度比高于该比例范围,可能焊接效果过低,焊接不良,进而出现虚焊的情况。同样会导致极片电阻增加,电芯IMP(交流电阻)增大,并且导致电芯的容量降低、倍率减小和循环寿命降低。
在本申请的部分实施例中,焊接位101的极耳100的厚度与未经过焊接的极耳100的厚度比为(2-12):(3-30)。其中,焊接位101的极耳100的厚度小于未经过焊接的极耳100的厚度。焊接位101的两侧具有挤压区103,挤压区103的极耳100的厚度、焊接位101的极耳100的厚度与未经过焊接的极耳100的厚度比为(4-32):(2-12):(3-30)。进一步地,焊接位101的极耳100的基膜110的厚度与未经过焊接的极耳100的基膜110的厚度比为(2-6):(3-9)。焊接位101的极耳100的一侧导电层120的厚度与未经过焊接的极耳100的一侧导电层120的厚度比为(7-9):10。
焊接后,在该厚度比例范围内的极耳100和导电层120具有较小的电阻,电芯IMP较小,避免因焊接不当对极片和电芯造成负面影响,降低电性能。可选地,焊接位101的极耳100的基膜110的厚度与未经过焊接的极耳100的基膜110的厚度比为2:3、2:5、2:6、2:9、3:5、4:7、4:9、5:6、5:8、3:8或6:9。挤压区103的极耳100的厚度、焊接位101的极耳100的厚度与未经过焊接的极耳100的厚度比为4:2:3或5:3:4或15:10:13。焊接位101的极耳100的一侧导电层120的厚度与未经过焊接的极耳100的一侧导电层120的厚度比为9:10或8:10或7:10。
需要说明的是,本申请中的厚度为极耳100和连接片200在焊接位101的50%处的厚度,图1为极耳组件10在焊接位101的50%处的截面图。
本申请还提供了一种电池(图未示),包括壳体、绝缘件、顶盖组件和上述电芯组件,电芯组件收容于壳体的内部,绝缘件设置于电芯与壳体之间,顶盖组件盖设于壳体,且通过极耳100与电芯连接。该电池采用上述电芯组件,具有较好的电容量和循环寿命。
本申请提供了具有上述焊接结构的极耳与连接片的焊接工艺,采用超声波焊接进行焊接,包括:
采用40KHz超声波焊头,超声波焊头的直径约100mm。在焊接压力(气缸压力)为0.2-0.5MPa、超声波焊头的线速度为30m/min-50m/min、超声波的振幅为10μm-16μm的条件下对极耳和连接片进行焊接。可选地,焊接压力为0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa或0.5MPa。超声波焊头的线速度为30m/min、35m/min、40m/min、45m/min或50m/min。超声波的振幅为10μm、12μm、13μm、15μm或16μm。
相同的其他条件下,调整不同的超声波焊接压力,会形成不同的焊接效果:超声波焊接压力过大,焊头对焊接部位的极耳部分产生过大的压力。由于极耳部分材料厚度仅有50μm,容易产生变形、褶皱和断裂,焊接压力越大,变形越大。当变形足够大时,会导致集流体上的导电层裂纹梳理逐渐增加,甚至直接由裂纹转化为断裂,导致导电网络中断;当焊接压力过小时,由于物理贴合不足,焊头不能有效的贴合焊接极耳,从而导致超声波的能量无法及时传导,从而产生虚焊,压力越小,焊接后的拉力测试值会越小,无法有效形成导电网络。
不同的线速度会决定焊接后的极耳表面纵向拉扯力产生的裂纹,当极片的收放卷线速度和焊头的旋转速度的速比比例较大时(如大于1.3),会导致表面纵向的拉扯力过大,从而使极耳表面导电层受到收放卷方向的拉伸,产生更多裂纹,当比例更大时,会导致导电层断裂,导电网络断裂。
振幅对焊接效果的影响主要在于超声波能量作用的效果,振幅过大,能量穿透性强,容易焊穿;振幅过小,能量穿透不够,容易出现虚焊。
复合集流体的厚度可以为5μm-15μm,优选8μm-12μm;连接片铜箔厚度可以为4μm-12μm,优选6μm-10μm。需要说明的是,该连接片的厚度为复合集流体一侧的连接片厚度。
通过上述焊接工艺得到的单层极片的极耳(复合集流体)的电阻值为20Ω-65Ω,拉力为5-80N。组成280电芯的IMP(交流电阻)为0.15mΩ-0.2mΩ。焊接前单层极片的极耳的电阻为33Ω-130Ω。焊接后焊接位的导电层的电阻与未经过焊接的导电层的电阻之比为(5-6):10。说明焊接后的极耳和电芯具有较好的电性能。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一个电芯组件,采用如下工艺对极耳进行转接焊:
复合集流体的厚度为13μm,其中,高分子层(基膜)为12μm,导电层为1μm,连接片铝箔的厚度为13μm。极耳组件的厚度为40μm。
超声焊接预设参数为:焊头直径为100mm,焊机功率为40KHz,焊接气缸压力为0.3MPa,超声波的振幅为16μm,焊头的线速度为50m/min。
焊接位对应的极耳组件的厚度为20μm,挤压区对应的极耳组件的厚度为60μm,未焊接的极耳组件的厚度为40μm。
焊接位对应的转接层的厚度为12μm,挤压区对应的转接层的厚度为15μm。
焊接位的极耳的厚度为21.6μm,挤压区的极耳的厚度为24.6μm。
焊接位的导电层的厚度为0.8μm,焊接位的高分子层的厚度为8μm。
焊接前极耳电阻为130mΩ,焊接后极耳的电阻值约65mΩ,对拉力约为25N,组成电芯的IMP为0.18Ω,组成电芯的DCR为0.252Ω。
实施例2
本实施例提供了一个电芯组件,采用如下工艺对极耳进行转接焊:
复合集流体的厚度为13μm,其中,高分子层(基膜)为12μm,导电层为1μm,连接片铝箔的厚度为13μm。极耳组件的厚度为40μm。
超声焊接预设参数为:焊头直径为100mm,焊机功率为40KHz,压力为0.4MPa,振幅为16μm,速度为50m/min。
焊接位对应的极耳组件的厚度为15μm,挤压区对应的极耳组件的厚度为65μm,未焊接的极耳组件的厚度为40μm。
焊接位对应的转接层的厚度为9μm,挤压区对应的转接层的厚度为14μm。
焊接位的极耳的厚度为16.4μm,挤压区的极耳的厚度为21.4μm。
焊接位的导电层的厚度为0.7μm,焊接位的高分子层的厚度为6μm。
焊接前极耳电阻为130mΩ,焊接后,极耳的电阻值约80mΩ,对拉力约为19N,组成电芯的IMP为0.19Ω,组成电芯的DCR为0.266Ω。
实施例3
本实施例提供了一个电芯组件,采用如下工艺对极耳进行转接焊:
复合集流体的厚度为13μm,其中,高分子层(基膜)为12μm,导电层为1μm,连接片铝箔的厚度为13μm。极耳组件的厚度为40μm。
超声焊接预设参数为:焊头直径为100mm,焊机功率为40KHz,压力为0.2MPa,振幅为16μm,速度为50m/min。
焊接位对应的极耳组件的厚度为35μm,挤压区对应的极耳组件的厚度为45μm,未焊接的极耳组件的厚度为40μm。
焊接位对应的转接层的厚度为14μm,挤压区对应的转接层的厚度为16μm。
焊接位的极耳的厚度为27.8μm,挤压区的极耳的厚度为29.8μm。
焊接位的导电层的厚度为0.9μm,焊接位的高分子层的厚度为12μm。
焊接前极耳电阻为130mΩ,焊接后,极耳的电阻值约90mΩ,对拉力约为15N,组成电芯的IMP为0.195Ω,组成电芯的DCR为0.273Ω。
实施例4
本实施例提供了一个电芯组件,采用如下工艺对极耳进行转接焊:
复合集流体的厚度为5.5μm,其中,高分子层(基膜)为4.5μm,导电层为1μm,连接片铝箔的厚度为8μm。极耳组件的厚度为22.5μm。
超声焊接预设参数为:焊头直径为100mm,焊机功率为40KHz,压力为0.3MPa,振幅为16μm,速度为50m/min。
焊接位对应的极耳组件的厚度为14μm,挤压区对应的极耳组件的厚度为28μm,未焊接的极耳组件的厚度为22.5μm。
焊接位对应的转接层的厚度为10μm,挤压区对应的转接层的厚度为11μm。
焊接位的极耳的厚度为15.6μm,挤压区的极耳的厚度为16.6μm。
焊接位的导电层的厚度为0.8μm,焊接位的高分子层的厚度为4μm。
焊接前极耳电阻为40mΩ,焊接后,极耳的电阻值约20mΩ,对拉力约为19N,组成电芯的IMP为0.16Ω,组成电芯的DCR为0.224Ω。
实施例5
本实施例提供了一个电芯组件,采用如下工艺对极耳进行转接焊:
复合集流体的厚度为5.5μm,其中,高分子层(基膜)为4.5μm,导电层为1μm,连接片铝箔的厚度为8μm。极耳组件的厚度为22.5μm。
超声焊接预设参数为:焊头直径为100mm,焊机功率为40KHz,压力为0.4MPa,振幅为16μm,速度为50m/min。
焊接位对应的极耳组件的厚度为8μm,挤压区对应的极耳组件的厚度为32μm,未焊接的极耳组件的厚度为22.5μm。
焊接位对应的转接层的厚度为5μm,挤压区对应的转接层的厚度为9μm。
焊接位的极耳的厚度为9.4μm,挤压区的极耳的厚度为13.4μm。
焊接位的导电层的厚度为0.7μm,焊接位的高分子层的厚度为3μm。
焊接前极耳电阻为40mΩ,焊接后,极耳的电阻值约25mΩ,对拉力约为18N,组成电芯的IMP为0.165Ω,组成电芯的DCR为0.231Ω。
实施例6
本实施例提供了一个电芯组件,采用如下工艺对极耳进行转接焊:
复合集流体的厚度为5.5μm,其中,高分子层(基膜)为4.5μm,导电层为1μm,连接片铝箔的厚度为8μm。极耳组件的厚度为22.5μm。
超声焊接预设参数为:焊头直径为100mm,焊机功率为40KHz,压力为0.2MPa,振幅为16μm,速度为50m/min。
焊接位对应的极耳组件的厚度为20μm,挤压区对应的极耳组件的厚度为24μm,未焊接的极耳组件的厚度为22.5μm。
焊接位对应的转接层的厚度为8μm,挤压区对应的转接层的厚度为13μm。
焊接位的极耳的厚度为14.3μm,挤压区的极耳的厚度为19.3μm。
焊接位的导电层的厚度为0.9μm,焊接位的高分子层的厚度为4.5μm。
焊接前极耳电阻为40mΩ,焊接后,极耳的电阻值约30mΩ,对拉力约为10N,组成电芯的IMP为0.17Ω,组成电芯的DCR为0.238Ω。
实施例7
本实施例提供了一个电芯组件,采用如下工艺对极耳进行转接焊:
复合集流体的厚度为5.5μm,其中,高分子层(基膜)为4.5μm,导电层为1μm,连接片铝箔的厚度为8μm。
超声焊接预设参数为:焊头直径为100mm,焊机功率为40KHz,压力为0.5MPa,振幅为16μm,速度为50m/min。
焊接位对应的极耳组件的厚度为10μm,挤压区对应的极耳组件的厚度为26μm,未焊接的极耳组件的厚度为22.5μm。
焊接位对应的转接层的厚度为8μm,挤压区对应的转接层的厚度为11μm。
焊接位的极耳的厚度为13.6μm,挤压区的极耳的厚度为16.6μm。
焊接位的导电层的厚度为0.8μm,焊接位的高分子层的厚度为4μm。
焊接前极耳电阻为40mΩ,焊接后,极耳的电阻值约24mΩ,对拉力约为15N,组成电芯的IMP为0.163Ω,组成电芯的DCR为0.2282Ω。
实施例8
本实施例提供了一个电芯组件,采用如下工艺对极耳进行转接焊:
复合集流体的厚度为5.5μm,其中,高分子层(基膜)为4.5μm,导电层为1μm,连接片铝箔的厚度为8μm。
超声焊接预设参数为:焊头直径为100mm,焊机功率为60KHz,压力为0.3MPa,振幅为16μm,速度为50m/min。
焊接位对应的极耳组件的厚度为9μm,挤压区对应的极耳组件的厚度为25μm,未焊接的极耳组件的厚度为22.5μm。
焊接位对应的转接层的厚度为8μm,挤压区对应的转接层的厚度为11μm。
焊接位的极耳的厚度为13.6μm,挤压区的极耳的厚度为16.6μm。
焊接位的导电层的厚度为0.8μm,焊接位的高分子层的厚度为4μm。
焊接前极耳电阻为40mΩ,焊接后,极耳的电阻值约23mΩ,对拉力约为16N,组成电芯的IMP为0.165Ω,组成电芯的DCR为0.231Ω。
试验例
实施例1-6的电芯组件的各个厚度的参数以及焊接工艺的参数如下表,对实施例1-6得到的极耳进行电性能检测,检测方法包括:
选取由实施例1-6提供的极片制得的电芯,280层数,单个电芯中正极105层,负极为105或106层。对相应的电芯分别进行电阻检测。
选取实施例1-6提供的六个焊接后的单层极片,选择尺寸为120*90的极耳,请参照图2,在极耳表面的两端选择A和B两个测试点,将电阻测试探针放在A、B点进行检测。
电芯电阻的检测:在交流电为1KHZ/mΩ的条件下,检测IMP(交流电阻),标准为0.10mΩ-0.20mΩ。在500A DC/37A CC,30S,50%SOC,25℃,BOL的条件检测DCR(直流电阻),标准为DC≤0.5mΩ,CC≤0.5mΩ。检测结果如下表:
表1厚度参数及焊接工艺参数及检测结果
由检测结果可知,与实施例2和实施例3相比,实施例1采用了较为合适的焊接工艺,焊接后,焊接位、挤压区以及未焊接区的极耳、连接片、导电层、转接层、极耳组件的厚度在本申请记载的范围内,得到的极耳电阻相对于焊接前的极耳电阻减少了一半,小于实施例2和实施例3提供的焊接的极耳。说明实施例1提供的极耳组件的微观结构具有较好的电性能。采用实施例1提供的极片得到的电芯具有较低的电阻、较高的容量和循环寿命。实施例4相对于实施例5和实施例6采用了较合适的焊接工艺,具有较好的微观结构,使得焊接后的极耳的电阻小于实施例5和实施例6提供的焊接的极耳。可知,采用实施例4提供的极片和焊接工艺得到的电芯具有较低的电阻、较高的容量和循环寿命。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。