DE102012212941A1

DE102012212941A1 - Niederdruck-Elektronenstrahlschweißen von Verbindungen für Li-Ionen-Batterien

Info

Publication number: DE102012212941A1
Application number: DE102012212941A
Authority: DE
Inventors: Leonid C. Lev
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: CN102896416A; DE102012212941B4; US20130029206A1; CN102896416B; US9375804B2

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Verbinden einzelner Lithiumionenzellen in eine Batterie, die zum Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs geeignet ist, offenbart. Die Zellenstromkollektoren werden miteinander und mit einer Verbinderlasche in einer im Wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre elektronenstrahlverschweißt. Die Zellenstromkollektoren und die Verbinderlasche werden temporär mit einer Klemme gesichert, wobei ein Abschnitt davon eine Öffnung besitzt. Die Elektronenstrahlgröße kann durch Magnetspulen und durch das Ausmaß von Elektronenstreuung durch die Gasatmosphäre gesteuert werden, um die Klemmenöffnung minimal zu füllen und damit jegliche Bestrahlung der Klemme zu minimieren. Der Strahl oder die Werkstücke können verstellt werden, wenn es erforderlich ist, um die gesamte Öffnungsfläche zu verschmelzen. Einer ähnlichen Vorgehensweise kann gefolgt werden, um eine Mehrzahl von Verbinderlaschen mit einer Sammelschiene zu verschweißen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Herstellen von einen geringen Widerstand aufweisenden elektrischen Verbindungen zwischen einer Mehrzahl von Lithiumionenzellen, um eine Batterie, insbesondere eine Hochspannungsbatterie zu bilden, die zum Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs geeignet ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Hochspannungsbatterien mit Spannungen bis zu 400 Volt oder höher, wenn sie vollständig geladen sind, werden für an Bord erfolgende Energiespeicherung in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen verwendet.
Diese Batterien sind Baugruppen aus mehreren Zellen, die in der üblichen Praxis oftmals eine Li-Ionen-(Lithiumionen-)Chemie anwenden. Diese Zellen, die einzeln etwa 4 Volt entwickeln, sind zumindest in Reihe verschaltet, um die erforderliche Spannung zu entwickeln, und können optional parallel verschaltet sein, um die erforderliche Energiespeicherkapazität zu entwickeln. Jede Verbindung von Zelle zu Zelle sollte den geringstmöglichen elektrischen Widerstand besitzen, um den gesamten Innenwiderstand der Batterie zu minimieren und ihre Leistungsfähigkeit zu steigern. Am üblichsten ist Ultraschallschweißen, ein Prozess zum Herstellen einer Festkörperverschweißung ohne Schmelzen der Werkstücke, ein bevorzugter Fügeprozess.
Batterien werden durch sequentiellen Zusatz einer Anzahl kleinerer Einheiten progressiv zusammengebaut und aufgebaut und erfordern elektrische Verbindungen. Der Startpunkt ist die Herstellung von Anoden und Kathoden durch das Ablegen geeigneter Materialien auf Stromkollektoren aus dünner Metallfolie, deren Dicke im Bereich von etwa 10 bis 20 Mikrometer dick liegt. Das Anodenmaterial liegt oftmals auf Graphitbasis vor und wird auf einen Kupfer-Stromkollektor abgelegt. Die Kathode kann Lithium-Manganoxid (LiMn₂O₄) oder andere manganhaltige Verbindungen, wie Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂ oder Lithium-Aluminium-Manganoxid (Li_xAl_yMn_1-yO₂) sein und auf eine Aluminiumkathode abgelegt werden. Normalerweise erstreckt sich der Stromkollektor weiter als die Elektrode, wobei ein Abschnitt des Metallfolienstromkollektors sich über die Elektrodenfläche hinaus erstreckend verbleibt.
Eine Pouch- bzw. Beutelzelle wird durch Stapeln einer beabstandeten Reihe von Anoden und Kathoden mit dazwischen angeordneten, elektrolytgetränkten Separatoren in zueinander weisender Beziehung und durch Abdichten derselben innerhalb eines Behälters mit weichen Seiten geformt. Alle der Anodenstromkollektoren können dann gemeinsam erhalten und als eine Gruppe an einer Anodenlasche befestigt werden, die etwa 200 Mikrometer dick sein kann. Gleichermaßen können alle der Kathodenstromkollektoren gemeinsam erhalten und mit einer Kathodenlasche verbunden werden, die wiederum etwa 200 Mikrometer dick ist. Üblicherweise ist die Kathodenlasche Aluminium zur Kompatibilität mit den Kathodenfolien, jedoch kann die Anodenlasche Kupfer oder Nickel oder nickelplattiertes Kupfer sein.
Daher kann die Beutelzelle eine Mehrzahl von Li-Ionen-Zellen enthalten, die parallel verschaltet sind. Üblicherweise werden drei Beutelzellen parallel verschaltet, indem ihre Anoden- oder Kathodenlaschen oftmals mit einer Sammelschiene oder einem ähnlichen stromführenden Verbinder miteinander verschweißt werden. Durch Verbinden dieser Gruppen von drei Beutelzellen in Reihe können Module erzeugt werden, wobei die Module ihrerseits in eine Batteriepackung gebaut werden.
Die Laschen für jede Zelle sind dünne Lagen, etwa 200 Mikrometer dick, deren Breite bis zu etwa 45 Millimeter betragen kann. Bei der Herstellung eines Beutels wird eine große Anzahl, typischerweise bis zu etwa 20 und manchmal über 60, Stromkollektorfolien miteinander und mit der Lasche verschweißt. In der gegenwärtigen Praxis wird während des Beutelschweißbetriebs ein Arbeitsstückstapel, der die Stromkollektorfolien und die Lasche umfasst, zwischen die gegenüberliegenden Seiten einer Ultraschallschweißeinrichtung geklemmt. Die Werkzeugseiten werden dann über Ultraschall erregt, was zur Folge hat, dass sich die Stromkollektorfolien relativ zueinander bei hoher Frequenz, gewöhnlich etwa 20 bis 40 kHz, vorwärts und rückwärts bewegen. Diese Hochfrequenzbewegung erzeugt Wärme und fragmentiert und verteilt die Oxide und Oberflächenfilme zwischen dem Werkstücken, um eine frische Metalloberfläche freizulegen und eine metallurgische Anbindung ohne Schmelzen der Materialien zu ermöglichen.
Einer ähnlichen Vorgehensweise kann gefolgt werden, wenn die Beutel parallel verschaltet werden. In diesem Fall sind die Laschen etwa 200 Mikrometer dick, und die Sammelschiene kann etwa 500 bis 1000 Mikrometer dick sein, was in einem etwas dickeren Werkstückstapel resultiert.
Die Ultraschallschweißwerkzeugseiten können in der Draufsicht quadratisch oder rechtwinklig sein und können strukturiert oder gerändelt sein. Typische Werkzeugabmessungen und daher Schweißabmessungen können etwa 4 bis 10 Millimeter auf einer Seite sein, wobei ein Werkzeug mit einer Breite von 10 Millimetern und einer Höhe von 4 Millimetern üblich ist. Mehrere derartige Verschweißungen werden üblicherweise verwendet, die um allgemein gleiche Distanzen voneinander beabstandet sind und über die Folienbreite von Ende zu Ende angeordnet sind.
Im Betrieb werden diese Folien und Verschweißungen merklichen Lasten, sowohl mechanisch als auch thermisch, ausgesetzt. Unter diesen Lasten können eine oder mehrere der Schweißstellen oder die Zone unmittelbar benachbart der Schweißstelle Risse und/oder Spalte entwickeln, was die Batteriefähigkeit reduziert und über die Zeit einen Batterieausfall unterstützt. Daher besteht der Bedarf nach zusätzlichen Schweiß- und Fügeprozessen für Batteriezellenverbindungen, sowohl Folie zu Lasche als auch Lasche zu Sammelschiene, um Verbindungen mit geringerem Widerstand und stärkere Fügestellen zu erzeugen. Derartige Schweiß- und Fügeprozesse sind insbesondere für Lithiumionenzellen wichtig, die stark in Hochspannungs-Batterieantriebsbatterien verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, in einer Hochspannungsbatterie, die zum Antrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs geeignet ist, robust ist und einen geringen elektrischen Widerstand besitzt, Elektronenstrahl-Schmelzschweißverbindungen mit reduzierter Anfälligkeit gegenüber Spalten oder Rissen der Schweißung während des Betriebs bereitzustellen. Die Verschweißungen können zwischen einer Mehrzahl von 10 bis 20 Mikrometer dicken Zellenstromkollektoren und einer etwa 200 Mikrometer dicken Verbinderlasche hergestellt werden. Die Verschweißungen können auch zwischen einer Mehrzahl derartiger 200 Mikrometer dicker Laschen und einer 500 bis 1000 Mikrometer dicken Sammelschiene hergestellt werden. Derartige Schmelzschweißverbindungen können in einem Fügebereich, der sich über die gesamte Breite des Verbinders erstrecken kann, ohne jeglichen physikalischen Kontakt zwischen einem Schweißwerkzeug und dem Werkstück hergestellt werden. Das Schmelzen und Vermischen der Verbinder bringt das gesamte Material in dem Fügebereich in Eingriff, so dass der Schweißbereich allgemein gleich dem Fügebereich ist, was eine erhöhte Festigkeit und einen reduzierten elektrischen Widerstand unterstützt.
Thermische Lasten, die bei der Verschlechterung der Qualität einer elektrischen Verbindung signifikant sein können, können aufgrund der Temperaturfehlanpassungen zwischen elektrischen Elementen entstehen. Derartige Temperaturfehlanpassungen können aus zwei Gründen entstehen. Zunächst ist es die Differenz in der Dicke einzelner Elemente, die deren inhärenten elektrischen Widerstand und daher deren Wärmeerzeugung und die Dissipationsverhalten beeinflusst. Ein zweiter Grund ist die gesteigerte Wärmeerzeugung, die aus Fügestellen mit höherem elektrischen Widerstand zwischen den einzelnen Schaltungselementen resultieren kann.
Ausreichend große Spannungen können einen Brechen und Reißen der Werkstückschichten unterstützen und können schließlich zu einer vollständigen Trennung der Laschen von einer oder mehreren der Stromkollektorfolien und/oder der Trennung ein oder mehrerer Laschen von der Sammelschienenbaugruppe führen. Derartiger Bruch und Trennung resultieren zumindest in reduzierter Batterieleistungsfähigkeit und können, wenn der Prozess fortschreitet, in einem Batterieausfall resultieren.
Eine Schmelzverschweißung besitzt das Potential, stärkere Verschweißungen mit geringerem Widerstand zu unterstützen, jedoch machen die dünnen Werkstücke, 10 bis 20 Mikrometer für die Stromkollektoren und 200 Mikrometer für die Laschen, das zuverlässige Erhalten geeigneter Schmelzverschweißungen herausfordern. Jedoch ist ein Prozess, der gut an die Herausforderung zur reproduzierbaren Verschweißung derartiger dünner Werkstücke angepasst ist, eine Nicht-Vakuum-Elektronenstrahlschmelzverschweißung. Nicht-Vakuum-Elektronenstrahlverschweißungen verwenden einen Strahl aus Elektronen, die in ein Werkstück auf eine Tiefe, die in Mikrometer gemessen wird, eindringen, bevor sie durch das Werkstück absorbiert werden und innerhalb des Werkstücks Wärme erzeugen. Derartige Systeme können zwischen 2 und 4 kW Leistung liefern und Beschleunigungsspannungen von bis zu 150 kV mit Strahlströmen von bis zu 50 mA verwenden, jedoch sind Hochleistungssysteme, die zu Strahlströmen bis zu 1000 mA in der Lage sind, verfügbar.
Eine Elektronenstrahlverschweißung kann bei oder nahe atmosphärischem Druck, etwa 760 Torr oder etwa 100 Pa, erreicht werden. Die Atmosphäre kann ein im Wesentlichen sauerstofffreies Argon-Helium-Gemisch sein, das mit dem Elektronenstrahl Wechselwirken und seine Defokussierung bewirken kann, wobei der Elektronenstrahl über einen breiteren Bereich des Werkstücks ausgebreitet wird. Die defokussierende Wirkung der Argon-Helium-Atmosphäre kann bei der Minimierung des Bedarfs zum Steuern des Strahls, um eine Schweißung mit breiter Abdeckung zu erreichen, wirksam sein.
Die Stromkollektorfolien und die Lasche bilden gemeinsam ein Werkstück und können, wobei die Kollektorfolien direkt dem Elektronenstrahl ausgesetzt sind, zwischen zwei lagenartigen Klemmen geklemmt sein, von denen eine mit einem Fenster ausgestattet ist, das die Schweißzone definiert. Das Werkstück sollte unterhalb der Elektronenstrahlquelle positioniert werden. Der Elektronenstrahl bestrahlt den freigelegten Fensterbereich der Folien und der Lasche. Anfänglich werden die auftreffenden Elektronen von der obersten Folie absorbiert, wobei die Folie erhitzt und geschmolzen wird. Nützlicherweise bleibt die Absorption von Elektronen durch Metalle und Legierungen unabhängig davon, ob sie fest oder flüssig sind, im Wesentlichen unbeeinflusst. So werden jegliche Spalte zwischen Folienschichten gefüllt, wenn das Flüssigkeitsbad unter Schwerkraft abwärts fließt, wenn der Elektronenstrahl weiterhin von dem geschmolzenen Bad absorbiert wird. Die Wärme breitet sich hinab zu dem Werkstückstapel durch Leitung, wobei das Schmelzbad unterhalb des Werkstückstapels ausgedehnt und zunehmend ausgebreitet wird, bis die Folien und die Lasche ein einzelnes homogenes Schweißbad bilden. Da dies ein Schmelzschweißprozess ist, ist es bevorzugt, den Prozess so auszuführen, dass Werkstück horizontal orientiert ist, um einen Fluss von Flüssigkeit aus der Schweißzone zu minimieren und sicherzustellen, dass das miteinander verschmolzene Schweißgebiet allgemein gleichförmige Dicke besitzt. Durch Verfahren der Klemme unter einem stationären Elektronenstrahl oder durch Steuern des Elektronenstrahls über eine stationäre Klemme oder eine beliebige Kombination dieser Wirkungen kann der Elektronenstrahl den gesamten Fensterbereich in der Klemme überqueren und die Folien und die Lasche über einen beliebigen gewünschten Bereich verschmelzen.
Während die Form und das Ausmaß der Schweißzone durch die Klemmenöffnung definiert sein können, ist es nicht beabsichtigt, dass die Klemme dahingehend dient, einen Zugang des Elektronenstrahls zu dem Werkstück zuzulassen oder zu vermeiden. Das Ausmaß des auf das Werkstück auftreffenden Elektronenstrahls sollte stets kleiner als die Klemmenöffnungsabmessung sein, so dass keine direkte Wechselwirkung zwischen Klemme und Elektronenstrahl stattfinden kann. Die Schweißbadabmessung kann hauptsächlich durch Steuerung der Größe und Form des Elektronenstrahls gesteuert werden. Wenn der gewünschte Schweißbereich die Elektronenstrahlabmessung überschreitet, kann der Strahl unter Verwendung von Ablenkspulen abgetastet oder geführt werden, oder die Probe kann auf einem bewegbaren Tisch positioniert und unter einem stationären Elektronenstrahl durchgeführt werden. Somit kann jegliche gewünschte Schweißform erhalten werden, und die Schweißeigenschaften können in dem Maße, in dem sie von der Schweißform abhängen, leicht eingestellt werden.
Die für die Klemme gewählten Materialien sollten bevorzugt nicht mit dem geschmolzenen Metall reagieren und sollten durch das geschmolzene Metall nicht benetzt werden. Es ist auch erwünscht, dass die Klemmenoberfläche glatt oder sogar poliert ist, so dass keine mechanische Wechselwirkung zwischen der Schweißung und der Klemme aufgrund von Infiltration von Oberflächenhohlräumen durch das flüssige Metall und anschließenden mechanischen Eingriff des Hohlraums durch das verfestigte Metall stattfindet. Kandidaten für Klemmenmaterialien können umfassen: Stahl, zementierte Carbide, Graphit, Molybdän, Nickel und nickelbasierte Legierungen, Aluminiumoxid, Al₂O₃, Zirkoniumoxid ZrO₂ und andere.
Die Klemme ist dazu bestimmt, als eine Wärmesenke zu funktionieren und zumindest die latente Schmelzwärme von dem Schweißbad zu entziehen, um einen schnellen Durchsatz zu unterstützen. Wenn eine konvektive Kühlung in der Gasatmosphäre nicht ausreicht, um eine geeignet geringe Temperatur in der Klemme aufrecht zu erhalten, kann diese beispielsweise durch Durchgang von strömendem Kühlmittel aktiv gekühlt werden.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sind nachfolgend beschrieben, während andere dem Fachmann leicht auf Grundlage der in dieser Anmeldung vorgesehenen Beschreibung offensichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Schweiß-Aufstapelung, die aus einer Anzahl von Stromkollektorfolien und einer Lasche besteht.
2 zeigt in einer Seitenansicht eine Schweißaufstapelung, die aus drei Laschen, die jeweils einem spezifischen Beutel zugeordnet sind, und einer Sammelschiene besteht.
3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Darstellung der nach dem Stand der Technik erfolgenden Befestigung der Folien und der Lasche von 1 unter Verwendung einer Anzahl von Ultraschallschweißungen, die unter Verwendung strukturierter Werkzeuge durchgeführt werden.
4 zeigt in einer Seitenansicht eine Darstellung eines Niederdruck-Elektronenstrahlschweißprozesses zum Verschweißen einer Anzahl von Stromkollektorfolien und einer Lasche.
5 zeigt in perspektivischer Ansicht eine mit Fenster versehene Klemme zum Sichern einer Anzahl von Stromkollektorfolien und einer Lasche, wie in 1 gezeigt ist, während der Elektronenstrahlverschweißung der Folien und der Lasche.
6 zeigt in Draufsicht ein alternatives Fenstermuster in einer mit Fenster versehenen Klemme.
7 zeigt in perspektivischer Ansicht eine mit Fenster versehene Klemme zum Sichern einer Anzahl von Stromkollektorfolien und einer Lasche während der Elektronenstrahlverschweißung der Folien und der Lasche mit der Vorkehrung für Flüssigkeitskühlung des verstärkenden Plattenklemmenelements.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hochspannungsbatterien mit beträchtlicher Energie speicherfähigkeit, oftmals der Lithiumionen-Typ, finden weiterhin Anwendung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als Energiespeichersysteme für Elektromotor-Antriebsysteme. Derartige Batterien können, wenn sie vollständig geladen sind, Spannungen von größer als 200 Volt, am üblichsten zwischen 200 und 400 Volt, entwickeln. Dies ist beträchtlich größer als die Spannung, die durch eine einzelne Zelle beliebiger Chemie erzeugt werden, und kann nur durch elektrisches Verschalten einer Mehrzahl einzelner Zellen in Reihe erzeugt werden. Diese Verbindungen von Zelle zu Zelle können eine Quelle für Innenwiderstand der Batterie sein.
Der Innenwiderstand ist unerwünscht, da er die Batteriespannung unter Last reduziert und Wärme erzeugt. Für zumindest diese Gründe sollte der Widerstand aller interner Batterieverbindungen so gering wie möglich sein. Jede Zelle besitzt zwei Verbinder, wobei einer der Anode entspricht und der andere der Kathode entspricht. Bei dem Zellenaufbau werden die Anode und die Kathode auf dünnen Folienstromkollektoren geträgert, die jeweils eine Dicke von weniger als 20 Mikrometer besitzen. Diese Folienstromkollektoren, gewöhnlich Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode, dienen als Verbinder, wenn die Zelle an einer anderen Zelle oder an einer externen Schaltung befestigt wird.
Oftmals ist die Energiespeicherkapazität einer einzelnen Zelle kleiner als für die Batterie erforderlich, so dass eine Anzahl von Zellen parallel verschaltet wird, um die erforderliche Kapazität zu entwickeln. Diese gruppierten, parallel verschalteten Zellen können mit Elektrolyt geladen und innerhalb eines Beutels mit weichen Seiten abgedichtet werden. Bis zu etwa 36 Beutel können dann in ein Modul zusammengebaut werden, zunächst durch Verschalten von etwa 3 Zellen parallel, um die Speicherfähigkeit des Moduls zu erhöhen, und dann Verschalten dieser parallel verschalteten Gruppen von Zellen in Reihe, um die Modulspannung zu erhöhen.
Um einen Beutel herzustellen, wird eine Reihe von Zellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen, zusammengebaut und in einem Beutel (nicht gezeigt) angeordnet. Die 10 bis 20 Mikrometer dicken Stromkollektoren 10 von den Anoden von jeder der Zellen, die in dem Beutel eingeschlossen werden sollen, können gemeinsam als ein Stapel erhalten werden, und die Stromkollektoren 10' (in gestrichelten Linien gezeigt) von den Kathoden jeder Zelle gemeinsam als ein zweiter Stapel erhalten werden. Beide Anoden- und Kathodenstromkollektorstapel werden dann mit ihren jeweils etwa 200 Mikrometer dicken Laschen 12 (für die Anode) und 12' (für die Kathode) an Stellen verschweißt, die allgemein als A und A' bezeichnet sind. Die Verbindungen zwischen den Laschen 12, 12' und einer Sammelschiene (nicht gezeigt) werden bei etwa B und B' hergestellt, und eine beispielhafte Konfiguration für die Anodensammelschienenverbindung ist in 2 gezeigt. 2 zeigt unter anderem drei Beutel 11, 13 und 15 (nicht gezeigt), die in einem Gehäuse (nicht gezeigt) positioniert und durch Träger 17 geträgert sind. Die Laschen 12A, 12B und 12C werden durch den Gehäusedeckel 19 geführt und in Kontakt mit der Sammelschiene 21 gebracht. Die Sammelschiene 21 kann geeignet verschaltet sein, um Serienverschaltungen zwischen parallel verschalteten Beuteln 11, 13 und 15 und ähnlichen Beuteln (nicht gezeigt), die in ähnlicher Weise in dem Gehäuse (nicht gezeigt) angeordnet sind, auszuführen.
Um den Verbindungswiderstand bei Parallelverschaltung der Zellen zu minimieren, ist ein Verschweißen ein bevorzugtes Verbindungsverfahren. Eine gegenwärtige Praxis ist in 3 gezeigt. Die Lasche 12 ist mit dem Stapel 16 von Folien 10 unter Verwendung einer Anzahl linear angeordneter Ultraschallverschweißungen 14 über die Breite der Lasche 12 verbunden. Üblicherweise sind zwei Verschweißungen bevorzugt, wobei jedoch mehr oder weniger Verschweißungen verwendet werden können. Die Ultraschallverschweißungen an der Anode werden durch Klemmen von Folienstapel 16 und Lasche 12 zwischen ausgerichteten Schweißwerkzeugen (nicht gezeigt) und Ultraschall-Erregen zumindest eines der Schweißwerkzeuge durchgeführt, um zu bewirken, dass die aneinander anliegenden Folien- und Laschenseiten aneinander reiben. Diese Reibwirkung erzeugt Wärme aufgrund von Reibung und dient auch einem Brechen und Verlagern bzw. Ablösen der Oberflächenoxidschicht, wobei ein Kontakt von Metall zu Metall zugelassen und eine Bildung einer Festkörperverschweißung unterstützt wird. Der Prozess kann durch Rändeln oder Strukturieren der Schweißwerkzeuge unterstützt werden, um den lokalen Druck in gewählten Bereichen der Schweißwerkzeug-Auflagefläche zu erhöhen. Einem ähnlichen Prozess wird gefolgt, wenn die Schweißlasche 12 mit einer Sammelschiene (nicht gezeigt) verschweißt wird, was in einer Reihe von beabstandeten Schweißungen von Ende zu Ende resultiert, die angeordnet sind, um die Breite der Lasche 12 allgemein zu überspannen. Eine ähnliche Konfiguration von Schweißungen ist als 114 und 114' an der Kathode gezeigt.
Im Betrieb ist eine derartige Verbindung sowohl mechanischen als auch thermischen Spannungen ausgesetzt. Thermische Spannungen entstehen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Massen der dünnen Stromkollektorfolien, der dickeren Lasche und der relativ massiven Schweißung. Diese Differenz der thermischen Masse resultiert in unterschiedlichen Heiz- und Kühlraten für die Folien, die Lasche und die Schweißung, so dass diese Elemente bei verschiedenen Temperaturen sind, was in unterschiedlichen Graden an thermischer Ausdehnung resultiert und dadurch Spannungen bewirkt. Das Vorzeichen und die Größe der Spannungen variieren mit den Batteriebetriebsbedingungen und können mit der Zeit Spalte oder Risse in oder benachbart der Schweißungen entwickeln. Risse, die an den Schweißrändern 18, 18', 118, 118' (3) angeordnet sind, sind insbesondere vorwiegend und können manchmal an allen Schweißungen beobachtet werden. Derartige Risse können sich ausbreiten, um schließlich jegliche Verbindung zwischen den Folien 10 und der Lasche 12 zu gefährden, was zu einem Batterieausfall, führt, wobei jedoch sogar ein teilweiser Ausfall, wie Risse an Rändern 18, 18', 118, 118' unerwünscht sind, da sie den Fügewiderstand weiter erhöhen und so die interne Wärmeerzeugung in der Batterie weiter steigern.
Wie in 3 gezeigt ist, kann eine Reihe einzelner Schweißungen, die über die Laschenoberfläche angeordnet sind, anstatt einer einzelnen Schweißung verwendet werden, die die Breite W der Lasche 12 überspannt. Jedoch können, obwohl einige Schweißungen stärker als andere sein können, diese einzelnen Schweißungen möglicherweise keine angemessene Abstützung bereitstellen, um die thermischen und mechanischen Lasten, denen sie ausgesetzt sind, auszuhalten. Somit kann ein Riss oder ein Ausfall an einer ersten Schweißung zunehmend ähnliche Risse oder Brüche an einer zweiten, dritten oder zusätzlichen Schweißung unterstützen.
Einige dieser Probleme können zumindest vermieden, wenn nicht gelöst werden, in dem die Schweißauflagefläche zur Erstreckung über die volle Breite, etwa 45 Millimeter der Lasche ausgedehnt wird. Jedoch weist dies einige Herausforderungen für Ultraschallschweißen auf: Die Leistungsanforderungen steigen wesentlich; und die Beibehaltung eines gleichförmigen Druckes zur Unterstützung einer gleichförmigen Oxidentfernung über eine derartige Breite ist schwierig. Die Schwierigkeit der Beibehaltung eines gleichförmigen Druckes wird durch die Variabilität der Werkzeugabnutzung, die an der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Werkzeugseite stattfindet, weiter verschlimmert.
Ein geeigneterer Ansatz besteht darin, eine Schmelzschweißung zu verwenden. Eine Schmelzschweißung kann auch eine Möglichkeit zum Einwirken auf die gesamte Schweifzonenfläche bieten und unterstützt durch die Bildung eines homogenen Schweißbades eine stärkere und einen geringeren Widerstand aufweisende Fügestelle, als unter Verwendung von Ultraschallschweißung erhalten werden kann. Jedoch kann die Steuerung des Wärmeeingangs zu einem derartigen Schmelzschweißprozess bei derartig dünnen Werkstücken herausfordernd sein. Das Problem ist insbesondere akut, wenn Aluminium verschweißt wird, aufgrund der anfänglichen Anwesenheit einer nicht leitenden Oxidschicht an seiner Oberfläche.
Das Verhalten von Aluminium kann stark variieren, wenn die Oxidschicht durchdrungen oder entfernt wird, was zu einem Bedarf führt, die Schweißparameter abhängig von dem Zustand des Oxidfilms zu variieren. Häufig ist ein Hochleistungseingang erforderlich, um die isolierende Wirkung der Oxidschicht zu überwinden, jedoch ist, sobald das Schmelzen eingeleitet ist und die Oxidschicht beginnt, sich aufzulösen, ein wesentlich geringerer Leistungseingang erforderlich. Insbesondere mit derart dünnen Werkstücken kann jegliche Verzögerung bei der Reduzierung des Leistungseingangs zumindest einige der Verbinder verdampfen oder ernsthaft schädigen. Alternativ dazu besteht, wenn, um einen überschüssigen Wärmeeingang zu vermeiden, der Wärmeeingang reduziert wird, die Gefahr, dass keine oder eine begrenzte Schmelzung stattfindet, was in einer Fügestelle mit hohem Widerstand und geringer Festigkeit resultiert.
Die Schmelzschweißung kann unter Verwendung von Kontakt- und Nicht-Kontakt-Verfahren erreicht werden. Ein bevorzugtes Kontaktverfahren ist ein elektrisches Widerstandspunktschweißen, jedoch ist zusätzlich zu den Herausforderungen des Oberflächenoxids jegliche Kontaktvorgehensweise denselben Ausrichtungs- und den Abnutzungsproblemen, die die Ultraschallschweißung beeinflussen, ausgesetzt. Somit sind Nicht-Kontakt-Schweißschmelzvorgehensweisen bevorzugt.
Optionen umfassen Laserschweißen und Elektronenstrahlschweißen, jedoch tritt die Laserenergie mit der Oberfläche des Werkstücks in Wechselwirkung und koppelt mit dieser, so dass die Anwesenheit oder Abwesenheit der Oxidschicht und die begleitenden Änderungen und die Variabilität in der Oberflächenreflektivität diesen Prozess unattraktiv macht. Auch übertragen Laser typischerweise nur einen kleinen Anteil, möglicherweise so wenig wie 3 bis 5% der einfallenden Laserenergie in eine Metallwerkstückoberfläche. Auch erzeugen insbesondere für Aluminium die Änderungen der Reflektivität, die während des Schmelzens auftreten, Probleme einer Gefährdung einer Kaltverschweißung oder Verdampfung einiger der Verbinder.
Eine Niederdruckelektronenstrahlverschweißung leidet nicht an diesen Nachteilen. Bei der Elektronenstrahlverschweißung dringen die Elektronen eine kurze Distanz in die Probe ein, um Wärme in dem Werkstück zu erzeugen. Die Eindringung hängt von der Beschleunigungsspannung und invers von der Atomzahl des Werkstückes ab. Beispielsweise können 30 kV Elektronen etwa 2 Mikrometer in Kupfer eindringen und 60 kV Elektronen dringen etwa 10 Mikrometer in Aluminium ein.
Eine Niederdruckelektronenstrahlverschweißung wird in einer Gasatmosphäre ausgeführt, die bei bis zu nahezu atmosphärischem Druck liegen kann. Die Gasatmosphäre, die im Wesentlichen sauerstofffrei sein sollte, um eine Oxidbildung zu vermeiden, kann Argon und Helium enthalten. 4 zeigt einen derartigen Prozess bei einer Konfiguration, die zum Verschweißen einer Mehrzahl von Stromkollektorfolien und einer Lasche miteinander geeignet ist. Ein Werkstückstapel 60 besteht aus gruppierten Folien 10 und einer Lasche 12, die unter einem Elektronenstrahl 20 positioniert sind, so dass der Elektronenstrahl 20 auf die oberste Folie 10 in einem Überlappungsgebiet zwischen den gestapelten Stromkollektorfolien 10 und der Lasche 12 einfällt. Es wird kein Fluss verwendet. Der Werkstückstapel 60 ist auf einer Fläche durch eine Verstärkungsklemme 50 geträgert und wird durch die Wirkung von Druck P komprimiert, der in der durch die Pfeile 58 angegebenen Richtung auf die mit Fenster versehene Klemme 52 aufgebracht angelegt ist. Die mit Fenster versehene Klemme 52 besitzt eine Öffnung 55, um einen Zugang des Elektronenstrahls zu dem Werkstückstapel 60 zuzulassen. Eine Öffnung 55 kann durch vertikale 54 Wände oder verjüngte Wände 56 oder Wände mit beliebiger geeigneter Geometrie begrenzt sein. Die Elektronen werden durch eine Elektronenquelle (nicht gezeigt) erzeugt, die in der Kammer 22 enthalten ist, die durch die Wand 24 begrenzt und bei einem Druck von etwa 10^–5 Torr durch Wirkung einer Unterdruckpumpe (nicht gezeigt) gehalten ist, die Gas, wie durch Pfeil 36 angegeben ist, an Durchbrechung 34 austrägt. Die Elektronen werden dann durch eine Anode (nicht gezeigt) beschleunigt, die typischerweise auf einem Potential zwischen etwa 60 und 150 kV gehalten ist, und werden durch Magnetspulen 46 fokussiert. Nach Durchgang durch Durchbrechungen 23, 23 und 31 in den Kammerwänden 24, 28 bzw. 32 tritt der Strahl in das Gebiet 48 ein, das bei oder nahe atmosphärischen Druck gehalten ist und Argon und Helium und im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält. Während der Gasphasenstreuung dispergiert der Elektronenstrahl hauptsächlich mit den massiveren Argonatomen. Die Größe des Strahls, der auf den Werkstückstapel 60 einfällt, sollte kleiner als die Abmessung D der Öffnung 55 erhalten werden, so dass der Strahl nicht auf die Klemme gerichtet wird. Dies kann durch Steuern der Abstandsdistanz zwischen der Elektronenkanone und dem Werkstück oder durch Einstellung von Spulen 46 oder durch eine beliebige Kombination dieser Vorgehensweisen durchgeführt werden.
Die für die Klemme gewählten Materialien sollten nicht mit dem geschmolzenen Metall reagieren und sollten nicht durch das geschmolzene Metall benetzt werden. Es ist auch erwünscht, dass die Klemmenoberfläche glatt oder sogar poliert ist, so dass keine mechanische Wechselwirkung zwischen der Schweißung und der Klemme aufgrund von Infiltration von Oberflächenhohlräumen durch flüssiges Metall und anschließenden mechanischen Eingriff des Hohlraums durch das verfestigte Metall stattfindet. Kandidaten für Materialien können umfassen: Stähle, zementierte Carbide, Graphit, Molybdän, Nickel und nickelbasierte Legierungen, Aluminiumoxid, Al₂O₃, Zirkoniumoxid ZrO₂, und andere.
Konzentrische Kammern 22, 26 und 30 werden bei verschiedenen Drücken durch die Wirkung von Unterdruckpumpen (nicht gezeigt) gehalten, die mit Durchbrechungen 34, 38 bzw. 42 zum Austrag von Gasen verbunden sind, wie durch die Pfeile 36, 40 bzw. 44 angegeben ist. Die dynamische Druckdifferenz wird trotz des Gasflusses von Kammer zu Kammer, der durch die Durchbrechungen 23, 27 und 31 ermöglicht wird, beibehalten. Typische Drücke in jeder der Kammern 26 und 30 können 10^–2 bzw. 10⁰ Torr sein.
Die Leistungsdichte des Elektronenstrahls 20 kann ausreichend sein, um Schweißnähte bei Schweißgeschwindigkeiten von oberhalb 60 m/min in den diskutierten dünnen Materialien zu erzeugen, wobei eine Strahlabmessung zum Überspannen zumindest einer der Fensterabmessungen des Fensters 55 geeignet ist, wie am besten in 5 zu sehen ist. Bezug nehmend auf 5 fällt ein Elektronenstrahl 20, der als allgemein konisch dargestellt ist, auf das Fenster 55 der mit Fenster versehenen Klemme 52 ein und ist so bemessen, dass er geringfügig kleiner als die Abmessung D des Fensters 55 ist. Somit ist eine Breite von etwa der Abmessung D des Werkstückstapels 60 (3) dem Elektronenstrahl ausgesetzt. Um im Wesentlichen die gesamte Breite L des Fensters 55 dem Elektronenstrahl auszusetzen, kann der Strahl elektromagnetisch unter Verwendung von Ablenkspulen (nicht gezeigt) über die Breite gesteuert werden oder das Werkstück kann unter einem stationären Elektronenstrahl über die Breite L verfahren werden.
Die einfallende Energie des Elektronenstrahls kann mit der Oberfläche des Werkstückstapels 60 (3) koppeln, wobei zunehmend alle Folien 10 in ein Schmelzbad geschmolzen werden. Die Lasche 12 kann auch geschmolzen und in das Schmelzbad aufgenommen werden oder das Schmelzbad kann mit einer Fläche der Lasche 12 in Kontakt stehen, die nur in einem Ausmaß geschmolzen ist, das ausreichend ist, um die Lasche und das Schmelzbad bei Verfestigung miteinander zu verschmelzen. Der Elektronenstrahl kann die Breite L des Fensters 55 überqueren. Nach Durchgang unter dem Elektronenstrahl kann sich das Schmelzbad, das durch die Verstärkungsklemme 50 geträgert und auf die Öffnung 55 durch Öffnungsgrenzrand 54 oder 56 beschrankt ist, verfestigen, um eine verschmolzene Schweißfügestelle über eine Breite L des Werkstückstapels 60 zu bilden. Der miteinander verschmolzene Werkstückstapel kann dann aus dem Raum zwischen den Klemmelementen 50 und 52 entfernt werden. Einer ähnlichen Vorgehensweise kann beim Schmelzen von Laschen an eine Sammelschiene gefolgt werden, wie in 2 gezeigt ist.
Die Öffnung 55, die die Draufsicht-Schweißkonfiguration bestimmt, ist als ein rechter Winkel gezeigt worden, der in einer einzelnen rechtwinkligen Schweißung resultiert. Es sei angemerkt, dass andere Öffnungen, wie Kreise, Winkel, Rauten und dergleichen verwendet werden können, falls diese Schweißformen eine überlegene Beständigkeit gegenüber den thermischen und mechanischen Lasten unterstützen, auf die die Batterie im Betrieb trifft. Ähnlicherweise kann die mit Fenster versehene Klemme 52 eine Mehrzahl von Fenstern irgendeiner bevorzugten Draufsichtsform oder -anordnung integrieren, beispielsweise die kreisförmigen Öffnungen, die in 55' in der mit Fenster versehenen Klemme 52' bei 6 gezeigt sind, falls eine derartige Konfiguration eine überlegene Schweißleistungsfähigkeit unterstützt. Auch kann, während es bevorzugt ist, dass das Ausmaß des Schweißbades in zumindest einer Richtung, beispielsweise D in 5 oder D' in 6, mit dem Ausmaß des Elektronenstrahls vergleichbar ist, entweder der Elektronenstrahl oder das geklemmte Werkstück abgetastet oder gerastert werden, um eine vollständige Abdeckung der Öffnungen 55 oder 55' zu erreichen, falls es erforderlich ist.
Die Abmessung des Elektronenstrahls kann durch Änderung der Abstandsdistanz zwischen der Kammerwand 32 und dem Werkstück eingestellt werden, um mehr Elektronengasstreuung zu unterstützen, oder kann durch Einstellen der Fokussierungswirkung von Magnetspulen 46 eingestellt werden, um einen divergenteren oder konvergenteren Strahl zu erzeugen.
Unter geeignet hohen Erzeugungsraten kann es sein, dass nicht ausreichend Zeit zur Verfügung steht, das entweder eines oder beide der mit Fenster versehenen Klemme 52 und der Verstärkungsklemme 50 ausreichend während der Zeit zwischen Entfernung eines Werkstücks und Beladen des Nächsten abkühlt. Unter diesen Umständen kann eine aktive Kühlung verwendet werden. In 7 ist eine Verstärkungsklemme 50 in thermischen Kontakt mit einem befestigten Kühler gezeigt, der die Vorkehrung für Zutritt 64 und Austritt 66 eines strömenden Kühlmittels, wie durch Pfeil 68 angegeben ist, umfasst, das bei einer geeigneten Temperatur durch einen Kühler (nicht gezeigt) gehalten wird. Eine ähnliche Vorrichtung kann in thermischem Kontakt mit der mit Fenster versehenen Klemme 52 befestigt werden, falls es gewünscht ist. Andere Mittel zum Unterstützen einer Kühlung von Klemmenelementen 50 und 52, beispielsweise mit Rippen versehene, thermisch leitende Wärmesenken, die dem Fachmann gut bekannt sind, können ebenfalls verwendet werden.
Die Praxis der Erfindung ist durch Bezugnahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen gezeigt worden, die als beispielhaft und nicht beschränkend beabsichtigt sind. Der vollständige Schutzumfang der Erfindung ist nur durch die folgenden Ansprüche zu definieren und zu beschränken.

Claims

Verfahren zum Schmelzschweißen einer Mehrzahl von Stromkollektoren, die jeweils mit einer Elektrode einer Lithiumionen-Batterie elektrisch verbunden und im Wesentlichen aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sind, mit einem Laschenverbinder in einem Schweißgebiet, wobei das Verfahren umfasst: Ausrichten der Mehrzahl von Stromkollektoren, die jeweils eine Dicke im Bereich von 10 bis 20 Mikrometer besitzen, und der Verbinderlasche, die eine Dicke von etwa 200 Mikrometer besitzt, um einen Werkstückstapel zu bilden, wobei die Stromkollektoren miteinander gruppiert und auf der Verbinderlasche positioniert sind; Klemmen und Verdichten des Stapels zwischen gegenüberliegenden Flächen von zwei Klemmenelementen mit allgemein Planaren Stapelkontaktflächen, wobei ein Element zumindest eine Öffnung zum Zugriff auf einen Abschnitt der Oberfläche des obersten Stromkollektors in dem Stapel besitzt; Positionieren des Stapels in einer allgemein horizontalen Orientierung; Anordnen der Klemme und des Stapels in einer im Wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre bei etwa atmosphärischem Druck und von oben erfolgendes Bestrahlen im Wesentlichen nur des zugänglichen Abschnitts der Stapeloberfläche mit einem Elektronenstrahl, um die oberste Folie des Stapels zu heizen und zu schmelzen, und dann Fortsetzen der Bestrahlung des Stapels für eine Zeitdauer, die vorbestimmt ist, um Abschnitte von jedem der Stromkollektoren zunehmend zu schmelzen, die in der Klemmenelementöffnung angeordnet sind, und ein Schmelzbad an der Laschenfläche zu bilden, bevor die Elektronenbestrahlung beendet wird, und Kühlen des Stapels, wodurch diese Abschnitte der Stromkollektoren und der Lasche, die in der Klemmenelementöffnung angeordnet sind, miteinander verschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einem Verstellen der Klemmenelementöffnung relativ zu dem Elektronenstrahl, bis im Wesentlichen die gesamte Klemmenelementöffnung den Elektronenstrahl ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die im Wesentlichen inerte Atmosphäre Argon und Helium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Klemmenelementöffnung im Wesentlichen kreisförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Klemmenelemente aus einem oder mehreren der Gruppe hergestellt sind, die aus Stahl, zementiertem Carbid, Graphit, Molybdän, Nickel und nickelbasierten Legierungen, Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid besteht.
Verfahren zum Schmelzschweißen einer Mehrzahl von Laschenverbindern, die im Wesentlichen aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sind, und jeweils mit einer Mehrzahl von Stromkollektoren einer Mehrzahl von Lithiumionenzellenelektroden elektrisch verbunden sind, mit einer Sammelschiene, wobei das Verfahren umfasst: Ausrichten der Mehrzahl von Laschenverbindern, die jeweils etwa 200 Mikrometer dick sind, und der 500 bis 1000 Mikrometer dicken Sammelschiene, um einen Werkstückstapel zu bilden; Klemmen und Verdichten des Stapels zwischen gegenüberliegenden, allgemeinen planaren Flächen von zwei Klemmenelementen, wobei ein Element zumindest eine Öffnung zum Zugriff auf einen Abschnitt der Stapelfläche besitzt; Positionieren des Stapels in einer allgemein horizontalen Orientierung; Anordnen der Klemme und des Stapels in einer im Wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre bei etwa atmosphärischem Druck und Aussetzen des zugänglichen Abschnitts der Stapeloberfläche zu einem Elektronenstrahl, wobei der Elektronenstrahl über dem Stapel positioniert ist und eine geeignete Leistungsdichte besitzt, um den Stapel für eine Zeit zu erhitzen und zu schmelzen, die ausreichend ist, um den Stapel so zu erhitzen und zu schmelzen, dass die Laschenverbinder und die Sammelschiene miteinander verschmolzen werden; und optional Verfahren des Strahls über die gesamte Öffnung, um die Laschenverbinder und die Sammelschiene, die in dem zugänglichen Abschnitt des Stapels angeordnet sind, miteinander zu verschmelzen und zu verschweißen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Öffnung im Wesentlichen kreisförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Klemmenelemente aus einem oder mehreren der Gruppe hergestellt sind, die aus Stahl, zementiertem Carbid, Graphit, Molybdän, Nickel und nickelbasierten Legierungen, Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Klemmenelemente gekühlt werden.
Lithiumionen-Batterie, bei der eine Mehrzahl von Stromkollektoren mit einer Verbinderlasche unter Verwendung einer Niederdruckelektronenstrahlschweißung schmelzverschweißt ist, wobei die Stromkollektoren im Wesentlichen aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sind.